EP4390144A2 - Vacuum pump - Google Patents

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Publication number
EP4390144A2
EP4390144A2 EP24166455.6A EP24166455A EP4390144A2 EP 4390144 A2 EP4390144 A2 EP 4390144A2 EP 24166455 A EP24166455 A EP 24166455A EP 4390144 A2 EP4390144 A2 EP 4390144A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
holweck
outer diameter
vacuum pump
hub
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24166455.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sönke Gilbrich
Jan Hofmann
Bernd Koci
Mirko Mekota
Thilo Wille
Michael Schweighöfer
Tobias Stoll
Bernhard Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pfeiffer Vacuum Technology AG
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pfeiffer Vacuum Technology AG filed Critical Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority to EP24166455.6A priority Critical patent/EP4390144A2/en
Publication of EP4390144A2 publication Critical patent/EP4390144A2/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00Axial-flow pumps
    • F04D19/02Multi-stage pumps
    • F04D19/04Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00Axial-flow pumps
    • F04D19/02Multi-stage pumps
    • F04D19/04Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042Turbomolecular vacuum pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00Axial-flow pumps
    • F04D19/02Multi-stage pumps
    • F04D19/04Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/044Holweck-type pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00Axial-flow pumps
    • F04D19/02Multi-stage pumps
    • F04D19/04Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/046Combinations of two or more different types of pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02Selection of particular materials
    • F04D29/023Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/17Alloys
    • F05D2300/173Aluminium alloys, e.g. AlCuMgPb

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, with a rotor shaft rotating about an axis of rotation during operation and with at least one rotor component fastened to the rotor shaft.
  • a turbomolecular pump for example, has several rotor disks as rotor components, each of which comprises several rotor blades as pumping areas and interacts with stator disks arranged relative to a housing of the pump.
  • a Holweck pump comprises one or more Holweck sleeves that rotate during operation and are attached to a Holweck hub that is fastened to the rotor shaft.
  • a Holweck sleeve interacts with one or more Holweck stators, the cylindrical outer surface and/or the cylindrical inner surface of the Holweck sleeve representing the pumping area that interacts with one or more Holweck grooves, each of which is designed as a pumping area on the respective Holweck stator.
  • turbomolecular pumps often have not only one or more turbomolecular pump stages, but additionally one or more Holweck pump stages arranged downstream of at least one turbomolecular pump stage.
  • the pumping performance of a vacuum pump is determined in particular by its (gas-dependent) suction capacity, which for a particular gas essentially depends on the geometry of the rotor and stator components as well as on the speed of the rotor components.
  • the speed is usually a fixed device value for a particular pump type, which indicates the speed at which the pump can be operated continuously in normal operation. This speed is also referred to below as the nominal speed.
  • the object of the invention is to remedy this situation.
  • This aluminum alloy is also referred to below simply as “the aluminum alloy” or as “the material according to the invention”.
  • each rotor component of the vacuum pump is made from the material according to the invention.
  • this is not mandatory.
  • a Holweck pump stage it is also possible to manufacture only some of the rotor disks of a turbomolecular pump stage or only some of the rotating components of a Holweck pump stage from the aluminum alloy.
  • a Holweck pump stage for example, it can be provided that the Holweck hub is made from the aluminum alloy, but the or each Holweck sleeve attached to the Holweck hub is not.
  • the rotor disk has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends, that the Holweck hub has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposed points of a radial outer surface of the Holweck hub, and that the rotor outer diameter DA is larger than the Holweck outer diameter DHW by a factor of at least 1.22, preferably at least 1.25, particularly preferably at least 1.30.
  • This concept means a relative reduction in the diameter of the Holweck hub (and thus the diameter of a Holweck sleeve attached to the radially outer end of the Holweck hub) compared to the rotor outer diameter of the rotor disk.
  • This reduction results in lower gas friction in the Holweck pumping stage, which in turn enables an increase in the speed and thus a higher blade end speed of the rotor disk. It has been found that this concept results in an overall higher pumping performance.
  • the rotor disk has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends, that the rotor disk has a collar outer diameter DB which is measured between two diametrically opposed points of a radial outer surface of the collar, that the rotor disk has a base outer diameter DG which is measured from blade base to blade base of two imaginary diametrically opposed rotor blades, and that the difference DA - DG is greater than the difference DA - DB by a factor of at least 0.94, preferably at least 0.95, particularly preferably at least 0.97.
  • this concept means an increase in the proportion of the pump-effective area of each rotor blade, which is measured from the blade base, to the blade length measured from the collar. This allows the proportion of the pump-effective length of each rotor blade to be increased and thus the overall pumping performance of the vacuum pump to be increased.
  • the rotor disk has a base outer diameter DG, which is measured from blade base to blade base of two imaginary diametrically opposed rotor blades, that the rotor shaft has a shaft outer diameter DI, and that DG is larger than DI by a factor of at most 1.20, preferably at most 1.15, particularly preferably at most 1.10.
  • This concept leads to a relative reduction of the portion of the rotor disk - in relation to the radial direction - which has no or at most only a comparatively very low pumping efficiency.
  • the shaft outer diameter DI corresponds to the inner diameter of the rotor disk collar.
  • the rotor disks are each a one-piece component which is manufactured from a starting material by milling and/or sawing.
  • the rotor disk has a rotor outer diameter DA that is greater than 5.0 cm, preferably in a range of 5.0 cm to 60 cm, wherein the rotor outer diameter DA is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends.
  • the rotor disk has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends, wherein the Holweck hub has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposed points of a radial outer surface of the Holweck hub, and wherein the rotor outer diameter DA is at least 135 mm and the Holweck outer diameter DHW is at least 108 mm or the rotor outer diameter DA is 120 mm and the Holweck outer diameter DHW is 99 mm.
  • the rotor disk has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends
  • the vacuum pump comprises a second Holweck hub which has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposed points of a radial outer surface of the second Holweck hub, wherein the Holweck outer diameter DHW2 of the second Holweck hub is at least 91 mm, and/or wherein the rotor outer diameter DA is larger than the Holweck outer diameter DHW2 of the second Holweck hub by a factor of at least 1.40, preferably of at least 1.48.
  • a magnetic bearing or a hybrid bearing can be provided for the rotor shaft. If a hybrid bearing is provided, a permanent magnet bearing is provided on the high vacuum side and a roller bearing on the pre-vacuum side.
  • the structure and arrangement of magnetic bearings and roller bearings for rotor shafts of vacuum pumps are generally known to those skilled in the art, so that this does not need to be discussed in more detail. In this regard, reference is also made to the the Fig. 1 to 5 described embodiment of a turbomolecular pump.
  • rotor disks are attached to the rotor shaft, with at least two rotor disks differing from one another in terms of the material from which they are made. It can be provided that at least one of the rotor disks is made of the aluminum alloy.
  • one or more rotor disks on the high vacuum side are made of the aluminum alloy, whereas one or more rotor disks on the pre-vacuum side are made of a different material.
  • the aluminum alloy according to the invention is not used for all rotor disks, but only for a high vacuum side part of the rotor disks.
  • the Holweck sleeve and/or the Holweck hub has or have an outer diameter DHH or DHW which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the Holweck sleeve or the Holweck hub and which lies in the range of 5.0 cm to 60 cm.
  • the rotor component can have an outer diameter greater than 10 cm, preferably greater than 15 cm, particularly preferably greater than 20 cm, wherein the outer diameter is between measured at two diametrically opposite points, each located on a radial outer surface of the rotor component.
  • the collar of the rotor disk and/or the Holweck hub have an axial height in the range of 3.0 mm to 5.9 mm, in particular up to 5.49 mm.
  • the rotor blades can each have a blade thickness in the range of 0.125 mm to 2.9 mm if the blade thickness - seen in the radial direction - is measured in the middle between the blade base and the blade end.
  • the rotor blades each have a thickness of less than 9.8 mm, in particular less than 9.0 mm, at the blade base.
  • the blade thickness at a respective location - viewed in the radial direction - is defined in the context of the present disclosure as the smallest diameter of a sectional surface of the rotor blade in a sectional plane running perpendicular to the radial direction.
  • a vacuum pump in particular a vacuum pump as disclosed herein, wherein the vacuum pump comprises a rotor shaft rotating about an axis of rotation during operation and at least one rotor component fastened to the rotor shaft, wherein in the method the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft such that the maximum permissible temperature of the rotor component is greater than 90°C, in particular greater than or equal to 98°C, particularly preferably greater than or equal to 120°C.
  • the rotor component is a rotor disk which comprises a radially inner collar, via which the rotor disk is fastened to the rotor shaft, and a plurality of rotor blades, each of which is integrally connected to the collar and which extend radially outward from a blade base on the collar and have a free blade end radially outward, or a Holweck component, in particular a Holweck hub or a Holweck sleeve.
  • a maximum permissible temperature of the rotor components of more than 90°C enables the vacuum pump to be operated as intended at a higher nominal speed than with known vacuum pumps, where the maximum permissible temperature of the rotor components is limited to 90°C.
  • the higher speed can increase the pump performance.
  • the aluminum alloy defined by embodiment 1 is a material that allows maximum permissible temperatures of more than 90°C for rotor components of vacuum pumps, in particular for rotor disks and/or Holweck components, without causing the problems mentioned above.
  • the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft such that the blade end speed of the rotor disk is more than 420 m/s, preferably more than 438 m/s, particularly preferably more than 464 m/s.
  • the blade end speed of the rotor disk i.e. the path speed of the blade ends during operation with the rotor shaft rotating at the rated speed, is limited to a maximum of 420 m/s.
  • the higher rated speed can increase the pumping performance of the vacuum pump.
  • the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft which is more than 59,000 revolutions per minute, preferably more than 100,000 revolutions per minute, particularly preferably more than 150,000 revolutions per minute.
  • the rotor shaft is supported on the pre-vacuum side by a rolling bearing that is lubricated with an oil that is a synthetic oil that has a kinematic viscosity in the range of 4.5 to 6.5 mm 2 /s at 100 ° C (viscosity measured according to ASTM D445 - 17a).
  • an oil that is a synthetic oil that has a kinematic viscosity in the range of 4.5 to 6.5 mm 2 /s at 100 ° C (viscosity measured according to ASTM D445 - 17a).
  • a preferred example of such an oil is the oil called "AeroShell Turbine Oil 560".
  • the turbomolecular pump 111 shown comprises a pump inlet 115 surrounded by an inlet flange 113, to which a recipient (not shown) can be connected in a manner known per se.
  • the gas from the recipient can be sucked out of the recipient via the pump inlet 115 and conveyed through the pump to a pump outlet 117, to which a backing pump, such as a rotary vane pump, can be connected.
  • the inlet flange 113 forms the vacuum pump in the alignment according to Fig.1 the upper end of the housing 119 of the vacuum pump 111.
  • the housing 119 comprises a lower part 121, on which an electronics housing 123 is arranged on the side. Electrical and/or electronic components of the vacuum pump 111 are housed in the electronics housing 123, e.g. for operating an electric motor 125 arranged in the vacuum pump (see also Fig. 3 ).
  • Several connections 127 for accessories are provided on the electronics housing 123.
  • a data interface 129 e.g. according to the RS485 standard, and a power supply connection 131 are arranged on the electronics housing 123.
  • turbomolecular pumps that do not have such an attached electronics housing, but are connected to external drive electronics.
  • a flood inlet 133 in particular in the form of a flood valve, is provided on the housing 119 of the turbomolecular pump 111, via which the vacuum pump 111 can be flooded.
  • a sealing gas connection 135, which is also referred to as a purge gas connection is also arranged, via which purge gas can be fed to protect the electric motor 125 (see e.g. Fig.3 ) can be admitted into the motor compartment 137, in which the electric motor 125 in the vacuum pump 111 is housed, before the gas delivered by the pump.
  • two coolant connections 139 are also arranged, one of the coolant connections being provided as an inlet and the other coolant connection as an outlet for coolant that can be fed into the vacuum pump for cooling purposes.
  • Other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown) are operated exclusively with air cooling.
  • the lower side 141 of the vacuum pump can serve as a base so that the vacuum pump 111 can be operated standing on the underside 141.
  • the vacuum pump 111 can also be attached to a recipient via the inlet flange 113 and thus operated in a hanging position.
  • the vacuum pump 111 can be designed in such a way that it can also be put into operation when it is aligned in a different way than in Fig.1 is shown. It is also possible to realize embodiments of the vacuum pump in which the underside 141 is not arranged facing downwards, but to the side or facing upwards. In principle, any angle is possible.
  • Mounting holes 147 are also arranged on the underside 141, via which the pump 111 can be attached to a support surface, for example. This is the case with other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown), which are particularly larger than the pump shown here, are not possible.
  • a coolant line 148 is shown in which the coolant introduced and discharged via the coolant connections 139 can circulate.
  • the vacuum pump comprises several process gas pumping stages for conveying the process gas present at the pump inlet 115 to the pump outlet 117.
  • a rotor 149 is arranged in the housing 119 and has a rotor shaft 153 rotatable about a rotation axis 151.
  • the turbomolecular pump 111 comprises several turbomolecular pump stages connected in series with a pumping effect, with several radial rotor disks 155 attached to the rotor shaft 153 and stator disks 157 arranged between the rotor disks 155 and fixed in the housing 119.
  • a rotor disk 155 and an adjacent stator disk 157 each form a turbomolecular pump stage.
  • the stator disks 157 are held at a desired axial distance from one another by spacer rings 159.
  • the vacuum pump also comprises Holweck pump stages arranged one inside the other in the radial direction and connected in series to pump with one another. There are other turbomolecular vacuum pumps (not shown) that do not have Holweck pump stages.
  • the rotor of the Holweck pump stages comprises a rotor hub 161 arranged on the rotor shaft 153 and two cylinder-jacket-shaped Holweck rotor sleeves 163, 165 fastened to and carried by the rotor hub 161, which are arranged coaxially to the axis of rotation 151 and are nested in the radial direction. Furthermore, two cylinder-jacket-shaped Holweck stator sleeves 167, 169 are provided, which are also oriented coaxially to the rotation axis 151 and are nested in the radial direction.
  • the pump-active surfaces of the Holweck pump stages are formed by the lateral surfaces, i.e. by the radial inner and/or outer surfaces, of the Holweck rotor sleeves 163, 165 and the Holweck stator sleeves 167, 169.
  • the radial inner surface of the outer Holweck stator sleeve 167 is opposite the radial outer surface of the outer Holweck rotor sleeve 163, forming a radial Holweck gap 171, and together with this forms the first Holweck pump stage following the turbomolecular pumps.
  • the radial inner surface of the outer Holweck rotor sleeve 163 is opposite the radial outer surface of the inner Holweck stator sleeve 169, forming a radial Holweck gap 173, and together with this forms a second Holweck pump stage.
  • the radial inner surface of the inner Holweck stator sleeve 169 lies opposite the radial outer surface of the inner Holweck rotor sleeve 165, forming a radial Holweck gap 175 and together forming the third Holweck pumping stage.
  • a radially extending channel can be provided at the lower end of the Holweck rotor sleeve 163, via which the radially outer Holweck gap 171 is connected to the middle Holweck gap 173.
  • a radially extending channel can be provided at the upper end of the inner Holweck stator sleeve 169, via which the middle Holweck gap 173 is connected to the radially inner Holweck gap 175.
  • a connecting channel 179 to the outlet 117 can also be provided at the lower end of the radially inner Holweck rotor sleeve 165.
  • the above-mentioned pump-active surfaces of the Holweck stator sleeves 167, 169 each have a plurality of Holweck grooves running spirally around the rotation axis 151 in the axial direction, while the opposite lateral surfaces of the Holweck rotor sleeves 163, 165 are smooth and propel the gas in the Holweck grooves for operating the vacuum pump 111.
  • a rolling bearing 181 is provided in the area of the pump outlet 117 and a permanent magnet bearing 183 is provided in the area of the pump inlet 115.
  • a conical spray nut 185 with an outer diameter that increases towards the roller bearing 181 is provided on the rotor shaft 153.
  • the spray nut 185 is in sliding contact with at least one scraper of a fluid reservoir.
  • a spray screw can be provided instead of a spray nut. Since different designs are thus possible, the term "spray tip" is also used in this context.
  • the operating fluid storage comprises several absorbent disks 187 stacked on top of each other, which are impregnated with an operating fluid for the rolling bearing 181, e.g. with a lubricant.
  • the operating fluid is transferred by capillary action from the operating fluid reservoir via the scraper to the rotating spray nut 185 and, as a result of the centrifugal force, is conveyed along the spray nut 185 in the direction of the increasing outer diameter of the spray nut 185 to the roller bearing 181, where it fulfills a lubricating function, for example.
  • the roller bearing 181 and the operating fluid reservoir are enclosed in the vacuum pump by a trough-shaped insert 189 and the bearing cover 145.
  • the permanent magnet bearing 183 comprises a rotor-side bearing half 191 and a stator-side bearing half 193, each of which comprises a ring stack of several permanent magnet rings 195, 197 stacked on top of one another in the axial direction.
  • the ring magnets 195, 197 lie opposite one another to form a radial bearing gap 199, with the rotor-side ring magnets 195 being arranged radially on the outside and the stator-side ring magnets 197 being arranged radially on the inside.
  • the magnetic field present in the bearing gap 199 causes magnetic repulsion forces between the ring magnets 195, 197, which cause the rotor shaft 153 to be supported radially.
  • the rotor-side ring magnets 195 are carried by a support section 201 of the rotor shaft 153, which surrounds the ring magnets 195 on the radial outside.
  • the stator-side ring magnets 197 are supported by a stator-side support section 203 which extends through the ring magnets 197 and is suspended from radial struts 205 of the housing 119.
  • the rotor-side ring magnets 195 are fixed parallel to the rotation axis 151 by a cover element 207 coupled to the support section 201.
  • the stator-side ring magnets 197 are fixed parallel to the rotation axis 151 in one direction by a fastening ring 209 connected to the support section 203 and a fastening ring 211 connected to the support section 203.
  • a disc spring 213 can also be provided between the fastening ring 211 and the ring magnets 197.
  • An emergency or safety bearing 215 is provided within the magnetic bearing, which runs idle without contact during normal operation of the vacuum pump 111 and only engages when the rotor 149 is excessively radially deflected relative to the stator, in order to form a radial stop for the rotor 149, so that a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented.
  • the safety bearing 215 is designed as an unlubricated roller bearing and forms a radial gap with the rotor 149 and/or the stator, which causes the safety bearing 215 to be disengaged during normal pumping operation.
  • the radial deflection at which the safety bearing 215 engages is large enough so that the safety bearing 215 does not engage during normal operation of the vacuum pump, and at the same time small enough so that a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented under all circumstances.
  • the vacuum pump 111 comprises the electric motor 125 for rotating the rotor 149.
  • the armature of the electric motor 125 is formed by the rotor 149, whose rotor shaft 153 extends through the motor stator 217.
  • a permanent magnet arrangement can be arranged radially on the outside or embedded in the section of the rotor shaft 153 extending through the motor stator 217.
  • the motor stator 217 is fixed in the housing within the motor compartment 137 provided for the electric motor 125.
  • a sealing gas which is also referred to as purge gas and which can be air or nitrogen, for example, can enter the motor compartment 137 via the sealing gas connection 135.
  • the electric motor 125 can be protected from process gas, e.g. from corrosive components of the process gas, via the sealing gas.
  • the motor compartment 137 can also be evacuated via the pump outlet 117, i.e. the vacuum pressure in the motor compartment 137 is at least approximately the vacuum pressure caused by the forevacuum pump connected to the pump outlet 117.
  • a so-called and known labyrinth seal 223 can also be provided, in particular in order to achieve a better sealing of the engine compartment 217 with respect to the Holweck pump stages located radially outside.
  • a vacuum pump according to the invention can be implemented individually or in any combination in a turbomolecular pump, for example in a turbomolecular pump as previously described with reference to the Fig. 1 to 5
  • a turbomolecular pump as described in the Fig. 1 to 5 described, be designed in accordance with the invention and in particular have one or more of the dimensions and/or one or more of the dimensional ratios as described in the Fig. 6 to 8
  • Fig. 6 to 8 merely to illustrate the dimensions or dimensional relationships and are therefore not to scale.
  • the turbomolecular pump according to Fig.6 comprises a turbomolecular pump stage and a Holweck pump stage.
  • Several rotor disks 15 are attached to a rotor shaft 13, which rotates about a rotation axis 11 during operation and is mounted on the fore-vacuum side in a roller bearing 37.
  • the roller bearing can be lubricated by a synthetic oil, as described in the introductory part of the present disclosure.
  • a Holweck hub 17 is also attached to the rotor shaft 13, which carries a cylindrical Holweck sleeve 18 on the outside radially.
  • the radial outer surface of the Holweck hub 17 lies on the same radius as the radial outer surface of the Holweck sleeve 18, namely on a radius of 1/2 * DHW, ie the outer diameter of the Holweck hub 17 is DHW.
  • the radially outer ends 25 of the rotor blades 21 lie on a radius of 1/2 * DA, i.e. the rotor disks 15 have an outer diameter DA.
  • the ratio DA/DHW is at least 1.22.
  • the rotor blades 21 of a respective rotor disk 15 interact with stator blades of a respective stator disk 29.
  • the stator disks 29 are fastened in a manner known in principle to those skilled in the art within a housing 27 of the turbomolecular pump.
  • the Holweck sleeve 18 interacts with a radially outer Holweck stator 31 and with a radially inner Holweck stator 33, each of which is provided with a Holweck groove arrangement facing the respective lateral surface of the Holweck sleeve 18.
  • Holweck pump stages arranged one behind the other in the flow direction of the gas to be pumped, each of which comprises a Holweck stator and an opposite lateral surface of a Holweck sleeve and is also referred to as radially nested or interleaved Holweck stages, is known in principle to those skilled in the art.
  • the rotor disks 15 and the Holweck hub 17 can be made of the aluminum alloy.
  • the Holweck sleeve 18 can be made of a different material, for example a carbon fiber reinforced plastic (CFRP), as is generally known to those skilled in the art for the production of Holweck sleeves.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • Fig.7 shows a rotor disk 15 which is mounted on a rotor shaft 13 of a turbomolecular pump.
  • the rotor shaft 13 carries a high vacuum side magnetic bearing 35, of which Fig.7 two permanent magnet rings are shown.
  • the high vacuum side magnetic bearing of a rotor shaft 13 of a turbomolecular pump is basically known to the person skilled in the art, so that it does not need to be discussed in more detail. In this regard, reference is also made to the description of a turbomolecular pump based on the Fig. 1 to 5 referred to.
  • the rotor disk 15 is a one-piece component that is manufactured from a starting material by milling and/or sawing. This material is preferably aluminum alloy. However, this material is not mandatory for the rotor disk 15. The dimensions and dimensional relationships explained in more detail below can also be implemented on rotor disks 15 that are not made from this aluminum alloy.
  • the rotor disk 15 comprises a radially inner, hollow cylindrical collar 19, via which the rotor disk 15 is fastened to the rotor shaft 13.
  • the rotor disk 15 has a plurality of rotor blades 21, each of which is integrally connected to the collar 19 and which each extend radially outward from a blade base 23 on the collar 19 and have a free blade end 25 radially outward.
  • a respective blade base 23 lies on a larger radius - relative to the central axis of the hollow cylindrical collar 19, which coincides with the axis of rotation 11 of the rotor shaft 13 when fastened to the rotor shaft 13 - than the radial outer surface of the collar 19.
  • the outer diameter DB of the collar 19, which is measured between two diametrically opposite points on the radial outer surface of the collar 19, is consequently smaller than the basic outer diameter DG which is measured from blade base 23 to blade base 23 of two imaginary diametrically opposite rotor blades 21.
  • the rotor disk 15 has a rotor outer diameter DA, which is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends 25.
  • the rotor shaft 13 has an outer shaft diameter DI which corresponds to the inner diameter of the collar 19 of the rotor disk 15.
  • the radial length of a respective rotor blade 21 measured from the blade base 23 to the blade end 25 represents the pumping-effective portion of the total length of the rotor blade 21, which is measured from the collar 19 to the blade end 25.
  • the ratio (DA - DG)/(DA - DB) is at least 0.94, preferably at least 0.95, particularly preferably 0.97.
  • Rotor disks 15 with such a dimensional ratio can be operated at relatively high speeds, especially when they are made of aluminum alloy. This leads to a particularly pronounced increase in the pumping performance of the vacuum pump in question.
  • the basic outer diameter DG is larger than the shaft outer diameter DI by a factor of at most 1.20, preferably at most 1.15, particularly preferably at most 1.10.
  • the shaft outer diameter DI corresponds to the inner diameter of the collar 19 of the rotor disk 15.
  • the collar 19 of the rotor disk 15 according to the invention is thus comparatively thin.
  • Rotor disks 15 with a collar 19 dimensioned in this way can be operated at relatively high speeds if they are made of the aluminum alloy.
  • the axial height h of the collar 19 of the rotor disk 15 is preferably in a range from 3.0 mm to 5.9 mm, in particular up to 5.49 mm.
  • Preferred embodiments of the rotor blades 21 relate to their blade thickness.
  • Fig.8 illustrates how the blade thickness is defined in the context of the present disclosure. Accordingly, at a respective radial location of a rotor blade 21, the blade thickness dG is the smallest diameter of a sectional area of the rotor blade 21, which is obtained at the radial location by a cut through the rotor blade 21 running perpendicular to the radial direction.
  • the blade thickness dG at the blade base 23 is (cf. Fig.7 ) less than 9.8 mm, in particular less than 9.0 mm.
  • the blade thickness dG is preferably in the range of 0.125 mm and 2.9 mm.
  • Rotor disks 15 whose rotor blades 21 have the respective blade thickness dG at one or both of these radial locations can be operated at comparatively high speeds if the rotor disks 15 are made of the aluminum alloy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einer während des Betriebs um eine Drehachse rotierenden Rotorwelle und mit wenigstens einem auf der Rotorwelle befestigten Rotorbauteil, wobei das Rotorbauteil eine Rotorscheibe ist, die einen radial innen liegenden Bund, über den die Rotorscheibe auf der Rotorwelle befestigt ist, und mehrere Rotorschaufeln umfasst, die jeweils integral mit dem Bund verbunden sind und die sich jeweils ausgehend von einem Schaufelgrund am Bund radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende aufweisen, oder wobei das Rotorbauteil ein Holweckbauteil ist, insbesondere eine Holwecknabe oder eine Holweckhülse, und wobei die Rotorscheibe und/oder das Holweckbauteil aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sind bzw. ist, die folgende Elemente in Gewichts-% aufweist: Cu: 3,6-4,4; Mg: 1,2-1,4; Mn : 0,5-0,8; Zr: < 0,16; Ti : 0,01-0,05; Si < 0,21; Fe < 0,21; Zn < 0,26; andere Elemente < 0,06; Rest Aluminium.The invention relates to a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, with a rotor shaft that rotates about an axis of rotation during operation and with at least one rotor component fastened to the rotor shaft, wherein the rotor component is a rotor disk that comprises a radially inner collar, via which the rotor disk is fastened to the rotor shaft, and a plurality of rotor blades, each of which is integrally connected to the collar and which each extend radially outward from a blade base on the collar and have a free blade end radially outward, or wherein the rotor component is a Holweck component, in particular a Holweck hub or a Holweck sleeve, and wherein the rotor disk and/or the Holweck component are made of an aluminum alloy that has the following elements in weight percent: Cu: 3.6-4.4; Mg: 1.2-1.4; Mn: 0.5-0.8; Zr: <0.16; Ti: 0.01-0.05; Si <0.21; Fe < 0.21; Zn < 0.26; other elements < 0.06; balance aluminium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einer während des Betriebs um eine Drehachse rotierenden Rotorwelle und mit wenigstens einem auf der Rotorwelle befestigten Rotorbauteil.The invention relates to a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, with a rotor shaft rotating about an axis of rotation during operation and with at least one rotor component fastened to the rotor shaft.

