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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten
Anspruchs.
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In
einigen Bereichen der Vakuumtechnik gibt es Kammersysteme, in denen
mehrere miteinander verbundene Kammern seriell angeordnet sind und jede
der Kammern auf einem anderen Druckniveau gehalten wird. Solch ein
Aufbau ist beispielsweise in Massenspektrometern üblich.
Ein Teilchenstrahl tritt bei diesen in die Kammer mit dem höchsten
Druck ein und durchsetzt in der Folge die anderen Kammern, um schließlich
in der Kammer mit dem niedrigsten Druck zu einem Analysator zu gelangen.
Die Kammer mit dem niedrigsten Druck befindet sich auf Ultrahochvakuumniveau,
die Kammer mit dem höchsten Druck auf Vorvakuumniveau im
Grob- und Feinvakuumbereich.
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Zum
Evakuieren solcher Kammersysteme haben sich so genannte Splitflowpumpen
durchgesetzt. Sie besitzen ein Gehäuse, welches einen ersten
Einlass und einen zweiten Einlass aufweist, sowie eine erste und
eine zweite Pumpstufe. Die Splitflowpumpe ist derart gestaltet,
dass Gas durch den ersten Einlass in die erste Pumpstufe gelangt,
und dass Gas, welches durch den zweiten Einlass in die zweite Pumpstufe
gelangt, zunächst von der zweiten und nachfolgend von der
ersten Pumpstufe verdichtet wird.
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Die
DE 4331589 A1 stellt
eine solche Vakuumpumpe vor. Die Pumpstufen für den Hochvakuum- und
Ultrahochvakuumbereich sind als Turbomolekularpumpstufen gestaltet,
wobei jede Pumpstufe mehrere so genannte Rotor-Stator-Pakete besitzt.
Es besteht der Wunsch, diese Vakuumpumpe kompakter zu gestalten.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumpumpe bereitzustellen,
die das Evakuieren eines Kammersystems mit mehreren auf unterschiedlichem
Druckniveau befindlichen Kammern erlaubt und dabei kompakt ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des
ersten Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche 2 bis
5 geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
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Die
zweite Pumpstufe, welche dem Ultrahochvakuumdruckbereich zugeordnet
ist, weist eine Holweckstufe auf, die aufgrund dieser Anordnung
die Kammern mit den niedrigsten Drücken evakuiert. Diese
Nutzung der Holweckstufe, die im Stand der Technik üblicherweise
zur Erhöhung der Vorvakuumbeständigkeit und daher
im Gasstrom einer Turbomolekularpumpstufe nachfolgend vor dem Auslass der
Vakuumpumpe eingesetzt wird, ermöglicht ein sehr hohes
Druckverhältnis zwischen erstem und zweitem Einlass. Das
Druckverhältnis ist höher als bei einer Turbomolekularpumpstufe
mit gleicher Baulänge. Somit wird bei gleichem Druckverhältnis
die zweite Pumpstufe gegenüber einer Turbomolekularpumpstufe
kompakter gebaut.
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Eine
noch kompaktere Gestaltung ergibt sich in der Weiterbildung nach
Anspruch 2, nach der die Holweckstufe ein Lager der Welle umgibt.
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Das
Merkmal nach Anspruch 3, einen weiteren Einlass derart an Holweckpumpstufe
anzuordnen, dass durch ihn Gas in die Holweckpumpstufe einströmt,
erlaubt, bei kompakter Bauform eine zusätzliche Vakuumkammer
zu evakuieren.
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In
eine anderen Weiterbildung ist vorgesehen, den Stator der Holweckpumpstufe
und das Lager um einen Durchhangabstand exzentrisch zueinander anzuordnen.
Hierdurch werden zum einen engere Spaltmaße erreicht. Diese
verbessern das erreichte Druckverhältnis, so dass Baulänge
eingespart und die Vakuumpumpe daher kompakter wird. Zum anderen
erlaubt dies den Einsatz eines schmiermittelfreien Magnetlagers,
insbesondere Permanentmagnetlagers, zur Lagerung der Welle im Ultrahochvakuumbereich.
