Molekularpumpe Die Erfindung betrifft Pumpen zur Herstellung hoher Vakua, die zwischen dem Rezipienten und einem Vorvakuum arbeiten und unter dem Namen Molekularpumpen in verschiedenen Ausführungsfor men bekannt sind. Die bekannten Pumpen dieser Art zeigen ein geschlossenes Gehäuse, einen hierin mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Körper und einen im Gehäuse von der Saug- zur Druckseite führenden Kanal, der einseitig vom rotierenden Körper begrenzt ist. Die bekannte Arbeitsweise dieser Pumpen beruht darauf, dass dem Gas bzw. den Gasmolekülen durch äussere Reibung am rotierenden Körper ein Bewe gungsimpuls in Richtung zum Vorvakuum hin erteilt wird.
Die einfachste Form einer Molekularpumpe zeigt ein üblicherweise feststehendes, zylindrisches Gehäuse mit einer nach innen offenen Ringnut, die an einer Stelle durch eine Wand geteilt ist, und einen rotie renden, scheibenförmigen, zylindrischen Körper, der die innere offene Seite der Ringnut begrenzt. Von der Ringnut führt kurz vor und hinter der Trennwand je eine Leitung zur Saug- bzw. zur Druckseite der Pumpe. Eine solche Pumpe bildet eine einzige Druck stufe, die Stellen höchsten und niedrigsten Druckes im Kanal sind durch die Wand im Ringkanal getrennt. Saug- und Druckseite der Pumpe sind durch den Luftspalt zwischen dem äusseren Umfang der Scheibe und dem inneren der Ringnut verbunden.
Durch die sen Spalt können Gasmoleküle gelangen, die das mit einer Stufe erreichbare Druckverhältnis und die Saug geschwindigkeit bei diesen Pumpen begrenzen. Es ist aus diesem Grunde üblich, den Spalt so klein wie möglich zu halten und mehrere Druckstufen vorzu sehen, um die Druckdifferenz im Spalt zwischen jeder Stufe zu verkleinern und damit die Sauggeschwindig keit und das Druckverhältnis dieser Pumpen zu er höhen.
Bekannt sind Pumpen mit einem schrauben- förmigen Kanal im feststehenden Gehäuse und einem rotierenden, zylindrischen Körper, wobei der Mantel des rotierenden Körpers den Gasmolekülen den Be wegungsimpuls erteilt, oder Pumpen mit scheiben förmigem, rotierendem Körper und einem im wesent lichen aus zwei Scheiben gebildeten, geschlossenen Gehäuse, die zu beiden Seiten des rotierenden Kör pers liegen und spiralförmig eingeschnittene Nuten zeigen. Es sind auch Pumpen bekannt, bei denen der schraubenförmige Kanal im rotierenden Körper angebracht und die ihn begrenzende Gehäusewand glatt ausgebildet ist.
Allen diesen Pumpen ist gemein sam, dass Saug- und Druckseite der Pumpe durch einen entweder im Gehäuse oder im rotierenden Kör per befindlichen Kanal verbunden sind, dessen Längs achse mit der Bewegungsrichtung des rotierenden Körpers praktisch zusammenfällt, und dass die Länge des Kanals für jede Druckstufe um den Umfang des rotierenden Körpers zunimmt. Bei dieser Bauweise wächst die Baulänge der Pumpe mit der Breite des Kanals und mit der Zahl der Stufen. Je länger die Pumpe wird, um so grösser muss aus mechanischen Gründen der Luftspalt werden.
Da mit grösser wer dendem Luftspalt das erreichbare Druckverhältnis schnell sinkt, so wird bereits bei einer geringen Stu fenzahl der,Zustand erreicht, dass eine Erhöhung der Sauggeschwindigkeit und des Druckverhältnisses durch Erhöhung der Stufenzahl nicht mehr erreich bar, ist.
