EP1252445B1

EP1252445B1 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: EP1252445B1
Application number: EP01909681A
Authority: EP
Inventors: Heinrich Engländer
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH; Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: JP2003525379A; DE10004271A1; WO2001057402A1; JP4819277B2; US20040013514A1; DE50113533D1; EP1252445A1; US7011491B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekularpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Turbomolekularvakuumpumpen sind beispielsweise aus der WO 94/00694 bekannt. Sie sind nach Art einer Turbine mit Rotor- und Statorschaufelreihen ausgebildet. Stator und Rotor erstrecken sich im wesentlichen zylindrisch und sind koaxial zur Drehachse des rotierenden Bauteils angeordnet. Die Längsachsen der abwechselnd ineinander greifenden Stator- und Rotorschaufeln erstrecken sich radial, so dass sich eine im wesentlichen axial gerichtete Förderrichtung ergibt. Ein oder mehrere Paare einer Rotorschaufelreihe und einer Statorschaufelreihe bilden eine Pumpstufe. Die Einstellung der Fördereigenschaften einer Pumpstufe (Saugvermögen, Kompression) erfolgt über die Ausbildung der Schaufeln, vorzugsweise über deren Anstellwinkel.
Bei Turbomolekularvakuumpumpen der geschilderten Art kann eine Mindestanzahl von Pumpstufen nicht unterschritten werden. Dadurch bauen sie relativ lang, zumal der Antriebsmotor die axiale Länge noch erhöht. Außerdem kann nur ein Bauteil - üblicherweise der Rotor - einteilig ausgebildet sein, während das andere Bauteil - üblicherweise der Stator - aus einer Mehrzahl von Teilen bestehen muss, um die ineinander greifenden Schaufelreihen montieren zu können.
Aus der DD 107 118 A ist eine Turbomolekularpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Ihre Rotor- und Statorbauteile sind derart ausgebildet und angeordnet, dass die Gase in radialer Richtung von außen nach innen gefördert werden. Eine Turbomolekularpumpe dieser Art hat die Vorteile, dass ihre axiale Länge (ohne Antriebsmotor) die Länder der Stator- und Rotorschaufeln nicht wesentlich übersteigt und dass Rotor und Stator zusammen mit ihren jeweiligen Schaufeln einteilig ausgebildet sein können, da sich die ineinander greifenden Schaufeln nicht mehr radial sondern axial erstrecken.
Die CH 235 192 A sowie die GB 479 425 A aus den Jahren 1944 bzw. 1938 offenbaren Turbomaschinen mit axial gerichteten Schaufeln und radialer Förderrichtung, die im Überdruckbereich arbeiten. Dieses gilt auch für das in der FR-A-25 89 529 beschriebene System, das der Druckerhöhung von Gasen oder Flüssigkeiten dient.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomolekularpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 in Bezug auf ihre Effizienz weiterhin zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Vakuumpumpen der hier betroffenen Art werden vorzugsweise so betrieben, dass der Förderraum in Förderrichtung der Gase abnimmt. Diese Eigenschaft haben Pumpen nach dem Stand der Technik bereits dadurch, dass die Gase von außen nach innen gefördert werden. Bei der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe (Figur 3) nimmt darüber hinaus die Länge der Stator- und Rotorschaufeln - und damit die axiale Höhe des Förderraumes - von außen nach innen ab. Die Abnahme der axialen Höhe des Förderraumes ist verbunden mit einer weiteren, nicht nur durch die Strömungsrichtung der Gase von außen nach innen bedingte Abnahme des Fördervolumens in Förderrichtung, wodurch das gesetzte Ziel der Effizienz-Verbesserung der Pumpe erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die beschriebenen Flügelscheiben spanend durch Dreh- und Erodiermaschinen hergestellt werden können. Beide Techniken sind relativ preiswert. Mit der erzielbaren Reduzierung der Teilevielfalt ist die Erfindung eine echte Alternative, um dem heutigen Preisdruck zu begegnen.
