DE10203648A1 - Rotor and stator plates for turbo-molecular pump with almost total optical imperviousness in radial direction, to prevent radial flows - Google Patents

Rotor and stator plates for turbo-molecular pump with almost total optical imperviousness in radial direction, to prevent radial flows

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Abstract

The rotor (12) and stator plates (14) have blade wheels with angled blades defining radial intermediate slots. The axial edges of the blades are structured, so that raised parts (16r,s) in the blades of one plate are opposite to recesses (18s,r) in the blades of the other plate. The axial size of a stator plate including raised parts, is not larger than the distance to the neighboring rotor plates. Stator plates have cylindrical centric rings projecting over the plate edges and located opposite to grooves in the neighboring rotor plate.

Description

Die Erfindung betrifft Rotor- und Statorscheiben für eine Turbomolekularpumpe nach dem Oberbegriff des 1. Patentanspruches.The invention relates to rotor and stator disks for a turbomolecular pump the preamble of the first claim.

Der pumpaktive Teil einer Turbomolekularpumpe besteht aus Rotor- und Statorschei­ ben, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind und Schaufelkränze aufweisen. Die Pumpwirkung beruht darauf, dass durch die Schaufeln der Rotorscheiben Impulse in Pumprichtung auf die Moleküle des zu pumpenden Gases übertragen werden. Die charakteristischen Eigenschaften einer Turbomolekularpumpe sind Druckverhältnis und Saugvermögen. Beide Eigenschaften werden vornehmlich durch die Umfangs­ geschwindigkeit des Schaufelkranzes der Rotorscheiben sowie durch die Bauweise der einzelnen Scheiben und des gesamten Scheibenpaketes bestimmt. In der Praxis werden die Pumpeigenschaften zusätzlich durch Rückströmverluste negativ beein­ flusst. Rückströmungen finden in axialer und in radialer Richtung statt. Rückströmun­ gen, welche auf Grund des Druckgefälles in axialer Richtung zwischen den Scheiben auftreten, werden weitgehend verhindert, wenn die Schaufeln so konstruiert sind, dass sie in axialer Richtung optisch dicht sind (DE-OS 20 35 063, DE-OS 27 17 366).The pump-active part of a turbomolecular pump consists of rotor and stator sheaves ben, which are arranged alternately one behind the other and have blade rings. The pumping action is based on the impulses from the blades of the rotor disks are transferred in the pumping direction to the molecules of the gas to be pumped. The Characteristic properties of a turbomolecular pump are pressure ratio and pumping speed. Both properties are primarily due to the scope speed of the blade ring of the rotor disks as well as the design of the individual disks and the entire disk package. In practice the pump properties are additionally negatively affected by backflow losses enced. Backflows take place in the axial and radial directions. Rückströmun gene, which due to the pressure drop in the axial direction between the discs are largely prevented if the blades are constructed in such a way that they are optically tight in the axial direction (DE-OS 20 35 063, DE-OS 27 17 366).

Da die Umfangsgeschwindigkeit längs eines Schaufelradius ansteigt, ergeben sich unterschiedliche Werte für Saugvermögen und Druckverhältnis auch in radialer Richtung, wodurch wiederum radiale Strömungen verursacht werden, welche die Pumpeigenschaften negativ beeinflussen.Since the peripheral speed increases along a blade radius, this results in different values for pumping speed and pressure ratio also in radial Direction, which in turn causes radial currents, which the Adversely affect pump properties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, innere Verluste zwischen Rotor- und Statorscheiben zu reduzieren und so die Pumpeigenschaften zu verbessern. Dazu sollen Scheiben für eine Turbomolekularpumpe vorgestellt werden, welche in radialer Richtung eine totale oder nahezu totale optische Dichtheit aufweisen, wodurch radiale Strömungen, welche einen nachteiligen Einfluss auf die Pumpeigenschaften ausüben, unterbunden werden. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Patentanspruches gelöst.The invention has for its object internal losses between the rotor and Reduce stator discs and thus improve the pump properties. To  disks for a turbomolecular pump are to be presented, which are in radial Direction have a total or almost total optical tightness, whereby radial Flows which have an adverse influence on the pump properties, be prevented. The task is characterized by the characteristic features of the 1st Claim resolved.

Die Ansprüche 2-8 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.Claims 2-8 represent further embodiments of the invention.

