EP3034880A1 - Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a rotor assembly according to the preamble of claim 1, a rotor assembly according to the preamble of claim 7, a method of manufacturing a rotor assembly according to the preamble of claim 14 and a method of manufacturing a rotor assembly according to the preamble of claim 15.
- Vacuum pumps such as turbomolecular pumps, are used in various fields of technology to provide a vacuum necessary for a given process.
- a turbomolecular pump typically includes a rotor shaft, a plurality of rotor disks connected to the rotor shaft, and stator disks disposed between the rotor disks.
- the rotor and stator discs each have blades, which are also referred to as blades.
- the blades form a pump-active structure and cause the desired pumping action with a fast rotation of the rotor assembly relative to the stator assembly.
- WO 2010/052056 A1 It is also known to assemble a rotor assembly of a plurality of rotor elements. Each rotor element has a circular, cylindrical approach. The lugs are each connected to a rotor disk. The rotor elements are connected to each other via a shrinking process and thereby also form the rotor shaft.
- the rotor disks In a rotor assembly having a rotor shaft with pressed-on, shrunk or clamped rotor disks, the rotor disks must be fastened with high joining forces on the rotor shaft, as only so can ensure that the rotor disks do not detach from the rotor shaft during operation, especially at high rotational speeds of the rotor assembly, as may occur in a vacuum pump and in particular in turbomolecular pumps, the joining forces are still reduced due to the high centrifugal forces. Also by temperature effects, the joining forces can be reduced. In addition, the material load at the joints between the rotor disks and the rotor shaft is already very high in the idle state. In addition, as the rotor speed increases, the reference stresses in the rotor disk increase significantly under the influence of centrifugal force.
- the present invention is therefore based on the object to provide an improved rotor assembly for a vacuum pump, in particular for a turbomolecular pump, which can be produced in a simple manufacturing manner and has the improved properties with respect to the joints and material loads occurring thereon.
- the invention is also based on the object to provide a method for producing an improved rotor assembly for a vacuum pump.
- the object is achieved by a method for producing a rotor assembly having the features of claim 14 or by a method for producing a rotor assembly having the features of claim 15.
- a rotor arrangement according to the invention for a vacuum pump in particular for a turbomolecular pump, comprises a rotor shaft and at least one rotor disk, which has a central receiving opening for receiving the rotor shaft, wherein the rotor disk is arranged on the rotor shaft and a mechanical connection is formed between the rotor disk and the rotor shaft , wherein the mechanical connection is realized by means of a thermal joining method.
- the rotor disk is thus not pressed on the rotor shaft, shrunk or clamped, but mechanically connected by means of the thermal joining method with the rotor shaft.
- the thermal joining process realized mechanical connections between the rotor disks and the rotor shaft, the rotor shaft and the rotor disks are permanently and permanently joined together in one piece.
- the rotor assembly according to the invention thus has at least substantially the same properties, in particular with regard to the internal stress conditions, such as a monolithically produced rotor assembly.
- the rotor disks can be manufactured individually in the rotor assembly according to the invention, which compared to the production of a monolithic rotor assembly is cheaper from the time and production cost.
- the thermal joining method may in particular be a welding method, preferably laser welding, electron beam welding, friction welding, friction stir welding or a combination of the abovementioned welding methods, or a soldering method.
- an inner wall of the rotor disk surrounding the receiving opening surrounds an outer side of the rotor shaft and the mechanical connection is formed between the inner wall and the outer side.
- the inner side of the rotor disk is therefore mechanically connected to the outside of the rotor shaft forming the outer circumference.
- the mechanical connection is formed over the entire circumference of the rotor shaft between the outer side and the inner wall. Seen in the circumferential direction of the rotor shaft, the mechanical connection is thus formed over the full circumference of the rotor shaft between the outer side and the inner wall of the rotor disk.
- the running properties of the rotating rotor assembly can be improved.
- an imbalance caused by the mechanical connection between the rotor disk and the rotor shaft can be avoided or at least minimized.
- the mechanical connection between the inner wall and the outer side can be formed over the entire axial length of the inner wall. This allows a particularly strong mechanical connection between the rotor shaft and accomplish the rotor disk, so that even at very high speeds and thereby acting on the rotor disk high centrifugal forces, the rotor disc does not detach from the rotor shaft.
- the rotor disk is not yet pressed onto the rotor shaft, shrunk or clamped in addition to the mechanical connection between the rotor disk and the rotor shaft accomplished by means of the thermal joining method.
- the caused by pressing, shrinking or clamping material loads can therefore be avoided.
- the rotor shaft preferably has at least one section whose outer diameter is greater than the outer diameter of a region of the rotor shaft preceding in the axial direction and smaller than the outer diameter of a region of the rotor shaft which follows in the axial direction, with at least one rotor disk being mounted on the section.
- the rotor shaft can thus be configured in the manner of a stepped rotor shaft, which, viewed in its longitudinal extent, has regions or sections with different outside diameters.
- at least one and preferably exactly one rotor disk can be attached to the section. If more than one rotor disk, e.g. two or three rotor disks, are attached to the section, then it is usually relatively thin or flat rotor disks.
- the multiple rotor discs can be connected in a joining process with the rotor shaft.
- the preceding area viewed in the axial direction, adjoins the section directly.
- the transition from the preceding area into the section and from the section into the following area thus preferably proceeds abruptly.
- the axial length of the section of the rotor shaft preferably corresponds at least substantially to the axial length of at least one rotor disk.
- the axial length of the portion of the rotor shaft corresponds at least substantially to the axial length of the attached rotor disk.
- another section of the rotor shaft whose outer diameter is greater than the outer diameter of the following region and on which in turn at least one rotor disk can be plugged can adjoin the following region.
- the axial length of the following region is preferably chosen such that a desired distance results between the rotor disk which is plugged onto the portion and the one which is fitted onto the further portion.
