DE202013010195U1

DE202013010195U1 - Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung sowie Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE202013010195U1
Application number: DE202013010195.4U
Authority: DE
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: JP6532461B2; EP3069027A1; CN105765231A; EP3069027B1; JP2016537552A; WO2015071143A1; KR20160081921A; US20160290343A1; KR102202936B1; CN105765231B

Abstract

Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung, mit einer Rotorwelle (10) und mindestens einem auf der Rotorwelle (10) angeordneten Rotorelement (12) dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rotorelement (12) Aluminium, Titan und/oder CFK aufweist und die Rotorwelle (10) Chrom-Nickel-Stahl aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung sowie eine Vakuumpumpe.
Vakuumpumpen wie beispielsweise Turbomolekularpumpen weisen in einem Pumpengehäuse eine Rotorwelle auf. Die Rotorwelle, die üblicherweise von einem Elektromotor angetrieben wird, trägt mindestens ein Rotorelement. Bei einer Turbomolekularpumpe sind auf der Rotorwelle mehrere Rotorelemente in Form von Rotorscheiben angeordnet. Die Rotorwelle ist in dem Pumpengehäuse über Lagerelemente drehbar gelagert. Ferner weist die Vakuumpumpe ein in dem Gehäuse angeordnetes Statorelement auf. Bei einer Turbomolekularpumpe sind mehrere als Statorscheiben ausgebildete Statorelemente vorgesehen. Hierbei sind die Statorscheiben und die Rotorscheiben in Längsrichtung der Pumpe bzw. in Strömungsrichtung des zu pumpenden Mediums abgewechselt angeordnet.
Bei aus einzelnen Rotorscheiben aufgebauten Rotoren müssen die einzelnen Rotorelemente fest mit der Rotorwelle verbunden werden. Entsprechend feste lagegenaue Verbindungen zwischen der Rotorwelle und den Rotorelementen müssen in allen Betriebszuständen, dass heißt insbesondere bei den auftretenden starken Temperatur- und Drehzahlschwankungen gewährleistet sein. Dies ist bei bekannten mehrteiligen Rotoren, insbesondere mehrere Rotorscheiben aufweisende Rotoren, dadurch gelöst, dass die Rotorscheibe gegenüber der Rotorwelle ein starkes Übermaß zum Fügen aufweist. Zum Fügen ist es sodann erforderlich die Rotorwelle stark zu kühlen und die Rotorelemente stark zu erwärmen, um ein Aufpressen der Rotorelemente auf die Welle zu ermöglichen. Hierbei ist es insbesondere erforderlich, die Rotorwelle auf Temperaturen im Bereich von flüssigem Stickstoff abzukühlen und gleichzeitig die Rotorscheiben in einem Ofen beispielsweise durch Induktion stark zu erwärmen. Nach dem Fügen muss eine Lagerung bei Raumtemperatur erfolgen bis die beiden Teile Raumtemperatur abweisen. Hierzu ist ein relativ langer Zeitraum erforderlich. Nur durch dieses hohe Übermaß und einen entsprechend aufwendigen Fügeprozess kann die erforderliche Betriebssicherheit trotz der stark schwankenden Temperaturen und Drehzahlen gewährleistet werden. Die Temperatur der Rotorelemente sowie der Rotorwelle erreichen im Betrieb bis zu ca. 120°C. Die maximalen Drehzahlen liegen bei ca. 1500 U/sec. Zum Fügen der Rotorelemente auf der Rotorwelle ist es daher erforderlich, die Rotorwelle in flüssigem Stickstoff auf ca. –190°C abzukühlen. Je nach Baugröße beträgt die Abkühlzeit ca. 5 Minuten. Gleichzeitig müssen die Rotorelemente in einem Ofen, wie einem Umluftofen, auf ca. 120°C erwärmt werden. Die entsprechende Aufwärmzeit beträgt 1–2 Stunden. Die Durchwärmungszeiten der Baugruppe nach dem Fügen betragen etwa 1–2 Stunden zur Erzielung von Raumtemperatur. Dieses bekannte Fügeverfahren ist zeitaufwändig und kostenintensiv.
Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Fügen eines Rotors oder auch eines scheibenförmigen Rotorelements aus Aluminium auf einer Rotorwelle aus Aluminium auf Grund des erforderlichen Übermaßes bei Raumtemperatur nicht möglich ist. Wenngleich das Übermaß deutlich geringer gewählt werden kann, da keine unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Rotorelement und Welle gegeben sind, ist ein Aufpressen bei Raumtemperatur dennoch nicht möglich. Hierbei tritt ein Fressen, bzw. Verschweißen der zu fügenden Bauteile auf. Eine lagegenaue Positionierung eines Rotorelements auf der Rotorwelle ist somit nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung zu schaffen, deren Herstellung auch bei hoher Betriebssicherheit kostengünstiger ist, wobei vorzugsweise ein Fügen der Bauteile bei Raumtemperatur oder nur geringem Temperaturunterschied der Bauteile möglich sein soll.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung weist eine Rotorwelle auf. Auf der Rotorwelle ist mindestens ein Rotorelement angeordnet. Insbesondere wenn es sich um eine Rotoreinrichtung einer Turbomolekularpumpe handelt sind auf der Rotorwelle mehrere als Rotorscheiben ausgebildete Rotorelemente in Längsrichtung der Rotorwelle angeordnet.
Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Fügen von Rotoren bzw. Rotorelementen bei Raumtemperatur und gleichzeitig hoher Betriebssicherheit möglich ist, wenn der Rotor bzw. das Rotorelement Aluminium, Titan und/oder CFK aufweist und die Rotorwelle einen Chrom-Nickel-Stahl (Cr-Ni-Stahl) aufweist. Die Verwendung von Aluminium, Titan und/oder CFK als Werkstoff für einen Rotor oder ein Rotorelement weist den Vorteil auf, dass die erforderliche Festigkeit und Stabilität im Verhältnis zu der Dichte des Werkstoffs realisiert werden kann, die gefordert ist um die hohen Drehzahlen und die damit verbundenen hohen Kräfte und Spannungen realisieren zu können. Die geforderten Eigenschaften der Welle können durch eine Stahlwelle, insbesondere eine Edelstahlwelle realisiert werden. Insbesondere weist die Welle Cr-Ni-Stahl mit einem Schwefelzusatz auf und ist besonders bevorzugt aus Chrom-Nickel-Stählen mit Schwefelzusatz hergestellt.
Der Rotor bzw. das eine Rotorelement ist in bevorzugter Ausführungsform aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung und/oder hochfestem Aluminium hergestellt.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von hochfestem Aluminium mit einem hohen Zugfestigkeitswert von insbesondere mindestens 250 N/mm. Hochfestes Aluminium weist ferner den Vorteil auf, dass es auch bei Einsatztemperaturen von 100–120°C eine hohe Dauerfestigkeit aufweist. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von AW-Al Cu 2Mg 1,5 Ni.
