DE10354204A1 - Molekularpumpe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Molekularpumpe (10) mit einer Verdichterstufe (12) mit einem schnelldrehenden Rotor (18). Die Umfangsgeschwindigkeit von aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen gefertigten Rotoren ist auf ungefähr 400 m/s begrenzt, da das Rotormaterial oberhalb dieser Umfangsgeschwindigkeit durch die auftretenden Zentrifugalkräfte zum Fließen gebracht wird. Aufgabe der Erfindung war es, die erzielbaren Umfangsgeschwindigkeiten zur Verbesserung des Saugvermögens insbesondere kleinmolekularer Gase zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verdichterstufe (12) eine Turbo-Ansaugstufe (14) vorgeschaltet wird, deren Schaufelkranz (32) aus einem anderen Material besteht als der Rotor (18) im Bereich der Verdichterstufe (12). Hierdurch sind insbesondere durch die Verwendung faserverstärkter Werkstoffe die Verwendung leichterer Materialien ermöglicht, durch die wiederum die maximale Umfangsgeschwindigkeit erheblich erhöht werden kann. Hierdurch wird das Saugvermögen insbesondere für leichte Gase erheblich verbessert.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Molekularpumpe mit einer Verdichterstufe mit einem schnelldrehenden Rotor.
- Molekularpumpen sind mechanisch gasfördernde Vakuumpumpen zur Erzeugung von Hochvakuum. Bekannte Molekularpumpen dieser Art sind die Holweckpumpe, die Seitenkanalpumpe und die Turbo-Molekularpumpe. Das Saugvermögen einer mechanischen Molekularpumpe wird im Wesentlichen bestimmt von der Umfangsgeschwindigkeit ihres Rotors im Verhältnis zur mittleren thermischen Molekulargeschwindigkeit des Pumpgases. Die mittlere thermische Molekulargeschwindigkeit beträgt beispielsweise für Stickstoff 470 m und für Wasserstoff 1.754 m. Die Umfangsgeschwindigkeit des Molekularpumpen-Rotors ergibt sich aus der Rotordrehzahl und dem Außendurchmesser des betreffenden Schaufelkranzes. Der Rotor wird üblicherweise einstückig aus Vollmaterial herausgearbeitet. Als Rotormaterial werden Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet, die relativ leicht, einfach bearbeitbar und verhältnismäßig preiswert sind. Rotoren aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen erreichen maximale Umfangsgeschwindigkeiten im Bereich von 400 m/s, so dass das Saugvermögen für H2 bei ca. 0,2 liegt, was unbefriedigend ist. Unter einem schnelldrehenden Rotor ist vorliegend ein Rotor zu verstehen, der mit Drehzahlen von mehr als 10.000 U/min rotiert. In der Praxis werden Drehzahlen von ca. 60.000 U/min realisiert.
- Höhere Umfangsgeschwindigkeiten lassen sich mit den genannten Materialien nicht realisieren, da die auftretenden Zentrifugalkräfte die Rotorschaufeln sonst zum Fließen bringen würden.
- Aufgabe der Erfindung ist es, das Saugvermögen mechanischer Molekularpumpen preiswert zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Die erfindungsgemäße Molekularpumpe weist saugseitig der Verdichterstufe eine Turbo-Ansaugstufe auf, die von einem an dem Rotor befestigten Schaufelkranz gebildet wird, der aus einem anderen Material besteht als der Rotor im Bereich der Verdichterstufe. Für den Rotor im Bereich der Verdichterstufe können weiterhin relativ preiswertes Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet werden. Für den Rotorbereich der Ansaugstufe, in der zur Verbesserung des Saugvermögens eine größtmögliche Umfangsgeschwindigkeit realisiert werden muss, wird für den Schaufelkranz ein Material verwendet, das den aus der angestrebten höheren Umfangsgeschwindigkeit resultierenden Kräften widersteht. Als geeignete Materialen für den Schaufelkranz der Ansaugstufe kommen insbesondere faserverstärkte Werkstoffe in Frage, beispielsweise CFK. Als Material für den Schaufelkranz der Ansaugstufe kommen jedoch auch Titan, Magnesium oder Keramik in Frage, mit oder ohne Faserverstärkung.
