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Die
Erfindung betrifft eine mehrstufige Vakuumpumpe.
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Bei
mehrstufigen Vakuumpumpen handelt es sich beispielsweise um Multi-Inlet-Vakuumpumpen mit
mindestens zwei Einlässen und einem Auslass. Die Einlässe
sind mit unterschiedlichen Vakuumstufen der Multi-Inlet-Pumpe verbunden,
wobei je Einlass ein unterschiedliches Vakuum erzeugt wird. Hierbei
wird üblicherweise mit dem mit der ersten Stufe der Multi-Inlet-Pumpe
verbundenen Einlass das höchste Vakuum und mit dem mit
der zweiten Vakuumstufe verbundenen Einlass das zweithöchste Vakuum
usw. erzeugt. Derartige Vakuumpumpen mit mehreren Vakuumstufen weisen
in einem Gehäuse eine Welle auf, die von einem üblicherweise
die Welle umgebenden Elektromotor angetrieben wird.
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Aus
dem Stand der Technik sind unterschiedliche Arten der Lagerung der
Welle bekannt. Insbesondere ist es bekannt, die Welle über
zwei Kugellager zu lagern, wobei zwischen den beiden Kugellagern
der Elektromotor angeordnet ist. In Richtung der ersten Stufe weist
die Welle einen Wellenansatz auf. Auf dem Wellenansatz ist das Rotorelement angeordnet.
Der Rotor ist somit an dem auskragenden Wellenansatz angeordnet
und daher fliegend gelagert. Da die gesamten, auf den Rotor wirkenden Kräfte
an dem auskragenden Ende der Welle auf diese übertragen
werden, erfolgt eine hohe Belastung der Lager.
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Dies
beeinträchtigt die Lebensdauer der Lager. Ferner ist bei
derartig gelagerten Wellen die Länge der Welle begrenzt,
da ansonsten die auftretenden Kräfte in den Lagern nicht
mehr abgefangen werden können bzw. äußerst
aufwändige und teure Lager verwendet werden müssen.
Nachteilig an dieser Lageranordnung ist ferner der relativ geringe
Lagerabstand.
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Bei
einer ähnlichen Lageranordnung ist der Elektromotor nicht
zwischen den beiden Lagern sondern außerhalb des Lagers
angeordnet. Der Rotor ist wiederum an dem auskragenden Wellenansatz
angeordnet und weist somit ebenfalls die Nachteile einer fliegenden
Lagerung auf. Des Weiteren ist der Lagerabstand ebenfalls sehr gering.
Dies führt zu einer ungünstigen Schwerpunktlage
und der hierdurch hervorgerufene hohe Lagerbelastungen.
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Ferner
ist es aus
DE 603 13 493 bekannt,
die Welle an ihren beiden Enden zu lagern. Auf Grund des hierdurch
realisierten großen Lagerabstands können die in
den Lagern auftretenden Kräfte vergleichmäßigt
und reduziert werden. Das auf der Saugseite der Pumpe, d. h. im
Bereich der ersten Stufe angeordnete Lager muss jedoch auf Grund
des hier herrschenden geringen Drucks als Magnetlager ausgebildet
sein. Nach dem Stand der Technik kann ein fettgeschmiertes Kugellager
hier nicht eingesetzt werden, da auf Grund des niedrigen Drucks
das Fett aus dem Lager gesaugt würde. Wie bei Magnetlagern üblich,
ist zusätzlich ein weiteres, als Fanglager dienendes Kugellager
vorgesehen, das jedoch nicht zur Aufnahme von Kräften,
sondern lediglich als Notlauflager dient. Auf Grund des erforderlichen
Vorsehens eines Permanent-Magnetlagers sowie eines zusätzlichen
Fanglagers ist diese Lagerung teuer. Des Weiteren ist es erforderlich,
für das Permanent-Magnetlager ein sternförmiges
Halteelement vorzusehen, das Durchströmungsöffnungen
aufweist. Da sich dieses sternförmige Lagerschild im Bereich
der Hochvakuumstufe befindet, treten an einer äußerst
ungünstigen Stelle des Strömungsverlaufs Leitwertverluste auf.