Desweiteren ist es bevorzugt, dass das mindestens eine Rotorelement aus Titan oder einer Titanlegierung und/oder aus CFK hergestellt ist.
Durch die erfindungsgemäße vorstehend beschriebene Kombination der beiden Bauteile ist es möglich, das mindestens eine Rotorelement bei Raumtemperatur auf die Rotorwelle zu Fügen ohne dass hierbei ein Fressen oder Verschweißen auftritt. Hierdurch kann die Fertigungszeit erheblich verkürzt werden.
Eine deutliche Verringerung der Montagekosten kann erfindungsgemäß dadurch realisiert werden, dass sich der Wärmeausdehnungskoeffizient der Rotorwelle vom Wärmeausdehnungskoeffizient des mindestens einen Rotorelements möglichst wenig unterscheidet. Erfindungsgemäß erfolgt somit die Verwendung einer Materialpaarung, die nicht zum Fressen neigt, und deren Wärmeausdehnungskoeffizienten eine geringe Differenz aufweisen, so dass zum Fügen ein geringeres Übermaß als im Stand der Technik erforderlich ist. Dies hat zur Folge, dass ein Fügen bei Raumtemperatur aufgrund des geringen erforderlichen Übermaßes möglich ist oder die Bauteile zumindest nur eine geringe Temperaturdifferenz aufweisen müssen. Bei einer derartigen Materialpaarung mit sich geringfügig unterscheidenden Wärmeausdehnungskoeffizienten ist sichergestellt, dass auch bei hohen Temperatur- und Drehzahlschwankungen die Betriebssicherheit gewährleistet ist. Besonders bevorzugt ist es, als Materialpaarung eine Materialpaarung aus insbesondere hochfestem Aluminium und Edelstahl vorzusehen. Hierbei ist es bevorzugt, dass das mindestens eine Rotorelement aus Aluminium und die Rotorwelle aus Edelstahl, insbesondere Cr-Ni-Stahl mit Schwefelzusatz, hergestellt sind.
Besonders geeignet ist die Verwendung von Edelstahl X8CrNiS18-9, mit der Werkstoffnummer 1.4305 für die Rotorwelle.
Insbesondere bei der Verwendung von Edelstahl X8CrNiS18-9 und Aluminium Al ist es möglich die beiden Bauteile bei Raumtemperatur zu fügen, insbesondere zu verpressen. Dies ist auch möglich, wenn in besonders bevorzugter Ausführungsform das mindestens eine Rotorelement gegenüber der Rotorwelle ein Übermaß aufweist, bei der Dehnungen in Umfangsrichtung von 0,25% bis 0,35% auftreten können. Durch dieses Übermaß kann die Betriebssicherheit trotz der hohen Temperaturschwankungen sichergestellt werden, wobei gleichzeitig dennoch ein Fügen der Bauteile bei Raumtemperatur möglich ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bei der die Rotoreinrichtung insbesondere für eine Turbomolekularpumpe geeignet ist, sind mehrere Rotorelemente insbesondere in Längsrichtung auf der Rotorwelle angeordnet, insbesondere aufgepresst. Bei einem entsprechenden Rotorelement kann es sich beispielsweise aber auch um einen scheibenförmigen Träger einer Holweckstufe handeln. Dieser Träger trägt die rohrförmigen Elemente der Holweckstufe, oder ist einstückig mit diesen ausgebildet. Auch ein derartiges Rotorelement bzw. ein derartiger Rotorelement-Träger ist erfindungsgemäß aus dem vorstehenden Material, insbesondere Aluminium, hergestellt und auf eine Edelstahlwelle durch Aufpressen gefügt.
Bei den Rotorelementen kann es sich um Rotorscheiben handeln, wobei gegebenenfalls zusätzlich Distanzelemente zwischen Rotorelementen bzw. Rotorscheiben vorgesehen sind. Diese Elemente können insbesondere zur Ausbildung eines Zwischeneinlasses bei einer Multi-Inlet-Pumpe dienen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vakuumpumpe bei der es sich insbesondere um eine Turbomolekularpumpe handelt. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist eine erfindungsgemäße Rotoreinrichtung, wie vorstehend beschrieben, insbesondere in einer der bevorzugten Weiterbildungen auf. Ferner weist die Vakuumpumpe ein Pumpengehäuse auf, in dem die Rotorwelle über Lagerelemente gelagert ist. Desweiteren ist eine Antriebseinrichtung vorgesehen, die die Rotorwelle antreibt. Ferner ist in dem Pumpengehäuse mindestens ein Statorelement angeordnet, wobei es sich bei dem Statorelement um eine Statorscheibe handeln kann. Bei einer Turbomolekularpumpe sind sodann in Verbindung mit mehreren Rotorscheiben mehrere Statorscheiben abwechselnd angeordnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt eine stark vereinfachte schematische Schnittansicht einer Turbomolekularpumpe.
In der stark vereinfachten Darstellung einer Turbomolekularpumpe sind auf einer Rotorwelle 10 mehrere Rotorelemente 12 in Form von Rotorscheiben durch Aufpressen angeordnet. In einem Pumpengehäuse 14 sind Statorelemente 16 angeordnet bei denen es ich im dargestellten Ausführungsbeispiel um Statorscheiben 16 handelt.
Ferner ist die Rotorwelle 10 über Lagerelemente 18, 20 in dem Pumpengehäuse 16 gelagert und wird von einer Antriebseinrichtung 22 angetrieben.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner ein hülsenförmiges Distanzelement 24 zwischen zwei Rotorscheiben 12 vorgesehen. Hierdurch wird ein Zwischeneinlass 26 ausgebildet.
Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vakuumpumpe saugt somit das zu fördernde Medium in Richtung eines Pfeils 28 durch einen Haupteinlass an. Ferner wird Medium über den Zwischeneinlass 26 in Richtung eines Pfeils 30 angesaugt. Die beiden angesaugten Medien werden, wie mit dem Pfeil 32 dargestellt in Richtung eines Auslasses gefördert.
Erfindungsgemäß ist die Rotorwelle 10 in bevorzugter Ausführungsform aus Edelstahl hergestellt. Die einzelnen Rotorelemente 12 sowie das Distanzelement 24 sind in bevorzugter Ausführungsform aus Aluminium hergestellt. Das Fügen der Rotorelemente 12 sowie des Distanzelements 24 erfolgt durch Aufpressen bei Raumtemperatur. Insbesondere weisen die einzelnen Rotorelemente 12 sowie auch das Distanzelement 24 eine übermaßbedingte Dehnung in Umfangsrichtung von 0,07% bis 0,2% auf. Die Presskraft mit der ein Fügen der Bauteile bei Raumtemperatur möglich ist liegt in einem Bereich von 5 bis 50 kN.

