DE102009039120A1

DE102009039120A1 - vacuum pump

Info

Publication number: DE102009039120A1
Application number: DE200910039120
Authority: DE
Inventors: Robert Watz; Michael Schweighöfer
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-03
Also published as: EP2290242B1; EP2290242A2; EP2290242A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe (1) mit einem Gehäuse (6), einer Ansaugöffnung (5), einem schnell drehenden Rotor (12) und einem mit einem Gegenflansch (2; 2'; 2'') verbindbaren Pumpenflansch (4; 4'; 4''), welcher am Gehäuse vorgesehen ist. Um die Sicherheit der Flanschverbindung in einem Fehlerfall zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches ein der Ansaugöffnung zugeordneter Kragen (40; 40'; 40'') angeordnet ist.The invention relates to a vacuum pump (1) with a housing (6), a suction opening (5), a rapidly rotating rotor (12) and a pump flange (4; 4 ') that can be connected to a counter flange (2; 2'; 2 '') ; 4 ''), which is provided on the housing. In order to increase the security of the flange connection in the event of a fault, it is proposed that a collar (40; 40 '; 40' ') assigned to the suction opening be arranged on the side of the pump flange facing away from the housing.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a vacuum pump according to the preamble of the first claim.

Vakuumpumpen für den molekularen Strömungsbereich, insbesondere Turbomolekularvakuumpumpen, weisen einen schnell drehenden Rotor auf. Die Drehung ist dabei so schnell, dass die mit dem Rotor verbundenen Schaufeln eine Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit erreichen. Die Drehzahlwerte liegen im Bereich von einigen zehntausend Umdrehungen pro Minute.Vacuum pumps for the molecular flow area, in particular turbomolecular vacuum pumps, have a fast rotating rotor. The rotation is so fast that the blades connected to the rotor reach a speed close to the speed of sound. The speed values are in the range of tens of thousands of revolutions per minute.

Diese hohen Drehzahlwerte sind für das Erreichen guter Vakuumdaten wie Saugvermögen und erreichbarer Enddruck wichtig. Jedoch führen sie zu einer sehr hohen in dem Rotor gespeicherten Energie. Sollte im zwar unwahrscheinlichen, jedoch nicht völlig auszuschließenden Fehlerfall diese Energie an das Gehäuse der Vakuumpumpe abgegeben werden, sind die Befestigungsmittel, welche die Verbindung der Vakuumpumpe mit der zu evakuierender Kammer bewirken, einer sehr hohen Belastung ausgesetzt. Eine Überbeanspruchung der Befestigungsmittel im Fehlerfall ist zu vermeiden.These high speed values are important for achieving good vacuum data such as pumping speed and attainable ultimate pressure. However, they lead to a very high energy stored in the rotor. If, in the unlikely, but not completely excluded error case, this energy is delivered to the housing of the vacuum pump, the fastening means, which cause the connection of the vacuum pump with the chamber to be evacuated, a very high load. An overuse of the fasteners in case of failure is to be avoided.

Im Stand der Technik sind einige Lösungen für den Ansatz bekannt, Schrauben, welche als Befestigungsmittel verwendet werden, einen Verformungsraum zu geben. Beispiele solcher Lösungen stellen die EP-A 1 537 336 und die EP-A 1 312 804 vor. In beiden Fällen weisen die Durchgangsbohrungen Abschnitte auf, in denen der Bohrungsdurchmesser deutlich über dem Schraubendurchmesser liegt.In the prior art some solutions have been known for the approach of giving screws, which are used as fasteners, a deformation space. Examples of such solutions are the EP-A 1 537 336 and the EP-A 1 312 804 in front. In both cases, the through holes have sections in which the bore diameter is well above the screw diameter.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumpumpe vorzustellen, bei welcher die Überbeanspruchung der Befestigungsmittel im Fehlerfall vermieden wird.It is an object of the invention to provide a vacuum pump, in which the overuse of the fastening means is avoided in the event of a fault.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten Anspruchs. Die Ansprüche 2 bis 5 geben vorteilhafte Weiterbildungen an.This object is achieved by an arrangement with a vacuum pump having the features of the first claim. The claims 2 to 5 indicate advantageous developments.

