EP1119709A1 - Reibungsvakuumpumpe mit stator und rotor - Google Patents

Reibungsvakuumpumpe mit stator und rotor

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EP1119709A1
EP1119709A1 EP99940068A EP99940068A EP1119709A1 EP 1119709 A1 EP1119709 A1 EP 1119709A1 EP 99940068 A EP99940068 A EP 99940068A EP 99940068 A EP99940068 A EP 99940068A EP 1119709 A1 EP1119709 A1 EP 1119709A1
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EP
European Patent Office
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rotor
stator
blades
pump according
pump
Prior art date
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Granted
Application number
EP99940068A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1119709B1 (de
Inventor
Heinrich Engländer
Alexander Bosma
Hans-Rudolf Fischer
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Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold Vakuum GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Leybold Vakuum GmbH filed Critical Leybold Vakuum GmbH
Publication of EP1119709A1 publication Critical patent/EP1119709A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1119709B1 publication Critical patent/EP1119709B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • F04D29/60—Mounting; Assembling; Disassembling
    • F04D29/64—Mounting; Assembling; Disassembling of axial pumps
    • F04D29/644—Mounting; Assembling; Disassembling of axial pumps especially adapted for elastic fluid 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
    • 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
    • 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 stator, which comprises a stator blade package consisting of several stator blade rows, and with a rotor, which comprises a rotor blade package consisting of several rotor blade rows, wherein the stator blade rows and the rotor blade rows mesh with one another in a ready-to-use state.
  • stator and rotor form a delivery space which is annular in cross section and into which the rows of stator and rotor blades protrude into one another.
  • the angles of attack of the stator blades are directed in the opposite direction to the angles of attack of the rotor blades with respect to their plane of the blade rows.
  • the rotor of such a friction vacuum pump is usually formed in one piece, while the stator consists of a large number of parts.
  • Stator (spacer) rings preferably with interlocking profiles, alternate with stator blade rings consisting of partial rings, preferably half rings, and, when put together, form the stator consisting of a large number of parts.
  • the present invention has for its object to provide a friction vacuum pump of the type mentioned, which no longer has the disadvantages described.
  • this object is achieved in that the blades of one of the two blade packages are equipped with slots, the arrangement, depth and width of which are selected such that the stator and rotor can be screwed in and out.
  • a friction vacuum pump of this type it is no longer necessary to manufacture the stator from a large number of parts.
  • the stator and rotor can each be formed in one piece and are therefore inexpensive to manufacture.
  • the handling of components of this type during assembly is much easier.
  • the gaps between the rotor and stator can be drastically reduced because the tolerance chain is significantly smaller due to the reduction in the number of parts. This results in smaller backflow losses or better pump properties.
  • the tool costs for the manufacture of the stator are considerably lower, so that more flexible stator designs are no longer associated with particularly high cost increases.
  • blades on the inside of a rotor e.g. Bell-shaped rotor can be provided, which correspond to stator blades of an inner stator.
  • a lower overall height can be achieved, in particular in pumps with coaxially nested vane cylinders.
  • blade configurations of this type to evacuate the motor and the storage space to protect against the use of aggressive media. Separate sealing gas devices can be dispensed with.
  • the blade lengths can be as small as desired. If, for example, they have a length that corresponds to the depth of a thread known from Holweck pump stages, then a new pump surface geometry (English geometry) is created, which is particularly effective in the area of laminar or viscous flow. In practice, there is a constant change of rotor and stator threads, so that backflows are significantly reduced compared to Holweck technology. Pump surfaces according to the new pump surface geometry are still effective when the laminar flow changes into a turbulent flow, so that a significant improvement in the fore-vacuum resistance is achieved. Another advantage is that the turbo principle can be continuously transferred to the English geometry, which avoids transition losses and improves the overall efficiency of the pump.
  • stator and rotor vibrating are technically coupled to each other and that the system consisting of the stator unit and rotor unit is held together via oscillating elements in the housing.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated turbomolecular vacuum pump
  • FIGS. 2a, b, c partial sections through unwinding of the stator and rotor blades
  • FIG. 3 shows a section through a turbomolecular vacuum pump with a delivery space that tapers in cross section
  • FIG. 4 shows a section through a three-stage embodiment with coaxially nested wing cylinders
  • FIG. 5 shows a section through a friction vacuum pump with a conveying space that tapers in cross section and protrusions of different heights that protrude into the conveying space
  • FIG. 6 partial section through unwinding of the protrusions which effect the gas transport and protrude into the conveying space.
  • the friction pump 1 shown in FIG. 1 is a turbomolecular pump with a housing 2, a rotor unit 8 and a stator unit 9, which simultaneously forms the housing 2.
  • Components of the rotor unit 8 are the rotor blades 41
  • components of the stator unit 9 are the stator blades 42.
  • These blades 41 and 42 are arranged in rows in a known manner and protrude into the conveying space 40, which is annular in cross section. They effect the gas transport from inlet flange 6 to outlet 46.
  • FIGS. 2a, b and c The inventive design of the rotor and stator blades can be seen in FIGS. 2a, b and c.
