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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe.
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Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen weisen eine in einem Pumpengehäuse gelagerte Rotorwelle auf. Die Rotorwelle, die von einer Antriebseinheit, wie einem Elektromotor angetrieben ist, trägt mindestens ein Rotorelement. Hierbei kann es sich um mehrere, Schaufeln aufweisende Rotorelemente handeln zwischen denen jeweils ebenfalls mehrere, Schaufeln aufweisende Statorelemente zur Ausbildung einer Turbomolekularstufe angeordnet sind. Bspw. können derartige Vakuumpumpen auch eine Holweck-Stufe, eine Seitenkanalpumpe und dergleichen aufweisen. Da die Rotorwelle bei Vakuumpumpen, wie Turbomolekurlarpumpen, mit denen ein sehr hohes Vakuum erzeugt werden kann, mit hohen Drehzahlen rotieren, ist es erforderlich, dass die beiden Lagerelemente vorgespannt sind, um die Welle in axialer Richtung zu justieren. Derartige schnelldrehende Rotorwellen werden insbesondere mit einer Drehzahl von bspw. 60000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Trotz des Vorsehens gegeneinander verspannter Lagerelemente kann es im Betrieb zu geringen Axialbewegungen der Rotorwelle kommen. Diese treten bspw. bei einer kurzfristigen Veränderung der geförderten Gasmenge, beim Schalten von Ventilen und dergleichen auf. Derartige Axialbewegungen müssen insbesondere bei Turbomolekularpumpen vermieden werden, da der Abstand zwischen den Rotorscheiben und den Statorscheiben äußerst gering sein muss und somit bereits geringe axiale Verschiebungen zum Berühren dieser Bauteile führen können.
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Aus
EP 2 126 365 ist bekannt, das auslassseitige Lagerelement mit einem spiralförmigen Ausgleichselement zu umgeben. Durch dieses Ausgleichselement, das stets eine Rückstellkraft bewirkt, wird einerseits eine Pendelbewegung der Rotorwelle und andererseits eine geringfüge Axialbewegung der Rotorwelle ausgeglichen. Dieses Ausgleichselement ist allerdings nur zum Ausgleich einer Axialbewegung geeignet, wenn ein verhältnismäßig schwaches Magnetlager als hochvakuumseitiges Lagerelement vorgesehen wird. Diese Anordnung ist beim Vorsehen eines steiferen Lagerelements zum Ausgleich einer ggf. im Betrieb durch Störungen auftretende Axialbewegung nicht geeignet. Die axiale Steifigkeit eines Magnetlagers ist dann hoch, wenn das Lagerspiel eines mechanischen Lagers, wie eines Wälzlagers größer oder nahezu gleich dem Quotienten aus der axialen Vorspannkraft des mechanischen Lagers und der axialen Steifigkeit des Magnetlagers ist. Die Beim Vorsehen eines derartigen steiferen Magnetlagers besteht das Risiko, dass bei einer zu großen Axialbewegung der Rotorwelle das Magnetlager nicht mehr die erforderliche Rückstellkraft erzeugt. Vielmehr bewirkt das Magnetlager bei einer zu großen axialen Auslenkung sogar eine Kraft in Richtung der erfolgten Axialbewegung, sodass ein Zurückstellen nicht mehr möglich ist, sondern eine dauerhafte Schädigung der Rotorelemente erfolgt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Anschlagelement für eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Vakuumpumpe mit schnelldrehender Rotorwelle zu schaffen, durch das auch beim Verwenden von steifen Lagerelementen, insbesondere einem steifen Magnetlager ein dauerhafter sicherer Betrieb der Vakuumpumpe gewährleistet ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Um die im Betrieb ggf. aufgrund von äußeren Einflüssen, wie das Schalten von Ventilen etc., auftretende Axialbewegung der Rotorwelle zu begrenzen, wäre das Vorsehen eines mechanischen Anschlags möglich. Dies führt jedoch dazu, dass zwischen dem Ende der Rotorwelle und dem mechanischen Anschlag, insbesondere aufgrund der hohen Drehzahl der Rotorwelle erhebliche Reibung auftritt, die zum Beschädigen der Rotorwelle sowie des Anschlags führen würde. Dies hat zur Folge, dass insbesondere nach mehreren Anschlägen aufgrund des Abriebs eine Spielvergrößerung hervorgerufen wird, sodass sodann eine größere axiale Auslenkung der Rotorwelle möglich ist, die wiederum zu Beschädigungen der Rotorelemente aufgrund von Berührungen führen kann.
