DE10354204B4

DE10354204B4 - Molekularpumpe

Info

Publication number: DE10354204B4
Application number: DE10354204.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Henry; Martin Laerbusch
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: DE10354204A1; WO2005052375A1

Abstract

Molekularpumpe (10) mit einer Verdichterstufe (12) mit einem schnelldrehenden Rotor (18), wobei 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), 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) und dass der Außendurchmesser dA des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32) größer als der Außendurchmesser des Rotors (18) der Verdichterstufe (12) ist.

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/s und für Wasserstoff 1.754 m/s. 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 Hz 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.
DE 43 17 205 A1 , auf die sich Anspruch 1 im Oberbegriff bezieht, beschreibt eine Turbomolekularpumpe mit einem drehbar in einem Gehäuse gelagerten Flügelrad mit Flügelradschaufeln und einem auf der Innenwandung des Gehäuses angeordneten Leitrad mit Leitradschaufeln. Es wird mindestens eine der Flügelradschaufeln und der Leitradschaufeln als aus einem keramischen Werkstoff bestehend und anschließend in dem Bereich nahe dem Einlass mit einer Metalloberfläche überzogen beschrieben.
DE 42 06 972 C2 , DE 42 39 391 C2 und WO 99/57441 A1 beschreiben Materialien von Rotoren für Turbomolekularpumpen.
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.
Der Außendurchmesser des Ansaugstufen-Schaufelkranzes ist 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 und 2 ist jeweils eine Molekularpumpe 10, 11 im Längsschnitt dargestellt, die beide der Erzeugung von Hochvakuum dienen und auch als mechanisch gasfördernde Vakuumpumpen bezeichnet werden.
Bei der in 1 dargestellten Molekularpumpe 10 handelt es sich um eine Turbo-Molekularpumpe mit einer Turbo-Verdichterstufe 12 und einer Turbo-Ansaugstufe 14. In einem Gehäuse 16 der Molekularpumpe 10 ist ein schnelldrehender Rotor 18 drehbar gelagert, der von zwei Rotor-Lagern 20 fliegend gelagert ist und von einem Antriebsmotor 22 angetrieben wird. Die maximale Drehzahl beträgt 60.000 U/min.
Die Verdichterstufe 12 des Rotors 18 wird im Wesentlichen gebildet von einer Rotorwelle 24 und mehreren Schaufelkränzen 26, die jeweils aus einem Kranz von Schaufeln 28 gebildet sind. Die Rotor-Verdichterstufe 12 ist einstückig aus Aluminium hergestellt.
Die Rotor-Ansaugstufe 14 besteht im Wesentlichen aus einem Wellenabschnitt 30 und einem Schaufelkranz 32, der von mehreren Schaufeln 34 gebildet wird. Zwischen den Rotor-Schaufelkränzen 26,32 sind Stator-Schaufelkränze 36 angeordnet, die fest an dem Gehäuse 16 angebracht sind.
Der Außendurchmesser d_A des Ansaugstufen-Schaufelkranzes 32 ist größer als der Außendurchmesser der Schaufelkränze 26 der Rotor-Verdichterstufe 12. Hierdurch wird in der Turbo-Ansaugstufe 14 eine höhere Umfangsgeschwindigkeit am Außenumfang der Ansaugstufe 14 realisiert. Der Außendurchmesser d_A und damit die Umfangsgeschwindigkeit der Ansaugstufe 14 ist mindestens 10% größer als der Außendurchmesser d_V bzw. die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelkränze 36 der Verdichterstufe 12.
Der Wellenabschnitt 30 sowie die Schaufeln 34 der Ansaugstufe 14 bestehen aus CFK. Der für die Ansaugstufe 14 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 Ansaugstufe 14 aus einem Material gefertigt, das leichter ist als das der Schaufelkränze 26 der Verdichterstufe 12. Durch die Verwendung eines leichteren Werkstoffes für den Schaufelkranz 32 der Ansaugstufe 14 werden im Bereich der Ansaugstufe 14 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 Ansaugstufe 14 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 Molekularpumpe 11 dargestellt, deren Verdichterstufe 12' als Holweckpumpe ausgebildet ist. Saugseitig der Verdichterstufe 12' ist eine Turbo-Ansaugstufe 14' vorgesehen, die im Wesentlichen aus einem Wellenabschnitt 50 und einem Schaufelkranz 52 aus Schaufeln 54 gebildet wird. Der Außendurchmesser d_A des Schaufelkranzes 52 der Ansaugstufe 14' ist größer als der Außendurchmesser du des Rotors an der Saugseite der Verdichterstufe 12'.
In 3 ist ein Rotor 80 dargestellt, das aus einer mehrteiligen Verdichterstufe 82 und einer Ansaugstufe 84 gebildet wird.
Die Verdichterstufe 82 wird von einem einstückigen Rotorkörper 86 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. An den Rotorkörper 86 sind saugseitig zwei Klemmscheiben 88, 90 coaxial angrenzend angeschraubt, die ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Zwischen den beiden Klemmscheiben 88, 90 sind Schaufeln 92 eingespannt und befestigt, die einen Schaufelkranz 94 bilden. Die Schaufeln 92 bestehen aus CFK oder aus einem anderen faserverstärkten Material, dessen spezifisches 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

Molekularpumpe (10) mit einer Verdichterstufe (12) mit einem schnelldrehenden Rotor (18), wobei 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), 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) und dass der Außendurchmesser d_A des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32) größer als der Außendurchmesser des Rotors (18) der Verdichterstufe (12) ist.
Molekularpumpe (10) nach Anspruch 1, 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 Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (12) eine Turbo-Verdichterstufe mit mindestens einem Verdichter-Schaufelkranz (26) ist.
Molekularpumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (12') eine Hohlweck-Verdichterstufe ist.
Molekularpumpe (10) einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe eine Seitenkanal-Verdichterstufe ist.
Molekularpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32) ein faserverstärkter Werkstoff ist.
Molekularpumpe (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32) CFK ist.
Molekularpumpe (10) nach einem der. Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32) Titan oder eine Titanlegierung ist.
Molekularpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ansaugstufen-Schaufelkranzes (32) Keramik oder faserverstärkte Keramik ist.
Molekularpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–5, 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.