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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten
Anspruchs.
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Die
Erzeugung von Hochvakuum mit Drücken kleiner als 10
–4 mbar ist heute in vielen Bereichen
der Technik von hoher Bedeutung. Zunehmend besteht der Bedarf an
kompakten Vakuumpumpen, die solche Drücke erzeugen können.
Im Stand der Technik werden jedoch oftmals Pumpstände benutzt. In
ihnen sind mehrere einzelne, jeweils an einen Druckbereich angepasste
Vakuumpumpen kombiniert. In neuerer Zeit wurden gegen Atmosphäre
ausstoßende Vakuumpumpen entwickelt, die mehrere Pumpprinzipien
in einer Pumpe vereinen. Beispielsweise schlägt die
DE 199 30 952 A1 vor,
Pumpstufen nach Bauart von Holweck mit Seitenkanalstufen zu kombinieren.
Allerdings ist die vorgeschlagene Bauweise aufgrund der notwendigerweise
aufwändigen Konstruktion nur für die Saugvermögensklasse
jenseits der 20 m
3/h attraktiv.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumpumpe vorzustellen,
die den gesamten Druckbereich von Atmosphäre bis zu Hochvakuum
von 10–4 mbar und kleiner überbrückt.
Dabei soll sie möglichst kompakt sein und eine einfache Konstruktion
aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst von einer Vakuumpumpe mit den Merkmalen
des ersten Patentanspruchs. Die Ansprüche 2 bis 10 geben
vorteilhafte Weiterbildungen an.
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Eine
einfache Konstruktion wird durch den Einsatz von Gaslagern erzielt.
Diese benötigen keine organischen Schmiermittel, so dass
ein Schmiermittelkreislauf mit Schmiermittelpumpe entfällt.
Zudem kann es keine Kontamination des Rezipienten und des gepumpten
Gases geben. Die Gaslager sind verschleißarm, so dass eine lange
Lebensdauer mit sehr geringem Wartungsaufwand erreicht wird. Die
Konstruktion wird außerdem durch eine günstige
Gasführung vereinfacht. Die Gasführung ist günstig,
da das Pumpsystem Pumpabschnitte aufweist, die jeweils in Richtung
Gaslager pumpen. Auf weitergehende Dichtmittel zwischen Gaslager
und Pumpsystem kann verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil der
Gasführung ist, dass sich die axialen Kräfte kompensieren,
die in jedem Pumpabschnitt durch die Druckdifferenz zwischen jeweiligem
Gaseinlass und Gasauslass entstehen. Daher entstehen in der Summe
durch das Pumpsystem keine axialen Kräfte auf die Welle. Insgesamt
ergibt sich durch Verzicht auf Bauteile und die günstige
Gasführung eine sehr kompakt Vakuumpumpe.
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Die
Gasführung wird in einer Weiterbildung verbessert, indem
ein Teil des aus dem Gaslager ausströmenden Betriebsgases
und das vom Pumpabschnitt ausgestoßene Gas zusammengeführt
und dann dem Pumpenauslass zugeführt werden. Diese Gasführung
trägt zum Ziel einer kompakten Vakuumpumpe bei.
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In
einer anderen Weiterbildung umfasst wenigstens einer der Pumpabschnitte
eine Holweckpumpstufe. Holweckpumpstufen weisen spiralförmige
Kanäle auf. Diese können in einem Fertigungsschritt
gemeinsam mit den für die Gaslager notwendigen Strukturen
hergestellt werden. Zudem benötigt eine Holweckpumpstufe
nur wenige Bauteile, nämlich die Kanäle auf der
Welle und eine diesen gegenüberstehende glatte Zylinderfläche,
so dass die Vakuumpumpe nicht nur kostengünstig, sondern
auch kompakt ist.
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In
einer Weiterbildung der Holweckstufe weist diese abschnittsweise
zusätzlich zu den Kanälen auf der Welle noch gegenläufige
Kanäle am Stator auf. Diese erhöhen das Saugvermögen,
insbesondere im Druckbereich nahe Atmosphäre. Es ist dadurch
weniger Bauraum für mehr Saugvermögen notwendig,
die Vakuumpumpe ist noch kompakter.
