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WO2002035099A1 - Mechanische kinetische vakuumpumpe mit rotor und welle - Google Patents

Mechanische kinetische vakuumpumpe mit rotor und welle Download PDF

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WO2002035099A1
WO2002035099A1 PCT/EP2001/009912 EP0109912W WO0235099A1 WO 2002035099 A1 WO2002035099 A1 WO 2002035099A1 EP 0109912 W EP0109912 W EP 0109912W WO 0235099 A1 WO0235099 A1 WO 0235099A1
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WO
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rotor
shaft
alloy
vacuum pump
mechanical kinetic
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French (fr)
Inventor
Heinrich Engländer
Michael Froitzheim
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Leybold GmbH
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Leybold Vakuum GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2300/17—Alloys
    • F05D2300/173—Aluminium alloys, e.g. AlCuMgPb

Definitions

  • the He Indation relates to a mechanical kinetic vacuum pump with the features of the preamble of claim 1.
  • Mechanical kinetic vacuum pumps by definition include gas ring pumps, turbo vacuum pumps (axial, radial) and molecular / turbomolecular pumps. They are able to mechanically transport the gas particles to be conveyed in the area of the molecular flow (pressures less than 10 ⁇ 3 mbar). Molecular pumps are also able to pump gases in the Knudsen flow range (IGT 3 to 1 mbar). Mechanical kinetic vacuum pumps which are preferably used often have a turbomolecular pump stage and an adjoining molecular pump stage (compound or hybrid pump), since such a pump is able to compress gases down to the region of the viscous flow.
  • the present invention has for its object to provide a mechanical kinetic vacuum pump with the features of the preamble of claim 1, in which a fixed connection between the shaft and rotor is achieved with simpler means. According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the claims.
  • Aluminum alloys produced by powder metallurgy are known per se. They are manufactured in such a way that the melt consisting of the alloy components is cooled by means of nozzles. Surface is sprayed. Compared to the melting metallurgical production of aluminum materials, the melt solidifies very quickly, which gives the alloy a new structure with changed properties.
  • Aluminum alloys produced by spray compacting the main alloy component of which is silicon, can be adjusted so that they have an expansion coefficient corresponding to the coefficient of expansion of steel.
  • the invention will be explained below with reference to a pump of the type concerned shown in the figure.
  • the pump shown has an outer housing 1 with a central bearing bush 2 projecting inwards.
  • the shaft 3 is supported in the bearing bush 2 by means of a spindle bearing 4.
  • the drive motor 5 and the rotor system 6, 7 are coupled to the shaft 3.
  • the one-piece rotor has two differently shaped rotor sections 6 and 7.
  • Rotor section 6 is cylindrical with smooth outer and inner surfaces 8, 9.
  • the housing 1 is equipped on its inside with a thread 10 and thus simultaneously forms the stator of a thread pump stage.
  • the surface 8 and the thread 10 are the pump-active surfaces of this known thread pump stage, which conveys molecules reaching the pump gap 11 towards the outlet 12.
  • the outside of the bearing bushes 2 is provided with a thread 13 and thus forms the stator of a further thread pump stage.
  • the thread 13 and the inner surface 9 are the pump-active surfaces of the further thread pump stage with the pump gap 14.
  • the gases conveyed upward through the pump gap 14 flow through bores 15 in the bearing bush 2 to the outlet 12.
  • a further pump stage is arranged upstream of the thread pump stage 8, 10.
  • This has the rotor section 7, the consists of a conically shaped hub part 23 and the webs 24. These webs 24 form with the surrounding stator wall 25 in the housing 1 a pump stage 7, 25. 10 promoted.
  • the shaft .3 carries the rotor section 7, which in turn carries the rotor section 6.
  • the cylindrical rotor section 6 can consist of the same material as the rotor section 7, but need not.
  • the use of e.g. B. carbon fiber cylinder sections as a rotor of molecular pump stages is also possible.
  • the connection between shaft 3 and rotor section 7 is made by shrinking.
  • DISPAL Materials of the type according to the invention are offered on the market under the name DISPAL (eg DISPAL A / S 230, DISPAL S241, A and S250).
  • DISPAL eg DISPAL A / S 230, DISPAL S241, A and S250.
  • DISPAL DISPAL A / S 230, DISPAL S241, A and S250.
  • silicon as the main alloy component, as well as further alloy components, such as iron, nickel, copper, magnesium and / or zirconium at levels from 0.3 to 8 wt% J
  • Another light material namely magnesium
  • another light material namely magnesium
  • the described advantage of using alloys produced by powder metallurgy can also be achieved with an alloy with mg as the base metal.
  • the coefficient of expansion can be determined by a suitable alloy, e.g. by Si.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem Stator (1), mit einem aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Rotor (6, 7) sowie mit einer den Rotor (6, 7) tragenden Welle (3), wobei die Verbindung zwischen Welle (3) und Rotor (6, 7) durch Schrumpfen oder Verschrauben hergestellt ist; um eine feste Verbindung zwischen Stator und Rotor sicherzustellen, wird vorgeschlagen, dass der Rotor (6, 7) aus einer durch Sprühkompaktieren hergestellten Aluminium-Legierung besteht, deren Hauptlegierungsbestandteil Silizium ist und die so eingestellt ist, dass sie einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der dem Ausdehnungskoeffizienten des Wellenwerkstoffs im wesentlichen entspricht.

