DE102008004297A1

DE102008004297A1 - Turbo molecular pump

Info

Publication number: DE102008004297A1
Application number: DE102008004297A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Ing. Engländer
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2009-07-16
Also published as: CN101952602A; JP2011510201A; JP5546464B2; US20100322799A1; EP2235377B1; WO2009089958A1; EP2235377A1; TW200934957A

Abstract

Eine Turbomolekularpumpe weist einen mit einer Antriebswelle (10) verbundenen Rotor (12) auf. Der Rotor (12) weist mehrere Rotorflügel (16) auf. Der Rotor (12) ist von Statorringen (26) umgeben, wobei je Rotorflügel (16) ein Statorring (26) vorgesehen ist. Um im Betrieb ein radiales Ausdehnen des Rotorflügels zu ermöglichen, weisen die Statorringe (16) Ringnuten (32) auf.A turbomolecular pump has a rotor (12) connected to a drive shaft (10). The rotor (12) has a plurality of rotor blades (16). The rotor (12) is surrounded by stator rings (26), wherein a stator ring (26) is provided per rotor blade (16). In order to allow a radial expansion of the rotor blade during operation, the stator rings (16) have annular grooves (32).

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe.The The invention relates to a turbomolecular pump.

Turbomolekularpumpen weisen einen mit einer Antriebswelle verbundenen Rotor mit mehreren Rotorflügeln auf. Zwischen den einzelnen Rotorflügeln sind stationäre Statorscheiben angeordnet. Häufig sind die Statorscheiben nicht unmittelbar mit dem Pumpengehäuse verbunden, sondern von Statorringen getragen. Hierbei ist je Rotorflügel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe zur Montage über den Rotor gestülpt werden. Zwischen den Rotorflügeln bzw. den Rotorflügelspitzen und dem stationären Gehäuse bzw. den Statorringen muss ein Spalt vorgesehen sein. Dieser ist erforderlich, um in allen Betriebszuständen ein Berühren der Rotorflügel an den stehenden Komponenten, d. h. dem Gehäuse oder den Statorringen, zu verhindern. Hierbei muss die Breite des Spalts derart groß sein, dass in allen Betriebszuständen die auftretenden thermischen Ausdehnungen der Rotorflügel ohne Berührung der stehenden Komponenten möglich ist. Ferner muss bei der Breite des vorgesehenen Spaltes berücksichtigt werden, dass Schiefstellungen des Rotors durch die Rotordynamik auftreten können. Insbesondere bei magnetgelagerten Antriebswellen muss ferner die Auslenkung aufgrund des Spiels zu den Fanglagern berücksichtigt werden. Des Weiteren treten Dehnungen des Rotors insbesondere in radialer Richtung durch Fliehkräfte auf. Ferner müssen sich ggf. addierende Toleranzen berücksichtigt werden. Der Spalt zwischen den Rotorflügeln und dem Gehäuse bzw. den Statorringen beträgt bei Turbomolekularpumpen mit einem Rotordurchmesser von ca. 200 mm – 2 mm. Aufgrund des vorhandenen Spalts strömt ein Teil des gepumpten Gases zurück. Durch diese Rückströmung wird der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe deutlich verschlechtert.Turbo-molecular pumps have a rotor connected to a drive shaft with several rotor blades on. Between the individual rotor blades are stationary stator disks arranged. Often the stator discs are not directly connected to the pump housing, but worn by stator rings. Here is ever a rotor blade Statorring provided with the stator for mounting on the Slipped rotor become. Between the rotor blades or the rotor blade tips and the stationary one casing or the stator must be provided a gap. This is required in all operating conditions touching the rotor blades on the stationary components, d. H. the housing or the stator rings, to prevent. Here, the width of the gap must be so large that in all operating conditions the occurring thermal expansions of the rotor blades without contact the standing components possible is. Furthermore, account must be taken of the width of the intended gap be that misalignment of the rotor by the rotor dynamics may occur. In particular, with magnetic bearing drive shafts must also Deflection due to the game to the backup bearings considered become. Furthermore, strains of the rotor occur in particular radial direction due to centrifugal forces on. Furthermore, must if necessary, adding tolerances are considered. The gap between the rotor blades and the housing or the stator rings Turbomolecular pumps with a rotor diameter of about 200 mm - 2 mm. Due to the existing gap flows part of the pumped gas back. By this backflow is the efficiency of the turbomolecular pump deteriorated significantly.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, mit der eine Reduzierung des zurückströmenden Gasvolumens und somit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden kann.task The invention is to provide a turbomolecular pump, with the reduction of the recirculating gas volume and thus an improvement in the efficiency can be achieved.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The solution The object is achieved according to the invention by the features of the claim 1.

Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe weist einen Rotor mit mehreren Rotorflügeln auf. Der Rotor ist mit einer Antriebswelle verbunden und von einem Statorelement umgeben. Bei dem insbesondere zylindrisch ausgebildeten Statorelement kann es sich um das Gehäuse der Turbomolekularpumpe selbst oder um einen, insbesondere mehrere Statorringe handeln. Erfindungsgemäß weist das Statorelement mindestens eine Ringnut auf. Die umlaufende Ringnut ist einem Rotorflügel zugeordnet und in der entsprechenden Flügelebene dieses Rotors angeordnet. Die Ringnut ist somit auf Höhe des zugeordneten Rotorflügels im Betriebszustand angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass eine Ausdehnung des Rotorflügels während des Betriebs in radiale Richtung in die Ringnut hinein erfolgt. Da im Betrieb insbesondere eine radiale Ausdehnung des Rotorflügels aufgrund thermischer Beanspruchungen und aufgrund der auftretenden Fliehkräfte erfolgt, dringt die in Richtung der Ringnut weisende Spitze des Rotorflügels in die Ringnut ein. Hierdurch entsteht eine Art berührungslose Labyrinthdichtung, so dass im Betriebszustand bei in radialer Richtung ausgedehntem Rotorflügel eine Art Selbstabdichtung erfolgt.The Turbomolecular pump according to the invention has a rotor with multiple rotor blades. The rotor is with a drive shaft connected and surrounded by a stator. In the particular cylindrical stator element can it is the case the turbomolecular pump itself or one, in particular a plurality of stator rings act. According to the invention the stator element at least one annular groove. The circumferential ring groove is a rotor blade assigned and arranged in the corresponding wing plane of this rotor. The annular groove is thus at height the associated rotor blade arranged in the operating state. This makes it possible that an extension of the rotor blade while the operation takes place in the radial direction into the annular groove. Since in operation in particular a radial expansion of the rotor blade due thermal stresses and due to the centrifugal forces occurring, penetrates pointing in the direction of the annular groove tip of the rotor blade in the annular groove. This creates a kind of non-contact labyrinth seal, so that in the operating state when expanded in the radial direction rotor blades a kind of self-sealing takes place.

Die Abmessungen der Ringnut sind hierbei derart gewählt, dass in allen Betriebszuständen ein Berühren des Rotorflügels sowohl an dem Grund als auch an den Seitenwänden der Ringnut vermieden ist. Da die Spitze des Rotorflügels während des Betriebs der Turbomolekularpumpe in die Ringnut ragt, ist der Spalt an der Spitze des Rotorflügels im Querschnitt U-förmig ausgebildet. Hierdurch ist das Volumen des zurückströmenden Gases erheblich reduziert und somit der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe verbessert.The Dimensions of the annular groove are in this case selected such that in all operating conditions touching the rotor blade is avoided both at the bottom and on the side walls of the annular groove. Because the tip of the rotor blade while the operation of the turbomolecular pump protrudes into the annular groove is the Gap at the tip of the rotor blade in cross-section U-shaped educated. As a result, the volume of the gas flowing back is considerably reduced and thus the efficiency of the turbomolecular pump improved.

Da die zu erwartenden, insbesondere auf Grund thermischer Einflüsse hervorgerufenen Ausdehnungen der Rotorflügel in axialer Richtung geringer sind als in radialer Richtung, kann in axialer Richtung eine geringere Spaltbreite vorgesehen sein als in radialer Richtung. Hierdurch kann die Dichtigkeit weiter verbessert werden.There the expected, especially due to thermal influences caused Extentions of the rotor blades are smaller in the axial direction than in the radial direction, can be provided in the axial direction a smaller gap width than in radial direction. As a result, the tightness can be further improved become.

Vorzugsweise weisen die Rotorflügel einen radialen Ansatz auf. Dieser in Richtung der Ringnut weisende Ansatz ist insbesondere ringförmig ausgebildet. Der ringförmige Ansatz umgibt somit die einzelnen Schaufeln der Rotorflügel, so dass vorzugsweise während des Betriebs ausschließlich der ringförmige Ansatz und nicht die Schaufeln in die Ringnut eingeschoben werden.Preferably have the rotor blades a radial approach. This pointing in the direction of the annular groove Approach is particularly annular educated. The annular Approach thus surrounds the individual blades of the rotor blades, so that preferably during of operation exclusively the annular one Approach and not the blades are inserted into the annular groove.

