Schnell drehender Rotor für eine Vakuumpumpe

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen schnell drehenden Rotor (10) für eine Vakuumpumpe (2), welcher eine erste Hülse (16) und eine Tragstruktur (14; 60) umfasst. Um die vakuumtechnische Leistungsfähigkeit zu steigern, wird vorgeschlagen, dass innerhalb der ersten Hülse (16) eine zweite Hülse (18) angeordnet ist und erste und zweite Hülse einen Verbund bilden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen schnell drehenden Rotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Molekularpumpstufen nach dem Bauprinzip von Holweck sind seit Jahren auf dem Gebiet der Vakuumtechnik erfolgreich. In der Regel werden sie in Turbomolekularpumpstufen als vorvakuumseitige Pumpstufe eingesetzt, damit die Turbomolekularpumpe gegen höhere Vorvakuumdrücke ausstoßen kann. Nach Holweck rotiert eine glatte Hülse in einem mit schraubenlinienförmigen Nuten versehenen Stator. Mehrere Hülsen können vorhanden sein, so schlägt die DE 196 32 375 A1 vor, Hülsen unterschiedlicher axialer Länge im Gasstrom parallel wirken zu lassen.

[0003] Besonders erfolgreich sind Hülsen aus kohlenstofffaserverstärktem Material, da dieses eine geringe Ausdehnung unter Einwirkung von Wärme und Fliehkräften besitzt.

[0004] Der Nachteil liegt jedoch darin, dass die Hülse am Rotor getragen werden muss und hierbei in einem Trägerbauteil ein Material zum Einsatz kommt, das einer größeren Ausdehung unterliegt und so hohe Spannungen in der Hülse erzeugt. Dieser Nachteil erschwert die Gestaltung des Rotors und begrenzt die vakuumtechnische Leistungsfähigkeit, beispielsweise durch Drehzahl- und Temperaturgrenzen. Zur vakuumtechnischen Leistungsfähigkeit gehören beispielsweise die erreichte Kompression und das Saugvermögen. Es wurde in der EP-A 1 408 237 vorgeschlagen, die faserverstärkte Holweckhülse in das Trägerbauteil übergehen zu lassen und dabei eine spezielle Gestaltung der Fasern auszunutzen. Dieser Vorschlag hat es jedoch bisher nicht zum Markterfolg gebracht, was an der Komplexität der Fasergestaltung und Rotorgeometrie liegen könnte.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen schnell drehenden Rotor für eine Vakuumpumpe zu schaffen, der eine verbesserte vakuumtechnische Leistungsfähigkeit besitzt.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruch 1.

[0007] Durch die Gestaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird erreicht, dass die Spannungsdifferenz zwischen Tragstruktur und Hülse verringert wird. Aufgrund der geringeren Spannungsdifferenz wird die vakuumtechnische Leistungsfähigkeit verbessert, denn Drehzahl und Arbeitstemperatur können höher gewählt werden.

[0008] Dabei kann die erste Hülse unmittelbar von der Tragstruktur getragen werden, während die zweite Hülse von der ersten Hülse getragen und somit nur mittelbar über die erste Hülse mit der Tragstruktur verbunden ist. Alternativ kann die zweite Hülse mit der Tragstruktur verbunden und die erste Hülse von der zweiten Hülse getragen sein. Des Weiteren ist es auch möglich, dass beide Hülsen unmittelbar mit der Tragstruktur verbunden sind.

[0009] Die abhängigen Ansprüche 2 bis 15 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an, die den vorgenannten Vorteil zusätzlich steigern.

[0010] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich die erste Hülse und die zweite Hülse hinsichtlich des Materials, aus dem die Hülsen hergestellt sind, voneinander unterscheiden. Insbesondere unterscheiden sich die Materialien hinsichtlich der Ausdehnung unter Einwirkung von Wärme und/oder von Fliehkräften.

[0011] In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die erste Hülse und die zweite Hülse flächig, insbesondere vollflächig, miteinander verbunden sein.

[0012] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Verbund, den die beiden Hülsen bilden, derart ausgelegt ist, dass die durch die zweite Hülse unter Einwirkung von Fliehkräften erzeugten Kräften auf die erste Hülse jenen Kräften nahekommen, die durch die Ausdehnung der Tragstruktur, insbesondere einer Nabe der Tragstruktur, auf die erste Hülse einwirken.

