[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere Boosterpumpe, umfassend
eine Holweckpumpstufe und eine stromabwärts der Holweckpumpstufe angeordnete Seitenkanalpumpstufe.
[0002] Eine Boosterpumpe ist eine Pumpe, die beispielsweise in einer Mehrkammer-Vakuumanwendung,
wie etwa einem Massenspektrometriesystem, typischerweise zwischen einer Turbomolekularpumpe,
z.B. einer Splitflow-Pumpe, und einer Vorvakuumpumpe eingesetzt wird. Sie dient meistens
dazu, den Einlassdruck an der Vorvakuumpumpe zu erhöhen, sodass die Vorvakuumpumpe
deutlich kleiner dimensioniert werden kann.
[0003] Es ist eine Aufgabe, eine Vakuumpumpe, insbesondere Boosterpumpe, der eingangs genannten
Art bereitzustellen, die besonders kompakt aufgebaut ist, aber dennoch eine gute Pumpperformance
liefert und/oder einen kompakten Systemaufbau bei effektiver Pumpwirkung ermöglicht.
[0004] Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst,
und insbesondere dadurch, dass die Pumpe einen Pumpenrotor aufweist, der einen gemeinsamen
Pumpenrotor von Holweckpumpstufe und Seitenkanalpumpstufe bildet.
[0005] Hierdurch können separate Antriebs- und Lagerungsmaßnahmen für Holweck- und Seitenkanalpumpstufe
entfallen. Außerdem lässt sich die Pumpe durch den gemeinsamen Rotor vorteilhaft und
auf einfache Weise betreiben. Die Holweck- und Seitenkanalpumpstufen werden nachfolgend
vereinfacht auch als Holweck- und Seitenkanalstufen bezeichnet.
[0006] Die nachfolgend beschriebenen Merkmale können - sowohl in Kombination als auch unabhängig
voneinander - die Vakuumpumpe des Anspruchs 1 vorteilhaft weiterbilden. Sie können
aber jeweils auch generell und entsprechend vorteilhaft zur Weiterbildung einer Vakuumpumpe,
insbesondere Boosterpumpe, herangezogen werden, welche eine Holweckpumpstufe und eine
stromabwärts der Holweckpumpstufe angeordnete Seitenkanalpumpstufe sowie wenigstens
einen Pumpenrotor aufweist, der kein gemeinsamer Pumpenrotor von Holweckpumpstufe
und Seitenkanalpumpstufe ist. Das gleiche gilt für das weiter unten beschriebene Vakuumsystem
und dessen Weiterbildungen. Diese lassen sich vorteilhaft auch ohne gemeinsamen Rotor
betreiben. Ein solcher ist aber dennoch vorteilhaft.
[0007] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das oder die Rotorelemente der Holweckpumpstufe
einerseits und das oder die Rotorelemente der Seitenkanalpumpstufe andererseits unabhängig
voneinander mit dem Pumpenrotor oder mit einer Rotorwelle des Pumpenrotors verbunden
sind, insbesondere entweder mittelbar über einen Träger oder unmittelbar.
[0008] Hierdurch sind z.B. Ausgestaltungen ausgeschlossen, bei denen die Rotorelemente der
Seitenkanalpumpstufe von einer ein Rotorelement der Holweckpumpstufe bildenden Holweckhülse
getragen sind. Nicht ausgeschlossen sind z.B. Ausgestaltungen, bei denen die Holweckpumpstufe
und die Seitenkanalpumpstufe jeweils einen mit dem Pumpenrotor oder dessen Rotorwelle
verbundenen Träger für das jeweilige Rotorelement oder für die jeweiligen Rotorelemente
aufweisen. Dabei können der Träger für die Holweckpumpstufe und der Träger für die
Seitenkanalpumpstufe als separate Bauteile oder einstückig miteinander ausgebildet
sein. Der Pumpenrotor kann beispielsweise jeweils ein oder mehrere Rotorelemente der
Pumpstufen tragen, z.B. über einen Rotorelementträger, der beispielsweise auf dem
Rotor angeordnet sein kann.
[0009] Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vakuumpumpe wenigstens zwei parallel
wirksame Holweckstufen aufweist. Dies verspricht ein hohes Saugvermögen und somit
eine gute Pumpperformance. Dabei bleibt die Vakuumpumpe kompakt. Insbesondere können
auch mindestens zwei, insbesondere drei, parallel geschaltete Holweckstufen vorgesehen
sein. Parallelgeschaltete Holweckstufen können insbesondere zu einer Seitenkanalstufe
hin fördern oder ausstoßen.
[0010] Generell vorteilhaft kann für den Gasstrom in den Holweckstufen z.B. zumindest im
Wesentlichen keine Richtungsänderung vorgesehen sein. Weiter generell kann vorgesehen
sein, dass der Gasstrom in einer Holweckstufe, insbesondere allen Holweckstufen, zumindest
im Wesentlichen nur axial verläuft.
[0011] Wenigstens zwei, insbesondere parallelgeschaltete, Holweckstufen können insbesondere
axial überlappend, besonders bevorzugt im Wesentlich den gleichen Axialbereich abdeckend,
angeordnet sein, wodurch sich vorteilhaft ein besonders kompakter Aufbau bei guter
Pumpperformance realisieren lässt. Insbesondere können die Holweckstufen verschachtelt
angeordnet sein.
[0012] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die, vorzugsweise überlappend
angeordneten, Holweckstufen die gleiche Kompression aufweisen. Hierdurch kann auf
einfache und vorteilhafte Weise sichergestellt werden, dass nicht durch eine Stufe
Gas zurückströmt, während die andere pumpt. Vorzugsweise kann alternativ oder zusätzlich
vorgesehen sein, dass eine radial innenliegende der Holweckstufen ein kleineres Saugvermögen
aufweist, als eine radial weiter außen liegende Holweckstufe. Dies führt zu einer
weiteren Verbesserung der Pump-Performance. Bei drei oder mehr Stufen ist eine entsprechende
Abstufung vorteilhaft, d.h. alle Stufen besitzen dann die gleich Kompression, wobei
das Saugvermögen der Stufen in radialer Richtung von außen nach innen abnimmt.