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Nach
einer wiederum anderen Weiterbildung ist zwischen zweitem Einlass
und Holweckpumpstufe ein Strömungswiderstand, insbesondere
eine ruhende Turboscheibe, angeordnet. Der Strömungswiderstand
ist dabei höher bemessen als das Saugvermögen
der Holweckstufe, so dass Rückströmung aus der
Holweckstufe reduziert wird. Dies erlaubt eine kürzere
Bauweise der Holweckstufe, so dass die Vakuumpumpe noch kompakter
wird.
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Anhand
von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung und ihre Weiterbildungen
näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile
vertieft werden. Es zeigen:
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1:
Schnitt durch eine Vakuumpumpe mit zwei Einlässen gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
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2:
Schnitt durch eine Vakuumpumpe mit fünf Einlässen
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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3:
Schnitt durch eine Weiterbildung der hochvakuumseitigen Holweckstufe,
die parallel pumpend ausgeführt ist.
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4:
Schnitt durch eine Weiterbildung der hochvakuumseitigen Holweckstufe,
die seriell pumpend ausgeführt ist.
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5:
Schnitt entlang der Längachse durch die Hälfte
einer Holweckpumpstufe.
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In 1 sind
eine Vakuumpumpe und ein Kammersystem im Längsschnitt gemäß einem
ersten Beispiel gezeigt. Im Kammergehäuse 2 sind
eine Vorvakuumkammer 4 und eine Hochvakuumkammer 12 vorgesehen,
welche über eine Hochvakuumblende 22 miteinander
verbunden sind. Durch eine Vorvakuumblende 14 kann beispielsweise
ein Teilchenstrahl in die Vorvakuumkammer gelangen.
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Mit
dem Kammergehäuse ist das Pumpengehäuse 40 einer
Vakuumpumpe vakuumdicht und lösbar verbunden. In dem Pumpengehäuse
ist eine Welle 42 angeordnet, welche von einem hochvakuumseitigen
Lager 44 und einem vorvakuumseitigen Lager 48 drehbar
unterstützt wird. Auf der Welle ist ein Permanentmagnet 52 vorgesehen,
der mit dem magnetischen Feld einer Antriebsspule 50 zusammenwirkt
und damit die Welle in schnelle Drehung versetzt. Schnell bedeutet
im Rahmen einer solchen Vakuumpumpe, dass die pumpaktiven Bauteile Pumpwirkung
aufgrund molekularer Mechanismen entfalten und die Drehzahl bei
einigen Zehntausend Umdrehungen pro Minute liegt.
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Die
Vakuumpumpe weist einen ersten Einlass 80 und einen zweiten
Einlass 82 auf. Der erste Einlass ist mit der Vorvakuumkammer 4 verbunden, während
der zweite Einlass mit der Hochvakuumkammer 12 verbunden
ist. Das durch den ersten Einlass 80 in die Vakuumpumpe
eintretende Gas gelangt in die erste Pumpstufe 60, welche
durch ihre Pumpwirkung die Vorvakuumkammer auf ein erstes Druckniveau
evakuiert. Die erste Pumpstufe ist als Turbomolekularpumpstufe gestaltet
und weist daher jeweils mit einem Schaufelkranz versehene Rotorscheibe 62 und
Statorscheibe 64 auf. Diese sind durch einen Distanzring 66 axial
beabstandet. Die erste Pumpstufe kann eine Mehrzahl von Rotor- und Statorscheiben
umfassen, je nach gefordertem Druckverhältnis zwischen
Ansaugbereich und Ausstoßbereich der Pumpstufe. Das Gas
wird von der ersten Pumpstufe an den Auslass 54 der Pumpe übergeben
und verlässt durch diesen die Vakuumpumpe.
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Durch
den zweiten Einlass 82 tritt Gas aus der Hochvakuumkammer 12 in
die Vakuumpumpe und wird von der zweiten Pumpstufe 70 abgepumpt. Diese
Pumpstufe evakuiert die Hochvakuumkammer auf ein zweites Druckniveau, welches
unterhalb des ersten Druckniveaus liegt. Das von der zweiten Pumpstufe
ausgestoßene Gas wird von der ersten Pupmstufe weitergefördert.
