DE19857453B4 - Temperature monitoring on rotors of vacuum pumps - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors (4) einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bereich der Pumpe, in welchem der Rotor (4) über Konvektion die meiste Energie an den Stator (6) abgibt, ein heizbarer Temperatursensor (9) so angebracht ist, daß die Knudsenzahl in seiner Umgebung mit derjenigen in der Umgebung des Rotors (4) vergleichbar ist und der heizbare Temperatursensor (9) somit als thermisches Modell des Rotors (4) angesehen werden kann.arrangement for non-contact monitoring the temperature of a rotor (4) of a vacuum pump, characterized that in a region of the pump in which the rotor (4) via convection Most energy is delivered to the stator (6), a heatable temperature sensor (9) is positioned so that the Knudsen number in its environment with that in the vicinity of the rotor (4) is comparable and the heatable temperature sensor (9) thus as a thermal model of the rotor (4) can be considered.

Figure 00000001
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors einer Vakuumpumpe.The The invention relates to an arrangement and a method for non-contact monitoring the temperature of a rotor of a vacuum pump.

Die Messung und Überwachung von Temperaturen an sich bewegenden Objekten ist eine weit verbreitete Aufgabenstellung in der Technik. Wenn es sich bei den Objekten um Rotoren handelt, welche mit hoher Drehzahl umlaufen, kommen nur berührungslose Messmethoden in Frage. Zusätzliche Randbedingungen schränken die Anwendbarkeit bekannter Messmethoden weiter ein. Eine solche zusätzliche Randbedingung kann zum Beispiel der Betrieb unter Vakuum sein. Stellvertretend für viele Anwendungsfälle seien hier schnellrotierende mechanische Vakuumpumpen (z. B. Turbomolekularpumpen) und Zentrifugen genannt. Die Bedeutung der Temperaturmessung und Überwachung wird besonders am Beispiel der Turbomolekularpumpe deutlich, bei der für einen sicheren Betrieb bestimmte Rotortemperaturen nicht überschritten werden dürfen.The Measurement and monitoring of temperatures on moving objects is a widespread Task in engineering. When the objects are around Rotors that rotate at high speed, come only contactless Measurement methods in question. Additional boundary conditions limit the applicability of known measuring methods on. Such additional The boundary condition can be, for example, operation under vacuum. vicarious for many use cases be here fast rotating mechanical vacuum pumps (eg Turbomolekularpumpen) and Called centrifuges. The importance of temperature measurement and monitoring is particularly clear from the example of the turbomolecular pump, at the for Safe operation does not exceed certain rotor temperatures be allowed to.

In vielen Bereichen der Technik werden zur kontaktlosen Temperaturmessung Pyrometer erfolgreich eingesetzt. Diese sind mit Sensoren ausgerüstet, welche die von einem Objekt ausgesandte Strahlung als Maß für dessen Temperatur ermitteln. Die von den Sensoren empfangene Strahlung hängt außer von der Tempe ratur auch sehr stark von der Strahlungszahl ab, die ihrerseits von der Oberflächenbeschaffenheit des emittierenden Objektes abhängt. Da die Oberflächen im Laufe der Zeit insbesondere beim Abpumpen von dampfförmigen Medien in der Vakuumtechnik Wandlungen unterworfen sind, z. B. durch Kondensation, Ablagerung von festen Partikeln oder auch durch chemische Reaktionen, treten Verfälschungen der Temperaturmessung auf, welche den sicheren Betrieb der Maschine stören können. In der Regel sind Strahlungssensoren auch nicht für den Einsatz im Vakuum geeignet, da sie entweder mit einer Gasfüllung versehen sind oder eine zu hohe Entgasungsrate aufweisen. Durch die zum Teil hohe Empfindlichkeit gegen energiereiche ionisierende Strahlung ist ihr Einsatz zusätzlich beschränkt. Weitere Fehlermöglichkeiten, die sehr schwer zu erfassen sind, treten bei Alterung auf.In Many areas of technology are used for contactless temperature measurement Pyrometer successfully used. These are equipped with sensors, which the radiation emitted by an object as a measure of its Determine temperature. The radiation received by the sensors depends on The temperature also depends very much on the number of radiation, which in turn from the surface texture of the emitting object depends. Because the surfaces Over time, especially when pumping vaporous media in the vacuum technology conversions are subjected, for. By condensation, Deposit of solid particles or by chemical reactions, occur falsifications the temperature measurement on which the safe operation of the machine can disturb. In As a rule, radiation sensors are also not suitable for use in a vacuum. either with a gas filling are provided or have a too high degassing rate. By the sometimes high sensitivity to high-energy ionizing Radiation is her use in addition limited. Other possibilities of error, which are very difficult to detect occur during aging.

