DE3613198A1

DE3613198A1 - Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE3613198A1
Application number: DE19863613198
Authority: DE
Inventors: Masahiro Tochigi Mase; Takahashi Nagaoka; Minoru Taniyama; Makoto Chiyoda Ibaraki Terajima; Yoshitsugu Tsutsumi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1986-10-30
Also published as: JPH037039B2; JPS61247893A; US4668160A; DE3613198C2

Description

Vakuumpumpe ^O Id 13ο

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Vakuumpumpen werden zum Evakuieren von Gasen von Atmosphärendruck auf ein Hochvakuum verwendet, wobei ein reines Vakuum erzielt werden soll, wie es beispielsweise für die Halbleiterfertigung erforderlich ist.

Als Vakuumpumpen sind IonenzerStäuberpumpen, Turbomolekularpumpen, Kryopumpen usw. bekannt. Jede dieser Pumpen erfordert eine Grobpumpe oder Vorvakuumpumpe, um Luft von Atmosphärendruck auf ein Hochvakuum zu evakuieren, Die Pumpen benötigen komplizierte Steuerungen und dergleichen für die Regulierung der Arbeitsweise beider Pumpen, wodurch die Abmessungen des Vakuum nutzenden Systems und der Raum dafür größer werden«

Eine bekannte Pumpe, bei welcher dieser Nachteil nicht vorliegt und die in der Lage ist, eine Evakuierung von Atmosphärendruck auf ein Hochvakuum durchzuführen, ist aus der US-PS 3 969 039 bekannt. Die Pumpe ist zweiseitig symmetrisch gebaut und hat im Gehäuse eine Turbomolekularpumpenstufe, eine Spiralmolekularpumpenstufe, eine Radialverdichterstufe und eine als Vortex-diode-Pumpenstufe bezeichnete Pumpenstufe, die nach dem Zentrifugalpumpenprinzip arbeitet und speziell gestaltete Statorscheiben aufweist, die von der Ansaugseite zur Seite der Auslaßöffnung hin hintereinander angeordnet sind.

Die Turbomolekularpumpenstufe besteht aus abwechselnden Kombinationen von ortsfesten Platten, die an einer Innenwand des Gehäuses befestigt sind, und rotierenden scheibenförmigen Platten, die an der sich drehenden Welle angebracht sind_o Die Spiralmolekularpumpenstufe setzt sich aus abwechselnden Kombinationen von ortsfesten, an einer Innenwand des Gehäuses befestigten

Platten und Laufrädern in Form von scheibenförmigen Platten zusammen, die an der rotierenden Welle angebracht sind. Die Radialverdichterstufe besteht aus abwechselnden Kombinationen von ortsfesten Platten mit einem Diffusor, die an der Innenwand des Gehäuses festgelegt sind, und aus Laufrädern, die an der sich drehenden Welle angebracht sind. Die Wirbelzweistrompumpenstufe besteht aus abwechselnden Kombinationen von ortsfesten Scheibenplatten, die an der Innenwand des Gehäuses festgelegt sind, und rotierenden Scheibenplatten, die an der sich drehenden Welle angebracht sind.

Die Welle wird durch das Medium einer Turbine angetrieben, das mit Lufteinlaß- und Luftauslaßöffnungen in einer Seitenwand des Gehäuses verbunden ist.

Eine solche bekannte Vakuumpumpe kann die Kompressionsarbeit in zufriedenstellender Weise ausführen, wenn sie einen stationären Zustand erreicht hat, wo der Druck an der Ansaugöffnung, d.h. der Enddruck,ausreichend abgesenkt ist. im Anfangszustand des Pumpenbetriebs jedoch, der als Übergangszustand bzw. nicht stabiler Zustand bezeichnet wird, arbeitet die Pumpe nicht mit einer ausreichenden Pumpgeschwindigkeit. In diesem Übergangszustand beeinflussen die Turbomolekularpumpenstufe und die Spiralmolekularpumpenstufe, die für den Molekularstrom oder den Übergangsstrom der Luft mit verantwortlich sind, Kompressionsarbeiten wegen des hohen Drucks in der Pumpe nicht wesentlich. Der Strömungskanal der Spiralmolekularpumpenstufe hat eine besonders kleine Querschnittsfläche, damit ein höheres Druckverhältnis erreicht wird, was jedoch einen hohen Druckverlust bei hohem Durchsatz verursacht.

A Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Vakuumpumpe zu schaffen, die in der Lage ist, Luft von Atmosphärendruck auf ein hohes Vakuum

zu evakuieren, damit ein reines Vakuum erhalten werden kann, und mit hoher Pumpgeschwindigkeit im Übergangszustand am Anfang des Pumpbetriebs zu arbeiten.

Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe gelöst, die ein Gehäuse mit einer Ansaugöffnung und einer Abführöffnung, eine in dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle, eine Vielzahl von an einer Innenwand des Gehäuses festgelegten stationären Elementen und eine Vielzahl von an der Welle festgelegten rotierenden Elementen aufweist, wobei die stationären Elemente und die rotierenden Elemente abwechselnd zur Bildung von Pumpenstufen angeordnet sind. Dabei wird erfindungsgemäß auf der Seite der Ansaugöffnung eine Radialverdichterstufe und auf der Seite der Auslaßöffnung eine Onnfangsstrompumpenstufe bzw. Ringkanal-Seitenverdichterstufe gebildet. Das rotierende Element der Radialverdichterstufe setzt sich aus einem Laufrad in offener Form zusammen, welches eine Vielzahl von nach rückwärts gerichteten Schaufeln aufweist. Die Pumpe ist so ausgelegt, daß sie im stationären Zustand als Siegbahn-Molekularpumpe und im übergangszustand am Anfang des Pumpbetriebs als Radialverdichter arbeitet, wodurch im Übergangszustand eine hohe Pumpgeschwindigkeit erreicht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vakuumpumpe sind in den Unteransprüchen beschrieben.

_ü> 25 Anhand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Vakuumpumpe im Längsschnitt,

Fig. 2 als Einzelheit im Axialschnitt eine Radialverdichterstufe der Pumpe von Fig. 1,

Fig. 3 die Ansicht A-A von Fig„ 2,

Fig. 4 die Ansicht B-B von Fig. 2,

Fig. 5 in einer Einzelheit im Axialschnitt eine Ringkanal-Seitenverdichter stufe,

Fig. 6 die Ansicht C-C von Fig. 5 und Fig. 7 die Ansicht D-D von Fig. 5.

Die in Fig. 1 gezeigte Vakuumpumpe hat ein Gehäuse 1 mit einer Ansaugöffnung 1A und einer Abführöffnung 1B, eine über Lager 2 drehbar im Gehäuse 1 gelagerte Welle 3, eine Radialverdichterstufe 4 und eine Ringkanal-Seitenverdichterstufe bzw. Onfangsstromkompressorstufe 5, die nacheinander im Gehäuse 1 von der Seite der Ansaugöffnung 1A zur Seite der Abführöffnung 1B vorgesehen sind. Die Welle 3 wird von einem mit ihr verbundenen Motor 6 angetrieben.

Die Radialverdichterstufe 4 hat, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, Offen-Form-Laufräder 4A,von denen jedes eine Vielzahl von nach rückwärts gerichteten Schaufeln 7 aufweist, die bezogen auf die Drehrichtung nach innen gerichtet sind, und von denen jedes an der Welle 3 befestigt ist. Die Radialverdichterstufe 4 hat weiterhin, wie in Fig. 2 und 4 gezeigt ist, eine stationäre Scheibenplatte 4B, die an der Innenwand des Gehäuses 1 befestigt ist und eine Vielzahl von Schaufeln 8 aufweist, die in Beziehung zur Drehrichtung nach innen gerichtet auf der Seite angeordnet sind, die der Rückseite des Laufrads 4A zugewandt, also auf der Seite, an der sich keine Schaufeln 7 befinden. Die Offen-Form-Laufräder 4A und die stationären scheibenförmigen Platten 4B sind abwechselnd angeordnet.

Die ümfangsverdichterstufe 5 hat, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt ist, Laufräder 5A, die jeweils an der Welle 3 be-

festigt sind und an ihrem Außenumfang eine Vielzahl von Schaufeln 9 aufweisen, sowie, wie in Fig. 5 und 7 gezeigt ist, stationäre scheibenförmige Platten 5B, die jeweils an einer Innenwand des Gehäuses 1 befestigt sind und U-förmige Nuten 10 a.uf der Seite aufweisen, die der Oberfläche der Laufräder 5A zugewandt ist, also auf der Seite, auf welcher sich die Schaufeln 9 befinden. Die Laufräder 5A und die stationären scheibenförmigen Platten 5B sind abwechselnd angeordnet. An dem Endabschnitt der Nut 10 ist durch ein gebohrtes Loch 1Oa ein Luftkanal 11 ausgebildet, wie dies in Fig. 5 und 7 gezeigt ist. Schmieröl wird den Adern 2 von einem Schmieröltank 12 über einen ölkanal in der Welle 3 zugeführt.

Die Vakuumpumpe arbeitet folgendermaßen:

Im Übergangszustand am Anfang des Pumpbetriebs ist der gesamte Innendruck der Pumpe im wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck. Der Gasstrom ist ein viskoser Strom, so daß die Radialverdichterstufe 4 als Radialverdichter arbeitet. Das heißt, das Radialverdichterstufenlaufrad 4A arbeitet als Kompressorlaufrad und der zwischen den Laufrädern 4A und den Schaufeln 8 der stationären scheibenförmigen Platte 4B gebildete Strömungskanal arbeitet als Rückführkanal, durch den der Gasstrom von der Außendurchmesserseite zur Innendurchmesserseite geführt wird. Da die Laufräder 4A die Kompressionsarbeit bewirken, kann die Radialverdichterstufe 4 anstatt als Abschnitt, bei welchem ein Druckverlust eintritt, als Kompressor arbeiten, wodurch Luft mit hohem Mengenstrom abgeführt wird.

