DE19846189A1 - Reibungsvakuumpumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibungsvakuumpumpe, die eine Statorreihe (9), eine Rotorreihe (12) und ein Gehäuse (2, 7) aufweist und bei der während ihres Betriebs ein enger Spalt zwischen Stator und Rotor eingehalten werden soll; um die Einhaltung kleinerer Spalte zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass Stator (9) und Rotor (8) schwingungstechnisch miteinander gekoppelt sind und dass das aus Statoreinheit (9) und Rotoreinheit (8) bestehende System (3) gemeinsam über Schwingelemente (4, 5) im Gehäuse (2, 7) gehaltert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuum­ pumpe, die einen Stator, einen Rotor und ein Gehäuse aufweist und bei der während ihres Betriebes ein enger Spalt zwischen Stator und Rotor eingehalten werden muss. Die Eigenschaften von Maschinen dieser Art hängen maßgeblich von der Größe des Spaltes zwischen Stator und Rotor ab.

Der Aufbau von Maschinen der hier betroffenen Art er­ folgt üblicherweise derart, dass der Rotor zur Vermei­ dung von Schwingungsübertragungen vom Stator elastisch entkoppelt ist. Üblich ist es, die Lagerungen über Ela­ stomerringe im Gehäuse abzustützen. Aus der Schrift DE- U-80 27 697 ist bekannt, den Rotor mit einer Spindella­ gerung auszurüsten und diese insgesamt über O-Ringe im Gehäuse abzustützen. Bei Konstruktionen dieser Art darf ein minimaler Spalt zwischen Stator und Rotor von eini­ gen Zehntel-Millimeter nicht unterschritten werden, da die verwendeten Elastomere die technische Grenze zur Verengung der Spalte setzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der hier betroffenen Art derart zu ge­ stalten, dass sie mit engeren Spalten zwischen Stator und Rotor als bisher betrieben werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Stator und Rotor schwingungstechnisch miteinander ge­ koppelt sind und dass das aus Stator und Rotor beste­ hende System gemeinsam über Schwingelemente im Gehäuse gehaltert ist. "Schwingungstechnisch miteinander gekop­ pelt" soll bedeuten, dass Rotoreinheit und Statorein­ heit im wesentlichen identische Schwingungen ausführen, so dass die Größe der Spalte zwischen den Stator- und Rotorbestandteilen wesentlich kleiner als bisher ausge­ führt werden können. Die gemeinsamen Schwingungen des aus Rotor und Stator bestehenden Systems werden von den Schwingelementen aufgenommen, über die sich dieses Sys­ tem im Gehäuse abstützt.

Besonders vorteilhaft ist eine starre Kopplung von Ro­ tor und Stator. Bei einer Lösung dieser Art ist die Größe des Spaltes zwischen Stator und Rotor nur noch von den fertigungstechnisch machbaren Toleranzen der gespritzten oder spanend gefertigten Teile abhängig, die wesentlich enger sind als die bisherigen, durch die verwendeten Elastomere zwischen Stator und Rotor einzu­ haltenden Spalte.

Aus fertigungstechnischen Gründen kann jedoch eine starre Kopplung häufiger nicht realisiert werden. In solchen Fällen ist es zweckmäßig, wenn sich zwischen Statoreinheit und Rotoreinheit ein oder mehrere Schwingelemente befinden, die zwar noch relative Schwingbewegungen zulassen; die maximale Amplitude die­ ser Bewegungen kann jedoch wesentlich kleiner gewählt werden als es beim Stand der Technik notwendig war, da die maßgeblichen - gemeinsamen - Schwingbewegungen von Stator und Rotor von den sich im Gehäuse abstützenden Schwingelementen aufgenommen werden. Eine drastische Verkleinerung der Spalte zwischen den Stator- und Ro­ torbestandteilen ist deshalb auch bei dieser Lösung noch möglich. Beispielsweise können die O-Ringe zwi­ schen Stator- und Rotoreinheit wesentlich steifer sein als die äußeren Schwingelemente, so dass sich unter Be­ rücksichtigung der jeweils schwingenden Massen z. B. ein Schwingungsamplitudenverhältnis innen zu außen wie 20 : 80 ergibt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Turbomolekular­ vakuumpumpe nach der Erfindung und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Molekularvakuum­ pumpe.

