EP0942172B1 - Mehrwellenvakuumpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrwellenvakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Mehrwellenvakuumpumpen der hier beschriebenen Art finden als trockene Pumpsysteme besonders in der chemischen Industrie und in der Halbleitertechnik ein breites Einsatzgebiet. Trockene Pumpsysteme zeichnen sich dadurch aus, daß ihre Schöpfräume kein Öl zur Schmierung und Abdichtung, Reduzierung von Totvolumen oder zu sonstigen Zwecken enthalten. Dadurch sind sie in der Lage, ein völlig kohlenwasserstofffreies Vakuum zu erzeugen. Zum Erreichen optimaler Pumpeigenschaften können mehrere, in Serie geschaltete Pumpstufen, in einem Gehäuse untergebracht sein.

Dem Stand der Technik entsprechend, rotieren bei Mehrwellenvakuumpumpen zwei oder mehr Kolben in einem Pumpengehäuse. Die Kolben befinden sich auf Wellen, die in Lagerschilden beiderseits der Wellenenden oder auch nur auf einer Seite der Wellenenden fixiert sind. Die Drehbewegung der Kolben wird über Getriebe so synchronisiert, daß ein gleichmäßiges Abwälzen ohne Berührung unter gleichzeitiger Einhaltung von minimalen Spalten erfolgen kann. Die Lagerstellen und Getriebe müssen durch geeignete Abdichtungen vom Schöpfraum getrennt sein, um zu verhindern, daß zum einen Öl oder sonstige Betriebsmittel in den Schöpfraum gelangen und zum anderen, daß abzupumpende schädliche Gase in die Getriebe und Lagerräume strömen und dort Schmiermittel verunreinigen oder zersetzen können. Durch die Verwendung von Sperrgas kann die Abdichtung noch effektiver gestaltet werden.

Der Antriebsmotor ist außerhalb des Pumpengehäuses angebracht. Für dessen Ankopplung an die Hauptwelle ist eine Wellendurchführung erforderlich. Entsprechend dem Einsatz der Pumpe muss die Wellendurchführung mit einer mehr oder weniger aufwendigen Abdichtung versehen sein.

Ein wesentlicher Nachteil der seither bekannten Pumpen dieser Art besteht in der aufwendigen Bauweise. Dies kommt besonders in der Baugröße, der großen Anzahl von Gehäuseteilen und in einer komplizierten Montage zum Ausdruck. Aber auch weitere wichtige Bauteile, wie Abdichtungen zwischen den einzelnen Stufen, Sperrgaseinrichtungen und Ölversorgungen, weisen bei den herkömmlichen Bauweisen oft Unzulänglichkeiten auf und sind verbesserungsbedürftig.

In der GB-Patentschrift 809,445 wird eine Mehrwellenvakuumpumpe beschrieben, bei der in einem Pumpengehäuse zwei Rotoren zusammenwirken. Durch deren berührungslose Bewegung entstehen Schöpfräume, in welchen das zu pumpende Medium gefördert wird. Dabei weist der Rotor eine glockenförmige Bauweise auf. Das Antriebssystem ist als Außenläufermotor ausgebildet, derart, dass dessen Rotorteile an der Innenfläche des glockenförmigen Rotors angebracht sind und die Statorteile jenen gegenüber innerhalb des glockenförmigen Rotors fest montiert sind. Die Gasförderung erfolgt senkrecht zur Achsrichtung. Dabei sind Lager und Getriebebauteile nicht vom Schöpfraum getrennt, so dass eine trockene Gasförderung ausgeschlossen ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine trockene Mehrwellenvakuumpumpe zu entwickeln, welche die angeführten Nachteile nicht mehr aufweist. Vor allem soll bei optimalen Pumpeigenschaften eine kompaktere Bauweise angestrebt werden, welche platzsparend ist und eine einfache Montage ermöglicht. Weitere Bauteile, wie Abdichtungen, Sperrgaseinrichtungen und Ölversorgungen, sollen dem neuen Pumpenkonzept optimal angepasst werden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 - 5 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.

Die Rotoren füllen einen großen Teil des Pumpenvolumens aus. Dieser Raum wird durch die seitherige massive Bauweise der Rotoren nicht genutzt. Durch die glockenförmige Bauart mindestens eines Rotors wird es möglich, das Antriebssystem vollständig in das Innere eines Rotors zu integrieren und den seither ungenutzten Raum zu verwerten. Dies reduziert die geometrischen Abmessungen der Pumpe erheblich. Die Lagerstellen sind gegenüber dem Schöpfraum abgekapselt, und es werden keine Wellendurchführungen benötigt. Außerdem ergibt sich eine Anzahl zusätzlicher Vorteile, welche durch weitere erfindungsgemäße Merkmale charakterisiert sind. So können der elektrische Anschluß für das Antriebssystem und die Kühlmittelversorgung durch Bohrungen in den Zapfen des Hauptrotors erfolgen.

