TW201013053A - Vacuum pump - Google Patents

Description

201013053 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種真空泵，尤其是關於渦輪分子泵或 一多入口渦輪分子泵。 【先前技術】 渦輪分子泵包括至少一個轉子，其包含具多個轉子圓 盤之轉子裝置。在轉子圓盤之間配置有由定子環所保持的 定子圖盤。轉子裝置安裝在快速旋轉的轉子軸上。渦輪分 Ο 子泵具有一入口在吸入側及一出口在壓力側。在吸入側入 口，最終壓力大致可達到小於1· lO^mbar。通常，壓力 側泵連接器與另外的預真空泵連接。 多入口泵除了在吸入側的一主入口之外，尙包括至少 一中間入口。通常，多入口泵之轉子裝置包括兩級杲可形 成爲渦輪分子泵級且該中間入口設置在這些兩級泵之間。 通常，另一級泵如爲霍爾威克級，從輸送方向看去被安裝 在渦輪分子級之後。藉由使用多入口栗，不同的壓力位準 ® 可在主入口及該至少一個中間入口處產生。 尤其在快速旋轉之真空泵，如渦輪分子泵及多入口處 泵中，在壓力側轉子軸之支撐，即在無低壓環境的區域中， 可藉由電磁軸承提供。在周知之真空泵中，提供轉子軸之 軸承支撐的電磁軸承係在高至120mbair的壓力範圍中運 作。又，週知係使用被動磁性軸承用於在高真空區域中支 撐轉子軸》 電磁軸承通常並不被使用於真空泵在吸入側之軸承支 -4 - 201013053 撐，這是因爲線圈本體及使用在其中的感測器裝置係具有

大表面及許多空穴的元件之情況造成在此區域爲低 而，不可能利用連續的除氣而一點也不可能達到所要的最 終壓力，或具有相當難度。 爲了電磁支撐，整體轉子軸在DE 20 2005 019 64 4號 中已有提案，在一匣中配置兩電磁軸承。在該匣內部，轉 子軸係與軸承及電動馬達配置在一起。在壓力側之方向， 該匣實質上爲開放，故在匣中存在大氣壓力或至少相當髙 的壓力作用在泵之壓力側。轉子軸包括一從匣中延伸出且 承載轉子裝置的突部。因而，轉子裝置被鎖緊到軸之懸吊 端。因此，泵之結構長度被限制。又，轉子裝置之固定到 懸吊軸端在軸承處造成大的力量，因而必須安裝相對複雜 的電磁軸承。又，由於轉子動力特性，尤其是低的自然頻 率而使此結構設計受到大量限制》 由DE 44 10 65 6，習知上提供具有紊流流體化床之此 種軸承。此類軸承基本上不同於電磁軸承，因爲具有紊流 流體化床之軸承係由相反永久磁鐵之磁場所致能。爲了正 確地支撐在渦輪分子泵中轉子軸的支撐，此種軸承裝置不 適於使用，因爲具有紊流流體化床之軸承非常不穩定。又， 若使用此種軸承裝置時，電導圓盤中的電阻値損失將造成 轉子之大量加熱，直到磁通量足夠達到所要的軸承效應爲 止。又，此方法將造成作用在轉子上之剎車效應，因而必 須增加驅動電力。 本發明之一目的在提供一種真空泵’尤其是一種渦輪 201013053 分子泵或一多入口渦輪分子泵，其中軸承裝置已改善了。 依照本發明，上述目的係藉由申請專利範圍第1項之 特徵達成。 【發明内容】 本發明之真空泵包括一承載轉子裝置之轉子軸，其中 轉子裝置在需要時可包含複數之轉子或其他吸入或泵啣裝 置。轉子軸係通常藉由兩軸承裝置，通常係由一壓力側軸 承裝置及一吸入側軸承裝置所支撐。