EP3280916B1 - Vakuumpumpen-rotor - Google Patents

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EP3280916B1
EP3280916B1 EP16725126.3A EP16725126A EP3280916B1 EP 3280916 B1 EP3280916 B1 EP 3280916B1 EP 16725126 A EP16725126 A EP 16725126A EP 3280916 B1 EP3280916 B1 EP 3280916B1
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EP
European Patent Office
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blade
hub
vacuum
pump rotor
elements
Prior art date
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EP16725126.3A
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EP3280916A1 (de
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Rainer Hölzer
Kai Uhlig
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Leybold GmbH
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Leybold GmbH
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Publication date
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Priority claimed from DE202015004160.4U external-priority patent/DE202015004160U1/de
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    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/322—Blade mountings
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/70—Treatment or modification of materials
    • F05D2300/702—Reinforcement

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump rotor, in particular a rotor for a turbo-molecular vacuum pump.
  • Vacuum pumps such as turbo-molecular vacuum pumps, have a rotor on a rotor shaft.
  • the rotor shaft is driven by an electric motor.
  • the blades of the rotor interact with stator disks, which are usually fixed in a pump housing.
  • stator disks which are usually fixed in a pump housing.
  • high-speed rotors such as those used in particular in turbo molecular pumps
  • the rotors must be operated at high rotational speeds.
  • a limit when using rotors made of steel, aluminum or the like is the tip speed of the rotor blades, ie the tangential speed occurring at the blade tips.
  • a tip speed of 400 m / s can be achieved.
  • the conveyance of light gases, such as helium or hydrogen, is also problematic here, since these have a high thermal speed and high rotational speeds of the rotors, ie in particular a high tip speed, are required for conveying.
  • WO 2005/001294 A1 discloses in Fig. 5 a vacuum pump rotor according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to create a vacuum pump rotor with which a high tip speed can be achieved.
  • the vacuum pump rotor according to the invention has a hub element which can be connected to the shaft of the vacuum pump or which forms the shaft. Rotor blades that are set at an angle are connected to the hub element.
  • the rotor elements and / or the hub element have several layers of material. This makes it possible to provide different materials during operation in heavily used areas by arranging material layers made of different materials. It is particularly preferred here that at least one of the material layers comprises fiber-reinforced material. In particular, by providing at least one material layer with fiber-reinforced material, it is possible to operate vacuum pump rotors at higher speeds. In particular, it is possible in this way to achieve a tip speed of more than 400 m / s, in particular more than 500 m / s and particularly preferably more than 600 m / s.
  • the vacuum pump rotor has a hub element for connection to a rotor shaft, wherein the rotor shaft can also be formed by a plurality of hub elements.
  • a plurality of rotor blades surrounding the rotor element are connected to the rotor element.
  • the rotor blades each have a wing root connected to the hub element and a wing head connected to the latter.
  • the hub element has at least one retaining element comprising fiber-reinforced material.
  • a base element is connected to the retaining element of the hub element, the base element forming the wing root and the wing head.
  • connection between the holding element and the base element takes place in such a way that these two elements partially overlap, so that in this way at least two material layers are formed.
  • at least one of the two elements has fiber-reinforced material, it being preferred that both elements have fiber-reinforced material.
  • vacuum pump rotors that can withstand high loads.
  • high-speed vacuum pump rotors can be manufactured.
  • the hub element preferably has two opposing holding elements, a hub part of the base element being arranged between the two holding elements. To this extent, a three-layer structure is implemented in this area, it again being preferred that both hub elements and / or the hub part are made of fiber-reinforced material.
  • the entire base element is preferably made of fiber-reinforced material.
  • a stiffening element which preferably comprises fiber-reinforced material.
  • the at least one stiffening element is flatly connected to the retaining element of the hub element, the stiffening element simultaneously also protruding into the wing root of the respective rotor blade.
  • the stiffening element thus forms a further layer of material.
  • two stiffening elements are provided which are connected to the base element, in particular the hub part of the base element, on opposite sides. That In a particularly preferred embodiment, the base element represents a middle layer of material, with a stiffening element which protrudes into the wing root and is flatly connected to the base element is arranged opposite one another at least in the area of the hub part.
  • two further material layers are provided by the two holding elements, which in turn are arranged on the outside of the stiffening elements and form an essential part of the hub element.
  • the two holding elements are arranged opposite one another and are preferably connected directly or indirectly to the respective upper conductors of the stiffening elements over a large area.
  • further intermediate layers in particular made of different materials and / or with different orientations of fibers.
  • the at least one, in particular both, stiffening elements can have a fixing element on an inner side.
  • the fixing element is preferably designed as an axially extending shoulder. This preferably engages behind the respective holding element in the radial direction.
  • At least one additional wing element is formed which also has fiber-reinforced material.
  • the at least one additional wing element is directly or indirectly connected to the holding element.
  • the additional wing element is preferably connected directly or indirectly to the wing root and / or the hub part of the base element.
  • the additional wing element can also be connected to the wing head, in particular over a large area. It is preferred here that the additional wing element is designed to be flat as a further material layer.
  • the additional wing element also has a fixing element on an inner side, which in turn can partially extend axially in accordance with a shoulder and / or engage behind the holding element, in particular radially.
  • the additional wing element is designed as an inner additional wing element and at least one further outer additional wing element is provided. This is preferably connected flatly to the inner additional wing element, it being particularly preferred that the outer dimensions of the two additional wing elements are identical. If necessary, however, the outer additional wing element can also cover only part of the inner additional wing element. It is also possible for the outer dimensions of the inner additional wing element to be smaller than those of the outer additional wing element. For example, the outer additional wing element can extend into the wing head and possibly even completely cover it, the inner additional wing element being arranged only in the area of the wing root and / or possibly only covering parts of the wing head.
  • the base element and at least one, preferably all, additional wing elements have essentially the same outer contour, in particular a wing outer contour.
