DE19804768A1 - Rotorlagerung für eine Gasreibungspumpe - Google Patents
Rotorlagerung für eine GasreibungspumpeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rotorlagerung für eine Gasreibungspumpe nach dem Oberbegriff
des ersten Patentanspruches.
Gasreibungspumpen werden in verschiedenen Ausführungsformen in der Vakuumtechnik
eingesetzt. Am bekanntesten sind Turbomolekularpumpen und Molekularpumpen z. B.
nach der Bauart von Holweck. Für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird die
Turbomolekularpumpe als Beispiel herangezogen. Alle im folgenden aufgeführten Eigen
schaften und Konstruktionsmerkmale, welche den Stand der Technik betreffen, die auftre
tenden Schwierigkeiten und deren Beseitigung im Rahmen der Erfindung treffen
genausogut für andere Gasreibungspumpen zu.
Wesentlich für einen guten Wirkungsgrad einer solchen Pumpe sind eine hohe Drehzahl
des Rotors und sehr enge, genau definierte Spalte zwischen rotierenden und feststehenden
Bauteilen. Diese beiden Erfordernisse bedeuten für die Konstruktion zwei Bedingungen, die
schwer miteinander vereinbar sind. Je höher die Drehzahl ist, um so größer muß der
minimale Abstand zwischen rotierenden und feststehenden Teilen sein, um ein Anlaufen zu
verhindern. Die Wärmeentwicklung, welche durch den elektrischen Antrieb, Lagerung,
Reibungsverluste, Kompressionsarbeit und evtl. durch Ausheizen der Pumpe verursacht
wird, führt zu einer thermischen Ausdehnung des Rotors. Dadurch werden die aufgezählten
Probleme noch erheblich verstärkt und die Einhaltung von definierten engen Spalten
zusätzlich erschwert. Als Folge kann es leicht zum Anlaufen des Rotors am Stator kommen,
was im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Pumpe führt.
Dies macht deutlich, daß die durch die unvermeidliche Erwärmung des Rotors bedingte
thermische Ausdehnung unerwünschte Folgen mit sich bringt.
Auch auf einen ruhigen und stabilen Lauf des Rotors wirkt sich dessen Wärmeausdehnung
je nach Art der Lagerung mehr oder weniger nachteilig aus. Am Beispiel einer Hybrid
lagerung, welche bei Gasreibungspumpen erfolgreich eingesetzt wird und die zum
bewährten Stand der Technik gehört, wird dies deutlich. Solche Lager sind z. B. auf der
Hochvakuumseite mit einem passiven magnetischen Lager versehen und auf der Vorvaku
umseite befindet sich eine mechanische Abstützung, welche in der Regel durch ein
konventionelles Kugellager gebildet wird. Die axiale Position des Rotors im Magnetlager ist
für eine stabile Lagerung sehr kritisch. Je nach Art des Permanent-Magnetlagers befindet
sich der Rotor in einer axial labilen Position, d. h. es wirken bei Verschiebung aus der
neutralen Lage Kräfte, die den Rotor weiter aus der neutralen Lage drängen und die mit der
Verschiebung anwachsen.
Bei der Montage wird die Position des Rotors zum Magnetlager in Axialrichtung eingestellt
und durch das Kugellager fixiert. Hierbei versucht man, die Änderung der Rotorlänge durch
Wärmedehnung im Betrieb zu berücksichtigen, so daß der Rotor im Betriebszustand die
optimale Position im Magnetlager einnimmt. Dies kann jedoch nur annähernd erreicht
werden, da die Lage des Rotors durch eine Anzahl von Parametern bestimmt wird und eine
reproduzierbare Einstellung somit schwer zu erreichen ist. Zudem ist diese Maßnahme nur
auf den Betriebszustand bei Nenndrehzahl abgestimmt. Zwischenzustände, z. B. beim
Hochlaufen oder beim Abbremsen oder der Betrieb bei abweichender Drehzahl werden
nicht erfaßt.
Die Axiallage des Magnetlagerrotors gegenüber dem Magnetlagerstator beeinflußt die
radiale Steifigkeit des Magnetlagers und die Kraft in axialer Richtung, die das Magnetlager
auf den Rotor und somit auf das Kugellager ausübt. Diese axiale Kraft kann sehr groß
werden, wenn die Magnetlagerkomponenten nicht optimal positioniert sind. Die Axialkraft
wir zu Null, wenn das Magnetlager auf den neutralen Punkt eingestellt ist.
Wenn sich in Folge der thermischen Dehnung die Lage der Magnetlagerkomponenten zu
einander ändert, hat dies Auswirkungen auf die verschiedenen Bauteile der Lagerung.
Ebenso wird die Unwucht des Rotors beeinflußt. Ein vorher gut ausgewuchteter Rotor kann
infolge thermischer Dehnung dann in einen undefinierbaren Zustand der Unwucht
übergehen.
