EP0697068A1 - Reibungsvakuumpumpe mit lagerabstützung - Google Patents

Reibungsvakuumpumpe mit lagerabstützung

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EP0697068A1
EP0697068A1 EP94910416A EP94910416A EP0697068A1 EP 0697068 A1 EP0697068 A1 EP 0697068A1 EP 94910416 A EP94910416 A EP 94910416A EP 94910416 A EP94910416 A EP 94910416A EP 0697068 A1 EP0697068 A1 EP 0697068A1
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EP
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sleeve
shaped carrier
rotor
housing
pump
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Heinrich Engländer
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Leybold AG
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D25/0606—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the electric motor being specially adapted for integration in the pump
    • F04D25/0613—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the electric motor being specially adapted for integration in the pump the electric motor being of the inside-out type, i.e. the rotor is arranged radially outside a central stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/668—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps damping or preventing mechanical vibrations

Definitions

  • the invention relates to a friction vacuum pump with a housing, a rotor and a rotor bearing, which is supported in the housing via a sleeve-shaped carrier.
  • Frictional vacuum pumps include Gaede pumps (rotating cylinder in a housing with a pump gap and a blocking gap between the inlet and outlet), Holweck pumps (rotating cylinder in a housing with helical, stator or rotor-side grooves), Siegbahn pumps (rotating and standing ring disks with spiral-shaped grooves) and turbomolecular pumps which are equipped with rotor and guide vanes. It is known to equip friction pumps with differently configured pump sections.
  • the pump properties of a friction vacuum pump depend largely on the distance between the pump-active surfaces moving relative to one another. The smaller the gap, the better is the compression of the respective friction pump. However, the gap cannot be made arbitrarily small, since slight vibrations of the rotor must be permitted. This applies in particular to the phase of driving through resonance frequencies when the rotor is ramped up to its operating speed.
  • the present invention has for its object to design the support of the rotor bearing in the housing in a friction vacuum pump of the type mentioned, that optimally small distances between the pump-active surfaces can be selected despite vibrations of the rotating system.
  • this object is achieved in that the sleeve-shaped carrier, on which the rotor bearing is supported, is itself supported in the housing by several, preferably three, essentially axially extending rods.
  • the vibrations which the rotor can still execute are positively guided, specifically in the radial direction.
  • Axially directed components of movement of the rotor are practically zero even with relatively short rods.
  • Radially extending gaps between pump-active surfaces can therefore be made optimally small. The radial vibrations of the rotor only have to be taken into account with axially directed gaps.
  • damping advantageously consists of an O-ring, which is located between the sleeve-shaped carrier and a housing part.
  • the maximum vibration amplitude of the rotor is thereby determined.
  • the axially directed gaps must be selected in such a way that they allow these slight, maximum possible vibrations.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a friction vacuum pump designed as a turbomolecular vacuum pump with a rotor suspension according to the invention
  • Figure 2 shows a cross section through the embodiment of Figure 1 and FIGS. 3 and 4 further exemplary embodiments for friction vacuum pumps with the rotor suspension according to the invention.
  • the various friction vacuum pumps are generally designated 1, their housing 2, and the upper, cylindrical housing section 3.
  • the cylindrical housing section 3 centers the stator 4, which comprises a plurality of stator rings 5, 6 and 7.
  • the rotor 8 is mounted in the bearings 9.
  • the bearings 9 are designed as roller bearings. Magnetic bearings or plain bearings can also be used at these points.
  • the drive motor is designated 11. During the operation of the pump, a recipient to be evacuated is connected to the inlet flange 12. As a result of the rotation of the rotor 8, the gases are conveyed to the outlet 13 to which a backing pump is connected.
  • the rotor support according to the invention comprises the sleeve-shaped carrier 21, the upper end of which is equipped with a collar 22.
  • the lower end of the carrier 21 protrudes into a recess 23 of a housing component 24, which has only a slightly larger diameter than the outer diameter of the carrier 21.
