DE69109424T2 - Turbovakuumpumpe. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betritt eine Turbovakuumpumpe mit einem Gehäuse, welches eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweist, mit einem in dem Gehäuse angeordneten zylindrischen Rotor mit einer abgestuften Umfangsfläche sowie einer Vielzahl von Schaufeln, welche an den vorstehenden Ecken der Stufen befestigt sind, mit einem Pumpmechanismusabschnitt, in welchem eine Pumpenstufe von einem Stator gebildet wird, der den Schaufeln des Rotors über einen schmalen Spalt hinweg zugewandt ist, und in welchem in treppenartigen Aussparungen innerhalb des Stators Seitenkanalpumpen-Strömungswege vorgesehen sind, mit einer Welle, welche mit dem Rotor verbunden und drehbar von Lagern gelagert ist, und mit einem Motorabschnitt zum Antreiben des Rotors, wobei durch die Einlaßöffnung eingesaugtes Gas durch die Auslaßöffnung in die Atmosphäre abgegeben werden kann.
• Diese gattungsgemäße Turbovakuumpumpe, wie sie in der DE-A- 3 932 228 beschrieben ist, ist so ausgebildet, daß sie eine Auslaßöffnung mit einem Atmosphärendruck hat und die Welle des Pumpenrotors mittels auf zwei Positionen angeordneten und ölgeschmierten Kugellagern trägt und somit die Bereitstellung von Dichtungseinrichtungen zwischen dem Pumpenteil und dem Antriebsteil erforderlich macht, um das Vakuumsystem nicht zu verunreinigen. Als Dichtungseinrichtung wird eine berührungslose Schraubendichtung oder eine berührungslose öldichtung zum Reinigen des zusammengedrückten Gases eingesetzt.
• Die JP-A-2-16389 beschreibt eine Turbomolekularpumpe, die so ausgebildet ist, daß sie an dem unteren Ende der Welle ein hydrodynamisches Radialgaslager und ein hydrodynamisches Axialgaslager und eine Gasdichtung über den hydrodynamischen Gaslagern aufweist, um den Antriebsteil abzudichten. Die Turbomolekularpumpe kann keine Auslaßfunktion ausüben, solange der Förderdruck nicht in einen Druckbereich von weniger als 10&supmin;² Torr fällt, so daß das Innere der Pumpe auf einem Druck gehalten wird, der niedriger als der Atmosphärendruck (z.B. 10&supmin;² Torr) ist.
• Die Turbomolekularpumpe, die Gaslager einsetzt, benötigt daher eine berührungslose Dichtung, da die Gaslager in diesem Fall nicht zufriedenstellend arbeiten.
• Bei einer in der JP-A-1-187396 geoffenbarten Turbovakuumpumpe bilden eine Zentrifugalpumpenstufe und eine Seitenkanalpumpenstufe einen Pumpmechanismusabschnitt, und ein hydrodynamisches Gaslager trägt eine Welle.
• Eine herkömmliche Turbovakuumpumpe gemäß der JP-A-62-2581186 ist mit einem Gehäuse, welches eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweist, wobei sich das Gehäuse zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung erstreckt, mit einer drehbar in dem Gehäuse von einem Lager gelagerten Welle, mit einer Zentrifugalpumpenstufe und einer Seitenkanalpumpenstufe versehen. Die Pumpenstufen der obigen beiden Arten sind nacheinander in dem Gehäuse angeordnet. In dieser Turbovakuumpumpe sind abwechselnd ein Laufrad, eine Statorscheibe, ein weiteres Laufrad und eine weitere Statorscheibe in der Axialrichtung der Pumpe angeordnet. Beide Scheiben müssen zum Einfügen in zwei Hälften geteilt werden. Ein solcher Aufbau ist kompliziert, und wie klein der Aufbau gestaltet werden kann, ist begrenzt. Die Pumpe hat einen vertikalen Achsaufbau, in den Schmieröl aus einem Ölbehälter an dem unteren Ende der Pumpe eingezogen wird, um das Lager zu schmieren. Augrund dieses Aufbaus ist die Anzahl der möglichen Richtungen, von denen aus die Pumpe montiert werden kann, begrenzt. Aufgrund der Verwendung des ölgeschmierten Kugellagers verunreinigt das Öl auch das Innere eines Durchgangs in der Pumpe während ihres langen Einsatzes, auch wenn diese Verunreinigung vernachlässigbar ist.
• Bei einer Turbovakuumpumpe, wie sie in der JP-A-1-267392 geoffenbart ist, wird der Druck in ihrer Auslaßöffnung dem Atmospärendruck gleichgesetzt, um Gas zu fördern, und ein magnetisches Lager, welches kein Schmieröl benötigt, wird als das Lager der Pumpe verwendet. Somit tritt keine durch Öl verursachte Verunreinigung auf, da kein Schmieröl verwendet wird. Das magnetische Lager erfordert jedoch eine große Anzahl sehr teurer Teile, einschließlich einer Steuereinheit. Da die Pumpe einen komplizierten Aufbau hat, ist es schwierig, ihre Größe zu verringern.
