EP4155549B1

EP4155549B1 - Vakuumpumpe mit verbessertem saugvermögen der holweck-pumpstufe

Info

Publication number: EP4155549B1
Application number: EP22207215.9A
Authority: EP
Inventors: Maximilian Birkenfeld
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2024-09-04
Anticipated expiration: 2042-11-14
Also published as: JP2024071328A; JP7534466B2; EP4155549A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hier auch nur als Pumpe bezeichnete Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularvakuumpumpe, mit einem Pumpeneinlass, einem Pumpenauslass und zumindest einer Holweck-Pumpstufe, wobei die Holweck-Pumpstufen, insbesondere eine Statorhülse derselben, speziell ausgestaltet ist, um ein verbessertes Saugvermögen zu erzielen.
Eine gattungsgemäße Vakuumpumpe geht der Art nach im Wesentlichen aus der JP S60 243 395 A hervor.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die JP H02 115 594 A sowie die JP S63 51195 U verwiesen.
Vakuumpumpen werden in verschiedenen Gebieten der Technik eingesetzt. Je nach Anforderung weisen die Vakuumpumpen eine oder mehrere Pumpstufen auf. Eine Holweck-Pumpstufe gehört zur Gattung der Molekularvakuumpumpen und erzeugt durch Drehung eines Holweck-Rotors relativ zu einem feststehenden Holweck-Stator eine molekulare Strömung. Eine Vakuumpumpe kann eine oder mehrere Holweck-Stufen umfassen, wobei mehrere Holweck-Stufen sowohl seriell als auch parallel zueinander pumpen können. Holweck-Stufen werden typischerweise in Turbomolekularvakuumpumpen eingesetzt und sind üblicherweise einer oder mehreren Turbomolekularpumpstufen nachgeschaltet.
Eine Holweck-Pumpstufe umfasst einen Holweck-Rotor und einen Holweck-Stator, wobei der Holweck-Rotor eine Rotorwelle aufweist, an welcher mittels einer beispielsweise scheibenförmigen Holweck-Nabe eine oder mehrere Holweck-Rotorhülsen konzentrisch angebracht sind. Die Holweck-Statorhülse ist mit einem ein- oder mehrgängigen Holweck-Gewinde versehen. Die zu fördernden Gasmoleküle werden durch die rotierende Bewegung der Holweck-Rotorhülse relativ zur Holweck-Statorhülse entlang der Gewindegänge von einem Einlassende zu einem Auslassende der jeweiligen Holweck-Pumpstufe gefördert. Ein Gewindegang umfasst einen durch die Gewindeflanken eines Stegs begrenzten umlaufenden Holweck-Kanal, in welchem die Gasmoleküle gefördert werden, wenn sich die Holweck-Rotorhülse relativ zur Holweck-Statorhülse dreht.
Ferner sind sogenannte "gefaltete" Holweck-Anordnungen bekannt, bei denen mehrere Holweck-Stufen konzentrisch ineinander geschachtelt sind, sodass die Pumprichtungen von radial unmittelbar aufeinanderfolgenden Holweck-Pumpstufen global betrachtet einander entgegengesetzt sind. Zwei in Pumprichtung aufeinanderfolgende Holweck-Pumpstufen wie beispielsweise eine radial äußere Holweck-Pumpstufe und eine radial innere Holweck-Pumpstufe können einen gemeinsamen, beidseitig mit jeweils einem Holweck-Gewinde versehenen Holweck-Stator umfassen, der sich in radialer Richtung zwischen zwei Holweck-Rotorhülsen befindet.
Das Saugvermögen einer Holweck-Pumpstufe ist unter anderem vom Eintrittsleitwert am Einlassende der jeweiligen Holweck-Pumpstufe abhängig. Der Eintrittsleitwert wird dabei unter anderem durch in der Ebene des Einlassendes befindliche Stirnflächen der Gewindestege des Holweck-Gewindes beeinflusst, da auf diese Stirnflächen die zu pumpenden Gasmoleküle auftreffen und dabei mit hoher Wahrscheinlichkeit zurück in Richtung einer vorgeschalteten Turbomolekularpumpstufe desorbiert werden. Hierdurch nimmt der Eintrittsleitwert zu Lasten des Saugvermögens der Pumpe ab.