Turbomolekularpumpe Turbo molecular pump
Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe. The invention relates to a turbomolecular pump.
Turbomolekularpumpen weisen in einem Gehäuse mindestens ein Rotorelement auf. Das Rotorelement weist mehrere Rotorflügel auf und ist auf einer Rotorwelle gelagert. Die Rotorwelle wird mittels eines Elektromotors angetrieben und ist über Lagerelemente in dem Gehäuse gelagert. Femer weist die Turbomolekularpumpe ein mehrere Statorflügel aufweisendes Statorelement auf. Das Statorelement ist beispielsweise über Statorringe in dem Gehäuse angeordnet, wobei die Statorflügel zwischen die Rotorflügel ragen, so dass Statorflügel und Rotorflügel abwechselnd angeordnet sind. Ggf. kann die Turbomolekularpumpe eines oder mehrere derartiger Rotor- und Statorelemente aufweisen. Femer ist es bekannt, dass Turbomolekularpumpen eine Holweckstufe aufweisen, die in Strömungsrichtung dem Rotorelement nachgeordnet ist. Zur Lagerung der schnelldrehenden Rotorwelle sind zwei Lagerelemente vorgesehen. Hierbei ist üblicherweise eines der Lagerelemente am vorvakuumseitigen Ende der Rotorwelle angeordnet. Dieses Lagerelement befindet sich in einer Umgebung mit vergleichsweise geringem Vakuum, so dass in diesem Bereich sowohl Magnetlager als auch Wälzlager eingesetzt werden können. Aufgrund des relativ geringen Vakuums besteht kein Risiko, dass aus dem Schmiermittel, bei dem es sich üblicherweise um Fett handelt, Kohlenwasserstoffe oder andere Stoffe in zu großer Menge ausgasen. Sofern
an dem hochvakuumseitigen Ende der Rotorwelle ebenfalls ein Lagerelement angeordnet wird, handelt es sich hierbei stets um ein Magnetlager. Da in diesem Bereich sehr geringe Drücke bzw. ein hohes Vakuum herrscht, können in diesem Bereich keine Wälzlager, auch keine gekapselten Wälzlager eingesetzt werden, da aufgrund des Vakuums Bestandteile des Schmiermittels, insbesondere Kohlenwasserstoffe aus dem Schmiermittel ausgasen. Bei Magnetlagern handelt es sich jedoch um teure Lager. Ferner ist die Konstruktion aufwendig. Turbomolecular pumps have at least one rotor element in a housing. The rotor element has a plurality of rotor blades and is mounted on a rotor shaft. The rotor shaft is driven by means of an electric motor and is mounted via bearing elements in the housing. Furthermore, the turbomolecular pump has a stator element having a plurality of stator vanes. The stator element is arranged, for example, via stator rings in the housing, wherein the stator vanes project between the rotor vanes, so that stator vanes and rotor vanes are arranged alternately. Possibly. For example, the turbomolecular pump may include one or more of such rotor and stator elements. Furthermore, it is known that turbomolecular pumps have a Holweck stage downstream of the rotor element in the flow direction. For storage of the fast rotating rotor shaft two bearing elements are provided. In this case, usually one of the bearing elements is arranged at the fore-vacuum-side end of the rotor shaft. This bearing element is in a relatively low vacuum environment, so that both magnetic bearings and rolling bearings can be used in this area. Because of the relatively low vacuum, there is no risk of the lubricant, which is usually fat, outgassing hydrocarbons or other substances in excess. Provided At the high-vacuum-side end of the rotor shaft also a bearing element is arranged, this is always a magnetic bearing. Since very low pressures or a high vacuum prevail in this area, rolling bearings, even encapsulated rolling bearings, can not be used in this area, since due to the vacuum components of the lubricant, in particular hydrocarbons, outgas from the lubricant. Magnetic bearings, however, are expensive bearings. Furthermore, the construction is expensive.