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Erfindungsgemäß ist daher ein eine Axialbewegung der Rotorwelle begrenzendes Anschlagelement vorgesehen, das ein drehbares Begrenzungselement aufweist. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Kontakt der Rotorwelle mit dem Anschlagelement keine nennenswerte Reibung erfolgt, da sich das Begrenzungselement des Anschlagselements mitdrehen kann. Hierdurch ist dauerhaft gewährleistet, dass auch beim Auftreten von Axialbewegungen der Rotorwelle ein Beschädigen der Rotorelemente vermieden ist.
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Um den Axialspalt zwischen der Rotorwelle und dem Begrenzungselemente, insbesondere zwischen dem Ende der Rotorwelle und dem Begrenzungselement exakt einstellen zu können, ist es bevorzugt, dass das Begrenzungselement in dem Anschlagelement spielfrei angeordnet ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich ein definierter Axialspalt nicht verändert.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Begrenzungselement durch Wälzkörper drehbar gelagert. Insbesondere handelt es sich bei dem Begrenzungselement um einen Lagerring eines Wälzlagers oder ein mit einem Lagerring eines Wälzlagers verbundenes Bauteil. Hierbei ist es möglich, ein Axiallager vorzusehen, sodass eine Außenseite eines Lagerrings oder ein mit diesem verbundenes Bauteil als Begrenzungselement dient. Ebenso kann ein Lagerring eines Radiallagers oder ein mit diesem verbundenes Bauteil als Begrenzungselement dienen, wobei sodann insbesondere eine Stirn- oder Schmalseite des Lagerelements als Begrenzungselement dient, das mit der Rotorwelle in Kontakt kommt.
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Um eine bevorzugte spielfreie Anordnung des Begrenzungselements zu realisieren, ist es besonders bevorzugt, ein Spannelement, wie eine Feder, ein Elastomerbauteil oder dergleichen, vorzusehen. Durch dieses Spannelement erfolgt ein Anordnen des Begrenzungselements in spielfreier Lage.
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In bevorzugter Ausführungsform ist zwischen dem Spannelement und dem Begrenzungselement ein drehbares Zwischenelement, wie bspw. ein Wälzlager angeordnet. Hierbei erfolgt die Kraftübertragung sodann von dem Spannelement über das Zwischenelement auf das Begrenzungselement, sodass eine spielfreie Anordnung realisiert ist. Das vorzugsweise als Wälzlager ausgebildete Zwischenelement ist hierbei in bevorzugter Ausführungsform derart angeordnet, dass das Spannelement mit einem der Lagerringe dieses Wälzlagers mittelbar oder unmittelbar verbunden ist. Der anderer Lagerring dieses Wälzlagers ist sodann wiederum mittelbar oder unmittelbar mit dem Begrenzungselement verbunden. Durch das Spannelement wird somit einerseits das in dem als Wälzlager ausgebildeten Zwischenelement vorhandene Lagerspiel herausgenommen und andererseits ist aufgrund der Verbindung zwischen dem Begrenzungselement und dem anderen Lagerring ein freies Drehen des Begrenzungselements im Kontaktfall möglich.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Abschlagelements sind das insbesondere als Wälzlager ausgebildete Zwischenelement und das insbesondere als Lagerring eines Wälzelements ausgebildete Begrenzungselement spielfrei verspannt. Selbstverständlich können jeweils weitere dazwischen angeordnete Bauteile vorgesehen sein, sodass keine unmittelbare Verbindung erfolgt. Ggf. kann desweiteren, insbesondere zur Einstellung der Spielfreiheit eine Spannschraube, eine Spannmutter oder ein ähnliches Einstellelement vorgesehen sein.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform weist das Anschlusselement zwei spielfrei miteinander verspannte Wälzlager auf, wobei einer der Lagerringe oder ein mit zumindest einem der Lagerringe verbundenes Bauteil als Begrenzungselement dient. Insbesondere durch das Vorsehen von zwei Wälzlagern kann einerseits ein spielfreier Anschlag realisiert werden, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, dass das Begrenzungselement frei drehbar ist. Hierdurch ist beim Anschlag der Rotorwelle an das Begrenzungselement der Verschleiß minimiert.
