WO2001011240A1 - Reibungsvakuumpumpe mit pumpaktiven elementen - Google Patents

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WO2001011240A1
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stator
blades
friction vacuum
section
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Inventor
Christian Beyer
Ralf Adamietz
Günter Schütz
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Leybold Vakuum Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • 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
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers

Definitions

  • the invention relates to a friction vacuum pump with pump-active elements that protrude into a pumping chamber with a decreasing cross-section in the direction of the pump outlet and consist of rows of stator and rotor blades, the blades being attached to the ring surfaces facing the pumping chamber.
  • the annular cross section of the scooping space decreases step-by-step from the inlet to the outlet.
  • the gases pumped in the area of the stator and rotor blades have a molecular flow behavior.
  • the annular surfaces of the steps facing the inlet side therefore represent abutting surfaces which increase the proportion of those molecules which have a movement component directed against the conveying direction. These abutting surfaces affect the performance data of the friction vacuum pump.
  • the present invention has for its object to improve the pump properties (pumping speed, compressions) of a friction vacuum pump of the type mentioned.
  • the rotor blade or rotor blade rows are components of the rotor which is essentially made in one piece and which has a stepped cylindrical rotor outer surface in the pump according to the prior art.
  • the invention is realized in that the shape of the rotor outer surface facing the scoop is adapted to the decreasing cross section of the scoop. This expediently applies not only to the annular surfaces which carry the rotor blades, but also to the annular outer rotor surfaces which extend between the rows of rotor blades.
  • the end faces of the stator blades, which extend to the rotor outer surface are adapted to the special shape of the rotor outer surface.
  • stator rings or stator half rings
  • the rows of stator blades are expediently part of stator rings (or stator half rings), which consist of two central rings (or ring halves) between which the blades extend.
  • the two rings each have mutually facing ring surfaces, which carry the blades located between them.
  • These ring surfaces are expediently designed to be inclined in such a way that the desired goal - adaptation to the decreasing delivery cross section in the direction of the outlet - is achieved.
  • the invention can be used particularly advantageously in a friction pump in which a first high-vacuum turbomolecular pump stage is followed by a second molecular pump stage located on the fore-vacuum side.
  • a friction pump in which a first high-vacuum turbomolecular pump stage is followed by a second molecular pump stage located on the fore-vacuum side.
  • the transition from the turbomolecular pump stage to the molecular pump stage or from molecular to viscous flow is critical.
  • the invention in the area of the fore-vacuum blade row (filling stage), not only an effectively acting delivery channel is realized; the invention also allows the delivery channel to be deflected radially, which is necessary if e.g. the ring channel of the molecular pump stage has a larger diameter than the outer diameter of the pump chamber of the turbomolecular pump stage.
  • FIG. 1 shows a partial section through a friction vacuum pump according to the invention
  • FIG. 2 shows the view of an inner ring surface of a stator blade ring
  • FIGS. 3 and 4 sections through the blade ring according to FIG. 2 with different designs of the inner ring surface and the blades,
  • FIG. 5 shows a further embodiment for a row of stator blades
  • Figure 6 is a plan view of a stator half ring with an outer and an inner ring and
  • the friction vacuum pump 1 shown in FIG. 1 comprises a base part 2, a housing 3, a stator 4 and a rotor 5.
  • the axis of the pump is denoted by 6.
  • the pump 1 On the inlet side (inlet 7), the pump 1 is equipped with a turbomolecular pump stage which comprises alternating rotor blade rows 8 to 12 and stator blade rows 14 to 18.
  • the turbomolecular pump stage is followed by a molecular pump stage which consists of a rotating pipe section 21 and a stator-side thread 22 (Holweck pump).
  • Holweck pump Depending on whether the delivery channel of the molecular pump stage on ends of the rotor section 21 or continues on its rear side, the outlet 23 of the pump 1 is arranged differently (arrows 23, 23 ')
  • the rotor blade rows 8 to 12 are components of the one-piece rotor 5. Circumferential ring surfaces each carry the blades of the respective blade rows.
  • the stator blade rows 14 to 18 each have outer rings which are approximately rectangular in cross section and which, together with spacer rings 24, form the stator 4 centered by the housing 3.
  • the scoop of the friction pump 1 is designated 25. Its annular cross section decreases from the inlet 7 to the lower end of the tube section 21.
