Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Turbomolekularpumpe gemäß Anspruch 7 und ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Vakuumpumpen, wie zum Beispiel Turbomolekularpumpen, werden in unterschiedlichen Bereichen der Technik verwendet, um ein für einen jeweiligen Prozess notwendiges Vakuum zu schaffen. Eine Turbomolekularpumpe umfasst typischerweise eine Rotorwelle, mehrere mit der Rotorwelle verbundene Rotorscheiben sowie zwischen den Rotorscheiben angeordnete Statorscheiben. Die Rotor- und Statörscheiben weisen dabei jeweils Schaufeln auf, welche auch als Blätter bezeichnet werden. Die Schaufeln bilden eine pumpaktive Struktur und bewirken bei einer schnellen Drehung der Rotoranordnung relativ zu der Statoranordnung die gewünschte Pumpwirkung.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Rotoranordnungen von Turbomolekularpumpen aus einem monolithischen Block spanend zu fertigen oder aus mehreren einzelnen Rotorscheiben zusammenzufügen. Die Fertigung aus einem Stück ist dabei sehr zeit- und fertigungsaufwändig. Das Zusammenfügen der Rotoranordnung aus mehreren Scheiben ist demgegenüber weniger zeit- und fertigungsaufwändig. Dabei werden die Rotorscheiben einzeln gefertigt und anschließend mit der Welle zusammengefügt. Das Fügen geschieht durch Aufpressen, Aufschrumpfen oder auch durch Aufklemmen der Rotorscheiben auf die Rotorwelle.
Aus der
Bei einer Rotoranordnung, die eine Rotorwelle mit aufgepressten, aufgeschrumpften oder auch aufgeklemmten Rotorscheiben aufweist, müssen die Rotorscheiben mit hohen Fügekräften an der Rotorwelle befestigt werden, da nur so sichergestellt werden kann, dass sich die Rotorscheiben im Betrieb nicht von der Rotorwelle lösen, zumal bei hohen Drehzahlen der Rötoranordnung, wie sie bei einer Vakuumpumpe und insbesondere bei Turbomolekularpumpen auftreten können, aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte die Fügekräfte noch verringert werden. Auch durch Temperatureinwirkungen können die Fügekräfte vermindert werden. Außerdem ist die Materialbelastung an den Fügestellen zwischen den Rotorscheiben und der Rotorwelle bereits im Ruhezustand sehr hoch. Zusätzlich erhöhen sich bei zunehmender Rotordrehzahl die Vergleichsspannungen in der Rotorscheibe signifikant unter dem Einfluss der Fliehkraft.
Die
Die
Weiterer Stand der Technik ist aus
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Rotoranordnung für eine Turbomolekularpumpe bereitzustellen, die auf fertigungstechnisch einfache Weise herstellbar ist und die verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Fügestellen und an diesen auftretende Materialbelastungen aufweist.
Die Aufgabe wird durch eine Rotoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Rotoranordnung für eine Turbomolekularpumpe umfasst eine Rotorwelle und wenigstens eine Rotorscheibe, die eine zentrale Aufnahmeöffnung zur Aufnahme der Rotorwelle aufweist, wobei die Rotorscheibe auf der Rotorwelle angeordnet ist und zwischen der Rotorscheibe und der Rotorwelle eine mechanische Verbindung ausgebildet ist, wobei die mechanische Verbindung mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert ist, wobei es sich bei dem Fügeverfahren um ein Schweißverfahren, insbesondere um Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen oder um eine Kombination aus den genannten Schweißverfahren, oder um ein Lötverfahren handelt.
Bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung ist die Rotorscheibe somit nicht auf der Rotorwelle aufgepresst, aufgeschrumpft oder aufgeklemmt, sondern mittels des thermischen Fügeverfahrens mit der Rotorwelle mechanisch verbunden. Dadurch entsteht keine oder nur eine geringfügige Materialbelastung an der Fügestelle zwischen der Rotorscheibe und der Rotorwelle, wodurch unter anderem auch das Verhalten der Rotorwelle bei hohen Drehzahlen, wie sie insbesondere bei Turbomolekularpumpen auftreten, verbessert werden kann. Durch die mittels des thermischen Fügeverfahrens realisierten mechanischen Verbindungen zwischen den Rotorscheiben und der Rotorwelle werden die Rotorwelle und die Rotorscheiben dauerhaft und unlösbar zu einem Stück zusammengefügt. Die erfindungsgemäße Rotoranordnung weist somit zumindest im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften, insbesondere bezüglich der internen Spannungsverhältnisse, wie eine monolithisch hergestellte Rotoranordnung auf. Dabei können bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung die Rotorscheiben einzeln gefertigt sein, was gegenüber der Fertigung einer monolithischen Rotoranordnung vom Zeit- und Fertigungsaufwand her günstiger ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umgibt eine die Aufnahmeöffnung umrandende Innenwand der Rotorscheibe eine Außenseite der Rotorwelle und die mechanische Verbindung ist zwischen der Innenwand und der Außenseite ausgebildet. Die Innenseite der Rotorscheibe ist daher mit der den Außenumfang bildenden Außenseite der Rotorwelle mechanisch verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die mechanische Verbindung besonders einfach mittels des thermischen Fügeverfahrens zwischen der Innenwand und der Außenseite ausgebildet werden kann, da sich die Innenwand und die Außenseite einander gegenüberstehen, wenn die Rotorscheibe auf die Rotorwelle aufgesteckt ist.
Bevorzugt ist die mechanische Verbindung über den gesamten Umfang der Rotorwelle zwischen der Außenseite und der Innenwand ausgebildet. In Umfangsrichtung der Rotorwelle gesehen ist die mechanische Verbindung somit über den vollen Umfang der Rotorwelle zwischen deren Außenseite und der Innenwand der Rotorscheibe ausgebildet. Dadurch können die Laufeigenschaften der sich drehenden Rotoranordnung verbessert werden. Insbesondere kann eine sich durch die mechanische Verbindung zwischen der Rotorscheibe und der Rotorwelle bewirkte Unwucht vermieden oder zumindest gering gehalten werden.
Die mechanische Verbindung zwischen der Innenwand und der Außenseite kann über die gesamte axiale Länge der Innenwand ausgebildet sein. Dadurch lässt sich eine besonders feste mechanische Verbindung zwischen der Rotorwelle und der Rotorscheibe bewerkstelligen, so dass auch bei sehr hohen Drehzahlen und der dadurch auf die Rotorscheibe wirkenden hohen Fliehkräfte sich die Rotorscheibe nicht von der Rotorwelle löst.
Bevorzugt ist die Rotorscheibe nicht noch - zusätzlich zu der mittels des thermischen Fügeverfahrens bewerkstelligten mechanischen Verbindung zwischen der Rotorscheibe und der Rotorwelle - auf die Rotorwelle aufgepresst, aufgeschrumpft oder aufgeklemmt. Die durch Aufpressen, Aufschrumpfen oder Aufklemmen hervorgerufenen Materialbelastungen können daher vermieden werden.
Vorzugsweise weist die Rotorwelle wenigstens einen Abschnitt auf, dessen Au-ßendurchmesser größer als der Außendurchmesser eines in axialer Richtung gesehen vorhergehenden Bereichs der Rotorwelle und kleiner als der Außendurchmesser eines in axialer Richtung gesehen nachfolgenden Bereichs der Rotorwelle ist, wobei wenigstens eine Rotorscheibe auf den Abschnitt aufgesteckt ist. Die Rotorwelle kann somit in Art einer gestuften Rotorwelle ausgestaltet sein, die in ihrer Längserstreckung gesehen Bereiche bzw. Abschnitte mit unterschiedlichen Außendurchmessern aufweist. Dabei kann wenigstens eine und bevorzugt genau eine Rotorscheibe auf den Abschnitt aufgesteckt sein. Wenn mehr als eine Rotorscheibe, z.B. zwei oder drei Rotorscheiben, auf den Abschnitt aufgesteckt sind, dann handelt es sich in der Regel um verhältnismäßig dünne bzw. flache Rotorscheiben. Die mehreren Rotorscheiben können in einem Fügevorgang mit der Rotorwelle verbunden werden.
Bevorzugt schließt sich der vorhergehende Bereich in axialer Richtung gesehen unmittelbar an den Abschnitt an. Entsprechendes gilt für den nachfolgenden Bereich. Der Übergang vom vorhergehenden Bereich in den Abschnitt und vom Abschnitt in den nachfolgenden Bereich verläuft somit bevorzugt abrupt.