Um beide Lagerelemente einer Rotorwelle als Wälzlager ausstatten zu können, ist es bekannt, die Rotorwelle fliegend zu lagern. Das hochvakuumseitige Lagerelement ist somit in Richtung der Vorvakuumseite versetzt, so dass die Rotorwelle heraus ragt. Hierdurch ist das Lagerelement in einen Bereich versetzt, in dem ein Ausgasen des Schmierstoffs aufgrund des herrschenden geringen Drucks nicht mehr oder nur noch in einem akzeptablen Maß erfolgt. Fliegend gelagerte Rotorwellen weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese ein hohes Gewicht aufweisen, um eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten. Ferner ist die Auskraglänge begrenzt. In order to equip both bearing elements of a rotor shaft as a rolling bearing, it is known to store the rotor shaft flying. The high-vacuum side bearing element is thus offset in the direction of the fore-vacuum side, so that the rotor shaft protrudes. As a result, the bearing element is offset in a range in which outgassing of the lubricant due to the prevailing low pressure is no longer or only to an acceptable degree. However, floating rotor shafts have the disadvantage that they have a high weight in order to ensure sufficient stability. Furthermore, the projection length is limited.
Aufgabe der Erfindung ist es eine kostengünstige Lagerung der Rotorwelle einer Turbomolekularpumpe zu schaffen. The object of the invention is to provide a cost-effective storage of the rotor shaft of a turbomolecular pump.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Turbomolekularpumpe sind jeweils in den beiden Endbereichen der Rotorwelle Lagerelemente angeordnet. Hierbei kann es sich bei dem vorvakuumseitigen Lagerelement um ein Wälzlager oder ein Magnetlager handeln, wobei die kostengünstigere Ausgestaltung als Wälzlager bevorzugt ist. Erfindungsgemäß ist auch hochvakuumseitig trotz des herrschenden geringen Drucks ein Wälzlager vorgesehen. Dies ist erfindungsgemäß dadurch möglich, dass das
hochvakuumseitige Lagerelement in einer Kammer angeordnet ist. Die das Lagerelement im Wesentlichen vollständig umgebende Kammer ist über einen Kanal mit einem Druckbereich verbunden, in dem höherer Druck herrscht. Der Kanal verbindet somit die im Bereich des Hochvakuums vorgesehene Kammer mit einem Bereich in dem ein geringes Vakuum herrscht. Dies hat zur Folge, dass auch innerhalb der Kammer, trotz der Anordnung der Kammer im Hochvakuumbereich nicht der im Hochvakuum herrschende geringe Druck, sondern ein höherer Druck herrscht. Dieser entspricht im Wesentlichen dem Druck, der in dem Druckbereich herrscht, mit dem der Kanal verbunden ist. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Kammer die über einen Kanal mit einem entsprechenden Druckbereich verbunden ist, ist es möglich, die Rotorwelle auch hochvakuumseitig mit Hilfe eines Wälzlagers zu lagern. Hierdurch können die Kosten erheblich reduziert werden. Insbesondere ist es nicht mehr erforderlich, auch beim Vorsehen von Wälzlagern die Rotorwelle fliegend zu lagern und somit die Nachteile eines Kragarms in Kauf nehmen zu müssen. In the embodiment of the turbomolecular pump according to the invention, bearing elements are respectively arranged in the two end regions of the rotor shaft. In this case, it may be in the vorvakuumseitigen bearing element to a rolling bearing or a magnetic bearing, the cost-effective design is preferred as a rolling bearing. According to the invention, a rolling bearing is also provided on the high vacuum side despite the prevailing low pressure. This is inventively possible in that the High vacuum-side bearing element is arranged in a chamber. The substantially completely surrounding the bearing element chamber is connected via a channel with a pressure range in which there is higher pressure. The channel thus connects the provided in the region of high vacuum chamber with a region in which a slight vacuum prevails. This has the consequence that even in the chamber, despite the arrangement of the chamber in the high vacuum range, not the high pressure prevailing in the low pressure, but a higher pressure prevails. This corresponds essentially to the pressure prevailing in the pressure range to which the channel is connected. The inventive provision of a chamber which is connected via a channel with a corresponding pressure range, it is possible to store the rotor shaft also high vacuum side by means of a rolling bearing. As a result, the cost can be significantly reduced. In particular, it is no longer necessary, even with the provision of rolling bearings to store the rotor shaft flying and thus have to accept the disadvantages of a cantilever in purchasing.
