VAKUUMPUMPE UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES STATORBAUTEILS FÜR EINEN STATOR EINER VAKUUMPUMPE

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Gehäuse und zumindest einer in dem Gehäuse angeordneten Pumpstufe, die einen Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst, wobei der Stator wenigstens ein Statorbauteil mit einer Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist, und wobei der zweite Anteil der Oberfläche unbeschichtet ist und einen thermischen Emissionsgrad ε von mindestens 0,25, bevorzugt mindestens 0,3, bei 50°C aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Gehäuse und zumindest einer in dem Gehäuse angeordneten Pumpstufe, die einen Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Statorbauteils für einen Stator einer Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe.

[0002] In Abhängigkeit von Art und Menge der geförderten Gase kommt es während des Betriebs einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe (TMP), zu einer Erhitzung des Rotors. In vielen Vakuumanwendungen führt die Förderung einer großen Gasmenge dazu, dass eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, an ihrem Limit betrieben wird, weil der Rotor die maximale Temperatur erreicht, bis zu der er zuverlässig einer dauerhaften Belastung ausgesetzt werden kann. Die Erhitzung des Rotors kann sich negativ auf dessen Lebensdauer auswirken und die maximale mit der Vakuumpumpe förderbare Gasmenge begrenzen.

[0003] Grundsätzlich kann die gebildete Wärme durch Wärmestrahlung vom Rotor zum Stator und von dort wiederum nach außen an ein (ggf. gekühltes) Pumpengehäuse abgegeben werden. Eine Verbesserung der Wärmeabfuhr vom Rotor zu einem Statorbauteil erfordert jedoch eine Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen den beteiligten Flächen. Die Oberflächentemperatur des Statorbauteils muss also möglichst weit unter derjenigen des Rotors liegen. Gemäß dem physikalischen Zusammenhang der Wärmestrahlung kann ein Körper umso besser Wärme aufnehmen oder abgeben, je höher der thermische Emissionsgrad ε seiner Oberfläche ist, also das Verhältnis seiner tatsächlichen Strahlungsleistung zu der eines idealen schwarzen Strahlers.

[0004] Im Stand der Technik wird vorgeschlagen, Oberflächen von Teilen des Stators zu beschichten. Aus der Patentschrift EP 2 775 148 B1 sind Statorbauteile bekannt, deren Oberflächen teilweise mit einer Nickeloxid-Schicht oder einer Aluminiumoxid-Schicht überzogen sind, wodurch eine verstärkte Wärmeübertragung über den Stator gewährleistet werden soll. Damit die an bestimmten Oberflächen des Stators, etwa an äußeren Kontaktflächen oder an den Radialspalt angrenzenden, dem Rotor direkt gegenüberliegenden Stegspitzen, nötige Maßgenauigkeit erreicht werden kann, muss die Oxidschicht dort jedoch nach ihrer Aufbringung wieder von dem Statorbauteil entfernt werden, oder die entsprechenden Abschnitte der Oberfläche müssen durch Maskierung geschützt werden, bevor die Oxidschicht aufgebracht wird. In beiden Fällen ist das Verfahren aufwändig, da zusätzlich zu den beiden immer erforderlichen Schritten der Urformung und der Nachbearbeitung des Statorbauteils sowohl ein Beschichtungsvorgang als auch weitere Schritte zum lokalen Entfernen oder Fernhalten des Überzugsmaterials durchgeführt werden müssen. Zudem können sich Überzüge im Lauf der Zeit von dem darunter liegenden Material ablösen, was zur Verschlechterung des Emissionsgrads und zur Verunreinigung der Pumpe durch abgelöste Partikel führen kann.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, auf eine möglichst einfache Weise die Kühlung einer Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, so zu verbessern, dass ein Rotor der Pumpe bei ansonsten gleichen Bedingungen mit einer niedrigeren Rotortemperatur betrieben werden kann.

[0006] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1.

[0007] Eine solche Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Gehäuse und zumindest einer in dem Gehäuse angeordneten Pumpstufe, umfasst einen Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor, wobei der Stator wenigstens ein Statorbauteil mit einer Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist.

[0008] Erfindungsgemäß ist dabei der zweite Anteil der Oberfläche des Statorbauteils unbeschichtet und weist einen thermischen Emissionsgrad ε von mindestens 0,25, bevorzugt mindestens 0,3, bei 50°C auf. Ein hoher Emissionsgrad bei 50°C ist vorteilhaft, weil diese Temperatur im Bereich der üblichen Betriebstemperatur des Rotors liegt. Somit erfolgt im Betrieb eine besonders wirksame Wärmeabfuhr.

[0009] Der thermische Emissionsgrad ε des zweiten Anteils der Oberfläche beträgt bevorzugter mindestens 0,4, noch bevorzugter mindestens 0,5, besonders bevorzugt mindestens 0,6, ganz besonders bevorzugt mindestens 0,7, noch stärker bevorzugt mindestens 0,8, und am bevorzugtesten mindestens 0,9 bei 50°C.

[0010] Insbesondere kann der thermische Emissionsgrad ε des zweiten Anteils höher sein als derjenige des ersten Anteils.

[0011] Der thermische Emissionsgrad ε ist ein Gesamtemissionsgrad über den infraroten Wellenlängenbereich von 0,78 µm bis 1 mm.

[0012] Der thermische Emissionsgrad ε eines erwärmten Messobjekts kann mit Hilfe eines Thermofühlers und eines Infrarotmessgeräts mit einstellbarem Emissionsgrad gemessen werden. Dabei wird zunächst mittels des berührenden Thermofühlers die tatsächliche Temperatur der Oberfläche an einem Punkt des erwärmten Messobjekts bestimmt. Anschließend wird die Oberflächentemperatur mit dem Infrarotmessgerät erfasst, zunächst mit einem eingestellten Emissionsgrad von 1. Danach wird der Emissionsgrad am Infrarotmessgerät variiert, bis die ausgegebenen Temperaturen von Thermofühler und Infrarotmessgerät übereinstimmen. Somit kann der tatsächliche thermische Emissionsgrad eines jeweiligen erwärmten Messobjekts experimentell ermittelt werden.

[0013] Alternativ erfolgt die Lösung der obigen Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 2.

[0014] Erfindungsgemäß besitzt in dieser Alternative der zweite Anteil der Oberfläche des Statorbauteils eine fertigungsbedingte, nicht durch trennende Nachbearbeitung oder durch Beschichten veränderte Oberflächenbeschaffenheit.

[0015] Bevorzugt ist die fertigungsbedingte Oberflächenbeschaffenheit des zweiten Anteils der Oberfläche des Statorbauteils eine Rauigkeit, die im Bereich von 3 µm oder mehr, bevorzugt 5 µm oder mehr, bevorzugter 10 µm oder mehr, noch bevorzugter 20 µm oder mehr, besonders bevorzugt 30 µm, ganz besonders bevorzugt 40 µm oder mehr, am bevorzugtesten 50 µm oder mehr liegt, und/oder eine Farbgebung, insbesondere wobei die Farbgebung durch Zugabe zumindest eines farbgebenden Mittels zu einem bei der Fertigung des Statorbauteils verwendeten Ausgangsmaterial erhalten worden ist.

[0016] Um zugleich möglichst gute vakuumtechnische Eigenschaften des Statorbauteils zu erreichen, beträgt die Rauigkeit des zweiten Anteils der Oberfläche des Statorbauteils zudem bevorzugt 500 µm oder weniger, bevorzugter 400 µm oder weniger, noch bevorzugter 300 µm oder weniger, besonders bevorzugt 250 µm oder weniger, ganz besonders bevorzugt 200 µm oder weniger, noch stärker bevorzugt 150 µm oder weniger, und am bevorzugtesten 100 µm oder weniger. Beispielsweise liegt die Rauigkeit des zweiten Anteils der Oberfläche des Statorbauteils also in einem Bereich von bevorzugt 3 µm bis 500 µm, bevorzugter 5 µm bis 400 µm, noch bevorzugter 10 µm bis 300 µm, besonders bevorzugt 20 µm bis 250 µm, ganz besonders bevorzugt 30 µm bis 200 µm, noch stärker bevorzugt 40 µm bis 150 µm, und am bevorzugtesten 50 µm bis 100 µm. Es versteht sich jedoch, dass auch beliebige andere, hier nicht explizit aufgeführte Kombinationen der genannten bevorzugten oberen und unteren Grenzwerte möglich sind und dass diese Kombinationen ebenfalls bevorzugte Rauigkeitsbereiche darstellen.

[0017] In einer weiteren Alternative der Erfindung erfolgt die Lösung der obigen Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 4.

[0018] Erfindungsgemäß ist in dieser Alternative der Erfindung der zweite Anteil der Oberfläche des Statorbauteils unbeschichtet, und der zweite Anteil der Oberfläche besitzt eine fertigungsbedingte Rauigkeit, die im Bereich von 3 µm oder mehr, bevorzugt 5 µm oder mehr, bevorzugter 10 µm oder mehr, noch bevorzugter 20 µm oder mehr, besonders bevorzugt 30 µm, ganz besonders bevorzugt 40 µm oder mehr, am bevorzugtesten 50 µm oder mehr liegt, und/oder eine Farbgebung, insbesondere wobei die Farbgebung durch Zugabe zumindest eines farbgebenden Mittels zu einem bei der Fertigung des Statorbauteils verwendeten Ausgangsmaterial erhalten worden ist.