  • the figures show partial sections through unwinding both of rotor blades 41 (FIG. 2a) and of stator blades 42 (FIG. 2b) and of rotor and stator blades in the assembled state ready for operation (FIG. 2c).
  • the rotor blades 41 are equipped with slots 61 such that the rotor unit 8 and stator unit 9 can be screwed in and out.
  • the depth and the width of the slots 61 in the rotor blades 41 are selected so that the passage of the stator blades 42 is ensured during the screwing operations.
  • the slots can be kept narrow if all stator blades 42 have the same angle of attack.
  • Paired rotor blade and stator blade packages preferably have the same angle over all stages.
  • the wing depth can be variable.
  • a package has a slot in the wings with the angle of the paired package.
  • the slot width is slightly larger than the thickness of the paired wings. Both packages can be screwed into one another through these slots.
  • the stator blades 42 can be equipped with suitable slots.
  • the pumps 1 according to FIGS. 3 and 4 each consist of an outer housing 2 and a rotor / stator system 3 located therein, which is supported in the housing 2 via oscillating elements 4, 5.
  • the housing 2 carries the connecting flange 6 on the suction side and one on the pressure side A n gleichdeckel 7.
  • the rotor-stator system 3 includes the rotor unit 8 and the stator. 9
  • the central shaft 11 which carries the essentially bell-shaped rotor 12 on the suction side.
  • the shaft 11 On the pressure side, the shaft 11 is equipped with the motor barrels 13 of the drive motor.
  • the stator of the drive motor is designated 14. It is supported in the housing 2.
  • Components of the stator unit 9 are three sleeve components 15, 16, 17, one (15) of which is arranged on the pressure side, the other two (16, 17) on the suction side (inside and outside the wall 18 of the bell-shaped rotor 12).
  • the pressure-side end of the sleeve 15 is equipped with an inwardly directed edge 21, the inside of which is designed as a sliding fit 22 for the pressure-side shaft bearing 23.
  • the edge 21 is equipped with a receptacle for an O-ring 24 made of elastomeric material.
  • a corresponding receptacle is provided on the connection cover 7 of the housing 2.
  • the receptacles are designed such that, in addition to the function of sealing, the O-ring 24 has the function of a first oscillating element 5 on the pressure side, via which the rotor-stator system 3 is supported in the housing 2 .
  • other vibrating elements e.g. Simmerrings, flat rings, piston seals
  • Simmerrings, flat rings, piston seals can also be provided.
  • the sleeve 15 is provided on the suction side with an outwardly directed edge 26 to which the two further sleeves 16, 17 are fastened. This is done with a union nut 27 which can be screwed onto the outer sleeve 17 from the pressure side and which has the outer edge 26 on the sleeve 15 and an outer edge 28, which is part of the inner sleeve 16, clamped.
  • the connecting flange 6 is provided on the suction side with an inwardly directed step 31 for receiving a further 0-ring 32 or another oscillating element.
  • a receptacle corresponding to this receptacle is located in the area of the end face of the sleeve 16.
  • the O-ring 32 forms, in addition to the function of sealing, the second oscillating element 4, by means of which the rotor-stator system 3 is supported in the housing 2.
  • the housing 2 forms a clamping sleeve which, together with the cover 7 and the connecting flange 6, clamps the rotor-stator system 3.
  • the sleeve 16 is supported on a step-like extension 29 in the sleeve 15.
  • the suction-side end of the inner sleeve 16 is equipped with an inwardly directed edge 34, the inside of which forms a sliding fit 35 for the suction-side shaft bearing 36. Furthermore, an annular spring 37 is located in this area, which generates the necessary bearing contact forces.
  • the rotor unit 8 and the stator unit 9 are rigidly coupled to one another via the bearings 23, 36 and the sliding fits 22, 35.
  • the desired reduction in play between the stator and the rotor is thereby achieved.
  • the rotor-stator system 3 is supported in the housing 2 via the oscillating elements 4 and 5.
  • the design of the vibrating elements as O-rings has the advantage that they can also perform a sealing function. They ensure a vacuum-tight separation of the internal delivery rooms and the atmosphere.
  • a further O-ring 38 expediently surrounds the outer circumference of the edge 28, which carries the inner sleeve 16, so that vacuum tightness is also ensured in the region of the union nut 27.
  • the stator unit 9 practically forms a second inner housing. It is vacuum-tight so that the outer housing 2 can be equipped with air slots 39.
  • the embodiment according to FIG. 3 is designed as a single-flow turbomolecular vacuum pump with a delivery space 40 tapering from the suction side to the pressure side.
  • the outer sleeve 17 carries on its inside stator blade rows 42, the outside of the rotor wall 18 has rotor blade rows 41.
  • the path of the gases conveyed is indicated by arrows 43. They enter through the connecting flange 6 into the delivery space equipped with the blades 41, 42 and pass through openings 44 in the inner sleeve 16 along the shaft 11 and through openings 45 in the edge 21 to the outlet opening 46.
