CH646229A5

CH646229A5 - METHOD FOR PRODUCING A ROTOR WITH AT LEAST ONE VANCOVER FOR A TURBOMOLECULAR PUMP AND ROTOR PRODUCED BY THIS METHOD.

Info

Publication number: CH646229A5
Application number: CH434880A
Authority: CH
Inventors: Guenter Schuetz; Edgar Dipl-Ing Usselmann
Original assignee: Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg
Priority date: 1979-06-11
Filing date: 1980-06-05
Publication date: 1984-11-15
Also published as: JPS649475B2; JPS56593A; FR2458351B1; GB2052317B; DE2923632A1; FR2458351A1; GB2052317A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors mit mindestens einem Schaufelkranz für den Rotor einer Turbomolekularpumpe, bei dem eine Scheibe zunächst in ihrem Randbereich mit radialen Schlitzen versehen wird und die verbliebenen Abschnitte derart um ihre radiale Mittelachse gedreht werden, dass die Abschnitte die gewünschten Schaufeln bilden. Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf einen mit Schaufelkränzen dieser Art ausgerüsteten Rotor. The invention relates to a method for producing a rotor with at least one blade ring for the rotor of a turbomolecular pump, in which a disk is first provided with radial slots in its edge region and the remaining sections are rotated about their radial central axis such that the sections form the desired blades. The invention also relates to a rotor equipped with blade rings of this type.

Die Herstellung von Schaufelkränzen in der genannten Weise ist z.B. aus «Vakuumtechnik», 23. Jahrgang, Heft 4, Seiten 109 ff., bekannt. Einerseits sollen dabei die Schaufeln möglichst dünn sein, damit sie leicht verdreht werden können und damit ihre Stirnflächen möglichst klein sind. Bezogen auf die Schaufelfläche selbst haben nämlich diese Stirnflächen einen darauf senkrecht stehenden «Anstellwinkel». Dies hat zur Folge, dass alle Moleküle, die auf diese Stirnfläche treffen, einen der gewünschten und von der Schaufelfläche selbst bewirkten Förderrichtung entgegengerichteten Impuls erhalten. Dieser unerwünschte Einfluss der Stirnflächen ist um so grösser, je dicker die Schaufeln sind. The manufacture of blade rings in the manner mentioned is e.g. from “Vacuum Technology”, 23rd volume, number 4, pages 109 ff. On the one hand, the blades should be as thin as possible so that they can be rotated easily and their end faces are as small as possible. In relation to the blade surface itself, these end faces have an "angle of attack" perpendicular to it. The result of this is that all molecules that strike this end face receive a pulse that is opposite to the desired conveying direction and is caused by the blade surface itself. The undesirable influence of the end faces is greater the thicker the blades.

Andererseits dürfen in der genannten Weise hergestellte Schaufeln nicht zu dünn sein, damit sie bei den auftretenden hohen Drehzahlen eine ausreichende Festigkeit haben. Darüber hinaus haben durch Sägen und anschliessendes Verdrehen hergestellte Schaufeln eine radial nach aussen zunehmende Breite und damit Masse, was an die Festigkeit zusätzliche Anforderungen stellt. Schliesslich dürfen die der Herstellung der Schaufelkränze dienenden Scheiben auch deshalb nicht zu dünn sein, weil sie z.B. bei einer einseitigen Bearbeitung zu Schwingungen angeregt werden können, die eine zuverlässige Bearbeitung beeinträchtigen. On the other hand, blades produced in the manner mentioned must not be too thin so that they have sufficient strength at the high speeds that occur. In addition, blades produced by sawing and subsequent twisting have a radially outward increasing width and thus mass, which places additional demands on strength. Finally, the disks used to manufacture the blade rings must not be too thin because they e.g. in the case of one-sided machining, vibrations can be excited which impair reliable machining.

Bei allen vorbekannten Turbomolekularpumpen, deren Rotoren nach dem eingangs genannten Verfahren hergestellte Schaufelkränze aufweisen, ist zwischen diesen einander widersprechenden Forderungen hinsichtlich der Schaufelstärke ein Kompromiss gewählt worden, der die Pumpeigenschaften der Turbomolekularpumpe massgeblich bestimmt. In all previously known turbomolecular pumps, the rotors of which have vane rings manufactured by the method mentioned at the outset, a compromise has been chosen between these contradicting requirements with regard to the vane thickness, which decisively determines the pump properties of the turbomolecular pump.