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, bei Vakuumpumpen wie beispielsweise bei Turbomolekularvakuumpumpen für eine Reduzierung der beschriebenen Resorptionsproblematik und somit für ein verbessertes Saugvermögen zu sorgen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass die Stege des Holweck-Gewindes am Einlassende der Holweck-Pumpstufe jeweils eine im Wesentlichen radial ausgerichtete bzw. eine sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckende Stirnfläche aufweisen, die mit der zweiten Gewindeflanke einen überstumpfen ersten Winkel einschließt, welcher kleiner als 300° ist, vorzugsweise kleiner als 270°. Insbesondere kann der erste Winkel dabei zwischen 190° und 260° liegen, vorzugsweise zwischen 200° und 250° und besonders bevorzugt zwischen 205° und 245°. Jede im Wesentlichen radial ausgerichtete Stirnfläche schließt dabei mit der Stirnfläche der Holweck-Statorhülse am Einlassende bzw. mit der Ebene, in der das Einlassende der Holweck-Pumpstufe liegt, einen stumpfen zweiten Winkel ein, der kleiner ist als der Nebenwinkel des Steigungswinkels des Holweck-Gewindes am Einlassende und zwischen 95° und 120° liegt.
Die zweite Gewindeflanke ist dabei jene, welche sich auf der dem Einlassende der Holweck-Pumpstufe abgewandten Seite des jeweiligen Stegs befindet. Bildet daher die in Rede stehende im Wesentlichen radial ausgerichtete Stirnfläche mit der zweiten Gewindeflanke einen überstumpfen Winkel kleiner als 300°, insbesondere kleiner als 270°, so bedeutet dies aufgrund des Steigungswinkels des Holweck-Gewindes, der üblicherweise kleiner als 45° ist, dass die Stirnfläche anders als bei herkömmlichen Holweck-Pumpstufen nicht in der Ebene liegt, in der das Einlassende der Holweck-Pumpstufe liegt. Weist vielmehr beispielsweise das Holweck-Gewinde einen Steigungswinkel in der Größenordnung von 30° auf und beträgt der in Rede stehende überstumpfe erste Winkel knapp 270°, so bedeutet dies, dass die in Rede stehende radial ausgerichtete Stirnfläche mit der Ebene, in der sich das Einlassende der Holweck-Pumpstufe befindet, einen Winkel von ca. 60° einschließt.
Beträgt hingegen der überstumpfe erste Winkel beispielsweise 210°, so bedeutet dies beispielsweise bei einem Steigungswinkel des Holweck-Gewindes von 30°, dass die im Wesentlichen radial ausgerichtete Stirnfläche mit der Ebene, in der das Einlassende der Holweck-Pumpstufe liegt, einen Winkel von 120° einschließt.
Aufgrund der Tatsache, dass die im Wesentlichen radial ausgerichtete Stirnfläche erfindungsgemäß nicht in der Ebene liegt, in der sich das Einlassende der Holweck-Pumpstufe befindet, sondern vielmehr gegenüber dieser Ebene geneigt ist, wird der lichte Abstand zwischen benachbarten Stegen am Einlassende und somit die Eintrittsfläche in die Holweck-Pumpstufe vergrößert. Je nach Steigungswinkel und Größe des überstumpfen ersten Winkels kann dabei insbesondere eine Erhöhung der Eintrittsfläche um bis zu 20% erreicht werden.
Im Folgenden wird nun auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung eingegangen. Weitere Ausführungsformen können sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Figurenbeschreibung sowie den Zeichnungen selbst ergeben.
Ist der zweite Winkel größer als 90°, so bedeutet dies, dass die radial ausgerichtete Stirnfläche an dem jeweiligen Steg vom Einlassende aus betrachtet eine Hinterschneidung bzw. einen Überhang ausbildet, sodass durch die Stirnfläche der lichte Abstand zwischen zwei in Umfangsrichtung zueinander benachbarten Stegen reduziert wird. Es ergibt sich somit aufgrund der geneigten Stirnflächen eine Erhöhung der Eintrittsfläche am Einlassende der Holweck-Pumpstufe, was sich in der gewünschten Weise positiv auf den Eintrittsleitwert in die Holweck-Pumpstufe auswirkt.
