DE202013006436U1

DE202013006436U1 - Rotorelement für eine Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE202013006436U1
Application number: DE202013006436.6U
Authority: DE
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: WO2015007598A1; TW201516265A

Abstract

Rotorelement für eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Holweckstufe, mit einem zylindrischen Rotorteil (16) aus gut wärmeleitfähigem Material und einer insbesondere an einer Oberfläche (18) des Rotorteils (16) angeordneten Verstärkungsschicht (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorelement für eine Vakuumpumpe insbesondere eine Holweckstufe.
Der Rotor einer Vakuumpumpe wie einer Holweckstufe weist ein zylindrisches Rotorteil auf. Dieses wird bspw. aus kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Die Faserwicklung erfolgt hierbei tangential bzw. in Umfangsrichtung. Da insbesondere Holweckstufen als Gasreibungsstufen in Bereich hoher Drücke eingesetzt werden, heizt sich das zylindrische Rotorteil sehr stark auf. Insbesondere an dem in Bezug auf die Pumprichtung druckseitigen freien Ende des Rohres treten hohe Temperaturen auf. Die Wärmeleitung bei faserverstärkten Rotorteilen erfolgt insbesondere in Faserrichtung. Die Fasern sind mit einem Harz getränkt bzw. mit Harz verbunden, wobei das Harz eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die auftretenden hohen Temperaturen führen dazu, dass die Pumpleistung der Vakuumpumpe begrenzt werden muss, um ein Überhitzen der faserverstärkten Rotorteile und ein hierdurch hervorgerufenes Beschädigen zu vermeiden. Da Holweckstufen häufig in Kombination mit Turbomolekularpumpen eingesetzt werden ist die Gesamtleistung der Turbomolekularpumpe durch das aus Kohlenstofffaser hergestellte zylindrische Rotorteil begrenzt. Insbesondere ist die Pumpenleistung beim Pumpen von schlecht wärmeleitfähigen Gasen wie bspw. Argon oder Xenon stark begrenzt, da durch die Gase nur eine sehr geringe Wärmeableitung erfolgt.
Um eine bessere Wärmeableitung aus dem zylindrischen Rotorteil zu ermöglichen, wäre es möglich die Richtung der Faserwicklung zumindest teilweise zu ändern. Da jedoch zur Verbindung der Fasern Hochtemperaturharze verwendet werden müssen, können Matrixbrüche im Laminat des spröden Harzes auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rotorelement für eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Holweckstufe zu schaffen, das eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Rotorelement gemäß Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Rotorelement für eine Vakuumpumpe, das insbesondere für eine Holweckstufe geeignet ist, weist ein zylindrisches Rotorteil auf. Das Rotorteil ist aus gut wärmeleitfähigem Material hergestellt. Die Wärmeleitfähigkeit ist insbesondere größer als 100 W/mK, besonders bevorzugt größer als 120 W/mK und am bevorzugtesten größer als 140 W/mK. Besonderes bevorzugt ist es, das zylindrische Rotorteil aus einem Metall, einer Metalllegierung, wie z. B. Aluminium, herzustellen. Um insbesondere hohe Drehzahlen von vorzugsweise mehr als 2000 Hz realisieren zu können, ist an einer Oberfläche des Rotorteils eine Verstärkungsschicht vorgesehen. Die Verstärkungsschicht weist vorzugsweise faserverstärktes Material auf. Hierbei kann es sich um üblicherweise mit Harz getränkte Glasfasern und besonders bevorzugt kohlefaserverstärktes Material handeln. Vorzugsweise besteht die Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Material, insbesondere kohlefaserverstärktem Material. Durch die Herstellung des Rotorelements als Verbundwerkstoff aus einem wärmeleitfähigen Material und einer Verstärkungsschicht kann ein auch bei hohen Drehzahlen formstabiles Rotorelement realisiert werden, das gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch ist es möglich, die Pumpleistung zu erhöhen. Insbesondere ist dies auch bei schlecht wärmetransportierenden Gasen wie Argon und Xenon möglich.
Vorzugsweise sind die Fasern in der Verstärkungsschicht im Wesentlichen tangential bzw. in Umfangsrichtung zu dem zylindrischen Rotorteil angeordnet. Hierbei weisen die Fasern gegenüber der Umfangsrichtung insbesondere einen Winkel von weniger als 10 Grad und besonders bevorzugt weniger als 5 Grad auf.
