CH674552A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Rotationspumpen für nicht volumetrische Gasverdrängung, insbesondere auf Molekular-Vakuumpumpen mit axialer Gasströmung für die Erzeugung eines Hochvakuums, und betrifft eine Turbomolekular-Vakuumpumpe.

Stand der Technik

Die moderne Entwicklung der Wissenschft und Technik setzt eine grosse Anzahl von Baugrössen der Molekular-Vakuumpumpen voraus, die unterschiedliche Evakuiereigenschaften wie z.B. Sauggeschwindigkeit und Gaskompressionsgrad besitzen, welche eben die Abmessungen der wichtigsten konstruktiven Bauelemente dieser Pumpen bestimmen.

Je nach den Evakuiereigenschaften unterscheidet man zwischen eigentlichen Molekular-Vakuumpumpen mit nur einer molekularen Gasevakuierstufe und Turbomolekular- bzw. Verbund* Vakuumpumpen mit einer zusätzlichen turbomolekularen Gasevakuierstufe, welche einen Rotor und einen Stator aufweist, die gleichachsig mit dem Rotor und dem Stator der auf der Saugseite befindlichen molekularen Gasevakuierstufe angeordnet sind. Am Rotor und dem Stator der turbomolekularen Gasevakuierstufe sind abwechselnd Schaufelräder und -Scheiben angebracht, deren Schaufeln in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Hierbei sind die Schaufeln der Schaufelräder zu den Ebenen, die zur Drehachse des Rotors quer verlaufen, im Drehsinn des Rotors 5 geneigt, während die Durchlassquerschnitte der Schaufelkanäle von dem auf der Saugseite befindlichen Schaufelrad bis zum auf der Gasdruckseite befindlichen Schaufelrad hin enger werden. Die Turbomolekular-Vakuumpumpen kennzeichnen sich durch eine hohe Sauggeschwindigkeit aus, dabei ist ihre konstruktive io Auslegung jedoch hinreichend kompliziert.

Die Wirkungsweise einer Turbomolekular-Vakuumpumpe besteht darin, dass die Gasmoleküle, indem sie auf die Schaufeln des umlaufenden Schaufelrades auftreffen, einen Kraftimpuls erhalten, so dass zu deren eigener thermischer Geschwindigkeit 15 sich eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente in Drehrichtung des Schaufelrades addiert. Durch wiederholte Zusammen-stösse der Gasmoleküle mit den Schaufeln der Schaufelräder des Rotors verwandelt sich eine ungeordnete Bewegung dieser Gasmoleküle in eine Bewegung, die von der Gassaugseite zur Druck-2o seite gerichtet ist, d.h. es findet eine Evakuierung der Gasmoleküle statt.

Bei der molekularen Gasströmungsart übersteigt die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle den Abstand zwischen den benachbarten Schaufeln, und der Evakuiervorgang findet dadurch 25 statt, dass Gasmoleküle mit den Schaufeln des Rotors viel öfter als miteinander zusammenstossen.

Der Arbeitswirkungsgrad bzw. die Sauggeschwindigkeit einer Turbomolekular-Vakuumpumpe hängt davon ab, welcher Anteil von Gasmolekülen die Schaufelräder und die Schaufelscheiben 30 von der Gassaugseite zur Gasdruckseite durchläuft.

Es ist bereits eine Turbomolekular-Vakuumpumpe bekannt (SU, A, 335 443), die einen hohlen Stator aufweist, in dessen Axialbohrung ein Rotor mit mindestens zwei Schaufelrädern gelagert ist, zwischen welchen am Stator sitzende Schaufelscheiben ange-35 ordnet sind, deren Planschaufeln in einem Winkel zu den Planschaufeln der Schaufelräder des Rotors angeordnet sind, die am Kreisumfang der Nabe des betreffenden Schaufelrades derart angeordnet sind, dass sich die Durchlassquerschnitte der zwischen den einander zugewandten Ebenen der benachbarten 40 Schaufeln liegenden Kanäle von dem auf der Gassaugseite befindlichen Schaufelrad zum auf der Gasdruckseite befindlichen Schaufelrad verringern und dass deren Ebenen zu den zur Drehachse des Rotors quer verlaufenden Ebenen in Drehrichtung des Rotors geneigt sind.

45 Die Schaufeln der Schaufelräder sind an den Naben so angebracht, dass die Kreuzungslinien der Ebenen jeder von den Schaufeln mit den zur Drehachse quer verlaufenden Ebenen am Kreisumfang der Nabe radial liegen.

