DE2046745A1 - Vakuumpumpe - Google Patents

Description

on / f>7 L ζ

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22

SARGENT-WELCH SCIENTIFIC COMPANY, 7300 North Linder Avenue, Skokie, Coole, Illinois, VoSt.Ao

Vakuumpumpe

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Vakuumpumpen, und zwar an sogenannten Turbomolekularpumpen, die in einem zylindrischen Gehäuse eine Anzahl von axial gefluchteten Rotoren und Statoren aufweisen. Gewöhnlieh bilden die Rotoren einen Teil eines Schaufelrades und die Statoren sind derart angeordnet, daß neben und in Strömungsrichtung gesehen, nach jedem Rotor ein Stator vorgesehen ist und jedes Rotor-Stator-Paar eine eigene Stufe bildete Da das Schaufelrad in der Mitte eine Welle aufweist, von der Schaufeln radial nach außenragen, und da die Statoren im Betrieb gegen eine Drehung gesichert sind, weist die Statoranordnung normalerweise mehrere Scheiben auf, die zentrale Haben mit weiten öffnungen haben. Von jedem durchgehenden Nabenteil stehen Schaufeln nach außen. Um die Statoren in ihrer Lage zu fixieren, werden sie an den Schaufelenden festgehalten. Da die Rotorschaufelreihen mit Reihen von Statorsehaufein verzahnt sind, müssen die Statoren in einem Abstand voneinander angeordnet sein, der gleich der Breite der Rotorschaufeln plus einem bestimmten Betriebsspiel ist. Es i3t daher üblich, radial

1 O 9 ö1y/1 10 7

außerhalb jedes Rotors einen Stützring anzuordnen, der eine etwas größere axiale Breite hat als der Rotor, wobei die Statoren zwischen benachbarten Stützringen festgehalten werden. Danach wird die gesamte Anordnung von Stützringen und Statoren in Achsrichtung auf ein bestimmtes Maß komprimiert und die Statoren werden in der gewünschten Lage fixiert.

Für den Zusammenbau derartiger Pumpen gibt man dem Rotor— gehäuse eine glatte, maschinell bearbeitete runde Bohrung, die vollkommen zylindrisch sein soll, aber auf ihrem Umfang von Stelle zu Stelle ganz geringfügig von der perfekten Rundung abweichen kann, z.B. leicht konisch sein kann oder dergleichen. Die Statoren sind so bemessen, daß der größte Stator jeder Statorgruppe einen Außendurchmesser hat, der wenig schmaler als der kleinste Innendurchmesser des Gehäuses ist, doi. der Innendurchmesser der Teile des Stützringes, der mit dem Stator in Kontakt kommt. Bei der Fertigung der Stützringe für die Statoren versucht man gewöhnlich, den Außendurchmesser des Ringes so weit wie möglich an den Innendurchmesser des Gehäuses anzupassen. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei Vorhandensein eines peripheren Abstandes zwischen den Außenflächen der Stützringe und der Innenseite des Gehäuses eine Strömung entsteht, durch die ein beträchtlioher Gasrückfluß vom Auslaß zum Einlaß der Turbine stattfinden kann, wodurch das mit der Pumpe erreichbare Vakuum sich verschlechterte

Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe ist gekennzeichnet durch einen Statorhalter in Form eines geteilten Ringes, der leicht in das Gehäuse einsetzbar ist, sich nach außen spreizt und entlang dem ganzen Umfang gegen das Gehäuse an·· legt. Dadurch ist ein Mittel geschaffen, das eine axiale Strömung längs der Teile der Pumpe radial innerhalb der Gehäusewand verhindert·

109819/1107

Die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:

Fig»1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, teilweise in Aufsicht, einer erfinäungsgemäßen Vakuumpumpe;

Figo2 eine Seitenansicht der Pumpe von Figd in verkleinertem Maßstab, die Teile des Ölsammelsystems etwas schematisiert zeigt;

Figo3 eine perspektivische Vorderansicht mehrerer erfindungsgemäßer Stützringe;

Figo4 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stützringes;

Figo 5 eine vergrößerte Detailansicht des Stützringes der Fig.4 nach der Linie 5-5 in dieser Figurj

Fig.6 eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform des Stützringes;

Fig.7 eine vergrößerte Aufsicht auf einen Teil des Stützringes der Figo6 nach der linie 7-7 in dieser Figurj

Figo8 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stützringes mit Blickrichtung radial nach innen«»

