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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung aus einem bevorzugt ortsfesten
Vakuumrezipienten und einer damit verbundenen, beweglich aufgehängten
Vakuumpumpe.
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Eine
Anordnung aus einer Vakuumpumpe und einem ortsfesten Vakuumrezipienten
ist beispielsweise im Bereich der Elektronenmikroskopie bekannt,
wobei der Vakuumrezipient ein Elektronenmikroskop und die Vakuumpumpe
eine Hochvakuumpumpe, beispielsweise eine Turbomolekularpumpe, ist.
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Elektronenmikroskope
nach dem Stand der Technik können inzwischen bereits im
Nanometerbereich auflösen. Um die Funktion des Elektronenmikroskops
zu ermöglichen, ist eine Hochvakuumpumpe zur Erzeugung
eines entsprechenden Vakuums in dem Elektronenmikroskop erforderlich.
Typischerweise wird als Hochvakuumpumpe eine schnelldrehende Turbomolekularpumpe
eingesetzt. Derartige Turbomolekularpumpen haben ggf. einen aktiv
magnetgelagerten Rotor. Der schnelldrehende Turbomolekularpumpen-Rotor
erzeugt durch kleine Rotor-Unwuchten unvermeidlich Radialschwingungen.
Durch die Aktoren der Magnetlagerung werden weitere Radialschwingungen
in der Vakuumpumpe generiert. Herkömmliche Ankopplungen
der Vakuumpumpe an den Vakuumrezipienten bzw. das Elektronenmikroskop
bieten keine ausreichende Entkopplung und Dämpfung, um
das Elektronenmikroskop im Nanometerbereich nutzen zu können.
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Der
Vakuumrezipient ist in der Regel starr ortsfest fixiert, kann aber
auch gefedert und/oder gedämpft in Bezug auf ein ortsfestes
System gelagert sein.
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Aus
DE 100 01 509 A1 ist
eine Ankopplung der Vakuumpumpe an den Vakuumrezipienten bekannt,
bei der die vakuumdichte Ankopplung durch einen Metall-Wellbalg
vorgenommen wird. Zum Ausgleich von u. a. aus der Druckdifferenz
resultierenden axialen Kräften zwischen der Vakuumpumpe
und dem Vakuumrezipienten ist ferner ein außenseitiger massiver
Gummimantel vorgesehen. Zwar kann der Metall-Wellbalg relativ gut
entkoppelnd ausgelegt werden, jedoch ist die Gesamt-Entkopplung
durch den Gummimantel erheblich verschlechtert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Anordnung aus einer Vakuumpumpe und einem
ortsfesten Vakuumrezipienten mit verbesserter Entkopplung der von
der Vakuumpumpe generierten Schwingungen in Bezug auf den Vakuumrezipienten
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit
den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung aus einer Vakuumpumpe
und einem ortsfesten Vakuumrezipienten ist die Vakuumpumpe in Bezug
auf den ortsfesten Vakuumrezipienten beweglich aufgehängt. Die
Vakuumpumpe ist vertikal unterhalb des Vakuumrezipienten angeordnet.
Die Vakuumpumpe weist obenseitig einen Gaseinlass auf, der durch
einen vertikalen flexiblen Faltenbalg an den Gasauslass des Vakuumrezipienten
angekoppelt ist. An der Unterseite der Vakuumpumpe ist ein separates
Vorspannelement angeordnet, das eine kompensierende Vertikalkraft
generiert, so dass der Faltenbalg bei Betrieb der Vakuumpumpe und
bei Enddruck in dem Faltenbalg keine vertikalen statischen Kräfte
von mehr als 20% der durch das Vakuum in dem Faltenbalg erzeugten vertikalen
Vakuumkraft überträgt. Die Vakuumkraft ist die
Differenz der Axialkräfte bei atmosphärischem Druck
und bei Vakuumdruck, ist also in der Regel die Kraft-Differenz bezogen
auf einen Druckunterschied von 1013 mbar und bezogen auf die Querschnittsfläche
des Faltenbalges.
