EP1626179B1 - Vakuumpumpe - Google Patents

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EP1626179B1
EP1626179B1 EP05016491.2A EP05016491A EP1626179B1 EP 1626179 B1 EP1626179 B1 EP 1626179B1 EP 05016491 A EP05016491 A EP 05016491A EP 1626179 B1 EP1626179 B1 EP 1626179B1
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EP
European Patent Office
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vacuum pump
pump according
flange
rotor shafts
rotor
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EP05016491.2A
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EP1626179A3 (de
EP1626179A2 (de
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Jürgen JUNG
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Pfeiffer Vacuum GmbH
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum GmbH
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Publication date
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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
    • 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
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows

Definitions

  • turbomolecular pumps have been used in the generation of high vacuum. Pumping action in these pumps is provided by discs with vanes mounted alternately on the rotor and stator.
  • the pumping speed is a decisive characteristic of these pumps and depends inter alia on the diameter of the rotor disks and the speed of the rotor. Some applications require a very high pumping speed. For example, large volumes of particle accelerators are evacuated. Here are very large turbomolecular pumps application, the pumping speed can be 5000 liters per minute.
  • turbomolecular pumps are technically not easy.
  • One problem is, for example, that a very high kinetic energy is stored in the rotor with the large diameter, which can be released in unfavorable cases in case of a malfunction.
  • Another problem is the difficult rotor dynamics, because the mass distribution in a short rotor with a large pulley diameter makes the moment of inertia for the rotation about different axes similar. This makes the rotating system more unstable.
  • the prior art ( US 5,352,097 A ) includes a vacuum pump, which has two rotors. This belonging to the prior art vacuum pump consists in principle of two juxtaposed vacuum pumps, each with its own inlet.
  • the object is to develop a vacuum pump, which overcomes the aforementioned disadvantages.
  • the solution should also be inexpensive.
  • the vacuum pump has a flange, a plurality of gas inlet openings within this flange and a plurality of rotor shafts carrying rotating pump-active components, which achieve the pumping action together with stationary pump-active components.
  • the vacuum pump is very inexpensive to implement.
  • the standard components can be pre-assembled and then pushed into the common pump top.
  • a round flange geometry makes it possible to use the vacuum pump as a replacement for existing high suction capacity vacuum pumps. It is conceivable, of course, to adapt the flange to any predetermined by the vacuum chamber geometries.
  • FIG. 1 shows a vacuum pump according to the invention in section.
  • the vacuum pump 1 has a flange 2. Within this flange are several gas inlet openings 4. One or more gas outlet openings 5 allow the emission of the gas to be pumped.
  • Several rotor shafts 6 each carry rotating pump-active components 7. Together with the stationary pump-active components 8, these achieve the pumping effect as soon as the rotor shafts are set in rotation.
  • the flange 2 is arranged on a common housing upper part 10.
  • the housing is completed by at least one lower housing part 9.
  • Drive means 11 serve to set the rotor shafts in rotation. This may be an electric motor, the stator is mounted in the housing and the rotor elements sitting on the respective rotor shaft. The necessary electrical supply is carried out by the controller 12.
  • bearing means serve 13. These may be, for example, oil or grease-lubricated ball bearings. Likewise gas storage are conceivable. Except for the special shaped upper housing part 10, the other components mentioned can come from the series production of pumps with smaller pumping speed and only one rotor.
  • the second figure shows some conceivable flange geometries.
  • a plurality of gas inlet openings 4 are arranged with the same diameter in a common circular flange.
  • the diameter of the pump-active rotating components sitting on the different rotor shafts is the same.
  • FIG. 2b Another embodiment shows FIG. 2b in which a plurality of round gas inlet openings 4 with different diameters are arranged in the common round flange.
  • FIG. 2c Another embodiment is in Figure 2c shown, in which the common flange is no longer round but square.
  • the vacuum pump can be optimally adapted to the chamber to be evacuated.
  • Other, not shown here flange geometries are conceivable.
  • FIG. 3 shows two different flange shapes in cross section.
  • the web 14 is formed retracted between the gas inlet openings 4, whereby a gas inlet 3 is formed, with which the gas inlet openings 4 are directly connected.
  • the web 14 is pulled up to the flange height and is flush with it.
  • the rotor shafts 6 are at least part of their axial length in the common housing upper part 10 which carries the flange 2.
  • a plurality of controls 12 are provided, which are in contact with each other.
  • This contact can be made for example via electrical lines.
  • the contact is used, for example, operating parameters such as rotational frequency of the rotor shaft, etc. exchange.