• Ziel der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Turbovakuumpumpe zu schaffen, deren Aufbau kompakt und die einfach zu handhaben ist.
• Dieses Ziel wird mit der gattungsgemäßen Turbovakuumpumpe dadurch erreicht, daß ihre Lager aus einem radialen Gaslager und einem fettgeschmierten Kugellager bestehen.
• Bei der Turbovakuumpumpe der vorliegenden Erfindung wird die Welle des Pumpenrotors von einem radialen Gaslager und einem fettgeschmierten Kugellager gelagert. Insbesondere wird die Belastung in Radialrichtung von dem radialen Gaslager und dem fettgeschmierte Kugellager und die Belastung in Axialrichtung durch das fettgeschmierte Kugellager aufgenommen. In dem Pumpengehäuse und in der Auslaßöffnung herrscht Atmosphärendruck, so daß das Gaslager zufriedenstellend arbeitet. Darüber hinaus wird das Schmieröl für den Antriebsteil überhaupt nicht verwendet, so daß keine spezielle Dichtung notwendig ist.
• Das radiale Gaslager ist vorteilhafterweise ein hydrodynamisches Gaslager.
• Aus Gründen der Zwechmäßigkeit ist in dem Motorabschnitt eine Einrichtung zum Kühlen von Luft vorgesehen.
• Vorzugsweise ist auf der Seite einer Ansaugöffnung einer Seitenkanalpumpenstufe eine Schraubennutpumpenstufe vorgesehen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
• Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht ist, welche eine erste Ausführungsform einer Turbovakuumpumpe zeigt,
• Fig. 2a eine vergrößerte vertikale Schnittansicht ist, welche einen Abschnitt um die Schaufeln eines in Fig. 1 dargestellten Seitenkanalpumpenlaufrades zeigt,
• Fig. 2b eine vergrößerte horizontale Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 2a ist,
• Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht ist, welche eine zweite Ausführungsform einer Turbovakuumpumpe zeigt, und
• Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht ist, welche eine dritte Ausführungsform einer Turbovakuumpumpe zeigt.
• Die in Fig. 1 gezeigte Turbovakuumpumpe ist mit einem Pumpmechanismusabschnitt und einem Antriebsabschnitt versehen. Der Pumpmechanismusabschnitt ist Aus einem Seitenkanalpumpenlaufrad 30, einem Stator 31 und einem Deckel 32 zusammengesetzt. Der Antriebsabschnitt ist aus einer Welle 13 und einem HF- Motor 16 aufgebaut, der um die Welle 13 herum angeordnet ist.
• Die Welle 13 ist drehbar von einem hydrodynamischen radialen Gaslager 33 und einem fettgeschmierten Kugellager 38 gelagert, wobei beide Lager in einem Gehäuse 11 aufgenommen sind.
• Das Seitenkanalpumpenlaufrad 30 ist als ein Zylinder mit Stufen geformt. Eine Vielzahl von Schaufeln 35 ist an vorstehenden Ecken der Stufen befestigt. Wie in Fig. 2a und 2b gezeigt, ist der Stator 31 dem Laufrad 30 über einen schmalen Spalt dazwischen zugewandt. Um jede Ecke ist eine Trennwand 37 in einem Abschnitt einer Umfangsrichtung eines Gasdurchgangs 36 so vorgesehen, daß sie die Schaufeln 35 des Laufrads 30 umgibt. An der Vorderseite jeder Trennwand 37 ist eine Ansaugöffnung 36A ausgebildet, und an der Rückseite jeder Trennwand 37 ist eine Förderöffnung 36B ausgebildet, wo sich das Seitenkanalpumpenlaufrad 30 dreht. Die Position der Ansaugöffnung 36A einer bestimmten Stufe weicht von der einer anderen Ansaugöffnung 36A der nächsten Stufe ab; ebenso weicht die Position der Förderöffnung 36B einer bestimmten Stufe von der einer anderen Förderöffnung 36B der nächsten Stufe ab. Die Ansaugöffnung 36A einer bestimmten Stufe ist in Reihe mit der Förderöffnung 36B der vorhergehenden Stufe verbunden. Da das Seitenkanalpumpenlaufrad 30 auf jeder Stufe dem Stator 31 zugewandt ist, können diese Elemente einstückig miteinander ausgebildet sein. Auf der Fläche des hydrodynamischen radialen Gaslagers 33 sind Nuten (nicht gezeigt) ausgebildet.
• Das hydrodynamische radiale Gaslager 33 nimmt die Schwingungen und die Belastung der Welle 13 in der Radialrichtung der Welle 13 berührungslos auf. Das fettgeschmierte Kugellager 38 nimmt die Schwingungen und die Belastung der Welle 13 in der Axialrichtung der Welle 13 auf. Aufgrund der einstückigen Ausbildung des Seitenkanalpumpenlaufrades 30 mit dem Stator 31 ist es möglich, die Genauigkeit, mit der diese beiden Elemente spanabhebend bearbeitet werden, zu verbessern. Durch den Einsatz des hydrodynamischen radialen Gaslagers 33 wird der Durchmesser und somit die Steifigkeit der Welle 13 vergrößert, was zu einer Verbesserung der Schwingungseigenschaften führt. Der HF-Motor 16, der in einem Stück mit der Welle 13 ausgebildet ist, kann das Seitenkanalpumpenlaufrad 30 mit einer hohen Drehzahl antreiben.
