WO2008031819A1

WO2008031819A1 - Vakuumpumpe

Info

Publication number: WO2008031819A1
Application number: PCT/EP2007/059521
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Giebmanns
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum Gmbh
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2008-03-20
Also published as: DE102006043327A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine schnelidrehende Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums. Schnelldrehende Vakuumpumpen könnten zusammen mit schnelidrehenden Hochvakuumpumpen, beispielsweise Turbomolekularpumpen, zu einwelligen Vakuumpumpen zusammengesetzt werden, die von Hochvakuum- bzw. Ultrahochvakuum auf Atmosphärendruck verdichten können. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe (10) weist hierzu eine Saugstufe (12) und eine nachgelagerte Zentripetal-Verdichterstufe (21) mit radial verlaufenden Verdichterkammern (33) auf, deren Auslassquerschnitt kleiner als das 0,4-fache ihres Einlassquerschnittes ist. Da die Zentripetal-Verdichterstufe keine Verdrängermaschine ist, kann sie mit hohen Drehzahlen betrieben werden und Gase von Vorvakuumdrücken auf Atmosphärendruck mit hohen Drehzahlen verdichten. Hierdurch ist die Möglichkeit geschaffen, mit einer einzigen einwelligen schnelldrehenden Vakuumpumpe Hochvakuum bzw. Uitrahochvakuum zu erzeugen.

Description

Unser Zeichen: 071625WO/Sg-Eb/rp

Vakuumpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine schnelldrehende Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Vorvakuums.

Zur Erzeugung von Hochvakuum oder Ultrahochvakuum werden in alier Regel mehrere verschiedene Vakuumpumpen in Reihe hintereinander geschaltet, um in einem Rezipienten den entsprechenden Druck zu erzeugen und das abgepumpte Gas bis auf Atmosphärendruck zu komprimieren. Zur Erzeugung von Arbeitsdrücken von weniger als 10^"3 mbar werden in der Regel Turbomolekularpumpen eingesetzt. Da Turbomolekularpumpen nicht gegen Atmosphäre verdichten können, ist eine separate Vorvakuumpumpe erforderlich. Vorvakuumpumpen sind, im Gegensatz zu Turbomolekuiarpumpen, in der Regel Verdrängerpumpen, bei denen in Kammern eingeschlossenes Gas durch Raumverkleinerung komprimiert wird. Da hierbei Gas in eine Kammer ein- und wieder ausströmen muss, kann ein Pumpzykius in Bezug auf eine Kammer nicht beliebig kurz sein. Vorvakuumpumpen in Form von Verdrängerpumpen können daher, im Vergleich zu Turbomolekularpumpen, nur mit relativ geringen Drehzahlen betrieben werden. Während Turbomolekularpumpen mit 10.000 bis 100.000 U/min betrieben werden, bleiben herkömmliche Vorvakuumpumpen meist bei Drehzahlen unterhalb von 2000 U/min, mit Ausnahme von Schraubenpumpen oder auch Wälzkolbenpumpen, die durchaus im Drehzahlbereich von 2000 bis 10,000 U/min laufen können. Eine Kombination einer Turbomolekularpumpe mit einer Verdrängerpumpe auf einer einzigen Welle kann, wenn überhaupt, nur unter Inkaufnahme erheblicher Nachteile realisiert werden.

Zwar sind als Vorvakuumpumpen auch ein- oder mehrstufige Axϊai-, Diagonaloder/und Radialverdichter bzw. Seitenkanalverdichter bekannt, jedoch sind diese nur in bestimmten Kennlinienbereichen wirkungsvoll, so dass erhebliche konstruktive Maßnahmen erforderlich sind, um befriedigende Druckverhäitnisse zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe zur Verdichtung auf Atmosphärendruck zu schaffen, die mit hohen Drehzahlen betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfϊndungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße einwellige Vakuumpumpe weist eine Zentripetal- Anordnung auf, die eine zentrifugale Saugstufe, die das angesaugte Gas beschleunigt, und eine dieser unmittelbar nachgelagerte Zentripetal- Verdichterstufe aufweist, die radial verlaufende rotorseitige Verdichterkammern aufweist, deren Auslassquerschnitt kleiner als das 0,4-fache ihres Einiassquerschnittes ist. Die Zentripetal-Verdichterstufe ist keine Verdrängermaschine und kann daher mit hohen Drehzahlen betrieben werden, wie sie denen einer Turbomolekularstufe bzw. -pumpe entsprechen. Die Zentripetal-Verdichterstufe kann daher auf derselben Welle mit einer Turbostufe bzw. Turbomolekularpumpe betrieben werden.

