DE8909636U1 - Vacuum pump with one rotor and rotor bearings operated under vacuum - Google Patents
Vacuum pump with one rotor and rotor bearings operated under vacuumInfo
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Description
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Die Erfindung besieht sich auf eine Vakuumpumpe mit einem Rotor und mit mindestens einem Lager, das mit einem Schmiermittel versorgt wird und das sich während des Betriebs in einem unter Vakuum stehenden Raum befindet.The invention relates to a vacuum pump with a rotor and with at least one bearing which is supplied with a lubricant and which is located in a space under vacuum during operation.
Die Schmierung von Lagern, die während des Betriebs unter einem Unterdruck stehen, ist problematisch, Der Grund dafür liegt darin, daß die verwendeten Schmiermittel auf Dauer nicht vakuumbeständig sind und sich unabhängig davon, ob e*: sich um Schmierfette oder Schmieröle handelt, nach vJid nach verflüchtigen. Es besteht deshalb die Gefahr, daß eine Trennung der Kontaktpartner durch den Schmierstoff rächt immer gewährleistet ist. Die Folge davon sind verstärkte Re?nungserscheinungen bzw. Kaltversch&eiBimgen zwischen den Wälzkörpern und Lagerringen, was zu einem erhöhten Lagerverschleiß und damit zu reduzierter Lagerlebensdauer führt. Bei unter Vakuum betriebenen Lagern besteht nicht die MöcrlickHeit, zur Vermeidung eines Schmiermittelmangels mit Schmiermittelpberschüssen zu arbeiten, weil übermäßige Schmiermittelmengen zu erhöhter Schmiermitteldampfbildung führen, "s besteht die Gefahr, daß diese Schmiermitteldämpfe in das von der Pumpe erzeugte Vakuum gelangen und dieses verschlechtern oder gar verseuchen. Außerdem werden die Rotoren von Vakuumpumpen häufig mit sehr hohen Drehzahlen betrieben, so daß überschüssige Schmiermittelmengen zu einer zusätzlichen Lagerbelastung führen. Insbesondere bei Turbomolekularvakuumpumpen, deren Rotoren mit 60.000 Umdrehungen/Minute und mehr betrieben werden, treten die geschilderten Probleme auf. Man hat bisher versucht, diese Probleme durch eine exakte Schmiermittelzufuhr zu lösen. Beispiele für solche Lösungen sind in den deutschen Offenlegungsschriften 21 19 857, 23 09 665 und 29 47 066 beschrieben.The lubrication of bearings that are under negative pressure during operation is problematic. The reason for this is that the lubricants used are not vacuum-resistant in the long term and evaporate over time, regardless of whether they are lubricating greases or lubricating oils. There is therefore a risk that the lubricant will not always ensure that the contact partners are separated. The result of this is increased corrosion or cold wear between the rolling elements and bearing rings, which leads to increased bearing wear and thus to a reduced bearing service life. In the case of bearings operated under vacuum, it is not possible to use excess lubricant to avoid a lack of lubricant, because excessive amounts of lubricant lead to increased lubricant vapor formation. There is a risk that these lubricant vapors will enter the vacuum generated by the pump and worsen or even contaminate it. In addition, the rotors of vacuum pumps are often operated at very high speeds, so that excess amounts of lubricant lead to additional bearing stress. The problems described occur particularly in turbomolecular vacuum pumps, whose rotors operate at 60,000 revolutions per minute and more. Attempts have been made to solve these problems by supplying lubricant precisely. Examples of such solutions are described in the German laid-open specifications 21 19 857, 23 09 665 and 29 47 066.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumpumpe der eingangs genannten Art mit einem Lager auszurüsten, das für den Betrieb im Vakuum wesentlich besser geeignet ist.The present invention is based on the object of equipping a vacuum pump of the type mentioned at the beginning with a bearing that is significantly better suited for operation in a vacuum.