EP3786457A1 - Rotoranordnung für eine vakuumpumpe, vakuumpumpe und verfahren zum herstellen einer solchen - Google Patents

Rotoranordnung für eine vakuumpumpe, vakuumpumpe und verfahren zum herstellen einer solchen Download PDF

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EP3786457A1
EP3786457A1 EP20195315.5A EP20195315A EP3786457A1 EP 3786457 A1 EP3786457 A1 EP 3786457A1 EP 20195315 A EP20195315 A EP 20195315A EP 3786457 A1 EP3786457 A1 EP 3786457A1
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EP
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rotor
rotor body
reinforcement
pump
arrangement
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Mirko Mekota
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Pfeiffer Vacuum Technology AG
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Pfeiffer Vacuum Technology AG
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    • F05D2300/70—Treatment or modification of materials
    • F05D2300/702—Reinforcement

Definitions

  • the invention relates to a rotor arrangement for a vacuum pump, in particular for a turbo molecular pump, a vacuum pump and a method for producing such a rotor arrangement.
  • Vacuum pumps such as turbo molecular pumps, are used in different areas of technology, such as in semiconductor production, in order to create the vacuum required for the respective process.
  • a turbo molecular pump generally comprises a rotor arrangement which, when the turbo molecular pump is in operation, rotates at a very high speed in relation to a stator or a housing of the turbo molecular pump, which is typically above 10,000 revolutions per minute.
  • the rotor arrangement thus has a very high kinetic energy during operation of the turbo-molecular pump, in the event of a so-called "rotor crash" in which the rotor arrangement blocks, for example, for a short time, an extremely high torque can be applied to the housing of the turbo-molecular pump and via this further to the entire vacuum system be transferred, in which the turbo molecular pump is located.
  • rotor crash there is consequently a considerable risk of destruction and injury within the vicinity of the turbo molecular pump.
  • This problem is particularly relevant with magnetically levitated turbomolecular pumps when they have a bell-shaped rotor arrangement in order to accommodate the magnetic bearing and possibly also a drive motor of the rotor arrangement in a cavity within the bell-shaped rotor arrangement.
  • a bell-shaped rotor arrangement can suddenly break apart into a few parts, each of which has a very high kinetic energy.
  • Such a breaking apart of the rotor arrangement is also referred to as a “burst”.
  • a rotor arrangement according to the invention for a vacuum pump, in particular for a turbomolecular pump, has a rotor body which is wrapped around the axis of rotation at least once with a reinforcing tape on its outer circumference.
  • the presence of the reinforcement band on the outer circumference of the rotor body improves the strength of the rotor arrangement against breaking apart. This reduces the risk of danger in the vicinity of the vacuum pump.
  • the reinforcement band In the event of a breakup or "burst" of the rotor arrangement, the reinforcement band has the effect that the individual parts of the rotor arrangement are still held together for a certain period of time and the burst is thus extended over a longer period of time.
  • the transfer of the kinetic energy of the rotor arrangement or a corresponding torque to a housing of the vacuum pump also takes place over an extended period of time, as a result of which the total torque exerted on the vacuum pump is reduced and there is less risk of the vacuum pump tearing off a pump flange, for example.
  • the reinforcement band therefore reduces the risk of destruction and injury in the vicinity of the vacuum pump, even in the event of a rotor crash or burst.
  • the wrapping of the rotor body with the armoring tape can be attached to the outer circumference of the rotor body in a simple manner, and there is no need to produce prefabricated tubes or rings that are, for example, shrunk onto the rotor body as reinforcement.
  • the armoring of the rotor body can thus be achieved in a cost-effective manner by means of the armoring band.
  • the reinforcement tape can comprise a carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the carbon fibers or carbon fibers of the CFRP are embedded in a plastic matrix which, for example, can comprise epoxy resin, thermosetting plastics or thermoplastics.
  • the fibers can be incorporated into the plastic matrix in such a way that overall there is a flexible reinforcement tape that can be unrolled like an adhesive packet tape when the reinforcement tape is wrapped around the rotor body.
  • the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) has a low mass despite a high degree of rigidity.
  • the rotor arrangement comprises at least two pump stages which are arranged spaced apart along the axis of rotation and each have active pumping elements which are located on the outer circumference of the rotor body are located.
  • the reinforcement band can be arranged in an intermediate space which extends in the axial direction between the two pump stages.
  • the rotor arrangement preferably comprises more than two such pump stages, and in each case a reinforcement band is wound around the rotor body in at least two and in particular in all intermediate spaces which extend in the axial direction between the pump stages.
  • the strength of the rotor assembly can be improved in an efficient manner, since the rotor assembly can initially be produced without armouring tape and the spaces between the pumping stages are then accessible for wrapping with the armouring tape are.
  • the number of gaps in which the rotor body is to be wrapped with the armoring tape can be selected on the basis of the intended operating parameters of the rotor arrangement such as, for example, its nominal speed.
  • the reinforcement of the rotor body can thus be flexibly adapted to the conditions during operation of the vacuum pump by wrapping it in one or more intermediate spaces between the pump stages.
  • a rotor body with pump stages is not mandatory according to the invention.