[0019] Hinsichtlich der bevorzugten Obergrenze der fertigungsbedingten Rauigkeit des zweiten Anteils der Oberfläche gilt das bereits oben Gesagte.

[0020] In der vorliegenden Offenbarung ist unter dem Begriff "Rauigkeit", sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, eine mittlere Rautiefe Rz gemäß DIN EN ISO 4287:2010-07 zu verstehen.

[0021] Ein erfindungsgemäßes Statorbauteil, dessen Oberfläche zumindest in ihrem zweiten Abschnitt einen erhöhtem Emissionsgrad ε aufweist, kann den Wärmetransport sowohl vom Rotor zum Stator als auch vom Stator zum Gehäuse verstärken. Zugleich ist der zweite Anteil unbeschichtet, wodurch sich die Widerstandsfähigkeit und Haltbarkeit des Statorbauteils gegenüber beschichteten Teilen verbessert. Überdies ist das erfindungsgemäße Statorbauteil einfach herzustellen, weil der zweite Abschnitt in dem Zustand belassen werden kann, in welchem er unmittelbar nach der Fertigung durch Urformen erhalten wird. Anders als im Stand der Technik kann in der vorliegenden Erfindung direkt eine Oberfläche mit erhöhtem Emissionsgrad erhalten werden, ohne dass hierzu irgendeine Nachbehandlung erforderlich ist.

[0022] Obwohl die vorliegende Erfindung mehrere alternative Möglichkeiten zur Lösung der ihr zugrundeliegenden Aufgabe bietet, beziehen sich die als optional, bevorzugt und/oder vorteilhaft bezeichneten Merkmale und Ausführungsformen immer auf alle hierin genannten Alternativen der Erfindung, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.

[0023] Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der erste Anteil der Oberfläche des Statorbauteils einer Nachbearbeitung unterzogen worden ist, insbesondere einer Nachbearbeitung durch Trennen, insbesondere einer spanenden Bearbeitung. Der erste Anteil ist dadurch besonders geeignet, diejenigen Flächen eines Statorbauteils zu bilden, bei denen eine hohe Maßgenauigkeit gefordert ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zudem der zweite Anteil nicht durch Trennen, insbesondere nicht spanend nachbearbeitet ist. Hierdurch kann nicht nur der Nachbearbeitungsaufwand verringert, sondern auch eine hohe Rauigkeit und damit einhergehend ein hoher thermischer Emissionsgrad des zweiten Anteils der Oberfläche erzielt werden. Dies bewirkt den erheblichen Vorteil, dass bereits als unmittelbares Ergebnis der Fertigung, ohne jegliche Nachbehandlung, ein Oberflächenanteil mit erhöhtem Emissionsgrad erhalten wird. Im Stand der Technik wird eine Steigerung des Emissionsgrades nur über eine umständliche Nachbehandlung erreicht, bei der eine Beschichtung auf das Statorbauteil aufgebracht werden muss.

[0024] Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht grundsätzlich ausgeschlossen, neben dem ersten Anteil auch den zweiten Anteil der Oberfläche einer Nachbearbeitung zu unterziehen, beispielsweise einer Nachbearbeitung durch Trennen, insbesondere einer spanenden Bearbeitung. Dabei ist es jedoch bevorzugt, dass die Rauigkeit des zweiten Anteils der Oberfläche durch die Nachbearbeitung nicht unter einen Wert von 3 µm, bevorzugter 5 µm, noch bevorzugter 10 µm, besonders bevorzugt 20 µm, ganz besonders bevorzugt 30 µm, noch stärker bevorzugt 40 µm, am bevorzugtesten 50 µm, fällt.

[0025] Überdies ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, eine Nachbehandlung des zweiten Anteils der Oberfläche vorzunehmen, die zu einer Erhöhung der Rauigkeit des zweiten Anteils führt. Ein solches Aufrauen des zweiten Anteils der Oberfläche kann beispielsweise durch Herausbrechen einer Stützstruktur, Laserstrukturieren, Schleifen oder Sandstrahlen, bevorzugt durch Herausbrechen einer Stützstruktur oder Laserstrukturieren, besonders bevorzugt durch Laserstrukturieren erfolgen.

[0026] Unter dem Herausbrechen einer Stützstruktur ist zu verstehen, dass bei der Urformung des Statorbauteils, insbesondere bei einem additiven Fertigungsverfahren wie Lasersintern oder Laserschmelzen, zumindest in einen aufzurauenden Bereich (d.h. in zumindest einen Teil des zweiten Anteils der Oberfläche) des Statorbauteils eine Stützstruktur eingearbeitet wird. Bei dem aufzurauenden Bereich des Statorbauteils kann es sich beispielsweise um eine Nut eines Holweck-Stators handeln. Nach Abschluss des Urformungsprozesses kann die zum Beispiel wabenartige Stützstruktur mechanisch, z.B. manuell, aus dem zweiten Anteil der Oberfläche des Statorbauteils herausgebrochen werden. Durch diese Methode können besonders hohe Rauigkeiten erzielt werden.

[0027] Ein solches Herausbrechen von Stützstrukturen kann auch als zur Fertigung gehörend betrachtet werden und ist dann keine Nachbehandlung. In diesem Fall ist die Oberflächenbeschaffenheit bzw. die Rauigkeit, die durch das Herausbrechen entsteht, eine fertigungsbedingte Rauigkeit.

[0028] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der erste Anteil der Oberfläche im zusammengesetzten Zustand der Pumpstufe zumindest bereichsweise eine Kontakt-, Pass- oder Maßfläche relativ zu einem oder mehreren anderen Bauteilen der Vakuumpumpe bildet. Der erste und der zweite Anteil der Oberfläche können somit einander ergänzende oder sogar einander ausschließende Funktionen aufweisen. Während der zweite Anteil der Oberfläche nämlich Eigenschaften aufweist, die einen möglichst hohen Emissionsgrad gewährleisten, wie zum Beispiel eine hohe Rauigkeit, kann der erste Anteil, zum Beispiel durch spanende Nachbearbeitung, so ausgebildet sein, dass er die an bestimmten Stellen der Vakuumpumpe geforderten Toleranzen erfüllt und/oder eine gute Passung und/oder gute Wärmeübertragung an unmittelbar am ersten Anteil anliegende Pumpenbauteile aufweist.

[0029] Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Statorbauteil ein Holweckstator einer Holweck-Pumpstufe oder ein Distanzring einer Turbopumpstufe ist. Dadurch kann in der Holweck-Pumpstufe, in der Turbopumpstufe oder auch in beiden Stufen zugleich die Wärmeabfuhr verbessert und die Gefahr einer Überhitzung der jeweiligen Rotoren oder eines gemeinsamen Rotors verringert werden.

[0030] Wenn es sich bei dem Statorbauteil um einen Holweckstator handelt, ist es besonders bevorzugt, dass der erste Anteil der Oberfläche die Stegspitzen und/oder die äußere Mantelfläche des Holweckstators bildet. Die Spitzen der Stege zwischen den Nuten des Holweckstators grenzen nämlich im Betriebszustand der Pumpe an den auch als Holweckspalt bezeichneten Radialspalt zwischen Rotor und Stator an, liegen also dem Rotor in geringem Abstand direkt gegenüber. An diesen Stellen ist für die Funktion der Holweck-Pumpstufe eine hohe Maßgenauigkeit gefordert. Auch an der äußeren Mantelfläche eines Holweckstators ist diese hohe Genauigkeit zwecks Einpassung in das Pumpengehäuse und zur Sicherstellung einer guten Wärmeübertragung auf umliegende Teile des Pumpengehäuses erforderlich, unabhängig davon, ob die Kontaktfläche zum Einpressen oder zum Anschrauben ausgeführt ist. Ganz besonders bevorzugt ist daher der erste Anteil der Oberfläche, der die Stegspitzen und/oder die äußere Mantelfläche des Holweckstators bildet, durch Trennen, insbesondere spanend, nachbearbeitet.

[0031] Wenn es sich bei dem Statorbauteil um einen Holweckstator handelt, ist es, alternativ oder zusätzlich zu dem oben Gesagten, außerdem besonders bevorzugt, dass der zweite Anteil der Oberfläche zumindest Abschnitte der Nuten, insbesondere die gesamten Nuten des Holweckstators bildet. Die Nuten müssen weniger hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit erfüllen und können daher genutzt werden, um den Emissionsgrad des Holweckstators zu optimieren. In den Nuten des Holweckstators ist es toleranzbedingt zum Beispiel möglich, die Oberfläche in einem Zustand mit hoher fertigungsbedingter Rauigkeit zu belassen, um einen entsprechend hohen thermischen Emissionsgrad zu erzielen.

