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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe.
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Seit Jahrzehnten werden Turbomolekularpumpen in der Vakuumtechnik zur Erzeugung von Hochvakuum und Ultrahochvakuum eingesetzt. Die Vakuumerzeugung beruht in den Pumpen auf einem Rotor mit mehreren entlang der Rotorachse zueinander versetzten Schaufelkränzen, zwischen denen statorseitig stehende Schaufelkränze angeordnet sind.
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Diese zum Stand der Technik gehörenden Turbomolekularpumpstufen müssen direkt in den Vorvakuumbereich Gas ausstoßen und verdichten. Dabei soll der Vordruck so hoch wie möglich sein, um eine kleine Vorpumpe auswählen zu können.
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Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, die Turbomolekularpumpstufe derart zu gestalten, dass kleinere Vorpumpen ausgewählt werden können.
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Dieses technische Problem wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe mit wenigstens einem in einem Gehäuse angeordneten Rotor, der als Hohlzylinder und um seine Längsachse rotierend ausgebildet ist, wobei das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass in der Vakuumpumpe ein rohrförmiger Körper angeordnet ist, dass wenigstens ein Ende des rohrförmigen Körpers mit einer Öffnung in einem geringeren Abstand zu einer Innenwand des Hohlzylinders als zu der Längsachse des Hohlzylinders angeordnet ist, dass der wenigstens eine rohrförmige Körper aus dem Hohlzylinder herausgeführt ist, und dass ein anderes Ende des wenigstens einen rohrförmigen Körpers aus dem Gehäuse der Vakuumpumpe herausgeführt ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist den Vorteil auf, dass der rohrförmige Körper in der Nähe der Innenwand des Hohlzylinders den Druck aufnimmt. Im radial äußeren Bereich des Hohlzylinders herrscht ein deutlich höherer Druck als im Bereich der Längsachse des Hohlzylinders. Dies liegt daran, dass durch die Drehung des Hohlzylinders das Gas ebenfalls in Rotation versetzt wird. Hierdurch baut sich ein Druckgradient in dem Hohlzylinder auf. Der Druck nimmt von der Längsachse bis zur Innenwand des Hohlzylinders deutlich zu. Der Druck im Bereich der Innenwand des Hohlzylinders kann ein Vielfaches des Druckes im Bereich der Längsachse betragen.
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Der rohrförmige Körper ist feststehend in dem Hohlzylinder angeordnet. Das erste Ende dient dazu, in dem Hohlzylinder das Gas aufzunehmen. Das Gas wird durch den rohrförmigen Körper in Richtung des zweiten Endes des rohrförmigen Körpers gedrückt. Das zweite Ende ist als Auslass ausgebildet und wird aus dem Gehäuse der Vakuumpumpe herausgeführt. An diesen Auslass kann eine Vorpumpe angeschlossen werden. Das zweite Ende des rohrförmigen Körpers, welches aus dem Gehäuse herausgeführt wird, kann axial oder radial aus dem Gehäuse geführt werden.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe funktioniert mit einem rohrförmigen Körper wie auch mit mehreren rohrförmigen Körpern, die vorzugsweise radial gleichmäßig verteilt in dem Hohlzylinder angeordnet sind.
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Im Bereich des ersten im Hohlzylinder angeordneten Ende des rohrförmigen Körpers ist vorteilhaft eine Knudsen-Strömung oder eine laminare Strömung vorhanden.
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Im Bereich des Einlasses der Vakuumpumpe ist üblicherweise eine molekulare Strömung vorhanden.
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Am Einlass ist üblicherweise ein Druck von weniger als 0,1 hPa (Hektopascal) vorgesehen, während am Auslass ein Druck von mehr als 0,1 hPa vorhanden ist. Vorteilhaft ist am Einlass ein Druck von weniger als 0,001 hPa vorgesehen.
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Hierdurch ist gewährleistet, dass trotz eines am Einlass üblichen Druckes am Auslass eine relativ kleine Vorvakuumpumpe angeschlossen werden kann.
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Die Vorpumpe kann mittelbar oder unmittelbar mit dem Auslass verbunden sein. Es besteht beispielsweise auch die Möglichkeit, den Auslass über ein Zwischenvolumen mit der Vorpumpe zu verbinden. Das bedeutet, dass der Auslass in das Zwischenvolumen ausstößt und die Vorpumpe bei Bedarf das Zwischenvolumen evakuiert. Erfindungsgemäß ist am Auslass ein Druck vorgesehen, der geringer als der Atmosphärendruck ist. Dies kann, wie schon ausgeführt, ein Rezipient mit einem niedrigeren Druck sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Auslass als ein im 90°-Winkel zur Längsachse der Vakuumpumpe angeordneter Auslass ausgebildet.
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Ein Auslass im 90°-Winkel hat sich als besonders vorteilhaft und effektiv herausgestellt.
