DE4206972A1 - Mehrturbinen-vakuumpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrturbinen-Vakuumpumpe (multiturbo vacuum pump) einer großen Förderleistung, die Gas in einem Zug bzw. innerhalb eines Abschnitts mit hoher Leistung von einem hohen Unterdruck auf Atmosphärendruck zu verdichten vermag.

Bei einer in Fig. 3 dargestellten bisherigen Vakuumpumpe ist eine aus einer Turbomolekularpumpe bestehende Hochvakuumpumpe 15 über eine Rohr-Leitung 17 mit einer Hilfspumpe 16 verbunden. Das durch die Hochvakuumpumpe 15 verdichtete Gas wird durch die Hilfspumpe 16 über die Leitung 17 angesaugt, weiter verdichtet und nach außen abgeführt.

Um bei einer Turbomolekularpumpe die Verdrängung zu erhöhen, müssen ihre Gas-Ansaugfläche vergrößert und die Drehzahl ihres rotierenden Lauf-Schaufelrads erhöht werden. Zur Vergrößerung der Gas-Ansaugfläche ist es nötig, den Durchmesser des rotierenden Schaufelrads zu vergrößern und eine Öffnungsfläche, an welcher Gasmoleküle in einer Kaskade bzw. Säule einströmen, zu vergrößern und auch den Ausblas- oder Absaugwirkungsgrad derselben durch Vergrößerung der Fläche selbst und Einstellung des Anstell- bzw. Neigungswinkel α der Schaufeln an der Hochvakuumseite auf etwa 40-45° zu erhöhen.

Bei einer Turbomolekularpumpe sind jedoch Schaufelräder 18 radial verlaufend angeordnet und die Zwischenräume zwischen den radial verlaufenden Schaufeln 18a vergrößern sich gemäß den Fig. 4 und 5 in Richtung auf den Außendurchmesser des Schaufelrads. In Fig. 6 ist zur Verdeutlichung ein Durchgängigkeitszustand dargestellt, in welchem ein Durchblick zum unteren Teil vom oberen Teil her möglich ist. Die Außenumfangsgeschwindigkeit der rotierenden Schaufeln ist aufgrund von Einschränkungen bezüglich der Werkstoffestigkeit auf etwa 300-400 m/s begrenzt. Da die Gasmolekülgeschwindigkeit eines leichten Gases (wie Wasserstoff und Helium) in einer Größenordnung von 1000-1500 m/s liegt, können Gasmoleküle die Zwischenräume ungehindert passieren, wenn ein solcher Durchgängigkeits­ abschnitt (see-through portion) vorhanden ist. Hierdurch werden Verdichtungs- und Absaugwirkungsgrad beeinträchtigt.

Zur Vermeidung der geschilderten Mängel ist es notwendig, den Neigungs- oder Anstellwinkel α jeder Laufschaufel 18a kleiner oder ihre axiale Länge größer einzustellen, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Im ersteren Fall wird jedoch die Verdrängung verringert, während im zweiten Fall der Rotor länger oder größer wird, woraus sich Probleme bezüglich der Rotationsleistung, der Kosten und dgl. ergeben. Weiterhin besteht eine Möglichkeit, den Anstellwinkel α der Laufschaufeln 18a in Richtung auf den Außenumfang zu verändern; dies bedingt jedoch Probleme bezüglich der Fertigungskosten, der Erzeugung eines Torsionsmoments aufgrund von Fliehkraft und dgl.

Fig. 8 veranschaulicht Ergebnisse von Untersuchungen bezüglich der verschiedenen obigen Parameter und der Absauggeschwindigkeit.