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Das
Saugvermögen kann in einer anderen Weiterbildung dadurch
erhöht werden, dass die Vakuumpumpe ein weiteres Pumpsystem
aufweist. Vorteilhaft weist dieses eine Holweckpumpstufe auf. Diese
ist als eine mit der Welle verbundene Nabe und einem an dieser Nabe
angeordneten Zylinder gestaltet.
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In
einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, an den Enden der Welle Notlager
anzuordnen. Diese können Gleitlager umfassen. Durch die
Notlager wird eine robuste Vakuumpumpe geschaffen, die auch auf die
Welle einwirkenden axialen Kräften widerstehen kann.
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In
einer anderen Weiterbildung ist der Mehrheitsbestandteil der Welle
Siliziumcarbid. Dieses Material verbindet Tauglichkeit für
die Gaslager mit Beständigkeit in den Anwendungen der Vakuumpumpe.
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Eine
Weiterbildung schlägt vor, Motorrotor und Motorstator derart
zu gestalten, dass eine axiale Zentrierung und gleichzeitig eine
schnelle Drehnung der Welle bewirkt werden. Dadurch entfällt
die Notwendigkeit eines Axiallagers, so dass die Vakuumpumpe noch
kostengünstiger und kompakter wird.
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Anhand
eines Ausführungsbeispieles und einer Weiterbildung desselben
soll die Erfindung näher erläutert und weitere
Vorteile aufgezeigt werden. Es zeigen:
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1:
Schnitt durch eine Vakuumpumpe.
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2:
Schnitt durch einen Teil der Vakuumpumpe in einer Weiterbildung
mit einem weiteren Pumpsystem.
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1 zeigt
eine Vakuumpumpe mit einem Gehäuse 1. Dieses weist
einen Gaseinlass 7 und einen Gasauslass 8 auf.
Innerhalb des Gehäuses ist ein Zylinder 5 angeordnet,
in welchem eine Welle 2 drehbar gelagert ist. Die Lagerung
erfolgt durch zwei Gaslager.
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Das
erste Gaslager 30 umfasst eine Gaszufuhr 31, eine
wellenseitige Lagerstruktur 32 und einen Lagergasauslass 34.
Die wellenseitige Lagerstruktur bildet einen sich in axialer Richtung
erstreckenden Lagerabschnitt 33.
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Das
zweite Gaslager 40 umfasst eine Gaszufuhr 41,
eine wellenseitige Lagerstruktur 42 und einen Lagergasauslass 44.
Die wellenseitige Lagerstruktur bildet einen sich in axialer Richtung
erstreckenden Lagerabschnitt 43.
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Die
wellenseitigen Lagerstrukturen 32 und 42 umfassen
in die Wellenoberfläche eingearbeitete Vertiefungen.
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Jeder
der Lagergasauslässe 34 und 44 ist im gezeigten
Beispiel mit zwei Öffnungen versehen, von sich denen jeweils
eine an einem Ende des jeweiligen Lagerabschnitts befindet. Es ist
jeweils eine Gaszufuhr 31 und 41 gezeigt, in der
Regel ist eine Mehrzahl solcher Zufuhren in jedem der Gaslager über den
Wellenumfang verteilt. Der Zylinder 5 bildet den Stator
beider Gaslager, so dass sich jeweils zwischen den lagerseitigen
Lagerstrukturen 32 und 42 und dem Zylinder ein
Gasfilm ausbildet, durch den die Welle getragen wird. Das notwendige
Lagergas kann von einem Kompressor 11 erzeugt werden, oder – wenn
es die Lagerbelastung zulässt – direkt von der Atmosphäre
genommen werden. In letzterem Fall sind die Gaszuführungen 31 und 41 direkt
mit der Atmosphäre verbunden. Weiterhin alternativ kann Druckluft
aus einer am Aufstellort vorhanden Druckluftleitung benutzt werden.
