EP2290242B1 - Vakuumpumpe - Google Patents
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Classifications
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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
-
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- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/60—Mounting; Assembling; Disassembling
- F04D29/601—Mounting; Assembling; Disassembling specially adapted for elastic fluid pumps
Definitions
- the invention relates to a vacuum pump according to the preamble of the first claim.
- Vacuum pumps for the molecular flow area in particular turbomolecular vacuum pumps, have a rapidly rotating rotor. The rotation is so fast that the blades connected to the rotor reach a speed close to the speed of sound.
- the speed values are in the range of tens of thousands of revolutions per minute.
- the measure to arrange on the side facing away from the housing of the pump flange a collar associated with the suction reduces the forces introduced into the fastening means. While the state of the art is aimed at coping with the torques occurring in the event of a fault, which follow from the conservation of angular momentum, the radial forces, which according to the findings of the inventors are not negligible, are handled with the aid of the invention. By reducing the radial forces introduced into the fasteners, a failure mechanism is turned off. Another advantage of the measure is that further components such as arranged between the pump flange and chamber flange centering omitted. These cost on the one hand money, on the other hand, they weaken the connection in addition.
- a sealing element can be integrated in the pump flange so that the number of parts can be further reduced.
- a relief groove is provided, which is arranged in the radial direction outside of the collar adjacent. This improves the flow of force within the collar in case of failure and reduces the risk of shearing the collar. This will make the connection even safer.
- a further development proposes to provide a damping element, in which kinetic energy is converted into deformation energy, so that the resulting forces and moments are reduced.
- FIG. 1 A section through an arrangement with vacuum pump 1 and chamber flange 2 shows Fig. 1 ,
- the vacuum pump has a pump flange 4, which is detachably connected to the chamber flange 2 and surrounds the suction opening 5 of the vacuum pump.
- a screw 30 provides this releasable connection ago.
- the chamber flange is shown here as an opening in a wall which is surrounded by an annular surface. However, the chamber flange may also be provided on a tube piece connected to the chamber.
- the pump flange is arranged on the housing 6 of the vacuum pump.
- This housing encloses vacuum-tight the vacuum generating components.
- These are in particular the stator disks 8, which are axially spaced apart by spacers 9.
- the blades 14 attached to the bell rotor 12 move together with the stator disks to move the gas.
- the bell-rotor 12 is connected to a shaft 10, the connection being produced by one or more screws 16 or equivalent means.
- the shaft is rotatably supported, for example, as shown here by an active radial magnetic bearing 18, and is set by a drive 20 in rapid rotation.
- the worst case of error in this example is the rupture of the bell rotor along its longitudinal axis, ie in the axial direction 24. Two or more fragments of the bell rotor then move largely in the radial direction 22 due to the centrifugal forces. In this case, the connection between pump flange and chamber flange must not be completely solved.
- the Fig. 2 shows the in Fig. 1 by a dashed line framed part in a cut and with more details.
- the screw 30 passes through a channel 32, for example a through-hole, and engages with a thread 34. As a result, the pump flange 4 is pulled against the chamber flange 2 and so made the connection.
- a sealing groove 50 is provided, in which a sealing ring 52, for example, an elastomeric ring is located.
- the pump flange has a relief groove 44 which adjoins the collar in the radial direction outside.
- This relief groove causes a more favorable distribution of the resulting in the event of a fault by the contact with the chamber flange forces and thus counteracts the shearing off of the collar.
- it allows to choose the collar gap 42 as closely as possible, since the production-related curvature 46 is not on the collar foot with the chamber flange in a plane.
- a narrow collar gap means that the diameter of the through-bore 32 can be kept small.
- Fig. 3 A development of the pump flange and the arrangement according to Fig. 2 is in Fig. 3 shown, wherein the same section is shown.
- the collar 40 ' has on its radially outer side on a damping element 60. By this arrangement, it faces the chamber flange 2 'and is located between chamber flange and collar.
