DE2412584C3

DE2412584C3 -

Info

Publication number: DE2412584C3
Application number: DE2412584A
Authority: DE
Inventors: Robert L. Castro Valley Calif. Shrader (V.St.A.)
Original assignee: Airco Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1973-04-12
Filing date: 1974-04-15
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2412584B2; CA994253A; GB1458748A; JPS5225497B2; DE2412584A1; US3877546A; JPS50252A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmiervorrichtung für die Lager einer Turbomolekularpumpe mit senkrecht angeordneter Welie, mit einem Schmiermittelbehälter am unteren Ende der Welle mit einer axialen Bohrung in der Welle zur Förderung des Schmiermittels zu einem oberen Lager, von wo es unter Schmierung eines unteren Lagers in den Schmiermittelbehälter zurückfließt.

Es ist bereits eine Vielzahl von Ausführungsformen für Schmiervorrichtungen für Motoren mit vertikaler Welle vorgeschlagen worden. Nach einer Ausführungsform, die besonders gut für die Schmierung von Motoren mit vertikaler Welle im Vakuum geeignet ist, bei der sich ein Lager in der Nähe des oberen Endes der Welle befindet, wird das Schmiermittel im Inneren der Welle nach oben zu dem Lager gefördert. Da der Einsatz eines mit Überdruck arbeitenden Systems im Vakuum bei der praktischen Ausführung Nachteile bietet, verwendet diese Ausführungsform einen axialen Durchgang in der Welle, der über wenigstens einen Teil seiner Länge kegelförmig oder konisch zuläuft, so daß die Zentrifugalkräfte das Schmiermittel nach oben durch den Durchgang drücken. An seinem oberen Ende sind Auslaßöffnungen von dem Durchgang vorgesehen, um das Schmiermittel zu dem Lager zu befördern. Bei einem typischen Anwendungsfall wird das Schmieröl dem Durchgang von einem Ölvorralsbehälter zugeführt, in dem das Ende der Welle sitzt.

Bei solchen Schmiervorrichtungen treten Schwierigkeiten auf, da den Lagern zu viel Schmiermittel zugeführt wird, was zu einer Überhitzung des Lagers führt. Um dies zu verhindern, ist bereits vorgeschlagen worden, durch ein kleines Loch am unteren Ende der Welle die in die Welle eintretende Schmiermittelmenge zu dosieren. Auch diese Lösung hat jedoch Nachteile, da das kleine Loch an dem unteren Ende der Welle leicht durch Fremdpartikel in dem Schmieröl verstopft. Außerdem wird der Wärmeaufbau, der sich aufgrund der in der Welle gebrauchten elektrischen Energie ergibt, durch ein solches System nicht gemindert. Dieses Problem wird außerdem im Vakuum noch vergrößert, da dort die Wärmeableitung durch Luftkonvektion nicht möglich ist.

Aus der DE-OS 21 19 857 ist eine Einrichtung zur Ölversorgung von Lagern einer Turbomolekularpumpe bekannt mit senkrecht angeordneter Welle, mit einem Schmiermittelbehälter am unteren Ende der Welle, mit einer axialen Bohrung in der Welle zur Förderung des Schmiermittels zu einem oberen Lager, von wo es unter Schmierung eines unteren Lagers in den Schmiermittelbehälter zurückfließt. Bei dieser Vorrichtung wird, um eine übermäßige Schmierung der Lager zu vermeiden, die in die Welle eingeführte ölmenge genau geregelt und zwar entweder durch ein in die Welle hineinragendes Röhrchen in Verbindung mit einem Schwimmer ίο oder durch eine in der Welle angebrachte Filz- oder poröse Keramikpatrone. Nachteilig an dieser Schmiervorrichtung, die zwar eine übermäßige Schmierung des oberen Lagers vermeidet, ist die fehlende Kühlung der Welle.

Au£ der DE-PS 7 59 025 ist eine Schmiervorrichtung bekannt für schnell umlaufende Wellen, bei der eine zu starke Schmierung des Lagers durch einen im unteren Teil der Welle angeordneten Docht vermieden wird. Eine Kühlung der Welle ist aber auch mit dieser Vorrichtung nicht möglich, da durch die Dosierung mittels des Dochtes nur das für die Schmierung der Lager erforderliche Schmiermittel durch die Welle gefördert wird.

