DE10114969A1

DE10114969A1 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE10114969A1
Application number: DE10114969A
Authority: DE
Inventors: Roland Blumenthal; Heinz-Dieter Odendahl; Dieter Bohry
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-10
Also published as: WO2002077462A2; EP1377752B1; JP2004522040A; JP4511117B2; CA2441957A1; AU2002257665A1; CA2441957C; EP1377752A2; US7090469B2; WO2002077462A3; US20040081560A1

Abstract

Eine Turbomulekularpumpe (10) weist einen Stator, einen Pumpenrotor, einen Motor (28) zum Antrieb des Pumpenrotors und eine Steuervorrichtung (42) auf. Die Steuervorrichtung (42) regelt die Motorleistung, derart, dass die Motorleitstung eine zulässige Motor-Maximalleistung nicht übersteigt. An der Turbomolekularpumpe (10) sind statorseitig Temperaturgeber (32-38) zur Messung der Statortemperatur angeordnet. Die Steuervorrichtung (42) weist eine Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung (50) auf, die die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Statortemperatur bestimmt. Auf diese Weise wird die zulässige Motor-Maximalleistung nicht auf einen konstanten Wert eingestellt, sondern stets in Abhängigkeit von der Statortemperatur festgelegt. Dadurch kann das Leistungsvermögen des Motors voll ausgenutzt werden, solange die gemessene Statortemperatur unterhalb eines Maximalwertes liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekularpumpe mit einem Pumpenstator, einem schnell drehenden Pumpenrotor und einem Motor zum Antrieb des Pumpenrotors.

In einer Turbomolekularpumpe werden zur Erzeugung eines Hoch vakuums ein Gas bzw. Gasteilchen durch rotierende Schaufeln des Pumpenrotors und die feststehenden Schaufeln des Pumpenstators auf ein Vielfaches des Eingangsdruckes verdichtet. Die durch die Gasverdichtung und Gasreibung verursachte Gaserwärmung wird überwiegend über den Pumpenrotor und den Pumpenstator wieder abgeführt. Während die Kühlung des Pumpenstators durch ein Kühlfluid führende Kühlkanäle erfolgen kann, ist die aktive Pumpenrotorkühlung problematisch, da dem rotierenden Pumpen rotor kein Kühlfluid zugeführt werden kann. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen kann der Pumpenrotor daher überhitzen. Bei Überhitzung des Pumpenrotors über eine maximal zulässige Rotor temperatur besteht die Gefahr der Zerstörung des Pumpenrotors und, als Folge davon, des Pumpenstators. Die Turbomolekularpumpe muss daher stets unterhalb der maximal zulässigen Rotor temperatur betrieben werden.

Eine direkte Messung der Rotortemperatur ist wegen der schwierigen Signalübertragung von dem schnelldrehenden Pumpen rotor zu dem Stator nur mit großem Aufwand möglich. Die Turbo molekularpumpe weist daher eine Steuervorrichtung auf, die die Motorleistung auf eine vorgegebene konstante Motor-Maximal leistung begrenzt, so dass auch die Pumpleistung und die damit korrelierende Gas- und Rotorerwärmung auf einen konstanten Maximalwert begrenzt sind.

Die zulässige Motor-Maximalleistung wird rechnerisch und/oder experimentell ermittelt, indem für den Pumpenbetrieb die un günstigsten Prozessbedingungen angenommen werden, beispiels weise ein thermisch sich ungünstig verhaltendes Gas, eine schlechte Pumpenstator-Kühlung, hohe Umgebungstemperaturen etc. Die zulässige Motor-Maximalleistung wird so gewählt, dass der Pumpenrotor auch unter den ungünstigsten Prozessbedingungen die maximal zulässige Rotortemperatur nicht überschreiten kann. Durch die Festlegung einer konstanten Motor-Maximalleistung wird die Motorleistung auf die vorgegebene Maximalleistung auch dann beschränkt, wenn die Prozessbedingungen günstiger sind, als für die Berechnung der Motor-Maximalleistung angenommen. Die Motorleistung wird also auch dann auf die vorgegebene Motor-Maximalleistung begrenzt, wenn die tatsächliche Rotortem peratur die maximal zulässige Rotortemperatur noch nicht er reicht hat. Da die der Ermittlung der maximal zulässigen Motor- Maximalleistung zugrundegelegten extremen Prozessbedingungen in der Praxis nur einen seltenen Ausnahmefall darstellen, wird die Ausgangsleistung der Turbomolekularpumpe in der Regel auf einen Wert weit unterhalb eines tatsächlich thermisch zulässigen Wer tes beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Ausgangsleistung einer Tur bomolekularpumpe erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 11.