Figei zeigt eine Hochvakuumpumpe 20 vom Axialturbinentyp. Die Pumpe 20 hat einen Anschlußflansch 22 zur Verbindung mit dem zu evakuierenden Raum,, In der Zeichnung ist ein linker Turbinenteil 24 dargestellt. Auf dem einen axialen Ende einer Schaufelradwelle 28 sitzt ein angetriebenes Zahnrad 26. Weiter sind auf der Schaufelradwelle eine Anzahl von Rotoren 30 angeordnet, die zahlreiche Schaufeln 32 trageno Zwischen die Rotoren 30 greifen mehrere Statoren 34 ein, die eine durchgehende Nabe 36 und mehrere Schaufeln 38 aufweisen, deren Enden 40 zwischen den in Achsrichtung blickenden

109819/1107

Flächen 44 mehrerer Stützringe 36 aufgenommen sind. Die
Konstruktion der Stützringe wird noch genauer erläutert.

Eine Kammer 48, die stromabwärts von dem innersten Rotor
50 liegt, nimmt Gas auf, das aus dem an den Plansch 22 angeschlossenen Raum evakuiert worden ist. Von dort tritt das
&as.in einen ringförmigen Sammelraum 52, der eine gerade Bodenwand 54 und nächst seiner einen Seitenwand 58 eine Ölsammelöffnung 56 hat. In einem Abstand vertikal über der Bodenwand 54 des ringförmigen Sammelraumes 52 liegen mehrere Seitenwände 60, die einen Gasauslaß 62 in den ringförmigen Sammelraum 52 bilden«, Figol zeigt diesen Gasauslaß 62 lediglich auf der rechten Seite der Turbinenpumpe, selbstverständlich ist jedoch ein gleich konstruierter Auslaß auch an einer entsprechenden Stelle auf der linken Pumpenseite vorgesehen.
Der rechte und der linke Teil der Pumpe 20 sind bezüglich
ihrer inneren Bestandteile spiegelbildlich zueinander« Das
heißt, auf der rechten Seite der Pumpe 20 ist ein zweiter
Turbinenteil von gleicher Konstruktion wie der Turbinenteil 24 angeordnet, wobei die Gasströmung durch den linken Turbi~ nenteil 24 in der Darstellung nach links geht und der höhere Druck am linken äußeren Ende der Pumpe herrscht, während die Gasströmung in dem rechten Turbinenteil nach rechts geht
und das Gas am rechten axialen Ende der Pumpe 20 austritt»

l zeigt ferner einen Raum 64, der herkömmlicher Weise
von einem nicht gezeigten antreibenden Zahnrad eingenommen
wird und der eine Stirnplatte 66 aufweist, um flüssiges Öl
vom Raum 64 und anderen mit ihm in Verbindung stehenden Räumen abzusperren. Ein Ende 68 einer Öldampfleitung 70 ist an einen Kanal 72 angeschlossen, der in den Raum 64 mündet« Das andere Ende 74 der Öldampfleitung 70 steht mit dem Bereich
76 in Verbindung,, in dem das andere Ende der Sohraubenradwel-Ie gelagert ist. Wie am linken Turbinenteil dargestellt,

109819/1107

hat die Schraubenradwelle 32 ein zylindrisches Endstück 78, das in lagern 80 läuft, die aus einer Leitung 82 durch einen Kanal 84 eine Menge verdampften Öls erhalten«

Obwohl eine zweite Dichtung 86 vorgesehen ist, die mit einem verbreiterten Teil 88 der Schraubenradwelle 32 zusammenwirkt, entweicht doch eine gewisse Dampfmenge durch Kanäle 90 und 92 in die Kammer 48, von wo die Gasströmung durch einen oder mehrere Durchlässe 94 in den ringförmigen Sammelraum 52 gelangt· Gemäß der Erfindung hat die Bodenwand 54 des Sammelraumes 52 ein beträchtliches Ausmaß und die darin vorgesehenen Öffnungen 56 nehmen das durch die Schwerkraft und Kondensation angesammelte öl auf, um es über Ablaufleitungen 96 abzuführen. In Pig«2 ist schematisch gezeigt, daß die Ablaufleitungen 96 zu abseits gelegenen Sümpfen 98 führen₀ Je nach der Art des in der Turbinenpumpe und in der Torpumpe verwendeten Öls kann es angebracht sein, die Leitungen 96 unmittelbar an den Einlaß der Vorpumpe anzuschließen, um in diesen Leitungen ein Vakuum herzustellen, das mindestens gleich der Vakuumhöhe in dem ringförmigen Sammelraum 52 ist.