  • Disassembly is done in reverse order.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 is a friction vacuum pump with three coaxially nested stages.
  • the rotor blades 41, 41 'and 41''effecting the gas delivery and stator blades 42, 42', 42 '' protrude into the delivery spaces 40, 40 ', 40''and are designed according to the invention (for example in accordance with FIG. 2).
  • the blade lengths On the outside of the shaft 11, which has an enlarged diameter in the area of the sleeve 16, and on the inside side of the sleeve 16, the blade lengths have an order of magnitude which corresponds to the thread height in a molecular pump according to Holweck.
  • the path of the extracted gases is marked by arrows 51. They enter the outer pump stage through the connecting flange 6. After leaving the outer first pump stage, they enter the second pump stage between the rotor wall 18 and the sleeve 16, through which they flow in a direction opposite to the conveying direction of the first pump stage. After a further reversal of direction, they reach the third pumping stage through openings 53 in the edge 35 and from there to the outlet opening 46 in the manner already described for FIG. 1.
  • the shaft section at the level of the drive motor can also be used to convey the gases if the motor stator or motor rotor is equipped with pump-active surface configurations - expediently with the English geometry.
  • the embodiment of Figure 4 can be easily converted to a single-stage friction vacuum pump. Without sleeve 17, rotor bell 18 and union nut 27, only the third pump stage would be present and effective. The edges 26 and 28 and the thread 48 could also be omitted. A further requirement would be that the diameters of the oscillating and sealing element 4.32 and the end face of the sleeve 16 correspond to one another so that the rotor-stator system 3 can be supported elastically in the housing 2.7.
  • FIG. 1 the shaft section at the level of the drive motor can also be used to convey the gases if the motor stator or motor rotor is equipped with pump-active surface configurations - expediently with the English geometry.
  • the embodiment of Figure 4 can be easily converted to a single-stage friction vacuum pump. Without sleeve 17, rot
  • stator unit 9 and rotor unit 8 are coupled rigidly to one another in terms of vibration technology (sliding fits 35, 22).
  • vibration technology sliding fits 35, 22.
  • This O-ring 63 is only used to bridge the clearance. The O-ring 63 has no significant influence on the choice of the gap between the rotor and stator unit.
  • a delivery space 40 is provided, the annular cross section of which continuously decreases in the delivery direction, so that the blade lengths also decrease from the suction side to the pressure side.
  • the pumping surface configuration continuously changes from the turbomolecular principle to the English configuration.
  • This exemplary embodiment also differs from the other exemplary embodiments in that the stator blades 42 (and not the rotor blades 41) are equipped with the slots 61 (FIG. 6).
  • the thickness of the stator blades 42 is greater than the thickness of the rotor blades 41.
  • FIG. 6 shows (corresponding to FIG. 2) sections through the development of these projections, which bring about the gas delivery and protrude into the delivery space 40.
  • FIG. 5 also shows that the invention makes it possible to form the stator 3 and the housing 2 in one piece in a turbomolecular pump.
  • an undisturbed heat transfer from the inside to the outside and thus an improved cooling of the pump 1 are also achieved.
  • the implementation of the invention is of particular advantage in the case of small turbo-molecular pumps. As the size becomes smaller, the harmful proportion of the backflow related to the gas flow is increased and thereby disproportionately worsens the vacuum properties of a pump.
  • the vacuum technology data can be significantly improved by reducing the gap between the rotor and stator according to the invention with the present new concept. Conversely, this means that a pump of this size can still be produced with economically sensible effort. This is due to the fact that the pump can be made from relatively few parts.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem Stator (3), der ein aus mehreren Statorschaufelreihen bestehendes Statorschaufelpaket umfasst, sowie mit einem Rotor, der ein aus mehreren Rotorschaufelreihen bestehendes Rotorschaufelpaket umfasst, wobei die Statorschaufelreihen und die Rotorschaufelreihen im betriebsfertig montierten Zustand ineinandergreifen; um eine Pumpe (1) dieser Art aus wesentlich weniger Teilen herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Schaufeln eines der beiden Schaufelpakete mit Schlitzen (61) ausgerüstet sind, deren Anordnung, Tiefe und Breite so gewählt sind, dass Stator (9) und Rotor (8) in- und auseinanderschraubbar sind.

Description

Reibungsvakuumpumpe mit Stator und Rotor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuumpumpe mit einem Stator, der ein aus mehreren Statorschaufelreihen bestehendes Statorschaufelpaket umfasst, sowie mit einem Rotor, der ein aus mehreren Rotorschaufelreihen bestehendes Rotorschaufelpaket umfasst, wobei die Statorschaufelreihen und die Rotorschaufelreihen in betriebsfertig montiertem Zustand ineinandergreifen .
Bei bekannten Reibungsvakuumpumpen dieser Art (Turbomolekularvakuumpumpen) bilden Stator und Rotor einen im Querschnitt ringförmigen Förderraum, in den die Stator- und Rotorschaufelreihen ineinandergreifend hineinragen. Die Anstellwinkel der Statorschaufeln sind den Anstellwinkeln der Rotorschaufeln in Bezug auf ihre Schaufelreihenebene entgegengesetzt gerichtet.