Die Pumpwirkung derartiger Vakuumpumpen ergibt sich aus dem Zusammenwirken eines pumpwirksamen oder pumpaktiven Bereiches des Rotorbauteils mit einem pumpwirksamen oder pumpaktiven Bereich eines jeweiligen Statorbauteils. Eine Turbomolekularpumpe beispielsweise weist als Rotorbauteile mehrere Rotorscheiben auf, die jeweils als pumpwirksame Bereiche mehrere Rotorschaufeln umfassen und mit relativ zu einem Gehäuse der Pumpe angeordneten Statorscheiben zusammenwirken. Eine Holweckpumpe umfasst eine oder mehrere Holweckhülsen, die während des Betriebs rotieren und an einer Holwecknabe angebracht sind, die auf der Rotorwelle befestigt ist. Eine Holweckhülse wirkt mit einem oder mehreren Holweckstatoren zusammen, wobei die zylindrische Außenfläche und/oder die zylindrische Innenfläche der Holweckhülse den pumpwirksamen Bereich darstellt, der mit einer oder mehreren Holwecknuten zusammenwirkt, die jeweils als pumpwirksamer Bereich am jeweiligen Holweckstator ausgebildet sind.The pumping effect of such vacuum pumps results from the interaction of a pumping or pump-active area of the rotor component with a pumping or pump-active area of a respective stator component. A turbomolecular pump, for example, has several rotor disks as rotor components, each of which comprises several rotor blades as pumping areas and interacts with stator disks arranged relative to a housing of the pump. A Holweck pump comprises one or more Holweck sleeves that rotate during operation and are attached to a Holweck hub that is fastened to the rotor shaft. A Holweck sleeve interacts with one or more Holweck stators, the cylindrical outer surface and/or the cylindrical inner surface of the Holweck sleeve representing the pumping area that interacts with one or more Holweck grooves, each of which is designed as a pumping area on the respective Holweck stator.

Bekannte Turbomolekularpumpen besitzen häufig nicht nur eine oder mehrere Turbomolekularpumpstufen, sondern zusätzlich eine oder mehrere stromabwärts der zumindest einen Turbomolekularpumpstufe angeordnete Holweckpumpstufen.Known turbomolecular pumps often have not only one or more turbomolecular pump stages, but additionally one or more Holweck pump stages arranged downstream of at least one turbomolecular pump stage.

Die Pumpleistung einer Vakuumpumpe bestimmt sich insbesondere durch deren (gasabhängiges) Saugvermögen, welches für ein jeweiliges Gas im Wesentlichen von der Geometrie der Rotor- und Statorbauteile sowie von der Drehzahl der Rotorbauteile abhängig ist, wobei die Drehzahl in der Regel eine für einen jeweiligen Pumpentyp feste Gerätegröße ist, die angibt, bei welcher Drehzahl die Pumpe in einem normalen Betrieb dauerhaft betrieben werden kann. Diese Drehzahl wird im Folgenden auch als Nenndrehzahl bezeichnet.The pumping performance of a vacuum pump is determined in particular by its (gas-dependent) suction capacity, which for a particular gas essentially depends on the geometry of the rotor and stator components as well as on the speed of the rotor components. The speed is usually a fixed device value for a particular pump type, which indicates the speed at which the pump can be operated continuously in normal operation. This speed is also referred to below as the nominal speed.