Elektronische Messmethoden zur berührungslosen Temperaturbestimmung sind sehr aufwendig und für extreme Anforderungen wie hohe Drehzahlen nicht geeignet.electronic Measuring methods for non-contact Temperature determination are very costly and for extreme requirements like high speeds not suitable.

Durch den Einsatz von ferromagnetischen Materialien zur Temperaturüberwachung können die oben aufgeführten Nachteile der pyrometrischen Methoden überwunden werden. In der DE-OS 23 41 354 wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturanzeige von sich drehenden Maschinenteilen mit Hilfe von ferromagnetischen Materialien beschrieben. Dazu werden ferromagnetische Einsätze am Rotor angebracht. Durch einen Impulsgeber und Zähler kann die Temperatur der sich drehenden Teile überwacht werden. Eine solche Vorrichtung ist jedoch für Rotoren, welche mit sehr hoher Drehzahl umlaufen, ungeeignet, da die Festigkeit durch die ferromagnetischen Einsätze stark reduziert wird.Through the use of ferromagnetic materials for temperature monitoring, the above-mentioned disadvantages of the pyrometric methods can be overcome. In the DE-OS 23 41 354 a device for non-contact temperature display of rotating machine parts by means of ferromagnetic materials is described. For this ferromagnetic inserts are attached to the rotor. Through a pulse generator and counter, the temperature of the rotating parts can be monitored. However, such a device is unsuitable for rotors which revolve at very high speed, since the strength is greatly reduced by the ferromagnetic inserts.

Die DE 69 004 784 T2 betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines sich bewegendes Bauteils. Es wird vorgeschlagen, zwei temperierte Bezugskörper so anzuordnen, dass jeder eine dem Material zugewandte Fläche aufweist, und den Wärmefluss zwischen diesen Bezugskörpern und dem sich bewegenden Bauteil zu messen. Daraus und aus den Temperaturen der Bezugskörper wird die Temperatur des sich bewegenden Bauteils bestimmt.The DE 69 004 784 T2 relates to an arrangement for non-contact monitoring of the temperature of a moving component. It is proposed to arrange two tempered reference bodies so that each has a surface facing the material, and to measure the heat flow between these reference bodies and the moving component. From this and from the temperatures of the reference body, the temperature of the moving component is determined.

Die DE-GM 7 205 490 befasst sich mit einem Temperaturfühler, mit dem die Temperatur einer Rollenmantelinnenfläche bestimmt werden soll. Es wird vorgeschlagen, den Temperaturfühler mit einem Abschirmring zu umgeben, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und nur in Richtung Rollenmantelinnenfläche eine Ausnehmung aufweist. Hierdurch soll der Messfehler verringert werden.The DE-GM 7 205 490 deals with a temperature sensor with which the temperature of a roller shell inner surface is to be determined. It is proposed to surround the temperature sensor with a shielding ring which has a low thermal conductivity and has a recess only in the direction of the roller jacket inner surface. This is intended to reduce the measurement error.

Die CH 494 952 betrifft die Gestaltung einer beheizten Galette und des sie tragenden Gehäuseteils. Um die Temperaturmessung zu verbessern wird vorgeschlagen, einen Hohlraum zwischen Galette und Gehäuseteil zu schaffen, in dem ein Temperaturfühler angeordnet ist.The CH 494 952 relates to the design of a heated galette and the housing part carrying it. In order to improve the temperature measurement is proposed to provide a cavity between godet and housing part in which a temperature sensor is arranged.

Die DE-OS 2 048 680 schließlich betrifft eine Temperaturmesseinrichtung für beheizte Rollen. In einer Ringnut ist eine Temperaturfühler vorgesehen. Um die Messung zu verbessern, wird vorgeschlagen, die Ringnut mit einem gegen das Gehäuse thermisch isolierten Material zu füllen. Dadurch werden die Messung störende Verwirbelungen der Luft innerhalb der Ringnut vermieden.The DE-OS 2 048 680 Finally, concerns a temperature measuring device for heated rollers. In an annular groove, a temperature sensor is provided. In order to improve the measurement, it is proposed to fill the annular groove with a material thermally insulated against the housing. As a result, the measurement disturbing turbulence of the air within the annular groove are avoided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zur berührungslosen Überwachung von Temperaturen an Rotoren vorzustellen, welche mit einfachsten Mitteln eine zuverlässige Kontrolle erlaubt und die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.Of the The invention is based on the object, a device for non-contact monitoring of Temperatures to present rotors, which with the simplest means a reliable one Control allowed and avoids the disadvantages described above.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1., 2. und 3. Patentanspruches gelöst.The Task is characterized by the characterizing features of the 1st, 2nd and 3rd Claim solved.

