DE10004263A1 - Dynamische Dichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Bauteil, bei welcher zumindest eines der Bauteile mit in den Dichtspalt hineinragenden Vorsprüngen ausgerüstet ist; um sich etwa radial erstreckende Dichtspalte wirksam abdichten zu können, wird vorgeschlagen, dass sich der Dichtspalt (5) etwa radial erstreckt, dass beide Bauteile mit sich axial erstreckenden, konzentrisch zur Drehachse des rotierenden Bauteils angeordneten, ineinander greifenden Vorsprüngen ausgerüstet sind, welche als Schaufelreihen ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dynamische Dichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Bau­ teil, bei welcher zumindest eines der Bauteile mit in den Dichtspalt hineinragenden Vorsprüngen ausgerüstet ist.

Insbesondere bei Vakuumpumpen besteht häufig die Forde­ rung, Wellen abzudichten, die eine Trennwand zwischen zwei Räumen mit unterschiedlichen Drücken durchsetzen. Üblicherweise werden dazu Labyrinthdichtungen einge­ setzt, wie es beispielsweise auch aus der US-A-33 99 827 bekannt ist.

Bei Spaltdichtungen, die sich etwa radial erstrecken, ist es bekannt, (vergleiche EP-A-408791, Spaltdichtung 43 in Fig. 5) Spülgase (Stickstoff, Argon oder der­ gleichen) einzusetzen, um z. B. einen Lager-/Motorraum vor dem Eindringen schädlicher Gase zu schützen. Das Spülgas wird in den Lager/-Motorraum eingelassen und gelangt durch die Spaltdichtung in den Förderraum, so dass sichergestellt ist, dass Gase aus dem Förderraum nicht in den Motorraum gelangen können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksame dynamische Dichtung für sich etwa radial erstreckende Spalte zwischen einem rotierenden und ei­ nem feststehenden Bauteil zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Durch den Einsatz von Vorsprüngen, die als ineinander greifende Schaufelreihen ausgebildet sind, kann nicht nur die gewünschte Dichtwirkung verbessert werden; dar­ über hinaus besteht die Möglichkeit, der Dichtung För­ dereigenschaften zu geben, die für die jeweilige Appli­ kation von Vorteil sind. Soll z. B. ein Raum vor dem Eindringen von Gasen geschützt werden, können die Schaufelreihen bzw. die Anstellwinkel der die Schaufel­ reihen bildenden Schaufeln so gewählt werden, daß die Dichtung eine Förderrichtung hat, die der unerwünschten Strömungsrichtung der schädlichen Gase entgegengerich­ tet ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 10 erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Schnitte durch eine Ausführung der erfindungsgemäßen Dichtung,

Fig. 3 und 4 Schnitte durch eine zweiflutige Ausführung,

Fig. 5 und 6 Anwendungen bei Maschinen nur fliegend gelagerten Rotoren, sowie

Fig. 7 bis 9 Anwendungen bei einer Vakuumpumpe mit auf beiden Stirnseiten gelagertem Rotor­ system.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Dichtung 1 nach der Er­ findung mit feststehenden Schaufelreihen 2 und rotie­ renden Schaufelreihen 3, deren Längsachsen sich paral­ lel zur Drehachse 4 des rotierenden Bauteils er­ strecken. Sie sind in konzentrischen Reihen um die Drehachse 4 angeordnet und erstrecken sich in den abzu­ dichtenden Spalt 5. Die durch den Dichtspalt 5 getrenn­ ten, gegenseitig abzudichtenden Räume sind generell mit 8 und 9 bezeichnet. Die Reihen der Rotorschaufeln 2 und die Reihen der Statorschaufeln 3 wechseln einander ab. Sie greifen im Bereich des abzudichtenden Spaltes 5 in­ einander und haben - wenn eine Förderwirkung gewünscht ist - in an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung wechselnde Anstellwinkel. Fig. 2 lässt erkennen, dass die Schaufeln 2, 3 Bestandteile der angrenzenden rotie­ renden bzw. feststehenden Bauteile 6 bzw. 7 sind, zwi­ schen denen sich der abzudichtende Spalt 5 befindet.

In Fig. 3 und 4 zeigen eine zweiflutige Ausführung einer Dichtung 1 nach der Erfindung. Eine innere Gruppe von Schaufelreihen fördert Gase radial nach innen (Pfeil 11), eine äußere Gruppe von Schaufelreihen von innen nach außen (Pfeil 12). Dadurch wird ebenso eine wirksame Trennung der abzudichtenden Räume 8 und 9 er­ reicht. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass im zu schützenden Raum (z. B. 8) Dampfdrücke von Komponenten in diesem Raum nicht unzulässig unterschritten werden. Zusätzlich kann diese Trennung durch Einlass von Inert­ gas zwischen den beiden Gruppen unterstützt werden. Die Inertgaszufuhr erfolgt über das feststehende Bauteil 6. Eine Einlassbohrung ist dargestellt (auch mehrere kön­ nen vorgesehen sein) und mit 14 bezeichnet.

