DE10004271A1 - Reibungsvakuumpumpe - Google Patents
ReibungsvakuumpumpeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Reibungspumpe (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; um eine in axialer Richtung kurze Reibungspumpe zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass sich die die Rotor- und Statorschaufelreihen tragenden Bauteile (6, 7) im wesentlichen radial und die Längsachsen der Schaufeln (2, 3) im wesentlichen axial erstrecken.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuumpumpe
mit einem feststehenden, Statorschaufelreihen tragenden
Bauteil sowie mit einem rotierenden, Rotorschaufelrei
hen tragenden Bauteil, wobei die Stator- und Rotor
schaufelreihen konzentrisch zur Drehachse des rotieren
den Bauteils angeordnet sind und ineinandergreifen.
Zu den Reibungsvakuumpumpen dieser Art gehören die Tur
bomolekularvakuumpumpen, wie sie beispielsweise aus der
WO 94/00694 bekannt sind. Sie sind nach Art einer Tur
bine mit Rotor- und Statorschaufelreihen ausgebildet.
Stator und Rotor erstrecken sich im wesentlichen zylin
drisch und sind koaxial zur Drehachse des rotierenden
Bauteils angeordnet. Die Längsachsen der abwechselnd
ineinander greifenden Stator- und Rotorschaufeln er
strecken sich radial, so dass sich eine im wesentlichen
axial gerichtete Förderrichtung ergibt. Ein oder meh
rere Paare einer Rotorschaufelreihe und einer Stator
schaufelreihe bilden eine Pumpstufe. Die Einstellung
der Fördereigenschaften einer Pumpstufe (Saugvermögen,
Kompression) erfolgt über die Ausbildung der Schaufeln,
vorzugsweise über deren Anstellwinkel.
Bei Turbomolekularvakuumpumpen nach dem Stand der Tech
nik kann eine Mindestanzahl von Pumpstufen nicht unter
schritten werden. Dadurch bauen Turbomolekularvakuum
pumpen nach dem Stand der Technik relativ lang, zumal
der Antriebsmotor die axiale Länge noch erhöht. Außer
dem kann bei vorbekannten Turbomolekularpumpen nur ein
Bauteil - üblicherweise der Rotor - einteilig ausgebil
det sein, während das andere Bauteil - üblicherweise
der Stator - aus einer Mehrzahl von Teilen bestehen
muss, um die ineinander greifenden Schaufelreihen mon
tieren zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Reibungsvakuumpumpe der eingangs genannten Art zu
schaffen, die in axialer Richtung wesentlich kürzer
baut.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich
nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung ermöglicht es, Reibungspumpen zu bauen,
deren axiale Länge - abgesehen vom Antriebsmotor - die
Länge der Stator- und Rotorschaufeln nicht wesentlich
übersteigt. Da sich die Schaufeln axial erstrecken,
können Rotor und Stator einteilig ausgebildet sein.
Zweckmäßig ist es, dass radial fördernde Pumpen der er
findungsgemäßen Art so betrieben werden, dass die ge
förderten Gase von außen nach innen strömen. Dabei er
weist sich die Ausnutzung der unterschiedlichen Um
fangsgeschwindigkeiten der Schaufeln als Vorteil, da
sich entsprechend dem Druckgebiet die Reibungsverluste
reduzieren lassen. Außerdem lassen sich die Rückströ
mungsverluste gegenüber dem Axialverdichter in Förder
richtung stark reduzieren, da der Stator einteilig aus
geführt werden kann und sich keine große Toleranzkette
durch die Vielzahl der Fügeteile ergibt. Ebenso mini
mieren sich die Rückströmverluste durch das Umströmen
der Flügelspitzen, da auch hier die Spalte durch Aus
richten der Träger erheblich reduziert werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die beschrie
benen Flügelscheiben spanend durch Dreh- und Erodierma
schinen 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 verdich
tende 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 Lagerauf
wand, der bei den relativ kurzen Rotoren bei Reibungs
vakuumpumpen nach der Erfindung nicht mehr erforderlich
ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen anhand von in
den Fig. 1 bis 11 schematisch dargestellten Ausfüh
rungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 einen Radialschnitt durch die Flügel einer
Reibungsvakuumpumpe nach der Erfindung,
Fig. 2 bis 4 Axialschnitte durch unterschiedli
che Ausführungen,
Fig. 5 und 6 Schnitte durch eine zweiflutige
Ausführung,
Fig. 7 einen Schnitt durch eine mehrstufige Lösung,
Fig. 8 eine Kombination einer radial fördernden
Pumpstufe mit axial fördernden Reibungspumpen
stufen sowie
Fig. 9 bis 11 kombinierte Reibungspumpen für
Mehrkammersysteme.
