EP0408792B1

EP0408792B1 - Gasreibungspumpe mit mindestens einer auslassseitigen Gewindestufe

Info

Publication number: EP0408792B1
Application number: EP89113318A
Authority: EP
Inventors: Frank Fleischmann; Hans-Peter Dr. Kabelitz; Hans Kriechel; Martin Mühlhoff
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1989-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1993-09-29
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: JPH0357898A; JP2994005B2; US5051060A; EP0408792A1; DE58905785D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasreibungspumpe mit mindestens einer auslaßseitigen Gewindestufe mit ringförmigem Gasförderkanal.
Zu den Reibungspumpen gehören Molekular- und Turbomolekularvakuumpumpen. Bei Molekularpumpen sind eine sich bewegende Rotorwand und eine ruhende Statorwand so gestaltet und beabstandet, daß die von den Wandungen auf dazwischen befindliche Gasmoleküle übertragene Impulse eine bevorzugte Richtung haben. In der Regel sind Rotor und/oder Statorwand mit gewindeförmigen Vertiefungen oder Vorsprüngen ausgerüstet. Turbomolekularpumpen weisen nach Art einer Turbine ineinandergreifende Stator- und Rotorschaufelreihen auf. Sie benötigen einen Vorvakuumdruck von etwa 10⁻² mbar. Demgegenüber fördern Molekularpumpen bis zu Drücken von 10 mbar und mehr, so daß der für die Vorvakuumerzeugung erforderliche Aufwand wesentlich geringer ist.
Reibungspumpen der eingangs erwähnten Art, wie sie beispielsweise aus dcr De-A- 37 05 912 bekannt sind, werden häufig zur Evakuierung von Kammern eingesetzt, in denen Ätz-, Beschichtungs- oder andere Vakuumbehandlungs- oder Herstellverfahren durchgeführt werden. Bei diesen Prozessen besteht die Gefahr, daß Feststoffe in die Pumpe gelangen. Bei einigen Prozessen besteht sogar die Möglichkeit, daß solche Feststoffe erst während der Verdichtung der Gase, also während des Durchtritts der abzupumpenden Gase durch die Vakuumkammer entstehen. Beispiele sind die Bildung von Aluminiumchlorid beim Aluminium-Ätzen, von Amoniumchlorid bei Beschichtungsverfahren usw.
Lagern sich Feststoffe dieser Art in den Gasförderkanälen der Vakuumpumpe ab, dann verringert sich der Durchmesser dieser Kanäle, was eine Reduzierung der Leistung der Vakuumpumpe zur Folge hat. Gerade bei den Reibungspumpen, die zumindest im auslaßseitigen Bereich als Molekularpumpe ausgebildet sind, hat sich herausgestellt, daß sich die unerwünschten Feststoffe in den auslaßnahen Gewindestrukturen ablagern.
Eine weitere Gefahr besteht darin, daß die staubförmigen Feststoffe in den Motorraum gelangen, in welchem sich auch die Lagerungen befinden. Üblicherweise handelt es sich um schmiermittelversorgte Wälzlagerungen, die bei Staubanfall einem erhöhten Verschleiß unterworfen sind.
Bei Reibungspumpen, die bei den erwähnten Pumpprozessen eingesetzt werden, ist aus den geschilderten Gründen ein erhöhter Wartungsaufwand erforderlich. Die Beseitigung von Verschmutzungen aus der Gasförderkanälen und aus dem Motorraum setzt eine Demontage der Pumpe voraus, welche aufwendig und deshalb kostspielig ist.
Schließlich treten bei Gewindepumpstufen vorzugsweise im Enddruckbereich Molekular- bzw. Ölrückströmungen auf. Dies ist der Fall, weil kaum noch eine Molekularströmung in Förderrichtung besteht und der optisch freie Querschnitt der Gewindekanäle relativ groß ist. Insbesondere beim Enddruckbetrieb bilden sich in den Gewindestufen Gaskreisläufe aus. Im Bereich der Rotorwand strömen die wenigen noch vorhandenen Moleküle in Förderrichtung. Im Bereich des Grundes der Gewindegänge strömen die Gase zurück und fördern dort die Ölrückströmung. Es besteht deshalb die große Gefahr, daß aus der Vorvakuumpumpe stammende Ölmoleküle in den Rezipienten gelangen und den darin ablaufenden Prozeß stören.
Insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen sind selbst extrem kleine Öldampfkonzentrationen äußerst schädlich.
Zum Stand der Technik gehört der Inhalt der DE-A-25 26 164. Aus dieser Schrift ist eine Turbomolekularvakuumpumpe mit einem glockenförmigen Rotor bekannt, der auf seiner Außenseite Rotorschaufeln trägt. Innerhalb der Rotorglocke befindet sich ein feststehender zylindrischer Einsatz, der auf seiner der Innenwand des Rotors zugewandten Außenseite eine wendelförmige Nut aufweist. In dem Zwischenraum zwischen dem feststehenden Einsatz und der Innenwand der Rotorglocke mündet eine den feststehenden Einsatz durchdringende Bohrung 22. Durch diese Bohrung kann Gas eingelassen werden, um dadurch eine Erniedrigung des hochvakuumseitigen Enddruckes der Turbomolekularvakuumpumpe zu erreichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasreibungsvakuumpumpe der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß zum einen Staubablagerungen im auslaßseitigen Bereich beseitigt und/oder vermieden werden können und daß zum anderen die Gefahr der Kontamination der an die Pumpe angeschlossenen Arbeitskammer mit Öldämpfen nicht mehr vorhanden ist.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele dadurch erreicht, daß die Pumpe mit einem sich über den Umfang des Gasförderkanals erstreckenden Spülgaseinlaß ausgerüstet ist. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Pumpe kann durch Einlaß eines Spülgaspulses (vorzugsweise Stickstoff) von größenordnungsmäßig 100 mbar l/s bei Betriebsdrehzahl ein kräftiges Durchspülen der in Bezug auf den Spülgaseinlaß stromabwärts gerichteten Bereiche, also insbesondere der kritischen auslaßnahen Stufen, erreicht werden. Wenn dieser Vorgang in geeigneten Zeitabständen wiederholt wird, kann eine Abführung des abgelagerten Staubs gewährleistet werden. Ein ständiger Einlaß von einigen wenigen (1 bis 5) mbar l/s Spülgas, vorzugsweise im Enddruckbetrieb, bewirkt einen ausreichenden molekularen Fluß in Förderrichtung, so daß der Rückströmungsanteil und damit die Ölrückströmung vermieden wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine scharfe, vom Spülgas mit hoher Geschwindigkeit überströmte Kante die auslaßseitige Begrenzung der Eintrittsöffnung des Spülgases in den Gasförderkanal bildet. Dadurch entsteht eine Strömungswand, die die Ölrückströmung wirksam stoppt und die Ölmoleküle zum Auslaß transportiert.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch eine Reibungspumpe nach der Erfindung und
Figur 2 einen vergrößterten Schnitt durch den Spülgaseinlaß.

Die in Figur 1 dagestellte Reibungspumpe 1 weist ein erstes Gehäuseteil 2 auf. Bestandteil dieses ersten Gehäuseteils 2 ist der äußere Zylinder 3, der mit dem Flansch 4 ausgerüstet ist. Mit Hilfe des Flansches 4 wird die Reibungspumpe 1 entweder unmittelbar oder über einen Aufsatzflansch 5 an den zu evakuierenden Rezipienten angeschlossen.
Die Reibungspumpe weist einen zweiten Gehäuseteil 6 auf, der der Halterung des Rotors 7 und des Stators des Antriebsmotors 8 dient. Der Rotor 7 ist glockenförmig ausgebildet. Er umfaßt den Nabenteil 9 und den zylindrischen Abschnitt 10. Das zweite Gehäuseteil 6 ragt in den vom glockenförmigen Rotor 7 gebildeten Raum 11 hinein, in welchem sich auch der Antriebsmotor 8 und zumindest das obere Lager der beiden Rotorlagerungen 12 befindet. Die Außenseite des Rotors 7 bildet zusammen mit der Innenseite des äußeren Zylinders 3 die pumpaktiven Flächen bzw. den ringförmigen Gasförderkanal 20. Die zu pumpenden Gase werden vom Einlaß 13 zum Auslaß 14 gefördert. An den Auslaß 14 wird während des Betriebes eine nicht dargestellte Vorvakuumpumpe angeschlossen.