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Insbesondere um einen Axialspalt zwischen der Rotorwelle bzw. einem Ende der Rotorwelle und dem Begrenzungselement exakt einstellen bzw. justieren zu können, weist in bevorzugter Ausführungsform das Anschlagelement ein Anschlaggehäuse auf, das mit dem Pumpengehäuse verbunden ist. Die Verbindung mit dem Pumpengehäuse erfolgt hierbei derart, dass ein axiales Verschieben bzw. Justieren des gesamten Anschlaggehäuses zum Einstellen des Axialspalts möglich ist.
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Zusätzlich oder alternativ zu einem in dem Pumpengehäuse axial justierbaren Anschlaggehäuse ist es möglich, in dem Anschlagelement ein Justageelement zur Einstellung des Axialspaltes vorzusehen. Hierbei kann es sich um ein auf das Begrenzungselement mittelbar oder unmittelbar einwirkendes Justageelement handeln, das bspw. über ein Gewinde axial verschiebbar ist.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Vorspannung der Rotorwelle sehr steif. Da es besonders bevorzugt ist, dass zumindest eines der beiden Lagerelemente, insbesondere das hochvakuumseitige Lagerelement als Magnetlager ausgebildet ist, muss bei einem sehr steifen Magnetlager gewährleistete sein, dass der Axialspalt eine geringe Breite aufweist. Dies ist bei Verwenden des erfindungsgemäßen Anschlagselements möglich, sodass Axialspalte von weniger als 0,1 mm und insbesondere sogar von weniger als 0,05 mm dauerhaft realisierbar sind. Mithilfe des Justageelementes wäre ein ggf. erforderlichenfalls geringfügiges Nachjustieren auf einfache Weise möglich.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und
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3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren ist stets schematisch eine Rotorwelle 10 dargestellt, die nicht dargestellte Rotorelemente, wie Schaufeln einer Turbomolekularpumpen, Elemente einer Holweckstufe oder dergleichen trägt. Die Rotorwelle 10 ist in den bevorzugten Ausführungsformen auf der in den Figuren oberen, hochvakuumseitigen Seite über ein Magnetlager 12 und auf der Auslassseite über ein als Wälzlager 14 ausgebildetes Lagerelement gelagert. Die beiden Lagerelemente 12, 14 sind axial vorgespannt, sodass eine sehr steife Lagerung der Rotorwelle 10 realisiert ist. Die beiden Lagerelemente 10, 12 sind in einem schematisch dargestellten Pumpengehäuse 16 angeordnet.
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Mit dem Pumpengehäuse 16 ist ein Anschlaggehäuse 18 eines Anschlagelements 20 verbunden, wobei die Verbindung bspw. über ein Gewinde erfolgt, sodass durch axiales Verschieben des Anschlagelements 20 in Richtung eines Pfeils 22 ein Einstellen eines Axialspalts 24 möglich ist.