- Erst durch die zweiteilige Ausführung des Rotors unter Verwendung eines anderen Materiales für den Schaufelkranz der Ansaugstufe wird die Möglichkeit geschaffen, auf relativ preiswerte und einfache Weise das Saugvermögen einer mechanischen Molekularpumpe zu verbessern. Zwar sind für hohe Umfangsgeschwindigkeiten geeignete Materialien teuer in der Beschaffung und aufwendig zu bearbeiten, jedoch wird durch die Beschränkung der Verwendung derartiger Materialien alleine auf den Schaufelkranz der Ansaugstufe der Mehraufwand hierfür gering gehalten.
- Vorzugweise ist der Außendurchmesser des Ansaugstufen-Schaufelkranzes größer als der Durchmesser der Rotor-Verdichterstufe. Die Umfangsgeschwindigkeit der Rotor-Verdichterstufe ist auf diese Weise reduziert gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit des Ansaugstufen-Schaufelkranzes. Auf diese Weise kann die Umfangsgeschwindigkeit der Rotor-Verdichterstufe auf ca. 400 m/s beschränkt werden, so dass für die Rotor-Verdichterstufe relativ preiswerte Materialien verwendet werden können, nämlich Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen.
- Vorzugsweise sind die Schaufeln des Ansaugstufens-Schaufelkranzes aus einem Material bestehend, dessen spezifisches Gewicht geringer als das des Materials des Rotors im Bereich der Verdichterstufe ist.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Verdichterstufe eine Turbo-Verdichterstufe mit mindestens einem Verdichter- Schaufelkranz. Die Molekularpumpe weist also ausschließlich Turbo-Verdichterstufen auf, so dass die Molekularpumpe eine reine Turbo-Molekularpumpe ist. Alternativ kann die Verdichterstufe auch als Holweck-Verdichterstufe oder als Seitenkanal-Verdichterstufe ausgebildet sein.
- Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbo-Molekularpumpe im Längsschnitt, -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hohlweck-Molekularpumpe im Längsschnitt, und -
3 einen Rotor im Längsschnitt für eine erfindungsgemäße Hohlweck-Molekularpumpe. - In den
1 und2 ist jeweils eine Molekularpumpe10 ,11 im Längsschnitt dargestellt, die beide der Erzeugung von Hochvakuum dienen und auch als mechanisch gasfördernde Vakuumpumpen bezeichnet werden. - Bei der in
1 dargestellten Molekularpumpe10 handelt es sich um eine Turbo-Molekularpumpe mit einer Turbo-Verdichterstufe12 und einer Turbo-Ansaugstufe14 . In einem Gehäuse16 der Molekularpumpe10 ist ein schnelldrehender Rotor18 drehbar gelagert, der von zwei Rotor-Lagern20 fliegend gelagert ist und von einem Antriebsmotor22 angetrieben wird. Die maximale Drehzahl beträgt 60.000 U/min. - Die Verdichterstufe
12 des Rotors18 wird im Wesentlichen gebildet von einer Rotorwelle24 und mehreren Schaufelkränzen26 , die jeweils aus einem Kranz von Schaufeln28 gebildet sind. Die Rotor-Verdichterstufe12 ist einstückig aus Aluminium hergestellt. - Die Rotor-Ansaugstufe
14 besteht im Wesentlichen aus einem Wellenabschnitt30 und einem Schaufelkranz32 , der von mehreren Schaufeln34 gebildet wird. Zwischen den Rotor-Schaufelkränzen26 ,32 sind Stator-Schaufelkränze36 angeordnet, die fest an dem Gehäuse16 angebracht sind. - Der Außendurchmesser dA des Ansaugstufen-Schaufelkranzes
32 ist größer als der Außendurchmesser der Schaufelkränze26 der Rotor-Verdichterstufe12 . Hierdurch wird in der Turbo-Ansaugstufe14 eine höhere Umfangsgeschwindigkeit am Außenumfang der Ansaugstufe14 realisiert. Der Außendurchmesser dA und damit die Umfangsgeschwindigkeit der Ansaugstufe14 ist mindestens 10% größer als der Außendurchmesser dv bzw. die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelkränze36 der Verdichterstufe12 . - Der Wellenabschnitt
30 sowie die Schaufeln34 der Ansaugstufe14 bestehen aus CFK. Der für die Ansaugstufe14 verwendete Werkstoff kann jedoch auch ein anderer faserverstärkter Werkstoff sein, beispielsweise faserverstärktes Aluminium, faserverstärkte Keramik oder ein anderes faserverstärktes Metall. Die Ansaugstufe kann auch aus Titan bestehen, beispielsweise aus MMC's (Metal Matrix Composites) mit Titan oder Titanlegierungen als metallische Matrix und SiC-Faserverstärkung. - In jedem Fall sind die Schaufeln
