EP1288502A2 - Turbomolekularpumpe - Google Patents

Turbomolekularpumpe Download PDF

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EP1288502A2
EP1288502A2 EP02017820A EP02017820A EP1288502A2 EP 1288502 A2 EP1288502 A2 EP 1288502A2 EP 02017820 A EP02017820 A EP 02017820A EP 02017820 A EP02017820 A EP 02017820A EP 1288502 A2 EP1288502 A2 EP 1288502A2
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housing
turbomolecular pump
pump according
rotor
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    • 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
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum 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
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/584—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling or heating the machine
    • 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
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    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5853—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps heat insulation or conduction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the invention relates to a turbomolecular pump according to the preamble of FIG. Protection claim.
  • Vacuum pumps of the turbomolecular pump type usually consist of a number of stages, each having rotor and stator discs, the are arranged alternately one behind the other.
  • the rotor disks must revolve at high speed.
  • the drive energy required for this purpose is partly transformed into kinetic energy.
  • a big part of it will be released as heat loss.
  • More unwanted amounts of heat are released by the storage (mechanical losses due to friction in ball bearings or electrical losses in magnetic bearings) or in the compression of gases. Thereby There is a risk of overheating of critical components. This is essential be prevented. For this it is necessary to provide an effective heat dissipation.
  • stator and stator discs are large In this way, a large part of the heat from the rotor can rise up the stator discs are transmitted.
  • the stator disks are via spacer rings connected to the housing (DE-OS 3722 164). Since here only minimal Resulting contact surfaces, the heat transfer from the stator discs on the housing and thus insufficient to the outside.
  • Turbomolecular pumps are increasingly being used in processes such.
  • a cooling water channel either in the support ring of the stator or in the housing component contributes to increasing the heat flow.
  • the stator can in the housing component or in the support ring a Heating can be accommodated very space-saving.
  • the corresponding component is thermally insulated from the rest of the housing. A heating up The critical areas of the pump is thus possible without large heat conduction losses.
  • the supporting ring of the stator disc can be used both as an inner and as an outer ring be educated. This makes it possible, the inventive arrangement adapt to different designs of the overall pump.
  • Fig. 1 shows the overall view of a turbomolecular pump with the inventive Arrangement.
  • FIGS. 2 to 5 each show a detail of FIG. 1 with different embodiments the invention.
  • a gas friction pump is shown.
  • the housing 1 is provided with a suction opening 2 and a gas outlet opening 3 is provided.
  • the rotor shaft 4 is in Bearings 5 and 6 fixed and is driven by the motor 7.
  • On the rotor shaft 4 the rotor disks 12 are fixed. These are with a pump active structure provided and effect with the stator discs 14, which also with a pump active structure are provided, the pumping effect.
  • Fig. 2 shows a detail of Fig. 1 with the arrangement according to the invention.
  • the higher pressure range facing stator 20 has an inner support ring 22. This is a large area connected to the housing member 24.
  • a cooling water channel 26 is incorporated.
  • this is mounted so that it has contact with the support ring 22 of the stator 20.
  • a cooling water channel can be located directly in the support ring 22 of the stator 20.
  • FIG. 3 an embodiment is shown in which the stator 20 and the housing member 24 are integrally formed.
  • FIG. 4 shows an embodiment equipped with heater 30.
  • the housing component For a targeted thermal treatment is the housing component by a thermal insulation 32nd separated from the rest of the housing.
  • a one-piece design of stator 20th and housing member 24 is also possible according to the invention here.
  • a stator in which the Support ring 23 is formed as an outer ring.
  • the Support ring 23 is formed as an outer ring.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Turbomolekularpumpe mit Rotor- (12) und Statorscheiben (14), die abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Die Scheiben sind mit Tragringen (16, 18) versehen, an denen Schaufeln angebracht sind. Der Tragring (22) der dem höheren Druckbereich zugewandten Statorscheibe (20) ist großflächig mit einem Gehäusebauteil (24) verbunden oder er bildet mit diesem eine einstückige Baueinheit. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe nach dem Oberbegriff des 1. Schutzanspruches.
