WO2004015272A1 - Evakuierungseinrichtung - Google Patents

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WO2004015272A1
WO2004015272A1 PCT/EP2003/005136 EP0305136W WO2004015272A1 WO 2004015272 A1 WO2004015272 A1 WO 2004015272A1 EP 0305136 W EP0305136 W EP 0305136W WO 2004015272 A1 WO2004015272 A1 WO 2004015272A1
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suction
vacuum pump
stator
pressure
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Inventor
Ralf Adamietz
Roland Blumenthal
Dirk Kalisch
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Leybold Vakuum Gmbh
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/044—Holweck-type pumps

Definitions

  • the invention relates to an evacuation device with the features of the preamble of claim 1.
  • evacuation means having a suction side and a atmospharen horridas paragraphen vacuum pump (roughing pump).
  • the suction-side vacuum pump is usually designed as a mechanical, kinetic vacuum pump. These include gas ring pumps, turbo vacuum pumps (axial, radial) as well as molecular and turbomolecular vacuum pumps.
  • the gases to be conveyed behave molecularly, that is to say that a directional flow can only be achieved by pump structures which give the individual gas molecules impulses with a preferred direction, the desired direction of flow. Since the gas molecules in the chamber to be evacuated have no preferred direction of movement, only such gas molecules get into the intake port of the connected vacuum pumps that happen to have this direction of movement.
  • An " evacuation device of the type concerned here is known from EP-363 503 AI.
  • the rotor and stator of the mechanical kinetic vacuum pump are cylindrical.
  • the rotor has a conical hub, the diameter of which increases in the direction of the pressure side.
  • the width of the webs between the hub and the cylindrical inner surface of the stator accordingly decreases in the direction of the pressure side.
  • This solution has the advantage that the inlet cross-section for the molecular behaving gases, ie the suction-side ring surface into which the gases to be conveyed enter, is relatively large, and an evacuation device of the known type is therefore particularly suitable for applications in which there is a requirement for high gas throughputs.
  • the object of the present invention is to further improve an evacuation device of the type concerned here with regard to the demand for high gas throughputs.
  • the hub is conical, as in the evacuation device according to the prior art.
  • evacuation means of Entrance fee 'tsquer- is cut by a multiple greater than in the prior Techni.
  • the lines which represent the shape of the outside diameter of the rotor and the inside diameter of the stator in a longitudinal section through the suction-side vacuum pump, are curved in such a way that the slope of the curves increases from the suction side to the pressure side. It is particularly expedient if these lines essentially have the shape of a hyperbola.
  • This design of the suction-side vacuum pump ensures. an optimal and above all trouble-free flow of the extracted gases and thus contributes significantly to the goal of improving the gas throughput. Overall, a significant improvement in the power density is achieved, that is to say that the ratio of the performance of the suction-side vacuum pump to its mass is significantly greater than in the prior art. Further advantages and details of the invention will be explained on the basis of exemplary embodiments shown schematically in FIGS.
  • FIG. 1 shows a section through a solution with a conical stator and cylindrical rotor hub
  • FIG. 2 shows a section through a solution with a conical stator and a conical rotor hub
  • Figure 3 shows a section through a solution with an inwardly curved stator and an outwardly curved rotor hub and
  • Figure 4 shows a solution according to Figure 3, in which the rotor is shown in view.
  • the device according to the invention is denoted by 1, the suction-side vacuum pump by 2 and the vacuum pump on the atmospheric pressure side shown only as a symbol by 3.
  • the suction-side pump 2 is designed as a mechanical kinetic vacuum pump. It has a three-part housing 4 with sections 5, 6 and 7.
  • the suction-side section 5 is equipped with a flange 8 which forms the suction opening 9 and is used for connection to a system to be evacuated.
  • Its inner wall 10 forms the stator component of the mechanical kinetic vacuum pump 2.
  • the housing section 5 surrounds the rotor 11. This includes a hub 12 which on its outside carries the structure 13 which effects the gas production.
  • These are webs 14 (cf. in particular FIG.
  • the at least internally conical housing section 5 is supported on the central, essentially cylindrical housing section 6.
  • the lower part of the housing section 5 projects with a lower end section 18 into the housing section 6, to the end of the rotor 11 on the pressure side
  • the hub 12 is hollow. In the area of the suction side, it has a disk 23 which separates a pressure-side cavity 24 in the hub 12 from the suction side.
  • the lower housing section 7 is approximately cup-shaped and fastened to the middle housing section 6. Together with the pressure-side cavity 24 in the hub
  • FIG. 12 shows an engine and storage room.
