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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Siegbahnstufe einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe oder einer Seitenkanalpumpe, mit einem Statororgan und einem Rotororgan, die jeweils eine von zwei einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen aufweisen, wobei zumindest eine dieser pumpaktiven Flächen eine strukturierte Oberfläche umfasst. Sie betrifft ferner eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe oder Seitenkanalpumpe, mit wenigstens einer solchen Siegbahnstufe sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Siegbahnstufe.
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Vakuumpumpen werden in unterschiedlichen technischen Prozessen eingesetzt, um ein für den jeweiligen Prozess notwendiges Vakuum zu erzeugen. Dabei sind die in solchen Vakuumpumpen eingesetzten Siegbahnstufen insbesondere als Pumpstufen und/oder zur Trennung aneinandergrenzender Pumpräume vorgesehen.
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Die bisher bekannten Siegbahnstufen bestehen aus einer planen Rotorscheibe, die einer mit einer Spiralstruktur versehenen Statorscheibe gegenübersteht. Dabei sind die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans bisher stets als ebene, zur Rotorachse senkrechte Flächen ausgeführt. Zur Erzielung der jeweils gewünschten vakuumtechnischen Eigenschaften bzw. zur Erzeugung entsprechender Kanalgrößen der Siegbahnstufe wird die Spiralgeometrie entsprechend variiert. Wird die Spiralgeometrie durch eine Material entfernende Bearbeitung und insbesondere spanend erzeugt, so ergibt sich damit der Nachteil, dass eine jeweilige Spiralnut gegebenenfalls mehrfach beispielsweise mit einem Fräser abgefahren werden muss, um variable Nutquerschnitte zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Siegbahnstufe der eingangs genannten Art anzugeben, die unter Berücksichtigung unterschiedlicher vakuumtechnischer Anforderungen einfacher und entsprechend kostengünstiger herstellbar ist. Zudem sollen eine entsprechend kostengünstiger herstellbare Vakuumpumpe sowie ein geeignetes Verfahren zur Herstellung der Siegbahnstufe der eingangs genannten Art angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Siegbahnstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Siegbahnstufe sowie bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Siegbahnstufe zeichnet sich dadurch aus, dass die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans nicht planar sind.
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Mit einer nicht planaren Ausführung der pumpaktiven Flächen ändert sich auch die Nuthöhe der strukturierten Oberfläche der betreffenden pumpaktiven Fläche, so dass sich für die Einstellung eines jeweiligen erforderlichen Nutquerschnitts neben der Nutbreite ein weiterer Freiheitsgrad ergibt. Zur Berücksichtigung der jeweiligen vakuumtechnischen Anforderungen kann somit anstelle oder zusätzlich zur Nutbreite nunmehr auch die Nuthöhe einer jeweiligen pumpaktiven Oberflächenstruktur entsprechend variiert werden. Eine jeweilige pumpaktive Oberflächenstruktur kann also beispielsweise auch mit einer gleichbleibenden Nutbreite erzeugt werden, was deren Herstellung erheblich vereinfacht.
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Das Statororgan ist vorzugsweise von einem statischen Teil der Vakuumpumpe, zum Beispiel dem Pumpengehäuse oder einer Trennwand, getragen oder dadurch gebildet. Das Rotororgan ist vorzugsweise von der Rotorwelle getragen und insbesondere drehfest an der Rotorwelle angebracht.
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Die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans können insbesondere eine zumindest im Wesentlichen zueinander komplementäre Form besitzen. Dabei kann der zwischen den pumpaktiven Flächen gebildete Spalt beispielsweise über die gleiche Größe aufweisen, alternativ jedoch z.B. auch radial nach außen leicht größer werden.
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Vorteilhafterweise besitzen die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans bezüglich der Rotorachse jeweils eine rotationssymmetrische Form.
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Zumindest eine der pumpaktiven Flächen kann beispielsweise eine konische Form oder eine gewölbte Form besitzen.
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Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Siegbahnstufe besitzen die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans jeweils eine konische Form. Dabei besitzt zweckmäßigerweise die pumpaktive Fläche des Rotororgans eine sich zur pumpaktiven Fläche des Statororgans hin verjüngende konische Form und die pumpaktive Fläche des Statororgans eine sich zur pumpaktiven Fläche des Rotororgans hin erweiternde konische Form. Grundsätzlich ist jedoch auch eine umgekehrte Ausgestaltung der einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen denkbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Siegbahnstufe besitzen die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans jeweils eine gewölbte Form. Dabei besitzt bevorzugt die pumpaktive Fläche des Rotororgans eine zur pumpaktiven Fläche des Statororgans hin gewölbte konvexe Form und die pumpaktive Fläche des Statororgans eine von der pumpaktiven Fläche des Rotororgans weg gewölbte konkave Form. Grundsätzlich ist jedoch auch eine umgekehrte Ausgestaltung der einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen denkbar.