  • the rotor outer surface and / or the stator inner surface are modified according to the invention. There are various possibilities for this, some of which are shown in FIGS. 1 to 10.
  • the rotor blade rows 8, 11 and 12 are solutions according to the prior art.
  • the ring surfaces of the rotor, which carry the rotor blades, are cylindrical; the outer end faces of the rotor blades are also on a cylinder surface.
  • the outside of the rotor has a conical shape corresponding to the decrease in the cross section of the suction chamber. This shape also has the ring surface of the rotor outside, which is located at the level of the stator blade row 14.
  • Figures 2 to 5 show different variants of stator blade rings, which consist of an outer ring and each of the blade rows carried by it.
  • Figure 2 shows a view of the inner surface of the outer ring (development) from which the blades protrude.
  • Figure 3 shows a solution according to the prior art.
  • the inside of the annular surface 31 of the outer ring 32 is cylindrical. This also applies to the position of the inner end faces 33 of the blades 34.
  • FIGS. 4a and 4b show designs in which the inner surface 35 of the outer ring 36 has a conical shape. This also applies to the end faces 37 of the blades 38, which are adapted to the conical shape of the rotor outside. By means of different angles of inclination it can be achieved that the scoop chamber 25 has a continuously decreasing delivery cross section.
  • the difference between the embodiments according to FIGS. 4a and 4b is that the radius of the conveying cross section increases in the embodiment according to FIG. 4a, while it decreases in the solution according to FIG. 4b.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a stator blade ring with a stator blade row 41 and an outer support ring 42, the radial dimension of which decreases discontinuously in the conveying direction.
  • the decisive factor is the design of the inner surface 43, which has a cylindrical shape on the inlet side and is equipped on the outlet side with a recess 44 corresponding approximately to the shape of a quarter circle.
  • the end faces 45 of the blades of the blade row 41 also lie on a conical surface which is adapted to the outside of the rotor.
  • FIG. 6 shows a stator half ring with an outer ring 51 and an inner ring 52, between which there is a row of blades.
  • the enlarged sectional view according to FIG. 7 shows a solution according to the prior art.
  • the inner surface 53 of the outer ring 51 and the outer surface 54 of the inner ring 52, which carry the row of blades 55, are cylindrical.
  • the solution according to FIG. 8 has an outer ring 56 with a cylindrical inner surface 57 and an inner ring 58 with a conical outer surface 59.
  • the row of blades located between them is designated 60.
  • This design corresponds to the design of the stator show Feiringe 15, 16 and 17 of the friction vacuum pump 1 according to Figure 1.
  • FIGS. 9 and 10 show solutions which, like the embodiments according to FIGS. 4a, 4b and 5, in addition to achieving the desired decrease in the delivery cross section of the scooping chamber 25, also allow a radial deflection of the delivery flow, so that they are particularly useful as filling stages for the molecular pump stage are suitable.
  • Both the inner surface 61 of the outer ring 62 and the outer surface 63 of the inner ring 64, which carry the row of blades 65, are inclined in such a way that the delivery flow is directed radially inwards.
  • the inner surface 6b of the outer ring 67 and the outer surface 68 of the inner ring 69 are inclined in a different direction compared to the embodiment according to FIG. 9, so that the delivery flow is deflected radially outwards.
  • This embodiment corresponds to the design of the blade row 18 in the pump 1 according to FIG. 1.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuumpumpe (1) mit pumpaktiven Elementen, die in einen Schöpfraum (25) im in Richtung Pumpenauslass (23) abnehmenden Querschnitt hineinragen und aus Stator- und Rotorschaufelreihen bestehen, wobei die Schaufeln an dem Schöpfraum (25) zugewandten Ringflächen befestigt sind; um die Pumpeneigenschaften zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Form von zumindest einem Teil der Ringflächen der Abnahme des Förderquerschnittes des Schöpfraumes (25) angepasst ist.

Description

ReibungsVakuumpumpe mit pumpaktiven Elementen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibungsvakuumpumpe mit pumpaktiven Elementen, die in einen Schöpfraum mit in Richtung Pumpenauslass abnehmendem Querschnitt hineinragen und aus Stator- und Rotorschaufelreihen bestehen, wobei die Schaufeln an dem Schöpfraum zugewandten Ringflächen befestigt sind.
