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Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe zur Erzeugung von Hochvakuum.
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Turbomolekularpumpen zur Erzeugung von Hochvakuum weisen in einem Gehäuse Statorelemente und Rotorelemente auf. Die Statorelemente sind üblicherweise als Statorringe aufgebaut, die mit Statorflügeln verbunden sind. Die Rotorelemente sind mit einer Rotorwelle verbunden, wobei die Rotorelemente üblicherweise gemeinsam einstückig ausgebildet sind. Die Herstellung der Rotorelemente mit Rotorschaufeln erfolgt beispielsweise durch Materialabtragung aus einem Vollkörper. Sämtliche Rotorelemente einschließlich der Rotorschaufeln sind somit vorzugsweise einstückig ausgebildet und fest mit der Rotorwelle verbunden. Die Rotorwelle ist über einen Elektromotor angetrieben. Die einzelnen Statorelemente sind abwechselnd zwischen den Rotorelementen angeordnet. Vorzugsweise sind die Statorelemente als Halbringe ausgebildet, die sodann von außen in radialer Richtung zwischen die Rotorelemente geschoben werden. Die Geometrie der Rotorflügel sowie der Statorflügel sind hierbei weitestgehend identisch ausgebildet. Durch Drehen der Rotorelemente erfolgt ein Fördern von Gas in axialer Richtung, das heißt im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle, zur Erzeugung von Vakuum in einer Kammer. Da die Drehzahl von Turbomolekularpumpen sehr hoch ist, entstehen in Umfangsrichtung Geschwindigkeiten von 250 bis 600 m/s. Dies führt dazu, dass Gas nicht nur in axialer Richtung gefördert wird, sondern auch radial nach außen bewegt wird.
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Unmittelbar nach Eintritt des Gases durch den Ansaugflansch in den Rotor erfolgt somit im Wesentlichen ein Fördern des Gases in axialer Richtung nur noch in der Peripherie bzw. den Außenbereichen der Rotorflügel aufgrund der Fliehkraftüberlagerung zur axialen Bewegungsrichtung der Moleküle. Hierdurch ergibt sich ein hoher Konzentrationsgradient ausgehend von der Pumpenachse bzw. der Rotorwelle zum Rotoraußendurchmesser. Der Gastransport erfolgt somit hauptsächlich im Bereich der Flügelspitzen. Durch Fördern des Gases von einer Stufe zur nächsten in Richtung des Pumpenauslasses erfolgt dann zusätzlich ein axiales Verdichten der Gase, was zu einem axialen Konzentrationsgefälle, ausgehend vom Ansaugstutzen zum Auslassstutzen, führt. Konstruktionsbedingt ist zwischen den rotierenden Flügelspitzen und dem stehenden Stator(-ring) in radialer Richtung ein Spalt vorgesehen. Durch das axiale Konzentrationsgefälle versucht das Gas über diesen Spalt entgegen der Förderrichtung zurückzuströmen. Hierdurch wird das Kompressionsvermögen der Pumpe verringert. Die in den Außenbreichen der Rotorflügel herrschende hohe Gaskonzentration begünstigt die Rückströmung stark.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die zurückströmende Gasmenge zu verringern.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe, die insbesondere zur Erzeugung von Hochvakuum geeignet ist, weist mehrere in einem Gehäuse angeordnete Statorelemente auf. Die Statorelemente sind insbesondere fest mit dem Gehäuse verbunden und beispielsweise aus Halbringen zusammengesetzt. Hierbei weisen die Statorelemente vorzugsweise jeweils einen Statorring auf, der die Statorflügel trägt und aus den Halbringen zusammengesetzt ist. Ferner weist die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe mehrere auf einer Rotorwelle angeordnete bzw. fest mit dieser verbundene Rotorelemente auf, wobei die Rotorelemente und die Rotorwelle auch einstückig ausgebildet sein können. Die Rotorelemente sind jedenfalls derart ausgebildet, dass sie eine Vielzahl von Rotorflügeln aufweisen, deren Geometrie vorzugsweise spiegelbildlich derjenigen der Statorflügel entspricht. Zur Montage werden beispielsweise die Halbringe der Statorelemente zwischen die Rotorelemente eingesetzt, sodass Statorelemente und Rotorelemente axial, d. h. in Richtung der Rotorachse abwechselnd angeordnet sind. Hierdurch erfolgt ein axialer Transport des zu förderndes Gases zur Erzeugung eines Vakuums in einer Kammer oder dergleichen.
