RU2105905C1

RU2105905C1 - Combined turbomolecular pump

Info

Publication number: RU2105905C1
Application number: RU95111572A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Малышкин; В.Г. Шугаев
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Дельфин"
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 1998-02-27
Also published as: RU95111572A

Abstract

FIELD: vacuum engineering; combined turbomolecular pumps. SUBSTANCE: combined turbomolecular pump includes housing, electric motor, rotor and gas-dynamic support. Outer surface of additional cylindrical sleeve performs function of viscosity stage; pressed in inner bore of sleeve is bush of gas-dynamic support which enhances service characteristics of pump and reduces its axial dimensions. One of rotor turbowheels having solid end performs the function of hermetic cover separating the volume being evacuated from gas support. EFFECT: improved service characteristics of pump and reduced axial dimensions. 1 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к турбомолекулярным насосам, использующимися для создания вакуума в различных технологических системах. The invention relates to vacuum technology, in particular to turbomolecular pumps used to create a vacuum in various technological systems.

Известны турбомолекулярные насосы [1] которые дополнительно содержат эжектор, а подшипники выполнены газодинамическими и связаны с активной полостью эжектора, пассивная полость которого подключена к нагнетательному патрубку и газодинамическим уплотнениям. Known turbomolecular pumps [1] which additionally contain an ejector, and the bearings are gas-dynamic and connected to the active cavity of the ejector, the passive cavity of which is connected to the discharge pipe and gas-dynamic seals.

Недостатком этого насоса является отсутствие вязкостной ступени (т.е. выхлопа в атмосферу) и для нормальной работы этого насоса необходимо в откачиваемом объеме создать предварительное разряжение (форвакуум) от постороннего насоса. Кроме того конструкция усложнена газодинамическими уплотнениями и наличием эжектора, который подводит добавочное давление к газовой опоре и к газодинамическим уплотнениям. The disadvantage of this pump is the lack of a viscous stage (i.e., exhaust into the atmosphere) and for the normal operation of this pump it is necessary to create a preliminary discharge (forevacuum) from an extraneous pump in the pumped volume. In addition, the design is complicated by gas-dynamic seals and the presence of an ejector, which brings additional pressure to the gas support and gas-dynamic seals.

Известен комбинированный турбомолекулярный насос [2] имеющий выхлоп в атмосферу, в котором вязкостной ступенью является вал с нанесенными на нем спиральными канавками, являющейся частью ротора насоса, несущим турбинные колеса. Вал вращается в аэростатических подшипниках, в которые по капиллярным каналам подается под большим давлением воздух. Known combined turbomolecular pump [2] having an exhaust into the atmosphere, in which the viscous step is a shaft with spiral grooves deposited on it, which is part of the pump rotor carrying turbine wheels. The shaft rotates in aerostatic bearings, into which air is supplied under high pressure through the capillary channels.

Недостатком этого насоса является необходимость иметь сеть сжатого газа или специальный компрессор, а также необходимость установки фильтров для очистки сжатого воздуха, подаваемого в подшипники. Кроме того этот насос имеет увеличенные габариты в осевом направлении из-за последовательного расположения на валу газовых подшипников вязкостной ступени и турбинных колес. The disadvantage of this pump is the need to have a compressed gas network or a special compressor, as well as the need to install filters to clean the compressed air supplied to the bearings. In addition, this pump has increased dimensions in the axial direction due to the sequential arrangement on the shaft of the gas bearings of the viscous stage and turbine wheels.

К недостатку прототипа относится невозможность обеспечения оптимальной работы вязкостной ступени, поскольку для повышения быстроты действия ее необходимо увеличивать диаметр ротора этой ступени, а этому препятствует резкое увеличение потерь на трение в газовой опоре, так как вращающийся вал является общим в этих узлах. The disadvantage of the prototype is the inability to ensure optimal operation of the viscous stage, since to increase its speed it is necessary to increase the rotor diameter of this stage, and this is prevented by a sharp increase in friction losses in the gas support, since the rotating shaft is common in these nodes.

Для улучшения эксплуатационных характеристик комбинированного турбомолекулярного насоса и снижения осевых габаритов в ротор дополнительно установлен коаксиально расположенный цилиндрический стакан, внешняя поверхность которого является элементом вязкостной ступени, а во внутреннюю расточку стакана запрессована втулка газодинамической опоры, неподвижный вал которой вместе с торцевыми дисками жестко закреплен на оси, установленной на торце втулки электродвигателя, при этом одно из турбинных колес имеет глухой торец, являющийся одновременно вакуумплотной крышкой, отделяющий откачиваемый объем от газовой опоры. To improve the operational characteristics of the combined turbomolecular pump and reduce axial dimensions, a coaxially located cylindrical cup is additionally installed in the rotor, the outer surface of which is an element of the viscous step, and a sleeve of gas-dynamic support is pressed into the inner bore of the cup, the fixed shaft of which, together with the end disks, is rigidly fixed to the axis mounted on the end face of the motor sleeve, while one of the turbine wheels has a dead end, which is one TERM vacuum-tight lid, which separates the volume pumped from the gas bearing.