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Durch
diesen Aufbau wird erreicht, dass die Vakuumpumpe derart gestaltet
ist, dass Gas durch den ersten Einlass in die erste Pumpstufe gelangt, und
dass Gas, welches durch den zweiten Einlass in die zweite Pumpstufe
gelangt, zunächst von der zweiten und nachfolgend von der
ersten Pumpstufe verdichtet wird Die zweite Pumpstufe ist als Holweckpumpstufe
gestaltet und weist daher einen Holweckstator 74 auf, welcher
im wesentlichen einen dickwandigen Hohlzylinder mit gewindeartig
an seiner Innenseite verlaufenden Kanälen mit viereckigem Querschnitt
umfasst. Innerhalb dieses Zylinders läuft ein mit der Welle
verbundener Holweckzylinder 72. Dieser umgibt wenigstens
teilweise das hochvakuumseitige Lager 44 und den Lagerträger 46,
der dieses Lager am Pumpengehäuse fixiert.
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Durch
die Gestaltung der zweiten Pumpstufe als Holweckpumpstufe kann der
Abstand zwischen den Einlässen 80 und 82 verringert
werden oder auf gleicher Baulänge ein größeres
Druckverhältnis erreicht werden. Die Vakuumpumpe wird somit
kompakter. Dieser Effekt wird verstärkt, indem das Lager innerhalb
des Holweckzylinders angeordnet ist. Außerdem ergibt sich
die Möglichkeit, die Welle zu verkürzen, denn
der wellenseitige Holweckzylinder kann vorteilhaft über
das Wellenende hinausragen. Die Welle ist somit kürzer
als bei einer Gestaltung der zweiten Pumpstufe nach Bauart einer
Turbomolekularpumpe. Eine kürzere Welle ist von Vorteil,
da die absolute Wellenausdehung bei Temperaturerhöhung geringer
ist und somit vakuumtechnisch vorteilhafte engere axiale Spalte
zwischen Rotor- und Statorscheiben und anderen pumpaktiven Elementen
vorgesehen werden können. Eine kürzere Welle führt außerdem
zu einer kompakten Bauweise.
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In 2 sind
eine Vakuumpumpe und ein Kammersystem im Längsschnitt gemäß einem
zweiten Beispiel gezeigt. Im Kammergehäuse 102 sind nun
neben der Vorvakuumkammer 104 und der Hochvakuumkammer 112 drei
mittlere Kammern 106, 108 und 110 angeordnet.
Die Kammern sind untereinander durch Blenden 116, 118, 120 und 122 verbunden.
Die Vorvakuumkammer weist zusätzlich eine Vorvakuumblende 114 auf.
Durch diese Blenden kann beispielsweise ein Teilchenstrahl die Kammern durchsetzen,
gelangt dabei in zunehmend tieferes Vakuum und trifft schließlich
auf einen Detektor 124.
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Mit
dem Kammergehäuse ist vakuumdicht und lösbar das
Pumpengehäuse 140 einer Vakuumpumpe verbunden.
Sie ist dabei so angeordnet, dass ihr Einlass 180 mit der
Kammer 104, ihr Einlass 184 mit der Kammer 106,
ihr Einlass 186 mit Kammer 108, ihr Einlass 188 mit
Kammer 110 und schließlich ihr Einlass 182 mit
der Kammer 112 verbunden ist, wobei jede Verbindung den
Gasfluss von Kammer in die Vakuumpumpe ermöglicht.
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Innerhalb
des Pumpengehäuses ist eine Welle 142 vorgesehen,
welche vorvakuumseitig von einem Wälzlager 148 drehbar
unterstützt wird. Hochvakuumseitig trägt ein Permanentmagnetlager 144 die
Welle. Der Stator dieses passiven Magnetlagers stützt sich über
einen Lagerträger 146 im Pumpengehäuse
ab. Die Welle weist einen oder mehrere Permanentmagneten 150 auf,
der mit dem von einer oder mehreren Spulen 152 erzeugten
magnetischen Drehfeld zusammenwirkt und die Welle in schnelle Drehung
von einigen zehntausend Umdrehungen pro Minute versetzt.
