DE19857453A1 - Device for monitoring temperatures in vacuum pump rotors includes a heatable temperature sensor fitted at a point in the vacuum pump to allow its setting to compare its Knudsen flow with that around the rotor. - Google Patents

Device for monitoring temperatures in vacuum pump rotors includes a heatable temperature sensor fitted at a point in the vacuum pump to allow its setting to compare its Knudsen flow with that around the rotor.

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Abstract

A heatable temperature sensor (9) monitors the temperature of a vacuum pump's rotor (4). This sensor is fitted at a point in the vacuum pump where its setting allows its Knudsen flow to be compared with that around the rotor. The rotor's temperature can be specified by the power input of the temperature sensor, the rotor shaft power and a previously detected proportionality factor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors einer Vakuumpumpe.The invention relates to an arrangement and a method for contactless Monitoring the temperature of a rotor of a vacuum pump.

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.The measurement and monitoring of temperatures on moving objects is a common task in technology. If it’s the Objects are rotors that rotate at high speed only come non-contact measurement methods in question. Limit additional constraints further limit the applicability of known measurement methods. Such an additional The boundary condition can be, for example, operation under vacuum. Deputy Fast rotating mechanical vacuums are important for many applications pumping around (e.g. turbomolecular pumps) and centrifuges. The meaning Temperature measurement and monitoring is particularly illustrated using the Turbomolecular pump clearly, in which Ro gate temperatures must not be exceeded.

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.In many areas of technology, contactless temperature measurement is used Pyrometer successfully used. These are equipped with sensors that the radiation emitted by an object as a measure of its temperature teln. The radiation received by the sensors depends on the temperature  rature also depends very strongly on the radiation number, which in turn depends on the surface depends on the nature of the emitting object. Since the surfaces in Over time, especially when pumping out vaporous media in the Vacuum technology is subject to changes, e.g. B. by condensation, storage solid particles or chemical reactions, falsification occurs the temperature measurement, which ensures the safe operation of the machine ne can disturb. As a rule, radiation sensors are also not for the one suitable in a vacuum since they are either gas-filled or have a too high degassing rate. Due to the sometimes high sensitivity Their use against high-energy ionizing radiation is additional limits. There are other possible errors that are very difficult to grasp with aging on.

Elektronische Messmethoden zur berührungslosen Temperaturbestimmung sind sehr aufwendig und für extreme Anforderungen wie hohe Drehzahlen nicht geeig­ net.Electronic measuring methods for non-contact temperature determination are very complex and not suitable for extreme requirements such as high speeds 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.Through the use of ferromagnetic materials for temperature monitoring chung the disadvantages of the pyrometric methods listed above be overcome. In DE-OS 23 41 354 a device for touch smooth temperature display of rotating machine parts with the help of described ferromagnetic materials. To do this, ferromagnetic ones sets attached to the rotor. The tem temperature of the rotating parts are monitored. Such a device is  however unsuitable for rotors that rotate at very high speed, because the Strength is greatly reduced by the ferromagnetic inserts.

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.The invention is based on the object of a device for contactless Monitoring temperatures on rotors, which can be done with the simplest Reliable control means allowed and the disadvantages described above avoids.

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.The task is characterized by the characteristic features of the 1st and 2nd patent solved. Claims 3 and 4 represent further embodiments of the Invention.

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.The thermal energy absorbed and generated by the rotor can be generated by heat radiation, convection and heat conduction via bearing elements to the rotor be transmitted. The largest share is in normal gas ballast operation transmitted by convection. This is strongly dependent on the pressure, the type of gas and the order initial speed of the rotor elements dependent. With the heatable tem temperature sensor, convection is also mainly from the pressure and the Gas type dependent. The temperature sensor is placed in the pump so that it is in the area of the rotor where most of it is by convection Emits energy and where about the same for rotor and temperature sensor  Knudsenzahl (The Knudsenzahl is a characteristic quantity for the gas flow and is expressed by the Ratio of the mean free path length l of the gas molecules to the width d of the corresponding point defining flow channel. Kn = l: d.) Apply, then the output power of the sensor can be determined using Analogy relationships represent a measure of the energy delivered by the rotor.

