DE2349033B2

DE2349033B2 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE2349033B2
Application number: DE2349033A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Werner 5062 Hoffnungsthal Baechler; Maurice Dipl.-Ing. Vernon Brunet; Ruediger Dr. 5000 Koeln Frank; Helmut Dipl.-Ing. Foret De Vernon Pa Habermann
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1973-09-29
Filing date: 1973-09-29
Publication date: 1981-06-19
Also published as: JPS5730998B2; CH578125A5; DE2349033A1; US4023920A; FR2246756B1; GB1459884A; JPS5077913A; DE2349033C3; FR2246756A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit einem in einem Gehäuse vertikal angeordneten, glockenförmigen Rotor, der auf einem in einen vom Rotor übergriffenen Raum hineinragenden gehäusefesten Dorn gelagert ist und durch einen Außenläufermotor angetrieben wird.

Zur Erzeugung eines kohlenwasserstofffreien Hochvakuums sind Turbomolekularpumpen in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Sie erreichen Druckwerte im molekularen Druckbereich, d. h. etwa zwischen 10~² und 10~⁹Torr. Bei derartigen Turbomolekularpumpen bietet die Lagerung des Rotors wegen der auftretenden hohen Drehzahl von etwa 20 000 U/Min, besondere Schwierigkeiten.

Bei bekannten Turbomolekularpumpen (DE-OS 14 28 239) ist der Rotor auf einem vertikalen gehäusefesten Dorn in ölgeschmierten Wälzlagern mit ölkreislauf gelagert. Die Lagerung liegt dabei im Vorvakuumraum der Pumpe, so daß während des Betriebs aus dem öl austretende leichte Fraktionen von Kohlenwasserstoffen wegen der Strömungsrichtung vom Hochvakuumzum Vorvakuumteil der Pumpe nicht in den Hochvakuumraum gelangen können. Bei Stillstand einer solchen Turbomolekularpumpe fehlt jedoch die gerichtete Strömung, welche den Rücktritt der Kohlenwasserstoffe in den Hochvakuumraum verhindert, und es besteht nunmehr die Möglichkeit, daß diese Kohlenwasserstoffe unerwünscht durch Diffusion aus dem Vorvakuumraum in den Hochvakuumraum gelangen. Das Eindringen von Kohlenwasserstoffen in den Vakuumraum und damit in den mit diesem unmittelbar verbundenen Hochvakuumrezipienten ist jedoch für viele Anwendungszwecke, insbesondere bei physikalischen Untersuchungen oder dgl., nicht zulässig und beschränkt die Einsatzmöglichkeiten derartiger Turbomolekularpumpen.

Für die Überwindung der aufgezeigten Nachteile sind bereits Turbomolekularpumpen angegeben worden, bei denen durch die Verwendung von Schmieröl mit besonders niedrigem Dampfdruck eine Kohlenwasserstoffdiffusion aus den Wälzlagern weitgehend vermindert wird. Die dabei en eichte Unterdrückung der Rückströmung von Kohlenwasserstoffen in den Hochvakuumraum ist jedoch nicht für alle Anwendungszwekke ausreichend.

Zum Stand der Technik gehört außerdem eine schmiermittelfreie Magnetlagerung des Rotors (vgl. FR-PS 14 75 765), bei der jedoch ein magnetisches Axiallager im Hochvakuumraum und den freien Ansaugquerschnitt verringernd im Ansaugkanal der Turbomolekularpumpe liegt Als Radiallagerung isi dabei ein unterhalb der aus Rotor und Stator gebildeten Turbine angebrachtes Radiallager vorgesehen. Diese Ausführungsform ergibt zwar ein kohlenwasserstofffreies Hochvakuum, jedoch erscheint die Anordnung des magnetischen Axiallagers auf der Hochvakuumseite auch mit Rücksicht auf die Zuführung elektrischer Energie, auf die Erwärmung der Spulen und damit der Möglichkeit der Freigabe von Gasen und dgl. ungünstig.

ίο Es hat sich außerdem gezeigt, daß die Anordnung eines oberen Axiallagers in Verbindung mit nur einem unterhalb der Turbine liegenden Radiallager nicht alle Freiheitsgrade des Rotors festlegen kann. Die vorbekannte Magnetlagerung zeigt somit neben vakuumtechnischen Nachteilen Instabilitäten des Rotorlaufs, wobei Präzessions- und Nutationsbewegungen angefacht werden. Schließlich sind bei dieser vorbekannten Turbomolekularpumpe das magnetische Axiallager, der Rotor und der Antriebsmotor axial hintereinander angeordnet, so daß sich insgesamt eine relativ große Bauhöhe ergibt.

