EP4782698A2 - Turbomolekularpumpe - Google Patents

Turbomolekularpumpe

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Publication number
EP4782698A2
EP4782698A2 EP26183286.9A EP26183286A EP4782698A2 EP 4782698 A2 EP4782698 A2 EP 4782698A2 EP 26183286 A EP26183286 A EP 26183286A EP 4782698 A2 EP4782698 A2 EP 4782698A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
electric motor
turbomolecular pump
control unit
braking
Prior art date
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Pending
Application number
EP26183286.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pfeiffer Vacuum Technology AG
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pfeiffer Vacuum Technology AG filed Critical Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority to EP26183286.9A priority Critical patent/EP4782698A2/de
Publication of EP4782698A2 publication Critical patent/EP4782698A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/046—Combinations of two or more different types of pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0261—Surge control by varying driving speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0292—Stop safety or alarm devices, e.g. stop-and-go control; Disposition of check-valves

Definitions

  • the invention relates to a turbomolecular pump and a method for operating such a pump.
  • Turbomolecular pumps are used in various fields of technology to create the vacuum necessary for a given process.
  • Turbomolecular pumps comprise a stator with several stator disks arranged successively along a rotor axis and a rotor rotatably mounted relative to the stator about the rotor axis.
  • the rotor includes a rotor shaft and several rotor disks arranged axially successively on the rotor shaft and positioned between the stator disks, with the stator disks and the rotor disks each having a pump-active structure.
  • Turbomolecular pumps are typically operated at rated speeds of several tens of thousands to hundreds of thousands of revolutions per minute. Due to this high rotor speed, a complete shutdown of the turbomolecular pump, for example during shutdown or in the event of a malfunction, from its rated speed down to near zero, can take several hours if the pump is not externally flooded. During such a shutdown, with or without flooding, the mechanical components of the turbomolecular pump can be subjected to considerable stress. This is particularly true for mechanical catch bearings, which can become activated, for example, in the event of a failure of the magnetic bearing for the turbomolecular pump rotor, in the case of shocks, or due to insufficient magnetic support.
  • braking mechanisms can be used in which an electric motor, which drives the The rotor of the turbomolecular pump is driven during its operation, essentially acting as a regenerative generator.
  • the motor absorbs rotational energy from the rotor, which is then transferred to one or more braking resistors.
  • the electrical energy generated by the electric motor is converted into heat and dissipated.
  • they can be connected to a heat sink, such as a section of the turbomolecular pump housing.
  • the turbomolecular pump comprises a rotor, an electric motor coupled to the rotor and driving the rotor during operation of the turbomolecular pump, and a control unit coupled to the electric motor.
  • the control unit is configured to operate the electric motor in a regenerative mode during a coast-down phase of the rotor, in which the electric motor decelerates the rotor with a variable braking force, detects a reference temperature at at least one position relevant to the coast-down phase, and regulates the variable braking force as a function of the reference temperature.
  • the braking resistors through which the energy generated during the coast-down phase can be dissipated, can be located inside the turbomolecular pump or its control unit.
  • the braking resistors can be arranged on the turbomolecular pump or the control unit.
  • the braking resistors can be arranged as separate components outside the respective housing of the turbomolecular pump or the control unit. In the latter case, as external, separate components, the braking resistors can still be considered a component of the turbomolecular pump, since they interact with other components during the coast-down phase.
  • Components of the turbomolecular pump are electrically or electronically connected and are necessary for the operation of the turbomolecular pump in the run-down phase in such an embodiment.
  • the reference temperature is measured, for example, in the vicinity of the control unit or directly at the braking resistors, it can indicate the point of greatest heating of turbomolecular pump components during the coast-down phase.
  • the reference temperature can indicate the point of greatest heating of turbomolecular pump components during the coast-down phase.
  • the reference temperature can indicate the heating of critical components of the turbomolecular pump, and the braking performance can be controlled based on such a reference temperature measurement. If the reference temperature is measured on a heat sink located, for example, outside the housing of the turbomolecular pump and connected to a component of the turbomolecular pump, the reference temperature is still measured in a spatial region around the turbomolecular pump and reflects its heating.
  • the turbomolecular pump is characterized by the fact that the electric motor is not controlled with a constant braking force during the coast-down phase, but with a variable braking force that depends on the reference temperature. This allows the actual temperature conditions at or within the turbomolecular pump to be taken into account in order to determine or control the braking force during the rotor's coast-down phase.
  • the rotor can therefore be decelerated with increased braking power during the coast-down phase, compared to when a constant, relatively low braking power is applied. This allows the coast-down phase to be shortened compared to a control system with constant braking power.
  • control unit is further configured to dissipate an amount of energy generated by the electric motor during the coasting phase, which is determined by the variable braking power, via one or more braking resistors coupled to the electric motor and arranged in the control unit.
  • braking resistors coupled to the electric motor and arranged in the control unit.
  • three braking resistors are provided, with each braking resistor being assigned to a specific phase of the electric motor.
  • a current flows through one or more braking resistors during the rotor's coasting phase. This current heats the respective braking resistor, causing the control unit containing the braking resistors and the turbomolecular pump as a whole to heat up. Since the measured reference temperature is an indicator of the heating of critical turbomolecular pump components, such as the braking resistors, excessive heating of the braking resistors can be prevented by regulating the braking power based on this reference temperature.
  • the control unit can further be configured to detect the reference temperature in a region of one or more braking resistors. Since the actual braking power used during the coast-down phase is variable and depends on the detected reference temperature, detecting the reference temperature in the region of the braking resistors can prevent excessive heating of the braking resistors without unnecessarily limiting the variable braking power.
  • the control unit is specifically designed to measure the reference temperature directly at at least one braking resistor using a temperature sensor. This allows the variable braking power to be directly linked to the most critical parameter during the coast-down phase, i.e., the temperature of each individual braking resistor. Preferably, the temperature can be measured directly at each of the braking resistors to determine the reference temperature, for example, as the maximum of the measured temperature values.
  • control unit is designed to set the variable braking power to a maximum braking power at the beginning of the coast-down phase.
  • the maximum braking power can be determined, for example, based on empirical data. Since the variable braking power depends on the reference temperature, the actual braking power during the coast-down phase can be adaptively or successively reduced as needed, according to the detected reference temperature.
  • the control unit can also be configured to measure the instantaneous temperature of a heat sink on the turbomolecular pump.
  • the maximum braking power can depend on, or be determined by, the instantaneous temperature of the heat sink.
  • the instantaneous temperature can be identical to the reference temperature if it is measured at the heat sink. Otherwise, the instantaneous temperature and the reference temperature can differ.
  • the heat sink can be located on or inside the turbomolecular pump, for example, on or within a housing of the turbomolecular pump, particularly in a region of a lower part of the turbomolecular pump. This allows the actual temperature conditions inside the turbomolecular pump at the beginning of the run-down phase to be taken into account in order to... to appropriately determine the maximum braking power and thereby minimize the duration of the coast-down phase.
  • the control unit can also be designed to adaptively reduce the variable braking power when the reference temperature exceeds a predetermined threshold. This can prevent, for example, excessive heating or even destruction of brake resistors within the control unit.
  • Adaptive reduction of variable braking power can mean, for example, that it is continuously readjusted during the coast-down phase and follows a predefined characteristic curve.
  • maximum braking power can initially be applied during the coast-down phase until the reference temperature reaches the predetermined threshold. If the reference temperature continues to rise, the braking power can be gradually reduced to counteract the temperature increase and prevent exceeding a critical temperature at which damage to turbomolecular pump components, such as the braking resistors, could potentially occur.
  • the predetermined threshold can depend on the material properties of one or more braking resistors, which are coupled to the electric motor and located in the control unit. These resistors are designed to dissipate an amount of energy generated by the electric motor during the coasting phase, the amount of which is determined by the variable braking power. Setting the threshold thus takes into account the properties of the braking resistors to prevent excessive heating or even damage.
  • a further object of the invention is a method for operating a turbomolecular pump, in particular a turbomolecular pump such as that described above.
  • the turbomolecular pump described above comprises a rotor, an electric motor coupled to the rotor that drives the rotor during operation, and a control unit coupled to the electric motor.
  • the electric motor operates in a regenerative mode, in which it decelerates the rotor with a variable braking force.
  • a reference temperature is measured at at least one position relevant to the coast-down phase, and the variable braking force is controlled as a function of this reference temperature.
  • an amount of energy generated by the electric motor during the coasting phase is dissipated via one or more braking resistors that are coupled to the electric motor and arranged in the control unit.
  • the reference temperature in a spatial region of one or more braking resistors can be detected or measured, in particular directly at at least one braking resistor, for example by means of a temperature sensor.
  • the variable braking power can be set to a maximum braking power at the beginning of the coast-down phase. Furthermore, the instantaneous temperature of a heat sink on the turbomolecular pump can be measured, and the Maximum braking power can be set depending on the current temperature of the heat sink.
  • the variable braking power can be adaptively reduced if the reference temperature exceeds a predetermined threshold.
  • This predetermined threshold can be determined based on the material properties of one or more braking resistors, which are coupled to the electric motor and located in the control unit. These resistors dissipate an amount of energy generated by the electric motor during the coasting phase, the amount of which is determined by the variable braking power.
  • the inlet flange 113 forms a Fig. 1
  • the housing 119 comprises a lower part 121, to which an electronics housing 123 is attached laterally.
