EP3670924A1

EP3670924A1 - Vakuumpumpe und verfahren zur herstellung einer solchen

Info

Publication number: EP3670924A1
Application number: EP19210020.4A
Authority: EP
Inventors: Uwe Leib; Torsten Gogol; Bernhard Koch
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2039-11-19
Also published as: JP7032500B2; EP3670924B1; JP2021080917A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe umfassend eine Holweckpumpstufe mit einem Holweckstator und einem im Betrieb der Vakuumpumpe um eine Rotorachse rotierenden Holweckrotor, der mit dem Holweckstator zum Erzeugen einer Pumpwirkung zusammenwirkt, wobei die Holweckpumpstufe zumindest eine gewindeartige Holwecknut aufweist, die von zumindest einer Seitenwand begrenzt ist, wobei die Seitenwand in einem Querschnitt, in dem die Rotorachse liegt, zumindest abschnittsweise schräg in Bezug auf die Rotorachse ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, beispielsweise eine Turbomolekularpumpe, umfassend eine Holweckpumpstufe mit einem Holweckstator und einem im Betrieb der Vakuumpumpe um eine Rotorachse rotierenden Holweckrotor, der mit dem Holweckstator zum Erzeugen einer Pumpwirkung zusammenwirkt, wobei die Holweckpumpstufe zumindest eine gewindeartige Holwecknut aufweist, die von zumindest einer Seitenwand begrenzt ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vakuumpumpe.
Holwecknuten, insbesondere solche, die ein Innengewinde bilden, werden üblicherweise durch Stoßen ausgebildet. Es kann wünschenswert sein, eine Holweckgeometrie mit schmalen aber im Verhältnis zur Breite sehr tiefen Nuten herzustellen. Speziell im Einlassbereich einer Holweckstufe kann es sinnvoll sein, vergleichsweise tiefe Nuten herzustellen. Derart tiefe Nuten im Einlassbereich erweisen sich zum Beispiel als vorteilhaft, wenn das von einer Turbomolekularpumpstufe mit hohem Saugvermögen geförderte Gas in die Holweckpumpstufe übergeben werden soll. Insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von schmalen aber tiefen Nuten im Innendurchmesser eines Holweckbauteils, insbesondere einer Holweck-Statorhülse, hat das verbreitete Verfahren des Stoßens Nachteile. Zum einen müssen dafür sehr filigrane Werkzeuge benutzt werden, die anfällig für Verschleiß und Versagen sind. Zum anderen kann mit jedem Arbeitsgang des Werkzeugs nur eine geringe Zustellung erreicht werden, was lange Produktionszeiten und hohe Kosten verursacht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellung einer Holwecknut zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst, und insbesondere dadurch, dass die Seitenwand in einem Querschnitt, in dem die Rotorachse liegt, zumindest abschnittsweise schräg in Bezug auf die Rotorachse ausgebildet ist.
Durch diese Geometrie wird eine prozesssichere und kostengünstige Herstellung ermöglicht, insbesondere von Holwecknuten mit großer Tiefe und relativ geringer Breite.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Seitenwände der Nuten nicht, wie im Stand der Technik üblich, gerade bzw. senkrecht zur Rotorachse ausgerichtet sein müssen. Vielmehr ergeben sich durch die Abweichung von der senkrechten Ausrichtung erhebliche Vorteile im Herstellungsprozess. Die Holwecknut kann somit durch ein spanendes Verfahren hergestellt sein, insbesondere gefräst sein. Insbesondere kann ein spanendes Werkzeug, wie etwa ein Fräser, bei der Bearbeitung entsprechend schräg ausgerichtet sein. Die Holwecknut ist somit besonders leicht zugänglich.
Der Begriff "Abschnitt" bezieht sich insbesondere auf die Rotorachse, also auf einen Axialabschnitt, und/oder auf die Schraubenform der Holwecknut. Die Holwecknut kann grundsätzlich in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedlich ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ist die Seitenwand zumindest in einem Abschnitt schräg ausgebildet. Sie kann beispielsweise über ihre gesamte Länge schräg, insbesondere mit über die Länge gleichem Winkel, ausgebildet sein. Sie kann aber auch in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Winkel aufweisen und/oder z.B. auch in wenigstens einem Abschnitt senkrecht zur Rotorachse angeordnet sein.
