DE2138152A1

DE2138152A1 - Turbomolekularvakuumpumpe

Info

Publication number: DE2138152A1
Application number: DE2138152A
Authority: DE
Inventors: Max Dr Wutz
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1971-07-30
Filing date: 1971-07-30
Publication date: 1973-02-08
Also published as: US3753623A; GB1404020A; DE2138152B2; CH544224A; DE2138152C3; FR2149145A5

Description

"Turbomolekularvakuumpumpe"

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Turbomolekularvakuumpumpe mit einer von einer Antriebsvorrichtung direkt antreibbaren, vertikal angeordneten Drehwelle, auf der mit Abstand zueinander jeweils zwischen zwei am Gehäuse befestigten Leitschaufelkränzen Laufschaufelkränze angeordnet sind, und mit einer Anordnung zur dichten Lagerung, drehbarer Teile auf einem feststehenden Zapfen, der mit Schmiermittelzufuhr- bzw. -abfuhrkanälen versehen und an einen Schmiermitfcelkreislauf angeschlossen ist.

Bei bekannten Lageranordnungen für Turbomolekularvakuumpumpen wird im allgemeinen oberhalb und unterhalb des Antriebs ein Radiallager angeordnet. Die Axialkräfte werden durch Schräglager oder durch separate Axiallager aufgenommen. Es kann sich dabei sowohl um Gleitlager als auch um Kugellager handeln. Als Antriet dient dabei häufig ein Motor mittlerer Frequenz, d.h. mit einer Drehzahl zwischen etwa 20.000 und 100.000 U/min. Der Motor kann die Drehwelle, auf der die Laufschaufelkränze der Turbomolekularvakuumpumpe angeordnet sind, direkt oder über ein Getriebe antreiben.

Die bekannten Lageranordnungen, welche Kugellager verwenden, sind sehr schwingungsempfindlich, weil im allgemeinen mit einem

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ORIGINAL INSPECTED

Ölnebel geschmiert wird, und weisen eine begrenzte Lebensdauer auf. Bei bekannten Lageranordnungen, welche Gleitlager verwenden, ist das Problem der Ölabführung des über dem Antrieb liegenden Lagers offensichtlich bisher noch nicht befriedigend gelöst. Es entstehen bei einer solchen Lageranordnung Ölspritzer und Öldämpfe, die für die das Lager umgebenden Batiteile nachteilig sind. Dies trifft im besonderen Maße zu, wenn auch die Antriebsvorrichtung innerhalb des Pumpengehäuses oder in einem evakuierbaren Raum angeordnet ist. Eine intensive Ölschmierung steht im allgemeinen der Anwendung eines Direktantriebs im Vakuum entgegen. Bei den bekannten Turbomolekularvakuumpumpen ist außerdem von Nachteil, daß die in den Lageranordnungen und in dem Antriebsmotor entstehende Wärme sehr schlecht abgeführt werden kann.

Aus der französischen Patentschrift 1 504 689 ist eine Turbomolekularvakuumpumpe bekannt, bei der die drehbaren Teile auf einer Hohlwelle um einen feststehenden hohlen Zapfen herum mittels zweier im Abstand voneinander angeordneter Zugellager in der Nähe des Massenschwerpunktes der drehbaren Teile gelagert sind, Die Kugellager sind so angeordnet, daß sie sowohl die radialen als auch die axialen Kräfte aufnehmen können. Sie werden vom hohlen Teil des Zapfens aus durch enge Kanäle mit Schmieröl versorgt, welches in den Zapfenhohlraum zurückgeführt wird, ohne in den evakuierbaren Raum zu gelangen.