Die Pumpen 1 nach den Fig. 1 und 2 bestehen jeweils aus einem äußeren Gehäuse 2 und einem darin befindli­ chen Rotor-/Stator-System 3, das sich über Schwinge­ lemente 4, 5 im Gehäuse 2 abstützt. Das Gehäuse 2 trägt saugseitig den Anschlussflansch 6 und druckseitig einen Anschlussdeckel 7. Das Rotor-Stator-System 3 umfasst die Rotoreinheit 8 und die Statoreinheit 9.

Bestandteil der Rotoreinheit 8 ist die zentrale Welle 11, die saugseitig den im wesentlichen glockenförmig gestalteten Rotor 12 trägt. Druckseitig ist die Welle 11 mit den Motorläufern 13 des Antriebsmotors ausgerüs­ tet. Der Stator des Antriebsmotors ist mit 14 bezeich­ net. Er stützt sich im Gehäuse 2 ab.

Bestandteile der Statoreinheit 9 sind drei Hülsenbau­ teile 15, 16, 17, von denen eines (15) druckseitig, die beiden anderen (16, 17) saugseitig (innerhalb und außerhalb der Wandung 18 des glockenförmigen Rotors 12) angeordnet sind. Das druckseitige Ende der Hülse 15 ist mit einem einwärts gerichteten Rand 21 ausgerüstet, dessen Innenseite als Schiebepassung 22 für das druck­ seitige Wellenlager 23 ausgebildet ist. Außerdem ist der Rand 21 mit einer Aufnahme für einen O-Ring 24 aus elastomerem Werkstoff ausgerüstet. Eine dazu korrespon­ dierende Aufnahme ist am Anschlussdeckel 7 des Gehäuses 2 vorgesehen. Die Aufnahmen (Nuten, Winkel oder dgl.) sind derart ausgebildet, dass der O-Ring 24 neben der Funktion des Dichtens die Funktion eines ersten, druck­ seitig gelegenen Schwingelementes 5 hat, über das sich das Rotor-Stator-System 3 im Gehäuse 2 abstützt. An Stelle des O-Ringes 23 können auch andere Schwingele­ mente (z. B. Simmerringe, Flachringe, Kolbendichtungen) vorgesehen sein.

Zur Bildung eines inneren vakuumdichten Gehäuses ist die Hülse 15 saugseitig mit einem nach außen gerichte­ ten Rand 26 versehen, an dem die beiden weiteren Hülsen 16, 17 befestigt sind. Das geschieht mit einer von der Druckseite her auf die äußere Hülse 17 aufschraubbaren Überwurfmutter 27, die den äußeren Rand 26 an der Hülse 15 und einen äußeren Rand 28, der Bestandteil der inne­ ren Hülse 16 ist, einspannt.

Der Anschlußflansch 6 ist saugseitig mit einer einwärts gerichteten Stufe 31 für die Aufnahme eines weiteren O-Ringes 32 oder eines anderen Schwingelementes versehen. Eine zu dieser Aufnahme korrespondierende Aufnahme be­ findet sich im Bereich der Stirnseite der Hülse 16. Der O-Ring 32 bildet neben der Dichtfunktion das zweite Schwingelement 4, über das sich das Rotor-Stator-System 3 im Gehäuse 2 abstützt. Das Gehäuse 2 bildet eine Spannhülse, die zusammen mit Deckel 7 und Anschluß­ flansch 6 das Rotor-Stator-System 3 einspannt. Bei ent­ sprechender Dimensionierung können Gehäuse 2 und An­ schlussflansch 6 auch einstückig sein. Zusätzlich stützt sich die Hülse 16 auf einer stufenartigen Erwei­ terung 29 in der Hülse 15 ab.

Das saugseitige Ende der inneren Hülse 16 ist mit einem nach innen gerichteten Rand 34 ausgerüstet, dessen In­ nenseite eine Schiebepassung 35 für das saugseitige Wellenlager 36 bildet. Weiterhin befindet sich in die­ sem Bereich eine Ringfeder 37, die die nötigen Lageran­ stellkräfte erzeugt.

Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die Rotoreinheit 8 und die Statoreinheit 9 über die Lager 23, 36 und die Schiebepassungen 22, 35 starr miteinander gekoppelt. Dadurch wird die gewünschte Spielverkleinerung zwischen Stator und Rotor erreicht. Über die Schwingelemente 4 und 5 stützt sich das Rotor-Stator-System 3 im Gehäuse 2 ab. Die Ausbildung der Schwingelemente als O-Ringe hat den Vorteil, dass sie gleichzeitig Dichtfunktion übernehmen können. Sie sorgen für eine vakuumdichte Trennung der im inneren Gehäuse gelegenen Förderräume und der Atmosphäre. Zweckmäßig umgibt ein weiterer O-Ring 38 den äußeren Umfang des Randes 28, der die in­ nere Hülse 16 trägt, so dass auch im Bereich der Über­ wurfmutter 27 Vakuumdichtheit gewährleistet ist. Die Statoreinheit 9 bildet praktisch ein zweites inneres Gehäuse. Es ist vakuumdicht, so dass das äußere Gehäuse 2 mit Luftschlitzen 39 ausgerüstet werden kann.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist als einflutige Turbomolekularvakuumpumpe mit einem sich von der Saug­ seite zur Druckseite verjüngenden Förderraum 40 ausge­ bildet. Die äußere Hülse 17 trägt auf ihrer Innenseite Statorschaufelreihen 42, die Außenseite der Rotorwand 18 Rotorschaufelreihen 41. Der Weg der geförderten Gase ist durch Pfeile 43 gekennzeichnet. Sie treten durch den Anschlussflansch 6 in den mit den Schaufeln 41, 42 bestückten Förderraum ein und gelangen durch Öffnungen 44 in der inneren Hülse 16 entlang der Welle 11 und durch Öffnungen 45 im Rand 21 zur Auslassöffnung 46.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine dreistu­ fige Molekularpumpe. Die Innenseite der Hülse 17 und die Außenseite der Hülse 16 sind jeweils in Höhe der Wandung 18 des Rotors 12 mit einem Gewinde 47, 48 aus­ gerüstet, die zusammen mit der zylindrischen Rotorwand 18 die gewünschte Gasförderung in zwei Stufen bewirken. Auch die Außenseite der Welle 11, die im Bereich der Hülse 16 einen vergrößerten Durchmesser hat, ist mit einem Gewinde 49 ausgerüstet und bildet zusammen mit der Innenseite der Hülse 16 die dritte Pumpenstufe. Der Weg der geförderten Gase ist durch Pfeile 51 gekenn­ zeichnet. Sie treten durch den Anschlussflansch 6 in die äußere Pumpstufe ein. Zweckmäßig ist dieser Pump­ stufe eine aus einem Schaufelkranz bestehende Füllstufe 52 vorgelagert. Nach dem Verlassen der äußeren ersten Pumpstufe treten sie in die zweite Pumpstufe zwischen Rotorwand 18 und Hülse 16 ein, welche sie mit einer der Förderrichtung der ersten Pumpstufe entgegengesetzten Richtung durchströmen. Nach einer weiteren Richtungsum­ kehr gelangen sie durch Öffnungen 53 im Rand 35 und durch Öffnungen in der Feder 37 in die dritte Pumpstufe und von dort aus in der bereits zu Fig. 1 beschriebe­ nen Weise zur Auslassöffnung 46.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann in einfacher Weise zu einer einstufigen Reibungsvakuumpumpe umgebaut werden. Ohne Hülse 17, Rotorglocke 18 und Überwurfmut­ ter 27 wäre nur die dritte Pumpstufe vorhanden und wirksam. Auch die Ränder 26 und 28 sowie das Gewinde 48 könnten entfallen. Eine weitere Voraussetzung wäre, dass die Durchmesser des Schwing- und Dichtungselemen­ tes 4, 32 sowie der Stirnseite der Hülse 16 einander entsprechen, damit das Rotor-Stator-System 3 elastisch im Gehäuse 2, 7 abgestützt werden kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind Statorein­ heit 9 und Rotoreinheit 8 schwingungstechnisch starr miteinander (Schiebepassungen 35, 22) gekoppelt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 befindet zwischen dem oberen Lager 36 und der Innenseite des Randes 34 im O-Ring 63 mit einem im Vergleich zum Durchmesser der O-Ringe 24, 32 wesentlich kleineren Durchmesser. Dieser O-Ring 63 dient lediglich der Überbrückung des Passungs­ spiels. Einen wesentlichen Einfluß auf die Wahl des Spaltes zwischen Rotor- und Statoreinheit hat der O-Ring 63 nicht.