Die glockenförmige Bauweise bedingt eine Konstruktion, die große Rotordurchmesser zur Folge hat. Im Falle einer mehrstufigen Pumpe, bei der die Stufen axial hintereinander angeordnet sind, stellt sich das Problem der Abdichtung zwischen den einzelnen Stufen. Zum Beispiel scheiden Radialwellendichtungen aus, da wegen der großen Durchmesser hohe Geschwindigkeiten an den Grenzflächen auftreten, was zu unzulässigen Temperaturen und Verschleißerscheinungen führt. Außerdem ist es wünschenswert, der Rückströmung zwischen den Stufen entgegenzuwirken. Um diesen Umständen Rechnung zu tragen, werden zwischen den Stufen berührungsfreie Dichtungen eingesetzt. Diese sind als Gewindewellenpumpen ausgebildet und haben so die Eigenschaft, ein Druckverhältnis zu erzeugen, welches der Rückströmung entgegenwirkt.

Um sicherzustellen, daß kein Öl in den Schöpfraum und, umgekehrt, kein Prozeßgas in den Getrieberaum gelangt, ist es erforderlich, Sperrgas zwischen Getrieberaum und angrenzendem Schöpfraum einzulassen. Ein kritisches Problem ist hierbei die Dosierung. Da als Sperrgas in der Regel Inertgas verwendet wird, ist man bemüht, den Gasverbrauch niedrig zu halten. Andererseits soll kein Risiko eingegangen werden, durch zu geringe Gasmengen die Absperrfunktion zu gefährden. Um diese Forderungen zu erfüllen, waren bisher aufwendige Inertgasaufbereitungseinrichtungen (Druckregelung, Einstellung und Überwachung) notwendig. Erfindungsgemäß kann durch die Verwendung von porösem Material als Werkstoff für die Dichtkörper der Sperrgasdichtungen der Sperrgasverbrauch optimal eingestellt werden. Dieser ist von der Wandstärke der Dichtung und von der Permeabilität des Werkstoffes abhängig. Dabei muß beachtet werden, daß der Versorgungsdruck oberhalb des Bereiches liegt, in dem im Dichtwerkstoff Verblockung auftritt. Dadurch, daß sich das Gas in der Dichtung verteilt und auf der inneren Oberfläche in den Spalt zwischen Dichtungskörper und Rotor ausströmt, entsteht ein Gaspolster, wodurch ein Gasaustausch zwischen Getrieberaum und Schöpfraum verhindert wird.

Für die Versorgung der Lagerstellen mit Öl werden symmetrisch gestaltete Gewindewellenpumpen, welche auf der Innenseite des Steuerrotors angebracht sind, verwendet. Zur weiteren Beförderung des Öles sind erfindungsgemäß Bohrungen innerhalb der Zapfen angebracht. Dadurch wird auch für diese Bauteile eine optimale Raumausnutzung bewirkt.

Die erfindungsgemäße Pumpe weist bei optimalen Pumpeigenschaften eine kompakte Bauweise auf, welche platzsparend ist und eine einfache Montage ermöglicht. Weitere Bauteile, wie Stromversorgung, Abdichtungen, Kühlmittelversorgung, Sperrgaseinrichtungen und Ölversorgung, wurden dem Pumpenkonzept optimal angepaßt.

Anhand der Abbildungen 1 und 2 soll die Erfindung am Beispiel einer Zweiwellenvakuumpumpe näher erläutert werden. Dabei ist die eine Welle als Arbeitswelle, im folgenden Hauptrotor" genannt, und die zweite Welle als Steuerwelle, im folgenden "Steuerrotor" genannt, ausgebildet.

Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt durch das Pumpsystem.

Abbildung 2 zeigt einen Schnitt längs der beiden Rotoren einer vierstufigen Pumpe.

