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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vakuumpumpen mit zwei durch eine Wand voneinander getrennten Räumen, wobei ein Welle diese Wand durchsetzt, sind häufig anzutreffen. In der Regel befinden sich beide Räume wenigstens zeitweilig auf unterschiedlichen Absolutdrücken. Ein im zweiten Raum vorgesehenes Wälzlager zur Lagerung der Welle bedingt eine Schmiermittelversorgung im zweiten Raum.
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In dem Bereich, in dem die Welle die Wand durchsetzt, ist in aller Regel eine Dichtungsanordnung erforderlich, um Schmiermittel im zweiten Raum zu halten und den Durchtritt in den ersten Raum zu unterbinden.
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Eine im Stand der Technik bekannte Lösung sieht vor, im Spalt zwischen Welle und Wand eine Mehrzahl von Kolbenringen anzuordnen, wobei im Betriebszustand die Kolbenringe nicht mehr in Kontakt mit der Welle stehen. Hierdurch ergibt sich eine labyrinthartige Dichtungsanordnung, die aufgrund der schnellen Montage und geringen Bauteilzahl kostengünstig herzustellen ist. Ein weitere positive Eigenschaft dieser Dichtungsanordnung ist die Möglichkeit der Druckangleichung zwischen erstem und zweiten Raum. Hierbei wirkt das Labyrinth lediglich als Drossel. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass geringe Mengen an Schmiermittel in den ersten Raum gelangen.
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Heutige Vakuumsysteme, d. h. Anordnungen aus Vakuumpumpen, Vakuumkammern, Rohrleitungen, Substrattransportvorrichtungen und dergleichen, sollen in ihrem Prozessbereich in steigendem Maße frei von Schmiermittel sein. Dies bedeutet, dass die an sich vorteilhafte und oben beschriebene Lösung in manchen Anwendungsfällen eine zu große Schmiermittelmenge in den ersten Raum gelangen lässt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumpumpe mit geringerer Schmiermittelleckage vorzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Schmiermittelleckage, das heißt die in den ersten Raum gelangende Schmiermittelmenge, wird deutlich verringert durch eine Vorrichtung mit einer zur Welle hin geöffneten Fangnut, deren radiale Begrenzungsfläche derart gestaltet ist, dass in radialer Richtung auftreffendes Schmiermittel umgelenkt und in einer Vorzugsrichtung zusammengeführt wird. Schmiermittel wird in dieser Vorrichtung nicht nur von der Welle abgeschleudert und aufgefangen. Durch das Umlenken und Zusammenführen in einer Vorzugsrichtung wird das Schmiermittel schnell beruhigt und aus dem Dichtungsbereich weggeführt. Unkontrolliertes Umherfliegen und Zerstäuben zu Tröpfchen, welche den leicht im Gasstrom mitführbaren Schmiermittelnebel verstärken würde, wird verhindert. Gegenüber der herkömmlichen Vorrichtung ist die Schmiermittelleckage deutlich geringer, die erforderlichen Mehrkosten bei der Herstellung sind gering.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 2 stellt eine im Wesentlichen konische Fläche vor, bei der aus radialer Richtung auftreffendes Schmiermittel entlang des Konus zusammengeführt wird. Die Zusammenführung wird dabei einerseits durch die Geschwindigkeitskomponente entlang der Mantelfläche des Konus und der Strömungsrichtung des durch die Vorrichtung strömenden Gases bewirkt und gefördert. Zudem ist diese Geometrie leicht herstellbar.
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Dies gilt auch für die Weiterbildung nach Anspruch 3, die einen Absatz auf der dem Wälzlager abgewandten Begrenzungsfläche der Fangnut vorstellt. An diesem Absatz löst sich Schmiermittel von der Fangnutwandung ab, so dass ein Weiterkriechen in Richtung erstem Raum verhindert wird. Daher ist diese Weiterbildung noch besser in Bezug auf Schmiermittelleckage. Diese Vorteile können weiter vertieft werden, wenn der Absatz einen spitzen Winkel aufweist.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 4 führt durch eine zwischen Fangnut und Wälzlager vorgesehene Sammelkammer zu einer verringerten Schmiermittelleckage. Durch die Sammelkammer wird ein Volumen bereitgestellt, in welchem aus dem Wälzlager austretendes Schmiermittel aufgefangen und an der Wanderung in Richtung Fangnut gehindert wird.
