DE2138152B2 - Lageranordnung fur den Laufer einer Turbomolekularpumpe - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für den Läufer einer Turbomolekularpumpe mit einer von einem Antriebsmotor direkt antreibbaren, vertikal angeordneten Welle, die mittels zweier im Abstand voneinander angeordneter Radiallagcr auf einem feststehenden Zapfen gelagert ist, der mit Schmiermiitelzu- und -abführkanälen versehen ist, die an einem Schmiermittelkreislauf angeschlossen sind.

Bei bekannten Lageranordnungen für Turbomolekularvakuumpumpen wird im allgemeinen oberhalb und unterhalt» des Antriebs ein Rädiallager angeordnet. Die Axialkräfte werden durch Schräglager oder durch separate Axiallager aufgenommen. Es kann sich dabei sowohl um Gleitlager als auch um Kugellager handeln. Als Antrieb dient dabei häufig ein Motor mittlerer Frequenz, das heißt, mit einer Drehzahl zwischen etwa 20 000 und 1000 Upm. Der Motor kann die Drchwcllc, auf der die Laufschaufelkränze der Turbomolekularvakuumpumpe angeord

net sind, direkt oder über ein Getriebe antreiben.

Die bekannten Lageranordnungc-n, welche Kugellager verwenden, sind sehr schwingungsempfindlich, weil im allgemeinen mit einem Ölnebel geschmiert wird, und weisen eine begrenzte Lebensdauer auf. Bei bekannten Lageranordnungen, welche Gleitlager verwenden, ist das Problem der Ölabführung des über dem Antrieb liegenden Lagers offensichtlich bisher noch nicht befriedigend gelöst. Es entstehen bei einer solchen Lageranordnung Ölspritzcr und ÖI-dämpfe, die für die ^as Lager umgebenden Bauteile nachteilig sind. Dies trifft im besonderen Maße zu, wenn auch die Antriebsvorrichtung innerhalb des Pumpengehäuses oder in einem evakuierbaren Raum angeordnet ist. Eine intensive Ölschmierung steht im allgemeinen der Anwendung eines Direktantriebs im Vakuum entgegen. Bei den bekannten Turbomolekularvakuumpumpen ist außerdem von Nachteil, daß die in den Lageranordnungen und in dem Antriebsmotor entstehende Wärme sehr schlecht abgeführt werden kann.

Aus der französischen Patentschrift 1 304 689 ist eine Turbomolekularvakuumpumpe bekannt, bei der die drehbaren Teile auf einer Hohlwelle um einen feststehenden hohlen Zapfen herum mittels zweier im Abstand voneinander angeordneter Kugellager in der Nähe des Massenschwerpunkts der drehbaren Teile gelagert sind. Die Kugellager sind so angeordnet, daß sie sowohl die radialen als auch die axialen Kräfte aufnehmen können. Sie werden vom hohlen Teil des Zapfens aus durch enge Kanäle mit Schmieröl versorgt, welches in den Zapfenhohlraum zurückgeführt wird, ohne in den evakuierbaren Raum zu gelangen.

Die bekannte Lageranordnung ist jedoch wegen der verwendeten Kugellager ebenfalls sehr schwingungsempfindlich. Da die Kugellager als Schräglager ausgebildet sind, vermögen sit nur in bestimmten Richtungen begrenzte Kräfte aufzunehmen. Ihre Belastbarkeit ist dadurch gering und wirkt sich bei den für solche Pumpen erforderlichen hohen Drehzahlen nachteilig auf die Lebensdauer aus. Der Abfuhr der Wärme, die beim Betrieb des Antriebsmotors in diesem selbst entsteht, ist offensichtlich bei der bekannten Turbomolekularvakuumpumpe keine Beachtung geschenkt worden.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die durch Kugellager gebildeten Schräglager und deren Nachteil (begrenzte Belastbarkeit) zu vermeiden und zugleich eine bessere Wärmeabfuhr von den drehbaren Teilen zu erzielen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Turbomolekularvakuumpumpe der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Welle oder ein mi! der Welle drehbares Teil auf der den Schaufelkränzen abgewandten Seite eine Ausnehmung aufweist, in die der feststehende Zapfen hineinragt, daß der Raum zwischen dem Boden der Ausnehmung und der dei Ausnehmung zugekehrten Fläche des Zapfens mil flüssigem Schmiermittel unter Druck ausfüllbar is und so ein hydrostatisches oder hydrodynamische: Lager zur Aufnahme im wesentlichen axialer Kräfti bildet, wobei der Zapfen zur Schmicrmittclzufuh mit einem Zcntralkanal versehen ist, der zum Axial lager führt und Kanäle aufweist, welche mit der Aus nehmung verbunden sind.

