EP4379216B1 - Turbomolekularvakuumpumpe mit kompakter bauform - Google Patents

Turbomolekularvakuumpumpe mit kompakter bauform

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EP4379216B1
EP4379216B1 EP24171527.5A EP24171527A EP4379216B1 EP 4379216 B1 EP4379216 B1 EP 4379216B1 EP 24171527 A EP24171527 A EP 24171527A EP 4379216 B1 EP4379216 B1 EP 4379216B1
Authority
EP
European Patent Office
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pump
turbomolecular
rotor
stator
height
Prior art date
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Active
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EP24171527.5A
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English (en)
French (fr)
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EP4379216C0 (de
EP4379216A1 (de
Inventor
Florian Bader
Jan Hofmann
Daniel Reich
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Pfeiffer Vacuum Technology AG
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum Technology AG
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Publication date
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Publication of EP4379216A1 publication Critical patent/EP4379216A1/de
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Publication of EP4379216B1 publication Critical patent/EP4379216B1/de
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    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/51—Inlet

Definitions

  • the present invention relates to a turbomolecular vacuum pump which, due to the inventive design of the most upstream turbomolecular pumping stage, has a particularly compact design without this leading to any loss of performance in the pumping speed of the pump.
  • the pumping speed of a turbomolecular vacuum pump is influenced by many parameters. These include, among others, the geometric parameters of the individual pump stages, in particular the geometric parameters of the rotor and stator disks, which together form a pump stage in pairs.
  • turbomolecular vacuum pump depends on the number of pumping stages. However, the more pumping stages are connected in series, the greater the axial height of the pump becomes. On the other hand, there are general efforts to keep the axial height of turbomolecular vacuum pumps as small as possible.
  • the invention is based on the objective of reducing the axial height of a turbomolecular vacuum pump without this leading to significant performance losses in the pumping speed of the pump.
  • H denotes the height of the rotor disk vanes measured parallel to the rotor shaft in the view
  • h denotes the height of the stator disk vanes measured parallel to the rotor shaft in the view.
  • the height H of the rotor disk vanes and the height h of the stator disk of the most upstream turbomolecular pumping stage are generally constant over the radial extent of the respective vane, as is the case when the vanes have a substantially rectangular shape and are inclined relative to the axis of the rotor shaft.
  • the height H of the rotor disk vanes and the height h of the stator disk vanes can also vary slightly in the radial direction.
  • the parameters H (or H 1 ) and h (or h 1 ) discussed here refer to the mean value of the respective wings.
  • the turbomolecular vacuum pump comprises a pump inlet, a pump outlet, and a pumping mechanism driven by a rotor shaft for conveying a process gas from the pump inlet to the pump outlet.
  • the pumping mechanism includes several turbomolecular pumping stages connected in series, each with a rotor disk and a stator disk downstream of the respective rotor disk.
  • Each rotor disk has several vanes extending radially from the rotor shaft, which, measured parallel to the rotor shaft and thus viewed in the axial direction, have a height H.
  • each stator disk has several vanes extending radially, which, measured parallel to the rotor shaft and thus viewed in the radial direction, have a height h.
  • the ratio H/h of the most upstream turbomolecular pump stage, or of the turbomolecular pump stage located closest to the pump inlet in the flow direction is: 3 ⁇ H/h ⁇ 5.
  • the vanes of the most upstream stator disk thus have a maximum height h that is at most one-third of the height H of the vanes of the most upstream rotor disk.
  • the vanes of the most upstream stator disk have a minimum height h that is at least 20% of the height H of the vanes of the most upstream rotor disk.
  • the blades of the respective stator disk are usually dimensioned so that their axial height is preferably not less than half the axial height of the blades of the associated rotor disk, since a decrease in pumping speed tends to occur with decreasing blade height of the stator disk furthest upstream.
