DE3531942A1

DE3531942A1 - Rotationspumpe

Info

Publication number: DE3531942A1
Application number: DE19853531942
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Tokai Ibaragi Abe; Tatsuji Sakai Osaka Ikegami; Shigeru Hino Tokio/Tokyo Kaneto; Yoshio Mito Ibaragi Murakami
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute; Osaka Vacuum Ltd
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency; Osaka Vacuum Ltd
Priority date: 1984-09-17
Filing date: 1985-09-07
Publication date: 1986-04-30
Also published as: JPH0379559B2; JPS6172896A; DE3531942C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationspumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei nuklearen Fusionsreaktoren, die ein Magnetfeld einschließen, wird aufgrund der D-T-Reaktion im Reaktorkernplasma eine große Menge

Helium erzeugt. Beispielsweise erzeugt ein Kernreaktor mit einer

on

Wärmeleistung von 600000 Kilowatt 2 χ 10 Moleküle Helium pro Sekunde. Wenn das Helium im Plasma zunimmt, nehmen auch die Strahlungsverluste des Plasmas zu, während die Brennstoffdichte relativ abnimmt. Deshalb ist es erforderlich, ständig das Helium aus dem Reaktorkernplasma in einen äußeren Bereich abzusaugen. Bei einem nuklearen Fusionsreaktor vom Tokamak-Typ wird ein Plasmateilchen hoher Temperatur durch eine Vorrichtung abgekühlt und neutralisiert, die ein sogenannter magnetischer Ablenker oder Pumpenbegrenzer ist. Das Helium wird hierbei vom Reaktorkernplasma mittels einer Vakuumabsaugvorrichtung abgesaugt, die mit dem magnetischen Ablenker oder Pumpenbegrenzer verbunden ist.

^f Aufgrund neuerer theoretischer Untersuchungen und Versuche hat sich

gezeigt, daß der Druck eines Gasgemischs aus Brennstoffgas (Deuterium oder Tritium) und Helium etc. an einer Verbindungsstelle zwischen dem magnetischen Ablenker oder Pumpenbegrenzer und der Vakuumabsaugvorrichtung auf 0,13 bis 1,3 Pa ansteigen kann. Bei diesem Druck beträgt die erforderliche Absauggeschwindigkeit 10 - 10 J/ see. Auf der anderen Seite muß das Ausströmen der Substanz in die Atmosphäre stark unterdrückt werden, weil Tritium eine radioaktive Substanz mit einer Halbwerkszeit von 12 oder 13 Jahren ist und in X -Strahlung zerfällt. Da Tritium außerdem einen großen Einfluß auf organische Substanzen hat, kann ein hochpolymeres organisches Material, wie z.B. Schmieröl, grundsätzlich nicht in der Vakuumabsaugvorrichtung verwendet werden. Es ist ferner wünschenswert, daß eine Tritiummenge, die sich in der Vakuumabsaugvorrichtung befindet, stark reduziert werden kann. Für den Fall, daß sich die Vakuumabsaugvorrichtung in der Nähe des Reaktorkerns befindet, wird ein Gas mit hoher Temperatur aus dem Plasma in die Absaugvorrichtung abgesaugt;

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d.h. Strahlungslicht wird durch die Absaugvorrichtung aufgenommen. Es ist deshalb erwünscht, daß die zu verwendende Vakuumpumpe ausreichend beständig gegenüber der Hitze des Hochtemperatur-Gases und gegenüber der Strahlung ist.

Eine Vakuumabsaugvorrichtung, welche die vorstehend genannten Anforderungen inständig erfüllt, gibt es bis jetzt noch nicht, es wurden jedoch schon mögliche Vorrichtungen untersucht, die hauptsächlich eine Cryo-Pumpe, eine Quecksilber-Diffusionspumpe oder eine Molekular-Pumpe enthielten.

Die Cryo-Pumpe hat den Vorteil, daß sie sauber ist und eine hohe Absauggeschwindigkeit erreicht. Nachteilig ist indessen, daß das Absaugen von Helium schwierig ist und daß häufig eine Regenerationsbehandlung durchgeführt werden muß.

