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.
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
Die
Die
Die
Die
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
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
In
einer weiteren Ausführungsform
ist ein heizbarer Temperatursensor
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.
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