EP3171030B1 - Vakuumpumpe - Google Patents
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- EP3171030B1 EP3171030B1 EP15195364.3A EP15195364A EP3171030B1 EP 3171030 B1 EP3171030 B1 EP 3171030B1 EP 15195364 A EP15195364 A EP 15195364A EP 3171030 B1 EP3171030 B1 EP 3171030B1
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- F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
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Definitions
- the present invention relates to a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, with a housing with at least one opening which can be connected to an opening of an external device.
- Vacuum pumps are used in a wide variety of technical processes in order to create the vacuum necessary for the respective process.
- a vacuum pump typically includes a housing that encloses a pump chamber with a rotor shaft.
- a pump structure of the vacuum pump is generally arranged in the pump chamber and conveys a gas present in the pump chamber or in an area (recipient) to be evacuated from an inlet to an outlet of the vacuum pump.
- connection is made at one of the points, the production of further connections is made difficult due to tolerances that are hardly avoidable in practice. In general, especially for connections based on a positive connection, there is a difficulty in establishing a tolerance compensation that can compensate for the stresses that occur.
- the DE 10 2004 012 677 A1 discloses a vacuum pump with the features of the preamble of claim 1.
- the tolerance compensation mentioned above is carried out elegantly via the non-positive connection, so that the pump can be integrated into a vacuum system without tension.
- the opening in the housing of the vacuum pump is preferably an inlet through which a gas present in an area to be evacuated is pumped into the interior of the vacuum pump.
- the opening can also be an outlet of the vacuum pump through which the gas to be evacuated is expelled from the housing.
- the external device is preferably a recipient, i.e. an area to be evacuated, which is connected to the opening of a pump inlet.
- the recipient can, for example, be part of a scientific instrument (e.g. mass spectrometer or electron microscope).
- the external device can also be a forevacuum pump, for example a diaphragm pump, which is connected to an opening of a pump outlet, so that the vacuum pump according to the invention does not have to expel the gas to be pumped against atmospheric pressure.
- the preferably cylindrical mounting section can be a flange, in particular a vacuum flange.
- the mounting section can also be designed, for example, as an oval, rectangular, square or hexagonal hollow profile.
- the separate mounting element provided for tension-free mounting is preferably adapted to the geometry of the mounting section; it therefore has essentially the same geometry as the assembly section.
- the mounting element is ring-shaped, the mounting section then being cylindrical.
- the mounting element is a coupling ring or a coupling sleeve, which can be plugged or pushed onto the mounting section of the housing or a corresponding mounting section of an external device.
- the mounting element is preferably made of metal and is preferably formed in one piece.
- the fixing means of the mounting element for producing the non-positive connection between the mounting element and the mounting section preferably comprises an inner surface which widens in the direction of the external device and which forms an groove for receiving a sealing ring with an outer surface of the mounting section.
- the fixing means of the mounting element for establishing the non-positive connection between the mounting element and the external device preferably comprises one in the opposite direction, i.e. in the direction of the vacuum pump, expanding inner surface which forms a groove for receiving a sealing ring with an outer surface of the mounting section of the external device.
- the fixing means is preferably formed in one piece with the mounting element.
- the sealing ring is preferably made of an elastic material (eg rubber) and is pressed into the groove under elastic pretension.
- the groove depth is usually selected so that the sealing ring does not completely fit into the cavity formed by the groove during preassembly (ie before the pump is connected to the external device). In other words, the sealing ring can protrude from the groove. In this sense it can be preferred be that the groove depth is less than the cross-sectional diameter of the sealing ring.
- the sealing ring is supported either on the mounting section (for example on a wall or a flange) of the external device or that of the vacuum pump and deforms during the further mounting, when the mounting element and the corresponding mounting section move towards each other.
- the sealing ring is compressed or compressed axially within the groove and stretched in the radial direction. This causes a clamping action between the fixing means of the mounting element and the outer surface of the mounting section of the housing opening or the mounting section of the external device. This results in a non-positive connection.
- the deformability of the sealing ring enables tolerance compensation between the mounting element and the mounting section. Vibrations during the operation of the pump are also absorbed. In addition, the tolerance compensation improves the tightness properties of the pump since voltage-related leaks no longer occur.
- the expanding inner surface of the fixing means is a chamfer or a conical surface.
- the chamfer surface or the conical surface has a chamfer or cone angle (angle of inclination) between 15 ° and 75 °, preferably between 30 ° and 60 °, particularly preferably between 40 ° and 50 °, in particular of about 45 °.
- the chamfer width can be, for example, between 0.1 and 4 cm, preferably between 0.2 and 3 cm, particularly preferably between 0.3 and 2 cm.
- the mounting element in particular the coupling ring, has on its inside a shoulder or radial step which acts as a stop.
- the shoulder can abut when attaching the mounting element to a complementary shoulder or radial step of the mounting section of the opening or the external device, so as to define a starting position for mounting.
- the sealing ring can be pressed into the formed groove in this position and preferably remains in this position without jumping out.
- the mounting element has bores and / or radially extending notches for axially connecting or coupling the mounting element to the external device or the mounting element to the mounting section of the vacuum pump.
- the bores and / or radially extending notches are preferably distributed uniformly over the circumference of the mounting element.
- Screws or bolts can be passed through the bores and / or notches, which are screwed to the external device or to the mounting section of the vacuum pump. At this point it should be pointed out again that the coupling between the external device and the opening of the vacuum pump ultimately comes about through the pressure forces provided with the aid of the fixing element of the mounting element.
- screws or bolts are assigned spacer sleeves in order to set an optimal distance between the external device and the vacuum pump.
- the bolts and / or screws can be assigned O-rings which hold the screws and / or bolts in the bores and / or notches in a manner which prevents them from slipping or being lost.
- This preferably O-rings made of an elastic plastic or rubber can be inserted into the bores and / or radially extending notches through radially extending recesses or slots in the mounting element.
- the assembly section of the opening or the assembly section of the external device can comprise a positioning aid which interacts with a mounting device of the external device or the opening of the vacuum pump.
- the positioning aid defines a starting position for the coupling between the external device and the vacuum pump before the bolts and / or screws of the assembly section are fixed.
- the positioning aid can be an axial projection of the mounting section which interacts with a complementary groove on the side of the external device. In this way, mutual slipping can be prevented during the fastening of the bolts and / or screws.
- the positioning aid can also be a centering section which is inserted into the opening of the external device or the vacuum pump.
- a first opening in particular a first inlet, is arranged on an axial end face of the vacuum pump with respect to an axis of rotation of a pump stage arranged in the housing (axial opening).
- the housing has at least one second opening, in particular a second inlet, which is arranged on a side wall of the housing which is radial with respect to the axis of rotation (radial opening).
- Both openings preferably have a mounting level defining mounting section, wherein the mounting planes of the openings are preferably arranged perpendicular to each other.
- the vacuum pump has two or more radially arranged openings, in particular inlets, in addition to the axial opening.
- at least one pump stage is arranged between the radial openings; the arrangement of two pump stages is particularly preferred.
- a pump stage of a vacuum pump in particular a turbomolecular pump, is to be understood in the present case to mean, in particular, an arrangement of at least one rotor and one stator disk which are assigned to a rotor shaft.
- the rotor disks are manufactured, for example, in a single sawing process and joined to the rotor shaft.
- a vacuum pump in particular a turbomolecular pump, usually contains several pump stages of rotor and stator disks arranged in series or in pairs. Each pump stage, if assigned to an inlet of the pump, can provide a certain pressure in a recipient connected to the inlet, this pressure increasing for pump stages in the direction of the pump outlet.
- a pump stage can also be a backing pump, in particular a molecular pump stage, for example a Holweck pump stage or a Siegbahn pump stage.
- the bearing of the rotor shaft is usually - but not mandatory - a hybrid bearing, for example with a ball bearing on an outlet or fore-vacuum side and a magnetic bearing on a high-vacuum side of the pump.
- Vacuum pumps with two or more, in particular radially arranged, inlets which are also referred to as split-flow vacuum pumps, enable the evacuation of several, in particular one behind the other, recipients with different pressures prevailing there.
- Such pumps typically contain two to six inlets along the axis of rotation the pump are arranged spaced apart.