- the invention also relates to a rotor assembly for a vacuum pump, in particular for a turbomolecular pump, with two or more rotor disks, which are aligned with respect to a rotation axis and arranged in succession in the direction of the axis of rotation, wherein between adjacent rotor disks, a mechanical connection is formed, which is directly between the adjacent rotor disks is realized by means of a thermal joining process.
- the thermal joining method is preferably a welding method such as laser welding, electron beam welding, friction welding, friction stir welding, or a combination of the aforementioned welding methods, or a soldering method.
- the rotor disks By mechanically connecting the rotor disks by means of the thermal joining method, the rotor disks can be manufactured individually and then joined together in one piece, so that the rotor assembly formed therefrom has substantially the same properties as a monolithic rotor assembly, although the rotor assembly according to the invention with less effort in comparison to produce a monolithic rotor assembly.
- the disk bodies of adjacent rotor disks are thus connected directly to one another by means of the thermal joining method.
- the rotor disks are arranged one behind the other in such a way that an underside of the disk body of a rotor disk faces an upper side of the disk body of an adjacent rotor disk, and the mechanical connection is formed directly between the underside of the one rotor disk and the upper side of the other rotor disk.
- a direct mechanical connection between adjacent rotor disks can be accomplished in a simple manner.
- each rotor disk is a receiving opening and on the upper side of the disk body of each rotor disk is formed a complementarily formed to the receiving opening essay, wherein the attachment of the disk body of a rotor disk, in particular with formation of a connector, in the receiving opening of the disk body the adjacent rotor disk is inserted.
- Adjacent rotor discs can thus be easily connected by mating with each other. In particular, after the mating together, the rotor disks can then be mechanically permanently connected to one another by means of the thermal joining method.
- the attachment has an outer diameter which is formed relative to the inner diameter of the receiving opening in the manner of an interference fit. It can thereby be achieved that mated rotor disks are already firmly connected to one another by the plug connection realized between the receiving opening and the attachment, which is known e.g. also advantageous for the thermal joining of the rotor disks.
- the receiving opening and the attachment are arranged centrally to the axis of rotation at the bottom or top of the respective disk body.
- a centering of the disks relative to one another with respect to the axis of rotation or rotation can be achieved in a simple manner.
- the invention also relates to a vacuum pump with a rotor arrangement according to the invention, a stator arrangement cooperating with the rotor arrangement, and a drive for rotationally driving the rotor arrangement.
- the vacuum pump is in particular a turbomolecular pump or another type of vacuum pump in which a rapidly rotating rotor, in particular with speeds of more than 10,000 revolutions per minute, is used.
- the invention also relates to a method for producing a rotor assembly for a vacuum pump, in particular for a turbomolecular pump, in which a Rotor disc arranged with a central receiving opening for receiving a rotor shaft on the rotor shaft and between the rotor disk and the rotor shaft, a mechanical connection is formed, wherein the mechanical connection is realized by means of a thermal joining method.
- an inner wall surrounding the receiving opening and surrounding the rotor disk mounted on the rotor shaft surrounds an outer side of the rotor shaft and the mechanical connection is formed between the inner wall of the rotor disk and the outer side of the rotor shaft.
- the mechanical connection is preferably formed over the entire circumference of the rotor shaft between the outside of the rotor shaft and the inner wall of the rotor disk.
- the mechanical connection is also formed over the entire axial length of the inner wall between the inner wall of the rotor disk and the outer side of the rotor shaft.
- the rotor disk is not pressed, shrunk or clamped onto the rotor shaft.
- a rotor shaft which has at least one portion whose outer diameter is greater than the outer diameter of an axially preceding portion of the rotor shaft and smaller than the outer diameter of an axially downstream portion of the rotor shaft, and the Rotor disc is slipped onto the section and the mechanical connection is made between the section and the rotor disc by means of the thermal joining process.
- the invention also relates to a method for producing a rotor assembly for a vacuum pump, in particular for a turbomolecular pump, with two or more rotor disks, which are aligned with respect to a rotation axis and in the direction seen the axis of rotation are arranged one behind the other, wherein between adjacent rotor disks, a mechanical connection is formed, wherein the mechanical connection is realized directly between the adjacent rotor disks by means of a thermal joining method.
- rotor disks which each have a disk body, on which, with respect to the axis of rotation radially outwardly projecting rotor blades are arranged, and the mechanical connection is formed directly between the disk bodies of adjacent rotor disks.
- the rotor disks are in particular arranged one behind the other such that a lower side of the disk body of a rotor disk faces an upper side of the disk body of an adjacent rotor disk, and the mechanical connection is formed directly between the underside of the one rotor disk and the upper side of the other, adjacent rotor disk.
- each rotor disk on the underside of the disk body of each rotor disk is a receiving opening and on the upper side of the disk body of each rotor disk is formed complementary to the receiving opening essay, wherein the attachment of the disk body of a rotor disk is inserted into the receiving opening of the disk body of the adjacent rotor disk, in particular to form a Plug connection between the two rotor disks.
- the joining method used in the method according to the invention is, in particular, a welding method, in particular laser welding, electron beam welding, friction welding, friction stir welding or a combination of the abovementioned welding methods, or a soldering method.
- the rotor disks can, in particular individually, be manufactured by means of laser, in particular by means of laser ablation and / or by means of laser cutting.
- the invention also relates to a rotor assembly for a vacuum pump, in particular for a turbomolecular pump, having a rotor shaft and at least one rotor disk, which has a central receiving opening for receiving the rotor shaft, wherein the rotor disk is arranged on the rotor shaft and between the rotor disk and the rotor shaft, a mechanical Connection is formed, wherein the mechanical connection is realized by gluing.
- An adhesive can thus be used to produce the mechanical connection.
- the invention also relates to a rotor assembly for a vacuum pump, in particular for a turbomolecular pump, with two or more rotor disks, which are aligned with respect to a rotation axis and viewed in the direction of the rotation axis arranged one behind the other, wherein between adjacent rotor disks, a mechanical connection is formed, wherein the mechanical connection is realized directly between the adjacent rotor discs by gluing.