Die bekannte Lageranordnung ist jedoch wegen der verwendeten Kugellager ebenfalls sehr schwingungsempfindlich. Da die Kugellager als Schräglager ausgebildet sind, vermögen sie nur in bestimmten Richtungen begrenzte Kräfte aufzunehmen. Ihre Belastbarkeit ist dadurch gering und wirkt sich bei den für solche Pumpen erforderlichen hohen Drehzahlen nachteilig auf die Lebensdauer aus. Der Abfuhr der Wärme, die beim Betrieb des Antriebsmotors in diesem selbst entsteht, ist offensichtlich bei

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der "bekannten Turbomolekularvakuumpumpe keine Beachtung geschenkt worden«

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Lageranordnung für eine Turbomolekularvakuumpumpe zu schaffen, welche Schwingungen dämpft, eine hohe Lebensdauer besitzt und praktisch keinem Verschleiß unterliegt. Ferner soll durch die Erfindung die Wärmeabfuhr von den drehbaren Teilen, insbesondere der Lagerung und der Antriebsvorrichtung, durch eine verbesserte Kühlung erhöht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Turbomolekularvakuumpumpe der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Drehwelle selbst oder ein mit der Drehwelle drehbares Teil auf der den Pumpenschaufelkränzen abgewandten Seite eine Ausnehmung aufweist, in die der feststehende Zapfen mit einem offenen Ende hineinragt, und daß der Raum zwischen dem Boden der Ausnehmung und der ihr zugekehrten Fläche des Zapfens mit Schmiermittel aus·· füllbar ist und so ein hydrostatisches oder hydrodynamisches Lager bildet.

Hierdurch ergibt sich eine auch bei sehr hoher Drehzahl praktisch veEschleißfrei arbeitende Lageranordnung, welche eine überaus hohe Lebensdauer besitzt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Lageranordnung schwingungsdämpfend wirkt. Ölspritzer gelangen nicht in den die Lageranordnung umgebenden Raum, was insbesondere beim Betrieb im Vakuum bedeutsam ist. Die Wärmeabfuhr durch das Schmiermittel ist bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung derart intensiv, daß insbesondere beim Anfahren der Pumpe der Antrieb wesentlich höher als bisher belastet werden kann. Das erfindungsgemäß verwendete Axiallager wirkt als hydrostatisches oder hydrodynamisches Lager und gestattet eine praktisch schwimmende La-"gerung des drehbaren Teils und dessen Ausbildung oder Verbin-

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dung mit einer vertikal angeordneten Drehwelle, auf der der Pumpenrotor angeordnet ist.

Bewährt hat sich eine derartige Ausbildung der erfindungsgemäßen Tuibomolekularvakuumpumpe, daß zur Axiallagerung die demPumpenrotor zugekehrte Fläche des. Zapfens eingebuchtet ist, insbesondere eine Hemisphäre "bildet, und in diese Einbuchtung ein korrespondierender Vorsprung des Bodens der Ausnehmung der Drehwelle oder des mit ihr drehbaren Teils hineinragt. Eine derartige Ausbildung der QJragfläche d.es Zapfens und in entsprechender Weise des Yorsprungs am Boden der Ausnehmung erhöht die Belastbarkeit des Lagers und vermindert die Reibungsverluste. Anstelle einer sphärischen Lagerflache kann z.B. eine Kegelspitze angewandt werden.

Bewährt äat sich weiterhin eine derartige Ausbildung der Turbomolekular vakuumpumpe, daß zur Radiallagerung wenigstens ein an sich bekanntes Gleit- oder Kugellager zwischen der Seitenwand der Ausnehmung und der Außenwand des Zapfens angeordnet ist. Eine solche Anordnung arbeitet besonders unter hohen Drehzahlen sehr verschleißarm und schwingungsdämpfend.

In einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe ist im Bereich der oberen und der unteren Zapfenaußenwand je ein Gleit- oder Kugellager.angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Führung und damit Stabilisierung; der erfindungsgemäßen Lageranordnung.

In einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Turbomoleku.-larvakuumpumpe ist das Radiallager mit dem drehbaren Teil einstückig ausgebildet. Diese Ausführungsform ist bei der Ausbildung als Gleitlager besonders vorteilhaft.

Bewährt hat sich ferner eine solche Ausbildung der erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe, daß das dem Pumpenrotor zu-

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gekehrte Ende enger und das dem Pumpenrotor abgekehrte Ende des Zapfens weiter ist und an diesen Enden jeweils ein Radiallager angeordnet ist.