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Dieser Gedanken wird durch die Merkmale von Anspruch 5 weiterentwickelt. Eine Stufe auf der in Richtung Fangnut gelegenen Begrenzungswand verringert das Kriechen des Schmiermittels in den Spalt zwischen Wand und Welle und damit wiederum die Schmiermittelleckage.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Schmiermittelleckage durch eine Ablaufkammer nach Anspruch 6 zu verringern, die im Schmiermittelpfad zwischen Fangnut und einem Schmiermittelreservoir angeordnet ist. Beim Entgasen des Schmiermittels entsteht ein Schmiermittelschaum, der aufgrund der Ablaufkammer nicht in die Fangnut aufsteigen kann.
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Die Ablaufkammer wird vorteilhaft durch einen unter die Oberfläche des Schmiermittels reichenden Ablaufkanal nach Anspruch 7 weitergebildet. Durch den Ablaufkanal wird die Menge des Schmiermittels reduziert, welche in die Ablaufkammer aufsteigenden Schmiermittelschaum bilden kann.
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Um einen zeitlich schnelleren Druckausgleich als im Stand der Technik zwischen erstem und zweitem Raum bewerkstelligen zu können, ist es vorteilhaft, einen Belüftungskanal nach Anspruch 8 vorzusehen. Dieser führt Fluid aus dem zweiten Raum am Wälzlager vorbei in Richtung erstem Raum und kann daher mit einem deutlich höheren Leitwert als das Wälzlager Fluid transportieren.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 9 schlägt vor, in diesem Belüftungskanal einen Filter vorzusehen und dadurch die Schmiermittelmenge im über den Belüftungskanal zugeführten Fluid herabzusetzen.
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Besonders ausgeprägt sind die Vorteile bei einer Vakuumpumpe nach Anspruch 10. Während des Evakuierens von Atmosphäre bis zum Arbeitsdruck wird bei einer solchen Vakuumpumpe das Druckniveau durchschritten, in welchem im Schmiermittel gelöstes Gas aus diesem austritt und dadurch einen Schmiermittelschaum bildet. Die Vorrichtung verhält sich besonders gut darin, den beim Austreten des Gases entstehenden Schmiermittelschaum nicht in den ersten Raum gelangen zu lassen. Bei einer Zweiwellenvakuumpumpe kommt hinzu, dass zusätzlich zu den die Welle unterstützenden Wälzlagern auch Synchronzahnräder eingesetzt werden und somit die benötigte Gesamtmenge an Schmiermittel besonders hoch ist.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels und seiner Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
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Es zeigen:
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1: Schnitt durch eine Wälzkolbenvakuumpumpe,
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2: Schnitt durch entlang der Linie I-I'.
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Einen Schnitt durch eine beispielhafte Vakuumpumpe ist in 1 gezeigt. Die Vakuumpumpe 1 besitzt ein Gehäuse 2. Innerhalb des Gehäuses ist ein Schöpfraum 4 vorgesehen, in welchem Kolben 24 und 26 angeordnet sind. Diese sind auf Wellen 10 und 18 angebracht und werden von diesen in Drehung versetzt. Das Zusammenwirken der sich drehenden Kolben erzeugt die Pumpwirkung. Die Drehung wird bewirkt durch einen Motor 30, welcher ein Drehmoment in die Welle 10 einleitet. Diese Einleitung kann direkt oder über eine in der Figur dargestellte Magnetkupplung 28 erfolgen, welche als Vorteil eine einfache und dichte Trennung von Pumpeninnenraum und Umgebung gestattet.
