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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe.
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Vakuumpumpen wie beispielsweise Turbomolekularpumpen weisen in einem Pumpengehäuse eine ein Pumpelement wie einen Rotor tragende Rotorwelle auf. Insbesondere bei Turbomolekularpumpen werden die Rotorwellen mit hohen Drehzahlen von beispielsweise 60 000/Min betrieben. Die Rotorwelle ist über zwei Lageranordnungen gelagert. Die Lageranordnungen weisen hierbei jeweils einen Magnet- oder Wälzlager auf. Bei derartigen schnell drehenden Rotorwellen besteht an die Lageranordnungen die Forderung einer hohen Steifigkeit in axialer Richtung. Ferner besteht die Forderung, dass eine der beiden Lageranordnungen eine senkrecht zur Rotorlängsachse, d. h. in radiale Richtung weisende Beweglichkeit aufweist. Üblicherweise wird diese radiale Beweglichkeit bei dem druckseitigen Lager realisiert. Bei dieser Lageranordnung handelt es sich bei vertikal angeordneten Rotorwellen üblicherweise um die untere Lageranordnung.
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Beispielsweise aus
EP 2 126 365 ist das Vorsehen von Elastomerringen bekannt. Insbesondere aufgrund der geforderten axialen Steifigkeit treten aufgrund von Schubspannungen zwischen dem Lageraußenring und den angrenzenden Bauteilen verhältnismäßig große radial wirkende Kräfte auf. Derartige radiale Kräfte wirken sich negativ aus.
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Aus
EP 1 618 308 ist ferner eine Vakuumpumpe mit einer über zwei Lageranordnungen gelagerten Rotorwelle bekannt. Die in
EP 1 618 308 beschriebene Lageranordnung weist ein die Welle lagerndes Wälzlager auf. Der Außenring des Kugellagers ist von einem Elastomerring umgeben. Der Elastomerring ist in einer ringförmigen Nut des Gehäuses angeordnet. Zusätzlich zu dem eine radiale Bewegung des Wälzlagers ermöglichenden Elastomerring ist ein Axiallager vorgesehen. Die Kugeln des Axiallagers sind axial zu dem äußeren Lagerring angeordnet. Die Kugeln dieses Lagers sind zwischen der senkrecht zur Wellenlängsachse verlaufenden Fläche des äußeren Lagerrings und einer ebenfalls senkrecht zur Längsachse der Rotorwelle verlaufenden Fläche des Gehäuses angeordnet. Durch diese Lager erfolgt somit eine axiale Abstützung des äußeren Lagerrings, wobei gleichzeitig eine radiale Bewegung des äußeren Lagerrings und somit des gesamten Wälzlagers möglich ist. Das in
EP 1 618 308 beschriebene Vorsehen einer axialen Abstützung am äußeren Lagerring des Wälzlagers weist den Nachteil auf, dass der Kugeldurchmesser für die erfolgende axiale Abstützung aufgrund der Breite der Stirnfläche des Außenrings des Wälzlagers beschränkt ist. Ferner kann der Sitz des axialen Kugellagers bei der Montage nicht mehr kontrolliert werden. Des Weiteren sind die erforderliche gestufte Bohrung sowie der erforderliche Freistich im Gehäuse schwer zu bearbeiten und zu messen.
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Des Weiteren besteht die Forderung, dass eine Rotorwelle in engen Winkelbereichen schwenkbar ist. Insbesondere muss eine Rotorwelle etwa mit einem Radius zwischen Lagermitte und Schwerpunkt der rotierenden im Wesentlichen aus Rotorwellen und Rotor bestehenden Einheit schwenkbar sein. Eine derartige Schwenkbarkeit beziehungsweise mögliche Pendelbewegung ist bisher in keiner der beiden Lageranordnungen realisiert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, deren Rotorwelle bei hoher axialer Steifigkeit in zumindest einer die Rotorwelle lagernden Lageranordnung eine leichte und reibungsarme radiale Beweglichkeit, sowie eine Pendelbewegung ermöglicht ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Turbomolekularpumpe handelt, weist ein üblicherweise aus mehreren Teilen bestehendes Pumpengehäuse auf. In dem Pumpengehäuse ist eine Rotorwelle mittels zwei Lageranordnungen gelagert. Die Rotorwelle trägt ein Pumpelement wie einen Rotor. Zumindest eine der beiden Lageranordnungen weist ein Wälzlager auf. Bei dieser Lageranordnung handelt es sich vorzugsweise um die druckseitige Lageranordnung. Diese ist bei vertikal angeordneter Rotorwelle üblicherweise die untere Lageranordnung. Die saugseitige, bei vertikaler Rotorwelle üblicherweise obere Lageranordnung kann ebenfalls ein Wälzlager aufweisen. Bevorzugt ist es, dass das saugseitige Lager ein Magnetlager aufweist.
