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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Molekularpumpenstufe (auch als Molekular-Drag-Stufe bezeichnet) für eine Turbomolekularpumpe, eine Turbomolekularpumpe und ein Verfahren.
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Eine Turbomolekulardragpumpe enthält eine oder mehrere Pumpstufen in Form einer abwechselnden Anordnung von Statorelementen (Statorblätter), zwischen welchen Rotorelemente (Rotorblätter) mit einer Geschwindigkeit laufen, die vergleichbar mit der thermischen Geschwindigkeit der Moleküle sein kann. Jede Pumpstufe kann ein Rotorelement und ein Statorelement in Serie aufweisen. Turbomolekular-Pumpstufen sind in Serie mit Molekular-Dragstufen angeordnet, die zum Beispiel auf Basis des Siegbahn-Pumpmechanismus arbeiten.
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Zusammenstöße von Gasmolekülen mit den Rotorelementen bewirken einen Impulsübertrag von der schnell bewegten Oberfläche direkt auf die Gasmoleküle, wodurch die Gaspartikel von einem Einlass der Pumpe zu einem Auslass gepumpt werden. Insbesondere was die Drag-Stufen betrifft, basiert der Pumpmechanismus auf einem „Drag“-Effekt, der auf die Gasmoleküle einwirkt, die entlang einiger Pumpkanäle fließen, die an dem gedrehten oder gefrästen Statorelement vorgesehen sind. Dies erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Fluss-Regimes (molekulares Regime, Übergangsregime, sowie unter bestimmten Bedingungen viskoses Regime), die sich im Inneren der Turbomolekularpumpe ausbilden. Es gibt unterschiedliche Typen von Drag-Mechanismen, zum Beispiel den Siegbahn-Pumpmechanismus, den Gaede-Pumpmechanismus und den Holweck-Pumpmechanismus. Der Siegbahn-Pumpmechanismus basiert auf einem scheibenförmigen Laufrad und einer variablen Anzahl spiralförmiger Kanäle, die an dem Statorelement ausgebildet werden, wobei parallel in Zentrifugal- und Zentripetalrichtung gepumpt werden kann. Bei dem Gaede-Pumpmechanismus rotiert eine Scheibe bei hoher Geschwindigkeit im Inneren einer Umhüllung, wodurch ein Toroid-Kanal mit rechteckigem Querschnitt gebildet wird. Bei dem Holweck-Pumpmechanismus hat das Laufrad die Gestalt einer Trommel, wohingegen das Statorelement mit parallelen helikalen Nuten ausgebildet ist, getrennt durch Flügel.
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EP 1 361 366 A2 offenbart eine Pumpstufe für eine Vakuumpumpe mit einer Geometrie, die es ermöglicht, einen Kompromiss zwischen dem Abgasdruck und der in dieser Stufe erreichten Pumprate zu erreichen. Die Pumpstufe ist dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausdehnung oder Höhe des Pumpkanals entlang des Umfangs des genannten Kanals zwischen dem Einlassanschluss und dem Auslassanschluss variiert.
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GB 2,589,151 offenbart eine molekulare Schlepppumpvorrichtung aus einem Rotor und einem Stator, der in der Nähe des Rotors montiert ist, wobei eine Seite des Rotors einer Seite des Stators zugewandt ist. Mindestens einer der Statoren oder Rotoren enthält mindestens einen offenen Kanal auf der Seite des Stators oder Rotors, die dem anderen zugewandt ist. Die gegenüberliegenden Seiten des Rotors und des Stators umfassen jeweils mindestens eine Stufe. Eine Dicke des Rotors in einer Richtung parallel zur Achse kann schrittweise in radialer Richtung von einem zentralen Teil des Rotors zu einer peripheren Kante des Rotors abnehmen. Eine Dicke des Stators in einer Richtung parallel zur Achse kann schrittweise in radialer Richtung von einem zentralen Teil des Stators zu einer peripheren Kante des Stators zunehmen.
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Allerdings sind herkömmliche Turbomolekularpumpen mit hoher Pumpeffizienz aufwendig in der Herstellung.
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OFFENBARUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Turbomolekularpumpe bereitzustellen, die eine hohe Pumpeffizienz hat und mit geringem Aufwand herstellbar ist. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Molekularpumpenstufe (die auch als Molekular-Dragstufe bezeichnet werden kann) für eine Turbomolekularpumpe (die auch als Turbomolekulardragpumpe bezeichnet werden kann) zum Abführen von Medium aus einem zu evakuierenden Raum geschaffen, wobei die Molekularpumpenstufe ein Statorelement (d.h. ein im Betrieb der Turbomolekularpumpe statisches oder unbewegtes Element in Fluidkommunikation mit dem zu pumpenden Medium) und ein Rotorelement (d.h. ein im Betrieb der Turbomolekularpumpe rotierend oder drehend bewegtes Element in Fluidkommunikation mit dem zu pumpenden Medium) aufweist, wobei zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement mindestens ein Kanal gebildet ist, entlang welchem während Rotierens des Rotorelements abzuführendes Medium aus dem zu evakuierenden Raum in einen Auslass abführbar ist, und wobei mindestens eine Diskontinuität (d.h. mindestens ein physisches Strukturmerkmal, an dem sich die Querschnittsfläche des Kanals abrupt oder sprunghaft und somit diskontinuierlich ändert) zum diskontinuierlichen (d.h. zum abrupten oder sprunghaften) Reduzieren einer Querschnittsfläche des mindestens einen Kanals entlang einer Flussrichtung des abzuführenden Mediums gebildet ist.