Der maßgebliche Querschnitt ist ein solcher, in dem die Rotorachse liegt. In Bezug auf den Rotor handelt es sich also letztlich um einen Längsschnitt, der jedoch quer zur Seitenwand verläuft.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Holwecknut ein Innengewinde bildet. Hierbei ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile in besonderem Maße.
Insbesondere kann der Holweckstator die Holwecknut aufweisen. Alternativ kann etwa der Holweckrotor die Holwecknut aufweisen. Grundsätzlich können auch jeweilige Holwecknuten an Rotor und Stator erfindungsgemäß ausgebildet sein.
Die Holwecknut weist allgemein einen Nutgrund auf. Dieser kann insbesondere im Querschnitt eben ausgebildet sein. Der Nutgrund definiert insbesondere über mehrere Windungen der Nut hinweg ein Einhüllende, die auch als Grundeinhüllende bezeichnet werden kann. Bei einem vorteilhaften Beispiel ist die Grundeinhüllende zumindest in einem ersten Abschnitt der Holwecknut konisch ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Nutgrund zumindest in einem ersten Abschnitt der Holwecknut in dem Querschnitt schräg in Bezug auf die Rotorachse ausgebildet sein. Im ersten Abschnitt kann insbesondere der Nutgrund zumindest im Wesentlichen senkrecht zum zugehörigen Bereich der Seitenwand angeordnet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Abschnitt in Bezug auf eine Pumprichtung ein Einlassabschnitt der Holweckpumpstufe ist. Im Einlassabschnitt können erfindungsgemäß auf einfache Weise besonders tiefe Nuten, insbesondere bei relativ geringer Breite, hergestellt werden. Somit kann auf einfache Weise die Pumpleistung, insbesondere das Saugvermögen, verbessert werden.
Der erste Abschnitt kann beispielsweise an einem Ende des Bauteils angeordnet sein, welches die Holwecknut aufweist, wobei ein Ende in Bezug auf die Rotorachse gemeint ist.
Die Grundeinhüllende kann, grundsätzlich unabhängig von einem ersten Abschnitt mit konischer Grundeinhüllender bzw. schrägem Nutgrund, bevorzugt in einem, insbesondere zweiten, Abschnitt der Holwecknut zylindrisch ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Nutgrund z.B. in einem, insbesondere zweiten, Abschnitt der Holwecknut parallel zur Rotorachse ausgebildet sein. Der, insbesondere zweite, Abschnitt kann beispielsweise im Anschluss an einen Einlassabschnitt und/oder einen Auslassabschnitt der Holweckpumpstufe angeordnet sein.
Die Seitenwand weist insbesondere ein radial inneres Ende auf, welches insbesondere über mehrere Windungen der Holwecknut hinweg eine Inneneinhüllende definiert. Die Inneneinhüllende kann bevorzugt in zumindest einem Abschnitt, insbesondere in mehreren Abschnitten, zylindrisch sein. Bevorzugt kann die Inneneinhüllende sowohl im ersten Abschnitt als auch im zweiten Abschnitt zylindrisch sein.
Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, dass die Seitenwand in einem ersten Abschnitt senkrecht und/oder in einem zweiten Abschnitt schräg zu einem benachbarten und/oder zugeordneten Nutgrund angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist die Seitenwand schräg in Bezug auf die Rotorachse ausgebildet, d.h. dass ein Winkel zwischen der Seitenwand und der Rotorachse kleiner als 90° und größer als 0° ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Seitenwand in einem Winkel zur Rotorachse angeordnet ist, der wenigstens 50° und/oder höchstens 80° beträgt. Besonders bevorzugt ist ein Winkel von etwa 70°.
Zum Beispiel kann die Seitenwand von einem Steg gebildet sein. Ein Steg kann insbesondere zwischen zwei benachbarten Holwecknuten oder zwischen zwei Umläufen derselben Nut gebildet sein. Der Steg kann insbesondere auch eine zweite Seitenwand einer benachbarten bzw. der Holwecknut bilden, insbesondere wobei beide Seitenwände parallel zueinander und/oder schräg zur Rotorachse ausgebildet sind.
Allgemein kann die Holweckpumpstufe mehrere Gänge, d.h. mehrere parallel angeordnete, gewindeartige Holwecknuten aufweisen. Insbesondere ist ein, insbesondere gewindeartiger, Steg je Gang vorgesehen. Zwei Gänge bzw. Holwecknuten können z.B. durch einen Steg voneinander getrennt sein.