Dies reduziert die Maximalleistung der Vakuumpumpe.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine kostengünstige und effektive
Lageranordnung für mehrstufige Vakuumpumpen zu schaffen,
um insbesondere auch die Baulänge vergrößern
zu können.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß erfolgt
ein Trennen des Rotors in mindestens zwei Rotorelemente. Die beiden
Rotorelemente sind somit gesondert, insbesondere mit der Welle verbunden.
Hierbei können je nach Ausgestaltung der mehrstufigen Vakuumpumpe,
insbesondere der Anordnung der Einlässe, je Rotorelement
eine aber auch mehrere Stufen ausgebildet sein. Durch das erfindungsgemäße
Trennen des Rotors in zwei Rotorelemente ist es möglich,
ein inneres Lagerelement, bei dem es sich üblicherweise um
ein Wälzlager, wie ein Kugellager, handelt, zwischen den
beiden Rotorelementen anzuordnen. Vorzugsweise ist daher eines der
beiden Rotorelemente, insbesondere das die Hochvakuumstufe ausbildende oder
umfassende Rotorelement außerhalb des inneren Lagerelements
angeordnet. Das Rotorelement ist somit an einem bezüglich
des inneren Lagerelements auskragenden Wellenansatz angeordnet.
Da es sich jedoch im Unterschied zum Stand der Technik nicht um
den gesamten Rotor handelt, der an dem auskragenden Ende der Welle
angeordnet ist, sondern nur um eines der mindestens zwei Rotorelemente,
sind die an dem auskragenden Ende der Welle in diese eingeleiteten
Kräfte und Momente erheblich geringer. Das zweite Rotorelement
kann beispielsweise zwischen einem inneren und einem äußeren
Lagerelement angeordnet, insbesondere fest mit der Welle verbunden
sein.
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Da
erfindungsgemäß das innere Lagerelement vorzugsweise
nicht im Bereich des Hochvakuums angeordnet ist, sondern innerhalb
des äußeren, die Hochvakuumstufe umfassenden Rotorelements angeordnet
ist, ist das Lager nicht den äußerst niedrigen
Drücken ausgesetzt, die im Bereich des Hochvakuums herrschen.
Dies hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass insbesondere
fettgeschmierte Wälzlager, wie Kugellager, eingesetzt werden
können.
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Insbesondere
auf Grund des relativ großen Lagerabstands verteilen sich
die auf die Lager wirkenden Kräfte günstiger.
Dies ist rotordynamisch vorteilhaft. Auch auftretende Schiefstellungen
der Welle sind geringer, so dass lagerungsmechanische Vorteile bestehen.
Auf Grund der realisierbaren geringeren Schiefstellung können
engere Spalte realisiert werden, so dass der Wirkungsgrad der Pumpe
verbessert ist bzw. höhere Enddrücke erzielt werden
können. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das innere Lagerelement über ein Halteelement fixiert.
Das Halteelement weist mindestens eine Durchströmungsöffnung
auf. Zur Fixierung des Lagers, insbesondere der äußeren
Lagerschale bei Verwendung von Wälzlagern, ist das Halteelement vorzugsweise
mit dem Pumpengehäuse verbunden. Besonders bevorzugt ist
es, dass das Halteelement mehrere Durchströmungsöffnungen
aufweist und insbesondere sternförmig ausgebildet ist.
Die einzelnen, vorzugsweise regelmäßig angeordneten
und vorzugsweise identisch ausgebildeten Durchströmungsöffnungen
sind vorzugsweise teilringsegmentförmig ausgebildet. Da
das innere Lagerelement in Förderrichtung innerhalb des
Rotorelements, das die Hochvakuumstufe umfasst, angeordnet ist,
durchströmt das Medium die Durchströmungsöffnungen erst
beim Austritt aus der Hochvakuumstufe bzw. beim Eintritt in die
nächste Stufe. Die durch das Halteelement erzeugten Leitwertverluste
sind somit deutlich geringer als beim Vorsehen eines derartigen Halteelements
im Bereich der Hochvakuumstufe, d. h. im Bereich des Gaseintritts
der Hochvakuumstufe.
