EP3683447B1 - Vakuumpumpe - Google Patents
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- EP3683447B1 EP3683447B1 EP19218135.2A EP19218135A EP3683447B1 EP 3683447 B1 EP3683447 B1 EP 3683447B1 EP 19218135 A EP19218135 A EP 19218135A EP 3683447 B1 EP3683447 B1 EP 3683447B1
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- F04D19/048—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps comprising magnetic bearings
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Definitions
- the invention relates to a vacuum pump, in particular a turbo-molecular pump, according to the preamble of claim 1.
- Such vacuum pumps are known in principle, for example from DE 10 2009 024 337 A1 .
- Turbomolecular vacuum pumps are of particular importance in practice.
- the pumping action is based on an arrangement of stator blades assigned to the stator and rotor blades that are connected to the rotor.
- the axis of rotation of the rotor runs parallel to the pumping direction, from the suction side of the pump, also known as the high vacuum side (HV side) and provided with a pump inlet, to the outlet side of the pump, also known as the fore-vacuum side (W side) runs.
- HV side high vacuum side
- W side fore-vacuum side
- the rotor is typically supported by a so-called hybrid bearing.
- the aforementioned magnetic bearing is located between the rotor and stator.
- the rotor is supported by means of a roller bearing, in particular a ball bearing.
- the rotors of vacuum pumps and in particular of turbo-molecular vacuum pumps rotate at very high speeds during operation.
- the pump and in particular the rotor heat up.
- the result is a comparatively high thermal expansion of the rotor, particularly in the axial direction, that is, parallel to the axis of rotation.
- the object of the invention is to improve a pump of the type mentioned at the outset so that uneven running behavior due to operational heating of the pump is avoided and in particular the preload of the magnetic bearing is at least essentially independent of the operating temperature of the pump.
- At least one of the bearing assemblies is clamped axially between two adjusting sections of an adjusting device, the adjusting sections behaving under the influence of heat in such a way that an axial displacement of the bearing assembly clamped between the adjusting sections results
- the adjusting sections differ from one another with regard to a change in their dimensions and / or their shape and / or their rigidity which is effective in the axial direction and is caused by the influence of heat.
- the two adjusting sections behave under the influence of heat in such a way that an axial displacement of the relevant bearing assembly clamped between the two adjusting sections results.
- the adjusting device according to the invention can compensate for a different temperature behavior of the rotor and stator and thus prevent the axial relative position between the rotor bearing assembly and the stator bearing assembly from changing due to the pump heating up.
- the preload of the magnetic bearing can also be maintained, so that the pump runs in a defined operating state at all times and consequently regardless of its operating temperature.
- clamping of the bearing assembly in question by the two adjusting sections of the actuating device is not to be understood as a compression of the bearing assembly. Rather, clamping is to be understood as meaning that the actuating device, i.e. the two actuating sections, has sufficient rigidity to prevent the bearing rings of the bearing assembly in question from repelling and shifting, which would make it impossible to set a defined preload.
- the adjusting sections can differ from one another with regard to a change in their dimensions and / or their shape and / or their rigidity which is effective in the axial direction and is caused by the influence of heat.
- the adjusting sections can each comprise a spring arrangement that is pretensioned in the initial state, one of which loses or gains more rigidity under the influence of heat than the other, so that a force acting on the package in the axial direction results.
- an adjustment section can expand by an amount that is determined by its coefficient of thermal expansion.
- a change in the dimensions of the adjusting section in the axial direction can alternatively or additionally also result from a change in the shape of the adjusting section, which is caused by a change in temperature. This is the case, for example, when the adjusting section consists at least partially of different materials which differ from one another in terms of their thermal expansion coefficients, as is the case with bimetals according to the invention.
- one of the adjusting sections can deform under the influence of heat in such a way that its axial overall height either increases or decreases, while the other adjusting section is designed in such a way that it is either axially compressed by the bearing assembly acted upon by an axially effective force due to the increase in overall height or - starting from a compressed initial state - relaxes due to the decrease in overall height, i.e. expands axially, and thereby the package with an axially effective Force applied.
- the bearing assembly which itself is not axially compressible, is thus axially displaced in both cases.
- An increase in height or decrease in height of an adjusting section can take place as a result of any deformation and / or thermal expansion.
- one of the adjusting sections (which is made of a bimetal) is itself deformed directly in an axially effective manner in the event of a temperature change
- the other adjusting section (which is, for example, a spring made of a any material) is designed in such a way that it can react to this by means of a deformation that is also effective axially, with the same amount but in the opposite direction.
- the other adjusting section does not have to be designed in such a way that it - like an adjusting section made from a bimetal, for example - deforms itself directly due to the change in temperature. Rather, the other adjusting section can be designed (e.g.
- one - the one that acts - deforms itself directly due to the change in temperature, while the other - the one that reacts to that extent - also deforms, but not directly due to the change in temperature, but as a reaction to a change the force acting axially via the bearing assembly. If this change is a reduction in the force, the reacting actuating section relaxes. If the force increases, the reacting actuating section is compressed.
- the actuating device can consequently have an acting actuating section and a reacting actuating section.
- the acting adjusting section can be designed in such a way that it either increases or decreases its axial height when the temperature increases.
- the acting actuating section can be arranged on the VV side or on the HV side of the bearing package in question. The arrangement of the actuating section depends on whether it increases or decreases its axial height when the temperature increases and whether the bearing assembly is to be shifted to the W side or to the HV side when the temperature increases. If the bearing package is to be moved to the HV side, for example, and the acting adjusting section is designed so that it reduces its axial height when the temperature rises, the acting adjusting section is arranged on the HV side of the bearing package.
- the actuating device is arranged on the stator and clamps the stator-side bearing assembly with its actuating sections. If the rotor expands in the axial direction during operation due to the heating and this results in an axial displacement of the rotor bearing assembly, the two adjusting sections that clamp the stator bearing assembly can ensure that the stator bearing assembly "moves along" with the heat-induced movement of the rotor bearing assembly.
- stator-side bearing package is clamped between the adjusting sections and the temperature behavior of the adjusting device is matched to the temperature behavior of the rotor in such a way that the axial relative position of the two bearing packages remains at least essentially unchanged during operation.
- the invention is not restricted to providing the actuating device according to the invention for the stator core.
- the adjusting device can also be arranged on the rotor and clamp the rotor-side bearing assembly with adjusting sections. Accordingly, in some embodiments it can be provided that the rotor-side bearing package is clamped between the adjusting sections and the temperature behavior of the adjusting device is matched to the temperature behavior of the stator in such a way that the axial relative position of the two bearing packages remains at least essentially unchanged during operation.
- one of the adjusting sections expands axially during operation and / or deforms while increasing its axial dimension and thereby compresses the other adjusting section axially by means of the axially shifting package.
- one of the adjusting sections shrinks axially during operation and / or is deformed while reducing its axial dimension and allows an axial expansion and / or enlargement of the other, previously compressed, adjusting section, which thereby axially shifts.
- At least one of the adjusting sections comprises at least one adjusting element which at least partially consists of a bimetal.
- a bimetal is characterized by the fact that it comprises different metals which differ from one another with regard to their coefficients of thermal expansion.
- the bimetal changes its shape when the temperature changes, for example in the sense of a bending. This effect can be used for the invention in order to ensure a sufficiently large expansion or shrinkage of the adjusting element and / or change in shape of the adjusting element in the axial direction when the pump is heated.
- the actuating element which is at least partially made of a bimetal, is designed in such a way that, starting from a flat or slightly curved state, when the temperature increases, it changes into a curved or more curved state, or vice versa.
- the adjusting element can preferably be shaped like a plate spring in the curved or more strongly curved state.
- Disc springs are known in principle to the person skilled in the art and are characterized in particular by the fact that they are able to transmit relatively large forces in a comparatively small space.
- a single plate spring formed from a bimetal can be used.
- At least one of the actuating sections comprises at least one spring element.
- the spring element can be a so-called wave spring, for example.
- Wave springs are known in principle to the person skilled in the art. These typically consist of one or more superimposed, circular, partially circular, ring or partially ring-shaped metal strips, which, however, do not lie in a single plane, but rather have a wave shape in the circumferential direction, i.e. have a three-dimensional shape.