  • the single controller or the plurality of controllers is designed in a further embodiment so that it serves to control the backing pump system.
  • the backing pump system consists of one or more vacuum pumps, at least one of which compresses the gas to atmospheric pressure.
  • the regulation includes, for example, the adjustment of the pumping speed of the individual or a plurality of backing pumps.
  • the rotor shafts are offset in frequency offset in rotation. That is, at the beginning, when the rotor shafts have not yet reached the final rotational frequency, the rotor shafts each rotate at different frequencies. Between the start of the vacuum pump with stationary rotor shafts and the achievement of the operating speed, the rotor shafts run at any time with mutually different rotational frequencies. In this way it can be avoided that all the rotor shafts rotate simultaneously with a frequency which lies in a resonance range. Loads caused by a mutual rocking of the vibrations resulting from the resonances can thus be avoided.
  • the rotor shafts are arranged at least partially parallel. This allows a very cost-effective and easy installation, since the lower housing parts and the packages of rotating and stationary pump-active components can be pre-assembled as assemblies. Only the upper housing part 10 with its flange 2 is then placed on these assemblies already assembled.
  • This embodiment can be further developed in that not only the axes of the individual rotor shafts are parallel to each other.
  • the flange defines a surface and thus a perpendicular surface normal to it. The further-considered embodiment arises when these surface normals and at least part of the rotor shafts are parallel to one another.
  • At least one of the bearing means is a magnetic bearing. It may be a passive or an active magnetic bearing, which supports the rotation in the radial or axial direction.
  • the rotating 7 and standing 8 pump-active components are designed as wings so that it is a turbomolecular vacuum pump.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Description

  • Seit vielen Jahrzehnten werden Turbomolekularpumpen bei der Erzeugung von Hochvakuum eingesetzt. Die Pumpwirkung wird in diesen Pumpen durch Scheiben mit Flügeln erzeugt, die abwechselnd auf Rotor und Stator angebracht sind. Das Saugvermögen ist eine maßgebliche Kenngröße dieser Pumpen und hängt unter anderem von dem Durchmesser der Rotorscheiben und der Drehzahl des Rotors ab. Einige Anwendungen erfordern ein sehr hohes Saugvermögen. Beispielsweise werden große Volumina an Teilchenbeschleunigern evakuiert. Hier finden sehr große Turbomolekularpumpen Anwendung, das Saugvermögen kann bei 5000 Litern pro Minute liegen.
  • Diese Turbomolekularpumpen sind technisch nicht einfach. Ein Problem ist beispielsweise, dass in dem Rotor mit dem großen Durchmesser eine sehr hohe kinetische Energie gespeichert wird, die in ungünstigen Fällen bei einer Fehlfunktion freigesetzt werden kann. Ein anderes Problem ist die schwierige Rotordynamik, denn die Massenverteilung bei einem kurzen Rotor mit großem Scheibendurchmesser sorgt dafür, dass die Trägheitsmomente für die Rotation um verschiedene Achsen ähnlich werden. Damit wird das rotierende System instabiler.
  • Zum Stand der Technik ( US 5,352,097 A ) gehört eine Vakuumpumpe, die zwei Rotoren aufweist. Diese zum Stand der Technik gehörende Vakuumpumpe besteht im Prinzip aus zwei nebeneinander angeordneten Vakuumpumpen mit jeweils einem eigenständigen Einlass.
  • Diese zum Stand der Technik gehörende Vakuumpumpe weist nach Nachteil auf, dass die Montage an einer Vakuumvorrichtung aufwendig ist.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist die Aufgabe, eine Vakuumpumpe zu entwickeln, die die vorgenannten Nachteile überwindet. Die Lösung soll zudem kostengünstig sein.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des ersten Anspruches. Die weiteren Ansprüche stellen Ausgestaltungen der Erfindung dar.
  • Gemäß der Erfindung besitzt die Vakuumpumpe einen Flansch, mehrere Gaseintrittsöffnungen innerhalb dieses Flansches und mehrere Rotorwellen, die rotierende pumpaktive Bauteile tragen, welche zusammen mit stehenden pumpaktiven Bauteilen die Pumpwirkung erzielen.