Ausschlaggebend für die Evakuiereigenschaften einer Turbo-50 molekular-Vakuumpumpe ist die Beziehung zwischen der Gassauggeschwindigkeit und dem Gaskompressionsgrad. Diese Beziehung wird von den geometrischen Parametern der Schaufelräder und -Scheiben sowie den Abmessungen der wichtigsten kosntruktiven Bauelemente der Pumpe bestimmt.

55 Bei der bekannten Turbomolekular-Vakuumpumpe, bei welcher Moleküle sich entsprechend dem Reflexionsgesetz in den Ebenen, die an die Kreislinien tangential verlaufen, welche zur Kreislinie der Nabe koaxial sind und die Schaufelebenen schneiden, bewegen und mit den Schaufeln zusammenstossen und 60 dadurch eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erfahren, kehren diese Moleküle teilweise in den zu evakuierenden Raum zurück, indem sie dabei teilweise in denselben Ebenen erneut zusammenstossen und den gleichen Kraftimpuls bekommen.

Diese Tatsache beeinträchtigt die Sauggeschwindigkeit der 65 Pumpe. Dazu kommt, dass hierbei im Zwischenraum zwischen Rotor und Stator ein Streurückfluss von Gasmolekülen feststellbar ist.

Darstellung der Erfindung

3

674 552

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomolekular-Vakuumpumpe zu entwickeln, deren Schaufelebenen der Schaufelräder derart angeordnet sind, dass dadurch verbesserte Evakuiereigenschaften der Turbomolekular-Vakuumpumpe ohne Vergrösserung deren Abmessungen erreichbar sind.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass bei einer Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem hohlen Stator, in dessen Axialbohrung ein Rotor mit mindestens zwei Schaufelrädern gelagert ist, zwischen denen sich am Stator befestigte Schaufelscheiben befinden, deren Planschaufeln in einem Winkel zu den Planschaufeln der Schaufelräder des Rotors angeordnet sind, die am Kreisumfang der Nabe des betreffenden Schaufelrades derart angebracht sind, dass sich die Durchlassquerschnitte der Kanäle zwischen den einander zugewandten Ebenen der benachbarten Schaufeln von dem auf der Gassaugseite befindlichen Schaufelrad zum auf der Gasdruckseite befindlichen Schaufelrad verringern, und deren Ebenen zu den zur Drehachse des Rotos quer verlaufenden Ebenen in Drehrichtung des Rotors geneigt sind, gemäss der Erfindung jede Schaufel mindestens eines Schaufelrades so angeordnet ist, dass die Linien der Kreuzung ihrer Ebenen mit den zur Drehachse des Rotors quer verlaufenden Ebenen in einem Winkel zu den Halbmessern der Kreislinien der Nabe, die zu den Schnittpunkten dieser Linien beim Schneiden der Kreislinien der Nabe gezogen sind, verlaufen und für mindestens ein auf der Gasdruckseite befindliches Schaufelrad im Drehsinn des Rotors und für mindestens ein auf der Gassaugseite befindliches Schaufelrad nach der entgegengesetzten Seite hin gerichtet sind.

Es ist zweckmässig, dass bei der Turbomolekular-Vakuumpumpe beim gleichen Neigungswinkel der Ebenen der Schaufeln aller Schaufelräder zu den zur Drehachse des Rotors quer verlaufenden Ebenen und bei gleicher Anzahl der Schaufeln an allen Schaufelrädern der Rotor eine Ebene aufweist, die zu seiner Drehachse quer verläuft, auf deren einer Seite mit der Entfernung von dieser Ebene die Neigungswinkel der Kreuzungslinien der Schaufelebenen zunehmen und auf deren verschiedenen Seiten die Kreuzungslinien der Schaufelebenen in entgegengesetzte Richtungen bezüglich des Drehsinnes des Rotors geneigt sind, wobei jedes Schaufelrad gegenüber den anderen Schaufelrädern um einen Winkel versetzt ist, bei dem für jede Schaufel jedes Schaufelrades je eine Schaufel jedes anderen Schaufelrades vorhanden ist, mit welchen ihre zur gleichen Seite hin gerichteten Ebenen in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Dank diesem konstruktiven Aufbau der Turbomolekular-Vakuumpumpe werden seine Evakuiereigenschaften verbessert. Die Sauggeschwindigkeit erhöht sich, weil die linearen Geschwindigkeiten der Gasmoleküle beim Zusammenstoss mit den Schaufelflächen des Schaufelrades, das auf der Gassaugseite liegt, zunehmen, denn sie erfahren neben einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente auch eine radiale Geschwindigketiskompo-nente.