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Zur möglichen erfindungsgemäßen Radialbewegung der Rotorwelle sowie einer Pendelbewegung der Rotorwelle, ist mit einer äußeren Lagerschale des Wälzlagers ein Ansatz verbunden. Hierbei kann es sich um einen gesonderten mit der äußeren Lagerschale verbundenen oder einen einstückigen mit der äußeren Lagerschale ausgebildeten Ansatz handeln. Der Ansatz ragt in eine Fluidkammer. Das in der Fluidkammer vorhandene Fluid ermöglicht eine gedämpfte Bewegung insbesondere eine Pendelbewegung der gesamten Rotorwelle sowie der mit der Rotorwelle verbundenen Bauteile. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer derartigen Fluidkammer ist somit nicht nur eine radiale Bewegung des Wälzlagers beziehungsweise der Rotorwelle im Bereich des Wälzlagers, sondern auch eine Pendelbewegung der Rotorwelle ermöglicht. Durch diese Pendelbewegung kann die Lebensdauer des Wälzlagers deutlich vergrößert werden. Dies liegt darin begründet, dass keine oder erheblich geringere ungewollte axiale Kräfte bei einem radialen Verschieben auf das Wälzlager wirken.
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Das Wälzlager, bei dem es sich insbesondere um die druckseitige Lageranordnung handelt, weist vorzugsweise zwischen einem inneren und dem äußeren Ring angeordnete Wälzkörper wie Kugeln auf. Der innere Lagerring ist hierbei insbesondere unmittelbar auf der Rotorwelle fixiert. Ggf. kann der innere Lagerring auch entfallen, so dass die Wälzkörper unmittelbar auf einem der den inneren Lagerring ersetzenden Bereiche der Rotorwelle angeordnet sind.
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Der Ansatz ist zumindest teilweise von Fluid umgeben. Hierbei ist die Fluidkammer vorzugsweise derart ausgebildet, dass das Fluid zumindest teilweise radial außerhalb und/oder teilweise radial innerhalb des Ansatzes angeordnet ist. Gegebenenfalls können auch zwei gesonderte Fluidkammern vorgesehen sein, wobei eine radial außerhalb und eine radial innerhalb des Ansatzes angeordnet ist. Bevorzugt ist es, dass die beiden Kammern miteinander verbunden sind, wobei es besonders bevorzugt ist, dass eine einzige Fluidkammer derart ausgebildet ist, dass sie den Ansatz zumindest teilweise umgibt. Eine derartige Kammer weist sodann einen radial innerhalb als auch einen radial außerhalb des Ansatzes liegenden Bereich auf. Im Querschnitt ist die erfindungsgemäße Fluidkammer vorzugsweise U-förmig ausgebildet beziehungsweise umgibt einen Randbereich des Ansatzes U-förmig. Hierdurch kann, ohne dass eine Kompression des Fluids erfolgen muss eine Pendelbewegung bzw. eine Schwenkbewegung in der Fluidkammer realisiert werden.
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Bei dem Fluid kann es sich um ein gasförmiges und/oder flüssiges Fluid handeln. Bevorzugt ist die Verwendung von unkompressiblen Fluiden.
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Die Fluidkammer ist vorzugsweise in dem Pumpengehäuse stationär angeordnet. Besonders bevorzugt ist es, dass die Fluidkammer auf der anderen Lageranordnung zugewandten Seite des Wälzlagers angeordnet ist. Die Fluidkammer ist somit insbesondere nahe dem Wälzlager zwischen den beiden Lageranordnungen angeordnet, da der Mittelpunkt, bzw. Schwenkpunkt der Pendelbewegung ebenfalls zwischen den beiden Lageranordnungen liegt.
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Der Ansatz verläuft in bevorzugter Ausführungsform im Wesentlichen axial. Obgleich ein axiales Anordnen des Ansatzes bevorzugt ist, ist es auch möglich, dass der Ansatz leicht geneigt ist, somit einen radialen Anteil aufweist. Beispielsweise könnte der Ansatz leicht nach innen in Richtung der Rotorwelle geneigt sein, so dass bei der Pendelbewegung eine verhältnismäßig große äußere Fläche des Ansatzes im Wesentlichen senkrecht auf das Fluid einwirkt. Dies kann alternativ auch durch eine entsprechende Ausgestaltung der Außenfläche des Ansatzes verwirklicht werden. Bevorzugt ist eine axiale beziehungsweise parallel zur Rotorwelle verlaufende Anordnung des Ansatzes.
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Zum Abdichten der Fluidkammer ist mindestens ein Dichtelement angeordnet, wobei es sich bei dem Dichtelement insbesondere um einen O-Ring handelt. Das Dichtelement ist insbesondere zwischen dem Ansatz und der Innenseite der Fluidkammer angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform bei der die Fluidkammer den Ansatz U-förmig umgibt ist ein außenliegendes sowie ein innenliegendes Dichtelement beziehungsweise zwei entsprechende O-Ringe vorgesehen.
