JP6166296B2 - ステータディスク - Google Patents

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Description

本発明は、真空ポンプ、特にターボ分子ポンプの為のステータディスクに関する。本発明は更に、真空ポンプ、特にターボ分子ポンプであって、少なくとも一つのそのようなステータディスクを有するもの、およびそのようなステータディスクの製造方法に関する。
例えばターボ分子ポンプのような真空ポンプは、例えば電子顕微鏡や質量分析計の為の真空の発生の為に使用される。その際、ガス部分はターボ分子ポンプのローターディスクによって加速され、そしてステータディスクによって所望の方向へ向きを変えられる。これによって真空を発生する流れが生じる。この目的のため、ローターディスクもステータディスクも、ローター軸に対して垂直に推移する平面に対して、傾斜させられた羽根を有する。これらは、ガス部分を加速させ、そして他の方向へとそらす。
ローターディスクは、高速に回転する軸と回転不能に接続されており、その回転軸は、ターボ分子ポンプの軸方向を定義する。他方でステータディスクは、軸と連結されておらず、ターボ分子ポンプのハウジングと固定されている。ローターディスクおよびステータディスクは、軸方向において交互に配置されており、そしてスペーサリングによって互いに間隔をあけている。
ターボ分子ポンプの組立の際に、ローターディスクおよびステータディスク並びにスペーサリングは、軸上に配置され、そしてそのようにして生じるパケットがターボ分子ポンプのハウジング内に挿入される。その際、特にステータディスクは、パケットから側方に外へと動かず、ハウジング内への挿入の際に、これに食い込むことが防止されることが望まれる。
ステータディスクは、通常、曲げ、打ち抜き、及び/又は切断成型プロセスによって薄板部材からつくられる。その様な方法はすでにステータディスクの切削的製造に対して本質的に経済的なメリットを有している。しかしここで、ステータディスクの寸法が増加することは多くのデメリットを有する。よって、必要なツールは比較的高価である。薄板厚さが薄い場合、ステータディスクの強度は低すぎる。よって、より厚い薄板が使用される必要があるが、しかしこれによってより劣悪なアドミタンス(独語:Leitwerte)が生じ、そして形成は明らかに困難となる。更に、生じ得る幾何は著しく制限される。というのは、薄板平面からの羽根が曲がること(独語:Aufbiegen)によって開放された羽根の中間空間が生じるからである。
独国特許第1503704号
よって、本発明の課題は、上述した問題を解消する、冒頭に記載した形式のステータディスク、真空ポンプ、特にターボ分子ポンプ、並びに方法を提供することである。その際、ステータディスクは、実現可能なステータディスクの幾何に関する高い柔軟性のもと、可能な限り簡単かつ相応して安価に製造可能であるべきである。
発明に従いこの課題は、請求項1に記載の特徴を有するステータディスク、請求項10に記載の特徴を有する真空ポンプ、特にターボ分子ポンプ、並びに請求項12に記載の特徴を有する方法によって解決される。発明に係るステータディスクおよび発明に係るポンプの好ましい実施形は、並びに発明に係る方法の好ましい態様は、下位の請求項より生じる。
発明に係るステータディスクは、周囲方向に連続する各複数の薄板翼部(独語:Blechschaufeln)を有する、部分リング形状の少なくとも二つのステータディスク部分、好ましくは二つのステータ半部を有する。その際、部分リング形状のステータディスク部分は、其々、個々の複数の薄板部分セグメントより形成されており、その際、部分リング形状の各ステータディスク部分の個々の薄板部分セグメントは、内周及び/又は外周の領域において、一つの共通の射出成形体を介して互いに接続されており、特に形状結合的に接続されている。
主として射出成形技術によって内周及び/又は外周の領域で互いに接続される個々の薄板部材からステータディスクがまとめられた後、その製造の為、より低い複雑度の形成ツールが使用されることが可能である。というのは、個々の薄板部材によって、相応してより簡易な幾何が生じるからである。
ステータディスクの実現可能な幾何に関する柔軟性は明らかに高められる。
個々の薄板部分セグメントは、其々唯一の薄板翼部を有するか、または其々複数の薄板翼部を有することが可能である。
