EP4589152A1

EP4589152A1 - Vakuumpumpe und verfahren zum betrieb einer vakuumpumpe

Info

Publication number: EP4589152A1
Application number: EP25179469.9A
Authority: EP
Inventors: Maximilian Birkenfeld; Jan Hofmann; Paul KLOUSTER; Martin Lohse
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2025-05-28
Filing date: 2025-05-28
Publication date: 2025-07-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, mit einem Gaseinlass, einem Gasauslass, einem Gehäuse, das einen Pumpenraum für ein vom Einlass zum Auslass in einer Pumprichtung zu pumpendes Gas einschließt, und zumindest einem Zwischengaseinlass, der in Pumprichtung gesehen zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass in den Pumpenraum mündet. Die Pumpe umfasst ferner einen Rotor, der pumpaktive Komponenten zumindest einer Turbomolekularpumpstufe trägt, und eine Antriebseinheit zum Antrieb des Rotors zu einer Drehbewegung, die in einem von dem Gehäuse eingeschlossenen Antriebsraum angeordnet ist, wobei ein Kühlgaseinlass vorgesehen ist, durch den ein Kühlgas derart in das Gehäuse einbringbar ist, dass es von dem Kühlgaseinlass über den Antriebsraum zu dem Gasauslass strömen kann, insbesondere wobei der Kühlgaseinlass in den Antriebsraum mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit mehreren Einlässen. Derartige Pumpen sind grundsätzlich bekannt und werden auch als Splitflow-Vakuumpumpen bezeichnet. Die Begriffe "SplitFlow" und "SPLIT-FLOW" sind eingetragene Marken der Pfeiffer Vacuum GmbH. Andere Bezeichnungen für einer derartige Vakuumpumpe sind auch Mehreinlass-Vakuumpumpe und Multiinlet-Vakuumpumpe.
Splitflow-Vakuumpumpen werden insbesondere zum Pumpen von mehreren, insbesondere in Reihe hintereinander angeordneten, Kammern (Rezipienten) mit unterschiedlichen Drücken eingesetzt. Typischerweise umfassen Splitflow-Vakuumpumpen zwei bis sechs Einlässe, die entlang einer Achse der Pumpe beabstandet sind. Die Splitflow-Vakuumpumpen umfassen üblicherweise einen Stapel, also eine Hintereinanderanordnung, von hintereinander geschalteten Pumpstufen innerhalb eines Pumpenraumes. Die Pumpstufen werden von einem Rotor getragen, der im Betrieb der Pumpe zu einer Drehbewegung angetrieben wird.
In einer typischen Anwendung stehen die höchste Pumpgeschwindigkeit und der niedrigste Druckbereich am ersten, d.h. am allen weiteren Einlässen vorgeschalteten Einlass zur Verfügung. Die nachgeschalteten Einlässe befinden sich entsprechend ihrer Reihenfolge in höheren Druckbereichen und liefern niedrigere Pumpgeschwindigkeiten. Es sind aber auch Splitflow-Vakuumpumpen bekannt, bei welchen die höchste Pumpgeschwindigkeit bzw. das höchste Saugvermögen an einem Einlass zur Verfügung steht, der zwischen zwei weiteren Einlässen angeordnet ist. Die konkrete Ausgestaltung einer jeweiligen Splitflow-Pumpe ist insbesondere von der jeweiligen Anwendung abhängig.
Bei verschiedenen Anwendungen zeigt sich, dass bei Splitflow-Vakuumpumpen die Temperatur des Rotors stark ansteigt, insbesondere wenn eine hohe Gaslast vorliegt. Ist die Umgebungstemperatur vergleichsweise hoch, z.B. aufgrund der Abwärme der Anwendung, wird die Problematik verschärft.
Der Begriff "Gaslast" bezeichnet im Kontext der vorliegenden Offenbarung einen Gasmengenstrom, also eine Molekülmenge an Gas pro Zeiteinheit unter Standardbedingungen (angegeben in sccm = "Standard Cubic Centimeter per Minute").
Da sich der Rotor bei dem Betrieb der Pumpe üblicherweise sehr schnell dreht, müssen alle beteiligten mechanischen Komponenten sehr präzise gefertigt und aufeinander abgestimmt sein. Es sind nur geringe Toleranzen akzeptabel. Schon allein aufgrund thermischer Ausdehnungseffekte ist es daher problematisch, wenn der Rotor sich zu stark erwärmt. Letztlich begrenzt die Erwärmung des Rotors in vielen Fällen die effektiv abrufbare Leistung der Pumpe.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich dem geschilderten Problem annimmt.
Diese Aufgabe wird durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist eine solche Pumpe mit einem Gaseinlass, einem Gasauslass, einem Gehäuse, das einen Pumpenraum für ein vom Einlass zum Auslass in einer Pumprichtung zu pumpendes Gas einschließt, und zumindest einem Zwischengaseinlass, der in Pumprichtung gesehen zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass in den Pumpenraum mündet, versehen. Sie umfasst ferner einen Rotor, der pumpaktive Komponenten zumindest einer Turbomolekularpumpstufe trägt, und eine Antriebseinheit zum Antrieb des Rotors zu einer Drehbewegung, die in einem von dem Gehäuse eingeschlossenen Antriebsraum angeordnet ist. Es ist ein Kühlgaseinlass vorgesehen ist, durch den ein Kühlgas derart in das Gehäuse einbringbar ist, dass es von dem Kühlgaseinlass über den Antriebsraum zu dem Gasauslass strömen kann, insbesondere wobei der Kühlgaseinlass - direkt oder indirekt - in den Antriebsraum mündet.
Die erfindungsgemäße Pumpe ist demnach eine Splitflow-Vakuumpumpe, ein Pumpentyp, der insbesondere in der Massenspektroskopie zum Einsatz gelangen, bei der oftmals am Zwischengaseinlass vergleichsweise hohe Gaslasten auftreten.
Von den Erfindern wurde erkannt, dass das Einbringen einer zusätzlichen Gaslast (nämlich des Kühlgases) zu einer effektiven Kühlung des Rotors beiträgt, was letztlich wiederum die Leistungsfähigkeit der Pumpe erhöht. Diese Maßnahme ist angesichts der vorherrschenden Lehrmeinung kontraintuitiv, da sie die von der Pumpe zu fördernde Gesamtgaslast noch weiter erhöht und damit eine erhöhte Leistungsaufnahme und folglich eine Temperaturerhöhung des Rotors zu erwarten wären.
Das Kühlgas wird erfindungsgemäß durch den Antriebsraum geführt, um hier für eine effizienten Wärmetransport zu sorgen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Kühlgas über den Pumpenraum von dem Antriebsraum zu dem Gasauslass strömt. Der Strömungspfad des Kühlgases kann derart ausgestaltet sein, dass es in Pumprichtung hinter der letzten pumpaktiven Komponente in den Pumpenraum strömt, um den Strömungspfad des Kühlgases in dem Pumpenraum zu minimieren.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform sind zumindest zwei, insbesondere zumindest drei Zwischengaseinlässe vorgesehen.
Es kann zumindest eine weitere Pumpstufe vorgesehen sein, die als Holweckstufe ausgebildet ist. Insbesondere mündet der Zwischengaseinlass in die Holweckstufe.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Antriebsraum durch ein Antriebsgehäuse von dem Pumpenraum getrennt. Das Antriebsgehäuse kann beispielsweise durch einen Abschnitt eines Basis- oder Unterteils, das Teil des Gehäuses der Vakuumpumpe ist, und ein deckelförmiges Element gebildet sein.
