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Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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Turbomolekularpumpen werden seit Jahren in vielen Bereichen der Vakuumtechnik zur Erzeugung von Hochvakuum und Ultrahochvakuum eingesetzt. Die Vakuumerzeugung beruht in ihnen auf einem schnell drehenden Rotor mit mehreren entlang der Rotorachse zueinander versetzten Schaufelkränzen, zwischen denen statorseitig stehende Schaufelkränze angeordnet sind.
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Verschiedene Gestaltungsformen der statorseitigen Schaufelkränze sind im Stand der Technik bekannt. Nachfolgend werden so genannte Blechstatorscheiben betrachtet. Diese werden typischerweise aus Feinblech hergestellt, indem zunächst durch Stanzen oder Schneiden die Schaufeln des Schaufelkranzes freigelegt und in einem nachfolgenden Umformschritt aus der Scheibenebene herausgedreht werden. Diese Blechstatorscheiben sind kostengünstig und sind insbesondere für den Bereich des Vorvakuums beliebt, in welchem die Schaufeln nur um wenige Grad aus der Scheibenebene herausgestellt sind.
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Da jeder statorseitige Schaufelkranz um die Welk des Rotors herum und in der Regel zwischen zwei rotorseitigen Schaufelkränzen angeordnet ist, erfordert die Montierbarkeit, die Blechstatorscheibe einer Stufe aus mehreren, in der Regel zwei, Teilscheiben zu bilden. Dadurch wird die geringe Dicke des Bleches zu einem Nachteil: dort, wo die Teilscheiben aneinanderstoßen, können die dünnen Bleche übereinanderrutschen. Die Schaufeln des Schaufelkranzes sind dann falsch positioniert und weichen unter anderem in Richtung der Rotorachse von ihrer Solllage ab. In der Folge wird der Spalt zwischen rotorseitigem und statorseitigem Schaufelkranz aufgebraucht. In besonderen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei hohen Gaslasten kann dies zu einem Kontakt zwischen rotorseitigen und statorseitigen Bauteilen führen. Im schlimmsten Fall ist das Versagen der Pumpe die Folge.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Turbomolekularpumpe vorzustellen, in welcher das Überlappen der Teilscheiben verhindert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Turbomolekularpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 8 geben Weiterbildungen mit zusätzlichen Vorteilen an.
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Durch die Gestaltung nach Anspruch 1 ist das Blockiermittel nicht in den radial schmalen Bereichen der Tragringe sondern im radial breiten Bereich der Schaufeln angeordnet. Dies bringt Vorteile mit sich. Beispielsweise ermöglichen diese Merkmale, den inneren Tragring der Statorscheibe schmal zu halten. Dies erlaubt kleine Spaltmaße und damit geringere Rückströmungen. Der Schaufelbereich stellt ausreichend Bauraum für das Blockiermittel zur Verfügung. Änderungen an den mit dem äußeren Tragring zusammenwirkenden Gehäusebauteilen, beispielsweise Distanzringen, sind nicht notwendig, so dass hier keine virtuellen Lecks entstehen können. Die Montage wird vereinfacht, wenn das Blockiermittel größer als an den Enden der Tragringen gestaltet ist. Insgesamt wird die Ebenheit der Statorscheibe erhöht, so dass der Spalt zwischen Rotor- und Statorkomponenten größer ist. Dies ist auch beim Auftreten hoher axialer Kräfte auf die Scheibe von Vorteil. Solche Kräfte entstehen beispielsweise beim Futvorgang durch große Mengen an Gas, die bei starker Druckgefälle die Pumpe durchströmen. Dieser und die anderen Vorteile werden vertieft, wenn das Blockiermittel als Eingriffsmittel gestaltet ist.
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An Hand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
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Es zeigen:
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1: Schnitt durch eine Vakuumpumpe;
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2: Draufblick auf eine Blechstatorscheibe mit Teilscheiben;
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3: Blick auf die Stoßkante einer der Teilscheiben aus 2;
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4: Seitlicher Blick auf die Stoßkanten zweier Teilscheiben in einer Weiterbildung;
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5: a) seitlicher Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben, b) Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontieren Zustand, c) Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im montieren Zustand;
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6: a) seitlicher Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontierten Zustand, b) seitlicher Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im montierten Zustand, c) Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontieren Zustand, d) Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im montieren Zustand;
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7: a) seitlicher Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben, b) Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontieren Zustand, c) Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im montieren Zustand;
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8: a) seitlicher Blick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben, b) Draufblick auf den Stoßbereich zweier Teilscheiben im demontieren Zustand.
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Es zeigt 1 einen Schnitt durch eine Turbomolekularpumpe 1. Sie besitzt einen Flansch 4, der lösbar an dem Flansch einer zu evakuierenden Kammer befestigt ist. Durch die Ansaugöffnung 6 wird Gas in die Pumpe eingesaugt und durch den Auslass 8 ausgestoßen. im Gehäuse 2 sind Rotor 10 und Stator 20 angordnet, durch deren Zusammenwirken die Förderwirkung erreicht wird.
