DE19821634A1 - Reibungsvakuumpumpe mit Stator und Rotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem Stator (3) und einem Rotor (4), welche mindestens zwei Pumpstufen (12, 13, 14) mit jeweils einem Gaseinlaß (23, 28) bilden, sowie mit Anschlußmitteln für die Pumpstufen, welche mit Anschlußöffnungen (36, 37) ausgerüstet sind und der Verbindung der Gaseinlässe (23, 28) der Pumpstufen mit zu evakuierenden Einrichtungen dienen; um hohe Leitwertverluste zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß die Anschlußöffnungen (36, 37) in einer Ebene liegen, die sich seitlich neben den Pumpstufen (12, 13, 14) befindet, so daß der Abstand zwischen den Anschlußöffnungen (36, 37) und der Rotorachse (15) möglichst klein ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuumpumpe mit einem Stator und einem Rotor, welche mindestens zwei Pumpstufen mit jeweils einem Gaseinlass bilden, sowie mit Anschlussmitteln für die Pumpstufen, welche mit Anschlussöffnungen ausgerüstet sind und der Verbin­ dung der Gaseinlässe der Pumpstufen mit zu evakuieren­ den Einrichtungen dienen.

Aus der DE-A-43 31 589 ist eine Reibungsvakuumpumpe dieser Art bekannt. Sie dient vorzugsweise der Evakuie­ rung von Korpuskular-Strahlgeräten (z. B. Massenspektro­ metern) mit durch Blenden voneinander getrennten Kam­ mern, in denen während des Betriebs des Korpuskular- Strahlgerätes unterschiedliche Drücke herrschen sollen. Es ist an sich bekannt, zur Erzeugung dieser Drücke se­ parate Vakuumpumpen zu verwenden.

Die DE-A-43 31 589 offenbart, mit Hilfe nur eines Vaku­ umpumpsystems die verschiedenen vom Korpuskular-Strahl­ gerät benötigten Drücke zu erzeugen. Das Pumpsystem um­ fasst zweiTurbomolekular- und eine Molekular(Holweck)- Pumpstufe. Diese Pumpstufen sind axial hintereinander angeordnet. Jede Pumpstufe weist einen Gaseinlass (stirnseitige Gasdurchtrittsfläche) auf, der über An­ schlussmittel mit der zugehörigen Kammer der zu evaku­ ierenden Einrichtung verbunden wird. Als Anschlussmit­ tel dienen bei der Lösung nach der DE-A-34 31 589 das Gehäuse selbst und ein seitlich angeordnetes Zusatzge­ häuse. Das Gehäuse selbst ist mit einer stirnseitig ge­ legenen Anschlussöffnung für die Verbindung des Gasein­ lasses der ersten Pumpstufe mit der zu evakuierenden Einrichtung ausgerüstet. Im Zusatzgehäuse sind Verbin­ dungsleitungen vorgesehen, die die zugehörigen Einlässe der weiteren Pumpstufen mit weiteren Anschlussöffnungen verbinden. Diese werden ihrerseits jeweils mit den zu­ gehörigen Kammern in der zu evakuierenden Einrichtung verbunden. Da die Anschlussöffnungen im Zusatzgehäuse mit der Anschlussöffnung der ersten Pumpstufe in einer gemeinsamen Ebene (senkrecht zur Rotorachse) liegen, müssen die im Zusatzgehäuse befindlichen Verbindungs­ leitungen relativ lang sein. Dadurch ergeben sich rela­ tiv große Leitwertverluste in den Verbindungsleitungen, was insbesondere dann von Nachteil ist, wenn gerade im Bereich eines Zwischenanschlusses ein hohes Saugvermö­ gen erwünscht ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reibungsvakuumpumpe der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, dass das Saugvermögen der Zwischenstufen nicht durch hohe Leitwertverluste in Verbindungsleitun­ gen beeinträchtigt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Anschlussöffnungen in einer Ebene liegen, die sich seitlich neben den Pumpstufen befindet, so dass der Ab­ stand zwischen den Anschlussöffnungen und der Ro­ torachse möglichst klein ist.

