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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularvakuumpumpe.
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Vakuumpumpen
weisen in einem Pumpengehäuse
ein Pumpelement auf, bei dem es sich bei Turbomolekularpumpen um
einen Pumpenrotor handelt. Das Pumpelement ist von einer Welle getragen. Die
Welle ist durch zwei Lageranordnungen im Pumpengehäuse gelagert. Üblicherweise
erfolgt die Lagerung über
ein Los-Lager und ein Fest-Lager. Über das Los-Lager, das insbesondere
als passives Magnetlager ausgeführt
sein kann, erfolgt eine axiale Vorspannung des Fest-Lagers, bei
dem es sich entweder ebenfalls um ein Magnetlager oder um ein Kugellager
handelt. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des die einen
Lagerelemente tragenden Pumpengehäuses und der die anderen Lagerelemente
tragenden Welle wird eine Axialverschiebung hervorgerufen. Dies
hat zur Folge, dass beispielsweise bei einem als Kugellager ausgebildeten Fest-Lager
und einem als Magnetlager ausgebildeten Los-Lager eine axiale Verschiebung
der beiden Lagerelemente des Magnetlagers hervorgerufen wird. Aufgrund
dieser axialen Verschiebung der beiden Lagerelemente des Magnetlagers ändert sich dessen
Axialkraft. Dies hat zur Folge, dass sich die axiale Vorspannung
in dem Fest-Lager über
den Betriebszustand verändert.
Hierbei können
negative Betriebszustände auftreten,
bei denen z. B. keine axiale Vorspannkraft mehr auf das Fest-Lager
wirkt.
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Bei
Turbomolekularpumpen kann eine Erwärmung auf bis zu 130°C erfolgen.
In Abhängigkeit insbesondere
des Temperaturunterschiedes zwischen der Welle und dem Pumpengehäuse sowie
der verwendeten Materialien können
erhebliche Verschiebungen in axialer Richtung auftreten. Beispielsweise
kann eine hybridgelagerte Turbomolekularpumpe eine radiale Steifigkeit
des Magnetlagers in der Größenordnung
von 300 N/mm erfordern. Hierdurch würde eine axiale Steifigkeit
von ca. 600 N/mm erzeugt. Bereits aufgrund einer Axialverschiebung von
0,2 mm würde
sich die zuvor eingestellte axiale Lagerkraft um ca. 200 N verändern.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe zu schaffen, bei der über den
gesamten Betriebszustand auf das Fest-Lager eine axiale Vorspannkraft,
vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante axiale Vorspannkraft
wirkt.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1.
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Erfindungsgemäß weist
eine erste Lageranordnung der beiden die Welle tragenden Lageranordnungen,
zur zumindest teilweisen Kompensation der axialen Verschiebung,
zwischen dem mit dem Pumpengehäuse
verbundenen Lagerelement und dem mit der Welle verbundenen Lagerelement
ein Kompensationselement auf. Durch Vorsehen eines derartigen Kompensationselements,
das eine aufgrund der Wärmeausdehnung
hervorgerufene Verschiebung der Lagerelemente zueinander zumindest
teilweise kompensiert, ist es möglich,
die auf das Fest-Lager wirkende axiale Vorspannung während des
gesamten Betriebszustandes möglichst
konstant zu erhalten. Insbesondere ist es bei einer geeigneten Wahl
des Materials des Kompensationselements möglich, die axiale Verschiebung
im Wesentlichen vollständig
zu kompensieren, so dass die auf das Fest-Lager wirkende axiale Vorspannkraft
im Wesentlichen über
den Gesamtbetriebszustand konstant bleibt.
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Das
Kompensationselement ist vorzugsweise erfindungsgemäß derart
angeordnet, dass es nur auf eines der beiden Lagerelemente wirkt.
Hierbei kann durch Untersuchungen ermittelt werden, welches der
beiden Lagerelemente eine größere axiale Verschiebung
durchführt,
so dass das Kompensationselement auf dieses Lager eine entgegengerichtete
Axialkraft ausübt.
