Scheiben mit Schaufeln hoher Stabilität für Turbomolekularpumpen

Scheiben mit Schaufeln hoher Stabilität für Turbomolekularpumpen

Eine Turbomolekularpumpe ist aus Rotor- und Statorscheiben aufgebaut, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind und Schaufelkränze aufweisen. Die Pumpwirkung beruht darauf, daß durch die Schaufeln der Rotorscheiben Impulse in Pumprichtung auf die Moleküle des zu pumpenden Gases übertragen werden. Die beiden wesentlichen Pumpeigenschaften, nämlich Saugvermögen und Druckverhältnis, hängen stark von der Drehzahl der Rotorscheiben ab. Das Saugvermögen steigt linear mit der Drehzahl an und das Druckverhältnis sogar exponentiell. Um eine optimale Pumpwirkung zu erreichen, muß daher der Rotor mit möglichst hoher Geschwindigkeit rotieren. Dadurch werden hohe Anforderungen an die Schaufeln der Rotorscheiben betreffend ihrer Geometrie, mechanischen Festigkeit und Stabilität, gestellt.

Schaufeln für Scheiben von Turbomolekularpumpen und/oder Verfahren zur Herstellung solcher Schaufeln bzw. Scheiben werden unter anderem in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:

• DE-PS 10 15 573
• DE-PS 15 03 704
• DE-PS 20 35 063
• DE-PS 20 50 555
• DE-AS 22 29 724
• DE-AS 26 54 055
• DE-AS 27 17 366
• DE-OS 29 23 632
• FR-PS 12 97 182
• FR-PS 13 06 013

Becker, Nesseldreher: Neue Hochleistungsscheiben für TurboMolekularpumpen - Vakuum-Technik 23 (1973), 1 S.12-15

Die in diesen Veröffentlichungen vorgestellten Schaufeln haben rechteckigen, rautenähnlichen oder dreieckförmigen Querschnitt, bzw. durch die vorgestellten Herstellungsverfahren werden Schaufeln von solchem Querschnitt erzeugt.

Voraussetzung für optimale Pumpeigenschaften ist eine minimale Dicke der Schaufeln. Dies ist dadurch bedingt, daß wegen der angestrebten hohen Drehzahl aus Festigkeitsgründen die Fliehkraft, die auf die Schaufeln, den Schaufelgrund und auf den Innendurchmesser der Rotorscheiben wirkt, auf ein Minimum begrenzt werden muß. Weiterhin wird eine geringe Schaufeldicke von Rotor- und Statorscheiben angestrebt, um den Schöpfraum, der sich zwischen den Schaufeln befindet, möglichst groß zu machen, was eine der Voraussetzungen für ein hohes Saugvermögen ist.

Eine geringe Schaufeldicke wirkt sich aber nachteilig auf die Stabilität der Schaufeln aus. Es kann z.B. durch Resonanzen, welche bei bestimmten Drehzahlen während des Hochlaufs oder des Auslaufens des Rotors auftreten, zu Schwingungen kommen, die eine Berührung der Schaufeln mit den Statorscheiben zur Folge haben können, was in der Regel zur Zerstörung der Pumpe führt.

Verbiegungen und Schwingungen der Schaufeln treten auch bei Flutvorgängen auf, welche große Kräfte in axialer Richtung erzeugen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Schaufeln für Scheiben von Turbomolekularpumpen und ein Verfahren für deren Herstellung anzugeben, die bei minimaler Schaufeldicke und somit optimalen Pumpeigenschaften eine im Vergleich zu den seither bekannten Schaufeln hohe Stabilität aufweisen. Außerdem soll das Herstellungsverfahren ermöglichen, Scheiben für Turbomolekularpumpen, die mit solchen Schaufeln ausgerüstet sind, rationell zu fertigen. Letzteres bedeutet, daß eine möglichst große Anzahl von Scheiben in einem Arbeitsgang gleichzeitig bearbeitet werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst, indem gemäß Patentanspruch 1 die Scheiben mit einer Topfsäge bearbeitet werden. Dadurch entstehen Schaufeln mit gekrümmtem Querschnitt, d.h. Schaufeln, deren Querschnitt ein Ringsegment darstellt. Da sich beim Einsägen in die Scheiben parallele Kanäle ergeben, ist die Wandstärke der Schaufeln nicht gleich. Sie nimmt von außen nach innen ab. Dadurch werden die Festigkeitseigenschaften einer Scheibe sehr nachteilig beeinflußt, da sich eine hohe mechanische Belastung am Schaufelgrund ergibt. Um dies zu vermeiden, werden nach den Ansprüchen 2 und 3 Schaufeln mit gleicher Wandstärke hergestellt, indem man entweder die Topfsäge oder die Vorrichtung zur Aufnahme der Scheiben eine Zusatzbewegung vollführen läßt oder eine Topfsäge verwendet, die aus zwei koaxialen Zylindern besteht.

Die Festigkeitseigenschaften einer Scheibe können noch günstiger gestaltet werden, indem man Schaufeln herstellt, deren Wandstärke von innen nach außen abnimmt. Um dies zu erreichen, läßt man die Achse der Topfsäge eine Kreisbewegung beschreiben. Somit entsteht eine oszillierende Bewegung. Wenn man den Radius dieser Kreisbewegung ändert, kann man Schaufeln mit veränderlicher Wandstärke herstellen. Insbesondere ergeben sich Schaufeln, deren Wandstärke von innen nach außen abnimmt, wenn der Radius der Kreisbewegung beim Einsägen vom äußeren Schaufelrand bis zum Schaufelgrund abnimmt.