  • the pumping speed can be maintained or even slightly improved compared to conventional design criteria. While it was observed that for ratios H/h such that approximately 2.5 ⁇ H/h, the pumping speed initially decreases as expected with decreasing blade height h of the stator disks, this decrease is noticeable from a ratio of approximately 3 onwards. However, it was surprisingly found according to the invention that the pumping speed again reaches values that are normally only achieved when the ratio H/h is approximately 1.7.
  • turbomolecular vacuum pump designed according to the inventive design principles therefore has a lower axial height with the same or even improved pumping speed.
  • the pumping speed even reaches a maximum value in the interval 3 ⁇ H/h ⁇ 5 according to the invention. Accordingly, the following preferably applies to the ratio H/h of the turbomolecular pump stage located furthest upstream: 3.2 ⁇ H/h ⁇ 4.5, in particular 3.3 ⁇ H/h ⁇ 4.1 and especially preferably 3.4 ⁇ H/h ⁇ 3.9.
  • the ratio H/h of the most upstream turbomolecular pumping stage should be selected such that: 3.2 ⁇ H/h ⁇ 3.8, and in particular 3.4 ⁇ H/h ⁇ 3.6.
  • the H/h ratio of the most upstream turbomolecular pump stage can be selected such that: 4.2 ⁇ H/h ⁇ 4.8, and in particular 4.4 ⁇ H/h ⁇ 4.6, since only minor performance losses in pumping speed are to be expected in this range. Only above 5 ⁇ H/h does the pumping speed decrease excessively; therefore, according to the invention, the height of the vanes of the most upstream stator disk should not be less than 20% of the height of the vanes of the most upstream rotor disk.
  • the turbomolecular pump 111 shown comprises a pump inlet 115 surrounded by an inlet flange 113, to which a receiver (not shown) can be connected in a manner known per se.
  • the gas from the receiver can be drawn out of the receiver via the pump inlet 115 and conveyed through the pump to a pump outlet 117, to which a backing pump, such as a rotary vane pump, can be connected.
  • the inlet flange 113 forms a Fig. 1
  • the housing 119 comprises a lower part 121, to which an electronics housing 123 is attached laterally.
  • the electronics housing 123 contains electrical and/or electronic components of the vacuum pump 111, e.g., for operating an electric motor 125 located in the vacuum pump (see also Fig. 3
  • the electronics housing 123 has several connections 127 for accessories.
  • a data interface 129 e.g. according to the RS485 standard, and a power supply connection 131 are located on the electronics housing 123.
  • turbomolecular pumps that do not have such an attached electronics housing, but are connected to external drive electronics.
  • the housing 119 of the turbomolecular pump 111 has a flood inlet 133, in particular in the form of a flood valve, through which the vacuum pump 111 can be flooded.
  • a purge gas connection 135, also referred to as a purge gas connection is arranged, through which purge gas is supplied to protect the electric motor 125 (see e.g. Fig. 3
  • the gas pumped by the pump can be introduced into the motor compartment 137, in which the electric motor 125 is housed in the vacuum pump 111.
  • Two coolant connections 139 are also arranged in the lower part 121, one of which serves as an inlet and the other as an outlet for coolant that can be directed into the vacuum pump for cooling purposes.
  • Other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown) are operated exclusively with air cooling.
  • the lower side 141 of the vacuum pump can serve as a base, allowing the vacuum pump 111 to be operated standing upright on its underside 141.
  • the vacuum pump 111 can be attached to a receiver via the inlet flange 113 and thus operated in a suspended position.
  • the vacuum pump 111 can be designed to operate even when oriented differently than described. Fig. 1 As shown. It is also possible to implement embodiments of the vacuum pump in which the underside 141 can be arranged facing sideways or upwards instead of downwards. In principle, any angle is possible.
  • Mounting holes 147 are also arranged on the underside 141, via which the pump 111 can be attached to a support surface, for example. This is not possible with other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown), which are particularly larger than the pump shown here.
  • a coolant line 148 is shown, in which the coolant introduced and removed via the coolant connections 139 can circulate.