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Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Turbomolekularpumpe zum Abführen von Medium (insbesondere Gas) aus einem zu evakuierenden Raum (insbesondere einer angeschlossenen Applikation) geschaffen, wobei die Turbomolekularpumpe einen Einlassabschnitt zum Anschließen an den zu evakuierenden Raum und mindestens eine Molekularpumpenstufe (insbesondere eine Mehrzahl von Molekularpumpenstufen) mit den oben beschriebenen Merkmalen in Fluidkommunikation mit dem Einlassabschnitt aufweist.
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Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Herstellen einer Molekularpumpenstufe für eine Turbomolekularpumpe zum Abführen von Medium aus einem zu evakuierenden Raum geschaffen, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines Statorelements, ein Bereitstellen eines Rotorelements, ein Bilden mindestens eines Kanals zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement, entlang welchem während Rotierens des Rotorelements abzuführendes Medium aus dem zu evakuierenden Raum in einen Auslass abführbar ist, und ein Bilden mindestens einer Diskontinuität zum diskontinuierlichen Reduzieren einer Querschnittsfläche des mindestens einen Kanals entlang einer Flussrichtung des abzuführenden Mediums aufweist.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird eine Molekularpumpenstufe für eine Turbomolekularpumpe bereitgestellt, die eine hohe Pumpeffizienz mit einem geringen Herstellungsaufwand kombiniert. Bei einer solchen Molekularpumpenstufe kann zwischen einem im Betrieb ortsfest verbleibenden Statorelement und einem im Betrieb drehenden Rotorelement ein oder mehrere Kanäle zum Führen von abzupumpendem Gas gebildet sein. Vorteilhaft kann eine oder können mehrere Diskontinuitäten (zum Beispiel eine oder mehrere Stufen an einer Begrenzungswand des Kanals) an der Molekularpumpenstufe gebildet sein. Diese können bevorzugt so ausgebildet sein, dass sie zu einer diskontinuierlichen Verringerung einer Querschnittsfläche des Kanals entlang einer Flussrichtung des zu pumpenden Gases führen. Eine solche Ausgestaltung einer Molekularpumpenstufe hat Vorteile: Zum einen bewirkt die Verringerung der Querschnittsfläche des Kanals in Flussrichtung des zu pumpenden Gases anschaulich eine verstärkte Kompression des zu pumpenden Gases und dadurch eine Erhöhung der Pumpeffizienz. Gleichzeitig ist eine diskontinuierliche Kanalquerschnittsverringerung (in einer Stromabwärts-Richtung) durch Bilden einer Stufe oder dergleichen an einer Kanalwand herstellungstechnisch einfach zu bewerkstelligen, zum Beispiel mittels Fräsens. Ein solches diskontinuierliches Strukturmerkmal kann somit mit wesentlich geringerem Fertigungsaufwand ausgebildet werden als eine kontinuierliche Verjüngung eines Kanals. Auf diese Weise gelingt es exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung, eine hocheffiziente Turbomolekularpumpe bereitzustellen, die simultan in einfacher Weise hergestellt werden kann.
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Im Weiteren werden weitere Ausgestaltungen der Molekularpumpenstufe, der Turbomolekularpumpe und des Verfahrens beschrieben.
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Besagte Querschnittsfläche kann sich quer (insbesondere senkrecht oder orthogonal) zu einer Flussrichtung des abzuführenden Mediums erstrecken. Die schlagartige, abrupte, unstetige und/oder sprunghafte Verringerung der Querschnittsfläche des Kanals in Gas-Flussrichtung kann eine Schnittstelle zwischen unmittelbar aneinandergrenzenden Kanalabschnitten bilden, von denen jeder eine konstante Querschnittsfläche haben kann. In Flussrichtung passiert das abzuführende Medium nacheinander Kanalabschnitte mit stufenweise abnehmender Querschnittsfläche.