Aus der DE-AS 14 25 099 ist eine Kühl- und Schmiervorrichtung für hoch beanspruchte Wellenlager bekannt, bei der das dem Lager zugeführte Schmiermittel in jeweils zwei Ströme aufgeteilt wird, von denen der eine dazu dient, die Wälzkörper des Lagers zu schmieren, während der andere Strom den inneren Laufring kühlt. Dieser Druckschrift liegt nicht die weiter unten angegebene Aufgabe der vorliegenden Erfindung zugrunde.

Die FR-PS 81 075 (Zusatz zu 13 04 689) beschreibt eine Turbomolekularpumpe, bei der elektrischer Motor und Vakuumpumpe zwei unabhängige Teile sind, die mittels einer Verbindung gekoppelt sind, die eine relative Bewegung der Motorwelle und der Pumpenwelle ermöglicht. Die Pumpenwelle weist keine axiale Bohrung für einen Schmiermittelstrom auf. Vielmehr wird das Schmiermittel von einem Schmiermittelbehälter durch einen festehenden Schaft, ohne daß es mit der Pumpenwelle in Berührung kommt, zum oberen Lager der Pumpenwelle gefördert. Dabei wird der gesamte Schmiermittelstrom dem oberen Lager zugeführt. Vom oberen Lager wird ein Teil des Schmiermittels zum unteren Lager gefördert und der Rest des Schmiermittels auf separatem Weg in den Schmiermittelbehälter zurückgeführt. Das in dieser Druckschrift beschriebene Schmiersystem erlaubt keine Kühlung der Welle der Turbomolekularpumpe.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schmiervorrichtung für die Lager einer Turbomolekularpumpe zu schaffen, bei der die Welle der Pumpe gekühlt wird, ohne daß die Lager überschmiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schmiervorrichtung für die Lager einer Turbomolekularpumpe vorgeschlagen wird mit senkrecht angeordneter Welle, mit einem Schmiermittelbehälter am unteren Ende der Welle, mit einer axialen Bohrung in der Welle zur Föderung des Schmiermittels zum oberen Ende der Welle, mit Austrittsöffnungen für das Schmiermittel am oberen Ende der Welle, von wo es unter Schmierung eines oberen und eines unteren Lagers in den Schmiermittelbehälter zurückfließt. Die Schmiervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein in bezug auf das obere Lager radial nach außen angeordneter Aufnahmeteil für das aus der Spindel austretende Schmieröl vorgesehen ist, der mit neben

den Lagern angeordneten Abflußdurchgängen für das zur Schmierung der Lager nicht benötigte Schmieröl verbunden ist

Die Erfindung schafft also eine Schmiervorrichtung für die Lager einer Turbomolekularpumpe mit einer senkrecht angeordneten Welle, an de^ren oberen Ende ein Lager vorgesehen ist

Das Schmiermittel wird durch einen axialen Durchgang in der Welle zu dem Lager befördert, wobei der größte Teil des Schmiermittels an dem Lager vorbeigeführt und zu dem Vorratsbehälter zurückgebracht wird, so daß sich in der Welle eine wesentlich größere Schmiermittelströmung ergibt als für die Schmierung des Lagers notwendig ist wodurch die Welle gekühlt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert deren Figur eine vollständige Querschnittsansicht einer Turbomolekularpumpe zeigt die einen Motor mit senkrecht angeordneter Welle und die erfindungsgemäße Schmiervorrichtung zeigt

Der Motor U weist eine senkrecht angeordnete Welle 12 auf, an deren oberen Ende ein Lager 13 ist. In der Welle 12 ist ein Durchgang 16 vorgesehen, der sich längs ihrer Achse erstreckt und so geformt ist, daß er längs seiner longitudinalen Ausdehnung das Schmiermittel leitet. Der Durchgang 16 steht an dem unteren Ende der Welle mit dem Vorratsbehälter 15 und an dem oberen Ende mit einer Vielzahl von radial verlaufenden Auslaßöffnungen 17 in Verbindung. Dadurch wird eine Verbindung von dem Durchgang 16 zu der äußeren Oberfläche der Welle über dem Lager 13 hergestellt. Radial nach außen in bezug auf das Lager ist ein Aufnahmeteil 18 vorgesehen, um das aus den Auslaßöffnungen 17 austretende Schmiermittel aufzunehmen. Mit 19 ist der Weg oder die Leitung bezeichnet, auf der das Schmiermittel zu dem Vorratsbehälter zurückgebracht wird, das von dem Aufnahmeteil 18 aufgenommen wurde.