- the vacuum pump shown comprises a pump inlet 10 surrounded by an inlet flange 11 and a pump outlet 12 and a plurality of process gas pumping stages for conveying the process gas at the pump inlet 10 to the pump outlet 12.
- the vacuum pump comprises a housing 64 and a rotor 16 arranged in the housing 64 with one the rotational axis 14 rotatably mounted rotor shaft 15th
- the pump is designed as a turbomolecular pump and comprises a plurality of turbomolecular pump stages connected to the rotor shaft 15 with a plurality of radial rotor disks 66 attached to the rotor shaft 15 and stator disks 68 arranged between the rotor disks 66 and fixed in the housing 64, one rotor disk 66 and one rotor disk 66 adjacent stator disk 68 each form a turbomolecular pumping stage.
- the stator disks 68 are held by spacer rings 70 at a desired axial distance from each other.
- the vacuum pump also comprises four radially arranged pumping stages which are connected to one another in pumping fashion in series with each other.
- the rotor of the Holweckpumplien comprises a rotor shaft 15 integrally formed with the rotor hub 72 and two attached to the rotor hub 72 and carried by this cylinder jacket Holweckrotorhülsen 74, 76, which are coaxial with the axis of rotation 14 oriented and nested in the radial direction.
- two cylinder jacket-shaped Holweckstatorhülsen 78, 80 are provided, which are also coaxial with the axis of rotation 14 oriented and nested in the radial direction.
- a third Holweckstatorhülse is formed by a receiving portion 132 of the housing 64, which serves for receiving and fixing the drive motor 20.
- the pump-active surfaces of the Holweckpumpthroughn are through the lateral surfaces, i. the radially inner and outer surfaces, the Holweckrotorhülsen 74, 76, the Holweckstatorhülsen 78, 80 and the receiving portion 132 formed.
- the radially inner surface of the outer Holweckstatorhülse 78 is opposite to the radial outer surface of the outer Holweckrotorhülse 74 to form a radial Holweckspalts 82 and forms with this the first Holweckpumpcut.
- the radially inner surface of the outer Holweckrotorheckse 74 faces the radial outer surface of the inner Holweckstatorhülse 80 to form a radial Holweckspalts 84 and forms with this the second Holweckpumpch.
- the radially inner surface of the inner Holweckstatorhülse 80 is opposite to the radial outer surface of the inner Holweckrotorhülse 76 to form a radial Holweckspalts 86 and forms with this the third Holweckpumpcut.
- the radially inner surface of the inner Holweckrotorhülse 76 faces the radial outer surface of the receiving portion 132 to form a radial Holweckspalts 87 and forms with this the fourth Holweckpumpcut.
- the aforementioned pump-active surfaces of Holweckstatorhülsen 78, 80 and the receiving portion 132 each have a plurality of spiral around the axis of rotation 14 around axially extending Holwecknuten, while the opposite lateral surfaces of Holweckrotorhülsen 74, 76 are smooth and the gas in the operation of the vacuum pump in drive the Holwecknuten.
- a rolling bearing 88 in the region of the pump outlet 12 and a permanent magnet bearing 90 in the region of the pump inlet 10 are provided.
- a conical injection nut 92 with an outer diameter increasing toward the rolling bearing 88 is provided on the rotor shaft 15.
- the spray nut 92 is in sliding contact with at least one scraper of a resource storage.
- the resource storage comprises a plurality of stacked absorbent pads 94 impregnated with a rolling bearing bearing means 88, for example a lubricant.
- the resource is transmitted by capillary action of the resource storage on the scraper on the rotating spray nut 92 and due to the centrifugal force along the spray nut 92 in the direction of increasing outer diameter of the spray nut 92 to the roller bearing 88 promoted towards where there is a lubricating function fulfilled.
- the rolling bearing 88 and the resource storage are enclosed by a trough-shaped insert 96 and a cover member 98 of the vacuum pump.
- the permanent magnet bearing comprises a rotor-side bearing half 100 and a stator-side bearing half 102, which each comprise a ring stack of a plurality of axially stacked permanent magnetic rings 104 and 106, respectively.
- the magnetic rings 104, 106 are opposed to each other to form a radial bearing gap 108, wherein the rotor-side magnet rings 104 are arranged radially on the outside and the stator magnet rings 106 radially inward.
- the magnetic field present in the bearing gap 108 causes magnetic repulsive forces between the magnetic rings 104, 106, which cause a radial bearing of the rotor shaft 15.
- the rotor-side magnetic rings 104 are carried by a support portion 110 of the rotor shaft, which surrounds the magnet rings 104 radially on the outside.
- the stator-side magnet rings are supported by a stator-side support portion 112 which extends through the magnet rings 106 and is suspended from radial struts 114 of the housing 64.
- Parallel to the axis of rotation 14, the rotor-side magnet rings 104 are fixed in one direction by a cover element 116 coupled to the carrier section 110 and in the other direction by a radially projecting shoulder section of the carrier section 110.
- the stator-side magnet rings 106 are parallel to the axis of rotation 14 in one direction by a fastening ring 118 connected to the carrier section 112 and a compensation element 120 arranged between the fastening ring 118 and the magnet rings 106 and in the other direction by a support ring 122 connected to the carrier section 112 established.
- an emergency or fishing camp 124 is provided, which runs empty during normal operation of the vacuum pump without touching and only with an excessive radial deflection of the rotor 16 engages relative to the stator in engagement to a radial stop for the rotor 16 form, which prevents a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures.
- the backup bearing 124 is formed as an unlubricated rolling bearing and forms with the rotor 16 and / or the stator a radial gap, which causes the backup bearing 124 is disengaged in the normal pumping operation.