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Die
Welle weist an ihrem Ende einen Wellenzapfen 29 auf, auf
welchem Permanentmagnete 9 angebracht sind. Diese Permanentmagnete
bilden den Motorrotor und wirken mit elektrischen Spulen 10 zusammen,
um eine schnelle Drehung der Welle um ihre Längsachse zu
erzeugen. Die elektrischen Spulen bilden den Motorstator. Motorotor
und Motorstator sind derart gestaltet, dass sie eine Stabilisierung
der Welle in Richtung ihrer Längsachse bewirken. Dies gelingt
beispielsweise durch die Anziehungskräfte des Statoreisenpakets
auf die Permanentmagnete. Am Wellenende sind Notlager vorgesehen.
Im gezeigten Beispiel sind diese als Gleitlager 14 ausgebildet,
welche wellenseitig eine ballige Fläche und gehäuseseitig
eine tribologisch geeignete Gegenfläche umfassen. Sollten
große axiale Kräfte zu erwarten sein, können
zur zusätzlichen Stabilisierung in dieser Richtung Permanentmagnetringe
vorgesehen sein, und zwar ein wellenseitiger Lagerring 26 und
statorseitiger Lagerring 27. Beide zusammen bilden ein axiales
Permanentmagnetlager 25.
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In
einem Elektronikgehäuse 21 ist die Elektronik 20 untergebracht.
Diese bestromt die elektrischen Spulen. Sollte ein Kompressor 11 zur
Erzeugung des Lagergases verwendet werden, ist er durch eine Kompressorsteuerleitung 22 mit
der Elektronik 20 verbunden und wird durch diese gesteuert,
insbesondere seine Parameter Einschalten, Ausschalten, Druckniveau
und Fördermenge.
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Auf
der Welle ist zwischen den Lagerabschnitten 33 und 43 das
Pumpsystem 6 angeordnet. Es ist zweiflutig gestaltet und
weist daher einen ersten Pumpabschnitt 61 und einen zweiten
Pumpabschnitt 62 auf. Jeder der Pumpabschnitte beginnt
im Bereich des Gaseinlasses 7 und verdichtet Gas in Richtung
des ihm benachbarten Gaslagers; dies ist durch die geraden Pfeile
dargestellt. Aus den Lagerabschnitten tritt wenigstens ein Teil
des Lagergas in Richtung Pumpsystem aus. Dieses wird an der Stelle 13 zwischen
erstem Gaslager und erstem Pumpabschnitt 61 bzw. 13' zwischen
zweitem Gaslager und zweitem Pumpabschnitt 62 zusammengeführt
und gemeinsam dem Pumpauslass zugeführt. Dadurch wird ein
sehr kompakter Aufbau durch eine einfach Gasführung erreicht.
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Beide
Pumpabschnitte erreichen das gleiche Druckverhältnis zwischen
ihrem Einlass und ihrem Auslass. Vorteilhaft ist es, in den Pumpabschnitten Holweckstrukturen
zu schaffen. Hierzu sind spiralförmig um die Welle umlaufende
Kanäle 63 in die Wellenoberfläche eingebracht,
die mit der als Pumpstator wirkenden Innenfläche des Zylinders 5 zusammenwirken.
Ist diese Innenfläche glatt, entsteht eine Pumpe mit dem
Wirkprinzip nach Holweck. Diese ist nicht nur vakuumtechnisch für
den Druckbereich günstig, sondern lässt sich vorteilhaft
in einem Arbeitsgang mit den wellenseitigen Lagerstrukturen herstellen.
In einer Weiterbildung sind auf der Innenseite des Zylinders 5 Kanäle 64 vorgesehen.
Diese erstrecken sich über einen Teil der axialen Länge
der Pumpabschnitte 33 und 43, vorzugsweise im
jeweils dem Gaslager benachbarten Teil. Die Kanäle sind
gegenläufig zu den Kanälen 63 des Rotors
gestaltet. Durch diese statorseitigen Kanäle wird das Saugvermögen
erhöht.
