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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Turbomolekularpumpen sind seit vielen Jahrzehnten aus der Vakuumerzeugung nicht mehr wegzudenken. Ein Grund ist die Möglichkeit, diese Pumpen anzupassen, wenn neue Anforderungen aus der Nutzung heraus entstehen. Eine Anpassung war die Hinzunahme von molekularen Pumpstufen, um mit den so genannten Compoundpumpen einen höheren Ausstoßdruck zu ermöglichen. Diese Entwicklung ging weiter durch die Aufnahme von Pumpstufen, deren Arbeitsgebiet bis in den laminaren Strömungsbereich reicht und die beispielsweise nach dem Seitenkanalprinzip gestaltet sind.
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Die
EP 1 668 255 schlägt vor, eine Seitenkanalpumpstufe so anzuordnen, dass sie von der Hülse eines Holweckrotors umgeben ist. Nachteilig an einer solchen Anordnung sind die komplexe Gasführung und die Tatsache, dass unter der Hülse weniger Raum für den Antriebsmotor verbleibt. Beide Nachteile führen zu steigenden Kosten bei der Herstellung durch Größe und Komplexität von Bauteilen.
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Die Aufgabe war daher, eine kostengünstigere Vakuumpumpe mit Holweck- und regenerativen Pumpabschnitt zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 12 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
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Durch die Verbindung eines Rotorbauteils einer Vorvakuumstufe mit einem axialen Ende eines Holweckrotors entsteht eine Vakuumpumpe mit einfacher Gasführung, wodurch die Herstellungskosten sinken. Es erlaubt, die Vorvakuumstufe als eine auf Kundenwunsch lieferbare Variante einer Compoundpumpe vorzusehen. Vorteilhaft ist die Ausgestaltung, nach der der Holweckrotor an einem zweiten axialen Ende mit einer Welle verbunden ist. Dies steigert den Kostenvorteil und reduziert das Bauvolumen der Vakuumpumpe, da der Antriebsmotor innerhalb des Innenraums von Holweckpumpabschnitt und/oder Vordruckstufe angeordnet werden kann.
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Eine besonders einfache Ausführung sieht ein ringförmiges Bauteil vor, welches an dem axialen Ende einer Hülse des Holweckrotors vorgesehen ist. Mit der Vordruckstufe wird der Ausstoßdruck der Compoundpumpe in den Bereich oberhalb 10 Hektopascal verbessert. Besonders wirkungsvoll und kostengünstig ist hierbei die Ausgestaltung der Vordruckstufe nach dem Seitenkanalprinzip.
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Ein zusätzlicher Vorteil lässt sich erzielen, wenn ein Bauteil der Vordruckstufe mit einem Wuchtmittel, beispielsweise einer Wuchtbohrung, versehen ist. Die Laufruhe steigt, so dass Spaltmaße verringert werden können. Dies wiederum erhöht die Leistungsfähigkeit der Pumpstufen, so dass die kostenbezogene Leistungsfähigkeit steigt.
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Ein zusätzlicher Zwischeneinlass, durch welchen Gas in die Vordruckstufe hinein angesaugt werden kann, ermöglicht die Vereinfachung von Pumpsystemen mit mehreren Vakuumpumpen. An diesen Zwischeneinlass kann eine weitere Molekularpumpe angeschlossen werden, mit der beispielsweise eine zweite Kammer evakuiert wird. Die Vordruckstufe wirkt dann als Pumpstufe für die Vakuumpumpe und die Molekularpumpe.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels und seiner Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
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Es zeigen:
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1.: Schnitt durch eine Vakuumpumpe mit Holweckpumpabschnitt und Vordruckstufe;
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2: Schnitt durch die Vordruckstufe gemäß Weiterbildung;
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3: Schnitt durch die Vordruckstufe gemäß anderer Weiterbildung;
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4: Abwicklung des Holweckstators;
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Es zeigt 1 einen Schnitt durch einen Teil einer Vakuumpumpe 1. Deren Gehäuse 2 weist einen Einlass 4 auf, durch den Gas in das Innere der Vakuumpumpe angesaugt wird. Durch einen Gasauslass 8 verlässt das verdichtete Gas die Vakuumpumpe. Im Inneren der Vakuumpumpe ist eine Welle 10 vorgesehen, die durch das Zusammenwirken einer statorseitigen Antriebsspule 18 mit einem wellenseitigen Motorrotor, beispielsweise einem Motormagneten 16, in schnelle Drehung versetzt wird. Schnelle Drehung bedeutet hier eine Drehzahl, die zur Aufrechterhaltung eines molekularen Pumpeffekts geeignet ist und typisch im Bereich einiger Zehntausend Umdrehungen pro Minute liegt. Die Welle wird von zwei Lager unterstützt, die im gezeigten Beispiel als ein hochvakuumseitiges Permanentmagnetlager 14 und ein vorvakuumseitiges Wälzlager 12 ausgeführt sind.
