DE69700064T2

DE69700064T2 - Vacuum pump

Info

Publication number: DE69700064T2
Application number: DE69700064T
Authority: DE
Inventors: Mauro 33010 Osoppo De Simon (Udine)
Original assignee: Varian SpA
Current assignee: Varian SpA
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2017-04-03
Also published as: ITTO960624A1; DE819856T1; ITTO960624A0; EP0819856A1; EP0819856B1; DE69700064D1; IT1287016B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumpumpe. Genauer beschäftigt sich die Erfindung mit einer Vakuumpumpe vom Turbomolekulartyp, die eine sogenannte kryogene Falle aufweist.The present invention relates to a vacuum pump. More specifically, the invention relates to a vacuum pump of the turbomolecular type having a so-called cryogenic trap.

Eine Vakuumpumpe weist im wesentlichen ein Gehäuse auf, das eine Anzahl von Gas-Pumpstufen enthält, die durch Rotorscheiben gebildet sind, die an der drehbaren Welle der Pumpe befestigt sind und mit Statorringen zusammenwirken, die am Pumpengehäuse angebracht sind.A vacuum pump essentially comprises a housing containing a number of gas pumping stages formed by rotor disks attached to the rotatable shaft of the pump and interacting with stator rings attached to the pump housing.

Das Gehäuse ist außerdem mit einem Gaseinlaß oder Ansaugkanal versehen, um die zu pumpenden Gase anzusaugen, sowie mit einem Auslaßkanal zum Ausgeben der gepumpten Gase.The housing is also provided with a gas inlet or intake channel to suck in the gases to be pumped and with an outlet channel to discharge the pumped gases.

Vakuumpegel in der Größenordnung von 10&supmin;&sup8; Pa lassen sich durch Verwendung einer Vakuumpumpe vom Turbomolekulartyp erreichen.Vacuum levels of the order of 10⁻⁶ Pa can be achieved by using a turbomolecular type vacuum pump.

Eine Turbomolekular-Vakuumpumpe ist in der EP-A-0 445 855, auf den Namen des vorliegenden Anmelders, offenbart.A turbomolecular vacuum pump is disclosed in EP-A-0 445 855, in the name of the present applicant.

Es ist bekannt, daß unerwünschte Dämpfe, wie Öl-, Wasser- oder Lösungsmitteldämpfe oder Kohlendioxyd in dem Gas enthalten sein können, das durch eine Vakuumpumpe gepumpt werden soll.It is known that undesirable vapors such as oil, water or solvent vapors or carbon dioxide can be contained in the gas to be pumped through a vacuum pump.

Dies führt zu einer Verringerung der Pumpenleistung und der Gefahr der Beschädigung von Pumpenbestandteilen.This leads to a reduction in pump performance and the risk of damage to pump components.

Um den oben erwähnten Übelstand zu beseitigen, ist im allgemeinen eine selektive Pumpvorrichtung stromaufwärts vom Ansaugkanal der Vakuumpumpe angeordnet, mit dem Zweck, einen oder mehrere dieser Dämpfe, wie Öl-, Wasser- und Lösungsmitteldämpfe, einzufangen.To eliminate the above-mentioned inconvenience, a selective pumping device is generally arranged upstream of the suction channel of the vacuum pump, with the purpose of capturing one or more of these vapors, such as oil, water and solvent vapors.

Unter den selektiven Pumpvorrichtungen, die üblicherweise für den obigen Zweck benutzt werden, sind die sogenannten Kryopumpen bekannt, nämlich Einrichtungen, die mit Gefrierfallen bildenden Vorrichtungen ausgerüstet sind, in denen die oben erwähnten Gase kondensiert werden, nachdem sie eine Temperatur in der Größenordnung von 150ºK erreicht haben.Among the selective pumping devices commonly used for the above purpose, the so-called cryopumps are known, namely devices equipped with freezing traps in which the above-mentioned gases are condensed after they have reached a temperature of the order of 150ºK.

Ein Beispiel einer mit einer Gefrierfallen-Vorrichtung versehenen Turbomolekularpumpe ist in der US-A-4 926 648 offenbart.An example of a turbomolecular pump provided with a freeze trap device is disclosed in US-A-4 926 648.

Die US-A-4 926 648 offenbart eine Turbomolekularpumpe mit einem Wärmetauscher, der innerhalb des Ansaugkanales des zu pumpenden Gases und stromaufwärts der Pumpstufen der Turbomolekularpumpe angeordnet ist.US-A-4 926 648 discloses a turbomolecular pump with a heat exchanger which is arranged within the intake channel of the gas to be pumped and upstream of the pumping stages of the turbomolecular pump.

Ein solcher Wärmetauscher ist mit einem Kälteerzeuger außerhalb der Turbomolekularpumpe über ein Doppelrohr verbunden, d. h. ein Zulauf- und ein Rücklaufrohr, die dazu eingerichtet sind, ein Kühlmittelfluid sehr niedriger Temperatur von der Kälteerzeugervorrichtung zum Wärmetauscher zuzuführen und umgekehrt.Such a heat exchanger is connected to a refrigeration device outside the turbomolecular pump via a double pipe, i.e. an inlet pipe and a return pipe, which are designed to supply a coolant fluid of very low temperature from the refrigeration device to the heat exchanger and vice versa.

