WO2002075157A1 - Turbomolekularpumpe - Google Patents

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Roland Blumenthal
Robert Stolle
Thomas Palten
Dirk Kalisch
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Leybold Vakuum Gmbh
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • the invention relates to a turbomolecular pump with a stator, a rotor and a cooling device provided on the stator.
  • a turbomolecular pump serves to generate a high vacuum in that the individual gas particles to be pumped receive an impulse in the conveying direction by collisions with rapidly moving surfaces of a rotor.
  • the speed of rotation of the rotor is so great that the peripheral speed (on the outer edge of the rotor disks) is of the order of magnitude of the average thermal speed of the gas molecules to be pumped.
  • the speed is between 20,000 and 100,000 rpm.
  • Turbomolecular pumps in which the stator contains a cooling device are known.
  • the cooling or temperature control of the stator to a desired value is relatively easy to carry out, for example by installing a cooling coil with appropriate control of the coolant throughput.
  • the temperature of the rotor is difficult to control because it is not possible to supply a cooling medium to the rotor during operation and also to discharge it again.
  • the invention has for its object to provide a turbomolecular pump that enables effective heat dissipation from the discs of the rotor.
  • the stator and / or the rotor have a surface with a heat radiation emissivity ⁇ of at least 0.7.
  • Emissivity is a dimensionless quantity that can take values between 0 and 1. It specifies the radiance of an area, which is equal to ⁇ the absorptivity and has the value 1 for a black body.
  • the discs of the stator and rotor of a turbomolecular pump usually consist of aluminum, which is coated with nickel and forms a smooth surface, the emissivity of which is approximately 0.3, According to the emissivity of the surface of the pane is relatively high.
  • the emissivity of at least 0.7 preferably applies both to the disks of the stator and to those of the rotor.
  • the invention is based on the idea that heat can be transferred from the rotor to the stator by heat conduction, convection and heat radiation. Since the panes do not touch each other, heat conduction takes place only to a small extent, since the density of the gas is low. As a result of the vacuum, there is only minimal heat transfer by convection. Due to the high value of ⁇ , a high heat flow is generated by heat radiation, which causes the rotor temperature to be adjusted in the direction of the stator temperature.
  • the surfaces of the disks are preferably formed from a coating, in particular from a ceramic material.
  • the coating preferably contains aluminum oxide.
  • Another way of achieving a surface with high radiation emissivity is to roughen the surface, for example by blasting (in the manner of sandblasting) or etching.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a first embodiment of a turbomolecular pump
  • 2 shows a modified embodiment compared to FIG. 1 with a thread step following the disc step according to the Holweck principle
  • the turbomolecular pump has a pump housing 10 which has a vacuum connection 11 at one end and is sealed off at the opposite end by a base flange 12.
  • the housing 10 contains a stator 14 made of numerous rings, which form a package, from which blades or disks 16 protrude radially inwards.
  • the stator 14 surrounds a rotor 15 which has a rotor shaft 18 which is driven by a motor 17.
  • the rotor 15 has a rotor shaft 18 which is driven by a motor 17.
  • the motor 17 is accommodated together with a magnetic bearing of the shaft 18 in a cartridge 22 which is held over a certain part which is screwed onto the base flange 12.
  • the stator or a thermally conductive bonded part for example the base flange 12 or the cartridge 22 or the motor 17, contains a temperature sensor 21.
  • the base flange 12 contains a cooling coil 24 through which a cooling medium flows. The flow rate of the cooling medium is regulated as a function of the temperature that the temperature sensor or sensors 21 indicate.
  • the mutually facing surfaces of the disks 16 and 20 are provided with a coating made of KEPL ⁇ -Coat (registered trademark of AHC fatiguentechnik GmbH & Co. OHG, Kerpen), a ceramic which has aluminum oxide.
  • This coating has a radiation emissivity ⁇ of more than 0.7.
  • the rotor 15 which heats up during operation of the turbomolecular pump, emits radiant heat to the stator 14, which is cooled by the cooling device 24, via the disks 20.
  • the exchanged thermal output Q results from the following equation:
  • T R is the temperature of the rotor in K
  • T s the temperature of the stator in K.
  • the exemplary embodiment in FIG. 2 is a turbomolecular pump in which a threaded stage 26 is connected to the disk section 25 of the mating disks 16 and 20 of the rotor and stator.
  • the rotor 15 has on its outside a helical groove 27 which moves along a cylindrical inner surface 28 of the stator 10 at a short distance.