[0013] Die Holweckstufen können beispielsweise rotorseitig durch eine oder mehrere, insbesondere
zwei, rotierende Holweckhülsen gebildet sein. Generell können zwei Holweckstufen beispielsweise
ein gemeinsames Rotorelement aufweisen. Eine jeweilige Holweckhülse kann beispielsweise
aus einem Verbundwerkstoff, wie etwa GFK oder CFK, oder einem Metall, wie etwa Titan,
hergestellt sein und/oder durch einen Rotorelementträger aus Metall getragen sein.
Diese Ausführungsformen sind auch auf die unten beschriebenen Zwischenelemente vorteilhaft
anwendbar.
[0014] Bevorzugt kann ein Statorelement ein gemeinsames Statorelement für zwei Holweckstufen
bilden. Das Statorelement kann dabei vorteilhaft ring- oder hülsenförmig ausgebildet
sein. Generell kann bevorzugt wenigstens ein Statorelement einer Holweckstufe ein
Holweckgewinde aufweisen. Im Falle eines gemeinsamen Statorelements kann das Statorelement
beispielsweise zwei Holweckgewinde, jeweils eines für eine jeweilige Holweckstufe,
aufweisen. Die Gewinde können beispielsweise innen und außen am, insbesondere ring-
oder hülsenförmigen, Statorelement angeordnet sein.
[0015] Es kann vorgesehen sein, dass die Vakuumpumpe wenigstens zwei, insbesondere in Reihe
wirksame, Seitenkanalpumpstufen aufweist. Dies bewirkt einen besonders zuverlässigen
Abtransport des Gases von der bzw. den Holweckstufen und damit eine gute Pumpperformance.
Dabei bleibt die Pumpe jedoch kompakt. Insbesondere können zwei in Reihe geschaltete
Seitenkanalstufen mehreren, insbesondre drei, parallel geschalteten Holweckstufen
nachgeschaltet sein. Generell kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das gesamte von
den Holweckstufen geförderte Gas durch die eine oder mehreren, insbesondere in Reihe
geschalteten, Seitenkanalstufen gefördert wird.
[0016] Generell kann eine Seitenkanalstufe beispielsweise als axiale oder als radiale Seitenkanalstufe
ausgebildet sein. Bei einer axialen Seitenkanalstufe erstreckt sich ein Rotorelement
in axialer Richtung in einen Ringkanal hinein. Bei einer radialen Seitenkanalstufe
erstreckt sich ein Rotorelement in radialer Richtung in einen Ringkanal hinein.
[0017] Seitenkanalstufen bzw. deren Ringkanäle können zum Zwecke eines kompakten Aufbaus
beispielsweise radial oder axial versetzt angeordnet sein. Bei einem besonders vorteilhaften
Beispiel weist die Vakuumpumpe wenigstens zwei, insbesondere genau zwei, Seitenkanalpumpstufen
auf, die axial und radial zueinander versetzt angeordnet sind. Dies erlaubt einen
besonders kompakten Aufbau, insbesondere wenn die Seitenkanalstufen als radiale Seitenkanalstufen
ausgebildet sind. Durch die Versetzung in axialer und radialer Richtung kann der nötige
Bauraum vorteilhaft ausgenutzt werden.
[0018] Ein Rotorelement einer jeweiligen Seitenkanalstufe kann beispielsweise von einem
Rotorelementträger getragen sein, insbesondere wobei das Rotorelement separat vom
Rotorelementträger ausgebildet ist. Als Rotorelement ist generell ein pumpaktives
Element zu verstehen. Bei der Seitenkanalstufe weist dieses eine Mehrzahl an Rotorschaufeln
auf, die im Ringkanal rotieren. Das Rotorelement kann bevorzugt über ein, insbesondere
ring- oder hülsenförmiges, Zwischenelement vom Rotorelementträger getragen sein. Das
Zwischenelement kann z.B. ein Verbundmaterial, wie etwa GFK oder CFK, oder ein Metall,
insbesondere Titan, umfassen oder hieraus hergestellt sein. Das Zwischenbauteil ermöglicht
eine vorteilhafte und platzsparende Anordnung der wenigstens einen Seitenkanalstufe,
insbesondere wobei der eigentliche Rotorelementträger aber einfach zu fertigen ist.
[0019] Alternativ oder zusätzlich kann das Zwischenbauteil pumpaktiv ausgebildet sein, beispielsweise
in Zusammenwirkung mit einer gegenüberliegenden, statischen, pumpaktiven Struktur,
wie etwa einem Holweckgewinde. Durch ein pumpaktives Zwischenbauteil kann z.B. eine
Leckage aus einem Ringkanal der Seitenkanalstufe verringert werden und somit die Pumpperformance
verbessert werden.
[0020] Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass für den Pumpenrotor, insbesondere an
einem ansaugseitigen Ende des Rotors, eine Magnetlagerung und/oder, insbesondere an
einem anderen oder dem ansaugseitigen Ende gegenüberliegenden Ende, eine Wälzlagerung
vorgesehen sind. Die Kombination von Magnet- und Wälzlager wird auch als Hybridlagerung
bezeichnet und ist im Stand der Technik bei Turbomolekularpumpen verbreitet. Insbesondere
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung mit einem gemeinsamen Rotor erlaubt
die Hybridlagerung einen besonders kompakten Aufbau. Insbesondere kann das Magnetlager
mit der oder den Holweckstufen axial überlappend angeordnet und/oder von der oder
den Holweckstufen umgeben sein. Vorzugsweise kann der ansaugseitige, axiale Anfang
des Magnetlagers, insbesondere gekennzeichnet durch einen in axialer Richtung ersten
Magneten, im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe wie der ansaugseitige, axiale
Anfang der Holweckstufe bzw. der Holweckstufen angeordnet sein.
[0021] Das Wälzlager kann z.B. als Kugellager ausgebildet sein. Für das Wälzlager kann allgemein
beispielsweise eine Filzschmierung und/oder eine kegelförmige Schmiermittelfördereinrichtung
zur Förderung eines Schmiermittels zum Wälzlager auch entgegen der Schwerkraft vorgesehen
sein.