Durch diese Maßnahmen ist sichergestellt, dass auch der Abstand zwischen dem jeweiligen Gaseinlass der Zwi­ schenstufen und den zugehörigen Anschlussöffnungen möglichst klein ist. Leitwertverluste sind niedrig. Das im Bereich des Gaseinlasses aller Pumpstufen wirksame Saugvermögen steht nahezu unverändert auch im Bereich der zugehörigen Anschlussöffnungen zur Verfügung.

Die Verwirklichung der Maßnahmen nach der Erfindung hat zwar zur Folge, dass die zu fördernden Gase im Einlass­ bereich der ersten Pumpstufe, also gerade dort, wo der Druck am niedrigsten ist, umgelenkt werden müssen. Der dadurch bewirkte Leitwertverlust kann jedoch klein ge­ halten werden, da der Abstand zwischen dem Gaseinlass und der Ebene der Anschlussöffnung immer noch relativ klein ist und außerdem in diesem Bereich der Wahl größerer Durchmesser nichts im Wege steht. Außerdem gilt für die Mehrzahl der Applikationen, dass besonders hohe Saugvermögenswerte im Bereich des Einlasses der ersten (hochvakuumseitigen) Pumpstufe nicht gefordert werden. Häufig besteht sogar die Notwendigkeit, das Saugvermögen an dieser Stelle zu drosseln.

Der wesentliche Zweck der ersten Pumpstufe liegt darin, für ein hohes Kompressionsverhältnis zu sorgen. Die für die erste Pumpstufe gewählten Schaufeleigenschaften (Anzahl der Turbostufen, Schaufelabstand, Neigungswin­ kel usw.) müssen dieser Funktion Rechnung tragen. We­ sentlich ist eine Trennung der beiden Arbeitsdruckbe­ reiche der beiden Pumpstufen. Ein hohes Saugvermögen wird in aller Regel erst an dem oder den Zwischenein­ lässen gewünscht. Auch dieses Ziel kann durch die Wahl besonderer Schaufelgeometrien erreicht werden. Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist ge­ rade in diesem Bereich sichergestellt, dass Saugvermö­ gensverluste weitestgehend vermieden sind.

Für das Saugvermögen einer Pumpstufe ist die Zugäng­ lichkeit der Gasmoleküle zum Gaseinlass (wirksame Gas­ durchtrittsfläche) maßgebend. Um dieses Ziel zu errei­ chen, ist es bei einer Zwischenstufe bekannt, zwischen der vorhergehenden Stufe und ihrem Gaseinlass einen größeren Abstand vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Abstand mindestens ein Viertel, vor­ zugsweise ein Drittel, des Durchmessers des Rotors be­ trägt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Fig. 1 und 2 dargestellten Aus­ führungsbeispielen erläutert werden.

In beiden Figuren sind die Pumpe selbst mit 1, ihr Ge­ häuse mit 2, ihr Statorsystem mit 3 und ihr Rotorsystem mit 4 bezeichnet. Zum Rotorsystem gehört die Welle 5, die sich ihrerseits über die Lager 6, 7 im Lagergehäuse 8, verbunden mit dem Pumpengehäuse 2, abstützt. Im La­ gergehäuse befindet sich außerdem noch der Antriebsmo­ tor 9, 10. Die Drehachse des Rotorsystems 4 ist mit 15 bezeichnet.

Insgesamt sind drei Pumpstufen 12, 13, 14 vorgesehen, von denen zwei (12, 13) als Turbomolekularvakuumpump­ stufen und eine (14) als Molekular(Holweck)-Pumpstufe ausgebildet sind. An die Molekularpumpstufe 14 schließt sich der Auslass der Pumpe 17 an.

Die erste, hochvakuumseitig gelegene Pumpstufe 12 be­ steht aus vier Paaren von Rotorschaufelreihen 21 und Statorschaufelreihen 22. Ihr Einlass, die wirksame Gas­ durchtrittsfläche, ist mit 23 bezeichnet. An die erste Pumpstufe 12 schließt sich die zweite Pumpstufe 13 an, die aus drei Paaren von je einer Statorschaufelreihe 22 und einer Rotorschaufelreihe 21 besteht. Ihr Einlass ist mit 28 bezeichnet.

