EP2565464B1

EP2565464B1 - Vakuumpumpe

Info

Publication number: EP2565464B1
Application number: EP12180605.3A
Authority: EP
Inventors: Jan Hofmann; Tobias Stoll; Michael Schweighöfer
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2032-08-16
Also published as: DE102011112689B4; EP2565464A3; EP2565464A2; JP2013053626A; DE102011112689A1; JP5683544B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Molekulare Pumpprinzipien sind aus der Vakuumtechnik aufgrund der vielfältigen Anwendungen bei der Erzeugung industrieller Vakua nicht mehr wegzudenken. Letztlich gründet sich der Pumpeffekt auf dem Impulsübertrag einer schnell bewegten Fläche auf Gasmoleküle, wodurch der statistischen thermischen Bewegung eine gerichtete Bewegung hinzuaddiert wird.
Rotierende Hülsen haben sich in Vakuumpumpen bewährt, beispielsweise in Form einer Holweckpumpstufe. Eine oder eine Mehrzahl von Hülsen wird einseitig an einer Nabe befestigt, die ihrerseits auf einer Welle angeordnet ist. Einen solchen Aufbau zeigt beispielsweise die EP 0 695 872 A1 .
In einigen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Einsatz von Vakuumpumpen in Lecksuchern, wird ein hohes Druckverhältnis zwischen Ansaugöffnung und Auslass der Pumpe, insbesondere für leichte Gase gewünscht. Dies geht nach oben genanntem Bauprinzip mit sehr langen Hülsen einher. Gerade in diesen Anwendungen ist jedoch eine kompakte Bauweise gewünscht. Dem Wunsch widersprechen lange Hülsen, die die Baulänge der Vakuumpumpe selbst vergrößern.
Zum Stand der Technik ( DE 1 010 235 B ) gehört eine Molekularpumpe, bei der eine Holweckpumpstufe vorgesehen ist, die eine auf einer Nabe angeordnete lang gestreckte einstückige Hülse trägt. Diese Hülse weist den Nachteil auf, dass zum einen die Fertigung sehr genau ausgeführt sein muss, da die pumpaktiven Spalte sehr gering sind und die Hülse aus diesem Grunde als schnell drehendes Bauteil sehr exakt gefertigt werden muss. Zum anderen spielt bei den schnellen Drehungen eine Aufweitung der Hülse durch Fliehkräfte eine Rolle, was sich bei der langen Bauart ebenfalls nachteilig auswirkt.
Weiterhin gehört zum Stand der Technik ( DE 10 2009 035 332 A1 ) eine Vakuumpumpe, die hinsichtlich ihrer Pumpleistung verbessert werden kann.
Zum Stand der Technik ( EP 1 067 290 A2 ) gehört darüber hinaus eine Vakuumpumpe, die eine Holweckpumpe und nachgeschaltete Seitenkanalpumpstufen aufweist. Auch diese Pumpe kann in ihrer Bauart weiter verbessert werden.
Zum Stand der Technik ( GB 180,991 A ) gehört darüber hinaus eine Vakuumpumpe, die eine Holweckhülse aufweist, die jedoch so lang ausgebildet ist, dass zur Anordnung der Hülse, um beispielsweise eine Aufweitung zu vermeiden, zwei Naben vorgesehen sind. Diese Bauart ist sehr aufwendig.
Es war daher Aufgabe, eine Vakuumpumpe zu schaffen, die bei einer kompakten Bauweise ein hohes Druckverhältnis besitzt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, insbesondere Molekularpumpe, mit einem Rotor, welche eine Welle, eine mit der Welle verbundenen Nabe und eine mit einer ersten Seite verbundene und zur Welle konzentrische erste Hülse aufweist, und bei der die erste Hülse im Gasstrom einer zweiten Hülse nachfolgend angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine zweite Hülse konzentrisch zur Welle auf einer in einer axialen Richtung der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Nabe mit dieser verbunden ist und dass die Nabe eine Mantelfläche umfasst, welche mit einem Stator gasfördernd zusammenwirkend ausgebildet ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen, eine Nabe mit zwei Hülsen zu versehen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Nabe angeordnet sind. Statt einer langen Hülse werden zwei kurze Hülsen benutzt, um die gleiche pumpaktive Länge zu erreichen. Der Vorteil ist nun, dass bei zwei Hülsen Fertigungstoleranzen eine geringere Rolle spielen. Solche Fertigungstoleranzen sind beispielsweise der Hülsendurchmesser und eine Verkippung der Hülse an der Befestigungsstelle. Diese Toleranzen müssen bei der Auslegung der Spalte zwischen Hülse und Stator berücksichtigt werden und führen bei einer langen Hülse zu weiten Spalten. Neben den Fertigungstoleranzen spielt auch die Aufweitung der Hülse durch Fliehkräfte bei schneller Drehung eine Rolle. Bei kurzen Hülsen ist diese Aufweitung geringer. Bei zwei kurzen Hülsen anstelle einer langen Hülse können daher engere Spalte eingesetzt werden. Enge Spalte bedeuten gleichzeitig eine Erhöhung des Druckverhältnisses, so dass das Druckverhältnis pro Länge steigt. Die Vakuumpumpe baut daher kompakter bei besserem Druckverhältnis als eine vergleichbare Vakuumpumpe nach bisheriger Bauart.