[0022] Die Vakuumpumpe kann beispielsweise einen Einlass und ein den Einlass überspannendes,
statisches Element aufweisen. Dabei kann ein Statorelement der wenigstens einen Holweckstufe
von diesem Element getragen sein. Hierdurch wird das Vorhandensein des statischen
Elements vorteilhaft ausgenutzt, sodass im Ergebnis eine besonders kompakte Bauform
erreicht werden kann.
[0023] Bei dem statischen Element kann es sich beispielsweise um einen Träger für ein Lagerelement
handeln. Das Lagerelement kann beispielsweise ein Magnetlager sein. Der Träger kann
bevorzugt als Stern ausgebildet sein und/oder mehrere, insbesondere drei, Arme aufweisen,
die einen das Lagerelement tragenden Zentralbereich am Pumpengehäuse abstützen.
[0024] Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens ein Rotorelement
wenigstens einer Pumpstufe von einem Rotorelementträger getragen ist. Der Rotorelementträger
kann beispielsweise separat vom oder einteilig mit dem Rotor und/oder dem Rotorelement
ausgebildet sein. Der Rotorelementträger kann insbesondere stromaufwärts oder stromabwärts
des Rotorelements angeordnet sein.
[0025] Der Rotorelementträger kann beispielsweise einen Durchgang für ein von dem Rotorelement
gefördertes oder zu förderndes Gas aufweisen. Dies erlaubt einen besonders kompakten
Aufbau. Es wurde erkannt, dass ein Gasstrom nicht notwendigerweise an einem Rotorelementträger
vorbeigeleitet werden muss. Vielmehr kann nun insbesondere auch ein radial innerer
Bereich des Rotorelements pumpwirksam ausgebildet sein. Dieser radial innere Bereich
wird somit zur weiteren Verbesserung der Pumpwirkung ausgenutzt, ohne dass sich die
äußeren Abmessungen der Pumpe verändern müssen.
[0026] Der Durchgang kann insbesondere in einen stromabwärts der Pumpstufe angeordneten
Bereich, insbesondere einen Zwischenstufenbereich zwischen Holweck- und Seitenkanalstufen,
münden. Generell kann der Durchgang insbesondere an einem Rotorelementträger der wenigstens
einen Holweckstufe angeordnet sein. Für Holweckstufe und Seitenkanalstufe können generell
separate oder ein gemeinsamer Rotorelementträger vorgesehen sein. Bei dem Durchgang
kann es sich allgemein vorteilhaft um einen axialen Durchgang handeln.
[0027] Der Rotorelementträger kann beispielsweise als im Wesentlichen scheibenförmiges Bauteil
ausgebildet sein. Das wenigstens eine Rotorelement kann beispielsweise mit dem Rotorelementträger
verklebt sein, beispielsweise an einer Umfangsfläche, insbesondere Innen- oder Außenumfangsfläche,
des Rotorelementträgers, die beispielsweise durch einen axialen Vorsprung definiert
ist.
[0028] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Rotorelement ringförmig oder hülsenförmig
ausgebildet ist. Dabei kann das Rotorelement insbesondere zumindest über eine Innenseite
des Rotorelements zum Erzeugen einer Pumpwirkung mit einem Statorelement der Pumpstufe
zusammenwirken, insbesondere einer Außenseite desselben. Der Durchgang kann dabei
insbesondere an einem stromabwärtsseitigen Ende der Pumpstufe angeordnet sein.
[0029] Der Durchgang kann insbesondere für zwei, insbesondere parallele, Pumpstufen, insbesondere
Holweckstufen, vorgesehen sein. Allgemein kann der Durchgang bevorzugt radial innerhalb
eines radial äußersten Rotorelements angeordnet sein.
[0030] Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Durchgang pumpwirksam ausgebildet
ist. Hierdurch wird die Pumpwirkung insgesamt verbessert. Dabei ist aber praktisch
kein zusätzlicher Bauraum nötig, sodass dies auf die Kompaktheit der Pumpe keinen
negativen Einfluss hat.
[0031] Der Durchgang kann allgemein als Bohrung ausgebildet sein. Eine Pumpwirkung kann
dem Durchgang beispielsweise auf einfache Weise verliehen werden, indem der Durchgang
schräg, insbesondere als schräge Bohrung, ausgebildet ist, insbesondere schräg in
Umfangs- und/oder Rotationsrichtung.
[0032] Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Seitenkanalpumpstufe einen Ringkanal
und ein darin rotierendes Rotorelement aufweist, wobei zwischen dem Rotorelement und
einem den Ringkanal definierenden Bauteil ein Spalt ausgebildet ist. Ein derartiger
Spalt ist aufgrund von Lagetoleranzen des Rotors im Betrieb für dessen freie Rotation
notwendig, auch wenn der Spalt konstruktiv stets möglichst klein ausgelegt wird, um
eine möglichst geringe Leckage zu erreichen. Im und/oder benachbart zum Spalt, insbesondere
außerhalb vom Ringkanal, kann eine pumpaktive Struktur vorgesehen sein, die eine Pumpwirkung
entgegen einer Leckage aus dem Ringkanal durch den Spalt aufweist. Hierdurch wird
die konstruktiv nicht vollständig vermeidbare Leckage verringert. Allerdings wird
hier nicht wie oben beschrieben am Zielkonflikt zwischen Sicherheitsabstand von Rotor-
und Statorelement einerseits und Dichtheit andererseits angesetzt. Vielmehr wird eine
zusätzliche Maßnahme zur Verringerung der Rückleckage geschaffen. Diese benötigt zudem
kaum eigenen Bauraum, sondern wird im Wesentlichen durch ohnehin vorgesehene Bauteile
realisiert. Somit wird die Pumpperformance bei guter Kompaktheit weiter verbessert.
[0033] Bei der pumpaktiven Struktur kann es sich vorteilhaft um eine Holweckstruktur handeln.
