[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
[0002] Seit Jahrzehnten werden Turbomolekularpumpen in der Vakuumtechnik zur Erzeugung von
Hochvakuum und Ultrahochvakuum eingesetzt. Die Vakuumerzeugung beruht in ihnen auf
einem Rotor mit mehreren entlang der Rotorachse zueinander versetzten Schaufelkränzen,
zwischen denen statorseitig stehende Schaufelkränze angeordnet sind.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Turbomolekularpumpe vorzustellen, in welcher
das Überlappen der Teilscheiben verhindert ist.
[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Turbomolekularpumpe mit den Merkmalen des ersten
Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 8 geben vorteilhafte Weiterbildungen an,
deren Merkmale untereinander kombinierbar sind.
[0007] Eine Statorscheibe weist wenigstens eine erste Teilscheibe mit einem ersten Tragringabschnitt
und eine zweite Teilscheibe mit einem zweiten Tragringabschnitt auf. Eine Stoßfläche
am ersten Tragringabschnitt, die gegen die Scheibenebene verkippt ist und gegen die
der zweite Tragringabschnitt stößt, verhindert das gegenseitige Überlappen der Tragringabschnitte.
Der Gedanke ist, den im Verhältnis zur axialen Statorscheibenausdehnung linienartigen
Tragringabschnitt einer Blechstatorscheibe gegen eine Fläche stoßen zu lassen. Durch
diese Fläche kann die zweite Teilscheibe einen axialen Versatz gegenüber der ersten
Teilscheibe aufweisen, ohne dass der Tragringabschnitt an der Fläche vorbeirutschen
kann.
[0008] Der Gedanke lässt sich vorteilhaft weiterbilden, indem die Stoßfläche Abschnitte
ober- und unterhalb der Scheibenebene aufweist, so dass die Richtung eines axialen
Versatzes der zweiten Teilscheibe kein Problem darstellt und eine Überlappung verhindert
bleibt.
[0009] Eine andere Weiterbildung sieht vor, den Tragring der zweiten Teilscheibe mit einer
Sicke zu versehen, die wenigstens abschnittsweise gegen die Stoßfläche der ersten
Teilscheibe stößt. Durch die Sicke wird die im Aneinanderstoßen der Tragringabschnitte
wirksame axiale Dicke der Tragringabschnitte über die Stärke des Bleches hinaus erhöht,
wodurch das Übereinanderrutschen der Tragringabschnitte unterbunden wird.
[0010] Eine andere Weiterbildung, die den letzten Grundgedanken aufgreift, sieht vor, Stoßflächen
an erstem und zweitem Tragringabschnitt vorzusehen, zwischen denen im montierten Zustand
ein flächiger Kontakt entsteht. Der zusätzlich Vorteil besteht darin, dass beide Teilscheiben
als Gleichteil gestalten werden können, so dass die Herstellung kostengünstiger wird.
[0011] Eine Weiterbildung sieht vor, einen Abschnitt der Stoßkante des zweiten Tragringabschnitts
gegen die Scheibenebene zu verkippen, wodurch wiederum die im Aneinanderstoßen der
Teilscheiben wirksame Dicke des Tragringabschnitts erhöht wird. Diese Struktur ist
sehr leicht herstellbar.
[0012] Anordnen des Tragrings außerhalb des Schaufelkranzes, so dass er letzteren umgibt,
bringt als Weiterbildung den zusätzlichen Vorteil, dass an dieser Stelle größere Gestaltungsfreiheiten
genutzt werden können, während innerhalb des Schaufelkranzes vorgesehener Tragring
zu Gunsten enger Axialspalte zwischen Statorscheibe und Rotorscheiben möglichst flach
gestaltet bleiben kann, beispielsweise mit der Dicke des verwendeten Feinblechs.
[0013] Anbringen der Stoßfläche am äußeren Tragring eröffnet die Möglichkeit, eine die Stoßfläche
tragende Lasche mit einem Statorbauteil zusammenwirken zu lassen, um die Teilscheibe
in radialer Richtung festzulegen. Dies bedeutet den zusätzlichen Vorteil einer genauen
Positionierung und Fixierung der Teilscheiben, was die Montage erleichtert und den
Stator robuster gegen mechanische Einflüsse macht, beispielsweise mechanischen Belastungen
von außen oder Druckstößen durch hohe Gaslasten.