[0032] Wenn es sich bei dem Statorbauteil um einen Distanzring einer Turbopumpstufe handelt, ist es besonders bevorzugt, dass der erste Anteil der Oberfläche die Kontaktstellen zu benachbarten Bauteilen bildet. Bei den benachbarten Teilen kann es sich beispielsweise um Distanzringe, Statorscheiben oder ein Pumpengehäuse handeln. Wie bereits zuvor am Beispiel der Holweckstatoren ausgeführt, ist an solchen Kontaktflächen eine hohe Maßgenauigkeit nötig, um eine präzise Passung und einen möglichst guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Ganz besonders bevorzugt ist daher der erste Anteil der Oberfläche, der die Kontaktflächen des Distanzringes zu anderen Teilen der Pumpe bildet, durch Trennen, insbesondere spanend, nachbearbeitet.

[0033] Wenn es sich bei dem Statorbauteil um einen Distanzring einer Turbopumpstufe handelt, ist es, alternativ oder zusätzlich zu dem oben Gesagten, außerdem besonders bevorzugt, dass der zweite Anteil der Oberfläche zumindest Abschnitte des Innendurchmessers, insbesondere den gesamten Innendurchmesser des Holweckstators bildet. Der Innendurchmesser muss weniger hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit erfüllen und kann daher genutzt werden, um den Emissionsgrad des Distanzringes zu optimieren. Entlang des Innendurchmessers des Distanzringes ist es toleranzbedingt zum Beispiel möglich, die Oberfläche in einem Zustand mit hoher fertigungsbedingter Rauigkeit zu belassen, um einen entsprechend hohen thermischen Emissionsgrad zu erzielen.

[0034] Bevorzugt ist das Statorbauteil durch ein Gießverfahren, ein Sinterverfahren oder ein additives Verfahren gefertigt. Diesen Urformungsverfahren ist der Vorteil gemeinsam, dass sie die Herstellung von Teilen mit einer hohen fertigungsbedingten Rauigkeit und einem daraus resultierenden hohen thermischen Emissionsgrad ermöglichen. Ein weiterer Vorteil der genannten Verfahren besteht darin, dass sie den Einbau von farbgebenden Mitteln in den zu formenden Werkstoff erlauben.

[0035] Gießen, also das Füllen eines schmelzflüssigen Werkstoffes in eine Form, gefolgt von der Erstarrung der Schmelze, stellt ein besonders einfaches und kostengünstiges urformendes Verfahren dar, mit dem sich ein den vakuumtechnischen Anforderungen genügendes Statorbauteil herstellen lässt. Wenn das Statorbauteil ein Gussteil ist, ergibt sich der Vorteil, dass der Werkstoff aus dem formlosen flüssigen Zustand unmittelbar in eine endkonturnahe Gestalt überführt werden kann. Bevorzugt wird eine Gussform mit einer strukturierten Formoberfläche verwendet, wodurch sich vorteilhafterweise die Rauigkeit zumindest eines Teils der Oberflächen des gegossenen Statorbauteils gezielt beeinflussen lässt.

[0036] Das in der vorliegenden Erfindung angewandte Gießverfahren ist grundsätzlich nicht beschränkt, und das Statorbauteil kann beispielsweise durch statischen Guss (Schwerkraft- oder Standguss) oder, bevorzugt, durch dynamischen Guss (insbesondere Schleudergießen, Niederdruckgießen oder Druckgießen) hergestellt werden. Besonders bevorzugt wird das Statorbauteil durch Druckgießen hergestellt. Dabei wird die Schmelze unter hohem Druck in eine Dauerform gepresst. Dieses Verfahren bietet den Vorteil einer sehr genauen Konturenwiedergabe. Bei dem Druckgießverfahren kann es sich besonders bevorzugt um ein Vakuumdruckgießverfahren handeln. Dieses bietet den Vorteil, dass eine höhere Materialgüte erreicht wird, weil weniger Luft und sonstige Gase im Werkstoff eingeschlossen werden, so dass sich die Porosität des Gussteils verringert und seine Dichte und Druckdichtheit steigen. Anstelle von vollkommen verflüssigten Werkstoffen können auch teilflüssige oder teigige Materialien als Gussmasse eingesetzt werden (sogenanntes Thixo- oder Rheo-Casting).

[0037] Wenn das Statorbauteil ein Gussteil ist, kann zu seiner Herstellung bevorzugt eine Gussform mit strukturierter Oberfläche verwendet werden, um die fertigungsbedingte Rauigkeit in den einzelnen Oberflächenbereichen des Statorbauteils gezielt zu beeinflussen, also zum Beispiel durch die lokale Oberflächenstruktur der Gussform in den entsprechenden Bereichen eine möglichst hohe Rauigkeit in den Nuten eines gegossenen Holweck-Stators oder entlang des Innendurchmessers eines gegossenen Distanzringes einer Turbopumpstufe zu erreichen.

[0038] Kommt bei der Urformung ein Sinterverfahren zur Anwendung, so wird das in der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe eingesetzte Statorbauteil durch Anwendung eines Formgebungs- und Sinterprozesses aus einem pulvrigen oder körnigen Werkstoff hergestellt. Hierbei wird das als Rohstoff dienende Pulver oder Granulat zunächst in einem Werkzeug unter Druck zu einem Grünkörper verdichtet. Dieser ungesinterte Pressling weist noch keine nennenswerte Festigkeit auf. Um zu einem vakuumtechnisch brauchbaren Statorbauteil zu kommen, ist daher eine anschließende Sinterung nötig. Diese besteht in einer Wärmebehandlung unter Schutzgas (z.B. Stickstoff, Wasserstoff) bei verhältnismäßig hoher Temperatur, ist überwiegend eine Festkörperreaktion, unter Umständen in Gegenwart einer geringen Menge flüssiger Phase, und bewirkt einen thermisch aktivierten Stofftransport. Das Ergebnis der Sinterung ist die Verbindung der einzelnen Werkstoffpartikel zu einem zusammenhängenden Sinterformteil mit hoher Festigkeit. Die Press- und Sintervorgänge können bei Bedarf auch wiederholt werden, um z.B. eine zusätzliche Nachverdichtung zu erreichen. Falls nach Abschluss der Sinterung eine hohe Restporosität (z.B. >12 Volumenprozent) in dem Statorbauteil verbleibt, kann dieser Porenraum in einem weiteren Schritt mit einem geschmolzenen weiteren Werkstoff (z.B. einem Metall oder einer Legierung) gefüllt werden, der einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als der Sinterkörper.

[0039] Unter dem Begriff der additiven Fertigung (auch als "3D-Druck" bezeichnet) werden verschiedene Urformungstechniken zusammengefasst, denen gemeinsam ist, dass die Fertigung bzw. Formgebung durch Aneinanderfügen von Volumenelementen, insbesondere Schichten, erfolgt. Die Herstellung des in der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe eingesetzten Statorbauteils ist dabei jedoch nicht auf eine bestimmte Art von additiver Fertigung beschränkt. Als in der vorliegenden Erfindung verwendbare Varianten seien hier beispielhaft genannt: Pulverbettfusion (engl. powder bed fusion, PBF), insbesondere Lasersintern, Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, direktes Metallpulversprühen (engl. direct metal deposition, DMD), und Direktenergie-Abscheidung (engl. direct energy deposition, DED).

[0040] Unter additiven Verfahren können aber auch solche Fertigungsmethoden verstanden werden, bei denen ausgehend von einem Gemisch aus einem WerkstoffPulver (z.B. Keramik oder Metall) und einem Bindemittel (z.B. Polymer, Wachs oder Klebstoff) durch die eigentliche additive Fertigung lediglich ein Grünkörper entsteht, der erst durch eine Nachbehandlung, beispielsweise eine herkömmliche Hochtemperaturbehandlung wie Entbindern und Sintern, in das Endprodukt überführt wird. Der Grünkörper eines in der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe eingesetzten Statorbauteils kann daher beispielsweise auch durch schichtweises Extrudieren eines Werkstoffpulver-Bindemittel-Gemisches (Strangablageverfahren oder Schmelzschichtung, engl. fused deposition modeling, FDM) oder durch sogenanntes "Binder Jetting" hergestellt werden, bei dem ein Bauteil aufgebaut wird, indem ein Bindemittel durch eine Düse auf eine Werkstoffpulverschicht aufgetragen wird.

[0041] Wenn das in der Vakuumpumpe der vorliegenden Erfindung eingesetzte Statorbauteil durch ein additives Verfahren gefertigt ist, wird zur Herstellung des Bauteils bevorzugt wenigstens ein Pulverwerkstoff verwendet. Der Pulverwerkstoff kann durch physikalische, insbesondere thermische, und/oder chemische Prozesse schichtweise verfestigt werden. Dabei kann der Pulverwerkstoff in Form gebracht und verdichtet werden, wobei zumindest annähernd ein homogenes Material gebildet werden kann. Durch den Aufbau des Bauteils aus einem Pulverwerkstoff kann das Bauteil endkonturnah oder zumindest im Wesentlichen endkonturgetreu mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden, wodurch insbesondere auch komplexe Bauteile kostengünstig, mit geringem Materialaufwand und unter Erzeugung von nur geringem Abfall herstellbar sind.

