EP4459131A2

EP4459131A2 - Turbomolekularvakuumpumpe mit optimierter sperrgaszufuhr

Info

Publication number: EP4459131A2
Application number: EP24200029.7A
Authority: EP
Inventors: Erfindernennung liegt noch nicht vor Die
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2024-09-12
Filing date: 2024-09-12
Publication date: 2024-11-06
Also published as: CN121654605A; EP4459131A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomolekularvakuumpumpe mit einem Gehäuse mit einem Pumpeneinlass und einem Pumpenauslass, einem ersten Pumpmechanismus mit zumindest einer turbomolekularen Pumpstufe in dem Gehäuse, einem stromabwärts des ersten Pumpmechanismus befindlichen zweiten Pumpmechanismus mit zumindest einer Holweck-Pumpstufe in dem Gehäuse und einem eine Rotorwelle umfassenden Rotor für sowohl den ersten Pumpmechanismus als auch den zweiten Pumpmechanismus, und einem Elektromotor zum Antrieb der Rotorwelle. Der Elektromotor ist innerhalb des zweiten Pumpmechanismus in einem Motorraum angeordnet, der von einer zylindrischen Trennwand umgeben und auf der dem ersten Pumpmechanismus zugewandten Seite durch eine sich radial erstreckende Trennwand begrenzt ist, die den Rotor unter Bildung eines Ringspalts umgibt. Die Rotorwelle erstreckt sich ausgehend von dem ersten Pumpmechanismus durch den zweiten Pumpmechanismus sowie durch den Motorraum bis zu einem Ende, das mittels eines Wälzlagers in dem Gehäuse gelagert ist. Das Gehäuse weist zumindest einen Sperrgasanschluss zur Einleitung eines Sperrgases zum Schutz des Elektromotors auf. In der zylindrischen Trennwand ist ein Zuströmkanal ausgebildet ist, der einerseits mit dem Sperrgasanschluss und andererseits über einen Strömungswegs mit dem Ringraum in Fluidverbindung steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomolekularvakuumpumpe mit optimierter Sperrgaszufuhr. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Turbomolekularvakuumpumpe mit einer Holweck-Pumpstufe, innerhalb derer sich der Elektromotor der hier auch nur als Turbomolekularpumpe oder als "Pumpe" bezeichneten Turbomolekularvakuumpumpe befindet, wobei in die Holweck-Pumpstufe ein Sperrgaseinlass mündet, über den sich ein Sperrgas zum Schutz des Motor- sowie des sich daran anschließenden Lagerbereichs vor korrosiv wirkenden Anteilen einleiten lässt, die Bestandteil des zu pumpenden Prozessgases sein können. Derartige Anteile müssen nicht unbedingt eine korrosive Wirkung entfalten; vielmehr kann es sich bei diesen Anteilen auch um Partikel oder Stäube handeln, die das Betriebsmittel verunreinigen oder Spalte zusetzen können. Weiterhin können andere Bestandteile auch einfach das Betriebsmittel verunreinigen.
Da das Sperrgas üblicherweise in der Nähe eines meist ölgeschmierten Wälzlagers in das Pumpsystem eingeleitet wird, kann es insbesondere dann, wenn große Sperrgasmengen in das Pumpsystem eingeleitet werden, vorkommen, dass das Sperrgas Öldämpfe aufnimmt und mit sich reißt, die aus dem Lagerbereich diffundieren können. Das so mit Öl angereicherte Sperrgas kann sich dann im Pumpsystem ausbreiten und auf diese Weise bis in ein an den Pumpeneinlass angeschlossenes Instrument gelangen, wo es fehlerhafte Messungen und/oder Beschädigungen verursachen kann. Gleichmaßen kann das sich im Pumpsystem ausbreitende Sperrgas bis in den nahe des Pumpenauslasses befindlichen Vorvakuumbereich gelangen, der mit dem Auslass der Holweck-Pumpstufe in Fluidverbindung steht, wo sich die im Sperrgas befindlichen Ölpartikel als Ölfilm niederschlagen können, was beim Anwender der Pumpe zu Irritationen führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Turbomolekularvakuumpumpe mit einer Holweck-Pumpstufe und einem Sperrgaseinlass anzugeben, bei der die Wahrscheinlichkeit, dass das Sperrgas Ölpartikel aus dem Lagerbereich aufnimmt, minimiert ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Turbomolekularvakuumpumpe gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Insbesondere wird die Aufgabe dabei dadurch gelöst, dass in der zylindrischen Trennwand, die Bestandteil einer Motorabdeckung ist und die den Motorraum vom Vorvakuumbereich am Ausgang der am weitesten stromabwärts befindlichen Holweck-Pumpstufe trennt, zumindest ein im Wesentlichen axial in Bezug auf die Rotorachse ausgerichteter Zuströmkanal ausgebildet ist, der an einem Ende mit dem Sperrgasanschluss und am anderen Ende über einen Strömungsweg, der komplex ausgebildet sein kann, mit dem auf Vorvakuumniveau liegenden Ringraum in Fluidverbindung steht, der die in Rede stehende zylindrische Trennwand der Motorabdeckung umgibt. Der zumindest eine Zuströmkanal ist dabei im Wesentlichen axial ausgerichtet und erstreckt sich somit im Inneren der zylindrischen Trennwand. Nochmals anders ausgedrückt befindet sich jenes Ende des Zuströmkanals, das mit dem Sperrgasanschluss in Fluidverbindung steht, in axialer Richtung an einer anderen sich radial erstreckenden Ebene als das andere Ende des Zuströmkanals. Die Radialebenen, in denen sich die beiden Enden des Zuströmkanals befinden, sind also in axialer Richtung voneinander beabstandet.