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In
besonders bevorzugter Ausführungsform sind zumindest zwei
Rotorelemente vorgesehen, wobei sowohl das innere Lagerelement als
auch das Halteelement zwischen diesen beiden Rotorelementen angeordnet
ist.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist
das innere Lagerelement in axialer Richtung zumindest teilweise
innerhalb eines Rotorelements angeordnet. Insbesondere handelt es sich
hierbei um das die Hochvakuumstufe umfassende Rotorelement. Da auch
bei dieser Ausführungsform das Rotorelement in Strömungsrichtung
weiterhin vor dem inneren Lagerelement angeordnet ist, ist das innere
Lagerelement auch weiterhin zwischen zwei Rotorelementen, insbesondere
zwischen den beiden Befestigungsbereichen der Rotorelemente auf
der Welle angeordnet. Durch das zumindest teilweise in axiale Richtung
hierbei erfolgende Überdecken des inneren Lagerelements
durch einen Teil des Rotorelements kann der auskragende Wellenansatz verkürzt
werden. Hierdurch erfolgt eine weitere Verbesserung der Lagerungsmechanik.
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Vorzugsweise
ist ein äußeres Lagerelement derart angeordnet,
dass zwischen den beiden Lagerelementen ein Rotorelement angeordnet,
insbesondere fest mit der Welle verbunden ist. Beim Vorsehen von
zwei Rotorelementen ist das äußere Lagerelement
somit vorzugsweise außerhalb des die niedrigste Stufe ausbildenden
Rotorelements angeordnet. Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass
das Antriebselement zwischen dem äußeren Lagerelement
und dem die niedrigste Vakuumstufe ausbildenden Rotorelement angeordnet
ist. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Lagerelemente einen sehr
großen Lagerabstand aufweisen, wodurch die Lagerungsmechanik verbessert
ist.
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Bei
Ausführungsformen mit beispielsweise drei oder mehr Einlässen
und einer entsprechenden Anzahl an Vakuumstufen ist es bevorzugt,
dass das äußere Lagerelement zwischen zwei Rotorelementen
angeordnet ist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um die beiden
Rotorelemente, die die niedrigsten Vakuumstufen ausbilden, wobei
ein Rotorelement ggf. auch mehrere Vakuumstufen ausbilden kann.
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Insbesondere
bei einer Mehrstufen-Vakuumpumpe mit mehr als zwei Einlässen
und bei der hier bevorzugten Anordnung des äußeren
Lagerelements zwischen zwei Rotorelementen ist das äußere
Lagerelement über ein Halteelement fixiert. Das Halteelement
weist vorzugsweise Durchgangsöffnungen auf und ist entsprechend
dem Halteelement des inneren Lagerelements ausgebildet.
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Bei
dem inneren Lagerelement handelt es sich vorzugsweise um ein Wälzlager.
Es ist jedoch auch möglich, ein Magnetlager, insbesondere
ein Permanent-Magnetlager vorzusehen, wobei ggf. zusätzlich
ein Fanglager vorgesehen ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform
mit zwei Rotorelementen,
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2 eine
Schnittansicht einer Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform
mit drei Rotorelementen, und
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3 eine
schematische Draufsicht eines Halteelements.
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Bei
der stark vereinfachten schematischen Darstellung einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Mehrstufen-Vakuumpumpe (1) ist
in einem Pumpengehäuse 10 eine Welle 12 angeordnet.
Die Welle 12 trägt die beiden erfindungsgemäß getrennten
bzw. gesonderten Rotorelemente 14, 16. Diese sind
fest mit der Welle 12 verbunden.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Rotorelement 14 eine
erste Vakuumstufe 18 aus, in der das höchste Vakuum
erzeugt wird. Das zu fördernde Gas wird hierbei durch eine
erste Einlassöffnung 20 angesaugt. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der ersten Vakuumstufe um
eine durch eine Turbomolekularpumpe gebildete Vakuumstufe. Mit dem
Rotor 14 wirkt ein mit dem Gehäuse 10 verbundener
Stator 22 zusammen.
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Durch
das zweite Rotorelement 16 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei Vakuumstufen 24, 26 ausgebildet. Die zweite
Vakuumstufe 24 ist ebenfalls durch eine Turbomolekularpumpe
gebildet, wobei mit dem Gehäuse 10 ebenfalls ein
Stator 28 verbunden ist. Bei der dritten Stufe 26 handelt
es sich um eine Holweck-Stufe, bei der der schraubenlinienförmig
ausgebildete Ansatz 30 in eine entsprechende schraubenlinienförmige
Ausnehmung eingreift. Die zweite Vakuumstufe 24 saugt Medium
durch eine Einlassöffnung 34 und die dritte Vakuumstufe 26 durch
eine Einlassöffnung 36 an. Das eingesaugte Medium
wird von allen drei Stufen 18, 24, 26 zu
der Ausstoßöffnung 38 gefördert.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich der dritten
Stufe ein Elektromotor 40 zum Antreiben der Welle 12 vorgesehen.
