Vakuumpumpe

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe beispielsweise vom Typ einer Turbomolekularpumpe oder einer Molekularpumpe oder einer Kombination beider Typen, im Folgendem auch Reibungspumpe genannt nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

[0002] Solche Vakuumpumpen bestehen in der Regel aus einer Anzahl von Stufen, welche unterschiedlich gestaltet sein können und jeweils Rotor und entsprechende Statorteile aufweisen. Diese pumpaktiven Teile werden in axialer Richtung von dem zu fördernden Gas durchsetzt. Um optimale Pumpeigenschaften, wie maximalen Gasdurchsatz und maximale Kompression, zu erreichen, müssen die rotierenden Teile mit hoher Geschwindigkeit umlaufen. Die zu diesem Zweck benötigte Antriebsenergie wird nur zum Teil in kinetische Energie verwandelt. Ein großer Teil davon wird als Verlustwärme freigesetzt. Weitere unerwünschte Wärmemengen werden frei durch die Lagerung (mechanische Verluste durch Reibung in Kugellagern oder elektrische Verluste in Magnetlagern) oder bei der Kompression von Gasen. Diese Wärmequellen führen zu störenden Temperaturerhöhungen im Antriebs- und Lagerbereich und in Bereichen der pumpaktiven Bauteile, in welchen sie nachteilige Auswirkungen haben können. Im Extremfall kann es zum Anlaufen des Rotors und zur Zerstörung der Pumpe kommen. Um eine Überhitzung von kritischen Bauteilen zu vermeiden, sind diese Pumpen mit Kühleinrichtungen ausgestattet.

[0003] Reibungspumpen der beschriebenen Art kommen zunehmend zur Anwendung bei Verfahren wie z.B. in chemischen Prozessen oder in der Halbleiterfertigung, bei denen große Mengen von leichtkondensierbaren Gasen anfallen. Dabei werden die Rezipienten bis ins Ultrahochvakuumgebiet evakuiert. Die zu fördernden Gase werden von diesem Bereich bis in einen Druckbereich, in welchem laminare Strömung herrscht, komprimiert. Das bedeutet, dass in diesem Bereich höheren Druckes relativ große Gasmengen gefördert werden. Wenn dann diese Gase leicht kondensierbar sind, was bei tiefen Temperaturen umso mehr der Fall ist, kommt es zu Flüssigkeitsoder Feststoffabscheidungen in beträchtlichem Ausmaß. Dadurch können Korrosions- und Ätzvorgänge hervorgerufen werden, welche zur Zerstörung einzelner Bauteile oder der ganzen Pumpe führen können. Durch die Ablagerung von Feststoffteilen werden insbesondere die sehr schmalen Spalte im Bereich der Molekularpumpen noch mehr verengt, was mit einer Leistungsabnahme oder, im schlimmsten Fall, mit der Zerstörung der Pumpe verbunden ist.

[0004] Eingangs wurde erläutert, dass die hier zur Diskussion stehende Art von Vakuumpumpen mit Kühleinrichtungen versehen sein müssen, um sie vor Überhitzung der kritischen Bauteile zu schützen. Diese Kühleinrichtungen fördern andererseits die Flüssigkeits- und Feststoffabscheidungen, wodurch es zu den oben beschriebenen Störungen beim Einsatz der Pumpen kommen kann.

[0005] Somit wird die Konstruktion von Vakuumpumpen der oben beschriebenen Art, welche z. B. in chemischen Prozessen oder in der Halbleiterfertigung eingesetzt werden und in einem weiteren Druckbereich funktionsfähig sein sollen, von zwei sich entgegenstehenden, wenn nicht sogar sich ausschließenden Forderungen bestimmt.

[0006] In der EP O 352 688 wird zur Verhinderung des Wärmeüberganges von einem geheizten Teil auf ein gekühltes Teil ein Wärmeimpedanzelement als zusätzliches Bauteil zwischen dem gekühlten und dem beheizten Teil angebracht. Dies bringt den Nachteil von größeren äußeren Abmessungen mit sich. Außerdem sind zusätzliche Dichtungen und Verbindungselemente notwendig, welche kritische Bauteile darstellen und den Aufbau komplizieren. Diese Nachteile multiplizieren sich, wenn die thermische Trennung mehrerer Bereiche der Pumpe durchgeführt werden soll.