Um eine Abdichtung zwischen dem Antriebsraum und dem Pumpenraum zu gewährleisten, kann eine Labyrinthdichtung vorgesehen sein, die zwischen dem Antriebsgehäuse und dem Rotor wirkt. Die Dichtung kann durch zumindest eine Nut, die dem Antriebsgehäuse oder dem Rotor zugeordnet ist, und zumindest einen in diese eingreifenden Steg, der dem Rotor bzw. der dem Antriebsgehäuse zugeordnet ist, gebildet sein. Eine solche Nut/Steg-Paarung kann auch als "Gang" bezeichnet werden. Bevorzugt umfasst die Dichtung zumindest zwei Gänge, insbesondere drei bis fünf Gänge. In besonderen Fällen können auch mehr als fünf Gänge vorgesehen sein.
Grundsätzlich kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, mit dem an einer statischen Komponente der Pumpe, zum Beispiel an einem Lageraußenring eines Lagers des Rotors, eine Temperatur gemessen werden, die Rückschlüsse auf die Rotortemperatur ermöglichen (indirekte Messung). Bevorzugt ist jedoch eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen, mit der die Temperatur des Rotors bestimmbar ist, insbesondere wobei die Temperaturmesseinrichtung einen Infrarotsensor umfasst. Eine direkte Messung der Rotortemperatur ist genauer und ermöglicht, den Betrieb der Vakuumpumpe auf Basis der gemessenen Daten noch effektiver zu steuern.
Die Temperaturmesseinrichtung kann an einer dem Pumpenraum zugewandten Oberfläche des Antriebsgehäuse angeordnet sein. Insbesondere erstreckt sich die Oberfläche quer, bevorzugt senkrecht zu einer Drehachse des Rotors. Ist die Temperaturmesseinrichtung ein Infrarotsensor, kann dieser bei der genannten Ausrichtung der Oberfläche in axialer Richtung auf eine Komponente des Rotors "blicken" und die dort herrschende Temperatur bestimmen. Diese Komponente kann beispielsweise eine Holwecknabe sein, die pumpaktive Hülsen trägt.
Noch mehr Flexibilität wird erreicht, wenn der Kühlgaseinlass derart ausgestaltet ist, dass ein Kühlgasmassestrom variabel einstellbar ist, z.B. durch eine manuell einstellbare Schraube. Dies kann auch durch ein steuerbares Ventil ermöglicht werden. Es kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, mit der das steuerbare Ventil ansteuerbar ist. Insbesondere ist die Steuereinrichtung derart ausgestaltet und eingerichtet, dass das steuerbare Ventil in Abhängigkeit einer Temperatur des Rotors ansteuerbar ist.
Die Turbomolekularpumpstufe kann zumindest zwei Rotor/Stator-Paare aufweisen, wobei die Rotoren und/oder die Statoren der beiden Paare unterschiedlich ausgestaltet sind, um die gewünschten Leistungscharakteristik bereitstellen zu können. Insbesondere weist der letzte Rotor der Turbomolekularpumpstufe eine andere Ausgestaltung auf, als die anderen Rotoren der Stufe.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Turbomolekularpumpe, insbesondere einer Pumpe gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, mit zumindest einem Gaseinlass, mit einem Gasauslass, mit einem Gehäuse, das einen Pumpenraum für ein vom Einlass zum Auslass in einer Pumprichtung zu pumpendes Gas einschließt. Die Turbomolekularpumpe umfasst ferner einen Rotor, der pumpaktive Komponenten zumindest einer Turbomolekularpumpstufe trägt, und eine Antriebseinheit zum Antrieb des Rotors zu einer Drehbewegung, die in einem von dem Gehäuse eingeschlossenen Antriebsraum angeordnet ist, wobei ein Kühlgaseinlass vorgesehen ist, durch den ein Kühlgas derart in das Gehäuse eingebracht wird, dass es von dem Kühlgaseinlass über den Antriebsraum und den Pumpenraum zu dem Gasauslass strömen kann, insbesondere wobei der Kühlgaseinlass - direkt oder indirekt - in den Antriebsraum mündet.
Erfindungsgemäß beträgt die eingebrachte Kühlgaslast mindestens 1%, bevorzugt 2% bis 6%, der gesamten Gaslast, die durch den Einlass oder - falls mehr als ein Einlass vorgesehen ist - durch die Einlässe in die Turbomolekularpumpe eintritt (Gesamtgaslast). Es hat sich gezeigt, dass erst bei einer Kühlgaslast von mehr als 1%, bevorzugt mehr als 2%, der Gesamtgaslast eine hinreichend effektive Kühlleistung erreicht wird, die es z.B. zulässt, mehr Antriebsleistung freizugeben und die Pumpleistung der Pumpe zu erhöhen. Bei vielen Anwendungen ist bei einer Kühlgaslast von mehr als 6% der Gesamtgaslast keine entscheidend verbesserte Kühlleistung mehr zu beobachten und/oder die zusätzliche Gaslast durch das Kühlgas, wirkt sich nachteilig aus. Bei manchen Anwendungen sind aber auch höhere Kühlgaslasten von bis zu 10%, 20% oder sogar 30% der Gesamtgaslast denkbar.
Bei einer Turbomolekularpumpe, bei der in Pumprichtung hinter der Turbomolekularpumpstufe eine Holweckstufe und ein in diese mündender Zwischengaseinlass vorgesehen sind, kann die eingebrachte Kühlgaslast mindestens 1%, bevorzugt 1% bis 8%, der Gaslast, die durch den Zwischengaseinlass in die Turbomolekularpumpe eintritt, betragen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Antriebsraum von dem Pumpenraum durch ein Antriebsgehäuse getrennt. Das kann eine Wandung sein, die den Innenraum der Pumpe in die beiden Räume aufteilt. Der Innenraum der Pumpe kann neben dem Antriebsraum und dem Pumpenraum weitere Räume aufweisen.
Es kann eine Labyrinthdichtung vorgesehen sein, die zwischen dem Antriebsgehäuse und dem Rotor wirkt. Die Dichtung ist durch zumindest eine Nut und zumindest einen in diese Nut eingreifenden Steg gebildet. Ein Nut-Steg-Paar bildet einen Dichtungsgang. Bei einer Anzahl von 3 oder weniger Stegen und/oder Nuten (Gängen) kann die Kühlgaslast so gewählt werden, dass sie mindestens 2% der gesamten Gaslast beträgt. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass je höher die Dichtwirkung der Labyrinthdichtung ist, desto geringer ist die für die angestrebte Kühlwirkung erforderliche Kühlgaslast.
Ein noch effizienterer, bedarfsgerechte Betrieb der Turbomolekularpumpe kann erreicht werden, wenn die eingebrachte Kühlgaslast in Abhängigkeit einer Temperatur einer Komponente der Turbomolekularpumpe, insbesondere in Abhängigkeit einer Temperatur des Rotors, gesteuert wird. Die Temperatur des Rotorscan direkt bestimmt werden, beispielsweise mittels eines Infrarotsensors. Es ist aber auch möglich, anhand einer Temperatur einer anderen Komponente der Pumpe auf die Temperatur des Rotors zu schließen (indirekte Messung). Die gemessene Temperatur kann - zusätzlich oder alternative - zur Steuerung der Leistung der Pumpe genutzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