Der Gaskompressionsgrad erhöht sich infolge der zunehmenden Wahrscheinlichkeit des Durchlaufes von Molekülen von der Gassaugseite zur Gasdruckseite hin und einer Verringerung des Gasstreurückflusses, weil durch einen Zusammenstoss mit den Schaufeln des auf der Gasdruckseite befindlichen Schaufelrades Gasmoleküle eine radiale Komponente in Richtung von dem freien Ende der Schaufel zur Mitte des Schaufelrades erfahren.

Die erfindungsgemäse Turbomolekular-Vakuumpumpe weist gegenüber bekannten Turbomolekular-Vakuumpumpen mit gleichen Abmessungen eine mindestens um 20% höhere Sauggeschwindigkeit auf, wobei der Gaskompressionsgrad zumindest um das 5fache höher liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung durch Beschreibung ihres konkreten Ausführungsbeispiels und anhand von beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen zeigt

Fig. 1 eine Gesamtansicht einer Turbomolekular-Vakuumpumpe (im Längsschnitt), gemäss der Erfindung;

Fig. 2 einen Rotor der Turbomolekular-Vakuumpumpe mit vier Schaufelrädern einer turbomolekularen Gasevakuierstufe und mit schraubenlinienförmig verlaufenden Spalten einer molekularen Gasevakuierstufe, gemäss der Erfindung;

5 Fig. 3 eine Ansicht nach Pfeil A der Fig. 2, die einen Teil eines ersten auf der Gassaugseite befindlichen Schaufelrades darstellt;

Fîg. 4 eine Ansicht nach Pfeil A der Fig. 2, die einen Teil eines zweiten auf der Gassaugseite befindlichen Schaufelrades darstellt;

Fig. 5 eine Ansicht nach Pfeil A der Fig. 2, die einen Teil eines io dritten auf der Gassaugseite befindlichen Schaufelrades darstellt;

Fig. 6 eine Ansicht nach Pfeil A der Fig. 2, die einen Teil eines vierten auf der Gassaugseite befindlichen Schaufelrades darstellt;

Fig. 7 einen Schnitt der Fig. 2 nach Linie VII-VII, gemäss der Erfindung;

15 Fig. 8 einen Schnitt der Fig. 2 nach Linie VIII-VIII, gemäss der Erfindung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Turbomolekular-Vakuumpumpe umfasst einen hohlen Stator 1 (Fîg. 1), in dessen Axialbohrung 2 ein Rotor 3 gelagert 20 ist. Hierbei ist der Spalt 4 zwischen der zylindrischen Aussenflä-che 5 des Rotors 3 und der zylindrischen Innenfläche 6 des Stators 1 hinreichend gering, er beträgt bekanntlich von 0,15 bis 0,3 mm und leistet einen verhältnismässig hohen Widerstand gegen den Gasrückfluss, d.h. er verhindert das Gasüberströmen 25 von der Gasdruckseite N (in der Zeichnung mit einem Pfeil markiert) zur Gassaugseite V (in der Zeichnung mit einem Pfeil markiert).

Die Turbomolekular-Vakuumpumpe stellt eine Verbundvakuumpumpe dar und enthält eine turbomolekulare und eine mole-30 kulare Gasevakuierstufe.

Die turbomolekulare Gasevakuierstufe enthält mindestens zwei Schaufelräder, zwischen denen sich eine Schaufelscheibe befindet. Die Anzahl von Schaufelrädern kann - genauso wie das bei anderen bekannten Turbomolekular-Vakuumpumpen - unter-35 schiedlich sein. Sie kann von zwei bis zwanzig und darüber sein und richtet sich bekanntermassen nach den geometrischen Parametern der konstruktiven Bauelemente der Pumpe, beispielsweise nach der Durchlassquerschnittsfläche der Schaufelkanäle der Schaufelräder, sowie nach den geforderten Evakuiereigenschaften 40 der Turbomolekular-Vakuumpumpe.

Gemäss der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsform der Turbomolekular-Vakuumpumpe besitzt die letztere vier Schaufelräder 7, 8,9,10 und drei Schaufelscheiben 11,12 und 13.

