DE112011100402T5

DE112011100402T5 - Hochvakuumpumpe

Info

Publication number: DE112011100402T5
Application number: DE112011100402T
Authority: DE
Inventors: Silvio Giors; Gianluca Buccheri; Mauro NEBIOLO
Original assignee: Agilent Technologies Italia SpA
Current assignee: Agilent Technologies Italia SpA
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-12-27
Also published as: CN102906427B; WO2011092674A1; JP2013519033A; CN102906427A; ITTO20100070A1; US20130045094A1; US10968915B2

Abstract

Eine Hochvakuumpumpe (11) weist eine Mehrzahl von Pumpstufen auf, wobei jede eine Mehrzahl von zusammenwirkenden Elementen aufweist, die zumindest ein sich drehendes Rotorelement (1; 13; 33) und ein ortsfestes Statorelement umfassen. Zumindest eines der Elemente zumindest einer der Pumpstufen ist aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, das mit Kurzfasern verstärkt ist, die im Inneren der Matrix aus Kunststoffmaterial auf chaotische und im Wesentlichen zufällige Weise verteilt sind. Die Verwendung eines mit Kurzfasern verstärkten Kunststoffmaterials ermöglicht, das zumindest eine Element mittels Spritzguss herzustellen, und ermöglicht, die Vakuumpumpe (11) im Vergleich zu den herkömmlichen Vakuumpumpen mit beträchtlich verringerten Herstellungskosten zu erzeugen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumpumpe und insbesondere auf eine Hochvakuumpumpe, die ein oder mehrere Elemente aufweist, die aus Kunststoffmaterial hergestellt sind, und die dazu gedacht ist, hohe Vakuumgrade zu erhalten.
Stand der Technik
Viele verschiedene Arten von Vakuumpumpen sind in der Technik bekannt und werden je nach dem zu erhaltenden Vakuumgrad verwendet.
Beispielsweise werden vielfach Turbomolekularpumpen verwendet, um sehr hohe Vakuumgrade bis zu 10^–8 Pa zu erhalten.
Diese Turbomolekularpumpen weisen allgemein ein vakuumdichtes Gehäuse auf, das einen Einlass bzw. Ansaugstutzen, einen Auslass bzw. Auslaufstutzen und eine Mehrzahl von Pumpstufen, die zwischen dem Ansaug- und dem Auslaufstutzen angeordnet sind, aufweist.
Jede Pumpstufe umfasst eine Statorstufe, die ein ortsfestes ringförmiges Statorelement aufweist, und eine Rotorstufe, die ein sich drehendes scheibenförmiges Rotorelement aufweist, das einstückig mit einer Rotationswelle angebracht und optional mit peripheren Lamellen ausgestattet ist.
Wenn die Rotationswelle und die einstückig damit angebrachten Rotorelemente dazu gebracht werden, sich bei hoher Geschwindigkeit (üblicherweise mehr als 10.000 U/min und sogar bis zu 100.000 U/min) zu drehen, wird auf der Basis einer Zusammenwirkung der Rotorelemente mit den Statorelementen erreicht, dass Gas von dem Ansaugstutzen zu dem Auslaufstutzen gepumpt wird.
Auf der Hochdruckseite sind Turbomolekularpumpen oft einer Molekular-Drag-Vakuumpumpe (Molekular-Zug-Vakuumpumpe) zugeordnet.
Eine Molekular-Drag-Vakuumpumpe weist allgemein ein vakuumdichtes Gehäuse auf, das einen Einlass bzw. Ansaugstutzen, einen Auslass bzw. Auslaufstutzen und eine Mehrzahl von Pumpstufen, die zwischen dem Ansaug- und dem Auslaufstutzen angeordnet sind, aufweist.
Anhand einer Impulsübertragung von einer sich schnell bewegenden Oberfläche (die sich bei einer mit der Wärmegeschwindigkeit der Moleküle vergleichbaren Geschwindigkeit bewegt) direkt auf Gasmoleküle erzeugen die Pumpstufen einen Pumpvorgang. Allgemein weisen die Pumpstufen ein Rotorelement und ein Statorelement auf, die zusammenwirken und einen Pumpkanal zwischen sich definieren: Zusammenstöße von Gasmolekülen in dem Pumpkanal mit dem sich bei einer sehr hohen Geschwindigkeit drehenden Rotorelement bewirken, dass Gas in dem Kanal von dem Einlass zu dem Auslass des Kanals selbst gepumpt wird.
Allgemein sind die Rotorelemente und die Statorelemente bei Hochvakuumpumpen und vor allem bei Turbomolekular- und Molekular-Drag-Vakuumpumpen gemäß dem Stand der Technik aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Das begrenzte spezifische Gewicht und die hohe mechanische Festigkeit bestimmter Aluminiumlegierungen ermöglicht, dass hohe Drehgeschwindigkeiten erzielt werden.
Seit einiger Zeit werden faserverstärkte Kunststoffe (FRP – fibre-reinforced plastics) zur Herstellung von Rotorelementen und sonstigen Teilen in Betracht gezogen und beurteilt.
Allgemein zielen derartige Lösungen darauf ab, eine strukturelle Festigkeit zu erzielen, die beträchtlich höher ist als die von Aluminium und seinen Legierungen – und ein verringertes Gewicht, was ermöglicht, dass bei den Rotorelementen höhere Umfangsgeschwindigkeiten ermöglicht werden, was wiederum die Pumpgeschwindigkeit der Vakuumpumpe erhöht. Dies ist besonders bei großen Pumpen wichtig, bei denen die maximale Drehgeschwindigkeit der Rotorelemente durch die strukturelle Festigkeit des Materials begrenzt sein kann.
Die Lösungen betreffen die Herstellung scheibenförmiger Rotorelemente für Turbomolekularpumpen durch Verwendung von wärmehärtbaren Harzen, die mit Langfasern wie z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und dergleichen verstärkt sind.