- This damping element is chosen so that it is deformable and at the same time suitable for the high-vacuum range. The latter means that it contains as few virtual leaks as possible and has a low outgassing rate.
- the final pressure reached by the vacuum pump should be influenced by less than half a decade. These requirements for the damping element are achieved, for example, when it is designed as a copper ring. In the event of a fault, the damping element initially comes into contact with the chamber flange and is subsequently deformed, as a result of which a portion of the kinetic energy is dissipated.
- a step 56 may be arranged on the pump flange 4 '. This serves a sealing ring 52 'in the radial direction 22' as an inner boundary. Radially outward it is limited by a support ring 54th
- the step creates an axial gap 66 in the region of the screw 30 '. This has an advantageous effect in the event of a fault since the screw receives additional deformation latitude, which is equally present in all directions of force.
- the connection of the chamber flange and pump flange becomes more resistant in both the radial and circumferential directions, as the shearing action on the screws is distributed on their axial-gap section.
- a bracket 70 comprises a hook bolt 72 and a counter hook 84, wherein the hook bolt has a threaded portion which passes through a cylindrical channel of a counter hook.
- a nut 76 is engaged with the threaded portion.
- the hook screw engages in a groove 82 of the chamber flange 2 "arranged on a pipe section 38.
- the counter hook engages in a groove 84 of the pump flange 4".
- a collar 40 is on the side facing away from the housing of the pump flange and associated with the suction port. By this arrangement, it protrudes into the space surrounded by the chamber flange.
- the collar moves through the above-mentioned forces in the radial direction 22 "and comes into contact with the chamber flange, which drastically reduces the shearing load acting on the boundaries of the grooves 82 and 84 and on hooks and hooks Act essentially only forces in the axial direction 24 "and along the grooves, ie in the circumferential direction.
- the clamp is designed by default.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
- Vakuumpumpen für den molekularen Strömungsbereich, insbesondere Turbomolekularvakuumpumpen, weisen einen schnell drehenden Rotor auf. Die Drehung ist dabei so schnell, dass die mit dem Rotor verbundenen Schaufeln eine Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit erreichen. Die Drehzahlwerte liegen im Bereich von einigen zehntausend Umdrehungen pro Minute.
- Diese hohen Drehzahlwerte sind für das Erreichen guter Vakuumdaten wie Saugvermögen und erreichbarer Enddruck wichtig. Jedoch führen sie zu einer sehr hohen in dem Rotor gespeicherten Energie. Sollte im zwar unwahrscheinlichen, jedoch nicht völlig auszuschließenden Fehlerfall diese Energie an das Gehäuse der Vakuumpumpe abgegeben werden, sind die Befestigungsmittel, welche die Verbindung der Vakuumpumpe mit der zu evakuierender Kammer bewirken, einer sehr hohen Belastung ausgesetzt. Eine Überbeanspruchung der Befestigungsmittel im Fehlerfall ist zu vermeiden.
- Im Stand der Technik sind einige Lösungen für den Ansatz bekannt, Schrauben, welche als Befestigungsmittel verwendet werden, einen Verformungsraum zu geben. Beispiele solcher Lösungen stellen die
EP-A 1 537 336 und dieEP-A 1 312 804 vor. In beiden Fällen weisen die Durchgangsbohrungen Abschnitte auf, in denen der Bohrungsdurchmesser deutlich über dem Schraubendurchmesser liegt. - Aus der
EP 1 258 634 A1 ist eine Vakuumpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. - Eine ähnliche Vakuumpumpe ist in der
GB 1 297 740 A - Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumpumpe vorzustellen, bei welcher die Überbeanspruchung der Befestigungsmittel im Fehlerfall vermieden wird.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten Anspruchs. Die Ansprüche 2 und 3 geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
- Die Maßnahme, auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches einen der Ansaugöffnung zugeordneten Kragen anzuordnen, reduziert die in die Befestigungsmittel eingeleiteten Kräfte. Während der Stand der Technik auf die Bewältigung der im Fehlerfall auftretenden Drehmomente, welche aus der Drehimpulserhaltung folgen, abzielt, werden mit Hilfe der Erfindung die nach Erkenntnissen der Erfinder nicht zu vernachlässigenden Radialkräfte gehandhabt. Durch Reduzieren der in die Befestigungsmittel eingeleiteten Radialkräfte wird ein Versagensmechanismus ausgeschaltet. Ein weiterer Vorteil der Maßnahme ist, dass weitergehende Bauteile wie zwischen Pumpenflansch und Kammerflansch angeordnete Zentrierringe entfallen. Diese kosten zum einen Geld, zum anderen schwächen sie die Verbindung zusätzlich.