- the vacuum pumps usually consist of a stack of pump stages connected in series within the housing.
- the pump stages comprise a turbomolecular unit with at least one set of rotor and stator disks and optionally one or more forevacuum pumps.
- the highest pumping speed and the lowest pressure range are available at the first inlet, ie at the inlet upstream of all other inlets.
- the downstream inlets are in higher pressure ranges and deliver lower pumping speeds.
- the compression ratio - for example for nitrogen - between two radially arranged openings of the pump is greater than 10, in particular greater than or equal to 100.
- At least two radially arranged openings are at least partially surrounded by a common assembly section defining an assembly plane.
- the two radially arranged openings can be sealed off from one another in such a way that a first sealing means, in particular a first sealing ring, surrounds both openings, while a second sealing means, in particular a second sealing ring, surrounds only one of the two openings.
- a first sealing means in particular a first sealing ring
- a second sealing means in particular a second sealing ring
- a vacuum pump which comprises a housing with at least one opening which can be connected to an opening of an external device, in particular a recipient, the opening at least in sections is surrounded by an assembly device defining an assembly level.
- the vacuum pump in each case comprises fastening elements, in particular screws and / or bolts, comprising at least one damping element for the stress-free connection of the mounting device to the external device.
- the mounting device can in particular be the mounting section described above, which is preferably cylindrical.
- the assembly device in particular in the case of radially arranged openings, is preferably a platform surrounding at least one opening, which forms a plane with an opening area of the opening.
- the platform can have an area that is several times larger than the area of the opening surrounded by the platform.
- the geometry of the platform is basically arbitrary, but is preferably rectangular or round.
- the external device in particular an opening of the external device, has a mounting device of the type described above in order to be connected to the opening of a vacuum pump with the aid of the fastening elements.
- the damping element effects a tolerance compensation when the mounting device assigned to the pump opening is coupled to an external device (or vice versa).
- the damping element preferably surrounds a fastening section of the fastening element at least in sections.
- the damping element preferably comprises a sleeve and / or at least one O-ring.
- the damping element is a sleeve and / or an O-ring.
- the damping element preferably consists of an elastomer, in particular an elastic material, and preferably has a Shore hardness between 70 and 95.
- the fastening element is a screw and / or bolt which is at least partially surrounded by a sleeve below the screw or bolt head, with an O-ring being assigned to at least one end of the sleeve.
- the sleeve is preferably flanked at both ends by O-rings.
- the sleeve and the one or more O-rings can have different elasticities.
- the mounting device has bores and / or lateral notches for the axial connection with the external device.
- the bores and / or the lateral notches are each already assigned a damping element, in particular a sleeve and / or at least one O-ring.
- the O-ring and / or the sleeve can also act as a loss or slip protection for the fastening means.
- the sleeve can also function as a spacer sleeve in order to set a desired distance between the external device and the mounting device.
- the sleeve comprises an inner jacket and an outer jacket, the jackets having a different elasticity.
- the inner jacket is preferably more elastic than the outer jacket.
- a preferred embodiment of a vacuum pump according to the invention comprises an axially arranged opening, in particular an inlet, the mounting section of which can be coupled to an external device with the aid of the separate mounting element. Furthermore, the vacuum pump has at least two radially arranged Openings, in particular inlets, which are at least partially surrounded by an assembly device.
- the mounting device can be coupled to at least one fastening element comprising a damping element, in particular a screw and / or a bolt, to an external device.
- the mounting planes which are defined by the mounting section of the axial opening on the one hand and the mounting device of the radial openings on the other hand, are arranged perpendicular to one another. In this way, it is particularly advantageously possible to couple the vacuum pump to the respective external devices without stress, regardless of which opening is coupled first.
- parts of the vacuum pump are enclosed by a housing of the external device.
- parts of the vacuum pump in particular parts located on the end face, can protrude into the housing of an external device. For example, this can be accomplished with assembly sections and / or assembly devices that are set back from the external device.
- Another aspect of the invention relates to a vacuum system with a plurality of external devices, in particular recipients, and at least one vacuum pump according to the invention, at least one external device having an opening, in particular an inlet, being coupled to the pump in a voltage-free manner.
- the Fig. 1A shows a vacuum pump 10 with a housing 12. Inside the housing 12 and not visible at least three pump stages are arranged, which are assigned to a common rotor shaft. The rotor shaft also defines an axis of rotation A.
- the vacuum pump 10 has an axial opening 14 on its axial end face 11 and two radial openings on its radial side wall 13 15a, 15b.
- the openings 14, 15a, 15b are inlets, each of which is assigned a pump stage.
- the vacuum pump 10 is a split-flow vacuum pump which enables three receivers connectable to the openings 14, 15a, 15b to be pumped, in which different pressures prevail.
- the vacuum pump 10 is shown in cross section.
- the opening 14 has a round cross section and is surrounded by a cylindrical mounting section 18 which defines a mounting plane 16.
- a mounting element 20a for tension-free coupling to a recipient is attached to the mounting section 18.
- the mounting element 20a is a coupling ring which has a shoulder 34 on its inside, which can abut on a shoulder 35 formed on an outer surface 26 of the mounting section 18 (see also Figure 1B ).
- the mounting element 20a further comprises a fixing means 22a for establishing a non-positive connection between the mounting element 20a and the mounting section 18.
- the fixing means 22a which is detailed in a detailed view in FIG Figure 1B is shown, it is a chamfered inner edge of the mounting element 20a with an inner surface 24 widening in the direction of the external device.
- the phase angle or the angle of inclination of the inner surface 24 is approximately 45 °, but can be selected larger or smaller if required become.
- the inner surface 24 forms, together with the outer surface 26 of the mounting section 18, a groove 28 in which a sealing ring 30 is arranged.
- the sealing ring 30 consists of an elastomer and has, for example, a Shore hardness between 70 and 95.
- the 1C shows a detailed view of an external device 70 with a mounting element 20b, which with the mounting section of a vacuum pump according to the invention (not shown) can be coupled.
- An opening 71 of the external device 70 is surrounded by a mounting section 73, onto which the mounting element 20b is attached.
- the mounting element 20b comprises a fixing means 22b for producing a non-positive connection between the mounting element 20b and the mounting section 73 of the external device 70.
- the fixing means 22b forms a groove 28 with an outer surface 72 of the mounting section 73, in which a sealing ring 30 is arranged.
- the mounting element 20a comprises a total of four bores 36, each of which is assigned a slot 38 which extends radially from an outside of the mounting element 20a to the bore 36.
- Figure 2A shows a partial cross section of one of the bores 36 of the vacuum pump 10 Fig. 1A , A detailed view of this cross section is in the Figure 2B shown.
- the vacuum pump 10 according to Figure 2A is in a ready-to-install state since there are already screws 39 in the bores 36.
- An O-ring 40 can be clearly seen, which was introduced into the bore 36 through the slot 38 before the screw 52 is countersunk in the bore 36. If the screw 39 into the bore 36 and through the O-ring 40, the latter prevents the screw 39 from slipping or falling out during assembly.
- the mounting element 20b according to 1C can be designed accordingly.
- the pump 10 according to the Figs. 1A, 1B and 2A, 2B furthermore has a mounting device 46b which surrounds the openings 15a, 15b.
- the assembly device 46b defines an assembly plane 44b, which in the present exemplary embodiment is arranged perpendicular to the assembly plane 16 (other relative positions of the planes 16, 44b are quite conceivable).
- the mounting device 46b is described in more detail below.
- the mounting element 20a is screwed by means of the screws 39 to a flange or a wall of the external device.
- the external device moves - from the point of view of the pump 10 - towards the mounting element 20a, and the sealing ring 30 protruding from the groove 28 is compressed in the axial direction on further approach.
- the sealing ring 30 is stretched in the radial direction, which leads to a clamping effect between the fixing means 22a of the mounting element 20a and the outer surface 26 of the mounting section 18 of the vacuum pump 10. This purely frictional connection between the mounting element 20a and the mounting section 18 holds the vacuum pump 10 in place with respect to the external device.
