EP0731278A1 - Molekularvakuumpumpe mit Kühlgaseinrichtung - Google Patents
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- F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/5846—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling by injection
Definitions
- the invention relates to a molecular vacuum pump with a cooling gas device and a method for its operation.
- Molecular vacuum pumps of various types are used to convey gases and to create a vacuum.
- the working range in which molecular vacuum pumps can be used sensibly extends from the molecular flow area, i.e. the pressure range in which the mean free path length of the gas molecules is large compared to the geometric dimensions of the pump up to the laminar flow area, the range in which the mean free path length of the gas molecules is small compared to the geometric dimensions of the pump.
- the gas can be viewed as a continum.
- the properties that are of particular importance for the pumping process and the construction of the pump are the internal friction and the thermal conductivity of the gases.
- Molecular vacuum pumps are used in the form of turbomolecular pumps [1] especially in high and ultra high vacuum technology.
- Molecular vacuum pumps of the Siegbahn [2] or Holweck [3] type are suitable for use in the pressure range that follows. They can be used both separately and in combination with turbomolecular pumps. This will make the work area shifted from turbomolecular pumps to higher discharge pressures.
- stator parts firmly connected to the housing can be kept under control by air or water cooling, this does not apply to the rotor.
- This is ideally thermally insulated from the stator parts.
- it hovers in a magnetic bearing completely without contact or has only minimal contact with the stator parts via ball bearings. Operation in a vacuum prevents heat transfer by convection. There is almost only temperature compensation through thermal radiation. However, this is insufficient and does not allow reliable control of the temperature of the rotor.
- the invention was based on the object of presenting a molecular pump and a method for its operation in which the possibility of effective cooling, in particular of the rotor, is provided.
- let-in cooling gas since the let-in cooling gas is included in the pumping process and is both conveyed and compressed, it must be avoided that the additional friction caused by this causes a noticeable increase in temperature. This requires that the internal friction of the cooling gas be small compared to the internal friction of the gas to be pumped.
- the dependencies for thermal conductivity ⁇ and the internal friction ⁇ on the molecular weight M are considered. It applies that ⁇ is proportional 1 ⁇ M and ⁇ is proportional to ⁇ M. It follows that as the molecular weight decreases, the thermal conductivity increases and the internal friction decreases. Low molecular weight gases such as helium are therefore particularly suitable as cooling gases. This is all the more so since gases with a higher molecular weight are generally pumped with molecular vacuum pumps.
- the amount of cooling gas admitted should be such that a maximum of heat can be transported. This is the case when the laminar flow area is reached.
- the thermal conductivity increases from the molecular flow area to the laminar flow area with the pressure and then remains independent of pressure.
- the laminar flow area is characterized in that the mean free path of the molecules is small compared to the geometric dimensions of the vessel walls. That means e.g. at a distance between the rotor and stator discs of approx. 1 mm, a working pressure of the cooling gas of approx. 0.1 mbar
- the cooling gas can be supplied at various points in the molecular vacuum pump.
- An inlet on the high vacuum side has the advantage that in this case the maximum number of opposing stator and rotor surfaces are flushed by the cooling gas and the greatest possible cooling effect occurs.
- the pumping process must not be significantly affected.
- cooling gas is admitted on the fore-vacuum side. Although there are fewer opposing surfaces available for heat exchange, the gas is admitted in a pressure range in which the thermal conductivity has already reached its maximum value. You can still take advantage of the fact that a purge gas connection is often already available at this point. The cooling gas can then be added to the purge gas. By admitting cooling gas between the aforementioned positions, depending on the type of pump or type of pumping process, the advantages mentioned can be exploited and disadvantages avoided.
- the device according to the invention and the corresponding method make it possible to cool the rotor of a molecular pump depending on the properties of the pump and the pumping process so that the temperature remains below the maximum permissible value even in extreme applications.
- the molecular vacuum pump represents, for example, a combination of a turbomolecular pump 1 with rotor disks 2 and stator disks 3 and a molecular pump of the Holweck 4 design with rotating 5 and 6 standing parts. Both parts of the pump have a common drive 7 and common bearings 8 and 9.
- the high vacuum side is provided with the connecting flange 10.
- the gas outlet opening is at 11.
- the connections for the cooling gas inlet are optionally provided at 12, 13 or 14, depending on the embodiment.
- the connections 13 and 14 can simultaneously serve as a purge gas inlet.