- In den Pumpenflansch kann aufgrund der Nut oder Stufe ein Dichtungselement integriert werden, so dass die Teilezahl weiter verringert werden kann.
- Erfindungsgemäß ist eine Entlastungsnut vorgesehen, welche in radialer Richtung außerhalb an den Kragen angrenzend angeordnet ist. Diese verbessert den Kraftfluss innerhalb des Kragens im Fehlerfall und verringert die Gefahr des Abscherens des Kragens. Hierdurch wird die Verbindung nochmals sicherer.
- Eine Weiterbildung schlägt vor, ein Dämpfungselement vorzusehen, in welchem kinetische Energie in Verformungsenergie umgesetzt wird, so dass die entstehenden Kräfte und Momente verringert werden.
- Gemäß einer anderen Weiterbildung wird vorgeschlagen, durch eine konische Fläche Saugvermögensverluste der Vakuumpumpe, die durch den Kragen entstehen, klein zu halten.
- An Hand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
- Es zeigen:
- Fig. 1:
- Schnitt durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe,
- Fig. 2:
- Schnitt durch die Flanschverbindung der Anordnung,
- Fig. 3:
- Schnitt durch die Flanschverbindung in einer Weiterbildung,
- Fig. 4:
- Schnitt durch eine Flanschverbindung mit einer Klammerverbindung.
- Einen Schnitt durch eine Anordnung mit Vakuumpumpe 1 und Kammerflansch 2 zeigt
Fig. 1 . Die Vakuumpumpe besitzt einen Pumpenflansch 4, der mit dem Kammerflansch 2 lösbar verbunden ist und den Ansaugöffnung 5 der Vakuumpumpe umgibt. Eine Schraube 30 stellt diese lösbare Verbindung her. Der Kammerflansch ist hier als Öffnung in einer Wandung dargestellt, die von einer ringförmigen Fläche umgeben ist. Der Kammerflansch kann jedoch auch an einem mit der Kammer verbundenen Rohrstück vorgesehen sein. - Der Pumpenflansch ist am Gehäuse 6 der Vakuumpumpe angeordnet. Dieses Gehäuse umschließt vakuumdicht die der Vakuumerzeugung dienenden Komponenten. Dies sind insbesondere die Statorscheiben 8, welche durch Distanzringe 9 axial voneinander beabstandet werden. In den axialen Freiräumen bewegen sich die am Glockenrotor 12 angebrachten Schaufeln 14 und bewirken zusammen mit den Statorscheiben die Gasförderung. Der Glockenrotor 12 ist mit einer Welle 10 verbunden, wobei die Verbindung durch eine oder mehrere Schrauben 16 oder gleichwirkenden Mitteln erzeugt wird. Die Welle ist drehbar gelagert, beispielsweise wie hier gezeigt durch ein aktives radiales Magnetlager 18, und wird durch einen Antrieb 20 in schnelle Drehung versetzt.
- Der schlimmste Fehlerfall ist in diesem Beispiel das Zerreißen des Glockenrotors entlang seiner Längsachse, also in axialer Richtung 24. Zwei oder mehr Bruchstücke des Glockenrotors bewegen sich dann aufgrund der Fliehkräfte weitgehend in radialer Richtung 22. In diesem Fehlerfall darf die Verbindung von Pumpenflansch und Kammerflansch nicht vollständig gelöst werden.
