DE202012000611U1

DE202012000611U1 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE202012000611U1
Application number: DE202012000611U
Authority: DE
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2012-01-21
Filing date: 2012-01-21
Publication date: 2013-04-23
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: EP2805057A1; JP2015504137A; WO2013107667A1; US20140369809A1

Abstract

Turbomolekularpumpe, mit mindestens einem in einem Gehäuse (16) mittels einer Rotorwelle (10) gelagerten Rotorelement (18) mit mehreren Rotarflügeln (20), mindestens einem in dem Gehäuse (16) angeordneten Statorelement (22, 24) mit mehreren zwischen Rotorflügeln (20) ragenden Statorflügeln (22), und zwei in Endbereichen der Rotorwelle (10) angeordneten Lagerelementen (12, 14), wobei zumindest das hochvakuumseitige Lagerelement (12) als Wälzlager ausbildet ist, und in einer Kammer (36) angeordnet ist, die über mindestens einen Kanal (46) mit einem Druckbereich (48) verbunden ist, in dem ein höherer Druck als im Hochvakuumbereich (34) herrscht,

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe.
Turbomolekularpumpen weisen in einem Gehäuse mindestens ein Rotorelement auf. Das Rotorelement weist mehrere Rotorflügel auf und ist auf einer Rotorwelle gelagert. Die Rotorwelle wird mittels eines Elektromotors angetrieben und ist über Lagerelemente in dem Gehäuse gelagert. Ferner weist die Turbomolekularpumpe ein mehrere Statorflügel aufweisendes Statorelement auf. Das Statorelement ist beispielsweise über Statorringe in dem Gehäuse angeordnet, wobei die Statorflügel zwischen die Rotorflügel ragen, so dass Statorflügel und Rotorflügel abwechselnd angeordnet sind. Ggf. kann die Turbomolekularpumpe eines oder mehrere derartiger Rotor- und Statorelemente aufweisen. Ferner ist es bekannt, dass Turbomolekularpumpen eine Halweckstufe aufweisen, die in Strömungsrichtung dem Rotorelement nachgeordnet ist. Zur Lagerung der schnelldrehenden Rotorwelle sind zwei Lagerelemente vorgesehen. Hierbei ist üblicherweise eines der Lagerelemente am vorvakuumseitigen Ende der Rotorwelle angeordnet. Dieses Lagerelement befindet sich in einer Umgebung mit vergleichsweise geringem Vakuum, so dass in diesem Bereich sowohl Magnetlager als auch Wälzlager eingesetzt werden können. Aufgrund des relativ geringen Vakuums besteht kein Risiko, dass aus dem Schmiermittel, bei dem es sich üblicherweise um Fett handelt, Kohlenwasserstoffe oder andere Stoffe in zu großer Menge ausgasen. Sofern an dem hochvakuumseitigen Ende der Rotorwelle ebenfalls ein Lagerelement angeordnet wird, handelt es sich hierbei stets um ein Magnetlager. Da in diesem Bereich sehr geringe Drücke bzw. ein hohes Vakuum herrscht, können in diesem Bereich keine Wälzlager, auch keine gekapselten Wälzlager eingesetzt werden, da aufgrund des Vakuums Bestandteile des Schmiermittels, insbesondere Kohlenwasserstoffe aus dem Schmiermittel ausgasen, Bei Magnetlagern handelt es sich jedoch um teure Lager. Ferner ist die Konstruktion aufwendig.
