DE102004038677B4 - Vakuumpumpe - Google Patents

Abstract

Vakuumpumpe (1) mit einem Flansch (2), mindestens zwei Gaseintrittsöffnungen (4), mindestens einer Gasaustrittsöffnung (5), mindestens zwei Rotorwellen (6), die jeweils rotierende pumpaktive Bauteile (7) tragen, welche jeweils stehenden pumpaktiven Bauteilen (8) gegenüberstehen, mit mindestens einem unteren Gehäuseteil (9), einem den Flansch tragenden Gehäuseoberteil (10), mit Antriebsmitteln (11), welche die Rotorwellen (6) in Rotation versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Gaseintrittsöffnungen (4) innerhalb des Flansches (2) befinden und dass der Flansch (2) an einem gemeinsamen Gehäuseoberteil (10) angeordnet ist.

Description

• Seit vielen Jahrzehnten werden Turbomolekularpumpen bei der Erzeugung von Hochvakuum eingesetzt. Die Pumpwirkung wird in diesen Pumpen durch Scheiben mit Flügeln erzeugt, die abwechselnd auf Rotor und Stator angebracht sind. Das Saugvermögen ist eine maßgebliche Kenngröße dieser Pumpen und hängt unter anderem von dem Durchmesser der Rotorscheiben und der Drehzahl des Rotors ab. Einige Anwendungen erfordern ein sehr hohes Saugvermögen. Beispielsweise werden große Volumina an Teilchenbeschleunigern evakuiert. Hier finden sehr große Turbomolekularpumpen Anwendung, das Saugvermögen kann bei 5000 Litern pro Minute liegen. Der Patentschrift DE 3713534 C2 ist eine Turbomolekularpumpe zu entnehmen, bei der abwechselnd Rotor und Statorelemente angeordnet sind. Diese Turbomolekularpumpe zeigt ein Einlassbereich, zum Anschluss an eine zu evakuierende Kammer, der aus mehreren Einlassöffnungen (121) besteht. Das Dokument DE 690 08 683 T2 zeigt eine kombinierte Turbomolekularpumpe mit zwei Wellen. Diese Turbomolekularpumpe trägt im Einlassbereich auf beiden Wellen Turbo-Rotorsscheiben und im Auslassbereich sind auf diesen Wellen Rotorelemente nach dem Roots oder Schraubenprinzip angeordnet. Damit ist diese kombinierte Turbomolekularpumpe in der Lage gegen Atmosphärendruck zu verdichten. Eine Turbomolekularpumpe mit hochvakuumseitig kreisringförmiger Ansaugfläche ist der WO 03/076810 A1 zu entnehmen. Die Patentanmeldung US 5352097 A zeigt eine Vakuumpumpe, die zwei Wellen aufweist und mehrere Pumpprinzipien integriert. Diese Vakuumpumpenanordnung zeigt für jede Welle einen separaten Einlass (10, 20) und einen gemeinsamen Auslass (11). Diese Turbomolekularpumpen sind technisch nicht einfach. Ein Problem ist beispielsweise, dass in dem Rotor mit dem großen Durchmesser eine sehr hohe kinetische Energie gespeichert wird, die in ungünstigen Fällen bei einer Fehlfunktion freigesetzt werden kann. Ein anderes Problem ist die schwierige Rotordynamik, denn die Massenverteilung bei einem kurzen Rotor mit großem Scheibendurchmesser sorgt dafür, dass die Trägheitsmomente für die Rotation um verschiedene Achsen ähnlich werden. Damit wird das rotierende System instabiler.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik ist die Aufgabe, eine Vakuumpumpe mit sehr hohem Saugvermögen zu entwickeln, die die vorgenannten Nachteile überwindet. Die Lösung soll zudem kostengünstig sein.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des ersten Anspruches. Die weiteren Ansprüche stellen Ausgestaltungen der Erfindung dar. Gemäß der Erfindung besitzt die Vakuumpumpe einen Flansch, mehrere Gaseintrittsöffnungen innerhalb dieses Flansches und mehrere Rotorwellen, die rotierende pumpaktive Bauteile tragen, welche zusammen mit stehenden pumpaktiven Bauteilen die Pumpwirkung erzielen. Durch diese Maßnahme wird es möglich, ein hohes Saugvermögen zu realisieren und gleichzeitig den Durchmesser der Rotorscheiben im Vergleich zur Rotorlänge so zu gestalten, dass die Trägheitsmomente eine stabile Rotation um die Rotorwellenachse begünstigen. Da für die einzelnen Rotorwellen, deren Lager- und Antriebsmittel und den pumpaktiven Bauteilen auf Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann und nur ein gemeinsames Pumpenoberteil als neues Bauteil hinzukommt, ist die Vakuumpumpe sehr kostengünstig zu realisieren. So können zur Montage zunächst die Standardkomponenten vormontiert und anschließend in das gemeinsame Pumpenoberteil geschoben werden. Eine runde Flanschgeometrie erlaubt es, die Vakuumpumpe als Ersatz für bestehende Vakuumpumpen mit großem Saugvermögen zu verwenden. Denkbar ist natürlich, den Flansch an beliebige durch die Vakuumkammer vorgegebene Geometrien anzupassen.
• Die erfindungsgemäße Gestaltung einer Vakuumpumpe soll anhand der Figuren näher erläutert werden.
• 1: Schnitt durch die erfindungsgemäße Vakuumpumpe
• 2: Verschiedene Flanschgeometrien in der Draufsicht von oben.