Das Sperrgas wird also nicht in radialer Richtung direkt in den Motorraum eingeleitet, wo aufgrund der Tatsache, dass der Motorraum direkt an den Lagerbereich des Pumpenrotors angrenzt, die Wahrscheinlichkeit einer Ölaufnahme durch das Sperrgas aus dem Lagerbereich hoch ist; vielmehr wird das Sperrgas aufgrund der Tatsache, dass der in Rede stehende Zuströmkanal in bzw. innerhalb der sich axial erstreckenden zylindrischen Trennwand ausgebildet ist, durch den Zuströmkanal zunächst in axialer Richtung vom Lagerbereich weg und in Richtung des Elektromotors bzw. in Richtung des ersten Pumpmechanismus geleitet, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Ölaufnahme aus dem Lagerbereich minimiert wird. Wird das Sperrgas nach erfolgter Durchströmung des Zuströmkanals nahe der sich radial erstreckenden Trennwand der Motorabdeckung in den Motorraum geleitet, kann es sich anschließend durch den Motor-/Rotorspalt in Richtung des Lagerbereichs ausbreiten, wo es dann für durch den Zuströmkanal anschließend nachströmendes Sperrgas eine Art Puffer oder Barriere darstellt. Nachströmendes Sperrgas gelangt dann vielmehr durch den Ringspalt zwischen dem Rotor und der sich radial ersteckenden Trennwand der Motorabdeckung in den die zylindrische Trennwand umgebenden Ringraum, der auf Vorvakuumniveau liegt, wobei dieses nachströmende Sperrgas aufgrund der Tatsache, dass es durch die Pufferwirkung des initial den Motorraum einströmenden Sperrgases nicht in Kontakt mit dem Lagerbereich kommt, keine oder nur geringe Öldämpfe enthält.
Erfindungsgemäß wird somit gewissermaßen dafür gesorgt, dass das sich im Pumpsystem ausbreitende Sperrgas nicht mit dem Lagerbereich in Kontakt kommen kann; vielmehr wird das Sperrgas durch den sich im Wesentlichen axial erstreckenden Zuströmkanal zunächst vom Lagerbereich in axialer Richtung weggeleitet, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Aufnahme von Öldämpfen durch das Sperrgas minimiert wird. Im Ergebnis können somit größere Sperrgasmengen eingelassen werden.
Da der Sperrgasanschluss auch zum Fluten während des Herunterfahrens der Pumpe verwendet werden, können somit auch größere Flutgasmengen eingesetzt werden, die die Zeit für das Herunterfahren der Pumpe verkürzen.
Im Folgenden wird nun auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung eingegangen. Weitere Ausführungsformen können sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Figurenbeschreibung sowie den Zeichnungen ergeben.
So kann es gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Sperrgasanschluss in einem Gehäuseunterteil des Gehäuses der Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildet ist, wobei dieses Gehäuseunterteil das Wälzlager bzw. die Lagerfassung aufnimmt, die das Wälzlager beinhaltet. Die zylindrische Trennwand, die zusammen mit der sich radial erstreckenden Trennwand die Motorabdeckung bildet, erstreckt sich dabei ausgehend von einer Radialebene, in der sich das Wälzlager befindet, in axialer Richtung zu einem mit dem Gehäuseunterteil verbundenen Gehäuseoberteil, in dem sich der erste Pumpmechanismus befindet und das zusammen mit dem Gehäuseunterteil einen Aufnahmeraum für den zweiten Pumpmechanismus einschließlich des Elektromotors bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass der zumindest eine Sperrgasanschluss, der am Gehäuseunterteil vorgesehen sein kann, über einen sich in radialer Richtung erstreckenden Sperrgaskanal, welcher ebenfalls im Gehäuseunterteil ausgebildet ist, mit dem Zuströmkanal in Fluidverbindung steht. Es existiert also ausgehend von dem Sperrgasanschluss ein direkter Strömungsweg zu dem Zuströmkanal, welcher in der sich axial erstreckenden zylindrischen Trennwand der Motorabdeckung ausgebildet ist, sodass das Sperrgas gar nicht erst in den Motorraum gelangen kann, der umfangsseitig durch die zylindrische Trennwand begrenzt ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Turbomolekularvakuumpumpe und insbesondere das Gehäuseunterteil über zumindest zwei Sperrgasanschlüsse verfügt, von denen einer an einem radial äußeren Ende des Sperrgaskanals vorgesehen ist, wohingegen der andere Sperrgasanschluss mit dem Sperrgaskanal über eine Sperrgasbohrung in Fluidverbindung steht, die an einer Stelle in den Sperrgaskanal mündet, welche sich radial innerhalb des radial äußeren Endes des Sperrgaskanals befindet. Beispielsweise kann der andere Sperrgasanschluss an einer Unterseite des Gehäuseunterteils vorgesehen sein und mit einer sich axial erstreckenden Sperrgasbohrung mit dem Sperrgaskanal verbunden sein. Bei beengten Platzverhältnissen kann somit Sperrgas je nach Bedarf mittels einer entsprechenden Sperrgaszuführleitung in radialer oder in axialer Richtung der Pumpe zugeführt werden.
Um für eine möglichst gleichmäßig Verteilung des Sperrgases innerhalb des Pumpsystems zu sorgen, kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Zuströmkanal stromabwärts in einen umlaufenden Ringkanal mündet, der umlaufend in der zylindrischen Trennwand ausgebildet ist und der seinerseits über einen Strömungsweg, der komplex ausgebildet sein kann, mit dem Ringraum in Fluidverbindung steht, gegebenenfalls über den Motorraum. Das Sperrgas kann sich somit in Umfangsrichtung durch den Ringkanal hinweg ausbreiten und verteilen, um von dort aus in den Motorraum und/oder in den die zylindrische Trennwand umgebenden Ringraum zu gelangen.
