DE2034327A1 - Turbomolekularpumpe mit Flutein richtung - Google Patents

Description

• Turbomolekularpumpe mit Fluterinrichtung (Zusatz zu : P 1 809 902) Die Erfindung betrifft Turbomolekularpumpen mit einem mehrstufigen Druckstufensatz oder mehreren in Bezug auf die Hochvakuumseite parallel geschalteten mehrstufigen Druckstufensätzen und einem einer Zwischendruckstufe jedes Druckstufensatzes zwischen der Vorvakuum- und der Hochvakuumseite der Turbomolekularpumpe zugeordneten gazeinlaß (nach Patentanmeldung P 1 809 902).
• Ein solcher Gaseinlaß kann u.a. dazu dienen, die Pumpe während ihrer Auslafseit mit einem Gas, z.B. trockener Luft, zu fluten, um das Vordringen von Öldämpfen aus den Lagern oder aus der Vorvakuumpumpe auf die Hochvakuumseite der Turbomolekularpumpe zu verzögern. Wenn bei Stromausfall oder nach dem Ausschalten die Turbomolekularpumpe automatisch geflust werden soll, und hierfür ein einfaches auf Stromunterbrechung ansprechendes, automatisches Ventil verwendet wird, ergibt sich der Nachteil, daß z.B. auch bei nur kurszeitigem Stromausfall das Ventil öffnet, und Gas in die Pumpe eingelassen wird, was zur Folge hat, daß für die Wiederevakuierung das an die Pumpe angeschlossenen Rezipienten nach dem Stromausfall ein großer Zeitaufwand erforderlich ist.
• Andererseit@ wäre bei nur kurzzeitigen Stromausfall ein Fluten der Turbomolekularpumpe nicht nötig, weil diese wegen ihrer langen Auslaufzeit, die je nach Größe der Pumpe 10 bis 120 Minuten betragen kann, in der Lage ist, das Vakuum auch ohne motorischen Antrieb noch eine gewisse Zeit aufrecht zu erhalten, da die leitung zur Vorpumpe üblicherweise bei Stromausfall automatisch abgesperrt wird, und somit von der Vorvakuumseite her kein Lufteinbruch erfolgen kann. Die Turbomolekularpumpe pumpt in diesem Fall in die Vorvakuumleitung bzw. in einen besonderen Vorvakuumbehälter. Im allg. ergibt sich noch ein genügend hohes Druckverhältnis für schwere Gase, insbesondere für Öldämpfe und deren Crackprodukte, solange die Drehzahl der Turbomolekularpumpe einen gewissen Wert nicht unterschreitet. Dieser Wert ist abhängig von der Bauart der Turbomolekularpumpe; er kann z.B. 30 % der Nenndrahzahl betragen.
• Man kann das vorzeitige Fluten der Turbomolekularpumpe bei nur kurzeitigem Stromausfall durch Zusatzaggregate verhindern, die unabhängig vom Stromnetz sind. Man kann z.B. mechanische oder elektrische Steuerungen vorsehen, die erst eine gewisse Zeit nach dem Stromausfall das Gazeinlaßventil öffnen. Bekannt sind solche verzögerten Steuerungen, die von Akkumulatoren, Kondesatorbatterien, Uhrwerken oder ähnlichem verzorgt werden. allen diesen Vorrichtungen haftet aber der Nachteil an, daß der Gazeinlaß nur von der Zeit, nicht aber von der Drehzahl der Turbomolekularpumpe abhängt.
• Da insbesondere große Turbomolekularpumpen lange Auslaufzeiten haben, also auch lange Stromausfallzeiten überbrücken könnten, sind entsprechend aufwendige Zeitglieder notwendig.
• Aufgabe der Erfindung ist es, aufwendige Zeitsteuerungen für das Geseinlaßventil zu vermeiden, und die Turbomolekularpumpe erst dann zu fluten, wenn es notwendig ist, d.h., wenn ihre Drehzahl soweit angesunken ist, daß Öldämpfe von der Vorvakuum- zur Hochvakuumseite gelangen könnten.
• Die Erfindung ißt daduroh gekennzeichnet, daß als Geseinlaßventil ein unter Strom schließendes, elektromagnetisches Ventil vorgehen ist, welches mindestens eine Wicklung enthält, wobei diese Wicklung mindestens von einem Generator gespeist wird, der direkt oder indirekt mit der Pumpenwelle gekoppelt ist, so daß das Ventil geschlossen ist, wenn die Drehzahl der Pumpenwelle über einem festgelegten Wert liegt, und weitere Mittel vorgesehen sind, die bewirken, daß das Ventil zumindest während der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe geschlossen ist.
