NL8602052A - Hoogvacuumpomp. - Google Patents

Description

V

V.0. 8244 -1-

Uitvinder: Johannes Jacobus Emmanuel Moonen Titel: Hoogvacuumpomp.

De uitvinding heeft betrekking op een hoogvacuumpomp, omvattende een rotor die is ingericht om met grote snelheid rond de langsas te roteren, en een coaxiaal ten opzichte van de rotor opgestelde stator, waarbij van op geringe 5 afstand tegenover elkaar opgestelde oppervlakken van stator en rotor tenminste een deel van één daarvan is voorzien van een schroeflijnvormige of spiraalvormige groef.

Een dergelijke pomp is bekend uit de Nederlandse 10 octrooiaanvrage 8105614. Bij deze bekende pomp is de binnenwand van het statorhuis van een spiraalvormige groef voorzien. De rotor is zodanig gedimensioneerd dat tussen de buitenwand van de rotor en de binnenwand van het statorhuis een betrekkelijk nauwe spleet bestaat.

15 Een probleem dat zich bij de bekende pomp voordoet is dat het volume van de pomp groot dient te zijn, indien men althans een redelijke prestatie van de pomp verlangt.

Voorts is de pompsnelheid niet al te groot en is de compres-sieverhouding, dat wil zeggen de verhouding tussen de 20 voorvacuumdruk en de hoogvacuumdruk (gemeten op eenzelfde tijdstip) betrekkelijk gering. Om een goede pompsnelheid en compressieverhouding te realiseren dient een grote rotatiesnelheid van de rotor gehandhaafd te worden. Door de omvang van de rotor leidt dit tot een zeer grote snelheid 25 van het buitenoppervlak van de rotor en aldus tot grote mechanische spanningen. Zowel bij starten als tijdens nominaal bedrijf is voorts een betrekkelijk lage voordruk vereist, hetgeen betekent dat eerst gestart kan worden nadat op enigerlei wijze de druk in het gehele systeem 30 reeds tot een bepaalde lage waarde is verlaagd.

De uitvinding heeft tot doel de bekende hoogvacuumpomp te verbeteren, zodanig dat de bovengeschetste problemen zich niet langer, althans in belangrijk mindere mate voordoen.

&Ö02CS2 -------------—— — lil —— -2- > /

Het gestelde doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een pomp, waarbij rotor en stator ieder over een deel van hun lengte zijn opgebouwd uit een of meer coaxiale bussen of pijpen met onderling verschillende 5 diameter en met één vrij uiteinde, waarbij de stelsels rotorpijpen en statorbussen onderling tegengesteld zijn gericht en ineenpassend zijn opgesteld, zodat een pijp van het stelsel rotorpijpen zich bevindt tussen twee pijpen of tussen een pijp en de wand van het statorbussen-10 stelsel, terwijl van elk tweetal op geringe afstand tegenover elkaar opgestelde oppervlakken van statorpijp of -wand en rotorpijp of -wand tenminste één is voorzien van een schroeflijnvormige of spiraalvormige groef-

De pomp volgens de uitvinding omvat, doordat rotor 15 en stator ieder tenminste een coaxiale bus naast de eigenlijke rotor of stator omvatten, tenminste drie paren van tegenover elkaar opgestelde oppervlakken waarvan tenminste één van een schroeflijnvormige of spiraalvormige groef is voorzien. Voor een dergelijke lengte van oppervlakken 20 heeft de bekende pomp een grotere hoogte nodig Ongeveer tweemaal de lengte van de coaxiale bus meer). De pomp volgens de uitvinding kan aldus compacter geconstrueerd worden.

Doordat de ineenpassende bussen een labyrint-structuur vormen is de pomp volgens de uitviding voorts veel beter 25 optisch dicht dan de bekende pomp. (Bij de bekende pomp "ziet" een gasmolecuul, dat zich aan de voorvacuumzijde bevindt, de hoogvacuumzijde - bij de pomp volgens de uitvinding is dit ormogelijk). Hierdoor wordt teruglek, in het bijzonder van lichte gassen beter voorkomen dan 30 bij de bekende pomp, die voor lichte gassen in de praktijk geen goede pompsnelheid bleek te hebben vanwege juist de optredende teruglek.

Bij de pomp volgens de uitvinding zullen bij toepassing van meer pijpen de met de rotor verbonden pijpen 35 of bussen met de kleinste diameters bij een bepaalde rotatiefrequentie een geringere oppervlaktesnelheid hebben 8602052 «Γ ϊ -3- dan de meer buitenwaarts gelegen pijpen met grotere diameter.

