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Patent Searching and Data


Title:
WATER JET TYPE PUMP AND METHOD FOR OPERATION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/003707
Kind Code:
A1
Abstract:
The water jet type pump (2) is part of a system (1) for generating an ultrahigh vacuum HV. The pump comprises at least one pump chamber (11) through which an ionic fluid (F) flows at high velocity. The chamber (11) comprises a first fluid feed (3) for the fluid F, said feed ending in a nozzle with a nozzle opening (3a), and a fluid discharge (5). A second feed (4) of the pump chamber (11) is connected to a high pressure chamber (10) to be evacuated. Gas is suctioned out of the high vacuum chamber (10) through the second feed (4) by way of the flowing fluid jet, which is used to discharge the gas out of the pump chamber (11).

Inventors:
DANOV VLADIMIR (DE)
GROMOLL BERND (DE)
Application Number:
PCT/EP2009/054320
Publication Date:
January 14, 2010
Filing Date:
April 09, 2009
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
DANOV VLADIMIR (DE)
GROMOLL BERND (DE)
International Classes:
F04F5/54; F04F5/04
Domestic Patent References:
WO2006029884A12006-03-23
WO2006120145A12006-11-16
Foreign References:
GB925950A1963-05-15
DE102004046316A12006-03-30
JPS5932700A1984-02-22
JPS58160599A1983-09-24
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Pumpe (2) nach Art einer Wasserstrahlpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums, insbesondere eines Ultrahochvakuums, mit wenigstens einer von einem Fluid (F) in einer Strömungsrichtung (s) durchströmbaren Kammer (11) , welche Kammer (11)

• wenigstens einen ersten Zulauf (3) für das Fluid (F) aufweist, der in die Kammer (11) ragt und in einer Düsenöffnung (3a) endet, • wenigstens einen Ablauf (5) für das Fluid (F) aufweist, welcher in Strömungsrichtung (s) gesehen gegenüber der Düsenöffnung (3a) angeordnet ist, und

• wenigstens einen zweiten Zulauf (4) aufweist, der in die Kammer (11) mündet und mit einem zu evakuierenden Raum (10) zu verbinden ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid (F) ein ionisches Fluid vorgesehen ist.

2. Pumpe (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Förderung des ionische Fluids (F) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und/oder einem vorbestimmten Druck in den ersten Zulauf (3) vorgesehen sind.

3. Pumpe (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördermittel wenigstens eine Förderpumpe (6) vorgesehen ist.

4. Pumpe (2) Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Anschluss an einen geschlossenen Fluid-Kreislauf (9), welcher die För- derpumpe (6) zum Erzeugen eines Fluid-Drucks in dem wenigstens einen ersten Fluid-Zulauf (3) umfasst und welcher einen Vorratsbehälter (7) mit einem Rückschlagventil (8) zum Abführen von Gasen umfasst, der mit dem wenigstens einen Fluid- Ablauf (5) und der Förderpumpe (6) verbunden ist.

5. Pumpe (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ionische Fluid (F) eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch ist.

6. Pumpe (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem zu evakuierenden Raum (10) abhängig von der verwendeten ionischen Flüssigkeit ist, insbesondere von dem Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit.

7. Pumpe (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ionische Fluid (F) Sulfat-, Hydrogensulfat-, Alkylsulfat-, Thiocyanat-, Phosphat-, Borat-, Tetrakishydrogensulfatoborat- oder Silikat-Ionen enthält.

8. Pumpe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu evakuierende Raum eine Ultrahochvakuum-Kammer (10) ist für einen Gasaustausch zwischen dem wenigstens einen Zulauf (4) und der Ultrahochvakuum-Kammer (10) .

9. Pumpe (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ultrahochvakuum-Kammer (10) ein Ultrahochvakuum erzeugbar ist, welches in einem Druck-Bereich von 10~7 bis 10~12 mbar liegt .

10. Pumpe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Fluid- Zulauf (3) und/oder der wenigstens eine zweite Zulauf (4) und/oder der wenigstens eine Fluid-Ablauf (5) in der Form jeweils wenigstens eines Rohres (9a bzw. 12 bzw. 9b) ausgebildet sind/ist.

11. Verfahren zum Betrieb der Pumpe (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit den Schritten: a) Erzeugen eines durch die Kammer (11) der Pumpe (2) strömenden Strahls (s) des Fluids (F) , b) Ansaugen von Gas in der und/oder in die Kammer (11) durch den Fluid-Strahl, c) Abführen des Gases mittels des Fluid-Strahls aus der Kammer (11) .

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c) in der Reihenfolge a) bis c) zeitgleich kontinuierlich oder aufeinanderfolgend pulsartig erfolgen .

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 gekennzeichnet durch eine Ausnutzung des Venturi-Effektes .

