EP2835536A2

EP2835536A2 - Vakuumpumpstufe mit besonderer Oberflächenrauigkeit zur Reduzierung der Gasreibung

Info

Publication number: EP2835536A2
Application number: EP14176840.8A
Authority: EP
Inventors: Dr. Aleksandr Shirinov; Michael Schweighöfer; Tobias Stoll; Sebastian Oberbeck
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2034-07-14
Also published as: EP3104014B1; EP3088743B1; DE102013108482A1; EP2835536A3; EP3088743A1; EP2835536B1; EP3104014A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpstufe einer Gewinde- oder Seitenkanalpumpe, die einen Stator und wenigstens einen Rotor aufweist, bei der in dem Stator und/oder in dem Rotor wenigstens eine Gewindenut oder bei der in dem Stator wenigstens ein Kanal vorgesehen ist, wobei der Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpstufe.
Zum Stand der Technik gehören Vakuumpumpstufen von Gewindepumpen, die im Wesentlichen aus zwei Teilen bestehen, nämlich aus einem Stator und einem in dem Stator rotierenden Rotor. Auf dem Außendurchmesser des Rotors und auf dem Innendurchmesser des Stators sind mehrgängige Gewinde angebracht.
Seitenkanalpumpen, das heißt, Pumpen, die wenigstens eine Vakuumpumpstufe in Form einer Seitenkanalpumpstufe aufweisen, können in mehrstufiger Bauweise im hohen Druckbereich bis hin zum Atmosphärendruck eingesetzt werden. Diese lassen sich beispielsweise gut mit Turbomolekularpumpen oder auch anderen Molekularpumpen kombinieren. Die Rotorteile beider Pumpen können auf einer Welle untergebracht werden, so dass beide eine Baueinheit bilden. Die Seitenkanalpumpstufen weisen üblicherweise ein Laufrad, das heißt, einen Rotor auf, welcher an seinem Rand in einem Kanal umlaufende Schaufeln aufweist.
Um eine hinreichend gute Pumpleistung bei den aus der Praxis bekannten Pumpen zu erzielen, sind in der Regel mehrere Stufen und aufwändig gestaltete Laufräder beispielsweise der Seitenkanalpumpstufe notwendig.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Vakuumpumpstufe mit einem Einlass, einem Auslass und einem Kanal, der zwei Seitenwände und einen Kanalboden aufweist, wobei ein Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird, und mit einem zwischen Einlass und Auslass angeordnetem Unterbrecher.
Viele industrielle Prozesse laufen unter Vakuumbedingungen im molekularen Strömungsbereich ab. Zur Erzeugung solcher Vakuumbedingungen werden Vakuumpumpen oder aus Vakuumpumpen zusammengesetzte Vakuumpumpstände eingesetzt. In den Vakuumpumpen kommen Vakuumpumpstufen nach unterschiedlichen Wirkprinzipien zum Einsatz, die unterschiedlichen Druckbereichen angepasst sind, um Gas vom gewünschten Endvakuum bis zur Atmosphäre zu verdichten.
Gegen Atmosphäre verdichtend werden beispielsweise Seitenkanalpumpstufen eingesetzt. In diesen laufen Schaufeln in einem Kanal um und fördern einen wirbelartigen Gasstrom zwischen Ein- und Auslass. Der Gasstrom folgt den Schaufeln beim Umlauf und wird an einem so genannten Abstreifer oder Unterbrecher abgelöst und dem Auslass zugeführt.
Um eine hinreichend gute Pumpleistung zu erzielen, sind in der Regel mehrere Stufen und aufwändig gestaltete Laufräder der Seitenkanalpumpstufe notwendig. Der zu betreibende Aufwand wird beispielsweise an der Vielzahl von Schaufeln ersichtlich, die zumindest bei kleinen Stückzahlen aufwändig aus Vollmaterial herausgearbeitet werden müssen.
Derartige Seitenkanalpumpstufen sind beispielsweise in der DE 10 2009 021 642 A1 und der DE 10 2010 019 940 A1 offenbart.
Diese zum Stand der Technik gehörenden Seitenkanalpumpstufen können noch hinsichtlich ihrer Pumpleistung verbessert werden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine weitere Vakuumpumpstufe, bei der zwischen dem Einlass und dem Auslass ein Unterbrecher angeordnet ist.
Zum Stand der Technik ( DE 103 34 950 A1 ) gehört ein Seitenkanalverdichter, der einen Einlass, einen Auslass und einen Rotor aufweist sowie einen Kanal, wobei der Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird. Üblicherweise taucht der Rotor mit auf dem Rotor angeordneten Rotorschaufeln in den Kanal ein. Zwischen dem Einlass und dem Auslass ist ein Unterbrecher angeordnet. Der Unterbrecher umschließt den Rotor allseitig und, wie aus der Praxis bekannt, abrupt in der Nähe des Auslasses, wo der Seitenkanal endet, wie auch in der Nähe des Einlasses, wo der Seitenkanal anfängt.
Gemäß dem Stand der Technik ( DE 103 34 950 A1 ) ist der Unterbrecher derart ausgebildet, dass die Rotorschaufeln gleichmäßig zunehmend umschlossen, beziehungsweise gleichmäßig abnehmend wieder freigegeben werden. Die jeweilige Rotorschaufel wird also von dem Unterbrecher nach und nach und stetig eingeschlossen, beziehungsweise wieder stetig frei gegeben. Es kommt hierbei nicht zu einem abrupten, sondern einem kontinuierlichen und gleichmäßigen Abstreifen der verdichteten Gasanteile von den jeweiligen Rotorschaufeln. Diese Maßnahme wird am Anfang wie auch am Ende des Unterbrechers, das heißt am Einlass und am Auslass realisiert. Hierdurch wird die Entstehung von störenden Schallkomponenten im Unterbrecherbereich unterdrückt und ein Gasstau am Druckstutzen wird reduziert. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades. Diese zum Stand der Technik gehörende Ausführungsform weist den Nachteil auf, dass der Wirkungsgrad noch nicht voll ausgeschöpft ist.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine verbesserte Vakuumpumpstufe für Gewinde- oder Seitenkanalpumpen anzugeben, die in molekularen und viskosen Druckbereichen genutzt werden, um eine Leistungssteigerung der Pumpe zu erzielen.
Dieses technische Problem wird durch eine Vakuumpumpstufe gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpstufe einer Gewinde- oder Seitenkanalpumpe, die einen Stator und wenigstens einen Rotor aufweist, bei der in dem Stator und/oder in dem Rotor wenigstens eine Gewindenut oder bei der in dem Stator wenigstens ein Kanal vorgesehen ist, wobei der Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird, zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine Kanal oder die wenigstens eine Gewindenut wenigstens eine Oberfläche aufweist, in der Rillen angeordnet sind und/oder dass Oberflächen von Statoren und/oder Rotoren Rillen aufweisen oder dass die Oberfläche des wenigstens einen Kanales oder der wenigstens einen Gewindenut und/oder die Oberfläche des Rotors mit einem Material beschichtet ist, welches einen niedrigeren Reibungskoeffizienten als eine Metalloberfläche aufweist.
Im Sinne einer Metalloberfläche ist eine glatte Metalloberfläche, wie sie gemäß der Praxis bei Statoren und Rotoren von Vakuumpumpen eingesetzt wird, zu verstehen.
Die drei genannten Maßnahmen gemäß der erfindungsgemäßen Vakuumpumpstufe reduzieren die Gasreibung an der Oberfläche der pumpaktiven Flächen. Hierdurch wird die Geschwindigkeit, die Zirkulationsströmung und die Intensität des Energieaustausches zwischen dem Rotor und Stator erhöht. Dieses führt wiederum zur Erhöhung der Kompression, Reduzierung der Leistungsaufnahme und Erhöhung des Saugvermögens.
Die in der Oberfläche angeordneten Rillen wirken derart, dass sich in den Rillen eine geringere Luftbewegung bildet, so dass, obwohl die Oberfläche insgesamt rauer wird und eine größere Oberfläche aufweist, weniger Reibung vorhanden ist.