Der Steg kann ein inneres Ende aufweisen, welches z.B. eben ausgebildet ist und/oder parallel zur Rotorachse angeordnet ist. Der Steg kann allgemein z.B. zwei, insbesondere parallele, Seitenwände aufweisen, die jeweilige oder eine Nut begrenzen. Die Seitenwände können bevorzugt beide schräg angeordnet sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vakuumpumpe nach vorstehend beschriebener Art gelöst, wobei die Holwecknut in zumindest einem ersten Abschnitt durch Fräsen hergestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass dabei ein Fräser schräg in Bezug auf eine Gewindeachse der Holwecknut geführt wird. Die Gewindeachse entspricht insbesondere einer Rotorachse im Zusammenbau der Vakuumpumpe.
Der erste Abschnitt kann bevorzugt ein Einlassabschnitt der Holweckpumpstufe sein.
In einem zweiten Abschnitt kann die Holwecknut allgemein bevorzugt durch ein anderes spanendes Verfahren und insbesondere durch Stoßen hergestellt werden. Insbesondere lassen sich also Fräsen im ersten Abschnitt und Stoßen im zweiten Abschnitt vorteilhaft kombinieren. So kann einerseits im ersten Abschnitt vorteilhaft ausgenutzt werden, dass mittels Fräsen auf einfache Weise relativ tiefe Nuten eingebracht und relativ filigrane Stege ausgebildet werden können. Im zweiten Abschnitt kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass die Nut auch in einem, insbesondere in Pumprichtung dem Einlassabschnitt nachgeordneten, Abschnitt auf einfache Weise hergestellt werden kann, der für einen Fräser nur schwer zugänglich ist. Es können also die jeweiligen Vorteile der Bearbeitungsverfahren jeweils gezielt ausgenutzt werden.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass sowohl im ersten als auch in einem zweiten Abschnitt, insbesondere dem vorstehend beschriebenen zweiten Abschnitt, die die Holwecknut begrenzende Seitenwand in einem Querschnitt, in dem eine Gewindeachse der Holwecknut liegt, schräg zu der Gewindeachse ausgebildet wird.
Allgemein kann zum Fräsen insbesondere ein Schaftfräser und/oder ein Scheibenfräser verwendet werden.
Bei der Vakuumpumpe kann es sich bevorzugt um eine Turbomolekularpumpe mit einer Holweckpumpstufe handeln.
Es versteht sich, dass das beschriebene Verfahren auch durch die Merkmale und Ausführungsformen, welche im Zusammenhang mit einer Vakuumpumpe beschrieben werden, vorteilhaft weitergebildet werden kann, und umgekehrt. Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht einer Turbomolekularpumpe,
Fig. 2: eine Ansicht der Unterseite der Turbomolekularpumpe von Fig. 1,
Fig. 3: einen Querschnitt der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A,
Fig. 4: eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie B-B,
Fig. 5: eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie C-C,
Fig. 6: zeigt ein Gehäusebauteil einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe im Querschnitt.
Fig. 7: zeigt ebenfalls das Gehäusebauteil der Fig. 6 im Querschnitt, wobei zur Illustration des zugrundeliegenden Herstellungsverfahrens ein Fräser angedeutet ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe 111 umfasst einen von einem Einlassflansch 113 umgebenen Pumpeneinlass 115, an welchen in an sich bekannter Weise ein nicht dargestellter Rezipient angeschlossen werden kann. Das Gas aus dem Rezipienten kann über den Pumpeneinlass 115 aus dem Rezipienten gesaugt und durch die Pumpe hindurch zu einem Pumpenauslass 117 gefördert werden, an den eine Vorvakuumpumpe, wie etwa eine Drehschieberpumpe, angeschlossen sein kann.
Der Einlassflansch 113 bildet bei der Ausrichtung der Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 das obere Ende des Gehäuses 119 der Vakuumpumpe 111. Das Gehäuse 119 umfasst ein Unterteil 121, an welchem seitlich ein Elektronikgehäuse 123 angeordnet ist. In dem Elektronikgehäuse 123 sind elektrische und/oder elektronische Komponenten der Vakuumpumpe 111 untergebracht, z.B. zum Betreiben eines in der Vakuumpumpe angeordneten Elektromotors 125. Am Elektronikgehäuse 123 sind mehrere Anschlüsse 127 für Zubehör vorgesehen. Außerdem sind eine Datenschnittstelle 129, z.B. gemäß dem RS485-Standard, und ein Stromversorgungsanschluss 131 am Elektronikgehäuse 123 angeordnet.