Um den Ringkanal in der zylindrischen Trennwand ausbilden zu können, kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass sich die zylindrische Trennwand aus zwei axial miteinander ausgerichteten zylindrischen Wandabschnitten zusammensetzt, wobei der Ringkanal an der Verbindungsstelle ausgebildet ist, an der die beiden zylindrischen Wandabschnitte miteinander verbunden sind. Konkret kann es dabei vorgehen sein, dass sich ein erster der beiden zylindrischen Wandabschnitte ausgehend von dem Gehäuseunterteil in Richtung des ersten Pumpmechanismus zu einem freien Ende erstreckt, an dem der erste zylindrische Wandabschnitt mit dem zweiten der beiden zylindrischen Wandabschnitte verbunden ist, welcher sich von dort ausgehend ebenfalls in Richtung des ersten Pumpmechanismus zu einem Ende erstreckt, an dem die sich radial erstreckende Trennwand mit dem zweiten zylindrischen Wandabschnitt verbunden ist. Somit kann beispielsweise am freien Ende des ersten zylindrischen Wandabschnitts und/oder am daran angrenzenden Ende des zweiten zylindrischen Wandabschnitts beispielsweise eine ringförmig umlaufende Ausnehmung ausgebildet werden, die dann im miteinander verbundenen Zustand der beiden zylindrischen Wandabschnitte den Ringkanal bildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass der erste zylindrische Wandabschnitt an seinem freien Ende einen umlaufenden ersten Ringvorsprung aufweist, der eine geringere Dicke als der erste zylindrische Wandabschnitt aufweist. In entsprechender Weise kann das Ende des zweiten zylindrischen Wandabschnitts, das mit dem freien Ende des ersten zylindrischen Wandabschnitts verbunden ist, einen umlaufenden zweiten Ringvorsprung aufweisen, der den ersten Ringvorsprung umgibt und der eine geringere Dicke als der zweite zylindrische Wandabschnitt aufweist. In diesem Falle kann der Ringkanal zwischen den beiden Ringvorsprüngen durch eine Fase oder Abrundung geschaffen werden, die umlaufend entlang der Innenkante des freien Endes des zweiten Ringvorsprungs ausgebildet ist.
Damit das Sperrgas aus dem Ringkanal in den Motorraum gelangen kann, kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Motorraum über zumindest einen durch die zylindrische Trennwand definierten Verteilungskanal mit dem Ringkanal in Fluidverbindung stehen. Vorzugsweise sind dabei mehrere solcher Verbindungskanäle vorgesehen, welche in Umfangsrichtung des Ringkanals voneinander beabstandet sind, und zwar vorzugsweise gleichmäßig, um so für eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung des Motorraums mit Sperrgas zu sorgen.
Damit durch jeden der in Rede stehenden Verteilungskanäle möglichst die gleiche Menge an Sperrgas in den Motorraum strömen kann, kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Verteilungskanäle zumindest zum Teil voneinander verschieden große Strömungsquerschnitte aufweisen und/oder dass der Strömungsquerschnitt des Ringkanals mit zunehmendem Abstand von dem Zuströmkanal in Umfangsrichtung zunimmt. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass jene Verteilungskanäle, die in Umfangsrichtung weiter von dem Zuströmkanal entfernt sind als näher bei dem Zuströmkanal gelegene Verteilungskanäle, einen größeren Strömungsquerschnitt aufweisen als die näher bei dem Zuströmkanal gelegenen Verteilungskanäle. Da sich das Sperrgas den Weg des geringsten Widerstands sucht, kann somit sichergestellt werden, dass das über den Zuströmkanal in den Ringkanal gelangende Sperrgas aus demselben nicht gleich wieder zum größten Teil durch die in nächster Nähe bei dem Zuströmkanal gelegenen Verteilungskanäle entweicht, sondern auch bis zu den weiter von dem Zuströmkanal entfernten Verteilungskanälen gelangen kann, um so letztendlich für eine gleichmäßige Verteilung des Sperrgases durch sämtliche Verteilungskanäle zu sorgen.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass ein Abschnitt des jeweiligen Verteilungskanals durch eine sich axial erstreckende Ausnehmung in dem ersten und/oder in dem zweiten zylindrischen Wandabschnitt gebildet ist, und zwar vorzugsweise durch eine jeweilige sich axial erstreckende Ausnehmung in dem ersten und/oder in dem zweiten Ringvorsprung. Beispielsweise kann der zweite zylindrische Wandabschnitt von einem sich in axialer Richtung erstreckenden Schlitz durchsetzt sein, sodass das Sperrgas durch diesen hindurch aus dem Ringkanal entweichen kann, um in Richtung der sich radial erstreckenden Trennwand der Motorabdeckung zu strömen.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist der Elektromotor im Motorraum einen Motorstator auf, der nur entlang eines mittleren umlaufenden Bereichs innenseitig an der zylindrischen Trennwand anliegt. Auf der dem ersten Pumpmechanismus zugewandten Seite des mittleren umlaufenden Bereichs ist der Motorstator hingegen von der zylindrischen Trennwand durch einen umlaufenden Ringraum beabstandet. Da der Motorstator somit im Bereich des in Rede stehenden Ringraums von innen nicht an der zylindrischen Trennwand anliegt, kann in diesem Bereich der zumindest eine zuvor beschriebene Verteilungskanal in den Motorraum münden. Sperrgas, das durch die zuvor erwähnten Verteilungskanäle in den Ringraum zwischen Motorstator und der zylindrischen Trennwand gelangt, kann sich somit von dort aus in dem Motorraum in axialer Richtung weiter ausbreiten, um in einen als Expansionsvolumen dienenden Abstand zu gelangen, durch den der Motorstator auf seiner dem ersten Pumpmechanismus zugewandten Seite von der sich radial erstreckenden Trennwand beabstandet ist. Da sich der Ringspalt zwischen der sich radial erstreckenden Trennwand und dem Rotor der Pumpe direkt an das in Rede stehende Expansionsvolumen anschließt, kann der Ringspalt somit durch das Sperrgas abgedichtet werden, wodurch sich in der gewünschten Weise verhindern lässt, das korrosive Anteile aus dem Prozessgas ins Innere des Motorraums gelangen können.