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Radius der ersten Hülse und ein Radius der zweiten Hülse unterschiedlich sind. Hierdurch lässt sich der Bauraum der Pumpe verkleinern bei durchaus gleich bleibendem Druckverhältnis.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass eine dritte Hülse mit einem kleineren Radius konzentrisch zur ersten Hülse angeordnet ist. Diese dritte Hülse ist axial von der Welle aus gesehen auf gleicher Bauhöhe mit der ersten Hülse angeordnet. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Pumpleistung zu erhöhen, ohne dass zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine vierte Hülse mit einem Radius konzentrisch zur zweiten Hülse angeordnet ist. Axial gesehen ist die vierte Hülse auf gleicher Bauhöhe mit der zweiten Hülse angeordnet. Auch hierdurch wird bei gleich bleibendem Bauraum die Pumpleistung weiter erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist radial innerhalb der zweiten Hülse ein Stator vorgesehen, der mit einer inneren Oberfläche der zweiten Hülse pumpend zusammenwirkt. Auch hierdurch wird noch einmal die Pumpleistung deutlich erhöht, ohne dass der Bauraum der Pumpe vergrößert werden muss.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Gasstrom vor der zweiten Hülse wenigstens eine Rotorscheibe turbomolekularer Bauart angeordnet ist. Auch hierdurch wird die Pumpwirkung der Pumpe erhöht.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Hülse einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff umfasst. Der Einsatz eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes als Hülsenmaterial ermöglicht noch geringere Spalte, da die Fliehkraftaufweitung der Hülse verringert wird.
Erfindungsgemäß umfasst die Nabe eine Mantelfläche, welche mit einem Stator Gas fördernd zusammenwirkt. Hierdurch wird die Mantelfläche der Nabe zum Erzielen einer Pumpwirkung benutzt.
Vorteilhaft sind die Mantelfläche und die radial außenliegenden Außenflächen der ersten und der zweiten Hülse zusammen als lediglich eine zylindrische Fläche ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die erste und zweite Hülse zusammen mit der Mantelfläche der Nabe wie eine durchgehende Hülse einer Holweckstufe wirkt und damit die Pumpwirkung der Pumpe optimiert wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Nabe im Gasstrom vor der ersten Hülse eine Einschnürung aufweist, welche mit einem Gaseinlass zusammenwirkt. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das Zusammenwirken des Gaseinlasses mit der Einschnürung der Nabe zu einer Verbesserung der vakuumtechnischen Größen wie Saugvermögen und Druckverhältnis führen.
Das Vorsehen mehrerer konzentrischer Hülsen, die mit weiteren Statoren zusammenwirken und aufgrund ihrer Anordnung keinen zusätzlichen Bauraum benötigen, weist den Vorteil auf, dass die Vakuumpumpe bei einer kompakten Bauform ein besseres Druckverhältnis aufweist als eine vergleichbare Vakuumpumpe nach bisheriger Bauart.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und seiner Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden. Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Vakuumpumpe;
Fig. 2: einen Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer Rotorscheibe turbomolekularer Bauart;
Fig. 3: einen Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer weiteren Hülse;
Fig. 4: einen Teilschnitt eines Rotors gemäß einer Weiterbildung mit einer Einschnürung auf Höhe eines zusätzlichen Gaseinlasses.