  • Figures 1 to 3 are a drive motor and bearings for the Rotor not shown in detail. These components are known per se.
  • the storage suitably consists of magnetic bearings. They are for mechanical kinetic vacuum pumps because of that. high rotor speeds particularly suitable.
  • FIG. 4 shows those parts of the drive and bearing system that protrude into the housing section 7.
  • An emergency running bearing 25 and components 26 of an eddy current brake (?) Can be seen.
  • the outer contour of the rotor 11 and the stator 10 inner surface of the housing 2 are conical, in such a way that the diameter of the outer contour of the rotor and the stator decrease from the suction side to the pressure side. This achieves the desired enlargement both of the entry cross section for the molecules to be removed from the connected recipient and of the peripheral speed of the structure 13.
  • the hub 12 of the rotor 11 is also conical, in such a way that the hub diameter increases from the suction side to the pressure side. This measure further increases the entry area for the molecules to be conveyed.
  • the outer contour of the rotor 11 and the stator 10 have an inward curvature.
  • a significantly improved gas flow through the pump 2 can be achieved by this measure, that is, freed from interference. It is particularly expedient if the stator 10 and the outer contour of the rotor 11 have a hyperbolic course. Result of this measure . is the following calculation:
  • the first term describes the Cuette flow and the second term the channel backflow caused by the pressure gradient. All geometry data, with the exception of the channel depth, can be assumed to be essentially constant over the axial length. In addition, the denominator is approximated by 2 in the first term, since the ratio s / h is rather small. The viscosity is also approximated as a variable independent of the pressure. You can therefore write:
  • a linear pressure curve in the pump therefore results in a coordinate system with the axis of rotation
  • the shape of the rotor hub 12 was initially disregarded in this calculation. It can be cylindrical, conical or curved outwards, as shown in FIGS. 1 to 4. From the point of view of simple manufacture, the conical shape (FIG. 2) is preferable. From the point of view of a possible undisturbed flow, a slight curvature inwards - appropriately also. Hyperbolic - is expedient.

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  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung (1) zur Evakuierung einer Kammer auf Drücke im Hochvakuumbereich, bestehend aus einer saugseitigen Vakuumpumpe (2) und einer atmosphärendruckseitigen Vakuumpumpe(3); die saugseitige Vakuumpumpe (2) ist als mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem Rotor (11) und einem Stator (10) ausgebildet; der Stator (10) besitzt eine rotationssymmetische Innenfläche, die der äußeren Rotorgeometrie angepasst ist; der Rotor (11) der mechanischen kinetischen Vakuumpumpe (2) ist mit einer die Gasförderung bewirkenden Struktur (13) ausgerüstet; die die Gasförderung bewirkende Struktur besteht aus Stegen (14), deren Steigung und Breite von der Saugseite zur Druckseite abnehmen; um den Gasdurchsatz zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass der Außendurchmesser des Rotors (11) und der Innendurchmesser des Stators (10) der saugseitigen Vakuumpumpe (2) ebenfalls von der Saugseite zur Druckseite abnehmen.

Description

Evakuierungseinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Evakuierungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Sollen in einer Prozesskammer oder in einem anderweitigen Rezipienten Drücke erzeugt werden, die im Hochvakuumbereich (<=10-3mbar) liegen, ist es üblich, Evakuierungseinrichtungen mit einer saugseitigen und einer atmospharendruckseitigen Vakuumpumpe (Vorvakuumpumpe) einzusetzen. Die saugseitige Vakuumpumpe ist in der Regel als mechanische, kinetische Vakuumpumpe ausgebildet. Dazu gehören Gasringpumpen, Turbovakuumpumpen (a- xial, radial) sowie Molekular- und Turbomolekularvakuumpumpen.
Bei Drücken der genannten Art verhalten sich die zu fördernden Gase molekular, d.h. , dass eine gerichtete Strömung nur durch Pumpstrukturen erreicht werden kann, die den einzelnen Gasmolekülen Impulse mit einer bevorzugten Richtung, der gewünschten Strömungsrichtung, geben. Da die Gasmoleküle in der zu evakuierenden Kammer keine bevorzugte Bewegungsrichtung haben, ' gelangen nur solche Gasmoleküle in den Ansaugstutzen der angeschlos- senen Vakuumpumpe, welche zufällig diese Bewegungsrich- tung haben.
