DE102005027097A1

DE102005027097A1 - Stator disk for turbomolecular pump

Info

Publication number: DE102005027097A1
Application number: DE102005027097A
Authority: DE
Inventors: Tobias Stoll
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2005-06-11
Filing date: 2005-06-11
Publication date: 2006-12-14
Also published as: JP2006348935A; EP1731766B1; ATE551533T1; EP1731766A2; US20060280595A1; EP1731766A3

Abstract

The disc has a set of vanes (2) exposed in a stator disc plane, an inner ring and an outer ring, where the stator disc is divided into two identical disk sections. A connecting position is provided between the vanes and rings. The vane has a radial rod at the connecting position, where the width of the radial rod along the circumference is smaller than the vane width. The radial rod is arranged between the vane edges. An independent claim is also included for a method for manufacturing a stator disc.

Description

Die Erfindung betrifft eine Statorscheibe zur Verwendung mit einer Turbomolekularpumpe nach dem Obergriff des ersten Anspruchs.The The invention relates to a stator disk for use with a turbomolecular pump after the supremacy of the first claim.

In Turbomolelcularpumpen sind Rotor- und Statorscheiben abwechselnd angeordnet, wobei die Rotorscheiben auf einer schnelldrehenden Welle sitzen. Die Statorscheiben sind ortsfest in einem Gehäuse montiert. Beide Sorten von Scheiben weisen Schaufeln auf, wodurch im Zusammenspiel mit der schnellen Drehung die Pumpwirkung erzeugt wird. Es ist bekannt, die Schaufeln von beiden Sorten von Scheiben durch Fräsen aus einer Vollscheibe herzustellen. Dies ist zeitaufwändig und teuer, weshalb man für die Statorscheiben gestanzte Scheiben verwendet. Solche Scheiben sind beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 37 22 164 bekannt. Hier werden zunächst Vollscheiben aus einem Blech gestanzt. Anschließend werden radiale Schlitze in diese Scheibe eingestanzt und im letzten Arbeitsgang der Bereich zwischen den Schlitzen geschränkt, so dass Scheibenmaterial aus der Scheibenebene herausgestellt wird und Schaufeln entstehen. Die nicht geschränkten Bereiche im Inneren und Äußeren verbleiben als Ringe.In Turbomolecular pumps are alternately rotor and stator discs arranged, with the rotor discs on a fast-rotating shaft to sit. The stator discs are mounted stationary in a housing. Both types of discs have blades, thereby interacting with the fast turn the pumping action is generated. It is known, the blades of both types of discs by milling out to produce a solid disk. This is time consuming and expensive, which is why you for the stator discs used punched discs. Such discs are for example from the German patent application DE-OS 37 22 164 known. Here are first full discs from a Sheet metal punched. Subsequently Radial slots are punched into this disc and in the last step the area between the slots is set so that disc material is exposed from the disk plane and shovels arise. The unrestricted Areas inside and outside remain as rings.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass an den Verbindungsstellen zwischen Innenring und Schaufel, bzw. Schaufel und Außenring, ein hoher Grad von Umformung auftritt. Außerdem sind die Kräfte sehr groß, mit denen der notwendige Umformungsgrad erreicht werden kann. Diese Umformproblematik führt zu hohen Spannungen im Material, welche den Verzug der Scheiben und dadurch den notwendigen Arbeitsgang des Richtens nach sich zieht. Dies wirkt sich insgesamt ungünstig auf die erreichbaren Genauigkeiten der Statorscheibenform aus. Diese Genauigkeit ist aber wichtig, wenn kleine Spaltmaße zwischen Rotor-, Stator- und Gehäusekomponenten erreicht werden sollen. Von den Spaltmaßen hängt die Güte der Pumpleistung der Turbomolekularpumpe ab.adversely At this state of the art is that at the joints between inner ring and blade, or blade and outer ring, a high degree of deformation occurs. Besides, the powers are very strong large, with which the necessary degree of deformation can be achieved. These Forming problems leads too high stresses in the material, which is the distortion of the discs and thereby entails the necessary operation of judging. This affects overall unfavorable on the achievable accuracies of Statorscheibenform. These But accuracy is important when small gaps between Rotor, stator and housing components to be achieved. The quality of the pump power of the turbomolecular pump depends on the gap dimensions from.