Description

Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit Rotor und Welle
Die Er indung betrifft eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Zu den mechanischen kinetischen Vakuumpumpen gehören definitionsgemäß Gasringpumpen, Turbovakuumpumpen (axial, radial) und Molekular-/Turbomolekularpumpen. Sie sind in der Lage, im Bereich der MolekularStrömung (Drücke kleiner 10~3 mbar) die zu fördernden Gasteilchen mechanisch zu transportieren. Molekularpumpen sind darüber hinaus noch in der Lage, Gase im Bereich der Knudsenströmung (IGT3 bis 1 mbar) zu fördern. Bevorzugt eingesetzte mechanische kinetische Vakuumpumpen weisen häufig eine Turbomolekularpumpstufe und eine sich daran anschließende Molekularpumpstufe auf (Compound- oder Hybridpumpe) , da eine solche Pumpe in der Lage ist, Gase bis in den Bereich der viskosen Strömung zu verdichten.
Pumpen der hier betroffenen Art, insbesondere Turbomolekularvakuumpumpen, werden mit Drehzahlen bis zu 100.000 Umdrehungen/min betrieben. Dieses setzt eine feste innige Verbindung zwischen Rotor und Welle voraus, die den rotordynamischen Anforderungen beim Durch- fahren kritischer Drehzahlen genügt und üblicherweise durch Schrumpf- oder Schraubverbindungen hergestellt . wird. Die Schrumpfverbindung wird dadurch hergestellt, dass der temperierte Rotor und die gekühlte Welle zusammengefügt werden, indem die Welle in eine Bohrung des Rotors eingeführt wird. Als Wellenstoff wird in der Regel Stahl verwendet, der ein relativ hohes Elastizitätsmodul hat. Als Rotorwerkstoff wird aus den genannten rotordynamisehen Gründen ein leichter Werkstoff eingesetzt, vorzugsweise Aluminium. Dabei haben sich schmelzmetallurgisch hergestellte Aluminiumlegierungen bewährt. Bei der Werkstoffpaarung Stahl/Aluminium ist es jedoch schwierig, eine bei allen Betriebstemperaturen spiel- und setzfreie Befestigung des Rotors auf der Welle zu realisieren, da die Ausdehnungskoeffizienten von Stahl (ca. 11 x 10"6/k) und Aluminium (ca. 22 x 10" 6/k) verschieden sind.
Aus der DE-A-199 15 307 ist es bekannt, die Spiel- und Setzfreiheit der Fügestelle zwischen Rotor und Stator dadurch zu erreichen, dass Armierungsringe vorgesehen sind, die die zu Spielen führende Ausdehnung des Aluminium-Rotors verhindern. Diese Maßnahmen sind technisch aufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der eine feste Verbindung zwischen Welle und Rotor mit einfacheren Mitteln erreicht wird. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Pulvermetallurgisch (z. B. durch Sprühkompaktieren) hergestellte Aluminiumlegierungen sind an sich bekannt. Ihre Herstellung erfolgt in der Weise, dass die aus den Legierungsbestandteilen bestehende Schmelze mittels Düsen auf eine kälte. Oberfläche gesprüht wird. Im Vergleich zur schmelzmetallurgischen Herstellung von Aluminium-Werkstoffen findet ein sehr schnelles Erstarren der Schmelze statt, wodurch die Legierung ein neues Gefüge mit veränderten Eigenschaften erhält. Durch Sprüh- kompaktieren hergestellte Aluminiumlegierungen, deren Hauptlegierungsbestandteil Silizium ist, können so eingestellt werden, dass sie einen dem Ausdehnungskoeffizienten von Stahl entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten haben.
Dadurch, dass zwischen den Ausdehnungskoeffizienten von Welle und Rotor keine oder nur eine geringe Differenz besteht, wird ein Lösen der durch Schrumpfen oder Ver- schrauben hergestellten Verbindung zwischen Welle und Rotor unter Temperatureinfluss im Betriebszustand verhindert. Ebenso lässt sich eine Verbindung mit verminderter SchrumpfSpannung herstellen, die ein einfacheres Fügen und eine geringere Werkstoffbeanspruchung erlauben. Es ist auch möglich, Bohrung und Welle mit größeren Toleranzen zu fertigen, was - wie das vereinfachte Fügen - weniger Fertigungsaufwand und damit geringere Kosten verursacht. Die Erfindung soll nachstehend an Hand einer in der Figur dargestellten Pumpe der hier betroffenen Art erläutert werden. Die dargestellte Pumpe weist ein äußeres Gehäuse 1 mit einer zentralen, nach innen hineinragenden Lagerbuchse 2 auf. In der Lagerbuchse 2 stützt sich die Welle 3 mittels einer Spindellagerung 4 ab. Mit der Welle 3 ist der Antriebsmotor 5 und das Rotorsystem 6, 7 gekoppelt.