Hierdurch ergibt sich eine auch bei sehr hohe Drehzahl praktisch vcrschlcißfrci arbeitende Lagei

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anordnung, welche eine überaus hohe Lebensdauer abfuhr erreicht. Dies gestattet die Unterbringung des

besitzt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Motors in einem evakuierbaren Gehäuse und eine

die erfindungsgemäße Lageranordnung schwingungs· höhere Belastbarkeit des Motors,

dämpfend wirkt. Ölspritzcr gelangen nicht in den die Bewährt hat sich hierbei, daß der Läufer Teil eines

Lageranordnung umgebenden Raum, was insbeson- 5 elektrischen Mitlelfrequcnzmotors ist und von des-

dere beim Betrieb im Vakuum bedeutsam ist. Die sen Stator nur durch einen Dichtspalt getrennt ist.

Wärmeabfuhr durch das Schmiermittel ist bei der Hierdurch wird ein Antrieb im Vakuum mit einer

erfindungsgemäßen Lageranordnung derart intensiv. intensiven Ölschmierung geschaffen, ohne daß be-

daß insbesondere beim Anfahren der Pumpe der An- fürchtet werden muß. daß bei der Ölabführung aus

trieb wesentlich höher als bisher belastet werden io dem Lager Spritzer entstehen. Der Antrieb durch

kann. Das erfindungsgemäß verwendete Axiallager einen elektrischen Mittelfrequenzmotor hat den Vor-

wirkl als hydrostatisches oder hydrodynamisches teil, daß er auch bei hohen Drehzahlen schwingungs-

Lager und gestattet eine praktisch schwimmende arm umläuft, da er einen leicht auszuwuchtenden

Lagerung des drehbaren Teils und dessen Ausbildung massiven Läufer verwendet. Lr lauft asynchron an

oder Verbindung mit einer \ _rtikal angeordneten 15 und ist beim Anfahren mit der erfindungsgemäßen

Drehwelle, auf der der Pumpenrotor angeordnet ist. Lageranordnung hoch belastbar.

Bewährt hat sich eine derartige Ausbilduns der In den Zeichnungen ist die Erfindung beispicls-

erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuuinpumpc, weise und rein schematisch dargestellt. Es zeigt

daß die Fläche des Zapfens eine halbkugelförmige Fig. 1 die Turbomolekularvakuumpumpe mit der

Einbuchtung aufweist, in die ein korrespondierender 20 erfindungsgemäßen Lageranc .'.nung, weiche in einen

Teil des Lagers eingreift. Eine derartige Ausbildung Schmiermittelkreislauf eingebaut ist,

der Tragfläche des Zapfens und in entsprechen- F i g. 2 die erfindungsgemäße Lageranordnung in

der Weise des Vorsprungs am Boden der Aus- einem Ausführungsbeispiel,

nchmung erhöht die Belastbarkeit des Lagers und Fig. 2 b ein Ausführungsbeispiel einer hydro-

vermindert die Reibungsverluste. An Stelle einer 25 dynamischen Lageranordnung,

sphärischen Lagerfläche kann z. B. eine Kegelspitze Gleiche Teile sind in verschiedenen Figuren mit

angewandt werden. gleichen Ziffern bezeichnet.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Er- F i g. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung des der findung besteht darin, daß der Zapfen zur Schmier- Erfindung zugrundeliegenden Lagers in einer Turbomittelzufuhr unter Druck in die Ausnehmung in der 30 molekularvakuumpumpe. Im unteren Teil des Pum-Drchwelle oder in dem mit ihr drehbaren Teil wenig- pengehäuses 1 ist die Antriebsvorrichtung 2 — im stens einen Kanal aufweist. Bewährt hat sich hierbei, vorliegenden Falle ein Mittelfrequenzmotor — unterdaß mindestens ein Schmiermittelzufuhrkanal in der gebracht, dessen Läufer 3 sich auf einem feststehen-Längsachse des Zapfens angeordnet ist. den und mit dem Gehäuse verbundenen Zapfen 4