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Im Inneren der Vakuumpumpe befinden sich stator- und rotorseitig pumpaktive Bauteile, die in Pumpabschnitten 20, 30 und 40 untergebracht sind und das Gas in Richtung Pumpenauslass fördern und/oder verdichten.
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Ein Holweckpumpabschnitt 30 umfasst einen mit der Welle verbundenen Holweckrotor 300. Dieser besitzt eine Nabe 302, an der wenigstens eine Hülse 304 angeordnet ist. Die Hülse wirkt mit einem ersten Stator 308 gasfördernd zusammen. Es können eine zweite Hülse 306 und ein zweiter Stator 310 vorgesehen sein, die im Gasstrom parallel oder seriell angeordnet sein können. Im Beispiel ist eine serielle Anordnung gezeigt, bei der Gas zunächst zwischen der äußeren zylindrischen Oberfläche der zweiten Hülse und dem Stator 310 gefordert wird, die zusammen die pumpaktiven Bauteile einer ersten Pumpstufe des Holweckpumpabschnitts bilden. Anschließend wird es entlang einer inneren zylindrischen Oberfläche der zweiten Hülse gepumpt, wobei die Außenseite von Stator 308 und die innere zylindrische Oberfläche der zweiten Hülse eine zweite Pumpstufe bilden. Schließlich wird das Gas zwischen dem ersten Stator und der äußeren Oberfläche der ersten Hülse zum Auslass des Holweckpumpabschnitts gefördert.
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Vom Holweckpumpabschnitt gelangt das Gas in eine Vordruckstufe 40. Diese besitzt ein Rotorbauteil 400, welches mit dem Holweckrotor verbunden und an einem axialen Ende 350 des Holweckrotors angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Gas, welches an dem axialen Ende des Holweckrotors zum Verlassen des Holweckpumpabschnitts bereitsteht, mit einfachsten konstruktiven Mitteln an die Vordruckstufe übergeben werden.
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Der Holweckrotor kann mit einem zweiten axialen Ende 352, welches sich beispielsweise an der Nabe befindet, mit der Welk verbunden sein. Dies ermöglicht es, eine glockenförmige Struktur aus Hülse und Vordruckstufe zu schaffen, in deren Innenraum der Antrieb ganz oder teilweise hineinragt, so dass eine kompakte Pumpe entsteht.
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Die Vordruckstufe kann vorteilhaft als Seitenkanalpumpstufe gestaltet sein. Dann weist das Rotorbauteil 400 einen Kranz von Schaufeln 410 auf, welche in einem statorseitig vorgesehenen Kanal 412 umlaufen. Eine Vordruckstufe nach diesem Wirkprinzip besitzt in dem angestrebten Druckbereich ein günstiges Verhältnis von notwendiger Antriebsleistung zu Saugvermögen und Druckverhältnis.
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Der Kanal 412 kann in einem Gehäuseteil des Pumpengehäuses 2 vorgesehen sein. Alternativ kann er einstückig mit einem der Holweckstatore 308 und 310 ausgeführt sein.
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Unmittelbar im Gasstrom dem Einlass nachgeordnet kann ein turbomolekularer Pumpabschnitt 20 vorgesehen sein, wodurch tiefere Drücke und/oder ein höheres Saugvermögen erreicht werden können.
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Es kann ein Zwischeneinlass 6 vorgesehen sein, durch den Gas in die Vakuumpumpe angesaugt wird. Dieser Zwischeneinlass ist zwischen dem Einlass 4 und Auslass 8 angeordnet, im gezeigten Beispiel stellt er eine Fluidverbindung mit dem Turbomolekularen Pumpabschnitt her. Alternativ kann er in den Holweckpumpabschnitt oder die Vordruckstufe führen. Zusätzlich können weitere solcher Einlässe vorgesehen sein.
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Einen Ausschnitt aus einer Vordruckstufe zeigt 2, die zur Erläuterung weitergehender Gedanken dienen soll. Die Vordruckstufe umfasst ein ringförmiges Bauteil 402, welches mit einem axialen Ende einer Hülse 304 des Holweckrotors verbunden ist. Ein Abschnitt des ringförmigen Bauteils ragt in den Bereich, der von der Hülse umschlossen ist. Die Hülse kann vorteilhaft aus einem kohlenstofffaserverstärkten Material geschaffen sein, da dieses Material geringe Verformung durch Fliehkräfte besitzt, sofern die Fasern im Wesentlichen in Umfangsrichtung orientiert sind. Die Hülse bildet dann eine Armierung für den Abschnitt des ringförmigen Bauteils und schafft so eine Versteifung für den Rotor der Vordruckstufe. Auf der der Hülse in axialer Richtung abgewandten Seite besitzt das ringförmige Bauteil einen Kranz von Schaufeln. Diese können in radialer oder axialer Richtung ausgerichtet sein. In der 2 ist eine vorteilhafte Ausführung gezeigt, gemäß der die Schaufeln etwa einen Quadranten eines etwa runden Querschnitts des statorseitigen Kanals 412 bedecken. Diese Geometrie erzeugt eine bezogen auf Vakuumdaten und Leistungsaufnahme besonders leistungsfähige Vordruckstufe.