[0007] In der WO-A-9 400 694 wird eine Vakuumpumpe beschrieben, bei der der Hochvakuumbereich und der Vorvakuumbereich unterschiedliche Temperaturen haben. Der Einfluss des Antriebs- und Lagerbereichs, welcher für die gesamte Wärmebilanz der Pumpe eine ausschlaggebende Rolle spielt, wird jedoch in die Gesamtbetrachtung nicht mit einbezogen.

[0008] Die DE-A-44 10 903 beschreibt ein System mit einer Vakuumpumpe und einem Messgerät, bei dem Vakuumpumpe und Messgerät gemeinsame Einrichtungen zur Versorgung, Steuerung, Bedienung und Anzeige haben. Die Frage der unterschiedlichen Temperaturen in den einzelnen Pumpbereichen spielt hier keine Rolle.

[0009] Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine in einem weiten Druckbereich einsetzbare Vakuumpumpe vom Typ einer Reibungspumpe vorzustellen, bei welcher Flüssigkeits- und Feststoffabscheidungen weitgehend ausgeschlossen werden und gleichzeitig eine Überhitzung von gegenüber höheren Temperaturen empfindlichen Bauteilen vermieden wird. Dabei sollen die äußeren Abmessungen der Pumpe beibehalten und zusätzliche kritische Bauteile vermieden werden.

[0010] Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Die Ansprüche 3 bis 7 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.

[0011] Durch die Ausgestaltung einer Vakuumpumpe entsprechend der kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche wird erreicht, dass die sich entgegenstehenden Forderungen, welche der Konstruktion einer solchen Pumpe zugrunde liegen, erfüllt werden können. Die drei Bereiche werden thermisch entkoppelt, indem die Kontaktflächen zwischen ihnen durch radiale und axiale Freidrehungen minimiert werden. Diejenigen Kontaktflächen, welche aus bautechnischen Gründen noch notwendig sind, werden weitgehend durch wärmeisolierende Materialien gebildet. Der Hochvakuumbereich kann unabhängig von dem Vorvakuumbereich und dem Motor- und Lagerbereich thermisch so behandelt, das heißt kontrolliert, gekühlt oder aufgeheizt werden, wie es der jeweilige Anwendungsfall und das jeweilige Stadium des Anwendungsprozesses erfordern. Das gleiche gilt für den Vorvakuumbereich. Zum Beispiel können hier, wo durch den erhöhten Druck Flüssigkeits- und Feststoffabscheidungen begünstigt sind, diese durch gezielte Erhöhung der Temperatur vermieden werden. Die Wärme, welche im Motor- und Lagerbereich betriebsbedingt entsteht, wird weitgehend durch die Kühlung abgeführt, und ein unkontrollierter oder ungewollter Übergang von Wärme auf die anderen Bauteile wird vermieden.

[0012] An Hand der Abbildung soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.

[0013] Die Vakuumpumpe ist in drei Bereiche gegliedert: Den Hochvakuumbereich 1, den Vorvakuumbereich 2 und den Antriebs- und Lagerbereich 3. Der Hochvakuumbereich 1 ist in dem hier gezeigten Beispiel als Turbomolekularpumpe mit Rotor- und Statorscheiben 9, 10 ausgebildet und mit einem Gaseinlass 13 versehen. Der Vorvakuumbereich 2 weist beispielsweise eine Molekularpumpe vom Typ einer Holweckpumpe auf. Diese besteht aus rotierenden Zylinderteilen 11 und aus einem Stator 12 mit spiralförmigen Nuten. Die Gasaustrittsöffnung ist mit 14 bezeichnet. Der Antriebs- und Lagerbereich 3 beherbergt im wesentlichen einen Antriebsmotor 4 für die Welle 8, auf der sich die rotierenden Bauteile des Hochvakuumbereichs und des Vorvakuumbereichs befinden sowie Lagereinrichtungen für die Welle 8, im vorliegenden Beispiel aus einem axialen und einem radialen Magnetlager 5 und 6. Ein weiteres radiales passives Magnetlager 7 ist im Hochvakuumbereich 1 angeordnet. Werden anstelle der Magnetlager ganz oder teilweise andere Lagertypen, wie z. B. Kugellager verwendet, dann ändert dies am Wesen der Erfindung nichts.