Bei Vakuumpumpen, insbesondere Turbomolekularpumpen ist die axiale
Ausdehnung der den oder die Rotoren tragenden Welle üblicherweise
größer als
die entsprechende Ausdehnung des Pumpengehäuses. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen
eines auf eines der beiden Lagerelemente wirkenden Kompensationselemente
kann die unterschiedliche axiale Ausdehnung der Welle und des Pumpengehäuses zumindest
teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig kompensiert werden. Hierbei
ist es bei einer ersten Ausführungsform
möglich,
das Kompensationselement derart anzuordnen, dass es auf das mit
dem Pumpengehäuse verbundene
Lagerelement einwirkt. Sofern die axiale Ausdehnung der Welle größer ist
als diejenige des Pumpengehäuses
erfolgt somit eine Art Nachführen des
mit dem Pumpengehäuse
verbundenen Lagerelements. Die aufgrund der Wärmeausdehnung des Rotors erfolgende
Verschiebung des mit der Welle verbundenen Lagerelements und die
durch das Kompensationselement hervorgerufene Verschiebung des mit
dem Gehäuse
verbundenen Lagerelements ist hierbei in die gleiche Richtung gerichtet.
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Ebenso
ist es möglich,
das Kompensationselement derart anzuordnen, dass es auf das mit
der Welle verbundene Lagerelement wirkt. Wenn die axiale Ausdehnung
der Welle wiederum größer ist
als die des Gehäuses
wirkt das Kompensationselement der durch die Wärmeausdehnung der Welle hervorgerufene
Verschiebung des mit der Welle verbundenen Lagerelements entgegen.
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Gegebenenfalls
ist auch das Vorsehen von zwei Kompensationselementen möglich, wobei
ein Kompensationselement auf das mit der Welle verbundene Lagerelement
und das andere Kompensationselement auf das mit dem Gehäuse verbundene Lagerelement
einwirkt. Die Kompensationsrichtung der beiden Kompensationselement
sind hierbei in entgegengesetzte Richtung gerichtet. Eine derartige Anordnung
hat den Vorteil, dass die durch das jeweilige Kompensationselement
hervorzurufende axiale Verschiebung des jeweiligen Lagerelements
geringer ist, da die beiden Lagerelemente in einander entgegengesetzte
Richtungen verschoben werden, so dass durch jedes der beiden Kompensationselemente
nur ein Teil der axialen Kompensation realisiert werden muss.
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Das
Kompensationselement ist hierbei wie auch die Lagerelemente vorzugsweise
ringförmig
angeordnet, insbesondere ringförmig
ausgebildet. Besonders bevorzugt ist es hierbei, ein Kompensationselement
einzusetzen, das ein Material aufweist, das im Wesentlichen einen
insbesondere hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist. Bei einer Anordnung in einem allseits durch Materialien
hoher Steifigkeit begrenzten Volumen, d. h. einem in einer geschlossenen
Kammer angeordneten Kompensationselement eignet sich Kompensationsmaterial
mit isotropem Wärmeausdehnungsverhalten.
Hierbei sind als Materialien insbesondere Polymere geeignet. Befindet
sich das Kompensationselement nicht in einer geschlossenen Kammer,
sondern ist insbesondere in radialer Richtung nicht begrenzt, ist
es bevorzugt, dass das Kompensationsmaterial ein anisotropes Material
aufweist, insbesondere aus anisotropem Material besteht. Hierbei
ist das Material derart ausgebildet bzw. angeordnet, dass es in
Längsrichtung
bzw. in axialer Richtung der Welle einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist und gleichzeitig in radialer Richtung eine hohe Steifigkeit aufweist
und gleichzeitig die Wärmeausdehnung
in radialer Richtung klein ist. Geeignet ist als derartiges Kompensationselement
beispielsweise eine in Umfangsrichtung gewickelte CFK-Hülse. Bei
dem Kompensationsmaterial kann es sich auch um geeignete pastöse oder
fluide Materialien handeln.