Vorzugsweise entspricht die axiale Länge des Abschnitts der Rotorwelle zumindest im Wesentlichen der axialen Länge mindestens einer Rotorscheibe. Bevorzugt entspricht die axiale Länge des Abschnitts der Rotorwelle zumindest im Wesentlichen der axialen Länge der aufgesteckten Rotorscheibe. An den nachfolgenden Bereich kann sich in axialer Richtung gesehen ein weiterer Abschnitt der Rotorwelle anschließen, dessen Außendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des nachfolgenden Bereichs und auf den wiederum wenigstens eine Rotorscheibe aufgesteckt sein kann. Dabei ist bevorzugt die axiale Länge des nachfolgenden Bereichs so gewählt, dass sich ein gewünschter Abstand zwischen der auf den Abschnitt und der auf den weiteren Abschnitt aufgesteckten Rotorscheibe ergibt.
Hierin wird auch eine nicht erfindungsgemäße Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe beschrieben, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit zwei oder mehr Rotorscheiben, die bezüglich einer Rotationsachse ausgerichtet und in Richtung der Rotationsachse gesehen hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Rotorscheiben eine mechanische Verbindung ausgebildet ist, die unmittelbar zwischen den benachbarten Rotorscheiben mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert ist.
Bei der Rotoranordnung sind benachbarte Rotorscheiben mittels des thermischen Fügeverfahrens daher direkt mechanisch miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die aneinandergereihten Rotorscheiben selbst die Rotorwelle ausbilden können.
Bei dem thermischen Fügeverfahren handelt es sich bevorzugt um ein Schweißverfahren, wie etwa Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen oder um eine Kombination aus den genannten Schweißverfahren, oder um ein Lötverfahren.
Durch das mechanische Verbinden der Rotorscheiben mittels des thermischen Fügeverfahrens können die Rotorscheiben einzeln gefertigt und anschließend zu einem Stück zusammengefügt werden, so dass die daraus gebildete Rotoranordnung im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie eine monolithische Rotoranordnung aufweist, wenngleich sich die erfindungsgemäße Rotoranordnung mit geringerem Aufwand im Vergleich zu einer monolithischen Rotoranordnung herstellen lässt.
Nicht erfindungsgemäß weist jede Rotorscheibe einen Scheibenkörper auf, an welchem bezogen auf die Rotationsachse nach radial außen wegstehende Rotorblätter angeordnet sind, und die mechanische Verbindung ist unmittelbar zwischen den Scheibenkörpern benachbarter Rotorscheiben ausgebildet. Die Scheibenkörper benachbarter Rotorscheiben sind somit mittels des thermischen Fügeverfahrens direkt miteinander verbunden. Dadurch kann auf einfache Weise eine dauerhafte Verbindung zwischen den Rotorscheiben erreicht werden, die die Rotorscheiben auch bei hohen Drehzahlen sicher zusammenhält.
Nicht erfindungsgemäß sind die Rotorscheiben derart hintereinander angeordnet, dass eine Unterseite des Scheibenkörpers einer Rotorscheibe einer Oberseite des Scheibenkörpers einer benachbarten Rotorscheibe gegenübersteht, und die mechanische Verbindung ist unmittelbar zwischen der Unterseite der einen Rotorscheibe und der Oberseite der anderen Rotorscheibe ausgebildet. Dadurch kann auf einfache Weise eine unmittelbare mechanische Verbindung zwischen benachbarten Rotorscheiben bewerkstelligt werden.
Nicht erfindungsgemäß ist an der Unterseite des Scheibenkörpers jeder Rotorscheibe eine Aufnahmeöffnung und an der Oberseite des Scheibenkörpers jeder Rotorscheibe ist ein komplementär zur Aufnahmeöffnung ausgebildeter Aufsatz ausgebildet, wobei der Aufsatz des Scheibenkörpers einer Rotorscheibe, insbesondere unter Ausbildung einer Steckverbindung, in die Aufnahmeöffnung des Scheibenkörpers der benachbarten Rotorscheibe eingesteckt ist. Benachbarte Rotorscheiben lassen sich somit auf einfache Weise durch Zusammenstecken untereinander verbinden. Insbesondere nach dem Zusammenstecken können die Rotorscheiben mittels des thermischen Fügeverfahrens dann mechanisch dauerhaft miteinander verbunden werden.
Nicht erfindungsgemäß weist der Aufsatz einen Außendurchmesser auf, der relativ zum Innendurchmesser der Aufnahmeöffnung in Art einer Übermaßpassung ausgebildet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass zusammengesteckte Rotorscheiben bereits durch die zwischen der Aufnahmeöffnung und dem Aufsatz realisierte Steckverbindung fest miteinander verbunden sind, was z.B. auch für das thermische Zusammenfügen der Rotorscheiben vorteilhaft ist.
