DE19756837C2 - Molekular- und Viskositätspumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Molekular- und Viskositäts­ vakuumpumpe, mit einem Gehäuse, einem elektrischen Antriebsmotor, einem Rotor, einer radialen Luftlagerung sowie einer stirnseitigen Axiallagerung dafür, mit einem Durchströmungsteil, der zumindest zwei Stufen hat, die wenigstens eine mehrgängige Schraubenrille mit von der Saugseite zur Druckseite hin abfallender Rillentiefe aufweisen, wobei der Tiefen-Neigungswinkel der Schraubenrille der ersten Stufe größer als derjenige der zweiten Stufe des Durch­ strömungsteils ist.

Eine solche Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe ist aus der Praxis bekannt. Ein Nachteil dieser Pumpe besteht darin, daß zum Betrieb der Pumpe eine Druckluftquelle benötigt wird, welche die für die statische Luftlagerung benötigte Druckluft bereitstellt. Ungünstig ist außerdem, daß die Abmessungen der Radiallagerung noch vergleichsweise groß sind. Die Pumpe ist dadurch noch relativ schwer. Außerdem weist die Radiallagerung eine erhebliche Reibung auf, welche die Pumpe erwärmt und zu thermischen Verformungen führt. Dies macht wiederum Maßnahmen zur Kühlung erforderlich, da die thermischen Verformungen Änderungen der Spaltweite des Spalts des Durchströmungs­ teiles bewirken und die Abpumpeigenschaften der Pumpe verschlechtern beziehungsweise Störungen während des Betriebs der Pumpe zur Folge haben.

Aus DE 23 59 456 A1 kennt man auch bereits eine gattungsfremde Turbomolekularpumpe mit einem einstufigen Durchströmungsteil. Der Rotor der Pumpe ist mit einer radialen Luftlagerung sowie mit einer stirnseitigen axialen Luftlagerung am Gehäuse der Pumpe gelagert. Auch zum Betrieb der statischen Luftlagerung dieser Pumpe ist eine Druckluftquelle erforderlich.

Aus DE 39 31 661 A1 ist ferner eine Hochvakuumpumpe mit einem Durchströmungsteil bekannt, das mehrere Stufen hat. Die einzelnen Stufen weisen jeweils eine Schraubenrille auf, deren Rillentiefe von der Saugseite zur Druckseite hin abfällt. Der Rotor der Pumpe ist mit einer dynamischen Luftlagerung am Pumpengehäuse gelagert, die sowohl in axialer als auch in radialer Richtung wirksam ist. Die Luftlagerung weist einen Luftspalt auf, der sich entlang einer symmetrisch zur Rotationsachse des Rotors angeordneten Kegelmantel­ fläche erstreckt. Die Herstellung der Pumpe ist dadurch erschwert. Auch weist die Pumpe noch einen vergleichsweise komplizierten Aufbau auf.

Aus DE 39 31 661 A1 ist auch bereits eine gattungsfremde Turbomoleku­ larpumpe mit einem zweistufigen Durchströmungsteil bekannt. Der Rotor dieser Pumpe ist mit einer radialen Magnetlagerung und einer stirnseitigen axialen Magnetlagerung am Pumpengehäuse gelagert. Die radiale Magnetlagerung ist jedoch noch vergleichsweise nachgiebig. Um vor allem bei hohen Drehzahlen eine Kollision zwischen dem Außenumfang des Rotors und der Innenwand des Pumpengehäuses zu vermeiden, ist deshalb ein relativ großer radialer Abstand zwischen dem Rotor und dem Pumpengehäuse erforderlich.

Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Molekular- und Viskositäts­ vakuumpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die kleinere Abmessungen und ein geringeres Gewicht ermöglicht. Außerdem sollen die Abpumpeigenschaften verbessert und die Betriebssicherheit sowie die Lebensdauer der Pumpe erhöht werden. Auch soll die Konstruktion und der Betrieb der Pumpe vereinfacht sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die radiale Luftlagerung eine dynamische Luftlagerung ist, die zwischen der Innenfläche des als Hohlkörper mit einer Innenhöhlung ausgebildeten Rotors und der Oberfläche einer in der Innenhöhlung angeordneten festen Achse gebildet ist, daß als Axiallagerung eine Magnetlagerung vorgesehen ist, die zumindest einen ersten, in dem Rotor angeordneten Magnetring und einen zweiten, auf der Achse sitzenden Magnetring aufweist, und daß die Länge der ersten Stufe des Durchströmungsteiles bei einem konstanten Neigungswinkel der Rillentiefe im Verhältnis von 0,25 bis 0,4 zu derjenigen der zweiten Stufe mit anderen Neigungs­ winkeln liegt.

Die dynamische Luftlagerung ist also unter dem Durchströmungsteil der Pumpe angeordnet und ermöglicht somit einen viel kleineren Durchmesser. Dadurch werden das Axialmaß und das Pumpengewicht kleiner und außerdem sind die Reibungsverluste niedriger, d. h. für die Lagerung und für die Gesamtpumpe bestehen bessere Wärmeverhält­ nisse.

Besonders gute Pumpeigenschaften ergeben sich, wenn die Pumpe für einen Arbeitsbereich von 10 Pascal bis Athmosphärendruck ausgebildet ist.

Um die Pumpeigenschaften zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Rillentiefe der Schraubenrille am Einlaß zu derjenigen am Auslaß der ersten Stufe im Bereich von 5 bis 100 liegt. Noch bessere Pumpeigenschaften ergeben sich, wenn das Verhältnis der Rillentiefe der Schraubenrille am Einlaß zu derjenigen am Auslaß der ersten Stufe im Bereich von 20 bis 50 liegt. Zu diesem Zweck kann die unbewegliche Seite des Durchströmungsteils beispielsweise eine mehrgängige Schraubenrille aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß außer dem Rotor auch die unbewegliche Wandung des Durchströmungsteils wenigstens eine Schraubenrille aufweist und daß der Neigungswinkel deren Schraubenlinie gegenläufig zu dem Verlauf der Schraubenlinie der Schraubenrille des Rotors ist. Dadurch werden die Pumpeigen­ schaften zusätzlich verbessert.

Vorteilhaft ist, wenn der Durchströmungsteil zwei beidseits eines Ein- oder Auslaß angeordnete Teilbereiche aufweist, die für gegenläufige Förderrichtungen ausgebildet sind. Die Pumpe weist dann noch kleinere Abmessungen und ein noch geringeres Gewicht auf. Außerdem werden durch die gegenläufigen Fördermittelströme die stirnseitigen Lagerungen von einseitig wirkenden Axialkräften entlastet.

Zweckmäßigerweise weist die dynamische Luftlagerung zumindest zwei, jeweils wenigstens eine Schraubenrille aufweisende Profilgurte auf, die durch einen dazwischen befindlichen glatten Gurt voneinander beabstandet sind. Die Schraubenrillen bilden dann zwei Gurte, um die dynamische Luftlagerung, welche den Druck nach der Mitte der dynamischen Luftlagerung richten, wo sich der glatte Gurt befindet.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Axiallänge jedes Profilgurts der dynamischen Luftlagerung in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 der Gesamtlänge der dynamischen Luftlagerung liegt. Dabei entfällt der glatte Gurt, wenn die Länge der die Schraubenril­ len aufweisenden Profilgurte jeweils gleich der Hälfte der Gesamtlänge der dynamischen Luftlagerung ist. Die Schraubenrillen erhöhen die Wirksamkeit der dynamischen Luftlagerung und zögern den Eintritt eines Halbgeschwindigkeitswirbels hinaus. Eine besonders wirksame Luftlagerung ergibt sich, wenn die Axiallänge jedes Profilgurts der dynamischen Luftlagerung in einem Bereich von 0,2 bis 0,5 der Gesamtlänge der dynamischen Luftlagerung liegt.

