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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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Vakuumpumpen für den molekularen Strömungsbereich, insbesondere Turbomolekularvakuumpumpen, weisen einen schnell drehenden Rotor auf. Die Drehung ist dabei so schnell, dass die mit dem Rotor verbundenen Schaufeln eine Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit erreichen. Die Drehzahlwerte liegen im Bereich von einigen zehntausend Umdrehungen pro Minute.
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Diese hohen Drehzahlwerte sind für das Erreichen guter Vakuumdaten wie Saugvermögen und erreichbarer Enddruck wichtig. Jedoch führen sie zu einer sehr hohen in dem Rotor gespeicherten Energie. Sollte im zwar unwahrscheinlichen, jedoch nicht völlig auszuschließenden Fehlerfall diese Energie an das Gehäuse der Vakuumpumpe abgegeben werden, sind die Befestigungsmittel, welche die Verbindung der Vakuumpumpe mit der zu evakuierender Kammer bewirken, einer sehr hohen Belastung ausgesetzt. Eine Überbeanspruchung der Befestigungsmittel im Fehlerfall ist zu vermeiden.
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Im Stand der Technik sind einige Lösungen für den Ansatz bekannt, Schrauben, welche als Befestigungsmittel verwendet werden, einen Verformungsraum zu geben. Beispiele solcher Lösungen stellen die
EP-A 1 537 336 und die
EP-A 1 312 804 vor. In beiden Fällen weisen die Durchgangsbohrungen Abschnitte auf, in denen der Bohrungsdurchmesser deutlich über dem Schraubendurchmesser liegt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumpumpe vorzustellen, bei welcher die Überbeanspruchung der Befestigungsmittel im Fehlerfall vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten Anspruchs. Die Ansprüche 2 bis 5 geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
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Die Maßnahme, auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches einen der Ansaugöffnung zugeordneten Kragen anzuordnen, reduziert die in die Befestigungsmittel eingeleiteten Kräfte. Während der Stand der Technik auf die Bewältigung der im Fehlerfall auftretenden Drehmomente, welche aus der Drehimpulserhaltung folgen, abzielt, werden mit Hilfe der Erfindung die nach Erkenntnissen der Erfinder nicht zu vernachlässigenden Radialkräfte gehandhabt. Durch Reduzieren der in die Befestigungsmittel eingeleiteten Radialkräfte wird ein Versagensmechanismus ausgeschaltet. Ein weitere Vorteil der Maßnahme ist, dass weitergehende Bauteile wie zwischen Pumpenflansch und Kammerflansch angeordnete Zentrierringe entfallen. Diese kosten zum einen Geld, zum anderen schwachen sie die Verbindung zusätzlich.
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Eine Weiterbildung schlägt vor, eine Dämpfungselement vorzusehen, in welchem kinetische Energie in Verformungsenergie umgesetzt wird, so dass die entstehenden Kräfte und Momente verringert werden.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung wird vorgeschlagen, durch eine konische Fläche Saugvermögensverluste der Vakuumpumpe, die durch den Kragen entstehen, klein zu halten.
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In den Pumpenflansch kann in Form einer Nut oder eine Stufe ein Dichtungselement integriert werden, so dass die Teilezahl weiter verringert werden kann.
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Eine andere Weiterbildung sieht eine Entlastungsnut vor, welche in radialer Richtung außerhalb an den Kragen angrenzend angeordnet ist. Diese verbessert den Kraftfluss innerhalb der Kragens im Fehlerfall und verringert die Gefahr des Abscherens des Kragens. Hierdurch wird die Verbindung nochmals sicherer.
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An Hand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
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Es zeigen:
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1: Schnitt durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe,
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2: Schnitt durch die Flanschverbindung der Anordnung,
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3: Schnitt durch die Flanschverbindung in einer Weiterbildung,
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4: Schnitt durch eine Flanschverbindung mit einer Klammerverbindung.
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Einen Schnitt durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe 1 und Kammerflansch 2 zeigt 1. Die Vakuumpumpe besitzt einen Pumpenflansch 4, der mit dem Kammerflansch 2 lösbar verbunden ist und den Ansaugöffnung 5 der Vakuumpumpe umgibt. Eine Schraube 30 stellt diese lösbare Verbindung her. Der Kammerflansch ist hier als Öffnung in einer Wandung dargestellt, die von einer ringförmigen Fläche umgeben ist. Der Kammerflansch kann jedoch auch an einem mit der Kammer verbundenen Rohrstück vorgesehen sein.