  • the vacuum pump comprises several process gas pumping stages for conveying the process gas present at the pump inlet 115 to the pump outlet 117.
  • a rotor 149 is arranged in the housing 119, which has a rotor shaft 153 rotatable about a rotation axis 151.
  • the turbomolecular pump 111 comprises several turbomolecular pump stages connected in series to provide pumping action. These stages have several radial rotor disks 155 attached to the rotor shaft 153 and stator disks 157 arranged between the rotor disks 155 and fixed in the housing 119. Each rotor disk 155 and an adjacent stator disk 157 form a turbomolecular pump stage. The stator disks 157 are held at a desired axial distance from each other by spacer rings 159.
  • the vacuum pump also includes Holweck pump stages arranged radially within one another and connected in series to effectively pump the pump.
  • Other turbomolecular vacuum pumps exist (not shown) that do not have Holweck pump stages.
  • the rotor of the Holweck pump stages comprises a rotor hub 161 arranged on the rotor shaft 153 and two cylindrical Holweck rotor sleeves 163, 165 attached to and supported by the rotor hub 161, which are oriented coaxially to the axis of rotation 151 and nested one inside the other in the radial direction. Furthermore, two cylindrical Holweck stator sleeves 167, 169 are provided, which are also oriented coaxially to the axis of rotation 151 and nested one inside the other in the radial direction.
  • the pump-active surfaces of the Holweck pump stages are formed by the outer surfaces, i.e., the radial inner and/or outer surfaces, of the Holweck rotor sleeves 163, 165 and the Holweck stator sleeves 167, 169.
  • the radial inner surface of the outer Holweck stator sleeve 167 faces the radial outer surface of the outer Holweck rotor sleeve 163, forming a radial Holweck gap 171, and together they form the first Holweck pump stage following the turbomolecular pumps.
  • the radial inner surface of the outer Holweck rotor sleeve 163 faces the radial outer surface of the inner Holweck stator sleeve 169, forming a radial Holweck gap 173, and together they form a second Holweck pump stage.
  • the radial inner surface of the inner Holweck stator sleeve 169 lies opposite the radial outer surface of the inner Holweck rotor sleeve 165, forming a radial Holweck gap 175, and together they form the third Holweck pumping stage.
  • a radially extending channel can be provided, through which the radially outer Holweck slot 171 is connected to the central Holweck slot 173. Furthermore, a radially extending channel can be provided at the upper end of the inner Holweck stator sleeve 169, through which the central Holweck slot 173 is connected to the radially inner Holweck slot 175. This connects the nested Holweck pump stages in series.
  • a connecting channel 179 to the outlet 117 can be provided in the internal Holweck rotor sleeve 165.
  • the aforementioned pump-active surfaces of the Holweck stator sleeves 167, 169 each have several Holweck grooves spiraling around the axis of rotation 151 in the axial direction, while the opposite outer surfaces of the Holweck rotor sleeves 163, 165 are smooth and drive the gas forward in the Holweck grooves for the operation of the vacuum pump 111.
  • a rolling bearing 181 is provided in the area of the pump outlet 117 and a permanent magnet bearing 183 is provided in the area of the pump inlet 115.
  • a conical injection nut 185 with an outer diameter increasing towards the rolling bearing 181 is provided on the rotor shaft 153.
  • the injection nut 185 is in sliding contact with at least one wiper of a fluid reservoir.
  • an injection screw may be provided instead of an injection nut. Since different designs are thus possible, the term "injection tip" is also used in this context.
  • the operating fluid reservoir comprises several stacked absorbent discs 187, which are impregnated with an operating fluid for the rolling bearing 181, e.g. with a lubricant.
  • the operating medium is transferred by capillary action from the operating medium reservoir via the wiper to the rotating injection nut 185 and, as a result of the centrifugal force, is conveyed along the injection nut 185 in the direction of the increasing outer diameter of the injection nut 185 towards the rolling bearing 181, where it fulfills, for example, a lubricating function.