Die Realisierung der Erfindung ist bei kleinen Turbomo­ lekularpumpen von besonderem Vorteil. Bei kleiner wer­ dender Baugröße nimmt der schädliche Anteil der Rück­ strömung bezogen auf den geförderten Gasstrom zu und verschlechtert dadurch überproportional die vakuumtech­ nischen Eigenschaften einer Pumpe. Durch die erfin­ dungsgemäße Reduzierung der Spalte zwischen Rotor und Stator mit dem vorliegenden neuen Konzept lassen sich die vakuumtechnischen Daten deutlich verbessern. Das bedeutet umgekehrt, dass sich dadurch eine Pumpe in dieser Baugröße noch mit wirtschaftlich sinnvollem Auf­ wand produzieren lässt. Mit dazu trägt die Tatsache bei, dass die Pumpe aus relativ wenigen Teilen herge­ stellt werden kann.

Claims (14)

1. Reibungsvakuumpumpe, die eine Statoreinheit (9), eine Rotoreinheit (12) und ein Gehäuse (2, 7) auf­ weist und bei der während ihres Betriebes ein en­ ger Spalt zwischen Stator und Rotor eingehalten werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (9) und Rotor (8) schwingungstechnisch miteinander gekoppelt sind und dass das aus Statoreinheit (9) und Rotoreinheit (8) bestehende System (3) gemein­ sam über Schwingelemente (4, 5) im Gehäuse (2, 7) gehaltert ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Lager (23, 36) vorgesehen sind und dass Rotor und Stator über die mechanischen Lager miteinander gekoppelt sind.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass Stator (9) und Rotor (8) schwingungs­ technisch starr miteinander gekoppelt sind.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rotoreinheit (8) und Lager (23, 36) und/oder Lager (23, 36) und Statoreinheit (9) eine axiale Schiebepassung (22, 35) vorgesehen ist.

5. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einem der Lager und der Statoreinheit ein der Überbrückung eines Passungsspieles dienender O-Ring (63) befindet.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass das Gehäuse (2) eine Spannhülse bildet, die zusammen mit einem stirnseitigen Deckel (7) das Rotor-Stator- System (3) verspannt.

7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteile der Rotoreinheit (8) eine zentrale Welle (11) sowie ein Rotor (12) sind und dass sich die Rotoreinheit (8) über die Lager (23, 36) in der Statoreinheit (9) abstützt.

8. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteile der Statorein­ heit (9) Hülsen (15, 16, 17) sowie Aufnahmen für Schwingelemente (4, 5, 24, 32) sind, über die sich das Rotor-Stator-System (3) im Gehäuse (2, 7) ab­ stützt.

9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoreinheit (9) ein zweites inneres Ge­ häuse bildet.

10. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Gehäuse vakuumdicht ist und dass das äußere Gehäuse (2) mit Luftschlitzen (39) aus­ gerüstet ist.

11. Pumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, dass ihr Rotor (12) glockenförmig ausgebildet ist und dass drei Pumpstufen vorhanden sind.

12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (9) drei Hülsen (15, 16, 17) um­ fasst, von denen eine druckseitig und zwei saug­ seitig angeordnet sind, und zwar je eine außerhalb und innerhalb der Rotorwand (18).

13. Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die druckseitige (15) und die innere saugsei­ tige Hülse (16) mit äußeren Rändern (26, 28) aus­ gerüstet sind, die mit Hilfe einer auf die Druck­ seite der äußeren Hülse anschraubbaren Überwurf­ mutter (27) miteinander verspannt sind.

14. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) stirnseitig mit einer Füllstufe (52) ausgerüstet ist.