Bei einer anderen Gattung von Turbomolekularpumpen erfolgt die Herstellung der Schaufelkränze allein durch die Anbringung von schrägen Schlitzen in den Randbereichen von Rotorscheiben (vgl. z.B. die schweizerische Patentschrift 532199). Ein solches Herstellungsverfahren vermeidet zwar Stirnflächen mit falschem «Anstellwinkel» an den Schaufeln; im übrigen ist es aber wesentlich teurer als das Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht. In another type of turbomolecular pump, the blade rings are manufactured solely by making oblique slots in the edge areas of rotor disks (see e.g. Swiss Patent 532199). Such a manufacturing process avoids end faces with an incorrect “angle of attack” on the blades; otherwise, it is much more expensive than the manufacturing method of the type mentioned, to which the present invention relates.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur Herstellung eines Schaufelkranzes für den Rotor einer Turbomolekularpumpe, bei dem eine Scheibe zunächst in ihrem Randbereich mit radialen Schlitzen versehen wird und die verbliebenen Abschnitte derart um ihre radiale Mittelachse gedreht werden, dass die Abschnitte die gewünschten Schaufeln bilden, derart zu verbessern, dass die Turbomolekularpumpen, deren Rotoren nach diesem Verfahren hergestellte Schaufelkränze aufweisen, wesentlich bessere Pumpeigenschaften haben als bisher. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die der Herstellung des Schaufelkränzes dienende Scheibe vor dem Sägen der Radialschlitze derart bearbeitet wird, dass sie eine radial nach aussen - kontinuierlich oder stufenförmig - abnehmende Stärke hat. Ein Rotor mit in dieser Weise hergestellten Schaufelkränzen kann mit wesentlich höheren Drehzahlen, d.h. mit wesentlich höheren Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden, da wegen der radial nach aussen abnehmenden Stärke der Schaufeln auch deren Masse nach aussen abnimmt. Dadurch erhält eine mit einem solchen Rotor ausgerüstete Turbomolekularpumpe ein wesentlich besseres Saugvermögen und eine höhere Kompression, besonders für leichte Gase, wie z.B. H2. Gerade in den äusseren Bereichen, in denen die Umfangsgeschwindigkeit besonders hoch ist, ist die Schaufelstärke und damit die störende Stirnfläche klein, was ebenfalls für die Pumpeigenschaften von Vorteil ist. Vorzugsweise hat der Schaufelkranz im Nabenbereich eine um den Faktor 5 bis 15 grössere Stärke als im Randbereich. Als vorteilhaft hat sich bei einem Scheibendurchmesser von ca, 18 cm eine von ca. 5 mm auf ca. 0,5 mm abnehmende Stärke erwiesen. The present invention has for its object the known method for producing a blade ring for the rotor of a turbomolecular pump, in which a disk is first provided with radial slots in its edge region and the remaining sections are rotated about their radial central axis such that the sections form the desired blades, to improve them in such a way that the turbomolecular pumps, whose rotors have blade rings produced according to this method, have significantly better pump properties than previously. According to the invention, this object is achieved in that the disk used to manufacture the blade ring is processed before the radial slots are sawn in such a way that it has a decreasing thickness radially outwards — continuously or in steps. A rotor with blade rings produced in this way can run at significantly higher speeds, i.e. can be operated at much higher peripheral speeds, because the radially outwardly decreasing thickness of the blades also reduces their mass outwards. This gives a turbomolecular pump equipped with such a rotor a significantly better pumping speed and a higher compression, especially for light gases, such as H2. Especially in the outer areas, in which the peripheral speed is particularly high, the blade thickness and thus the disruptive end face is small, which is also advantageous for the pump properties. The blade ring in the hub area is preferably 5 to 15 times thicker than in the edge area. With a disk diameter of approximately 18 cm, a thickness which has decreased from approximately 5 mm to approximately 0.5 mm has proven to be advantageous.