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Die Flussrichtung des abzuführenden Mediums entlang einem jeweiligen Kanal zwischen einem Rotorelement und einem Statorelement einer Molekularpumpenstufe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zentripetal (d.h. von außen nach innen oder von der Peripherie zum Zentrum laufend) oder zentrifugal (d.h. von innen nach außen oder vom Zentrum zur Peripherie laufend) erfolgen. In Flussrichtung entlang des Kanals kann sich die Kanalquerschnittsfläche aber an einer oder mehreren Stellen diskontinuierlich verkleinern und sich somit der Kanal stufig verengen. Die Reduzierung der Querschnittsfläche des Kanals an einer jeweiligen Diskontinuität kann insbesondere durch Reduzierung der Kanalhöhe und/oder durch Reduzierung der Kanalbreite an der Diskontinuität erfolgen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die mindestens eine Diskontinuität mindestens eine Stufe aufweisen. Eine solche Stufe kann einen rechtwinkligen Übergang oder einen Übergang mit einem größeren oder kleineren Winkel als 90° zwischen zwei Kanalflächen ausbilden. Eine Stufe kann eine äußere Kante und eine innere Kante an dem Kanal generieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die mindestens eine Diskontinuität in axialer Richtung ausgebildet sein. Unter der axialen Richtung kann hierbei eine Achse der Turbomolekularpumpe verstanden werden, welche auch eine Drehachse für das Rotorelement der Molekularpumpenstufe bildet. Eine Diskontinuität, insbesondere eine Stufe, in axialer Richtung kann sich beispielsweise von einem horizontalen Wandabschnitt zum Begrenzen des Kanals aus in vertikaler Richtung erstrecken und in einen anderen, auf einer anderen Höhe liegenden horizontalen Wandabschnitt zum Begrenzen des Kanals münden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die mindestens eine Diskontinuität in radialer Richtung ausgebildet sein. Unter einer radialen Richtung kann hierbei eine Richtung in einer Ebene senkrecht zu einer Drehachse der Turbomolekularpumpe zum Drehen des Rotorelements der Molekularpumpenstufe verstanden werden, die sich ausgehend von der Drehachse nach außen erstreckt. Eine radiale Richtung kann sich ausgehend von der Drehachse in Richtung eines Umfangs eines beispielsweise scheibenförmigen Rotorelements erstrecken. Somit kann die insbesondere als Stufe ausgebildete Diskontinuität insbesondere in einer umfänglichen Wandungsfläche der Molekularpumpenstufe gebildet sein, beispielsweise als Stufe in einer vertikalen Seitenwand.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die mindestens eine Diskontinuität in einer Bodenwand des mindestens einen Kanals ausgebildet sein. Eine solche Diskontinuität in einer Bodenwand kann in einfacher Weise beim Ausbilden des Kanals, beispielsweise mittels Fräsens einer gekrümmten Vertiefung in der Bodenwand durch diskontinuierliches Absenken oder Anheben des Fräswerkzeugs, gebildet werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die mindestens eine Diskontinuität in einer Seitenwand des mindestens einen Kanals ausgebildet sein. Auch eine in einer Seitenwand zur Kanalbegrenzung ausgebildete Diskontinuität, zum Beispiel Stufe, kann durch spanende Bearbeitung des Statorelements oder des Rotorelements der Molekularpumpenstufe in einfacher Weise hergestellt werden, beispielsweise mittels Fräsens.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die mindestens eine Diskontinuität an dem Statorelement und/oder an dem Rotorelement gebildet sein. Bevorzugt wird die Diskontinuität an dem Statorelement gebildet, um die Geometrie des drehenden Rotorelements besonders einfach zu halten. Auch eine Ausbildung einer Diskontinuität an einem Rotorelement ist möglich. Es ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ebenfalls möglich, sowohl das Rotorelement als auch das Statorelement mit mindestens einer Diskontinuität zum Verringern einer Querschnittsfläche eines gasführenden Kanals in einer Strömungsrichtung des zu pumpenden Mediums zu versehen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der mindestens eine Kanal in Umfangsrichtung gekrümmt sein. Zum Beispiel kann der Kanal in Umfangsrichtung als Ringsegment (zum Beispiel C-förmig) mit an einer oder mehreren Stellen sprunghaft veränderter Dimension ausgebildet sein, insbesondere an einem scheibenförmigen Statorelement. Es ist auch möglich, einen oder bevorzugt mehrere spiralförmige Kanäle auszubilden, insbesondere an einem scheibenförmigen Statorelement.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement genau ein Kanal, d.h. ein einziger Kanal, mit der mindestens einer Diskontinuität gebildet sein. Eine solche Anordnung kann zum Beispiel bei Realisierung der Molekularpumpenstufe als Gaede-Stufe vorteilhaft sein.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement eine Mehrzahl von (insbesondere spiralförmigen) Kanälen gebildet sein, von denen jeder mit mindestens einer Diskontinuität versehen sein. Die Kanäle können um einen gemeinsamen Mittelpunkt herum angeordnet sein und unterschiedliche Radien aufweisen. Eine solche Anordnung kann zum Beispiel bei Realisierung der Molekularpumpenstufe als Siegbahn-Stufe vorteilhaft sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Statorelement (insbesondere eingangsseitig und/oder ausgangsseitig) ein Durchgangsloch zum Durchführen von abzuführendem Medium aufweisen. Mittels eines solchen Durchgangslochs kann abzuführendes Medium zwischen unterschiedlichen, seriell angeordneten Molekularpumpenstufen der Turbomolekularpumpe überführt werden. Insbesondere kann die Turbomolekularpumpe eine Mehrzahl serieller Molekularpumpenstufen mit den beschriebenen Merkmalen