- the radial deflection at which the fishing camp 124 engages is sized large enough so that the fishing camp 124 does not engage during normal operation of the vacuum pump, and at the same time small enough so that a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented in all circumstances.
- the vacuum pump includes a drive motor 20 for rotatably driving the rotor 16.
- the drive motor 20 includes a motor stator 22 having a core 38 and having one or more in Fig. 1 only schematically illustrated coils 42 which are defined in provided on the radially inner side of the core 38 grooves 38 of the core.
- the armature of the drive motor 20 is formed by the rotor 16, whose rotor shaft 15 extends through the motor stator 22 therethrough.
- a permanent magnet assembly 128 is fixed radially on the outside.
- a gap 24 is arranged, which comprises a radial motor gap over which the motor stator 22 and the permanent magnet assembly 128 magnetically influence for transmitting the drive torque.
- the permanent magnet arrangement 128 is fixed to the rotor shaft 15 in the axial direction by a fastening sleeve 126 plugged onto the rotor shaft 15.
- An encapsulation 130 surrounds the permanent magnet arrangement 128 on its radial outer side and seals it with respect to the intermediate space 24.
- the motor stator 22 is fixed in the housing 64 by a housing-fixed receiving portion 132, which surrounds the motor stator 22 radially on the outside and supports the motor stator 22 in the radial and axial directions.
- the receiving portion 132 defines together with the rotor hub 72 an engine compartment 18 in which the drive motor 20 is received.
- the engine compartment 18 has an inlet 28 arranged on one side of the intermediate space 24 and gas-conductively connected to the inner, fourth Holweckpumpcut and an outlet 30 arranged on the opposite side of the intermediate space 24 and gas-conducting to the pump outlet 12.
- the core 38 of the motor stator 22 has at its radial outer side in the in Fig. 1 On the left, a recess 34, which together with the adjacent portion of the receiving portion 132 forms a channel 32 through which the process gas delivered into the engine compartment 18 is conveyed to the gap 24 from the inlet 28 to the outlet 30.
- the gas path on which the process gas passes from the pump inlet 10 to the pump outlet 12 is in Fig. 1 illustrated by arrows 26.
- the process gas is first pumped from the pump inlet 10 sequentially through the turbomolecular pumping stages and then sequentially through the four Holweck pumping stages.
- the gas exiting the fourth Holweckpumprise enters the engine compartment 18 and is conveyed from the inlet 28 of the engine compartment 18 through the channel 32 to the outlet 30 of the engine compartment 18 and the pump outlet 12.
- the rotor 16 forms a rotor assembly comprising the rotor shaft 15 and arranged on the rotor shaft 15 rotor disks 66.
- the rotor 16 may represent a rotor assembly according to the invention, in which the mechanical connection between the rotor shaft 15 and each rotor disk 66 is realized by means of a thermal joining process.
- each rotor disk 66 may be welded to the rotor shaft 15, for example by means of laser welding, electron beam welding, friction welding, friction stir welding or a combination of said welding methods.
- each rotor disk 66 may be soldered to the rotor shaft 15.
- a variant of a rotor assembly according to the invention which comprises a stepped rotor shaft 15 and a plurality of rotor disks 66.
- Each rotor disk 66 has an annular body 134 which has a central receiving opening for receiving the rotor shaft 15 and rotor blades 136 which are arranged offset relative to one another on its outer circumference in the circumferential direction.
- each rotor disk 66 has an inner wall 138, which is radially inward relative to the axis of rotation 14 and surrounds the receiving opening, which faces the outer side of the rotor shaft 15 when the rotor disk 66 is plugged onto the rotor shaft 15, such as Fig. 2 shows.
- the mechanical connection between the respective rotor disk 66 and the rotor shaft 15 is accomplished in that the inner wall 138 of the respective rotor disk 66 is mechanically connected to the outside of the rotor shaft 15 by means of the thermal joining process.
- the mechanical connection is formed over the entire circumference of the rotor shaft 15 between the outer side and the inner wall 138 and over the entire axial length of the inner wall 138 of the respective rotor disk 66.
- the axial length refers to the longitudinal extent of the inner wall 138 with respect to the axis of rotation 14.
- each rotor disk 66 By thermally joining each rotor disk 66 to the rotor shaft 15, the rotor disks 66 can be permanently and firmly connected to the rotor shaft 15.
- the rotor disks 66 therefore do not have to be additionally pressed, shrunk or clamped onto the rotor shaft 15.
- the inner diameter of the receiving opening of each rotor disk 66 and the outer diameter of the respective portion of the rotor shaft 15, on which the respective rotor disk 66 is plugged in the manner of a transition fit or a slight interference fit dimensioned relative to each other.
- the rotor shaft 15 is formed as a stepped rotor shaft.
- the rotor shaft 15 includes a first portion 140, a second portion 142, and a third portion 144.
- a first portion 146 of the rotor shaft 15 is located in front of the first portion 140 between the first portion 140 and the second portion 142 is a second portion 148 of the rotor shaft 15.
- Between the second portion 142 and the third portion 144 is a third portion 150 of the rotor shaft 15 and seen in the axial direction behind the third portion 144 is a fourth portion 152 of the rotor shaft 15th
- the step or staircase shape is achieved in that the outer diameter seen in the axial direction increases from section to section or from area to area.
- the rotor disc 66 is attached to the third section 144, whose central receiving opening has an inner diameter, which is adapted to the outer diameter of the third portion 144, in particular in the manner of a transition fit or a slight interference fit.
- the mechanical connection 154 is formed between the inner wall 138 of the rotor disk 66 and the outer side of the third portion 144 by means of a thermal joining process.
- the rotor disk 66 In a corresponding manner, after the rotor disk 66 has been mechanically connected to the third portion 144, the rotor disk 66, the receiving opening of which has an inner diameter which is adapted to the outer diameter of the second portion 142, in particular in the form of a transition fit or a slight press fit, attached to the second section 142.