[0042] Die vorstehend genannten spezifischen Gießverfahren, Sinterverfahren und additiven Fertigungsverfahren sind lediglich beispielhafter Natur und stellen keine abschließende Aufzählung der in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Gieß-, Sinter- und additiven Verfahren dar.

[0043] Zur Herstellung des in der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe eingesetzten Statorbauteils kann grundsätzlich jeder Werkstoff verwendet werden, der den vakuumtechnischen Anforderungen genügt. Es kann beispielsweise ein metallischer Werkstoff, ein keramischer Werkstoff, ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff (engl. metal matrix composite, MMC), ein Kunststoff oder ein Kunststoff-Verbundmaterial verwendet werden.

[0044] Metallische Werkstoffe und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe sind hierbei bevorzugt, da sie neben günstigen mechanischen Eigenschaften und guter Bearbeitbarkeit eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was sich vorteilhaft auf den Wärmetransport vom Statorbauteil zu den daran anliegenden Gehäuseteilen auswirkt. Zu den als metallische Werkstoffe verwendbaren Metallen und Legierungen zählen beispielsweise Aluminium, Aluminiumlegierungen, Eisenlegierungen, beispielsweise Stahl oder Gusseisen, Titan, Titanlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Magnesiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen oder Kobaltlegierungen. Wenn das Statorbauteil der vorliegenden Erfindung aus einem metallischen Werkstoff hergestellt wird, werden hierfür bevorzugt Aluminium, Aluminiumlegierungen, Titan, Titanlegierungen oder Eisenlegierungen verwendet, besonders bevorzugt Aluminium, Aluminiumlegierungen, oder Eisenlegierungen, am bevorzugtesten Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

[0045] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Statorbauteil aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gebildet, wobei der zweite Anteil der Oberfläche des Statorbauteils eine Rauigkeit von 30 µm bis 150 µm und einen Emissionsgrad von 0,7 oder mehr aufweist.

[0046] Metallmatrix-Verbundwerkstoffe bestehen aus einer zusammenhängenden Matrix aus einem Metall oder einer Legierung, in der Teilchen oder Fasern aus einem nicht-metallischen Material diskontinuierlich verteilt sind. Bei dem in der Metallmatrix verteilten nicht-metallischen Material handelt es sich um ein anorganisches Material, beispielsweise um ein keramisches Material (z.B. ein Carbid, Oxid, Nitrid oder Borid) oder ein elementares Nichtmetall oder Halbmetall (z.B. Kohlenstoff, Silicium). Wenn das Statorbauteil der vorliegenden Erfindung aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff hergestellt wird, wird als das Metall oder die Legierung, das bzw. die als Metallmatrix dient, bevorzugt Aluminium, eine Aluminiumlegierung, eine Eisenlegierung, beispielsweise Stahl oder Gusseisen, Titan, eine Titanlegierung, Nickel, eine Nickellegierung, eine Magnesiumlegierung, Kupfer, eine Kupferlegierung oder eine Kobaltlegierung verwendet, besonders bevorzugt Aluminium, eine Aluminiumlegierung, eine Eisenlegierung, Titan, eine Titanlegierung, eine Magnesiumlegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung, noch bevorzugter Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Titan, eine Titanlegierung oder eine Magnesiumlegierung, am bevorzugtesten Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Titan oder eine Titanlegierung. Als nicht-metallisches Material kann ein keramisches Material verwendet werden, welches oxidisch oder nicht-oxidisch sein kann. Beispiele für bevorzugte oxidische keramische Materialien sind Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid. Insbesondere ist das keramische Material nicht-oxidisch. Nichtoxidkeramiken, beispielsweise Nitride, Carbide oder Boride, bieten verschiedene Vorteile, etwa hohe chemische und thermische Stabilität sowie eine im Vergleich zu Oxidkeramiken bessere Wärmeleitfähigkeit. Besonders bevorzugte Nichtoxidkeramiken sind die Carbide, Nitride, Silicide oder Boride von Aluminium, Hafnium, Lanthan, Molybdän, Tantal, Titan, Wolfram, Zirkonium, (im Fall der Carbide, Nitride und Silicide) Bor oder (im Fall der Carbide, Nitride und Boride) Silicium. Beispiele für bevorzugte nicht-oxidische keramische Materialien sind Borcarbid, Bornitrid, Borsilicid (Siliciumborid), Lanthanhexaborid, Molybdänsilicid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Titanborid, Titancarbid, Titannitrid, Wolframcarbid, Zirkoniumborid und Gemische von zweien oder mehreren derselben. Bevorzugter sind Borcarbid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Titancarbid und Gemische von zweien oder mehreren derselben. Am bevorzugtesten sind Siliciumcarbid und Siliciumnitrid.

[0047] Neben den bereits oben erwähnten elementaren Nichtmetallen, wie Si oder C, und den oben beschriebenen keramischen Materialien, können als nicht-metallisches Material in dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff alternativ oder zusätzlich aber auch andere anorganische Stoffe verwendet werden. Beispielsweise können auch solche Metalloxide zum Einsatz kommen, die nicht zu den gängigen Oxidkeramik-Werkstoffen gezählt werden, nämlich bevorzugt Chromoxid, Eisenoxid, Kobaltoxid, Manganoxid, Nickeloxid und/oder Titanoxid, bevorzugter Chromoxid, Eisenoxid, Manganoxid und/oder Nickeloxid, noch bevorzugter Eisenoxid und/oder Nickeloxid, besonders bevorzugt Eisenoxid.

[0048] Die Einarbeitung des nicht-metallischen Materials in die Metallmatrix kann bevorzugt so erfolgen, wie unten für die Einarbeitung farbgebender, nichtmetallischanorganischer Mittel in einen metallischen Werkstoff als bevorzugt angegeben.

[0049] Auch unterschiedliche Materialkombinationen können in dem Statorbauteil vorgesehen sein. Ein Bereich des Bauteils kann zum Beispiel aus einem Werkstoff ausgestaltet sein, während ein anderer Bereich aus einem anderen Werkstoff ausgestaltet ist. Ein erster Bereich des Bauteils kann beispielsweise aus einem ersten Metall, z.B. Aluminium, und ein zweiter Bereich des Bauteils kann beispielsweise aus einem zweiten Metall, z.B. Titan, ausgebildet sein, wobei sich im Grenzbereich zwischen den beiden Bereichen zum Beispiel Übergänge zwischen einem ersten und einem zweiten Metall, z.B. Aluminium-Titan-Übergänge, mit intermetallischer Bindung bilden können.

[0050] Wenn der Werkstoff, aus dem das Statorbauteil gebildet wird, eine Farbgebung aufweisen soll, kann dies bevorzugt dadurch erfolgen, dass dem Werkstoff vor der Bildung einer endkonturnahen oder endkonturgetreuen Form, insbesondere vor dem Beginn des Urformungsvorgangs, mindestens ein farbgebendes Mittel beigemengt wird, das durch seine Anwesenheit eine Verfärbung des Werkstoffs bewirkt. Hierin soll der Begriff "farbgebendes Mittel" sowohl Farbstoffe im engeren Sinn bezeichnen, also Stoffe, die selbst farbig sind, als auch Stoffe, die erst in Verbindung mit dem Werkstoff eine Farbgebung hervorrufen.

[0051] Die durch ein farbgebendes Mittel erfolgende Farbgebung an der Oberfläche des Statorbauteils muss im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zwangsläufig einen optisch wahrnehmbaren Farbeindruck, also Änderungen des Emissionsspektrums im sichtbaren Bereich (λ = 0,38 bis 0,78 µm) bewirken, sondern kann auch eine Erhöhung des Absorptions- und Emissionsvermögens nur für Infrarotstrahlung sein. Als Infrarotstrahlung gilt insbesondere elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 0,78 µm und 1 mm. Im relevanten Temperaturbereich (Rotortemperaturen bis etwa 110°C) wird praktisch die gesamte Wärmestrahlung im Infrarotbereich abgegeben. Dennoch ist natürlich nicht ausgeschlossen, dass die Farbgebung auch mit bloßem Auge erkennbar ist, z.B. als graue oder schwarze Verfärbung des Werkstoffs.

[0052] Das mindestens eine farbgebende Mittel ist insbesondere eine nichtmetallische anorganische Substanz, welche der Beanspruchung durch den Herstellungsprozess des Statorbauteils standhalten kann und die vakuumtechnische Eignung des damit eingefärbten Statorbauteils nicht beeinträchtigt, z.B. hinsichtlich der mechanischen und thermischen Stabilität. Bevorzugt kann als farbgebendes Mittel mindestens ein elementares Nichtmetall und/oder mindestens ein anorganisches Pigment und/oder mindestens ein keramisches Material verwendet werden, bevorzugter mindestens ein keramisches Material und/oder mindestens ein anorganisches Pigment. Das keramische Material kann oxidisch oder nicht-oxidisch sein. Beispiele für bevorzugte oxidische keramische Materialien sind Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid. Insbesondere ist das keramische Material nicht-oxidisch. Wie bereits oben erwähnt, weisen Nichtoxidkeramiken, wie Nitride, Carbide oder Boride, Vorteile im Vergleich zu Oxidkeramiken auf. Bevorzugt können dabei diejenigen Nichtoxidkeramiken verwendet werden, die oben bereits allgemein im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundwerkstoffen als bevorzugt bezeichnet wurden.