Genauer gesagt, wird durch das Zulaufrohr das "kalte" Kühlmittel vom Kälteerzeuger zum Wärmetauscher innerhalb der Pumpe zugeführt, und dann wird durch das "warme" Rücklaufrohr das Kühlmittelfluidum zum Kälteerzeuger zurückgeführt.More specifically, the "cold" coolant is supplied from the chiller to the heat exchanger inside the pump through the inlet pipe, and then the coolant fluid is returned to the chiller through the "warm" return pipe.

Die in dem oben erwähnten Dokument gezeigte Lösung hat den Nachteil, daß eine doppelte Verbindungsleitung erforderlich ist, die zwischen Käl teerzeuger und Wärmetauscher angeordnet ist, und da diese Rohrleitung thermisch über ihre Länge hinweg isoliert sein muß, muß sie so kurz wie möglich sein.The solution shown in the above-mentioned document has the disadvantage that a double connection line is required between the cooling tea generator and heat exchanger, and since this pipeline must be thermally insulated along its length, it must be as short as possible.

Dies bedeutet eine Vergrößerung sowohl der Herstellkosten als auch der Komplexität des Systems und verhindert die Anwendung eines doppelten Verbindungsrohres einer gewünschten Länge.This increases both the manufacturing costs and the complexity of the system and prevents the use of a double connecting pipe of a desired length.

Andere Beispiele einer Turbomolekularpumpe, die mit einer kryogenen Falle ausgerüstet sind, sind in der US-A-5 062 271 und der US-A-5 483 803 offenbart.Other examples of a turbomolecular pump equipped with a cryogenic trap are disclosed in US-A-5 062 271 and US-A-5 483 803.

Die US-A-5 062 271 und die US-A-5 483 803 offenbaren eine Turbomolekularpumpe mit einem Wärmetauscher, der innerhalb des Ansaugkanales des zu pumpenden Gases angeordnet ist.US-A-5 062 271 and US-A-5 483 803 disclose a turbomolecular pump with a heat exchanger arranged within the intake channel of the gas to be pumped.

Ein solcher Wärmetauscher ist mit einem einstufigen Helium-Kälteerzeuger vom Gifford-McMahon-Kreisprozeß verbunden, der in der Nähe des Ansaugkanales der Turbomolekularpumpe angeordnet und mit einer getrennten Verdichtereinheit über ein doppeltes (Zulauf- und Rücklauf-) Rohr verbunden ist.Such a heat exchanger is connected to a single-stage helium chiller from the Gifford-McMahon cycle, which is located near the intake channel of the turbomolecular pump and is connected to a separate compressor unit via a double (inlet and return) pipe.

Einer der größeren Vorteile bei Verwendung eines Gifford-McMahon Kälteerzeugers besteht darin, daß Zulauf und Rücklaufrohr des Kältemittels "warm" sind und demzufolge keine thermische Isolierung benötigen.One of the major advantages of using a Gifford-McMahon chiller is that the refrigerant inlet and return pipes are "warm" and therefore do not require thermal insulation.

Das in dem letztgenannten Dokument offenbarte Gerät hat dessen ungeachtet den Nachteil, daß ein Gifford-McMahon Kälteerzeuger erforderlich ist, der bekanntermaßen bewegliche Teile aufweist und besonders komplex und teuer ist sowie eine Helium-Kältemischung benötigt.The device disclosed in the latter document nevertheless has the disadvantage of requiring a Gifford-McMahon chiller, which is notoriously complex and expensive and requires a helium-refrigerant mixture.

Ein weiteres Beispiel einer mit einen kalten Falle ausgerüsteten Turbomolekularpumpe ist in der EP 061066 offenbart.Another example of a turbomolecular pump equipped with a cold trap is disclosed in EP 061066.

Die EP 061066 offenbart eine Vakuumpumpe, die an ihrem Einlaß innerhalb des Pumpengehäuses mit einer kalten Falle versehen ist, wobei besagte kalte Falle mit der Kühleinheit eines Kältesystems über einen Wärmeleiter verbunden ist, der aus Kupfer hergestellt und in einem Haltegehäuse untergebracht ist, das mit dem Pumpengehäuse eine integrale Einheit bildet.EP 061066 discloses a vacuum pump provided with a cold trap at its inlet inside the pump housing, said cold trap being connected to the cooling unit of a refrigeration system via a heat conductor made of copper and housed in a support housing forming an integral unit with the pump housing.

Die US-A-5 337 572 offenbart einen geschlossenen Kälteerzeuger-Kreislauf, der mit einem einstufigen Drehkolbenverdichter versehen ist, um niedrige Temperaturen im Bereich von 75ºK bis 150ºK zu erreichen.US-A-5 337 572 discloses a closed refrigeration circuit equipped with a single-stage rotary compressor to achieve low temperatures in the range of 75ºK to 150ºK.