- the flexibility of the sealing ring 30 also brings about tolerance compensation in relation to the angle that the vacuum pump 10 must take in relation to the external device. In other words, a certain malposition - due to assembly and / or vibration - is absorbed and compensated for by the sealing ring 30, without compromising the sealing properties of the connection.
- connection of the external device 70 to a vacuum pump is analogous, except that here the mounting element 20b is screwed to the mounting section of the vacuum pump.
- a flange is provided on the pump 10, for example. The screwing again creates a non-positive connection between the mounting element 20b and the mounting section 73 of the external device 70, which has the same tolerance properties as the connection described above.
- FIG. 3A shows a vacuum pump 100 according to the invention, which differs from the previously described vacuum pump 10 in the type of connecting means with which the axial opening 14 is coupled to an external device becomes.
- the vacuum pump 100 comprises an assembly device 46a, which surrounds the axial opening 14 and defines an assembly plane 44a. Furthermore, the vacuum pump 100 comprises a further assembly device 46b, which surrounds the radial openings 15a, 15b (not visible) and defines an assembly plane 44b.
- the mounting planes 44a, 44b are arranged perpendicular to one another (other relative positions of the planes 44a, 44b are quite conceivable).
- the mounting device 46a has four bores 54, of which only two are visible due to the illustration.
- the assembly device 46b associated with the radial openings 15a, 15b has a total of four notches 56, of which only two are visible due to the illustration.
- a fastening element 50 in the present case screws 52, is assigned to each bore 54 and each notch 56.
- the screws 52 are surrounded in sections by a damping element 47, which enables a stress-free connection to an external device.
- the damping element 47 which partially surrounds the screws 52 of the mounting device 46b, comprises two O-rings 49 and a sleeve 48 arranged between the O-rings 49.
- the screws 52 of the mounting device 46a are partially surrounded by a damping element 47, which has a sleeve 48 and includes only one O-ring 49.
- rings with a rectangular cross section can also be used if necessary.
- FIG. 3B The detailed view of a screw 52 received by a notch 56 of the mounting device 46b and having a longitudinal axis A S according to Figure 3B shows that an O-ring 49 assigned to the screw head 53 on one side 57 of FIG Mounting device 46b is present.
- An O-ring 49 assigned to the screw end 55 is partially arranged in a recess 58 surrounding the lateral notch 56 on the side 59 of the mounting device 46b opposite the side 57.
- the O-ring 49 assigned to the screw head 53 has a rectangular cross-sectional area and is wider than the O-ring 49 assigned to the screw end 55, which has a round cross-sectional area.
- a sleeve 48 is arranged, which also acts as a spacer sleeve and thus prevents excessive pressing of the O-rings 49 during assembly.
- Both the O-rings 49 and the sleeve 48 - possibly also the damping element 47 - consist for example of an elastomer which in particular has a Shore hardness between 70 and 95.
- the longitudinal screw axis A S coincides with a longitudinal axis of the corresponding bores or the bore channels (ie from an external device and a vacuum pump 100).
- the damping element 47 surrounding the screws 52 in sections introduces a certain tolerance with respect to this requirement.
- the pump 100 is screwed at several points, it is hardly possible to achieve an exact coincidence of the above-mentioned axes in many cases. Due to its elasticity, the damping element 47 which partially surrounds the screws 52 is able to compensate for inclined positions of the screws 52 in the bores 54 due to material defects / vibration and / or occurring during assembly, without impairing the tightness of the connection.
- Fig. 4 shows the vacuum pump 100 Figure 3A , with the assembly device 46a being omitted for reasons of clarity.
- the axial opening 14, which is surrounded by a sealing ring 60, can be seen in this illustration.
- the opening 14 has a cylindrical positioning aid 42 which is connected to a complementary section of an external device to be connected cooperates (for example, can be inserted into this) in order to facilitate the assembly of the vacuum pump 100.
- the radial openings 15a, 15b, which are jointly surrounded by the mounting device 46b, are also visible in this illustration.
- Fig. 5 shows the radial openings 15a, 15b and the mounting device 46b surrounding them from above.
- the openings 15a, 15b have approximately the same axial width L B , the axial distance L A between the openings 15a, 15b being smaller than L B.
- the distance L A is preferably smaller by a factor of 0.75, in particular 0.5, than the length L B.
- the openings 15a, 15b are surrounded by a sealant 62a, which seals both openings from the environment / atmosphere when the mounting device 46b is coupled to an external device.
- a sealant 62a which seals both openings from the environment / atmosphere when the mounting device 46b is coupled to an external device.
- the opening 15a is surrounded by a sealing means 62b.
- the sealing means 62a, 62b are, for example, ring-like rubber seals with a Shore hardness between 70 and 95.
- the special arrangement of the sealing means 62a, 62b makes it possible to keep the distance L A between the openings 15a, 15b small, since only one opening 15a has to be surrounded by a sealing means 62b in order to seal the openings 15a, 15b against one another realize.
- the axial length of the pump L C can also be kept short in this way and is typically by a factor of 2.5, preferably 2.4, particularly preferably 2.3, smaller than the diameter of a rotor disk, as it is in the interior of the vacuum pump 10 , 100 is arranged.
- the axial length L C of a vacuum pump 10, 100 can be less than 30 cm, preferably less than 26 cm, in particular less than 25 cm.
- the ratio of the axial length L B to the rotor diameter is preferably less than 1/4, particularly preferably less than 9/40, in particular less than 1/5.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Gehäuse mit zumindest einer Öffnung, die mit einer Öffnung einer externen Einrichtung verbindbar ist.
- Vakuumpumpen werden in den unterschiedlichsten technischen Prozessen eingesetzt, um ein für den jeweiligen Prozess notwendiges Vakuum zu schaffen. Eine Vakuumpumpe umfasst typischerweise ein Gehäuse, das einen Pumpenraum mit einer Rotorwelle einschließt. In dem Pumpenraum ist in der Regel eine Pumpstruktur der Vakuumpumpe angeordnet, die ein in dem Pumpenraum bzw. in einem zu evakuierenden Bereich (Rezipient) vorhandenes Gas von einem Einlass zu einem Auslass der Vakuumpumpe fördert.
- Dabei ist es unter anderem erforderlich, zwischen dem Einlass der Pumpe und dem Rezipienten eine gasdichte Verbindung herzustellen. Diese Verbindung sollte weder durch während des Betriebs der Pumpe auftretende Vibrationen noch durch gegebenenfalls während der Pumpenmontage verursachte Spannungen beeinträchtigt werden. Derartige Spannungen können beispielsweise auftreten, wenn der Einlass der Pumpe mittels eines mehrfach zu verschraubenden Flanschs mit dem Rezipienten verbunden wird. Hier besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sich bei der Montage eine Schraube verkantet, was schließlich zu Spannungen führt. Insbesondere wenn die Pumpe an zwei oder mehr Stellen, beispielsweise an zwei Einlässen, befestigt bzw. angeschlagen werden soll, ist es in der Regel schwierig, eine völlig spannungsfreie Befestigung sicherzustellen. Wird nämlich an einer der Stellen eine Verbindung hergestellt, gestaltet sich die Herstellung weiterer Verbindungen aufgrund in der Praxis kaum vermeidbarer Toleranzen als schwierig. Generell besteht vor allem bei auf einem Formschluss beruhenden Verbindungen die Schwierigkeit, einen Toleranzausgleich herzustellen, der auftretende Spannungen kompensieren kann.
- Die
DE 10 2004 012 677 A1 offenbart eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vakuumpumpe bereitzustellen, welche die vorstehend beschriebenen Probleme überwindet und die sich sowohl bei einer einseitigen als auch bei einer mehrseitigen Aufhängung spannungsfrei befestigen lässt und dadurch verbesserte gasdichte Eigenschaften aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Der vorstehend erwähnte Toleranzausgleich erfolgt elegant über die kraftschlüssige Verbindung, so dass die Pumpe spannungsfrei in ein Vakuumsystem einbindbar ist.
- Bei der Öffnung im Gehäuse der Vakuumpumpe handelt es sich vorzugsweise um einen Einlass, durch welchen ein in einem zu evakuierenden Bereich vorhandenes Gas in das Gehäuseinnere der Vakuumpumpe gepumpt wird. Bei der Öffnung kann es sich allerdings auch um einen Auslass der Vakuumpumpe handeln, durch welchen das zu evakuierende Gas aus dem Gehäuse ausgestoßen wird.