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: ein bekannte Vakuumpumpsystem mit einer Splitflow-Vakuumpumpe, die erfindungsgemäß ausgebildet sein kann, und mit einer zu evakuierenden Einrichtung, und
Fig. 7: schematisch einen Teil einer Ausführungsform einer Splitflow-Vakuumpumpe.
Fig. 8: eine weitere Ausführungsform einer Splitflow-Vakuumpumpe.

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.
Der Einlassflansch 113 bildet bei der Ausrichtung der Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 das obere Ende des Gehäuses 119 der Vakuumpumpe 111. Das Gehäuse 119 umfasst ein Unterteil 121, an welchem seitlich ein Elektronikgehäuse 123 angeordnet ist. In dem Elektronikgehäuse 123 sind elektrische und/oder elektronische Komponenten der Vakuumpumpe 111 untergebracht, z.B. zum Betreiben eines in der Vakuumpumpe angeordneten Elektromotors 125 (vgl. auch Fig. 3). Am Elektronikgehäuse 123 sind mehrere Anschlüsse 127 für Zubehör vorgesehen. Außerdem sind eine Datenschnittstelle 129, z.B. gemäß dem RS485-Standard, und ein Stromversorgungsanschluss 131 am Elektronikgehäuse 123 angeordnet.
Es existieren auch Turbomolekularpumpen, die kein derartiges angebrachtes Elektronikgehäuse aufweisen, sondern an eine externe Antriebselektronik angeschlossen werden.
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.
Die untere Seite 141 der Vakuumpumpe kann als Standfläche dienen, sodass die Vakuumpumpe 111 auf der Unterseite 141 stehend betrieben werden kann. Die Vakuumpumpe 111 kann aber auch über den Einlassflansch 113 an einem Rezipienten befestigt werden und somit gewissermaßen hängend betrieben werden. Außerdem kann die Vakuumpumpe 111 so gestaltet sein, dass sie auch in Betrieb genommen werden kann, wenn sie auf andere Weise ausgerichtet ist als in Fig. 1 gezeigt ist. Es lassen sich auch Ausführungsformen der Vakuumpumpe realisieren, bei der die Unterseite 141 nicht nach unten, sondern zur Seite gewandt oder nach oben gerichtet angeordnet werden kann. Grundsätzlich sind dabei beliebige Winkel möglich.
Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, können nicht stehend betrieben werden.
An der Unterseite 141, die in Fig. 2 dargestellt ist, sind noch diverse Schrauben 143 angeordnet, mittels denen hier nicht weiter spezifizierte Bauteile der Vakuumpumpe aneinander befestigt sind. Beispielsweise ist ein Lagerdeckel 145 an der Unterseite 141 befestigt.
An der Unterseite 141 sind außerdem Befestigungsbohrungen 147 angeordnet, über welche die Pumpe 111 beispielsweise an einer Auflagefläche befestigt werden kann. Dies ist bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, nicht möglich.
In den Figuren 2 bis 5 ist eine Kühlmittelleitung 148 dargestellt, in welcher das über die Kühlmittelanschlüsse 139 ein- und ausgeleitete Kühlmittel zirkulieren kann.
Wie die Schnittdarstellungen der Figuren 3 bis 5 zeigen, umfasst die Vakuumpumpe mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 115 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 117.
In dem Gehäuse 119 ist ein Rotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.
Die 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.
Die Vakuumpumpe umfasst außerdem in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweck-Pumpstufen. Es existieren andere Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die keine Holweck-Pumpstufen aufweisen.
Der Rotor der Holweck-Pumpstufen umfasst eine an der Rotorwelle 153 angeordnete Rotornabe 161 und zwei an der Rotornabe 161 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweck-Rotorhülsen 163, 165, die koaxial zur Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweck-Statorhülsen 167, 169 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung gesehen ineinander geschachtelt sind.
Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind durch die Mantelflächen, also durch die radialen Innen- und/oder Außenflächen, der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 und der Holweck-Statorhülsen 167, 169 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 167 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 171 gegenüber und bildet mit dieser die der 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.
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.
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.
Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 153 sind ein Wälzlager 181 im Bereich des Pumpenauslasses 117 und ein Permanentmagnetlager 183 im Bereich des Pumpeneinlasses 115 vorgesehen.
Im Bereich des Wälzlagers 181 ist an der Rotorwelle 153 eine konische Spritzmutter 185 mit einem zu dem Wälzlager 181 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen. Die Spritzmutter 185 steht mit mindestens einem Abstreifer eines Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt. Bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) kann anstelle einer Spritzmutter eine Spritzschraube vorgesehen sein. Da somit unterschiedliche Ausführungen möglich sind, wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff "Spritzspitze" verwendet.
Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.
Im Betrieb der Vakuumpumpe 111 wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 185 übertragen und in Folge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 185 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 185 zu dem Wälzlager 181 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt. Das Wälzlager 181 und der Betriebsmittelspeicher sind durch einen wannenförmigen Einsatz 189 und den Lagerdeckel 145 in der Vakuumpumpe eingefasst.
