EP3650702A1 - Verwendung eines synthetischen öls in einer vakuumpumpe und vakuumpumpe - Google Patents

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EP3650702A1
EP3650702A1 EP18205646.5A EP18205646A EP3650702A1 EP 3650702 A1 EP3650702 A1 EP 3650702A1 EP 18205646 A EP18205646 A EP 18205646A EP 3650702 A1 EP3650702 A1 EP 3650702A1
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EP
European Patent Office
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synthetic oil
vacuum pump
pump
oil
rotor
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EP18205646.5A
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EP3650702B1 (de
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Bernd Koci
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Pfeiffer Vacuum GmbH
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/06—Lubrication
    • F04D29/063—Lubrication specially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps

Definitions

  • the present invention relates to the use of a synthetic oil in a vacuum pump for supplying a rotary bearing in the vacuum pump, and to a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, with a rotor shaft, a rotary bearing for rotatably supporting the rotor shaft and an operating fluid reservoir for receiving a synthetic oil with which the pivot bearing is to be supplied.
  • Known vacuum pumps are turbomolecular pumps, which have an operating fluid reservoir designed to be rotationally symmetrical about the axis of rotation of the rotor shaft or of the rotary bearing for receiving a liquid operating fluid.
  • the resource storage device has the shape of a cylinder jacket with a cylinder jacket-shaped outer contour and inner contour, in which, for example, a stack of annular disks made of felt or another absorbent material is arranged.
  • the absorbent material is loaded with the liquid equipment, which is used to lubricate the pivot bearing.
  • the lubricants In order for the lubricants to provide sufficient lubrication, it is necessary for a sufficient amount of the lubricant to be transported from the absorbent material to the rotor shaft and / or to the rotary bearing.
  • This structure is used in particular in the case of small turbomolecular pumps, since the use of an additional oil pump is not necessary here.
  • the operating materials usually used in such small turbomolecular pumps are oils which have a corresponding vacuum suitability, ie a low one Vapor pressure, and a temperature resistance of up to 90 ° C.
  • the performance of the small turbomolecular pumps described above is limited, however, by the fact that the known oils are not suitable for use at temperatures above 90 ° C, since they do not have a suitable viscosity at higher temperatures, in order to be sufficient at 90 ° C Provide lubrication.
  • the rotor temperature is limited to 90 ° C when using the usual equipment.
  • the rotor temperature results from a combination of gas load, admission pressure and cooling and repeatedly reaches 90 ° C in various applications, since there is no possibility, for example, of adapting the cooling to an increased gas load.
  • the performance of such turbomolecular pumps is limited by the fact that the rotor temperature must not exceed 90 ° C.
  • turbomolecular pumps with higher performance can also use denser oils, since they are equipped with an electric oil pump that supplies the rolling bearings with equipment, i.e. with lubricant.
  • this structure is not economical in the case of smaller turbomolecular pumps because of the considerable costs for the oil pump.
  • the object on which the present invention is based is therefore to increase the performance of vacuum pumps, in particular turbomolecular pumps, without this leading to a significant increase in costs.
  • a vacuum pump in particular a turbomolecular pump, can also be operated continuously at temperatures above 90 ° C, i.e. over a period of several months or longer, without the vacuum pump having to be equipped with an additional oil pump in order to convey the synthetic oil for lubricating the rotary bearing in sufficient quantities if that synthetic oil at 100 ° C has a kinematic viscosity in the range of 4.5 to 6.5 mm 2 / s.
  • kinematic viscosities mentioned herein are measured in accordance with ASTM D445-17a.
  • a particularly advantageous viscosity profile is obtained if the synthetic oil also has a kinematic viscosity at 120 ° C. in the range from 3.0 to 4.0 mm 2 / s. This ensures sufficient lubrication of the rotary bearing even at temperatures of 120 ° C and higher, while at the same time the viscosity at lower temperatures is not too high to impair the oil's ability to be pumped.
  • the vapor pressure of the synthetic oil at 100 ° C. is less than or equal to 0.005 hPa. Due to the low vapor pressure, when using the synthetic oil, it is particularly possible to create a stable vacuum over a long period of time with an appropriate vacuum pump. In this regard, it is particularly advantageous if the vapor pressure of the synthetic oil at 120 ° C. is less than or equal to 0.01 hPa. This makes it possible to generate a stable vacuum even at an elevated rotor temperature.
  • the synthetic oil is provided with further additives in order to slow aging at high temperatures, so that it can be used for long periods without changing the oil.
  • the synthetic oil does not necessarily have such additives in order to ensure adequate lubrication at high temperatures.
  • the additives are, for example, antioxidants known to those skilled in the art.
  • the synthetic oil To create a stable vacuum over a long period of time, it is advantageous for the synthetic oil to have an evaporation loss of less than or equal to 1% by weight, preferably less than or equal to 0.5% by weight, particularly preferably of less than or equal to 0.2% by weight. %, most preferably less than or equal to 0.1% by weight, after one year at 60 ° C. under a vacuum of 0.005 hPa. Furthermore, it is preferred that the synthetic oil after 6.5 hours at 204 ° C. below Normal pressure has an evaporation loss of less than or equal to 5% by weight, more preferably less than or equal to 2.5% by weight. Evaporation loss is determined as explained in the examples.
  • the present invention is not limited to the type of oils as long as the viscosity requirements are met.
  • the synthetic oil is an ester-based oil or is an oil based on perfluoropolyethers.
  • the synthetic oil is most preferably an ester-based oil, since these oils have a low density and therefore adequate lubrication by the synthetic oil by transporting it from an absorbent material of an operating fluid reservoir to the rotor shaft and / or can be made to the pivot bearing in known equipment stores.
  • the synthetic oil lubricates a rotary bearing of the vacuum pump.
  • the vacuum pump is a turbomolecular pump, comprising a rotor shaft, a rotary bearing for rotatably supporting the rotor shaft and an operating fluid storage device for receiving the synthetic oil to which the pivot bearing is supplied, and at least one means for supplying the pivot bearing with the synthetic oil.
  • a vacuum pump according to the invention has an operating fluid reservoir which contains a synthetic oil, as described above.
  • the vacuum pump is preferably a turbomolecular pump, comprising a rotor shaft, a rotary bearing for rotatably supporting the rotor shaft and an operating fluid storage for receiving the synthetic oil with which the rotary bearing is to be supplied or supplied during operation, and at least one means for supplying the rotary bearing with the synthetic oil.