  • An O-ring 25 between the carrier 21 and the inside of the recess 23 secures on the one hand the central position of the carrier 21 and also serves as a damping element.
  • the rods 26 - preferably three - are suitably made of metal and have a stiffness adapted to the machine dynamics over the length and the rod diameter. With lengths> 30 mm, axially directed vibration components of the rotor 8 practically do not occur in view of the small radial deflections ( ⁇ 0.2 mm).
  • two pump sections are provided. On the high vacuum side, turbomolecular pump stages 14, 15 are present. This is followed by a Siegbahn pump section.
  • the individual Siegbahn pump stages consist of rotor ring disks 16 and stator ring disks 17.
  • the stator ring disks 17 are carried by the stator rings 6. At the end, they are equipped with spiral grooves 19.
  • the spiral design is selected so that a continuous gas flow from the inlet 12 to the outlet 13 is ensured, that is to say that in the illustrated embodiment the pump-active surfaces of the Siegbahn stages located above a stator washer 17, the gases from the outside inwards and those below one Stator ring 17 located Pump-active surfaces convey the gases from the inside out.
  • the axial gaps between the stator and rotor ring disks 16, 17 can - since the rotor 8 practically cannot execute axially directed vibrations - be kept optimally small.
  • the pump properties of the Siegbahn pump section, in particular their compression, are also optimal as a result.
  • a Holweck pump section follows the turbomolecular pump section 14, 15. This comprises the cylindrical stator ring 7, the inside of which is assigned to a cylindrical rotor section 31 with a helical projection 32.
  • This comprises the cylindrical stator ring 7, the inside of which is assigned to a cylindrical rotor section 31 with a helical projection 32.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 also differs from the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 3 in that, instead of a shaft 16, a pin 33 fixed to the housing is provided, on which the rotor 8 is supported via the position 9 and the sleeve-shaped carrier 21.
  • the rods 26 extend between a collar 34 at the upper end of the pin 33 and an inward edge 35 at the lower end of the sleeve-shaped carrier 21.
  • the damping element 25 is located between the sleeve-shaped carrier 21 and the collar 34 of the pin 33.
  • the drive motor 11 it is also necessary for the drive motor 11 to be designed as an external rotor.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem Gehäuse (2, 3), einem Rotor (8) und einer Rotorlagerung (9), die sich im Gehäuse (2, 3) über einen hülsenförmigen Träger (21) abstützt; um eine exakte, dennoch geringfügige Schwingungen des rotierenden Systems zulassende Abstützung zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß sich der hülsenförmige Träger (21) seinerseits über mehrere, vorzugsweise drei sich im wesentlichen axial erstreckende Stäbe (26) im Gehäuse (2, 3) abstützt.

Description

Reibungsvakuumpumpe mit Lagerabstützung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuumpumpe mit einem Gehäuse, einem Rotor und einer Rotorlagerung, die sich im Gehäuse über einen hülsenför igen Träger abstützt.
Zu den Reibungsvakuumpumpen gehören Gaede-Pumpen (in einem Gehäuse rotierender Zylinder mit Pumpspalt und zwischen Einlaß und Auslaß gelegenem Sperrspalt), Holweck-Pumpen (in einem Gehäuse rotierender Zylinder mit wendeiförmigen, stator- oder rotorseitig angeordneten Nuten), Siegbahn- Pumpen (rotierende und stehende Ringscheiben mit spiralför¬ mig gestalteten Nuten) und Turbomolekular-Pumpen, die mit Lauf- und Leitschaufeln ausgerüstet sind. Es ist bekannt, Reibungspumpen mit unterschiedlich gestalteten Pumpenab¬ schnitten auszurüsten.