Die Turbomolekularpumpe befindet sich in einem Pumpengehäuse 21, das mit einem Befestigungsflansch 23 zum Anbringen der Pumpe in Verbindung mit einem (nicht dargestellten) Vakuumgehäuse versehen ist. Das Gehäuse 21 weist eine seitliche Auslaßöffnung 25 auf, an der durch einen abgedichteten Befestigungsring 29 ein Auslaßrohr 27 angeklemmt ist. Eine Vielzahl von stationären Leitschaufeln 35 ist längs der inneren Wand des Gehäuses 21 angebracht. Die Pumpenrotoranordnung 79 ist mit einer Vielzahl von Rotor- oder Läuferschaufeln 87 versehen, die sich radial von ihr nach außen erstrecken und sich jeweils zwischen den Leitschaufeln 35 befinden.

Das untere Ende des Gehäuses 21 wird durch eine Bodenplatte 45 abgeschlossen. Eine zentrale öffnung 51 ist in der unteren Platte 45 vorgesehen, während ein tassenförmiger Teil für das Schmiermittel über der öffnung an der unteren Oberfläche der Platte 45 angebracht ist. Der tassenförmige Teil 14 bildet den Vorratsbehälter 15 für das Schmiermittel.

Ein Lager 61 wird auf der unteren Seite des Flansches 57 gehalten und in die öffnung 51 durch einen ringförmigen Schwingungsdämpfer eingepaßt. Der untere Teil der Welle 12 enthält einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 65, an dem die innere Lauffläche des Lagers 61 angebracht, wodurch die Welle 12 zur vertikalen Drehung in dem Lager 61 eelaeert ist. Das obere Ende der Welle 12 ist mit einem Abschnitt 67 mit verringertem Durchmesser versehen, der in dem Lager 13 gelagert ist Das obere Ende der Welle 12 läuft bei 69 kegelförmig oder konisch zu und hat eine Befestigungsmanschette 7 i, die darauf mit Hilfe eines Klemmrings 73 und eines Bolzens oder einer Schraube angebracht ist Die Manschette 71 sitzt in Preßpassung auf dem kegelförmig verlaufenden Abschnitt 69 der Welle.

Das obere Lager wird in einem Halte- oder Sprengring 97 des Lagers gehaltert, der auf einem sich nach innen erstreckenden Flansch 99 aufliegt und mit einem ringförmigen Schwingungsdämpfer 101 in Kontakt kommt Ein zylindrischer Träger 103 erstreckt sich von der Bodenplatte 85 nach oben und ist integral mit ihr ausgebildet. Eine zylindrische Wasser-Kühlung oder ein zylindrischer Mantel 105 paßt koaxial in den zylindrischen Träger 103, wobei ein nach außen verlaufender Flansch 107 auf der oberen Kante des zylindrischen Trägers aufliegt Der Flansch 107 ist zwischen dem Lagerhaltering 97 und dem oberen Ende des zylindrischen Trägers 103 angeordnet wobei diese drei Elemente mit Hilfe von Bolzen oder Schrauben 109 zusammengehalten werden. Eine ringförmige Dichtung 111 ist zwischen dem Träger 103 und dem Flansch 107

-^>r> vorgesehen, während sich eine weitere ringförmige Dichtung zwischen dem unteren Ende des Trägers 107 und einer Schulter 115 befindet, die an dem Inneren des Trägers 103 ausgebildet ist

An der inneren Wand des zylindrischen Trägers 103

so ist eine ringförmige Aussparung 117 ausgebildet, so daß eine ringförmige Kammer zwischen dem Wassermantel 105 und der zylindrischen Wand oder dem Träger 103 entsteht Ein Einlaßdurchgang 119 für das Kühlmittel erstreckt sich von der Aussparung 117 zu einer Befestigungsanordnung 121 für den Kühlmitteleinlaß. Die Befestigungsanordnung 121 ist mit der unteren Oberfläche der unteren Platte 45 mittels einer ringförmigen Dichtung 123 verbunden und damit durch Bolzen oder Schrauben 125 verschraubt. Eine ähnliche,

4» nicht dargestellte Vorrichtung ist für den Rückweg des Kühlmittels vorgesehen.