Am Gehäuse 119 der Turbomolekularpumpe 111 ist ein Fluteinlass 133, insbesondere in Form eines Flutventils, vorgesehen, über den die Vakuumpumpe 111 geflutet werden kann. Im Bereich des Unterteils 121 ist ferner noch ein Sperrgasanschluss 135, der auch als Spülgasanschluss bezeichnet wird, angeordnet, über welchen Spülgas zum Schutz des Elektromotors 125 (siehe z.B. Fig. 3) vor dem von der Pumpe geförderten Gas in den Motorraum 137, in welchem der Elektromotor 125 in der Vakuumpumpe 111 untergebracht ist, gebracht werden kann. Im Unterteil 121 sind ferner noch zwei Kühlmittelanschlüsse 139 angeordnet, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse als Einlass und der andere Kühlmittelanschluss als Auslass für Kühlmittel vorgesehen ist, das zu Kühlzwecken in die Vakuumpumpe geleitet werden kann.
Die untere Seite 141 der Vakuumpumpe kann als Standfläche dienen, sodass die Vakuumpumpe 111 auf der Unterseite 141 stehend betrieben werden kann. Die Vakuumpumpe 111 kann aber auch über den Einlassflansch 113 an einem Rezipienten befestigt werden und somit gewissermaßen hängend betrieben werden. Außerdem kann die Vakuumpumpe 111 so gestaltet sein, dass sie auch in Betrieb genommen werden kann, wenn sie auf andere Weise ausgerichtet ist als in Fig. 1 gezeigt ist. Es lassen sich auch Ausführungsformen der Vakuumpumpe realisieren, bei der die Unterseite 141 nicht nach unten, sondern zur Seite gewandt oder nach oben gerichtet angeordnet werden kann.
An der Unterseite 141, die in Fig. 2 dargestellt ist, sind noch diverse Schrauben 143 angeordnet, mittels denen hier nicht weiter spezifizierte Bauteile der Vakuumpumpe aneinander befestigt sind. Beispielsweise ist ein Lagerdeckel 145 an der Unterseite 141 befestigt.
An der Unterseite 141 sind außerdem Befestigungsbohrungen 147 angeordnet, über welche die Pumpe 111 beispielsweise an einer Auflagefläche befestigt werden kann.
In den Figuren 2 bis 5 ist eine Kühlmittelleitung 148 dargestellt, in welcher das über die Kühlmittelanschlüsse 139 ein- und ausgeleitete Kühlmittel zirkulieren kann.
Wie die Schnittdarstellungen der Figuren 3 bis 5 zeigen, umfasst die Vakuumpumpe mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 115 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 117.
In dem Gehäuse 119 ist ein Rotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.
Die Turbomolekularpumpe 111 umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren an der Rotorwelle 153 befestigten radialen Rotorscheiben 155 und zwischen den Rotorscheiben 155 angeordneten und in dem Gehäuse 119 festgelegten Statorscheiben 157. Dabei bilden eine Rotorscheibe 155 und eine benachbarte Statorscheibe 157 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe. Die Statorscheiben 157 sind durch Abstandsringe 159 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten.
Die Vakuumpumpe umfasst außerdem in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweck-Pumpstufen. Der Rotor der Holweck-Pumpstufen umfasst eine an der Rotorwelle 153 angeordnete Rotornabe 161 und zwei an der Rotornabe 161 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweck-Rotorhülsen 163, 165, die koaxial zur Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweck-Statorhülsen 167, 169 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung gesehen ineinander geschachtelt sind.
Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind durch die Mantelflächen, also durch die radialen Innen- und/oder Außenflächen, der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 und der Holweck-Statorhülsen 167, 169 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 167 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 171 gegenüber und bildet mit dieser die der Turbomolekularpumpen nachfolgende erste Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 steht der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 173 gegenüber und bildet mit dieser eine zweite Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 liegt der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Rotorhülse 165 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 175 gegenüber und bildet mit dieser die dritte Holweck-Pumpstufe.
Am unteren Ende der Holweck-Rotorhülse 163 kann ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der radial außenliegende Holweck-Spalt 171 mit dem mittleren Holweck-Spalt 173 verbunden ist. Außerdem kann am oberen Ende der inneren Holweck-Statorhülse 169 ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der mittlere Holweck-Spalt 173 mit dem radial innenliegenden Holweck-Spalt 175 verbunden ist. Dadurch werden die ineinander geschachtelten Holweck-Pumpstufen in Serie miteinander geschaltet. Am unteren Ende der radial innenliegenden Holweck-Rotorhülse 165 kann ferner ein Verbindungskanal 179 zum Auslass 117 vorgesehen sein.