  • the at least one stiffening element rests flat against the base element and one of the additional wing elements in the area of the wing root and the stiffening element is firmly connected to these. Furthermore, it is preferred that the inner additional wing element in the area of the wing root or the wing head lies directly flat on the outer additional wing element and is preferably connected to it.
  • the structure of the individual rotor blades and also of the hub element is preferably multilayered in such a way that the structure is symmetrical to the base element.
  • a usually ring-shaped hub element preferably has a plurality of, in particular, pitched rotor blades on the circumference.
  • the hub element and / or the rotor blades have fiber-reinforced material.
  • the fibers are preferably arranged to a large extent in accordance with the load.
  • the vacuum pump rotors according to the invention can be operated at higher speeds. In particular, it is possible in this way to achieve a tip speed of more than 400 m / s, in particular more than 500 m / s and particularly preferably more than 600 m / s.
  • the material used is preferably a long fiber-reinforced material with fiber lengths of 1 to 50 mm or continuous fibers with lengths over 50 mm.
  • the arrangement of the fibers in accordance with the load is preferably carried out by a suitable alignment of the fibers so that they can absorb the forces and moments that occur at such high speeds.
  • An arrangement that is suitable for the load is also achieved by additionally varying the direction, the density, the strength and / or the thickness of the fibers used, depending on the type of load. This is particularly dependent on the area of stress on the hub element and / or on the rotor blades. Furthermore, it is particularly preferred that for an arrangement that is suitable for the demands also for Particularly suitable fibers are used for the corresponding stress.
  • metal, plastic or carbon fibers are used.
  • metal fibers in the area of the hub element or the part of the rotor blades facing the hub element, since they have a different breaking behavior.
  • Solid metal or plastic parts can also be incorporated into the laminate in the hub area to stabilize the position of fibers or to create volume. It is also preferred that, for example, plastic, carbon and / or metal fibers are impregnated or pre-impregnated. Impregnation with epoxy resin, phenolic resin, bismaimides and / or thermoplastics, but also with polyurethane, is preferred here. Furthermore, it is preferred to arrange the fibers as a woven fabric, as a spread tow, as a tape layer, as a TFP (tailored fiber placement), wound, braided and / or as a spiral fabric. Furthermore, in particular, mixed forms of different fiber arrangements appropriate to the load are possible and also preferred.
  • the fibers provided in or on the hub element and / or in or on the rotor blades are arranged in accordance with the load, ie in particular in the main stress direction.
  • the fibers preferably run in a radial direction in order to absorb the forces.
  • parts of the fibers are preferably placed purely in the circumferential direction, but other areas have different directions in order to enable tension to be shifted.
  • the fiber volume fraction based on the total volume of the hub element and / or the rotor blades is preferably greater than 50%, in particular greater than 60%.
  • the fibers arranged in or on the hub element are preferably arranged essentially in the circumferential direction, i.e. in the direction of rotation of the hub element.
  • the fibers are preferably arranged in such a way that the fibers can absorb the forces in the circumferential direction.
  • a deviation in an angular range of ⁇ 10 ° to ⁇ 20 ° is defined in such a way that this is still a question of fibers which run essentially in the circumferential direction.
  • the fibers preferably run essentially radially in or on the rotor blades. In the area of the wings, the fibers must be arranged in such a way that the fibers absorb the forces in the radial direction. A deviation in the range of ⁇ 10 ° to ⁇ 20 ° further defines a fiber that runs essentially radially.
  • the fibers In particular in the adjusted area of the wing parts of the rotor blades, it is preferred to additionally use crossing fibers in order to arrange the fibers in accordance with the load, for example against twisting of the blades.
  • the fibers preferably run in an angular range of ⁇ 30 ° to ⁇ 45 ° with respect to the longitudinal axis of the wing and ⁇ 70 ° to ⁇ 90 ° to one another.
  • Corresponding fiber layers such as patches or spread tows, are suitable here.
  • fibers pass from the hub element into the rotor blades, so that the connection area between the hub element and the rotor blades is designed as load-bearing as possible.
  • the hub element and the rotor blades are formed in one piece.
  • the rotor blades it is also possible for the rotor blades to be connected to the hub by hanging them, inserting them into corresponding grooves and the like. Combinations of these are also possible, so that they are initially suspended or connected to the hub element in some other way Wing elements are then connected to the hub element via a fiber layer in this area.
  • the fibers can be connected by subsequent casting, resinification or the like. First, however, the fibers can also be glued to one another in order to define an exact position of the fibers. The fibers can also be fixed or connected to one another in the required direction by embroidery, knitting or the like.
  • the rotor blades can have an angle of attack of 8 ° -50 °.
  • the vacuum pump rotors described above it is possible in particular to achieve a high tip speed of more than 400 m / s, in particular more than 500 m / s and particularly preferably more than 600 m / s.
  • This has the advantage, which is essential to the invention, that the rotors are also suitable for conveying light gases, such as, in particular, helium and hydrogen. This also makes it possible to implement pump rotors with smaller diameters at high delivery rates.
  • one of the additional wing elements in particular both the inner and the outer additional wing elements, have a radial layer made of a fiber-reinforced material, in particular fiber-reinforced plastic. Furthermore, it is preferred that one of the additional wing elements, in particular the two outer additional wing elements, have a spreadtow fabric layer.
  • the at least one stiffening element preferably also has fiber material, in particular plastic fiber material. Some of the fibers here preferably run in the circumferential direction. As a result, a tangential layer is formed. It is preferred that the at least one holding element also has fibers that run in the circumferential direction, see above that further tangential layers are formed.
  • the additional inner wing elements in particular, have fibers running radially as the main fiber direction in a preferred embodiment, so that radial layers are formed as a result. In the case of the two outer additional wing elements which are preferably provided, the fibers are arranged crossed with respect to one another and, in particular, a spreadtow fabric is provided.
  • the multi-layer design of the vacuum pump rotor from preferably different material layers with particularly preferred different orientations of the material fibers makes it possible to manufacture vacuum pump rotors that withstand extremely high loads so that very high tip speeds can be achieved.