Vakuumpumpen vom Typ einer Turbomolekularpumpe bestehen in der Regel aus einer Anzahl von Stufen, welche jeweils Rotor- und Statorscheiben aufweisen, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Um optimale Pumpeigenschaften, wie max. Gasdurchsatz und max. Kompression zu erreichen, müssen die Rotorscheiben mit hoher Geschwindigkeit umlaufen. Die zu diesem Zweck benötigte Antriebsenergie wird zum Teil in kinetische Energie verwandelt. Ein großer Teil davon wird als Verlustwärme freigesetzt. Weitere unerwünschte Wärmemengen werden frei durch die Lagerung (mechanische Verluste durch Reibung in Kugellagern oder elektrische Verluste in Magnetlagern) oder bei der Kompression von Gasen. Dadurch besteht die Gefahr der Überhitzung von kritischen Bauteilen. Dies muss unbedingt verhindert werden. Dazu ist es notwendig, eine effektive Wärmeabfuhr bereitzustellen.
Die Wärmeübertragung im Vakuum von Rotor- auf Statorbauteile erfolgt im Wesentlichen durch Strahlung. Da sich Rotor- und Statorscheiben großflächig gegenüberstehen, kann auf diese Weise ein großer Teil der Wärme von den Rotorauf die Statorscheiben übertragen werden. Die Statorscheiben sind über Distanzringe mit dem Gehäuse verbunden (DE-OS 3722 164). Da sich hier nur minimale Berührungsflächen ergeben, ist die Wärmeübertragung von den Statorscheiben auf das Gehäuse und somit nach außen unzureichend.
Ein weiterer Gesichtspunkt, der als Grundlage der Aufgabenstellung anzusehen ist, ergibt sich aus folgenden Fakten:
Turbomolekularpumpen kommen zunehmend zur Anwendung bei Verfahren wie z. B. chemischen Prozessen oder in der Halbleiterfertigung, bei denen große Mengen von Prozessgasen anfallen. Diese Gase sind in der Regel leicht kondensierbar, und dies umso mehr bei tiefen Temperaturen. Dadurch kommt es zu Flüssigkeits- und Feststoffabscheidungen in beträchtlichem Ausmaß und schließlich zu Korrosions- und Ätzvorgängen, welche zur Zerstörung einzelner Bauteile oder der ganzen Pumpe führen können.
Durch Aufheizen der entsprechenden Bereiche können Flüssigkeits- und Feststoffabscheidungen weitgehend verhindert werden (DE-OS 197 02 456). Die Heizung erfolgt durch entsprechende Bauelemente, welche am oder im Gehäuse der Pumpe angebracht sind. Da durch die herkömmliche Bauweise, wie oben beschrieben, die Berührungsflächen zwischen Gehäuse, Distanzringen und Statorscheiben minimal sind, ist die Wärmeübertragung vom Gehäuse auf die Statorscheiben unbefriedigend.
Diese beiden Gesichtspunkte, nämlich Übertragung von Wärme von Statorscheiben auf das Gehäuse und in umgekehrter Richtung, sind kritische Vorgänge für den sicheren und zuverlässigen Betrieb einer Turbomolekularpumpe und führen beide zur gleichen Aufgabenstellung. Diese liegt der Konstruktion einer Turbomolekularpumpe zugrunde, bei welcher der Wärmeübergang vom Gehäuse auf die Statorscheiben und umgekehrt deutlich verbessert werden soll.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Schutzanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 - 8 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.
Durch die großflächige Verbindung der letzten Statorscheibe mit dem Gehäusebauteil wird ein deutlich besserer Wärmeübergang als bei früheren Konstruktionen erreicht. Noch optimaler können die Verhältnisse gestaltet werden, wenn entsprechend Anspruch 2 die beiden Teile aus einem Stück bestehen. In Verbindung mit großen, sich gegenüberstehenden Flächen von Statorscheibe und Rotorscheibe wird der Gesamtwärmefluss vom Rotor zum Gehäuse und umgekehrt wesentlich erhöht. Diese erfinderischen Maßnahmen ermöglichen es, bei gleicher Rotortemperatur eine größere Gasmenge zu fördern.
Ein Kühlwasserkanal entweder in dem Tragring der Statorscheibe oder im Gehäusebauteil trägt zur Vergrößerung des Wärmeflusses bei.
