WO1994028313A1 - Process for operating a friction vacuum pump - Google Patents

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WO1994028313A1 PCT/EP1994/001010 EP9401010W WO9428313A1 WO 1994028313 A1 WO1994028313 A1 WO 1994028313A1 EP 9401010 W EP9401010 W EP 9401010W WO 9428313 A1 WO9428313 A1 WO 9428313A1
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Dietmar Kuck
Horst Stelling
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Leybold Aktiengesellschaft
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • 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
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D27/02—Surge control
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a friction vacuum pump at rotor speeds that are below the nominal speed.
  • the invention also relates to a friction vacuum pump which is suitable for carrying out this method.
  • Frictional vacuum pumps for example turbomolecular pumps, Gaede, Holweck or Siegbahn type molecular pumps and combinations of these pump types are operated at rotor speeds of up to 100 TU / min.
  • the high-speed rotors are vibratory structures that have the appropriate resonances (critical speeds).
  • the construction of these vacuum pumps is therefore designed so that the critical rotor speeds are outside the nominal speed range of the rotor. When the rotor starts up, the critical speeds are run through relatively quickly, so that damage to the pump, in particular the rotor bearings, does not occur.
  • the vacuum specialist strives to operate friction vacuum pumps at speeds that are as constant as possible, specifically in the respective nominal speed range, since the pump properties (suction capacity, compression) are essentially constant at this speed. At constant speed and with increasing Intake pressure, however, increases the necessary electrical power of the converter and the engine losses.
  • the present invention is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset in which damage to the pump, caused by operation at rotor speeds below the nominal speed, no longer occur.
  • this object is achieved in that the speed of the rotor is continuously monitored, that a timer is started when the speed enters a predetermined speed range and that the rotor speed is influenced if the speed is still after a predetermined time is in the specified speed range.
  • operating states with rotor speeds which are in a specific range comprising critical speeds can be limited in time in such a way that damage to the pump does not occur.
  • the pump will, for example, run out after the predetermined time switched off. In comparison with the procedure described at the beginning, in which the converter goes into a fault when the speed falls below a certain speed, this already has the advantage that the pump is much less frequently switched off.
  • FIG. 1 shows a section through the lower part of a turbomolecular vacuum pump with a monitoring circuit according to the invention.
  • the turbomolecular pump has the 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 fastened to the shaft 6.
  • the stator blades 2 and the rotor blades 5 are set up in such a way that gas is conveyed from the inlet (not shown) to the outlet 8.
  • the rotor shaft 6 is rotatably mounted in the housing 1 of the turbomolecular pump by means of the roller bearings 11, 12. Instead of the roller bearings, magnetic bearings can also be present.
  • the drive motor 13 is located between the bearings 11, 12.
  • the drive motor 13 is switched on and off and supplied with the aid of the supply device 14, which usually comprises a frequency converter.
  • a speed detector 15 is provided to determine the speed of the rotor 4 of the turbomolecular pump.
  • the signals supplied to him via line 16 originate, for example, from a speed sensor 17, which is preferably assigned to the lower end of shaft 6. If information about the speed of the rotor 4 is also available in the frequency converter of the supply device 14, this can also be used.
  • a signal line 18 connecting the speed detector 15 to the supply device 14 is shown in dashed lines as an alternative solution.
  • the speed detector 15 is used to set the resonance window by entering a lower (mi) and an upper (m 2 ) speed limit. There is a resonance between these limits, ie a critical speed , For example, with a prototype operated at a nominal speed of 72 TU / min, the response was 50 TU / min. In this prototype, the resonance window was set to 50 TU / min + _ 5000 U / min. If the set resonance window is entered from above or from below, the timer 19 is started. The start signal is fed to a subsequent stage 21, in which a time comparison takes place. For this purpose, the time comparison stage 21 is supplied with a reference time signal from the time stage 22. A specific time interval is stored in this time stage, for example 1 min in the prototype mentioned above. If the rotor speed leaves the resonance window within this time interval, the timer 19 switches off. It is only started again when the rotor speed enters the resonance window again.
  • the time comparison stage outputs a signal to an evaluation logic device 24.
  • This is connected to the supply unit 14 via the signal line 25. This makes it possible to switch off the drive motor 13 if the time interval set in the time step is exceeded.