• Der mit der Pumpenwelle gekoppelte Generator besteht im einfachsten Fall aus einem rotierenden Permanentmagneten und einer diesen umgebenden Spule. Vorteilhafterweise paßt man den Generator an das Antriebssystem der Turbomolekularpumpe an. Ii folgenden sind einige ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
• Fig. 1 zeigt eine Turbomolekularpumpe mit Fluteinrichtung, nach Patentanmeldung P 1 809 902. In einem zylindrischen Gehäuse 1 mit einem Saugstutzen 2 in der Mitte und zwei Vorvakuumräumen 3 an beiden Gehäuseenden, die zu einem Stutzen 4 zusammengefaßt sind, an dem eine Vorvakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossen wird, dreht sich eine Welle 5 mit darauf befestigten Laufrädern 6, zwischen denen im Gehäuse 1 befestigte Leiträder 7 angeordnet sind. Die Räder besitzen in bekannter Weise zur Radebene schräg verlaufende Kanäls. Je ein Laufrad 6 und ein benachbartes Leitrad 7 bilden eine druckstufe. Die Druckerhöhung erfolgt symmetrisch in den druckstufen@ätzen, die aus mehreren, hintereinandergeschalteten Druckstufen bestehen vom Hochvakuumraum 8 zu den beiden Vorvakuumräumen 3 des gehäuses 1 hin.
• Die Pumpenwelle 5 wird in diesem fall von einem kollektorlosen Gleichstrommotor angetrieben, dessen Rotor aus einem auf dem Zapfen 9 der Pumpenwelle 5 befestigten Permanentmagneten 10 besteht. Das Lagerschild 11 trägt den Eisenkern 12 und die Arbeitswicklungen 13 des Motors. Der Motor wird von einem Steuergenerator über Transistoren 14 gesteuert. Der Steuergenerator besteht aus einem auf dem Zapfen 15 der Pumpenwelle 5 befestigten Permanentmagneten 16. Der Eisenkern 17 und die Spulen 18 des Steuergenerators sind am Lagerschild 19 befestigt. Die Förderrichtung der Pumpe ist durch Pfeile gekennzeichnet. Die Stellen für den Gaseinlaß 20 befinden sich bei einer Zwischendruckstufe jedes Druckstufensatzes, die zwischen der Vorvakuum- und der Hochvakuumseite der Pumpe liegt. Im Ausführungsbeispiel sind die Gaseinlässe 20 durch eine Rohrleitung 21 verbunden, die bei 22 durch ein unter Strom schließendes, elektromagnetisches Ventil nach Außen abgeschlossen ist.
• Fig. 2 zeigt ein bekanntes elektromagnetisches Ventil, das bei Stromausfall öffnet. Das Ventil wird mit einem Flansch 23 bei 22 (Fig. 1) mit der Rohrleitung 21 verbunden. es besteht aus einem Gehäuse 24, mindestens einer Spule 25 und einem Stempel 27, der an seinem oberen Ende eine Elastomerdichtung 28 trägt. Je nach Ausführungsform der Erfindung kann das ventil eine weitere Spule 26 enthalten. Bei erregung der Ventilspulen 23 und/oder 26 wird der Stempel 27 mit der Dichtung 28 gegen dem Ventilsitz 29 gedrückt und schließt so die Räume 30, (mit Rohrleitung 21 in Fig. 1 verbunden) und 31 (Atmosphärendruck) voneinander ab. Bei Stromausfall fällt der Stempel mit der Dichtung von Ventilsitz ab, wodurch Gas von Raum 31 über den Raum 30 in die Rohrleitung 21 strömen kann.
• Ein Ausführungsbeispiel des generators, der die Stromversorgung des Ventils bei Netzstromausfall übernimmt, ist in Fig. 1 gezeigt. Sowohl der Motor (10, 12, 13) als auch der Steuergenerator 816, 17, 18) können als Generator verwendet werden. Die auf der Pumpenwelle 5 befestigten Permanentmagnete 10 bzw. 16 laufen vorzugsweise unter Vorvakuumdruck. Die Hauben 32 bzw. 33 bilden dann die Abdichtung gegen den Atmosphärendruck.
• Im Folgenden werden in den Beispielen Schaltungen angegeben, mit deren Hilfe das Gaseinlaßventil bei Stromausfall gesteuert werden kann.
