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28.11.2008

Turbomolekularpumpe

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe,

Turbomolekularpumpen weisen einen mit einer Antriebswelle verbundenen Rotor mit mehreren Rotorflugein auf. Zwischen den einzelnen Rotorflugeln sind stationäre Statorscheiben angeordnet. Häufig sind die Statorscheiben nicht unmittelbar mit dem Pumpengehäuse verbunden, sondern von Statorringen getragen. Hierbei ist je Rotorflugel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe zur Montage über den Rotor gestülpt werden. Zwischen den Rotorflugeln bzw. den Rotorflugeispitzen und dem stationären Gehäuse bzw. den Statorringen muss ein Spalt vorgesehen sein. Dieser ist erforderlich, um in allen Betriebszuständen ein Berühren der Rotorfluge! an den stehenden Komponenten, d.h. dem Gehäuse oder den Statorringen, zu verhindern. Hierbei muss die Breite des Spalts derart groß sein, dass in allen Betriebszuständen die auftretenden thermischen Ausdehnungen der Rotorflügel ohne Berührung der stehenden Komponenten möglich ist. Ferner muss bei der Breite des vorgesehenen Spaltes berücksichtigt werden, dass Schiefstellungen des Rotors durch die Rotordynamik auftreten können. Insbesondere bei magnetgeiagerten Antriebswellen muss ferner die Ausienkung aufgrund des Spiels zu den Fanglagern berücksichtigt werden. Des Weiteren treten Dehnungen des Rotors insbesondere in radialer Richtung durch Fliehkräfte auf. Ferner müssen sich ggf. addierende Toleranzen

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berücksichtigt werden. Der Spalt zwischen den Rotorflügeln und dem Gehäuse bzw, den Statorringen beträgt bei Turbomolekularpumpen mit einem Rotordurchmesser von ca. 200 mm - 2 mm. Aufgrund des vorhandenen Spalts strömt ein Teil des gepumpten Gases zurück. Durch diese Rückströmung wird der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe deutlich verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, mit der eine Reduzierung des zurückströmenden Gasvolumens und somit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäB durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe weist einen Rotor mit mehreren Rotorflugeln auf. Der Rotor ist mit einer Antriebswelle verbunden und von einem Statorelemeπt umgeben. Bei dem insbesondere zylindrisch ausgebildeten Statorelement kann es sich um das Gehäuse der Turbomolekularpumpe selbst oder um einen, insbesondere mehrere Statorringe handeln. Erfindungsgemäß weist das Statorelement mindestens eine Ringnut auf. Die umlaufende Ringnut ist einem Rotorfiügel zugeordnet und in der entsprechenden Flugelebene dieses Rotors angeordnet. Die Ringnut ist somit auf Höhe des zugeordneten Rotorflügels im Betriebszustand angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass eine Ausdehnung des Rotorflügels während des Betriebs in radiale Richtung in die Ringnut hinein erfolgt. Da im Betrieb insbesondere eine radiale Ausdehnung des Rotorflugeis aufgrund thermischer Beanspruchungen und aufgrund der auftretenden Fliehkräfte erfolgt, dringt die in Richtung der Ringnut weisende Spitze des Rotorflugels in die Ringnut ein. Hierdurch entsteht eine Art beruhrungslose Labyrinthdichtung, so dass im Betriebszustand bei in radialer Richtung ausgedehntem RotorfSugei eine Art Selbstabdichtung erfolgt.

Die Abmessungen der Ringnut sind hierbei derart gewählt, dass in allen Betriebszuständen ein Berühren des Rotorflugels sowohl an dem Grund als auch an den Seitenwänden der Ringnut vermieden ist. Da die Spitze des Rotorflügels während des Betriebs der Turbomolekularpumpe in die Ringnut ragt, ist der Spalt an der Spitze des Rotorflügels im Querschnitt U-förmig ausgebildet. Hierdurch ist

das Volumen des zurückströmenden Gases erheblich reduziert und somit der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe verbessert.

Da die zu erwartenden, insbesondere auf Grund thermischer Einflüsse hervorgerufenen Ausdehnungen der Rotorfiügel in axialer Richtung geringer sind als in radialer Richtung, kann in axialer Richtung eine geringere Spaltbreite vorgesehen sein als in radialer Richtung. Hierdurch kann die Dichtigkeit weiter verbessert werden.

Vorzugsweise weisen die Rotorflügel einen radialen Ansatz auf. Dieser in Richtung der Ringnut weisende Ansatz ist insbesondere ringförmig ausgebildet. Der ringförmige Ansatz umgibt somit die einzelnen Schaufeln der Rotorflügel, so dass vorzugsweise während des Betriebs ausschließlich der ringförmige Ansatz und nicht die Schaufeln in die Ringnut eingeschoben werden.

Vorzugsweise ist jedem Rotorfiügel eine Ringnut zugeordnet, wobei jeder Rotorfiügel vorzugsweise einen ringförmigen Ansatz aufweist. Durch Vorsehen mehrerer Ringnuten für mehrere, insbesondere mindestens zwei Rotorflügel, kann eine weitere Verbesserung der Dichtigkeit erzielt werden. Da in besonderes bevorzugter Ausführungsform je Rotorfiügel eine Ringnut vorgesehen ist, im Betrieb ein mäanderförmiger Spalt ausgebildet, der als berührungslose Labyrinthdichtung dient, so dass eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbomolekularpumpe erzielt werden kann.