Das in der US-A-5 337 572 offenbarte Gerät ermöglicht es, sehr niedrige Temperaturen an kleinen Oberflächen zu erreichen und läßt sich insbesondere auf dem Gebiet der Instrumente für Kryochirurgie einsetzen.The device disclosed in US-A-5 337 572 makes it possible to achieve very low temperatures on small surfaces and can be used in particular in the field of cryosurgery instruments.

Bei Anwendungen, bei denen Turbomolekularpumpen zusammen mit Kryopumpen verwendet werden, liegt die Temperatur, die an der Oberfläche der Kryopumpe erreicht werden soll, allgemein über 150ºK.In applications where turbomolecular pumps are used together with cryopumps, the temperature to be achieved at the cryopump surface is generally above 150ºK.

Bei einer Temperatur von weniger als 150ºK würde die Kryopumpe andere Gase einfangen, die ein größeres Molekulargewicht besitzen als Wasserdampf, nämlich solche Gase, die aus der Turbomolekularpumpe abgeführt werden sollten, mit einer demzufolgen schnellen Erschöpfung der Pumpfähigkeit der Kryopumpe.At a temperature of less than 150ºK, the cryopump would trap other gases that have a larger molecular weight than water vapor, namely those gases that should be removed from the turbomolecular pump, with a consequent rapid exhaustion of the pumping capacity of the cryopump.

Insbesondere bei Vorhandensein korrosiver Gase, wie sie bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen Anwendung finden, besteht der Zweck der kryogenen Pumpstufe, die stromaufwärts des Ansaugkanals für das Ansaugen der Gase in die Turbomolekularpumpe angeordnet ist, darin, lediglich den Wasserdampf, falls vorhanden, aus der gepumpten Gasmischung zu entfernen, während die übrigen Gase durch die Turbomolekularpumpe entfernt werden sollen.In particular, in the presence of corrosive gases, such as those used in the manufacture of integrated circuits, the purpose of the cryogenic pumping stage, which is arranged upstream of the intake channel for the intake of the gases into the turbomolecular pump, is to remove only the water vapor, if present, from the pumped gas mixture. to be removed, while the remaining gases are to be removed by the turbomolecular pump.

Außerdem muß die Gestaltung der kondensierenden Oberfläche in einer Kryopumpe einen ausreichend großen Bereich zur Verfügung stellen, um so viel wie möglich von dem Wasserdampf abzufangen, der in der angesaugten Gasmischung vorhanden ist.In addition, the design of the condensing surface in a cryopump must provide a sufficiently large area to capture as much of the water vapor present in the sucked-in gas mixture as possible.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumpumpe zu verwirklichen, die mit einer Kälte-Fallenvorrichtung versehen ist, die frei von den Nachteilen der früheren Geräte ist und die einen Kälteerzeuger mit einer einzigen Verdichterstufe anwendet.It is therefore an object of the present invention to realize a vacuum pump provided with a cold trap device which is free from the disadvantages of the previous devices and which employs a refrigerator with a single compressor stage.

Dieses Ziel der vorliegenden Erfindung ist durch eine Vakuumpumpe erreicht, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.This object of the present invention is achieved by a vacuum pump as claimed in claim 1.

Weitere Eigenheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung eines bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsbeispieles einer Vakuumpumpe hervor, das lediglich beispielhaft und ohne einschränkenden Zweck in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, in denen:Further characteristics and advantages of the invention will become apparent from the description of a preferred but not exclusive embodiment of a vacuum pump, which is shown purely by way of example and without any limiting purpose in the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Vakuumpumpe gemäß der Erfindung ist;Fig. 1 is a partially sectioned front view of a vacuum pump according to the invention;

Fig. 2 eine Blockdarstellung eines Kältekreislaufes ist, der bei einer Vakuumpumpe gemäß der Erfindung benutzt wird;Fig. 2 is a block diagram of a refrigeration circuit used in a vacuum pump according to the invention;

Fig. 3a eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;Fig. 3a is a perspective view of a heat exchanger according to a first embodiment of the invention;

Fig. 3b eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;Fig. 3b is a perspective view of a heat exchanger according to a second embodiment of the invention;

Fig. 3c eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Wärmetauschers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;Fig. 3c is a partially sectioned front view of a heat exchanger according to a third embodiment of the invention;

Fig. 4a eine Schnittansicht der Kälteeinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;Fig. 4a is a sectional view of the refrigeration unit according to a first embodiment of the invention;

Fig. 4b eine Schnittansicht eines Kälteeinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;Fig. 4b is a sectional view of a refrigeration unit according to a second embodiment of the invention;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Vakuumpumpe vom Turbomolekulartyp ist, die gemäß der bekannten Technik verbessert ist.Fig. 5 is a sectional view of a turbomolecular type vacuum pump improved according to the known technique.