Bei der Quecksilber-Diffusionspumpe -besteht ein Problem darin, daß Quecksilberdampf mit dem Reaktorkernplasma vermischt wird oder in \

ein Tritiumbearbeitungssystem einer anschließenden Stufe trotz einer sehr wirksame Falle gelangt. ^

Die Molekularpumpe ist am besten für die Vakuumabsaugeinrichtung geeignet, weil sie unter einem Druck von 0,13 bis 1,3 Pa arbeitet, um dieselbe Verdichtung zu erreichen, wobei die Menge des enthaltenen Tritiums gering ist. Bei der herkömmlichen Molekularpumpe besteht jedoch ein Problem darin, daß der Wirbelstromverlust in einem Magnetfeld von Hunderten oder Tausenden Gauß (IG= 10 -YJL = 10

Wb = 10" T) sehr groß ist, wodurch sie unbrauchbar wird.
m²

Wird die Pumpe in hinreichender Entfernung vom Reaktorkern angeordnet, so ist ein Magnetfeld vergleichsweise schwach. Wenn jedoch die Länge einer Rohranlage zwischen dem magnetischen Ablenker oder Pumpenbegrenzer und der Pumpe groß wird, wird das Leitvermögen in unerwünschter Weise begrenzt. Außerdem weisen die meisten

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herkömmlichen Molekuiarpumpen Schmieröl an den Antriebswellen auf, weshalb sie nicht für das Absaugen von Tritium verwendet werden können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochgeschwindigkeits-Rotationspumpe zu schaffen, die für das Absaugen von Gas in einem starken Magnetfeld von Hunderten von Gauß oder mehr verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: . ■

Fig. 1 einen Querschnitt einer zusammengesetzten Molekularpumpe gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche die Saugdruck-Austrittsgeschwindigkeits-Charakteristik der zusammengesetzten Molekularpumpe zeigt.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer zusammengesetzten Molekularpumpe als bevorzugte Hochgeschwindigkeits-Rotationspumpe gemaß der Erfindung dargestellt. Diese Pumpe weist ein Pumpengehäuse 1 auf, in dem ein Turbo-Molekularpumpenabschnitt 2 im oberen Bereich und ein Schraubgewinde-Pumpenabschnitt 3 im unteren Bereich vorgesehen ist. Der Turbo-Molekularpumpenabschnitt 2 enthält Drehflügel 2a, die am Umfang von Drehscheiben 4 angeordnet sind, die ihrerseits in mehrere Schichten aufgeteilt sind, sowie ortsfeste Flügel 2b, die sich an dem inneren Umfang des Pumpengehäuses 1 befinden. Der Schraubgewinde-Pumpenabschnitt 3 enthält einen Rotor 3a und einen Gewindekanal 3b, der auf der inneren Umfangsfläche eines Zylinders 5 angeformt ist, der seinerseits an die innere Umfangsfläche

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des Pumpengehäuses 1 angepaßt ist. Umgekehrt kann der Gewindekanal 3b auch auf dem Umfang des Rotors 3a vorgesehen sein. Die ortsfesten Flügel 2b, der Zylinder 5 und eine innere Buchse la, die weiter unten noch beschrieben wird, bilden zusammen mit dem Pumpengehäuse 1 ein stationäres Gebilde.

Eine Antriebswelle 6 wird durch die innere Buchse la des Pumpengehäuses mittels Lager 7a und 7b abgestützt. An ihrem oberen Ende ist sie mit dem Rotor 3a verbunden, der mit den Drehscheiben 4 integral verbunden ist.

Ein Antriebsmotor θ ist am unteren Ende der Antriebswelle 6 vorgesehen. Dieser Antriebsmotor 8 ist ein Fluid-Turbinenmotor, der durch Druckluft, Stickstoffgas oder andere Fluide angetrieben wird und der über die Antriebswelle 6 die integral verbundenen Drehscheiben 4 und den Rotor 3a antreibt'..

Ein Antriebswellen-Dichtungsteil 9 ist als kontaktfreie Dichtung ausgelegt, beispielsweise als Gas-Antriebswellendichtung, als Gewindekanal-Antriebswellendichtung oder als Labyrinth-Dichtung. Der Antriebswellen-Dichtungsteil 9 ist zwischen den beiden Lagern 7a und 7b dargestellt. Er kann jedoch auch außerhalb des Lagers 7b vorgesehen sein, d.h. an der unter Atmosphärendruck stehenden Seite. Die Berzugszahlen 10 und 11 bezeichnen eine Ansaug- bzw. eine Ausblasöffnung, die über eine Rohrleitung mit einer Hilfsvakuumpumpe verbunden sein können.

Während des Betriebs, wenn der Turbinenmotor 8 angetrieben wird, werden die Drehflügel 2a und der Rotor 3a gedreht, und das Gas, das von der Ansaugöffnung 10 angesaugt wird, wird mit Hilfe der Drehflügel 2a, die in dem Turbo-Molekularpumpenabschnitt 2 rotieren, sowie den ortsfesten Flügeln 2b zusammengedrückt. Sodann wird das komprimierte Gas noch einmal durch den Rotor 3a, der in dem Schraubgewinde-Pumpenabschnitt 3 rotiert, und dem stillstehenden

Gewindekanal 36 zusammengedrückt und von der Ausblasöffnung 11 zur Hilfsvakuumpumpe gegeben.