Der gleiche Effekt, nämlich die Reduktion der Gasreibung an den pumpaktiven Oberflächen wird durch Beschichtung der pumpaktiven Flächen mit einem Material erreicht, welches einen niedrigeren Reibungskoeffizienten als eine Metalloberfläche aufweist. Gemäß dem Stand der Technik sind die pumpaktiven Flächen der Vakuumpumpen aus Metall gebildet, welche eine glatte Oberfläche aufweisen. Wird die Oberfläche beispielsweise mit einer Beschichtung mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten für Gase beschichtet, wird die Gasreibung reduziert. Vorteilhaft weist die Beschichtung Antihaft- und Gleiteigenschaften auf, die besser sind, als die Antihaft- und Gleiteigenschaften einer glatten Metalloberfläche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Bodenfläche und/oder wenigstens eine Seitenwand der Gewindenuten derart ausgebildet, dass in diesen Rillen angeordnet sind. Vorteilhaft sind die Rillen in der Bodenfläche und den Seitenwänden angeordnet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, lediglich einen Teil der Flächen mit Rillen zu versehen.
Die Rillen sind entweder parallel zu einer Strömungsrichtung der Gase, quer zur Strömungsrichtung der Gase und/oder in einem Winkel zur Strömungsrichtung der Gase angeordnet. Bei sämtlichen Ausgestaltungen bildet sich in den Rillen lediglich eine geringe Luftbewegung, so dass die Gasreibung an den pumpaktiven Flächen reduziert wird.
Es können sämtliche Rillen einer pumpaktiven Fläche parallel oder im Wesentlichen parallel ausgerichtet sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass an einer pumpaktiven Fläche die Rillen aus einer Kombination der genannten Ausrichtungen ausgebildet sind. Bei sich gegenüberstehenden pumpaktiven Flächen können die Rillen parallel zueinander oder winklig zueinander ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Rillen eine Breite und/oder einen Abstand der Rillen zueinander zwischen 1 µm und 1 mm auf. Bei diesen Breiten und Abständen wird eine besonders vorteilhafte Wirkung erzielt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Rillen eine Tiefe zwischen 1 µm und 100 µm auf. Auch hierbei wird die Gasreibung optimal reduziert.
Die Rillen können gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine gleichmäßige Struktur aufweisen. Diese Struktur kann beispielsweise im Querschnitt eine dreieckförmige, rechteckförmige, trapezförmige oder anderweitige Form aufweisen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Rillen als unregelmäßige Rillen ausgebildet sein. Die Rillen können beispielsweise als mit einem Schleifstein in die Oberfläche eingebrachte Rillen ausgebildet sein. Die Rillen sind in den Oberflächen der pumpaktiven Flächen angeordnet. Die Rillen weisen in diesem Fall vorteilhaft eine Rauheit von 0,1 µm bis 100 µm auf.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die pumpaktiven Oberflächen von Statoren und/oder Rotoren mit einem eine Reibung verringernden und/oder die Gleiteigenschaften erhöhenden Material beschichtet. Vorteilhaft sind die pumpaktiven Oberflächen von Statoren und/oder Rotoren mit einem die Reibung gegenüber einer unbeschichteten Oberfläche verringernden Reibung und/oder einer die Gleiteigenschaften gegenüber einer unbeschichteten Oberfläche erhöhenden Material beschichtet. Das Beschichtungsmaterial weist einen niedrigeren Reibungskoeffizienten für Gase und darüber hinaus bessere Antihaft- und Gleiteigenschaften auf, beispielsweise gegenüber Metall, zum Beispiel Aluminium oder Edelstahl. Auch hierdurch reduziert sich die Gasreibung an den pumpaktiven Flächen erheblich, wodurch die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung und die Intensität des Energieaustausches zwischen dem Rotor und dem Stator erhöht wird, was, wie schon ausgeführt, zur Erhöhung der Kompression, Reduzierung der Leistungsaufnahme und Erhöhung des Saugvermögens führt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Vakuumpumpstufe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpstufe mit einem Einlass, einem Auslass, einem Rotor und einem Kanal, der zwei Seitenwände und einen Kanalboden aufweist, wobei der Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird und mit einem zwischen Einlass und Auslass angeordnetem Unterbrecher, zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Seitenwand des Kanales gekrümmt ausgebildet ist.
Diese erfindungsgemäße Vakuumpumpstufe weist den Vorteil auf, dass der Seitenkanal eine erhebliche Verbesserung der vakuumtechnischen Daten von Seitenkanalpumpen im Vergleich zu einem rechteckigen Seitenkanal, wie er zum Stand der Technik gehört, aufweist. Gleichzeitig ist der erfindungsgemäße Seitenkanal einfach zu fertigen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Krümmung der Seitenwände konvex ausgebildet. Durch diese Ausbildung erzielt man die besten vakuumtechnischen Werte.
Vorteilhaft ist der Kanal axialsymmetrisch zu einer Mittelebene des Rotors ausgebildet. Mit dieser Ausbildung wird eine gute Pumpleistung der Vakuumpumpstufe erzielt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Krümmung der wenigstens einen Seitenwand im Querschnitt jeweils halbkreisförmig ausgebildet. Hierdurch werden die besten Verbesserungen der vakuumtechnischen Daten der erfindungsgemäßen Vakuumpumpstufe erzielt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Rotorschaufeln der Rotoren im Querschnitt V-förmig ausgebildet. Diese Gestalt der Rotorschaufeln hat mit den gekrümmten Seitenwänden des Kanales die besten Pumpleistungen ergeben.
Vorteilhaft weisen die Rotorschaufeln über einem Schaufelgrund einen Überstand auf. Der Rotor mit den Rotorschaufeln ist derart ausgebildet, dass über einem Schaufelgrund der Rotorschaufeln ein Überstand vorgesehen ist. Das bedeutet, dass das Material der Rotorschaufeln nicht bis zum Schaufelgrund abgetragen ist, sondern dass ein Überstand vorhanden ist. Dieser Überstand wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf die Pumpleistung der Vakuumpumpstufe aus.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Überstand über dem Schaufelgrund zur Rotorschaufelmitte sich verjüngend ausgebildet. Der Überstand über dem Schaufelgrund zur Rotorschaufelmitte ist in axialer Richtung gesehen sich verjüngend ausgebildet. Das bedeutet, dass an den axialen Rändern der Schaufeln die Schaufeln bis zum Schaufelgrund abgetragen sind und dass zur Mitte hin der Überstand über dem Schaufelgrund maximal ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Rotorschaufeln vollständig in ihrer Höhe in dem Seitenkanal angeordnet sind. Auch hierdurch wird eine optimierte Pumpleistung erzielt.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Schaufelgrund der Rotorschaufeln und eine radial in Richtung Welle angeordnete Begrenzungsfläche des Seitenkanales in radialer Richtung in gleicher Höhe angeordnet. Das bedeutet, dass die Rotorschaufeln vollständig in dem Seitenkanal angeordnet sind und dort ihre volle Wirkung entfalten. Die radial in Richtung Welle angeordnete Begrenzungsfläche ist die Fläche des Seitenkanales, die dem Kanalboden gegenüberliegend angeordnet ist. Durch diese Ausführungsform laufen die Rotorschaufeln in ihrer vollen Höhe im Kanal um.
Mit anderen Worten weisen ein Schaufelgrundradius und ein Radius, der radial in Richtung Welle angeordneten Begrenzungsfläche des Seitenkanales die gleiche Größe R _S1 auf.
Vorteilhaft weist ein Schaufelgrundradius und ein Radius der radial in Richtung Welle angeordneten Begrenzungsfläche des Seitenkanales die gleiche Größe R _S1 auf. Auch hierdurch wird die Pumpwirkung deutlich erhöht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen Rotor- und Statorscheibe ein Axialspalt (Δ) vorgesehen und der Axialspalt ist folgendermaßen ausgestaltet:

Δ ≤ 0,3 mm für p ₂ ≤ 10 mbar
Δ ≤ 0,2 mm für 10 mbar < p ₂ ≤ 100 mbar
Δ ≤ 0,15 mm für p ₂ > 100 mbar.

