JP6532461B2 - Rotor device for vacuum pump, and vacuum pump - Google Patents

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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。   The present invention relates to a rotor device for a vacuum pump and a vacuum pump.

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。   A vacuum pump, such as a turbomolecular pump, for example, comprises a rotor shaft arranged in a pump housing. A rotor shaft, typically driven by an electric motor, supports at least one rotor element. In a turbo-molecular pump, a plurality of rotor elements in the form of rotor disks are arranged on the rotor shaft. The rotor shaft is rotatably supported by the pump housing via a bearing element. Furthermore, the vacuum pump comprises a stator element arranged in the pump housing. The turbomolecular pump is provided with a plurality of stator elements which are configured as stator disks. Here, the stator disks and the rotor disks are arranged alternately in the longitudinal direction of the pump or in the flow direction of the medium to be fed.

米国特許出願公開第2009／214348号明細書US Patent Application Publication No. 2009/214348

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。   If the rotor is composed of individual rotor disks, the individual rotor elements must be firmly fixed to the rotor shaft. A correspondingly strong and positionally correct connection between the rotor shaft and the rotor element must be ensured under all operating conditions, that is to say in particular if significant changes in temperature and rotational speed occur. In known rotors having a plurality of parts, in particular a rotor having a plurality of rotor disks, this is achieved by a considerable oversize of the rotor disks with respect to the rotor axis to connect. Therefore, it is necessary to sufficiently cool the rotor shaft to sufficiently heat the rotor element so that the rotor element can be pressed against the rotor shaft in order to connect. Here, it is necessary, in particular, to cool the rotor shaft in the range of the temperature of the liquid nitrogen and simultaneously to heat the rotor disk sufficiently in the oven, for example by induction. After ligation, it must be stored at room temperature until the temperature of both parts is at room temperature. This takes a relatively long time. Due to this considerable oversize and the correspondingly complicated connection process only, the necessary operational safety can be ensured despite the significantly varying temperatures and rotational speeds. The temperatures of the rotor elements and the rotor shaft reach up to about 120 ° C. during operation. The maximum rotation speed is about 1500 r / sec. Therefore, it is necessary to cool the rotor shaft with liquid nitrogen to about -190 DEG C. in order to connect the rotor element to the rotor shaft. Depending on the structural dimensions of the rotor shaft, the cooling time is about 5 minutes. At the same time, the rotor element has to be heated to about 120 ° C. in an oven, for example a convection oven. The corresponding heating time is 1 to 2 hours. The time to fully heat the assembly after joining to reach room temperature is about 1-2 hours. This known connection method is time consuming and complicated.

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。   Tests have shown that connecting an aluminum rotor or disk-like rotor element to an aluminum rotor shaft is not possible at room temperature, as oversize is required. The oversize may be chosen to be quite small, but since there is no difference in the thermal expansion coefficients of the rotor element and the rotor shaft, the press fit is still not possible at room temperature. Here, seizing or welding of the elements to be connected takes place. Therefore, positionally accurate positioning of the rotor element on the rotor shaft is not possible.

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。   While the invention is economical to manufacture, it still provides high operational safety, preferably a rotor for a vacuum pump where the elements can be connected at room temperature or with only a small temperature difference between the elements Intended to provide a device.

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。   Said object is solved according to the invention by the features of claim 1.

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。   The rotor device for the vacuum pump of the invention comprises a rotor shaft. At least one rotor element is arranged on the rotor shaft. Particularly in the case of the rotor device of a turbo-molecular pump, a plurality of rotor elements in the form of a rotor disk are arranged in the longitudinal direction of the rotor shaft.

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。   According to the test, if the rotor or rotor element contains aluminum, titanium and / or CFRP, and the rotor shaft contains chromium-nickel steel (Cr-Ni steel), the rotor or rotor element is additionally added at room temperature It has been shown that it can be fitted with operational security. The use of aluminum, titanium and / or CFRP as the material of the rotor or rotor element requires the necessary strength and stability with regard to the high rotational speed and the density of the material required to reach the large forces and tensions associated with this rotational speed. Is advantageous in that it can achieve The necessary properties of the rotor shaft can be achieved with steel shafts, in particular stainless steel shafts. In particular, the rotor shaft comprises a sulfur-added Ni-Cr steel, particularly preferably made of a sulfur-added chromium-nickel steel.