Fig. 1 zeigt eine Vakuumpumpe 1 vom Turbomolekulartyp mit einem Gehäuse 2, einem axialen Einlaß oder Ansaugkanal 3 für das zu pumpende Gas und einem radialen Auslaßkanal 4 für die gepumpten Gase.Fig. 1 shows a vacuum pump 1 of the turbomolecular type with a housing 2, an axial inlet or suction channel 3 for the gas to be pumped and a radial outlet channel 4 for the pumped gases.

Wie in Fig. 5 besser gezeigt, sind eine Mehrzahl Pumpstufen 10, 10a, die durch Rotoren 11, 11a, die an einer drehbaren Welle 13 befestigt sind, sowie durch abwechselnde Statoren 12, 12a gebildet sind, innerhalb des Gehäuses 2 der Turbomolekularpumpe vorgesehen.As better shown in Fig. 5, a plurality of pumping stages 10, 10a, formed by rotors 11, 11a fixed to a rotatable shaft 13, and by alternating stators 12, 12a, are provided within the housing 2 of the turbomolecular pump.

Die in Fig. 5 gezeigte bekannte Turbomolekularpumpe weist eine spezielle Bauweise mit einer oder mehreren Pumpstufen 10a mit einer tangentialen Strömung zusätzlich zu üblichen Pumpstufen 10 mit axialer Strömung auf.The known turbomolecular pump shown in Fig. 5 has a special design with one or more pumping stages 10a with a tangential flow in addition to conventional pumping stages 10 with axial flow.

Jede Stufe 10a mit tangentialer Strömung beinhaltet einen Rotor 11a, der als ebene Scheibe ausgebildet ist und mit einem in gleicher Ebene liegenden ringförmigen Stator 12a zusammenwirkt, die voneinander in einem Abstand angeordnet sind, um einen ringförmigen freien Kanal 14 dazwischen zu bilden, wobei das gepumpte Gas längs einer tangentialen Bahn in der Richtung strömt, die durch den Pfeil E in Fig. 5 gezeigt ist, entsprechend der entgegen dem Uhrzeigersinn gerichteten Drehung der Welle 13, die in Fig. 5 durch den Pfeil C angegeben ist.Each tangential flow stage 10a includes a rotor 11a formed as a planar disc and cooperating with a coplanar annular stator 12a spaced apart from each other to form an annular free channel 14 therebetween, the pumped gas flowing along a tangential path in the direction shown by arrow E in Fig. 5, corresponding to the anticlockwise rotation of the shaft 13 indicated by arrow C in Fig. 5.

Eine Wand 15 schließt den Kanal 14 zwischen einer Saugöffnung 17 und einer Auslaßöffnung 18, die in einer oberen Abschlußplatte 16 bzw. einer unteren Abschlußplatte 19 vorgesehen sind.A wall 15 closes the channel 14 between a suction opening 17 and an outlet opening 18, which are provided in an upper end plate 16 and a lower end plate 19, respectively.

Es wird auf Fig. 1 zurückgekommen. Ein flanschartiger Kragen 20 ist stromaufwärts der Mehrzahl der Pumpstufen 10, 10a befestigt und nimmt einen Wärmetauscher 21 auf.Returning to Fig. 1, a flange-like collar 20 is attached upstream of the plurality of pump stages 10, 10a and accommodates a heat exchanger 21.

Der flanschartige Kragen 20 und das Gehäuse 2 sind axial fluchtend und können als integrales Bauteil ausgebildet sein.The flange-like collar 20 and the housing 2 are axially aligned and can be designed as an integral component.

Somit ist das Gehäuse in einen ersten Teil, der die Pumpstufen 10, 10a enthält, und einen zweiten Teil aufgeteilt, der den Wärmetauscher 21 enthält.Thus, the housing is divided into a first part, which contains the pump stages 10, 10a, and a second part, which contains the heat exchanger 21.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 3a dargestellt ist, ist der Wärmetauscher 21 vorzugsweise durch ein dünnwandiges, zylindrisches Element gebildet, das im wesentlichen zu dem flanschartigen Kragen 20 koaxial ist und seitlich mit dem kalten Ende 22 einer Kälteerzeugereinrichtung 30 verbunden ist, die Teil eines Kühlsystems mit geschlossenem Kreislauf ist.In a first embodiment of the invention, shown in Fig. 3a, the heat exchanger 21 is preferably formed by a thin-walled, cylindrical element which is substantially coaxial with the flange-like collar 20 and is laterally connected to the cold end 22 of a refrigeration device 30 which is part of a closed-circuit refrigeration system.

Die Kälteerzeugereinrichtung 30 ist vorzugsweise vom Joule-Thomson Typ, wobei die Temperatur eines verdichteten Gases, das man expandieren läßt, in Abhängigkeit von der Energie abnimmt, die absorbiert wird, um die molekularen Kohäsionskräfte zu überwinden.The refrigeration device 30 is preferably of the Joule-Thomson type, wherein the temperature of a compressed gas allowed to expand decreases in dependence on the energy absorbed to overcome the molecular cohesion forces.