На чертеже изображен общий вид предлагаемого комбинированного насоса. The drawing shows a General view of the proposed combined pump.

Насос состоит из корпуса 1, электрического двигателя, состоящего из активной части 2 и статора 3, ротора, состоящего из внешнего 4 и внутреннего 5 стаканов, газодинамической опоры, состоящей из вращающейся втулки 6, неподвижного вала 7 и дисков 8. Статор электродвигателя 3 жестко установлен на втулке 9, которая неподвижно закреплена в корпусе 1. The pump consists of a housing 1, an electric motor, consisting of an active part 2 and a stator 3, a rotor, consisting of an external 4 and an inner 5 glasses, a gas-dynamic support, consisting of a rotating sleeve 6, a fixed shaft 7 and disks 8. The stator of the electric motor 3 is rigidly mounted on the sleeve 9, which is fixedly mounted in the housing 1.

Втулка статора 9 имеет центральную ось 10, на которой неподвижно закреплены вал 7 и диски 8 газодинамической опоры. Вращающаяся втулка газодинамической опоры 6 запрессована во внутренней расточке стакана 5. The stator sleeve 9 has a central axis 10, on which the shaft 7 and the disks 8 of the gas-dynamic support are fixedly mounted. The rotating sleeve of the gas-dynamic support 6 is pressed into the inner bore of the glass 5.

Таким образом диаметр форвакуумной ступени в несколько раз превышает диаметр газодинамического подшипника. Thus, the diameter of the fore-vacuum stage is several times larger than the diameter of the gas-dynamic bearing.

На внешней цилиндрической поверхности стакана 5 нанесены спиральные канавки вязкостной (форвакуумной) ступени. On the outer cylindrical surface of the glass 5, spiral grooves of the viscous (forevacuum) stage are applied.

На внешней поверхности втулки статора 9 и внутренней поверхности корпуса 1 нанесены спиральные канавки, являющиеся элементами молекулярных ступеней насоса. On the outer surface of the stator sleeve 9 and the inner surface of the housing 1 there are spiral grooves that are elements of the molecular stages of the pump.

К ротору насоса при помощи болтов 11 прикреплены вращающиеся турбоколеса 12, являющиеся входными ступенями насоса. By means of bolts 11, rotating turbo-wheels 12, which are inlet stages of the pump, are attached to the pump rotor.

Невращающиеся ответные колеса 13 входных ступеней закреплены неподвижно во всасывающем патрубке 14, при этом одно из вращающихся колес, ближайшее к ротору, имеет глухой торец и является вакуумплотной крышкой, отделяющей откачиваемый объем от газовой опоры. Non-rotating mating wheels 13 of the input stages are fixed motionless in the suction pipe 14, while one of the rotating wheels closest to the rotor has a blind end and is a vacuum tight lid separating the pumped volume from the gas support.

Между корпусом 1 и втулкой статора 9, корпусом 1 и всасывающим патрубком 14, корпусом 1 и гермовыводом 15, стаканом 5 ротора и турбоколесом 12 стоят вакуумплотные прокладки. Vacuum-tight gaskets are installed between the housing 1 and the stator sleeve 9, the housing 1 and the suction pipe 14, the housing 1 and the hermetic outlet 15, the rotor cup 5 and the turbo wheel 12.

Для исключения попадания в откачиваемый объем продуктов гажения статора он закрывается вакуумплотным кожухом 16, изготовляемым из немагнитного металла, привариваемым к втулке статора 4. To avoid getting into the pumped volume of the stator gassing products, it is closed by a vacuum tight casing 16, made of non-magnetic metal, welded to the stator bushing 4.

Работа комбинированного турбомолекулярного насоса происходит следующим образом. The operation of the combined turbomolecular pump is as follows.

При подаче питания на электродвигатель ротор начинает вращаться, при этом в начальный момент происходит сухое трение в газодинамической опоре (вращающейся втулки 6 о неподвижный вал 7 если ось вращения горизонтальна, или между торцами указанной втулки и одного из дисков, если ось вращения вертикальна). When power is applied to the electric motor, the rotor begins to rotate, and at the initial moment dry friction occurs in the gas-dynamic support (of the rotating sleeve 6 against the stationary shaft 7 if the axis of rotation is horizontal, or between the ends of the specified sleeve and one of the disks if the axis of rotation is vertical).