45 Die molekulare Gasevakuierstufe stellt an der zylindrischen Aussenfläche 5 des Rotors 3 schraubenlinienförmig verlaufende Nuten 14 in Form eines mehrgängigen Schraubengewindes rechtwinkligen Profils dar, die gemeinsam mit der zylindrischen Innenfläche 6 des Stators 1 Gasevakuierkanäle bilden, deren Durchlass-50 querschnitt sich von der Gassaugseite V zur Gasdruckseite N verringert. Der Rotor 3 sitzt an der Welle 15 und ist an einem deren Enden mittels einer Schraube 16 befestigt. Das andere Ende der Welle 15 ist mit einem Elektromotor (nicht gezeigt) verbunden. Der Stator 1 hat ein Gehäuse 17, das mittels einer Verschraubung 55 auf einem Flansch 18 befestigt ist. Zur Abdichtung des Hohlraumes des Stators 1 befindet sich zwischen dem Flansch 18 und der untern Stirnseite des Gehäuses 17 ein Dichtring 19. Der Flansch 18 weist eine Bohrung 20 auf, mit welcher gleichachsig am Flansch 18 auf der Gasdruckseite N ein Stutzen 21 für den 60 Anschluss an eine Leitung (nicht gezeigt) zur Vorvakuumgas-evakuierung angebracht ist.

Die Schaufelscheiben 11,12 und 13 sind an der Innenfläche des Gehäuses 17 derart befestigt, dass ihre freien Enden zwischer einem Bund 22 des Gehäuses 17 des Stators 1 und Ringen 23,24 65 und 25 eingespannt sind. Zwischen Ring 25 und Bund 26 des Gehäuses 17 des Stators 1 sind Druckfedern 27 vorgesehen. Das Gehäuse 17 weist einen auf der Gassaugseite V befindlichen Flansch 28 für den Anschluss an eine abzudichtende Kammer

674 552

4

(nicht gezeigt) einer entsprechenden technologischen Anlage auf.

Die Planschaufeln 29, 30, 31 und 32 jeweils des ersten, zweiten, dritten und vierten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 7, 8, 9 und 10 sind in einem spitzen Winkel ai (Fig. 2), a2, a3, a4 zu den zur Drehachse 0 des Rotors 3 quer verlaufenden Ebenen geneigt und in Drehrichtung des Rotors 3 (die Drehrichtung ist in Fig. 1, 2, 3, 4, 5 und 6 mit einem Pfeil w angedeutet) gerichtet.

Der Winkel stellt einen Winkel zwischen der Ebene der Schaufel 29 und der Stirnfläche des ersten, auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 7, die der Gassaugseite V zugewandt ist, dar.

Der Winkel a2 ist ein Winkel zwischen der Ebene der Schaufel 30 und der Stirnfläche des zweiten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 8.

Der Winkel a3 ist ein Winkel zwischen der Ebene der Schaufel 31 und der Stirnfläche des dritten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 9.

Der Winkel cc4 ist ein Winkel zwischen der Ebene der Schaufel 32 und der Stirnfläche des vierten auf der Gassaugseite V oder des ersten auf der Gasdruckseite N befindlichen Schaufelrades 10.

Die Winkel a(, a2, a3, a4 können zwischen 10 und 60° -genauso wie bei anderen bekannten Turbomolekular-Vakuumpumpen — liegen. Diese Winkel als a2, a3, a4 können sowohl gleich für alle Schaufelräder 7, 8, 9, 10, als auch unterschiedlich sein. Gesetzt den Fall, dass a2 # a3 # a4 ist, soll er für alle Schaufelräder 7, 8, 9, 10 von dem auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrad 7 zum auf der Gasdruckseite N befindlichen Schaufelrad 10 abnehmen, d.h. ai > a2 > a3 > a4. Sollten diese Winkel gleich sein, d.h. at = a2 = a3 = a4, dann ist es, wie das bekannt ist, sinnvoll, zur Erreichung einer wirksamen Gasevakuierung die Zahl der Schaufeln 29, 30, 31 und 32 von dem ersten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrad zum auf der Gasdruckseite N befindlichen Schaufelrad 10 zu erhöhen oder die Breite der Schaufelräder 7, 8, 9,10 zu vergrössern oder aber beides zugleich vorzunehmen.