Durch die erfinderische Anordnung werden radiale Strömungen zwischen den Schei­ ben, welche sich nachteilig auf die Pumpeigenschaften, wie Druckverhältnis und Saugvermögen, auswirken, weitgehend unterdrückt. Es werden vier Bauarten vor­ gestellt, die wiederum in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht wer­ den können. Bei der ersten Bauart werden die axialen Begrenzungskanten der Schau­ feln mit einer Struktur versehen, wodurch dem freien Weg der Moleküle in radialer Richtung Hindernisse entgegengesetzt werden. Dabei ist die Scheibendicke über den Durchmesser konstant, so dass sie als parallele Scheiben bezeichnet werden können. Die zweite Bauart besteht aus konischen Scheiben, d. h. die Dicke der Rotorscheiben nimmt von innen nach außen hin ab, und entsprechend steigt die Dicke der Stator­ scheiben mit dem Radius an. Wie bei der ersten Bauart sind die axialen Begren­ zungslinien mit Strukturen versehen. Diese Bauart erleichtert die Montage, wenn Sta­ torhalbscheiben zwischen die Rotorschaufeln geschoben werden, und verbessert das Festigkeitsverhalten. Bei der dritten Bauart wird der freie Flug der Moleküle in radialer Richtung unterbunden, indem die Statorscheiben mit herkömmlicher Schaufelstruktur mit zylinderförmigen zentrischen Ringen versehen sind, denen auf den benachbarten Rotorscheiben Nuten gegenüber stehen. Diese Ringe ragen über die axialen Begren­ zungskanten der Schaufeln hinaus und verhindern so den freien Durchgang der Mole­ küle in radialer Richtung. Bei der vierten Bauart sind die Statorscheiben mit den Rin­ gen und die entsprechenden Rotorscheiben mit den Nuten konisch ausgebildet, wie bei der zweiten Bauart beschrieben. Due to the inventive arrangement radial flows between the Schei ben, which adversely affect the pump properties, such as pressure ratio and Pumping speed, impact, largely suppressed. There are four types provided, which in turn realized in two different embodiments that can. In the first design, the axial boundary edges of the show feln with a structure, which allows the free path of the molecules in radial Towards the obstacles. The slice thickness is above the Constant diameter so that they can be called parallel disks. The second type consists of conical discs, i.e. H. the thickness of the rotor disks decreases from the inside to the outside, and the thickness of the stator increases accordingly slice with the radius. As with the first type, the axial limits are Provide lines with structures. This design makes assembly easier when Sta half discs between the rotor blades, and improves Strength behavior. In the third design, the free flight of the molecules becomes more radial Direction prevented by the stator disks with conventional blade structure are provided with cylindrical central rings, which on the neighboring The rotor disk grooves face each other. These rings protrude beyond the axial boundaries edges of the blades and thus prevent the moles from freely passing through cool in the radial direction. In the fourth design, the stator disks with the rin gene and the corresponding rotor disks with the grooves conical, such as described in the second type.  

Die vier Bauarten sind jeweils in zwei Ausführungsformen möglich. Bei der Ausfüh­ rungsart A darf die Dicke der Statorscheiben einschließlich der axialen Struktur bzw. der axialen Ausdehnung der zentrischen Ringe nicht größer sein als der Abstand zwi­ schen zwei Rotorscheiben. Nur dann kann die herkömmliche Montage vorgenommen werden, bei der Statorhalbscheiben zwischen die Rotorscheiben geschoben werden. Bei der Ausführungsform B ist die Dicke der Statorscheiben einschließlich der axialen Struktur bzw. der axialen Ausdehnung der zentrischen Ringe größer als der Abstand zwischen zwei Rotorscheiben. Es entsteht also eine Verzahnung von Rotor- und Sta­ torscheiben in axialer Richtung. In diesen Fällen muss die Montage so erfolgen, dass Rotor- und Statorscheiben abwechselnd hintereinander gestapelt werden. Die Frei­ räume zwischen Rotor- und Statorscheiben sind hier in radialer Richtung optisch über­ dicht, wodurch der freie Durchgang von Molekülen ganz unterbunden wird.The four types are possible in two versions. When executing Type A, the thickness of the stator disks including the axial structure or the axial extent of the central rings must not be greater than the distance between two rotor disks. Only then can conventional assembly be carried out in which stator half disks are pushed between the rotor disks. In embodiment B, the thickness of the stator washers including the axial Structure or the axial extension of the central rings larger than the distance between two rotor disks. This creates a meshing of rotor and sta goal discs in the axial direction. In these cases, assembly must be carried out in such a way that Rotor and stator disks are stacked alternately one behind the other. The free Spaces between the rotor and stator disks are optically over here in the radial direction tight, which completely prevents the free passage of molecules.