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Insbesondere
handelt es sich bei dem Kompensationselement um einen insbesondere
aus elastomerem Material hergestellten Ring oder einzelne entlang
einer Kreislinie angeordnete, das Kompensationselement ausbildenden
Einzelteile.
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Besonders
bevorzugt ist es, das Material des Kompensationselements in Abhängigkeit
der im Betriebszustand auftretenden axialen Verschiebung derart
auszuwählen,
dass durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Materials des Kompensationselements, im Wesentlichen über den
gesamten Betriebszustand die erforderliche Vorspannkraft auf das
Fest-Lager aufrecht erhalten bleibt. Hierzu ist eine geeignete Materialwahl
des Kompensationselements bevorzugt, wobei das Material einen entsprechenden
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist. Im Temperaturbereich von 0°C bis 120°C soll der Wärmeausdehnungskoeffizient des
Kompensationsmaterials größer sein
als der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Wellenmaterials. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
und die axiale Ausdehnung des Kompensationselements werden hierbei
vorzugsweise so bemessen, dass eine zulässige Axialkraftänderung
nicht überschritten
wird. Für
zulässig
kann beispielsweise eine Axialkraftänderung von 50% des Anfangswertes
bei 20°C
festgelegt werden.
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Um
eine radiale Ausdehnung des Kompensationselements zu verhindern
oder zumindest gering zu halten, ist vorzugsweise ein die radiale
Ausdehnung begrenzendes Begrenzungselement vorgesehen. Bei einem
ringförmigen
Kompensationselement bzw. entlang einer Kreislinie angeordneten
einzelnen das Kompensationselement ausbildenden Teilen, ist das
Begrenzungselement vorzugsweise ebenfalls ringförmig ausgebildet. Wirkt das
Kompensationselement beispielsweise auf das mit dem Pumpengehäuse verbundene
Lagerelement, so ist das Kompensationselement vorzugsweise in radialer Richtung
zwischen einer Gehäusewand
und einem innerhalb des Kompensationselements angeordneten ringförmigen Begrenzungselement angeordnet. Entsprechend
ist, wenn das Kompensationselement auf das mit der Welle verbundenen
Lagerelement wirkt, das Kompensationselement zwischen einer Außenseite
der Welle und einem das Kompensationselement umgebenden, insbesondere
ringförmigen
Begrenzungselement angeordnet.
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In
bevorzugter Ausführungsform
ist das erste Lagerelement als Magnetlager, insbesondere als Permanentmagnetlager
ausgebildet. Das zweite, als Fest-Lager dienende Lagerelement ist in bevorzugter Ausführungsform
als Wälzlager,
insbesondere als Kugellager ausgebildet.
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Um
eine Axialkraft durch das Magnetlager auf das Fest-Lager aufzubringen,
sind die einzelnen Magnetelemente der beiden Lagerelemente des Magnetlagers
zueinander axial versetzt. Dieser geringfügige axiale Versatz wird erfindungsgemäß aufgrund
des Vorsehens des Kompensationselements im Wesentlichen über den
gesamten Betriebszustand beibehalten. Hierdurch ist sichergestellt,
dass die auf das Fest-Lager wirkende axiale Vorspannung über den
gesamten Betriebszustand erhalten bleibt.
