EP4644703A1

EP4644703A1 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: EP4644703A1
Application number: EP25198515.6A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Koch; Nikolai Wolff; Niklas Wirth; Maximilian VOR; Torsten Gogol; Timo SCHEPP
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2025-08-27
Filing date: 2025-08-27
Publication date: 2025-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit einem Einlass, einem Auslass, einem in einer Pumprichtung vom Einlass zum Auslass wirksamen und zumindest eine Turbomolekularpumpstufe aufweisenden Pumpsystem, das einen Rotorelemente umfassenden Rotor und mit den Rotorelementen während des Betriebs pumpwirksam zusammenwirkende Statorelemente aufweist, und einer Spindeleinheit, die ein Spindelgehäuse und innerhalb des Spindelgehäuses eine mit dem Rotor drehwirksam verbundene Welle und für die Welle einen Antriebsmotor und eine Lagereinrichtung umfasst, wobei die Welle mittels des Antriebsmotors in Rotation um eine Drehachse antreibbar und durch die Lagereinrichtung drehbar gelagert ist, wobei das Spindelgehäuse zumindest teilweise von dem Rotor umgeben ist, und wobei in einem Zwischenraum zwischen Spindelgehäuse und Rotor wenigstens eine Sperrstufe angeordnet ist, die zumindest in einer Richtung, insbesondere für ein vom Pumpsystem gefördertes Prozessgas, sperrend wirkt und die von einem Bereich an der Außenseite des Spindelgehäuses und/oder von einem Bereich an der Innenseite des Rotors gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit einem Einlass, einem Auslass, einem in einer Pumprichtung vom Einlass zum Auslass wirksamen und zumindest eine Turbomolekularpumpstufe aufweisenden Pumpsystem, das einen Rotorelemente umfassenden Rotor und mit den Rotorelementen während des Betriebs pumpwirksam zusammenwirkende Statorelemente aufweist, und einer Spindeleinheit, die ein Spindelgehäuse und innerhalb des Spindelgehäuses eine mit dem Rotor drehwirksam verbundene Welle und für die Welle einen Antriebsmotor und eine Lagereinrichtung umfasst, wobei die Welle mittels des Antriebsmotors in Rotation um eine Drehachse antreibbar und durch die Lagereinrichtung drehbar gelagert ist, und wobei das Spindelgehäuse zumindest teilweise von dem Rotor umgeben ist.
Bei Turbomolekularpumpen handelt es sich um hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise grundsätzlich bekannte Vakuumpumpen, die vielseitig einsetzbar sind und in unterschiedlichen Anwendungen und Umgebungen in Industrie und Wissenschaft Verwendung finden.
Bei der eingangs genannten Turbomolekularpumpe ist eine als Ganzes handhabbare Spindeleinheit vorgesehen, die ein äußeres Spindelgehäuse umfasst, in welchem eine Welle, ein Antriebsmotor für die Welle und eine Lagereinrichtung für die Welle angeordnet sind. Derartige Spindeleinheiten können bei Montage und Demontage der Pumpe als eine Einheit eingesetzt und entnommen werden. Turbomolekularpumpen dieses Typs sind grundsätzlich bekannt. Die Spindeleinheiten oder - wenn die genannten Komponenten, insbesondere die Lagereinrichtung, zu einer im Spindelgehäuse angeordneten Untereinheit zusammengefasst sind - diese Untereinheiten werden auch als Magnetlagerkartuschen bezeichnet. Das äußere Spindelgehäuse liegt dabei mit demjenigen Bereich seiner Außenseite, der von dem Rotor umgeben ist, der Innenseite des Rotors gegenüber.
In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung und Umgebung können äußere Einflüsse die Komponenten der Spindeleinheit beeinträchtigen. Dies betrifft insbesondere die Lagereinrichtung, und zwar vor allem dann, wenn die Lagerung der Welle durch aktive Magnetlager erfolgt. Äußere Einflüsse können die Prozessgase sein, die mittels des Pumpsystems vom Einlass zum Auslass gefördert werden und in das Spindelgehäuse hineingelangen können. Aber auch andere äußere Einflüsse können die Komponenten der Spindeleinheit beeinträchtigen, beispielsweise Staub aus der Umgebung.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Turbomolekularpumpe der eingangs genannten Art die Spindeleinheit und dabei insbesondere die im Spindelgehäuse befindlichen Komponenten möglichst gut und auf möglichst einfache Weise vor äußeren Einflüssen zu schützen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1.
Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass in einem Zwischenraum zwischen Spindelgehäuse und Rotor wenigstens eine Sperrstufe angeordnet ist, die zumindest in einer Richtung, insbesondere für ein vom Pumpsystem gefördertes Prozessgas, sperrend wirkt und die gemeinsam von einem Bereich an der Außenseite des Spindelgehäuses und/oder von einem Bereich an der Innenseite des Rotors gebildet ist.
Der Zwischenraum zwischen Spindelgehäuse und Rotor wird hierdurch genutzt, um das Eindringen von Prozessgas oder anderen Verunreinigungen zu erschweren oder vollständig zu unterbinden und so den betreffenden Innenraum der Pumpe und dabei insbesondere das Innere des Spindelgehäuses der Spindeleinheit vor äußeren Einflüssen zu schützen.