Die Zahl der Schaufeln 29, 30, 31, 32 jeweils an jedem der Schaufelräder 7, 8, 9,10 kann - wie auch bei anderen bekannten Turbomolekular-Vakuumpumpen - gleich oder verschieden sein.

Bei der in Frage kommenden Ausführungsform der Turbomolekular-Vakuumpumpe ist die Zahl der Schaufeln 29, 30, 31, 32 für alle Schaufelräder 7, 8,9, 10 gleich 36. Die Winkel ai, a2, a3, a4 der Neigung der Schaufeln 29, 30,31, 32 sind gleich 45°, d.h. et], a2, a3, a4 = 45°.

Die Planschaufeln 29 (Fig. 3) des ersten auf der Gassaugseite

V befindlichen Schaufelrades 7 sind gleichmässig an der Kreislinie mit einem Halbmesser Rider Nabe 33 verteilt und bilden zwischen den einander zugewandten Ebenen Kanäle 34. Die Planschaufeln 30 (Fig. 4) des zweiten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 8 liegen an der Kreislinie mit einem Halbmesser R2 der Nabe 35 gleichmässig verteilt und bilden Kanäle 36. Die Planschaufeln 31 (Fig. 5) des dritten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 9 verteilen sich gleichmässig an der Kreislinie mit einem Halbmesser R3 der Nabe 37 und bilden Kanäle 38. Die Planschaufeln 32 (Fig. 6) des vierten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 10 sind gleichmässig an der Kreislinie mit einem Halbmesser R4 der Nabe 39 angeordnet und bilden Schaufelkanäle 40.

Dabei vergrössert sich die Breite aj (Fig. 2), a2, a3, a4 jeweils der Schaufelräder 7, 8, 9,10 von dem ersten auf der Gassaugseite

V befindlichen Schaufelrad 7 zum auf der Gasdruckseite N befindlichen Schaufelrad 10, d.h. aj < a2 < a3 < a4. Die Durchlassquerschnitte der Kanäle 34 (Fig. 3), 36 (Fig. 4), 38 (Fig. 5) und 40 (Fig. 6) nimmt von dem auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrad 7 zum auf der Gasdruckseite N befindlichen Schaufelrad 10 dadurch ab, dass sich die Länge der Schaufeln 30, 31, 32 verringert, d.h. l! (Fig. 7) > 12 > 13 > 14, wobei Ii die Länge der Schaufeln 29 des Schaufelrades 7,12 die Länge der

Schaufeln 30 des Schaufelrades 8, 13 die Länge der Schaufeln 31 des Schaufelrades 9 und 14 die Länge der Schaufeln 32 des Schaufelrades 10 ist.

Dementsprechend werden die Halbmesser R2, R3, R4 der s Naben 35, 37, 39 der Schaufelräder 8, 9, 10 grösser, d.h. R] < R2

*N R3 < Rj.

Jede Schaufel mindestens eines Schaufelrades ist so angeordnet, dass die Linien der Kreuzung ihrer Ebenen mit den zur Drehrichtung des Rotors quer verlaufenden Ebenen unter einem 10 Winkel zu den Halbmessern der Kreislinien seiner Nabe, die zu den Schnittpunkten dieser Linien beim Schneiden der Kreislinien der Naben gezogen sind, verlaufen und mindestens für ein auf der Gasdruckseite befindliches Schaufelrad in Drehrichtung des Rotors und mindestens für ein auf der Gassaugseite befindliches 15 Schaufelrad zur entgegengesetzten Seite hin gerichtet sind.

Bei der beschriebenen Ausfuhrungsform der Turbomolekular-Vakuumpumpe ist jede Schaufel 29 (Fig. 3) des ersten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 7 derart angeordnet, dass die Kreuzungslinie m der Kreuzung einer ihrer Ebenen mit 20 der Stirnfläche des Schaufelrades 7, die der Gassaugseite V zugewandt ist, in einem spitzen Winkel ß[ = 30° zum Halbmesser R( der Kreislinie der Nabe 33, der zum Schnittpunkt Si der Linie m mit der Kreislinie der Nabe 33 gezogen ist, verläuft und zur Seite hin geneigt ist, die der Drehrichtung e> des Rotors 3 entgegenge-25 setzt ist.