Ein weiterer Nachteil ist, dass für dieses Fertigungsverfahren aufwändige und damit auch sehr teuere Werkzeuge notwendig sind. Damit sind solche Scheiben nur bei großen Stückzahlen kostengünstig herstellbar. Eine flexible Dimensionierung der Scheiben, die optimal auf den Einsatzbereich einer Pumpe angepasst sind, d.h. auf die vakuumtechnischen Erfordernisse, ist so bei geringeren Stückzahlen nicht mit einem vertretbaren Kostenaufwand zu realisiern.One Another disadvantage is that for this manufacturing process consuming and therefore very expensive tools are necessary. This is such discs only at large numbers inexpensive to produce. A flexible dimensioning of the slices, which optimally on the Application range of a pump are adapted, i. on the vacuum technical Requirement is less than reasonable for a lower volume Cost to realize.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere, kostengünstigere Fertigungswerkzeuge zu erlauben und eine höhere Genauigkeit der Statorscheibe zu erzielen. Hohe Umformungsgrade sollen vermieden werden.task The invention is to overcome these disadvantages of the prior art avoid, in particular, more cost-effective Allow manufacturing tools and higher accuracy of the stator to achieve. High degrees of deformation should be avoided.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Statorscheibe, die gemäß den Merkmalen des ersten Anspruches gestaltet ist. Weiterhin wird sie gelöst durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches sechs.Is solved This object is achieved by a stator disk, which according to the features of the first Claim is designed. Furthermore, it is solved by a manufacturing method with the features of claim six.

Die erfindungsgemäße Statorscheibe weist einen Innenring, einen Außenring und dazwischen angeordnete Schaufeln auf. Zwischen den Schaufeln und den Ringen sind jeweils Stege in radialer Richtung ausgebildet, dessen Tiefe in Umfangsrichtung kleiner als die Schaufeltiefe ist. Eine solche Statorscheibe besitzt im Vergleich zum Stand der Technik weniger umzuformende Materialbereiche, die überdies einen geringeren Umformungsgrad aufweisen. Daher werden die Spannungen im Bauteil deutlich reduziert und der Richtaufwand entfällt. Hieraus resultiert eine höhere erreichbare Genauigkeit der Bauteilmaße. Da geringere Kräfte zum Umformen und weniger Arbeitsschritte nötig sind, können preiswertere Werkzeuge eingesetzt werden. Der Anteil des Werkzeugkosten an den Bauteilkosten sinkt, die Anpassung der Statorscheibe an die vakuumtechnischen Erfordernisse wird somit wirtschaftlicher.The Stator disc according to the invention has an inner ring, an outer ring and interposed blades on. Between the blades and the rings are each formed webs in the radial direction, its depth in the circumferential direction is smaller than the blade depth. Such a stator disk has less compared to the prior art The material areas to be formed also have a lower degree of deformation exhibit. Therefore, the stresses in the component are significantly reduced and the straightening effort is eliminated. This results in a higher Achievable accuracy of the component dimensions. Because lower forces to Forming and fewer steps are needed, cheaper tools be used. The proportion of tool costs to the component costs decreases, the adaptation of the stator to the vacuum technical requirements becomes more economical.

Da die Bauteilmaße besser als im Stand der Technik eingehalten werden können, führt die Verwendung der erfindungsgemäßen Statorscheibe in einer Turbomolekularpumpe zu einer Verringerung der Spalte innerhalb der Pumpe und damit zu einer Verbesserung der Pumpwirkung.There the component dimensions better than the state of the art can be maintained, leads the Use of the stator disk according to the invention in a turbomolecular pump to reduce the column inside the pump and thus to improve the pumping action.

Im Herstellungsverfahren für eine Statorscheibe werden zunächst halbkreisfömige Scheiben mit im wesentlichen radialen Schlitzen durch Stanzen oder Laserschneiden erzeugt. Anschließend wird das Material zwischen den radialen Schlitzen so gebogen, dass es aus der Ebene der Scheibe herausgedreht wird, so dass Schaufeln entstehen. Gekennzeichnet ist das Verfahren dadurch, dass in einem der Schritte vor dem Biegen an den Enden der radialen Schlitze weitere Schlitze in Umfangsrichtung erzeugt werden. Durch diese Maßnahme werden die oben beschriebenen Vorteile in Bezug auf Umformungsaufwand und Materialspannungen erreicht.in the Manufacturing process for a stator disk will be first halbkreisfömige Washers with substantially radial slots by punching or Laser cutting generated. Then the material is between The radial slots are bent so that it is out of the plane of the disc is turned out so that shovels arise. marked The process is characterized by being in one of the steps before bending at the ends of the radial slots more slots in the circumferential direction be generated. By this measure become the advantages described above in terms of conversion costs and material stresses achieved.