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht 35 dreht. Das Schmieröl wird von einer Förderpumpe 5

darin, daß der Zwischenraum zwischen der Ausneh- über die Druckleitung 6 in einen Zentralkanal des

mung in der Drehwelle oder in dem mit ihr drehbaren feststehenden Zapfens 4 eingespeist uv.A fließt über

Teil und dem feststehenden Zapfen an einer die die Rücklaufleitung 7 und den Entgasungsbehälter 8

Kanäle einbeziehenden Schmiermittelkreislauf ange- und/oder einen geeigneten Filter der Förderpumpe 5

schlossen ist. Hierdurch ist eine stetige Druckölvcr- 40 zu. An der Druckleitung 6 ist ein Windkessel 9 unter

sorgung der Schmierstellen gewährleistet. Die Aus- Zwischenschaltung eines Drosselrückschlagventils 10

bildung der Kanäle hat den Vorteil, daß das Öl nur angeschlossen, der im Notlaufbetrieb automatisch bei

die Innenwand des drehbaren Teils beaufschlagt. Ausfall der Förderpumpe 5 die Schmierölversorgung

diese kühlt und die Ausnehmung praktisch spritzfrei der Lageranordnung übernimmt. In Normalbetrieb

verläßt. 45 der Turbomolekularvakuumpumpe ist es zweck-

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht mäßig, die Förderpumpe bereits vor dem Einschalten

darin, daß eine Fördereinrichtung zur Aufrechterhai- der Antriebsvorrichtung in Betrieb zu setzen, damit

tung eines konstanten Drucks im Schmiermittelkreis- sich an dem Axiallager am oberen offenen Ende des

lauf während des Betriebs der Vakuumpumpe dient. Zapfens ein ausreichender Schmiermitteldruck auf-

Bewährt hat sich hierbei, daß die Fördereinrichtung 50 baut. Der Pumpenrotor besteht aus der Drehwelle 24

aus einer volumetrischen Pumpe besteht. und den auf ihr befestigten Laufschaufelkränzen 20.

Ferner bestr-ht eine weitere Ausbildung der Erfin- Diese sind mit einem solchen Abstand zueinander dung darin, daß ein Windkessel bei Ausfall der For- angeordnet, daß sie mit den bei derartigen Vakuumdereinrichtung automatisch das Schmiermittel mit pumpen üblichen engen Spalten jeweils zwischen zwei Druck beaufschlagt. Alle Maßnahmen, die der Auf- 55 am Gehäuse 1 befestigten Leitschaufelkränzen 21 rechterhaltung eines konstanten Drucks im Schmier- umlaufen. Das Pumpengehäuse weist einen Stutzen mittelkreislauf dienen, haben sich in Betrieb beson- 22 auf, welcher den Anschluß zu einer Vakuumvorders vorteilhaft ausgewirkt, da sie der Erhöhung der pumpe bildet. Auf der gegenüberliegenden Seite der Gleiteigenschaften der Lageranordnung dienen und Turbomolekularvakuumpumpe, der Hochvakuumeine hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer ge- 60 seite — im Ausführungsbeispiel die obere Gehäusewährlcisten. wand —, ist ein Stutzen 23 angebaut. Dieser Sutzen

Bewährt hat sich auch eine solche Ausbildung der weist vorteilhafterweise einen relativ großen Durch-

erfindungsgemäßen Turbomolekularvakuumpumpe. messer auf und steht mit dem evakuierbaren Raum

bei der die Antriebsvorrichtung ein Elektromotor ist in Verbindung.