Gemäß der Erfindung ist an dem Pumpenstator ein Temperaturgeber zur Messung der Statortemperatur angeordnet. Ferner weist die Steuervorrichtung eine Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung auf, die die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Statortemperatur bestimmt. Die zulässige Mo tor-Maximalleistung ist also kein konstanter unveränderbarer Wert, sondern wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Stator temperatur bestimmt. Die Rotortemperatur korreliert stark mit der Temperatur der statorseitigen Teile der Pumpe, beispiels weise mit der Temperatur des Basisflansches, des Pumpenge häuses, des Motorgehäuses, des Lagergehäuses, des Pumpen stators, des Motors sowie mit der tatsächlichen Motor- bzw. Pumpleistung. Die Statortemperatur gibt daher Auskunft über die Rotortemperatur, so dass durch Messung der Statortemperatur und Begrenzung der zulässigen Motor-Maximalleistung für die je weilige Statortemperatur auch die Rotortemperatur zuverlässig auf einen Maximalwert begrenzt werden kann. Durch die Messung der Statortemperatur und die dadurch vornehmbaren Rückschlüsse auf die Rotortemperatur, ist die zulässige Motor-Maximal leistung an die jeweilige thermische Situation angepasst, und liegt damit in der Regel oberhalb einer für ungünstigste ther mische Umstände bestimmten konstanten zulässigen Motor-Maximal leistung. Die tatsächliche Motorleistung und damit die Aus gangsleistung der Pumpe kann auf diese Weise unter normalen Prozessbedingungen deutlich erhöht werden. Gleichzeitig ist der Pumpenrotor zuverlässiger gegen Überhitzung, d. h. Überschreiten der maximal zulässigen Rotortemperatur geschützt, da eine in direkte Überwachung der Rotortemperatur stattfindet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Maximal leistungs-Ermittlungsvorrichtung eine Rotortemperatur-Ermitt lungsvorrichtung auf, die aus der von dem Temperaturgeber ge messenen Statortemperatur die Rotortemperatur ermittelt. An schließend bestimmt die Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Rotortemperatur die zuläs sige Motor-Maximalleistung.

Die Rotortemperatur-Ermittlungsvorrichtung ermittelt die Motor- Rotortemperatur aus einer oder aus mehreren verschiedenen Statortemperaturen, die in ein Polynom eingesetzt werden, des sen konstante Koeffizienten zuvor experimentell ermittelt wur den. Auf diese Weise lässt sich schließlich die zulässige Motor-Maximalleistung schnell und auch mit wenig Speicherplatz ermitteln. Die Begrenzung der Motor-Maximalleistung kann ggf. erst bei Erreichen einer Schwellentemperatur des Rotors ein greifen und die zulässige Motor-Maximalleistung begrenzen, wäh rend die Motor-Maximalleistung nicht begrenzt ist, solange die errechnete Rotortemperatur unterhalb der Schwellentemperatur liegt. Die zulässige Motor-Maximalleistung kann auch direkt aus einem Polynom ermittelt werden, das nach der zulässigen Motor-Maximalleistung aufgelöst ist und in dem die Rotor- Schwellentemperatur und/oder eine Rotor-Maximaltemperatur in Form von Koeffizienten bereits enthalten ist.

Die anhand der Koeffizienten berechnete Motor-Maximalleistung kann ggf. noch zusätzlich durch andere Parameter begrenzt wer den.