Andererseits ist dadurch, daß die ölsammelöffnung 56 an einer von dem Gasauslaß 62 entfernten Stelle angeordnet ist, si·· chergestellt, daß in der durch den Gasauslaß 62 tretenden Gasströmung ein Minimum an öldampf und kein flüssiges öl vorhanden ist«, In diesem Zusammenhang sei auch darauf verwiesen, daß die Lage und Form der Durchlässe 94 derart sind, daß das diese Durchlässe passierende öl die Tendenz hat, auf die Wände 58 oder dergleichen aufzuprallen, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Kondensation wächst. In einem sol« chen Fall, wo eine maximale Trennung des Öldampfes von den ausströmenden Gasen stattfindet, kann es zweckmäßig sein, die Ablaufleitungen 96. an eine eigene Vakuumq.uelle anzu-

10 981971107

schließen, beispielsweise eine dritte Pumpe sehr kleiner Kapazität, oder das Vakuum von einer Auslaßleitung der mit der Turbine 20 gekoppelten Vorpumpe abzunehmen, wodurch der Auslaß des Ölsammelraumes vom Einlaßbereich der Vorpumpe isoliert iste

Fig· 3 zeigt eine Anordnung von Stützringen 46, die zum Einsetzen in das Gehäuse 100 der Pumpe 20 bestimmt sind· Jeder Stützring 46 besteht aus einem Körper 102 und zwei nahe beieinander liegenden Enden 104, 106. Die Stützringe 46 sind aus einem federnden Material und derart geformt, daß sie sich " federnd nach außen spreizen, so daß die Enden 104, 106 sich voneinander entfernen wollen. Die Außenfläche 108 jedes Stützringes ist besonders geglättet, damit sie sich besonders •eng an die geglättete Innenwand 110 des Gehäuses 100 anlegt. Jeder Stützring 46 hat solche Abmessungen, daß, wenn er zusammengepreßt wird, bis die Enden 104, 106 gegeneinanderstοssen, sein Außendurchmesser gestattet, den Stützring an die gewünschte Stelle im Gehäuse 100 zu schieben. Beim Loslassen weitet sich der Stützring dann so, daß seine Außenfläche 108 sioh gasdicht gegen die Innenwand 110 des Gehäuses 100 anschmiegt, mit Ausnahme der Stellen an den Spalten 112, die zwischen den Enden 104, 106 entstanden sind»

Wie Pig·3 zeigt, sind die Stützringe mit Abständen in Achsriohtung voneinander angeordnet und liegen in parallelen Ebenen, wobei jeder Stützring in seiner Ebene gedreht ist, so daß der Spalt 112 zwisohen den Enden 104 und 106 gegenüber den Spalten der unmittelbar benachbarten Stützringe auf.dem Umfang versetzt ist. Zufolge dieser Konstruktion findet je« der Stützring 46 seinen eigenen maximal möglichen Durohmesser, der für seinen speziellen Teil des Gehäuses 100, in dem er angeordnet ist, paßt. Auf diese Weise kommt ein bündiger, gasdichter Paßsitz zwisohen der Außenfläche 108 des Stütz-

109819M 107

2048745

ringes und der Innenwand 110 des Gehäuses 100 zustande. Der Spalt 112 hat zwar eine merkliche Breite, die von einigen Hundertstel Millimetern (einigen Tausendstel Zoll) bis zu etwa 2,5 mm (0,100 Zoll) betragen kann. Dies stellt jedoch im Betrieb kein ernstes Leokproblem dar, aus Gründen, die nun erörtert werden. Da der im Gehäuse 100 beim Betrieb einer derartigen Vakuumpumpe herrschende Druck stets extrem niedrig ist und zwischen etwa 10~^p Torr bis herab zu 10"" Torr oder sogar noch einige Potenzen weniger liegt, ist das Molekülverhalten in der Pumpe 20 als freie Molekularströmung charakterisierte Das heißt, die mittlere freie Weglänge der Gasmolekiile in der Pumpe ist sehr groß verglichen mit jeder wichtigen Abmessung einer Rotor- oder Statorsohaufel, der Stützringe oder mit der Weite jedes in frage kommenden Raumes. Folglich bewegen sich die in diesem Zustand fließenden Moleküle in der Pumpe geradlinig fort, bis sie auf einen körperlichen Gegenstand treffen, da die Wahrscheinlichkeit, mit einem anderen Molekül zusammenzustoßen, sehr gering ist· Solche Moleküle, vor allem wenn man ihnen erlaubt, entlang und parallel der Innenwand 110 des Gehäuses 100 zu fliegen, bewegen sich gleichsam in einem Strahl vorwärts und durchqueren viele, wenn nicht alle Stufen, ohne mit anderen Gasmolekülen zusammenzustoßen. Dabei nimmt die Wahrscheinlichkeit des Zusammenstoßes mit anderen Gasmolekülen noch ab, während die betreffenden Moleküle stromaufwärts zum niedrigsten Druckbereich der Pumpe wandern«) Bei einer Pumpe mit einem gesamten Druckabfall von 6 bis 8 Größenordnungen oder mehr zerstört daher schon ein kleiner, wirksamer Molekülfluß zu den Niederdruckbereichen die leistung der Pumpe und selbst ein verhältnismäßig winziger Pfad in Längsrichtung, wenn er senkrecht zur Ebene der Rotoren, Statoren und Stützringe verläuft, beeinträchtigt die optimale Pumpenleistung, ja macht sie ganz zu nichte©