Die Maßnahme, auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches einen der Ansaugöffnung zugeordneten Kragen anzuordnen, reduziert die in die Befestigungsmittel eingeleiteten Kräfte. Während der Stand der Technik auf die Bewältigung der im Fehlerfall auftretenden Drehmomente, welche aus der Drehimpulserhaltung folgen, abzielt, werden mit Hilfe der Erfindung die nach Erkenntnissen der Erfinder nicht zu vernachlässigenden Radialkräfte gehandhabt. Durch Reduzieren der in die Befestigungsmittel eingeleiteten Radialkräfte wird ein Versagensmechanismus ausgeschaltet. Ein weitere Vorteil der Maßnahme ist, dass weitergehende Bauteile wie zwischen Pumpenflansch und Kammerflansch angeordnete Zentrierringe entfallen. Diese kosten zum einen Geld, zum anderen schwachen sie die Verbindung zusätzlich.The measure, on the side facing away from the housing of the pump flange to arrange a suction of the associated collar reduces the forces introduced into the fastening means. While the state of the art is aimed at coping with the torques occurring in the event of a fault, which follow from the conservation of angular momentum, the radial forces, which according to the findings of the inventors are not negligible, are handled with the aid of the invention. By reducing the radial forces introduced into the fasteners, a failure mechanism is turned off. Another advantage of the measure is that further components such as arranged between the pump flange and chamber flange centering omitted. These costs for a money, on the other hand they weaken the connection in addition.

Eine Weiterbildung schlägt vor, eine Dämpfungselement vorzusehen, in welchem kinetische Energie in Verformungsenergie umgesetzt wird, so dass die entstehenden Kräfte und Momente verringert werden.A further development proposes to provide a damping element, in which kinetic energy is converted into deformation energy, so that the resulting forces and moments are reduced.

Gemäß einer anderen Weiterbildung wird vorgeschlagen, durch eine konische Fläche Saugvermögensverluste der Vakuumpumpe, die durch den Kragen entstehen, klein zu halten.According to another embodiment, it is proposed to keep through a conical surface Saugvermögensverluste the vacuum pump, which arise through the collar, small.

In den Pumpenflansch kann in Form einer Nut oder eine Stufe ein Dichtungselement integriert werden, so dass die Teilezahl weiter verringert werden kann.In the pump flange can be integrated in the form of a groove or a step, a sealing element, so that the number of parts can be further reduced.

Eine andere Weiterbildung sieht eine Entlastungsnut vor, welche in radialer Richtung außerhalb an den Kragen angrenzend angeordnet ist. Diese verbessert den Kraftfluss innerhalb der Kragens im Fehlerfall und verringert die Gefahr des Abscherens des Kragens. Hierdurch wird die Verbindung nochmals sicherer.Another development provides a relief groove, which is arranged in the radial direction outside of the collar adjacent. This improves the power flow within the collar in case of failure and reduces the risk of shearing the collar. This will make the connection even safer.

An Hand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.With reference to embodiments and their developments, the invention will be explained in more detail and the representation of its benefits to be deepened.

Es zeigen:Show it:

1: Schnitt durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe, 1 : Section through an arrangement with vacuum pump,

2: Schnitt durch die Flanschverbindung der Anordnung, 2 : Section through the flange connection of the arrangement,

3: Schnitt durch die Flanschverbindung in einer Weiterbildung, 3 : Section through the flange connection in a development,

4: Schnitt durch eine Flanschverbindung mit einer Klammerverbindung. 4 : Section through a flange connection with a clamp connection.

Einen Schnitt durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe 1 und Kammerflansch 2 zeigt 1. Die Vakuumpumpe besitzt einen Pumpenflansch 4, der mit dem Kammerflansch 2 lösbar verbunden ist und den Ansaugöffnung 5 der Vakuumpumpe umgibt. Eine Schraube 30 stellt diese lösbare Verbindung her. Der Kammerflansch ist hier als Öffnung in einer Wandung dargestellt, die von einer ringförmigen Fläche umgeben ist. Der Kammerflansch kann jedoch auch an einem mit der Kammer verbundenen Rohrstück vorgesehen sein.A section through an arrangement with vacuum pump 1 and chamber flange 2 shows 1 , The vacuum pump has a pump flange 4 that with the chamber flange 2 is detachably connected and the suction port 5 the vacuum pump surrounds. A screw 30 makes this detachable connection. The chamber flange is shown here as an opening in a wall which is surrounded by an annular surface. However, the chamber flange may also be provided on a tube piece connected to the chamber.