  • One or more reinforcement strips can also be provided on a rotor body without pump stages.
  • a rotor body can have one or more axial regions with one or more pump stages and at least one region without pump stages, and one or more reinforcing strips can be arranged in at least one such region without pump stages.
  • the reinforcement band can also be in several layers and / or next to one another at several positions that differ from one another in the axial direction, in each case at least once completely around the outer circumference of the rotor body be wrapped. Different axial positions can be predetermined by different intermediate spaces between pump stages. But this is not mandatory.
  • a plurality of reinforcing strips can also be arranged in a single space between two immediately successive pump stages on different axial pump stages or on a rotor body without pump stages or on an area of a rotor body that does not include any pump stages.
  • the rotor body can furthermore be wrapped around its outer circumference at a plurality of positions which differ from one another in the axial direction at least once completely circumferentially with respective reinforcing tapes.
  • the number of windings of the respective reinforcement tapes can be different. This applies in general, i.e. regardless of whether the reinforcement strips are arranged in different spaces between individual pump stages or generally in several different axial positions.
  • the rotor body is wrapped helically or helically with one or more layers of the reinforcement tape in one or more axial areas.
  • a reinforcement band does not only have to be in one axial position.
  • the number of windings of a respective reinforcement tape can be selected on the basis of the intended operating parameters of the rotor arrangement, such as, for example, its nominal speed.
  • the number of windings or layers of the reinforcement tape can thus be increased at those points along the outer circumference of the rotor body that are viewed as particularly critical for a burst of the rotor body or when such a burst occurs, for example at points with a large or large outer circumference of the rotor body Dimensions.
  • the entire thickness of the reinforcement can thus varied flexibly along the outer circumference of the rotor body or in the axial direction along the axis of rotation and adapted to the expected risk of a burst.
  • the rotor body can be bell-shaped and have an interior, the cross section of which increases at right angles to the axis of rotation in the axial direction starting from a high vacuum side of the rotor arrangement. Since the cross section of the interior of such a bell-shaped rotor body increases in the axial direction, the outer circumference of the rotor body also increases in the same direction. Wrapping by means of a reinforcement tape to produce reinforcement of the rotor body is particularly advantageous in such a bell-shaped rotor, since otherwise a large number of reinforcements with different diameters would first have to be produced when reinforcing pipes or reinforcing rings are used.
  • the rotor body is preferably wrapped in one or more intermediate spaces between pump stages which are furthest away from the high vacuum side of the rotor arrangement, in each case with a reinforcing tape.
  • the rotor body can be designed in one piece.
  • wrapping by means of the reinforcement tape is a simple and inexpensive way of attaching reinforcement to the rotor body at all.
  • the reinforcement tape can be self-adhesive and / or, after being wrapped around, can be connected to the rotor body by the action of an elevated temperature that is greater than the ambient temperature be.
  • an elevated temperature for example by "baking" the reinforcement band with the rotor body in an oven, a particularly firm connection can also be established between the reinforcement band and the rotor body.
  • the way of connecting - e.g. B. self-adhesive or "baked" - may depend on the particular design of the reinforcement tape.
  • the invention also relates to a vacuum pump, which is in particular a turbo-molecular pump and which has a rotor arrangement as described above.
  • Another object of the invention is a method for producing a rotor arrangement for a vacuum pump, in which the rotor body is wrapped around the axis of rotation at least once completely with a reinforcing tape on its outer circumference.
  • a reinforcement can be produced on the rotor body in a simple and inexpensive manner, so that its strength against a burst is improved.
  • the effort involved in producing the reinforcement is reduced when the reinforcement tape is wrapped, especially in comparison to reinforcement pipes or reinforcement rings, in that the diameter of such reinforcement pipes or reinforcement rings must be precisely adapted to the diameter of the rotor body and such adaptation is not required when wrapping with a reinforcement tape .
  • the reinforcement tape preferably comprises a carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the reinforcement band can be wrapped around the outer circumference of the rotor body at least once completely in a number of layers and / or next to one another at several positions that differ from one another in the axial direction.
  • the rotor arrangement can furthermore comprise more than two pump stages which are arranged spaced apart along the axis of rotation and which each have active pumping elements which are arranged on the outer circumference of the rotor body.
  • a reinforcement band can be wrapped around the rotor body. Wrapping the rotor body with several layers and / or at different points in the axial direction along the rotor body enables flexible adaptation of the reinforcement with regard to its position and thickness to the operating properties of the rotor arrangement and the vacuum pump.
  • a number of windings of a respective armouring tape can be selected as a function of a nominal speed of the rotor arrangement.
  • the thickness of the reinforcement can thus be adapted to the nominal speed of the rotor arrangement, so that the reinforcement is strong enough on the one hand and on the other hand no unnecessary additional mass is applied to the rotor body by an excessively strong reinforcement.
  • the reinforcement tape can be wrapped around the rotor body as a self-adhesive tape and / or, after being wrapped, can be connected to the rotor body by exposure to an elevated temperature that is greater than the ambient temperature. If the reinforcement tape is self-adhesive, there is no additional effort for the Connecting the reinforcement band to the rotor body, for example by means of adhesive, while the connection between the reinforcement band and the rotor body can alternatively be established or additionally strengthened by the action of an elevated temperature after wrapping.