Die vorstehend genannten pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Statorhülsen 163, 165 weisen jeweils mehrere spiralförmig um die Rotationsachse 151 herum in axialer Richtung verlaufende Holweck-Nuten auf, während die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 glatt ausgebildet sind und das Gas zum Betrieb der Vakuumpumpe 111 in den Holweck-Nuten vorantreiben.
Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 153 sind ein Wälzlager 181 im Bereich des Pumpenauslasses 117 und ein Permanentmagnetlager 183 im Bereich des Pumpeneinlasses 115 vorgesehen.
Im Bereich des Wälzlagers 181 ist an der Rotorwelle 153 eine konische Spritzmutter 185 mit einem zu dem Wälzlager 181 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen. Die Spritzmutter 185 steht mit mindestens einem Abstreifer eines Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt. Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.
Im Betrieb der Vakuumpumpe 111 wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 185 übertragen und in Folge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 185 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 185 zu dem Wälzlager 181 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt. Das Wälzlager 181 und der Betriebsmittelspeicher sind durch einen wannenförmigen Einsatz 189 und den Lagerdeckel 145 in der Vakuumpumpe eingefasst.
Das Permanentmagnetlager 183 umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 191 und eine statorseitige Lagerhälfte 193, welche jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinander gestapelten permanentmagnetischen Ringen 195, 197 umfassen. Die Ringmagnete 195, 197 liegen einander unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 199 gegenüber, wobei die rotorseitigen Ringmagnete 195 radial außen und die statorseitigen Ringmagnete 197 radial innen angeordnet sind. Das in dem Lagerspalt 199 vorhandene magnetische Feld ruft magnetische Abstoßungskräfte zwischen den Ringmagneten 195, 197 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 153 bewirken. Die rotorseitigen Ringmagnete 195 sind von einem Trägerabschnitt 201 der Rotorwelle 153 getragen, welcher die Ringmagnete 195 radial außenseitig umgibt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 203 getragen, welcher sich durch die Ringmagnete 197 hindurch erstreckt und an radialen Streben 205 des Gehäuses 119 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 151 sind die rotorseitigen Ringmagnete 195 durch ein mit dem Trägerabschnitt 203 gekoppeltes Deckelelement 207 festgelegt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind parallel zu der Rotationsachse 151 in der einen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 209 sowie einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 211 festgelegt. Zwischen dem Befestigungsring 211 und den Ringmagneten 197 kann außerdem eine Tellerfeder 213 vorgesehen sein.
Innerhalb des Magnetlagers ist ein Not- bzw. Fanglager 215 vorgesehen, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe 111 ohne Berührung leer läuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 149 relativ zu dem Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 149 zu bilden, da eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert wird. Das Fanglager 215 ist als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet und bildet mit dem Rotor 149 und/oder dem Stator einen radialen Spalt, welcher bewirkt, dass das Fanglager 215 im normalen Pumpbetrieb außer Eingriff ist. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 215 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, sodass das Fanglager 215 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, sodass eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen unter allen Umständen verhindert wird.
Die Vakuumpumpe 111 umfasst den Elektromotor 125 zum drehenden Antreiben des Rotors 149. Der Anker des Elektromotors 125 ist durch den Rotor 149 gebildet, dessen Rotorwelle 153 sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckt. Auf den sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt der Rotorwelle 153 kann radial außenseitig oder eingebettet eine Permanentmagnetanordnung angeordnet sein. Zwischen dem Motorstator 217 und dem sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt des Rotors 149 ist ein Zwischenraum 219 angeordnet, welcher einen radialen Motorspalt umfasst, über den sich der Motorstator 217 und die Permanentmagnetanordnung zur Übertragung des Antriebsmoments magnetisch beeinflussen können.
Der Motorstator 217 ist in dem Gehäuse innerhalb des für den Elektromotor 125 vorgesehenen Motorraums 137 festgelegt. Über den Sperrgasanschluss 135 kann ein Sperrgas, das auch als Spülgas bezeichnet wird, und bei dem es sich beispielsweise um Luft oder um Stickstoff handeln kann, in den Motorraum 137 gelangen. Über das Sperrgas kann der Elektromotor 125 vor Prozessgas, z.B. vor korrosiv wirkenden Anteilen des Prozessgases, geschützt werden. Der Motorraum 137 kann auch über den Pumpenauslass 117 evakuiert werden, d.h. im Motorraum 137 herrscht zumindest annäherungsweise der von der am Pumpenauslass 117 angeschlossenen Vorvakuumpumpe bewirkte Vakuumdruck.