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Die
Vakuumpumpe weist mehrere Pumpstufen auf. Eine erste Pumpstufe 160 ist
als Holweckpumpstufe gestaltet. Ihr Holweckstator 164 umfasst einen
dickwandigen Hohlzylinder, dessen Innenwand mit gewindeartigen Kanälen
mit viereckigem Querschnitt versehen ist. Ein Holweckzylinder 162 ist
mit der Welle verbunden und befindet sich koaxial innerhalb des
Holweckstators. Der Ansaugbereich dieser Pumpstufe ist derart mit
dem Einlass 180 verbunden, das Gas aus der Kammer in die
Pumpstufe gelangt. Das in der Pumpstufe verdichtete Gas wird durch
den Auslass 154 aus der Vakuumpumpe ausgestoßen und
an eine nicht gezeigte Vorvakuumpumpe, beispielsweise eine Membranpumpe, übergeben.
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Im
Gasstrom vorgelagert befindet sich die Pumpstufe 165, welche
als Turbomolekularpumpstufe gestaltet ist. Sie besitzt, wie anhand
des ersten Beispieles zu 1 dargestellt, mit Schaufelkränzen versehene
Rotor- und Statorscheiben. Die Zahl der Rotor-Stator-Paare hängt
vom gewünschten Druckverhältnis ab. Die Pumpstufe 165 nimmt
Gas vom Einlass 184 entgegen und stößt
Gas in Richtung der ersten Pumpstufe 160 aus. Sie saugt
zudem Gas an, welches von einer weiteren Pumpstufe 175 ausgestoßen
wird. Diese besitzt einen molekularen Wirkmechanismus, vorzugsweise
umfasst sie wenigstens eine Rotor- und eine Statorscheibe nach turbomolekularer
Bauart. Diese Pumpstufe saugt Gas über den Einlass 188 aus
der Kammer 108 an, zudem fördert sie das aus einer
Pumpstufe 170 ausgestoßene Gas. Die Vakuumpumpe
ist somit derart gestaltet, dass jede im Gasstrom nachfolgende Pumpstufe
eine Kammer evakuiert und das Gas weiterfördert, welches
von der ihr vorgelagerten Pumpstufe ausgestoßen wird.
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Die
zweite Pumpstufe 170 umfasst einen mit der Welle verbundenen
Holweckzylinder 172, der sich innerhalb eines Holweckstators 174 befindet
und mit diesem zusammenwirkt. Sie saugt Gas über den Einlass 182 aus
der Kammer 112 an. Zudem ist der Holweckstator mit einem
Zugang versehen, der es erlaubt, über den Einlass 188 Gas
in die zweite Pumpstufe 170 anzusaugen.
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Vorteilhaft
umgeben die pumpaktiven Bauteile der zweiten Pumpstufe, im wesentlichen
der Holweckstator 174 und der Holweckzylinder 172,
die Komponenten des Permanentmagnetlagers 144. Hierdurch
wird eine sehr kompakte Bauweise erreicht. Zugleich erlaubt der
Einsatz einer Holweckpumpstufe, ein hohes Druckverhältnis
jeweils zwischen den Einlässen 182, 188 und 186 zu
erreichen. Es ist somit möglich, mit einer kompakten Vakuumpumpe
mehr Kammern als bisher differentiell zu evakuieren. Für
ein System mit fünf Kammern wäre im Stand der
Technik eine zweite Vakuumpumpe unumgänglich, da Turbomolekularpumpstufen
axial lang bauen und daher die Welle einer einzigen Vakuumpumpe
zu lang würde. Die Länge der Welle wird durch
die thermische Ausdehung begrenzt, die zu einem Aufzehren der Axialspalte
in einer Turbomolekularpumpe führt. Damit besteht die Gefahr
eines Rotor-Stator-Kontaktes. Diese Gefahr wird in durch die gezeigte
Vakuumpumpe umgangen.
