DE2052120A1

DE2052120A1 - Lageranordnung für Molekularpumpen und Turbomolekularpumpen

Info

Publication number: DE2052120A1
Application number: DE19702052120
Authority: DE
Inventors: Willi Dr.h.c 6333 Braunfels. P Becker
Original assignee: PFEIFFER VAKUUMTECHNIK
Current assignee: PFEIFFER VAKUUMTECHNIK
Priority date: 1970-10-23
Filing date: 1970-10-23
Publication date: 1972-04-27
Also published as: GB1331166A; CA943112A; FR2109649A5; NL7109105A; CH529928A; US3759626A; BE769933A

Description

Arthur Pfeiffer, Vakuumtechnik GmbH. 6550 Wetzlar. Bergstraße 31

Lageranordnung für Molekularpumpen und Turbomolekularpumpen»

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für Molekularpumpen und Turbomolekularpumpen·

Molekularpumpen und Turbomolekularpumpen sind sehr schnell rotierende Hochvakuumpumpen, die zu ihrem Betrieb Torpumpen benötigen. Sie entfalten ihre rolle Wirkung nur im molekularen Strömungsbereich, der je nach Größe der Pumpen bei Drücken unter 10 bis 10 ^ Torr liegt. Meist werden sie jedoch bei weit niedrigeren Drücken eingesetzt. Diese niedrigen Drücke werfen jedoch einige Schwierigkeiten auf.

Die Wirkung der Molekular- und Turbomolekularpumpen hängt stark von der Drehzahl ab. Das Saugrermögen dieser Pumpen nimmt linear mit der Drehzahl zu, während das Druckverhältnis exponentiell mit der Drehzahl zunimmt. Man ist daher bemüht, die Pumpen mit möglichst hoher Drehzahl zu betreiben. Eine Grenze für die Drehzahl bildet die Festigkeit des Materials. Mit modernen Werkstoffen hoher Festigkeit wird die zulässige Drehzahl durch die Eigenfrequenz des Läufers begrenzt. Bei den o.a. tiefen Drücken ist keinerlei Dämpfung durch dat; umgebende Medium gegeben, so daß sich sehr scharfe Resonanzen ausbilden können. Erschwerend kommt hi !um, daß die Pumpen bei Stromausfall wegen mangelnder keibtmg *»ino sehr lange Auslaufzeit besitzen, die bis zu i;inlg(ii Stunden dauern kann. Man kann daher diese Pumpen

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mit der üblichen Lagerung nicht überkritisch laufen lassen, weil dann die Verweilzeit in der kritischen Drehzahl zu lang wäre. Außerdem sind die Abstände zwischen Rotor und Stator bei Molekular- und Turbomolekularpumpen sehr gering. Bei Molekularpumpen können diese Abstände kleiner als 1/10 mm sein, während sie bei Turbomolekularpumpen in der Größenordnung von 1 oder mehreren mm liegen· Eine Berührung zwischen Läufer und Stator bei der kritischen Drehzahl würde zur sofortigen Zerstörung der Pumpe führen. Aus diesem Grunde laufen alle bisher bekannten Molekular- und Turbomolekularpumpen im unterkritischen Drehzahlbereich· Eine weitere Schwierigkeit der Lagerung besteht darin, daß das Spiel der Lager in radialer Richtung um so kleiner sein muß, je höher die Drehzahl liegt, wenn ein stabiler Lauf gewährleistet sein soll. Außerdem muß mindestens ein Lager in axialer Richtung nachgiebig sein, um Längenänderungen der Rotorwelle bei Erwärmung ausgleichen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Veg aufzuzeichnen, wie man Molekular- und Turbomolekularpumpen im überkritischen Drehzahlbereich betreiben kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß beim Durchfahren der kritischen Drehzahl oder beim Verweilen dort eine Zerstörung der Pumpe eintritt, wobei die Lager ohne Spiel laufen, und mindestens ein Lager in axialer Richtung nachgiebig ist.

Die erfindungsgemäße Lageranordnung bei Molekular- und Turbomolekularpumpe!! 1st dadurch gekennzeichnet, daß die Lgaer in Lagerköpfen angeordnet sind, wobei b^ide in radial ">r Richtung federnd und minder»

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ein Lagerkopf in axialer Richtung beweglich aufgehängt sind. Die Federkonstante in radialer Richtung wird dabei so gewählt, daß die Durchbiegung durch das Eigengewicht des Rotors klein ist in Vergleich zum Spiel zwischen Rotor und Stator. Der in axialer Richtung bewegliche lagerkopf wird durch eine Feder vorgespannt, so daß das Spiel der Kugellager zu Null wird. Parallel zu den Federn sind mindestens in radialer Richtung Dämpfungselemente angebracht, die aus einem Material mit hoher innerer Dämpfung bestehen, wie beispielsweise Perbunan, Vulkollan oder Viton oder aber aus einem Metall hoher Dämpfung, wie beispielsweise Indium oder Blei. Diese Lageranordnung kann sowohl bei Pumpen mit horizontaler Achse als auch bei Pumpen mit vertikaler Achse angewandt werden.

