DE2354046A1

DE2354046A1 - Elektrisch angetriebene turbomolekularvakuumpumpe

Info

Publication number: DE2354046A1
Application number: DE19732354046
Authority: DE
Inventors: Gotthold Boehme; Erich Robens
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1973-10-29
Filing date: 1973-10-29
Publication date: 1975-05-07

Description

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387-86/KDB/RST 22. Oktober 1973

BATTELLE - INSTITUT E.V., FRANKFURT AM MAIN

Elektrisch angetriebene Turbomolekular-Vakuumpumpe

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ein- oder mehrstufige Turbomolekularpumpe, bestehend je Stufe aus einem elektrischen angetriebenen, mit Scheiben versehenen Rotor, und aus einem zylinderformigen Statorgehäuse mit zwischen den Rotorscheiben angeordneten, an dem Innenmantel des .Statorgehäuses befestigen Statorscheiben; die äußeren Randzonen der Rotor- und der Statorscheiben ,sind durch radiale, schräg verlaufende Schlitze oder Aussparungen zu Schaufeln ausgebildet.

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Solche Turbomolekularpumpen werden in zunehmendem Maße in der Hochvakuumtechnik verwendet, weil sie gegenüber den anderen bekannten Bauarten von Vakuumpumpen, wie den Diffusionspumpen eine Reihe von Vorteilen aufweisen» Nachteilig ist bei den bekannten Turbomolekularpumpen, daß ihre Konstuktion recht aufwendig ist und daß sie verhältnismäßig groß sind» Durch die zum Antrieb benötigten, auf der Welle der Pumpe angeordneten Elektromotoren wird der Platzbedarf noch erhöht« Für die Lager der Rotoren solcher Pumpen ist als Schmiermittel ein niedrigvislcoses Öl mit entsprechend hohem Dampfdruck erforderlich, das während des Betriebes zum Hochvakuumteil hin diffundiert und die Saugleistung der Pumpe . mindert. Bei vielen Anwendungsfällen stören die - wenn auch geringen - Kohlenwasserstoffmengen, die beim Stillstand der Pumpe durch Diffusion des Lageröldampfes in den Hochvakuumteil gelangen können.

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Des weiteren ist es bekannt, daß unter anderem yon den Abmessungen und insbesondere von dem Durchmesser des Rotors einer Turbomolekularpumpe die maximal erreichbare oder zulässige Umdrehungsgeschwindigkeit abhängt. Andererseits gilt für das Druckverhältnis P₁ /P₂ zwis chen Vorvakuum- und Ho chvakuumt ei1 nach W. Becker, Vakuum-Technik 27 (1968) Seite 62-67 die Beziehung

P -P = e ^B ' ' ^ü

wobei U die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors bezeichnet und B einen geometrischen Faktor darstellt.

Die Sauggesehwindigkeit S ist ebenfalls abhängig von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors, wie aus der Beziehung

nach W. Becker, Vakuum-Technik I^ (1966) Seite 211-218 zu entnehmen ist; hierin bezeichnet A wiederum einen geometrischen Faktor. Es ist daher möglich, die durch

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kleinere Rotorabmessungen bedingten Einbußen am Druckverhältnis P. / P₂ und an der Sauggesehwindigkeit S durch Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit U auszugleichen.

Der Erfindung liegt daher die allgemeine Aufgabe zugrunde, eine relativ kleine und einfach aufgebaute ein- oder mehrstufige Turbomolekularpumpe hoher Saugleistung zu schaffen. Außerdem sollte eine Verschmutzung der geförderten Gase vermieden werden.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit einer Pumpe der eingangs genannten Art gelöst werden kann, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest einige der Eotorscheiben diametral permanent magnetisiert sind und daß das Gehäuse der Turbomolekularpumpe gleichzeitig als Stator eines elektronisch gesteuerten kollektorlosen Gleichstrommotors ausgebildet ist.