Der Rotor derartiger Reibungsvakuumpumpen ist üblicherweise einstückig ausgebildet, während der Stator aus einer Vielzahl von Teilen besteht. Stator- (Distanz-) Ringe, vorzugsweise mit ineinandergreifenden Profilen, wechseln mit aus Teilringen, vorzugsweise Halbringen bestehenden Statorschaufelringen ab und bilden zusammengefügt den aus einer Vielzahl von Teilen bestehenden Stator. Sowohl in Bezug auf die Herstellung als auch auf die Montage bzw. Demontage sind Reibungsvakuumpumpen dieser Art äußerst aufwendig. Weitere Nachteile sind:
durch die Vielzahl der Teile ergeben sich relativ große Spalte zwischen Stator und Rotor, was zu relativ hohen Rückströmungsverlusten führt;
bei kleinen Pumpen wird das Handling der filigranen Teile während der Montage besonders problematisch;
trotz Verkleinerung der Größe der Teile lässt sich bei kleinen Pumpen keine spürbare Kostenreduktion gegenüber größeren Pumpen erzielen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reibungsvakuumpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die beschriebenen Nachteile nicht mehr hat.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schaufeln eines der beiden Schaufelpakete mit Schlitzen ausgerüstet sind, deren Anordnung, Tiefe und Breite so gewählt sind, dass Stator und Rotor in- und auseinanderschraubbar sind. Bei einer Reibungsvakuumpumpe dieser Art ist es nicht mehr erforderlich, den Stator aus einer Vielzahl von Teilen herzustellen. Stator sowie Rotor können jeweils einstückig ausgebildet sein und sind damit preiswert herzustellen. Das Handling von Bauteilen dieser Art während der Montage ist wesentlich einfacher. Die Spalte zwischen Rotor und Stator lassen sich drastisch reduzieren, da infolge der Reduktion der Anzahl der Teile die Toleranzkette wesentlich kleiner ist. Dadurch ergeben sich kleinere Rückströmverluste bzw. bessere Pumpeigenschaften. Die Werkzeugkosten für die Herstellung des Stators sind we- sentlich geringer, so dass flexiblere Statorgestaltungen nicht mehr mit besonders hohen Kostensteigerungen verbunden sind.
Von besonderem Vorteil ist es, dass in einfacher Weise Schaufeln auf der Rotorinnenseite eines z.B. glockenförmig gestalteten Rotors vorgesehen sein können, die mit Statorschaufeln eines inneren Stators korrespondieren. Insbesondere bei Pumpen mit koaxial verschachtelten Flügelzylindern kann dadurch eine geringere Bauhöhe erzielt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, mit Schaufelkonfigurationen dieser Art den Motor und den Lagerraum zum Schutz gegen den Einsatz aggressiver Medien zu evakuieren. Auf gesonderte Sperrgaseinrichtungen kann verzichtet werden.
Vorteilhaft ist schließlich, dass die Schaufellängen beliebig klein sein können. Haben sie zum Beispiel eine Länge, die der Tiefe eines bei Holweck-Pumpstufen bekannten Gewindes entspricht, dann entsteht eine neue Pumpflächen-Geometrie (Engländer-Geometrie) , die im Bereich der laminaren bzw. viskosen Strömung besonders wirksam ist. Praktisch findet ein ständiger Wechsel von Rotor- und Statorgewinde statt, so dass Rückströmungen im Vergleich zur Holweck-Technik maßgeblich reduziert sind. Pumpflächen nach der neuen Pumpflächen-Geometrie sind auch dann noch wirksam, wenn die laminare Strömung in eine turbolente Strömung übergeht, so dass eine wesentliche Verbesserung der Vorvakuumbeständigkeit erzielt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass vom Turbo-Prinzip kontinuierlich auf die Engländer-Geometrie übergegangen werden kann, wodurch Übergangsverluste vermieden und der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe verbessert werden kann.
Eine weitere Reduktion der Rückströmverluste kann noch dadurch erreicht werden, dass Stator und Rotor schwin- gungstechnisch miteinander gekoppelt sind und dass das aus Statoreinheit und Rotoreinheit bestehende System gemeinsam über Schwingelemente im Gehäuse gehaltert ist .
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Figuren 1 bis 6 erläutert werden.
Es zeigen
Figur 1 eine schematisch dargestellte Turbomolekularvakuumpumpe,
Figuren 2 a, b, c: Teilschnitte durch Abwicklungen der Stator- und Rotorschaufeln,
Figur 3 einen Schnitt durch eine Turbomolekularvakuumpumpe mit sich im Querschnitt verjüngendem Förderraum,
Figur 4 einen Schnitt durch eine dreistufige Ausführungsform mit koaxial verschachtelten Flügelzylindern,
Figur 5 einen Schnitt durch eine Reibungsvakuumpumpe mit sich im Querschnitt verjüngendem Förderraum und unterschiedlich hohen, in den Förderraum hineinragenden Vorsprüngen, sowie
Figur 6 Teilschnitt durch Abwicklungen von den Gastransport bewirkenden, in den Förderraum hineinragenden Vorsprüngen.