Aufgrund der geschilderten Einschränkungen beträgt die Verdrängung bzw. der Durchsatz einer derzeit im Handel erhältlichen Turbomolekularpumpe etwa einige 1000 l/s, und sie ist auch bei den in neuerer Zeit angekündigten Konstruktionen auf etwa 20 000 l/s begrenzt. Zudem ist dabei das Verdichtungsverhältnis niedrig, und eine Verdichtung kann nur bis zu etwa einigen Torr erfolgen. Aus diesen Gründen erwies es sich als erforderlich, eine zweistufige Konstruktion zu bilden bei der gemäß Fig. 3 eine Zusatz­ oder Hilfspumpe mit der Auslaßseite einer Hauptvakuumpumpe gekoppelt ist, um das Absaugen (exhaust) auf Atmosphärendruck zu bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer mehrstufigen Turbinen-Vakuumpumpe, die eine große Förderleistung besitzt und wirksam auf Atmosphärendruck abzusaugen vermag, um damit die oben geschilderten Probleme zu lösen, wobei eine Erhöhung der Verdrängung des Verdichtungsverhältnisses einer Turbomolekularpumpe bei kompakter Baugröße erreicht werden soll.

Die obige Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei einer Turbomolekularpumpe gemäß der Erfindung sind folgende Maßnahmen vorgesehen:

• 1. Mehrere Turbinenrotoren sind auf mehreren Wellen in einem mit Saug- und Ausblasöffnung versehenen Gehäuse angeordnet.
• 2. Einer der Turbinenrotoren ist eine Turbomolekularpumpe, und es sind mehrere Turbinenrotoren in einer Umfangsrichtung bzw. auf einem Umkreis unter dem Schaufelrad der untersten Stufe der Turbomolekularpumpe angeordnet.
• 3. Jeder der mehreren, unter der untersten Stufe der Turbomolekularpumpe angeordneten Turbinenrotoren ist eine Viskositäts-Vakuumpumpe, bei welcher rotierende Scheiben mit spiralig verlaufenden Nuten oder Rillen in mehreren Stufen angeordnet sind.

Bei der oben unter 1. umrissenen Erfindung sind mehrere Turbinenrotoren auf mehreren Wellen in einem mit Saug- und Ausblasöffnung versehenen Gehäuse angeordnet. Daher ist keine verbindende Rohrleitung erforderlich, wobei ein wirkungsvolles Absaugen oder Evakuieren durch eine Anzahl von Turbinenrotoren erfolgt und damit ein Absaugen oder Evakuieren mit hohem Durchsatz durch eine Vakuumpumpe kleiner Abmessungen ermöglicht wird.

Wie oben unter 2. beschrieben, wird durch Anordnung einer Anzahl von Turbinenrotoren unter dem Schaufelrad der untersten Stufe einer Turbomolekularpumpe zusätzlich zu der obigen Wirkungsweise gemäß der Erfindung das Gas daran gehindert, zwischen den Turbomolekularpumpen-Schaufelrädern hindurchzutreten und (sich) in Rückwärtsrichtung zu verteilen oder zuströmen. Außerdem sind dabei mehrere Turbinenrotoren in einer Umfangsrichtung bzw. auf einem Umkreis angeordnet und in einem kleinen Raum untergebracht. Damit ist es möglich, das Gas-Verdichtungsverhältnis durch Vergrößerung des Schaufelraddurchmessers der Turbomolekularpumpe zu erhöhen und damit die dadurch bewirkte Verdrängung zu vergrößern, wodurch das Verdichtungsverhältnis für das Gas verbessert wird.

Zusätzlich zur oben beschriebenen Wirkungsweise der Erfindung wird, wie oben unter 3. beschrieben, durch eine Anzahl von Viskositäts-Vakuumpumpen, bei denen rotierende Scheiben mit in Spiralrichtung verlaufenden Nuten in mehreren Stufen angeordnet sind, das Gas unter Nutzung seiner Viskosität verdichtet; das Absaugen bzw. Ausblasen erfolgt dabei durch die in Spiralrichtung verlaufenden Nuten. Diese Viskositäts-Vakuumpumpen sind dabei unter dem Schaufelrad der untersten Stufe der Turbomolekularpumpe angeordnet, welche das Gas unter Nutzung seines Verhaltens als Gasmoleküle absaugt, so daß das Absaugen oder Evakuieren unter Nutzung unterschiedlicher Eigenschaften des Gases kontinuierlich mit hohem Verdichtungsverhältnis erfolgt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Mehrturbinen- Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf ein (rotierendes) Laufschaufelrad eines Neben-Turbinenrotors bei der Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bisherigen Vakuumpumpe,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Schaufelradkonfiguration bei einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe,