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Die
Welle 2 ist zumindest im Bereich der Lagerabschnitte 33 und 43 und
Pumpabschnitte 61 und 62 einteilig ausgeführt.
Der Zylinder erstreckt sich mindestens einteilig über die
vorgenannten Abschnitte 33, 43, 61 und 62.
Hierdurch fluchten die Lagerpunkte, so dass äußerst
geringe Spalte in den Lagern und im Pumpsystem erreicht werden können.
Dies verbessert die Leistungsdaten dieser Komponenten, so dass die
notwendige Baulänge verringert wird, die Vakuumpumpe wird
somit nochmals kompakter.
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Da
diese Vakuumpumpe nur dynamisch dicht ist, im augeschalteten Zustand
jedoch Gas hindurchlassen kann, ist der Einsatz eines Sicherheitsventils 12 vorteilhaft.
Dieses ist vorzugsweise im Gaseinlass der Vakuumpumpe angeordnet
und steht mit der Elektronik 20 über eine Ventilsteuerleitung 23 in Verbindung.
Diese schaltet dann den Öffnungszustand des Sicherheitsventils.
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2 zeigt
den in 1 mit dem Kasten K bezeichneten Teil der Vakuumpumpe
in einer Weiterbildung. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 wurde dem Pumpsystem 6 ein
weiteres Pumpsystem 100 vorgeschaltet. Im Gehäuse 1 der Vakuumpumpe
ist daher ein Holweckstator 103 vorgesehen. Dieser wiest
einen gewindeartig auf seiner zylinderischen Innenfläche
umlaufenden Kanal, dessen Gänge durch einen Steg 105 voneinander
getrennt sind. Mit diesem Kanal wirkt ein glatter Zylinder 102 pumpaktiv
zusammen, welcher mit einer Nabe 101 verbunden ist. Vorteilhaft
ist der Zylinder aus einem leichten Material hergestellt, insbesondere
aus faserverstärktem Kohlenstoff. Die Nabe ist an einem Ende
der Welle befestigt, so dass Nabe und Zylinder die Drehzahl der
Welle annehmen. Weiterhin benötigt werden das Gleitlager 14 und
der Gaseinlass 7. Von Vorteil ist auch in dieser Weiterbildung
das Sicherheitsventil 12. Gas tritt durch den Gaseinlass entlang
des ersten Pfeiles in das weitere Pumpsystem 100 ein und
wird dort von den zusammenwirkenden Teilen Holweckstator und Zylinder
verdichtet. Anschließend gelangt das Gas in das erste Pumpsystem
(siehe weiteren Pfeil) und wird dort weiterverdichtet. Das erste
Pumpsystem ist nur ausschnittsweise in Form des Pumpabschnittes 62 zu
sehen. Ebenfalls zu sehen ist die wellenseitige Lagerstruktur 42 des
zweiten Gaslagers. Aus diesem tritt in Richtung Nabe Lagergas mit
Atmosphärendruck aus. Dieses darf nicht an der Innenseite
des Zylinders 102 entlang zum Eingang des ersten Pumpsystem
gelangen. Daher ist zwischen Lagerstruktur 42 und Nabe ein
Dichtungsabschnitt 106 vorgesehen. Dieser ist vorteilhaft
so gestaltet, dass auf der Welle eine Pumpstruktur wie im ersten
Pumpsystem angeordnet ist, welche mit dem Zylinder 5 zusammenwirkt
und einen Druckunterschied erzeugt. Die pumpaktiven Strukturen des
Dichtungsabschnitts sind so gestaltet, dass das Druckverhältnis
zwischen der der Lagerstruktur 42 Seite und der der Nabe 101 zugewandten Seite
dem Druckverhältnis entspricht, dass der Pumpabschnitt 62 erzeugt.
Das Saugvermögen kann jedoch wesentlich kleiner sein, da
weniger Lagergas anfällt als durch den Gaseinlass 7 eintritt.
Das weitere Pumpsystem 100 kann zweiflutig gestaltet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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