Die in Figur 1 dargestellte Reibungspumpe 1 ist eine Turbomolekularpumpe mit einem Gehäuse 2, einer Rotoreinheit 8 und einer Statoreinheit 9, die gleichzeitig das Gehäuse 2 bildet. Bestandteile der Rotoreinheit 8 sind die Rotorschaufeln 41, Bestandteile der Statoreinheit 9 die Statorschaufeln 42. Diese Schaufeln 41 und 42 sind in bekannter Weise in Reihen angeordnet und ragen in den im Querschnitt ringförmigen Förderraum 40 hinein. Sie bewirken den Gastransport von Einlassflansch 6 zum Auslass 46.
Die erfindungsgemäße Gestaltung der Rotor- und Stator- - schaufeln lassen die Figuren 2a, b und c erkennen. Die Figuren zeigen Teilschnitte durch Abwicklungen sowohl von Rotorschaufeln 41 (Figur 2a) und von Statorschaufeln 42 (Figur 2b) als auch von Rotor- sowie Statorschaufeln in betriebsfertig zusammengebauten Zustand (Figur 2c) . Die Rotorschaufeln 41 sind derart mit Schlitzen 61 ausgerüstet, dass Rotoreinheit 8 und Statoreinheit 9 in- und auseinanderschraubbar sind. Die Tiefe und die Breite der Schlitze 61 in den Rotorschaufeln 41 ist so gewählt, dass der Durchtritt der Statorschaufeln 42 während der Schraubvorgänge gewährleistet ist. Die Schlitze können schmal gehalten werden, wenn alle Statorschaufeln 42 den gleichen Anstellwinkel haben. Vorzugsweise haben gepaarte Rotorflügel- und Statorflügelpakete jeweils über alle Stufen den gleichen Winkel. Dabei kann die Flügeltiefe variabel sein. Ein Paket besitzt in den Flügeln einen Schlitz mit dem Winkel des gepaarten Paketes. Die Schlitzbreite ist etwas größer als die Dicke der gepaarten Flügel. Durch diese Schlitze lassen sich beide Pakete ineinander- schrauben. Alternativ können statt der Rotorschaufeln 41 die Statorschaufeln 42 mit geeigneten Schlitzen ausgerüstet sein.
Die Pumpen 1 nach den Figuren 3 und 4 bestehen jeweils aus einem äußeren Gehäuse 2 und einem darin befindlichen Rotor- / Stator-System 3, das sich über Schwingelemente 4, 5 im Gehäuse 2 abstützt. Das Gehäuse 2 trägt saugseitig den Anschlussflansch 6 und druckseitig einen Anschlussdeckel 7. Das Rotor-Stator-System 3 umfasst die Rotoreinheit 8 und die Statoreinheit 9.
Bestandteil der Rotoreinheit 8 ist die zentrale Welle 11, die saugseitig den im wesentlichen glockenförmig gestalteten Rotor 12 trägt. Druckseitig ist die Welle 11 mit den Motorläufen 13 des Antriebsmotors ausgerüstet. Der Stator des Antriebsmotors ist mit 14 bezeichnet. Er stützt sich im Gehäuse 2 ab.
Bestandteile der Statoreinheit 9 sind drei Hülsenbauteile 15, 16, 17, von denen eines (15) druckseitig, die beiden anderen (16, 17) saugseitig (innerhalb und außerhalb der Wandung 18 des glockenförmigen Rotors 12) angeordnet sind. Das druckseitige Ende der Hülse 15 ist mit einem einwärts gerichteten Rand 21 ausgerüstet, dessen Innenseite als Schiebepassung 22 für das druckseitige Wellenlager 23 ausgebildet ist. Außerdem ist der Rand 21 mit einer Aufnahme für einen O-Ring 24 aus elastomerem Werkstoff ausgerüstet. Eine dazu korrespondierende Aufnahme ist am Anschlussdeckel 7 des Gehäuses 2 vorgesehen. Die Aufnahmen (Nuten, Winkel oder dgl . ) sind derart ausgebildet, dass der O-Ring 24 neben der Funktion des Dichtens die Funktion eines ersten, druckseitig gelegenen Schwingelementes 5 hat, über das sich das Rotor-Stator-System 3 im Gehäuse 2 abstützt. An Stelle des O-Ringes 23 können auch andere Schwingelemente (z.B. Simmerringe, Flachringe, Kolbendichtungen) vorgesehen sein.
Zur Bildung eines inneren vakuumdichten Gehäuses ist die Hülse 15 saugseitig mit einem nach außen gerichteten Rand 26 versehen, an dem die beiden weiteren Hülsen 16, 17 befestigt sind. Das geschieht mit einer von der Druckseite her auf die äußere Hülse 17 aufschraubbaren Überwurfmutter 27, die den äußeren Rand 26 an der Hülse 15 und einen äußeren Rand 28, der Bestandteil der inneren Hülse 16 ist, einspannt.