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Um ein Zurückströmen des Gases in dem Außenbereich der Rotorelemente, d. h. im Wesentlichen in den Bereich der Flügelspitzen der Rotorelemente zu verringern oder sogar zu vermeiden, ist zwischen mindestens einem Statorelement und mindestens einem benachbarten Rotorelement ein Blendenelement vorgesehen. Vorzugsweise sind derartige Blendenelemente zwischen mehreren, insbesondere allen Statorelementen und Rotorelementen vorgesehen. Durch das Vorsehen derartiger Blendenelemente wird das Gas in der Weise am Rückströmen gehindert, dass es durch die Blendenelemente radial nach innen umgelenkt wird und in diesem Bereich dann wieder durch die Drehung der Rotorelement in axialer Richtung gefördert wird. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen der Blendenelemente kann somit das zurückströmende Volumen erheblich verringert und somit das Kompressionsvermögen der Pumpe deutlich erhöht werden.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform ist ein Blendenelement mit dem Statorelement verbunden. Vorzugsweise ist das Blendenelement und das Statorelement einstückig ausgebildet. Vorzugsweise sind mehrere Stator- und Blendenelemente, vorzugsweise alle Stator- und Blendenelemente, derart ausgebildet. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Montage vereinfacht ist, da es sich sodann bei den Blendenelementen nicht oder nur teilweise um gesonderte Bauteile handelt, die gesondert montiert werden müssen. Sofern die Statorelemente Statorringe, insbesondere Stator-Halbringe, aufweisen, die mit Statorflügeln verbunden sind, ist es bevorzugt, dass die Blendenelemente mit den Statorringen verbunden sind. Hierdurch ist ferner sichergestellt, dass zwischen den radial äußeren Bereichen der Statorflügel und den Statorringen kein durchgehender Spalt auftreten kann, durch den wiederum die Gefahr des Rückströmens bestünde.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform sind die Blendenelemente im montierten Zustand ringförmig ausgebildet, wobei es sich, sofern die Statorelemente aus Einzelteilen, insbesondere Halbringen, zusammengesetzt sind, um entsprechend insbesondere halbringförmig ausgebildete Blendenelemente handelt.
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Die radiale Breite der Blendenelemente, bzw. die radiale Erstreckung der Blendenelemente nach innen in Richtung der Rotorwelle, ist vorzugsweise derart gewählt, dass durch die Blendenelemente nur eine geringe Verschlechterung des Leitwerts von vorzugsweise weniger als 10% hervorgerufen wird. Je nach Pumpenbauart und gefordertem Einsatzbereich kann somit eine Verbesserung des Kompressionsvermögens in Abhängigkeit einer akzeptablen Verschlechterung des Leitwerts erfolgen.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, die eine von dem Vorgehen von Blendenelementen unabhängige Erfindung darstellt, sind die Statorflügel und/oder die Rotorflügel in ihren radial äußeren Bereichen derart ausgebildet, dass auch durch die Flügel ein Transport der Außenmoleküle nach innen bevorzugt wird. Dies ist insbesondere dadurch realisiert, dass eine Förderoberfläche der Flügel derart ausgerichtet ist, dass ein auf Gasmoleküle wirkender Förderimpuls auch einen radialen Anteil aufweist. Dies hat insbesondere in Verbindung mit dem Vorsehen von Blendenelementen den Vorteil, dass keine auf die Gasbewegung bezogenen Toträume oder Stauräume entstehen und das am Zurückströmen durch die Blende gehinderte Gas durch die Flügelgestaltung in diesem Bereich radial nach innen transportiert wird, um sodann in einem weiter innen gelegenen Bereich wieder in die gewünschte axiale Richtung gefördert zu werden.