- a mechanical connection 154 between the inner wall 138 of the rotor disk 66 and the outer side of the second portion 142 is formed by means of the thermal joining method.
- a mechanical connection can additionally be formed by means of the thermal joining method between the annular wall 158 and the annular body 134 of the rotor disk 66.
- the annular wall 158 extends in the radial direction between the outside of the second portion 142 and the outside of the third area 150 and serves when attaching the rotor disk 66 to the second portion 142 as a stop.
- the rotor disk 66 In the corresponding manner as described above, the rotor disk 66, the receiving opening having an inner diameter, which is adapted to the outer diameter of the first portion 140, in particular in the form of a transition fit or a slight interference fit, fitted on the first portion 140 and by means of In the thermal joining process, the mechanical connection 154 is formed between the inner wall 138 and the outside of the first section 140.
- a mechanical connection can be realized by means of the thermal joining method.
- the annular wall 160 extends in the radial direction between the outside of the first portion 140 and the outside of the second region 148.
- the axial length of the respective section 140, 142, 144 is adapted to the axial length of the respective rotor disk 66 and to the axial length of the inner wall 138 of the respective rotor disk 66.
- the axial length of the region 150 corresponds to the intended distance between the rotor disks 66, which are attached to the second and third sections 142, 144.
- the axial length of the second region 148 corresponds to the desired distance between the rotor disks 66, which are attached to the first and second sections 140, 142.
- the mechanical connections 154 between the rotor shaft 15 and the respective rotor disk 66 are realized by means of the thermal joining method.
- the rotor disks 66 are held permanently on the rotor shaft 15. Due to the use of a thermal joining process to realize the mechanical connections 154, the rotor assembly has substantially the same characteristics as a monolithic one manufactured rotor assembly and additionally has the advantage that the rotor shaft 15 and the rotor discs 66 can be made individually.
- the rotor disks 66 can be produced, for example, by laser ablation and / or laser cutting.
- the arrangement of three rotor disks 66 on the rotor shaft 15 of the rotor assembly of Fig. 2 is only an example.
- the rotor shaft 15 may also have more or fewer stages, so that more or less rotor disks may be arranged on the rotor shaft.
- At least one of the sections 140, 142, 144 may also be fitted with more than one rotor disk.
- at least two or three thin rotor disks can be attached to one of the sections 140, 142, 144.
- the rotor disks can be fixed in a joining operation on the rotor shaft 15.
- the Fig. 3 shows a further variant of a rotor assembly according to the invention, in which three rotor discs 66 are aligned with respect to the axis of rotation 14 and arranged in the direction of the axis of rotation 14 arranged one behind the other. Between adjacent rotor disks 66, a respective mechanical connection 154 is realized directly by means of a thermal joining method.
- the joining process again involves a welding process, such as laser welding, electron beam welding, friction welding, friction stir welding or a combination of the abovementioned welding processes, or a soldering process.
- adjacent rotor disks 66 are thus directly welded or soldered together, so that a direct mechanical welding or solder joint 154 between adjacent rotor disks 66 of the rotor assembly of Fig. 3 is trained.
- Each rotor disk 66 has a disk body 162, on the radially outer side of which, with respect to the axis of rotation, rotor blades 136 which are located radially outward are arranged. When viewed in the circumferential direction, a plurality of rotor blades 136, which are arranged offset next to one another, are arranged on each outer side of a respective disk body 162.
- each disk body 162 is solid in the illustrated variant. Alternatively, however, each disk body 162 can also have a central through-opening, in particular a circular cross-section, in order to achieve material savings and to reduce the weight of the rotor assembly.
- Each disk body 162 has an upper side and a lower side.
- the rotor disks 66 are arranged one behind the other such that an underside of the disk body 162 of a rotor disk 66 faces an upper side of the disk body 162 of the adjacent rotor disk 66.
- the mechanical connection 154 is formed between the bottom and the top of the adjacent rotor disks 66. That the underside of a rotor disk 66 is connected directly to the upper side of the adjacent rotor disk 66 mechanically by the thermal joining connection.
- a receiving opening 164 is formed on the underside of each disk body 162 and an attachment 166, which can also be considered as a nub, is formed on each upper side.
- an attachment 166 of a rotor disk 66 is inserted into the receiving opening 164 of the adjacent rotor disk 66.
- the outer diameter of the cap 166 may be formed with respect to the inner diameter of the receiving opening 164 in the manner of an at least slight interference fit. Between adjacent, mated rotor disks 66 is thus - with respect to the axis of rotation 14 in the radial direction seen a positive connection 168 formed, which also causes a frictional connection between the two rotor discs 66 due to the at least slight interference fit in the axial direction.
- the receiving openings 164 and the attachments 166 are also arranged centrally to the rotation axis 14 at the bottom or top of the respective disk body 162, which results in the mating of the rotor disks 66 centering with respect to the axis of rotation 14 for the rotor assembly formed.
- the receiving openings 164 and correspondingly the attachments 166 preferably have a circular cross-section. However, other cross sections, such as a square cross section, are possible.
- rotor disks 66 can form a rotor shaft.
- number of three rotor disks 66 is again only to be seen as an example.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7, ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 und ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
- 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 Statorscheiben 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
WO 2010/052056 A1 ist es außerdem bekannt, eine Rotoranordnung aus mehreren Rotorelementen zusammenzusetzen. Jedes Rotorelement weist dabei einen kreisförmigen, zylindrischen Ansatz auf. Die Ansätze sind jeweils mit einer Rotorscheibe verbunden. Die Rotorelemente werden über ein Schrumpfverfahren miteinander verbunden und bilden dabei auch die Rotorwelle aus. - 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 Rotoranordnung, 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.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere 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 bzw. durch eine Rotoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 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 14 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
- Eine erfindungsgemäße Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere 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.
- 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.
