EP1706645B1 - Mehrstufige reibungsvakuumpumpe - Google Patents
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- F04D19/02—Multi-stage pumps
- F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
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- F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
- F04D17/12—Multi-stage pumps
- F04D17/127—Multi-stage pumps with radially spaced stages, e.g. for contrarotating type
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- F04D17/08—Centrifugal pumps
- F04D17/16—Centrifugal pumps for displacing without appreciable compression
- F04D17/168—Pumps specially adapted to produce a vacuum
Definitions
- the invention relates to a multi-stage friction vacuum pump with at least one axially compressing turbo compressor stage, which has a rotor rotating about its axis with rotor disks projecting between stationary stator disks.
- Turbomolecular pumps belong to the group of friction vacuum pumps with which a high vacuum can be generated, for example for recipients for semiconductor production or also for mass spectrometers.
- a multi-stage friction vacuum pump which in DE 100 04 271 A1 (Leybold Vakuum GmbH), has one or more turbo compressor stages, each comprising a rotor with radially projecting rotor disks and a stator with consist radially protruding stator discs. The rotor discs and stator discs mesh with each other at a small distance. They cause a molecular flow axially to the rotor axis.
- a circular compressor stage which has a rotor with axially projecting rotor blades arranged on circular paths and a stator with axially projecting stator blades arranged on circular paths.
- Rotor blades and stator blades alternately engage each other and cause a molecular flow, which is directed either radially inward or radially outward depending on the direction of rotation of the rotor and angle of attack of the blades.
- a similar multi-stage friction vacuum pump is also off WO 94/25760 known.
- the invention has for its object to provide a multi-stage friction vacuum pump with at least one turbo compressor stage, in which the stages are arranged in the flow path in series, and to provide increased compression.
- the multi-stage friction type vacuum pump comprises the features of claim 1.
- the vacuum pump includes a turbo-compressor stage and a downstream in the flow path circular compressor stage. While the turbo-compressor stage is capable of generating a high vacuum, the downstream circular compressor stage serves to effect an increase in pressure. Consequently, the circular compressor stage may have small dimensions because of the compression volume of the gas reduced.
- the circular compressor stage has a small axial extent, because it is flowed through mainly in the radial direction.
- the overall dimensions of the friction pump are not significantly increased by the circular compressor stage, but the compression is significantly increased over single-stage friction vacuum pumps.
- the inventive combination of an upstream turbo compressor stage and a downstream circular compressor stage offers the advantage of a small footprint with high compression power.
- the turbo-compressor stage and the circular compressor stage are integrated into a common combination of rotor and stator.
- the rotors of both compressor stages consist of a single overall rotor and that the stators of both compressor stages also consist of a single overall stator. In this way, the dimensions and weight can be further reduced.
- the friction vacuum pump according to the invention is preferably designed as a multiple-inlet pump. It has at least two axially spaced, in-line compression turbo compressor stages, between which there is an intermediate inlet. On the compressor side of the first turbo-compressor stage and / or the second turbo-compressor stage a circular compressor stage is arranged. Such a pump is particularly suitable for use in conjunction with mass spectrometers.
- the increased gas flow at the intermediate inlet, to which the analyzer of the mass spectrometer is connected increases the gas flow at the intermediate inlet, without adversely affecting the pressure at the high-vacuum inlet.
- the increase of the gas flow at the intermediate inlet means for the mass spectrometer an increase of the sensitivity.
- friction vacuum pump has a housing 10 which is designed substantially cylindrical and at one end has a high vacuum port HV.
- housing wall In the housing wall is an intermediate inlet ZE1, which is open at the side.
- the intermediate inlet ZE1 is bridged by webs 18 which connect the stator parts together.
- first turbo-compressor stage 11 consisting of a stator 12 and a rotor 13.
- the stator 12 has a plurality of stator disks 15 directed radially inwardly from a circumferential wall 14.
- the rotor 13 has a plurality of radially outwardly projecting rotor disks 16 projecting between the stator disks 15.