• In Fig. 3a ist eine Anordnung dargestellt, bei der das Ventil 34 zwei voneinander getrennte Wicklungen 23 und 26 besitzt, wovon die eine Wicklung parallel zum Antriebmotor 35 der Turbomolekularpumpe 36 geschaltet ist, so daß das Ventil 34 schließt, wenn der Antriebmotor 35 eingeschaltet ist und die andere Wicklung 26 vom Generator 37, der mit der Welle der Turbomolekularpumpe mechanisch gekoppelt ist, und die Stromquelle 38 bildet, gespeist wird. Die Ventilwicklung 25 und der Antriebmotor 35 werden von derselben Stromquelle 39 gespeist. Je nach Ausführungsform des Ventils 34 können elektrische Unsetzer 40 bzw. 41 (gestrichelt eingerahmt), die Gleichrichter und/oder Transformatoren, oder ähnliches, enthalten, in die Verzorgungsleitungen der Ventilspulen geschaltet werden. Beim Einschalten der Stromquelle 39 werden der Motor 35 der Turbomolekularpumpe 36 und die Spule 25 des Ventils 34 erregt, läuft die turbomolekularpumpe 36 an und das Ventil 34 wird geschlossen. Da die Welle der Turbomolekularpumpe 36 mit de Generator Yt, der die Stromquelle 38 bildet, gekoppelt ist, wird auch die Ventilspule 26 erregt. Fällt während des normalen Betriebs, d.h., bei mit nenndrahzahl laufender Turbomolekularpumpe, die Stromquelle 39 aus, wird die Ventilspule 25 nicht mehr erregt. Das Ventil bleibt sunächst jedoch geschlossen, da die Ventilspule 26 weiter vom Generator 37 gespeist wird. Untersehreitet der mit der auslaufenden Turbomolekularpumpe 36 gekoppelte Generator 37 eine festgelegte Drehzahl, reicht der vom Generator erzeugte Strom nicht mehr aus, das Ventil 34 geschlossen zu halten, d.h., das ventil öffnet und die auslaufende Turbomolekularpumpe wird geflutet.
• Verwendet man ein ventil für Gleichstromerregung, kann man die Schlatung vereinfachen, wie Fig. 3b seigt. Hier besitzt das Ventil nur eine Spule 25, die ggf. unter Zwischenschaltung von elektrischen Umsetzern 40 und/oder 41 mit beiden Stromquellen verbunden ist. Eine Polarität (im gezeichneten Fall die Pluspolo) der Stromquellen ist direkt mit einem Anschluß der Ventilspule 25 verbunden, während die andere polarität (im geseichneten Fall die Minuspole) der Stromquellen veneinander mit Hilfe von Gleichrichtern 42 und 43 glecihstrommäßig getrennt werden, so daß kein Stromfluß von der einen Stromquelle 38 in die andere Stromquelle 39 stattfinden kann. Beim Einschalten der Stromquelle 39 werden der Motor 35 und die Ventilspule 25 erregt. Die Gleichrichter 42 und 43 wirken als elektrische Weichen. Je nach Betriebszustand der Turbomolekularpumpe kann daher jede der Stromquellen das Ventil gesehlossen halten, aber eine Stromquelle die andere nicht beeinflussen.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 3c.
• hier besitzt das Ventil obenfalls zur eine Wicklung 25. Es wird je nach Betriebszustand des Antriebsmotors nur von einer der beiden Stromquellen erregt. Der Antriebmotor wird in diesem Fall über einen Schutz 46 oder ein relais geschaltet. Mit diesem Schütz ist ein zweipoliger Umschalter 45 gekoppelt, der bei Ausfall der Stromquelle 39 und damit bei Unterbrechung der Stromversorgung des Antriebsmotors abfällt und gleichzeitig die vom generator 37 gebildete Stromquelle 38 an die Ventilwicklung umschaltet.
• Die Schaltzeit während den Umschaltvorganges von der einen Stromquelle auf die andere kann, wenn notwendig, durch ein RC-Glied, bestehend aus einer Kapazität 48 und einem Widerstand 49, überbrückt werden, das kurzzeitig die Stromversorgung des ventils übernimmt, damit das ventil während der Umschaltzeit nicht abfallen kann. Ebenso wie in Fig. 3a können nach Bedarf elektrische Umsetzer 40 bzw. 41 verwendet werden. Die aus den beiden Gleichrichtern 42 und 43 in Fig.