  • the rolling bearing 181 and the operating fluid reservoir are enclosed in the vacuum pump by a trough-shaped insert 189 and the bearing cover 145.
  • the permanent magnet bearing 183 comprises a rotor-side bearing half 191 and a stator-side bearing half 193, each containing a ring stack of several axially stacked permanent magnet rings 195, 197.
  • the ring magnets 195, 197 face each other, forming a radial bearing gap 199, with the rotor-side ring magnets 195 arranged radially outside and the stator-side ring magnets 197 radially inside.
  • the magnetic field present in the bearing gap 199 induces magnetic repulsive forces between the ring magnets 195, 197, which cause the rotor shaft 153 to be radially supported.
  • the rotor-side ring magnets 195 are supported by a support section 201 of the rotor shaft 153, which radially surrounds the ring magnets 195 on the outside.
  • the stator-side ring magnets 197 are supported by a stator-side support section 203, which extends through the ring magnets 197 and is suspended from radial struts 205 of the housing 119.
  • Parallel to the axis of rotation 151, the rotor-side ring magnets 195 are fixed by a cover element 207 coupled to the support section 201.
  • the stator-side ring magnets 197 are fixed parallel to the axis of rotation 151 in one direction by a retaining ring 209 connected to the support section 203 and a retaining ring 211 also connected to the support section 203.
  • a disc spring 213 may also be provided between the retaining ring 211 and the ring magnets 197.
  • an emergency or catch bearing 215 is provided, which runs freely without contact during normal operation of the vacuum pump 111 and only engages in the event of excessive radial deflection of the rotor 149 relative to the stator, in order to form a radial stop for the rotor 149 and thus prevent a collision between the rotor-side and stator-side structures.
  • the catch bearing 215 is designed as an unlubricated rolling bearing and The rotor 149 and/or the stator form a radial gap, which causes the catch bearing 215 to be disengaged during normal pump operation.
  • the radial deflection at which the catch bearing 215 engages is dimensioned to be large enough so that the catch bearing 215 does not engage during normal operation of the vacuum pump, and at the same time small enough to prevent a collision between the rotor-side and stator-side structures under all circumstances.
  • the vacuum pump 111 comprises the electric motor 125 for rotating the rotor 149.
  • the armature of the electric motor 125 is formed by the rotor 149, whose rotor shaft 153 extends through the motor stator 217.
  • a permanent magnet arrangement can be arranged radially on the outside or embedded in the section of the rotor shaft 153 extending through the motor stator 217.
  • a space 219 is arranged between the motor stator 217 and the section of the rotor 149 extending through the motor stator 217. This space comprises a radial motor gap through which the motor stator 217 and the permanent magnet arrangement can magnetically influence each other to transmit the drive torque.
  • the motor stator 217 is fixed in the housing within the motor compartment 137 provided for the electric motor 125.
  • a purge gas also known as a sealing gas, which can be, for example, air or nitrogen, can enter the motor compartment 137 via the purge gas connection 135. This purge gas protects the electric motor 125 from process gas, e.g., from corrosive components of the process gas.
  • the motor compartment 137 can also be evacuated via the pump outlet 117, meaning that the vacuum pressure in the motor compartment 137 is at least approximately equal to that produced by the backing pump connected to the pump outlet 117.
  • a so-called labyrinth seal 223, which is known per se, can also be provided, in particular to achieve a better seal of the engine compartment 217 against the radially outside Holweck pump stages.
  • turbomolecular vacuum pump 111 The following section will discuss the inventive design and dimensioning of the previously described turbomolecular vacuum pump 111, and in particular its most upstream turbomolecular pumping stage, as well as the influence of this design on the pumping speed of the turbomolecular vacuum pump 111.