Andererseits hat sich herausgestellt, daß, obwohl bei der

109819/1107

erfindungsgemäßen Stiltzringanordnung ein merklicher Spalt 112 in einigen fällen zwischen den Enden 104_f 106 der Stützringe 46 existiert, der eigentlich zu einem niedrigen Vakuum führen würde, der Effekt des Spaltes 112 in einer Turbinenpumpe, die im Druckbereieh, der freien Molekularströmung arbeitet, überraschenderweise ganz verschieden von dem Effekt eines solchen Spaltes unter anderen Umständen ist· Vermutlich weil verhältnismäßig wenig Moleküle vorhanden sind und weil praktisch kein Durchsickern in Achsrichtung durch mehr als eine Stufe längs der Grenze zwischen den !lachen 100, 110 möglich ist, fliegen die Moleküle durch den Spalt 112 etwa in Achsrichtung mit einer sehr hohen Geschwindigkeit· Wenn sie dann eine Stufe oder Druckabfallzone durchlaufen haben, treffen sie auf den nächsten Stützring 46 auf und, wenn sie nicht nach hinten durch den Spalt 112 zurückgeworfen werden, haben sie keinen Platz weiterzugehen, mit Ausnahme radial nach innen, wo eine Schaufel 32 infolge ihrer extrem hohen Schaufelendengeschwindigkeit mit aller Wahrscheinlichkeit das Molekül radial innerhalb der Innenfläche 114 des Stützringes 46 trifft und es stromabwärts zur nächsten Druckstufe vorantreibte Dabei ist ersichtlich, daß aufgrund der versetzten Anordnung des Spaltes 112 in einem benachbarten Stützring 46 das Molekül an diesem Spalt auf einer geraden Fortbewegungslinie nicht ankommen kann, ohne eine Sehne des zylindrischen Gehäuses 100 zu durchmessen« Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Molekülverhalten würden, wenn ein sehr niedriges Vakuum herrschen würde, die Zusammenstöße zwischen Molekülen so häufig sein, daß eine endliche Anzahl von Molekülen tatsächlich einen Weg längs irgendeiner vorgegebenen Fläche nehmen könnte und ungehindert um Ecken, durch enge Öffnungen und dergleichen fließen könnte. Dies einfach deshalb, weil so viele Moleküle vorhanden wären, daß die mittlere freie Weglänge völlig bedeutungslos wäre gegenüber der in Rede stehenden Abmessung. Die Molekular-

109819/1107

204874$

strömung würde also praktisch ausschließlich durch intermolekulare Zusammenstöße und nicht durch die Kollision alt Teilen der Pumpe beeinflußt«.

In ihrer einfachsten lOrin sieht die Erfindung Stütaringe nach Art der in 3?igt>3 gezeigten vor, bei denen sich die 'benachbarten Enden 104 und 106 nicht überlappeno Weitere Ausfüteriangsformen der erfindungsgemäSen Stützringe sind in des. Fig·4 und 5 gezeigt, bei äenen zwischen sich gegenüberstehest! en Flächen 118, 120 der Enden 104, 106 ein Schiita 1.16 gebildet ist, der sich in der Ebene des Stützringes 46 in imfaBgsrichtung erstreckt. Im rechten Winkel dazu liegende 71aah.es. 122, 124 stellen einen Teil der- Enden 104, 106 dieser Ausführungs~ form dar. Eine derartige Konstruktion verringert sein? wirkungsvoll den Druckverluat zu benachbarten furbineastiifen·

l±g,S und 7 zeigen eine Eingkonstruktion, bei der äie Srtäen 104, 106 von Plächen 126, 128 dargestellt werden, äie zwischen sich einen Spalt 130 bilden, wobei die Placken 126, 128 zueinander parallel sind und zur Ebene des Stiitzringes 46 schräg verlaufen·