Unter radial nach innen verlaufenden Verdichterkammern sind auch Verdichterkammern zu verstehen, die nicht genau in einer Querebene liegen und/oder nicht einer Radialen folgen, aber das Gas von radial außen nach radial innen leiten.

Durch den zentripetal, d. h. radial nach innen, gerichteten Strömungsverlauf in den Verdichterkammern wird der Umstand genutzt, dass sich der Querschnitt der Verdichterkammern von radial außen nach radial innen geometrisch zwangsläufig verkleinert. Hierdurch wird die kinetische Energie des von einer vorgelagerten Beschleunigungsstufe entsprechend beschleunigten Gases in eine Verdichtung bzw. in eine Druckerhöhung umgewandelt. Vorzugsweise ist der Auslassquerschnitt kleiner als das 0,2fache und besonders bevorzugt kleiner als das 0,15fache des Einlassquerschnittes. Mit dem Einlassquerschnitt ist vorliegend die eϊnlassseitige Querschnittsfläche einer Verdichterkammer senkrecht zur Einströmrichtung gemeint. Die Zentripetal-Verdichterstufe erfordert eine vorgelagerte Beschleunigungsstufe, durch die das Gas mit einer gewissen Eigengeschwindigkeit in die Einlasse der Verdichterkammern einströmt. Eine derartige Beschleunigungsstufe kann beispielsweise durch die letzte Stufe einer vorgelagerten Turbomolekuiarpumpen-Stufe ausgebildet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Zentripetal-Anordnung eine der Zentripetal-Verdichterstufe nachgelagerte Zentrifugal-Stufe auf, wobei die beiden Stufen zusammen ein Stufenpaar bilden. Bei der Zentripetal-Verdichterstufe besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass durch die mit der Drehbewegung generierten Zentrifugalkräfte das nach radial innen geförderte Gas abgebremst wird und ggf. teilweise sogar nach radial außen zurückströmt. Dieser Zustand wird als Pumpen bezeichnet. Treten derartige Rückströmungen erstmals auf, wird die betreffende Verdichterstufe an bzw. jenseits ihrer sog. Pumpgrenze betrieben, was zu Wirkungsgradverlusten, Erwärmungen, sowie durch die hiermit verbundenen Pulsationen und Schwingungen auch zu Beschädigungen führen kann.

Das durch eine entsprechende Verbindungsöffnung aus der Verdichterkammer in eine Kammer der Zentrifugai-Stufe angesaugte Gas wird in der Zentrifugal- Kammer wieder nach radial außen beschleunigt und kann durch anschließende Umwandlung der Strömungsenergie in eine entsprechende Druckerhöhung umgewandelt werden. Durch die der Zentripetal-Verdichterstufe unmittelbar nachgelagerte Zentrifugal -Stufe wird eine Saugkraft generiert, die den Gegendruck in der Zentripetal-Verdichterstufe reduziert und eine Rückströmung verhindern kann. Das Pumpen wird auf diese Weise vermieden bzw. die Pumpgrenze verschoben.

Vorzugsweise weist die Anordnung ein zweites Stufenpaar auf, das dem ersten Stufenpaar nachgeiagert ist, wobei radial außenseitig ein Umlenkkanal vorgesehen ist, der die Strömungsrichtung des aus der Zentrifugal -Stufe des ersten Stufenpaares ausströmenden Gases in die folgende Zentripetal- Verdichterstufe des zweiten Stufenpaares umlenkt. Der Umienkkana! kann mitdrehend, also rotorseitig, oder aber auch nϊcht-mitdrehend, also statorseitig, angeordnet sein. Der Umlenkkanal kann aus einer Vielzahl von Einzelkanälen bestehen, oder aus einer einzigen umlaufenden Rille.

Durch den Umlenkkanal wird das in der Zentrifugal-Stufe beschleunigte Gas derart umgelenkt, dass es mit entsprechender Eigengeschwindigkeit in die folgende Zentripetal-Verdichterstufe einströmt. Für eine Verdichtung des durch eine Turbomolekularpumpen-Anordnung auf Vorvakuumdruck verdichteten Gases auf Atmosphärendruck sind mehrere Stufenpaare erforderlich, wobei deren Anzahl je nach Anwendungsbereich vier bis zehn Stufenpaare betragen kann.