  • vacuum pump rotors described above is also possible for other rapidly rotating rotors, such as those used in the field of blowers, ventilators, gas conveying, but this is not part of the invention.
  • the figure shows a section of a vacuum pump rotor in the assembled state and partially as an exploded view, the representation being made in a schematically simplified manner.
  • a part of a multi-layer vacuum pump rotor with interconnected layers of material is initially shown schematically.
  • Part of a hub element 10 is shown here.
  • the hub element 10 surrounds, for example, a rotor shaft to which it is firmly connected.
  • several such annular hub elements are arranged one behind the other in the axial direction, so that several vacuum pump stages are formed and form, for example, a rotor for a turbo molecular pump.
  • the individual hub elements can be connected to a rotor shaft or form the rotor shaft themselves by being connected to one another accordingly.
  • rotor blades 12 which run radially in the circumferential direction and are set at an angle are connected, with only a single rotor blade 12 being shown for the purpose of illustration.
  • a base element 14 is shown as the middle layer.
  • the construction of the entire vacuum pump rotor in the illustrated preferred embodiment is constructed symmetrically to the base element 14.
  • a stiffening element 16 is arranged on the base element 14, a further stiffening element being arranged symmetrically to the base element 14 on the opposite side, symmetrically to the stiffening element 16 shown.
  • the same also applies to the next layer, which is formed by an inner additional wing element 18, the second additional wing element 18 again being provided on the opposite side symmetrically to the base element 14.
  • two outer additional wing elements 20 are also provided and again arranged symmetrically to the base element 14.
  • two holding elements 22 are provided, which in turn are arranged symmetrically to the base element 14.
  • the holding elements 22 represent the essential elements of the hub element 10.
  • the base element 14 which forms the plane of symmetry, has an outer contour which corresponds to the outer contour of the wing 12.
  • the base element 14 here has a hub part 24 which protrudes into the hub element 10 or is arranged between the two holding elements 22 of the hub element 10. It must be taken into account here that the two holding elements 22 are in particular ring-shaped are formed, wherein a plurality of hub parts corresponding to the number of rotor blades 12 are arranged between these two annular holding elements 22.
  • a wing foot 26 is connected to the hub part 24 and, in particular, is formed in one piece.
  • the wing foot 26 represents the connecting element between the hub part and a wing head 28.
  • the wing head 28 is the essential component of the rotor blade 12.
  • the base element 14 is preferably formed in one piece and, in a preferred embodiment, has a carbon fiber fleece.
  • the next layer is formed by the two mutually opposite stiffening elements 16.
  • the outer contour of the stiffening elements 16 corresponds to the outer contour of the hub part 24 and the wing root 26. If necessary, the stiffening element 16 protrudes only into part of the wing root 26.
  • the stiffening element has a fixing element 30 on an inner side. This protrudes axially outward and engages behind the two holding elements 22.
  • the stiffening element 16 is preferably designed as a tangential layer and in this respect has a large number of fibers that are suitable in the circumferential direction for absorbing tangential forces.
  • the thickness gradient on the inside of the hub is high here.
  • the next layer of material is formed by the two inner additional wing elements 18.
  • the outer contour of the inner additional wing elements corresponds to the outer contour of the base element.
  • the inner additional wing elements 18 also have a fixing element 32 which engages behind the holding elements 22 radially in accordance with the fixing element 32.
  • the material fibers of the inner additional wing elements 18 are preferably aligned radially so that these layers can be viewed as radial layers.
  • the next layers of material are formed by the outer additional wing elements 20.
  • the outer contour of the outer additional wing elements 20 in turn corresponds to the outer contour of the base element 14 the outer additional wing elements 20 also have a fixing element 34, which in turn engages behind the two holding elements 22 radially. It is preferred that the outer additional wing elements 20 are made from a spreadtow fabric.
  • the outer material layer is formed by the two holding elements 22, these not extending into the rotor blade 12, but essentially forming the hub element.
  • the holding elements 22 also preferably have material fibers, in particular plastic fibers or carbon fibers.
  • the multi-layer structure of the vacuum pump rotor is essential for the invention.
  • the design and the choice of material for the individual layers are preferably selected in such a way that a material selection that is as appropriate to the demands as possible and a fiber orientation that is appropriate to the demands are realized.
  • vacuum pump rotors can be produced which can withstand extremely high loads and in particular can achieve a tip speed of more than 400 m / s, in particular more than 500 m / s and in particular more than 600 m / s.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Vakuumpumpen-Rotor, insbesondere einen Rotor für eine Turbomolekularvakuumpumpe.
  • Vakuumpumpen, wie Turbomolekularvakuumpumpen, weisen auf einer Rotorwelle einen Rotor auf. Die Rotorwelle ist über einen Elektromotor angetrieben. Die Flügel des Rotors wirken mit Statorscheiben, die üblicherweise in einem Pumpengehäuse fixiert sind, zusammen. Bei schnelldrehenden Rotoren, wie sie insbesondere in Turbomolekularpumpen eingesetzt werden, ist es bekannt, Rotoren aus Aluminium, Stahl oder entsprechenden Legierungen herzustellen. Zur Erzielung von hohem Vakuum von insbesondere weniger als 10-4 mbar müssen die Rotoren mit hohen Drehgeschwindigkeiten betrieben werden. Eine Grenze beim Einsatz von Rotoren aus Stahl, Aluminium oder dergleichen stellt die Tipspeed der Rotorflügel, d.h. die an den Flügelspitzen auftretende Tangentialgeschwindigkeit dar. Mit bekannten Rotoren kann eine Tipspeed von 400 m/s erzielt werden. Problematisch ist hierbei auch das Fördern von leichten Gasen, wie Helium oder Wasserstoff, da diese eine hohe thermische Geschwindigkeit aufweisen und zur Förderung hohe Drehzahlen der Rotoren, d.h. insbesondere eine hohe Tipspeed erforderlich ist.
