JP2016537552A - 真空ポンプのためのロータデバイス、及び真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【解決手段】真空ポンプのためのロータデバイスが、ロータ軸(10)とロータ軸(10)に配置された少なくとも１つのロータ要素(12)とを備えている。本発明によれば、少なくとも１つのロータ要素(12)はアルミニウム、チタン及び／又はCFRPを含んでいる一方、ロータ軸(10)はクロム−ニッケル鋼を含んでいる。このため、少なくとも１つのロータ要素(12)がロータ軸(10)に押し付け工程を用いて室温で連結されることが特に可能になる。

Description

本発明は、真空ポンプのためのロータデバイス、及び真空ポンプに関する。

例えばターボ分子ポンプのような真空ポンプは、ポンプハウジングに配置されたロータ軸を備えている。電気モータによって典型的に駆動されるロータ軸は少なくとも１つのロータ要素を支持している。ターボ分子ポンプでは、ロータディスクの形態の複数のロータ要素がロータ軸に配置されている。ロータ軸は、軸受要素を介してポンプハウジングに回転自在に支持されている。更に、真空ポンプはポンプハウジングに配置されたステータ要素を備えている。ターボ分子ポンプには、ステータディスクとして形成されている複数のステータ要素が設けられている。ここで、ステータディスク及びロータディスクは、ポンプの長手方向又は送られる媒体の流れ方向に交互に配置されている。

米国特許出願公開第2009／214348号明細書

ロータが個々のロータディスクから構成されている場合、個々のロータ要素がロータ軸に強固に固定されなければならない。ロータ軸とロータ要素との相応して強く、位置的に正確な結合が、全ての動作条件下で、つまり、特には温度及び回転速度の著しい変化が生じても確保されなければならない。複数の部分を有する公知のロータ、特に複数のロータディスクを有するロータでは、これは、連結すべくロータ軸に対するロータディスクの相当なオーバーサイズによって達成される。そのため、連結すべく、ロータ要素をロータ軸に押し付けることが可能であるように、ロータ軸を十分冷却してロータ要素を十分加熱することが必要である。ここで、特にはロータ軸を液体窒素の温度の範囲内に冷却して、同時的に、ロータディスクをオーブンで例えば誘導によって十分加熱することが必要である。連結の後、両方の部分の温度が室温になるまで室温で格納しなければならない。これは、比較的長い時間かかる。この相当なオーバーサイズ、及び相応して複雑な連結工程のみによって、著しく変わる温度及び回転速度にもかかわらず必要な動作上の安全性が保証され得る。ロータ要素及びロータ軸の温度は、動作中に最高約120 ℃まで達する。最高の回転速度は約1500 r/secである。従って、ロータ要素をロータ軸に連結するために、ロータ軸を液体窒素で約−190 ℃に冷却することが必要である。ロータ軸の構造寸法に応じて、冷却時間は約５分である。同時的に、ロータ要素をオーブン、例えば対流式オーブンで約120 ℃に加熱しなければならない。対応する加熱時間は１〜２時間である。室温に達するために、連結した後に組立体を十分加熱する時間は約１〜２時間である。この公知の連結方法は時間がかかり複雑である。

試験により、アルミニウムのロータ又は円盤状のロータ要素をアルミニウムのロータ軸に連結することは、オーバーサイズが必要なため室温で不可能であることが示された。オーバーサイズが相当小さいように選択されてもよいが、ロータ要素及びロータ軸の熱膨脹係数の差がないので、押し付けによる外嵌は依然として室温で不可能である。ここで、連結する要素の焼き付き又は溶接が生じる。従って、ロータ軸でのロータ要素の位置的に正確な位置決めが不可能である。

本発明は、製造が経済的である一方、依然として高い動作上の安全性を提供して、好ましくは室温で、又は要素間の小さな温度差のみで要素が連結され得る、真空ポンプのためのロータデバイスを提供することを目的とする。

前記目的は、本発明によれば請求項１の特徴により解決される。

本発明の真空ポンプのためのロータデバイスはロータ軸を備えている。少なくとも１つのロータ要素がロータ軸に配置されている。特にターボ分子ポンプのロータデバイスの場合、ロータディスクの形態の複数のロータ要素がロータ軸の長手方向に配置されている。