Weitere Vorteile können erreicht werden, indem die Statorscheibe nach den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 4 gestaltet werden und das Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche 7 angepasst wird.Further Benefits can be achieved by the stator according to the characterizing features the dependent claims 2 to 4 are designed and the method according to the characterizing features the dependent claims 7 is adjusted.

Die Anordnung des Steges auf halber Strecke zwischen den Schaufelkanten führt zu einer gleichmäßigen Belastung des Steges. Diese Belastung rührt von dem Druckunterschied des Gases vor und hinter der Statorscheibe her. Durch die symmetrische Anordnung treten am Steg nur Drehmomente gleicher Stärke aber mit entgegengesetztem Vorzeichen auf, so dass in der Addition kein resultierendes Drehmoment um die radiale Achse der Schaufel und des Steges auftritt. Daher wird die Materialbelastung verringert.The arrangement of the web halfway between the blade edges leads to a even load on the bridge. This load stems from the pressure difference of the gas in front of and behind the stator disk. Due to the symmetrical arrangement, only torques of the same magnitude but of opposite sign occur at the web, so that in the addition no resulting torque occurs around the radial axis of the blade and of the web. Therefore, the material load is reduced.

Die Tiefe des Steges in Umfangrichtung wird im Maximum dadurch begrenzt, dass die Umformung und Materialspannung mit zunehmender Tiefe steigt. Im Minimum wird sie begrenzt durch die Festigkeit und den Wärmetransport. Die Festigkeit muss mechanische Belastungen des Steges zulassen, beispielsweise durch ein starkes Druckgefälle über der Scheibe. Außerdem muss der Steg einen ausreichenden Querschnitt aufweisen, der einen hinreichenden Wärmetransport zulässt. Vorteilhaft ist es, die Stegbreite im Verhältnis zur Schaufelbreite im Bereich von eins zu zehn bis eins zu zwei zu wählen.The Depth of the web in the circumferential direction is limited by the maximum, that the deformation and material stress increases with increasing depth. in the At least it is limited by the strength and heat transport. The strength must allow mechanical loads on the web, for example, by a strong pressure gradient across the disc. In addition, must the web have a sufficient cross-section, which has a sufficient heat transport allows. It is advantageous, the web width in relation to the blade width in Range from one to ten to one to two.

Weitere Vorteile lassen sich im Hinblick auf die Fertigung dadurch gewinnen, dass die Statorscheibe aus einer Mehrzahl identischer Scheiben zusammengesetzt werden. Damit wird nur eine einzige Bauform des Scheibenabschnittes benötigt. Dies vereinfacht die Montage, da die Scheibenabschnitte nicht verwechselt und/oder falsch kombiniert werden können.Further Benefits can be gained in terms of manufacturing, the stator disc is composed of a plurality of identical discs become. This is only a single design of the disc section needed. This simplifies the assembly, since the disc sections do not mix up and / or can be combined incorrectly.

Vorteile im Herstellungsverfahren lassen sich dadurch erzielen, dass die Schaufeln in einem Schritt gemeinsam aus der Scheibenebene herausgedreht werden. Hierdurch wird wertvolle Bearbeitungszeit gespart.advantages In the manufacturing process can be achieved by the Shovels are unrolled together from the disk plane in one step become. This saves valuable processing time.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen die Figuren:in the Following, the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The figures show:

1: Schnitt durch eine Turbomolekularpumpe mit erfindungsgemäßen Statorscheiben. 1 : Section through a turbomolecular pump with stator disks according to the invention.

2: Draufsicht auf eine erfindungsgemäß gestaltete Statorscheibe 2 : Top view of a stator disc designed according to the invention

3: Perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäß gestalteten Statorscheibe. Als Ausschnitt ist der Steg zwischen Schaufel und Außenring gezeigt. 3 : Perspective view of a stator disk designed according to the invention. As a section of the bridge between the blade and outer ring is shown.