Die Sperrstufe wird somit weder von zufällig oder gezielt aus anderen Gründen vorgesehenen Oberflächenrauigkeiten des Spindelgehäuses oder des Rotors, noch von einem oder mehreren gezielt in den Zwischenraum eingebrachten separaten Bauteilen oder Materialien gebildet. Vielmehr wird die Sperrstufe von einer zur Erzielung einer Sperrwirkung an der Außenseite des Spindelgehäuses oder an der Innenseite des Rotors angeordneten Struktur oder gemeinsam von an beiden Seiten ausgebildeten Strukturen gebildet. Auf unterschiedliche Möglichkeiten zur Bildung einer solchen Sperrstufe wird nachstehend näher eingegangen.
Grundsätzlich ist es möglich, dass der Rotor das Spindelgehäuse nur radial oder nur axial umgibt. Bevorzugt umgibt der Rotor das Spindelgehäuse sowohl radial als auch axial. Wenn der Rotor das Spindelgehäuse radial umgibt, dann kann - unabhängig davon, ob der Rotor das Spindelgehäuse zusätzlich axial umgibt - der Rotor das Spindelgehäuse über dessen gesamte axiale Länge oder nur über einen Teil dessen axialer Länge umgeben. In letzterem Fall kann das Spindelgehäuse axial entweder über ein offenes Ende des Rotors hinaus vorstehen oder es kann der Rotor an beiden Enden offen sein und das Spindelgehäuse axial über beide offenen Enden hinaus vorstehen.
Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Rotor das Spindelgehäuse sowohl radial als auch axial umgibt, wobei zumindest eine axiale Sperrstufe in einem axialen Abschnitt des Zwischenraumes und/oder zumindest eine radiale Sperrstufe in einem radialen Abschnitt des Zwischenraumes angeordnet ist. Bevorzugt ist das Spindelgehäuse nicht über seine gesamte axiale Länge von dem Rotor umgeben, d.h. das Spindelgehäuse steht axial über ein offenes Ende des Rotors hinaus vor.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden sowohl ein axialer Abschnitt des Zwischenraumes als auch ein radialer Abschnitt des Zwischenraumes jeweils für die Bildung einer Sperrstufe genutzt.
Ein Zwischenraum mit einem axialen Abschnitt und einem radialen Abschnitt kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass der Rotor einen glocken- oder becherförmigen Abschnitt aufweist, mit dem der Rotor das Spindelgehäuse zumindest teilweise umgibt.
Zumindest eine Sperrstufe kann von einer Labyrinthdichtung gebildet sein. Dabei kann insbesondere vorgesehen, dass die Labyrinthdichtung eine axiale Sperrstufe ist. In diesem Fall wird folglich ein axialer Abschnitt des Zwischenraumes zur Bildung einer Sperrstufe genutzt. Der Vorteil einer solchen Sperrstufe besteht darin, dass dieser radial vergleichsweise weit innen, d.h. relativ nahe an der Drehachse vorgesehen sein kann.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Sperrstufe in Richtung des Auslasses pumpwirksam ausgebildet ist. Die Sperrstufe ist hierbei also nicht passiv, sondern bewirkt während des Betriebs eine aktive Sperrwirkung dadurch, dass entgegen der Richtung, in der die Sperrstufe sperrend wirken soll, eine Pumpwirkung bereitgestellt wird. Die Rotation des Rotors relativ zum Spindelgehäuse kann hierbei dazu ausgenutzt werden, um eine pumpwirksame Sperrstufe zu bilden. Beispielsweise kann zumindest eine pumpwirksam ausgebildete Sperrstufe von einer Siegbahnstufe gebildet sein. Insbesondere ein axialer Abschnitt des Zwischenraumes zwischen Rotor und Spindelgehäuse kann auf relativ einfache Weise als eine solche pumpwirksame Siegbahnstufe gebildet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Sperrstufe von einer Holweckpumpstufe gebildet sein. Der axiale Abschnitt des Zwischenraumes zwischen Rotor und Spindelgehäuse kann zur Bildung einer solchen Holweckpumpstufe genutzt werden.
Hierbei kann die die Sperrstufe bildende Holweckpumpstufe ein ein- oder mehrgängiges Holweckgewinde an der Außenseite des Spindelgehäuses und eine dem Holweckgewinde zugewandte Holweckfläche an der Innenseite des Rotors umfassen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Holweckfläche von der radialen Innenseite einer Holweckhülse des Rotors gebildet ist.
Bei dieser Holweckhülse kann es sich um eine Komponente eines in Pumprichtung der Turbomolekularpumpstufe nachgeordneten Holweckpumpsystems handeln, welches zusätzlich eine oder mehrere zusätzliche, radial außerhalb der die Sperrstufe bildenden Holweckpumpstufe gelegene Holweckpumpstufen aufweist.
Mit anderen Worten kann im Falle des Vorsehens eines solchen Holweckpumpsystems die die Sperrstufe bildende Holweckpumpstufe die radial am weitesten innen gelegene Stufe eines mehrstufigen, mehrere radial ineinander liegende Holweckpumpstufen umfassenden Holweckpumpsystems sein. Eine solche Anordnung mehrerer Holweckpumpstufen wird auch als geschachtelte Anordnung von Holweckpumpstufen oder als geschachteltes Holweckpumpsystem bezeichnet. Derartige Holweckpumpsysteme sind grundsätzlich bekannt und werden regelmäßig in Turbomolekularpumpen eingesetzt. Ein Ausgang des Holweckpumpsystems ist dann mit dem insbesondere von einem Vorvakuumanschluss gebildeten Auslass der Turbomolekularpumpe verbunden.
Im Falle einer solchen Ausgestaltung kann zum Ausgang des Holweckpumpsystems einerseits zumindest eine in die gleiche Richtung wie die Turbomolekularpumpstufe pumpwirksame Holweckpumpstufe und andererseits entweder die die Sperrstufe bildende Holweckpumpstufe oder zumindest eine der Sperrstufe nachgeordnete, in die gleiche Richtung wie die Sperrstufe pumpwirksame Holweckpumpstufe führen.