  • the performance of the vacuum pump can be increased, since rotor temperatures of up to 120 ° C can be achieved while maintaining sufficient lubrication. To reduce costs and at the same time high performance, it is therefore possible that the vacuum pump does not have an oil pump for pumping the synthetic oil.
  • the turbomolecular pump 111 shown comprises a pump inlet 115 surrounded by an inlet flange 113, to which a recipient, not shown, can be connected in a manner known per se.
  • the gas from the recipient can be sucked out of the recipient via the pump inlet 115 and conveyed through the pump to a pump outlet 117, to which a backing pump, such as a rotary vane pump, can be connected.
  • the inlet flange 113 forms in accordance with the orientation of the vacuum pump Fig. 1 the upper end of the housing 119 of the vacuum pump 111.
  • the housing 119 comprises a lower part 121, on which an electronics housing 123 is arranged on the side. Electrical and / or electronic components of the vacuum pump 111 are accommodated in the electronics housing 123, for example for operation of an electric motor 125 arranged in the vacuum pump. Several connections 127 for accessories are provided on the electronics housing 123.
  • a data interface 129 for example in accordance with the RS485 standard, and a power supply connection 131 are arranged on the electronics housing 123.
  • a flood inlet 133 in particular in the form of a flood valve, is provided on the housing 119 of the turbomolecular pump 111, via which the vacuum pump 111 can be flooded.
  • a sealing gas connection 135, which is also referred to as a purge gas connection via which purge gas to protect the electric motor 125 (see, for example Fig. 3 ) can be brought into the engine compartment 137, in which the electric motor 125 is housed in the vacuum pump 111, before the gas conveyed by the pump.
  • there are also two coolant connections 139 one of the coolant connections being provided as an inlet and the other coolant connection being provided as an outlet for coolant, which can be fed into the vacuum pump for cooling purposes.
  • the lower side 141 of the vacuum pump can serve as a standing surface, so that the vacuum pump 111 can be operated standing on the underside 141.
  • the vacuum pump 111 can also be attached to a recipient via the inlet flange 113 and can thus be operated to a certain extent in a hanging manner.
  • the vacuum pump 111 can be designed so that it can also be operated if it is aligned in a different way than in FIG Fig. 1 is shown.
  • Embodiments of the vacuum pump can also be realized, in which the underside 141 cannot be arranged facing downwards, but turned to the side or directed upwards.
  • Fastening holes 147 are also arranged on the underside 141, via which the pump 111 can be fastened, for example, to a support surface.
  • a coolant line 148 is shown, in which the coolant introduced and discharged via the coolant connections 139 can circulate.
  • the vacuum pump comprises a plurality of process gas pump stages for conveying the process gas present at the pump inlet 115 to the pump outlet 117.
  • a rotor 149 is arranged in the housing 119 and has a rotor shaft 153 rotatable about an axis of rotation 151.
  • the turbomolecular pump 111 comprises a plurality of turbomolecular pump stages connected in series with one another with effective pumping, with a plurality of radial rotor disks 155 fastened to the rotor shaft 153 and stator disks 157 arranged between the rotor disks 155 and fixed in the housing 119.
  • a rotor disk 155 and an adjacent stator disk 157 each form a turbomolecular one Pump stage.
  • the stator disks 157 are held at a desired axial distance from one another by spacer rings 159.
  • the vacuum pump also comprises Holweck pump stages which are arranged one inside the other in the radial direction and have a pumping effect and are connected in series with one another.
  • the rotor of the Holweck pump stages comprises a rotor hub 161 arranged on the rotor shaft 153 and two rotor hubs attached to and supported by the rotor hub 161 cylindrical jacket-shaped Holweck rotor sleeves 163, 165, which are oriented coaxially to the axis of rotation 151 and are nested one inside the other in the radial direction.
  • two cylindrical jacket-shaped Holweck stator sleeves 167, 169 are provided, which are also oriented coaxially to the axis of rotation 151 and are nested one inside the other in the radial direction.
  • the pump-active surfaces of the Holweck pump stages are formed by the lateral surfaces, that is to say by the radial inner and / or outer surfaces, of the Holweck rotor sleeves 163, 165 and of the Holweck stator sleeves 167, 169.
  • the radial inner surface of the outer Holweck stator sleeve 167 lies opposite the radial outer surface of the outer Holweck rotor sleeve 163 with the formation of a radial Holweck gap 171 and forms with it the first Holweck pump stage following the turbomolecular pumps.
  • the radial inner surface of the outer Holweck rotor sleeve 163 faces the radial outer surface of the inner Holweck stator sleeve 169 with the formation of a radial Holweck gap 173 and forms a second Holweck pump stage with the latter.
  • the radial inner surface of the inner Holweck stator sleeve 169 lies opposite the radial outer surface of the inner Holweck rotor sleeve 165, forming a radial Holweck gap 175, and forms the third Holweck pumping stage therewith.
  • a radially extending channel can be provided, via which the radially outer Holweck gap 171 is connected to the central Holweck gap 173.
  • a radially extending channel can be provided at the upper end of the inner Holweck stator sleeve 169, via which the central Holweck gap 173 is connected to the radially inner Holweck gap 175. This means that the nested Holweck pump stages are connected in series.
  • a connection channel 179 to the outlet 117 can also be provided.
  • the above-mentioned pump-active surfaces of the Holweck stator sleeves 163, 165 each have a plurality of Holweck grooves running spirally around the axis of rotation 151 in the axial direction, while the opposite lateral surfaces of the Holweck rotor sleeves 163, 165 are smooth and the gas for operating the Drive the vacuum pump 111 in the Holweck grooves.
  • a roller bearing 181 is provided in the area of the pump outlet 117 and a permanent magnet bearing 183 in the area of the pump inlet 115.
  • a conical spray nut 185 is provided on the rotor shaft 153 with an outer diameter increasing toward the roller bearing 181.
  • the spray nut 185 is in sliding contact with at least one scraper of an operating fluid reservoir.
  • the operating medium storage comprises a plurality of absorbent disks 187 stacked one on top of the other, which are provided with an operating medium for the rolling bearing 181, e.g. are soaked with a lubricant.