  • FIG 1A shows a possible example of a rotor arrangement 11 according to the invention for a turbo molecular pump.
  • the rotor assembly 11 rotates at a speed that is, for example, greater than 10,000 revolutions per minute about an axis of rotation 13.
  • the rotor assembly 11 has a rotor body 15 which is bell-shaped so that the rotor assembly 11 comprises an interior 17 , the cross section of which at right angles to the axis of rotation 13 in the axial direction starting from a high vacuum side of the rotor assembly 11 - in Figure 1A so from top to bottom - increases.
  • the high vacuum side of the turbomolecular pump for which the rotor assembly 11 is provided is located in FIG Figure 1A above. Because of the bell-shaped design of the rotor body 15, the rotor arrangement 11 is also referred to as a bell-shaped rotor.
  • the rotor arrangement 11 On the outside of the rotor body 15, the rotor arrangement 11 comprises a plurality of pump stages 19, which comprise rotor disks 21 as pump-active elements.
  • a reinforcement 27 is attached to an outer circumference 25 of the rotor body 15.
  • the reinforcement 27 comprises three layers of a reinforcement band 29, which is completely wrapped around the outer circumference 25 of the rotor body 15 three times around the axis of rotation 13.
  • Figure 1B shows an enlarged section of Figure 1A , in which the three layers of the reinforcement tape 29 in the space 23 between the two lowermost rotor disks 21 can be seen.
  • the three layers of the reinforcement band 29 form the reinforcement 27 on the outer circumference 25 of the rotor body 15 between those two rotor disks 21 which are furthest away from the high vacuum side of the rotor assembly 11 and in their space 23 the outer diameter of the rotor body 15 is greater than in all of them other spaces 23 is.
  • the reinforcement 27 is thus located in a region of the rotor body 15 in which it has a greater moment of inertia in relation to the other spaces 23. It is advantageous to provide the reinforcement 27 between the two lowermost rotor disks 21, since the reinforcement 27 at this point improves the strength of the rotor body 15 against a breaking apart or a burst.
  • the reinforcement 27 in the embodiment of Figures 1A and 1B is only shown between the two lowest rotor disks 21, the reinforcement 27 can also be arranged in further spaces 23 between the rotor disks 21 by wrapping one or more layers of the reinforcement tape 29 in the respective space 23 around the outer circumference 25 of the rotor body 15. It is also possible that a respective reinforcement 27 with at least a layer of the reinforcement tape 29 is attached in all spaces 23 between the rotor disks 21.
  • the reinforcement tape 29 consists of a flexible plastic material which is self-adhesive and is unrolled in a manner similar to an adhesive package tape.
  • the reinforcement band 29 comprises a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) in which fibers are embedded in a plastic matrix in order to increase the strength of the reinforcement band 29.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the CFRP reinforcement tape 29 is completely wrapped around the axis of rotation 13 three times around the outer circumference 25 of the rotor body 15.
  • the reinforcement 27 by means of the reinforcement band 29 improves the strength of the rotor arrangement 11, and there is less elongation under the centrifugal force at high speeds. As a result, the rotor arrangement 11 can achieve a higher nominal speed than a corresponding rotor arrangement without the reinforcement 27.

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Abstract

Eine Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, weist einem Rotorkörper auf, der im Betrieb der Vakuumpumpe um eine Drehachse rotiert. Der Rotorkörper ist an seinem Außenumfang zumindest einmal vollständig um die Drehachse umlaufend mit einem Armierungsband umwickelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für ein Turbomolekularpumpe, eine Vakuumpumpe und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Rotoranordnung.
  • Vakuumpumpen, wie zum Beispiel Turbomolekularpumpen, werden in unterschiedlichen Bereichen der Technik, wie z.B. in der Halbleiterherstellung, eingesetzt, um ein für den jeweiligen Prozess notwendiges Vakuum zu schaffen. Eine Turbomolekularpumpe umfasst allgemein eine Rotoranordnung, die sich im Betrieb der Turbomolekularpumpe bezogen auf einen Stator bzw. ein Gehäuse der Turbomolekularpumpe mit einer sehr hohen Drehzahl dreht, die typischerweise oberhalb von 10.000 Umdrehungen pro Minute liegt.
  • Da die Rotoranordnung während des Betriebs der Turbomolekularpumpe somit eine sehr hohe kinetische Energie aufweist, kann im Fall eines sogenannten "Rotorcrashs", bei dem die Rotoranordnung beispielsweise kurzfristig blockiert, ein extrem hohes Drehmoment auf das Gehäuse der Turbomolekularpumpe und über dieses weiter auf die gesamte Vakuumanlage übertragen werden, in der sich die Turbomolekularpumpe befindet. Im Fall eines Rotorcrashs besteht folglich eine erhebliche Zerstörungs- und Verletzungsgefahr innerhalb der Umgebung der Turbomolekularpumpe.