Zum Aufheizen des Stators kann im Gehäusebauteil oder auch im Tragring eine Heizung sehr platzsparend untergebracht werden. Hierzu ist es vorteilhaft, dass das entsprechende Bauteil vom übrigen Gehäuse thermisch isoliert ist. Eine Aufheizung der kritischen Bereiche der Pumpe wird so ohne große Wärmeleitungsverluste möglich.
Der Tragring der Statorscheibe kann sowohl als Innen- als auch als Außenring ausgebildet sein. Dadurch wird es ermöglicht, die erfinderische Anordnung unterschiedlichen Bauweisen der Gesamtpumpe anzupassen.
Anhand der Figuren 1 - 5 soll die Erfindung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die Gesamtansicht einer Turbomolekularpumpe mit der erfinderischen Anordnung.
Fig. 2 - 5 zeigen jeweils einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine Gasreibungspumpe dargestellt. Das Gehäuse 1 ist mit einer Ansaugöffnung 2 und einer Gasaustrittsöffnung 3 versehen. Die Rotorwelle 4 ist in Lagern 5 und 6 fixiert und wird durch den Motor 7 angetrieben. Auf der Rotorwelle 4 sind die Rotorscheiben 12 befestigt. Diese sind mit einer pumpaktiven Struktur versehen und bewirken mit den Statorscheiben 14, welche ebenfalls mit einer pumpaktiven Struktur versehen sind, den Pumpeffekt.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die dem höheren Druckbereich zugewandte Statorscheibe 20 weist einen inneren Tragring 22 auf. Dieser ist großflächig mit dem Gehäusebauteil 24 verbunden. Hierin ist in einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ein Kühlwasserkanal 26 eingearbeitet. Vorteilhafter Weise ist dieser so angebracht, dass er Kontakt mit dem Tragring 22 der Statorscheibe 20 hat. Alternativ kann sich ein Kühlwasserkanal direkt in dem Tragring 22 der Statorscheibe 20 befinden.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Statorscheibe 20 und das Gehäusebauteil 24 einstückig ausgebildet sind.
Die Fig. 4 zeigt eine mit Heizung 30 ausgerüstete Ausführungsform. Für eine gezielte thermische Behandlung ist das Gehäusebauteil durch eine thermische Isolation 32 vom übrigen Gehäuse getrennt. Eine einstückige Ausbildung von Statorscheibe 20 und Gehäusebauteil 24 ist auch hier erfindungsgemäß möglich.
Bei der Ausführungsform in Fig. 5 ist eine Statorscheibe dargestellt, bei der der Tragring 23 als Außenring ausgebildet ist. Mit dieser Ausführungsform können alle oben beschriebenen Merkmale, wie einstückige Bauweise mit dem Gehäusebauteil, Kühlwasserkanal, Heizung und thermische Isolation, ebenfalls verwirklicht sein.

Claims (8)

  1. Turbomolekularpumpe mit einem Gehäuse (1), in welchem Rotor- (12) und Statorscheiben (14) abwechselnd hintereinander angeordnet sind, wobei diese mit auf Tragringen (16, 18) angebrachten Schaufeln versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die dem höheren Druckbereich zugewandte Statorscheibe (20) mit ihrem Tragring (22) großflächig mit einem Gehäusebauteil (24) verbunden ist.
  2. Turbomolekularpumpe mit einem Gehäuse (1), in welchem Rotor- (12) und Statorscheiben (14) abwechselnd hintereinander angeordnet sind, wobei diese mit auf Tragringen (16, 18) angebrachten Schaufeln versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (22) der dem höheren Druckbereich zugewandten Statorscheibe (20) und das Gehäusebauteil (24) einstückig ausgebildet sind.
  3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusebauteil (24) mit einem Kühlwasserkanal (26) versehen ist.
  4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem höheren Druckbereich zugewandte Statorscheibe (20) mit einem Kühlwasserkanal (26) versehen ist.
  5. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusebauteil (24) mit einer Heizung (30) versehen ist.
  6. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusebauteil (24) vom übrigen Gehäuse (1) thermisch isoliert ist.
  7. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring der Statorscheibe (20) als Innenring (22) ausgebildet ist.
  8. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring der Statorscheibe (20) als Außenring (23) ausgebildet ist.
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