DE19804768B4

DE19804768B4 - Rotorlagerung für eine Gasreibungspumpe

Info

Publication number: DE19804768B4
Application number: DE19804768A
Authority: DE
Inventors: Christopher Rippl; Andreas Rippl
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2018-02-07
Also published as: DE19804768A1

Abstract

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 eine radiale Führung durch ein Magnetlager oder ein konventionelles Lager erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Halterohr (12) in seiner axialen Verlängerung mit einem Boden (19) eines Lagergehäuses (14) fest verbunden ist, das Lagergehäuse (14) auf seiner der axialen Fixierung (11) zugewandten Seite über einen Flansch (16) mit einem Unterteil (15) des Pumpengehäuses (1) fest verbunden ist, ein zylindrischer Teil des Lagergehäuses (14) durch einen Spalt (17) vom Unterteil (15) des Pumpengehäuses (1) getrennt ist und der Boden (19) des Lagergehäuses (14) durch einen Spalt (18) vom Unterteil (15) des Pumpengehäuses (1) getrennt ist, wobei das Lagergehäuse (14) aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeausdehungskoeffizient so groß ist, dass in axialer Richtung die Summe der thermischen Ausdehnung Δs_R des Rotors...

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 Turbomolekurlarpumpen und Molekurlarpumpen z. B. nach der Bauart von Holweck. Für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird die Turbomolekularpumpe als Beispiel herangezogen. Alle im folgenden aufgeführten Eigenschaften und Konstruktionsmerkmale, welche den Stand der Technik betreffen, die auftretenden 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 Hybridlagerung, 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 Vorvakuumseite 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 zueinander 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 präzises Vorgehen erforderlich. Dies ist mit großem Aufwand verbunden und wirkt sich somit nachteilig auf die Fertigungskosten aus.

Eine Rotorlagerung für eine Gasreibungspumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Patentanspruches stellt die europäische Patentschrift EP 0 408 792 B1 vor. Die Rotorlagerung der dort gezeigten Gasreibungspumpe weist eine auf einer Seite in ein Halterohr fest eingebundene axiale Fixierung des Rotors und auf der anderen Seite eine radiale Führung des Rotors durch ein konventionelles Lager auf. Die Wärmeentwicklung in einer Gasreibungspumpe, die dadurch bedingte Längenausdehnung der verschiedenen Bauteile und deren Folge, insbesondere für die engen Spalte, wird in dieser Patentschrift nicht betrachtet.

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 Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 4 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 Rotorscheiben 3, welche mit dem Rotor 2 verbunden sind. Mit 5 ist der vakuumseitige Anschlußflansch und mit 6 der Vorvakuumanschluß bezeichnet. Der Rotor wird durch die Motoranordnung 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 Lagergehäuses 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 Erwärmung 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 Temperaturerhöhungen 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 Δs_R des Rotors (von der Mitte des Magnetlagers zur Mitte des Kugellagers) und der Ausdehnung Δs_H des Halterohres 12 durch die Summe der Ausdehnung Δs_P des Pumpengehäuses und der Ausdehnung Δs_L des Lagergehäuses kompensiert werden.
Bei vorgegebenen geometrischen Verhältnissen von Rotor-, Stator- und Halterohr und bekannten 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 Halterohr 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 Ausdehnungskoeffizient 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 Steuereinheit 25 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 Hybridlagerung kann die Erfindung auch auf andere Arten von Lagerungen angewandt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann gegebenenfalls auch auf beiden Seiten der Rotorlagerung angewandt werden.

Claims

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 eine radiale Führung durch ein Magnetlager oder ein konventionelles Lager erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Halterohr (12) in seiner axialen Verlängerung mit einem Boden (19) eines Lagergehäuses (14) fest verbunden ist, das Lagergehäuse (14) auf seiner der axialen Fixierung (11) zugewandten Seite über einen Flansch (16) mit einem Unterteil (15) des Pumpengehäuses (1) fest verbunden ist, ein zylindrischer Teil des Lagergehäuses (14) durch einen Spalt (17) vom Unterteil (15) des Pumpengehäuses (1) getrennt ist und der Boden (19) des Lagergehäuses (14) durch einen Spalt (18) vom Unterteil (15) des Pumpengehäuses (1) getrennt ist, wobei das Lagergehäuse (14) aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeausdehungskoeffizient so groß ist, dass in axialer Richtung die Summe der thermischen Ausdehnung Δs_R des Rotors (2) und der thermischen Ausdehnung Δs_H des Halterohrs (12) durch die Summe der thermischen Ausdehnung Δs_P des Pumpengehäuses (1) und der thermischen Ausdehnung Δs_L des Lagergehäuses (14) kompensiert wird.
Rotorlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse (14) mit einer Heizung (23) versehen ist.
Rotorlagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (24) vorhanden sind, welche die axiale Verschiebung des Rotors (2) registrieren und eine Steuereinheit (25) diesen Sensoren nachgeschaltet ist, welche die registrierten Signale zur Regelung des Heizung (23) verwendet.
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.