- the actuating section acting in the sense explained above comprises a wave spring which is at least partially made from a bimetal, ie an actuating element comprising a bimetal of the actuating section does not have to - as explained in the above example - be designed in the manner of one or more disc springs.
- the wave spring of the actuating adjusting section is designed in such a way that the amplitude of its wave shape and thus the axially effective structural height changes when the temperature increases.
- the wave spring can be designed so that either in a non-operating state or in an operating state, the amplitude is zero or only slightly different from zero, the wave spring is flat or essentially flat and only changes when there is a temperature change - either a temperature increase or a Decrease in temperature - deformed to take on a wave shape.
- Some embodiments of the invention can have a combination of two adjusting sections for the adjusting device according to the invention, one adjusting section comprising an adjusting element at least partially made of a bimetal, for example in the form of one or more disc springs, and the other adjusting section comprising a spring element, for example in the form of a wave spring .
- the actuating element which is at least partially made of a bimetal
- the spring element is arranged on the high-vacuum side of the magnetic bearing.
- the reverse arrangement of the two adjusting elements is also possible according to the invention, i.e. the adjusting element, which is at least partially made of a bimetal, can be arranged in alternative embodiments on the high vacuum side of the magnetic bearing and the spring element on its fore-vacuum side.
- the adjusting sections of the adjusting device according to the invention are each supported on their axial side facing away from the magnetic bearing package on a support section of the stator or the rotor. Between the two axially spaced support sections of the stator or the rotor are then with the exception of the two adjusting sections and the magnetic bearing assembly clamped by them no further components - possibly with the exception of spacer elements as explained below - arranged.
- the actuating sections can each comprise a spacer element which is arranged between the actuating element in question and the first permanent magnet bearing ring as seen from this.
- the spacer element can therefore be a component of the respective adjusting section or be viewed as such a component. But this is not mandatory.
- the spacer elements can each be a component between the bearing assembly and the actuating section or can be viewed as such a component. Such a spacer element can in particular protect the bearing ring in question from damage due to the deformation of the adjusting element.
- VV-side support section - W-side adjusting element - W-side spacer element - permanent magnet ring bearing package - HV-side spacer element - HV-side adjusting element - HV-side support section.
- the two magnetic bearing assemblies are displaced relative to one another in the axial direction.
- This preload of the magnetic bearing is made as a pre-setting when the pump is manufactured. That bearing package that is not clamped by the adjusting device can be shifted either in the direction of a fore-vacuum side or a high-vacuum side of the magnetic bearing with respect to the bearing stack clamped by the adjusting device.
- the invention ensures that the rotor bearing package remains on the preset side and a stable state is established during operation.
- the turbo-molecular pump 111 shown comprises a pump inlet 115 which is surrounded by an inlet flange 113 and 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 according to FIG 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 laterally. Electrical and / or electronic components of the vacuum pump 111 are accommodated in the electronics housing 123, for example for operating an electric motor 125 arranged in the vacuum pump (see also FIG Fig. 3 ).
- a plurality of 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.
- turbo-molecular pumps that do not have such an attached electronics housing, but are connected to external drive electronics.
- a flood inlet 133 in particular in the form of a flood valve, is provided on the housing 119 of the turbo molecular pump 111, via which the vacuum pump 111 can be flooded.
- a barrier gas connection 135, which is also referred to as a purge gas connection via which purge gas to protect the electric motor 125 (see e.g. Fig. 3 ) can be admitted into the engine compartment 137, in which the electric motor 125 in the vacuum pump 111 is accommodated, before the gas conveyed by the pump.
- Two coolant connections 139 are also arranged in the lower part 121, one of the coolant connections being provided as an inlet and the other coolant connection being provided as an outlet for coolant, which is fed into the vacuum pump for cooling purposes can be directed.
- Other existing turbo-molecular vacuum pumps (not shown) are operated exclusively with air cooling.
- 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 lower side 141.
- the vacuum pump 111 can, however, also be attached to a recipient via the inlet flange 113 and can thus be operated in a suspended manner, as it were.
- the vacuum pump 111 can be designed in such a way that it can also be put into operation when it is oriented in a different way than in FIG Fig. 1 is shown.
- Embodiments of the vacuum pump can also be implemented in which the underside 141 cannot be arranged facing downwards, but facing to the side or facing upwards. In principle, any angle is possible.
- a bearing cap 145 is attached to the underside 141.
- Fastening bores 147 are also arranged on the underside 141, via which the pump 111 can be fastened to a support surface, for example. This is not possible with other existing turbo-molecular vacuum pumps (not shown), which are in particular larger than the pump shown here.
- a coolant line 148 is shown, in which the coolant introduced and discharged via the coolant connections 139 can circulate.
- the vacuum pump comprises several 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 which is rotatable about an axis of rotation 151.
- the turbo-molecular pump 111 comprises several turbo-molecular pump stages connected in series with one another with several 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 Pumping 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 are connected in series with one another for effective pumping. There are other turbo-molecular vacuum pumps (not shown) that do not have Holweck pump stages.
- the rotor of the Holweck pump stages comprises a rotor hub 161 arranged on the rotor shaft 153 and two cylinder-jacket-shaped Holweck rotor sleeves 163, 165 which are attached to the rotor hub 161 and carried by the latter, which are oriented coaxially to the axis of rotation 151 and nested in one another in the radial direction. Furthermore, two cylinder jacket-shaped Holweck stator sleeves 167, 169 are provided, which are also oriented coaxially to the axis of rotation 151 and, viewed in the radial direction, are nested in one another.
- the active pumping surfaces of the Holweck pump stages are formed by the jacket surfaces, that is to say by the radial inner and / or outer surfaces, of the Holweck rotor sleeves 163, 165 and 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 with this forms the first Holweck pump stage following the turbo molecular 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 with this a second Holweck pumping stage.
- the radial inner surface of the inner Holweck stator sleeve 169 lies opposite the radial outer surface of the inner Holweck rotor sleeve 165 with the formation of a radial Holweck gap 175 and with this forms the third Holweck pumping stage.
- a radially running channel can be provided, via which the radially outer Holweck gap 171 is connected to the central Holweck gap 173.
- a radially running channel can be provided at the upper end of the inner Holweck stator sleeve 169, via which the middle Holweck gap 173 is connected to the radially inner Holweck gap 175.
- a connecting channel 179 to the outlet 117 can also be provided at the lower end of the radially inner Holweck rotor sleeve 165.
- the above-mentioned pump-active surfaces of the Holweck stator sleeves 167, 169 each have a plurality of Holweck grooves running helically around the axis of rotation 151 in the axial direction, while the opposite ones
- the outer surfaces of the Holweck rotor sleeves 163, 165 are smooth and propel the gas for operating 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 magnetic bearing 183 in the area of the pump inlet 115.
- a conical injection molded nut 185 with an outer diameter that increases towards the roller bearing 181 is provided on the rotor shaft 153.
- the injection-molded nut 185 is in sliding contact with at least one stripper of an operating medium store.
- an injection screw can be provided instead of an injection nut. Since different designs are thus possible, the term "spray tip" is also used in this context.
- the operating medium reservoir comprises several absorbent disks 187 stacked on top of one another, which are impregnated with an operating medium for the roller bearing 181, e.g. with a lubricant.
- the operating medium is transferred by capillary action from the operating medium reservoir via the scraper to the rotating injection nut 185 and, as a result of the centrifugal force, is conveyed along the injection nut 185 in the direction of the increasing outer diameter of the injection nut 185 to the roller bearing 181, where it eg fulfills a lubricating function.
- the roller bearing 181 and the operating medium store are enclosed in the vacuum pump by a trough-shaped insert 189 and the bearing cover 145.
- the permanent magnetic bearing 183 comprises a rotor-side bearing half 191 and a stator-side bearing half 193, which each have a ring stack of several permanent magnetic rings 195, stacked one on top of the other in the axial direction, 197 include.