  • Durch diese Maßnahme wird es möglich, ein hohes Saugvermögen zu realisieren und gleichzeitig den Durchmesser der Rotorscheiben im Vergleich zur Rotorlänge so zu gestalten, dass die Trägheitsmomente eine stabile Rotation um die Rotorwellenachse begünstigen. Da für die einzelnen Rotorwellen, deren Lager- und Antriebsmittel und den pumpaktiven Bauteilen auf Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann und nur ein gemeinsames Pumpenoberteil als neues Bauteil hinzukommt, ist die Vakuumpumpe sehr kostengünstig zu realisieren. So können zur Montage zunächst die Standardkomponenten vormontiert und anschließend in das gemeinsame Pumpenoberteil geschoben werden. Eine runde Flanschgeometrie erlaubt es, die Vakuumpumpe als Ersatz für bestehende Vakuumpumpen mit großem Saugvermögen zu verwenden. Denkbar ist natürlich, den Flansch an beliebige durch die Vakuumkammer vorgegebene Geometrien anzupassen.
  • Die erfindungsgemäße Gestaltung einer Vakuumpumpe soll anhand der Figuren näher erläutert werden.
    • Fig.1: Schnitt durch die erfindungsgemäße Vakuumpumpe.
    • Fig.2: Verschiedene Flanschgeometrien in der Draufsicht von oben.
    • Fig.3: Zwei Flanschformen im Querschnitt.
  • Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe im Schnitt. Die Vakuumpumpe 1 besitzt einen Flansch 2. Innerhalb dieses Flansches befinden sind mehrere Gaseintrittsöffnungen 4. Eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen 5 erlauben den Ausstoß des abzupumpenden Gases. Mehrere Rotorwellen 6 tragen jeweils rotierende pumpaktive Bauteile 7. Zusammen mit den stehenden pumpaktiven Bauteilen 8 erzielen diese die Pumpwirkung, sobald die Rotorwellen in Drehung versetzt werden. Der Flansch 2 ist an einem gemeinsamen Gehäuseoberteil 10 angeordnet. Komplettiert wird das Gehäuse durch wenigstens ein Gehäuseunterteil 9. Antriebsmittel 11 dienen dazu, die Rotorwellen in Drehung zu versetzen. Hierbei kann es sich um einen elektrischen Motor handeln, dessen Stator im Gehäuse angebracht ist und dessen Rotorelemente auf der jeweiligen Rotorwelle sitzt. Die dazu notwendige elektrische Versorgung erfolgt durch die Steuerung 12. Um die Drehung der Wellen zu unterstützen, dienen Lagermittel 13. Dies können beispielsweise öl- oder fettgeschmierte Kugellager sein. Ebenso sind Gaslager denkbar. Bis auf das spezielle geformte Gehäuseoberteil 10 können die anderen genannten Komponenten aus der Serienfertigung von Pumpen mit kleinerem Saugvermögen und nur einem Rotor stammen.
  • Die zweite Figur zeigt einige denkbare Flanschgeometrien. In Teil a) sind mehrere Gaseintrittsöffnungen 4 mit gleichem Durchmesser in einem gemeinsamen runden Flansch angeordnet. In diesem Fall ist der Durchmesser der pumpaktiven rotierenden Bauteile, die auf den verschiedenen Rotorwellen sitzen, gleich.
  • Eine weitere Ausführungsform zeigt Figur 2b, in der im gemeinsamen runden Flansch mehrere runde Gaseintrittsöffnungen 4 mit unterschiedlichem Durchmesser angeordnet sind.
  • Eine weitere Ausführungsform ist in Figur 2c dargestellt, bei der der gemeinsame Flansch nicht mehr rund sondern viereckig ist. Durch diese Maßnahme kann die Vakuumpumpe optimal an die auszupumpende Kammer angepasst werden.
    Weitere, hier nicht gezeigte Flanschgeometrien sind denkbar.
  • Figur 3 zeigt zwei verschiedene Flanschformen im Querschnitt. In der Variante a) ist der Steg 14 zwischen den Gaseintrittsöffnungen 4 zurückgezogen ausgebildet, wodurch ein Gaseinlass 3 entsteht, mit dem die Gaseintrittsöffnungen 4 direkt verbunden sind. In der Variante b) ist der Steg 14 bis auf Flanschhöhe hochgezogen und schließt bündig mit diesem ab.
  • In einer weiteren Ausführungsform befinden sich die Rotorwellen 6 zumindest mit einem Teil ihrer axialen Länge in dem gemeinsamen Gehäuseoberteil 10, das den Flansch 2 trägt.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Steuerungen 12 vorgesehen, die miteinander in Kontakt stehen. Dieser Kontakt kann beispielsweise über elektrische Leitungen erfolgen. Der Kontakt dient beispielsweise dazu, Betriebsparameter wie Drehfrequenz der Rotorwellen u.ä. auszutauschen.