好ましくは、射出成形体の材料は、少なくとも一つのポリマーを含む。その際、この材料は、特に少なくとも一つの液晶ポリマー(LCPポリマー)を含むことが可能である。
射出成形体の材料は、強化剤を有する少なくとも一つのポリマー、及び/又は強化剤を有さない少なくとも一つのポリマーを含みうる。
射出成形体の材料が、少なくとも一つの充填材、特に、高い熱伝導性を有する少なくとも一つの充填材を含むとき有利である。
好ましくは、部分リング形状の各ステータディスク部分の個々の薄板部分セグメントは、内周及び/又は外周の領域において、形状結合的な一つの共通の射出成形体を介して互いに接続されている。
本発明に係るステータディスクの別の好ましい実践的な実施形に従い、部分リング形状の各ステータディスク部分の個々の薄板部分セグメントは、その内周の領域において、特に軸方向において、射出成形体によって又は追加的な射出成形体によって補強されている。このようにして、ステータディスクの内周の領域における軸方向の間隙は、ステータディスクを取り囲むローターディスクと関連して減少されることができ、その際、ステータディスクがこの為により厚く形成される必要がない。
射出成形体及び/又は射出成形材料の表面は、ポンプ構造又はポンプ効果を有する構造を表面上に形成するために、少なくとも領域的に構造化されていることが可能である。その際、対応する構造によって、特にポンプ内部での逆流に反作用が与えられることが可能である。
発明に係る真空ポンプ、特にターボ分子ポンプは、発明に係る少なくとも一つのステータディスクを有する点で際立っている。
本発明に係る真空ポンプの好ましい実践的な実施形に従い、個々の薄板部分セグメントは、その外周の領域において金属のスペーサリングと金属的に接続されている。そのような金属的なスペーサリングは、特に、薄板部分セグメントの熱的連結と、ポンプ内へのそのより良好な統合の為に使用される。薄板部分セグメントが、スペーサリングと金属的に接続されていることによって、これはポンプの外側スリーブに熱をより良好に放出することができる。
其々、周囲方向に連続する複数の薄板翼部を有する部分リング形状の少なくとも二つのステータディスク部分、好ましくは二つのステータディスク半部を有する真空ポンプ、特にターボ分子ポンプのステータディスクを製造する為の発明に係る方法は、部分リング形状の複数のステータディスク部分が、其々、複数の個々の薄板部分セグメントから形成されており、そして各部分リング形状のステータディスク部分の個々の薄板部分セグメントが、射出形成法により互いに接続され、特にこれが形状結合的に行われている点で際立っている。
本発明に係る方法の好ましい実践的な形態に従い、各部分リング形状のステータディスク部分の個々の薄板部分セグメントは、その内周及び/又は外周の領域において、一つの共通な射出成形体を介して互いに接続される。
個々の薄板部分セグメントは、其々特に、曲げプロセス、打ち抜きプロセス及び/又は切断プロセスによって形成されることが可能である。
ステータディスクは、つまり、主として外周及び/又は内周の領域における射出形成技術によって互いに接続される個々の薄板部材からまとめられている。ステータディスクの製造の為に必要な形成ツールの複雑性は、個々の薄板部材の簡単な幾何によって明らかに減少される。製造された薄板部材は、射出形成機械内に挿入され、そして射出形成方法によって互いに接続される。その際、薄板部材は個々の羽根であることができ、ステータディスクでもあることができる。
ステータディスクの実現可能な幾何に関する複雑性は、明らかに高められる。オーバーラップおよびアンダーカットは問題無く実現可能である。射出形成方向によって、特に、硬化を行う要素も羽根に取り付けられることができ、これによって、その製造の為に必要なプレス圧力が、完全なステータディスクまたはステータディスク半部の製造と比較して本質的に減少される。相応して、より小さなプレスが使用されることができる。更に、ステータディスクがポンプ軸方向において有利な射出形成幾何によって明らかに硬く形成されることができ、その際、この為に薄板厚さが大きくされる必要が無い。
更に、上面および下面の間の差圧によって充填過程(独語:Flutvorgang)の間に発生するステータディスクの曲げが減少されることが可能である。真空出力能力の為に、真空ポンプのローター/ステータ遊びの減少も可能である。
打ち抜きツールと関連するコスト減少の結果として、射出形成技術の発明に係る適用は、少ない数量においても既に経済的に可能である。