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In der ersten bevorzugten Ausführungsform (1) ist in dem Anschlaggehäuse 18 das untere Ende der Rotorwelle 10 mit einem bspw. aufgeschraubten Anschlagteil 26 verbunden. Dem Anschlagteil 26 gegenüberliegend ist ein in diesem Ausführungsbeispiel als Lagerring 28 eines Axiallagers 30 ausgebildetes drehbares Begrenzungselement angeordnet. Zwischen dem das drehbare Begrenzungselement 28 bildenden Lagerring und dem Anschlagteil 26 ist der Axialspalt 24 ausgebildet. Bei einer Bewegung der Rotorwelle 10 in 1, nach unten, berührt das Anschlagteil 26 das drehbare Begrenzungselement 28, das sodann die Axialbewegung der Welle 10 begrenzt. Da das Begrenzungselement 28 drehbar ist, treten nur geringe Reibungen zwischen dem Anschlagteil 26 und dem Begrenzungselement 28 auf, sodass sich die Breite des Axialspalts 24 nicht aufgrund von Abrieb vergrößert.
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Das als Lagerring ausgebildete Begrenzungselement 28 ist über Wälzkörper 32 drehbar gelagert. Die Wälzkörper 32 sind in einem weiteren Lagerring 34 des Axial-Wälzlagers 30 angeordnet, wobei der Lagerring 34 in dem Anschlaggehäuse 18 fixiert ist.
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Um eine spielfreie Anordnung zu realisieren, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Radiallager 36 vorgesehen. Dieses umgibt im dargestellten Ausführungsbeispiel das Ende der Rotorwelle 10 bzw. das Anschlagteil 26, wobei das Wälzlager 36 das Anschlagteil 26 nicht berührt. Ein äußerer Lagerring 38 des Wälzlagers 36 ist in dem Anschlaggehäuse 18 angeordnet, jedoch nicht eingepresst, sodass eine axiale Verschiebung möglich ist. Auf eine Stirnseite 40 des Lagerrings 38 wirkt ein im dargestellten Ausführungsbeispiel als Feder ausgebildetes Spannelement 42, das sich über einen Zwischenring 44 an einem Ansatz 46 des Anschlaggehäuses abstützt. Die von dem Spannelement 42 hervorgerufene Kraft wird über den äußeren Lagerring auf die Wälzkörper 46 und von diesen auf den inneren Lagerring 48 übertragen. Der innere Lagerring 48 liegt an einer Außenseite 50 des Lagerrings 28 bzw. des Begrenzungselements 28 an. Die Kraft des Spannelements 42 wird somit von dem äußeren Lagerring 48 auf den Lagerring 28 und sodann über die Wälzkörper 32 in den im Anschlaggehäuse 18 fixierten Lagerring 34 übertragen. Durch diese bevorzugte Ausführungsform der Ausgestaltung des Anschlagelements 20 ist eine spielfreie Anordnung des Begrenzungselements 28 realisiert, wobei dieses gleichzeitig frei drehbar ist.
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Bei einem Kontakt des Anschlagteils 26 mit der Fläche 50 des Begrenzungselements 28 wird somit das Begrenzungselement 28 sowie auch der innere Lagerring 48 mitgedreht.
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Optional kann in dem Anschlaggehäuse 18 ein Justageelement 52 anordnet sein, das im dargestellten Ausführungsbeispiel in das Anschlaggehäuse 18 eingeschraubt ist. Somit kann durch Drehen des Justageelements 52 die Breite des Axialspaltes 24 eingestellt werden. Das optionale Justageelement 52 kann jedoch auch entfallen, sodass bspw. ein geschlossenes Anschlaggehäuse 18 vorgesehen ist und die Justage über eine axiale Verschiebbarkeit des Anschlaggehäuses 18 in Richtung des Pfeils 22 erfolgt.
