DE10008691B4

DE10008691B4 - Gasreibungspumpe

Info

Publication number: DE10008691B4
Application number: DE10008691.8A
Authority: DE
Inventors: Armin Conrad; Heinrich Lotz
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001280289A; US20010018018A1; EP1128069A3; JP4907774B2; DE10008691A1; EP1128069A2; US6524060B2; EP1128069B1

Abstract

Gasreibungspumpe, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit Ansaugöffnung (2) und Gasaustrittsöffnung (3), wobei sich in dem Gehäuse Rotor (12) und Statorbauteile (14) zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung eines Druckverhältnisses befinden, wobei auf der Seite der Ansaugöffnung (2) eine ein- oder mehrstufige Pumpeinheit (20, 30, 40) angebracht ist, welche eine gasfördernde Struktur aufweist, die derart gestaltet ist, dass eine Gasförderung in radialer Richtung stattfindet und dass die Rotorbauteile (21, 31, 41) dieser Pumpeinheit und die Rotorbauteile (12) der übrigen Gasreibungspumpe sich auf derselben Rotorwelle (4) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorbauteile (21) und die Statorbauteile (22) der Pumpeinheit (20) jeweils aus einem stirnseitigen scheibenförmigen pumpaktiven Abschnitt (23, 24) und aus einem zylindrischen pumpaktiven Abschnitt (25, 26) bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasreibungspumpe nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
Zur Förderung von Gasen sind Gasreibungspumpen der verschiedensten Bauart bekannt. Ihre Arbeitsweise beruht auf der Übertragung von Impulsen von bewegten Wänden auf die Gasteilchen. Auf diese Weise wird eine Gasströmung in die gewünschte Richtung erzeugt. Gasreibungspumpen, welche in einem Druckbereich arbeiten, in dem die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle groß ist gegenüber den geometrischen Abmessungen der Pumpe, also im molekularen Strömungsgebiet, werden Molekularpumpen genannt.
Die erste Gasreibungspumpe dieser Art wurde von Gaede [1] vorgestellt, weitere technische Abwandlungen unter Beibehaltung des Grundprinzips sind Konstruktionen von Siegbahn [2], Holweck [3] und Becker [4]. Letztere ist als Turbomolekularpumpe bekannt und hat sich in weiten Bereichen der Technik und Wissenschaft mit großem Erfolg bewährt. Sie wird daher für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung als Beispiel herangezogen.
Die im Folgenden beschriebenen Nachteile der bisher bekannten Pumpen und die Beseitigung der Nachteile im Rahmen der Erfindung treffen genau so gut für andere Gasreibungspumpen zu.
Das Saugvermögen einer Turbomolekularpumpe ist im wesentlichen abhängig vom Eingangsquerschnitt des Ansaugflansches, von der mittleren Umfangsgeschwindigkeit des dem auszupumpenden Raum zugewandten Rotorschaufelkranzes und dessen geometrischer Struktur, darüber hinaus von der inneren Struktur der Pumpe, durch die die Abstufung von Druckverhältnis und Saugvermögen zwischen den einzelnen Stufen bestimmt wird, und nicht zuletzt auch von demjenigen Teil der Pumpe oder der Pumpenkombination, welcher gegen Atmosphärendruck ausstößt.
Diese Verhältnisse können so optimal gestaltet werden und die Drehzahl kann im Rahmen der technischen Möglichkeiten so weit erhöht werden, dass der größte Teil der Moleküle, welche auf den o. g. Rotorschaufelkranz treffen, abgepumpt werden können. Hierbei werden nicht alle Moleküle erfasst, welche auf den Eingangsquerschnitt des Ansaugflansches treffen. Ein großer Bereich dieser Fläche wird durch die Rotorstirnfläche, welche keine gasfördernde Struktur aufweist, gebildet. Selbst wenn der Rotorschaufelkranz auf Kosten der Rotorstirnfläche weiter vergrößert wird, bleibt das Saugvermögen durch den Querschnitt des Ansaugflansches begrenzt. Es können nicht mehr Moleküle abgepumpt werden als auf die gasfördernde Struktur der Eingangsstufe treffen.
Zum Stand der Technik ( DE 196 34 095 A1 ) gehört eine Eingangsstufe für eine zweiflutige Gasreibungspumpe, bei der ein Zylinder auf einer Welle angeordnet ist. Der Zylinder weist auf seiner Mantelfläche eine gasfördernde Struktur auf. Diese zum Stand der Technik gehörende Eingangsstufe kann hinsichtlich des Saugvermögens weiter verbessert werden.
Weiterhin gehört zum Stand der Technik ( DE 297 17 079 U1 ) eine Reibungsvakuumpumpe mit mindestens einer Turbomolekularpumpstufe mit einer Füllstufe, die jedoch nicht hinter dem Gaseinlass, sondern zwischen zwei Pumpstufen, nämlich der Turbomolekularpumpstufe und der Gewindepumpstufe angeordnet ist. Diese Füllstufe ist als Zentrifugalstufe ausgebildet. Sie umfasst sich im Wesentlichen radial nach außen erstreckende Stege, die der letzten Rotorschaufelreihe zugewandte Taschen bilden. Auch diese zum Stand der Technik gehörende Pumpe kann hinsichtlich des Saugvermögens deutlich verbessert werden.