Fig. 5 einen Teillängsschnitt durch ein Schaufelrad bei einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe,

Fig. 6 eine Teil-Seitenansicht eines Schaufelrads bei einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe,

Fig. 7 eine Teil-Seitenansicht eines Schaufelrads einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe, bei welcher die Durchgängigkeit beseitigt ist, und

Fig. 8 eine graphische Darstellung von Untersuchungs­ ergebnissen bezüglich des maximalen Absauggeschwindigkeitswirkungsgrads einer Turbomolekularpumpe.

Im folgenden ist anhand der Fig. 1 und 2 eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die sich auf eine Mehrturbinen-Vakuumpumpe unter Verwendung einer Turbomolekularpumpe als Hauptturbine und Viskositätspumpen (viscous pump) als Nebenturbinen bezieht.

Gemäß Fig. 1 sind ein Hauptturbinen-Rotor 6 und mehrere Stufen von Hauptturbinen-Leitschaufelkränzen 5 lotrecht übereinander in ein Gehäuse 4 eingebaut, das an seinem oberen Ende eine Hauptturbinen-Saugöffnung 1 aufweist. Der Hauptturbinen-Rotor 6 ist mittels eines Hauptturbinen-Lagers 9 in Radial- und Schub(axial)richtung gelagert und wird durch einen Hauptturbinen-Motor 8 angetrieben. Die Anordnung ist ferner so getroffen, daß der Hauptturbinen-Rotor 6 mit einem Hauptturbinen-Notlager 7 in Berührung bringbar ist, damit er im Fall einer Betriebsunterbrechung oder einer Anomalie sicher anhalten kann. Am Hauptturbinen-Rotor 6 sind in mehreren Stufen radiale, rotierende Hauptturbinen- Schaufelräder 6a angebracht, die jeweils zwischen den am Gehäuse 4 befestigten Hauptturbinen-Leitschaufelkränzen 5 angeordnet sind, wobei durch die Wechselwirkung zwischen ihnen Gasmoleküle abwärts getrieben werden und dadurch das Absaugen oder Evakuieren (exhaust) auf einen Vakuumzustand bewerkstelligt wird.

Unter dem Hauptturbinen-Schaufelrad 6a der untersten Stufe sind mehrere Nebenturbinenrotoren 11 in Umfangsrichtung bzw. auf einem Umkreis angeordnet. Sämtliche Teile sind dabei im Gehäuse 4 untergebracht, und die Nebenturbinenrotoren 11 können auf mehreren (jeweils zugeordneten) Wellen berührungsfrei rotieren. Die Nebenturbinenrotoren 11 sind in einem im Gehäuse 4 angeordneten Nebenturbinengehäuse 12 mit einer Nebenturbinen-Saugöffnung 2 am oberen Ende enthalten, jeweils durch ein Nebenturbinen-Lager 14 in Radial- und Schub(axial)richtung gelagert und dadurch einen Nebenturbinen-Motor 13 antreibbar. Die Nebenturbinenrotoren 11 sind jeweils mit mehrstufigen rotierenden Nebenturbinen- Schaufelrädern 11a versehen, die jeweils die Form einer kreisrunden Scheibe aufweisen, welche an Ober- und Unterseite über die Gesamt(ober)fläche hinweg mit zahlreichen spiralig verlaufenden Rillen oder Nuten 11b versehen ist. Im Nebenturbinen-Gehäuse 12 befestigte feststehende Nebenturbinen-Leitschaufelkränze 10 sind mit den Nebenturbinen-Schaufelrädern 11a einander abwechselnd angeordnet bzw. jeweils zwischen diese eingefügt. Im unteren Teil des Gehäuses 4 ist eine atmosphärendruckseitige Nebenturbinen-Ausblasöffnung 3 vorgesehen.

