DE19857453A1 - Temperaturüberwachung an Rotoren von Vakuumpumpen - Google Patents

Abstract

Die Temperatur eines Rotors (4) einer Vakuumpumpe wird durch einen heizbaren Temperatursensor (9) überwacht. Dazu wird der Temperatursensor an einer solchen Stelle der Vakuumpumpe angebracht, in deren Umgebung die Knudsenzahl mit derjenigen in der Umgebung des Rotors (4) vergleichbar ist. Über die Leistungsaufnahme des Temperatursensors, dessen Temperatur die Leistungsaufnahme des Rotors und einen vorher ermittelten Proportionalitätsfaktor kann die Temperatur des Rotors bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors einer Vakuumpumpe.

Die Messung und Überwachung von Temperaturen an sich bewegenden Objekten ist eine weit verbreitete Aufgabenstellung in der Technik. Wenn es sich bei den Objekten um Rotoren handelt, welche mit hoher Drehzahl umlaufen, kommen nur berührungslose Messmethoden in Frage. Zusätzliche Randbedingungen schrän­ ken die Anwendbarkeit bekannter Messmethoden weiter ein. Eine solche zusätz­ liche Randbedingung kann zum Beispiel der Betrieb unter Vakuum sein. Stellver­ tretend für viele Anwendungsfälle seien hier schnellrotierende mechanische Vaku­ umpumpen (z. B. Turbomolekularpumpen) und Zentrifugen genannt. Die Bedeu­ tung der Temperaturmessung und Überwachung wird besonders am Beispiel der Turbomolekularpumpe deutlich, bei der für einen sicheren Betrieb bestimmte Ro­ tortemperaturen nicht überschritten werden dürfen.

In vielen Bereichen der Technik werden zur kontaktlosen Temperaturmessung Pyrometer erfolgreich eingesetzt. Diese sind mit Sensoren ausgerüstet, welche die von einem Objekt ausgesandte Strahlung als Maß für dessen Temperatur ermit­ teln. Die von den Sensoren empfangene Strahlung hängt außer von der Tempe­ ratur auch sehr stark von der Strahlungszahl ab, die ihrerseits von der Oberflä­ chenbeschaffenheit des emittierenden Objektes abhängt. Da die Oberflächen im Laufe der Zeit insbesondere beim Abpumpen von dampfförmigen Medien in der Vakuumtechnik Wandlungen unterworfen sind, z. B. durch Kondensation, Ablage­ rung von festen Partikeln oder auch durch chemische Reaktionen, treten Verfäl­ schungen der Temperaturmessung auf, welche den sicheren Betrieb der Maschi­ ne stören können. In der Regel sind Strahlungssensoren auch nicht für den Ein­ satz im Vakuum geeignet, da sie entweder mit einer Gasfüllung versehen sind oder eine zu hohe Entgasungsrate aufweisen. Durch die zum Teil hohe Empfind­ lichkeit gegen energiereiche ionisierende Strahlung ist ihr Einsatz zusätzlich be­ schränkt. Weitere Fehlermöglichkeiten, die sehr schwer zu erfassen sind, treten bei Alterung auf.

Elektronische Messmethoden zur berührungslosen Temperaturbestimmung sind sehr aufwendig und für extreme Anforderungen wie hohe Drehzahlen nicht geeig­ net.

Durch den Einsatz von ferromagnetischen Materialien zur Temperaturüberwa­ chung können die oben aufgeführten Nachteile der pyrometrischen Methoden überwunden werden. In der DE-OS 23 41 354 wird eine Vorrichtung zur berüh­ rungslosen Temperaturanzeige von sich drehenden Maschinenteilen mit Hilfe von ferromagnetischen Materialien beschrieben. Dazu werden ferromagnetische Ein­ sätze am Rotor angebracht. Durch einen Impulsgeber und Zähler kann die Tem­ peratur der sich drehenden Teile überwacht werden. Eine solche Vorrichtung ist jedoch für Rotoren, welche mit sehr hoher Drehzahl umlaufen, ungeeignet, da die Festigkeit durch die ferromagnetischen Einsätze stark reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zur berührungslosen Überwachung von Temperaturen an Rotoren vorzustellen, welche mit einfachsten Mitteln eine zuverlässige Kontrolle erlaubt und die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. und 2. Patentan­ spruches gelöst. Die Ansprüche 3 und 4 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.

Die vom Rotor aufgenommene und erzeugte Wärmeenergie kann durch Wärme­ strahlung, Konvektion und durch Wärmeleitung über Lagerelemente auf den Rotor übertragen werden. Der größte Anteil wird dabei im normalen Gasballastbetrieb durch Konvektion übertragen. Diese ist stark vom Druck, der Gasart und der Um­ fangsgeschwindigkeit der Rotorelemente abhängig. Bei dem heizbaren Tem­ peratursensor ist die Konvektion ebenfalls hauptsächlich von dem Druck und der Gasart abhängig. Wird der Temperatursensor in der Pumpe derart plaziert, daß er sich in der Gegend des Rotors befindet, wo dieser über Konvektion die meiste Energie abgibt und wo für Rotor und Temperatursensor etwa die gleichen Knudsenzahlen (Die Knudsenzahl ist eine charakteristische Größe für die Gasströmung und wird ausgedrückt durch das Verhältnis der mittleren freien Weglänge l der Gasmoleküle zur Weite d des für die entsprechende Stelle zu definierenden Strömungskanals. Kn = l : d.) gelten, dann kann die abgegebene Leistung des Sensors mittels Analogiebeziehungen ein Maß für die abgegebene Energie des Rotors darstellen.