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Die Wellen 10 und 18 werden auf beiden Seiten der Kolben von Wälzlagern 12 und 22 drehbar unterstützt. Eine Wand 8 stützt Wälzlager 12 und trennt den Schöpfraum von einem Getrieberaum 6 ab. In dem Getriebenraum befindet sich Schmiermittel, welches der Schmierung der Wälzlager und der Synchronzahnräder 14 und 16 dient. Die Synchronzahnräder sorgen dafür, dass Antriebskraft von der Welle 10 auf die Welle 18 übertragen wird und dass die Kolben berührungsfrei aufeinander abwälzen. Das Schmiermittel bildet einen Flüssigkeitsvorrat im in Bezug auf die Schwerkraft unteren Teil des Getrieberaumes. In diesen Flüssigkeitsvorrat, dessen Oberfläche sich unterhalb von Wälzlager und Synchronzahnrädern befindet, taucht eine Schleuderscheibe 20 ein, die das Schmiermittel aufwirbelt, dadurch im Getrieberaum verteilt und so zu Synchronzahnrädern und Wälzlagern bringt.
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Auf der dem Getrieberaum gegenüberliegenden Seite des Schöpfraums befindet sich eine weitere Wand 8'. Diese trennt den Schöpfraum von einem Schmiermittelverteilungsraum 32 ab und trägt die Wälzlager 22. In diesem Schmiermittelverteilungsraum befindet sich auf einer der Wellen, im Beispiel auf Welle 18, eine Schleuderscheibe 20', die analog der Schleuderscheibe 20 in einen Schmiermittelvorrat eintaucht und dieses Schmiermittel verteilt, insbesondere den Wälzlagern zuführt.
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Der Schöpfraum 4 bildet nun den ersten Raum, während der zweite Raum sowohl vom Getrieberaum 6 als auch vom Schmiermittelverteilungsraum 32 gebildet werden kann.
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Die widersprüchliche Anforderung an diese Vakuumpumpe ist nun, einerseits Getrieberaum 6 und Schmiermittelverteilungsraum 32 über den Schöpfraum 4, dem ersten Raum, zu evakuieren, andererseits dabei keine unzulässige Menge an Schmiermittel aus einem der beiden zweiten Räume in den Schöpfraum gelangen zu lassen.
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Den Bereich eines der Wälzlager 12 zeigt 2 im Schnitt entlang der Linie I-I'. Es ist vorteilhaft, die Bereiche mit den weiteren Wälzlagern nach dem Beispiel der in diesem Bereich vorgestellten Lösung zu gestalten.
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Die Welle 10 besitzt eine Wellenachse 38. Die Schwerkraftrichtung ist in der Zeichnung senkrecht nach unten gelegen. Daher befindet sich der in der Zeichnung unterhalb dieser Wellenachse dargestellte Bereich auch bezogen auf die Schwerkraft unterhalb der Wellenachse.
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Die Wand 8 trennt den ersten Raum 4 vom zweiten Raum 6 ab. Die Welle durchsetzt eine Öffnung in der Wand und erstreckt sich vom ersten Raum bis in den zweiten Raum. Dort ist ein Wälzlager 12 vorgesehen, welches die Welle drehbar unterstützt. Zur Schmierung des Wälzlagers ist Schmiermittel vorhanden, welches im unteren Teil des zweiten Raumes einen Flüssigkeitsvorrat mit einer Schmiermitteloberfläche 100 bildet. Die in der ersten Abbildung gezeigte Schleuderscheibe taucht in dieses Schmiermittel ein und verteilt es bei Drehung der Welle im zweiten Raum. Hierdurch wird Wälzlager und Getriebe Schmiermittel zugeführt.
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Auf der dem ersten Raum zugewandten Seite der Wälzlagers ist eine Sammelkammer 70 vorgesehen. Schmiermittel, welches aus dem Wälzlager austritt, gelangt zunächst in dieser Sammelkammer und läuft durch einen Sammelkammerablauf 76 zurück in den Flüssigkeitsvorrat. Die in Richtung der Fangnut 50 gelegene Begrenzungswand 72 der Sammelkammer weist eine die Sammelkammer verengende Stufe 74 auf. Diese reduziert die Menge des aus der Sammelkammer auf die Welle gelangenden Schmiermittels, da zum einen der Anteil der sich bewegenden Begrenzungsflächen der Sammelkammer verkleinert wird. Zum anderen verkleinert die Stufe diejenige Begrenzungsfläche, von der aus Schmiermittel auf die Welle gelangen kann. Die Sammelkammer kann mit einer auf der Welle vorgesehenen Schleuderkante 102 zusammenwirken, welche bezogen auf die Wellenachse zwischen Stufe und Wälzlager angeordnet ist.
