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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von Vakuumpumpen und
Kompressoren. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Turbomolekularvakuumpumpen
mit Radialströmung
und Verfahren zum Betreiben von Pumpen mit Radialströmung.
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Bekannte
Vakuumpumpsysteme sind typischerweise Dauerströmungskompressionssysteme, die
Gas aus einer Vakuumkammer bei niedrigem Druck, beispielsweise bei
1.33 × 10–4 Pa
(10–6 torr) absaugen
und das Gas dann auf den Umgebungsdruck komprimieren, so dass das
Gas an die Umgebung abgegeben werden kann. Derartige bekannte Pumpsysteme
würden
typischerweise eine Hochvakuumpumpe umfassen, wie beispielsweise
eine Turbomolekularpumpe oder Diffusionspumpe, die fähig ist,
ein Hochvakuum zu erzeugen. Dieser Pumpe würde eine Vorpumpe nachgeordnet
sein, wie beispielsweise eine ölgedichtete
Rotationspumpe oder eine Diaphragmapumpe, die das Gas weiter komprimieren
und an die Umgebung abgeben würde.
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Vakuumpumpen
werden für
eine Vielzahl von Applikationen verwendet, die vakuumbasierte Instrumente,
wie beispielsweise Massenspektrometer, Elektronenmikroskope, und
verschiedene Oberflächenanalysegeräte, die
Ionen- oder Elektronenstrahlen verwenden, umfassen. Derartige vakuumbasierte Instrumente
sind wegen der Größe, des
Gewichts und den Betriebsanforderungen der Vakuumpumpe und anderer
Geräte
typischerweise zur Verwendung in bestimmten Laboratorien konstruiert.
Eine Analyse wird daher typischerweise durchgeführt, indem das zu analysierende
Material zu einer bestimmten Laboreinrichtung transportiert wird.
Leider können
nicht alle Materialien, die eine Analyse benötigen, in geeigneter Weise
transportiert werden. Es besteht daher ein signifikanter Bedarf
für ein
tragbares vakuumbasiertes Analysegerät, das zu dem Analyseort transportiert
werden kann.
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Versuche,
tragbare vakuumbasierte Instrumente herzustellen, hatten nur begrenzten
Erfolg, da es schwierig ist, die benötigte Pumpkapazität mit einer
kompakten Pumpkonstruktion zu erreichen. Auch einige bekannte Pumpkonstruktionen,
wie beispielsweise Diffusionspumpkonstruktionen und ölgedichtete
Pumpkonstruktionen, sind bezüglich
der Betriebsposition sensitiv und weisen Betriebsanforderungen auf,
die mit allgemeinen Anforderungen an tragbaren Pumpen unvereinbar
sind. Bekannte Turbomolekularpumpen müssen eine beträchtlich
axiale Abmessung aufweisen, um eine akzeptable Pumpeffizienz zu
haben. Andere bekannte Vakuumpumpen, wie beispielsweise Pumpen vom
Diaphragmatyp, benötigen
mehrere Kompressionsstufen, die zu ihrer Größe, ihrem Gewicht und ihrem
Leistungsbedarf beitragen. Viele bekannte tragbare Geräte verwenden
Vakuumpumpen vom Speichertyp. Speichervakuumpumpen umfassen Ionenpumpen,
Getterpumpen und Sorptionspumpen. Diese Pumpen werden durch Einfangen
von Gasmolekülen
innerhalb der Pumpe betrieben, und sie speichern die Gasmoleküle. Die
Moleküle
werden bis zu einem Kapazitätslimit
der Pumpe gespeichert, wonach die Pumpe entfernt oder wiederaufbereitet
werden muss, was sowohl unzweckmäßig als
auch teuer ist.
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Vakuumpumpen
vom Speichertyp weisen zahlreiche Nachteile auf. Vakuumpumpen vom
Speichertyp weisen eine schwache Pumpgeschwindigkeit für bestimmte
Gase auf. Nach einer Abschaltung sind sie zudem schwierig wieder
zu starten. Außerdem besteht,
wenn die Pumpen Giftgase speichern, die Gefahr, dass der Benutzer
vergiftet wird, wenn die Pumpe eine Fehlfunktion aufweist. Trotz
der Nachteile der Vakuumpumpen vom Speichertyp sind diese Pumpen
nur etwas kleiner als die Pumpen vom Kompressionstyp.
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Zudem
ist Laborraum, insbesondere in der Halbleiterindustrie, sehr teuer
und nicht leicht erweiterbar und wiederherstellbar. Es besteht zudem
ein signifikanter Bedarf für
kompakte Instrumente, die die Größe, das
Gewicht und die Betriebsanforderungen eines Analysegerätes, das
in Laboratorien verwendet wird, reduzieren. Außerdem besteht ein Bedarf für kompakte
Zusatzgeräte,
die die Grundfläche eines
existierenden Laborgeräts
nicht signifikant vergrößern, um
eine Umgestaltung eines Labors zu vermeiden.