Das Permanentmagnetlager 183 umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 191 und eine statorseitige Lagerhälfte 193, welche jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinander gestapelten permanentmagnetischen Ringen 195, 197 umfassen. Die Ringmagnete 195, 197 liegen einander unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 199 gegenüber, wobei die rotorseitigen Ringmagnete 195 radial außen und die statorseitigen Ringmagnete 197 radial innen angeordnet sind. Das in dem Lagerspalt 199 vorhandene magnetische Feld ruft magnetische Absto-ßungskräfte zwischen den Ringmagneten 195, 197 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 153 bewirken. Die rotorseitigen Ringmagnete 195 sind von einem Trägerabschnitt 201 der Rotorwelle 153 getragen, welcher die Ringmagnete 195 radial außenseitig umgibt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 203 getragen, welcher sich durch die Ringmagnete 197 hindurch erstreckt und an radialen Streben 205 des Gehäuses 119 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 151 sind die rotorseitigen Ringmagnete 195 durch ein mit dem Trägerabschnitt 201 gekoppeltes Deckelelement 207 festgelegt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind parallel zu der Rotationsachse 151 in der einen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 209 sowie einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 211 festgelegt. Zwischen dem Befestigungsring 211 und den Ringmagneten 197 kann außerdem eine Tellerfeder 213 vorgesehen sein.
Innerhalb des Magnetlagers ist ein Not- bzw. Fanglager 215 vorgesehen, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe 111 ohne Berührung leer läuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 149 relativ zu dem Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 149 zu bilden, damit eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert wird. Das Fanglager 215 ist als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet und bildet mit dem Rotor 149 und/oder dem Stator einen radialen Spalt, welcher bewirkt, dass das Fanglager 215 im normalen Pumpbetrieb außer Eingriff ist. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 215 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, sodass das Fanglager 215 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, sodass eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen unter allen Umständen verhindert wird.
Die Vakuumpumpe 111 umfasst den Elektromotor 125 zum drehenden Antreiben des Rotors 149. Der Anker des Elektromotors 125 ist durch den Rotor 149 gebildet, dessen Rotorwelle 153 sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckt. Auf den sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt der Rotorwelle 153 kann radial außenseitig oder eingebettet eine Permanentmagnetanordnung angeordnet sein. Zwischen dem Motorstator 217 und dem sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt des Rotors 149 ist ein Zwischenraum 219 angeordnet, welcher einen radialen Motorspalt umfasst, über den sich der Motorstator 217 und die Permanentmagnetanordnung zur Übertragung des Antriebsmoments magnetisch beeinflussen können.
Der Motorstator 217 ist in dem Gehäuse innerhalb des für den Elektromotor 125 vorgesehenen Motorraums 137 festgelegt. Über den Sperrgasanschluss 135 kann ein Sperrgas, das auch als Spülgas bezeichnet wird, und bei dem es sich beispielsweise um Luft oder um Stickstoff handeln kann, in den Motorraum 137 gelangen. Über das Sperrgas kann der Elektromotor 125 vor Prozessgas, z.B. vor korrosiv wirkenden Anteilen des Prozessgases, geschützt werden. Der Motorraum 137 kann auch über den Pumpenauslass 117 evakuiert werden, d.h. im Motorraum 137 herrscht zumindest annäherungsweise der von der am Pumpenauslass 117 angeschlossenen Vorvakuumpumpe bewirkte Vakuumdruck.
Zwischen der Rotornabe 161 und einer den Motorraum 137 begrenzenden Wandung 221 kann außerdem eine sog. und an sich bekannte Labyrinthdichtung 223 vorgesehen sein, insbesondere um eine bessere Abdichtung des Motorraums 217 gegenüber den radial außerhalb liegenden Holweck-Pumpstufen zu erreichen.
Die vorstehend beschriebene, aus dem Stand der Technik bekannte Turbomolekularvakuumpumpe ist keine Splitflow-Vakuumpumpe. Aufbau und Funktionsweise dieser Turbomolekularvakuumpumpe gelten aber grundsätzlich auch für die erfindungsgemäße Vakuumpumpe.
Fig. 6 zeigt ein Vakuumsystem mit einer Splitflow-Vakuumpumpe 10 und einer mittels dieser Vakuumpumpe 10 zu evakuierenden Einrichtung 12.
Die Einrichtung 12 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel drei hintereinander angeordnete Vakuumkammern 14, wobei in die unterste Kammer 14 eintretendes Gas in die jeweils nachfolgende Kammer 14 gelangen kann, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Jede Kammer besitzt einen Gasauslass 16, der zu einem auch als Port bezeichneten Einlass 11, 11a bzw. 33 der Vakuumpumpe 10 führt. Der mit dem Gasauslass 16 der untersten Kammer 14 korrespondierende Einlass 33 der Vakuumpumpe 10 ist ein weiterer Einlass im Sinne der Erfindung, der - wie an anderer Stelle näher beschrieben wird - zu einem Holweck-Bereich der Vakuumpumpe 10 führt.
Die hier lediglich rein schematisch dargestellte Splitflow-Vakuumpumpe 10 besitzt ein Gehäuse 15 und innerhalb des Gehäuses 15 in einem Pumpenraum 17 eine Rotorwelle 18, die während des Betriebs rotiert und so an ihr befestigte rotierende Bauteile der einzelnen Pumpstufen in Drehung versetzt, und zwar um eine Rotationsachse A, welche durch die Rotorwelle 18 festgelegt ist.