Aufgrund der Erhöhung der Eintrittsfläche am Einlassende der Holweck-Statorhülse kann somit das Saugvermögen der Pumpe für Stickstoff um mehr als 5% gesteigert werden, wohingegen bei Helium die Steigerung des Saugvermögens immerhin noch bei 2% liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Stirnfläche mit der inneren oder äußeren Umfangsfläche der Holweck-Pumpstufe, an der das Holweck-Gewinde ausgebildet ist, einen dritten Winkel einschließt, der kleiner als 110° ist. Gemäß einer Ausführungsform kann der dritte Winkel kleiner als 105° sein, insbesondere kleiner als 100°. Vorzugsweise kann es dabei vorgesehen sein, dass der dritte Winkel ein rechter Winkel ist.
Um den Eintrittsleitwert am Einlassende der Holweck- Pumpstufe weiter zu erhöhen, kann die Stirnfläche der Holweck-Statorhülse am Einlassende auf jener Seite - Innenseite bzw. Außenseite - , an der die Stege des Holweck-Gewindes die radial ausgerichtete Stirnflächen aufweisen, angefast sein. Auch hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass auf das Einlassende auftreffende Gasmoleküle zurück in Richtung einer stromaufwärts befindlichen Pumpstufe desorbiert werden, was in der gewünschten Weise in einer Erhöhung des Saugvermögens der Holweck-Pumpstufe resultiert.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig.1: eine perspektivische Ansicht einer nicht erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe;
Fig. 2: eine Ansicht der Unterseite der Turbomolekularvakuumpumpe der Fig. 1;
Fig. 3: einen Querschnitt der Turbomolekularvakuumpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A;
Fig. 4: eine Querschnittsansicht der Turbomolekularvakuumpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie B-B;
Fig. 5: eine Querschnittsansicht der Turbomolekularvakuumpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie C-C;
Fig. 6: eine perspektivische Draufsicht auf einen Abschnitt des Einlassendes der äußeren Holweck-Pumpstufe der Turbomolekularvakuumpumpe der Fig. 1;
Fig. 7: eine perspektivische Draufsicht auf einen Abschnitt des Einlassendes einer Holweck-Pumpstufe einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe; und
Fig. 8: eine schematische Innenansicht auf eine Abwicklung der Holweck-Statorhülse der Fig. 6.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularvakuumpumpe 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 Turbomolekularvakuumpumpen, die kein derartiges angebrachtes Elektronikgehäuse aufweisen, sondern an eine externe Antriebselektronik angeschlossen werden.
Am Gehäuse 119 der Turbomolekularvakuumpumpe 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 Turbomolekularvakuumpumpe 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 Turbomolekularpumpstufe nachfolgende erste Holweck-Pumpstufe, die hier auch als äußere Holweck-Pumpstufe bezeichnet wird. 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 hier auch als mittlere Holweck-Pumpstufe bezeichnet wird. 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, die hier auch als innere Holweck-Pumpstufe bezeichnet wird.
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 und somit die äußere Holweck-Pumpstufe mit der mittleren Holweck-Pumpstufe 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 und somit die mittlere Holweck-Pumpstufe mit der inneren Holweck-Pumpstufe verbunden ist. Dadurch werden die ineinander geschachtelten Holweck-Pumpstufen in Serie miteinander geschaltet, was bedeutet, dass das Auslassende der äußeren Holweck-Pumpstufe im Wesentlichen dem Einlassende der mittleren Holweck-Pumpstufe entspricht und dass das Auslassende der mittleren Holweck-Pumpstufe im Wesentlichen dem Einlassende der inneren Holweck-Pumpstufe entspricht. 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, die zusammen ein Holweck-Gewinde bilden. Die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 sind hingegen glatt ausgebildet und treiben das Gas zum Betrieb der Vakuumpumpe 111 in den Holweck-Nuten voran.