- the ring magnets 195, 197 are opposite one another with the formation of a radial bearing gap 199, the rotor-side ring magnets 195 being arranged radially on the outside and the stator-side ring magnets 197 being arranged radially on the 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 support section 203 which extends through the ring magnets 197 and is suspended from radial struts 205 of the housing 119.
- the ring magnets 195 on the rotor side are fixed parallel to the axis of rotation 151 by a cover element 207 coupled to the carrier section 201.
- 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 backup bearing 215 is provided within the magnetic bearing, which runs idle during normal operation of the vacuum pump 111 without contact and only comes into engagement with an excessive radial deflection of the rotor 149 relative to the stator to create a radial stop for the rotor 149 to form so that a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented.
- the backup bearing 215 is designed as an unlubricated roller bearing and forms a radial gap with the rotor 149 and / or the stator, which has the effect that the backup bearing 215 is disengaged during normal pumping operation.
- the radial deflection at which the backup bearing 215 engages is dimensioned large enough that the backup bearing 215 does not come into engagement during normal operation of the vacuum pump, and at the same time small enough that a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented under all circumstances.
- 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 extending through the motor stator 217.
- the motor stator 217 is fixed in the housing within the motor compartment 137 provided for the electric motor 125.
- a sealing gas which is also referred to as a flushing gas and which can be air or nitrogen, for example, can enter the engine compartment 137 via the sealing gas connection 135.
- the electric motor 125 can be protected from process gas, e.g. from corrosive components of the process gas, via the sealing gas.
- the engine compartment 137 can also be evacuated via the pump outlet 117, i.e. the vacuum pressure produced by the backing pump connected to the pump outlet 117 is at least approximately in the engine compartment 137.
- a so-called labyrinth seal 223, known per se, can also be provided between the rotor hub 161 and a wall 221 delimiting the engine compartment 137, in particular in order to achieve better sealing of the motor compartment 217 from the radially outside Holweck pump stages.
- the invention explained below with reference to a possible exemplary embodiment can be used in turbo-molecular vacuum pumps, as described above by way of example with reference to FIG Figs. 1 to 5 described and in connection with the description of the Figs. 1 to 5 mentioned but not shown.
- a rotor 15 rotatably mounted about an axis of rotation 13 and provided with rotor blades is provided in the area of its axial end facing the high vacuum side HV, i.e. the pump inlet 27 of the vacuum pump, with an arrangement of several axially successive permanent magnet rings 35, also referred to below as rotor bearing assembly 25.
- the rotor 15 is supported by a roller bearing (not shown) on a housing or a lower part of the pump (not shown).
- the rotor bearing assembly 25 is axially supported on the VV side on a support section 15b of the rotor 15, which is formed by a shoulder, and on the HV side on an end-face end section 15a of the rotor 15. With the end section 15a, the rings 35 are pressed together without any gaps.
- stator 11 of the turbomolecular vacuum pump according to the invention shown separately in each case, is also provided with an arrangement of several axially successive permanent magnet rings 31, which is also referred to below as the stator bearing assembly 21.
- This stator bearing assembly 21 and the bearing assembly 25 of the rotor 15 form the radial magnetic bearing of the turbo-molecular vacuum pump according to the invention for its rotor 15 and the HV-side bearing point of the rotor 15 in the area of the inlet 27 of the pump.
- the stator 11 At its axial end on the fore-vacuum side, the stator 11 is provided with an emergency bearing 23, also known as a safety bearing, in the form of a roller bearing which, in the event of an excessive deflection of the rotor 15 that does not correspond to a normal operating state, interacts with a pin 24 of the rotor 15 to prevent damage to the rotor Magnetic bearing 21, 25 to prevent.
- an emergency bearing 23 also known as a safety bearing, in the form of a roller bearing which, in the event of an excessive deflection of the rotor 15 that does not correspond to a normal operating state, interacts with a pin 24 of the rotor 15 to prevent damage to the rotor Magnetic bearing 21, 25 to prevent.
- the stator 11 is provided with a flange section 29, which serves on the one hand as an axial support section 11a for the stator bearing assembly 21 and on the other hand for the HV-side fixation of the stator 11 on the pump housing (not shown).
- the flange section 29 can be connected to a star-shaped end section of the pump housing (not shown), which extends perpendicular to the axis of rotation 13 in the inlet opening of the pump housing and comprises a plurality of arms distributed in the circumferential direction and extending in the radial direction.
- the turbo-molecular vacuum pump according to the invention differs from conventional pumps of this type in that the stator bearing assembly 21 is axially accommodated. 11a supported axially.
- an adjusting section 17 in the form of a disk spring assembly is provided between the stator bearing assembly 21 and the relevant support section 11b of the stator 11, the individual disk springs each being made from a bimetal.
- the individual disc springs In a non-operational state according to Figure 7a the individual disc springs are flat or only slightly curved.
- an operating state according to Figure 7b in which due to the operational warming of the pump have also heated the disc springs, they have changed into a more arched state, which means that the overall axial height of this adjusting section 17 compared to the starting position ( Figure 7a ) has enlarged.
- stator bearing assembly 21 When the pump is heated up for operational reasons, the stator bearing assembly 21 is consequently displaced by the adjusting section 17 in the axial direction towards the HV side.
- This spring element 19 forms a further adjusting section which, together with the disk spring assembly 17, forms an adjusting device according to the invention for the stator bearing assembly 21.
- the insofar as passive or reactive spring element 19 is thus indirectly compressed via the stator bearing assembly 17, which is moved towards the HV side, by the insofar active or acting actuating section 17, namely by an amount that compensates for the increase in the axial height of the actuating section 17.
- This resulting direction of movement of the stator bearing assembly 21 corresponds to the direction in which, in the exemplary embodiment described here, the rotor 15 expands under the influence of heat and consequently the rotor bearing assembly 25 moves.
- the rotor bearing assembly 25 is set towards the VV side.
- A denotes the axial distance between the stator 11 and the end section 15a of the rotor 15.
- the dimension d is designated by which the permanent magnet rings 31 of the stator bearing assembly 21 are axially offset with respect to the permanent magnet rings 35 of the rotor bearing assembly 25.
- L denotes the axial height of the VV-side adjusting section 17 of the stator 11, that is to say of the bimetallic cup spring stack.
- the stator bearing assembly 21 has moved under the influence of heat due to the inventive design of the adjusting device comprising the two adjusting sections 17, 19 in the axial direction by the dimension x towards the HV side.
- the two adjusting sections 17, 19 have been designed in such a way that the dimension x corresponds to that axial dimension A - A 'by which the rotor 15 expands in the axial direction and the rotor bearing assembly 25 has moved to the HV side.
- the stator bearing assembly 21 under the influence of heat, the stator bearing assembly 21 "migrated" with the rotor 15 towards the HV side.
- the actuating device according to the invention in particular the arrangement of the spring element 19 and bimetallic disk spring assembly 17, can alternatively also be assigned to the rotor 15, unlike in the exemplary embodiment described above.
- a respective assignment can be selected individually for each type of vacuum pump depending on the temperature conditions between rotor and stator during operation.
- a rotor that is permanently set either in the direction of the fore-vacuum side - as in the exemplary embodiment described above - or in the direction of the high-vacuum side can lead to better running behavior.
- the respective setting of the rotor will then have to be selected accordingly. This then results in the relative arrangement of the two different adjusting sections 17, 19 of the adjusting device according to the invention.
- the “active” or “acting” actuating section for example a bimetallic disk spring assembly
- the “passive” or “reactive” actuating section for example a wave spring or another Spring element
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Derartige Vakuumpumpen sind grundsätzlich bekannt, z.B. aus
DE 10 2009 024 337 A1 . Für die Praxis sind Turbomolekularvakuumpumpen von besonderer Bedeutung. Die Pumpwirkung beruht hierbei auf einer Anordnung aus dem Stator zugeordneten Statorschaufeln und Rotorschaufeln, die mit dem Rotor verbunden sind. Bei einem typischen Aufbau einer Turbomolekularvakuumpumpe verläuft die Drehachse des Rotors parallel zur Pumprichtung, die von einer auch als Hochvakuumseite (HV-Seite) bezeichneten, mit einem Pumpeneinlass versehenen Ansaugseite der Pumpe zur auch als Vorvakuum-Seite (W-Seite) bezeichneten Auslassseite der Pumpe verläuft. - Die Lagerung des Rotors erfolgt in der Praxis typischerweise durch eine sogenannte Hybridlagerung. Auf der Hochvakuumseite befindet sich das bereits erwähnte Magnetlager zwischen Rotor und Stator. Auf der Vorvakuumseite ist der Rotor mittels eines Wälzlagers, insbesondere eines Kugellagers, gelagert.