Vorzugsweise ist der Kanal mit einem Druckbereich verbunden, in dem Druck von mindestens 1 - 10"5 mbar, insbesondere mindestens 1 - lCT3 mbar herrscht. Vorzugsweise liegt der Druck in diesem Bereich zwischen 1 mbar und 1 - lCT5 mbar. Im Hochvakuumbereich können Drücke von weniger als 1 - lCT3, insbesondere weniger als 1 - 10"5 mbar und besonders bevorzugt weniger als 1 - 10"7 mbar herrschen. Preferably, the channel with a pressure area is connected, in the pressure of at least 1 - 10 "5 mbar, in particular at least 1 - lCT 3 mbar prevails Preferably, the pressure is in this range between 1 mbar and 1 -.. LCT 5 mbar under high vacuum region can Pressures of less than 1 - lCT 3 , in particular less than 1-10 "5 mbar and particularly preferably less than 1-10 " 7 mbar prevail.
Das hochvakuumseitige Lagerelement lagert die Rotorwelle in dem Pumpengehäuse. Die Kammer ist daher in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von einem mittelbar oder unmittelbar mit dem Gehäuse verbundenen Lageraufnahmeelement ausgebildet. Das Lageraufnahmeelement weist ein sternförmig ausgebildetes Abstützelement auf oder ist vorzugsweise mit einem sternförmig ausgebildeten Abstützelement verbunden, das mit dem
Gehäuse verbunden ist. Das insbesondere sternförmig ausgebildete Abstützelement weist somit Öffnungen auf, durch die das zu fördernde Medium gefördert wird. The high-vacuum-side bearing element supports the rotor shaft in the pump housing. The chamber is therefore formed in a preferred embodiment of the invention of a directly or indirectly connected to the housing bearing receiving element. The bearing receiving element has a star-shaped support member or is preferably connected to a star-shaped support element, which with the Housing is connected. The particular star-shaped support member thus has openings through which the medium to be delivered is conveyed.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere eine vereinfachte Montage gewährleistet, ist die Kammer hochvakuumseitig von einem Deckel verschlossen. Der Deckel ist vorzugsweise mit dem Lageraufnahmeelement verbunden. Somit ist in bevorzugter Ausführungsform die in die Kammer ragende Rotorwelle von dem Deckel überspannt. Das Wellenende ist somit innerhalb der Kammer angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass in diesem Bereich keine Abdichtung zwischen der Welle und dem Deckel erfolgen muss. In a further preferred embodiment of the invention, which ensures in particular a simplified assembly, the chamber is closed high vacuum side of a lid. The lid is preferably connected to the bearing receiving element. Thus, in a preferred embodiment, the rotor shaft protruding into the chamber is spanned by the lid. The shaft end is thus arranged inside the chamber. This has the advantage that in this area no sealing between the shaft and the cover must be made.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Lageraufnahmeelement und dem Rotorelement ein Dichtelement angeordnet. Hierbei handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform um eine berührungslose Dichtung wie eine Labyrinthdichtung. Das Dichtelement ist vorzugsweise in einem durch das Lageraufnahmeelement und das Rotorelement gebildeten Ringspalt angeordnet. Durch eine relativ lange Dichtlänge kann eine gute Dichtigkeit erzielt werden. Ein Dichtspalt des Dichtelements weist in besonderes bevorzugter Ausführungsform einen geringeren Querschnitt als die Querschnittsfläche des Kanals auf. Sofern mehrere Kanäle vorgesehen sind, ist es bevorzugt, dass der Dichtspalt eine geringere Querschnittsfläche aufweist, als die Summe der Querschnittsflächen der Kanäle. Hierdurch ist eine bevorzugte Pumprichtung gewährleistet, da über den Kanal auf der einen Seite des Dichtelements ein Druck anliegt, der im Wesentlichen dem Druck im Bereich der Kanalöffnung, das heißt insbesondere aus einem Vorvakuumbereich entspricht und auf der anderen Seite des Dichtelements Hochvakuum anliegt. In a preferred embodiment of the invention, a sealing element is arranged between the bearing receiving element and the rotor element. This is in a preferred embodiment, a non-contact seal such as a labyrinth seal. The sealing element is preferably arranged in an annular gap formed by the bearing receiving element and the rotor element. By a relatively long sealing length, a good tightness can be achieved. In a particularly preferred embodiment, a sealing gap of the sealing element has a smaller cross-section than the cross-sectional area of the channel. If a plurality of channels are provided, it is preferred that the sealing gap has a smaller cross-sectional area than the sum of the cross-sectional areas of the channels. In this way, a preferred pumping direction is ensured, since via the channel on one side of the sealing element, a pressure is applied, which substantially corresponds to the pressure in the region of the channel opening, that is in particular from a pre-vacuum region and rests on the other side of the sealing element high vacuum.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dichtelement ein aktives Dichtelement. Hierdurch erfolgt ein Fördern von Medium aus dem
Bereich mit geringerem Druck in den Bereich mit höherem Druck. Als aktives Dichtelement kann beispielsweise in einer oder beider der den Ringspalt ausbildenden Wände eine spiralförmige Nut vorgesehen sein. Diese kann insbesondere entsprechend einer Hohlwegpumpe ausgebildet sein. In a particularly preferred embodiment, the sealing element comprises an active sealing element. This results in a conveying of medium from the Lower pressure area in the higher pressure area. As an active sealing element can be provided for example in one or both of the annular gap forming walls, a spiral groove. This can be designed in particular according to a Hohlwegpumpe.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.