- Bei der externen Einrichtung handelt es sich bevorzugt um einen Rezipienten, d.h. einen zu evakuierenden Bereich, welcher mit der Öffnung eines Pumpeneinlasses verbunden ist. Der Rezipient kann beispielsweise Teil eines wissenschaftlichen Instruments sein (z.B. Massenspektrometer oder Elektronenmikroskop). Bei der externen Einrichtung kann es sich auch um eine Vorvakuumpumpe, beispielsweise eine Membranpumpe, handeln, die mit einer Öffnung eines Pumpenauslasses verbunden ist, so dass die erfindungsgemäße Vakuumpumpe das zu pumpende Gas nicht gegen den Atmosphärendruck ausstoßen muss.
- Bei dem vorzugsweise zylinderförmig ausgebildeten Montageabschnitt kann es sich um einen Flansch, insbesondere Vakuumflansch, handeln. Der Montageabschnitt kann beispielsweise auch als ovales, rechteckiges, viereckiges oder sechseckiges Hohlprofil ausgebildet sein.
- Das separate für eine spannungsfreie Montage vorgesehene Montageelement ist vorzugsweise an die Geometrie des Montageabschnitts angepasst; es weist also im Wesentlichen dieselbe Geometrie wie der Montageabschnitt auf. Insbesondere ist das Montageelement ringförmig, wobei der Montageabschnitt dann zylinderförmig ausgebildet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Montageelement um einen Überwurfring oder auch eine Überwurfhülse, der oder die auf den Montageabschnitt des Gehäuses oder einen entsprechenden Montageabschnitt einer externen Einrichtung aufgesteckt oder aufgeschoben werden kann.
- Das Montageelement besteht vorzugsweise aus Metall und ist bevorzugt einstückig ausgebildet.
- Das Fixierungsmittel des Montageelements zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Montageelement und dem Montageabschnitt umfasst vorzugsweise eine sich in Richtung der externen Einrichtung erweiternde Innenfläche, die mit einer Außenfläche des Montageabschnitts eine Nut zur Aufnahme eines Dichtungsrings bildet.
- Das Fixierungsmittel des Montageelements zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Montageelement und der externen Einrichtung umfasst vorzugsweise eine sich in entgegengesetzter Richtung, d.h. in Richtung der Vakuumpumpe, erweiternde Innenfläche, die mit einer Außenfläche des Montageabschnitts der externen Einrichtung eine Nut zur Aufnahme eines Dichtungsrings bildet.
- Das Fixierungsmittel ist bevorzugt einstückig mit dem Montageelement ausgebildet.
- Der Dichtungsring besteht vorzugsweise aus einem elastischen Werkstoff (z.B. Gummi) und wird unter elastischer Vorspannung in die Nut eingedrückt. Die Nuttiefe ist in der Regel so gewählt, dass der Dichtungsring sich bei der Vormontage (d.h. bevor die Pumpe mit der externen Einrichtung verbunden wird) nicht vollständig in den durch die Nut gebildeten Hohlraum einfügt. Mit anderen Worten, der Dichtungsring kann aus der Nut herausragen. In diesem Sinne kann es bevorzugt sein, dass die Nuttiefe geringer ist als der Querschnittsdurchmesser des Dichtungsrings.
- Bei der Montage, d.h. bei der Verbindung einer externen Einrichtung mit einer Öffnung der Vakuumpumpe mit Hilfe des Montageelements, stützt sich der Dichtungsring entweder an dem Montageabschnitt (z.B. an einer Wand oder einem Flansch) der externen Einrichtung oder dem der Vakuumpumpe ab und verformt sich im Verlauf der weiteren Montage, wenn sich das Montageelement und der entsprechende Montageabschnitt aufeinander zubewegen. Dabei wird der Dichtungsring innerhalb der Nut axial komprimiert bzw. gestaucht und in radialer Richtung gestreckt. Dies bewirkt eine Klemmwirkung zwischen dem Fixierungsmittel des Montageelements und der Außenfläche des Montageabschnitts der Gehäuseöffnung oder des Montageabschnitts der externen Einrichtung. Daraus resultiert eine kraftschlüssige Verbindung.
- Die Verformbarkeit des Dichtungsrings ermöglicht einen Toleranzausgleich zwischen dem Montageelement und dem Montageabschnitt. Vibrationen während des Betriebs der Pumpe werden ebenfalls aufgefangen. Zudem bewirkt der Toleranzausgleich eine Verbesserung der Dichtigkeitseigenschaften der Pumpe, da spannungsbedingte Leckagen nicht mehr auftreten.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der sich erweiternden Innenfläche des Fixierungsmittels um eine Fase oder eine konische Fläche. Die Fasenfläche oder die konische Fläche hat dabei einen Fasen- bzw. Konuswinkel (Neigungswinkel) zwischen 15° und 75°, bevorzugt zwischen 30° und 60°, besonders bevorzugt zwischen 40° und 50°, insbesondere von etwa 45°. Die Fasenbreite kann je nach Bauart der Pumpe beispielsweise zwischen 0,1 und 4 cm, bevorzugt zwischen 0,2 und 3 cm, besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 2 cm, betragen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Montageelement, insbesondere der Überwurfring, an einer Innenseite eine als Anschlag wirkende Schulter oder Radialstufe auf. Die Schulter kann beim Anbringen des Montageelements an einer komplementären Schulter oder Radialstufe des Montageabschnitts der Öffnung bzw. der externen Einrichtung anschlagen, um so eine Ausgangsposition zur Montage zu definieren. Der Dichtungsring kann in dieser Position in die gebildete Nut eingedrückt werden und verbleibt vorzugsweise in dieser Position ohne herauszuspringen.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform weist das Montageelement Bohrungen und/oder radial verlaufende Einkerbungen zur axialen Verbindung oder Kopplung des Montageelements mit der externen Einrichtung bzw. des Montageelements mit dem Montageabschnitt der Vakuumpumpe auf. Die Bohrungen und/oder radial verlaufenden Einkerbungen sind dabei vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Montageelements verteilt.
- Durch die Bohrungen und/oder Einkerbungen können Schrauben oder Bolzen hindurchgeführt werden, die mit der externen Einrichtung bzw. mit dem Montageabschnitt der Vakuumpumpe verschraubt werden. Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass die Kopplung zwischen der externen Einrichtung und der Öffnung der Vakuumpumpe letztlich durch die mit Hilfe des Fixierungsmittels des Montageelements bereitgestellten Druckkräfte zustande kommt.
- Ferner kann es vorgesehen sein, dass den Schrauben oder Bolzen Distanzhülsen zugeordnet sind, um zwischen der externen Einrichtung und der Vakuumpumpe einen optimalen Abstand zu einzustellen.
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können den Bolzen und/oder Schrauben O-Ringe zugeordnet sein, welche die Schrauben und/oder Bolzen verrutschsicher oder verliersicher in den Bohrungen und/oder Einkerbungen festhalten. Diese vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoff oder Gummi bestehenden O-Ringe können durch radial verlaufende Aussparungen oder Schlitze in dem Montageelement in die Bohrungen und/oder radial verlaufenden Einkerbungen eingeführt werden. Eine derartige Montagehilfe erleichtert die Installation der Pumpe, insbesondere wenn diese nur von einer Person durchgeführt wird.
- Als eine weitere Montagehilfe können der Montageabschnitt der Öffnung oder der Montageabschnitt der externen Einrichtung eine Positionierhilfe umfassen, die mit einer Montagevorrichtung der externen Einrichtung bzw. der Öffnung der Vakuumpumpe zusammenwirkt. Beispielsweise legt die Positionierhilfe eine Ausgangsposition für die Kopplung zwischen der externen Einrichtung und der Vakuumpumpe fest, bevor die Bolzen und/oder Schrauben des Montageabschnitts fixiert werden. Beispielsweise kann es sich bei der Positionierhilfe um eine axiale Auskragung des Montageabschnitts handeln, die mit einer komplementären Nut auf der Seite der externen Einrichtung zusammenwirkt. Auf diese Weise kann ein gegenseitiges Verrutschen während der Befestigung der Bolzen und/oder Schrauben verhindert werden. Die Positionierhilfe kann auch ein Zentrierabschnitt sein, der in die Öffnung der externen Einrichtung oder der Vakuumpumpe eingesteckt wird.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vakuumpumpe ist eine erste Öffnung, insbesondere ein erster Einlass, in Bezug auf eine Drehachse einer in dem Gehäuse angeordneten Pumpstufe an einer axialen Stirnseite der Vakuumpumpe angeordnet (axiale Öffnung). Ferner weist das Gehäuse zumindest eine zweite Öffnung, insbesondere einen zweiten Einlass, auf, die an einer in Bezug auf die Drehachse radialen Seitenwand des Gehäuses angeordnet ist (radiale Öffnung).