Jede Schaufel 30 (Fig. 2, 8) des zweiten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 8 ist so angeordnet, dass - wenn die Schaufeldicke nicht mit berücksichtigt wird - die Linie n der Kreuzung ihrer Ebenen mit der zur Drehachse 0 des Rotors 3 30 quer verlaufenden Ebene K, die über den mittleren Querschnitt des Schaufelrades 8 verläuft, radial liegt. Dabei sind die Neigungswinkel ß der Kreuzungslinien der Ebenen der Schaufeln 30 mit den andern, zur Drehachse des Rotors 2 quer verlaufenden Ebenen verhältnismässig klein und nehmen mit der Entfernung 35 von der Ebene Kzu. Ausserdem sind die Linien n der Kreuzung der Ebenen der Schaufel 30 mit den auf den entgegengesetzten Seiten der Ebene K befindlichen Ebenen nach den verschiedenen Seiten von den betreffenden Halbmessern R2 der Kreislinien der Nabe 35 gerichtet.

40 Jede Schaufel 31 (Fig. 5) des dritten auf der Gassaugseite V bzw. zweiten auf der Gasdruckseite N befindlichen Schaufelrades 9 ist derart angeordnet, dass die Linie p der Kreuzung einer ihrer Ebenen mit der der Gassaugseite N zugewandten Stirnfläche des Schaufelrades 9 in einem spitzen Winkel ß3 = 20° zum Halbmes-45 ser R3 der Kreislinie der Nabe 37, der zum Schnittpunkt S3 der Linie p beim Schneiden mit der Kreislinie der Nabe 37 gezogen ist, verläuft und in Drehrichtung © des Rotors 3 geneigt ist.

Jede Schaufel 32 (Fig. 6) des vierten auf der Gassaugseite V bzw. ersten auf der Gasdruckseite N befindlichen Schaufelrades 50 10 ist derart angeordnet, dass die Linie f der Kreuzung einer ihrer Ebenen mit der der Gassaugseite V zugewandten Stirnfläche des Schaufelrades 10 in einem spitzen Winkel ß4 = 30° zum Halbmesser R4 der Kreislinie der Nabe 39, der zum Schnittpunkt S4 der Linie f beim Schneiden mit der Kreislinie der Nabe 39 gezo-55 gen ist, verläuft und zur Drehrichtung co des Rotors 3 geneigt ist. Dabei vergrössern sich die Neigungswinkel ß der Kreuzungslinien der Ebenen der Schaufeln 29, 30, 31, 32 mit der Entfernung von der Ebene K. Diese Winkel können sich bis 60° vergrössern. Der maximale Wert dieser Winkel hängt von dem Neigungswinkel a 60 der Schaufeln und von den geforderten Evakuiereigenschaften der Turbomolekular-Vakuumpumpe ab.

Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform liegt die Ebene Kim mittleren Querschnitt des zweiten Schaufelrades 8, dessen Schaufeln 30 nahezu radial angeordnet sind, wobei die 65 Schaufeln 29, 31 und 32 der übrigen Schaufelräder 7,9, 10, die auf den verschiedenen Seiten dieser Ebene K liegen, in die entgegengesetzten Seiten hin von der radialen Richtung geneigt sind.

Die Anordnungsstelle dieser Ebene K wird in Anlehnung an

jede konkrete Turbomolekular-Vakuumpumpe auf rechnerischem Wege festgelegt und hängt von den gewünschten geometrischen Parametern der Schaufelräder, der Schaufelzahl, der Durchlass-querschnittsfläche der Schaufelkanäle und dem Neigungswinkel a der Schaufeln ab.

Bei der geschilderten Ausführungsform sind sämtliche Schaufelräder 7, 8, 9, 10 in bezug aufeinander um die Drehachse 0 des Rotors 3 derart gedreht, dass für jedes Schaufelrad 7, 8, 9, 10 je eine Schaufel 29, 30, 31, 32 vorhanden ist, mit welchen ihre der gemeinsamen Seite zugewandten Ebenen in einer gemeinsamen Ebene h liegen.

Diese konstruktive Auslegung der Turbomolekular-Vakuumpumpe bietet die Möglichkeit, seinen Rotor 3 monolithisch zu fertigen, was den technologischen Prozess für die Fertigung des Rotors 3 vereinfacht, den Zeitaufwand für seine Fertigung mindestens um das 5fache verkürzt und die Betriebseigenschaften der Turbomolekular-Vakuumpumpe verbessert.

Die Turbomolekular-Vakuumpumpe arbeitet wie folgt.