Der Anschlußflansch 6 ist saugseitig mit einer einwärts gerichteten Stufe 31 für die Aufnahme eines weiteren 0- Ringes 32 oder eines anderen Schwingelementes versehen. Eine zu dieser Aufnahme korrespondierende Aufnahme befindet sich im Bereich der Stirnseite der Hülse 16. Der - O-Ring 32 bildet neben der Funktion des Dichtens das zweite Schwingelement 4, über das sich das Rotor-Stator-System 3 im Gehäuse 2 abstützt. Das Gehäuse 2 bildet eine Spannhülse, die zusammen mit Deckel 7 und Anschlußflansch 6 das Rotor-Stator-System 3 einspannt. Zusätzlich stützt sich die Hülse 16 auf einer stufenartigen Erweiterung 29 in der Hülse 15 ab.
Das saugseitige Ende der inneren Hülse 16 ist mit einem nach innen gerichteten Rand 34 ausgerüstet, dessen Innenseite eine Schiebepassung 35 für das saugseitige Wellenlager 36 bildet. Weiterhin befindet sich in diesem Bereich eine Ringfeder 37, die die nötigen Lageranstellkräfte erzeugt.
Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die Rotoreinheit 8 und die Statoreinheit 9 über die Lager 23, 36 und die Schiebepassungen 22, 35 starr miteinander gekoppelt. Dadurch wird die gewünschte Spielverkleinerung zwischen Stator und Rotor erreicht. Über die Schwingelemente 4 und 5 stützt sich das Rotor-Stator-System 3 im Gehäuse 2 ab. Die Ausbildung der Schwingelemente als O-Ringe hat den Vorteil, dass sie gleichzeitig Dichtfunktion übernehmen können. Sie sorgen für eine vakuumdichte Trennung der innen gelegenen Förderräume und der Atmosphäre. Zweckmäßig umgibt ein weiterer O-Ring 38 den äußeren Umfang des Randes 28, der die innere Hülse 16 trägt, so dass auch im Bereich der Überwurfmutter 27 Vakuumdichtheit gewährleistet ist. Die Statoreinheit 9 bildet praktisch ein zweites inneres Gehäuse. Es ist vakuumdicht, so dass das äußere Gehäuse 2 mit Luftschlitzen 39 ausgerüstet werden kann.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist als einflutige Turbomolekularvakuumpumpe mit einem sich von der Saugseite zur Druckseite verjüngenden Förderraum 40 ausgebildet. Die äußere Hülse 17 trägt auf ihrer Innenseite Statorschaufelreihen 42, die Außenseite der Rotorwand 18 Rotorschaufelreihen 41. Der Weg der geförderten Gase ist durch Pfeile 43 gekennzeichnet. Sie treten durch den Anschlussflansch 6 in den mit den Schaufeln 41, 42 bestückten Förderraum ein und gelangen durch Öffnungen 44 in der inneren Hülse 16 entlang der Welle 11 und durch Öffnungen 45 im Rand 21 zur Auslassöffnung 46.
Sind - z.B. wie in Figur 2 dargestellt - die Rotorschaufeln 41 mit Schlitzen 61 ausgerüstet, dann können Rotor und Stator ineinandergeschraubt werden. Dieses geschieht bei der Pumpe nach Figur 3 dadurch, dass der Rotor 12 mit seiner Saugseite in die Druckseite des Stators bzw. der Stator-Hülse 17 geschraubt wird. Danach erfolgen die Montage der übrigen Hülsenbauteile und deren gegenseitige Fixierung, so dass anschließend das Stator-/Rotor-System 3 im Gehäuse 2 verspannt werden kann.
Die Demontage erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist eine Reibungsvakuumpumpe mit drei koaxial geschachtelten Stufen. In die Förderräume 40, 40' , 40' ' ragen die Gasförderung bewirkende Rotor-Schaufeln 41, 41' und 41'' sowie Statorschaufeln 42, 42', 42'' hinein, die erfindungsgemäß (z.B. entsprechend Figur 2) gestaltet sind. Auf der Außenseite der Welle 11, die im Bereich der Hülse 16 einen vergrößerten Durchmesser hat, und auf der Innen- seite der Hülse 16 haben die Schaufellängen eine Größenordnung, die der Gewindehöhe bei einer Molekularpumpe nach Holweck entspricht. Hierbei handelt es sich um die bereits eingangs erwähnte völlig neue Pumpflächenkonfiguration (Engländer-Geometrie) , die quasi aus zwei einander gegenüberliegenden, „ineinandergreifenen" Gewinden besteht und die beschriebenen Vorteile hat.