- Bei dem thermischen Fügeverfahren kann es sich insbesondere um ein Schweißverfahren, bevorzugt um Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen oder um eine Kombination aus den genannten Schweißverfahren, oder um ein Lötverfahren handeln.
- 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 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, 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.
- Die Erfindung betrifft auch eine Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, 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.
- Nach einer Ausgestaltung der Erfindung 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.
- Vorzugsweise 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.
- Vorzugsweise 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.
- Nach einer Ausgestaltung der Erfindung 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.
- Vorzugsweise sind die Aufnahmeöffnung und der Aufsatz zentrisch zur Rotationsachse an der Unterseite bzw. Oberseite des jeweiligen Scheibenkörpers angeordnet. 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 Vakuumpumpe mit einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung, eine mit der Rotoranordnung zusammenwirkende Statoranordnung, und einem Antrieb zum rotierenden Antreiben der Rotoranordnung.
- Bei der Vakuumpumpe handelt es sich insbesondere um eine Turbomolekularpumpe oder um eine andere Art von Vakuumpumpen, bei der ein schnell drehender Rotor, insbesondere mit Drehzahlen von mehr als 10.000 Umdrehungen pro Minute, zum Einsatz kommt.
- Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere 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.
- 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 Außenseite 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.
- Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit zwei oder mehr Rotorscheiben, 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.
- Nach einer Ausgestaltung der Erfindung werden Rotorscheiben bereitgestellt, 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.
- Vorzugsweise 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 in die Aufnahmeöffnung des Scheibenkörpers der benachbarten Rotorscheibe eingesteckt wird, insbesondere unter Ausbildung einer Steckverbindung zwischen den beiden Rotorscheiben.
- Bei dem in den erfindungsgemäßen 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.
- Die Erfindung betrifft auch eine Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit einer Rotorwelle und wenigstens einer 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 Kleben realisiert ist. Zur Herstellung der mechanischen Verbindung kann somit ein Klebstoff verwendet werden.
- Die Erfindung betrifft auch eine Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, 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, 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:
- Fig. 1
- eine Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt,
- Fig. 2
- eine schematische Querschnittsdarstellung einer Variante einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung, und
- Fig. 3
- eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung.
- Die in
Fig. 1 gezeigte Vakuumpumpe umfasst einen von einem Einlassflansch 11 umgebenen Pumpeneinlass 10 und einen Pumpenauslass 12 sowie mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 10 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 12. Die Vakuumpumpe umfasst ein Gehäuse 64 und einen in dem Gehäuse 64 angeordneten Rotor 16 mit einer um die Rotationsachse 14 drehbar gelagerten Rotorwelle 15. - 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
Fig. 1 nur schematisch dargestellten Spulen 42, die in an der radialen Innenseite des Kerns 38 vorgesehenen Nuten des Kerns 38 festgelegt sind. - 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 außenseitig 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
Fig. 1 links gezeigten Bereich eine Aussparung 34 auf, die gemeinsam mit dem benachbarten Bereich des Aufnahmeabschnitts 132 einen Kanal 32 bildet, durch den das in den Motorraum 18 geförderte Prozessgas an dem Zwischenraum 24 vorbei von dem Einlass 28 zu dem Auslass 30 förderbar ist. - Der Gasweg, auf dem das Prozessgas von dem Pumpeneinlass 10 zu dem Pumpenauslass 12 gelangt, ist in
Fig. 1 durch Pfeile 26 veranschaulicht. Das Prozessgas wird ausgehend von dem Pumpeneinlass 10 zuerst der Reihe nach durch die turbomolekularen Pumpstufen und anschließend der Reihe nach durch die vier Holweckpumpstufen gefördert. Das aus der vierten Holweckpumpstufe austretende Gas gelangt in den Motorraum 18 und wird von dem Einlass 28 des Motorraums 18 durch den Kanal 32 hindurch zu dem Auslass 30 des Motorraums 18 und dem Pumpenauslass 12 gefördert. - Bei der Vakuumpumpe der
Fig. 1 bildet der Rotor 16 eine Rotoranordnung umfassend die Rotorwelle 15 und die an der Rotorwelle 15 angeordneten Rotorscheiben 66. Der Rotor 16 kann dabei eine erfindungsgemäße Rotoranordnung darstellen, bei der die mechanische Verbindung zwischen der Rotorwelle 15 und jeder Rotorscheibe 66 mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert ist. Insbesondere kann jede Rotorscheibe 66 mit der Rotorwelle 15 verschweißt sein, zum Beispiel mittels Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen oder einer Kombination aus den genannten Schweißverfahren. Alternativ kann jede Rotorscheibe 66 mit der Rotorwelle 15 verlötet sein. - In
Fig. 2 ist eine Variante einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung dargestellt, die eine gestufte Rotorwelle 15 und mehrere Rotorscheiben 66 umfasst. Jede Rotorscheibe 66 weist einen Ringkörper 134 auf, der eine zentrale Aufnahmeöffnung zur Aufnahme der Rotorwelle 15 aufweist und an dessen Außenumfang in Umfangsrichtung gesehen versetzt zueinander angeordnete Rotorblätter 136 angeordnet sind. - 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