[0013] Insbesondere führt die Materialwahl nach den Ansprüchen 5 und 6, insbesondere in Kombination der Merkmale miteinander, zu besonders geringen Spannungsdifferenzen. Die vakuumtechnische Leistungsfähigkeit wird zusätzlich verbessert, wenn gemäß Anspruch 7 rotorseitig eine pumpaktive Struktur in Form einer schraubenlinienartigen Nut vorgesehen wird, beispielsweise wird auf diese Weise das Saugvermögen verbessert.

[0014] Der Verbund kann dadurch gebildet werden, dass die beiden Hülsen eine Klebeverbindung oder eine Schrumpfverbindung bilden. Die Schrumpfverbindung wird insbesondere derart hergestellt, dass die erste Hülse und die zweite Hülse auf unterschiedliche Temperaturen gebracht und dann ineinander angeordnet, insbesondere ineinander geschoben bzw. ineinander gesteckt, werden. Im Anschluss daran, also bei Rückkehr auf "Normaltemperatur", dehnt sich die zuvor relativ "gekühlte" Hülse wieder aus, während die zuvor relativ "erwärmte" Hülse sich zusammenzieht. Hierdurch entsteht eine feste Verbindung zwischen den beiden Hülsen, für die insbesondere keine Zusatz-Befestigungsmittel benötigt werden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass es die innere Hülse, hier also die zweite Hülse, ist, welche "gekühlt" wird, während die erste Hülse, also die äußere Hülse, auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird.

[0015] Alternativ kann der Verbund auch dadurch gebildet werden, dass die beiden Hülsen miteinander verpresst bzw. zusammengepresst werden, dass die beiden Hülsen miteinander verschweißt werden, oder dass die beiden Hülsen miteinander verschraubt werden, wobei letzteres insbesondere dadurch erfolgt, dass die äußere Hülse auf ihrer Innenseite und die innere Hülse auf ihre Außenseite jeweils mit einem Gewinde versehen ist und die beiden Hülsen dadurch verschraubt werden, dass die innere Hülse in die äußere Hülse hinein geschraubt wird.

[0016] Allgemein kann zwischen den beiden Hülsen zur Bildung des Verbundes eine stoffschlüssige Verbindung bestehen. Alternativ ist es möglich, dass zwischen den beiden Hülsen eine formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung hergestellt wird.

[0017] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die eine Hülse eine Armierung oder Beschichtung der anderen Hülse bildet, wobei die Armierung bzw. Beschichtung entweder von der ersten Hülse oder von der zweiten Hülse gebildet sein kann.

[0018] Die gesteigerte vakuumtechnische Leistungsfähigkeit führt bei Kombination mit einem turbomolekularen Pumpabschnitt nach Anspruch 10 und ggf. den darauf bezogenen Ansprüchen zu einer Verbesserung der Pumpwirkung der Gesamtpumpe. Für Vakuumpumpen mit zumindest einem zusätzlichen Einlass nach Anspruch 15 werden aufgrund der verbesserten Leistungsfähigkeit neue Anwendungsfelder erschlossen, beispielsweise wenn bisher unerreichbare Druckverhältnisse zwischen den Kammern eines Mehrkammersystems oder bisher unerreichbare Saugvermögen gefordert sind.

[0019] An Hand eines Ausführungsbeispiels und seiner Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.

[0020] Es zeigen:

Fig. 1:

Teilschnitt einer Vakuumpumpe mit schnell drehendem Rotor;

Fig. 2:

Teilschnitt von Rotor und Stator gemäß einer Weiterbildung;

Fig. 3:

Tragstruktur und Hülse eines Rotors im Schnitt;

Fig. 4:

Schematische Darstellung eines Rotors mit wenigstens einem turbomolekularen Pumpabschnitt;

Fig. 5:

Teilgeschnittene Ansicht einer Vakuumpumpe, in der die Hülse auf der Ansaugseite der Nabe gelegen ist.

[0021] Es zeigt Fig. 1 eine Vakuumpumpe 2, welche mittels eines Flansches 4 lösbar mit einem nicht gezeigten zu evakuierenden Behälter verbindbar ist. Gas tritt durch die Ansaugöffnung 6 ein, wird in der Vakuumpumpe verdichtet und durch den Gasauslass 8 ausgestoßen. In der Regel ist eine Vorvakuumpumpe mit dem Gasauslass verbunden.