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Vorteilhafterweise besitzt zumindest eine der einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans eine strukturierte Oberfläche mit einer Spiralstruktur. Dabei ist insbesondere von Vorteil, wenn zumindest eine der einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans mit wenigstens einer Spiralnut konstanter Breite versehen ist, wodurch die Herstellung der pumpaktiven Struktur vereinfacht wird.
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Die Anpassung des Nutquerschnitts an die jeweiligen vakuumtechnischen Anforderungen kann im vorliegenden Fall durch eine entsprechende Variation der Ausgestaltung bzw. Krümmung der einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen erfolgen, was unterschiedliche Nuthöhen mit sich bringt, womit unterschiedliche Nutquerschnitte erzielbar sind. Infolge der in einer möglichen Ausgestaltung gleichbleibenden Nutbreite kann eine jeweilige Spirale beispielsweise in einem einzigen Zug gefräst werden.
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Zweckmäßigerweise umfasst nur eine der einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans eine strukturierte Oberfläche, während die andere pumpaktive Fläche zumindest im Wesentlichen glatt ist.
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Dabei umfasst bevorzugt die pumpaktive Fläche des Statororgans eine strukturierte Oberfläche, während die pumpaktive Fläche des Rotororgans zumindest im Wesentlichen glatt ist. Das Rotororgan ist in diesem Fall mit besonders geringem Aufwand herstellbar, wobei gleichzeitig eine sich durch eine Strukturierung ergebende nachteilige Schwächung des Rotororgans vermieden wird. Das Rotororgan ist daher ohne weiteres in der Lage, den während des Betriebs der Vakuumpumpe auftretenden Fliehkraftbelastungen Stand zu halten, ohne dass übermäßige Spannungen auftreten, die die Betriebssicherheit der Vakuumpumpe verringern würden. Ferner wird eine durch das Rotororgan hervorgerufene Unwucht des Rotors durch eine zumindest im Wesentlichen glatte Ausgestaltung der pumpaktiven Oberfläche des Rotororgans weitestgehend vermieden.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Turbomolekularpumpe oder Seitenkanalpumpe handeln kann, zeichnet sich dadurch aus, dass sie zumindest eine erfindungsgemäße Siegbahnstufe umfasst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Siegbahnstufe einer Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe oder einer Seitenkanalpumpe, zeichnet sich entsprechend dadurch aus, dass ein Statororgan und ein Rotororgan bereitgestellt werden, die jeweils eine von zwei einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen aufweisen, zumindest eine dieser pumpaktiven Flächen mit einer strukturierten Oberfläche versehen wird und die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans nicht planar ausgestaltet werden.
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Dabei werden die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans bevorzugt mit einer zumindest im Wesentlichen zueinander komplementären Form ausgestaltet.
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Vorteilhafterweise werden die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen des Statororgans und des Rotororgans jeweils mit einer konischen Form oder jeweils mit einer gewölbten Form ausgestaltet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer mit einer Spiralstruktur versehenen flachen Statorscheibe einer herkömmlichen Siegbahnstufe nach dem Stand der Technik, und
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2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Siegbahnstufe.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine mit einer Spiralstruktur 10 versehene flache Statorscheibe 12 einer herkömmlichen Siegbahnstufe, die überdies aus einer dieser Statorscheibe gegenüberstehenden (nicht dargestellten) planaren Rotorscheibe besteht. Die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen der Statorscheibe 12 und der Rotorscheibe der bekannten Siegbahnstufe sind jeweils eben und senkrecht zur Rotorachse ausgeführt. Soll die Spiralgeometrie beispielsweise spanend erzeugt werden, so muss eine jeweilige Spiralnut gegebenenfalls mehrfach mit einem Fräser abgefahren werden, um sich verengende oder aufweitende Nutquerschnitte zu erzielen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Siegbahnstufe 14. Eine solche Siegbahnstufe 14 kann in einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe oder einer Seitenkanalpumpe, beispielsweise als Pumpstufe und/oder zur Absperrung zwischen zwei Pumpenräumen vorgesehen sein.
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Die Siegbahnstufe 14 umfasst ein Statororgan 16 und ein Rotororgan 18, die jeweils eine von zwei einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen 20, 22 aufweisen.
