DE69920355T2

DE69920355T2 - Vakuumpumpe mit fanglageranordnung

Info

Publication number: DE69920355T2
Application number: DE69920355T
Authority: DE
Inventors: Fausto Casaro; Larry Hawkins; Patrick Mcmullen; Crawford Meeks; Don Blarney O'LEARY
Original assignee: Varian Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: JP3847796B2; EP0981691A1; WO1999046509A1; DE69920355D1; JP2001525035A; US6071092A; EP0981691B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit einer Fanglageranordnung und insbesondere eine solche Pumpe mit einer Anordnung, die mit einem thermischen Kompensator und einem Axialpositionssensor versehen ist.
Eine Vakuumpumpe wie z.B. eine Turbomolekularpumpe, die typischerweise eine Rotoranordnung mit integralen Rotorscheiben und einen Pumpenkörper mit integralen Statorringen aufweist, ist im US-Patent 5 238 362 beschrieben. Wenn ein solcher Turbomolekularpumpenrotor durch Magnetlager abgestützt ist, kann er vorzugsweise mit Fanglagern versehen sein, die ermöglichen, dass der Rotor sicher die Drehung verlangsamt, ohne die Pumpe zu beschädigen, wenn beispielsweise das primäre Magnetlager-Schwebesystem aufgrund eines Verlusts an elektrischer Leistung deaktiviert wird, eine Überlastung der Magnetlager oder eine Fehlfunktion der Steuerelektronik stattfindet. US A3650581 offenbart eine Vakuumpumpe mit einer Fanglageranordnung. Es ist ferner bevorzugt, eine solche Fanglageranordnung innerhalb der Antriebswelle der Rotoranordnung anzuordnen, um eine kompakte Konstruktion bereitzustellen und eine leichte Wartung zu ermöglichen, wie es im US-Patent Nr. 5 833 374 offenbart ist, das auf Varian, Inc., übertragen wurde.
Außerdem kann die durch die Vakuumpumpe erzeugte Wärme auf die Antriebswelle der Rotoranordnung übertragen werden, was eine Wärmeausdehnung verursacht. Eine solche Ausdehnung der Antriebswelle kann die Zwischenräume zwischen den Fanglageroberflächen und den Innenflächen der Antriebswelle ändern, was sich folglich auf den Eingriff der Fanglager mit der Antriebswelle auswirkt. Die Fanglageranordnung muss mögliche Änderungen der Zwischenräume kompensieren können, um eine optimale Leistung bereitzustellen, sowie ein Mittel zur Überwachung solcher Änderungen bereitstellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Vakuumpumpe mit einer verbesserten Fanglageranordnung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Beschädigung am Rotor und an den Statoren aufgrund eines Ausfalls des Primärlagersystems zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vakuumpumpe mit einer Fanglageranordnung mit einer Rotorantriebswelle und einem Primärlagersystem bereitgestellt, wobei die Fanglageranordnung umfasst:
eine axial langgestreckte Zentralwelle mit einem proximalen und einem distalen Ende;
Ringlager, die auf die Zentralwelle aufgesetzt und an dieser befestigt sind;
einen nahe dem distalen Ende der Zentralwelle angeordneten Sensor zum Erfassen der Position der Antriebswelle bezüglich der Zentralwelle;
wobei die Antriebswelle einen röhrenförmigen Hohlraum mit einem offenen Ende, Seitenwänden und einem geschlossenen Ende aufweist;
wobei die Zentralwelle und die Ringlager innerhalb des Hohlraums angeordnet sind und koaxial zur Antriebswelle angeordnet sind;
dadurch gekennzeichnet, dass die Fanglageranordnung umfasst:
einen Metallring, der am offenen Ende des Hohlraums befestigt ist, und
eine Einheit zum Einschränken der Bewegung der Ringlager entlang der Achse der Antriebswelle, wobei die Einheit an dem Metallring befestigt ist;
wobei die Seitenwände der Antriebswelle mit den Ringlagern in Reibungseingriff stehen, wenn das Primärlagersystem deaktiviert wird.
