DE19508566A1 - Molekularvakuumpumpe mit Kühlgaseinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents
Molekularvakuumpumpe mit Kühlgaseinrichtung und Verfahren zu deren BetriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Molekularvakuumpumpe mit Kühlgaseinrichtung
und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Molekularvakuumpumpen der verschiedensten Bauart werden zur Förderung
von Gasen und zur Erzeugung von Vakuum eingesetzt. Der Arbeitsbereich,
in welchem Molekularvakuumpumpen sinnvoll genutzt werden können, reicht
vom molekularen Strömungsgebiet, d. h. dem Druckbereich, in welchem die
mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle groß ist gegenüber den geometri
schen Abmessungen der Pumpe bis hin zum laminaren Strömungsbereich,
den Bereich, in welchem die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle klein
ist gegenüber den geometrischen Abmessungen der Pumpe. In diesem Be
reich kann das Gas als ein Kontinuum betrachtet werden. Die Eigenschaften,
welche für den Pumpvorgang und die Konstruktion der Pumpe von besonde
rer Wichtigkeit sind, sind die innere Reibung und die Wärmeleitfähigkeit der
Gase.
Molekularvakuumpumpen werden in Form von Turbomolekularpumpen [1]
besonders in der Hoch- und Ultrahochvakuumtechnik eingesetzt. Molekular
vakuumpumpen nach der Bauart von Siegbahn [2] oder derjenigen von
Holweck [3] sind für den Einsatz in dem nach oben anschließenden Druck
bereich geeignet. Sie können sowohl separat als auch in Kombination mit
Turbomolekularpumpen verwendet werden. Dadurch wird der Arbeitsbereich
von Turbomolekularpumpen nach höheren Ausstoßdrücken hin verschoben.
Wesentlich für die Funktion von Molekularpumpen jeglicher Art ist, daß der
Abstand zwischen rotierenden und stehenden Bauteilen sehr gering ist, um
Rückströmungen und Rückförderverluste klein zu halten. Weiterhin ist allen
Molekularpumpen gemeinsam, daß ihr Druckverhältnis exponentiell und
ihr Saugvermögen linear von der Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden
Teile abhängt. Daher werden diese Pumpen mit hoher Drehzahl betrieben.
Unter diesen Umständen ist es sehr kritisch, die minimalen Spalte zwischen
Rotor und Stator einzuhalten. Hierbei spielt die thermische Ausdehnung des
Rotors während des Betriebes eine entscheidende Rolle. Die Erwärmung
des Rotors und auch der Statorteile hat verschiedene Ursachen wie z. B.
Verluste durch Reibung und Kompression des zu pumpenden Gases, Wir
belstromverluste in der Antriebseinheit, Reibungsverluste in kugellagern
oder Wirbelstromverluste bei Magnetlagern, Einwirkung äußerer Magnet
felder je nach Einsatzgebiet.
Während die Temperatur der mit dem Gehäuse fest verbundenen Stator
teile durch Luft oder Wasserkühlung unter Kontrolle gehalten werden kann,
gilt dies für den Rotor nicht. Dieser ist in idealer Weise thermisch von den
Statorteilen isoliert. Je nach Art der Lagerung schwebt er völlig berührungs
los in einer Magnetlagerung oder hat nur eine minimale Berührung mit den
Statorteilen über Kugellager. Der Betrieb im Vakuum verhindert eine Wärme
übertragung durch Konvektion. Es bleibt fast nur ein Temperaturausgleich
durch Wärmestrahlung. Dieser ist jedoch unzureichend und läßt eine zuver
lässige Kontrolle der Temperatur des Rotors nicht zu.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Molekularpumpe und ein
Verfahren zu deren Betrieb vorzustellen, bei der die Möglichkeit zu einer
effektiven Kühlung, insbesondere des Rotors vorgesehen ist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patent
anspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 8 stellen weitere Ausgestaltungen
der Erfindung dar.
