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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine
kompakte Turbomolekular-Vakuumpumpe.
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Herkömmliche
Turbomolekular-Vakuumpumpen weisen im Allgemeinen ein äußeres Gehäuse auf,
das die Gaspumpstufen aufnimmt, die erhalten werden durch das Zusammenwirken
der einteilig mit dem Pumpengehäuse
ausgebildeten Statorringe und Rotorscheiben, die mit einer durch
den Pumpenmotor gedrehten Drehwelle einteilig ausgebildet sind.
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Bei
vielen Anwendungen werden Pumpen mit der kleinst möglichen
Größe, insbesondere
in axialer Richtung, benötigt.
Ein Beispiel solcher Anwendungen sind vorgegeben durch Analyseinstrumente wie
Massenspektrometer oder Gaschromatographen.
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Mehrere
kompakte Turbomolekular-Vakuumpumpen wurden bereits in der Vergangenheit
vorgeschlagen.
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EP-A 0 697 524 offenbart
eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem glockenförmigen Rotor, d.
h. einem Rotor mit einer axialen Vertiefung, die sich über einen
Teil der Rotorlänge
erstreckt. Der entsprechende Stator hat einen Abschnitt außerhalb
der Vertiefung und ist mit Statorscheiben versehen, die mit Rotorscheiben
zur Ausbildung der Pumpstufen zusammenwirken, und mit einem Innenabschnitt,
der in die Vertiefung eindringt und den Statorabschnitt des Motors
stützt.
Der Motorrotor ist ein Permanentmagnet, der in einer zentralen Bohrung
einer mit dem Pumpenmotor einteilig ausgebildeten Welle aufgenommen
ist.
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EP-A-0 962 264 offenbart
eine Pumpe mit einem glockenförmigen
Rotor, dessen Vertiefung den Pumpenmotor aufnimmt, welcher ein „umgekehrter" Motor ist, der ein Motor
mit einem internen Stator und einem externen Rotor ist. Der Motorstator
ist einteilig mit dem Pumpengehäuse
ausgebildet und der Motorrotor ist an die Innenfläche der
Vertiefung gekoppelt.
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US-A 6,179,573 offenbart
ein weiteres Beispiel einer umgekehrten Motorpumpe, bei welcher sich
der Motorrotor im Wesentlichen über
die ganze innere Vertiefung des Pumpengehäuses axial erstreckt und auch
den Pumpenrotor ausbildet.
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Sowohl
die Lösung,
die einen Motor mit herkömmlicher
Anordnung verwendet, als auch die Lösungen, die einen umgekehrten
Motor verwenden, haben einige Nachteile: Der Pumpenrotor ist schwer und
führt zu
Auswucht-Problemen; überdies
sind rotierende magnetische Teile vorhanden. Im Fall der
EP-A 0 697 524 wird überdies
ein modifizierter Motor mit einem Rotor innerhalb der Welle benötigt, was
die Struktur komplex macht.
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Daher
ist es eine erste Aufgabe der Erfindung, eine kompakte Vakuumpumpe
mit hoher struktureller Einfachheit vorzusehen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine kompakte Turbomolekular-Vakuumpumpe vorzusehen,
welche einfach und kostengünstig
herzustellen ist.
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Die
obigen und andere Aufgaben werden erreicht durch die Vakuumpumpe
wie in den anhängenden
Ansprüchen
beansprucht.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Rotor gekoppelt
ist mit dem, und vorzugsweise integriert ist in dem, Rotor eines
elektrischen Motors der sogenannten Gefäß-Art, der ein Innenstatorelement
und ein Außenstatorelement
aufweist, welche durch einen Hohlraum, in dem der Motorrotor aufgenommen
ist, getrennt sind, wobei der letztere aus einem glockenförmigen Hohlzylinder hergestellt
ist, der aus einem leichtgewichtigen, nicht-magnetischen und elektrisch
leitenden Material hergestellt ist.
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Gefäßartige
Motoren sind seit langer Zeit bekannt (siehe z. B.
DE 35 26 948 A1 ,
US-A-4,491,753 ,
GB-A-1,493,845 und
US-A 2,653,257 )
und werden gewöhnlich
zum Betreiben kleiner Instrumente verwendet, wie magnetische Drehzahlmesser,
Gyroskope etc., mit niedrigen Drehzahlen. Ihre Anwendung bei Vakuumpumpen,
insbesondere bei Turbomolekularpumpen, mit sehr hohen Drehzahlen
(sogar bis zu 100.000 U/min) wurde bis jetzt nicht vorgeschlagen.