Fig. 1 zeigt, dass sich in den Ausführungsformen einer
Reibungspumpe 1 nach der Erfindung die Längsachsen der
Schaufeln 2, 3 parallel zur Dehrachse 4 des rotierenden
Bauteils erstrecken. Sie sind in konzentrischen Reihen
um die Drehachse 4 angeordnet. Die Reihen der Rotor
schaufeln 2 und die Reihen der Statorschaufeln 3 wech
seln einander ab. Sie greifen ineinander und haben in
an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung (Pfeil 16)
wechselnde Anstellwinkel.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen, dass die Schaufeln 2, 3 Be
standteile von rotierenden bzw. feststehenden Trägern 6
bzw. 7 sind. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ha
ben der rotierende Träger 6 und der feststehende Träger
7 die Form einer Scheibe. Bei der Ausführung nach Fig.
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 Fig. 4 hat der feststehende
Träger 7 die Form eines Trichters, so dass der Abstand
zwischen den Trägern 6 und 7 von innen nach außen ab
nimmt. Die Länge der Schaufeln 2, 3 ist dieser Ab
standsänderung angepasst.
Fig. 4 zeigt noch, dass der feststehende Träger 7 Be
standteil 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, des
sen Welle 14 durch eine Öffnung im Böden 12 hindurch
greift und mit der Rotorscheibe 6 gekoppelt ist. Außer
dem 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 geför
dert werden (vgl. die in den Fig. 1 bis 3 einge
zeichneten Pfeile 16) Die Ausbildung des feststehenden
Trägers 7 nach Fig. 3 verstärkt noch diese Eigen
schaft. Auch die Breite der Schaufeln 2, 3 kann von au
ßen nach innen abnehmen (vgl. insbesondere Fig. 1).
Natürlich ist auch ein Betrieb der Reibungspumpen mit
entgegengesetzter Förderrichtung möglich. Dazu muss le
diglich die Drehrichtung des Rotors 6 umgekehrt werden.
Ein Beispiel für eine in dieser Weise betriebene Rei
bungspumpe 1 zeigt Fig. 4 (Pfeile 18). Der Anschluss
flansch 9 bildet den Einlass, der Anschlussflansch 15
den Auslass der Pumpe. Auf eine Veränderung des Förder
raumes 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 Fig. 5 und 6 zeigen eine zweiflutige Ausführung
einer Reibungspumpe 1 nach der Erfindung. Eine innere
Gruppe von Schaufelreihen fördert die Gase radial nach
außen (Pfeile 21), eine äußere Gruppe von Schaufelrei
hen von außen nach innen (Pfeile 22). Die Anschluss
stutzen 9 und 15 sind Einlassstutzen. Zwischen den bei
den Gruppen ist die Statorscheibe 7 mit einem An
schlussstutzen 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 Gegenstrom
prinzip genutzt werden kann. Schließlich besteht auch
die Möglichkeit, die Reibungspumpe 1 nach der Erfindung
mehrflutig auszubilden, d. h., mit mehreren Schaufel
gruppen, die - verglichen mit ihren jeweils benachbar
ten Schaufelgruppen - entgegengesetzte Förderrichtung
haben.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 befinden sich im
Gehäuse 8 mehrere radial fördernde Pumpstufen axial
übereinander. Das rotierende System umfasst zwei Rotor
scheiben 6, die jeweils auf beiden Seiten Rotorschau
feln 2 tragen. Das Gehäuse 8 und ein gehäusefester Trä
ger 25, der sich zwischen den beiden Rotorscheiben 6
befindet, tragen korrespondierende Statorschaufeln 3.