  • Das Dokument WO 2005/001294 A1 offenbart in Abb. 5 einen Vakuumpumpen-Rotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vakuumpumpen-Rotor zu schaffen, mit dem eine hohe Tipspeed erzielt werden kann.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Der erfindungsgemäße Vakuumpumpenrotor weist ein Nabenelement auf, das mit der Welle der Vakuumpumpe verbindbar ist oder die Welle ausbildet. Mit dem Nabenelement sind insbesondere in einem Winkel angestellte Rotorflügel verbunden.
  • Zur erfindungsgemäßen Erhöhung der Tipspeed weisen die Rotorelemente und/oder das Nabenelement mehrere Materiallagen auf. Es ist hierdurch möglich, während des Betriebs in stark beanspruchten Bereichen unterschiedliche Materialien vorzusehen, indem Materiallagen aus unterschiedlichem Material angeordnet werden. Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass zumindest eine der Materiallagen faserverstärktes Material aufweist. Insbesondere durch Vorsehen von mindestens einer Materiallage mit faserverstärktem Material ist es möglich, Vakuumpumpen-Rotoren mit höheren Drehzahlen zu betreiben. Insbesondere ist es möglich, hierdurch eine Tipspeed von mehr als 400 m/s, insbesondere mehr als 500 m/s und besonders bevorzugt mehr als 600 m/s zu erzielen.
  • Der Vakuumpumpen-Rotor weist ein Nabenelement zur Verbindung mit einer Rotorwelle auf, wobei die Rotorwelle ebenso durch mehrere Nabenelemente ausgebildet werden kann. Mit dem Rotorelement sind mehrere das Rotorelement umgebende Rotorflügel verbunden. Erfindungsgemäß weisen die Rotorflügel jeweils einen mit dem Nabenelement verbundenen Flügelfuß und einen mit diesem verbundenen Flügelkopf auf. Erfindungsgemäß weist das Nabenelement mindestens ein faserverstärktes Material aufweisendes Halteelement auf. Mit dem Halteelement des Nabenelements ist ein Basiselement verbunden, wobei das Basiselement den Flügelfuß sowie den Flügelkopf ausbildet. Insbesondere erfolgt die Verbindung zwischen dem Halteelement und dem Basiselement derart, dass sich diese beiden Elemente teilweise überdecken, sodass hierdurch zumindest zwei Materiallagen ausgebildet sind. Hierbei weist zumindest eines der beiden Elemente faserverstärktes Material auf, wobei es bevorzugt ist, dass beide Elemente faserverstärktes Material aufweisen. Durch einen derartigen Aufbau sind hohe Beanspruchungen des Vakuumpumpen-Rotors und insbesondere eine hohe Tipspeed erzielbar.
  • Insbesondere durch die nachfolgend beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung ist es möglich, Vakuumpumpen-Rotoren herzustellen, die großen Beanspruchungen standhalten. Dies hat zu Folge, dass schnelldrehende Vakuumpumpen-Rotoren hergestellt werden können. Hierbei ist es möglich, den Durchmesser der Vakuumpumpen-Rotoren zu verringern, da auf Grund der möglichen Erhöhung der Drehzahl die erforderliche Tipspeed von insbesondere mehr als 400 m/s erzielt werden kann.
  • Vorzugsweise weist das Nabenelement zwei gegenüberliegende Halteelemente auf, wobei zwischen den beiden Halteelementen ein Nabenteil des Basiselements angeordnet ist. Insofern ist in diesem Bereich eine dreilagige Struktur realisiert, wobei es wiederum bevorzugt ist, dass beide Nabenelemente und/oder das Nabenteil aus faserverstärktem Material hergestellt sind. Vorzugsweise ist das gesamte Basiselement aus faserverstärktem Material hergestellt.
  • Erfindungsgemäß ist ein Versteifungselement vorgesehen, das vorzugsweise faserverstärktes Material aufweist. Das mindestens eine Versteifungselement ist flächig mit dem Haltelement des Nabenelements verbunden, wobei das Versteifungselement gleichzeitig auch in den Flügelfuß des jeweiligen Rotorflügels ragt. Das Versteifungselement bildet somit eine weitere Materiallage. Besonders bevorzugt ist es, dass zwei Versteifungselemente vorgesehen sind, die auf einander gegenüberliegenden Seiten mit dem Basiselement, insbesondere dem Nabenteil des Basiselements, verbunden sind. Das Basiselement stellt hierbei in besonders bevorzugter Ausführungsform eine mittlere Materiallage dar, wobei zumindest im Bereich des Nabenteils einander gegenüberliegend jeweils ein Versteifungselement angeordnet ist, das in den Flügelfuß ragt und flächig mit dem Basiselement verbunden ist. Zwei weitere Materiallagen sind in besonderer Ausführungsform durch die beiden Halteelemente gegeben, die wiederum an der Außenseite der Versteifungselemente angeordnet sind und einen wesentlichen Bestandteil des Nabenelements ausbilden. Die beiden Halteelemente sind einander gegenüberliegend angeordnet und vorzugsweise flächig mit den jeweiligen Oberleitern der Versteifungselemente mittelbar oder unmittelbar verbunden. Es ist zur weiteren Verbesserung der Beanspruchbarkeit des Rotorflügels möglich, weitere Zwischenlagen, insbesondere aus unterschiedlichem Material und/oder mit unterschiedlicher Ausrichtung von Fasern, vorzusehen.
  • Zusätzlich kann das mindestens eine, insbesondere beide Versteifungselemente an einer Innenseite ein Fixierelement aufweisen. Das Fixierelement ist vorzugsweise als ein sich axial erstreckender Ansatz ausgebildet. Dieser hintergreift in radialer Richtung vorzugsweise das jeweilige Haltelement.