Diese Werte haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vakuumpumpstufe sieht vor, dass mit steigender Drehzahl und steigender Umfangsgeschwindigkeit der Rotorscheiben der Seitenkanalradius R _S3 und der Abstand d _S1 zunehmend ausgebildet ist. Auch hierdurch wird die Pumpleistung positiv beeinflusst.
Vorteilhaft beträgt eine Schaufelhöhe der Rotorschaufeln 60 % bis 100 % einer Rotorscheibenbreite. Dies dient der weiteren Verbesserung der Pumpleistung.
Die optimale Schaufelhöhe beträgt vorteilhaft 60 % bis 100 % der Rotorscheibenbreite. Darüber hinaus hängt der optimale Seitenkanalradius von der Umfangsgeschwindigkeit der Rotorscheibe ab. Der Seitenkanalradius ist vorteilhaft zwischen 80 % bis 120 % der Rotorscheibenbreite ausgebildet.
Eine Breite d _S1 des Kanalbogens liegt vorzugsweise zwischen 20 % und 120 % der Rotorscheibenbreite.
Darüber hinaus liegt ein Schaufelabstand der Rotorschaufeln vorteilhaft zwischen 50 % und 100 % der Rotorscheibenbreite.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Schaufelabstand kleiner oder gleich 55 % der Rotorscheibenbreite bei einer Seitenkanalfläche, die kleiner als das 2,5-fache der Schaufelfläche ist. Ein Schaufelabstand von 50 % der Rotorscheibenbreite ist besonders vorteilhaft bei Seitenkanälen mit einer Seitenkanalfläche, die nicht größer als das 2,5-fache der Schaufelfläche ist. Dieses sind kleine Seitenkanäle.
Vorteilhaft ist der Schaufelabstand von größer oder gleich 85 % der Rotorscheibenbreite bei einer Seitenkanalfläche, die größer als das 5-fache der Schaufelfläche ist. Dieses sind große Seitenkanäle.
Die optimale Schaufelzahl wird also bei größer werdenden Seitenkanälen geringer, beziehungsweise der optimale Abstand zwischen den Schaufeln wird größer.
Die letztgenannten Maßnahmen dienen sämtlich dazu, die Pumpleistung der Pumpe zu verbessern.
Weiterhin hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die minimale Stegbreite abhängig von der Fertigungsgenauigkeit und der Materialfestigkeit der Rotorscheibe ausgebildet ist. Hierdurch wird die Stabilität der Rotorscheibe gewährleistet.
Das technische Problem wird auch durch eine Vakuumpumpstufe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpstufe mit einem Einlass, einem Auslass, einem Rotor und einem Kanal, wobei der Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird, bei der an dem Rotor Rotorschaufeln angeordnet sind, und die einen zwischen Einlass und Auslass angeordneten Rotor aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Unterbrecher an einer dem Einlass zugewandten Seite eine Abschrägung aufweist.
Der Rotor weist einen Grundkörper und an dem Grundkörper angeordnete Rotorschaufeln auf. Der Rotor ist in der Seitenkanalpumpstufe derart angeordnet, dass dem Grundkörper des Rotors zwei axiale Dichtflächen der Seitenkanalpumpstufe zugeordnet sind. Diese axialen Dichtflächen erweitern sich zu dem sogenannten Seitenkanal, in dem die Schaufeln des Rotors umlaufen. Der Unterbrecher unterbricht den Seitenkanal zwischen Einlass und Auslass. Die erfindungsgemäße Abschrägung des Unterbrechers an der dem Einlass zugewandten Seite weist vorteilhaft eine Tiefe auf, die größer ist als die Tiefe der axialen Dichtfläche der Pumpstufe in axialer Richtung der Pumpstufe gesehen. Das bedeutet, dass die Abschrägung in den Seitenkanal hineinlaufend ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpstufe weist den Vorteil auf, dass die Abschrägung im Bereich des Unterbrechers lediglich am Einlass vorgesehen ist. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Pumpstufe gegenüber dem Stand der Technik, bei dem die Abschrägung zusätzlich im Bereich des Auslasses angeordnet ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abschrägung einen Öffnungswinkel β der Abschrägung aufweist, der zwischen der wenigstens einen Abschrägung und einer Mittelachse ausgebildet ist, und dass ein mit dem Öffnungswinkel β korrespondierender Ergänzungswinkel α einem Schaufelwinkel α der Rotorschaufeln entspricht.
Dieses stellt eine weitere wesentliche Neuerung zum Stand der Technik dar. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Wirbelströmung sich gleich nach dem Einlass, das heißt unmittelbar nach dem Austritt aus dem Unterbrecher, bildet, und nicht erst später im Seitenkanal.
Wenn die Rotorschaufeln einen Standardunterbrecher verlassen, der einen abrupten Beginn des Seitenkanales aufweist, dann strömt das komprimierte Gas aus den Schaufeln in den Seitenkanal in alle Richtungen. Hierdurch wird die Ausbildung der Wirbelströmung nicht begünstigt, sondern nachteilig beeinflusst. In einem erfindungsgemäß ausgestalteten Unterbrecher strömt das Gas erst lediglich in die Richtung, in die die Abschrägung angeordnet ist, da an den anderen Seiten der Kanal die Rotorschaufeln umschließt. In dem Seitenkanal strömt das Gas im Bereich der Abschrägung in diesen Bereich und wird von den Rotorschaufeln an den Seiten angesaugt und auf der der Abschrägung gegenüberliegenden Seite wieder ausgestoßen. Hierdurch wird gleich nach dem Austritt der Rotorschaufeln aus dem Unterbrecher eine Wirbelströmung ausgebildet, was sich sehr vorteilhaft auf die Kompression und das Saugvermögen auswirkt. Durch die Ausbildung des Komplementärwinkels β und damit des Öffnungswinkels α der Abschrägung analog zu dem Anstellwinkel der Rotorschaufeln wird der Effekt der Wirbelströmung optimiert.