Darüber hinaus gehört zum Stand der Technik ( US 4,668,160 A ) eine Radialverdichterstufe, die scheibenförmig ausgebildet ist. Auch diese zum Stand der Technik gehörende Vakuumpumpe kann hinsichtlich des Saugvermögens weiter verbessert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasreibungspumpe vorzustellen, welche gegenüber den herkömmlichen Konstruktionen bei gleichbleibendem Querschnitt des Ansaugflansches ein deutlich höheres Saugvermögen aufweist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 7 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2 ist eine zusätzliche Pumpeinheit, die aus einer oder mehreren Stufen bestehen kann, so gestaltet, dass außerhalb des Pumpgehäuses zusätzlich zur axialen Förderung auch eine Förderung in radialer Richtung stattfindet. Auch eine Förderung lediglich in radialer Richtung ist entsprechend der Merkmale des 1. Anspruches möglich. Dadurch wird erreicht, dass das Saugvermögen der Pumpe nicht mehr durch den Querschnitt des Ansaugflansches begrenzt wird. Die gesamte mit gasfördernder Struktur versehene Fläche, welche die Moleküle einfängt, ist deutlich vergrößert und dazu mit einer radialen Förderkomponente versehen.
Unterschiedliche Gestaltungsformen der pumpaktiven Rotor- und Statorbauteile sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben.
Den größten Effekt bringt die erfindungsgemäße Anordnung, wenn die zusätzliche Pumpeinheit ganz oder teilweise außerhalb des Gehäuses angebracht ist. Aus baulichen Gründen kann es jedoch erforderlich sein, dass die zusätzliche Pumpeinheit ganz oder teilweise innerhalb des Gehäuses angebracht sein muss. Selbst dann ergibt sich durch die zusätzliche radiale Förderkomponente noch ein erheblicher Vorteil gegenüber der herkömmlichen Bauart.
Anhand der 1 bis 4 soll die Erfindung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe näher erläutert werden:
1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung.
1a zeigt einen Schnitt entlang A/A- durch die stirnseitigen scheibenförmigen pumpaktiven Flächen.
1b zeigt einen Schnitt entlang B/B- durch die zylindrischen pumpaktiven Flächen.
1c zeigt eine perspektivische Darstellung der Rotorbauteile der zusätzlichen Pumpeinheit.
2 bis 4 zeigen weitere Ausführungsformen der erfinderischen Anordnung.
1 zeigt eine Gasreibungspumpe mit dem Gehäuse 1, welches mit einer Ansaugöffnung 2 und einer Gasaustrittsöffnung 3 versehen ist. Die Rotorwelle 4 ist in Lagern 5 und 6 fixiert und wird durch den Motor 7 angetrieben. Auf der Rotorwelle 4 sind die Rotorscheiben 12 befestigt. Diese sind mit einer pumpaktiven Struktur versehen und bewirken mit den Statorscheiben 14, welche ebenfalls mit einer pumpaktiven Struktur versehen sind, den Pumpeffekt.
Auf der Seite der Ansaugöffnung 2 ist erfindungsgemäß eine Pumpeinheit 20 angebracht. Diese ist im vorliegenden Beispiel einstufig ausgeführt. Zur weiteren Erläuterung sind in 1a ein Schnitt entlang der Linie A/A-, in 1b ein Schnitt entlang der Linie B/B- und in 1c eine perspektivische Darstellung gezeigt. Die Rotorbauteile 21 und die Statorbauteile 22 dieser zusätzlichen Pumpeinheit bestehen jeweils aus einem stirnseitigen scheibenförmigen Abschnitt 23, 24 und zylindrischen Abschnitten 25, 26. Die pumpaktive Struktur 23a, 24a des stirnseitigen scheibenförmigen Abschnittes ist der Struktur von entsprechenden Bauteilen bei Turbomolekularpumpen nachgebildet. Die pumpaktive Struktur 25a, 26a des zylindrisches Abschnittes 25, 26 entspricht derjenigen von Schaufelrädern.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Rotorbauteile 31 und Statorbauteile 32 der zusätzlichen Pumpeinheit 30 in konischer Bauform ausgebildet. Die pumpaktive Struktur dieser Bauteile entspricht einem in Förderrichtung geneigten Schaufelprofil.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform der zusätzlichen Pumpeinheit 40 zeigt Rotorbauteile 41 und Statorbauteile 42, die jeweils eine kuppelförmige Bauform aufweisen. Auch hier entspricht die pumpaktive Struktur einem in Förderrichtung geneigten Schaufelprofil.
In 4 ist ein Beispiel dargestellt, bei welchem sich die zusätzliche Pumpeinheit 20 innerhalb des Gehäuses 1 befindet. Dies ist hier am Beispiel der Ausführungsform 20 der zusätzlichen Pumpeinheit aus 1 gezeigt. In entsprechender Weise können auch die Ausführungsformen 30 und 40 der zusätzlichen Pumpeinheit in den 2 und 3 sich innerhalb des Gehäuses befinden.
Literatur

