Turbomoiekularpumpe

Dfe Erfindung bezieht sich auf eine Turbomoiekularpumpe mit einem Pumpen- Gehäuse und mehreren separaten Statorflügel-Ringscheiben, die zusammen ein Ringscheiben-Paket bilden.

Turbomolekularpumpen werden üblicherweise mit Betriebs-Drehzahlen von mehreren 10.000 U/min betrieben. Der Rotor weist daher bei Betriebs-Drehzahl eine hohe kinetische Energie auf, die im Falle eines Rotor-Crash bzw. -Burst erhebliche Zerstörungskräfte darstellt. Diese Zerstörungskräfte sind in der Praxis so groß, dass dabei das Pumpen-Gehäuse zerstört werden kann, so dass hohe

Sachschäden entstehen können sowie durchaus auch Gefahr für Leib und Leben besteht.

Aus EP 1 030 062 A2 ist eine Turbomolekularpumpe bekannt, bei der das Ringscheiben-Paket durch ein separates Ringscheiben-Gehäuse gehalten wird. Das Ringscheiben-Gehäuse ist drehbar in Bezug auf das Pumpen-Gehäuse. Zwischen dem Ringscheiben-Gehäuse und dem Pumpen-Gehäuse ist ein Absorptionselement angeordnet. Im Falle eines Rotor-Crash oder Rotor-Burst wird ein Teil der kinetischen Rotor-Energie in eine Drehbewegung des Ringscheiben-Gehäuses umgewandelt und durch plastische Verformung des Absorptionselementes abgebaut. Der Aufbau der Turbomoiekularpumpe ist relativ aufwändig.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine einfach aufgebaute Turbomoiekularpumpe mit Strukturen zur Aufnahme von Crash- und Burst- Energien zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Turbomoiekuiarpumpe weist eine zylindrische Reibungsbuchse auf, die unmittelbar zwischen dem Ringscheiben-Paket und dem Pumpen-Gehäuse angeordnet ist. Die Reϊbungsbuchse umgibt also das Ringscheiben-Paket bezogen auf die Axiale mindestens teilweise. Zwischen dem Ringscheiben-Paket und dem Pumpen-Gehäuse ist mindestens an einem Axialende des Ringscheiben-Paketes ein Axialspatt vorgesehen, so dass das Ringscheiben-Paket drehbar gelagert ist in Bezug auf das Pumpen-Gehäuse. Zwischen dem Ringscheiben-Paket und dem Pumpen-Gehäuse kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ein axiales Spannelement zum axialen Zusammenspannen des Ringscheiben-Paketes vorgesehen sein. Das Ringscheiben-Paket wird also nicht mehr fest axial in dem Pumpen-Gehäuse oder

in einem separaten Ringscheiben-Gehäuse verspannt, sondern ist unmittelbar axial in dem Pumpen-Gehäuse durch ein elastisches axiales Spannelement derart vorgespannt, dass sich die Statorflügel-Ringscheiben während des Pumpen- Betriebes nicht drehen.

Erst im Falle eines Rotor-Crash oder eines Rotor-Burst werden die durch die Kollision der Rotorflügel mit den Statorflügel-Ringscheiben übertragenen Kräfte so groß, dass die betreffenden Statorflügel-Ringscheiben ebenfalls in Drehung versetzt werden. Die Drehung der betreffenden Statorflügei-Ringscheiben wird durch die Reibungsbuchse abgebremst, die sich dabei mitdrehen kann, jedoch nicht muss, und die sich dabei plastisch verformen kann, jedoch nicht muss. In jedem Fall wird in der Reibungsbuchse ein Teil der kinetischen Energie des Pumpenrotors abgebaut.

Durch das Vorsehen eines Axialspaltes zwischen dem Ringscheiben-Paket und dem Pumpen-Gehäuse wird eine relativ leichte Drehbarkeit des Ringscheiben- Paketes realisiert. Schon bei relativ geringen Crash-Kräften bzw. Burst-Kräften können die betreffenden Statorflügel-Ringscheiben in Drehung versetzt werden. Hierdurch wird eine unmittelbare übertragung hoher Kräfte auf das Pumpengehäuse verhindert, so dass das Pumpengehäuse keine hohen Zerstörungskräfte aufnehmen muss und weitgehend unversehrt bleibt. Hierdurch kann das Pumpen-Gehäuse seiner Primärfunktion im Crash-Fall bzw. Burst-Fall am besten gerecht werden, nämlich den Pumpenrotor gegenüber der Umgebung abzuschirmen.