Diese wirkt vorteilhaft als Sperrstufe. Generell kann die pumpaktive Struktur entweder
im Förderweg des Gases oder auf einem bloßen Leckagepfad angeordnet sein. Die pumpaktive
Struktur kann z.B. zwischen zwei Pumpstufen und/oder auf einem Leckagepfad zu einem
Motorbereich der Pumpe angeordnet sein. Insbesondere kann die pumpaktive Struktur
auf einem Leckagepfad zwischen zwei Seitenkanalpumpstufen angeordnet sein.
[0034] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vakuumpumpe keine der wenigstens
einen Holweckstufe vorgeschaltete, insbesondere überhaupt keine, Turbomolekularpumpstufe
auf und/oder es sind ausschließlich Holweck- und Seitenkanalstufen vorhanden.
[0035] Generell kann die Vakuumpumpe vorteilhaft einen Einlassflansch aufweisen, der einen
kleineren Durchmesser und/oder eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als wenigstens
eine radial größte Holweckstufe. Generell kann der Einlassflansch bevorzugt an einem
kegelförmig zulaufenden Gehäuseende ausgebildet sein. Z.B. kann der Einlassflansch
als DN63-Flansch ausgebildet sein, wobei insbesondere wenigstens eine Holweckhülse,
insbesondere die radial größte Holweckhülse, einen Durchmesser von wenigstens 80 mm,
insbesondere wenigstens 85 mm, aufweist. Hierdurch wird eine besonders gute Pumpperformance
bei kompakten Abmessungen und insbesondere bei kompakter Flanschverbindung erreicht.
[0036] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pumpe einen Vakuumanschluss
zwischen zwei Pumpstufen, insbesondere zwischen Holweckpumpstufe und Seitenkanalpumpstufe
und/oder zwischen zwei Seitenkanalpumpstufen, aufweist. Dieser Vakuumanschluss kann
auch als Zwischenstufen- oder Interstage-Port bezeichnet werden. Am Vakuumanschluss
können beispielsweise Betriebsparameter gemessen oder bestimmt werden, wie etwa Druck
und/oder Saugvermögen. Der Vakuumanschluss kann aber beispielsweise auch als Zwischeneinlass
verwendet werden, beispielsweise in einem Mehrkammer-Vakuumsystem. Der Vakuumanschluss
bietet also eine besondere Flexibilität in der Anwendung der Pumpe, wobei aber kaum
zusätzlicher Bauraum nötig ist, wobei die Pumpe also kompakt ausgeführt werden kann.
[0037] Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Vakuumsystem, insbesondere Massenspektrometriesystem,
gelöst, welches umfasst: eine erste Vakuumkammer; eine Turbomolekularpumpe mit einem
Einlass, der an der ersten Vakuumkammer angeschlossen ist; eine zweite Vakuumkammer,
die insbesondere mit der ersten Kammer verbunden ist, insbesondere über eine Blende;
eine Vakuumpumpe nach vorstehend beschriebener Art mit einem Vakuumanschluss zwischen
Holweckpumpstufe und Seitenkanalpumpstufe, wobei die Vakuumpumpe einen Haupteinlass
aufweist, der mit einem Auslass der Turbomolekularpumpe verbunden ist; wobei der Vakuumanschluss
einen Zwischeneinlass bildet, der an der zweiten Vakuumkammer angeschlossen ist.
[0038] Den Kammern wird hierdurch eine gute Pumpperformance bereitgestellt, wobei die Pumpanordnung,
insbesondere die Boosterpumpe, und das Vakuumsystem insgesamt kompakt ausgebildet
werden können.
[0039] Die Vakuumpumpe, insbesondere Boosterpumpe, kann vorteilhafter Weise einen Auslass
aufweisen, der mit einem Einlass einer Vorvakuumpumpe verbunden ist. Die Vorvakuumpumpe
stößt insbesondere gegen Atmosphäre aus.
[0040] Das Vakuumsystem kann z.B. eine dritte Vakuumkammer aufweisen, die insbesondere mit
der zweiten Kammer verbunden sein kann. Der Einlass der Vorvakuumpumpe kann beispielsweise
mit der dritten Kammer verbunden sein.
[0041] Bei dem Vakuumsystem bzw. Massenspektrometriesystem kann es sich insbesondere um
ein Flüssigchromatographie-Massenspektrometriesystem (LC-MS von englisch "liquid chromatography-mass
spectrometry) handeln, insbesondere um ein solches mit großer Gaslast. Bei einem LC-MS
kommen die erfindungsgemäßen Vorteile besonders zur Geltung.
[0042] Bei der Turbomolekularpumpe und der Vakuumpumpe, insbesondere Boosterpumpe, handelt
es sich insbesondere um getrennte Pumpen mit getrennten Rotoren.
[0043] Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der schematischen Zeichnung
erläutert.
- Fig. 1
- zeigt eine Boosterpumpe.
- Fig. 2
- zeigt einen in einem Rotorelementträger ausgebildeten Durchgang.
- Fig. 3
- zeigt eine weitere Boosterpumpe in einer Schnittansicht.
- Fig. 4
- zeigt den in Fig. 3 gekennzeichneten Ausschnitt B in vergrößerter Ansicht.
- Fig. 5
- zeigt den in Fig. 3 gekennzeichneten Ausschnitt C in vergrößerter Ansicht.
- Fig. 6
- zeigt die Boosterpumpe der Fig. 3 in einer weiteren Schnittansicht, wobei die Schnittebene
um die Rotorachse verdreht ist.
- Fig. 7
- zeigt den in Fig. 6 gekennzeichneten Ausschnitt G in vergrößerter Ansicht.
- Fig. 8
- zeigt ein Mehrkammer-Vakuumsystem.
[0044] In Fig. 1 ist eine Vakuumpumpe 10 schematisch angedeutet. Diese umfasst ein Gehäuse
12, welches einen Einlass 14 und einen nicht dargestellten Auslass definiert.
[0045] Der Einlass 14 ist von einem Trägerelement 16 überspannt, welches ein nicht näher
dargestelltes Lagerelement 18 für einen Rotor 20 trägt. An einem dem Einlass abgewandten
Ende ist eine weitere Lagerung für den Rotor 20 vorgesehen, die nicht gesondert dargestellt
ist.