Anhand der Fig. 1-5 soll die Erfindung an Beispielen näher erläutert werden. Es zeigen:Referring to Figs. 1-5, the invention will be explained in more detail by examples. Show it:

Fig. 1 eine Turbomolekularpumpe mit der erfinderischen Anordnung Fig. 1 shows a turbomolecular pump with the inventive arrangement

Fig. 2a einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 der parallelen Bauart in optisch dichter Ausführung Fig. 2a shows an enlarged section of Fig. 1 of the parallel type in an optically dense design

Fig. 2b einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 der parallelen Bauart in optisch überdichter Ausführung Fig. 2b is an enlarged section of Fig. 1 of the parallel type in an optically over-sealed version

Fig. 3a einen vergrößerten Ausschnitt der konischen Bauart in optisch dichter Ausführung Fig. 3a shows an enlarged section of the conical type in optically dense embodiment

Fig. 3b einen vergrößerten Ausschnitt der konischen Bauart in optisch überdichter Ausführung Fig. 3b shows an enlarged section of the conical design in an optically sealed version

Fig. 4a einen vergrößerten Ausschnitt der parallelen Bauart mit Ringen in optisch dichter Ausführung FIG. 4a shows an enlarged detail of the parallel type with rings in optically dense embodiment

Fig. 4b einen vergrößerten Ausschnitt der parallelen Bauart mit Ringen in optisch überdichter Ausführung Fig. 4b shows an enlarged section of the parallel design with rings in an optically over-sealed design

Fig. 5a einen vergrößerten Ausschnitt der konischen Bauart mit Ringen in optisch dichter Ausführung Fig. 5a shows an enlarged section of the conical type with rings in optically dense embodiment

Fig. 5b einen vergrößerten Ausschnitt der konischen Bauart mit Ringen in optisch überdichter Ausführung Fig. 5b shows an enlarged section of the conical type with rings in an optically over-sealed design

Fig. 1 zeigt eine Gasreibungspumpe mit dem Gehäuse 1, welches mit einer Ansaug­ öffnung 2 und einer Gasaustrittsöffnung 3 versehen ist. Die Rotorwelle 4 ist in Lagern 5 und 6 fixiert und wird durch den Motor 7 angetrieben. Auf der Rotorwelle 4 sind die Rotorscheiben 12 befestigt. Diese sind mit pumpaktiven Strukturen versehen, welche an sich bekannt sind und aus Schaufelkränzen mit schräg zur Scheibenebene ange­ stellten Schaufeln bestehen. Dadurch werden radial verlaufende Schlitze zwischen den Schaufeln gebildet. Die Rotorscheiben 12 bewirken mit den Statorscheiben 14, welche ebenfalls mit einer entsprechenden pumpaktiven Struktur versehen sind, den Pumpeffekt. Fig. 1 shows a gas friction pump with the housing 1 , which is provided with a suction opening 2 and a gas outlet opening 3 . The rotor shaft 4 is fixed in bearings 5 and 6 and is driven by the motor 7 . The rotor disks 12 are fastened on the rotor shaft 4 . These are provided with pump-active structures, which are known per se and consist of blade rings with blades which are inclined to the disk plane. As a result, radial slots are formed between the blades. The rotor disks 12, together with the stator disks 14 , which are also provided with a corresponding pump-active structure, effect the pumping effect.

In Fig. 2a ist in einem vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 die erfindungsgemäße An­ ordnung an einem ersten Beispiel dargestellt. Die axialen Begrenzungskanten der Schaufeln sind erfindungsgemäß mit einer Struktur versehen. Diese Struktur besteht aus Erhebungen 16r, 16s und Vertiefungen 18r, 18s an den Schaufeln einer Rotor- 12 oder Statorscheibe 14, denen entsprechende Vertiefungen 18r, 18s und Erhebungen 16r, 16s der jeweils benachbarten Stator- bzw. Rotorscheiben gegenüber stehen. Die Erhebungen und Vertiefungen weisen bei dem angeführten Beispiel rechteckige Quer­ schnitte auf. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch auch andere Querschnitte, die sich jeweils in entsprechender Form gegenüber stehen, möglich.In Fig. 2a, the arrangement according to the invention is shown in an enlarged section of Fig. 1 in a first example. The axial boundary edges of the blades are provided with a structure according to the invention. This structure consists of elevations 16 r, 16 s and depressions 18 r, 18 s on the blades of a rotor 12 or stator disk 14 , the corresponding depressions 18 r, 18 s and elevations 16 r, 16 s of the adjacent stator or The rotor disks face each other. The elevations and depressions have rectangular cross sections in the example given. In the context of the invention, however, other cross sections are also possible, each of which is in a corresponding form.