Die rotierenden Teile der zusammengesetzten Molekularpumpe, also die Drehscheiben A und die Drehflügel 2a in dem Turbo-Molekularpumpenabschnitt 2, der Rotor 3a in dem Schraubgewinde-Pumpenabschnitt 3, die Antriebswelle 6, die Lager 7a, 7b, der Dichtungsteil 9 der Antriebswelle und der Antriebsmotor 8, bestehen aus Siliziumnitrid_} das ein Material mit einem spezifischen Widerstand von 10" Λ m oder mehr ist. In den Lagern wird ein anorganisches Schmiermittel verwendet.

In der Fig. 2 ist eine Saugdruck-Austrittsgeschwindigkeitskurve der zusammengesetzten Molekularpumpe in einem starken Magnetfeld,- z.B. von 1 KG, dargestellt, wobei die eine Achse der Koordination den Ansaugdruck (Pa) der Pumpe und die andere Achse eine Ausblasgeschwindigkeit (l/s) darstellt.

Hierbei nimmt die Austrittsgeschwindigkeit des Stickstoffgases gemäß Kurve A in dem Ansaugdruckbereich vom Superhochvakuum bis maximal 1 Pa nicht ab. Die Austrittsgeschwindigkeit wird bei einem Druck von 2 Pa auf 7,3 % des Maximums reduziert, und sogar unter einem Druck von 13 Pa wird sie nur auf 22 % des Maximums reduziert. Außerdem liegt die Austrittsgeschwindigkeit von Wasserstoffgas, wie in der Kurve B gezeigt, im wesentlichen bei einem Maximum im Ansaugdruckbereich vom Superhochvakuum bis zu 0,3 Pa.
Die Austrittsgeschwindigkeit bei einem Druck von 1 Pa wird auf 60 % des Maximums reduziert, und selbst bei einem Druck von A Pa wird sie nur auf 22 % des Maximums verringert. Sowohl die Kurve A als auch die Kurve B stellen ein tatsächliches Meßergebnis bei einer zusammengesetzten Molekularpumpe dar, die einen Rotor mit einem äußerem Durchmesser von 190 mm aufweist. Das Ergebnis stellt dieselben Charakteristiken dar wie diejenigen bei Abwesenheit eines Magnetfelds. Eine maximale Ausgangsgeschwindigkeit für Stickstoffgase

ist 550 l/s und für Wasserstoffgas 370 l/s. Bei einer sehr groß ausgelegten zusammengesetzten Vakuumpumpe mit einem Rotor, der einen äußeren Durchmesser von 400 mm hat, beträgt die maximale Ausgangsgeschwindigkeit des Stickstoffgases 2500 l/s und des Wasserstoffgases 1700 l/s. In einem Versuchsofen, der eine Vakuumpumpe mit einer Austnttsgeschwindigkeit von 10 -10 l/s bei einem Druck von 0,13 - 1,3 Pa benötigt, ist es ausreichend, etwa zwanzig zusammengesetzte Molekularpumpen vorzusehen, und es ist möglich, diese sehr lange in einem starken Magnetfeld zu betreiben.

Obgleich die zusammengesetzte Molekularpumpe in dem Ausführungsbeispiel einen Turbomolekularpumpenabschnitt und einen Schraubgewinde-Pumpenabschnitt aufweist, die integral miteinander verbunden sind, kann sie auch so ausgebildet sein, daß der Turbornolekularpumpenabschnitt mit einem Spiralengewinde-Pumpenabschnitt integral kombiniert ist.

Außerdem kann die Vorrichtung zum Erzeugen eines starken Magnetfelds die Turbomolekularpumpe enthalten, wobei die Gewindenut-Molekularpumpe oder die Spiralnut-Molekularpumpe die zusammengesetzte Molekularpumpe ersetzen. In diesem Fall können die rotierenden 7 eile der Turbo-Molekularpumpe, die Gewindenut-Molekularpumpe oder die Spiralnut-Molekularnutpumpe aus Materialien bestehen, die einen spezifischen Widerstand von 10" Jl oder mehr haben. Die Materialien für die rotierenden Teile können zusätzlich zu dem Siliziumnitrid noch Keramiken enthalten, beispielsweise Siliziumcarbid, Aluminiumoxid oder Zirkon, zusammengesetzte Materialien oder mehrschichtige Materialien, die Materialien mit einer hohen Biege- und/oder Druckfestigkeit aufweisen, beispielsweise FRP, das einen spezifischen Widerstand von IQ"

Jl m oder mehr besitzt. Ferner kann der Antriebsmotor ein Flügelrad-Fluidmotor sein, der drehende Teile besitzt, die einen spezifischen Widerstand von 10" Jl m aufweist.

