DE102011112689A1

DE102011112689A1 - Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE102011112689A1
Application number: DE102011112689A
Authority: DE
Inventors: Jan Hofmann; Michael Schweighöfer; Tobias Stoll
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: DE102011112689B4; JP5683544B2; EP2565464B1; EP2565464A2; JP2013053626A; EP2565464A3

Abstract

Die Erfindung betrifft Vakuumpumpe, insbesondere Molekularvakuumpumpe, mit einem Rotor (10), welcher eine Welle (12), eine mit der Welle verbundene Nabe und eine mit einer ersten Seite (42) der Nabe verbundene und zur Welle konzentrische erste Hülse (50) aufweist. Um eine kompakte Vakuumpumpe mit hohem Druckverhältnis zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass eine zweite Hülse (52) konzentrisch zur Welle auf einer in einer axialen Richtung der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (44) der Nabe mit dieser verbunden und die erste Hülse im Gasstrom der zweiten Hülse nachfolgend angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Molekulare Pumpprinzipien sind aus der Vakuumtechnik aufgrund der vielfältigen Anwendungen bei der Erzeugung industrieller Vakua nicht mehr wegzudenken. Letztlich gründet sich der Pumpeffekt auf dem Impulsübertrag einer schnell bewegten Fläche auf Gasmoleküle, wodurch der statistischen thermischen Bewegung eine gerichtete Bewegung hinzuaddiert wird.
Rotierende Hülsen haben sich in Vakuumpumpen bewährt, beispielsweise in Form einer Holweckpumpstufe. Eine oder eine Mehrzahl von Hülsen wird einseitig an einer Nabe befestigt, die ihrerseits auf einer Welle angeordnet ist. Einen solchen Aufbau zeigt beispielsweise die EP 0 695 872 A1 .
In einigen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Einsatz von Vakuumpumpen in Lecksuchern, wird ein hohes Druckverhältnis zwischen Ansaugöffnung und Auslass der Pumpe insbesondere für leichte Gase gewünscht. Dies geht nach oben genanntem Bauprinzip mit sehr langen Hülsen einher. Gerade in diesen Anwendungen ist jedoch eine kompakte Bauweise gewünscht. Dem Wunsch widersprechen lange Hülsen, die die Baulänge der Vakuumpumpe selbst vergrößern.
Es war daher Aufgabe, eine Vakuumpumpe zu schaffen, die bei einer kompakten Bauweise ein hohes Druckverhältnis besitzt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 gekennzeichnet.
Zur Lösung wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, eine Nabe mit zwei Hülsen zu versehen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Nabe angeordnet sind. Statt einer langen Hülse werden zwei kurze Hülsen benutzt, um die gleiche pumpaktive Länge zu erreichen. Der Vorteil ist nun, dass bei zwei Hülsen Fertigungstoleranzen eine geringere Rolle spielen. Solche Fertigungstoleranzen sind beispielsweise der Hülsendurchmesser und eine Verkippung der Hülse an der Befestigungsstelle. Diese Toleranzen müssen bei der Auslegung der Spalte zwischen Hülse und Stator berücksichtigt werden und führen bei einer langen Hülse zu weiten Spalten. Neben den Fertigungstoleranzen spielt auch die Aufweitung der Hülse durch Fliehkräfte bei schneller Drehung eine Rolle. Bei kurzen Hülsen ist diese Aufweitung geringer. Bei zwei kurzen Hülsen anstelle einer langen Hülse können daher engere Spalte eingesetzt werden. Enge Spalte bedeuten gleichzeitig eine Erhöhung des Druckverhältnisses, so dass das Druckverhältnis pro Länge steigt. Die Vakuumpumpe baut daher kompakter bei besserem Druckverhältnis als eine vergleichbare Vakuumpumpe nach bisheriger Bauart.
Die abhängigen Ansprüche stellen Merkmale vor, mit dem der genannte Vorteil vertieft wird, beispielsweise zusätzliche konzentrische Hülsen, die mit weiteren Statoren zusammenwirken und aufgrund ihrer Anordnung keinen zusätzlichen Bauraum benötigen. Eine weitere Maßnahme kann sein, die äußere Mantelfläche der Nabe zum Erzielen einer Pumpwirkung zu nutzen. Einsatz eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes als Hülsenmaterial ermöglicht noch geringere Spalte, da die Fliehkraftaufweitung der Hülse verringert wird. Auch der Einsatz einer oder mehrere Rotorscheiben turbomolekularer Bauart verbessert das Ergebnis. Sollte die Vakuumpumpe mit einem zusätzlichen Gaseinlass vorgesehen sein, führt ein Zusammenwirken dieses Gaseinlasses mit einer Einschnürung der Nabe zu einer Verbesserung der vakuumtechnischen Größen wie Saugvermögen und Druckverhältnis.
An Hand eines Ausführungsbeispiels und seiner Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden. Es zeigen:
1: Schnitt durch eine Vakuumpumpe;
2: Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer Rotorscheibe turbomolekularer Bauart;
3: Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer weiteren Hülse;
4: Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer Einschnürung auf Höhe eines zusätzlichen Gaseinlasses.
Ein Längsschnitt durch eine Vakuumpumpe zeigt 1. Im Gehäuse 2 der Vakuumpumpe ist eine Ansaugöffnung 4 vorgesehen, durch die Gas in Vakuumpumpe eingesaugt wird. Nach dem Verdichten wird es durch den Auslass 6 aus der Vakuumpumpe ausgestoßen.
