DE2808125A1

DE2808125A1 - Molekularpumpe

Info

Publication number: DE2808125A1
Application number: DE19782808125
Authority: DE
Inventors: Waltherus Josephus Tho Luijten; Joost Smid
Original assignee: Ultra Centrifuge Nederland NV
Current assignee: Ultra Centrifuge Nederland NV
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1978-02-24
Publication date: 1978-08-31
Also published as: BR7801066A; NL184487C; NL7702017A; DE2808125C2; AU516159B2; GB1588374A; NL184487B; AU3273678A; US4270882A

Description

Molekularpumpe

Die Erfindung betrifft eine Molekularpumpe, insbesondere eine gasdichte Dichtungsanordnung für einen Rotor, der in einem Gehäuse angeordnet ist und sich schnell um seine Achse dreht, wobei die Dichtungsanordnung im Gehäuse, insbesondere in einer Wand hiervon, angeordnet ist, und aus einem stationären Buchsenwandteil des Gehäuses und aus einem gegenüberliegenden, sich bewegenden Buchse, w andteil des Rotors besteht, der die-Form eines Rotationskörpers hat, der aus durch eine Mantelfläche begrenzt ist, die mit dem Gehäuse wenigstens einen dichtenden Spalt bildet, wo wenigstens ein Wandteil mit wenigstens einem vorspringenden schrauben- bzw. spiralförmigen Steg versehen ist, der mit dem anderen Wandteil wenigstens einen durchlaufenden schrauben- bzw. spiralförmigen Gewindegang begrenzt.

Eine solche Vorrichtung ist z.B. aus der US-PS 2 730 297 bekannt.

In der Praxis ergibt sich jedoch, daß diese bekannten Vorrichtungen bei hohen Drehzahlen nicht sehr gut betrieben werden Können.

Eine sehr hohe Drehzahl bedeutet hier eine über der kritischen Drehzahl des Rotors liegende Drehzahl. Die Schwingungen, die während des Durchlaufens der kritischen Drehzahl auftreten können und die begleitenden hohen Lagerverluste scheinen ein Hindernis zu bilden. Gemäß der Erfindung wird diesen Schwierigkeiten entgegengewirkt durch eine elastische Lagerung des Motors in der Weise, daß er überkritisch arbeiten und sich außerdem selbst einstellen kann, so daß sein Schwerpunkt mit der Drehachse zusammenfällt. Die letztere Einstellung ist ohne Schwie-

009835/0854

rigkeit möglich, wenn die Lagerung ausreichend elastische ist. Da während des Betriebs bei überkritischen Drehzahlen der Schwerpunkt von selbst auf der Drehachse zu liegen kommt, werden die Lagerreaktionen viel kleiner und verschwinden schließlich ganz. Dies gewährleistet nicht nur einen sehr ruhigen Lauf, sondern es werden auch die Lagerverluste auf ein Minimum herabgesetzt.

Der Rotor kann z.B. dadurch elastisch gelagert werden, daß er mit dünnen und biegsamen Achszapfen versehen wird. Es' ist auch möglich, eine magnetische Lagerung zu verwenden.

Bei einer Lagerung der oben beschriebenen Art muß jedoch die Dichtung so ausgelegt werden, daß unter allen Umständen eine stabilisierende Wirkung erzeugt wird, wobei die molekulare Dichtung sich kurzzeitig in gewissem Ausmaß wie ein Gaslager verhalten kann. Andererseits muß aber dafür gesorgt werden, daß die Gaskräfte nicht zu groß werden, um Anlaß für eine Wirbelerscheinung zu geben, aufgrund welcher der Rotor mit der Ausführung einer Präzessionsbewegung beginnen könnte.

Um dies zu verhindern, wird das Verhältnis zwischen dem in umfangsgemessenem Stegquerschnitt und dem ebenfals in Umfangsrichtung gemessenem Nutquerechnitt erfindungsgemäß kleiner als 0,6 und größer als 0,3 gemacht.