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Anhand
der 3 bis 5 sollen nachfolgend Verbesserungen
vorgestellt werden, die einzeln oder in Kombination zu einer Vertiefung
der Vorteile führen.
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In 3 ist
der Teil der Vakuumpumpe im Schnitt gezeigt, der die zweite Pumpstufe 270 umfasst.
Mit dem Pumpengehäuse 240 ist ein Lagerträger 246 verbunden,
der die statorseitigen Magnetringe 258 eines Permanentmagnetlagers
haltert. Diesen stehen rotorseitige Magnetringe 256 gegenüber, welche
auf der Welle 242 befestigt sind. Ebenfalls an der Welle
befestigt ist eine Nabe 266, die einen Holweckzylinder 272 trägt.
Die Pumpstufe umfasst hier einen äußeren Holweckstator 274 und
einen inneren Holweckstator 276. Der äußere
Holweckstator wirkt mit der Außenwand des Holweckzylinders
gasfördernd zusammen, der innere Holweckstator mit der Innenwand.
Die Nabe besitzt wenigstens ein Loch 268, durch das das
auf der Innenseite des Holweckzylinders geförderte Gas
hindurch treten und die Pumpstufe verlassen kann. Gas wird vom Einlass 282 auf
Innenseite und Außenseite des Holweckzylinders parallel
gefördert. Durch einen Einlass 288 gelangt Gas
in den Teil der Pumpstufe zwischen äußerem Holweckstator
und Holweckzylinder.
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Vorteilhaft
ist es, bei der Gestaltung parallel pumpender Holweckpumpstufen
folgenden Gesichtspunkt bei der Wahl der axialen Ausdehnung des
Einlasses 288 zu beachten: die Relativgeschwindigkeit zwischen
jeweiligem Holweckzylinder und Holweckstator nimmt mit zunehmendem
Abstand zur Wellenachse 294 zu. Damit wird bei höherem
Abstand ein höheres Druckverhältnis durch das
Zusammenwirken von Holweckzylinder und Holweckstator erzeugt. Dies
kann durch den Einlass 288 ausgeglichen werden, über
dessen axiale Ausdehung kein Druckverhältnis erzeugt wird.
Die Unterschiede im Druckverhältnis können daher
ausgeglichen werden. Das Problem der unterschiedlichen Druckverhältnisse
ist bei einer Mehrzahl von koaxial angeordneten Holweckzylinder
und Holweckstatoren ausgeprägter.
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Vor
dem Ansaugbereich der Pumpstufe 270 ist ein Leitwert 296 angeordnet,
der vorteilhaft als Statorscheibe 296 nach turbomolekularer
Bauart gestaltet ist. Sie begrenzt die Rückströmung
aus der Pumpstufe in Richtung des Einlasses 282. Dieser Leitwert
kann auch unabhängig von einer parallel pumpend gestalteten
Pumpstufe 270 benutzt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Gestaltung, die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen
und deren Weiterbildungen genutzt werden kann, ist die exzentrische
Anordnung von Holweckstator und Lager. Die statorseitigen Magnetringe 258 besitzen
eine geometrische Mitte, die die Achse 292 des Lagers bildet.
Die Welle ihrerseits besitzt eine Achse 294, der Holweckstator
eine Achse 293. Durch sein Eigengewicht wird die Welle
in Schwerkraftrichtung 290 gezogen, so dass die Achsen
von Lager und Welle um einen Durchhangabstand D gegeneinander verschoben
sind. Für die Pumpwirkung ist es vorteilhaft, wenn der
Spalt S1 zwischen Holweckzylinder und Holweckstator
in Bezug zur Schwerkraft oberhalb der Welle und der Spalt S2 zwischen Holweckzylinder und Holweckstator
in Bezug zur Schwerkraft unterhalb der Welle möglichst
gleich groß sind. Dies wird erreicht, indem die geometrische
Achse 293 des Holweckstators und die Achse 292 des
Lagers um den Durchgangabstand D exzentrisch zueinander angeordnet
sind.