Eine besonders gute Versteifung kann erzielt werden, wenn die Verstärkungsschicht an einer Außenseite des zylindrischen Rotorteils angeordnet ist. Vorzugsweise ist das zylindrische Rotorteil mit faserverstärktem Material insbesondere kohlefaserverstärktem Material umwickelt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann das Rotorelement mehrschichtig aufgebaut sein. Insbesondere weist das Rotorelement hierbei zusätzlich zu dem zylindrischen Rotorteil mindestens ein weiteres zylindrisches Rotorteil auf. Die Rotorteile sind hierbei zueinander koaxial angeordnet. Bevorzugt ist es hierbei, dass zwischen benachbarten Rotorteilen die Verstärkungsschicht oder eine weitere Verstärkungsschicht angeordnet ist. Ein Rotorelement kann somit mehrere aus einem wärmeleitfähigen Material insbesondere Metall, einer Metalllegierung, wie z. B. Aluminium, hergestellte zylindrische Rotorteile aufweisen, zwischen denen jeweils eine Verstärkungsschicht angeordnet ist. Bspw. sind zwei zueinander koaxial angeordnete Rotorteile vorgesehen, zwischen denen eine Verstärkungsschicht angeordnet ist. Bevorzugt ist es, dass zusätzlich an der Außenseite des größten bzw. äußeren zylindrischen Rotorteils ebenfalls eine Verstärkungsschicht angeordnet ist. Die Verstärkungsschichten sind jeweils, wie vorstehend beschrieben, bevorzugt ausgebildet und besonders bevorzugt aus kohlenfaserverstärktem Material hergestellt.
Vorzugsweise ist das mindestens ein zylindrisches Rotorteil mit einem Trägerelement verbunden. Bei dem Trägerelement kann es sich insbesondere um ein scheibenförmiges im Wesentlichen senkrecht zu dem mindestens einen zylindrischen Rotorteil verlaufendes Trägerelement handeln. Das Trägerelement ist in bevorzugter Ausführungsform ebenfalls aus wärmeleitfähigem Material und besonders bevorzugt aus Metall, einer Metalllegierung, wie z. B. Aluminium, hergestellt. Auch ist es möglich, dass das mindestens ein zylindrisches Rotorteil einstückig mit dem Trägerteil ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist es, dass sämtliche Rotorteile mit dem Trägerelement verbunden sind. Hierdurch ist ein sehr guter Wärmeübergang zwischen dem aus wärmeleitfähigem Material hergestellten Rotorteilen und dem Trägerelement realisiert. Bevorzugt ist es, dass das mindestens eine Rotorteil und das Trägerelement aus demselben Material hergestellt sind.
Das Trägerelement kann mit einer Rotorwelle verbunden sein. Das Trägerelement kann mit der Rotorwelle auch einstückig ausgebildet sein.
Besonderes bevorzugt ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Rotorelements zur Ausbildung einer Holweckstufe in Verbindung mit einer Turbomolekularpumpe. Hierbei schließt sich die Holweckstufe in Strömungsrichtung an die Turbomolekularpumpe an.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Mit einer Rotorwelle 10 können bspw. mehrere nicht dargestellte Flügel aufweisende Rotorscheiben und in einem Gehäuse angeordnete ebenfalls Flügel aufweisende Statorscheiben zur Ausbildung einer Turbomolekularpumpe verbunden sein. Hieran schließt sich in Strömungsrichtung 12 eine Holweckstufe 14 an.
Die Holweckstufe 14 weist in der ersten bevorzugten Ausführungsform (1) ein zylindrisches Rotorteil 16 auf. Dieses ist aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere Aluminium hergestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf einer Oberseite 18, bei der es sich um die Außenseite des zylindrischen Rotorteils 16 handelt, eine Verstärkungsschicht 20 vorgesehen. Die Verstärkungsschicht 20 besteht aus faserverstärktem Material, insbesondere kohlefaserverstärktem Material, wobei die Fasern im Wesentlichen in Umfangsrichtung gewickelt sind.
Das in dem ersten Ausführungsbeispiel aus einem zylindrischen Rotorteil 16 und einer dieses umgebenden Versteifungsschicht 20 hergestellte Rotorteil ist mit einem Trägerelement 22 verbunden. Das Trägerelement 22 ist scheibenförmig ausgebildet und mit der Rotorwelle 10 verbunden. Zur Verbindung des Rotorelements 16, 20 mit dem Trägerelement 22 weist das Trägerelement einen zylindrischen Ansatz 24 auf, auf den das Rotorelement 16, 20 aufgesteckt ist. Die Verbindung erfolgt bspw. durch Verkleben, Schrumpfen o. dgl. Das Trägerelement 22, ist hierbei vorzugsweise ebenfalls aus wärmeleitfähigem Material und besonders bevorzugt aus Aluminium hergestellt.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform (2) sind ähnliche oder identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bei dieser Ausführungsform ist zusätzliche zu dem zylindrischen Rotorteil 16 ein weiteres zylindrisches Rotorteil 26 vorgesehen. Das weitere zylindrische Rotorteil 26 ist ebenfalls aus wärmeleitfähigem Material insbesondere Aluminium hergestellt. Die beiden zylindrischen Rotorteile 16, 26 sind zueinander koaxial. Zusätzlich zu der insbesondere aus mit kohlenfaserverstärktem Material hergestellten Verstärkungsschicht 20 ist zwischen den beiden zylindrischen Rotorteilen 16, 26 eine weitere Verstärkungsschicht 28 vorgesehen. Diese ist vorzugsweise ebenfalls aus faserverstärktem Material, insbesondere kohlefaserverstärktem Material hergestellt.
Die Befestigung des in 2 dargestellten Rotorelements 16, 20, 26, 28 erfolgt wiederum über einen zylindrischen Ansatz 24 an dem scheibenförmigen Trägerelement 22.