  • Dieses Problem ist besonders relevant bei magnetgelagerten Turbomolekularpumpen, wenn diese eine glockenförmige Rotoranordnung aufweisen, um die Magnetlagerung und gegebenenfalls auch einen Antriebsmotor der Rotoranordnung in einem Hohlraum innerhalb der glockenförmigen Rotoranordnung unterzubringen. Bei einem Rotorcrash kann eine solche glockenförmige Rotoranordnung schlagartig in wenige Teile auseinanderbrechen, die jeweils eine sehr hohe kinetische Energie aufweisen. Ein solches Auseinanderbrechen der Rotoranordnung wird auch als "Burst" bezeichnet.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, eine Vakuumpumpe und ein Verfahren zum Herstellen einer Rotoranordnung zu schaffen, bei welchen auf einfache Weise eine verbesserte Festigkeit der Rotoranordnung gegenüber einem Auseinanderbrechen erreicht wird. Ferner soll die Gefährdung innerhalb der Umgebung der Vakuumpumpe auch im Falle eines Auseinanderbrechens der Rotoranordnung verringert sein.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, weist einen Rotorkörper auf, der an seinem Außenumfang zumindest einmal vollständig um die Drehachse umlaufend mit einem Armierungsband umwickelt ist.
  • Durch das Vorhandensein des Armierungsbandes am Außenumfang des Rotorkörpers wird die Festigkeit der Rotoranordnung gegenüber einem Auseinanderbrechen verbessert. Dadurch verringert sich das Gefährdungsrisiko in der Umgebung der Vakuumpumpe.
  • Im Fall eines Auseinanderbrechens oder "Bursts" der Rotoranordnung bewirkt das Armierungsband, dass die einzelnen Teile der Rotoranordnung noch für eine gewisse Zeitdauer zusammengehalten werden und der Burst somit über einen längeren Zeitraum ausgedehnt wird. Dadurch erfolgt die Übertragung der kinetischen Energie der Rotoranordnung bzw. eines entsprechenden Drehmoments auf ein Gehäuse der Vakuumpumpe ebenfalls über eine verlängerte Zeitdauer, wodurch das Drehmoment, das insgesamt auf die Vakuumpumpe ausgeübt wird, verringert wird und eine geringere Gefahr beispielsweise eines Abreißens der Vakuumpumpe von einem Pumpenflansch besteht. Insgesamt wird daher durch das Armierungsband die Zerstörungs- und Verletzungsgefahr in der Umgebung der Vakuumpumpe auch im Fall eines Rotorcrashs bzw. Bursts verringert.
  • Darüber hinaus kann die Umwicklung des Rotorkörpers mit dem Armierungsband an dem Außenumfang des Rotorkörpers auf einfache Weise angebracht werden, und es müssen keine vorgefertigten Rohre oder Ringe hergestellt werden, die als Armierung am Rotorkörper beispielsweise aufgeschrumpft werden. Die Armierung des Rotorkörpers lässt sich somit mittels des Armierungsbandes auf kostengünstige Weise erreichen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
  • Das Armierungsband kann einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) umfassen. Die Kohlenstofffasern bzw. Carbonfasern des CFK sind dabei in eine Kunststoffmatrix eingebettet, die beispielsweise Epoxidharz, Duroplaste oder Thermoplaste umfassen kann. Die Einbindung der Fasern in die Kunststoffmatrix kann dabei derart erfolgen, dass insgesamt ein flexibles Armierungsband vorliegt, das sich ähnlich wie ein Paketklebeband abrollen lässt, wenn das Armierungsband um den Rotorkörper gewickelt wird. Der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff (CFK) weist eine geringe Masse trotz einer hohen Steifigkeit auf. Durch das Einbinden des CFK in das Armierungsband lässt sich somit die Festigkeit des Rotorkörpers und der Rotoranordnung insgesamt verbessern.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Rotoranordnung mindestens zwei Pumpstufen, die entlang der Drehachse beabstandet angeordnet sind und jeweils pumpaktive Elemente aufweisen, die sich an dem Außenumfang des Rotorkörpers befinden. Bei dieser Ausführungsform kann das Armierungsband in einem Zwischenraum angeordnet sein, welcher sich in axialer Richtung zwischen den zwei Pumpstufen erstreckt. Bevorzugt umfasst die Rotoranordnung mehr als zwei solcher Pumpstufen, und in mindestens zwei sowie insbesondere in allen Zwischenräumen, die sich in axialer Richtung zwischen den Pumpstufen erstrecken, ist jeweils ein Armierungsband um den Rotorkörper gewickelt.
  • Durch die Umwicklung des Rotorkörpers mit dem Armierungsband in einem Zwischenraum oder mehreren Zwischenräumen zwischen den Pumpstufen lässt sich die Festigkeit der Rotoranordnung auf effiziente Weise verbessern, da die Rotoranordnung zunächst ohne Armierungsband hergestellt werden kann und die Zwischenräume zwischen den Pumpstufen anschließend zur Umwicklung mit dem Armierungsband zugänglich sind. Die Anzahl der Zwischenräume, in denen der Rotorkörper mit dem Armierungsband umwickelt werden soll, kann anhand der vorgesehenen Betriebsparameter der Rotoranordnung wie beispielsweise deren Nenndrehzahl ausgewählt werden. Somit kann die Armierung des Rotorkörpers durch die Umwicklung in einem oder mehreren Zwischenräumen zwischen den Pumpstufen flexibel an die Bedingungen während des Betriebs der Vakuumpumpe angepasst werden.
