DE19729450A1 - Wälzlager, insbesondere Notlager für magnetisch gelagerte Vakuumpumpen - Google Patents

Wälzlager, insbesondere Notlager für magnetisch gelagerte Vakuumpumpen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei magnetisch gelagerten Vakuumpumpen, insbesondere bei Turbomoleku­ larpumpen bestehen im Hinblick auf Drehzahl, Schmierung, Schwingungsver­ halten und weitere Umgebungsbedingungen hohe Anforderungen, weshalb sie mit aufwendigen magnetischen Lagerungen versehen sind. Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß z. B. bei Stromausfall die Magnetlagerung zusammen­ bricht und der sich noch drehende Rotor abgestützt werden muß, um eine Be­ schädigung der Vakuumpumpe zu vermeiden. Für diesen Notfall sind als Not­ lager Wälzlager vorgesehen, die dann die Last übertragen. Im Normalfall ste­ hen die Wälzlager still bzw. drehen mit der Welle ohne Kontakt zum Gehäuse mit, was z. B. durch entsprechendes Spiel zwischen Rotorwelle und Innenring bewirkt wird. Wenn nun der Notfall eintritt, werden die Wälzlager schlagartig in kürzester Zeit von Drehzahl Null auf Betriebsdrehzahl beschleunigt. Die dabei auftretenden Gleitvorgänge zwischen Kugeln und Laufbahn beeinträchtigen die Lebensdauer der Lager erheblich. Die Verwendung von Schmierfetten, um die Gleitvorgänge zu verbessern, scheitert an den Umständen, daß bei Vakuum­ pumpen durch das entstehende Vakuum das Schmierfett "ausdünstet" und somit unwirksam wird, bzw. an der Forderung, daß das Hochvakuum nicht durch Kohlenwasserstoffe verunreinigt werden darf. Beim Einsatz in der Pro­ zeßgastechnik besteht noch die Gefahr, daß die Prozeßgase die Wälzlager chemisch angreifen. Wegen der engen Toleranzen des Magnetlagers ist es weiterhin erforderlich, daß die Wälzlager ebenfalls eine hohe Führungsgenau­ igkeit bei geringem Spiel haben.
Aus der EP 0 446 723 A1 ist ein vollkugeliges Schrägkugellager für Turbomo­ lekularpumpen bekannt, bei dem die Kugeln aus Keramikwerkstoff gefertigt sind und das beidseitig mit Deckscheiben versehen ist. Das Lager ist mit einem Spezialfett mit einer gering flüchtigen Zusammensetzung versehen. Die Lager sind dabei jedoch als Hauptlager für mechanisch gelagerte Vakuumpumpen (also nicht magnetgelagert) ausgeführt, so daß sie keine schlagartigen Be­ schleunigungen erleiden. Außerdem kann in manchen Anwendungsfällen auch das Spezialfett noch zu Problemen führen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie die speziellen bei Notlagern in magnetisch gelagerten Turbomolekularpumpen auftretenden Betriebszustände problemlos verkraften und eine lange Lebensdauer erreichen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 genannt. Die Kombination der zum Teil einzeln bekannten Merkmale ergibt dabei für den Anwendungsfall eine optimale Lagerung. So zeigt sich der Laufringwerkstoff im Zusammenspiel mit den Keramikkugeln in hohem Maße verschleißfest und der zweigeteilte Laufring ermöglicht ein hoch­ genaues Abstimmen des Lagerspiels, wobei durch die Deckscheiben eine Baueinheit erzielt wird.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine Turbomolekularpumpe im Schnitt.
Fig. 2 zeigt vergrößert ein Wälzlager, das als Notlauflager Verwendung findet.
In Fig. 1 ist der Hochvakuumanschluß mit 1 und das Gehäuse mit 2 bezeich­ net. Ein Elektromotor 3 treibt mit seinem Rotor 4 mehrere Rotorscheiben an, die mit entsprechenden Statorscheiben 5 zusammenwirken. Der Rotor 4 ist in Magnetlagern 6 gelagert, die über Sensoren 7 steuerbar sind. Zusätzlich ist der Rotor 4 noch an seinem oberen und unteren Ende in Notlauflagern 8 und 9 abgestützt. Diese Notlauflager 8 und 9 sind als Wälzlager ausgebildet und ste­ hen im Normalbetrieb still bzw. drehen auf der Welle ohne Kontakt zum Ge­ häuse mit, da z. B. zwischen Welle und Innenring ein geringer Spalt vorgese­ hen ist. Wenn nun z. B. durch Stromausfall die Magnetlager 6 ausfallen, wird dieser geringe Spalt zu Null und die Wälzlager übernehmen die Lagerung. Da­ durch wird eine Beschädigung des Aggregats vermieden, da der sich noch drehende Rotor nun von den Wälzlagern abgestützt wird, bis er ausgelaufen ist, bzw. bis die Magnetlager 6 wieder aktiv werden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Notlauflager 8 und/oder 9 als Wälzlager ausgebildet, die einen einteiligen und einen zweigeteilten Laufring aufweisen. Im dargestellten Beispiel ist der Außenring 10 einteilig und der Innenring 11 zweigeteilt, wodurch sich zum einen die Lager voll mit Kugeln 12 bestücken lassen, was eine hohe Tragzahl ergibt und zum anderen läßt sich dadurch eine hochgenaue Spieleinstellung verwirklichen, was das Lauf- und Schwingungs­ verhalten der Lagerung positiv beeinflußt. Dadurch, daß die Kugeln 12 aus Ke­ ramikwerkstoff und die Laufringe aus hochlegiertem Chromstahl gefertigt sind, ergibt sich eine hohe Verschleißfestigkeit gegen die schlagartige Beschleuni­ gung, wie sie im Notlauffall auftritt. Weiterhin sind derartige Lager auch ohne jegliche Schmierung funktionsfähig. Die Keramikkugeln ergeben zudem eine geringere Fliehkraftbeanspruchung bei den hohen Drehzahlen. Bei der Ver­ wendung von Trockenschmierstoff oder einer Beschichtung der Laufringe wird das Hochvakuum nicht verunreinigt und doch eine "Schmierwirkung" erzielt. Die beiderseits des Lagers angeordneten Deckscheiben 13 aus rostfreiem Material bewirken eine zusätzliche Abdichtung des Lagers und bewirken gleichzeitig einen Zusammenhalt des Lagers, das so als eine Baueinheit trans­ portiert und eingebaut werden kann. Somit ergibt sich durch die Kombination der verschiedenen Merkmale eine optimale Notlagerung der Turbomolekular­ pumpe. Bei der Verwendung von Abstandskugeln, welche kleiner sind als die tragenden Kugeln aus Keramik, ergibt sich eine noch geringere Reibung, wel­ che die Drehfähigkeit erhöht. Die Abstandskugeln können aus Metall oder ei­ nem anderen Werkstoff gefertigt sein und ggf. Schmiereigenschaften aufwei­ sen.