Für einen jeweiligen Pumpentyp ist es allerdings nicht möglich, die Pumpleistung durch Erhöhen der Drehzahl beliebig zu vergrößern, da hohe Drehzahlen zu erhöhten Spannungen im Material der Rotorbauteile und aufgrund der höheren Gasreibung auch zu höheren, nicht mehr zulässigen Temperaturen der Rotorbauteile führen. Denn es müssen Bedingungen vermieden werden, bei denen das Material der Rotorbauteile sich während des Betriebs über ein zu tolerierendes Maß hinaus verformt und insbesondere zu fließen beginnt. Höhere Drehzahlen erhöhen zudem die Anforderungen an ein gegebenenfalls für die Lagerung der Rotorwelle verwendetes Wälzlager und dessen Schmierung, insbesondere an das hierfür verwendete Schmieröl. Auch kann die Pumpleistung nicht einfach durch größere Durchmesser der Rotor- und Statorbauteile beliebig gesteigert werden, da dies bei gleichen Drehzahlen höherer Bahngeschwindigkeiten für die radial äußeren Bereiche der Rotorbauteile zur Folge hat, insbesondere für die Schaufelenden der Rotorschaufeln von Rotorscheiben.However, for a particular pump type, it is not possible to arbitrarily increase the pumping performance by increasing the speed, as high speeds lead to increased stresses in the material of the rotor components and, due to the higher gas friction, also to higher, no longer permissible temperatures of the rotor components. This is because conditions must be avoided in which the material of the rotor components deforms beyond a tolerable level during operation and, in particular, begins to flow. Higher speeds also increase the demands on any rolling bearing used to support the rotor shaft and its lubrication, in particular on the lubricating oil used for this. Nor can the pumping performance be arbitrarily increased simply by increasing the diameter of the rotor and stator components, as this results in higher orbital velocities for the radially outer areas of the rotor components at the same speeds, in particular for the blade ends of the rotor blades of rotor disks.

Diese Beschränkungen machen es schwierig bis unmöglich, die Pumpleistung bestehender Vakuumpumpen zu steigern.These limitations make it difficult or even impossible to increase the pumping performance of existing vacuum pumps.

Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen.The object of the invention is to remedy this situation.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.This problem is solved by the features of the independent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Rotorbauteil der Vakuumpumpe, bei dem es sich entweder um eine Rotorscheibe oder ein Holweckbauteil handelt, aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, die folgende Elemente in Gewichts-% aufweist:

  • Cu: 3,6 - 4,4
  • Mg: 1,2 - 1,4
  • Mn : 0,5 - 0,8
  • Zr: < 0,16
  • Ti : 0,01 - 0,05
  • Si < 0,21
  • Fe < 0,21
  • Zn < 0,26
  • andere Elemente < 0,06,
  • Rest Aluminium.
According to a first aspect of the invention, it is provided that the at least one rotor component of the vacuum pump, which is either a rotor disk or a Holweck component, is made of an aluminium alloy containing the following elements in % by weight:
  • Cu: 3.6 - 4.4
  • Mg: 1.2 - 1.4
  • Mn: 0.5 - 0.8
  • Zr: < 0.16
  • Ti : 0.01 - 0.05
  • Si < 0.21
  • Fe < 0.21
  • Zn < 0.26
  • other elements < 0.06,
  • Rest aluminum.

Diese Aluminiumlegierung wird im Folgenden auch einfach als "die Aluminiumlegierung" oder als "das erfindungsgemäße Material" bezeichnet.This aluminum alloy is also referred to below simply as "the aluminum alloy" or as "the material according to the invention".

Es wurde gefunden, dass andere Geometrien, höhere Nenndrehzahlen sowie höhere Rotorbauteil-Temperaturen möglich sind, wenn diejenigen rotierenden Bauteile einer Vakuumpumpe, die als Ganzes oder von denen zumindest relevante Bereiche einen vergleichsweise großen radialen Abstand von der Drehachse der Rotorwelle besitzen, aus der genannten Aluminiumlegierung gefertigt sind.It was found that other geometries, higher rated speeds and higher rotor component temperatures are possible if those rotating components of a vacuum pump which as a whole or at least relevant areas of which have a comparatively large radial distance from the axis of rotation of the rotor shaft are made of the above-mentioned aluminum alloy.

Dabei kann vorgesehen sein, dass jedes Rotorbauteil der Vakuumpumpe aus dem erfindungsgemäßen Material gefertigt ist. Dies ist aber nicht zwingend. So ist es beispielsweise möglich, dass alle Rotorscheiben einer Turbomolekularpumpstufe aus der Aluminiumlegierung gefertigt sind, wohingegen die rotierenden Bauteile einer oder mehrerer stromabwärts davon angeordneter Holweckpumpstufe nicht aus dieser Aluminiumlegierung gefertigt sind.It can be provided that each rotor component of the vacuum pump is made from the material according to the invention. However, this is not mandatory. For example, it is possible that all rotor disks of a turbomolecular pump stage are made from the aluminum alloy, whereas the rotating components of one or more Holweck pump stages arranged downstream are not made from this aluminum alloy.

Auch ist es möglich, nur einige Rotorscheiben einer Turbomolekularpumpstufe oder nur einige rotierende Bauteile einer Holweckpumpstufe aus der Aluminiumlegierung zu fertigen. Bei einer Holweckpumpstufe beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Holwecknabe aus der Aluminiumlegierung gefertigt ist, die oder jede Holweckhülse, die an der Holwecknabe angebracht ist, aber nicht.It is also possible to manufacture only some of the rotor disks of a turbomolecular pump stage or only some of the rotating components of a Holweck pump stage from the aluminum alloy. In a Holweck pump stage, for example, it can be provided that the Holweck hub is made from the aluminum alloy, but the or each Holweck sleeve attached to the Holweck hub is not.

Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung wurde gefunden, dass bestimmte, ein oder mehrere Rotorbauteile betreffende Geometrien, nämlich bestimmte Abmessungen und/oder Abmessungsverhältnisse sowie Kombinationen davon, eine höhere Pumpleistung ermöglichen.According to further aspects of the invention, it has been found that certain geometries relating to one or more rotor components, namely certain dimensions and/or dimensional ratios and combinations thereof, enable a higher pumping performance.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist bei einer durch Ausführungsform 2 definierten Vakuumpumpe insbesondere vorgesehen, dass die Rotorscheibe einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden gemessen wird, dass die Holwecknabe einen Holweckaußendurchmesser DHW aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der Holwecknabe gemessen wird, und dass der Rotoraußendurchmesser DA um einen Faktor von mindestens 1,22, bevorzugt von mindestens 1,25, besonders bevorzugt von mindestens 1,30, größer ist als der Holweckaußendurchmesser DHW.According to one aspect of the invention, in a vacuum pump defined by embodiment 2, it is particularly provided that the rotor disk has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends, that the Holweck hub has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposed points of a radial outer surface of the Holweck hub, and that the rotor outer diameter DA is larger than the Holweck outer diameter DHW by a factor of at least 1.22, preferably at least 1.25, particularly preferably at least 1.30.

Dieses Konzept bedeutet eine relative Verkleinerung des Durchmessers der Holwecknabe (und damit des Durchmessers einer am radial äußeren Ende der Holwecknabe angebrachten Holweckhülse) gegenüber dem Rotoraußendurchmesser der Rotorscheibe. Diese Verkleinerung resultiert in einer geringeren Gasreibung in der Holweckpumpstufe, was wiederum eine Erhöhung der Drehzahl und somit eine größere Schaufelendengeschwindigkeit der Rotorscheibe ermöglicht. Es wurde gefunden, dass dieses Konzept insgesamt eine höhere Pumpleistung zur Folge hat.This concept means a relative reduction in the diameter of the Holweck hub (and thus the diameter of a Holweck sleeve attached to the radially outer end of the Holweck hub) compared to the rotor outer diameter of the rotor disk. This reduction results in lower gas friction in the Holweck pumping stage, which in turn enables an increase in the speed and thus a higher blade end speed of the rotor disk. It has been found that this concept results in an overall higher pumping performance.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einer durch Ausführungsform 3 definierten Vakuumpumpe insbesondere vorgesehen, dass die Rotorscheibe einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten aneinander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden gemessen wird, dass die Rotorscheibe einen Bundaußendurchmesser DB aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche des Bundes gemessen wird, dass die Rotorscheibe einen Grundaußendurchmesser DG aufweist, der von Schaufelgrund zu Schaufelgrund von zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Rotorschaufeln gemessen wird, und dass die Differenz DA - DG um einen Faktor von mindestens 0,94, bevorzugt von mindestens 0,95, besonders bevorzugt von mindestens 0,97, größer ist als die Differenz DA - DB.According to a further aspect of the invention, in a vacuum pump defined by embodiment 3, it is particularly provided that the rotor disk has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends, that the rotor disk has a collar outer diameter DB which is measured between two diametrically opposed points of a radial outer surface of the collar, that the rotor disk has a base outer diameter DG which is measured from blade base to blade base of two imaginary diametrically opposed rotor blades, and that the difference DA - DG is greater than the difference DA - DB by a factor of at least 0.94, preferably at least 0.95, particularly preferably at least 0.97.

Dieses Konzept bedeutet - im Vergleich zu bekannten Rotorscheiben - eine Vergrößerung des Anteils des pumpwirksamen Bereiches einer jeweiligen Rotorschaufel, der ausgehend vom Schaufelgrund gemessen wird, an der ausgehend vom Bund gemessenen Schaufellänge. Hierdurch lässt sich der Anteil der pumpwirksame Länge einer jeweiligen Rotorschaufel vergrößern und damit insgesamt die Pumpleistung der Vakuumpumpe steigern.In comparison to known rotor disks, this concept means an increase in the proportion of the pump-effective area of each rotor blade, which is measured from the blade base, to the blade length measured from the collar. This allows the proportion of the pump-effective length of each rotor blade to be increased and thus the overall pumping performance of the vacuum pump to be increased.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einer durch Ausführungsform 4 definierten Vakuumpumpe insbesondere vorgesehen, dass die Rotorscheibe einen Grundaußendurchmesser DG aufweist, der von Schaufelgrund zu Schaufelgrund von zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Rotorschaufeln gemessen wird, dass die Rotorwelle einen Wellenaußendurchmesser DI aufweist, und dass DG um einen Faktor von maximal 1,20, bevorzugt von maximal 1,15, besonders bevorzugt von maximal 1,10, größer ist als DI.According to a further aspect of the invention, in a vacuum pump defined by embodiment 4, it is particularly provided that the rotor disk has a base outer diameter DG, which is measured from blade base to blade base of two imaginary diametrically opposed rotor blades, that the rotor shaft has a shaft outer diameter DI, and that DG is larger than DI by a factor of at most 1.20, preferably at most 1.15, particularly preferably at most 1.10.

Dieses Konzept führt zu einer relativen Reduzierung desjenigen - bezogen auf die radiale Richtung - Anteils der Rotorscheibe, der keine oder allenfalls nur eine vergleichsweise sehr geringe Pumpwirksamkeit besitzt.This concept leads to a relative reduction of the portion of the rotor disk - in relation to the radial direction - which has no or at most only a comparatively very low pumping efficiency.

Der Wellenaußendurchmesser DI entspricht dem Innendurchmesser des Bundes der Rotorscheibe.The shaft outer diameter DI corresponds to the inner diameter of the rotor disk collar.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Rotorscheiben jeweils um ein einstückiges Bauteil, welches durch Fräsen und/oder Sägen aus einem Ausgangsmaterial hergestellt wird.Preferably, the rotor disks are each a one-piece component which is manufactured from a starting material by milling and/or sawing.

Vorteilhafte Weiterbildungen der einzelnen Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben. Alle Weiterbildungen beziehen sich, sofern nicht anders angegeben, auf alle genannten Aspekte der Erfindung, d.h. alle Aspekte und Weiterbildungen können untereinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist oder Kombinationen ersichtlich ausgeschlossen sind.Advantageous further developments of the individual aspects of the invention are specified in the dependent claims, the following description and the drawing. Unless otherwise stated, all further developments relate to all aspects of the invention mentioned, i.e. all aspects and further developments can be combined with one another unless otherwise stated or combinations are clearly excluded.

Bei den erfindungsgemäßen Vakuumpumpen gemäß den Ausführungsformen 2, 3 und 4 lässt sich eine besonders ausgeprägte Steigerung der Pumpleistung erzielen, wenn das jeweilige Rotorbauteil oder die jeweiligen Rotorbauteile aus der Aluminiumlegierung gefertigt ist bzw. sind. Dieses Material erlaubt bei ansonsten gleichen Bedingungen höhere Drehzahlen, ohne dass die im Einleitungsteil erwähnten Probleme aufgrund zu hoher Spannungen im Material der Rotorbauteile und/oder aufgrund zu hoher Temperaturen der Rotorbauteile entstehen.In the vacuum pumps according to the invention according to embodiments 2, 3 and 4, a particularly pronounced increase in pumping performance can be achieved if the respective rotor component or components is or are made of the aluminum alloy. This material allows higher speeds under otherwise identical conditions without the problems mentioned in the introductory section arising due to excessive stresses in the material of the rotor components and/or due to excessive temperatures of the rotor components.

Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorscheibe einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der größer als 5,0 cm ist, vorzugsweise in einem Bereich von 5,0 cm bis 60 cm liegt, wobei der Rotoraußendurchmesser DA zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden gemessen wird.In some embodiments of the invention, it can be provided that the rotor disk has a rotor outer diameter DA that is greater than 5.0 cm, preferably in a range of 5.0 cm to 60 cm, wherein the rotor outer diameter DA is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends.

Gemäß einigen Weiterbildungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorscheibe einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden gemessen wird, wobei die Holwecknabe einen Holweckaußendurchmesser DHW aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der Holwecknabe gemessen wird, und wobei der Rotoraußendurchmesser DA mindestens 135 mm und der Holweckaußendurchmesser DHW mindestens 108 mm oder der Rotoraußendurchmesser DA 120 mm und der Holweckaußendurchmesser DHW 99 mm beträgt.According to some developments of the invention, it can be provided that the rotor disk has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends, wherein the Holweck hub has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposed points of a radial outer surface of the Holweck hub, and wherein the rotor outer diameter DA is at least 135 mm and the Holweck outer diameter DHW is at least 108 mm or the rotor outer diameter DA is 120 mm and the Holweck outer diameter DHW is 99 mm.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die Rotorscheibe einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden gemessen wird, und dass die Vakuumpumpe eine zweite Holwecknabe umfasst, die einen Holweckaußendurchmesser DHW aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der zweiten Holwecknabe gemessen wird, wobei der Holweckaußendurchmesser DHW2 der zweiten Holwecknabe mindestens 91 mm beträgt, und/oder wobei der Rotoraußendurchmesser DA um einen Faktor von mindestens 1,40, vorzugsweise von mindestens 1,48, größer ist als der Holweckaußendurchmesser DHW2 der zweiten Holwecknabe.According to some embodiments, it can be provided that the rotor disk has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends, and that the vacuum pump comprises a second Holweck hub which has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposed points of a radial outer surface of the second Holweck hub, wherein the Holweck outer diameter DHW2 of the second Holweck hub is at least 91 mm, and/or wherein the rotor outer diameter DA is larger than the Holweck outer diameter DHW2 of the second Holweck hub by a factor of at least 1.40, preferably of at least 1.48.

