DE10103230A1

DE10103230A1 - Turbomolekularvakuumpumpe mit Rotor-und Statorschaufeln

Info

Publication number: DE10103230A1
Application number: DE10103230A
Authority: DE
Inventors: Christian Beyer; Heinz Englaender; Peter Klingner; Martin Laerbusch
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2002-08-01
Also published as: EP1354138A1; WO2002059483A1; EP1354138B1; US20040037695A1; JP3974529B2; US6910861B2; JP2004536989A; DE50114317D1

Abstract

Turbomulekularvakuumpumpe (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) sowie mit zwischen Einlass und Auslass befindlichen Rotor- und Statorschaufeln (5 bzw. 6), wobei die Rotorschaufeln (6) in Bezug auf ihre Drehrichtung Vorderseiten (11) und Rückseiten (12) aufweisen; um die Fördereigenschaften der Pumpe zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Rotorschaufeln (6) eine Rückseite (12) aufweist, die saugseitig konvex und druckseitig konkav gestaltet ist, oder dass zumindest ein Teil der Rotorschaufeln (6) eine Vorderseite (11) aufweist, die saugseitig konkav und druckseitig konvex gestaltet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekularvaku umpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patent anspruchs 1.

Turbomolekularvakuumpumpen sind nach Art einer Turbine mit Stator- und Rotorschaufeln aufgebaut. Eine maßgeb liche Pumpwirkung wird nur im Bereich der Molekular strömung erreicht (p < 10^-3 mbar). Im sich anschließen den Bereich der Knudsen-Strömung lassen die Förder leistungen mit zunehmendem Druck mehr und mehr nach.

Das Pumpprinzip einer Turbomolekularvakuumpumpe beruht darauf, dass die abzupumpenden Gasmoleküle durch Zusam menstöße mit den Rotor- und Statorschaufeln einen Im puls in Förderrichtung erhalten. Diese Wirkung wird nur dann erreicht, wenn die Umfangsgeschwindigkeiten der Rotorschaufeln in der Größenordnung der mittleren ther mischen Geschwindigkeit der zu pumpenden Gasmoleküle liegen.

Die mittlere thermische Geschwindigkeit von Gasmolekü len ist abhängig von ihrer molaren Masse. Sie beträgt für H₂ (Masse 2) ca. 1760 m/s und für N₂ (Masse 28) ca. 470 m/s. Diese Zahlen lassen erkennen, dass die För dereigenschaften einer Turbomolekularvakuumpumpe gas artabhängig sind. Dieses gilt weniger für das Saugver mögen, aber um so mehr für das Kompressionsverhältnis (Verhältnis zwischen dem Partialdruck einer Gaskompo nente auf der Druckseite der Turbomolekularvakuumpumpe zum Partialdruck dieser Gaskomponente auf der Hochvaku umseite dieser Pumpe). Das Kompressionsverhältnis einer bekannten Turbomolekularvakuumpumpe steigt zwischen den Massen der vorgenannten Gase H₂ und N₂ von etwa 10³ bis 10⁸ an.

Die übliche Ausbildung der Schaufeln einer Turbomoleku larpumpe ist aus der DE-U 72 37 362 bekannt. Sie weisen ebene Begrenzungsflächen auf. Ihr Anstellwinkel (Winkel zwischen der Ebene der Schaufeln und einer zur Rotati onsachse senkrechten Ebene) nimmt von der Saugseite der Pumpe zur Druckseite ab.

Aus der EP-A-829 645 ist es bekannt, Rotorschaufeln einzusetzen, deren Begrenzungsflächen nicht mehr eben sind. Es wird vorgeschlagen, die Rückseite (in Bezug auf ihre Drehrichtung) der Rotorschaufeln gewölbt zu gestalten. Dadurch sollen die bei Rotorschaufeln mit ebenen Begrenzungsflächen auf ihrer Rückseite auftre tenden, den Antriebsmotor belastenden Turbulenzen ver mieden werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fördereigenschaften einer Turbomolekularvakuumpumpe für Gase mit geringer spezifischer Masse zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Durch die Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst, d. h., die Förderung leichter Gase wird verbessert. Da rüberhinaus wird der Vorteil erreicht, dass die Mass nahmen nach der Erfindung die Verdichtungs- und Förder leistungen der Pumpe (Kompression, Saugvermögen, Durch satz) für Gase mit höherer molarer Masse nicht beein trächtigen. Schließlich behalten die erfindungsgemäß gestalteten Schaufeln ihre verbesserten Fördereigen schaften bis weit in den Kundsen-Bereich hinein, so dass die Vorvakuumbeständigkeit einer damit ausgerüste ten Turbomolekularpumpe im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich günstiger ist bzw. der Aufwand für die Vorvakuumpumpen maßgeblich reduziert werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbei spielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Turbomolekularvakuum pumpe,