De kleinere pijpen staan daardoor aan geringere mechanische spanningen bij het roteren bloot en zullen in mindere mate oprekken dan de grotere pijpen. Daardoor kunnen 5 de aan de kleinere pijpen aangrenzende wanden (van de statorbussen) dichter op de rotorpijpen aansluiten. Hierdoor wordt mede een hoge compressieverhouding van de pomp bereikt. Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de pomp volgens de uitvinding neemt dan ook de radiale afmeting 10 van de draaispleet af van de zijde van hoogvacuum in de pomp naar de zijde van hogere drukken toe. Bij voorkeur zijn bij de pomp volgens de uitvinding voorts de afmetingen van de groeven in de desbetreffende oppervlakken zodanig gedimensioneerd dat de diepte van de groeven afneemt 15 van de zijde van hoogvacuum in de pomp naar de zijde van hogere drukken. Ook dit draagt bij aan het verbeteren van de compressieverhouding en aldus aan de pompsnelheid.

Bij de genoemde geschikte uitvoeringsvorm van de pomp volgens de uitvinding is aan de hoogvacuumzijde, 20 waar vooral de pompsnelheid van belang is, de constructie ruimer gedimensioneerd en zijn de toleranties op de afmetingen veel groter dan aan de voorvacuumzijde waar vooral de compressieverhouding belangrijk is en waar de afmetingen van groeven en draaispleet veel kleiner zijn.

25 De afmetingen van de draaispleet worden mede bepaald door het dynamisch gedrag van de rotor, in het bijzonder de opslingeringen en het trillen tijdens het opvoeren en gedurende bijzondere omstandigheden zoals luchtinbraak. Toepassing aan de bovenzijde van een magnetisch lager 30 met een hoge radiale stijfheid is in dit geval gunstig.

Een magnetisch lager heeft bovendien goede vacuumtechnische eigenschappen.

De compacte bouw, het goed optisch dicht zijn en de geleidelijke overgang naar kleine diameter hebben 35 tot gevolg dat een effectieve pompwerking verkregen wordt zodat de rotatiefrequentie niet extreem hoog hoeft te ' 8602052 > ΐ -4- zijn om aan de hoogvacuum zijde een redelijke netto pompsnel-heid over te houden. Het spanningsniveau in de rotorcompo-nenten zal hierdoor altijd een aannemelijk niveau hebben.

Naar de voorvacuumzijde wordt de gevraagde pompsnel-5 heid kleiner naarmate de druk toeneemt; om deze reden kan hier dan ook volstaan worden met kleinere omtreksnelheid en kleine radiale groef- en draaispleetafmetingen; aan de voorvacuumzijde zijn in het algemeen de specifieke afmetingen veel kleiner dan aan de hoogvacuumzijde.

10 Opgemerkt wordt nog dat de pomp volgens de uitvinding desgewenst kan zijn voorzien van een rotor die aan de hoogvacuumzijde een schoepenrad bevat, bijvoorbeeld zoals beschreven in de Nederlandse octrooiaanvrage 8303927.

Bij een zeer geschikte uitvoeringsvorm van de 15 pomp volgens de uitvinding is in de stator tussen één of meerdere paren van opvolgende bussen en/of tussen een bus en een opvolgende wand een afvoerkanaal voorzien, waarin een terugslagklep is opgenomen, welk afvoerkanaal of welke afvoerkanalen ieder in verbinding staan met 20 de omgevingsruimte of met een voorvacuumpomp. Een dergelijke constructie, met tussen opvolgende paren wanden steeds een afvoerkanaal met terugslagklep, maakt het opvoeren van de pomp eenvoudiger en laat dit sneller geschieden.

Dit kan nog als volgt worden toegelicht.

25 Wanneer bij hoge drukken in de te evacueren ruimte de pomp gestart wordt, kan de pomp reeds na een enkelvoudige compressietrap een druk opbouwen groter dan 1 bar, afhankelijk van de druk in de te evacueren ruimte en van de rotatie-frequentie. Zodra de druk bijvoorbeeld aan het 30 einde van het eerste paar wanden groter is dan 1 atmosfeer, opentautomatisch, mechanisch dan wel elektronisch, de eerste terugslagklep en het gas wordt met hoge snelheid verpompt, zelfs tijdens het opvoeren. Zodoende wordt vermeden dat het gas nog verder gecomprimeerd moet worden 35 om door de uiteindelijk zeer nauw wordende kanalen getransporteerd c.q. geperst te worden. Tevens wordt op deze 8602052 -5- manier bereikt dat zelfs bij redelijke hoge drukken de pomp toch opgestart kan worden.

