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Patent Searching and Data


Title:
MECHANICAL KINETIC VACUUM PUMP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/035100
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a mechanical kinetic vacuum pump comprising a rotor made of an alloy. The aim of the invention is to increase the resistance thereof to heat and creep. The rotor material is a light metal alloy produced from a powder metallurgical light metal alloy.

Inventors:
ENGLAENDER HEINRICH (DE)
FROITZHEIM MICHAEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2001/009193
Publication Date:
May 02, 2002
Filing Date:
August 09, 2001
Export Citation:
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Assignee:
LEYBOLD VAKUUM GMBH (DE)
ENGLAENDER HEINRICH (DE)
FROITZHEIM MICHAEL (DE)
International Classes:
C22C21/12; F04B37/16; F04D19/04; (IPC1-7): F04D29/02; F04D19/04
Domestic Patent References:
WO1999057441A11999-11-11
Foreign References:
US5524699A1996-06-11
US5782609A1998-07-21
US5728638A1998-03-17
US5529748A1996-06-25
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
Leineweber, Jürgen (Aggerstrasse 24 Köln, DE)
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Claims:
Mechanische kinetische Vakuumpumpe PATENTANSPRÜCHE
1. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer AluminiumLegierung bestehenden Rotor, da durch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte AluminiumLegie rung ist, deren Hauptlegierungsbestandteil Kupfer ist.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferanteil 3 bis 7 Gew.% beträgt.
3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass der Rotorwerkstoff weitere Legierungsbe standteile enthält, und zwar Magnesium, Mangan, Zirkon und Silber mit Anteilen zwischen 0,1 und 1 Gew.%.
4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hohen Kupferanteil und niedrigen Anteilen der weiteren Legierungsbestandteile zu sätzlich Titan als weiterer Legierungsanteil vor handen ist, und zwar mit einem Anteil von unter 1 Gew.%.
5. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Legierung bestehenden Rotor, dadurch gekenn zeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulverme tallurgisch hergestellte MagnesiumLegierung ist.
Description:
Mechanische kinetische Vakuumpumpe Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische kineti- sche Vakuumpumpe mit einem aus einer Aluminium-Legie- rung bestehenden Rotor.

Zu den mechanischen kinetischen Vakuumpumpen gehören definitionsgemäß Gasringpumpen, Turbovakuumpumpen (axi- al, radial) und Molekular-/Turbomolekularpumpen. Sie sind in der Lage, im Bereich der Molekularströmung (Drücke kleiner 10-3 mbar) die zu fördernden Gasteil- chen mechanisch zu transportieren. Molekularpumpen sind darüber hinaus noch in der Lage, Gase im Bereich der Knudsenströmung (10-3 bis 1 mbar) zu fördern. Bevorzugt eingesetzte mechanische kinetische Vakuumpumpen weisen häufig eine Turbomolekularpumpstufe und eine sich daran anschließende Molekularpumpstufe auf (Compound-oder Hybridpumpe), da eine solche Pumpe in der Lage ist, Ga- se bis in den Bereich der viskosen Strömung zu ver- dichten.

Turbomolekularvakuumpumpen und Compoundpumpen werden bei Fertigungsprozessen in der Halbleiterindustrie ein- gesetzt. Die dabei angewendeten Verfahren-Ätzen, Be- schichten o. dgl.-können nur im Vakuum durchgeführt werden. Die genannten Vakuumpumpen haben die Aufgabe, die Vakuumkammern vor dem Beginn der Prozesse zu evaku- ieren und während des Ablaufs der Prozesse die ge- wünschen niedrigen Drücke aufrechtzuerhalten.