  • the electronics housing 123 contains electrical and/or electronic components of the vacuum pump 111, e.g., for operating an electric motor 125 located in the vacuum pump (see also Fig. 3
  • the electronics housing 123 has several connections 127 for accessories.
  • a data interface 129 e.g. according to the RS485 standard, and a power supply connection 131 are located on the electronics housing 123.
  • turbomolecular pumps that do not have such an attached electronics housing, but are connected to external drive electronics.
  • the housing 119 of the turbomolecular pump 111 has a flood inlet 133, in particular in the form of a flood valve, through which the vacuum pump 111 can be flooded.
  • a purge gas connection 135, also referred to as a purge gas connection is also arranged, through which purge gas can be supplied to protect the electric motor 125 (see e.g. Fig. 3 ) before the gas pumped by the pump can be admitted into the engine compartment 137, in which the electric motor 125 is housed in the vacuum pump 111.
  • the lower section 121 also has two coolant connections 139, one of which serves as an inlet and the other as an outlet for coolant that can be directed into the vacuum pump for cooling purposes.
  • Other existing turbomolecular vacuum pumps (not shown) are operated exclusively with air cooling.
  • the lower side 141 of the vacuum pump can serve as a base, allowing the vacuum pump 111 to be operated standing upright on its underside 141.
  • the vacuum pump 111 can be attached to a receiver via the inlet flange 113 and thus operated in a suspended position.
  • the vacuum pump 111 can be designed to operate even when oriented differently than described. Fig. 1 As shown. It is also possible to implement embodiments of the vacuum pump in which the underside 141 can be arranged facing sideways or upwards instead of downwards. In principle, any angle is possible.
  • Mounting holes 147 are also arranged on the underside 141, via which the pump 111 can, for example, be attached to a support surface. This is not the case with other existing turbomolecular vacuum pumps. (not shown), which are particularly larger than the pump shown here, are not possible.
  • a coolant line 148 is shown, in which the coolant introduced and removed via the coolant connections 139 can circulate.
  • the vacuum pump comprises several process gas pumping stages for conveying the process gas present at the pump inlet 115 to the pump outlet 117.
  • a rotor 149 is arranged in the housing 119, which has a rotor shaft 153 rotatable about a rotation axis 151.
  • the turbomolecular pump 111 comprises several turbomolecular pump stages connected in series to provide pumping action. These stages have several radial rotor disks 155 attached to the rotor shaft 153 and stator disks 157 arranged between the rotor disks 155 and fixed in the housing 119. Each rotor disk 155 and an adjacent stator disk 157 form a turbomolecular pump stage. The stator disks 157 are held at a desired axial distance from each other by spacer rings 159.
  • the vacuum pump also includes Holweck pump stages arranged radially within one another and connected in series to effectively pump the pump.
  • Other turbomolecular vacuum pumps exist (not shown) that do not have Holweck pump stages.
  • the rotor of the Holweck pump stages comprises a rotor hub 161 arranged on the rotor shaft 153 and two cylindrical Holweck rotor sleeves 163, 165 attached to and supported by the rotor hub 161, which are coaxial to the
  • the rotation axis 151 is oriented and nested within each other in the radial direction.
  • two cylindrical Holweck stator sleeves 167, 169 are provided, which are also oriented coaxially to the rotation axis 151 and nested within each other in the radial direction.
  • the pump-active surfaces of the Holweck pump stages are formed by the outer surfaces, i.e., the radial inner and/or outer surfaces, of the Holweck rotor sleeves 163, 165 and the Holweck stator sleeves 167, 169.
  • the radial inner surface of the outer Holweck stator sleeve 167 faces the radial outer surface of the outer Holweck rotor sleeve 163, forming a radial Holweck gap 171, and together they form the first Holweck pump stage following the turbomolecular pumps.
  • the radial inner surface of the outer Holweck rotor sleeve 163 faces the radial outer surface of the inner Holweck stator sleeve 169, forming a radial Holweck gap 173, and together they form a second Holweck pump stage.
  • the radial inner surface of the inner Holweck stator sleeve 169 lies opposite the radial outer surface of the inner Holweck rotor sleeve 165, forming a radial Holweck gap 175, and together they form the third Holweck pumping stage.
  • a radially extending channel can be provided, through which the radially outer Holweck slot 171 is connected to the central Holweck slot 173. Furthermore, a radially extending channel can be provided at the upper end of the inner Holweck stator sleeve 169, through which the central Holweck slot 173 is connected to the radially inner Holweck slot 175. This connects the nested Holweck pump stages in series.
  • a connecting channel 179 to the outlet 117 can also be provided at the lower end of the radially inner Holweck rotor sleeve 165.
  • the aforementioned pump-active surfaces of the Holweck stator sleeves 167, 169 each have several Holweck grooves spiraling around the axis of rotation 151 in the axial direction, while the opposite outer surfaces of the Holweck rotor sleeves 163, 165 are smooth and drive the gas forward in the Holweck grooves for the operation of the vacuum pump 111.
  • a rolling bearing 181 is provided in the area of the pump outlet 117 and a permanent magnet bearing 183 is provided in the area of the pump inlet 115.
  • a conical injection nut 185 with an outer diameter increasing towards the rolling bearing 181 is provided on the rotor shaft 153.
  • the injection nut 185 is in sliding contact with at least one wiper of a fluid reservoir.
  • an injection screw may be provided instead of an injection nut. Since different designs are thus possible, the term "injection tip" is also used in this context.
  • the operating fluid reservoir comprises several stacked absorbent discs 187, which are impregnated with an operating fluid for the rolling bearing 181, e.g. with a lubricant.
  • the operating fluid is transferred by capillary action from the fluid reservoir via the wiper to the rotating injection nut 185 and, as a result of centrifugal force, is conveyed along the injection nut 185 in the direction of the increasing outer diameter of the injection nut 185 towards the rolling bearing 181, where it performs, for example, a lubricating function.
  • the rolling bearing 181 and the fluid reservoir are enclosed in the vacuum pump by a trough-shaped insert 189 and the bearing cover 145.
  • the permanent magnet bearing 183 comprises a rotor-side bearing half 191 and a stator-side bearing half 193, each containing a ring stack of several axially stacked permanent magnet rings 195, 197.
  • the ring magnets 195, 197 face each other, forming a radial bearing gap 199, with the rotor-side ring magnets 195 arranged radially outside and the stator-side ring magnets 197 radially inside.
  • the magnetic field present in the bearing gap 199 induces magnetic repulsive forces between the ring magnets 195, 197, which cause the rotor shaft 153 to be radially supported.
  • the rotor-side ring magnets 195 are supported by a support section 201 of the rotor shaft 153, which radially surrounds the ring magnets 195 on the outside.
  • the stator-side ring magnets 197 are supported by a stator-side support section 203, which extends through the ring magnets 197 and is suspended from radial struts 205 of the housing 119.
  • Parallel to the axis of rotation 151, the rotor-side ring magnets 195 are fixed by a cover element 207 coupled to the support section 201.
  • the stator-side ring magnets 197 are fixed parallel to the axis of rotation 151 in one direction by a retaining ring 209 connected to the support section 203 and a retaining ring 211 also connected to the support section 203.
  • a disc spring 213 may also be provided between the retaining ring 211 and the ring magnets 197.
  • an emergency or catch bearing 215 is provided, which runs freely without contact during normal operation of the vacuum pump 111 and only engages when there is excessive radial deflection of the rotor 149 relative to the stator, in order to form a radial stop for the rotor 149 and thus prevent a collision between the rotor-side and stator-side structures.
  • the catch bearing 215 is designed as an unlubricated rolling bearing and forms a radial gap with the rotor 149 and/or the stator, which causes the catch bearing 215 to be disengaged during normal pump operation.
  • the radial deflection at which the catch bearing 215 engages is sufficiently large. dimensioned so that the catch bearing 215 does not engage during normal operation of the vacuum pump, and at the same time small enough to prevent a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures under all circumstances.
  • the vacuum pump 111 comprises the electric motor 125 for rotating the rotor 149.
  • the armature of the electric motor 125 is formed by the rotor 149, whose rotor shaft 153 extends through the motor stator 217.
  • a permanent magnet arrangement can be arranged radially on the outside or embedded in the section of the rotor shaft 153 extending through the motor stator 217.
  • a space 219 is arranged between the motor stator 217 and the section of the rotor 149 extending through the motor stator 217. This space comprises a radial motor gap through which the motor stator 217 and the permanent magnet arrangement can magnetically influence each other to transmit the drive torque.
  • the motor stator 217 is fixed within the housing inside the motor compartment 137 provided for the electric motor 125.
  • a purge gas also known as a sealing gas, which can be, for example, air or nitrogen, can enter the motor compartment 137 via the purge gas connection 135. This purge gas protects the electric motor 125 from process gas, e.g., from corrosive components of the process gas.
  • the motor compartment 137 can also be evacuated via the pump outlet 117, meaning that the vacuum pressure in the motor compartment 137 is at least approximately equal to that produced by the backing pump connected to the pump outlet 117.
  • a so-called labyrinth seal 223, which is known per se, can also be provided, in particular to achieve a better seal of the engine compartment 217 against the radially outside Holweck pump stages.