- Die Kopplung an eine externe Einrichtung ist dabei an der ersten und/oder an der zweiten Öffnung mit Hilfe des separaten Montageelements, insbesondere Überwurfring, möglich. Vorzugsweise weisen beide Öffnungen einen eine Montageebene definierenden Montageabschnitt auf, wobei die Montageebenen der Öffnungen vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet sind.
- Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Vakuumpumpe neben der axialen Öffnung zwei oder mehr radial angeordnete Öffnungen, insbesondere Einlässe, aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den radialen Öffnungen zumindest eine Pumpstufe angeordnet, besonders bevorzugt ist die Anordnung von zwei Pumpstufen.
- Unter einer Pumpstufe einer Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, soll vorliegend insbesondere eine Anordnung aus zumindest je einer Rotor- und Statorscheibe verstanden werden, die einer Rotorwelle zugeordnet sind. Die Rotorscheiben sind beispielsweise im Einzelsägeverfahren hergestellt und auf die Rotorwelle gefügt. Eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, enthält üblicherweise mehrere Pumpstufen von in Reihe oder hintereinander paarweise angeordneten Rotor- und Statorscheiben. Jede Pumpstufe kann, wenn sie einem Einlass der Pumpe zugeordnet ist, einen bestimmten Druck in einem an den Einlass angeschlossenen Rezipienten bereitstellen, wobei dieser Druck für Pumpstufen in Richtung des Pumpenauslasses zunimmt. Bei einer Pumpstufe kann es sich auch um eine Vorvakuumpumpe, insbesondere Molekularpumpstufe, beispielsweise Holweck-Pumpstufe oder Siegbahn-Pumpstufe, handeln. Die Lagerung der Rotorwelle ist in der Regel - aber nicht zwingend - eine Hybridlagerung, beispielsweise mit einem Kugellager auf einer Auslass- oder Vorvakuumseite und einem Magnetlager auf einer Hochvakuumseite der Pumpe.
- Vakuumpumpen mit zwei oder mehreren, insbesondere radial angeordneten, Einlässen, die auch als Splitflow-Vakuumpumpen bezeichnet werden, ermöglichen das Evakuieren von mehreren, insbesondere in Reihe hintereinander angeordneten, Rezipienten mit unterschiedlichen, dort herrschenden Drücken. Derartige Pumpen enthalten typischerweise zwei bis sechs Einlässe, die entlang der Drehachse der Pumpe voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Vakuumpumpen bestehen üblicherweise aus einem Stapel von hintereinander geschalteten Pumpstufen innerhalb des Gehäuses. In der Regel umfassen die Pumpstufen eine Turbomolekulareinheit mit zumindest einem Satz Rotor- und Statorscheiben und gegebenenfalls eine oder mehrere Vorvakuumpumpen. Typischerweise stehen die höchste Pumpgeschwindigkeit und der niedrigste Druckbereich am ersten, d.h. am allen weiteren Einlässen vorgeschalteten Einlass zur Verfügung. Die nachgeschalteten Einlässe befinden sich entsprechend ihrer Reihenfolge in höheren Druckbereichen und liefern niedrigere Pumpgeschwindigkeiten.
- Gemäß einer Ausführungsform ist das Kompressionsverhältnis - beispielsweise für Stickstoff - zwischen zwei radial angeordneten Öffnungen der Pumpe größer als 10, insbesondere größer oder gleich 100.
- Des Weiteren kann es bevorzugt sein, wenn zumindest zwei radial angeordnete Öffnungen zumindest abschnittsweise von einem gemeinsamen, eine Montageebene definierenden Montageabschnitt umgeben sind.
- Die Abdichtung der beiden radial angeordneten Öffnungen gegeneinander kann derart erfolgen, dass ein erstes Dichtmittel, insbesondere ein erster Dichtring, beide Öffnungen umgibt, während ein zweites Dichtmittel, insbesondere ein zweiter Dichtring, nur eine der beiden Öffnungen umgibt. Auf diese Weise lässt sich der Abstand zwischen den beiden radial angeordneten Öffnungen minimieren, da nur ein Dichtmittel zwischen den Öffnungen angeordnet ist. Die gesamte axiale Baulänge der Pumpe kann so verringert werden.
- Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, gemäß einer der vorstehend beschrieben Ausführungsformen, die ein Gehäuse mit zumindest einer mit einer Öffnung einer externen Einrichtung, insbesondere Rezipient, verbindbare Öffnung umfasst, wobei die Öffnung zumindest abschnittsweise von einer eine Montageebene definierenden Montageeinrichtung umgeben ist. Ferner umfasst die Vakuumpumpe jeweils zumindest ein Dämpfungselement umfassende Befestigungselemente, insbesondere Schrauben und/ oder Bolzen, zur spannungsfreien Verbindung der Montageeinrichtung mit der externen Einrichtung.
- Bei der Montageeinrichtung kann es sich insbesondere um den zuvor beschriebenen Montageabschnitt handeln, der vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist. Bevorzugt handelt es sich jedoch bei der Montageeinrichtung, insbesondere bei radial angeordneten Öffnungen, um eine zumindest eine Öffnung umgebende Plattform, welche mit einer Öffnungsfläche der Öffnung eine Ebene bildet. Die Plattform kann dabei eine Fläche aufweisen, die um ein Mehrfaches größer ist als die Fläche der von der Plattform umgebenen Öffnung. Die Geometrie der Plattform ist grundsätzlich beliebig, vorzugweise jedoch rechteckig oder rund.
- Es ist auch denkbar, dass die externe Einrichtung, insbesondere eine Öffnung der externen Einrichtung, eine Montageeinrichtung der vorstehend beschriebenen Art aufweist, um mit Hilfe der Befestigungselemente mit der Öffnung einer Vakuumpumpe verbunden zu werden.
- Das Dämpfungselement bewirkt bei der Kopplung der der Pumpenöffnung zugeordneten Montageeinrichtung an einer externe Einrichtung (oder umgekehrt) einen Toleranzausgleich.
- Das Dämpfungselement umgibt vorzugsweise einen Befestigungsabschnitt des Befestigungselements zumindest abschnittsweise. Bevorzugt umfasst das Dämpfungselement eine Hülse und/oder zumindest einen O-Ring. Insbesondere handelt es sich bei dem Dämpfungselement um eine Hülse und/oder einen O-Ring.
- Vorzugsweise besteht das Dämpfungselement aus einem Elastomer, insbesondere aus einem elastischen Werkstoff, und weist vorzugsweise eine Shore-Härte zwischen 70 und 95 auf.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Befestigungselement um eine Schraube und/oder Bolzen, die bzw. der unterhalb des Schrauben- bzw. Bolzenkopfes zumindest abschnittsweise von einer Hülse umgeben ist, wobei zumindest einem Ende der Hülse ein O-Ring zugeordnet ist. Vorzugsweise wird die Hülse an ihren beiden Enden von O-Ringen flankiert. Die Hülse und der oder die O-Ringe können dabei unterschiedliche Elastizitäten aufweisen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Montageeinrichtung Bohrungen und/oder seitliche Einkerbungen zur axialen Verbindung mit der externen Einrichtung auf. Vorzugsweise ist den Bohrungen und/oder den seitlichen Einkerbungen dabei jeweils bereits ein Dämpfungselement, insbesondere eine Hülse und/oder zumindest ein O-Ring zugeordnet. Der O-Ring und/oder die Hülse können dabei auch als Verlier- bzw. Verrutschsicherung für die Befestigungsmittel fungieren. Ferner kann die Hülse auch als Distanzhülse fungieren, um einen gewünschten Abstand zwischen externer Einrichtung und Montageeinrichtung einzustellen.
- Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Hülse einen inneren Mantel und einen äußeren Mantel umfasst, wobei die Mäntel eine voneinander verschiedene Elastizität aufweisen. Vorzugsweise ist dabei der innere Mantel elastischer als der äußere.
- Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe umfasst eine axial angeordnete Öffnung, insbesondere Einlass, deren Montageabschnitt mit Hilfe des separaten Montageelements an eine externe Einrichtung koppelbar ist. Ferner weist die Vakuumpumpe zumindest zwei radial angeordnete Öffnungen auf, insbesondere Einlässe, die gemeinsam von einer Montageeinrichtung zumindest abschnittsweise umgeben sind. Die Montageeinrichtung ist dabei mit zumindest einem ein Dämpfungselement umfassendes Befestigungselement, insbesondere eine Schraube und/oder ein Bolzen, an eine externe Einrichtung koppelbar. Die Montageebenen, welche durch den Montageabschnitt der axialen Öffnung einerseits und die Montageeinrichtung der radialen Öffnungen andererseits definiert werden, sind senkrecht zueinander angeordnet. Auf diese Weise ist es mit besonderem Vorteil möglich, die Vakuumpumpe spannungsfrei an die jeweiligen externen Einrichtungen zu koppeln, unabhängig davon, welche Öffnung zuerst gekoppelt wird.
- Bei der Kopplung der Vakuumpumpe an eine oder mehrere externe Einrichtungen kann es vorgesehen sein, dass Teile der Vakuumpumpe, insbesondere ein Montageabschnitt und/oder eine Montageeinrichtung, von einem Gehäuse der externen Einrichtung umschlossen werden. Mit anderen Worten, Teile der Vakuumpumpe, insbesondere stirnseitig gelegene Teile, können in das Gehäuse einer externen Einrichtung hineinragen. Beispielsweise kann dies mit Montageabschnitten und/oder Montageeinrichtungen bewerkstelligt werden, die gegenüber der externen Einrichtung zurückversetzt sind.
- Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Vakuumsystem mit mehreren externen Einrichtungen, insbesondere Rezipienten, und zumindest einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe, wobei zumindest eine externe Einrichtung mit einer Öffnung, insbesondere Einlass, der Pumpe spannungsfrei gekoppelt ist.
- Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in der identische Bezugszeichen zur Darstellung identischer Elemente verwendet werden, näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1A
- eine Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung im Teilquerschnitt,
- Fig. 1B
- eine Detailansicht eines Bereichs der Vakuumpumpe aus der
Fig. 1A , - Fig. 1C
- eine Detailansicht einer externen Einrichtung mit Montageelement,
- Fig. 2A
- die Vakuumpumpe gemäß
Fig. 1A im montagebereiten Zustand in schematischer Darstellung im Teilquerschnitt, - Fig. 2B
- eine Detailansicht eines Bereichs der Vakuumpumpe aus der
Fig. 2A , - Fig. 3A
- eine Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung im Teilquerschnitt,
- Fig. 3B
- eine Detailansicht eines Bereichs der Vakuumpumpe aus der
Fig. 3A , - Fig. 4
- die Vakuumpumpe gemäß
Fig. 3A in schematischer Darstellung im Teilquerschnitt, und - Fig. 5
- eine Außenansicht der Vakuumpumpe gemäß
Fig. 3A in schematischer Darstellung. - Die
Fig. 1A zeigt eine Vakuumpumpe 10 mit einem Gehäuse 12. Innerhalb des Gehäuses 12 und nicht sichtbar sind zumindest drei Pumpstufen angeordnet, die einer gemeinsamen Rotorwelle zugeordnet sind. Die Rotorwelle definiert zugleich eine Drehachse A. Die Vakuumpumpe 10 hat an ihrer axialen Stirnseite 11 eine axiale Öffnung 14 und an ihrer radialen Seitenwand 13 zwei radiale Öffnungen 15a, 15b. Bei den Öffnungen 14, 15a, 15b handelt es sich um Einlässe, denen jeweils eine Pumpstufe zugeordnet ist. Entsprechend handelt es sich bei der Vakuumpumpe 10 um eine Splitflow-Vakuumpumpe, die das Pumpen von drei an die Öffnungen 14, 15a, 15b anschließbare Rezipienten ermöglicht, in denen unterschiedliche Drücken herrschen. - Im Bereich der axialen Stirnseite 11 und im Bereich von Teilen der radialen Seitenwand 13 ist die Vakuumpumpe 10 im Querschnitt dargestellt. Die Öffnung 14 weist einen runden Querschnitt auf und ist von einem zylinderförmigen Montageabschnitt 18 umgeben, der eine Montageebene 16 definiert. Auf den Montageabschnitt 18 ist ein Montageelement 20a zur spannungsfreien Kopplung mit einem Rezipienten aufgesteckt. Bei dem Montageelement 20a handelt es sich um einen Überwurfring, der an seiner Innenseite eine Schulter 34 aufweist, die an einer an einer Außenfläche 26 des Montageabschnitts 18 ausgebildeten Schulter 35 anschlagen kann (siehe auch
Fig. 1B ). Das Montageelement 20a umfasst ferner ein Fixierungsmittel 22a zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Montageelement 20a und dem Montageabschnitt 18. - Bei dem Fixierungsmittel 22a, das detailliert in einer Detailansicht in
Fig. 1B dargestellt ist, handelt es sich um eine angefaste Innenkante des Montageelements 20a mit einer sich in Richtung zu der externen Einrichtung hin erweiternden Innenfläche 24. Der Phasenwinkel bzw. der Neigungswinkel der Innenfläche 24 beträgt in etwa 45°, kann bei Bedarf jedoch größer oder kleiner gewählt werden. Die Innenfläche 24 bildet zusammen mit der Außenfläche 26 des Montageabschnitts 18 eine Nut 28, in welcher ein Dichtungsring 30 angeordnet ist. Der Dichtungsring 30 besteht aus einem Elastomer und weist beispielsweise eine Shore-Härte zwischen 70 und 95 auf. - Die
Fig. 1C zeigt eine Detailansicht einer externen Einrichtung 70 mit einem Montageelement 20b, das mit dem Montageabschnitt einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe (nicht dargestellt) koppelbar ist. Eine Öffnung 71 der externen Einrichtung 70 ist von einem Montageabschnitt 73 umgeben, auf den das Montageelement 20b aufgesteckt ist. Das Montageelement 20b umfasst ein Fixierungsmittel 22b zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Montageelement 20b und dem Montageabschnitt 73 der externen Einrichtung 70. Das Fixierungsmittel 22b bildet mit einer Außenfläche 72 des Montageabschnitts 73 eine Nut 28, in welcher ein Dichtungsring 30 angeordnet ist. Bezüglich der Ausgestaltung des Fixierungsmittels 22b kann auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden. - Das Montageelement 20a umfasst insgesamt vier Bohrungen 36, denen jeweils ein Schlitz 38 zugeordnet ist, der sich von einer Außenseite des Montageelements 20a radial bis zur Bohrung 36 erstreckt.