  • the thread stage 26 adjoins the disk stage 25.
  • the threaded stage 26 which is also referred to as the Holweck stage, at least the mutually facing surfaces of the stator 10 and rotor 15 are also equipped with a heat radiation emissivity ⁇ of at least 0.7.
  • the temperature sensors 21 are provided on stationary components, for example on the base flange 12, on the cartridge 22 or on the motor 17.
  • a cooling device 24 is provided in the base flange 12.
  • turbomolecular pump which consists of only one threaded stage or hollow-waking stage, helical grooves 27a, 27b being provided on the inner wall of the stator 10, while the rotor 15 has a cylindrical outer surface.
  • the threads of the thread stages 27a and 27b are in opposite directions.
  • the pump conveys from the vacuum connection 11 to the forevacuum connection 13, which is located in the axial center of the pump and to which the helical grooves of the thread stages run.
  • the rotor 15 is driven by a motor 17.
  • a cooling device (not shown) is provided in the stator 10, the cooling capacity of which is regulated by at least one temperature sensor 21.
  • the facing surfaces of the stator and rotor have an emissivity ⁇ of at least 0.7.
  • FIG. 4 shows a turbo-molecular pump according to the Siegbahn principle, whereby a disk-shaped rotor 15 in a stator 10 or housing rotates.
  • the disk-shaped rotor 15 has flat surfaces, each of which faces a spiral groove 28a, 28b of the stator.
  • the pump delivers from the vacuum connection 11 to the forevacuum connection 13.
  • the spiral grooves 28a, 28b being provided on the surfaces of the disk-shaped rotor 15, while the inner surfaces of the stator 10 are flat.
  • ⁇ is at least 0.7, so that heat is dissipated by radiation from the rotor to the stator.

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Abstract

Die Turbomolekularpumpe weist einen Stator (14) und einen Rotor (15) auf. Der Stator (14) ist durch eine Kühlvorrichtung (24) gekühlt. Zur Ermöglichung einer Wärmeabfuhr vom Rotor (15) haben die Scheiben des Stators und/oder der Rotors eine Wärmestrahlungsemissivität ε von mindestens 0,7. Dadurch erfolgt ein Wärmetransport vom Rotor zum Stator durch Wärmestrahlung. Der Rotor wird gegen Überhitzung geschützt.

Description

Turbomolekularpumpe
Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit einem Stator, einem Rotor und einer am Stator vorgesehenen Kühlvorrichtung.
Eine Turbomolekularpumpe dient dazu, ein Hochvakuum zu erzeugen, indem die einzelnen abzupumpenden Gasteilchen durch Zusammenstöße mit schnell bewegten Flächen eines Rotors einen Impuls in Förderrichtung erhalten. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors ist so groß, dass die Umfangsgeschwindigkeit (am Außenrand der Rotorscheiben) in die Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der zu pumpenden Gasmoleküle kommt. Je nach Größe der Pumpe beträgt die Drehzahl zwischen 20.000 und 100.000 U/min.
Für die Verwendung von Turbomolekularpumpen in Hochvakuumprozessen der Halbleiter- und Beschichtungstechnologie gewinnt die Temperatur des vom Medium durchströmten Pumpenbereichs so- wie der Flächen, die diesen Pumpenbereich begrenzen, immer mehr an Bedeutung. Es besteht häufig die Forderung, diese Bereiche zu beheizen bzw. auf einer möglichst hohen Temperatur zu halten. Der maximale thermische Einsatzbereich wird in der Regel von der zulässigen Maximaltemperatur des Rotors begrenzt. Ein Überschreiten der zulässigen Temperatur führt zu frühzeitigem Versagen der Turbine durch Materialkriechen oder gar Materialbruch.