Bei der Aufstellung der Pumpe wird ihr Flansch 28 (Fîg. 1) mit einer abzudichtenden Kammer (nicht gezeigt) einer betreffenden technologischen Anlage verbunden. Der Stutzen 21 wird mit einer (nicht gezeichneten) Leitung zur Vorvakuumgasevakuierung verbunden. Es findet nun die Vorvakuumgasevakuierung aus der hermetischen Kammer auf einen Druck zwischen 1 und 10"' Pa statt. Danach wird durch Anlegen einer Spannung an den Stator eines Elektromotors (nicht gezeigt) die Welle 15 mit dem Rotor 3 in Drehung versetzt, wodurch sich auch die Schaufelräder 7, 8,9, 10 in Richtung co drehen.

Beim Drehen des Rotors 3 gelangen Gasmoleküle aus dem zu evakuierenden Raum der abzudichtenden Kammer in den Hohlraum der Pumpe und werden durch die Schaufeln 29 des ersten auf der Gassaugseite V befindlichen Schaufelrades 7 erfasst. Zu der eigenen thermischen Geschwindigkeit der Gasmoleküle addiert sich ein durch den Zusammenstoss mit den rotierenden Schaufeln 29 erzeugter Geschwindigkeitsimpuls. Nach mehrfachem Zurückwerfen der Gasmoleküle durch die Schaufeln 29 des Schaufelrades 7 treffen sie auf die Schaufelscheibe 11 und dann weiter auf die Schaufeln 30 des zweiten Schaufelrades 8 auf. Die Moleküle mit dem Reflexionsgesetz, die in den Ebenen wandern, welche an die Kreislinien, die zur Kreislinie der Nabe koaxial sind und die Ebenen der Schaufeln 29 schneiden, tangential verlaufen, treffen auf das erste Schaufelrad 7 auf und erhalten neben einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente auch eine radiale, was deren Wanderung bis zur Peripherie der Schaufeln 29 begünstigt, wo die linearen Geschwindigkeiten der Schaufeln 29 zunehmen. Im Ergebnis davon erhalten die Gasmoleküle einen höheren Kraftimpuls und bewegen sich schneller von der Gassaugseite V zur Gasdruckseite N hin. Dadurch erhöht sich die Sauggeschwin674 552

digkeit der Turbomolekular-Vakuumpumpe. Nachdem die Gasmoleküle die Schaufelscheibe 11 durchlaufen haben, treffen sie auf das zweite Schaufelrad 8 auf, dessen Kreuzungslinien mit den Ebenen der Schaufeln 30 fast radial verlaufen. Durch den Zusammenstoss mit den Schaufeln 30 des Schaufelrades 8 erhalten die Gasmoleküle lediglich eine tangentiale Komponente, und die Gasevakuierung vollzieht sich genauso wie bei anderen bekannten Turbomolekular-Vakuumpumpen. Nach mehrfachem Zurückwerfen der Gasmoleküle durch die Schaufeln 30 des Schaufelrades 8 treffen sie auf die Schaufelscheibe 12 und dann weiter auf das Schaufelrad 9 auf, dessen Kreuzungslinien mit den Ebenen der Schaufeln 31 in Drehrichtung des Rotors 3 geneigt sind. Beim Zusammenstoss mit der auflaufenden Flanke der Schaufeln 31 des Schaufelrades 9 erhalten die Gasmoleküle einen von der Peripherie der Schaufeln 9 zur Drehachse 0 des Rotors 3 gerichteten Kraftimpuls, so dass die Evakuierung der Gasmoleküle aus dem Spalt 4 gesichert und der Streurückfluss der Gasmoieküle verringert wird. Nachdem die Moleküle das Schaufelrad 9 durchlaufen haben, treffen sie auf die Schaufelscheibe 13 und dann auf die Schaufeln 32 des Schaufelrades 10 auf. Die Arbeitsweise des Schaufelrades 10 ist genauso wie die des Schaufelrades 9. Da jedoch der Winkel ß4 grösser ist als der Winkel a3, wird die Wirksamkeit bei der Entfernung der Gasmoleküle aus dem Spalt 4 infogle einer Verringerung des Streurückflusses von Gas verbessert, was seinerseits eine Vergrösserung des Gaskompressionsgrades zur Folge hat.

Des weiteren gelangen die Gasmoleküle von den Schaufeln 32 des Schaufelrades 10 in die Nuten 14 der molekularen Gasevakuierstufe, die in an sich bekannter Weise arbeitet.