[0046] Der Rotor 20 umfasst eine Rotorwelle 21, auf der ein Rotorelementträger 22 drehfest
angeordnet ist, der zwei Rotorelemente 24 trägt. Der Rotorelementträger 22 bildet
in dieser Ausführungsform ein auf der Rotorwelle 21 angeordnetes Nabenbauteil und
ist hier separat von den Rotorelementen 24 und separat von der Rotorwelle 21 ausgeführt.
[0047] Die Rotorelemente 24 bilden Rotorelemente von drei parallel geschalteten Holweckpumpstufen
25. Die Rotorelemente 24 wirken dabei mit zwei Statorelementen 26 der Holweckpumpstufen
25 zur Erzeugung einer Pumpwirkung zusammen.
[0048] Die Rotorelemente 24 sind als Hülsen ausgebildet, die zum Beispiel aus einem Verbundwerkstoff
hergestellt sein können und mit dem Rotorelementträger 22 bzw. dem Rotor 20 im Betrieb
der Pumpe 10 rotieren. Die Statorelemente 26 weisen jeweils auf einer einem benachbarten
Rotorelement 24 zugewandten Seite eine pumpaktive Struktur auf, nämlich ein sogenanntes
Holweck-Gewinde 28.
[0049] In Fig. 1 sind durch Pfeile 30 die durch die Holweckpumpstufen 25 bewirkten Gasförderwege
angedeutet. Diese Gasförderwege 30 verlaufen parallel, und zwar in dieser Ausführungsform
nicht nur in funktionaler Hinsicht, sondern auch im räumlichen Sinne. Die drei Holweckpumpstufen
25 sind ineinander verschachtelt und im gleichen Axialbereich angeordnet.
[0050] Das Trägerelement 16 ist, wie durch die Pfeile 30 angedeutet, gasdurchlässig ausgebildet.
Zum Beispiel kann das Trägerelement 16 als mehrarmiger Stern ausgebildet sein, wobei
das zu fördernde Gas durch Armzwischenräume vom Einlass 14 zu den Holweckstufen 25
hindurchtreten kann. Insbesondere wenigstens ein radial inneres Statorelement 26 kann
am Trägerelement 16 gehalten bzw. von diesem getragen sein. Das äußere Statorelement
26 kann beispielsweise, wie dargestellt, ebenfalls vom Trägerelement 16 getragen sein
oder beispielsweise vom Gehäuse 12 getragen sein.
[0051] Wie mit einem weiteren Pfeil 32 angedeutet, kann auch radial innerhalb des inneren
Statorelements 26 axial durch das Trägerelement 16 hindurchgetretenes Gas von der
radial inneren Holweckstufe 25 in Richtung Auslass gefördert werden.
[0052] Das von der radial äußeren Holweckstufe 25 geförderte Gas wird am Rotorelementträger
22 vorbei zu einer ersten Seitenkanalpumpstufe 33 gefördert. Diese umfasst ein Rotorelement
34, welches in einem Ringkanal 36 rotiert. Von der ersten Seitenkanalstufe 33 wird
das Gas über einen nicht dargestellten Übergang zu einer zweiten Seitenkanalpumpstufe
33 gefördert, die zu der ersten Seitenkanalpumpstufe 33 in Reihe geschaltet ist. Die
Seitenkanalstufen 33 sind hier als radiale Seitenkanalstufen ausgebildet. Sie sind
außerdem axial und radial versetzt angeordnet.
[0053] Die radial inneren beiden Gasförderwege 30 der entsprechenden Holweckstufen 25 treten
durch eine Mehrzahl von im Rotorelementträger 22 angeordneten Durchgängen 38 beim
Austritt aus der entsprechenden Holweckstufe 25 hindurch. Dabei gelangt das Gas in
einen Zwischenstufenbereich, von dem aus es in den ersten Ringkanal 36 bzw. die erste
Seitenkanalstufe 33 eintreten und durch die Seitenkanalstufen 33 zum Auslass gefördert
werden kann. Ein jeweiliger Durchgang 38 bildet dabei einen gemeinsamen Durchgang
für die zwei radial inneren Holweckstufen 25. Die Durchgänge 38 sind als eine Mehrzahl
von über den Rotorelementträger 22 in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Bohrungen
ausgebildet.
[0054] In Fig. 2 ist ein Durchgang 38 in einer Schnittdarstellung näher veranschaulicht.
Der Durchgang 38 ist als schräge Bohrung ausgebildet. In Fig. 2 verläuft die Umfangsrichtung
bzw. Rotationsrichtung des Rotorelementträgers 22 von links nach rechts. Die Förderrichtung
verläuft in Fig. 2 von oben nach unten. Die Innenwand der schrägen Bohrung bzw. des
Durchgangs 38 bewirkt eine Pumpaktivität in Förderrichtung. Dabei wirkt sie ähnlich
wie eine Rotorschaufel einer Turbomolekularpumpstufe.
[0055] In Fig. 3 ist eine Vakuumpumpe 10 in einem höheren Detailgrad geschnitten dargestellt.
Diese umfasst einen Einlassflansch 40, welcher einen Einlass 14 definiert und hier
als Teil eines Gehäuses 12 ausgebildet ist.
[0056] Die Vakuumpumpe 10 umfasst einen gemeinsamen Pumpenrotor 20, der einlass- bzw. ansaugseitig
von einem Magnetlager 42 und an einem gegenüberliegenden Ende durch ein Wälzlager
44 gelagert ist. Die Pumpe 10 umfasst also eine Hybridlagerung für den Rotor 20. Für
das Wälzlager 44 ist eine Filzschmierung vorgesehen, die ein Schmierölreservoir in
Form eines Filzkörpers 45 sowie ein kegelförmiges Förderelement 46 für das Schmieröl
aufweist. Der Rotor 20 ist durch einen Elektromotor 47 angetrieben.
[0057] Das Magnetlager 42 ist durch ein Trägerelement 16, welches hier als Stern ausgebildet
ist, getragen. Das Trägerelement 16 trägt außerdem ein radial inneres Statorelement
26 eines Satzes von parallel geschalteten Holweckstufen 25. Ein radial äußeres Statorelement
26 ist am Gehäuse 12 abgestützt und befestigt.