Die zweite Pumpstufe 13 ist von der ersten Pumpstufe 12 beabstandet. Der gewählte Abstand (Höhe) a sichert die freie Zugänglichkeit der zu fördernden Gasmoleküle zum Gaseinlass 28. Zweckmäßig ist der Abstand a größer als ein Viertel, vorzugsweise größer als ein Drittel des Durchmessers des Rotorsystems 4.

Die sich daran anschließende Holweck-Pumpe umfasst ei­ nen rotierenden Zylinderabschnitt 29, dem außen und in­ nen in bekannter Weise mit jeweils einer Gewindenut 30, 31 ausgerüstete Statorelemente 32, 33 gegenüberstehen.

Die rotorseiten Teile der Pumpstufen 12, 13, 14, bilden eine Einheit, die im betriebsfertigen Zustand mit der Welle 5 verbunden ist. In Höhe des Zwischenraumes zwi­ schen den Pumpstufen 12 und 13 durchsetzt die Welle 5 eine zentrale Bohrung 25, so dass keine unmittelbare Verbindung zwischen dem Lagerraum und dem Zwischenraum besteht und damit die Gefahr der Rückdiffusion von Schmiermitteldämpfen beseitigt ist. Diesem Zweck dient auch die fliegende Lagerung des Rotorsystems 4. Auf hochvakuumseitig angeordnete Lagerungen mit den Leit­ wert beeinträchtigenden Bauteiken (Lagerträger) kann verzichtet werden. Durch eine glockenförmige Ausbildung des motornahen Teils des Rotorsystems 4 wird allerdings der Abstand der Lagerung 6, 7 vom Schwerpunkt des Ro­ tors klein gehalten. Die Rückdiffusion von Schmiermit­ teldämpfen kann auch durch Einsatz von Magnetlagern vermieden werden, die an günstigerer Stelle angeordnet werden können.

Der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Anschlussmit­ tel dient das Gehäuse 2 selbst. Es ist beim Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 derart ausgebildet, dass die Ebenen sämtlicher Anschlussöffnungen 36, 37 parallel zur Rotorachse 15 liegen. Dadurch ist insbesondere der Abstand des Anschlusses 37 zum zugehörigen Gasein­ lass 28 sehr klein, so dass das Saugvermögen der Pump­ stufe 13 beeinträchtigende Leitwertverluste vernachläs­ sigbar sind. Dieses würde auch für jeden weiteren Zwi­ schenanschluss gelten, der stromabwärts vom Zwischen­ anschluss 37/28 gelegen wäre. Im übrigen überschreitet der Durchmesser der Anschlussöffnung 37 die Höhe a um etwa das Doppelte. Auch diese Maßnahme dient der Ver­ ringerung der Leitwertverluste zwischen Einlass 28 und Anschlussöffnung 37.

Die dargestellte Pumpe 1 bzw. ihre pumpwirksamen Ele­ mente (Stator-. Rotorschaufeln, Gewindestufen) sind zweckmäßig derart ausgebildet, dass im Bereich der An­ schlussöffnung 36 ein Druck von 10^-4 bis 10^-7, vorzugs­ weise 10^-6 bis 10^-6, und im Bereich der Anschlussöffnung 37 ein Druck von etwa 10^-2 bis 10^-4 mbar erzeugt wird. Dadurch ergibt sich für die erste Pumpstufe 12 die Not­ wendigkeit, für ein Kompressionsverhältnis von 10² bis 10⁴, vorzugsweise größer 100, zu sorgen. Mit der zwei­ ten Pumpstufe soll ein hohes Saugvermögen erzeugt wer­ den (z. B. 200 l/s). Die sich anschließende, zweistufige Holweck-Pumpstufe (29, 30; 29, 31) sichert eine hohe Vorvakuumbeständigkeit, so dass üblicherweise das Saug­ vermögen der zweiten Pumpstufe vom Vorvakuumdruck unab­ hängig ist.