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Das
Handbuch „Vakuumtechnik" von Pupp et al (1991)
offenbart in Kapitel 16.2.2a eine bekannte axiale Turbomolekularpumpe,
wie sie in 1 dargestellt ist.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf kompakte Vakuumpumpen, die
in einem Gerät
verwendet werden können,
wobei die Applikation tragbar, durch eine Hand gehalten oder raumbegrenzt sein
kann. Eine Hauptentdeckung der vorliegenden Erfindung ist, dass
eine effiziente kompakte Turbomolekularvakuumpumpe konstruiert werden
kann, die eine Radialströmungskonstruktion
aufweist, bei der die Größe des Gasflussweges
in der radialen Richtung größer ist
als die Größe des Gasflussweges in
der axialen Richtung.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Turbomolekularvakuumpumpe mit
Radialströmung
bereit, die aufweist: einen Gaseinlass; einen Rotor mit einer ersten
Rotorfläche,
die in einer etwa radialen Richtung angeordnet ist, und mit einer
Mehrzahl von Schaufeln, die in Fluidverbindung mit dem Gaseinlass
stehen und sich von der ersten Rotorfläche in axialer Richtung erstrecken,
wobei die Mehrzahl von Schaufeln in konzentrischen Schaufelringen
angeordnet und zu der radialen Richtung geneigt ist; einen Stator
mit einer ersten Statorfläche,
die in der Nähe der
ersten Rotorfläche
in der etwa radialen Richtung angeordnet ist, und mit einer ersten
und einer zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln, die sich von der ersten
Statorfläche
erstrecken und in konzentrischen Statorringen und zwischen den konzentrischen
Ringen der Mehrzahl von Schaufeln angeordnet sind; und einen Gasauslass,
der in Fluidverbindung mit der Mehrzahl von Schaufeln und der ersten
und zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln steht, wobei die Rotation des
Rotors gegenüber
dem Stator bewirkt, dass Gas molekular von den konzentrischen Schaufelringen durch
die konzentrischen Statorringe und dann zum Gasauslass gepumpt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine Turbomolekularvakuumpumpe mit
Radialströmung
bereitgestellt, die aufweist: einen Gaseinlass; einen Rotor mit
einer Rotorfläche,
die in einer etwa radialen Richtung angeordnet ist, und mit einer
Mehrzahl von Schaufeln, die in Fluidverbindung mit dem Gaseinlass
stehen und sich von der Rotorfläche
etwa in axialer Richtung strecken, wobei die Mehrzahl von Schaufeln
zu der radialen Richtung geneigt ist; ein Gehäuse mit einer ersten Statoroberfläche, die
in der Nähe
der ersten Rotorfläche
in der etwa radialen Richtung angeordnet ist und mit einer ersten
und einer zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln, die sich von der ersten
Statorfläche
erstrecken und die in konzentrischen Statorringen angeordnet sind;
und einen Gasauslass, der in Fluidverbindung mit der Mehrzahl von
Schaufeln und der ersten und der zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln
steht, wobei die Rotation des Rotors gegenüber dem Gehäuse bewirkt, dass Gas molekular
von dem Gaseinlass zu dem Gasauslass gepumpt wird; und eine Vorpumpe,
die mit dem Gasauslass gekoppelt ist.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die vorliegende Erfindung eine Turbomolekularvakuumpumpe mit
Radialströmung,
die einen Gaseinlass, einen Gasauslass, einen Rotor und ein Gehäuse umfasst. Der
Rotor umfasst eine erste Rotorfläche,
die in einer etwa radialen Richtung angeordnet ist. Eine erste Mehrzahl
von Schaufeln erstreckt sich von der ersten Rotorfläche in einer
etwa axialen Richtung. In einer Ausführungsform ist zumindest eine
Schaufel der ersten Mehrzahl von Schaufeln geformt, um die Pumpeffizienz
zu erhöhen.
Ein Tragring, der ein Verbiegen auf Grund der Zentrifugalkraft reduziert,
kann um mindestens eine der Mehrzahl von Schaufeln angeordnet sein.
Der Rotor und zumindest eine Schaufel der ersten Mehrzahl von Schaufeln
kann aus einem Materialstück
integral geformt sein.
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In
einer Ausführungsform
kann die erste Rotorfläche
mindestens einen Hohlraum aufweisen, der so dimensioniert ist, dass
er mindestens eine Schaufel der ersten Mehrzahl von Schaufeln aufnimmt
und hält.
Die zumindest eine Schaufel der ersten Mehrzahl von Schaufeln kann
einen Schwalbenschwanz aufweisen, und der mindestens eine Hohlraum
kann so ausgebildet sein, dass er den Schwalbenschwanz aufnimmt.
Der Schwalbenschwanz kann in etwa radialer Richtung oder in etwa
Umfangsrichtung ausgerichtet sein.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Gehäuse
eine erste Statorfläche,
die in der Nähe
der ersten Rotorfläche
in der etwa radialen Richtung angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform
ist der Stator von dem Gehäuse
getrennt. Eine erste und eine zweite Mehrzahl von Leitschaufeln
erstreckt sich von der ersten Statorfläche und bilden im Wesentlichen
einen Ringraum zur Aufnahme der ersten Mehrzahl von Schaufeln. Der
Ringraum kann eine Nut sein. Zumindest eine Leitschaufel der ersten
und zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln und die erste Statorfläche können integral
aus einem Materialstück gefertigt
sein. Der Stator kann zumindest einen Hohlraum aufweisen, der so
dimensioniert ist, dass er mindestens eine der Leitschaufeln der
ersten und zweiten Mehrzahl von Schaufeln aufnimmt und hält.
