DE10053663A1 - Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit Rotor und Welle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem Stator (1), mit einem aus einer Aluminium-Legierung bestehender Rotor (6, 7) sowie mit einer den Rotor (6, 7) tragenden Welle (3), wobei die Verbindung zwischen Welle (3) und Rotor (6, 7) durch Schrumpfen oder Verschrauben hergestellt ist; um eine feste Verbindung zwischen Stator und Rotor sicherzustellen, wird vorgeschlagen, dass der Rotor (6, 7) aus einer durch Sprühkompaktieren hergestellten Aluminiumlegierung besteht, deren Hauptlegierungsbestandteil Silizium ist und die so eingestellt ist, dass sie einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der dem Ausdehungskoeffizienten des Wellenwerkstoffs im Wesentlichen entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine mechanische kinetische Va­ kuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Pa­ tentanspruchs 1.

Zu den mechanischen kinetischen Vakuumpumpen gehören definitionsgemäß Gasringpumpen, Turbovakuumpumpen (axial, radial) und Molekular-/Turbomolekularpumpen. Sie sind in der Lage, im Bereich der Molekularströmung (Drücke kleiner 10^-3 mbar) die zu fördernden Gasteil­ chen mechanisch zu transportieren. Molekularpumpen sind darüber hinaus noch in der Lage, Gase im Bereich der Knudsenströmung (10^-3 bis 1 mbar) zu fördern. Bevorzugt eingesetzte mechanische kinetische Vakuumpumpen weisen häufig eine Turbomolekularpumpstufe und eine sich daran anschließende Molekularpumpstufe auf (Compound- oder Hybridpumpe), da eine solche Pumpe in der Lage ist, Ga­ se bis in den Bereich der viskosen Strömung zu ver­ dichten.

Pumpen der hier betroffenen Art, insbesondere Turbomo­ lekularvakuumpumpen, werden mit Drehzahlen bis zu 100.000 Umdrehungen/min betrieben. Dieses setzt eine feste innige Verbindung zwischen Rotor und Welle vor­ aus, die den rotordynamischen Anforderungen beim Durchfahren kritischer Drehzahlen genügt und üblicherweise durch Schrumpf- oder Schraubverbindungen hergestellt wird. Die Schrumpfverbindung wird dadurch hergestellt, dass der temperierte Rotor und die gekühlte Welle zu­ sammengefügt werden, indem die Welle in eine Bohrung des Rotors eingeführt wird. Als Wellenstoff wird in der Regel Stahl verwendet, der ein relativ hohes Elastizi­ tätsmodul hat. Als Rotorwerkstoff wird aus den genann­ ten rotordynamischen Gründen ein leichter Werkstoff eingesetzt, vorzugsweise Aluminium. Dabei haben sich schmelzmetallurgisch hergestellte Aluminiumlegierungen bewährt. Bei der Werkstoffpaarung Stahl/Aluminium ist es jedoch schwierig, eine bei allen Betriebstemperatu­ ren spiel- und setzfreie Befestigung des Rotors auf der Welle zu realisieren, da die Ausdehnungskoeffizienten von Stahl (ca. 11 × 10^-6/k) und Aluminium (ca. 22 × 10^{- 6}/k) verschieden sind.

Aus der DE-A-199 15 307 ist es bekannt, die Spiel- und Setzfreiheit der Fügestelle zwischen Rotor und Stator dadurch zu erreichen, dass Armierungsringe vorgesehen sind, die die zu Spielen führende Ausdehnung des Alumi­ nium-Rotors verhindern. Diese Maßnahmen sind technisch aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit den Merkma­ len des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der eine feste Verbindung zwischen Welle und Rotor mit einfacheren Mitteln erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Pulvermetallurgisch (z. B. durch Sprühkompaktieren) hergestellte Aluminiumlegierungen sind an sich bekannt. Ihre Herstellung erfolgt in der Weise, dass die aus den Legierungsbestandteilen bestehende Schmelze mittels Dü­ sen auf eine kalte Oberfläche gesprüht wird. Im Ver­ gleich zur schmelzmetallurgischen Herstellung von Alu­ minium-Werkstoffen findet ein sehr schnelles Erstarren der Schmelze statt, wodurch die Legierung ein neues Ge­ füge mit veränderten Eigenschaften erhält. Durch Sprüh­ kompaktieren hergestellte Aluminiumlegierungen, deren Hauptlegierungsbestandteil Silizium ist, können so eingestellt werden, dass sie einen dem Ausdehnungs­ koeffizienten von Stahl entsprechenden Ausdehnungs­ koeffizienten haben.

Dadurch, dass zwischen den Ausdehnungskoeffizienten von Welle und Rotor keine oder nur eine geringe Differenz besteht, wird ein Lösen der durch Schrumpfen oder Ver­ schrauben hergestellten Verbindung zwischen Welle und Rotor unter Temperatureinfluss im Betriebszustand ver­ hindert. Ebenso lässt sich eine Verbindung mit vermin­ derter Schrumpfspannung herstellen, die ein einfacheres Fügen und eine geringere Werkstoffbeanspruchung erlau­ ben. Es ist auch möglich, Bohrung und Welle mit größe­ ren Toleranzen zu fertigen, was - wie das vereinfachte Fügen - weniger Fertigungsaufwand und damit geringere Kosten verursacht.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand einer in der Fi­ gur dargestellten Pumpe der hier betroffenen Art erläu­ tert werden. Die dargestellte Pumpe weist ein äußeres Gehäuse 1 mit einer zentralen, nach innen hineinragen­ den Lagerbuchse 2 auf. In der Lagerbuchse 2 stützt sich die Welle 3 mittels einer Spindellagerung 4 ab. Mit der Welle 3 ist der Antriebsmotor 5 und das Rotorsystem 6, 7 gekoppelt.