Turbomolekularpumpen, bei denen der Stator eine Kühlvorrichtung enthält, sind bekannt. Die Kühlung bzw. Temperaturregelung des Stators auf einen gewünschten Wert ist relativ einfach durchzuführen, beispielsweise durch den Einbau einer Kühlschlange mit entsprechender Regelung des Kühlmitteldurchsatzes. Dagegen ist die Temperatur des Rotors schwierig zu beherrschen, weil es nicht möglich ist, während des Betriebes dem Rotor ein Kühlmedium zuzuführen und es auch wieder abzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, die eine wirksame Wärmeabfuhr von den Scheiben des Rotors ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach weisen der Stator und/oder der Rotors eine Oberfläche mit einer Wär- mestrahlungsemissivität ε von mindestens 0,7 auf. Die Emissivi- tät ist eine dimensionslose Größe, die Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Sie gibt das' Strahlungsvermögen einer Fläche an, das gleich ■ dem Absorptionsvermögen ist und für einen schwarzen Körper den Wert 1 hat. Während die Scheiben von Stator und Rotor einer Turbomolekularpumpe üblicherweise aus Aluminium bestehen, das mit Nickel beschichtet ist und eine glatte Oberfläche bildet, deren Emissivität etwa 0,3 beträgt, ist erfin- dungsgemäß die Emissivität der Scheibenoberfläche relativ hoch. Vorzugsweise gilt die Emissivität von mindestens 0,7 sowohl für die Scheiben des Stators als auch für diejenigen des Rotors.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass ein Wärmeübertrag vom Rotor auf den Stator durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung erfolgen kann. Da die Scheiben einander nicht berühren, findet Wärmeleitung nur in geringem Maße statt, da die Dichte des Gases gering ist. Infolge des Vakuums kommt ist eine Wärmeübertragung durch Konvektion nur geringfügig vorhanden. Durch den hohen Wert von ε wird ein hoher Wärmefluss durch Wärmestrahlung erzeugt, wodurch eine Angleichung der Rotortemperatur in Richtung auf die Statortemperatur bewirkt wird.
Die Oberflächen der Scheiben sind vorzugsweise von einer Beschichtung gebildet, insbesondere aus einem Keramikmaterial. Vorzugsweise enthält die Beschichtung Aluminiumoxid.
Eine andere Möglichkeit der Erzielung einer Oberfläche mit hoher Strahlungsemissivität besteht darin, die Oberfläche auf- zurauen, beispielsweise durch Strahlen (nach Art des Sand- strahlens) oder Ätzen.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.l einen schematischer Längsschnitt durch eine erste Aus- führungsform einer Turbomolekularpumpe, Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Ausführungsform mit einer sich an die Scheibenstufe anschließenden Gewindestufe nach dem Holweck-Prinzip,
Fig. 3 eine Turbomolekularpumpe nach dem Holweck-Prinzip,
Fig. 4 eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prinzip, wobei die spiralförmigen Nuten sich am Stator befinden, und
Fig. 5 eine weitere Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn- Prinzip, wobei die Spiralen sich am Rotor befinden.
Die Turbomolekularpumpe weist ein Pumpengehäuse 10 auf, das an einem Ende einen Vakuumanschluss 11 besitzt und am gegenüberliegenden Ende durch einen Basisflansch 12 abdichtend verschlossen ist. Vom Basisflansch 12 geht der Vorvakuumanschluss 13 ab, an den eine Vorvakuumpumpe angeschlossen wird.
Das Gehäuse 10 enthält einen Stator 14 aus zahlreichen Ringen, welche ein Paket bilden, von dem Schaufeln oder Scheiben 16 radial nach innen abstehen.
Der Stator 14 umgibt einen Rotor 15, der eine Rotorwelle 18 aufweist, welche von einem Motor 17 angetrieben ist. Der Rotor
15 weist zahlreiche radial abstehende Scheiben 20 auf, die jeweils zwischen die Scheiben 16 des Stators ragen. Die Scheiben
16 und 20 bilden jeweils Kompressionsstufen.
Der Motor 17 ist zusammen mit einer Magnetlagerung der Welle 18 in einer Kartusche 22 untergebracht, welche über einen bestimmten Teil gehalten wird, das an dem Basisflansch 12 angeschraubt ist. Der Stator oder ein damit wärmeleitend ver- bundenes Teil, beispielsweise der Basisflansch 12 oder die Kartusche 22 oder der Motor 17, enthält einen Temperaturmessfühler 21. Der Basisflansch 12 enthält eine Kühlschlange 24, die von einem Kühlmedium durchströmt ist. Die Durchflussrate des Kühlmediums wird in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt, die der oder die Temperaturmessfühler 21 angeben.
Die einander zugewandten Flächen der Scheiben 16 und 20 sind mit einer Beschichtung aus KEPLÄ-Coat (registrierte Marke der Fa. AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG, Kerpen) versehen, einer Keramik, die Aluminiumoxid aufweist. Diese Beschichtung hat eine Strahlungsemissivität ε von mehr als 0,7.