  • Erfindungsgemäß ist mindestens ein Zusatz-Flügelelement ausgebildet, das ebenfalls faserverstärktes Material aufweist. Das mindestens eine Zusatz-Flügelelement ist mittelbar oder unmittelbar mit dem Halteelement verbunden. Ferner ist das Zusatz-Flügelelement vorzugsweise mittelbar oder unmittelbar mit dem Flügelfuß und/oder dem Nabenteil des Basiselements verbunden. Das Zusatz-Flügelelement kann ferner auch mit dem Flügelkopf insbesondere flächig verbunden sein. Hierbei ist es bevorzugt, dass das Zusatz-Flügelelement als weitere Materiallage flächig ausgebildet ist.
  • Das Zusatz-Flügelelement hat ferner an einer Innenseite ein Fixierelement, das sich wiederum teilweise axial entsprechend eines Ansatzes erstrecken kann und/oder das Halteelement insbesondere radial hintergreift.
  • Bevorzugt ist es wiederum, auch in dieser Ausführungsform zwei Zusatz-Flügelelemente vorzusehen, die an unterschiedlichen Seiten des Basiselements angeordnet sind, wobei insbesondere ein symmetrischer Aufbau bevorzugt ist, bei dem das Basiselement die Mittelebene bildet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Vakuumpumpen-Rotors ist eine weitere Materiallage vorgesehen. Hierbei ist das Zusatz-Flügelelement als inneres Zusatz-Flügelelement ausgebildet und es ist mindestens ein weiteres äußeres Zusatz-Flügelelement vorgesehen. Dieses ist vorzugsweise flächig mit dem inneren Zusatz-Flügelelement verbunden, wobei es besonders bevorzugt ist, dass die Außenabmessungen der beiden Zusatz-Flügelelemente identisch sind. Gegebenenfalls kann das äußere Zusatz-Flügelelement aber auch nur einen Teil des inneren Zusatz-Flügelelements abdecken. Auch ist es möglich, dass die Außenabmessungen des inneren Zusatz-Flügelelements kleiner sind als diejenigen des äußeren Zusatz-Flügelelements. Beispielsweise kann sich das äußere Zusatz-Flügelelement bis in den Flügelkopf hinein erstrecken und gegebenenfalls diesen sogar vollständig abdecken, wobei das innere Zusatz-Flügelelement nur im Bereich des Flügelfußes angeordnet ist und/oder gegebenenfalls nur Teile des Flügelkopfs abdeckt.
  • Vorzugsweise weisen das Basiselement und mindestens eines, vorzugsweise alle Zusatz-Flügelelemente im Wesentlichen dieselbe Außenkontur, insbesondere eine Flügel-Außenkontur, auf.
  • Erfindungsgemäß liegt das mindestens eine Versteifungselement im Bereich des Flügelfußes unmittelbar flächig an dem Basiselement und an einem der Zusatz-Flügelelemente an und ist das Versteifungselement mit diesen fest verbunden. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass das innere Zusatz-Flügelelement im Bereich des Flügelfußes oder des Flügelkopfes unmittelbar flächig an dem äußeren Zusatz-Flügelelement anliegt und vorzugsweise mit diesem verbunden ist. Der Aufbau der einzelnen Rotorflügel und auch des Nabenelements ist vorzugsweise derart mehrschichtig, dass der Aufbau symmetrisch zu dem Basiselement ist.
  • Ein üblicherweise ringförmig ausgebildetes Nabenelement weist am Umfang vorzugsweise eine Mehrzahl von insbesondere angestellten Rotorflügeln auf. Zur erfindungsgemäßen Erhöhung der Tipspeed weist das Nabenelement und/ oder die Rotorflügel faserverstärktes Material auf. Hierbei sind die Fasern vorzugsweise zu einem Großteil beanspruchungsgerecht angeordnet. Dies hat zur Folge, dass die erfindungsgemäßen Vakuumpumpenrotoren mit höheren Drehzahlen betrieben werden können. Insbesondere ist es möglich, hierdurch eine Tipspeed von mehr als 400 m/s, insbesondere mehr als 500 m/s und besonders bevorzugt mehr als 600 m/s zu erzielen.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem verwendeten Material um ein langfaserverstärktes Material mit Faserlängen von 1 bis 50mm oder um Endlosfasern mit Längen über 50 mm.
  • Die beanspruchungsgerechte Anordnung der Fasern erfolgt vorzugsweise durch eine geeignete Ausrichtung der Fasern, so dass diese die bei derart hohen Geschwindigkeiten auftretenden Kräfte und Momente aufnehmen können. Eine beanspruchungsgerechte Anordnung wird auch dadurch erzielt, dass ggf. zusätzlich je nach Art der Beanspruchung die Richtung, die Dichte, die Festigkeit und/oder die Dicke der verwendeten Fasern variiert werden. Dies ist insbesondere vom Bereich der Beanspruchung an dem Nabenelement und/oder an den Rotorflügeln abhängig. Des Weiteren ist es besonders bevorzugt, dass zur beanspruchungsgerechten Anordnung zusätzlich auch für die entsprechende Beanspruchung besonders geeignete Fasern verwendet werden.
  • Bevorzugt ist es hierbei, dass Metall-, Kunststoff- oder Kohlefasern verwendet werden. Hierbei ist es wiederum bevorzugt, im Bereich des Nabenelements oder dem dem Nabenelement zugewandten Teil der Rotorflügel ggf. Metallfasern einzusetzen, da sie ein anderes Bruchverhalten aufweisen.
  • Es können im Nabenbereich zur Stabilisierung der Lage von Fasern oder zur Schaffung von Volumen auch massive Metall- oder Kunststoffteile in das Laminat mit eingearbeitet sein. Bevorzugt ist es ferner, dass beispielsweise Kunststoff-, Kohle- und/oder Metallfasern imprägniert oder vorimprägniert werden. Hierbei ist die Imprägnierung mit Epoxidharz, Phenolharz, Bismaimiden und/ oder thermoplastischen Kunststoffen, aber auch Polyurethan bevorzugt. Des Weiteren ist es bevorzugt, die Fasern als Gewebe, als Spread Tow, als Tape-Lagen, als TFP (Tailored-Fiber-Placement) gewickelt, geflochten und/oder als Spiralgewebe anzuordnen. Ferner sind insbesondere belastungsgerechte Mischformen unterschiedlicher Faseranordnungen möglich und auch bevorzugt.