[0058] Es sind zwei Rotorelemente 24 vorgesehen, die von einem Rotorelementträger 22 getragen
sind. Zwischen den Rotorelementen 24 und dem jeweils gegenüberliegenden Statorelement
26 sind drei parallel geschaltete Holweckpumpstufen 25 ausgebildet. Ähnlich der oben
beschriebenen Ausführungsform wird das von der radial äußeren Holweckstufe 25 geförderte
Gas am Rotorelementträger 22 vorbei in einen Zwischenstufenbereich 48 gefördert und
das von den radial inneren Holweckstufen 25 geförderte Gas tritt durch einen Durchgang
38 des Rotorelementträgers 22 hindurch, um in den Zwischenstufenbereich 48 zu gelangen.
[0059] Den Holweckstufen 25 bzw. dem Zwischenstufenbereich 48 nachgeschaltet sind zwei in
Reihe geschaltete Seitenkanalpumpstufen 33 vorgesehen. Die Seitenkanalstufen 33 sind
als axiale Seitenkanalstufen ausgebildet und axial und radial versetzt angeordnet.
[0060] Die Rotorelemente 34 einer jeweiligen Seitenkanalpumpstufe 33 sind durch einen Rotorelementträger
50 getragen, der in dieser Ausführungsform separat von der Rotorwelle 21 und vom Rotorelementträger
22 der Holweckstufen 25 ausgebildet ist. Der Rotorelementträger 50 bildet insbesondere
ein Nabenbauteil, welches auf der Rotorwelle 21 angeordnet ist. Die Rotorelemente
34 sind über ein jeweiliges Zwischenelement 52 an dem Rotorelementträger 50 befestigt.
[0061] Die Seitenkanalpumpstufen 33 besitzen in der dargestellten Ausführungsform also für
ihre Rotorelemente 34 einen eigenen Träger 50. Dieser eigene Träger 50 kann alternativ
beispielsweise an dem die Rotorelemente 24 tragenden Träger 22 angebracht sein (dieses
Ausführungsbeispiel ist in den Figuren nicht dargestellt), und zwar insbesondere auf
der Seite, welche den Rotorelementen 24 abgewandt ist. Generell können die Träger
22, 50 beispielsweise einteilig miteinander und/oder mit der Rotorwelle 21 ausgebildet
sein. In Fig. 3 sind die Träger 22, 50 separat ausgebildet.
[0062] Die Vakuumpumpe 10 umfasst einen Vakuumanschluss 54, der mit dem Zwischenstufenbereich
48 verbunden ist. Hierzu weist das radial äußere Statorelement 26 einen in der Schnittansicht
der Fig. 3 nicht sichtbaren Kanalabschnitt vom Vakuumanschluss 54 zum Zwischenstufenbereich
48 auf. Der Vakuumanschluss 54 könnte beispielsweise aber auch auf axialer Höhe des
Zwischenstufenbereichs 48 angeordnet sein und beispielsweise unmittelbar in diesen
münden.
[0063] Der Vakuumanschluss 54 ist zwischen den Holweckstufen 25 und den Seitenkanalstufen
33 angeordnet und bildet einen Zwischenstufenanschluss. Er kann beispielsweise zum
Messen oder Bestimmen von Betriebsparametern oder als Zwischenstufeneinlass, insbesondere
in einem Mehrkammer-Vakuumsystem, eingesetzt werden, wie es anhand von Fig. 8 noch
näher erläutert wird.
[0064] In Fig. 4 ist der Ausschnitt B, wie er in Fig. 3 eingezeichnet ist, vergrößert dargestellt.
Hier ist die feste Verbindung zwischen dem Trägerelement 16 und dem hieran befestigten,
radial inneren Statorelement 26 besonders gut sichtbar. Zum Zweck der Befestigung
weist das Trägerelement 16 einen insbesondere umlaufenden Axialvorsprung 56 auf. Das
Statorelement 26 ist an einer Umfangsfläche, hier an einem Innenumfang, des Vorsprungs
56 gehalten, beispielsweise durch eine Presspassung. Der Vorsprung 56 sorgt außerdem
für eine exakte Positionierung des Statorelements 26. Das Gas, welches vom Einlass
14 kommend den Träger 16 radial außerhalb des Vorsprungs 56 passiert, teilt sich auf
die zwei radial äußeren Holweckstufen 25 auf. Das Gas, welches das Trägerelement 16
radial innerhalb des Vorsprungs 56 passiert, tritt in die radial innerste Holweckstufe
25 ein, welche statorseitig durch ein innenseitiges Holweck-Gewinde 28 des radial
inneren Statorelements 26 gebildet ist.
[0065] Die Fig. 5 zeigt den Ausschnitt C vergrößert. Es sind unter anderem die Seitenkanalstufen
33 sichtbar, welche axial überlappend mit dem Elektromotor 47 angeordnet sind. Durch
die Zwischenelemente 52, die sich hier relativ lang erstrecken, und die axial und
radial versetzte Anordnung der Seitenkanalstufen 33 ist eine verschachtelte und besonders
kompakte Anordnung der Seitenkanalstufen 33 mit dem Elektromotor 47 realisiert. Hierdurch
ist die Pumpe 10 insgesamt besonders kompakt ausgebildet.
[0066] Zwischen einem jeweiligen Rotorelement 34 und einem jeweiligen, den Ringkanal 36
definierenden Statorelement 56 der Seitenkanalstufe 33 sind zwei Spalte 58 vorgesehen,
damit sich das Rotorelement 34 im Ringkanal 36 frei drehen kann. Durch diesen Spalt
58 kann eine gewisse Menge von zu förderndem Gas aus dem Ringkanal 36 austreten. Dies
stellt grundsätzlich eine Leckage dar.
[0067] Um eine derartige Leckage zu verringern, kann beispielsweise im und/oder benachbart
zum Spalt 58 eine pumpaktive Struktur vorgesehen sein. Insbesondere kann an einem
statischen Bauteil ein Holweck-Gewinde vorgesehen sein, welches zum Beispiel mit einer
im Wesentlichen glatten Umfangsfläche des Rotorelements 34 und/oder des Zwischenelements
52 zusammenwirken kann, um eine Pumpwirkung entgegen der Leckagerichtung zu bewirken.