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Zur Verbesserung der Förderung der Gasmoleküle durch die Rotor- und/oder Statorflügel in eine Richtung nach innen aufgrund der Flügelausgestaltung ist es bevorzugt, dass eine Mittelsenkrechte der Förderoberfläche zu einer Tangentialen einen in Richtung der Rotorwelle weisenden Winkel aufweist. Hierdurch weist der Förderimpuls eine radiale und eine tangentiale Komponente auf. Selbstverständlich weist der Förderimpuls vorzugsweise zusätzlich auch eine axiale in Förderrichtung weisende Komponente auf. Durch eine derartige Inklination der Flügel, insbesondere der Statorflügel im radial äußeren Bereich, kann die zurückströmende Gasmenge, vorzugsweise in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Blendenelementen erheblich reduziert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert: Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Molekularpumpe gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1;
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3 eine schematische Schnittansicht einer Turbomolekularpumpe gemäß der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung entlang der Linie IV-IV in 3; und
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5 eine schematische Darstellung eines radial äußeren Bereichs eines Statorflügels gemäß dem Stand der Technik sowie gemäß der Erfindung.
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Nach dem Stand der Technik (1 und 2) weist eine Trubomolekularpumpe eine Rotorwelle 10 auf, die beispielsweise über Lager 12 in einem Gehäuse 14 gelagert ist. Die Rotorwelle 12 ist mit einem Rotor 16 verbunden. Dieser insbesondere einstückig aufgebaute Rotor weist Rotorelemente 18 auf. Die Rotorelemente 18 weisen einzelne, nicht dargestellte, im Wesentlichen radial verlaufende Rotorflügel auf. Zwischen den Rotorelementen 18 sind Statorelemente 20 angeordnet. Die Statorelemente 20 sind im dargestellten Beispiel als Stator-Halbringe ausgebildet. Jeder Stator-Halbring 22, 24 (2) ist mit schematisch dargestellten radial verlaufenden Statorflügeln 26 verbunden, insbesondere einstückig ausgebildet. Zur Montage werden die Stator-Halbringe 22, 24 von außen radial zwischen die Rotorelemente geschoben.
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Aufgrund des Abstandes zwischen einem radial äußeren Bereich der Rotorelemente 18 und der Statorringe bzw. der ringförmigen, die Statorringe fixierenden Halteelemente 28 (1) erfolgt ein Zurückströmen des geforderten Gases in Richtung der Pfeile 30. Die Förderrichtung der Turbomolekularpumpe ist durch die Zeile 32 gekennzeichnet.
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Nachfolgend wird anhand der 3–5 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert, wobei ähnliche oder identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in den von 1 und 2 bezeichnet sind.
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Um das Volumen des zurückströmenden Gases zu verringern, sind gemäß der dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit den Statorflügeln 26 Blendenelemente 34 (3 und 4) verbunden.
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In bevorzugter Ausführungsform sind die Blendenelemente ringförmig, insbesondere als Halbringe entsprechend der Stator-Halbringe 22, 24 ausgebildet. Aufgrund der Anordnungen der Blendenelemente 34 im radial äußeren Bereich der Statorflügel 26 ist ein Zurückströmen von Gas wie im Stand der Technik (32 in 1) im Wesentlichen vermieden oder zumindest erheblich verringert.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Statorflügel 26, wie schematisch in 5 dargestellt, ausgebildet. In der oberen Darstellung der 5 ist ein Statorflügel 26 schematisch nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Statorflügel 26 verläuft im Wesentlichen radial und ist in seinem äußeren Bereich 36 mit dem Statorring 24 verbunden. Auf ein Gasmolekül wird somit im radial äußeren Bereich 36 ein Impuls, wie er durch den Pfeil 38 angedeutet ist. Der Impuls 38 ist im Wesentlichen parallel zu einer Tangente 40 im Berührpunkt des Flügels 26 mit dem Statorring 24.
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Durch eine erfindungsgemäße Inklination des radial äußeren Bereichs 36, wie er in der unteren Skizze in 5 dargestellt ist, ist eine Förderoberfläche 42 des Statorflügels 26 ausgebildet, deren Mittelsenkrechte 44 nicht parallel zu der Tangente 40 verläuft. Die Mittelsenkrechte 44, die im Wesentlichen der Impulsrichtung entspricht, verläuft viel mehr in einem Winkel α zu einer parallelen 46 der Tangente 40. Durch die Inklination des Flügels 26 im radial äußeren Bereich 36 erfolgt somit ein Impuls auf ein Gasmolekül, der auch eine radiale Komponente in Richtung der Rotorachse 10, das heißt in 5, nach rechts aufweist.