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Das Statororgan 16 kann insbesondere von einem statischen Teil der Vakuumpumpe, zum Beispiel dem Pumpengehäuse oder einer Trennwand, getragen oder dadurch gebildet sein. Das Rotororgan 18 kann insbesondere von einer Rotorwelle 24 getragen und insbesondere drehfest an der Rotorwelle 24 angebracht sein.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die pumpaktive Fläche 20 des Statororgans 16 eine strukturierte Oberfläche 30, während die pumpaktive Fläche 22 des Rotororgans 18 glatt ist, wobei unter "glatt" hier relativ zu der Strukturierung der Oberfläche 30 zu verstehen, d.h. insofern die Fläche 22 des Rotororgans 18 nicht strukturiert ist. Grundsätzlich sind jedoch auch solche Ausführungen denkbar, bei denen alternativ oder zusätzlich die pumpaktive Fläche 22 des Rotororgans 18 eine solche strukturierte Oberfläche 30 umfasst.
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Wie anhand der 2 zu erkennen ist, sind die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen 20, 22 des Statororgans 16 und des Rotororgans 18 nicht planar.
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Dabei besitzen diese einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen 20, 22 des Statororgans 16 und des Rotororgans 18 eine zumindest im Wesentlichen zueinander komplementäre Form. Die Höhe des zwischen diesen pumpaktiven Flächen 20, 22 gebildeten Spaltes 26 kann radial nach außen hin beispielsweise auch leicht zunehmen, d.h. der Spalt 26 muss nicht überall die gleiche Höhe besitzen, wobei eine solche Ausgestaltung aber möglich ist.
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Wie der 2 ebenfalls entnommen werden kann, besitzen die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen 20, 22 des Statororgans 16 und des Rotororgans 18 bezüglich der Rotorachse 28 jeweils eine rotationssymmetrische Form.
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Wie dargestellt, können die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen 20, 22 des Statororgans 16 und des Rotororgans 18 jeweils eine insbesondere konische Form besitzen, wobei im vorliegenden Fall die pumpaktive Fläche 22 des Rotororgans 18 eine sich zur pumpaktiven Fläche 20 des Statororgans 16 hin verjüngende konische Form und die pumpaktive Fläche 20 des Statororgans 16 eine sich zur pumpaktiven Fläche 22 des Rotororgans 18 hin erweiternde konische Form besitzt.
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Es ist jedoch beispielsweise auch eine solche Ausführung der Siegbahnstufe denkbar, bei der die einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen 20, 22 des Statororgans 16 und des Rotororgans 18 jeweils eine gewölbte Form besitzen, wobei beispielsweise die pumpaktive Fläche 22 des Rotororgans 18 eine zur pumpaktiven Fläche 20 des Statororgans 16 hin gewölbte konvexe Form und die pumpaktive Fläche 20 des Statororgans 16 eine von der pumpaktiven Fläche 22 des Rotororgans 18 weg gewölbte konkave Form besitzen kann.
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Die pumpaktive Fläche 20 des Statororgans 16 besitzt eine Spiralstruktur, die im vorliegenden Fall beispielsweise wenigstens eine Spiralnut 32 konstanter Breite umfasst.
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Durch eine entsprechende nicht planare Ausgestaltung der einander gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen 20, 22 des Statororgans 16 und des Rotororgans 18 kann der Nutquerschnitt der strukturierten Oberfläche 30 bzw. der Spiralstruktur an die jeweiligen vakuumtechnischen Anforderungen angepasst werden, obwohl die Nutbreite im Verlauf einer jeweiligen Spirale gleich bleibt, womit diese beispielsweise mit einem Fräswerkzeug in einem Zug gefräst werden kann.
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Während die dem Statororgan 16 zugewandte pumpaktive Fläche 22 des Rotororgans 18 eine sich zum Statororgan 16 hin verjüngende konische Form besitzt, ist die vom Statororgan 16 abgewandte Stirnseite 34 des Rotororgans 18 eben und zur Rotorachse 28 senkrecht orientiert. Damit ergibt sich eine spannungstechnisch optimale Bauweise des Rotororgans 18.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spiralstruktur
- 12
- Statorscheibe
- 14
- Siegbahnstufe
- 16
- Statororgan
- 18
- Rotororgan
- 20
- pumpaktive Fläche
- 22
- pumpaktive Fläche
- 24
- Rotorwelle
- 26
- Spalt
- 28
- Rotorachse
- 30
- strukturierte Oberfläche
- 32
- Spiralnut
- 34
- Stirnseite