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Weitere
Gestaltungsmöglichkeiten zeigt 4. Die als
Holweckpumpstufe gestaltete zweite Pumpstufe 370 umfasst
neben dem Holweckzylinder 372 einen zweiten Holweckzylinder 378,
der koaxial zu 372 angeordnet ist. Beide Holweckzylinder 372 und 378 sind
mit der Nabe 366 verbunden. Ein innerer Holweckstator 376 ist
zwischen den beiden Holweckzylindern angeordnet. Zwischen Außenwand des
Holweckzylinders 378 wird vom Einlass 382 kommendes
Gas gefördert und an der Nabe 366 derart umgelenkt,
dass es zwischen Außenwand des inneren Holweckstators 376 und
Innenwand des Holweckzylinders 372 weitergefördert
wird. Als dritter seriell gestalteter Pumpabschnitt wird das Gas
dann zwischen Außenwand des Holweckzylinders 372 und Innenwand
des äußeren Holweckstators 374 gefördert.
In diesen Pumpabschnitt strömt Gas aus dem weiteren Einlass 388 in
die Pumpstufe ein. Die Gestaltung der Pumpstufe als ineinandergeschachtelte und
seriell durchströmte Pumpabschnitte schafft eine nochmals
kompakteren Aufbau.
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Die
Komponenten des Lagers, insbesondere die statorseitigen Magnetringe 358,
werden von einem Stern mit mehreren Armen 332 getragen,
wodurch eine einfach und kompakte Gestaltung entsteht. Der innere
Holweckstator kann an den Armen dieses Sterns befestigt sein. Die
Geometrie der Arme ist so gestaltet, dass die Eigenfrequenzen in
nicht zur Resonanz gebrachten Bereichen liegen und die Durchbiegung
entlang der Wellenachse gering gehalten wird.
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Die
Innenwand 334 des Pumpengehäuses 340,
die der Stirnseite der Welle gegenüber steht, ist vorteilhaft
geneigt ausgeführt. Dies verbessert die Förderleistung
der Vakuumpumpe, denn es wird die Wahrscheinlichkeit erhöht,
dass Moleküle in die Pumpstufe hineingelangen. Beispielsweise
tritt ein Molekül aus der Einfallsrichtung 336 kommend
durch den Einlass ein und trifft auf die Innenwand 334.
Von dort bewegt es sich in Ausfallsrichtung 338 auf die Pumpstufe
zu.
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Eine
Weiterbildung des Holweckstators ist in 5 gezeigt.
Dargestellt ist ein Schnitt entlang der Zylinderachse durch eine
Hälfte der Holweckanordnung. Diese wird gebildet durch
den Holweckstator 574 und dem Holweckzylinder 572,
welche koaxial zueinander angeordnet sind. Zwischen beiden ist ein Spalt
S3 vorgesehen, der zwischen dem Ansaugbereich 576 und
dem Ausstoßbereich 578 ein weitgehend konstantes
Maß besitzt. Im Holweckstator ist wenigstens ein spiralförmig
auf der Holweckstatorinnenseite umlaufender Kanal 582 vorgesehen.
Dessen Grund 584 folgt einem Verlauf 586, welcher
eine Verringerung des Abstandes von Grund zu Holweckzylinder vorsieht,
wobei der maximale Abstand auf Seite des Ansaugbereiches und der
minimale Abstand auf Seite des Ausstoßbereiches erreicht
wird. Durch diese konische Gestaltung wird das Saugvermögen
der Holweckpumpstufe deutlich erhöht, was insbesondere
für die zweite Pumpstufe der Ausführungsbeispiele
von Vorteil ist. Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Gängen
des Kanals bleibt ein Steg 588, welcher eine Breite 590 in
axialer Richtung besitzt. Diese Breite kann über die axiale
Länge zwischen Ansaugbereich und Ausstoßbereich
variieren, ebenso wie die Steigung des Gewindes. Während
im Ansaugbereich eine hohe Steigung von Vorteil ist, ist für
den Ausstoßbereich eine flachere Steigung günstig.
Eine Gestaltung dieser Art erhöht Saugvermögen und
Kompression der Holweckpumpstufe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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