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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Holweck-Vakuumpumpe.
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Vakuumpumpen
weisen ein in einem Pumpengehäuse angeordnetes Rotorelement
auf. Bei einer Holweck-Vakuumpumpe weist beispielsweise das Rotorelement
ein rohrförmiges, konzentrisch zur Rotorwelle angeordnetes
Förderelement auf. Das Förderelement ist von einem
Statorelement umgeben, in dem ein schraubenlinienförmiger
Kanal ausgebildet ist. Aufgrund der Rotation des Förderelements
erfolgt aufgrund des Transportmechanismus von Reibungsvakuumpumpen
eine Mitnahme der zu fördernden Gasmoleküle. Die
in Richtung des Statorelements weisende Seite des Förderelements überträgt
aufgrund der Drehbewegung Impulse auf den einzelnen Gasmolekülen.
Die Leistung einer derartigen Reibungs-Vakuumpumpe ist im Wesentlichen von
der Relativgeschwindigkeit zwischen den Reibflächen sowie
von der zu fördernden Gasart abhängig.
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Eine
besonders ausgestaltete Holweck-Vakuumpumpe ist in
DE 196 32 375 beschrieben. Das Rotorelement
der hierin beschriebenen Holweck-Vakuumpumpe weist ein scheibenförmiges,
mit der Rotorwelle verbundenes Halteelement auf. Konzentrisch zu
der Rotorwelle sind mit dem Halteelement mehrere rohrförmige
Förderelemente umgeben. Benachbarte Förderelemente bilden
somit einen kreisringförmigen Kanal. In diesen Kanälen
sind Statorelemente angeordnet. Jedes Statorelement weist eine zylindrische,
parallel zu den Förderelementen verlaufende, in sich geschlossene
Wand auf. Auf beiden Seiten der Wand ist jeweils ein schraubenlinienförmiger
Steg angeordnet, so dass jedes Statorelement zwei schraubenlinienförmige
Förderkanäle ausbildet. Zwischen zwei benachbarten
rohrförmigen Förderelementen sind somit zwei Förderkanäle
ausgebildet. Hierbei ist eine Seitenwand des Förderkanals
stets durch das Förderelement und die anderen drei Seitenwände
des Förderkanals durch das Statorelement ausgebildet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Aufbau einer Vakuumpumpe, insbesondere
einer Holweck-Vakuumpumpe zu vereinfachen, insbesondere eine kostengünstigere
Herstellung zu ermöglichen und/oder die Förderleistung
zu erhöhen.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße Vakuumpumpe, bei der es sich
insbesondere um eine Holweck-Vakuumpumpe handelt, weist ein in einem
Pumpengehäuse angeordnetes Rotorelement auf, das vorzugsweise von
einer Rotorwelle getragen ist. Das Rotorelement weist mindestens
zwei Förderelemente auf, die in einer ersten bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung zueinander konzentrisch angeordnet
und rohrförmig ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform ist
es besonders bevorzugt, dass die rohrförmigen Förderelemente
auch konzentrisch zur Rotorwelle angeordnet sind. Das Fördern
des Gases erfolgt hierbei durch die an den Seitenflächen
der Förderelemente auftretende Reibung, wobei die Förderelemente
auf die Gasteilchen Impulse ausüben. Zwischen zwei benachbarten
Förderelementen ist ein Statorelement ausgebildet. Das
Statorelement weist einen schraubenlinienförmigen Kanal
auf, durch den das Medium in Förderrichtung gefördert
wird. Das Fördern des Mediums erfolgt durch eine Relativbewegung zwischen
dem Statorelement und dem Rotorelement bzw. den Förderelementen
des Rotorelements. Hierbei erfolgt üblicherweise ein Drehen
des Rotorelements, das mit einer Rotorwelle verbunden ist. Ebenso
kann jedoch auch ein Drehen des Statorelements erfolgen, wobei es
insbesondere auch möglich ist, dass sowohl das Statorelement
als auch das Rotorelement vorzugsweise in entgegengesetzte Richtung
gedreht werden.
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Erfindungsgemäß weist
das Statorelement einen einzigen schraubenlinienförmigen
Förderkanal auf.
