DE4327506C2 - Turbovakuumpumpe - Google Patents

Description

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

Aus der DE-OS 36 13 198 ist eine gattungsgemäße Turbova­ kuumpumpe mit einem Gehäuse bekannt, welches eine Ansaug­ öffnung und eine Förderöffnung aufweist. In dem Gehäuse ist vertikal ein Rotor angeordnet. In einem Abschnitt des Gehäuses zwischen der Ansaugöffnung und der Förderöffnung sind aufeinanderfolgend eine radiale Turboverdichterstufe und eine Seitenkanalpumpenstufe angeordnet.

Die Turboverdichterstufe hat ein Radiallaufrad, das von dem Rotor getragen wird, und einen Zentrifugalstator, der ortsfest das Laufrad umgibt. Die Seitenkanalpumpenstufe hat ein Seitenkanallaufrad, das an dem Rotor befestigt ist, und einen Seitenkanalstator, der das Laufrad orts­ fest umgibt. Die Pumpenstufen werden von einem Motor angetrieben, der mit dem Rotor gekoppelt ist.

Die bekannte Pumpe hat den Vorteil, daß sie aufgrund des einfachen Aufbaus ohne großen Aufwand hergestellt werden kann. Sie hat jedoch den Nachteil, daß keine Mittel zur Beseitigung einer großen Axialkraft vorgesehen sind, die durch die hydrodynamische Kraft des geförderten Gases erzeugt wird.

Aus der DE 23 37 226 A1 ist eine Vakuumpumpe, insbesonde­ re Turbomolekularpumpe bekannt, die ein Gehäuse mit einer Ansaugöffnung und zwei Förderöffnungen aufweist. Auf einem sich durch den Ansaugkanal erstrecken Rotor sind beidseitig von der Ansaugöffnung zwei Pumpabschnitte angeordnet, von denen jeder zu einer Auslaßöffnung för­ dert. Der Rotor ist im Bereich seiner Enden aktiv magne­ tisch gelagert. Diese Vakuumpumpe bildet eine zweiflutige Axialpumpe, bei welcher der Strömungsaxialschub auf den Rotor sehr klein ist.

Die DE 28 08 125 C2 zeigt eine Molekularpumpe mit einem Gehäuse mit einer Ansaugöffnung und einer Förderöffnung. In dem Gehäuse ist ein Rotor gelagert, dessen Außenseite mit der Innenseite des Gehäuses einen engen Spalt bildet. Eine der beiden Seiten des Spaltes ist mit einer durch­ gehenden schraubenförmigen Nut versehen, die einen vor­ stehenden Steg bildet. Bei einem hohen Gasdruck, der zu einer viskosen Gasströmung führt und bei dem die Moleku­ larpumpe als Gaslager arbeitet, wirken nur geringe Kräfte auf den Rotor ein, so daß keine Gefahr besteht, daß der Rotor Präzessionsbewegungen ausführt, da die außerhalb und innerhalb des Gewindegangs zentrierenden Gaskräfte den Rotor gegenüber dem Gehäuse zentrieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfachen Mitteln eine Turbovakuumpumpe zu schaffen, bei der nur geringe Axialkräfte durch das geförderte Gas ausgeübt werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der Turbovakuumpumpe der gattungsgemäßen Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Turbo­ vakuumpumpe sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 10.

Durch die Positionierung der erfindungsgemäßen schrau­ benförmigen Dichtungseinrichtung wird eine Abdichtung zwischen dem niedrigen Druck auf der Ansaugseite und der Außenseite der Dichtungseinrichtung geschaffen. Dadurch, daß das Druckausgleichsrohr eine Verbindung der Außen­ seite der Dichtungseinrichtung zur Förderöffnung der Pumpe herstellt, wird ein Ausgleich des Drucks zwischen der Außenseite der Dichtungseinrichtung und der Förder­ öffnung geschaffen, d. h. auf der der Ansaugöffnung gegen­ überliegenden Seite steht auch die Dichtungseinrichtung unter Atmosphärendruck. Dadurch wird die Dichtungsein­ richtung zu der zuerst genannten auf die Pumpe wirkenden Kraft in entgegengesetzter Richtung gedrückt, es wird also eine entgegengesetzte Axialkraft an dem die Dichtungsein­ richtung tragenden Rotor erzeugt, was neben der gewünsch­ ten Dichtungswirkung zu einem wesentlichen Ausgleich der Axialkraft am Rotor beiträgt.