• 3b gebildete elektrische Weiche wird in diesem Fall durch einen mechanisch betätigten, elektrischen Umschalter 45 ersetzt.
• Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Ventilsteuerung bei einer Turbomolekularpumpe mit kollektorlosem Gleichstrommotor.
• Der Motor besitzt vier Arbeitzwicklungen, 48, 49, 50, 51, die über eine Steuerung 52 gespeist werden. In der Anlaufphase und während des normalen betriebs der Turbomolekularpumpe wird die Ventilspule 25 von der Stromquelle 39, die auch den Motor speist, gespeist. Fällt die Stromquelle 39 aus, kann der Motor als generator (Stromquelle 38) verwendet werden. Die Arbeitzwicklungen speizen dann über die Gleichrichter 53, 54, 55, 56 die Ventilspule 25. Die Gleichrichter 53 und 56 und 57 erfüllen den gleichen Zweck wie die Gleichrichter 42 und 43 in Fig. 3b, sie bilden eine Weiche für die Stromquellen 38 und/oder 39 an die Ventilspule 25. Die Schaltungen der Fig. 3 in den strich-punktiert umrahmten Feldern lassen sich sinngemäß anwenden.
• Es sind Turbomolekularpumpe bekannt, die von einem Drehfeldmotor 58 angetrieben werden, der von einem Drehstromgenerator 59 gespeist wird (Fig. 6). Dieser Drehstromgenerator wird seinerseits über eine ein annähernd konstantes Drehmoment übertragende Kupplung 60 von einem weiteren Motor 61 angetrieben. Bei einer solchen Antriebsart kann der Drehstromgenerator 59 als Stromquelle 38 für die Ventilspule benutzt werden. Die Stromquelle 39 speist den Motor des Drehstromgenerators. Dieser ist nicht wie in den bisherigen Fällen der Fig. 3 und 4 mechanisch, sondern elektrisch Über den Drehfeldmotor mit der Welle der Turbomolekularpumpe gekoppelt. Auch hier sind die Schaltungen in den stricht-punktiert umrahmten Feldern der Fig.
• 3a bis c möglich.
• Während alle bisher beschriebenen Ausführungen zwei getrennte Stromquellen 38 und 99 fUr die Ventil spule 25 und/oder 26 benötigen, zeigt Fig. 5 eine Anordnung, in der das Ventil nus eine einzige Spule 25 besitzt. Diese Spule wird nur vom Generator 37 ggf. unter Zwischenschaltung eines elektrischen Umsetzers 41, gespeist. Der Generator 37, dar die Stromquelle 38 bildet, ist mit dem Antriebsmotor 35 gekoppelt, dar über eine Kupplung 62, die ein begrenztes Drehmoment überträgt (Rutschkupplung) die Welle der Turbomolekularpumpe 36 antriebt. Wird die Spannungsquelle 39 eingeschaltet, läuft der Motor in kurzer Zeit bis zu seiner Betriebsdrehzahl hoch und nimmt den Generator 37 mit. Die turbomolekularpumpe 36 kommt wegen der Rustschkupplung nur allmählich auf Drehzahl. Da der Generator 37 fast sofort nach dem Einschalten des Motors 35 die volle Spennung abgibt, schließt das Ventil 34 bereitz zu Beginn der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe 36. Fällt die den Motor 35 speisende Stromquelle 39 aus, wird der generator 37 über die Rutschkupplung 58 von der Welle der Turbomolekularpumpe 36 angetrieben. Die Kupplung 62 wirkt in diesem Fall als mechanischer Schalter, indem der Generator 37 in der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe über den Motor 35 von der Stromquelle 39 angetrieben wird, bei Ausfall der Stromquelle 39 über die Kupplung 62 von der welle der Turbomolekularpumpe. Diese Anordnung des Generators ist auch beim oben beschriebenen Drehstromantreieb möglich.
• Die zuletzt beschriebene Kupplung des generator 37 mit dem Motor 35 während der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe 36 und die Kopplung mit der Welle der Turbomolekularpumpe über die Kupplung 58 während der Auslauphase der Turbomolekularpumpe hat den Vorteil, daß keine Zusatzteile, z.B. Schalter, Weichen udgl. verwendet werden züssen, und das Ventil nur eine Spule 25 enthält.