[0014] Zwischen dem Hochvakuumbereich 1 und dem Vorvakuumbereich 2 sind zum Zwecke der thermischen Isolierung radiale und axiale Freidrehungen 15 vorhanden. Ebenso sind radiale und axiale Freidrehungen 16 zwischen dem Vorvakuumbereich 2 und dem Antriebs- und Lagerbereich 3 vorgesehen. Der Hochvakuumbereich 1 kann von dem Antriebs- und Lagerbereich 3, z. B. durch Freidrehungen 17, welche sich in der Welle 8 befinden, thermisch isoliert sein. An den Stellen, an denen aus bautechnischen Gründen Freidrehungen nicht möglich und Kontaktflächen nicht zu vermeiden sind, können diese durch Materialien mit niedriger Wärmeleitung gebildet werden. So können z. B. zwischen Hochvakuumbereich 1 und Vorvakuumbereich 2 an den mit 18 bezeichneten Stellen Einsätze aus solchen Materialien vorhanden sein wie auch an den mit 19 bezeichneten Stellen zwischen Vorvakuumbereich 2 und dem Antriebsund Lagerbereich 3. Der Hochvakuumbereich 1 und der Antriebs- und Lagerbereich 3 können durch Einsätze aus schlecht wärmeleitenden Materialien, z. B. in der Welle an der mit 20 bezeichneten Stelle, thermisch voneinander abgekoppelt werden.

[0015] Zur Regulierung der Temperatur ist der Hochvakuumbereich mit einer Kühlvorrichtung 21 und einer Heizvorrichtung 23 versehen. Durch Temperatursensoren 25 kann der Hochvakuumbereich thermisch überwacht und die Heizung oder Kühlung gesteuert werden. Zur Aufheizung des Vorvakuumbereichs sind stabförmige Heizelemente 24 radial von außen in das Gehäuse eingeführt. Durch Temperatursensoren 26 kann der Vorvakuumbereich thermisch überwacht und die Heizelemente geregelt werden. Der Motor- und Lagerbereich ist mit einer Kühlvorrichtung 22 zur Abführung der dort entstehenden Wärme versehen.

Ansprüche

1. Vakuumpumpe, bestehend aus einem Hochvakuumbereich (1) und einem Vorvakuumbereich (2), beide mit rotierenden (9, 11) und feststehenden (10, 12) Bauteilen, welche in ihrer Zusammenwirkung einen Pumpeffekt hervorrufen, weiterhin bestehend aus einem Antriebs- und Lagerbereich (3), dadurch gekennzeichnet, dass die drei Bereiche so gestaltet und zueinander angeordnet sind, dass sie unterschiedlichen thermischen Behandlungen unterworfen werden können und dass mindestens zwei der Bereiche durch Freidrehungen (15, 16, 17), die zwischen ihren Bauteilen vorhanden sind, wodurch die Kontaktflächen der Bauteile der verschiedenen Bereiche auf ein Minimum begrenzt werden, thermisch voneinander isoliert sind.

2. Vakuumpumpe, bestehend aus einem Hochvakuumbereich (1) und einem Vorvakuumbereich (2), beide mit rotierenden (9, 11) und feststehenden (10, 12) Bauteilen, welche in ihrer Zusammenwirkung einen Pumpeffekt hervorrufen, weiterhin bestehend aus einem Antriebs- und Lagerbereich (3), dadurch gekennzeichnet, dass die drei Bereiche so gestaltet und zueinander angeordnet sind, dass sie unterschiedlichen thermischen Behandlungen unterworfen werden können und dass mindestens zwei der Bereiche durch Teile (18, 19, 20) aus schlecht wärmeleitendem Material, durch welche die aus bautechnischen Gründen noch notwendigen Kontaktflächen ganz oder teilweise gebildet werden, thermisch voneinander isoliert sind.

3. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochvakuumbereich (1) mit einer Kühlvorrichtung (21) ausgestattet ist.

4. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebs- und Lagerbereich mit einer Kühlvorrichtung (22) ausgestattet ist.

5. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorvakuumbereich (2) mit einer Heizvorrichtung (24) ausgestattet ist.

6. Vakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (24) aus stabförmigen Heizelementen besteht, welche radial oder axial in den Gehäuseteil des Vorvakuumbereichs (2) hineinragen.

7. Vakuumpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorvakuumbereich (2) Temperatursensoren (26) angebracht sind, die diesen Bereich überwachen und die Heizvorrichtung (24) regeln.

Claims

1. Vacuum pump comprising a high-vacuum region (1) and a backing pressure region (2), both with rotating (9,11) and stationary (10, 12) structural parts, which generate a pumping effect on their interaction, further comprising a drive and bearing region (3), characterised in that the three regions are structured and disposed relative to one another in such a manner that they can be subjected to different thermal treatments, and in that at least two of the regions are thermally insulated from one another by recesses (15, 16, 17) present between their structural parts, through which the contact surfaces of the structural parts of the different regions are restricted to a minimum.

2. Vacuum pump comprising a high-vacuum region (1) and a backing pressure region (2), both with rotating (9,11) and stationary (10, 12) structural parts, which generate a pumping effect on their interaction, further comprising a drive and bearing region (3), characterised in that the three regions are structured and disposed relative to one another in such a manner that they can be subjected to different thermal treatments, and in that at least two of the regions are thermally insulated from one another by parts (18, 19, 20) made of poorly heat conductive material, by which the contact surfaces still necessary for structural reasons are fully or partly formed.

3. Vacuum pump according to one of Claims 1 or 2, characterised in that the high-vacuum region (1) is fitted with a cooling device (21).

4. Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterised in that the drive and bearing region is fitted with a cooling device (22).

5. Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterised in that the backing pressure region (2) is fitted with a heating device (24).

6. Vacuum pump according to Claim 5, characterised in that the heating device (24) comprises rod-type heating elements, which project radially or axially into the housing part of the backing pressure region (2).

7. Vacuum pump according to Claim 5 or 6, characterised in that temperature sensors (26) are attached in the backing pressure region (2) to monitor this region and regulate the heating device (24).

Revendications

1. Pompe à vide qui comprend une zone de vide poussé (1) et une zone de vide préliminiaire (2), les deux comportant des éléments rotatifs (9, 11) et des éléments fixes (10, 12) dont l'action conjointe produit un effet de pompage, et qui comprend en outre une zone d'entraînement et de logement (3), caractérisée en ce que les trois zones sont constituées et agencées les unes par rapport aux autres d'une façon telle qu'elles peuvent être soumises à des traitements thermiques différents, et en ce qu'au moins deux des zones sont thermiquement isolées l'une de l'autre par des coussinets flottants (15, 16, 17) disposés entre les éléments de ces zones, moyennant quoi les surfaces de contact des éléments des différentes zones sont limitées à un minimum.

2. Pompe à vide qui comprend une zone de vide poussé (1) et une zone de vide préliminiaire (2), les deux comportant des éléments rotatifs (9, 11) et des éléments fixes (10_, 12) dont l'action conjointe produit un effet de pompage, et qui comprend en outre une zone d'entraînement et de logement (3), caractérisée en ce que les trois zones sont constituées et agencées les unes par rapport aux autres d'une façon telle qu'elles peuvent être soumises à des traitements thermiques différents, et en ce qu'au moins deux des zones sont thermiquement isolées l'une de l'autre par des éléments (18, 19, 20) composés d'un matériau faiblement thermoconducteur et dont sont constituées, entièrement ou partiellement, les surfaces de contacts qui restent nécessaires pour des raisons structurelles.

3. Pompe à vide selon une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la zone de vide poussé (1) est équipée d'un dispositif de refroidissement (21).

4. Pompe à vide selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone d'entraînement et de logement est équipée d'un dispositif de refroidissement (22).

5. Pompe à vide selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de vide préliminaire (2) est équipée d'un dispositif de chauffage (24).

6. Pompe à vidé selon la revendication 5, caractérisée en ce que le, dispositif de chauffage (24) est constitué de thermocouples en forme d'aiguille qui s'avancent dans le sens radial ou axial dans la partie de carter de la zone de vide préliminaire (2).

7. Pompe à vide selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce qu'il est disposé dans la zone de vide préliminaire (2) des capteurs thermiques (26) qui surveillent cette zone et règlent le dispositif de chauffage (24).

Zeichnung