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。   In a preferred embodiment, the rotor or rotor element is formed of aluminum, an aluminum alloy and / or high strength aluminum.

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。   It is particularly preferred to use high strength aluminum, in particular having high tensile strength values of at least 250 N / mm. High strength aluminum has the further advantage that it has high fatigue strength even at operating temperatures of 100 ° to 120 ° C. It is particularly preferred to use AW-Al Cu 2 Mg 1,5 Ni.

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。   Furthermore, it is preferred that at least one rotor element is made of titanium or a titanium alloy and / or of CFRP.

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。   The above combination of the two elements as provided by the present invention allows the at least one rotor element to be fitted onto the rotor shaft at room temperature without any seizure or welding. Therefore, the manufacturing time can be significantly reduced.

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。   According to the invention, the assembly cost can be reduced significantly by the difference between the thermal expansion coefficient of the rotor shaft and the thermal expansion coefficient of the at least one rotor element being as small as possible. In accordance with the present invention, a pair of materials with slightly different thermal expansion coefficients are used, with little sticking, so that the oversize to interlock is less than in the prior art. As a result, the elements can be connected at room temperature due to the small oversize required or, at most, it is sufficient for the elements to have a small temperature difference. With such material pairs having slightly different coefficients of thermal expansion, operational safety is reliably ensured even with large changes in temperature and rotational speed. It is particularly preferred that the material pair used is in particular a high strength aluminum and stainless steel material pair. It is preferred here that at least one rotor element is made of aluminum and the rotor shaft is made of stainless steel, in particular of sulfur-added Cr-Ni steel.

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。   It is particularly suitable to use stainless steel X8 CrNiS 18-9 of material number 1.4305 for the rotor shaft.

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。   It is possible to connect the two elements at room temperature, in particular when using stainless steel X8CrNiS18-9 and aluminum Al, and in particular it is possible to connect the two elements by pressing. This is further possible, in a particularly preferred embodiment, where at least one rotor element is oversized with respect to the rotor axis and circumferential expansion of 0.25% to 0.35% can occur. In addition to the fact that this oversize can ensure operational safety despite large temperature changes, the elements can still be connected at room temperature.

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。   In a preferred embodiment in which the rotor device is particularly suitable for use in a turbomolecular pump, a plurality of rotor elements are arranged in particular longitudinally, in particular by pressing, on the rotor shaft. However, the corresponding rotor element may, for example, be a disc-shaped carrier of a Holweck stage. The carrier supports the tubular element of the Holbeck stage or is integrally formed with the tubular element. According to the invention, such a rotor element or such a rotor element carrier is also made of the above-mentioned material, in particular of aluminum, and is externally fitted on the shaft of stainless steel by pressing.

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。   The rotor elements may be rotor disks, and in some cases spacer elements are additionally provided between the rotor elements or between the rotor disks. These elements may in particular serve to form the middle inlet of a pump having a plurality of inlets.

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。   The invention further relates to a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump. The vacuum pump of the invention comprises the rotor device of the invention as described above in one of the particularly preferred embodiments. Furthermore, the vacuum pump comprises a pump housing in which the rotor shaft is supported by bearing elements. Furthermore, a drive device is provided for driving the rotor shaft. Furthermore, at least one stator element may be arranged in the pump housing, which may be a stator disc. In this case, in the turbo molecular pump, a plurality of stator disks are alternately arranged with a plurality of rotor disks.

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。   The present invention will be described in detail below with reference to preferred embodiments and the accompanying drawings.

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。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a turbo molecular pump in a very simplified manner.

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。   In the very simplified view of the turbo molecular pump, a plurality of rotor elements 12 in the form of rotor disks are arranged on the rotor shaft 10 by pressing them against the rotor shaft 10. A stator element 16 is arranged in the pump housing 14 and may be a stator disc 16 in the illustrated embodiment.

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。   The rotor shaft 10 is further supported on the pump housing 14 by bearing elements 18, 20 and is driven by the drive device 22.

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。   In the illustrated embodiment, a sleeve-like spacer element 24 is additionally provided between the two rotor disks 12. Therefore, an intermediate inlet 26 is formed.

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。   Thus, the vacuum pump shown schematically in FIG. 1 draws the media conveyed through the main inlet in the direction of arrow 28. Furthermore, the medium is drawn in the direction of the arrow 30 via the intermediate inlet 26. The two media introduced are conveyed towards the outlet as indicated by the arrow 32.

