EP2251547A2 - Vakuumpumpe - Google Patents
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- F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps
Definitions
- the invention relates to a vacuum pump according to the preamble of the first claim.
- Vacuum pumps with side channel pumping stages are known in the art and are gaining increasing economic importance. When used in a turbomolecular pump, a side channel pumping stage allows the turbomolecular pump to be ejected against higher pressures. Vacuum pumps with Holweck and side channel pumping stage achieve ultimate pressures in the molecular flow range in very compact sizes.
- An example of such a vacuum pump is the DE 19930952 A1 which is equipped in the intake with a parallel working Holweckpump note and in the gas stream subsequently with a plurality of side channel pumping stages.
- the impellers used in these bykanalpumpgen are simple: the blades of the disc-shaped impeller are arranged at the edge and are in the radial direction of the disc from. Between the blades a center bar runs around, which has the full blade height along the entire impeller circumference.
- the vacuum characteristics of the side channel pumping stage in particular the suction capacity and the pressure ratio between inlet and outlet, depend on the design of the blades, the channel and the gap between rotating and stationary parts. As a rule, good vacuum characteristics lead to rising production costs.
- the geometry of the blade according to claim 1 is inexpensive to produce. Compared to the prior art mentioned above, an angle between at least one partial blade and the direction of movement of the blade of less than 90 ° results in an improvement in the pressure ratio between inlet and outlet of the side channel pumping stage in the region of the rough vacuum.
- the vacuum pump 1 of the embodiment is shown in FIG Fig. 1 , shown in longitudinal section.
- the housing of the vacuum pump provided with a gas inlet 2 and a gas outlet 3 has a plurality of housing parts 20, 21, 22 and 23, in which the components described below are accommodated.
- the gas first passes into the molecular pump stage 4, which is designed here according to Holweck design.
- This comprises an inner stator 405 with an inner thread groove 407 and an outer stator 406 with an outer thread groove 408.
- the thread grooves run helically and cooperate with a rotating cylinder 402 located between inner stator and outer stator in such a way that a pumping action occurs in the molecular flow region.
- the cylinder is mounted on a carrier 400, which in turn is connected to the shaft 8.
- the molecular pumping stage is symmetrical and has a second cylinder 402 'which cooperates with associated stator components. This design results in a parallel conveying mechanism.
- the shaft is rotated by a drive 7 in rotation.
- This drive comprises an electric coil 12 on the stator side and a permanent magnet 13 on the shaft side.
- the shaft is mounted in roller bearings 10 and 11.
- the gas From the molecular pump stage, the gas enters downstream through the first transfer channel 24 into a high-vacuum-side side channel stage 5.
- This has a rotor 500, which is provided with at least one rotor blade. This runs in the side channel 501.
- the gas further compressed in this pumping stage is transferred via the second transfer channel 25 to the side channel pumping stage 6, where it is further compressed and finally discharged via the gas outlet from the vacuum pump.
- Fig. 2 the side channel pumping stage 6 is shown in a section along the line II '.
- the housing part 22, which houses the side channel pumping stage, has an annular side channel 601.
- the ring of this side channel is interrupted by a breaker 604. This separates the intake and discharge side of each other and triggers the guided on the impeller gas flow from this.
- in the Side channel runs around the at least one blade 602, which is arranged at the edge 603 of the impeller 600. It extends at this edge in the radial direction.
- the impeller is rotated by the shaft 8 and gas enters the side channel through the transfer channel 25, it is moved with the blade along the channel.
- This entrainment of the gas in the circumferential direction ends at the Abtreifer 604. At this the gas is transferred to the subsequent channel. This then leads to a further pumping stage or to the gas outlet 3.
- the design of the blade of the impeller is in Fig. 3 shown in a view of the edge.
- the blade 602 has a first partial blade 621 and a second partial blade 622.
- Each of these vanes has a partial bucket back 625 and 626.
- At least one of these two vanes forms an angle 615 of less than 90 ° with the direction of travel 607 of the bucket. It is advantageous if both partial blades are inclined at such an angle and together form an open V in the direction of movement. This measure increases the pressure ratio, which can be achieved with the blade.