Um die strukturelle Festigkeit des Rotorelements zu erhöhen, verwenden derartige Lösungen lange Verstärkungsfasern, die alle in der Richtung der maximalen Beanspruchung, beispielsweise der Umfangsrichtung, ausgerichtet sind.
Derartige bekannte Lösungen scheinen auf theoretischer Ebene sehr ermutigend zu sein, sind aufgrund der sehr hohen Produktionskosten jedoch schwer in die Praxis umzusetzen. Erstens begrenzt das Erfordernis, eine hohe strukturelle Festigkeit zu erhalten, die Freiheitsgrade bei der Wahl der zu verwendenden Materialien. Zweitens erhöht das Erfordernis, die Verstärkungsfasern entlang einer oder mehrerer vorbestimmter Richtungen anzuordnen, beträchtlich die Komplexität des Herstellungsprozesses und die damit verbundenen Kosten.
Angesichts des oben Gesagten besteht ein Erfordernis einer Hochvakuumpumpe, die Kunststoffmaterialien verwendet und die geringere Produktionskosten und ein verringertes Gewicht aufweist.
Beschreibung der Erfindung
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zielt eine Verwendung von Kunststoffmaterial anstelle von Aluminium oder anderen, ähnlichen Metallen darauf ab, die Herstellungskosten zu verringern.
Dank der Verwendung von thermoplastischen oder wärmehärtbaren Harzen, die möglicherweise mit Kurzfasern verstärkt sind, ist es möglich, Elemente für die Vakuumpumpe gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mittels Spritzgießen herzustellen, wodurch Produktionskosten erhalten werden, die bezüglich der aus Aluminium hergestellten herkömmlichen Rotorelemente begrenzt und wettbewerbsfähig sind.
Tatsächlich sind die als Verstärkung verwendeten Kurzfasern in der Matrix des Kunststoffmaterials zufällig ausgerichtet, wodurch das Erfordernis, die Fasern entlang einer Vorzugsrichtung anzuordnen, eliminiert wird und was ein Verwenden der Spritzgusstechnik bei dem Herstellungsprozess ermöglicht. Auch wenn eine Verwendung von Kurzfasern anstelle von Langfasern eine geringere strukturelle Steifigkeit liefert, haben experimentelle Tests gezeigt, dass Elemente, die aus mit Kurzfasern verstärkten Harzen hergestellt sind, eine strukturelle Festigkeit aufweisen, die etwas geringer ist als die ähnlicher Elemente, die aus Aluminiumlegierungen herstellt sind, jedoch trotzdem in derselben Größenordnung liegt.
Falls jedoch die spezifische mechanische Festigkeit, das heißt das Verhältnis zwischen Zugbruchlast und spezifischem Gewicht, betrachtet wird, weisen Elemente, die aus mit Kurzfasern verstärkten Harzen hergestellt sind, ein sehr ähnliches Verhalten auf wie ähnliche Elemente, die aus Aluminiumlegierungen hergestellt sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vakuumpumpe zumindest ein Rotorelement, das aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Vakuumpumpe zumindest ein Statorelement, das aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Vakuumpumpe zumindest ein Turbomolekular-Rotor- oder -Statorelement, das aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Vakuumpumpe zumindest ein Molekular-Drag-Rotor- oder -Statorelement, das aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Üblicherweise umfasst das für die Elemente der Vakuumpumpe verwendete Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Harz und beispielsweise ein halbkristallines Polymer.
Vorzugsweise umfassen die für die Elemente der Vakuumpumpe verwendeten Kurzfasern Kohlenstoff- oder Graphitkurzfasern, Glaskurzfasern oder Aramidkurzfasern.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eignen sich besonders zur Herstellung von Vakuumpumpen kleiner oder mittlerer Größe (bis zu Pumpgeschwindigkeiten der Größenordnung von 700 l/s) und können im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen eine beträchtliche Verringerung der Herstellungskosten bewirken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand eines nichteinschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben wird, bei denen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer Turbomolekular-Vakuumpumpe ist;
2 eine Draufsicht auf ein Turbomolekular-Rotorelement einer Pumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
3 eine schematische Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Rotorelements ist;
4 eine Vorderansicht einer Pumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wobei das Gehäuse und der Stator in der Darstellung nicht gezeigt sind;
5 eine perspektivische Ansicht eines Molekular-Drag-Rotorelements einer Pumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
6 eine perspektivische Unteransicht eines Pumpenrotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
7 eine schematische Querschnittsansicht des in 6 gezeigten Pumpenrotors ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Unter Bezugnahme auf 1 ist schematisch eine Hochvakuumpumpe 101 gezeigt.
Die Hochvakuumpumpe 101 umfasst ein vakuumdichtes Gehäuse 103, das an einer Basis 105 angebracht ist, in dem ein Elektromotor 107 untergebracht ist. Bei dem Gehäuse 103 sind ein Ansaugstutzen 109 und ein Auslaufstutzen 111 definiert. Im Inneren des Gehäuses 103 ist eine Mehrzahl von Pumpstufen 113, 213 zwischen vorgesehen
Insbesondere können von dem Ansaugstutzen 109 zu dem Auslaufstutzen 111:

– eine erste Mehrzahl von Turbomolekular-Pumpstufen 113 und
– eine zweite Mehrzahl von Molekular-Drag-Pumpstufen 213

213

113

Im Einzelnen weist jede Turbomolekular-Pumpstufe 113 zumindest Folgendes auf:

– ein ortsfestes ringförmiges Statorelement 113a, das an dem Gehäuse 103 befestigt ist;
– ein scheibenförmiges Rotorelement 113b, das einstückig mit einer mittleren Drehachse 115 angebracht ist, die durch den Elektromotor 107 dazu gebracht wird, sich bei hoher Geschwindigkeit (höher als 10.000 U/min und bis zu 100.000 U/min) zu drehen;

113a

113b

113

Im Einzelnen weist jede Molekular-Drag-Pumpstufe 213 zumindest Folgendes auf:

– ein ortsfestes Statorelement 213a, das an dem Gehäuse 103 befestigt ist;
– ein Rotorelement 213b, das einstückig mit einer mittleren Drehachse 115 angebracht ist, die durch den Elektromotor 107 dazu gebracht wird, sich bei hoher Geschwindigkeit (höher als 10.000 U/min und bis zu 100.000 U/min) zu drehen;

213a

213b

113

Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist die Vakuumpumpe eine Mehrzahl von Pumpstufen auf, die zwischen einem Ansaugstutzen und einem Auslaufstutzen angeordnet sind. Jede Pumpstufe weist eine Mehrzahl von Elementen auf, die zusammenwirken, um Gas, das durch die Pumpstufe gelangt, zu pumpen, wobei die Elemente zumindest ein ortsfestes Statorelement und zumindest ein sich drehendes Rotorelement aufweisen, die zusammenwirken, wobei zumindest eines der Elemente zumindest einer der Pumpstufen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, das mit verstärkenden Kurzfasern beschickt ist.
Vorzugsweise ist das Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Harz oder ein wärmehärtbares Harz.
Stärker bevorzugt ist das Kunststoffmaterial ein halbkristallines Polymer, und noch stärker bevorzugt ein aromatisches halbkristallines Polymer.
Vorzugsweise sind die verstärkenden Kurzfasern in der Matrix aus Kunststoffmaterial zufällig ausgerichtet.
Vorzugsweise sind die verstärkenden Kurzfasern Kohlenstoff- oder Graphitkurzfasern, Glaskurzfasern oder Aramidkurzfasern.
Vorzugsweise liegt die Kurzfaserbeschickung bei dem Kunststoffmaterial im Bereich von 10 bis 50 Gewichtsprozent des Materials, und stärker bevorzugt im Bereich von 30 bis 40 Gewichtsprozent des Materials.
Man beachte, dass in diesem Zusammenhang:

– der Begriff „thermoplastisches Harz” ein Polymer bezeichnet, das bei steigender Temperatur von dem festen Zustand in den viskosen Zustand übergeht und bei sinkender Temperatur von dem viskosen Zustand wieder zurück in den festen Zustand übergeht, so dass es wiederholt bearbeitet und geformt werden kann;
– der Begriff „wärmehärtbares Harz” ein Polymer bezeichnet, dessen Steifigkeit bei steigender Temperatur auf irreversible Weise zunimmt, so dass es nicht wieder geschmolzen werden kann, ohne eine qualitative Verschlechterung zu erfahren;
– der Begriff „halbkristallines Polymer” ein Polymer bezeichnet, dessen Ketten mittels Faltens in der Lage sind, längere oder kürzere Abschnitte derselben regelmäßig nebeneinander anzuordnen, wodurch regelmäßige kristalline Regionen gebildet werden;
– der Begriff „aromatisches halbkristallines Polymer” ein halbkristallines Polymer bezeichnet, das aromatische Gruppen aufweist;
– der Begriff „Kurzfasern” Fasern bezeichnet, deren Größe bezüglich der Größe der Matrix aus Kunststoffmaterial, in die die Fasern eingebracht werden, vernachlässigbar ist; insbesondere weisen die Kurzfasern allgemein eine Größe von weniger als 10 mm und vorzugsweise weniger als 1 mm auf.