Turbomolekularvakuumpumpen werden mit hohen Drehzahlen betrieben (bis zu 100000 Umdrehungen/min). Aus rotordy- namischen Gründen bestehen die Rotoren aus einem Leichtmetall, üblicherweise aus einer schmelzmetallur- gisch hergestellten Aluminiumlegierung. Die Legierung ist so eingestellt, dass die Rotoren eine möglichst ho- he Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit haben. Die Zeitstandfestigkeit nimmt mit zunehmender Rotortempera- tur ab. Bei den bisher eingesetzten Aluminiumlegierun- gen ergibt sich eine akzeptable Zeitstandfestigkeit, wenn die Rotortemperaturen den Wert von 120°C nicht ü- berschreiten.

Während der Durchführung der Halbleiterprozesse nehmen die sich in der Vakuumkammer befindenden Halbleiterbau- teile erhöhte Temperaturen an. Damit verbunden ist eine Temperaturerhöhung der von den Vakuumpumpen zu fördern- den Gase. Diese Gase bewirken insbesondere eine Tempe- raturerhöhung der Rotoren der angeschlossenen Vakuum- pumpen. Diese Temperaturerhöhung beeinträchtigt die er- wähnte Zeitstandfestigkeit.

Die Kühlung der Rotoren einer Molekular-oder Turbomo- lekularvakuumpumpe ist mit Schwierigkeiten verbunden.

Zum einen befinden sich die Rotoren im Vakuum, so dass eine Wärmeabfuhr über die geförderten, ohnehin heissen Gase nicht stattfindet. Sind die Rotoren magnetgela- gert, berühren sich ihre Lagerteile nicht. Eine Wär- meabfuhr über die Magnetlager ist deshalb ebenfalls nicht möglich. Sind mechanische Lager vorgesehen, kann Rotorwärme über die Lager abfliessen. Diesem Weg der Wärmeabfuhr sind jedoch enge Grenzen gesetzt. Zum einen sind die einander über die Wälzkörper berührenden Flä- chenbereiche von Rotor und Stator auf die nahezu punkt- förmigen Berührungsflächen der Wälzköprer in ihren La- gerringen beschränkt. Weiterhin dürfen die Lager wegen des Vorhandenseins eines Schmiermittels keine hohen Temperaturen annehmen. Auch ist der Betrieb mechani- scher Lager selbst mit einer Wärmeerzeugung verbunden.

Schließlich ist in aller Regel der Antriebsmotor der Pumpe Bestandteil des Stators und in der Nähe der Lager angeordnet. In den Phasen, in denen er unter Last be- trieben wird, bildet er selbst eine Wärmequelle. In diesem Fall ist ein Teiltransport der Wärme zwischen Rotor und Stator über das Gas durch die erhöhte Dichte möglich. Die Abfuhr maßgeblicher Wärmemengen über die mechanischen Lager wäre nur bei einer intensiven Küh- lung der statorseitigen Lagerteile möglich.

Aus der JP-U-3034699 ist es bekannt, die pumpaktiven Flächen einer mechanisch kinetischen Vakuumpumpe teil- weise mit einem Überzug hoher Wärmeimmission zu be- schichten. Maßnahmen dieser Art sind aufwendig und des- halb kostspielig.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 99/57441 ist eine für den Einsatz bei Halbleiterprozessen bestimmte mechanisch kinetische Vakuumpumpe bekannt. Sie ist als Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildet. Um das Ziel zu erreichen, die Dauer von Halbleiterprozessen zu redu- zieren, wird die Aufgabe gestellt, das Saugvermögen der Pumpe zu verbessern. Dabei soll sich die Größe der Pum- pe nicht ändern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung eines festeren und für höhere Temperaturen geeigneten Werkstoffes vorzugsweise für den Rotor vor- geschlagen, und zwar ein Werkstoff, bestehend aus einem Metall als Basismaterial und nicht-metallischen, der Verstärkung des Basismateriales dienenden Zusätzen, wie z. B. Keramik. Dieser Werkstoff soll es erlauben, die Drehzahl der Rotoren zu erhöhen, um dadurch die mit ei- ner Steigerung der Wärmebelastung verbundene Erhöhung des Saugvermögens zu erreichen, ohne die Größe der Pum- pe zu ändern. Die spanende Bearbeitung der vorge- schlagenen Werkstoffe ist jedoch wegen ihres erhöhten Anteils an Hartstoffpartikeln mit Problemen verbunden.

