[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 mehrerer, 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 11 geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
[0007] Es ist vorgesehen, dass die Statorscheibe zwei Teilscheiben aufweist und die sich
berührenden Stoßkanten der Teilscheiben derart geformt sind, dass sie wenigstens abschnittsweise
gekreuzt aufeinanderstoßen. Dies kann durch Herausdrehen wenigstens eines Teiles der
Stoßkante aus der Scheibenebene bewirkt werden. Hierdurch wird ein Überlappen der
Teilscheiben verhindert, wobei das Herausdrehen im ohnehin notwendigen Umformschritt
erfolgen kann, in welchem die Schaufeln aus der Scheibenebene herausgedreht werden.
Es ist lediglich eine Bearbeitung des Umformwerkzeuges notwendig.
[0008] Die Weiterbildungen bringen weitere Vorteile, beispielsweise eine besonders einfache
Fertigung in der Ausgestaltung nach Anspruch 2. Die Gestaltungen nach den Ansprüchen
3 und 4 verhindern nicht nur ein Überlappen, sondern Verriegeln die Tragringabschnitte
gegen eine Auslenkung aus der Scheibenebene heraus. Die Montage dieser Weiterbildung
wird in der Ausprägung nach Anspruch 5 erleichtert. Eine Verwendelung des Tragringes,
insbesondere des inneren Tragringes, nach einem der Ansprüche 6 bis 9 führt zu einer
Versteifung des Tragringes, so dass die Widerstandsfähigkeit gegen hohe Axialkräfte,
beispielsweise durch hohe Gaslasten, verbessert wird. Auch das Einprägen einer Sicke
nach Anspruch 10 ist in Bezug auf die Steifigkeit gegen senkrecht auf die Scheibenebene
wirkende Kräfte von Vorteil.
[0009] An Hand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher
erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
[0010] Es zeigen:
- Fig. 1:
- Schematischer Schnitt durch eine Turbomolekularvakuumpumpe;
- Fig. 2:
- Draufsicht auf zwei Teilscheiben einer Statorscheibe;
- Fig. 3:
- Seitenansicht in der Scheibenebene auf die in Berührung stehenden Abschnitte der Teilscheiben;
- Fig. 4:
- Blick auf eine Teilscheibe und deren Stoßkanten;
- Fig. 5:
- Alternative Bauform zur Variante der Fig. 4;
- Fig. 6:
- a) Blick auf einen Tragringabschnitt mit Nut, b) Blick auf eine Stoßkante mit Nut;
- Fig. 7:
- Teilscheibe mit einem gewendelten Tragringabschnitt in einer ersten Ausführung;
- Fig. 8:
- Blick auf den gewendelten Tragringabschnitt gemäß erster Ausführung;
- Fig. 9:
- Teilscheibe mit einem gewendelten Tragringabschnitt in einer zweiten Ausführung;
- Fig. 10:
- Blick auf den gewendelten Tragringabschnitt gemäß zweiter Ausführung;
- Fig. 11:
- a) Blick auf eine Statorscheibe mit Teilscheiben und einem Tragring, welcher eine
Sicke aufweist, b) Blick auf die Stoßkante einer Teilscheibe;
- Fig. 12:
- a) und b) alternative Querschnittsformen der Sicke;
- Fig. 13:
- a) Draufblick auf Ausschnitt von Tragringabschnitten, welche Laschen aufweisen, b)
Blick in der Scheibenebene.
- Fig. 14:
- Blick auf den Stoßbereich einer Weiterbildung der Teilscheiben mit Sicke.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] Die nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 14 beschriebenen Ausführungsbeispiele können
auf eine, mehrere oder jede der aus Feinblech hergestellten Statorscheiben der Turbomolekularpumpe
angewendet werden.
[0016] In der Draufsicht nach Fig. 2 auf eine Statorscheibe 14 aus Feinblech sind deren
erste und zweite Teilscheiben 140 und 142 voneinander beabstandet dargestellt. Im
montierten Zustand stoßen beiden Teilscheiben aneinander.
[0017] Die Statorscheibe weist einen äußeren Tragring 50 und einen inneren Tragring 60 auf.
