DE3722164A1 - Turbomolekularpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit Rotor- und Statorscheiben, welche abwechselnd hintereinander angeordnet sind, wobei die Statorscheiben durch Distanzringe voneinander getrennt sind.

Rotor- und Statorscheiben von Turbomolekularpumpen bestehen im allgemeinen jeweils aus einem inneren Tragring, welcher auf der Außenseite mit Schaufeln bestückt ist. Die Schaufeln der Rotor­ scheiben, welche mit hoher Geschwindigkeit umlaufen, ergeben im Zusammenwirken mit den Statorschaufeln den Pumpeffekt. Durch Distanzringe, welche am äußeren Umfang zwischen den Stator­ scheiben liegen, werden diese so auf Abstand gehalten, daß die Rotorscheiben zwischen ihnen berührungsfrei rotieren können. Statorscheiben und Distanzringe bilden so gemeinsam den Stator, welcher durch die Innenwand des Pumpengehäuses zentriert wird.

Der Raum, welcher durch die Innenwand des Pumpengehäuses einer­ seits und Statorscheiben und Distanzringe andererseits begrenzt wird, stellt in bezug auf die Rückströmung eine äußerst kriti­ sche Stelle bei Turbomolekularpumpen dar. Da zwischen Vorvaku­ umseite und Hochvakuumseite der Pumpe während des Betriebes ein extrem hohes Druckverhältnis von der Größe vieler Zehnerpoten­ zen (z.B. 10^-10) aufgebaut wird, genügen winzige Gasmengen, um das Druckverhältnis und somit das Endvakuum der Pumpe um Grö­ ßenordnungen zu reduzieren. Selbst wenn die Innenwand des Pum­ pengehäuses sowie die Außenflächen der Statorscheiben und der Distanzringe mit großem Aufwand sorgfältigst bearbeitet werden, ist es nicht zu vermeiden, daß geringe Mengen von Gas über die unvermeidlichen Restzwischenräume entgegen der Pumprichtung auf die Hochvakuumseite gelangen.

Der Aufbau eines Stators für eine Turbomolekularpumpe, welcher im wesentlichen äus Statorscheiben und Distanzringen besteht, wird in der DE-AS 25 23 390 beschrieben. Bei der Konstruktion sind in den Statorschaufelkränzen, welche sich zwischen den Distanzringen befinden, Aussparungen angebracht. Durch diese Aussparungen ragen Bolzen, die den Abstand der jeweils benach­ barten Distanzringe fixieren. Somit wird der Raum zwischen der Innenwand des Gehäuses einerseits und Statorscheiben und Di­ stanzringen andererseits über die Statorscheiben mit dem Pum­ penraum verbunden. Dadurch kann das Gas, welches von der Vor­ vakuumseite entgegen der Pumprichtung zur Hochvakuumseite strömt, wieder abgepumpt werden, bevor es die Hochvakuumseite erreicht.

Die in der DE-AS 25 23 390 dargestellte Konstruktion stellt eine komplizierte und aufwendige Lösung des Problems dar, Sta­ torscheiben und Distanzringe präzise zu stapeln und gleichzei­ tig die Rückströmung zu unterbinden. Neben dem Fräsen der Aus­ nehmungen in die Statorscheiben in einem gesonderten Arbeits­ gang müssen zum Beispiel die Bolzen, welche den Abstand der Distanzringe fixieren, sehr genau gefertigt und auf den Di­ stanzringen angebracht werden. Dies ist umso kritischer, als sich bei der Stapelung die Ungenauigkeiten von Bolzen und Distanzringen addieren. Beim Befestigen der Bolzen in Löchern der Distanzringe entstehen winzige Hohlräume, in welchen unter höherem Druck kleine Gasmengen eingeschlossen werden, die später beim Betrieb der Pumpe wieder frei werden und das Vakuum verschlechtern. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß am äußeren Rand des Stators immer abwechselnd eine Sta­ torscheibe und ein Distanzringe vorhanden ist. An den Stel­ len, wo die Statorscheiben an die Innenwand des Gehäuses grenzen, ist der Leitwert für die Rückströmung besonders groß, da diese nicht über die ganze Fläche eng an der Innen­ wand des Gehäuses anliegen wie die Distanzringe.