Bei Reibungsvakuumpumpen dieser Art, wie sie z.B. aus der DE-A-44 38 812 bekannt sind, nimmt der kreisringförmige Querschnitt des Schöpfraumes vom Einlass zum Auslass stufenförmig ab. Die im Bereich der Stator- und Rotorschaufeln geförderten Gase haben ein molekulares Strömungsverhalten. Die der Einlassseite zugewandten Ringflächen der Stufen stellen deshalb Stoßflächen dar, die den Anteil derjenigen Moleküle erhöhen, die eine entgegen der Förderrichtung gerichtete Bewegungskomponente haben. Diese Stoßflächen beeinträchtigen die Leistungsdaten der Reibungsvakuumpumpe. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Pumpeigenschaften (Saugvermögen, Kompressionen) einer Reibungsvakuumpumpe der eingangs genannten Art zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Infolge der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine maßgebliche Reduzierung solcher Stoßflächen erreicht, die den auftreffenden Molekülen nach ihrem Aufprall eine Bewegungskomponente geben, die der gewünschten Förderrichtung entgegen gerichtet ist.
Üblicherweise sind die Rotorschaufel bzw. Rotorschaufelreihen Bestandteile des im wesentlichen einstückig ausgebildeten Rotors, der bei der Pumpe nach dem Stand der Technik eine gestufte zylindrische Rotoraußenfläche hat. Die Erfindung wird dadurch realisiert, dass die Form der dem Schöpfraum zugewandten Rotoraußenfläche dem abnehmendem Querschnitt des Schöpfraumes angepasst ist. Dieses gilt zweckmäßig nicht nur für die Ringflächen, die die Rotorschaufeln tragen, sondern auch für die ringförmigen Rotoraußenflächen, die sich zwischen den Rotorschaufelreihen erstrecken. Um eine effektive Pumpwirkung zu erreichen, sind die Stirnseiten der Statorschaufeln, die sich bis zur Rotoraußenfläche erstrecken, der besonderen Form der Rotoraußenfläche angepasst . Zweckmäßig sind die Statorschaufelreihen Bestandteil von Statorringen (oder Statorhalbringen) , die aus zwei zentrischen Ringen (oder Ringhälften) bestehen, zwischen denen sich die Schaufeln erstrecken. Die beiden Ringe weisen jeweils einander zugewandte Ringflächen auf, die die dazwischen befindlichen Schaufeln tragen. Zweckmäßig sind diese Ringflächen derart geneigt gestaltet, dass das gewünschte Ziel - Anpassung an den abnehmenden Förderquerschnitt in Richtung Auslass - erreicht wird.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei einer Reibungspumpe angewendet werden, bei der einer ersten hochvakuumseitigen Turbomolekularpumpstufe eine zweite vorvakuumseitig gelegene Molekularpumpstufe folgt. Bei Reibungspumpen dieser Art ist der Übergang von der Turbomolekularpumpstufe zur Molekularpumpstufe bzw. von molekularer zu viskoser Strömung kritisch. Durch die Anwendung der Erfindung im Bereich der vorvakuumseiti- gen Schaufelreihe (Füllstufe) wird nicht nur ein effektiv wirkender Förderkanal verwirklicht; die Erfindung erlaubt es auch, den Förderkanal radial umzulenken, was notwendig ist, wenn z.B. der Ringkanal der Molekularpumpstufe einen größeren Durchmesser hat als der Außendurchmesser des Schöpfraumes der Turbomolekularpumpstufe.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 10 erläutert werden. Es zeigen Figur 1 einen Teilschnitt durch eine Reibungsvakuumpumpe nach der Erfindung,
Figur 2 die Ansicht einer inneren Ringfläche eines Statorschaufelringes,
Figuren 3 und 4 Schnitte durch den Schaufelring nach Figur 2 mit unterschiedlichen Gestaltungen der inneren Ringfläche und der Schaufeln,
Figur 5 eine weitere Ausführung für eine Statorschaufelreihe,
Figur 6 eine Draufsicht auf einen Statorhalbring mit einem äußeren und einem inneren Ring sowie
Figuren 7 bis 10 Schnitte durch den Statorhalbring nach Figur 3 mit unterschiedlich gestalteten, die Schaufeln tragenden Ringflächen.