  • the operating medium is transferred by capillary action from the operating medium storage via the wiper to the rotating spray nut 185 and, as a result of the centrifugal force along the spray nut 185, is conveyed in the direction of the increasing outer diameter of the spray nut 185 to the roller bearing 181, where it e.g. fulfills a lubricating function.
  • the roller bearing 181 and the operating fluid storage are enclosed in the vacuum pump by a trough-shaped insert 189 and the bearing cover 145.
  • the permanent magnet bearing 183 comprises a bearing half 191 on the rotor side and a bearing half 193 on the stator side, each of which comprises an annular stack of a plurality of permanent magnetic rings 195, 197 stacked on one another in the axial direction.
  • the ring magnets 195, 197 lie opposite one another to form a radial bearing gap 199, the ring magnets 195 on the rotor side radially outside and the stator-side ring magnets 197 are arranged radially inside.
  • the magnetic field present in the bearing gap 199 causes magnetic repulsive forces between the ring magnets 195, 197, which cause the rotor shaft 153 to be supported radially.
  • the rotor-side ring magnets 195 are carried by a carrier section 201 of the rotor shaft 153, which surrounds the ring magnets 195 radially on the outside.
  • the stator-side ring magnets 197 are carried by a stator-side carrier section 203 which extends through the ring magnets 197 and is suspended from radial struts 205 of the housing 119.
  • Parallel to the axis of rotation 151, the rotor-side ring magnets 195 are fixed by a cover element 207 coupled to the carrier section 203.
  • the stator-side ring magnets 197 are fixed parallel to the axis of rotation 151 in one direction by a fastening ring 209 connected to the carrier section 203 and a fastening ring 211 connected to the carrier section 203.
  • a plate spring 213 can also be provided between the fastening ring 211 and the ring magnet 197.
  • An emergency or catch bearing 215 is provided within the magnetic bearing, which runs empty without contact during normal operation of the vacuum pump 111 and only comes into engagement with an excessive radial deflection of the rotor 149 relative to the stator in order to provide a radial stop for the rotor 149 to form, since a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented.
  • the catch bearing 215 is designed as an unlubricated roller bearing and forms a radial gap with the rotor 149 and / or the stator, which causes the catch bearing 215 to be disengaged in normal pumping operation.
  • the radial deflection at which the catch bearing 215 engages is dimensioned large enough that the catch bearing 215 does not engage during normal operation of the vacuum pump, and at the same time is small enough so that the rotor-side structures collide with the stator-side structures under all circumstances is prevented.
  • the vacuum pump 111 comprises the electric motor 125 for rotatingly driving the rotor 149.
  • the armature of the electric motor 125 is formed by the rotor 149, the rotor shaft 153 of which extends through the motor stator 217.
  • a permanent magnet arrangement can be arranged radially on the outside or embedded on the section of the rotor shaft 153 which extends through the motor stator 217.
  • an intermediate space 219 is arranged, which comprises a radial motor gap, via which the motor stator 217 and the permanent magnet arrangement for transmitting the drive torque can magnetically influence one another.
  • the motor stator 217 is fixed in the housing within the motor space 137 provided for the electric motor 125.
  • a sealing gas which is also referred to as a purge gas and which can be, for example, air or nitrogen, can enter the engine compartment 137 via the sealing gas connection 135.
  • the electric motor 125 can be used before the process gas, e.g. protected against corrosive parts of the process gas.
  • the engine compartment 137 can also be evacuated via the pump outlet 117, i.e. in the engine compartment 137 there is at least approximately the vacuum pressure caused by the backing pump connected to the pump outlet 117.
  • a so-called and known labyrinth seal 223 can also be provided between the rotor hub 161 and a wall 221 delimiting the motor space 137, in particular in order to achieve a better seal of the motor space 217 with respect to the radially outside Holweck pump stages.
  • the vacuum pump in which the synthetic oil is used is in principle not restricted.
  • all features of the vacuum pump described above can also be provided for the vacuum pump, in which according to According to the present invention, the synthetic oil is used, ie use according to the invention can be carried out in a vacuum pump, which can in principle have any combination of features of the vacuum pump described above.
  • AeroShell Turbine Oil 560 is a synthetic, ester-based oil that fulfills the properties specified in the claims.
  • the usually oil used in the turbo-molecular pump 30 and HiPace HiPace 80 has at 100 ° C has a kinematic viscosity of less than 4.0 mm 2 / s, and has at 120 ° C has a kinematic viscosity of less than 2.5 mm 2 / s on.
  • Table 1 example pump oil running time Rotor temperature * 2 Rolling bearing wear 1 HiPace 80 *1 2200 h 60 ° C No abnormality 2nd HiPace 80 *1 2800 h 90 ° C No abnormality 3rd HiPace 80 *1 1100 h 110 ° C No abnormality 4th HiPace 80 *1 2900 h 110 ° C No abnormality 5 HiPace 80 *1 8600 h 110 ° C No abnormality 6 HiPace 30 *1 6500 h 110 ° C No abnormality 7 HiPace 30 *1 11500 h 25 ° C - 110 ° C No abnormality Comparative Example 1 HiPace 80 * 3 2200 h 110 ° C Heavy wear Comparative Example 2 HiPace 80 * 3 17600 h 90 ° C No abnormality * 1 AeroShell Turbine Oil 560 * 2 The rotor temperature was controlled via the gas load. * 3 standard oil
  • Example 1 The test results summarized in Table 1 show that an oil with a kinematic viscosity in the range of 4.5 to 6.5 mm 2 / s at 100 ° C is suitable for this, even at rotor temperatures of over 90 ° C, even at 110 ° C, to adequately protect the bearings from wear.
  • Example 1 the gas load was reduced to a minimum, ie the final vacuum was reached so that the rotor temperature was 25 ° C.
  • Example 7 the gas load was varied in order to vary the temperature several times between 25 and 110 ° C.
  • the pump used with an oil with a kinematic viscosity in the range of 4.5 to 6.5 mm 2 / s at 100 ° C shows no increased wear even at rotor temperatures below 100 ° C, although that Oil used has a higher kinematic viscosity at 100 ° C than the oil usually used. Even the multiple variation of the temperature between 25 and 110 ° C did not result in increased roller bearing wear, not even over a longer test period of 11500 h.