Vorzugsweise ist jedem Rotorflügel eine Ringnut zugeordnet, wobei jeder Rotorflügel vorzugsweise einen ringförmigen Ansatz aufweist. Durch Vorsehen mehrerer Ringnuten für mehrere, insbesondere mindestens zwei Rotorflügel, kann eine weitere Verbesserung der Dichtigkeit erzielt werden. Da in besonderes bevorzugter Ausführungsform je Rotorflügel eine Ringnut vorgesehen ist, im Betrieb ein mäanderförmiger Spalt ausgebildet, der als berührungslose Labyrinthdichtung dient, so dass eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbomolekularpumpe erzielt werden kann.Preferably is every rotor blade associated with an annular groove, each rotor blade preferably an annular projection having. By providing a plurality of annular grooves for a plurality, in particular at least two rotor blades, a further improvement of the tightness can be achieved. There in a particular preferred embodiment each rotor blades an annular groove is provided, formed in operation a meandering gap, the as non-contact Labyrinth seal is used, allowing a significant improvement of the Efficiency of turbomolecular pump can be achieved.

Die mindesten eine Ringnut kann an einer Innenseite eines als Statorelement ausgebildeten Gehäuses ausgebildet sein. Vorzugsweise sind jedoch innerhalb eines Pumpengehäuses insbesondere mehrere Statorringe vorgesehen.The at least one annular groove can be attached to an in nenseite be designed as a stator housing formed. Preferably, however, in particular a plurality of stator rings are provided within a pump housing.

Üblicherweise ist je Rotorflügel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Die Statorringe sind somit in Richtung der Antriebswelle bzw. in Hauptförderrichtung des Gases hintereinander angeordnet. Je nach Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe ist in einem oder mehreren Statorringen die erfindungsgemäße Ringnut vorgesehen. Vorzugsweise ist in sämtlichen Statorringen eine Ringnut vorgesehen, in die insbesondere der mit den entsprechenden Rotorflügeln verbundene ringförmige Ansatz im Betrieb eindringt. Die Ringnuthöhe ist von den Flügelhöhen abhängig, die von der Einlassseite zur Auslassseite abnehmen (der Verdichtung folgend). Demzufolge variiert die Nuttiefe von ca. 0,5 mm bei kleinen bis ca. 4 mm bei großen Rotoren. Die Nutbreite variiert von 2 mm bei flachen Flügeln kleiner Rotoren bis 15 mm bei steilen Flügeln großer Rotoren.Usually is ever rotor blades a stator provided, wherein the stator rings in the axial direction arranged one behind the other. The stator rings are thus in the direction the drive shaft or in the main conveying direction of the gas arranged one behind the other. Depending on the configuration of the turbomolecular pump according to the invention is in one or more stator rings, the annular groove according to the invention intended. Preferably, in all Statorringen a Ring groove provided in the particular of the corresponding rotor blades connected annular Approach in the operation penetrates. The Ringnuthöhe depends on the wing heights, the from the inlet side to the outlet side (the compression following). As a result, the groove depth of about 0.5 mm varies with small ones up to approx. 4 mm with large rotors. The groove width varies from 2 mm for flat blades of small rotors to 15 mm on steep wings of large rotors.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.following the invention will be described with reference to a preferred embodiment explained in more detail in the accompanying drawings.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teils eines Teils einer Turbomolekularpumpe gemäß dem Stand der Technik, 1 1 is an enlarged schematic sectional view of a part of a part of a turbomolecular pump according to the prior art,

2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe, und 2 a schematic sectional view of a turbomolecular pump according to the invention, and

3 eine schematische vergrößerte Schnittansicht des Bereichs III in 2. 3 a schematic enlarged sectional view of the area III in 2 ,

Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Turbomolekularpumpe nach dem Stand der Technik ist ein auf einer Antriebswelle 10 (2) angeordneter Rotor 12 dargestellt. Der Rotor 12 weist bezogen auf eine Längsachse 14 bzw. die Rotationsachse der Welle 10 radial verlaufende Rotorflügel 16 auf. Jeder Rotorflügel weist Rotorschaufeln 18 auf, die derart geneigt sind, dass in dem zu transportierenden Gas eine Hauptströmungsrichtung parallel zur Längsachse, d. h. in 1 nach unten in Richtung eines Pfeils 20 erzeugt wird. Der Rotor 12 ist in einem Gehäuse 22 angeordnet, wobei das Gehäuse zur Aufnahme des Rotors eine zylindrische, ggf. abgestufte Ausnehmung 24 aufweist.According to the in 1 illustrated embodiment of a turbomolecular pump according to the prior art is a on a drive shaft 10 ( 2 ) arranged rotor 12 shown. The rotor 12 points with respect to a longitudinal axis 14 or the axis of rotation of the shaft 10 radially extending rotor blades 16 on. Each rotor blade has rotor blades 18 auf, which are inclined so that in the gas to be transported, a main flow direction parallel to the longitudinal axis, ie in 1 down in the direction of an arrow 20 is produced. The rotor 12 is in a housing 22 arranged, wherein the housing for receiving the rotor is a cylindrical, optionally stepped recess 24 having.

Ein Teil der Rotorflügel 16 ist von Statorringen 26 umgeben. Die Statorringe 26 sind in Längsrichtung 14 hintereinander angeordnet und kleiden somit eine Innenseite der zylindrischen Ausnehmung 24 des Gehäuses 22 aus. Zwischen benachbarten Statorringen 26 sind in Richtung des Rotors nach innen weisende Statorscheiben 28 vorgesehen. Jede Statorscheibe 28 ist somit zwischen zwei benachbarten Rotorflügeln 16 angeordnet.Part of the rotor blades 16 is from stator rings 26 surround. The stator rings 26 are in the longitudinal direction 14 arranged one behind the other and thus clothe an inner side of the cylindrical recess 24 of the housing 22 out. Between adjacent stator rings 26 are in the direction of the rotor inwardly facing stator discs 28 intended. Each stator disc 28 is thus between two adjacent rotor blades 16 arranged.

Um im Betrieb der Turbomolekularpumpe zu verhindern, dass die radial äußeren Enden der Rotorflügel 16, d. h. die Spitzen der Rotorflügel 16, die Statorringe 26 berühren, ist zwischen den radialen Enden der Rotorflügel 16 und den Innenseiten, d. h. die in Richtung der Rotorflügel 16 weisenden Seiten 30, ein Spalt a ausgebildet. Durch diesen Spalt a strömt während des Betriebs zu förderndes Gas entgegen der Förderrichtung 20 zurück in einen Schöpfraum, aus dem das Gas abgesaugt werden soll.In order to prevent the operation of the turbomolecular pump, the radially outer ends of the rotor blades 16 ie the tips of the rotor blades 16 , the stator rings 26 is between the radial ends of the rotor blades 16 and the insides, ie in the direction of the rotor blades 16 pointing pages 30 , a gap a formed. Through this gap a flows during operation to be pumped gas counter to the conveying direction 20 back into a pump chamber, from which the gas is to be extracted.

Bei dem nachfolgend anhand der 2 und 3 beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind identische oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.In the following with reference to 2 and 3 described preferred embodiment of the invention, identical or similar components are identified by the same reference numerals.

Entsprechend dem Stand der Technik weist auch die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe eine Antriebswelle 10 auf, die den Rotor 12 trägt. Der Rotor 12 weist ebenfalls Rotorflügel 16 auf, die Rotorschaufeln 18 tragen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ebenfalls Statorringe 26 innerhalb des Gehäuses 22 angeordnet. Ferner sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen benachbarten Rotorflügeln 16 Statorscheiben 28 angeordnet.According to the prior art, the turbomolecular pump according to the invention also has a drive shaft 10 on that the rotor 12 wearing. The rotor 12 also has rotor blades 16 on, the rotor blades 18 wear. In the illustrated embodiment are also stator rings 26 inside the case 22 arranged. Further, in the illustrated embodiment, between adjacent rotor blades 16 stator 28 arranged.