  • Fig. 6 shows a schematic sectional view through a turbomolecular pump 300, which, for example, is similar to the one in Figs. 1 to 5
  • the turbomolecular pump 111 shown and described above can be configured in various ways. While the turbomolecular pump 111 has the permanent magnet bearing 183 on the high-vacuum side and the rolling bearing 181 on the opposite side of the rotor 149 (see figure).
  • turbomolecular pump 300 also apply to other types of turbomolecular pumps, especially those in which the rotor 149 is magnetically supported on both sides, for example with active magnetic bearings.
  • the principle of the electric brake of the rotor 149, in which the electric motor 125 is operated regeneratively, is primarily used.
  • Fig. 6 Details in the area of the electric motor 125 and the electronics housing 123.
  • the schematic view of Fig. 6 This roughly corresponds to a section view for a section plane in Fig. 3 in a horizontal direction at the height of the electric motor 125 with a view from above or below.
  • the electric motor 125 comprises three stator coils 302, 304, 306, each assigned to a respective phase of the electric motor 125.
  • the three stator coils 302, 304, 306 are connected to each other in a star connection in a manner known per se, as indicated by the dashed lines 308.
  • the motor stator 217 with the three stator coils 302, 304, 306 surrounds the rotor shaft 153.
  • One or more magnets are arranged on the rotor shaft 153 to form a rotor of the electric motor 125.
  • the stator coils 302, 304, 306 interact with the one or more magnets on the rotor shaft 153 to drive the rotor 149 during the operation of the turbomolecular pump 111. by supplying the stator coils 302, 304, 306 with respective current signals in a manner known per se.
  • a control unit 310 is arranged, which forms part of the control electronics of the turbomolecular pump 111 and is intended for controlling and regulating a coast-down phase of the rotor 149.
  • the control unit 310 comprises three braking resistors 320, which, during the coast-down phase of the rotor 149, are each connected via a line 322 to one of the stator coils 302, 304, 306, respectively.
  • Between the stator coils 302, 304, 306 and the respective braking resistor 320 are further electrical and electronic components 324, which are intended, among other things, to detect and limit a current through the respective braking resistor 320, as will be explained in more detail below.
  • the braking resistors 320 are also connected to other electrical and electronic components 328 within the control unit 310, as shown by the dotted lines 326.
  • These other electrical and electronic components 328 include, for example, transistors, capacitors, additional resistors, etc.
  • the electric motor 125 is in a regenerative mode.
  • the magnets attached to the rotor shaft 153 induce a voltage in the stator coils 302, 304, and 306. Due to these induced voltages, a current flows through the stator coils 302, 304, and 306, via the lines 322 through the electrical and electronic components 324, through the respective braking resistors 320, and via the connections 326 through the other electrical and electronic components 328. Rotational energy is generated through this induction.
  • the rotors 149 convert the energy into electrical energy, which is carried away by means of the current through the braking resistors 320.
  • This current heats the respective braking resistor 320.
  • the current that can flow through the respective braking resistors 320 is limited by the additional electrical and electronic components 324 and 328. This limitation prevents excessive heating of the braking resistors 320 or even their destruction.
  • the current flowing through the braking resistors 320 is relatively tightly limited according to the voltage induced in the stator coils 302, 304, 306, in order to protect the braking resistors 320 from excessive heating or damage. Since the voltage induced in the stator coils 302, 304, 306 also decreases with decreasing rotational speed of the rotor 149 during its coast-down phase, the current flowing through the braking resistors 320 is increased by means of the additional electrical and electronic components 324, 328 during the coast-down phase of the rotor 149 to maintain a constant braking power, i.e., the product of the induced voltage and the total current flowing through the braking resistors 320.
  • the total duration of the coast-down phase is determined according to safety requirements by limiting the current through the braking resistors 320 at the beginning of the rotor 149's coast-down phase and the associated braking power.
  • a significantly higher braking power could be used at the beginning of the coast-down phase than is actually the case in practice. Therefore, the severe limitation of the braking power and the control with constant braking power during the coast-down phase unnecessarily prolong its duration in known turbomolecular pumps.
  • the turbomolecular pump 111 or 300 shown in the figure therefore additionally includes a temperature sensor 330, which is in contact with a respective braking resistor 320 and measures its temperature.
  • the respective temperature readings of the braking resistors 320 are transmitted via lines 332 to a control module 340 within the control unit 310.
  • the temperature values of the respective braking resistors 320, as measured by the temperature sensors 330, are used by the control module 340 to regulate a variable braking power, i.e., a variable current through the respective braking resistors 320, based on a reference temperature that is defined as the maximum value of the temperature values measured by the temperature sensors 330.
  • the current through each braking resistor 320 is set to a maximum value by the control module 340 to achieve maximum braking power at the start of the coast-down phase.
  • the maximum current through the braking resistors 320 is based on empirical values and is selected to prevent excessive heating of the braking resistors 320 at the beginning of the rotor 149's coast-down phase.
  • this maximum current value corresponds to maximum braking power.
  • the control module 340 detects the temperature of the respective braking resistors 320 using the temperature sensors 330. Simultaneously, the control module 340 detects the actual current flowing through the respective braking resistors 320 via a respective connection 342 between the control module 340 and the other components. electrical and electronic components 324. As soon as one of the respective temperature values of the temperature sensors 330 reaches a predetermined threshold value, which in turn is based on empirical values, the control module 340 limits the respective current through the braking resistors 320. The adjustment or reduction of this current is again effected via the connection 342 between the control module 340 and the other electrical and electronic components 324. Therefore, the respective connection 342 is represented as a dotted double arrow.
  • the setpoint for the current through the braking resistors 320 is thus used to adjust or limit the current through the braking resistors 320 by means of the other electrical or electronic components 324, which are controlled in such a way that the current through the braking resistors 320 reaches the setpoint and does not exceed it.
  • the coast-down phase of the rotor 149 of the turbomolecular pump 300, 111 in the regenerative mode of the electric motor 125 is controlled based on the measured temperature, which is detected by the temperature sensors 330, starting from a maximum braking power.
  • the maximum braking power is adjusted as needed during the coast-down phase of the rotor 149, depending on the measured temperature of the braking resistors 320, in order to prevent excessive heating of the braking resistors 320.
  • the duration of the coast-down phase of the rotor 149 is shortened compared to turbomolecular pumps, in which a constant braking power is always provided during the coast-down phase of the rotor 149.

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Abstract

Eine Turbomolekularpumpe umfasst einen Rotor, einen Elektromotor, der mit dem Rotor gekoppelt ist und den Rotor während des Betriebs der Turbomolekularpumpe antreibt, und eine Steuereinheit, die mit dem Elektromotor gekoppelt ist. Die Steuereinheit ist ausgebildet, den Elektromotor während einer Auslaufphase des Rotors in einem regenerativen Modus zu betreiben, in welchem der Elektromotor den Rotor mit einer veränderbaren Bremsleistung abbremst, eine Referenztemperatur an mindestens einer für die Auslaufphase relevanten Position zu erfassen und die veränderbare Bremsleistung in Abhängigkeit von der Referenztemperatur zu regeln.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen.
  • Turbomolekularpumpen werden in unterschiedlichen Bereichen der Technik eingesetzt, um ein für einen jeweiligen Prozess notwendiges Vakuum zu schaffen. Turbomolekularpumpen umfassen einen Stator mit mehreren in Richtung einer Rotorachse aufeinanderfolgenden Statorscheiben und einen relativ zu dem Stator um die Rotorachse drehbar gelagerten Rotor, der eine Rotorwelle und mehrere auf der Rotorwelle angeordnete, in axialer Richtung aufeinanderfolgende und zwischen den Statorscheiben angeordnete Rotorscheiben umfasst, wobei die Statorscheiben und die Rotorscheiben jeweils eine pumpaktive Struktur aufweisen.
  • Turbomolekularpumpen werden üblicherweise bei Nenndrehzahlen von mehreren 10.000 bis zu 100.000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Aufgrund dieser hohen Drehzahl des Rotors kann ein vollständiger Auslauf der Turbomolekularpumpe, beispielsweise beim Abschalten oder bei einer Störung, ausgehend von der Nenndrehzahl bis zu einer Drehzahl nahe Null mehrere Stunden dauern, wenn die Turbomolekularpumpe nicht von außen geflutet wird. Bei einem solchen Auslauf mit oder ohne Fluten können mechanische Komponenten der Turbomolekularpumpe stark beansprucht werden. Dies gilt insbesondere für mechanische Fanglager, die beispielsweise beim Ausfall eines Magnetlagers für den Rotor der Turbomolekularpumpe, bei Stößen und einer nicht ausreichenden Magnetlagerung aktiv werden.
  • Um die Auslaufphase des Rotors der Turbomolekularpumpe zu verkürzen, können Bremsmechanismen verwendet werden, bei denen ein Elektromotor, welcher den Rotor der Turbomolekularpumpe während deren Betrieb antreibt, regenerativ sozusagen als Generator betrieben wird. Der Motor nimmt dadurch Rotationsenergie des Rotors auf, die anschließend zu einem oder mehreren Bremswiderständen geleitet wird, in denen die von dem Elektromotor generierte elektrische Energie in Wärme umgewandelt und abgeführt wird. Um eine übermäßige Erwärmung der Bremswiderstände zu vermeiden, können diese mit einer Wärmesenke wie beispielsweise einem Abschnitt eines Gehäuses der Turbomolekularpumpe in Verbindung stehen.