  • the HiPace 80 pump was operated at 110 ° C. with the oil normally used (comparative example 1). After a relatively short period of time, there was heavy wear on the rolling bearing. For the HiPace pump In contrast, at 80 temperatures of 90 ° C., which were normally provided, no significant wear was observed (comparative example 2). This makes it clear that the use of an oil with a kinematic viscosity in the range from 4.5 to 6.5 mm 2 / s at 100 ° C. leads to a satisfactory lubrication both at low and at high temperatures, which with the conventional oils, which are used in turbomolecular pumps is not possible.
  • the examples show that by using a synthetic oil with a kinematic viscosity in the range of 4.5 to 6.5 mm 2 / s at 100 ° C the performance small turbomolecular pumps can be increased without the need for an oil pump to deliver the synthetic oil.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines synthetischen Öls als Betriebsmittel in einer Vakuumpumpe, wobei das synthetische Öl eine kinematische Viskosität im Bereich von 4,5 bis 6,5 mm<sup>2</sup>/s bei 100 °C aufweist. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Vakuumpumpe mit einem Betriebsmittelspeicher, welcher ein entsprechendes synthetisches Öl enthält.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung eines synthetischen Öls in einer Vakuumpumpe zur Versorgung eines Drehlagers in der Vakuumpumpe, sowie eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, mit einer Rotorwelle, einem Drehlager zur drehbaren Unterstützung der Rotorwelle und einem Betriebsmittelspeicher zur Aufnahme eines synthetischen Öls, mit dem das Drehlager zu versorgen ist.
  • Bekannte Vakuumpumpen sind Turbomolekularpumpen, welche einen um die Rotationsachse der Rotorwelle bzw. des Drehlagers rotationssymmetrisch ausgebildeten Betriebsmittelspeicher zur Aufnahme eines flüssigen Betriebsmittels aufweisen. Typischerweise weist der Betriebsmittelspeicher die Form eines Zylindermantels mit zylindermantelförmiger Außenkontur und Innenkontur auf, in welchem beispielsweise als Stapel von kreisringförmigen Scheiben aus Filz oder einem anderen saugfähigen Material angeordnet ist. Das saugfähige Material wird mit den flüssigen Betriebsmitteln beladen, welches zur Schmierung des Drehlagers dient. Damit eine ausreichende Schmierung durch die Betriebsmittel bereitgestellt wird, ist es erforderlich, dass eine ausreichende Menge des Betriebsmittels von dem saugfähigen Material zur Rotorwelle und/oder zum Drehlager transportiert wird. Dieser Aufbau wird insbesondere bei kleinen Turbomolekularpumpen verwendet, da hierbei der Einsatz einer zusätzlichen Ölpumpe nicht notwendig ist.
  • Die in derartigen kleinen Turbomolekularpumpen üblicherweise verwendeten Betriebsmittel sind Öle, die eine entsprechende Vakuumtauglichkeit, d.h. einen niedrigen Dampfdruck, und eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 90 °C aufweisen. Die Leistungsfähigkeit der oben beschriebenen kleinen Turbomolekularpumpen ist jedoch dadurch beschränkt, dass die bekannten Öle nicht dazu geeignet sind, bei Temperaturen von über 90 °C eingesetzt zu werden, da sie bei höheren Temperaturen keine geeignete Viskosität aufweisen, um bei über 90 °C eine ausreichende Schmierung bereitzustellen. Als Konsequenz ist auch die Rotortemperatur bei Verwendung der üblichen Betriebsmittel auf 90 °C begrenzt. Die Rotortemperatur ergibt sich aus einer Kombination aus Gaslast, Vordruck und Kühlung und erreicht bei verschiedenen Anwendungen immer wieder 90 °C, da beispielsweise keine Möglichkeit besteht die Kühlung an eine gestiegene Gaslast anzupassen. Als Konsequenz ist die Leistungsfähigkeit derartiger Turbomolekularpumpen dadurch beschränkt, dass die Rotortemperatur 90 °C nicht überschreiten darf.
  • Größere Turbomolekularpumpen mit höherer Leistungsfähigkeit können auch dichtere Öle einsetzen, da diese mit einer elektrischen Ölpumpe ausgerüstet sind, welche die Wälzlager mit Betriebsmitteln, d.h. mit Schmierstoff, versorgt. Dieser Aufbau ist bei kleineren Turbomolekularpumpen jedoch aufgrund erheblicher Kosten für die Ölpumpe nicht wirtschaftlich.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, die Leistungsfähigkeit von Vakuumpumpen, insbesondere von Turbomolekularpumpen, zu erhöhen, ohne dass es dabei zu einer erheblichen Kostensteigerung kommt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines synthetischen Öls gemäß Anspruch 1 gelöst. Ebenfalls wird diese Aufgabe durch die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 10 gelöst.
  • Es hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung eines synthetischen Öls gemäß Anspruch 1 eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, auch bei Temperaturen über 90 °C dauerhaft betrieben werden kann, d.h. über einen Zeitraum von mehreren Monaten oder länger, ohne dass die Vakuumpumpe mit einer zusätzlichen Ölpumpe ausgestattet sein muss, um das synthetische Öl zur Schmierung des Drehlagers in ausreichenden Mengen zu befördern, wenn das synthetische Öl bei 100 °C eine kinematische Viskosität im Bereich von 4,5 bis 6,5 mm2/s aufweist.
  • Die hierin erwähnten kinematischen Viskositäten sind gemäß ASTM D445 - 17a gemessen.
  • Falls nicht anders angegeben, bezieht sich jede hierin erwähnte Norm auf die jeweils zum 1. Oktober 2018 geltende Fassung.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren und Beispielen angegeben. Es versteht sich, dass die beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen und Aspekte beliebig miteinander kombinierbar sind, sofern keine technischen Gründe dagegen sprechen.
  • Ein besonders vorteilhaftes Viskositätsprofil ergibt sich, wenn das synthetische Öl zudem eine kinematische Viskosität bei 120 °C im Bereich von 3,0 bis 4,0 mm2/s aufweist. Hierdurch ist auch bei Temperaturen von 120 °C und höher noch eine ausreichende Schmierung des Drehlagers gewährleistet, wobei gleichzeitig die Viskosität bei niedrigeren Temperaturen nicht zu hoch ist, um die Förderfähigkeit des Öls zu beeinträchtigen.