Bezüglich 4a ist die genannte Kälteerzeugereinrichtung 30 innerhalb eines Hochvakuumgehäuses 31 untergebracht und weist eine (wärmeübertragende) Spule 32 auf, in der ein Kühlmittel strömt und die einen ersten Hochdruck-Einlaßabschnitt 33, der die kondensierende Einheit dieser Kälteerzeugereinrichtung definiert, einen Drosselungsabschnitt 34, der stromabwärts des genannten ersten Abschnittes 33 angeordnet ist und an dessen Auslaß die Gasmischung schnell abgekühlt wird, indem man sie expandieren läßt, einen Zwischenabschnitt in Kontakt mit dem kalten Ende der Kälteerzeuge reinrichtung 30 und einen Niederdruck-Auslaßabschnitt 36 aufweist, der die Verdampfereinheit dieser Kälteerzeugereinrichtung 30 definiert.With reference to Figure 4a, said refrigeration device 30 is housed within a high vacuum housing 31 and comprises a (heat transferring) coil 32 in which a coolant flows and which comprises a first high pressure inlet section 33 defining the condensing unit of said refrigeration device, a throttling section 34 arranged downstream of said first section 33 and at the outlet of which the gas mixture is rapidly cooled by allowing it to expand, an intermediate section in contact with the cold end of the refrigeration device device 30 and a low-pressure outlet section 36 which defines the evaporator unit of this refrigeration device 30.

Das die Kälteerzeugereinrichtung 30 aufnehmende Gehäuse 31 ist teilweise außerhalb des flanschartigen Kragens 20 gelegen und deren kaltes Ende 22 ist innerhalb des flanschartigen Kragens 20 angeordnet und durch eine Hochvakuumabdichtung isoliert, die in die Wand 25 des genannten flanschartigen Kragens 20 eingesetzt ist.The housing 31 accommodating the refrigeration device 30 is located partially outside the flange-like collar 20 and its cold end 22 is arranged inside the flange-like collar 20 and insulated by a high vacuum seal which is inserted into the wall 25 of said flange-like collar 20.

Über ein Hochdruck-Zulaufrohr 37 und ein Niederdruck-Rücklaufrohr 38 ist die Klägeerzeugereinrichtung 30 mit einem Verdichter 39 des Kühlkreislaufes verbunden, der in näheren Einzelheiten in Fig. 2 dargestellt ist.The heat generating device 30 is connected to a compressor 39 of the cooling circuit via a high-pressure inlet pipe 37 and a low-pressure return pipe 38, which is shown in more detail in Fig. 2.

Der in Fig. 2 schematisiert dargestellte Kühlkreislauf beinhaltet einen einstufigen Verdichter 39 mit einem ölgeschmierten Drehkolben, zu dem eine Kühlmittelmischung aus Gas und Öl über ein Niederdruckrohr 38 zugeführt wird. Das durch den Verdichter 39 erreichbare Verdichtungverhältnis beträgt vorzugsweise 5 : 1, und der volumetrische Wirkungsgrad des genannten Verdichters ist höher als 50%.The cooling circuit shown schematically in Fig. 2 includes a single-stage compressor 39 with an oil-lubricated rotary piston to which a coolant mixture of gas and oil is supplied via a low-pressure pipe 38. The compression ratio achievable by the compressor 39 is preferably 5:1 and the volumetric efficiency of said compressor is higher than 50%.

Die genannte Niederdruck-Kühlmittelmischung aus Gas und Öl wird mittels des Verdichters 39 auf einen hohen Druck verdichtet und sodann der Kälteerzeugereinrichtung 30 über das Hochdruckrohr 37 zugeführt.The low-pressure coolant mixture of gas and oil is compressed to a high pressure by means of the compressor 39 and then fed to the refrigeration device 30 via the high-pressure pipe 37.

Stromabwärts des Verdichters 39 ist ein Ölabscheider 40 angeordnet, der als einfacher Gas-Flüssigkeit-Filter ausgebildet ist, der dazu geeignet ist, das Öl aus der Hochdruck-Kühlmittelmischung abzuscheiden und das Öl zu dem Niederdruckrohr 38 über ein Rücklaufrohr 42 zurückzuführen.Downstream of the compressor 39, an oil separator 40 is arranged, which is designed as a simple gas-liquid filter, which is suitable for separating the oil from the high-pressure coolant mixture and returning the oil to the low-pressure pipe 38 via a return pipe 42.

In der schematischen Darstellung von Fig. 2 ist außerdem ein Luft- oder Wasserkühler 41 gezeigt, vorzugsweise stromabwärts des Ölabscheiders 40, um die verdichtete Gasmischung abzukühlen, nachdem diese aufgrund der Verdichtung im Verdichter 39 erhitzt worden ist, sowie ein Flüssigkeitsabscheider 43, um Kondensatrückstände aus den Rohren zu entfernen.In the schematic representation of Fig. 2, an air or water cooler 41 is also shown, preferably downstream of the oil separator 40, to cool the compressed gas mixture after it has been compressed due to the compression in the compressor 39, as well as a liquid separator 43 to remove condensate residues from the pipes.

