DE102010014321B4

DE102010014321B4 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE102010014321B4
Application number: DE102010014321.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Holzer; Dr. Beyer Christian; Dr. Stüber Hans-Günter
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2030-04-10
Also published as: WO2011124595A1; DE102010014321A1; EP2556264A1

Abstract

Turbomolekularpumpe, mit einem mittels Wälzlagern drehbar gelagerten Rotor, wobei das Wälzlager ein Vakuumlagerelement aufweist, mit einem Lagerkäfig (12) mit mehreren Öffnungen (14) zur Aufnahme von Wälzkörpern, wobei der Lagerkäfig (12) Ausnehmungen (18) zur Schmiermittelbereitstellung aufweist, die in Richtung der Wälzkörper-Öffnungen (14) als auch in Richtung der Innenseite (16) offen und direkt an den Wälzkörper-Öffnungen (14) angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen (18) bezüglich der zugehörigen Wälzkörper-Öffnung (14) im Wesentlich auf der der Hauptdrehrichtung (22) des Lagerkäfigs (12) abgewandten Seite angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit einem mittels Wälzlagern drehbar gelagerten Rotor.
In Turbomolekularpumpen sind die Lager sehr niedrigen Drücken ausgesetzt. Sofern die Lagerung der Rotoren der Turbomolekularpumpe nicht über Magnetlager sondern Wälzlager erfolgt, besteht ein erhöhtes Risiko des Lagerversagens. Andererseits ist das Vorsehen von Magnetlagern konstruktiv aufwendiger. Die Lebensdauer von mechanisch gelagerten Turbomolekularpumpen wird daher überwiegend durch die Lebensdauer der Wälzlager bestimmt. Die häufigste Ursache des Lagerversagens besteht darin, dass nicht ausreichend Schmiermittel zu den relevanten Stellen des Lagers gelangt.
Bei der Schmierung der Wälzlager durch Öl werden große Mengen Öl benötigt. Diese müssen über einen Kreislauf rückgeführt werden. Wenn nur kleine Mengen an Öl zugeführt werden, ist die Sicherheit der Verfügbarkeit an den relevanten Stellen innerhalb des Lagers nur eingeschränkt gewährleistbar. Ferner weist Ölschmierung bei Wälzlagern in Turbomolekularpumpen den Nachteil auf, dass das Öl nur schwierig applizierbar ist, da der herrschende geringe Druck in den entsprechenden Bereichen gegebenenfalls kleiner ist, als der Dampfdruck des Öls oder dessen Additive. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Einbaulage der Turbomolekularpumpen unterschiedlich sein kann und somit die Richtung der Schwerkraft nicht festgelegt ist. Dies hat die Folge, dass die Ölzufuhr zu den relevanten Stellen im Wälzlager durch kapillare Kräfte oder gezielten Tröpfchenbeschuss erfolgen muss. Dies ist insbesondere konstruktiv aufwendig und schwierig.
Bei dem Einsatz von Fettschmierung für Lagerelemente von Rotorwellen in Turbomolekularpumpen besteht der Nachteil, dass das in einem Verdicker gebundene Schmierfett nicht ausreichend zuverlässig über lange Zeit in ausreichender Menge austritt, um eine Schmierung der relevanten Stellen des Wälzlagers sicherzustellen.
Ferner ist aus EP 2 096 327 A1 ein Lagerkäfig bekannt, an dessen Innenseiten Ausnehmungen vorgesehen sind. Diese Ausnehmungen sind in Richtung der inneren Lagerschale offen. Die Ausnehmungen sind zur Aufnahme von Schmiermittel vorgesehen. Bei einem derartigen Vorsehen von Ausnehmungen zur Aufnahme von Schmiermittel besteht jedoch die Gefahr, dass der Bereich, in dem die größte Reibung auftritt, nicht zuverlässig geschmiert ist. Es handelt sich hierbei um den Bereich zwischen Lagerkäfig und Wälzkörpern.