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Strömungsweg gelangt das Sperrgas also aus dem Ringkanal über den Motorraum zu dem Ringspalt, von wo aus es über den die zylindrische Trennwand umgebende Ringraum, der sich auf Vorvakuumniveau befindet, zum Auslass der Holweck-Pumpstufe gelangen kann. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Ringkanal über zumindest einen Verteilungskanal, der sich in radialer Richtung durch die zylindrische Trennwand erstreckt, direkt mit dem Ringraum radial außerhalb der zylindrischen Trennwand in Fluidverbindung steht, wobei vorzugsweise mehrere solche Verteilungskanäle vorgesehen sein können, die in Umfangsrichtung des Ringkanals voneinander beabstandet sind, vorzugsweise gleichmäßig. Auch bei dieser Ausführungsform kann es wiederum vorgesehen sein, dass die Verteilungskanäle zumindest zum Teil voneinander verschieden große Strömungsquerschnitte aufweisen und/oder dass der Strömungsquerschnitt des Ringkanals mit zunehmendem Abstand von dem Zuströmkanal zunimmt, um so eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Sperrgases zu erreichen.
Um ein Rückströmen von Prozessgas, das aus der Holweck-Pumpstufe zum Pumpenauslass gefördert wird, über den die zylindrische Trennwand umgebenden Ringraum in den Motorraum zu verhindern, kann es gemäß noch einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die zylindrische Trennwand außenumfangsseitig von einer Sperrgeometrie wie beispielsweise einem umlaufenden Ringflansch umgeben ist. Vorzugsweise befindet sich dabei die Sperrgeometrie in axialer Richtung näher bei der sich radial erstreckenden Trennwand der Motorabdeckung als die die zylindrische Trennwand durchdringenden Verteilungskanäle. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass aus der Holweck-Pumpstufe austretendes Prozessgas gar nicht erst bis zu der Sperrgeometrie gelangen kann, wodurch auch der die zylindrische Trennwand umgebende Ringraum effektiv vor korrosiven Bestandteilen des Prozessgases geschützt ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Sperrgeometrie auch als pumpaktive Struktur in der Art eines Holweck-Gewindeabschnitts ausgeführt sein, der die Wahrscheinlichkeit eines Einströmens von Prozessgas in den die zylindrische Trennwand umgebenden Ringraum reduziert.
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 einer erfindungsgemäß ausgebildeten Turbomolekularvakuumpumpe,
Fig. 7: das Detail "X" der Fig. 6 in der Draufsicht gemäß Schnitt M-M,
Fig. 8: das Detail "Y" der Fig. 6 in der Draufsicht gemäß Schnitt M-M,
Fig. 9: das in der Fig. 6 markierte Detail "X" in vergrößerter Ansichtdarstellung,
Fig. 10: den Sperrgasströmungsweg der Turbomolekularvakuumpumpe gemäß Fig. 6,
Fig. 11 und 12: den Sperrgasströmungsweg gemäß zwei weiteren Ausführungsformen einer Turbomolekularvakuumpumpe.

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. Bei der zuvor beschriebenen Turbomolekularvakuumpumpe 111 gelangt das Sperrgas über den Sperrgasanschluss 135 in der bereits beschriebenen Art und Weise direkt in den Motorraum 137, der vom Vorvakuumbereich am Ausgang der Holweck-Pumpstufe durch die nachfolgend auch als Motorabdeckung bezeichnete Wandung 221 sowie insbesondere durch die Labyrinthdichtung 223 strömungstechnisch weitestgehend getrennt ist. Da sich jedoch der Lagerbereich und insbesondere das ölgeschmierte Wälzlager 181 im Motorraum 137 befindet, kann das in den Motorraum 137 einströmende Sperrgas in unerwünschter Weise Öldämpfe aufnehmen, die von dem Wälzlager 181 in den Motorraum 137 diffundieren. Das auf diese Weise mit Öl angereicherte Sperrgas kann dann durch den Spalt 219 sowie durch die Labyrinthdichtung 223 hindurchströmen, von wo aus es bis in den Verbindungskanal 179 am Ausgang der Holweck-Pumpstufe gelangen kann, wo es sich in unerwünschter Art und Weise als Ölfilm niederschlagen kann.
Um dieser Problematik entgegen zu wirken, ist es bei der nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 beschriebenen Turbomolekularvakuumpumpe 300, welche als sogenannte Splitflow-Pumpe ausgebildet ist, vorgesehen, dass der Sperrgaskanal 302, welcher sich von dem Sperrgasanschluss 304 im Gehäuseunterteil 306 radial nach innen erstreckt, nicht direkt in den Motorraum 320 mündet, sondern dass sich der Sperrgaskanal 302 in einem daran anschließenden Zuströmkanal 312 fortsetzt, welcher in der Motorabdeckung und insbesondere in dessen zylindrischer Trennwand 314 ausgebildet ist. Das durch den Sperrgaskanal 302 einströmende Sperrgas wird somit zunächst von dem Lagerbereich, in dem sich das Wälzlager 318 befindet, in axialer Richtung weggeleitet, um nachfolgend über einen später noch genauer beschriebenen Strömungsweg in den die zylindrische Trennwand 314 umgebenden Ringraum 320 zu gelangen. Zwar handelt es sich bei der Pumpe der Fig. um eine Splitflow-Pumpe; das erfindungsgemäße Sperrgaskonzept kann jedoch selbstverständlich auch bei einer konventionellen Turbomolekularpumpe gemäß Figs. 1 bis 5 realisiert werden.