[0053] Als anorganisches Pigment kann beispielsweise mindestens ein Metalloxid verwendet werden, bevorzugt Chromoxid, Eisenoxid, Kobaltoxid, Manganoxid, Nickeloxid und/oder Titanoxid, bevorzugter Chromoxid, Eisenoxid, Manganoxid und/oder Nickeloxid, noch bevorzugter Eisenoxid und/oder Nickeloxid, besonders bevorzugt Eisenoxid.

[0054] Das farbgebende, bevorzugt nichtmetallisch-anorganische, Mittel, insbesondere das mindestens eine elementare Nichtmetall, das mindestens eine anorganische Pigment und/oder das mindestens eine keramische Material, wird bevorzugt in einen metallischen Werkstoff eingearbeitet, also in ein Metall oder in eine Legierung. Dazu können bevorzugt die oben genannten Urformungsverfahren genutzt werden, also Gießen, Sintern oder additive Fertigung. Falls das Statorbauteil ein Gussteil ist, wird dieses also bevorzugt aus einer gemischten Gussmasse erzeugt, die neben mindestens einem verflüssigten Metall auch mindestens ein darin verteiltes farbgebendes Mittel enthält. Dies kann insbesondere durch Rührgießen ("stir casting") erfolgen. Falls das Statorbauteil ein Sinterteil ist, wird bevorzugt bereits der entsprechende Grünkörper aus einem Gemisch mindestens eines Metallpulvers oder -granulats mit einem Pulver oder Granulat mindestens eines farbgebenden Mittels gepresst, und/oder es wird ein nach dem Sintern erhaltener poröser Sinterkörper, der mindestens ein farbgebendes Mittel enthält, mit mindestens einem geschmolzenen metallischen Werkstoff infiltriert. Falls das Statorbauteil durch ein additives Verfahren gefertigt wird, ist es bevorzugt, dass ein Pulver oder Granulat mindestens eines metallischen Werkstoffes mit einem Pulver oder Granulat mindestens eines farbgebenden Mittels vermischt wird und einem für die Verarbeitung von Metallpulvern geeigneten additiven Verfahren unterworfen wird, also beispielsweise Lasersintern, Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, direktes Metallpulversprühen, oder Direktenergie-Abscheidung.

[0055] Der metallische Werkstoff, in den das mindestens eine farbgebende Mittel nach den oben genannten bevorzugten Verfahren eingearbeitet werden kann, ist dabei bevorzugt einer der metallischen Werkstoffe, die oben bereits allgemein im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundwerkstoffen als bevorzugte Metallmatrices bezeichnet wurden.

[0056] Typische Emissionsgrade von Metallen liegen (sofern die Oberfläche nicht stark oxidiert oder aufgeraut ist) im Bereich von ε ≈ 0,1-0,4, bei polierten Oberflächen z.T. noch deutlich darunter. Nichtmetallische Materialien können hingegen wesentlich höhere thermische Emissionsgrade aufweisen als Metalle, typischerweise ε ≥ 0,6. Eine Einbettung nichtmetallischer, farbgebender Mittel in eine metallische Matrix erlaubt es daher, den Emissionsgrad des resultierenden Verbundmaterials gegenüber dem rein metallischen Werkstoff deutlich zu steigern, ohne auf die Vorteile des Metalls bzw. der Legierung verzichten zu müssen, wie günstige mechanische Eigenschaften, gute Bearbeitbarkeit oder hohe Wärmeleitfähigkeit.

[0057] Die Einbettung eines geeigneten farbgebenden Mittels in den Werkstoff führt zu dem Vorteil, dass zur Erhöhung des Emissionsgrades keine Nachbehandlung von Oberflächen des Statorbauteils nötig ist, da der Werkstoff bereits unmittelbar nach dem Urformen, also im unbehandelten Zustand, die Färbung aufweist. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass eine Erhöhung des Emissionsgrads unabhängig von der Rauigkeit der Oberfläche erzielt werden kann. Dies bedeutet, dass auch an Kontakt-, Pass- oder Maßflächen, die trennend, z.B. spanend nachbearbeitet sind, ein erhöhter Emissionsgrad realisiert werden kann. Zudem ist es möglich, innerhalb eines Statorbauteils die beiden genannten Möglichkeiten zur Erhöhung des Emissionsgrades zu kombinieren, also ein Statorbauteil aus einem Werkstoff herzustellen, in den ein farbgebendes Mittel eingearbeitet ist, und dabei zusätzlich diejenigen Flächen, die keine Kontakt-, Pass- oder Maßflächen sind, in einem Zustand mit fertigungsbedingt hoher Rauigkeit zu belassen.

[0058] Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren nach dem hierauf gerichteten, unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Dieser betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Statorbauteils für einen Stator einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe, die ein Gehäuse und zumindest eine in dem Gehäuse angeordnete Pumpstufe aufweist, die den Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst, wobei das Statorbauteil eine Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist, wobei bei dem Verfahren das Statorbauteil durch Urformen, insbesondere Gießen, Sintern oder ein additives Verfahren, gefertigt wird, und wobei anschließend der erste Anteil der Oberfläche einer Nachbearbeitung, insbesondere einer Nachbearbeitung durch Trennen, insbesondere einer spanenden Bearbeitung, unterzogen und insbesondere der zweite Anteil der Oberfläche unbearbeitet belassen wird.

[0059] Bevorzugt erhält durch das Urformen die Oberfläche des Statorbauteils und/oder durch eine Nachbearbeitung der zweite Anteil der Oberfläche eine Rauigkeit, die im Bereich von 3 µm oder mehr, bevorzugt 5 µm oder mehr, bevorzugter 10 µm oder mehr, noch bevorzugter 20 µm oder mehr, besonders bevorzugt 30 µm, ganz besonders bevorzugt 40 µm oder mehr, am bevorzugtesten 50 µm oder meh liegt, was die bereits zuvor genannten Vorteile mit sich bringt. Wie oben erläutert, kann die gegebenenfalls erfolgende Nachbearbeitung des zweiten Anteils eine Nachbearbeitung durch Trennen, insbesondere eine spanende Bearbeitung sein. Dabei ist es jedoch bevorzugt, dass die Rauigkeit des zweiten Anteils der Oberfläche durch die Nachbearbeitung nicht unter einen Wert von 3 µm, bevorzugter 5 µm, noch bevorzugter 10 µm, besonders bevorzugt 20 µm, ganz besonders bevorzugt 30 µm, noch stärker bevorzugt 40 µm, am bevorzugtesten 50 µm, fällt. Ebenfalls wie oben erläutert, kann auch eine Nachbehandlung des zweiten Anteils der Oberfläche vorgenommen werden, die zu einer Erhöhung der Rauigkeit des zweiten Anteils führt. Ein solches Aufrauen des zweiten Anteils der Oberfläche kann beispielsweise durch Herausbrechen einer Stützstruktur, Laserstrukturieren, Schleifen oder Sandstrahlen, bevorzugt durch Herausbrechen einer Stützstruktur oder Laserstrukturieren, besonders bevorzugt durch Laserstrukturieren erfolgen, wobei das Herausbrechen einer Stützstruktur so definiert ist wie oben beschrieben.

[0060] In einem Ausführungsbeispiel wird der zweite Anteil der Oberfläche eines aus Aluminium gebildeten Statorbauteils durch Laserstrukturierung behandelt, so dass er eine Rauigkeit von 65 µm und einen Emissionsgrad von 0,8 aufweist.

[0061] Alternativ wird die Aufgabe der Erfindung zudem auch durch ein Verfahren nach dem hierauf gerichteten, unabhängigen Anspruch 12 gelöst. Dieser betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Statorbauteils für einen Stator einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe, die ein Gehäuse und zumindest eine in dem Gehäuse angeordnete Pumpstufe aufweist, die den Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst, wobei das Statorbauteil eine Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist, wobei bei dem Verfahren der zweite Anteil der Oberfläche mit einer Farbgebung versehen wird, insbesondere durch Zugabe zumindest eines farbgebenden Mittels zu wenigstens einem bei der Fertigung des Statorbauteils verwendeten Ausgangsmaterial.

[0062] Bevorzugt wird das Statorbauteil dabei durch ein Gießverfahren, ein Sinterverfahren oder ein additives Verfahren gefertigt, was die bereits zuvor genannten Vorteile mit sich bringt.

[0063] In jedem der genannten erfindungsgemäßen Verfahren ist es zudem bevorzugt, dass der erste Anteil der Oberfläche zumindest bereichsweise zu einer Kontakt-, Pass- oder Maßfläche relativ zu einem oder mehreren anderen Bauteilen der Vakuumpumpe gearbeitet wird, was die bereits zuvor genannten Vorteile mit sich bringt.