34 der Ansaugstufe14 aus einem Material gefertigt, das leichter ist als das der Schau felkränze26 der Verdichterstufe12 . Durch die Verwendung eines leichteren Werkstoffes für den Schaufelkranz32 der Ansaugstufe14 werden im Bereich der Ansaugstufe14 höhere Umfangsgeschwindigkeiten ermöglicht, ohne dass das Schaufelmaterial aufgrund seines Eigengewichtes und der hierdurch induzierten Zentrifugalkräfte frühzeitig zu fließen beginnt. Auf diese Weise lassen sich im Bereich der Ansaugstufe14 Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 700 m/s realisieren. Dadurch werden mehr und leichtere Gasmoleküle eingefangen und. gepumpt als bei den bisher realisierbaren Umfangsgeschwindigkeiten. - In
2 ist eine Molekularpumpe11 dargestellt, deren Verdichterstufe12' als Holweckpumpe ausgebildet ist. Saugseitig der Verdichterstufe12' ist eine Turbo-Ansaugstufe14' vorgesehen, die im Wesentlichen aus einem Wellenabschnitt50 und einem Schaufelkranz52 aus Schaufeln54 gebildet wird. Der Außendurchmesser dA des Schaufelkranzes52 der Ansaugstufe14' ist größer als der Außendurchmesser dv des Rotors an der Saugseite der Verdichterstufe12' . - In
3 ist ein Rotor80 dargestellt, das aus einer mehrteiligen Verdichterstufe82 und einer Ansaugstufe84 gebildet wird. - Die Verdichterstufe
82 wird von einem einstückigen Rotorkörper86 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. An den Rotorkörper86 sind saugseitig zwei Klemmscheiben88 ,90 coaxial angrenzend angeschraubt, die ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Zwischen den beiden Klemmscheiben88 ,90 sind Schaufeln92 eingespannt und befestigt, die einen Schaufelkranz94 bilden. Die Schaufeln92 bestehen aus CFK oder aus einem anderen faserverstärkten Material, dessen spezifi sches Gewicht geringer ist als das von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen. - Durch die Begrenzung der Verwendung des leichteren und wesentlich teureren Materials alleine für die Schaufeln des Schaufelkranzes der Ansaugstufe werden die Mehrkosten für den Einsatz des leichteren Materials und damit die Mehrkosten für die Verbesserung der Saugleistung der Molekularpumpe gering gehalten.
Claims (12)
- Molekularpumpe (
10 ) mit einer Verdichterstufe (12 ) mit einem schnelldrehenden Rotor (18 ), dadurch gekennzeichnet, dass saugseitig der Verdichterstufe (12 ) eine Turbo-Ansaugstufe (14 ) vorgesehen ist, die von einem an dem Rotor (18 ) befestigten Schaufelkranz (32 ) gebildet wird, der aus einem anderen Material besteht als der Rotor (18 ) im Bereich der Verdichterstufe (12 ). - Molekularpumpe (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Zugfestigkeit zur Masse des Materials des Schaufelkranzes (32 ) der Ansaugstufe (14 ) größer ist als das des Rotors (18 ) im Bereich der Verdichterstufe (12 ). - Molekularpumpe (
10 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser dA des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32 ) größer als der Außendurchmesser des Rotors (18 ) der Verdichterstufe (12 ) ist. - Molekularpumpe (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (34 ) des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32 ) aus einem Material bestehen, dessen spezifisches Gewicht mindestens 10% niedriger als das des Materials der Rotor-Verdichterstufe (12 ) ist. - Molekularpumpe (
11 ) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (12 ) eine Turbo- Verdichterstufe mit mindestens einem Verdichter-Schaufelkranz (26 ) ist. - Molekularpumpe (
10 ) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (12' ) eine Hohlweck-Verdichterstufe ist. - Molekularpumpe (
10 ) einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe eine Seitenkanal-Verdichterstufe ist. - Molekularpumpe (
10 ) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32 ) ein faserverstärkter Werkstoff ist. - Molekularpumpe (
10 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32 ) CFK ist. - Molekularpumpe (
10 ) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32 ) Titan oder eine Titanlegierung ist. - Molekularpumpe (
10 ) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32 ) Keramik oder faserverstärkte Keramik ist. - Molekularpumpe (
10 ) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32 ) ein metal matrix composite mit Titan oder einer Titanlegierung als metallische Matrix und SiC-Faserverstärkung ist.
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