- a further increase is achieved by the chamfer 616, which are provided on the partial blade rear sides 625 and 626 and on which lie in the plane of the impeller outer edge of the sub-blades.
- a saw blade saws the edge of the impeller and is inclined against the axis of rotation of the impeller, ie the axis of rotation is not in the plane of the saw blade.
- the impeller has in addition to the blade 602 still another blade 612, which is advantageously designed similar. Between the blades 602 and 612, a central web 630 is arranged.
- the design of the Mittelsteges is based Fig. 4 clarified. This shows a section along the line II-II '.
- the central web 630 is disposed between the blades 602 and 612. Its height 631 is at least partially smaller than the blade height 632, so that a continuous space between the blades is formed. This leads to an improved pressure ratio.
- the geometry is in turn easily produced by sawing. During sawing, the saw blade plunges over the center of the edge of the impeller and removes the material of the center bar. If the saw blade is inclined as described above, a sawing process results in a geometry in which the higher part of the central web is arranged in front of the blade 602 in relation to the direction of movement 607.
- a further development of the shovel shows the top view of the edge of the impeller in Fig. 5 ,
- the blade 602 has two partial blades 651 and 652.
- Each of the sub-blades has a partial bucket rear 653 and 654.
- a chamfer 656 is arranged, which lies on the lying in the plane of the impeller outer edge of the sub-blade.
- the sub-blades form an angle 615 'of less than 90 ° with the direction of movement 607.
- the sub-blades are offset by an offset 661 in the direction of movement against each other.
- the partial vane backs extend beyond the center 660 of the impeller.
- FIG. 6 is a view of the edge of the rotor of the high-vacuum side side channel pumping stage 5 shown.
- the blade 502 arranged at the edge of the rotor has partial blades 551 and 552 with a partial rear side 513.
- a chamfer is provided at the back part of the bucket.
- FIGS. 3 to 6 shown structures are repeated several times and occur along the circumference of the impeller in an integer multiple.
- the combination of a molecular pumping stage 4 with a high-vacuum side-channel pumping stage, which after a Fig. 6 designed rotor having, and with a side channel pumping stage, the impeller having the features of the FIGS. 3 to 5 has, results in a cost-effectively manufacturable, compact vacuum pump with improved vacuum characteristics.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
- Vakuumpumpen mit Seitenkanalpumpstufen sind im Stand der Technik bekannt und erlangen zunehmend wirtschaftliche Bedeutung. Beim Einsatz in einer Turbomolekularpumpe ermöglicht eine Seitenkanalpumpstufe, die Turbomolekularpumpe gegen höhere Drucke ausstoßen zu lassen. Vakuumpumpen mit Holweck- und Seitenkanalpumpstufe erreichen bei sehr kompakten Baugrößen Enddrücke im molekularen Strömungsbereich. Ein Beispiel für eine solche Vakuumpumpe gibt die
DE 19930952 A1 an, die im Ansaugbereich mit einer parallel arbeitenden Holweckpumpstufe und im Gasstrom nachfolgend mit einer Mehrzahl von Seitenkanalpumpstufen ausgestattet ist. Die in diesen Seitenkanalpumpstufen verwendeten Laufräder sind einfach gestaltet: die Schaufeln des scheibenförmigen Laufrades sind an dessen Rand angeordnet und stehen in radialer Richtung von der Scheibe ab. Zwischen den Schaufeln läuft ein Mittelsteg um, der entlang des ganzen Laufradumfangs die volle Schaufelhöhe besitzt. - Die Vakuumkennwerte der Seitenkanalpumpstufe, insbesondere Saugvermögen und Druckverhältnis zwischen Einlass und Auslass, hängen von der Gestaltung der Schaufeln, des Kanals und der Spalte zwischen rotierenden und stehenden Teile ab. In der Regel führen gute Vakuumkennwerte zu steigenden Herstellkosten.
- Andererseits besteht die Notwendigkeit, die Kosten für die Herstellung der pumpaktiven Teile der Seitenkanalpumpe gering zu halten.
- Das oben beschriebene Laufrad stellt bisher einen guten Kompromiss dar, für den jedoch eine Verbesserung gesucht wird.