Der Weg der geförderten Gase ist durch Pfeile 51 gekennzeichnet. Sie treten durch den Anschlussflansch 6 in die äußere Pumpstufe ein. Nach dem Verlassen der äußeren ersten Pumpstufe treten sie in die zweite Pumpstufe zwischen Rotorwand 18 und Hülse 16 ein, welche sie mit einer der Förderrichtung der ersten Pumpstufe entgegengesetzten Richtung durchströmen. Nach einer weiteren Richtungsumkehr gelangen sie durch Öffnungen 53 im Rand 35 in die dritte Pumpstufe und von dort aus in der bereits zu Figur 1 beschriebenen Weise zur Auslassöffnung 46.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den figuren 3 und 4 kann auch noch der Wellenabschnitt in Höhe des Antriebsmotors zur Förderung der Gase herangezogen werden, wenn Motorstator oder Motorrotor mit pumpaktiven Oberflächenkonfigurationen - zweckmäßig mit der Engländer-Geometrie - ausgerüstet sind. Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 kann in einfacher Weise zu einer einstufigen Reibungsvakuumpumpe umgebaut werden. Ohne Hülse 17, Rotorglocke 18 und Überwurfmutter 27 wäre nur die dritte Pumpstufe vorhanden und wirksam. Auch die Ränder 26 und 28 sowie das Gewinde 48 könnten entfallen. Eine weitere Voraussetzung wäre, dass die Durchmesser des Schwing- und Dichtungselementes 4,32 sowie der Stirnseite der Hülse 16 einander entsprechen, damit das Rotor-Stator-System 3 elastisch im Gehäuse 2,7 abgestützt werden kann. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind Statoreinheit 9 und Rotoreinheit 8 schwingungstechnisch starr miteinander (Schiebepassungen 35, 22) gekoppelt. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 befindet zwischen dem oberen Lager 36 und der Innenseite des Randes 34 im 0- Ring 63 mit einem im Vergleich zum Durchmesser der 0- Ringe 24, 32 wesentlich kleineren Durchmesser. Dieser O-Ring 63 dient lediglich der Überbrückung des Passungsspiels. Einen wesentlichen Einfluß auf die Wahl des Spaltes zwischen Rotor- und Statoreinheit hat der O-Ring 63 nicht.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 5 und 6 ist ein Förderraum 40 vorgesehen, dessen ringförmiger Querschnitt in Förderrichtung kontinuierlich abnimmt, so dass auch die Schaufellängen von der Saugseite zur Druckseite abnehmen. Die Pumpflächenkonfiguration geht kontinuierlich vom Turbomolekular-Prinzip zur Engländer-Konfiguration über. Weiterhin unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von den übrigen Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Statorschaufeln 42 (und nicht die Rotorschaufeln 41) mit den Schlitzen 61 ausgerüstet sind (Figur 6) . Außerdem ist die Dicke der Statorschaufeln 42 größer als die Dicke der Rotorschaufeln 41. Figur 6 zeigt (entsprechend Figur 2) Schnitte durch die Abwicklung dieser die Gasförderung bewirkenden, in den Förderraum 40 hineinragenden Vorsprünge.
Figur 5 lässt darüber hinaus erkennen, dass die Erfindung es ermöglicht, bei einer Turbomolekularpumpe den Stator 3 und das Gehäuse 2 einstückig auszubilden. Neben den Vorteilen eines verkleinerten Bauvolumens und der maßgeblich reduzierten Anzahl der Bauteile werden auch noch ein ungestörter Wärmeübergang von innen nach außen und damit eine verbesserte Kühlung der Pumpe 1 erreicht . Die Realisierung der Erfindung ist bei kleinen Turbumo- lekularpumpen von besonderem Vorteil. Bei kleiner werdender Baugröße nimmt der schädliche Anteil der Rückströmung bezogen auf den geförderten Gasstrom zu und verschlechtert dadurch überproportional die vakuumtechnischen Eigenschaften einer Pumpe. Durch die erfindungsgemäße Reduzierung der Spalte zwischen Rotor und Stator mit dem vorliegenden neuen Konzept lassen sich die vakuumtechnischen Daten deutlich verbessern. Das bedeutet umgekehrt, dass sich dadurch eine Pumpe in dieser Baugröße noch mit wirtschaftlich sinnvollem Aufwand produzieren lässt. Mit dazu trägt die Tatsache bei, dass die Pumpe aus relativ wenigen Teilen hergestellt werden kann.

Claims

Reibungsvakuumpumpe mit Stator und RotorPATENTANSPRÜCHE
Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem Stator (3), der ein aus mehreren Statorschaufelreihen bestehendes Statorschaufelpaket umfasst, sowie mit einem Rotor, der ein aus mehreren Rotorschaufelreihen bestehendes Rotorschaufelpaket umfasst, wobei die Statorschaufelreihen und die Rotorschaufelreihen im betriebsfertig montierten Zustand ineinandergreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln eines der beiden Schaufelpakete mit Schlitzen
(61) ausgerüstet sind, deren Anordnung, Tiefe und Breite so gewählt sind, dass Stator (9) und Rotor
(8) in- und auseinanderschraubbar sind.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstellwinkel der Schaufeln desjenigen Schaufelpaketes, dessen Schaufeln während des In- oder Auseinanderschraubens von Stator (9) und Rotor (8) die Schlitze (61) in den Schaufeln des anderen Schaufelpaketes durchdringen, identisch sind.