Bei diesen Pumpstufen handelt es sich in dem hier dargestellten Beispiel um Turbomolekular-Pumpstufen 47, denen in einer Pumprichtung P im Pumpenraum 17 ein Holweck-Bereich mit zwei Holweck-Pumpstufen 19, 21 nachgeschaltet ist.
Von diesem Holweck-Bereich 19, 21 ist in Fig. 6 lediglich schematisch ein Holweck-Rotor 31 dargestellt, der eine Holweck-Hülse 32 und eine Holweck-Nabe 30 umfasst, über welche die Holweck-Hülse 32 an der Rotorwelle 18 angebracht ist. Dieser Holweck-Rotor 31 gehört zu beiden Holweck-Pumpstufen 19, 21, wie nachstehend in Verbindung mit Fig. 7 näher erläutert wird.
Zu pumpendes Gas tritt also aus der zu evakuierenden Einrichtung 12 über deren Auslässe 16 der einzelnen Kammern 14 an unterschiedlichen Stellen über die Einlässe 11, 33 in den Pumpenraum 17 der Splitflow-Vakuumpumpe 10 ein und wird mittels der einzelnen erwähnten Pumpstufen 47, 19, 21 in Pumprichtung P zu einem Auslass 13 gepumpt, über den das Gas die Vakuumpumpe 10 verlässt. Der vorstehend erläuterte Grundaufbau und dessen Funktionalität ist grundsätzlich bekannt und kann - wie auch im Einleitungsteil erwähnt - in vielfacher Weise variiert werden, insbesondere hinsichtlich der Anzahl und Anordnung der zu evakuierenden Kammern 14 der zu evakuierenden Einrichtung 12 sowie hinsichtlich der Anzahl, Anordnung und Ausgestaltung der einzelnen Pumpstufen der Splitflow-Vakuumpumpe 10.
Der in Fig. 7 schematisch dargestellte Bereich einer Splitflow-Vakuumpumpe 10 würde sich bei der in Fig. 6 dargestellten Vakuumpumpe 10 ungefähr (von der Lage eines Pumpenunterteils abgesehen) an derjenigen Stelle befinden, die in Fig. 6 durch ein gestricheltes Viereck V angedeutet ist, also links von der in Fig. 7 nicht dargestellten Rotationsachse A am unteren, zum Auslass 13 weisenden Ende der Holweck-Hülse 32 des Holweck-Rotors 31.
In Fig. 7 sind teilweise das Gehäuse 15, ein Unterteil 51, ein äußerer Holweck-Stator 23, ein innerer Holweck-Stator 25 sowie die Holweck-Hülse 32 des Holweck-Rotors 31 dargestellt.
Die Holweck-Statoren 23, 25 sind jeweils auf ihrer pumpaktiven, der Holweck-Hülse 32 zugewandten Seite mit einem Holweck-Gewinde versehen. In Fig. 7 ist für jeden Holweck-Stator 23, 25 jeweils eine Holweck-Nut 55 dargestellt, die von einem Steg 53 begrenzt ist. Es handelt sich hierbei um konische Holweck-Statoren 23, 25, bei denen der Nutgrunddurchmesser variiert, wobei außerdem die Höhe der Stege 53 variiert und der Stegspitzendurchmesser und damit der radiale Abstand der Stege 53 zur Holweck-Hülse 32 in axialer Richtung konstant ist.
Somit bilden die Holweck-Hülse 32 und der radial äußere Holweck-Stator 23 einen radial äußeren Holweck-Pumpbereich 27 und die Holweck-Hülse 32 und der radial innere Holweck-Stator 25 bilden einen radial inneren Holweck-Pumpbereich 29.
Die beiden Holweck-Pumpbereich 27, 29 gehen in einem Übergangsbereich 43 ineinander über. Bezogen auf die durch einen Pfeil angedeutete Pumprichtung P nimmt in beiden Holweck-Pumpbereichen 27, 29 die Höhe der Stege 53 in Pumprichtung P ab, wobei bei der radial äußeren Holweck-Pumpstufe 19 der Nutgrunddurchmesser in Pumprichtung P abnimmt, wohingegen in der radial inneren Holweck-Pumpstufe 21 der Nutgrunddurchmesser in Pumprichtung P zunimmt.
Es ist im Stand der Technik bekannt, über einen Einlass der Splitflow-Vakuumpumpe eine Anzapfung in den Holweck-Bereich 27, 29 am Übergangsbereich 43 vorzusehen. Erfindungsgemäß ist aber die Anzapfung bezogen auf die Pumprichtung P und damit bezogen auf die Richtung der Strömung des zu pumpenden Gases stromabwärts verlegt, wobei die Anzapfung seitlich in den inneren Holweck-Stator 23 erfolgt.
Erfindungsgemäß erstreckt sich hierzu ein Einlasskanal 35 von einem weiteren Einlass 33 der Vakuumpumpe bis zu einer Mündung 37 in den radial inneren Holweck-Pumpbereich 29, wobei die Mündung 37 in der Nut 55 des radial inneren Holweck-Stators 25 ausgebildet ist.
Der Einlasskanal 35 besteht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem zunächst in radialer Richtung verlaufenden Einlassabschnitt 49, der wie der weitere Einlass 33 auch im Pumpenunterteil 51 ausgebildet ist. Der Einlassabschnitt 49 geht in einen sich in axialer Richtung - bezogen auf die hier nicht dargestellte Rotationsachse A (vgl. Fig. 6) - erstreckenden Abschnitt im Unterteil 51 über, an den sich unmittelbar ein axialer Kanalabschnitt 39 anschließt, der im radial inneren Holweck-Stator 25 ausgebildet ist. Dieser axiale Kanalabschnitt 39 geht in einen radialen Kanalabschnitt 41 des inneren Holweck-Stators 25 über, der bis zur Mündung 37 führt.
Der sich vom weiteren Einlass 33 bis zur Mündung 37 erstreckende Einlasskanal 35 besitzt also einen im Unterteil 51 ausgebildeten Einlassabschnitt 49, der am weiteren Einlass 33 beginnt, und einen im radial inneren Holweck-Stator 25 ausgebildeten, von den beiden erwähnten Kanalabschnitten 39, 41 gebildeten Mündungsabschnitt, der an der Mündung 37 endet.
Da der radial innere Holweck-Stator 25 eine vergleichsweise große Wandstärke - gemessen in radialer Richtung - aufweist, können der axiale Kanalabschnitt 39 und der radiale Kanalabschnitt 41 mit einem vergleichsweise großen Durchmesser versehen werden, wodurch relativ große Leitwerte realisiert werden können. Die beiden Kanalabschnitte 39, 41 können durch Bohren oder Fräsen hergestellt werden.