- Es ist daher Aufgabe, eine Vakuumpumpe zu schaffen, deren Seitenkanalpumpstufe verbesserte Vakuumkennwerte und gleichzeitig eine einfach herzustellende Geometrie der pumpaktiven Bauteile besitzt.
- Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.
- Die Geometrie der Schaufel nach Anspruch 1 ist kostengünstig herstellbar. Im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik ergibt sich durch einen Winkel zwischen wenigstens einer Teilschaufel und der Bewegungsrichtung der Schaufel von weniger als 90° eine Verbesserung des Druckverhältnisses zwischen Einlass und Auslass der Seitenkanalpumpstufe im Bereich des Grobvakuums.
- Dieser Vorteil wird vertieft, wenn zusätzlich ein Mittelsteg zwischen benachbarten Schaufeln wenigstens abschnittsweise eine geringere Höhe als die Schaufel aufweist.
- Eine zusätzliche Verbesserung der Vakuumkennwerte, insbesondere des Druckverhältnisses, wird erzielt, wenn wenigstens eine Teilschaufel eine in Bezug zur Drehrichtung nacheilende Rückseite aufweist, die sich über die Mitte des Randes des Laufrades erstreckt.
- Eine zusätzliche Ausweitung des Vorteils wird erreicht, wenn an der Rückseite der Schaufel eine Fase angebracht ist.
- Vorteilhaft und das Ergebnis weiter verbessernd wirkt ein Versatz der Teilschaufeln in Umfangsrichtung.
- Eine vorteilhafte Kombination ergibt sich, wenn die Seitenkanalpumpstufe im Gasstrom hinter einer weiteren Seitenkanalpumpstufe angeordnet ist, welche einen Rotor mit einer Rotorschaufel beinhaltet, welche an einer in Bezug zur Drehrichtung zurückliegenden Seite eine Fase aufweist. Diese Wahl der Schaufelgestaltungen erlaubt eine verringerte Zahl an Seitenkanalpumpstufen im Vergleich zum Stand der Technik und reduziert daher die Herstellkosten bei verbesserten Vakuumkennwerten.
- An Hand eines Ausführungsbeispiels seiner Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
Es zeigen: - Fig. 1:
- Schnitt in Wellenrichtung durch eine Vakuumpumpe mit einer Seitenkanalpumpstufe.
- Fig. 2:
- Schnitt quer zur Wellenachse durch die Seitenkanalpumpstufe entlang I-I'.
- Fig. 3:
- Blick auf ein Laufrad mit erster und zweiter Schaufel.
- Fig. 4:
- Schnitt durch das Laufrad mit erster und zweiter Schaufel entlang der Linie II-II'.
- Fig. 5:
- Sicht auf einen Abschnitt mit einigen Schaufeln in einer Weiterbildung.
- Fig. 6:
- Sicht auf einen Abschnitt des Rotors einer weiteren Pumpstufe.
- Die Vakuumpumpe 1 des Ausführungsbeispiels ist in
Fig. 1 . im Längsschnitt gezeigt. Das mit einem Gaseinlass 2 und einem Gasauslass 3 versehene Gehäuse der Vakuumpumpe weist mehrere Gehäuseteile 20, 21, 22 und 23 auf, in denen die nachfolgend beschriebenen Komponenten untergebracht sind. - Durch den Gaseinlass gelangt das Gas zunächst in die molekulare Pumpstufe 4, die hier nach Holweck-Bauart gestaltet ist. Diese umfasst einen Innenstator 405 mit einer inneren Gewindenut 407 und einen Außenstator 406 mit einer äußeren Gewindenut 408. Die Gewindenuten verlaufen schraubengangartig und wirken mit einem zwischen Innenstator und Außenstator befindlichen, rotierenden Zylinder 402 derart zusammen, dass sich im molekularen Strömungsbereich eine Pumpwirkung einstellt. Der Zylinder ist auf einem Träger 400 angebracht, welcher seinerseits mit der Welle 8 verbunden ist. Die molekulare Pumpstufe ist symmetrisch aufgebaut und weist einen zweiten Zylinder 402' auf, der mit ihr zugeordneten Statorbauteilen zusammenwirkt. Durch diese Gestaltung ergibt sich ein paralleler Fördermechanismus.