Die verdichtete Mischung, die im Kühler 41 abgekühlt wurde, wird der Kälteerzeugereinrichtung 30 über den Abschnitt des Hochdruckrohres 37 zugeführt, der stromabwärts des Kühlers 41 gelegen ist.The compressed mixture cooled in the cooler 41 is fed to the refrigeration device 30 via the section of the high-pressure pipe 37 located downstream of the cooler 41.

Aus Obigem ist ersichtlich, daß beide der Rohre 37 und 38 "warm" sind und keine Wärmeisolierung benötigen, wodurch ihre Länge so groß sein kann, wie es gewünscht wird.From the above it can be seen that both of the tubes 37 and 38 are "warm" and do not require thermal insulation, whereby their length can be as great as desired.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3b gezeigt ist, ist bei dem Wärmetauscher 21' die axiale Erstreckung der Zylinderwand, die den Wärmetauscher 21' bildet, an dem proximalen Teil 23 am größten, an dem das kalte Ende 22 befestigt ist, und ist an dem distalen Teil 24 am kleinsten, der zum ersteren diametral entgegengesetzt ist. Die axiale Erstreckung der Wand nimmt von dem Befestigungsteil 23 zu dem diametral entgegengesetzten Teil 24 hin linear ab.According to an alternative embodiment shown in Fig. 3b, in the heat exchanger 21', the axial extension of the cylinder wall forming the heat exchanger 21' is greatest at the proximal part 23, to which the cold end 22 is attached, and is smallest at the distal part 24, which is diametrically opposite to the former. The axial extension of the wall decreases linearly from the attachment part 23 to the diametrically opposite part 24.

Die variable axiale Erstreckung der Oberfläche im Wärmetauscher 21 ist dazu vorgesehen, um den Temperaturgradienten zu kompensieren, der unvermeidlich - wegen der Strahlungswärme - zwischen dem proximalen Teil 23, der am kalten Ende 22 befestigt ist, und dem distalen Ende 24 des Wärmetauschers 21 erzeugt wird, welcher Gradient die Fähigkeit zur Gaskondensation beeinträchtigt.The variable axial extension of the surface in the heat exchanger 21 is intended to compensate for the temperature gradient that is inevitably created - due to radiant heat - between the proximal part 23 attached to the cold end 22 and the distal end 24 of the heat exchanger 21, which gradient impairs the ability for gas condensation.

Es ist bekannt, daß die Kondensationsfähigkeit sowohl von der Temperatur der kalten Oberfläche als auch der Erstreckung dieser kalten Oberfläche abhängig ist.It is known that the condensation capacity depends on both the temperature of the cold surface and the extent of this cold surface.

Daher erreicht man durch Vergrößerung der Oberfläche in Entsprechung zum proximalen (kälteren) Teil 23 eine gleichförmigere räumliche Temperaturverteilung an der Oberfläche des Wärmetauschers 21'.Therefore, by increasing the surface area corresponding to the proximal (colder) part 23, a more uniform spatial temperature distribution is achieved on the surface of the heat exchanger 21'.

Unter Bezug auf Fig. 4b ist ein unterschiedliches Ausführungsbeispiel der Kälteerzeugereinrichtung dargestellt, bei dem das Hochdruck-Kühlmittelzulaufrohr 50 innerhalb des Rücklaufrohres 51 des Kühlmittels, und hierzu koaxial, angeordnet ist.With reference to Fig. 4b, a different embodiment of the refrigeration device is shown, in which the high-pressure coolant inlet pipe 50 is arranged inside the coolant return pipe 51, and coaxially therewith.

Das innere Rohr 50 endigt in einem Drosselteil 52 in Entsprechung zu einer Ausdehnungskammer 53 am Ende des äußeren Rücklaufrohres 51.The inner pipe 50 ends in a throttle part 52 corresponding to an expansion chamber 53 at the end of the outer return pipe 51.

Bei dem in Fig. 4b gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich das Hochdruck-Zulaufrohr 50 in thermischer Kontaktbeziehung mit dem Rücklaufstrom der entspannten Kühlmittel-Gasmischung, die eine niedrige Temperatur besitzt und zum Kühlen des Zulaufrohres 50 beiträgt.In the embodiment shown in Fig. 4b, the high-pressure inlet pipe 50 is in thermal contact with the return flow of the expanded coolant gas mixture, which has a low temperature and contributes to cooling the inlet pipe 50.

Der Außendurchmesser der durch die koaxialen Zulauf- und Rücklaufrohre gebildeten Einheit beträgt ungefähr 1 cm und ihre Gesamtlänge wenige Meter.The external diameter of the unit formed by the coaxial inlet and return pipes is approximately 1 cm and its total length is a few meters.