Eine "besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Zapfen zur Schmiermittelzufuhr unter Druck in die Ausnehmung in der Drehwelle, oder in dem mit ihr drehbaren Teil wenigstens einen Kanal aufweist. Bewährt hat sich hierbei, daß mindestens ein Schmiermittelzufuhrkanal in der Längsachse des Zapfens angeordnet ist.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß der Zwischenraum zwääahen der Ausnehmung in der Drehwelle oder in dem mit ihr drehbaren Teil und dem feststehenden Zapfen' an einer die Kanäle einbeziehenden Schmiermittelkreislauf angeschlossen ist. Hierdurch ist eine stetige Druckölversorgung der Schmierstellen gewährleistet. Die Ausbildung der Kanäle hat den Vorteil, daß das Öl nur die Innenwand des drehbaren Teils beaufschlagt, diese kühlt und die Ausnehmung praktisch spritzfrei verläßt.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß eine fördereinrichtung zur Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks im Schmiermittelkreislauf während des Betriebs der Vakuumpumpe dient. Bewährt hat sich hierbei, daß die Fördereinrichtung aus einer volumetrischen Pumpe besteht.

Ferner besteht eine weitere Ausbildung der Erfindung darin, daß ein Windkessel bei Ausfall der Fördereinrichtung automatisch das Schmiermittel mit Druck beaufschlagt. Alle Haßnahmen,, die der Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks im Schmiermittelkreislauf dienen, haben sich im Betrieb besonders vorteilhaft ausgewirkt, da sie der Erhöhung der Gleiteigenschaften der lageranordnung dienen und eine hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer gewährleisten. - _ r _

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Bewährt hat sich auch eine solche Ausbildung der erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe, "bei der die Antriebsvorrichtung ein Elektromotor ist und das mit der Drehwelle drehbare Teil als Läufer des Antriebsmotors ausgebildet ist. Hierdurch wird wegen der intensiven Innenkühlung des Läufers durch das Schmiermittel eine besonders gute Wärmeabfuhr erreicht. Dies gestattet die Unterbringung des Motors in einem evakuierbaren Gehäuse und eine höhere Belastbarkeit des Motors.

Bewährt hat sich hierbei, daß der Läufer Teil eines elektrischen Mittelfrequenzmotors ist und von dessen Stator nur durch einen Dichtspalt getrennt ist. Hierdurch wird ein Antrieb im Vakuum mit einer intensiven Ölschmierung geschaffen, ohne daß befürchtet werden muß, daß bei der Ölabführung aus dem Lager Spritzer entstehen. Der Antrieb durch einen elektrischen Mittelfrequenzmotor hat den Vorteil, daß er auch bei hohen Drehzahlen schwingungsarm umläuft, da er einen leicht auszuwuchtenden massiven Läufer verwendet. Er läuft asynchron an und ist beim Anfahren mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung hoch belastbar.

In den beigefügten Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und rein schematisch dargestellt.

Is zeigen:

Fig. 1 die Turbomolekularvakuumpumpe mit der erfindungsgemäßen La-. geranordnung, welche in einem Sshmiermittelkreislauf eingebaut ist

]?ig. 2 die erfindungsgemäße Lageranordnung in einem Ausführungsbeispiel

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I¹Ig. 2a eine Einzelheit der erfindungsgemäßen Lageranordnung in einem anderen Ausführungsbeispiel

!ig. 2b ein Ausführungsbeispiel einer

hydrodynamischen Lageranordnung.

G-leiche Teile sind in verschiedenen Figuren mit gleichen Ziffern "bezeichnet.