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Auf der dem Wälzlager abgewandten Seite der Sammelkammer befindet sich die Fangnut 50. Zwischen Fangnut und Sammelkammer kann wenigstens eine Drossel vorgesehen sein, die beispielsweise durch einen Kolbenring 44 gebildet wird.
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Die Fangnut umgibt die Welle und weist eine derart gestaltete radiale Begrenzungsfläche auf, dass im Wesentlichen aus radialer Richtung auftreffendes Schmiermittel umgelenkt und in einer Vorzugsrichtung zusammengeführt wird. Die radiale Richtung bezeichnet hier die zur Wellenachse 38 senkrechten Richtungen. Im gezeigten Beispiel wird diese Art der Gestaltung durch eine radiale Begrenzungsfläche 52 erreicht, welche im dreidimensionalen im Wesentlichen einen die Welle umgebenden Konus bildet, dessen Rotationsachse mit der Wellenachse zusammenfallen kann. Im gezeigten Schnitt bedeutet das, dass die Schnittlinie nicht parallel zur Wellenachse ist. Vorzugsweise ist der größere Durchmesser des Konus in Richtung des ersten Raumes 4 gerichtet. Hierdurch wird bewirkt, dass von der Welle abgeschleudertes Schmiermittel nicht senkrecht sondern in einem Winkel auf die radiale Begrenzungsfläche auftrifft. Es hat damit eine Geschwindigkeitskomponente die zur Begrenzungsfläche parallel ist, wodurch das Schmiermittel sowohl umgelenkt als auch in einer Vorzugsrichtung zusammengeführt wird. Dieser Vorteil wird verstärkt, wenn auf der Welle eine zweite Schleuderkante 104 vorgesehen ist, die sich bezogen auf die Wellenachse auf Höhe der Begrenzungsfläche befindet.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann die dem Wälzlager abgewandte Begrenzungsfläche 54 der Fangnut einen die Fangnut in Richtung Welle aufweitenden Absatz 56 aufweisen. Dieser Absatz reduziert die Menge an Schmiermittel, die entlang der dem Wälzlager abgewandten Begrenzungsfläche in den Spalt zwischen Wand und Welle gelangen kann. Vorzugsweise besitzt der Absatz eine im wesentlichen konische Gestalt, wobei sich dieser zweite Konus in Richtung des ersten Raumes weitet. Hierdurch entsteht ein spitzer Winkel an der Kante 108, von welchem sich Schmiermittel besonders leicht ablöst. Mit diesem zweiten Konus kann eine dritte Schleuderkante 106 auf der Welle zusammenwirken, in dem diese bezogen auf die Wellenachse auf Höhe des zweiten Konus angeordnet ist. Schmiermittel wird bei dieser Gestaltung von der Welle abgeschleudert, trifft auf den zweiten Konus, läuft entlang diesem zur Kante 108 und löst sich dort derart ab, dass es die Welle zwischen den Schleuderkanten 106 und 104 erreicht. Somit wird wirkungsvoll die Menge an Schmiermittel reduziert, die in den Spalt zwischen Wand und Welle gelangen kann.
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In diesem Spalt können weitere Kolbenringe 40 und 42 vorgesehen sein, welche den Gasfluss durch diesen drosseln, vorzugsweise jedoch nicht dauerhaft berührend abdichten. Zwischen den Kolbenringen 40 und 42 kann eine Sperrgasnut 90 vorhanden sein, in die über einen Sperrgaskanal 92 Gas eingelassen wird, welches den Eintritt von Prozessgas aus dem ersten Raum in den zweiten Raum verhindert.