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Der Auslass ist vorteilhaft im Bereich einer Knudsen-Strömung angeordnet. Der Übergang von der viskosen Strömung zur molekularen Strömung wird Knudsen-Strömung genannt. Die Knudsen-Strömung herrscht im Feinvakuumgebiet (10-3 bis 1 Hektopascal (hPa)) vor. Da das Gas radial nach außen stärker verdichtet wird, tritt der erfinderische Effekt besonders bei laminaren Strömungen auf. Der Effekt tritt jedoch auch schon im Bereich der Knudsen-Strömung auf.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Innenwand des Hohlzylinders eine pumpaktive Struktur auf. Diese pumpaktive Struktur wirkt dahingehend, dass das in der Vakuumpumpe in dem Hohlzylinder vorhandene Gas schneller und effektiver in Rotation versetzt wird.
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Die pumpaktive Struktur kann beispielsweise in Form von Rillen ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, die Innenwand des Hohlzylinders rau auszubilden. Andere pumpaktive Strukturen können ebenfalls vorgesehen sein.
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Die Öffnung am Ende des wenigstens einen rohrförmigen Körpers ist vorteilhaft parallel zur Längsachse des Hohlzylinders ausgerichtet, das heißt die Öffnung ist vorteilhaft auch parallel zur Innenwand des Hohlzylinders ohne Berücksichtigung der Krümmung der Innenwand des Hohlzylinders ausgerichtet. Hierdurch ist gewährleistet, dass im Bereich des höchsten Druckes in dem Hohlzylinder das Gas von dem rohrförmigen Körper aufgenommen wird. Man nimmt den Druck radial so weit wie möglich außen ab und verbindet den rohrförmigen Körper mit dem Vorvakuumbereich.
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Vorteilhaft ist der Hohlzylinder mittels wenigstens eines Lagers drehbar in dem Gehäuse gelagert. Die Lagerung kann als Kugellager und/oder Magnetlager oder dergleichen ausgebildet sein.
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Sind mehrere rohrförmige Körper mit ihren Enden in dem Hohlzylinder angeordnet, werden diese vorteilhaft zu einem einzigen Auslass zusammengeführt. Die Zusammenführung kann innerhalb des Hohlzylinders oder außerhalb des Hohlzylinders in dem Gehäuse vorgesehen sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe nur beispielhaft dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine zum Stand der Technik gehörende Turbomolekularpumpe;
- 2 eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe im Querschnitt;
- 3 ein geändertes Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Turbomolekularpumpe 1 mit einem Flansch 4, der lösbar an einem Flansch einer zu evakuierenden Kammer (nicht dargestellt) befestigt ist. Durch eine Ansaugöffnung 6 wird Gas in die Pumpe 1 eingesaugt und durch einen Auslass 8 ausgestoßen. Im Gehäuse 2 sind Rotor 10 und Stator 20 angeordnet, durch deren Zusammenwirken die Förderwirkung erreicht wird.
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Der Rotor 10 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 14, 16, 18 einen aus einer Mehrzahl von Schaufeln bestehenden Schaufelkranz besitzt. Die Welle 12 wird hochvakuumseitig durch ein Permanentmagnetlager 40 und vorvakuumseitig durch ein Wälzlager 42 drehbar unterstützt. Ein Antrieb 44 setzt den Rotor 10 in schnelle Drehung von einigen 10.000 Umdrehungen in der Minute.
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Der Stator 20 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 voneinander beabstandet und mit den Rotorscheiben 14, 16, 18 alternierend angeordnet. Die Statorscheiben 24, 26, 28 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. Der Rotor kann anstelle von Scheiben auch in im Stand der Technik bekannter Glockenbauweise gebaut sein. Zudem können beide Lager vorvakuumseitig angeordnet sein.
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Der Auslass 8, der vorvakuumseitig angeordnet ist, ist in axialer Richtung gesehen in Richtung Vorvakuumseite nach der letzten Statorscheibe angeordnet. Darüber hinaus ist der Auslass 8 mit einer Öffnung 22, die ebenfalls ausgerichtet ist, in Richtung der Statorscheibe 24 angeordnet.
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Damit wird bei dieser zum Stand der Technik gehörenden Vakuumpumpe mit der letzten Rotorscheibe 14 ein Druck erzeugt, der sich durch die Statorscheibe 24 in Richtung Vorvakuumauslass 8 gleichmäßig erstreckt. Der Abgriff erfolgt im Bereich 36, das heißt an den Rotorscheiben 14 radial innenliegend dort, wo der niedrigste Druck vorherrscht, so dass an dem Vorvakuumanschluss 8 eine relativ große Vorpumpe mit einer hohen Pumpleistung angeschlossen werden muss.
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2 zeigt eine Vakuumpumpe 100 mit einem Einlass 102, der einen Flansch 103 zum Anschluss an eine Vakuumkammer (nicht dargestellt) trägt.
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Die Vakuumpumpe 100 weist darüber hinaus ein Gehäuse 104 auf. In dem Gehäuse 104 ist ein rotierender Hohlzylinder 105 angeordnet. Der Hohlzylinder 105 wird von einer Welle 106 getragen. Die Welle 106 wiederum ist in Kugellagern 107 drehbar gelagert. Angetrieben wird die Welle 106 von einem Rotor 108. Der Hohlzylinder 105 ist in Richtung des Einlasses 102 offen ausgebildet. Das in Richtung Welle 106 gelegene Ende des Hohlzylinders 105 kann geschlossen mit einer Wand 109, beispielsweise in Form eines Deckels ausgebildet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, diese Seite des Hohlzylinders 105 offen zu gestalten und eine Nabenkonstruktion zur Verbindung des Hohlzylinders 105 mit der Welle 106 vorzusehen.