Die Fanglageranordnung der vorliegenden Erfindung kann die Konstruktionsparameter für den Eingriff der Fanglager durch Kompensieren von Änderungen des Zwischenraums zwischen einer Zentralhohlwelle, an der die Fanglager abnehmbar montiert sind, und den Innenflächen der Antriebswelle der Rotoranordnung besser aufrechterhalten. Die Anordnung der Fanglager innerhalb des röhrenförmigen Hohlraumteils der Antriebswelle ermöglicht eine leichte Abnahme und einen leichten Austausch der Fanglager ohne den Bedarf, die Magnetlager und den Antriebsmotor oder andere Pumpenkomponenten abzumontieren.
Eine Fanglageranordnung, die die vorliegende Erfindung verkörpert und mit der die obigen und weitere Aufgaben gelöst werden können, kann als ein Paar von Fanglagern, die durch einen axialen Abstandhalter getrennt sind, der auf der Außenfläche einer Zentralhohlwelle montiert ist, die innerhalb und koaxial innerhalb eines röhrenförmigen Hohlraums der Antriebswelle der Rotoranordnung angeordnet ist, einen Polymerring, der am Öffnungsende des Hohlraums angeordnet ist und als thermischer Kompensator wirkt, um den axialen Laufzwischenraum der Antriebswelle einzuschränken, und einen Positionssensor, der an der Zentralhohlwelle an ihrem Vorderende zum Überwachen eines solchen axialen Zwischenraums angebracht ist, umfassend charakterisiert werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Positionssensor gekennzeichnet sein als umfassend einen Lichtemitter und einen Lichtempfänger zum Erfassen des axialen Zwischenraums zwischen der Zentralhohlwelle an ihrem Vorderende, welches einer Reflexionszielfläche zugewandt ist, die am geschlossenen Ende des Hohlraums in der Antriebswelle angebracht ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die zugehörige Figur, die in diese Beschreibung aufgenommen ist und einen Teil von dieser bildet, ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Fanglageranordnung, die diese Erfindung verkörpert, und dient zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das vorstehend erwähnte US-Patent 5 238 362, herausgegeben am 24. August 1993 an Casaro et al., wird durch Bezugnahme als eine Hochvakuumpumpe mit einer bestimmten Anzahl von Pumpstufen beschreibend hierin aufgenommen, die eine Fanglageranordnung dieser Erfindung enthalten kann. Jede Stufe besteht aus einem Rotor und einem Stator, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist. Die Fanglageranordnung ist als Sicherheitssystem vorgesehen, um dem Rotor zu ermöglichen, unbeschädigt die Drehung zu verlangsamen, wenn das Primärlagersystem deaktiviert wird.
Wie in der Figur gezeigt, weist die Rotorantriebswelle 10 einen hohlen, röhrenförmigen Hinterendteil, der einen Hohlraum 13 mit geschlossenem Ende bildet, wobei die Öffnung vom Pumpenrotor 14 distal ist, und eine Zentralhohlwelle 12, die innerhalb des hohlen Inneren der Antriebswelle 10 in einer koaxialen Beziehung zu dieser angeordnet ist, auf. Die Zentralhohlwelle 12 ist Flucht-zu-Flucht mit Fanglagern 15 versehen und an einer Endscheibe 31 befestigt, die zusammen eine Fanglager-"Kassette" bilden. Im Allgemeinen weisen Kugellager hinsichtlich der Lebensdauer begrenzte Eigenschaften auf und müssen während der Wartung gelegentlich ausgetauscht werden. Die vorliegende Erfindung verbessert das leichte Vorsehen einer solchen Wartung erheblich, da der Rotor 14, die Magnetlager 16 (ein Außenmagnetlager 16a und ein Innenmagnetlager 16b) und/oder der Antriebsmotor 19 für die Vakuumpumpe nicht abmontiert werden müssen, um zu den Fanglagern zu gelangen. Die Fanglagerkassette kann einfach gelöst und die Fanglager ausgetauscht werden.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei Paare von Fanglagern 15 (ein Außenfanglagerpaar 15a und ein Innenfanglagerpaar 15b) an der und um die Hohlwelle 12 montiert. Die Außenfanglager 15a und die Innenfanglager 15b sind "aneinanderliegende" doppelte Paare von Schrägkontakt-Kugellagern. Wie in der Figur gezeigt, weisen die äußeren Ringe für die Innenfanglager 15b einen kleineren Durchmesser auf als jene der Außenfanglager 15a. Die Schrägkontakt-Kugellager drehen sich, wenn ein axialer und/oder radialer Druck auf ihre äußeren Ringe aufgebracht wird. Es ist möglich, andere Arten von Lagern zu verwenden und die Anzahl von verwendeten Fanglagern auf der Basis der Größe der Rotorantriebswelle zu verändern.