Derartige Holweck-Gewinde sind hier nicht dargestellt.
[0068] Ein Holweck-Gewinde könnte beispielsweise an einem Innenumfang des Statorelements
56 der radial äußeren Seitenkanalstufe 33 und/oder gegenüberliegend des radial inneren
Zwischenelements 52 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise
am Innenumfang des Gehäuses 12 und/oder gegenüberliegend des radial äußeren Zwischenelements
52 ein Holweck-Gewinde vorgesehen sein.
[0069] Ein Holweck-Gewinde könnte beispielsweise auch an einer Außenumfangsfläche eines
Motorgehäuses 60 ausgebildet sein und so beispielsweise mit einem Innenumfang des
radial inneren Rotorelements 34 oder mit einer Verbundwerkstoff-Innenumfangsfläche
pumpwirksam zusammenwirken. Hierdurch kann beispielsweise eine Leckage durch den entsprechenden
Spalt 58 hin zum Elektromotor 47 verringert werden.
[0070] Eine vom Außenumfang des radial inneren Zwischenelements 52 bzw. des radial inneren
Rotorelements 34 erzeugte Pumpwirkung wirkt einer Leckage von der inneren, in Reihe
nachgeschalteten Seitenkanalstufe 33 zur radial äußeren Seitenkanalstufe 33 entgegen.
Eine vom Außenumfang des radial äußeren Zwischenelements 52 bzw. des radial äußeren
Rotorelements 34 erzeugte Pumpwirkung wirkt einer Rückleckage in den Zwischenstufenbereich
48 entgegen.
[0071] Eine pumpaktive Struktur, insbesondere Holweck-Gewinde, zur Verminderung der Leckage
kann allgemein beispielhaft unmittelbar an den beschriebenen Bauteilen oder an einem
zusätzlichen Bauteil ausgebildet sein.
[0072] Die Zwischenelemente 52 können bevorzugt als Hülsen aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet
sein. Sie sind vorzugsweise am Rotorelementträger 50 verklebt, insbesondere an einem
jeweiligen Axialvorsprung desselben.
[0073] Die Vakuumpumpe 10 der Fig. 3 ist in Fig. 6 in einer abweichenden Schnittdarstellung
gezeigt, wobei die Schnittebene um die Rotorachse rotiert wurde. Dabei ist zwischen
den Seitenkanalstufen eine Verbindung 62 sichtbar. Diese verbindet die Seitenkanalstufen
33 in Reihe, nämlich einen Auslass der in Pumprichtung ersten Seitenkanalstufe 33
mit einem Einlass der in Pumprichtung zweiten Seitenkanalstufe 33. Die erste Seitenkanalstufe
33, welches hier die radial äußere ist, weist einen Einlass auf, der mit dem Zwischenstufenbereich
48 verbunden ist. Dieser Einlass ist allerdings weder in Fig. 3 noch in Fig. 6 sichtbar,
da er sich nicht in den gewählten Schnittebenen, sondern in einem anderen Umfangsbereich
befindet. Das gleiche gilt für einen Auslass der zweiten Seitenkanalstufe 33 bzw.
den Auslass der Pumpe 10.
[0074] An der Verbindung 62 ist außerdem ein weiterer Vakuumanschluss 64 angeschlossen.
Dieser bildet einen weiteren Zwischenstufenanschluss zwischen zwei Pumpstufen, hier
zwischen den beiden Seitenkanalstufen 33. Ebenso wie der Vakuumanschluss 54 kann dieser
Vakuumanschluss 64 zum Beispiel als Messanschluss oder auch als Zwischenstufeneinlass
Verwendung finden.
[0075] In Fig. 7 ist der in Fig. 6 angedeutete Ausschnitt G vergrößert dargestellt. Dabei
ist die Verbindung 62 zwischen den Seitenkanalstufen 33 besonders gut sichtbar.
[0076] Die Verbindung 62 ist im Wesentlichen durch zwei zueinander senkrechte Bohrungen
in den Statorelementen 56 ausgebildet. Dabei ist der Vakuumanschluss 64 durch eine
der beiden Bohrungen gebildet.
[0077] In Fig. 8 ist ein Vakuumsystem 70 gezeigt, welches beispielsweise ein Massenspektrometriesystem
umfasst. Das Vakuumsystem 70 umfasst eine erste Kammer 72, die an einen Einlass einer
Turbomolekularpumpe 74 angeschlossen ist. Ein Auslass der Turbomolekularpumpe 74 ist
mit einem Einlass einer Boosterpumpe 76 verbunden, der einen Haupteinlass der Boosterpumpe
bildet. Die Boosterpumpe umfasst außerdem einen Zwischeneinlass, der mit einer zweiten
Vakuumkammer 78 verbunden ist. Bei dem Zwischeneinlass der Boosterpumpe 76 kann es
sich beispielsweise um einen der Vakuumanschlüsse 54 oder 64 der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform einer Booster- oder Vakuumpumpe handeln.
[0078] Ein Auslass der Boosterpumpe 76 ist mit einem Einlass einer Vorvakuumpumpe 80 verbunden,
die mit einem Auslass gegen Atmosphäre ausstößt. Die Vorvakuumpumpe 80 kann wie gestrichelt
angedeutet mit einer dritten Vakuumkammer 82 verbunden sein, beispielsweise mit einem
Einlass, mit dem auch die Boosterpumpe 76 verbunden ist, oder mit einem Zwischeneinlass.
Auch eine Kombination hiervon ist denkbar.