Da die Kurzfasern bezüglich des aus Kunststoffmaterial hergestellten Elements eine vernachlässigbare Größe aufweisen, sind sie nicht in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet, sondern sind in der Matrix aus Kunststoffmaterial auf chaotische und im Wesentlichen zufällige Weise verteilt.
Vorteilhafterweise können die Elemente der Vakuumpumpe, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ausgehend von einem Gemisch aus Kunststoffmaterial in einem viskosen Zustand, das mit Kurzfasern beschickt ist, anhand des Spritzgussvorgangs erzeugt werden.
Die Möglichkeit, einen derartigen Vorgang zu verwenden, ermöglicht, die Herstellungskosten der Elemente im Vergleich ähnlichen, aus Aluminiumlegierungen hergestellten Elementen, die herkömmlicherweise durch mechanische Bearbeitung oder Funkenerosionsbearbeitung erhalten werden, stark zu begrenzen. Ein derartiger Vorgang könnte dagegen nicht zum Herstellen ähnlicher Elemente verwendet werden, die aus Kunststoffmaterialien hergestellt sind, die mit Langfasern verstärkt sind, die alle entlang einer Vorzugsrichtung angeordnet sein müssen; in diesem Fall sind komplexe Operationen zum korrekten Anordnen der Fasern notwendig, und im Fall von wärmehärtbaren Materialien sind außerdem teure Prozesse erforderlich, die in einem Autoklaven durchzuführen sind.
2 und 3 beziehen sich auf ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zumindest das Rotorelement 1 zumindest einer Turbomolekular-Pumpstufe der Vakuumpumpe aus mit Kurzfasern beschicktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass ein derartiges Ausführungsbeispiel keineswegs einschränkend ist und dass es möglich ist, eine Vakuumpumpe bereitzustellen, bei der beispielsweise zumindest das Statorelement zumindest einer Turbomolekular-Pumpstufe der Vakuumpumpe aus mit Kurzfasern beschicktem Kunststoffmaterial hergestellt ist, ohne dadurch von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 ist das Turbomolekular-Rotorelement 1 im Wesentlichen scheibenförmig und weist einen im Wesentlichen flachen kreisförmigen Körper 3 auf und ist mit einem mittigen Durchgangsloch 5, durch das die Drehwelle der Vakuumpumpe gelangt, und mit peripheren radialen Lamellen 7 versehen.
Fachleuten wird einleuchten, dass das Rotorelement 1 sogar glatt, ohne Lamellen, sein könnte oder Lamellen mit einer anderen Geometrie aufweisen könnte.
Wie in 3 gezeigt ist, ist der Körper 3 des Rotorelements 1 vorzugsweise von der Mitte bis zum Rand hin leicht konisch. Auf diese Weise ist die Dicke des Rotorelements 1 in der Mitte, wo größere Beanspruchungen vorherrschen, größer, und am Rand, wo schwächere Beanspruchungen vorherrschen, geringer.
Diesbezüglich ist zu beachten, dass experimentelle Tests gezeigt haben, dass die Beanspruchungen, denen ein Turbomolekular-Rotorelement unterworfen ist, in dem mittigeren Abschnitt der Scheibe hauptsächlich Umfangsbeanspruchungen sind und in dem Abschnitt, in dem die Lamellen vorliegen, im Wesentlichen radiale Beanspruchungen sind.
Die chaotische und im Wesentlichen zufällige Verteilung der Kurzfasern ermöglicht vorteilhafterweise, sowohl den Beanspruchungen in der Scheibenmitte als auch den Beanspruchungen an dem Scheibenrand sogar dann einen guten Widerstand entgegenzusetzen, wenn die Beanspruchungen unterschiedlich ausgerichtet sind: Dies dürfte nicht möglich sein, wenn Langfasern verwendet würden, die entlang einer einzigen Vorzugsrichtung angeordnet sind. Es würde üblicherweise komplexe und teure Systeme zum Miteinanderverbinden von Teilen beinhalten, die Fasern aufweisen, die unterschiedlich ausgerichtet sind, um mit den unterschiedlich ausgerichteten Beanspruchungen fertig zu werden.
Das Turbomolekular-Rotorelement 1 ist gänzlich aus Kunststoffmaterial hergestellt, das mit Kurzfasern beschickt ist.
Insbesondere wiesen das von der Firma Victrex^® vermarktete Material PEEK^Wz oder das von der Firm Solvay^® vermarktete Material Torlon^®, die in einer Menge von 30%–40% auf geeignete Weise mit Kohlenstoffkurzfasern beschickt waren, eine Leistungsfähigkeit auf, die bezüglich einer Herstellung von Rotorelementen wie des Rotorelements 1 besonders vielversprechend ist und auch mit der Hochvakuumumgebung, in der derartige Materialien arbeiten sollen, vereinbar ist.
Diesbezüglich ist hiernach eine Tabelle enthalten, in der manche der Haupteigenschaften von PEEK^Wz, das mit 30% Kohlenstoffkurzfasern beschickt ist, mit denen von Aluminium verglichen werden.
Insbesondere ist in der nachstehenden Tabelle Folgendes festgehalten:

– das spezifische Gewicht (PS);
– die Zugbruchlast (S);
– die spezifische mechanische Festigkeit (U/min = S/PS);
– das Wärmeemissionsvermögen (EMT).

	PS [N/mm³]	S [MPa]	U/min/10⁷ [mm]	EMT
Aluminium	0,000027	450	1,6	0,27
PEEK^Wz	0,000014	240	1,7	0,84

Durch Analyse der obigen Tabelle werden Fachleute unmittelbar ableiten, dass:

– eine Verwendung von PEEK^Wz ermöglicht, viel leichtere Elemente zu erhalten als wenn Aluminium verwendet wird;
– die Zugbruchlast von PEEK^Wz niedriger ist als die von Aluminium, jedoch trotzdem in derselben Größenordnung liegt;
– das Verhältnis zwischen der strukturellen Festigkeit und dem spezifischen Gewicht von PEEK^Wz im Wesentlichen dasselbe ist wie bei Aluminium;
– das polare Trägheitsmoment eines aus PEEK^Wz hergestellten Rotors niedriger ist als das von Aluminium, was eine Reduzierung der Rampenzeit in der Übergangsphase ermöglicht;
– das Wärmeemissionsvermögen von PEEK^Wz beträchtlich höher ist als das von Aluminium, wodurch der thermische Wirkungsgrad merklich erhöht wird, wenn man berücksichtigt, dass ein Wärmeaustausch im Inneren einer Vakuumpumpe hauptsächlich mittels Strahlung stattfindet.

