EP0697068B1 - Reibungsvakuumpumpe mit lagerabstützung - Google Patents

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EP0697068B1
EP0697068B1 EP94910416A EP94910416A EP0697068B1 EP 0697068 B1 EP0697068 B1 EP 0697068B1 EP 94910416 A EP94910416 A EP 94910416A EP 94910416 A EP94910416 A EP 94910416A EP 0697068 B1 EP0697068 B1 EP 0697068B1
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sleeve
rotor
shaped carrier
housing
pump
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Heinrich Engländer
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Leybold AG
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • 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 a housing, a rotor and a rotor bearing, which itself supported in the housing via a sleeve-shaped carrier.
  • a pump of this type is known from document FR-A-2 534 980.
  • Frictional vacuum pumps include Gaede pumps (in one Housing rotating cylinder with pump gap and between Inlet and outlet located barrier gap), Holweck pumps (in a housing rotating cylinder with helical, grooves arranged on the stator or rotor side), Siegbahn pumps (rotating and standing washers with spiral designed grooves) and turbomolecular pumps with Rotor and guide vanes are equipped. It is known, Friction pumps with differently designed pump sections equip.
  • the pump properties of a friction vacuum pump depend decisive for the distance between the moving, pump-active areas.
  • the gap cannot be arbitrarily small be made because of slight vibrations of the rotor must be permitted. This applies in particular to the phase driving through resonance frequencies when starting the Rotor to its operating speed.
  • the present invention is based on the object a friction vacuum pump of the type mentioned To support the rotor bearing in the housing in such a way that allow despite vibrations of the rotating system Support optimally small distances between the pump-active areas can be selected.
  • this object is achieved in that the sleeve-shaped carrier on which the rotor bearing is located supports, in turn over several, preferably three, itself supports axially extending rods in the housing.
  • Rotor are the vibrations that the rotor is still executing can, positively guided, in the radial direction.
  • Axial directional components of movement of the rotor are themselves at relatively short rods practically zero. Radially yourself extending gaps between active pumping surfaces can therefore optimally small. Axial only directed columns still have the radial vibrations of the Rotor are taken into account.
  • damping For damping and reducing the radial vibration amplitudes of the rotor it is advisable to use damping to provide.
  • This advantageously consists of one O-ring, which is between the sleeve-shaped carrier and a housing part. The maximum vibration amplitude the rotor is thereby determined.
  • the axially directed Columns must be chosen so that they are allow slight, maximum possible vibrations.
  • the various friction vacuum pumps are generally with 1, their housing with 2 and the upper, cylindrical housing section with 3 designated.
  • the cylindrical housing section 3 is centered the stator 4, which has a plurality of stator rings 5, 6 and 7 includes.
  • the rotor 8 is mounted in the bearings 9. Both illustrated embodiments are the bearings 9 as Rolling bearings trained. Also magnetic bearings or plain bearings can be used in these places.
  • the drive motor is designated 11. During the operation of the pump is a recipient to be evacuated at the inlet flange 12 connected. Due to the rotation of the rotor 8, the Gases conveyed to the outlet 13 to which a backing pump connected.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 1 is a turbomolecular vacuum pump.
  • the stator rings 5 each carry inwards Directed stator blades 14, which are attached to the rotor 8 Rotor blades 15 are assigned.
  • the rotor 8 is supported via a shaft 16 in the rotor bearings 9.
  • the rotor support according to the invention comprises the sleeve-shaped Carrier 21, the upper end of which has a collar 22 is equipped.
  • the lower end of the carrier 21 protrudes into one Recess 23 of a housing component 24, which only has a slightly larger diameter than the outside diameter of the carrier 21.
  • An O-ring 25 between the Carrier 21 and the inside of the recess 23 secures the one the central position of the carrier 21 and is used for other than a damping element.
  • Rods 26 are provided on the collar 22 and on the housing component 24 are attached. Performs one suspended in this way Rotor 8 due to shocks or when driving through resonances Vibrations, then these are vibrations positively driven and practically exclusively directed radially. When rotor vibrations occur, only one occurs radially directional parallel displacement of the rotor instead. Radial directed gap between the stator and rotor blades 14, 15 can be kept optimally small. When dimensioning the radially directed gap between the stator blades 14 and the rotor 8 on the one hand and the rotor blades 15 and the stator 4 on the other hand are only the minor Radial vibrations of the rotor must be taken into account. The amplitude of these vibrations depends on the design of the damping element 25.
  • the rods 26 - preferably three - suitably consist of Metal and have a rigidity adapted to the machine dynamics over the length and the rod diameter. For lengths> 30 mm occur axially directed vibration components of the Rotor 8 in view of the small radial deflections ( ⁇ 0.2 mm) practically not.
  • turbomolecular pump stages 14, 15 available on the high vacuum side. That includes itself Siegbahn pump section.
  • the individual Siegbahn pump stages consist of rotor ring disks 16 and stator ring disks 17.
