DE10046766A1 - Compound-Reibungsvakuumpumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibungsvakuumpumpe (1) mit mindestens einer Turbomolekularpumpenstufe, mit einer sich daran druckseitig anschließenden Molekularpumpenstufe sowie einer zwischen der Turbomolekularpumpenstufe und der Molekularpumpenstufe befindlichen Übergangsstufe; um den Übergang vom Turbomolekularbereich zum Molekularbereich zu verbesern, wird vorgeschlagen, dass die Übergangsstufe einen sich in tangentialer Richtung kontinuierlich verjüngenden Durchströmungsquerschnitt besitzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuumpumpe mit mindestens einer Turbomolekularpumpenstufe, mit ei­ ner sich daran druckseitig anschließenden Molekularpum­ penstufe sowie einer zwischen der Turbomolekularpumpen­ stufe und der Molekularpumpenstufe befindlichen Über­ gangsstufe.

Bei Turbomolekularpumpen mit nachgeschalteten, in der Regel als Gewindepumpenstufe ausgebildet Molekularstu­ fen, auch Compoundpumpen genannt, besteht das Problem, dass sich das Strömungsverhalten der geförderten Gase im Übergangsbereich von molekular (bei Drücken kleiner 1 W mbar) auf laminar (von etwa 10^-2 mbar aufwärts) än­ dert. Das geförderte Gas muss bei dem Wechsel aus der Tutbostufe in die Gewindestufe von einer primär tangen­ tialen Strömungsrichtung in eine primär axiale Strö­ mungsrichtung umgeleitet werden. Die radiale Ausdehnung des Strömungskanals verjüngt sich dabei beträchtlich. Auf sehr kurzer Distanz muss daher eine große Änderung des axialen Querschnittes des Förderraumes verwirklicht werden. Bekannte Gestaltungen dieses Übergangsbereichs haben den Nachteil, dass es zu Strömungsverlusten kommt. Diese beeinträchtigen in erheblichem Maße das Saugvermögen der Pumpe.

Aus der DE 297 17 079 ist eine Reibungsvakuumpumpe mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. Bestandteil der Übergangsstufe ist eine Zentrifugalpumpe, die von rotorseitigen, sich im wesentlichen radial erstrecken­ den Stegen gebildet wird. Diese Lösung hat zwar die Wirkung, dass die Gase in die Gewindestufe gelenkt wer­ den; ihre Förderwirkung ist jedoch begrenzt. Außerdem setzt die vorbekannte Lösung voraus, dass der Durchmes­ ser der Gewindepumpenstufe größer ist als der Durchmes­ ser der Turbopumpenstufe. Sie ist deshalb bei Reibungs­ pumpen mit großen Pumpleistungen nicht einsetzbar, da der Durchmesser des Rotors der Molekularpumpenstufe we­ gen der hohen Fliehkräfte nicht beliebig groß gewählt werden kann. Schließlich gilt für die rotorseitige An­ ordnung der Stege, dass ihre Fertigung aufwendig ist und dass sie in Bezug auf Materialspannungen nicht un­ kritisch sind.

Zum Stand der Technik gehört weiterhin der Inhalt der DE-A 196 32 874. Daraus ist es bekannt, zwischen der Turbomolekularpumpenstufe und der sich daran an­ schließenden Gewindepumpenstufe eine Füllstufe vorzuse­ hen, die mit Flügeln ausgerüstet ist. Auch diese Lösung ist schwierig zu fertigen. Außerdem entstehen während des Betriebs hohe mechanische Spannungen im Bereich des Fußes der Flügel.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen vakuumtechnisch optimierten Übergang des Turbomo­ lekularbereichs zum Molekularbereich zu schaffen, dem die geschilderten Nachteile nicht anhaften.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Übergangsstufe Bestandteil des Stators ist und ei­ nen sich im wesentlichen in tangentialer Richtung er­ streckenden, kontinuierlich in Strömungsrichtung ver­ jüngenden Durchströmungsquerschnitt aufweist.