In Abhängigkeit von der jeweiligen Anforderung kann auch eine andere axiale Position für die Mündung 37 gewählt werden. Die Länge des axialen Kanalabschnitts 39 ist dann entsprechend zu variieren. Die Radialbohrung oder Radialfräsung 41 kann grundsätzlich an jeder beliebigen axialen Position vorgenommen werden, um die von der dem Unterteil 51 zugewandten Basisseite 45 des radial inneren Holweck-Stators 25 ausgehende, den axialen Kanalabschnitt 39 bildende Bohrung zu erreichen.
Des Weiteren können, in den radial inneren Holweck-Pumpbereich 29 auch mehrere Kanäle münden, d.h. es können mehrere Mündungen 37 vorgesehen sein, die sich hinsichtlich ihrer axialen Position und/oder hinsichtlich ihrer Umfangsposition - jeweils bezogen auf die Rotationsachse A (vgl. Fig. 6) - voneinander unterscheiden.
Grundsätzlich ist es zusätzlich oder alternativ möglich, eine oder mehrere Anzapfungen in den radial äußeren Holweck-Pumpbereich 27 vorzusehen, d.h. im radial äußeren Holweck-Stator 23 eine oder mehrere Mündungen auszubilden und diese jeweils über einen einen geeigneten Verlauf aufweisenden Kanal mit dem weiteren Einlass 33 oder mit einem anderen Einlass für zu pumpendes Gas zu verbinden.
In anderen Ausführungsformen kann der Einlasskanal in einem anderen von dem äußeren Holweck-Stator separaten Bauteil ausgebildet sein, insbesondere in einem Zwischenbauteil, das auch als Zwischenstück bezeichnet wird. Eine Gasführung für die Anzapfung über den weiteren Einlass 33 muss also nicht wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 durch das Pumpenunterteil 51, sondern kann auch auf andere Weise erfolgen. Wie an anderer Stelle erwähnt, kann die Gasführung durch einen Abschnitt der Pumpe erfolgen, der einstückig mit dem Holweck-Stator ausgebildet ist.
Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts einer Splitflow-Vakuumpumpe 10a, die zumindest eine Turbomolekularpumpstufe 20a (nur unterer Teil gezeigt) und eine Holweckstufe 20b umfasst. Die Stufen 20a, 20b können in grundsätzlich bekannter Art aufgebaut sein, unter anderem auch so wie den Fig. 3, 4, 5 und 7 gezeigt.
Die Splitflow-Vakuumpumpe 10a weist einen nicht gezeigten Zwischengaseinlass auf, der in die Holweckstufe 20b mündet. Der Zwischengaseinlass kann so wie den Fig. 6 und 7 gezeigt ausgestaltet sein. In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kommt es jedoch nicht auf dessen Ausgestaltung an. Zusätzlich oder alternativ kann zumindest ein weiterer Zwischengaseinlass zwischen zwei Turbomolekularpumpstufen 20a vorgesehen sein (vgl. Einlass 11a, Fig. 6). Die Anzahl, Anordnung und/oder Ausgestaltung der Zwischengaseinlässe kann bedarfsgerecht frei gewählt werden.
Die Splitflow-Vakuumpumpe 10a kann ein nicht näher gezeigtes Gehäuse ähnlich wie das der vorstehend beschriebenen Pumpe 111 aufweisen. Das Gehäuse weist einen Pumpenraum 17 auf, in dem die Pumpstufen 20a, 20b angeordnet sind. Ferner ist ein Antriebs- oder Motorraum 137a vorgesehen, der von dem Pumpenraum 17 getrennt ausgebildet ist. Der Motorraum 137a wird durch einen Abschnitt eines Basis- oder Unterteils 121a und einen Deckel 221a definiert. Er nimmt einen Motor 125a auf, der zum Antrieb eines Rotors 149a mit einer Rotorwelle 153a dient.
An der Rotorwelle 153a ist eine Rotornabe 161a angeordnet, die Holweck-Rotorhülsen der Holweckstufe 20b trägt. Um den Motorraum 137a von dem Pumpenraum 17 zu trennen, ist eine zwischen der Nabe 161a und dem Deckel 221a wirksame Labyrinthdichtung 223a vorgesehen. Deren Dichtwirkung basiert auf der Verlängerung des Strömungsweges durch den abzudichtenden Spalt, wodurch der Strömungswiderstand für eines durch den Spalt strömendes Gas wesentlich erhöht wird. Die Dichtung umfasst Nuten (hier beispielhaft an der Nabe 161a ausgebildet) und in diese eingreifende Stege (hier beispielhaft an dem Deckel 221a ausgebildet). Jede Nut/Steg-Paarung bildet einen Gang 223b. Je höher die Anzahl der Gänge 223a (hier beispielhaft 5, Anzahl bedarfsgerecht wählbar), desto größer ist - bei ansonsten gleicher Dimensionierung/Ausgestaltung der Nuten und Stege - die Dichtwirkung der Dichtung 223a.
Um den bei Betrieb der Pumpe 10a sich erwärmenden Rotor 149a zu kühlen, wird in den Motorraum 137a ein Kühlgas (symbolisiert durch die Pfeile KG) eingebracht. Hierzu kann ein eigener Einlass oder ein bereits vorhandener Einlass oder Fluidkanal genutzt werden. Der Einlass kann z.B. einen Kanal umfassen, der quer, insbesondere senkrecht zur Rotationsachse A verläuft. Es ist aber auch möglich, das Kühlgas zunächst durch einen Raum oder Bereich zu leiten, der Komponenten einer Lagerung des Rotor 149a aufnimmt, bevor es in den Motorraum 137a gelangt. Ein solcher Lagerraum kann Teil des Antriebsraums sein oder in diesen übergehen. Beispielsweise kann ein den Lagerraum gegenüber dem Außenraum abschließender Lagerdeckel (vergleichbar mit dem Deckel 145 in der Fig. 3) einen Kühlgasschluss aufweisen.
Der zum Einbringen des Kühlgases genutzte Einlass ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die Menge des eingebrachten Kühlgases selektiv gewählt werden kann. Beispielsweise ist zu diesem Zweck eine manuell betätigbare Schraube o. ä. vorgesehen, die in einen Kühlgaskanal eingesetzt ist, der den Motorraum 137a mit dem Außenraum verbindet. Es ist jedoch auch möglich, ein ansteuerbares Ventil vorzusehen, das von einer nicht gezeigten Steuereinrichtung, die beispielsweise Teil einer Steuereinheit der Pumpe 10a ist oder in diese integriert ist, bedarfsgerecht gesteuert werden kann, um die Kühlgaslast bedarfsgerecht zu regulieren.