- Die Rotoren von Vakuumpumpen und insbesondere von Turbomolekularvakuumpumpen rotieren während des Betriebs mit sehr hohen Drehzahlen. Im Betrieb kommt es daher zu einer Erwärmung der Pumpe und dabei insbesondere des Rotors. Die Folge ist eine vergleichsweise hohe Wärmeausdehnung des Rotors insbesondere in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse.
- Dies führt in der Praxis zu Problemen. Grundsätzlich ist für das Magnetlager eine axiale Vorspannung erforderlich. Dies bedeutet, dass das Lagerpaket des Rotors und das Lagerpaket des Stators axial gegeneinander verschoben sind, so dass kein Rotor-Permanentmagnetlagerring exakt auf der gleichen axialen Höhe liegt wie ein Stator-Permanentmagnetlagerring. Bislang erfolgt die Vorspannung des Magnetlagers in der Praxis meist derart, dass das Rotorlagerpaket, also der Stapel der rotorseitigen Permanentmagnetringe, in Richtung der Vorvakuumseite gegenüber dem Statorlagerpaket verschoben ist. Diese bei der Herstellung der Vakuumpumpe vorgenommene Einstellung des rotorseitigen Magnetlagers ist der vorstehend erwähnten Wärmeausdehnung des Rotors im Betrieb geschuldet. Denn aufgrund der betriebsbedingten Erwärmung des Rotors und der daraus resultierenden axialen Wärmeausdehnung des Rotors verändert sich die Relativposition zwischen dem rotorseitigen Magnetlagerpaket und dem statorseitigen Magnetlagerpaket. Dies führt allerdings zu einer Veränderung der Vorspannung des Magnetlagers, was zur Folge hat, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt der Rotor eine plötzliche Bewegung in Richtung der Hochvakuumseite ausführt. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem "Springen" des zuvor "vorvakuumseitig laufenden" Rotors, der anschließend "hochvakuumseitig" läuft.
- Dieses in der Praxis beobachtete Phänomen hat zum einen den Nachteil, dass aufgrund des Springens des Rotors das Wälzlager des Rotors durch mechanische Schläge einer übermäßigen Beanspruchung ausgesetzt ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Vorspannung des Magnetlagers der Pumpe von der Betriebstemperatur abhängig ist, d.h. die Pumpe mit unterschiedlichen Vorspannungen läuft. Hieraus resultiert ein in der Praxis regelmäßig beobachtetes unruhiges Laufverhalten, was von den Anwendern als nachteilig empfunden wird.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein unruhiges Laufverhalten aufgrund einer betriebsbedingten Erwärmung der Pumpe vermieden wird und insbesondere die Vorspannung des Magnetlagers zumindest im Wesentlichen unabhängig von der Betriebstemperatur der Pumpe ist.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eines der Lagerpakete axial zwischen zwei Stellabschnitten einer Stelleinrichtung eingespannt ist, wobei sich die Stellabschnitte unter Wärmeeinfluss derart verhalten, dass eine axiale Verschiebung des zwischen den Stellabschnitten eingespannten Lagerpakets resultiert, wobei insbesondere die Stellabschnitte sich hinsichtlich einer in axialer Richtung wirksamen, durch Wärmeeinfluss hervorgerufenen Änderung ihrer Abmessung und/oder ihrer Form und/oder ihrer Steifigkeit voneinander unterscheiden.
- Erfindungsgemäß verhalten sich die beiden Stellabschnitte unter Wärmeeinfluss derart, dass eine axiale Verschiebung des betreffenden, zwischen den beiden Stellabschnitten eingespannten Lagerpakets resultiert. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Stelleinrichtung ein unterschiedliches Temperaturverhalten von Rotor und Stator ausgleichen und so verhindern, dass sich die axiale Relativposition zwischen Rotorlagerpaket und Statorlagerpaket aufgrund einer Erwärmung der Pumpe verändert. Dadurch kann auch die Vorspannung des Magnetlagers beibehalten werden, so dass die Pumpe zu jedem Zeitpunkt und folglich unabhängig von ihrer Betriebstemperatur in einem definierten Betriebszustand läuft.
- Da die Permanentmagnetringe praktisch nicht komprimierbar sind, ist unter einem Einspannen des betreffenden Lagerpakets durch die beiden Stellabschnitte der Stelleinrichtung keine Kompression des Lagerpakets zu verstehen. Vielmehr ist unter dem Einspannen zu verstehen, dass die Stelleinrichtung, also die beiden Stellabschnitte, eine ausreichende Steifigkeit aufweist, um zu verhindern, dass sich die Lagerringe des betreffenden Lagerpakets voneinander abstoßen und sich verschieben können, was die Einstellung einer definierten Vorspannung unmöglich machen würde.
- Mögliche Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
- Insbesondere können sich die Stellabschnitte hinsichtlich einer in axialer Richtung wirksamen, durch Wärmeeinfluss hervorgerufenen Änderung ihrer Abmessung und/oder ihrer Form und/oder ihrer Steifigkeit voneinander unterscheiden. Beispielsweise können die Stellabschnitte jeweils eine im Ausgangszustand vorgespannte Federanordnung umfassen, von denen die eine unter Wärmeeinfluss stärker an Steifigkeit verliert oder gewinnt als die andere, so dass eine auf das Paket in axialer Richtung wirkende Kraft resultiert.
- Ein Stellabschnitt kann sich z.B. bei einer Temperaturerhöhung um ein Maß ausdehnen, das durch seinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestimmt ist.
- Eine Veränderung der Abmessung des Stellabschnitts in axialer Richtung kann sich alternativ oder zusätzlich auch durch eine Änderung der Form des Stellabschnitts ergeben, die durch eine Temperaturänderung hervorgerufen wird. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn der Stellabschnitt zumindest teilweise aus verschiedenen Materialien besteht, die sich hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden, wie es erfindungsgemäß bei Bimetallen der Fall ist.
- Des Weiteren kann sich in manchen Ausführungsformen einer der Stellabschnitte unter Wärmeeinfluss so verformen, dass seine axiale Bauhöhe entweder zunimmt oder abnimmt, während der andere Stellabschnitt derart ausgestaltet ist, dass er entweder durch das aufgrund der Bauhöhenzunahme mit einer axial wirksamen Kraft beaufschlagte Lagerpaket axial komprimiert wird oder sich - ausgehend von einem komprimierten Ausgangszustand - aufgrund der Bauhöhenabnahme entspannt, also axial ausdehnt, und dadurch das Paket mit einer axial wirksamen Kraft beaufschlagt. Im Ergebnis wird das Lagerpaket, das selbst axial nicht komprimierbar ist, in beiden Fällen also axial verschoben.
- Eine Bauhöhenzunahme oder eine Bauhöhenabnahme eines Stellabschnitts kann durch eine beliebige Verformung und/oder durch eine Wärmeausdehnung erfolgen.