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Gemäß der Erfindung
besteht der Motorrotor vorteilhaft aus einem glockenförmigen Fortsatz
des Pumpenrotors, der im Hohlraum zwischen den Statorelementen des
Motors aufgenommen ist. In einem solchen Fall werden die Rotorscheiben
der Pumpstufen nur auf dem Pumpenrotorabschnitt vorgesehen, der
axial außerhalb
des Hohlraumes angeordnet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung sind zumindest einer der, und vorzugsweise beide,
Statorelemente des Motors so konstruiert, dass sie Pumpstufen, z.
B. Holweck-Stufen, mit dem Rotor des gefäßartigen Motors ausbilden.
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Weitere
Merkmale der Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausgestaltung, die als nicht einschränkendes
Beispiel angeführt
ist und in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, in welchen:
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1 eine
axiale Querschnittsansicht einer Vakuumpumpe gemäß einer ersten Ausgestaltung der
Erfindung ist;
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2 eine
auseinandergezogene, axiale Querschnittsansicht des Motors der in 1 gezeigten
Pumpe ist, die so konstruiert ist, dass sie Holweck-Stufen ausbildet;
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3 und 4 Draufsichten
eines Ring-Paares sind, das den Innen- bzw. Außenstator des in 2 gezeigten
Motors ausbildet;
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5 eine
axiale Querschnittsansicht einer Vakuumpumpe gemäß einer zweiten Ausgestaltung der
Erfindung ist;
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6 eine
auseinandergezogene, axiale Querschnittsansicht des in 5 gezeigten
Motors der Pumpe ist, die so konstruiert ist, dass sie Holweck-Stufen ausbildet.
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Bezugnehmend
auf 1 weist die Vakuumpumpe gemäß der Erfindung ein aus Metall
hergestelltes Gehäuse 1 auf,
von welchem die Zeichnung eine Basis 2 zeigt, an der ein
Auslassanschluss 3 und Aufnahmen für andere Pumpenkomponenten
ausgebildet sind. Diese Komponenten werden nicht im Detail beschrieben,
da sie Stand der Technik sind.
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Die
Vakuumpumpe weist weiterhin einen Rotor 4 mit Rotorscheiben 5 auf,
die zum Zusammenwirken mit den einteilig mit dem Pumpengehäuse ausgebildeten
Statorringen vorgesehen sind, um eine Vielzahl von Pumpstufen auszubilden.
Die Statorringe und der äußere Teil
des Gehäuses 1,
mit welchem sie einteilig ausgebildet sind, sind in der Zeichnung nicht
gezeigt, da sie von der vorliegenden Erfindung nicht betroffen sind.
Der Rotor 4 ist vorzugsweise aus einem leichtgewichtigen
Metall, z. B. einer Aluminiumlegierung, hergestellt.
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Die
Rotorscheiben 5 können
planare Scheiben sein oder Scheiben mit geneigten und eng stehenden,
durch Hohlraum beabstandete Flügel,
wie üblich
bei solchen Pumpen.
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Der
Rotor 4 hat auf seiner zur Basis 2 des Pumpengehäuses 1 gerichteten
Seite eine glockenförmige
axiale Vertiefung 6, in deren Mitte eine den Rotor 4 stützende,
Drehwelle 7 angeordnet ist. Diese Vertiefung 6 ist
innerhalb eines gefäßförmigen Abschnitts 14 des
Rotors 4 festgelegt, wobei der Abschnitt als der Rotor
des die Pumpe antreibenden Motors, allgemein gezeigt bei 8,
wirkt. Die Welle 7 ist in einer Aufnahme angeordnet, die
im Inneren eines hohlen, zylindrischen Abschnitts 9 der
Basis 2 ausgebildet ist, erstreckt sich von der Basis 2 aus
nach oben zum Rotor 4 und wird durch Dreh-Stützelemente,
wie den Wälzlagern 10,
unterstützt.