In einem Pumpengehäuse 1, welches mit einem Ansaugflansch 2 und einer Gasaustrittsöffnung 3 versehen ist, werden der Hauptrotor 4 der Steuerrotor 5 in Lagern 31, 33 und 32, 34 getragen. Das äußere Profil des Hauptrotors 4 ist so gestaltet, daß es zwei Arbeitskolben 6 aufweist, welche im Schöpfraum 8 umlaufen. Korrespondierend zu diesen Arbeitskolben 6 bildet das Profil des Steuerrotors 5 zwei Ausnehmungen 7. Durch das Zusammenwirken von Hauptrotor 4 und Steuerrotor 5 entsteht auf an sich bekannte Art und Weise der Pumpeffekt. Beide Rotoren sind als glockenförmige Hohlkörper ausgebildet. Diese Bauweise ermöglicht das Unterbringen von weiteren Bauteilen im Inneren der Rotoren. So ist das Antriebssystem im Inneren des Hauptrotors 4 installiert. Dieses ist als Außenläufermotor ausgebildet. Dabei sind dessen Rotorteile 13 an der Innenfläche des glokkenförmigen Hauptrotors 4 angebracht. Die Statorteile 12 des Antriebssystems sind innerhalb des Rotors gegenüber der Rotorwelle 13 fest montiert. Die Lager 31, 33 und 32, 34 sind im Inneren der Rotoren auf Zapfen 9 und 10 angebracht. Diese Zapfen sind über Flansche 17 und 18 mit dem Gehäuse 1 fest verbunden. Durch eine Getriebeanordnung, bestehend aus Zahnrädern 14 und 15, welche im Getrieberaum 19 untergebracht sind, wird die Rotorbewegung vom Hauptrotor 4 auf den Steuerrotor 5 übertragen. Die elektrischen Versorgungsleitungen 37 für die Statorteile 12 des Antriebssystems sowie die Versorgung des Kühlsystems 38 mit Kühlmittel erfolgen durch eine Bohrungen im Zapfen 9 des Hauptrotors 4.

Im Falle einer mehrstufigen Ausführung, welche in Abbildung 2 dargestellt ist, sind zwischen den einzelnen Pumpstufen, die axial hintereinander angeordnet sind, berührungsfreie Dichtungen 22 vorhanden. Diese sind als Gewindewellenpumpen so ausgebildet, daß sie den Rückströmungen zwischen den Stufen entgegenwirken.

Zur Abdichtung zwischen Getrieberaum 19 und angrenzendem Schöpfraum 8 wird Sperrgas über den Sperrgaseinlaß 23, die Ringkanäle 24 und 25 und die Sperrgasdichtungen 26 und 27 zugeführt. Die Sperrgasdichtungen sind aus porösem Material und gestatten durch die Materialauswahl und die Formgebung eine dosierte Zuführung von Sperrgas.

Die Förderung von Öl zu den Lagerstellen 31, 33 und 32, 34 erfolgt mit Hilfe von Gewindewellenpumpen 20 und 21, welche auf der Innenseite des Steuerrotors 5 angebracht sind und symmetrisch gestaltet sind, so daß sie in axialer Richtung entgegengesetzt pumpen und der Ölaustritt jeweils in der Mitte erfolgt. Über Bohrungen 42 und 43 in den Zapfen 9 und 10 wird das Öl den Lagerstellen zugeführt.

Claims (5)

1. Mehrwellenvakuumpumpe, bei welcher in einem Pumpengehäuse (1) mindestens zwei Rotoren (4 und 5) so zusammenwirken, daß durch ihre berührungslose Bewegung Schöpfräume (8) entstehen, in welchen das zu pumpende Medium gefördert wird, und daß mindestens ein Rotor (4) eine glockenförmige Bauart aufweist, wobei das Antriebssystem als Außenläufermotor ausgebildet ist, derart, daß dessen Rotorteile (13) an der Innenfläche des glockenförmigen Rotors (4) angebracht sind und die Statorteile (12) jenen gegenüber innerhalb des glockenförmigen Rotors (4) fest montiert, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren Pumpstufen besteht, welche axial hintereinander angeordnet sind.
2. Mehrwellenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Pumpstufen berührungsfreie Dichtungen (22) vorhanden sind, welche als Gewindewellenpumpen ausgebildet sind, derart, daß sie den Rückströmungen zwischen den Stufen entgegenwirken.
3. Mehrwellenvakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Getrieberaum (19) und dem angrenzenden Schöpfraum (9) ein Sperrgaseinlaß (23) angeordnet ist, welcher über Ringkanäle (24 und 25) mit Sperrgasdichtungen (26 und 27) verbunden ist, die aus porösem Material als Werkstoff bestehen.
4. Mehrwellenvakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Förderung von Öl zu den Lagerstellen an der Innenseite des Steuerrotors (5) Gewindewellenpumpen (20 und 21) angebracht sind, welche symmetrisch gestaltet sind, so daß sie in axialer Richtung entgegengesetzt pumpen und der Ölaustritt in der Mitte der jeweiligen Gewindewellenpumpe erfolgt.
5. Mehrwellenvakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölversorgung der Lagerstellen über Bohrungen (42 und 43) in den Zapfen (9 und 10) erfolgt.

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