  • the monitoring circuit according to the invention is expediently designed in such a way that it permits the setting of a plurality of resonance windows. It is also possible to code different types of turbomolecular pumps (coding module 26 on the pump) and to provide an identification module 27 in the monitoring circuit, with the aid of which the resonance window (s) are set.

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Abstract

The invention concerns a process for operating a friction vacuum pump at rotor speeds below the rated speed. In order to prevent damage to the pump caused by running at rotor speeds below the rated speed, it is proposed that the speed of the rotor (4) be continuously monitored, when the speed enters a predetermined range a timer (19) is started and the rotor speed is adjusted if it is still in the fixed speed range after a predetermined time.

Description

Verfahren zum Betrieb einer ReibungsvakuumpumpeMethod of operating a friction vacuum pump
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Reibungsvakuumpumpe bei Rotordrehzahlen, die unterhalb der Nenndrehzahl liegen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Rei¬ bungsVakuumpumpe.The invention relates to a method for operating a friction vacuum pump at rotor speeds that are below the nominal speed. The invention also relates to a friction vacuum pump which is suitable for carrying out this method.
Reibungsvakuumpumpen, beispielsweise Turbomolekularpumpen, Molekularpumpen nach dem Gaede-, Holweck- oder Siegbahntyp und Kombinationen dieser Pumpenarten, werden mit Rotordrehzahlen bis zu 100 TU/min betrieben. Die schnelldrehenden Rotoren sind schwingungsfähige Gebilde, die über entsprechende Resonanzen (kritische Drehzahlen) verfügen. Die Konstruktion dieser Vakuumpumpen wird deshalb so ausgelegt, daß die kritischen Rotordrehzahlen außerhalb des Nenndrehzahlbereichs des Rotors liegen. Beim Hochlauf des Rotors werden die kritischen Dreh¬ zahlen relativ schnell durchlaufen, so daß eine Schädigung der Pumpe, insbesondere der Rotorlagerungen, nicht eintritt.Frictional vacuum pumps, for example turbomolecular pumps, Gaede, Holweck or Siegbahn type molecular pumps and combinations of these pump types are operated at rotor speeds of up to 100 TU / min. The high-speed rotors are vibratory structures that have the appropriate resonances (critical speeds). The construction of these vacuum pumps is therefore designed so that the critical rotor speeds are outside the nominal speed range of the rotor. When the rotor starts up, the critical speeds are run through relatively quickly, so that damage to the pump, in particular the rotor bearings, does not occur.
Der Vakuumfachmann ist bestrebt, Reibungsvakuumpumpen mit möglichst konstanten Drehzahlen, und zwar im jeweiligen Nenn¬ drehzahlbereich, zu betreiben, da die Pumpeigenschaften (Saug¬ vermögen, Kompression) bei dieser Drehzahl im wesentlichen konstant sind. Bei gleichbleibender Drehzahl und bei steigendem Ansaugdruck nehmen jedoch die notwendige elektrische Leistung des Wandlers und die Motorverluste zu.The vacuum specialist strives to operate friction vacuum pumps at speeds that are as constant as possible, specifically in the respective nominal speed range, since the pump properties (suction capacity, compression) are essentially constant at this speed. At constant speed and with increasing Intake pressure, however, increases the necessary electrical power of the converter and the engine losses.