Wie oben bereits erwähnt, enthält die erfindungsgemäße Hochgeschwin-

-10-

3 5 3 Ί 9 4

digkeits-Rotationspumpe Drehteile, die aus elektrisch isolierenden Tei-

-4 λ

len mit einem spezifischen Widerstand von 10 JL m oder mehr bestehen, wodurch sich die folgenden Effekte ergeben.

Die Leitungsverluste der Rohrleitungen können verringert werden, indem die Pumpe für das Vakuumblasen eines nuklearen Fusionstestreaktors oder eines praktischen Reaktors verwendet wird, der ein starkes Magnetfeld erzeugt. Demzufolge wird selbst dann, wenn die Pumpe in der Nähe des Vakuumbehälters angeordnet ist, kein Wirbelstrom erzeugt, und eine gleichmäßige Rotation bei hoher Geschwindigkeit kann für eine lange Zeit gewährleistet werden. Weiterhin kann eine gewünjÄchte Absaugfunktion erhalten werden, indem eine geeignete Anzahl von Pumpen parallel geschaltet werden. Es ist auch möglich, auf großvolumige Röhrensysteme· zu verzichten, indem ein verzweigtes Leitdhgssystem vorgesehen wird. Ferner kann ein Regelsystem für eine Vakuumabsaugpumpe vereinfacht werden. Schließlich ist die Rotationspumpe ganz allgemein zum Absaugen · radioaktiver Gase wie Tritium verwendbar.

Jeweils für sich genommen und/oder in der Zusammenwirkung sind zwei Maßnahmen von erfindungswesentlicher Bedeutung, wobei die eine wesentliche Maßnahme den räumlichen Aufbau der Pumpe als solchen betrifft und die andere wesentliche Maßnahme in der Verwendung von elektrisch schlecht leitenden Materialien für die rotierenden Teile besteht.

- Leerseite -

Claims

P 322-JA/85

Rotationspumpe

Patentansprüche

K 1. Rotationspumpe mit ortsfesten Bauteilen und mit rotierenden Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Bauteile (2a,3a,4, 6,B,7a,7b,9) aus elektrisch isolierenden Materialien bestehen. . _if

- μ 2. Rotationspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Bauteile (2a,3a,4,6,8,7a,7b,9) aus Materialien bestehen, die einen spezifischen Widerstand von 10" Jim oder mehr haben.

3. Rotationspumpe nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Materialien Keramiken oder faserverstärkte Kunststoffe sind, die einen spezifischen Widerstand von

-4 η
10 JLm oder mehr aufweisen.

4. Rotationspumpe nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Materialien aus Silizium-Nitrid bestehen oder dieses enthalten.

5. Rotationspumpe, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den ortsfesten Bauteilen ein Gehäuse (1), mehrere

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Flügel (2b), ein Gewindekanal (3b) und eine Lagerbuchse (la) gehören.

6. Rotationspumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den rotierenden Bauteilen mehrere Drehflügel (2a), ein die Drehflügel (2a) tragender Rotor (3a) und eine Antriebswelle (6) für den Rotor (3a) gehören.

7. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmotor (8)

ein Fluid-Turbinenmotor vorgesehen ist.

8. Rotationspumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Drehflügel (2a) tragender Rotor (3a) mehrere Drehscheiben (4) aufweist, an denen die Drehflügel (2a) angeordnet sind.

9. Rotationspumpe nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3a) einen hohlen unteren zylindrischen Teil

\ aufweist, auf welchem die Drehscheiben (4) angeordnet sind und daß

ν 20 am Boden des unteren zylindrischen Teils die Antriebswelle (6) an

greift.

10. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansrpüche, dadurch gekennzeichnet, daß im hohlen Teil des Rotors (3a) die Buchse (la) angeordnet ist, die über einen Flansch mit dem Gehäuse (1) in Verbindung steht.

11. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) rotations-symmetrisch ausgebildet ist.

12. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand des Gehäuses (1) ein oberer schmaler Bereich anliegt, der die ortsfesten

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Flügel (2b) trägt und daß an dieser Innenwand ein unterer tieferer Bereich anliegt, der ein Schraubgewinde aufweist.

13. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Drehflügel (2a) und die ortsfesten Flügel (2b) kammartig ineinander greifen.

14. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Antriebswelle

(6) eine Gasabdichtung vorgesehen ist.

15. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schraubgewinde-Abdichtung vorgesehen ist.

16. Rotationspumpe nach einem oder -nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Labyrinth-Abdich- * tung vorgesehen ist.

17. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdichtung (9) zwischen den Lagern (7a,7b) der Welle (6) vorgesehen ist.

18. Rotationspumpe nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein anorganisches Schmiermittel vorgesehen ist.