Aus der EP-363 503 AI ist eine" Evakuierungseinrichtung der hier betroffenen Art bekannt. Rotor und Stator der mechanischen kinetischen Vakuumpumpe sind zylindrisch ausgebildet. Um zu erreichen, dass möglichst viele Gasmoleküle in den Ansaugstutzen der an die Kammer ange- ■ schlossenen, also saugseitigen Vakuumpumpe eintreten, besitzt der Rotor eine konische Nabe, deren Durchmesser in Richtung Druckseite zunimmt . Die Breite der Stege zwischen der Nabe und der zylindrischen Innenfläche des Stators nimmt dementsprechend in Richtung Druckseite ab. Diese Lösung hat den Vorteil, dass der Eintrittsquerschnitt für die sich molekular verhaltenden Gase, d.h. die saugseitige Ringfläche, in die die zu fördernden Gase eintreten, relativ groß ist. Eine Evakuierungseinrichtung der bekannten Art ist deshalb für solche Applikationen besonders geeignet, bei denen die Forderung nach hohen Gasdurchsätzen besteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Evakuierungseinrichtung der hier betroffenen Art in Bezug auf die Forderung nach hohen Gasdurchsätzen weiterhin zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Allein dadurch, dass die saugseitige Ringfläche, in die die sich molekular verhaltenden Gase eintreten, bei der erfindungsgemäßen Pumpe in radialer Richtung weiter au- ßen liegt, wird selbst bei einer zylindrischen Gestal¬ tung der Rotornabe eine Vergrößerung des Eintrittsquerschnittes erreicht, da der Eintrittsquerschnitt quadratisch mit dem Radius der äußeren Rotorgeometrie zunimmt. Die Verlagerung der die Gasförderung bewirkenden Bauteile des Rotors (Stege) radial nach außen hat außerdem höhere Umfangsgeschwindigkeiten zur Folge, wodurch der Gasdurchsatz weiterhin erhöht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nabe wie bei der Evakuierungseinrichtung nach dem Stand der Technik konisch gestaltet ist. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Evakuierungseinrichtung ist der Eintrit'tsquer- schnitt um ein mehrfaches größer als beim Stand der Techni .
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die Linien, die die Form des Außendurchmessers des Rotors sowie des Innendurchmessers des Stators in einem Längsschnitt durch die saugseitige Vakuumpumpe darstellen, derart nach innen gewölbt kurvenförmig verlaufen, dass die Steigung der Kurven von der Saugseite zur Druckseite zunimmt. Besonders zweckmäßig ist es, wenn diese Linien im wesentlichen die Form einer Hyperbel haben. Diese Gestaltung der saugseitigen Vakuumpumpe gewährleistet . eine optimale und vor allem störungsfreie Strömung der geförderten Gase und trägt damit wesentlich zum .Ziel der Verbesserung des Gasdurchsatzes bei. Insgesamt wird eine wesentliche Verbesserung der Leistungsdichte erreicht, d. h., dass das Verhältnis der Leistungsfähigkeit der saugseitigen Vakuumpumpe zu ihrer Masse wesentlich größer ist als beim Stand der Technik. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Es zeigen
Figur 1 einen Schnitt durch eine Lösung mit konischem Stator und zylindrischer Rotornabe,
Figur 2 einen Schnitt durch eine Lösung mit konischem Stator und konischer Rotornabe,
"Figur 3 einen Schnitt durch eine Lösung mit nach innen gewölbtem Stator und nach außen gewölbter Rotornabe und
Figur 4 eine Lösung nach Figur 3 , in der der Rotor in Ansicht dargestellt ist.
In den Figuren sind die Einrichtung nach der Erfindung mit 1, die saugseitige Vakuumpumpe mit 2 und die nur als Symbol dargestellte atmosphärendruckseitige Vakuumpumpe mit 3 bezeichnet. Die saugseitige Pumpe 2 ist als mechanische kinetische Vakuumpumpe ausgebildet. Sie weist ein dreiteiliges Gehäuse 4 mit den Abschnitten 5, 6 und 7 auf . Der saugseitige Abschnitt 5 ist mit einem Flansch 8 ausgerüstet, der die .Ansaugöffnung 9 bildet und dem Anschluss an ein zu evakuierendes System dient. Seine Innenwand 10 bildet das Statorbauteil der mechanischen kinetischen Vakuumpumpe 2. Der Gehäuseabschnitt 5 umgibt den Rotor,11. Dieser umfasst eine Nabe 12, die auf ihrer Außenseite die die Gasförderung bewirkende Struktur 13 trägt. Dabei handelt es sich um Stege 14 (vgl. insbesondere Figur 4), deren Steigung und Breite von der Saugseite zur Druckseite abnehmen, wie es z. B. aus der EP 363 503 A 1 bekannt ist. Die Drehachse des Rotors 11 ist mit 15 bezeichnet. Zwischen der Außenkontur des Rotors 11 und dem Stator, d. h. der Innenwand
10 des Gehäuses 4 befindet sich der Spalt 16, der zur Vermeidung maßgeblicher Rückströmungen möglichst klein sein soll.