Description:
Beschreibung

Pumpe nach Art einer Wasserstrahlpumpe sowie Verfahren zu deren Betrieb

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe nach Art einer Wasserstrahlpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums, insbesondere eines Ultrahochvakuums, mit einer von einem Fluid in einer Strömungsrichtung (s) durchströmbaren Kammer. Die Kammer umfasst dabei

• wenigstens einen ersten Zulauf für das Fluid, der in die Kammer ragt und in einer Düsenöffnung endet,

• wenigstens einen Ablauf für das Fluid, welcher in Strömungsrichtung gesehen gegenüber der Düsenöffnung angeord- net ist, und

• wenigstens einen zweiten Zulauf, der in die Kammer mündet und mit einem zu evakuierenden Raum zu verbinden ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Pumpe.

Zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums werden Turbomolekularpumpen, Kryopumpen, Sorptionspumpen, Sperrschieberpumpen, Verdrängungs- und Strahlpumpen eingesetzt. Als Strahlpumpen werden Wasserstrahlpumpen oder Pumpen auf Basis von Ölen als Flüssigkeit verwendet. Mit Hilfe dieser Pumpen sind nur Drücke des Vakuums erreichbar, welche im Bereich des Dampfdruckes der eingesetzten Flüssigkeit liegen. Somit sind bekannte Wasserstrahl- und Ölpumpen nur als Vorpumpen zur Erzeugung eines Vorvakuums einsetzbar, und müssen zur Erzeugung insbe- sondere von Ultrahochvakua durch nachgelagerte Pumpen wie z.B. Turbomolekularpumpen ergänzt werden. Die so aufgebauten Pumpensysteme sind komplex, teuer und aufwendig in der Wartung .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Pumpe anzugeben, mit welcher Vakua bis in den Ultrahochvakuumbereich zu erzeugen sind. Insbesondere ist es Aufgabe, eine Pumpe mit möglichst wenig Teilen, vor allem mit wenig oder keinen beweglichen Teilen anzugeben, um verschleißfrei und kostengünstig die Pumpe betreiben zu können und mit einfachen Mitteln ein möglichst gutes Ultrahochvakuum erzeugen zu können. Ferner soll ein einfaches Verfahren zum Betrieb einer solchen Pumpe angegeben werden.

Die genannte Aufgabe wird bezüglich der Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens zum Betrieb der Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pumpe und des Verfahrens gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche mit Merkmalen eines jeweils zugeordneten Unteranspruchs oder vorzugsweise auch mit Merkmalen mehrerer zugeordneter Unteransprüche kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Pumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums, insbesondere zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums, soll nach Art einer Wasserstrahlpumpe aufgebaut bzw. von einem entsprechenden Typ sein. Hierzu umfasst sie wenigstens eine von einem Fluid in einer Strömungsrichtung durchströmbare Kammer. Diese Kammer weist wenigstens einen ersten Zulauf für das Fluid auf, der in die Kammer ragt und in einer Düsenöffnung endet. Ferner weist die Kammer wenigstens einen Ablauf für das Fluid auf, welcher in Strömungsrichtung gesehen gegenüber der Düsenöffnung angeordnet ist. Außerdem weist die Kammer wenigstens einen zweiten Zulauf auf, der in die Kammer mündet und mit einem zu evakuierenden Raum zu verbinden ist. Erfin- dungsgemäß soll für eine solche Pumpe als Fluid ein ionisches Fluid vorgesehen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe sind Mittel zur Förderung des ionischen Fluids mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und/oder einem vorbestimmten Druck in den ersten Zulauf vorgesehen, die vorzugsweise wenigstens eine Förderpumpe umfassen. Bevorzugt kann die Pumpe an einen geschlossenen Fluid-Kreis- lauf angeschlossen oder in diesen integriert sein, welcher die Förderpumpe zum Erzeugen eines Fluid-Drucks in dem wenigstens einen ersten Fluid-Zulauf umfasst und welcher einen Vorratsbehälter mit einem Rückschlagventil zum Abführen von Gasen umfasst, der mit dem wenigstens einen Fluid-Ablauf und der Förderpumpe verbunden ist.

Das für die Pumpe vorzusehende ionische Fluid kann eine Flüssigkeit und/oder auch ein Flüssigkeit-Gas-Gemisch sein. Gegebenenfalls kann als Fluid auch ein entsprechendes Gas verwendet werden.

Dabei ist vorteilhaft, dass bei der Pumpe der Druck in dem zu evakuierenden Raum abhängig von der verwendeten ionischen Flüssigkeit, insbesondere von dem Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit, einstellbar ist.

Als ionisches Fluid wird vorzugsweise ein Fluid gewählt, das Sulfat-, Hydrogensulfat-, Alkylsulfat-, Thiocyanat-, Phosphat-, Borat-, Tetrakishydrogensulfatoborat- oder Silikat- Ionen enthält.