Der einstückige Rotor weist zwei unterschiedlich ge­ staltete Rotorabschnitte 6 und 7 auf. Rotorabschnitt 6 ist zylindrisch mit glatter äußerer und innerer Ober­ fläche 8, 9 ausgebildet. Im Bereich der Oberfläche 8 ist das Gehäuse 1 auf seiner Innenseite mit einem Ge­ winde 10 ausgerüstet und bildet damit gleichzeitig den Stator einer Gewindepumpenstufe. Die Oberfläche 8 und das Gewinde 10 sind die pumpaktiven Flächen dieser an sich bekannten Gewindepumpenstufe, die in den Pumpspalt 11 gelangende Moleküle in Richtung Auslass 12 fördert.

Im Bereich der inneren Oberfläche 9 des Rotorabschnit­ tes 6 ist die Außenseite der Lagerbuchsen 2 mit einem Gewinde 13 versehen und bildet damit den Stator einer weiteren Gewindepumpenstufe. Das Gewinde 13 und die in­ nere Oberfläche 9 sind die pumpaktiven Flächen der wei­ teren Gewindepumpenstufe mit dem Pumpspalt 14. Die durch den Pumpspalt 14 von unten nach oben geförderten Gase strömen durch Bohrungen 15 in der Lagerbuchse 2 zum Auslass 12.

Der Gewindepumpenstufe 8, 10 ist eine weitere Pumpstufe vorgelagert. Diese weist den Rotorabschnitt 7 auf, der aus einem konisch geformten Nabenteil 23 und den Stegen 24 besteht. Diese Stege 24 bilden mit der sie umgeben­ den Statorwand 25 im Gehäuse 1 eine Pumpstufe 7, 25. Gasmoleküle, die zwischen die einzelnen Stege 24 oder in den Spalt 26 gelangen, werden von der Pumpenstufe 24, 25 in Richtung des Pumpspaltes 11 der Molekular­ pumpstufe 6, 10 gefördert.

Die Welle 3 trägt den Rotorabschnitt 7, der seinerseits den Rotorabschnitt 6 trägt. Der zylindrische Rotorab­ schnitt 6 kann aus dem gleichen Werkstoff wie Rotorab­ schnitt 7 bestehen, muss aber nicht. Der Einsatz von z. B. aus Kohlefasern bestehenden Zylinderabschnitten als Rotor von Molekularpumpstufen ist ebenfalls möglich. Die Verbindung zwischen Welle 3 und Rotorabschnitt 7 ist durch Schrumpfen hergestellt.

Bestehen die Welle 3 aus Stahl und das Rotorsystem 6, 7 - oder zumindest Rotorabschnitt 7 - aus der erfindungs­ gemäßen Legierung, dann sind die Ausdehnungskoeffizien­ ten von Welle 3 und Rotor 6, 7 gleich oder nahezu gleich. Selbst bei einer hohen Temperaturbelastung des Rotors, die insbesondere beim Einsatz der hier betrof­ fenen Pumpen in der Halbleiterindustrie auftritt, ist eine sichere Verbindung von Rotor und Welle gewähr­ leistet.

Werkstoffe der erfindungsgemäßen Art werden unter dem Namen DISPAL (z. B. DISPAL A/S 230, DISPAL S241, A und S250) auf dem Markt angeboten. Neben dem Aluminium ent­ halten sie als Hauptlegierungsbestandteil 16 bis 22 Gew.-% Silizium sowie weitere Legierungsbestandteile, wie Eisen, Nickel, Kupfer, Magnesium und/oder Zirkon mit Anteilen zwischen 0,3 und 8 Gew.-%.

Bei einem Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften kann an Stelle des Basismaterials Aluminium ein anderer Leichtwerkstoff, nämlich Magnesium, vorhanden sein. Da­ durch kann der beschriebene Vorteil des Einsatzes von pulvermetallurgisch hergestellten Legierungen auch bei einer Legierung mit mg als Basismetall erreicht werden. Der Ausdehnungskoeffizient kann durch geeignete Zule­ gierung, z. B. durch Si, eingestellt werden.

Claims (4)

1. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem Sta­ tor (1), mit einem aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Rotor (6, 7) sowie mit einer den Rotor (6, 7) tragenden Welle (3), wobei die Verbindung zwischen Welle (3) und Rotor (6, 7) durch Schrump­ fen oder Verschrauben hergestellt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Rotor (6, 7) aus einer durch Sprühkompaktieren hergestellten Aluminiumle­ gierung besteht, deren Hauptlegierungsbestandteil Silizium ist und die so eingestellt ist, dass sie einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der dem Aus­ dehnungskoeffizienten des Wellenwerkstoffs im we­ sentlichen entspricht.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumanteil 16 bis 22 Gew.-% beträgt.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass der Rotorwerkstoff weitere Legierungsbestandteile enthält, und zwar Eisen, Nickel, Kupfer und/oder Zirkon.

4. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Legierung bestehenden Rotor, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulverme­ tallurgisch hergestellte Magnesium-Legierung ist.