Die beiden Gehäuseteile 2 und 6 sind derart gestaltet, daß sie in einfacher Weise voneinander getrennt und zusammengefügt werden können. Der gegenseitigen Arretierung im montierten Zustand dient ein Klemmring 15.
Der Rotor 7 ist mit einer zentralen Welle 16 ausgerüstet, die sich in den Lagerungen 12 abstützt. Die Lagerungen 12 ihrerseits stützen sich über Ringscheiben 21, 22 in einem zylindrischen Abschnitt 17 ab, der Bestandteil des zweiten Gehäuseteils 6 ist.
Das erste Gehäuseteil 2 weist einen inneren zylindrischen Abschnitt 18 auf, der den zylindrischen Abschnitt 17 des zweiten Gehäuseteiles 6 unmittelbar umgibt. Der zylindrische Abschnitt 17 ist mit einem Rand 19 ausgerüstet, der der oberen Stirnseite des zylindrischen Abschnittes 18 aufliegt. Der zylindrische Abschnitt 17 ragt nach unten aus dem zylindrischen Abschnitt 18 bzw. dem ersten Gehäuseteil 2 hervor, so daß die Möglichkeit besteht, die beiden Gehäuseteile 2 und 6 mit Hilfe des Klemmringes 15 gegenseitig zu arretieren. Nach dem Lösen des Klemmringes 15 kann die aus dem Rotor 7 und dem zweiten Gehäuseteil 6 bestehende Einheit nach oben aus dem ersten Gehäuseteil 2 herausgezogen werden.
Innerhalb des weitgehend nach außen abgedichteten Raumes 11, gebildet vom Rotor 7 und dem Gehäuseteil 6, befindet sich eine Schmierölversorgung für die Lager 12 der Welle 16. Die Welle 16 ragt mit einem konischen unteren Abschnitt 31 in einen Ölsumpf 32 hinein und ist mit einem zentralen Ölkanal 33 ausgerüstet. Über seitliche Bohrungen 34 und 35 gelangt das im zentralen Kanal 33 aufsteigende Öl infolge der Fliehkräfte zu den Lagern 12.
Der zylindrische Abschnitt 10 des Rotors 7 weist eine relativ dünne Wandung auf, so daß die rotierende Masse klein ist. Die die Förderung der Gase bewirkenden Gewindestrukturen sind Bestandteil des Stators. Im zylindrischen Gehäuse 3 befinden sich Ringe 51, 52 und 53, die sich auf den Stufen 54 und 55 im Gehäuse 3 abstützen. Die beiden Ringe 52 und 53 sind auf ihren Innenseiten mit Gewindestrukturen 56 und 57 ausgerüstet. Diese bewirken zusammen mit der äußeren Oberfläche des Zylinderabschnittes 10 des Rotors 7 die Förderung der Gase in Richtung Auslaß 14. Mit Hilfe des Aufsatzflansches 5 werden die Ringe 51, 52, 53 im montierten Zustand in ihrer Lage festgehalten. Nach dem Lösen des Aufsatzflansches 5 können zunächst die aus Rotor 7 und Gehäuseteil 6 bestehende Einheit und danach die Ringe 51, 52, 53 nach oben aus dem Gehäuseteil 3 herausgezogen werden.
Der Ring 51 hat eine glatte innere Oberfläche. Die die Förderung der Gase bewirkenden Strukturen 58 sind am Rotor selbst vorgesehen. Sie können beispielsweise so ausgebildet werden, wie es in der europäischen Patentanmeldung 88116749.8 beschrieben ist. Diese Strukturen sind als Stege ausgebildet, deren Breite und deren Steigung von der Saugseite zur Druckseite abnehmen. Dadurch ergibt sich eine wirksame Einfüllstufe 51, 58 mit verbesserter Förderleistung.
