EP4379216A1

EP4379216A1 - Turbomolekularvakuumpumpe mit kompakter bauform

Info

Publication number: EP4379216A1
Application number: EP24171527.5A
Authority: EP
Inventors: Erfindernennung liegt noch nicht vor Die
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2024-04-22
Filing date: 2024-04-22
Publication date: 2024-06-05
Anticipated expiration: 2044-04-22
Also published as: JP2025165354A; EP4379216B1; JP7787241B2; EP4379216C0

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomolekularvakuumpumpe mit einem Pumpeneinlass, einem Pumpenauslass und einem von einer Rotorwelle angetriebenen Pumpmechanismus zur Förderung eines Prozessgases vom Pumpeneinlass zum Pumpenauslass. Der Pumpmechanismus weist zwischen dem Pumpeneinlass und dem Pumpenauslass mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Turbomolekular-Pumpstufen mit jeweils einer Rotorscheibe und einer Statorscheibe stromabwärts der Rotorscheibe auf. Jede Rotorscheibe weist dabei mehrere sich radial erstreckende Flügel auf, die parallel zur Rotorwelle eine Höhe H aufweisen. Zudem weist jede Statorscheibe mehrere sich radial erstreckende Flügel auf, die parallel zur Rotorwelle eine Höhe h aufweisen. Hier gilt für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe: 3 ≤ H / h ≤ 5.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomolekularvakuumpumpe, welche aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe eine besonders kompakte Bauform aufweist, ohne dass dies zu Leistungseinbußen beim Saugvermögen der Pumpe führt.
Das Saugvermögen einer Turbomolekularvakuumpumpe wird durch viele Parameter beeinflusst. Hierzu gehören unter anderem auch die geometrischen Parameter der einzelnen Pumpstufen, insbesondere die geometrischen Parameter der Rotor- und der Statorscheiben, die jeweils paarweise gemeinsam eine Pumpstufe bilden.
Ferner hängt das Saugvermögen einer Turbomolekularvakuumpumpe von der Anzahl der Pumpstufen der Vakuumpumpe ab. Je mehr Pumpstufen jedoch pumpwirksam miteinander in Serie geschaltet sind bzw. werden, umso größer wird die axiale Bauhöhe der jeweiligen Pumpe. Andererseits bestehen grundsätzlich Bestrebungen dahingehend, die axiale Bauhöhe von Turbomolekularvakuumpumpen möglichst klein zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die axiale Bauhöhe einer Turbomolekularvakuumpumpe zu reduzieren, ohne dass dies zu signifikanten Leistungseinbußen beim Saugvermögen der Pumpe führt.
Diese Aufgabe wir durch eine Turbomolekularvakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3 ≤ H / h ≤ 5. Hierbei bezeichnet H die parallel zur Rotorwelle gemessene Höhe der Flügel der Rotorscheibe in der Ansicht, wohingegen h die parallel zur Rotorwelle gemessene Höhe der Flügel der Statorscheibe in der Ansicht bezeichnet. Die Höhe H der Flügel der Rotorscheibe und die Höhe h der Statorscheibe der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe ist dabei in aller Regel über die radiale Erstreckung des jeweiligen Flügels hinweg konstant, wie dies der Fall ist, wenn die Flügel eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt aufweisen und gegenüber der Achse der Rotorwelle geneigt sind. Die Höhe H der Flügel der Rotorscheibe und die Höhe h der Flügel der Statorscheibe können jedoch in radialer Richtung auch geringfügig variieren. Für diesen Fall beziehen sich die hier diskutierten Parameter H (bzw. H₁) sowie h (bzw. h₁) auf den Mittelwert der jeweiligen Flügel.
Konkret weist die erfindungsgemäße Turbomolekularvakuumpumpe einen Pumpeneinlass, einen Pumpenauslass und einen von einer Rotorwelle angetriebenen Pumpmechanismus zur Förderung eines Prozessgases vom Pumpeneinlass zum Pumpenauslass auf. Der Pumpmechanismus weist zwischen dem Pumpeneinlass und dem Pumpenauslass mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Turbomolekular-Pumpstufen mit jeweils einer Rotorscheibe und einer Statorscheibe stromabwärts der jeweiligen Rotorscheibe auf. Jede Rotorscheibe weist dabei mehrere sich radial von der Rotorwelle erstreckende Flügel auf, die parallel zur Rotorwelle gemessen und somit in axialer Richtung betrachtet eine Höhe H aufweisen. In entsprechender Weise weist jede Statorscheibe mehrere sich in radialer Richtung erstreckende Flügel auf, die parallel zur Rotorwelle gemessen und somit in radialer Richtung betrachtet eine Höhe h aufweisen.