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In
einer Ausführungsform
ist eine Antriebswelle mit dem Rotor gekoppelt und in der etwa axialen
Richtung angeordnet. Ein Motor ist mit der Antriebswelle gekoppelt
und dreht den Rotor gegenüber dem
Stator. In einer anderen Ausführungsform
ist der Rotor direkt mit dem Motor gekoppelt, ohne dass eine Antriebswelle
verwendet wird. Die Drehung des Rotors gegenüber dem Gehäuse führt dazu, dass Gas von dem
Gaseinlass zu dem Gasauslass gepumpt wird. Eine Vorpumpe, wie beispielsweise
eine mechanische Pumpe, ist typischerweise mit dem Gasauslass gekoppelt.
In einer Ausführungsform
ist ein Prozessor elektrisch mit dem Motor und mit einem Drucksensor,
der in Fluidverbindung mit der Pumpe angeordnet ist, gekoppelt.
Der Drucksensor erzeugt ein Signal, das zu einem Druck proportional
ist, der durch die Pumpe erreicht wird, und der Prozessor erzeugt
ein Signal, das die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit von dem Druck steuert.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Vakuumpumpe des Weiteren eine zweite Rotorfläche, die in
etwa radialer Richtung angeordnet ist. Eine zweite Mehrzahl von
Schaufeln erstreckt sich von der zweiten Rotorfläche in etwa axialer Richtung
gegenüber den
Schaufeln der ersten Mehrzahl der Schaufeln. Eine zweite Statorfläche ist
in der Nähe
der zweiten Rotorfläche
in der etwa radialen Richtung angeordnet. Eine dritte und eine vierte
Mehrzahl von Leitschaufeln erstrecken sich von der zweiten Statorfläche und
bilden zwischen sich allgemein einen Ringraum zur Aufnahme der zweiten
Mehrzahl von Schaufeln.
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In
einer anderen Ausführungsform
weisen der Rotor und der Stator des Weiteren eine zweite Stufe auf.
Die zweite Stufe umfasst eine Rotorfläche, die in etwa radialer Richtung
angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Schaufeln erstreckt sich von der
Rotorfläche
in etwa axialer Richtung. Die zweite Stufe umfasst eine Statorfläche, die
in der Nähe
der Zweite-Stufe-Rotorfläche
in der etwa radialen Richtung angeordnet ist. Eine erste und zweite
Mehrzahl von Schaufeln erstreckt sich von der Statorfläche des zweiten
Stators und bildet allgemein einen Ringraum zwischen sich zur Aufnahme
der Mehrzahl von Schaufeln.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Pumpen von
Gas mit einer Turbomolekularvakuumpumpe mit Radialströmung mit
folgenden Schritten: Empfangen eines Gases an einem Gaseinlass;
Rotieren einer Mehrzahl von Schaufeln, die zu der radialen Richtung
geneigt, im Wesentlichen axial angeordnet und in konzentrischen
Ringen gegenüber
einer ersten und einer zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln angeordnet
sind, wobei die Leitschaufeln in konzentrischen Statorringen zwischen
den konzentrischen Ringen der Mehrzahl von Schaufeln angeordnet
sind, und wobei die Relativbewegung der Mehrzahl von Schaufeln und
der ersten und zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln bewirkt, dass
das Gas molekular in etwa radialer Richtung von den konzentrischen
Schaufelringen durch die konzentrischen Statorringe gepumpt wird;
und Auslassen des Gases durch einen Gasauslass.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Pumpen
von Gas, das den Schritt des Rotierens einer Mehrzahl von im Wesentlichen
axial angeordneten Schaufeln gegenüber einer ersten und einer
zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln, die im Wesentlichen einen Ringraum
zwischen ihnen zur Aufnahme der ersten Mehrzahl von Schaufeln bilden.
Die Relativbewegung der Mehrzahl von Schaufeln und der ersten und
zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln bewirkt, dass Gas in etwa radialer Richtung
von einem Gaseinlass zu einem Gasauslass gepumpt wird. Das Gas kann
nach außen
oder innen in etwa radialer Richtung gepumpt werden.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren zum Pumpen eines Gases ein Rotieren einer zweiten
Mehrzahl von im Wesentlichen axial angeordneten Schaufeln gegenüber einer
dritten und einer vierten Mehrzahl von Leitschaufeln, die zwischen sich
allgemein einen Ringraum zur Aufnahme der zweiten Mehrzahl von Schaufeln
bilden. Die Relativbewegung der zweiten Mehrzahl von Schaufeln und der
dritten und der vierten Mehrzahl von Leitschaufeln bewirkt, dass
das Gas in etwa radialer Richtung von einem Gaseinlass zu einem
Gasauslass gepumpt wird. Das Gas kann nach außen oder nach innen in etwa
radialer Richtung gepumpt werden.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden jetzt beispielhaft und unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
bekannte Konstruktion einer Turbomolekularpumpe zeigt,
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2 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Turbomolekularvakuumpumpe mit Radialströmung zeigt,
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3 eine
axiale Ansicht des Rotors zeigt, der in der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe
mit Radialströmung
verwendet wird,
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4 eine
erfindungsgemäße Turbomolekularvakuumpumpe
mit Radialströmung
zeigt, die Rotorschaufeln aufweist, die sich von zwei Oberflächen erstrecken,
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5 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Turbomolekularvakuumpumpe mit Radialströmung zeigt, die eine zweite
Stufe aufweist,
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6 eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Turbomolekularvakuumpumpe
mit Radialströmung
zeigt, die eine Spiralnut aufweist,
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7 ein
Funktionsblockdiagramm eines kompakten Pumpsystems zeigt, dass eine
erfindungsgemäße Turbomolekularvakuumpumpe
mit Radialströmung
aufweist,
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8 ein
Analyseinstrument zeigt, das die erfindungsgemäße Turbomolekularvakuumpumpe mit
Radialströmung
verwendet.