  • Damit die Bremswiderstände während einer Auslaufphase des Rotors der Turbomolekularpumpe jedoch nicht zu stark erwärmt und möglicherweise zerstört werden, wird üblicherweise die maximale Leistung begrenzt, die der Elektromotor der Turbomolekularpumpe während des regenerativen Betriebs erzeugt. Die Auslaufphase beginnt daher bei bekannten Turbomolekularpumpen bei einer bestimmten induzierten Spannung, die durch die Drehzahl des Rotors bestimmt wird, und einem Strom, der durch die Bremswiderstände fließt und zu deren Schutz begrenzt ist. Bei sinkender Drehzahl des Rotors nimmt die induzierte Spannung ab. Die Auslaufphase des Rotors der Turbomolekularpumpe wird daher meist derart geregelt, dass eine vorbestimmte Leistung konstant gehalten wird, bei der sichergestellt ist, dass der eine oder die mehreren Bremswiderstände nicht zu stark erwärmt und beschädigt oder gar zerstört werden. Bei sinkender induzierter Spannung während der Auslaufphase steigt der Strom folglich an, der durch die Bremswiderstände fließt, um die Leistung während des Bremsens des Rotors konstant zu halten.
  • Die vorgegebene bzw. maximale Leistung, die während der Auslaufphase der Turbomolekularpumpe tatsächlich verwendet wird, ist üblicherweise jedoch um einen relativ großen Sicherheitsfaktor kleiner als eine Leistung, bei der tatsächlich eine übermäßige Erwärmung und Beschädigung der Bremswiderstände auftreten würde. Ferner werden die tatsächlichen Temperaturverhältnisse innerhalb der Turbomolekularpumpe, beispielsweise an einem Kühlkörper oder an einem Unterteil des Gehäuses, nicht bei der Regelung der Bremsleistung während der Auslaufphase berücksichtigt, d.h. beispielsweise nicht zur Regelung des ansteigenden Stroms bei sinkender Spannung, die durch den Rotor während dessen Abbremsen induziert wird.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Turbomolekularpumpe und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen zu schaffen, bei denen eine kurze Auslaufphase des Rotors der Turbomolekularpumpe ohne Beschädigung von Bremswiderständen erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Turbomolekularpumpe und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe umfasst einen Rotor, einen Elektromotor, der mit dem Rotor gekoppelt ist und den Rotor während des Betriebs der Turbomolekularpumpe antreibt, und eine Steuereinheit, die mit dem Elektromotor gekoppelt ist. Die Steuereinheit ist ausgebildet, den Elektromotor während einer Auslaufphase des Rotors in einem regenerativen Modus zu betreiben, in welchem der Elektromotor den Rotor mit einer veränderbaren Bremsleistung abbremst, eine Referenztemperatur an mindestens einer für die Auslaufphase relevanten Position zu erfassen und die veränderbare Bremsleistung in Abhängigkeit von der Referenztemperatur zu regeln.
  • Die Referenztemperatur kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors gemessen werden, der an der für die Auslaufphase relevanten Position angebracht ist. Während der Auslaufphase tritt an der für die Auslaufphase relevanten Position eine Zunahme der Temperatur auf. Mit anderen Worten ist vor Beginn der Auslaufphase zu erwarten, dass an der relevanten Position eine Erwärmung einer Komponente auftritt, die zu der Turbomolekularpumpe gehört oder mit dieser mechanisch, elektrisch oder elektronisch in Verbindung steht. Die relevante Position zur Messung der Referenztemperatur kann z.B. an einer Oberfläche bzw. an einem Gehäuse der Turbomolekularpumpe, an einer inneren Komponente der Turbomolekularpumpe, in einem Raumbereich der Steuereinheit oder sogar außerhalb eines Gehäuses der Turbomolekularpumpe und/oder der Steuereinheit liegen.
  • Während der Auslaufphase des Rotors kann dessen Rotationsenergie, die zuvor durch den regenerativen Betrieb des Elektromotors induktiv in elektrische Energie umgewandelt wird, über Bremswiderstände abgeführt werden. Da diese elektrische Energie z.B. durch die Bremswiderstände in Wärmeenergie umgewandelt wird, können sich die Bremswiderstände, die Steuereinheit und die Turbomolekularpumpe insgesamt während der Auslaufphase relativ stark erwärmen. Um eine Beschädigung der Bremswiderstände und/oder anderer Komponenten der Turbomolekularpumpe aufgrund übermäßiger Erwärmung zu verhindern, ist die Bremsleistung eine veränderbare Größe, die in Abhängigkeit von der erfassten Referenztemperatur geregelt wird, die während der Auslaufphase nicht konstant ist, sondern die momentane Erwärmung an der relevanten Position widerspiegelt.
  • Die Bremswiderstände, über welche die während der Auslaufphase entstehende Energie abgeführt werden kann, können sich innerhalb der Turbomolekularpumpe oder deren Steuereinheit befinden. Alternativ können die Bremswiderstände an der Turbomolekularpumpe oder an der Steuereinheit angeordnet sein. Darüber hinaus können die Bremswiderstände als separate Komponenten außerhalb eines jeweiligen Gehäuses der Turbomolekularpumpe oder der Steuereinheit angeordnet sein. Bei der zuletzt genannten Anordnung als äußere, separate Komponenten können die Bremswiderstände jedoch dennoch als Komponente der Turbomolekularpumpe angesehen werden, da sie während der Auslaufphase mit weiteren Komponenten der Turbomolekularpumpe elektrisch oder elektronisch in Verbindung stehen und bei einer solchen Ausführungsform für den Betrieb der Turbomolekularpumpe in der Auslaufphase notwendig sind.
  • Wenn die Referenztemperatur beispielsweise im Raumbereich der Steuereinheit oder direkt an den Bremswiderständen gemessen wird, kann die Referenztemperatur ein Indikator für die stärkste Erwärmung von Komponenten der Turbomolekularpumpe während der Auslaufphase sein. Durch die Erfassung der Referenztemperatur und die Regelung der Bremsleistung in Reaktion auf diese kann folglich eine übermäßige Erwärmung insgesamt im Bereich der Turbomolekularpumpe, der Steuereinheit und/oder der Bremswiderstände verhindert werden.
  • Selbst wenn die Referenztemperatur an einer Außenseite der Turbomolekularpumpe oder an einem Kühlkörper erfasst wird, der mit einer Komponente der Turbomolekularpumpe verbunden ist, kann die Referenztemperatur ein Indikator für die Erwärmung kritischer Komponenten der Turbomolekularpumpe sein, und die Bremsleistung kann ebenso anhand einer derart erfassten Referenztemperatur geregelt werden. Wenn die Referenztemperatur an einem Kühlkörper gemessen wird, der beispielsweise außerhalb eines Gehäuses der Turbomolekularpumpe angeordnet ist und mit einer Komponente der Turbomolekularpumpe in Verbindung steht, wird die Referenztemperatur dennoch in einem Raumbereich an der Turbomolekularpumpe erfasst und spiegelt deren Erwärmung wider.
  • Die Turbomolekularpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass der Elektromotor während der Auslaufphase nicht mit einer konstanten Bremsleistung geregelt wird, sondern mit einer veränderbaren Bremsleistung, die von der Referenztemperatur abhängt. Dadurch können die tatsächlichen Temperaturverhältnisse an oder innerhalb der Turbomolekularpumpe berücksichtigt werden, um die Bremsleistung während der Auslaufphase des Rotors festzulegen bzw. zu regeln.
  • Der Rotor kann daher während der Auslaufphase mit einer erhöhten Bremsleistung abgebremst werden, d.h. im Vergleich zu dem Fall, dass eine konstante, relativ geringe Bremsleistung vorgegeben wird. Dadurch kann die Auslaufphase im Vergleich zu einer Regelung mit konstanter Bremsleistung verkürzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit ferner ausgebildet, eine durch den Elektromotor während der Auslaufphase generierte Energiemenge, die durch die veränderbare Bremsleistung festgelegt ist, über einen oder mehrere Bremswiderstände abzuführen, die mit dem Elektromotor gekoppelt und in der Steuereinheit angeordnet sind. Vorzugsweise sind drei Bremswiderstände vorgesehen, wobei jeweils ein Bremswiderstand einer jeweiligen Phase des Elektromotors zugeordnet ist.
  • Aufgrund der Induktionsspannung, die durch den Elektromotor in dem regenerativen Modus erzeugt wird, fließt in der Auslaufphase des Rotors ein jeweiliger Strom durch den einen oder die mehreren Bremswiderstände. Dieser Strom erwärmt den jeweiligen Bremswiderstand, so dass sich die Steuereinheit, in der die Bremswiderstände angeordnet sind, und die Turbomolekularpumpe insgesamt erwärmen. Da die erfasste Referenztemperatur ein Indikator für die Erwärmung kritischer Komponenten der Turbomolekularpumpe wie etwa der Bremswiderstände ist, kann durch die Regelung der Bremsleistung anhand der Referenztemperatur eine übermäßige Erwärmung der Bremswiderstände verhindert werden.
  • Die Steuereinheit kann ferner ausgebildet sein, die Referenztemperatur in einem Raumbereich des einen oder der mehreren Bremswiderstände zu erfassen. Da die tatsächlich während der Auslaufphase verwendete Bremsleistung veränderbar ist und von der erfassten Referenztemperatur abhängt, kann durch die Erfassung der Referenztemperatur im Raumbereich der Bremswiderstände eine übermäßige Erwärmung der Bremswiderstände verhindert werden, ohne die veränderbare Bremsleistung unnötig zu begrenzen.