- the rotor 13 is driven by a drive 17, which includes a schneil Stanfordden electric motor, at a rotational speed of 30,000 to 60,000 U / min. driven.
- a second turbo-compressor stage 21 is arranged on the compressor side of the first turbo-compressor stage 11 and connected on the inlet side to the intermediate inlet ZE1.
- the turbo-compressor stage 21 consists of a stator 22 and a rotor 23.
- the stator 22 has a plurality of stator disks 25 directed radially inwardly from a circumferential wall 22.
- the rotor 23 has a plurality of projecting radially outwardly projecting between the stator 25 Rotor disks 26 on.
- the rotors 13 and 23 are fixedly connected to each other and are driven in common by the drive 17.
- the compressor stage 30 is for example a Holweck stage or another molecular pump, for example a Gaede, Siegbahn, Engtractors or side channel pump.
- a circular compressor stage 33 is provided following the first turbo-compressor stage 11. This has a rotor disk 34, which is part of the rotor 13 of the turbo compressor stage 11, and a stator 32, which is part of the stator 12.
- the rotor disk 34 has rotor blades 35 arranged on concentric circles
- the stator disk 32 has stator blades 36, which are also arranged on concentric circles and engage in the gaps between the rotor circuits, as shown in FIG FIG. 2 is shown.
- the stator vanes and rotor blades have opposing skews with respect to the radial direction.
- the circular compressor stage 33 conveys either radially outward or radially inward.
- the conveying direction is indicated by the arrow 37 in the present embodiment.
- the gas transport passes from the high vacuum inlet HV through the turbo-compressor stage 11 and from its circumference radially inwardly through the circular compressor stage 33 and from there through a gap 38 to the intermediate inlet ZE1.
- the turbo-compressor stage 21 conveys the gas to the compressor stage 30.
- the second intermediate inlet ZE2 also opens into the compressor stage 30.
- the compressor stage 30 delivers to an outlet (not shown).
- One of the rotor disks 16 of the turbo-compressor stage 11 is the carrier disk for the rotor blades of the circular compressor stage 33.
- the stator disk of the Circular compressor stage also forms the end wall for the pressure-side end of the turbo-compressor stage 11.
- a particular advantage is that the circular compressor stage 33 is to some extent integrated into the turbo-compressor stage 11. The only additional effort required is in the rotor and stator blades 35,36, which are additionally provided on the rotor and stator of the turbo compressor stage.
- a circular compressor stage 33 can also be provided behind the second turbo-compressor stage 21.
- the pressure side of the respective turbo compressor stage provided and integrated into the turbo compressor stage circular compressor stage of the gas flow is increased on the pressure side. For a connected mass spectrometer, this means an increase in sensitivity.
- FIG. 3 shows the gas flow 40 through the circular compressor stage 33 radially from outside to inside.
- the blade surface of the rotor disk 34 is conical.
- the rotor blades 35 have an axial length which decreases with decreasing radius of the circular path.
Description
- Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Reibungsvakuumpumpe mit mindestens einer axial verdichtenden Turboverdichterstufe, die einen um seine Achse rotierenden Rotor mit zwischen feststehende Statorscheiben ragenden Rotorscheiben aufweist.
- Turbomolekularpumpen gehören zur Gruppe der Reibungsvakuumpumpen, mit denen ein Hochvakuum erzeugt werden kann, beispielsweise für Rezipienten für die Halbleiterherstellung oder auch für Massenspektrometer. Eine mehrstufige Reibungsvakuumpumpe, die in
DE 100 04 271 A1 (Leybold Vakuum GmbH) beschrieben ist, weist eine oder mehrere Turboverdichterstufen auf, die jeweils aus einem Rotor mit radial abstehenden Rotorscheiben und einem Stator mit radial abstehenden Statorscheiben bestehen. Die Rotorscheiben und Statorscheiben greifen mit geringem Abstand kammartig ineinander. Sie bewirken eine Molekularströmung axial zur Rotorachse. Zusätzlich zu der Turboverdichterstufe kann eine Zirkularverdichterstufe vorgesehen sein, die einen Rotor mit auf Kreisbahnen angeordneten axial abstehenden Rotorschaufeln und einen Stator mit auf Kreisbahnen angeordneten axial abstehenden Statorschaufeln aufweist. Rotorschaufeln und Statorschaufeln greifen abwechselnd ineinander und bewirken eine Molekularströmung, die je nach Drehrichtung des Rotors und Anstellwinkel der Schaufeln entweder radial nach innen oder radial nach außen gerichtet ist. Eine ähnliche mehrstufige Reibungsvakuumpumpe ist auch ausWO 94/25760 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrstufige Reibungsvakuumpumpe mit mindestens einer Turboverdichterstufe zu schaffen, bei der die Stufen im Strömungsweg seriell angeordnet sind, und die eine erhöhte Kompression liefern soll.