  • Zur Erzielung besonders hoher Tipspeeds ist es bevorzugt, dass mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30% der im bzw. am Nabenelement und/oder im bzw. an den Rotorflügeln vorgesehenen Fasern beanspruchungsgerecht, d.h. insbesondere in Hauptspannungsrichtung angeordnet sind. Im Flügelbereich verlaufen die Fasern vorzugsweise in radialer Richtung, um die Kräfte aufzunehmen. Im Nabenbereich sind Teile der Fasern vorzugsweise rein in Umfangsrichtung gelegt, andere Bereiche weisen aber abweichende Richtungen auf, um eine Spannungverlagerung zu ermöglichen. Der Faservolumenanteil bezogen auf das Gesamtvolumen des Nabenelements und/oder der Rotorflügel ist hierbei vorzugsweise größer als 50%, insbesondere größer als 60%.
  • Die im oder am Nabenelement angeordneten Fasern sind vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung, d.h. in Rotationsrichtung des Nabenelements angeordnet. Hierbei sind die Fasern vorzugsweise so angeordnet, dass die Fasern die Kräfte in Umfangs-Richtung aufnehmen können. Hierbei ist, bezogen auf die Umfangsrichtung, eine Abweichung in einem Winkelbereich von ± 10° bis ± 20° derart definiert, dass es sich hierbei immer noch um Fasern handelt, die im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufen.
  • In oder an den Rotorflügeln verlaufen die Fasern vorzugsweise im Wesentlichen radial. Im Bereich der Flügel müssen die Fasern so angeordnet sein, dass die Fasern die Kräfte in radialer Richtung aufnehmen. Eine Abweichung im Bereich von ± 10° bis ± 20° definiert hierbei weiterhin eine im Wesentlichen radial verlaufende Faser.
  • Insbesondere im angestellten Bereich der Flügelteile der Rotorflügel ist es bevorzugt, zusätzlich sich kreuzende Fasern zu verwenden, um eine beanspruchungsgerechte Anordnung der Fasern, z.B. gegen Verdrehen der Flügel, vorzunehmen. Die Fasern verlaufen hierbei vorzugsweise in einem Winkelbereich von ± 30° bis ± 45° gegenüber der Flügellängsachse und ± 70° bis ± 90° zueinander. Geeignet sind hierbei entsprechende Faserlagen, wie Patches oder Spread Tows. In einem Übergangsbereich zwischen den Nabenelementen und den Rotorflügeln ist es besonders bevorzugt, dass Fasern von dem Nabenelement in die Rotorflügel übergehen, so dass der Verbindungsbereich zwischen dem Nabenelement und den Rotorflügeln möglichst belastungsgerecht ausgebildet ist. Insbesondere bei einer derartigen Konstruktion ist es bevorzugt, dass das Nabenelement und die Rotorflügel einstückig ausgebildet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die Rotorflügel durch Einhängen, Einstecken in entsprechende Nuten und dergleichen mit der Nabe verbunden sind. Auch Kombinationen hiervon sind möglich, so dass zunächst eingehängte oder auf andere Art mit dem Nabenelement verbundene Flügelelemente anschließend über eine Faserlage in diesem Bereich mit dem Nabenelement verbunden werden.
  • Ein Verbinden der Fasern kann durch anschließendes Vergießen, Verharzen oder dergleichen erfolgen. Zunächst kann aber auch, um eine exakte Position der Fasern zu definieren, ein Verkleben der Fasern miteinander erfolgen. Die Fasern können auch durch Sticken, Stricken oder dergleichen in der erforderlichen Richtung fixiert oder miteinander verbunden werden.
  • Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Rotorflügel einen Anstellwinkel von 8° - 50° aufweisen können.
  • Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Vakuumpumpen-Rotoren ist es insbesondere möglich, eine hohe Tipspeed von mehr als 400 m/s, insbesondere mehr als 500 m/s und besonders bevorzugt mehr als 600 m/s zu erreichen. Dies hat den erfindungswesentlichen Vorteil, dass die Rotoren auch zum Fördern leichter Gase, wie insbesondere Helium und Wasserstoff, geeignet sind. Auch ist es hierdurch möglich, bei hohen Förderleistungen Pumpenrotoren mit geringeren Durchmessern zu realisieren.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass eines der Zusatz-Flügelelemente, insbesondere sowohl die inneren als auch die äußeren Zusatz-Flügelelemente eine Radialschicht aus einem faserverstärkten Material, insbesondere faserverstärkten Kunststoff aufweisen. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass eines der Zusatz-Flügelelemente, insbesondere die beiden äußeren Zusatz-Flügelelemente, eine Spreadtow-Gewebeschicht aufweisen.
  • Das mindestens eine Versteifungselement weist vorzugsweise ebenfalls Fasermaterial, insbesondere Kunststoff-Fasermaterial auf. Ein Teil der Fasern verläuft hierbei vorzugsweise in Umfangsrichtung. Hierdurch ist eine Tangentialschicht ausgebildet. Es ist bevorzugt, dass das mindestens eine Halteelement ebenfalls Fasern aufweist, die in Umfangsrichtung verlaufen, so dass weitere Tangentialschichten ausgebildet sind. Die insbesondere inneren Zusatz-Flügelelemente weisen als Hauptfaserrichtung in bevorzugter Ausführungsform radial verlaufende Fasern auf, so dass hierdurch Radialschichten ausgebildet sind. Bei den vorzugsweise vorgesehenen zwei äußeren Zusatz-Flügelelementen sind die Fasern gekreuzt zueinander angeordnet und insbesondere ein Spreadtow-Gewebe vorgesehen. Insbesondere durch die mehrschichtige Ausgestaltung des Vakuumpumpen-Rotors aus vorzugsweise unterschiedlichen Materiallagen mit besonders bevorzugten unterschiedlichen Ausrichtungen der Materialfasern ist es möglich, Vakuumpumpen-Rotoren herzustellen die extrem hohen Belastungen standhalten, sodass sehr hohe Tipspeeds erzielt werden können.