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das oder die Lager der Vakuumpumpe, die sich während des Betriebs der Pumpe in einem unter Vakuum stehenden Raum befinden, Keramiklager sind. Bei einer Vakuumpumpe mit Keramiklagern ist vorteilhaft, daß die Lagertemperaturen im Vergleich zu den bisher verwendeten Stahliagarn niedriger sind- Siet,äs bedeutet, daß weniger Schmiermittel sich verflüchtigt, so daß die Gefahr des Reißens des Schmierfilmes bei der bei Minimalschmierung, die insbesondere bei schnell drehenden Vakuumpumpen notwendig ist, wesentlich kleiner ist. Eine ausreichende Schmierung der Lager kann deshalb trotz Mangelschmierunj eher sichergestellt werden als bei den bisher verwendeten Stahllagern. Außerdem treten die beschriebenen, mit mangelhafter Schmierung verbundenen Kaltverschweißungen nicht mehr auf. Diese verursachen in Stahllagern erhöhte Reibungs- und Gleiterscheinungen und damit erhöhte Lagertemperaturen und erhöhten Lagerverschleiß, was beim Einsatz keramischer Werkstoffe nicht der Fall ist. Insgesamt ergibt sich durch die Erfindung eine erhebliche Verlängerung der Lagerlebensdauer.According to the invention, this object is achieved in that the bearing or bearings of the vacuum pump, which are located in a vacuum-filled space during operation of the pump, are ceramic bearings. In a vacuum pump with ceramic bearings, it is advantageous that the bearing temperatures are lower than with the steel bearings used previously - this means that less lubricant evaporates, so that the risk of the lubricating film breaking with minimal lubrication, which is particularly necessary with fast-rotating vacuum pumps, is significantly lower. Adequate lubrication of the bearings can therefore be ensured more easily despite insufficient lubrication than with the steel bearings used previously. In addition, the cold welding described, which is associated with insufficient lubrication, no longer occurs. In steel bearings, these cause increased friction and sliding phenomena and thus increased bearing temperatures and increased bearing wear, which is not the case when ceramic materials are used. Overall, the invention results in a significant extension of the bearing service life.
Vorteilhaft ist darüber hinaus, daß ein Keramiklager eine elektrische Isolation zwischen dem Rotor und dem Gehäuse der Vakuumpumpe bildet. Elektrische Ströme, die zu Lagerschäden führen, können deshalb nicht mehr durch das Lager strömen. Derartige Ströme treten auf, wenn eine Vakuumpumpe der hier betroffenen Art, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, in einem Nagnetfeld, beispielsweise in Kernkraftwerken oder in der Nähe der Magneten von Beschleunigern, betrieben werden muß.Another advantage is that a ceramic bearing forms electrical insulation between the rotor and the housing of the vacuum pump. Electrical currents that lead to bearing damage can therefore no longer flow through the bearing. Such currents occur when a vacuum pump of the type in question here, in particular a turbomolecular pump, has to be operated in a magnetic field, for example in nuclear power plants or near the magnets of accelerators.
Schließlich ist vorteilhaft, daß eine sichexe Lagerschmierung esFinally, it is advantageous that a safe bearing lubrication allows
zuläßt, die hier betroffenen Vakuumpumpen mit höheren Drehzahlenallows the vacuum pumps concerned to operate at higher speeds
zu betreiben, wodurch eine Verbesserung der Pumpeigenschaften, insbesondere des Saugvermögens, erreicht wird.to operate, thereby improving the pumping properties, in particular the suction capacity.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das unter Vakuum betriebene Lager ein Wälzlager mit Wälzkörpern und Lagerringen (Lagerinnenring, Lageraußenring) ist und daß nur die Wälzkörper aus Keramik bestehen. Da Keramik-WälzkörperAn advantageous development of the invention is that the bearing operated under vacuum is a rolling bearing with rolling elements and bearing rings (bearing inner ring, bearing outer ring) and that only the rolling elements are made of ceramic. Since ceramic rolling elements
leichter sind als Stahl-Wälzkörper, sind die Fliehkräfte und damit die inneren Lagerbeanspruchungen geringer. Die bei Spindellagern zur Einstellung eines bestimmten Druckwinkels notwendigen Anstellkräfte können geringer gewählt werden. Dieses bedeutet im Vergleich zu Stahllagern eine Senkung der Flächenpressung und der beim Abwälzen der Wälzkörper auftretenden Bohr- bzw. Gleitanteile. Auch die insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen schädlichen Druckwinkelschwankungen sind reduziert.are lighter than steel rolling elements, the centrifugal forces and thus the internal bearing stresses are lower. The setting forces required for spindle bearings to set a certain pressure angle can be selected to be lower. In comparison to steel bearings, this means a reduction in the surface pressure and the drilling or sliding components that occur when the rolling elements roll. The pressure angle fluctuations, which are particularly harmful at very high speeds, are also reduced.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigenFurther advantages and details of the invention will be explained using the embodiments shown in Figures 1 and 2.