• 3: Zwei Flanschformen im Querschnitt.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe im Schnitt. Die Vakuumpumpe 1 besitzt einen Flansch 2. Innerhalb dieses Flansches befinden sind mehrere Gaseintrittsöffnungen 4. Eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen 5 erlauben den Ausstoß des abzupumpenden Gases. Mehrere Rotorwellen 6 tragen jeweils rotierende pumpaktive Bauteile 7. Zusammen mit den stehenden pumpaktiven Bauteilen 8 erzielen diese die Pumpwirkung, sobald die Rotorwellen in Drehung versetzt werden. Der Flansch 2 ist an einem gemeinsamen Gehäuseoberteil 10 angeordnet. Komplettiert wird das Gehäuse durch wenigstens ein Gehäuseunterteil 9. Antriebsmittel 11 dienen dazu, die Rotorwellen in Drehung zu versetzen. Hierbei kann es sich um einen elektrischen Motor handeln, dessen Stator im Gehäuse angebracht ist und dessen Rotorelemente auf der jeweiligen Rotorwelle sitzt. Die dazu notwendige elektrische Versorgung erfolgt durch die Steuerung 12. Um die Drehung der Wellen zu unterstützen, dienen Lagermittel 13. Dies können beispielsweise öl- oder fettgeschmierte Kugellager sein. Ebenso sind Gaslager denkbar. Bis auf das spezielle geformte Gehäuseoberteil 10 können die anderen genannten Komponenten aus der Serienfertigung von Pumpen mit kleinerem Saugvermögen und nur einem Rotor stammen.
• Die zweite Figur zeigt einige denkbare Flanschgeometrien. In Teil a) sind mehrere Gaseintrittsöffnungen 4 mit gleichem Durchmesser in einem gemeinsamen runden Flansch angeordnet. In diesem Fall ist der Durchmesser der pumpaktiven rotierenden Bauteile, die auf den verschiedenen Rotorwellen sitzen, gleich.
• Eine weitere Ausführungsform zeigt 2b, in der im gemeinsamen runden Flansch mehrere runde Gaseintrittsöffnungen 4 mit unterschiedlichem Durchmesser angeordnet sind.
• Eine weitere Ausführungsform ist in 2c dargestellt, bei der der gemeinsame Flansch nicht mehr rund sondern viereckig ist. Durch diese Maßnahme kann die Vakuumpumpe optimal an die auszupumpende Kammer angepasst werden. Weitere, hier nicht gezeigte Flanschgeometrien sind denkbar.
• 3 zeigt zwei verschiedene Flanschformen im Querschnitt. In der Variante a) ist der Steg 14 zwischen den Gaseintrittsöffnungen 4 zurückgezogen ausgebildet, wodurch ein Gaseinlass 3 entsteht, mit dem die Gaseintrittsöffnungen 4 direkt verbunden sind. In der Variante b) ist der Steg 14 bis auf Flanschhöhe hochgezogen und schließt bündig mit diesem ab.
• In einer weiteren Ausführungsform befinden sich die Rotorwellen 6 zumindest mit einem Teil ihrer axialen Länge in dem gemeinsamen Gehäuseoberteil 10, das den Flansch 2 trägt.
• In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Steuerungen 12 vorgesehen, die miteinander in Kontakt stehen. Dieser Kontakt kann beispielsweise über elektrische Leitungen erfolgen. Der Kontakt dient beispielsweise dazu, Betriebsparameter wie Drehfrequenz der Rotorwellen u. ä. auszutauschen.
• Die einzige Steuerung oder die Mehrzahl von Steuerungen ist in einer weiteren Ausführungsform so ausgestaltet, dass sie zur Regelung des Vorvakuumpumpsystems dient. Das Vorvakuumpumpsystem besteht aus einer oder mehreren Vakuumpumpen, von denen mindestens eine das Gas bis auf Atmosphärendruck verdichtet. Die Regelung umfasst beispielsweise die Einstellung des Saugvermögens der einzelnen oder Mehrzahl der Vorpumpen.
• In einer weiteren Ausführungsform werden die Rotorwellen frequenzversetzt in Drehung versetzt. Das heißt zu Beginn, wenn die Rotorwellen noch nicht die endgültige Drehfrequenz erreicht haben, drehen sich die Rotorwellen jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen. Zwischen dem Start der Vakuumpumpe mit stillstehenden Rotorwellen und dem Erreichen der Betriebsdrehzahl laufen die Rotorwellen zu jedem Zeitpunkt mit von einander verschiedenen Drehfrequenzen. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich alle Rotorwellen gleichzeitig mit einer Frequenz drehen, die in einem Resonanzbereich liegt. Belastungen durch ein gegenseitiges Aufschaukeln der durch die Resonanzen entstehenden Schwingungen können somit vermieden werden.
• In einer weiteren Ausführungsform sind die Rotorwellen zumindest teilweise parallel angeordnet. Dies erlaubt eine sehr kostengünstige und einfach Montage, da die unteren Gehäuseteile und die Pakete aus rotierenden und stehenden pumpaktiven Bauteilen als Baugruppen vormontiert werden können. Auf diese bereits montierten Baugruppen wird dann nur noch das obere Gehäuseteil 10 mit seinem Flansch 2 gesetzt.
• Diese Ausführungsform kann dadurch weitergedacht werden, dass nicht nur die Achsen der einzelnen Rotorwellen parallel zu einander sind. Der Flansch definiert eine Fläche und damit eine auf ihr senkrecht stehende Flächennormale. Die weitergedachte Ausführungsform entsteht, wenn diese Flächennormale und mindestens ein Teil der Rotorwellen parallel zu einander sind.
• In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens eines der Lagermittel ein Magnetlager. Dabei kann es sich um ein passives oder ein aktives Magnetlager handeln, welches die Drehung in radialer oder axialer Richtung unterstützt.
• In einer weiteren Ausführungsform sind die rotierenden 7 und stehenden 8 pumpaktiven Bauteile als Flügel derart ausgebildet, dass es sich um eine Turbomolekularvakuumpumpe handelt.