- Allgemeiner ausgedrückt kann erfindungsgemäß also vorgesehen sein, dass einer der Stellabschnitte (der aus einem Bimetall hergestellt ist) sich bei einer Temperaturänderung unmittelbar selbst in einer in axialer Richtung wirksamen Weise verformt, während der andere Stellabschnitt (bei dem es sich z.B. um eine Feder aus einem beliebigen Material handelt) so ausgebildet ist, dass er hierauf durch eine ebenfalls axial, mit gleichem Betrag, aber in die entgegengesetzte Richtung, wirksame Verformung reagieren kann. Dabei muss der andere Stellabschnitt nicht so ausgebildet sein, dass er sich - wie z.B. ein aus einem Bimetall hergestellter Stellabschnitt - aufgrund der Temperaturänderung unmittelbar selbst verformt. Vielmehr kann der andere Stellabschnitt so ausgebildet sein (z.B. als ein Federelement), dass er sich dadurch verformt, dass er komprimiert wird oder sich entspannt, wenn die mittels des Lagerpakets auf ihn ausgeübte Kraft erhöht bzw. verringert wird. Hierdurch wird erreicht, dass das Paket zu jedem Zeitpunkt zwischen den Stellabschnitten eingespannt ist und somit eine definierte axiale Position einnimmt. Außerdem kann hierdurch eine ausreichende Steifigkeit der von den beiden Stellabschnitten gebildeten Stelleinrichtung gewährleistet werden.
- Es kann also vorgesehen sein, dass sich der eine - der insofern agierende - Stellabschnitt aufgrund der Temperaturänderung unmittelbar selbst verformt, während der andere - der insofern reagierende - Stellabschnitt sich ebenfalls verformt, aber eben nicht unmittelbar aufgrund der Temperaturänderung, sondern als Reaktion auf eine Änderung der axial über das Lagerpaket einwirkenden Kraft. Ist diese Änderung eine Verringerung der Kraft, entspannt sich der reagierende Stellabschnitt. Vergrößert sich die Kraft, wird der reagierende Stellabschnitt komprimiert.
- Dies schließt aber nicht aus, dass auch der reagierende Stellabschnitt so ausgebildet ist, dass er sich unmittelbar aufgrund einer Temperaturänderung verformt. Es kann also eine Überlagerung einer unmittelbaren Wirkung und einer mittelbaren Wirkung der Temperaturänderung erfolgen.
- Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung kann folglich einen agierenden Stellabschnitt und einen reagierenden Stellabschnitt aufweisen. Der agierende Stellabschnitt kann so ausgebildet sein, dass er bei einer Temperaturerhöhung seine axiale Bauhöhe entweder vergrößert oder verkleinert. Der agierende Stellabschnitt kann auf der VV-Seite oder auf der HV-Seite des betreffenden Lagerpakets angeordnet sein. Die Anordnung des agierenden Stellabschnitts hängt davon ab, ob dieser bei einer Temperaturerhöhung seine axiale Bauhöhe vergrößert oder verkleinert und ob das Lagerpaket bei einer Temperaturerhöhung zur W-Seite oder zur HV-Seite verschoben werden soll. Soll das Lagerpaket z.B. zur HV-Seite verschoben werden und ist der agierende Stellabschnitt so ausgebildet, dass er bei einer Temperaturerhöhung seine axiale Bauhöhe verkleinert, wird der agierende Stellabschnitt auf der HV-Seite des Lagerpakets angeordnet.
- In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung am Stator angeordnet ist und mit ihren Stellabschnitten das statorseitige Lagerpaket einspannt. Dehnt sich der Rotor im Betrieb aufgrund der Erwärmung in axialer Richtung aus und kommt es hierdurch zu einer axialen Verschiebung des Rotorlagerpakets, kann durch die beiden das Statorlagerpaket einspannenden Stellabschnitte erreicht werden, dass das Statorlagerpaket mit der wärmebedingten Bewegung des Rotorlagerpakets gewissermaßen "mitwandert".
- Dementsprechend kann in manchen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass das statorseitige Lagerpaket zwischen den Stellabschnitten eingespannt und das Temperaturverhalten der Stelleinrichtung auf das Temperaturverhalten des Rotors derart abgestimmt ist, dass die axiale Relativposition der beiden Lagerpakete im Betrieb zumindest im Wesentlichen unverändert bleibt.
- Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt, die erfindungsgemäße Stelleinrichtung für das Statorpaket vorzusehen. Alternativ kann die Stelleinrichtung auch am Rotor angeordnet sein und mit Stellabschnitten das rotorseitige Lagerpaket einspannen. Dementsprechend kann in manchen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass das rotorseitige Lagerpaket zwischen den Stellabschnitten eingespannt und das Temperaturverhalten der Stelleinrichtung auf das Temperaturverhalten des Stators derart abgestimmt ist, dass die axiale Relativposition der beiden Lagerpakete im Betrieb zumindest im Wesentlichen unverändert bleibt.
- Bei manchen möglichen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich einer der Stellabschnitte im Betrieb axial ausdehnt und/oder unter Vergrößerung seiner axialen Abmessung verformt und dabei den anderen Stellabschnitt mittels des sich axial verschiebenden Pakets axial komprimiert. Alternativ kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass einer der Stellabschnitte im Betrieb axial schrumpft und/oder sich unter Verkleinerung seiner axialen Abmessung verformt und eine axiale Ausdehnung und/oder Vergrößerung des anderen, zuvor komprimierten, Stellabschnitts erlaubt, der dadurch das Lagerpaket axial verschiebt.
- Erfindungsgemäß umfasst zumindest einer der Stellabschnitte wenigstens ein Stellelement, das zumindest teilweise aus einem Bimetall besteht. Ein Bimetall zeichnet sich dadurch aus, dass es unterschiedliche Metalle umfasst, die sich hinsichtlich ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden. Hierdurch verändert das Bimetall bei einer Temperaturänderung seine Form, beispielsweise im Sinne einer Verbiegung. Dieser Effekt kann für die Erfindung ausgenutzt werden, um bei einer Erwärmung der Pumpe für eine ausreichend große Ausdehnung oder Schrumpfung des Stellelementes und/oder Formänderung des Stellelementes in axialer Richtung zu sorgen.
- Gemäß einer Alternative der Erfindung ist das zumindest teilweise aus einem Bimetall bestehende Stellelement derart ausgebildet sein, dass es ausgehend von einem flachen oder leicht gewölbten Zustand bei einer Temperaturerhöhung in einen gewölbten oder stärker gewölbten Zustand übergeht, oder umgekehrt. Vorzugsweise kann das Stellelement in dem gewölbten bzw. stärker gewölbten Zustand wie eine Tellerfeder geformt sein. Tellerfedern sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie in der Lage sind, auf vergleichsweise kleinem Raum relativ große Kräfte zu übertragen. Erfindungsgemäß kann eine einzige von einem Bimetall gebildete Tellerfeder eingesetzt werden. Alternativ ist es möglich, ein Tellerfederpaket aus mehreren gestapelten Bimetall-Tellerfedern vorgesehen sein.
- In manchen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der Stellabschnitte, insbesondere der im vorstehend erläuterten Sinne reagierende Stellabschnitt, wenigstens ein Federelement umfasst. Bei dem Federelement kann es sich beispielsweise um eine sogenannte Wellenfeder handeln. Wellenfedern sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Diese bestehen typischerweise aus einem oder aus mehreren übereinander liegenden, kreis-, teilkreis-, ring- oder teilringförmigen Metallstreifen, die jedoch jeweils nicht in einer einzigen Ebene liegen, sondern in Umfangsrichtung eine Wellenform aufweisen, d.h. eine dreidimensionale Form besitzen.
- Gemäß einer weiteren Alternative der Erfindung umfasst der im vorstehend erläuterten Sinne agierende Stellabschnitt eine Wellenfeder, die zumindest teilweise aus einem Bimetall hergestellt ist, d.h. ein ein Bimetall umfassendes Stellelement des agierenden Stellabschnitts muss nicht - wie im vorstehenden Beispiel erläutert - nach Art einer oder mehrerer Tellerfedern ausgebildet sein. Die Wellenfeder des agierenden Stellabschnitts ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sich die Amplitude ihrer Wellenform und damit die axial wirksame Bauhöhe bei einer Temperaturerhöhung verändert. Dabei kann die Wellenfeder so ausgebildet sein, dass entweder in einem Nichtbetriebszustand oder in einem Betriebszustand die Amplitude Null ist oder nur geringfügig von Null verschieden ist, die Wellenfeder also flach oder im Wesentlichen flach ist und sich erst bei einer Temperaturveränderung - entweder einer Temperaturerhöhung oder einer Temperaturverringerung - so verformt, dass sie eine Wellenform einnimmt.