Aus DE-OS 22 14 702 ist bekannt, die Rückströmung durch Dich­ tungsringe, welche an verschiedenen Stellen zwischen der In­ nenwand des Pumpengehäuses und dem Stator angebracht sind, zu unterbinden. Zur Erzeugung eines Hoch- oder Ultrahochvakuums ist dies jedoch eine ungeeignete Lösung, da diese Dichtringe Gas abgeben. Außerdem gibt es Probleme bei höheren Temperatu­ ren, da Turbomolekularpumpen in der Regel zur Erzeugung eines guten Vakuums ausgeheizt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stator einer Tur­ bomolekuparpumpe derart zu gestalten, daß er die Anforderungen an einen sicheren und präzisen Lauf des Rotors und an eine wirksame Reduzierung der Rückströmung erfüllt. Darüberhinaus soll eine gegenüber dem Stand der Technik einfachere und bil­ ligere Fertigung der Distanzringe und der Statorscheiben sowie eine unkompliziertere Montage der gesamten Pumpeneinheit er­ reicht werden. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 beschreiben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Durch derart gestaltete Distanzringe wird erreicht, daß die Statorscheiben mit einem genau definierten Abstand fixiert sind, so daß die Rotorscheiben zwischen ihnen sicher und prä­ zise rotieren können. Die erfindungsgemäßen Kanäle, welche sich nach dem Zusammenbau am Umfang des Stators zwischen die­ sem und der Innenwand des Pumpengehäuses befinden, dienen als Räume, in denen sich das rückströmende Gas sammelt. Durch die erfindungsgemäßen radialen Ausnehmungen gelangt das Gas in den Pumpenraum zwischen Stator- und Rotorscheiben und kann so wie­ der zur Vorvakuumseite befördert werden. Der Gesamtleitwert für die Rückströmung wird verringert, da die äußeren Flächen der Distanzringe nicht abwechselnd durch den Teil der Stator­ scheiben getrennt sind, welcher durch Schaufeln gebildet wird, die einen hohen Leitwert für die Rückströmung in diesem Be­ reich verursachen. Die Ringe mit den Eindrehungen und radialen Ausnehmungen können auf einer Drehmaschine während einer ein­ zigen Einspannung mit den notwendigen Werkzeugen aus einem Rohr gefertigt werden.

Bei dem in Anspruch 2 beschriebenen Aufbau des Stators werden die Statorscheiben in Eindrehungen am Innendurchmesser der Di­ stanzringe gehalten. Dadurch wird ermöglicht, daß der Radius der Statorscheiben etwas kleiner sein kann, als der Radius der inneren Eindrehungen, was für den Fall einer thermischen Aus­ dehnung des Stators von Vorteil ist. In diesem Fall gibt es bei dem Statoraufbau herkömmlicher Art Schwierigkeiten, da hier die Statorscheiben bis direkt an die Innenwand des Pum­ pengehäuses reichen müssen, um die Rückströmung zu reduzieren.

Die Ansprüche 3 bis 5 beschreiben einen Aufbau, bei dem z.Bsp. gestanzte Statorscheiben, welche einen dünnen Tragring am Außendurchmesser besitzen, zwischen den Distanzringen gehalten werden. Um die Rückströmung zwischen Rotor- und Statorscheiben im Bereich zwischen dem äußeren Rand der Statorscheiben und den voll ausgebildeten Statorschaufeln zu reduzieren, ragt dieser Bereich, wie in Anspruch 4 beschrieben, in am Innen­ durchmesser der Distanzringe umlaufenden Eindrehungen. Zusätz­ lich können die Statorscheiben in diesem Bereich zwischen den Distanzringen zwecks Einbaulage und Stabilität fixiert werden. Dieses Merkmal ist in Anspruch 5 beschrieben.