[0014] An Hand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher
erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
[0015] Es zeigen:
- Fig. 1:
- Schematischer Schnitt durch eine Turbomolekularpumpe;
- Fig. 2:
- Draufblick auf zwei Teilscheiben einer Statorscheibe gemäß erstem Ausführungsbeispiel;
- Fig. 3:
- Seitlicher Blick auf den Stoßbereich der Teilscheiben;
- Fig. 4:
- Teilschnitt durch Rotor und Stator der Turbomolekularpumpe gemäß zweitem Ausführungsbeispiel;
- Fig. 5:
- Entlang der Linie I-I' teilgeschnittene und explodierte Ansicht von Teilscheiben und
Distanzringen;
- Fig. 6:
- Blick auf den Berührungsbereich der Teilscheiben gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
- Fig. 7:
- Schnitt durch die Anordnung nach Fig 6 entlang der Linie II-II';
- Fig. 8:
- Blick auf den Berührungsbereich der Teilscheiben gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
- Fig. 9:
- Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 8 entlang der Linie III-III'.
[0016] 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 die Ansaugöffnung 6 wird Gas in die Pumpe eingesaugt und durch den Auslass 8
ausgestoßen. Im Gehäuse 2 sind Rotor 10 und Stator 20 angordnet, durch deren Zusammenwirken
die Förderwirkung erreicht wird.
[0017] Der Rotor 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. Die Welle wird hochvakuumseitig durch ein Permanentmagnetlager 40 und vorvakuumseitig
durch ein Wälzlager 42 drehbar unterstützt. Ein Antrieb 44 versetzt den Rotor in schnelle
Drehung von einigen Zehntausend Umdrehungen in der Minute.
[0018] Der Stator 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 axial von einander beabstandet und mit den Rotorscheiben
alternierend angeordnet. Die Statorscheiben besitzen ebenfalls Schaufelkränze.
[0019] Die Anzahl von Rotor- und Statorscheiben hängt von den gewünschten vakuumtechnischen
Parametern wie Saugvermögen und Druckverhältnis zwischen Ansaugöffnung und Auslass
ab. Der Rotor kann anstelle von Scheiben auch in im Stand der Technik bekannter Glockenbauweise
gebaut sein, zudem können beide Lager vorvakuumseitig angeordnet sein.
[0020] Die nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 10 beschriebenen Ausführungsbeispiele können
auf eine, mehrere oder jede der aus Feinblech hergestellten Statorscheiben der Turbomolekularpumpe
angewendet werden.
[0021] In Fig. 2 sind in einem Draufblick eine erste Teilscheibe 50 und eine zweite Teilscheibe
52 der Statorscheibe 24 dargestellt. Der äußere Tragring 60, an welchem die Schaufeln
80 des Schaufelkranzes befestigt sind, besitzt einen äußeren, ersten Tragringabschnitt
56, welcher Teil der ersten Teilscheibe ist, und einen äußeren, zweiten Tragringabschnitt
58, welcher Teil der zweiten Teilscheibe ist. Außerdem weist die Statorscheibe einen
inneren Tragring 70 auf, welcher einen inneren, ersten Tragringabschnitt 72 und einen
inneren, zweiten Tragringabschnitt 74 umfasst. Jede Teilscheibe besitzt daher einen
äußeren und einen inneren Tragringabschnitt, zwischen denen jeweils ein Teil des Schaufelkranzes
angeordnet ist.
[0022] In der Darstellung sind die Teilscheiben voneinander beabstandet gezeichnet. Im montierten
Zustand stoßen die Tragringabschnitte der Teilscheiben aneinander. Dies geschieht
durch Berührung der äußeren, der inneren oder äußerer und innerer Tragringabschnitte.