Der zumindest innen konisch gestaltete Gehäuseabschnitt 5 stützt sich auf dem mittleren, im wesentlichen zylindrischen Gehäuseabschnitt 6 ab. Der untere Teil des Gehäuseabschnittes 5 ragt mit einem unteren Endabschnitt 18 in den Gehäuseabschnitt 6 hinein, und zwar bis zum druckseitigen Ende des Rotors 11. Die vom Rotor
11 und vom Stator 8 geförderten Gase gelangen in eine Ringkammer 19, an die der Auslassstutzen 21 angeschlossen ist. Dieser steht mit der atmospharendruckseitigen Vakuumpumpe 3 über die Leitung 22 in Verbindung.
Die Nabe 12 ist hohl ausgebildet . Im Bereich der Saugseite weist sie eine Scheibe 23 auf, die einen druckseitigen Hohlraum 24 in der Nabe 12 von der Saugseite trennt .
Der untere Gehäuseabschnitt 7 ist etwa topfförmig ausgebildet und am mittleren Gehäuseabschnitt 6 befestigt. Zusammen mit dem druckseitigen Hohlraum 24 in der Nabe
12 bildet er einen Motor- und Lagerraum. In den Figuren 1 bis 3 sind ein Antriebsmotor und Lagerungen für den Rotor im einzelnen nicht dargestellt. Diese Bauelemente sind an sich bekannt. Die Lagerung besteht zweckmäßig aus Magnetlagern. Sie sind für mechanische kinetische Vakuumpumpen wegen der. hohen Rotordrehzahlen besonders geeignet. In Figur 4 sind diejenigen Teile des Antriebs- und Lagersystems,- die in den Gehäuseabschnitt 7 hinein ragen, dargestellt. Erkennbar sind ein Notlauf- lager 25 und Bauteile 26 einer Wirbelstrombremse (?) .
Bei den Lösungen nach den Figuren 1 und 2 sind die Außenkontur des Rotors 11 und der Stator 10 Innenfläche des Gehäuses 2 konisch ausgebildet, und zwar derart, dass die Durchmesser der Außenkontur des Rotors und des Stators von der Saugseite zur Druckseite abnehmen. Dadurch wird die gewünschte Vergrößerung sowohl des Eintrittsquerschnittes für die aus dem angeschlossenen Rezipienten zu entfernenden Moleküle als auch der Umfangsgeschwindigkeit der Struktur 13 erreicht. Bei der Ausführung nach Figur 2 ist die Nabe 12 des Rotors 11 ebenfalls konisch ausgebildet, und zwar derart, dass der Nabendurchmesser von der Saugseite zur Druckseite zunimmt. Die Eintrittsfläche für die zu fördernden Moleküle wird durch diese Maßnahme weiterhin vergrößert.