Vorzugsweise sind mehrere Temperaturgeber an verschiedenen Stellen des Stators vorgesehen, wobei die Maximalleistungs-Er mittlungsvorrichtung die zulässige Motor-Maximalleistung in Ab hängigkeit von den gemessenen Temperaturen aller Temperatur geber bestimmt. Die Temperaturgeber können an dem Gehäuse der Turbomolekularpumpe, an einem Pumpenstatorelement, an einem statorseitigen Teil des Motors, beispielsweise an dem Motorge häuse oder an der Motorwicklung, oder in einem Kühlkanal des Pumpenstators angeordnet sein. Die Temperaturgeber können auch an anderen statorseitigen Stellen der Turbomolekularpumpe ange ordnet sein, deren Temperatur und Temperaturverhalten zuverläs sige Rückschlüsse auf die Temperatur des Rotors zulassen. Auf diese Weise wird aus einer Vielzahl von gemessenen Temperaturen ein genauer Rückschluss auf die Rotortemperatur und damit auf die zulässige Motor-Maximalleistung ermöglicht. Die Begrenzung der Motorleistung erfolgt daher nah an der objektiv zulässigen Motor-Maximalleistung. Die Ermittlung der Rotortemperatur und der zulässigen Motor-Maximalleistung durch mehrere stator seitige Temperaturgeber ist so zuverlässig und genau, dass nur geringe Sicherheitsspannen vorgesehen werden müssen, um ein Überhitzen des Rotors zu vermeiden. Auf diese Weise kann der Motor mit einem Maximum an thermisch zulässiger Leistung ange steuert werden, d. h. das Leistungspotential des Motors und der Pumpe können stets annähernd vollständig ausgeschöpft werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Maximal leistungs-Ermittlungsvorrichtung einen Kennfeldspeicher auf, in dem in einem Kennfeld die zulässige Motor-Maximalleistung für jede Statortemperatur gespeichert ist. In dem Kennfeld lässt sich auch eine komplexe nicht-lineare Kennlinie speichern, so dass eine aufwendige Ermittlung der zulässigen Motor-Maximal leistung durch Rechenoperationen entfallen kann.

Gemäß einem nebengeordneten Verfahren zur Begrenzung der maxi mal zulässigen Motorleistung eines Motors in einer Turbomole kularpumpe, der einen in einem Pumpenstator gelagerten Pumpen rotor antreibt, sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Messen der Pumpenstatortemperatur, Ermitteln einer zulässigen Motor-Maximalleistung aus der gemessenen Pumpenstatortemperatur und Begrenzung der Motorleistung auf die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Turbomolekularpumpe im Längsschnitt mit mehreren Temperatugebern,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Regelung der Turbomolekular pumpe der Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Turbomolekularpumpe 10 dargestellt, die ein Pumpengehäuse 12 aufweist, dessen einen Längsende die Saugseite 14 bildet und dessen anderes Ende die Druckseite bildet und einem Gasauslass 16 aufweist. In dem Pumpengehäuse 12 ist ein Pumpenstator 18 angeordnet, der einen Pumpenrotor 20 umfasst. Der Pumpenrotor 20 weist eine Rotorwelle 22 auf, die mit zwei Radialmagnetlagern 24,26 und einem nicht dargestellten Axiallager drehbar in dem Pumpengehäuse 12 gelagert ist. Die Rotorwelle 22 und der damit verbundene Pumpenrotor 20 werden durch einen Elektromotor 28 angetrieben. Der Elektromotor 28 und die beiden Radial-Magnetlager 24,26 sind in einem gemein samen Lager-Motor-Gehäuse 30 untergebracht. Das Pumpengehäuse 12 wird durch ein Kühlmittel gekühlt, das durch einen Kühlkanal 13 in dem Pumpengehäuse 12 fließt. Die Turbomolekularpumpe 10 dient der Erzeugung eines Hochvakuums und dreht mit Drehzahlen bis zu 100 000 U/min.

Die Turbomolekularpumpe 10 weist statorseitig, d. h. auf der Seite der feststehenden Teile, mehrere Temperaturgeber 32-38 auf. Ein erster Temperaturgeber 32 ist im Bereich des Basis flansches des Pumpengehäuses 12 angeordnet. Ein zweiter Tempe raturgeber 34 ist an bzw. in dem Pumpenstator 18 angeordnet. Ein dritter Temperaturgeber 36 ist an dem Motor 28 angeordnet und misst die im Bereich der Motorspulen bzw. der Motor-Magnet leitbleche herrschende Temperatur. Ein vierter Temperaturgeber 38 ist an dem Lager-Motorgehäuse 30 angeordnet. Ein weiterer Temperaturgeber kann im Verlauf des Kühlkanales 13 angeordnet sein.