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Der Rotor umfasst eine Welle 12, auf der eine vorvakuumseitige Rotorscheibe 14, eine mittlere Rotorscheibe 16 und eine hochvakuumseitige Rotorscheibe 18 vorgesehen sind, wobei jede der Rotorscheiben einen aus einer Mehrzahl von Schaufeln bestehenden Schaufelkranz besitzt. Die Welle wird hochvakuumseitig durch ein Permanentmagnetlager 40 und vorvakuumseitig durch ein Wälzlager 42 drehbar unterstützt. Alternativ zu diesem gezeigten Aufbau sind im Stand der Technik Lageranordnungen mit drei- und fünfachsig aktiven Magnetlagern bekannt. Auch fliegende Lagerungen sind bekannt, bei denen beide Lager vorvakuumseitig angeordnet sind Der Rotor kann anstelle des gezeigten und so genannten Scheibenrotors als so genannter Glockenrotor ausgeführt sein. Ein Antrieb 44 versetzt den Rotor in schnelle Drehung von einigen Zehntausend Umdrehungen in der Minute.
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Der Stator umfasst eine vorvakuumseitige Statorscheibe 24, eine mittlere Statorscheibe 26 und eine hochvakuumseitige Statorscheibe 28. Diese sind durch Distanzringe 30, 32 und 34 in Bezug auf die Welle axial von einander beabstandet und mit den Rotorscheiben alternierend angeordnet. Die Statorscheiben besitzen ebenfalls Schaufelkränze.
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Die Anzahl von Rotor- und Statorscheiben hängt von den gewünschten vakuumtechnischen Parametern wie Saugvermögen und Druckverhältnis zwischen Ansaugöffnung und Auslass ab.
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Die nachfolgend anhand der 2 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispiele können auf eine, mehrere oder jede der aus Feinblech hergestellten Statorscheiben der Turbomolekularpumpe angewendet werden.
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Am Beispiel der Statorscheibe 14 zeigt 2 deren Aufbau im Draufblick. Die Statorscheibe ist aus einer ersten Teilscheibe 50 und einer zweiten Teilscheibe 52 aufgebaut, wobei die Fig. den demontierten Zustand zeigt. Zwischen einem bogenförmigen inneren Tragring 56 und einem äußeren Tragring 58 ist ein Kranz von Schaufeln 54 angeordnet. Der kleinste Abstand der Schaufeln zur Drehachse 200 legt einen inneren Radius 202 fest, wobei zur Schaufel auch zwischen Schaufel und Tragring vorgesehene Stege gerechnet werden. Ein äußerer Radius 204 ist durch den größten Abstand von Schaufel zur Drehachse festgelegt. Vorteilhaft ist es, beide Teilscheiben als Gleichteile zu gestalten. In der Fig. bedeutet dies, dass die Teilscheibe 52 durch Drehung um 180° um die Drehachse aus der Teilscheibe 50 hervorgeht. Bei Montage werden die Teilscheiben gegeneinander geschoben, so dass die bogenförmigen Tragringe geschlossene Kreise bilden. Das vorgenannte Problem ist das Übereinanderrutschen der Teilscheiben bei diesem Montageschritt.
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Das Übereinanderrutschen wird durch ein Blockiermittel verhindert. Dieses umfasst in dem gezeigten Beispiel eine gewellte Stoßkante 60. Das Material Stoßkante ist zwischen innerem und äußerem Radius durch Umformen aus der Scheibenebene herausgehoben. Diese gewellte Stoßkante wirkt mit einer glatten Stoßkante 62 zusammen. Alternativ kann auch die Stoßkante 62 gewellt sein, wobei die Wellen so gewählt sein müssen, dass sich die Stoßkanten mindestens einmal kreuzen.
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Die Teilscheibe 50 ist in 3 im Blick in der senkrecht zur Drehachse liegenden Scheibenebene 206 auf die Stoßkanten dargestellt. Zwischen innerem und äußerem Radius ist die Wellung der Stoßkante 60 zu erkennen, wobei die Wellung einen kleineren Abstand zur Scheibenebene aufweist als die Endkanten der Schaufeln.
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Eine andere Ausführung des Blockiermittels zeigt 4 im seitlichen Anblick des Stoßbereiches der Teilscheiben. Während die Stoßkante der ersten Teilscheibe 50 in diesem Beispiel glatt in der Scheibenebene 206 liegend ausgeführt ist, weist die zweite Teilscheibe eine aus der Scheibenebene und auf diese senkrecht stehende axiale Lasche 64 auf. Diese erstreckt sich mindestens zwischen innerem und äußerem Radius. Sie kann sich auch teilweise oder ganz über den radialen Bereich der Tragringe erstrecken. Dies ist einfach zu fertigen und ermöglicht die zusätzliche Positionierung über die Distanzringe. Die Lasche kann außerdem Abschnitte 641 und 642 oberhalb und unterhalb der Scheibenebene besitzen, so dass das Übereinandergleiten in zwei Richtungen sicher verhindert wird. Zur Bildung der Abschnitte 641 und 642 kann die Lasche auch geteilt sein, wobei dann die Teile in unterschiedlichem Sinn aus der Scheibenebene herausgestellt werden.