Claims

Rotorelement für eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Holweckstufe, mit einem zylindrischen Rotorteil (16) aus gut wärmeleitfähigem Material und einer insbesondere an einer Oberfläche (18) des Rotorteils (16) angeordneten Verstärkungsschicht (20).
Rotorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (20) faserverstärktes Material, insbesondere kohlefaserverstärktes Material aufweist.
Rotorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des faserverstärkten Materials tangential zu dem zylindrischen Rotorelement (16) verlaufen.
Rotorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (20) an einer Außenseite (18) des zylindrischen Rotorteils (16) angeordnet ist.
Rotorelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Rotorteil (16) mit faserverstärktem Material umwickelt ist.
Rotorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem zylindrischen Rotorteil (16) mindestens ein weiteres zylindrisches Rotorteil (26) koaxial zu diesem angeordnet ist.
Rotorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zylindrischen Rotorteilen (16, 26) eine Verstärkungsschicht (28) insbesondere eine weitere Verstärkungsschicht (28) vorgesehen ist.
Rotorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zylindrische Rotorteil (16, 26) mit einem insbesondere scheibenförmig ausgebildeten Trägerelement (22) verbunden ist, das vorzugsweise aus wärmeleitfähigem Material hergestellt ist.
Rotorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22) aus demselben Material wie das mindestens eine Rotorteil (16, 26) hergestellt ist.
Rotorelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22) mit eine Rotorwelle (10) verbunden ist.