Erfindungsgemäß ist es dabei nun vorgesehen, dass für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe bzw. jener Turbomolekular-Pumpstufe, die sich in Strömungsrichtung am nähesten am Pumpeneinlass befindet, gilt: 3 ≤ H / h ≤ 5. Die Flügel der am weitesten stromaufwärts befindlichen Statorscheibe weisen somit maximal eine Höhe h auf, die maximal einem Drittel der Höhe H der Flügel der am weitesten stromaufwärts gelegenen Rotorscheibe entspricht. Andererseits weisen die Flügel der am weitesten stromaufwärts befindlichen Statorscheibe minimal eine Höhe h auf, die mindestens 20% der Höhe H der Flügel der am weitesten stromaufwärts gelegenen Rotorscheibe entspricht.
Zwar entspricht es allgemein anerkannten Konstruktionsprinzipien, die Stator- und Rotorscheiben einer jeweiligen Turbomolekular-Pumpstufe so auszubilden, dass die Höhe der Flügel der jeweiligen Statorscheibe etwas geringer ist als die Höhe der Flügel der jeweiligen Rotorscheibe; üblicherweise werden dabei jedoch die Flügel der jeweiligen Statorscheibe so dimensioniert, dass deren axiale Höhe möglichst nicht geringer ist als die Hälfte der axialen Höhe der Flügel der zugehörigen Rotorscheibe, da mit abnehmender Flügelhöhe der am weitesten stromaufwärts gelegenen Statorscheibe tendenziell eine Abnahme des Saugvermögens zu beobachten ist.
Erfindungsgemäß wurde nun jedoch im Rahmen von Versuchen erkannt, dass im Falle, dass die Höhe h der Flügel der am weitesten stromaufwärts gelegenen Statorscheibe im Vergleich zur Höhe H der Flügel zugehörigen Rotorscheibe sehr klein gewählt wird, das Saugvermögen im Vergleich zu herkömmlichen Auslegungskriterien beibehalten oder sogar etwas verbessert werden kann. Zwar wurde für Verhältniswerte H / h, für die etwa 2,5 ≤ H / h gilt, beobachtet, dass mit abnehmender Flügelhöhe h der Statorscheiben zunächst erwartungsgemäß das Saugvermögen weiter abnimmt; ab einem Verhältniswert von etwa 3 für das Verhältnis H / h wurde jedoch erfindungsgemäß überraschenderweise festgestellt, dass das Saugvermögen wieder Werte erreicht, die normalerweise nur dann erzielt werden, wenn das Verhältnis H / h etwa 1,7 beträgt. Erst wenn die Höhe der Flügel der Statorscheibe derart klein gewählt wird, dass diese nur noch ein Fünftel bzw. 20% der Höhe der Flügel der zugehörigen Rotorscheibe beträgt, wurde erfindungsgemäß beobachtet, dass in diesem Falle größere Leistungseinbußen beim Saugvermögen in Kauf genommen werden müssen.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, die Statorscheibe der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe mit einer geringeren Höhe als bislang bekannt auszubilden, ohne hierbei signifikante Leistungseinbußen beim Saugvermögen in Kauf nehmen zu müssen. Eine nach dem erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzipien ausgebildete Turbomolekularvakuumpumpe weist daher eine geringere axiale Bauhöhe bei im Westlichem gleichbleibendem oder sogar besserem Saugvermögen auf.
Erfindungsgemäß wurde weiterhin erkannt, dass das Saugvermögen in dem erfindungsgemäßen Intervall 3 ≤ H / h ≤ 5 sogar einen Maximalwert erreicht. Dementsprechend gilt vorzugsweise für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe: 3,2 ≤ H / h ≤ 4,5, insbesondere 3,3 ≤ H / h ≤ 4,1 und insbesondere vorzugweise 3,4 ≤ H / h ≤ 3,9.
Insbesondere ist das maximale Saugvermögen dann zu beobachten, wenn das Verhältnis H / h etwa 3,5 beträgt, weshalb es erfindungsgemäß als vorteilhaft erachtet wird, in H / h-Intervallen zu arbeiten, deren Schwerpunkt bei etwa 3,5 liegt. Steht also die Maximierung des Saugvermögens im Vordergrund, so sollte das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe so gewählt werden, dass gilt: 3,2 ≤ H / h ≤ 3,8, insbesondere 3,4 ≤ H / h ≤ 3,6.
Sollte jedoch für bestimmte Aufgaben die Reduzierung der axialen Bauhöhe der Turbomolekularvakuumpumpe im Vordergrund stehen, so kann das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe so gewählt werden, dass gilt: 4,2 ≤ H / h ≤ 4,8, insbesondere 4,4 ≤ H / h ≤ 4,6, da in diesem Bereich nur mit geringfügigen Leistungseinbußen beim Saugvermögen zu rechnen ist. Erst ab 5 ≤ H / h nimmt das Saugvermögen über Gebühr ab, weshalb erfindungsgemäß die Höhe der Flügel der am weitesten stromaufwärts gelegenen Statorscheibe nicht kleiner sein sollte als 20% der Höhe der Flügel der am weitesten stromaufwärts gelegenen Rotorscheibe.
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: einen der Fig. 3 entsprechenden Querschnitt, in den die Höhenabmessungen H bzw. H₁ sowie h bzw. h₁ der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe eingetragen sind.