[0022] Innerhalb der Vakuumpumpe ist ein Rotor 10 vorgesehen, welcher eine Welle 12 umfasst. Diese ist von einem ersten Lager 34 und einem zweiten Lager 36 drehbar unterstützt. Auf der Welle kann ein Antriebsmagnet 32 vorgesehen sein, der mit einer Antriebsspule 30 zusammenwirkt, um den Rotor in schnelle Drehung zu versetzen. Die Drehzahl ist so bemessen, dass durch Zusammenwirken von Rotor und einem Stator 40 ein molekularer Pumpeffekt bewirkt wird. Der Stator weist eine schraubenlinienartige Nut 42 an einer radial inneren Oberfläche auf.

[0023] An der Welle des Rotors ist eine Tragstruktur befestigt, welche als scheibenartig gestaltete Nabe 14 ausgeführt sein kann. Mit dieser Nabe ist eine erste Hülse 16 mitdrehend verbunden. Innerhalb dieser ersten Hülse 16 ist eine zweite Hülse 18 angeordnet und beide Hülsen bilden einen Verbund. Dieser Verbund ist vorzugsweise chemisch stabil, wärme- und drehzahlfest. Auf diese Weise bleiben erste und zweite Hülse unter den Betriebsbedingungen miteinander verbunden. Sobald sich der Rotor dreht, beginnen Fliehkräfte auf die sich drehenden Teile einzuwirken, insbesondere jedoch auf die Nabe und die Hülsen. Die Ausdehnung der zweiten Hülse wird durch die erste Hülse behindert, inbesondere, wenn die erste Hülse aus einem faserverstärkten Werkstoff, beispielsweise einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, gebildet ist. Die zweite Hülse ist nun nach Material und Geometrie derart gestaltet, dass die durch sie unter Einwirkung von Fliehkräften erzeugten Kräfte auf die erste Hülse jenen Kräften nahe kommen, die durch die Ausdehnung der Nabe auf die erste Hülse einwirken. Ziel ist es insbesondere, bei Gestaltung von Nabe und zweiter Hülse die Spannungen in der ersten Hülse auf ein Maß zu bringen, das mit dessen Materialkonstanten verträglich ist. Dadurch wird eine Überlastung der ersten Hülse vermieden. Vorteilhaft ist, dass durch die zusätzlichen Gestaltungsfreiheitsgrade mit Hilfe der zweiten Hülse die Überlastung der ersten Hülse bei einer wesentlich größeren Menge von Betriebszuständen erreicht werden kann, wobei ein Betriebszustand durch unter anderem Temperatur, Drehzahl und Gaslast bestimmt ist.

[0024] Weitere Gestaltungsmöglichkeiten werden in den Weiterbildungen an Hand der Fig. 2 bis 5 vorgestellt.

[0025] Nach Fig. 2 ist mit der Welle 12 eine Nabe 14 verbunden, an der die erste Hülse 16 befestigt ist. Innerhalb der ersten Hülse und mit dieser einen Verbund bildend ist die zweite Hülse 18 vorgesehen. Wie im Beispiel nach Fig. 1 ist ein Stator 40 vorgesehen, der mit der äußeren Oberfläche der ersten Hülse zusammenwirkt, so dass erster Stator und erste Hülse eine erste Pumpstufe bilden. Zusätzlich zu diesem Stator ist ein mit einer inneren Oberfläche der zweiten Hülse zusammenwirkender zweiter Stator 44 vorhanden, so dass zweite Hülse und zweiter Stator eine zweite Pumpstufe bilden.

[0026] Die Pumpstufen können seriell hintereinander durchströmt werden, das Gas folgt dann dem Pfeil 100. Es kann wünschenswert sein, die Pumpstufen parallel zu betreiben. Dazu kann in der Nabe wenigstens ein Durchlass 52 vorgesehen sein, durch den Gas durch die Nabe hindurch in die zweite Pumpstufe entlang dem gestrichelten Pfeil 102 treten kann.

[0027] Eine vorteilhafte Weiterbildung kann eine Verbindung 50 sein, durch die zweite Hülse und Nabe miteinander verbunden sind. Nabe und zweite Hülse können an dieser Stelle einstückig ausgeführt sein. Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, auf der inneren Oberfläche der zweiten Hülse eine pumpaktive Struktur anzubringen. Dies kann beispielsweise wenigstens eine schraubenlinienartige Nut 20 sein. Durch diese pumpaktive Struktur können Saugvermögen und Kompression erhöht werden.