Vorzugsweise ist der Umlenkkanal statorseitig vorgesehen und wird das Gas in dem Umlenkkanal in eine Richtung entgegen der Drehrichtung der folgenden Zentripetal -Verdichterstufe umgelenkt. Das aus der Zentrifugal-- Stufe ausströmende Gas wird nicht nur nach radial innen umgelenkt, sondern wird derart umgelenkt, dass es nahezu tangential und entgegen der Drehrichtung der folgenden Zentripetal-Verdichterstufe in diese einströmt. Hierdurch erhält das in die Zentripetal-Verdichterstufe einströmende Gas eine hohe Eigengeschwindigkeit, die in der Zentripetal-Verdichterstufe in eine hohe Verdichtung umgesetzt wird und Rückströmungen vermeidet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung verkleinert sich der Querschnitt der Verdichterkammern der Zentripetal-Verdichterstufe nach radial innen um mindestens das 0,5fache, d. h. verkleinert sich der Verdichterkammer- Querschnitt auf das O,5fache oder einen kleineren Wert. Hierdurch wird eine Expansion des verdichteten Gases innerhalb der Verdichterkammer vermieden.

Vorzugsweise vergrößert sich der Querschnitt der Kammern der Zentrifugal-Stufe von radial innen nach radial außen um weniger als das 2,0fache. Vorzugsweise vergrößert steh der Kammer-Querschnitt der Zentrifugalstufen-Kammer nach außen nur gering bzw. überhaupt nicht oder verkleinert sich sogar, was zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit führen würde. Hierdurch wird eine Expansion des in den Kammern beschleunigten Gases im wesentlichen verhindert.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist jeder Verdichterkammer der Zentripetal-Verdichterstufe eine axiale Auslassöffnung zugeordnet, die die Einlassöffnung der Kammer der nachgelagerten Zentrifugal-Stufe bildet. Die Auslassöffnung definiert den Auslassquerschnitt der Verdichterkammer und den Einlassquerschnitt der Kammer, der folgenden Zentrifugal-Stufe. Jeder Verdichterkammer ist eine eigene Auslassöffnung zugeordnet, wie auch jeder Kammer der nachgelagerten Zentrifugal-Stufe eine entsprechende Einlassöffnung zugeordnet ist. Alternativ kann grundsätzlich auch eine einzige axiale Auslassöffnung für alle Verdichterkammern vorgesehen sein, wobei der Auslassquerschnitt bezogen auf eine Verdichterkammer entsprechend anteilig ermittelt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Verdichterkammern der Zentripetal- Verdichterstufe spiralförmig verlaufend angeordnet, wobei die Verdichterkammern radial außen in Umdrehungsrichtung geneigt sind, so dass die Einiassöffnung jeder Verdichterkammer in Drehrichtung zeigt bzw. geöffnet ist. Durch die spiralförmige Anordnung der Verdichterkammern wird erreicht, dass das in die Verdichterkammern einströmende Gas zunächst eine hohe tangentiale Geschwindigkeitskomponente, die gegen die Drehrichtung der Zentripetal- Verdichterstufe gerichtet ist, beibehält, so dass das einströmende Gas noch keinen oder nur relativ geringen zentrifugalen Beschleunigungen ausgesetzt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist in dem Statorkörper im Bereich des Umlenkkanales bzw. der Umlenkkanäle eine Kühlleitung zur Kühlung des Gases in dem Umlenkkanal bzw. in den Umlenkkanälen vorgesehen. Durch die Abkühlung des Gases wird der Wirkungsgrad verbessert.

Gemäß Patentanspruch 11 ist eine Einwelien-Vakuumpumpe vorgesehen, die von Hochvakuum auf Atmosphärendruck verdichtet und die einen Hochvakuum- Abschnitt und einen Vorvakuum -Abschnitt mit einer Anordnung mit mindestens einem Stufenpaar aufweist, das jeweils aus einer Zentripetal-Verdichterstufe mit radial verlaufenden Verdichterkammern, deren Auslass-Querschnitt kleiner als das 0,4fache des Einlass-Querschnittes ist, und einer der Zentripetal- Verdichterstufe nachgelagerten Zentrifugal-Stufe besteht. Durch die Ausbildung des Vorvakuum-Abschnittes als nicht-verdrängende Pumpanordnung kann der Vorvakuum-Abschnitt mit denselben hohen Drehzahlen betrieben werden, mit denen naturgemäß Hochvakuum-Abschnitte einer Vakuumpumpe betrieben werden müssen. Auf diese Weise ist es möglich, eine getriebefreie Einwellen- Vakuumpumpe zu schaffen, die von Hochvakuum auf Atmosphärendruck verdichtet.

Gemäß dem Patentanspruch 12 ist eine Vakuumpumpe vorgesehen, die eine Welle, eine mit Sperrgas beaufschlagte WelSendϊchtung und eine interne Sperrgaspumpe aufweist, die durch die Welle angetrieben ist. Die Sperrgaspumpe wird von einer Zentripetal-Anordnung gebildet, die eine Saugstufe und eine der Saugstufe nachgelagerte Zentripetal-Verdichterstufe mit radial verlaufenden Verdichterkammern aufweist, wobei der Auslass-Querschnitt der Verdichterkammern kleiner als das 0,4fache des Einlass-Querschnittes ist.