aufweisen, insbesondere mit mindestens einer einen Kanalquerschnitt abrupt verringernden Diskontinuität pro Molekularpumpenstufe. Beispielsweise kann ein eingangsseitiges Durchgangsloch eine größere Lochfläche als ein ausgangsseitiges Durchgangsloch aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der mindestens eine Kanal abseits der mindestens einen Diskontinuität entlang einer Flussrichtung des abzuführenden Mediums verjüngungsfrei sein. Aufgrund des Vorsehens von einer oder mehreren diskontinuierlichen Kanalverengungen in Gasflussrichtung zum Erhöhen der Pumpeffizienz durch Kompression des zu pumpenden Mediums beim Durchströmen des jeweiligen Kanals kann es mit Vorteil entbehrlich sein, jenseits der Diskontinuität(en) den Kanal kontinuierlich zu verjüngen. Zwar hätte eine solche Verjüngung ebenfalls einen vorteilhaften Effekt in Hinblick auf die Erhöhung der Pumpeffizienz, ist aber herstellungstechnisch extrem aufwendig. Mittels der diskontinuierlichen Kanalverengung gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung können beide Vorteile, d.h. einfache Fertigbarkeit und hohe Pumpeffizienz, synergistisch vereint werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Molekularpumpenstufe ein weiteres Statorelement aufweisen, wobei zwischen dem weiteren Statorelement und dem Rotorelement mindestens ein weiterer Kanal gebildet ist, entlang welchem während Rotierens des Rotorelements abzuführendes Medium aus dem zu evakuierenden Raum in einen Auslass abführbar ist, und wobei mindestens eine weitere Diskontinuität zum diskontinuierlichen Reduzieren einer Querschnittsfläche des mindestens einen weiteren Kanals entlang einer Flussrichtung des abzuführenden Mediums gebildet ist. Somit können zwei Statorelemente beidseitig eines dazwischen angeordneten Rotorelements mit einer jeweiligen Diskontinuität zur Kanalverengung oberhalb und unterhalb des Rotorelements ausgestattet sein. Dies verbessert die Pumpeffizienz weiter und erlaubt eine einfache Herstellung der Turbomolekularpumpe.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Molekularpumpenstufe als Gaede-Molekularpumpenstufe ausgebildet sein. Entsprechende Ausführungsbeispiele sind in 2, 3 und 5 bis 9 dargestellt. Eine Gaede-Molekularpumpenstufe kann eine Pumpenstufe einer Molekularpumpe vom Typ einer Scheibe bezeichnen. Ein zugehöriges Statorelement kann mit einer Ringsegmentnut versehen sein, wohingegen das Rotorelement eine Scheibe sein kann.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Molekularpumpenstufe als Siegbahn-Molekularpumpenstufe ausgebildet sein. Eine entsprechende Ausführungsform zeigt 4. Eine Siegbahn-Molekularpumpenstufe kann eine Pumpenstufe einer Molekularpumpe vom Typ einer Scheibe bezeichnen. Ein zugehöriges Statorelement kann mit Spiralnuten versehen sein, wohingegen das Rotorelement eine Scheibe sein kann. Die Spiralnuten können auch an beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen des Statorelements ausgebildet sein.
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Es ist auch möglich, die Molekularpumpenstufe als Holweck-Molekularpumpenstufe auszubilden, wobei dann an mindestens einer hohlzylindrischen Rotor- und/oder Statorstruktur mindestens eine Diskontinuität zum sprunghaften Reduzieren einer Kanalquerschnittsfläche entlang einer Flussrichtung des Mediums vorgesehen werden kann. Bei einer Holweck-Molekularpumpenstufe kann mindestens ein rotierender Zylinder mit Spiralnuten vorgesehen sein, die Gas von der Hochvakuumseite der Pumpe auf die Niedervakuumseite der Pumpe leiten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Turbomolekularpumpe mindestens eine Turbomolekularstufe (die auch als Turbomolekular-Pumpstufe bezeichnet werden kann), insbesondere eine Mehrzahl von Turbomolekularstufen, zwischen dem Einlassabschnitt und der mindestens einen Molekularpumpenstufe aufweisen. Bevorzugt kann die Molekularpumpe eine Mehrzahl von Turbomolekularstufen aufweisen, die seriell an den Einlassabschnitt angeschlossen sein können. An die Turbomolekularstufen können sich dann mehrere Molekularpumpenstufen anschließen, die mit den oben beschriebenen Merkmalen (insbesondere einer in Pumprichtung flusskanalquerschnittsreduzierenden Diskontinuität) realisiert sein können. Im Bereich der Turbomolekularstufen kann der Gasdruck kleiner sein als im Bereich der Molekularpumpenstufen.
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Figurenliste
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Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
- 1 zeigt einen Querschnitt einer Turbomolekularpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt ein Statorelement einer Molekularpumpenstufe einer Turbomolekularpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt eine Molekularpumpenstufe einer Turbomolekularpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4 zeigt ein Statorelement einer Molekularpumpenstufe einer Turbomolekularpumpe gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5 bis 9 zeigen unterschiedliche Ansichten einer Molekularpumpenstufe einer Turbomolekularpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
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Schleppstufen (oder Molekularstufen bzw. Molekularpumpstufen) können in Turbomolekularpumpen integriert sein, um das Hochdruckverhalten zu verbessern. Eine Verjüngung eines Kanals entlang einer Flussrichtung des abzupumpenden Gases kann für Gaede-Molekularpumpstufen vorteilhaft sein. Verjüngte Kanäle (in radialer oder axialer Richtung) ermöglichen es nämlich, einen niedrigeren Druck bei gleicher Scheibengeometrie und gleichem maximalen Kanaldurchmesser und gleicher maximaler Kanalhöhe zu erreichen.
