DE10113329A1 - Turbomolekularpumpe - Google Patents

Abstract

Die Turbomolekularpumpe weist einen Stator (14) und einen Rotor (15) auf. Der Stator (14) ist durch eine Kühlvorrichtung (24) gekühlt. Zur Ermöglichung einer Wärmeabfuhr vom Rotor (15) haben die Scheiben des Stators und/oder des Rotors eine Wärmestrahlungsemissivität epsilon von mindestens 0,7. Dadurch erfolgt ein Wärmetransport vom Rotor zum Stator durch Wärmestrahlung. Der Rotor wird gegen Überhitzung geschützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit einem Sta­ tor, einem Rotor und einer am Stator vorgesehenen Kühlvorrich­ tung.

Eine Turbomolekularpumpe dient dazu, ein Hochvakuum zu er­ zeugen, indem die einzelnen abzupumpenden Gasteilchen durch Zu­ sammenstöße mit schnell bewegten Flächen eines Rotors einen Im­ puls in Förderrichtung erhalten. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors ist so groß, dass die Umfangsgeschwindigkeit (am Außen­ rand der Rotorscheiben) in die Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der zu pumpenden Gasmoleküle kommt. Je nach Größe der Pumpe beträgt die Drehzahl zwischen 20.000 und 100.000 U/min.

Für die Verwendung von Turbomolekularpumpen in Hochvakuum­ prozessen der Halbleiter- und Beschichtungstechnologie gewinnt die Temperatur des vom Medium durchströmten Pumpenbereichs so­ wie der Flächen, die diesen Pumpenbereich begrenzen, immer mehr an Bedeutung. Es besteht häufig die Forderung, diese Bereiche zu beheizen bzw. auf einer möglichst hohen Temperatur zu hal­ ten. Der maximale thermische Einsatzbereich wird in der Regel von der zulässigen Maximaltemperatur des Rotors begrenzt. Ein Überschreiten der zulässigen Temperatur führt zu frühzeitigem Versagen der Turbine durch Materialkriechen oder gar Material­ bruch.

Turbomolekularpumpen, bei denen der Stator eine Kühlvorrichtung enthält, sind bekannt. Die Kühlung bzw. Temperaturregelung des Stators auf einen gewünschten Wert ist relativ einfach durchzu­ führen, beispielsweise durch den Einbau einer Kühlschlange mit entsprechender Regelung des Kühlmitteldurchsatzes. Dagegen ist die Temperatur des Rotors schwierig zu beherrschen, weil es nicht möglich ist, während des Betriebes dem Rotor ein Kühl­ medium zuzuführen und es auch wieder abzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomolekular­ pumpe zu schaffen, die eine wirksame Wärmeabfuhr von den Schei­ ben des Rotors ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach weisen der Stator und/oder der Rotors eine Oberfläche mit einer Wär­ mestrahlungsemissivität s von mindestens 0,7 auf. Die Emissivi­ tät ist eine dimensionslose Größe, die Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Sie gibt das Strahlungsvermögen einer Fläche an, das gleich dem Absorptionsvermögen ist und für einen schwarzen Körper den Wert 1 hat. Während die Scheiben von Stator und Rotor einer Turbomolekularpumpe üblicherweise aus Aluminium be­ stehen, das mit Nickel beschichtet ist und eine glatte Oberfläche bildet, deren Emissivität etwa 0,3 beträgt, ist erfin­ dungsgemäß die Emissivität der Scheibenoberfläche relativ hoch. Vorzugsweise gilt die Emisivität von mindestens 0,7 sowohl für die Scheiben des Stators als auch für diejenigen des Rotors.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass ein Wärmeübertrag vom Rotor auf den Stator durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung erfolgen kann. Da die Scheiben einander nicht berühren, findet Wärmeleitung nur in geringem Maße statt, da die Dichte des Gases gering ist. Infolge des Vakuums kommt ist eine Wärmeübertragung durch Konvektion nur geringfügig vorhan­ den. Durch den hohen Wert von ε wird ein hoher Wärmefluss durch Wärmestrahlung erzeugt, wodurch eine Angleichung der Rotortem­ peratur in Richtung auf die Statortemperatur bewirkt wird.