Einen Längsschnitt durch eine Vakuumpumpe zeigt Fig. 1. Im Gehäuse 2 der Vakuumpumpe ist eine Ansaugöffnung 4 vorgesehen, durch die Gas in die Vakuumpumpe eingesaugt wird. Nach dem Verdichten wird es durch einen Auslass 6 aus der Vakuumpumpe ausgestoßen.
Innerhalb der Vakuumpumpe ist ein Rotor 10 vorgesehen, der zusammen mit einem Stator 30 die Pumpwirkung erzeugt. Der Rotor 10 weist eine Welle 12 auf, deren der Ansaugöffnung 4 zugewandtes Ende von einem Permanentmagnetlager 14 getragen wird. Das gegenüberliegende Ende wird von einem Wälzlager 16 unterstützt. Diese Lageranordnung besitzt gegenüber anderen denkbaren Lagerarten wie der fliegenden Lagerung mit zwei Wälzlagern auf der der Ansaugöffnung 4 gegenüberliegenden Seite den Vorteil, dass ein schmiermittelfreies Lager ansaugseitig eingesetzt wird und aufgrund der rotordynamisch einfacheren Lagerung enge Spalte und eine kurze Baulänge erreicht werden.
Auf der Welle 12 ist ein Permanentmagnet 20 vorgesehen, der mit einer bestromten Antriebsspule 22 zusammenwirkt. Hierdurch wird der Rotor 10 in eine ausreichend schnelle Drehzahl versetzt. Diese bemisst sich nach dem verwendeten Pumpprinzip und liegt bei molekularen Pumpprinzipien in der Regel bei einigen zehntausend Umdrehungen pro Minute.
Der Stator 30 weist auf seiner dem Rotor 10 zugewandten Oberfläche einen oder eine Mehrzahl schraubenlinienartiger Kanäle 32 auf.
An der Welle 12 ist eine Nabe 40 befestigt. Sie weist eine erste Seite 42 und eine dieser gegenüberliegende zweite Seite 44 auf. Die zweite Seite 44 ist der Ansaugöffnung 4 zugewandt. An der ersten Seite 42 ist eine erste Hülse 50 befestigt, an der zweiten Seite eine zweite Hülse 52. Beide Hülsen 50, 52 wirken mit dem Stator 30 und dessen schraubenlinienartigen Kanal 32 zur Erzeugung einer Pumpwirkung nach Holweck zusammen. Der Gasstrom führt durch die Ansaugöffnung 4 in einem Spalt S zwischen zweiter Hülse 52 und Stator 30. Die erste Hülse 50 ist im Gasstrom der zweiten Hülse 52 nachfolgend angeordnet und verdichtet damit zum höheren Druck hin. Durch die Verwendung der Hülsen 50 und 52 zusammen mit der beschriebenen Gasführung wirken sich Fertigungstoleranzen in geringerem Maße auf den Spalt S aus, so dass dieser enger als bei einer vergleichbaren einzelnen Hülse ausgeführt wird, deren Länge der Summe der Längen L1, L2 der beiden Hülsen 50, 52 entspricht.
Weiterbildungen sind in den nachfolgenden Fig. 2 bis 4 dargestellt, wobei die vorgestellten Merkmale miteinander kombiniert werden können.
In Fig. 2 ist ein Teil des Stators 30 und ein Teil des Rotors 10 dargestellt. Die Nabe 40 ist auf der Welle 12 angeordnet. Die Nabe 40 besitzt einen im Wesentlichen scheibenförmigen und sich in einer Ebene senkrecht zur Wellenachse W ausdehnenden Grundkörper, wodurch mit geringem Materialaufwand ein rotordynamisch vorteilhaftes Traggebilde für die Hülsen 50, 52, 54 geschaffen wird. Die Nabe 40 und wenigstens eine der Hülsen 50, 52, 54, 56 sind einstückig ausgebildet. Es ist möglich, die Nabe 40 symmetrisch oder, wie in Fig. 2 dargestellt, asymmetrisch, insbesondere senkrecht zur axialen Richtung gesehen, auszubilden. Auf ihrer ersten Seite 42, die einer ersten Stirnseite der Nabe 40 entspricht, sind zwei Absätze 80 und 84 vorgesehen, an denen die erste Hülse 50 und eine dritte Hülse 54 befestigt sind. Das Material der Hülsen 50, 52, 54 umfasst im Wesentlichen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Die Befestigung der Hülsen 50, 52, 54 kann beispielsweise durch Kleben erfolgen. Auf der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite 44 ist ein weiterer Absatz 82 vorgesehen, an dem die sich in Richtung der Ansaugöffnung erstreckende und im Gasstrom der ersten Hülse 50 vorgelagerte zweite Hülse 52 befestigt ist.
Die Nabe 40 weist eine radial außenliegende Mantelfläche 46 auf, die mit wenigstens einem schraubenlinienartig verlaufenden Kanal 32 im Stator 30 zusammen eine Pumpwirkung erzielt. In einer Weiterbildung bildet die Mantelfläche 46 zusammen mit den radial außenliegenden Oberflächen 60 und 62 der ersten und zweiten Hülse 50 und 52 eine abgesehen von Materialübergängen durchgehende zylindrische Fläche.
Auf der Welle 12 ist im Gasstrom vor der zweiten Hülse eine Rotorscheibe 70 turbomolekularer Bauart angeordnet, mit welcher bei kurzer Baulänge das Saugvermögen erhöht und der Druckbereich zu niedrigeren Drücken hin erweitert wird.
In Fig. 3 wird der zusätzliche Gestaltungsspielraum vorgestellt, die Längen L1 und L2 von erster und zweiter Hülse 50 und 52 unterschiedlich lang zu gestalten. Hiermit können die vakuumtechnischen Daten und die Rotordynamik aufgrund der Massenverteilung auf dem Rotor aufeinander abgestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können Radien R1 und R2 von erster und zweiter Hülse 50, 52 voneinander verschieden sein.
Konzentrisch zur zweiten Hülse 52 und mit kleinerem Radius kann eine vierte Hülse 56 vorgesehen sein. Zwischen zweiter und vierter Hülse 52, 56 ist ein zusätzlicher Stator 34 vorgesehen, der als pumpaktive Strukturen schraubenlinienartige Kanäle 36 und 38 aufweist. Der Kanal 36 wirkt mit einer innenliegenden Oberfläche 64 der zweiten Hülse 52 zusammen. Die Pfeile veranschaulichen den Gasfluss, der zunächst an der äußeren Oberfläche der vierten Hülse 56 in Richtung Nabe 40 erfolgt, dann an der Oberfläche 64 der zweiten Hülse 52 von der Nabe 40 weggerichtet ist, und nachfolgend an der radial außenliegenden Oberfläche der zweiten Hülse 52 wieder in Richtung der Nabe 40 ausgerichtet ist.
Die Weiterbildung nach Fig. 4 weist einen zusätzlichen Stator 34 auf, durch dessen Wirkung durch die Ansaugöffnung 4 (nicht dargestellt) eintretendes Gas zunächst durch Zusammenwirken von Stator 34 und zweiter Hülse 52 von der Nabe 40 weg gefördert wird.
Ein weiteres mögliches Gestaltungsmerkmal wird durch eine Einschnürung 48 gebildet, die einen Bereich der Nabe 40 zwischen erster und zweiter Hülse 50, 52 darstellt, in welchem der Radius der Nabe 40 gegenüber dem Radius 48 beider Hülsen 50 und 52 verringert ist. Diese Einschnürung wirkt mit einem zusätzlichen Gaseinlass 8 in der Form zusammen, dass durch den Gaseinlass 8 eintretendes Gas zunächst in die Einschnürung 48 gelangt. Hierdurch kann sich Gas um den Rotor 10 herum verteilen, wodurch der Gasfluss in Richtung erster Hülse 50 verbessert wird.