Das zylindrische Gehäuse 3 ist mit einer Radialbohrung 61 ausgerüstet, an die eine nicht dargestellte Spülgasleitung anschließbar ist. Die Bohrung 61 mündet in einen Ringkanal 62, in dem sich das Spülgas sammelt, so daß es gleichmäßig über den gesamten Umfang des Gasförderkanals 20 zugeführt werden kann.
Der vergrößerten Darstellung der Geometrie des Spülgaseinlasses in Figur 2 ist entnehmbar, daß die Spülgaszuführung zwischen den beiden Gewindestufenringen 52 und 53 erfolgt. Der Sammelkanal 62 wird von einer Innennut 63 im Gehäuseteil 3 gebildet. Im Bereich ihrer Stoßstelle 64 ist einer der beiden Ringe 52, 53 mit etwa radial gerichteten Rillen versehen oder gerändelt ausgebildet, so daß ein über den gesamten Umfang sich erstreckender Durchtrittsspalt 65 vorhanden ist. An diesen Durchtrittsspalt 65 schließt sich eine Volumenerweiterung 66 an, die durch Zurücknehmen der unteren Kante des Ringes 52 und seiner Gewindestruktur 56 gebildet ist. Dadurch ergibt sich eine gegenüber dem Durchtrittsspalt 65 erweiterte Eintrittsöffnung 67, welche sich über den gesamten Umfang des Gasförderkanals 20 erstreckt.
Während des Betriebs einer mit dem beschriebenen Spülgaseinlaß ausgerüsteten Reibungspumpe 1 bewegen sich die geförderten Gasmoleküle im ringförmigen Gasförderkanal 20 in Richtung des Pfeiles 68. Das Spülgas tritt durch die Bohrung 61 in den Ringkanal 62 und verteilt sich über den Umfang der Pumpe. Danach tritt es mit hoher Geschwindigkeit durch den Spalt 65 hindurch und gelangt in die Volumenerweiterung 66, in der es sich zum Teil beruhigt. Da diese Beruhigung nur zur Einlaßseite hin möglich ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Spülgases entlang der Stirnseite des Ringes 53 aufrechterhalten. Dadurch entsteht eine "Strömungswand", die sowohl auf den Gewindegründen 69 in Richtung Einlaß kriechendes Öl 70 als auch im Bereich der Nutengründe vorhandene Molekularrückströmungen, angedeutet durch die Pfeile 71, wirksam zurückhält. Die vom Spülgas mitgerissenen Moleküle werden in Richtung Auslaß gefördert. Eine möglichst scharfkantige Ausbildung des Überganges 72 der Nutengründe 69 zur einlaßseitigen Stirnseite des Ringes 53 fördert die gewünschte Wirkung.

Claims

Gasreibungspumpe (1) mit mindestens einer auslaßseitigen Gewindestufe (10, 57) mit ringförmigem Gasförderkanal (20), dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Abführung von Staub bzw. Feststoffen und/oder zur Vermeidung einer Ölrückströmung mit einem sich über den Umfang des Gasförderkanals (20) erstrekkenden Spülgaseinlaß ausgerüstet ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine scharfe, vom Spülgas mit hoher Geschwindigkeit überströmte Kante (72) die auslaßseitige Begrenzung der Eintrittsöffnung (67) des Spülgases in den Gasförderkanal (20) bildet.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Sammelkanal (62) für das Spülgas vorgesehen ist.
Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den ringförmigen Sammelkanal (62) ein ringförmiger Durchtrittsspalt (65) anschließt.
Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchtrittsspalt (65) in einen sich zum Einlaß der Pumpe hin erstreckenden Beruhigungsraum (66) übergeht.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Gewindestufen (10, 56 und 10, 57) aufweist, und daß sich der Spülgaseinlaß zwischen diesen beiden Gewindestufen befindet.
Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß separate Ringe (52, 53) vorgesehen sind, welche die die Gasförderung bewirkenden Strukturen (56, 57) tragen.
Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Spülgaseinlaß im Bereich der Stoßstelle (64) der beiden Ringe (52, 53) befindet.
Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der im Bereich der Stoßstelle (64) befindlichen Stirnseiten der Ringe (52, 53) mit einer Rändelung oder Riffelung zur Bildung des Durchtrittsspaltes (65) ausgerüstet ist.