Um beide Lagerelemente einer Rotorwelle als Wälzlager ausstatten zu können, ist es bekannt, die Rotorwelle fliegend zu lagern. Das hochvakuumseitige Lagerelement ist somit in Richtung der Vorvakuumseite versetzt, so dass die Rotorwelle heraus ragt. Hierdurch ist das Lagerelement in einen Bereich versetzt, in dem ein Ausgasen des Schmierstoffs aufgrund des herrschenden geringen Drucks nicht mehr oder nur noch in einem akzeptablen Maß erfolgt. Fliegend gelagerte Rotorwellen weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese ein hohes Gewicht aufweisen, um eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten. Ferner ist die Auskraglänge begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine kostengünstige Lagerung der Rotorwelle einer Turbomolekularpumpe zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Turbomolekularpumpe sind jeweils in den beiden Endbereichen der Rotorwelle Lagerelemente angeordnet. Hierbei kann es sich bei dem vorvakuumseitigen Lagerelement um ein Wälzlager oder ein Magnetlager handeln, wobei die kostengünstigere Ausgestaltung als Wälzlager bevorzugt ist. Erfindungsgemäß ist auch hochvakuumseitig trotz des herrschenden geringen Drucks ein Wälzlager vorgesehen. Dies ist erfindungsgemäß dadurch möglich, dass das hochvakuumseitige Lagerelement in einer Kammer angeordnet ist. Die das Lagerelement im Wesentlichen vollständig umgebende Kammer ist über einen Kanal mit einem Druckbereich verbunden, in dem höherer Druck herrscht. Der Kanal verbindet somit die im Bereich des Hochvakuums vorgesehene Kammer mit einem Bereich in dem ein geringes Vakuum herrscht. Dies hat zur Folge, dass auch innerhalb der Kammer, trotz der Anordnung der Kammer im Hochvakuumbereich nicht der im Hochvakuum herrschende geringe Druck, sondern ein höherer Druck herrscht. Dieser entspricht im Wesentlichen dem Druck, der in dem Druckbereich herrscht, mit dem der Kanal verbunden ist. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Kammer die über einen Kanal mit einem entsprechenden Druckbereich verbunden ist, ist es möglich, die Rotorwelle auch hochvakuumseitig mit Hilfe eines Wälzlagers zu lagern. Hierdurch können die Kosten erheblich reduziert werden. Insbesondere ist es nicht mehr erforderlich, auch beim Vorsehen von Wälzlagern die Rotorwelle fliegend zu lagern und somit die Nachteile eines Kragarms in Kauf nehmen zu müssen.
Vorzugsweise ist der Kanal mit einem Druckbereich verbunden, in dem Druck von mindestens 1·10^–5 mbar, insbesondere mindestens 1·10^–3 mbar herrscht.
Vorzugsweise liegt der Druck in diesem Bereich zwischen 1 mbar und 1·10^–5 mbar. Im Hochvakuumbereich können Drücke von weniger als 1·10^–3, insbesondere weniger als 1·10^–5 mbar und besonders bevorzugt weniger als 1·10^–7 mbar herrschen.
Das hochvakuumseitige Lagerelement lagert die Rotorwelle in dem Pumpengehäuse. Die Kammer ist daher in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von einem mittelbar oder unmittelbar mit dem Gehäuse verbundenen Lageraufnahmeelement ausgebildet. Das Lageraufnahmeelement weist ein sternförmig ausgebildetes Abstützelement auf oder ist vorzugsweise mit einem sternförmig ausgebildeten Abstützelement verbunden, das mit dem Gehäuse verbunden ist. Das insbesondere sternförmig ausgebildete Abstützelement weist somit Öffnungen auf, durch die das zu fördernde Medium gefördert wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere eine vereinfachte Montage gewährleistet, ist die Kammer hochvakuumseitig von einem Deckel verschlossen. Der Deckel ist vorzugsweise mit dem Lageraufnahmeelement verbunden. Somit ist in bevorzugter Ausführungsform die in die Kammer ragende Rotorwelle von dem Deckel überspannt. Das Wellenende ist somit innerhalb der Kammer angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass in diesem Bereich keine Abdichtung zwischen der Welle und dem Deckel erfolgen muss.