Vorteilhaft ist, wenn die Laufflächen an der dynamischen Luftlagerung und dem Durchströmungsteil eine Beschichtung aus hartem Werkstoff aufweisen. Die Pumpe weist dann eine höhere Lebensdauer auf. Der harte Werkstoff kann beispielsweise durch Mikrobogenoxidieren aufgetragen werden.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch die Längsmittelebene einer eine dynamische Luftlagerung und stirnseitige Magnetlagerungen aufweisenden Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe.

Die Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe weist ein Gehäuse 1 und einen elektrischen Antriebsmotor 2 auf, der einen Rotor 3 antreibt, der mittels radial- und stirnseitiger Lagerungen drehbar gelagert ist. Die Molekular- und Viskositätspumpe hat ein Durchströmungsteil 6, 7, das zwei Stufen 10, 12 aufweist, die eine mehrgängige Schraubenrille 8 mit von der Ansaugseite nach der Druckseite abfallender Tiefe haben. Der Neigungswinkel 9 der Tiefe der Schraubenrille 8 der ersten Stufe 10 ist größer als derjenige der zweiten Stufe 12 des Durchströmungsteils 6, 7. Im Gehäuse 1 ist eine feststehende Achse 13 untergebracht. Der Rotor 3 ist als hohler Körper ausgebildet, dessen Innendurchmesser und die Oberfläche der Achse 13 eine dynamische Luftlagerung 14 bilden.

Als Axiallagerung ist eine Magnetlagerung vorgesehen, die einen ersten, in den Rotor 3 eingebauten Magnetring 15 und einen zweiten, auf der Achse 13 angeordneten, als Zylinder ausgebildeten Magnetring 16 aufweist. Der Durchströmungsteil 6, 7 ist so ausgebildet, daß die Länge A der ersten Stufe 10 zu derjenigen B der zweiten Stufe 12 in einem Verhältnis von 0,25 zu 0,5 liegt.

Auf der unbeweglichen Seite des Durchströmungsteiles 6, 7 sind im Gehäuse 1 Rillen 17 angebracht, welche gegenläufig zu den Schraubenrillen 8 im Rotor 3 verlaufen. Der Durchströmungsteil 6, 7 ist für zwei gegenläufig zueinander angeordnete Förderströme ausgelegt.

Die dynamische Luftlagerung 14 weist zwei Profilgurte 18, 19 mit Schraubenrillen 20 auf, die so angeordnet sind, daß sie den Luftdruck ins Innere des glatten Gurtes 21 richten. Die Länge jedes der Profilgurte 18, 19 beträgt das 0,2- bis 0,5-fache deren Gesamtlänge B.

Die Oberfläche der dynamischen Luftlagerung 14 und des Durch­ strömungsteiles 6, 7 hat eine Beschichtung aus einem harten Werkstoff, welcher durch Mikrobogenoxidieren aufgetragen ist.

Die Molekular- und Viskositätspumpe funktioniert folgenderweise: An der Wicklung des Stators 22 des elektrischen Antriebsmotors 2 wird eine Spannung angelegt, wodurch der Rotor 3 auf Nenndrehzahl beschleunigt. Die stirnseitigen Magnetlagerungen und die dynamische Luftlagerung 14 sorgen für günstige Reibungsverhältnisse, sei es im Anlaß- oder Nennbetrieb sowie für eine exakte Lage der Drehachse der Pumpe und ein optimales Abpumpen, was mittels der Schraubenrille 8 am Rotor 3 und mittels der Schraubenrillen 17 am Gehäuse 1 erfolgt. Die harte Beschichtung an der dynamischen Luftlagerung 14 im Durchströmungsteil 6, 7 sorgt für Betriebssicherheit. Das Verhältnis der Länge der ersten Stufe 10 zu derjenigen der zweiten Stufe 12 sowie das erwähnte Verhältnis der Tiefe der Schraubenrillen am Ein- und am Austritt der ersten Stufe sowie die Schraubenrille 18 und 17 sorgen für gute Abpumpeigenschaften der Pumpe.