Mit anderen Worten kann die Sperrstufe entweder direkt, also ohne eine oder mehrere nachgeordnete Holweck-Pumpstufen, zum Ausgang des Holweckpumpsystems führen, oder die die Sperrstufe bildende Holweckpumpstufe kann durch eine oder mehrere in die gleiche Richtung, also entgegen der Sperrrichtung, pumpwirksame Holweckpumpstufen verlängert sein, die nicht von dem Zwischenraum zwischen Rotor und Spindelgehäuse gebildet sind.
Aufbau und Funktionsweise eines Holweckpumpsystems sind grundsätzlich bekannt, so dass hierauf an dieser Stelle nicht näher eingegangen zu werden braucht.
Vorzugsweise sind der Rotor und die Welle lösbar miteinander verbunden. Auf diese Weise kann die die Welle umfassende Spindeleinheit unabhängig von dem Rotor montiert und demontiert werden.
Alternativ können der Rotor und die Welle auch unlösbar miteinander verbunden sein. Der Rotor kann dann gemeinsam mit der Spindeleinheit als eine Einheit gehandhabt und montiert werden.
Gemäß einigen Weiterbildungen kann der Rotor einen mit der Welle verbundenen Halter umfassen, mit dem die Rotorelemente verbunden sind. Bei den Rotorelementen handelt es sich insbesondere um Rotorscheiben der Turbomolekularpumpstufe und - wenn gemäß bevorzugter Weiterbildungen der Turbomolekularpumpstufe ein Holweckpumpsystem nachgeordnet ist - um eine oder mehrere Holweckhülsen des Holweckpumpsystems.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest einige Rotorelemente, bevorzugt alle Rotorelemente, als separate Bauteile vorgesehen sind, die an dem Halter durch jeweilige geeignete Mittel befestigt sind. Möglichkeiten für eine drehfeste Anbringung von Rotorscheiben einer Turbomolekularpumpstufe und von Holweckhülsen eines Holweckpumpsystems sind grundsätzlich bekannt. Rotorscheiben können beispielsweise auf einen entsprechend wellen- oder schaftartigen Abschnitt des Rotors montiert werden. Holweckhülsen, die aus einem anderen Material bestehen können als der Halter des Rotors bzw. als ein beispielsweise nabenartiger Träger des Halters, können zum Beispiel mit dem Halter bzw. Träger verklebt werden. Derartige Befestigungsmöglichkeiten sind grundsätzlich bekannt, so dass auch hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht. Eine oder mehrere, insbesondere alle, Holweckhülsen können aber auch aus dem gleichen Material bestehen wie der Halter und dabei insbesondere einstückig mit dem Halter ausgebildet sein.
Die Rotorelemente oder zumindest einige Rotorelemente, insbesondere alle oder ein Teil der Rotorscheiben der Turbomolekularpumpstufe und/oder eine oder mehrere, insbesondere alle, Holweckhülsen eines Holweckpumpsystems, können alternativ einstückig mit dem Halter des Rotors ausgebildet sein. Insbesondere kann der gesamte Rotor einschließlich aller Rotorelemente, insbesondere aller Rotorscheiben und aller Holweckhülsen eines Holweckpumpsystems, einstückig ausgebildet sein. Auch derartige Gestaltungsformen von Rotoren von Turbomolekularpumpen und insbesondere von Turbomolekularpumpstufen und Holweckpumpsystemen sind grundsätzlich bekannt.
Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, kann der Rotor einen glocken- oder becherförmigen Abschnitt aufweisen, mit dem der Rotor das Spindelgehäuse zumindest teilweise umgibt. Hierdurch kann zwischen Rotor und Spindelgehäuse ein Zwischenraum entstehen, der sowohl einen axialen Abschnitt als auch einen radialen Abschnitt aufweist. Somit eröffnet eine solche Glocken- oder Becherform des Rotors die Möglichkeit, mehrere und insbesondere unterschiedlich ausgestaltete Sperrstufen vorzusehen. So kann beispielsweise eine axiale Sperrstufe, z.B. in Form einer Labyrinthdichtung oder einer Siegbahnstufe, im axialen Abschnitt des Zwischenraumes gebildet werden, wobei zusätzlich eine Holweckpumpstufe als radiale Sperrstufe im radialen Abschnitt des Zwischenraumes vorgesehen werden kann.
Gemäß einigen Weiterbildungen kann ein das Spindelgehäuse umgebender Abschnitt des Rotors von einer Holweckhülse und einem Träger für die Holweckhülse gebildet sein. Der Träger und die Holweckhülse können gemeinsam eine Glocken- oder Becherform bilden.
Ein das Spindelgehäuse umgebender Abschnitt des Rotors kann in einer von der Turbomolekularpumpstufe weg weisenden Axialrichtung offen sein, wobei die Spindeleinheit über das offene Ende des Rotors hinaus vorsteht. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Spindeleinheit außerhalb des Rotors von einem stationären Gehäuse der Pumpe und/oder von einem stationären Unterteil der Pumpe umgeben ist.
Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, kann die Lagereinrichtung für die Welle ein oder mehrere aktive Magnetlager umfassen. Dabei können ein oder mehrere radiale aktive Magnetlager und ein oder mehrere aktive axiale Magnetlager vorgesehen sein.