Claims (12)

1. Vakuumpumpe (1) mit einem Flansch (2), mindestens zwei Gaseintrittsöffnungen (4), mindestens einer Gasaustrittsöffnung (5), mindestens zwei Rotorwellen (6), die jeweils rotierende pumpaktive Bauteile (7) tragen, welche jeweils stehenden pumpaktiven Bauteilen (8) gegenüberstehen, mit mindestens einem unteren Gehäuseteil (9), einem den Flansch tragenden Gehäuseoberteil (10), mit Antriebsmitteln (11), welche die Rotorwellen (6) in Rotation versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Gaseintrittsöffnungen (4) innerhalb des Flansches (2) befinden und dass der Flansch (2) an einem gemeinsamen Gehäuseoberteil (10) angeordnet ist.
2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rotorwellen (6) wenigstens über einem Teil ihrer axialen Länge in einem gemeinsamen Gehäuseoberteil (10) angeordnet sind
3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (12) zur elektrischen Ansteuerung der Antriebsmittel (11) vorhanden ist.
4. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Steuerungen (12) zur elektrischen Ansteuerung der Antriebsmittel (11) vorhanden sind und miteinander in Kontakt stehen.
5. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) zur elektrischen Ansteuerung des Vorvakuumsystems dient.
6. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der rotierenden pumpaktiven Bauteile (7) und die Durchmesser der stehenden pumpaktiven Bauteile (8) der verschiedenen Rotorwellen (6) gleich sind.
7. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwellen (6) frequenzversetzt in Rotation versetzt werden.
8. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Achsen der Vakuumpumpe, die durch Flächennormale und durch die Rotorwellen gegeben sind, parallel angeordnet sind.
9. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Lagermittel (13) ein Magnetlager ist.
10. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (2) kreisförmig ist.
11. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Molekularvakuumpumpe ist.
12. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Turbomolekularvakuumpumpe ist.

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