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Das Ausführungsbeispiel nach 5 greift den Gedanken des sich zwischen innerem und äußerem Radius im Stoßbereich erstreckenden Steges als Blockiermittel auf und bildet ihn weiter, indem beide Teilscheiben in Eingriff miteinander gebracht werden.
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Teil a) der Fig. zeigt den seitlichen Blick auf den Stoßbereich der Teilscheiben 50 und 52. Jede der Teilscheiben weist Zungen 681 und 682 auf. Diese sind, wie aus dem Draufblick nach Teil b) der Fig. zu erkennen ist, an Stegen 661 und 662 befestigt. Teil c) der Fig. zeigt den montierten Zustand, in welchem jede der Zungen 681 und 682 den jeweils angrenzenden Steg der benachbarten Teilscheibe überdeckt. Hierzu kann wie in Teil a) gezeigt die Zunge aus der Scheibenebene herausgedrückt sein. Alternativ kann auch der Steg alleine oder es können beide zusammen aus der Scheiben herausgedrückt sein. Durch den Überlapp der Zungen mit den Stegen werden die Teilscheiben derart in Eingriff miteinander gebracht, dass sich keine der Teilscheiben gegenüber der anderen aus der Scheibenebene hinaus bewegen kann. Hierdurch kann die Statorscheibe sehr gut hohen entlang der Drehachsenrichtung wirkenden Kräften widerstehen, welche beispielsweise beim Fluten der Pumpe mit unter Atmosphärendruck stehendem Gas auftreten.
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Das Beispiel nach 6 bringt den zusätzlichen Gedanken ein, auf Stege an den Teilscheiben im Stoßbereich zu verzichten, was gerade zu niedrigeren Drücken hin vakuumtechnisch von Vorteil ist.
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In Teil a) der Fig. ist im seitlichen Blick zu sehen, dass die Teilscheibe 50 mit einer Schaufel 70 abschließt. Auch die Teilscheibe 52 schließt mit einer Schaufel 72 ab. Im montierten Zustand, gezeigt in Teil b), werden die Schaufeln 70 und 72 zur Deckung gebracht und bilden zusammen eine Schaufel. Hierdurch wird bereits ein Blockieren in einer ersten Richtung parallel zur Drehachse erreicht. Ein gegenseitiger Eingriff und damit ein vollständiges Blockieren der Teilscheiben in beiden Richtungen der Drehachse wird erreicht, indem an Schaufel 70 eine gebogene Lasche 74 vorgesehen ist.
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In den Teilen c) und d) der 6 ist ein Draufblick im demontierten und montierten Zustand gezeigt. Die gebogene Lasche 74 wirkt mit einem Ausschnitt 76 zusammen, in dem sie während der Montage hineingeschoben wird. Durch Zusammenwirken von Lasche und Ausschnitt wird eine Festlegung der Schaufeln und damit der Teilscheiben in radialer und axialer Richtung bewirkt.
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Das Ausführungsbeispiel nach 7, Teile a) bis c), bringt den zusätzlichen Gedanken ein, dass nicht der vollständige Bereich zwischen innerem und äußerem Radius 202 und 204 von dem Blockier- oder Eingriffsmittel beansprucht werden muss. Jede der Teilscheiben 50 und 52 weist einen Eingriffabschnitt auf, in dem eine Zunge 84 und eine Gegenzunge 86 vorgesehen sind. Deren Wirkweise entspricht demjenigen der Zungen 66 und 68 aus 5., auf die an dieser Stelle verwiesen werden kann. Zusätzlich zu dem Eingriffabschnitt weisen die Teilscheiben noch Schaufelabschnitte 80 auf, die den Eingriffabschnitten radial benachbart sind. Sie könne radial innerhalb oder außerhalb der Eingriffabschnitte liegen. Da die Geschwindigkeit der Rotorschaufeln mit Abstand zur Drehachse steigt, ist die gezeigte Anordnung vorteilhaft, bei welcher der Schaufelabschnitt radial außerhalb des Eingriffabschnittes liegt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 8 im seitlichen Blick in Teil a) und Draufblick in Teil b). Die Schaufel 54 der Teilscheibe 50 weist einen oder mehrere Bügel 90 auf, die mit einer oder mehreren Aussparungen 92 in der benachbarten Schaufel 54 der zweiten Teilscheibe 52 in Eingriff gebracht werden. Hierdurch wird nur wenig Raum für das Eingriffsmittel benötigt, so dass die vakuumtechnischen Eigenschaften der Statorscheibe vorteilhaft nur in sehr geringem Maße beeinflusst werden.
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Kombinationen der Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele sind denkbar, ebenso die Anwendung der Erfindung auf eine Teilung der Statorscheibe in mehr als zwei Teilscheiben.