Ein Rotor für eine Turbomolekularpumpe weist in der Regel mehrere übereinanderliegende Schaufelkränze auf, deren Schaufeln häufig abschnittsweise unterschiedliche Länge und/oder unterschiedliche Anstellwinkel haben, und zwar derart, dass Anstellwinkel und/oder Schaufellänge von der Hochvakuumseite zur Vorvakuumseite hin abnehmen. Ein Rotor mit erfindungsgemäss hergestellten Schaufelkränzen kann deshalb z.B. so hergestellt werden, dass zunächst voneinander unabhängige Scheiben mit den gewünschten Schaufelkränzen hergestellt werden und diese Scheiben anschliessend in der gewünschten Reihenfolge zusammengefügt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, einen solchen Rotor aus dem Vollen herzustellen. Dazu wird ein zylindrischer, z.B. aus Aluminium bestehender Block zunächst mit senkrecht zur Achse liegenden Ausnehmungen versehen, und zwar derart, dass aus den verbliebenen Rippen die Schaufelkränze hergestellt werden können. Dieser Schritt der Herstellung der Ausnehmungen z.B. durch Drehen kann gleichzeitig derart erfolgen, dass die verbliebenen Abschnitte eine radial nach aussen abnehmende Stärke haben. Danach s A rotor for a turbomolecular pump generally has a plurality of superimposed blade rings, the blades of which often have different lengths and / or different angles of attack in sections, in such a way that the angles of attack and / or blade length decrease from the high vacuum side to the fore vacuum side. A rotor with blade rings produced according to the invention can therefore, e.g. are produced in such a way that initially independent disks are produced with the desired blade rings and these disks are then joined together in the desired order. However, it is particularly advantageous to manufacture such a rotor from solid material. For this a cylindrical, e.g. block consisting of aluminum initially provided with recesses lying perpendicular to the axis, in such a way that the blade rings can be produced from the remaining ribs. This step of making the recesses e.g. by turning it can be done simultaneously in such a way that the remaining sections have a radially outward decreasing thickness. Then s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

646 229 646 229

erfolgt in an sich bekannter Weise die Bildung der Schaufeln voneinander möglichst gross ist. Das kann durch breitere durch Sägen und Verdrehen. Sägeblätter für das Sägen der Schlitze 9 erreicht werden. takes place in a manner known per se, the formation of the blades from one another is as large as possible. That can be done by widening by sawing and twisting. Saw blades for sawing the slots 9 can be reached.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen für nach der Erfindung hergestellte Schaufel- s Scheiben bzw. für einen nach der Erfindung hergestellten Rotor erläutert werden. Further advantages and details of the invention will be explained on the basis of exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 4 for blade disks produced according to the invention or for a rotor manufactured according to the invention.

In Figur 1 ist eine Schaufelscheibe 1 dargestellt, deren Stärke im Randbereich 2 kontinuierlich abnimmt. Die Stärke der Nabe 3 mit der Achse 4 ist so gewählt, dass durch Über- io einanderlegen und gegenseitiges Befestigen solcher Scheiben ein Rotor für eine Turbomolekular-Vakuumpumpe gebildet werden kann. A blade disk 1 is shown in FIG. 1, the thickness of which continuously decreases in the edge region 2. The strength of the hub 3 with the axis 4 is selected such that a rotor for a turbomolecular vacuum pump can be formed by superimposing and mutually fastening such disks.

Die Figur 2 zeigt eine Rotorscheibe, deren Stärke nicht koninuierlich, sondern in drei Stufen 5,6 und 7 radial nach is aussen abnimmt. FIG. 2 shows a rotor disk, the thickness of which does not decrease continuously but radially outwards in three stages 5, 6 and 7.

In Figur 3 ist ein Teil einer in dieser Weise ausgebildeten Scheibe 1 in Draufsicht dargestellt. Diese Figur zeigt weiterhin einige Radialschlitze 9, die z.B. durch Sägen erzeugt werden können. Die zwischen den Schlitzen 9 verbliebenen 20 Ein nach der Erfindung hergestellter Rotor für eine Turbo-Abschnitte 10 werden um ihre radialen Mittelachsen gedreht molekular-Vakuumpumpe kann - verglichen mit einem und bilden dadurch die gewünschten Schaufeln. Je nach Lage Rotor nach dem Stand der Technik, also mt Schaufeln gleich-der Rotorscheibe in bezug auf die Hochvakuumseite können bleibender Stärke - mit bis zu 40% höheren Drehzahlen Schaufeln mit unterschiedlicher Länge, Anstellwinkel oder betrieben werden. War z.B. ein aus Aluminium bestehender Breite erwünscht sein. Länge und Breite der Schaufeln 25 Rotor nach dem Stand der Technik für 42 000 U/min ausge- FIG. 3 shows a part of a pane 1 designed in this way in a top view. This figure further shows some radial slots 9 which e.g. can be generated by sawing. The 20 remaining between the slots 9 A rotor for a turbo sections 10 manufactured according to the invention can be rotated about their radial central axes - molecular vacuum pump - compared to one and thereby form the desired blades. Depending on the position of the rotor according to the state of the art, i.e. with blades the same - the rotor disc with respect to the high vacuum side, permanent strength - with up to 40% higher speeds, blades with different lengths, angles of attack or can be operated. Was e.g. a width made of aluminum may be desired. Length and width of the blades 25 rotor according to the prior art for 42,000 rpm