  • Weiter ist es bevorzugt, wenn der der Dampfdruck des synthetischen Öls bei 100 °C kleiner gleich 0,005 hPa ist. Durch einen geringen Dampfdruck ist es bei Verwendung des synthetischen Öls besonders gut möglich, mit einer entsprechenden Vakuumpumpe über einen langen Zeitraum ein stabiles Vakuum zu erzeugen. Unter diesem Aspekt ist es besonders vorteilhaft, wenn der Dampfdruck des synthetischen Öls bei 120 °C kleiner gleich 0,01 hPa ist. Hierdurch ist auch bei einer erhöhten Rotortemperatur die Erzeugung eines stabilen Vakuums möglich.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das synthetische Öl mit weiteren Additiven versehen ist, um die Alterung bei hohen Temperaturen zu verlangsamen, sodass die Verwendung über lange Zeiträume ohne Ölwechsel möglich ist. Es versteht sich jedoch, dass das synthetische Öl nicht zwingend derartige Additive aufweist, um bei hohen Temperaturen die ausreichende Schmierung sicherzustellen. Bei den Additiven handelt es sich beispielsweise um dem Fachmann bekannte Antioxidationsmittel.
  • Zur Erzeugung eines stabilen Vakuums über einen langen Zeitraum ist es vorteilhaft, dass das synthetische Öl einen Verdampfungsverlust von kleiner gleich 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner gleich 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt von kleiner gleich 0,2 Gew.-%, höchst bevorzugt von kleiner gleich 0,1 Gew.-%, aufweist, nach einem Jahr bei 60 °C unter einem Vakuum von 0,005 hPa. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das synthetische Öl nach 6,5 h bei 204 °C unter Normaldruck einen Verdampfungsverlust von kleiner gleich 5 Gew.-%, noch bevorzugter von kleiner gleich 2,5 Gew.-%, aufweist. Der Verdampfungsverlust wird, wie in den Beispielen erläutert, bestimmt.
  • Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Art der Öle beschränkt, solange die Viskositätsanforderungen erfüllt sind. Es hat sich jedoch als besonders Vorteilhaft herausgestellt, dass das synthetische Öl ein Öl auf Esterbasis ist oder ein Öl auf Basis von Perfluorpolyethern ist. Höchst bevorzugt ist das synthetische Öl ein Öl auf Esterbasis, da diese Öle eine geringe Dichte aufweisen und daher eine ausreichende Schmierung durch das synthetische Öl durch dessen Transport von einem saugfähigen Material eines Betriebsmittelspeichers zur Rotorwelle und/oder zum Drehlager bei bekannten Betriebsmittelspeichern vorgenommen werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, eine ausreichende Schmierung mit Ölen höherer Dichte zu erzielen, wobei ggfs. Anpassungen des Betriebsmittelspeichers notwendig sind.
  • Es ist zudem bevorzugt, dass durch das synthetische Öl ein Drehlager der Vakuumpumpe geschmiert wird. Prinzipiell ist die Verwendung des synthetischen Öls nicht auf spezielle Vakuumpumpen beschränkt, jedoch hat es sich als besonders bevorzugt herausgestellt, dass die Vakuumpumpe eine Turbomolekularpumpe ist, umfassend eine Rotorwelle, ein Drehlager zur drehbaren Unterstützung der Rotorwelle und einen Betriebsmittelspeicher zur Aufnahme des synthetischen Öls, mit dem das Drehlager versorgt wird, sowie mindestens einem Mittel zur Versorgung des Drehlagers mit dem synthetischen Öl.
  • Eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist einen Betriebsmittelspeicher auf, welcher ein synthetisches Öl, wie oben beschrieben, enthält. Bevorzugt ist die Vakuumpumpe eine Turbomolekularpumpe, umfassend eine Rotorwelle, ein Drehlager zur drehbaren Unterstützung der Rotorwelle und einen Betriebsmittelspeicher zur Aufnahme des synthetischen Öls, mit dem das Drehlager zu versorgen ist bzw. im Betrieb versorgt wird, sowie mindestens einem Mittel zur Versorgung des Drehlagers mit dem synthetischen Öl.
  • Durch die Verwendung des oben beschriebenen synthetischen Öls lässt sich die Leistungsfähigkeit der Vakuumpumpe erhöhen, da unter Beibehaltung einer ausreichenden Schmierung auch Rotortemperaturen von bis zu 120 °C erreichbar sind. Zur Reduzierung von Kosten bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit ist es daher möglich, dass die die Vakuumpumpe keine Ölpumpe zum Pumpen des synthetischen Öls aufweist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht einer Turbomolekularpumpe,
    Fig. 2
    eine Ansicht der Unterseite der Turbomolekularpumpe von Fig. 1,
    Fig. 3
    einen Querschnitt der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A,
    Fig. 4
    eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie B-B,
    Fig. 5
    eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie C-C,
  • Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe 111 umfasst einen von einem Einlassflansch 113 umgebenen Pumpeneinlass 115, an welchen in an sich bekannter Weise ein nicht dargestellter Rezipient angeschlossen werden kann. Das Gas aus dem Rezipienten kann über den Pumpeneinlass 115 aus dem Rezipienten gesaugt und durch die Pumpe hindurch zu einem Pumpenauslass 117 gefördert werden, an den eine Vorvakuumpumpe, wie etwa eine Drehschieberpumpe, angeschlossen sein kann.
  • Der Einlassflansch 113 bildet bei der Ausrichtung der Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 das obere Ende des Gehäuses 119 der Vakuumpumpe 111. Das Gehäuse 119 umfasst ein Unterteil 121, an welchem seitlich ein Elektronikgehäuse 123 angeordnet ist. In dem Elektronikgehäuse 123 sind elektrische und/oder elektronische Komponenten der Vakuumpumpe 111 untergebracht, z.B. zum Betreiben eines in der Vakuumpumpe angeordneten Elektromotors 125. Am Elektronikgehäuse 123 sind mehrere Anschlüsse 127 für Zubehör vorgesehen. Außerdem sind eine Datenschnittstelle 129, z.B. gemäß dem RS485-Standard, und ein Stromversorgungsanschluss 131 am Elektronikgehäuse 123 angeordnet.