In einem stationären Zustand, in welchem das Kompressionsverhältnis der Umfangsstromkompressorstufe 5 groß wird

und der Druck an der Ansaugöffnung der Umfangsstromverdichterstufe ausreichend niedrig wird, d.h. in einem stationären Zustand, in welchem dieser Druck nicht mehr als etwa 800 Pa beträgt, ist der Zustand des Gasstroms ein übergangsstrora oder ein Molekularstrom an der Ansaugöffnung 1A der Pumpe, so daß der Radialverdichter als eine Siegbahn-Molekularpumpe arbeitet. Das heißt, das Laufrad 4A mit den Schaufeln 7 arbeitet als eine rotierende scheibenförmige Platte mit schraubenförmigen Nuten und als eine Siegbahn-Molekularpumpe, die die Kompressionsarbeit in Verbindung mit der Rückseite des Laufrads 4A bewirkt, also der Seite, an der sich keine Schaufeln 7 befinden.

Im stationären Zustand ist der Volumenstrom im wesentlichen Null, da die Gasmenge, die in die Umfangsstromkompressorstufe 5 strömt, durch die Radialverdichterstufe 4 ausreichend komprimiert worden ist. Die UmfangsStromkompressorstufe 5 arbeitet dann im wesentlichen mit der Kapazität Null und es kann der abschließende niedrige Druck über eine kleine Anzahl von Elementen aufgrund der Kennlinie des Seitenkanalverdichters erreicht werden, die ein hohes Kompressionsverhältnis bei der Kapazität Null zulassen.

Die Anzahl der Elemente und die Drehzahl der Radialverdichterstufe 4 und der Umfangsstromkompressorstufe 5 sind so eingestellt, daß im stationären Arbeitszustand der Druck an der Grenze zwischen den beiden Stufen dem Änderungspunkt zwischen der viskosen Strömung und der übergangsströmung entspricht. Insgesamt ergibt eine Kombination aus eins bis drei Elementen der Radialverdichterstufe und aus sechs bis zehn Elementen der Umfangsstromverdichterstufe einen Druck von 0,13 bis 0,013 Pa.

Erfindungsgemäß arbeitet somit die Radialverdichterstufe bzw. die Zentrifugalkompressorstufe als Radialverdichter unter einem Übergangszustand und als Siegbahn-Molekularpumpe im stationären Zustand, wodurch ein doppelter Effekt erreicht wird, nämlich unter der Bedingung, daß der Druck an der Abführöffnung auf Atmosphärendruck gehalten wird, ein sauberes Vakuum an der Ansaugöffnung erzielt wird. Darüber hinaus kann die Pumpe im Übergangszustand beim Anlaufen des Pumpbetriebs mit einer hohen Pumpgeschwindigkeit arbeiten.

- Leerseite -

Claims

FONER EBBINGHAUS FINCK PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MARIAHILFPLATZ 2*3. MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95O16O, D-8OOO MDNCHEN 95 3613198 Hitachi, Ltd. DEAC-33742.8 18. April 1986 Fi/ba Vakuumpumpe Patentansprüche

1. Vakuumpumpe mit einem Gehäuse (1), welches eine Ansaugöffnung (1A) und eine Auslaßöffnung (1B) aufweist, mit einer in dem Gehäuse (1) drehbar gelagerten Welle (3), mit einer Vielzahl von an der Innenwand des Gehäuses (1) befestigten stationären Elementen (4B, 5B) und mit einer Vielzahl von an der Welle (3) befestigten rotierenden Elementen (4A, 5A), wobei die stationären Elemente (4B, 5B) und die rotierenden Elemente (4A_f 5A) abwechselnd so angeordnet sind, daß sie Pumpenstufen (4, 5) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite der Ansaugöffnung (1A) eine Radialverdichterstufe (4) und auf der Seite der Auslaßöffnung (1B) eine Ringkanal-Seitenverdichterstufe (5) gebildet wird, wobei die rotierenden Elemente (4A) der Radialverdichterstufe (4) aus offenen Lauf rädern zusammengesetzt sind, die eine Vielzahl von rückwärts gerichteten Schaufeln

(7) aufweisen.

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge-

_₂_ 361319fr

kennze i c h η e t, daß die stationären Elemente der Radialverdichterstufe (4) von einer stationären scheibenförmigen Platte (4B) gebildet wird, wobei eine Vielzahl von Schaufeln (8) so angeordnet ist, daß sie der Rückseite des Laufrads (4A) zugewandt und bezüglich der Drehrichtung am Außendurchmesserabschnitt der stationären Elemente (4B) nach innen gerichtet sind.

3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ■ ze ichnet, daß der Durchmesser der Ringkanal-Seitenverdichter stufe (5) auf der Seite der Auslaßöffnung (1B) kleiner als auf der Seite der Ansaugöffnung (1A) ist.