Erfindungsgemäß weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel sämtliche Statorringe an ihrer in Richtung des Rotors 12 weisenden Innenseite eine Ringnut 32 auf. Die Ringnut 32 ist in sich geschlossen und erstreckt sich entlang der gesamten Innenseite jedes einzelnen Statorrings 26.According to the invention in the illustrated embodiment, all the stator rings at their in the direction of the rotor 12 facing inside an annular groove 32 on. The ring groove 32 is self-contained and extends along the entire inside of each stator ring 26 ,

Die Rotorflügel 16 weisen an den äußeren in Richtung der Statorringe 26 weisenden Enden im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils einen ringförmigen Ansatz 34 auf. Während des Betriebs verschiebt sich der ringförmige Ansatz 23 aufgrund der thermischen Ausdehnung der Fliehkräfte etc. in die entsprechende Ringnut 32.The rotor blades 16 point to the outer in the direction of the stator rings 26 pointing ends in the illustrated embodiment each have an annular approach 34 on. During operation, the annular extension shifts 23 due to the thermal expansion of the centrifugal forces, etc. in the corresponding annular groove 32 ,

Die Ringnuten 32 und die ringförmigen Ansätze 34 befinden sich somit je Rotorflügel auf einer gemeinsamen, in 3 jeweils horizontal verlaufenden Flügelebene 36, von der in 3 zur Verdeutlichung nur eine dargestellt ist.The ring grooves 32 and the annular lugs 34 are thus per rotor blade on a common, in 3 each horizontally extending wing level 36 from the in 3 for clarity only one is shown.

Der in 3 obere Rotorflügel 16 ist nicht von einem Statorring umgeben. Um auch hinsichtlich dieses Rotorflügels 16 eine verbesserte Abdichtung zu erzielen, ist in dem Gehäuse 22 eine Ringnut 38 vorgesehen. In die Ringnut 38 ragt im Betrieb wiederum ein Ansatz 34 des oberen Rotorflügels 16.The in 3 upper rotor blades 16 is not surrounded by a stator ring. Also with regard to this rotor blade 16 to achieve an improved seal is in the housing 22 an annular groove 38 intended. In the ring groove 38 once again, an approach stands out in operation 34 of the upper rotor blade 16 ,

In einem Zustand, in dem sich die Turbomolekularpumpe nicht im Betrieb befindet und somit auch keine Ausdehnung oder Verschiebungen der Rotorflügel 16 erfolgen, ist zwischen den radialen Enden der Rotorflügel 16 und einer Innenseite der Statorringe 26 ein Montagespalt b vorgesehen. Dieser ist erforderlich, um die Statorringe 26 zur Montage über den Rotor 12 zu stülpen.In a state in which the turbomolecular pump is not in operation and thus no expansion or displacement of the rotor blades 16 take place, is between the radial ends of the rotor blades 16 and an inside of the stator rings 26 a mounting gap b provided. This is required to the stator rings 26 for mounting via the rotor 12 to evert.

Claims

Turbomolecular pump with one on a drive shaft ( 10 ) arranged rotor ( 12 ) with several rotor blades ( 16 ), and one the rotor ( 12 ) surrounding stator element, characterized in that the stator element at least one of the rotor blades ( 16 ) associated, circumferential annular groove ( 32 . 38 ), which in the wing plane ( 36 ) of the associated rotor blade ( 16 ) is arranged to a radial expansion of the rotor blade ( 16 ) in operation.

Turbomolecular pump according to claim 1, characterized in that the at least one rotor blade ( 16 ) a radially in the direction of the annular groove ( 32 . 38 ), in particular ring-shaped approach ( 34 ) having.

Turbomolecular pump according to claim 1 or 2, characterized in that a plurality, in particular at least two rotor blades ( 16 ) at least one annular groove ( 32 . 38 ) assigned.

Turbomolecular pump according to one of claims 1 to 3, characterized in that the stator element by a housing ( 22 ) is formed, so that the at least one annular groove ( 38 ) at the in the direction of the rotor ( 12 ) facing the inside of the housing is provided.

Turbomolecular pump according to one of claims 1 to 4, characterized in that the stator element more in the axial direction ( 14 ) stator rings arranged one behind the other ( 26 ), wherein the at least one annular groove ( 32 ) in one of the stator rings ( 26 ) is provided.

Turbomolecular pump according to claim 5, characterized in that each stator ring ( 26 ) with one between two adjacent rotor blades ( 16 ) arranged stator disc ( 28 ) connected is.

Turbomolecular pump according to claim 5 or 6, characterized in that per rotor blade ( 16 ) a stator ring ( 26 ), wherein preferably each stator ring ( 26 ) an annular groove ( 32 ) having.

Turbomolecular pump according to one of claims 5 to 7, characterized in that the inner diameter of the stator ( 26 ) relative to the outer diameter of the rotor blades ( 16 ) is larger in the assembled state by the width of a mounting gap.