Wenn die erfindungsgemäße Turbovakuumpumpe gemäß den Patentansprüchen 7 bis 10 ausgebildet ist, kann korrodie­ rendes Gas, das nicht in den Lagerraum bzw. den Motorraum gelangen darf, gefördert werden.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform einer Turbovakuumpumpe und

Fig. 2 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform einer Turbovakuumpumpe.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbovakuumpumpe hat ein Gehäuse 1 mit einer Ansaugöffnung 2 und einer Förderöffnung 3. In dem Gehäuse 1 ist ein Rotor 4 aufgenommen. Der Rotor 4 ist an seinem einen Endabschnitt 4A durch eine Kombina­ tion aus einem aktiven magnetischen Radiallager 5 und einem aktiven magnetischen Axiallager 7 und an seinem anderen Endabschnitt 4B durch eine Kombination aus einem aktiven magnetischen Radiallager 6 und einem passiven magnetischen Axiallager 8 gelagert, welches einen Perma­ nentmagneten hat. Auf den axial außen liegenden Seiten der aktiven magnetischen Radiallager 5 und 6 ist jeweils ein Aufsetz- bzw. Endlager 15 bzw. 16 angeordnet.

Das aktive magnetische Radiallager 5, das aktive magneti­ sche Axiallager 7 und das Aufsetzlager 15 sind in einer ersten, in dem Gehäuse 1 ausgebildeten Lagerkammer 9 aufgenommen. In gleicher Weise sind das aktive magneti­ sche Radiallager 6, das passive magnetische Axiallager 8 und das Aufsetzlager 16 in einer zweiten, ebenfalls in dem Gehäuse 1 ausgebildeten Lagerkammer 10 installiert. Der Rotor 4 wird von einem Motor 13 angetrieben, der in einer in dem Gehäuse 1 ausgebildeten Motorkammer 12 angeordnet ist. In der Nähe der aktiven magnetischen Radiallager 5 und 6 sind Sensoren 17 und 18 für die radiale Position des Rotors 4 angeordnet, während in der Nähe des aktiven magnetischen Axiallagers 7 ein Sensor 19 für seine axiale Position vorgesehen ist.

In dem Gehäuse 1 ist zwischen der Ansaugöffnung 2 und der Förderöffnung 3 eine Evakuierpumpe 20 angeordnet. Die Evakuierpumpe 20 hat eine Zentrifugalverdichtungsstufe 21 und eine Seitenkanalpumpenstufe 22, welche stromab von der Zentrifugalverdichtungsstufe 21 gesehen in Strömungsrichtung des Gases angeordnet ist. Die Zen­ trifugalverdichtungsstufe 21 hat eine Vielzahl von zen­ trifugalen Laufrädern bzw. radialen Laufrädern 21A, die an dem Rotor 4 sitzen, sowie einen zentrifugalen bzw. radialen Stator 21B, der stationär von dem Gehäuse 1 so gehalten ist, daß er die radialen Laufräder 21A um­ schließt. Die Seitenkanalpumpenstufe 22 hat eine Vielzahl von Seitenkanallaufrädern 22A, die an dem Rotor 4 sitzen, und einen Seitenkanalstator 22B, der stationär gehalten ist, so daß er die Seitenkanallaufräder 22A umschließt.

Auf der von der von der Förderöffnung 3 abgewandten Seite der Ansaugöffnung 2 ist eine erste Dichtungseinrichtung 25 vorgesehen. Die erste Dichtungseinrichtung 25 hat einen radial erweiterten Abschnitt 25A des Rotors 4 und eine Schraubengewindedichtung 25B, die an der Innenfläche des Gehäuses 1 so vorgesehen ist, daß sie dem radial erweiterten Abschnitt 25A des Rotors 4 gegenüberliegt. Das Schraubengewinde der Dichtung 25B ist in der Richtung ausgebildet, daß, wenn sich der Rotor dreht, ein Teil des durch die Ansaugöffnung 2 angesaugten Gases angesaugt und zur Motorkammer 12 durch das Schraubengewinde gefördert wird.

Der Durchmesser der Schraubengewindedichtung 25B ist an seiner kleinsten Stelle größer als der Außendurchmesser des abschließenden oder am stromabseitigen Ende befindli­ chen Laufrads der Evakuierpumpe 20. Bei dieser Anordnung ist es möglich, in einem bestimmten Ausmaß die Axial­ kraft, welche von der hydrodynamischen Kraft des Gases in der Evakuierpumpe 20 erzeugt wird, zu beseitigen. Das Schraubengewinde, welches die Schraubengewindedichtung 25B bildet, kann auf der äußeren Umfangsfläche des Rotors 4 ausgebildet sein, bei der gezeigten Ausführung befindet es sich jedoch an der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 1.