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1 zeigt
eine bekannte Turbomolekularpumpe 10 mit Axialströmung. Die
Pumpe weist einen Rotor 12 mit einer Mehrzahl von axialen
Schaufeln 14 auf. Eine Mehrzahl von Statorleitschaufeln 16 ist
so angeordnet, dass sie die Mehrzahl von axialen Schaufeln 14 aufnehmen.
Ein Motor 15 treibt den Rotor 12 an, so dass jede
der Mehrzahl von Schaufeln 14 durch eine der entsprechenden
Mehrzahl von Statorleitschaufeln 16 bewegt wird. Eine Kompression wird
in einer Richtung erreicht, die im Wesentlichen parallel zu einer
axialen Zentrallinie 18 verläuft. Das heißt, die
Dimension des Gasflussweges parallel zu der axialen Zentrallinie 18 ist
viel größer als
die Dimension des Gasflussweges parallel zu einer radialen Zentrallinie 20.
Viele Stufen von Rotorschaufeln und Statorleitschaufeln werden benötigt, um
die notwendige Kompression und Pumpgeschwindigkeit zu erreichen.
Typische bekannte Pumpgeschwindigkeiten in Liter/Sekunde sind näherungsweise
50 bis 1000 Liter/Sekunde.
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Ein
effizienter Betrieb der bekannten Turbomolekularpumpen mit Axialströmung wird
durch Rotieren des Rotors 12 bei einer relativ hohen Geschwindigkeit
erreicht. Typische bekannte Turbomolekularpumpen mit Axialströmung sind
so konstruiert, dass der Rotor 12 so rotiert, dass die
Geschwindigkeit der Schaufelspitze ungefähr 400 m/s beträgt. Um diese
Schaufelspitzengeschwindigkeit mit zur Zeit erhältlichen Lagern und Motoren
zu erreichen, ist der Rotordurchmesser größer als ungefähr 75 mm
bemessen. Die Dimension des Rotordurchmessers bestimmt typischerweise
den Minimaldurchmesser der Pumpanordnung.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Turbomolekularvakuumpumpe 50 mit Radialströmung. Mit
Radialströmung
ist gemeint, dass die Dimension des Gasflussweges parallel zu der
radialen Zentrallinie 20 größer ist als die Dimension des
Gasflussweges parallel zu der axialen Zentrallinie 18.
Die Pumpe umfasst einen Gaseinlass 52, einen Gasauslass 54,
einen Rotor 56 und ein Gehäuse 58. Ein Sensor
kann in Fluidverbindung mit dem Gaseinlass 52 oder dem
Gasauslass 54 stehen.
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Der
Rotor 56 umfasst eine erste Rotorfläche 62, die in etwa
parallel Richtung zu der radialen Zentrallinie 20 angeordnet
ist. Der Rotor 56 kann aus einer hochfesten Aluminiumlegierung
gebildet sein. Eine erste Mehrzahl von Schaufeln 64 erstreckt
sich von der ersten Rotorfläche 62 in
etwa paralleler Richtung zu der axialen Zentrallinie 18.
In einer Ausführungsform
ist zumindest eine Schaufel der ersten Mehrzahl von Schaufeln 64 so
geformt, dass die Pumpeffizienz erhöht wird. Ein Tragring 63,
der ein Verbiegen auf Grund der Zentrifugalkraft reduziert, kann
um zumindest eine Schaufel der Mehrzahl von Schaufeln herum angeordnet
sein. In einer Ausführungsform
ist auf der einen Seite des Rotors eine Molekular-Drag-Pumpe vorgesehen.
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Die
erste Mehrzahl von Schaufeln 64 kann an dem Rotor 56 durch
einen Vielzahl von bekannten Mitteln befestigt sein. In einer Ausführungsform
sind der Rotor 56 und zumindest eine Schaufel der ersten Mehrzahl
von Schaufeln 64 integral aus einen Materialstück gebildet.
In einer anderen Ausführungsform sind
die Schaufeln auf dem Rotor befestigt. Die erste Rotorfläche 62 umfasst
zumindest einen Hohlraum 66 der so dimensioniert ist, dass
er zumindest eine Schaufel der ersten Mehrzahl von Schaufeln 64 aufnimmt
und hält.
Die zumindest eine Schaufel der ersten Mehrzahl von Schaufeln 64 kann
einen Schwalbenschwanz 68 aufweisen, und der zumindest
eine Hohlraum 66 kann so ausgebildet sein, dass er den Schwalbenschwanz 68 aufnimmt.
Der Schwalbenschwanz 68 kann in der radialen Richtung oder
in der Umfangsrichtung orientiert sein.
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Ein
Stator 59 umfasst eine erste Statorfläche 70, die in der
Nähe der
ersten Rotorfläche 62 parallel zu
der radialen Zentrallinie 20 angeordnet ist. In einer Ausführungsform
ist der Stator 59 in dem Gehäuse 58 ausgebildet.
Eine erste und eine zweite Mehrzahl von Leitschaufeln 72 erstreckt
sich von der ersten Statorfläche 70 und
bildet im Wesentlichen einen Ringraum zwischen ihnen zur Aufnahme
der ersten Mehrzahl von Schaufeln 64. Der Ringraum kann
eine Nut sein. In einer Ausführungsform
beträgt
ein Raum zwischen zumindest einer Schaufel der ersten Mehrzahl von
Schaufeln 64 und der ersten und zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln 72 ungefähr 0.2 mm.