[0023] Der äußere, erste Tragringabschnitt weist eine Lasche 62 auf, gegen die der äußere,
zweite Tragringabschnitt 58 stößt. Zusätzlich kann am inneren, ersten Tragringabschnitt
eine Lasche 82 vorgesehen sein, gegen die der zweite innere Tragringabschnitt stößt.
[0024] Wenigstens eine der Teilscheibe besitzt eine hinreichende Anzahl Laschen an einem
der Tragringabschnitte 56 und 72, so dass das Überlappen verhindert wird. Beispielsweise
kann neben der Lasche 62 am anderen Ende des äußeren, ersten Tragringabschnittes ebenfalls
eine Lasche vorgesehen sein. Im Beispiel sind die Teilscheiben jedoch vorteilhaft
als Gleichteil gestaltet, das heißt, beide Teilscheiben sind gleichgestaltet und mit
einem identischen Verfahren hergestellt. Daher weist die zweite Teilscheibe Laschen
62' und 82' auf, so dass die Teilscheiben nicht übereinander rutschen können.
[0025] Der Stoßbereich von erstem und zweitem Tragringabschnitt 56 und 58 des äußeren Tragringes
ist in Fig. 3 in einem seitlichen Blick dargestellt. Die Schaufeln 80 des Schaufelkranzes
sind aus der Scheibenebene 54 herausgedreht, wobei der Winkel von den vakuumtechnischen
Anforderungen abhängt. In der Regel nimmt der Winkel von Hochvakuumseite zu Vorvakuumseite
ab.
[0026] Die am äußeren, ersten Tragringabschnitt 56 vorgesehene Lasche 62 weist eine hakenartige
Biegeform auf. Dies führt dazu, dass die Stoßfläche 64, gegen die der äußere, zweite
Tragringabschnitt 58 stößt, einen ersten Abschnitt 66 unterhalb und einen zweiten
Abschnitt 68 oberhalb der Scheibenebene besitzt. Der zweite Tragringabschnitt 58 kann
daher in beiden axialen Richtungen aus der Scheibenebene ausgelenkt werden, ohne dass
er über den ersten Tragringabschnitt 56 rutschen und mit diesem Überlappen kann.
[0027] Eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt.
[0028] In Fig. 4 ist ein Teilschnitt entlang der Wellenachse durch die Vakuumpumpe von Fig.
1 dargestellt. Die Welle 12 trägt Rotorscheiben 14 und 16. Zwischen den Rotorscheiben
ist die Statorscheibe 26 angeordnet, deren äußerer Tragring zwischen Distanzringen
30 und 32 eingeklemmt ist. Die Distanzringe umgebend sichert das Gehäuse 2 die Positionierung
der Bauteile und Gasdichtheit der Vakuumpumpe. Der Distanzring 32 weist einen Radialanschlag
90 auf, welcher den radialen Verschiebespielraum der Lasche 98 begrenzt, welche am
äußeren Tragring der Statorscheibe 26 vorgesehen ist.
[0029] Der Ausschnitt I-I' aus Fig. 4 ist in Fig. 5 zum besseren Verständnis explodiert
dargestellt. Erster Tragringabschnitt 56 der ersten Teilscheibe und zweiter Tragringabschnitt
58 der zweiten Teilscheibe besitzen Laschen 98 und 98', die aus der Scheibenebene
herausgestellt sind. Der Winkel zwischen Lasche und Scheibenebene ist dabei frei wählbar.
Vorteilhaft ist ein Winkel nahe oder gleich 90°. Stoßfläche 94 und Gegenstoßfläche
96 der Laschen berühren einander im montierten Zustand und befinden sich vorzugsweise
mit geringem Spiel in der Ausnehmung 92 des Distanzringes 32. Hierdurch wird nicht
nur ein Überlappen der Tragringabschnitte und damit der Teilscheiben verhindert. Zusätzlich
wird erreicht, dass beide Teilscheiben in radialer Richtung durch den Radialanschlag
90 und die Ausnehmung 92 ausgerichtet und die Distanzringe 30 und 32 fixiert werden.
[0030] Aus den Fig. 6 bis 9 gehen weitere Gestaltungsmöglichkeiten hervor.