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Der Pumpenflansch ist am Gehäuse 6 der Vakuumpumpe angeordnet. Dieses Gehäuse umschließt vakuumdicht die der Vakuumerzeugung dienenden Komponenten. Dies sind insbesondere die Statorscheiben 8, welche welche durch Distanzringe 9 axial voneinander beabstandet werden. In den axialen Freiräumen bewegen sich die am Glockenrotor 12 angebrachten Schaufeln 14 und bewirken zusammen mit den Statorscheiben die Gasförderung. Der Glockenrotor 12 ist mit einer Welle 10 verbunden, wobei die Verbindung durch eine oder mehrere Schrauben 16 oder gleichwirkenden Mitteln erzeugt wird. Die Welle ist drehbar gelagert, beispielsweise wie hier gezeigt durch ein aktives radiales Magnetlager 18, und wird durch einen Antrieb 20 in schnelle Drehung versetzt.
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Der schlimmste Fehlerfall ist in diesem Beispiel das Zerreißen des Glockenrotors entlang seiner Längsachse, also in axialer Richtung 24. Zwei oder mehr Bruchstücke des Glockenrotors bewegen sich dann aufgrund der Fliehkräfte weitgehend in radialer Richtung 22. In diesem Fehlerfall darf die Verbindung von Pumpenflansch und Kammerflansch nicht vollständig gelöst werden.
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Die 2 zeigt den in 1 durch eine gestrichelte Linie eingerahmten Teil in einem Schnitt und mit weiteren Details. Die Schraube 30 durchsetzt einen Kanal 32, beispielsweise eine Durchgangsbohrung, und steht mit einem Gewinde 34 im Eingriff. Hierdurch wird der Pumpenflansch 4 gegen den Kammerflansch 2 gezogen und so die Verbindung hergestellt.
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Im Fehlerfall bewegen sich Teile des Glockenrotors, darunter die Schaufeln 14, in radialer Richtung 22 nach außen und schlagen in Distanzringen 9 und Gehäuse 6 ein. Hierdurch entsteht ein große in radialer Richtung wirkende Kraft, welche auf den Pumpenflansch und die Verbindung zwischen Pumpenflansch und Kammerflansch übertragen wird. Ein Kragen 40 ist auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches angeordnet und der Ansaugöffnung zugeordnet. Durch diese Anordnung ragt er in den vom Kammerflansch umgebenen Freiraum hinein. Im Fehlerfall bewegt sich der Kragen durch die oben genannten Kräfte in radialer Richtung und kommt in Kontakt mit dem Kammerflansch. Zwischen Kragen und Kammerflansch besteht der Kragenspalt 42. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung ist so gewählt, dass der Abstand von Schraubenschaft zu Innenwand der Durchgangsbohrung größer als der Kragenspalt ist. Durch Kragen und Dimensionierung von Kragenspalt und Durchgangsbohrung wird die Schraube 30 im Fehlerfall von den radialen Kräften entlastet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, auf der dem Gehäuse 6 abgewandten Seite des Pumpenflansches zwischen Kragen und Durchgangsbohrung eine Dichtungsnut 50 vorzusehen, in der ein Dichtring 52, beispielsweise ein Elastomerring, liegt. Hierdurch kann diese Anordnung beide Aufgaben, nämlich Verbinden der Vakuumpumpe mit der Kammer und Abdichten der Verbindung, ohne weitere Bauteile übernehmen.
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Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass der Pumpenflansch eine Entlastungsnut 44 aufweist, welche in radialer Richtung außerhalb an den Kragen angrenzt. Diese Entlastungsnut bewirkt eine günstigere Verteilung der im Fehlerfall durch den Kontakt mit dem Kammerflansch entstehenden Kräfte und wirkt so dem Abscheren des Kragens entgegen. Außerdem erlaubt sie, den Kragenspalt 42 möglichst eng zu wählen, da die fertigungsbedingte Krümmung 46 am Kragenfuß nicht mit dem Kammerflansch in einer Ebene liegt. Ein enger Kragenspalt bedeutet, dass der Durchmesser der Durchgangsbohrung 32 klein gehalten werden kann.