1 zeigt eine Turbomolekularpumpe 10 mit einem Gehäuse 11. Dieses besitzt einen Flansch 12 zur Verbindung mit einem auszupumpenden Rezipienten. In dem Flansch befindet sich der Ansaugbereich 13. Weiterhin besitzt die Turbomolekularpumpe 10 einen Gasauslass 14, aus dem das verdichtete Gas ausgestoßen wird. Eine Rotorwelle 15 wird drehbar von Lagern 17 gestützt und von einem Antrieb 18 in schnelle Rotation versetzt. Die Rotorwelle trägt eine Mehrzahl von Scheiben 16, welche jeweils mit Schaufeln versehen sind. Zwischen den Rotorscheiben sind feststehende Statorscheiben 1 angeordnet, welche ebenfalls Schaufeln besitzen. Die Statorscheiben werden durch Distanzringe 19 auf axialem Abstand gehalten. Durch die schnelle Rotation und der Zusammenwirkung der Rotor- mit den Statorscheiben ergibt sich die Pumpwirkung. 1 shows a turbomolecular pump 10 with a housing 11 , This has a flange 12 for connection to a recipient to be evacuated. The intake area is located in the flange 13 , Furthermore, the turbomolecular pump has 10 a gas outlet 14 from which the compressed gas is ejected. A rotor shaft 15 becomes rotatable from bearings 17 supported and from a drive 18 set in fast rotation. The rotor shaft carries a plurality of disks 16 , which are each provided with blades. Between the rotor disks are stationary stator disks 1 arranged, which also have blades. The stator discs are made by spacer rings 19 kept at axial distance. Due to the fast rotation and the interaction of the rotor and the stator discs results in the pumping action.

Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße, in der Turbomolekularpumpe 10 verwendeten Statorscheibe 1 in einer Draufsicht. Die Statorscheibe besteht aus zwei Halbscheiben 6 und 7, die bei der Montage in der Turbomolekularpumpe jeweils von einer Seite um die Welle des Rotors gelegt werden. Die Statorscheibe weist einen Außenring 4, an dem sie im Gehäuse der Turbomolekularpumpe gehalten wird, und einen Innenring 3 auf. Zwischen den Ringen ist eine Mehrzahl von Schaufeln 2 angeordnet. Die Schaufeln entstehen, indem im Vollmaterial im wesentlichen radiale Schlitze 8 und Schlitze in Umfangsrichtung 9 erzeugt werden. Dies kann durch Stanzen oder auch durch Schneiden geschehen. Durch Erzeugung der Schlitze 8, 9 entstehen an den Verbindungsstellen zwischen den Ringen und den Schaufeln Stege 5. Die Stegtiefe in Umfangsrichtung ist mit S gekennzeichnet, die Schaufeltiefe mit T. Dabei ist die Schaufeltiefe T größer als die Stegtiefe S.The 2 shows an inventive, in the turbomolecular pump 10 used stator disk 1 in a top view. The stator disc consists of two half discs 6 and 7 , which are each placed on one side of the shaft of the rotor during assembly in the turbomolecular pump. The stator disc has an outer ring 4 , in which it is held in the housing of the turbomolecular pump, and an inner ring 3 on. Between the rings is a plurality of blades 2 arranged. The blades are formed by substantially radial slots in the solid material 8th and slots in the circumferential direction 9 be generated. This can be done by punching or by cutting. By creating the slots 8th . 9 arise at the joints between the rings and the blades webs 5 , The depth of cut in the circumferential direction is marked with S, the blade depth with T. In this case, the blade depth T is greater than the depth of cut S.