  • Am Gehäuse 119 der Turbomolekularpumpe 111 ist ein Fluteinlass 133, insbesondere in Form eines Flutventils, vorgesehen, über den die Vakuumpumpe 111 geflutet werden kann. Im Bereich des Unterteils 121 ist ferner noch ein Sperrgasanschluss 135, der auch als Spülgasanschluss bezeichnet wird, angeordnet, über welchen Spülgas zum Schutz des Elektromotors 125 (siehe z.B. Fig. 3) vor dem von der Pumpe geförderten Gas in den Motorraum 137, in welchem der Elektromotor 125 in der Vakuumpumpe 111 untergebracht ist, gebracht werden kann. Im Unterteil 121 sind ferner noch zwei Kühlmittelanschlüsse 139 angeordnet, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse als Einlass und der andere Kühlmittelanschluss als Auslass für Kühlmittel vorgesehen ist, das zu Kühlzwecken in die Vakuumpumpe geleitet werden kann.
  • Die untere Seite 141 der Vakuumpumpe kann als Standfläche dienen, sodass die Vakuumpumpe 111 auf der Unterseite 141 stehend betrieben werden kann. Die Vakuumpumpe 111 kann aber auch über den Einlassflansch 113 an einem Rezipienten befestigt werden und somit gewissermaßen hängend betrieben werden. Außerdem kann die Vakuumpumpe 111 so gestaltet sein, dass sie auch in Betrieb genommen werden kann, wenn sie auf andere Weise ausgerichtet ist als in Fig. 1 gezeigt ist. Es lassen sich auch Ausführungsformen der Vakuumpumpe realisieren, bei der die Unterseite 141 nicht nach unten, sondern zur Seite gewandt oder nach oben gerichtet angeordnet werden kann.
  • An der Unterseite 141, die in Fig. 2 dargestellt ist, sind noch diverse Schrauben 143 angeordnet, mittels denen hier nicht weiter spezifizierte Bauteile der Vakuumpumpe aneinander befestigt sind. Beispielsweise ist ein Lagerdeckel 145 an der Unterseite 141 befestigt.
  • An der Unterseite 141 sind außerdem Befestigungsbohrungen 147 angeordnet, über welche die Pumpe 111 beispielsweise an einer Auflagefläche befestigt werden kann.
  • In den Figuren 2 bis 5 ist eine Kühlmittelleitung 148 dargestellt, in welcher das über die Kühlmittelanschlüsse 139 ein- und ausgeleitete Kühlmittel zirkulieren kann.
  • Wie die Schnittdarstellungen der Figuren 3 bis 5 zeigen, umfasst die Vakuumpumpe mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 115 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 117.
  • In dem Gehäuse 119 ist ein Rotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.
  • Die Turbomolekularpumpe 111 umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren an der Rotorwelle 153 befestigten radialen Rotorscheiben 155 und zwischen den Rotorscheiben 155 angeordneten und in dem Gehäuse 119 festgelegten Statorscheiben 157. Dabei bilden eine Rotorscheibe 155 und eine benachbarte Statorscheibe 157 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe. Die Statorscheiben 157 sind durch Abstandsringe 159 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten.
  • Die Vakuumpumpe umfasst außerdem in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweck-Pumpstufen. Der Rotor der Holweck-Pumpstufen umfasst eine an der Rotorwelle 153 angeordnete Rotornabe 161 und zwei an der Rotornabe 161 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweck-Rotorhülsen 163, 165, die koaxial zur Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweck-Statorhülsen 167, 169 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung gesehen ineinander geschachtelt sind.
  • Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind durch die Mantelflächen, also durch die radialen Innen- und/oder Außenflächen, der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 und der Holweck-Statorhülsen 167, 169 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 167 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 171 gegenüber und bildet mit dieser die der Turbomolekularpumpen nachfolgende erste Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 steht der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 173 gegenüber und bildet mit dieser eine zweite Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 liegt der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Rotorhülse 165 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 175 gegenüber und bildet mit dieser die dritte Holweck-Pumpstufe.
  • Am unteren Ende der Holweck-Rotorhülse 163 kann ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der radial außenliegende Holweck-Spalt 171 mit dem mittleren Holweck-Spalt 173 verbunden ist. Außerdem kann am oberen Ende der inneren Holweck-Statorhülse 169 ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der mittlere Holweck-Spalt 173 mit dem radial innenliegenden Holweck-Spalt 175 verbunden ist. Dadurch werden die ineinander geschachtelten Holweck-Pumpstufen in Serie miteinander geschaltet. Am unteren Ende der radial innenliegenden Holweck-Rotorhülse 165 kann ferner ein Verbindungskanal 179 zum Auslass 117 vorgesehen sein.
  • Die vorstehend genannten pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Statorhülsen 163, 165 weisen jeweils mehrere spiralförmig um die Rotationsachse 151 herum in axialer Richtung verlaufende Holweck-Nuten auf, während die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 glatt ausgebildet sind und das Gas zum Betrieb der Vakuumpumpe 111 in den Holweck-Nuten vorantreiben.
  • Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 153 sind ein Wälzlager 181 im Bereich des Pumpenauslasses 117 und ein Permanentmagnetlager 183 im Bereich des Pumpeneinlasses 115 vorgesehen.
  • Im Bereich des Wälzlagers 181 ist an der Rotorwelle 153 eine konische Spritzmutter 185 mit einem zu dem Wälzlager 181 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen. Die Spritzmutter 185 steht mit mindestens einem Abstreifer eines Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt. Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.
  • Im Betrieb der Vakuumpumpe 111 wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 185 übertragen und in Folge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 185 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 185 zu dem Wälzlager 181 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt. Das Wälzlager 181 und der Betriebsmittelspeicher sind durch einen wannenförmigen Einsatz 189 und den Lagerdeckel 145 in der Vakuumpumpe eingefasst.
  • Das Permanentmagnetlager 183 umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 191 und eine statorseitige Lagerhälfte 193, welche jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinander gestapelten permanentmagnetischen Ringen 195, 197 umfassen. Die Ringmagnete 195, 197 liegen einander unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 199 gegenüber, wobei die rotorseitigen Ringmagnete 195 radial außen und die statorseitigen Ringmagnete 197 radial innen angeordnet sind. Das in dem Lagerspalt 199 vorhandene magnetische Feld ruft magnetische Abstoßungskräfte zwischen den Ringmagneten 195, 197 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 153 bewirken. Die rotorseitigen Ringmagnete 195 sind von einem Trägerabschnitt 201 der Rotorwelle 153 getragen, welcher die Ringmagnete 195 radial außenseitig umgibt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 203 getragen, welcher sich durch die Ringmagnete 197 hindurch erstreckt und an radialen Streben 205 des Gehäuses 119 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 151 sind die rotorseitigen Ringmagnete 195 durch ein mit dem Trägerabschnitt 203 gekoppeltes Deckelelement 207 festgelegt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind parallel zu der Rotationsachse 151 in der einen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 209 sowie einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 211 festgelegt. Zwischen dem Befestigungsring 211 und den Ringmagneten 197 kann außerdem eine Tellerfeder 213 vorgesehen sein.