依照本發明，吸入側 ft v 軸承裝置係配置在高真空區域，因而暴露於低壓。又，依 照本發明，吸入側軸承裝置係一電磁軸承。在此，一高真 空係定義爲l〇_3bar以下之壓力，較佳爲小於10_5bar，更 佳爲小於1 〇_1()bar。 尤其，若電磁軸承係配置在很低壓力的區域時，係在 吸入側例如在渦輪分子泵之入口區域產生，在一特別的較 佳實施例中，電磁軸承之線圈係配置在壓力封包的凹部 中。藉由將線圈裝設在壓力封包的凹部中，其被安全保護 使得線圈本身並不直接位於高真空區域內。此可防止由於 線圈中之許多孔穴而造成無法達到或難以達到連續除氣以 達到最後壓力之缺點。藉由在高真空區域中設置本發明之 電磁軸承，可將轉子軸支撐在其端部區域中。尤其，轉子 裝置可連接到兩軸承之間的轉子軸。轉子裝置固定到軸之 懸吊臂，因而不再需要轉子之飛行支撐。又’若壓力側軸 承裝置被形成爲電磁軸承的話’軸之最終完全電磁支撐’ 可使其達到較高的轉速，因爲軸可賦予很剛性的設計且在 -6- 201013053 軸承處之阻尼及強度可由軟體而予以參數化。 依照一特別之較佳實施例，吸入側只設置一電磁軸 承。爲了預防起見最多可安裝一安全軸承。在此，吸入側 之軸承可被設計同時爲一電磁徑向軸承及一電磁軸向軸 承，其中兩軸承方向可由兩個別電磁軸承達成。依照特別 之較佳實施例，係假定在吸入側之支撐，係只藉由對應之 徑向電磁軸承達成的徑向支撐。尤其，在此實施例中，徑 向支撐係提供在軸之相反側，即壓力側。 ® 依照特別之較佳實施例，·該凹部係配置於一殼體元 件，即較佳爲連接到殼體之一靜止元件。在此，凹部之一 開口較佳爲朝向轉子軸之方向。較佳爲，凹部具有一圓形 環狀，且完全圍住轉子軸。因而，可配置一電磁鐵之環狀 線圏在凹部中。較佳爲，在此，電源線可經由殼體而被引 導至凹部，而非經由設置在轉子軸方向中的凹部開口而引 導其等。 爲了壓力封包，即封閉凹部，亦可將線圈配置於凹部 胃之後將例如合成樹脂等充塡到凹部。然而在很低壓壓力之 情況，使用合成樹脂等有缺點，即軟化劑會在高真空中除 氣，使得例如分析的結果會被攙雜。依照本發明之較佳實 施例，凹部之開口較佳係利用管狀封閉元件而緊密地封 閉。因而，較佳爲朝向轉子軸方向內部的開口，能簡單地 被一管狀封閉元件而緊密地封閉。若凹部具體上具有圓柱 形之情況，凹部之開口對應於圓環狀圓柱之內周面。封閉 元件被密封到殼體元件，宜透過如0-環之密封元件而執行。 201013053 視已知情況而定，電磁軸承之壓力封包可被省略。例 如，若將到達的壓力並非太低及/或對應的除氣因而不會產 生或沒有負面效果時，此一壓力封包並非絕對需要。例如， 在多入口泵之中間入口之區域使用本發明電磁軸承之時， 壓力封包可被省略。視已知應用情況而定，例如當在質譜 儀中使用多入口泵時，壓力封包卻對防止除氣有利。 較佳地，在吸入側之軸承裝置被設計專門爲電磁徑向 軸承。此設計對電磁線圈封包有利於能以簡單方式達成。 ® 又，從技術觀點，若轉子軸之軸向支撐在壓力側達成的話 較容易。在此情況中，能以簡單的方式使用一電磁軸向支 撐，因爲既有壓力明顯地較高，且電磁線圈之封包因而不 需要。尤其，可將壓力側軸承構成一徑向及軸向軸承，其 中，依照一較佳實施例，提供有一電磁式結合軸承，使得 電磁軸承可對轉子軸提供在壓力側上的軸向及徑向支撐。 