Die Aufnahmeöffnung und der Aufsatz zentrisch können zur Rotationsachse an der Unterseite bzw. Oberseite des jeweiligen Scheibenkörpers angeordnet sein. Dadurch lässt sich auf eine einfache Weise eine Zentrierung der Scheiben zueinander mit Bezug auf die Dreh- bzw. Rotationsachse erreichen.
Die Erfindung betrifft auch eine Turbomolekularpumpe mit einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung, eine mit der Rotoranordnung zusammenwirkende Statoranordnung, und einem Antrieb zum rotierenden Antreiben der Rotoranordnung.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine Turbomolekularpumpe, bei dem eine Rotorscheibe mit einer zentralen Aufnahmeöffnung zur Aufnahme einer Rotorwelle auf der Rotorwelle angeordnet und zwischen der Rotorscheibe und der Rotorwelle eine mechanische Verbindung ausgebildet wird, wobei die mechanische Verbindung mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert wird, wobei es sich bei dem Fügeverfahren um ein Schweißverfahren, insbesondere um Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen oder um eine Kombination aus den genannten Schweißverfahren, oder um ein Lötverfahren handelt.
Bevorzugt umgibt eine die Aufnahmeöffnung umrandende Innenwand der auf die Rotorwelle aufgesteckten Rotorscheibe eine Außenseite der Rotorwelle und die mechanische Verbindung wird zwischen der Innenwand der Rotorscheibe und der Außenseite der Rotorwelle ausgebildet. Die mechanische Verbindung wird vorzugsweise über den gesamten Umfang der Rotorwelle gesehen zwischen der Au-ßenseite der Rotorwelle und der Innenwand der Rotorscheibe ausgebildet. Vorzugsweise wird die mechanische Verbindung auch über die gesamte axiale Länge der Innenwand zwischen der Innenwand der Rotorscheibe und der Außenseite der Rotorwelle ausgebildet.
Die Rotorscheibe wird insbesondere nicht auf die Rotorwelle aufgepresst, aufgeschrumpf oder aufgeklemmt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Rotorwelle bereitgestellt, die wenigstens einen Abschnitt aufweist, dessen Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser eines in axialer Richtung gesehen vorhergehenden Bereichs der Rotorwelle und kleiner als der Außendurchmesser eines in axialer Richtung gesehen nachfolgenden Bereichs der Rotorwelle ist, und die Rotorscheibe wird auf den Abschnitt aufgesteckt und die mechanische Verbindung wird zwischen dem Abschnitt und der Rotorscheibe mittels des thermischen Fügeverfahrens hergestellt.
Hierin wird auch ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine Turbomolekularpumpe mit zwei oder mehr Rotorscheiben beschrieben, die bezüglich einer Rotationsachse ausgerichtet und in Richtung der Rotationsachse gesehen hintereinander angeordnet werden, wobei zwischen benachbarten Rotorscheiben eine mechanische Verbindung ausgebildet wird, wobei die mechanische Verbindung unmittelbar zwischen den benachbarten Rotorscheiben mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert wird.
Es können Rotorscheiben bereitgestellt werden, die jeweils einen Scheibenkörper aufweisen, an welchem bezogen auf die Rotationsachse nach radial außen wegstehende Rotorblätter angeordnet sind, und die mechanische Verbindung wird unmittelbar zwischen den Scheibenkörpern benachbarter Rotorscheiben ausgebildet.
Die Rotorscheiben werden insbesondere derart hintereinander angeordnet, dass eine Unterseite des Scheibenkörpers einer Rotorscheibe einer Oberseite des Scheibenkörpers einer benachbarten Rotorscheibe gegenübersteht, und die mechanische Verbindung wird unmittelbar zwischen der Unterseite der einen Rotorscheibe und der Oberseite der anderen, benachbarten Rotorscheibe ausgebildet.
Bei dem nicht erfindungsgemäßen Verfahren kann an der Unterseite des Scheibenkörpers jeder Rotorscheibe eine Aufnahmeöffnung ausgebildet sein und an der Oberseite des Scheibenkörpers jeder Rotorscheibe ist ein komplementär zur Aufnahmeöffnung ausgebildeter Aufsatz ausgebildet, wobei der Aufsatz des Scheibenkörpers einer Rotorscheibe in die Aufnahmeöffnung des Scheibenkörpers der benachbarten Rotorscheibe eingesteckt wird, insbesondere unter Ausbildung einer Steckverbindung zwischen den beiden Rotorscheiben.