Abweichend von den bekannten Pumpen ist die nach dem Prinzip der Molekularpumpen arbeitende Pumpe der Erfindung so aufgebaut, dass die axiale Länge einer Druckstufe sehr klein gehalten werden kann, so dass also die Möglichkeit besteht, die Pumpe bei kleinem Luftspalt aus einer hohen 'Anzahl von Stufen aufzubauen und den Druckunterschied zwi schen den Stufen gering zu halten. Die Spalte zwischen den zusammenwirkenden Flächen selbst erhalten eine Lage, die der Rückströmung der Moleküle zwischen benachbarten Stufen entgegenwirkt, so dass auch ver hältnismässig grosse Spalte zulässig sind.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Saug- und Druck seite durch eine grosse Anzahl kurzer Kanäle verbun den werden können. Mit einer entsprechenden Pumpe nach der Erfindung kann unter Beibehaltung der äusseren Abmessungen der bekannten Pumpen die Sauggeschwindigkeit oder das Druckgefälle oder beide um ein Vielfaches erhöht werden.
Die aus einem geschlossenen Gehäuse und einem rotierenden Körper bestehende Molekularpumpe ist erfindungsgemäss so ausgebildet, dass die zusammen wirkenden Teile des rotierenden Körpers und des Gehäuses aus Scheiben mit durchgehenden Kanälen bestehen, dass die Scheiben beider Teile in Richtung der Achse des rotierenden Körpers miteinander ab wechseln, und dass die Kanäle zumindest der Scheiben des eines Teiles seitliche, zur Achse des rotierenden Körpers geneigte Begrenzungsflächen haben, die mit der benachbarten Stirnfläche der jeweils folgenden Scheibe des anderen Teiles je einen in der Richtung,
in der sich die Stirnfläche relativ zu der Begrenzungs fläche bewegt, sich verengenden keilförmigen Raum bilden.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben, in dieser zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Molekular pumpe gemäss der Erfindung, Fig.2 einen Schnitt durch die Abwicklung der genuteten Scheiben beider Pumpenteile, Fig.3 einen Querschnitt nach Linie II-11 der Fig. 1 und Fig.4 einen gleichen Schnitt wie Fig.2 durch zwei zusammenwirkende Scheiben mit abgeänderter Form der Kanäle.
Das zylindrische Gehäuse der Molekularpumpe ist mit 1 bezeichnet, es ist an den Stirnseiten durch Scheiben 2 und 3 abgeschlossen und trägt in seiner Mitte einen Stutzen 4 zum Anschluss der zum Rezi pienten führenden Saugleitung. Die Scheiben 2 und 3 haben jede einen Stutzen 5, die mit einer zum Vor v a 'kuum führenden Druckleitung C verbunden sind.
In den Scheiben 2 und 3 ist die Welle 6 des rotie renden Teiles der Pumpe gelagert. Der Wellenzapfen 7 durchsetzt die Scheibe 3 und ist entweder mit dem antreibenden Motor unmittelbar gekuppelt oder trägt ein geeignetes Antriebselement. Eine Dichtung 8 ver hindert das Eindringen von Gasen in die Pumpe.
Die Welle 6 trägt mehrere Scheiben 9, im Aus führungsbeispiel acht Scheiben, die mit der Welle drehfest verbunden sind. Diese Scheiben liegen mit geringem Spiel zwischen den mit 10 bezeichneten Scheiben, die fest am Gehäuse 1 sitzen und in ihrer Mitte eine Bohrung für den Durchtritt der Welle 6 haben. Die feststehenden Scheiben 10 sind im Pum pengehäuse so angeordnet, dass in der Mitte der Pumpe ein Saugraum 11 und an den Enden je ein Druckraum 12 gebildet werden.
Die Scheiben 9 haben, wie Fig. 3 zeigt, am äusse ren Umfang mit 13 bezeichnete, durchgehende Kanäle in Form von Nuten. Die einzelnen Nuten sind durch die zahnartigen Teile 14 voneinander getrennt. Ahn- liche durchgehende Kanäle 15 weisen die am Gehäuse befestigten Scheiben 10 an ihrem äusseren Umfang auf. Die sie trennenden Stege sind mit 16 bezeichnet (Fig. 2).
Wie Fig.2 zeigt, haben die Kanäle 13 und 15 der Scheiben 9 und 10 seitliche Begrenzungsflächen 17 bzw. 18, die zur Rotationsachse der Welle 6 um einen Winkel geneigt sind. Für die Begrenzungsflächen 18 der Kanäle 15 ist dieser Winkel in Fig. 2 mit a bezeichnet. Die Flächen 18 schliessen mit den Stirn flächen 19 der Zähne 14 der jeweils benachbarten Scheibe 9 sich in der Bewegungsrichtung (Pfeil 20) verengende, keilförmige Räume 21 ein. Bei der Ro tation der Scheiben 9, die mit hoher Geschwindigkeit erfolgt, entsteht in den Kanälen 15 ein Druck, der nach der Spitze des keilförmigen Raumes 21 hin wächst, bedingt durch die Stirnflächen der Zähne 14 nach dem für Molekularpumpen gültigen Prinzip.