Aufgrund der Nutzung des Spritzgussverfahrens sind die Herstellungskosten eines Rotorelements von PEEK^Wz beträchtlich niedriger als die eines Rotorelements aus Aluminium, das anhand einer mechanischen Bearbeitung oder einer Funkenerosionsbearbeitung gebildet wird.
Außerdem ermöglicht die Verwendung eines Kunststoffmaterials wie beispielsweise PEEK^Wz ein merkliches Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit bezüglich eines aus Aluminium hergestellten Elements.
Unter Bezugnahme auf 4 ist teilweise eine Turbomolekular-Vakuumpumpe 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der Rotorelemente 13 aller Turbomolekular-Pumpstufen von der in 2 und 3 gezeigten Art sind, d. h. sie sind aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt.
In 4 ist die Turbomolekular-Vakuumpumpe 11 ohne das vakuumdichte Gehäuse und die daran befestigten Statorelemente gezeigt.
Rotorelemente 13 sind auf einer Basis 15 der Turbomolekular-Vakuumpumpe 11 angebracht, wobei eine untere Platte 17 dazwischen angeordnet ist, die die Dübel zum Auswuchten des Rotors enthält.
Die Rotorelemente 13 sind auf eine Drehachse 19 der Turbomolekular-Vakuumpumpe 11 aufmontiert, die durch die in den Elementen gebildeten mittigen Durchgangslöcher gelangt, und sind aufeinander gestapelt, um den Vakuumpumpenrotor zu bilden.
Der Stapel aus Rotorelementen 13 wird anschließend axial komprimiert, indem eine Mutter 21 auf das obere Ende der Achse 19 geschraubt wird, das zum diesem Zweck mit einem Gewinde versehen ist.
Eine obere Platte 23, die die Dübel zum Auswuchten des Rotors enthält, ist zwischen dem obersten Rotorelement 13 und der Mutter 19 angeordnet.
Bei einer kleinen Pumpe wie der in 4 gezeigten, die acht Pumpstufen aufweist, ermöglicht ein Herstellen der acht Rotorelemente 13 aus Kunststoffmaterial, das mit Kurzfasern verstärkt ist, z. B. PEEK^Wz, das mit 30% Kohlenstoffkurzfasern verstärkt ist, mittels Spritzgießen eine Verringerung der Herstellungskosten um etwa 75% bezüglich einer Herstellung eines herkömmlichen Rotors aus Aluminiumlegierung.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel bezüglich des in 4 gezeigten kann der Rotor einer Turbomolekular-Vakuumpumpe, die eine Mehrzahl von Rotorelementen 13 aufweist, als einzelnes, monolithisches Stück hergestellt werden, beispielsweise mittels Spritzguss.
Diesbezüglich ist zu beachten, dass ein Rotor, der aus mit Langfasern verstärkten Kunststoffmaterialien hergestellt ist, nicht mittels Spritzguss als monolithisches Stück hergestellt werden könnte, da die Langfasern entlang einer Vorzugsrichtung angeordnet werden müssen.
Da bei den Rotorelementen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung dagegen Kurzfasern auf chaotische und im Wesentlichen zufällige Weise angeordnet sind, wird die Herstellung eines Rotors, der eine Mehrzahl von Rotorelementen aufweist, als einzelnes, monolithisches Stück ermöglicht, wodurch ermöglicht wird, einen Rotor in einem sehr kostengünstigen Vorgang herzustellen.
Unter Bezugnahme auf 5 ist nun ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem zumindest das Rotorelement 33 zumindest einer Molekular-Drag-Pumpstufe der Vakuumpumpe aus mit Kurzfasern beschicktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass ein derartiges Ausführungsbeispiel keineswegs einschränkend ist und dass es möglich ist, eine Vakuumpumpe bereitzustellen, bei der beispielsweise zumindest das Statorelement zumindest einer Molekularpumpstufe der Vakuumpumpe aus mit Kurzfasern beschicktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 5 ist das Rotorelement 33 gemäß dem veranschaulichten Anführungsbeispiel im Wesentlich scheibenförmig und weist einen Rotorkörper auf, der zumindest einen spiralförmigen Kanal 35a, 35b, 35c, 35d auf einer ersten Oberfläche aufweist, die im Gebrauch gegenüber der glatten Oberfläche eines entsprechenden Statorelements angeordnet ist und mit derselben zusammenwirkt, um das Gas durch die Molekularpumpstufe zu pumpen.