Alternativ kann die Lagerung der Welle durch ein oder mehrere Wälzlager erfolgen. Auch eine sogenannte Hybridlagerung ist grundsätzlich möglich, d.h. für die Drehlagerung der Welle können sowohl ein oder mehrere aktive Magnetlager als auch ein oder mehrere Wälzlager vorgesehen sein.
Unter einem aktiven Magnetlager ist ein Lager zu verstehen, bei dem die Lagerung mittels geregelter Elektromagnete erzeugt wird. Die Verwendung derartiger Magnetlager in Vakuumpumpen einschließlich Turbomolekularpumpen zur Lagerung von schnell drehenden Rotoren bzw. Wellen ist auf dem hier in Rede stehenden technischem Gebiet grundsätzlich bekannt, so dass weitere Ausführungen hierzu an dieser Stelle nicht erforderlich sind.
Eine Drehlagerung der Welle ausschließlich durch aktive Magnetlager schließt nicht aus, dass ein oder mehrere Wälzlager vorgesehen sind, die als sogenannte Notlager oder Fanglager dienen. Auch dieses Konzept ist grundsätzlich bekannt.
Gemäß einigen Weiterbildungen kann vorgesehen sein, dass die Pumpe einen Sperrgasanschluss und einen von dem Sperrgasanschluss ausgehenden Strömungsweg für ein Sperrgas aufweist, wobei der Strömungsweg für das Sperrgas durch die Spindeleinheit hindurchführt und in den Zwischenraum mündet. Die Verwendung von Sperrgas ist sowohl in Verbindung mit einer oder mehreren passiven Sperrstufen also auch in Verbindung mit einer oder mehreren pumpwirksamen Sperrstufen und in Verbindung mit einer Kombination aus zumindest einer passiven Sperrstufe und wenigstens einer aktiven Sperrstufe von Vorteil. Eine aktive, also pumpwirksame, Sperrstufe wie beispielsweise eine Siegbahnstufe oder eine Holweckpumpstufe kann das Sperrgas entgegen der Sperrrichtung fördern, um hierdurch das Eindringen von Prozessgas oder anderen Verunreinigungen weiter zu unterdrücken oder noch zuverlässiger zu unterbinden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Strömungsweg für das Sperrgas an einer Stelle in den Zwischenraum mündet, die in einer zum Auslass führenden Strömungsrichtung zumindest einer Sperrstufe vorgeordnet ist.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Strömungsweg für das Sperrgas durch ein radial zwischen der Welle und einem von dem Rotor umgebenen Abschnitt des Spindelgehäuses angeordnetes Notlager hindurchführt.
Hierdurch kann, insbesondere dann, wenn das Notlager einen potentiellen Eintrittsbereich für äußere Einflüsse in das Innere des Spindelgehäuses darstellt, dieser Eintrittsbereich auf besonders wirksame Weise geschützt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: in einem Schnitt entlang der Drehachse ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe,
Fig. 2: in einem Schnitt entlang der Drehachse die Spindeleinheit der Pumpe von Fig. 1,
Fig. 3: die Spindeleinheit von Fig. 2 in einer Ansicht,
Fig. 4: die Pumpe von Fig. 1 sowie in jeweils vergrößerter Darstellung eine axiale Sperrstufe und eine radiale Sperrstufe, und
Fig. 5: zwei unterschiedliche Möglichkeiten für die Integration einer als Sperrstufe dienenden Holweckpumpstufe in das Holweckpumpsystem der Pumpe von Fig. 1.

Die Turbomolekularpumpe gemäß Fig. 1 umfasst ein zylindrisches Pumpengehäuse 49 mit einem hochvakuumseitigen Einlass 11 und einem radialen vorvakuumseitigen Auslass 13, der in einem Zwischenstück 50 des Gehäuses 49 ausgebildet und mit einem Vorvakuumanschluss versehen ist. An seiner vom Einlass 11 abgewandten Seite ist das Gehäuse 49 mit einem Unterteil 51 versehen, das an seiner Unterseite mittels eines Deckelelements 52 verschlossen ist. Ein Sperrgasanschluss 59, auf den an anderer Stelle näher eingegangen wird, ist hier rein exemplarisch am Unterteil 51 dargestellt.
Das Pumpsystem der Turbomolekularpumpe umfasst eine Turbomolekularpumpstufe 15 mit einer Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Rotorscheiben 17 und Statorscheiben 23 sowie ein der Turbomolekularpumpstufe 15 in einer vom Einlass 11 zum Auslass 13 verlaufenden Pumprichtung nachgeordnetes Holweckpumpsystem 43. Von den Rotorscheiben 17 und den Statorscheiben 23 der Turbomolekularpumpstufe 15 sind in Fig. 1 nur einige exemplarisch mit einem Bezugszeichen versehen.
Das Holweckpumpsystem 43, auf dessen Aufbau an anderer Stelle näher eingegangen wird, umfasst eine sogenannte geschachtelte Anordnung von radial ineinander liegenden Holweckpumpstufen, die von Holweckhülsen 19 und Statorelementen 23 gebildet werden.
Ein Rotor 21 des Pumpsystems umfasst zusätzlich zu den erwähnten Rotorelementen, also den Rotorscheiben 17 der Turbomolekularpumpstufe 15 und den Holweckhülsen 19 des Holweckpumpsystems 43, einen einstückig ausgebildeten Halter 22, der zwei im Wesentlichen zylindrische Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers für die Rotorscheiben 17 sowie einen ringförmigen Träger 47 für die beiden Holweckhülsen 19 umfasst. Die Rotorscheiben 17 des Abschnitts mit dem größeren Durchmesser sind einstückig mit dem Halter 22 ausgebildet. Die anderen, näher am Einlass 11 gelegenen Rotorscheiben 17 sind durch Aufpressen auf den den kleineren Durchmesser aufweisenden Abschnitt des Halters 22 drehfest mit diesem verbunden.