Um die Gesamtabmessungen des Rohres zu verringern, ist das Rohr zur Form einer Spule gewunden, wobei lediglich das kalte Ende 54 vom flanschartigen Kragen vorsteht und stromaufwärts des Ansaugkanales der Vakuumpumpe durch eine Hochvakuumdichtung abgedichtet ist.To reduce the overall dimensions of the tube, the tube is wound into the shape of a coil with only the cold end 54 protruding from the flange-like collar and sealed upstream of the suction port of the vacuum pump by a high vacuum seal.

Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der als Kryopumpe wirkende Wärmetauscher lediglich das kalte Ende 54 der Kälteerzeugereinrichtung auf.In this embodiment, the heat exchanger acting as a cryopump has only the cold end 54 of the refrigeration device.

Diese Lösung kann auch in Kombination mit Kälte erzeugenden Einheiten unterschiedlichen Typs angewendet werden, insbesondere mit dem in Fig. 4a gezeigten Typ, und sie ist vorteilhaft, da sie einfacher herstellbar ist und jedwedes Hindernis für den Gasstrom innerhalb des flanschartigen Kragens beseitigt ist.This solution can also be used in combination with refrigeration units of different types, in particular the type shown in Fig. 4a, and is advantageous because it is easier to manufacture and any obstruction to the gas flow within the flange-like collar is removed.

Fig. 3c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers, bei dem der Wärmetauscher 61 unmittelbar durch zwei koaxiale Rohre des in Fig. 4b gezeigten Typs gebildet ist, die schraubenförmig gewunden und teilweise innerhalb des flanschartigen Kragens 20' aufgenommen sind.Fig. 3c shows a further embodiment of the heat exchanger, in which the heat exchanger 61 is formed directly by two coaxial tubes of the type shown in Fig. 4b, which are wound helically and are partially accommodated within the flange-like collar 20'.

Ein erster Abschnitt 66 der koaxialen Rohre, die den Wärmetauscher 61 bilden, ist schraubenförmig um eine Achse gewunden, die im wesentlichen mit der Drehachse der Pumpe zusammenfällt, und ist wirkungsmäßig über einen geformten Zwischenabschnitt 64 mit einem zweiten Abschnitt 62 der genannten koaxialen Rohre verbunden, der schraubenförmig um eine Achse gewunden ist, die im wesentlichen radial ist, und der abgedichtet in einem Hochvakuumgehäuse 63 aufgenommen ist, das außenseitig an dem flanschartigen Kragen 20 befestigt und zur Innenseite des flanschartigen Kragens 20' über ein Fenster 69 offen ist, das im flanschartigen Kragen 20' ausgebildet ist.A first section 66 of the coaxial tubes forming the heat exchanger 61 is wound helically about an axis which is substantially coincident with the axis of rotation of the pump and is operatively connected via a shaped intermediate section 64 to a second section 62 of said coaxial tubes which is wound helically about an axis which is substantially radial and which is sealed in a high vacuum housing 63 which is fixed externally to the flange-like collar 20 and is open to the inside of the flange-like collar 20' via a window 69 formed in the flange-like collar 20'.

Der zweite schraubenförmige Abschnitt 62 ragt aus dem Gehäuse 63 durch eine Hochvakuumdichtung in der Wand 65 des Gehäuses 63 nach außen und ist mit den Zulauf und Rücklaufrohren 37 bzw. 38 des geschlossenen Kreislaufes des Kühlsystemes verbunden, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben ist, und zwar über die Enden 67 und 68 des Zulauf- bzw. Rücklaufrohres, welche inneres und äußeres Rohr der koaxialen Struktur bilden.The second helical portion 62 projects outward from the housing 63 through a high vacuum seal in the wall 65 of the housing 63 and is connected to the inlet and return pipes 37 and 38, respectively, of the closed circuit of the cooling system, as described with reference to Fig. 2, via the ends 67 and 68 of the inlet and return pipes, respectively, which form inner and outer pipes of the coaxial structure.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3c gezeigt und ist dahingehend vorteilhaft, daß das schraubenförmige Rohr, das den Wärmetauscher 61 bildet, bequem entsprechend der inneren Geometrie des flanschartigen Kragens 20' geformt werden kann, der den Wärmetauscher aufnimmt. Außerdem kann das Gehäuse 63 zur Innenseite des flanschartigen Kragens 20' hin of fen sein, weil das innerhalb der Innenseite des flanschartigen Kragens 20' erzeugte Vakuum eine ausreichende Wärmeisolationsfähigkeit aufweist.This embodiment is shown in Fig. 3c and is advantageous in that the helical tube forming the heat exchanger 61 can be conveniently shaped according to the internal geometry of the flange-like collar 20' which accommodates the heat exchanger. In addition, the housing 63 can be turned towards the inside of the flange-like collar 20'. fen because the vacuum created within the inside of the flange-like collar 20' has sufficient thermal insulation capacity.

Vorzugsweise beinhaltet die Mischung von Gasen, die im Kühlkreislauf der vorliegenden Erfindung verwendet werden, eine Kombination aus den folgenden Gasen: Stickstoff, Methan, Äthylen, Propan und Isobutan.Preferably, the mixture of gases used in the refrigeration cycle of the present invention includes a combination of the following gases: nitrogen, methane, ethylene, propane and isobutane.