Der Elektromotor 40 umgibt die Welle 12 in bevorzugter
Ausführungsform. In axialer Richtung umgibt die Holweck-Stufe vorzugsweise
den Elektromotor 40.
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Die
Lagerung der Welle 12 erfolgt über ein inneres
Lagerelement 42 sowie ein äußeres Lagerelement 44.
Das innere Lagerelement 42 ist zwischen den beiden Rotorelementen 14, 16 angeordnet.
Sofern es sich bei dem inneren Lagerelement 42 um ein Wälzlager
handelt, ist ein innerer Lagerring auf der Welle 12 beispielsweise
aufgepresst. Ein äußerer Lagerring ist über
ein Halteelement 46 fixiert. Das in Draufsicht in 3 dargestellte
Halteelement 46 weist mehrere, insbesondere regelmäßig
angeordnete teilringsegmentförmige Durchgangsöffnungen 48 auf,
durch die das von der ersten Stufe 18 geförderte Medium
strömt.
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Das äußere
Lagerelement 44 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
außerhalb der niedrigsten bzw. dritten Stufe 26 angeordnet.
Bei dem Lagerelement 44 handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um
ein Wälzlager.
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In
der dargestellten Ausführungsform ist das innere Lagerelement
in axialer Richtung 50 innerhalb des Rotorelements 14 angeordnet.
Hierzu weist das Rotorelement 14 eine im Querschnitt im
Wesentlichen kreisringförmige Ausnehmung 52 auf.
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Bei
der zweiten bevorzugten Ausführungsform sind ähnliche
oder identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Zur Verdeutlichung ist kein Pumpengehäuse dargestellt.
Der Gasstrom ist durch die Pfeile 54, 56, 58, 60 dargestellt.
Ein alternativer Gasstrom ist durch die Pfeile 62, 64, 56, 58, 60 dargestellt.
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In
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
auf der Welle 64 drei Rotorelemente 14, 66, 68 dargestellt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel (2)
sind alle Rotorelemente 14, 66, 68 als
Rotorelemente von Molekularpumpen dargestellt, wobei es sich selbstverständlich
auch um andere Rotorelemente handeln kann. Ferner können
auch bei dieser Ausführungsform einzelne Rotorelemente mehrere
Stufen ausbilden.
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Entsprechend
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das innere Lagerelement 42 zwischen zwei Rotorelementen 14, 66 angeordnet und
ebenfalls durch ein Halteelement 46 (3)
fixiert bzw. mit dem Gehäuse verbunden. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Antriebsmotor 40 zwischen
den beiden Rotorelementen 14, 66 angeordnet.
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Das
zweite bzw. äußere Lagerelement 44 ist zwischen
den beiden Rotorelementen 66, 68 (2) angeordnet
und im dargestellten Ausführungsbeispiel über
ein Halteelement 46 fixiert.
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Bei
einem ersten Strömungsweg, der durch die Pfeile 54, 56, 58, 60 dargestellt
ist, erfolgt ein Durchströmen der einzelnen durch die Rotorelemente 14, 66, 68 gebildeten
Pumpstufen nacheinander.
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Bei
dem zweiten Strömungsweg, der durch die Pfeile 62, 64, 56, 58, 60 dargestellt
ist, erfolgt zusätzlich ein Ansaugen von Gas durch eine
weitere Einlassöffnung in Richtung des Pfeils 62. Über
einen Beipass oder Verbindungskanal (Pfeil 64) wird das sowohl
in Richtung des Pfeils 62 als auch in Richtung des Pfeils 54 angesaugte
Gas zur nächsten Stufe (Rotorelement 66) geleitet.
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Die
Pfeile 54, 62, 56 und 68 entsprechen
Einlassöffnungen bzw. Ansaugöffnungen. Der Pfeil 60 entspricht
der Ausstoßöffnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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