Ein erster Tragringabschnitt 52 des äußeren Tragringes ist Teil der ersten Teilscheibe
140, ein zweiter Tragringabschnitt 56 ist Teil der zweiten Teilscheibe 142. Der Tragring
60 besitzt einen ersten inneren Tragringabschnitt 62, der Bestandteil der ersten Teilscheibe
ist, und einen zweiten inneren Tragringabschnitt 66, der Teil der zweiten Teilscheibe
ist. Schaufeln 48 sind an innerem und äußerem Tragring befestigt und bilden einen
Schaufelkranz.
[0018] Die Tragringabschnitte 52 und 56 beziehungsweise 62 und 66 stoßen im montierten Zustand
an Stoßkanten aneinander. Im Detail berühren sich die Stoßkanten 54 und 58 sowie 70
und 72 der äußeren Tragringabschnitte und die Stoßkanten 64 und 68 sowie 74 und 76
der inneren Tragringabschnitte.
[0019] In der Seitenansicht in Fig. 3 ist als Beispiel der Bereich der Tragringabschnitte
52 und 56 dargestellt. Die Tragringabschnitte definieren eine Scheibenebene 200. Gegen
diese sind die Schaufeln 48 verkippt, wobei der Anstellwinkel 202 zwischen Schaufelebene
und Scheibenebene von dem Druckbereich abhängt, in dem die Scheibe verwendet wird.
In der Regel nimmt der Anstellwinkel zwischen Hochvakuumseite und Vorvakuumseite ab.
Die Stoßkanten 54 und 58 sind ebenfalls gegen die Scheibenebene geneigt, wobei die
Verkippung vorzugsweise gegensinnig erfolgt, so dass sich die Stoßkanten kreuzen.
Durch dieses Kreuzen wird ein Überlappen wirkungsvoll mit sehr einfachen Mitteln erhindert,
da das Verkippen der Stoßkanten in einem Arbeitsgang mit dem Herausdrehen der Schaufeln
aus der Scheibenebene erfolgen kann.
[0020] Die Fig. 4 und 5 zeigen die Seitenansicht einer Teilscheibe aus Richtung der Welle.
[0021] In Fig. 4 sind die Stoßkanten 54 und 70 des äußeren Tragringabschnitts gegen die
Scheibenebene 200 geneigt, während die Stoßkanten 64 und 74 des inneren Tragringabschnitts
in der Scheibenebene liegen. Vorteilhaft ist, beide Stoßkanten 54 und 70 in gleicher
Richtung gegen die Scheibenebene zu neigen. Dadurch ist es möglich, beide Teilscheiben
symmetrisch zu gestalten und gleichzeitig einen Schutz gegen das Überlappen zu erreichen.
Die gezeigte Teilscheibe kann sowohl als Teilscheibe 140 als auch als Teilscheibe
142 verwendet werden, so dass die Zahl unterschiedlicher Teile in der Turbopumpe verringert
und Montagefehler vermieden werden.
[0022] In Fig. 5 liegen die Stoßkanten 72 und 58 des äußeren Tragringabschnittes in der
Scheibenebene 200, während die Stoßkanten 76 und 68 des inneren Tragringabschnittes
in gleichem Sinne gegen die Scheibenebene geneigt sind.
[0023] Alternativ können sowohl die Stoßkanten des inneren als auch des äußeren Tragringabschnittes
gegen die Scheibenebene geneigt sein, wodurch die Sicherheit gegen Überlappen erhöht
wird.
[0024] Eine Weiterbildung zeigen Fig. 6a und Fig. 6b. In die Stoßkante 54 des Tragringabschnitts
52 ist eine Ausnehmung 80 eingearbeitet, so dass die Stoßkanten 54 und 56 zweier Teilscheiben
nach Montage ineinandergreifen. Vorteilhaft ist, die Weite 204 der Ausnehmung nur
geringfügig größer die Dicke 206 der Teilscheibe zu wählen, da dies eine präzise Positionierung
der Teilscheiben zueinander bewirkt.