Zumindest eine Leitschaufel der ersten und zweiten Mehrzahl von
Leitschaufeln 72 und die erste Statorfläche 70 können integral
aus einem Materialstück gebildet
sein. Alternativ kann der Stator zumindest einen Hohlraum umfassen,
der so dimensioniert ist, dass er zumindest eine der Leitschaufeln
aufnimmt und hält.
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In
einer Ausführungsform
ist eine Antriebswelle 74 mit dem Rotor 56 gekoppelt
und in der axialen Richtung 18 angeordnet. Ein Motor 76 ist
mit der Antriebswelle 74 gekoppelt und dreht den Rotor 56 gegenüber dem
Gehäuse 58.
In einer anderen Ausführungsform
ist der Rotor 56 direkt mit dem Motor 76 verbunden,
ohne die Verwendung einer Antriebswelle. Zum Beispiel können Permanentmagnete
(nicht dargestellt) in den Rotor 56 eingebettet sein und durch
Statorspulen (nicht dargestellt), die in der zugewandten Oberfläche angeordnet
sind, angetrieben werden. Alternativ können Magnetlager verwendet werden,
um den Rotor 56 anzuheben.
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In
einer Ausführungsform
ist der Motor ein Stromrichtergleichstrommotor (engl. brushless
DC motor), und die Drehzahl des Motors 76 beträgt ungefähr 50.000
bis 150.000 Umdrehungen pro Minute. Die Drehung des Rotors 56 radial
zu dem Gehäuse 58 bewirkt,
dass Gas radial nach außen
weg von der axialen Zentrallinie 18 oder radial nach innen
in Richtung der axialen Zentrallinie 18 in Abhängigkeit
von der Drehrichtung von dem Gaseinlass 52 zu dem Gasauslass 54 gepumpt
wird.
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Eine
Vorpumpe 78, wie beispielsweise eine Scroll-Pumpe ist typischerweise
in Reihe mit dem Gasauslass 54 verbunden. Eine Molekular-Drag-Pumpe
kann auch verwendet werden. Die Turbomolekularvakuumpumpe mit Radialströmung 50 und
die Vorpumpe 78, die in Reihe verbunden sind, pumpen Gase
von einer Hochvakuumkammer, die an dem Gaseinlass 52 befestigt
ist, und geben sie durch eine Entlüftungsöffnung 80 an die Umgebung ab.
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Ein
Vorteil der Turbomolekulanrakuumpumpe 50 mit Radialströmung der
vorliegenden Erfindung ist, dass die axiale Dimension der Pumpe
viel kleiner ist als die axiale Dimension von bekannten Turbomolekularpumpen
mit Axialströmung,
da die Kompression radial erreicht wird. Die Turbomolekularvakuumpumpe 50 mit
Radialströmung
der vorliegenden Erfindung ist besonders effizient für niedrige Pumpgeschwindigkeiten,
weniger als 50 Liter/Sekunde.
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3 zeigt
eine axiale Ansicht des Rotors 56, der in der erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe 50 mit
Radialströmung
verwendet wird. Der Rotor 56 weist die erste Rotorfläche 62 und die
erste Mehrzahl von Schaufeln 64 auf, die sich von der ersten
Rotorfläche
in die axialen Richtung 18 erstreckt. Die erste Mehrzahl
von Schaufeln 64 ist in entsprechenden konzentrischen Ringen 82 angeordnet.
Die erste und die zweite Mehrzahl von Leitschaufeln (nicht dargestellt)
sind in konzentrischen Statorringen zwischen den konzentrischen
Ringen 82 der ersten Mehrzahl von Schaufeln 64 angeordnet.
Der Gasfluss bewegt sich radial von einem konzentrischen Ring von
Schaufeln durch einen korrespondierenden konzentrischen Statorring
und dann zu dem nächsten
konzentrischen Ring von Rotorschaufeln und Statorschaufeln. Ein
Vorteil des Rotors 56 der vorliegenden Erfindung ist, dass
der Rotor 56 von einer Seite in einer maschinellen Bearbei tungsoperation
maschinell bearbeitet werden kann, wodurch die Herstellungskosten
der Pumpe reduziert werden.
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Die
erste Mehrzahl von Schaufeln 64 ist so geformt und positioniert,
dass eine bestimmte Pumpgeschwindigkeit, Kompression und Effizienz
erreicht wird. Die Neigung von jeder Schaufel der ersten Mehrzahl
von Schaufeln 64 bestimmt im Wesentlichen die Pumpgeschwindigkeit
und Kompression. Beispielsweise wird ein Neigen der Schaufeln in Richtung
der radialen Richtung 20 im Allgemeinen zu einer höheren Pumpgeschwindigkeit
führen.
Ein Neigen der Schaufeln in Richtung der Umfangsrichtung wird zu
einer höheren
Kompression führen,
was in der Regel zu einer niedrigeren Pumpgeschwindigkeit führt.