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Lageraufnahmeelement und dem Rotorelement ein Dichtelement angeordnet. Hierbei handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform um eine berührungslose Dichtung wie eine Labyrinthdichtung. Das Dichtelement ist vorzugsweise in einem durch das Lageraufnahmeelement und das Rotorelement gebildeten Ringspalt angeordnet. Durch eine relativ lange Dichtlänge kann eine gute Dichtigkeit erzielt werden. Ein Dichtspalt des Dichtelements weist in besonderes bevorzugter Ausführungsform einen geringeren Querschnitt als die Querschnittsfläche des Kanals auf. Sofern mehrere Kanäle vorgesehen sind, ist es bevorzugt, dass der Dichtspalt eine geringere Querschnittsfläche aufweist, als die Summe der Querschnittsflächen der Kanäle. Hierdurch ist eine bevorzugte Pumprichtung gewährleistet, da über den Kanal auf der einen Seite des Dichtelements ein Druck anliegt, der im Wesentlichen dem Druck im Bereich der Kanalöffnung, das heißt insbesondere aus einem Vorvakuumbereich entspricht und auf der anderen Seite des Dichtelements Hochvakuum anliegt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dichtelement ein aktives Dichtelement. Hierdurch erfolgt ein Fördern von Medium aus dem Bereich mit geringerem Druck in den Bereich mit höherem Druck. Als aktives Dichtelement kann beispielsweise in einer oder beider der den Ringspalt ausbildenden Wände eine spiralförmige Nut vorgesehen sein. Diese kann insbesondere entsprechend einer Hohlwegpumpe ausgebildet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert, Die 1 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Turbomolekularpumpe mit erfindungsgemäß ausgestalteter Lagerung.
Die vereinfacht dargestellte Turbomolekularpumpe weist eine Rotorwelle 10 auf, die über ein hochvakuumseitiges Lagerelement 12 und eine vorvakuumseitiges Lagerelement 14 in einem Gehäuse 16 drehbar gelagert ist. Die Rotorwelle 10 trägt ein Rotorelement 18 mit mehreren Rotorflügeln 20. Jeweils zwischen zwei benachbarten Rotorflügeln 20 sind Statorflügel 22 angeordnet. Die Statorflügel 22 sind über Statorringe 24 in dem Gehäuse 16 fixiert, so dass im dargestellten Ausführungsbeispiel das Statorelement durch die Statarflügel 22 und die Statorringe 24 ausgebildet ist.
Die Rotorwelle wird im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Elektromotor 26 angetrieben.
Das vorvakuumseitige Lagerelement 14 ist von einem Haltelement 28 getragen. Das Halteelement ist mit dem Gehäuse 16 verbunden und weist einen Auslass 30 der Turbomolekularpumpe auf.
Zur Evakuierung eines mit der Turbomolekularpumpe verbundenen, nicht dargestellten Raums wird das Medium somit aus dem Raum durch einen Einlass 32 der Vakuumpumpe in Richtung des Auslasses 32 gefördert.
Das Lagerelement 12 ist, obwohl es im Hochvakuumbereich 34 angeordnet ist, erfindungsgemäß als Wälzlager ausgestaltet. Dies ist möglich, da das Lagerelement 12 in einer Kammer 36 angeordnet ist. Die Kammer 36, in die das hochvakuumseitige Ende der Rotorwelle 10 ragt, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Lageraufnahmeelement 38 gebildet. In Richtung des Einlasses 32 ist die Kammer 36 durch einen Deckel 40 verschlossen. Der Deckel 40 überspannt das hochvakuumseitige Ende der Rotorwelle 10, so dass diese nicht durch den Deckel 40 hindurch ragt. Der Deckel 40 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Lageraufnahmeelement 38 fest verbunden.
Um den äußeren Lagerring des hochvakuumseitigen Lageelements 12 zu tragen muss das Lageraufnahmeelement 38 mit dem Gehäuse 16 verbunden sein. Dies ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Abstützelement 42, das eine sternförmige Ausgestaltung aufweist, realisiert. Aufgrund der sternförmigen Ausgestaltung des Abstützelements 42 weist diese Öffnungen 44 auf, durch die das Medium von den Rotorflügeln 22 in die Turbomolekularpumpe gesaugt wird.