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Ein Nachteil einer kontinuierlichen Verjüngung eines Flusskanals einer Molekularstufe ist die Schwierigkeit, die komplizierten Abmessungen eines in Flussrichtung verjüngten Kanals im Rahmen der Herstellung zu entwerfen, zu bearbeiten und zu überprüfen. Ein kontinuierlich verjüngter Kanal einer Molekularpumpenstufe ist aufgrund fertigungstechnischer Schwierigkeiten von der Gestaltung bis zur Überprüfung unpraktikabel.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Molekulardragstufe für eine Turbomolekularpumpe mit diskreter bzw. abrupter Verringerung oder Einschnürung des Kanalquerschnitts in Flussrichtung des abzupumpenden Gases geschaffen. Eine entsprechende Diskontinuität zum Bewerkstelligen der diskontinuierlichen Kanalverengung mittels einer strukturellen Unstetigkeit kann insbesondere in einem Statorelement der Molekulardragstufe implementiert werden.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird somit kein sich in Flussrichtung des abzuführenden Mediums kontinuierlich verjüngender Kanal zum Erreichen einer hohen Effizienz der Turbomolekularpumpe eingesetzt, sondern es wird an einer oder mehreren diskreten Stellen des Kanals eine vorzugsweise stufenförmige Kanalverengung vorgesehen, sodass in Flussrichtung des abzupumpenden Mediums dieses zunächst durch einen Kanalabschnitt einer konstanten ersten Querschnittsfläche und nachfolgend durch einen anderen Kanalabschnitt einer kleineren konstanten zweiten Querschnittsfläche strömt. Dadurch kann ein einfach fertigbarer Kanal für eine jeweilige Scheibe (eines Statorelements und/oder eines Rotorelements) bereitgestellt werden, der aus einer Aneinanderreihung von zwei oder mehr Kanalabschnitten mit unterschiedlichen diskreten Abmessungen und sprunghaften Übergängen zwischen aneinander unmittelbar angrenzenden Kanalabschnitten gebildet werden kann. Die mindestens eine Diskontinuität an einem solchen diskontinuierlichen Übergang kann in axialer und/oder horizontaler Richtung ausgebildet werden. Gemäß Ausführungsbeispielen kann eine solche Geometrie zum Beispiel für eine Gaede-Stufe oder für eine Siegbahn-Stufe erstellt werden.
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Besonders vorteilhaft können exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung für eine Gaede-Schleppstufe und eine Siegbahn-Schleppstufe ausgeführt werden. Beide basieren auf dem Konzept einer Scheibe als Rotorelement, die sich mit hoher Geschwindigkeit relativ zu einem Statorelement dreht. Das Medium (insbesondere Gas) wird vom Einlass zum Auslass gepumpt. Das Statorelement kann einen C-förmigen Kanal bei einer Gaede-Stufe bzw. mehrere spiralförmige Kanäle bei einer Siegbahn-Stufe aufweisen.
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Vorteile einer Molekularpumpenstufe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein einfaches Design, eine einfache Herstellung, eine einfache Überprüfung, eine verbesserte Pumpleistung und eine Fertigbarkeit mit geringem Aufwand.
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Beispielsweise kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schleppstufe für eine Turbomolekularpumpe geschaffen werden, wobei der Kanalquerschnitt des Kanalauslasses kleiner als der Kanalquerschnitt des Kanaleinlasses ist. Ein solcher Kanal kann eine oder mehrere diskrete Stufen in axialer und/oder radialer Richtung aufweisen. Simulationen haben gezeigt, dass ein solches Kanaldesign zu vorteilhaften Pumpeigenschaften führt. Ferner erlaubt ein entsprechendes Kanaldesign eine Fertigung mit geringem Aufwand. Eine Grundidee kann im Bereitstellen einer molekularen Schleppstufe mit einer Stufe im Kanal ohne einen sich kontinuierlich verjüngenden Kanal gesehen werden.
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1 zeigt einen Querschnitt einer Turbomolekularpumpe 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Turbomolekularpumpe 102 hat Turbostufen bzw. Turbomolekularstufen 126 und Drag-Stufen bzw. Molekularpumpenstufen 100. Gemäß 1 sind die Molekularpumpenstufen 100 Siegbahn-Drag-Stufen, sie können stattdessen aber auch Gaede-Drag-Stufen sein (nicht gezeigt).
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Aus der Querschnittansicht der Turbomolekularpumpe 102 gemäß 1 ist ersichtlich, dass diese ein Pumpengehäuse 150 aufweist, an das ein zu evakuierender Raum 116 (im gezeigten Ausführungsbeispiel oberseitig) anschließbar ist. Genauer gesagt weist die Turbomolekularpumpe 102 einen Einlassabschnitt 124 (zum Beispiel aufweisend einen Flansch) zum Anschließen an den zu evakuierenden Raum 116 auf. Die Gasmoleküle (oder allgemeiner Medium genannt) aus dem zu evakuierenden Raum 116 bewegen sich dabei entlang von Zwischenräumen zwischen räumlich an dem Pumpengehäuse 150 fixierten Statorelementen 104 (alternativ kann auch nur ein einziges Statorelement 104 vorgesehen sein) und rotierfähig in dem Pumpengehäuse 150 gelagerten Rotorelementen 106 (alternativ kann auch nur ein einziges Rotorelement 106 vorgesehen sein), um unterseitig aus der Turbomolekularpumpe 100 in einen an einen Auslass 110 angeschlossenen Raum einzutreten. In diesem Raum kann ein Vorvakuum herrschen, welches insbesondere von einer Vorvakuumpumpe (nicht gezeigt) erzeugt werden kann. Unter dem Begriff „Vorvakuum“ wird hierbei insbesondere ein Druck verstanden, der niedriger als ein umgebener Atmosphärendruck ist und welcher der Turbomolekularpumpe 102 bereitgestellt wird, um deren Betriebsweise zu ermöglichen. Die Rotorelemente 106 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an einem rotierfähigen Rotationskörper 152 angeformt.