Die Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Turbomolekularpumpe mit erfindungsgemäß ausgestalteter Lagerung. 1 shows a simplified schematic sectional view of a turbomolecular pump according to the invention ausgestalteter storage.
Die vereinfacht dargestellte Turbomolekularpumpe weist eine Rotorwelle 10 auf, die über ein hochvakuumseitiges Lagerelement 12 und eine vorvakuumseitiges Lagerelement 14 in einem Gehäuse 16 drehbar gelagert ist. Die Rotorwelle 10 trägt ein Rotorelement 18 mit mehreren Rotorflügeln 20. Jeweils zwischen zwei benachbarten Rotorflügeln 20 sind Statorflügel 22 angeordnet. Die Statorflügel 22 sind über Statorringe 24 in dem Gehäuse 16 fixiert, so dass im dargestellten Ausführungsbeispiel das Statorelement durch die Statorflügel 22 und die Statorringe 24 ausgebildet ist. The turbomolecular pump shown in simplified form has a rotor shaft 10 which is rotatably mounted in a housing 16 via a high-vacuum-side bearing element 12 and a forevacuum-side bearing element 14. The rotor shaft 10 carries a rotor element 18 with a plurality of rotor blades 20. In each case between two adjacent rotor blades 20 stator blades 22 are arranged. The stator vanes 22 are fixed in the housing 16 via stator rings 24, so that in the illustrated embodiment the stator element is formed by the stator vanes 22 and the stator rings 24.
Die Rotorwelle wird im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Elektromotor 26 angetrieben. The rotor shaft is driven by an electric motor 26 in the illustrated embodiment.
Das vorvakuumseitige Lagerelement 14 ist von einem Haltelement 28 getragen. Das Halteelement ist mit dem Gehäuse 16 verbunden und weist einen Auslass 30 der Turbomolekularpumpe auf. The forevacuum-side bearing element 14 is supported by a holding element 28. The holding element is connected to the housing 16 and has an outlet 30 of the turbomolecular pump.
Zur Evakuierung eines mit der Turbomolekularpumpe verbundenen, nicht dargestellten Raums wird das Medium somit aus dem Raum durch einen Einlass 32 der Vakuumpumpe in Richtung des Auslasses 32 gefördert.
Das Lagerelement 12 ist, obwohl es im Hochvakuumbereich 34 angeordnet ist, erfindungsgemäß als Wälzlager ausgestaltet. Dies ist möglich, da das Lagerelementl2 in einer Kammer 36 angeordnet ist. Die Kammer 36, in die das hochvakuumseitige Ende der Rotorwelle 10 ragt, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Lageraufnahmeelement 38 gebildet. In Richtung des Einlasses 32 ist die Kammer 36 durch einen Deckel 40 verschlossen. Der Deckel 40 überspannt das hochvakuumseitige Ende der Rotorwelle 10, so dass diese nicht durch den Deckel 40 hindurch ragt. Der Deckel 40 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Lageraufnahmeelement 38fest verbunden . To evacuate a space connected to the turbomolecular pump, not shown, the medium is thus conveyed out of the space through an inlet 32 of the vacuum pump in the direction of the outlet 32. The bearing element 12, although it is arranged in the high vacuum region 34, designed according to the invention as a rolling bearing. This is possible because the Lagerelementl2 is arranged in a chamber 36. The chamber 36, in which the high vacuum-side end of the rotor shaft 10 projects, is formed by a bearing receiving element 38 in the illustrated embodiment. In the direction of the inlet 32, the chamber 36 is closed by a cover 40. The cover 40 spans the high-vacuum-side end of the rotor shaft 10 so that it does not protrude through the cover 40. The cover 40 is fixedly connected to the bearing receiving element 38 in the illustrated embodiment.