In Vakuumpumpen werden mit Sperrgas beaufschlagte Wellendichtungen verwendet, um den mit dem Fördergas beaufschlagten Schöpfraum und den ggf. Schmiermittel enthaltenden Getrieberaum so gegeneinander abzudichten, dass kein Austausch zwischen den beiden genannten Räumen erfolgt bzw. jedenfalls kein Schmiermittel in den Schöpfraum wandern kann. Als Sperrgas wird, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung, ein spezielles Gas, beispielsweise Stickstoff, Edelgase oder Gasgemische aus Gasflaschen, Gasspeichern oder Gasnetzsystem oder auch Luft, beispielsweise aus einem DruckSuftnetz oder von einem unabhängigen Luftkompressor, verwendet.

In jedem FaIi ist eine externe Gasversorgungs-Anordnung erforderlich. Dies birgt die Gefahr, dass der Anwender beispielsweise aus Kostengründen auf eine externe Gasversorgungs-Anordnung verzichtet oder aber die Gasversorgungs- Anordnung nicht einschaltet oder nicht richtig betreibt. Bei unzureichender Sperrgas-Versorgung können erhebliche verschmutzungsbedingte Schäden an den betreffenden Wellendichtungen vorkommen. Vor diesem Hintergrund war es wünschenswert, eine Vakuumpumpe mit einer mit Sperrgas beaufschlagten Wellendichtung zu schaffen, bei der die Sperrgas-Versorgung mit hoher Zuverlässigkeit ständig gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist eine interne integrierte Sperrgaspumpe auf, die durch die Vakuumpumpen-Welle angetrieben wird. Der Anwender kann die Sperrgaspumpe also nicht mehr weglassen oder das Einschalten der Sperrgaspumpe vergessen. Eine Fehlbedienung der Sperrgaspumpe ist praktisch ausgeschlossen.

Die Sperrgaspumpe wird von einer Zentripetal-Anordnung gebildet, die eine Saugstufe und eine der Saugstufe nachgelagerte Zentripetal-Verdichterstufe mit radial verlaufenden Verdichterkammern aufweist, deren Ausiass-Querschnitt kleiner als das 0,4fache ihres Esnlass-Querschnittes ist. Die genannte Anordnung bzw. die Zentripetal-Verdϊchterstufe ist keine Verdrängermaschine und kann daher mit relativ hohen Drehzahlen und getriebefrei betrieben werden. Auf diese Weise wird eine interne integrierte Sperrgaspumpe zur Verfügung gestellt, die mechanisch einfach, nämlich getriebefrei, aufgebaut ist und mit hohen Drehzahlen betrieben werden kann, wie sie beispielsweise Hochvakuumpumpen, und insbesondere Turbomolekularpumpen, Turboradialgebiäsen oder auch Schrauben- und Wäizkolbenpumpen zu Eigen sind.

Vorzugsweise ist die Sperrgaspumpe axial im Abschnitt der Sperrgas- Wellendichtung angeordnet. Die Sperrgaspumpe ist also in unmittelbarer axialer Nähe der Wellendichtung vorgesehen, so dass durch den kurzen Weg zwischen der Sperrgaspumpe und der Wellendichtung der Strömungswiderstand der Leitung zwischen der Sperrgaspumpe und der Wellendichtung sehr gering ist. Die Sperrgaspumpe kann entsprechend klein und mit entsprechend wenigen Stufen ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Saugstufe der Zentripetal- Anordnung der Sperrgaspumpe als Radiallüfter ausgebildet. Der Radiailüfter ist auf der Vakuumpumpen-Welle montiert und saugt beispielsweise rotormittig Umgebungsluft an, beschleunigt diese radial nach außen, um die Außenseite der Vakuumpumpe mit Kühiluft zu versorgen. Da der Zentripetal-Verdichterstufe Sperrgas zugeführt werden sollte, das bereits eine gewisse Strömungsgeschwindigkeit aufweist, kann als Sperrgas ein Teil des von dem Radiallüfter generierten Kühlluft-Stromes abgezweigt und der Zentripetal- Verdichterstufe zugeführt werden. Die Saugstufe wird also von einem ohnehin vorhandenen, im wesentlichen der Kühlung dienenden, Radiallüfter gebildet.