Die Ansaugöffnung 2, die Evakuierpumpe 20, die erste Dichtungseinrichtung 25 und der Motor 13 befinden sich alle innerhalb des axialen Bereichs zwischen dem Paar von aktiven magnetischen Radiallagern 5 und 6.

Die Motorkammer 12, welche den Motor 13 für den Antrieb des Rotors 4 aufnimmt, hat eine zweite Förderöffnung 26, welche mit der Förderöffnung 3 über ein Druckausgleichs­ rohr 27 in Verbindung steht. In die erste Lagerkammer 9 und in die zweite Lagerkammer 10 münden jeweils ein erster Zuführungskanal 28 und ein zweiter Zuführungskanal 29 für Spülgas. Über ein externes Zuführungsrohr 30 wird über die Zuführungskanäle 28 und 29 ein Inertgas, wie gasförmiger Stickstoff, zugeführt, der als Spülgas dient. Der Druck des auf diese Weise Zuge führten Gases wird so festgelegt, daß das aus der Evakuierpumpe 20 und der ersten Dichtungseinrichtung 25 abgeführte Gas nicht in die Lagerkammern 9, 10 und die Motorkammer 12 strömt.

Zwischen der Motorkammer 12 und der zweiten Förderöffnung 26 ist eine zweite Dichtungseinrichtung 31 mit einer Labyrinthdichtung vorgesehen, so daß die Motorkammer 12 gegenüber den Pumpenstufen in dem Gehäuse abgedichtet ist. Zwischen der zweiten Lagerkammer 10 und der Förder­ öffnung 3 ist eine dritte Dichtungseinrichtung 32, die ebenfalls eine Labyrinthdichtung aufweist, vorgesehen, wodurch eine Abdichtung zwischen der zweiten Lagerkammer 10 und den Pumpenstufen im Gehäuse 1 geschaffen wird.

Wenn im Betrieb der Motor 13 anläuft und den Rotor 4 antreibt, startet dadurch die Evakuierpumpe 20, wodurch Gas durch die Ansaugöffnung 2 angesaugt und durch die radiale Verdichtungsstufe 21 und die Seitenkanalpumpen­ stufe 22 der Evakuierpumpe 20 fortschreitend verdichtet wird. Das Gas wird dann in die Atmosphäre über die För­ deröffnung 3 abgeführt. Die erste Dichtungseinrichtung 25 in Schraubengewindebauweise wirkt dann als eine Evakuier­ pumpe mit kleiner Kapazität, so daß ein Teil des durch die Ansaugöffnung 2 angesaugten Gases verdichtet und das verdichtete Gas durch die zweite Förderöffnung 26 und das Druckausgleichsrohr 27 gefördert wird. Das so geförderte Gas tritt in das verdichtete Gas in der Förderöffnung 3 ein und wird daraus abgeführt.

Wenn das durch die Ansaugöffnung 2 angesaugte Gas korro­ dierend wirkt, kann das Gas an dem Motor 13 und den Lagern zu einer Korrosion oder anderen Problemen führen, wenn das Gas in die Motorkammer 12 und in die erste Lagerkammer 9 bzw. zweite Lagerkammer 10 eintreten kann. Um zu verhindern, daß das korrodierend wirkende Gas in die erste Lagerkammer 9 und die zweite Lagerkammer 10 eintritt, wird ein Inertgas, wie gasförmiger Stickstoff, als Spülgas extern durch das Zuführungsrohr 30 und über den ersten Zuführkanal 28 und den zweiten Zuführkanal 29 für Spülgas eingeführt.

Das in die erste Lagerkammer 9 eingeführte Spülgas mischt sich in das Gas, das durch die erste Dichtungseinrichtung 25 gefördert worden ist, so daß es in die Förderöffnung 3 über den zweiten Förderkanal 26 und das. Druckausgleichs­ rohr 27 eingeführt wird, während das in die zweite Lager­ kammer 10 strömende Spülgas durch die Förderöffnung 3 zusammen mit dem Gas abgeführt wird, das durch die Evaku­ ierpumpe 20 komprimiert worden ist. Die zweite Dichtungs­ einrichtung 31 und die dritte Dichtungseinrichtung 32 ermöglichen eine Verringerung der zugeführten Mengen­ ströme an Spülgas. Anstelle der für die Dichtungsein­ richtungen 31 und 32 verwendeten Labyrinthdichtungen, wie sie gezeigt sind, können auch andere Dichtungen, wie Schwimmringdichtungen, eingesetzt werden, die einen sehr kleinen Spalt bilden.