Die zweiströmige Ausführung des Durchströmungsteils 6, 7 und das gegenläufige Pumpen entlastet die stirnseitigen Lagerungen und erhöht die Lebensdauer und die Betriebssicherheit der Pumpe. Die Ausführung der Schraubenrillen an der Luftlagerung gewährleistet einen stabilen Nennbetrieb und verhindert den Halbgeschwindigkeitswirbel. Die gegenläufige Ausführung der Schraubenrillen 20 und das erwähnte Verhältnis der Längen der Gurte 18 und 19 ermöglichen eine hohe Steifigkeit der Lagerung.

Claims (10)

1. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe, mit einem Gehäuse (1), einem elektrischen Antriebsmotor (2), einem Rotor (3), einer radialen Luftlagerung sowie einer stirnseitigen Axiallagerung dafür, mit einem Durchströmungsteil (6, 7), der zumindest zwei Stufen (10, 12) hat, die wenigstens eine mehrgängige Schrauben­ rille (8) mit von der Saugseite zur Druckseite hin abfallender Rillentiefe aufweisen, wobei der Tiefen-Neigungswinkel (9) der Schraubenrille (8) der ersten Stufe (10) größer als derjenige der zweiten Stufe (12) des Durchströmungsteiles (6, 7) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Luftlagerung eine dynamische Luftlagerung (14) ist, die zwischen der Innenfläche des als Hohlkörper mit einer Innenhöhlung ausgebildeten Rotors (3) und der Oberfläche einer in der Innenhöhlung angeordneten feste Achse (13) gebildet ist, daß als Axiallagerung eine Magnetlagerung vorgesehen ist, die zumindest einen ersten, in dem Rotor (3) angeordneten Magnetring (15) und einen zweiten, auf der Achse (13) sitzenden Magnetring (16) aufweist, und daß die Länge der ersten Stufe (10) des Durchströmungsteiles (6, 7) bei einem konstanten Neigungswinkel (9) der Rillentiefe im Verhältnis von 0,25 bis 0,4 zu derjenigen der zweiten Stufe (12) mit anderem Neigungs­ winkel (11) liegt.

2. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie sie einen Arbeitsbereich von 10 Pascal bis Atmosphärendruck aufweist.

3. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Rillentiefe der Schraubenrille (8) am Einlaß zu derjenigen am Auslaß der ersten Stufe (10) im Bereich von 5 bis 100 liegt.

4. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Rillentiefe der Schraubenrille (8) am Einlaß zu derjenigen am Auslaß der ersten Stufe (10) im Bereich von 20 bis 50 liegt.

5. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Rotor (3) auch die unbewegliche Wandung des Durchströmungsteils wenigstens eine Schraubenrille (17) aufweist und daß der Neigungswinkel von deren Schraubenlinie gegenläufig zu dem Verlauf der Schrauben­ linie der Schraubenrille (8) des Rotors ist.

6. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche, 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmungsteil (6, 7) zwei beidseits eines Ein- oder Auslasses angeordnete Teilbereiche aufweist, die für gegenläufige Förderrichtungen ausgebildet sind.

7. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Luftlage­ rung (14) zumindest zwei, jeweils wenigstens eine Schraubenril­ le aufweisende Profilgurte (18, 19) hat, die durch einen dazwischen befindlichen glatten Gurt (21) voneinander beabstandet sind.

8. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallänge jedes Profilgurts (18, 19) der dynamischen Luftlagerung (14) in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 der Gesamtlänge der dynamischen Luftlagerung (14) liegt.

9. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallänge jedes Profilgurts (18, 19) der dynamischen Luftlagerung (14) in einem Bereich von 0,2 bis 0,5 der Gesamtlänge der dynamischen Luftlagerung (14) liegt.

10. Molekular- und Viskositätsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflächen an der dynamischen Luftlagerung (14) und dem Durchströmungsteil (6, 7) eine Beschichtung aus hartem Werkstoff aufweisen.