Bei den Ausführungen nach den Figuren 3 und 4 weisen die Außenkontur des Rotors 11 und der Stator 10 eine nach innen gerichtete Wölbung auf . Versuche und Rechnungen haben ergeben, dass durch diese Maßnahme eine wesentlich verbesserte, d. h. von Störungen befreite .Gasströmung durch die Pumpe 2 erreicht werden kann. Besonders zweckmäßig ist es, wenn- Stator 10 und die Außenkontur des Rotors 11 einen hyperbolischen Verlauf haben. Ergebnis dieser Maßnahme . ist die folgende Rechnung:
Einem stark vereinfachten- Ansatz ,zur Beschreibung der Funktionsweise einer Gewindepumpe folgend, kann, man bei einer Vernachlässigung von Slip-Effekten und Spaltrückströmung folgenden Zusammenhang schreiben:
Figure imgf000009_0001
mit z Anzahl Kanäle h Gewindetiefe
U Umfangsgeschwindigkeit a Kanalbreite a Gewindesteigung s Spalt zwischen Gewindesteg-Oberkante und
Stator p gemittelter Druck in einem Gewindeteilstück dx η dyn. Viskosität q Gasfluss
Der erste Term beschreibt die Cuette Strömung und der zweite Term die durch den Druckgradienten entstehende Kanalrückströmung. Alle Geometriedaten, mit Ausnahme der Kanaltiefe können als über die axiale Länge im wesentlichen konstant angenommen werden. Außerdem wird der Nenner im ersten Term durch 2 angenähert, da das Verhältnis s/h eher klein ist. Auch die Viskosität wird als eine vom Druck unabhängige Größe approximiert. Man kann daher schreiben:
dp q — Ahp - Bph ^~ dx oder
dp dx Bh2 Bph
Dies bedeutet, es gibt für einen vorgegebenen Druck p und Gasflow q eine bestimmte Kanaltiefe h, bei der der Druckgradient maximal wird. Diese optimale Kanaltiefe kann durch die Ableitung von dp/dx nach dh gefunden werden:
Figure imgf000010_0001
oder auch
hopt(x). = 9q /2ABp(x)
Bei einem linearen Druckverlauf in der Pumpe ergibt sich daher in einem Koordinatensystem mit der Drehachse
15 als χ-Achse ein hyperbolischer Kanaltiefenverlauf über die axiale Länge des Rotors, und zwar derart, dass die Steigung der Hyperbel von der Saugseite zur Druckseite hin abnimmt. Die Lage von χ- und γ-Achse sind in Figur 3 angedeutet. Dieses Verhalten wird auch durch die Simulation mittels CFD Software bestätigt, die eine schwächere Pumpleistung des Rotors aufzeigt, wenn seine Außenkontur konisch oder gar zylindrisch ist. Da man bei einer optimalen Rotorauslegung automatisch den Mas- sen- und damit Reibflächeneinsatz minimiert, kann man im direkten Vergleich höhere Gasdurchsätze fahren.
Bei dieser Rechnung wurde die Form der Rotornabe 12 zunächst unberücksichtigt gelassen. Sie kann zylindrisch, konisch oder nach außen gewölbt - wie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt - ausgebildet sein.- Vom Gesichtspunkt der einfachen Herstellung ist die konische Form (Figur 2) vorzuziehen. Vom Gesichtspunkt einer möglichen störungsfreien Strömung ist eine schwache Wölbung nach innen - zweckmäßig ebenfalls .hyperbolisch - zweckmäßig.

Claims

EvakuierungseinrichtungPATENTANSPRÜCHE
Einrichtung (1) zur Evakuierung einer Kammer auf Drücke . im Hochvakuumbereich, bestehend aus einer saugseitigen Vakuumpumpe (2) und einer atmospharendruckseitigen Vakuumpumpe (3 ) ; die saugseitige Vakuumpumpe (2) ist als mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem Rotor (11) und einem .Stator (10) ausgebildet; der Stator (10) besitzt eine rotationssymmetische Innenfläche, die der äußeren Rotorgeometrie angepasst ist; der Rotor (11) der mechanischen kinetischen Vakuumpumpe (2) ist mit einer die Gasförderung bewirkenden Struktur (13) ausgerüstet; die die Gasförderung bewirkende Struktur besteht aus Stegen (14) , deren Steigung und Breite von der Saugseite zur Druckseite abnehmen; die Evakuierungseinrichtüng (1) mit den vorstehenden Merkmalen ist dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Rotors (11) und der. Innendurchmesser des Stators (10) der saugseitigen Vakuumpumpe (2) ebenfalls von der Saugseite zur Druckseite abnehmen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteil des Rotors (11) eine Nabe (12) ist, die zylindrisch ausgebildet ist und die Stege (14) trägt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteil des Rotors (11) eine Nabe (12) ist, die die Stege (14) trägt und die im wesentlichen derart konisch ausgebildet ist, dass ihr . Durchmesser von der Saugseite zur Druckseite zunimmt .
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Linien, die die
. Form des Außendurchmessers des Rotors (11) sowie des Innendurchmessers des Stators (10) in einem Längsschnitt durch die saugseitige Vakuumpumpe (2) darstellen, derart nach innen gewölbt kurvenförmig verlaufen, dass die Steigung der Kurven in einem Koordinatensystem, bei dem die Rotorachse (1.5) die χ-Achse bildet, von der Saugseite zur Druckseite abnimmt .
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Linien, die die Form der Rotornabe (12) in einem Längsschnitt, durch die saugseitige Vakuumpumpe (2) darstellen, derart nach außen gewölbt sind, dass ihre Steigung von der Saugseite zur Druckseite abnimmt. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbten Linien im wesentlichen die Form einer Hyperbel haben.
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