Die in Figur 1 dargestellte Reibungsvakuumpumpe 1 um- fasst ein Basisteil 2, ein Gehäuse 3, einen Stator 4 und einen Rotor 5. Die Achse der Pumpe ist mit 6 bezeichnet. Einlassseitig (Einlass 7) ist die Pumpe 1 mit einer Turbomolekularpumpstufe ausgerüstet, die einander abwechselnde Rotorschaufelreihen 8 bis 12 und Statorschaufelreihen 14 bis 18 umfasst. An die Turbomolekularpumpstufe schließt sich eine Molekularpumpstufe an, die aus einem rotierenden Rohrabschnitt 21 und einem statorseitigen Gewinde 22 (Holweckpumpe) besteht. Je nach dem, ob der Förderkanal der Molekularpumpstufe am unteren Ende des Rotorabschnittes 21 endet oder sich auf seiner Rückseite fortsetzt, ist der Auslass 23 der Pumpe 1 unterschiedlich angeordnet (Pfeile 23, 23')-
Die Rotorschaufelreihen 8 bis 12 sind Bestandteile des einstückig ausgebildeten Rotors 5. Umlaufende Ringflächen tragen jeweils die Schaufeln der jeweiligen Schaufelreihen. Die Statorschaufelreihen 14 bis 18 weisen jeweils äußere, in Querschnitt etwa rechteckförmige Ringe auf, die zusammen mit Distanzringen 24 den vom Gehäuse 3 zentrierten Stator 4 bilden.
Der Schöpfraum der Reibungspumpe 1 ist mit 25 bezeichnet. Vom Einlass 7 bis zum unteren Ende des Rohrabschnittes 21 nimmt sein ringförmiger Querschnitt ab.
Um im Bereich der Turbomolekularpumpstufe die bisherige stufenförmige Abnahme des Schöpfraumquerschnittes durch eine mehr oder weniger kontinuierliche Abnahme zu ersetzen, werden nach der Erfindung die Rotoraußenfläche und/oder die Statorinnenfläche modifiziert. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, von denen einige in den Figuren 1 bis 10 dargestellt sind.
Bei den Rotorschaufelreihen 8, 11 und 12 handelt es sich um Lösungen nach dem Stand der Technik. Die Ringflächen des Rotors, welche die Rotorschaufeln tragen, sind zylindrisch; die äußeren Stirnseiten der Rotorschaufeln liegen ebenfalls auf einer Zylinderfläche. In Höhe der Rotorschaufelreihen 9 und 10 hat die Rotoraußenseite eine der Abnahme des Schöpfraumquerschnittes entsprechende konische Form. Diese Form hat auch die Ringfläche der Rotoraußenseite, die sich in Höhe der Statorschaufelreihe 14 befindet.
Die Figuren 2 bis 5 lassen verschiedene Varianten von Statorschaufelringen erkennen, die aus einem äußeren Ring und jeweils den davon getragenen Schaufelreihen bestehen. Figur 2 zeigt eine Ansicht der Innenfläche des äußeren Ringes (Abwicklung) , aus der die Schaufeln hervorragen.
Figur 3 zeigt eine Lösung nach dem Stand der Technik. Die Innenseite der Ringfläche 31 des äußeren Ringes 32 ist zylindrisch. Dieses gilt auch für die Lage der inneren Stirnflächen 33 der Schaufeln 34.
Die Figuren 4a und 4b zeigen Ausführungen, bei denen die Innenfläche 35 des äußeren Ringes 36 eine konische Form hat. Dieses gilt auch für die Stirnseiten 37 der Schaufeln 38, die der konischen Form der Rotoraußenseite angepasst sind. Durch unterschiedliche Neigungswinkel kann erreicht werden, dass der Schöpfraum 25 einen kontinuierlich abnehmenden Förderquerschnitt hat. Unterschiedlich zwischen den Ausführungen nach den Figuren 4a und 4b ist, dass bei der Ausführung nach Figur 4a der Radius des Förderquerschnittes zunimmt, während er bei der Lösung nach Figur 4b abnimmt .
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Um das erfindungsgemäße Ziel zu erreichen, ist eine streng kontinuierliche Abnahme des Förderquerschnittes nicht unbedingt erforderlich. Wesentlich ist die Vermeidung von der Förderrichtung zugewandten Stoßflächen für die Moleküle. Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Statorschaufelring mit Statorschaufelreihe 41 und äußerem Tragring 42, dessen radiale Abmessung in Förderrichtung diskontinuierlich abnimmt. Maßgebend ist die Gestaltung der Innenfläche 43, die einlassseitig Zylinderform hat und auslassseitig mit einer etwa der Form eines Viertelkreises entsprechenden Aussparung 44 ausgerüstet ist. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4a liegen die Stirnseiten 45 der Schaufeln der Schaufelreihe 41 ebenfalls auf einer Konusfläche, die der Rotoraußenseite angepasst ist.