[0025] Dies erhöht ebenfalls die Sicherheit gegen Überlappen der Teilscheiben. Dies lässt
sich vorteilhaft weiterbilden, indem die Ausnehmung Abschrägungen 82 aufweist, so
dass sich die Ausnehmung in Richtung Stoßkante aufweitet. Die Abschrägungen bewirken
eine Führung der Tragringabschnitte während der Montage, wodurch eine Zentrierung
erfolgt. Eine andere Weiterbildung sieht vor, an beiden Teilscheiben Ausnehmungen
vorzusehen, was eine besonders gute Verriegelung der Tragringabschnitte bewirkt.
[0026] Zwei Weiterbildungen, die sich auf den inneren Tragring beziehen, sind in den Fig.
7 bis 10 gezeigt.
[0027] Die erste Weiterbildung ist in Fig. 7 in einer Vorderansicht und in Fig. 8 in einem
teilweisen Draufblock dargestellt. Der innere Tragringabschnitt 62' ist über seine
Länge verwendelt gestaltet. Die Stoßkanten 64' und 74' sind in gleichem Sinne gegen
die Scheibenebene 200 geneigt. Die Schaufeln 48 der Teilscheibe sind über Stege 84,
welche in der Scheibenebene liegen, mit dem inneren Tragringabschnitt verbunden. Die
neutrale Faser 88 der Verwendelung, also jener Bereich des Tragringabschnitts, der
über die gesamte Länge des Tragringabschnitts in der Scheibenebene liegt, liegt im
Wesentlichen auf der Kante des Tragringabschnitts, mit welcher die Stege verbunden
sind.
[0028] Die zweite Weiterbildung ist in Fig. 9 in einer Vorderansicht und in Fig. 10 in einem
teilweisen Draufblock dargestellt. Auch hier ist der innere Tragringabschnitt 62'
über seine Länge, also zwischen den zur Scheibenebene 200 geneigten Stoßkanten 64"
und 74", verwendelt gestaltet. Die Schaufeln 48 sind wiederum über Stege 84 mit dem
inneren Tragringabschnitt verbunden. Die Stege sind jedoch mit der in der Scheibenebene
liegenden neutralen Faser 88 verbunden, wobei diese nicht auf der Kante des Tragringabschnittes
sonderen im inneren liegt. Spalte 86 sind zwischen Kante und neutraler Faser geformt,
so dass die Stege in der Scheibenebene zu liegen kommen.
[0029] Die Verwendelung des inneren Tragringabschnitts ist gegenüber einer ebenfalls denkbaren
Verwendelung des äußeren Tragringabschnitts vorteilhaft, da aufwändige, an die Verwendelung
angepasste Gestaltungen des Distanzringes entfallen.
[0030] Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigen die Fig. 11 bis 13. In Fig. 11a sind die
inneren Tragringabschnitte 62'" und 66'" zweier Teilscheiben im Draufblick zu sehen.
Mindestens die Teilscheibe 62'" weist eine Sicke 100 auf, die bis an die Stoßkanten
62'" und 74"' geführt ist. Vorteilhaft, um die Teilscheiben als Gleichteil gestalten
zu können, verläuft die Sicke gemäß Fig. 11a nicht koaxial zum Tragring. Dies ist
Fig. 11b anhand der Radien veranschaulicht. Der Radius des tiefsten Punkts der Sicke
besitzt an der Stoßkante 64"' einen großen Radius 104, der größer als der kleine Radius
102 an der Stoßkante 74'" ist. Durch diese Wahl der Radien wird ein Übereinandergleiten
der Stoßkanten verhindert. Radial innerhalb und außerhalb der Sicke liegen ebene Abschnitte
106 und 102, an denen die Stoßkanten der Teilscheiben aufeinanderliegen verlaufen.
[0031] Die Sicke kann unterschiedliche Querschnitte besitzen. In Fig. 11 besitzt die Sicke
100 einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt. Die Sicke 100' in Fig. 12a hat
einen rechteckigen, die Sicke 100" in Fig. 12b einen runden Querschnitt.
[0032] Die Sicke kann zudem in einer Weiterbildung, gezeigt in Fig. 13a und 13b, Laschen
110 und 112 aufweisen, die bei Montage die Sicken 100 der Tragringabschnitte 62'"
und 66"' in Eingriff miteinander bringen. Dies wird in der Variante nach Fig. 13 erreicht,
in dem die Laschen an gekreuzt aufeinander stehenden Abschnitten der Sicke angeordnet
sind, so dass sich eine Wirkung analog der Fig. 6a und b ergibt. In Fig. 13b ist der
Tragringabschnitt 66'" gestrichelt dargestellt, der Tragringabschnitt 62'" mit durchgezogener
Linie. Diese Darstellung veranschaulicht die gekreuzte Stellung der Sickenabschnitte
zueinander.