Aus der US-PS 37 49 528 ist schließlich eine vertikale

Turbomolekular-Vakuumpumpe bekannt, bei der das obere Lager des Rotors als Magnetlager und das untere Lager als Wälzlager ausgebildet sind, welche geölt oder geschmiert werden müssen. Wie beim Gegenstand der FR-PS 14 75 765 sind auch bei dieser vorbekannten Pumpe die Lager, der Rotor und der Antriebsmotor axial hintereinander angeordnet, so daß sich wieder eine große Bauho.ie ergibt. Das obere Magnetlager verengt

so ebenfal's den Ansaugquerschnitt. Schließlich ist durch die Verwendung des unteren Wälzlagers der Vorteil der Verwendung von Magnetlagern hinsichtlich ihrer ölfreiheit wieder zunichte gemacht.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Turbomolekularpumpe der eingangs genannter. Art anzugeben, bei der die Magnetlagerung einen stabilen Lauf des Rotors sicherstellt und die bei hochvakuumtechnisch günstiger Gesamtausbiidung eine minimale Bauhöhe hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbomolekularpumpe gelöst, bei der zur Lagerung des Rotors innerhalb des vom Rotor übergriffenen Raumes ein magnetisches Axiallager und zwei magnetische Radiallager vorgesehen sind, wobei der Antriebsmotor im vom Rotor übergriffenen Raum zwischen den beiden magnetischen Radiallagern angeordnet ist.

Ein wesentlicher Vorteil einer Turbomolekularpumpe mit diesen Merkmalen besteht darin, daß infolge der besonderen Anordnung der Magnetlager und des Motors eine äußerst kompakte Bauweise erzielt wird. Die Gesamthöhe der Pumpe überschreitet nur unwesentlich die Höhe des Rotors selbst. Die erfindungsgemäße Rotorlagerung ermöglicht eine Unterdrückung von angefachten Präzessions- und Nutationsschwingungen bis zu höheren Oberwellen, so daß sich der Rotor tatsächlich um seine Hauptträgheitsachse dreht, woraus ein vollständig vibrationsfreier Lauf der Turbine resultiert. Der Grund dafür liegt u. a. in den sehr kleinen Abständen zwischen den Lagerpunkten und den Peripheriepunkten des Rotors. Die vollständige Vibrationsfreiheit stellt eine wichtige Verbesserung gegenüber allen bisher bekannten Turbomolekularpumpen mit Wellenlagern oder Magnetlagern dar. Die erfindungsgemäße Pumpe überträgt keinerlei Schwingungen vom Vakuumpumpensystem auf den Vakuumrezipienten und ermöglicht damit eine Anwendung auch bei speziellen Problemen der Oberflächenphysik, bei denen wegen der hochempfindlichen optischen Beobachtungs-

mitteln jede Bewegungsübertragung nach dem Hochvakuumrezipienten vermieden werden muß. Außerdem kann auch im Stillstand der Pumpe ein kohlenwasserstofffreies Hochvakuum aufrechterhalten werden. Schließlich ist ein weiterer Vorteil darin z:t sehen, daß der hochvakuumseitige Ansaugraum nicht mehr durch Einbauelemente von Magnetlagern eingeengt ist, wodurch sich mit Rücksicht auf die erreichbaren niedrigen Ansaugdrücke und die damit verbundenen großen freien Weglängen der Gasmoleküle eine wesentliche Verminderung des Ansaugwidersiandes der Turbomolekularpumpe ergibt

Die Stromzuführungen für die Magnetlager und für den als Außenläufertyp ausgebildeten Antriebsmotor können in einfacher Weise durch den hohlen Innenraum des feststehenden vertikalen Dorns geführt werden, so daß an diesem Dorn diejenigen Teile der Magnetlager und des Motors angeordnet sind, welche Stromspulen benötigen, während sich im Rotor lediglich zuführungsfreie ferromagnetische Teile befinden.

In der Zeichnung ist eine Turbomolekularpumpe gemäß der Erfindung im Längsschnitt schematisch dargestellt. Aus der Zeichnung ergeben sich weitere Erfindungsmerkmale.

Die Turbomolekularpumpe besteht aus zwei Läuferhälften 1, 2 die über einen Zwischenflansch 3 aus ferromagnetischem Material miteinander verbunden sind. Zwischen Statorstufen 5, die über Zentriernnge 6 gehalten werden, greifen Rotorstufen 4 eines Rotors 7. Das abzupumpende Gas wird durch einen Ansaugkanal jo 8 angesaugt und nach entsprechender Verdichtung in den zusammenwirkenden Rotor- und Statorstufen, üie turbinenartig beschaufelt sind, in einem Vorvakuumraum 9 gesammelt, aus dem das verdichtete Gas über einen Vorvakuumanschluß 10 zur Vorpumpeneinheit js geleitet wird.