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Es
sind somit im Unterschied zu
DE
196 32 375 zwischen zwei benachbarten Förderelementen in
radialer Richtung nicht zwei sondern ein einziger Förderkanal
angeordnet. Das Statorelement weist somit keine zentrale rohrförmige
Wand auf, die schraubenlinienförmige Stege trägt.
Im Unterschied hierzu handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Statorelement
um ein vorzugsweise flaches, schraubenlinienförmiges Band,
das selbsttragend ist. Ggf. sind allenfalls Stabilisierungsstege
vorgesehen, durch die jedoch keine Trennung in zwei gesonderte Kanäle
erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist
somit in radialer Richtung zwischen zwei benachbarten Förderelementen ein
einziger schraubenlinienförmiger Kanal angeordnet. In Förderrichtung
bzw. in axialer Richtung ist es möglich, mehrere parallel
zueinander verlaufende Kanäle vorzusehen, so dass schraubenlinienförmige, mehrgängige
Kanäle vorgesehen sind.
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Vorzugsweise
sind die beiden radialen Kanalseitenflächen somit durch
zwei benachbarte Förderelemente ausgebildet. Die Kanalbreite
in radialer Richtung entspricht somit vorzugsweise im Wesentlichen
dem Abstand zwischen zwei benachbarten Förderelementen.
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Bei
gleicher Querschnittsfläche der Förderkanäle
weist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Förderkanäle
eine höhere Förderleistung auf, sofern auch die übrigen
Randbedingungen identisch sind. Dies ist aus einem Vergleich der
Prinzipskizzen gemäß 1 und 2 ersichtlich.
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Gemäß dem
Stand der Technik (1) ist ein Förderkanal 10 durch
ein Statorelement 12 ausgebildet, wobei drei Seitenflächen 14, 16, 18 durch das
stationäre Statorelement ausgebildet sind. Die vierte Kanalinnenseite 20 ist
durch das rotierende, rohrförmige Förderelement 22 ausgebildet.
Senkrecht zur Zeichenebene ergibt sich somit die unter der Skizze
prinzipiell dargestellte Geschwindigkeitsverteilung v. In vereinfachter
Betrachtungsweise, d. h. ohne Berücksichtigung der „slip
flow”-Bedingung, ist die Geschwindigkeitsverteilung, wie
in dem Diagramm dargestellt, im Wesentlichen linear. Die Geschwindigkeit
ist an der Innenseite 16 des Förderkanals null
und an der Innenseite 20 des Förderelements 22 maximal.
Diese entspricht im Wesentlichen der tangentialen Geschwindigkeit
des rotierenden Förderelements 22. Unter der Voraussetzung,
dass die Kompression K = 1 ist, ist das geförderte Gasvolumen
proportional zu der Fläche und dem Integral über
der Geschwindigkeit.
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Gemäß der
ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei
zueinander konzentrische, rohrförmige Förderelemente 24 vorgesehen.
Zwischen den beiden Förderelementen 24 ist das
schraubenlinienförmige Statorelement 26 angeordnet.
Ein Förderkanal 28 ist somit einerseits durch die
beiden stationären Innenwände 30 des
Statorelements 26 und die beiden sich bewegenden Innenwände 32 der
Förderelemente 24 ausgebildet. Wie in dem Diagramm
in 2 dargestellt, ist die Geschwindigkeitsverteilung
v senkrecht zur Zeichenebene derart, dass die Geschwindigkeit an
den beiden Innenwänden 32 maximal ist. In vereinfachter
Betrachtungsweise ist die Geschwindigkeitsverteilung wiederum linear,
so dass die Fläche unter der Kurve, vereinfacht ausgedrückt,
doppelt so groß ist wie die Fläche unter der Geschwindigkeitsverteilung
gemäß dem Stand der Technik.
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Gestrichelt
dargestellt sind in den beiden Diagrammen die etwas weniger vereinfachten
Geschwindigkeitsverläufe. Hieraus ist jedoch ersichtlich, dass das
Fördervolumen (Fläche unter der Kurve) bei der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung (2)
erheblich größer ist als bei der Ausgestaltung
nach dem Stand der Technik (1).