Eingezeichnete Pfeile 27 zeigen, dass der Anschluss
stutzen 9 die Funktion eines Einlasses hat und dass die
sich anschließenden, radial komprimierenden Stufen
(insgesamt vier) abwechselnd von innen flach 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 erfor
derlich sind. Durch eine Anspassung der Schaufellängen
vom Einlass zum Auslass (Abnahme) kann wieder Einfluss
auf das Volumen des Förderraumes genommen werden.
Fig. 8 zeigt eine Möglichkeit, wie eine radial ver
dichtende Reibungspumpe 1 nach der Erfindung mit einer
axial verdichtenden Reibungspumpe 31 nach dem Stand der
Technik kombiniert werden kann. Die Reibungspumpe 31
besteht aus einer saugseitig angeordneten Turbomolku
larpumpenstufe 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 ge
meinsamen, 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 ver
dichtenden Pumpe 1, Rotor 41 der Turbomolekularpump
stufe 32, Zylinder 42 der Holweckpumpstufe 33). Der
seitliche Einlass 36 der kombinierten Pumpe mündet zwi
schen der radial verdichtenden Pumpstufe 1 und der
axial verdichtenden Pumpe 31. Der Auslass 44 der kombi
nierten Pumpe befindet sich auf der Druckseite der Mo
lekularpumpstufe 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 Hochvakuum
seite ansaugt. Die von der Pumpstufe 1 geförderten Gase
gelangen über einen Bypass 47 unmittelbar zur Saugseite
der Holweckpumpstufe 33.
Die Besonderheit der Lösung nach Fig. 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). Da
durch, dass sich die radial verdichtende Pumpstufe 1
zwischen dem Einlass 36 und dem Antriebsmotor 48 befin
det, kann im Motorraum 49 ein relativ hoher Druck auf
recht erhalten werden (z. B. 1 × 10-2 mbar). Die Verwendung
hochvakuumtauglicher Werkstoffe im Motorraum 49
ist nicht erforderlich. Außerdem unterstützt die radial
fördernde Pumpstufe 1 die Förderleistung der Turbomole
kularpumpstufe 32, ohne dass sich damit die Baulänge
der Pumpe 31 wesentlich vergrößert.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen Ausführungen von kombinier
ten Reibungspumpen für den Einsatz bei Mehrkammersyste
men, hier Zweikammersystemen. Dabei handelt es sich
z. B. um Analysengeräte mit mehreren Kammern, die auf
unterschiedliche Drücke evakuiert werden müssen. Da
durch 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 Fig. 9 bis 11 weisen
zwei seitliche Einlässe 36, 36' auf. Sie sind durch
mindestens eine radial verdichtende Pumpstufe 1 vonein
ander getrennt. Der Einlass 36 "sieht" jeweils, wie
auch bei der Ausführung nach Fig. 8, die Eintrittsbe
reiche einer axial fördernden Reibungspumpe 31 sowie
einer radial von außen nach innen fördernden Reibungs
pumpe 1.
Bei der Ausführung nach Fig. 9 mündet der Auslass der
radial fördernden Pumpe 1 in den Einlassbereich einer
zweiten Turbomolekularpumpenstufe 32', an den der zwei
te Einlass 36' angeschlossen ist. Die Pumpe 1 bewirkt,
dass der Druck am Einlass 36 niedriger ist als am Ein
lass 36'. Auf der Druckseite der Turbomolekular
pumpenstufe 32' befindet sich der Antriebsmotor 48.
Diese Druckseite ist über den Bypass 47 mit der Saug
seite 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 Tren
nung der Einlässe 36, 36' vorgesehen sein (Fig. 10).
Sie fördert einen Teilstrom der in den Einlass 36' ge
langenden Gase. Die Auslässe der beiden Reibungspumpen
1 und 1' stehen mit dem Bypass 47 in Verbindung.