[0033] In Fig. 14 ist eine Ausprägung dieses Gedankens gezeigt, bei der die Tragringabschnitte
62"" und 66"" Sicken 100 aufweisen, welche an den Stoßkanten 64"" und 68"" derart
radial zueinander versetzt angeordnet sind, dass sie sich nicht überdecken. An den
Stoßkanten der Tragringabschnitte sind Laschen 114 und 116 angeordnet, die jeweils
in den durch die Sicke des gegenüberliegenden Tragringabschnitts geschaffenen Raum
hineinragen. Durch diese Gestaltung wird zum einen ein Überlappen der Tragringabschnitte
verhindert, zum anderen die Verschiebung der Tragringabschnitte in axialer Richtung
begrenzt. Bei Anpassung der Laschen derart, dass sie die volle Breite der Sicke besitzen,
wird die axiale Bewegung vollständig unterdrückt.
[0034] Die Sicke kann abschnittsweise nur im Bereich der Stoßkanten vorgesehen sein. Vorteilhaft
ist, sie über die gesamte Länge des Tragringabschnitts zwischen den Stoßkanten verlaufen
zu lassen, da so als weiterer Vorteil eine Versteifung des Tragringabschnitts erreicht
wird.
[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.
1. Turbomolekularpumpe (1) mit einem Rotor (10), welcher einen Schaufelkranz aufweist,
einer Statorscheibe (14, 16, 18), welche einen Tragring (50, 60), einen mit diesem
verbundenen Schaufelkranz und zwei Teilscheiben (140, 142) umfasst, wobei jede Teilscheibe
einen Tragringabschnitt (52, 56, 62, 66; 62'; 62"; 62"', 66"'; 62"", 66"") und eine
an diesem angeordnete Stoßkante (54, 58, 64, 68, 70, 72, 74, 76; 64', 74'; 64", 74";
64"', 74"') aufweist und sich die Stoßkanten der Teilscheiben berühren, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßkanten der Teilscheiben derart geformt sind, dass sie wenigstens abschnittsweise
gekreuzt aufeinanderstoßen, so dass ein Überlappen der Teilscheiben verhindert wird.
2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßkanten der Teilscheiben geradlinig geformt sind.
3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Tragringabschnitt einer Teilscheibe eine zur Stoßkante hin geöffnete
Ausnehmung (80) aufweist, welche im Eingriff mit dem Tragringabschnitt einer zweiten
Teilscheibe steht.
4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragringabschnitte beider Teilscheiben Ausnehmungen (80) aufweisen, welche ineinandergreifend
angeordnet sind.
5. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung selbstzentrierend geformt ist, insbesondere sich zur Stoßkante hin
aufweitend.
6. Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Tragringabschnitt (62'; 62") radial innerhalb des Schaufelkranzes
angeordnet und entlang seines Umfangs verwendelt gestaltet ist.
7. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaufelkranz vorgesehene Schaufeln (48) mit einer neutralen Faser (88) des Tragringabschnitts
(62'; 62") verbunden sind.
8. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Tragringabschnitt (62") und im Schaufelkranz vorgesehenen Schaufeln Stege
(84) vorgesehen sind, welche mit einer neutralen Faser (88) des Tragringabschnitts
verbunden sind, und zwischen Steg und Tragringabschnitt ein Spalt (86) vorgesehen
ist.
9. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendelte Tragringabschnitt mehrmals die durch den Schaufelkranz festgelegte
Scheibenebene schneidet.
10. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tragringabschnitt (62"', 66"'; 62"", 66"") eine sich in Umfangsrichtung erstreckende
Sicke (100; 100'; 100") umfasst.
11. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken (100) zweier Teilscheiben jeweils an einer der Stoßkanten ein Sickenende
aufweisen und diese Sickenenden radial versetzt zueinander angeordnet sind.