• Da das Seitenkanalpumpenlaufrad 30 mit einer hohen Drehzahl arbeitet, strömt durch eine Einlaßöffnung 11A angesaugtes Gas durch die Ansaugöffnung 36A der ersten Stufe in den Gasdurchgang 36. Wenn das Gas zu den Schaufeln 35 des Laufrades 30 strömt, bringen die mit einer hohen Drehzahl rotierenden Schaufeln 35 das Gas mit Geschwindigkeit in die Umfangsrichtung des Laufrades 30. Eine Zentrifugalkraft fördert das Gas zwischen den Schaufeln 35 in die Radialrichtung des Laufrades 30. Wenn die Geschwindigkeit des Gases an dem Gasdurchgang 36 abnimmt und der Druck wieder aufgebaut wird, strömt das Gas wieder zwischen den Schaufeln 35 und bildet einen Wirbel. Das Gas durchläuft den oben genannten Vorgang so oft wie Stufen vorhanden sind, während es durch den Gasdurchgang 36 von der Ansaugöffnung 36A zu der Förderöffnung 36B jeder Stufe strömt. Das Gas strömt spiralförmig durch den Gasdurchgang 36, während es die Energie von dem Seitenkanalpumpenlaufrad 30 vollständig erhält. Es wird dann durch eine mit der Förderöffnung 36B der letzten Stufe verbundene Auslaßöffnung 11B in die Atmosphäre abgegeben.
• Wie oben beschrieben, erreicht das Seitenkanalpumpenlaufrad 30 ein hohes Kompressionsverhältnis, so daß es dem Gas kinetische Energie verleiht, die in statischen Druck umgewandelt wird. Wenn es möglich ist, das Seitenkanalpumpenlaufrad 30 mit einer hohen Drehzahl zu drehen, ist es daher auch möglich, die Leistung der Pumpe zu verbessern. Die Wellenleistung der Turbovakuumpumpe ist proportional zu der dritten Potenz der Drehzahl und der fünften Potenz des Durchmessers des Laufrades. Wenn also das Seitenkanalpumpenlaufrad kompakt ausgelegt wird, um sich mit einer höheren Drehzahl zu drehen, kann die Wellenleistung reduziert werden, ohne die Leistung der Turbovakuumpumpe zu verändern; die Größe der Turbovakuumpumpe kann verringert werden; und es kann ein HF-Motor 16 mit einer geringeren Kapazität eingesetzt werden.
• Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist eine Schraubennutpumpenstufe 41 zusätzlich zu einer Seitenkanalpumpenstufe 40 vogesehen, welche aus dem Seitenkanalpumpenlaufrad 30 und dem Stator 31, gezeigt in Fig. 1, zusammengesetzt ist. Wie bereits beschrieben, liefert die Seitenkanalpumpenstufe 40 Gas mit kinetischer Energie für die Umwandlung in Druck. Dadurch kann ein hohes Kompressionsverhältnis erreicht werden. Somit kann die Leistung der Pumpe in dem Druckbereich einer viskosen Strömung steigen. Sie sinkt jedoch in den Druckbereichen der Zwischen- und Molekularströmungen. Der Enddruck der Vakuumpumpe ist auf einen Bereich mit geringem Vakuum begrenzt.
• Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist die Schraubennutpumpenstufe 41, welche wirksam mit den Zwischen- und Molekularströmungen arbeitet, auf der Niederdruckseite der Seitenkanalpumpenstufe 40 eingebaut, um den Enddruck sogar in dem Druckbereich der Molekularströmung zu erzielen. Eine Zentrifugalpumpenstufe, eine Axialpumpenstufe oder dergleichen wird als eine wirksam mit den Zwischen- und Molekularströmungen arbeitende Pumpenstufe eingesetzt. Diese Stufen müssen jedoch einen Aufbau haben, bei dem ein Stator für dessen Einbau in zwei Hälften geteilt ist, so daß es schwierig ist, die Genauigkeit beizubehalten, mit der die Stufen spanabhebend bearbeitet werden. Die Stufen eignen sich also nicht für eine kleinere, mit einer höheren Drehzahl arbeitenden Pumpe. Bei dieser Ausführungsform kann der Enddruck der Turbovakuumpumpe aufgrund der Seitenkanalpumpenstufe 40 und der Schraubennutenpumpenstufe 41 erhöht werden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist ein Gebläse 39 in einem Gehäuse 11 vorgesehen, in dem ein hydrodynamisches radiales Gaslager 33 und ein fettgeschmiertes Kugellager 38 aufgenommen sind.
• Diese Ausführungsform kann die durch einen HF-Motor 16 und das fettgeschmierte Kugellager 38 erzeugte Wärme wirksam abführen. Es ist somit möglich, die Veränderung des Fettes zu verringern und die Lebensdauer der Lager zu erhöhen.