Die unmittelbare Verspannung des Ringscheiben-Paketes in dem Pumpen- Gehäuse einschließlich der Anordnung der zylindrischen Reibungsbuchse in dem Ringspait zwischen dem Pumpen-Gehäuse und dem Ringscheiben-Paket stellt einen sehr einfachen Aufbau dar, der preiswert realisiert werden kann und ein erhebliches Potential zur Aufnahme der kinetischen Rotor-Energie im Crash- bzw. Burst-Fali bietet.

Vorzugsweise ist axial zwischen dem Ringscheiben-Paket und dem Stator- Gehäuse eine Gleitringscheibe vorgesehen, die durch das Spannelement axial gespannt ist. Die Gieitringscheibe verbessert die Drehbarkeit bzw. die Einstellbarkeit der Haftreibung des Ringscheiben-Paketes in Bezug auf das Pumpen-Gehäuse. Die Haftreibung kann so niedrig eingestellt werden, dass das Ringscheiben-Paket bei Nenn-Drehzah! des Rotors fixiert ist, jedoch schon bei relativ kleinen Rotor-Stator-Koliisionen in Drehung versetzt wird und auf diese Weise der Energie-Abbau durch die Reibungsbuchse ermöglicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Spannefement von einem elastischen Spannring gebildet. Der Spannring kann beispielsweise aus einem Elastomer bestehen, kann jedoch beispielsweise auch aus einem gewendelten Federdrahtring bestehen. Das Spannelement wirkt axial entweder unmittelbar auf das Ringscheiben-Paket oder wirkt auf die Gleitringscheibe, wenn eine Gleitringscheibe vorgesehen ist.

Vorzugsweise weist der Pumpenrotor-Körper einen Hohlraum zur Aufnahme des Antriebsmotors auf. Die Reibungsbuchse ist axial außerhalb des Rotor- Hohlraumes jedenfalls teilweise nicht vorgesehen. Die größte Gefahr stellt bei einem Rotor-Crash bzw. einem (anschließenden) Rotor-Burst das Aufbrechen des Rotors im Bereich seines Hohlraumes dar, der auch Rotorglocke genannt wird. In diesem Bereich ist der Rotor relativ schwach dimensioniert und radial nicht abgestützt. Im Bereich der Rotorglocke ist daher die Gefahr eines Auseinanderbrechens des Rotors besonders groß. Zur Vereinfachung der Gesamtkonstruktion kann daher vorgesehen werden, die Reibungsbuchse insbesondere nur im Bereich der Rotorglocke bzw. des Rotor-Hohlraumes axial vorzusehen.

Vorzugsweise ist zwischen der Reibungsbuchse und dem Pumpen-Gehäuse und/oder dem Ringscheiben-Paket ein Gleitmittel vorgesehen. Durch das

Gleitmitte! wird die Haftreibung sowie die Gleitreibung verringert, so dass im Crash- bzw. Burst-Faü die kinetische Energie des Rotors zunächst in Wärme umgesetzt wird, bevor die plastische Verformung der beteiligten Komponenten einsetzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht das Pumpen-Gehäuse aus Aluminium und besteht die Reibungsbuchse aus Stahl oder Titan. Diese Werkstoffpaarungen bieten gute Gleit- und Stabilitätseigenschaften in Bezug auf den gewünschten Energie-Abbau im Crash- bzw. Burst-Fall.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Turbomolekuiarpumpe mit einem durch ein Spannelement axial vorgespanntes Ringscheiben-Paket, das von einer Reibungsbuchse umgeben ist,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Turbomolekuiarpumpe mit einem Aufbau gemäß der Turbomolekuiarpumpe der Figur 1 und zusätzlichen Gleitringscheiben und

Figur 3 eine Turbomolekularpumpe, wie in Figur 2, wobei die

Reibungsbuchse axial außerhalb eines Rotor- H oh I räum es teilweise nicht vorgesehen ist.

In den Figuren 1-3 ist jeweils eine Turbomolekularpumpe 10,40,50 im Längsschnitt dargestellt, die einen Rotor 12 mit einem Pumpenrotor 13 aufweist, der drehbar in einem Pumpen-Gehäuse 14 gelagert ist. Der Pumpenrotor 13 weist mehrere Rotor-Flügelscheiben 15 auf, wobei in die axialen Zwischenräume

zwischen zwei Fiügelscheiben jeweils eine korrespondierende Statorflügel- Ringscheibe 16 hineinragt. Vorliegend sind sechs Rotor-Flügelscheiben 15 und sechs StatorflügeJ-Ringscheiben 16 vorgesehen.