- Figur 1 einen Teilschnitt durch ein<e Turbomolekularvakuumpumpe
und- Figure 1 shows a partial section through a turbomolecular vacuum pump
and
- Figur 2 einen Schnitt durch eine Lagerspindel.- Figure 2 shows a section through a bearing spindle.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch den unteren Teil einer Turbomolekularvakuumpumpe mit ihrem Gehäuse 1, dem mit den Statorschaufeln 2 ausgerüsteten Stator 3 und dem Rotor 4 mit den Rotorschaufeln 5. Bestandteil des Rotors 4 ist die Welle 6 mit ihrer Achse 7. An der Welle 6 sind die Rotorschaufeln 5 befestigt. Die Statorschaufeln 2 und die Rotorschaufeln 5 sind derart angestellt,, daß eine Gasförderung vom nicht dargestellten Einlaß zum Auslaß 8 bewirkt wird.Figure 1 shows a section through the lower part of a turbomolecular vacuum pump with its housing 1, the stator 3 equipped with the stator blades 2 and the rotor 4 with the rotor blades 5. The shaft 6 with its axis 7 is part of the rotor 4. The rotor blades 5 are attached to the shaft 6. The stator blades 2 and the rotor blades 5 are positioned in such a way that gas is conveyed from the inlet (not shown) to the outlet 8.
Die Rotorwelle 6 ist im Gehäuse 1 der Turbomolekularpumpe mittels der Wälzlager 11 und 12 drehbar gelagert. Zwischen diesen Lagern befindet sich der Antriebsmotor 13. Da am Auslaßstutzen 8 eine Vorvakuumpumpe angeschlossen ist, steht auch der Raum, in dem sich die Lager 11, 12 und der Motor 13 befinden, während des Betriebs der Pumpe unter Vakuum.The rotor shaft 6 is rotatably mounted in the housing 1 of the turbomolecular pump by means of the roller bearings 11 and 12. The drive motor 13 is located between these bearings. Since a forevacuum pump is connected to the outlet connection 8, the space in which the bearings 11, 12 and the motor 13 are located is also under vacuum during operation of the pump.
Die Lager 11, 12 sind als Keramiklager ausgebildet, d. h. zumindest
die Wälzkörper 14 dieser beiden Lager - vorzugsweise
Kugeln - bestehen aus keramischem Werkstoff. Besonders geeignet sind Keramikteile, bei deren Herstellung ein Heißpreß- oder einThe bearings 11, 12 are designed as ceramic bearings, ie at least the rolling elements 14 of these two bearings - preferably
Balls - are made of ceramic material. Particularly suitable are ceramic parts that are manufactured using a hot press or a
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isostatischer Preß-Vorgang, vorzugsweise ebenfalls unter Hitze, angewendet wurde. FUr die Verwendung in Wälzlagern sind derartige Köramikteile wegen ihrer Oberflächeneigenschaften besonders geeignet.isostatic pressing process, preferably also under heat, was used. Such granular parts are particularly suitable for use in rolling bearings due to their surface properties.