[1] W. Gaede, Ann. Phys. 41 (1913) 337 ff.
[2] M. Siegbahn, Arch. Math. Astr. Fys. 30 B (1943)
[3] F. Holweck, Comptes redus Acad. Science 177 (1923) 43 ff.
[4] W. Becker, Vakuum Technik 9/10 (1966)

Claims

Gasreibungspumpe, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit Ansaugöffnung (2) und Gasaustrittsöffnung (3), wobei sich in dem Gehäuse Rotor (12) und Statorbauteile (14) zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung eines Druckverhältnisses befinden, wobei auf der Seite der Ansaugöffnung (2) eine ein- oder mehrstufige Pumpeinheit (20, 30, 40) angebracht ist, welche eine gasfördernde Struktur aufweist, die derart gestaltet ist, dass eine Gasförderung in radialer Richtung stattfindet und dass die Rotorbauteile (21, 31, 41) dieser Pumpeinheit und die Rotorbauteile (12) der übrigen Gasreibungspumpe sich auf derselben Rotorwelle (4) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorbauteile (21) und die Statorbauteile (22) der Pumpeinheit (20) jeweils aus einem stirnseitigen scheibenförmigen pumpaktiven Abschnitt (23, 24) und aus einem zylindrischen pumpaktiven Abschnitt (25, 26) bestehen.
Gasreibungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Pumpeinheit (20, 30, 40) eine Gasförderung in axialer und in radialer Richtung stattfindet.
Gasreibungspumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorbauteile (31) und die Statorbauteile (32) der Pumpeinheit (30) jeweils eine konische Bauform aufweisen.
Gasreibungspumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorbauteile (41) und die Statorbauteile (42) der Pumpeinheit (40) jeweils eine kuppelförmige Bauform aufweisen.
Gasreibungspumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinheit (20, 30, 40) ganz oder teilweise außerhalb des Gehäuses (1) angebracht ist.
Gasreibungspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinheit (20, 30, 40) ganz oder teilweise innerhalb des Gehäuses (1) angebracht ist.