DE102011112689A1

DE102011112689A1 - vacuum pump

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: EP2565464A3; JP5683544B2; EP2565464B1; JP2013053626A; EP2565464A2; DE102011112689B4

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.The invention relates to a vacuum pump, in particular a molecular vacuum pump, having a rotor (10) which has a shaft (12), a hub connected to the shaft and a first sleeve (50) connected to a first side (42) of the hub and concentric with the shaft , In order to achieve a compact vacuum pump with a high pressure ratio, it is proposed that a second sleeve (52) concentrically connected to the shaft on a second side (44) of the hub lying opposite in an axial direction of the first side and the first sleeve in the gas flow second sleeve is arranged below.

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.

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.Molecular pumping principles have become an indispensable part of vacuum technology due to the manifold applications in the production of industrial vacuums. Ultimately, the pumping effect is based on the momentum transfer of a rapidly moving surface to gas molecules, adding a directional motion to the statistical thermal motion.

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 .Rotating sleeves have proven themselves in vacuum pumps, for example in the form of a Holweckpumpstufe. One or a plurality of sleeves is fixed on one side to a hub, which in turn is arranged on a shaft. Such a structure shows, for example, the 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.In some applications, such as the use of vacuum pumps in leak detectors, a high pressure ratio between the suction port and outlet of the pump is desired, especially for light gases. This is accompanied by the above-mentioned construction principle with very long sleeves. Especially in these applications, however, a compact design is desired. The desire contradict long sleeves that increase the length of the vacuum pump itself.

Es war daher Aufgabe, eine Vakuumpumpe zu schaffen, die bei einer kompakten Bauweise ein hohes Druckverhältnis besitzt.It was therefore an object to provide a vacuum pump, which has a high pressure ratio in a compact design.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 gekennzeichnet.The object is solved by the features of independent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims 2 to 10.

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.To solve is proposed according to the features of claim 1, to provide a hub with two sleeves, which are arranged on opposite sides of the hub. Instead of a long sleeve, two short sleeves are used to achieve the same pump-active length. The advantage now is that with two sleeves manufacturing tolerances play a lesser role. Such manufacturing tolerances are, for example, the sleeve diameter and a tilt of the sleeve at the attachment point. These tolerances must be taken into account in the design of the gap between the sleeve and stator and lead to long columns in a long sleeve. In addition to the manufacturing tolerances and the expansion of the sleeve by centrifugal forces at high speed plays a role. For short sleeves, this expansion is less. With two short sleeves instead of one long sleeve, tighter gaps can therefore be used. At the same time, narrow gaps mean an increase in the pressure ratio, so that the pressure ratio increases per length. The vacuum pump therefore builds more compact at a better pressure ratio than a comparable vacuum pump of the previous design.

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.The dependent claims introduce features that deepen the said advantage, for example, additional concentric sleeves, which cooperate with other stators and because of their arrangement require no additional space. Another measure may be to use the outer surface of the hub to achieve a pumping action. Use of a carbon fiber reinforced plastic as a sleeve material allows even lower column, since the centrifugal expansion of the sleeve is reduced. The use of one or more rotor disks turbomolekularer type improves the result. Should the vacuum pump be provided with an additional gas inlet, an interaction of this gas inlet with a constriction of the hub leads to an improvement of the vacuum technical parameters such as pumping speed and pressure ratio.

An Hand eines Ausführungsbeispiels und seiner Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden. Es zeigen:With reference to an embodiment and its developments, the invention will be explained in more detail and the representation of its benefits to be deepened. Show it:

1: Schnitt durch eine Vakuumpumpe; 1 : Section through a vacuum pump;

2: Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer Rotorscheibe turbomolekularer Bauart; 2 : Partial section of a rotor according to a further development with a rotor disk turbomolekularer design;

3: Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer weiteren Hülse; 3 : Partial section of a rotor according to a further development with a further sleeve;

4: Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer Einschnürung auf Höhe eines zusätzlichen Gaseinlasses. 4 Partial section of a rotor according to a further development with a constriction at the level of an additional gas inlet.

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.A longitudinal section through a vacuum pump shows 1 , In the case 2 the vacuum pump is a suction port 4 provided, is sucked through the gas in the vacuum pump. After compacting, it will pass through the outlet 6 ejected from the vacuum pump.

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.Inside the vacuum pump is a rotor 10 provided, which together with a stator 30 generates the pumping action. The rotor has a shaft 12 on, whose suction port facing the end of a permanent magnet bearing 14 will be carried. The opposite end is from a rolling bearing 16 supported. This bearing assembly has compared to other conceivable types of bearings such as the flying bearing with two bearings on the opposite side of the suction port Advantage that a lubricant-free bearing is used on the suction side and due to the rotor dynamic simpler storage narrow gaps and a shorter overall length can be achieved.

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.On the shaft is a permanent magnet 20 provided, which cooperates with a powered drive coil. As a result, the rotor is set in a sufficiently fast speed. This is based on the pumping principle used and is usually at some ten thousand revolutions per minute for molecular pumping principles.

Der Stator weist auf seiner dem Rotor zugewandten Oberfläche einen oder eine Mehrzahl schraubenlinienartiger Kanäle 32 auf.The stator has on its surface facing the rotor one or a plurality of helical channels 32 on.