Bevor nachfolgend genauer auf den konstruktiven Aufbau der in der Fig. 6 dargestellten Turbomolekularvakuumpumpe 300 eingegangen wird, sei an dieser Stelle angemerkt, dass der konstruktive Aufbau dieser Pumpe 300 in weiten Teilen des Aufbaus der unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 beschriebenen Pumpe entspricht, weshalb nachfolgend nur auf die erfindungswesentlichen Unterschiede eingegangen wird.
Wie bereits zuvor erwähnt ist es bei der erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe 300 vorgesehen, dass sich der Sperrgaskanal 302, welcher sich von dem Sperrgasanschluss 304 ausgehend im Gehäuseunterteil 306 radial einwärts erstreckt, in einem sich axial erstreckenden Zuströmkanal 312 fortsetzt, welcher innerhalb der zylindrischen Trennwand 314 der Motorabdeckung ausgebildet ist. Zusätzlich zu dem radialen Sperrgasanschluss 304 verfügt die Pumpe 300 über einen axial ausgerichteten Sperrgasanschluss 305, welche über eine Sperrgasbohrung 307 mit dem Sperrgaskanal 302 in Fluidverbindung steht, sodass Sperrgas je nach Bedarf über den radialen Sperrgasanschluss 304 und/oder den axialen Sperrgasanschluss 305 dem Zuströmkanal 312 zugeführt werden kann.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform setzt sich die zylindrische Trennwand 314, die den Motorraum 310 umfangsseitig umgibt, aus einem ersten zylindrischen Wandabschnitt 322 und einem zweiten zylindrischen Wandabschnitt 324 zusammen. Der erste zylindrische Wandabschnitt 322 erstreckt sich dabei ausgehend von dem Gehäuseunterteil 308 in Richtung des ersten Pumpmechanismus, der durch die Rotor- und Statorscheiben des turbomolekularen Pumpmechanismus gebildet wird. Das freie Ende dieses ersten zylindrischen Wandabschnitts 322 ist dabei in der nachfolgend genauer beschriebenen Art und Weise mit dem zweiten zylindrischen Wandabschnitt 324 verbunden, welcher sich von dem freie Ende des ersten zylindrischen Wandabschnitts 322 aus in Richtung des ersten Pumpmechanismus zu einem Ende erstreckt, an dem die sich radial erstreckende Trennwand 316 mit dem zweiten zylindrischen Wandabschnitt 324 verbunden ist.
Wie der Fig. 6 in Verbindung mit der Fig. 9 entnommen werden kann, weist der erste zylindrische Wandabschnitt 322 an seinem freien Ende einen sich davon erstreckenden umlaufenden ersten Ringvorsprung 326 auf, wobei die Dicke dieses ersten Ringvorsprungs 326 geringer ist als die des ersten zylindrischen Wandabschnitts 322. In entsprechender Weise weist das mit dem freien Ende des ersten zylindrischen Wandabschnitts 322 verbundene Ende des zweiten zylindrischen Wandabschnitts 324 ebenfalls einen umlaufenden zweiten Ringvorsprung 328 auf, dessen Dicke geringer ist als die des zweiten zylindrischen Wandabschnitts 324. Der zweite Ringvorsprung 328 umgibt dabei den ersten Ringvorsprung 326 und kann mit diesem beispielsweise verschraubt oder verpresst sein. Wie insbesondere der Detaildarstellung der Fig. 9 entnommen werden kann, ist die Innenkante des freien Endes des zweiten Ringvorsprungs 328 abgerundet ausgebildet, sodass durch diese Abrundung 330, die alternativ auch als einfache Fase ausgebildet sein kann, zwischen den beiden Ringvorsprüngen 326, 328 ein umlaufender Ringkanal 332 gebildet wird, in den der Zuströmkanal 312 von unten mündet, siehe hierzu auch das Draufsichtdetail der Fig. 7.
Wie dem Draufsichtdetail der Fig. 7 des Weiteren entnommen werden kann, weist der erste Ringvorsprung 326 eine Ausnehmung in Form eines sich in axialer Richtung erstreckenden Schlitzes 334 auf, wobei sich diese Ausnehmung als Nut an der Innenseite des zweiten zylindrischen Wandabschnitts 324 fortsetzen kann. Sperrgas, das über den Zuströmkanal 312 in den Ringkanal 332 gelangt, kann somit in axialer Richtung durch den als Schlitz 334 ausgebildeten Verteilungskanal 336 sowie die sich daran fortsetzende Nut (nicht dargestellt) an der Innenseite des zweiten zylindrischen Wandabschnitts 324 ausbreiten, um von dort aus in den oberen Bereich des Motorraums 310 zu gelangen.
