DE3402549A1

DE3402549A1 - Molekularvakuumpumpe

Info

Publication number: DE3402549A1
Application number: DE19843402549
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Dr. 5300 Bonn Schittko
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1984-01-26
Publication date: 1985-08-01
Also published as: DE3402549C2

Description

340254

LEYBOLD-HERAEUS GMBH Köln-Bayental

Molekularvakuumpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Molekularvakuumpumpe, die hochvakuumseitig als Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildet ist.

In dem Buch von Wutz, Adam und Walcher "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik", Vieweg-Verlag, 1981, S. 202 ff., werden die bekannten Typen von MolekülarVakuumpumpen beschrieben. Bei den ersten Entwicklungen waren die pumpaktiven Flächen zylindrisch gestaltet. Die dann folgenden Molekularpumpen nach Holweck und Siegbahn wiesen teilweise als Gewinde oder als spiralförmige Nut ausgebildete Pumpflächen auf. Diese älteren Molekularpumpentypen hatten ein geringes Saugvermögen und waren wegen der notwendigen, extrem kleinen Spalte zwischen den stehenden und den bewegten Flächen schwierig herzustellen. Danach folgte die Generation der Turbomolekularvakuumpumpen, deren pumpaktive Flächen nach Art einer Turbine aufgebaut sind, d. h., sie weisen ineinandergreifende Stator- und Rotorschaufelreihen auf. Dieser Stand der Technik muß schließlich noch durch den Inhalt der DE-OS 24 12 624 ergänzt werden. Diese beschreibt eine Molekularvakuumpumpe, die hochvakuumseitig als Turbomolekularvakuumpumpe und vorvakuumseitig als Gewindepumpe ausgebildet ist. Dem vorvakuumseitigen Bereich haften deshalb wieder die bereits erwähnten Nachteile der Holweck- und Siegbahn-Pumpen an.

Turbomolekularvakuumpumpen haben den Nachteil, daß eine sichere und wirkungsvolle Arbeitsweise grundsätzlich nur dann gewährleistet ist, wenn vorvakuumseitig ein Druck

— 7 —3

von 10 bis 10 mbar herrscht. Dieses erfordert einen relativ großen Aufwand für die Erzeugung des Vorvakuums.

3402543

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer Molekularvakuumpumpe der eingangs genannten Art den Aufwand für die Erzeugung des Vorvakuums zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einer hochvakuumseitig als Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildeten Molekularvakuumpumpe dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der vorvakuumseitigen pumpaktiven Flächen als Ringscheibe mit kanalartigen, die Scheibenebene schräg durchsetzenden öffnungen ausgebildet ist. In dieser Weise können Stator und Rotor allein oder auch beide gestaltet sein. Zweckmäßig ist es, die erfindungsgemäße Gestaltung der pumpaktiven Flächen dort vorzunehmen, wo die molekularen Strömungseigenschaften der zu pumpenden Gase nicht mehr gegeben sind, d. h. dort, wo die mittlere freie Weglänge der Moleküle des gepumpten Gases klein gegenüber dem Schaufelabstand geworden ist.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden die radialen Strömungen im Schaufelzwischenraum herabgesetzt und durch den langen und flachen Einströmungsweg der Gase eine bessere Wechselwirkung mit dem vom Rotor erzeugten Gasströmungsprofil erreicht. Ein derartiges Gasführungssystem ist bezüglich des Zusammenwirkens der jeweils gegenüberliegenden Flächen mit den Reibungsmolekularpumpen vergleichbar, kann aber wesentlich größere Gasmengen fördern. Insgesamt ergibt sich dadurch eine erhebliche Verbesserung des KompressionsVermögens im vorvakuumseitigen Abschnitt der Pumpe, so daß der Vorvakuumdruck wesentlich hoher sein kann. Der Aufwand für Einrichtungen zur Erzeugung des Vorvakuums kann dadurch entsprechend reduziert

werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Schnittes durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Molekularvakuumpumpe, welche aus
dem Gehäuse 1, dem Stator 2 und dem Rotor 3 besteht. Das
Gehäuse 1 ist hochvakuumscitig mit dem Flansch 4 ausgerüstet, an den ein nicht dargestellter Rezipient anschließbar ist, in dem das Hochvakuum mittels der dargestellten

Turbomolekularvakuumpumpe erzeugt werden soll. Vorvakuumseitig ist das Gehäuse mit einem Anschlußstutzen 5 ausgerüstet, an den die ebenfalls nicht dargestellte Vorvakuumpumpe angeschlossen wird. Der Stator 2 umfaßt hochvakuumseitig Schaufelringe 6 und vorvakuumseitig erfindungsgemäß gestaltete Ringscheiben 7, die jeweils von Abstandsringen auf Distanz gehalten werden. Die Schaufelringe 6 und die
Ringscheiben 7 umfassen jeweils einen Abschnitt 8 bzw. 9, der sich zwischen den Abstandsringen befindet. Die Abschnitte 8 der Schaufelringe 6 weisen nach innen gerichtete Schaufeln 11 auf. In die infolge der Abstandsringe gebildeten Räume zwischen diesen Schaufeln 11 greifen die mit dem Rotor 3 verbundenen Schaufeln 12 ein und bilden gemeinsam mit den Statorschaufeln 11 die hochvakuumseitig gelegene, als Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildete Pumpstufe.