  • Die Steuereinheit ist insbesondere ausgebildet, die Referenztemperatur mittels eines Temperatursensors direkt an mindestens einem Bremswiderstand zu messen. Dadurch kann die veränderbare Bremsleistung direkt mit dem kritischsten Parameter während der Auslaufphase gekoppelt sein, d.h. mit der Temperatur eines jeweiligen Bremswiderstands. Vorzugsweise kann die Temperatur direkt jeweils an allen Bremswiderständen gemessen werden, um dadurch die Referenztemperatur zu ermitteln, beispielsweise als Maximum der gemessenen Temperaturwerte.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, die veränderbare Bremsleistung zu Beginn der Auslaufphase auf eine maximale Bremsleistung einzustellen. Die maximale Bremsleistung kann beispielsweise anhand von Erfahrungswerten festgelegt werden. Da die veränderbare Bremsleistung von der Referenztemperatur abhängt, kann die tatsächliche Bremsleistung während der Auslaufphase bei Bedarf entsprechend der erfassten Referenztemperatur adaptiv bzw. sukzessive verringert werden.
  • Die Steuereinheit kann ferner ausgebildet sein, eine momentane Temperatur an einem Kühlkörper der Turbomolekularpumpe zu messen. Die maximale Bremsleistung kann von der momentanen Temperatur des Kühlkörpers abhängen bzw. durch diese festgelegt werden. Die momentane Temperatur kann mit der Referenztemperatur identisch sein, wenn diese an dem Kühlkörper erfasst wird. Ansonsten können momentane Temperatur und Referenztemperatur voneinander verschieden sein.
  • Der Kühlkörper kann sich an oder in der Turbomolekularpumpe befinden, beispielsweise an einem Gehäuse oder innerhalb eines Gehäuses der Turbomolekularpumpe, insbesondere in einem Bereich eines Unterteils der Turbomolekularpumpe. Dadurch können die tatsächlichen Temperaturverhältnisse innerhalb der Turbomolekularpumpe zu Beginn der Auslaufphase berücksichtigt werden, um die maximale Bremsleistung geeignet festzulegen und dadurch die Zeitdauer für die Auslaufphase zu minimieren.
  • Die Steuereinheit kann ferner ausgebildet sein, die veränderbare Bremsleistung adaptiv zu verringern, wenn die Referenztemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Dadurch kann beispielsweise eine übermäßige Erwärmung oder gar Zerstörung von Bremswiderständen innerhalb der Steuereinheit verhindert werden.
  • Die adaptive Verringerung der veränderbaren Bremsleistung kann beispielsweise bedeuten, dass diese während der Auslaufphase kontinuierlich nachgeregelt wird und z.B. einer vorgegebenen Kennlinie folgt. So kann während der Auslaufphase zunächst die maximale Bremsleistung angewendet werden, bis die Referenztemperatur den vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Bei einem weiteren Anstieg der Referenztemperatur kann die Bremsleistung sukzessive verringert werden, um dem Temperaturanstieg entgegenzuwirken und das Überschreiten einer kritischen Temperatur zu verhindern, bei der möglicherweise eine Beschädigung von Komponenten der Turbomolekularpumpe wie etwa der Bremswiderstände auftreten kann.
  • Der vorbestimmte Schwellenwert kann von Materialeigenschaften eines oder mehrerer Bremswiderstände abhängen, welche mit dem Elektromotor gekoppelt und in der Steuereinheit angeordnet sind und welche zum Abführen einer durch den Elektromotor während der Auslaufphase generierten Energiemenge vorgesehen sind, die durch die veränderbare Bremsleistung festgelegt ist. Die Festlegung des Schwellenwerts berücksichtigt somit die Eigenschaften der Bremswiderstände, um deren übermäßige Erwärmung oder gar Zerstörung zu verhindern.
  • Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Turbomolekularpumpe, insbesondere einer solchen Turbomolekularpumpe, wie sie vorstehend beschrieben ist. Die Turbomolekularpumpe umfasst einen Rotor, einen Elektromotor, der mit dem Rotor gekoppelt ist und den Rotor während des Betriebs der Turbomolekularpumpe antreibt, und eine Steuereinheit, die mit dem Elektromotor gekoppelt ist. Gemäß dem Verfahren wird der Elektromotor während einer Auslaufphase des Rotors in einem regenerativen Modus betrieben, in welchem der Elektromotor den Rotor mit einer veränderbaren Bremsleistung abbremst. Eine Referenztemperatur wird an mindestens einer für die Auslaufphase relevanten Position erfasst, und die veränderbare Bremsleistung wird in Abhängigkeit von der Referenztemperatur geregelt.
  • Das Verfahren ist somit für den Betrieb der vorstehend beschriebenen Turbomolekularpumpe vorgesehen. Daher gelten für das Verfahren die vorstehenden Ausführungen zur Turbomolekularpumpe entsprechend, und dies gilt insbesondere hinsichtlich der Vorteile und der bevorzugten Ausführungsformen. Ferner versteht es sich, dass sämtliche hierin genannten Merkmale miteinander kombinierbar sind, sofern nicht explizit etwas Gegenteiliges angegeben ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine durch den Elektromotor während der Auslaufphase generierte Energiemenge, die durch die veränderbare Bremsleistung festgelegt ist, über einen oder mehrere Bremswiderstände abgeführt, die mit dem Elektromotor gekoppelt und in der Steuereinheit angeordnet sind. Ferner kann die Referenztemperatur in einem Raumbereich des einen oder der mehreren Bremswiderstände erfasst bzw. gemessen werden, insbesondere direkt an mindestens einem Bremswiderstand beispielsweise mittels eines Temperatursensors.
  • Die veränderbare Bremsleistung kann zu Beginn der Auslaufphase auf eine maximale Bremsleistung eingestellt werden. Ferner kann eine momentane Temperatur an einem Kühlkörper der Turbomolekularpumpe gemessen werden, und die maximale Bremsleistung kann in Abhängigkeit von der momentanen Temperatur des Kühlkörpers festgelegt werden.
  • Die veränderbare Bremsleistung kann adaptiv verringert werden, wenn die Referenztemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Dieser vorbestimmte Schwellenwert kann in Abhängigkeit von Materialeigenschaften eines oder mehrerer Bremswiderstände ermittelt werden, welche mit dem Elektromotor gekoppelt und in der Steuereinheit angeordnet sind und über welche eine durch den Elektromotor während der Auslaufphase generierte Energiemenge abgeführt wird, die durch die veränderbare Bremsleistung festgelegt ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:
  • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht einer Turbomolekularpumpe,
    Fig. 2
    eine Ansicht der Unterseite der Turbomolekularpumpe von Fig. 1,
    Fig. 3
    einen Querschnitt der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A,
    Fig. 4
    eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie B-B,
    Fig. 5
    eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie C-C und
    Fig. 6
    eine Darstellung des Betriebs der Turbomolekularpumpe während einer Auslaufphase des Rotors.
    Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe 111 umfasst einen von einem Einlassflansch 113 umgebenen Pumpeneinlass 115, an welchen in an sich bekannter Weise ein nicht dargestellter Rezipient angeschlossen werden kann. Das Gas aus dem Rezipienten kann über den Pumpeneinlass 115 aus dem Rezipienten gesaugt und durch die Pumpe hindurch zu einem Pumpenauslass 117 gefördert werden, an den eine Vorvakuumpumpe, wie etwa eine Drehschieberpumpe, angeschlossen sein kann.
  • Der Einlassflansch 113 bildet bei der Ausrichtung der Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 das obere Ende des Gehäuses 119 der Vakuumpumpe 111. Das Gehäuse 119 umfasst ein Unterteil 121, an welchem seitlich ein Elektronikgehäuse 123 angeordnet ist. In dem Elektronikgehäuse 123 sind elektrische und/oder elektronische Komponenten der Vakuumpumpe 111 untergebracht, z.B. zum Betreiben eines in der Vakuumpumpe angeordneten Elektromotors 125 (vgl. auch Fig. 3). Am Elektronikgehäuse 123 sind mehrere Anschlüsse 127 für Zubehör vorgesehen. Außerdem sind eine Datenschnittstelle 129, z.B. gemäß dem RS485-Standard, und ein Stromversorgungsanschluss 131 am Elektronikgehäuse 123 angeordnet.
  • Es existieren auch Turbomolekularpumpen, die kein derartiges angebrachtes Elektronikgehäuse aufweisen, sondern an eine externe Antriebselektronik angeschlossen werden.
  • Am Gehäuse 119 der Turbomolekularpumpe 111 ist ein Fluteinlass 133, insbesondere in Form eines Flutventils, vorgesehen, über den die Vakuumpumpe 111 geflutet werden kann. Im Bereich des Unterteils 121 ist ferner noch ein Sperrgasanschluss 135, der auch als Spülgasanschluss bezeichnet wird, angeordnet, über welchen Spülgas zum Schutz des Elektromotors 125 (siehe z.B. Fig. 3) vor dem von der Pumpe geförderten Gas in den Motorraum 137, in welchem der Elektromotor 125 in der Vakuumpumpe 111 untergebracht ist, eingelassen werden kann. Im Unterteil 121 sind ferner noch zwei Kühlmittelanschlüsse 139 angeordnet, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse als Einlass und der andere Kühlmittelanschluss als Auslass für Kühlmittel vorgesehen ist, das zu Kühlzwecken in die Vakuumpumpe geleitet werden kann. Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) werden ausschließlich mit Luftkühlung betrieben.