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In
bevorzugter Weiterbildung weist das Rotorelement ein insbesondere
scheibenförmiges, mit der Rotorwelle verbundenes Halteelement
auf. Mit dem Halteelement sind die mindestens zwei rohrförmigen
Förderelemente verbunden. Hierbei ist es bevorzugt, dass
das Halteelement insbesondere ringförmige Ansätze
aufweist, auf die die Förderelemente aufsteckbar bzw. einsteckbar
sind. Die Verbindung kann hierbei durch eine Presspassung, Verkleben oder
dgl. erfolgen.
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Vorzugsweise
sind die Förderelemente nur auf einer Seite des Halteelements
angeordnet, wobei es besonders bevorzugt ist, dass das Halteelement
in Förderrichtung vor den Förderelementen angeordnet ist.
Dies hat den Vorteil, dass das Halteelement zusätzlich
Rotorflügel aufweisen kann, durch die das zu pumpende Gas
in Richtung der Förderelemente gefördert wird.
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Um
eine möglichst kompakte Vakuumpumpe realisieren zu können,
ist es vorteilhaft, dass ein Zusatz-Förderkanal zwischen
einem äußeren Förderelement und einer
Innenwand des Pumpengehäuses angeordnet ist. Hierbei kann
das entsprechende Zusatz-Statorelement unmittelbar mit dem Pumpengehäuse
verbunden oder einstückig mit dem Pumpengehäuse
ausgebildet sein.
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Ferner
kann das innere Förderelement unmittelbar durch die Außenseite
der Rotorwelle ersetzt werden.
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In
besonders bevorzugter Ausführungsform sind die Förderelemente
und/oder das Halteelement, d. h. vorzugsweise das gesamte Rotorelement,
aus einem leichten und gleichzeitig hochfesten Werkstoff hergestellt.
Insbesondere ist es möglich, die Bauteile aus Kunststoff,
vorzugsweise aus CFK herzustellen.
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Hierdurch
können die Herstellungskosten erheblich reduziert werden.
Ferner hat das Verwenden derart leichter Bauteile den Vorteil, dass
die auftretenden Trägheitsmomente erheblich geringer sind. Die
Konstruktion der Lager, bei denen es sich insbesondere um Magnetlager
handelt, kann somit vereinfacht werden. Dies hat eine weitere Kostenreduzierung
zur Folge.
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Gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
anstelle von rohrförmigen Förderelementen scheibenförmige
Förderelemente vorgesehen. Diese mindestens zwei scheibenförmig
ausgebildeten Förderelemente sind vorzugsweise im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet und verlaufen in besonders bevorzugter Ausführungsform
im Wesentlichen radial zur Rotorwelle. Entsprechend der ersten bevorzugten
Ausführungsform ist zwischen zwei benachbarten Förderelementen
ein Statorelement angeordnet, das einen einzigen schraubenlinienförmigen
Kanal aufweist, der wiederum mehrgängig ausgebildet sein
kann. Das Förderprinzip entspricht dem anhand der ersten Ausführungsform
beschriebenen Förderprinzip, wobei das Fördern
des Gases im Wesentlichen in radialer Richtung erfolgt. Hierbei
ist es besonders bevorzugt, dass die Rotorwelle einen vorzugsweise
axial verlaufenden Förderkanal aufweist bzw. als Hohlwelle
ausgebildet ist. Das Fördern des Gases kann hierbei beispielsweise
derart erfolgen, dass das Gas durch den durch die Rotorwelle ausgebildeten
Kanal angesaugt und durch die zwischen benachbarten Förderelementen
angeordneten spiralförmigen Kanäle radial nach
außen transportiert wird. Ebenso ist auch eine umgekehrte
Förderrichtung möglich. Des Weiteren ist es beispielsweise
möglich, dass das Gas von benachbarten Förderkanälen,
insbesondere abwechselnd radial nach innen und außen gefördert wird,
so dass im Querschnitt ein schlangenlinienförmiger Förderstrom
ausgebildet ist.
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Das
Fördern des Fluids, bei dem es sich üblicherweise
um ein gasförmiges Fluid handelt, wird aufgrund der Relativbewegung
zwischen dem Rotorelement und dem Statorelement bewirkt. Insbesondere
handelt es sich hierbei um die Relativbewegung zwischen den Förderelementen
des Rotorelements relativ zu dem Statorelement. In bevorzugter Ausführungsform
ist das Statorelement ortsfest bzw. stationär, so dass
ausschließlich ein Antreiben des Rotorelements über
die Rotorwelle erfolgt.