[0064] In jedem der genannten erfindungsgemäßen Verfahren ist es überdies bevorzugt, wenn das hergestellte Statorbauteil ein Holweckstator einer Holweck-Pumpstufe oder ein Distanzring einer Turbopumpstufe ist.

[0065] Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen Verfahren auch entsprechend der in Bezug auf die Vorrichtungen beschriebenen Ausführungsformen und Einzelmerkmale weitergebildet werden können und umgekehrt.

[0066] Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1

eine perspektivische Ansicht einer Turbomolekularpumpe,

Fig. 2

eine Ansicht der Unterseite der Turbomolekularpumpe von Fig. 1,

Fig. 3

einen Querschnitt der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A,

Fig. 4

eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie B-B,

Fig. 5

eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie C-C,

Fig. 6

eine Gegenüberstellung von Querschnittsansichten eines herkömmlichen Holwecksystems (Fig. 6A) und eines Holwecksystems, das Statoroberflächen mit erhöhtem Emissionsgrad (Fig. 6B) aufweist,

Fig. 7

eine Querschnittsansicht eines Holweckbereichs mit Holweck-Statorhülsen, deren Nuten eine fertigungsbedingt raue Oberfläche aufweisen,

Fig. 8

eine Detailansicht eines Ausschnitts des Holweckbereichs von Fig. 7,

Fig. 9

eine Querschnittsansicht von Turbopumpstufen mit Distanzringen, deren Innendurchmesser eine fertigungsbedingt raue Oberfläche aufweisen,

Fig. 10

eine Detailansicht eines Ausschnitts einer Turbopumpstufe von Fig. 9,

Fig. 11

eine Querschnittsansicht eines Holweckbereichs, in dem eine innere Holweck-Rotorhülse durch eine Wandung mit erhöhtem thermischem Emissionsgrad vom Motorraum der Pumpe getrennt ist.

[0067] Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe 111 umfasst einen von einem Einlassflansch 113 umgebenen Pumpeneinlass 115, an welchen in an sich bekannter Weise ein nicht dargestellter Rezipient angeschlossen werden kann. Das Gas aus dem Rezipienten kann über den Pumpeneinlass 115 aus dem Rezipienten gesaugt und durch die Pumpe hindurch zu einem Pumpenauslass 117 gefördert werden, an den eine Vorvakuumpumpe, wie etwa eine Drehschieberpumpe, angeschlossen sein kann.

[0068] 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.

[0069] Es existieren auch Turbomolekularpumpen, die kein derartiges angebrachtes Elektronikgehäuse aufweisen, sondern an eine externe Antriebselektronik angeschlossen werden.

[0070] Am Gehäuse 119 der Turbomolekularpumpe 111 ist ein Fluteinlass 133, insbesondere in Form eines Flutventils, vorgesehen, über den die Vakuumpumpe 111 geflutet werden kann. Im Bereich des Unterteils 121 ist ferner noch ein Sperrgasanschluss 135, der auch als Spülgasanschluss bezeichnet wird, angeordnet, über welchen Spülgas zum Schutz des Elektromotors 125 (siehe z.B. Fig. 3) vor dem von der Pumpe geförderten Gas in den Motorraum 137, in welchem der Elektromotor 125 in der Vakuumpumpe 111 untergebracht ist, eingelassen werden kann. Im Unterteil 121 sind ferner noch zwei Kühlmittelanschlüsse 139 angeordnet, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse als Einlass und der andere Kühlmittelanschluss als Auslass für Kühlmittel vorgesehen ist, das zu Kühlzwecken in die Vakuumpumpe geleitet werden kann. Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) werden ausschließlich mit Luftkühlung betrieben.

[0071] 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.

[0072] Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, können nicht stehend betrieben werden.

[0073] 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.

[0074] 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.

[0075] In den Fig. 2 bis 5 ist eine Kühlmittelleitung 148 dargestellt, in welcher das über die Kühlmittelanschlüsse 139 ein- und ausgeleitete Kühlmittel zirkulieren kann.

[0076] Wie die Schnittdarstellungen der Fig. 3 bis 5 zeigen, umfasst die Vakuumpumpe mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 115 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 117.

[0077] In dem Gehäuse 119 ist ein Rotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.

[0078] Die Turbomolekularpumpe 111 umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren an der Rotorwelle 153 befestigten radialen Rotorscheiben 155 und zwischen den Rotorscheiben 155 angeordneten und in dem Gehäuse 119 festgelegten Statorscheiben 157. Dabei bilden eine Rotorscheibe 155 und eine benachbarte Statorscheibe 157 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe. Die Statorscheiben 157 sind durch Abstandsringe 159 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten.

[0079] 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.

[0080] 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.

[0081] 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.

[0082] Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind durch die Mantelflächen, also durch die radialen Innen- und/oder Außenflächen, der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 und der Holweck-Statorhülsen 167, 169 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 167 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 171 gegenüber und bildet mit dieser die der Turbomolekularpumpen nachfolgende erste Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 steht der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 173 gegenüber und bildet mit dieser eine zweite Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 liegt der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Rotorhülse 165 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 175 gegenüber und bildet mit dieser die dritte Holweck-Pumpstufe.

[0083] Am unteren Ende der Holweck-Rotorhülse 163 kann ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der radial außenliegende Holweck-Spalt 171 mit dem mittleren Holweck-Spalt 173 verbunden ist. Außerdem kann am oberen Ende der inneren Holweck-Statorhülse 169 ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der mittlere Holweck-Spalt 173 mit dem radial innenliegenden Holweck-Spalt 175 verbunden ist. Dadurch werden die ineinander geschachtelten Holweck-Pumpstufen in Serie miteinander geschaltet. Am unteren Ende der radial innenliegenden Holweck-Rotorhülse 165 kann ferner ein Verbindungskanal 179 zum Auslass 117 vorgesehen sein.

[0084] Die vorstehend genannten pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Statorhülsen 167, 169 weisen jeweils mehrere spiralförmig um die Rotationsachse 151 herum in axialer Richtung verlaufende Holweck-Nuten auf, während die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 glatt ausgebildet sind und das Gas zum Betrieb der Vakuumpumpe 111 in den Holweck-Nuten vorantreiben.

[0085] 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.

[0086] 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.

[0087] Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.

[0088] 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.

[0089] 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.

[0090] 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.

[0091] 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.

[0092] 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.

[0093] 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.

[0094] Die vorstehend beschriebene Pumpe ist mit zumindest einem erfindungsgemäßen Statorbauteil ausgestattet, das in einer Pumpstufe pumpwirksam mit einem Rotor zusammenwirkt und das die in einem der unabhängigen Ansprüche angegebenen Merkmale aufweist, insbesondere in einem Holweckstator einer Holweck-Pumpstufe und/oder in einem Distanzring einer Turbomolekularstufe. Vorteilhaft kann die Pumpe mit mehreren erfindungsgemäßen Statorbauteilen, insbesondere mehreren Holweckstatoren in Holweck-Pumpstufen und/oder mehreren Distanzringen in Turbopumpstufen, ausgestattet werden. Besonders vorteilhaft sind alle Statorbauteile, die in Pumpstufen pumpwirksam mit einem Rotor zusammenwirken, insbesondere alle Holweckstatoren aller Holweck-Pumpstufen und/oder alle Distanzringe aller Turbomolekularstufen, der vorstehend beschriebenen Pumpe erfindungsgemäß ausgebildete Statorbauteile.

[0095] Die Fig. 6a und 6b zeigen eine Gegenüberstellung schematischer Querschnittsansichten zweier unterschiedlich ausgebildeter Holwecksysteme. Die an den im Betrieb um eine Achse 51 rotierenden Rotorwellen 53 angeordneten Rotornaben 61 und die an den Rotornaben 61 befestigten zylindermantelförmigen, in radialer Richtung ineinander geschachtelten Holweck-Rotorhülsen 63, 65 sind in den Holwecksystemen von Fig. 6a und Fig. 6b gleich und können jeweils auf herkömmliche Weise ausgebildet sein. Jedoch unterscheiden sich die ebenfalls in radialer Richtung gesehen ineinander geschachtelten, zylindermantelförmigen Holweck-Statorhülsen 67, 69 bzw. 68, 70 voneinander.

[0096] Das in Fig. 6a gezeigte System enthält herkömmliche Holweck-Statorhülsen 67, 69, die nirgends einen erhöhten thermischen Emissionsgrad aufweisen.

[0097] Das in Fig. 6b gezeigte System enthält hingegen Holweck-Statorhülsen 68, 70 gemäß der vorliegenden Erfindung, deren gepunktet dargestellte Oberflächen einen gegenüber den herkömmlichen Hülsen 67, 69 erhöhten thermischen Emissionsgrad aufweisen und somit eine verbesserte Wärmeabfuhr bewirken. Dies trifft in Fig. 6b sowohl auf die radialen Innen- und Außenflächen der inneren Holweck-Statorhülse 70 als auch auf die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 68 zu.