Eine Möglichkeit der Vermeidung unzulässig hoher Motorverluste besteht darin, daß der Wandler bei Unterschreiten einer be¬ stimmten Drehzahl auf Störung geht und die Pumpe abschaltet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Leistung auf zuläs¬ sige Werte zu begrenzen. Bei dieser Verfahrensweise ist es jedoch unvermeidlich, daß mit steigendem Ansaugdruck die Drehzahl des Rotors abnimmt. Beide Verfahren sind üblich; das zuletzt genannte Verfahren ist anwendungsfreundlicher, weil es nicht zu einem Abschalten des Evakuierungsprozesses führt. Es ist jedoch häufig mit einem maßgeblichen Drehzahlrückgang verbunden. Bei einer Abnahme der Drehzahl besteht die Gefahr, daß der Rotor kritische Drehzahlwerte erreicht und diese über längere Zeiten beibehält. Dieses kann zu Lagerschäden oder gar zum Ausfall der Pumpe führen. Bei Turbomolekularvakuumpumpen mit mehreren Pumpenabschnitten (Compoundpumpen) und damit mit relativ langen Rotoren liegen kritische Drehzahlbereiche relativ nahe bei der Nenndrehzahl, so daß das geschilderte Problem bei diesen Pumpen verschärft auftritt.One way of avoiding impermissibly high motor losses is for the converter to malfunction when the speed falls below a certain speed and for the pump to be switched off. Another possibility is to limit the power to permissible values. With this procedure, however, it is inevitable that the speed of the rotor will decrease with increasing suction pressure. Both methods are common; the latter method is more user-friendly because it does not shut down the evacuation process. However, it is often associated with a significant drop in speed. If the speed decreases, there is a risk that the rotor will reach critical speed values and maintain them over long periods. This can lead to bearing damage or even failure of the pump. In the case of turbomolecular vacuum pumps with several pump sections (compound pumps) and thus with relatively long rotors, critical speed ranges are relatively close to the nominal speed, so that the problem described occurs more intensely with these pumps.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem Schäden an der Pumpe, verursacht durch einen Betrieb mit unterhalb der Nenndrehzahl liegenden Rotordrehzahlen, nicht mehr auftreten.The present invention is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset in which damage to the pump, caused by operation at rotor speeds below the nominal speed, no longer occur.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Drehzahl des Rotors laufend überwacht wird, daß beim Eintritt der Drehzahl in einen vorher festgelegten Drehzahlbereich ein Timer gestartet wird und daß Einfluß auf die Rotordrehzahl genommen wird, wenn die Drehzahl nach einer ebenfalls vorher festgelegten Zeit immer noch im festgelegten Drehzahlbereich liegt. Bei einem Verfahren dieser Art können Betriebszustände mit Rotordrehzahlen, die in einem bestimmten, kritische Dreh¬ zahlen umfassenden Bereich liegen, zeitlich derart begrenzt werden, daß Schäden an der Pumpe nicht auftreten. Die Pumpe wird z.B. nach Ablauf der vorher festgelegten Zeit abgeschaltet. Im Vergleich mit der eingangs beschriebenen Verfahrensweise, bei der der Wandler beim Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl auf Störung geht, ist damit bereits der Vorteil verbunden, daß der Fall des Abschaltens der Pumpe wesentlich seltener ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit der Änderung der Drehzahl des Rotors, und zwar derart, daß sie das kritische Drehzahlfenster verläßt. Dazu kann mehr oder - wenn das nicht mehr geht - weniger Leitung zugeführt werden, so daß sich die Drehzahl erhöht oder erniedrigt. Dadurch ist ein Abschalten des Evakuierungsprozesses bei gleichzeitigem Schutz der Pumpe vor kritischen Drehzahlbereichen vermieden. Insgesamt ist eine erfindungsgemäß betriebene Reibungsvakuumpumpe zuver¬ lässiger und hat wegen des Schutzes gegen einen vorzeitigen Verschleiß eine längere Lebensdauer.According to the invention, this object is achieved in that the speed of the rotor is continuously monitored, that a timer is started when the speed enters a predetermined speed range and that the rotor speed is influenced if the speed is still after a predetermined time is in the specified speed range. In a method of this type, operating states with rotor speeds which are in a specific range comprising critical speeds can be limited in time in such a way that damage to the pump does not occur. The pump will, for example, run out after the predetermined time switched off. In comparison with the procedure described at the beginning, in which the converter goes into a fault when the speed falls below a certain speed, this already has the advantage that the pump is much less frequently switched off. But there is also the possibility of changing the speed of the rotor, in such a way that it leaves the critical speed window. For this purpose, more or - if this is no longer possible - less line can be supplied, so that the speed increases or decreases. This prevents the evacuation process from being switched off while at the same time protecting the pump from critical speed ranges. Overall, a friction vacuum pump operated according to the invention is more reliable and has a longer service life because of the protection against premature wear.
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. Die Figur zeigt einen Schnitt durch den unteren Teil einer Turbomolekularvakuumpumpe mit einer Überwachungsschaltung nach der Erfindung.Advantages and details of the invention will be explained with reference to an embodiment shown in the figure. The figure shows a section through the lower part of a turbomolecular vacuum pump with a monitoring circuit according to the invention.