- Die mehrstufige Reibungsvakuumpumpe nach der vorliegenden Erfindung weist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Die Vakuumpumpe enthält eine Turboverdichterstufe und eine im Strömungsweg nachgeschaltete Zirkularverdichterstufe. Während die Turboverdichterstufe geeignet ist, ein Hochvakuum zu erzeugen, dient die nachgeordnete Zirkularverdichterstufe dazu, eine Druckerhöhung zu bewirken. Folglich kann die Zirkularverdichterstufe wegen des durch die Kompression reduzierten Gasvolumens geringe Abmessungen haben. Die Zirkularverdichterstufe hat eine geringe axiale Erstreckung, weil sie hauptsächlich in radialer Richtung durchströmt wird. Die Gesamtabmessungen der Reibungspumpe werden durch die Zirkularverdichterstufe nicht wesentlich vergrößert, jedoch wird die Verdichtung gegenüber einstufigen Reibungsvakuumpumpen deutlich erhöht. Die erfindungsgemäße Kombination aus einer vorgeordneten Turboverdichterstufe und einer nachgeordneten Zirkularverdichterstufe bietet den Vorteil eines geringen Platzbedarfes bei hoher Kompressionsleistung.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Turboverdichterstufe und die Zirkularverdichterstufe in eine gemeinsame Kombination aus Rotor und Stator integriert. Dies bedeutet, dass die Rotoren beider Verdichterstufen aus einem einzigen Gesamtrotor bestehen und dass die Statoren beider Verdichterstufen ebenfalls aus einem einzigen Gesamt-Stator bestehen. Auf diese Weise können die Abmessungen und das Gewicht weiter verringert werden.
- Die erfindungsgemäße Reibungsvakuumpumpe ist vorzugsweise als Multiple-Inlet-Pumpe ausgebildet. Sie weist mindestens zwei axial beabstandete, in Reihe verdichtende Turboverdichterstufen auf, zwischen denen sich ein Zwischeneinlass befindet. An der Verdichterseite der ersten Turboverdichterstufe und/oder der zweiten Turboverdichterstufe ist eine Zirkularverdichterstufe angeordnet. Eine derartige Pumpe eignet sich insbesondere für die Verwendung in Verbindung mit Massenspektrometern. Durch den erhöhten Gasfluss am Zwischeneinlass, an den die Analyseeinrichtung des Massenspektrometers angeschlossen ist, wird der Gasfluss am Zwischeneinlass erhöht, ohne negativen Einfluss auf den Druck am Hochvakuumeinlass. Die Erhöhung des Gasflusses am Zwischeneinlass bedeutet für das Massenspektrometer eine Erhöhung der Empfindlichkeit.
- Als Zirkularverdichterstufen können je nach Verdichtungsverhältnis unterschiedliche Typen und Konstruktionen benutzt werden, wie sie in
DE 100 04 271 A1 beschrieben sind. - Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht so zu verstehen, dass dadurch der Schutzbereich der Erfindung eingeschränkt wird. Dieser bestimmt sich vielmehr nach den Patentansprüchen, einschließlich der Äquivalente.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine Reibungsvakuumpumpe nach der Erfindung,
- Fig. 2
- eine Ansicht der Zirkularverdichterstufe,
- Fign. 3 und 4
- Längsschnitte durch verschiedene Ausführungsformen von Zirkularverdichterstufen.