  • the turbomolecular vacuum pump 111 comprises several turbomolecular pumping stages connected in series to perform the pumping action. Each of these pumping stages is formed by a rotor disk 155 attached to the rotor shaft 153 and a stator disk 157 located downstream of the corresponding rotor disk 155 and fixed to the housing 119.
  • Downstream of this first pumping stage is a second pumping stage, which is also formed by a rotor disk 155 and a stator disk 157 located downstream of it.
  • Each rotor disk 155 has several radially extending blades, which are shown in the cross-sectional view of the Fig. 6 Viewed in the axial direction of the rotor shaft 153, they have a height H.
  • each stator disk 157 has several radially extending vanes, which are shown in the cross-sectional view of the Fig. 6
  • the rotor disk 155 of the first, or the most upstream, pumping stage is designated by H1
  • the height of the blades of the rotor disk 155 of the second, or downstream, pumping stage is designated by H2 .
  • the height of the blades of the stator disk 157 of the first pumping stage is subsequently designated by h1 .
  • the height H 1 or h 1 of the wings of the rotor disk 155 or the stator disk 157 of the most upstream turbomolecular pump stage is constant over the radial extent of the respective wings.
  • Table 1 refers to turbomolecular vacuum pumps of the applicant and Table 2 to turbomolecular vacuum pumps of the competition.
  • Tables 1 and 2 list, in the third and fourth rows respectively, the impeller heights H1 and h1 of the most upstream pump stage of various turbomolecular vacuum pumps, which are identified according to the relevant ISO standard ISO 1609 by the diameter of their respective inlet flange 113.
  • the sixth column of each table lists the ratio H1 / h1
  • the seventh row lists the corresponding capture probability of an N2 molecule. This value correlates with the pumping speed and, in particular, is linearly related to the pumping speed.
  • the capture probability of an N2 molecule was chosen because, unlike the pumping speed, it is independent of the pump size and thus of the inlet flange diameter 113, allowing the individual pumps to be directly compared regardless of the diameter of their respective inlet flanges 113.
  • the ratio H1 / h1 usually lies approximately in the range between 1 and 2, which means that so far the height h1 of the wings of the furthest upstream
  • the stator disk 157 was at least half as high as the height H1 of the rotor disk blades 155 of the most upstream turbomolecular pump stage.
  • This can also be seen in the following performance diagram, in which the capture probability according to Tables 1 and 2 is illustrated with triangle symbols as a function of the respective ratio H1 / h1 .
  • the molecular capture probability for an N 2 molecule tends to decrease with increasing H 1 / h 1 ratio, which had previously supported the assumption that, due to the tendentially decreasing pumping speed, it is not technically sensible to design the wings of the most upstream stator disk 157 with a height h 1 that is less than half the height H 1 of the wings of the rotor disk 155 of the most upstream pump stage.
  • turbomolecular pumping stage 4.2 ⁇ H1 / h1 ⁇ 4.8, in particular 4.4 ⁇ H1 / h1 ⁇ 4.6.
  • most upstream turbomolecular pumping stage such that: 3.2 ⁇ H1 /h1 ⁇ 3.8 , in particular 3.4 ⁇ H1 / h1 ⁇ 3.6.
  • the axial height of the turbomolecular vacuum pump 111 can be reduced without having to accept any loss of pumping speed if the most upstream turbomolecular pump stage is designed such that the impeller height ratio is: 3 ⁇ H 1 / h 1 ⁇ 5.

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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.
  • Der grundsätzliche Aufbau herkömmlicher Turbomolekularvakuumpumpen lässt sich den Druckschriften DE 20 2011 002 809 U1 , DE 198 21 634 A1 , US 2021 / 010 479 A1 oder EP 2 990 656 A2 entnehmen.
  • 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 (4)

  1. 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3 ≤ H / h ≤ 5.
  2. 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 vorzugsweise für das Verhältnis H / h der am weitesten stromaufwärts gelegenen Turbomolekular-Pumpstufe gilt: 3,4 ≤ H / h ≤ 3,9.
  3. 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.
  4. 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.
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