Die Holweck-Nuten werden dabei durch an der Innenseite und/oder an der Außenseite der Holweck-Statorhülsen 167, 169 ausgebildete Stege 225 gebildet, die spiralförmig zwischen dem Einlassende und dem Auslassende der jeweiligen Holweck-Pumpstufe an der jeweiligen Holweck-Statorhülse 167, 169 ausgebildet sind. Da die innere Holweck-Statorhülse 169 sowohl ein innen- als auch ein außenliegendes Holweck-Gewinde aufweist, entspricht das Einlassende der inneren Holweck-Pumpstufe, die unter anderem durch das innenliegende Holweck-Gewinde der Holweck-Statorhülse 169 gebildet wird, dem Auslassende der mittleren Holweck-Pumpstufe, die unter anderem durch das außenliegende Holweck-Gewinde der Holweck-Statorhülse 169 gebildet wird, da von dort das zu pumpende Gas in die innere Holweck-Pumpstufe gelangt.
Wie der Fig. 6 entnommen werden kann, die eine perspektivische Draufsicht auf einen Abschnitt des Einlassendes 229 der äußeren Holweck-Pumpstufe zeigt, weisen die an der Innenseite der zugehörigen Holweck-Statorhülse 167 ausgebildeten Stege 225 üblicherweise jeweils eine Stirnfläche 227 am Einlassende der Holweck-Statorhülse 167 auf, wobei sich diese Stirnflächen 227 in der Ebene befinden, in der das Einlassende 229 der äußeren Holweck-Pumpstufe liegt.
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 Abstoßungskräfte zwischen den Ringmagneten 195, 197 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 153 bewirken. Die rotorseitigen Ringmagnete 195 sind von einem Trägerabschnitt 201 der Rotorwelle 153 getragen, welcher die Ringmagnete 195 radial außenseitig umgibt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 203 getragen, welcher sich durch die Ringmagnete 197 hindurch erstreckt und an radialen Streben 205 des Gehäuses 119 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 151 sind die rotorseitigen Ringmagnete 195 durch ein mit dem Trägerabschnitt 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.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Holweck-Statorhülse 10 beschrieben, welche bei der Turbomolekularvakuumpumpe 111 gemäß den Fig. 1 bis 5 anstelle der äußeren Holweck-Statorhülse 167 eingebaut werden kann.
An der Innenseite bzw. der inneren Umfangsoberfläche der Holweck-Statorhülse 10 sind mehrere spiralförmig umlaufende Stege 12 ausgebildet, die zusammen ein innenliegendes Holweck-Gewinde 14 bilden, wobei jeder dieser Stege 12 eine erste Gewindeflanke 16, die dem Einlassende 20 der Holweck-Statorhülse 10 zugewandt ist, und eine zweite Gewindeflanke 18 aufweist, die dem Einlassende 20 abgewandt ist. Anders ausgedrückt ist die zweite Gewindeflanke 18 dem Auslassende der Holweck-Statorhülse 10 zugewandt.
Wie den Fig. 7 und 8 des Weiteren entnommen werden kann, weisen die Stege 12 nahe dem Einlassende 20 eine im Wesentlichen radial ausgerichtete Stirnfläche 22 auf, welche mit der zweiten Gewindeflanke 18 einen überstumpfen ersten Winkel α₁ (siehe Fig. 8) einschließt, welcher kleiner als 300° und insbesondere kleiner 270° ist. Bei der in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsform beträgt der erste Winkel α₁ ca. 210°, obwohl der erste Winkel α₁ gemäß anderen Ausführungsformen zwischen 190° und 260° liegen kann. Insbesondere kann der erste Winkel α₁ zwischen 200° und 250° und vorzugsweise zwischen 205° und 225° liegen.
Wie insbesondere der Fig. 8 entnommen werden kann, schließt erfindungsgemäß jede im Wesentlichen radial ausgerichtete Stirnfläche 22 des jeweiligen Stegs 12 mit der Stirnfläche 26 der Holweck-Statorhülse 10 am Einlassende 20 bzw. mit der Ebene, in der das Einlassende 20 der Holweck-Statorhülse 10 liegt, einen stumpfen zweiten Winkel α₂ ein, wobei dieser zweite Winkel α₂ kleiner ist als der Nebenwinkel des Steigungswinkels β des Holweck-Gewindes 14 am Einlassende 20. Der zweite Winkel α₂ liegt dabei zwischen 95° und 120°, was bedeutet, dass die Stirnfläche 22 vom Einlassende 20 der Holweck-Statorhülse 10 aus betrachtet an dem jeweiligen Steg 12 eine Hinterschneidung 24 bzw. einen Überhang ausbildet.