Der Motor 11, der den Pumpenrotor 79 antreibt weist Statorwicklungen 127 und Statorwicklungen 129 auf. Die Statorwicklungen 127 und die Statorwicklungen 129

4S sind auf dem Wassermantel 105 in geeigneter Beziehung zu dem Rotor 79 gehaltert. Den Statorwicklungen wird elektrische Energie durch elektrische Leitungen 131 zugeführt, die sich durch eine in der unteren Platte 45 ausgebildete Rohrleitung 133 erstrecken.

ήι Während des Betriebs der Pumpe sind sowohl der ganze Motor und das Schmierungssystem, als auch die Leitschaufeln und die Rotorschaufeln unter Vakuum. Dem Motor 11 wird durch die Leitungen 131 elektrischer Strom zugeführt, so daß sich die Welle in

v, den Lagern 13 und 61 dreht. Dadurch dreht sich der Rotor 79 ebenfalls, wodurch sich die Rotorschaufeln 87 in bezug auf die Leitschaufeln 35 bewegen.

Im Laufe des Betriebs der Pumpe werden die beiden Lager 13 und 61 geschmiert. Um öl oder ein anderes

bo Schmiermittel zu dem Lager 13 zu bringen, ist an dem unteren Ende der Welle 12 ein Ansatzrohr 141 vorgesehen, das einen Teil der Welle 12 bildet. Das Ansatzrohr 141 hat ein kegelförmig zulaufendes unteres Ende 143, das nach unten in das Schmiermittel vorragt,

h5 das sich in dem Vorratsbehälter 15 befindet. Das Ansatzrohr paßt in eine geeignete Öffnung 145 an dem unteren Ende der Welle 12 und ist mittels eines Gewindes mit ihr verbunden, so daß es mit der Welle

angetrieben wird.

Ein axial verlaufendes Loch oder ein Durchgang 149 ist in dem Ansatzrohr 141 vorgesehen und bildet eine Verlängerung des zentralen Durchgangs 16, der auf der Achse der Welle 12 liegt. Der Abschnitt 149 des Durchgangs 16 verläuft jedoch kegelförmig oder konisch, so daß er sich über seiner Länge nach oben öffnet. Als Ergebnis hiervon drückt die Zentrifugalkraft das öl in dem Vorratsbehälter 15 durch den Durchgang 16 nach oben zu dem oberen Ende der Welle 12. Während des Betriebs tritt Schmiermittel aus den Auslaßöffnungen 17 aus und wird radial nach außen an dem Lager 13 vorbeigeworfen.

Um das sich an dem Lager 13 vorbeibewegende öl zu sammeln, ist der Lagerhaltering 97 mit einer ringförmigen Aussparung 18 mit Kegelstumpfform versehen. Das Schmiermittel wird in diese Aussparung aufgenommen und von dort aus durch einen vertikalen Durchgang 153 in den Lagerhaltering 97 abgegeben. Das Schmiermittel gleitet durch eine Leitung oder Nut 19 in der Wand des Wassermantels 105 nach unten zu dem Raum über dem unteren Lager 61. Ein Abflußdurchgang 157 erstreckt sich von dem Raum über dem Flansch 57 nach unten in den Vorratsbehälter 15.

Die Größe des kegelförmig verlaufenden Abschnittes 149 und des Durchgangs 16 sind so ausgelegt, daß sich eine ölströmung ergibt, die wesentlich größer ist als die, die für die Schmierung des Lagers 13 erforderlich ist. Würde die Schmierung des Lagers mit dieser großen ölmenge durchgeführt, so würde sich aufgrund von Überölen eine Überhitzung ergeben. Der Aufbau des Systems mit dem das öl aufnehmenden Aufnahmeteil 18 und dem Abflußdurchgang 19, verbunden durch die Abflußdurchgänge 153 und 157, ermöglicht jedoch eine Strömungsgeschwindigkeit des Öls, die viel größer ist als die, die für das Lager gebraucht wird, während das Lager andererseits nur so weit geschmiert wird, wie es notwendig ist, ohne eine Überhitzung zu verursachen. Die hohe Strömungsgesc'.windigkeit kühlt die Welle 12, indem für die Schnelle Zirkulation des Öls durch die Welle gesorgt wird. Ouwohl bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung der Durchgang kegelförmig zuläuft, so würde doch jede andere innere Form zu befriedigenden Ergebnissen führen, die die gewünschte ölströmung erzeugt; zu diesen Formen gehören z. B. Aussparungen, Nuten, Rillen, Rinnen oder Blätter und Flügel. Außerdem würde auch eine Form mit gleichmäßigem Durchmesser bei Verwendung einer zusätzlichen Pumpe genügen.