Das eingebrachte Kühlgas füllt den Motorraum 137a und tritt auch in den durch die Labyrinthdichtung 223a gebildeten Spalt. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Kühlgas in dem Spalt zu einem erheblichen Teil zum Übergang von Wärme von der Nabe 161a auf den Deckel 221a beiträgt. Das Kühlgas fungiert somit als Wärmeleiter zwischen den Komponenten 161a, 221a. Um diese Funktion effizient zu erfüllen, bedarf es einer bestimmten Menge an Gas in dem Spalt. Grundsätzlich gilt, dass die Wärmeleitung mit einer zunehmenden Gasmenge in dem Spalt steigt. Es wurde erkannt, dass sich bei einer Gaslast des Kühlgases von mehr als 1% der Gesamtgaslast ein Zustand einstellt, bei dem die Wärmeleitung signifikant verbessert wird. Eine höhere relative Kühlgaslast sorgt zwar einerseits für eine verbesserte Wärmeleitung, andererseits wird allerdings auch die zwischen den Komponenten 161a, 221a wirkende Reibung erhöht. Die Gesamtgaslast ist die Summe ist aller Gasströme, die durch den (Haupt)Einlass und den oder die Zwischengaseinlässe in die Pumpe 10a einströmen.
Ein für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Einstellung der relativen Kühlgaslast, also des Verhältnisses von Kühlgaslast zu Gesamtgaslast (erfindungsgemäß größer 1%), bedarf somit einer Abwägung der Vorteile einer verbesserten Wärmeleitung mit den Nachteilen einer erhöhten Reibung. In aufwändigen Untersuchungen wurde ermittelt, dass eine relative Kühlgaslast im Bereich von 2% bis 6% in den meisten Fällen besonders effektiv ist.
Bei einer Einspeisung eines Gases an einem Zwischengaseinlass im Bereich einer Holweckstufe (Zwischengaslast) hat sich als zusätzliche Bedingung eine relative Kühlgaslast bezogen auf die Zwischengaslast im Bereich von 1% bis 8% als vorteilhaft erwiesen.
Bei bestimmten Anwendungen sind jedoch auch relative Kühlgaslasten (bezogen auf die Gesamtgaslast) von bis zu 30% denkbar.
Auch die Ausgestaltung der Labyrinthdichtung 223a ist ein relevanter Faktor für die Effizienz der Wärmeleitung. Es wurde erkannt, dass mit steigender Zahl von Gängen der Labyrinthdichtung 223a eine geringere relative Kühlgaslast erforderlich ist. In manchen Anwendungsfällen ist beispielsweise bei einer Gangzahl von 5 eine relative Kühlgaslast von etwas über 1% ausreichend, während bei einer Gangzahl von drei oder weniger - bei ansonsten vergleichbaren Bedingungen - eine minimale Kühlgaslast von mindestens 2% erforderlich ist.
Das durch die Labyrinthdichtung 223a strömende Kühlgas tritt hinter der letzten pumpaktiven Komponente der Holweckstufe 20b, so dass der Strömungsweg des Kühlgases zu dem Pumpenauslass minimal ist.
Die über das Kühlgas von der Nabe 161a an den Deckel 221a abgegebene Wärme wird von diesem an das Basisteil 121a abgegeben. Da die Bauteile 221a, und das Basisteil 121a in der Regel metallisch sind, ist die Wärmeabfuhr sehr effektiv. Verbessert wird sie, wenn der Deckel 221a und ein mit diesem verbundener Wandabschnitt 121b des Basisteils 121a, der den Motorraum 137a mit definiert, vergleichsweise dickwandig ausgestaltet sind (z.B. > 2 mm oder sogar > 4mm). Auch eine gute thermische Kopplung des Deckel 221a mit dem Wandabschnitt 221b trägt zu einer besseren Wärmeabfuhr bei.
Der Deckel 221a trägt an seiner Holwecknabe 161a zugewandten Seite, die senkrecht zu der Rotorwelle 153a verläuft, einen Infrarot-Temperatursensor 57. Dieser "blickt" also in axialer Richtung und misst die von der Nabe 161a emittierte Infrarotstrahlung, die ein Maß für die Temperatur des Rotors 149a ist. Die mittels des Sensor 57 bestimmte Temperatur kann zur Steuerung der Pumpe 10a genutzt werden. Beispielsweise kann die Leistung der Pumpe 10a begrenzt werden, wenn die Temperatur des Rotors 149a einen gewissen Schwellenwert überschreitet. Analoges gilt für den umgekehrten Fall: Wenn die Temperatur einen gewissen Schwellenwert unterschreitet, kann die Leistung der Pumpe bei Bedarf erhöht werden.
Die Abkühlung des Rotors 149a kann durch das Einbringen des Kühlgases bewirkt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Einbringen des Kühlgases selbst auf Basis der gemessenen Rotortemperatur gesteuert wird. So kann bei erhöhtem Kühlbedarf mehr Kühlgas in den Motorraum 137a eingeleitet werden, beispielsweise indem ein steuerbares Ventil in einem Zufuhrkanal des Kühlgases etwas weiter geöffnet wird. Umgekehrt kann die Zufuhr von Kühlgas reduziert werden, wenn erkannt wird, dass die Temperatur des Rotors 149a unterhalb einer kritischen Temperatur liegt, um die Reibung im Bereich der Labyrinthdichtung 223a zu reduzieren.
Mit anderen Worten kann eine Steuerung der Pumpe 10a den durch das Kühlgas bereitgestellten Wärmeübergang von dem Rotor 149a auf das Unterteil 121a und damit letztlich die Kühlleistung auf Basis der gemessenen Rotortemperatur bedarfsgerecht anpassen.
In diesem Zusammenhang sei nochmals darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Konzept auf der Erkenntnis beruht, dass nicht eine Wärmeabfuhr durch das Kühlgas eine effiziente Kühlung des Rotors 149a ermöglicht, sondern eine gezielte Erhöhung der Wärmeleitung um Bereich der Labyrinthdichtung 223a.
Durch die räumliche Nähe des Abschnitts der Nabe 161a, dessen Temperatur gemessen wird (zur besseren Wärmeabstrahlung kann dieser Abschnitt aufgeraut und/oder geschwärzt sein), und der den Wärmeübergang zwischen dem Rotor 149a und dem Deckel 221a ermöglichenden Labyrinthdichtung 223a, kann die Wirkung des Kühlgases zeitnah beobachtet werden.
Dieses Konzept lässt sich grundsätzlich auch bei einer indirekten Messung der Rotortemperatur (z.B. im Bereich der Rotorlagerung) umsetzen.