Innerhalb der Vakuumpumpe ist ein Rotor 10 vorgesehen, der zusammen mit einem Stator 30 die Pumpwirkung erzeugt. Der Rotor weist eine Welle 12 auf, deren der Ansaugöffnung zugewandtes Ende von einem Permanentmagnetlager 14 getragen wird. Das gegenüberliegende Ende wird von einem Wälzlager 16 unterstützt. Diese Lageranordnung besitzt gegenüber anderen denkbaren Lagerarten wie der fliegenden Lagerung mit zwei Wälzlagern auf der der Ansaugöffnung gegenüberliegenden Seite den Vorteil, dass ein schmiermittelfreies Lager ansaugseitig eingesetzt wird und aufgrund der rotordynamisch einfacheren Lagerung enge Spalte und eine kürze Baulänge erreicht werden.
Auf der Welle ist ein Permanentmagnet 20 vorgesehen, der mit einer bestromten Antriebsspule zusammenwirkt. Hierdurch wird der Rotor in eine ausreichend schnelle Drehzahl versetzt. Diese bemisst sich nach dem verwendeten Pumpprinzip und liegt bei molekularen Pumpprinzipien in der Regel bei einigen Zehntausend Umdrehung pro Minute.
Der Stator weist auf seiner dem Rotor zugewandten Oberfläche einen oder eine Mehrzahl schraubenlinienartiger Kanäle 32 auf.
An der Welle ist eine Nabe 40 befestigt. Sie weist eine erste Seite 42 und eine dieser gegenüberliegende zweite Seite 44 auf Die zweite Seite ist der Ansaugöffnung zugewandt. An der ersten Seite ist eine erste Hülse 50 befestigt, an der zweiten Seite eine zweite Hülse 52. Beide Hülsen wirken mit dem Stator 30 und dessen schraubenlinienartigen Kanal 32 zur Erzeugung einer Pumpwirkung nach Holweck zusammen. Der Gasstrom führt durch die Ansaugöffnung in den Spalt S zwischen zweiter Hülseund Stator. Die erste Hülse ist im Gasstrom der zweiten Hülse nachfolgend angeordnet und verdichtet damit zum höheren Druck hin. Durch die Verwendung der Hülsen 50 und 52 zusammen mit der beschriebenen Gasführung wirken sich Fertigungstoleranzen in geringerem Maße auf den Spalt S aus, so dass dieser enger als bei einer vergleichbaren einzelnen Hülsen ausgeführt wird, deren Länge der Summe der Längen der beiden Hülsen L1 und L2 entspricht.
Weiterbildungen sind in den nachfolgenden 2 bis 4 dargestellt, wobei die vorgestellten Merkmale miteinander kombiniert werden können.
In 2 sind ein Teil des Stators und ein Teil des Rotors dargestellt. Eine Nabe 40 ist auf der Welle 12 angeordnet. Die Nabe besitzt einen im Wesentlichen scheibenförmigen und sich in einer Ebene senkrecht zur Wellenachse W ausdehnenden Grundkörper, wodurch mit geringem Materialaufwand ein rotordynamisch vorteilhaftes Traggebilde für die Hülsen geschaffen wird. Auf ihrer ersten Seite, die einer ersten Stirnseite der Scheibe entspricht, sind zwei Absätze 80 und 84 vorgesehen, an denen die erste Hülse 50 und eine dritte Hülse 54 befestigt sind. Das Material der Hülsen umfasst im Wesentlichen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Die Befestigung der Hülsen kann durch Kleben erfolgen. Auf der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite 44 ist ein weiterer Absatz 82 vorgesehen, an dem die sich in Richtung der Ansaugöffnung erstreckende und im Gasstrom der ersten Hülse vorgelagerte zweite Hülse 52 befestigt ist.
Die Nabe weist eine radial außen liegende Mantelfläche 46 auf, die mit wenigstens einem schraubenlinienartig verlaufenden Kanal 32 im Stator 30 zusammen eine Pumpwirkung erzielt. In einer Weiterbildung bildet die Mantelfläche zusammen mit den radial außenliegenden Oberflächen 60 und 62 der ersten und zweiten Hülse 50 und 52 eine abgesehen von Materialübergängen durchgehende zylindrische Fläche.
Auf der Welle ist im Gasstrom vor der zweiten Hülse eine Rotorscheibe 70 turbomolekularer Bauart angeordnet, mit welcher bei kurzer Baulänge das Saugvermögen erhöht und der Druckbereich zu niedrigeren Drücken hin erweitert wird.
In 3 wird der zusätzliche Gestaltungsspielraum vorgestellt, die Längen L1 und L2 von erster und zweiter Hülse 50 und 52 unterschiedlich lang zu gestalten. Hiermit können die vakuumtechnischen Daten und die Rotordynamik aufgrund der Massenverteilung auf dem Rotor aufeinander abgestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Radien R1 und R2 von erster und zweiter Hülse voneinander verschieden sein.
Konzentrisch zur zweiten Hülse und mit kleinerem Radius kann eine vierte Hülse 56 vorgesehen sein. Zwischen zweiter und vierter Hülse ist ein zusätzlicher Stator 34 vorgesehen, der als pumpaktive Strukturen schraubenlinienartige Kanäle 36 und 38 aufweist. Der Kanal 36 wirkt mit der innenliegenden Oberfläche 64 der zweiten Hülse zusammen. Die Pfeile veranschlaulichen den Gasfluss, der zunächst an der äußeren Oberfläche der vierten Hülse 56 in Richtung Nabe erfolgt, dann an der Oberfläche 64 der zweiten Hülse von der Nabe weggerichtet ist, und nachfolgend an der radial außenliegenden Oberfläche der zweiten Hülse wieder in Richtung der Nabe ausgerichtet ist.
Die Weiterbildung nach 4 weist einen zusätzlichen Stator 34 auf, durch dessen Wirkung durch die Ansaugöffnung eintretendes Gas zunächst durch Zusammenwirken von Stator und zweiter Hülse 52 von der Nabe weg gefördert wird.
Ein weiteres mögliches Gestaltungsmerkmal wird durch eine Einschnürung 48 gebildet, die einen Bereich der Nabe zwischen erster und zweiter Hülse darstellt, in welchem der Radius der Nabe gegenüber dem Radius beider Hülsen 50 und 52 verringert ist. Diese Einschnürung wirkt mit einem zusätzlichen Gaseinlass 8 in der Form zusammen, dass durch den Gaseinlass eintretendes Gas zunächst in die Einschnürung gelangt. Hierdurch kann sich Gas um den Rotor herum verteilen, wodurch der Gasfluss in Richtung erster Hülse verbessert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0695872 A1 [0003]