- Einige Ausführungsformen der Erfindung können für die erfindungsgemäße Stelleinrichtung eine Kombination aus zwei Stellabschnitten aufweisen, wobei der eine Stellabschnitt ein zumindest teilweise aus einem Bimetall bestehendes Stellelement, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Tellerfedern, und der andere Stellabschnitt ein Federelement umfasst, beispielsweise in Form einer Wellenfeder. Dabei kann vorgesehen sein, dass das zumindest teilweise aus einem Bimetall bestehende Stellelement auf der Vorvakuumseite des Magnetlagers und das Federelement auf der Hochvakuumseite des Magnetlagers angeordnet ist. Die umgekehrte Anordnung der beiden Stellelemente ist jedoch erfindungsgemäß ebenfalls möglich, d.h. das zumindest teilweise aus einem Bimetall bestehende Stellelement kann in alternativen Ausführungsformen auf der Hochvakuumseite des Magnetlagers und das Federelement auf dessen Vorvakuumseite angeordnet sein.
- Des Weiteren kann in manchen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Stellabschnitte der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung jeweils an ihrer vom Magnetlagerpaket abgewandten axialen Seite an einem Stützabschnitt des Stators bzw. des Rotors abgestützt sind. Zwischen den beiden axial beabstandeten Stützabschnitten des Stators bzw. des Rotors sind dann mit Ausnahme der beiden Stellabschnitte und des von diesen eingespannten Magnetlagerpakets keine weiteren Komponenten - gegebenenfalls mit Ausnahme von Distanzelementen wie nachstehend erläutert - angeordnet.
- Die Stellabschnitte können jeweils zusätzlich zu einem oder mehreren verformbaren Stellelementen, z.B. wie sie vorstehend erläutert worden sind, ein Distanzelement umfassen, welches zwischen dem betreffenden Stellelement und dem von diesem aus gesehen ersten Permanentmagnetlagering angeordnet ist. Das Distanzelement kann also ein Bestandteil des jeweiligen Stellabschnitts sein oder als ein solcher Bestandteil betrachtet werden. Dies ist aber nicht zwingend. Die Distanzelemente können jeweils eine Komponente zwischen dem Lagerpaket und dem Stellabschnitt sein oder als eine solche Komponente betrachtet werden. Durch ein solches Distanzelement kann der betreffende Lagerring insbesondere vor Beschädigungen aufgrund der Verformung des Stellelementes geschützt werden. Die axiale Schichtung stellt sich dann also wie folgt dar: VV-seitiger Stützabschnitt - W-seitiges Stellelement - W-seitiges Distanzelement - Permanentmagnetringlagerpaket - HV-seitiges Distanzelement - HV-seitiges Stellelement - HV-seitiger Stützabschnitt.
- Wie eingangs bereits erwähnt, sind bei den bekannten Magnetlagern, wie sie vorzugsweise bei einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe vorgesehen sein können, die beiden Magnetlagerpakete in axialer Richtung gegeneinander verschoben. Diese Vorspannung des Magnetlagers wird als Voreinstellung bei der Herstellung der Pumpe vorgenommen. Dabei kann dasjenige Lagerpaket, das nicht durch die Stelleinrichtung eingespannt ist, entweder in Richtung einer Vorvakuumseite oder einer Hochvakuumseite des Magnetlagers gegenüber dem durch die Stelleinrichtung eingespannten Lagerpaket verschoben sein. In beiden Fällen ist durch die Erfindung sichergestellt, dass das Rotorlagerpaket auf der voreingestellten Seite bleibt und sich während des Betriebs ein stabiler Zustand einstellt..
- Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
- 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, - Fig. 6a und 6b
- jeweils teilweise einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe entlang der Drehachse des Rotors in einem Nichtbetriebszustand (
Fig. 6a ) und einem Betriebszustand (Fig. 6b ), und - Fig. 7a und 7b
- jeweils eine Darstellung entsprechend
Fig. 6a bzw.Fig. 6b , wobei jeweils ausschließlich der Stator der Pumpe gezeigt ist. - 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 (vgl. auchFig. 3 ). 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. - Es existieren auch Turbomolekularpumpen, die kein derartiges angebrachtes Elektronikgehäuse aufweisen, sondern an eine externe Antriebselektronik angeschlossen werden.
- 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, eingelassen 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. Andere exisierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) werden ausschließlich mit Luftkühlung betrieben. - 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. Grundsätzlich sind dabei beliebige Winkel möglich. - Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, können nicht stehend betrieben werden.
- 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. Dies ist bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, nicht möglich.
- 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. Es existieren andere Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die keine Holweck-Pumpstufen aufweisen.
- 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 167, 169 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. Bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) kann anstelle einer Spritzmutter eine Spritzschraube vorgesehen sein. Da somit unterschiedliche Ausführungen möglich sind, wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff "Spritzspitze" verwendet.
- 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 201 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, damit 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 nachfolgend anhand eines möglichen Ausführungsbeispiels erläuterte Erfindung kann bei Turbomolekularvakuumpumpen eingesetzt werden, wie sie vorstehend beispielhaft anhand der
Fig. 1 bis 5 beschrieben und im Zusammenhang mit der Beschreibung derFig. 1 bis 5 erwähnt, aber nicht dargestellt, worden ist. - Die in den
Fig. 6a und 6b sowie 7a und 7b nicht dargestellten Bestandteile einer erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe entsprechen dem herkömmlichen Aufbau einer derartigen Pumpe, wie er beispielsweise anhand derFig. 1 bis 5 beschrieben worden ist. - Ein um eine Drehachse 13 drehbar gelagerter und mit Rotorschaufeln versehener Rotor 15 ist im Bereich seines der Hochvakuumseite HV, also dem Pumpeneinlass 27 der Vakuumpumpe, zugewandten axialen Endes mit einer im Folgenden auch als Rotorlagerpaket 25 bezeichneten Anordnung aus mehreren axial aufeinander folgenden Permanentmagnetringen 35 versehen. An seinem entgegengesetzten axialen Ende, das der Vorvakuumseite VV der Pumpe zugewandt ist, ist der Rotor 15 durch ein Wälzlager (nicht dargestellt) an einem Gehäuse oder einem Unterteil der Pumpe (nicht dargestellt) abgestützt.
- Das Rotorlagerpaket 25 ist VV-seitig an einem von einer Schulter gebildeten Stützabschnitt 15b des Rotors 15 und HV-seitig an einem stirnseitigen Abschlussabschnitt 15a des Rotors 15 axial abgestützt. Mit dem Abschlussabschnitt 15a werden die Ringe 35 lückenlos zusammengepresst.
- Der in den
Fig. 7a und 7b jeweils separat dargestellte Stator 11 der erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe ist ebenfalls mit einer Anordnung aus mehreren axial aufeinander folgenden Permanentmagnetringen 31 versehen, die im Folgenden auch als Statorlagerpaket 21 bezeichnet wird. Dieses Statorlagerpaket 21 sowie das Lagerpaket 25 des Rotors 15 (vgl.Fig. 6a und 6b ) bilden das radiale Magnetlager der erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe für deren Rotor 15 und dabei die HV-seitige Lagerstelle des Rotors 15 im Bereich des Einlasses 27 der Pumpe. - An seinem vorvakuumseitigen axialen Ende ist der Stator 11 mit einem auch als Sicherheitslager bezeichneten Notlager 23 in Form eines Wälzlagers versehen, das bei einer übermäßigen, nicht einem normalen Betriebszustand entsprechenden Auslenkung des Rotors 15 mit einem Zapfen 24 des Rotors 15 zusammenwirkt, um eine Beschädigung des Magnetlagers 21, 25 zu verhindern.
- An seinem hochvakuumseitigen axialen Ende ist der Stator 11 mit einem Flanschabschnitt 29 versehen, der zum einen als axialer Stützabschnitt 11a für das Statorlagerpaket 21 und zum anderen zur HV-seitigen Fixierung des Stators 11 am nicht dargestellten Pumpengehäuse dient. Hierzu kann der Flanschabschnitt 29 mit einem sternförmigen Abschlussabschnitt des Pumpengehäuses (nicht dargestellt) verbunden werden, der sich senkrecht zur Drehachse 13 in der Einlassöffnung des Pumpengehäuses erstreckt und eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten, in radialer Richtung verlaufenden Armen umfasst.
