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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Statorstufe
für eine
Turbomolekularpumpe, auf eine Turbomolekularpumpen-Statorstufe und
auf eine Turbomolekularpumpe.
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Eine
Statorstufe für
eine Turbomolekularpumpe besteht aus einem Außenring und einem Innenring,
wobei zwischen den beiden Ringen mehrere Statorschaufeln befestigt
sind. Zur Herstellung einer Statorstufe werden alternativ im wesentlichen
zwei Verfahren angewandt. Beim spanabhebenden Verfahren wird die
ge samte Statorstufe einschließlich der
Statorschaufeln aus einem massiven Metallkörper herausgefräst. Beim
nicht-spanabhebenden Verfahren wird die Statorstufe aus einem Metallblech
herausgestanzt und -geprägt.
Die Herstellung der Statorstufe durch Fräsen aus einem Metallkörper ist
sehr aufwendig und kostenintensiv. Bei der Herstellung einer Statorstufe
durch Stanzen und/oder Prägen
eines Metallbleches ist die axiale Länge des Innenrings und des
Außenringes
stets gleich der Blechstärke. Zur
Beabstandung mehrerer Rotorstufen voneinander müssen daher zwischen den Außenringen
noch Distanzringe angebracht werden. Durch die geringe axiale Länge der
Innenringe verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer
Turbomolekularpumpen-Statorstufe bzw. eine Statorstufe zu schaffen,
die eine preiswerte Herstellung, eine einfache Montage und einen
guten Wirkungsgrad ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 8 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
zum Herstellen einer Statorstufe für eine Turbomolekularpumpe
werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt: Spanabhebendes Bearbeiten
eines Scheibenrohlings unter Herausbildung eines Außenringes,
eines Innenringes und einer Ringscheibe zwischen dem Außenring
und dem Innenring, Schneiden der Ringscheibe zur Ausbildung von
Statorschaufeln zwischen dem Außenring
und dem Innenring, und Anwinkeln der Statorschaufeln im Verhältnis zur
Radialebene der Ringscheibe.
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
besteht also aus einem spanabhebenden Verfahrensschritt und zwei
nichtspanabhebenden Verfahrensschritten. Durch den spanabhebenden
Verfahrensschritt kann die axiale Länge des Außenringes, des Innenringes
sowie die axiale Dicke der Ringscheibe bzw. der hieraus gebildeten
Statorschaufeln frei bestimmt und den konstruktiven Erfordernissen angepasst
werden. Das spanabhebende Bearbeiten erfolgt bevorzugt durch Drehen
eines Scheibenrohlings zur Herausbildung des Außenringes, des Innenringes
sowie der Ringfläche.
Nach dem spanabhebenden Bearbeiten wird die Ringscheibe durch nicht-spanabhebendes
Bearbeiten, nämlich
durch Stanzen, Prägen
und/oder Schneiden bearbeitet, um aus der Ringscheibe die Statorschaufeln
zu formen. Das nichtspanabhebende Bearbeiten zur Formung und Anwinklung
der Statorschaufeln lässt
sich in einem oder in zwei automatisierten und schnell durchführbaren
Arbeitsschritten realisieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
besteht aus einer intelligenten Kombination eines spanabhebenden
Verfahrens zur Ausbildung des Außenringes der Ringscheibe und
des Innenringes sowie eines schnellen nicht-spanabhebenden Verfahrensschrittes
zur Ausbildung und Formung der Statorschaufeln.
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Auf
diese Weise lassen sich Statorstufen herstellen, die die für eine einfache
Montage und Konstruktion erforderlichen verschiedenen axialen Längen des
Außenringes
und des Innenringes aufweisen, sowie die schnelle und preiswerte
Herstellbarkeit der Statorschaufeln durch ein nicht-spanabhebendes
Bearbeitungsverfahren bieten.