Die Ausführung nach Fig. 11 weist anstelle der Turbo
molekularpumpstufe 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 Fig. 9 bis 11 sind je
weils zwei Hochvakuumpumpsysteme 32, 32' bzw. 1" mit
jeweils einem Einlass 36 bzw. 36' vorgesehen. Die ge
wählte Anordnung lässt es zu, auch weitere Hochvakuum
pumpsysteme auf der gemeinsamen Welle 39 anzuordnen und
deren Einlässe jeweils durch radial fördernde Pumpstu
fen nach der Erfindung voneinander zu trennen. Über
Bypässe können sowohl die jeweiligen Hochvakuumpumpstu
fen, 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. Hier
durch lassen sich die Wellen beliebig steif machen.
Dies führt zu rotordynamisch unproblematischen Kon
struktionen, die zu dem auch noch eine gute Wuchtcha
rakteristik haben. Dadurch, dass nahezu beliebig viele
nach Art von Bauteilen eines Baukastensystems ausgebil
dete Stufen auf einer Welle angebracht werden können,
lässt sich eine Hochvakuumpumpe, die gegen Atmosphäre
verdichtet, leichter realisieren.
Claims (19)
1. Reibungspumpe (1) mit einem feststehenden, Stator
schaufelreihen tragenden Bauteil (7) sowie mit ei
nem rotierenden, Rotorschaufelreihen tragenden
Bauteil (6), wobei die Stator- und Rotorschaufel
reihen konzentrisch zur Drehachse (4) des rotie
renden Bauteils (6) angeordnet sind und ineinan
dergreifen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die
die Rotor- und Statorschaufelreihen tragenden Bau
teile (6, 7) im wesentlichen radial und die Längs
achsen der Schaufeln (2, 3) im wesentlichen axial
erstrecken.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die die Schaufeln (2, 3) tragenden Bauteile
(6, 7) scheibenförmig gestaltet sind.
3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass die Pumpe von außen nach innen durch
strömt ist.
4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaufellänge von außen nach innen ab
nimmt.
5. Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich
net, dass die Schaufelbreite von außen nach innen
abnimmt.
6. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass bei einer von innen nach außen durch
strömten Pumpe (1) die Schaufellänge von innen
nach außen abnimmt.
7. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass das feststehende, die
Statorschaufeln (3) tragende Bauteil (7) Bestand
teil eines Gehäuses (8) der Pumpe (1) ist.
8. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass sie zwei- oder mehrflutig ausgebildet
ist.
9. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere radial fördernde
Pumpstufen axial hintereinander angeordnet sind.
10. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass rotierende und/oder feststehende Bauteile (6
bzw. 7) beidseitig Rotor- bzw. Statorschaufeln (2
bzw. 3) tragen.
11. Pumpe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn
zeichnet, dass ihr Auslass radial innen angeordnet
ist und die Antriebswelle (14) für die rotierenden
Bauteile (6) umgibt.
12. Pumpe nach einem der vorhergehenden Patentansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit minde
stens einer weiteren Reibungspumpenstufe (32, 33)
kombiniert ist.
13. Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass das rotierende Bauteil (6) gemeinsam mit den
rotierenden Bauteilen (41, 42) der weiteren Rei
bungspumpenstufen auf einer Welle (39) angeordnet
ist.
14. Pumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass sie die Hochvakuumseite einer weiteren Rei
bungspumpe (31) vom Motorraum (49) des gemeinsamen
Antriebsmotors (48) trennt.
15. Pumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der Auslass der Pumpe (1) mit dem Einlass ei
ner Molekularpumpe (33) verbunden ist.
16. Kombinierte Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 12
oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei
oder mehr Hochvakuumpumpstufen (32, 33) mit je
weils einem Einlass (36, 36') aufweist und dass
die Einlässe jeweils durch mindestens eine radial
fördernde Pumpstufen (1, 1') voneinander getrennt
sind.
17. Pumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Hochvakuumpumpstufen (32, 32') mit je
weils 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 Ver
bindung steht.
18. Pumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
dass zwei radial fördernde Pumpstufen (1, 1') die
Einlässe (36, 36') voneinander trennen.
19. Pumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
dass für die Hochvakuumpumpstufen (32, 32') und
für die radial fördernden Pumpstufen (1, 1'; 1,
1") eine gemeinsame weiterführende Molekularpump
stufe (33) vorgesehen ist.
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