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Zwischen Vordruckstufe und Holweckpumpabschnitt kann eine dynamische Dichtung vorgesehen sein, mit welcher das Überströmen von Gas aus dem Holweckpumpabschnitt in den Kanal 412 stark reduziert wird. Diese Dichtung ist beispielsweise als enger Spalt 312 ausgeführt.
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Die Vordruckstufe kann Wuchtmittel enthalten, um einen ruhigen Lauf zu erreichen. Dieser ermöglicht, enge Spalte im Holweckpumpabschnitt, der dynamischen Dichtung und der Vordruckstufe zu wählen. Ein solches Wuchtmittel kann beispielsweise wenigstens eine Wuchtbohrung 420 am ringförmigen Bauteil 402 umfassen, in die ein Wuchtgewicht eingesetzt ist.
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Das ringförmige Bauteil kann durch eine Armierung vor Aufweitung bei schneller Drehung geschützt werden. Diese Armierung kann vorzugsweise in einem kohlenstofffaserverstärkten Material ausgeführt sein, dessen Faserlage im Wesentlichen in Umfangsrichtung liegt.
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Ein Zwischeinlass 62 kann vorgesehen sein, durch welchen Gas in die Vordruckstufe hinein angesaugt werden kann. Dieses Gas kann direkt aus einer Vakuumkammer oder aus dem Gasauslass einer weiteren Vakuumpumpe stammen. In diesem Fall wirkt die Vordruckstufe dann als Pumpstufe für beide Pumpen und erhöht für beide den Ausstoßdruck. Dies vereinfacht das Gesamtsystem und spart Kosten.
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Die Weiterbildung gemäß 3 seht ein einstückiges Bauteil 404 vor, welches mit der Nabe 302 des Holweckrotors 300 einstückig ausgeführt ist. Teil des Bauteils 404 oder mit diesem verbunden ist ein pumpaktives Mittel der Vordruckstufe, welches beispielsweise als Kranz von Schaufeln 410 gestaltet ist. Zwischen dem Bauteil 404 und der Nabe kann ein Distanzstück 406 vorgesehen sein, mit welchem ein axialer Abstand zwischen Nabe und Bauteil geschaffen wird. Dieses Distanzstück kann mit einer Armierung, beispielsweise durch einen faserverstärkten Kunststoff, versehen sein, um die radiale Ausdehnung bei schneller Drehung zu reduzieren.
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Anhand 4 soll ein Beispiel einer dynamischen Dichtung erläutert werden. Gezeigt ist eine Abwicklung der inneren Oberfläche des ersten Stators 308. Schraubenlinienförmige Stege 314 und Kanäle 316 wechseln sich in Umfangsrichtung ab und bilden einen Holweckstator. Gepumpt wird in der 4 von oben nach unten. Am Ende der Stege kann ein am Umfang umlaufender Kanal 318 vorgesehen sein, der alle Kanäle miteinander verbindet und so ein Zusammenströmen des geförderten Gases ermöglicht. Durch einen einzelnen Übergabekanal 320 gelangt das aus dem Holweckpumpabschnitt kommende Gas in die Vordruckstufe. Beidseits des Übergabekanals ist ein Dichtungsstator 322 ausgeformt, der zusammen mit dem Holweckrotor einen Dichtspalt schafft. Zur Verbesserung der Dichtwirkung kann die Oberfläche des Dichtungsstators Erhebungen und Vertiefungen aufweisen.
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In 5 ist ein Beispiel für eine mehrstufige Anordnung in der Vordruckstufe dargestellt. Am axialen Ende 350 der Hülse 304 des Holweckpumpabschnitts ist ein ringförmiges Bauteil 402 befestigt, welches einen ersten Kranz von Schaufeln 410 und einen radial innerhalb des ersten Kranzes vorgesehenen zweiten Kranz von Schaufeln 414 aufweist. Die Schaufelkränze laufen in den Kanälen 412 und 416 um und erzeugen nach dem Seitenkanalprinzip einen Pumpeffekt. Neben der dargestellten Anordnung der Schaufelkränze auf unterschiedlichem Radius können diese auch axial untereinander angeordnet sein.
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Alternativ können auch mehrere, beispielsweise nach dem Seitenkanalprinzip gestaltete, Vordruckstufen auf verschiedenen Durchmessern verwendet werden, beispielsweise in Form von mehreren ringförmigen Bauteilen mit Schaufelkränzen, die an mehreren unterschiedlichen Hülsen angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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