Die Erfindung führt also durch die Kombination einer im Grundprinzip bekannten Pumpe mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor zu einer gegenüber den bekannten

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Pumpen bei gleicher Saugleistung erheblich kleineren und im Aufbau sehr einfachen und folglich mit geringem Aufwand herstellbaren Turbomolekularpumpe. Die geringeren Abmessungen und damit verringerte Masse des Rotors ist zunächst im Hinblick auf die maximal zulässige, unter anderem durch die Zerreißfestigkeit des Rötormaterials begrenzte Umdrehungsgeschwindigkeit von erheblichem Vorteil. Außerdem ergeben sich dadurch weitere Möglichkeiten der Lagerung des Rotors, die bei Turbomolekularpumpen schon wegen den hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten grundsätzlich schwierig ist. Hinzu kommt, daß unbedingt eine Verschmutzung des Vakuumteils durch "Lageröl vermieden werden muß; durch diese Forderung wird die Lagerkonstruktion erheblich erschwert.

Die erfindungsgemäße Pumpe ist außer als Vakuumpumpe auch zur Gasumwälzung geeignet; mit herkömmlichen Pumpen war dies nämlich nicht möglich, weil diese auf der Auslaßseite stets ölgeschmierte Lager benötigen, welche unvermeidlich - wie oben erläutert - zu Verschmutzungen des gepumpten Gases führten.

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Durch die geringere Rotormasse der erfindungsgemäßen Pumpe vereinfacht sich ferner die Lagerkonstruktion erheblich. Unter Vervrendung eines selbst schmierenden Lagers erübrigt sich auf beiden Seiten des Rotors eine Ölschmierung. Da bei den kleinen Abmessungen der Rotor weitgehend unwuchtfrei hergestellt werden kann, tritt nur eine geringe Lagerreibung auf, so daß in der Regel auf eine Kühlung vollständig verzichtet werden kann.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung ist das Gehäuse in Form eines geschlossenen, aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie Quarz, Siliziumoxid oder aus einem anderen keramischen Material bestehenden Mantels ausgebildet, auf dessen Umfang die Statorwicklungen des Gleichstrommotors angeordnet sind.

Die magnetisierten Rotorscheiben können erfindungsgemäß aus einer kaltwalzbaren, permanent magnetisierbaren Legierung bestehen. Als Werkstoffe für die Statorscheiben haben sich nichtferromagnetische Materialien, wie keramische Werkstoffe oder Leichtmetall, bewährt.

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Die Rotoren der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe können beidseitig Spitzenlager besitzen, deren Lagerschalen aus einem selbstschmierenden Feststoff, beispielsweise aus Metallmatrix mit eingelagertem Polyimid bestehen, und schwingungsgedämpft aufgehängt sind. Wird der Rotor senkrecht gelagert, kann das untere Lager durch einen über dem oberen Lager angeordneten Magneten entlastet werden.

Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung besitzt die Turbomolekularpumpe auf der Saugseite einige größere Scheiben aus einem Material extrem hoher Zerreißfestigkeit, beispielsweise aus einer Titanlegierung. Diese Scheiben brauchen nicht magnetisierbar zu sein.

Bei einer mehrstufigen Turbomolekularpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsart der Erfindung sind in einem gemeinsamen Gehäuse mehrere Rotoren mit verschiedenen Durchmessern und mit voneinander unabhängigen Antrieben hintereinander angeordnet, wobei die Stator- und Rotorscheiben der Pumpenstufe auf der Saugseite im Vergleich

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ο ο ς /, η /

zu den Stator- und Rotorscheiben der anschließenden Pumpenstufe einen größeren Durchmesser sowie einen größeren Abstand voneinander aufweisen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen in schematisierter Darstellung

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine einstufige Turbomolekularpumpe nach der Erfindung, und

Figur 2 ebenfalls im Längsschnitt eine zweistufige Turbomolekularpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsart der Erfindung.

Bei der einstufigen Turbomolekularpumpe nach Figur 1 sind auf der Rotorachse 1 eine Vielzahl dünner Rotorscheiben 2 befestigt, die beispielsweise aus einer kaltwalzbaren, permanent magnetisierbaren Legierung bestehen und die diametral magnetisiert sind; Nord- und Südpol sind in der Abbildung mit N bzw. S gekennzeichnet. Die Randzonen der Statorscheiben sind in bekannter Weise

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durch (nicht dargestellte) radiale, schräg gestellten Schlitzen oder Aussparungen zu Schaufeln ausgebildet oder mit Schaufeln versehen.