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Der Saugvermögensverlust durch den in die Ansaugöffnung 5 der Vakuumpumpe hineinreichenden Kragen gegenüber einer gleich großen Vakuumpumpe ohne Kragen kann reduziert werden, indem an den Kragen eine konische Fläche 48 grenzt, welche an ihrem kragenseitigen Ende den kleinsten Durchmesser aufweist. Sie bildet einen Übergang vom Innendurchmesser des Kragens zum Innendurchmesser des Distanzringes 9. Durch diese Öffnung des Konus in Richtung Glockenrotor wird der Leitwert für Gas verbessert und der Saugvermögensverlust verringert.
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Eine Weiterbildung des Pumpenflansches und der Anordnung nach 2 ist in 3 gezeigt, wobei der gleiche Ausschnitt dargestellt ist. Der Kragen 40' weist auf seiner in radialer Richtung außen liegenden Seite ein Dämpfungselement 60 auf. Durch diese Anordnung ist es dem Kammerflansch 2' zugewandt und befindet sich zwischen Kammerflansch und Kragen. Dieses Dämpfungselement ist so gewählt, dass es verformbar und gleichzeitig für den Hochvakuumbereich tauglich ist. Letzteres bedeutet, dass es möglichst wenige virtuelle Lecks beinhaltet und eine geringe Ausgasrate aufweist. Der durch die Vakuumpumpe erreichbare Enddruck sollte um weniger als eine halbe Dekade beeinflusst werden. Diese Anforderungen an das Dämpfungselement werden beispielsweise erreicht, wenn es als Kupferring ausgeführt ist. Im Fehlerfall kommt zunächst das Dämpfungselement mit dem Kammerflansch in Kontakt und wird nachfolgend verformt, wodurch ein Teil der Bewegungsenergie abgebaut wird.
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Auf dem Pumpenflansch 4' kann eine Stufe 56 angeordnet sein. Diese dient einem Dichtring 52' in radialer Richtung 22' als innere Begrenzung. Radial nach außen wird er begrenzt durch einen Stützring 54.
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Durch die Stufe entsteht im Bereich der Schraube 30' ein Axialspalt 66. Dieser wirkt sich im Fehlerfall vorteilhaft aus, da die Schraube zusätzlichen Verformungsspielraum bekommt, welcher in allen Kraftrichtungen gleichermaßen vorhanden ist. Die Verbindung von Kammerflansch und Pumpenflansch wird widerstandsfähiger sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung, da die Scherwirkung auf die Schrauben auf ihren im Axialspalt befindlichen Abschnitt verteilt wird.
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Anstelle einer Schraube als Befestigungsmittel können andere Mittel eingesetzt werden. Ein Beispiel zeigt 4. Eine Klammer 70 umfasst eine Hakenschraube 72 und einen Gegenhaken 84, wobei die Hakenschraube ein Gewindeabschnitt aufweist, welcher einen zylindrischen Kanal eines Gegenhakens durchsetzt. Eine Mutter 76 steht mit dem Gewindeabschnitt im Eingriff. Die Hakenschraube greift in eine Nut 82 des an einem Rohrstück 38 angeordneten Kammerflansches 2''. Der Gegenhaken greift in eine Nut 84 des Pumpenflansches 4''. Ein Kragen 40'' ist auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches angeordnet und der Ansaugöffnung zugeordnet. Durch diese Anordnung ragt er in den vom Kammerflansch umgebenen Freiraum hinein. Im Fehlerfall bewegt sich der Kragen durch die oben genannten Kräfte in radialer Richtung 22'' und kommt in Kontakt mit dem Kammerflansch. Durch diesen Kontakt wird die auf die Begrenzungen der Nuten 82 und 84 und auf Haken und Gegenhaken einwirkende Scherbelastung drastisch reduziert. Auf die Klammer wirken im wesentlichen nur Kräfte in axialer Richtung 24'' und entlang der Nuten, d. h. in Umfangsrichtung. Für die Aufnahme solcher Kräfte ist die Klammer standardmäßig ausgelegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1537336 A [0004]
- EP 1312804 A [0004]