  • Die untere Seite 141 der Vakuumpumpe kann als Standfläche dienen, sodass die Vakuumpumpe 111 auf der Unterseite 141 stehend betrieben werden kann. Die Vakuumpumpe 111 kann aber auch über den Einlassflansch 113 an einem Rezipienten befestigt werden und somit gewissermaßen hängend betrieben werden. Außerdem kann die Vakuumpumpe 111 so gestaltet sein, dass sie auch in Betrieb genommen werden kann, wenn sie auf andere Weise ausgerichtet ist als in Fig. 1 gezeigt ist. Es lassen sich auch Ausführungsformen der Vakuumpumpe realisieren, bei der die Unterseite 141 nicht nach unten, sondern zur Seite gewandt oder nach oben gerichtet angeordnet werden kann. Grundsätzlich sind dabei beliebige Winkel möglich.
  • Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, können nicht stehend betrieben werden.
  • An der Unterseite 141, die in Fig. 2 dargestellt ist, sind noch diverse Schrauben 143 angeordnet, mittels denen hier nicht weiter spezifizierte Bauteile der Vakuumpumpe aneinander befestigt sind. Beispielsweise ist ein Lagerdeckel 145 an der Unterseite 141 befestigt.
  • An der Unterseite 141 sind außerdem Befestigungsbohrungen 147 angeordnet, über welche die Pumpe 111 beispielsweise an einer Auflagefläche befestigt werden kann. Dies ist bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, nicht möglich.
  • In den Figuren 2 bis 5 ist eine Kühlmittelleitung 148 dargestellt, in welcher das über die Kühlmittelanschlüsse 139 ein- und ausgeleitete Kühlmittel zirkulieren kann.
  • Wie die Schnittdarstellungen der Figuren 3 bis 5 zeigen, umfasst die Vakuumpumpe mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 115 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 117.
  • In dem Gehäuse 119 ist ein Rotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.
  • Die Turbomolekularpumpe 111 umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren an der Rotorwelle 153 befestigten radialen Rotorscheiben 155 und zwischen den Rotorscheiben 155 angeordneten und in dem Gehäuse 119 festgelegten Statorscheiben 157. Dabei bilden eine Rotorscheibe 155 und eine benachbarte Statorscheibe 157 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe. Die Statorscheiben 157 sind durch Abstandsringe 159 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten.
  • Die Vakuumpumpe umfasst außerdem in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweck-Pumpstufen. Es existieren andere Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die keine Holweck-Pumpstufen aufweisen.
  • Der Rotor der Holweck-Pumpstufen umfasst eine an der Rotorwelle 153 angeordnete Rotornabe 161 und zwei an der Rotornabe 161 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweck-Rotorhülsen 163, 165, die koaxial zur Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweck-Statorhülsen 167, 169 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung gesehen ineinander geschachtelt sind.
  • Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind durch die Mantelflächen, also durch die radialen Innen- und/oder Außenflächen, der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 und der Holweck-Statorhülsen 167, 169 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 167 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 171 gegenüber und bildet mit dieser die der Turbomolekularpumpen nachfolgende erste Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 steht der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 173 gegenüber und bildet mit dieser eine zweite Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 liegt der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Rotorhülse 165 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 175 gegenüber und bildet mit dieser die dritte Holweck-Pumpstufe.
  • Am unteren Ende der Holweck-Rotorhülse 163 kann ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der radial außenliegende Holweck-Spalt 171 mit dem mittleren Holweck-Spalt 173 verbunden ist. Außerdem kann am oberen Ende der inneren Holweck-Statorhülse 169 ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der mittlere Holweck-Spalt 173 mit dem radial innenliegenden Holweck-Spalt 175 verbunden ist. Dadurch werden die ineinander geschachtelten Holweck-Pumpstufen in Serie miteinander geschaltet. Am unteren Ende der radial innenliegenden Holweck-Rotorhülse 165 kann ferner ein Verbindungskanal 179 zum Auslass 117 vorgesehen sein.
  • Die vorstehend genannten pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Statorhülsen 167, 169 weisen jeweils mehrere spiralförmig um die Rotationsachse 151 herum in axialer Richtung verlaufende Holweck-Nuten auf, während die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 glatt ausgebildet sind und das Gas zum Betrieb der Vakuumpumpe 111 in den Holweck-Nuten vorantreiben.
  • Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 153 sind ein Wälzlager 181 im Bereich des Pumpenauslasses 117 und ein Permanentmagnetlager 183 im Bereich des Pumpeneinlasses 115 vorgesehen.
  • Im Bereich des Wälzlagers 181 ist an der Rotorwelle 153 eine konische Spritzmutter 185 mit einem zu dem Wälzlager 181 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen. Die Spritzmutter 185 steht mit mindestens einem Abstreifer eines Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt. Bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) kann anstelle einer Spritzmutter eine Spritzschraube vorgesehen sein. Da somit unterschiedliche Ausführungen möglich sind, wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff "Spritzspitze" verwendet.
  • Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.
  • Im Betrieb der Vakuumpumpe 111 wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 185 übertragen und in Folge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 185 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 185 zu dem Wälzlager 181 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt. Das Wälzlager 181 und der Betriebsmittelspeicher sind durch einen wannenförmigen Einsatz 189 und den Lagerdeckel 145 in der Vakuumpumpe eingefasst.
  • Das Permanentmagnetlager 183 umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 191 und eine statorseitige Lagerhälfte 193, welche jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinander gestapelten permanentmagnetischen Ringen 195, 197 umfassen. Die Ringmagnete 195, 197 liegen einander unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 199 gegenüber, wobei die rotorseitigen Ringmagnete 195 radial außen und die statorseitigen Ringmagnete 197 radial innen angeordnet sind. Das in dem Lagerspalt 199 vorhandene magnetische Feld ruft magnetische Absto-ßungskräfte zwischen den Ringmagneten 195, 197 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 153 bewirken. Die rotorseitigen Ringmagnete 195 sind von einem Trägerabschnitt 201 der Rotorwelle 153 getragen, welcher die Ringmagnete 195 radial außenseitig umgibt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 203 getragen, welcher sich durch die Ringmagnete 197 hindurch erstreckt und an radialen Streben 205 des Gehäuses 119 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 151 sind die rotorseitigen Ringmagnete 195 durch ein mit dem Trägerabschnitt 201 gekoppeltes Deckelelement 207 festgelegt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind parallel zu der Rotationsachse 151 in der einen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 209 sowie einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 211 festgelegt. Zwischen dem Befestigungsring 211 und den Ringmagneten 197 kann außerdem eine Tellerfeder 213 vorgesehen sein.
  • Innerhalb des Magnetlagers ist ein Not- bzw. Fanglager 215 vorgesehen, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe 111 ohne Berührung leer läuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 149 relativ zu dem Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 149 zu bilden, damit eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert wird. Das Fanglager 215 ist als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet und bildet mit dem Rotor 149 und/oder dem Stator einen radialen Spalt, welcher bewirkt, dass das Fanglager 215 im normalen Pumpbetrieb außer Eingriff ist. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 215 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, sodass das Fanglager 215 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, sodass eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen unter allen Umständen verhindert wird.
  • Die Vakuumpumpe 111 umfasst den Elektromotor 125 zum drehenden Antreiben des Rotors 149. Der Anker des Elektromotors 125 ist durch den Rotor 149 gebildet, dessen Rotorwelle 153 sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckt. Auf den sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt der Rotorwelle 153 kann radial außenseitig oder eingebettet eine Permanentmagnetanordnung angeordnet sein. Zwischen dem Motorstator 217 und dem sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt des Rotors 149 ist ein Zwischenraum 219 angeordnet, welcher einen radialen Motorspalt umfasst, über den sich der Motorstator 217 und die Permanentmagnetanordnung zur Übertragung des Antriebsmoments magnetisch beeinflussen können.
  • Der Motorstator 217 ist in dem Gehäuse innerhalb des für den Elektromotor 125 vorgesehenen Motorraums 137 festgelegt. Über den Sperrgasanschluss 135 kann ein Sperrgas, das auch als Spülgas bezeichnet wird, und bei dem es sich beispielsweise um Luft oder um Stickstoff handeln kann, in den Motorraum 137 gelangen. Über das Sperrgas kann der Elektromotor 125 vor Prozessgas, z.B. vor korrosiv wirkenden Anteilen des Prozessgases, geschützt werden. Der Motorraum 137 kann auch über den Pumpenauslass 117 evakuiert werden, d.h. im Motorraum 137 herrscht zumindest annäherungsweise der von der am Pumpenauslass 117 angeschlossenen Vorvakuumpumpe bewirkte Vakuumdruck.