Die durch die Gaserwärmung des komprimierten Gases auf den Pum penrotor 20 übertragene und durch die aktiven Magnetlager 26 und den Elektromotor 28 in dem Pumpenrotor 20 induzierte Wärme wird im Wesentlichen durch Wärmestrahlung von dem Pumpenrotor 20 auf die statorseitigen Teile abgeführt. Die statorseitigen Teile, also das Pumpengehäuse 12, der Pumpenstator 18, das Lager-Motor-Gehäuse 30 sowie die Magnetlager 24, 26 und der Elektromotor 28 werden also neben ihrer Eigenerwärmung auch durch die von dem Pumpenrotor 20 auf sie abgestrahlte Wärme er wärmt. Die Messung der Temperatur und des Temperaturverlaufes der genannten statorseitigen Teile erlaubt daher Rückschlüsse auf die Rotortemperatur.

Die Beziehung zwischen der tatsächlichen Temperatur des Pumpen rotors 20 und den von den Temperaturgebern 32-38 gemessenen Temperaturen der statorseitigen Teile lässt sich mit einem ein fachen Versuchsaufbau ermitteln. Hierzu wird saugseitig ein Ro tor-Temperaturgeber 40 in geeigneter Weise möglichst nah an dem Pumpenrotor 20 angeordnet. Auf diese Weise kann die Rotortem peratur im Experiment direkt gemessen werden, so dass der Zu sammenhang zwischen der Rotortemperatur und den von den stator seitigen Temperaturgebern 32-38 gemessenen Temperaturen unter verschiedenen Prozessbedingungen aufgezeichnet werden kann. Aus den von allen Temperaturgebern 32-40 aufgezeichneten Tempe raturen und Temperaturverläufen lässt sich ein Polynom für die Motorleistung P in Abhängigkeit von der Rotortemperatur und den statorseitigen Temperaturen ermitteln:

P = α₀ + α₁T₁ ^β ₁ + α₂T₂ ^β ₂ + α₃T₃ ^β ₃ . . . α_nT_n ^β _n.

P ist die momentane Motorleistung, T₁ bis T_n sind die jeweils gemessenen Temperaturen der statorseitigen Temperaturgeber 32- 38 und des Rotortemperaturgebers 40. Die Koeffizienten α₀ bis α_n sowie β₁ bis β_n sind Konstanten, die durch die Auswertung der experimentell gemessenen Pumpenrotor- und Pumpenstatortempe raturen ermittelt wurden. Gibt man anstelle der gemessenen Rotortempeartur die maximal zulässige Rotortemperatur in dieses Polynom ein, so wird mit diesem Polynom die zulässige Motor- Maximalleistung P_max ermittelt.

Damit liegt ein Polynom vor, mit dem für einen Satz gleich zeitig gemessener Statortemperaturen T₁ bis T_n jeweils die zu lässige Motor-Maximalleistung P_max errechnet werden kann.

In Fig. 2 ist schematisch die Steuerung des Pumpenrotormotors 28 dargestellt. Eine Steuervorrichtung 42 steuert einen Motor treiber 44, der wiederum die Spulen des Elektromotors 28 an steuert. Über ein Stellelement 46 wird ein Motor-Leistungssoll wert an die Steuervorrichtung 42 ausgegeben. Die Steuervorrich tung 42 weist eine Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung 50 und einen Leistungsbegrenzer 52 auf. In der Maximalleistungs- Ermittlungsvorrichtung 50 wird aus den von den vier Temperatur gebern 32-38 gelieferten Temperaturwerten nach der o. a. Formel die zulässige Motor-Maximalleistung P_max ermittelt. In dem Leistungsbegrenzer 52 wird der von dem Stellelement 46 ge lieferte Motorleistungssollwert auf die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung begrenzt, falls der von dem Stellelement 46 angegebene Leistungswert größer als die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung ist. Auf diese Weise wird die Rotortem peratur auf eine Maximaltemperatur begrenzt, so dass der Rotor vor Zerstörung durch Überhitzung geschützt ist.