Der sich beim Betrieb der Turbomolekularpumpe erwärmende Rotor 15 gibt über die Scheiben 20 Strahlungswärme an den Stator 14 ab, welcher durch die Kühlvorrichtung 24 gekühlt wird. Die ausgetauschte Wärmeleistung Q ergibt sich nach folgender Gleichung:
Figure imgf000007_0001
Hierin ist
Q die ausgetauschte Wärmeleistung in W,
A die Fläche der sich gegenüberstehenden Scheiben in m2, εR die Emissivität bzw. der Emissionsgrad des Rotors, εs die Emissivität bzw. der Emissionsgrad des Stators, σ = 5,67 W/m2K4, die Boltzmann-Konstante (Naturkonstänte) ,
TR die Temperatur des Rotors in K,
Ts die Temperatur des Stators in K. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 handelt es sich um eine Turbomolekularpumpe, bei der sich an den Scheibenabschnitt 25 der zusammengreifende Scheiben 16 und 20 von Rotor und Stator enthält, eine Gewindestufe 26 anschließt. In der Gewindestufe 26 hat der Rotor 15 an seiner Außenseite eine schraubenförmige Nut 27, die sich mit geringem Abstand an einer zylindrischen Innenfläche 28 des Stators 10 entlangbewegt. Die Gewindestufe 26 schließt sich an die Scheibenstufe 25 an. In der Gewindestufe 26, die auch als Holweck-Stufe bezeichnet wird, sind ebenfalls mindestens die einander zugewandten Flächen von Stator 10 und Rotor 15 mit einer Wärmestrahlungsemissivität ε von mindestens 0,7 ausgestattet. Die Temperaturmessfühler 21 sind an stationären Komponenten vorgesehen, beispielsweise am Basisflansch 12, an der Kartusche 22 oder am Motor 17. Eine Kühlvorrichtung 24 ist im Basisflansch 12 vorgesehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 handelt es sich um eine Turbomolekularpumpe, die nur aus einer Gewindestufe oder Hohlweck-Stufe besteht, wobei schraubenförmige Nuten 27a, 27b an der Innenwand des Stators 10 vorgesehen sind, während der Rotor 15 eine zylindrische Außenfläche hat. Die Gewindegänge der Gewindestufen 27a und 27b sind gegenläufig. Die Pumpe fördert von dem Vakuumanschluss 11 zu dem Vorvakuumanschluss 13, der sich in der axialen Mitte der Pumpe befindet und auf den die schraubenförmigen Nuten der Gewindestufen zulaufen. Der Rotor 15 wird von einem Motor 17 angetrieben. Auch hier ist eine (nicht dargestellte) Kühlvorrichtung im Stator 10 vorgesehen, deren Kühlleistung von mindestens einem Temperaturmessfühler 21 geregelt wird. Die einander zugewandten Flächen von Stator und Rotor haben eine Emissivität ε von mindestens 0,7. 'Fig. 4 zeigt eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prinzip, wobei ein scheibenförmiger Rotor 15 in einem Stator 10 oder Gehäuse rotiert. Der scheibenförmige Rotor 15 weist ebene Flächen auf, die jeweils einer spiralförmigen Nut 28a, 28b des Stators zugewandt sind. Die Pumpe fördert von dem Vakuumanschluss 11 zu dem Vorvakuumanschluss 13.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 handelt es sich ebenfalls um eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prinzip, wobei die spiralförmigen Nuten 28a, 28b an den Flächen des scheibenförmigen Rotors 15 vorgesehen sind, während die Innenflächen des Stators 10 eben sind.
Auch bei den Ausführungsbeispielen von Fign. 4 und 5 ist ε mindestens 0,7, so dass eine Wärmeabfuhr durch Strahlung von dem Rotor auf den Stator erfolgt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Turbomolekularpumpe mit einem Stator (14), einem Rotor (15) und einer am Stator (14) vorgesehenen Kühlvorrichtung (24), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diejenigen Oberflächen des Stators (14) und/oder des Rotors (15) , die dem jeweils anderen Teil (Rotor bzw. Stator) zugewandt sind, eine Wärmestrahlungsemissivität ε von mindestens 0,7 aufweisen.
2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen von einer Beschichtung gebildet sind.
3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Keramikmaterial besteht.
4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Aluminiumoxid aufweist.
5. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Scheiben (16,20) durch Aufrauhen bearbeitet sind.
6. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stator (14) oder an einem mit dem Stator (14) verbundenen Bauteil ein Temperaturmessfühler (21) zur Regelung der Kühlvorrichtung (24) angeordnet ist.
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