Für die Rotorwelle kann eine Magnetlagerung oder eine Hybridlagerung vorgesehen sein. Wenn eine Hybridlagerung vorgesehen ist, dann ist hochvakuumseitig ein Permanentmagnetlager und vorvakuumseitig ein Wälzlager vorgesehen. Der Aufbau und die Anordnung von Magnetlagern und Wälzlagern für Rotorwellen von Vakuumpumpen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht. Diesbezüglich wird auch auf das anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebene Ausführungsbeispiel einer Turbomolekularpumpe verwiesen.A magnetic bearing or a hybrid bearing can be provided for the rotor shaft. If a hybrid bearing is provided, a permanent magnet bearing is provided on the high vacuum side and a roller bearing on the pre-vacuum side. The structure and arrangement of magnetic bearings and roller bearings for rotor shafts of vacuum pumps are generally known to those skilled in the art, so that this does not need to be discussed in more detail. In this regard, reference is also made to the the Fig. 1 to 5 described embodiment of a turbomolecular pump.

An anderer Stelle wurde bereits erwähnt, dass es möglich ist, dass alle Rotorscheiben einer Turbomolekularpumpstufe aus der durch Ausführungsform 1 definierten Aluminiumlegierung gefertigt sind, dass dies aber nicht zwingend ist.It has already been mentioned elsewhere that it is possible for all rotor disks of a turbomolecular pump stage to be made of the aluminum alloy defined by embodiment 1, but that this is not mandatory.

Anders ausgedrückt kann bei manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung vorgesehen sein, dass auf der Rotorwelle mehrere Rotorscheiben befestigt sind, wobei wenigstens zwei Rotorscheiben sich hinsichtlich des Materials, aus dem sie gefertigt sind, voneinander unterscheiden. Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der Rotorscheiben aus der Aluminiumlegierung gefertigt ist.In other words, in some embodiments of the invention, it can be provided that several rotor disks are attached to the rotor shaft, with at least two rotor disks differing from one another in terms of the material from which they are made. It can be provided that at least one of the rotor disks is made of the aluminum alloy.

Gemäß manchen Weiterbildungen kann hierbei vorgesehen sein, dass eine oder mehrere hochvakuumseitige Rotorscheiben aus der Aluminiumlegierung gefertigt sind, wohingegen eine oder mehrere vorvakuumseitige Rotorscheiben aus einem anderen Material gefertigt sind. Anders ausgedrückt ist hierbei somit vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung nicht für alle Rotorscheiben, sondern lediglich für einen hochvakuumseitigen Teil der Rotorscheiben verwendet wird.According to some developments, it can be provided that one or more rotor disks on the high vacuum side are made of the aluminum alloy, whereas one or more rotor disks on the pre-vacuum side are made of a different material. In other words, it is therefore provided that the aluminum alloy according to the invention is not used for all rotor disks, but only for a high vacuum side part of the rotor disks.

Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Holweckhülse und/oder die Holwecknabe einen Außendurchmesser DHH bzw. DHW aufweist bzw. aufweisen, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der Holweckhülse bzw. der Holwecknabe gemessen wird und der im Bereich von 5,0 cm bis 60 cm liegt.In some embodiments of the invention, it can be provided that the Holweck sleeve and/or the Holweck hub has or have an outer diameter DHH or DHW which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the Holweck sleeve or the Holweck hub and which lies in the range of 5.0 cm to 60 cm.

Gemäß manchen Weiterbildungen der Erfindung kann das Rotorbauteil einen Außendurchmesser größer als 10 cm, bevorzugt größer als 15 cm, insbesondere bevorzugt größer als 20 cm, aufweisen, wobei der Außendurchmesser zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten gemessen wird, die jeweils auf einer radialen Außenfläche des Rotorbauteils liegen.According to some developments of the invention, the rotor component can have an outer diameter greater than 10 cm, preferably greater than 15 cm, particularly preferably greater than 20 cm, wherein the outer diameter is between measured at two diametrically opposite points, each located on a radial outer surface of the rotor component.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass der Bund der Rotorscheibe und/oder die Holwecknabe eine axiale Höhe im Bereich von 3,0 mm bis 5,9 mm, insbesondere bis 5,49 mm, aufweisen bzw. aufweist.According to further embodiments, it can be provided that the collar of the rotor disk and/or the Holweck hub have an axial height in the range of 3.0 mm to 5.9 mm, in particular up to 5.49 mm.

Die Rotorschaufeln können gemäß einigen Weiterbildungen der Erfindung jeweils eine Schaufeldicke im Bereich von 0,125 mm bis 2,9 mm aufweisen, wenn die Schaufeldicke - in radialer Richtung gesehen - in der Mitte zwischen dem Schaufelgrund und dem Schaufelende gemessen wird.According to some developments of the invention, the rotor blades can each have a blade thickness in the range of 0.125 mm to 2.9 mm if the blade thickness - seen in the radial direction - is measured in the middle between the blade base and the blade end.

In manchen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die Rotorschaufeln jeweils am Schaufelgrund eine Dicke von weniger als 9,8 mm insbesondere weniger als 9,0 mm, aufweist.In some embodiments, it can be provided that the rotor blades each have a thickness of less than 9.8 mm, in particular less than 9.0 mm, at the blade base.

Die Schaufeldicke an einer jeweiligen Stelle - in radialer Richtung gesehen - ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung definiert als der kleinste Durchmesser einer Schnittfläche der Rotorschaufel in einer senkrecht zur radialen Richtung verlaufenden Schnittebene.The blade thickness at a respective location - viewed in the radial direction - is defined in the context of the present disclosure as the smallest diameter of a sectional surface of the rotor blade in a sectional plane running perpendicular to the radial direction.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Vakuumpumpe wie hierin offenbart, wobei die Vakuumpumpe eine während des Betriebs um eine Drehachse rotierende Rotorwelle und wenigstens ein auf der Rotorwelle befestigtes Rotorbauteil umfasst, wobei bei dem Verfahren die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle derart betrieben wird, dass die maximal zulässige Temperatur des Rotorbauteils größer 90°C, insbesondere größer oder gleich 98°C, besonders bevorzugt größer oder gleich 120°C, ist.According to a further aspect of the invention, it relates to a method for operating a vacuum pump, in particular a vacuum pump as disclosed herein, wherein the vacuum pump comprises a rotor shaft rotating about an axis of rotation during operation and at least one rotor component fastened to the rotor shaft, wherein in the method the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft such that the maximum permissible temperature of the rotor component is greater than 90°C, in particular greater than or equal to 98°C, particularly preferably greater than or equal to 120°C.

Insbesondere handelt es sich bei dem Rotorbauteil um eine Rotorscheibe, die einen radial innen liegenden Bund, über den die Rotorscheibe auf der Rotorwelle befestigt ist, und mehrere Rotorschaufeln umfasst, die jeweils integral mit dem Bund verbunden sind und die sich ausgehend von einem Schaufelgrund am Bund radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende aufweisen, oder um ein Holweckbauteil, insbesondere eine Holwecknabe oder eine Holweckhülse.In particular, the rotor component is a rotor disk which comprises a radially inner collar, via which the rotor disk is fastened to the rotor shaft, and a plurality of rotor blades, each of which is integrally connected to the collar and which extend radially outward from a blade base on the collar and have a free blade end radially outward, or a Holweck component, in particular a Holweck hub or a Holweck sleeve.

Eine maximal zulässige Temperatur der Rotorbauteile von mehr als 90°C ermöglicht einen bestimmungsgemäßen Betrieb der Vakuumpumpe mit einer höheren Nenndrehzahl als bei bekannten Vakuumpumpen, bei denen die maximal zulässige Temperatur der Rotorbauteile auf 90°C beschränkt ist. Durch die höhere Drehzahl kann eine Steigerung der Pumpleistung erreicht werden.A maximum permissible temperature of the rotor components of more than 90°C enables the vacuum pump to be operated as intended at a higher nominal speed than with known vacuum pumps, where the maximum permissible temperature of the rotor components is limited to 90°C. The higher speed can increase the pump performance.

Es wurde gefunden, dass die Aluminiumlegierung, die durch Ausführungsform 1 definiert ist, ein Material ist, das für Rotorbauteile von Vakuumpumpen, insbesondere für Rotorscheiben und/oder Holweckbauteile, maximal zulässige Temperaturen von mehr als 90°C ermöglicht, ohne dass die vorstehend genannten Probleme entstehen.It has been found that the aluminum alloy defined by embodiment 1 is a material that allows maximum permissible temperatures of more than 90°C for rotor components of vacuum pumps, in particular for rotor disks and/or Holweck components, without causing the problems mentioned above.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle derart betrieben wird, dass die Schaufelendengeschwindigkeit der Rotorscheibe mehr als 420 m/s, bevorzugt mehr als 438 m/s, insbesondere bevorzugt mehr als 464 m/s, beträgt.According to some embodiments of the method according to the invention, it can be provided that the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft such that the blade end speed of the rotor disk is more than 420 m/s, preferably more than 438 m/s, particularly preferably more than 464 m/s.

Bei bekannten Vakuumpumpen ist die Schaufelendengeschwindigkeit der Rotorscheibe, also die Bahngeschwindigkeit der Schaufelenden während des Betriebs bei mit der Nenndrehzahl rotierender Rotorwelle, auf maximal 420m/s beschränkt.In known vacuum pumps, the blade end speed of the rotor disk, i.e. the path speed of the blade ends during operation with the rotor shaft rotating at the rated speed, is limited to a maximum of 420 m/s.

Durch die höhere Nenndrehzahl kann die Pumpleistung der Vakuumpumpe gesteigert werden.The higher rated speed can increase the pumping performance of the vacuum pump.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle betrieben wird, die mehr als 59.000 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt mehr als 150.000 Umdrehungen pro Minute, beträgt.According to some embodiments of the invention, it can be provided that the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft which is more than 59,000 revolutions per minute, preferably more than 100,000 revolutions per minute, particularly preferably more than 150,000 revolutions per minute.

In einigen Weiterbildungen der Erfindung, und zwar sowohl der erfindungsgemä-ßen Vakuumpumpen gemäß den einzelnen genannten Aspekten als auch des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann vorgesehen sein, dass die Rotorwelle vorvakuumseitig durch ein Wälzlager gelagert ist, das mit einem Öl geschmiert ist, bei dem es sich um ein synthetisches Öl handelt, welches eine kinematische Viskosität im Bereich von 4,5 bis 6,5 mm2/s bei 100°C aufweist (Viskosität gemessen gemäß ASTM D445 - 17a). Ein bevorzugtes Beispiel für ein derartiges Öl ist das Öl mit der Bezeichnung "AeroShell Turbine Oil 560". Hinsichtlich weiterer Eigenschaften und möglicher Ausgestaltungen eines synthetischen Öls mit den vorstehend genannten Viskositätseigenschaften wird auf die am 13. Mai 2020 veröffentlichte europäische Patentanmeldung EP 3 650 702 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit zur Spezifizierung des genannten synthetischen Öls durch Bezugnahme aufgenommen wird.In some developments of the invention, namely both the vacuum pumps according to the invention according to the individual aspects mentioned and the method according to the invention, it can be provided that the rotor shaft is supported on the pre-vacuum side by a rolling bearing that is lubricated with an oil that is a synthetic oil that has a kinematic viscosity in the range of 4.5 to 6.5 mm 2 /s at 100 ° C (viscosity measured according to ASTM D445 - 17a). A preferred example of such an oil is the oil called "AeroShell Turbine Oil 560". With regard to further properties and possible embodiments of a synthetic oil with the above-mentioned viscosity properties, reference is made to the European patent application published on May 13, 2020. EP 3 650 702 A1 the contents of which are hereby incorporated by reference to specify the said synthetic oil.

Die Erfindung betrifft insbesondere die folgenden Ausführungsformen:

  1. 1. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einer während des Betriebs um eine Drehachse (11) rotierenden Rotorwelle (13) und mit wenigstens einem auf der Rotorwelle (13) befestigten Rotorbauteil (15, 17, 18),
    • wobei das Rotorbauteil eine Rotorscheibe (15) ist, die einen radial innen liegenden Bund (19), über den die Rotorscheibe (15) auf der Rotorwelle (13) befestigt ist, und mehrere Rotorschaufeln (21) umfasst, die jeweils integral mit dem Bund (19) verbunden sind und die sich jeweils ausgehend von einem Schaufelgrund (23) am Bund (19) radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende (25) aufweisen, oder wobei das Rotorbauteil ein Holweckbauteil ist, insbesondere eine Holwecknabe (17) oder eine Holweckhülse (18), und
    • wobei die Rotorscheibe (15) und/oder das Holweckbauteil (17, 18) aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sind bzw. ist, die folgende Elemente in Gewichts-% aufweist:
      • Cu: 3,6 - 4,4
      • Mg: 1,2 - 1,4
      • Mn : 0,5 - 0,8
      • Zr: < 0,16
      • Ti : 0,01 - 0,05
      • Si < 0,21
      • Fe < 0,21
      • Zn < 0,26
      • andere Elemente < 0,06,
      • Rest Aluminium.
  2. 2. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe,
    • mit einer während des Betriebs um eine Drehachse (11) rotierenden Rotorwelle (13),
    • mit wenigstens einer auf der Rotorwelle (13) befestigten Rotorscheibe (15), die einen radial innen liegenden Bund (19), über den die Rotorscheibe (15) auf der Rotorwelle (13) befestigt ist, und mehrere Rotorschaufeln (21) umfasst, die jeweils integral mit dem Bund (19) verbunden sind und die sich jeweils ausgehend von einem Schaufelgrund (23) am Bund (19) radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende (25) aufweisen, und
    • mit wenigstens einer auf der Rotorwelle (13) befestigten Holwecknabe (17), an der zumindest eine Holweckhülse (18) befestigt ist,
    • wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird,
    • wobei die Holwecknabe (17) einen Holweckaußendurchmesser DHW aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der Holwecknabe (17) gemessen wird, und wobei der Rotoraußendurchmesser DA um einen Faktor von mindestens 1,22, bevorzugt von mindestens 1,25, besonders bevorzugt von mindestens 1,30, größer ist als der Holweckaußendurchmesser DHW.
  3. 3. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe,
    • mit einer während des Betriebs um eine Drehachse (11) rotierenden Rotorwelle (13), und
    • mit wenigstens einer auf der Rotorwelle (13) befestigten Rotorscheibe (15), die einen radial innen liegenden Bund (19), über den die Rotorscheibe (15) auf der Rotorwelle (13) befestigt ist, und mehrere Rotorschaufeln (21) umfasst, die jeweils integral mit dem Bund (19) verbunden sind und die sich jeweils ausgehend von einem Schaufelgrund (23) am Bund (19) radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende (25) aufweisen, wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird,
    • wobei die Rotorscheibe (15) einen Bundaußendurchmesser DB aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche des Bundes (19) gemessen wird,
    • wobei die Rotorscheibe (15) einen Grundaußendurchmesser DG aufweist, der von Schaufelgrund (23) zu Schaufelgrund (23) von zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Rotorschaufeln (21) gemessen wird,
    • wobei DA - DG um einen Faktor von mindestens 0,94, bevorzugt von mindestens 0,95, besonders bevorzugt von mindestens 0,97, größer ist als DA - DB.
  4. 4. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe,
    • mit einer während des Betriebs um eine Drehachse (11) rotierenden Rotorwelle (13),
    • mit wenigstens einer auf der Rotorwelle (13) befestigten Rotorscheibe (15), die einen radial innen liegenden Bund (19), über den die Rotorscheibe (15) auf der Rotorwelle (13) befestigt ist, und mehrere Rotorschaufeln (21) umfasst, die jeweils integral mit dem Bund (19) verbunden sind und die sich jeweils ausgehend von einem Schaufelgrund (23) am Bund (19) radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende (25) aufweisen, wobei die Rotorscheibe (15) einen Grundaußendurchmesser DG aufweist, der von Schaufelgrund (23) zu Schaufelgrund (23) von zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Rotorschaufeln (21) gemessen wird, wobei die Rotorwelle (13) einen Wellenaußendurchmesser DI aufweist, und wobei DG um einen Faktor von maximal 1,20, bevorzugt von maximal 1,15, besonders bevorzugt von maximal 1,10, größer ist als DI.
  5. 5. Vakuumpumpe nach einer der Ausführungsformen 2 bis 4,
    wobei die Rotorscheibe (15) und/oder die Holwecknabe (17) und/oder die Holweckhülse (18) aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sind bzw. ist, die folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist:
    • Cu: 3,6 - 4,4
    • Mg: 1,2 - 1,4
    • Mn : 0,5 - 0,8
    • Zr: < 0,16
    • Ti : 0,01 - 0,05
    • Si < 0,21
    • Fe < 0,21
    • Zn < 0,26
    • andere Elemente < 0,06,
    • Rest Aluminium.
  6. 6. Vakuumpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der größer als 5,0 cm ist, vorzugsweise in einem Bereich von 5,0 cm bis 60 cm liegt, wobei der Rotoraußendurchmesser DA zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird.
  7. 7. Vakuumpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird,
    wobei die Holwecknabe (17) einen Holweckaußendurchmesser DHW aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der Holwecknabe (17) gemessen wird, und wobei der Rotoraußendurchmesser DA mindestens 135 mm und der Holweckaußendurchmesser DHW mindestens 108 mm betragen, oder wobei der Rotoraußendurchmesser DA 120 mm und der Holweckaußendurchmesser DHW 99 mm betragen.
  8. 8. Vakuumpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird,
    • wobei die Vakuumpumpe eine zweite Holwecknabe umfasst, die einen Holweckaußendurchmesser DHW2 aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der zweiten Holwecknabe gemessen wird,
    • wobei der Holweckaußendurchmesser DHW2 der zweiten Holwecknabe mindestens 91 mm beträgt,
    • und/oder wobei der Rotoraußendurchmesser DA um einen Faktor von mindestens 1,40, vorzugsweise von mindestens 1,48, größer ist als der Holweckaußendurchmesser DHW2 der zweiten Holwecknabe.
  9. 9. Vakuumpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Rotorwelle (13) eine Magnetlagerung oder eine Hybridlagerung, nämlich hochvakuumseitig ein Permanentmagnetlager (35) und vorvakuumseitig ein Wälzlager (37), aufweist.
  10. 10. Vakuumpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei auf der Rotorwelle (13) mehrere Rotorscheiben (15) befestigt sind, wobei wenigstens zwei Rotorscheiben (15) sich hinsichtlich des Materials, aus dem sie gefertigt sind, voneinander unterscheiden, insbesondere wobei zumindest eine der Rotorscheiben (15) aus der Aluminiumlegierung gefertigt ist.
  11. 11. Vakuumpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Holweckhülse (18) und/oder die Holwecknabe (17) einen Außendurchmesser DHH bzw. DHW aufweist bzw. aufweisen, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der Holweckhülse (18) bzw. der Holwecknabe (17) gemessen wird und der im Bereich von 5,0 cm bis 60 cm liegt.
  12. 12. Vakuumpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Rotorbauteil (15, 17, 18) einen Außendurchmesser größer als 10 cm, bevorzugt größer als 15 cm, insbesondere bevorzugt größer als 20 cm, aufweist, wobei der Außendurchmesser zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten gemessen wird, die jeweils auf einer radialen Außenfläche des Rotorbauteils (15, 17, 18) liegen.
  13. 13. Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Vakuumpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Vakuumpumpe eine während des Betriebs um eine Drehachse (11) rotierende Rotorwelle (13) und wenigstens ein auf der Rotorwelle (13) befestigtes Rotorbauteil (15, 17, 18) umfasst,
    • insbesondere wobei das Rotorbauteil eine Rotorscheibe (15), die einen radial innen liegenden Bund (19), über den die Rotorscheibe (15) auf der Rotorwelle (13) befestigt ist, und mehrere Rotorschaufeln (21) umfasst, die jeweils integral mit dem Bund (19) verbunden sind und die sich jeweils ausgehend von einem Schaufelgrund (23) am Bund (19) radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende (25) aufweisen, oder ein Holweckbauteil ist, insbesondere eine Holwecknabe (17) oder eine Holweckhülse (18),
    • wobei bei dem Verfahren die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle (13) derart betrieben wird, dass die maximal zulässige Temperatur des Rotorbauteils (15, 17, 18) größer 90°C, insbesondere größer oder gleich 98°C, besonders bevorzugt größer oder gleich 120°C, ist.
  14. 14. Verfahren nach Ausführungsform 13,
    wobei die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle (13) derart betrieben wird, dass die Schaufelendengeschwindigkeit der Rotorscheibe (15) mehr als 420 m/s, bevorzugt mehr als 438 m/s, bevorzugt mehr als 464 m/s, beträgt.
  15. 15. Verfahren nach Ausführungsform 13 oder 14,
    wobei die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle (13) betrieben wird, die mehr als 59.000 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt mehr als 150.000 Umdrehungen pro Minute, beträgt.
The invention particularly relates to the following embodiments:
  1. 1. Vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, with a rotor shaft (13) rotating about an axis of rotation (11) during operation and with at least one rotor component (15, 17, 18) fastened to the rotor shaft (13),
    • wherein the rotor component is a rotor disk (15) having a radially inner collar (19) over which the rotor disk (15) is mounted on the rotor shaft (13) and comprises a plurality of rotor blades (21), each of which is integrally connected to the collar (19) and which each extend radially outwardly from a blade base (23) on the collar (19) and have a free blade end (25) radially outward, or wherein the rotor component is a Holweck component, in particular a Holweck hub (17) or a Holweck sleeve (18), and
    • wherein the rotor disk (15) and/or the Holweck component (17, 18) are made of an aluminium alloy which has the following elements in weight %:
      • Cu: 3.6 - 4.4
      • Mg: 1.2 - 1.4
      • Mn: 0.5 - 0.8
      • Zr: < 0.16
      • Ti : 0.01 - 0.05
      • Si < 0.21
      • Fe < 0.21
      • Zn < 0.26
      • other elements < 0.06,
      • Rest aluminum.
  2. 2. Vacuum pump, in particular turbomolecular pump,
    • with a rotor shaft (13) rotating about a rotation axis (11) during operation,
    • with at least one rotor disk (15) fastened to the rotor shaft (13), which comprises a radially inner collar (19) via which the rotor disk (15) is fastened to the rotor shaft (13), and a plurality of rotor blades (21), each of which is integrally connected to the collar (19) and which each extend radially outward from a blade base (23) on the collar (19) and have a free blade end (25) radially outward, and
    • with at least one Holweck hub (17) attached to the rotor shaft (13), to which at least one Holweck sleeve (18) is attached,
    • wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends (25),
    • wherein the Holweck hub (17) has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the Holweck hub (17), and wherein the rotor outer diameter DA is larger than the Holweck outer diameter DHW by a factor of at least 1.22, preferably of at least 1.25, particularly preferably of at least 1.30.
  3. 3. Vacuum pump, in particular turbomolecular pump,
    • with a rotor shaft (13) rotating about a rotation axis (11) during operation, and
    • with at least one rotor disk (15) fastened to the rotor shaft (13), which comprises a radially inner collar (19) via which the rotor disk (15) is fastened to the rotor shaft (13), and a plurality of rotor blades (21), each of which is integrally connected to the collar (19) and which each extend radially outward from a blade base (23) on the collar (19) and have a free blade end (25) radially outward, wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends (25),
    • wherein the rotor disk (15) has a collar outer diameter DB which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the collar (19),
    • wherein the rotor disk (15) has a basic outer diameter DG which is measured from blade base (23) to blade base (23) of two imaginary diametrically opposed rotor blades (21),
    • wherein DA - DG is greater than DA - DB by a factor of at least 0.94, preferably at least 0.95, particularly preferably at least 0.97.
  4. 4. Vacuum pump, in particular turbomolecular pump,
    • with a rotor shaft (13) rotating about a rotation axis (11) during operation,
    • with at least one rotor disk (15) fastened to the rotor shaft (13), which comprises a radially inner collar (19) via which the rotor disk (15) is fastened to the rotor shaft (13), and a plurality of rotor blades (21), each of which is integrally connected to the collar (19) and which each extend radially outwards from a blade base (23) on the collar (19) and have a free blade end (25) radially outwards, wherein the rotor disk (15) has a base outer diameter DG which is measured from blade base (23) to blade base (23) of two imaginary diametrically opposed rotor blades (21), wherein the rotor shaft (13) has a shaft outer diameter DI, and wherein DG is larger than DI by a factor of at most 1.20, preferably at most 1.15, particularly preferably at most 1.10.
  5. 5. Vacuum pump according to one of embodiments 2 to 4,
    wherein the rotor disk (15) and/or the Holweck hub (17) and/or the Holweck sleeve (18) are made of an aluminium alloy having the following composition in weight %:
    • Cu: 3.6 - 4.4
    • Mg: 1.2 - 1.4
    • Mn: 0.5 - 0.8
    • Zr: < 0.16
    • Ti : 0.01 - 0.05
    • Si < 0.21
    • Fe < 0.21
    • Zn < 0.26
    • other elements < 0.06,
    • Rest aluminum.
  6. 6. Vacuum pump according to one of the preceding embodiments, wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is greater than 5.0 cm, preferably in a range of 5.0 cm to 60 cm, wherein the rotor outer diameter DA is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends (25).
  7. 7. Vacuum pump according to one of the preceding embodiments, wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends (25),
    wherein the Holweck hub (17) has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the Holweck hub (17), and wherein the rotor outer diameter DA is at least 135 mm and the Holweck outer diameter DHW is at least 108 mm, or wherein the rotor outer diameter DA is 120 mm and the Holweck outer diameter DHW is 99 mm.
  8. 8. Vacuum pump according to one of the preceding embodiments, wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends (25),
    • wherein the vacuum pump comprises a second Holweck hub having a Holweck outer diameter DHW2 which is between two mutually diametrically opposite points of a radial outer surface of the second Holweck hub,
    • where the Holweck outer diameter DHW2 of the second Holweck hub is at least 91 mm,
    • and/or wherein the rotor outer diameter DA is larger than the Holweck outer diameter DHW2 of the second Holweck hub by a factor of at least 1.40, preferably at least 1.48.
  9. 9. Vacuum pump according to one of the preceding embodiments, wherein the rotor shaft (13) has a magnetic bearing or a hybrid bearing, namely a permanent magnet bearing (35) on the high vacuum side and a rolling bearing (37) on the fore vacuum side.
  10. 10. Vacuum pump according to one of the preceding embodiments, wherein a plurality of rotor disks (15) are fastened to the rotor shaft (13), wherein at least two rotor disks (15) differ from one another with regard to the material from which they are made, in particular wherein at least one of the rotor disks (15) is made of the aluminum alloy.
  11. 11. Vacuum pump according to one of the preceding embodiments, wherein the Holweck sleeve (18) and/or the Holweck hub (17) has/have an outer diameter DHH or DHW which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the Holweck sleeve (18) or the Holweck hub (17) and which lies in the range of 5.0 cm to 60 cm.
  12. 12. Vacuum pump according to one of the preceding embodiments, wherein the rotor component (15, 17, 18) has an outer diameter greater than 10 cm, preferably greater than 15 cm, particularly preferably greater than 20 cm, wherein the outer diameter is measured between two diametrically opposite points, each of which is located on a radial outer surface of the rotor component (15, 17, 18).
  13. 13. Method for operating a vacuum pump, in particular a vacuum pump according to one of the preceding embodiments, wherein the vacuum pump comprises a rotor shaft (13) rotating about an axis of rotation (11) during operation and at least one rotor component (15, 17, 18) fastened to the rotor shaft (13),
    • in particular, wherein the rotor component comprises a rotor disk (15) which has a radially inner collar (19) via which the rotor disk (15) is fastened to the rotor shaft (13), and a plurality of rotor blades (21), each of which is integrally connected to the collar (19) and which each extend radially outward from a blade base (23) on the collar (19) and have a free blade end (25) radially outward, or is a Holweck component, in particular a Holweck hub (17) or a Holweck sleeve (18),
    • wherein in the method the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft (13) such that the maximum permissible temperature of the rotor component (15, 17, 18) is greater than 90°C, in particular greater than or equal to 98°C, particularly preferably greater than or equal to 120°C.
  14. 14. Method according to embodiment 13,
    wherein the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft (13) such that the blade end speed of the rotor disk (15) is more than 420 m/s, preferably more than 438 m/s, preferably more than 464 m/s.
  15. 15. Method according to embodiment 13 or 14,
    wherein the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft (13) which is more than 59,000 revolutions per minute, preferably more than 100,000 revolutions per minute, particularly preferably more than 150,000 revolutions per minute.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1
eine perspektivische Ansicht einer Turbomolekularpumpe,
Fig. 2
eine Ansicht der Unterseite der Turbomolekularpumpe von Fig. 1,
Fig. 3
einen Querschnitt der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A,
Fig. 4
eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie B-B,
Fig. 5
eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie C-C,
Fig. 6
einen Schnitt durch einen Teil einer Turbomolekularpumpe zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Abmessungsverhältnisses,
Fig. 7
eine Schnittansicht einer auf einer Rotorwelle befestigten Rotorscheibe zur Veranschaulichung erfindungsgemäßer Abmessungen bzw. Abmessungsverhältnisse, und
Fig. 8
einen Schnitt durch eine Rotorschaufel zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Abmessung.
The invention is described below by way of example with reference to the drawing.
Fig.1
a perspective view of a turbomolecular pump,
Fig.2
a view of the bottom of the turbomolecular pump from Fig.1 ,
Fig. 3
a cross section of the turbomolecular pump along the Fig.2 shown section line AA,
Fig.4
a cross-sectional view of the turbomolecular pump along the Fig.2 shown cutting line BB,
Fig.5
a cross-sectional view of the turbomolecular pump along the Fig.2 shown section line CC,
Fig.6
a section through a part of a turbomolecular pump to illustrate a dimensional ratio according to the invention,
Fig.7
a sectional view of a rotor disk mounted on a rotor shaft to illustrate dimensions or dimensional relationships according to the invention, and
Fig.8
a section through a rotor blade to illustrate a dimension according to the invention.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe 111 umfasst einen von einem Einlassflansch 113 umgebenen Pumpeneinlass 115, an welchen in an sich bekannter Weise ein nicht dargestellter Rezipient angeschlossen werden kann. Das Gas aus dem Rezipienten kann über den Pumpeneinlass 115 aus dem Rezipienten gesaugt und durch die Pumpe hindurch zu einem Pumpenauslass 117 gefördert werden, an den eine Vorvakuumpumpe, wie etwa eine Drehschieberpumpe, angeschlossen sein kann.In the Fig.1 The turbomolecular pump 111 shown comprises a pump inlet 115 surrounded by an inlet flange 113, to which a recipient (not shown) can be connected in a manner known per se. The gas from the recipient can be sucked out of the recipient via the pump inlet 115 and conveyed through the pump to a pump outlet 117, to which a backing pump, such as a rotary vane pump, can be connected.