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Vorzugsweise
werden durch das Schneiden Haltestege ausgebildetet, die jede Statorschaufel
an dem Außenring
und dem Innenring halten. Die Statorschaufel ist also nicht über ihre
gesamte Breite in Umfangsrichtung an dem Innenring bzw. dem Außenring
befestigt, sondern über
einen Haltesteg, der in Umfangsrichtung eine geringere Breite aufweist als
die Statorschaufel. Wie Untersuchungen ergeben haben, ist der Spalt,
der hierbei zwischen der Statorschaufel und dem Innenring bzw. dem
Außenring
ggf. auftritt, praktisch unerheblich für die Pumpleistung. Die Ausbildung
eines Haltesteges lässt
eine relativ starke Anwinklung der Statorschaufeln im Verhältnis zur
Radialebene zu.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung erfolgt das Schneiden der Ringscheibe
derart, dass die Haltesteg-Breite in Umfangsrichtung jeweils weniger als
das 0,5-fache der Statorschaufel-Breite
in Umfangsrichtung ist. Die Statorschaufel ist am Innenring wie
am Außenring
jeweils nur über
maximal das 0,5-fache
ihres Außen-
bzw. Innenumfanges unmittelbar an dem Außenring bzw. Innenring befestigt. Der
nicht befestigte Abschnitt der Statorschaufel kann im Verhältnis zur
Radialebene angewinkelt werden. Je geringer die Haltestegbreite
in Umfangsrichtung ist, desto größer ist
die Statorschaufelfläche,
die angewinkelt, d. h. geneigt werden kann.
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Vorzugsweise
wird der Scheibenrohling derart spanabhebend bearbeitet, dass die
axiale Länge des
Außenringes
größer als
die des Innenringes ist, so dass der Außenring einen Distanzring aufweist. Bei
der Montage mehrerer Statorstufen zu einem Stator entfällt die
Notwendigkeit, separate Distanzringe zur axialen Beabstandung zweier
Statorstufen voneinander zu montie ren. Hierdurch wird die Montage
erheblich vereinfacht und werden die Montagekosten reduziert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Scheibenrohling
derart spanabhebend bearbeitet, dass die axiale Dicke der Ringscheibe
geringer als die axiale Länge
des Innenringes ist. Dadurch, dass der Innenring eine gewisse axiale
Länge aufweist,
kann ein kleiner axialer Ringspalt zwischen der Statorstufe und
den benachbarten Rotorstufen im Bereich des Innenringes realisiert
werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der betreffenden Stator-
und Rotorstufen verbessert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das spanabhebende
Bearbeiten des Scheibenrohlings derart, dass der Außenring,
die Ringscheibe und der Innenring zusammen im Querschnitt U-, N-
oder H-förmig
sind. Die Statorschaufeln werden vorzugsweise derart angewinkelt,
dass sie axial im wesentlichen nicht über den Innenring hinausragen.
Bei U-förmigem
Statorstufen-Querschnitt werden die Statorstufen daher ausschließlich in
eine Richtung angewinkelt, während
bei N- und H-förmigem
Statorstufen-Querschnitt die Statorschaufeln bzw. Bereiche der Statorschaufeln
in beide axiale Richtungen angewinkelt werden können.
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Vorzugsweise
wird die Ringscheibe derart geschnitten, dass zwischen den Haltestegen
einer Statorschaufel ein neutraler Streifen gebildet wird, der in
einem Winkel α von
mindestens 3° zur
Radialen verläuft.
Durch die nichtradiale Anordnung des neutralen Streifens ist dieser
mindestens geringfügig länger als
der radiale Abstand des Innenringes von dem Außenring.
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Beim
bzw. nach dem Anwinkeln der Statorschaufeln können hierdurch verursachte
geringfügige
Verkürzungen
des neutralen Streifens durch eine Verkleinerung des Winkels α ausgeglichen
werden, so dass der neutrale Streifen in radialer Richtung annähernd spannungsfrei
bleibt.