Ein ähnliches Lagerelement mit einer Aufnahme für Wälzkörper ist aus JP 2007 31 5587 A bekannt. Ferner sind rillenförmige Ausnehmungen vorgesehen, die in Richtung der Wälzkörper offen sind und zur Aufnahme von Schmiermittel geeignet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, durch das die Lebensdauer von in Vakuumpumpen eingesetzten Wälzlagern erhöht wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Turbomolekularpumpe weist einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor auf. Die Lagerung erfolgt über Wälzlager, wobei die Wälzlager ein Vakuumlagerelement aufweisen. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Vakuumlagerelement um einen Lagerkäfig, der als Träger und Verteiler des Schmiermittels dient. Hierzu weist in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Lagerkäfig Ausnehmungen zur Schmiermittelbereitstellung auf. Diese insbesondere als Taschen oder Hohlräume ausgebildeten Ausnehmungen dienen zur Bereitstellung des Schmiermittels innerhalb des Lagers, wobei das Schmiermittel vorzugsweise unmittelbar an den Wälzkörper abgegeben wird. Hierdurch ist eine gezielte Abgabe von geringen Mengen an Schmiermittel gewährleistet. Es ist vermieden, dass große Mengen an Schmiermittel aufgrund des herrschenden Vakuums aus dem Lager herausgesaugt werden. Hierdurch kann die Lebensdauer von in hohem Vakuum eingesetzten Wälzlagern deutlich erhöht werden. Ferner ist die Kontaminierung der von der Turbomolekularpumpe geförderten Gase durch das Schmiermittel verringert.
Erfindungsgemäß sind die Ausnehmungen zumindest teilweise derart ausgebildet, dass sie in Richtung der Öffnungen, die zur Aufnahme von Wälzkörpern dienen, offen sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass eine Schmierung der Wälzkörper insbesondere bei der Berührung des Lagerkäfigs durch den Wälzkörper erfolgt. Ferner ist es bevorzugt, dass die Ausnehmungen bzw. zumindest ein Teil der Ausnehmungen in Richtung einer Innenseite des Lagerkäfigs offen sind. Die Innenseite des Lagerkäfigs weist in Richtung eines gegebenenfalls vorgesehenen Innenrings des Wälzlagers. Eine derartige Anordnung der Ausnehmungen hat den Vorteil, dass aufgrund der auftretenden Fliehkräfte das Schmiermittel in den Ausnehmungen gehalten wird und nur sehr geringe Mengen an Schmiermittel austreten.
Um das Schmiermittel in den Ausnehmungen zu halten, sind erfindungsgemäß zumindest diejenigen Ausnehmungen, die einer bestimmten Öffnung zugeordnet sind, bezogen auf diese Öffnung im Wesentlichen auf der der Hauptdrehrichtung des Lagerkäfigs abgewandten Seite anzuordnen. Die entsprechenden Ausnehmungen sind somit bezogen auf die einzelne Öffnung in Drehrichtung jeweils hinter der Öffnung angeordnet.
Bei einer Außenführung des Lagerkäfigs ist es bevorzugt, dass zumindest ein Teil der Ausnehmungen derart angeordnet ist, dass die nicht nur in Richtung der Wälzkörper-Öffnung, sondern auch nach außen in Richtung der äußeren Lagerschale offen ist.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Teil der Ausnehmungen teil-schalenförmig ausgebildet. Die derart ausgebildeten Ausnehmungen sind hierbei sowohl in Richtung der jeweils zugeordneten Öffnung des Lagerkäfigs als auch in Richtung der Innenseite offen. Die Fliehkräfte, die bei der Hauptdrehrichtung des Lagers auf die Ausnehmung wirken, wirken somit wiederum in die Ausnehmung hinein, so dass das Schmiermittel in der Ausnehmung gehalten wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Teil der Ausnehmungen als Poren und/oder Kapillare in dem Lagerkäfig ausgebildet. Derartige kleine Hohlräume können insbesondere durch geeignete Tränkverfahren mit Schmiermittel getränkt werden. Die Poren und Kapillare sind, wie vorstehend beschrieben, in bevorzugter Ausführungsform zumindest teilweise wiederum in Richtung der Öffnung, die zur Aufnahme der Wälzkörper dient, offen. Hierdurch ist eine zielgerichtete Zufuhr von Schmiermittel zu dem Wälzkörper gewährleistet.