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In
einer Ausführungsform
sind die inneren Schaufeln (Schaufeln, die bezüglich der axialen Zentrallinie 18 am
nächsten
angeordnet sind) graduell in Richtung der radialen Richtung für eine hohe
Pumpgeschwindigkeit geneigt, und die äußeren Schaufeln (Schaufeln,
die am weitesten entfernt von der axialen Zentrallinie 18 angeordnet
sind) sind geraduell in Richtung der Umfangsrichtung für eine höhere Kompression
geneigt. In dieser Ausführungsform
tritt, da das Gas komprimiert wird, mehr Pumpen in den Schaufeln
auf, die am weitesten von der axialen Zentrallinie 18 entfernt
sind, wodurch eine höhere
Kompression erreicht wird.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Turbomolekularvakuumpumpe 100 mit
Radialströmung, die
Rotorschaufeln aufweist, die sich von zwei Oberflächen erstrecken.
Die Pumpe 100 ist der Turbomolekularvakuum 50 aus 2 ähnlich.
Die Pumpe 100 umfasst des Weiteren eine zweite Rotorfläche 102, die
in der radialen Richtung 20 angeordnet ist. Eine zweite
Mehrzahl von Schaufeln 104 erstreckt sich von der zweiten
Rotorfläche 102 in
die axiale Richtung entgegengesetzt zu einer ersten Mehrzahl von Schaufeln 64.
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Eine
zweite Statorfläche 108 ist
in der Nähe der
zweiten Rotorfläche 102 in
der radialen Richtung 20 angeordnet. Eine dritte und vierte
Mehrzahl von Leitschaufeln 110 erstreckt sich von der zweiten
Statorfläche 108 und
bildet im Wesentlichen einen Ringraum zwischen ihnen zur Aufnahme
der zweiten Mehrzahl von Schaufeln 104. Die Drehung eines
Rotors 112 relativ zu einem Gehäuse 114 bewirkt, dass Gas
radial nach außen
weg von der axialen Zentrallinie 18 oder radial in Richtung
der axialen Zentrallinie in Abhängigkeit
von der Drehrichtung von einem Gaseinlass 116 zu einem
Gasauslass 118 gepumpt wird.
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In
einer Ausführungsform
pumpen die erste Statorfläche 70 und
die zweite Stator 108 parallel, um eine höhere Pumpgeschwindigkeit
zu erreichen. Das heißt,
das Gas wird radial nach außen
oder radial nach innen auf beide, die erste Rotorfläche 62 und die
zweite Rotorfläche 102,
gepumpt. In einer anderen Ausführungsform
pumpen die erste Statorfläche 70 und
die zweite Statorfläche 108 in
Reihe, um eine erhöhte
Kompression zu erreichen. Das heißt, das Gas wird radial nach
außen
auf eine der ersten 64 und zweiten Rotorfläche 102 und
radial nach innen auf die andere der ersten 64 und zweiten
Rotorfläche 102 gepumpt.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Turbomolekularvakuumpumpe 150 mit Radialströmung, die
eine erste Stufe 152 und eine zweite Stufe 154 aufweist.
Die Pumpe 150 ist der Turbomolekularvakuumpumpe 50 aus 4 ähnlich,
umfasst aber einen ersten Rotor 156 und einen zweiten Rotor 158,
die jeweils eine erste Rotorfläche 62 und
eine zweite Rotorfläche 102 aufweisen. Eine
erste Mehrzahl von Schaufeln 64 und eine zweite Mehrzahl
von Schaufeln 104 erstreckt sich von dem ersten Rotor 156 in
die axiale Richtung 18. Eine erste Mehrzahl von Schaufeln 64 und
eine zweite Mehrzahl von Schaufeln 104 erstreckt sich von
dem zweiten Rotor 158 in die axiale Richtung 18.
Eine erste Statorfläche 70 und
eine zweite Statorfläche 108 sind
in der Nähe
der ersten Rotorfläche 64 bzw.
der zweiten Rotorfläche 102 in
der radialen Richtung 20 angeordnet. Eine erste und eine
zweite Mehrzahl von Leitschaufeln 72 erstreckt sich von
der ersten Statorfläche 70 und
bildet zwischen ihnen im Wesentlichen einen Ringraum zur Aufnahme
der ersten Mehrzahl von Schaufeln 64. Eine dritte und vierte
Mehrzahl von Leitschaufeln 110 erstreckt sich von der zweiten
Statorfläche 108 und
bildet im Wesentlichen zwischen ihnen ein Ringraum zur Aufnahme
der zweiten Mehrzahl von Schaufeln 104.
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In
einer Ausführungsform
sind die erste Stufe 152 und die zweite Stufe 154 konfiguriert,
um in Reihe zu pumpen, um eine erhöhte Kompression zu erreichen.
Das heißt,
das Gas wird radial nach außen oder
radial nach innen in Abhängigkeit
von der Drehrichtung in beiden, der ersten Stufe 152 und
der zweiten Stufe 154, gepumpt. In einer anderen Ausführungsform
sind die erste Stufe 152 und die zweite Stufe 154 konfiguriert,
um parallel zu pumpen, um eine höhere
Pumpgeschwindigkeit zu erreichen. Das heißt, das Gas wird in einer Stufe
radial nach außen und
in der anderen Stufe radial nach innen gepumpt. Andere erfindungsgemäße Ausführungsformen
der Turbomolekularvakuumpumpe umfassen mehr als zwei Stufen, um
eine zusätzliche
Kompression oder zusätzliche
Pumpgeschwindigkeit zu erreichen.
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6 zeigt
eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Turbomolekularvakuumpumpe 200 mit
Radialströmung.