Die Wälzlager 11, 12 sind ölgeschmiert. Dazu ist ein Ölkreislauf vorgesehen, der das Ölleitungssystem 15, 16 umfaßt. Von einer Ölförderpumpe 17 wird diesem Leitungssystem dosiert Öl zugeführt, welches den· Ölvorratsgcfäß IS entnommen wird. Überschüssiges Öl strömt durch die Ölrückführungsleitung 19 in den Vorratsbehälter 18 zurück.The roller bearings 11, 12 are oil-lubricated. For this purpose, an oil circuit is provided which includes the oil line system 15, 16. Oil is fed to this line system in metered amounts by an oil feed pump 17, which is taken from the oil storage container IS. Excess oil flows back into the storage container 18 through the oil return line 19.
Wegen des Einsatzes von Keramiklagern kann die den Lagern zugeführte ölmenge sehr klein gehalten werden. Die Lagertemperatur bleibt während des Betriebs der Pumpe niedrig. Die sich verflüchtigende ölmenge ist deshalb gering. Selbst wenn es einmal zu einem Schmierfilmabriß kommen sollte, dann sind die die Lebensdauer stark beeinträchtigenden Verschleißerscheinungen wegen der besonders guten Notlaufeigenschaften der Keramiklager nicht zu befürchten.Due to the use of ceramic bearings, the amount of oil supplied to the bearings can be kept very small. The bearing temperature remains low during operation of the pump. The amount of oil evaporating is therefore small. Even if the lubricating film breaks down, the signs of wear that would severely affect the service life are not to be feared due to the particularly good emergency running properties of the ceramic bearings.
Die in Ficrur 2 där2ac+'Qil<"0 für Aon Einsai-7. in VakuumDumDen geeignete Lagerspindel weist die Spindellager 11, 12 auf, welche ebenfalls als Keramiklager ausgebildet sind. Die Innenringe der Lager 11, 12 stützen sich auf den Schultern 21, 22 der Welle 6 ab. Die jeweiligen Außenringe liegen in radialer Richtung der Spindelhülse 23 an. In axialer Richtung stützen sie sich auf die Hülsen 24, 25 ab. Diese sind in der Spindelhülse 23 geführt. Sie stehen unter der Wirkung der Druckfeder 26, welche die Lageranstellkräfte erzeugt. Mit Hilfe des Ringes 27 und der Schraube 28 ist das aus der Welle 6, den Lagern 11, 12, den Hülsen 24, 25 und der Feder 26 bestehende System innerhalb der Spindelhülse 23 fixiert.The bearing spindle shown in Figure 2 , which is suitable for use in vacuum, has spindle bearings 11, 12 which are also designed as ceramic bearings. The inner rings of bearings 11, 12 rest on shoulders 21, 22 of shaft 6. The respective outer rings rest radially on spindle sleeve 23. In axial direction they rest on sleeves 24, 25. These are guided in spindle sleeve 23. They are subject to the action of compression spring 26 which generates the bearing positioning forces. The system comprising shaft 6, bearings 11, 12, sleeves 24, 25 and spring 26 is fixed within spindle sleeve 23 by means of ring 27 and screw 28.
Den stirnseitigen Abschluß der Spindelhülse 23 bilden Kappen 28 und 29, die mit Klemmringen 31, 32 fixiert sind. In den Kappen 28, 29 befinden sich weitgehend geschlossene, ringförmigeThe front end of the spindle sleeve 23 is formed by caps 28 and 29, which are fixed with clamping rings 31, 32. In the caps 28, 29 there are largely closed, ring-shaped
Fettvorratsräume 33, 34, die eine langfristige Mangelschmierung der Lager 11, 12 sicherstellen. Auch die den Lagern 11, 12 zugewandten Stirnseiten der Hülsen 24, 25 weisen derartige Fettvorratsräume 36, 37 auf.Grease storage chambers 33, 34, which ensure long-term lubrication of the bearings 11, 12. The end faces of the sleeves 24, 25 facing the bearings 11, 12 also have such grease storage chambers 36, 37.