Fig. 5 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Ge­ bläse 20. Es besteht aus dem Antriebsteil 21, in dem der nicht dargestellte Antriebsmotor untergebracht ist, und dem Gasförderteil 22. Der Antriebsmotor treibt eine Welle 23 an, die möglichst gasdicht (Labyrinthdichtung 24) durch den Flansch 25 des Antriebsgehäuses hindurch geführt ist. Auf dem freien Ende der Welle 23 ist das Gebläserad 26 befestigt. Zur Unterstützung der Laby­ rinthdichtung 24 ist im Spalt 5 zwischen der Unterseite des Gebläserades 26 und dem Flansch 25 die erfindungs­ gemäße Dichtung 1 realisiert. Der Flansch 25 trägt Sta­ torschaufelreihen 2, das Gebläserad 25 rotierende Schaufelreihen 3, die konzentrisch um die Welle 23 an­ geordnet sind und im Bereich des Spaltes 5 ineinander greifen. Soll die Dichtung 1 die Wirkung haben, dass vom Gebläserad 26 geförderte Gase nicht in den Motor­ raum gelangen können, dann ist es zweckmäßig, die Dich­ tung so zu gestalten, dass sie eine radial nach außen fördernde Wirkung hat.

In Fig. 6 ist ein Teilschnitt durch eine Turbomoleku­ larpumpe 31 dargestellt, deren Basisteil mit 32 be­ zeichnet ist. Im Basisteil 32 mit dem Antriebsmotor 33 stützt sich die Welle 34 über Lager 35 ab. Die Welle 34 trägt den Rotor 36 mit seinen Rotorschaufeln 37, die sich gemeinsam mit den Statorschaufeln 38 im Förderraum 39 befinden. Um diesen Förderraum 39 vom Motor- und La­ gerraum 41 wirksam zu trennen, ist ein erfindungsgemäß gestaltetes Dichtungssystem 1 vorgesehen. Es umfasst auf zwei Ebenen angeordnete Statorschaufeln 2, die ein gehäusefestes, im Schnitt L-förmiges, die Welle 34 um­ gebendes Ringbauteil 42 trägt. Der Rotor 36 ist mit ei­ ner der Form des Ringbauteiles 42 angepassten Ausspa­ rung 43 ausgerüstet. Am Rotor 36 sind die den Stator­ schaufeln 2 zugeordneten Rotorschaufeln 3 befestigt. Soll bei einer Ausführung dieser Art z. B. eine sichere Trennung der Räume 39 und 41 erreicht werden, ist es zweckmäßig, die Dichtung 1 so auszubilden, dass die in­ nere (obere) Schaufelreihengruppe 2, 3 eine Förderwir­ kung in Richtung Motorraum 41 und die äußere (untere) Schaufelreihengruppe 2, 3 eine Förderrichtung in Rich­ tung Förderraum 39 hat. Durch Einlass eines Inertgases zwischen die beiden Schaufelreihengruppen kann die Trennwirkung noch verbessert werden. Sowohl das Ein­ dringen von Kohlenwasserstoffen aus dem Motor- und La­ gerraum 41 in den Förderraum 39 als auch das Eindringen schädlicher (z. B. korrosiver oder toxischer) Gase aus dem Förderraum 39 in den Motorraum 41 kann sicher ver­ mieden werden. Der zu den Fig. 3 und 4 noch erwähnte Vorteil besteht ebenfalls.

Fig. 7 zeigt den Einsatz einer erfindungsgemäßen Dich­ tung in einer axial verdichtenden Reibungspumpe 51 nach dem Stand der Technik. Die Reibungspumpe 51 besteht aus einer saugseitig angeordneten Turbomolekularpumpenstufe 52 und einer druckseitig angeordneten Molekularpumpstu­ fen 53, die als Holweckpumpe (wie dargestellt) oder auch als Gaede-, Siegbahn-, Engländer- oder Seiten­ kanalpumpe ausgebildet sein kann.

Die Dichtung 1 und die Reibungspumpe 51 befinden sich in einem gemeinsamen, etwa zylindrischen Gehäuse 55 mit seitlichem Einlass 56. Eine auf beiden Stirnseiten ge­ lagerte (Lager 57, 58) Welle 59 trägt die jeweils ro­ tierenden Bauteile (Rotorscheibe 6 der Dichtung 1, Ro­ tor 61 der Turbomolekularpumpstufe 52, Zylinder 62 der Holweckpumpstufe 53). Der seitliche Einlass 56 der Pum­ pe 51 mündet zwischen der Dichtung 1 und den axial ver­ dichtenden Pumpstufen 52, 53. Der Auslass 64 der Pumpe 51 befindet sich auf der Druckseite der Molekularpump­ stufe 53.