So kann auf einfache Art eine berührungslose Temperaturüberwachung des Ro­ tors durchgeführt werden, welche unabhängig vom Druck und von der Gasart ist.

Mit der Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 4 und dem Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6 wird eine weitere einfache Methode angegeben, die Rotor­ temperatur zu ermitteln. Wenn der in der Nähe des Rotors plazierte heizbare Temperatursensor keine weitere Energie mehr aufnimmt, .hat er die Temperatur des Rotors erreicht. Somit kann die Rotortemperatur am Temperatursensor abge­ lesen werden. Die Ergebnisse werden dann mit Hilfe der durch den zweiten Tem­ peratursensor ermittelten Werte über die abfließende Wärme korrigiert. Auch die­ ses Verfahren ist unabhängig vom Druck und von der Gasart.

An Hand der Abbildung soll die Erfindung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe näher erläutert werden.

Das Gehäuse 1 einer Turbomolekularpumpe ist mit einem Ansaugflansch 2 und einer Gasaustrittsöffnung 3 versehen. Der Rotor 4, welcher in Lagern 7 fixiert ist und durch einen Motor 8 angetrieben wird, ist mit Rotorscheiben 5 versehen. Diese sind abwechselnd mit Statorscheiben 6 angeordnet. Rotor- und Statorscheiben sind mit Schaufeln versehen und weisen somit eine turbinenartige Struktur auf. Durch das Zusammenwirken dieser Bauteile entsteht der Pumpeffekt. In einem Bereich der Pumpe, in welchem der Rotor die meiste Energie an den Stator ab­ gibt, ist ein heizbarer Temperatursensor 9 angebracht.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein heizbarer Temperatursensor 10 an einer solchen Stelle in unmittelbarer Nähe des Rotors angebracht, an welcher ein Wär­ meaustausch seiner Oberflächen hauptsächlich mit Teilen des Rotors stattfindet. Durch einen zweiten Temperatursensor 11 wird die über die Befestigung 12 ein­ schließlich der elektrischen Anschlüsse abfließende Wärme ermittelt und als Kor­ rekturgröße für die Meßergebnisse des heizbaren Temperatursensors 10 verwen­ det.

Die Erfindung wurde am Beispiel einer Turbomolekularpumpe, welche einen Spe­ zialfall einer Gasreibungspumpe darstellt, erläutert. Sie kann jedoch ebenso gut auf andere Vakuumpumpen angewandt werden.

Claims (6)

1. Anordnung zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Ro­ tors (4) einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Be­ reich der Pumpe, in welchem der Rotor (4) über Konvektion die meiste Energie an den Stator (6) abgibt, ein heizbarer Temperatursensor (9) so angebracht ist, daß die Knudsenzahl in seiner Umgebung mit derjenigen in der Umgebung des Rotors vergleichbar ist und der heizbare Temperatur­ sensor somit als thermisches Modell des Rotors angesehen werden kann.

2. Verfahren zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors (4) einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß ein heizbarer Tem­ peratursensor (9), welcher in einem Bereich der Pumpe, in welchem der Rotor (4) über Konvektion die meiste Energie an den Stator (6) abgibt, so angebracht ist, daß die Knudsenzahl in seiner Umgebung mit derjenigen in der Umgebung des Rotors vergleichbar ist und er somit als thermisches Modell des Rotors angesehen werden kann, erhitzt wird und daß über die Leistungsaufnahme des Temperatursensors, dessen Temperatur, die Lei­ stungsaufnahme des Rotors und einen vorher durch eine an sich bekannte Methode ermittelten Proportionalitätsfaktor die Temperatur des Rotors be­ stimmt wird.

3. Anordnung zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Ro­ tors (4) einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß ein heizbarer Temperatursensor (10) in der Nähe des Rotors so angeordnet ist, daß ein Wärmeaustausch der Oberflächen des Temperatursensors hauptsächlich mit Teilen des Rotors stattfindet.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Temperatursensor (11) zur Ermittlung der über die Befestigung (12) ein­ schließlich der elektrischen Anschlüsse abfließenden Wärme angebracht ist.

5. Verfahren zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors (4) einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß ein heizbarer Tem­ peratursensor (10), der in der Nähe des Rotors so angebracht ist, daß ein Wärmeaustausch seiner Oberflächen hauptsächlich mit Teilen des Rotors stattfindet, soweit aufgeheizt wird, bis kein Wärmeaustausch mehr mit dem Rotor stattfindet, d. h. bis der Temperatursensor keine weitere Heizenergie mehr aufnimmt und daß dann die Temperatur des Temperatursensors als Rotortemperatur abgelesen werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den heizbaren Temperatursensor (10) ermittelten Ergebnisse mit Hilfe der durch einen zweiten Temperatursensor (11) ermittelten Werte über die abfließen­ de Wärme korrigiert werden.