Am Auslass des Unterbrechers kann das Gas sogar eine Überschallgeschwindigkeit erreichen. Die erfindungsgemäße Unterbrecherform wirkt wie eine Laval-Düse. Das Gas in den Schaufeln expandiert in Richtung der Abschrägung und wird abgekühlt. Der Gasdruck am Einlass und insbesondere der Gasdruck in den Rotorschaufeln sinkt ab. Dies begünstigt die Gasansaugung an den Seiten der Rotorschaufeln. Durch die geordnete Gasströmung oberhalb der Rotorschaufeln wegen der erfindungsgemäßen Unterbrecherform wird eine schnelle Bildung einer geordneten Wirbelströmung unmittelbar nach dem Unterbrecher erreicht. Dieses führt wiederum zu einer Erhöhung des Saugvermögens und einer Erhöhung der Kompression der Pumpe.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Unterbrecher lediglich am Einlass die Abschrägung auf. Das bedeutet, dass der Unterbrecher am Auslassbereich das aus dem Stand der Technik bekannte, abrupte Ende aufweist. Für die Erhöhung des Saugvermögens und der Kompression der Pumpe ist es ausreichend, beziehungsweise sogar förderlich, den Kanal lediglich am Einlassbereich abzuschrägen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Unterbrecher eine Länge d ₁ auf, die mindestens einer Schaufellänge entspricht. Mit Unterbrecher ist der Bereich gemeint, der gegenüber dem Kanal einen reduzierten Querschnitt aufweist.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die wenigstens eine Abschrägung eine Länge d ₂ aufweist, die mindestens einer oder zwei Schaufellängen entspricht. Auch hierdurch werden ein optimales Saugvermögen und eine optimale Kompression erzielt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Abschrägung linear ausgebildet ist. Hierdurch wird die Ausbildung der Wirbelströmung optimal begünstigt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kanal einen runden oder eckigen Querschnitt oder einen eckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist. Bei beiden Querschnittsformen ist die Abschrägung in Richtung Einlass vorteilhaft, um die Pumpenleistung zu optimieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kanal wenigstens eine Seitenwand auf und die wenigstens eine Seitenwand des Kanales ist gekrümmt ausgebildet. Diese Ausbildung des Seitenkanales ist besonders vorteilhaft.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Abschrägung in radialer Richtung der Vakuumpumpstufe beim Übergang in den Seitenkanal über die gesamte Breite des Kanales ausgebildet. Auch hierdurch wird die Ausbildung der Wirbelströmung positiv beeinflusst.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abschrägung in radialer Richtung der Vakuumpumpstufe beim Übergang in den Seitenkanal lediglich einen Teil der gesamten Breite des Kanales aufweist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Abschrägung eine maximale Tiefe auf, die der axialen Tiefe des Kanales entspricht. Diese Ausführungsform gestattet eine gute Ausbildung der Wirbelströmung.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Abschrägung eine maximale Tiefe bis zu einer axialen Dichtfläche der Rotorscheibe im schaufellosen Bereich auf. Auch diese Ausführungsform gestattet schon eine hinreichende Ausbildung der Wirbelströmung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpstufe nur beispielhaft dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Vakuumpumpe mit Seitenkanalpumpstufen;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer bogenförmigen Rillenstruktur im Querschnitt oder Längsschnitt;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer trapezförmigen Rillenstruktur im Querschnitt oder Längsschnitt;
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer dreieckförmigen Rillenstruktur im Querschnitt oder Längsschnitt;
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer rechteckförmigen Rillenstruktur im Querschnitt oder Längsschnitt;
Fig. 6: eine schematische Darstellung einer dreieckförmigen Rillenstruktur im Querschnitt oder Längsschnitt;
Fig. 7: einen Querschnitt oder Längsschnitt durch eine unregelmäßige Rillenstruktur;
Fig. 8: eine beschichtete Gewindenut im Querschnitt;
Fig. 9: einen Längsschnitt durch eine Vakuumpumpe mit einer Seitenkanalpumpstufe;
Fig. 10: einen Schnitt quer zur Wellenachse durch die Seitenkanalpumpstufe gemäß Fig. 9 entlang der Linie I-I;
Fig. 11: einen Teilquerschnitt durch einen erfindungsgemäßen Seitenkanal;
Fig. 12: eine Darstellung eines Vergleiches der Kompressionen von rechteckigen und kreisförmigen Seitenkanälen mit V-förmigen Rotorschaufeln bei 800 Hz und 1000 Hz Drehfrequenz;
Fig. 13: eine Darstellung der Abhängigkeit des Kompressionsfaktors vom Axialspalt zwischen Rotor und Statorscheiben bei 217 m/s Rotorumfangsgeschwindigkeit;
Fig. 14a: eine Darstellung des Kompressionsfaktors in Abhängigkeit von Auslassdruck p ₂, Drehfrequenz f und Seitenkanaldurchmesser R _S3 bei 1000 Hz;
Fig. 14b: eine Darstellung des Kompressionsfaktors in Abhängigkeit von Auslassdruck p ₂, Drehfrequenz f und Seitenkanaldurchmesser R _S3 bei 800 Hz;
Fig. 15a: eine Darstellung des Kompressionsfaktors in Abhängigkeit von Auslassdruck p ₂, Drehfrequenz f und Abstand d _s1 bei 1000 Hz;
Fig. 15b: eine Darstellung des Kompressionsfaktors in Abhängigkeit von Auslassdruck p ₂, Drehfrequenz f und Abstand d _s1 bei 800 Hz;
Fig. 16: eine Draufsicht auf eine Rotorscheibe mit V-förmigen Schaufeln;
Fig. 17: eine Seitenansicht der Rotorscheibe gemäß Fig. 16;
Fig. 18: ein geändertes Ausführungsbeispiel eines Querschnittes eines Seitenkanales;
Fig. 19: ein geändertes Ausführungsbeispiel eines Querschnittes eines Seitenkanales;
Fig. 20: ein geändertes Ausführungsbeispiel eines Querschnittes eines Seitenkanales;
Fig. 21a: eine Darstellung der Verringerung der Seitenkanalfläche von oben;
Fig. 21b: eine Darstellung der Verringerung der Seitenkanalfläche von unten;
Fig. 21c: eine Darstellung der Verringerung der Seitenkanalfläche von oben und von unten;
Fig. 22: ein geändertes Ausführungsbeispiel;
Fig. 23: ein geändertes Ausführungsbeispiel;
Fig. 24: einen zum Stand der Technik gehörenden Unterbrecher in Seitenansicht und in Draufsicht (schematisch);
Fig. 25: einen erfindungsgemäßen Unterbrecher in Seitenansicht und in Draufsicht (schematisch);
Fig. 26: eine Rotorschaufel in Seitenansicht zur Darstellung des Anstellwinkels α;
Fig. 27: ein geändertes Ausführungsbeispiel;
Fig. 28: eine Darstellung einer Kompression einer Seitenkanalstufe mit Standardunterbrecher und mit erfindungsgemäßem Unterbrecher;
Fig. 29: eine Darstellung des Saugvermögens einer Seitenkanalstufe mit Standardunterbrecher und mit erfindungsgemäßem Unterbrecher;
Fig. 30: eine Statorscheibe mit Unterbrecher in axialer Draufsicht.

Fig. 1 zeigt eine Vakuumpumpe mit einem Gehäuse 1 und drei Pumpeinheiten 14, 16, 18. Das Gehäuse 1 ist mit einer Gaseintrittsöffnung 2 und einer Gasauslassöffnung 4 versehen. Die Pumpeinheiten bestehen aus rotierenden und feststehenden gasfördernden Bauteilen. Die rotierenden Bauteile sind auf einer Welle 6 in axialer Richtung hintereinander angebracht. Zum Betrieb der Welle 6 gehören ein Antriebssystem 8 und Lagerelemente 10 und 12. Die feststehenden Bauteile sind mit dem Gehäuse 1 fest verbunden.
Eine der Gaseintrittsöffnung zugewandte Pumpeinheit 14 ist als Turbomolekularpumpe ausgebildet. Die in Richtung Gasströmung folgende Pumpeinheit 16 besteht aus mehreren Untereinheiten 16a, 16b, 16c. Diese weisen jeweils eine oder mehrere Molekularpumpstufen nach der Bauart von Gaede, im Folgenden Gaede-Stufen genannt, auf. Innerhalb der Untereinheiten sind die Gaede-Stufen parallel geschaltet. Die Untereinheiten selbst sind in Reihe geschaltet. Dies bedeutet, dass Verbindungselemente 34a für die Untereinheit 16a, beziehungsweise 34b für die Untereinheit 16b, die Eingangsseiten und auf der anderen Seite die Ausgangsseiten der Gaede-Stufen so zusammenschließen, dass eine parallele Gasführung in den einzelnen Untereinheiten ermöglicht wird. Die Untereinheiten sind durch Verbindungselemente 36a, 36b und 36c so zusammengeschlossen, dass jeweils die Ausgangsseite der einen Untereinheit mit der Eingangsseite der folgenden Untereinheit verbunden ist. Die der Gasauslassöffnung zugewandte Pumpeinheit 18 ist als mehrstufige Seitenkanalpumpe ausgebildet. Die in Fig. 1 gezeigte Pumpe ist lediglich beispielhaft dargestellt.
Die Erfindung bezieht sich auf sämtliche Vakuumpumpen, in denen Seitenkanalpumpstufen und/oder Gewindepumpen vorgesehen sind.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Oberfläche von Gewindenuten Rillen angeordnet sind und/oder dass in den Oberflächen von Statoren und/oder Rotoren Rillen angeordnet sind.
Diese Rillen können eine Struktur, wie in Fig. 2 dargestellt, aufweisen.
Die Fig. 2 bis 6 zeigen mögliche Strukturen, die gleichmäßig in einer Oberfläche 41, beispielsweise einer Gewindenut eines Seitenkanales oder auch auf einem Rotor angebracht sind.