Vorzugsweise weist das Rotorelement 33 einen Rotorkörper auf, der zumindest einen spiralförmigen Kanal auf einer ersten Oberfläche und zumindest einen weiteren spiralförmigen Kanal auf seiner gegenüberliegenden Oberfläche aufweist, wobei jede der Rotoroberflächen mit der glatten Oberfläche eines jeweiligen Statorelements zusammenwirkt, um zwei verschiedene Pumpstufen zu erhalten, wobei das Gas in den spiralförmigen Kanälen der ersten Oberfläche des Rotorelements 33 in einer ersten Richtung strömt (d. h. zentripetal oder zentrifugal), während das Gas in den spiralförmigen Kanälen der zweiten Oberfläche des Rotors 33 in einer zweiten, zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung strömt (d. h. zentrifugal oder zentripetal).
Vorteilhafterweise ist bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel die Querschnittsfläche der spiralförmigen Kanäle von der Mine bis zum äußeren Rand des Rotorkörpers ungeachtet dessen verringert, ob das Gas in einer zentripetalen oder in einer zentrifugalen Richtung durch den Kanal strömt. Auf diese Weise kann das Produkt der Kanalquerschnittsfläche und der Rotorgeschwindigkeit, die senkrecht zu der zuvor erwähnten Fläche ist (d. h. der inneren Gasströmungsgeschwindigkeit) vorteilhafterweise konstant gehalten werden.
Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass ein derartiges Ausführungsbeispiel keineswegs einschränkend ist und dass für die spiralförmigen Kanäle des Rotors alternativ dazu eine andere geometrische Konfiguration gewählt werden kann.
Außerdem andere, unterschiedliche Arten von Molekularpumpstufen, wie beispielsweise eine herkömmliche Siegbahn-Pumpstufe,
Unter Bezugnahme auf 6 und 7 ist der Rotor 31 einer Vakuumpumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei der Rotor eine erste Mehrzahl von Turbomolekular-Rotorelementen 13 aufweist, die mit jeweiligen Statorelementen zusammenwirken sollen, um entsprechende Turbomolekular-Pumpstufen zu erhalten, und eine zweite Mehrzahl von Molekular-Drag-Rotorelementen 33 aufweist, die mit jeweiligen Statorelementen zusammenwirken sollen, um entsprechende Molekular-Drag-Pumpstufen, die in Flussrichtung nach Turbomolekular-Pumpstufen angeordnet sind, zu erhalten.
Bei dem Rotor 31 sind alle Turbomolekular-Rotorelemente 13 von der in 2 und 3 gezeigten Art, aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt. Alle Molekular-Drag-Rotorelemente 33 sind von der in 5 gezeigten Art, aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt.
Die Turbomolekular-Rotorelemente 13 und die Molekular-Drag-Rotorelemente 33 sind auf die (nicht gezeigte) Drehachse einer Vakuumpumpe aufmontiert, die durch die in den Rotorelementen gebildeten mittigen Durchgangslöcher gelangt, und Rotorelemente sind aufeinander gestapelt, um den Vakuumpumpenrotor 31 zu bilden.
Wie in 6 gezeigt ist, weisen Molekular-Drag-Rotorelemente 33 vorteilhafterweise eine Mehrzahl von spiralförmigen Kanälen 35a, 35b, 35c auf einer ersten Oberfläche und eine Mehrzahl von weiteren spiralförmigen Kanälen 35'a, 35'b, 35'c auf der gegenüberliegenden Oberfläche auf, wobei jede der Rotoroberflächen dazu geeignet ist, mit der glatten Oberfläche eines jeweiligen Statorelements zusammenzuwirken.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel bezüglich dessen, was in 6 und 7 gezeigt ist, kann der Rotor einer Vakuumpumpe, der eine Mehrzahl von Turbomolekular-Rotorelementen 13 und eine Mehrzahl von Molekular-Drag-Rotorelementen 33 aufweist, als einzelnes, monolithisches Stuck hergestellt werden, beispielsweise mittels Spritzguss, wodurch ermöglicht wird, einen Rotor in einem sehr kostengünstigen Verfahren herzustellen.
Auch ist klar, dass die vorstehende ausführliche Beschreibung keineswegs einschränkend ist und dass mehrere Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den angehängten Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.
Insbesondere gilt, dass es sogar in dem Fall, dass bei den veranschaulichten Ausführungsbeispielen Bezug auf ein oder mehrere Turbomolekular-Rotorelemente und/oder Molekular-Drag-Rotorelemente genommen wurde, die aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt sind, möglich ist, in Betracht zu ziehen, dass die Vakuumpumpe alternativ oder zusätzlich zu den Turbomolekular-Rotorelementen und/oder Molekular-Drag-Rotorelementen ein oder mehrere Turbomolekular-Statorelemente und/oder Molekular-Drag-Statorelemente aufweist, die aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial oder angesichts der geringeren Beanspruchung, der der Stator ausgesetzt ist, sogar aus nicht-verstärktem Kunststoffmaterial hergestellt sind.