Claims (5)

1. Wälzlager, insbesondere Notlager für magnetisch gelagerte Vakuumpum­ pen, wie z. B. Turbomolekularpumpen, wobei der magnetisch gelagerte Rotor von zwei getrennt voneinander jeweils auf der Rotorwelle und im Gehäuse angeordneten Wälzlagern geführt wird, wenn z. B. in Folge von Stromausfall die magnetische Lagerung ausfällt, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß mindestens ein Wälzlager als ein- oder zweireihiges Kugellager ausgebildet ist, das jeweils einen einteiligen und einen zweigeteilten Laufring (10, 11) aufweist,
  • - daß die Kugeln (12) aus Keramikwerkstoff und die Laufringe (10, 11) aus einem korrosionsbeständigen hochlegierten Chromstahl (z. B. X 30 CrMoN 15 (AMS 5898)) gefertigt sind,
  • - und daß das Lager zwischen Innen- und Außenring beidseitig mit Deckscheiben (13) aus rostfreiem Material versehen ist, welche den zweigeteilten Laufring (11) zu einer Baueinheit zusammenfassen.
2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugella­ ger vollkugelig, also ohne Käfig und ohne Einfüllnut ausgeführt ist.
3. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerspiel bzw. die Lagervorspannung durch Abstimmung des zweigeteilten Laufrings (11) hochgenau ausführbar ist.
4. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager mit einem Trockenschmierstoff versehen ist und/oder die Laufringe (10,11) eine verschleißarme Hartbeschichtung aufweisen.
5. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kugeln (12) aus Keramikwerkstoff Abstandskugeln mit kleinerem Durch­ messer angeordnet sind.
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