EP2549115A2

EP2549115A2 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: EP2549115A2
Application number: EP20120174596
Authority: EP
Inventors: Michael Schweighöfer; Tobias Stoll
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2013-01-23
Also published as: EP2549115A3; DE102011108115A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe (1) mit einem Rotor (10) und wenigstens einer Blechstatorscheibe (24,26,28), wobei wenigstens eine Blechstatorscheibe (24,26,28) eine erste Teilscheibe (50) und eine zweite Teilscheibe (52) und sich zwischen einem inneren Radius (202) und einem äußeren Radius (204) erstreckende Schaufeln (54) aufweist, wobei wenigstens ein Blockiermittel (60,62,64,681,682,74,76,82,90,92) zur Verhinderung eines Übereinandergleitens der Teilscheiben (50,52) vorgesehen ist, welches wenigstens teilweise zwischen dem inneren und dem äußeren Radius (202,204) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Turbomolekularpumpen werden seit Jahren in vielen Bereichen der Vakuumtechnik zur Erzeugung von Hochvakuum und Ultrahochvakuum eingesetzt. Die Vakuumerzeugung beruht in ihnen auf einem schnell drehenden Rotor mit mehreren entlang der Rotorachse zueinander versetzten Schaufelkränzen, zwischen denen statorseitig stehende Schaufelkränze angeordnet sind.
Verschiedene Gestaltungsformen der statorseitigen Schaufelkränze sind im Stand der Technik bekannt. Nachfolgend werden so genannte Blechstatorscheiben betrachtet. Diese werden typischerweise aus Feinblech hergestellt, indem zunächst durch Stanzen oder Schneiden die Schaufeln des Schaufelkranzes freigelegt und in einem nachfolgenden Umformschritt aus der Scheibenebene herausgedreht werden. Diese Blechstatorscheiben sind kostengünstig und sind insbesondere für den Bereich des Vorvakuums beliebt, in welchem die Schaufeln nur um wenige Grad aus der Scheibenebene herausgestellt sind.
Da jeder statorseitige Schaufelkranz um die Welle des Rotors herum und in der Regel zwischen zwei rotorseitigen Schaufelkränzen angeordnet ist, erfordert die Montierbarkeit, die Blechstatorscheibe einer Stufe aus mehreren, in der Regel zwei, Teilscheiben zu bilden. Dadurch wird die geringe Dicke des Bleches zu einem Nachteil: dort, wo die Teilscheiben aneinanderstoßen, können die dünnen Bleche übereinanderrutschen. Die Schaufeln des Schaufelkranzes sind dann falsch positioniert und weichen unter anderem in Richtung der Rotorachse von ihrer Solllage ab. In der Folge wird der Spalt zwischen rotorseitigem und statorseitigem Schaufelkranz aufgebraucht. In besonderen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei hohen Gaslasten, kann dies zu einem Kontakt zwischen rotorseitigen und statorseitigen Bauteilen führen. Im schlimmsten Fall ist das Versagen der Pumpe die Folge.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Turbomolekularpumpe vorzustellen, in welcher das Überlappen der Teilscheiben verhindert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Turbomolekularpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 8 geben Weiterbildungen mit zusätzlichen Vorteilen an.
Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe mit einem Rotor und einer Blechstatorscheibe, wobei wenigstens eine Blechstatorscheibe eine erste Teilscheibe und eine zweite Teilscheibe und sich zwischen einem inneren Radius und einem äußeren Radius erstreckende Schaufeln aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Blockiermittel zur Verhinderung eines Übereinandergleitens der Teilscheiben vorgesehen ist, welches wenigstens teilweise zwischen dem inneren und dem äußeren Radius angeordnet ist.
Durch die Gestaltung nach Anspruch 1 ist das Blockiermittel nicht in den radial schmalen Bereichen der Tragringe sondern im radial breiten Bereich der Schaufeln angeordnet. Dies bringt Vorteile mit sich. Beispielsweise ermöglichen diese Merkmale, den inneren Tragring der Statorscheibe schmal zu halten. Dies erlaubt kleine Spaltmaße und damit geringere Rückströmungen. Der Schaufelbereich stellt ausreichend Bauraum für das Blockiermittel zur Verfügung. Änderungen an den mit dem äußeren Tragring zusammenwirkenden Gehäusebauteilen, beispielsweise Distanzringen, sind nicht notwendig, so dass hier keine virtuellen Lecks entstehen können. Die Montage wird vereinfacht, wenn das Blockiermittel größer als an den Enden der Tragringe gestaltet ist. Insgesamt wird die Ebenheit der Statorscheibe erhöht, so dass der Spalt zwischen Rotor- und Statorkomponenten größer ist. Dies ist auch beim Auftreten hoher axialer Kräfte auf die Scheibe von Vorteil. Solche Kräfte entstehen beispielsweise beim Flutvorgang durch große Mengen an Gas, die bei starkem Druckgefälle die Pumpe durchströmen. Dieser und die anderen Vorteile werden vertieft, wenn das Blockiermittel als Eingriffsmittel gestaltet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass beide Teilscheiben jeweils wenigstens ein Blockiermittel aufweisen und dass das Blockiermittel der ersten Teilscheibe zusammen mit dem Blockiermittel der zweiten Teilscheibe eine Schaufel bilden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass durch die Blockiermittel unmittelbar eine Schaufel gebildet wird. Dies ist strömungstechnisch besonders vorteilhaft.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Blockiermittel sich kreuzende Kanten der Teilscheiben aufweist. Durch die kreuzenden Kanten ist ein besonders guter Schutz gegen ein Übereinandergleiten der Teilscheiben gegeben.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Blockiermittel wenigstens eine axial ausgerichtete Zunge aufweist. Durch die Ausbildung der wenigstens einen axial ausgerichteten Zunge ist ebenfalls ein guter Schutz gegen das Übereinandergleiten der Teilscheiben gegeben.
Vorteilhaft ist das Blockiermittel als Eingriffsmittel zur Positionierung der Teilscheiben in einer axialen Richtung ausgebildet. Hierdurch weist die Erfindung den Vorteil auf, dass nicht nur das Übereinandergleiten der Teilscheiben verhindert wird, sondern dass die Teilscheiben gleichzeitig positioniert werden, was die Montage erleichtert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Eingriffsmittel eine Zunge an der ersten Teilscheibe umfasst, die im montierten Zustand eine Überlappung mit der zweiten Teilscheibe bewirkt. Hierdurch ist die beschriebene Positionierung sehr einfach realisierbar.
Vorteilhaft sind zwischen dem inneren und dem äußeren Radius ein Schaufelabschnitt und das Blockiermittel vorgesehen. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Wirkung des Blockiermittels optimal ist und dass keine Beeinträchtigung des Gasdurchflusses auftritt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erste und die zweite Teilscheibe gleich gestaltet. Hierdurch werden Produktionskosten deutlich minimiert, da lediglich ein Teil hergestellt werden muss.
Anhand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
Es zeigen:

Fig. 1

einen Schnitt durch eine Vakuumpumpe;

Fig. 2

einen Draufblick auf eine Blechstatorscheibe mit Teilscheiben;

Fig. 3

einen Blick auf die Stoßkante einer der Teilscheiben aus Fig. 2;

Fig. 4

einen seitlichen Blick auf die Stoßkanten zweier Teilscheiben in einer Weiterbildung;

Fig. 5

a) einen seitlichen Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben,
b) einen Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontierten Zustand,
c) einen Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im montierten Zustand;

Fig. 6

a) einen seitlichen Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontierten Zustand,
b) einen seitlichen Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im montierten Zustand,
c) einen Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontieren Zustand,
d) einen Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im montierten Zustand;

Fig. 7

a)

Fig. 8 a)

a) einen seitlichen Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben,
b) einen Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontierten Zustand.

Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine Turbomolekularpumpe 1. Sie besitzt einen Flansch 4, der lösbar an dem Flansch einer zu evakuierenden Kammer befestigt ist. Durch eine Ansaugöffnung 6 wird Gas in die Pumpe 1 eingesaugt und durch einen Auslass 8 ausgestoßen. Im Gehäuse 2 sind Rotor 10 und Stator 20 angeordnet, durch deren Zusammenwirken die Förderwirkung erreicht wird.
Der Rotor 10 umfasst eine Welle 12, auf der eine vorvakuumseitige Rotorscheibe 14, eine mittlere Rotorscheibe 16 und eine hochvakuumseitige Rotorscheibe 18 vorgesehen sind, wobei jede der Rotorscheiben einen aus einer Mehrzahl von Schaufeln bestehenden Schaufelkranz besitzt (nicht dargestellt). Die Welle 12 wird hochvakuumseitig durch ein Permanentmagnetlager 40 und vorvakuumseitig durch ein Wälzlager 42 drehbar unterstützt. Alternativ zu diesem gezeigten Aufbau sind im Stand der Technik Lageranordnungen mit drei- und fünfachsig aktiven Magnetlagern bekannt. Auch fliegende Lagerungen sind bekannt, bei denen beide Lager vorvakuumseitig angeordnet sind. Der Rotor 10 kann anstelle des gezeigten und so genannten Scheibenrotors als so genannter Glockenrotor ausgeführt sein. Ein Antrieb 44 versetzt den Rotor 10 in schnelle Drehung von einigen Zehntausend Umdrehungen in der Minute.
Der Stator 20 umfasst eine vorvakuumseitige Statorscheibe 24, eine mittlere Statorscheibe 26 und eine hochvakuumseitige Statorscheibe 28. Diese sind durch Distanzringe 30, 32 und 34 in Bezug auf die Welle 12 axial voneinander beabstandet und mit den Rotorscheiben 14, 16, 18 alternierend angeordnet. Die Statorscheiben 24, 26, 28 besitzen ebenfalls Schaufelkränze (nicht dargestellt).
Die Anzahl von Rotor- und Statorscheiben hängt von den gewünschten vakuumtechnischen Parametern wie Saugvermögen und Druckverhältnis zwischen Ansaugöffnung und Auslass ab.
Die nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispiele können auf eine, mehrere oder jede der aus Feinblech hergestellten Statorscheiben 24, 26, 28 der Turbomolekularpumpe angewendet werden.