Die mindesten eine Ringnut kann an einer Innenseite eines als Statorelement ausgebildeten Gehäuses ausgebildet sein. Vorzugsweise sind jedoch innerhalb eines Pumpengehäuses insbesondere mehrere Statorringe vorgesehen. üblicherweise ist je Rotorfiügel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Die Statorringe sind somit in Richtung der Antriebswelle bzw. in Hauptförderrichtung des Gases hintereinander angeordnet. Je nach Ausgestaltung der erfindungsgemäßeπ Turbomolekularpumpe ist in einem oder mehreren Statorringen die erfindungsgemäße Ringnut vorgesehen. Vorzugsweise ist in sämtlichen Statorringen eine Ringnut vorgesehen, in die insbesondere der mit den entsprechenden Rotorflügeln verbundene ringförmige Ansatz im Betrieb

eindringt. Die Ringnuthöhe ist von den Flugelhöhen abhängig, die von der Einlassseite zur Auslassseite abnehmen (der Verdichtung folgend). Demzufolge variiert die Nuttiefe von ca. 0,5 mm bei kleinen bis ca. 4 mm bei großen Rotoren, Die Nutbreite variiert von 2mm bei flachen Flügeln kleiner Rotoren bis 15 mm bei steilen Flügeln großer Rotoren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführuπgsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teils eines Teils einer Turbomolekularpumpe gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Turbomolekularpumpe, und

Fig. 3 eine schematische vergrößerte Schnittansicht des Bereichs III in Fig.

2,

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel einer Turbornolekuiarpurnpe nach dem Stand der Technik ist ein auf einer Antriebswelle 10 (Flg. 2) angeordneter Rotor 12 dargestellt Der Rotor 12 weist bezogen auf eine Längsachse 14 bzw. die Rotationsachse der Welle 10 radial verlaufende Rotorflugei 16 auf. Jeder Rotorflύge! weist Rotorschaufeln 18 auf, die derart geneigt sind, dass in dem zu transportierenden Gas eine Hauptströmungsrichtung parallel zur Längsachse, d.h. in Fig. 1 nach unten in Richtung eines Pfeils 20 erzeugt wird. Der Rotor 12 ist in einem Gehäuse 22 angeordnet, wobei das Gehäuse zur Aufnahme des Rotors eine zylindrische, ggf, abgestufte Ausnehmung 24 aufweist.

Ein Teil der Rotorflügel 16 ist von Statorringen 26 umgeben. Die Statorringe 26 sind in Längsrichtung 14 hintereinander angeordnet und kleiden somit eine Innenseite der zylindrischen Ausnehmung 24 des Gehäuses 22 aus. Zwischen benachbarten Statorringen 26 sind in Richtung des Rotors nach innen weisende

Statorscheiben 28 vorgesehen. Jede Statorschesbe 28 ist somit zwischen zwei benachbarten Rotorflugeln 16 angeordnet.

Um Im Betrieb der TurbomolekuSarpumpe zu verhindern, dass die radial äußeren Enden der Rotorfiugel 16, d.h. die Spitzen der Rotorflügel 16, die Statorringe 26 berühren, ist zwischen den radialen Enden der Rotorfiύgei 16 und den Innenseiten, d.h. die in Richtung der Rotorflügel 16 weisenden Seiten 30, ein Spalt a ausgebildet. Durch diesen Spalt a strömt während des Betriebs zu förderndes Gas entgegen der Förderrichtung 20 zurück in einen Schöpfraum, aus dem das Gas abgesaugt werden soll.

Bei dem nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen bevorzugten Ausfuhrungsbeispie! der Erfindung sind identische oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Entsprechend dem Stand der Technik weist auch die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe eine Antriebswelle 10 auf, die den Rotor 12 trägt. Der Rotor 12 weist ebenfaiis Rotorfiugel 16 auf, die Rotorschaufeln 18 tragen. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind ebenfalls Statorringe 26 innerhalb des Gehäuses 22 angeordnet. Ferner sind in dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel zwischen benachbarten Rotorflugeln 16 Statorscheiben 28 angeordnet.

Erfindungsgemäß weisen im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sämtliche Statorringe an ihrer in Richtung des Rotors 12 weisenden Innenseite eine Ringnut 32 auf. Die Ringnut 32 ist in sich geschlossen und erstreckt sich entlang der gesamten Innenseite jedes einzelnen Statorrings 26.

Die RotorfSugei 16 weisen an den äußeren in Richtung der Statorringe 26 weisenden Enden im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel jeweils einen ringförmigen Ansatz 34 auf. Während des Betriebs verschiebt sich der ringförmige Ansatz 23 aufgrund der thermischen Ausdehnung der Fliehkräfte etc. in die entsprechende Ringnut 32.

Die Ringnuten 32 und die ringförmigen Ansätze 34 befinden sich somit je Rotorfluge! auf einer gemeinsamen, in Fig. 3 jeweils horizontal verlaufenden Flugelebene 36, von der in Fig. 3 zur Verdeutlichung nur eine dargestellt ist.

Der in Fig. 3 obere Rotorflugel 16 ist nicht von einem Statorring umgeben. Um auch hinsichtlich dieses Rotorflugels 16 eine verbesserte Abdichtung zu erzielen, ist in dem Gehäuse 22 eine Ringnut 38 vorgesehen. In die Ringnut 38 ragt im Betrieb wiederum ein Ansatz 34 des oberen Rotorfiugeis 16.

In einem Zustand, in dem sich die Turbomolekularpumpe nicht im Betrieb befindet und somit auch keine Ausdehnung oder Verschiebungen der Rotorfluge! 16 erfolgen, ist zwischen den radialen Enden der Rotorflugei 16 und einer Innenseite der Statorringe 26 ein Montagespalt b vorgesehen. Dieser ist erforderlich, um die Statorringe 26 zur Montage über den Rotor 12 zu stuipen.