Zwischen der Rotornabe 161 und einer den Motorraum 137 begrenzenden Wandung 221 kann außerdem eine sog. und an sich bekannte Labyrinthdichtung 223 vorgesehen sein, insbesondere um eine bessere Abdichtung des Motorraums 217 gegenüber den radial außerhalb liegenden Holweck-Pumpstufen zu erreichen.
Die vorstehende Beschreibung der Turbomolekularpumpe 111, welche eine Holweckpumpstufe umfasst, dient der Illustration des technischen Hintergrunds. Die Pump 111 kann insbesondere erfindungsgemäß weitergebildet werden. Umgekehrt kann die erfindungsgemäße Vakuumpumpe insbesondere vorteilhaft durch einzelne oder mehrere Merkmale der vorstehend beschriebenen Pumpe 111 weitergebildet werden.
In den Fig. 6 und 7 ist ein Gehäusebauteil 10 einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe jeweils im Querschnitt gezeigt, wobei die Schnittebene entlang einer Rotorachse 12 eines hier nicht dargestellten Holweckrotors verläuft.
Die Vakuumpumpe umfasst eine Holweckpumpstufe 14, von der lediglich die statorseitigen Elemente sichtbar sind, nämlich zumindest eine gewindeartige Holwecknut 16, die in dem Gehäusebauteil 10 ausgebildet ist. Im Zusammenbau rotiert in der Holweckpumpstufe 14 bevorzugt eine Holweck-Rotorhülse, zum Beispiel wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 5 beschrieben ist. In dieser Ausführungsform umfasst die Holweckpumpstufe 14 mehrere parallel verlaufende Holwecknuten 16, ist also mehrgängig ausgebildet.
Im dargestellten Querschnitt sind Seitenwände 18 sichtbar, die die jeweiligen Nuten 16 begrenzen und voneinander trennen. Die Seitenwände 18 sind schräg in Bezug auf die Rotorachse 12 angeordnet. In Fig. 6 ist ein Winkel 20 zwischen einer Seitenwand 18 und der Rotorachse 12 bzw. einem Nutgrund 22 angedeutet. Dieser beträgt in der gezeigten Ausführungsform etwa 70° und kann bevorzugt wenigstens 50° und/oder höchstens 80° betragen. In der gezeigten Ausführungsform sind alle Seitenwände 18 parallel zueinander und im Winkel 20 schräg zur Rotorachse 12 angeordnet.
Eine jeweilige Holwecknut 16 ist in axialer Richtung durch die Seitenwände 18 und in radialer Richtung durch einen Nutgrund 22 begrenzt, der sich zwischen den Seitenwänden 18 erstreckt. Der Nutgrund 22 definiert entlang seiner axialen Erstreckung und über mehrere Gänge bzw. Windungen hinweg eine Grundeinhüllende. Diese ist in einem ersten Abschnitt 24 konisch und in einem zweiten Abschnitt 26 zylindrisch ausgebildet. Der Nutgrund 22 ist allgemein eben ausgebildet, wobei jedoch in einem Übergangsbereich zwischen dem ersten Abschnitt 24 und dem zweiten Abschnitt 26 eine Unebenheit am Nutgrund 22 vorhanden ist, welche sich insbesondere aus dem Übergang zwischen den Abschnitten 24 und 26 ergibt.
Die Seitenwände 18 sind durch Stege 28 gebildet, die die Holwecknuten 16 der unterschiedlichen Gänge voneinander trennen. Die Stege 28 bzw. die Seitenwände 18 weisen ein inneres Ende auf, welches eine Inneneinhüllende definiert. Die Inneneinhüllende ist hier sowohl im ersten Abschnitt 24 als auch im zweiten Abschnitt 26 zylindrisch ausgebildet. Am inneren Ende sind die Stege 28 eben ausgebildet und parallel zur Rotorachse 12 ausgerichtet.
Die Holwecknut 16 ist im ersten Abschnitt 24 tiefer als im zweiten Abschnitt 26 ausgebildet, insbesondere wobei die Breite der Holwecknut 16 bevorzugt in beiden Abschnitten 24 und 26 gleich bzw. über die gesamte axiale Länge der Holweckpumpstufe bevorzugt konstant ist. Die Breite ist insbesondere durch den axialen Abstand der inneren Enden zweier Seitenwände 18 bzw. Stege 28 über eine Nut 16 definiert.