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Vorzugsweise ist ein weiteres Dämpfungselement zwischen der äußeren Lagerschale und dem Gehäuse vorgesehen, bei dem es sich vorzugsweise um einen O-Ring handelt. Dieses Dämpfungselement dient zur radialen Dämpfung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung für eine Vakuumpumpe und
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2 für eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung.
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Eine Vakuumpumpe, bei der es sich erfindungsgemäß insbesondere um eine Turbomolekular-Pumpe handelt weist ein nicht dargestelltes Gehäuse auf, in dem eine Rotorwelle 10 angeordnet ist. Die Rotorwelle 10 trägt einen mehrere Rotorschaufeln aufweisenden Rotor. Die Rotorwelle 10 ist über einen ebenfalls nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. In dem Gehäuse ist ein Statorscheiben aufweisender Stator angeordnet, der mit dem Rotor zusammenwirkt. Ferner ist in dem Gehäuse der Elektromotor zum Antrieb der Rotorwelle angeordnet. Die Lagerung der Rotorwelle 10 erfolgt im Gehäuse über zwei Lageranordnungen, von denen bei der in 1 dargestellten Ausführungsform eine untere beiziehungsweise druckseitige Lageranordnung 12 dargestellt ist. Eine in 1 obere bzw. saugseitig vorgesehene Lageranordnung ist insbesondere als Magnetlager ausgebildet. Durch das Magnetlager erfolgt eine insbesondere in axialer Richtung 14 möglichst steife Lagerung der Rotorwelle 10 und somit des Rotorelements. Dies ist erforderlich, da äußerst geringe Toleranzen zwischen den Schaufeln des Rotorelements und den Schaufeln des Statorelements eingehalten werden müssen. Insbesondere aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit der Welle 10 kann in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Lageranordnung 12 eine leichte Pendelbewegung in Richtung des Pfeils 16 der Welle 10 erfolgen. Die Pendelbewegung findet um einen Schwerpunkt 18 des rotierenden Systems, das insbesondere die Rotorwelle 10 und den Rotor umfasst, statt.
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Die Lageranordnung 12 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine innere Lagerschale 20 auf, die auf der Welle 10 fixiert ist. Zwischen der inneren Lagerschale 20 und einer äußeren Lagerschale 22 sind in einem Lagerkäfig 24 Wälzkörper 26 angeordnet. Die äußere Lagerschale 22 weist einen sich in axiale Richtung 14 erstreckenden Ansatz 28 auf. Der Ansatz 28 weist hierbei bezogen auf das Wälzlager bzw. die Wälzkörper 26 des Lagers in 1 nach oben, d. h. in Richtung der saugseitigen Lageranordnung. Erfindungsgemäß ragt der Ansatz 28 in eine Fluidkammer 30. Die Fluidkammer 30 ist durch ein stationär an dem Pumpengehäuse 11 angeordnetes Kammergehäuse 32 ausgebildet. In dem Ausführungsbeispiel ist das Kammergehäuse 32 und somit die durch das Kammergehäuse 32 ausgebildete Fluidkammer durch ein im Querschnitt U-förmiges ringförmiges, die Welle 10 umgebendes Bauteil 32 ausgebildet. Zur Abdichtung an der Fluidkammer 30 sind zwei Dichtelemente 34 jeweils zwischen einer äußeren Außenseite 36 bzw. einer inneren Außenseite 38 des Ansatzes 28 und den entsprechenden Innenseiten des Fluidgehäuses 32 angeordnet. Das in der Fluidkammer 30 angeordnete Fluid umgibt den Ansatz 28 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl an einer Stirnseite 40 als auch an Teilen der inneren Außenseite 38 und der äußeren Außenseite 36. Hierdurch ist ein gedämpftes Pendeln der Welle wie durch den Pfeil 16 dargestellt möglich.
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Des Weiteren ist die äußere Lagerschale 22 in seinem in 1 unteren beziehungsweise von der Fluidkammer 30 über ein weiteres vorzugsweise ebenfalls als O-Ring ausgebildetes Dämpfungselement 42 fixiert.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung 12 (2) sind identische und ähnliche Bauteile mit demselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Insbesondere ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Ansatz 44 im Unterschied zum Ansatz 28 nicht einstückig mit der äußeren Lagerschale 22 ausgebildet, sondern als gesondertes Bauteil mit dieser verbunden. Die Verbindung erfolgt beispielsweise über eine in einer Stirnfläche 46 der äußeren Lagerschale 22 angeordnete Nut 48. Der insbesondere im Querschnitt T-förmige Ansatz 44 ragt entsprechend der in 1 dargestellten Ausführungsform in eine Fluidkammer 30.
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Des Weiteren ist es möglich, die axiale Position des Lagers durch Verdrängen oder durch Ändern der Füllmenge des Fluids in der Fluidkammer zu verändern bzw. einzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2126365 [0003]
- EP 1618308 [0004, 0004, 0004]