Zweckmäßig ist es weiterhin, bekannte, axial verdichtende Turbomolekularvakuumpumpen mit erfindungsgemäß gestalteten, radial verdichtenden Reibungsvakuumpumpen zu kombinieren. Pumpsysteme dieser Art ermöglichen es, den Antriebsmotor auf der Hochvakuumseite anzuordnen, ohne dass Motor und Lager aus hochvakuumtauglichen Werkstoffen bestehen müssen. Schließlich ergeben sich Vorteile bei der Lagerung des rotierenden Bauteils. Lange Rotoren benötigen insbesondere dann, wenn sie fliegend gelagert werden sollen, einen hohen Lageraufwand, der bei den relativ kurzen Rotoren bei Reibungsvakuumpumpen nach der Erfindung nicht mehr erforderlich ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen anhand von in den Figuren 1 bis 11 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Bei den Beispielen nach den Figuren 1, 3 und 7 handelt es sich um Ausführungen der Erfindung. Die Figuren 2, 4 bis 6 sowie 8 bis 11 zeigen Beispiele, die das Verständnis der Erfindung erleichtern sollen. Es zeigen

Figur 1 einen Radialschnitt durch die Flügel einer Reibungsvakuumpumpe nach der Erfindung,
Figuren 2 bis 4 Axialschnitte durch unterschiedliche Ausführungen,
Figuren 5 und 6 Schnitte durch eine zweiflutige Ausführung,
Figur 7 einen Schnitt durch eine mehrstufige Lösung,
Figur 8 eine Kombination einer radial fördernden Pumpstufe mit axial fördernden Reibungspumpenstufen sowie
Figuren 9 bis 11 kombinierte Reibungspumpen für Mehrkammersysteme.

Figur 1 zeigt, dass sich in den Ausführungsformen einer Reibungspumpe 1 nach der Erfindung die Längsachsen der Schaufeln 2, 3 parallel zur Drehachse 4 des rotierenden Bauteils erstrecken. Sie sind in konzentrischen Reihen um die Drehachse 4 angeordnet. Die Reihen der Rotorschaufeln 2 und die Reihen der Statorschaufeln 3 wechseln einander ab. Sie greifen ineinander und haben in an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung (Pfeil 16) wechselnde Anstellwinkel.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen, dass die Schaufeln 2, 3 Bestandteile von rotierenden bzw. feststehenden Trägern 6 bzw. 7 sind. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 haben der rotierende Träger 6 und der feststehende Träger 7 die Form einer Scheibe. Bei der Ausführung nach Figur 3 ist die schaufelseitige Oberfläche der Statorscheibe 7 derart konisch ausgebildet, dass der Abstand zwischen den beiden Scheiben 6, 7 von außen nach innen abnimmt. Auch die Länge der Schaufeln 2, 3 nimmt von außen nach innen ab.
Bei der Ausführung nach Figur 4 hat der feststehende Träger 7 die Form eines Trichters, so dass der Abstand zwischen den Trägern 6 und 7 von innen nach außen abnimmt. Die Länge der Schaufeln 2, 3 ist dieser Abstandsänderung angepasst.
Figur 4 zeigt noch, dass der feststehende Träger 7 Bestandteil eines Gehäuses 8 der Pumpe 1 ist. Es besteht aus dem Träger 7 mit einem Anschlussstutzen 9 sowie aus einem flachen, topfförmig gestalteten Gehäuseteil 11, das mit seinem Rand am Träger 7 angeflanscht ist. Der Boden 12 des Gehäuseteils 11 erstreckt sich parallel zur Rotorscheibe 6. Er trägt den Antriebsmotor 13, dessen Welle 14 durch eine Öffnung im Boden 12 hindurchgreift und mit der Rotorscheibe 6 gekoppelt ist. Außerdem ist am Gehäuseteil 12 ein weiterer Anschlussstutzen 15 vorgesehen.
Vakuumpumpen werden vorzugsweise so betrieben, dass der Förderraum in Förderrichtung der Gase abnimmt. Diese Eigenschaft haben Reibungspumpen 1 nach der Erfindung bereits dann, wenn die Gase von außen nach innen gefördert werden (vgl. die in den Figuren 1 bis 3 eingezeichneten Pfeile 16). Die Ausbildung des feststehenden Trägers 7 nach Figur 3 verstärkt noch diese Eigenschaft. Auch die Breite der Schaufeln 2, 3 kann von außen nach innen abnehmen (vgl. insbesondere Figur 1).