Der einstückige Rotor weist zwei unterschiedlich gestaltete Rotorabschnitte 6 und 7 auf. Rotorabschnitt 6 ist zylindrisch mit glatter äußerer und innerer Oberfläche 8, 9 ausgebildet. Im Bereich der Oberfläche 8 ist das Gehäuse 1 auf seiner Innenseite mit einem Gewinde 10 ausgerüstet und bildet damit gleichzeitig den Stator einer Gewindepumpenstufe. Die Oberfläche 8 und das Gewinde 10 sind die pumpaktiven Flächen dieser an sich bekannten Gewindepumpenstufe, die in den Pumpspalt 11 gelangende Moleküle in Richtung Auslass 12 fördert.
Im Bereich der inneren Oberfläche 9 des Rotorabschnittes 6 ist die Außenseite der Lagerbuchsen 2 mit einem Gewinde 13 versehen und bildet damit den Stator einer weiteren Gewindepumpenstufe. Das Gewinde 13 und die innere Oberfläche 9 sind die pumpaktiven Flächen der weiteren Gewindepumpenstufe mit dem Pumpspalt 14. Die durch den Pumpspalt 14 von unten nach oben geförderten Gase strömen durch Bohrungen 15 in der Lagerbuchse 2 zum Auslass 12.
Der Gewindepumpenstufe 8, 10 ist eine weitere Pumpstufe vorgelagert. Diese weist den Rotorabschnitt 7 auf, der aus einem konisch geformten Nabenteil 23 und den Stegen 24 besteht. Diese Stege 24 bilden mit der sie umgebenden Statorwand 25 im Gehäuse 1 eine Pumpstufe 7, 25. Gasmoleküle, die zwischen die einzelnen Stege 24 oder in den Spalt 26 gelangen, werden von der Pumpenstufe 24, 25 in Richtung des Pumpspaltes 11 der Molekularpumpstufe 6, 10 gefördert.
Die Welle .3 trägt den Rotorabschnitt 7 , der seinerseits den Rotorabschnitt 6 trägt. Der zylindrische Rotorabschnitt 6 kann aus dem gleichen Werkstoff wie Rotorabschnitt 7 bestehen, muss aber nicht. Der Einsatz von z. B. aus Kohlefasern bestehenden Zylinderabschnitten als Rotor von Molekularpumpstufen ist ebenfalls möglich. Die Verbindung zwischen Welle 3 und Rotorabschnitt 7 ist durch Schrumpfen hergestellt.
Bestehen die Welle 3 aus. Stahl und das Rotorsystem 6, 7 - oder zumindest Rotorabschnitt 7 - aus der erfindungsgemäßen Legierung, dann sind die Ausdehnungskoeffizienten von Welle 3 und Rotor 6, 7 gleich oder nahezu gleich. Selbst bei einer hohen Temperaturbelastung des Rotors, die insbesondere beim Einsatz der hier betroffenen Pumpen in der Halbleiterindustrie auftritt, ist eine sichere Verbindung von Rotor und Welle gewährleistet.
Werkstoffe der erfindungsgemäßen Art werden unter dem Namen DISPAL (z. B. DISPAL A/S 230, DISPAL S241, A und S250) auf dem Markt angeboten. Neben dem Aluminium enthalten sie als Hauptlegierungsbestandteil 16 bis 22 Gew.-% Silizium sowie weitere Legierungsbestandteile, wie Eisen, Nickel, Kupfer, Magnesium und/oder Zirkon mit Anteilen zwischen 0,3 und 8 Gew.-J %
Bei einem Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften kann an Stelle des Basismaterials Aluminium ein anderer Leichtwerkstoff, nämlich Magnesium, vorhanden sein. Dadurch kann der beschriebene Vorteil des Einsatzes von pulvermetallurgisch hergestellten Legierungen auch bei einer Legierung mit mg als Basismetall erreicht werden. Der Ausdehnungskoeffizient kann durch geeignete Zule- gierung, z.B. durch Si, eingestellt werden.

Claims

Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit Rotor und WellePATENTANSPRÜCHE
Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem Stator (1) , mit einem aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Rotor (6, 7) sowie mit einer den Rotor (6, 7) tragenden Welle (3), wobei die Verbindung zwischen Welle (3) und Rotor (6, 7) durch Schrumpfen oder Verschrauben hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6, 7) aus einer durch Sprühkompaktieren hergestellten Aluminiumlegierung besteht, deren Hauptlegierungsbestandteil Silizium ist und die so eingestellt ist, dass sie einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der dem Ausdehnungskoeffizienten des Wellenwerkstoffs im wesentlichen entspricht.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumanteil 16 bis 22 Gew.-% beträgt.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff weitere Legierungsbe- standteile enthält, und zwar Eisen, Nickel, Kupfer und/oder Zirkon.
4. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Legierung bestehenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Magnesium-Legierung ist.
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