- Die Welle wird von einem Antrieb 7 in Drehung versetzt. Dieser Antrieb umfasst statorseitig eine elektrische Spule 12 und wellenseitig einen Permanentmagneten 13. Gelagert ist die Welle in Wälzlagern 10 und 11.
- Aus der molekularen Pumpstufe tritt das Gas stromabwärts durch den ersten Übergabekanal 24 in eine hochvakuumseitige Seitenkanalstufe 5 ein. Diese weist einen Rotor 500 auf, welcher mit wenigstens einer Rotorschaufel versehen ist. Diese läuft in dem Seitenkanal 501 um. Das in dieser Pumpstufe weiter verdichtete Gas wird über den zweiten Übergabekanal 25 an die Seitenkanalpumpstufe 6 übergeben, dort weiterverdichtet und schließlich über den Gasauslass aus der Vakuumpumpe ausgestoßen.
- In
Fig. 2 ist die Seitenkanalpumpstufe 6 in einem Schnitt entlang der Linie I-I' gezeigt. Das Gehäuseteil 22, welches die Seitenkanalpumpstufe beherbergt, weist einen ringförmigen Seitenkanal 601 auf. Der Ring dieses Seitenkanals wird von einem Unterbrecher 604 unterbrochen. Dieser trennt Ansaug- und Ausstoßseite von einander und löst den am Laufrad geführten Gasstrom von diesem ab. Im Seitenkanal läuft die wenigstens eine Schaufel 602 um, die am Rand 603 der Laufrades 600 angeordnet ist. Sie erstreckt sich an diesem Rand in radialer Richtung. Wenn das Laufrad durch die Welle 8 in Drehung versetzt ist und Gas durch den Übergabekanal 25 in den Seitenkanal hineingelangt, wird dieses mit der Schaufel entlang des Kanals bewegt. Dieses Mitführen des Gases in Umfangsrichtung endet am Abtreifer 604. An diesem wird das Gas an den nachfolgenden Kanal übergeben. Dieser führt dann in eine weitere Pumpstufe oder zum Gasauslass 3. - Die Gestaltung der Schaufel des Laufrades ist in
Fig. 3 in einem Blick auf den Rand gezeigt. Die Schaufel 602 weist eine erste Teilschaufel 621 und eine zweite Teilschaufel 622 auf. Jeder dieser Teilschaufeln besitzt eine Teilschaufelrückseite 625 und 626. Wenigstens eine dieser beiden Teilschaufeln bildet einen Winkel 615 von weniger als 90° mit der Bewegungsrichtung 607 der Schaufel. Günstig ist es, wenn beide Teilschaufeln in einem solchen Winkel geneigt sind und zusammen ein in Bewegungsrichtung geöffnetes V bilden. Diese Maßnahme erhöht das Druckverhältnis, welches mit der Schaufel erreicht werden. Eine weitere Erhöhung gelingt durch die Fase 616, die an den Teilschaufelrückseiten 625 und 626 vorgesehen sind und an der in der Ebene des Laufrades liegenden Außenkante der Teilschaufeln liegen. Vorteilhaft ist es, die Oberfläche der Schaufel aus ebenen Flächen zusammenzusetzen, da die Schaufel dann durch Sägen sehr einfach und damit kostengünstig hergestellt werden kann. Bei diesem Verfahren sägt ein Sägeblatt den Rand des Laufrades ein und ist dabei gegen die Rotationsachse des Laufrades geneigt, d.h die Rotationsachse liegt nicht in der Ebene des Sägeblattes. - Das Laufrad weist neben der Schaufel 602 noch eine weitere Schaufel 612 auf, die vorteilhaft gleichartig gestaltet ist. Zwischen den Schaufeln 602 und 612 ist ein Mittelsteg 630 angeordnet.