Figc 1 zeigt den Schnitt durch eine Turbomolekularpumpe mit horizontaler Achse und der erfindu ngsgemäßen Lageranordnung. In dem Gehäuse 1 sind die Statorscheiben 2 angeordnet« Zwischen den Statorscheiben 2 laufen die Rotorscheiben 3 des Läufers 4. Das zu pumpende Gas tritt bei A in die Pumpe ein, teilt sich dann in zwei Ströme, die durch die Stator- und Rotorscheiben in die Vorvakuumräume 5 gefördert werden. Die Gasströme aus den Vorvakuumräumen 5 vereinigen sich in der Vorvakuumleitung 6 und werden bei B von der Vorpumpe Übernommen. Zum Antrieb der Pumpe dient der Motor, der aus dem Stator 7 und dem Kurzschlußanker 8 besteht. An den Motor bzw. an die Scheiben auf der anderen Seite der Pumpe schließen sich jeweils die Öldaepffänger an, die meistens wassergekühlt sind. Diese Öldampffänger verhindern, daß öldanpf aus den Lagern 10 und 11 in den Pumpenraum 12 vordringt. Die Lager 10 und 11 selbst sind

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in den Lagerköpfen 13 und 14 untergebracht. Diese Lagerköpfe stehen durch Federn 15 b«w. 16 mit einem Gehäusering 17 bzw· 18 in Verbindung. Die Federn müssen so ausgewählt sein, daß die Federkonstante einmal hoch genug ist, so daß durch das Eigengewicht des Läufers die Ausfederung nur gering ist. Je nach dem Spiel, welches die Rotorteile im Gehäuse haben, darf diese Ausbiegung durch das Eigengewicht nur einen Bruchteil dieses Spiels betragen. Andererseits sollte aber die Federkonstante so niedrig wie möglich sein, damit die Betriebsdrehzahl der Pumpe weit über der Eigenfrequenz liegt. Je höher die Betriebsdrehzahl ist, um so leichter lessen sich diese Bedingungen erfüllen. Die Federn selbst können als Plattfedern, als eine Membrane, als eine unterbrochene Scheibe oder ähnliches ausgebildet sein. Die Federkonstante in axialer Richtung soll wesentlich niedriger sein als die Federkonstante in radialer Richtung. In axialer Richtung ist eine weiche Federung erforderlich, damit bei Ausdehnungen des Läufers durch Erwärmung die Lager folgen können, ohne daß erhebliche Lagerbelastungen in axialer Richtung auftreten. Um das Lagerspiel möglichst zu Null zu machen, wird das eine Lager 11 gegen einen verstellbaren Anschlag 19 fixiert, während das andere Lager 10 mit der Feder 20 gegen die Welle des Läufers 4 gedrückt wird, so daß beide Lager unter Torspannung dieser Feder stehen und das Spiel zu Null wird. Die Federvorspannung wählt man etwa gleich dem Laufergewicht, damit ein sicherer Lauf ohne Spiel gewährleistet ist. Um nun die Amplitude im Resonanzfall im Vakuum klein zu halten, muß die Schwingung stark gedämpft werden. Zur Dämpfung der Schwingung sind Dämpfungselemente 21 vorgesehen. Hier muß ein Material mit hoher innerer Dämpfung verwendet werden.