- Die in
Figur 1 dargestellte Reibungsvakuumpumpe weist ein Gehäuse 10 auf, das im Wesentlichen zylindrisch gestaltet ist und an einem Ende einen Hochvakuumanschluss HV hat. In der Gehäusewand befindet sich ein Zwischeneinlass ZE1, der seitlich offen ist. Der Zwischeneinlass ZE1 ist durch Stege 18 überbrückt, die die Statorteile miteinander verbinden. - In dem vorderen Teil 10a des Gehäuses 10 befindet sich eine erste Turboverdichterstufe 11 aus einem Stator 12 und einem Rotor 13. Der Stator 12 weist mehrere von einer Umfangswand 14 radial nach innen gerichtete Statorscheiben 15 auf. Der Rotor 13 weist mehrere zwischen die Statorscheiben 15 ragende radial nach außen abstehende Rotorscheiben 16 auf. Der Rotor 13 wird von einem Antrieb 17, der einen schneillaufenden Elektromotor enthält, mit einer Drehzahl von 30.000 bis 60.000 U/min. angetrieben.
- Eine zweite Turboverdichterstufe 21 ist verdichterseitig von der ersten Turboverdichterstufe 11 angeordnet und einlassseitig mit dem Zwischeneinlass ZE1 verbunden. Die Turboverdichterstufe 21 besteht aus einem Stator 22 und einem Rotor 23. Der Stator 22 weist mehrere von einer Umfangswand 22 radial nach innen gerichtete Statorscheiben 25 auf. Der Rotor 23 weist mehrere zwischen die Statorscheiben 25 ragende radial nach außen abstehende Rotorscheiben 26 auf. Die Rotoren 13 und 23 sind fest miteinander verbunden und werden von dem Antrieb 17 gemeinsam angetrieben.
- An die zweite Turboverdichterstufe 21 schließt sich in dem Gehäuse 10 eine weitere Verdichterstufe 30 an, die zusätzlich mit einem Zwischeneinlass ZE2 verbunden ist. Die Verdichterstufe 30 ist beispielsweise eine Holweckstufe oder eine andere Molekularpumpe, beispielsweise eine Gaede-, Siegbahn-, Engländer-oder Seitenkanalpumpe.
- Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im Anschluss an die erste Turboverdichterstufe 11 eine Zirkularverdichterstufe 33 vorgesehen. Diese weist eine Rotorscheibe 34 auf, die Bestandteil des Rotors 13 der Turboverdichterstufe 11 ist, und eine Statorscheibe 32, die Bestandteil des Stators 12 ist. Die Rotorscheibe 34 weist Rotorschaufeln 35 auf, die auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind und die Statorscheibe 32 weist Statorschaufeln 36 auf, die ebenfalls auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind und in die Lücken zwischen den Rotorkreisen eingreifen, wie dies in
Figur 2 dargestellt ist. Die Statorschaufeln und Rotorschaufeln haben gegensinnige Schrägstellungen in Bezug auf die Radialrichtung. In Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors fördert die Zirkularverdichterstufe 33 entweder radial nach außen oder radial nach innen. Die Förderrichtung ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den Pfeil 37 bezeichnet. Der Gastransport geht von dem Hochvakuumeinlass HV durch die Turboverdichterstufe 11 und von deren Umfang radial nach innen durch die Zirkularverdichterstufe 33 und von dort durch einen Spalt 38 zum Zwischeneinlass ZE1. Vom Zwischeneinlass ZE1 fördert die Turboverdichterstufe 21 das Gas zu der Verdichterstufe 30. In die Verdichterstufe 30 mündet auch der zweite Zwischeneinlass ZE2. Die Verdichterstufe 30 fördert zu einem (nicht dargestellten) Auslass. - Eine der Rotorscheiben 16 der Turboverdichterstufe 11 ist die Trägerscheibe für die Rotorschaufeln der Zirkularverdichterstufe 33. Die Statorscheibe der Zirkularverdichterstufe bildet zugleich die Abschlusswand für das druckseitige Ende der Turboverdichterstufe 11.
- Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die Zirkularverdichterstufe 33 in die Turboverdichterstufe 11 gewissermaßen integriert ist. Der einzige zusätzlich erforderliche Aufwand besteht in den Rotor- und Statorschaufeln 35,36, die an Rotor und Stator der Turboverdichterstufe zusätzlich vorgesehen sind.
- Alternativ zu dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Zirkularverdichterstufe 33 auch hinter der zweiten Turboverdichterstufe 21 vorgesehen sein. Durch die druckseitig von der jeweiligen Turboverdichterstufe vorgesehene und in die Turboverdichterstufe integrierte Zirkularverdichterstufe wird der Gasfluss auf der Druckseite erhöht. Für ein angeschlossenes Massenspektrometer bedeutet dies eine Erhöhung der Empfindlichkeit.
-
Figur 3 zeigt den Gasfluss 40 durch die Zirkularverdichterstufe 33 radial von außen nach innen. - Bei dem Ausführungsbeispiel von
Figur 4 ist die Schaufelfläche der Rotorscheibe 34 kegelförmig. Die Rotorschaufeln 35 haben eine axiale Länge, die sich mit kleiner werdendem Radius der Kreisbahn verringert. - Es ist auch möglich, eine Zirkularverdichterstufe mit mehreren Scheiben und abwechselnd nach außen und nach innen gerichteten Strömungsverläufen zu verwenden wie sie generell die Figur 7 von
DE 100 04 271 A1 darstellt.
Claims (8)
- Mehrstufige Reibungsvakuumpumpe mit mindestens einer axial verdichtenden Turboverdichterstufe (11,21), die einen um seine Achse rotierenden Rotor (13) mit zwischen feststehenden Statorscheiben (15) ragenden Rotorscheiben (16) aufweist, und einer an der Verdichterseite der Turboverdichterstufe (11) angeordneten radial verdichtenden Zirkularverdichterstufe (33), die einen Rotor (34) mit auf Kreisbahnen angeordneten axial abstehenden Rotorschaufeln (35) und einen Stator (39) mit auf Kreisbahnen angeordneten axial abstehenden Statorschaufeln (36) aufweist
dadurch gekennzeichnet,
dass die Statorschaufeln (36) in radiale Lücken zwischen benachbarte Kreisbahnen von Rotorschaufeln (35) eingreifen. - Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (35) der Zirkularverdichterstufe an einem die Rotorscheiben (16) tragenden Rotorkörper der Turboverdichterstufe (11) angeordnet sind.
- Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Statorschaufeln (36) an einem die Statorscheiben (15) tragenden Statorkörper der Turboverdichterstufe (11) angeordnet sind.
- Reibungsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 3, als Multiple-Inlet-Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei axial beabstandete, in Reihe verdichtende Turboverdichterstufen (11,21) vorgesehen sind, zwischen denen sich ein Zwischeneinlass (ZE1) befindet, und dass eine Zirkularverdichterstufe (33) an der Verdichterseite der ersten Turboverdichterstufe (11) angeordnet ist.
- Reibungsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 3, als Multiple-Inlet-Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei axial beabstandete, in Reihe verdichtende Turboverdichterstufen (11,21) vorgesehen sind, zwischen denen sich ein Zwischeneinlass (ZE1) befindet, und dass eine Zirkularverdichterstufe (33) an der Verdichterseite der zweiten Turboverdichterstufe (21) angeordnet ist.
- Reibungsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkularverdichterstufe (33) radial einwärts verdichtet.
- Reibungsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkularverdichterstufe (33) mindestens zweistufig ausgebildet ist und abwechselnd radial einwärts und radial auswärts (oder in umgekehrter Reihenfolge) verdichtet.
- Reibungsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (35) eine axiale Länge haben, die sich in Verdichtungsrichtung verjüngt.
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