  • Die einzige Steuerung oder die Mehrzahl von Steuerungen ist in einer weiteren Ausführungsform so ausgestaltet, dass sie zur Regelung des Vorvakuumpumpsystems dient. Das Vorvakuumpumpsystem besteht aus einer oder mehreren Vakuumpumpen, von denen mindestens eine das Gas bis auf Atmosphärendruck verdichtet. Die Regelung umfasst beispielsweise die Einstellung des Saugvermögens der einzelnen oder Mehrzahl der Vorpumpen.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die Rotorwellen frequenzversetzt in Drehung versetzt. Das heißt zu Beginn, wenn die Rotorwellen noch nicht die endgültige Drehfrequenz erreicht haben, drehen sich die Rotorwellen jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen. Zwischen dem Start der Vakuumpumpe mit stillstehenden Rotorwellen und dem Erreichen der Betriebsdrehzahl laufen die Rotorwellen zu jedem Zeitpunkt mit voneinander verschiedenen Drehfrequenzen. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich alle Rotorwellen gleichzeitig mit einer Frequenz drehen, die in einem Resonanzbereich liegt. Belastungen durch ein gegenseitiges Aufschaukeln der durch die Resonanzen entstehenden Schwingungen können somit vermieden werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Rotorwellen zumindest teilweise parallel angeordnet. Dies erlaubt eine sehr kostengünstige und einfach Montage, da die unteren Gehäuseteile und die Pakete aus rotierenden und stehenden pumpaktiven Bauteilen als Baugruppen vormontiert werden können. Auf diese bereits montierten Baugruppen wird dann nur noch das obere Gehäuseteil 10 mit seinem Flansch 2 gesetzt.
  • Diese Ausführungsform kann dadurch weitergedacht werden, dass nicht nur die Achsen der einzelnen Rotorwellen parallel zueinander sind. Der Flansch definiert eine Fläche und damit eine auf ihr senkrecht stehende Flächennormale. Die weitergedachte Ausführungsform entsteht, wenn diese Flächennormale und mindestens ein Teil der Rotorwellen parallel zueinander sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens eines der Lagermittel ein Magnetlager. Dabei kann es sich um ein passives oder ein aktives Magnetlager handeln, welches die Drehung in radialer oder axialer Richtung unterstützt.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die rotierenden 7 und stehenden 8 pumpaktiven Bauteile als Flügel derart ausgebildet, dass es sich um eine Turbomolekularvakuumpumpe handelt.

Claims (12)

  1. Vakuumpumpe (1) mit einem Flansch (2), mindestens zwei Gaseintrittsöffnungen (4), mindestens einer Gasaustrittsöffnung (5), mindestens zwei Rotorwellen (6), die jeweils rotierende pumpaktive Bauteile (7) tragen, welche jeweils stehenden pumpaktiven Bauteilen (8) gegenüberstehen, mit mindestens einem unteren Gehäuseteil (9), einem den Flansch tragenden Gehäuseoberteil (10), mit Antriebsmitteln (11), welche die Rotorwellen (6) in Rotation versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Gaseintrittsöffnungen (4) innerhalb des Flansches (2) befinden und dass der Flansch (2) an einem gemeinsamen Gehäuseoberteil (10) angeordnet ist.
  2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rotorwellen (6) wenigstens über einem Teil ihrer axialen Länge in dem gemeinsamen Gehäuseoberteil (10) angeordnet sind.
  3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (12) zur elektrischen Ansteuerung der Antriebsmittel (11) vorhanden ist.
  4. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Steuerungen (12) zur elektrischen Ansteuerung der Antriebsmittel (11) vorhanden sind und miteinander in Kontakt stehen.
  5. Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) zur elektrischen Ansteuerung eines Vorvakuumsystems dient.
  6. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der rotierenden pumpaktiven Bauteile (7) und die Durchmesser der stehenden pumpaktiven Bauteile (8) der verschiedenen Rotorwellen (6) gleich sind.
  7. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwellen (6) frequenzversetzt in Rotation versetzt werden.
  8. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Achsen der Vakuumpumpe, die durch eine Flächennormale und durch die Rotorwellen gegeben sind, parallel angeordnet sind.
  9. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe weiterhin Lagermittel (13) umfasst, wobei mindestens eines der Lagermittel (13) ein Magnetlager ist.
  10. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (2) kreisförmig ist.
  11. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Molekularvakuumpumpe ist.
  12. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Turbomolekularvakuumpumpe ist.
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