[0098] Im Einzelnen umfassen die Oberflächen mit erhöhtem thermischem Emissionsgrad dabei die Oberflächen der Stege 681, einschließlich derjenigen der jeweiligen Stegspitzen 683, und der jeweils zwischen den Stegen 681 befindlichen Nuten 685 an der radialen Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 68, außerdem die Oberflächen der Stege 701, 702, einschließlich derjenigen der Stegspitzen 703, 704, und der Nuten 705, 706 an der radialen Außenfläche und der radialen Innenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 70, sowie diejenigen kanalseitigen Statoroberflächen 721, 741, 761, welche die Kanäle 72, 74, 76 bilden. Der radial verlaufende Kanal 72 verbindet den ersten Holweck-Spalt 71 mit dem zweiten Holweck-Spalt 73 und wird auf einer Seite durch das untere Ende 631 der äußeren Holweck-Rotorhülse 63, auf der anderen Seite durch eine kanalseitige Statoroberfläche 721 begrenzt. Der radial verlaufende Kanal 74 verbindet den zweiten Holweck-Spalt 73 mit dem dritten Holweck-Spalt 75 und wird auf einer Seite durch die Rotornabe 61, auf der anderen Seite durch die Oberfläche 741 am oberen Ende der inneren Statorhülse 70 begrenzt. Der radial verlaufende Kanal 76 verbindet den dritten Holweck-Spalt 75 mit einem (nicht gezeigten) Auslass und wird auf einer Seite durch das untere Ende der inneren Holweck-Rotorhülse 65, auf der anderen Seite durch die kanalseitige Statoroberfläche 761 begrenzt.

[0099] In der in Fig. 6b gezeigten Ausführungsform weist in jeder der drei Holweck-Pumpstufen die der Rotoroberfläche gegenüberliegende Statoroberfläche jeweils in ihrer Gesamtheit einen erhöhten thermischen Emissionsgrad auf, so dass jeweils über den gesamten Holweck-Spalt 71, 73, 75 hinweg ein gesteigerter Wärmetransport durch Wärmestrahlung vom Rotor zum Stator erfolgt.

[0100] Wie ebenfalls aus der Fig. 6b ersichtlich, weist die äußere Mantelfläche 689 der äußeren Statorhülse 68 jedoch keinen erhöhten thermischen Emissionsgrad auf. Ein solcher ist an dieser Stelle nicht erforderlich, da die äußere Oberfläche 689 der Einpassung in das (nicht gezeigte) Pumpengehäuse dient. Es befindet sich hier also im Betriebszustand der Pumpe kein Spalt, über den hinweg ein Wärmetransport über Strahlung erfolgen müsste, sondern die Wärmeübertragung erfolgt direkt von der äußeren Manteloberfläche 689 an ein (nicht gezeigtes), unmittelbar daran anliegendes Gehäuseteil.

[0101] Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung auch andere Ausführungsformen möglich sind, die von der in Fig. 6b schematisch gezeigten Konfiguration des Holwecksystems abweichen. Insbesondere ist es möglich, dass nicht alle Statoroberflächen, die in Fig. 6b gepunktet dargestellt sind, sondern nur ein Teil dieser Flächen einen erhöhten thermischen Emissionsgrad aufweist.

[0102] Beispielsweise kann es von Vorteil sein, wenn - neben den Kontaktflächen des Statorbauteils zu anderen Bauteilen der Pumpe - auch die Stegspitzen 681, 701, 704 und/oder die kanalseitigen Holweck-Stator-Oberflächen 721, 741, 761 zur Gänze oder in Teilen nicht mit einem erhöhten thermischen Emissionsgrad ausgebildet sind. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der erhöhte thermische Emissionsgrad durch eine hohe Rauigkeit erzielt werden soll, was der zur Bildung eines schmalen Holweck-Spalts 71, 73, 75 bzw. Kanals 72, 74, 76 zwischen Rotor und Stator erforderlichen hohen Maßgenauigkeit abträglich sein könnte. Die Erhöhung des thermischen Emissionsgrads kann dann insbesondere auf diejenigen Flächen des Statorbauteils beschränkt bleiben, bei denen die Anforderungen an die Maßgenauigkeit geringer sind, beispielsweise die Oberflächen der Nuten 685, 705, 706 der Holweck-Statorhülsen 68, 70.

[0103] Die Fig. 7 und 8 zeigen eine derartige Ausführungsform. Dargestellt ist ein Holweckbereich einer Turbomolekularpumpe, in dem die Nuten 685, 705, 706 der inneren und äußeren Holweck-Statorhülsen 68, 70 eine fertigungsbedingt raue Oberfläche aufweisen. Fig. 8 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt des Holweckbereichs der Fig. 7 am unteren Ende der Holweck-Statorhülsen.

[0104] Die Unregelmäßigkeiten der Nutenoberflächen sind in den Fig. 7 und 8 zur besseren Veranschaulichung stark übertrieben und nicht maßstabsgetreu dargestellt. In dieser Ausführungsform weisen nur die Oberflächen der Nuten 685, 705, 706 eine fertigungsbedingt hohe Rauigkeit und damit einhergehend einen hohen thermischen Emissionsgrad auf. Alle übrigen Oberflächen der in Fig. 7 und 8 gezeigten Statorbauteile, also u.a. die Stegspitzen 683, 703, 704 der inneren und äußeren Holweck-Statorhülsen 68, 70 und die Kontaktflächen der Statorbauteile zu anderen Pumpenteilen, z.B. die äußere Mantelfläche 689 der äußeren Holweck-Statorhülse 68, sind hingegen durch spanende Nachbearbeitung glatt ausgebildet, um die geforderten Toleranzen einhalten zu können und an den Kontaktflächen eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten.

[0105] Wie jedoch insbesondere anhand der Fig. 7 erkennbar ist, wird in den Holweck-Stufen der weitaus größte Anteil an der den Rotorhülsen gegenüberliegenden Statoroberfläche nicht von den Stegspitzen 683, 703, 704, sondern von den Nuten 685, 705, 706 eingenommen. Die spanende Nachbearbeitung relativ kleiner Flächenanteile, wie z.B. der Stegspitzen 683, 703, 704, kann daher keine wesentliche Beeinträchtigung der Wärmestrahlung vom Rotor zum Stator bewirken. Die unterschiedlich ausgebildeten Oberflächen der Holweck-Statorhülsen ergänzen sich in optimaler Weise, um eine bestmögliche Wärmeabfuhr vom Rotor zum Stator (über die rauen Nuten 685, 705, 706) und anschließend vom Stator zum Gehäuse (über die glatte Mantelfläche 689) zu erreichen.

[0106] Fig. 9 zeigt mehrere in Serie geschaltete Turbopumpstufen, die jeweils aus einer an der Rotorwelle 53 befestigten Rotorscheibe 55 und einer zu dieser benachbarten Statorscheibe 57 gebildet sind, wobei die Statorscheiben 57 durch Distanzringe 59 axial voneinander beabstandet sind. Fig. 10 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Distanzring 59 aus der Fig. 9.

[0107] Entlang des Innendurchmessers jedes Distanzringes 59 liegt einer Rotorscheibe 55 jeweils eine Innendurchmesseroberfläche 591 des Distanzringes 59 gegenüber. Der Abstand zwischen den radial äußeren Enden der Rotorscheiben 55 und den Innendurchmesseroberflächen 591 der Distanzringe 59 ist dabei so groß, dass es toleranzbedingt möglich ist, Distanzringe 59 einzusetzen, bei denen die ganze Innendurchmesseroberfläche 591 nach dem Urformen nicht spanend nachbearbeitet worden ist. Die ganze Innendurchmesseroberfläche 591 des Distanzrings 59 ist daher unbearbeitet, so dass sie eine fertigungsbedingt hohe Rauigkeit und damit einhergehend einen hohen thermischen Emissionsgrad aufweist. Da dies, wie in Fig. 9 gezeigt, auf alle eingesetzten Distanzringe 59 zutrifft, wird so der Wärmetransport durch Strahlung vom Rotor zum Stator in allen Turbomolekular-Pumpstufen der Pumpe maximiert.

[0108] Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung in Fig. 10 ersichtlich ist, sind bei den Distanzringen 59 die Kontaktflächen 599 zu benachbarten Distanzringen 59, Statorscheiben 57 und dem Gehäuse 19 durch spanende Nachbearbeitung glatt ausgebildet, um die geforderte Passung zu erzielen und eine gute Wärmeübertragung, insbesondere zum Gehäuse, zu gewährleisten. Der überwiegende Anteil der Flächen, die den Rotorscheiben 55 unmittelbar gegenüberliegen und somit die von diesen emittierte Wärmestrahlung absorbieren können, wird hingegen, wie aus Fig. 9 ersichtlich, von Oberflächen 591 mit hohem Emissionsgrad eingenommen. Die unterschiedlich ausgebildeten Oberflächen der Distanzringe 59 ergänzen sich also in optimaler Weise, um eine bestmögliche Wärmeabfuhr vom Rotor zum Stator (über die raue Innendurchmesseroberfläche 591) und anschließend vom Stator zum Gehäuse (über die glatte Kontaktfläche 599) zu erreichen.