Claims (4)

1. Turbovakuumpumpe

- mit einem Gehäuse (11), welches eine Einlaßöffnung (11A) und eine Auslaßöffnung (11B) aufweist,

- mit einem in dem Gehäuse (11) angeordneten zylindrischen Rotor (30) mit einer abgestuften Umfangsfläche sowie einer Vielzahl von Schaufeln (35), welche an den vorstehenden Ecken der Stufen befestigt sind,

- mit einem Pumpmechanismusabschnitt, in welchem eine Pumpenstufe von einem Stator (31) gebildet wird, der den Schaufeln (35) des Rotors (30) über einen schmalen Spalt hinweg zugewandt ist, und in welchem in treppenartigen Aussparungen innerhalb des Stators (31) Seitenkanalpumpen-Strömungswege vorgesehen sind;

- mit einer Welle (13), welche mit dem Rotor (30) verbunden und drehbar von Lagern (33, 38) gelagert ist, und

- mit einem Motorabschnitt (16) zum Antreiben des Rotors (30),

- wobei durch die Einlaßöffnung (11A) eingesaugtes Gas durch die Auslaßöffnung (11B) in die Atmosphäre abgegeben werden kann,

dadurch gekennzeichnet, - daß die Lager aus einem radialen Gaslager (33) und einem fettgeschmierten Kugellager (38) bestehen.

2. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 1, bei welcher das radiale Gaslager (33) ein hydrodynamisches Gaslager ist.

3. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher in dem Motorabschnitt (16) eine Einrichtung (39) zum Kühlen von Luft vorgesehen ist.

4. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher auf der Seite einer Luftzuführöffnung (36A) einer Seitenkanalpumpenstufe (40) eine Schraubennut-Pumpenstufe (41) vorgesehen ist.