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Gemäß einem
nebengeordnetem Patentanspruch weist die Turbomolekularpumpen-Statorstufe einen
Innenring und einen Außenring
auf, dessen axiale Länge
größer als
die des Innenringes ist. Ferner sind zwischen dem Außenring
und dem Innenring mehrere Statorschaufeln vorgesehen, wobei der
Innenring, die Statorschaufeln und der Außenring einstückig miteinander
ausgebildet sind. Jede Statorschaufel ist jeweils mit einem radialen
Haltesteg mit dem Innenring und dem Außenring verbunden, wobei die
Haltesteg-Breite in Umfangsrichtung jeweils weniger als das 0,5-fache
der Statorschaufelbreite in Umfangsrichtung beträgt. Die Statorschaufeln sind nicht über ihre
gesamte Umfangslänge
mit dem Innen- und/oder dem Außenring
verbunden, sondern nur mit einem Teil ihres Außen- bzw. Innenumfangs. Hierdurch
wird die Ausbildung der Statorschaufeln durch ein nicht-materialabhebendes
Verfahren ermöglicht.
Wie Versuche gezeigt haben, wird trotz des unvermeidbaren Spaltes
zwischen den Statorschaufeln und dem Innen- und Außenring
der Wirkungsgrad der Statorstufe nicht verschlechtert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung weist der Außenring integriert einen axialen
Distanzring auf, so dass die axiale Länge des Außenringes größer als
die des Innenringes ist. Hierdurch ist bei der Montage der Statorringe
zu einem Stator die Montage eines separaten Distanzringes entbehrlich, so
dass die Montage vereinfacht ist.
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Vorzugsweise
weist jede Statorschaufel zwischen den beiden Haltestegen einen
die Haltestege verbindenden neutralen Streifen auf, der in einem Winkel
von mindestens 3° zur
Radialen verläuft. Durch
die nicht exakt radiale Anordnung des die beiden Haltestege verbindenden
neutralen Streifens wird vermieden, dass während und nach dem Anwinkeln
der Statorschaufeln aufgrund der unvermeidlichen Verkürzung des
neutralen Streifens eine Spannungserhöhung in radialer Richtung innerhalb
der Statorschaufeln auftritt.
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Vorzugsweise
ist die axiale Dicke der Statorschaufeln geringer als die axiale
Länge des
Innenringes. Hierdurch wird ermöglicht,
dass die angewinkelten Statorschaufeln nicht oder nur geringfügig axial über den
Innenring hinausragen. Der Außenring,
die Ringscheibe und der Innenring weisen im Querschnitt zusammen
einen U-, N- oder H-förmigen Querschnitt
auf.
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Im
folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Hälfte einer
Turbomolekularpumpe mit mehreren Statorstufen und Rotorstufen,
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2 eine
erfindungsgemäße Statorstufe der
Turbomolekularpumpe der 1 im Querschnitt,
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3 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Statorstufe
im Querschnitt,
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4 eine
dritte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Statorstufe
im Querschnitt,
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5 eine
Draufsicht auf die Statorstufe in der 4, und
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6 eine
vergrößerte Darstellung
eines Teiles der Statorstufe der 5.
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In 1 sind
mehrere Stufen einer Turbomolekularpumpe 10 im Längsschnitt
dargestellt. Die Turbomolekularpumpe 10 besteht im wesentlichen
aus einem Stator 12 und einem Rotor 14. Der Stator 12 setzt
sich in axialer Richtung aus mehreren Statorstufen 16 zusammen,
zwischen denen jeweils Rotorstufen 18 angeordnet sind.
Jede Rotorstufe 18 wird im wesentlichen gebildet von einem
Rotor-Innenring 20 und davon befestigten Rotorschaufeln 22.
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Jede
Statorstufe 16 besteht im wesentlichen aus einem umlaufenden
Außenring 26,
einem ebenfalls umlaufenden Innenring 28 und zwischen dem Außenring 26 und
dem Innenring 28 aus Statorschaufeln 30, die aus
einer Ringscheibe 30' geformt werden.
Der Querschnitt der in den 1 und 2 dargestellten
Statorstufe 16 ist annähernd
U-förmig, wobei
die axiale Länge
D des Innenringes 28 geringer ist als die axiale Länge C des
Außenringes 26 und
die axiale Dicke E der Statorschaufeln 30 bzw. der Ringscheibe 30' wesentlich
geringer ist als die axiale Länge
des Innenringes 28.
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In
den 3 und 4 sind zwei alternative Querschnittsformen
einer Statorstufe 40,50 dargestellt. In der rechten
Hälfte
der in den 2 – 4 dargestellten
Statorstufen sind jeweils die Statorstufen-Rohlinge 16',40',50' dargestellt,
wobei die Ringscheiben 30',46',56' jedoch noch
nicht als Statorschaufeln 30,46,56 ausgebildet
sind.