Zur Anordnung eines Wälzlagers im Hochvakuumbereich 34 ist erfindungsgemäß nicht nur eine Kammer 36 vorgesehen. Ferner ist die Kammer 36 über einen Kanal 46 der in dem Rotorelement angeordnet ist, mit einem Vorvakuumbereich 48 verbunden. Aufgrund der Verbindung der Kammer 36 über den Kanal 46 mit dem Vorvakuumbereich 48 ist sichergestellt, dass innerhalb der Kammer 36 im Wesentlichen der selbe Druck wie im Vorvakuumbereich 48 herrscht. Um zu vermeiden, dass der Druck in der Kammer sinkt und das Schmiermittel des Wälzlagers ausgast, ist ferner ein Dichtelement 50 vorgesehen. Hierzu weist das Lageraufnahmeelement eine sich in Längsrichtung der Pumpe bzw. parallel zur Rotorwelle 10 erstreckende Schulter bzw. Anlagefläche 52 auf. Bei der Fläche 52 handelt es sich somit um eine Mantelfläche eines Zylinders. Der Fläche 52 gegenüberliegend ist parallel zu der Fläche 52 an dem Rotorelement 18 ebenfalls eine zylinderförmige Mantelfläche 54 ausgebildet. Durch die beiden Flächen 52, 54 ist somit ein ringzylinderförmiger Ringspalt 56 ausgebildet. Innerhalb des Ringspaltes 56 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Dichtelement 50 eine Labyrinthdichtung angeordnet. Zusätzlich oder anstelle einer Labyrinthdichtung kann in dem Ringspalt 56 eine aktive Dichtung wie eine Hohlwegstufe ausgebildet sein, die Medium aus dem Hochvakuumbereich 34 in Richtung des Vakuumbereichs 48 fördert.

Claims

Turbomolekularpumpe, mit mindestens einem in einem Gehäuse (16) mittels einer Rotorwelle (10) gelagerten Rotorelement (18) mit mehreren Rotarflügeln (20), mindestens einem in dem Gehäuse (16) angeordneten Statorelement (22, 24) mit mehreren zwischen Rotorflügeln (20) ragenden Statorflügeln (22), und zwei in Endbereichen der Rotorwelle (10) angeordneten Lagerelementen (12, 14), wobei zumindest das hochvakuumseitige Lagerelement (12) als Wälzlager ausbildet ist, und in einer Kammer (36) angeordnet ist, die über mindestens einen Kanal (46) mit einem Druckbereich (48) verbunden ist, in dem ein höherer Druck als im Hochvakuumbereich (34) herrscht,
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Druckbereich (48) mit höherem Druck ein Druck von mindestens 1·10^–5 mbar, insbesondere 1·10^–3 mbar herrscht.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hochvakuumbereich (34) ein Druck von weniger als 1·10^–3 mbar, insbesondere 1·10^–5 mbar und besonders bevorzugt weniger als 1·10^–7 mbar.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (36) zumindest teilweise von einem mittelbar oder unmittelbar mit dem Gehäuse (16) verbundenen Lageraufnahmeelement (38) ausgebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (36) hochvakuumseitig von einem Deckel (40) der vorzugsweise mit dem Lageraufnahmeelement (38) verbunden ist, verschlossen ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lageraufnahmeelement (38) über ein insbesondere sternförmig ausgebildetes Abstützelement (42) mit dem Gehäuse (16) verbunden ist.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lageraufnahmeelement (38) und dem Rotorelement (18) ein Dichtelement (50) angeordnet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (50) in einem durch das Lageraufnahmeelement (38) und das Rotorelement (18) gebildeten Ringspalt (56) angeordnet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (50) eine Labyrinthdichtung aufweist.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtspalt des Dichtelements (50) einen geringere Querschnittsfläche als die Querschnittsfläche des Kanals (46) bzw. als die Summe der Querschnittsflächen mehrere Kanäle (46) aufweist.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement ein aktives Dichtelement aufweist, wobei das aktive Dichtelement insbesondere die Hohlwegstufe umfasst bzw. als Hohlwegstufe ausgebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (46) mit dem Vorvakuumbereich (48) verbunden ist.