Claims

Eine Vakuumpumpe (11) von der Art, die ein vakuumdichtes Gehäuse aufweist, bei der ein Ansaugstutzen und ein Auslaufstutzen vorgesehen sind und bei der eine oder mehrere Pumpstufen vorgesehen sind, um ein Gas von dem Ansaugstutzen zu dem Auslaufstutzen zu pumpen, wobei jede der Pumpstufen eine Anzahl von Elementen aufweist, die zusammenwirken, um das Gas durch die Pumpstufe zu pumpen, wobei die Elemente zumindest Folgende umfassen: – Statorelement, das ortsfest und an dem Gehäuse befestigt ist; – ein Rotorelement (1; 13; 33), das einstückig mit einer Drehachse angebracht ist; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Elemente zumindest einer der Pumpstufen aus einem mit verstärkenden Kurzfasern beschickten Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei der das Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Harz oder ein wärmehärtbares Harz ist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Kunststoffmaterial ein halbkristallines Polymer ist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei der die verstärkenden Kurzfasern Kohlenstoff- oder Graphitkurzfasern, Glaskurzfasern oder Aramidkurzfasern sind.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei der das Kunststoffmaterial mit 10 50 Gewichtsprozent der Kurzfasern, vorzugsweise mit 30 40 Gewichtsprozent der Kurzfasern, beschickt ist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei der die verstärkenden Kurzfasern im Inneren des Kunststoffmaterials auf chaotische und im Wesentlichen zufällige Weise verteilt sind.
Die Vakuumpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das zumindest eine Element der zumindest einen Pumpstufe ein Rotorelement (1; 13; 33) ist.
Die Vakuumpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das zumindest eine Element der zumindest einen Pumpstufe ein Statorelement ist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 7, bei der die zumindest eine Pumpstufe eine Turbomolekular-Pumpstufe ist und das zumindest eine Element ein Turbomolekular-Rotorelement (1; 13) ist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 9, bei der der Körper (3) des Turbomolekular-Rotorelements (1) im Wesentlichen scheibenförmig ist und von der Mitte zum Rand der Scheibe hin konisch ist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 7, bei der die zumindest eine Pumpstufe eine Molekular-Drag-Pumpstufe ist und das zumindest eine Element ein Molekular-Drag-Rotorelement (33) ist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 11, bei der das Molekular-Drag-Rotorelement (33) einen Rotorkörper aufweist, der auf zumindest einer Oberfläche desselben zumindest einen spiralförmigen Kanal (35a, 35b, 35c, 35d, 35'a, 35'b, 35'b) aufweist.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 7, bei der sich die Querschnittsfläche der spiralförmigen Kanäle (35a, 35b, 35c, 35d, 35'a, 35'b, 35'b) von der Mitte bis zum äußeren Rand des Rotorelementkörpers verringert.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 7, bei der die Rotorelemente (13; 33) aller Pumpstufen der Vakuumpumpe in dem Kunststoffmaterial hergestellt sind, wobei die Rotorelemente auf die Drehachse aufmontiert sind und aufeinander gestapelt sind.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 7, bei der die Rotorelemente (13; 33) aller Pumpstufen der Vakuumpumpe in dem Kunststoffmaterial hergestellt sind, wobei die Rotorelemente zusammen als einzelnes, monolithisches Stück hergestellt sind.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Vakuumpumpe von der Art, die ein vakuumdichtes Gehäuse aufweist, bei der ein Ansaugstutzen und ein Auslaufstutzen vorgesehen sind und bei der eine oder mehrere Pumpstufen vorgesehen sind, um ein Gas von dem Ansaugstutzen zu dem Auslaufstutzen zu pumpen, wobei jede der Pumpstufen eine Anzahl von Elementen aufweist, die zusammenwirken, um das Gas durch die Pumpstufe zu pumpen, wobei die Elemente zumindest Folgende umfassen: – Statorelement, das ortsfest und an dem Gehäuse befestigt ist; – ein Rotorelement (1; 13; 33), das einstückig mit einer Drehachse angebracht ist; – dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Herstellens zumindest eines der Elemente zumindest einer der Pumpstufen durch Spritzgießen eines mit verstärkenden Kurzfasern beschickten Kunststoffmaterials aufweist.