Die Pumpeigenschaften einer Reibungsvakuumpumpe hängen maßgeblich vom Abstand der sich relativ zueinander bewegen¬ den, pumpaktiven Flächen ab. Je kleiner der Spalt ist, desto besser ist insbesondere die Kompression der jeweiligen Reibungspumpe. Beliebig klein kann der Spalt jedoch nicht gemacht werden, da geringfügige Schwingungen des Rotors zulässig sein müssen. Dieses gilt insbesondere für die Phase des Durchfahrens von Resonanzfrequenzen beim Hochfahren des Rotors auf seine Betriebsdrehzahl.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Reibungsvakuumpumpe der eingangs erwähnten Art die Abstützung der Rotorlagerung im Gehäuse derart zu gestalten, daß trotz einer Schwingungen des rotierenden System zulas¬ senden Abstützung optimal kleine Abstände zwischen den pumpaktiven Flächen gewählt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich der hülsenförmige Träger, auf den sich die Rotorlagerung abstützt, seinerseits über mehrere, vorzugsweise drei, sich im wesentlichen axial erstreckende Stäbe im Gehäuse ab¬ stützt. Bei einem in dieser Weise im Gehäuse aufgehängten Rotor sind die Schwingungen, die der Rotor noch ausführen kann, zwangsgeführt, und zwar in radialer Richtung. Axial gerichtete Bewegungskomponenten des Rotors sind selbst bei relativ kurzen Stäben praktisch gleich null. Radial sich erstreckende Spalte zwischen pumpaktiven Flächen können deshalb optimal klein gestaltet werden. Nur bei axial gerichteten Spalten müssen noch die Radialschwingungen des Rotors berücksichtigt werden.
Zur Dämpfung und zur Reduzierung der radialen Schwingungs- amplituden des Rotors ist es zweckmäßig, eine Dämpfung vorzusehen. Diese besteht vorteilhafterweise aus einem O-Ring, der sich zwischen dem hülsenförmigen Träger und einem Gehäuseteil befindet. Die maximale Schwingungsampli¬ tude des Rotors ist dadurch festgelegt. Die axial gerich¬ teten Spalte müssen derart gewählt werden, daß sie diese geringfügigen, maximal noch möglichen Schwingungen zulassen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbei- spielen erläutert werden. Es zeigen
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine als Turbomolekular¬ vakuumpumpe ausgebildete Reibungsvakuumpumpe mit einer Rotoraufhängung nach der Erfindung,
Figur 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 und Figuren 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele für Reibungs¬ vakuumpumpen mit der erfindungsgemäßen Rotorauf¬ hängung.
In den Ausführungsbeispielen sind die verschiedenen Rei¬ bungsvakuumpumpen jeweils allgemein mit 1, ihr Gehäuse mit 2 und der obere, zylindrisch gestaltete Gehäuseabschnitt mit 3 bezeichnet. Der zylindrische Gehäuseabschnitt 3 zentriert den Stator 4, der eine Mehrzahl von Statorringen 5, 6 und 7 umfaßt. Der Rotor 8 ist in den Lagern 9 gelagert. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Lager 9 als Wälzlager ausgebildet. Auch Magnetlager oder Gleitlager können an diesen Stellen eingesetzt werden. Der Antriebsmo¬ tor ist mit 11 bezeichnet. Während des Betriebs der Pumpe ist an den Einlaßflansch 12 ein zu evakuierender Rezipient angeschlossen. Infolge der Drehung des Rotors 8 werden die Gase zum Auslaß 13 gefördert, an den eine Vorvakuumpumpe angeschlossen ist.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist eine Turbomoleku¬ larvakuumpumpe. Die Statorringe 5 tragen jeweils nach innen gerichtete Statorschaufeln 14, denen am Rotor 8 befestigte Rotorschaufeln 15 zugeordnet sind. Der Rotor 8 stützt sich über eine Welle 16 in den Rotorlagern 9 ab.