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.At the shaft is a hub 40 attached. She has a first page 42 and one of these opposite second page 44 on the second side of the suction port faces. On the first page is a first sleeve 50 attached, on the second side a second sleeve 52 , Both sleeves work with the stator 30 and its helical channel 32 for generating a pumping action according to Holweck. The gas stream passes through the suction port into the gap S between the second sleeve and stator. The first sleeve is subsequently arranged in the gas flow of the second sleeve and thus compresses to the higher pressure. By using the sleeves 50 and 52 together with the gas guide described manufacturing tolerances affect the gap S to a lesser extent, so that this is performed more closely than in a comparable individual sleeves whose length corresponds to the sum of the lengths of the two sleeves L1 and L2.

Weiterbildungen sind in den nachfolgenden 2 bis 4 dargestellt, wobei die vorgestellten Merkmale miteinander kombiniert werden können.Further developments are in the following 2 to 4 represented, wherein the features presented can be combined.

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.In 2 are a part of the stator and part of the rotor shown. A hub 40 is on the wave 12 arranged. The hub has a substantially disc-shaped and in a plane perpendicular to the shaft axis W expanding body, creating a low-cost redordynamically advantageous support structure for the sleeves is created. On its first page, which corresponds to a first face of the disc, are two paragraphs 80 and 84 provided on which the first sleeve 50 and a third sleeve 54 are attached. The material of the sleeves essentially comprises carbon fiber reinforced plastic. The attachment of the sleeves can be done by gluing. On the second page opposite the first page 44 is another paragraph 82 provided on which extending in the direction of the suction opening and upstream in the gas flow of the first sleeve second sleeve 52 is attached.

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.The hub has a radially outer circumferential surface 46 on, with at least one helical channel 32 in the stator 30 achieved a pumping action together. In a further development, the lateral surface forms together with the radially outer surfaces 60 and 62 the first and second sleeves 50 and 52 a cylindrical surface, apart from material transitions.

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.On the shaft is in the gas flow in front of the second sleeve, a rotor disk 70 turbomolekularer design arranged, with which the short-length increases the pumping speed and the pressure range is extended to lower pressures.

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.In 3 the additional leeway is presented, the lengths L1 and L2 of the first and second sleeve 50 and 52 to make different lengths. With this, the vacuum technical data and the rotor dynamics can be matched due to the mass distribution on the rotor. Alternatively or additionally, the radii R1 and R2 of the first and second sleeves may be different from each other.

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.Concentric with the second sleeve and with a smaller radius may be a fourth sleeve 56 be provided. Between the second and fourth sleeve is an additional stator 34 provided, as pump-active structures helical channels 36 and 38 having. The channel 36 works with the inside surface 64 the second sleeve together. The arrows sense the flow of gas initially at the outer surface of the fourth sleeve 56 in the direction of the hub, then on the surface 64 the second sleeve is directed away from the hub, and is subsequently aligned on the radially outer surface of the second sleeve again in the direction of the hub.

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.The training after 4 has an additional stator 34 on, by the effect of which gas entering through the intake initially by cooperation of the stator and the second sleeve 52 from the hub is promoted away.

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.Another possible design feature is by a constriction 48 formed, which represents a portion of the hub between the first and second sleeve, in which the radius of the hub relative to the radius of both sleeves 50 and 52 is reduced. This constriction works with an additional gas inlet 8th in the form that gas entering through the gas inlet first enters the constriction. As a result, gas can be distributed around the rotor, whereby the gas flow is improved in the direction of the first sleeve.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0695872 A1 [0003]

Claims

Vacuum pump, in particular molecular vacuum pump, with a rotor ( 10 ), which is a wave ( 12 ), a hub connected to the shaft and one with a first side ( 42 ) connected to the hub and concentric with the shaft first sleeve ( 50 ), characterized in that a second sleeve ( 52 ) concentric with the shaft on a second side opposite in an axial direction of the first side ( 44 ) of the hub connected thereto and the first sleeve is arranged below in the gas flow of the second sleeve.

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that a radius (R1) of the first sleeve and a radius (R2) of the second sleeve are different.

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that a third sleeve ( 54 ) with a smaller radius concentric with the first sleeve ( 50 ) is arranged.

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that a fourth sleeve ( 56 ) with a smaller radius concentric with the second sleeve ( 52 ) is arranged.

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that radially inside the second sleeve ( 52 ) a stator ( 34 ) provided with the inner surface ( 64 ) of the sleeve interacting pumping.

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that in the gas flow in front of the second sleeve, a rotor disk ( 70 ) Turbomolekularer design is arranged.

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that at least one sleeve ( 50 . 52 . 54 . 56 ) comprises a carbon fiber reinforced plastic.

Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that the hub ( 40 ) a lateral surface ( 46 ), which with a stator ( 30 ) cooperates gas-promoting.

Vacuum pump according to claim 8, characterized in that the lateral surface ( 46 ) and the radially outer surfaces ( 60 . 62 ) of the first and second sleeves together form a cylindrical surface.

Vacuum pump according to one of claims 1 to 8, characterized in that the hub ( 40 ) in the gas flow before the first sleeve a constriction ( 48 ), which with a gas inlet ( 8th ) cooperates.