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 (vgl. auch Fig. 3). 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.
Es existieren auch Turbomolekularpumpen, die kein derartiges angebrachtes Elektronikgehäuse aufweisen, sondern an eine externe Antriebselektronik angeschlossen werden.
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, eingelassen 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. Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) werden ausschließlich mit Luftkühlung betrieben.
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. Grundsätzlich sind dabei beliebige Winkel möglich.
Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, können nicht stehend betrieben werden.
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. Dies ist bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, nicht möglich.
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. Es existieren andere Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die keine Holweck-Pumpstufen aufweisen.
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 167, 169 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. Bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) kann anstelle einer Spritzmutter eine Spritzschraube vorgesehen sein. Da somit unterschiedliche Ausführungen möglich sind, wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff "Spritzspitze" verwendet.
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 Absto-ßungskräfte 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 201 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, damit 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.
Nachfolgend wird nun auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw. Dimensionierung der zuvor beschriebenen Turbomolekularvakuumpumpe 111 und insbesondere deren am weitesten stromaufwärts gelegene Turbomolekular-Pumpstufe sowie auf den Einfluss dieser Ausgestaltung auf das Saugvermögen der Turbomolekularvakuumpumpe 111 eingegangen.
Wie bereits zuvor erläutert wurde, umfasst die Turbomolekularvakuumpumpe 111 mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Turbomolekular-Pumpstufen. Jede dieser Pumpstufen wird dabei durch eine an der Rotorwelle 153 befestigte Rotorscheibe 155 und eine Statorscheibe 157 gebildet, die sich stromabwärts der zugehörigen Rotorscheibe 155 befindet und dabei ortsfest an dem Gehäuse 119 festgelegt ist. Die am weitesten stromaufwärts gelegene Pumpstufe bzw. die Pumpstufe, die sich am nächsten zu dem Pumpeneinlass 115 befindet, wird also durch eine Rotorscheibe 155 und eine stromabwärts davon befindliche Statorscheibe 157 gebildet. Stromabwärts dieser ersten Pumpstufe befindet sich eine zweite Pumpstufe, die ebenfalls wiederum durch eine Rotorscheibe 155 und eine stromabwärts davon befindliche Statorscheibe 157 gebildet wird.
Jede Rotorscheibe 155 weist dabei mehrere sich radial erstreckende Flügel auf, die in der Querschnittdarstellung der Fig. 6 betrachtet in axialer Richtung der Rotorwelle 153 gemessen eine Höhe H aufweisen. In entsprechender Weise weist jede Statorscheibe 157 mehrere sich radial erstreckende Flügel auf, die in der Querschnittdarstellung der Fig. 6 betrachtet in axialer Richtung der Rotorwelle 153 gemessen eine Höhe h aufweisen. Nachfolgend wird die Höhe der Flügel der Rotorscheibe 155 der ersten bzw. der am weitesten stromaufwärts gelegenen Pumpstufe mit H₁ und die Höhe der Flügel der Rotorscheibe 155 der zweiten bzw. stromabwärts der ersten Pumpstufe gelegenen Pumpstufe mit H₂ bezeichnet. In entsprechender Weise wird nachfolgend die Höhe der Flügel der Statorscheibe 157 der ersten Pumpstufe mit h₁ bezeichnet. Wie hierbei der Querschnittdarstellung der Fig. 6 entnommen werden kann, ist die Höhe H₁ bzw. h₁ der Flügel der Rotorscheibe 155 bzw. der Statorscheibe 157 der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe über die radiale Erstreckung der jeweiligen Flügel hinweg konstant.

Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 auf die Dimensionierung der am weitesten stromaufwärts gelegenen Pumpstufe herkömmlicher Turbomolekularvakuumpumpen eingegangen, wobei sich die Tabelle 1 auf Turbomolekularvakuumpumpen der Anmelderin und die Tabelle 2 auf Turbomolekularvakuumpumpen des Wettbewerbs beziehen.

Tabelle 1

	DN100	DN160	DN160	DN200	DN250	DN250	DN250	DN250
	Pfeiffer	Pfeiffer	Pfeiffer	Pfeiffer	Pfeiffer	Pfeiffer	Pfeiffer	Pfeiffer
H₁ [mm]	11,50	8,00	11,50	15,00	15,00	15,00	16,00	15,00
h₁ [mm]	6,50	4,00	6,50	8,00	8,00	9,00	9,00	8,00
H₂ [mm]	6,50	4,00	5,00	6,50	7,00	10,00	13,00	10,50
Verh. H₁ / h₁	1,77	2	1,77	1,88	1,88	1,67	1,78	1,88
Einfangwahrscheinlichkeit eines N2-Moleküls	44%	40%	43%	39%	43%	44%	44%	41%

Tabelle 2

	DN100	DN63	DN63	DN100	DN250
	Wettbewerb	Wettbewerb	Wettbewerb	Wettbewerb	Wettbewerb
H₁ [mm]	8,00	6,10	4,79	11,69	24,00
h₁ [mm]	3,25	3,10	4,10	8,00	16,00
H₂ [mm]	3,80	1,70	2,76	5,12	15,00
Verh. H₁ / h₁	2,46	1,97	1,17	1,46	1,5
Einfangwahrscheinlichkeit eines N2-Moleküls	39%	41%	43%	40%	42%