Während des Betriebs der dann an einen zu evakuierenden Rezipienten angeschlossenen Turbomolekularpumpe rotiert der Rotor 21 um eine mit der Mittelachse des zylindrischen Pumpgehäuses 49 zusammenfallenden Drehachse 35, wobei die Rotorscheiben 17 pumpwirksam mit den Statorscheiben 23 und die Holweckhülsen 19 pumpwirksam mit den Holweckstatoren 23 zusammenwirken, um ein jeweiliges Prozessgas vom Einlass 11 zum Auslass 13 zu fördern.
Aufbau und Funktionsweise eines solchen Pumpsystems einer Turbomolekularpumpe, wie vorstehend erläutert, sind grundsätzlich bekannt.
Zusätzlich zu dem erläuterten Pumpsystem aus Rotor 21 und mit diesem zusammenwirkenden Statorelementen 23 umfasst die Turbomolekularpumpe eine Spindeleinheit 25, die hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise als solche ebenfalls grundsätzlich bekannt ist.
Die Spindeleinheit 25 ist als eine Einheit handhabbar und somit als Ganzes montierbar. Im dargestellten zusammengesetzten Zustand ist die Spindeleinheit 25 axial und radial von dem Rotor 21 sowie - axial an den Rotor 21 anschließend - radial von dem Zwischenstück 50 des Gehäuses 49 und dem Unterteil 51 umgeben.
Die Spindeleinheit 25 umfasst ein äußeres Spindelgehäuse 27, in welchem eine Welle 29 sowie für diese Welle 29 ein Antriebsmotor und eine Lagereinrichtung angeordnet sind. Auf diesen Aufbau der Spindeleinheit 25 wird nachfolgend anhand von Fig. 2 näher eingegangen. Das Spindelgehäuse 27 umfasst zwei Zylinderabschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser, wobei der den kleineren Durchmesser aufweisende Zylinderabschnitt näher am Rotor 21 gelegen ist.
Über den Antriebsmotor und somit die Welle 29 wird der Rotor 21 während des Betriebs in Rotation versetzt. Hierzu ist der Halter 22 des Rotors 21 durch eine Schraube 61 mit der Welle 29 verbunden. Das rotierende System der Turbomolekularpumpe umfasst somit zusätzlich zu dem Rotor 21 die Welle 29.
Während des Pumpbetriebs ist die Turbomolekularpumpe einlassseitig beispielsweise an einem zu evakuierenden Rezipienten angeschlossen. Ein zu pumpendes Gas strömt vom Einlass 11 durch die Turbomolekularpumpstufe 15 und das Holweckpumpsystem 43 zu einem Ausgang 45 des Holweckpumpsystems 43, der zum Auslass 13 führt. Für das von der Turbomolekularpumpstufe 15 kommende Prozessgas umfasst das Holweckpumpsystem 43 drei radial ineinander liegende Holweckpumpstufen. Die von radial außen gezählt dritte Holweckpumpstufe mündet an dem erwähnten Ausgang 45.
Die Turbomolekularpumpe gemäß Fig. 1 zeichnet sich dadurch aus, dass ein Zwischenraum 37 zwischen der Außenseite des Spindelgehäuses 27 und der Innenseite des Rotors 21 dazu genutzt wird, eine oder mehrere Sperrstufen - im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Sperrstufen 39, 41 - zu bilden, um auf diese Weise die innerhalb des Spindelgehäuses 27 befindlichen Komponenten - dabei insbesondere die Lagereinrichtung - vor äußeren Einflüssen zu schützen, insbesondere vor dem zum Ausgang 45 des Holweckpumpsystems 43 geförderten Prozessgas, aber auch - wie im Einleitungsteil erwähnt - vor anderen äußeren Einflüssen wie beispielsweise Verunreinigungen in Form von Staub.
Eine axiale Sperrstufe 39 in Form einer Labyrinthdichtung befindet sich in einem axialen Abschnitt des Zwischenraumes 37. Die Labyrinthdichtung wird von axial einander zugewandten Flächen auf der Außenseite des Spindelgehäuses 27 und der Innenseite des Trägers 47 des Halters 22 des Rotors 21 gebildet. Die beiden einander zugewandten Seiten von Spindelgehäuse 27 und Träger 47 bilden folglich gemeinsam die hier als Labyrinthdichtung ausgebildete Sperrstufe 39.
Eine radiale Sperrstufe 41, die sich somit in einem radialen Abschnitt des Zwischenraumes 37 befindet, wird gemeinsam von der radialen Innenseite der radial innen liegenden Holweckhülse 19 des Holweckpumpsystems 43 und der insofern als Holweckstator wirksamen Außenseite des zylindrischen Abschnitts des Spindelgehäuses 27 gebildet. Diese radiale Sperrstufe 41 ist folglich eine Holweckpumpstufe, die in Richtung zum Ausgang 45 des Holweckpumpsystems 43 pumpwirksam ist.
Wenn während des Betriebs der Turbomolekularpumpe an den Sperrgasanschluss 49 eine Sperrgasquelle angeschlossen ist, dann kann Sperrgas in einer hier nicht näher dargestellten Weise durch die Spindeleinheit 25, also durch das Innere des Spindelgehäuses 27 hindurch, in den axialen Abschnitt des Zwischenraumes 37 strömen, und zwar insbesondere durch ein radiales Notlager hindurch.