Bezugszeichenliste

111: Turbomolekularpumpe
113: Einlassflansch
115: Pumpeneinlass
117: Pumpenauslass
119: Gehäuse
121, 121a: Unterteil
121b: Wandabschnitt
123: Elektronikgehäuse
125, 125a: Elektromotor
127: Zubehöranschluss
129: Datenschnittstelle
131: Stromversorgungsanschluss
133: Fluteinlass
135: Sperrgasanschluss
137, 137a: Motorraum
139: Kühlmittelanschluss
141: Unterseite
143: Schraube
145: Lagerdeckel
147: Befestigungsbohrung
148: Kühlmittelleitung
149, 149a: Rotor
151: Rotationsachse
153, 153a: Rotorwelle
155: Rotorscheibe
157: Statorscheibe
159: Abstandsring
161, 161a: 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, 221a: Wandung, Deckel
223, 223a: Labyrinthdichtung
223b: Gang

10, 10a: Vakuumpumpe
11: Einlass
12: zu evakuierende Einrichtung
13: Auslass
14: Vakuumkammer
15: Gehäuse
16: Gasauslass
17: Pumpenraum
18: Rotorwelle
19: äußere Holweck-Pumpstufe
21: innere Holweck-Pumpstufe
20a, 47: Turbomolekularpumpstufe
20b: Holweckstufe
23: äußerer Holweck-Stator
25: innerer Holweck-Stator
27: äußerer Holweck-Pumpbereich
29: innerer Holweck-Pumpbereich
30: Holweck-Nabe
31: Holweck-Rotor
32: Holweck-Hülse
11a, 33: weiterer Einlass, Zwischengaseinlass
35: Einlasskanal
37: Mündung
39: axialer Kanalabschnitt
41: radialer Kanalabschnitt
43: Übergangsbereich
45: Basisseite
49: Einlassabschnitt
51: Bauteil
53: Steg
55: Nut
57: Infrarot-Temperatursensor

P: Pumprichtung
A: Rotationsachse
KG: Kühlgas

Claims

Vakuumpumpe, mit
- einem Gaseinlass (11),

- einem Gasauslass (13),

- einem Gehäuse (15), das einen Pumpenraum (17) für ein vom Einlass (11) zum Auslass (13) in einer Pumprichtung (P) zu pumpendes Gas einschließt, und

- zumindest einem Zwischengaseinlass (11a, 33), der in Pumprichtung (P) gesehen zwischen dem Gaseinlass (11) und dem Gasauslass (13) in den Pumpenraum (17) mündet,

umfassend ferner einen Rotor (149a), der pumpaktive Komponenten zumindest einer Turbomolekularpumpstufe (20a) trägt, und eine Antriebseinheit (125a) zum Antrieb des Rotors (149a) zu einer Drehbewegung, die in einem von dem Gehäuse (15) eingeschlossenen Antriebsraum (137a) angeordnet ist,

wobei ein Kühlgaseinlass vorgesehen ist, durch den ein Kühlgas derart in das Gehäuse (15) einbringbar ist, dass es von dem Kühlgaseinlass über den Antriebsraum (137a) zu dem Gasauslass (13) strömen kann, insbesondere wobei der Kühlgaseinlass in den Antriebsraum (137a) mündet.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
wobei zumindest zwei, insbesondere zumindest drei Zwischengaseinlässe (11a, 33) vorgesehen sind.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
wobei zumindest eine weitere Pumpstufe vorgesehen ist, die als Holweckstufe (20b) ausgebildet ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 3,
wobei der Zwischengaseinlass (33) in die Holweckstufe (20b) mündet.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei der Antriebsraum (137a) durch ein Antriebsgehäuse (221a, 121b) von dem Pumpenraum (17) getrennt ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 5,
wobei eine Labyrinthdichtung (223a) vorgesehen ist, die zwischen dem Antriebsgehäuse (221a, 121b) und dem Rotor (149a) wirkt.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei eine Temperaturmesseinrichtung (57) vorgesehen ist, mit der die Temperatur des Rotors (149a) bestimmbar ist, insbesondere wobei die Temperaturmesseinrichtung (57) einen Infrarotsensor umfasst.
Vakuumpumpe nach Anspruch 7,
wobei die Temperaturmesseinrichtung (57) an einer dem Pumpenraum (17) zugewandten Oberfläche des Antriebsgehäuse (221a, 121b) angeordnet ist, insbesondere wobei sich die Oberfläche quer, bevorzugt senkrecht zu einer Drehachse (A) des Rotors (149a) erstreckt.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei der Kühlgaseinlass derart ausgestaltet ist, dass ein Kühlgasmassestrom variabel einstellbar ist, insbesondere durch ein steuerbares Ventil.
Vakuumpumpe nach Anspruch 9,
wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mit der das steuerbare Ventil ansteuerbar ist, insbesondere wobei die Steuereinrichtung derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass das steuerbare Ventil in Abhängigkeit einer Temperatur des Rotors (149) ansteuerbar ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Turbomolekularpumpstufe (20a) zumindest zwei Rotor/Stator-Paare aufweist, wobei die Rotoren und/oder die Statoren der beiden Paare unterschiedlich ausgestaltet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Turbomolekularpumpe, insbesondere einer Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit
- zumindest einem Gaseinlass (11),

- einem Gasauslass (13) und

- einem Gehäuse (15), das einen Pumpenraum (17) für ein vom Einlass (11) zum Auslass (13) in einer Pumprichtung (P) zu pumpendes Gas einschließt,

umfassend ferner einen Rotor (149a), der pumpaktive Komponenten zumindest einer Turbomolekularpumpstufe (20a) trägt, und eine Antriebseinheit (125a) zum Antrieb des Rotors (149a) zu einer Drehbewegung, die in einem von dem Gehäuse (15) eingeschlossenen Antriebsraum (137a) angeordnet ist,

wobei ein Kühlgaseinlass vorgesehen ist, durch den ein Kühlgas derart in das Gehäuse (15) eingebracht wird, dass es von dem Kühlgaseinlass über den Antriebsraum (137a) und den Pumpenraum (17) zu dem Gasauslass (13) strömen kann, insbesondere wobei der Kühlgaseinlass in den Antriebsraum (137a) mündet, und

wobei die eingebrachte Kühlgaslast mindestens 1%, bevorzugt 2% bis 6%, der gesamten Gaslast beträgt, die durch den Einlass (11) oder - falls mehr als ein Einlass vorgesehen ist - durch die Einlässe (11, 11a, 33) in die Turbomolekularpumpe (20a) eintritt.
Verfahren nach Anspruch 12,
wobei in Pumprichtung (P) hinter der Turbomolekularpumpstufe (20a) eine Holweckstufe (20b) und ein in diese mündender Zwischengaseinlass (11a, 33) vorgesehen sind und wobei die eingebrachte Kühlgaslast mindestens 1%, bevorzugt mehr als 1% und bis zu 8%, der Gaslast beträgt, die durch den Zwischengaseinlass (11a, 33) in die Turbomolekularpumpe eintritt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
wobei der Antriebsraum (137a) durch ein Antriebsgehäuse (221a, 121b) von dem Pumpenraum (17) getrennt ist und wobei eine Labyrinthdichtung (223a) vorgesehen ist, die zwischen dem Antriebsgehäuse (221a, 121b) und dem Rotor (149a) wirkt und die durch zumindest eine Nut und zumindest einen in diese eingreifenden Stege gebildet, wobei die Kühlgaslast bei einer Anzahl von 3 oder weniger Stegen und/oder Nuten mindestens 2% der gesamten Gaslast beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14,
wobei die eingebrachte Kühlgaslast in Abhängigkeit einer Temperatur einer Komponente der Turbomolekularpumpe, insbesondere in Abhängigkeit einer Temperatur des Rotors (149a), gesteuert wird.