  • Zwischen der Rotornabe 161 und einer den Motorraum 137 begrenzenden Wandung 221 kann außerdem eine sog. und an sich bekannte Labyrinthdichtung 223 vorgesehen sein, insbesondere um eine bessere Abdichtung des Motorraums 217 gegenüber den radial außerhalb liegenden Holweck-Pumpstufen zu erreichen. Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Turbomolekularpumpe 300, die beispielsweise wie die in Fig. 1 bis 5 dargestellte und vorstehend beschriebene Turbomolekularpumpe 111 ausgestaltet sein kann. Während die Turbomolekularpumpe 111 auf der Hochvakuumseite das Permanentmagnetlager 183 und auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors 149 das Wälzlager 181 aufweist (vgl. Fig. 3), gelten die nachfolgenden Ausführungen zur Turbomolekularpumpe 300 auch für andere Typen von Turbomolekularpumpen, und zwar vor allem für solche, bei denen der Rotor 149 beidseitig magnetisch gelagert ist, beispielsweise mit jeweiligen aktiven Magnetlagern. Bei diesen Turbomolekularpumpen wird nämlich das Prinzip der elektrischen Bremse des Rotors 149, bei welcher der Elektromotor 125 regenerativ betrieben wird, hauptsächlich eingesetzt.
  • Bezogen auf die Turbomolekularpumpe 111 zeigt Fig. 6 Details in dem Bereich des Elektromotors 125 und des Elektronikgehäuses 123. Die schematische Ansicht von Fig. 6 entspricht in etwa einer Schnittansicht für eine Schnittebene in Fig. 3 in horizontaler Richtung auf der Höhe des Elektromotors 125 mit einer Blickrichtung von oben oder von unten.
  • Innerhalb des Motorstators 217 umfasst der Elektromotor 125 drei Statorspulen 302, 304, 306, die einer jeweiligen Phase des Elektromotors 125 zugeordnet sind. Die drei Statorspulen 302, 304, 306 sind auf an sich bekannte Weise über eine Sternschaltung miteinander verbunden, wie diese durch die gestrichelten Linien 308 angedeutet ist. Wie in Fig. 3 und Fig. 6 zu erkennen ist, umgibt der Motorstator 217 mit den drei Statorspulen 302, 304, 306 die Rotorwelle 153. An der Rotorwelle 153 sind ein oder mehrere Magnete angeordnet, um dadurch einen Rotor des Elektromotors 125 zu bilden. Die Statorspulen 302, 304, 306 wechselwirken mit dem einen Magneten oder den mehreren Magneten an der Rotorwelle 153, um den Rotor 149 während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 111 anzutreiben, indem die Statorspulen 302, 304, 306 auf an sich bekannte Weise mit jeweiligen Stromsignalen versorgt werden.
  • Innerhalb des Elektronikgehäuses 123 ist eine Steuereinheit 310 angeordnet, die einen Teil einer Steuerelektronik der Turbomolekularpumpe 111 darstellt und zur Steuerung bzw. Regelung einer Auslaufphase des Rotors 149 vorgesehen ist. Die Steuereinheit 310 umfasst drei Bremswiderstände 320, die in der Auslaufphase des Rotors 149 jeweils über eine Leitung 322 mit einer jeweiligen der Statorspulen 302, 304, 306 verbunden sind. Zwischen den Statorspulen 302, 304, 306 und dem jeweiligen Bremswiderstand 320 befinden sich jeweils weitere elektrische und elektronische Komponenten 324, die unter anderem dafür vorgesehen sind, einen Strom durch den jeweiligen Bremswiderstand 320 zu erfassen und zu begrenzen, wie nachstehend näher erläutert wird.
  • Die Bremswiderstände 320 stehen ferner jeweils mit weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten 328 innerhalb der Steuereinheit 310 in Verbindung, wie dies durch die gepunkteten Linien 326 dargestellt ist. Die weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten 328 umfassen beispielsweise Transistoren, Kondensatoren, weitere Widerstände usw.
  • In der Auslaufphase des Rotors 149, in der die Statorspulen 302, 304, 306 die Rotorwelle 153 nicht antreiben, befindet sich der Elektromotor 125 in einem regenerativen Modus, in welchem der Rotor 149 durch die Magnete, die an der Rotorwelle 153 angebracht sind, eine jeweilige Spannung in den Statorspulen 302, 304, 306 induziert. Aufgrund dieser Induktionsspannungen fließt jeweils ein Strom durch die Statorspulen 302, 304, 306, über die Leitungen 322 durch die elektrischen und elektronischen Komponenten 324 sowie durch die jeweiligen Bremswiderstände 320 und über die Verbindungen 326 durch die weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten 328. Durch die Induktion wird Rotationsenergie der Rotors 149 in elektrische Energie umgewandelt, die mittels des Stroms durch die Bremswiderstände 320 abgeführt wird.
  • Dieser Strom erwärmt den jeweiligen Bremswiderstand 320. Mittels der weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten 324, 328 wird jedoch der Strom begrenzt, der durch die jeweiligen Bremswiderstände 320 fließen kann. Durch diese Begrenzung wird eine übermäßige Erwärmung der Bremswiderstände 320 oder gar deren Zerstörung verhindert.
  • Bei bekannten Turbomolekularpumpen ist der Strom, der durch die Bremswiderstände 320 fließt, jedoch entsprechend der in den Statorspulen 302, 304, 306 induzierten Spannung relativ stark begrenzt, um die Bremswiderstände 320 gegen eine übermäßige Erwärmung oder Zerstörung abzusichern. Da in der Auslaufphase des Rotors 149 die in den Statorspulen 302, 304, 306 induzierte Spannung mit abnehmender Drehzahl des Rotors 149 ebenfalls abnimmt, wird der durch die Bremswiderstände 320 fließende Strom mittels der weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten 324, 328 während der Auslaufphase des Rotors 149 erhöht, um die Bremsleistung konstant zu halten, d.h. das Produkt aus der induzierten Spannung und dem durch die Bremswiderstände 320 fließenden Gesamtstrom.
  • Bei bekannten Turbomolekularpumpen wird somit durch die Begrenzung des Stroms durch die Bremswiderstände 320 zu Beginn der Auslaufphase des Rotors 149 und die damit verbundene Bremsleistung die gesamte Zeitdauer der Auslaufphase entsprechend den Sicherheitsvorgaben festgelegt. Es könnte jedoch in vielen Fällen zu Beginn der Auslaufphase eine erheblich größere Bremsleistung verwendet werden, als dies in der Praxis tatsächlich der Fall ist. Durch die starke Begrenzung der Bremsleistung und die Regelung mit konstanter Bremsleistung während der Auslaufphase wird deren Zeitdauer bei bekannten Turbomolekularpumpen somit unnötig verlängert.
  • Um die Zeitdauer für die Auslaufphase des Rotors 149 zu verkürzen, umfasst die in Fig. 6 dargestellte Turbomolekularpumpe 111 bzw. 300 daher zusätzlich einen jeweiligen Temperatursensor 330, der mit einem jeweiligen Bremswiderstand 320 in Kontakt steht und dessen Temperatur erfasst. Jeweilige Messwerte der Temperatur der Bremswiderstände 320 werden über Leitungen 332 an ein Regelungsmodul 340 innerhalb der Steuereinheit 310 übertragen. Die mittels der Temperatursensoren 330 jeweils erfassten Werte der Temperatur der jeweiligen Bremswiderstände 320 werden durch das Regelungsmodul 340 verwendet, um eine veränderbare Bremsleistung, d.h. einen veränderbaren Strom durch die jeweiligen Bremswiderstände 320, anhand einer Referenztemperatur zu regeln, die als Maximalwert der mittels der Temperatursensoren 330 erfassten Temperaturwerte gegeben ist.
  • Zu Beginn der Auslaufphase des Rotors 149 wird der jeweilige Strom durch die Bremswiderstände 320 mittels des Regelungsmoduls 340 jeweils auf einen maximalen Wert eingestellt, um zu Beginn der Auslaufphase des Rotors 149 eine maximale Bremsleistung zu erreichen. Der maximale Strom durch die Bremswiderstände 320 beruht auf Erfahrungswerten und ist derart gewählt, dass eine übermäßige Erwärmung der Bremswiderstände 320 zu Beginn der Auslaufphase des Rotors 149 ausgeschlossen ist. Der maximale Wert des Stroms zu Beginn der Auslaufphase entspricht bei einer bestimmten Induktionsspannung, die durch die Statorspulen 302, 304, 306 und die Drehzahl des Rotor 149 festgelegt ist, einer maximalen Bremsleistung.
  • Während des weiteren Verlaufs der Auslaufphase des Rotors 149 erfasst das Regelungsmodul 340 die Temperatur der jeweiligen Bremswiderstände 320 mittels der Temperatursensoren 330. Gleichzeitig erfasst das Regelungsmodul 340 den tatsächlich durch die jeweiligen Bremswiderstände 320 fließenden Stromüber eine jeweilige Verbindung 342 zwischen dem Regelungsmodul 340 und den weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten 324. Sobald einer der jeweiligen Temperaturwerte der Temperatursensoren 330 einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht, der wiederum auf Erfahrungswerten beruht, begrenzt das Regelungsmodul 340 den jeweiligen Strom durch die Bremswiderstände 320. Die Einstellung bzw. Verringerung dieses Stroms erfolgt wiederum über die Verbindung 342 zwischen dem Regelungsmodul 340 und den weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten 324. Daher ist die jeweilige Verbindung 342 als punktierter Doppelpfeil dargestellt.