Fig. 2 zeigt eine Struktur mit Rillen 40, die einen abgerundeten Boden aufweisen. Die Rillen 40 sind bogenförmig ausgebildet. Fig. 3 zeigt eine trapezförmige Struktur mit einem sich konisch verjüngenden Querschnitt, während Fig. 4 eine dreieckförmige Struktur mit einem sich konisch verjüngenden Querschnitt zeigt. In Fig. 5 ist eine rechteckförmige Struktur gezeigt. Fig. 6 zeigt wiederum eine dreieckförmige Struktur, die eine asymmetrische Ausgestaltung aufweist.
Die Tiefe der Rillen 40 kann von 1 µm bis 100 µm variieren. Die Rillenbreite, beziehungsweise der Abstand zwischen den einzelnen Rillen 40 kann von 1 µm bis 1 mm variieren. Die Rillen 40 können entlang der Strömungsrichtung, quer zu der Strömungsrichtung und unter einem Winkel zu der Strömungsrichtung des Gases in die Oberfläche 41 eingearbeitet werden.
Wie in Fig. 7 dargestellt, können die Rillen 40 auch mit einem Schleifstein in einer Oberfläche 41 erzeugt werden. Die Rillen 40 weisen in diesem Fall eine unregelmäßige Struktur auf. Die raue Oberfläche soll eine Rauheit von 0,1 µm bis 100 µm aufweisen, vorzugsweise von 2 µm bis 100 µm. In sämtlichen Profilen, die in den Fig. 2 bis 7 dargestellt sind, bildet sich in den Rillen 40 stehende Luft, so dass sich die Gasreibung an der Oberfläche 41 reduziert. Durch diesen Effekt wird das Abgleiten von Gasschichten beeinflusst. Durch die Beeinflussung dieser so genannten Grenzschichtkräfte wird ein Abgleiten der Gase an der Oberfläche der pumpaktiven Flächen begünstigt. Hierdurch wird die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung und die Intensität des Energieaustausches zwischen den pumpaktiven Flächen von Rotor und Stator erhöht. Dies führt zur Erhöhung der Kompression, Reduzierung der Leistungsaufnahme und Erhöhung des Saugvermögens.
Gemäß Fig. 8 ist eine Gewindenut 50 einer Gewindepumpe dargestellt. Die Gewindenut 50, die beispielsweise in einem Stator 51 angeordnet ist, wie auch die angrenzenden Flächen der Gewindenut 50 sind mit einer Beschichtung 52 beschichtet, welche die Reibung verringert und die Gleiteigenschaften der Oberfläche verbessert gegenüber einer unbeschichteten Oberfläche, beispielsweise einer Metalloberfläche, zum Beispiel Aluminium oder Edelstahl. Auch durch diese Maßnahme wird die Gasreibung an der Kanaloberfläche reduziert, wodurch die oben genannten Vorteile auftreten.
Fig. 9 zeigt eine Vakuumpumpe 100 mit einem Gaseinlass 102 und einem Gasauslass 103 sowie einem Gehäuse 101. Das Gehäuse 101 ist aus vier Gehäuseteilen 120, 121, 122, 123 aufgebaut, welche die Komponenten der Vakuumpumpe 100 aufnehmen.
Durch den Gaseinlass 102 in die Vakuumpumpe 100 eintretendes Gas gelangt zunächst in eine Molekularstufe 105. Diese besitzt einen Innenstator 505, der mit einer inneren Gewindenut 507 versehen ist, und einen Außenstator 506, der mit einer äußeren Gewindenut 508 versehen ist. Zwischen Innenstator und Außenstator ist ein Zylinder 502 mit glatter Oberfläche vorgesehen, der mit dem Rotor 500 verbunden ist. Die Molekularstufe 105 ist somit als Holweckstufe gestaltet. Die in Fig. 9 dargestellte Holweckstufe ist symmetrisch mit einem von Statorbauteilen umgebenden zweiten Zylinder 502' aufgebaut und arbeitet daher zweistufig.
Der Rotor ist mit einer Welle 108 verbunden, die in Wälzlagern 110 und 111 drehbar gelagert ist. Anstelle der Wälzlager 110, 111 können auch passive und aktive Magnetlager zum Einsatz kommen. An der Welle 108 ist wenigstens ein Permanentmagnet 113 angeordnet, der mit einer stehenden Spule 112 zusammenwirkt und zusammen mit dieser einen Antrieb 107 bildet. Das Wälzlager 110, der Antrieb 107 und die Molekularstufe 105 sind in den Gehäuseteilen 120, 121 angeordnet.
Die Welle 108 durchsetzt das Gehäuseteil 122, welches eine Seitenkanalpumpstufe 104 beinhaltet. Die Seitenkanalpumpstufe 104 wird von einem Seitenkanal 401 und einem Laufrad 400 gebildet, wobei am Laufrad 400 wenigstens eine Schaufel 402 angeordnet ist, die in dem Seitenkanal durch die Drehung der Welle 108 umläuft und so die Pumpwirkung erzeugt. Gas gelangt durch einen Übergabekanal 124 aus der Molekularstufe 105 in die Seitenkanalstufe 104 hinein und wird durch einen weiteren Übergabekanal 125 ausgestoßen.
Von der Seitenkanalpumpstufe 104 gelangt das Gas durch den Übergabekanal 125 in eine Vorvakuumstufe 106. Diese ist ebenfalls als Seitenkanalpumpstufe gestaltet, wobei hier die Geometrie der am Laufrad 600 angeordneten und im Seitenkanal 601 umlaufenden Schaufeln 602 von der Geometrie der Schaufeln 402 abweicht. Aus dieser Pumpstufe 106 wird das Gas aus der Vakuumpumpe 100 durch den Gasauslass 103 ausgestoßen.
Zwischen den Laufrädern 400 und 600 und den Gehäuseteilen 121, 122 und 123 befinden sich enge Spalte. Diese erlauben ein freies Drehen des betreffenden Laufrades, sind jedoch so eng gestaltet, dass keine störenden Gasströmungen auftreten.
Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch das Gehäuseteil 122 entlang der Linie I-I der Fig. 9. Auf der Welle 108 sitzt das Laufrad 400. Dieses besitzt einen Rand 403, an dem entlang des Umfanges gleichmäßig verteilt Schaufeln 402 angeordnet sind. Der Seitenkanal 401 umgibt das Laufrad, wobei der Seitenkanal in radialer Richtung den Schaufelbereich des Laufrades im Wesentlichen ringförmig umgibt. Nur über einen Teil des Umfanges grenzt das Gehäuse dicht an das Laufrad. Dieser Abschnitt bildet einen Unterbrecher 404, der Ansaug- und Ausstoßseite voneinander trennt und an dem der Gasstrom, der sich im Seitenkanal ausbildet und der Drehung des Laufrades folgt, von diesem abgelöst und an den Übergabekanal 125 übergeben wird.
Wie in Fig. 11 dargestellt, weist der Seitenkanal 401 einen Kanalboden 420 und zwei Seitenwände 421, 422 auf. Die Seitenwände 421, 422 sind gekrümmt ausgebildet. Das heißt, sie weisen eine konkave Form auf. Die Schaufeln 402 des Laufrades oder Rotors 400 ragen vollständig in den Seitenkanal 401. Ein Radius R _S1 eines Schaufelgrundes 423 ist gleich groß wie der Radius R _S1 einer radial in Richtung der Welle angeordneten Begrenzungsfläche 424 des Seitenkanales 401.
Das bedeutet, dass die Schaufeln 402 vollständig in den Seitenkanal 401 eintauchen.
Durch die gekrümmt ausgebildeten Seitenflächen 421, 422 wird die Pumpleistung der Seitenkanalpumpstufe deutlich verbessert. Vorteilhaft ist der Steg zwischen den Schaufeln möglichst gering ausgebildet (nicht dargestellt). Das mit Gas gefüllte Schaufelvolumen soll möglichst groß sein.
Durch diese Maßnahmen werden die vakuumtechnischen Eigenschaften der Pumpe erheblich verbessert.