Die beiden Tabellen 1 und 2 listen in der jeweils dritten und vierten Zeile die Flügelhöhen H₁ bzw. h₁ der am weitesten stromaufwärts gelegenen Pumpstufe von unterschiedlichen Turbomolekularvakuumpumpen, die dabei nach der einschlägigen ISO-Norm ISO 1609 durch den Durchmesser ihres jeweiligen Einlassflanschs 113 gekennzeichnet sind. Die sechste Spalte der jeweiligen Tabelle listet jeweils den Quotienten H₁ / h₁, wohingegen die siebte Zeile der jeweiligen Tabelle die zugehörige Einfangwahrscheinlichkeit eines N₂-Moleküls listet. Diese Größe korreliert dabei mit dem Saugvermögen und verhält sich insbesondere linear zum Saugvermögen. Die Größe der Einfangwahrscheinlichkeit eines N₂-Moleküls wurde hierbei deshalb gewählt, da diese Größe anders als das Saugvermögen von der Größe der Pumpe und somit vom Durchmesser des Einlassflanschs 113 unabhängig ist, sodass die einzelnen Pumpen unabhängig vom Durchmesser des jeweiligen Einlassflanschs 113 unmittelbar miteinander verglichen werden können.
Wie bereits den Tabellen 1 und 2 entnommen werden kann, bewegt sich das Verhältnis H₁ / h₁ üblicherweise etwa im Bereich zwischen 1 und 2, was bedeutet, dass bislang die Höhe h₁ der Flügel der am weitesten stromaufwärts gelegenen Statorscheibe 157 zumindest halb so hoch war, wie die Höhe H₁ der Flügel der Rotorscheibe 155 der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe. Dies kann so auch dem nachfolgenden Performance-Diagramm entnommen werden, in dem die Einfangwahrscheinlichkeit gemäß den Tabellen 1 und 2 in Abhängigkeit des jeweiligen Verhältnisses H₁ / h₁ mit Dreiecksymbolen veranschaulicht ist.
Wie hieraus entnommen werden kann, nimmt die molekulare Einfangwahrscheinlichkeit für ein N₂-Molekül tendenziell mit zunehmendem H₁ / h₁ - Verhältnis ab, was bislang die Annahme gestützt hatte, dass es aufgrund des tendenziell abnehmenden Saugvermögens in technischer Hinsicht nicht sinnvoll ist, die Flügel der am weitesten stromaufwärts befindlichen Statorscheibe 157 mit einer Höhe h₁ auszubilden, die geringer ist als die Hälfte der Höhe H₁ der Flügel der Rotorscheibe 155 der am weitesten stromaufwärts befindlichen Pumpstufe.
Erfindungsgemäß wurde nun jedoch durch Simulationsversuche herausgefunden, dass die molekulare Einfangwahrscheinlichkeit für N₂-Moleküle bzw. das Saugvermögen nach der zuvor beschriebenen Abnahme mit zunehmender Annäherung an H₁ / h₁ - Verhältnisse in der Größenordnung von etwa 3 wieder zunimmt, wie dies anhand der Quadratsymbole in dem voranstehenden Performance-Diagramm für eine Turbomolekularvakuumpumpe mit einem Einlassflanschdurchmesser DN100 veranschaulicht ist. Die konkreten Simulationsergebnisse sind hierbei in der nachfolgenden Tabelle 3 gelistet, welche in der ersten Zeile das Verhältnis H₁ / h₁ und in der zweiten Zeile die molekulare Einfangwahrscheinlichkeit für N₂-Moleküle listet. Tabelle 3