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Die Fangnut ist mit einem Fangnutkanal 60 versehen, welche derart angeordnet ist, dass Schmiermittel aus der Fangnut in Richtung des Schmiermittelvorrats abgeführt wird. Vorzugsweise ist zwischen Fangnutkanal und Schmiermittelvorrat eine Ablaufkammer 62 vorgesehen, in der das aus der Fangnut ablaufende Schmiermittel zunächst aufgefangen wird. Diese Ablaufkammer besitzt ein eigenes Gehäuse. Alternativ kann sie wenigstens teilweise eine Ausnehmung in der Wand 8 sein. Sie kann außerdem zusammen mit dem Fangnutkanal ein einziges Gestaltungselement bilden. Von der Ablaufkammer führt ein Ablaufkanal 64 das Schmiermittel in den Schmiermittelvorrat zurück. Die Mündung des Ablaufkanals befindet sich dabei unterhalb der Schmiermitteloberfläche 100, vorzugsweise nahe des Bodens im beruhigten Bereich des Schmiermittelvorrats. Vorzugsweise ist das Volumen des Ablaufkanals deutlich kleiner als das Volumen der Ablaufkammer. Insbesondere sind die Volumenverhältnisse derart bemessen, das beim Aufschäumen von Schmiermittel während des Abpumpens der Vakuumpumpe auf Drücke unterhalb von 50 mbar kein Schaum bis in die Fangnut 50 gelangt. Die Ablaufkammer ist vollständig über der Schmiermitteloberfläche 100 angeordnet. Ihr Boden und die Mündung des Ablaufkanals sind derart gestaltet, dass das Schmiermittel vollständig aus der Ablaufkammer ablaufen kann, beispielsweise indem die Mündung am tiefsten Punkt der Ablaufkammer vorgesehen ist.
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Es ist vorteilhaft, einen Belüftungskanal 80 vorzusehen, durch den Gas aus dem zweiten Raum 6 in die Fangnut 50 gelangt. Dies ermöglicht den Druckausgleich zwischen erstem und zweitem Raum. Im Falle der Vakuumpumpe ist der erste Raum der Schöpfraum und der zweite Raum ein Getrieberaum. Durch den Druckausgleich wird der Getrieberaumdruck in den Druckbereich des Schöpfraumes gebracht. Aufgrund des dann geringen Druckunterschieds wird Strömung von schmiermittelbeladenem Fluid aus dem zweiten in den ersten Raum vergleichsweise stark reduziert. Das ist positiv für die verringerte Leckage von Schmiermittel in den Schöpfraum hinein und für das Erreichen eines tiefstmöglichen Enddrucks der Vakuumpumpe.
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Es ist vorteilhaft, in dem Belüftungskanal einen Filter 82 anzuordnen, der als Nebel auftretendes Schmiermittel aus dem Gas herausfiltert. Die Porengröße des Filters ist dabei an die Tröpfchengröße des Schmiermittels angepasst. Der Einlass des Filters ist durch eine Abschirmung 84 derart abgeschirmt, dass Schmiermittel von der Schleuderscheibe nicht direkt auf den Filter geschleudert werden kann.
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Der Leitwert des Strömungspfades mit Belüftungskanal und Filter ist groß gegenüber dem Leitwert des Strömungspfades durch das Wälzlager, insbesondere beträgt er etwa das Zehnfache. Hierdurch wird erreicht, das vorzugsweise gefiltertes Gas ohne Beimengung von Schmiermittel in den Bereich der Fangnut gelangt.
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Die Erfindung wurde anhand einer einstufigen Wälzkolbenvakuumpumpe gezeigt. Die Vakuumpumpe kann jedoch auch mehrstufig ausgeführt sein mit einer Mehrzahl an hintereinander auf den Wellen 10 und 18 angeordneten Kolben, die in mehreren Schöpfräumen zusammenwirken. Es muss kein Wälzkolbenprofil zur Anwendung gelangen. Auch Klauenprofile, Schraubenprofile und dergleichen können mit der vorgestellten Anordnung verwendet werden.