Der Hauptturbinen-Rotor 6 besteht aus einem Verbundwerkstoff, wie faserverstärktes Metall (FRM) oder faserverstärkte Keramik (FRC), so daß seine Drehung mit hoher Umfangsgeschwindigkeit möglich ist. Der bzw. jeder Nebenturbinen-Rotor 11 besteht aus Keramikmaterial, so daß er eine geringe Wärmeausdehnung besitzt. Das Hauptturbinen- Lager 9 ist von einem Magnetlagertyp, während das Nebenturbinen-Lager 14 einen Öl- bzw. schmierungsfreien Aufbau in Form eines Gaslagers aufweist.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden Gasmoleküle von der Hauptturbinen-Saugöffnung 1 her durch die Wechselwirkung zwischen den mehrstufigen (rotierenden) Hauptturbinen-Laufschaufelrädern 6a und den (feststehenden) Hauptturbinen-Leitschaufelkränzen 5 des Hauptturbinenteils abwärts getrieben (beaten), so daß damit eine Vakuumabsaugung bzw. Evakuierung erfolgt. Das abwärts getriebene Gas tritt über die Nebenturbinen-Saugöffnung 2 des Nebenturbinenteils in das Nebenturbinengehäuse 12 ein. Das Gas wird zwischen den Nebenturbinenschaufelkränzen 11a der jeweiligen Nebenturbinen-Rotoren 11 des Nebenturbinenteils und dessen Nebenturbinen-Leitschaufelkränzen 10 verdichtet und über die spiraligen Nuten 11b zur Außenseite der Nebenturbinenschaufelräder 11a getrieben und dabei durch die mehrstufig angeordneten Nebenturbinenschaufelräder 11a des Nebenturbinenteils verdichtet und fortlaufend in Abwärtsrichtung abgeführt. In den Nebenturbinen-Rotoren 11 erreicht das Gas schließlich Atmosphärendruck, worauf es auf beschriebene Weise über die Nebenturbinen-Ausblasöffnung 3 abgeführt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt das Absaugen bzw. Evakuieren durch das kombinierte Abwärtstreiben der Gasmoleküle im Hauptturbinen-Rotor 6 und die Verdichtungs­ und Absaugwirkung aufgrund der Viskosität des Gases in den Nebenturbinen-Rotoren 11, so daß die Absaugung mit hohem Verdichtungsverhältnis erfolgen kann.

Da der Hauptturbinen-Rotor 6 und die Nebenturbinen-Rotoren 11 im oberen bzw. unteren Bereich des Gehäuses 4 angeordnet sind, ist keine Leitungsverbindung zwischen ihnen erforderlich. Infolgedessen können Verdichtung und Absaugung (exhaust) mit hohem Wirkungsgrad erfolgen, und die Anordnung kann zudem kompakt gebaut sein.

Da zudem die Nebenturbinen-Rotoren 11 unterhalb des Hauptturbinen-Schaufelrads 6a der untersten Stufe des Hauptturbinen-Rotors angeordnet sind, kann das Gas daran gehindert werden, den Durchgängigkeitsabschnitt (see-through portion) zwischen den Hauptturbinen-Schaufelrädern 6a bzw. den Schaufeln des Hauptturbinen-Rotors zu passieren und sich wieder in Rückwärtsrichtung zu verteilen bzw. zurückzuströmen. Da weiterhin mehrere Nebenturbinen-Rotoren 11 auf einem Umkreis (im Gehäuse) angeordnet sind, können der Einbauraum verkleinert sein und die Verdrängung sowie das Verdichtungsverhältnis bezüglich des Gases durch Vergrößerung des Durchmessers der rotierenden Hauptturbinen- Schaufelräder 6a des Hauptturbinen-Rotors erhöht werden.

