DE2549700A1 - Verbesserung an turbomolekular-pumpen - Google Patents

Description

β Frankfurt/Main 1 Nkkiaatr.52,

R / 1455

Edoardo RAVA

SAVONERA (Torino, Italien)

Verbesserung en Turbomolekular-Pumpen

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung en Turbomolekul8r-Pumpen.

Diese Pumpen, in deren Gehäuse ein primäre3 Vorvakuum aufgebaut ist, erzeugen bekenntlich in einer Kammer, mit der sie verbunden sind, ein sehr hohes Vekuum durch die hohe Drehzahl - in der Grössenordnung von etwa 24.000 U/min - ihres zentre len Körpers, der sich gegenüber einem feststehenden Stator um seine senkrechte Achse dreht.

Dabei handelt es sich geneuer um einen elektrischen Motor mit senkrechter Achse, dessen Rotor mit einem Turbinenkörper drehfest verbunden ist, wobei die Schaufeln dieses Turbinenkörpers zwischen gleichartigen Schaufeln des Turbinenstators eingreifen. Die öusserst hohe Drehzahl der ersten Gruppe von Schaufeln, die zwischen den Statorschaufeln eingreifen, erzeugt eine molekulare Bewegung nach der Richtung, in der sich der Motor befindet, also im allgemeinen nach unten.

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ORIGINAL INSPECTED

Aufgebe der Erfindung ist es, unter Aufrechterhaltung des soeben beschriebenen Aufbaues solcher Pumpen bekannter Art einige Änderungen zu schaffen, welche die Leistungswerte, insbesondere den Wirkungsgrad, die Förderleistung und des Verdichtungsverhältnis dieser Pumpen verbessern.

Während bei den bekannten Pumpen dieser Art ein em Rotor der Turbine befestigter endseitiger Deckel den Raum im Bereich des oberen Wellenzapfens der Welle des elektrischen Motors tiberdeckt und oben eine glette Fläche mit kreisrundem Umfang aufweist, besitzt diese Fläche gemäss einem ersten Merkmal der Erfindung im mittleren Bereich einen nach oben vorstehen den Kegel, um den sich ringförmige Rippen mit einem asymmetrischen sägezahnartigen Querschnitt, dessen der Achse näher liegende Seite parellel.zu dieser Achse verläuft und dessen andere Seite unter einem Winkel von vorzugsweise 45° geneigt ist, erstrecken. '

Insgesamt erhält man so eine Ausbildung nach Art einer Fresnel-Linse, und nachdem sich dieser dÄrt ausgebildete Deckel gegenüber der Rohrleitungsmtindung befindet, sus der die Gssmolektile abgesaugt werden, treffen die in Richtung auf die Turbine zulaufenden Moleküle den erfindungsgemäss ausgebildeten Deckel derart, dass sie gegen die Seitenwandung hin abgelenkt werden, ohne nach oben zurückzuprallen und den Zulauf weiterer Moleküle zu behindern. Dadurch wird die Eintrittsleistung bedeutend erhöht.

Ein zweites vorteilhaftes Merkmal der erfindungsgemässen Pumpe besteht darin, dass dieser Deckel em Umfang eine oder mehrere Reihen von Schaufeln aufweist, die mit den Schaufeln des Stetors zusammenwirken und eine radiale Tiefe besitzen, die grosser ist sls g'ene der übrigen Schaufeln. Auch diese Massnahme trägt zur Erhöhung der iiintrittsleistung bei·

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Ein drittes Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, dass die erste Stufe des Stators (auf der Zuleufseite der Moleküle ) mit Schaufeln besttickt ist, die nur einen Teil der radialen Jirstreckung belegen, wodurch ein innerer ringförmiger Bereich unbeschaufelt verbleibt. Dadurch erreicht men einen robusteren Aufbau als bei den bekennten Ausführungen und es wird die Zerstörung der Pumpe im Pelle einer Gas-Implosion vermieden.

Bei bekannten Pumpen dieser Art besteht der schwere Nachteil, dass sich dabei nur ein sehr niederes Verdichtungsverhältnis erzielen lässt, insbesondere im Falle von leichten Gasen, wie z.B. Wasserstoff oder Helium.

Zur Beseitigung dieses Nachteils sind bei der erfindungsgemässen Pumpe die Rotor- und Stetorschaufeln für die Hochdruckstufen bis zur Wurzel gefräst und 8usserdem ist eine Reihe von Dichtungen vorgesehen, die den Vakuumverlust beinahe auf Null herabsetzen. Das Verhältnis zwischen der radialen und der axielen Länge einer Schaufel ist für die Hochdruckstufen etwe gleich 1. Durch diese Massnehme wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht.