In den Fig. 2a und 2b ist eine parallele Bauart dargestellt derart, dass die axiale Aus­ dehnung der Scheiben über den Durchmesser konstant ist. Dabei ist diese erste Bau­ art wie auch die im folgenden beschriebene drei weitere Bauarten in zwei Ausfüh­ rungsformen möglich. Bei der ersten Ausführung A in Fig. 2a ist die Dicke der Stator­ scheiben 14 einschließlich der axialen Struktur nicht größer als der Abstand zwischen zwei Rotorscheiben. Bei der Ausführungsform B in Fig. 2b ist die Dicke der Stator­ scheiben 14 einschließlich der axialen Struktur größer als der Abstand zwischen zwei Rotorscheiben.In FIGS. 2a and 2b show a parallel design is shown such that the axial expansion from the disks is constant across the diameter. This first type of construction, as well as the three further types described below, are possible in two embodiments. In the first embodiment A in Fig. 2a, the thickness of the stator disks 14 including the axial structure is not greater than the distance between two rotor disks. In the embodiment B in Fig. 2b, the thickness of the stator disks 14 including the axial structure is greater than the distance between two rotor disks.

In Fig. 3a und 3b ist eine konische Bauart dargestellt derart, dass die Dicke der Rotor­ scheiben von innen nach außen hin abnimmt und entsprechend die Dicke der Stator­ scheiben mit dem Radius ansteigt. Bei dieser zweiten Bauart sind auch wieder zwei Ausführungsformen möglich. In Fig. 3a ist die Dicke der Statorscheiben einschließlich der axialen Struktur nicht größer als der Abstand zwischen zwei Rotorscheiben, und in Fig. 3b ist die Dicke der Statorscheiben einschließlich der axialen Struktur größer als der Abstand der jeweils benachbarten Rotorscheiben.In Fig. 3a and 3b, a conical design is shown such that the thickness of the rotor disks decreases from the inside to the outside and accordingly the thickness of the stator disks increases with the radius. With this second design, two embodiments are again possible. In FIG. 3a the thickness of the stator disks including the axial structure is not greater than the distance between two rotor disks, and in FIG. 3b the thickness of the stator disks including the axial structure is greater than the distance between the respectively adjacent rotor disks.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine parallele Bauart, bei der die Statorscheiben 14 mit zylindrischen Ringen 20 versehen sind. Diesen stehen auf der Seite der jeweils be­ nachbarten Rotorscheiben 12 Nuten 22 gegenüber. Auch hier sind zwei Ausführungs­ formen möglich. In Fig. 4a ist die axiale Ausdehnung der Statorscheiben 14 ein­ schließlich der Ringe 20 nicht größer als der Abstand der jeweils benachbarten Rotor­ scheiben. In Fig. 4b ist die Axialausdehnung einer Statorscheiben 14 einschließlich der Ringe 20 größer als der Abstand der jeweils benachbarten Rotorscheiben. FIGS. 4a and 4b show a parallel type in which the stator disks are provided with cylindrical rings 20 14. These are on the side of the respective adjacent rotor disks 12 grooves 22 opposite. Two forms of execution are also possible here. In Fig. 4a, the axial extent of the stator disks 14 , finally, the rings 20 is not greater than the distance between the adjacent rotor disks. In FIG. 4b, the axial extension of a stator 14 including the rings 20 is larger than the distance of the adjacent rotor disks.

In Fig. 5a und 5b sind die Scheiben aus Fig. 4a und 4b in konischer Bauart dargestellt.In Fig. 5a and 5b are the disks of Fig. 4a and 4b of conical design.