Da ferner der Hauptturbinen-Rotor 6 aus einem Verbundwerkstoff hergestellt ist, ist eine hohe Umfangsgeschwindigkeit unter Verbesserung der Absaugleistung möglich. Da die Nebenturbinen-Rotoren an der Atmosphären(druck)seite, die aufgrund der Viskosität und der Verdichtung des abgesaugten Gases eine hohe Temperatur erreichen, aus Keramikmaterial eines niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten bestehen, ist es möglich, ein Gaslager mit sehr kleinen Toleranzen bzw. mit einem sehr kleinen Lagerspiel und ein Magnetlager zu verwenden; die Lager können mithin unter Vermeidung von Wärme- bzw. Temperaturproblemen jeweils von einem Öl- oder schmierungsfreien Typ sein.

Mit der Erfindung werden folgende Wirkungen und Vorteile erzielt:

• 1. Da bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, wie sie im Patentanspruch 1 umrissen ist, eine verbindende Rohrleitung entfallen kann, weil den mehreren, jeweils auf getrennten Wellen sitzenden Turbinenrotoren im Inneren eines Gehäuses je eine Saug- und eine Ausblasöffnung zugeordnet sind, so daß eine Mehrturbineneinheit (multiturbo type) gebildet ist, können ein Absaugverlust und ein Raumverlust verringert werden, so daß eine einen hohen Absaugwirkungsgrad besitzende Vakuumpumpe gewährleistet wird, die kleine Abmessungen und eine hohe Absaugkapazität oder -leistung besitzt.
• 2. Da bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, wie sie im Patentanspruch 2 umrissen ist, mehrere Nebenturbinen-Rotoren in einer Umfangsrichtung bzw. auf einem Umkreis unter dem Schaufelrad der untersten Stufe einer Turbomolekularpumpe an der Hochdruckseite angeordnet sind, können ein Hindurchtreten des Gases durch die mehreren Schaufelräder der Turbomolekularpumpe und ein Zurückströmen des Gases verhindert und die Verdrängung durch Vergrößerung des Schaufelraddurchmessers der Turbomolekularpumpe erhöht werden. Durch die Anordnung mehrerer Turbinenrotoren in einer Umfangsrichtung bzw. auf einem Umkreis kann zudem die Vakuumpumpe insgesamt klein ausgebildet werden.
• 3. Da bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, wie sie im Patentanspruch 3 umrissen ist, mehrere Viskositäts- Vakuumpumpen, bei denen rotierende Scheiben jeweils in Spiralrichtung verlaufende Nuten für Absaugung (exhausting) unter Nutzung der Viskosität des Gases aufweisen, in mehreren Stufen unterhalb des Schaufelrads der untersten Stufe einer Turbomolekularpumpe, welche die Absaugung unter Nutzung des Verhaltens des Gases als Gasmoleküle bewirkt, angeordnet sind, wird eine kontinuierliche Absaugung (des Gases) unter Nutzung verschiedener Eigenschaften des Gases bewerkstelligt. Damit wird eine Vakuumpumpe eines hohen Verdichtungsverhältnisses geschaffen, bei welcher eine Leistungsverschlechterung aufgrund struktureller Mängel einer Turbomolekularpumpe vermieden ist und die Absaugung von einem hohen Vakuum auf einen Druck, z. B. Atmosphärendruck, in einem Zuge bzw. einer Einheit möglich ist.

Claims (3)

1. Mehrturbinen-Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Turbinenrotoren auf mehreren Wellen in einem mit Saugöffnung und Ausblasöffnung versehenen Gehäuse angeordnet sind.

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Turbinenrotoren einer Turbomolekularpumpe zugeordnet ist und mehrere Turbinenrotoren in einer Umfangsrichtung oder auf einem Umkreis unter dem Schaufelrad der untersten Stufe der Turbomolekularpumpe angeordnet sind.

3. Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der mehreren, unter dem Schaufelrad der untersten Stufe der Turbomolekularpumpe angeordneten Turbinenrotoren einer Viskositäts-Vakuumpumpe zugeordnet ist, bei welcher rotierende Scheiben mit in Spiralrichtung verlaufenden Rillen oder Nuten in mehreren Stufen angeordnet sind.