Ein besonderer Vorteil der Ausbildung der Lager 11, 12 als Keramiklager liegt darin, daß die von den Keramikwälzkörpern erzeugten Fliehkräfte kleiner sind als die von Stahlwälzkörpern erzeugten Fliehkräfte. Es ist deshalb möglich,- die E-ageranstollkräfte kleiner zu halten, d. h. die Druckfeder 26 schwächer zu wählen. Die beim Wälzvorgang der Wälzkörper auf den Lagerringen auftretenden Reibanteile sind dadurch geringer, was eine Verlängerung der Lebensdauer zur Folge hat.A particular advantage of designing the bearings 11, 12 as ceramic bearings is that the centrifugal forces generated by the ceramic rolling elements are smaller than the centrifugal forces generated by steel rolling elements. It is therefore possible to keep the friction forces smaller, i.e. to select a weaker compression spring 26. The friction components that occur during the rolling process of the rolling elements on the bearing rings are therefore smaller, which results in an extension of the service life.
Die Anwendung der Erfindung ist immer dann sinnvoll, wenn ein schmiermittelversorgtes Wälzlager unter Vakuum betrieben werden muß. Als Schmiermittel können Mineral- oder Synthetiköle, kohlenwasserstofffreie Öle (beispielsweise perfluorierte PoIyäther) oder Fette auf vorstehend erwähnter Grundbasis eingesetzt werden. Gerade kohlenwasserstofffreie Schmiermittel müssen häufig in der Vakuumtechnik eingesetzt werden, und zwar dann, wenn das zu fördernde Geis oder der zu evakuierende Rezipient von Kohlenwasserstoffen völlig freigehalten werden muß. Gegenüber anderen Schmierstoffen haben perfluorierte Polyäther schlechtere Schmiereigenschaften, u. a. auch deshalb, weil sie zu einer Eisenfluorid-Bildung führen, so daß die Gefahr von Schmierfilmdurchbrüchen in höherem Maße besteht. Infolge der erfindungsgemäßen Verwendung von Keramiklagern führen diese Schmierfilmdurchbrüche nicht mehr zu vorzeitigen Lagerschäden. Sind die Keramiklager als Wälzlager ausgebildet, dann sollten zumindest die Wälzkörper aus Keramik bestehen. Auch bei einer als Lagerspindel (vgl. Fig. 2) ausgebildeten Lagerung sollten mindestens die Wälzkörper aus Keramik bestehen. Ein separater Lagerinnenring ist nicht erforderlich, wenn die Spindel integriert ausgebildet ist, d. h. wenn die Welle selbst mit die Kugellaufbahnen bildenden Rillen ausgerüstet ist. Bei Gleitlagern muß mindestens einer der beiden Lagerpartner aus Keramik bestehen.The application of the invention is always useful when a roller bearing supplied with lubricant must be operated under vacuum. Mineral or synthetic oils, hydrocarbon-free oils (for example perfluorinated polyethers) or greases based on the above-mentioned base can be used as lubricants. Hydrocarbon-free lubricants in particular must often be used in vacuum technology, namely when the fluid to be conveyed or the recipient to be evacuated must be kept completely free of hydrocarbons. Compared to other lubricants, perfluorinated polyethers have poorer lubricating properties, among other things because they lead to the formation of iron fluoride, so that the risk of lubricant film breakthroughs is higher. As a result of the use of ceramic bearings according to the invention, these lubricant film breakthroughs no longer lead to premature bearing damage. If the ceramic bearings are designed as roller bearings, then at least the rolling elements should be made of ceramic. Even with a bearing designed as a bearing spindle (see Fig. 2), at least the rolling elements should be made of ceramic. A separate bearing inner ring is not required if the spindle is integrated, i.e. if the shaft itself is equipped with grooves that form the ball raceways. In the case of plain bearings, at least one of the two bearing partners must be made of ceramic.
Claims (8)
und das sich während des Betriebs in einem unter Vakuum1. Vacuum pump (1) with a rotor (4) and with at least one bearing (11, 12) which is supplied with a lubricant
and which is in a vacuum during operation
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1989
- 1989-08-11 DE DE8909636U patent/DE8909636U1/en not_active Expired - Lifetime
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