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Das
Vorspannelement kompensiert idealerweise annähernd die
gesamten Axialkräfte zwischen der Vakuumpumpe und dem Vakuumrezipienten.
Der Faltenbalg zwischen dem Vakuumrezipienten und der Vakuumpumpe
muss daher nahezu ausschließlich den radialen Druckkräften
standhalten, muss jedoch selbst keine nennenswerten Axialkräfte übertragen.
Der Faltenbalg kann daher jedenfalls axial entsprechend unsteif
ausgelegt werden, wodurch seine Entkopplungseigenschaft erheblich
verbessert wird. Eine zusätzliche axiale Abstützung
zwischen der Vakuumpumpe und dem Vakuumrezipienten kann entfallen.
Durch einen entsprechend gut entkoppelnd ausgelegten Faltenbalg
und den Wegfall einer axialen Abstützung werden erheblich
weniger Schwingungen der Vakuumpumpe auf den Vakuumrezipienten übertragen,
als dies bei Anordnungen nach dem Stand der Technik möglich
ist.
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Falls
das Vorspannelement seinerseits mit einem Ende ortsfest fixiert
ist, sollte diese Fixierung möglichst weit entfernt von
der Fixierung für den ortsfesten Vakuumrezipienten angeordnet
sein. Da das Vorspannelement an der Unterseite der Vakuumpumpe,
also an dem dem Gaseinlass gegenüberliegenden Längsende,
angeordnet ist, ist für eine entsprechende Beabstandung
der ortsfesten Fixierung des Vakuumrezipienten und der ortsfesten
Fixierung des Vorspannelementes eine optimale konstruktive Voraussetzung
geschaffen.
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Da
der Faltenbalg keine Axialkräfte übertragen muss,
kann er so ausgelegt werden, dass seine Dämpfung oberhalb
der kritischen Eigenfrequenz auf nahe Null reduziert werden kann.
Die Dämpfung der Vakuumpumpe kann ggf. durch das Vorspannelement
gebildet werden.
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Vorzugsweise
spannt das Vorspannelement nach unten vor. In aller Regel werden
die konstruktiven Verhältnisse so sein, dass die Vakuumpumpe
bei Betrieb, d. h. bei Vakuum innerhalb des Faltenbalges, durch
die aus dem Druckunterschied resultierenden Druckkräfte
axial nach oben in Richtung des Vakuumrezipienten gezogen wird.
Durch ein nach unten vorspannendes Vorspannelement können
diese bei Betrieb auftretenden Kräfte kompensiert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das Vorspannelement eine Gasfeder.
Unter einer Gasfeder ist vorliegend keine bestimmte Konstruktion
zu verstehen, sondern sind Gasfedern mit gasgefüllten Federkörpern
aus Metall, aus Gummi oder anderen flexiblen und/oder elastischen
Materialien zu verstehen. Gasfedern haben gute Entkopplungseigenschaften.
Auf diese Weise wird die Einleitung von Schwingungen über
das Vorspannelement und das ortsfeste System in den Vakuumrezipienten
weitgehend verhindert.
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Vorzugsweise
ist eine Gasfedersteuerung zur Steuerung der Vorspannkraft der Gasfeder
vorgesehen. Hierdurch kann die Gasfederung an die jeweiligen Randbedingungen
angepasst werden, beispielsweise an die Druckdifferenz, die Drehzahl
der Vakuumpumpe und an andere Randbedingungen. Auf diese Weise können
beispielsweise beim Hochfahren der Vakuumpumpe ggf. Resonanzerscheinungen
vermindert oder vermieden werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das Vorspannelement eine Schrauben-
oder Tellerfeder. Eine entsprechende mechanische Feder ist technisch
einfach und wenig aufwändig, und stellt daher eine preiswerte
Form eines separaten Vorspannelementes dar. Ferner weist eine Teller-
oder Schraubenfeder eine gewisse Dämpfung auf, so dass
die Schwingungen der Vakuumpumpe gedämpft werden.