Am Beispiel der Statorscheibe 24 zeigt Fig. 2 deren Aufbau im Draufblick. Die Statorscheibe 24 ist aus einer ersten Teilscheibe 50 und einer zweiten Teilscheibe 52 aufgebaut, wobei die Fig. 2 den demontierten Zustand zeigt. Zwischen einem bogenförmigen inneren Tragring 56 und einem äußeren Tragring 58 ist ein Kranz von Schaufeln 54 angeordnet. Der kleinste Abstand der Schaufeln zur Drehachse 200 legt einen inneren Radius 202 fest, wobei zur Schaufel auch zwischen Schaufel und Tragring vorgesehene Stege gerechnet werden. Ein äußerer Radius 204 ist durch den größten Abstand von Schaufel zur Drehachse 200 festgelegt. Vorteilhaft ist es, beide Teilscheiben 50, 52 als Gleichteile zu gestalten. In der Fig. 2 bedeutet dies, dass die Teilscheibe 52 durch Drehung um 180° um die Drehachse aus der Teilscheibe 50 hervorgeht. Bei Montage werden die Teilscheiben 50, 52 gegeneinander geschoben, so dass die bogenförmigen Tragringe 56, 58 geschlossene Kreise bilden. Das vorgenannte Problem ist das Übereinanderrutschen der Teilscheiben 50, 52 bei diesem Montageschritt.
Das Übereinanderrutschen wird durch ein Blockiermittel verhindert. Dieses umfasst in dem gezeigten Beispiel eine gewellte Stoßkante 60. Das Material der Stoßkante 60 ist zwischen innerem und äußerem Radius durch Umformen aus der Scheibenebene herausgehoben. Diese gewellte Stoßkante wirkt mit einer glatten Stoßkante 62 zusammen. Alternativ kann auch die Stoßkante 62 gewellt sein, wobei die Wellen so gewählt sein müssen, dass sich die Stoßkanten mindestens einmal kreuzen.
Die Teilscheibe 50 ist in Fig. 3 im Blick in der senkrecht zur Drehachse liegenden Scheibenebene 206 auf die Stoßkanten dargestellt. Zwischen innerem und äußerem Radius 202, 204 ist die Wellung der Stoßkante 60 zu erkennen, wobei die Wellung einen kleineren Abstand zur Scheibenebene 206 aufweist als die Endkanten der Schaufeln.
Eine andere Ausführung des Blockiermittels zeigt Fig. 4 im seitlichen Anblick des Stoßbereiches der Teilscheiben 50, 52. Während die Stoßkante der ersten Teilscheibe 50 in diesem Beispiel glatt in der Scheibenebene 206 liegend ausgeführt ist, weist die zweite Teilscheibe 52 eine aus der Scheibenebene 206 und auf diese senkrecht stehende axiale Lasche 64 auf. Diese erstreckt sich mindestens zwischen innerem und äußerem Radius 202, 204. Sie kann sich auch teilweise oder ganz über den radialen Bereich der Tragringe 56, 58 erstrecken. Dies ist einfach zu fertigen und ermöglicht die zusätzliche Positionierung über die Distanzringe. Die Lasche 64 kann außerdem Abschnitte 641 und 642 oberhalb und unterhalb der Scheibenebene 206 besitzen, so dass das Übereinandergleiten in zwei Richtungen sicher verhindert wird. Zur Bildung der Abschnitte 641 und 642 kann die Lasche 64 auch geteilt sein, wobei dann die Teile in unterschiedlichem Sinn aus der Scheibenebene 206 herausgestellt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 greift den Gedanken des sich zwischen innerem und äußerem Radius 202, 204 im Stoßbereich erstreckenden Steges als Blockiermittel auf und bildet ihn weiter, indem beide Teilscheiben 50, 52 in Eingriff miteinander gebracht werden.
Teil a) der Fig. 5 zeigt den seitlichen Blick auf den Stoßbereich der Teilscheiben 50 und 52. Jede der Teilscheiben 50, 52 weist Zungen 681 und 682 auf. Diese sind, wie aus dem Draufblick nach Teil b) der Fig. 5 zu erkennen ist, an Stegen 661 und 662 befestigt. Teil c) der Fig. 5 zeigt den montierten Zustand, in welchem jede der Zungen 681 und 682 den jeweils angrenzenden Steg 661, 662 der benachbarten Teilscheibe überdeckt. Hierzu kann, wie in Teil a) gezeigt, die Zunge 66, 68 aus der Scheibenebene 206 herausgedrückt sein. Alternativ kann auch der Steg 661, 662 alleine oder es können beide zusammen aus den Scheiben herausgedrückt sein. Durch den Überlapp der Zungen 681, 682 mit den Stegen 661, 662 werden die Teilscheiben 50, 52 derart in Eingriff miteinander gebracht, dass sich keine der Teilscheiben 50, 52 gegenüber der anderen aus der Scheibenebene 206 hinausbewegen kann. Hierdurch kann die Statorscheibe 24 sehr gut hohen, entlang der Drehachsenrichtung wirkenden Kräften widerstehen, welche beispielsweise beim Fluten der Pumpe 1 mit unter Atmosphärendruck stehendem Gas auftreten.