3 3,5 3,83 4 4,5 5 5,5

46% 47% 45% 44% 40% 35% 27%
Wie hieraus und insbesondere aus dem Performance-Diagramm hervorgeht, nimmt ab einem H₁ / h₁ - Verhältniswert von etwa 3 die molekulare Einfangwahrscheinlichkeit für N₂-Moleküle und somit das Saugvermögen mit zunehmendem H₁ / h₁ - Verhältnis zunächst zu, und zwar bis zu einem H₁ / h₁ - Verhältniswert von etwa 3,5, woraufhin die molekulare Einfangwahrscheinlichkeit für N₂-Moleküle bzw. das Saugvermögen anschließend mit weiter zunehmendem H₁ / h₁ - Verhältnis wieder abnimmt. Erst ab einem H₁ / h₁ - Verhältniswert von etwa 5 nimmt die molekulare Einfangwahrscheinlichkeit für N₂-Moleküle und somit das Saugvermögen merklich ab, sodass es im Hinblick auf die Leistungseinbußen eines Saugvermögens weniger sinnvoll erscheint, die Flügel der am weitesten stromaufwärts gelegenen Statorscheibe 157 mit einer Höhe h₁ auszubilden, die geringer ist als 20% der Höhe H₁ der Flügel der am weitesten stromaufwärts gelegenen Rotorscheibe 155.
Steht die Reduzierung der axialen Bauhöhe der Turbomolekularpumpe im Vordergrund, so bietet es sich im Hinblick auf die zuvor erläuterten Simulationsversuche an, die am weitesten stromaufwärts gelegene Turbomolekular-Pumpstufe so auszubilden, dass gilt: 4,2 ≤ H₁ / h₁ ≤ 4,8, insbesondere 4,4 ≤ H₁ / h₁ ≤ 4,6. Steht hingegen die Maximierung des Saugvermögens im Vordergrund, so bietet es sich unter Berücksichtigung der zuvor erläuterten Simulationsversuche an, die am weitesten stromaufwärts gelegene Turbomolekular-Pumpstufe so auszubilden, das gilt 3,2 ≤ H₁ / h₁ ≤ 3,8, insbesondere 3,4 ≤ H₁ / h₁ ≤ 3,6.
In jedem Falle lässt sich jedoch die axiale Bauhöhe der Turbomolekularvakuumpumpe 111 reduzieren, ohne Leistungseinbußen beim Saugvermögen in Kauf nehmen zu müssen, wenn die am weitesten stromaufwärts gelegene Turbomolekular-Pumpstufe so ausgebildet wird, dass für das Flügelhöhenverhältnis gilt: 3 ≤ H₁ / h₁ ≤ 5.

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

Claims

Turbomolekularvakuumpumpe (111), mit einem Pumpeneinlass (115), einem Pumpenauslass (117) und einem von einer Rotorwelle (153) angetriebenen Pumpmechanismus zur Förderung eines Prozessgases vom Pumpeneinlass (115) zum Pumpenauslass (117), wobei der Pumpmechanismus zwischen dem Pumpeneinlass (115) und dem Pumpenauslass (117) mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Turbomolekular-Pumpstufen mit jeweils einer Rotorscheibe (155) und einer Statorscheibe (157) stromabwärts der Rotorscheibe (155) aufweist, wobei jede Rotorscheibe (155) mehrere sich radial erstreckende Flügel aufweist, die parallel zur Rotorwelle (153) eine Höhe H aufweisen, und wobei jede Statorscheibe (157) mehrere sich radial erstreckende Flügel aufweist, die parallel zur Rotorwelle (153) eine Höhe h aufweisen;
wobei für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3 ≤ H / h ≤ 5.
Turbomolekularvakuumpumpe (111) nach Anspruch 1,
wobei für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3,2 ≤ H / h ≤ 4,5, wobei insbesondere für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3,3 ≤ H / h ≤ 4,1, und wobei vorzusgweise für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3,4 ≤ H / h ≤ 3,9.
Turbomolekularvakuumpumpe (111) nach Anspruch 1,
wobei für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3,2 ≤ H / h ≤ 3,8, wobei insbesondere für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3,4 ≤ H / h ≤ 3,6; oder

wobei für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 4,2 ≤ H / h ≤ 4,8, wobei insbesondere für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 4,4 ≤ H / h ≤ 4,6.
Turbomolekularvakuumpumpe (111) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Höhe der Flügel der Rotorscheibe (155) und der Statorscheibe (157) der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe über die radiale Erstreckung des jeweiligen Flügels hinweg konstant ist.