So kann auf einfache Art eine berührungslose Temperaturüberwachung des Ro­ tors durchgeführt werden, welche unabhängig vom Druck und von der Gasart ist.So a contactless temperature monitoring of the Ro tors are carried out, which is independent of the pressure and the type of gas.

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.With the arrangement according to claims 3 and 4 and the method according to Claims 5 and 6 specify a further simple method, the rotor to determine temperature. If the heatable placed near the rotor Temperature sensor no longer absorbs energy, it has the temperature of the rotor. Thus, the rotor temperature at the temperature sensor can be abge will read. The results are then determined with the help of the second tem Temperature sensor determined values corrected for the outflowing heat. That too This process is independent of the pressure and the type of gas.

An Hand der Abbildung soll die Erfindung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe näher erläutert werden.The figure is intended to illustrate the invention using the example of a turbomolecular pump are explained in more detail.

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.The housing 1 of a turbomolecular pump is provided with an intake flange 2 and a gas outlet opening 3 . The rotor 4 , which is fixed in bearings 7 and is driven by a motor 8 , is provided with rotor disks 5 . These are arranged alternately with stator disks 6 . Rotor and stator disks are equipped with blades and thus have a turbine-like structure. The interaction of these components creates the pump effect. In a region of the pump in which the rotor emits the most energy to the stator, a heatable temperature sensor 9 is attached.

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.In a further embodiment, a heatable temperature sensor 10 is attached in such a place in the immediate vicinity of the rotor, at which a heat exchange of its surfaces mainly takes place with parts of the rotor. By means of a second temperature sensor 11 , finally, the heat flowing away via the fastening 12 is determined and used as correction quantity for the measurement results of the heatable temperature sensor 10 .

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.The invention was based on the example of a turbomolecular pump, which a Spe represents a gas friction pump, explained. However, it can do just as well applied to other vacuum pumps.

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.1. Arrangement for contactless monitoring of the temperature of a ro tor ( 4 ) of a vacuum pump, characterized in that in a loading area of the pump, in which the rotor ( 4 ) delivers most of the energy to the stator ( 6 ) via convection, a heatable Temperature sensor ( 9 ) is attached so that the number of knots in its environment is comparable to that in the vicinity of the rotor and the heatable temperature sensor can thus be regarded as a thermal model of the rotor. 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. 2. A method for contactless monitoring of the temperature of a rotor ( 4 ) of a vacuum pump, characterized in that a heatable temperature sensor ( 9 ), which in a region of the pump in which the rotor ( 4 ) by convection, most of the energy to the stator ( 6 ) is so attached that the number of knots in its vicinity is comparable to that in the vicinity of the rotor and it can thus be regarded as a thermal model of the rotor, is heated and that the power consumption of the temperature sensor, its temperature, the Power consumption of the rotor and a proportionality factor previously determined by a method known per se, the temperature of the rotor is determined. 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.3. Arrangement for the contactless monitoring of the temperature of a ro tor ( 4 ) of a vacuum pump, characterized in that a heatable temperature sensor ( 10 ) is arranged in the vicinity of the rotor so that a heat exchange of the surfaces of the temperature sensor takes place mainly with parts of the rotor. 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.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that a second temperature sensor ( 11 ) for determining the via the fastening ( 12 ) is finally attached to the electrical connections flowing heat. 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.5. A method for contactless monitoring of the temperature of a rotor ( 4 ) of a vacuum pump, characterized in that a heatable temperature sensor ( 10 ) which is attached in the vicinity of the rotor so that a heat exchange of its surfaces takes place mainly with parts of the rotor, until the heat is no longer exchanged with the rotor, ie until the temperature sensor no longer absorbs any further heating energy and then the temperature of the temperature sensor can be read off as the rotor temperature. 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.6. The method according to claim 5, characterized in that the results determined by the heatable temperature sensor ( 10 ) are corrected with the aid of the values determined by a second temperature sensor ( 11 ) about the outflowing heat.
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