Es ergeben sich somit eine Rotationsbewegung und eine überlagerte Exzenterbewegung. Da es nur auf die relative Bewegung von Werkzeug, in diesem Falle der Topfsäge, und dem Werkstück, in diesem Falle der Vorrichtung, auf der die Scheiben montiert sind, ankommt, ist es grundsätzlich egal, welches Teil, Werkzeug oder Werkstück, eine oder beide Bewegungen vollführt. Auch die Translationsbewegung in Richtung der Achse kann sowohl vom Werkzeug als auch vom Werkstück ausgeführt werden.

Das gleiche Ergebnis, nämlich Schaufeln, deren Querschnitt von innen nach außen abbnimmt, erhält man, wenn die Achse der Topfsäge oder die Achse der Vorrichtung, auf der die Scheiben montiert sind, anstelle eine Kreisbewegung zu vollführen, auf einem Kegelmantel mit veränderlicher Steigung umlaufen.

Im vorliegenden Anwendungsbeispiel wird als Werkzeug eine Topfsäge verwendet. Anstelle einer Topfsäge kann auch ein beliebiges Fräs- oder Schleifwerkzeug, welches die gleichen Bewegungen vollführt wie die Topfsäge, verwendet werden. Nach Abb. 1 und 2 können mehrere Scheiben gleichzeitig bearbeitet werden.

Als Vorteil der Erfindung ergeben sich Scheiben deren Schaufeln einen gekrümmten Querschnitt aufweisen. Dadurch wird die Stabilität der Schaufeln erheblich verbessert, ohne auf die optimalen Pumpeigenschaften, wie sie z.B. durch eine minimale Schaufeldicke gegeben sind, verzichten zu müssen. Die Wandstärke der Schaufeln nimmt von innen nach außen hin ab, wodurch die Festigkeitseigenschaften erheblich verbessert werden. Eine rationellere Fertigung ist dadurch gegeben, daß mehrere Scheiben gleichzeitig bearbeitet werden können.

Anhand der folgenden Abbildungen soll die Erfindung näher erläutert werden.

• Abb. 1 Topfsäge und Vorrichtung zur Scheibenaufnahme
• Abb. 2 Topfsäge, bestehend aus 2 koaxialen Zylindern und Vorrichtung zur Scheibenaufnahme
• Abb. 3 Vorrichtung zur Erzeugung einer Exzenterbewegung
• Abb.4 Schaufeln mit gekrümmtem Querschnitt und mit von innen und außen hin zunehmender Wandstärke
• _Abb. 5 Schaufeln mit gekrümmten Querschnitt und gleicher Wandstärke
• _Abb. 6 Schaufeln mit gekrümmten Querschnitt mit von innen nach außen hin abnehmender Wandstärke

Abb. 1 zeigt eine Vorrichtung 8 auf der die Scheiben 1 montiert sind. Mit einer Topfsäqe 2 werden parallele Schlitze in die Scheiben eingesägt. Die Anzahl der Scheiben, die gleichzeitig bearbeitet werden können, variiert je nach Scheibengröße im Verhältnis zum Durchmesser der Topfsäge und nach der Anordnung der Scheiben. Die Anordnung ist durch den Winkel der einzusägenden Schlitze gegenüber der Scheibenebene gegeben. Bei diesem Verfahren entstehen Scheiben mit Schaufeln 3, wie sie in der Abb. 4 dargestellt sind. Das Profil der Schaufeln ist gekrümmt. Da mit diesem Herstellungsverfahren parallele Schlitze eingesägt werden, entstehen Schaufeln, deren Querschnitt von innen nach außen zunimmt.

Die Anordnung in Abb. 2 weicht insofern von derjenigen in Abb. 1 ab, als bei jener die Topfsäge 4 aus zwei koaxialen Zylindern besteht. Bei diesem Verfahren ergeben sich Scheiben mit Schaufeln 5, wie sie in Abb. 5 dargestellt sind. Das Profil der Schaufeln ist gekrümmt. Die Wandstärke der Schaufeln und somit ihr Querschnitt ist über die gesamte Schaufellänge gleich.

Wenn man, wie in Abb. 3 dargestellt, die Achse 6 der Topfsäge aus Abb.l oder Abb.2 einen Kreisbogen mit dem variablen Radius r beschreiben läßt, wobei während des Einsägens der Radius r abnimmt, dann erhält man Schaufeln 7 (Abb. 6), deren Wandstärke von außen nach innen hin zunimmt. Das Profil dieser Schaufeln ist ebenfalls gekrümmt. Auch die in Abb. 5 dargestellten Scheiben mit gleicher Wandstärke können mit der Anordnung in Abb. 1 hergestellt werden, wenn man die Achse der _Topfsäge einen Kreisbogen beschreiben läßt, dessen Radius während des Einsägens abnimmt.

In diesen Fällen ergibt sich neben der Rotationsbewegung auch eine oszillierende Bewegung der Topfsäge. Die gleiche Wirkung erhält man, wenn man eine oder beide Bewegungen, anstatt von der Topfsäge 2,4 von der Vorrichtung 8, auf der die Scheiben montiert sind, durchführen läßt. Dann würde anstelle der Achse 6 der Topfsäge 2,4 die Achse 9 der Vorrichtung 8 rotieren und anstatt daß die Achse 6 der Topfsäge 2,4 einen Kreisbogen mit variablem Radius r beschreibt, wird diese Bewegung von der Achse 9 der Vorrichtung 8 übernommen.