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Gemäß der Erfindung
ist der Motor 8 ein gefäßartiger
Motor, der einen Innenstator 11 und einen Außenstator 12 aufweist,
die durch einen Hohlraum 13 getrennt sind, in dem der Abschnitt 14 des
Rotors 4 aufgenommen ist.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist der Pumpenrotorabschnitt 14,
der als Rotor des Motors 8 wirkt, mit dem Vakuumpumpenrotor 4 einteilig ausgebildet
und besteht aus einem im Wesentlichen glockenförmigen, hohlen Fortsatz, der
die Vertiefung 6 festlegt, in der der Innenstator 11 des
Motors 8 aufgenommen ist.
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Alternativ
könnten
der Pumpenrotor 4 und der Rotorabschnitt 14, die
als Rotor des Motors 8 wirken, zwei separate Elemente sein,
die auf irgendeine geeignete Weise aneinander befestigt sind. Auch
bei diesem zweiten Fall ist der Motorrotor 14 vorzugsweise
aus einem leichtgewichtigen, nicht-magnetischen Material, z. B.
einer Aluminiumlegierung, hergestellt, wie der Vakuumpumpenrotor 4.
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Die
Statoren 11, 12 des Motors 8 sind in
einem Gehäuse 15 befestigt
und einer von ihnen ist mit Wicklungen 16 ausgerüstet, um
die Statoren 11, 12 mit Strom zu versorgen. In
der Zeichnung sind solche Wicklungen auf dem Außenstator 12 vorgesehen.
Alternativ können
sie auf dem Innenstator 11 vorgesehen sein.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausgestaltung sind die Rotorringe
nur in dem oberen Rotorabschnitt außerhalb des Motors 8 vorgesehen.
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Um
die gesamte Fläche
des Pumpenrotors auszunutzen und um die Leistung zu verbessern ist, der
Motor 8 so konstruiert, dass er ein Paar von kaskadierten
Holweck-Pumpstufen
ausbildet, eine zwischen dem Außenstator 12 des
Motors 8 und dem Motorrotor 14 und die andere
zwischen dem Motorrotor 14 und dem Innenmotorstator 11.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung wird Gas nach unten durch den Hohlraum zwischen Außenstator 12 und
Rotor 14 und dann nach oben durch den Hohlraum zwischen
Rotor 14 und Innenstator 11 gepumpt, und wird
durch den Kanal 20 und den Anschluss 3 abgepumpt.
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Bezugnehmend
auf 2 zeigen die Zeichnungen von oben nach unten:
Den Rotor 14 des Pumpenmotors 8 in Querschnittsansicht;
den Außenstator 12 des
Motors 8, ebenfalls in Querschnittsansicht; und die Außenfläche des
Innenstators 11 des Motors 8.
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Vorteilhaft
weisen jeweils die Außenfläche des
Stators 11 und die Innenfläche des Stators 12 (d. h.
die Flächen,
die zum Rotor 14 weisen) einen Satz von im Wesentlichen
schraubenförmigen
Nuten 17 bzw. 18 zum Gaspumpen auf. Es wird erkannt
werden, dass der Wickelssinn der schraubenförmigen Nuten 17, 18 von
der Drehrichtung des Motorrotors abhängt, wie durch den Pfeil F1
bei 2 angezeigt.
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Abhängig vom
Leistungswunsch der Vakuumpumpe könnte eine einzelne, durch den
Innen- oder den Außenmotorstator
festgelegte Holweck-Pumpstufe vorgesehen sein. Ebenfalls abhängig von
der gewünschten
Leistung können
eine oder mehrere zusätzliche,
kaskadierte Pumpstufen vorgesehen sein.
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Es
wird erkannt werden, dass die Nuten 17 und 18 alternativ
auf der Außen- und/oder Innenfläche des
Rotors 14 ausgebildet sein können.
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Offensichtlich
könnten
die Nuten 17, 18 gemäß verschiedener, abweichender
Ausgestaltungen ausgebildet werden, z. B. gemäß einer Schraubenlinie mit
veränderlicher
Steigung, mit nicht-rechtwinkligen (z. B. trapezförmigen)
Nutbereich, mit veränderlicher
Nutgröße, etc.
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Zur
Vereinfachung sind die Statorwicklungen 16 in 2 nicht
gezeigt. Überdies
wurde angenommen, dass der Motorrotor 14 eine von dem Vakuumpumpenrotor 4 verschiedene
Einheit ist.
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Vorteilhaft
sind die Motorstatoren 11, 12 aus einer Vielzahl
von überlagerten
Ringen ausgebildet. Diese Struktur erlaubt ein sehr leichtes Ausbilden
der Nuten 17 und/oder 18 wenn der Motor 8 die
Holweck-Pumpstufen aufweist.