können durch die Länge bzw. Tiefe und den Abstand der legt, dann kann er - falls er nach der Erfindung hergestellt can by the length or depth and the distance of the lays, then he - if he made according to the invention

Schlitze 9 bestimmt werden. Unterschiedliche Anstellwinkel wird - mit ca. 59 000 U/min betrieben werden. Dadurch werden durch unterschiedliches Verdrehen erzeugt. ergeben sich wesentliche Erhöhungen der Kompressions- Slots 9 are determined. Different angles of attack will be operated - at approx. 59,000 rpm. This creates different twists. there are significant increases in compression

Schliesslich kann es insbesondere auf der Hochvakuumseite werte und ein verbessertes Saugvermögen vor allem für eines Rotors erwünscht sein, dass der Abstand der Schaufeln 30 leichte Gase. Finally, especially on the high vacuum side and an improved pumping speed, especially for a rotor, it may be desirable that the spacing of the blades 30 light gases.

Figur 4 zeigt einen aus dem Vollen hergestellten, noch nicht fertigen Rotor 11 nach der Erfindung. Dazu wurde ein zylindrischer Aluminiumblock mit radialen Ausnehmungen 12 versehen, die einen solchen Abstand und eine solche Tiefe haben, dass aus den dazwischen verbliebenen Teile 13 die Schaufeln in der erfindungsgemässen Weise hergestellt werden können. Dazu wird den Teilen 13 entweder direkt bei der Bildung der Ausnehmungen 12 durch Drehen oder nachträglich durch einen besonderen Bearbeitungsschritt mittels Drehmeissein die radial nach aussen abnehmende Stärke gegeben. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist wieder eine stufenförmig abnehmende Stärke der Schaufelkränze gewählt worden. Danach erfolgt in der bereits zu den Figuren 2 und 3 beschriebenen Weise das Sägen und Verdrehen der Aussenbereiche der Teile 13, so dass ein einstückiger Rotor 11 entsteht. FIG. 4 shows a rotor 11 according to the invention made from solid, not yet finished. For this purpose, a cylindrical aluminum block was provided with radial recesses 12, which have such a distance and depth that the blades 13 can be produced in the manner according to the invention from the parts 13 remaining therebetween. For this purpose, the parts 13 are given the radially outwardly decreasing strength either directly when the recesses 12 are formed by turning or subsequently by a special machining step by means of turning. In the illustrated embodiment, a gradually decreasing thickness of the blade rings has been chosen. This is followed by sawing and turning the outer regions of the parts 13 in the manner already described for FIGS. 2 and 3, so that a one-piece rotor 11 is produced.

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. A method for producing a rotor with at least one blade ring for a turbomolecular pump, in which a disk is first provided with radial slots in its edge region and the remaining sections are rotated about their radial central axis in such a way that the sections form the desired blades, characterized that the disk (1, 13) used to manufacture the blade ring is processed before the radial slots (9) are sawn in such a way that it has a thickness that decreases continuously or in steps in the radial direction.

2. The method according to claim 1, characterized in that the disks (I) with the blade rings are first produced individually and are subsequently combined to form a rotor.

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 1, characterized in that the rotor is rotated at least in sections with a plurality of blade rings from the solid.

4. A rotor for a turbomolecular vacuum pump produced by the method according to claim 1, characterized in that the blades forming the blade rings have a radially outwardly decreasing thickness or continuously decreasing strength.

5. Rotor according to claim 4, characterized in that the blades in the hub area have a greater by a factor of 5 to 15 than in the edge area.

6. Rotor according to claim 4, characterized in that it is in one piece.

7. Rotor according to claim 4, characterized in that the blades of different blade rings are different in terms of distance, width, length and angle of attack.