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Das
Lagerelement der ersten Lageranordnung, d. h. insbesondere des Magnetlagers,
auf das das Kompensationselement wirkt, ist vorzugsweise axial verschiebbar
gehalten. Je nach dem, ob das Kompensationselement auf das mit dem
Pumpengehäuse
oder das mit der Welle verbundene Lagerelement wirkt, ist das Lagerelement
entsprechend mit dem Pumpengehäuse
oder mit der Welle in axialer Richtung verschiebbar verbunden. Vorzugsweise
ist ein Rückstellelement
vorgesehen, um beim Auskühlen
der Bauteile und somit beim Auskühlen
des Kompensationselements ein Zurückstellen des entsprechenden
Lagerelements sicherzustellen. Hierbei ist das Rückstellelement, das beispielsweise
als Feder ausgebildet ist, vorzugsweise auf der dem Kompensationselement
in axialer Richtung gegenüberliegenden
Seite des entsprechenden Lagerelements angeordnet. Es ist jedoch
auch möglich,
das Rückstellelement
in das Kompensationselement zu integrieren. Auch kann ein gesondertes
Rückstellelement
entfallen, wenn die Kompensationseinrichtung in axialer Richtung
fest mit dem entsprechenden Lagerelement verbunden ist, so dass
ein Zusammenziehen des Kompensationselements aufgrund von Temperaturverringerungen
ein Mitziehen des entsprechenden Lagerelements bewirkt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform
einer Turbomolekularpumpe mit nicht aktivem Kompensationselement,
das auf ein mit dem Gehäuse
verbundenen Lagerelement wirkt,
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2 eine
Schnittansicht der in 1 dargestellten Turbomolekularpumpe
mit aktivem Kompensationselement,
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3 eine
schematische Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
einer Turbomolekularpumpe mit nicht aktivem Kompensationselement,
das auf ein mit dem Gehäuse
verbundenen Lagerelement wirkt,
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4 eine
schematische Schnittansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform
einer Turbomolekularpumpe mit nicht aktivem Kompensationselement,
das auf ein mit der Welle verbundenen Lagerelement wirkt, und
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5 eine
schematische Schnittansicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform
einer Turbomolekularpumpe mit nicht aktivem Kompensationselement,
das auf ein mit der Welle verbundenen Lagerelement wirkt.
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Eine
Turbomolekularpumpe weist in einem Pumpengehäuse 10 einen auf einer
Welle 12 angeordneten Rotor 14 auf. Der Rotor 14 weist
mehrere radial verlaufende Rotorflügel 16 auf. Zwischen
den Rotorflügeln 16 sind
sich ebenfalls radial erstreckende, in dem Gehäuse 10 fixierte Statorscheiben 18 angeordnet.
Durch Rotation des Rotorelements 14, relativ zu den Statorscheiben 18,
erfolgt ein Fördern von
Medium durch einen im Gehäuse 10 vorgesehenen
Einlass 22 in Richtung eines Auslasses 20.
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Die
Welle 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein als
Los-Lager dienendes erstes Lagerelement 24 sowie durch
ein als Fest-Lager ausgebildetes zweites Lagerelement 26 gelagert. Das
zweite Lagerelement 26 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
als Kugellager ausgebildet. Bei dem ersten Lagerelement 24 handelt
es sich um ein Magnetlager.
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Das
Magnetlager weist gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung (1 und 2) als ein
mit dem Gehäuse 10 verbundenes Lagerelement 28 drei
Permanentmagnete auf. Das zweite Lagerelement ist auf der Welle 12 angeordnet und
ebenfalls durch drei Permanentmagnete 30 verwirklicht.
Zur Erzeugung einer axialen Vorspannkraft auf das Fest-Lager 26 ist
das erste Lagerelement 28 gegenüber dem zweiten Lagerelement 30 axial
versetzt angeordnet.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Wärmeausdehnung
der Welle 12 und des Gehäuses 10 erfolgt im
Betrieb der Turbomolekularpumpe bei herkömmlichen Turbomolekularpumpen
ein, stärkeres
axiales Verschieben der inneren Lagerelemente 30 in 1 nach
links, in Richtung des Pfeils 31. Um ein derartiges Verschieben
zu kompensieren, ist erfindungsgemäß ein Kompensationselement 32 vorgesehen.
Das Kompensationselement 32 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
ringförmig
ausgebildet und besteht vorzugsweise aus einem Material, das im
Wesentlichen einen axialen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist,
so dass das äußere Lagerelement 28 trotz der
unterschiedlichen Wärmeausdehnung
der Welle 12 und des Gehäuses 10 relativ zu
dem inneren Lagerelement 30 nicht in axialer Richtung verschoben wird.