Wie dem Draufsichtdetail der Fig. 8 entnommen werden kann, zweigt von dem Ringkanal 332 in axialer Richtung ein weiterer Verteilungskanal 336 ab, der sich auf der durch den Schlitz 334 gebildeten Verteilungskanal 336 gegenüberliegenden Seite des Ringkanals 332 befindet. Konkret wird dieser Verteilungskanal 336 durch einen sich axial erstreckenden Schlitz 338 in dem unteren Ringvorsprung 326 sowie durch eine Ausnehmung 340 in dem zweiten Ringvorsprung 328 gebildet, der sich wie der Schlitz 338 in axialer Richtung erstreckt. Der durch diesen Schlitz 338 und durch die Ausnehmung 340 gebildete Verteilungskanal 336 weist dabei einen größeren Strömungsquerschnitt auf als der durch den Schlitz 334 gebildete Verteilungskanal 336, wodurch sichergestellt werden kann, dass durch beide Verteilungskanäle 336 etwa die gleiche Sperrgasmenge in den Motorraum 310 gelangen kann. Der guten Ordnung halber sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich der durch den Schlitz 338 und durch die Ausnehmung 340 gebildete Strömungsquerschnitt in axialer Richtung bis in den zweiten zylindrischen Wandabschnitt 324 fortsetzen kann, um es dem Sperrgas zu ermöglichen, in den Motorraum 310 einströmen zu können.
Obwohl bei der hier beschriebenen Ausführungsform nur zwei Verteilungskanäle 336 von dem Ringkanal 332 in axialer Richtung abzweigen, können von dem Ringkanal 332 auch drei oder noch mehr Verteilungskanäle 336 abzweigen, wie sie in der Fig. 8 als halbkreisförmige Ausnehmungen in den beiden Ringvorsprüngen 326, 328 gestrichelt angedeutet sind, wobei diese zusätzlichen Verteilungskanäle 336 vorzugsweise in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sein sollten. Vorzugsweise sollte dabei der Strömungsquerschnitt der jeweiligen Verteilungskanäle 336 umso größer sein, je weiter diese von dem Zuströmkanal 312 in Umfangsrichtung entfernt sind, um so für eine gleichmäßige Sperrgaszufuhr zum Motorraum 310 zu sorgen.
Zusätzlich oder alternativ hierzu kann der Strömungsquerschnitt des Ringkanals 332 mit zunehmendem Abstand von dem Zuströmkanal 312 zunehmen, da hierdurch ebenfalls sichergestellt werden kann, dass durch die weiter von dem Zuströmkanal 312 entfernten Verteilungskanäle 336 im Wesentlichen die gleiche Menge an Sperrgas in dem Motorraum 310 strömen kann wie durch die näher bei dem Zuströmkanal 312 befindlichen Verteilungskanäle 336.
Dass das Sperrgas durch die zuvor beschriebenen Verteilungskanäle 336 ungehindert in den Motorraum 310 strömen kann, ist darauf zurückzuführen, dass der Motorstator 342 nur entlang eines mittleren umlaufenden Bereichs 344 innenseitig an der zylindrischen Trennwand 314 anliegt. Demgegenüber ist der Motorstator 342 beiderseits dieses mittleren Bereichs 344 durch einen Ringraum 346 von der zylindrischen Trennwand 314 beabstandet, sodass auf der dem ersten Pumpmechanismus zugewandten Seite des mittleren umlaufenden Bereichs 344 das Sperrgas aus den Verteilungskanälen 336 ungehindert in den Ringraum 346 strömen kann, von wo aus es sich weiter in Richtung des Ringspalts 348 ausdehnen kann, durch den der Rotor 356 von der sich radial erstreckenden Trennwand 316 getrennt ist. Konkret dehnt sich dabei das Sperrgas in dem als Expansionsvolumen 350 dienenden Bereich aus, der durch den Abstand zwischen dem Motorstator 342 und der sich radial erstreckenden Trennwand 316 gebildet wird.
Sperrgas, das auf dem zuvor beschriebenen Strömungsweg bis zu dem Ringspalt 348 gelangt, dichtet diesen somit zuverlässig ab, wobei aufgrund der Tatsache, dass das Sperrgas auf seinem Weg zu dem Ringspalt 348 nicht mit Öldämpfen aus dem Wälzlager 380 in Berührung kommt, verhindert werden kann, dass das Sperrgas auf seinem weiteren Weg zu dem die zylindrische Trennwand 314 umgebenden Ringraum 320 Ölpartikel aus dem Wälzlager 318 mit sich reißt, die sich andernfalls in unerwünschter Weise im Vorvakuumbereich am Ausgang der Holweck-Pumpstufe als Ölfilm niederschlagen könnten.
Zwar gelangt gemäß der schematischen Darstellung der Fig. 10 ein Teil des initial eingeleiteten Sperrgases durch den Motor-/Rotorspalt 353 in den unteren Bereich des Motorraums 310 und somit in die Nähe des Lagerbereichs bzw. des Wälzlagers 318; dieses anfänglich durch den Motor/Rotorspalt einströmende Sperrgasvolumen stellt jedoch einen Puffer für in das Expansionsvolumen 350 nachströmendes Sperrgas dar, sodass bei kontinuierlicher Sperrgasbeaufschlagung während des Pumpbetriebs kein weiteres Sperrgas in den unteren Bereich des Motorraums 310 einströmen kann. Der untere Bereich des Motorraums 310 wird also während des Pumpbetriebs nicht von Sperrgas durchströmt, wodurch verhindert werden kann, dass das Sperrgas auf seinem Weg zu dem Ringspalt 348 Ölpartikel aus dem Wälzlager 318 mit sich reißt, die sich andernfalls anschließend als Ölfilm im Vorvakuumbereich niederschlagen könnten.
Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform, deren Sperrgasströmungsweg schematisch in der Fig. 10 dargestellt ist und bei der das Sperrgas über den Zuströmkanal 312 zunächst in den oberen Abschnitt des Motorraums 310 gelangt, um von dort durch den Ringspalt 348 in den Ringraum 320 außerhalb der zylindrischen Trennwand 314 zu gelangen, ist es bei den unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 äußerst schematisch dargestellten Ausführungsformen vorgesehen, dass das Sperrgas unter Umgehung des Motorraums 310 in den Ringraum 320 gelangt, der die zylindrische Trennwand 314 umgibt: So mündet bei der Ausführungsform der Fig. 11 der Zuströmkanal 312 wiederum in einen Ringkanal 332 in der zylindrischen Trennwand 314, wobei dieser Ringkanal 223 über mehrere Verteilungskanäle 336, die sich radial durch die zylindrische Trennwand 314 erstrecken, mit dem Ringraum 320 außerhalb der zylindrischen Trennwand 314 in Fluidverbindung steht.
Alternativ hierzu ist es bei der in der Fig. 12 dargestellten Ausführungsform vorgesehen, dass der Sperrgaskanal 302 zunächst in einen Ringkanal 332 im Gehäuseunterteil 306 übergeht, von wo aus sich mehrere Zuströmkanäle 312 in der zylindrischen Trennwand 314 nach oben erstrecken, wobei diese Zuströmkanäle 312 über radiale Bohrungen mit dem Ringraum 320 außerhalb der zylindrischen Trennwand 314 in Fluidverbindung stehen. Zusätzlich ist es bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die zylindrische Trennwand 314 außenumfangsseitig von einer Sperrgeometrie 354 wie hier beispielsweise einem Ringflansch umgeben ist, die ein Rückströmen von Prozessgas über den Ringraum 320 in den Motorraum 310 verhindert. Zusätzlich oder alternativ kann die Sperrgeometrie auch als pumpaktive Struktur in der Art eines Holweck-Gewindeabschnitts ausgeführt sein, der die Wahrscheinlichkeit eines Einströmens von Prozessgas in den die zylindrische Trennwand umgebenden Ringraum reduziert.

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
300: Turbomolekularpumpe
302: Sperrgaskanal
304: radialer Sperrgasanschluss
305: axialer Sperrgasanschluss
306: Gehäuseunterteil
307: Sperrgasbohrung
308: Gehäuseoberteil
310: Motorraum
312: Zuströmkanal
314: zylindrische Trennwand
316: radial erstreckende Trennwand
318: Wälzlager
320: Ringraum
322: erster zylindrischer Wandabschnitt
324: zweiter zylindrischer Wandabschnitt
326: erster Ringvorsprung
328: zweiter Ringvorsprung
330: Abrundung
332: Ringkanal
334: Schlitz
336: Verteilungskanal
338: Schlitz
340: Ausnehmung
342: Motorstator
344: mittlerer Bereich
346: Ringraum
348: Ringspalt
350: Expansionsvolumen
353: Motor-/Rotorspalt
354: Sperrgeometrie
356: Rotor
358: Rotorwelle

Claims

Turbomolekularvakuumpumpe (300) mit:
- einem Gehäuse (306, 308) mit einem Pumpeneinlass (115) und einem Pumpenauslass (117);

- einem ersten Pumpmechanismus mit zumindest einer turbomolekularen Pumpstufe in dem Gehäuse (306, 308);

- einem stromabwärts des ersten Pumpmechanismus befindlichen zweiten Pumpmechanismus mit zumindest einer Holweck-Pumpstufe in dem Gehäuse (306, 308), wobei der erste und der zweite Pumpmechanismus zur gemeinsamen Förderung eines Prozessgases von dem Pumpeneinlass (115) zu dem Pumpenauslass (117) ausgebildet sind;

- einem eine Rotorwelle (358) umfassenden Rotor (360) für sowohl den ersten Pumpmechanismus als auch den zweiten Pumpmechanismus; und

- einem Elektromotor (125) zum Antrieb der Rotorwelle (358);
wobei der Elektromotor (125) in einem radial innerhalb des zweiten Pumpmechanismus befindlichen Motorraum (310) angeordnet ist, der umfangsseitig von einer zylindrischen Trennwand (314) umgeben und auf der dem ersten Pumpmechanismus zugewandten Seite durch eine sich radial erstreckende Trennwand (316) begrenzt ist, die den Rotor (360) unter Bildung eines Ringspalts (348) umgibt, über den der Motorraum (310) mit einem die zylindrische Trennwand (314) umgebenden Ringraum (320) strömungstechnisch verbunden ist, der zum Pumpenauslass führt;

wobei sich die Rotorwelle (358) ausgehend von dem ersten Pumpmechanismus durch den zweiten Pumpmechanismus sowie durch den Motorraum (310) bis zu einem Ende erstreckt, das mittels eines Wälzlagers (318) in dem Gehäuse (306, 308) gelagert ist;

wobei das Gehäuse (306, 308) zumindest einen Sperrgasanschluss (304, 305) zur Einleitung eines Sperrgases zum Schutz des Elektromotors (125) aufweist; und

wobei in der zylindrischen Trennwand (314) ein Zuströmkanal (312) ausgebildet ist, der einerseits mit dem Sperrgasanschluss (304, 305) und andererseits über einen Strömungswegs mit dem Ringraum (320) in Fluidverbindung steht.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 1,
wobei der Sperrgasanschluss (304, 305) in einem Gehäuseunterteil (306) des Gehäuses (306, 308) ausgebildet ist, das das Wälzlager (318) aufnimmt und von dem sich die zylindrische Trennwand (314) in axialer Richtung zu einem mit dem Gehäuseunterteil (306) verbundenen Gehäuseoberteil (308) erstreckt, in dem sich der erste Pumpmechanismus befindet und das zusammen mit dem Gehäuseunterteil (306) einen Aufnahmeraum bildet, in dem sich der zweite Pumpmechanismus befindet.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der zumindest eine Sperrgasanschluss (304, 305) über einen sich in radialer Richtung erstreckenden Sperrgaskanal (302) mit dem Zuströmkanal (312) in Fluidverbindung steht.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 3,
