Turbomolekularpumpen sind Pumpen mit schnelldrehenden Rotoren zur Erzeugung von Hochvakuum und Ultrahochvakuum. Unter einem schnelldrehenden Rotor ist vorliegend ein Rotor zu verstehen, der mit Drehzahlen von mehr als 10. 000 U/min rotiert. Das Saugvermögen einer Turbomolekularpumpe wird im wesentlichen bestimmt von der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors bzw. der Rotorflügel im Verhältnis zur mittleren thermischen Molekulargeschwindigkeit des Pumpgases. Die mittlere thermische Molekulargeschwindigkeit beträgt beispielsweise für Stickstoff 470 m/s und für Wasserstoff 1.754 m/s.

Der Rotor einschließlich der Rotörflügel wird in der Regel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, da Aluminium relativ leicht ist und daher verhältnismäßig hohe Umfangsgeschwindigkeiten erlaubt. Mit Aluminium-Rotoren lassen sich Umfangsgeschwindigkeiten bis maximal ca. 400 m/s realisieren. Bei Umfangsgeschwindigkeiten von 400 m/s ist das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit zur mittleren thermischen Molekulargeschwindigkeit von Helium oder Wasserstoff (erheblich) kleiner als 1, so dass das Saugvermögen für diese kleinmolekularen Gase relativ schlecht ist. Höhere Umfangsgeschwindigkeiten lassen sich mit den genannten Materialien nicht realisieren, da die auftretenden Zentrifugalkräfte die Rotorflügel zum Fließen bringen oder zerstören würden. Das Saugvermögen der Turbomolekularpumpe kann daher nur durch Erhöhung der Anzahl der Rotorstufen verbessert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Saugvermögen einer Turbomolekularpumpe bzw. einer Turbomolekularpumpen-Rotorstufe zu verbessern, die Anzahl an Rotorstufen eines Turbomolekularpumpen-Rotors zu verringern und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Turbomolekularpumpen- Rotorstufe zu schaffen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 10,11 bzw. 12.

Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpen-Rotorstufe weist Rotorflügel aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoff auf.

Faserverstärkte Kunststoffe sind vorzugsweise CFK, GFK oder Aramid. Durch den Einsatz eines faserverstärkten Kunststoffes für die Rotorflügel einer Turbomolekularpumpen-Rotorstufe wird eine Rotorstufe zur Verfügung gestellt, deren am stärksten der Zentrifugalbeschleunigung ausgesetzte Teil aus einem sehr leichten und gleichzeitig durch die Fasern sehr zugfesten Material besteht. Durch die auf diese Weise realisierte Zugfestigkeit und das geringe spezifische Gewicht der Rotorflügel können erheblich höhere Rotor- Umfangsgeschwindigkeiten realisiert werden. Hierdurch wird das Verhältnis der maximalen Umfangsgeschwindigkeit der Rotorflügel zu der mittleren thermischen Molekulargeschwindigkeit kleinmolekularer Gase erheblich verbessert, wodurch wiederum das Saugvermögen einer Rotorstufe erheblich verbessert werden kann. Durch die Verbesserung des Saugvermögens einer Rotorstufe kann die Anzahl der Rotorstufen eines Turbomolekularpumpen-Rotors reduziert werden. Hierdurch wird die Herstellung der Turbomolekularpumpe erheblich vereinfacht, so dass die Turbomolekularpumpe preiswerter herstellbar ist.

Kunststoffe sind ferner weitgehend korrosionsbeständig und bedürfen daher ggf. keiner weiteren Beschichtung zur Herstellung einer Korrosionsbeständigkeit.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung verläuft in jedem Rotorflügel eine Vorzugsrichtung der Fasern annähernd radial.

Diese Fasern können innerhalb eines Flügels parallel zueinander ungefähr radial angeordnet sein, können jedoch auch in kleinen Winkeln zueinander exakt radial angeordnet sein und alle auf eine Rotormittelachse zeigen. Neben den annähernd radial angeordneten Fasern können in jedem Rotorflügel auch weitere Fasergruppen angeordnet sein, die die radialen Fasern kreuzen. Auf diese Weise werden die Rotorflügel auch in Bezug auf die übrigen Raumachsen stabilisiert und versteift.