  • the stator washers 17 are from the Stator rings 6 worn. At the front, they are spiral-shaped Grooves 19 equipped. The spiral shape is chosen so that a continuous gas flow from inlet 12 to outlet 13 is ensured, that is, that in the illustrated embodiment, the above a stator ring disk 17 pump-active surfaces the Siegbahn steps the gases from the outside in and the located below a stator washer 17 Pump-active surfaces convey the gases from the inside to the outside.
  • the axial gaps between the stator and rotor ring disks 16, 17 can - since the rotor 8 axially directed vibrations can practically not do - optimally small being held.
  • the pump characteristics of the Siegbahn pump section, especially their compression also optimal.
  • the embodiment of Figure 4 differs from the embodiments of Figures 1 to 3 also still in that instead of a shaft 16 a housing fixed Pin 33 is provided on which the rotor 8 on the Layer 9 and the sleeve-shaped carrier 21 supports.
  • the bars 26 extend between a collar 34 at the top of the pin 33 and an inward edge 35 on 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. With a rotor support this type it is also necessary that the Drive motor 11 is designed as an external rotor.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuumpumpe mit einem Gehäuse, einem Rotor und einer Rotorlagerung, die sich im Gehäuse über einen hülsenförmigen Träger abstützt.
Eine Pumpe dieser Art ist aus dem Dokument FR-A-2 534 980 bekannt.
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 wendelförmigen, stator- oder rotorseitig angeordneten Nuten), Siegbahn-Pumpen (rotierende und stehende Ringscheiben mit spiralförmig gestalteten Nuten) und Turbomolekular-Pumpen, die mit Lauf- und Leitschaufeln ausgerüstet sind. Es ist bekannt, Reibungspumpen mit unterschiedlich gestalteten Pumpenabschnitten auszurüsten.
Die Pumpeigenschaften einer Reibungsvakuumpumpe hängen maßgeblich vom Abstand der sich relativ zueinander bewegenden, 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 zulassenden 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 abstützt. 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 Schwingungsamplituden 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 Schwingungsamplitude des Rotors ist dadurch festgelegt. Die axial gerichteten 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 Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
Figur 1
einen Längsschnitt durch eine als Turbomolekularvakuumpumpe 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 Reibunasvakuumpumpen mit der erfindungsgemäßen Rotoraufhängung.
In den Ausführungsbeispielen sind die verschiedenen Reibungsvakuumpumpen 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 Antriebsmotor 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 Turbomolekularvakuumpumpe. 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 hülsenförmigen 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 Außendurchmessers 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 Resonanzen 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 Bemessung der radial gerichteten Spalte zwischen den Statorschaufeln 14 und dem Rotor 8 einerseits bzw. den Laufschaufeln 15 und dem Stator 4 andererseits sind nur noch die geringfügigen 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 Steifigkeit 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 Pumpenabschnitte vorgesehen. Hochvakuumseitig sind Turbomolekularpumpenstufen 14, 15 vorhanden. Daran schließt sich ein Siegbahn-Pumpenabschnitt an. Die einzelnen Siegbahn-Pumpenstufen bestehen aus Rotorringscheiben 16 und Statorringsscheiben 17. Die Statorringscheiben 17 werden von den Statorringen 6 getragen. Stirnseitig sind sie mit spiralförmigen 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 Rotorringscheiben 16, 17 können - da der Rotor 8 axial gerichtete Schwingungen praktisch nicht ausführen kann - optimal klein gehalten werden. Die Pumpeigenschaften des Siegbahn-Pumpenabschnittes, insbesondere deren Kompression, sind dadurch ebenfalls optimal.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 schließt sich an den Turbomolekularpumpenabschnitt 14, 15 ein Holweck-Pumpenabschnitt an. Dieser umfaßt den zylindrischen Statorring 7, dessen Innenseite einem zylindrischen Rotorabschnitt 31 mit wendelförmigem Vorsprung 32 zugeordnet ist. Bei der Bemessung 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 Dämpfungselement 25 befindet sich zwischen dem hülsenförmigen Träger 21 und dem Kragen 34 des Zapfens 33. Bei einer Rotorabstützung dieser Art ist es außerdem erforderlich, daß der Antriebsmotor 11 als Außenläufer ausgebildet ist.

Claims (12)

  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 die gesamte Rotorlagerung (9) auf dem Träger abstützt und dass sich der hülsenförmige Träger (21) seinerseits über mehrere, vorzugsweise 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) zugeordnet 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 gekennzeichnet 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) zugeordnet ist.
  7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Kragen (22) gegenüberliegende Ende des hülsenförmigen Trägers in eine Ausnehmung (23) eines Gehäusebauteiles (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 hülsenförmigen Träger (21) auf seiner dem Kragen (34) gegenüberliegenden Seite mit einem Innenrand (35) ausgerüstet 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 Turbomolekularvakuumpumpe und vorvakuumseitig als Siegbahn-Pumpe ausgebildet ist.
  12. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie hochvakuumseitig als Turbomolekularpumpenstufe und vorvakuumseitig als Holweck-Pumpe ausgebildet ist.
EP94910416A 1993-05-03 1994-03-14 Reibungsvakuumpumpe mit lagerabstützung Expired - Lifetime EP0697068B1 (de)

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DE4314419 1993-05-03
PCT/EP1994/000785 WO1994025759A1 (de) 1993-05-03 1994-03-14 Reibungsvakuumpumpe mit lagerabstützung

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EP0697068A1 EP0697068A1 (de) 1996-02-21
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