Anhand der folgenden Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der die Statorscheiben in Eindrehungen der Distanzringe gehalten werden Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anodnung, bei der die Statorscheiben zwischen den Stirnflächen der Distanzringe gehalten werden Fig. 3 Distanzring in Draufsicht Fig. 4 Distanzring im Schnitt und in Seitenansicht Fig. 1 und 2 zeigen links im Schnitt und rechts in der Ansicht einen Ausschnitt aus dem Inneren einer Turbomoelekularpumpe.

Dabei sind die Rotorscheiben mit 1 und die Statorscheiben mit 2 bezeichnet. Die Statorscheiben werden durch die erfindungs­ gemäßen Distanzringe 3 getrennt. Statorscheiben und Distanz­ ringe bilden so gemeinsam den Stator, welcher an der Innenwand 4 des Pumpengehäuses zentriert ist. Die Distanzringe besitzen auf einer oder beiden Stirnseiten am Außendurchmesser umlaufen­ de Eindrehungen 5. Diese Eindrehungen bilden Kanäle zwischen den Distanzringen und der Innenwand des Pumpengehäuses, welche durch radiale Ausnehmungen 6 mit dem Pumpenraum 8 verbunden sind.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kommen Sta­ torscheiben 2 zur Anwendung, die beispielsweise durch Fräsen hergestellt wurden und deren Schaufeln bis zum äußeren Rand reichen. Diese Scheiben werden durch Eindrehungen 7 am Innen­ durchmesser der Distanzringe 3 axial und radial fixiert. Dabei bleibt zwischen dem Innendurchmesser der Eindrehungen und dem Außendurchmesser der Statorscheiben zur Aufnahme thermischer Ausdehnung ein Spalt 12.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kommen Sta­ torscheiben 2 zur Anwendung, die beispielsweise aus dünnem Blech durch Stanzen hergestellt werden. Diese sind von einem äußeren flachen Rand 9 und von einem Übergangsbereich 10 zwi­ schen diesen und den voll ausgebildeten Schaufeln umgeben. Dieser äußere flache Rand wird zwischen den Stirnflächen der Distanzringe 3 gehalten. Der Übergangsbereich 10 ragt in die am Innendurchmesser der Distanzringe umlaufenden Ein­ drehungen 7. Die Statorscheiben 2 können zusätzlich an der Stelle des größten Durchmessers 11 der voll ausgebildeten Schaufeln fixiert werden.

Die am Außendurchmesser und am Innendurchmesser umlaufenden Eindrehungen 5 und 7 sind in den angeführten Ausführungs­ beispielen mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, so wie die radialen Ausnehmungen 6 mit dreieckigem Querschnitt dargestellt sind. Die Eindrehungen 5 und 7 und die Aus­ nehmungen 6 können jedoch auch jeden beliebigen anderen Querschnitt aufweisen.

Claims (5)

1. Turbomolekularpumpe mit Rotor und Statorscheiben, welche abwechselnd hintereinander angeordnet sind, wobei die Sta­ torscheiben durch Distanzringe voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzringe (3) auf einer oder beiden Stirnseiten am Außendurchmesser umlaufende Eindrehungen (5) aufweisen, wodurch zwischen Distanzringen und Innenseite (4) des Gehäuses Kanäle entstehen und auf einer oder beiden Stirnseiten der Distanzringe Ausnehmun­ gen (6) in radialer Richtung vorhanden sind, welche eine Verbindung zwischen den Kanälen und dem Pumpenraum (8) herstellen.

2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Distanzringe auf einer oder beiden Stirnsei­ ten am Innendurchmesser umlaufende Eindrehungen (7) auf­ weisen, welche die Statorscheiben mit dem äußeren Ende ihrer Schaufeln aufnehmen.

3. Turbomolekularpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorscheiben mit ihrem äußeren Rand (9) zwischen den Stirnflächen der Distanzringe gehal­ ten werden.

4. Turbomolekularpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (10) der Stator­ scheibe zwischen dem äußeren Rand und den voll ausgebil­ deten Schaufeln in die am Innendurchmesser der Distanz­ ringe umlaufenden Eindrehungen hineinragt.

5. Turbomolekularpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorscheiben an der Stelle des größten Durchmessers (11) der voll ausgebildeten Schau­ feln in den am Innendurchmesser der Distanzringe umlau­ fenden Eindrehungen gehalten werden.