Vorzugsweise ist die eine Wellendichtung aufweisende Vakuumpumpe eine Verdränger-Vakuumpumpe, beispielsweise eine Schraubenpumpe.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Rg. 1 eine erste Ausführungsform einer Vakuumpumpe im Längsschnitt,

Fig.2 einen Querschnitt der Vakuumpumpe der Fig. 1, in dem eine

Zentripetal-Verdichterstufe dargestellt ist,

Fig. 3 einen Querschnitt der Vakuumpumpe der Fig, 1, in dem eine

Zentrϊfugal-Stufe dargestellt ist,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer Vakuumpumpe im Längsschnitt,

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform einer Vakuumpumpe im Längsschnitt, Fig. 6 einen Querschnitt der Vakuumpumpe der Fig. 5,

Fig. 7 eine vierte Ausführungsform einer Vakuumpumpe im Längsschnitt,

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer Vakuumpumpe im Längsschnitt mit einer internen Sperrgaspumpe mit einer Zentripetal-Anordnung,

Fig. 9 zwei Längsschnitte der Vakuumpumpe der Figur 8, und

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform einer Vakuumpumpe mit einer internen Sperrgaspumpe, die axial im Bereich einer sperrgasbeaufschiagten Weilendichtung angeordnet ist.

In den Rg. 1 - 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vakuumpumpe 10 dargestellt, die eine sogenannte Vorvakuumpumpe ist, die ab einem Eingangsdruck von 50 mbar auf Atmosphärendruck verdichtet. Die Vakuumpumpe 10 ist eine Kombination einer Radial-Saugstufe 12 und dreier Verdichter-Stufenpaare 20,23,26, wobei jedes Stufenpaar 20,23,26 jeweils aus einer Zentripetal-Verdichterstufe 21,24,27 und einer sich daran jeweils anschließenden Zentrifugal -Stufe 22,25,28 besteht. Die Saugstufe 12 ist als Radial-Verdichterstufe ausgebildet. Alle Stufen 12,20-28 sind im wesentlichen in einem Rotor 17 auf einer einzigen Welle 14 verwirklicht.

In der Fig. 2 ist die erste Zentripetal-Verdichterstufe 21 im Querschnitt dargestellt. Die Zentripetal-Verdichterstufe 21 weist acht sichelförmige rotorseitige Verdichterkammern 33 auf. Die Verdichterkammern 33 werden axial durch kreisscheibenförmige ebene rotorseitige Axialwände 34,35 und durch sichelförmige rotorseitige Radialwände 46 begrenzt. Die Verdichterkammern 33 weisen einen Einlassquerschnitt E auf, dessen Querschnittsfläche am radial außenseitig liegenden Einiass 18 ungefähr senkrecht zur Einströmrichtung steht. Radial innenseitig münden die radialen Kanalwände in einem Nabenring 29, so dass die Verdichterkammern 33 nach radial innen geschlossen sind. In der in Hauptströmrichtung vorderen Wand 34 ist am radial inneren Ende jeder Verdichterkammer 33 jeweils ein axialer Verdichterkammer-Auslass 30 bzw. eine axiale Auslassöffung 30 vorgesehen, durch den bzw. die das Gas in die jeweils benachbarte Kammer 36 der folgenden Zentrifugai-Stufe 22 strömt. Die rotorseitigen Zentrifugal-Kammern 36 sind ebenfalls sichelförmig geformt, wobei sich ihr Querschnitt über den Radius nach außen nicht oder nur geringfügig erweitert, wie in Fig. 3 dargestellt.

Die Saugstufe 12, die Verdichterstufen 21, 24, 27 und die Zentrifugal-Stufen 22, 25, 28 bilden eine Zentripetal-Anordnung 11.

Der Kammerquerschnitt der Verdichterkammern 33 verkleinert sich kontinuierlich von radia! außen nach radial innen um ungefähr das Dreifache. Die Sichel- Orientierung der Zentrifugal-Kammern 36 ist hier als entgegengesetzt zu der Orientierung der sichelförmigen Verdichterkammern 33 der Zentrspetal- Verdichterstufe 21, also gegen die Drehrichtung des Rotors 17, dargestellt. Je nach Anwendungsfall kann es auch vorteilhaft sein, diese Zentrifugal-Kammern 36 einfach geradlinig radial oder auch sichelförmig in gleicher Richtung wie die Kammern der Zentripetalstufe, also in Drehrichtung des Rotors 17, auszuführen. Durch diese Zentrifugal-Kammern entsteht bei Rotation des Rotors am Auslass 30 der Verdichterkammern 33 ein Sog, der eine Gas-Rückströmung verhindert.