Dieser Druckanstieg hat eine Bewegung der Mole küle in die Nuten 13 der Scheiben 9 zur Folge, sobald diese Nuten sich mit den Kanälen 15 decken bzw. zu decken beginnen. Die Begrenzungsflächen 17 der Nuten 13 in den Scheiben 9 sind um einen Winkel ss zur Rotationsachse der Welle 6 geneigt, aber ent gegengesetzt zur Neigung der Flächen 18. Auch die Flächen 17 bilden mit den Stirnflächen 22 der Stege 16 sich entgegengesetzt der Bewegungsrichtung ver engende, keilförmige Räume 23.
Auch in diesen Räu men und damit in den Kanälen 13 entsteht ein nach der Spitze hin zunehmender Druck, der zu einer Be wegung der Moleküle in die in der Strömungsrich tung folgenden Kanäle 15 Anlass gibt. In diesen Ka nälen wiederholt sich dann der gleiche Vorgang, das heisst, jede Scheibe 9 oder 10 bildet eine Druckstufe, wobei zu zwei Druckstufen mindestens drei Scheiben gehören.
Die Höhe der Scheiben 9 und 10 in axialer Rich tung wird so gering gehalten, wie dies aus mechani schen Gründen zulässig ist. Die Höhe des Druckes wird durch die Grösse der Winkel a und ss bestimmt. Je grösser die Winkel a und ,B sind, um so höher wird der Druck, dagegen nimmt die Sauggeschwindigkeit mit grösser werdenden Winkeln a und ss ab. Je nach dem, ob eine grosse Sauggeschwindigkeit oder ein hoher Druck je Stufe erwünscht ist, wird die Grösse der Winkel gewählt.
Die Breite der Kanäle, in der Umfangsrichtung gemessen, das heisst der Abstand zum Beispiel der Begrenzungsfläche 17 von der ge genüberliegenden Begrenzungsfläche der Nut 13 senk recht zur Rotationsachse gemessen, ergibt sich aus der Erwägung, dass eine durch den Kanal gelegte achsparallele Linie mindestens eine Begrenzungsfläche schneiden bzw., wie in Fig. 2 gezeigt, die untere und die obere Kante beider Flächen berühren soll. Bei die- ser Breite des Kanals ist verhindert, dass Moleküle die Kanäle 15 oder 13 in gerader Richtung durch fliegen können.
Das Verhältnis der Kanalbreite und der Zahn- bzw. Stegbreite einer Scheibe wird vorzugs weise = 1 oder etwas grösser als 1 gemacht, da die Zahn- bzw. Stegbreite wesentlich für die Erzeugung des Druckgefälles einer Stufe ist.
Wie die Fig. 3 erkennen lässt, sind Saug- und Druckseite der Pumpe durch eine grössere Zahl von Kanälen, im Ausführungsbeispiel zwölf Kanäle, ver bunden, die sich miteinander abwechselnd aus Ka nälen der feststehenden und rotierenden Scheiben zu sammensetzen. Da die axiale Höhe der Kanäle gering ist, so kann auf einer geringen axialen Länge eine hohe Stufenzahl untergebracht und damit das Druckver hältnis in jeder Stufe klein gehalten werden. Die Rückströmverluste werden sehr gering, so dass die Sauggeschwindigkeit und auch das Druckverhältnis zwischen Rezipient und Vorvakuum hochgehalten werden kann.
Auch in den Spalten zwischen den fest stehenden und rotierenden Flächen wirken diese der Rückströmung der Gasmoleküle entgegen, so dass die Spaltverluste auch bei relativ grossem Spalt sehr gering werden.
Es ist nicht erforderlich, die seitlichen Begren zungsflächen der Kanäle beider zusammenwirkenden Scheiben geneigt zur Achse zu stellen. Wie Fig. 4 zeigt, können die Begrenzungswände 24 einer Scheibe 25 achsparallel sein, wenn die Wände 26 der anderen Scheibe 27 zur Achse geneigt sind. In diesem Falle wirkt nur die Scheibe mit den geneigten Wänden als Druckstufe.