DE19804768A1 - Rotorlagerung für eine Gasreibungspumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorlagerung für eine Gasreibungspumpe nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Gasreibungspumpen werden in verschiedenen Ausführungsformen in der Vakuumtechnik eingesetzt. Am bekanntesten sind Turbomolekularpumpen und Molekularpumpen z. B. nach der Bauart von Holweck. Für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird die Turbomolekularpumpe als Beispiel herangezogen. Alle im folgenden aufgeführten Eigen­ schaften und Konstruktionsmerkmale, welche den Stand der Technik betreffen, die auftre­ tenden Schwierigkeiten und deren Beseitigung im Rahmen der Erfindung treffen genausogut für andere Gasreibungspumpen zu.

Wesentlich für einen guten Wirkungsgrad einer solchen Pumpe sind eine hohe Drehzahl des Rotors und sehr enge, genau definierte Spalte zwischen rotierenden und feststehenden Bauteilen. Diese beiden Erfordernisse bedeuten für die Konstruktion zwei Bedingungen, die schwer miteinander vereinbar sind. Je höher die Drehzahl ist, um so größer muß der minimale Abstand zwischen rotierenden und feststehenden Teilen sein, um ein Anlaufen zu verhindern. Die Wärmeentwicklung, welche durch den elektrischen Antrieb, Lagerung, Reibungsverluste, Kompressionsarbeit und evtl. durch Ausheizen der Pumpe verursacht wird, führt zu einer thermischen Ausdehnung des Rotors. Dadurch werden die aufgezählten Probleme noch erheblich verstärkt und die Einhaltung von definierten engen Spalten zusätzlich erschwert. Als Folge kann es leicht zum Anlaufen des Rotors am Stator kommen, was im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Pumpe führt.

Dies macht deutlich, daß die durch die unvermeidliche Erwärmung des Rotors bedingte thermische Ausdehnung unerwünschte Folgen mit sich bringt.

Auch auf einen ruhigen und stabilen Lauf des Rotors wirkt sich dessen Wärmeausdehnung je nach Art der Lagerung mehr oder weniger nachteilig aus. Am Beispiel einer Hybrid­ lagerung, welche bei Gasreibungspumpen erfolgreich eingesetzt wird und die zum bewährten Stand der Technik gehört, wird dies deutlich. Solche Lager sind z. B. auf der Hochvakuumseite mit einem passiven magnetischen Lager versehen und auf der Vorvaku­ umseite befindet sich eine mechanische Abstützung, welche in der Regel durch ein konventionelles Kugellager gebildet wird. Die axiale Position des Rotors im Magnetlager ist für eine stabile Lagerung sehr kritisch. Je nach Art des Permanent-Magnetlagers befindet sich der Rotor in einer axial labilen Position, d. h. es wirken bei Verschiebung aus der neutralen Lage Kräfte, die den Rotor weiter aus der neutralen Lage drängen und die mit der Verschiebung anwachsen.

Bei der Montage wird die Position des Rotors zum Magnetlager in Axialrichtung eingestellt und durch das Kugellager fixiert. Hierbei versucht man, die Änderung der Rotorlänge durch Wärmedehnung im Betrieb zu berücksichtigen, so daß der Rotor im Betriebszustand die optimale Position im Magnetlager einnimmt. Dies kann jedoch nur annähernd erreicht werden, da die Lage des Rotors durch eine Anzahl von Parametern bestimmt wird und eine reproduzierbare Einstellung somit schwer zu erreichen ist. Zudem ist diese Maßnahme nur auf den Betriebszustand bei Nenndrehzahl abgestimmt. Zwischenzustände, z. B. beim Hochlaufen oder beim Abbremsen oder der Betrieb bei abweichender Drehzahl werden nicht erfaßt.

Die Axiallage des Magnetlagerrotors gegenüber dem Magnetlagerstator beeinflußt die radiale Steifigkeit des Magnetlagers und die Kraft in axialer Richtung, die das Magnetlager auf den Rotor und somit auf das Kugellager ausübt. Diese axiale Kraft kann sehr groß werden, wenn die Magnetlagerkomponenten nicht optimal positioniert sind. Die Axialkraft wir zu Null, wenn das Magnetlager auf den neutralen Punkt eingestellt ist.

Wenn sich in Folge der thermischen Dehnung die Lage der Magnetlagerkomponenten zu­ einander ändert, hat dies Auswirkungen auf die verschiedenen Bauteile der Lagerung. Ebenso wird die Unwucht des Rotors beeinflußt. Ein vorher gut ausgewuchteter Rotor kann infolge thermischer Dehnung dann in einen undefinierbaren Zustand der Unwucht übergehen.