Um alle diese Nachteile , die durch thermische Dehnung des Rotors entstehen, auf ein
akzeptables Maß zurückzuführen, sind bei der Fertigung und Montage der Pumpe sehr
enge Toleranzen und äußerst präzise Vorgehen erforderlich. Dies ist mit großem Aufwand
verbunden und wirkt sich somit nachteilig auf die Fertigungskosten aus.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Vakuumpumpe zu konstruieren, so daß
unter den extremen Bedingungen von sehr engen Spalten zwischen Rotor und Stator und
hohen Drehzahlen auch bei der unvermeidlichen thermischen Ausdehnung des Rotors ein
sicherer Betrieb gewährleistet ist. Aufbau der Pumpe, Fertigung und Montage sollen
weniger aufwendig gestaltet werden. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk
male des ersten Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 stellen weitere
Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß im Falle einer Erwärmung der
Pumpe die axiale Fixierung des Rotors sich entgegengesetzt der Ausdehnungsrichtung
des Rotors bewegt. Dadurch bleibt die Position von Stator und Rotorelementen des
Radiallagers relativ zueinander unverändert und somit können in allen Betriebszuständen
konstante Steifigkeitsverhältnisse eingehalten werden. Da die Baulänge des Lagerge
häuses um ein Vielfaches kleiner ist als die des Rotors, wird jenes aus einem Werkstoff
hergestellt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient um ein Vielfaches größer ist als der des
Rotors. Zur zusätzlichen Optimierung der Rotorposition kann das Lagergehäuse mit einer
Heizeinrichtung, welche über Sensoren und eine Steuereinheit geregelt wird, ausgerüstet
werden. Der Boden des Lagergehäuses kann durch seine Gestaltung zur Optimierung der
Steifigkeit des Lagergehäuses genutzt werden.
Anhand der einzigen Abbildung soll die Erfindung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe
näher erläutert werden.
Die Abbildung zeigt eine einflutige Turbomolekularpumpe. In dem Gehäuse 1 befinden sich
die Pumpelemente bestehend aus den gehäusefesten Statorscheiben 4 und den Rotor
scheiben 3, welche mit dem Rotor 2 verbunden sind. Mit 5 ist der vakuumseitige Anschluß
flansch und mit 6 der Vorvakuumanschluß bezeichnet. Der Rotor wird durch die Motoran
ordnung 7 angetrieben. Die Lagerung des Rotors 2 erfolgt im vorliegenden Beispiel durch
ein passives Magnetlager mit den Rotor- und Statorelementen 9 und 10, welches den Rotor
radial zentriert und durch ein Kugellager 11, welches die axiale Unterstützung und Fixierung
bewirkt.
Das Kugellager 11 ist in dem Halterohr 12 montiert und durch den Stellring 13 befestigt. Das
Halterohr 12 ist mit dem Boden 19 des Lagergehäuses 14 fest verbunden. Dieses Lagerge
häuse ist seinerseits mit seinem radial überstehenden Flansch 16 an seinem oberen Teil
mit dem Unterteil 15 des Pumpengehäuses fest verbunden. Der untere zylindrische Teil des
Lagergehäuses 14 ist durch einen radialen Spalt 17 vom Unterteil 15 des Pumpengehäuses
getrennt. Ebenso befindet sich ein Spalt 18 zwischen dem Boden 19 des Lagergehäuses
und dem Unterteil des Pumpengehäuses. Durch die Gestalt des Bodens 19 des Lagerge
häuses kann die Steifigkeit der Lagerfassung variiert werden. Im vorliegenden Beispiel wird
die Steifigkeit durch Einstiche 20 verringert. Durch den Betriebsmittelspeicher 21 und die
Bohrungen 22 wird die Ölversorgung des Lagers 11 sichergestellt. Das Lagergehäuse 14
kann zusätzlich mit einer Heizung 23 versehen sein. In Verbindung mit einem Sensor 24
und einer Steuereinheit 25 kann der Rotor entsprechend der axialen Dehnung durch Erwär
mung des Lagergehäuses 14 in eine bestimmte Position gebracht werden.
Die Kompensation der thermischen Ausdehnung des Rotors bedeutet im vorliegenden
Beispiel, daß die axiale Lage des Rotors 9 gegenüber der des Stators 10 des passiven
Magnetlagers in verschiedenen Betriebszuständen, welche unterschiedlichen Temperatur
erhöhungen entsprechen, unverändert bleibt. Dies kann dann auch annähernd für die
axiale Lage der Rotorscheiben 3 gegenüber den Statorscheiben 4 angenommen werden.
Damit die Kompensation der thermischen Ausdehnung erreicht werden kann, muß die
Summe der Ausdehnung ΔsR des Rotors (von der Mitte des Magnetlagers zur Mitte des
Kugellagers) und der Ausdehnung ΔsH des Halterohres 12 durch die Summe der Ausdeh
nung Δsp des Pumpengehäuses und der Ausdehnung ΔsL des Lagergehäuses kompensiert
werden.