Der Einlassflansch 113 bildet bei der Ausrichtung der Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 das obere Ende des Gehäuses 119 der Vakuumpumpe 111. Das Gehäuse 119 umfasst ein Unterteil 121, an welchem seitlich ein Elektronikgehäuse 123 angeordnet ist. In dem Elektronikgehäuse 123 sind elektrische und/oder elektronische Komponenten der Vakuumpumpe 111 untergebracht, z.B. zum Betreiben eines in der Vakuumpumpe angeordneten Elektromotors 125 (vgl. auch Fig. 3). Am Elektronikgehäuse 123 sind mehrere Anschlüsse 127 für Zubehör vorgesehen. Außerdem sind eine Datenschnittstelle 129, z.B. gemäß dem RS485-Standard, und ein Stromversorgungsanschluss 131 am Elektronikgehäuse 123 angeordnet.The inlet flange 113 forms the vacuum pump in the alignment according to Fig.1 the upper end of the housing 119 of the vacuum pump 111. The housing 119 comprises a lower part 121, on which an electronics housing 123 is arranged on the side. Electrical and/or electronic components of the vacuum pump 111 are housed in the electronics housing 123, e.g. for operating an electric motor 125 arranged in the vacuum pump (see also Fig. 3 ). Several connections 127 for accessories are provided on the electronics housing 123. In addition, a data interface 129, e.g. according to the RS485 standard, and a power supply connection 131 are arranged on the electronics housing 123.

Es existieren auch Turbomolekularpumpen, die kein derartiges angebrachtes Elektronikgehäuse aufweisen, sondern an eine externe Antriebselektronik angeschlossen werden.There are also turbomolecular pumps that do not have such an attached electronics housing, but are connected to external drive electronics.

Am Gehäuse 119 der Turbomolekularpumpe 111 ist ein Fluteinlass 133, insbesondere in Form eines Flutventils, vorgesehen, über den die Vakuumpumpe 111 geflutet werden kann. Im Bereich des Unterteils 121 ist ferner noch ein Sperrgasanschluss 135, der auch als Spülgasanschluss bezeichnet wird, angeordnet, über welchen Spülgas zum Schutz des Elektromotors 125 (siehe z.B. Fig. 3) vor dem von der Pumpe geförderten Gas in den Motorraum 137, in welchem der Elektromotor 125 in der Vakuumpumpe 111 untergebracht ist, eingelassen werden kann.A flood inlet 133, in particular in the form of a flood valve, is provided on the housing 119 of the turbomolecular pump 111, via which the vacuum pump 111 can be flooded. In the area of the lower part 121, a sealing gas connection 135, which is also referred to as a purge gas connection, is also arranged, via which purge gas can be fed to protect the electric motor 125 (see e.g. Fig.3 ) can be admitted into the motor compartment 137, in which the electric motor 125 in the vacuum pump 111 is housed, before the gas delivered by the pump.

Im Unterteil 121 sind ferner noch zwei Kühlmittelanschlüsse 139 angeordnet, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse als Einlass und der andere Kühlmittelanschluss als Auslass für Kühlmittel vorgesehen ist, das zu Kühlzwecken in die Vakuumpumpe geleitet werden kann. Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) werden ausschließlich mit Luftkühlung betrieben.In the lower part 121, two coolant connections 139 are also arranged, one of the coolant connections being provided as an inlet and the other coolant connection as an outlet for coolant that can be fed into the vacuum pump for cooling purposes. Other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown) are operated exclusively with air cooling.

Die untere Seite 141 der Vakuumpumpe kann als Standfläche dienen, sodass die Vakuumpumpe 111 auf der Unterseite 141 stehend betrieben werden kann. Die Vakuumpumpe 111 kann aber auch über den Einlassflansch 113 an einem Rezipienten befestigt werden und somit gewissermaßen hängend betrieben werden. Außerdem kann die Vakuumpumpe 111 so gestaltet sein, dass sie auch in Betrieb genommen werden kann, wenn sie auf andere Weise ausgerichtet ist als in Fig. 1 gezeigt ist. Es lassen sich auch Ausführungsformen der Vakuumpumpe realisieren, bei der die Unterseite 141 nicht nach unten, sondern zur Seite gewandt oder nach oben gerichtet angeordnet werden kann. Grundsätzlich sind dabei beliebige Winkel möglich.The lower side 141 of the vacuum pump can serve as a base so that the vacuum pump 111 can be operated standing on the underside 141. The vacuum pump 111 can also be attached to a recipient via the inlet flange 113 and thus operated in a hanging position. In addition, the vacuum pump 111 can be designed in such a way that it can also be put into operation when it is aligned in a different way than in Fig.1 is shown. It is also possible to realize embodiments of the vacuum pump in which the underside 141 is not arranged facing downwards, but to the side or facing upwards. In principle, any angle is possible.

Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, können nicht stehend betrieben werden.Other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown), which are particularly larger than the pump shown here, cannot be operated in an upright position.

An der Unterseite 141, die in Fig. 2 dargestellt ist, sind noch diverse Schrauben 143 angeordnet, mittels denen hier nicht weiter spezifizierte Bauteile der Vakuumpumpe aneinander befestigt sind. Beispielsweise ist ein Lagerdeckel 145 an der Unterseite 141 befestigt.On the underside 141, which is in Fig.2 As shown, various screws 143 are arranged, by means of which components of the vacuum pump (not further specified here) are fastened to one another. For example, a bearing cover 145 is fastened to the underside 141.

An der Unterseite 141 sind außerdem Befestigungsbohrungen 147 angeordnet, über welche die Pumpe 111 beispielsweise an einer Auflagefläche befestigt werden kann. Dies ist bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, nicht möglich.Mounting holes 147 are also arranged on the underside 141, via which the pump 111 can be attached to a support surface, for example. This is the case with other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown), which are particularly larger than the pump shown here, are not possible.

In den Figuren 2 bis 5 ist eine Kühlmittelleitung 148 dargestellt, in welcher das über die Kühlmittelanschlüsse 139 ein- und ausgeleitete Kühlmittel zirkulieren kann.In the Figures 2 to 5 a coolant line 148 is shown in which the coolant introduced and discharged via the coolant connections 139 can circulate.

Wie die Schnittdarstellungen der Figuren 3 bis 5 zeigen, umfasst die Vakuumpumpe mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 115 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 117.As the sectional views of the Figures 3 to 5 show, the vacuum pump comprises several process gas pumping stages for conveying the process gas present at the pump inlet 115 to the pump outlet 117.

In dem Gehäuse 119 ist ein Rotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.A rotor 149 is arranged in the housing 119 and has a rotor shaft 153 rotatable about a rotation axis 151.

Die Turbomolekularpumpe 111 umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren an der Rotorwelle 153 befestigten radialen Rotorscheiben 155 und zwischen den Rotorscheiben 155 angeordneten und in dem Gehäuse 119 festgelegten Statorscheiben 157. Dabei bilden eine Rotorscheibe 155 und eine benachbarte Statorscheibe 157 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe. Die Statorscheiben 157 sind durch Abstandsringe 159 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten.The turbomolecular pump 111 comprises several turbomolecular pump stages connected in series with a pumping effect, with several radial rotor disks 155 attached to the rotor shaft 153 and stator disks 157 arranged between the rotor disks 155 and fixed in the housing 119. A rotor disk 155 and an adjacent stator disk 157 each form a turbomolecular pump stage. The stator disks 157 are held at a desired axial distance from one another by spacer rings 159.

Die Vakuumpumpe umfasst außerdem in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweck-Pumpstufen. Es existieren andere Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die keine Holweck-Pumpstufen aufweisen.The vacuum pump also comprises Holweck pump stages arranged one inside the other in the radial direction and connected in series to pump with one another. There are other turbomolecular vacuum pumps (not shown) that do not have Holweck pump stages.

Der Rotor der Holweck-Pumpstufen umfasst eine an der Rotorwelle 153 angeordnete Rotornabe 161 und zwei an der Rotornabe 161 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweck-Rotorhülsen 163, 165, die koaxial zur Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweck-Statorhülsen 167, 169 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung gesehen ineinander geschachtelt sind.The rotor of the Holweck pump stages comprises a rotor hub 161 arranged on the rotor shaft 153 and two cylinder-jacket-shaped Holweck rotor sleeves 163, 165 fastened to and carried by the rotor hub 161, which are arranged coaxially to the axis of rotation 151 and are nested in the radial direction. Furthermore, two cylinder-jacket-shaped Holweck stator sleeves 167, 169 are provided, which are also oriented coaxially to the rotation axis 151 and are nested in the radial direction.

Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind durch die Mantelflächen, also durch die radialen Innen- und/oder Außenflächen, der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 und der Holweck-Statorhülsen 167, 169 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 167 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 171 gegenüber und bildet mit dieser die der Turbomolekularpumpen nachfolgende erste Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 steht der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 173 gegenüber und bildet mit dieser eine zweite Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 liegt der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Rotorhülse 165 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 175 gegenüber und bildet mit dieser die dritte Holweck-Pumpstufe.The pump-active surfaces of the Holweck pump stages are formed by the lateral surfaces, i.e. by the radial inner and/or outer surfaces, of the Holweck rotor sleeves 163, 165 and the Holweck stator sleeves 167, 169. The radial inner surface of the outer Holweck stator sleeve 167 is opposite the radial outer surface of the outer Holweck rotor sleeve 163, forming a radial Holweck gap 171, and together with this forms the first Holweck pump stage following the turbomolecular pumps. The radial inner surface of the outer Holweck rotor sleeve 163 is opposite the radial outer surface of the inner Holweck stator sleeve 169, forming a radial Holweck gap 173, and together with this forms a second Holweck pump stage. The radial inner surface of the inner Holweck stator sleeve 169 lies opposite the radial outer surface of the inner Holweck rotor sleeve 165, forming a radial Holweck gap 175 and together forming the third Holweck pumping stage.

Am unteren Ende der Holweck-Rotorhülse 163 kann ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der radial außenliegende Holweck-Spalt 171 mit dem mittleren Holweck-Spalt 173 verbunden ist. Außerdem kann am oberen Ende der inneren Holweck-Statorhülse 169 ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der mittlere Holweck-Spalt 173 mit dem radial innen liegenden Holweck-Spalt 175 verbunden ist. Dadurch werden die ineinander geschachtelten Holweck-Pumpstufen in Serie miteinander geschaltet. Am unteren Ende der radial innen liegenden Holweck-Rotorhülse 165 kann ferner ein Verbindungskanal 179 zum Auslass 117 vorgesehen sein.A radially extending channel can be provided at the lower end of the Holweck rotor sleeve 163, via which the radially outer Holweck gap 171 is connected to the middle Holweck gap 173. In addition, a radially extending channel can be provided at the upper end of the inner Holweck stator sleeve 169, via which the middle Holweck gap 173 is connected to the radially inner Holweck gap 175. As a result, the nested Holweck pump stages are connected in series with one another. A connecting channel 179 to the outlet 117 can also be provided at the lower end of the radially inner Holweck rotor sleeve 165.

Die vorstehend genannten pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Statorhülsen 167, 169 weisen jeweils mehrere spiralförmig um die Rotationsachse 151 herum in axialer Richtung verlaufende Holweck-Nuten auf, während die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 glatt ausgebildet sind und das Gas zum Betrieb der Vakuumpumpe 111 in den Holweck-Nuten vorantreiben.The above-mentioned pump-active surfaces of the Holweck stator sleeves 167, 169 each have a plurality of Holweck grooves running spirally around the rotation axis 151 in the axial direction, while the opposite lateral surfaces of the Holweck rotor sleeves 163, 165 are smooth and propel the gas in the Holweck grooves for operating the vacuum pump 111.

Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 153 sind ein Wälzlager 181 im Bereich des Pumpenauslasses 117 und ein Permanentmagnetlager 183 im Bereich des Pumpeneinlasses 115 vorgesehen.For the rotatable mounting of the rotor shaft 153, a rolling bearing 181 is provided in the area of the pump outlet 117 and a permanent magnet bearing 183 is provided in the area of the pump inlet 115.

Im Bereich des Wälzlagers 181 ist an der Rotorwelle 153 eine konische Spritzmutter 185 mit einem zu dem Wälzlager 181 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen. Die Spritzmutter 185 steht mit mindestens einem Abstreifer eines Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt. Bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) kann anstelle einer Spritzmutter eine Spritzschraube vorgesehen sein. Da somit unterschiedliche Ausführungen möglich sind, wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff "Spritzspitze" verwendet.In the area of the roller bearing 181, a conical spray nut 185 with an outer diameter that increases towards the roller bearing 181 is provided on the rotor shaft 153. The spray nut 185 is in sliding contact with at least one scraper of a fluid reservoir. In other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown), a spray screw can be provided instead of a spray nut. Since different designs are thus possible, the term "spray tip" is also used in this context.

Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.The operating fluid storage comprises several absorbent disks 187 stacked on top of each other, which are impregnated with an operating fluid for the rolling bearing 181, e.g. with a lubricant.

Im Betrieb der Vakuumpumpe 111 wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 185 übertragen und in Folge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 185 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 185 zu dem Wälzlager 181 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt. Das Wälzlager 181 und der Betriebsmittelspeicher sind durch einen wannenförmigen Einsatz 189 und den Lagerdeckel 145 in der Vakuumpumpe eingefasst.When the vacuum pump 111 is in operation, the operating fluid is transferred by capillary action from the operating fluid reservoir via the scraper to the rotating spray nut 185 and, as a result of the centrifugal force, is conveyed along the spray nut 185 in the direction of the increasing outer diameter of the spray nut 185 to the roller bearing 181, where it fulfills a lubricating function, for example. The roller bearing 181 and the operating fluid reservoir are enclosed in the vacuum pump by a trough-shaped insert 189 and the bearing cover 145.

Das Permanentmagnetlager 183 umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 191 und eine statorseitige Lagerhälfte 193, welche jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinander gestapelten permanentmagnetischen Ringen 195, 197 umfassen. Die Ringmagnete 195, 197 liegen einander unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 199 gegenüber, wobei die rotorseitigen Ringmagnete 195 radial außen und die statorseitigen Ringmagnete 197 radial innen angeordnet sind. Das in dem Lagerspalt 199 vorhandene magnetische Feld ruft magnetische Abstoßungskräfte zwischen den Ringmagneten 195, 197 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 153 bewirken. Die rotorseitigen Ringmagnete 195 sind von einem Trägerabschnitt 201 der Rotorwelle 153 getragen, welcher die Ringmagnete 195 radial außenseitig umgibt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 203 getragen, welcher sich durch die Ringmagnete 197 hindurch erstreckt und an radialen Streben 205 des Gehäuses 119 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 151 sind die rotorseitigen Ringmagnete 195 durch ein mit dem Trägerabschnitt 201 gekoppeltes Deckelelement 207 festgelegt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind parallel zu der Rotationsachse 151 in der einen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 209 sowie einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 211 festgelegt. Zwischen dem Befestigungsring 211 und den Ringmagneten 197 kann außerdem eine Tellerfeder 213 vorgesehen sein.The permanent magnet bearing 183 comprises a rotor-side bearing half 191 and a stator-side bearing half 193, each of which comprises a ring stack of several permanent magnet rings 195, 197 stacked on top of one another in the axial direction. The ring magnets 195, 197 lie opposite one another to form a radial bearing gap 199, with the rotor-side ring magnets 195 being arranged radially on the outside and the stator-side ring magnets 197 being arranged radially on the inside. The magnetic field present in the bearing gap 199 causes magnetic repulsion forces between the ring magnets 195, 197, which cause the rotor shaft 153 to be supported radially. The rotor-side ring magnets 195 are carried by a support section 201 of the rotor shaft 153, which surrounds the ring magnets 195 on the radial outside. The stator-side ring magnets 197 are supported by a stator-side support section 203 which extends through the ring magnets 197 and is suspended from radial struts 205 of the housing 119. The rotor-side ring magnets 195 are fixed parallel to the rotation axis 151 by a cover element 207 coupled to the support section 201. The stator-side ring magnets 197 are fixed parallel to the rotation axis 151 in one direction by a fastening ring 209 connected to the support section 203 and a fastening ring 211 connected to the support section 203. A disc spring 213 can also be provided between the fastening ring 211 and the ring magnets 197.