Die Oberflächen der Scheiben sind vorzugsweise von einer Be­ schichtung gebildet, insbesondere aus einem Keramikmaterial. Vorzugsweise enthält die Beschichtung Aluminiumoxid.

Eine andere Möglichkeit der Erzielung einer Oberfläche mit hoher Strahlungsemissivität besteht darin, die Oberfläche auf­ zurauen, beispielsweise durch Strahlen (nach Art des Sand­ strahlens) oder Ätzen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus­ führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischer Längsschnitt durch eine erste Aus­ führungsform einer Turbomolekularpumpe,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Ausführungsform mit einer sich an die Scheibenstufe anschließenden Gewinde­ stufe nach dem Holweck-Prinzip,

Fig. 3 eine Turbomolekularpumpe nach dem Holweck-Prinzip,

Fig. 4 eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prinzip, wo­ bei die spiralförmigen Nuten sich am Stator befinden, und

Fig. 5 eine weitere Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn- Prinzip, wobei die Spiralen sich am Rotor befinden.

Die Turbomolekularpumpe weist ein Pumpengehäuse 10 auf, das an einem Ende einen Vakuumanschluss 11 besitzt und am gegenüber­ liegenden Ende durch einen Basisflansch 12 abdichtend ver­ schlossen ist. Vom Basisflansch 12 geht der Vorvakuumanschluss 13 ab, an den eine Vorvakuumpumpe angeschlossen wird.

Das Gehäuse 10 enthält einen Stator 14 aus zahlreichen Ringen, welche ein Paket bilden, von dem Schaufeln oder Scheiben 16 radial nach innen abstehen.

Der Stator 14 umgibt einen Rotor 15, der eine Rotorwelle 18 aufweist, welche von einem Motor 17 angetrieben ist. Der Rotor 15 weist zahlreiche radial abstehende Scheiben 20 auf, die je­ weils zwischen die Scheiben 16 des Stators ragen. Die Scheiben 16 und 20 bilden jeweils Kompressionsstufen.

Der Motor 17 ist zusammen mit einer Magnetlagerung der Welle 18 in einer Kartusche 22 untergebracht, welche über einen be­ stimmten Teil gehalten wird, das an dem Basisflansch 12 ange­ schraubt ist. Der Stator oder ein damit wärmeleitend verbundenes Teil, beispielsweise der Basisflansch 12 oder die Kar­ tusche 22 oder der Motor 17, enthält einen Temperaturmessfühler 21. Der Basisflansch 12 enthält eine Kühlschlange 24, die von einem Kühlmedium durchströmt ist. Die Durchflussrate des Kühl­ mediums wird in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt, die der oder die Temperaturmessfühler 21 angeben.

Die einander zugewandten Flächen der Scheiben 16 und 20 sind mit einer Beschichtung aus KEPLA-Coat (registrierte Marke der Fa. AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG, Kerpen) versehen, einer Keramik, die Aluminiumoxid aufweist. Diese Beschichtung hat eine Strahlungsemissivität s von mehr als 0,7.

Der sich beim Betrieb der Turbomolekularpumpe erwärmende Rotor 15 gibt über die Scheiben 20 Strahlungswärme an den Stator 14 ab, welcher durch die Kühlvorrichtung 24 gekühlt wird. Die aus­ getauschte Wärmeleistung ergibt sich nach folgender Gleichung:

Hierin ist
die ausgetauschte Wärmeleistung in W,
A die Fläche der sich gegenüberstehenden Scheiben in m²,
ε_R die Emissivität bzw. der Emissionsgrad des Rotors,
ε_S die Emissivität bzw. der Emissionsgrad des Stators,
σ = 5,67 W/m²K⁴, die Boltzmann-Konstante (Naturkonstante),
T_R die Temperatur des Rotors in K,
T_S die Temperatur des Stators in K.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 handelt es sich um eine Turbomolekularpumpe, bei der sich an den Scheibenabschnitt 25 der zusammengreifende Scheiben 16 und 20 von Rotor und Stator enthält, eine Gewindestufe 26 anschließt. In der Gewindestufe 26 hat der Rotor 15 an seiner Außenseite eine schraubenförmige Nut 27, die sich mit geringem Abstand an einer zylindrischen Innenfläche 28 des Stators 10 entlangbewegt. Die Gewindestufe 26 schließt sich an die Scheibenstufe 25 an. In der Gewinde­ stufe 26, die auch als Holweck-Stufe bezeichnet wird, sind ebenfalls mindestens die einander zugewandten Flächen von Stator 10 und Rotor 15 mit einer Wärmestrahlungsemissivität s von mindestens 0,7 ausgestattet. Die Temperaturmessfühler 21 sind an stationären Komponenten vorgesehen, beispielsweise am Basisflansch 12, an der Kartusche 22 oder am Motor 17. Eine Kühlvorrichtung 24 ist im Basisflansch 12 vorgesehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 handelt es sich um eine Turbomolekularpumpe, die nur aus einer Gewindestufe oder Hohl­ weck-Stufe besteht, wobei schraubenförmige Nuten 27a, 27b an der Innenwand des Stators 10 vorgesehen sind, während der Rotor 15 eine zylindrische Außenfläche hat. Die Gewindegänge der Gewin­ destufen 27a und 27b sind gegenläufig. Die Pumpe fördert von dem Vakuumanschluss 11 zu dem Vorvakuumanschluss 13, der sich in der axialen Mitte der Pumpe befindet und auf den die schrau­ benförmigen Nuten der Gewindestufen zulaufen. Der Rotor 15 wird von einem Motor 17 angetrieben. Auch hier ist eine (nicht dar­ gestellte) Kühlvorrichtung im Stator 10 vorgesehen, deren Kühl­ leistung von mindestens einem Temperaturmessfühler 21 geregelt wird. Die einander zugewandten Flächen von Stator und Rotor haben eine Emissivität ε von mindestens 0,7.

Fig. 4 zeigt eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prin­ zip, wobei ein scheibenförmiger Rotor 15 in einem Stator 10 oder Gehäuse rotiert. Der scheibenförmige Rotor 15 weist ebene Flächen auf, die jeweils einer spiralförmigen Nut 28a, 28b des Stators zugewandt sind. Die Pumpe fördert von dem Vakuuman­ schluss 11 zu dem Vorvakuumanschluss 13.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 handelt es sich eben­ falls um eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prinzip, wobei die spiralförmigen Nuten 28a, 28b an den Flächen des scheibenförmigen Rotors 15 vorgesehen sind, während die Innen­ flächen des Stators 10 eben sind.

Auch bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 4 und 5 ist ε min­ destens 0,7, so dass eine Wärmeabfuhr durch Strahlung von dem Rotor auf den Stator erfolgt.

Claims (6)

1. Turbomolekularpumpe mit einem Stator (14), einem Rotor (15) und einer am Stator (14) vorgesehenen Kühlvorrichtung (24), dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Oberflächen des Stators (14) und/oder des Rotors (15), die dem jeweils anderen Teil (Rotor bzw. Sta­ tor) zugewandt sind, eine Wärmestrahlungsemissivität u von mindestens 0,7 aufweisen.

2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Oberflächen von einer Beschichtung ge­ bildet sind.

3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Beschichtung aus einem Keramikmaterial besteht.

4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Beschichtung Aluminiumoxid aufweist.

5. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Oberflächen der Scheiben (16, 20) durch Aufrauhen bearbeitet sind.

6. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stator (14) oder an einem mit dem Stator (14) verbundenen Bauteil ein Temperaturmess­ fühler (21) zur Regelung der Kühlvorrichtung (24) angeord­ net ist.