射出成形材料として、強化剤を有する又は有さない様々なポリマーが使用されることができる。その際、特にLCPポリマーが、その耐性および真空適正に基づいて極めて好適である。更に、高い熱伝導性を有する充填材の使用も考え得る。
羽根の熱的な連結の為、およびそのより良好な真空ポンプ内への組込みの為に、追加的に、一つの金属的なスペーサリングが使用されることが可能である。羽根部材が金属のスペーサリングと金属的に接続されていることによって、これは、熱をより良好にターボ分子ポンプの外側のスリーブへと放出することができる。羽根部材、又は個々の薄板部分セグメントは、射出形成方法によって互いに固定される。その際、特に形状結合的な接続要素が使用されることができる。
従来の、薄板材料からの打ち抜きによる完全なステータディスク半部が、これを取り囲むローターディスクとの組み合わせにおいて、内周の領域に比較的大きな二つの軸方向の間隙(形成の観点から見て可能な限り低く選択されるべき薄板厚さに起因し、そしてポンプ過程の間ガス分子の優位な逆流に基づいてポンプの真空出力能力に悪影響をおよぼす間隙)を有する一方で、これら間隙は、本発明に従い適用された射出形成技術の結果明らかに減少されることができる。よって発明に係る製造方法によって、軸方向の間隙を可能な限り小さく保つために、ステータディスクをその内周の領域において射出成形材料によって厚みを増すことが可能である。追加的に、逆流に反作用するポンプ構造が、射出形成された表面に取り付けられることが可能である。
羽根又は個々の薄板部分セグメントは、発明に従い、追加的に硬化されている、又はされることが可能である。これは特に、曲げ、打ち抜き及び/又は切断プロセスによって製造された硬化要素、特にビード(又は条溝、独語:Sicken)によって硬化されることが可能である。
以下に、本発明を図面を参照しつつ実施例に基づいて説明する。
ターボ分子ポンプの一つの例示的な実施形の簡略断面図。そのようなターボ分子ポンプの基本原理の説明の為の図。 発明に係る少なくとも一つのステータディスクを有する、発明に係るターボ分子ポンプの一つの例示的な実施形の一部の簡略断面図。
図1に示されたターボ分子ポンプ10は、インレットフランジ12によって取り囲まれたポンプインレット14と、ポンプインレット14におよぶ(又は滞留する、独語:anstehend)ガスを、図1に示されていないポンプアウトレットに搬送するための複数のポンプステージを有している。ターボ分子ポンプ10のハウジング16内には、一つの回転軸20を中心として回転可能に支承された回転シャフト22を有するローター18が配置されている。
ポンプ効果を発生させるために、ターボ分子ポンプ10は、回転シャフト22に固定された複数のローターディスク24と、軸方向でローターディスク24の間に配置された複数のステータディスク26を有し、互いに直列に接続され、ポンプ作用を奏するターボ分子的な複数のポンプステージを有している。これらステータディスク26は、スペーサリング28によってお互いに所望の軸方向間隔に保持されている。
更に、放射方向で相互に入り込んで配置され、そして互いに直列に接続されたポンプ作用を奏する三つのホルベックポンプステージが設けられている。ホルベックポンプステージのローター側の部材は、回転シャフト22と接続された一つのローターハブ30と、ローターハブ30に固定され、そしてこれによって担持される、シリンダー側面形状の二つのホルベックロータースリーブ32,34を有している。これらは、回転軸22に対して同軸に向けられており、そして放射方向で相互に入り込んで接続されている。更に、シリンダー側面形状の二つのホルベックステータスリーブ36,38が設けられている。これらは同様に、回転軸22に対して同軸に向けられており、そして放射方向で相互に入り込んで接続されている。
ホルベックポンプステージのポンプ効果を奏する表面は、それぞれ、放射方向の狭いホルベック間隙を形成しつつ互いに向かい合って位置している、ホルベックロータースリーブ32,34とホルベックステータスリーブ36,38の放射方向の側面によって形成されている。その際、ポンプ効果を有する表面(主としてホルベックロータースリーブ32,34の表面)は、滑らかに形成されており、他方で向かい側のホルベックステータスリーブ36,38のポンプ効果を有する表面は、回転軸22の周りをねじ線形状に軸方向に推移する複数の溝部を有する構造下部を有している。これら溝の中を、ローター18の回転の際にガスが促進され(独語:vorangetrieben)そしてこれによってポンピングされる。