Vorzugsweise bilden die Fasern eine Fasergewebematte, die aus den Fasergruppen verschiedener Vorzugsrichtungen gewoben ist.

Durch die Verwebung der Fasern verschiedener Vorzugsrichtungen miteinander wird die mechanische Stabilität der Rotorflügel verbessert. Vorzugsweise liegen in den Rotorflügeln jeweils mehrere Fasergewebematten axial übereinander, so dass jeder Rotorflügel durch mehrere übereinander liegende Fasergewebematten gebildet und stabilisiert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Rotorflügel Teile eines einstückigen Flügelkranzes. Die Rotorflügel sind an der Außenseite eines Halteringes des Flügelkranzes befestigt. Die Herstellung und Montage des einstückigen Flügelkranzes ist einfacher und preiswerter vornehmbar als die Herstellung und Montage einzelner Rotorflügel.

Vorzugsweise sind die Fasern im Bereich der Anbindung eines Rotorflügels an den Haltering der Flügelscheibe durchgehend, d. h. nicht unterbrochen. Der Bereich der Anbindung eines Rotorflügels an den Haltering ist üblicherweise der Bereich eines Rotorflügels mit der kleinsten Querschnittsfläche, so dass in diesem Bereich die auf die Fläche bezogenen Zentrifugalkräfte am größten sind. Durch das Vorsehen durchgehender Fasern im Bereich der Anbindung des Rotorflügels an den Haltering wird sichergestellt, dass der Rotorflügel in diesem Bereich nicht von dem Haltering abbricht.

Gemäß einem nebengeordneten Patentanspruch weist ein Turbomolekularpumpen-Rotor mehrere Rotorstufen auf, deren Rotorflügel aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoff bestehen, wobei eine Rotorwelle vorgesehen ist, an der die Rotorstufen einzeln befestigt sind, und wobei die Rotorwelle aus Metall besteht. Das Gewicht der Rotorwelle ist für das Saugvermögen einer Turbomolekularpumpe ohne große Bedeutung.

Daher kann als Wellenwerkstoff ein Metall gewählt werden, das bezüglich seiner mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Elastizität, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit hierfür geeignet ist. Für die Rotorstufen dagegen wird ein faserverstärkter Kunststoff verwendet, der bei ausreichender Festigkeit von relativ geringer Masse und daher für hohe Drehzahlen geeignet ist.

Gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer Turbomolekularpumpen-Rotorstufe sind die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen : Schneiden mehrerer Fasergewebematten zur Ausbildung von Rotorflügelbereichen, Imprägnieren der Fasergewebematten mit einem aushärtbaren Kunststoff, Einlegen mehrerer Fasergewebematten übereinander in eine Rotorstufenform, und Aushärten der Rotorstufe.

Das Schneiden der Fasergewebematten kann auch nach dem Übereinanderlegen der Fasergewebematten, jedoch vor Einlegen der Fasergewebematten in die Rotorstufenform, erfolgen. Für die Herstellung einer Rotorstufe kann ggf. auch eine einzige Fasergewebematte oder nur eine einzige Lage einer Fasergruppe ausreichend sein.

Mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren kann auf relativ einfache Weise eine einstückige Rotorstufe, d. h. eine einstückige Flügelscheibe aus mit Fasern verstärktem Kunststoff hergestellt werden.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Turbomolekularpumpe mit drei Rotorstufen, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Rotorstufe, Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer Fasergewebematte in Draufsicht, Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer Fasergewebematte in Draufsicht, Fig. 5 eine dritte Ausführungsform einer Fasergewebematte, und Fig. 6 einen Herstellungsschritt eines Verfahrens zur Herstellung einer Turbomolekularpumpen-Rotorstufe.

In der Fig. 1 ist im Längsschnitt eine Turbomolekularpumpe 70 mit einem Rotor 10 mit drei Rotorstufen 11,12, 13 dargestellt.

Jede Rotorstufe 11,12, 13 wird im wesentlichen gebildet von einer einstückigen Flügelscheibe 15,16, 17, die von einer Rotorwelle 20 gehalten werden.

Die Turbomolekularpumpe 70 weist ferner ein Stator-Gehäuse 62 auf, das wiederum drei Statorstufen 71,72, 73 aufweist, die alternierend mit den Rotorstufen 11,12, 13 angeordnet sind.