  • Ein Rotorkörper mit Pumpstufen ist erfindungsgemäß nicht zwingend. Ein oder mehrere Armierungsbänder können auch an einem Rotorkörper ohne Pumpstufen vorgesehen sein. Alternativ kann ein Rotorkörper einen oder mehrere axiale Bereiche mit einer oder mehreren Pumpstufen sowie zumindest einen Bereich ohne Pumpstufen aufweisen, und ein oder mehrere Armierungsbändern können in zumindest einem derartigen Bereich ohne Pumpstufen angeordnet sein.
  • Das Armierungsband kann ferner in mehreren Lagen und/oder nebeneinander an mehreren in axialer Richtung voneinander verschiedenen Positionen jeweils zumindest einmal vollständig umlaufend um den Außenumfang des Rotorkörpers gewickelt sein. Unterschiedliche axiale Positionen können durch unterschiedliche Zwischenräume zwischen Pumpstufen vorgegeben sein. Dies ist aber nicht zwingend. Mehrere Armierungsbänder können auch in einem einzigen Zwischenraum zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Pumpstufen an unterschiedlichen axialen Pumpstufen oder an einem Rotorkörper ohne Pumpstufen oder an einem keine Pumpstufen umfassenden Bereich eines Rotorkörpers angeordnet sein.
  • Der Rotorkörper kann ferner an seinem Außenumfang an mehreren in axialer Richtung voneinander verschiedenen Positionen zumindest einmal vollständig umlaufend mit jeweiligen Armierungsbändern umwickelt sein. Die Anzahl der Wicklungen der jeweiligen Armierungsbänder kann verschieden sein. Dies gilt allgemein, d.h. unabhängig davon, ob die Armierungsbänder in unterschiedlichen Zwischenräumen zwischen einzelnen Pumpstufen oder allgemein an mehreren unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet sind.
  • Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Rotorkörper an einem oder mehreren axialen Bereichen jeweils helikal oder schraubenförmig mit einer oder mehreren Lagen des Armierungsbandes umwickelt ist. Ein Armierungsband muss sich also nicht lediglich an einer axialen Position befinden.
  • Die Anzahl der Wicklungen eines jeweiligen Armierungsbandes kann anhand der vorgesehenen Betriebsparameter der Rotoranordnung wie beispielsweise deren Nenndrehzahl ausgewählt werden.
  • Die Anzahl der Wicklungen bzw. Lagen des Armierungsbandes kann somit an solchen Stellen entlang des Außenumfangs des Rotorkörpers erhöht werden, die für einen Burst des Rotorkörpers oder beim Auftreten eines solchen als besonders kritisch angesehen werden, beispielsweise an Stellen mit großem Außenumfang des Rotorkörpers bzw. großer Masse. Die gesamte Dicke der Armierung kann somit entlang des Außenumfangs des Rotorkörpers bzw. in axialer Richtung entlang der Drehachse flexibel variiert und an das zu erwartende Risiko eines Bursts angepasst werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rotorkörper glockenförmig ausgebildet sein und einen Innenraum aufweisen, dessen Querschnitt rechtwinklig zu der Drehachse in axialer Richtung ausgehend von einer Hochvakuumseite der Rotoranordnung zunimmt. Da der Querschnitt des Innenraums eines solchen glockenförmigen Rotorkörpers in axialer Richtung zunimmt, nimmt auch der Außenumfang des Rotorkörpers in gleicher Richtung zu. Die Umwicklung mittels eines Armierungsbandes zum Herstellen einer Armierung des Rotorkörpers ist bei einem solchen glockenförmigen Rotor besonders vorteilhaft, da ansonsten bei der Verwendung von Armierungsrohren oder Armierungsringen zunächst eine Vielzahl von Armierungen mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt werden müsste. Bei der Umwicklung mittels des Armierungsbandes ist der Aufwand zum Herstellen der Armierung folglich insbesondere bei glockenförmigen Rotorkörpern verringert. Dabei wird der Rotorkörper vorzugsweise in einem oder mehreren Zwischenräumen zwischen Pumpstufen, die von der Hochvakuumseite der Rotoranordnung am weitesten entfernt sind, jeweils mit einem Armierungsband umwickelt.