Weiterhin bevorzugt ist der wenigstens eine zweite Zulauf mit einer Ultrahochvakuum-Kammer verbunden, für einen Gasaustausch bzw. Gasabtransport zwischen der Ultrahochvakuum- Kammer und dem wenigstens einen Zulauf. Durch den Gasaustausch ist ein Ultrahochvakuum in der Ultrahochvakuum-Kammer erzeugbar, welches im Druck-Bereich von 10 ~7 bis 10 ~12 mbar liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druck in der Ultrahochvakuum-Kammer abhängig von der verwendeten ionischen Flüssigkeit, insbesondere von dem Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind/ist der wenigstens eine erste Fluid-Zulauf und/oder der wenigstens eine zweite Zulauf und/oder der wenigstens eine Fluid-Ablauf in der Form jeweils wenigstens eines Rohres ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Pumpe umfasst die Schritte:

Erzeugen eines durch die Kammer der Pumpe strömenden Strahls des Fluids, Ansaugen von Gas in der und/oder in die Kammer durch den Fluid-Strahl und Abführen des Gases mittels des Fluid-Strahls aus der Kammer. Die Schritte können dabei in der genannten Reihenfolge zeitgleich kontinuierlich oder aufeinanderfolgend pulsartig erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird mittels einer entsprechenden Ausbildung der Pumpe der sogenannte Venturi-Effekt ausgenutzt. Damit sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids in der Kammer und so besonders hohe Unterdrücke an dem zweiten Zulauf zu erreichen, die zu entsprechenden Hochvakua bis in den Bereich der Ultrahoch- vakua in einem angeschlossenen, zu evakuierenden Raum führen können.

Der Erfindung liegt allgemein die Idee zu Grunde, dass durch die Verwendung von ionischen Fluiden wie Flüssigkeiten in den besonders ausgestalteten Strahlpumpen durch den geringen Dampfdruck solcher Fluide einfach, zuverlässig, verschleißarm und somit billig ein gutes Ultrahochvakuum ohne die Notwendigkeit einer Vielzahl von Pumpensystemen erzeugt werden kann .

Für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ergeben sich die vorstehend erwähnten, mit der erfindungsgemäßen Pumpe verbundenen Vorteile.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit vorteilhaf- ten Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein . Es zeigt Figur 1 in stark schematischer Darstellung einen Aufbau zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Strahlpumpe. Figur 2 zeigt einen Aus- schnitt aus der Kammer der Pumpe.

In Figur 1 ist der Aufbau eines Systems 1 zur Erzeugung insbesondere eines Ultrahochvakuums HV angedeutet. Das System 1 umfasst eine Pumpe 2 mit einem ersten Fluid-Zulauf 3 und ei- nem zweiten Zulauf 4 sowie einem Fluid-Ablauf 5. Die Pumpe 2 ist in einen geschlossenen Fluid-Kreislauf 9 integriert, welcher eine ionische Flüssigkeit als Fluid F verwendet. Die Pumpe funktioniert nach der Art einer Wasserstrahlpumpe, wobei ihr Arbeitsmedium jedoch nicht Wasser, sondern eine ionische Flüssigkeit oder ein entsprechendes Flüssigkeits- Gas-Gemisch ist.

In dem Fluid-Kreislauf 9 ist die Strömungsrichtung des Fluids F mit s bezeichnet. Bzgl. der Strömungsrichtung ist der Pumpe 2 eine Förderpumpe 6 vorgeschaltet, welche einen hohen Fluid- Druck in mindestens einem rohrförmigen Teilstück 9a des Fluid-Kreislaufs 9 vor der Pumpe 2 erzeugt. Fluid F mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und/oder einem hohen inneren Fluid-Druck wird so von der Förderpumpe 6 zur Pumpe 2 über das Teilstück 9a eines Rohrsystems gepumpt. Dort tritt das

Fluid F über den ersten Fluid-Zulauf 3 in eine Kammer 11 der Pumpe 2 ein. Hierzu ragt der Zulauf ein Stückweit in die Kammer und ist dort als eine Düse mit einer Düsenöffnung 3a ausgestaltet (vgl. Figur 2) . Dabei wird das Fluid stark be- schleunigt. Die Beschleunigung folgt gemäß dem sogenannten Venturi-Effekt aufgrund einer entsprechenden Ausgestaltung der Düse. Die Fluid-Strömungsgeschwindigkeit wird z.B. ver- zehnt- bis verhundertfacht bzw. vertausendfacht. Fluid-Strö- mungsgeschwindigkeiten bis hin zur Schallgeschwindigkeit sind möglich. Die Strömungsgeschwindigkeit ist abhängig vom Fluid- Druck direkt vor der Düse und vom Düsendurchmesser im Verhältnis zum Leitungsdurchmesser des ersten Fluid-Zulaufs 3. Der Fluid-Strahl, welcher mit einer hohen Geschwindigkeit aus der Düse an deren Öffnung 3a austritt, nimmt Teile des in der Kammer 11 befindlichen Gases z.B. durch Stöße mit den Gasmolekülen und Verwirbelungen durch Reibung im Gas in der Kammer auf. Die mit dem Fluid-Strom mitgerissenen Gasmoleküle treten auf dem der Düsenöffnung 3a gegenüberliegenden Fluid-Ablauf 5 aus der Kammer 11 mit dem Fluid F zusammen aus.