Das Beispiel nach Fig. 6 bringt den zusätzlichen Gedanken ein, auf Stege an den Teilscheiben 50, 52 im Stoßbereich zu verzichten, was gerade zu niedrigeren Drücken hin vakuumtechnisch von Vorteil ist.
In Teil a) der Fig. 6 ist im seitlichen Blick zu sehen, dass die Teilscheibe 50 mit einer Schaufel 70 abschließt. Auch die Teilscheibe 52 schließt mit einer Schaufel 72 ab. Im montierten Zustand, gezeigt in Teil b), werden die Schaufeln 70 und 72 zur Deckung gebracht und bilden zusammen eine Schaufel. Hierdurch wird bereits ein Blockieren in einer ersten Richtung parallel zur Drehachse erreicht. Ein gegenseitiger Eingriff und damit ein vollständiges Blockieren der Teilscheiben in beiden Richtungen der Drehachse wird erreicht, indem an der Schaufel 70 eine gebogene Lasche 74 vorgesehen ist.
In den Teilen c) und d) der Fig. 6 ist ein Draufblick im demontierten und montierten Zustand gezeigt. Die gebogene Lasche 74 wirkt mit einem Ausschnitt 76 zusammen, in den sie während der Montage hineingeschoben wird. Durch Zusammenwirken von Lasche 74 und Ausschnitt 76 wird eine Festlegung der Schaufeln 70, 72 und damit der Teilscheiben 50, 52 in radialer und axialer Richtung bewirkt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7, Teile a) bis c), bringt den zusätzlichen Gedanken ein, dass nicht der vollständige Bereich zwischen innerem und äußerem Radius 202 und 204 von dem Blockier- oder Eingriffsmittel beansprucht werden muss. Jede der Teilscheiben 50 und 52 weist einen Eingriffsabschnitt auf, in dem eine Zunge 84 und eine Gegenzunge 86 vorgesehen sind. Deren Wirkweise entspricht demjenigen der Zungen 66 und 68 aus Fig. 5, auf die an dieser Stelle verwiesen werden kann. Zusätzlich zu dem Eingriffsabschnitt weisen die Teilscheiben 50, 52 noch Schaufelabschnitte 80 auf, die den Eingriffsabschnitten radial benachbart sind. Sie können radial innerhalb oder außerhalb der Eingriffsabschnitte liegen. Da die Geschwindigkeit der Rotorschaufeln mit Abstand zur Drehachse steigt, ist die gezeigte Anordnung vorteilhaft, bei welcher der Schaufelabschnitt radial außerhalb des Eingriffsabschnittes liegt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 8 im seitlichen Blick in Teil a) und Draufblick in Teil b). Die Schaufel 54 der Teilscheibe 50 weist einen oder mehrere Bügel 90 auf, die mit einer oder mehreren Aussparungen 92 in der benachbarten Schaufel 54 der zweiten Teilscheibe 52 in Eingriff gebracht werden. Hierdurch wird nur wenig Raum für das Eingriffsmittel benötigt, so dass die vakuumtechnischen Eigenschaften der Statorscheibe vorteilhaft nur in sehr geringem Maße beeinflusst werden.
Die Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 2 bis 8 können selbstverständlich auch auf die Statorscheiben 26, 28 übertragen werden. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass sämtliche Statorscheiben 24, 26, 28 in gleicher Art und Weise ausgebildet sind.
Kombinationen der Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele sind denkbar, ebenso die Anwendung der Erfindung auf eine Teilung der Statorscheibe in mehr als zwei Teilscheiben.