Der erste Abschnitt 24 bildet bevorzugt einen Einlassabschnitt der Holweckpumpstufe 14. Die in diesem Abschnitt 24 große Tiefe bzw. das relativ große Volumen der Nut 16 stellt ein besonders gutes Saugvermögen für die Holweckpumpstufe 14 bereit.
In Fig. 7 ist ein Fräser 30 angedeutet, wie er beispielsweise zur Fertigung der Holwecknut 16 im ersten Abschnitt 24 geführt werden kann. Der Fräser 30 ist hier beispielhaft als Schaftfräser ausgebildet.
Der Fräser 30 ist mit seiner Rotationsachse 32 schräg in Bezug auf die Rotorachse 12 bzw. eine Gewindeachse der gewindeartigen Holwecknut 16 ausgerichtet, welche der Rotorachse 12 im Zusammenbau der Vakuumpumpe entspricht. Dabei entspricht der Winkel zwischen der Rotationsachse 32 und der Rotorachse 12 demjenigen Winkel 20 der Seitenwände 18.
Aus Fig. 7 ist insbesondere ersichtlich, dass die Holwecknut 16 im ersten Abschnitt 24 auf einfache Weise mit dem Fräser 30 hergestellt werden kann, ohne dass ein Winkelkopf für den Fräser notwendig wäre. Insbesondere im ersten Abschnitt 24 kann somit die Holwecknut 16 auf einfache Weise hergestellt werden. Im zweiten Abschnitt 26 kann die Holwecknut 16 bevorzugt mittels Stoßen hergestellt werden.
Im ersten bzw. Einlassabschnitt 24 der Holweckpumpstufe 14 können die ein oder mehreren Nuten 16 allgemein mit einem Fräser, z.B. mit einem Schaft- oder Scheibenfräser hergestellt werden. Die weitere Innenbearbeitung, z.B. im zweiten Abschnitt 26, kann aufgrund der Geometrie (z.B. kleiner Durchmesser) nicht oder schwierig mit einem Winkelkopf auf der Fräsmaschine möglich sein. Erfindungsgemäß kann insbesondere mit einem schräg angestellten Fräser, z.B. wie in Fig. 7 dargestellt, von außen ein, insbesondere mit der Grundeinhüllenden, konischer erster bzw. Einlassabschnitt 24 gefräst werden. Diese Fertigungsmethode führt dazu, dass die Stege 28, welche hier insbesondere solche des Stators sind, zwischen den Nuten 16 im gleichen Winkel geneigt sind, wie der Fräser selbst. Abschnitte des Stators, insbesondere der zweite Abschnitt, die auf diese Art nicht erreicht werden können, weil sie weiter im Inneren des Bauteils 10 liegen, benötigen im Allgemeinen nicht mehr die große Nuttiefe. Die Vorteile der großen Nuttiefe entfalten sich vielmehr besonders im Einlassbereich. Im zweiten Abschnitt 26 können die Nuten 16 folglich weiterhin per Stoßen hergestellt werden. Dabei sind bevorzugt auch die gestoßenen Nuten im gleichen Winkel geneigt, wie die gefrästen Nuten, insbesondere damit das Stoßwerkzeug nicht die bereits nach dem Fräsen vorhandenen Stege 28 beschädigt. Außerdem sollten die zwei Fertigungsverfahren bezüglich der Winkellage der Nuten 16 bzw. der Seitenwände 18 synchronisiert werden.