又，若用來決定轉子軸位置的軸承感測器，亦配置在 封包的凹部時爲有利。藉由宜被連接到對應之電子的軸承 胃 感測器之助，可進行電磁鐵之控制。 在本發明之轉子軸的支撐結構中，在具有單一入口及 一個出口的渦輪分子泵之吸入側軸承裝置，係配置在高真 空的入口區域中。因而，轉子軸的支撐可在其端部區域中 達成，使得渦輪分子泵之轉子被配置在兩軸承裝置之間》 當支撐一多入口泵之轉子軸且在高真空區域中使用本 發明電磁軸承時，電磁軸承可配置最低壓力的主入口區域 中。在此情況，電磁軸承較佳爲如前述配置在壓力封包的 201013053 凹部中。 但是，在多入口泵中，亦可在中間入口區域中提供吸 入側軸承裝置。在此區域中，其亦爲高真空情況，依照本 發明可配置一電磁軸承。因爲在中間真空入口之區域的壓 力係比主真空連接器之區域的壓力更高，故並非絕對需要 配置電磁軸承的線圈在壓力封包區域中》因而在此結構 中，電磁軸承係配置在轉子裝置之兩轉子之間。此設計提 供一優點，僅兩轉子中之一個配置在轉子軸之懸吊端。其 • 後，第2轉子或複數之轉子（若有設置的話）或對應之泵裝 置可被配置在吸入側軸承與壓力側軸承之間，較佳爲兩者 均爲電磁軸承之設計。而且，藉由將一電磁軸承設置在中 間真空連接器之區域中，多入口泵之總長度可增加。因爲 僅一個轉子且因而較小的重量被配置在轉子軸之懸吊端， 使得軸承比在DE 20 2 00 5 019 644中敘述的懸吊轉子軸之 情況受到較小的力。 本發明將以較佳實施例參照附圖而更詳細說明。 ®【IT施方式】 槪略地顯示於第1圖之渦輪分子泵包括一轉子軸12’ 配置在殼體10中。轉子軸12承載一轉子裝置14，其在圖 示實施例中爲一個轉子。轉子裝置14包括複數之轉子圓盤 16。定子圓盤18配置在轉子圓盤16之閭，且由定子環20 固定。泵之吸入側22形成高真空連接器，使得一媒質可朝 箭號24所示之方向被吸入。渦輪分子泵之一出口 26及個 別之壓力側2 8通常被連接到一預真空泵。 201013053 依照本發明，一配置在吸入側的軸承裝置30包括一電 磁軸承。該軸承包括一電磁鐵之線圈32及一軸承元件34, 其與轉子軸12 —體旋轉，且被設置爲所謂電氣板之形式。 線圈32被連接到一電性連接器35以獲得電力供應。線圈 32配置在一殼體元件40之凹部38中，在圖示實施例中， 凹部38爲圓柱形。凹部38在一端部區域圍住轉子軸12。 凹部38被一管狀封閉元件42及一如Ο-環之密封元件44 所蓋住。結果，凹部38形成壓力封包。因而，在凹部38 β 內，在有區域22內並不存高真空。藉此，而防止線圈中許 多空穴造成難以或不可能到達最終壓力。 爲了經由線路36控制供給到線圈32的電壓，至少一 軸承感測器46，圖中槪略以虛線顯示，被配置在凹部38 中，以偵測軸12之位置。經由一管道48，軸承感測器46 的信號被輸送到一電子單元50,其用來控制供應到線圈32 之電壓位準。 又，圖示之吸入側軸承裝置30具有一機械安全軸承 ® 51被形成爲如球軸承。安全軸承51配置在該殼體元件40 且距離軸12之銷52有一小距離。安全軸承實質上在電磁 軸承故障時用於安全保護緊急運轉特性。在圖示實施例 中，殼體元件40爲杯狀且圍住轉子軸12之吸入側端部5 4。 在圖示實施例中，裝設在壓力側28之軸承裝置56亦 形成爲一電磁軸承裝置。