Die Abschnitte 9 der vorvakuumseitig gelegenen Ringscheiben 7 setzen sich nach innen mit ihren pumpaktiven
Flächen 13 fort, welche kanalartig gestaltete, die Ring-

' scheiben 7 schräg durchsetzende, im folgenden näher

'30 beschriebene Öffnungen 14 aufweisen. Die Scheibenabschnitte 13 mit den öffnungen 14 bilden zusammen mit den Schaufeln 12 des Rotors die vorvakuumseitig gelegene
Pumpstufe. Im Rahmen der Erfindung können in diesem Bereich auch die Schaufeln 12 des Rotors 3 durch pumpaktive
Flächen ersetzt sein, die wie die pumpaktiven Flächen des Stators 2 - also als Ringscheiben mit diese schräg durchsetzenden öffnungen - gestaltet sein können.

5 Natürlich können auch die pumpaktiven Flächen des Rotors in dieser Weise gestaltet sein (vgl. die Rotorringscheibe 12' in Fig. 1).

Die Figuren 7 und 8 zeigen eine weitere Gestaltungsmöglichkeit für die Öffnungen 14 (oder auch 14')- Sie sind düsenähnlich gestaltet. Auch diese Form kann durch Stanzen mit entsprechend ausgebildeten Stanzwerkzeugen realisiert werden.

Beim Erfindungsgegenstand können die pumpaktiven Flächen des Rotors 3 von üblichen Schaufelreihen (Schaufeln 12) gebildet werden. Zweckmäßig ist jedoch auch im Vorvakuumbereich, Ringscheiben 12' zu verwenden, die den öffnungen 14 der Statorringscheiben 13 entsprechende öffnungen 14' aufweisen. Lediglich beispielsweise ist eine solche Rotorringscheibe 12' in Fig. 1 dargestellt. In bezug auf die Gestaltung der öffnungen 14' wird auf die folgenden Beschreibungen zu den Figuren 3 und 6 hingewiesen.

Die Figuren 2 und 3 zeigen einen Teil einer Ringscheibe mit ihren Ringabschnitten 9 und 13 in Draufsicht und in Seitenansicht, abgewickelt. Der Ringabschnitt 13 ist mit den die Ebene der Ringscheibe 7 schräg durchsetzenden öffnungen 14 ausgerüstet. Zweckmäßigerweise erfolgt die Herstellung dieser öffnungen 14 in der Weise, daß der in Fig. 2 jeweils gestrichelt dargestellte Bereich - bezogen auf die Zeichnungsebene - nach unten und der ausgezogen dargestellte Bereich nach oben aus der Scheibe 7 derart hinausgedrückt wird, daß die Öffnung 14 mit einer schräg zur Scheibenebene verlaufenden Achse 15 entsteht. Die Achsen 15 bilden mit der Ebene der Ringscheibe 7 einen Winkel Ot (Fig. 3), dessen Größe zweckmäßigerweise zwischen

5° und 40° liegt. Hinsichtlich der Wahl dieses Anstellwinkeis dl gilt etwas Ähnliches wie hinsichtlich der Anstellwinkel von Schaufelreihen. Je näher die öffnungen 14 zur Vorvakuumseite liegen, desto kleiner sollte der Anstellwinkel dl sein.

Aus der Draufsicht (Fig. 2) ist ersichtlich, daß die Projektionen der Achsen 15 auf die Scheibenebene jeweils tangential verlaufen, d. h., daß die Ebenen der Öffnungen 14 im wesentlichen radial liegen. Die Drehrichtung der unmittelbar benachbarten pumpaktiven Flächen des Rotors, die als Schaufeln 12 ausgebildet sein oder auch die beschriebenen kanalartigen Öffnungen aufweisen können, ist durch den Pfeil 16 gekennzeichnet. Eine Rotorringscheibe V mit kanalartigen öffnungen 14' ist zusätzlich in Fig. 3 dargestellt. Die Neigung der Achse 15', d. h. der Anstellwinkel Λ , entspricht den Werten der benachbarten Statorringscheibe 7. Die Förderrichtung ist durch den Pfeil 17 gekennzeichnet.