[0028] Die Weiterbildung gemäß Fig. 3 bezieht sich auf die Tragstruktur. Diese ist gemäß der Weiterbildung als Tragscheibe 60 gestaltet. Die Tragscheibe besitzt einen Innenring 66 mit einer Wellenaufnahme 68, mit der die Tragscheibe auf der Welle befestigt werden kann. Radial außerhalb schließt sich an den Innenring ein umlaufender Kranz von Schaufeln 62 an, so dass eine Scheibe im Wesentlichen turbomolekularer Bauart entsteht. Mit wenigstens einem Teil der Schaufeln ist ein Tragring 64 verbunden oder einstückig ausgeführt, an welchem die erste Hülse 16 befestigt ist, welche mit der zweiten Hülse 18 einen Verbund bildet.

[0029] In Fig. 4 ist gezeigt, dass auf der Welle 12 noch eine Rotorscheibe 82 turbomolekularer Bauart zur Bildung eines turbomolekularen Pumpabschnittes vorgesehen sein kann. Mehrere Rotorscheiben können auf der Welle angeordnet sein und einen ersten Scheibenabschnitt 84 und einen zweiten Scheibenabschnitt 86 bilden. Weitere Scheibenabschnitte können vorhanden sein. Hierdurch wird eine leistungsfähige Vakuumpumpe zum differenziellen Evakuieren eines Mehrkammersystems geschaffen.

[0030] Der Rotor nach Fig. 4 weist neben einer ersten mit der Nabe 14 verbundenen Hülse 16 eine dritte Hülse 78 auf, welche ebenfalls an der Nabe 14 oder an einer eigenen Tragstruktur befestigt sein kann. Ein erster Stator 40 wirkt mit der äußeren Oberfläche der ersten Hülse unter Bildung einer Pumpstufe zusammen. Ein zweiter Stator 44 erzeugt mit der inneren Oberfläche der zweiten Hülse und der äußeren Oberfläche der dritten Hülse eine Pumpwirkung, so dass eine zweite und eine dritte Pumpstufe erzeugt werden.

[0031] Ein Gaseinlass 88 kann vorgesehen sein, um Gas zwischen erstem und zweitem Stator in die zweite Pumpstufe einzulassen.

[0032] Der Rotor nach Fig. 4 kann mit einem Permanentmagnetlager 80 und einem zweiten Lager 36, das als Wälzlager oder aktives Magnetlager ausgeführt sein kann, drehbar gelagert sein.

[0033] In Fig. 5 sind Rotor und Stator einer Vakuumpumpe schematisch und geschnitten dargestellt, der Gasfluss durch Pfeile veranschaulicht. Die Welle 12 des Rotors ist an ihrem ansaugseitigen Ende durch ein Permanentmagnetlager 80 unterstützt. Vorvakuumseitig dient ein Wälzlager 92 zur Lagerung der Welle. Zwischen den Lagern ist eine scheibenförmige Nabe 14 mit der Welle verbunden. An dieser Nabe ist eine erste Hülse 16 mitrotierbar, chemisch und wärmebeständig angebracht. Die erste Hülse erstreckt sich von der Nabe in Richtung Ansaugseite 104. Eine radial innerhalb der ersten Hülse angeordnete zweite Hülse 18 bildet einen Verbund mit der ersten Hülse. Sie kann auf ihrer radial inneren Oberfläche eine Pumpstruktur, beispielsweise wenigstens einen schraubenlinienartigen Nut aufweisen. Die radial innere Oberfläche der Hülse wirkt mit einem zweiten Stator 44 zusammen und bildet mit ihm eine molekulare Pumpstufe. Die radial äußere Oberfläche der ersten Hülse hingegen bildet zusammen mit dem Stator 40 eine molekulare Pumpstufe. Einer der Statoren oder beide können eine Pumpstruktur aufweisen. Auf diese Weise wird eine kompakte Molekularvakuumpumpe geschaffen. Durch die zusätzliche Pumpstruktur auf der inneren Oberfläche der zweiten Hülse kann in dieser Pumpstufe ein hohes Saugvermögen erreicht werden, wodurch eine vorteilhafte Saugvermögensabstufung der Pumpstufen zueinander möglich wird. Die zweite Hülse kann einteilig mit der Nabe ausgeführt sein.