- Die
Fig. 2 zeigt den inFig. 1 durch eine gestrichelte Linie eingerahmten Teil in einem Schnitt und mit weiteren Details. Die Schraube 30 durchsetzt einen Kanal 32, beispielsweise eine Durchgangsbohrung, und steht mit einem Gewinde 34 im Eingriff. Hierdurch wird der Pumpenflansch 4 gegen den Kammerflansch 2 gezogen und so die Verbindung hergestellt. - Im Fehlerfall bewegen sich Teile des Glockenrotors, darunter die Schaufeln 14, in radialer Richtung 22 nach außen und schlagen in Distanzringen 9 und Gehäuse 6 ein. Hierdurch entsteht ein große in radialer Richtung wirkende Kraft, welche auf den Pumpenflansch und die Verbindung zwischen Pumpenflansch und Kammerflansch übertragen wird. Ein Kragen 40 ist auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches angeordnet und der Ansaugöffnung zugeordnet. Durch diese Anordnung ragt er in den vom Kammerflansch umgebenen Freiraum hinein. Im Fehlerfall bewegt sich der Kragen durch die oben genannten Kräfte in radialer Richtung und kommt in Kontakt mit dem Kammerflansch. Zwischen Kragen und Kammerflansch besteht der Kragenspalt 42. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung ist so gewählt, dass der Abstand von Schraubenschaft zu Innenwand der Durchgangsbohrung größer als der Kragenspalt ist. Durch Kragen und Dimensionierung von Kragenspalt und Durchgangsbohrung wird die Schraube 30 im Fehlerfall von den radialen Kräften entlastet.
- Auf der dem Gehäuse 6 abgewandten Seite des Pumpenflansches zwischen Kragen und Durchgangsbohrung ist eine Dichtungsnut 50 vorgesehen, in der ein Dichtring 52, beispielsweise ein Elastomerring, liegt. Hierdurch kann diese Anordnung beide Aufgaben, nämlich Verbinden der Vakuumpumpe mit der Kammer und Abdichten der Verbindung, ohne weitere Bauteile übernehmen.
- Der Pumpenflansch weist eine Entlastungsnut 44 auf, welche in radialer Richtung außerhalb an den Kragen angrenzt. Diese Entlastungsnut bewirkt eine günstigere Verteilung der im Fehlerfall durch den Kontakt mit dem Kammerflansch entstehenden Kräfte und wirkt so dem Abscheren des Kragens entgegen. Außerdem erlaubt sie, den Kragenspalt 42 möglichst eng zu wählen, da die fertigungsbedingte Krümmung 46 am Kragenfuß nicht mit dem Kammerflansch in einer Ebene liegt. Ein enger Kragenspalt bedeutet, dass der Durchmesser der Durchgangsbohrung 32 klein gehalten werden kann.
- Der Saugvermögensverlust durch den in die Ansaugöffnung 5 der Vakuumpumpe hineinreichenden Kragen gegenüber einer gleich großen Vakuumpumpe ohne Kragen kann reduziert werden, indem an den Kragen eine konische Fläche 48 grenzt, welche an ihrem kragenseitigen Ende den kleinsten Durchmesser aufweist. Sie bildet einen Übergang vom Innendurchmesser des Kragens zum Innendurchmesser des Distanzringes 9. Durch diese Öffnung des Konus in Richtung Glockenrotor wird der Leitwert für Gas verbessert und der Saugvermögensverlust verringert.