Als weitere Parameter für die Ermittlung der zulässigen Motor- Maximalleistung können neben der Kühlfluidtemperatur auch die tatsächliche Motorleistung, die Umgebungstemperatur und andere Messgrößen genutzt werden.

Mit der beschriebenen Vorrichtung lässt sich über mehrere statorseitige Temperaturgeber auf die vorliegende Rotortem peratur schließen. Um eine Überhitzung des Pumpenrotors auf eine Temperatur oberhalb einer maximalen Rotortemperatur zu vermeiden, wird aus der ermittelten Rotortemperatur eine zuläs sige Motor-Maximalleistung ermittelt, auf die die Motorleistung begrenzt ist. Die zulässige Motor-Maximalleistung ist also variabel, so dass das Leistungsvermögen des Motors und der Pumpe voll ausgeschöpft werden kann, und nur bei Überhitzungs gefahr begrenzt wird.

Claims

1. Turbomolekularpumpe mit einem Stator (12, 18), einem Pumpen rotor (20), einem Motor (28) zum Antrieb des Pumpenrotors (20) und einer Steuervorrichtung (42) zur Steuerung des Motors (28),
wobei die Steuervorrichtung (42) die Motorleistung derart regelt, dass die Motorleistung eine zulässige Motor-Maxi malleistung nicht übersteigt,
dadurch gekennzeichnet,
dass statorseitig ein Temperaturgeber (32-38) zur Messung der Statortemperatur angeordnet ist, und
dass die Steuervorrichtung (42) eine Maximalleistungs-Er mittlungsvorrichtung (50) aufweist, die die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Statortemperatur bestimmt.

2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass mehrere Temperaturgeber (32-38) an verschiedenen Stellen des Stators (12, 18) vorgesehen sind und die Maxi malleistungs-Ermittlungsvorrichtung (50) die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturen aller Temperaturgeber (32-38) bestimmt.

3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung (50) eine Rotortemperatur-Ermittlungsvorrichtung zugeordnet ist, die aus der von dem Temperaturgeber (32-38) gemessenen Statortemperatur die Rotortemperatur ermittelt und dass die Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung (50) die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Rotortemperatur bestimmt.

4. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalleistungs-Ermittlungsvor richtung (50) die zulässige Motor-Maximalleistung mit Hilfe eines Polynom ermittelt.

5. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalleistungs-Ermittlungsvor richtung (50) einen Kennfeldspeicher aufweist, in dem in einem Kennfeld die zulässige Motor-Maximalleistung für jede Statortemperatur gespeichert ist.

6. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgeber (32) an einem Pum pengehäuse (12) vorgesehen ist.

7. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgeber (34) an einem Pum penstator (18) vorgesehen ist.

8. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgeber (36) an einem statorseitigen Teil des Motors (28) vorgesehen ist.

9. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (28) ein Gehäuse (30) auf weist und der Temperaturgeber (38) an dem Motorgehäuse vor gesehen ist.

10. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (12) oder das Pum penstatorelement (18) einen Kühlkanal (13) aufweist und dass der Temperaturgeber im Verlauf des Kühlkanales (13) angeordnet ist.

11. Verfahren zur Begrenzung der Motorleistung eines Motors (28) in einer Turbomolekularpumpe (10), der einen in einem Stator (12, 18) gelagerten Pumpenrotor (20) antreibt, mit den Verfahrensschritten
Messen der Pumpenstatortemperatur,
Ermitteln einer zulässigen Motor-Maximalleistung in Abhän gigkeit von der gemessenen Pumpenstatortemperatur,
Begrenzung der Motorleistung auf die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der zulässigen Motor-Maximalleistung aus den Schritten
Errechnen der Pumpenrotortemperatur aus der gemessenen Pum penstatortemperatur,
Ermitteln der zulässigen Motor-Maximalleistung aus der er rechneten Pumpenrotortemperatur
besteht.