Eine röhrenförmige Abstandshülse 17 ist zwischen die Außen- und die Innenfanglager 15a und 15b eingefügt, welche zum Aufrechterhalten eines festgelegten axialen Abstandes zwischen diesen und zum zweckmäßigen Vorbelasten der Stützen, wenn die Mutter 18 aufgeschraubt wird, dient. Eine sicherbare Gewindemutter 18 um die Hohlwelle 12 ist vorgesehen, um die Außenfanglager 15a, die Abstandshülse 17 und die Innenfanglager 15b zu befestigen und axial nach unten zu spannen. Die Richtung des Gewindes an der sicherbaren Mutter 18 ist so festgelegt, dass verhindert wird, dass die sicherbare Mutter 18 durch das Drehmoment infolge Drehverlangsamung abgeschraubt wird.
Die äußeren Ringe der doppelten Fanglager 15 weisen Außendurchmesser auf, die ermöglichen, dass sie gemäß vorbestimmten Konstruktionszwischenräumen innerhalb den röhrenförmigen Hohlraum 13 der Antriebswelle 10 passen. Die Bohrung des Hohlraums 13 ist gerade groß genug, um einen radialen Zwischenraum vorzusehen, um zu ermöglichen, dass sich die Antriebswelle 10 unter normalen Umständen dreht, ohne die Fanglager 15 zu berühren. Die Innenfläche des röhrenförmigen Hohlraums der Antriebswelle 10 steht mit den äußeren Ringen der Fanglager 15 im Fall, dass das primäre Schwebemagnetlagersystem unerwartet ausfällt oder abschaltet, in Reibungseingriff.
Die Fanglager dienen auch als axiales Sicherheits-Positionssteuermittel, da sich die Rotoranordnung im Fall eines Verlusts an magnetischer Schwebung axialer Richtung bewegt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Bohrung des röhrenförmigen Hohlraums in der Antriebswelle 10 mindestens einen Absatz auf, der eine Stufe bildet. Wie in der Figur gezeigt, ist die Bohrung des röhrenförmigen Hohlraums 13 nicht gleichmäßig und die Stufe 11 ist vorgesehen, um die axiale Bewegung der Rotoranordnung in einer axialen Richtung zu steuern. Die zum Ausbilden der Stufe 11 verwendete Bohrung ist kleiner bemessen als der Außendurchmesser der äußeren Ringe der Innenfanglager 15b, wodurch die axiale Bewegung der Rotoranordnung eingeschränkt wird. Die Stufe 11 steht mit dem äußeren Ring der Innenfanglager 15b in Reibungseingriff, wenn das primäre Schwebemagnetlagersystem unerwartet ausfällt oder abschaltet.
Wie in der Figur gezeigt, ist ein flanschförmiger Metallring 20 an einer Polymerhülse 21 befestigt und am offenen Ende des Hohlraums 13 in der Antriebswelle 10 für den Zweck der Steuerung der Bewegung der Rotoranordnung in der axialen Richtung entgegengesetzt zur Stufe 11 befestigt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Polymerhülse 21 eine Metallkappe 22 auf, die dazu ausgelegt ist, in das offene Ende des Hohlraums 13 zu passen, und der Innendurchmesser der Metallkappe 22 ist so bemessen, dass er kleiner ist als der Außendurchmesser der äußeren Ringe der Außenfanglager 15a, wodurch die axiale Bewegung der Rotoranordnung eingeschränkt wird. Der Flansch 20 ist an der Antriebswelle 10 durch eine Reihe von Schrauben 35 befestigt. Mit anderen Worten, die Stufe 11 und die Metallkappe 22 dienen zusammen als axiales Steuermittel zum Vorsehen von bidirektionalen axialen Sicherheitskontaktflächen, um die axiale Bewegung der Rotoranordnung im Fall eines Schwebungsverlusts zu begrenzen. Wenn sie sich in der richtigen Position befindet, steht das Vorderende der Metallkappe 22 mit dem äußeren Ring der Außenfanglager 15a in Reibungseingriff, wenn das primäre Schwebemagnetlagersystem unerwartet ausfällt oder abschaltet.