Die Turbomolekularpumpe weist das Gehäuse 1, den mit den Statorschaufeln 2 ausgerüsteten Stator 3 und den Rotor 4 mit den Rotorschaufeln 5 auf. Bestandteil des Rotors 4 ist die Welle 6 mit ihrer Achse 7. An der Welle 6 sind die Rotorschau¬ feln 5 befestigt. Die Statorschaufeln 2 und die Rotorschaufeln 5 sind derart angestellt, daß eine Gasförderung vom nicht dargestellten Einlaß zum Auslaß 8 bewirkt wird.The turbomolecular pump has the 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 fastened to the shaft 6. The stator blades 2 and the rotor blades 5 are set up 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, 12 drehbar gelagert. Anstelle der Wälzlager können auch Magnetlager vorhanden sein. Zwischen den Lagern 11, 12 befindet sich der Antriebsmotor 13. Das Ein- und Ausschalten sowie die Versorgung des Antriebsmotors 13 erfolgt mit Hilfe des Versorgungsgerätes 14, das üblicherweise einen Frequenzwandler umfaßt. Zur Feststellung der Drehzahl des Rotors 4 der Turbomolekular¬ pumpe ist ein Drehzahldetektor 15 vorgesehen. Die ihm über die Leitung 16 zugeführten Signale stammen zum Beispiel von einem Drehzahlsensor 17, der vorzugsweise dem unteren Ende der Welle 6 zugeordnet ist. Sofern Informationen über die Drehzahl des Rotors 4 auch im Frequenzwandler des Versorgungsgerätes 14 vorliegen, können diese ebenfalls benutzt werden. Eine den Drehzahldetektor 15 mit dem Versorgungsgerät 14 verbindende Signalleitung 18 ist als alternative Lösung gestrichelt darge¬ stellt.The rotor shaft 6 is rotatably mounted in the housing 1 of the turbomolecular pump by means of the roller bearings 11, 12. Instead of the roller bearings, magnetic bearings can also be present. The drive motor 13 is located between the bearings 11, 12. The drive motor 13 is switched on and off and supplied with the aid of the supply device 14, which usually comprises a frequency converter. A speed detector 15 is provided to determine the speed of the rotor 4 of the turbomolecular pump. The signals supplied to him via line 16 originate, for example, from a speed sensor 17, which is preferably assigned to the lower end of shaft 6. If information about the speed of the rotor 4 is also available in the frequency converter of the supply device 14, this can also be used. A signal line 18 connecting the speed detector 15 to the supply device 14 is shown in dashed lines as an alternative solution.
Der Drehzahldetektor 15 dient der Einstellung des Resonanzfen¬ sters, indem eine untere (mi) und eine obere (m2) Drehzahl¬ grenze eingegeben werden. Zwischen diesen Grenzen befindet sich eine Resonanz, d.h. eine kritische Drehzahl
Figure imgf000006_0001
. Bei einem mit einer Nenndrehzahl von 72 T U/min betriebenen Prototypen lag beispielsweise eine Resonanz bei 50 T U/min. Bei diesem Prototypen wurde das Resonanzfenster auf 50 T U/min +_ 5000 U/min eingestellt. Wird das eingestellte Resonanzfenster von oben oder von unten her betreten, wird der Timer 19 gestartet. Das Startsignal wird einer sich anschließenden Stufe 21 zugeführt, in der ein Zeitvergleich stattfindet. Dazu wird der Zeitvergleichs-Stufe 21 ein Referenz-Zeitsignal von der Zeitstufe 22 zugeführt. In dieser Zeitstufe ist ein bestimmtes Zeitintervall gespeichert, beim oben erwähnten Prototypen beispielsweise 1 min. Verläßt die Rotordrehzahl innerhalb dieses Zeitintervalls das Resonanzfenster, schaltet sich der Timer 19 ab. Er wird erst dann wieder gestartet, wenn die Rotordrehzahl erneut in das Resonanzfenster eintritt.The speed detector 15 is used to set the resonance window by entering a lower (mi) and an upper (m 2 ) speed limit. There is a resonance between these limits, ie a critical speed
Figure imgf000006_0001
, For example, with a prototype operated at a nominal speed of 72 TU / min, the response was 50 TU / min. In this prototype, the resonance window was set to 50 TU / min + _ 5000 U / min. If the set resonance window is entered from above or from below, the timer 19 is started. The start signal is fed to a subsequent stage 21, in which a time comparison takes place. For this purpose, the time comparison stage 21 is supplied with a reference time signal from the time stage 22. A specific time interval is stored in this time stage, for example 1 min in the prototype mentioned above. If the rotor speed leaves the resonance window within this time interval, the timer 19 switches off. It is only started again when the rotor speed enters the resonance window again.