Für den Fall, dass im Bereich der Anschlussöffnung 36 ein besonders hohes Saugvermögen nicht gefordert wird, kann dieses Ziel durch entsprechende Gestaltung der Schaufeln der ersten Pumpstufe 12 erreicht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, vor dem Einlass 23 der ersten Pumpstufe eine Blende 38 anzuordnen, deren Innendurchmesser das gewünschte Saugvermögen bestimmt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, dass der Durchmesser der auf die erste Pumpstufe 12 folgenden Pumpstufen 13 und 14 größer sind als der Durchmesser der Pumpstufe 12. Dieser Gegebenheit ist die Ebene der Anschlussöffnungen 36, 37 angepasst. Sie ist derart zur Achse 15 des Rotors 4 geneigt, dass der Abstand der An­ schlussöffnungen 36, 37 zu den zugehörigen Gaseinlässen 23, 28 möglichst klein ist. Der Neigungswinkel α der Ebene der Anschlussöffnungen 36, 37 zur Rotorachse 15 entspricht der Zunahme der Durchmesser der Pumpstufen. Optimal günstige Abstandsverhältnisse können dadurch erreicht werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Neigungswinkel etwa 5°.

Claims (13)

1. Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem Stator (3) und einem Rotor (4), welche mindestens zwei Pumpstufen (12, 13, 14) mit jeweils einem Gaseinlass (23, 28) bilden, sowie mit Anschlussmitteln für die Pump­ stufen, welche mit Anschlussöffnungen (36, 37) ausgerüstet sind und der Verbindung der Gasein­ lässe (23, 28) der Pumpstufen mit zu evakuieren­ den Einrichtungen dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussöffnungen (36, 37) in einer Ebene liegen, die sich seitlich neben den Pumpstu­ fen (12, 13, 14) befindet, so dass der Abstand zwischen den Anschlussöffnungen (36, 37) und der Rotorachse (15) möglichst klein ist.

2. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Ebene der Anschlussöffnun­ gen (36, 37) parallel zur Achse (15) des Rotors (4) angeordnet ist.

3. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Durchmesser nachfolgender Pumpstufen (13, 14) größer ist als der Durchmesser vorhergehender Pumpstufen (12, 13) und dass die Neigung der Ebene der Anschlussöffnungen (36, 37) in Bezug auf die Richtung der Achse (15) des Ro­ tors (4) der Durchmesservergrößerung angepasst ist.

4. Reibungsvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die An­ schlussöffnungen (36, 37) Bestandteile des Gehäu­ ses (2) der Reibungsvakuumpumpe (1) sind.

5. Reibungsvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ersten Pumpstufen (12, 13) als Turbomolekularpum­ penstufen ausgebildet sind und dass ihre pumpwirk­ samen Elemente (Stator-, Rotorschaufeln) derart gestaltet sind, dass die erste Pumpstufe (12) ein hohes Kompressionsverhältnis sichert und dass die zweite Pumpstufe (13) ein hohes Saugvermögen er­ zeugt.

6. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die beiden Pumpstufen (12 und 13) voneinander beabstandet sind und dass ihr Ab­ stand (a) größer als ein Viertel des Rotordurch­ messers, vorzugsweise etwa ein Drittel des Rotor­ durchmessers, beträgt.

7. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Durchmesser derjenigen An­ schlussöffnung (37), die über die Anschlussmittel mit dem Gaseinlass (28) der zweiten Pumpstufe ver­ bunden ist, größer als der Abstand (a), vorzugs­ weise etwa das Doppelte des Abstandes (a), ist.

8. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 5, 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, dass sich an die beiden Pumpstufen (12, 13) eine zweistufige Holweck-Pump­ stufe anschließt.

9. Reibungsvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) vorvakuumseitig angetrieben und fliegend gela­ gert ist.

10. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein freies Wellenende eine zen­ trale Bohrung (25) im Rotor (4) durchsetzt und dass der Rotor (4) auf diesem Wellenende befestigt ist.

11. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, dass der motornahe Teil des Rotors (4) glockenförmig ausgebildet ist.

12. Reibungsvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ein­ lass (23) der ersten Pumpstufe (12) eine Blende (38) zur Begrenzung des Saugvermögens zugeordnet ist.

13. Reibungsvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Magnetlagern ausgerüstet ist.