Natürlich ist auch ein Betrieb der Reibungspumpen mit entgegengesetzter Förderrichtung möglich. Dazu muss lediglich die Drehrichtung des Rotors 6 umgekehrt werden. Ein Beispiel für eine in dieser Weise betriebene Reibungspumpe 1 zeigt Figur 4 (Pfeile 18). Der Anschlussflansch 9 bildet den Einlass, der Anschlussflansch 15 den Auslass der Pumpe. Auf eine Veränderung des Förderraumes in Richtung der geforderten Gase wird dadurch Einfluss genommen, dass der Abstand der Träger 6, 7 und damit der Länge der Schaufeln 2, 3 von innen nach außen abnimmt.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine zweiflutige Ausführung einer Reibungspumpe 1. Eine innere Gruppe von Schaufelreihen fördert die Gase radial nach außen (Pfeile 21), eine äußere Gruppe von Schaufelreihen von außen nach innen (Pfeile 22). Die Anschlussstutzen 9 und 15 sind Einlassstutzen. Zwischen den beiden Gruppen ist die Statorscheibe 7 mit einem Anschlussstutzen 23 ausgerüstet, der die Funktion eines Auslasses hat. Durch Umkehrung der Drehrichtung ergibt sich eine weitere Konfiguration (1 Ansaugstutzen, 2 Auslassstutzen), wie sie für Lecksucher mit Gegenstromprinzip genutzt werden kann. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, die Reibungspumpe 1 nach der Erfindung mehrflutig auszubilden, d. h., mit mehreren Schaufelgruppen, die - verglichen mit ihren jeweils benachbarten Schaufelgruppen - entgegengesetzte Förderrichtung haben.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 7 befinden sich im Gehäuse 8 mehrere radial fördernde Pumpstufen axial übereinander. Das rotierende System umfasst zwei Rotorscheiben 6, die jeweils auf beiden Seiten Rotorschaufeln 2 tragen. Das Gehäuse 8 und ein gehäusefester Träger 25, der sich zwischen den beiden Rotorscheiben 6 befindet, tragen korrespondierende Statorschaufeln 3.
Eingezeichnete Pfeile 27 zeigen, dass der Anschlussstutzen 9 die Funktion eines Einlasses hat und dass die sich anschließenden, radial komprimierenden Stufen (insgesamt vier) abwechselnd von innen nach außen und von außen nach innen fördern. Der Auslass ist mit 26 bezeichnet. Er liegt innen und umgibt die Antriebswelle 14, so dass in diesem Bereich Dichtmittel nicht erforderlich sind. Durch eine Anspassung der Schaufellängen vom Einlass zum Auslass (Abnahme) kann wieder Einfluss auf das Volumen des Förderraumes genommen werden.
Figur 8 zeigt eine Möglichkeit, wie eine radial verdichtende Reibungspumpe 1 mit einer axial verdichtenden Reibungspumpe 31 nach dem Stand der Technik kombiniert werden kann. Die Reibungspumpe 31 besteht aus einer saugseitig angeordneten Turbomolkularpumpenstufe 32 und einer druckseitig angeordneten Molekularpumpstufe 33, die als Holweckpumpe (wie dargestellt) oder auch als Gaede-, Siegbahn-, Engländer- oder Seitenkanalpumpe ausgebildet sein kann.
Die Reibungspumpen 1 und 31 befinden sich in einem gemeinsamen, etwa zylindrischen Gehäuse 35 mit seitlichem Einlass 36. Eine auf beiden Stirnseiten gelagerte (Lager 37, 38) Welle 39 trägt die jeweils rotierenden Bauteile der Pumpstufen (Rotorscheibe 6 der radial verdichtenden Pumpe 1, Rotor 41 der Turbomolekularpumpstufe 32, Zylinder 42 der Holweckpumpstufe 33). Der seitliche Einlass 36 der kombinierten Pumpe mündet zwischen der radial verdichtenden Pumpstufe 1 und der axial verdichtenden Pumpe 31. Der Auslass 44 der kombinierten Pumpe befindet sich auf der Druckseite der Molekularpumpstufe 33.