Demnach bewirkt beim Betrieb der Turbomolekular-Vakuum-pumpe die Neigung der Kreuzungslinien der Schaufelebenen von der Radialrichtung zur Drehrichtung des Rotors hin eine Erhöhung des Gaskompressionsgrades, und die Neigung in entgegengesetzte Richtung eine Erhöhung der Sauggeschwindigkeit. Als Ergebnis verbessert das alles die Evakuiereigenschaften der Turbomolekular-Vakuumpumpe ohne Vergrösserung ihrer Abmessungen.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Die erfmdungsgemässe Molekularvakuumpumpe eignet sich für verschiedene technologische Anlagen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Vakuum mit restlichem Gasdruck zwischen 10_1 Pa und 10"7 Pa, z.B. in der Elektronik für die Herstellung von Mikroschaltungen, Züchtung von künstlichen Kristallen,

sowie für verschiedene Forschungsanlagen und -geräte, die unter Anwendung von Vakuum betrieben werden, wie z.B. Elementarteilchenbeschleuniger, Massenspektrometer, Elektronenmikroskope.

5

5

10

15

20

25

30

35

40

45

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

674 552 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem hohlen Stator (1), in dessen Axialbohrung (2) ein Rotor (3) mit mindestens zwei Schaufelrädern (7, 8,9,10) gelagert ist, zwischen denen sich am Stator (1) befestigte Schaufelscheiben (11, 12, 13) befinden, deren Planschaufeln in einem Winkel zu den Planschaufeln (29, 30, 31, 32) der Schaufelräder (7, 8,9,10) des Rotors (3) angeordnet sind, die am Kreisumfang der Nabe des betreffenden Schaufelrades (7, 8,9,10) derart angebracht sind, dass sich die Durchlassquerschnitte der Kanäle zwischen den einander zugewandten Ebenen der benachbarten Schaufeln (29,30, 31, 32) von dem auf der Gassaugseite (V) befindlichen Schaufelrad (7) zum auf der Gasdruckseite (N) befindlichen Schaufelrad (10) verringern, und deren Ebenen zu den zur Drehachse des Rotors (3) quer verlaufenden Ebenen in Drehrichtung des Rotors (3) geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (29, 30,31, 32) mindestens eines der Schaufelräder (7, 8, 9,10) so angeordnet ist, dass die Linien der Kreuzung ihrer Ebenen mit den zur Drehachse des Rotors (3) quer verlaufenden Ebenen in einem Winkel zu den Halbmessern der Kreislinien der Nabe, die zu den Schnittpunkten dieser Linien beim Schneiden der Kreislinien der Nabe gezogen sind, verlaufen und für mindestens ein auf der Gasdruckseite (N) befindliches Schaufelrad (10) in Drehrichtung des Rotors (3) und für mindestens ein auf der Gassaugseite (V) befindlichs Schaufelrad (7) nach der entgegengesetzten Seite hin gerichtet sind.

2. Turbomolekular-Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim gleichen Neigungswinkel der Ebenen der Schaufeln (29, 30, 31, 32) aller Schaufelräder (7, 8, 9, 10) zu den zur Drehachse des Rotors (3) quer verlaufenden Ebenen und bei gleicher Anzahl der Schaufeln (29, 30, 31, 32) an allen Schaufelrädern (7, 8, 9, 10) der Rotor (3) eine Ebene aufweist, die zu seiner Drehachse quer verläuft, auf deren einer Seite mit der Entfernung von dieser Ebene die Neigungswinkel der Kreuzungslinien der Ebenen der Schaufeln (29, 30, 31,32) zunehmen und auf deren verschiedenen Seiten die Kreuzungslinien der Ebenen der Schaufeln (29, 30, 31, 32) in entgegengesetzte Richtungen bezüglich des Drehsinnes des Rotors (3) geneigt sind, wobei jedes Schaufelrad (7, 8, 9, 10) gegenüber den anderen Schaufelrädern um einen Winkel versetzt ist, bei dem für jede Schaufel (29, 30, 31, 32) jedes Schaufelrades (7, 8, 9, 10) je eine Schaufel (29, 30, 31, 32) jedes anderen Schaufelrades (7, 8,9,10) vorhanden ist, mit welchen ihre zur gleichen Seite hin gerichteten Ebenen in einer gemeinsamen Ebene liegen.