Die erfindungsgemäße Rotorabstützung umfaßt den hülsenför- migen Träger 21, dessen oberes Ende mit einem Kragen 22 ausgerüstet ist. Das untere Ende des Trägers 21 ragt in eine Ausnehmung 23 eines Gehäusebauteiles 24 hinein, welche nur einen geringfügig größeren Durchmesser hat als der Außen¬ durchmessers des Trägers 21. Ein O-Ring 25 zwischen dem Träger 21 und der Innenseite der Ausnehmung 23 sichert zum einen die zentrische Position des Trägers 21 und dient zum anderen als Dämpfungselement.
Zur AbStützung des Trägers 21 im Gehäuse 2 sind mehrere vorzugsweise drei im wesentlichen sich axial erstreckende Stäbe 26 vorgesehen, die am Kragen 22 und am Gehäusebauteil 24 befestigt sind. Führt eine in dieser Weise aufgehängter Rotor 8 infolge von Stößen oder beim Durchfahren von Reso¬ nanzen Schwingungen aus, dann sind diese Schwingungen zwangsgeführt und praktisch ausschließlich radial gerichtet. Beim Auftreten von Rotorschwingungen findet nur eine radial gerichtete Parallelverschiebung des Rotors statt. Radial gerichtete Spalte zwischen den Stator- und Rotorschaufeln 14, 15 können optimal klein gehalten werden. Bei der Bemes¬ sung der radial gerichteten Spalte zwischen den Statorschau¬ feln 14 und dem Rotor 8 einerseits bzw. den Laufschaufeln 15 und dem Stator 4 andererseits sind nur noch die gering¬ fügigen Radialschwingungen des Rotors zu berücksichtigen. Die Amplitude dieser Schwingungen hängt von der Bemessung des Dämpfungselementes 25 ab.
Die Stäbe 26 - vorzugsweise drei - bestehen zweckmäßig aus Metall und haben eine der Maschinendynamik angepaßte Stei- figkeit über die Länge und den Stabdurchmesser. Bei Längen > 30 mm treten axial gerichtete Schwingungskomponenten des Rotors 8 im Hinblick auf die geringen radialen Auslenkungen (< 0,2 mm) praktisch nicht auf.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind zwei Pumpenab¬ schnitte vorgesehen. Hochvakuumseitig sind Turbomolekular- pu penstufen 14, 15 vorhanden. Daran schließt sich ein Siegbahn-Pumpenabschnitt an. Die einzelnen Siegbahn-Pumpen- stufen bestehen aus Rotorringscheiben 16 und Statorrings¬ scheiben 17. Die Statorringscheiben 17 werden von den Statorringen 6 getragen. Stirnseitig sind sie mit spiral¬ förmigen Nuten 19 ausgerüstet. Die spiralförmige Gestaltung ist jeweils so gewählt, daß eine kontinuierliche Gasströmung vom Einlaß 12 zum Auslaß 13 sichergestellt ist, das heißt, daß beim dargestellten Ausführungsbeispiel die oberhalb einer Statorringscheibe 17 befindlichen pumpaktiven Flächen der Siegbahn-Stufen die Gase von außen nach innen und die unterhalb einer Statorringscheibe 17 befindlichen pumpaktiven Flächen die Gase von innen nach außen fördern. Die axialen Spalte zwischen den Stator- und Rotorringschei¬ ben 16, 17 können - da der Rotor 8 axial gerichtete Schwin¬ gungen praktisch nicht ausführen kann - optimal klein gehalten werden. Die Pumpeigenschaften des Siegbahn-Pumpen¬ abschnittes, insbesondere deren Kompression, sind dadurch ebenfalls optimal.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 schließt sich an den Turbomolekularpumpenabschnitt 14, 15 ein Holweck-Pumpenab- schnitt an. Dieser umfaßt den zylindrischen Statorring 7, dessen Innenseite einem zylindrischen Rotorabschnitt 31 mit wendeiförmigem Vorsprung 32 zugeordnet ist. Bei der Bemes¬ sung des zwischen den pumpaktiven Flächen befindlichen Axialspaltes müssen lediglich die sehr kleinen, radial gerichteten Schwingungsamplituden des rotierenden Systems berücksichtigt werden.