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Alternativ
oder ergänzend kann das Vorspannelement als ein Gewicht
mit einer konstanten Gewichtsmasse ausgebildet sein. Das Vorspannelement-Gewicht
hängt an der Vakuumpumpen-Unterseite und erzeugt eine nach
unten gerichtete Gewichtskraft, die die nach axial oben gerichtete
Kraft, die durch die Druckdifferenz erzeugt wird, ausgleicht. Ferner
erhöht das Vorspannelement-Gewicht die steife Gesamtmasse
der Vakuumpumpe, wodurch die Eigenfrequenz der Vakuumpumpe gesenkt
und dadurch die Vibrationen im Nenndrehzahlbereich der Vakuumpumpe
verringert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die Vakuumpumpe eine Turbomolekularpumpe
und ist der Vakuumrezipient ein Elektronenmikroskop.
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Im
Folgenden werden anhand der Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus einer Vakuumpumpe
und einem Vakuumrezipienten, mit einem als mit Unterdruck beaufschlagte
Gasfeder ausgebildeten Vorspannelement,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus einer Vakuumpumpe
und einem Vakuumrezipienten, mit einem als mit Überdruck
beaufschlagte Gasfeder ausgebildeten Vorspannelement,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus einer Vakuumpumpe
und einem Vakuumrezipienten, mit einem als Ausgleichgewicht ausgebildeten
Vorspannelement, und
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus einer Vakuumpumpe
und einem Vakuumrezipienten, mit einem als Tellerfeder ausgebildeten
Vorspannelement.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung 10 aus
einer Vakuumpumpe 12 und einem ortsfesten Vakuumrezipienten 14 dargestellt. Die
Vakuumpumpe 12 ist eine Turbomolekularpumpe und der Vakuumrezipient 14 ist
ein Elektronenmikroskop. Die Vakuumpumpe 12 und der Vakuumrezipient 14 sind
genau vertikal und axial übereinander angeordnet.
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Die
Vakuumpumpe 12 und der Vakuumrezipient 14 sind
durch einen vertikalen, flexiblen gasdichten Faltenbalg 16 miteinander
verbunden. Der Faltenbalg 16 verbindet den Gaseinlass 15 der
Vakuumpumpe 12 mit dem Gasauslass 13 des Vakuumrezipienten 14.
Der Faltenbalg 16 ist biegeweich und weist geringe radiale
und axiale Steifigkeit auf.
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Der
Vakuumrezipient 14 ist auf einem ortsfesten Rahmen 18 ortsfest
montiert. Die Vakuumpumpe 12 ist an dem Rahmen 18 beweglich
aufgehängt.
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An
der Unterseite 20 der Vakuumpumpe 12 ist ein Vorspannelement 22 vorgesehen,
das als Gasfeder ausgebildet ist. Das Vorspannelement 22 weist einen
vertikalen flexiblen Faltenbalg 24 auf, und ist bei Betrieb
der Vakuumpumpe 12 mit unteratmosphärischem Druck
beaufschlagt.
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Zur
Steuerung des Gasdruckes in dem Vorspannelement 22 ist
eine Gasfedersteuerung 30 vorgesehen, die im Wesentlichen
von einer Gasleitung 32, einem elektrisch steuerbaren Gasventil 34,
einer als Vorvakuumpumpe ausgebildeten Gaspumpe 36 sowie
einem Steuerungsmodul 38 gebildet wird. Die Gasfedersteuerung 30 steuert
den Gasdruck in dem Vorspannelement 22 derart, dass die
durch den Unterdruck in dem oberen Faltenbalg 16 generierte nach
vertikal oben gerichtete Kraft teilweise kompensiert wird. Auf diese
Weise schwebt bzw. schwimmt die Vakuumpumpe 12 vertikal
im Raum. Jedenfalls müssen durch den oberen Faltenbalg 16,
der die Vakuumpumpe 12 mit dem Vakuumrezipienten 14 gasdicht
verbindet, keine vertikalen Kräfte abgefedert werden, um
die Vorvakuumpumpe 12 in einem konstanten Abstand zum Vakuumrezipienten 14 zu
halten.