Fig. 2A zeigt einen Teilquerschnitt einer der Bohrungen 36 der Vakuumpumpe 10 ausFig. 1A . Eine Detailansicht dieses Querschnitts ist in derFig. 2B dargestellt. Die Vakuumpumpe 10 gemäßFig. 2A ist in einem montagebereiten Zustand, da sich in den Bohrungen 36 bereits Schrauben 39 befinden. In derFig. 2B gut zu erkennen ist ein O-Ring 40, der durch den Schlitz 38 in die Bohrung 36 eingeführt wurde, bevor die Schraube 52 in der Bohrung 36 versenkt wird. Wird die Schraube 39 in die Bohrung 36 und durch den O-Ring 40, verhindert Letzterer das Verrutschen oder das Herausfallen der Schraube 39 bei der Montage. Das Montageelement 20b gemäßFig. 1C kann entsprechend ausgestaltet sein. - Die Pumpe 10 gemäß den
Figs. 1A, 1B und2A, 2B weist ferner eine Montageeinrichtung 46b auf, welche die Öffnungen 15a, 15b umgibt. Die Montageeinrichtung 46b definiert eine Montageebene 44b, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel senkrecht zu der Montageebene 16 angeordnet ist (andere relative Lagen der Ebenen 16, 44b sind durchaus denkbar). Die Montageeinrichtung 46b wird unten näher beschrieben. - Bei der Montage, d.h. bei der Verbindung der Öffnung 14 der Vakuumpumpe 10 mit einer Öffnung einer externen Einrichtung, wird das Montageelement 20a mittels der Schrauben 39 mit einem Flansch oder einer Wand der externen Einrichtung verschraubt. Die externe Einrichtung bewegt sich dabei - aus Sicht der Pumpe 10 gesehen - auf das Montageelement 20a zu, und der aus der Nut 28 hervorstehende Dichtungsring 30 wird bei weiterer Annäherung in axialer Richtung komprimiert. In radialer Richtung wird der Dichtungsring 30 gedehnt, was zu einer Klemmwirkung zwischen dem Fixierungsmittel 22a des Montageelements 20a und der Außenfläche 26 des Montageabschnitts 18 der Vakuumpumpe 10 führt. Diese rein kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Montageelement 20a und dem Montageabschnitt 18 hält die Vakuumpumpe 10 gegenüber der externen Einrichtung an ihrem Platz. Die Flexibilität des Dichtungsrings 30 bewirkt zudem einen Toleranzausgleich in Bezug auf den Winkel, den die Vakuumpumpe 10 relativ zu der externen Einrichtung einnehmen muss. Mit anderen Worten, eine gewisse Fehlstellung - montagebedingt und/oder vibrationsbedingt - wird durch den Dichtungsring 30 aufgefangen und ausgeglichen, ohne zu Lasten der Dichtigkeitseigenschaften der Verbindung zu gehen.
- Die Verbindung der externen Einrichtung 70 mit einer Vakuumpumpe verläuft analog, nur dass hier das Montageelement 20b mit dem Montageabschnitt der Vakuumpumpe verschraubt wird. Hierfür ist beispielsweise ein Flansch an der Pumpe 10 vorgesehen. Durch das Verschrauben wird wieder eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Montageelement 20b und dem Montageabschnitt 73 der externen Einrichtung 70, welche dieselben Toleranzeigenschaften aufweist wie die zuvor beschriebene Verbindung.
-
Fig. 3A zeigt eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe 100, die sich von der zuvor beschriebenen Vakuumpumpe 10 durch die Art der Verbindungsmittel unterscheidet, mit welchen die axiale Öffnung 14 mit einer externen Einrichtung gekoppelt wird. In Bezug auf die übrigen Merkmale der Vakuumpumpe 100 kann auf die vorherigen Ausführungen verwiesen werden. - Die Vakuumpumpe 100 umfasst eine Montageeinrichtung 46a, welche die axiale Öffnung 14 umgibt und eine Montageebene 44a definiert. Ferner umfasst die Vakuumpumpe 100 eine weitere Montageeinrichtung 46b, welche die radialen Öffnungen 15a, 15b (nicht sichtbar) umgibt und eine Montageebene 44b definiert. Die Montageebenen 44a, 44b sind senkrecht zueinander angeordnet (andere relative Lagen der Ebenen 44a, 44b sind durchaus denkbar).
- Die Montageeinrichtung 46a weist vier Bohrungen 54 auf, von denen darstellungsbedingt nur zwei sichtbar sind. Die den radialen Öffnungen 15a, 15b zugeordnete Montageeinrichtung 46b weist insgesamt vier Einkerbungen 56 auf, von denen darstellungsbedingt ebenfalls nur zwei sichtbar sind. Jeder Bohrung 54 und jeder Einkerbung 56 ist ein Befestigungselement 50, im vorliegenden Fall Schrauben 52, zugeordnet.
- Die Schrauben 52 sind abschnittsweise von einem Dämpfungselement 47 umgeben, das eine spannungsfreie Verbindung mit einer externen Einrichtung ermöglicht. Das Dämpfungselement 47, welches die Schrauben 52 der Montageeinrichtung 46b abschnittsweise umgibt, umfasst zwei O-Ringe 49 und eine zwischen den O-Ringen 49 angeordnete Hülse 48. Die Schrauben 52 der Montageeinrichtung 46a sind von einem Dämpfungselement 47 abschnittsweise umgeben, welches eine Hülse 48 und nur einen O-Ring 49 umfasst. Anstelle der O-Ringe 49 können bedarfsweise auch Ringe mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden.
- Die Detailansicht einer von einer Einkerbung 56 der Montageeinrichtung 46b aufgenommenen Schraube 52 mit einer longitudinalen Achse AS gemäß
Fig. 3B zeigt, dass ein dem Schraubenkopf 53 zugeordneter O-Ring 49 an einer Seite 57 der Montageeinrichtung 46b anliegt. Ein dem Schraubenende 55 zugeordneter O-Ring 49 ist teilweise in einer die seitliche Einkerbung 56 abschnittsweise umgebenden Aussparung 58 auf der der Seite 57 gegenüberliegenden Seite 59 der Montageeinrichtung 46b angeordnet. Der dem Schraubenkopf 53 zugeordnete O-Ring 49 hat eine rechteckige Querschnittsfläche und ist breiter als der dem Schraubenende 55 zugeordnete O-Ring 49, welcher eine runde Querschnittsfläche aufweist. Zwischen den beiden O-Ringen 49 ist eine Hülse 48 angeordnet, die zugleich als Distanzhülse fungiert und so ein übermäßiges Verpressen der O-Ringe 49 bei der Montage verhindert. Sowohl die O-Ringe 49 als auch die Hülse 48 - ggf. auch das Dämpfungselement 47 - bestehen beispielsweise aus einem Elastomer, der insbesondere eine Shore-Härte zwischen 70 und 95 aufweist. - Grundsätzlich ist für eine spannungsfreie Verschraubung bei der Montage erforderlich, dass die longitudinale Schraubenachse AS mit einer longitudinalen Achse der entsprechenden Bohrungen bzw. der Bohrkanäle (d.h. von externer Einrichtung und Vakuumpumpe 100) zusammenfällt. Das die Schrauben 52 abschnittsweise umgebende Dämpfungselement 47 führt in Bezug auf diese Anforderung eine gewisse Toleranz ein. Bei Verschraubungen der Pumpe 100 an mehreren Punkten ist ein exaktes Zusammenfallen der oben genannten Achsen in vielen Fällen kaum realisierbar. Das die Schrauben 52 teilweise umgebende Dämpfungselement 47 ist aufgrund seiner Elastizität in der Lage, durch Materialfehler/Vibration bedingte und/oder während der Montage auftretende Schräglagen der Schrauben 52 in den Bohrungen 54 zu kompensieren, ohne dass dabei die Dichtigkeit der Verbindung beeinträchtigt wird.
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Fig. 4 zeigt die Vakuumpumpe 100 ausFig. 3A , wobei auf die Darstellung der Montageeinrichtung 46a aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Erkennbar in dieser Darstellung ist die axiale Öffnung 14, die von einem Dichtring 60 umgeben ist. Die Öffnung 14 weist einen zylinderförmige Positionierhilfe 42 auf, die mit einem komplementären Abschnitt einer zu verbindenden externen Einrichtung zusammenwirkt (z.B. in diesen einsteckbar ist), um die Montage der Vakuumpumpe 100 zu erleichtern. Sichtbar in dieser Darstellung sind auch die radialen Öffnungen 15a, 15b, die gemeinsam von der Montageeinrichtung 46b umgeben sind. -
Fig. 5 zeigt die radialen Öffnungen 15a, 15b und die diese umgebende Montageeinrichtung 46b von oben. Die Öffnungen 15a, 15b besitzen in etwa die gleiche axiale Breite LB, wobei der axiale Abstand LA zwischen den Öffnungen 15a, 15b kleiner ist als LB. Der Abstand LA ist vorzugsweise um den Faktor 0,75, insbesondere 0,5, kleiner als die Länge LB. - Die Öffnungen 15a, 15b sind von einem Dichtmittel 62a umgeben, welches beide Öffnungen gegenüber der Umgebung/Atmosphäre abdichtet, wenn die Montageeinrichtung 46b an eine externe Einrichtung gekoppelt wird. Zur Abdichtung der Öffnungen 15a, 15b gegeneinander ist die Öffnung 15a von einem Dichtmittel 62b umgeben. Auf diese Weise kann eine zwei zu evakuierende Bereiche umfassende externe Einrichtung mit der Montageeinrichtung 46b gekoppelt werden. Bei den Dichtmitteln 62a, 62b handelt es sich beispielsweise um ringartige Gummidichtungen mit einer Shore-Härte zwischen 70 und 95.