試験により、ロータ又はロータ要素がアルミニウム、チタン及び／又はCFRPを含んでおり、ロータ軸がクロム−ニッケル鋼（Cr−Ni鋼）を含んでいる場合、ロータ又はロータ要素を室温で、加えて高い動作上の安全性を有して外嵌し得ることが示された。ロータ又はロータ要素の材料としてアルミニウム、チタン及び／又はCFRPを使用することは、高い回転速度並びにこの回転速度に付随する大きな力及び張力に達するために必要な材料の密度に関する必要な強度及び安定性を達成し得る点で有利である。ロータ軸の必要な特性は、鋼の軸、特にステンレス鋼の軸で達成され得る。特に、ロータ軸は、硫黄が加えられたNi−Cr鋼を含んでおり、特に好ましくは硫黄が加えられたクロム−ニッケル鋼から形成されている。

好ましい実施形態では、ロータ又はロータ要素は、アルミニウム、アルミニウム合金及び／又は高強度アルミニウムから形成されている。

特に少なくとも250 N/mmの高い引張強さの値を有する高強度アルミニウムを使用することが特に好ましい。高強度アルミニウムには、100 〜120 ℃の動作温度でも高い疲労強度を有するという利点が更にある。AW-Al Cu 2 Mg 1,5 Niを使用することが特に好ましい。

更に、少なくとも１つのロータ要素がチタン又はチタン合金から及び／又はCFRPから形成されていることが好ましい。

本発明によって提供されているような、２つの要素の上記の組合せにより、少なくとも１つのロータ要素をいかなる焼き付き又は溶接もなくロータ軸に室温で外嵌することが可能になる。そのため、製造時間が著しく短縮され得る。

本発明によれば、ロータ軸の熱膨脹係数と少なくとも１つのロータ要素の熱膨脹係数との差が可能な限り小さいことにより、組立コストが著しく減少し得る。本発明によれば、連結するためのオーバーサイズが先行技術より少なくてすむように、ほとんど焼き付きを生じさせず、熱膨脹係数が僅かに異なる材料対が使用されている。結果として、要素は、必要なオーバーサイズが小さいために室温で連結され得るか、又は、多くとも要素は小さな温度差を有するだけで十分である。僅かに異なる熱膨脹係数を有するこのような材料対では、温度及び回転速度が大きく変化しても、動作上の安全性が確実に保証される。使用される材料対は、特に高強度アルミニウム及びステンレス鋼の材料対であることが特に好ましい。ここで、少なくとも１つのロータ要素がアルミニウムから形成されており、ロータ軸がステンレス鋼、特には硫黄が加えられたCr−Ni鋼から形成されていることが好ましい。

材料番号1.4305のステンレス鋼X8CrNiS18-9 をロータ軸に使用することが特に適切である。

特にステンレス鋼X8CrNiS18-9 及びアルミニウムAlを使用するとき、２つの要素を室温で連結することが可能であり、特に２つの要素を押し付けにより連結することが可能である。これは、特に好ましい実施形態では、少なくとも１つのロータ要素がロータ軸に対してオーバーサイズであり、0.25％〜0.35％の周方向の膨張が生じ得る場合に更に可能である。このオーバーサイズにより、大きな温度変化にもかかわらず動作上の安全性が確保され得ることに加えて、要素が依然として室温で連結され得る。

ロータデバイスが特にターボ分子ポンプでの使用に適している好ましい実施形態では、複数のロータ要素がロータ軸に特に長手方向に、特には押し付けによって配置されている。しかしながら、対応するロータ要素は、例えばホルベック段（Holweckstufe）の円盤状のキャリアであってもよい。このキャリアは、ホルベック段の管状の要素を支持するか、又は管状の要素と一体的に形成されている。本発明によれば、このようなロータ要素又はこのようなロータ要素キャリアも、上記の材料、特にアルミニウムから形成されており、押し付けによってステンレス鋼の軸に外嵌されている。

ロータ要素はロータディスクであってもよく、場合によっては、スペーサ要素がロータ要素間又はロータディスク間に更に設けられている。これらの要素は、特に複数の入口を有するポンプの中間入口を形成する機能を果たしてもよい。