Statorseitig sind zwei Umlenkkanäle 40,41 in Form jeweils einer umlaufenden Nut in dem Stator 16 vorgesehen. Durch den Umlenkkanal 40,41 wird das aus den Kammern 36 einer Zentrifugal-Stufe 22,25 nach radial außen austretende Gas nach radial innen umgelenkt, um in die axial folgende Zentripetal- Verdichterstufe 24,27 radial nach innen wieder einzuströmen. In der Fig. 4 ist eine Einwellen-Vakuumpumpe 50 dargestellt, die von Hoch- oder Uitrahochvakuum auf Atmosphärendruck verdichtet, und die mit einer einzigen Welle 51 und ohne Getriebe auskommt.

Hierzu weist die Vakuumpumpe 50 eingangsseitig zunächst einen Turbomolekularpumpen-Abschnitt 52, einen anschließenden ersten Holweckpumpen-Abschnitt 54 mit einem Rotorgewinde, einen zweiten Hoiweckpumpen-Abschnitt 56 mit rotierender, glattflächiger Außenwand, einen fünfstufigen ersten Zentripetal-Schaufelverdichter-Abschnitt 58, einen sich daran anschließenden dreistufigen Zentrifugal-Schaufelverdichter-Abschnitt 59 sowie einen sich hieran anschließenden Zentripetal-Zentrifugal-Abschnϊtt 60 auf. Der Zentripetat-Zentrifugai-Abschnitt 60 besteht aus sieben Stufenpaaren 62-68, die jeweils durch statorseitige Umlenkkanäle 61 miteinander verbunden sind.

Der Zentripetai-Zentrifugal-Abschnitt 60, der einen Vorvakuum-Abschnitt 60 bildet, verdichtet das Gas gegen Atmosphärendruck und stößt das Gas durch einen Vakuumpumpen-Auslass 70 gegen Atmosphäre aus. In dem Stator 72 ist radial außen an die Stufenpaare 62-68 angrenzend eine schraubenförmig verlaufende Kühlleitung 74 angeordnet, durch die als Kühlmittel Wasser fließt. Durch die statorseitige Kühlung wird das beim Verdichten in dem Zentripetal- Zentrifugal-Abschnitt 60 erwärmte Gas abgekühlt, so dass der Wirkungsgrad dieses Abschnittes 60 erheblich verbessert wird.

In den Fig. 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform einer Vakuumpumpe 80 dargestellt, bei der die Gasumlenkung zwischen beiden Stufenpaaren 84,85 durch eine Vielzahl einzelner statorseitiger Umlenkrohre 82 erfolgt. Die Umlenkrohre 82 sind derart zur Radialen geneigt, dass das Gas aus einer Zentrifugal-Kammer 87 annähernd tangential ausströmt und in die sich daran anschließende Zentripetal-Verdichterkammer 88 annähernd tangential wieder einströmt. In dem durch die Bucht der Umlenkrohre 82 umschlossenen Raum läuft eine kreisförmig bzw. schraubenförmig angeordnete Kühileitung 86. Die einzelnen Verdichterstufen sind hier durch eine Kolbenringdichtung voneinander getrennt, die eine direkte Rückströmung über den Laufspalt zwischen Rotor und Stator minimieren oder gar verhindern soll.

In der Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vakuumpumpe 90 ausschnittweise dargestellt. Auch hier sind statorseitig einzelne Umlenkkanäle 92 vorgesehen, die , entsprechend der Rohre in Figur 6, als annähernd tangential in eine Stator-Gehäusescheibe 94 eingefräste Nuten realisiert sind, in die mit entsprechenden Zwischenscheiben 96 die Umlenkkanäle 92 definiert sind. Die Abdichtung zwischen dem Rotor und dem Stator erfolgt hier durch ein rotorseitiges Spitzenlabyrinth 98, ein sich radial außen daran anschließendes Führungsgehäuse 100 sowie einen umlaufenden O-Rϊng 102.

In Figur 8 ist ein Teil eines weiteren Ausführungsbeispieles einer Vakuumpumpe 110 im Längsschnitt dargestellt. Die Vakuumpumpe 110 ist vorliegend eine Schraubenpumpe. Auf einer Weile 112 sitzt am Welienende ein Radiallüfter 114, der όer Kühlung der Vakuumpumpe 110 dient und mit einem Anteil von ca. 10 % eine Saugstufe für eine Zentripetal-Anordnung 111 bildet, die eine interne Sperrgaspumpe 120 bildet. Die Welle 112 wird z. B. mit einer Drehzahl von 3000 bis 3600 U/min angetrieben. Die Sperrgaspumpe 120 dient der Versorgung einer mit Sperrgas beaufschlagten Weilendichtung, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2005 015 212 bekannt ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Sperrgaspumpe entfernt von der mit dem Sperrgas beaufschlagten Wellendichtung angeordnet, die nicht dargesteift ist.