- Durch die spezielle Anordnung der Dichtmittel 62a, 62b ist es möglich, den Abstand LA zwischen den Öffnungen 15a, 15b gering zu halten, da nur eine Öffnung 15a von einem Dichtmittel 62b umgeben werden muss, um eine Abdichtung der Öffnungen 15a, 15b gegeneinander zu realisieren.
- Die axiale Baulänge der Pumpe LC kann auf diese Weise ebenfalls gering gehalten werden und ist typischerweise um den Faktor 2,5, bevorzugt 2,4, besonders bevorzugt 2,3, kleiner als der Durchmesser einer Rotorscheibe, wie sie im Inneren der Vakuumpumpe 10, 100 angeordnet ist. Beispielsweise kann die axiale Baulänge LC einer Vakuumpumpe 10, 100 kleiner als 30 cm, vorzugsweise kleiner als 26 cm, insbesondere kleiner als 25 cm, sein. Das Verhältnis von axialer Baulänge LB zu dem Rotordurchmesser ist bevorzugt kleiner als 1/4, besonders bevorzugt kleiner als 9/40, insbesondere kleiner als 1/5.
-
- 10, 100
- Vakuumpumpe
- 11
- axiale Stirnseite
- 12
- Gehäuse
- 13
- radialen Seitenwand
- 14
- (erste) axiale Öffnung
- 15a, 15b
- (zweite) radiale Öffnung
- 16
- Montageebene
- 18
- Montageabschnitt
- 20a, 20b
- Montageelement
- 22a, 22b
- Fixierungsmittel
- 24
- Innenfläche
- 26
- Außenfläche
- 28
- Nut
- 30
- Dichtungsring
- 32
- Innenseite
- 34
- Schulter
- 35
- Schulter
- 36
- Bohrung
- 38
- Schlitz
- 39
- Schraube
- 40
- O-Ring
- 42
- Positionierhilfe
- 44a, 44b
- Montageebene
- 46a, 46b
- Montageeinrichtung
- 47
- Dämpfungselement
- 48
- Hülse
- 49
- O-Ring
- 50
- Befestigungselement
- 51
- Befestigungsabschnitt
- 52
- Schraube/Bolzen
- 53
- Schraubenkopf
- 54
- Bohrung
- 55
- Schraubenende
- 56
- seitliche Einkerbung
- 57
- Seite
- 58
- Aussparung
- 59
- Seite
- 60
- Dichtring
- 62a, 62b
- Dichtmittel
- 70
- externe Einrichtung
- 71
- Öffnung
- 72
- Außenfläche
- 73
- Montageabschnitt
- A
- Drehachse
- AS
- Schraubenachse
- LA
- axialer Abstand zwischen den radialen Öffnungen
- LB
- axiale Breite der radialen Öffnungen
- LC
- axiale Baulänge der Vakuumpumpe
Claims (15)
- Vakuumpumpe (10), insbesondere Turbomolekularpumpe, umfassend- ein Gehäuse (12) mit zumindest einer mit einer Öffnung (71) einer externen Einrichtung (70), insbesondere Rezipient, verbindbare Öffnung (14), die zumindest abschnittsweise von einem eine Montageebene (16) definierenden Montageabschnitt (18) umgeben ist, der vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist, und- ein separates Montageelement (20) zur Montage des Gehäuses (12) an die externe Einrichtung (70), wobei das Montageelement (20) mit der externen Einrichtung (70) koppelbar ist,dadurch gekennzeichnet, dass
das Montageelement (20) zur spannungsfreien Montage ein mit einem Dichtungsring (30) zusammenwirkendes Fixierungsmittel (22) zur Herstellung einer rein kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Montageelement (20) und dem Montageabschnitt (18) aufweist oder dass das Montageelement (20) mit dem Montageabschnitt (18) koppelbar ist und das Montageelement (20) zur spannungsfreien Montage ein mit einem Dichtungsring (30) zusammenwirkendes Fixierungsmittel (22) zur Herstellung einer rein kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Montageelement (20) und der externen Einrichtung (70) aufweist. - Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Montagelement (20) im Wesentlichen ringförmig ist.
- Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierungsmittel (22) eine sich in Richtung zu der externen Einrichtung (70) hin - bzw. in entgegengesetzter Richtung - erweiternde Innenfläche (24) umfasst, die mit einer Außenfläche (26) des Montageabschnitts (18) oder einer Außenfläche (72) eines Montageabschnitts (73) der externen Einrichtung (70) eine Nut (28) zur Aufnahme eines Dichtungsrings (30) bildet.
- Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der sich erweiternden Innenfläche (24) um eine Fase oder eine konische Fläche handelt.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageelement (20) an einer Innenseite (32) eine als Anschlag wirkende Schulter (34) aufweist.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageelement (20) Bohrungen (36) und/oder radial verlaufende Einkerbungen zur axialen Verbindung des Montageelements (20) mit der externen Einrichtung (70) bzw. mit dem Montageabschnitt (18) aufweist.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Montageabschnitt (18) eine Positionierhilfe (42) aufweist, die mit einer Montagevorrichtung der externen Einrichtung (70) zusammenwirkt.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Öffnung (14), insbesondere ein erster Einlass, in Bezug auf eine Drehachse (A) einer in dem Gehäuse (12) angeordneten Pumpstufe an einer axialen Stirnseite (11) des Gehäuses (12) angeordnet ist und dass das Gehäuse (12) zumindest eine zweite Öffnung (15a, 15b), insbesondere einen zweiter Einlass, aufweist, die an einer in Bezug auf die Drehachse radialen Seitenwand (13) des Gehäuses (12) angeordnet ist.
- Vakuumpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe zwei radial angeordnete Öffnungen (15a, 15b) aufweist, insbesondere wobei zwischen den Öffnungen (15a, 15b) wenigstens eine Pumpstufe angeordnet ist.
- Vakuumpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Dichtmittel (62a), insbesondere ein erster Dichtring, beide Öffnungen (15a, 15b) umgibt, während ein zweites Dichtmittel (62b), insbesondere ein zweiter Dichtring, nur eine der beiden Öffnungen (15a, 15b) umgibt.
- Vakuumpumpe (100), bevorzugt Turbomolekularpumpe, nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend- ein Gehäuse (12) mit zumindest einer mit einer Öffnung einer externen Einrichtung, insbesondere Rezipient, verbindbare Öffnung (14, 15a, 15b), die zumindest abschnittsweise von einer eine Montageebene (44a, 44b) definierenden Montageeinrichtung (46a, 46b) umgeben ist, und- jeweils zumindest ein Dämpfungselement (47) umfassende Befestigungselemente (50), insbesondere Schrauben und/oder Bolzen (52), zur spannungsfreien Verbindung der Montageeinrichtung (46a, 46b) mit der externen Einrichtung.
- Vakuumpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (47) einen Befestigungsabschnitt (51) des Befestigungselements (50) zumindest abschnittsweise umgibt und/oder eine Hülse (48) und/oder zumindest einen O-Ring (49) umfasst.
- Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (47) aus einem Elastomer, insbesondere aus einem elastischen Werkstoff, besteht und vorzugsweise eine Shore-Härte zwischen 70 und 95 aufweist.
- Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Montageeinrichtung (46a, 46b) Bohrungen (54) und/oder seitliche Einkerbungen (56) zur axialen Verbindung mit der externen Einrichtung aufweist.
- Vakuumsystem mit mehreren zu evakuierenden externen Einrichtungen, insbesondere Rezipienten, und zumindest einer Vakuumpumpe (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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