Die Turbomolekularvakuumpumpe 200 umfasst einen Rotor 202 mit
einer ersten Rotorfläche 204,
die in der etwa radialen Richtung 20 angeordnet ist. Eine
erste Mehrzahl von Schaufeln 206 erstreckt sich von der ersten
Rotorfläche 204 in
die etwa axiale Richtung 18. Der Rotor 202 umfasst
eine zweite Rotorfläche 208,
die in der etwa radialen Richtung 20 angeordnet ist. Die
zweite Rotorfläche 208 ist
im Wesentlichen flach (das heißt,
sie weist keine Schaufelform auf).
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Die
Vakuumpumpe weist ein Gehäuse 210 auf,
das eine erste Statorfläche 212 umfasst,
die in der Nähe
der ersten Rotorfläche 204 in
der radialen Richtung 20 angeordnet ist. Eine erste und
eine zweite Mehrzahl von Leitschaufeln 214 erstreckt sich
von der ersten Statorfläche 212 und
bildet zwischen ihnen im Wesentlichen einen Ringraum zur Aufnahme der
ersten Mehrzahl von Schaufeln 206. Zumindest eine Leitschaufel
der ersten und zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln 214 und
die erste Statorfläche 212 können integral
aus einem Materialstück
gebildet sein. Das Gehäuse 210 kann
zumindest einen Hohlraum umfassen, der so dimensioniert ist, dass
er zumindest eine Leitschaufel der ersten und zweiten Mehrzahl von
Leitschaufeln 214 aufnimmt und hält.
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Das
Gehäuse 210 umfasst
eine zweite Statorfläche 216.
Die zweite Statorfläche 216 bildet
eine kontinuierliche Spiralnut 218 mit abnehmender Fläche, die
sich in Richtung der axialen Zentrallinie 18 bewegt. In
einer Ausführungsform
umkreist das spiralförmige
Muster die axiale Zentrallinie 18 der Pumpe 200 drei-
bis fünfmal.
Die Spiralnut 218 wirkt als eine Drag-Pumpe von der Siegbahn-Art,
die den Druck des Gases erhöht,
wenn sich das Gas entlang der Spiralnut 218 in Richtung
der axialen Zentrallinie 18 bewegt.
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Die
Vakuumpumpe 200 weist eine Antriebswelle 220 auf,
die mit dem Rotor 202 gekoppelt und in der axialen Richtung 18 angeordnet
ist. Ein Motor 222 ist mit der Antriebswelle 220 gekoppelt
und dreht den Rotor 202 relativ zu dem Gehäuse 210.
Die Drehung des Rotors 202 relativ zu dem Gehäuse 210 bewirkt,
dass Gas von einem Gaseinlass 224 zu einem Gasauslass 226 gepumpt
wird. Gas wird von dem Gaseinlass 224 durch die erste Rotorfläche 204 und die
erste Statorfläche 212 nach
außen
in eine radiale Richtung gepumpt. Das Gas wird dann entlang der zweiten
Statorfläche 216 durch
die Spiralnut 218 in Richtung der Zentrallinie 18 gepumpt.
Das Gas wird dann durch den Gasauslass 226 gepumpt.
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7 zeigt
ein Funktionsblockdiagramm eines kompakten Pumpsystems 250,
das eine erfindungsgemäße Turbomolekularvakuumpumpe 252 mit
Radialströmung
umfasst. Das System weist eine Vakuumkammer 254 auf, die
in Fluidverbindung mit einem Eingang 256 zu der Turbomolekularvakuumpumpe 252 mit
Radialströmung
steht. Ein erster Drucksensor 258 ist in einer Zuführung 260 zwischen der
Vakuumkammer 254 und der Turbomolekularvakuumpumpe 252 angeordnet.
Der erste Drucksensor 258 erzeugt ein elektrisches Signal
an einem Ausgang 259, das zu dem Druck an dem Eingang 256 zu der
Turbomolekularvakuumpumpe 252 proportional ist.
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Eine
Vorpumpe 262 ist in Fluidverbindung mit einer Ausströmungsöffnung 264 der
Turbomolekularvakuumpumpe 252 mit Radialströmung gekoppelt.
Die Vorpumpe 262 komprimiert das Gas, das von der Turbomolekularvakuumpumpe 252 ausgelassen
worden ist, von ungefähr
0.01 bis 1.0 Torr und lässt
das Gas bei Atmosphärendruck
an einem Auslass 266 entweichen. In einer Ausführungsform
weist die Vorpumpe 262 eine Scroll-Pumpe auf. In einer anderen
Ausführungsform
weist die Vorpumpe 262 eine Diaphragma-abgedichtete Rotationspumpe
auf. Beide, Scroll-Pumpen und Diaphragma-abgedichtete Rotationspumpen,
sind mit der erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe 252 kompatibel
und für
ein kompaktes Pumpsystem geeignet, da sie relativ klein und ölfrei sind.
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Ein
zweite Drucksensor 268 ist einer Zuführung 270 zwischen
der Ausströmungsöffnung 264 der
Turbomolekularvakuumpumpe 252 und einem Einlass 272 zu
der Vorpumpe 262 angeordnet. Der zweite Drucksensor 268 erzeugt
ein elektrisches Signal an einem Ausgang 269, das zu dem
Druck an dem Einlass 272 zu der Vorpumpe 262 proportional ist.
Das kompakte Pumpsystem 250 kann auch andere Sensoren umfassen,
beispielsweise für
die Temperatur, für
die Rotorrotationsgeschwindigkeit und das Drehmoment.
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Ein
elektronisches Steuerungssystem 280 steuert den Betrieb
der Turbomolekularvakuumpumpe 252 und der Vorpumpe 262.