Die durch den Radiallüfter nach radial außen beschleunigte Luft strömt zu ca. 90 % durch einen Kühlluftkanal 122, durch den sie in axialer Richtung umgelenkt wird und anschließend am Vakuumpumpengehäuse entlangströmt.

Ungefähr 10 % des Luftstromes gelangt in einen statorseitigen Sammelkanal 124 und wird durch den ringförmigen und im Querschnitt halbkreisförmigen rinnenartigen Sammelkana! nach radiai innen umgelenkt in einen statorseitigen Umlenkkanal 126. Von dort fließt die Luft, die schließlich das Sperrgas bildet, unter einem Tangentiaiwinkel von ungefähr 45° hinein in eine rotorseitige Zentripetal-Verdichterstufe 128 durch die radial innen liegenden Auslassöffnungen 130 axia! in die sich anschließende rotorseitige Zentrifugal- Stufe 136. Von dort strömt das auf diese Weise beschleunigte und verdichtete Sperrgas in einen ringförmigen Sammelkana! 140 und von dort aus in einen statorseitigen axialen Sperrgas-Abströmkanal 142 zu der mit Sperrgas beaufschlagten Wellendichtung.

Die Sperrgaspumpe 120 besteht also aus einem Stufenpaar, bestehend aus der Zentripetal-Verdichterstufe 128 und der Zentrifugal -Stufe 136.

Da eine Schraubenpumpe gegen einen Auspuffdruck arbeitet, der nur bis zu 0,3 bar über dem Atmosphärendruck liegt, muss der statische Druck des Sperrgases ebenfalls nur knapp oberhalb eines Absolutdruckes von 1,3 bar liegen, um zu jedem Betriebspunkt einen Überdruck gegenüber dem Fördergas zu erzielen. Daher ist es nicht erforderlich, vorliegend mehrere Stufenpaare hintereinander anzuordnen, da bereits mit einem Stufenpaar ein ausreichender Druck des Sperrgases von mehr als 1,3 bar erzeugt wird.

In Figur 9 ist in den Querschnitten A und B erkennbar, in welcher Weise das Sperrgas u. a. in dem Umlenkkanal 126 und in der Zentripetal-Verdichterstufe 128 jeweils bezogen auf die Radiale umgelenkt und die Strömungsenergie zur Druckerhöhung umgewandelt wird. Im Bereich der Verdichterstufe 128 wird die Strömung nicht beschleunigt sondern zur Druckerhöhung abgebremst.

In Figur 10 ist ein Ausschnitt eines Längsschnittes eines weiteren Ausführungsbeispieles einer Vakuumpumpe 150 dargestellt. Die Vakuumpumpe 150 ist eine Schraubenpumpe. Die Vakuumpumpe 150 weist eine Dichtungsanordnung 152 auf, die im einzelnen aus einer dreiteiligen Kolbenring-Dichtung 154, einer Labyrinth-Dichtung 156 sowie einer mit Sperrgas beaufschlagten Sperrgas-Wellendichtung 158 besteht. Zur Versorgung der Sperrgas-Wellendichtung 158 mit Sperrgas ist eine integrierte Sperrgaspumpe 160 vorgesehen, die von einer Zentripetai-Anordnung 162 gebildet wird.

Die interne Sperrgaspumpe 160 wird durch eine Welle 164 angetrieben und ist axial im Abschnitt der Dichtungsanordnung 152 bzw. unmittelbar angrenzend an die Sperrgas-Weliendichtung 158 angeordnet.

Aus einem zirkulären Ansaugkanal 166 gelangt das Sperrgas in eine Beschleunigungsstufe 168, die von einem Radialverdichter-Laufrad gebildet wird. Von dort strömt das auf diese Weise beschleunigte Sperrgas in einen statorseitigen Umlenkkanal 170, von wo aus das Sperrgas nach radial innen umgelenkt in eine Zentripetal-Verdichterstufe 172 mit Verdichterkammern 174 einströmt. Aus den Verdϊchterkammem 174 strömt das verdichtete Sperrgas durch axiale Verdichterkammer-Auslässe 176 zu der Sperrgas-Wellendichtung 158,

Durch das selbst ansaugende Radiaiverdichter-Laufrad 168 wird die Luft bzw. das Sperrgas über den dargestellten Ansaugkanal 166 aus der Umgebung angesaugt und radial nach außen beschleunigt. Das außen angefügte statorseitige Umlenkgehäuse 170 führt die Luft über entsprechend geformte Umlenkkanäle 171 in Gegendrehrichtung zu der Zentripetal-Verdichterstufe 172, die wiederum der Erhöhung des statischen Gasdruckes dient. Im Nabenbereich der Zentripetal- Verdichterstufe 172 befinden sich Auslässe 176, durch die die Sperrgas-Luft direkt in die Sperrgas-Kammer 180 strömt.