- the supply of the cooling gas on the high vacuum side can take place via the connection flange 10 instead of via the connection 12.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Molekularvakuumpumpe, bei welcher der Rotor durch die Zuführung von Kühlgas gekühlt wird. Als Kühlgas wird ein Gas mit großer Wärmeleitfähigkeit und geringer innerer Reibung verwendet. Die zugeführte Menge ist so bemessen, daß sie einerseits den Pumpprozess nicht stört und andererseits eine optimale Kühlung bewirkt. Der Einlaß (12,13,14) kann auf der Hochvakuumseite, auf der Vorvakuumseite oder über eine Zwischenposition erfolgen. <IMAGE>
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 geometrischen Abmessungen der Pumpe bis hin zum laminaren Strömungsbereich, den Bereich, in weichem die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle klein ist gegenüber den geometrischen Abmessungen der Pumpe. In diesem Bereich kann das Gas als ein Kontinnum betrachtet werden. Die Eigenschaften, welche für den Pumpvorgang und die Konstruktion der Pumpe von besonderer 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. Molekularvakuumpumpen nach der Bauart von Siegbahn [2] oder derjenigen von Holweck [3] sind für den Einsatz in dem nach oben anschließenden Druckbereich 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, Wirbelstromverluste in der Antriebseinheit, Reibungsverluste in Kugellagern oder Wirbelstromverluste bei Magnetlagern, Einwirkung äußerer Magnetfelder je nach Einsatzgebiet.
- Während die Temperatur der mit dem Gehäuse fest verbundenen Statorteile 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 berührungslos in einer Magnetlagerung oder hat nur eine minimale Berührung mit den Statorteilen über Kugellager. Der Betrieb im Vakuum verhindert eine Wärmeübertragung durch Konvektion. Es bleibt fast nur ein Temperaturausgleich durch Wärmestrahlung. Dieser ist jedoch unzureichend und läßt eine zuverlässige 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 Patentanspruches 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 einzulassen, 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
- 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 Statorscbeiben 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 Molekularvakuumpumpe erfolgen. Ein Einlaß auf der Hochvakuumseite bringt den Vorteil mit sich, daß in diesem Fall die maximale Anzahl von sich gegenüberstehenden Stator- und Rotorflächen von dem Kühlgas umspült werden und so der größtmögliche Kühleffekt eintritt. Dabei muß aber berücksichtigt werden, 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 Hochvakuumseite 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 gegenüberstehende Flächen für den Wärmeaustausch zur Verfügung, dafür aber wird das Gas in einem Druckbereich eingelassen, in welchem die Wärmeleitfähigkeit 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 beigemengt werden. Durch einen Einlaß von Kühlgas zwischen den vorgenannten Positionen können je nach Pumpentyp oder Art des Pumpprozesses die genannten Vorteile ausgenutzt und Nachteile vermieden werden.
- Die erfindungsgemäße Einrichtung und das entsprechende Verfahren ermöglicht es, den Rotor einer Molekularpumpe in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Pumpe und dem Pumpprozess so zu kühlen, daß selbst bei extremen Anwendungsfällen die Temperatur unter dem höchst zulässigen 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 gemeinsamen Antrieb 7 und gemeinsame Lager 8 und 9. Die Hochvakuumseite ist mit dem Anschlußflansch 10 versehen. Die Gasaustrittsöffnung befindet sich bei 11. Die Anschlüsse für den Kühlgaseinlaß sind je nach Ausführungsform 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.
-
- [1] W. Becker, Vakuumtechnik 15 (1966)
- [2] M. Siegbahn, Arch. Math. Astr. Fys. 30 B (1943)
- [3] M. Holweck, Comptes rendus 177 (1923), 43
Claims (8)
- Molekularvakuumpumpe zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Druckverhältnisses und Verfahren zum Betrieb der Molekularvakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ansaugflansch (10) und der Gasaustrittsöffnung (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, dessen Wärmeleitfähigkeit groß ist gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des zu komprimierenden Gases.
- Molekularvakuumpumpe und Verfahren zu deren Betrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Reibung des Kühlgases klein ist gegenüber der inneren Reibung des zu pumpenden Gases.
- Molekularvakuumpumpe und Verfahren zu deren Betrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlgas verwendet wird, dessen Molekulargewicht niedriger ist als das Molekulargewicht des zu pumpenden Gases.
- Molekularvakuumpumpe und Verfahren zu deren Betrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des eingelassenen Kühlgases so bemessen ist, daß bei gegebener Geometrie und bei gegebenem Druck zur Erreichung der maximalen Wärmeleitfähigkeit der Bereich erreicht wird, in dem die Wärmeleitfähigkeit mit dem Druck konstant bleibt.
- Molekularvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Gaseinlaß (12) sich auf der Hochvakuumseite der Pumpe befindet.
- Molekularvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Gaseinlaß (14) sich auf der Vorvakuumseite der Pumpe befindet.
- Molekularvakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf der Vorvakuumseite sich befindender Spülgaseinlaß (14) gleichzeitig als Kühlgaseinlaß verwendet wird.
- 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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