Wenn das abzupumpende Gas nicht korrosiv ist, führt ein Eintreten des Gases in die Motorkammer 12, die erste Lagerkammer 9 und die zweite Lagerkammer 10 nicht zu Problemen, da es zu keiner Korrosion des Motors 13 und der Lager kommen kann. In diesem Fall braucht kein Spül­ gas in die erste Lagerkammer 9 und die zweite Lagerkammer 10 geführt zu werden, so daß der erste Zuführkanal 28 und der zweite Zuführkanal 29 für Spülgas weggelassen werden können. Ebenfalls weggelassen werden können dann die zweite Dichtungseinrichtung 31 und die dritte Dichtungs­ einrichtung 32.

Bei der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform einer Turbovakuumpumpe ist der Rotor 4 an beiden Endabschnitten 4A, 4B der Welle durch Kugel- oder Rollenlager 40, 41 gelagert. Diese Lager 40, 41 erfordern eine Ölschmierung. Es müssen deshalb geeignete Maßnahmen getroffen werden, um das Eintreten von Schmieröl in die Evakuierpumpe 20 zu unterbinden. Für diesen Zweck sind jeweils die zweite Dichtungseinrichtung 31 und die dritte Dichtungseinrich­ tung 32 in zwei Teile aufgeteilt, wobei der erste Zufüh­ rungskanal 28 und der zweite Zuführungskanal 29 für Spülgas so angeordnet sind, daß sie zwischen den beiden Teilen der zugeordneten Dichtungseinrichtung 31 bzw. 32 münden.

Das durch den ersten Zuführungskanal 28 zugeführte Spül­ gas zweigt sich parallel in die zwei Teile der zweiten Dichtungseinrichtung 31 auf. Ein Teil des Gases wird durch die zweite Förderöffnung 26 in die Förderöffnung 3 für komprimiertes Gas eingeführt und daraus abtranspor­ tiert. Der restliche Teil des Gases wird in die erste Lagerkammer 9 über die Motorkammer 12 eingeführt und durch eine dritte Abführöffnung 42, die in die erste Lagerkammer 9 mündet, und dann durch ein Abführrohr 44 abtransportiert. Das durch den zweiten Zuführungskanal 29 zugeführte Spülgas zweigt sich parallel in zwei Teile der unterteilten dritten Dichtungseinrichtung 32 auf. Ein Teil des Gases erreicht die Förderöffnung 3 für kompri­ miertes Gas, aus der es abgeführt wird. Der restliche Teil des Gases wird in die zweite Lagerkammer 10 einge­ führt und über eine vierte Abführöffnung 43, die in diese zweite Lagerkammer 10 mündet, und weiter über das erwähn­ te Abführrohr 44 abtransportiert.

Der beschriebene Dichtungsaufbau spielt eine doppelte Rolle. Einerseits verhindert er, daß Schmieröl in die Evakuierpumpe 20 gelangt. Andererseits unterbindet er, daß durch die Ansaugöffnung 2 angesaugtes Gas in die Motorkammer 12 und die erste und zweite Lagerkammer 9 bzw. 10 strömt. Zusätzlich können die Kugel- oder Rollen­ lager 40, 41 eine vergrößerte Lebensdauer haben, da die von der Evakuierpumpe 20 erzeugte fluiddynamische Axial­ kraft verringert ist.

Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform ist die Evakuierpumpe 20 aus Radial- und Seitenkanalstufen zu­ sammengesetzt. Die Evakuierpumpe der Turbovakuumpumpe gemäß der Erfindung kann jedoch auch aus anderen Arten von Turbopumpenelementen oder -stufen, beispielsweise aus einer axialen Stufe, einer Schraubenstufe usw. zusammen­ gesetzt sein.