Die Fanglageranordnung der vorliegenden Erfindung kann mögliche Änderungen in den axialen Zwischenräumen kompensieren, um eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten. In Vakuumpumpen können eine Gasreibung, Wirbelströme, Hystereseverluste und andere Effekte die Antriebswelle der Rotoranordnung erhitzen, was eine Wärmeausdehnung der Antriebswelle verursacht. Eine solche Wärmeausdehnung der Antriebswelle kann die Zwischenräume zwischen den äußeren Ringen der Fanglager und den entsprechenden Kontaktflächen an der Antriebswelle ändern, was sich somit auf die Eingriffsparameter der Fanglager auswirkt. Um Änderungen in den axialen Zwischenräumen zu verhindern, besteht die Polymerhülse 21 vorzugsweise aus einem Material mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (wie im Fall einer Polymer- gegen eine Stahlwelle) als die Rotorwelle 10. wenn die Antriebswelle 10 erhitzt wird und sich ausdehnt, dehnt sich die Polymerhülse 21 nach innen aus, um den axialen Zwischenraum mit den Außenfanglagern 15a aufrechtzuerhalten. Somit kompensiert die Ausdehnung der Polymerhülse 21 jegliche Ausdehnung der Antriebswelle 10.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Axialpositionssensor 25 in die Hohlwelle 12 an ihrem Vorderende eingesetzt. Der Positionssensor 25 ist vorzugsweise ein optischer Infrarotdetektor, der Licht emittiert, das an einem Ziel 28 mit planarer Oberfläche, das sich am geschlossenen Ende des Hohlraums 13 befindet, zurückreflektiert wird. Der optische Detektor umfasst eine Miniaturleuchtdiode (nicht dargestellt) und einen Phototransistordetektor (nicht dargestellt), der in eine Harzkapsel eingesetzt ist. Der vom Axialpositionssensor 25 entnommene elektrische Strom ändert sich als Funktion des am Ziel 28 reflektierten Lichts, was direkt mit dem axialen Zwischenraum zwischen den Innenfanglagern 15b und der Stufe 11 sowie der Position der Antriebswelle 10 relativ zur Hohlwelle 12 in der axialen Richtung korreliert. Die Steuereinheit (nicht dargestellt) für das Magnetlager-Schwebesystem überwacht die Stromentnahme des Axialpositionssensors 25 und steuert den Fanglagerzwischenraum durch Aufrechterhalten eines konstanten Spalts zwischen dem Axialpositionssensor 25 und der Zieloberfläche 28.
Die Anordnung des Axialpositionssensors 25, wie vorstehend beschrieben, hat mehrere Vorteile. Seine Nähe zum gewünschten axialen Steuerort minimiert den Fehler beim Messen der Position der Antriebswelle 10, der durch Wärmeausdehnung in dem Bereich zwischen der Stufe 11 und dem Ziel 28 mit planarer Oberfläche verursacht werden kann. Die Anordnung des Positionssensors 25 in der Hohlwelle 12 innerhalb des röhrenförmigen Hohlraums 13 schützt den Sensor auch vor einer Verunreinigung aufgrund von aggressivem gepumpten Gas. Die einzige potentielle Verunreinigungsquelle sind Verschleißteilchen von den Fanglagern 15 und eine Abschirmung (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um zu verhindern, dass solche Teilchen den Positionssensor 25 erreichen. Schließlich hilft die Anordnung des Axialpositionssensors 25 innerhalb der Hohlwelle 12, die Größe des Pumpengehäuses 35, die für das Magnetlagersystem erforderlich ist, zu minimieren, und hilft, den Sensor vor einer mechanischen Beschädigung zu schützen.
Das vorstehend zusammen mit der Figur beschriebene Beispiel soll den Schutzbereich der Erfindung nicht begrenzen. Viele Modifikationen und Abänderungen sind innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung möglich. Radiale Sensoren 30 zum Erfassen von Änderungen der Zwischenräume in den radialen Richtungen können beispielsweise vorgesehen werden. Obwohl die Figur die radialen Positionssensoren 30 außerhalb der Rotorwelle 10 zeigt, können sie innerhalb der Zentralwelle 12 angeordnet sein, um die Pumpengröße zu minimieren und die Messfühler zu schützen. Die radialen Sensoren können exakt im gleichen Abschnitt axial angeordnet sein, in dem ein radiales Stellglied (durch die Ziffer 16 in der Figur angegeben) angeordnet ist, was Vorteile bezüglich der Verschiebungserfassungsgenauigkeit und der Steuerlogikeinfachheit bereitstellt. Obwohl vorstehend auf einen optischen Sensor Bezug genommen wurde, können Sensoren einer anderen Art verwendet werden. Kurz gesagt, sollen solche Modifikationen und Abänderungen, die für einen Fachmann ersichtlich sein können, innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung liegen.