Die Gesamtheit dieser Massnehmen ergibt eine Pumpe, die bis zum zehnfachen Wert des Verdichtungsverhältnisses bekannter Pumpen dieser Art betragen kann.

Von grösster Wichtigkeit für die mit äusserst hoher Drehzahl zu betreibenden Turbomolekul8r-Pumpen ist das Problem der Schmierung. Bei den bekennten Ausführungen ist zur Lösung dieses Problems eine sussen und innen kegelförmig ausgebildete Saugdüse vorgesehen. Diese Düse taucht in einem von durchsichtigen Wänden umschlossenen Oelsumpf und saugt

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OeI deraus, des durch die Kugellager der Motorwelle hindurchgeschleudert wird. Dadurch sber kommt es zu einer sehr starken .erhitzung dieser Kugellager.

Bei der erfindungsgemässen Pumpe hingegen erfolgt die Schmierung durch Kapillarwirkung. Das OeI wird euch hier durch Zentrifugalkraft von der Kegeldtise aus dem Oelsumpf gesaugt, in einen oberhalb des oberen Wellenlagers vorgesehenen Raum gespritzt und von hier über senkrechte Bohrungen fallend in eine ringförmige 0elk8mmer geführt, wo es unmittelbar nur den unteren Bereich des äusseren Lagerringes benetzt; denn wird das OeI durch Kapillarwirkung durch das Lager hindurch wieder nach oben geführt und schmiert auf diese Weise bedarfsgerecht das Leger, üine gewisse Oelmenge fällt suf d8s untere Wellenlager und besorgt die Schmierung auch dieses Legers.

Die beiden Wellenl8ger sind durch je einen Gummiring zum Abfangen bzw. Abdämpfen der Schwingungen abgestützt, wobei jedoch vorteilhafter Weise wenigstens ein Lager zwei solche Gummiringe besitzt, die aussen am Lage,r konzentrisch angeordnet und durch eine zur leichteren Montage in Sektoren aufgeteilte Ringscheibe miteinander verbunden sind.

Diese Anordnung gestattet eine sehr weiche und freigängige Bewegung in Axialrichtung und eine zwar abgedämpfte, jedoch härtere Bewegung in Radialrichtung. Dedurch wird eine stark positive Vorspannung der Wellenleger ermöglicht und demzufolge eine lange Lebensdauer derselben gewährleistet.

Diese und weitere Merkmele der Erfindung ergeben sich näher aus der nachstehenden Beschreibung eines in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels·

i's zeigen:

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Pig. 1 einen Axislschnitt durch eine erfindungsgemösse Pumpe gemöss einer bevorzugten Ausftthrungsform;

Fig. 'd einen waagerechten Teilschnitt durch die Pumpe nach Fig. 1, und

i?ig. 3 einen Teilschnitt, analog dem von Fig. 1, in vergrössertem Masstab.

Die in den Zeichnungen dargestellte Pumpe besitzt ein zylinderförmiges Pumpengehäuse 1 mit einer oberen weiten

Öffnung 2 zur Verbindung mit der Kemmer, in der das hohe Vakuum aufgebeut werden soll, und mit einer unteren Abschlussplatte 3, die über eine öffnung 4· eine Verbindung mit der Vorvakuum-Kammer herstellt.

Die untere Platte 3 besitzt einen zylindrischen nach oben gerichteten Vorsprung 5 mit einem in dessen Innern gelagerten elektrischen Motor 6, dessen durch Kugellager 8 und 9 abgestützter Rotor 7 mit dem Rotor 10 der Turbine drehfest verbunden ist. Der Turbinenrotor 10 besitzt eine Mehrzahl von radialen Schaufeln 11, die zwischen entsprechende Schaufeln 12 des ebenfalls im Gehäuse 1 gelagerten Stators der Turbine mit angemessenem Spiel eingreifen. Eine OeI-wenne 13 aus durchsichtigem Werkstoff ist an der Unterseite der Platte 3 angebracht und in den darin befindlichen Oelsumpf tsucht eine am unteren Wellenzapfen 14- der Rotorwelle 7 angeformte und kegelförmig ausgebildete Düse, deren innere ebenfalls kegelförmige Bohrung in eine enschliessende zylinderförmige Bohrung 15 übergeht, die sich über den grösseren Teil der Länge der Rotorwelle erstreckt und im Bereich radialer Bohrungen 16 endet. Diese radialenBohrungen münden in eine ausserhalb des rotorischen Teiles und oberhalb des oberen Wellenlegers vorgesehene Ringkemmer 17,

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die über senkrechte Bohrungen 18 mit einem ringförmigen, nur die untere Seite des Aussenringes des Kugellegers 9 benetzenden Oelsumpf 19 in Verbindung steht.