  • Darüber hinaus kann der Rotorkörper einstückig ausgebildet sein. Die Umwicklung mittels des Armierungsbandes ist bei einem solchen Rotorkörper eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, um überhaupt eine Armierung an dem Rotorkörper anzubringen. Beispielsweise ist eine Anbringung von Armierungsrohren oder Armierungsringen in den Zwischenräumen zwischen Pumpstufen eines einstückigen Rotors äußerst schwierig wenn nicht unmöglich.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Armierungsband selbstklebend sein und/oder nach dem Umwickeln durch eine Einwirkung einer erhöhten Temperatur, die größer als die Umgebungstemperatur ist, mit dem Rotorkörper verbunden sein. Bei einem selbstklebenden Armierungsband ist das Umwickeln des Rotorkörpers mit besonders geringem Aufwand verbunden, da kein Verbindungsmittel wie etwa Klebstoff zwischen dem Armierungsband und dem Rotorkörper verwendet werden muss. Durch die Einwirkung einer erhöhten Temperatur, beispielsweise durch "Verbacken" des Armierungsbandes mit dem Rotorkörper in einem Ofen, kann ebenfalls eine besonders feste Verbindung zwischen dem Armierungsband und dem Rotorkörper hergestellt werden. Die Art und Weise des Verbindens - z. B. selbstklebend oder "Verbacken" - kann von der jeweiligen Ausgestaltung des Armierungsbandes abhängig sein.
  • Außerdem betrifft die Erfindung eine Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Turbomolekularpumpe handelt und die eine Rotoranordnung aufweist, wie sie vorstehend beschrieben ist.
  • Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Rotoranordnung für eine Vakuumpumpe, bei dem der Rotorkörper an seinem Außenumfang zumindest einmal vollständig um die Drehachse umlaufend mit einem Armierungsband umwickelt wird.
  • Mit einem solchen Verfahren lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise eine Armierung an dem Rotorkörper herstellen, so dass dessen Festigkeit gegenüber einem Burst verbessert wird. Der Aufwand zur Herstellung der Armierung ist bei der Umwicklung mit dem Armierungsband insbesondere dadurch im Vergleich zu Armierungsrohren oder Armierungsringen verringert, dass der Durchmesser solcher Armierungsrohre oder Armierungsringe an den Durchmesser des Rotorkörpers exakt angepasst werden muss und eine solche Anpassung bei der Umwicklung mit einem Armierungsband entfällt. Die vorstehend genannten Vorteile und die Offenbarung, die für die erfindungsgemäße Rotoranordnung und deren Ausführungsformen beschrieben sind, gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Das Armierungsband umfasst vorzugsweise einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK).
  • Das Armierungsband kann bei einer Ausführungsform des Verfahrens in mehreren Lagen und/oder nebeneinander an mehreren in axialer Richtung voneinander verschiedenen Positionen jeweils zumindest einmal vollständig umlaufend um den Außenumfang des Rotorkörpers gewickelt werden. Die Rotoranordnung kann ferner mehr als zwei Pumpstufen umfassen, die entlang der Drehachse beabstandet angeordnet sind und die jeweils pumpaktive Elemente aufweisen, die an dem Außenumfang des Rotorkörpers angeordnet sind. In mindestens zwei und insbesondere in allen Zwischenräumen, welche sich in axialer Richtung zwischen den Pumpstufen erstrecken, kann jeweils ein Armierungsband um den Rotorkörper gewickelt werden. Das Umwickeln des Rotorkörpers mit mehreren Lagen und/oder an unterschiedlichen Stellen in axialer Richtung entlang des Rotorkörpers ermöglicht eine flexible Anpassung der Armierung bezüglich deren Position und Dicke an die Betriebseigenschaften der Rotoranordnung und der Vakuumpumpe.
  • Eine Anzahl von Wicklungen eines jeweiligen Armierungsbandes kann in Abhängigkeit von einer Nenndrehzahl der Rotoranordnung gewählt werden. Die Stärke der Armierung kann somit an die Nenndrehzahl der Rotoranordnung angepasst werden, so dass die Armierung einerseits stark genug ist und andererseits keine unnötige zusätzliche Masse durch eine zu starke Armierung auf dem Rotorkörper aufgebracht wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Armierungsband als selbstklebendes Band um den Rotorkörper gewickelt werden und/oder nach dem Umwickeln durch eine Einwirkung einer erhöhten Temperatur, die größer als die Umgebungstemperatur ist, mit dem Rotorkörper verbunden werden. Wenn das Armierungsband selbstklebend ist, entfällt zusätzlicher Aufwand zum Verbinden des Armierungsbandes mit dem Rotorkörper, beispielsweise mittels Klebstoff, während durch die Einwirkung einer erhöhten Temperatur nach dem Umwickeln die Verbindung zwischen dem Armierungsband und dem Rotorkörper alternativ hergestellt oder zusätzlich verfestigt werden kann.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:
    • Fig. 1A
    eine erfindungsgemäße Rotoranordnung und
    Fig. 1B
    einen Ausschnitt der in Fig. 1A gezeigten Rotoranordnung.
  • Fig. 1A zeigt ein mögliches Beispiel für eine erfindungsgemäße Rotoranordnung 11 für eine Turbomolekularpumpe. Im Betrieb der Turbomolekularpumpe rotiert die Rotoranordnung 11 mit einer Drehzahl, die beispielsweise größer als 10.000 Umdrehungen pro Minute ist, um eine Drehachse 13. Die Rotoranordnung 11 weist einen Rotorkörper 15 auf, der glockenförmig ausgebildet ist, so dass die Rotoranordnung 11 einen Innenraum 17 umfasst, dessen Querschnitt rechtwinklig zu der Drehachse 13 in axialer Richtung ausgehend von einer Hochvakuumseite der Rotoranordnung 11 - in Fig. 1A also von oben nach unten - zunimmt. Die Hochvakuumseite der Turbomolekularpumpe, für welche die Rotoranordnung 11 vorgesehen ist, befindet sich in Fig. 1A oben. Aufgrund der glockenförmigen Ausbildung des Rotorkörpers 15 wird die Rotoranordnung 11 auch als Glockenrotor bezeichnet.