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In der Vakuumpumpe 100 ist ein rohrförmiger Körper 110 angeordnet, dessen erstes Ende 111 in dem Hohlzylinder 105 angeordnet ist. Das Ende 111 des rohrförmigen Körpers 110 ist näher an einer Innenwand 112 des Hohlzylinders 105 angeordnet als an einer Längsachse L des Hohlzylinders 105. Das bedeutet, die Öffnung 111 ist in der Nähe der Innenwand 112 des Hohlzylinders 105 angeordnet. Die Öffnung 111 ist parallel zu der Längsachse L und damit parallel zu der Innenwand des Hohlzylinders 105 ausgerichtet.
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Der rohrförmige Körper 100 wird aus dem Hohlzylinder 105 herausgeführt. Ein zweites Ende 113 des rohrförmigen Körpers 110 führt aus dem Gehäuse 102 der Vakuumpumpe 100 heraus. Dieses zweite Ende 113 ist als Auslass ausgestaltet. An dem Auslass 113 kann eine Vorvakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossen werden.
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Die Wirkungsweise der Vakuumpumpe 100 ist folgendermaßen:
- Gas strömt in Richtung des Pfeiles A in die Vakuumpumpe 100 und gelangt in den Hohlzylinder 105. Durch die Drehung des Hohlzylinders wird das Gas mitgerissen und in einem Innenraum 114 in dem Hohlzylinder 105 wird das Gas in Rotation versetzt. Hierdurch entsteht ein Druckgradient, das heißt in der Nähe der Längsachse L herrscht der niedrigste Druck vor, während im Bereich nahe der Innenwand 112 der höchste Druck vorherrscht. In dem Druckbereich, in dem rigste Druck vor, während im Bereich nahe der Innenwand 112 der höchste Druck vorherrscht. In dem Druckbereich, in dem der höchste Druck vorherrscht, ist das erste Ende 111 des rohrförmigen Körpers 100 angeordnet. Dort wird der Druck abgenommen und über den rohrförmigen Körper 100 mit einem Vorvakuumbereich verbunden. Hierdurch wird das Druckprofil im Innenraum 114 des Hohlzylinders 105 ausgenutzt.
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Der Druck im Bereich des ersten Endes 111 des rohrförmigen Körpers 100 kann um ein Vielfaches höher sein als im Bereich der Längsachse L.
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Gemäß 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Gemäß 3 ist der rohrförmige Hohlkörper 100 mit zwei Einlässen 111, 115 ausgestaltet. Die Einlässe 111, 115 sind vorteilhaft gleichmäßig über den Umfang des Innenraumes 114 in dem Hohlzylinder 105 verteilt. Beide Einlässe sind parallel zur Längsachse L und damit zur Innenwand 112 des Hohlzylinders 105 ausgebildet. Es können auch noch mehr Einlässe 111, 115 (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um das Gas, welches im Bereich der Einlässe 111, 115 einen deutlich höheren Druck aufweist als im Bereich der Längsachse in Richtung Auslass 113 und damit zu einer Vorvakuumpumpe (nicht dargestellt) zuzuführen.
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Die Innenwand 112 kann pumpaktive Strukturen aufweisen, beispielsweise Rillen oder eine raue Oberfläche, um die Ausbildung der Drehbewegung des Gases in dem Hohlzylinder zu beschleunigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumpumpe
- 2
- Gehäuse
- 4
- Flansch
- 6
- Ansaugöffnung
- 8
- Auslass
- 10
- Rotor
- 12
- Welle
- 14
- vorvakuumseitige Rotorscheibe
- 16
- mittlere Rotorscheibe
- 18
- hochvakuumseitige Rotorscheibe
- 20
- Stator
- 22
- Öffnung
- 24
- vorvakuumseitige Statorscheibe
- 26
- mittlere Statorscheibe
- 28
- hochvakuumseitige Statorscheibe
- 30
- Distanzring
- 32
- Distanzring
- 34
- Distanzring
- 36
- Bereich
- 40
- Permanentmagnetlager
- 42
- Wälzlager
- 44
- Antrieb
- 100
- Vakuumpumpe
- 102
- Einlass
- 103
- Flansch
- 104
- Gehäuse
- 105
- Hohlzylinder
- 106
- Welle
- 107
- Kugellager
- 108
- Motor
- 109
- Wand oder Nabe
- 110
- rohrförmiger Körper
- 111
- erstes Ende des rohrförmigen Körpers 10
- 112
- Innenwand des Hohlzylinders 5
- 113
- zweites Ende des rohrförmigen Körpers 10 (Auslass)
- 114
- Innenraum
- 115
- zweiter Einlass des rohrförmigen Hohlkörpers 10
- A
- Pfeil
- B
- Pfeil
- L
- Längsachse