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Obgleich dies in 1 nicht im Detail dargestellt ist, kann optional zwischen den Turbomolekularstufen 126 und den Molekularpumpenstufen 100 ein weiterer Zwischeneingang (auch als Interstage-Inlet bezeichnet) vorgesehen sein, wie mit Bezugszeichen 156 angedeutet ist. Diese ermöglicht optional ein Abgreifen eines weiteren Drucks mit einem Wert zwischen dem niedrigen Druck an dem zu evakuierenden Raum 116 und einem höheren Druck an dem Auslass 110.
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In 1 sind mehrere Ebenen von Statorelementen 104 gezeigt, die statisch an das statische und im Laborsystem ruhende Pumpengehäuse 150 angeschlossen sind. Die Statorelemente 104 sind im Inneren des Pumpengehäuses 150 angeordnet. Ebenfalls im Inneren des Pumpengehäuses 150 montiert ist jedes der Mehrzahl von drehfähig gelagerten Rotorelementen 106, die durch eine zentrale Welle 154 (siehe rotierfähiger Rotationskörper 152 in 1, der die Welle 154 umgebend und mit dieser mitrotierend ausgebildet ist) in Rotation versetzt werden können, zum Beispiel mit 100 Umdrehungen pro Sekunde. Eine Rotationsachse verläuft gemäß 1 in vertikaler Richtung. Die Rotorelemente 106 und die Statorelemente 104 können zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung gebildet sein. Nach dem an sich bekannten Prinzip einer Turbomolekularpumpe sind die Statorelemente 104 und die Rotorelemente 106 axial alternierend entlang des rotierfähigen Rotationskörpers 152 derart angeordnet, dass aus dem zu evakuierenden Raum 116 abzupumpendes Gas entlang von Kanälen zwischen den Statorelementen 104 und den Rotorelementen 106 entlang einer umlaufenden Trajektorie abgeführt wird.
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Während der Rotation der Rotorelemente 106 wird das Gas von dem zu evakuierenden Raum 116 in Richtung des in 1 dargestellten Auslass 110, das heißt zu dem Vorvakuum, transportiert, um dort aus der Turbomolekularpumpe 102 (die auch als Turbomolekulardragpumpe bezeichnet werden kann) auszutreten.
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Da, wie in 1 gezeigt, die Statorelemente 104 und die Rotorelemente 106 in vertikaler Richtung alternierend bzw. abwechselnd angeordnet sind, wird aus dem zu evakuierenden Raum 116 abzupumpendes Medium entlang der Kanäle zwischen den Statorelementen 104 und den Rotorelementen 106 abgeführt.
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Somit ist die in 1 dargestellte Turbomolekularpumpe 102 zum Erzeugen eines Vakuums in dem zu evakuierenden Raum 116 ausgebildet. Das Pumpengehäuse 150 ist mit einem Flansch als Anschluss zum Anschließen an den zu evakuierenden Raum 116 versehen (siehe Einlassabschnitt 124). Mehrere Statorelemente 104 sowie mehrere Rotorelemente 106 sind in dem Gehäuse 150 vorgesehen.
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In einer jeweiligen Molekularpumpenstufe 100 kann oder können zwischen einem jeweiligen Statorelement 104 und einem hierzu benachbarten Rotorelement 106 ein Kanal oder mehrere Kanäle gebildet sein. Entlang eines jeweiligen solchen Kanals kann während Rotierens des Rotorelements 106 abzuführendes gasförmiges Medium aus dem zu evakuierenden Raum 116 in den Auslass 110 abgeführt werden. Wie bezugnehmend auf 2 bis 9 näher erläutert wird, kann mindestens eine stufenförmige Diskontinuität 112 zum diskontinuierlichen Reduzieren einer Querschnittsfläche des jeweiligen Kanals entlang einer Flussrichtung 114 des abzuführenden Mediums gebildet sein. Dies erhöht die Pumpleistung, ohne den Herstellungsaufwand ungebührlich zu erhöhen. Die Statorelemente 104 bzw. Rotorelemente 106 der Molekularpumpenstufen 100 gemäß 1 können zum Beispiel realisiert sein, wie im Weiteren bezugnehmend auf 2 bis 9 beschrieben ist: Sind die Molekularpumpenstufen 100, wie in 1 gezeigt, Siegbahn-Drag-Stufen, können ihre Statorelemente 104 ausgebildet sein wie in 4 dargestellt. Sind die Molekularpumpenstufen 100 in 1 alternativ Gaede-Drag-Stufen (nicht gezeigt), können sie ausgebildet sein wie in 2, 3 oder 5 bis 9 dargestellt.