Die axial aufeinander gesteckten Statorflügel-Ringscheiben 16 bilden zusammen ein Ringscheiben-Paket 18. Das Ringscheiben-Paket 18 ist druckseitig auf einem entsprechenden in einer Querebene liegenden Absatz-Ringfiäche 19 abgestützt. Das andere axiale Ende des Ringscheiben-Paketes liegt axial nicht unmittelbar an dem Purnpen-Gehäuse an. Zwischen dem Pumpen-Gehäuse 14 und dem Ringscheiben-Paket 18 ist ein Axialspalt 22 vorgesehen, so dass das Ringscheiben-Paket 18 grundsätzlich axial verschiebbar ist innerhalb des Pumpen-Gehäuses 14.

Pumpengehäuseseitig ist im Bereich des Axialspaltes 22 in einer umlaufenden axialen Ringnut 24 ein Spanneiement 26 in Form eines elastischen O-Ringes vorgesehen. Das Spannelement 26 spannt das Ringscheiben-Paket 18 axial vor und hält dieses axial zusammen. Durch die Haftreibung zwischen den Statorfiügel-Ringscheiben 16 sowie zwischen dem Ringscheiben-Paket 18 und der axialen Ringfläche 19 sowie dem Spannelement 26 sind die Statorfiügel- Ringscheiben 16 auch in Umfangsrichtung ausreichend fixiert, so dass sie bei normalem Betrieb mit Nenn-Drehzahl nicht verdrehen.

Das Ringscheiben-Paket 18 weist außenseitig eine annähernd zylindrische Umfangsfläche auf. Zwischen dieser Umfangsfläche des Ringscheiben-Pakets 18 und der korrespondierenden Innenumfangsfläche des Pumpen-Gehäuses 14 ist ein zylindrischer Radiaispalt 32 vorhanden. Der Radialspalt 32 wird von einer Reibungsbuchse 20 ausgefüllt, die auf das Ringscheiben-Paket 18 aufgeschoben ist und mit Spalt zum Pumpen-Gehäuse 14 sitzt. Die Reibungsbuchse 20 füllt also den Radialspalt 32 nahezu aber nicht vollständig auf. Es wird ein kleiner Spalt zum Ringscheiben-Paket realisiert, um die Reibungsbuchse locker über das Ringscheiben-Paket schieben zu können. Ebenso wird ein (größerer) Spalt

zwischen Reibungsbuchse und Gehäuse realisiert, damit die Reibungsbuchse nicht gleich bei der kleinsten Deformation im Ringspalt verkeilt und nicht mehr dreht. Die Reibungsbuchse besteht aus Stahl oder Titan. Das Pumpen-Gehäuse 14 besteht aus Aluminium.

Zwischen der Reibungsbuchse 20 und dem Pumpen-Gehäuse 14 und/oder dem Ringscheiben-Paket 18 kann ein Gleitmitte! vorgesehen sein, um die Haftreibung und die Gleitreibung zwischen der Reibungsbuchse 20 und dem Pumpen-Gehäuse 14 und/oder dem Ringscheiben-Paket 18 zu verringern. Als Gleitmittel kann beispielsweise Vakuumfett oder Molykote verwendet werden. Als Material für die Reibungsbuchse 20 kann auch Kevlar verwendet werden. Die Reibungsbuchse 20 kann aus einem einstückigen Gussteil bestehen, kann jedoch beispielsweise auch aus einem gewickelten Biech bestehen.

Der Rotor 12 weist einen im Bereich des Pumpenrotors 13 einen Hohlraum 28 auf, in dem eine Lagerungs- und Antriebskartusche 30 eingesteckt ist. Der Pumpenrotor 13 im Bereich des Hohlraumes 28 wird auch Rotorglocke genannt.

In der zweiten Ausführungsform, die in der Figur 2 dargestellt ist, weist die Turbomolekularpumpe 40 in einem gegenüber der Turbomolekularpumpe 10 der Figur 1 axial vergrößerten Axialspalt 42 zwei aneinanderliegende Gleitringscheiben 44,45 auf. Auch an dem anderen axialen Ende des Ringscheiben-Paketes 18 sind zwei aufeinanderliegende Gleitringscheiben 46,47 vorgesehen. Durch die Gleitringscheiben 44-47 wird die Haftreibung und die Gleitreibung zwischen dem Ringscheiben-Paket 18 und dem Pumpen-Gehäuse 14 an beiden axialen Längsenden des Ring Scheiben -Paketes 18 erheblich verringert.

In dem in der Figur 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel einer Turbomolekularpumpe 50 ist die Reibungsbuchse 52 so verkürzt, dass sie sich nicht über die gesamte axiale Länge des Ringscheiben-Paketes 18 erstreckt. Die Reibungsbuchse 52 ist in dem Bereich des Ringscheiben-Paketes 18

weggelassen, in dem sich das Ringscheiben-Paket 18 axial nicht überdeckt mit dem Hohlraum 28 in dem Pumpenrotor 13.