Bei dem in den Verfahren zum Einsatz kommenden Fügeverfahren handelt es sich insbesondere um ein Schweißverfahren, insbesondere um Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen oder um eine Kombination aus den genannten Schweißverfahren, oder um ein Lötverfahren.
Die Rotorscheiben können, insbesondere einzeln, mittels Laser gefertigt sein, insbesondere mittels Laserablation und/oder mittels Laserschneiden.
Es wird auch eine Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit einer Rotorwelle und wenigstens einer Rotorscheibe beschrieben, wobei die Rotorscheibe eine zentrale Aufnahmeöffnung zur Aufnahme der Rotorwelle aufweist, wobei die Rotorscheibe auf der Rotorwelle angeordnet ist und zwischen der Rotorscheibe und der Rotorwelle eine mechanische Verbindung ausgebildet ist, wobei die mechanische Verbindung mittels Kleben realisiert ist. Zur Herstellung der mechanischen Verbindung kann somit ein Klebstoff verwendet werden.
Es wird auch eine Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit zwei oder mehr Rotorscheiben beschreiben, wobei die Rotorscheiben bezüglich einer Rotationsachse ausgerichtet und in Richtung der Rotationsachse gesehen hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Rotorscheiben eine mechanische Verbindung ausgebildet ist, wobei die mechanische Verbindung unmittelbar zwischen den benachbarten Rotorscheiben mittels Kleben realisiert ist.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Die in
Die Pumpe ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Turbomolekularpumpe ausgebildet und umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren an der Rotorwelle 15 befestigten radialen Rotorscheiben 66 und zwischen den Rotorscheiben 66 angeordneten und in dem Gehäuse 64 festgelegten Statorscheiben 68, wobei eine Rotorscheibe 66 und eine benachbarte Statorscheibe 68 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe bilden. Die Statorscheiben 68 sind durch Abstandsringe 70 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten.
Die Vakuumpumpe umfasst außerdem vier in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweckpumpstufen. Der Rotor der Holweckpumpstufen umfasst eine mit der Rotorwelle 15 einteilig ausgebildete Rotornabe 72 und zwei an der Rotornabe 72 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweckrotorhülsen 74, 76, die koaxial zur Rotationsachse 14 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweckstatorhülsen 78, 80 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 14 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Eine dritte Holweckstatorhülse ist durch einen Aufnahmeabschnitt 132 des Gehäuses 64 gebildet, der zur Aufnahme und Festlegung des Antriebsmotors 20 dient.
Die pumpaktiven Oberflächen der Holweckpumpstufen sind durch die Mantelflächen, d.h. die radialen Innen- und Außenflächen, der Holweckrotorhülsen 74, 76, der Holweckstatorhülsen 78, 80 und des Aufnahmeabschnitts 132 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweckstatorhülse 78 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweckrotorhülse 74 unter Ausbildung eines radialen Holweckspalts 82 gegenüber und bildet mit dieser die erste Holweckpumpstufe. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweckrotorhülse 74 steht der radialen Außenfläche der inneren Holweckstatorhülse 80 unter Ausbildung eines radialen Holweckspalts 84 gegenüber und bildet mit dieser die zweite Holweckpumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweckstatorhülse 80 liegt der radialen Außenfläche der inneren Holweckrotorhülse 76 unter Ausbildung eines radialen Holweckspalts 86 gegenüber und bildet mit dieser die dritte Holweckpumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweckrotorhülse 76 liegt der radialen Außenfläche des Aufnahmeabschnitts 132 unter Ausbildung eines radialen Holweckspalts 87 gegenüber und bildet mit dieser die vierte Holweckpumpstufe.
Die vorstehend genannten pumpaktiven Oberflächen der Holweckstatorhülsen 78, 80 und des Aufnahmeabschnitts 132 weisen jeweils mehrere spiralförmig um die Rotationsachse 14 herum in axialer Richtung verlaufende Holwecknuten auf, während die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweckrotorhülsen 74, 76 glatt ausgebildet sind und das Gas im Betrieb der Vakuumpumpe in den Holwecknuten vorantreiben.
Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 15 sind ein Wälzlager 88 im Bereich des Pumpenauslasses 12 und ein Permanentmagnetlager 90 im Bereich des Pumpeneinlasses 10 vorgesehen.
