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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekularpumpe mit einem Pumpen-Gehäuse
und mehreren separaten Statorflügel-Ringscheiben, die zusammen
ein Ringscheiben-Paket bilden.
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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.
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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 Turbomolekularpumpe ist relativ aufwändig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine einfach aufgebaute
Turbomolekularpumpe mit Strukturen zur Aufnahme von Crash- und Burst-Energien
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe weist eine
zylindrische Reibungsbuchse auf, die unmittelbar zwischen dem Ringscheiben-Paket
und dem Pumpen-Gehäuse angeordnet ist. Die Reibungsbuchse
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 Axialspalt
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.
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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
Statorflügel-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.
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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.
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Die
unmittelbare Verspannung des Ringscheiben-Paketes in dem Pumpen-Gehäuse
einschließlich der Anordnung der zylindrischen Reibungsbuchse
in dem Ringspalt 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-Fall bietet.
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Vorzugsweise
ist axial zwischen dem Ringscheiben-Paket und dem Stator-Gehäuse
eine Gleitringscheibe vorgesehen, die durch das Spannelement axial
gespannt ist. Die Gleitringscheibe 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-Drehzahl des Rotors
fixiert ist, jedoch schon bei relativ kleinen Rotor-Stator-Kollisionen
in Drehung versetzt wird und auf diese Weise der Energie-Abbau durch
die Reibungsbuchse ermöglicht wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung wird das Spannelement 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.
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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.
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Vorzugsweise
ist zwischen der Reibungsbuchse und dem Pumpen-Gehäuse
und/oder dem Ringscheiben-Paket ein Gleitmittel vorgesehen. Durch
das Gleitmittel wird die Haftreibung sowie die Gleitreibung verringert,
so dass im Crash- bzw. Burst-Fall die kinetische Energie des Rotors
zunächst in Wärme umgesetzt wird, bevor die plastische
Verformung der beteiligten Komponenten einsetzt.
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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.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform einer Turbomolekularpumpe mit einem
durch ein Spannelement axial vorgespanntes Ringscheiben-Paket, das von
einer Reibungsbuchse umgeben ist,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer Turbomolekularpumpe mit
einem Aufbau gemäß der Turbomolekularpumpe der 1 und
zusätzlichen Gleitringscheiben und
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3 eine
Turbomolekularpumpe, wie in 2, wobei
die Reibungsbuchse axial außerhalb eines Rotor-Hohlraumes
teilweise nicht vorgesehen ist.
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In
den 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 Flügelscheiben
jeweils eine korrespondierende Statorflügel-Ringscheibe 16 hineinragt.
Vorliegend sind sechs Rotor-Flügelscheiben 15 und
sechs Statorflügel-Ringscheiben 16 vorgesehen.
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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-Ringfläche 19 abgestützt. Das
andere axiale Ende des Ringscheiben-Paketes liegt axial nicht unmittelbar
an dem Pumpen-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.
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Pumpengehäuseseitig
ist im Bereich des Axialspaltes 22 in einer umlaufenden
axialen Ringnut 24 ein Spannelement 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 Statorflügel-Ringscheiben 16 sowie
zwischen dem Ringscheiben-Paket 18 und der axialen Ringfläche 19 sowie
dem Spannelement 26 sind die Statorflügel-Ringscheiben 16 auch
in Umfangsrichtung ausreichend fixiert, so dass sie bei normalem
Betrieb mit Nenn-Drehzahl nicht verdrehen.
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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 Radialspalt 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.
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Zwischen
der Reibungsbuchse 20 und dem Pumpen-Gehäuse 14 und/oder
dem Ringscheiben-Paket 18 kann ein Gleitmittel 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 Blech bestehen.
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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.
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In
der zweiten Ausführungsform, die in der 2 dargestellt
ist, weist die Turbomolekularpumpe 40 in einem gegenüber
der Turbomolekularpumpe 10 der 1 axial
vergrößerten Axialspalt 42 zwei aufeinanderliegende
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
Ringscheiben-Paketes 18 erheblich verringert.
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In
dem in der 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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