Innerhalb des Magnetlagers ist ein Not- bzw. Fanglager 215 vorgesehen, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe 111 ohne Berührung leer läuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 149 relativ zu dem Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 149 zu bilden, damit eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert wird. Das Fanglager 215 ist als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet und bildet mit dem Rotor 149 und/oder dem Stator einen radialen Spalt, welcher bewirkt, dass das Fanglager 215 im normalen Pumpbetrieb außer Eingriff ist. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 215 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, sodass das Fanglager 215 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, sodass eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen unter allen Umständen verhindert wird.An emergency or safety bearing 215 is provided within the magnetic bearing, which runs idle without contact during normal operation of the vacuum pump 111 and only engages when the rotor 149 is excessively radially deflected relative to the stator, in order to form a radial stop for the rotor 149, so that a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented. The safety bearing 215 is designed as an unlubricated roller bearing and forms a radial gap with the rotor 149 and/or the stator, which causes the safety bearing 215 to be disengaged during normal pumping operation. The The radial deflection at which the safety bearing 215 engages is large enough so that the safety bearing 215 does not engage during normal operation of the vacuum pump, and at the same time small enough so that a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented under all circumstances.

Die Vakuumpumpe 111 umfasst den Elektromotor 125 zum drehenden Antreiben des Rotors 149. Der Anker des Elektromotors 125 ist durch den Rotor 149 gebildet, dessen Rotorwelle 153 sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckt. Auf den sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt der Rotorwelle 153 kann radial außenseitig oder eingebettet eine Permanentmagnetanordnung angeordnet sein. Zwischen dem Motorstator 217 und dem sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt des Rotors 149 ist ein Zwischenraum 219 angeordnet, welcher einen radialen Motorspalt umfasst, über den sich der Motorstator 217 und die Permanentmagnetanordnung zur Übertragung des Antriebsmoments magnetisch beeinflussen können.The vacuum pump 111 comprises the electric motor 125 for rotating the rotor 149. The armature of the electric motor 125 is formed by the rotor 149, whose rotor shaft 153 extends through the motor stator 217. A permanent magnet arrangement can be arranged radially on the outside or embedded in the section of the rotor shaft 153 extending through the motor stator 217. Between the motor stator 217 and the section of the rotor 149 extending through the motor stator 217 there is an intermediate space 219 which comprises a radial motor gap, via which the motor stator 217 and the permanent magnet arrangement can magnetically influence each other to transmit the drive torque.

Der Motorstator 217 ist in dem Gehäuse innerhalb des für den Elektromotor 125 vorgesehenen Motorraums 137 festgelegt. Über den Sperrgasanschluss 135 kann ein Sperrgas, das auch als Spülgas bezeichnet wird, und bei dem es sich beispielsweise um Luft oder um Stickstoff handeln kann, in den Motorraum 137 gelangen. Über das Sperrgas kann der Elektromotor 125 vor Prozessgas, z.B. vor korrosiv wirkenden Anteilen des Prozessgases, geschützt werden. Der Motorraum 137 kann auch über den Pumpenauslass 117 evakuiert werden, d.h. im Motorraum 137 herrscht zumindest annäherungsweise der von der am Pumpenauslass 117 angeschlossenen Vorvakuumpumpe bewirkte Vakuumdruck.The motor stator 217 is fixed in the housing within the motor compartment 137 provided for the electric motor 125. A sealing gas, which is also referred to as purge gas and which can be air or nitrogen, for example, can enter the motor compartment 137 via the sealing gas connection 135. The electric motor 125 can be protected from process gas, e.g. from corrosive components of the process gas, via the sealing gas. The motor compartment 137 can also be evacuated via the pump outlet 117, i.e. the vacuum pressure in the motor compartment 137 is at least approximately the vacuum pressure caused by the forevacuum pump connected to the pump outlet 117.

Zwischen der Rotornabe 161 und einer den Motorraum 137 begrenzenden Wandung 221 kann außerdem eine sog. und an sich bekannte Labyrinthdichtung 223 vorgesehen sein, insbesondere um eine bessere Abdichtung des Motorraums 217 gegenüber den radial außerhalb liegenden Holweck-Pumpstufen zu erreichen.Between the rotor hub 161 and a wall 221 delimiting the motor compartment 137, a so-called and known labyrinth seal 223 can also be be provided, in particular in order to achieve a better sealing of the engine compartment 217 with respect to the Holweck pump stages located radially outside.

Nachstehend werden anhand der Fig. 6 bis 8 einzelne Aspekte und Ausführungsbeispiele, insbesondere bestimmte Abmessungen bzw. Abmessungsverhältnisse, einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe erläutert, die einzeln oder in beliebiger Kombination in einer Turbomolekularpumpe verwirklicht sein können, beispielsweise in einer Turbomolekularpumpe, wie sie zuvor anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben worden ist. Mit anderen Worten kann eine Turbomolekularpumpe, wie sie anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben worden ist, in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet sein und insbesondere eine oder mehrere der Abmessungen und/oder eines oder mehrere der Abmessungsverhältnisse aufweisen, wie sie anhand der Fig. 6 bis 8 erläutert werden. Dabei dienen die Fig. 6 bis 8 lediglich zur Veranschaulichung der Abmessungen bzw. Abmessungsverhältnisse, sind insofern also nicht maßstabsgerecht.The following are based on the Fig. 6 to 8 individual aspects and embodiments, in particular certain dimensions or dimensional ratios, of a vacuum pump according to the invention are explained, which can be implemented individually or in any combination in a turbomolecular pump, for example in a turbomolecular pump as previously described with reference to the Fig. 1 to 5 In other words, a turbomolecular pump, as described in the Fig. 1 to 5 described, be designed in accordance with the invention and in particular have one or more of the dimensions and/or one or more of the dimensional ratios as described in the Fig. 6 to 8 The following are explained below. Fig. 6 to 8 merely to illustrate the dimensions or dimensional relationships and are therefore not to scale.

Die Turbomolekularpumpe gemäß Fig. 6 umfasst eine Turbomolekularpumpstufe und eine Holweckpumpstufe. Mehrere Rotorscheiben 15 sind auf einer Rotorwelle 13 befestigt, die während des Betriebs um eine Drehachse 11 rotiert und vorvakuumseitig in einem Wälzlager 37 gelagert ist. Die Schmierung des Wälzlagers kann durch ein synthetisches Öl erfolgen, wie es im Einleitungsteil der vorliegenden Offenbarung beschrieben worden ist.The turbomolecular pump according to Fig.6 comprises a turbomolecular pump stage and a Holweck pump stage. Several rotor disks 15 are attached to a rotor shaft 13, which rotates about a rotation axis 11 during operation and is mounted on the fore-vacuum side in a roller bearing 37. The roller bearing can be lubricated by a synthetic oil, as described in the introductory part of the present disclosure.

Auf der Rotorwelle 13 ist außerdem eine Holwecknabe 17 befestigt, die radial au-ßen eine zylindrische Holweckhülse 18 trägt. Die radiale Außenfläche der Holwecknabe 17 liegt auf dem gleichen Radius wie die radial äußere Mantelfläche der Holweckhülse 18, nämlich auf einem Radius von 1/2 * DHW, d.h. der Außendurchmesser der Holwecknabe 17 beträgt DHW.A Holweck hub 17 is also attached to the rotor shaft 13, which carries a cylindrical Holweck sleeve 18 on the outside radially. The radial outer surface of the Holweck hub 17 lies on the same radius as the radial outer surface of the Holweck sleeve 18, namely on a radius of 1/2 * DHW, ie the outer diameter of the Holweck hub 17 is DHW.

Die radial äußeren Enden 25 der Rotorschaufeln 21 liegen auf einem Radius von 1/2 * DA, d.h. die Rotorscheiben 15 besitzen einen Außendurchmesser DA.The radially outer ends 25 of the rotor blades 21 lie on a radius of 1/2 * DA, i.e. the rotor disks 15 have an outer diameter DA.

Wie im Einleitungsteil der vorliegenden Offenbarung ausgeführt, beträgt gemäß einem Aspekt der Erfindung das Verhältnis DA/DHW mindestens 1,22.As stated in the introductory part of the present disclosure, according to one aspect of the invention, the ratio DA/DHW is at least 1.22.

Zur Erzielung einer Pumpwirkung wirken die Rotorschaufeln 21 einer jeweiligen Rotorscheibe 15 mit Statorschaufeln einer jeweiligen Statorscheibe 29 zusammen. Die Statorscheiben 29 sind in einer dem Fachmann grundsätzlich bekannten Weise innerhalb eines Gehäuses 27 der Turbomolekularpumpe befestigt. Die Holweckhülse 18 wirkt zur Erzielung einer Pumpwirkung mit einem radial äußeren Holweckstator 31 sowie mit einem radial inneren Holweckstator 33 zusammen, die jeweils mit einer der jeweiligen Mantelfläche der Holweckhülse 18 zugewandten Holwecknutanordnung versehen sind. Ein solcher Aufbau von einzelnen, in Strömungsrichtung des zu pumpenden Gases hintereinander angeordneten Holweckpumpstufen, die jeweils einen Holweckstator und eine gegenüberliegende Mantelfläche einer Holweckhülse umfassen und auch als radial ineinander liegende oder verschachtelte Holweckstufen bezeichnet werden, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt.To achieve a pumping effect, the rotor blades 21 of a respective rotor disk 15 interact with stator blades of a respective stator disk 29. The stator disks 29 are fastened in a manner known in principle to those skilled in the art within a housing 27 of the turbomolecular pump. To achieve a pumping effect, the Holweck sleeve 18 interacts with a radially outer Holweck stator 31 and with a radially inner Holweck stator 33, each of which is provided with a Holweck groove arrangement facing the respective lateral surface of the Holweck sleeve 18. Such a structure of individual Holweck pump stages arranged one behind the other in the flow direction of the gas to be pumped, each of which comprises a Holweck stator and an opposite lateral surface of a Holweck sleeve and is also referred to as radially nested or interleaved Holweck stages, is known in principle to those skilled in the art.

In einer weiteren Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung können die Rotorscheiben 15 und die Holwecknabe 17 aus der Aluminiumlegierung gefertigt sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Holweckhülse 18 aus dieser Aluminiumlegierung zu fertigen. Alternativ kann die Holweckhülse 18 aus einem anderen Material bestehen, beispielsweise einem kohlenfaserverstärkten Kunststoff (CFK), wie er für die Herstellung von Holweckhülsen dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist.In a further embodiment of this embodiment of the invention, the rotor disks 15 and the Holweck hub 17 can be made of the aluminum alloy. In principle, it is also possible to manufacture the Holweck sleeve 18 from this aluminum alloy. Alternatively, the Holweck sleeve 18 can be made of a different material, for example a carbon fiber reinforced plastic (CFRP), as is generally known to those skilled in the art for the production of Holweck sleeves.

Fig. 7 zeigt eine Rotorscheibe 15, die auf einer Rotorwelle 13 einer Turbomolekularpumpe befestigt ist. Die Rotorwelle 13 trägt ein hochvakuumseitiges Magnetlager 35, von dem in Fig. 7 zwei Permanentmagnetringe gezeigt sind. Die hochvakuumseitige Magnetlagerung einer Rotorwelle 13 einer Turbomolekularpumpe ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht. Diesbezüglich wird auch auf die Beschreibung einer Turbomolekularpumpe anhand der Fig. 1 bis 5 verwiesen. Fig.7 shows a rotor disk 15 which is mounted on a rotor shaft 13 of a turbomolecular pump. The rotor shaft 13 carries a high vacuum side magnetic bearing 35, of which Fig.7 two permanent magnet rings are shown. The high vacuum side magnetic bearing of a rotor shaft 13 of a turbomolecular pump is basically known to the person skilled in the art, so that it does not need to be discussed in more detail. In this regard, reference is also made to the description of a turbomolecular pump based on the Fig. 1 to 5 referred to.

Die Rotorscheibe 15 ist ein einstückiges Bauteil, das durch Fräsen und/oder Sägen aus einem Ausgangsmaterial gefertigt wird. Bei diesem Material handelt es sich vorzugsweise um die Aluminiumlegierung. Dieses Material ist für die Rotorscheibe 15 aber nicht zwingend. Die nachstehend näher erläuterten Abmessungen und Abmessungsverhältnisse können auch an Rotorscheiben 15 verwirklicht sein, die nicht aus dieser Aluminiumlegierung gefertigt sind.The rotor disk 15 is a one-piece component that is manufactured from a starting material by milling and/or sawing. This material is preferably aluminum alloy. However, this material is not mandatory for the rotor disk 15. The dimensions and dimensional relationships explained in more detail below can also be implemented on rotor disks 15 that are not made from this aluminum alloy.

Die Rotorscheibe 15 umfasst einen radial innen liegenden, hohlzylindrischen Bund 19, über den die Rotorscheibe 15 auf der Rotorwelle 13 befestigt ist. Außerdem besitzt die Rotorscheibe 15 eine Mehrzahl von Rotorschaufeln 21, die jeweils integral mit dem Bund 19 verbunden sind und die sich jeweils ausgehend von einem Schaufelgrund 23 am Bund 19 radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende 25 aufweisen. Ein jeweiliger Schaufelgrund 23 liegt auf einem größeren Radius - bezogen auf die Mittelachse des hohlzylindrischen Bundes 19, die im auf der Rotorwelle 13 befestigten Zustand mit der Drehachse 11 der Rotorwelle 13 zusammenfällt - als die radiale Außenfläche des Bundes 19. Der Außendurchmesser DB des Bundes 19, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten der radialen Außenfläche des Bundes 19 gemessen wird, ist folglich kleiner als der Grundaußendurchmesser DG der von Schaufelgrund 23 zu Schaufelgrund 23 von zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Rotorschaufeln 21 gemessen wird.The rotor disk 15 comprises a radially inner, hollow cylindrical collar 19, via which the rotor disk 15 is fastened to the rotor shaft 13. In addition, the rotor disk 15 has a plurality of rotor blades 21, each of which is integrally connected to the collar 19 and which each extend radially outward from a blade base 23 on the collar 19 and have a free blade end 25 radially outward. A respective blade base 23 lies on a larger radius - relative to the central axis of the hollow cylindrical collar 19, which coincides with the axis of rotation 11 of the rotor shaft 13 when fastened to the rotor shaft 13 - than the radial outer surface of the collar 19. The outer diameter DB of the collar 19, which is measured between two diametrically opposite points on the radial outer surface of the collar 19, is consequently smaller than the basic outer diameter DG which is measured from blade base 23 to blade base 23 of two imaginary diametrically opposite rotor blades 21.

Ferner besitzt die Rotorscheibe 15 einen Rotoraußendurchmesser DA, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden 25 gemessen wird.Furthermore, the rotor disk 15 has a rotor outer diameter DA, which is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends 25.

Die Rotorwelle 13 besitzt einen Wellenaußendurchmesser DI, der dem Innendurchmesser des Bundes 19 der Rotorscheibe 15 entspricht.The rotor shaft 13 has an outer shaft diameter DI which corresponds to the inner diameter of the collar 19 of the rotor disk 15.