  • Innerhalb des Magnetlagers ist ein Not- bzw. Fanglager 215 vorgesehen, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe 111 ohne Berührung leer läuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 149 relativ zu dem Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 149 zu bilden, da eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert wird. Das Fanglager 215 ist als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet und bildet mit dem Rotor 149 und/oder dem Stator einen radialen Spalt, welcher bewirkt, dass das Fanglager 215 im normalen Pumpbetrieb außer Eingriff ist. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 215 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, sodass das Fanglager 215 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, sodass eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen unter allen Umständen verhindert wird.
  • Die Vakuumpumpe 111 umfasst den Elektromotor 125 zum drehenden Antreiben des Rotors 149. Der Anker des Elektromotors 125 ist durch den Rotor 149 gebildet, dessen Rotorwelle 153 sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckt. Auf den sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt der Rotorwelle 153 kann radial außenseitig oder eingebettet eine Permanentmagnetanordnung angeordnet sein. Zwischen dem Motorstator 217 und dem sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt des Rotors 149 ist ein Zwischenraum 219 angeordnet, welcher einen radialen Motorspalt umfasst, über den sich der Motorstator 217 und die Permanentmagnetanordnung zur Übertragung des Antriebsmoments magnetisch beeinflussen können.
  • Der Motorstator 217 ist in dem Gehäuse innerhalb des für den Elektromotor 125 vorgesehenen Motorraums 137 festgelegt. Über den Sperrgasanschluss 135 kann ein Sperrgas, das auch als Spülgas bezeichnet wird, und bei dem es sich beispielsweise um Luft oder um Stickstoff handeln kann, in den Motorraum 137 gelangen. Über das Sperrgas kann der Elektromotor 125 vor Prozessgas, z.B. vor korrosiv wirkenden Anteilen des Prozessgases, geschützt werden. Der Motorraum 137 kann auch über den Pumpenauslass 117 evakuiert werden, d.h. im Motorraum 137 herrscht zumindest annäherungsweise der von der am Pumpenauslass 117 angeschlossenen Vorvakuumpumpe bewirkte Vakuumdruck.
  • Zwischen der Rotornabe 161 und einer den Motorraum 137 begrenzenden Wandung 221 kann außerdem eine sog. und an sich bekannte Labyrinthdichtung 223 vorgesehen sein, insbesondere um eine bessere Abdichtung des Motorraums 217 gegenüber den radial außerhalb liegenden Holweck-Pumpstufen zu erreichen.
  • Die Vakuumpumpe, in welcher das synthetische Öl verwendet wird, ist prinzipiell nicht beschränkt. Jedoch können alle Merkmale der vorstehend beschriebenen Vakuumpumpe auch bei der Vakuumpumpe vorgesehen sein, in welcher gemäß der vorliegenden Erfindung das synthetische Öl verwendet wird, d.h. eine erfindungsgemäße Verwendung kann in einer Vakuumpumpe vorgenommen werden, welche grundsätzlich jede beliebige Kombination von Merkmalen der vorstehend beschriebenen Vakuumpumpe aufweisen kann.
  • Anschließend wird die Erfindung anhand von Beispielen veranschaulicht, die jedoch die vorliegende Erfindung nicht beschränken.
  • Beispiele:
    In den von Pfeiffer Vacuum GmbH hergestellten Turbomolekularpumpen HiPace 30 und HiPace 80 wurde das üblicherweise verwendete Öl ausgetauscht gegen das Öl AeroShell Turbine Oil 560, welches in der Luftfahrt als Turbinenöl eingesetzt wird und auch mit dem NATO Code O-154 bezeichnet wird. Bei dem Öl AeroShell Turbine Oil 560 handelt es sich um ein synthetisches Öl auf Esterbasis, das die in den Ansprüchen angegebenen Eigenschaften erfüllt. Das üblicherweise verwendete Öl in den Turbomolekularpumpen HiPace 30 und HiPace 80 weist bei 100 °C eine kinematische Viskosität von weniger als 4,0 mm2/s auf und weist bei 120 °C eine kinematische Viskosität von weniger als 2,5 mm2/s auf.
  • Die Testergebnisse der Tests, die mit diesen Pumpen, in welchen das Öl AeroShell Turbine Oil 560 verwendet wurde, durchgeführt wurden sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1
    Beispiel Pumpe Öl Laufzeit Rotortemperatur *2 Wälzlagerverschleiß
    1 HiPace 80 *1 2200 h 60 °C Keine Auffälligkeit
    2 HiPace 80 *1 2800 h 90 °C Keine Auffälligkeit
    3 HiPace 80 *1 1100 h 110 °C Keine Auffälligkeit
    4 HiPace 80 *1 2900 h 110 °C Keine Auffälligkeit
    5 HiPace 80 *1 8600 h 110 °C Keine Auffälligkeit
    6 HiPace 30 *1 6500 h 110 °C Keine Auffälligkeit
    7 HiPace 30 *1 11500 h 25 °C - 110 °C Keine Auffälligkeit
    Vergleichsbeispiel 1 HiPace 80 *3 2200 h 110 °C Starker Verschleiß
    Vergleichsbeispiel 2 HiPace 80 *3 17600 h 90 °C Keine Auffälligkeit
    *1 AeroShell Turbine Oil 560
    *2 Die Rotortemperatur wurde über die Gaslast geregelt.