Figur 1 zeigt die prinzipielle Anordnung des der Erfindung zugrundeliegenden Lagers in einer Turbomolekularvakuumpumpe. Im unteren Teil des Pumpengehäuses 1 ist die Antriebsvorrichtung 2 - im vorliegenden Falle ein Mittelfrequenzmotor - untergebracht dessen Läufer 3 sich auf einem feststehenden und mit dem Gehäuse verbundenen Zapfen 4 dreht. Das Schmieröl wird von einer Förderpumpe 5 über die Druckleitung 6 in einen Zentralkanal des feststehenden Zapfens 4 eingespeist und fließt über die Rücklaufleitung 7 und den Entgasungsbehälter 8 und/oder einen geeigneten Filter der Förderpumpe 5 zu. An der Druckleitung 6 ist ein Windkessel 9 unter Zwischenschaltung eines Drossel-Rückschlag-Ventils 10 angeschlossen, der im Notlauf-Betrieb automatisch bei ,Ausfall der Förderpumpe 5 die Schmierölversorgung der Lageranordnung übernimmt. Im Normalbetrieb der Turbomolekularvakuumpumpe ist es zweckmäßig, die Förderpumpe bereits vor dem Einschalten der Antriebsvorrichtung in Betrieb zu setzen, damit sich an dem Axiallager am oberen offenen Ende des Zapfens ein ausreichender Schmiermitteldruck aufbaut. Der Pumpenrotor besteht aus der Drehwelle 24 und den auf ihr befestigten Laufschaufelkränzen 20. Diese sind mit'einem .solchen Abstand zueinander angeordnet, daß sie mit den bei derartigen Vakuumpumpen üblichen engen Spalten jeweils zwischen zwei am Gehäuse 1 befestigten Leitschaufelkränzen 21 umlaufen. Das Pumpengehäuse weist einen Stutzen 22 auf, welcher den Anschluß zu einer Va- ·

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kuumvorpumpe bildet. Auf der gegenüberliegenden Seite der Turbo-· molekular-vakuumpumpe, der Hochvakuumseite, - im Ausführungsbeispiel die obere Gehäusewand - ist ein Stutzen 23 angebaut. Diesar Stutzen weist vorteilhafterweise einen relativ großen Durchmesser auf und steht mit dem evakuierbaren Baum in Verbindung.

Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Lagerkonstruktion. Der untere Teil der Drehwelle 24, welcher im vorliegenden Falle identisch ist mit dem Läufer 3 des Mittelfrequenzmotors, besitzt eine Ausnehmung 11, in der zwei Lagerbüchsen 12 angeordnet sind. Der Läufer 3 und der Stator 2 des Motors sind nur durch einen Dicht·· spalt 17 getrennt. Die Lagerbüchsen,sind mit achsparallelen Bohrungen oder Schlitzen 13 für den Ölrücfclauf versehen. Selbstverständlich kann auch die Ausnehmung 11 so ausgebildet werden, daß die Lagerbüchsen entfallen, wie dies in einer Abänderung in Figur 2a gezeigt ist, Am Boden.25 der Ausnehmung 11 befindet sich ein vorzugsweise sphärisch vorspringendes Lagerelement 14, das sich gegenüber der tragenden, korrespondierend eingebuchteten Fläche 26 des Zapfens 4 frei einstellen kann und als Axiallager dient. Das Drucköl wird der Bohrung 11 durch den Zentralkanal 15 in dem feststehenden Zapfen 4 und den Schmierkanälen 16 durch die Außenwand 28 und dem Axiallager 14 durch die Tragfläche -26 zugeführt. Das Axiallager ist als hydrostatisches Lager ausgebildet. Zur Schmierung wird eine volumetrische Pumpe mit konstanter Fördermenge verwendet.

Die Figur 2b unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsbeispielen durch das hier verwendete hydrodynamische Lager, welches im Ausführungsbeispiel als sphärisches Spiralrillenlager 32 ausgebildet ist. Die Lagerbüchsen 12 dienen der auch bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen vorhandenen ifediallagerung.

Wesentlich bei der Erfindung ist, daß das aus den Lagern 12 und 14 austretende Öl infolge der Zentrifugalkräfte in die zylindri-

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Sehe "Wandung 27 der Ausnehmung 11 geschleudert wird und dort, ohne den Zapfen 4 zu "berühren, nach unten geführt wird, wo es praktisch spritzfrei dem Ölsammelräum 18 zufließt. Das Öl fließ! von dort zur !Förderpumpe durch eine Abflußöffnung 19 im Gehäuse 1 a"b in den Ölkreislauf.