[0034] Das Saugvermögen der Vakuumpumpe nach Fig. 5 kann weiter gesteigert werden, indem auf der Ansaugseite eine Rotorscheibe 82 auf dem Rotor angebracht ist. Eine weitere Steigerung ergibt sich durch eine im Gasstrom der Rotorscheibe folgende Statorscheibe 90.

[0035] Die an Hand der Weiterbildungen gemäß Fig. 2 bis 5 gezeigten Merkmale können kombiniert oder ausgestauscht werden, soweit sich dies nicht technisch widerspricht.

Bezugszeichenliste

[0036] 

2

Vakuumpumpe

4

Flansch

6

Gasauslass

10

Rotor

12

Welle

14

Nabe

16

erste Hülse

18

zweite Hülse

20

Nut in zweiter Hülse

30

Antriebsspule

32

Antriebsmagnet

34

erstes Lager

36

zweites Lager

40

Stator

42

Nut

44

zweiter Stator

50

Verbindung

52

Durchlass

60

Tragscheibe

62

Schaufel

64

Tragring

66

Innenring

68

Wellenaufnahme

78

dritte Hülse

80

PM-Lager

82

Rotorscheibe

84

erster Scheibenabschnitt

86

zweiter Scheibenabschnitt

88

Gaseinlass

90

Statorscheibe

92

Wälzlager

100

Pfeil: serieller Gasstrom

102

gestrichelter Pfeil: paralleler Gasstrom

104

Ansaugseite

Ansprüche

1. Schnell drehender Rotor (10) für eine Vakuumpumpe (2), welcher eine erste Hülse (16) und eine Tragstruktur (14; 60) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der ersten Hülse (16) eine zweite Hülse (18) angeordnet ist, wobei die erste Hülse (16) und zweite Hülse (18) einen Verbund bilden.

2. Rotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Hülse (16) und die zweite Hülse (18) sich hinsichtlich des Materials, aus dem sie hergestellt sind, voneinander unterscheiden, insbesondere hinsichtlich der Ausdehnung unter Einwirkung von Wärme und/oder Fliehkräften.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Hülse (16) und die zweite Hülse (18) flächig, insbesondere vollflächig, miteinander verbunden sind.

4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verbund derart ausgelegt ist, insbesondere nach Material und/oder Geometrie zumindest der zweiten Hülse, dass die durch die zweite Hülse (18) unter Einwirkung von Fliehkräften erzeugten Kräfte auf die erste Hülse (16) jenen Kräften nahe kommen, die durch die Ausdehnung der Tragstruktur (14; 60), insbesondere einer Nabe (14), auf die erste Hülse (16) einwirken.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Hülse (16) ein kohlenstofffaserverstärktes Material umfasst.

6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Hülse (18) eine Metalllegierung umfasst.

7. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Hülse (18) eine schraubenlinienartige Nut (20) auf einer inneren Oberfläche aufweist.

8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass erste Hülse (16) und zweite Hülse (18) eine Klebeverbindung oder eine Schrumpfverbindung bilden.

9. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Hülse (18) und zumindest ein Teil der Tragstruktur (14; 60) einteilig ausgeführt sind, oder
dass die erste Hülse (16) und zumindest ein Teil der Tragstruktur (14; 60) mittels einer Klebestelle miteinander verbunden sind.

10. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor eine Rotorscheibe (82) nach turbomolekularer Bauart zur Bildung wenigstens eines turbomolekularen Pumpabschnitts umfasst.

11. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Tragstruktur eine Nabe (14) umfasst.

12. Vakuumpumpe (2),
dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen schnell drehenden Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.

13. Vakuumpumpe (2) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen ersten Stator (40) mit einem schraubenlinienartigen Kanal umfasst, der mit einer äußeren Oberfläche der ersten Hülse (16) zusammenwirkt, so dass erster Stator und erste Hülse eine Pumpstufe bilden, insbesondere eine erste Pumpstufe.

14. Vakuumpumpe (2) nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen mit einer inneren Oberfläche der zweiten Hülse (18) zusammenwirkenden zweiten Stator (44) aufweist, so dass zweite Hülse (18) und zweiter Stator (44) eine Pumpstufe bilden, insbesondere eine zweite Pumpstufe.

15. Vakuumpumpe (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen Gaseinlass (88) aufweist, durch welchen Gas zwischen dem ersten Stator (40) und einem zweiten Stator (44) in eine den zweiten Stator (44) umfassende zweite Pumpstufe gelangt.

Zeichnung