    *3 Standard-Öl
  • Die in Tabelle 1 zusammengefassten Testergebnisse zeigen, dass ein Öl mit einer kinematische Viskosität im Bereich von 4,5 bis 6,5 mm2/s bei 100 °C dazu geeignet ist, auch bei Rotortemperaturen von über 90 °C, selbst bei 110 °C, die Wälzlager zufriedenstellend vor Verschleiß zu schützen. In Beispiel 1 wurde die Gaslast auf ein Minimum reduziert, d.h. es wurde das Endvakuum erreicht, sodass die Rotortemperatur 25 °C betrug. In Beispiel 7 wurde die Gaslast variiert, um die Temperatur zwischen 25 und 110 °C mehrfach zu variieren. Wie durch Beispiele 1 und 2 belegt, zeigt die verwendete Pumpe mit einem Öl mit einer kinematische Viskosität im Bereich von 4,5 bis 6,5 mm2/s bei 100 °C auch bei Rotortemperaturen unter 100 °C keinen erhöhten Verschleiß, obwohl das verwendete Öl eine höhere kinematische Viskosität bei 100 °C aufweist, als das üblicherweise verwendete Öl. Auch das mehrfache Variieren der Temperatur zwischen 25 und 110 °C erzeugte keinen erhöhten Wälzlagerverschleiß, auch nicht über einen längeren Testzeitraum von 11500 h.
  • Zu Vergleichszwecken wurde die Pumpe HiPace 80 mit dem üblicherweise verwendeten Öl bei 110 °C betrieben (Vergleichsbeispiel 1). Bereits nach relativ kurzer Zeit trat ein starker Verschleiß des Wälzlagers auf. Bei den für die Pumpe HiPace 80 üblicherweise vorgesehenen Temperaturen von 90 °C wurde hingegen kein nennenswerter Verschleiß beobachtet (Vergleichsbeispiel 2). Hierdurch ist verdeutlicht, dass die Verwendung eines Öls mit einer kinematischen Viskosität im Bereich von 4,5 bis 6,5 mm2/s bei 100 °C eine zufriedenstellende Schmierung sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen bewirkt, was mit den herkömmlichen Ölen, die in Turbomolekularpumpen eingesetzt werden, nicht möglich ist.
  • Zur Bestimmung des Verdampfungsverlusts bei 204 °C über einen Zeitraum von 6,5 h wurden Ölproben in Reagenzgläser gefüllt und über 6,5 h bei 204°C in einem Ofen gelagert. Das Gewicht der Proben wurde vor und nach der Lagerung bestimmt. Der Verdampfungsverlust entspricht dem Gewichtsverlust der Ölproben nach 6,5 h und 204 °C in Gew.-%, d.h. dem Verlust des Gewichts an Öl bezogen auf das Gewicht des Öls, das zu Beginn in die Reagenzgläser gefüllt wurde. Der Verdampfungsverlust des Öls AeroShell Turbine Oil 560 hat 0,2 Gew.-% nicht überschritten.
  • Um die Langzeit-Vakuumtauglichkeit zu testen, wurden Proben des Öls AeroShell Turbine Oil 560 einem Vakuum von 0,005 hPa ausgesetzt und bei einer Temperatur von 60 °C bzw. 70 °C gehalten. Nach einem Zeitraum von 120 Tagen bei 60 °C betrug die Gewichtsveränderung 0,07 Gew.-% und nach einem Zeitraum von 112 Tagen bei 70 °C betrug die Gewichtsveränderung 0,11 Gew.-%. Damit ist gezeigt, dass das Öl AeroShell Turbine Oil 560 ausreichend Langzeit-Vakuumtauglich ist. Im Vergleich dazu beträgt die Gewichtsveränderung bei dem in den Turbomolekularpumpen HiPace 30 und HiPace 80 üblicherweise verwendete Öl 4,25 Gew.-% nach einem Zeitraum von 120 Tagen bei 60 °C und 8,7 Gew.-% nach einem Zeitraum von 112 Tagen bei 70 °C.
  • Die Beispiele zeigen, dass durch die Verwendung eines synthetischen Öls mit einer kinematische Viskosität im Bereich von 4,5 bis 6,5 mm2/s bei 100 °C die Leistungsfähigkeit kleiner Turbomolekularpumpen erhöht werden kann, ohne dass eine Ölpumpe zur Förderung des synthetischen Öls notwendig ist.

Claims (12)

  1. Verwendung eines synthetischen Öls als Betriebsmittel in einer Vakuumpumpe,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das synthetische Öl eine kinematische Viskosität im Bereich von 4,5 bis 6,5 mm2/s bei 100 °C aufweist.
  2. Verwendung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das synthetische Öl eine kinematische Viskosität im Bereich von 3,0 bis 4,0 mm2/s bei 120 °C aufweist.
  3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Dampfdruck des synthetischen Öls bei 100 °C kleiner gleich 0,005 hPa beträgt.
  4. Verwendung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Dampfdruck des synthetischen Öls bei 120 °C kleiner gleich 0,01 hPa beträgt.
  5. Verwendung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das synthetische Öl einen Verdampfungsverlust von kleiner gleich 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner gleich 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt von kleiner gleich 0,2 Gew.-%, höchst bevorzugt von kleiner gleich 0,1 Gew.-%, aufweist, nach einem Jahr bei 60 °C unter einem Vakuum von 0,005 hPa.
  6. Verwendung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das synthetische Öl einen Verdampfungsverlust von kleiner gleich 0,5 Gew.-% aufweist nach 6,5 h bei 204 °C unter Normaldruck.
  7. Verwendung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das synthetische Öl ein Öl auf Esterbasis ist oder ein Öl auf Basis von Perfluorpolyethern ist.
  8. Verwendung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Drehlager der Vakuumpumpe durch das synthetische Öl geschmiert wird.
  9. Verwendung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vakuumpumpe eine Turbomolekularpumpe ist, umfassend eine Rotorwelle, ein Drehlager zur drehbaren Unterstützung der Rotorwelle und einen Betriebsmittelspeicher zur Aufnahme des synthetischen Öls, mit dem das Drehlager zu versorgen ist.
  10. Vakuumpumpe mit einem Betriebsmittelspeicher, welcher ein synthetisches Öl gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche enthält.
  11. Vakuumpumpe nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vakuumpumpe eine Turbomolekularpumpe ist, umfassend eine Rotorwelle, ein Drehlager zur drehbaren Unterstützung der Rotorwelle und einen Betriebsmittelspeicher zur Aufnahme des synthetischen Öls, mit dem das Drehlager zu versorgen ist, sowie mindestens einen Mittel zur Versorgung des Drehlagers mit dem synthetischen Öl.
  12. Vakuumpumpe nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vakuumpumpe keine Ölpumpe zum Pumpen des synthetischen Öls aufweist.
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