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Es
ist jedoch auch möglich, das in den vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen als Rotorelement beschriebene Bauteil
stationär bzw. ortsfest auszugestalten und das die schraubenlinienförmigen
oder spiralförmigen Kanäle ausbildende Statorelement
anzutreiben, indem es beispielsweise mit einer Antriebswelle verbunden
ist.
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Ferner
ist es möglich, dass sowohl die Rotorelemente als auch
die Statorelemente angetrieben sind und beispielsweise mit einer
entsprechenden Antriebswelle verbunden sind. Durch gegenläufiges Drehen
der Rotorelemente zu den Statorelementen entsteht eine Relativbewegung,
durch die das Fluid gefördert wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
prinzipielle schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vakuumpumpe
nach dem Stand der Technik,
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2 eine
prinzipielle schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vakuumpumpe
gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
schematische, perspektivische Schnittansicht einer Holweck-Stufe
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vakuumpumpe
gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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4 eine
schematische, perspektivische Ansicht eines Statorelements gemäß der
ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine
schematische Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, und
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6 eine
schematische Schnittansicht eines spiralförmig ausgebildeten
Statorelements.
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In
einem Pumpengehäuse 34 (3) ist das erfindungsgemäß ausgebildete
Rotorelement angeordnet. Dieses weist ein im Wesentlichen scheibenförmig
ausgebildetes Halteelement 36 auf. Das Halteelement 36 ist über
einen zentralen Zapfen 38 mit einer nicht dargestellten
Rotorwelle verbunden. Zur Verdeutlichung ist die Mittellinie 58 der
Rotorwelle dargestellt. Der innere Bereich des scheibenförmigen Halteelements 36 ist
als geschlossene Scheibe 40 ausgebildet. Hieran schließen
sich radial verlaufende Rotorflügel 42 an. An
einer in eine Förderrichtung 44 weisenden Unterseite
des Halteelements 36 sind ringförmig ausgebildete
Ansätze 46 angeordnet, die vorzugsweise einstückig
mit dem Halteelement 36 ausgebildet sind.
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Mit
den ringförmigen Ansätzen 46 sind durch Aufstecken
im dargestellten Ausführungsbeispiel drei rohrförmige
bzw. kreisringzylindrisch ausgebildete Förderelemente 24 fest
verbunden. Ein Drehen des Halteelements 36 bewirkt somit
ebenfalls ein Drehen der rohrförmigen Förderelemente 24.
Zwischen zwei benachbarten Förderelementen 24 ist
jeweils ein erfindungsgemäß ausgebildetes Statorelement 26 angeordnet,
wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Statorelemente 26 vorgesehen
sind.
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Die
Statorelemente 26 sind, wie insbesondere aus 4 ersichtlich,
schraubenlinienförmig ausgebildet. Hierbei kann es sich
um ein einziges schraubenlinienförmiges Element oder mehrere
ineinander angeordnete schraubenlinienförmige Elemente
handeln. Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel
eines Statorelements 26 weist insgesamt fünf ineinander
greifende, jeweils als teil-schraubenlinienförmiges Element
ausgebildete Statorteile 52 auf. Zwischen einzelnen benachbarten Statorteilen 52 ist
jeweils ein schraubenlinienförmiger Kanal ausgebildet,
wobei beim Vorsehen mehrerer ineinander greifender Statorteile 52 mehrere
in Förderrichtung bzw. axial parallel zueinander verlaufende
Förderkanäle vorgesehen sind. Die Funktionsweise
der einzelnen Förderkanäle 28 ist aus 2 ersichtlich.
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Das
in 4 dargestellte Statorelement 26 weist
somit mehrere in axialer bzw. in Förderrichtung 44 parallel
zueinander verlaufende Förderkanäle 28 auf.
In radialer Richtung ist jedoch keine Überschneidung der
Förderkanäle 28 vorgesehen, so dass,
wie anhand 2 beschrieben, ein erheblich
größeres, im Wesentlichen doppeltes Fördervolumen
erzielt werden kann.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel (3) ist zwischen
dem äußeren Förderelement 24 und
dem Pumpengehäuse 34 ein Zusatz-Förderkanal 48 vorgesehen.