Pig·8 seigt eine Ansicht zweier Enden 104» 106* bei S-ar ein gegabeltes Ende 132 an dem einen Ende 104 vorgesehen ist, äas von zwei durch eine Endfläche 138 voneinander gstrannten Verlängerungen 136 gebildet isto In dem so entstasäenen Sohlitz ist ein linger 140 aufgenommen, der von des anderen Ende 106 absteht. Mess Konstruktion hat eine ähslisfc'j Wirkung wie die Konstruktion der ]?ige5, nur ist der ¥ag Saroh dieses Bndteil etwas komplizierter·

Zu obigen Beispielen sei erwähnt, daß für all© öle gemeinsame Forderung besteht, daß sich der Stützring 46 ungekLaäert nach außen spreizen kann, um sich dichtend gegen äie as.«

109819/1107

2Ö4674S

grenzende Wand anzulegen. Die verschiedenen Konfigurationen der Enden 104, 106, die ein Übergreifen in Umfangariehtung and in axialer Richtung gestatten, verbessern die Leietung, sind aber für die Erfindung nicht unbedingt notwendig.

Ganz unerwartet wird nämlich ein Aussickern auch mit Stützringen vorbildlich verhindert, die zwar an bestimmten Stellen beträchtliche Spalte haben, aber sich mit ihrem verbleibenden Umfang gegen die Innenwand des G-ehäuses im Paßsitz anlegen und ein axiales Leck in der Pumpe verhindern·

Die Erfindung sohafft also eine Vakuumpumpe mit verbesserten Konstruktionsmerkmale^ die eine Reihe von Vorteilen, u.a„ die oben ausgeführten, bieten«

109819/1107

Claims (1)

1. Ansprüche

   A Vakuumpumpe mit einem zylindrischen Gehäuse, in dem ein Schaufelrad rotierend angebracht ist, das mehrere Rotorelemente trägt, von denen jedes eine Reihe von Schaufeln aufweist, deren Schaufelenden von der Gehäuseinnenwand in einem Abstand liegen, und mit mehreren Statoren, die mit den Rotorelementen verzahnt angeordnet sind und von denen jeder mehrere Schaufeln trägt, deren Schaufelenden in Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses stehen, daduroh gekennzeichnet, daß die Enden der Statorschaufeln an axialen Flächen von Stützringen (4-6) erfaßt sind, die die Statoren im Abstand voneinander halten und gegen eine axiale Verschiebung sichern und deren radiale Dicke so bemessen ist, daß sie.einen wesentlichen Teil des Abstandes zwischen den Schaufelenden der Rotorelemente und dem Gehäuse einnehmen, die ferner Außenflächen (108) haben, welche mit dem Gehäuse in Kontakt treten und dicht nebeneinander liegende Enden (104-, 106), die zwischen sich Spalte (112) bilden, die eine radiale Aufweitung des Stützringes bis zu einem dichtenden Kontakt längs einer durchgehenden linie zwischen den Außenflächen des Stützringes und der -Innenwand (110) des Gehäuses (100) gestatten, wodurch nahezu die gesamte Innenwand des Gehäuses in bündigem Kontakt mit der Außenfläche der Stützringe steht.

   2c Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (104, 106) des Stützringes sich in axialer Richtung überlappen (Fig.5, 7, 8)„

   3· Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (104, 106) des Stützringes sich in Umfange«, richtung überlappen·

   109819/1107

   2Ö4B745

   4. Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Enden (104, 106) der Stützringe mindestens teilweise axial gerichtete !lachen (126, 128) bilden, die in einem Winkel zur Ebene der Stützringe angeordnet sind (Figo7).

   5ο Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Enden (104» 106) der Stützringe, die die Schlitze bilden, voneinander längs einer ersten Linie, die parallel zur Ringebene läuft, und längs zweiter Linien, die senkrecht zur Ringebene laufen und die erste Linie kreuzen, beabstandet sind (Fig<>5).

   6„ Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Enden (104, 106) jedes Stützringes (46) aus einem gegabelten Ende (132) und einem fingerförmigen Ende (140) bestehen und daß sich diese beiden Enden in Achs- und Umfangsrichtung derart übergreifen, daß den durchströmenden Grasmolekülen ein labyrinthartiger Weg aufgezwungen wird«.

   7. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Enden (104, 106) jedes Stützringes gegen die Enden jedes benachbarten Stützringes in Umfangsrichtung versetzt sind, so daß es keinen direkten Pfad in Längsrichtung entlang der Gehäuse innenwand durch mehrere von den Enden gebildete Spalte gibte

   109819/1107

   Lee rse i t e