Verbesserungen der vakuumtechnischen Daten werden auch durch eine optimierte Einstellung des Seitenkanalradius R _S3 (80 % bis 120 % der Rotorbreite) und dem Abstand zwischen zwei Zentren der Seitenkanalhalbkreise d _S1 (20 % bis 120 % der Rotorbreite) erreicht. Der optimale Radius R _S3 und Abstand d _S1 hängen von der Umfangsgeschwindigkeit der Rotorscheibe und von der Schaufelgröße ab. Die Maße R _R1, R _R3, d _R1, Schaufelhöhe h und Schaufelwinkel α sind vorgegeben.
Das Maß R _S2 kann mit folgenden drei Gleichungen berechnet werden: $R_{S 2} = R_{S 1} + \sqrt{R_{S 3}^{2} - \frac{1}{4} {(d_{S 2} - d_{S 1})}^{2}}$
$d_{S 2} = d_{R 1} + 2 \cdot Δ$
$R_{S 1} = R_{R 1} - h$
Das Maß R _S1 ist durch den unteren Schaufelrand der Rotorscheibe vorgegeben.
Δ bezeichnet den Axialspalt zwischen Rotor und Statorscheibe. Der Axialspalt Δ kann vorzugsweise von 0,01 mm bis 0,5 mm betragen. Kleine Axialspalte sind an der Ausstoßseite und große Axialspalte an der Ansaugseite sinnvoll. Wenn auf der Axialfläche zwischen Rotor und Statorscheiben eine Labyrinthdichtung verwendet wird, kann der Axialspalt mehr als 0,5 mm betragen. Die Richtwerte für die Axialspalte können folgendermaßen gewählt sein: $Δ \leq 0, 3 mm für p_{2} \leq 10 mbar$
$Δ \leq 0, 2 mm für 10 mbar < p_{2} \leq 100 mbar$
$Δ \leq 0, 15 mm für p_{2} > 100 mbar$
In Fig. 12 ist ein Vergleich von im Querschnitt rechteckigen Seitenkanälen und von Seitenkanälen mit zwei im Querschnitt halbkreisförmigen Seitenwänden mit V-förmigen Rotorschaufeln bei 800 Hz und 1000 Hz Drehfrequenz im Vergleich dargestellt. Die Kurven 716, 717, 718, 719 stellen den Verlauf der Kompression in Abhängigkeit von dem Druck dar. Die unteren beiden Kurven 718, 719 beziehen sich auf eine Drehfrequenz von 800 Hz. Ein Seitenkanal mit halbkreisförmigen Seitenwänden weist eine höhere Kompression (Kurve 718) auf als ein zum Stand der Technik gehörender im Querschnitt rechteckiger Kanal (Kurve 719). Die beiden oberen Kurven 716, 717 beziehen sich auf eine Drehfrequenz von 1000 Hz. Die obere Kurve 716 stellt die Kompression in Abhängigkeit vom Druck dar für einen Seitenkanal mit im Querschnitt halbkreisförmigen Seitenwänden. Auch hier ist die Kompression durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanales deutlich erhöht gegenüber einem Seitenkanal mit rechteckigem Querschnitt (Kurve 717). Es ist zu erkennen, dass die Seitenkanäle mit zwei im Querschnitt halbkreisförmigen Seitenwänden eine deutlich bessere Kompression aufweisen.
In Fig. 13 ist die Abhängigkeit des Kompressionsfaktors vom Axialspalt dargestellt. Wie der Legende in Fig. 13 oben zu entnehmen ist, sind Axialspalte zwischen 0,15 mm und 0,4 mm erfasst worden. Der Kompressionsfaktor k₀ ist umso größer, je geringer der Axialspalt ist.
Unterschiedliche Rotorscheiben einer mehrstufigen Seitenkanalpumpe mit gleicher Schaufelgröße haben gleiche Drehzahl, können aber abhängig vom Rotorscheibendurchmesser R _R1 unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten haben. Aus diesem Grund sollen Rotorscheiben mit unterschiedlichen Durchmessern R _R1 und gleicher Schaufelgröße Seitenkanäle mit unterschiedlichen Radien R _S3 und Abständen d _S1 haben.
Messungen haben gezeigt, dass mit steigender Drehzahl und demzufolge steigender Umfangsgeschwindigkeit von Rotorscheiben der optimale Seitenkanalradius R _S3 und der Abstand d _S1 zunehmen. Als optimal wird die Seitenkanalgröße mit dem besten Kompressionsfaktor bezeichnet. Das Saugvermögen und die Leistungsaufnahme steigen proportional zur Seitenkanalfläche.
In den Fig. 14a und 14b ist der Kompressionsfaktor in Abhängigkeit vom Auslassdruck p ₂, Drehfrequenz f und Seitenkanaldurchmesser R _S3 angegeben. Der in den Fig. 14a und 14b dargestellte Kompressionsfaktor ist für folgendes Beispiel angegeben:

Für eine Rotorscheibe mit einem Radius R _R1 = 69 mm, Breite d _R1 = 5 mm und Schaufelhöhe R _R1 - R _S1 = 4 mm beträgt der optimale Seitenkanalradius bei einer Drehzahl f = 800 Hz und einer Umfangsgeschwindigkeit V = 173 m/sec gleich R _{S3 optimal} = 5 mm. Für eine Drehzahl f = 1000 Hz und eine Umfangsgeschwindigkeit V = 217 m/sec beträgt der optimale Seitenkanalradius R _{S3 optimal} = 5,3 mm. Mit steigender Drehzahl f und Umfangsgeschwindigkeit V wird der optimale Seitenkanalradius weiter zunehmen, beziehungsweise mit fallender Drehfrequenz und Umfangsgeschwindigkeit abnehmen.

In den Fig. 15a und 15b ist der Kompressionsfaktor in Abhängigkeit vom Auslassdruck p ₂, Drehfrequenz f, Abstand d _S1 dargestellt.
Der optimale Abstand d _S1 beträgt bei einer Drehzahl von f = 800 Hz je nach Druckbereich entweder d _S1 = 1,2 mm oder d _S1 = 3,6 mm. Wenn die Drehzahl f bis auf 1000 Hz ansteigt, wird der optimale Abstand je nach Druckbereich entweder d _S1 = 3,6 mm oder d _S1 = 4,8 mm. Es ist eine Tendenz zur Steigerung des optimalen Abstandes d _S1 mit steigender Drehzahl f zu erkennen.
Die oben genannten Abhängigkeiten gelten nur für Rotorscheiben mit V-förmigen Schaufeln, wie sie in Fig. 16 dargestellt sind. Fig. 16 zeigt das Laufrad 400 mit den Schaufeln 402. Die Schaufeln 402 sind V-förmig ausgebildet. Der Schaufelgrund weist im Bereich einer Mittelebene 425 des Laufrades 400 einen Überstand auf, der sich von Rändern 426, 427 des Schaufelgrundes zur Mittelebene 425 verjüngend erhebt. Das Laufrad 400 dreht sich in Richtung des Pfeiles A.
Fig. 17 zeigt das Laufrad 400 gemäß Fig. 16 in Seitenansicht in Richtung des Pfeiles B. Das Laufrad 400 trägt die V-förmig ausgebildeten Schaufeln 402. Die Schaufeln weisen einen Schaufelgrund 423 auf. Über dem Schaufelgrund 423 steht ein Überstand 428 über.
Im Allgemeinen sollen bei der Auslegung von Seitenkanalpumpen folgende Konstruktionsrichtlinien eingehalten werden. Eine optimale Schaufelhöhe beträgt 60 % bis 100 % der Rotorscheibenbreite. Ein optimaler Seitenkanalradius hängt von der Umfangsgeschwindigkeit der Rotorscheibe 400 ab und kann von 80 % bis 120 % der Rotorscheibenbreite betragen. Der Abstand d _S1 hängt auch von der Umfangsgeschwindigkeit der Rotorscheibe ab und kann von 20 % bis 120 % der Rotorscheibenbreite betragen.