Somit bilden die beiden Sperrstufen 39, 41 und gegebenenfalls das Sperrgas gemeinsam eine Barriere für äußere Einflüsse, wie insbesondere das zum Ausgang 45 des Holweckpumpsystems 43 geförderte Prozessgas, die somit daran gehindert werden, in das Innere des Spindelgehäuses 27 zu gelangen. Besonders vorteilhaft ist hierbei die in Richtung des Ausgangs 45 gerichtete Pumpwirkung der als Holweckpumpstufe ausgebildeten radialen Sperrstufe 41. Anstelle der Labyrinthdichtung kann als axiale Sperrstufe 39 beispielsweise eine Siegbahnpumpstufe vorgesehen sein, die ebenfalls eine zum Ausgang 45 des Holweckpumpsystems 43 gerichtete Pumpwirkung bereitstellt.
Somit werden in vorteilhafter Weise die einander zugewandten Seiten von Spindelgehäuse 27 und Rotor 21 dazu genutzt, in dem hierdurch gebildeten Zwischenraum 37 eine Barriere gegen das Eindringen von Verunreinigungen zu bilden, die ansonsten die innerhalb des Spindelgehäuses 27 befindlichen Komponenten beeinträchtigen könnten.
Der Aufbau der Spindeleinheit 25 ist auch Fig. 2 zu entnehmen. Aktive radiale Magnetlager 53, ein Antriebsmotor 31 sowie ein aktives axiales Magnetlager 55 für die Welle 29 sind schematisch dargestellt. Das aktive axiale Magnetlager 55 wirkt mit einer an der Welle 29 ausgebildeten Lagerscheibe 63 aus magnetisierbarem Material zusammen. Zur Regelung der Axialposition der Welle 29 und somit des aktiven axialen Magnetlagers 55 ist ein Axialsensor 54 vorgesehen, der die Größe des axialen Spaltes misst, den der Axialsensor 54 mit einem Stirnabschnitt 58 der Welle 29 bildet.
Des Weiteren sind in Fig. 2 als Wälzlager ausgebildete radiale Notlager 57 dargestellt, die an den beiden axialen Endbereichen der Welle 29 angeordnet sind. Ein jeweiliger äußerer Lagerring ist dabei an dem stationären Spindelgehäuse 27 abgestützt, während ein jeweiliger radial innerer Lagerring des betreffenden Notlagers 57 der radialen Außenseite eines Abschnitts der Welle 29 zugewandt ist.
Das näher am Axialsensor 54 gelegene Notlager 57 ist dabei von einer Lagerfassung 56 aufgenommen, die zudem als axiales Widerlager für das aktive axiale Magnetlager 55 dient und an der der Axialsensor 54 angebracht ist.
Zur Bildung der anhand von Fig. 1 erläuterten Sperrstufen 39, 41 ist an einem zylindrischen Abschnitt der Außenseite des Spindelgehäuses 27 ein Holweckgewinde 41a ausgebildet. Dieses Holweckgewinde 41a ist hier eingängig ausgeführt. Alternativ kann auch ein mehrgängiges Holweckgewinde 41a vorgesehen sein. Wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert, bildet dieses Holweckgewinde 41a zusammen mit der radialen Innenseite der radial innen liegenden Holweckhülse 19 des Holweckpumpsystems 43 eine pumpwirksame Holweckpumpstufe.
Eine in axialer Richtung weisende Ringfläche des Spindelgehäuses 27, die in Höhe des einen Notlagers 57 gelegen ist, ist mit drei konzentrisch angeordneten, jeweils in axialer Richtung abstehenden Wandabschnitten versehen und bildet somit den einen Teil der erwähnten Labyrinthdichtung, welche die axiale Sperrstufe 39 bildet. Diese Anordnung konzentrischer Wandabschnitte 39a greift in eine hierzu passende Anordnung konzentrischer Wandabschnitte 39b auf der zugewandten, in axialer Richtung weisenden Fläche des Trägers 47 des Halters 22 des Rotors 21 ein, um auf diese Weise die beschriebene Labyrinthdichtung 39 als axiale Sperrstufe zu bilden.
Eine Ansicht dieser Spindeleinheit 25 ist in Fig. 3 dargestellt. Zu erkennen sind insbesondere das Hohlweckgewinde 41a, welches auf der Außenseite des den kleineren Außendurchmesser aufweisenden Zylinderabschnitts des Spindelgehäuses 27 ausgebildet ist, das dem Rotor 21 (vgl. Fig. 1) zugewandte stirnseitige Ende der Welle 29, welches geringfügig über das Spindelgehäuse 27 hinaus vorsteht, sowie der auf der anderen Seite aus dem Spindelgehäuse 27 hinaus vorstehende Abschnitt der Lagerfassung 56 mit dem Axialsensor 54.
In Fig. 4 ist die Turbomolekularpumpe von Fig. 1 zusammen mit vergrößerten Ausschnitten dargestellt, die jeweils eine der erwähnten Sperrstufen 39, 41 zeigen.
Die Darstellung links in Fig. 4 zeigt das Holweckpumpsystem 43 mit den beiden Holweckstatoren 43 und den beiden am Träger 47 des Halters 22 des Rotors 21 angebrachten Holweckhülsen 19.