Um die kleine Schmiermittelmenge von dem Hauptstrom abzuzweigen, die für das Lager 13 benötigt wird, können verschiedene Hilfsmittel eingesetzt werden.

Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist ein Schmierdraht 159 vorgesehen, der sich von einer Halteplatte 161 nach unten erstreckt, die durch Bolzen oder Schrauben 163 an dem Lagerhaltering 97 befestigt ist. Auf dem Draht 159 können sich Schmiermitteltröpf-ο chen bilden, die nach unten auf das Lager 13 tropfen und dieses schmieren. Als Alternative hierzu kann auf den Draht 159 verzichtet werden, wenn die Auslaßöffnung 17 und Aufnahmeteil 18 so ausgelegt werden, daß ein Versprühen des Schmiermittels stattfindet; dabei genügt der Teil des versprühten Schmiermittels, der auf das Lager 13 auftrifft, um dieses zu schmieren. Das untere Lager 61 wird durch einen schmalen Schmierdurchgang 165 geschmiert, der sich durch den Flansch 57 nach unten erstreckt.

Die durchströmende ölmenge wird so ausgewählt, daß sie innerhalb der sich aus der Praxis ergebenden Einschränkungen so groß wie möglich ist. Sie sollte wenigstens ein vielfaches der Menge betragen, die notwendig ist, um für eine adäquate Schmierung der Lager zu sorgen; nach einer bevorzugten Ausführungsform sollte sie noch größer sein. Nur die Schmiermittelmenge, die für die geeignete Schmierung der Lager notwendig ist, wird durch eine geeignete Abzapfanordnung, die einen Teil des Schmiermittel von dem

ίο Hauptstrom abzweigt, verwendet. Auf seinem Rückweg wird das Schmiermittel gekühlt, da es über die wassergekühlten, sich nicht drehenden Motorteile fließt, wie z. B. den Wassermantel oder als Alternative hierzu irgendeinen anderen Teil, der sich in thermischer Nähe dazu befindet. Als Alternative zu der Schmierung des unteren Lagers mit den dargestellten Teilen ist es möglich, das untere Lager auf die gleiche Weise zu schmieren, wie das obere Lager.

Die erfindungsgemäße Schmiervorrichtung bewirkt eine adäquate Kühlung der Motorwelle, während gleichzeitig eine übermäßige Schmierung der Lager vermieden wird, die die Welle haltern. Die tiefere Betriebstemperatur der Welle führt dazu, daß ein niedrigerer Enddruck in dem evakuierten Raum erreicht

4-, werden kann als mit Wellen von relativ höherer Temperatur. Dies ergibt sich daraus, daß kältere Oberflächen im allgemeinen niedrigere Drücke ermöglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schmiervorrichtung für die Lager einer Turbomolekularpumpe mit senkrecht angeordneter Welle, mit einem Schmiermittelbehälter am unteren Ende der Welle, mit einer axialen Bohrung in der Welle zur Förderung des Schmiermittels zum oberen Ende der Welle, mit Austrittsöffnungen für das Schmiermittel am oberen Ende der Welle, von wo es unter Schmierung eines oberen und eines unteren Lagers in den Schmiermittelbehälter zurückfließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein in bezug auf das obere Lager(13) radial nach außen angeordneter Aufnahmeteil (18) für das aus der Spindel (12) austretende Schmieröl vorgesehen ist, der mit neben den Lagern (13, 61) angeordneten Abfiußdurchgängen (153,157) für das zur Schmierung der Lager (13, 61) nicht benötigte Schmieröl verbunden ist