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。   According to the invention, the rotor shaft 10 is formed of stainless steel in a preferred embodiment. The individual rotor elements 12 and the spacer elements 24 are formed of aluminum in a preferred embodiment. The fitting of the rotor element 12 and the spacer element 24 takes place by pressing at room temperature. In particular, the individual rotor elements 12 and the spacer elements 24 exhibit an expansion associated with a circumferential oversize of 0.07% to 0.2%. The pressing force with which the elements can be connected at room temperature is in the range of 5 to 50 kN.

Claims (13)

真空ポンプのためのロータデバイスであって、
ロータ軸と、
該ロータ軸に配置された少なくとも１つのロータ要素と
を備えており、
前記少なくとも１つのロータ要素はアルミニウム、チタン及び／又はCFRPを含んでおり、前記ロータ軸はクロム−ニッケル鋼から形成されており、
前記少なくとも１つのロータ要素が前記ロータ軸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真空ポンプのためのロータデバイス。 A rotor device for a vacuum pump,
The rotor shaft ,
Comprises at least one rotor element is arranged on the rotor shaft,
Wherein at least one rotor element is aluminum, includes a titanium and / or CFRP, the rotor shaft chromium - is formed from nickel steel,
A rotor device for a vacuum pump, characterized in that the material pair is selected such that the at least one rotor element can be fitted onto the rotor shaft at room temperature . 前記少なくとも１つのロータ要素は、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。 Rotor device for the at least one rotor element is a vacuum pump according to claim 1, characterized in that aluminum, are formed from an aluminum alloy and / or high strength aluminum. 前記少なくとも１つのロータ要素は、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。 Rotor device for the at least one rotor element is a vacuum pump according to claim 1, characterized in that it is formed from titanium and / or titanium alloy. 前記少なくとも１つのロータ要素は、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。 Rotor device for the at least one rotor element is a vacuum pump according to claim 1, characterized in that it is formed from CFRP. 前記ロータ軸は、硫黄が加えられたクロム−ニッケル鋼を含んで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。 Rotor device for a vacuum pump according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it contains nickel steel - the rotor shaft, sulfur was added chromium. 前記ロータ軸は、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ことを特徴とする請求項５に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。The rotor device for a vacuum pump according to claim 5, wherein the rotor shaft is formed of chromium-nickel steel to which sulfur is added. 前記ロータ軸はステンレス鋼合金を含んで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。 Rotor device for a vacuum pump according to any one of claims 1 to 6 wherein the rotor shaft is characterized in that it comprises a stainless steel alloy. 前記ステンレス鋼合金は、ステンレス鋼X8CrNiS18-9 であることを特徴とする請求項７に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。8. The rotor device for a vacuum pump according to claim 7, wherein the stainless steel alloy is stainless steel X8CrNiS18-9. 複数のロータ要素が、前記ロータ軸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８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。 A plurality of rotor elements is a rotor device for a vacuum pump according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it is arranged in the longitudinal direction of the rotor shaft. 前記ロータ要素はロータディスクとして形成されていることを特徴とする請求項９に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。 Rotor device for a vacuum pump according to claim 9 wherein the rotor element, characterized in that it is formed as a Rotadisu click. 少なくとも１つのスペーサ要素が、前記ロータ要素の内の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９又は１０に記載の真空ポンプのためのロータデバイス。 At least one spacer element is a rotor device for a vacuum pump according to claim 9 or 10, characterized in that it is arranged between the two rotor element of said rotor element. 真空ポンプであって、
請求項１乃至１１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、
前記ロータ軸は、軸受要素によってポンプハウジングに支持されており、
前記ロータ軸に結合された駆動手段と、
前記ポンプハウジングに配置された少なくとも１つのステータ要素と
を更に備えていることを特徴とする真空ポンプ。 A vacuum pump,
To any one of claims 1 to 11 provided with a rotor device for a vacuum pump according,
The rotor shaft is supported by a bearing element depending on pump housing grayed,
And coupled driven hand stage to the rotor shaft,
Vacuum pump, characterized in that it further comprises at least one stator element is arranged on the pump housing grayed. 前記真空ポンプは、ターボ分子ポンプであることを特徴とする請求項１２に記載の真空ポンプ。The vacuum pump according to claim 12, wherein the vacuum pump is a turbo molecular pump.
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