Daalt de druk in de hoogvacuumruimte in de loop van de opvoerprocedure of daarna, dan zal ook de druk 5 bij de eerste klep dalen tot beneden 1 bar en de klep sluit automatisch. Een analoog proces als beschreven voor de eerste klep herhaalt zich vervolgens bij de tweede klep. Aldus sluiten successievelijk alle kleppen naarmate de evacuatie toeneemt, met uitzondering van de laatste 10 klep, en dit veelal reeds voor het bereiken van het bedrijfs-toerental. Bij het afschakelen van de pomp zullen normaliter alle kleppen, inclusief de laatste continu gesloten blijven. De kleppen dienen bij voorkeur zodanig geconstrueerd te worden, en de materiaalkeuze dient zodanig te zijn, 15 dat de lekdichtheid per klep veel kleiner is dan het locale volumedebiet van de pomp.

Het is zelfs mogelijk de constructie van de pomp zodanig uit te voeren met draaispleten en groeven die zodanig klein zijn, dat aan de hoge drukzijde rechtstreeks 20 naar de buitendruk van 1 atmosfeer gepompt wordt.

Bij de pomp volgens de uitvinding kan de laatste druktrap (aan de zijde van de hoge drukken) desgewenst fungeren als luchtlager. Geschiedt dit niet dan kan een conventioneel lager, bijvoorbeeld een kogellager of magneet-25 lager, worden toegepast.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening, waarin de enkele figuur een weergave in doorsnede is door een deel van een uitvoeringsvorm van de hoogvacuumpomp volgens de uitvinding.

30 In de figuur omvat een uitvoeringsvorm van de pomp volgens de uitvinding een rotor 1. De rotor 1, die rotatiesymmetrisch is, is slechts voor de helft (de helft links van de rotatie-as, tevens symmetrie-as 2) in doorsnede weergegeven. De rotor 1 bestaat in hoofdzaak uit een 35 cilindrisch huis 3, dat aan de onderzijde uitloopt in een afgeknot kegelvormig uiteinde 4. Aan de bovenzijde 8602052 f * * -6- omvat de rotor 1 een cilindrisch deel 5 met grotere diameter dan van het huis 3. Huis 3 en cilinderdeel 5 zijn met elkaar verbonden door de schijf 6. Op de buitenwand van het cilinderdeel 5 kunnen op bekende wijze schoepen 7 5 zijn voorzien, welke schoepen 7 met cilinderdeel 5 een schoepenrad vormen met de functie bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 8303927.

De rotor 1 omvat voorts twee cilindrische pijpen of bussen 8 en 9, welke pijpen coaxiaal met het cilindrische huis 10 3 verlopen, onderling verschillende diameter, groter dan die van het huis 3 hebben en vast zijn bevestigd aan de schijf 6.

De rotor 1 is aan de bovenzijde gelagerd in een magnetisch lager 10. Dergelijke magnetische lagers zijn 15 algemeen bekend.

Coaxiaal ten opzichte van de rotor 1 is de stator 11 opgesteld. De stator 11 omvat een buitenste wand 12, die aan de binnenzijde is voorzien van de spiraalvormige groef 13. De groef 13 heeft een diepte, die afneemt vanaf 20 de zijde tegenover de schoepen 7 op cilinderdeel 5 van rotor 1 tot aan de bodem van het huis gevormd door stator 11.

Coaxiaal binnen buitenste wand 12 van de stator 11 is de bus 14 opgesteld, die vanuit de bodem van het 25 statorhuis omhoog steekt. De bus 14 is aan weerszijden voorzien van een spiraalvormige groef 15, resp. 16. De diepte van groef 15, die zich aan de buitenzijde van de bus 14 bevindt neemt af vanaf de bodem naar het vrije uiteinde van bus 14. De diepte van groef 16, die zich 30 aan het binnenoppervlak van bus 14 bevindt, neemt af vanaf het vrije uiteinde naar de bodem toe.

Coaxiaal binnen de bus 14 is de bus 17 opgesteld, die vanuit de bodem van het statorhuis omhoog steekt.

De bus 17 is eveneens aan weerszijden voorzien van spiraal-35 vormige groeven 18, resp. 19 met afnemende diepte in overeenkomstige richtingen als bij groeven 15, resp.

8602052 f' -7- 16 in bus 14.

De rotorpijpen 8 en 9 steken in het stelsel van statorbussen 14 en 17 en statorwand 12. De rotorpijp 8 ligt aldus op geringe afstand tegenover de wand 12 5 en de buitenzijde van statorbus 14. De rotorpijp 9 ligt op geringe afstand tegenover de binnenzijde van statorbus 14 en de buitenzijde van de statorbus 17. De binnenzijde van statorbus 17 licht op geringe afstand van de buitenwand van cilindrische huis 3 van rotor 1. Zoals uit de figuur blijkt 10 is van ieder paar tegenover elkaar opgestelde wanden van rotordelen en statordelen steeds tenminste één voorzien van een spiraalvormige groef.