Um die optimale Temperatur zur Kondensation des Wasserdampfes zu erhalten, wurde in dem offenbarten Kältezyklus eine Gasmischung aus 0,36 Stickstoff, 0,20 Methan, 0,12 Äthylen, 0,20 Propan und 0,12 Isobutan mit Vorteil angewendet.In order to obtain the optimum temperature for condensation of water vapor, a gas mixture of 0.36 nitrogen, 0.20 methane, 0.12 ethylene, 0.20 propane and 0.12 isobutane was advantageously used in the disclosed refrigeration cycle.

Jedoch wurden Mischungen, die Stickstoff, Argon und/oder Methan in Mengen entweder zwischen 20% und 45% für einen einzigen Bestandteil, oder zwischen 20% und 60% in beliebiger Kombination, wie auch immer, sowie zumindest zwei weitere Gase enthielten, ausgewählt aus Äthan, Äthylen, Propan, Isopentan und Isobutan, als gleichermaßen wirksam befunden, um die gewünschten Temperaturen zu erreichen.However, mixtures containing nitrogen, argon and/or methane in amounts either between 20% and 45% for a single component, or between 20% and 60% in any combination, however, and at least two other gases selected from ethane, ethylene, propane, isopentane and isobutane, were found to be equally effective in achieving the desired temperatures.

Claims

1. Vacuum pump comprising:

- a substantially cylindrical housing in which a first part (2) and a second part (20) are defined;

- a plurality of gas pumping stages housed within said first housing part (2) and formed by rotor disks (11, 11a) secured to a rotatable shaft (14) of the pump, and stator rings (12, 12a) secured to said pump housing and cooperating with said rotor disks (11, 11a);

- an intake channel (3) for sucking in the gases to be pumped and an outlet channel (4) for discharging the pumped gases;

- a selective pumping stage of the refrigeration type arranged on the upstream side of said plurality of pumping stages;

characterized in that said selective pumping stage comprises a closed circuit refrigeration system of the Joule-Thomson type, in which system a compressed refrigerant gas mixture is circulated which is cooled by expansion at the cold end (22) of said refrigeration system arranged within said second housing part (20).

2. Vacuum pump as claimed in claim 1, characterized in that said cooling system comprises a Joule-Thomson refrigerator (30) equipped with a heat exchanger coil (32) for the flow of said refrigerant gas mixture, said Coil (32) has a high pressure supply section (33) defining the condenser unit of said refrigeration device (30), a throttling section (34) downstream of said supply section (33) at the outlet of which the gas mixture is rapidly cooled by expansion, an intermediate section (35) in contact with the cold end (22) of said refrigeration device (30) and a low pressure return section (36) forming the evaporator device of said refrigeration device (30).

3. Vacuum pump as claimed in claim 1, characterized in that it provides a heat exchanger (21; 21') formed by a thin-walled cylindrical member fixed to said cold end (22).

4. Vacuum pump as claimed in claim 3, characterized in that the axial extension of the cylinder wall forming said heat exchanger (21') is greatest at the proximal part (23) to which the cold end (22) is fixed and smallest at the distal part (24) diametrically opposite to the former, said axial extension decreasing linearly from said fixing part (23) to said diametrically opposite part (24).

5. Vacuum pump as claimed in claim 1, characterized in that said cooling system comprises two coaxial tubes, a first, inner supply tube (50) and a second, outer return tube (51) for the refrigerant-gas mixture, said inner supply tube (50) terminating in an expansion chamber (53) formed within the second, outer tube (51) for expanding said refrigerant-gas mixture.

6. Vacuum pump as claimed in claim 5, characterized in that it comprises a first helically wound portion (66) of said two coaxial tubes disposed within said second housing part (20) and operatively connected via an intermediate portion (64) of said two coaxial tubes to a second helically wound portion (62) of said coaxial tubes disposed outside said second housing part (20).

7. A vacuum pump as claimed in claim 6, characterized in that said first portion (66) of the coaxial tubes extends helically substantially around the pump rotation axis and said second portion (62) of said coaxial tubes extends substantially around a radial direction.

8. Vacuum pump as claimed in claim 1, characterized in that said cooling system comprises a single-stage rotary piston compressor (39).

9. Vacuum pump as claimed in claim 8, characterized in that said refrigerant gas mixture comprises 0.36 nitrogen, 0.20 methane, 0.12 ethylene, 0.20 propane and 0.12 isobutane.

10. Vacuum pump as claimed in claim 9, characterized in that the compression ratio of said refrigerant mixture of the compressor (39) is 5:1, with a volumetric efficiency of more than 50%.

11. Vacuum pump as claimed in claim 1, characterized in that said second housing part (20) comprises a flanged collar part which is mounted axially and in alignment with said first housing part (2).

12. Vacuum pump as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that said vacuum pump is a turbomolecular pump.