Das Pumpengehäuse besteht im wesentlichen aus einem zylinderförmigen, druckbeständigen Gehäuse oder Mantel 8 mit zwischen die Rotorscheiben 2 greifenden Statorscheiben Auf der Außenfläche des Mantels 8 sind die Statorspulen 18,19 aufgebracht. Diese Spulen sind im Prinzip eines elektronisch gesteuerten kollektorlosen Gleichstrommotors ausgeführt, so daß der mit Scheiben 2 versehene Rotor gleichzeitig als Rotor der Turbomolekularpumpe und als Rotor eines Gleichstrommotors zum Antrieb dieser Pumpe dient.

Der Rotor wird durch Erzeugung eines magnetischen Moeentes zwischen der Spule 19 und den permanent magnetisierten Rotorscheiben 2 angetrieben. Nachdem der Rotor z.B. durch mehrmaliges Betätigen des Schalters 20 und dadurch Bin- und Anschalten des einer Gleichstromquelle 21 entnommenen Stroms in Drehung versetzt wurde, induzieren die bewegte magnetische Rotorscheiben 2 in der Spule 18 einen Strom.

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Der Strom wird in dem Transistor 22 gleichgerichtet, verstärkt und der Spule 19 zugeführt. Dadurch entsteht ein der Drehbewegung synchrones, voreilendes magnetisches Moment, das beschleunigend auf die magnetischen Rotorscheiben 2 wirkt. Der Rotor wird so lange beschleunigt, bis sich mit den mechanischen und elektromagnetischen Vjrlustcxi ein Gleichgewicht und dadurch eine stationäre Geschwindigkeit einstellt. Als Maximalgeschwindigkeit wurde bei dem Ausführungsbeispiel mit einem 100 mm langen Rotor und bei einem Durchmesser von 20 mm eine Umdrehungszahl von 5.000 U-s erreicht. Die stationäre Geschwindigkeit kann durch Veränderung des Regulierwiderstands 23 variiert werden.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsart der Erfindung verfügt die Rotorachse 1 über Spitzen 5 bzw. 9, die in Lagerschalen 6 bzw. 31 aus selbstschmierendem Feststoff gelagert sind. Diese Lagerschalen 6 bzw. 31 befinden sich in Lagerblöcken 32 bzw. 33, die mit dem Gehäuse 8 durch den Gasdurchlaß möglichst wenig behindernde Verstrebungen 7,11 verbunden sind. Der obere Lagerblock 33 enthält zur Entlastung des unteren Lagers 5,6 einen den Rotor anhebenden Permanentmagneten 10. In beide

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Lagerböcke sind (nicht gezeichnete) Schwingungsdämpfer ein- bzw. angebaut*

In Figur 1 ist die Strömungsrichtung der Gase mit Pfeilen angedeutet. An dem Hochvakuumstutzen 24 des zylinderförmigen Gehäuses8 befindet sich ein Flansch 34 zum Anschluß des Hochvakuumteils der Anlagen oder des Gefäßes aus dem das Gas gefördert werden soll. Der Vorväkuum- bzw. Auslaßstutzen 16 mit dem Flansch 35 weist demgegenüber einen geringeren Durchmesser auf.

In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsart der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe wiedergegeben, die zur Erzeugung eines besonders hohen Differenzdruckes zwischen Saug- und Druckseite der Pumpe zweistufig aufgebaut ist. Das Pumpengehäuse 36 besteht in diesem Fall aus zwei miteinander verflanschten Teilstücken. Die Rotorscheiben 37,38 der Hochvakuum- bzw. Saugstufe haben, verglichen mit dem Abstand der Rotor- und Statorscheiben 39 bzw. 40 der nachfolgenden Stufe, einen größeren Abstand zu den zugehörigen Statorscheiben 41,42. Im Durchmesser sind die Scheiben der Saugstufe ebenfalls größer als die Scheiben

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der nachfolgenden Pumpenstufe.

Zur Erhöhung des effektiven Saugvermögens besitzt die Saugstufe außerdem am Saugstutzen einige größere, nicht magnetisierte und daher nicht antreibbare Rotorscheiben aus einer Legierung extrem hoher Zerreißfestigkeit, im vorliegenden Fall, aus einer Titanlegierung.