Die Besonderheit der Lösung nach Fig. 7 besteht darin, dass sich der Antriebsmotor 68 auf der Hochvakuumseite der axial fördernden Pumpe 51 befindet (und nicht wie üblich auf der Druckseite der Holweckpumpstufe 53). Da­ durch, dass sich die Dichtung 1 zwischen dem Einlass 56 und dem Antriebsmotor 68 befindet, kann im Motorraum 41 ein relativ hoher Druck aufrecht erhalten werden (z. B. 1 × 10^-2 mbar). Die Verwendung hochvakuumtauglicher Werkstoffe im Motorraum 41 ist nicht erforderlich.

Die Ausführung nach Fig. 8 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 7 dadurch, dass die Dichtung 1 eine radial von außen nach innen fördernde Wirkung hat. Außerdem ist ein Bypass 67 an den Motorraum 41 ange­ schlossen, der mit der Saugseite der Molekularpumpstufe 62 in Verbindung steht. Entsprechend den eingezeichne­ ten Pfeilen 69 gelangen die von der Dichtung 1 geför­ derten Gase durch den Motorraum 41 in den Bypass 67 und von dort aus zur Molekularpumpstufe 53. Die Aufrechter­ haltung eines Vorvakuumdruckes im Motorraum 41 ist da­ durch sichergestellt. Außerdem unterstützt die Dichtung 1 die Förderleistung der Turbomolekularpumpstufe 52, ohne dass sich damit die Baulänge der Pumpe 51 wesent­ lich vergrößert.

Fig. 9 zeigt eine Ausführung einer Pumpe 51 für den Einsatz bei Mehrkammersystemen, hier Zweikammersyste­ men. Dabei handelt es sich z. B. um Analysengeräte mit mehreren Kammern, die auf unterschiedliche Drücke eva­ kuiert werden müssen. Dadurch ist der Abstand der An­ saugstutzen vorgegeben, was beim Stand der Technik häu­ fig dazu führt, dass relativ lange, fliegend gelagerte Rotorsysteme nötig sind, die aufwendige Lagersysteme erfordern.

Die Ausführung nach Fig. 9 weist zwei seitliche Ein­ lässe 56, 56'. Sie sind durch mindestens eine Dichtung 1 voneinander getrennt. Die Dichtung 1 ist so ausgebil­ det, dass sie eine von außen nach innen fördernde Wir­ kung hat. Der Einlass 56 "sieht" den Eintrittsbereich der axial fördernden Reibungspumpe 51 sowie die Peri­ pherie der radial von außen nach innen fördernden Dichtung 1. Der Auslass der radial fördernden Dichtung 1 mündet in den Einlassbereich einer zweiten Turbomoleku­ larpumpenstufe 52', an den der zweite Einlass 56' ange­ schlossen ist. Die Dichtung 1 bewirkt, dass der Druck am Einlass 56 niedriger ist als am Einlass 56'. Auf der Druckseite der Turbomolekularpumpenstufe 52' befindet sich der Antriebsmotor 68. Diese Druckseite ist über den Bypass 67 mit der Saugseite der Molekularpumpstufe 53 verbunden.

Claims (11)

1. Dichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Bauteil, bei welcher zumindest eines der Bauteile mit in den Dichtspalt hineinragenden Vorsprüngen ausgerüstet ist, dadurch gekennzeich­ net, dass sich der Dichtspalt (5) etwa radial er­ streckt, dass beide Bauteile mit sich axial er­ streckenden, konzentrisch zur Drehachse des rotie­ renden Bauteils angeordneten, ineinander greifen­ den Vorsprüngen ausgerüstet sind, welche als Schaufelreihen ausgebildet sind.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelreihen (2, 3) eine fördernde Wir­ kung haben.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sie zweiflutig ausgebildet ist.

4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der die zweiflutig ausge­ bildete Dichtung bildenden Schaufelreihen (2, 3) derart gewählt sind, dass außen liegende Schaufelreihen in entgegengesetzter Richtung zu den innen liegenden Schaufelreihen fördern.

5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Schaufelreihengruppen, die die zweiflutige Dichtung (1) bilden, ein Inertgaseinlass (14) vorgesehen ist.

6. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Gebläses (20) oder einer Pumpe (31) ist und sich zwischen dem Förderraum und dem Motorraum befin­ det.

7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine fördernde Wirkung in Richtung Schöpfraum hat.

8. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil einer Turbomolekularvakuum­ pumpe ist, dass sie eine in Richtung Motorraum fördernde Wirkung hat und dass der Motorraum über einen Bypass (67) mit einer Vorvakuumpumpstufe in Verbindung steht.

9. Dichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Motorraum (41) auf der Saugseite der Turbomolekularvakuumpumpe befindet.

10. Dichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil einer Turbomolekularvakuumpumpe mit mindestens zwei Einlässen (56, 56') ist und dass sie sich zwischen den Einlassbereichen befindet.

11. Dichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine fördernde Wirkung hat und dass ihre Peripherie mit einem ersten und ihr Zentrum mit einem zweiten Einlassbereich verbunden ist.