- In dem dargestellten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die erfindungsgemäße Turbomolekularvakuumpumpe von herkömmlichen Pumpen dieser Art durch die axiale Aufnahme des Statorlagerpakets 21. Dieses ist nicht unmittelbar, sondern W-seitig und HV-seitig jeweils über einen Stellabschnitt 17 bzw. 19 an einem jeweiligen Stützabschnitt 11b bzw. 11a axial abgestützt.
- W-seitig ist zwischen dem Statorlagerpaket 21 und dem betreffenden Stützabschnitt 11b des Stators 11 ein Stellabschnitt 17 in Form eines Tellerfederpakets vorgesehen, wobei die einzelnen Tellerfedern jeweils aus einem Bimetall hergestellt sind. In einem Nichtbetriebszustand gemäß
Fig. 7a besitzen die einzelnen Tellerfedern einen flachen oder nur geringfügig gewölbten Zustand. In einem Betriebszustand gemäßFig. 7b , in welchem sich aufgrund der betriebsbedingten Erwärmung der Pumpe auch die Tellerfedern erwärmt haben, sind diese in einen stärker gewölbten Zustand übergegangen, womit sich insgesamt die axiale Höhe dieses Stellabschnitts 17 gegenüber der Ausgangslage (Fig. 7a ) vergrößert hat. - Bei einer betriebsbedingten Erwärmung der Pumpe wird das Statorlagerpaket 21 folglich durch den Stellabschnitt 17 in axialer Richtung zur HV-Seite verschoben. Dort ist zwischen dem Statorlagerpaket 21 und dem Stützabschnitt 11a des Flanschabschnitts 29 des Stators 11 ein Federelement 19 beispielsweise in Form einer oder mehrerer Wellenfedern angeordnet. Dieses Federelement 19 bildet einen weiteren Stellabschnitt, der zusammen mit dem Tellerfederpaket 17 eine erfindungsgemäße Stelleinrichtung für das Statorlagerpaket 21 bildet.
- Bei einer Temperaturerhöhung wird das insofern passive oder reagierende Federelement 19 also mittelbar über das zur HV-Seite hin verschobene Statorlagerpaket 17 durch den insofern aktiven oder agierenden Stellabschnitt 17 komprimiert, und zwar um ein Maß, das die Zunahme der axialen Höhe des Stellabschnitts 17 kompensiert.
- Diese resultierende Bewegungsrichtung des Statorlagerpakets 21 korrespondiert mit derjenigen Richtung, in die sich in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel unter Wärmeeinfluss der Rotor 15 ausdehnt und sich folglich das Rotorlagerpaket 25 bewegt.
- Die sich unter Wärmeeinfluss, also in einem Betriebszustand gegenüber einem Nichtbetriebszustand ergebenden, geometrischen Verhältnisse sind in den
Fig. 6a und 6b dargestellt, die jeweils den betriebsfähigen Zustand der Vakuumpumpe zeigen, in welchem die beiden Magnetlagerpakete 21, 25 des Magnetlagers koaxial ineinander liegend angeordnet sind, wobei sich das Statorlagerpaket 21 radial innerhalb des Rotorlagerpakets 25 befindet und der Zapfen 24 des Rotors 15 von dem Notlager 23 des Stators 11 umgeben ist. - In einem Nichtbetriebszustand oder Ausgangszustand gemäß
Fig. 6a ist das Rotorlagerpaket 25 zur VV-Seite hin eingestellt. Auf der Hochvakuum-Seite bezeichnet A den axialen Abstand zwischen dem Stator 11 und dem Abschlussabschnitt 15a des Rotors 15. Die auch als Einbauhöhe bezeichnete axiale Höhe des Federelements 19 des Stators 11 ist mit S bezeichnet. Mit d ist dasjenige Maß bezeichnet, um welches die Permanentmagnetringe 31 des Statorlagerpakets 21 gegenüber den Permanentmagnetringen 35 des Rotorlagerpakets 25 axial versetzt sind. Mit L ist schließlich die axiale Höhe des VV-seitigen Stellabschnitts 17 des Stators 11, also des Bimetall-Tellerfederstapels, bezeichnet. - Wenn sich die Pumpe und dabei insbesondere der Rotor 15 während des Betriebs erwärmt, stellen sich die geometrischen Verhältnisse des Betriebszustands gemäß
Fig. 6b ein. Der Rotor 15 hat sich unter Wärmeeinfluss in axialer Richtung um ein bestimmtes Maß in Richtung der HV-Seite der Pumpe ausgedehnt, so dass nunmehr der axiale Abstand zwischen Stator 11 und Abschlussabschnitt 15a des Rotors 15 A' < A beträgt. Gleichzeitig hat sich unter dem Wärmeeinfluss der Bimetall-Tellerfederstapel derart verformt, dass die axiale Höhe L dieses W-seitigen Stellabschnitts 17 um ein Maß x zugenommen hat und nunmehr L + x beträgt. Um das gleiche Maß x hat die Einbauhöhe des HV-seitigen Federelements 19 des Stators 11, das durch das axial bewegte Statorlagerpaket 21 komprimiert worden ist, abgenommen, so dass nunmehr die Einbauhöhe des Federelements 19 S - x beträgt. - Mit anderen Worten hat sich das Statorlagerpaket 21 unter dem Wärmeeinfluss aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der die beiden Stellabschnitte 17, 19 umfassenden Stelleinrichtung in axialer Richtung um das Maß x zur HV-Seite hin bewegt. Dabei sind erfindungsgemäß die beiden Stellabschnitte 17, 19 derart ausgelegt worden, dass das Maß x demjenigen axialen Maß A - A' entspricht, um welches sich der Rotor 15 in axialer Richtung ausgedehnt und das Rotorlagerpaket 25 zur HV-Seite hin bewegt hat. Mit anderen Worten ist unter dem Wärmeeinfluss das Statorlagerpaket 21 mit dem Rotor 15 zur HV-Seite hin "mitgewandert".
- Der axiale Versatz d zwischen den Permanentmagnetringen 31 des Statorlagerpakets 21 einerseits und den Permanentmagnetringen 35 des Rotorlagerpakets 25 andererseits ist dabei gleichgeblieben. Damit ist auch die Vorspannung des Magnetlagers gleichgeblieben. Die Pumpe weist folglich zu jedem Zeitpunkt ein ruhiges Laufverhalten auf. Sprünge des Rotors 15 und damit einhergehende mechanische Schlagbeanspruchungen des Wälzlagers des Rotors 15 treten nicht mehr auf. Eine übermäßige Beanspruchung des Wälzlagers und die daraus resultierenden Nachteile werden vermieden.
- Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung, insbesondere die Anordnung aus Federelement 19 und Bimetall-Tellerfederpaket 17, kann anders als in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel alternativ auch dem Rotor 15 zugeordnet werden. Eine jeweilige Zuordnung kann individuell für jeden Typ von Vakuumpumpe in Abhängigkeit von den Temperaturverhältnissen zwischen Rotor und Stator während des Betriebs gewählt werden.
- Ebenfalls abhängig vom jeweiligen Pumpentyp kann ein permanent entweder in Richtung der Vorvakuumseite - wie im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel - oder in Richtung der Hochvakuumseite eingestellter Rotor zu einem besseren Laufverhalten führen. Entsprechend wird dann die jeweilige Einstellung des Rotors zu wählen sein. Daraus resultiert dann die relative Anordnung der beiden unterschiedlichen Stellabschnitte 17, 19 der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung. Mit anderen Worten kann der "aktive" oder "agierende" Stellabschnitt, beispielsweise ein Bimetall-Tellerfederpaket, entweder auf der VV-Seite oder auf der HV-Seite des jeweiligen Lagerpakets angeordnet sein, während der "passive" oder "reagierende" Stellabschnitt, beispielsweise eine Wellenfeder oder ein anderes Federelement, auf der jeweils anderen axialen Seite des betreffenden Lagerpakets angeordnet ist.