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Die
Statorstufe 40 der 3 hat einen
annäherend
H-förmigen
Querschnitt. Zwischen dem Außenring 42 und
dem Innenring 44 ist bei dem Statorstufen-Rohling 40' eine in einer
Radialebene liegende Ringscheibe 46' angeordnet. Der Statorstufen-Rohling 40' wurde durch
ein spanabhebendes Verfahren, nämlich
durch Drehen aus einem Scheibenrohling hergestellt. Die Ringscheibe 46' ist ungefähr in der
Mitte der axialen Länge
des Innenringes 44 angeordnet.
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Bei
dem in 4 dargestellten Statorstufen-Rohling 50' sind aus der
Ringscheibe 56' Statorschaufeln 56 herausgeprägt. Ein
Außenring 52,
ein Innenring 54 und die Ringscheibe 56', sind ungefähr N-förmig zueinander
angeordnet.
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In
den 5 und 6 ist eine aus dem Statorstufen-Rohling 50' der 4 hergestellte
Statorstufe 50 in Draufsicht dargestellt. Aus der Ringscheibe 56' des Statorstufen-Rohlings 50' der 4 sind durch
Schneiden, Prägen
und/oder Biegen Statorschaufeln 56 herausgebildet worden,
die in 6 detaillierter dargestellt sind.
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Die
Statorschaufel 56 wird an ihren beiden radialen Endseiten
jeweils von einem Haltesteg 60,62 an dem Innenring 54 bzw,
dem Außenring 52 gehalten.
Die Haltestegbreite A,B der beiden Hal testege 60,62 ist
geringer als das 0,5-fache, insbesondere als das 0,3-fache der Statorschaufel-Breite A', B' in Umfangsrichtung.
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Zwischen
den beiden Haltestegen 60,62 ist ein neutraler
Streifen 66 gebildet, der nicht oder nicht stark in eine
der beiden axialen Richtungen geneigt ist. Zu beiden Seiten des
neutralen Streifens 66 ist ein ungefähr dreieckiger Schaufelteil 68,70 gebildet, wobei
ein Schaufelteil 68 in eine Axialrichtung abgeknickt und
der andere Schaufelteil 70 in die andere Axialrichtung
von dem neutralen Streifen 66 abgeknickt ist.
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Die
Statorstufe 50 ist in zwei Hälften 501 ,502 geschnitten. Die Zweiteilung der Statorstufe 50 ist
erforderlich für
eine einfache Montage der Statorstufe 50 von außen um die
entsprechenden Rotorstufen herum.
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Die
Herstellung einer Statorstufe sei am Beispiel der in den 4 – 6 dargestellten
Statorstufe 50 erklärt:
Zunächst
wird aus einem Metall-Scheibenrohling durch spanabhebendes Drehen ein
Innenring 54, ein Außenring 52 und
dazwischen eine Ringscheibe 56' herausgebildet, die zusammen den
Statorstufen-Rohling 50' bilden. Anschließend wird
der Statorstufen-Rohling 50' durch
ein oder mehrere nicht-spanabhebende Verfahrensschritte verformt:
Die Ringscheibe 56' wird
durch Schneiden, Stanzen und/oder Prägen derart bearbeitet, dass sich
aus der Ringscheibe 56' Statorschaufeln 56 herausbilden,
die von Haltestegen 60,62 an dem Innenring 54 bzw.
dem Außenring 52 gehalten
werden. Bei kleinen Anstellwinkeln der Statorschaufeln 56 können die
Statorschaufeln auch über
ihre gesamte Breite mit dem Innen- und/oder Außenring verbunden sein, so
dass kein (schmalerer) Haltesteg herausgebildet wird.
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Durch
die Kombination von spanabhebenden und nichtspanabhebenden Verfahrensschritten kann
einerseits die gewünschte
Abstufung des Innenringes, des Außenringes sowie der Ringscheibe, und
andererseits die Ausbildung von Statorschaufeln auf schnelle und
preiswerte Weise erfolgen.