und das mit der Drehwelle drehbare Teil als Läufer 65 F i g. 2 zeigt die erfindungsgemäße Lagerkonstruk-

des Antriebsmotors ausgebildet ist. Hierdurch wird tion. Der untere Teil der Drehwelle 24, welcher im

wegen der intensiven Innenkühlung des Läufers vorliegenden Falle identisch ist mit dem Läufer 3 des

durch das Schmiermittel eine besonders gute Wärme- Mittclfrequcnzmotors, besitzt eine Ausnehmung 11,

in der zwei Lagerbuchsen 12 angeordnet sind. Der Läufer 3 und der Stator 2 des Motors sind nur durch einen Dichtspalt 17 getrennt. Die Lagerbuchsen sind mit achsparallelcn Bohrungen oder Schlitzen 13 für den Ölrücklauf versehen. Am Boden 25 der Ausnehmung 11 befindet sich ein vorzugsweise sphärisch vorspringendes Lagerelement 14, das sich gegenüber der tragenden, korrespondierend eingebuchteten Fläche 26 des Zapfens 4 frei einstellen kann und als Axiallager dient. Das Drucköl wird der Bohrung 11 durch den Zcntralkanal 15 in dem feststehenden Zapfen 4 und den Schmierkanälen 16 durch die Außenwand 28 und dem Axiallager 14 durch die Tragfläche 26 zugeführt. Das Axiallager ist als hydrostatisches Lager ausgebildet. Zur Schmierung wird eine volumetrische Pumpe mit konstanter Fördermenge verwendet.

Die F i g. 2 b unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsbcispiclen durch das liier verwendete hydrodynamische Lager, welches im Ausführungsbeispiel als sphärisches Spiralrillenlager 32 ausgebildet ist. Die Lagerbüchsen 12 dienen der auch bei den vorangehenden Ausführungsbcispielen vorhandenen Rndiallagcrung.

Wesentlich bei der Erfindung ist, daß das aus den Lagern 12 und 14 austretende öl infolge der Zcntrifugalkräftc in die zylindrische Wandung 27 der Ausnehmung 11 geschleudert wird und dort, ohne den Zapfen 4 zu berühren, nach unten geführt wird, wo es praktisch spritzfrei dem olsammelraum 18 zufließt. Das öl fließt von dort zur Förderpumpe durch eine Abflußöffnung 19 im Gehäuse 1 ab in den ölkrcislauf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Lageranordnung für den Läufer einer Turbomolekularpumpe mit einer von einem Antriebsmotor direkt antreibbaren, vertikal angeordneten Welle, die mittels zweier im Abstand voneinander angeordneter Radiallagcr auf einem feststehenden Zapfen gelagert ist, der mit Scbmicrmiitelzu- und -abführkanälen versehen ist, die an einem Schmiermittelkreislauf angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (24) oder ein mit der Welle drehbares Teil (3) auf der den Schaufelkrünzen abgewandten Seite eine Ausnehmung (11) aufweist, in die der feststehende Zapfen (4) hineinragt, daß der Raum zwischen dem Boden (25) der Ausnehmung (11) und der der Ausnehmung zugekehrten Fläche (26) des Zar· ns (4) mit flüssigem Schmiermittel unter Druck ausfüllbar ist und so ein hydrostatisches oder hydrodynamisches Lager (14) zur Aufnahme im wesentlichen axialer Kräfte bildet, wobei der Zapfen (4) zur Schmiermittelzufuhr mit einem Zentralkanal (15) versehen ist, der zum Axiallager (14) führt und Kanäle (16) aufweist, welche mit der Ausnehmung (11) verbunden sind.

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (26) des Zapfens (4) eine halbkugelförmige Einbuchtung aufweist, in die ein korrespondierender Teil des Lagers (14) eingreift

3. Lageranordnung nrch Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Fördere' !richtung (5) zur Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks im Schmiermittelkreislauf während des Betriebs der Turbomolekularpumpe.

4. Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung aus einer volumetrischen Pumpe (5) besteht.

5. Lageranordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Windkessel, der bei Ausfall der Fördereinrichtung (5) automatisch das Schmiermittel mit Druck beaufschlagt.