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Geeignet sind elastische Kunststoffe wie z.B. Perbunan, Vulkollan oder Viton. Die Dämpfungselemente sollten, wenn sie nicht mit den Lagerköpfen 13 und 14 und den Gehäuseringen 17 und 18 durch vulkanisieren verbunden sind, unter einer Torspannung stehen, die so groß ist, daß bei der größten Amplitude der Lagerkopf sich vom Dämpfungselement nicht abheben kann. An Stelle dieser Dämpfungselemente aus Kunststoff können auch Dämpfungselemente aus Metallen verwendet werden. Als geeignete Metalle sind hier z.B. Blei oder Indium zu nennen. So genügt es beispielsweise, wenn man die Federn mit einer Schicht, die etwa der Federstärke entspricht, oder etwas dicker ist, mit den gemannten Metallen, also Indium oder Blei überzieht. Die Federn übernehmen dann die Fixierung der Lagerköpfe, während der Überzug aus Indium oder Blei die entsprechende Dämpfung erzeugt. Durch die Federn ist die Wärmeleitung von den Kugellagern nach dem Gehäuse äußerst gering. Da im Vakuum die Wärme nur durch Strahlung abgeführt werden kann, würden sich in den Lagern unzulässig hohe Temperaturen einstellen. Um diese Reibungswärme abzuführen, müssen die Lager mit einem Kühlmittel gekühlt werden. Am einfachsten ist es, wenn man hierzu das Schmieröl benutzt. Um die nötige ölmenge zuführen zu können, sind die Lagerköpfe mit einem elastischen Schlauch mit dem Gehäuse verbunden. Dieser Schlauch kann auch als Wellrohr 22 oder auch als glatter Schlauch ausgeführt werden· Wählt man diesen Schlauch aus einem Stoff, sei es Kunststoff oder Metall mit hoher Dämpfung, so kann hierdurch zusätzlich die Schwingung des Lagerkopfes gedämpft werden. Da es schwierig ist, die zur Kühlung notwendigen ölmengen durch das mit hoher Drehzahl laufende Lager zu drücken, ist noch an den Lagerköpfen ein Überlauf 23 vorgesehen, so

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dafl die überschüssige ölmenge dort abfließen kann, während die Lager nur so viel öl bekommen, wie sie sum einwandfreien Lauf benötigen. Das öl fließt bei 24 ab und wird durch eine nicht dargestellte ölpumpe den Lagern erneut zugeführt.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau einer Turbomolekularpumpe mit vertikal stehender Welle. Der Gasstrom tritt bei C in die Pumpe ein, wird durch die Scheiben verdichtet und bei D von der Torpumpe übernommen. Der Rotor besteht aus den Scheiben 30 und der Hohlwelle 31 und 1st auf dem Rotor 32 des Antriebsmotors fliegend gelagert. Die Kugellager 33, 34 sind in Lagerköpfen 35, 36 angeordnet. Diese Lagerköpfe sind an flachen, scheibenförmigen Federn 37, 38 befestigt, die in radialer Richtung die entsprechend hohe Federkonstante besitzen, in axialer Richtung entsprechend weicher sind. Der obere Lagerkopf 36 stütst sich gegen den Anschlag 39, während der untere Lagerkopf 35 durch die Feder 45 vorgespannt wird. In diesem Fall muß die Feder um das Gewicht des gesamten Läufers stärker sein als die Feder 20 in Fig. 1, damit das obere Lager mit der nötigen Axialkraft angedrückt wird, um spielfrei zu laufen. Das zur Kühlung und Schmierung benötigte öl für das obere Lager wird durch die bewegliche Leitung 40 zugeführt, wobei das überschüssige öl oben aus dem Lagerkopf 36 austritt, durch den Spritzring 41 abgeschleudert wird und durch das Rohr 43 abläuft. Die bewegliche Leitung 40 wird man vorteilhafterweise wieder aus einem Material mit hoher innerer Dämpfung anfertigen. Das untere Lager erhält das öl über die Leitung 42, wobei auch hier wieder ein Material mit hoher Dämpfung verwendet wird. Hierbei wird das

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Öl von unten dem Lager zugeführt. Das öl aus dem oberen und unteren Lager sammelt sich im Raum 44 und fließt von hier zur ÖlfÖrderpuMpe. In diesem Beispiel sind die Federn 37, 38 als unterbrochene Scheibenfedern ausgeführt wie sie Fig. 3 zeigt.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Feder nach Fig. 3. Man erkennt, die innere, tragende Feder 50 aus einem Material mit hoher Festigkeit, z.B. Stahl oder hartgewalztes Messing mit einer beidseltigen Beschichtung 51 aus einem gut dämpfenden Metall beispielsweise Indium. Eine so ausgebildete Feder hat in radialer Richtung die nötige Steifigkeit und in axialer Richtung die erforderliche Nachgiebigkeit, um keine zu hohen Kräfte auf die Kugellager zu bewirken.

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Patentansprüche j_

Molekular- oder Turbomolekularpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager in Lagerköpfen angeordnet sind, wobei jeder Lagerkopf in radialer Richtung federnd und mindestens ein Lagerkopf in axialer Richtung beweglich aufgehängt sind.
2.) Molekular- oder Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Federn Dämpfungselemente angeordnet sind.
3.) Molekular- oder Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Elemente mindestens einseitig mit den Dämpfungselementen beschichtet sind.
4.) Molekular- oder Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Elemente aus einem Metall oder einer Legierung hoher Festigkeit bestehen , und die Dämpfungselemente aus einem gut dämpfenden Metall oder einer Legierung auf mindestens einer Seite der federnden Elemente aufgebracht sind.

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