Fig. 2 und 3 Ausführungen von erfindungsgemäß gestalteten Rotorschaufeln, bei denen entweder die Rückseite oder die Vorderseite konvexe und konkave Bereiche aufweist, sowie Fig. 4 und 5 Ausführungen von erfindungsgemäß gestalteten Schaufeln, bei denen beide Seiten kon vexe und konkave Bereiche aufweisen.

Die in Fig. 1 dargestellte Turbomolekularvakuumpumpe 1 umfaßt ein Gehäuse/Stator 2, einen Einlass 3, einen Auslass 4, Statorschaufeln 5 und Rotorschaufeln 6 auf. In bekannter, nicht im einzelnen dargestellter Weise sind die Statorschaufeln 5 Bestandteile von Stator schaufelreihen, die mit dem Gehäuse/Stator 2 in Verbin dung stehen. Die Rotorschaufeln 6 sind Bestandteile von Rotorschaufelreihen, die am Rotationskörper 7, z. B. ei ner Welle, befestigt oder damit einteilig ausgebildet sind. Die Rotor- und Statorschaufelreihen greifen ab wechselnd mit entgegengesetzt gerichteten Anstellwin keln ineinander und bewirken die Förderung der Gase vom Einlass 3 zum Auslass 4.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungen von erfindungsgemäß gestalteten Schaufeln (abge wickelt). Ihre in den Figuren jeweils obere Kante 8 ist der Saugseite der Pumpe 1 zugewandt, ihre jeweils un tere Kante 9 der Druckseite. Dargestellt sind jeweils Schnitte durch die Schaufeln 5, 6 und zwar etwa senk recht zu den im wesentlichen radial gerichteten Längs achsen der Schaufeln. Parallel zu diesen Längsachsen der Schaufeln erstrecken sich - wie jeweils dargestellt - die konvex und/oder konkav gestalteten Bereiche der Vorder- und Rückseiten. Die Drehrichtung der Schaufeln 5, 6 ist jeweils durch einen Pfeil 10 gekennzeichnet.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele für Ro torschaufeln 6, deren Vorderseiten mit 11 und deren Rückseiten mit 12 bezeichnet sind. Bei der Ausführung nach Fig. 2 weisen die Rückseiten 12 der Schaufeln 6 saugseitig einen konvexen Bereich 13 und druckseitig einen konkaven Bereich 14 auf. Die Vorderseite 11 ist im Bereich 15 ihrer Saugseite (Anströmung, Zuströmung) eben, im Bereich 16 ihrer Druckseite (Abströmung) kon vex gestaltet.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 weisen die Vorderseiten 11 der Schaufeln 6 konkave (saugseitig) und konvexe (druckseitig) Bereiche 15 bzw. 16 auf, während die Rückseiten 12 saugseitig konvex (Bereich 13) und druck seitig eben (Bereich 14) ausgebildet sind. Die vorder seitigen und rückseitigen Begrenzungsflächen laufen saugseitig und druckseitig mit spitzen Winkeln aufein ander zu, wodurch die Kanten 8, 9 der Schaufeln gebil det werden.