Ein Gas niedrigerer Temperatur zur Kühlung der Pumpe und insbesondere
zur Wärmeübertragung vom Rotor zum Stator in eine Molekularpumpe ein
zulassen, ist deswegen besonders effektiv, weil sich Rotor- und Statorteile
jeweils großflächig und mit engen Abständen gegenüberstehen. Um jedoch
den Pumpvorgang so wenig wie möglich zu stören, sollte die eingelassene
Gasmenge klein gegen die Menge des zu pumpenden Gases sein. Daraus
ergibt sich die Forderung nach einer umso höheren Wärmeleitfähigkeit des
Kühlgases.
Da das eingelassene Kühlgas von dem Pumpvorgang miterfaßt und sowohl
gefördert als auch komprimiert wird, muß andererseits vermieden werden,
daß die dadurch bedingte zusätzliche Reibung wieder eine merkliche
Temperaturerhöhung mit sich bringt. Dies erfordert, daß die innere Reibung
des Kühlgases klein ist gegenüber der inneren Reibung des zu pumpenden
Gases.
Zur Berücksichtigung der beiden letztgenannten Forderungen werden die
Abhängigkeiten für Wärmeleitfähigkeit λ und der inneren Reibung η
von dem Molekulargewicht M betrachtet. Dabei gilt, daß λ proportional
und 1√ und η proportional √ ist. Daraus folgt, daß mit abnehmendem
Molekulargewicht die Wärmeleitfähigkeit zunimmt, und die innere Rei
bung abnimmt. Daher sind Gase mit niedrigem Molekulargewicht wie z. B.
Helium als Kühlgas besonders geeignet. Dies umso mehr, als im allgemei
nen mit Molekularvakuumpumpen Gase mit höherem Molekulargewicht ge
fördert werden.
Die Menge des eingelassenen Kühlgases sollte so bemessen sein, daß ein
Maximum an Wärme transportiert werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn
das laminare Strömungsgebiet erreicht ist. Die Wärmeleitfähigkeit steigt vom
molekularen Strömungsgebiet bis zum laminaren Strömungsgebiet mit dem
Druck an und bleibt dann druckunabhängig. Das laminare Strömungsgebiet
ist dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere freie Weglänge der Moleküle
klein ist gegenüber den geometrischen Abmessungen der Gefäßwände. Das
bedeutet z. B. bei Abständen zwischen Rotor- und Statorscheiben von ca.
1 mm einen Arbeitsdruck des Kühlgases von ca. 0,1 mbar.
Die Zuführung des Kühlgases kann in Abhängigkeit der Eigenschaften der
Pumpe und des Pumpprozesses an verschiedenen Stellen der Molekular
vakuumpumpe erfolgen. Ein Einlaß auf der Hochvakuumseite bringt den
Vorteil mit sich, daß in diesem Fall die maximale Anzahl von sich gegen über
stehenden Stator- und Rotorflächen von dem Kühlgas umspült werden und
so der größtmögliche Kühleffekt eintritt. Dabei muß aber berücksichtigt wer
den, daß der Pumpprozeß nicht wesentlich beeinträchtigt werden darf. Bei
Verwendung eines Kühlgases mit niedrigem Molekulargewicht, für welches
gemäß den charakteristischen Eigenschaften einer Molekularpumpe das
Druckverhältnis besonders klein ist, kann ein Einlaß auf der Hochvakuum
seite nur dann sinnvoll sein, wenn die Pumpe selbst eine ausgesprochen
hohe Kompression aufweist.