In der 3 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Ausschnitt aus der Statorscheibe 1 gezeigt, der die Verformung durch das Ausstellen der Schaufeln aus der Scheibenebene verdeutlicht. An der Verbindungsstelle zwischen Außenring 4 und Schaufel 2, deren Ebene gegen die Schaufelebene geneigt ist, ist der Steg 5 angeordnet. Durch diesen Steg, dessen Tiefe in Umfangsrichtung S kleiner ist als die Schaufeltiefe T, wird die Menge des zu verformenden Materials reduziert. Der Steg weist zudem eine radiale Ausdehnung R auf. Im Stand der Technik ist das Verformungsgebiet entlang des Umfangs so groß wie die Tiefe T. Gerade bei einer starken Neigung der Schaufel gegen die Scheibenebene kommt es zu einer sehr hohen Verformung des Materials mit den oben beschriebenen Nachteilen. Durch den Steg 5 ist dies nicht mehr nötig, die Verformung wird auf den wesentlich kürzeren Bereich S reduziert, wodurch oben beschriebene Vorteile erreicht werden. Die Größen S und R können nicht beliebig klein gewählt werden. Die geometrische Abmessung des Steges bedingen die mechanische Belastbarkeit und der maximal mögliche Wärmetransport. Innerhalb der Pumpe entsteht insbesondere auf dem Rotor Wärme durch die Verdichtung und Reibung des zu verdichtenden Gases. Eine weitere Wärmequelle ist der nicht verlustfrei arbeitende Antrieb. Diese Wärme wird von dem Rotor weitgehend per Strahlung auf die Statorscheiben abgegeben und muss über die Stege abgeführt werden können. Ein Verhältnis S zu T von eins zu zehn bis eins zu zwei erweist sich als günstig und sinnvoll. Vorteile lassen sich erzielen, wenn der Steg 5 auf halber Strecke zwischen den Schaufelkante 20 und 21 angeordnet ist.In the 3 is a section of the stator disk in a perspective view 1 shown, which illustrates the deformation by the exhibition of the blades from the disk plane. At the junction between the outer ring 4 and shovel 2 , whose plane is inclined against the blade plane, is the web 5 arranged. By this web, the depth in the circumferential direction S is smaller than the blade depth T, the amount of material to be deformed is reduced. The web also has a radial extent R on. In the prior art, the deformation area along the circumference is as large as the depth T. Especially with a strong inclination of the blade against the disk plane, there is a very high deformation of the material with the disadvantages described above. Through the jetty 5 if this is no longer necessary, the deformation is reduced to the much shorter area S, whereby advantages described above are achieved. The sizes S and R can not be chosen arbitrarily small. The geometrical dimension of the web determines the mechanical load capacity and the maximum possible heat transfer. Within the pump, heat is generated in particular on the rotor due to the compression and friction of the gas to be compressed. Another source of heat is the non-loss drive. This heat is from the Rotor largely emitted by radiation to the stator and must be able to be dissipated via the webs. A ratio S to T of one to ten to one to two proves to be favorable and meaningful. Benefits can be achieved when the bridge 5 halfway between the blade edge 20 and 21 is arranged.

Im ersten Schritt des Verfahren zur Herstellung der Statorscheibe 1 werden zunächst halbkreisfömige Scheiben mit im wesentlichen radialen Schlitzen 8 durch Stanzen oder Laserschneiden erzeugt. Die Bearbeitung erfolgt so, dass an den Enden der radialen Schlitze weitere Schlitze in Umfangsrichtung 9 erzeugt werden, so dass ein Steg 5 zwischen der Schaufel 2 und mindestens Innenring 3 oder Außenring 4 entsteht. Anschließend wird das Material zwischen den radialen Schlitzen so gebogen, dass es aus der Ebene der Scheibe herausgedreht wird, so dass Schaufeln 2 entstehen. Für dieses Herausdrehen wird die Scheibe beispielsweise zwischen ein oberes und ein unteres Formteil gelegt und beide Formteile gegeneinander gepresst.In the first step of the process for producing the stator 1 are first halbkreisfömige slices with substantially radial slots 8th produced by punching or laser cutting. The machining is done so that at the ends of the radial slots more slots in the circumferential direction 9 be generated, leaving a jetty 5 between the shovel 2 and at least inner ring 3 or outer ring 4 arises. Subsequently, the material is bent between the radial slots so that it is unscrewed from the plane of the disc, so that blades 2 arise. For this unscrewing the disc is placed for example between an upper and a lower mold part and pressed both moldings against each other.

Claims

Stator disk ( 1 ) for use in a turbomolecular pump ( 10 ), in which a plurality of blades ( 2 ) are exposed from the disc plane of the stator, the stator disc an inner ring ( 3 ), an outer ring ( 4 ) and connecting points between the blade and the rings, characterized in that the blades ( 2 ) at the connection points in each case a radial web ( 5 ) whose depth S along the circumference is smaller than the blade depth T.

Stator disk according to claim 1, characterized in that the radial web ( 5 ) halfway between the blade edges ( 20 . 21 ) is arranged.

Stator disc according to claim 1 or 2, characterized that the depth S of the web is less than half and greater than one tenth of the blade depth T is.

Stator disc according to one of the preceding claims, characterized in that it is arranged in at least two identical disc sections ( 6 . 7 ) is shared.

With at least one stator disk ( 1 ) according to one of the preceding claims equipped turbomolecular pump ( 10 ).

Method for producing a stator disk ( 1 ) for a turbomolecular pump ( 10 ) in which initially halbkreisfömige slices with substantially radial slots ( 8th ) are produced by punching or laser cutting and then the material between the radial slots is bent so that it is rotated out of the plane of the disc, so that blades ( 2 ), characterized in that in one of the steps before bending at the ends of the radial slots further slots in the circumferential direction ( 9 ) are generated, so that a web between the blade and at least inner or outer ring is formed.

Method according to claim 4 or 5, characterized in that all the blades ( 2 ) are turned out of the disk plane in one step.