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2 zeigt eine räumliche Ansicht eines Statorelements 104 einer Molekularpumpenstufe 100 einer Turbomolekularpumpe 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 zeigt in einer Querschnittsansicht die zugehörige Molekularpumpenstufe 100 einer Turbomolekularpumpe 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Molekularpumpenstufe 100 mit dem Aufbau gemäß 2 und 3 ist als Gaede-Molekularpumpenstufe ausgebildet. Das Statorelement 104 gemäß 2 bildet das gemäß 3 untere Statorelement. Darüber hinaus zeigt 3 noch ein oberes Statorelement 104' und ein Rotorelement 106 zwischen den Statorelementen 104, 104'.
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Wie in 2 und 3 dargestellt, ist zwischen dem Statorelement 104 und dem Rotorelement 106 ein Kanal 108 gebildet, entlang welchem während Rotierens des Rotorelements 106 entlang einer Rotationrichtung 158 abzuführendes Medium aus dem zu evakuierenden Raum 116 in einen Auslass 110 abführbar ist (vergleiche 1). Bezugszeichen 160 in 3 zeigt einen Einlass zum Einlassen des zu pumpenden Mediums in die dargestellte Molekularpumpenstufe 100. Bezugszeichen 168 in 2 zeigt eine Auslassöffnung zum Auslassen des zu pumpenden Mediums, der als Durchgangsloch 118 durch das Statorelement 104 ausgebildet ist. Im Betrieb der Turbomolekularpumpe 100 wird durch Rotation des Rotorelements 106 entlang Rotationsrichtung 158 ein Gasfluss entlang der Flussrichtung 114 generiert. Anschaulich strömt also das Gas entlang des ringsegmentförmigen Kanals 108.
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Wie am besten in 2 erkennbar, sind zwei stufenförmige Diskontinuitäten 112 an einer Begrenzungswand des Kanals 108 gebildet. Diese führen zu einer diskontinuierlichen Verringerung einer Querschnittsfläche des Kanals 108 an der Position der Diskontinuitäten 112 entlang der Flussrichtung 114 des abzuführenden Mediums. Die beiden Diskontinuitäten 112 sind als Stufe 162 zur abrupten Kanalverengung in axialer Richtung bzw. als weitere Stufe 164 zur abrupten Kanalverengung in radialer Richtung ausgebildet. Hierbei entspricht die axiale Richtung der Zentralachse des Rotationskörpers 152, wohingegen die radiale Richtung von einer zentralen Öffnung 166 des Statorelements 104 radial nach außen orientiert ist. Die als Stufe 162 realisierte Diskontinuität 112 ist in einer Bodenwand 120 des den Kanal 108 begrenzenden Statorelements 104 ausgebildet. Hingegen ist die als Stufe 164 realisierte Diskontinuität 112 in einer Seitenwand 122 des den Kanal 108 begrenzenden Statorelements 104 ausgebildet. Beispielsweise kann der Kanal 108 in dem Statorelement 104 durch Bilden einer gekrümmten Nut ausgebildet werden, vorteilhaft mittels Fräsens.
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Wiederum bezugnehmend auf 2 weist das Statorelement 104 einen einzigen C-förmigen Kanal 108 auf, der in Umfangsrichtung gekrümmt ist. Der C-förmige Kanal 108 ist durch einen Dichtsteg 170 abgegrenzt, der auch als Stripper bezeichnet werden kann. Der dargestellte Kanal 108 ist abseits der beiden Diskontinuitäten 112 entlang der Flussrichtung 114 des abzuführenden Mediums verjüngungsfrei. Mit anderen Worten ändert sich ein Kanaldurchmesser in axialer und radialer Richtung nur an den Diskontinuitäten 112 und nur in abrupter bzw. gestufter Weise. Hingegen ist der Durchmesser des Kanals 108 in axialer und radialer Richtung abseits der Diskontinuitäten 112 in den beiden durch die Diskontinuitäten 112 abgegrenzten Kanalabschnitten 172, 174 konstant.
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Wiederum bezugnehmend auf 3 weist die dargestellte Molekularpumpenstufe 100 ein weiteres Statorelement 104' auf, das eine entsprechende Formgebung aufweisen kann wie das zuvor beschriebene und in 2 dargestellte Statorelement 104. Zwischen dem weiteren Statorelement 104' und dem Rotorelement 106 ist ein weiterer Kanal 108' gebildet, entlang welchem während Rotierens des Rotorelements 106 abzuführendes Medium geführt wird. Obgleich dies in 3 nicht dargestellt ist, kann auch der weitere Kanal 108' eine oder mehrere Diskontinuitäten zum diskontinuierlichen Reduzieren einer Querschnittsfläche des mindestens einen weiteren Kanals 108' entlang einer Flussrichtung 114 des abzuführenden Mediums aufweisen (zum Beispiel in der in 2 für das Statorelement 104 gezeigten und beschriebenen Weise).
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Aus 2 ist erkennbar, dass aufgrund der Diskontinuitäten 112 eine Querschnittsfläche der Kanäle 108, 108' im Bereich des Einlasses (Bezugszeichen 160) größer ist als stromabwärts des Einlasses (siehe Kanäle 108, 108' im linken Bereich gemäß 3).