Wie im Einleitungsteil ausgeführt, repräsentiert die jeweils vom Schaufelgrund 23 bis zum Schaufelende 25 gemessene radiale Länge einer jeweiligen Rotorschaufel 21 den pumpwirksamen Anteil der Gesamtlänge der Rotorschaufel 21, die vom Bund 19 bis zum Schaufelende 25 gemessen wird.As explained in the introductory part, the radial length of a respective rotor blade 21 measured from the blade base 23 to the blade end 25 represents the pumping-effective portion of the total length of the rotor blade 21, which is measured from the collar 19 to the blade end 25.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung beträgt das Verhältnis (DA - DG)/(DA - DB) mindestens 0,94, bevorzugt mindestens 0,95, besonders bevorzugt 0,97.According to one aspect of the invention, the ratio (DA - DG)/(DA - DB) is at least 0.94, preferably at least 0.95, particularly preferably 0.97.

Rotorscheiben 15 mit einem derartigen Abmessungsverhältnis lassen sich mit relativ hohen Drehzahlen insbesondere dann betreiben, wenn sie aus der Aluminiumlegierung gefertigt sind. Dies führt zu einer besonders ausgeprägten Steigerung der Pumpleistung der betreffenden Vakuumpumpe.Rotor disks 15 with such a dimensional ratio can be operated at relatively high speeds, especially when they are made of aluminum alloy. This leads to a particularly pronounced increase in the pumping performance of the vacuum pump in question.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, der mit dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kombiniert werden kann, ist bei einer erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe der Grundaußendurchmesser DG um einen Faktor von maximal 1,20, bevorzugt von maximal 1,15, besonders bevorzugt von maximal 1,10, größer als der Wellenaußendurchmesser DI. Wie bereits erwähnt, entspricht der Wellenaußendurchmesser DI dem Innendurchmesser des Bundes 19 der Rotorscheibe 15. Bezogen auf den Außendurchmesser DI der Rotorwelle 13 ist der erfindungsgemäße Bund 19 der Rotorscheibe 15 somit vergleichsweise dünn.According to a further aspect of the invention, which can be combined with the aspect of the invention described above, in a turbomolecular pump according to the invention, the basic outer diameter DG is larger than the shaft outer diameter DI by a factor of at most 1.20, preferably at most 1.15, particularly preferably at most 1.10. As already mentioned, the shaft outer diameter DI corresponds to the inner diameter of the collar 19 of the rotor disk 15. In relation to the outer diameter DI of the rotor shaft 13, the collar 19 of the rotor disk 15 according to the invention is thus comparatively thin.

Rotorscheiben 15 mit einem derart bemessenen Bund 19 können dann mit relativ hohen Drehzahlen betrieben werden, wenn sie aus der Aluminiumlegierung gefertigt sind.Rotor disks 15 with a collar 19 dimensioned in this way can be operated at relatively high speeds if they are made of the aluminum alloy.

Die axiale Höhe h des Bundes 19 der Rotorscheibe 15 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 3,0 mm bis 5,9 mm, insbesondere bis 5,49 mm.The axial height h of the collar 19 of the rotor disk 15 is preferably in a range from 3.0 mm to 5.9 mm, in particular up to 5.49 mm.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Rotorschaufeln 21 betreffen deren Schaufeldicke. Fig. 8 veranschaulicht, wie die Schaufeldicke im Rahmen der vorliegenden Offenbarung definiert ist. Dementsprechend ist an einer jeweiligen radialen Stelle einer Rotorschaufel 21 die Schaufeldicke dG der kleinste Durchmesser einer Schnittfläche der Rotorschaufel 21, die an der radialen Stelle durch einen senkrecht zur radialen Richtung verlaufenden Schnitt durch die Rotorschaufel 21 erhalten wird.Preferred embodiments of the rotor blades 21 relate to their blade thickness. Fig.8 illustrates how the blade thickness is defined in the context of the present disclosure. Accordingly, at a respective radial location of a rotor blade 21, the blade thickness dG is the smallest diameter of a sectional area of the rotor blade 21, which is obtained at the radial location by a cut through the rotor blade 21 running perpendicular to the radial direction.

In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Schaufeldicke dG am Schaufelgrund 23 (vgl. Fig. 7) weniger als 9,8 mm, insbesondere weniger als 9,0 mm.In a preferred embodiment, the blade thickness dG at the blade base 23 is (cf. Fig.7 ) less than 9.8 mm, in particular less than 9.0 mm.

In der Mitte zwischen dem Schaufelgrund 23 und dem Schaufelende 25 (in radialer Richtung gesehen) liegt die Schaufeldicke dG vorzugsweise im Bereich von 0,125 mm und 2,9 mm.In the middle between the blade base 23 and the blade end 25 (seen in the radial direction), the blade thickness dG is preferably in the range of 0.125 mm and 2.9 mm.

Rotorscheiben 15, deren Rotorschaufeln 21 an einer oder beiden dieser radialen Stellen die jeweils genannte Schaufeldicke dG aufweisen, können mit vergleichsweise hohen Drehzahlen betrieben werden, wenn die Rotorscheiben 15 aus der Aluminiumlegierung gefertigt sind.Rotor disks 15 whose rotor blades 21 have the respective blade thickness dG at one or both of these radial locations can be operated at comparatively high speeds if the rotor disks 15 are made of the aluminum alloy.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1111
DrehachseRotation axis
1313
RotorwelleRotor shaft
1515
RotorscheibeRotor disc
1717
HolwecknabeHolweck hub
1818
HolweckhülseHolweck sleeve
1919
BundFederation
2121
RotorschaufelRotor blade
2323
SchaufelgrundShovel base
2525
SchaufelendeShovel end
2727
GehäuseHousing
2929
StatorscheibeStator disc
3131
HolweckstatorHolweck stator
3333
HolweckstatorHolweck stator
3535
MagnetlagerMagnetic bearings
3737
Wälzlagerroller bearing
DHHDHH
Außendurchmesser HolweckhülseOuter diameter Holweck sleeve
DHWDHW
Außendurchmesser HolwecknabeOuter diameter Holweck hub
DITUE
WellenaußendurchmesserShaft outer diameter
DATHERE
RotoraußendurchmesserRotor outer diameter
DBDB
BundaußendurchmesserCollar outer diameter
DGDG
GrundaußendurchmesserBasic outer diameter
dGdG
Dicke der RotorschaufelThickness of the rotor blade
hH
axiale Höheaxial height

Claims (13)

Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einer während des Betriebs um eine Drehachse (11) rotierenden Rotorwelle (13), und mit wenigstens einer auf der Rotorwelle (13) befestigten Rotorscheibe (15), die einen radial innen liegenden Bund (19), über den die Rotorscheibe (15) auf der Rotorwelle (13) befestigt ist, und mehrere Rotorschaufeln (21) umfasst, die jeweils integral mit dem Bund (19) verbunden sind und die sich jeweils ausgehend von einem Schaufelgrund (23) am Bund (19) radial nach außen erstrecken und radial außen ein freies Schaufelende (25) aufweisen, wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird, wobei die Rotorscheibe (15) einen Bundaußendurchmesser DB aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche des Bundes (19) gemessen wird, wobei die Rotorscheibe (15) einen Grundaußendurchmesser DG aufweist, der von Schaufelgrund (23) zu Schaufelgrund (23) von zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Rotorschaufeln (21) gemessen wird, wobei das Verhältnis (DA - DG)/(DA - DB) mindestens 0,94, bevorzugt mindestens 0,95, und höchstens 0,97 beträgt. Vacuum pump, especially turbomolecular pump, with a rotor shaft (13) rotating about a rotation axis (11) during operation, and with at least one rotor disk (15) fastened to the rotor shaft (13), which comprises a radially inner collar (19) via which the rotor disk (15) is fastened to the rotor shaft (13), and a plurality of rotor blades (21), each of which is integrally connected to the collar (19) and which each extend radially outward from a blade base (23) on the collar (19) and have a free blade end (25) radially outward, wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposed blade ends (25), wherein the rotor disk (15) has a collar outer diameter DB which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the collar (19), wherein the rotor disk (15) has a basic outer diameter DG which is measured from blade base (23) to blade base (23) of two imaginary diametrically opposed rotor blades (21), wherein the ratio (DA - DG)/(DA - DB) is at least 0.94, preferably at least 0.95, and at most 0.97. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, wobei die Rotorwelle (13) einen Wellenaußendurchmesser DI aufweist, und wobei DG um einen Faktor von maximal 1,20, bevorzugt von maximal 1,15, besonders bevorzugt von maximal 1,10, größer ist als DI. Vacuum pump according to claim 1, wherein the rotor shaft (13) has an outer shaft diameter DI, and where DG is greater than DI by a factor of at most 1.20, preferably at most 1.15, particularly preferably at most 1.10. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Rotorscheibe (15) und/oder die Holwecknabe (17) und/oder die Holweckhülse (18) aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sind bzw. ist, die folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: Cu: 3,6 - 4,4 Mg: 1,2 - 1,4 Mn : 0,5 - 0,8 Zr: < 0,16 Ti : 0,01 - 0,05 Si < 0,21 Fe < 0,21 Zn < 0,26 andere Elemente < 0,06, Rest Aluminium.
Vacuum pump according to claim 1 or 2,
wherein the rotor disk (15) and/or the Holweck hub (17) and/or the Holweck sleeve (18) are made of an aluminium alloy having the following composition in weight %: Cu: 3.6 - 4.4 Mg: 1.2 - 1.4 Mn: 0.5 - 0.8 Zr: < 0.16 Ti : 0.01 - 0.05 Si < 0.21 Fe < 0.21 Zn < 0.26 other elements < 0.06, Rest aluminum.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der größer als 5,0 cm ist, vorzugsweise in einem Bereich von 5,0 cm bis 60 cm liegt, wobei der Rotoraußendurchmesser DA zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird.
Vacuum pump according to one of the preceding claims,
wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is greater than 5.0 cm, preferably in a range from 5.0 cm to 60 cm, wherein the rotor outer diameter DA is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends (25).
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird, wobei die Holwecknabe (17) einen Holweckaußendurchmesser DHW aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der Holwecknabe (17) gemessen wird, und wobei der Rotoraußendurchmesser DA mindestens 135 mm und der Holweckaußendurchmesser DHW mindestens 108 mm betragen, oder wobei der Rotoraußendurchmesser DA 120 mm und der Holweckaußendurchmesser DHW 99 mm betragen. Vacuum pump according to one of the preceding claims, wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends (25), wherein the Holweck hub (17) has a Holweck outer diameter DHW which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the Holweck hub (17), and where the rotor outer diameter DA is at least 135 mm and the Holweck outer diameter DHW must be at least 108 mm, or where the rotor outer diameter DA is 120 mm and the Holweck outer diameter DHW is 99 mm. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorscheibe (15) einen Rotoraußendurchmesser DA aufweist, der zwischen zwei gedachten einander diametral gegenüberliegenden Schaufelenden (25) gemessen wird, wobei die Vakuumpumpe eine zweite Holwecknabe umfasst, die einen Holweckaußendurchmesser DHW2 aufweist, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der zweiten Holwecknabe gemessen wird, wobei der Holweckaußendurchmesser DHW2 der zweiten Holwecknabe mindestens 91 mm beträgt, und/oder wobei der Rotoraußendurchmesser DA um einen Faktor von mindestens 1,40, vorzugsweise von mindestens 1,48, größer ist als der Holweckaußendurchmesser DHW2 der zweiten Holwecknabe. Vacuum pump according to one of the preceding claims, wherein the rotor disk (15) has a rotor outer diameter DA which is measured between two imaginary diametrically opposite blade ends (25), wherein the vacuum pump comprises a second Holweck hub having a Holweck outer diameter DHW2 measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the second Holweck hub, where the Holweck outer diameter DHW2 of the second Holweck hub is at least 91 mm, and/or wherein the rotor outer diameter DA is larger than the Holweck outer diameter DHW2 of the second Holweck hub by a factor of at least 1.40, preferably at least 1.48. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Rotorwelle (13) eine Magnetlagerung oder eine Hybridlagerung, nämlich hochvakuumseitig ein Permanentmagnetlager (35) und vorvakuumseitig ein Wälzlager (37), aufweist.
Vacuum pump according to one of the preceding claims,
wherein the rotor shaft (13) has a magnetic bearing or a hybrid bearing, namely a permanent magnet bearing (35) on the high vacuum side and a rolling bearing (37) on the pre-vacuum side.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei auf der Rotorwelle (13) mehrere Rotorscheiben (15) befestigt sind, wobei wenigstens zwei Rotorscheiben (15) sich hinsichtlich des Materials, aus dem sie gefertigt sind, voneinander unterscheiden, insbesondere wobei zumindest eine der Rotorscheiben (15) aus der Aluminiumlegierung gefertigt ist.
Vacuum pump according to one of the preceding claims,
wherein a plurality of rotor disks (15) are fastened to the rotor shaft (13), wherein at least two rotor disks (15) differ from one another with regard to the material from which they are made, in particular wherein at least one of the rotor disks (15) is made of the aluminum alloy.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Holweckhülse (18) und/oder die Holwecknabe (17) einen Außendurchmesser DHH bzw. DHW aufweist bzw. aufweisen, der zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten einer radialen Außenfläche der Holweckhülse (18) bzw. der Holwecknabe (17) gemessen wird und der im Bereich von 5,0 cm bis 60 cm liegt.
Vacuum pump according to one of the preceding claims,
wherein the Holweck sleeve (18) and/or the Holweck hub (17) has or have an outer diameter DHH or DHW which is measured between two diametrically opposite points of a radial outer surface of the Holweck sleeve (18) or the Holweck hub (17) and which lies in the range of 5.0 cm to 60 cm.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Rotorbauteil (15, 17, 18) einen Außendurchmesser größer als 10 cm, bevorzugt größer als 15 cm, insbesondere bevorzugt größer als 20 cm, aufweist, wobei der Außendurchmesser zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten gemessen wird, die jeweils auf einer radialen Außenfläche des Rotorbauteils (15, 17, 18) liegen.
Vacuum pump according to one of the preceding claims,
wherein the rotor component (15, 17, 18) has an outer diameter greater than 10 cm, preferably greater than 15 cm, particularly preferably greater than 20 cm, wherein the outer diameter is measured between two diametrically opposite points, each of which lies on a radial outer surface of the rotor component (15, 17, 18).
Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe nach Anspruch 3 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wenn direkt oder indirekt rückbezogen auf Anspruch 3,
wobei bei dem Verfahren die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle (13) derart betrieben wird, dass die maximal zulässige Temperatur des Rotorbauteils (15, 17, 18) größer 90°C, insbesondere größer oder gleich 98°C, besonders bevorzugt größer oder gleich 120°C, ist.
Method for operating a vacuum pump according to claim 3 or according to one of claims 4 to 10, when directly or indirectly related to claim 3,
wherein in the method the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft (13) such that the maximum permissible temperature of the rotor component (15, 17, 18) is greater than 90°C, in particular greater than or equal to 98°C, particularly preferably greater than or equal to 120°C.
Verfahren nach Anspruch 11,
wobei die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle (13) derart betrieben wird, dass die Schaufelendengeschwindigkeit der Rotorscheibe (15) mehr als 420 m/s, bevorzugt mehr als 438 m/s, bevorzugt mehr als 464 m/s, beträgt.
Method according to claim 11,
wherein the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft (13) such that the blade end speed of the rotor disk (15) is more than 420 m/s, preferably more than 438 m/s, preferably more than 464 m/s.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
wobei die Vakuumpumpe mit einer Drehzahl der Rotorwelle (13) betrieben wird, die mehr als 59.000 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt mehr als 150.000 Umdrehungen pro Minute, beträgt.
Method according to claim 11 or 12,
wherein the vacuum pump is operated at a speed of the rotor shaft (13) which is more than 59,000 revolutions per minute, preferably more than 100,000 revolutions per minute, particularly preferably more than 150,000 revolutions per minute.
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