  • Der vorstehend beschriebene Aufbau von Vakuumpumpen-Rotoren ist auch für andere schnelldrehende Rotoren, wie sie beispielsweise im Bereich Gebläse, Ventilatoren, Gasförderung verwendet werden, möglich, wobei dies jedoch nicht zur Erfindung gehört.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Vakuumpumpen-Rotors in zusammengefügtem Zustand sowie teilweise als Explosionsdarstellung, wobei die Darstellung schematisch vereinfacht erfolgt.
  • In der Figur ist zunächst schematisch ein Teil eines mehrlagigen Vakuumpumpen-Rotors mit miteinander verbundenen Materiallagen dargestellt. Hierbei ist ein Teil eines Nabenelements 10 dargestellt. Hierbei ist nur ein Kreisringsegment des kreisringförmigen Nabenelements 10 dargestellt. Das Nabenelement 10 umgibt beispielsweise eine Rotorwelle, mit der es fest verbunden ist. Üblicherweise sind mehrere derartige ringförmige Nabenelemente in axialer Richtung hintereinander angeordnet, sodass mehrere Vakuumpumpen-Stufen ausgebildet sind und beispielsweise einen Rotor für eine Turbomolekularpumpe ausbilden. Hierdurch können die einzelnen Nabenelemente mit einer Rotorwelle verbunden sein oder selbst die Rotorwelle ausbilden, indem sie entsprechend miteinander verbunden werden. Mit dem Nabenelement 10 sind in Umfangsrichtung jeweils radial verlaufende in einem Winkel angestellte Rotorflügel 12 verbunden, wobei zur Veranschaulichung nur ein einziger Rotorflügel 12 dargestellt ist.
  • Zur Verdeutlichung des mehrschichtigen Aufbaus weist die Zeichnung ferner eine Explosionsdarstellung der einzelnen Schichten auf. Hierbei ist als mittlere Schicht ein Basiselement 14 dargestellt. Der Aufbau des gesamten Vakuumpumpen-Rotors in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist symmetrisch zu dem Basiselement 14 aufgebaut. Auf dem Basiselement 14 ist ein Versteifungselement 16 angeordnet, wobei symmetrisch zum Basiselement 14 auf der gegenüberliegenden Seite ein weiteres Versteifungselement symmetrisch zum dem dargestellten Versteifungselement 16 angeordnet ist. Entsprechendes gilt auch für die nächste Schicht, die durch ein inneres Zusatz-Flügelelement 18 ausgebildet ist, wobei das zweite Zusatz-Flügelelement 18 wiederum auf der gegenüberliegenden Seite symmetrisch zu dem Basiselement 14 vorgesehen ist. Entsprechend sind auch zwei äußere Zusatz-Flügelelemente 20 vorgesehen und wiederum symmetrisch zu dem Basiselement 14 angeordnet. Als weiteres Element sind zwei Halteelemente 22 vorgesehen, die wiederum symmetrisch zum Basiselement 14 angeordnet sind. Die Halteelemente 22 stellen hierbei die wesentlichen Elemente des Nabenelements 10 dar.
  • Das Basiselement 14, welches die Symmetrieebene ausbildet, weist in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform eine Außenkontur auf, die der Außenkontur des Flügels 12 entspricht. Das Basiselement 14 weist hierbei ein Nabenteil 24 auf, das in das Nabenelement 10 ragt bzw. zwischen den beiden Halteelementen 22 des Nabenelements 10 angeordnet ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die beiden Halteelemente 22 insbesondere ringförmig ausgebildet sind, wobei zwischen diesen beiden ringförmigen Halteelementen 22 mehrere Nabenteile entsprechend der Anzahl der Rotorflügel 12 angeordnet sind. Mit dem Nabenteil 24 ist ein Flügelfuß 26 verbunden und insbesondere einstückig ausgebildet. Der Flügelfuß 26 stellt das Verbindungselement zwischen dem Nabenteil und einem Flügelkopf 28 dar. Der Flügelkopf 28 ist hierbei der wesentliche Bestandteil des Rotorflügels 12. Das Basiselement 14 ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und weist in bevorzugter Ausführungsform ein Kohlefaservlies auf.
  • Die nächste Schicht ist durch die beiden einander gegenüberliegenden Versteifungselemente 16 ausgebildet. Die Außenkontur der Versteifungselemente 16 entspricht im dargestellten Ausführungsbeispiel der Außenkontur des Nabenteils 24 und des Flügelfußes 26. Gegebenenfalls ragt das Versteifungselement 16 nur in einen Teil des Flügelfußes 26. Das Versteifungselement weist an einer Innenseite ein Fixierelement 30 auf. Dieses ragt axial nach Außen und hintergreift jeweils die beiden Halteelemente 22. Das Versteifungselement 16 ist vorzugsweise als Tangentialschicht ausgebildet und weist insofern eine Vielzahl in Umfangsrichtung zur Aufnahme von Tangentialkräften geeignete Fasern auf. Hierbei ist der Dickengradient am Nabeninnenbereich hoch.
  • Die nächste Materiallage ist durch die beiden inneren Zusatz-Flügelelemente 18 ausgebildet. Die Außenkontur der inneren Zusatz-Flügelelemente entspricht der Außenkontur des Basiselements. Die inneren Zusatz-Flügelelemente 18 weisen ebenfalls ein Fixierelement 32 auf, das die Halteelemente 22 entsprechend dem Fixierelement 32 radial hintergreift. Vorzugsweise sind die Materialfasern der inneren Zusatz-Flügelelemente 18 radial ausgerichtet, sodass diese Schichten als Radialschichten angesehen werden können.