Claims

Vakuumpumpe, insbesondere Molekularvakuumpumpe, mit einem Rotor (10), welcher eine Welle (12), eine mit der Welle verbundene Nabe und eine mit einer ersten Seite (42) der Nabe verbundene und zur Welle konzentrische erste Hülse (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Hülse (52) konzentrisch zur Welle auf einer in einer axialen Richtung der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (44) der Nabe mit dieser verbunden und die erste Hülse im Gasstrom der zweiten Hülse nachfolgend angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius (R1) der ersten Hülse und ein Radius (R2) der zweiten Hülse unterschiedlich sind.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Hülse (54) mit einem kleineren Radius konzentrisch zu ersten Hülse (50) angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Hülse (56) mit einem kleineren Radius konzentrisch zur zweiten Hülse (52) angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radial innerhalb der zweiten Hülse (52) ein Stator (34) vorgesehen ist, der mit der inneren Oberfläche (64) der Hülse pumpend zusammenwirkt.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasstrom vor der zweiten Hülse eine Rotorscheibe (70) turbomolekularer Bauart angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Hülse (50, 52, 54, 56) einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff umfasst.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (40) eine Mantelfläche (46) umfasst, welche mit einem Stator (30) gasfördernd zusammenwirkt.
Vakuumpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (46) und die radial außenliegenden Oberflächen (60, 62) von erster und zweiter Hülse zusammen eine zylindrische Fläche bilden.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (40) im Gasstrom vor der ersten Hülse eine Einschnürung (48) aufweist, welche mit einem Gaseinlass (8) zusammenwirkt.