Jede Statorstufe 71,72, 73 wird von radial nach innen gerichteten Statorflügeln 68 gebildet.

Der in Fig. 1 dargestellte Rotor 10 weist eine mehrteilige Rotorwelle 20 auf, die aus einem Wellenkörper 28, einer Wellenhülse 40, zwei Distanzringen 41 und einem Abschlussring 42 besteht. Der Wellenkörper 28, die Wellenhülse 40, die Distanzringe 41 und der Abschlussring 42 bestehen aus Aluminium und sind axial miteinander verschraubt. Auf diese Weise sind die Flügelscheiben 15,16, 17 an der Rotorwelle 20 fixiert. Die Rotorwelle 20 wird durch einen elektrischen Antriebsmotor 66 angetrieben.

Die Flügelscheiben 15,16, 17 sind bezüglich ihrer Rotorflügel verschieden voneinander ausgebildet und unterscheiden sich bezüglich der Neigung, Fläche und Anzahl. Eine Flügelscheibe 15 besteht grundsätzlich aus den Rotorflügeln 18 und einem Haltering 19, wie in Fig. 2 dargestellt.

Die Flügelscheiben 15,16, 17 sind jeweils einstückig ausgebildet und bestehen aus mit Fasern verstärktem Kunststoff, beispielsweise aus GFK, CFK oder Aramid. In den Figuren 3-5 sind drei verschiedene Ausführungsbeispiele einer Fasergewebematte dargestellt, die in einer Flügelscheibe zu ihrer Verstärkung vorgesehen sein können.

Bei der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsform einer Fasergewebematte sind die Fasern symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet. Eine Vorzugsrichtung 21 der Fasern einer Fasergruppe ist radial, so dass die Fasern der Fasergruppe mit radialer Vorzugsrichtung 21 sternartig angeordnet sind. Ferner sind Fasern einer zweiten Fasergruppe jeweils in ungefähr 60° zu der radialen Vorzugsrichtung 21 angeordnet, die die radialen Fasern jeweils in einem Winkel von 60° kreuzen. Die Fasern der Fasergruppen der beiden nicht- radialen Vorzugsrichtungen 22,23 bilden also jeweils zwei Spiralen-Fasergruppen mit einer Steigung von jeweils 30°.

In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Fasergewebematte 55 ist eine Fasergruppe ebenfalls in einer radialen Vorzugsrichtung 21 angeordnet.. Die zweite Fasergruppe hat eine hierzu senkrecht stehende Vorzugsrichtung 26, so dass diese Fasergruppe annähernd kreisartig angeordnet sind.

In dem in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel einer Fasergewebematte 60 sind die Fasergruppen in drei linearen Vorzugsrichtungen 36,37, 38 in einem Winkel von jeweils 60° zueinander angeordnet.

Die verschiedenen Fasergruppen der Figuren 3-5 sind jeweils zu Fasergewebematten miteinander verwoben, können jedoch auch geordnet oder ungeordnet übereinander liegend angeordnet sein.

Fasergewebematten mit Fasergruppen mit drei verschiedenen Vorzugsrichtungen, wie in Fig. 5 dargestellt, sind fertig konfektioniert erhältlich. Soweit die Festigkeit einer derartigen Fasergewebematte ausreichend für die jeweilige Anwendung ist, können mit fertig konfektionierten Fasergewebematten relativ preiswert entsprechende Rotorstufen hergestellt werden. In einer Rotorstufe sind ggf. mehrere Fasergewebematten übereinander angeordnet.

Bei der Herstellung einer Flügelscheibe 15 werden zunächst mehrere Fasergewebematten 50 derart zurechtgeschnitten, dass sie kreisförmig sind und radiale Schnitte 51 zur Ausbildung von Rotorflügeln aufweisen. Die Fasergewebematten 50 werden mit einem aushärtbaren Kunststoff imprägniert und anschließend genau übereinander liegend und miteinander ausgerichtet in eine Rotorstufenform 54 gelegt, in der die Kunststoff- Imprägnierung aushärtet. Die Fasergewebematten 50 können alternativ auch erst nach dem Einlegen in die Rotorstufenform 54 radial eingeschnitten werden.

Nach dem Aushärten liegt eine einstückige Flügelscheibe 15 aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoff vor, die leicht und zugfest, und daher für hohe Drehzahlen geeignet ist.