Ein erster Sensorsausgang 259 und ein zweiter Sensorausgang 269 sind
elektrisch mit einem ersten elektrischen Eingang 282 und
einen zweiten elektrischen Eingang 284 zu dem elektronischen
Steuerungssystem 280 gekoppelt. Das elektronische Steuerungssystem 280 weist einen
elektrischen Ausgang 290 auf, der elektrisch mit dem Motor 252 gekoppelt
ist, der den Rotor 56 (2) der Turbomolekularvakuumpumpe 252 antreibt.
Das elektronische Steuerungssystem 280 weist auch einen
elektrischen Ausgang 286 auf, der elektrisch mit der Vorpumpe 262 gekoppelt
ist und die Geschwindigkeit der Vorpumpe 262 steuert.
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Im
Betrieb verarbeitetet das elektronische Steuerungssystem 280 die
Signale, die durch den ersten Drucksensor 258 und den zweiten
Drucksensor 268 erzeugt worden sind und erzeugt ein Signal, dass
die Geschwindigkeit des Rotors 56 steuert. Die Geschwindigkeit
des Rotors 56 (2) kann gesteuert werden, um
einen bestimmten Betriebsdruck oder eine bestimmte Pumpleistung
zu erreichen. Beispielsweise kann das Steuerungssystem 280 verwendet
werden, um die Geschwindigkeit des Rotors 56 und die Geschwindigkeit
der Vorpumpe 262 zu justieren, um eine lange Betriebslebenszeit
und Betriebsleistungsaufnahme zu erreichen.
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Das
kompakte Pumpsystem 250 weist eine Fähigkeit zum Hochvakuumpumpen
auf, bei der Gas direkt an die Atmosphäre abgegeben wird. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
wiegen die Turbomolekularvakuumpumpe 252 mit Radialströmung und
die Vorpumpe 262 zusammen weniger als 3 kg und haben ein
Volumen, das kleiner ist als 2000 cm3.
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8 zeigt
ein Analyseinstrument 300, das die erfindungsgemäße Turbomolekularvakuumpumpe
mit Radialströmung
verwendet. Das Instrument 300 umfasst das kompakte Pumpsystem 250 aus 7,
das die Turbomolekularvakuumpum pe 252 mit Radialströmung, die
Vorpumpe 262, das elektronische Steuerungssystem 280,
den ersten Drucksensor 258 und den zweiten Drucksensor 268 aufweist.
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Ein
Vakuuminstrument 302 ist in Fluidverbindung mit dem Eingang 256 zu
der Turbomolekularvakuumpumpe 252 mit Radialströmung angeordnet. Das
Instrument 302 weist einen elektrischen Ausgang 304 auf,
der mit einer Datenakquisitionseinheit 306 verbunden ist.
Ein Prozessor 308 kann mit der Datenakquisitionseinheit 306 verbunden
sein, um die Daten zu analysieren und zu verarbeiten. In einer Ausführungsform
ist das Instrument 302 ein kompaktes Massenspektrometer
und die Instrumente erzeugen Signale, die indikativ für die Masse
der erzeugten Ionen sind.
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Eine
Strömungssteuerungseinheit 310 ist
mit einem Eingang 312 zu dem Instrument 302 gekoppelt.
Die Strömungssteuerungseinheit 310 hat
einen Probengaseinlass 314 und einen Trägergaseingang 316.
Eine Pumpe 318 kann in Fluidverbindung mit der Strömungssteuerungseinheit 310 gekoppelt
sein, um einen Überschuss
einer Gasströmung
von der Strömungssteuerungseinheit 310 zu
entfernen. In einer Ausführungsform
kann die Pumpe 318 eine Scroll-Pumpe oder eine Diaphragma-Rotationspumpe
sein.
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In
einer Ausführungsform
ist eine Gasseparationseinheit 320 zwischen dem Strömungssteuerungsgerät 310 und
dem Instrument 302 angeordnet. Das Gasseparationsgerät 320 wird
verwendet, um einen Teil des Probengases gemäß bestimmter Charakteristika,
beispielsweise gemäß eines
Massenbereichs, zu separieren. Ein Ausgang 322 der Strömungssteuerungseinheit 310 ist
in Fluidverbindung mit einem Eingang 324 des Separationsgerätes 320 und
ein Ausgang 326 des Separationsgerätes 320 ist in Fluidverbindung
mit dem Eingang 312 des Instruments 302 angeordnet.
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Das
elektronische Steuerungssystem 280 ist elektrisch mit der
Strömungssteuerungseinheit 310, dem
Separationsgerät 320,
dem Instrument 302, der Turbomolekularvakuumpumpe 252 mit
Radialströmung,
der Vorpumpe 262, dem Prozessor 308, dem ersten
Drucksensor 258 und dem zweiten Drucksensor 586 gekoppelt.
Das elektronische Steuerungssystem 280 kann den Transport
des Proben gases zu dem Instrument 302, den Druck innerhalb
des Instrumentes 302 und Charakteristika der Turbomolekularvakuumpumpe 252 und
der Vorpumpe 262, wie beispielsweise Betriebslebensdauer
und Betriebsleistungsaufnahme, steuern.
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Obwohl
die Erfindung ausführlich
und unter Bezugnahme auf spezielle bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben worden ist, sollte durch den Fachmann
verstanden werden, das verschiedene Veränderungen in der Form und im
Detail bei diesen durchgeführt
werden können,
ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist, zu verlassen.