По мере увеличения скорости вращения ротора количество воздуха в единицу времени, подаваемого в клиновой зазор газодинамической опоры за счет вязкости газа вращающейся втулкой 6 увеличивается, что приводит к увеличению давления в газовой опоре и при определенной скорости это давление создает силу уравновешивающую внешние силы (веса, электромагнитного тяжения и т.д.) и ротор "всплывает", т.е. сухое трение исчезает и поверхности вращающейся втулки оказываются отделенными пленкой сжатого газа от поверхностей неподвижного вала 7 и дисков 8. As the rotor speed increases, the amount of air per unit time supplied to the wedge gap of the gas-dynamic support due to the viscosity of the gas by the rotating sleeve 6 increases, which leads to an increase in pressure in the gas support and, at a certain speed, this pressure creates a force balancing external forces (weight, electromagnetic tension, etc.) and the rotor “pops up”, i.e. dry friction disappears and the surfaces of the rotating sleeve are separated by a film of compressed gas from the surfaces of the stationary shaft 7 and disks 8.

При этом благодаря наличию спиральных канавок на внешней поверхности цилиндрического станка 4 и вязкости воздуха он начинает выбрасываться из внутреннего объема насоса в окружающую среду, таким образом во внутреннем объеме насоса создается некоторое разряжение. Из-за наличия перепада давлений между внутренним объемом насоса и окружающей средой образуется противопоток из внешней среды внутрь насоса по кольцевой щели, существующей между внешней поверхностью цилиндрического станка 5 и внутренней поверхностью расточки втулки статора 9. Moreover, due to the presence of spiral grooves on the outer surface of the cylindrical machine 4 and the viscosity of the air, it begins to be ejected from the internal volume of the pump into the environment, thus creating a certain pressure in the internal volume of the pump. Due to the presence of a pressure differential between the internal volume of the pump and the environment, a counterflow is generated from the external environment into the pump along the annular gap existing between the external surface of the cylindrical machine 5 and the internal surface of the bore of the stator sleeve 9.

При увеличении скорости разность в количествах газа, выбрасываемого из внутреннего объема насоса и поступающего туда из вне в единицу времени растет, т.е. увеличивается разрежение во внутреннем объеме насоса. При рабочей скорости эта вязкостная ступень создает такое разряжение (0,1 мм рт.ст.), при котором во внутреннем объеме насоса образуется молекулярное течение остаточного газа. With increasing speed, the difference in the quantities of gas ejected from the internal volume of the pump and entering there from outside per unit time increases, i.e. rarefaction in the internal volume of the pump increases. At the operating speed, this viscosity step creates a vacuum (0.1 mmHg) at which a molecular flow of residual gas forms in the internal volume of the pump.

Дальнейшее снижение остаточного давления осуществляется молекулярными ступенями, образованными спиральными канавками, нанесенными на внешнюю цилиндрическую поверхность втулки статора 9 и внутреннюю поверхность корпуса 1, и соответствующими поверхностями стакана 4 ротора, а также лопатками вращающихся 12 и неподвижных 13 турбоколес, создающим совместной работой в откачиваемом объеме, подсоединенном к всасывающему патрубку 14, требуемое расчетное разрежение. Further reduction of the residual pressure is carried out by molecular steps formed by spiral grooves deposited on the outer cylindrical surface of the stator sleeve 9 and the inner surface of the housing 1, and the corresponding surfaces of the rotor cup 4, as well as the blades of the rotating 12 and fixed 13 turbo wheels, creating joint work in the pumped volume, connected to the suction pipe 14, the required design vacuum.

Таким образом, заявленное техническое решение по сравнению с прототипом [2] за счет выполнения подшипников ротора газодинамическими и форвакуумной ступени в виде внутреннего цилиндра 5 коаксиального с внешним цилиндром 4 ротора улучшает эксплуатационные возможности комбинированного насоса, так как не требуется сеть сжатого воздуха или отдельный компрессор и фильтры и снижаются габариты в осевом направлении. Thus, the claimed technical solution compared with the prototype [2] due to the implementation of the rotor bearings of the gas-dynamic and fore-vacuum stages in the form of an inner cylinder 5 coaxial with the outer cylinder 4 of the rotor improves the operational capabilities of the combined pump, since it does not require a compressed air network or a separate compressor and filters and reduced dimensions in the axial direction.

Испытания изготовленных экспериментальных образцов предлагаемых насосов в ЦНИИ "Дельфин" подтвердили из работоспособность. Tests of the manufactured experimental samples of the proposed pumps at the Central Research Institute "Dolphin" confirmed their operability.

Claims

A combined turbomolecular pump containing a housing, an electric motor, a rotor having spiral grooves and turbine wheels, a gas-dynamic support, characterized in that the rotor further comprises a coaxially arranged cylindrical cup, the outer surface of which is an element of the viscous step, and the sleeve of the gas-dynamic support is pressed into the inner bore of the cup , the fixed shaft of which, together with the end disks, is rigidly fixed on an axis mounted on the end face of the motor sleeve, while but from the turbine wheel has a hollow end which is simultaneously vacuum-tight lid, which separates the volume pumped from the gas bearing.