Die vom Rotor aufgenommene und erzeugte Wärmeenergie kann durch Wärmestrahlung, Konvektion und durch Wärmeleitung über Lagerelemente auf den Rotor übertragen werden.The heat energy absorbed and generated by the rotor can be generated by heat radiation, Convection and by heat conduction via bearing elements transmit the rotor become.

Der größte Anteil wird dabei im normalen Gasballastbetrieb durch Konvektion übertragen. Diese ist stark vom Druck, der Gasart und der Umfangsgeschwindigkeit der Rotorelemente abhängig. Bei dem heizbaren Temperatursensor ist die Konvektion ebenfalls hauptsächlich von dem Druck und der Gasart abhängig. Wird der Temperatursensor in der Pumpe derart plaziert, daß er sich in der Gegend des Rotors befindet, wo dieser über Konvektion die meiste Energie abgibt und wo für Rotor und Temperatursensor etwa die gleichen Knudsenzahlen gelten, dann kann die abgegebene Leistung des Sensors mittels Analogiebeziehungen ein Maß für die abgegebene Energie des Rotors darstellen.Of the greatest proportion is transmitted in the normal gas ballast operation by convection. This is very dependent on the pressure, the type of gas and the peripheral speed the rotor elements dependent. With the heatable temperature sensor convection is also mainly depending on the pressure and the type of gas. The temperature sensor is placed in the pump so that it is located in the area of the rotor, where this convection most of the energy and where for Rotor and temperature sensor are about the same Knudsen numbers apply then the output power of the sensor can be measured by analogy a measure of the energy delivered of the rotor.

Die Knudsenzahl ist eine charakteristische Größe für die Gasströmung und wird ausgedrückt durch das Verhältnis der mittleren freien Weglänge l der Gasmoleküle zur Weite d des für die entsprechende Stelle zu definierenden Strömungskanals. Kn = l : d.The Knudsen number is a characteristic quantity for the gas flow and is expressed by the ratio of the mean free path length l the gas molecules to the width d of the flow channel to be defined for the corresponding point. Kn = l : d.

So kann auf einfache Art eine berührungslose Temperaturüberwachung des Rotors durchgeführt werden, welche unabhängig vom Druck und von der Gasart ist.So can be a non-contact in a simple way temperature monitoring be carried out of the rotor, which independently from the pressure and the gas type.

Mit dem Verfahren nach Anspruchen 3 wird eine weitere einfache Methode angegeben, die Rotortemperatur zu ermitteln. Wenn der in der Nähe des Rotors plazierte heizbare Temperatursensor keine weitere Energie mehr aufnimmt, hat er die Temperatur des Rotors erreicht. Somit kann die Rotortemperatur am Temperatursensor abgelesen werden. Die Ergebnisse werden dann mit Hilfe der durch den zweiten Temperatursensor ermittelten Werte über die abfließende Wärme korrigiert. Auch dieses Verfahren ist unabhängig vom Druck und von der Gasart.With the method of claim 3 is another simple method indicated to determine the rotor temperature. If the near the rotor placed heated temperature sensor no longer absorbs more energy, he has reached the temperature of the rotor. Thus, the rotor temperature be read on the temperature sensor. The results will be then corrected with the help of the values determined by the second temperature sensor on the outgoing heat. This procedure is also independent from the pressure and the gas type.

An Hand der Abbildung soll die Erfindung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe näher erläutert werden.At Hand of the figure to the invention using the example of a turbomolecular pump be explained in more detail.

Das Gehäuse 1 einer Turbomolekularpumpe ist mit einem Ansaugflansch 2 und einer Gasaustrittsöffnung 3 versehen. Der Rotor 4, welcher in Lagern 7 fixiert ist und durch einen Motor 8 angetrieben wird, ist mit Rotorscheiben 5 versehen. Die se sind abwechselnd mit Statorscheiben 6 angeordnet. Rotor- und Statorscheiben 5, 6 sind mit Schaufeln versehen und weisen somit eine turbinenartige Struktur auf. Durch das Zusammenwirken dieser Bauteile entsteht der Pumpeffekt. In einem Bereich der Pumpe, in welchem der Rotor die meiste Energie an den Stator abgibt, ist ein heizbarer Temperatursensor 9 angebracht.The housing 1 a turbomolecular pump is equipped with a suction flange 2 and a gas outlet opening 3 Mistake. The rotor 4 which is in warehouses 7 is fixed and by a motor 8th is powered with rotor discs 5 Mistake. The se are alternating with stator discs 6 arranged. Rotor and stator discs 5 . 6 are provided with blades and thus have a turbine-like structure. The interaction of these components creates the pumping effect. In a region of the pump in which the rotor gives the most energy to the stator, is a heatable temperature sensor 9 appropriate.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein heizbarer Temperatursensor 10 an einer solchen Stelle in unmittelbarer Nähe des Rotors angebracht, an welcher ein Wärmeaustausch seiner Oberflächen hauptsächlich mit Teilen des Rotors stattfindet. Durch einen zweiten Temperatursensor 11 wird die über die Befestigung 12 einschließlich der elektrischen Anschlüsse abfließende Wärme ermittelt und als Korrekturgröße für die Meßergebnisse des heizbaren Temperatursensors 10 verwendet.In a further embodiment, a heatable temperature sensor 10 attached to such a location in the immediate vicinity of the rotor, at which a heat exchange of its surfaces takes place mainly with parts of the rotor. Through a second temperature sensor 11 will be the over the attachment 12 determined including the electrical connections dissipating heat and as a correction factor for the measurement results of the heatable temperature sensor 10 used.