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Claims

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Patentansprüche

(1.j Turbomolekularvakuumpumpe mit einer von einer Antriebsvorrichtung direkt antreibbaren, vertikal angeordneten Dreh- . welle, auf der jeweils zwischen zwei am Gehäuse befestigten Leitschaufe!kränzen mit Abstand zueinander Laufschaufelkränze angeordnet sind, und mit einer Anordnung zur dichten Lagerung drehbarer Teile auf einem feststehenden Zapfen, der mit Schmiermittelzufuhr- und -abfuhrkanälen versehen und an. einen Schmiermittelkreislauf angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwelle (24) selbst oder ein mit der Drehwelle drehbares Teil (3) auf der den Pumpenschaufe!kränzen abgewandten Seite eine Ausnehmung (11) aufweist _i in die der feststehende Zapfen (4) mit einem offenen Ende hineinragt, und daß der Raum zwischen dem Boden (25) der Ausnehmung (11) und der ihr zugekehrten Fläche (26) des Zapfens (4) mit Schmiermittel ausfüllbar ist und so ein hydrostatisches oder hydrodynamisches Lager bildet.
2. Turbomolekularvakuumpumpe"nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Axiallagerung die dem Pumpenrotor zugekehrte fläche (26) des Zapfens (4) eingebuchtet ist, insbesondere eine Hemisphäre bildet, und in diese Einbuchtung ein korr< spondierender Torsprung (14) des Bodens (25) der Ausnehmung (11) der Drehwelle (24) oder des mit ihr drehbaren Teils (3) hineinragt.
3. Turbomolekularvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Radiallagerung wenigstens ein an

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sich, "bekanntes -Gleitlager oder Kugellager zwischen der Seitenwand der Ausnehmung (11) und der Außenwand (28) des Zapfens (4) angeordnet ist.
4. Turbomolekularvakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der oberen und der unteren Zapfenaußenwand (28) je ein Gleit- oder Kugellager (12) angeordnet ist.
5. TutfBomo&ekularvakuumpumpe nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Radiallager (12) mit. dem drehbaren Teil (3) einstückig ausgebildet ist.
6. Turbomolekularvakuumpumpe nach, einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Pumpenrotor zugekehrte Ende enger und das dem Pumpenrotor abgekehrte Ende weiter ist und an diesen Enden jeweils ein Badiallager (12) angeordnet ist.
7. Turbomolekularvakuumpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (4) zur Schmiermittelzufuhr unter Druck in die Ausnehmung (11) in der Drehwelle oder in dem mit ihr drehbaren Teil wenigstens einen Kanal (15» 16) aufweist.
3. Turbomolekularvakuumpumpe nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schmiermittelzufuhrkanal (15) in der Längsachse des Zapfens (4) angeordnet ist.
9. Turbomolekularvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen der Ausnehmung (11) in der Drehwelle (24) oder in dem mit ihr drehbaren Teil (3) und dem feststehenden Zapfen (4) in einen die Kanäle (15, 16) einbeziehenden Sclitniermittelkr-eislauf ^; angeschlossen ist. ·.^- -■-- " '-^-^: '-■■· ■-->_

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10. Turbomolelmlar vakuumpumpe nach. Anspruch. 9, gekennzeichnet
durch eine Fördereinrichtung (5) zur Aufrechterhaltung eine konstanten Drucks im Schmiermittelkreislauf während des Betriebs der Turbomolekularvakuumpumpe.
11. TurTDomolekularvakuumpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung aus einer volumetrische! Pumpe (5) besteht.
12. Turbomolekularvakuumpumpe nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch einen Windkessel, der bei Ausfall der Fördereinrichtung (5) automatisch das Schmiermittel mit Druck beaufschlagt.
13. Turbomolekularvakuumpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung ein Elektromotor ist und das mit der-Drehwelle (24) drehbare Teil (3) als Läufer des Antriebsmotors ausgebildet ist.
14. Turbomolekularvakuumpumpe nach Anspruch 13, fladurch gekennzeichnet, daß der Läufer (3) Teil eines elektrischen Mittelfr e.quenzmotors ist und von dessen Stator (2) nur durch einer Dichtspalt (31) getrennt ist.

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