Figur 6 zeigt einen Statorhalbring mit einem äußeren ring 51 und einem inneren Ring 52, zwischen denen sich eine Schaufelreihe befindet.
Die vergrößerte Schnittdarstellung nach Figur 7 zeigt eine Lösung nach dem Stand der Technik. Die Innenfläche 53 des Außenringes 51 sowie die Außenfläche 54 des Innenringes 52, welche die Schaufelreihe 55 tragen, sind zylindrisch.
Die Lösung nach Figur 8 weist einen Außenring 56 mit zylindrischer Innenfläche 57 sowie einen Innenring 58 mit konischer Außenfläche 59 auf. Die dazwischen befindliche Schaufelreihe ist mit 60 bezeichnet. Diese Gestaltung entspricht der Gestaltung der Statorschau- feiringe 15, 16 und 17 der Reibungsvakuumpumpe 1 nach Figur 1.
Die Figuren 9 und 10 zeigen Lösungen, die - wie die Ausführungen nach den Figuren 4a, 4b und 5 - neben der Erwirkung der gewünschten Abnahme des Förderquerschnittes des Schöpfraumes 25 auch eine radiale Umlenkung des Förderstromes ermöglichen, so dass sie als Füllstufen für die Molekularpumpstufe besonders geeignet sind. Sowohl die Innenfläche 61 des Außenringes 62 als auch die Außenfläche 63 des Innenringes 64, welche die Schaufelreihe 65 tragen, sind geneigt, und zwar derart, dass der Förderstrom radial nach innen gelenkt wird.
Bei der Ausführung nach Figur 10 sind die Innenfläche 6b des Außenringes 67 sowie die Außenfläche 68 des Innenringes 69 im Vergleich zur Ausführung nach Figur 9 in anderer Richtung geneigt, so dass eine Umlenkung des Förderstromes radial nach außen eintritt. Diese Ausführung entspricht der Gestaltung der Schaufelreihe 18 in der Pumpe 1 nach Figur 1.

Claims

ReibungsVakuumpumpe mit pumpaktiven ElementenPATENTANSPRÜCHE
ReibungsVakuumpumpe (1) mit pumpaktiven Elementen, die in einen Schöpfräum (25) im in Richtung Pumpenauslass (23) abnehmenden Querschnitt hineinragen und aus Stator- und Rotorschaufelreihen bestehen, wobei die Schaufeln an dem Schöpfräum (25) zugewandten Ringflächen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Form von zumindest einem Teil der Ringflächen der Abnahme des Förderquerschnittes des Schöpfraumes (25) angepasst ist.
Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Abnahme des Förderquerschnittes angepassten Ringflächen eine in Bezug auf die Achse der Pumpe (1) konische Form haben.
Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Rotorschaufelreihen des Rotors (5) und/oder zwischen den Statorschaufelreihen des Stators (4) erstreckende Ringflächen ebenfalls der Abnahme des Förderquerschnittes angepasst sind.
4. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Statorschaufelringe einen äusseren Ring aufweisen, der die Statorschaufeln trägt.
5. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Ringfläche dieser Ringe der Abnahme des Förderquerschnittes angepasst ist.
6. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Stirnseiten der Schaufeln der Statorschaufelreihen der Neigung der Rotoraussenflache angepasst sind.
7. Reibungsvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Stirnseiten der Schaufeln der Rotorschaufelreihen der Neigung der Statorinnenfläche angepasst sind.
8. Reibungsvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorschaufelringe einen äusseren und einen inneren Ring aufweisen, zwischen denen sich die Schaufeln befinden.
9. Reibungsvakummpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des äusseren Ringes und/oder die äussere Fläche des Innenringes der Abnahme des Förderquerschnittes angepasst sind.
10. Reibungsvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch genennzeichnet, dass sich an die Turbomolekularpumpstufe eine Molekularpumpstufe anschließt.
11. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Molekularpumpstufe eine Füllstufe zugeordnet ist, die aus einem Statorschaufelring nach den Ansprüchen 8 oder 9 besteht.
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