Claims

Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung, mit einer Rotorwelle (10) und mindestens einem auf der Rotorwelle (10) angeordneten Rotorelement (12) dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rotorelement (12) Aluminium, Titan und/oder CFK aufweist und die Rotorwelle (10) Chrom-Nickel-Stahl aufweist.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rotorelement (12) aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung und/oder hochfestem Aluminium hergestellt ist.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rotorelement (12) aus Titan und/oder einer Titanlegierung hergestellt ist.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rotorelement (12) aus CFK hergestellt ist.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwellen (10) einen Chrom-Nickel-Stahl mit Schwefelzusatz aufweist insbesondere aus einem Chrom-Nickel-Stahl mit Schwefelzusatz hergestellt ist.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (10) eine Edelstahllegierung aufweist, wobei es sich insbesondere um Edelstahl X8CrNiS18-9 handelt.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialpaarung derart gewählt ist, dass das mindestens eine Rotorelement (12) bei Raumtemperatur auf die Rotorwelle (10) durch Aufpressen fügbar ist.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotorelemente (12) in Längsrichtung der Rotorwelle (10) angeordnet sind.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorelemente als Rotorscheiben (12) ausgebildet sind.
Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei der Rotorelemente (12) mindestens ein Distanzelement (24) angeordnet ist.
Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einer Vakuumpumpen-Rotoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die Rotorwelle (10) in einem Pumpengehäuse (14) über Lagerelement (28) gelagert ist, einer mit der Rotorwelle (10) verbundenen Antriebseinrichtung (22) und mindestens einem in dem Pumpengehäuse (14) angeordneten Statorelement (16).