一電磁線圈58提供徑向支撐，其 配置成與一軸承元件60合作，此軸承元件60配置在軸12 上且對應於軸承元件34。爲了軸向支撐，在圖示實施例中， -10- 201013053 設置有一成U型橫剖面的第2電磁線圈62,其與另一配置 在軸12上的軸承元件64(軸向圓盤）合作》該軸向圓盤64 延伸進入線圈62之凹部以形成一軸向軸承。每一線圈58, 62均包括有一電性連接線66。又，軸承裝置30設置有位 置感測器68，圖中以虛線槪要地表示，其分別用於偵測軸 12在軸向及徑向的位置。而且，位置感測器68經由電線 70而連接到該電子單元50,其依據感測器信號而控制線圈 電壓。 對應於包括一電磁軸承的軸承裝置30，軸承裝置36 亦設有一安全軸承69，通常被設計爲球軸承，其以一距離 圍住軸承銷70。 轉子軸12由驅動機構72予以驅動，其通常包括一電 動馬達，可經由一電線74而連接到該控制用的電子單元 50 » 第2圖之槪略剖視圖係顯示在一多入口泵中之本發明 軸承裝置的一較佳實施例。在吸入側軸承裝置30及壓力側 〇 ¥ 之軸承裝置56被構成爲與第1圖所述的渦輪分子泵中者相 同》相同及類似元件係以第1圖所述的渦輪分子泵中的符 號表示。 如在一多入口泵中使用者，電動馬達軸12，在此實施 例中亦藉由軸承裝置30及軸承裝置56支撐在其兩端部區 域，包括有一轉子裝置，其具有複數之凝縮器級76,78,80。 在圖示之實施例中，開頭兩個凝縮器級76,78各包括一具 有轉子圓盤16的轉子14。由定子環20把持的定子圓盤18 -11- 201013053 係配置在轉子圓盤16之間。兩轉子14以相互距離配置在 轉子軸12上。在兩轉子14之間，殻體10形成有一入口 82，其係爲中間入口。 又，第2圖顯示的多入口泵包括一主入口 84，其係高 真空連接器。經由主入口，被吸入的氣體沿著箭號24之方 向流動。另外，在中間入口 82的區域中，媒質如箭號86 所示經由中間入口而吸入，且被輸送到第2圖之左側。 其後，第3凝縮器級80將媒質各朝壓力側28的方向 © 及出口 26輸送，如箭號88所示。出口 26通常連接有一預 真空泵。 第3凝縮器級80可由例如霍爾威克級（Holweck stage) 等而形成。通常，經由第2圖中左側所示之轉子14，第3 凝縮器級的旋轉元件被連接到轉子軸12，且其等係共同被 驅動。 藉由本發明吸入側軸承裝置30之構造，可在軸末端設 置兩個軸承裝置56, 30，而可在軸承之間達到最大距離。 ® 第3圖之槪略剖視圖係顯示一多入口泵的實施例，與 第2圖顯示的吸入側軸承裝置30比較，其中吸入側軸承裝 置90被重設在更內側。相同及類似元件係再度以相同的符 號表示。 吸入側軸承裝置90配置在中間真空入口 82的區域 中。雖然存在有如1〇_3至l(T5mbar的高真空，但在此區域 中裝設電磁軸承使其不必如軸承裝置30之情況將線圈32 配置在一壓力封包凹部中。然而，亦可對線圈設置一壓力 -12- 201013053 封包配置。 在圖示之實施例中，吸入側軸承裝置90之線圈32係 配置在一殻體元件92中。再次，線圈32配置成與固定連 接到軸12的軸承元件50相對。又，設置一感測器46 ’經 由電線48連接到電子單元50。 故，在第3圖所示的一多入口泵之實施例中’軸承裝 置90係配置在兩轉子14的中間。