Durch die Verlagerung der Übergangsstufe in den Stator wird erreicht, dass ihre Gestaltung frei von den Werk­ stoff-Problemen ist, die bei einer rotorseitigen Anord­ nung der Übergangsstufe wegen der auftretenden Flieh­ kräfte zu beachten sind. Die erfindungsgemäße Lösung berücksichtigt außerdem, dass die Strömungsgeschwindig­ keit der Gase im hier betroffenen Übergangsbereich in tangentialer Richtung wesentlich größer ist als in axialer Richtung (Faktor zwischen 10 und 30). Zur Ver­ meidung sprunghafter Änderungen des Durchströmungsquer­ schnittes ist es deshalb vorteilhaft, eine sich im we­ sentlichen in tangentialer Richtung erstreckende Ver­ jüngung zu realisieren, so dass sich eine Verjüngung mit geringer Steigung ergibt. Die Steigung ist abhängig von der Schaufelanzahl der Übergangsstufe sowie dem Verhältnis aus Schaufellänge und Durchmesser der sich anschließenden Gewindestufe. Die Schaufelanzahl der Übergangsstufe wird anhand der gleichen Kriterien wie die vorhergehenden Turbostufen bestimmt.

Dadurch wird eine Erhöhung der Pumpenleistung erreicht. Die Strömungsverluste werden vermindert.

Sind die erfindungsgemäß gestalteten Durchströmöffnun­ gen in einer Statorringscheibe ausgebildet, so lassen sich diese in einfacher Weise durch Fräsen fertigen. Als Fräsverfahren kann das kostengünstige "Stirnen" eingesetzt werden, und zwar mit einem zylindrischen Werkzeug, wenn sich die Schaufeln, die die Durchström­ querschnitte begrenzen, nicht überlappen. Überlappen sich die Schaufeln, kann die Herstellung mit einem Frä­ ser erfolgen, der stirnseitig einen vergrößerten Durch­ messer hat.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Fig. 1 bis 7 schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Compoundpumpe nach der Erfindung,

Fig. 2 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Sta­ torhalbring,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen abgewickelten Abschnitt eines Statorhalbringes,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Statorhalbring nach Fig. 3,

Fig. 5 und 6 Draufsichten auf weitere (abge­ wickelte) Ausführungen und

Fig. 7 einen Schnitt durch den Statorhalbring nach Fig. 6.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Pumpe selbst mit 1, ihr Einlass mit 2 und ihr Auslass mit 3 bezeichnet. Das Gehäuse der Pumpe 1 umfasst die beiden Abschnitte 4 und 5.

Der Gehäuseabschnitt 4 umgibt den Stator 6 und den Ro­ tor 7 der Turbomolekularpumpenstufe. Der Stator 6 um­ fasst schematisch angedeutete Schaufelhalbringe 8 sowie Distanzringe 9, die zusammen ein sich selbst zentrie­ rendes Statorpaket bilden. Der Rotor 7 ist mit den Ro­ torschaufeln 10 ausgerüstet. Nur die Statorhalbringe, deren Schaufeln zusammen mit der druckseitig letzten Rotorschaufelreihe 10 die druckseitig letzte Turbomle­ kularpumpenstufe bilden, sind etwas genauer dargestellt und mit 23 bezeichnet. Fig. 2 zeigt eine perspektivi­ sche Ansicht eines dieser Statorhalbringe 23.

Der Gehäuseabschnitt 4 umgibt ebenfalls den Stator 15 und den Rotor 12 der Gewindepumpenstufe, deren Förder­ raum bzw. Förderspalt mit 13 bezeichnet ist. Das Ge­ winde 14 dieser Stufe kann stator- oder rotorseitig an­ geordnet sein. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist es statorseitig angeordnet und Bestandteil einer unabhängig vom Gehäuseabschnitt 4 montierbaren Stator­ hülse 15. Der Rotor 7 der Turbomolekularpumpenstufe 7, 8 und der Rotor 12 der Gewindepumpenstufe 11, 12 sind Bestandteile eines gemeinsam rotierenden Systems 7, 12. Der Rotor 12 der Gewindepumpenstufe bildet das druck­ seitige Ende dieses Systems und kann als Scheibe oder glockenförmig (wie in Fig. 1 dargestellt) ausgebildet sein.

Der Gehäuseabschnitt 5 umgibt den Antriebsmotor 16, dessen Stator mit 17 und dessen Rotor mit 18 bezeichnet sind. Der Gehäuseabschnitt 5 ist Bestandteil eines Chassis 19 mit einem Innenraum, in dem sich der An­ triebsmotor 16 und weitere Bauteile befinden. Im Chas­ sis 19 ist auch die die Rotoren 7 und 12 der Compound­ pumpe tragende Welle 21 gelagert. Nur das obere Lager 22 ist sichtbar. Es ist ein mechanisches Lager, das auch durch ein Magnetlager ersetzt werden kann. Im üb­ rigen ist das Chassis 19 Träger aller weiteren Bauteile der Pumpe 1.