Die optimale Schaufelzahl oder der optimale Abstand zwischen den Schaufeln hängt nicht von der Drehzahl ab. Der optimale Abstand zwischen den Schaufeln ist proportional zur Schaufelgröße und ist auch von der Seitenkanalgröße abhängig. Er beträgt von 5o % bis 100 % der Rotorscheibenbreite, der optimale Abstand zwischen den Schaufeln ist kleiner gleich 55 % für kleine Seitenkanäle (Seitenkanalfläche nicht größer als das 2,5-fache der Schaufelfläche) und ist größer gleich 85 % für große Seitenkanäle (Seitenkanalfläche nicht kleiner als das 5-fache der Schaufelfläche). Die optimale Schaufelzahl wird also bei größer werdenden Seitenkanälen geringer, beziehungsweise der optimale Abstand zwischen Schaufeln wird größer. Die Seitenkanalfläche A_SK und die Schaufelfläche A_Sch können mit den Gleichungen 4 bis 7 berechnet werden. $A_{SK} = R_{S 3}^{2} \cdot (π - α) + d_{S 1} \cdot (R_{S 3} + C) + C \cdot \frac{1}{2} \cdot (d_{S 2} - d_{S 1})$
$α = \arcsin (\frac{d_{S 2} - d_{S 1}}{2 \cdot R_{S 3}})$
$C = \sqrt{R_{S 3}^{2} - {(\frac{d_{S 2} - d_{S 1}}{2})}^{2}}$
$A_{Sch} = d_{R 1} \cdot (R_{R 1} - R_{S 1})$
Die Stegbreite der Schaufeln soll möglichst klein sein. Die minimale Stegbreite ist durch die Fertigungsgenauigkeit und durch die Materialfestigkeit der Rotorscheibe beschränkt.
Die Fig. 18 bis 20 zeigen weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten eines Seitenkanales. In Fig. 18 ist der Seitenkanal 401 insgesamt kreisförmig ausgebildet. Der Seitenkanal 401 weist keinen planen Seitenkanalboden, sondern insgesamt einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Gemäß Fig. 19 ist der Seitenkanal 401 ebenfalls kreisförmig ausgebildet. Der Radius des Seitenkanales 401 ist jedoch kleiner als in Fig. 18 dargestellt.
Gemäß Fig. 20 weist der Seitenkanal 401 konvexe Seitenwände 421, 422 auf. Der Kanalboden 420 ist plan ausgebildet.
Bei den Ausführungsformen der Seitenkanäle der Fig. 18 bis 20 ist der Seitenkanalquerschnittsdurchmesser vorteilhaft konstant über den gesamten Umfang des Seitenkanales ausgebildet. Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Seitenkanalquerschnittsdurchmesser sich von einem Einlass 124 zu einem Auslass 125 verringert. Gemäß Fig. 9 sind der Einlass 124 und der Auslass 125 diametral gegenüberliegend angeordnet. Es ist jedoch auch eine Anordnung in einer Seitenkanalpumpstufe möglich, wie sie in Fig. 10 gestrichelt eingezeichnet worden ist. Hier ist ein Einlass 124' gezeichnet. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass sich der Seitenkanalquerschnittsdurchmesser vom Einlass 124' bis zum Auslass 125 verringert. Diese Verringerung kann linear mit dem Umfangswinkel stattfinden. Sie kann auch eine andere Funktion des Umfangswinkels darstellen.
In den Fig. 21a bis 21c ist eine Seitenkanalfläche mit einer Mittellinie 126 des Seitenkanales dargestellt in Abhängigkeit vom Radius und von dem Winkel ϕ.
Die Verringerung der Seitenkanalfläche kann, wie in Fig. 21a dargestellt, von oben erfolgen. Sie kann auch von unten erfolgen, wie in der Darstellung Fig. 21b gezeigt. Sie kann jedoch auch von oben und von unten erfolgen, wie in der Darstellung Fig. 21c dargestellt. Der Seitenkanaldurchmesser kann auch von einer oder von beiden Seiten entlang des Seitenkanales vom Einlass 124' zum Auslass 125 reduziert werden. Der Einlass 124' ist in Fig. 10 dargestellt.
Fig. 22 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Seitenkanales 401. Der Seitenkanal 401 weist Seitenwände 421, 422 auf, die kreisabschnittsförmig ausgebildet sind. Der Kanalboden 420 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls nicht plan dargestellt, sondern besteht aus zwei Kreisabschnitten mit einem Radius R _S3.
Fig. 23 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausgestaltungsform des Seitenkanales 401. Der Seitenkanal 401 weist gekrümmte Seitenflächen 421, 422 sowie einen nicht plan ausgebildeten Kanalboden 420 auf. Die gekrümmten Seitenflächen 421, 422 entsprechen in diesem Fall keinen kreisförmigen Abschnitten.
Ein Unterbrecher 404 ist in Fig. 10 dargestellt. Der Unterbrecher ist in der Seitenkanalpumpstufe 104 der Fig. 9 angeordnet. Die Figurenbeschreibung der Fig. 9 und 10 sind auf die vorliegende Erfindung voll übertragbar.
Fig. 24 zeigt einen zum Stand der Technik gehörenden Unterbrecher 404, der einen Einlass 701 und einen Auslass 702 aufweist. Der Unterbrecher 404 sowie der Einlass 701 und der Auslass 702 sind Teil eines Stators 700. Die obere Darstellung in Fig. 24 zeigt einen Seitenblick auf den Unterbrecher 404. Die untere Darstellung zeigt einen Draufblick auf den Unterbrecher 404. Ein Rotor 703 ist in der oberen Darstellung gestrichelt dargestellt. Der Rotor 703 dreht sich mit einer Rotationsgeschwindigkeit v. Wie in Fig. 24 zu erkennen ist, weist der zum Stand der Technik gehörende Unterbrecher 404 einen Bereich d ₁ auf, in dem der Unterbrecher 404 den Rotor 703 vollständig umschließt. Im Bereich des Einlasses 701 und im Bereich des Auslasses 702 endet ein Seitenkanal 704 abrupt. Es kommt hier zu störenden Schallkomponenten sowie zu einem Gasstau am Druckstutzen 702.
Fig. 25 zeigt den Unterbrecher 404, der in dem Stator 700 angeordnet ist. In dem Stator 700 ist für den Seitenkanal 704 ein Einlass 701 und ein Auslass 702 angeordnet. In dem Stator rotiert ein Rotor 703 mit einer Geschwindigkeit v.
Wie der Fig. 25 im oberen Teil zu entnehmen ist, weist der Unterbrecher 404 über eine Länge d ₁ einen Bereich auf, in dem der Rotor 703 vollständig von dem Unterbrecher 404 umschlossen ist. In einem Bereich über eine Länge d ₂ weist der Unterbrecher eine Abschrägung 705 auf. Im Bereich dieser Abschrägung 705 erweitert sich der Seitenkanal 701 kontinuierlich zu seiner Gesamtbreite außerhalb des Bereiches d ₂. An dem Rotor 703 sind, lediglich schematisch dargestellt, Rotorschaufeln 706 angeordnet. Die Länge d ₁ des Unterbrechers ist größer als eine Schaufellänge. Ebenfalls ist die Länge d ₂ der Abschrägung 705 länger als eine Schaufellänge.
Der Kanal 701 kann eine Form aufweisen, wie sie in Fig. 11 für den Kanal 401 dargestellt ist. Der Rotor 400 wird von einer Dichtfläche 707 des Stators begrenzt. Diese Dichtfläche 707 ist im schaufellosen Bereich des Rotors 400 angeordnet.
Im unteren Teil der Fig. 25 ist der Unterbrecher 404 dargestellt mit der Abschrägung 705. Die Abschrägung 705 verjüngt sich in Richtung des Bereiches d ₂ des Unterbrechers 404, in dem der Unterbrecher 404 den Rotor 703 vollständig umschließt. Ein Winkel β gibt den Öffnungswinkel der Abschrägung 705 an. Ein Winkel α ist ein Komplementärwinkel zu dem Winkel β, das heißt, die Summe der Winkel α und β ergibt zusammen 180°. Der Winkel α entspricht einem Schaufelwinkel der Rotorschaufeln 706 des Rotors 703, wie in Fig. 26 dargestellt.
In Fig. 26 sind eine Rotorschaufel 706 im Schnitt sowie der Anstellwinkel α dargestellt. Mit D ist die Schaufelhöhe bezeichnet.