Die eingezeichneten Pfeile 45 und 46 zeigen, dass die radial verdichtende Pumpstufe 1 die zu fördernden Gase im Bereich ihrer Peripherie und die axial verdichtende Pumpe 31 - wie üblich - im Bereich ihrer Hochvakuumseite ansaugt. Die von der Pumpstufe 1 geförderten Gase gelangen über einen Bypass 47 unmittelbar zur Saugseite der Holweckpumpstufe 33.
Die Besonderheit der Lösung nach Figur 8 besteht darin, dass sich der Antriebsmotor 48 auf der Hochvakuumseite der axial fördernden Pumpe 31 befindet (und nicht wie üblich auf der Druckseite der Holweckpumpstufe 33). Dadurch, dass sich die radial verdichtende Pumpstufe 1 zwischen dem Einlass 36 und dem Antriebsmotor 48 befindet, kann im Motorraum 49 ein relativ hoher Druck aufrecht erhalten werden (z.B. 1 x 10^-2 mbar). Die Verwendung hochvakuumtauglicher Werkstoffe im Motorraum 49 ist nicht erforderlich. Außerdem unterstützt die radial fördernde Pumpstufe 1 die Förderleistung der Turbomolekularpumpstufe 32, ohne dass sich damit die Baulänge der Pumpe 31 wesentlich vergrößert.
Die Figuren 9 bis 11 zeigen Ausführungen von kombinierten Reibungspumpen für den Einsatz bei Mehrkammersystemen, hier Zweikammersystemen. Dabei handelt es sich z.B. um Analysengeräte mit mehreren Kammern, die auf unterschiedliche Drücke evakuiert werden müssen. Dadurch ist der Abstand der Ansaugstutzen vorgegeben, was beim Stand der Technik häufig dazu führt, dass relativ lange, fliegend gelagerte Rotorsysteme nötig sind, die aufwendige Lagersysteme erfordern.
Sämtliche Ausführungen nach den Figuren 9 bis 11 weisen zwei seitliche Einlässe 36, 36' auf. Sie sind durch mindestens eine radial verdichtende Pumpstufe 1 voneinander getrennt. Der Einlass 36 "sieht" jeweils, wie auch bei der Ausführung nach Figur 8, die Eintrittsbereiche einer axial fördernden Reibungspumpe 31 sowie einer radial von außen nach innen fördernden Reibungspumpe 1.
Bei der Ausführung nach Figur 9 mündet der Auslass der radial fördernden Pumpe 1 in den Einlassbereich einer zweiten Turbomolekularpumpenstufe 32', an den der zweite Einlass 36' angeschlossen ist. Die Pumpe 1 bewirkt, dass der Druck am Einlass 36 niedriger ist als am Einlass 36'. Auf der Druckseite der Turbomolekularpumpenstufe 32' befindet sich der Antriebsmotor 48.
Diese Druckseite ist über den Bypass 47 mit der Saugseite der Molekularpumpstufe 33 verbunden.
Ist die Förderung eines Teilstromes vom Einlass 36 in den Bereich des Einlasses 36' unerwünscht, kann eine weitere axial verdichtende Reibungspumpe 1' zur Trennung der Einlässe 36, 36' vorgesehen sein (Figur 10). Sie fördert einen Teilstrom der in den Einlass 36' gelangenden Gase. Die Auslässe der beiden Reibungspumpen 1 und 1' stehen mit dem Bypass 47 in Verbindung.
Die Ausführung nach Figur 11 weist anstelle der Turbomolekularpumpstufe 32' eine weitere axial fördernde Reibungspumpe 1" auf. Diese Lösung kann eingesetzt werden, wenn die anfallende Gasmenge nicht hoch ist.
Bei den Ausführungen nach den Figuren 9 bis 11 sind jeweils zwei Hochvakuumpumpsysteme 32, 32' bzw. 1" mit jeweils einem Einlass 36 bzw. 36' vorgesehen. Die gewählte Anordnung lässt es zu, auch weitere Hochvakuumpumpsysteme auf der gemeinsamen Welle 39 anzuordnen und deren Einlässe jeweils durch radial fördernde Pumpstufen voneinander zu trennen. Über Bypässe können sowohl die jeweiligen Hochvakuumpumpstufen, in der Regel Turbomolekularpumpstufen, als auch die Auslässe der radial fördernden Pumpstufen mit einer gemeinsamen Molekularpumpstufe verbunden werden.