Fig. 2 zeigt. Die mechanische Verbindung zwischen der jeweiligen Rotorscheibe 66 und der Rotorwelle 15 wird dadurch bewerkstelligt, dass die Innenwand 138 der jeweiligen Rotorscheibe 66 mittels des thermischen Fügeverfahrens mit der Außenseite der Rotorwelle 15 mechanisch verbunden wird. Dabei ist die mechanische Verbindung über den gesamten Umfang der Rotorwelle 15 zwischen der Außenseite und der Innenwand 138 und über die gesamte axiale Länge der Innenwand 138 der jeweiligen Rotorscheibe 66 ausgebildet. Die axiale Länge bezieht sich dabei auf die Längserstreckung der Innenwand 138 bezüglich der Rotationsachse 14. - 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
Fig. 2 ist die Rotorwelle 15 als gestufte Rotorwelle ausgebildet. Die Rotorwelle 15 umfasst einen ersten Abschnitt 140, einen zweiten Abschnitt 142, und einen dritten Abschnitt 144. In Richtung der Rotationsachse 14 gesehen befindet sich vor dem ersten Abschnitt 140 ein erster Bereich 146 der Rotorwelle 15. Zwischen dem ersten Abschnitt 140 und dem zweiten Abschnitt 142 befindet sich ein zweiter Bereich 148 der Rotorwelle 15. Zwischen dem zweiten Abschnitt 142 und dem dritten Abschnitt 144 befindet sich ein dritter Bereich 150 der Rotorwelle 15 und in axialer Richtung gesehen hinter dem dritten Abschnitt 144 befindet sich ein vierter Bereich 152 der Rotorwelle 15. Wie inFig. 2 gezeigt ist, wird bei der Rotorwelle 15 die Stufen- bzw. Treppenform dadurch erreicht, dass der Außendurchmesser in axialer Richtung gesehen von Abschnitt zu Abschnitt bzw. von Bereich zu Bereich zunimmt. - Bei der Herstellung der Rotoranordnung der
Fig. 2 wird zuerst auf den dritten Abschnitt 144 diejenige Rotorscheibe 66 aufgesteckt, deren zentrale Aufnahmeöffnung einen Innendurchmesser aufweist, welcher an den Außendurchmesser des dritten Abschnitts 144, insbesondere in Art einer Übergangspassung oder einer leichten Presspassung, angepasst ist. Anschließend wird zwischen der Innenwand 138 der Rotorscheibe 66 und der Außenseite des dritten Abschnitts 144 mittels eines thermischen Fügeverfahrens die mechanische Verbindung 154 ausgebildet. - 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
Fig. 2 sind die mechanischen Verbindungen 154 zwischen der Rotorwelle 15 und der jeweiligen Rotorscheibe 66 mittels des thermischen Fügeverfahrens realisiert. Dadurch werden die Rotorscheiben 66 dauerhaft an der Rotorwelle 15 gehalten. Aufgrund der Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens zur Realisierung der mechanischen Verbindungen 154 weist die Rotoranordnung im wesentlichen dieselben Eigenschaften auf wie eine monolithisch hergestellte Rotoranordnung und zusätzlich den Vorteil, dass die Rotorwelle 15 und die Rotorscheiben 66 jeweils einzeln gefertigt werden können. Dabei können die Rotorscheiben 66 zum Beispiel durch Laserablation und/oder Laserschneiden hergestellt werden. - Die Anordnung von drei Rotorscheiben 66 auf der Rotorwelle 15 der Rotoranordnung der
Fig. 2 ist nur als Beispiel zu sehen. Selbstverständlich kann die Rotorwelle 15 auch mehr oder weniger Stufen aufweisen, so dass mehr oder weniger Rotorscheiben auf der Rotorwelle angeordnet sein können. - 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
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung, bei der drei Rotorscheiben 66 bezüglich der Rotationsachse 14 ausgerichtet und in Richtung der Rotationsachse 14 gesehen hintereinander angeordnet sind. Zwischen benachbarten Rotorscheiben 66 ist unmittelbar eine jeweilige mechanische Verbindung 154 mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert. Bei dem Fügeverfahren handelt es sich insbesondere wiederum um ein Schweißverfahren, wie etwa Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen oder um eine Kombination aus den genannten Schweißverfahren, oder um ein Lötverfahren. Bei der Rotoranordnung derFig. 3 sind benachbarte Rotorscheiben 66 somit direkt miteinander verschweißt oder verlötet, so dass eine direkte mechanische Schweiß- oder Lötverbindung 154 zwischen benachbarten Rotorscheiben 66 der Rotoranordnung derFig. 3 ausgebildet ist. - 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
Fig. 3 zeigt, ist der Aufsatz 166 einer Rotorscheibe 66 in die Aufnahmeöffnung 164 der benachbarten Rotorscheibe 66 eingesteckt. - 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
Fig. 3 zeigt, können die aneinandergereihten und mittels des thermischen Fügeverfahrens mechanisch miteinander verbundenen Rotorscheiben 66 eine Rotorwelle ausbilden. Die inFig. 3 gezeigte Anzahl von drei Rotorscheiben 66 ist wiederum nur als Beispiel zu sehen. -
- 10
- Pumpeneinlass
- 11
- Einlassflansch
- 12
- Pumpenauslass
- 14
- Rotationsachse
- 15
- Rotorwelle
- 16
- Rotor
- 18
- Motorraum
- 20
- Antriebsmotor
- 22
- Motorstator
- 24
- Zwischenraum
- 26
- Pfeile, Gasweg
- 28
- Einlass
- 30
- Auslass
- 32
- Kanal
- 34
- Aussparung
- 38
- Kern
- 42
- Spule
- 64
- Gehäuse
- 66
- Rotorscheibe
- 68
- Statorscheibe
- 70
- Abstandsring
- 72
- Rotornabe
- 74, 76
- Holweckrotorhülse
- 78, 80
- Holweckstatorhülse
- 82, 84, 86, 87
- Holweckspalt
- 88
- Wälzlager
- 90
- Permanentmagnetlager
- 92
- Spritzmutter
- 94
- saugfähige Scheibe
- 96
- wannenförmiger Einsatz
- 98
- Deckelelement
- 100
- rotorseitige Lagerhälfte
- 102
- statorseitige Lagerhälfte
- 104, 106
- Magnetring
- 108
- Lagerspalt
- 110, 112
- Trägerabschnitt
- 114
- Strebe
- 116
- Deckelelement
- 118
- Befestigungsring
- 120
- Ausgleichselement
- 122
- Stützring
- 124
- Fanglager
- 126
- Befestigungshülse
- 128
- Permanentmagnetanordnung
- 130
- Kapselung
- 132
- Aufnahmeabschnitt
- 134
- Ringkörper
- 136
- Rotorblätter
- 138
- Innenwand
- 140
- erster Abschnitt
- 142
- zweiter Abschnitt
- 144
- dritter Abschnitt
- 146
- erster Bereich
- 148
- zweiter Bereich
- 150