Fig. 4 zeigt - ebenfalls abgewickelt - eine Ausführung mit drei Rotorschaufelreihen, die Bestandteile des Ro torsystems 7 sind, sowie zwei Statorschaufelreihen, die Bestandteile des Stators 2 sind. Die Rotorschaufeln 6 sind sämtlich in der Weise ausgebildet, dass sie auf ihren Vorder- und Rückseiten jeweils konkave und kon vexe Bereiche aufweisen (vgl. auch Fig. 5). Die Sta torschaufeln 5 der oberen Statorschaufelreihe weisen in bekannter Weise ebene Vorder- und Rückseiten auf, wäh rend die Statorschaufeln 5 der unteren Schaufelreihe erfindungsgemäß gestaltet sind. Dabei ist der Quer schnitt der Statorschaufeln 5 derart zu gestalten, dass sie zu den benachbarten Rotorschaufeln im wesentlichen spiegelbildlich sind, d. h., entgegensetzt gerichtete Anstellwinkel aufweisen.

In Fig. 5 ist eine Schaufel 6 vergrößert dargestellt. Einige Tangenten t₁ bis t₅ sind eingezeichnet. Daraus geht hervor, dass bereits jeder Flügel 6 praktisch eine Vielzahl von Anstellwinkeln hat. Demgegenüber ändert sich der Anstellwinkel beim Stand der Technik von Stufe zu Stufe. Die Radien der konkaven und konvexen Bereiche sind so gewählt, dass die Tangenten stets positive An stellwinkel haben.

Die Tangente t₂ ist eine Tangente durch den Wendepunkt 18 der rückseitigen Begrenzungsfläche der Schaufel 6. Eingezeichnet ist weiterhin die (axiale) Höhe h der Schaufel 6. Der Wendepunkt 18 - und auch der Wendepunkt 19 der vorlaufenden Begrenzungsfläche 11 - liegen auf der halben Höhe h der Schaufel 6. Die Tangente t₂ hat den Anstellwinkel α, der - wie beim Stand der Technik - von der Saugseite zur Druckseite abnehmen kann. Ent sprechend spiegelbildlich sind zweckmäßig auch die Sta torschaufeln 5 ausgebildet.

Claims

1. Turbomolekularvakuumpumpe (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) sowie mit zwischen Ein lass und Auslass befindlichen Rotor- und Stator schaufeln (5 bzw. 6), wobei die Rotorschaufeln (6) in Bezug auf ihre Drehrichtung Vorderseiten (11) und Rückseiten (12) aufweisen, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest ein Teil der Rotorschau feln (6) eine Rückseite (12) aufweist, die saug seitig konvex und druckseitig konkav gestaltet ist.

2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Vorderseite (11) der Rotor schaufeln (6) saugseitig eben und druckseitig kon vex gestaltet ist.

3. Turbomolekularvakuumpumpe (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) sowie mit zwischen Ein lass und Auslass befindlichen Rotor- und Stator schaufeln (5 bzw. 6), wobei die Rotorschaufeln (6) in Bezug auf ihre Drehrichtung Vorderseiten (11) und Rückseiten (12) aufweisen, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest ein Teil der Rotorschau feln (6) eine Vorderseite (11) aufweist, die saug seitig konkav und druckseitig konvex gestaltet ist.

4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Rückseite (12) der Rotor schaufeln (6) saugseitig konvex und druckseitig eben ausgebildet ist.

5. Turbomolekularvakuumpumpe (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) sowie mit zwischen Ein lass und Auslass befindlichen Rotor- und Stator schaufeln (5 bzw. 6), wobei die Rotorschaufeln (6) in Bezug auf ihre Drehrichtung Vorderseiten (11) und Rückseiten (12) aufweisen, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest ein Teil der Rotorschau feln (6) eine Rückseite (12) nach Anspruch 1 und eine Vorderseite (11) nach Anspruch 3 aufweist.

6. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitigen und die rückseitigen Begrenzungsflächen der Schau feln im Bereich der seitlichen Kanten der Schau feln spitz zulaufen.

7. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien der konkaven und konvexen Bereiche so gewählt sind, dass die Tangenten (t₁ bis t₅) im Bereich der konkaven und konvexen Bereiche positive Anstellwinkel haben.

8. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendpunkte (18, 19) der Begrenzungsflächen auf der halben Hö he (h) der Schaufeln (5, 6) liegen.

9. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass die Tangente (t₂) durch den/die Wendepunkte (18, 19) einen Anstellwinkel (α) ha ben, der von der Saugseite zur Druckseite abnimmt.