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In den in 2 und 3 dargestellten weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind ähnliche und identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist anstelle des Axiallagers 30 ein weiteres Radiallager 54 vorgesehen, dessen Außenring 56 in dem Anschlaggehäuse 18 angeordnet, jedoch axial verschiebbar ist. Ein Innenring 58 des Wälzlagers 54 ist über Wälzkörper 60 drehbar.
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Zwischen dem inneren Lagerring 58 des Wälzlagers 54 und dem inneren Lagerring 38 des Wälzlagers 36 ist ein Begrenzungselement 62 angeordnet. Der Axialspalt 24 ist sodann zwischen einer Oberseite 64 des Begrenzungselements 62 und dem Begrenzungsteil 26 ausgebildet.
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Die spielfreie Verspannung der beiden Lager 36, 54 erfolgt entsprechend der in 1 dargestellten Ausführungsform mithilfe des Spannelements 42. Die Kraft wird von dem Spannelement 42 wiederum in den äußeren Lagerring 38 und über die Wälzkörper 46 in den inneren Lagerring 48 eingeleitet. Von dem inneren Lagerring 48 erfolgt die Kraftübertragung über das Begrenzungselement 42 in den inneren Lagerring 58 und von diesem über die Wälzkörper 60 in den äußeren Lagerring 56. Bei einem Kontakt des Anschlagteils 26 mit der Fläche 64 des Begrenzungselements 62 erfolgt wiederum ein Mitdrehen des Begrenzungselements 62 zusammen mit den beiden inneren Lagerringen 48, 58. Optional kann zur Justage wiederum ein Justageelement 52 vorgesehen sein, das in das Anschlaggehäuse 18 zur Axialverschiebbarkeit eingeschraubt ist. Das in 2 dargestellte Justageelement 52 wirkt auf den äußeren Lagerring 56 in entgegengesetzter Richtung der durch das Spannelement 42 aufgebrachten Kraft. Das Justageelement 52 kann auch entfallen wobei sodann der äußere Lagerring 56 in dem Anschlaggehäuse 18 fixiert ist und die Justage entsprechend der in 1 dargestellten Ausführungsform über axiales Verschieben des Anschlaggehäuses 18 im Pumpengehäuse 16 in Richtung des Pfeils 22 erfolgt.
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Die in 3 dargestellte weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich wie die in 2 dargestellte Ausführungsform aufgebaut. Der wesentliche Unterscheid besteht darin, dass das Anschlagteil 26, das mit der Rotorwelle 10 verbunden ist, bei dieser Ausführungsform mit einer Stirnseite 66 des inneren Lagerrings 48 des Lagers 36 in Kontakt kommt. Der Axialspalt 24 ist somit zwischen dem Anschlagteil 26 und der Fläche 66 des inneren Lagerrings 48 ausgebildet. Die beiden inneren Lagerringe 48, 58 der beiden Wälzlager 36, 54 sind über ein Verbindungsteil 68 miteinander verbunden. Die Spielfreiheit wird wiederrum über das Spannelement 42 realisiert, das die Kraft entsprechend der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in den äußeren Lagerring 38 einbringt. Die Kraft wird sodann wiederrum über die Wälzkörper 46 in den inneren Lagerring 48, von diesem über das Zwischenteil 68 in den inneren Lagerring 58 und von diesem sodann über die Wälzkörper 60 in den äußeren Lagerring 56 übertragen.
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Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist wiederum das optionale Justageelement 52 vorgesehen, das entgegen der von dem Spannelement 42 aufgebrachten Kraft auf den äußeren Lagerring 56 einwirkt. Beim Vorsehen des optionalen Justageelements 52 ist der Lagerring 56 in dem Anschlaggehäuse 18 axial verschiebbar. Erfolgt die Justage über Verschieben des Anschlaggehäuses 18 über den Pumpengehäuse 16, dann ist der äußere Lagerring 56 in dem Anschlaggehäuse 18 fixiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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