Im Bereich des Wälzlagers 88 ist an der Rotorwelle 15 eine konische Spritzmutter 92 mit einem zu dem Wälzlager 88 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen. Die Spritzmutter 92 steht mit zumindest einem Abstreifer eines Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt. Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 94, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 88, zum Beispiel mit einem Schmiermittel, getränkt sind. Im Betrieb der Vakuumpumpe wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 92 übertragen und infolge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 92 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 92 zu dem Wälzlager 88 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt. Das Wälzlager 88 und der Betriebsmittelspeicher sind durch einen wannenförmigen Einsatz 96 und ein Deckelelement 98 der Vakuumpumpe eingefasst.
Das Permanentmagnetlager umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 100 und eine statorseitige Lagerhälfte 102, welche jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinander gestapelten permanentmagnetischen Ringen 104 bzw. 106 umfassen. Die Magnetringe 104, 106 liegen einander unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 108 gegenüber, wobei die rotorseitigen Magnetringe 104 radial außen und die statorseitigen Magnetringe 106 radial innen angeordnet sind. Das in dem Lagerspalt 108 vorhandene magnetische Feld ruft magnetische Abstoßungskräfte zwischen den Magnetringen 104, 106 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 15 bewirken.
Die rotorseitigen Magnetringe 104 sind von einem Trägerabschnitt 110 der Rotorwelle getragen, welcher die Magnetringe 104 radial außenseitig umgibt. Die statorseitigen Magnetringe sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 112 getragen, welcher sich durch die Magnetringe 106 hindurch erstreckt und an radialen Streben 114 des Gehäuses 64 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 14 sind die rotorseitigen Magnetringe 104 in der einen Richtung durch ein mit dem Trägerabschnitt 110 gekoppeltes Deckelelement 116 und in der anderen Richtung durch einen radial vorstehenden Schulterabschnitt des Trägerabschnitts 110 festgelegt. Die statorseitigen Magnetringe 106 sind parallel zu der Rotationsachse 14 in der einen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 112 verbundenen Befestigungsring 118 und ein zwischen dem Befestigungsring 118 und den Magnetringen 106 angeordnetes Ausgleichselement 120 und in der anderen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 112 verbundenen Stützring 122 festgelegt.
Innerhalb des Magnetlagers ist ein Not- bzw. Fanglager 124 vorgesehen, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe ohne Berührung leer läuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 16 relativ zu den Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 16 zu bilden, der eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert. Das Fanglager 124 ist als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet und bildet mit dem Rotor 16 und/oder dem Stator einen radialen Spalt, welcher bewirkt, dass das Fanglager 124 im normalen Pumpbetrieb außer Eingriff ist. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 124 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, so dass das Fanglager 124 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, so dass eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen unter allen Umständen verhindert wird.
Die Vakuumpumpe umfasst einen Antriebsmotor 20 zum drehenden Antreiben des Rotors 16. Der Antriebsmotor 20 umfasst einen Motorstator 22 mit einem Kern 38 und mit ein oder mehreren in
Der Anker des Antriebsmotors 20 ist durch den Rotor 16 gebildet, dessen Rotorwelle 15 sich durch den Motorstator 22 hindurch erstreckt. Auf dem sich durch den Motorstator 22 hindurch erstreckenden Abschnitt der Rotorwelle 15 ist radial au-ßenseitig eine Permanentmagnetanordnung 128 festgelegt. Zwischen dem Motorstator 22 und dem sich durch den Motorstator 22 hindurch erstreckenden Abschnitt des Rotors 16 ist ein Zwischenraum 24 angeordnet, welcher einen radialen Motorspalt umfasst, über den sich der Motorstator 22 und die Permanentmagnetanordnung 128 zur Übertragung des Antriebsmoments magnetisch beeinflussen.
Die Permanentmagnetanordnung 128 ist in axialer Richtung durch eine auf die Rotorwelle 15 aufgesteckte Befestigungshülse 126 an der Rotorwelle 15 fixiert. Eine Kapselung 130 umgibt die Permanentmagnetanordnung 128 an deren radialer Außenseite und dichtet diese gegenüber dem Zwischenraum 24 ab.
Der Motorstator 22 ist in dem Gehäuse 64 durch einen gehäusefesten Aufnahmeabschnitt 132 festgelegt, welcher den Motorstator 22 radial außenseitig umgibt und den Motorstator 22 in radialer und axialer Richtung abstützt. Der Aufnahmeabschnitt 132 begrenzt gemeinsam mit der Rotornabe 72 einen Motorraum 18, in dem der Antriebsmotor 20 aufgenommen ist.