  • Die nächsten Materiallagen werden durch die äußeren Zusatz-Flügelelemente 20 ausgebildet. Die Außenkontur der äußeren Zusatz-Flügelelemente 20 entspricht wiederum der Außenkontur des Basiselements 14. Des Weiteren weisen auch die äußeren Zusatz-Flügelelemente 20 ein Fixierelement 34 auf, das wiederum die beiden Halteelemente 22 radial hintergreift. Bevorzugt ist es, dass die äußeren Zusatz-Flügelelemente 20 aus einem Spreadtow-Gewebe hergestellt sind.
  • Die äußere Materiallage wird durch die beiden Halteelemente 22 ausgebildet, wobei sich diese nicht in den Rotorflügel 12 hinein strecken, sondern im Wesentlichen das Nabenelement ausbilden. Auch die Halteelemente 22 weisen vorzugsweise Materialfasern, insbesondere Kunststofffasern oder Kohlenstofffasern auf.
  • Wesentlich für die Erfindung ist der mehrlagige Aufbau des Vakuumpumpen-Rotors. Die Ausgestaltung und die Materialwahl der einzelnen Lagen sind hierbei vorzugsweise derart gewählt, dass eine möglichst beanspruchungsgerechte Materialauswahl und ein beanspruchungsgerechter Faserverlauf realisiert sind. Hierdurch können Vakuumpumpen-Rotoren hergestellt werden, die äußerst hohen Beanspruchungen standhalten und insbesondere eine Tipspeed von mehr als 400 m/s, insbesondere mehr als 500 m/s und insbesondere mehr als 600 m/s realisieren können.

Claims (12)

  1. Vakuumpumpen-Rotor, insbesondere für Turbomolekularpumpen, mit
    einem Nabenelement (10) zur Verbindung mit einer Rotorwelle und/oder
    zum Ausbilden einer Rotorwelle und
    mit dem Nabenelement (10) verbundenen Rotorflügeln (12),
    wobei das Nabenelement (10) und/oder die Rotorflügel (12) mehrere Materiallagen aufweisen,
    wobei mehrere das Nabenelement (10) umgebene Rotorflügel (12) vorgesehen sind, die jeweils einen mit dem Nabenelement (10) verbundenen Flügelfuß (26) und einen mit diesem verbundenen Flügelkopf (28) aufweisen,
    wobei das Nabenelement (10) mindestens ein Halteelement (22) aufweist,
    wobei als Materiallage ein Basiselement (14), das faserverstärktes Material aufweist, vorgesehen ist, das mittelbar oder unmittelbar mit dem mindestens einen Halteelement (22) verbunden ist,
    wobei das Basiselement (14) ein im Nabenelement (10) angeordnetes Nabenteil (24) aufweist und den Fuß (26) sowie auch den Kopf (28) eines Rotorflügels ausbildet,
    wobei als weitere Materiallage/n mindestens ein Versteifungselement (16), das vorzugsweise faserverstärktes Material aufweist, vorgesehen ist, welches mit dem Halteelement (22) flächig verbunden ist und in den Flügelfuß (26) des Rotorflügels (12) ragt,
    wobei die Außenkontur des Versteifungselements (16) der Außenkontur des Nabenteils (24) und des Flügelfußes (26) entspricht,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als weitere Materiallage/n mindestens ein Zusatz-Flügelelement (18, 20), das faserverstärktes Material aufweist, vorgesehen ist, welches mit dem Halteelement (22) verbunden ist und in den Flügelfuß (26) sowie in den Flügelkopf (28) ragt,
    das Versteifungselement (16) im Bereich des Flügelfußes (26) unmittelbar flächig an dem Basiselement (14) und an dem Zusatz-Flügelelement (18, 20) anliegt und zwischen dem Basiselement und dem Zusatz-Flügelelement angeordnet ist, und dass
    das Halteelement (22) ein faserverstärktes Material aufweist.
  2. Vakuumpumpen-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Materiallagen faserverstärktes Material aufweist.
  3. Vakuumpumpen-Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenelement (10) zwei einander gegenüberliegende Halteelemente (22) aufweist, zwischen denen ein Nabenteil (24) des Basiselements (14) angeordnet ist und/oder dass das Versteifungselement (16) an einer Innenseite ein Fixierelement (30) aufweist, das sich vorzugsweise zumindest teilweise axial erstreckt und/oder das Halteelement (22) hintergreift.
  4. Vakuumpumpen-Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einander gegenüberliegende Versteifungselemente (16) auf unterschiedlichen Seiten des Basiselements (14) angeordnet sind.
  5. Vakuumpumpen-Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatz-Flügelelement (18, 20) an einer Innenseite ein Fixierelement (32) aufweist, das sich vorzugsweise zumindest teilweise axial erstreckt und/oder das Halteelement (22) hintergreift.
  6. Vakuumpumpen-Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Zusatz-Flügelelemente (18) eine Radialschicht eines faserverstärkten Materials aufweist.
  7. Vakuumpumpen-Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Zusatz-Flügelelemente (20) eine Spreadtow-Gewebeschicht aufweist.
  8. Vakuumpumpen-Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Zusatz-Flügelelemente als inneres Zusatz-Flügelelement (18) ausgebildet ist, das vorzugsweise flächig mit einem Flügelkopf (28) des Basiselements (14) verbunden ist.
  9. Vakuumpumpen-Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Zusatz-Flügelelemente als äußeres Zusatz-Flügelelement (20) ausgebildet ist, das vorzugsweise flächig mit dem inneren Zusatz-Flügelelement (18) verbunden ist.
  10. Vakuumpumpen-Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (14) und mindestens ein, vorzugsweise alle Zusatz-Flügelelemente (18, 20) im Wesentlichen dieselbe Außenkontur, insbesondere eine Flügel-Außenkontur, aufweisen.
  11. Vakuumpumpen-Rotor nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Zusatz-Flügelelement (18) im Bereich des Flügelfußes (26) und/oder des Flügelkopfes (28) unmittelbar flächig an dem äußeren Zusatz-Flügelelement (20) anliegt.
  12. Vakuumpumpen-Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor zum Basiselement (14) symmetrisch, mehrschichtig aufgebaut ist.
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