Die Erfindung wurde am Beispiel einer Turbomolekularpumpe, welche einen Spezialfall einer Gasreibungspumpe darstellt, erläutert. Sie kann jedoch ebenso gut auf andere Vakuumpumpen angewandt werden.The The invention was based on the example of a turbomolecular pump, which a Special case of a gas friction pump, explained. she however, it can equally well be applied to other vacuum pumps.

Claims (3)

Anordnung zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors (4) einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bereich der Pumpe, in welchem der Rotor (4) über Konvektion die meiste Energie an den Stator (6) abgibt, ein heizbarer Temperatursensor (9) so angebracht ist, daß die Knudsenzahl in seiner Umgebung mit derjenigen in der Umgebung des Rotors (4) vergleichbar ist und der heizbare Temperatursensor (9) somit als thermisches Modell des Rotors (4) angesehen werden kann.Arrangement for non-contact monitoring of the temperature of a rotor ( 4 ) of a vacuum pump, characterized in that in a region of the pump in which the rotor ( 4 ) via convection most of the energy to the stator ( 6 ), a heatable temperature sensor ( 9 ) is mounted so that the Knudsen number in its environment with that in the vicinity of the rotor ( 4 ) and the heatable temperature sensor ( 9 ) thus as a thermal model of the rotor ( 4 ) can be considered. Verfahren zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors (4) einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß ein heizbarer Temperatursensor (9), welcher in einem Bereich der Pumpe, in welchem der Rotor (4) über Konvektion die meiste Energie an den Stator (6) abgibt, so angebracht ist, daß die Knudsenzahl in seiner Umgebung mit derjenigen in der Umgebung des Rotors (4) vergleichbar ist und er somit als thermisches Modell des Rotors (4) angesehen werden kann, erhitzt wird und daß über die Leistungsaufnahme des Temperatursensors (5), dessen Temperatur, die Leistungsaufnahme des Rotors (4) und einen vorher ermittelten Proportionalitätsfaktor die Temperatur des Rotors (4) bestimmt wird.Method for non-contact monitoring of the temperature of a rotor ( 4 ) of a vacuum pump, characterized in that a heatable temperature sensor ( 9 ), which in a region of the pump in which the rotor ( 4 ) via convection most of the energy to the stator ( 6 ) is mounted so that the Knudsen number in its environment with that in the vicinity of the rotor ( 4 ) and is thus a thermal model of the rotor ( 4 ), is heated, and that the power consumption of the temperature sensor ( 5 ), its temperature, the power consumption of the rotor ( 4 ) and a previously determined proportionality factor the temperature of the rotor ( 4 ) is determined. Verfahren zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Rotors (4) einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß ein heizbarer Temperatursensor (10), der in der Nähe des Rotors (4) so angebracht ist, daß ein Wärmeaustausch seiner Oberflächen hauptsächlich mit Teilen des Rotors (4) stattfindet, soweit aufgeheizt wird, bis kein Wärmeaustausch mehr mit dem Rotor (4) stattfindet, d.h. bis der Temperatursensor (10) keine weitere Heizenergie mehr aufnimmt und daß dann die Temperatur des Temperatursensors (10) als Rotortemperatur abgelesen werden kann, und daß die durch den heizbaren Temperatursensor (10) ermittelten Ergebnisse mit Hilfe der durch einen zweiten Temperatursensor (11) ermittelten Werte über die abfließende Wärme korrigiert werden.Method for non-contact monitoring of the temperature of a rotor ( 4 ) of a vacuum pump, characterized in that a heatable temperature sensor ( 10 ), which is close to the rotor ( 4 ) is mounted so that a heat exchange of its surfaces mainly with parts of the rotor ( 4 ) takes place, as far as is heated until no more heat exchange with the rotor ( 4 ) takes place, ie until the temperature sensor ( 10 ) absorbs no more heat energy and that then the temperature of the temperature sensor ( 10 ) can be read as the rotor temperature, and that by the heatable temperature sensor ( 10 ) determined by means of a second temperature sensor ( 11 ) determined values on the outgoing heat korri be yawed.
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