  • An der Außenseite des Rotorkörpers 15 umfasst die Rotoranordnung 11 mehrere Pumpstufen 19, die als pumpaktive Elemente Rotorscheiben 21 umfassen. Die Rotorscheiben 21 bilden mit jeweiligen, nicht dargestellten Statorscheiben eine jeweilige Pumpstufe der Turbomolekularpumpe, für welche die Rotoranordnung 11 vorgesehen ist. Zwischen den Rotorscheiben 21 befindet sich jeweils ein Zwischenraum 23, in welchem jeweils nach Einbau der Rotoranordnung 11 in die Turbomolekularpumpe eine Statorscheibe vorhanden ist.
  • In dem Zwischenraum 23 zwischen den beiden untersten Rotorscheiben 21 ist an einem Außenumfang 25 des Rotorkörpers 15 eine Armierung 27 angebracht. Die Armierung 27 umfasst drei Lagen eines Armierungsbandes 29, das um den Außenumfang 25 des Rotorkörpers 15 dreimal vollständig um die Drehachse 13 umlaufend gewickelt ist.
  • Fig. 1B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 1A, in welchem die drei Lagen des Armierungsbandes 29 in dem Zwischenraum 23 zwischen den beiden untersten Rotorscheiben 21 zu erkennen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die drei Lagen des Armierungsbandes 29 die Armierung 27 am Außenumfang 25 des Rotorkörpers 15 zwischen denjenigen zwei Rotorscheiben 21, die von der Hochvakuumseite der Rotoranordnung 11 am weitesten entfernt sind und in deren Zwischenraum 23 der Außendurchmesser des Rotorkörpers 15 größer als in allen anderen Zwischenräumen 23 ist. Die Armierung 27 befindet sich somit in einem Bereich des Rotorkörpers 15, in welchem dieser bezogen auf die anderen Zwischenräume 23 ein größeres Trägheitsmoment aufweist. Es ist vorteilhaft, die Armierung 27 zwischen den beiden untersten Rotorscheiben 21 vorzusehen, da die Armierung 27 an dieser Stelle die Festigkeit des Rotorkörpers 15 gegenüber einem Auseinanderbrechen bzw. einem Burst am meisten verbessert.
  • Während die Armierung 27 im Ausführungsbeispiel von Fig. 1A und 1B nur zwischen den beiden untersten Rotorscheiben 21 dargestellt ist, kann die Armierung 27 auch in weiteren Zwischenräumen 23 zwischen den Rotorscheiben 21 angeordnet sein, indem eine oder mehrere Lagen des Armierungsbandes 29 in dem jeweiligen Zwischenraum 23 um den Außenumfang 25 des Rotorkörpers 15 gewickelt werden. Es ist auch möglich, dass eine jeweilige Armierung 27 mit zumindest einer Lage des Armierungsbandes 29 in allen Zwischenräumen 23 zwischen den Rotorscheiben 21 angebracht wird.
  • Das Armierungsband 29 besteht aus einem flexiblen Kunststoffmaterial, das selbstklebend ist und ähnlich wie ein Paketklebeband abgerollt wird. Das Armierungsband 29 umfasst einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK), bei dem Fasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, um die Festigkeit des Armierungsbandes 29 zu verstärken. Zur Herstellung der Armierung 27 wird das CFK-Armierungsband 29 dreimal vollständig um die Drehachse 13 umlaufend um den Außenumfang 25 des Rotorkörpers 15 gewickelt. Durch die Armierung 27 mittels des Armierungsbandes 29 wird die Festigkeit der Rotoranordnung 11 verbessert, und es tritt eine geringere Dehnung unter der Fliehkraft bei hohen Drehzahlen auf. Dadurch kann die Rotoranordnung 11 eine höhere Nenndrehzahl als eine entsprechende Rotoranordnung ohne die Armierung 27 erreichen.
  • Falls im Betrieb der Turbomolekularpumpe dennoch ein Rotorcrash mit einem Auseinanderbrechen des Rotorkörpers 15 bzw. einem Burst auftreten sollte, werden die Bruchstücke des Rotorkörpers 15 durch die Armierung 27 noch für eine gewisse Zeitdauer zusammengehalten, so dass die gesamte Zeitdauer verlängert wird, über welche die kinetische Energie bzw. das Drehmoment der Rotoranordnung 11 auf ein Gehäuse der Turbomolekularpumpe bzw. an die Umgebung der Rotoranordnung 11 und der Turbomolekularpumpe übertragen wird. Folglich wird das Drehmoment reduziert, das bei einem Rotorcrash auf den Stator und das Gehäuse der Turbomolekularpumpe insgesamt einwirkt. Somit wird die Verletzungs-und Zerstörungsgefahr bei einem Rotorcrash durch die Armierung 27 mittels des Armierungsbandes 29 verringert.