Bezugszeichenliste

111: Turbomolekularpumpe
113: Einlassflansch
115: Pumpeneinlass
117: Pumpenauslass
119: Gehäuse
121: Unterteil
123: Elektronikgehäuse
125: Elektromotor
127: Zubehöranschluss
129: Datenschnittstelle
131: Stromversorgungsanschluss
133: Fluteinlass
135: Sperrgasanschluss
137: Motorraum
139: Kühlmittelanschluss
141: Unterseite
143: Schraube
145: Lagerdeckel
147: Befestigungsbohrung
148: Kühlmittelleitung
149: Rotor
151: Rotationsachse
153: Rotorwelle
155: Rotorscheibe
157: Statorscheibe
159: Abstandsring
161: Rotornabe
163: Holweck-Rotorhülse
165: Holweck-Rotorhülse
167: Holweck-Statorhülse
169: Holweck-Statorhülse
171: Holweck-Spalt
173: Holweck-Spalt
175: Holweck-Spalt
179: Verbindungskanal
181: Wälzlager
183: Permanentmagnetlager
185: Spritzmutter
187: Scheibe
189: Einsatz
191: rotorseitige Lagerhälfte
193: statorseitige Lagerhälfte
195: Ringmagnet
197: Ringmagnet
199: Lagerspalt
201: Trägerabschnitt
203: Trägerabschnitt
205: radiale Strebe
207: Deckelelement
209: Stützring
211: Befestigungsring
213: Tellerfeder
215: Not- bzw. Fanglager
217: Motorstator
219: Zwischenraum
221: Wandung
223: Labyrinthdichtung
10: Gehäusebauteil
12: Rotorachse/Gewindeachse
14: Holweckpumpstufe
16: Holwecknut
18: Seitenwand
20: Winkel
22: Nutgrund
24: erster Abschnitt
26: zweiter Abschnitt
28: Steg
30: Fräser
32: Rotationsachse

Claims

Vakuumpumpe umfassend eine Holweckpumpstufe (14) mit einem Holweckstator und einem im Betrieb der Vakuumpumpe um eine Rotorachse (12) rotierenden Holweckrotor, der mit dem Holweckstator zum Erzeugen einer Pumpwirkung zusammenwirkt,
wobei die Holweckpumpstufe (14) zumindest eine gewindeartige Holwecknut (16) aufweist, die von zumindest einer Seitenwand (18) begrenzt ist, wobei die Seitenwand (18) in einem Querschnitt, in dem die Rotorachse (12) liegt, zumindest abschnittsweise schräg in Bezug auf die Rotorachse (12) ausgebildet ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
wobei die Holwecknut (16) ein Innengewinde bildet.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Holweckstator die Holwecknut (16) aufweist.
Vakuumpumpe nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Holwecknut (12) einen Nutgrund (22) aufweist, der eine Grundeinhüllende definiert, wobei die Grundeinhüllende in einem ersten Abschnitt (24) der Holwecknut (16) konisch ausgebildet ist und/oder wobei der Nutgrund (22) in einem ersten Abschnitt (24) der Holwecknut (16) in dem Querschnitt schräg in Bezug auf die Rotorachse (12) ausgebildet ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 4,
wobei der erste Abschnitt (24) in Bezug auf eine Pumprichtung ein Einlassabschnitt der Holweckpumpstufe (14) ist.
Vakuumpumpe nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Holwecknut (12) einen Nutgrund (22) aufweist, der eine Grundeinhüllende definiert, wobei die Grundeinhüllende in einem zweiten Abschnitt (24) der Holwecknut (16) zylindrisch ausgebildet ist und/oder wobei der Nutgrund (22) in einem zweiten Abschnitt (26) der Holwecknut (16) parallel zur Rotorachse (12) ausgebildet ist.
Vakuumpumpe nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Seitenwand (18) mit einem radial inneren Ende eine Inneneinhüllende definiert, die sowohl in einem ersten Abschnitt (24) als auch in einem zweiten Abschnitt (26) zylindrisch ist.
Vakuumpumpe nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Seitenwand (18) in einem ersten Abschnitt (24) senkrecht und in einem zweiten Abschnitt (26) schräg zu einem benachbarten Nutgrund (22) angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Seitenwand (18) in einem Winkel (20) zur Rotorachse (12) angeordnet ist, der wenigstens 50° und/oder höchstens 80° beträgt.
Vakuumpumpe nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Seitenwand (18) von einem Steg (28) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Holwecknut (16) in zumindest einem ersten Abschnitt (24) durch Fräsen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11,
wobei ein Fräser (30) schräg in Bezug auf eine Gewindeachse (12) der Holwecknut (16) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
wobei der erste Abschnitt (24) ein Einlassabschnitt der Holweckpumpstufe (14) ist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13,
wobei die Holwecknut (16) in einem zweiten Abschnitt (26) durch Stoßen hergestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 14,
wobei sowohl im ersten Abschnitt (24) als auch in einem zweiten Abschnitt (26) die die Holwecknut (16) begrenzende Seitenwand (18) in einem Querschnitt, in dem eine Gewindeachse (12) der Holwecknut (18) liegt, schräg zu der Gewindeachse (12) ausgebildet wird.