wobei die Turbomolekularvakuumpumpe (300) über zwei Sperrgasanschlüsse (304, 305) verfügt, von denen einer an einem radial äußeren Ende des Sperrgaskanals (302) vorgesehen ist, wohingegen der andere Sperrgasanschluss (305) mit dem Sperrgaskanal (302) über eine Sperrgasbohrung (307) in Fluidverbindung steht, die an einer Stelle in den Sperrgaskanal (302) mündet, welche sich radial innerhalb des radial äußeren Endes des Sperrgaskanals (302) befindet.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei der Zuströmkanal (312) stromabwärts in einen umlaufenden Ringkanal (332) mündet, der umlaufend in der zylindrischen Trennwand (314) ausgebildet ist und der seinerseits zumindest mittelbar mit dem Ringraum (320) in Fluidverbindung steht.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 5,
wobei die zylindrische Trennwand (314) einen ersten zylindrischen Wandabschnitt (322), der sich ausgehend von dem Gehäuseunterteil (306) in Richtung des ersten Pumpmechanismus zu einem freien Ende erstreckt, und einen zweiten zylindrischen Wandabschnitt (324) aufweist, der mit dem freien Ende des ersten zylindrischen Wandabschnitts (322) verbunden ist und der sich von dort ausgehend in Richtung des ersten Pumpmechanismus zu einem Ende erstreckt, an dem die sich radial erstreckende Trennwand (316) mit dem zweiten zylindrischen Wandabschnitt (324) verbunden ist, wobei der Ringkanal (332) an der Verbindungsstelle der beiden zylindrischen Wandabschnitte (322, 324) durch dieselben gebildet ist.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 6,
wobei der erste zylindrische Wandabschnitt (322) an seinem freien Ende einen umlaufenden ersten Ringvorsprung (326) aufweist, der eine geringere Dicke als der erste zylindrische Wandabschnitt (322) aufweist, und wobei das mit dem freien Ende verbundene Ende des zweiten zylindrischen Wandabschnitts (324) einen umlaufenden zweiten Ringvorsprung (328) aufweist, der den ersten Ringvorsprung (326) umgibt und eine geringere Dicke als der zweite zylindrische Wandabschnitt (324) aufweist, wobei ein Ringkanal (332) zwischen den beiden Ringvorsprüngen durch eine Fase oder Abrundung (330) geschaffen ist, die umlaufend entlang der Innenkante des freien Ende des zweiten Ringvorsprungs (328) ausgebildet ist.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7,
wobei der Motorraum (310) über zumindest einen durch die zylindrische Trennwand (314) definierten Verteilungskanal (336) mit dem Ringkanal (332) in Fluidverbindung steht, wobei vorzugsweise mehrere solche Verteilungskanäle vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung des Ringkanals (332) voneinander beabstandet sind, vorzugsweise gleichmäßig.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 8,
wobei die Verteilungskanäle zumindest zum Teil voneinander verschieden große Strömungsquerschnitte aufweisen und/oder wobei der Strömungsquerschnitt des Ringkanals (332) mit zunehmendem Abstand von dem Zuströmkanal (312) zunimmt.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 8 oder 9,
wobei ein Abschnitt des jeweiligen Verteilungskanals (336) durch eine sich axial erstreckende Ausnehmung (334, 338, 340) in dem ersten und/oder in dem zweiten zylindrischen Wandabschnitt (324) gebildet ist, und zwar vorzugsweise durch eine jeweilige sich axial erstreckende Ausnehmung (334, 338, 340) in dem ersten und/oder in dem zweiten Ringvorsprung (328).
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10,
wobei der Elektromotor (125) im Motorraum (310) einen Motorstator (342) aufweist, der nur entlang eines mittleren umlaufenden Bereichs innenseitig an der zylindrischen Trennwand (314) anliegt, wobei der zumindest eine Verteilungskanal (336) in einen Ringraum (346) mündet, durch den der Motorstator (342) von der zylindrischen Trennwand (314) auf der dem ersten Pumpmechanismus zugewandten Seite des mittleren umlaufenden Bereichs (344) beabstandet ist.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 11,
wobei der Motorstator (342) auf seiner dem ersten Pumpmechanismus zugewandten Seite durch einen als Expansionsvolumen (350) für das Sperrgas dienenden Abstand von der sich radial erstreckenden Trennwand (316) beabstandet ist.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 12,
wobei der Ringkanal (332) über zumindest einen Verteilungskanal (336), der sich in radial Richtung durch die zylindrische Trennwand (314) erstreckt, mit dem Ringraum (320) radial außerhalb der zylindrischen Trennwand (314) in Fluidverbindung steht, wobei vorzugsweise mehrere solche Verteilungskanäle vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung des Ringkanals (332) voneinander beabstandet sind, vorzugsweise gleichmäßig.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach Anspruch 13,
wobei die Verteilungskanäle zumindest zum Teil voneinander verschieden große Strömungsquerschnitte aufweisen und/oder wobei der Strömungsquerschnitt des Ringkanals (332) mit zunehmendem Abstand von dem Zuströmkanal (312) zunimmt.
Turbomolekularvakuumpumpe (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die zylindrische Trennwand (314) außenumfangsseitig von einer Sperrgeometrie (354) umgeben ist, die ein Rückströmen von Prozessgas über den Ringraum (320) in den Motorraum (310) verhindert.