In de bodem van het statorhuis zijn afvoerkanalen 20, resp. 21 voorzien, die de ruimte tussen de wand 12 15 en bus 14, waarin rotorpijp 8 steekt, resp. de ruimte tussen bus 14 en bus 17, waarin rotorpijp 9 steekt verbindt met de omgevingsruimte of met een voorvacuumpomp. Kanaal 20 kan zijn voorzien van een terugslagklep 22 en kanaal 21 van een terugslagklep 23.

20 In de bodem van het statorhuis is in het midden daarvan een verdiept gedeelte gevormd dat plaats biedt aan het kegelvormige uiteinde 4 van rotor 1. De wand van het verdiepte gedeelte van het statorhuis is van een spiraalvormige groef 24 voorzien. Het van de groef 25 24 voorziene verdiepte gedeelte vormt een luchtlager voor het kegelvormige uiteinde 4 van rotor 1. Het uiteinde 4 is voorzien van een kleine kegel 25 waarvan het uiteinde rust op de vlakke bodem van het verdiepte gedeelte. De kegel 25 voorkomt het vastvreten van de loopvlakken van 30 het kegelvormige uiteinde 4 van rotor 1 en het luchtlager gevormd door het gegroefde, verdiepte gedeelte van de bodem van het statorhuis. In het vlakke deel van de bodem van het verdiepte gedeelte is een kanaal 26 aangebracht, waarin een terugslagklep 27 is opgenomen. Het kanaal 35 26 staat in verbinding met de omgevingsruimte of met een voorvacuumpomp.

8602052 * / il -8-

De aandrijving van rotor 1 geschiedt bij de weergegeven uitvoeringsvorm van de pomp volgens de uitvinding met behulp van een in het statorhuis opgestelde elektromotor 28 en een aandrijfring 29, die bevestigd is op hetcilin-5 drische huis 3 van rotor 1.

De onderdelen van de pomp volgens de uitvinding bestaan uit voor het desbetreffende doel gebruikelijke materialen. Zo kunnen de rotorpijpen 8 en 9 bijvoorbeeld bestaan uit roestvrij staal en een dikte hebben van enkele 10 tienden tot een halve millimeter en meer. De statorwanden en -bussen bestaan bij voorkeur uit een gemakkelijk te verspanen materiaal, bijvoorbeeld uit aluminium. De afmetingen van rotor, rotorpijpen, statorwand en statorbussen zijn voorts zodanig dat de afstand tussen tweetallen 15 tegenover elkaar opgestelde wanden afneemt vanaf de buitenste statorwand 12 tot het cilindrische huis 3 van rotor 1.

8602052

Claims (5)

1. Hoogvacuumpomp, omvattende een rotor die is ingericht om met grote snelheid rond de langsas te roteren, en een coaxiaal ten opzichte van de rotor opgestelde stator, waarbij van op geringe afstand tegenover elkaar opgestelde 5 oppervlakken van stator en rotor tenminste een deel van één daarvan is voorzien van een schroeflijnvormige of spiraalvorm!ge groef, met het kenmerk, dat rotor en stator ieder over een deel van hun lengte zijn opgebouwd uit een of meer coaxiale bussen of pijpen met onderling verschil-10 lende diameter en met één vrij uiteinde, waarbij de stelsels rotorpijpen en statorbussen onderling tegengesteld zijn gericht en ineenpassend zijn opgesteld, zodat een pijp van het stelsel rotorpijpen zich bevindt tussen twee pijpen of tussen een pijp en de wand van het statorbussen-15 stelsel, terwijl van elk tweetal op geringe afstand tegenover elkaar opgestelde oppervlakken van statorpijp of -wand en rotorpijp of -wand tenminste één is voorzien van een schroeflijnvormige of spiraalvormige groef.

2. Hoogvacuumpomp volgens conclusie 1, met het kenmerk, 20 dat de afmetingen van de groeven in de desbetreffende oppervlakken zodanig zijn gedimensioneerd dat de diepte van de groeven afneemt van de zijde van hoogvacuum in de pomp naar de zijde van hogere drukken.

3. Hoogvacuumpomp volgens conclusie 1-2, met het 25 kenmerk, dat de radiale afmeting van de draaispleet afneemt van de zijde van hoogvacuum in de pomp naar de zijde van hogere drukken.

4. Hoogvacuumpomp volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat in de stator tussen één of meerdere paren 30 van opvolgende bussen en/of tussen een bus en een opvolgende wand een afvoerkanaal is voorzien, waarin een terugslagklep is opgenomen, welk afvoerkanaal of welke afvoerkanalen in verbinding staan met de omgevingsruimte of met een 8602052 - - * ï -10- voorvacuumpomp.

5. Hoogvacuumpomp volgens conclusie 1-4, met het kenmerk, dat de laatste druktrap aan de voorvacuumzijde is geconstrueerd als luchtlager. 8602052