  • Insgesamt ergibt sich somit ein Regelkreis für den Strom durch die Bremswiderstände 320. Zunächst werden Istwerte des Stroms über die jeweilige Verbindung 342 erfasst, wie dies durch den jeweiligen Pfeil in Richtung des Steuermoduls 340 an der Verbindung 342 dargestellt ist. Die mittels der Temperatursensoren 330 erfasste Temperatur der Bremswiderstände 320 dient anschließend als Stellgröße, um einen entsprechenden Sollwert für den Strom durch die jeweiligen Bremswiderstände 320 vorzugeben, wie dies durch den Pfeil in Richtung an der Verbindung 342 in Richtung der jeweiligen weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten 324 angedeutet ist. Der Sollwert für den Strom durch die Bremswiderstände 320 wird somit zur Einstellung bzw. Begrenzung des Stroms durch die Bremswiderstände 320 mittels der weiteren elektrischen oder elektronischen Komponenten 324 verwendet, die derart geeignet angesteuert werden, dass der Strom durch die Bremswiderstände 320 den Sollwert erreicht und nicht überschreitet.
  • Insgesamt wird die Auslaufphase des Rotors 149 der Turbomolekularpumpe 300, 111 im regenerativen Modus des Elektromotors 125 ausgehend von einer maximalen Bremsleistung anhand der gemessenen Temperatur geregelt, die mittels der Temperatursensoren 330 erfasst wird. Die maximale Bremsleistung wird im Verlauf der Auslaufphase des Rotors 149 in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Bremswiderstände 320 bei Bedarf angepasst, um dadurch eine übermäßige Erwärmung der Bremswiderstände 320 zu verhindern. Da die Auslaufphase des Rotors 149 jedoch stets mit der maximalen Bremsleistung beginnt, wird die Zeitdauer der Auslaufphase des Rotors 149 im Vergleich zu Turbomolekularpumpen verkürzt, bei denen während der Auslaufphase des Rotors 149 stets eine konstante Bremsleistung vorgesehen ist.
  • Bezugszeichenliste
  • 111
    Turbomolekularpumpe
    113
    Einlassflansch
    115
    Pumpeneinlass
    117
    Pumpenauslass
    119
    Gehäuse
    121
    Unterteil
    123
    Elektronikgehäuse
    125
    Elektromotor
    127
    Zubehöranschluss
    129
    Datenschnittstelle
    131
    Stromversorgungsanschluss
    133
    Fluteinlass
    135
    Sperrgasanschluss
    137
    Motorraum
    139
    Kühlmittelanschluss
    141
    Unterseite
    143
    Schraube
    145
    Lagerdeckel
    147
    Befestigungsbohrung
    148
    Kühlmittelleitung
    149
    Rotor
    151
    Rotationsachse
    153
    Rotorwelle
    155
    Rotorscheibe
    157
    Statorscheibe
    159
    Abstandsring
    161
    Rotornabe
    163
    Holweck-Rotorhülse
    165
    Holweck-Rotorhülse
    167
    Holweck-Statorhülse
    169
    Holweck-Statorhülse
    171
    Holweck-Spalt
    173
    Holweck-Spalt
    175
    Holweck-Spalt
    179
    Verbindungskanal
    181
    Wälzlager
    183
    Permanentmagnetlager
    185
    Spritzmutter
    187
    Scheibe
    189
    Einsatz
    191
    rotorseitige Lagerhälfte
    193
    statorseitige Lagerhälfte
    195
    Ringmagnet
    197
    Ringmagnet
    199
    Lagerspalt
    201
    Trägerabschnitt
    203
    Trägerabschnitt
    205
    radiale Strebe
    207
    Deckelelement
    209
    Stützring
    211
    Befestigungsring
    213
    Tellerfeder
    215
    Not- bzw. Fanglager
    217
    Motorstator
    219
    Zwischenraum
    221
    Wandung
    223
    Labyrinthdichtung
    300
    Turbomolekularpumpe
    302, 304, 306
    Statorspule
    308
    Sternschaltung
    310
    Steuereinheit
    320
    Bremswiderstand
    322
    Leitung zwischen Statorspule und Bremswiderstand
    324
    weitere elektrische oder elektronische Komponente zwischen Statorspule und Bremswiderstand
    326
    Verbindung zwischen Bremswiderstand und weiterer elektrischer oder elektronischer Komponente
    328
    weitere elektrische oder elektronische Komponente
    330
    Temperatursensor
    332
    Leitung zwischen Temperatursensor und Regelungsmodul
    340
    Regelungsmodul
    342
    Verbindung zwischen Regelungsmodul und weiterer elektrischer oder elektronischer Komponente

Claims (15)

  1. Turbomolekularpumpe (111, 300), umfassend:
    einen Rotor (149),
    einen Elektromotor (125), der mit dem Rotor (149) gekoppelt ist und den Rotor (149) während des Betriebs der Turbomolekularpumpe (111, 300) antreibt, und
    eine Steuereinheit (310), die mit dem Elektromotor (125) gekoppelt ist,
    wobei die Steuereinheit (310) ausgebildet ist:
    den Elektromotor (125) während einer Auslaufphase des Rotors (149) in einem regenerativen Modus zu betreiben, in welchem der Elektromotor (125) den Rotor (149) mit einer veränderbaren Bremsleistung abbremst,
    eine Referenztemperatur an mindestens einer für die Auslaufphase relevanten Position zu erfassen und
    die veränderbare Bremsleistung in Abhängigkeit von der Referenztemperatur zu regeln.
  2. Turbomolekularpumpe (111, 300) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (310) ferner ausgebildet ist, eine durch den Elektromotor (125) während der Auslaufphase generierte Energiemenge, die durch die veränderbare Bremsleistung festgelegt ist, über einen oder mehrere Bremswiderstände (320) abzuführen, die mit dem Elektromotor (125) gekoppelt und in der Steuereinheit (310) angeordnet sind.
  3. Turbomolekularpumpe (111, 300) nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (310) ausgebildet ist, die Referenztemperatur in einem Raumbereich des einen oder der mehreren Bremswiderstände (320) zu erfassen.
  4. Turbomolekularpumpe (111, 300) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinheit (310) ausgebildet ist, die Referenztemperatur mittels eines Temperatursensors (330) direkt an mindestens einem Bremswiderstand (320) zu messen.
  5. Turbomolekularpumpe (111, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
    die Steuereinheit (310) ausgebildet ist, die veränderbare Bremsleistung zu Beginn der Auslaufphase auf eine maximale Bremsleistung einzustellen.
  6. Turbomolekularpumpe (111, 300) nach Anspruch 5, wobei
    die Steuereinheit (310) ausgebildet ist, eine momentane Temperatur an einem Kühlkörper der Turbomolekularpumpe (111, 300) zu messen, und
    die maximale Bremsleistung von der momentanen Temperatur des Kühlkörpers abhängt.
  7. Turbomolekularpumpe (111, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
    die Steuereinheit (310) ausgebildet ist, die veränderbare Bremsleistung adaptiv zu verringern, wenn die Referenztemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  8. Turbomolekularpumpe (111, 300) nach Anspruch 7, wobei der vorbestimmte Schwellenwert von Materialeigenschaften eines oder mehrerer Bremswiderstände (320) abhängt, welche mit dem Elektromotor (125) gekoppelt und in der Steuereinheit (310) angeordnet sind und welche zum Abführen einer durch den Elektromotor (125) während der Auslaufphase generierten Energiemenge, die durch die veränderbare Bremsleistung festgelegt ist, vorgesehen sind.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Turbomolekularpumpe (111, 300), die einen Rotor (149), einen Elektromotor (125), der mit dem Rotor (149) gekoppelt ist und den Rotor (149) während des Betriebs der Turbomolekularpumpe (111, 300) antreibt, und eine Steuereinheit (310) umfasst, die mit dem Elektromotor (125) gekoppelt ist,
    wobei das Verfahren umfasst, dass:
    der Elektromotor (125) während einer Auslaufphase des Rotors (149) in einem regenerativen Modus betreiben wird, in welchem der Elektromotor (125) den Rotor (149) mit einer veränderbaren Bremsleistung abbremst,
    eine Referenztemperatur an mindestens einer für die Auslaufphase relevanten Position erfasst wird und
    die veränderbare Bremsleistung in Abhängigkeit von der Referenztemperatur geregelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei
    das Verfahren ferner umfasst, dass eine durch den Elektromotor (125) während der Auslaufphase generierte Energiemenge, die durch die veränderbare Bremsleistung festgelegt ist, über einen oder mehrere Bremswiderstände (320) abgeführt wird, die mit dem Elektromotor (125) gekoppelt und in der Steuereinheit (310) angeordnet sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei
    die Referenztemperatur in einem Raumbereich des einen oder der mehreren Bremswiderstände (320) gemessen wird, insbesondere direkt an mindestens einem Bremswiderstand (320).
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die veränderbare Bremsleistung zu Beginn der Auslaufphase auf eine maximale Bremsleistung eingestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei
    eine momentane Temperatur an einem Kühlkörper der Turbomolekularpumpe (111) gemessen wird, und
    die maximale Bremsleistung in Abhängigkeit von der momentanen Temperatur des Kühlkörpers festgelegt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die veränderbare Bremsleistung adaptiv verringert wird, wenn die Referenztemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei
    der vorbestimmte Schwellenwert in Abhängigkeit von Materialeigenschaften eines oder mehrerer Bremswiderstände (320) ermittelt wird, welche mit dem Elektromotor (125) gekoppelt und in der Steuereinheit (310) angeordnet sind und über welche eine durch den Elektromotor (125) während der Auslaufphase generierte Energiemenge abgeführt wird, die durch die veränderbare Bremsleistung festgelegt ist.
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