3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor (8) und Stator (9) jeweils einstückig ausgebildet sind.
4. Pumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (9) und Gehäuse (2) einstückig ausgebildet sind.
5. Pumpe nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (8) glockenförmig ausgebildet ist und auf seiner Innenseite mit Rotorschaufeln (41) ausgerüstet ist.
6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zweistufig ausgebildet ist, dass der Rotor (8) auf seiner Innen- und auf seiner Außenseite Rotorschaufeln (41, 41' ) trägt und dass eine innere (16) und eine äußere (17) Statorhülse vorgesehen sind, die korrespondierend Statorschaufeln (42, 42') tragen.
7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die beiden Pumpstufen eine dritte Pumpstufe (41'', 42'') anschließt, die sich zwischen der Welle (11) und der inneren Hülse (16) befindet.
8. Pumpe nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Pumpstufe (41'', 42'') ein Abschnitt anschließt, in dessen Höhe sich der Antriebsmotor (13, 14) befindet und dass Motorstator (14) und Motorrotor (13) mit pumpaktiven Oberflächenkonfigurationen ausgerüstet sind.
9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Motorstator (14) und Motorrotor (13) pumpaktive Konfigurationen mit Engländer-Geometrie besitzen.
10. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (41, 42) zumindest im druckseitigen Bereich eine Länge haben, die der bei Holweck-Pumpen bekannten Gewindetiefe entspricht (Engländer-Geometrie) .
11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelkonfiguration - vorzugsweise kontinuierlich - vom Turboprinzip zur Engländer-Konfiguration übergeht.
12. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dicke der Rotorschaufeln (41) von der Dicke der Statorschaufeln (42) unterscheidet und dass die Schaufeln mit der größeren Dicke mit den Schlitzen (61) ausgerüstet sind.
13. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stator und Rotor schwingungstechnisch miteinander gekoppelt sind und dass das aus Statoreinheit und Rotoreinheit bestehende System (3) gemeinsam über Schwingelemente (4, 5) im Gehäuse (2, 7) gehaltert ist.
14. Pumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Lager (23, 36) vorgesehen sind und dass Rotor und Stator über die mechanischen Lager miteinander gekoppelt sind.
15. Pumpe nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (9) und Rotor (8) schwingungstechnisch starr miteinander gekoppelt sind.
16. Pumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rotoreinheit (8) und Lager (23, 36) und/oder Lager (23, 36) und Statoreinheit (9) eine axiale Schiebepassung (22, 35) vorgesehen ist.
17. Pumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einem der Lager und der Statoreinheit ein der Überbrückung eines Passungsspieles dienender O-Ring (63) befindet.
18. Pumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine Spannhülse bildet, die zusammen mit einem stirnseitigen Deckel (7) das Rotor-Stator-System (3) verspannt.
19. Pumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteile der Rotoreinheit (8) eine zentrale Welle (11) sowie ein Rotor (12) sind und dass sich die Rotoreinheit (8) über die Lager (23, 36) in der Statoreinheit (9) abstützt.
20. Pumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteile der Statoreinheit (9) Hülsen (15, 16, 17) sowie Aufnahmen für Schwingelemente (4, 5, 24, 32) sind, über die sich das Rotor-Stator-System (3) im Gehäuse (2, 7) abstützt.
21. Pumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoreinheit (9) ein zweites inneres Gehäuse bildet.
22. Pumpe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Gehäuse vakuumdicht ist und dass das äußere Gehäuse (2) mit Luftschlitzen (39) ausgerüstet ist.
23. Pumpe nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Rotor (12) glockenförmig ausgebildet ist und dass drei Pumpstufen vorhanden sind.
24. Pumpe nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (9) drei Hülsen (15, 16, 17) umfasst, von denen eine druckseitig und zwei saugseitig angeordnet sind, und zwar je eine außerhalb und innerhalb der Rotorwand (18).
25. Pumpe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die druckseitige (15) und die innere saugseitige Hülse (16) mit äußeren Rändern (26, 28) ausgerüstet sind, die mit Hilfe einer auf die Druck- seite der äußeren Hülse anschraubbaren Überwurfmutter (27) miteinander verspannt sind.
26. Verfahren zur Montage einer Reibungsvakuumpumpe (1) mit einem Stator (3), der ein aus mehreren Statorschaufelreihen (42, 42', 42'') bestehendes Statorschaufelpaket umfasst, sowie mit einem Rotor, der ein aus mehreren Rotorschaufelreihen bestehendes Rotorschaufelpaket umfasst, wobei die Statorschaufelreihen und die Rotorschaufelreihen im betriebsfertig montierten Zustand ineinandergreifen, bei welcher die Schaufeln eines der beiden Schaufelpakete mit Schlitzen (61) ausgerüstet sind, deren Anordnung, Tiefe und Breite so gewählt sind, dass Stator (3) und Rotor (8) in- und aus- einanderschraubbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Montage des Stator-Rotor-Systems (3) dadurch erfolgt, dass Stator (9) und Rotor (8, 12) ineinander geschraubt werden.
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