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Wie
insbesondere in 3 und 4 gezeigt,
kann jeder Ring 11' des
Stators 11 und/oder jeder Ring 12' des Stators 12 eine Vielzahl
von Aussparungen 21 bzw. 22 auf seiner Innen-
bzw. Außenfläche aufweisen.
Vorteilhaft könnten
die Ringe 11', 12' durch Pressen
erhalten werden. Während
der Montage werden aufeinander folgende Ringe übereinandergelagert und mit
einem Winkelversatz gestapelt, so dass die entsprechenden Aussparungen
zu den schraubenlinienförmigen
Nuten 17, 18 führen.
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Es
wird verstanden werden, dass es eine solche Lösung erlaubt, auf ein Ausbilden
der Kanäle durch
Fräsen
zu verzichten. Aus diesem Grund ist die Lösung vorteilhafterweise unabhängig von
der Tatsache, dass die Pumpstufe auch als der Stator des elektrischen
Pumpenmotors wirkt.
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Offensichtlich
legen die Form und die Anordnung der Aussparungen 21, 22 die
Eigenschaften der Nuten 17, 18 fest. Bei der gezeigten
Ausgestaltung sind die Aussparungen 21, 22 gleichmäßig beabstandet
und haben ein rechtwinkliges Profil, und die Nuten 17, 18 werden
die gleichen Eigenschaften haben. Jedoch ist es möglich, Aussparungen 21, 22 mit
einer unterschiedlichen Anordnung entlang des Umfangs der Ringe 11', 12' und/oder mit
einem nicht-rechtwinkligen (z. B. trapezförmigen) Profil vorzusehen und
dadurch entsprechende Nuten 17, 18 zu erhalten.
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Nun
wird in Bezug auf 5 und 6 eine zweite
Ausgestaltung der Erfindung gezeigt.
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Gemäß dieser
zweiten Ausgestaltung ist der Motor 8, in 6 in
auseinander gezogener Darstellung gezeigt gemäß dem gleichen Schema wie in 2 verwendet,
so konstruiert, dass er ein Paar paralleler Holweck-Pumpstufen ausbildet,
eine zwischen Außenstator 12 und
Rotor 14 und die andere zwischen Rotor 14 und
Innenstator 11.
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Zu
diesem Zweck sind eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 19 im Rotor 14 oberhalb
der Innen- und Außenstatoren 11, 12 ausgebildet,
wobei die Öffnungen
den Hohlraum zwischen Außenstator 12 und
Rotor 14 in Verbindung mit dem Hohlraum zwischen Rotor 14 und
Innenstator 11 bringt. Auf diese Weise wird ein Teil des
Gases derart gepumpt, dass es im Hohlraum zwischen Außenstator 12 und Rotor 14 nach unten
strömt,
und der übrige
Teil wird so gepumpt, dass er im Hohlraum zwischen Rotor 14 und
Innenstator 11 nach unten strömt.
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In
Bezug auf die zuvor diskutierte Ausgestaltung, bei der beide Holweck-Pumpstufen so ausgebildet
waren, dass sie vom Gas nacheinander durchlaufen werden, wird bei
der zweiten Ausgestaltung Gas durch eine von beiden Holweck-Pumpstufen
gepumpt.
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Diese
zweite Ausgestaltung ist konstruktiv einfacher, da das gepumpte
Gas im unteren Abschnitt der Vertiefung 6 ausgestoßen wird,
aufgrund des Kanals 23, der bereits im Wesentlichen mit
dem Ausslassanschluss 3 verbunden ausgebildet ist.
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6 zeigt
den Motor 8, der derart konstruiert ist, dass er ein Paar
paralleler Holweck-Pumpstufen ausbildet. Daher weisen jeweils die
Außenfläche des
Stators 11 und die Innenfläche des Stators 12 (d. h.
die dem Rotor 14 zugewandten Flächen) einen Satz von im Wesentlichen
schraubenlinienförmigen Nuten 17' bzw. 18' auf, um Gas
in Richtung des Auslassanschlusses 3 zu pumpen. Es wird
verstanden werden, dass der Wickelsinn der schraubenlinienförmigen Nuten 17' und 18' von der Drehrichtung
des Motorrotors abhängt,
angezeigt durch den Pfeil F2 bei 6.