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Der
Faltenbalg 16 zwischen der Vakuumpumpe 12 und
dem Vakuumrezipienten 14 kann also mit geringster axialer
Steifigkeit ausgebildet werden. Hierdurch wird wiederum eine größtmögliche
Entkopplung der vakuumdichten Verbindung zwischen der Vakuumpumpe 12 und
dem Vakuumrezipienten 14 ermöglicht. Da das Vorspannelement 22 ebenfalls mit
relativ geringer axialer Steifigkeit ausgebildet werden kann, wird
auch auf diesem Übertragungsweg eine gute Entkopplung realisiert.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung 40 aus
einer Vakuumpumpe 12 und einem Vakuumrezipienten 14 dargestellt.
Hierbei ist als Vorspannelement 42 eine Gasfeder 44 vorgesehen,
die mit überatmosphärischem Druck arbeitet. Als
Gasfeder ist ein schlauchförmiger Rollbalg 46 vorgesehen,
der zwischen zwei Druckplatten 48, 49 der Vorvakuumpumpe 12 und
des ortsfesten Bezugssystems angeordnet ist. Der Rollbalg 46 ist über
eine Gasleitung 50 mit einem Gasspeicher 52 verbunden. Das
Gesamt-Gasspeichervolumen ist also erheblich größer
als das des Rollbalges 46 alleine. Hierdurch wird eine
relativ weiche Dämpfung des Vorspannelementes 42 realisiert.
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In
der 3 ist eine Anordnung 70 dargestellt,
bei der das Vorspannelement 62 als Ausgleichsgewicht 64 ausgebildet
ist. Das Ausgleichsgewicht 64 ist starr mit der Vakuumpumpe 12 verbunden.
Das Ausgleichsgewicht 64 ist so dimensioniert, dass es
bezüglich der auf die Vakuumpumpe 12 wirkenden
Vertikalkräfte bei Betrieb der Vakuumpumpe 12 ein
Gleichgewicht einstellt. Durch das Ausgleichsgewicht erhöht
sich ferner die mit der Vakuumpumpe 12 verbundene Gesamtmasse.
Hierdurch wird das Schwingungsverhalten der Vakuumpumpe 12 positiv beeinflusst,
d. h. die Eigenschwingungen der Vakuumpumpe 12 werden hierdurch
gedämpft bzw. verringert.
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In
dem vierten Ausführungsbeispiel einer Anordnung 80 ist
das Vorspannelement 82 als mechanische Tellerfeder 84 ausgebildet,
die die Vakuumpumpe 12 vertikal nach unten vorspannt. Die
Tellerfeder 84 ist mit ihrem einen Federende ortsfest abgestützt und
mit ihrem anderen Federende an der Vakuumpumpe 12 befestigt.
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In
allen Ausführungsbeispielen ist das Vorspannelement so
ausgelegt bzw. wird so gesteuert, dass der Faltenbalg noch höchstens
20% der axialen Vakuumkraft abstützt. Die Vakuumkraft ist
die Kraft, die bei Betriebsdruck, also bei Vakuum in dem Faltenbalg
axial (nach oben) auf die Vakuumpumpe wirkt. Sie errechnet sich
aus dem Differenzdruck von in der Regel 1013 mbar und dem Innen-Querschnitt des
Faltenbalges.
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In
allen Ausführungsbeispielen ist der Vakuumrezipient 14 ortsfest
fixiert. Grundsätzlich kann er aber auch gefedert und/oder
gedämpft in Bezug auf ein ortsfestes System gelagert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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