In den Hohlraum des Läufers ragt ein Dorn 11, welcher gehäusefest mit einem unteren Trageflansch 12 verbunden ist. Auf diesem Dorn 11 sind die Statoren 13 und 14 eines un'eren und eines oberen magnetischen Radiallagers angeordnet. Ihnen gegenüber befinden sich Lagerrotoren 15, 16, die am Rotor 7 befestigt sind. In gleicher Weise sind ein unterer Radiallager-Sensor 17 und ein oberer Radiallager-Sensor 18 mit entsprechenden Laufteilen 19, 20 ausgebildet und zwischen dem Dorn 11 und der Läuferhälfte 1 angeordnet. Ein magnetisches Axiallager wird durch eine auf den oberen Teil des Dorns 11 aufgeschobene Ankerspule 21 und den ferromagnetischen Zwischenflansch 3 gebildet. Ein Axialsensor 22 ist am oberen Ende des Dorns 11 vorgesehen, wobei sich ein Gegenstück 23 in einer Rotorabschlußdecke 24 befindet

Der motorische Antrieb des Rotors 7 befindet sich zwischen der oberen magnetischen Radiallagerung 14, 16,18, 20 und der unteren magnetischen Radiallagerung 13,15,17,19. Der Dorn 11 trägt hierzu eine Motorspule 25 eines Außenläufermotors und am Rotor befindet sich ein Läufer 26. Der dargestellte Elektromotor arbeitet nach dem Kurzschlußläuferprinzip. Es können jedoch auch andere Antriebsmotoren, beispielsweise Hysteresemotoren verwendet werden, bei denen der Läufer 26 aus einem Zylinder aus Hysteresematerial hergestellt wird.

Die Notlagerung besteht aus einem oberen Wälzlager 27 mit entsprechenden Anlaufflächen 28, 29 sowie aus einem unteren Radialanlauflager mit Anlaufringen 30, 31. Anstelle eines Wälzlagers 27 kann gegebenenfalls auch ein Wälzlagerpaar mit zueinander vorgespannten Wälzlagern verwendet werden. Bei Ausfall der Magnetlagerung liegt der Rotor 7 in dem oberen Wälzlager 27 auf. Der Rotor 7 «vird dabei durch das Notlager 27 axial und radial gehalten Der radiale Halt wird ferner durch kurzzeitiges Anlaufen der Anlaufringe 30, 31 gegeneinander unterstützt.

Die elektrischen Zuführungsleitungen zu den auf dem Dorn 11 sitzenden Spulen sind in Versorgungskanälen 32 geführt. Über eine Stromdurchführung 33 wird die elektrische Verbindung zwischen dem Vorvakuumraum und der Atmosphäre hergestellt.

Zur Abfuhr der im Dorn U entstehenden Wärme ist ein Kühlkanal 34 vorgesehen. Die Kühlung des Domes 11 über den Kühlkanal 34 erscheint wesentlich, weil unter den Bedingungen des umgebenden Vakuums keine hinreichende Möglichkeit zur Wärmeabfuhr durch Konvektion besieht und weil die direkte Wärmeleitung unter Umständen nicht ausreicht, um eine unerwünschte Aufheizung des Domes 11 zu verhindern. Gegebenenfalls kann in dem abgeschlossenen Kühlkanal 34 zweckmäßig ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium umgewälzt werden.

Die Schaltung der Einzelteile und insbesondere das Zusammenwirken der Sensoren mit dem Magnetlager erfolgt nach bekannten Prinzipschaltungen.

Durch die Anwendung der Merkmale der Erfindung wird eine Turbomolekularpumpe geschaffen, welche eine einwandfreie Magnetlagerung des Rotors ohne Behinderung des Hochvakuumansaugraums und einen stabilen Lauf des Rotors ermöglicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Turbomolekularpumpe mit einem in einem Gehäuse vertikal angeordneten, glockenförmigen Rotor, der auf einem in einen vom Rotor übergriffenen Raum hineinragenden gehäusefesten Dorn gelagert ist und durch einen Außenläufermotor angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung des Rotors (7) innerhalb des vom Rotor übergriffenen Raumes ein magnetisches Axiallager (3,21) und zwei magnetische Radiallager (13,15 bzw. 14, 16) vorgesehen sind, wobei der Antriebsmotor (25,26) im vom Rotor übergriffenen Raum zwischen den beiden magnetischen Radiallagern angeordnet ist.