Gegenüber der herkömmlichen Holweck-Statorhülsenausbildung gemäß Fig. 6 ist somit der jeweilige Steg 12 am Einlassende 20 derart angefast, dass die herkömmliche Stirnfläche 227 (Fig. 6), die in der Ebene des Einlassendes 229 liegt, entfällt. Anstatt dessen entsteht aufgrund der Anfasung 28 die erfindungsgemäß gegenüber dem Einlassende 20 geneigte Stirnfläche 22. Diese Anfasung 28 ist dabei in der Fig. 8 durch eine Schraffur kenntlich gemacht.
Zwar ist hier die Anfasung 28 so ausgebildet, dass die Stirnfläche 22 eine ebene Gestalt aufweist bzw. eine ebene Fläche ausbildet; die Anfasung 28 kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass die Stirnfläche 22 eine gewölbte Kontur aufweist, die beispielsweise konvex oder konkav ausgebildet sein kann. In diesem Falle erstreckt sich der überstumpfe erste Winkel α₁ zwischen der zweiten Gewindeflanke 18 und einer Tangente, die die gewölbte Kontur der Stirnfläche 22 an einer beliebigen Stelle berührt. Betrachtet man beispielsweise die Stelle bzw. den Schnittpunkt, an dem eine konvex oder konkav gewölbte Stirnfläche 22 die zweite Gewindeflanke 18 schneidet, so erstreckt sich dort der überstumpfe erste Winkel α₁ zwischen der zweiten Gewindeflanke 18 und der Tangente, die an dem Schnittpunkt zwischen der gewölbten Stirnfläche 22 und der zweiten Gewindeflanke 18 die konvex oder konkav gewölbte Stirnfläche 22 berührt.
In radialer Richtung schließen die Stirnflächen 12 mit der Innenseite bzw. der inneren Umfangsoberfläche 30 der Holweck-Statorhülse 10 einen dritten Winkel α₃ kleiner als 110° ein, welcher in der Ebene liegt, in der sich das Einlassende 20 bzw. die Stirnfläche 26 der Holweck-Statorhülse 10 am Einlassende 20 befindet (siehe hierzu die Fig. 7).
Obwohl durch die Anfasung 28 der Stege 12 nahe dem Einlassende 20 die Eintrittsfläche in die Holweck-Statorhülse 10 um bis zu 20% erhöht werden kann, was sich in einem höheren Eintrittsleitwert und damit in einem verbesserten Saugvermögen bemerkbar macht, kann das Saugvermögen der Holweck-Pumpstufe weiter erhöht werden, indem die Stirnfläche 26 der Holweck-Statorhülse 10 am Einlassende 20 eine Anfasung 32 aufweist, siehe hierzu die Fig. 7. Diese Anfasung 32 befindet sich dabei am Einlassende 20 an der Innenseite und somit auf jener Seite der Holweck-Statorhülse 10, an der die Stege 12 in der erfindungsgemäßen Art und Weise mit der radial ausgerichteten Stirnfläche 22 ausgebildet sind.
Zwar wurde zuvor eine Konfiguration einer Holweck-Statorhülse 10 mit einem innenliegenden Holweck-Gewinde 14 beschrieben, wobei diese Holweck-Statorhülse bei der Vakuumpumpe 111 der Fig. 1 bis 5 anstelle deren außenliegenden Holweck-Statorhülse 167 eingesetzt werden kann; die innenliegende Holweck-Statorhülse 169 der Pumpe 111 und insbesondere deren innenliegendes Holweck-Gewinde kann jedoch in entsprechender Weise wie das der Holweck-Statorhülse 10 ausgebildet sein/werden.
Gleichermaßen kann das außenliegende Holweck-Gewinde der innenliegenden Holweck-Statorhülse 169 und insbesondere deren Stege einlassseitig entsprechend der Holweck-Statorhülse 10 bzw. entsprechend deren Stegen 12 am Einlassende 20 ausgebildet werden. Auch die außenliegenden Stege der innenliegenden bzw. der doppelseitigen Holweck-Statorhülse 169 können also einlassseitig eine radial ausgerichtete Stirnfläche 22 aufweisen, die mit der Gewindeflanke, die dem Einlassende der mittleren Holweck-Pumpstufe abgewandt ist, einen überstumpfen ersten Winkel einschließen, welcher kleiner als 300° ist, insbesondere kleiner als 270°, um so am Einlassende des außenliegenden Holweck-Gewindes an dessen Stegen eine Hinterschneidung bzw. einen Überhang auszubilden.