Claims

Vakuumpumpe mit einer Fanglageranordnung mit einer Rotorantriebswelle (10) und einem Primärlager- (16) System, wobei die Fanglageranordnung umfasst: eine axial langgestreckte Zentralwelle (12) mit einem proximalen und einem distalen Ende; Ringlager (15), die auf die Zentralwelle (12) aufgesetzt und an dieser befestigt sind; einen nahe dem distalen Ende der Zentralwelle (12) angeordneten Sensor (25) zum Erfassen der Position der Antriebswelle (10) bezüglich der Zentralwelle (12); wobei die Antriebswelle (10) einen röhrenförmigen Hohlraum (13) mit einem offenen Ende, Seitenwänden und einem geschlossenen Ende aufweist; wobei die Zentralwelle und die Ringlager innerhalb des Hohlraums (13) angeordnet sind und koaxial zur Antriebswelle angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Fanglageranordnung umfasst: einen Metallring (20), der am offenen Ende des Hohlraums (13) befestigt ist, und eine Einheit zum Einschränken der Bewegung der Ringlager entlang der Achse der Antriebswelle (10), wobei die Einheit an dem Metallring (20) befestigt ist; wobei die Seitenwände der Antriebswelle (10) mit den Ringlagern (15) in Reibungseingriff stehen, wenn das Primärlagersystem deaktiviert wird.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 1, wobei die Einschränkungseinheit ferner einen Hülsenteil (21) mit einer Kappe (22) aufweist, der sich entlang der Seitenwände des Hohlraums (13) zwischen der Antriebswelle (10) und der Zentralwelle (12) nach innen erstreckt.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 2, wobei der Hülsenteil (21) aus einem Polymermaterial besteht und die Kappe (22) aus Metall besteht.
Vakuumpumpe mit der Fanganordnung nach Anspruch 3, wobei der Sensor (25) zum Erfassen der axialen Position der Antriebswelle (10) bezüglich der Zentralwelle (12) dient.
Vakuumpumpe mit der Fanganordnung nach Anspruch 4, wobei die Zentralwelle röhrenförmig ist und der Sensor innerhalb eines hohlen Teils der Zentralwelle an ihrem distalen Ende gehalten wird.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 5, wobei der Rotorantrieb eine lichtreflektierende Innenfläche (28) aufweist, die sich am geschlossenen Ende des Hohlraums befindet, und der Sensor (25) zur lichtreflektierenden Innenfläche unter Einhaltung eines Zwischenraus in einer gegenüberliegenden Beziehung steht.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 6, wobei der Sensor einen Lichtemitter und einen Lichtempfänger umfasst.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 3, welche ferner eine röhrenförmige Hülse um die Zentralwelle umfasst, die zwischen einem ersten und einem zweiten Ringlager angeordnet ist, und wobei sich das erste Ringlager nahe dem distalen Ende der Zentralwelle befindet und sich das zweite Ringlager nahe dem proximalen Ende der Zentralwelle befindet.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 8, wobei die Polymerhülse einen höheren wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die Antriebswelle und der Hülsenteil eine vordere Kappe aufweist, die mit dem zweiten Ringlager in Reibungseingriff steht und zum Einschränken der axialen Bewegung der Antriebswelle wirkt, wenn das Primärlagersystem deaktiviert wird.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 8, welche ferner einen Stufenteil (11) in den Seitenwänden der Antriebswelle umfasst, der den Durchmesser des Hohlraums verringert, wobei der Stufenteil (11) der Seitenwand der Antriebswelle mit dem ersten Ringlager in Reibungseingriff steht und zum Einschränken der axialen Bewegung der Antriebswelle wirkt, wenn das Primärlagersystem deaktiviert wird.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 3, wobei das Primärsystem ein Magnetlager-Schwebesystem ist.
Vakuumpumpe mit der Fanglageranordnung nach Anspruch 3, wobei die Zentralwelle (12) entfernbar innerhalb des Hohlraums angeordnet ist und die Ringlager (15) abnehmbar an der Zentralwelle befestigt sind.