回転シャフト22の回転可能な支承は、ポンプアウトレットの領域のローラー支承部40によって、そして永久磁石支承部42はポンプインレット14の領域に実現される。
永久磁石支承部42は、ローター側の支承半部44とステータ側の支承半部46を有している。これらは其々、軸方向で互いに積層された永久磁石のリング48,50から成るリング積層部を有している。その際、マグネットリング48,50は、放射方向の支承間隙52を形成しつつ互いに重なり合っている。
マグネット支承部42の内部には、緊急用又は安全用支承部54が設けられている。これは、潤滑されていないまたはドライ潤滑式のローラー支承部として形成されており、そしてターボ分子ポンプ10の通常運転中は、非接触で空転し、そしてローター18がステータに対して放射方向で過剰に偏向(独語:Auslenkung)した際に初めて干渉するに至り、ローター18の為の放射方向のストッパーを形成する。このストッパーは、ローター側の構造がステータ側の構造と衝突するのを防止する。緊急用支承部54は、よってローター18の放射方向の最大の偏向を定める。
ローラー支承部40の領域では、ローラー支承部40の方に向かって増加する外直径を有する円すい形(独語:konisch)のスプラッシュナット56が回転シャフト22に設けられている。スプラッシュナット56は、互いに積層された吸収性の複数のディスク58を有する作動媒体貯蔵部のスキマーと接触している。これら(ディスク)は、例えば潤滑媒体のような作動媒体を染み込ませられている。
ターボ分子ポンプ10の運転中、作動媒体は毛細管効果によって作動媒体貯蔵部からスキマーを介してローター側のスプラッシュナット56へと伝達され、そしてその後、遠心力によってスプラッシュナットに沿って、スプラッシュナット56の大きくなる外直径の方向へローラー支承部40に向かって搬送される。そこで例えば潤滑機能を発揮する。
ターボ分子ポンプ10は、モーター室60を有している。この中に入るよう回転シャフト22が延在している。モーター室60は、回転シャフト22の進入の領域において、ジーグバーンステージ62(独語:Siegbahnstufe)によって、ターボ分子ポンプ10の作動室または吸い込み室(独語:Schopfraum)対してシールされている。代替として、または追加的に、シールはラビリンスシールにより行われる。遮断ガスインレット64は、遮断ガスのモーター室60内への供給を可能とする。
モーター室60内には、駆動モーター66が配置されている。この駆動モーターは、ローター18の回転駆動の為に使用される。駆動モーター66は、コア70と図1には簡略的にのみ表された複数のコイル72を有する一つのモーターステーター68を有する。当該コイルは、コア70の放射方向内側に設けられた、コア70の複数の溝部内に固定されている。コア70は、軟磁性の材料から成り、かつ軸方向に互いに積層されている複数の薄板ディスクを有する薄板パケットから成る。
駆動モーター77の回転子は、電機子(独語:Anker)とも称されるが、回転シャフト22によって形成されている。回転シャフトは、モーターステーター68を貫通して延在している。回転シャフト22の、モーターステーター68を貫通して延在する部分には、放射方向外側に、一つの永久磁石装置74が固定されている。モーターステーター68と、回転シャフト22の、モーターステーター68を貫通して延在する部分の間には、放射方向のモーター間隙76が形成されている。このモーター間隙を介して、モーターステーター68と永久磁石装置74が、駆動トルクの伝達の為に磁気的に影響を及ぼしている。
永久磁石支承部74は、回転シャフト22に接着及び/又は収縮及び/又はしまり嵌め(独語:Aufpressen)によって固定されている。永久磁石装置74は、鉄薄板または中実の鉄からなる軟磁性のバックキー(独語:Rueckschluss)75aと永久磁石75bを有している。CFKスリーブまたはステンレススリーブとして形成されているカプセル80は、永久磁石74をその放射方向外側で取り囲んでおり、そしてこれをモーター間隙76に対してシールしている。回転シャフト22には、更に、バランスリング(独語:Wuchtring)78が接着及び/又は収縮及び/又はしまり嵌めによって取り付けられている。このバランスリングは、バランスウェイトを収容するためのねじ穴を有している。軸方向の強制力を永久磁石装置74に伝達しないよう、バランスリング78は、永久磁石装置74に対する直接の機械的な接続を有していない。