- Eine Weiterbildung des Pumpenflansches und der Anordnung nach
Fig. 2 ist inFig. 3 gezeigt, wobei der gleiche Ausschnitt dargestellt ist. Der Kragen 40' weist auf seiner in radialer Richtung außen liegenden Seite ein Dämpfungselement 60 auf. Durch diese Anordnung ist es dem Kammerflansch 2' zugewandt und befindet sich zwischen Kammerflansch und Kragen. Dieses Dämpfungselement ist so gewählt, dass es verformbar und gleichzeitig für den Hochvakuumbereich tauglich ist. Letzteres bedeutet, dass es möglichst wenige virtuelle Lecks beinhaltet und eine geringe Ausgasrate aufweist. Der durch die Vakuumpumpe erreichbare Enddruck sollte um weniger als eine halbe Dekade beeinflusst werden. Diese Anforderungen an das Dämpfungselement werden beispielsweise erreicht, wenn es als Kupferring ausgeführt ist. Im Fehlerfall kommt zunächst das Dämpfungselement mit dem Kammerflansch in Kontakt und wird nachfolgend verformt, wodurch ein Teil der Bewegungsenergie abgebaut wird. - Auf dem Pumpenflansch 4' kann eine Stufe 56 angeordnet sein. Diese dient einem Dichtring 52' in radialer Richtung 22' als innere Begrenzung. Radial nach außen wird er begrenzt durch einen Stützring 54.
- Durch die Stufe entsteht im Bereich der Schraube 30' ein Axialspalt 66. Dieser wirkt sich im Fehlerfall vorteilhaft aus, da die Schraube zusätzlichen Verformungsspielraum bekommt, welcher in allen Kraftrichtungen gleichermaßen vorhanden ist. Die Verbindung von Kammerflansch und Pumpenflansch wird widerstandsfähiger sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung, da die Scherwirkung auf die Schrauben auf ihren im Axialspalt befindlichen Abschnitt verteilt wird.
- Anstelle einer Schraube als Befestigungsmittel können andere Mittel eingesetzt werden. Ein Beispiel zeigt
Fig. 4 . Eine Klammer 70 umfasst eine Hakenschraube 72 und einen Gegenhaken 84, wobei die Hakenschraube ein Gewindeabschnitt aufweist, welcher einen zylindrischen Kanal eines Gegenhakens durchsetzt. Eine Mutter 76 steht mit dem Gewindeabschnitt im Eingriff. Die Hakenschraube greift in eine Nut 82 des an einem Rohrstück 38 angeordneten Kammerflansches 2". Der Gegenhaken greift in eine Nut 84 des Pumpenflansches 4". Ein Kragen 40" ist auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Pumpenflansches angeordnet und der Ansaugöffnung zugeordnet. Durch diese Anordnung ragt er in den vom Kammerflansch umgebenen Freiraum hinein. Im Fehlerfall bewegt sich der Kragen durch die oben genannten Kräfte in radialer Richtung 22" und kommt in Kontakt mit dem Kammerflansch. Durch diesen Kontakt wird die auf die Begrenzungen der Nuten 82 und 84 und auf Haken und Gegenhaken einwirkende Scherbelastung drastisch reduziert. Auf die Klammer wirken im wesentlichen nur Kräfte in axialer Richtung 24" und entlang der Nuten, d.h. in Umfangsrichtung. Für die Aufnahme solcher Kräfte ist die Klammer standardmäßig ausgelegt.
Claims (3)
- Vakuumpumpe (1) mit einem Gehäuse (6), einer Ansaugöffnung (5), einem schnell drehenden Rotor (12) und einem mit einem Gegenflansch (2; 2'; 2") verbindbaren Pumpenflansch (4; 4'; 4"), welcher am Gehäuse (6) vorgesehen ist,
wobei auf der dem Gehäuse (6) abgewandten Seite des Pumpenflansches (4; 4'; 4") ein der Ansaugöffnung (5) zugeordneter, die Ansaugöffnung (5) begrenzender Kragen (40; 40'; 40") angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pumpenflansch (4) eine Nut (50) oder eine Stufe zur Aufnahme einer Dichtung (52) und eine Entlastungsnut (44), welche in radialer Richtung außerhalb an den Kragen angrenzend angeordnet ist, aufweist. - Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der in radialer Richtung außen liegenden Seite des Kragens (40; 40'; 40") ein Dämpfungselement (60) angeordnet ist. - Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass an den Kragen (40; 40'; 40") eine konische Fläche (48) grenzt, welche an ihrem kragenseitigen Ende den kleinsten Durchmesser aufweist.
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