Über ein Rohrsystemteilstück 9b wird das aus der Kammer 11 über den Fluid-Ablauf 5 ausgetretene Fluid F in einen Vor- ratsbehälter 7 geleitet. Dort wird das Fluid F gesammelt und mitgerissene Gasmoleküle können aus dem Fluid entweichen und über ein Rückschlagventil 8 an die Umgebung oder in einen weiteren Auffangbehälter abgegeben werden. Das gesammelte Fluid aus dem Vorratsbehälter 7 kann dann mit Hilfe eines weiteren Rohrsystemteilstücks 9c der Förderpumpe 6 zugeführt werden, womit sich ein geschlossener Fluid-Kreislauf 9 in dem Rohrsystem ergibt.

In der Kammer 11 der Pumpe 2 führen die mit dem Fluid F mit- gerissenen und abtransportierten Gasmoleküle zu einem Unterdruck an einem zweiten Zulauf 4 der Kammer 11 der Pumpe 2. Eine Hochvakuum-Kammer 10 ist über ein Rohrleitungssystem 12, z.B. einer Edelstahl-Rohrleitung, mit dem zweiten Zulauf 4 der Pumpenkammer 11 verbunden. Zwischen der Hochvakuum-Kammer 10 und der Pumpenkammer 11 kann so ein Gasaustausch bzw. - transport stattfinden. Der in der Pumpenkammer 11 erzeugte Unterdruck führt zu einem Gastrom, welcher Gas von einem höheren Gasdruck in der Hochvakuum-Kammer 10 zu einem niedrigeren Gasdruck in der Pumpenkammer 11 strömen lässt. Erst wenn ein Druckausgleich stattgefunden hat, d.h. in der Hochvakuum- Kammer 10 und der Pumpenkammer 11 der gleiche Gasdruck besteht, findet kein Gasaustausch zwischen der Ultrahochvakuum- Kammer 10 und der Pumpenkammer 11 mehr statt. Der Gasaustausch zwischen der Hochvakuum-Kammer 10 und der Pumpenkammer 11 kann so zu einer Druckerniedrigung in der Hochvakuum- Kammer 10 führen; d.h., aus der Hochvakuum-Kammer 10 ist so Gas in die Pumpenkammer 11 abzupumpen. Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich in der Hochvakuum- Kammer 10 ein Gas-Druck erzeugen bzw. ein Vakuum mit einem Druck, welcher dem Dampfdruck des verwendeten Fluids F zumindest annähernd entspricht. Durch eine erfindungsgemäße Ver- wendung ionischer Fluide als Arbeitsmedium der Pumpe 2 können Hochvakuum-Gasdrücke erreicht werden, d.h. ein Hochvakuum in einer Hochvakuum-Kammer 10, das bis in den Ultrahochvakuumbereich von 10 ~7 bis 10 ~12 mbar reicht.

Für die erfindungsgemäße Pumpe geeignete ionische Fluide sind z.B. aus „Angewandte Chemie", 2000, Bd.112, Seiten 3926 bis 3945 bekannt. Demnach sieht man im Allgemeinen als solche Fluide Flüssigkeiten an, die bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen kleiner 100 0 C, schmelzende Salze mit nicht-molekularem, ionischem Charakter sind. Eine besonders vorteilhafte Eigenschaft solcher ionischer Flüssigkeiten für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Pumpe ist, dass diese einen praktisch nicht messbaren Dampfdruck (bei den üblichen Anwendungstemperaturen) haben. Es können somit in zu evakuierenden Räumen Unterdrücke erreicht werden, die dem Dampfdruck der zu verwendenden Flüssigkeiten entsprechen. Bei Betrieb der Pumpe verdampft praktisch keine Flüssigkeit, so dass das angesaugte Gas leicht von der Flüssigkeit zu trennen ist.

Besonders geeignet sind Fluide F (flüssig oder in einem zwei- phasigen Flüssigkeit-Gas-Gemisch) , die zumindest als Hauptanteil (d.h. zu mehr als 50 Vol-%) Sulfat-, Hydrogensulfat-, Alkylsulfat-, Thiocyanat-, Phosphat-, Borat-, Tetrakishydro- gensulfatoborat- oder Silikat-Ionen enthalten.