Um den äußeren Lagerring des hochvakuumseitigen Lageelements 12 zu tragen muss das Lageraufnahmeelement 38 mit dem Gehäuse 16 verbunden sein. Dies ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Abstützelement 42, das eine sternförmige Ausgestaltung aufweist, realisiert. Aufgrund der sternförmigen Ausgestaltung des Abstützelements 42 weist diese Öffnungen 44 auf, durch die das Medium von den Rotorflügeln 22 in die Turbomolekularpumpe gesaugt wird . In order to carry the outer bearing ring of the high-vacuum-side position element 12, the bearing receiving element 38 must be connected to the housing 16. This is realized in the illustrated embodiment by a support member 42 having a star-shaped configuration. Due to the star-shaped configuration of the support element 42, these openings 44, through which the medium is sucked by the rotor blades 22 in the turbomolecular pump.
Zur Anordnung eines Wälzlagers im Hochvakuumbereich 34 ist erfindungsgemäß nicht nur eine Kammer 36 vorgesehen . Ferner ist die Kammer 36 über einen Kanal 46 der in dem Rotorelement angeordnet ist, mit einem Vorvakuumbereich 48 verbunden . Aufgrund der Verbindung der Kammer 36 über den Kanal 46 mit dem Vorvakuumbereich 48 ist sichergestellt, dass innerhalb der Kammer 36 im Wesentlichen der selbe Druck wie im Vorvakuumbereich 48 herrscht. Um zu vermeiden, dass der Druck in der Kammer sinkt und das Schmiermittel des Wälzlagers ausgast, ist ferner ein Dichtelement 50 vorgesehen. Hierzu weist das Lageraufnahmeelement eine sich in Längsrichtung der Pumpe bzw. parallel zur Rotorwelle 10 erstreckende Schulter bzw. Anlagefläche 52 auf. Bei der Fläche 52 handelt es sich somit um eine Mantelfläche eines Zylinders. Der Fläche 52 gegenüberliegend ist parallel zu der Fläche 52 an dem Rotorelement 18
ebenfalls eine zylinderförmige Mantelfläche 54 ausgebildet. Durch die beiden Flächen 52, 54 ist somit ein ringzylinderförmiger Ringspalt 56 ausgebildet. Innerhalb des Ringspaltes 56 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Dichtelement 50 eine Labyrinthdichtung angeordnet. Zusätzlich oder anstelle einer Labyrinthdichtung kann in dem Ringspalt 56 eine aktive Dichtung wie eine Hohlwegstufe ausgebildet sein, die Medium aus dem Hochvakuumbereich 34 in Richtung des Vakuumbereichs 48 fördert.
For arranging a roller bearing in the high vacuum region 34, not only one chamber 36 is provided according to the invention. Furthermore, the chamber 36 is connected to a pre-vacuum region 48 via a channel 46 which is arranged in the rotor element. Due to the connection of the chamber 36 via the channel 46 with the pre-vacuum region 48, it is ensured that substantially the same pressure prevails within the chamber 36 as in the pre-vacuum region 48. In order to avoid that the pressure in the chamber decreases and the lubricant of the rolling bearing outgasses, a sealing element 50 is also provided. For this purpose, the bearing receiving element has a shoulder or contact surface 52 extending in the longitudinal direction of the pump or parallel to the rotor shaft 10. The surface 52 is thus an outer surface of a cylinder. Opposite surface 52 is parallel to surface 52 on rotor element 18 likewise a cylindrical lateral surface 54 is formed. Through the two surfaces 52, 54 thus a ring-cylindrical annular gap 56 is formed. Within the annular gap 56, a labyrinth seal is arranged as a sealing element 50 in the illustrated embodiment. In addition to or instead of a labyrinth seal, an active seal, such as a hollow path step, can be formed in the annular gap 56, which conveys medium from the high-vacuum region 34 in the direction of the vacuum region 48.