[0079] Die Vakuumkammern 72, 78 und 82 können insbesondere über jeweilige Blenden miteinander
verbunden sein und/oder einen lonenweg eines Massenspektrometers definieren. Im Betrieb
des Vakuumsystems 70 herrscht dabei in der ersten Vakuumkammer 72 der im Vergleich
zu den anderen Vakuumkammern 78 und 82 niedrigste Druck. Die Drücke in den Kammern
78 und 82 sind stufenweise größer. Es können beispielsweise auch weitere Kammern und/oder
weitere Pumpen vorgesehen sein. Zum Beispiel kann eine zwischen die Kammern 78 und
82 geschaltete, vierte Kammer vorgesehen sein, die an einen Vakuumanschluss zwischen
zwei Seitenkanalpumpstufen angeschlossen ist, wie etwa an den Vakuumanschluss 64.
Die zweite Kammer 78 kann an einem Vakuumanschluss zwischen Holweckstufen und Seitenkanalstufen,
insbesondere den Vakuumanschluss 64, angeschlossen sein.
Bezugszeichenliste
[0080]
- 10
- Vakuumpumpe
- 12
- Gehäuse
- 14
- Einlass
- 16
- Trägerelement
- 18
- Lagerelement
- 20
- Rotor
- 21
- Rotorwelle
- 22
- Rotorelementträger
- 24
- Rotorelement
- 25
- Holweckpumpstufe
- 26
- Statorelement
- 28
- Holweck-Gewinde
- 30
- Gasförderweg/Pfeil
- 32
- Gasförderweg/Pfeil
- 33
- Seitenkanalpumpstufe
- 34
- Rotorelement
- 36
- Ringkanal
- 38
- Durchgang
- 40
- Einlassflansch
- 42
- Magnetlager
- 44
- Wälzlager
- 45
- Filzkörper
- 46
- Förderelement
- 47
- Elektromotor
- 48
- Zwischenstufenbereich
- 50
- Rotorelementträger
- 52
- Zwischenelement
- 54
- Vakuumanschluss
- 56
- Statorelement
- 58
- Spalt
- 60
- Motorgehäuse
- 62
- Verbindung
- 64
- Vakuumanschluss
- 70
- Vakuumsystem
- 72
- erste Vakuumkammer
- 74
- Turbomolekularpumpe
- 76
- Boosterpumpe
- 78
- zweite Vakuumkammer
- 80
- Vorvakuumpumpe
- 82
- dritte Vakuumkammer
1. Vakuumpumpe (10), insbesondere Boosterpumpe, umfassend
eine Holweckpumpstufe (25),
eine stromabwärts der Holweckpumpstufe (25) angeordnete Seitenkanalpumpstufe (33),
und
einen Pumpenrotor (20), der einen gemeinsamen Pumpenrotor (20) von Holweckpumpstufe
(25) und Seitenkanalpumpstufe (33) bildet
2. Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 1,
wobei Rotorelemente (24) der Holweckpumpstufe (25) einerseits und Rotorelemente (34)
der Seitenkanalpumpstufe (33) andererseits unabhängig voneinander mit dem Pumpenrotor
(20) oder mit einer Rotorwelle (21) des Pumpenrotors (20) verbunden sind.
3. Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Vakuumpumpe (10) wenigstens zwei parallel wirksame Holweckpumpstufen (25)
aufweist,
vorzugweise wobei die Holweckpumpstufen (25) axial überlappend angeordnet sind.
4. Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 3,
wobei die Holweckpumpstufen die gleiche Kompression aufweisen, vorzugsweise wobei
jeweils das Saugvermögen der Holweckpumpstufen (25) in radialer Richtung von außen
nach innen abnimmt.
5. Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Vakuumpumpe (10) wenigstens zwei in Reihe wirksame Seitenkanalpumpstufen
(33) aufweist.
6. Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Vakuumpumpe wenigstens zwei Seitenkanalpumpstufen (33) aufweist, die axial
und radial zueinander versetzt angeordnet sind.
7. Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei für den Pumpenrotor (20) an einem ansaugseitigen Ende des Rotors (20) eine Magnetlagerung
(42) und an einem anderen Ende eine Wälzlagerung (44) vorgesehen sind.
8. Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Vakuumpumpe (10) einen Einlass (14) und ein den Einlass überspannendes,
statisches Bauteil (16) aufweist, wobei ein Statorelement (26) der wenigstens einen
Holweckpumpstufe (25) von diesem Bauteil (16) getragen ist,
wobei insbesondere das Bauteil (16) ein Träger für ein Lagerelement (42) ist.
9. Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei ein Rotorelement (24) wenigstens einer Pumpstufe (25) von einem Rotorelementträger
(22) getragen ist und wobei der Rotorelementträger (22) einen Durchgang (38) für ein
von dem Rotorelement (24) gefördertes oder zu förderndes Gas aufweist.
10. Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 9,
wobei der Durchgang (38) pumpwirksam ausgebildet ist.
11. Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Seitenkanalpumpstufe (33) einen Ringkanal (36) und ein darin rotierendes
Rotorelement (34) aufweist, wobei zwischen dem Rotorelement (34) und einem den Ringkanal
(36) definierenden Bauteil (56) ein Spalt (58) ausgebildet ist,
wobei im und/oder benachbart zum Spalt (58) eine pumpaktive Struktur vorgesehen ist,
die eine Pumpwirkung entgegen einer Leckage aus dem Ringkanal (36) durch den Spalt
(58) aufweist.
12. Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 11,
wobei die pumpaktive Struktur auf einem Leckagepfad zwischen zwei Seitenkanalpumpstufen
(33) angeordnet ist.
13. Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei ein Vakuumanschluss zwischen zwei Pumpstufen vorgesehen ist.
14. Vakuumsystem (70), insbesondere Massenspektrometriesystem, umfassend eine erste Vakuumkammer
(72),
eine Turbomolekularpumpe (74) mit einem Einlass, der an der ersten Vakuumkammer (72)
angeschlossen ist,
eine zweite Vakuumkammer (78),
eine Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 13, die einen Haupteinlass (14) aufweist, der
mit einem Auslass der Turbomolekularpumpe (74) verbunden ist,
wobei der Vakuumanschluss (54, 64) einen Zwischeneinlass bildet, der an der zweiten
Vakuumkammer (78) angeschlossen ist.
15. Vakuumsystem (70) nach Anspruch 14,
wobei die Vakuumpumpe (10) einen Auslass aufweist, der mit einem Einlass einer Vorvakuumpumpe
(80) verbunden ist.