- Die Gestaltung des Mittelsteges wird anhand
Fig. 4 verdeutlicht. Diese zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II'. Der Mittelsteg 630 ist zwischen den Schaufeln 602 und 612 angeordnet. Seine Höhe 631 ist wenigstens abschnittsweise geringer als die Schaufelhöhe 632, so dass ein durchgängiger Raum zwischen den Schaufeln entsteht. Dies führt zu einem verbesserten Druckverhältnis. Die Geometrie ist dabei wiederum leicht durch Sägen herstellbar. Während des Sägens taucht das Sägeblatt über die Mitte des Randes des Laufrades ein und nimmt das Material des Mittelsteges weg. Ist das Sägeblatt wie oben beschrieben geneigt, entsteht in einem Sägevorgang eine Geometrie, bei der der höhere Teil des Mittelsteges in Bezug zur Bewegungsrichtung 607 vor der Schaufel 602 angeordnet ist. - Eine Weiterbildung der Schaufel zeigt der Draufblick auf den Rand des Laufrades in
Fig. 5 . Die Schaufel 602' weist zwei Teilschaufeln 651 und 652 auf. Jede der Teilschaufeln besitzt eine Teilschaufelrückseite 653 und 654. An jeder dieser Teilschaufelrückseiten ist eine Fase 656 angeordnet, welche an der in der Ebene des Laufrades liegenden Außenkante der Teilschaufel liegt. Die Teilschaufeln bilden einen Winkel 615' von weniger als 90° mit der Bewegungsrichtung 607. Die Teilschaufeln sind um einen Versatz 661 in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzt. Die Teilschaufelrückseiten erstrecken sich bis über die Mitte 660 des Laufrades. Diese Weiterbildung lässt sich wiederum einfach durch Sägen herstellen und erhöht das erreichbare Druckverhältnis. - In
Figur 6 ist ein Draufblick auf den Rand des Rotors der hochvakuumseitigen Seitenkanalpumpstufe 5 gezeigt. Die am Rand des Rotors angeordnete Schaufel 502 weist Teilschaufeln 551 und 552 mit einer Teilschaufrückseite 513 auf. An der Teilschaufelrückseite ist eine Fase vorgesehen. - Die in den
Figuren 3 bis 6 gezeigten Strukturen wiederholen sich mehrfach und treten entlang des Umfangs des Laufrades in einem ganzzahligen Vielfachen auf. Die Kombination einer molekularen Pumpstufe 4 mit einer hochvakuumseitigen Seitenkanalpumpstufe, welche ein nachFig. 6 gestalteten Rotor besitzt, und mit einer Seitenkanalpumpstufe, die ein Laufrad mit den Merkmalen nach denFiguren 3 bis 5 aufweist, ergibt eine kostengünstig herstellbare, kompakte Vakuumpumpe mit verbesserten Vakuumkennwerten.
Claims (6)
- Vakuumpumpe (1) mit einem Gaseinlass (2), einem Gasauslass (3) und mit einer Seitenkanalpumpstufe (6), welche ein in Drehung versetztes Laufrad (600) mit einem Rand umfasst, welches eine Schaufel (602; 602') mit einer ersten (621; 651) und einer zweiten (622; 652) Teilschaufel aufweist, die am Rand des Laufrades angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (615; 615') zwischen wenigstens einer Teilschaufel (621; 622; 651; 652) und der Bewegungsrichtung (607) der Schaufel weniger als 90° beträgt.
- Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad eine zweite Schaufel (612) aufweist und zwischen den Schaufeln (602; 602'; 612) ein Mittelsteg (630) in Richtung des Umfangs des Laufrades (600) angeordnet ist, dessen Höhe (631) wenigstens abschnittsweise geringer als die Höhe (632) der Schaufeln ist.
- Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Teilschaufel (621, 622; 651, 652) eine in Bezug zur Drehrichtung nacheilende Rückseite (653; 654) aufweist, die sich über die Mitte (660) des Randes des Laufrades erstreckt.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schaufel (602; 602'; 612) an ihrer Rückseite (625, 626; 653, 654) eine Fase (616; 656) aufweist.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Asprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Teilschaufel (651, 652) in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen der Seitenkanalpumpstufe (6) und dem Gaseinlass (2) und eine weitere Pumpstufe (5) umfasst, welche einen Rotor (500) mit einer Rotorschaufel (502) beinhaltet, welche an einer in Bezug zur Drehrichtung zurückliegenden Seite eine Fase (516) aufweist.
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