Der Pumpenflansch ist am Gehäuse 6 der Vakuumpumpe angeordnet. Dieses Gehäuse umschließt vakuumdicht die der Vakuumerzeugung dienenden Komponenten. Dies sind insbesondere die Statorscheiben 8, welche welche durch Distanzringe 9 axial voneinander beabstandet werden. In den axialen Freiräumen bewegen sich die am Glockenrotor 12 angebrachten Schaufeln 14 und bewirken zusammen mit den Statorscheiben die Gasförderung. Der Glockenrotor 12 ist mit einer Welle 10 verbunden, wobei die Verbindung durch eine oder mehrere Schrauben 16 oder gleichwirkenden Mitteln erzeugt wird. Die Welle ist drehbar gelagert, beispielsweise wie hier gezeigt durch ein aktives radiales Magnetlager 18, und wird durch einen Antrieb 20 in schnelle Drehung versetzt.The pump flange is on the housing 6 the vacuum pump arranged. This case encloses vacuum-tight the vacuum generating components. These are in particular the stator disks 8th , which by spacer rings 9 axially spaced apart. In the axial free spaces move on the bell rotor 12 attached shovels 14 and, together with the stator discs, effect gas delivery. The bell rotor 12 is with a wave 10 connected, the connection by one or more screws 16 or equivalent means is generated. The shaft is rotatably mounted, for example, as shown here by an active radial magnetic bearing 18 , and is powered by a drive 20 set in rapid rotation.

Der schlimmste Fehlerfall ist in diesem Beispiel das Zerreißen des Glockenrotors entlang seiner Längsachse, also in axialer Richtung 24. Zwei oder mehr Bruchstücke des Glockenrotors bewegen sich dann aufgrund der Fliehkräfte weitgehend in radialer Richtung 22. In diesem Fehlerfall darf die Verbindung von Pumpenflansch und Kammerflansch nicht vollständig gelöst werden.The worst case of error in this example is the tearing of the bell rotor along its longitudinal axis, ie in the axial direction 24 , Two or more fragments of the bell rotor then move due to the centrifugal forces largely in the radial direction 22 , In this case, the connection between pump flange and chamber flange must not be completely released.

Die 2 zeigt den in 1 durch eine gestrichelte Linie eingerahmten Teil in einem Schnitt und mit weiteren Details. Die Schraube 30 durchsetzt einen Kanal 32, beispielsweise eine Durchgangsbohrung, und steht mit einem Gewinde 34 im Eingriff. Hierdurch wird der Pumpenflansch 4 gegen den Kammerflansch 2 gezogen und so die Verbindung hergestellt.The 2 shows the in 1 by a dashed line framed part in a cut and with more details. The screw 30 intersperses a channel 32 , For example, a through hole, and is threaded 34 engaged. This will cause the pump flange 4 against the chamber flange 2 pulled and made the connection.

Im Fehlerfall bewegen sich Teile des Glockenrotors, darunter die Schaufeln 14, in radialer Richtung 22 nach außen und schlagen in Distanzringen 9 und Gehäuse 6 ein. Hierdurch entsteht ein große in radialer Richtung wirkende Kraft, welche auf den Pumpenflansch und die Verbindung zwischen Pumpenflansch und Kammerflansch übertragen wird. Ein Kragen 40 ist auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches angeordnet und der Ansaugöffnung zugeordnet. Durch diese Anordnung ragt er in den vom Kammerflansch umgebenen Freiraum hinein. Im Fehlerfall bewegt sich der Kragen durch die oben genannten Kräfte in radialer Richtung und kommt in Kontakt mit dem Kammerflansch. Zwischen Kragen und Kammerflansch besteht der Kragenspalt 42. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung ist so gewählt, dass der Abstand von Schraubenschaft zu Innenwand der Durchgangsbohrung größer als der Kragenspalt ist. Durch Kragen und Dimensionierung von Kragenspalt und Durchgangsbohrung wird die Schraube 30 im Fehlerfall von den radialen Kräften entlastet.In the event of a fault, parts of the bell rotor, including the blades, move 14 in the radial direction 22 outward and hit in spacer rings 9 and housing 6 one. This creates a large force acting in the radial direction, which is transmitted to the pump flange and the connection between the pump flange and the chamber flange. A collar 40 is arranged on the side facing away from the housing of the pump flange and associated with the suction port. By this arrangement, it protrudes into the space surrounded by the chamber flange. In the event of a fault, the collar moves in the radial direction due to the abovementioned forces and comes into contact with the chamber flange. Between collar and chamber flange is the collar gap 42 , The diameter of the through hole is chosen so that the distance from the screw shaft to the inner wall of the through hole is greater than the collar gap. By collar and dimensioning of collar gap and through hole is the screw 30 relieved in the event of an error by the radial forces.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, auf der dem Gehäuse 6 abgewandten Seite des Pumpenflansches zwischen Kragen und Durchgangsbohrung eine Dichtungsnut 50 vorzusehen, in der ein Dichtring 52, beispielsweise ein Elastomerring, liegt. Hierdurch kann diese Anordnung beide Aufgaben, nämlich Verbinden der Vakuumpumpe mit der Kammer und Abdichten der Verbindung, ohne weitere Bauteile übernehmen.An advantageous development is on the housing 6 opposite side of the pump flange between the collar and through hole a sealing groove 50 to provide, in which a sealing ring 52 , For example, an elastomer ring is located. In this way, this arrangement can take on both tasks, namely connecting the vacuum pump with the chamber and sealing the connection without further components.

Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass der Pumpenflansch eine Entlastungsnut 44 aufweist, welche in radialer Richtung außerhalb an den Kragen angrenzt. Diese Entlastungsnut bewirkt eine günstigere Verteilung der im Fehlerfall durch den Kontakt mit dem Kammerflansch entstehenden Kräfte und wirkt so dem Abscheren des Kragens entgegen. Außerdem erlaubt sie, den Kragenspalt 42 möglichst eng zu wählen, da die fertigungsbedingte Krümmung 46 am Kragenfuß nicht mit dem Kammerflansch in einer Ebene liegt. Ein enger Kragenspalt bedeutet, dass der Durchmesser der Durchgangsbohrung 32 klein gehalten werden kann.Another development provides that the pump flange a relief groove 44 which adjoins the collar in the radial direction outside. This relief groove causes a more favorable distribution of the resulting in the event of a fault by the contact with the chamber flange forces and thus counteracts the shearing off of the collar. Moreover, it allows the collar gap 42 as narrow as possible, since the production-related curvature 46 at the collar foot does not lie with the chamber flange in a plane. A narrow collar gap means that the diameter of the through hole 32 can be kept small.

Der Saugvermögensverlust durch den in die Ansaugöffnung 5 der Vakuumpumpe hineinreichenden Kragen gegenüber einer gleich großen Vakuumpumpe ohne Kragen kann reduziert werden, indem an den Kragen eine konische Fläche 48 grenzt, welche an ihrem kragenseitigen Ende den kleinsten Durchmesser aufweist. Sie bildet einen Übergang vom Innendurchmesser des Kragens zum Innendurchmesser des Distanzringes 9. Durch diese Öffnung des Konus in Richtung Glockenrotor wird der Leitwert für Gas verbessert und der Saugvermögensverlust verringert.The Saugvermögensverlust by the in the suction port 5 The collar extending into the vacuum pump opposite an equally sized vacuum pump without a collar can be reduced by providing a conical surface on the collar 48 borders, which has at its collar-side end of the smallest diameter. It forms a transition from the inner diameter of the collar to the inner diameter of the spacer ring 9 , Through this opening of the cone in the direction of the bell rotor, the conductance for gas is improved and the Saugvermögensverlust reduced.

Eine Weiterbildung des Pumpenflansches und der Anordnung nach 2 ist in 3 gezeigt, wobei der gleiche Ausschnitt dargestellt ist. Der Kragen 40' weist auf seiner in radialer Richtung außen liegenden Seite ein Dämpfungselement 60 auf. Durch diese Anordnung ist es dem Kammerflansch 2' zugewandt und befindet sich zwischen Kammerflansch und Kragen. Dieses Dämpfungselement ist so gewählt, dass es verformbar und gleichzeitig für den Hochvakuumbereich tauglich ist. Letzteres bedeutet, dass es möglichst wenige virtuelle Lecks beinhaltet und eine geringe Ausgasrate aufweist. Der durch die Vakuumpumpe erreichbare Enddruck sollte um weniger als eine halbe Dekade beeinflusst werden. Diese Anforderungen an das Dämpfungselement werden beispielsweise erreicht, wenn es als Kupferring ausgeführt ist. Im Fehlerfall kommt zunächst das Dämpfungselement mit dem Kammerflansch in Kontakt und wird nachfolgend verformt, wodurch ein Teil der Bewegungsenergie abgebaut wird.A development of the pump flange and the arrangement according to 2 is in 3 shown, wherein the same section is shown. The collar 40 ' has on its radially outer side a damping element 60 on. By this arrangement, it is the chamber flange 2 ' facing and located between the chamber flange and collar. This damping element is chosen so that it is deformable and at the same time suitable for the high-vacuum range. The latter means that it contains as few virtual leaks as possible and has a low outgassing rate. The final pressure reached by the vacuum pump should be influenced by less than half a decade. These requirements for the damping element are achieved, for example, when it is designed as a copper ring. In the event of a fault, the damping element initially comes into contact with the chamber flange and is subsequently deformed, as a result of which a portion of the kinetic energy is dissipated.