Rotoren für Turbomolekularvakuumpumpen einschließlich der Vielzahl ihrer Schaufeln werden üblicherweise aus dem vollen gedreht/gefräst. Der mit der Herstellung ei- nes Rotors verbundene Zerspanungsgrad liegt bei bis zu 80 %. Die Herstellung der Rotoren aus dem vorgeschlage- nen Werkstoff ist deshalb aufwendig und kostspielig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Warm-und Zeitstandfestigkeit einer Reibungsvakuum- pumpe der eingangs genannten Art zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich- nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Pulvermetallurgisch (oder auch durch Sprühkompaktieren) hergestellte Aluminiumlegierungen sind an sich bekannt.

Ihre Herstellung erfolgt in der Weise, dass die aus den Legierungsbestandteilen bestehende Schmelze mittels Dü- sen auf eine kalte Oberfläche gesprüht wird. Im Ver- gleich zur schmelzmetallurgischen Herstellung von Alu- minium-Werkstoffen findet ein sehr schnelles Erstarren der Schmelze statt, wodurch die Legierung ein neues Ge- füge mit veränderten Eigenschaften erhält. Durch Sprüh- kompaktieren hergestellte Aluminiumlegierungen, deren Hauptlegierungsbestandteil Kupfer ist, haben vor allem eine wesentlich höhere Festigkeit als eine schmelzme- tallurgisch hergestellte Aluminiumlegierung.

Die Verwendung des beschriebenen Werkstoffes für Roto- ren der hier betroffenen Vakuumpumpen erlaubt die Her- stellung von Pumpen dieser Art mit höherer Zeitstand- festigkeit. Wenn die vorerwähnte Temperaturgrenze (120°C) nicht überschritten wird, können die (bisher) maximalen Drehzahlen maßgeblich erhöht werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die bisherige, maximal zulässige Temperatur zu erhöhen, z. B. bis auf 135° C und mehr, ohne die Drehzahlen reduzieren zu müssen, die bisher bis 120° C zulässig waren.

Es ist bekannt, die aus schmelzmetallurgisch herge- stellten Aluminium-Legierungen bestehenden Rotoren und Statoren von bei Halbleiterprozessen eingesetzten Mole- kular-/Turbomolekularpumpen zum Zwecke des Korrosions- schutzes mit Konversionsschichten (Umwandlung des ober- flächennahen Aluminiums in A12O z. B. durch Anodie- rung) auszurüsten. Da die Legierungsanteile des neuen Werkstoffs metallisch und relativ klein sind, besteht nach wie vor die vorteilhafte Möglichkeit der Aufbrin- gung geschlossener Konversionsschichten. Der in der o- ben erwähnten internationalen Patentanmeldung vorge- schlagene Werkstoff lässt die Aufbringung zuverlässiger Konversionsschichten nicht mehr zu.

Werkstoffe der erfindungsgemäßen Art werden unter dem Namen DISPAL (z. B. DISPAL S 690 und S 691) auf dem Markt angeboten. Neben dem Aluminium enthalten sie 3,8 bis 5,6 Gew.-% Kupfer sowie weitere Legierungsbestandteile, wie Magnesium, Mangan, Zirkon, Silber und/oder Titan mit Anteilen zwi- schen 0,1 und 1 Gew.-%.

Bei einem Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften kann an Stelle des Basismaterials Aluminium ein anderer Leichtwerkstoff, nämlich Magnesium, vorhanden sein. Da- durch wird der beschriebene Vorteil der pulvermetallur- gisch hergestellten Legierungen auf Al-Basis auch für Legierungen auf Mg-Basis nutzbar. Legierungszusammen- setzung und Herstellverfahren müssen dann entsprechend angepasst werden.