Diese Verhältnisse wirken sich weniger kritisch aus, wenn das Kühlgas auf
der Vorvakuumseite eingelassen wird. Man hat dann zwar weniger sich ge
genüberstehende Flächen für den Wärmeaustausch zur Verfügung, dafür
aber wird das Gas in einem Druckbereich eingelassen, in welchem die Wär
meleitfähigkeit schon ihren maximalen Wert erreicht hat. Dabei kann man
sich noch den Vorteil zunutze machen, daß an dieser Stelle oft schon ein
Spülgasanschluß vorhanden ist. Das Kühlgas kann dann dem Spülgas bei
gemengt werden. Durch einen Einlaß von Kühlgas zwischen den vorgenann
ten Positionen können je nach Pumpentyp oder Art des Pumpprozesses die
genannten Vorteile ausgenutzt und Nachteile vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung und das entsprechende Verfahren er
möglicht es, den Rotor einer Molekularpumpe in Abhängigkeit von den Ei
genschaften der Pumpe und dem Pumpprozeß so zu kühlen, daß selbst
bei extremen Anwendungsfällen die Temperatur unter dem höchst zuläs
sigen Wert bleibt.
An Hand der beigefügten Abbildung soll die Erfindung beispielsweise näher
erläutert werden.
Die Molekularvakuumpumpe stellt als Beispiel eine Kombination aus einer
Turbomolekularpumpe 1 mit Rotorscheiben 2 und Statorscheiben 3 und
einer Molekularpumpe nach der Bauart von Holweck 4 mit rotierenden 5
und stehenden 6 Teilen. Beide Teile der Pumpe besitzen einen gemein
samen Antrieb 7 und gemeinsame Lager 8 und 9. Die Hochvakuumseite
ist mit dem Anschlußflansch 10 versehen. Die Gasaustrittsöffnung befin
det sich bei 11. Die Anschlüsse für den Kühlgaseinlaß sind je nach Aus
führungsform wahlweise bei 12, 13 oder 14 vorgesehen. Die Anschlüsse
13 und 14 können gleichzeitig als Spülgas-Einlaß dienen. Die Zuführung
des Kühlgases auf der Hochvakuumseite kann anstatt über den Anschluß
12 auch über den Anschlußflansch 10 erfolgen.
Claims (8)
1. Molekularvakuumpumpe zur Förderung von Gasen und zur Erzeu
gung und Aufrechterhaltung eines Druckverhältnisses und Verfah
ren zum Betrieb der Molekularvakuumpumpe, dadurch gekennzeich
net, daß zwischen dem Ansaugflansch (10) und der Gasaustrittsöff
nung (11) ein zusätzlicher Gaseinlaß (12, 13 oder 14) vorhanden ist,
und daß zur Kühlung der Pumpe, insbesondere des Rotors über
diesen Gaseinlaß dem Pumpenraum ein Kühlgas zugeführt wird, des
sen Wärmeleitfähigkeit groß ist gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des
zu komprimierenden Gases.
2. Molekularvakuumpumpe und Verfahren zu deren Betrieb nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Reibung des Kühl
gases klein ist gegenüber der inneren Reibung des zu pumpenden
Gases.
3. Molekularvakuumpumpe und Verfahren zu deren Betrieb nach An
spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlgas verwendet
wird, dessen Molekulargewicht niedriger ist als das Molekulargewicht
des zu pumpenden Gases.
4. Molekularvakuumpumpe und Verfahren zu deren Betrieb nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Menge des eingelassenen Kühlgases so bemessen ist, daß bei ge
gebener Geometrie und bei gegebenem Druck zur Erreichung der
maximalen Wärmeleitfähigkeit der Bereich erreicht wird, in dem die
Wärmeleitfähigkeit mit dem Druck konstant bleibt.
5. Molekularvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Gaseinlaß (12) sich auf
der Hochvakuumseite der Pumpe befindet.
6. Molekularvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der zusätzliche Gaseinlaß (14) sich auf der Vor
vakuumseite der Pumpe befindet.
7. Molekularvakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß ein auf der Vorvakuumseite sich befindender Spülgaseinlaß (14)
gleichzeitig als Kühlgaseinlaß verwendet wird.
8. Molekularvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der zusätzliche Gaseinlaß (13) sich zwischen
Hochvakuumseite und Vorvakuumseite befindet.
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