    • Bezugszeichenliste
    • 11
    Rotoranordnung
    13
    Drehachse
    15
    Rotorkörper
    17
    Innenraum
    19
    Pumpstufe
    21
    Rotorscheibe
    23
    Zwischenraum
    25
    Außenumfang
    27
    Armierung
    29
    Armierungsband

Claims (15)

  1. Rotoranordnung (11) für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, mit einem Rotorkörper (15), der im Betrieb der Vakuumpumpe um eine Drehachse (13) rotiert, wobei der Rotorkörper (15) an seinem Außenumfang (25) zumindest einmal vollständig um die Drehachse (13) umlaufend mit einem Armierungsband (29) umwickelt ist.
  2. Rotoranordnung (11) nach Anspruch 1, wobei
    das Armierungsband (29) einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) umfasst.
  3. Rotoranordnung (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei
    die Rotoranordnung (11) mindestens zwei Pumpstufen (19) umfasst, die entlang der Drehachse (13) beabstandet angeordnet sind und jeweils pumpaktive Elemente (21) umfassen, welche sich an dem Außenumfang (25) des Rotorkörpers (15) befinden, und
    das Armierungsband (29) in einem Zwischenraum (23) angeordnet ist, welcher sich in axialer Richtung zwischen den zwei Pumpstufen (19) erstreckt.
  4. Rotoranordnung (11) nach Anspruch 3, wobei
    die Rotoranordnung (11) mehr als zwei Pumpstufen (19) umfasst, die entlang der Drehachse (13) beabstandet angeordnet sind, und
    in mindestens zwei und insbesondere in allen Zwischenräumen (23), welche sich in axialer Richtung zwischen den Pumpstufen (19) erstrecken, jeweils ein Armierungsband (29) um den Rotorkörper (15) gewickelt ist.
  5. Rotoranordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Armierungsband (29) in mehreren Lagen und/oder nebeneinander an mehreren in axialer Richtung voneinander verschiedenen Positionen jeweils zumindest einmal vollständig umlaufend um den Außenumfang (25) des Rotorkörpers (15) gewickelt ist.
  6. Rotoranordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
    der Rotorkörper (15) an seinem Außenumfang (25) an mehreren in axialer Richtung voneinander verschiedenen Positionen zumindest einmal vollständig umlaufend mit jeweiligen Armierungsbändern (29) umwickelt ist und
    die Anzahl der Wicklungen der jeweiligen Armierungsbänder (29) verschieden ist.
  7. Rotoranordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rotorkörper (15) glockenförmig ausgebildet ist und einen Innenraum (17) aufweist, dessen Querschnitt rechtwinklig zu der Drehachse (13) in axialer Richtung ausgehend von einer Hochvakuumseite der Rotoranordnung (11) zunimmt.
  8. Rotoranordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rotorkörper (15) einstückig ausgebildet ist.
  9. Rotoranordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Armierungsband (29) selbstklebend ist und/oder nach dem Umwickeln durch eine Einwirkung einer erhöhten Temperatur, die größer als die Umgebungstemperatur ist, mit dem Rotorkörper (15) verbunden ist.
  10. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einer Rotoranordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  11. Verfahren zum Herstellen einer, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten, Rotoranordnung (11) für eine Vakuumpumpe, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, wobei die Rotoranordnung (11) einen Rotorkörper (15) aufweist, der im Betrieb der Vakuumpumpe um eine Drehachse (13) rotiert,
    wobei das Verfahren umfasst, dass der Rotorkörper (15) an seinem Außenumfang (25) zumindest einmal vollständig um die Drehachse (13) umlaufend mit einem Armierungsband (29) umwickelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei
    das Armierungsband (29) in mehreren Lagen und/oder nebeneinander an mehreren in axialer Richtung voneinander verschiedenen Positionen jeweils zumindest einmal vollständig umlaufend um den Außenumfang (25) des Rotorkörpers (15) gewickelt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
    wobei die Rotoranordnung (11) mehr als zwei Pumpstufen (19) umfasst, die entlang der Drehachse (13) beabstandet angeordnet sind und die jeweils pumpaktive Elemente (21) umfassen, welche an dem Außenumfang (25) des Rotorkörpers (15) angeordnet sind, und
    wobei das Verfahren umfasst, dass in mindestens zwei und insbesondere in allen Zwischenräumen (23), welche sich in axialer Richtung zwischen den Pumpstufen (19) erstrecken, jeweils ein Armierungsband (29) um den Rotorkörper (15) gewickelt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei
    eine Anzahl von Wicklungen eines jeweiligen Armierungsbandes (29) in Abhängigkeit von einer Nenndrehzahl der Rotoranordnung (11) gewählt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
    das Armierungsband (29) als selbstklebendes Band um den Rotorkörper (15) gewickelt wird und/oder nach dem Umwickeln durch eine Einwirkung einer erhöhten Temperatur, die größer als die Umgebungstemperatur ist, mit dem Rotorkörper (15) verbunden wird.
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