Fig. 27 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der Unterbrecher 404, der in dem Stator 700 ausgebildet ist, weist die Abschrägung 705 auf. In Richtung des Seitenkanales 704 ist eine zusätzliche Abschrägung 706 vorgesehen. Durch diese zusätzliche Abschrägung, die eine Länge d ₃ aufweist, werden eine noch höhere Kompression als auch ein höheres Saugvermögen erzielt.
In Fig. 28 ist die Kompression einer Seitenkanalpumpstufe dargestellt. Die Kurven zeigen zum einen die Werte für einen Standardunterbrecher und zum anderen für eine Unterbrecherform gemäß Fig. 25. Es ist zu erkennen, dass die Kompression deutlich bei der Unterbrecherform gemäß Fig. 25 erhöht ist.
Gemäß Fig. 29 ist das Saugvermögen einer Seitenkanalpumpstufe gezeigt. Man erkennt deutlich, dass die gemäß Fig. 25 verwendete Unterbrecherform zu einem höheren Saugvermögen führt als eine zum Stand der Technik gehörende Unterbrecherform.
Fig. 30 zeigt die Statorscheibe 700 mit einem Seitenkanal 704 sowie einen Auslass 702. Der Unterbrecher 404 grenzt mit einer Fläche 708 unter Beibehaltung eines schmalen Spaltes (nicht dargestellt) an Schaufeln des Rotors, der hier ebenfalls nicht dargestellt ist. Der Unterbrecher weist die Abschrägung 705 auf, die sich in Richtung des Kanales 704 erweitert. Eine Dichtfläche 707 weist ein tieferes Niveau als eine Fläche 709 des Stators 700 auf, wodurch sich die Kante oder Fläche 708 ergibt. Die Abschrägung 705 stellt zum einen eine radiale Öffnung des Unterbrechers 404 sowie auch eine axiale Vertiefung der Dichtfläche 707 dar.
Der Stator 700 weist eine Bohrung 710 für den Durchgriff einer Welle des Rotors (nicht dargestellt) auf.

Bezugszahlen

1: Gehäuse
2: Gaseintrittsöffnung
4: Gasauslassöffnung
6: Welle
8: Antriebssystem
10: Lagerelement
12: Lagerelement
14: Pumpeinheit
16: Pumpeinheit
16a: Pumpuntereinheit
16b: Pumpuntereinheit
16c: Pumpuntereinheit
18: Pumpeinheit
32: Verbindungskanäle
34a: Verbindungselemente
34b: Verbindungselemente
36a: Verbindungselemente
36b: Verbindungselemente
36c: Verbindungselemente
38: Verbindungskanäle
40: Rille
41: Oberfläche
42: Verbindungsleitung
50: Gewindenut
51: Stator
52: Beschichtung
100: Vakuumpumpe
101: Gehäuse
102: Gaseinlass
103: Gasauslass
104: Seitenkanalpumpstufe
105: Molekularstufe
106: Vorvakuumstufe
107: Antrieb
108: Welle
110: Wälzlager
111: Wälzlager
112: Spule
113: Permanentmagnet
120: Gehäuseteile
121: Gehäuseteile
122: Gehäuseteile
123: Gehäuseteile
124: Einlass/Übergabekanal
125: Auslass/Übergabekanal
126: Mittellinie
400: Laufrad/Rotor
401: Seitenkanal
402: Schaufel
403: Rand
404: Unterbrecher
420: Kanalboden
421: Seitenwand des Seitenkanales
422: Seitenwand des Seitenkanales
423: Schaufelgrund
424: Begrenzungsfläche des Seitenkanales
425: Mittelebene
426: Rand des Laufrades/Rotors
427: Rand des Laufrades/Rotors
428: Überstand
500: Rotor
502: Zylinder
505: Innenstator
506: Außenstator
507: Gewindenut
508: Gewindenut
600: Laufrad
601: Seitenkanal
602: Schaufel
700: Stator
701: Einlass
702: Auslass
703: Rotor
704: Seitenkanal
705: Abschrägung
706: Abschrägung
707: axiale Dichtfläche der Rotorscheibe
708: Fläche
709: Fläche
710: Bohrung
711: Kurve
712: Kurve
713: Kurve
714: Kurve
715: Bereich
716: Kurve
717: Kurve
718: Kurve
719: Kurve
d₁: Länge
d₂: Länge
v: Geschwindigkeit
α: Anstellwinkel Rotorschaufel und Ergänzungswinkel
β: Öffnungswinkel Abschrägung 705
A: Pfeile
B: Pfeile
R: Winkel
ϕ: Radius

Claims

Vakuumpumpstufe einer Gewinde- oder Seitenkanalpumpe, die einen Stator und wenigstens einen Rotor aufweist, bei der in dem Stator und/oder in dem Rotor wenigstens eine Gewindenut oder bei der in dem Stator wenigstens ein Kanal vorgesehen ist, wobei der Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der wenigstens eine Kanal oder die wenigstens eine Gewindenut wenigstens eine Oberfläche (41) aufweist, in der Rillen (40) angeordnet sind,

- und/oder dass Oberflächen (41) von Statoren und/oder Rotoren Rillen (40) aufweisen,

- oder dass die Oberfläche des wenigstens einen Kanales oder der wenigstens einen Gewindenut (50) und/oder die Oberfläche des Rotors mit einem Material (52) beschichtet ist, welches einen niedrigeren Reibungskoeffizienten als eine Metalloberfläche aufweist.
Vakuumpumpstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenfläche und/oder wenigstens eine Seitenwand der Gewindenut Rillen (40) aufweist.
Vakuumpumpstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (40) in einer pumpaktiven Fläche entlang einer Strömungsrichtung der Gase, quer zur Strömungsrichtung der Gase und/oder in einem Winkel zur Strömungsrichtung der Gase angeordnet sind.
Vakuumpumpstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (40) von zwei gegenüberliegenden pumpaktiven Flächen parallel oder in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Vakuumpumpstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (40) eine Tiefe zwischen 1 µm und 100 µm aufweisen.
Vakuumpumpstufe mit einem Einlass, einem Auslass, einem Rotor und einem Kanal, der zwei Seitenwände und einen Kanalboden aufweist, wobei der Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird, und mit einem zwischen Einlass und Auslass angeordneten Unterbrecher,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Seitenwand (421, 422) des Kanales (401) gekrümmt ausgebildet ist.
Vakuumpumpstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der wenigstens einen Seitenwand (421, 422) konvex ausgebildet ist.
Vakuumpumpstufe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (401) axialsymmetrisch zu einer Mittelebene (425) des Rotors (400) ausgebildet ist.
Vakuumpumpstufe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der wenigstens einen Seitenwand (421, 422) im Querschnitt jeweils halbkreisförmig ausgebildet ist.
Vakuumpumpstufe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Rotorschaufeln (402) der Rotoren (400) im Querschnitt V-förmig ausgebildet sind.
Vakuumpumpstufe mit einem Einlass, einem Auslass, einem Rotor und einem Kanal, wobei der Rotor mit einem Rotorabschnitt in den Kanal eintaucht und durch Zusammenwirken von Rotorabschnitt und Kanal eine Pumpwirkung erreicht wird, bei der an dem Rotor Rotorschaufeln angeordnet sind, und die einen zwischen Einlass und Auslass angeordneten Unterbrecher aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbrecher (404) an einer dem Einlass (701) zugewandten Seite eine Abschrägung (705) aufweist.
Vakuumpumpstufe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschrägung (705) einen Öffnungswinkel β der Abschrägung (705) aufweist, der zwischen der wenigstens einen Abschrägung (705) und einer Mittelachse ausgebildet ist, und dass ein mit dem Öffnungswinkel β korrespondierender Ergänzungswinkel α einem Schaufelwinkel α der Rotorschaufeln (706) entspricht.
Vakuumpumpstufe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbrecher (404) lediglich am Einlass (701) die Abschrägung (705) aufweist.
Vakuumpumpstufe nach Anspruch 1, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbrecher (404) eine Länge d ₁ aufweist, die mindestens einer Schaufellänge entspricht.