Bei vorgegebenen geometrischen Verhältnissen von Rotor-, Stator- und Halterohr und be
kannten Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe kann durch die Wahl der Länge
des Lagergehäuses 14 und vor allem durch die Auswahl eines Werkstoffes mit dem
erforderlichen Wärmeausdehnungskoeffizenten eine Kompensation der thermischen
Ausdehnung des Rotors erreicht werden.
Da die Temperatur des Pumpengehäuses 1 in der Regel niedriger ist als diejenige des
Rotors 2 und des Halterohres 12, wird sich jenes weniger ausdehnen als Rotor- und Halte
rohr zusammen. Die Kompensation erfolgt dann durch das Lagergehäuse 14, welches sich
von der Ebene A aus gesehen in entgegengesetzter Richtung wie der Rotor 2 und das
Halterohr 12 ausdehnt und über das Halterohr 12 das Kugellager 11 entgegen der Rotor
ausdehnung so verschiebt, daß die Rotorausdehnung kompensiert wird. Durch die Wahl
eines Werkstoffes für das Lagergehäuse mit geeignetem thermischen Ausdehnungs
koeffizient kann die Kompensation optimiert werden. Normalerweise wird ein Kunststoff
verwendet mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizient, welcher den des Rotormaterials
um ein Vielfaches übersteigt. Dies ist schon deshalb notwendig, weil der Rotor um ein
Vielfaches länger ist als das Lagergehäuse.
Zur weiteren Optimierung der Kompensation kann das Lagergehäuse 14 mit einer Heizung
23 versehen werden. Über Signale von Sensoren 24, die als Kraft- oder Wegaufnehmer
dienen wird die Verschiebung des Rotors registriert. Diese Signale können einer Steuerein
heit 15 zugeführt werden, welche die Heizung 23 regelt.
Ebenso wie das Lagergehäuse 14 kann das ganze Unterteil 15 des Pumpengehäuses zur
Kompensation der Rotordehnung entsprechend konstruiert sein.
Die Rotorlagerung wurde für eine Gasreibungspumpe entwickelt und am Beispiel einer
solchen beschrieben. Die erfindungsgemäße Anordnung ist jedoch ebenso für andere
Anwendungsgebiete einsetzbar, bei denen es auf die exakte Einhaltung der axialen
Position eines Rotors unter dem Einfluß thermischer Ausdehnung ankommt.
Das gleiche gilt für das Beispiel der Lagerung. Anstelle der hier beschriebenen Hybridlage
rung kann die Erfindung auch auf andere Arten von Lagerungen angewandt werden. Die
erfindungsgemäße Anordnung kann gegebenenfalls auch auf beiden Seiten der Rotor
lagerung angewandt werden.
Claims (5)
1. Rotorlagerung für eine Gasreibungspumpe mit einem Pumpengehäuse (1) in welchem
ein Rotor (2) mindestens auf einer Seite eine axiale Fixierung (11) aufweist, die in einem
Halterohr (12) fest eingebunden ist und die radiale Führung durch ein Magnetlager oder
ein konventionelles Lager erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterohr (12) in
seiner axialen Verlängerung mit dem Boden (19) eines Lagergehäuses (14) fest verbun
den ist, das Lagergehäuse (14) auf seiner der axialen Fixierung (11) zugewandten Seite
über einen Flansch (16) mit dem Unterteil (15) des Pumpengehäuses fest verbunden ist,
der zylindrische Teil des Lagergehäuses (14) durch einen Spalt (17) vom Unterteil (15)
des Pumpengehäuses getrennt ist und der Boden (19) des Lagergehäuses durch einen
Spalt (18) vom Unterteil des Pumpengehäuses getrennt ist.
2. Rotorlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (14)
aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient so groß ist, daß
die Summe der thermischen Ausdehnung Δsr des Rotors (2) und der thermischen
Ausdehnung ΔsH des Halterohres (12) durch die Summe der thermischen Ausdehnung
Δsp des Pumpengehäuses (1) und der thermischen Ausdehnung ΔsL des Lagergehäuses
(14) kompensiert wird.
3. Rotorlagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerge
häuse (14) mit einer Heizung (23) versehen ist.
4. Rotorlagerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (24) vorhan
den sind, welche die axiale Verschiebung des Rotors registrieren und eine Steuereinheit
(25) diesen Sensoren nachgeschaltet ist, welche die registrierten Signale zur Regelung
der Heizung (23) verwendet.
5. Rotorlagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Boden (19) des Lagergehäuses (14) durch geometrische Gestaltung wie z. B.
Einstiche (20) so gestaltet wird, daß die axiale und radiale Steifigkeit des Lagergehäuses
(14) beeinflußt werden kann.
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