[0109] Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der eine den Motorraum 37 der Pumpe begrenzende Wandung 22 als Statorbauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Die in Fig. 11 gepunktet dargestellte, der inneren Holweck-Rotorhülse 65 zugewandte Oberfläche 23 der Wandung 22 weist einen gegenüber einer herkömmlichen Wandung erhöhten thermischen Emissionsgrad auf. Dadurch bewirkt sie eine gesteigerte Wärmeabfuhr vom Rotor durch Strahlung über den Spalt 24 hinweg, der die innere Holweck-Rotorhülse 65 von der Wandung 22 trennt.

[0110] Es versteht sich, dass die in den Fig. 6 bis 11 gezeigten Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden können. Es ist also beispielsweise möglich, und aufgrund der sich daraus ergebenden verbesserten Wärmeabfuhr durchaus vorteilhaft, innerhalb einer Turbomolekularpumpe eine oder mehrere Holweck-Statorhülsen 68, 70 wie in den Fig. 6b, 7 oder 8 gezeigt, einen oder mehrere Distanzringe 59 wie in den Fig. 9 oder 10 gezeigt, und/oder eine oder mehrere Wandungen 22 wie in Fig. 11 gezeigt, zusammen einzubauen und gleichzeitig zu verwenden.

Bezugszeichenliste

[0111] 

22

Wandung

23

Oberfläche

24

Spalt

37

Motorraum

51

Rotationsachse

53

Rotorwelle

55

Rotorscheibe

57

Statorscheibe

59

Distanzring

61

Rotornabe

63

äußere Holweck-Rotorhülse

65

innere Holweck-Rotorhülse

67

äußere Holweck-Statorhülse

68

äußere Holweck-Statorhülse

69

innere Holweck-Statorhülse

70

innere Holweck-Statorhülse

71

Holweck-Spalt

72

Kanal

73

Holweck-Spalt

74

Kanal

75

Holweck-Spalt

76

Kanal

111

Turbomolekularpumpe

113

Einlassflansch

115

Pumpeneinlass

117

Pumpenauslass

119

Gehäuse

121

Unterteil

123

Elektronikgehäuse

125

Elektromotor

127

Zubehöranschluss

129

Datenschnittstelle

131

Stromversorgungsanschluss

133

Fluteinlass

135

Sperrgasanschluss

137

Motorraum

139

Kühlmittelanschluss

141

Unterseite

143

Schraube

145

Lagerdeckel

147

Befestigungsbohrung

148

Kühlmittelleitung

149

Rotor

151

Rotationsachse

153

Rotorwelle

155

Rotorscheibe

157

Statorscheibe

159

Abstandsring

161

Rotornabe

163

Holweck-Rotorhülse

165

Holweck-Rotorhülse

167

Holweck-Statorhülse

169

Holweck-Statorhülse

171

Holweck-Spalt

173

Holweck-Spalt

175

Holweck-Spalt

179

Verbindungskanal

181

Wälzlager

183

Permanentmagnetlager

185

Spritzmutter

187

Scheibe

189

Einsatz

191

rotorseitige Lagerhälfte

193

statorseitige Lagerhälfte

195

Ringmagnet

197

Ringmagnet

199

Lagerspalt

201

Trägerabschnitt

203

Trägerabschnitt

205

radiale Strebe

207

Deckelelement

209

Stützring

211

Befestigungsring

213

Tellerfeder

215

Not- bzw. Fanglager

217

Motorstator

219

Zwischenraum

221

Wandung

223

Labyrinthdichtung

591

Innendurchmesseroberfläche

681

Steg

683

Stegspitze

685

Nut

701

Steg

702

Steg

703

Stegspitze

704

Stegspitze

705

Nut

706

Nut

721

kanalseitige Statoroberfläche

741

kanalseitige Statoroberfläche

761

kanalseitige Statoroberfläche

Ansprüche

1. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Gehäuse und zumindest einer in dem Gehäuse angeordneten Pumpstufe, die einen Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst, wobei der Stator wenigstens ein Statorbauteil mit einer Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist, und
wobei der zweite Anteil der Oberfläche unbeschichtet ist und einen thermischen Emissionsgrad ε von mindestens 0,25, bevorzugt mindestens 0,3, bei 50°C aufweist.

2. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Gehäuse und zumindest einer in dem Gehäuse angeordneten Pumpstufe, die einen Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst, wobei der Stator wenigstens ein Statorbauteil mit einer Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist, und
wobei der zweite Anteil der Oberfläche eine fertigungsbedingte, nicht durch trennende Nachbearbeitung oder durch Beschichten veränderte Oberflächenbeschaffenheit besitzt.

3. Vakuumpumpe nach Anspruch 2,
wobei die fertigungsbedingte Oberflächenbeschaffenheit des zweiten Anteils der Oberfläche eine Rauigkeit, die im Bereich von 3 µm oder mehr, bevorzugt 5 µm oder mehr, bevorzugter 10 µm oder mehr liegt, ausgedrückt als mittlere Rautiefe R_z gemäß DIN EN ISO 4287:2010-07, und/oder eine Farbgebung ist, insbesondere wobei die Farbgebung durch Zugabe zumindest eines farbgebenden Mittels zu einem bei der Fertigung des Statorbauteils verwendeten Ausgangsmaterial erhalten worden ist.

4. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Gehäuse und zumindest einer in dem Gehäuse angeordneten Pumpstufe, die einen Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst,

wobei der Stator wenigstens ein Statorbauteil mit einer Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist, und

wobei der zweite Anteil der Oberfläche unbeschichtet ist, und

wobei der zweite Anteil der Oberfläche eine fertigungsbedingte Rauigkeit, die im Bereich von 3 µm oder mehr, bevorzugt 5 µm oder mehr, bevorzugter 10 µm oder mehr liegt, ausgedrückt als mittlere Rautiefe R_z gemäß DIN EN ISO 4287:2010-07, und/oder eine Farbgebung besitzt, insbesondere wobei die Farbgebung durch Zugabe zumindest eines farbgebenden Mittels zu einem bei der Fertigung des Statorbauteils verwendeten Ausgangsmaterial erhalten worden ist.

5. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der erste Anteil der Oberfläche einer Nachbearbeitung unterzogen worden ist, insbesondere einer Nachbearbeitung durch Trennen, insbesondere einer spanenden Bearbeitung.

6. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der erste Anteil der Oberfläche im zusammengesetzten Zustand der Pumpstufe zumindest bereichsweise eine Kontakt-, Pass- oder Maßfläche relativ zu einem oder mehreren anderen Bauteilen der Vakuumpumpe bildet.

7. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Statorbauteil ein Holweckstator einer Holweck-Pumpstufe oder ein Distanzring einer Turbopumpstufe ist.

8. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Statorbauteil durch ein Gießverfahren, ein Sinterverfahren oder ein additives Verfahren gefertigt ist.

9. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Statorbauteil durch ein Verfahren nach einem der nachfolgenden Ansprüche erhalten oder erhältlich ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Statorbauteils für einen Stator einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe, die ein Gehäuse und zumindest eine in dem Gehäuse angeordnete Pumpstufe aufweist, die den Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst, wobei das Statorbauteil eine Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist, wobei bei dem Verfahren das Statorbauteil durch Urformen, insbesondere Gießen, Sintern oder ein additives Verfahren, gefertigt wird, und wobei anschließend der erste Anteil der Oberfläche einer Nachbearbeitung, insbesondere einer Nachbearbeitung durch Trennen, insbesondere einer spanenden Bearbeitung, unterzogen und insbesondere der zweite Anteil der Oberfläche unbearbeitet belassen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei durch das Urformen die Oberfläche des Statorbauteils und/oder durch eine Nachbearbeitung der zweite Anteil der Oberfläche eine Rauigkeit erhält, die im Bereich von 3 µm oder mehr, bevorzugt 5 µm oder mehr, bevorzugter 10 µm oder mehr liegt, ausgedrückt als mittlere Rautiefe R_z gemäß DIN EN ISO 4287:2010-07.

12. Verfahren zur Herstellung eines Statorbauteils für einen Stator einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe, die ein Gehäuse und zumindest eine in dem Gehäuse angeordnete Pumpstufe aufweist, die den Stator und einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Drehachse rotierenden, mit dem Stator pumpwirksam zusammenwirkenden Rotor umfasst, wobei das Statorbauteil eine Oberfläche aufweist, die einen ersten Anteil und einen von dem ersten Anteil verschiedenen zweiten Anteil aufweist, wobei bei dem Verfahren der zweite Anteil der Oberfläche mit einer Farbgebung versehen wird, insbesondere durch Zugabe zumindest eines farbgebenden Mittels zu wenigstens einem bei der Fertigung des Statorbauteils verwendeten Ausgangsmaterial.

13. Verfahren nach Anspruch 12,
wobei das Statorbauteil durch ein Gießverfahren, ein Sinterverfahren oder ein additives Verfahren gefertigt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
wobei der erste Anteil der Oberfläche zumindest bereichsweise zu einer Kontakt-, Pass- oder Maßfläche relativ zu einem oder mehreren anderen Bauteilen der Vakuumpumpe gearbeitet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Statorbauteil ein Holweckstator einer Holweck-Pumpstufe oder ein Distanzring einer Turbopumpstufe ist.

Zeichnung