-
- 111
- Turbomolekularpumpe
- 113
- Einlassflansch
- 115
- Pumpeneinlass
- 117
- Pumpenauslass
- 119
- Gehäuse
- 121
- Unterteil
- 123
- Elektronikgehäuse
- 125
- Elektromotor
- 127
- Zubehöranschluss
- 129
- Datenschnittstelle
- 131
- Stromversorgungsanschluss
- 133
- Fluteinlass
- 135
- Sperrgasanschluss
- 137
- Motorraum
- 139
- Kühlmittelanschluss
- 141
- Unterseite
- 143
- Schraube
- 145
- Lagerdeckel
- 147
- Befestigungsbohrung
- 148
- Kühlmittelleitung
- 149
- Rotor
- 151
- Rotationsachse
- 153
- Rotorwelle
- 155
- Rotorscheibe
- 157
- Statorscheibe
- 159
- Abstandsring
- 161
- Rotornabe
- 163
- Holweck-Rotorhülse
- 165
- Holweck-Rotorhülse
- 167
- Holweck-Statorhülse
- 169
- Holweck-Statorhülse
- 171
- Holweck-Spalt
- 173
- Holweck-Spalt
- 175
- Holweck-Spalt
- 179
- Verbindungskanal
- 181
- Wälzlager
- 183
- Permanentmagnetlager
- 185
- Spritzmutter
- 187
- Scheibe
- 189
- Einsatz
- 191
- rotorseitige Lagerhälfte
- 193
- statorseitige Lagerhälfte
- 195
- Ringmagnet
- 197
- Ringmagnet
- 199
- Lagerspalt
- 201
- Trägerabschnitt
- 203
- Trägerabschnitt
- 205
- radiale Strebe
- 207
- Deckelelement
- 209
- Stützring
- 211
- Befestigungsring
- 213
- Tellerfeder
- 215
- Not-bzw. Fanglager
- 217
- Motorstator
- 219
- Zwischenraum
- 221
- Wandung
- 223
- Labyrinthdichtung
- 11
- Stator
- 11a
- Stützabschnitt des Stators
- 11b
- Stützabschnitt des Stators
- 13
- Drehachse
- 15
- Rotor
- 15a
- Abschlussabschnitt des Rotors
- 15b
- Stützabschnitt des Rotors
- 17
- Stellabschnitt, Bimetall-Tellerfederstapel
- 19
- Stellabschnitt, Federelement, Wellenfeder
- 21
- Statorlagerpaket
- 23
- Notlager
- 24
- Zapfen des Rotors
- 25
- Rotorlagerpaket
- 27
- Pumpeneinlass
- 29
- Flanschabschnitt des Stators
- 31
- Permanentmagnetring des Statorlagerpakets
- 35
- Permanentmagnetring des Rotorlagerpakets
- S
- Einbauhöhe der Wellenfeder im Ausgangszustand
- L
- axiale Höhe des Bimetall-Tellerfederpakets im Ausgangszustand
- x
- axiale Ausdehnung des Bimetall-Tellerfederpakets unter Wärmeeinfluss
- A
- axialer Abstand zwischen Stator und Rotor im Ausgangszustand
- A'
- axialer Abstand zwischen Stator und Rotor im Betriebszustand
- d
- axialer Versatz zwischen Permanentmagnetringen des Stators und Permanentmagnetringen des Rotors
- VV
- Vorvakuumseite der Pumpe
- HV
- Hochvakuumseite der Pumpe
Claims (9)
- Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Stator (11) und einem im Betrieb relativ zum Stator (11) um eine Drehachse (13) rotierenden Rotor (15), zwischen denen wenigstens ein radiales Magnetlager mit bezüglich der Drehachse (13) koaxial ineinander liegenden Lagerpaketen (21, 25) jeweils aus mehreren axial aufeinander folgenden Permanentmagnetringen (31, 35) angeordnet ist,wobei zumindest eines der Lagerpakete (21) axial zwischen zwei Stellabschnitten (17, 19) einer Stelleinrichtung eingespannt ist,wobei sich die Stellabschnitte (17, 19) unter Wärmeeinfluss derart verhalten, dass eine axiale Verschiebung des zwischen den Stellabschnitten (17, 19) eingespannten Lagerpakets (21) resultiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Stellabschnitte wenigstens ein Stellelement (17) umfasst, das zumindest teilweise aus einem Bimetall besteht,wobei das Stellelement (17) derart ausgebildet ist, dass es ausgehend von einem flachen oder leicht gewölbten Zustand bei einer Temperaturveränderung in einen gewölbten oder stärker gewölbten Zustand übergeht, wobei bevorzugt das Stellelement (17) in dem gewölbten bzw. stärker gewölbten Zustand wie eine Tellerfeder geformt ist, oderwobei das Stellelement (17) als eine Wellenfeder ausgebildet ist, bei der sich die Amplitude ihrer Wellenform bei einer Temperaturveränderung verändert.
- Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
wobei die Stellabschnitte (17, 19) sich hinsichtlich einer in axialer Richtung wirksamen, durch Wärmeeinfluss hervorgerufenen Änderung ihrer Abmessung und/oder ihrer Form und/oder ihrer Steifigkeit voneinander unterscheiden. - Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Stelleinrichtung am Stator (11) angeordnet ist und mit ihren Stellabschnitten (17, 19) das statorseitige Lagerpaket (21) einspannt. - Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das statorseitige Lagerpaket (21) zwischen den Stellabschnitten (17, 19) eingespannt und die Stelleinrichtung auf das Temperaturverhalten des Rotors (15) derart abgestimmt ist, dass die axiale Relativposition der beiden Lagerpakete (21, 25) im Betrieb zumindest im Wesentlichen unverändert bleibt, oder wobei das rotorseitige Lagerpaket (25) zwischen den Stellabschnitten (17,19) eingespannt und die Stelleinrichtung auf das Temperaturverhalten des Stators (11) derart abgestimmt ist, dass die axiale Relativposition der beiden Lagerpakete (21, 25) im Betrieb zumindest im Wesentlichen unverändert bleibt - Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,wobei sich einer der Stellabschnitte (17) im Betrieb axial ausdehnt und/oder unter Vergrößerung seiner axialen Abmessung verformt und dabei den anderen Stellabschnitt (19) mittels des sich axial verschiebenden Lagerpakets (21) axial komprimiert, oderwobei einer der Stellabschnitte im Betrieb axial schrumpft und/oder sich unter Verkleinerung seiner axialen Abmessung verformt und eine axiale Ausdehnung und/oder Vergrößerung des anderen, zuvor komprimierten, Stellabschnitts erlaubt, der dadurch das Lagerpaket axial verschiebt.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Stellabschnitte (17, 19) jeweils als separate Bauteile oder Baugruppen ausgebildet sind und/oder wobei die Stellabschnitte (17, 19) jeweils an ihrer vom Lagerpaket (21) abgewandten axialen Seite an einem Stützabschnitt (11b, 11a) des Stators (11) bzw. des Rotors (15) abgestützt sind. - Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zumindest einer der Stellabschnitte wenigstens ein Federelement (19) umfasst, insbesondere eine Wellenfeder. - Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der eine Stellabschnitt ein zumindest teilweise aus einem Bimetall bestehendes Stellelement (17) und der andere Stellabschnitt ein Federelement (19) umfasst, insbesondere wobei das zumindest teilweise aus einem Bimetall bestehende Stellelement (17) auf einer Vorvakuumseite (W) des Magnetlagers und das Federelement auf einer Hochvakuumseite (HV) des Magnetlagers angeordnet ist, oder umgekehrt. - Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die beiden Lagerpakete (21, 25) zumindest in einem Nichtbetriebszustand in axialer Richtung gegeneinander verschoben sind, wobei bevorzugt dasjenige Lagerpaket (25), das nicht durch die Stelleinrichtung eingespannt ist, in Richtung einer Vorvakuumseite (VV) oder einer Hochvakuumseite (HV) des Magnetlagers gegenüber dem nicht durch die Stelleinrichtung eingespannten Lagerpaket (21) verschoben ist.
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-
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