Wie in der Ausführung nach Figur 1 sind die Lager der beiden Stufen als Spitzenlager 5,6 bzw. 9,31 ausgebildet und über dem oberen Lager befindet sich jeweils ein entlastender Permanentmagnet 10. Zusätzlich sind jedoch die Enden der Rotorachsen 45,46 von Hilfslagern 50,51 bzw. 52,53 umgeben, die verhindern, daß beim Anlaufen der Pumpe oder bei Erschütterungen sich Stator- und Rotorscheiben berühren.

Die in der dargestellten Ausführungsart auf der Außenseite des Pumpengehäuse angeordneten Spulensysteme 43, sind abnehmbar ausgebildet, damit diese zum schnelleren Ausheizen und Abkühlen der Pumpe entfernt werden können.

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Die Rotoren 45 und 46 der beiden hintereinanderIiegenden Pumpenstufen werden unabhängig vöneinandern angetrieben. Entsprechend ihren verschiedenen Durchmessern laufen sie mit unterschiedlichen Drehzahlen, jedoch mit etwa gleicher Umfangsgeschwindigkeit. Die zum Antrieb der Rotoren beider Pumpenstufen erforderliehen Generatoren sind mit 47 und bezeichnet; ihre gemeinsame Stromversorgung ist mit der Bezugsziffer 49 angedeutet. Bei geschickter Ausnutzung von Oberschwingungen im Spulensystem, können, trotz der unterschiedlichen Drehzahlen, beide Stufen von einem gemeinsamen Generator angetrieben werden«

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Claims

Patentansprüche

ί 1.) Ein- oder mehrstufige Turbomolekularpumpe, bestehend je Stufe aus einem elektrisch angetriebenen, mit Scheiben versehenen Rotor, und aus einem zylinderförmigen Statorgehäuse mit zwischen den Rotorscheiben angeordneten, an dem Innenmantel des Statorgehäuses befestigten Statorscheiben, wobei die äußeren Randzonen der Rotor- und der Statorscheiben durch radiale, schräg verlaufende Einschnitte bzw. Schlitze schaufeiförmig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Rotorscheiben (2,37,39) diametral permanent magnetisiert sind und daß das Gehäuse (8) der Turbomolekularpumpe gleichzeitig als Stator eines elektronisch gesteuerten kollektorlosen Gleichstrommotors ausgebildet ist.
2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse in Form eines geschlossenen Mantels (8,36) aus Quarz oder aus einem keramischen Material ausgebildet ist, auf dessen Umfang die Statorwicklungen (18,19,43,44) des Gleichstrommotors angeordnet sind.

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3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierten Rotorscheiben (2,37,39) aus einer kaltwalzbaren, permanent magnetisierbaren Legierung bestehen.
4. Turbomolekularpumpe nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorscheiben (12,40, 41") aus nicht ferromagnetisehen Materialien, wie aus keramischen Werkstoffen oder Leichtmetall bestehen.
5. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1,45,46) beidseitig Spitzenlager (5,6,9,31) aufweist, deren Lagerschalen (6,31) aus einem selbstschmierenden Feststoff bestehen und schwingungsgedämpft aufgehängt sind.
6. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1,45,46) senkrecht gelagert ist und daß das untere Lager (5,6) durch einen über dem oberen Lager (9,31) angeordneten Magneten .(.10) entlastbar ist.

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7. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der selbstschmierende Feststoff aus einer Metallmatrix mit eingelagertem Polyimid besteht.
8. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf der Saugseite einige größere Scheiben (38) aus einem Material extrem hoher Zerreißfestigkeit, beispielsweise aus einer Titanlegierung, besitzt.
9. Mehrstufige Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gemeinsamen Gehäuse mehrere Rotoren (45,46) mit verschiedenen Durchmessern und mit voneinander unabhängigen Antrieben hintereinander angeordnet sind, wobei die Stator- (41,42) und Rotorscheiben (37,38) der Pumpenstufe auf der Saugseite im Vergleich zu den Stator- und Rotorscheiben (39,40) der anschließenden Pumpenstufe einen größeren Durchmesser sowie einen größeren Abstand voneinander aufweisen.

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