Dieser ist durch ein ebenfalls schraubenlinienförmig ausgebildetes
Zusatz-Statorelement 50 ausgebildet, wobei das Zusatz-Statorelement 50 im
dargestellten Ausführungsbeispiel fest mit einer Innenwand 54 des
Gehäuses verbunden oder einstückig mit dem Gehäuse 34 ausgebildet
ist.
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Das
durch die einzelnen Förderkanäle 28, 48 geförderte
Medium wird durch Öffnungen 56 ausgestoßen
bzw. einer weiteren Förderstufe zugeführt. Ebenso
ist es möglich, für benachbarte Förderkanäle 28, 48 gemeinsame
Ausstoßöffnungen vorzusehen.
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Bei
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform (5)
ist prinzipiell ebenfalls das anhand von 2 erläuterte
erfindungsgemäße Förderprinzip realisiert.
Allerdings erfolgt das Fördern des Gases, bezogen auf eine
Längsachse 58 einer Rotorwelle 60, in
radialer Richtung.
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Innerhalb
eines schematisch dargestellten Gehäuses 62 ist
eine im dargestellten Ausführungsbeispiel als Hohlwelle
ausgebildete Rotorwelle 60 angeordnet. Mit der Hohlwelle 60 sind
scheibenförmig ausgebildete Förderelemente 64 verbunden.
Die die Rotorwelle 60 umgebenden Förderelemente 64 können
hierbei über Ansätze 66, die ringförmig
ausgebildet und mit einer Außenseite der Hohlwelle 60 verbunden
sind, fixiert sein. Zwischen zwei benachbarten scheibenförmigen
Förderelementen 64 ist der Förderkanal 28 ausgebildet.
Innerhalb des Förderkanals 28 ist ein Statorelement 68 angeordnet.
Dieses ist in der zweiten bevorzugten Ausführungsform (5)
nicht schraubenlinien- sondern spiralförmig ausgebildet,
so dass auch der Kanal spiralförmig ausgebildet ist und
radial verläuft. Das Gas wird somit innerhalb des Kanals 28 bei
der in 5 dargestellten Ausführungsform spiralförmig,
beispielsweise von innen nach außen, gefördert.
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In
der in 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
der zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung erfolgt
ein Ansaugen des zu fördernden Mediums durch eine Einlassöffnung 70 des
Gehäuses 62 in Richtung eines Pfeils 72,
so dass das Medium in einen Innenraum 74 der Hohlwelle 60 gelangt.
Aus dem Innenraum 74 wird das Gas durch Öffnungen 76 in
der Hohlwelle 60, wie durch die Pfeile dargestellt, in
die Kanäle 28 gefördert. Durch eine Auslassöffnung 78 des
Gehäuses erfolgt ein Ausstoßen des Gases in Richtung
eines Pfeils 81.
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An
Innenwänden 80 des Gehäuses 62 sind im
dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere fest mit
dem Gehäuse 62 verbundene oder einstückig mit
diesem ausgebildete Zusatz-Statorelemente 82 ausgebildet,
so dass auch zwischen den beiden äußeren scheibenförmigen
Förderelementen 64 und der Innenwand 80 des
Gehäuses 62 ein Fördern des Gases erfolgt.
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Die
Hohlwelle 60 ist von einem mit einer Antriebseinrichtung 84 verbundenen
Wellenzapfen 86 getragen.
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Das
Statorelement 68 ist spiralförmig ausgebildet.
Hierdurch kann durch das Statorelement 68 ein einzelner,
sich in 5 beispielsweise von innen nach
außen erstreckender Kanal ausgebildet sein. Ebenso ist
es möglich, das spiralförmige Statorelement 68,
wie schematisch in 6 als Schnittansicht dargestellt,
auszubilden. Das hier dargestellte, spiralförmig ausgebildete
Statorelement 68 ist mehrgängig ausgebildet, wobei
im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Kanäle 88 ausgebildet
sind, die parallel zueinander verlaufen. Die Kanaleinlässe
sind im dargestellten Ausführungsbeispiel regelmäßig
angeordnet, wobei die Kanaleinlässe bei drei Kanälen
jeweils um 120° zueinander versetzt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19632375 [0003, 0008]