- dritter Bereich
- 152
- vierter Bereich
- 154
- mechanische Verbindung
- 156
- ringförmige Wand
- 158
- ringförm ige Wand
- 160
- ringförmige Wand
- 162
- Scheibenkörper
- 164
- Aufnahmeöffnung
- 166
- Aufsatz
- 168
- formschlüssige Verbindung
Claims (15)
- Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit einer Rotorwelle (15) und wenigstens einer Rotorscheibe (66), die eine zentrale Aufnahmeöffnung zur Aufnahme der Rotorwelle (15) aufweist, wobei die Rotorscheibe (66) auf der Rotorwelle (15) angeordnet ist und zwischen der Rotorscheibe (66) und der Rotorwelle (15) eine mechanische Verbindung (154) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mechanische Verbindung (154) mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert ist. - Rotoranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine die Aufnahmeöffnung umrandende Innenwand (138) der Rotorscheibe (66) eine Außenseite der Rotorwelle (15) umgibt und die mechanische Verbindung (154) zwischen der Innenwand (138) und der Außenseite der Rotorwelle (15) ausgebildet ist. - Rotoranordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mechanische Verbindung (154) über den gesamten Umfang zwischen der Außenseite der Rotorwelle (15) und der Innenwand (138) der Rotorscheibe (66) ausgebildet ist, und/oder
die mechanische Verbindung (154) über die gesamte axiale Länge der Innenwand (138) ausgebildet ist. - Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorscheibe (66) nicht auf die Rotorwelle (15) aufgepresst, aufgeschrumpf oder aufgeklemmt ist. - Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorwelle (15) wenigstens einen Abschnitt (140, 142, 144) aufweist, dessen Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser eines in axialer Richtung gesehen vorhergehenden Bereichs (146, 148, 150) der Rotorwelle (15) und kleiner als der Außendurchmesser eines in axialer Richtung gesehen nachfolgenden Bereichs (148, 150, 152) der Rotorwelle (15) ist, und dass wenigstens eine Rotorscheibe (66) auf den Abschnitt (140, 142, 144) aufgesteckt ist. - Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die axiale Länge des Abschnitts (140, 142, 144) zumindest im Wesentlichen der axialen Länge mindestens einer Rotorscheibe (66) entspricht. - Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit zwei oder mehr Rotorscheiben (66), die bezüglich einer Rotationsachse (14) ausgerichtet und in Richtung der Rotationsachse (14) gesehen hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Rotorscheiben (66) eine mechanische Verbindung (154) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mechanische Verbindung (154) unmittelbar zwischen den benachbarten Rotorscheiben (66) mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert ist. - Rotoranordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Rotorscheibe (66) einen Scheibenkörper (162) aufweist, an welchem bezogen auf die Rotationsachse (14) nach radial außen wegstehende Rotorblätter (136) angeordnet sind, und die mechanische Verbindung unmittelbar zwischen den Scheibenkörpern (162) benachbarter Rotorscheiben (66) ausgebildet ist. - Rotoranordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorscheiben (66) derart hintereinander angeordnet sind, dass eine Unterseite des Scheibenkörpers (162) einer Rotorscheibe (66) einer Oberseite des Scheibenkörpers (162) einer benachbarten Rotorscheibe (66) gegenübersteht, und die mechanische Verbindung unmittelbar zwischen der Unterseite der einen Rotorscheibe (66) und der Oberseite der anderen Rotorscheibe (66) ausgebildet ist. - Rotoranordnung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der Unterseite des Scheibenkörpers (162) jeder Rotorscheibe (66) eine Aufnahmeöffnung (164) und an der Oberseite des Scheibenkörpers (162) jeder Rotorscheibe (66) ein komplementär zur Aufnahmeöffnung (164) ausgebildeter Aufsatz (166) ausgebildet ist, wobei der Aufsatz (166) des Scheibenkörpers (162) einer Rotorscheibe (66) in die Aufnahmeöffnung (164) des Scheibenkörpers (162) der benachbarten Rotorscheibe (66) eingesteckt ist. - Rotoranordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aufsatz (166) einen Außendurchmesser aufweist, der relativ zum Innendurchmesser der Aufnahmeöffnung (164) in Art einer Übermaßpassung ausgebildet ist, und/oder
bei jeder Rotorscheibe (66) die Aufnahmeöffnung (164) und der Aufsatz (166) zentrisch zur Rotationsachse (14) an der Unterseite bzw. Oberseite des Scheibenkörpers (162) angeordnet sind. - Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
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. - Vakuumpumpe mit wenigstens einer Rotoranordnung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einer mit der Rotoranordnung (16) zusammenwirkenden Statoranordnung (68), und einem Antrieb (20) zum rotierenden Antreiben der Rotoranordnung (16) gegenüber der Statoranordnung (68).
- Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, bei dem eine Rotorscheibe (66) mit einer zentralen Aufnahmeöffnung zur Aufnahme einer Rotorwelle (15) auf der Rotorwelle (15) angeordnet und zwischen der Rotorscheibe (66) und der Rotorwelle (15) eine mechanische Verbindung (154) ausgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mechanische Verbindung (154) mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert wird. - Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit zwei oder mehr Rotorscheiben (66), die bezüglich einer Rotationsachse (14) ausgerichtet und in Richtung der Rotationsachse (14) gesehen hintereinander angeordnet werden, wobei zwischen benachbarten Rotorscheiben (66) eine mechanische Verbindung (154) ausgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mechanische Verbindung (154) unmittelbar zwischen den benachbarten Rotorscheiben (66) mittels eines thermischen Fügeverfahrens realisiert wird.
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