Der Motorraum 18 weist einen auf der einen Seite des Zwischenraums 24 angeordneten und mit der innenliegenden, vierten Holweckpumpstufe gasleitend verbundenen Einlass 28 und einen auf der gegenüberliegenden Seite des Zwischenraums 24 angeordneten und mit dem Pumpenauslass 12 gasleitend verbundenen Auslass 30 auf.
Der Kern 38 des Motorstators 22 weist an seiner radialen Außenseite in dem in
Der Gasweg, auf dem das Prozessgas von dem Pumpeneinlass 10 zu dem Pumpenauslass 12 gelangt, ist in
Bei der Vakuumpumpe der
In
Der Ringkörper 134 jeder Rotorscheibe 66 weist eine bezogen auf die Rotationsachse 14 radial innenliegende und die Aufnahmeöffnung umrandende Innenwand 138 auf, die bei auf der Rotorwelle 15 aufgesteckter Rotorscheibe 66 der Außenseite der Rotorwelle 15 gegenüberliegt, wie
Durch das thermische Zusammenfügen jeder Rotorscheibe 66 mit der Rotorwelle 15 können die Rotorscheiben 66 dauerhaft und fest mit der Rotorwelle 15 verbunden werden. Die Rotorscheiben 66 müssen daher nicht zusätzlich auf die Rotorwelle 15 aufgepresst, aufgeschrumpft oder aufgeklemmt werden. Bevorzugt sind daher der Innendurchmesser der Aufnahmeöffnung jeder Rotorscheibe 66 und der Außendurchmesser des jeweiligen Abschnitts der Rotorwelle 15, auf den die jeweilige Rotorscheibe 66 aufgesteckt wird, in Art einer Übergangspassung oder einer leichten Presspassung relativ zueinander dimensioniert.
Bei der Rotoranordnung der
Bei der Herstellung der Rotoranordnung der
Beim Aufstecken der Scheibe 66 auf den dritten Abschnitt 144 wirkt eine in radialer Richtung verlaufende ringförmige Wand 156, die den Übergang zwischen der Außenseite des dritten Abschnitts 144 und der Außenseite des vierten Bereichs 152 bildet, als Anschlag für die Rotorscheibe 66. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass eine mechanische Verbindung mittels eines thermischen Fügeverfahrens zwischen dem Ringkörper 134 und der ringförmigen Wand 156 ausgebildet wird.
Nachdem die Rotorscheibe 66 mit dem dritten Abschnitt 144 mechanisch verbunden wurde, wird in der entsprechenden Weise die Rotorscheibe 66, deren Aufnahmeöffnung einen Innendurchmesser aufweist, der an den Außendurchmesser des zweiten Abschnitts 142, insbesondere in Art einer Übergangspassung oder einer leichten Presspassung, angepasst ist, auf den zweiten Abschnitt 142 aufgesteckt. Dabei wird wiederum eine mechanische Verbindung 154 zwischen der Innenwand 138 der Rotorscheibe 66 und der Außenseite des zweiten Abschnitts 142 mittels des thermischen Fügeverfahrens ausgebildet. Ferner kann zusätzlich eine mechanische Verbindung mittels des thermischen Fügeverfahrens zwischen der ringförmigen Wand 158 und dem Ringkörper 134 der Rotorscheibe 66 ausgebildet werden. Die ringförmige Wand 158 verläuft dabei in radialer Richtung gesehen zwischen der Außenseite des zweiten Abschnitts 142 und der Außenseite des dritten Bereichs 150 und dient beim Aufstecken der Rotorscheibe 66 auf den zweiten Abschnitt 142 als Anschlag.
In der entsprechenden Weise wie vorstehend beschrieben wurde, wird die Rotorscheibe 66, deren Aufnahmeöffnung einen Innendurchmesser aufweist, der, insbesondere in Art einer Übergangspassung oder einer leichten Presspassung, an den Außendurchmesser des ersten Abschnitts 140 angepasst ist, auf den ersten Abschnitt 140 aufgesteckt und mittels des thermischen Fügeverfahrens wird die mechanische Verbindung 154 zwischen der Innenwand 138 und der Außenseite des ersten Abschnitts 140 ausgebildet. Zusätzlich kann zwischen der ringförmigen Wand 160 und der Rotorscheibe 66 ebenfalls eine mechanische Verbindung mittels des thermischen Fügeverfahrens realisiert werden. Die ringförmige Wand 160 erstreckt sich dabei in radialer Richtung gesehen zwischen der Außenseite des ersten Abschnitts 140 und der Außenseite des zweiten Bereichs 148.