Claims (8)

1. Rotor- (12) und Statorscheiben (14) für eine Turbomolekularpumpe, welche ab­ wechselnd hintereinander angeordnet sind, und Schaufelkränze mit schräg zur Scheibenebene angestellten Schaufeln aufweisen, wodurch radial verlaufende Schlitze zwischen den Schaufeln bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Begrenzungskanten der Schaufeln mit einer Struktur versehen sind der­ art, dass Erhebungen (16r, 16s) an den Schaufeln einer Rotor- (12) oder Stator­ scheibe (14) Vertiefungen (18s, 18r) an den Schaufeln der jeweils benachbar­ ten Stator- (14) oder Rotorscheiben (12) gegenüber stehen.1.Rotor ( 12 ) and stator disks ( 14 ) for a turbomolecular pump, which are arranged alternately one behind the other, and have vane rings with blades arranged at an angle to the disk plane, as a result of which there are radial slots between the blades, characterized in that the axial boundary edges of the Blades are provided with a structure such that elevations ( 16 r, 16 s) on the blades of a rotor ( 12 ) or stator disc ( 14 ) depressions ( 18 s, 18 r) on the blades of the adjacent stator ( 14 ) or rotor disks ( 12 ) face each other. 2. Rotor- und Statorscheiben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausdehnung einer Statorscheibe (14) einschließlich der Erhebungen (16s) nicht größer ist als der Abstand der jeweils benachbarten Rotorscheiben.2. rotor and stator disks according to claim 1, characterized in that the axial extension of a stator disk ( 14 ) including the elevations ( 16 s) is not greater than the distance between the adjacent rotor disks. 3. Rotor- und Statorscheiben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausdehnung einer Statorscheibe (14) einschließlich der Erhebungen (16s) größer ist als der Abstand der jeweils benachbarten Rotorscheiben.3. rotor and stator disks according to claim 1, characterized in that the axial extent of a stator disk ( 14 ) including the elevations ( 16 s) is greater than the distance between the adjacent rotor disks. 4. Rotor- und Statorscheiben für eine Turbomolekularpumpe, welche abwechselnd hintereinander angeordnet sind und Schaufelkränze mit schräg zur Scheiben­ ebene angestellten Schaufeln aufweisen, wodurch radial verlaufende Schlitze zwischen den Schaufeln bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stator­ scheiben (12) mit zylinderförmigen zentrischen Ringen (20) versehen sind, die über die axialen Begrenzungskanten der Schaufeln hinausragen und denen an der jeweils benachbarten Rotorscheibe (14) Nuten (22) gegenüber stehen.4.Rotor and stator disks for a turbomolecular pump, which are arranged alternately one behind the other and have vane rings with blades arranged at an angle to the disk plane, as a result of which there are radial slots between the blades, characterized in that the stator disks ( 12 ) with cylindrical central rings ( 20 ) are provided which protrude beyond the axial boundary edges of the blades and which are opposite grooves ( 22 ) on the respectively adjacent rotor disk ( 14 ). 5. Rotor- und Statorscheiben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausdehnung einer Statorscheibe (14) einschließlich der zylinderförmigen zentrischen Ringe (20) nicht größer ist als der Abstand der jeweils benachbar­ ten Rotorscheiben. 5. rotor and stator disks according to claim 4, characterized in that the axial extent of a stator disk ( 14 ) including the cylindrical central rings ( 20 ) is not greater than the distance between the respective adjacent rotor disks. 6. Rotor- und Statorscheiben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausdehnung einer Statorscheibe (14) einschließlich der zylinderförmigen zentrischen Ringe (20) größer ist als der Abstand der jeweils benachbarten Ro­ torscheiben.6. rotor and stator disks according to claim 4, characterized in that the axial extent of a stator disk ( 14 ) including the cylindrical central rings ( 20 ) is greater than the distance between the adjacent Ro tor disks. 7. Rotor- und Statorscheiben nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die axiale Ausdehnung der Rotor- (12) und Statorscheiben (14) über den Durchmesser konstant ist, so dass sie eine parallele Bauart bilden.7. rotor and stator disks according to one of claims 1-6, characterized in that the axial extent of the rotor ( 12 ) and stator disks ( 14 ) is constant over the diameter, so that they form a parallel design. 8. Rotor- und Statorscheiben nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die axiale Ausdehnung der Rotorscheiben (12) von innen nach außen hin abnimmt und die Dicke der Statorscheiben (14) entsprechend von innen nach außen hin zunimmt, so dass sie eine konische Bauart bilden.8. rotor and stator disks according to any one of claims 1-6, characterized in that the axial extent of the rotor disks ( 12 ) decreases from the inside to the outside and the thickness of the stator disks ( 14 ) increases accordingly from the inside to the outside, so that they form a conical design.
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