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Die in 2 und 3 dargestellte Gaede-Stufe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat zwei Stufen 162, 164 entlang der Erstreckung des jeweiligen Kanals 108, 108', d.h. an einem oder an beiden Statorelementen 104, 104' (gemäß 3 oben und/oder unten). Die jeweilige Diskontinuität 112 kann in axialer Richtung, radialer Richtung oder sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung gebildet werden. Es ist auch möglich, eine oder mehrere Diskontinuitäten 112 an verschiedenen Winkelpositionen das gekrümmten Kanals 108 bzw. 108' auszubilden. Anschaulich kann das Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 als Gaede-Stufe mit diskreter, nicht-kontinuierlicher Verjüngung bezeichnet werden.
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4 zeigt ein Statorelement 104 einer Molekularpumpenstufe 100 einer Turbomolekularpumpe 102 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in 4 gezeigte Molekularpumpenstufe 100 ist als Siegbahn-Molekularpumpenstufe realisiert.
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Gemäß 4 sind zwischen dem dargestellte Statorelement 104 und dem nicht dargestellten Rotorelement 106 (zum Beispiel ausgebildet als rotierende Scheibe) eine Mehrzahl von spiralförmigen Kanälen 108 unterschiedlicher Durchmesser gebildet. Jeder dieser Kanäle 108 kann mit einer zugehörigen Diskontinuität 112 geformt werden. 4 zeigt stufenförmige Diskontinuitäten 112 an einer jeweiligen Begrenzungswand des jeweiligen Kanals 108. Diese führen zu einer diskontinuierlichen Verringerung einer Querschnittsfläche des jeweiligen Kanals 108 an der Position der jeweiligen Diskontinuität 112 entlang der Flussrichtung 114 des abzuführenden Mediums. Die Diskontinuitäten 112 sind gemäß 4 als Stufen zur abrupten Kanalverengung in axialer Richtung ausgebildet. Die als Stufen realisierten Diskontinuitäten 112 sind an einer jeweiligen Bodenwand 120 des den jeweiligen Kanal 108 begrenzenden Statorelements 104 ausgebildet. Obgleich dies in 4 nicht gezeigt ist, kann alternativ oder ergänzend eine zum Beispiel als Stufe realisierte Diskontinuität in einer Seitenwand 122 des den jeweiligen Kanal 108 begrenzenden Statorelements 104 ausgebildet sein (wie zum Beispiel in 2 dargestellt).
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Bei der dargestellten Siegbahn-Stufe kann somit ein jeweiliger der spiralförmigen Kanäle 108 auf der in 4 gezeigten oberen Hauptfläche des Statorelements 104 mit einer oder mehreren Diskontinuitäten 112 ausgebildet sein, beispielsweise den dargestellten Stufen. Solche Stufen können entlang des Fließweges bzw. in Flussrichtung 114 bevorzugt in axialer Richtung ausgebildet werden, wie in 4 dargestellt. Alternativ oder ergänzend sind solche Stufen auch in radialer Richtung möglich. In dem in 4 dargestellten Fall ist die Strömungsrichtung zentripetal, wobei Stufen oder andere Diskontinuitäten 112 auch in zentrifugalen Siegbahn-Stufen angewendet werden können. Es ist möglich, dass Kanäle 108 mit Diskontinuitäten 112 nur an einer der beiden gegenüberliegenden Hauptflächen des scheibenförmigen Statorelements 104 vorgesehen sind, oder alternativ auf beiden gegenüberliegenden Hauptflächen. Bei einer Siegbahn- Stufe kann auch eine diskrete Verjüngung in horizontaler Richtung hinzugefügt werden, beispielsweise indem eine Diskontinuität 112 in einer kanalbegrenzenden Seitenwand 122 gebildet wird (nicht dargestellt).
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Bei beiden Arten von Schleppstufen, d.h. bei Gaede-Stufen gemäß 2 und 3 oder bei Siegbahn-Stufen gemäß 4 zeigt das Rotorelement 106 keinen Unterschied zu einer herkömmlichen Realisierung und kann zum Beispiel scheibenförmig sein. Obgleich dies nicht dargestellt ist, kann jedoch auch das Rotorelement 106 - alternativ oder ergänzend zu einem zugeordneten Statorelement 104 - mit einer oder mehreren Diskontinuitäten 112 ausgestattet sein, welche die Querschnittsfläche eines jeweiligen Kanals 108 zwischen Rotorelement 106 und Statorelement 104 diskontinuierlich in Flussrichtung des abzupumpenden Mediums verringert. Dies verbessert die Pumpleistung einer Turbomolekularpumpe 102.
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Simulationen zeigen, dass mit diesem Design die Leistungssteigerung sowohl bei Gaede-Stufen als auch bei Siegbahn-Stufen mit nur einer Diskontinuität-Stufe entlang der Kanäle signifikant sein kann, ohne dass eine nennenswerte Erhöhung des Herstellungsaufwands und der Zykluszeit auftritt. Es ist kein zusätzliches Volumen in der Pumpe erforderlich. Mit einer stufigen (statt kontinuierlichen) Kanalverengung können höhere Leistungsanforderungen erfüllt werden, Pumpstufen einfacher ausgebildet werden oder die Pumpe kann kleiner werden.
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5 bis 9 zeigen unterschiedliche Ansichten einer Molekularpumpenstufe 100 des Gaede-Typs einer Turbomolekularpumpe 102 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5 zeigt eine Draufsicht. 6 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie B-B. 7 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie A-A. 8 und 9 zeigen zwei dreidimensionale Ansichten.
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Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1361366 A2 [0004]
- GB 2589151 [0005]