Liegt die Drehzahl des Rotors jedoch nach Ablauf des Zeitin¬ tervalls immer noch im Resonanzfenster, dann gibt die Zeitver¬ gleichsstufe ein Signal auf eine Auswertelogik 24. Diese ist über die Signalleitung 25 mit dem Versorgungsgerät 14 verbun¬ den. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Antriebsmotor 13 für den Fall der Überschreitung des in der Zeitstufe eingestellten Zeitintervalls abzuschalten. Zweckmäßig wird die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung derart gestaltet, daß sie die Einstellung mehrerer Resonanz¬ fenster erlaubt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, verschie¬ dene Typen von Turbomolekularpumpen zu codieren (Codierungs- baustein 26 an der Pumpe) und einen Identifizierungsbaustein 27 in der Überwachungsschaltung vorzusehen, mit dessen Hilfe das oder die Resonanzfenster eingestellt werden. If, however, the speed of the rotor is still in the resonance window after the time interval has elapsed, the time comparison stage outputs a signal to an evaluation logic device 24. This is connected to the supply unit 14 via the signal line 25. This makes it possible to switch off the drive motor 13 if the time interval set in the time step is exceeded. The monitoring circuit according to the invention is expediently designed in such a way that it permits the setting of a plurality of resonance windows. It is also possible to code different types of turbomolecular pumps (coding module 26 on the pump) and to provide an identification module 27 in the monitoring circuit, with the aid of which the resonance window (s) are set.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zum Betrieb einer Reibungsvakuumpumpe bei Rotordrehzahlen, die unterhalb der Nenndrehzahl liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Rotors (4) laufend überwacht wird, daß beim Eintritt der Drehzahl in einen vorher festgelegten Drehzahlbereich ein Timer (19) gestartet wird und daß Einfluß auf die Rotordrehzahl genommen wird, wenn sie nach' einer ebenfalls vorher festgelegten Zeit immer noch im festgelegten Drehzahlbe¬ reich liegt.1. A method of operating a friction vacuum pump at rotor speeds which are below the nominal speed, characterized in that the speed of the rotor (4) is continuously monitored, that when the speed enters a predetermined speed range, a timer (19) is started and that influence is exerted on the rotor speed when it is for 'a likewise predetermined time range still in the specified Drehzahlbe¬.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Pumpe für den Fall, daß die Rotordrehzahl nach Ablauf der vorher festgelegten Zeit noch im vorher festgelegten Drehzahlbereich liegt, abgeschaltet wird.2. The method according to claim 1, characterized. that the pump is switched off in the event that the rotor speed is still in the predetermined speed range after the predetermined time has elapsed.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe für den Fall, daß die Rotordrehzahl nach Ablauf des festgelegten Zeitintervalls noch im festgelegten Dreh¬ zahlbereich liegt, mehr oder weniger Leistung zugeführt wird, so daß die Rotordrehzahl den festgelegten Drehzahl¬ bereich verläßt.3. The method according to claim 1, characterized in that the pump in the event that the rotor speed after the specified time interval is still in the specified speed range, more or less power is supplied so that the rotor speed leaves the specified speed range .
. Für die Durchführung des Verfahrens nach einem der An¬ sprüche 1 bis 3 geeignete Reibungsvakuumpumpe mit einem Versorgungsgerät (14) für den Antriebsmotor (13), dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Überwachungsschaltung ausgerüstet ist, die einen Drehzahldetektor (15), einen Timer (19), eine Zeiteinstellstufe (22), eine Zeitver¬ gleichsstufe (21) und eine Auswertelogik (24) aufweist, die über eine Signalleitung (25) mit dem Versorgungsgerät (14) für den Antriebsmotor (13) verbunden ist. , For the implementation of the method according to one of claims 1 to 3, a suitable friction vacuum pump with a Supply device (14) for the drive motor (13), characterized in that it is equipped with a monitoring circuit which has a speed detector (15), a timer (19), a time setting stage (22), a time comparison stage (21) and one Evaluation logic (24), which is connected via a signal line (25) to the supply device (14) for the drive motor (13).
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