Auf eine Zentripetal -Stufe wurde hier verzichtet, um die Sperrgas-Luft ohne weitere Umlenkungen direkt in die Sperrgas-Kammer 180 leiten zu können. Da die Weilen 164 einer Schraubenpumpe in engen Drehzahibereichen von beispielsweise 5000 bis 10.000 U/min bei ansonsten gleichartigen Betriebsbedingungen betrieben werden, kann auch für die Sperrgaspumpe 160 eine sogenannte Pumpgefahr, d. h. ein Rückströmen innerhalb der Zentripetal- Stufe 172 durch eine gezielte Auslegung der aerodynamischen Komponenten, vollständig vermieden werden.

Mit der in Figur 10 dargestellten Sperrgaspumpe 160 kann eine einzige Sperrgas- Wellendichtung 158 mit Sperrgas versorgt werden. Weist eine Vakuumpumpe mehrere Sperrgas-Weüendichtungen auf, können diese mit einer einzigen Sperrgaspumpe gemäß der Vakuumpumpe 110 der Figur 8 über ein entsprechendes Leitungssystem gemeinsam versorgt werden, wobei die Förderleistung der Sperrgaspumpe durch eine entsprechende Anzahl von Stufenpaaren entsprechend anzupassen ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vakuumpumpe (10) mit einer Zentripetal-Anordnung (11), die eine Saugstufe (12) und eine dieser nachgelagerten Zentripetal -Verdichterstufe

(21) mit radial verlaufenden rotorseitigen Verdichterkammern (33) mit jeweils einem radial äußeren Einlass (18) und einem radial inneren Auslass (30) aufweist, wobei der Auslass-Querschnitt kleiner als das 0,4fache des Einlass-Querschnittes ist.

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (11) eine der Zentripetal-Verdichterstufe (21) nachgelagerte Zentrifugal -Stufe (22) aufweist, die zusammen ein Stufenpaar (20) bilden.

3. Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (11) ein zweites Stufenpaar (23) aufweist, das dem ersten Stufenpaar (20) nachgelagert ist, wobei außenseitig ein Umlenkkanal (40) vorgesehen ist, der die Strömungsrichtung des aus der Zentrifugal-Stufe

(22) ausströmenden Gases in die folgende Zentripetal-Verdichterstufe (24) umlenkt.

4. Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkanal (40) statorseitig vorgesehen ist und das Gas in eine Richtung entgegen der Drehrichtung der Zentripetal- Verdichterstufe (24) umlenkt.

5. Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Verdichterkammer (33) der Zentripetal-Verdichterstufe (21,24,27) nach radiai innen verkleinert.

6. Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Kammer (36) der Zentrifugalstufe (22,25,28) nach radial außen um weniger als das 2,0-fache vergrößert,

7. Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 2™6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Verdichterkammer (33) der Zentripetal- Verdichterstufe (21) eine axiale Auslassöffnung (30) zugeordnet ist, die die EinSassöffnung der Kammer (36) der nachgelagerten Zentrϊfugaf-Stufe (22) bildet.

8. Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterkammern (33) der Zentripetai- Verdichterstufe (21) spiralförmig verlaufen und radial außen in Umdrehungsrichtung geneigt sind.

9. Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (36) der Zentrifugal-Stufe (22) spiralförmig verlaufen und radial außen einfach geradlinig oder auch spiralförmig in Umdrehungsrϊchtung geöffnet sind.

10. Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Umlenkkanaies (61) eine Kühlleitung (74) in dem Stator (72) vorgesehen ist.

11. Einwellen-Vakuumpumpe (50), die von Hochvakuum auf Atmosphärendruck verdichtet, mit einem Hochvakuum-Abschnitt (52,54,56,58) und einem Vorvakuum-Abschnitt (60) mit einer Anordnung mit einem Stufenpaar (62-68) mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2,

12. Vakuumpumpe (150) mit einer Welle (164), einer mit Sperrgas beaufschlagten Weliendichtung (158) und einer internen Sperrgaspumpe (160), die durch die Welle (164) angetrieben wird, wobei die Sperrgaspumpe (160) von einer Zentrϊpetal-Anordnung (162) gemäß einer der Ansprüche 1 - 10 gebildet wird.

13. Vakuumpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrgaspumpe (160) axiaf im Abschnitt der Weiiendichtung (158) angeordnet ist.

14. Vakuumpumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugstufe ein Radiallüfter (114) ist.

15. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 12 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe (150) eine Verdränger- Vakuumpumpe ist.