ターボ分子ポンプ10の運転の間に駆動モーター66に電気エネルギーを供給するために、制御兼電源供給ユニット82が設けられている。
図2は、発明に係る少なくとも一つのステータディスク86を有する発明に係るターボ分子ポンプ84の例示的な一つの実施形の一部の簡略断面図を示す。
図2には、発明に係るステータディスク86の例示的な一つの実施形が見て取れる。これは、回転シャフト88に固定された二つのローターディスク90の間に配置されている。矢印106によってポンプ方向が記載されている。HVによって、ポンプの高真空側が示され、そしてVVによって予真空側(又は前真空側、独語:Vorvakuumseite)が示されている。
ステータディスク86は、周囲方向で互いに連続する複数の薄板翼部を有し、かつ部分リング形状の少なくとも二つのステータディスク部分92、好ましくは二つのステータディスク半部を有している。
部分リング形状のステータディスク部分92は、其々、複数の個々の薄板部分セグメント94から形成されている。その際、部分リング形状のステータディスク部分92の個々の薄板部分セグメント94は、其々、その内周及び/又は外周96又は98の領域において、この場合例えば内周96の領域において、共通の射出成形体(独語:Spritzgussformteil)100によって互いに接続されている。
個々の薄板部分セグメント94は、其々、少なくとも一つの薄板翼部、または複数の薄板翼部を有していることが可能である。
射出成形体100の材料は、少なくとも一つのポリマー、特に少なくとも一つのLCPポリマーを含むことが可能である。
その際、射出成形体100の材料は、強化剤を有する少なくとも一つのポリマー、及び/又は強化剤を有さない少なくとも一つのポリマーを含むことができる。
射出成形体100の材料は、特に少なくとも一つの充填剤、特に高い熱伝導性を有する少なくとも一つの充填剤を含むことが可能である。
射出成形体100によって、隣接するローターディスク90と共に形成される軸方向の各間隙が減少される。
射出成形体100は、ポンプ効果を有する構造を有する領域102内に設けられる。その作用方向は、矢印108によって示されており、そしてこれは特にジーグバーン幾何(独語:Siegbahngeometrie)を有している。
図2内に表されているように、個々の薄板部分セグメント94は、その外周98の領域において、金属のスペーサリング104と金属的に接続されていることが可能である。
ターボ分子ポンプ84は、少なくとも基本的に、図1のターボ分子ポンプ10のように形成されていることが可能である。
本発明は、そのようなステータディスク86の製造に関する。そして、相応して、部分リング形状のステータディスク部分92が、個々の複数の薄板部分セグメント94から形成されており、そして個々の薄板部分セグメント94が一つの共通な射出成形体100によって互いに接続される点で際立っている。
個々の薄板部分セグメント94は、其々、曲げ、打ち抜き、及び/又は切断プロセスにより形成されることが可能である。
10 ターボ分子ポンプ
12 インレットフランジ
14 ポンプインレット
16 ハウジング
18 ローター
20 ローター軸
22 回転シャフト
24 ローターディスク
26 ステータディスク
28 スペーサリング
30 ローターハブ
32 ホルベックロータースリーブ
34 ホルベックロータースリーブ
36 ホルベックステータスリーブ
38 ホルベックステータスリーブ
40 ローラー支承部
42 永久磁石支承部
44 ローター側の支承半部
46 ステータ側の支承半部
48 マグネットリング
50 マグネットリング
52 支承間隙
54 安全用支承部
56 スプラッシュナット
58 吸収性のディスク
60 モーター室
62 ジーグバーンステージ
64 遮断ガスインレット
66 駆動モーター
68 モーターステーター
70 コア
72 コイル
74 永久磁石装置
75a 軟磁性のバックキー
75b 永久磁石
76 モーター間隙
78 バランスリング
80 カプセル
82 制御兼電源供給ユニット
84 ターボ分子ポンプ
86 ステータディスク
88 回転シャフト
90 ローターディスク
92 ステータディスク部分
94 薄板部分セグメント
96 内周
98 外周
100 射出成形体
102 構造化された領域
104 金属のスペーサリング