Die radial am weitesten innen gelegene Holweckpumpstufe dieses Holweckpumpsystems 43 stellt dabei die radiale Sperrstufe 41 dar, die - wie vorstehend beschrieben - von dem Holweckgewinde 41a auf der Außenseite des Spindelgehäuses 27 und der von der radialen Innenseite der radial inneren Holweckhülse 19 gebildeten Holweckfläche 41b gebildet ist. Diese als Sperrstufe wirksame Holweckpumpstufe 41 und die drei radial weiter außen liegenden, in Pumprichtung aufeinanderfolgenden Holweckpumpstufen des Holweckpumpsystems 43 münden am gemeinsamen Ausgang 45, der zum Auslass 13 der Pumpe führt (vgl. Fig. 1).
Die Darstellung rechts in Fig. 4 zeigt die als axiale Sperrstufe 39 wirksame Labyrinthdichtung, die aus den beiden axial ineinandergreifenden Anordnungen konzentrischer Wandabschnitte 39a, 39b gebildet ist.
Diese axiale Sperrstufe 39 befindet sich somit im axialen Abschnitt des Zwischenraumes 37 und liegt dabei axial in Höhe des dortigen Notlagers 57 zwischen Spindelgehäuse 27 und Welle 29.
Außerdem sind in dieser rechten Darstellung in Fig. 4 teilweise eines der aktiven radialen Magnetlager 53 (vgl. Fig. 2) und eine Statorscheibe 23 der Turbomolekularpumpstufe 15 dargestellt (vgl. Fig. 1).
Fig. 5 zeigt zwei Möglichkeiten für die Integration der erwähnten radialen Sperrstufe 41 in das Holweckpumpsystem 43.
Die Darstellung links in Fig. 5 entspricht dem, was vorstehend insbesondere im Zusammenhang mit der Darstellung links in Fig. 4 erläutert worden ist. Die Pfeile deuten dabei jeweils die Strömung des von der Turbomolekularpumpstufe 15 kommenden Prozessgases, das in der links in Fig. 5 dargestellten Variante durch die drei radial ineinander liegenden Holweckpumpstufen zum Ausgang 45 gefördert wird, sowie die Strömung des vom hier nicht dargestellten Sperrgasanschluss 49 (vgl. Fig. 4) kommenden Sperrgases an, das durch das Innere des Spindelgehäuses 27 hindurch in den Zwischenraum 37 und dabei durch das dortige Notlager 57 strömt.
Von den vier radial ineinander liegenden Holweckpumpstufen ist somit nur die radial am weitesten innen gelegene Holweckpumpstufe sperrend wirksam, also die Holweckpumpstufe im radialen Abschnitt des Zwischenraumes 37 zwischen Spindelgehäuse 27 und radial innerer Holweckhülse 19. Die anderen drei Holweckpumpstufen dienen zur Förderung des von der Turbomolekularpumpstufe 15 kommenden Prozessgases.
In der rechts in Fig. 5 dargestellten Variante dient zur Förderung des Prozessgases lediglich die radial am weitesten außen gelegene Holweckpumpstufe. Die beiden anderen Holweckpumpstufen verlängern die radial am weitesten innen gelegene Holweckpumpstufe, also die Sperrstufe 41, die wiederum von der Außenseite des Spindelgehäuses 27 und der radial inneren Holweckhülse 19 gebildet ist. Diese beiden mittleren Holweckpumpstufen sind somit gegenüber der Variante links in Fig. 5 durch einen entsprechend entgegengesetzten Verlauf der Holweckgewinde auf dem betreffenden Holweckstator 23 entgegengesetzt orientiert, d.h. sie sind in die gleiche Richtung pumpwirksam wie die Sperrstufe 41. In den zum Auslass 13 der Pumpe führenden Ausgang 45 des Holweckpumpsystems 43 münden also einerseits die das Prozessgas fördernde, radial am weitesten außen gelegene Holweckpumpstufe und andererseits die drei anderen, in die gleiche Richtung pumpwirksamen Holweckpumpstufen.
Die radiale Sperrstufe 41 im radialen Zwischenraum zwischen innerer Holweckhülse 19 und Spindelgehäuse 27 wird hierdurch somit durch die beiden Holweckpumpstufen effektiv verlängert.

Bezugszeichenliste

11: Einlass
13: Auslass
15: Turbomolekularpumpstufe
17: Rotorelement, Rotorscheibe
19: Rotorelement, Holweckhülse
21: Rotor
22: Halter des Rotors
23: Statorelement, Statorscheibe bzw. Holweckstator
25: Spindeleinheit
27: Spindelgehäuse
29: Welle
31: Antriebsmotor
35: Drehachse
37: Zwischenraum
39: axiale Sperrstufe
39a: Anordnung konzentrischer Wandabschnitte
39b: Anordnung konzentrischer Wandabschnitte
41: radiale Sperrstufe
41a: Holweckgewinde
41b: Holweckfläche
43: Holweckpumpsystem
45: Ausgang des Holweckpumpsystems
47: Träger
49: Pumpengehäuse
50: Zwischenstück
51: Unterteil
52: Deckelelement
53: aktives radiales Magnetlager
54: Axialsensor
55: aktives axiales Magnetlager
56: Lagerfassung
57: Notlager
58: Stirnabschnitt
59: Sperrgasanschluss
61: Schraube
63: Lagerscheibe

Claims

Turbomolekularpumpe mit
- einem Einlass (11),

- einem Auslass (13),

- einem in einer Pumprichtung vom Einlass (11) zum Auslass (13) wirksamen und zumindest eine Turbomolekularpumpstufe (15) aufweisenden Pumpsystem, das einen Rotorelemente (17, 19) umfassenden Rotor (21) und mit den Rotorelementen (17, 19) während des Betriebs pumpwirksam zusammenwirkende Statorelemente (23) aufweist, und

- einer Spindeleinheit (25), die ein Spindelgehäuse (27) und innerhalb des Spindelgehäuses (27) eine mit dem Rotor (21) drehwirksam verbundene Welle (29) und für die Welle (29) einen Antriebsmotor (31) und eine Lagereinrichtung (53, 55, 57) umfasst, wobei die Welle (29) mittels des Antriebsmotors (31) in Rotation um eine Drehachse (35) antreibbar und durch die Lagereinrichtung (53, 55, 57) drehbar gelagert ist,