Um alle diese Nachteile , die durch thermische Dehnung des Rotors entstehen, auf ein akzeptables Maß zurückzuführen, sind bei der Fertigung und Montage der Pumpe sehr enge Toleranzen und äußerst präzise Vorgehen erforderlich. Dies ist mit großem Aufwand verbunden und wirkt sich somit nachteilig auf die Fertigungskosten aus.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Vakuumpumpe zu konstruieren, so daß unter den extremen Bedingungen von sehr engen Spalten zwischen Rotor und Stator und hohen Drehzahlen auch bei der unvermeidlichen thermischen Ausdehnung des Rotors ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Aufbau der Pumpe, Fertigung und Montage sollen weniger aufwendig gestaltet werden. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk­ male des ersten Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß im Falle einer Erwärmung der Pumpe die axiale Fixierung des Rotors sich entgegengesetzt der Ausdehnungsrichtung des Rotors bewegt. Dadurch bleibt die Position von Stator und Rotorelementen des Radiallagers relativ zueinander unverändert und somit können in allen Betriebszuständen konstante Steifigkeitsverhältnisse eingehalten werden. Da die Baulänge des Lagerge­ häuses um ein Vielfaches kleiner ist als die des Rotors, wird jenes aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient um ein Vielfaches größer ist als der des Rotors. Zur zusätzlichen Optimierung der Rotorposition kann das Lagergehäuse mit einer Heizeinrichtung, welche über Sensoren und eine Steuereinheit geregelt wird, ausgerüstet werden. Der Boden des Lagergehäuses kann durch seine Gestaltung zur Optimierung der Steifigkeit des Lagergehäuses genutzt werden.

Anhand der einzigen Abbildung soll die Erfindung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe näher erläutert werden.

Die Abbildung zeigt eine einflutige Turbomolekularpumpe. In dem Gehäuse 1 befinden sich die Pumpelemente bestehend aus den gehäusefesten Statorscheiben 4 und den Rotor­ scheiben 3, welche mit dem Rotor 2 verbunden sind. Mit 5 ist der vakuumseitige Anschluß­ flansch und mit 6 der Vorvakuumanschluß bezeichnet. Der Rotor wird durch die Motoran­ ordnung 7 angetrieben. Die Lagerung des Rotors 2 erfolgt im vorliegenden Beispiel durch ein passives Magnetlager mit den Rotor- und Statorelementen 9 und 10, welches den Rotor radial zentriert und durch ein Kugellager 11, welches die axiale Unterstützung und Fixierung bewirkt.

Das Kugellager 11 ist in dem Halterohr 12 montiert und durch den Stellring 13 befestigt. Das Halterohr 12 ist mit dem Boden 19 des Lagergehäuses 14 fest verbunden. Dieses Lagerge­ häuse ist seinerseits mit seinem radial überstehenden Flansch 16 an seinem oberen Teil mit dem Unterteil 15 des Pumpengehäuses fest verbunden. Der untere zylindrische Teil des Lagergehäuses 14 ist durch einen radialen Spalt 17 vom Unterteil 15 des Pumpengehäuses getrennt. Ebenso befindet sich ein Spalt 18 zwischen dem Boden 19 des Lagergehäuses und dem Unterteil des Pumpengehäuses. Durch die Gestalt des Bodens 19 des Lagerge­ häuses kann die Steifigkeit der Lagerfassung variiert werden. Im vorliegenden Beispiel wird die Steifigkeit durch Einstiche 20 verringert. Durch den Betriebsmittelspeicher 21 und die Bohrungen 22 wird die Ölversorgung des Lagers 11 sichergestellt. Das Lagergehäuse 14 kann zusätzlich mit einer Heizung 23 versehen sein. In Verbindung mit einem Sensor 24 und einer Steuereinheit 25 kann der Rotor entsprechend der axialen Dehnung durch Erwär­ mung des Lagergehäuses 14 in eine bestimmte Position gebracht werden.

Die Kompensation der thermischen Ausdehnung des Rotors bedeutet im vorliegenden Beispiel, daß die axiale Lage des Rotors 9 gegenüber der des Stators 10 des passiven Magnetlagers in verschiedenen Betriebszuständen, welche unterschiedlichen Temperatur­ erhöhungen entsprechen, unverändert bleibt. Dies kann dann auch annähernd für die axiale Lage der Rotorscheiben 3 gegenüber den Statorscheiben 4 angenommen werden. Damit die Kompensation der thermischen Ausdehnung erreicht werden kann, muß die Summe der Ausdehnung Δs_R des Rotors (von der Mitte des Magnetlagers zur Mitte des Kugellagers) und der Ausdehnung Δs_H des Halterohres 12 durch die Summe der Ausdeh­ nung Δs_p des Pumpengehäuses und der Ausdehnung Δs_L des Lagergehäuses kompensiert werden.