Das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 4 und 5 entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 3.! Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Achsen 15 der kanalartigen öffnungen 14 nicht mehr tangential verlaufen. Ihre Projektion auf die Ebene der Scheibe 7 bildet mit den jeweiligen Tangenten, die durch die jeweiligen Schnittpunkte der Achse 15 mit der Scheibenebene verlaufen, einen Winkel ß, derart, daß die Achsen 15 - in Drehrichtung der benachbarten pumpaktiven Flächen des Rotors gesehen von außen nach innen verlaufen. Die Größe des Winkels β kann zwischen 0 und 4 0 liegn; vorzugsweise beträgt sie 2 5°. Auch die pumpaktiven Flächen des Rotors können in dieser Weise gestaltet sein. Die Richtungen der Achsen 15 (bzw. 15') müssen dann der Gasströmung entsprechen und bei den Statorscheiben 7 nach innen, bei den Rotorscheiben T nach außen weisen.

Die beschriebenen kanalartigen Öffnungen 14 können durch Stanzen einer vorzugsweise aus Aluminium bestehenden Ringscheibe 7 gebildet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 bis 4 sind sie so getroffen, daß die Öffnungen 14 einen im wesentlichen runden Querschnitt haben.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind Öffnungen 14 gewählt, die eine von der Kreisform in Richtung auf eine quadratische oder rechteckige Form abweichende Öffnung zeigen. Desweiteren sind insgesamt drei konzentrische Reihen 18, 19, 20 auf dem Ringabschnitt 13 vorgesehen.

Jeweils abwechselnd folgt einem Paar nebeneinanderliegender Öffnungen 14 eine in der dazwischenliegenden Reihe 19 liegende Einzelöffnung. Die Breite der Öffnungen 14 ist so gewählt, daß sie kleiner als die Hälfte der Breite des Ringscheibenabschnittes 13 ist. Die Breite der innenliegenden Reihe von Öffnungen 14 beträgt etwa 1/4 der Breite des Ringscheibenabschnittes 13. Außerdem sind die innenliegenden Öffnungen 14 so gestaltet, daß sie seitlich zur Innenseite hin offen sind. Die Zuordnung der Öffnungen 14 zueinander ist anhand ihrer Achsen 15, die aus seitlicher Sicht auf den drei abgewickelten Kreisreihen nochmals dargestellt sind, ersichtlich.

Claims

3 Λ O 2 b A 9 83.018 LEYBOLD-HERAEUS GMBH Köln-Bayental 5 Molekularvakuumpumpe ANSPRÜCHE

1. Molekularvakuumpumpe, die hochvakuumseitig als Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der vorvakuumseitigen pumpaktiven Flächen als Ringscheibe (7) mit kanalartigen, die Scheibenebene schräg durchsetzenden Öffnungen (14, 14') ausgebildet ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein Teil der auf den übergang der molekularen Strömung zur laminaren Strömung folgenden pumpaktivenFlächen nach Anspruch 1 gestaltet ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

²^ gekennzeichnet, daß die pumpaktiven Flächen des vorvakuumseitigen Bereichs des Rotors (3) und/oder des Stators (2) nach Anspruch 1 oder 2 gestaltet sind.

4. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (15, 15') der kanalartigen öffnungen (14, 14') mit der Scheibenebene einen Winkel & zwischen 5 und

40° bilden.

5. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, (I c*ι el Ii t <· Ii Ί c k ο η π v. <^Λ i c Ji η ν t , d<i(' (ii<> Projekt ionen dei Achsen (1'>, Γ> * ) der HrluM Ihmu'H I nungen (14, 14') auf die Scheibenebene im Durchstoßpunkt tangential verlaufen.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion der Achsen (15, 15') der Öffnungen (14, 14') auf die Scheibenebene mit der Tangente im Durchstoßpunkt den Winkel/3 bilden mit 0°<ß £.4 0°. 10

7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Achsenrichtungen der Gasströmungsrichtung entsprechen und bei den Statorscheiben (7) nach innen, bei den Rotorscheiben (7¹) hingegen nach außen weisen.

8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Ringscheibenabschnitte (13, 13") im wesentlichen der Länge der Schaufeln (12) der hochvakuumseitig gelegenen Stufen der Turbomolekularvakuumpumpe entspricht und daß die Breite der kanalartigen Öffnungen (14, 14') etwa 1/2 bis 1/5 der Ringscheibenbreite beträgt.

9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr konzentrische Reihen (18, 19, 20) von kanalartigen Öffnungen (14, 14')

vorgesehen sind.
30

10. Pumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem Umfang der Ringscheibe eine kanalartige Öffnung und ein Paar kanalartige Öffnungen alternierend hintereinander

angeordnet sind.

11. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Öffnungen (14) zur Innenseite und der Öffnungen (14') zur Außenseite hin seitlich offen sind.

34025Ad

12. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

5 dadurch gekennzeichnet/ daß die kanalartigen Öffnungen (14, 14') durch Stanzen hergestellt sind.

13. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

10 dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (14, 14') bezüglich der Achsen (15, 15") düsenähnlich ausgebildet sind.