Um die Vorrichtung weiter zu optimieren, muß für eine Steifheit gesorgt werden. Hierzu wird der im Bogenmaß ausgedrückte Winkel zwischen einer Tangente an den schraubenförmigen Steg und einer zur Achse senkrechten Ebene kleiner als 0,20 und größer als 0,05 gemacht.

Einen Beitrag hierzu leistet auch eine Auslegung der Vorrichtung in der Weise, daß die Beziehung zwischen der Tiefe des schraubenförmigen Gewindegangs und der kleinsten radialen Ab-

809835/0854

messung des Dichtungssspalts wenigstens den Wert 5 hat.

Die beabsichtigten Dämpfungswirkungen zeigen sich insbesondere, wenn der Druck in der Pumpe oder in der Büchse aufgrund gewisser Arbeitsbedingungen einen plötzlichen Anstieg erfährt. In solchen Fällen kann tatsächlich kurzzeitig ein Wirbel auftreten. Die Beseitigung eines derartigen Wirbels ist sehr wich tig, da eine fortgesetzte Wirbelbewegung zu einem Anlaufen des Rotors im verhältnismäßig engen Spalt führen könnte. Die Anmelderin ist jedoch zu dem Schluß gekommen, daß Dichtungen mit einer Zentrierungswirkung gebaut werden können. Es ergab . sich insbesondere, daß die außerhalb des Gewindegangs zentrie renden Kräfte gegenüber dem Gehäuse zentrieren, während die innerhalb des dichtenden Gewindegangs zentrierenden Kräfte gegenüber dessen Achse zentrieren.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt einer Molekularpumpe mit der Erfindung;

Fig. 2 eine Einzeldarstellung eines abgewickelten Teils der in Umfangsrichtung geschnittenen Gehäusewand;

Fig. 3 eine Außenansicht eines mit schraubenförmigen Kanälen versehenen abgewickelten Wandteils.

Eine in Fig. 1 gezeigte Molekularpumpe weist ein Gehäuse 1 auf, in dem sich ein Rotor 2 befindet. Dieser ist über einen in einer Lagerkugel 4 endenden Stützzapfen in einer Lagerpfanne 5 gelagert, die an einer im Boden 7 des Gehäuses 1 eingeklemmten dünnen Stange nachgebend befestigt ist«, Dadurch, daß die Stange 6 dünn ist, kann sie radiale Auslenkungen zulassen, wobei jedoch die Mittelstellung aufgrund der Elastizität der

809835/0854

Stange 6 stets gesucht wird. Der Rotor 2 ist oben mit einer Bohrung 3 versehen, in der ein stangenförmiger Magnet 8 befestigt ist. Gegenüber diesem Magneten befindet sich ein feststehender Magnet 9, der so befestigt ist, daß unterschiedlichePole dieser Magnete einander zugewandt sind und sich diese Magnete somit gegenseitig anziehen. Der Magnet 9 ist innerhalb eines Rohrs 10 eingebaut, das in der Ansaugöffnung der Pumpe mit Hilfe von dünnen Speichen 11 befestigt ist. Der Rotor 2 ist an seiner unteren Seite mit einer zylindrischen Hülse 13 versehen, die als Rotor eines Elektromotors dient und durch einen Stator 14 angetrieben wird. Dieser Stator ist an einer am unteren Teil des Gehäuses 1 angeordneten Trennwand befestigt. Die Innenseite der zylindrischen Wand des Gehäuses 1 ist mit einem Schraubengewinde 18 versehen, das mit der zylindrischen Wand 17 des Rotors 2 zusammenarbeitet. Die Trennwand 15 ist mit einer Auslaßleitung 20 versehen, die das von der Pumpe verdichtete Gas entleert.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in einer Ebene abgewickelten Schraubengewindes mit der gegenüberliegenden Wand 17. Diese Figur zeigt, daß die Abmessung des Schraubengewindes in Umfangsrichtung a^ beträgt, während die Abmessung eines Stegs 18, ebenfalls in Umfangsrichttuig gemessen, a~ ist. Die Höhe eines derartigen Stegs beträgt H , während die Breite des Spalts, gemessen zwischen der Wand 17 und dem äußersten Teil eines Stegs 18, ΔR beträgt. Versuche hatten gezeigt, daß zur Erzielung einer guten selbstzentrierenden Wirkung die folgenden Beziehungen erforderlich sind:

Wenn ^a2

sollte die folgende Beziehung gelten:

0,3 < (!Γ ^ 0,8

809835/0854

Es ist auch erforderlich (Fig. 3), daß:

0,05 <0C < 0,20,
wobei (X im Bogenmaß ausgedrückt ist.