Bei vorgegebenen geometrischen Verhältnissen von Rotor-, Stator- und Halterohr und be­ kannten Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe kann durch die Wahl der Länge des Lagergehäuses 14 und vor allem durch die Auswahl eines Werkstoffes mit dem erforderlichen Wärmeausdehnungskoeffizenten eine Kompensation der thermischen Ausdehnung des Rotors erreicht werden.

Da die Temperatur des Pumpengehäuses 1 in der Regel niedriger ist als diejenige des Rotors 2 und des Halterohres 12, wird sich jenes weniger ausdehnen als Rotor- und Halte­ rohr zusammen. Die Kompensation erfolgt dann durch das Lagergehäuse 14, welches sich von der Ebene A aus gesehen in entgegengesetzter Richtung wie der Rotor 2 und das Halterohr 12 ausdehnt und über das Halterohr 12 das Kugellager 11 entgegen der Rotor­ ausdehnung so verschiebt, daß die Rotorausdehnung kompensiert wird. Durch die Wahl eines Werkstoffes für das Lagergehäuse mit geeignetem thermischen Ausdehnungs­ koeffizient kann die Kompensation optimiert werden. Normalerweise wird ein Kunststoff verwendet mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizient, welcher den des Rotormaterials um ein Vielfaches übersteigt. Dies ist schon deshalb notwendig, weil der Rotor um ein Vielfaches länger ist als das Lagergehäuse.

Zur weiteren Optimierung der Kompensation kann das Lagergehäuse 14 mit einer Heizung 23 versehen werden. Über Signale von Sensoren 24, die als Kraft- oder Wegaufnehmer dienen wird die Verschiebung des Rotors registriert. Diese Signale können einer Steuerein­ heit 15 zugeführt werden, welche die Heizung 23 regelt.

Ebenso wie das Lagergehäuse 14 kann das ganze Unterteil 15 des Pumpengehäuses zur Kompensation der Rotordehnung entsprechend konstruiert sein.

Die Rotorlagerung wurde für eine Gasreibungspumpe entwickelt und am Beispiel einer solchen beschrieben. Die erfindungsgemäße Anordnung ist jedoch ebenso für andere Anwendungsgebiete einsetzbar, bei denen es auf die exakte Einhaltung der axialen Position eines Rotors unter dem Einfluß thermischer Ausdehnung ankommt.

Das gleiche gilt für das Beispiel der Lagerung. Anstelle der hier beschriebenen Hybridlage­ rung kann die Erfindung auch auf andere Arten von Lagerungen angewandt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann gegebenenfalls auch auf beiden Seiten der Rotor­ lagerung angewandt werden.

Claims (5)

1. Rotorlagerung für eine Gasreibungspumpe mit einem Pumpengehäuse (1) in welchem ein Rotor (2) mindestens auf einer Seite eine axiale Fixierung (11) aufweist, die in einem Halterohr (12) fest eingebunden ist und die radiale Führung durch ein Magnetlager oder ein konventionelles Lager erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterohr (12) in seiner axialen Verlängerung mit dem Boden (19) eines Lagergehäuses (14) fest verbun­ den ist, das Lagergehäuse (14) auf seiner der axialen Fixierung (11) zugewandten Seite über einen Flansch (16) mit dem Unterteil (15) des Pumpengehäuses fest verbunden ist, der zylindrische Teil des Lagergehäuses (14) durch einen Spalt (17) vom Unterteil (15) des Pumpengehäuses getrennt ist und der Boden (19) des Lagergehäuses durch einen Spalt (18) vom Unterteil des Pumpengehäuses getrennt ist.

2. Rotorlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (14) aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient so groß ist, daß die Summe der thermischen Ausdehnung Δs_r des Rotors (2) und der thermischen Ausdehnung Δs_H des Halterohres (12) durch die Summe der thermischen Ausdehnung Δs_p des Pumpengehäuses (1) und der thermischen Ausdehnung Δs_L des Lagergehäuses (14) kompensiert wird.

3. Rotorlagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerge­ häuse (14) mit einer Heizung (23) versehen ist.

4. Rotorlagerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (24) vorhan­ den sind, welche die axiale Verschiebung des Rotors registrieren und eine Steuereinheit (25) diesen Sensoren nachgeschaltet ist, welche die registrierten Signale zur Regelung der Heizung (23) verwendet.

5. Rotorlagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (19) des Lagergehäuses (14) durch geometrische Gestaltung wie z. B. Einstiche (20) so gestaltet wird, daß die axiale und radiale Steifigkeit des Lagergehäuses (14) beeinflußt werden kann.