Das Ausführungsbeispiels nach Figur 4 unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 3 außerdem noch dadurch, daß anstelle einer Welle 16 ein gehäusefester Zapfen 33 vorgesehen ist, auf dem sich der Rotor 8 über die Lage 9 und den hülsenförmigen Träger 21 abstützt. Die Stäbe 26 erstrecken sich zwischen einem Kragen 34 am oberen Ende des Zapfens 33 und einem nach innen gerichteten Rand 35 am unteren Ende des hülsenförmigen Trägers 21. Das Dämpfungs¬ element 25 befindet sich zwischen dem hülsenförmigen Träger 21 und dem Kragen 34 des Zapfens 33. Bei einer Rotorabstüt- zung dieser Art ist es außerdem erforderlich, daß der Antriebsmotor 11 als Außenläufer ausgebildet ist.

Claims

ReibungsVakuumpumpe mit LagerabstützungPATENTANSPRÜCHE
1. Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem Gehäuse (2, 3) einem Rotor (8) und einer Rotorlagerung (9) , die sich im Gehäuse (2, 3) über einen hülsenförmigen Träger (21) abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der hülsen- förmige Träger (21) seinerseits über mehrere, vorzugs¬ weise drei sich im wesentlichen axial erstreckende Stäbe (26) im Gehäuse (2, 3) abstützt.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem hülsenförmigen Träger (21) eine Dämpfung (25) zugeord¬ net ist.
3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung aus einem O-Ring (25) besteht, der zwischen dem hülsenförmigen Träger (21) und einem gehäusefesten Bauteil (24, 34) angeordnet ist.
4. Pumpe nach -Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Rotor (8) mit einer Welle (16) ausgerüstet ist, die sich über die Lager (9), den hülsenförmigen Träger (21) und die Stäbe (26) im Gehäuse (2, 3) abstützt.
5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenförmige Träger (21) auf einer Seite mit einem Kragen (22) ausgerüstet ist, der der Befestigung der Stäbe (26) dient.
6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Kragen (22) gegenüberliegenden Stirnseite des hülsenförmigen Trägers (21) die Dämpfung (25) zugeord¬ net ist.
7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Kragen (22) gegenüberliegende Ende des hülsenför¬ migen Trägers in eine Ausnehmung (23) eines Gehäuse¬ bauteiles (24) hineinragt und daß ein zwischen dem Träger (21) und der Innenseite der Ausnehmung (23) befindlicher O-Ring (25) die Dämpfung bildet.
8. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rotor (8) über seine Lager (9), den hülsenförmigen Träger (21) und die Stäbe (26) auf einem feststehenden Zapfen (33) des Gehäuses (2) abstützt.
9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (33) mit einem Kragen (34) und der hülsenför¬ migen Träger (21) auf seiner dem Kragen (34) gegen¬ überliegenden Seite mit einem Innenrand (35) ausgerü¬ stet ist und daß sich die Stäbe (26) zwischen Kragen (34) und Innenrand (35) erstrecken.
10. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenförmige Träger (21) den Kragen (34) umgibt und daß die von einem O-Ring (25) gebildete Dämpfung zwischen Kragen (34) und hülsenförmigen Träger (21) angeordnet ist.
11. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie hochvakuumseitig als Turbomo¬ lekularvakuumpumpe und vorvakuumseitig als Siegbahn- Pumpe ausgebildet ist.
12. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie hochvakuumseitig als Turbo o- lekularpumpenstufe und vorvakuumseitig als Holweck- Pumpe ausgebildet ist.
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EP0697068A1 true EP0697068A1 (de) 1996-02-21
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