Claims (10)

1. Turbovakuumpumpe

• - mit einem Gehäuse (1), das mit einer Absaugöffnung (2) und einer ersten, in die Atmosphäre mündenden Förderöffnung (3) versehen ist,
• - mit einem in dem Gehäuse (1) gelagerten Rotor (4),
• - mit einer in dem Gehäuse (1) aufgenommenen und von dem Rotor (4) getragenen Evakuierpumpe (20) zum Komprimieren eines durch die Ansaugöffnung (2) angesaugten Gases und zum Abführen des komprimier­ ten Gases durch die erste Förderöffnung (3),
• - mit einem von dem Rotor (4) getragenen Motor (13) für den Antrieb der Evakuierpumpe (20) und
• - mit Lagereinrichtungen (5, 6, 7, 8, 15, 16) zum Lagern beider axialer Endabschnitte (4A, 4B) des Rotors (4) in dem Gehäuse (1),
  gekennzeichnet durch
• - durch eine wenigstens eine schraubenförmige Nut aufweisende erste dynamische Dichtungseinrichtung (25), die in der Nähe der Ansaugöffnung (2) an der der Evakuierpumpe (20) abgewandten Seite der An­ saugöffnung (2) vorgesehen ist, wobei die schrau­ benförmige Nut an der Umfangsfläche eines Ab­ schnitts des Rotor (4) oder an der inneren Umfangs­ fläche des Gehäuses (1) so vorgesehen ist, daß bei Drehung des Rotors (4) ein Teil des durch die An­ saugöffnung (2) angesaugten Gases durch die schrau­ benförmige Nut gefördert wird, und
• - durch eine zweite Förderöffnung (26), die in der Nähe der ersten dynamischen Dichtungseinrichtung (25) auf deren von der Ansaugöffnung (2) abgewand­ ten Seite vorgesehen ist und über ein Druckaus­ gleichsrohr (27) mit der ersten Förderöffnung (3) in Verbindung steht.

2. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Dichtungs­ einrichtung (25) zwischen der Ansaugöffnung (2) und dem Motor (13) angeordnet ist.

3. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugöffnung (2), die Evakuierpumpe (20), die erste Förderöffnung (3), die erste Dichtungseinrichtung (25) und der Motor (13) zwischen den Lagereinrichtun­ gen (5, 6, 7, 8, 15, 16) zum Lagern beider axialer Endabschnitte (4A, 4B) angeordnet sind.

4. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Evakuierpumpe (20) mehrere Laufradstufen auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß die die erste Dichtungseinrichtung (25) bildende schraubenförmige Nut einen Durchmesser hat, der an der kleinsten Stelle größer als der Außendurchmesser der Endstufe der Laufräder der Evakuierpumpe (20) ist.

5. Turbovakuumpumpe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (13) für den Antrieb der Evakuierpumpe (20) in einer Motorkammer (12) in dem Gehäuse (1) aufge­ nommen ist und daß die Motorkammer (12) über die zweite Förderöffnung (26) und das Druckausgleichsrohr (27) mit der Förderöffnung (3) für das komprimierte Gas verbunden ist.

6. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (13) für den Antrieb der Evakuierpumpe (20) in einer Motorkammer (12) in dem Gehäuse (l) aufgenommen ist und daß zwischen der ersten Dichtungseinrichtung (25) und der Motorkammer (12) eine zweite Dichtungsein­ richtung (31) vorgesehen ist.

7. Turbovakuumpumpe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtungen (5, 6, 7, 8, 15, 16) in einer ersten bzw. zweiten Lagerkammer (9, 10) angeordnet sind, in die jeweils ein Zuführkanal (28, 29) für Spülgas mündet.

8. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Evakuier­ pumpe (20) und der zweiten Lagerkammer (10) auf der der Förderöffnung (3) zugewandten Seite der zweiten Lagerkammer (10) eine dritte Dichtungseinrichtung (32) angeordnet ist und daß die Zuführkanäle (28, 29) für Spülgas in der Nähe der zweiten Dichtungsein­ richtung (31) und in der Nähe der dritten Dichtungs­ einrichtung (32) vorgesehen sind.

9. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Dich­ tungseinrichtung (31) zwischen der ersten Dichtungs­ einrichtung (25) und der Motorkammer (12) in wenig­ stens zwei Teile unterteilt ist und daß die dritte Dichtungseinrichtung (32) zwischen der Evakuierpumpe (20) und der zweiten Lagerkammer (10) in wenigstens zwei Teile unterteilt ist, und daß die Zuführkanäle (28, 29) für Spülgas zwischen den benachbarten Teilen der zweiten Dichtungseinrichtung (31) bzw. zwischen den benachbarten Teilen der dritten Dichtungsein­ richtung (32) angeordnet sind.

10. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Förderöffnung (42) und eine vierte Förderöff­ nung (43) vorgesehen sind, von denen eine (42) in die erste Lagerkammer (9) und die andere (43) in die zweite Lagerkammer (10) mündet.