Wie aus der Zeichnung kler hervorgeht, überdeckt den Oberteil des Turbinenrotors IO ein Deckel 20, en dessen oberer Fläche ein nach aussen gerichteter zentraler Kegel 21 angeformt ist und sich ringsherum Rippen 22 von dreieckigem Querschnitt mit zur Löngsechse der Pumpe paralleler Innen- * seite und um etwa 4-5° geneigter Aussenseite erstrecken, Ausserdem besitzt der Deckel 20 em Umfang eine oder mehrere Reihen von Schaufeln 23, die mit Schaufeln 34 des Stators zusammenwirken und deren radiale Tiefe grosser ist als die der übrigen Schaufeln.

Wie man 8us Fig. 2 ersieht, trögt die erste Statorstufe (auf der Zulaufseite der Moleküle) Scheufein, die nur einen Teil der radialen isrstreckung belegen, während nach innen ein unbeschaufelter Kreisring 25 verbleibt.

Auf der entgegengesetzten Seite, d.h. en der Eochdruckseite, sind sowohl die Rotorsch8ufeln 26 als auch die Statorschaufeln bis zur Wurzel gefräst und mit einer Reihe von Dichtungen 27 zur Verhinderung von Vakuumverlusten versehen. In dieser Stufe betrögt das Verhöltnis zwischen der radialen und der axielen Länge einer Schaufel etwa 1:1.

Wie aus Fig. 3 besser ersichtlich ist, wird das Kugellager 9 durch einen aus h8lbelastischem Werkstoff bestehenden und in eine Nut des Statorteiles eingreifenden Ring 28 abgestützt. Des untere Kugellager 8 hingegen stützt sich über zwei solche Ringe 29 und 30 eb, wobei diese durch eine zur erleichterung der Montage in Sektoren aufgeteilte Ringscheibe 31 miteinander verbunden sind.

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Der .bJrfindungsgegenstand ist hier in einer bevorzugten beispielsweisen Ausftihrungsform beschrieben und dargestellt worden, doch sind in der praktischen Verwirklichung zahlreiche Abwandlungen möglich, ohne dass der
beanspruchte Schutzbereich der Jsrfindung überschritten wird.

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Claims (5)

ti Patentansprüche

1.!Verbesserung an Turbomolekular-Pumpen, gekennzeichnet durch einen auf deia Pumpenrotor an der dem Hochdruckbereich zugewandten Seite angebrachten Deckel mit einem zentral vorspringenden Kegel und sich ringsherum erstreckenden Rippen mit dreieckigem asymmetrischem Querschnitt, dessen der Achse nähere Seite parallel zu dieser Achse und dessen andere Seite um vorzugsweise 45° geneigt verlaufen·

2. Verbesserung sn Turbomolekular-Pumpen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d8ss dieser Deckel am Umfang eine oder mehrere Reihen von Schaufeln besitzt, wobei diese Schaufeln mit den Statorschaufein zusammenwirken und eine grössere radiale Tiefe als die übrigen Schaufeln aufweisen.

3. Verbesserung en Turbomolekular-Pumpen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dess die erste Statorstufe mit Schaufeln besttickt ist, die nur einen Teil ihrer radis len JBrstreckung belegen, während nach innen ein unbesch8ufelter Kreisring verbleibt·

4. Verbesserung an Turbomolekul8r-Pumpen nach den vorausgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe im Bereich der Hochdruckstufe mit Rotor- und Stetorschaufeln besttickt ist, die bis zur Wurzel gefräst sind und ein Verhältnis zwischen 8xieler und radialer Länge von etwa 1:1 aufweisen.

5. Verbesserung en Turbomolekular-Pumpen nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Hochdruckstufe Dichtungen zur Verhinderung von Vakuumver lusten vorgesehen sind.

6· Verbesserung an Turbomolekular-Puinpen nsch den vorausgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierung mit Hilfe eines Oelsumpfes und durch
Kapillarwirkung erfolgt, wobei eine grössere Oelmenge 8xiel verlaufende Bohrungen durchfliesst, aber
eine geringere Menge OeI d8s obere Wellenlager
schmiert.

7· Verbesserung an Turbomolekular-Pumpen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstützung wenigstens eines
Wellenl8gers en dessen, Aussenseite zwei konzentrische Gummiringe angeordnet sind und durch eine in mehrere, 8ls Schubelemente dienende Sektoren aufgeteilte Ringscheibe miteinender verbunden sind.

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