106 ポンプ方向
108 作用方向

Claims (16)

  1. 周囲方向に連続する複数の薄板翼部を有する、部分リング形状の少なくとも二つのステータディスク部分(92)、又は二つのステータディスク半部を有する真空ポンプのステータディスク(86)であって、
    その際、部分リング形状の複数のステータディスク部分(92)が、其々、複数の個々の薄板部分セグメント(94)から形成されており、そして部分リング形状の各ステータディスク部分(92)の個々の薄板部分セグメント(94)が、その内周及び/又は外周(96または98)の領域において、共通の一つのプラスチック部材(100)を介して互いに接続されていることを特徴とするステータディスク。
  2. 個々の薄板部分セグメント(94)が、其々、少なくとも一つの薄板翼部を有することを特徴とする請求項1に記載のステータディスク。
  3. プラスチック部材(100)の材料が、少なくとも一つのポリマーを含むことを特徴とする請求項1または2に記載のステータディスク。
  4. プラスチック部材(100)の材料が、少なくとも一つのLCPポリマーを含むことを特徴とする請求項3に記載のステータディスク。
  5. プラスチック部材(100)が、強化剤を有する少なくとも一つのポリマーを含むことを特徴とする請求項3または4に記載のステータディスク。
  6. プラスチック部材(100)の材料が、少なくとも一つの充填材を含むことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のステータディスク。
  7. 部分リング形状の各ステータディスク部分(92)の個々の薄板部分セグメント(94)が、内周及び/又は外周(96または98)の領域において、互いに接続されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のステータディスク。
  8. 部分リング形状のステータディスク部分(92)の個々の薄板部分セグメント(94)が、その内周(96)の領域においてプラスチック部材によって及び/又は別のプラスチック材料によって補強されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のステータディスク。
  9. プラスチック部材及び/又は別のプラスチック材料の表面が、一つのポンプ構造を設けられていることを特徴とする請求項に記載のステータディスク。
  10. 薄板翼部又は個々の薄板部分セグメント(94)が、追加的に硬化されていることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載のステータディスク。
  11. 真空ポンプであって、請求項1から10の少なくとも一項に記載の、少なくとも一つのステータディスク(86)を有することを特徴とする真空ポンプ。
  12. 個々の薄板部分セグメント(94)が、その外周(98)の領域において金属のスペーサリング(104)と接続されていることを特徴とする請求項11に記載の真空ポンプ。
  13. 周囲方向に連続する各複数の薄板翼部を有する部分リング形状の少なくとも二つのステータディスク部分(92)、又は二つのステータディスク部分を有する真空ポンプのステータディスク(86)の製造の為の方法であって、その際、部分リング形状のステータ部分(92)が、個々の複数の薄板部分セグメント(94)から形成されており、かつ、部分リング形状の各ステータディスク部分(92)の個々の薄板部分セグメント(94)が、射出成形方法で互いに接続されることを特徴とする方法。
  14. 各部分リング形状のステータディスク部分(92)の個々の薄板部分セグメント(94)が、内周及び/又は外周(96または98)の領域において、一つの共通な射出成形体(100)を介して互いに接続されることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. 個々の薄板部分セグメント(94)が、其々、曲げプロセス、打ち抜きプロセス、及び/又は切断プロセスによって形成されることを特徴とする請求項13または14に記載の方法。
  16. 薄板翼部または個々の薄板部分セグメント(94)が、追加的に硬化されることを特徴とする請求項13から15のいずれか一項に記載の方法。
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