Die axiale Länge des jeweiligen Abschnitts 140, 142, 144 ist an die axiale Länge der jeweiligen Rotorscheibe 66 bzw. an die axiale Länge der Innenwand 138 der jeweiligen Rotorscheibe 66 angepasst. Außerdem entspricht die axiale Länge des Bereichs 150 dem vorgesehenen Abstand zwischen den Rotorscheiben 66, die auf den zweiten und dritten Abschnitt 142, 144 aufgesteckt sind. In der entsprechenden Weise entspricht die axiale Länge des zweiten Bereichs 148 dem gewünschten Abstand zwischen den Rotorscheiben 66, die auf den ersten und zweiten Abschnitt 140, 142 aufgesteckt sind.
Bei der Rotoranordnung der
Die Anordnung von drei Rotorscheiben 66 auf der Rotorwelle 15 der Rotoranordnung der
Auf wenigstens einen der Abschnitte 140, 142, 144 kann auch mehr als eine Rotorscheibe aufgesteckt sein. Beispielsweise können auf einen der Abschnitte 140, 142, 144 wenigstens zwei oder drei dünne Rotorscheiben aufgesteckt sein. Die Rotorscheiben können in einem Fügevorgang an der Rotorwelle 15 festgelegt werden.
Die
Jede Rotorscheibe 66 weist einen Scheibenkörper 162 auf, an dessen radial außenliegender Außenseite bezogen auf die Rotationsachse nach radial außen weg stehende Rotorblätter 136 angeordnet sind. In Umfangsrichtung gesehen sind dabei mehrere versetzt nebeneinander angeordnete Rotorblätter 136 auf jeder Außenseite eines jeweiligen Scheibenkörpers 162 angeordnet.
Jeder Scheibenkörper 162 ist bei der dargestellten Variante massiv ausgebildet. Alternativ kann jeder Scheibenkörper 162 jedoch auch eine zentrale, insbesondere im Querschnitt kreisförmige, Durchgangsöffnung aufweisen, um eine Materialersparnis zu erreichen und um das Gewicht der Rotoranordnung zu verringern.
Jeder Scheibenkörper 162 weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Die Rotorscheiben 66 sind dabei derart hintereinander angeordnet, dass eine Unterseite des Scheibenkörpers 162 einer Rotorscheibe 66 einer Oberseite des Scheibenkörpers 162 der benachbarten Rotorscheibe 66 gegenübersteht. Die mechanische Verbindung 154 ist zwischen der Unterseite und der Oberseite der benachbarten Rotorscheiben 66 ausgebildet. D.h. die Unterseite einer Rotorscheibe 66 ist mit der Oberseite der benachbarten Rotorscheibe 66 direkt mechanisch durch die thermische Fügeverbindung verbunden.
Zur Zentrierung der Rotorscheiben 66 in Bezug auf die Rotationsachse 14 ist an der Unterseite jedes Scheibenkörpers 162 eine Aufnahmeöffnung 164 und an jeder Oberseite ein Aufsatz 166, der auch als eine Noppe angesehen werden kann, ausgebildet. Wie
Der Außendurchmesser des Aufsatzes 166 kann in Bezug auf den Innendurchmesser der Aufnahmeöffnung 164 in Art einer zumindest geringfügigen Übermaßpassung ausbildet sein. Zwischen benachbarten, zusammengesteckten Rotorscheiben 66 ist somit - bezogen auf die Rotationsachse 14 in radialer Richtung gesehen - eine formschlüssige Verbindung 168 ausgebildet, die aufgrund der zumindest leichten Übermaßpassung in axialer Richtung auch einen Kraftschluss zwischen den beiden Rotorscheiben 66 bewirkt.
Die Aufnahmeöffnungen 164 und die Aufsätze 166 sind außerdem zentrisch zur Rotationsachse 14 an der Unterseite bzw. Oberseite des jeweiligen Scheibenkörpers 162 angeordnet, wodurch sich beim Zusammenstecken der Rotorscheiben 66 eine Zentrierung bezüglich der Rotationsachse 14 für die gebildete Rotoranordnung ergibt.
Die Aufnahmeöffnungen 164 und entsprechend die Aufsätze 166 weisen bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Allerdings sind auch andere Querschnitte, wie etwa ein quadratischer Querschnitt, möglich.
Wie die
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