Insbesondere derartige relativ kleine Hohlräume sind vorzugsweise innerhalb des Lagerkäfigs angeordnet. Hierbei können derartige innerhalb des Lagerkäfigs angeordnete Hohlräume bzw. Ausnehmungen in bevorzugter Ausführungsform wiederum derart ausgebildet sein, dass sie eine kleine gegebenenfalls kapillare Öffnung aufweisen, die in Richtung der Wälzkörper-Öffnung weist. Das Vorsehen derartiger innerhalb des Lagerkäfigs angeordneter Ausnehmungen ist insbesondere in der Herstellung einfach, wenn diese bei mehrteiligen Lagerkäfigen in der Trennebene angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Ausnehmungen einfach herzustellen sind, da im Wesentlich in sich geschlossene Ausnehmung bzw. Hohlraum erst entsteht, wenn die Einzelteile des Lagerkäfigs miteinander verbunden werden. Ferner besteht hierbei der Vorteil, dass die Ausnehmungen mit Schmiermittel gefüllt werden können, bevor die einzelnen Teile des Lagerkäfigs miteinander verbunden werden. Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass die einzelnen Teile des Lagerkäfigs ringförmig ausgebildet sind. Das Verbinden erfolgt durch Vernieten, Verkleben oder anderes Verbinden der Lagerringe. Selbst wenn die derartig ausgebildeten innen liegenden Hohlräume vollständig von dem Material des Lagerkäfigs umgeben sind, entstehen beispielsweise bei vernieteten Teilen des Lagerkäfigs Schlitze, die in Richtung der Wälzkörper-Öffnungen weisen. Diese Schlitze dienen als Förder- bzw. Austrittskanäle, durch die das Schmiermittel aus den Hohlräumen in Richtung der Wälzkörper-Öffnungen transportiert wird.
Das Austreten des Schmierstoffs aus den Ausnehmungen erfolgt vorzugsweise durch Diffusion und/oder Konzentrationsgradienten oder aufgrund von Temperaturerhöhung, wobei diese Effekte insbesondere relevant sind, wenn die Ausnehmungen als Poren oder Kapillare ausgebildet sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines Vakuumlagerelements in Form eines Lagerkäfigs,
2 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1 und
3 einen schematischen Querschnitt eines Lagerkäfigs.
Das Vakuumlagerelement 10 weist einen kreisringförmigen Lagerkäfig 12 auf. Der Lagerkäfig 12 weist mehrere regelmäßig angeordnete Öffnungen 14 zur Aufnahme von Wälzkörpern auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 14 kreisringförmig und dienen zur Aufnahme von Kugeln als Wälzkörper.
An einer Innenseite 16 des Lagerkäfigs 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel je Öffnung 14 eine Ausnehmung 18 ausgebildet. Hierbei sind die Ausnehmungen 18 identisch ausgebildet. Die Ausnehmungen 18 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel teil-schalenförmig und in Richtung der Innenseite 16 des Lagerkäfigs 12 offen. Ferner sind die dargestellten Ausnehmungen 18 in Richtung der Öffnungen 14, die zur Aufnahme der Wälzkörper dienen, offen. über eine Austrittsöffnung 20 der Ausnehmungen, die in Richtung der Öffnungen 14 weist, erfolgt somit der Austritt von in der Ausnehmung 18 angeordnetem Schmiermittel, das sodann von dem Wälzkörper aufgenommen wird.
Bezogen auf eine Hauptdrehrichtung 22 des Lagerkäfigs 12, sind die Ausnehmungen 18 im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils hinter der dazugehörigen Öffnung 14 angeordnet. Hierdurch wird das in der Ausnehmung 18 vorhandene Schmiermittel aufgrund der auftretenden Kräfte im Wesentlichen in die Ausnehmung hineingedrückt.