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Wie
aus 2 ersichtlich, vergrößert sich das Volumen des Kompensationselements 32 aufgrund
der auftretenden Erwärmung.
Um sicherzustellen, dass keine oder nur eine geringe radiale Ausdehnung
des Kompensationselements 32 erfolgt, ist ein im dargestellten
Ausführungsbeispiel
ringförmiges Begrenzungselement 34 vorgesehen.
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Das
Kompensationselement 32 ist somit zwischen einer Innenseite 36 des
Gehäuses
und dem ringförmigen
Begrenzungselement 34 angeordnet. Über ein verschiebbar gehaltenes,
ebenfalls ringförmig
ausgebildetes Übertragungselement 38 erfolgt ein Übertragen
der durch die axiale Wärmeausdehnung
des Kompensationselements 32 hervorgerufenen Verschiebung
auf das äußere Lagerelement 28. Das Übertragungselement 38 ist
derart ausgebildet, dass es das Begrenzungselement 34 in
allen Betriebszuständen
axial teilweise überdeckt.
Hierdurch ist sichergestellt, dass das Kompensationselement stets
innerhalb eines geschlossenen Raums angeordnet ist und somit eine
radiale Ausdehnung des Kompensationselements 32 verhindert
ist.
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Auf
der in axiale Richtung dem Kompensationselement 32 gegenüberliegenden
Seite des äußeren Lagerelements 28 ist
ein beispielsweise als Feder ausgebildetes Rückstellelement 40 vorgesehen. Hierdurch
wird bei Verringerung der Betriebstemperatur das Kompensationselement 32 wieder
zusammengedrückt,
so dass auch bei Verringerungen der Betriebstemperatur die axiale
Verschiebung zwischen dem inneren Lagerelementen 30 dem äußeren Lagerelement 28 aufrecht
erhalten bleibt. Ebenso ist es möglich,
hierzu über
das Kompensationselement 32 und das Übertragungselement 38 eine
Zugkraft aufzubringen.
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Bei
der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
wirkt die Kompensation des Kompensationselements 32 somit
in dieselbe Richtung 31 wie die Wärmeausdehnung der Welle 12.
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Die
nachfolgenden Ausführungsformen (3 bis 5)
sind identisch und ähnliche
Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
(3) ist die Welle 12 im Bereich der Lageranordnung 24 als
Hohlwelle ausgebildet. Das mit der Welle verbundene Lagerelement 28 ist
auf der Innenseite der Hohlwelle angeordnet. Dem Lagerelement 28 ist
gegenüberliegend
das Lagerelement 30 auf einem zylindrischen in die Hohlwelle
ragenden Ansatz 42 des Gehäuses angeordnet und entsprechend
dem anhand 1 und 2 beschriebenen
Lagerelement ausgebildet. Entsprechend 1 ist ein
Kompensationselement 32 vorgesehen, das auf das Lagerelement 30 zur
Kompensation von axialen Verschiebungen aufgrund von Wärmeausdehnung
einwirkt.
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Bei
der in 4 dargestellten dritten Ausführungsform ist die Welle 12 wiederum
entsprechend dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
als Vollwelle ausgebildet. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wirkt das Kompensationselement 32 auf das mit der Welle 12 verbundene
Lagerelement 30. Das Kompensationselement 32 wirkt
somit der Richtung 31 der Wärmeausdehnung der Welle 12 entgegen
(Pfeil 44).
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Bei
einer vierten Ausführungsform
(5) ist die Welle 12 wiederum entsprechend 3 als
Hohlwelle ausgebildet. Entsprechend dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist das Kompensationselement 32 wiederum derart angeordnet,
dass es auf das mit der Welle 12 verbundene Lagerelement 30 wirkt.
Die Kompensationsrichtung 44 ist somit wiederum der Richtung
der Wärmeausdehnung 31 der Welle 12 entgegengerichtet.