[0031] Mit einem seitlichen Anblick in Fig. 6 und einem Schnitt entlang II-II' in Fig. 7
wird eine Weiterbildung mit einer Sicke vorgestellt.
[0032] Der erste Tragringabschnitt 56 besitzt eine Stoßfläche 104, gegen die der zweite
Tragringabschnitt 58 stößt. Dieser weist eine bis zum Ende des Tragringabschnitts
laufende Sicke 106 auf. Durch diese bildet das Ende des zweiten Tragringabschnitts
eine zweidimensionale Struktur, die die Stoßfläche 104 berührt. Zum einen wird durch
diese Gestaltung das Überlappen sehr effektiv verhindert, zum anderen verleiht die
Sicke dem Tragringabschnitt Steifigkeit. Gerade für einen inneren Tragringabschnitt
ist dies von Vorteil, wobei die axiale Ausdehnung von Sicke und der Stoßfläche kleiner
sein sollte als die axiale Ausdehnung der aus der Scheibenebene herausgedrehten Schaufeln
80.
[0033] Eine leicht zu fertigende und ebenfalls Steifigkeit in den Tragringabschnitt bringenden
Abwandlung ist im seitlichen Anblick in Fig. 8 und im Schnitt entlang III-III' in
Fig. 9 gezeigt.
[0034] Der erste Tragringabschnitt weist eine aus der Scheibenebene herausgestellte Stoßfläche
104 auf, gegen die der zweite Tragringabschnitt 58 stößt. Dieser besitzt einen Abschnitt
108 der Stoßkante, der gegen die Scheibenebene verkippt ist. Hierdurch entsteht eine
zweidimensionale Struktur, die die Stoßfläche 104 nicht durchdringen kann. Diese Struktur
ist sehr leicht herstellbar und versteift den Tragringabschnitt.
[0035] An den unterschiedlichen Enden der Tragringabschnitte können verschiedene der gezeigten
Maßnahmen eingesetzt werden, so dass an einer Teilscheibe eines oder mehrere der vorgestellten
Beispiele kombiniert werden. Auch ist die Kombination einzelner Merkmale der Beispiele
möglich, beispielsweise die Kombination einer hakenartig geformten Lasche an einem
Tragringabschnitt mit einer Sicke auf dem berührenden zweiten Tragringabschnitt.
1. Turbomolekularpumpe (1) mit einem Rotor (10) und einer Blechstatorscheibe (24, 26,
28), welche einen Schaufelkranz, einen Tragring (60, 70), eine erste Teilscheibe (50)
mit einem ersten Tragringabschnitt (56, 72) und eine zweite Teilscheibe (52) mit einem
zweiten Tragringabschnitt (58, 74) umfasst und eine Scheibenebene (54) festlegt,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tragringabschnitt eine gegen die Scheibenebene verkippte Stoßfläche (64;
94; 96; 104) aufweist, gegen die der zweite Tragringabschnitt stößt.
2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßfläche (64) einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist und der erste
Abschnitt (66) auf einer Seite der Scheibenebene liegt und der zweite Abschnitt (68)
auf der der ersten Seite gegenüberliegende Seite der Scheibenebene (54) liegt.
3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tragringabschnitt (58) eine Sicke (106) aufweist, welche bis zu einem
Ende des zweiten Tragringabschnitts ausgebildet ist und so gegen die Stoßfläche (64)
stößt.
4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tragringabschnitt (58) eine Gegenstoßfläche (96) aufweist, welche die
Stoßfläche (64) berührt.
5. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tragringabschnitt (58) eine Stoßkante aufweist, welche einen gegen die
Scheibenebene verkippten Abschnitt (108), welcher mit der Stoßfläche (104) zusammenwirkt.
6. Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (56, 58) den Schaufelkranz umgibt.
7. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßfläche (94; 96) an einer Lasche angeordnet ist, welche mit einem Statorbauteil
(32) zusammenwirkt, um die Teilscheibe in einer radialen Richtung festzulegen.
8. Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßfläche (64; 94, 96; 104) einen nahezu rechten Winkel mit der Scheibenebene
bildet.