Bezugszahlen

1: Turbomolekularpumpe
2: Gehäuse
4: Flansch
6: Ansaugöffnung
8: Auslass
10: Rotor
12: Welle
14: vorvakuumseitige Rotorscheibe
16: mittlere Rotorscheibe
18: hochvakuumseitige Rotorscheibe
20: Stator
24: vorvakuumseitige Statorscheibe
26: mittlere Statorscheibe
28: hochvakuumseitige Statorscheibe
30: Distanzringe
32: Distanzringe
34: Distanzringe
40: Permanentmagnetlager
42: Wälzlager
44: Antrieb
50: erste Teilscheibe
52: zweite Teilscheibe
54: Kranz von Schaufeln
56: innerer Tragring
58: äußerer Tragring
60: gewellte Stoßkante
62: glatte Stoßkante
64: Lasche
66: Zunge
68: Zunge
70: Schaufel
72: Schaufel
74: Lasche
76: Abschnitt
80: Schaufelabschnitte
90: Bügel
92: Aussparungen
200: Drehachse
202: innerer Radius
204: äußerer Radius
206: Scheibenebene
641: Abschnitt der Lasche
642: Abschnitt der Lasche
661: Stege
662: Stege
681: Zunge
682: Zunge

Claims

Turbomolekularpumpe (1) mit einem Rotor (10) und wenigstens einer Blechstatorscheibe (24, 26, 28), wobei wenigstens eine Blechstatorscheibe (24, 26, 28) eine erste Teilscheibe (50) und eine zweite Teilscheibe (52) und sich zwischen einem inneren Radius (202) und einem äußeren Radius (204) erstreckende Schaufeln (54) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Blockiermittel (60, 62; 64; 681, 682; 74, 76; 82; 90, 92) zur Verhinderung eines Übereinandergleitens der Teilscheiben (50, 52) vorgesehen ist, welches wenigstens teilweise zwischen dem innerem und dem äußerem Radius (202, 204) angeordnet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Teilscheiben (50, 52) jeweils wenigstens ein Blockiermittel aufweisen, und dass das Blockiermittel (70) der ersten Teilscheibe 50 zusammen mit dem Blockiermittel (72) der zweiten Teilscheibe 52 eine Schaufel 54 bilden.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockiermittel sich kreuzende Kanten (60, 62) der Teilscheiben 50, 52 umfasst.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockiermittel wenigstens eine axial ausgerichtete Zunge (64) umfasst.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockiermittel als Eingriffsmittel (681, 682; 74, 76; 82; 90, 92) zur Positionierung der Teilscheiben 50, 52 in einer axialen Richtung gestaltet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingriffsmittel eine Zunge (681, 682; 84, 86) an der ersten Teilscheibe 50 umfasst, die im montierten Zustand eine Überlappung mit der zweiten Teilscheibe 52 bewirkt.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen innerem und äußerem Radius 202, 204 ein Schaufelabschnitt (80) und das Blockiermittel (82) vorgesehen sind.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilscheibe (50) und zweite Teilscheibe (52) gleich gestaltet sind.