Die angeführten Beispiele zeigen, dass die Kombination und die Reihenfolge der Pumpstufen beliebig ist und den applikationsbedingten Begebenheiten angepasst werden können. Die Anordnung der Pumpstufen erlaubt kompakte Konstruktionen mit Lagern an beiden Wellenenden. Hierdurch lassen sich die wellen beliebig steif machen. Dies führt zu rotordynamisch unproblematischen Konstruktionen, die zu dem auch noch eine gute Wuchtcharakteristik haben. Dadurch, dass nahezu beliebig viele nach Art von Bauteilen eines Baukastensystems ausgebildete Stufen auf einer Welle angebracht werden können, lässt sich eine Hochvakuumpumpe, die gegen Atmosphäre verdichtet, leichter realisieren.

Claims

Turbomolekularvakuumpumpe (1) mit einem feststehenden, Statorschaufelreihen tragenden Bauteil (7) sowie mit einem rotierenden, Rotorschaufelreihen tragenden Bauteil (6), wobei die Stator- und Rotorschaufelreihen konzentrisch zur Drehachse (4) des rotierenden Bauteils (6) angeordnet sind und ineinandergreifen; die die Rotor- und Statorschaufelreihen tragenden Bauteile (6, 7) erstrecken sich im wesentlichen radial, die Längsachsen der Schaufeln (2, 3) erstrecken sich im wesentlichen axial, so dass die Pumpe (1) eine im wesentlichen radiale Förderrichtung hat; die Pumpe ist von außen nach innen durchströmt; die Pumpe (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufellänge von außen nach innen abnimmt.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelbreite von außen nach innen abnimmt.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (2, 3) tragenden Bauteile (6, 7) scheibenförmig gestaltet sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende, die Statorschaufeln (3) tragende Bauteil (7) Bestandteil eines Gehäuses (8) der Pumpe (1) ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere radial fördernde Pumpstufen axial hintereinander angeordnet sind und dass die Pumpstufen abwechselnd von innen nach außen und von außen nach innen durchströmt sind.
Pumpe nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass rotierende und/oder feststehende Bauteile (6 bzw. 7) beidseitig Rotor- bzw. Statorschaufeln (2 bzw. 3) tragen.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Auslass radial innen angeordnet ist und eine Antriebswelle (14) für die rotierenden Bauteile (6) umgibt.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit mindestens einer weiteren Reibungspumpenstufe (31, 32, 32', 33) kombiniert ist.
Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der weiteren Reibungspumpe entweder um eine Molekularpumpe (33) oder um eine axial fördernde Reibungspumpe (31, 32, 32') handelt, bei der sich die Bauteile, welche Rotor- und Statorschaufelreihen tragen, im wesentlichen axial und die Längsachsen der Schaufeln im wesentlichen radial erstrecken.
Pumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil (6) gemeinsam mit den rotierenden Bauteilen (41, 42) der weiteren Reibungspumpenstufen auf einer Welle (39) angeordnet ist.
Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Hochvakuumseite einer weiteren Reibungspumpe (31) vom Motorraum (49) eines gemeinsamen Antriebsmotors (48) trennt.
Pumpe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei oder mehr Hochvakuumpumpstufen (32, 32') mit jeweils einem Einlass (36, 36') aufweist und dass die Einlässe jeweils durch mindestens eine radial fördernde Pumpstufe (1, 1') nach den Ansprüchen 1 bis 7 voneinander getrennt sind.
Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Hochvakuumpumpstufen (32, 32') mit jeweils einem Einlass (36, 36') vorgesehen sind und dass der Einlass der radialen Pumpstufe (1) mit dem einen (36) der beiden Einlässe und ihr Auslass mit dem zweiten (36') der beiden Einlässe in Verbindung steht.
Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei radial fördernde Pumpstufen (1, 1') die Einlässe (36, 36') voneinander trennen.
Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Hochvakuumpumpstufen (32, 32') und für die radial fördernden Pumpstufen (1, 1', 1") eine gemeinsame weiterführende Molekularpumpstufe (33) vorgesehen ist.