因而，連接到高真空連 接器84的轉子14緊緊地連到一自由懸吊之軸突部94。 ^ 【圖式簡單說明】 第1圖係依本發明具有軸承裝置之渦輪分子泵的槪略 剖視圖。 第2圖係依本發明具有軸承裝置之多入口泵的槪略剖 視圖。 第3圖係依本發明具有另一軸承裝置之多入口泵的槪 略剖視圖 【主要元件符號說明】 12 轉 子 軸 10 殼 體 ftXL 14 轉 子 裝 置 16 轉 子 圓 18 定 子 圓 盤 ΠΤΐ. 20 定 子 環 22 吸 入 側 24 箭 號 -13- 201013053

26 出口 28 壓力側 30 軸承裝置 32 電磁鐵之線圈 34 軸承元件 35 電性連接器 40 殻體元件 38 凹部 42 管狀封閉元件 44 密封元件 36 電線 46 軸承感測器 48 管道 50 電子單元 5 1 機械安全軸承 52 銷 54 吸入側端部 56 壓力側之軸承裝置 58 電磁線圈 60 軸承元件 62 第2電磁線圈 64 軸承元件 66 電性連接線 68 位置感測器 14- 201013053 70 軸承銷 72，74 驅動機構 76,78,80 凝縮器級 82 入口 84 主入口 86 箭號 88 箭號 90 軸承裝置 92 殻體元件 94 軸突部 ❹ -15-

Claims (1)

1. 201013053 七、申請專利範圍： 1·一種渦輪分子泵或一多入口渦輪分子泵之真空泵，包括 一承載至少一轉子裝置（14)之轉子軸（12)、及一設在壓 力側的軸承裝置（56)及設在吸入側之軸承裝置（30，90) 而用於支承轉子軸（12)，其中該吸入側之軸承裝置（30, 9〇)係配置在高真空區域（2 2)且包括一電磁軸承。 2. 如申請專利範圍第〖項之真空泵，其中在該高真空區域 中存在有少於l〇_5bar，較佳爲小於l〇-lQbar的壓力^ 3. 如申請專利範圍第1項之真空泵，其中電磁軸承之一線 圈（32)係配置在一壓力封包之凹部（38)中。 4. 如申請專利範圍第3項之真空泵，其中該凹部（3 8)被設 置在一殼體元件（40)中，且較佳爲朝轉子軸（12)之方向 成開放。 5. 如申請專利範圍第3項之真空泵，其中該凹部（3 8)之一 開口較佳爲由一管狀封閉元件（42)予以緊密地封閉。 6. 如申請專利範圍第1項之真空泵，其中該吸入側軸承裝 ® 置（30，90)係被構成而作爲一徑向軸承或作爲一徑向及 軸向軸承。 7. 如申請專利範圍第3項之真空泵，其中至少一軸承感測 器（46)被配置在該壓力封包之凹部（38)中。 8. 如申請專利範圍第1項之真空泵，其中該壓力側軸承裝 置（5 6)係形成爲徑向及軸向軸承，且較佳爲包括一電磁 軸承。 9. 如申請專利範圍第1項之真空泵，其中毎一該電磁軸承 -16- 201013053 包括一連接到轉子軸（12)之軸承元件（34，60，64)。 10. 如申請專利範圍第1項之真空栗，其中該吸入側軸承裝 置（3 0)係位於整個轉子裝置（14)之吸入側的區域中。 11. 如申請專利範圍第1項之真空泵，其中整個轉子裝置（14) 係位於兩軸承裝置（5 6，3 0)之間。 12. 如申請專利範圍第1項之真空泵，其中該吸入側軸承裝 置（90)係位於轉子裝置之兩轉子（14)之間。

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