本発明は更に、特にターボ分子ポンプである真空ポンプに関する。本発明の真空ポンプは、特に好ましい実施形態の内の１つで上記に記載したような本発明のロータデバイスを備えている。更に、真空ポンプは、ロータ軸が軸受要素によって支持されているポンプハウジングを備えている。更に、ロータ軸を駆動する駆動デバイスが設けられている。更に、少なくとも１つのステータ要素がポンプハウジングに配置されており、ステータ要素はステータディスクであってもよい。この場合、ターボ分子ポンプでは、複数のステータディスクが複数のロータディスクと交互に配置されている。

本発明を、好ましい実施形態及び添付図面を参照して以下に詳細に説明する。

ターボ分子ポンプを非常に簡略化して示す断面略図である。

ターボ分子ポンプが非常に簡略化して示された図では、ロータディスクの形態の複数のロータ要素12が、ロータ軸10に押し付けられることによりロータ軸10に配置されている。ステータ要素16がポンプハウジング14に配置されており、図示された実施形態ではステータディスク16であってもよい。

ロータ軸10は、軸受要素18, 20によってポンプハウジング14に更に支持されており、駆動デバイス22によって駆動される。

図示された実施形態では、スリーブ状のスペーサ要素24が２つのロータディスク12間に更に設けられている。そのため、中間入口26が形成されている。

従って、図１に概略的に示されている真空ポンプは、主入口を通って運ばれる媒体を矢印28の方向に引き込む。更に、媒体を中間入口26を介して矢印30の方向に引き込む。取り入れられた２つの媒体は、矢印32によって示されているように出口の方に運ばれる。

本発明によれば、ロータ軸10は、好ましい実施形態ではステンレス鋼から形成されている。個々のロータ要素12及びスペーサ要素24は、好ましい実施形態ではアルミニウムから形成されている。ロータ要素12及びスペーサ要素24の外嵌は、室温で押し付けにより行われる。特に個々のロータ要素12及びスペーサ要素24は、0.07％〜0.2 ％の周方向のオーバーサイズに関連した膨張を示す。要素が室温で連結され得る押し付け力は５〜50kNの範囲内である。

Claims (11)

1. 真空ポンプのためのロータデバイスであって、
   ロータ軸(10)と、
   該ロータ軸(10)に配置された少なくとも１つのロータ要素(12)と
   を備えており、
   前記少なくとも１つのロータ要素(12)はアルミニウム、チタン及び／又はCFRPを含んでおり、前記ロータ軸(10)はクロム−ニッケル鋼を含んでいることを特徴とする真空ポンプのためのロータデバイス。
2. 前記少なくとも１つのロータ要素(12)は、アルミニウム、アルミニウム合金及び／又は高強度アルミニウムから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
3. 前記少なくとも１つのロータ要素(12)は、チタン及び／又はチタン合金から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
4. 前記少なくとも１つのロータ要素(12)は、CFRPから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
5. 前記ロータ軸(10)は、硫黄が加えられたクロム−ニッケル鋼を含んでおり、特に硫黄が加えられたクロム−ニッケル鋼から形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
6. 前記ロータ軸(10)はステンレス鋼合金を含んでおり、該ステンレス鋼合金は、特にステンレス鋼X8CrNiS18-9 であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
7. 前記少なくとも１つのロータ要素(12)が前記ロータ軸(10)に室温で外嵌され得るように、材料対が選択されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
8. 複数のロータ要素(12)が、前記ロータ軸(10)の長手方向に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
9. 前記ロータ要素はロータディスク(12)として形成されていることを特徴とする請求項６に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
10. 少なくとも１つのスペーサ要素(24)が、前記ロータ要素(12)の内の２つのロータ要素間に配置されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。
11. 真空ポンプ、特にターボ分子ポンプであって、
    請求項１乃至１０のいずれかに記載の真空ポンプのためのロータデバイス
    を備えており、
    前記ロータ軸(10)は、軸受要素(28)によってポンプハウジング(14)に支持されており、
    前記ロータ軸(10)に結合された駆動手段(22)と、
    前記ポンプハウジング(14)に配置された少なくとも１つのステータ要素(16)と
    を更に備えていることを特徴とする真空ポンプ。

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