Bezugszahlen

2: Gehäuse
4: Ansaugöffnung
6: Auslass
8: Gaseinlass
10: Rotor
12: Welle
14: Permanentmagnetlager
16: Wälzlager
20: Permanentmagnet
22: Antriebsspule
30: Stator
32: Kanäle
34: Stator
36: Kanäle
38: Kanäle
40: Nabe
42: erste Seite
44: zweite Seite
46: Mantelfläche
48: Einschnürung
50: Hülse
52: Hülse
54: Hülse
56: Hülse
60: Oberfläche
62: Oberfläche
64: Oberfläche
70: Rotorscheibe
80: Absatz
82: Absatz
84: Absatz
L1: Länge der Hülse
L2: Länge der Hülse
R1: Radius
R2: Radius
S: Spalt
W: Wellenachse

Claims

Vakuumpumpe, insbesondere Molekularvakuumpumpe, mit einem Rotor (10), welcher eine Welle (12), eine mit der Welle verbundene Nabe (40) und eine mit einer ersten Seite (42) der Nabe (40) verbundene und zur Welle (12) konzentrische erste Hülse (50) aufweist, wobei die erste Hülse (50) im Gasstrom einer zweiten Hülse (52) nachfolgend angeordnet ist,
wobei die wenigstens eine zweite Hülse (52) konzentrisch zur Welle (12) auf einer in einer axialen Richtung der ersten Seite (42) gegenüberliegenden zweiten Seite (44) der Nabe (40) mit dieser verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (40) eine Mantelfläche (46) umfasst, welche mit einem Stator (30) gasfördernd zusammenwirkend ausgebildet ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius (R1) der ersten Hülse (50) und ein Radius (R2) der zweiten Hülse (52) unterschiedlich sind.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Hülse (54) mit einem kleineren Radius konzentrisch zur ersten Hülse (50) angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Hülse (56) mit einem kleineren Radius konzentrisch zur zweiten Hülse (52) angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radial innerhalb der zweiten Hülse (52) ein Stator (34) vorgesehen ist, der mit einer inneren Oberfläche (64) der Hülse (52) pumpend zusammenwirkend ausgebildet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasstrom vor der zweiten Hülse (52) wenigstens eine Rotorscheibe (70) turbomolekularer Bauart angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Hülse (50, 52, 54, 56) einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff umfasst.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (46) und die radial außenliegenden Oberflächen (60, 62) von erster und zweiter Hülse (50, 52) zusammen als lediglich eine zylindrische Fläche ausgebildet sind.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (40) im Gasstrom vor der ersten Hülse (50) eine Einschnürung (48) aufweist, welche mit einem Gaseinlass (8) zusammenwirkend ausgebildet ist.