Auf dem Pumpenflansch 4' kann eine Stufe 56 angeordnet sein. Diese dient einem Dichtring 52' in radialer Richtung 22' als innere Begrenzung. Radial nach außen wird er begrenzt durch einen Stützring 54.On the pump flange 4 ' can be a level 56 be arranged. This serves a sealing ring 52 ' in the radial direction 22 ' as an inner limitation. Radially outward it is limited by a support ring 54 ,

Durch die Stufe entsteht im Bereich der Schraube 30' ein Axialspalt 66. Dieser wirkt sich im Fehlerfall vorteilhaft aus, da die Schraube zusätzlichen Verformungsspielraum bekommt, welcher in allen Kraftrichtungen gleichermaßen vorhanden ist. Die Verbindung von Kammerflansch und Pumpenflansch wird widerstandsfähiger sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung, da die Scherwirkung auf die Schrauben auf ihren im Axialspalt befindlichen Abschnitt verteilt wird. Through the step arises in the area of the screw 30 ' an axial gap 66 , This has an advantageous effect in case of error, since the screw gets additional deformation latitude, which is equally present in all directions of force. The connection of the chamber flange and pump flange becomes more resistant in both the radial and circumferential directions, as the shearing action on the screws is distributed on their axial-gap section.

Anstelle einer Schraube als Befestigungsmittel können andere Mittel eingesetzt werden. Ein Beispiel zeigt 4. Eine Klammer 70 umfasst eine Hakenschraube 72 und einen Gegenhaken 84, wobei die Hakenschraube ein Gewindeabschnitt aufweist, welcher einen zylindrischen Kanal eines Gegenhakens durchsetzt. Eine Mutter 76 steht mit dem Gewindeabschnitt im Eingriff. Die Hakenschraube greift in eine Nut 82 des an einem Rohrstück 38 angeordneten Kammerflansches 2''. Der Gegenhaken greift in eine Nut 84 des Pumpenflansches 4''. Ein Kragen 40'' ist auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches angeordnet und der Ansaugöffnung zugeordnet. Durch diese Anordnung ragt er in den vom Kammerflansch umgebenen Freiraum hinein. Im Fehlerfall bewegt sich der Kragen durch die oben genannten Kräfte in radialer Richtung 22'' und kommt in Kontakt mit dem Kammerflansch. Durch diesen Kontakt wird die auf die Begrenzungen der Nuten 82 und 84 und auf Haken und Gegenhaken einwirkende Scherbelastung drastisch reduziert. Auf die Klammer wirken im wesentlichen nur Kräfte in axialer Richtung 24'' und entlang der Nuten, d. h. in Umfangsrichtung. Für die Aufnahme solcher Kräfte ist die Klammer standardmäßig ausgelegt.Instead of a screw as a fastener other means can be used. An example shows 4 , A clamp 70 includes a hook screw 72 and a counter hook 84 wherein the hook screw has a threaded portion which passes through a cylindrical channel of a counter-hook. A mother 76 is engaged with the threaded portion. The hook screw engages in a groove 82 on a piece of pipe 38 arranged chamber flange 2 '' , The counter hook engages in a groove 84 the pump flange 4 '' , A collar 40 '' is arranged on the side facing away from the housing of the pump flange and associated with the suction port. By this arrangement, it protrudes into the space surrounded by the chamber flange. In case of failure, the collar moves through the above forces in the radial direction 22 '' and comes in contact with the chamber flange. Through this contact is on the boundaries of the grooves 82 and 84 and drastically reduces shear stress on hooks and hooks. On the clamp act essentially only forces in the axial direction 24 '' and along the grooves, ie in the circumferential direction. To accommodate such forces, the clamp is designed by default.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1537336 A [0004]
EP 1312804 A [0004]

Claims

Vacuum pump ( 1 ) with a housing ( 6 ), a suction opening ( 5 ), a fast rotating rotor ( 12 ) and one with a mating flange ( 2 ; 2 '; 2 '' ) connectable pump flange ( 4 ; 4 '; 4 '' ), which is provided on the housing, characterized in that on the side facing away from the housing of the pump flange of the suction opening associated collar ( 40 ; 40 '; 40 '' ) is arranged.

Vacuum pump according to claim 1, characterized in that on the radially outer side of the collar ( 40 ; 40 '; 40 '' ) a damping element ( 60 ) is arranged.

Vacuum pump according to claim 1 or 2, characterized in that the collar ( 40 ; 40 '; 40 '' ) a conical surface ( 48 ), which has the smallest diameter at its collar-side end.

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that the pump flange ( 4 ) a groove ( 50 ) for receiving a seal ( 52 ).

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that the pump flange ( 4 ) a relief groove ( 44 ), which is arranged in the radial direction outside of the collar adjacent.