Zusätzlich zu den teil-schalenförmigen Ausnehmungen 18 können innerhalb des Lagerkäfigs 12 auch Poren und/oder Kapillaren vorgesehen sein, die ebenfalls zur Aufnahme von Schmiermittel dienen. Diese Poren und Kapillaren sind vorzugsweise in Richtung der Öffnungen 14, die zur Wälzkörperaufnahme dienen und/oder in Richtung der Innenseite 16 offen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Lagerkäfigs (3) sind dieselben und ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Lagerkäfig dreiteilig und besteht aus drei ringförmig ausgebildeten Elementen 24, 26, 28. Zur Ausbildung des Lagerkäfigs 12 sind die drei ringförmigen Elemente 24, 26, 28 beispielweise über Nieten miteinander verbunden.
Im Unterschied zu den Ausnehmungen 18 gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind bei dieser Ausführungsform Ausnehmungen 30 innerhalb des Lagerkäfigs angeordnet. Die im dargestellten Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgebildeten Ausnehmungen 30 sind jeweils in Trennebenen 32 zwischen den beiden Teilen des Lagerkäfigs 24 und 26 bzw. 26 und 28 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Ausnehmungen 30 auf einfache Weise hergestellt werden können. Auch ist es möglich, die Ausnehmungen 30 mit Schmiermittel zu befüllen, bevor die ringförmigen Elemente 24, 26, 28 miteinander verbunden werden.
Die Trennebenen 32 sind derart angeordnet, dass diese durch die Wälzkörper-Öffnungen 14 verlaufen. Da zwischen den einzelnen ringförmigen Elemente 24, 26, 28 keine Dichtungen vorgesehen sind, kann Schmiermittel durch die als geringen Spalt wirkenden Trennebenen 32 in Richtung der Wälzkörper-Öffnungen 14 vordringen. Es erfolgt somit das erfindungsgemäß wesentliche Schmieren der Wälzkörper, insbesondere in dem Bereich, in dem die Wälzkörper an dem Lagerkäfig anliegen.
Selbstverständlich können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden.

Claims

Turbomolekularpumpe, mit einem mittels Wälzlagern drehbar gelagerten Rotor, wobei das Wälzlager ein Vakuumlagerelement aufweist, mit einem Lagerkäfig (12) mit mehreren Öffnungen (14) zur Aufnahme von Wälzkörpern, wobei der Lagerkäfig (12) Ausnehmungen (18) zur Schmiermittelbereitstellung aufweist, die in Richtung der Wälzkörper-Öffnungen (14) als auch in Richtung der Innenseite (16) offen und direkt an den Wälzkörper-Öffnungen (14) angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen (18) bezüglich der zugehörigen Wälzkörper-Öffnung (14) im Wesentlich auf der der Hauptdrehrichtung (22) des Lagerkäfigs (12) abgewandten Seite angeordnet sind.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (18, 30) zumindest teilweise in Richtung einer Innenseite (16) des Lagerkäfigs (12) offen sind.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wälzkörper-Öffnung (14) genau einer Ausnehmung (18, 30) zugeordnet ist.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ausnehmungen (18) teil-schalenförmig ausgebildet ist und diese Ausnehmungen sowohl in Richtung einer zugehörigen Wälzkörper-Öffnung (14) als auch in Richtung der Innenseite (16) offen sind.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Ausnehmungen (18, 30) als Poren und/oder Kapillaren ausgebildet ist.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (30) innerhalb des Lagerkörpers (12) angeordnet sind.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (30) bei einem mehrteiligen Lagerkörper (12) in einer Trennebene (32) angeordnet sind.
Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Austreten des Schmierstoffs aus den Ausnehmungen, insbesondere aus den Poren und/oder Kapillaren, durch Diffusion und/oder aufgrund von Konzentrationsgradienten und/oder aufgrund von Temperaturerhöhungen erfolgt.