Bezugszeichenliste

10: Holweck-Statorhülse
12: Stege
14: Holweck-Gewinde
16: erste Gewindeflanke
18: zweite Gewindeflanke
20: Einlassende
22: Stirnfläche
24: Hinterschneidung bzw. Überhang
26: Stirnfläche am Einlassende
28: Anfasung
30: Innenseite bzw. innere Umfangsfläche
32: Anfasung

111: Turbomolekularvakuumpumpe
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
225: Stege
227: Stirnfläche
229: Einlassende

α1: erster Winkel
α2: zweiter Winkel
α3: dritter Winkel
β: Steigungswinkel

Claims

Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularvakuumpumpe (111), mit einem Pumpeneinlass (115), einem Pumpenauslass (117) und zumindest einer Holweck-Pumpstufe, die eine Holweck-Statorhülse (10) mit einer Innenseite und einer Außenseite und ein dem Pumpeneinlass (115) entgegen der Pumprichtung zugewandtes Einlassende (20) aufweist, wobei an der Innenseite (30) und/oder an der Außenseite der Holweck-Statorhülse (10) ein Holweck-Gewinde (14) mit mehreren spiralförmig umlaufenden Stegen (12) ausgebildet ist, die jeweils eine dem Einlassende (20) zugewandte erste Gewindeflanke (16) und eine dem Einlassende (20) abgewandte zweite Gewindeflanke (18) aufweisen,
wobei die Stege (12) am Einlassende (20) der zumindest einen Holweck-Pumpstufe ferner jeweils eine radial ausgerichtete Stirnfläche (22) aufweisen,

wobei die radial ausgerichtete Stirnfläche (22) jedes Stegs (12) mit der zweiten Gewindeflanke (18) einen überstumpfen ersten Winkel (α₁) einschließt, welcher kleiner als 300° ist, insbesondere kleiner als 270°, und

wobei jede radial ausgerichtete Stirnfläche (22) mit einer Ebene, in der das Einlassende (20) der zumindest einen Holweck-Pumpstufe liegt, einen stumpfen zweiten Winkel (α₂) einschließt, welcher kleiner ist als der Nebenwinkel des Steigungswinkels (β) des Holweck-Gewindes (14) am Einlassende (20),

dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Winkel (α₂) zwischen 95° und 120° liegt.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
wobei der erste Winkel (α₁) zwischen 190° und 260° liegt, insbesondere zwischen 200° und 250° und vorzugsweise zwischen 205° und 245°.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die radial ausgerichtete Stirnfläche (22) vom Einlassende (20) der Holweck-Pumpstufe aus betrachtet an dem Steg (12) eine Hinterschneidung (24) ausbildet.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die radial ausgerichtete Stirnfläche (26) mit der Umfangsfläche (30) der Holweck-Statorhülse (10), an der das Holweck-Gewinde (14) ausgebildet ist, einen dritten Winkel (α₃) einschließt, der kleiner als 110° ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 4,
wobei der dritte Winkel (α₃) kleiner als 105° ist, insbesondere kleiner als 100°, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass der dritte Winkel (α₃) 90° beträgt.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Stirnfläche (26) der Holweck-Statorhülse (10) am Einlassende (20) der Holweck-Pumpstufe auf jener Seite angefast ist, an der die Stege (12) die radial ausgerichtete Stirnfläche (22) aufweisen.