^a1 Gleichzeitig ist es erforderlich, daß —- > 0,8

• - ο

Schließlich sollte die Beziehung

gelten, _H

Ar

wobei η_Λ =

A R stellt hier das radiale Spiel zwischen dem Rotor und dem Steg der Molekularpumpe bzw. die Dichtung dar.

H ist die Tiefe eines Gewindegangs.

In Anbetracht des obigen benötigt Fig. 3 kaum eine Erläuterung.

In dieser Figur, die den Innenumfang der mit Nuten 16 und Stegen 18 ausgekleideten Innenwand des Gehäuses 1 zeigt, wobei die Nuten und Stege in einer Ebene abgewickelt sind, ist auch ein Geschwindigkeitsvektor 19 gezeigt, der die Richtung und Größe der Geschwindigkeit darstellt, mit der sich die Wand 17 längs der Nuten und Stege bewegt.

809835/085

Lßerseite

Claims

Dr. F. Zumstein sen. - Or. E. Assmann - Ur. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

80OO München 2 . BräühausstraQe 4 · T_e,efon Sammel-Nr. 225341 - Telegramme Zumpat - Te.ex 529^7^ 08 I 25

Te/Li

Ultra Centrifuge Nederland N.V., Den Haag Niederlande

Patentansprüche

MJ Molekularpumpe, insbesondere gasdichte Dichtungsanordnung ^^-" für einen Rotor, der in einem Gehäuse angeordnet ist und sich schnell um seine Achse dreht, wobei die Dichtungsanordnung im Gehäuse, insbesondere in einer Wand hiervon, -angeordnet ist und aus einem stationären Buchsenwandteil des Gehäuses und aus einem gegenüberliegenden,sich bewegenden Buchsenrandteil des Rotors besteht, der die Form • eines Rotationskörpers hat, der außen durch eine Mantelflä-

80983 5/0854

Q-^ΜΆ INSPECTED

ehe "begrenzt ist, die mit dem Gehäuse wenigstens einen dichtenden Spalt bildet, wo wenigstens ein Wandteil mit wenigstens einem vorspringenden schrauben- bzw. spiralförmigen Steg versehen ist, der mit dem anderen Wandteil wenigstens einen durchlaufenden schrauben- bzw. spiralförmigen Gewindegang begrenzt, dadurch gekenn-

2-eichnet, daß die Rotorachse so elastisch gelagert ist, daß der Rotor (2) überkritisch arbeiten und sich selbst so einstellen kann, daß sein Schwerpunkt mit der Drehachse zusammenfällt.
2. Molekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem in Umfangsrichtung gemessenen Stegquerschnitt und dem in Umfangsrichtung gemessenen Nutquerschnitt kleiner als 0,8 und größer als 0,3 ist.
3. Molekularpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Bogenmaß ausgedrückte Winkel zwischen einer Tangente an dem Schrauben- bzw. spiralförmigen Steg und einer zur Achse senkrechten Ebene kleiner als 0,20 und größer als 0,05 ist.
4. Molekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Tiefe (H_Q) des schrauben- bzw. spiralförmigen Gewindegangs und der kleinsten radialen Abmessung des Dichtungsspalts Δ R wenigstens den Wert 3, vorzugsweise wenigstens den Wert 5 hat.
5. Molekularpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Breite (a^) und der Tiefe (H₀) der Nut (16) größer als 0,8 ist.
6. Dichtungsanordnung für ein Rotationsmaschinenteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

809835/0854