Der in Fig. 2 dargestellte Statorhalbring 23 besteht aus einer Halbringscheibe 24 mit einer Mehrzahl auf ih­ rem Umfang verteilt angeordneten Durchströmöffnungen 25. Diese werden gebildet von Schaufelabschnitten 26, die sich im wesentlichen radial erstrecken und vorzugs­ weise durch Fräsen gefertigt sind. Die Durchströmöff­ nungen 25 sind derart gestaltet, dass sich insgesamt ein sich im wesentlichen in tangentialer Richtung er­ streckender, kontinuierlich in Strömungsrichtung ver­ jüngender Durchströmquerschnitt ergibt. Dieses wird da­ durch erreicht, dass die Länge der Schaufelabschnitte 26 (ihre radiale Erstreckung) auf ihrer Saugseite (ls) größer ist als auf ihrer Druckseite (ld), d. h., dass der Abstand der seitlichen Begrenzungsflächen 27, 28 der Durchströmöffnungen 25 in Strömungsrichtung ab­ nimmt.

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen Ausführungen eines Sta­ torhalbringes 23, bei denen sich die Schaufelabschnitte 26 nicht überlappen. Sie erlauben eine Durchsicht durch die Halbringscheibe 23 in axialer Richtung (angedeutet durch den Pfeil 38 in Fig. 4). Bei Statorhalbringen dieser Art können die Schaufelabschnitte durch "Stir­ nen" hergestellt werden, und zwar mit einem zylindrisch ausgebildeten Werkzeug 29 (vgl. Fig. 4).

Bei den Ausführungen nach den Fig. 5 bis 7 überlap­ pen die Schaufelabschnitte 26 einander. Auch diese Aus­ führungen erlauben die Herstellung der Statorhalbringe durch Fräsen. Voraussetzung ist, dass das Werkzeug 29 stirnseitig einen vergrößerten Durchmesser hat (vgl. Fig. 7).

In den Fig. 3, 5 und 6 ist jeweils gestrichelt der Förderspalt 13 der sich an die Turbostufen anschließen­ den Gewindestufe 12, 15 angedeutet. Die Förderspalte 13 haben bei diesen Ausführungen unterschiedliche Durch­ messer d₁, d₂ und d₃. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Durchströmöffnungen 25 lässt eine Anpassung an un­ terschiedliche Durchmesser des Förderspaltes 13 zu. Dieses kann dadurch geschehen, dass die Lage der Be­ grenzungsflächen 27, 28, und zwar ihre Neigungen zu den jeweiligen Tangenten, derart gewählt wird, dass der Förderspalt 13 etwa in der Mitte der radialen Er­ streckungen ld der Schaufelabschnitte 26 auf ihrer Druckseite liegt.

Claims (6)

1. Reibungsvakuumpumpe (1) mit mindestens einer Tur­ bomolekularpumpenstufe, mit einer sich daran druckseitig anschließenden Molekularpumpenstufe sowie einer zwischen der Turbomolekularpumpenstufe und der Molekularpumpenstufe befindlichen Über­ gangsstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die Über­ gangsstufe einen sich in tangentialer Richtung kontinuierlich verjüngenden Durchströmungsquer­ schnitt besitzt.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsstufe von den Statorschaufeln der letzten, druckseitig angeordneten Statorschau­ felreihe gebildet wird.

3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorschaufeln (26) Bestandteile einer aus zwei Halbringen bestehenden Statorringscheibe sind und jeweils sich im wesentlichen in tangentialer Richtung verjüngende Durchströmöffnungen (25) begrenzen.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Schaufeln (26) seitliche Begren­ zungsflächen (27, 28) die Durchströmöffnungen (25) begrenzen und dass der Abstand der seitlichen Be­ grenzungsflächen in Strömungsrichtung abnimmt.

5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme des Abstandes der Begrenzungsflä­ chen (27, 28) derart ausgebildet ist, dass der Förderspalt (13) der sich an die Turbomolekular­ pumpenstufe anschließenden Gewindepumpenstufe etwa in der Mitte der radialen Erstreckungen (ld) der Schaufelabschnitte (26) auf ihrer Druckseite liegt.

6. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Schaufeln der Über­ gangsstufe (23) durch Fräsen oder Giessen herge­ stellt sind.