wobei das Spindelgehäuse (27) zumindest teilweise von dem Rotor (21) umgeben ist, und

wobei in einem Zwischenraum (37) zwischen Spindelgehäuse (27) und Rotor (21) wenigstens eine Sperrstufe (39, 41) angeordnet ist, die zumindest in einer Richtung, insbesondere für ein vom Pumpsystem gefördertes Prozessgas, sperrend wirkt und die von einem Bereich an der Außenseite des Spindelgehäuses (27) und/oder von einem Bereich an der Innenseite des Rotors (21) gebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1,
wobei der Rotor (21) das Spindelgehäuse (27) sowohl radial als auch axial umgibt, und wobei zumindest eine axiale Sperrstufe (39) in einem axialen Abschnitt des Zwischenraumes (37) und/oder zumindest eine radiale Sperrstufe (41) in einem radialen Abschnitt des Zwischenraumes (37) angeordnet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die oder eine Sperrstufe (39) von einer Labyrinthdichtung gebildet ist, insbesondere wobei die Labyrinthdichtung eine axiale Sperrstufe ist.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die oder eine Sperrstufe (41) in Richtung des Auslasses (13) pumpwirksam ausgebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 4,
wobei die oder eine in Richtung des Auslasses (13) pumpwirksam ausgebildete Sperrstufe von einer Siegbahnpumpstufe gebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 4 oder 5,
wobei die oder eine in Richtung des Auslasses (13) pumpwirksam ausgebildete Sperrstufe (41) von einer Holweckpumpstufe gebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 6,
wobei die die Sperrstufe (41) bildende Holweckpumpstufe ein ein- oder mehrgängiges Holweckgewinde (41a) an der Außenseite des Spindelgehäuses (27) und eine dem Holweckgewinde (41a) zugewandte Holweckfläche (41b) an der Innenseite des Rotors (21) umfasst, insbesondere wobei die Holweckfläche (41b) von der radialen Innenseite einer Holweckhülse (19) des Rotors (21) gebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 6 oder 7,
wobei die die Sperrstufe (41) bildende Holweckpumpstufe die radial am weitesten innen gelegene Stufe eines mehrstufigen, mehrere radial ineinander liegende Holweckpumpstufen umfassenden Holweckpumpsystems (43) ist, das der Turbomolekularpumpstufe (15) in Pumprichtung nachgeordnet ist und das einen zum Auslass (13) der Pumpe führenden Ausgang (45) aufweist, und

wobei zum Ausgang (45) des Holweckpumpsystems (43) einerseits zumindest eine in die gleiche Richtung wie die Turbomolekularpumpstufe (15) pumpwirksame Holweckpumpstufe und andererseits entweder die die Sperrstufe (41) bildende Holweckpumpstufe oder zumindest eine der Sperrstufe (41) nachgeordnete, in die gleiche Richtung wie die Sperrstufe (41) pumpwirksame Holweckpumpstufe führen.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (21) und die Welle (29) lösbar miteinander verbunden sind, und/oder wobei der Rotor (21) einen mit der Welle (29) verbundenen Halter (22) umfasst, mit dem die Rotorelemente (17, 19) verbunden sind, insbesondere wobei zumindest einige Rotorelemente (17, 19) separate Bauteile sind, die an dem Halter (22) befestigt sind.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (21) einen glocken- oder becherförmigen Abschnitt (47, 19) aufweist, mit dem der Rotor (21) das Spindelgehäuse (27) zumindest teilweise umgibt.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein das Spindelgehäuse (27) umgebender Abschnitt des Rotors (21) von einer Holweckhülse (19) und einem Träger (47) für die Holweckhülse (19) gebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein das Spindelgehäuse (27) umgebender Abschnitt (47, 19) des Rotors (21) in einer von der Turbomolekularpumpstufe (15) weg weisenden axialen Richtung offen ist und die Spindeleinheit (25) über das offene Ende des Rotors (21) hinaus vorsteht, insbesondere wobei die Spindeleinheit (25) außerhalb des Rotors (21) von einem stationären Gehäuse (49) der Pumpe und/oder von einem stationären Unterteil (51) der Pumpe umgeben ist.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagereinrichtung (53, 55, 57) ein oder mehrere aktive Magnetlager (53, 55) und/oder ein oder mehrere Wälzlager (57) umfasst.
Turbomolekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe einen Sperrgasanschluss (59) und einen von dem Sperrgasanschluss (59) ausgehenden Strömungsweg für ein Sperrgas aufweist, wobei der Strömungsweg für das Sperrgas durch die Spindeleinheit (25) hindurchführt und in den Zwischenraum (37) mündet.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 14,
wobei der Strömungsweg für das Sperrgas an einer Stelle in den Zwischenraum (37) mündet, die in einer zum Auslass (13) führenden Strömungsrichtung zumindest einer Sperrstufe (39, 41) vorgeordnet ist,

und/oder wobei der Strömungsweg für das Sperrgas durch ein radial zwischen der Welle (29) und einem von dem Rotor (21) umgebenen Abschnitt des Spindelgehäuse (27) angeordnetes Notlager (57) hindurchführt.