Claims (9)

1.) Turbomolekularpumpe mit einem mehrstufigen Druckstu-

fensatz oder mehreren in Bozug auf die Hochvakuumseite parallel geschalteten mehrstufigen Druckstufensätzen und einem einer Zwischendruckstuffe jedes Druckstufensatzes zwischen der Vorvakuum- und der Hochvakuumseite der Turbomolekularpumpe zugeordneten Gaseinlaß (nach Patentanmeldung P 1 809 902) dadurch gekennzeichnet, daß als Gaseinlaßventil ein unter Strom schließendes, elektromagnetisches Ventil vorgesehen ist, welches mindestens eine Wicklung enthält, wobei dieser Wicklung mindestens von einem generator gespeist wird, der direkt oder indirekt mit der Pumpenwelle gekoppelt ist, so daß das Ventil ges ossen ist, wenn die Drehzahl der Pumpenwelle über einem festgelegten Wert liegt, und weitere Mittel vorgesehen sind, die bewirken, daß das ventil zumindest während der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe geschlossen ist.

2.) Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekkenzeichnet, daß die weiteren Mittel, die bewirken, daß das Ventil zumindest während der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe geschlossen ist, aus einer weitern Spule des Ventils bestehen und diese Spule parallel zum Antriebmotor, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines elektrischen Umsetzers, angeschlossen ist, wodurch diese wietere Spule und der Antriebsmotor aus der gleichen Stromquelle gespeist werden.

3.) Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil nur ein. Spule besitzt, und die weiteren Mittel, die bewirken, daß dasVentil zumindest während der Anlaufphase der Turbomolekularpumep geschlossen ist, aus einem mechanisch betätigten, elektrischen Umschalter bestehen, wobei dieser Schalter während der Anlaufphase und während des normalen Betriebs der Turbomolekularpumpe die Ventilspule, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines elektrischen Umsetzers, parallel zum Antriebsmotor der Turbomolekularpumpe schaltet, wodurch der Antriebsaotor und die Spule aus derselben Stromquelle gespeist worden, während der Generator von der Ventilspule getrennt ist und bei einem Ausfall der Stromversorgung des Antriebsmotors der Turbomolekularpumpe der Schalter den mit der Pumpenwelle gekoppelten Generator an die ventilspule schaltet.

4.) Turbomolekularpumpe nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Ventilspule eine Serienschaltung bestehend aus einem Widerstand und einer Kapazität geschaltet wird, die während der kurzen Umschaltzeit von der einen Stromquelle auf die andere die Ventilspule speist.

5.) Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da: das Ventil nur eine Spule besitzt, die pon Gleichstrom gespeist wird, wobei der mit der Pumpenwelle gekoppelte Generator ein Gleichstromgenerator oder ein Wechzelstromgenerator mit nachgeschaltetem Gleichrichter ist und die weiteren Mittel, die bewirken, daß das Ventil zumindest während der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe geschlossen ist, aus einem parallel zum Antriebsmotor geschalteten elektrischen Umsetzer als Gleichstromquelle, wobei der Antriebsmotor der Turbomolekularpumpe und der Umsetzer von derselben Stromquelle gespeist und elektrischen Weichen bestehen, so daß während der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe die letztere Gleichstromquelle die Ventilspule speist, während des normalen Betriebs der Turbomolekularpumpe die Gleichstromquelle und der Generator gleichzeitig die Ventaspule speisen, aber durch die elektrischen Weichen gleichstrommäßig voneinander getrennt sind, so daß kein Stromfluß von der einen Gleichstromquelle in die andere möglich ist.

6.) Turbomolekularpumpe mit kollektorlosem Gleichstrommotor, dessen Rotor aus einem Permanentmagneten besteht und dessen Arbeitswicklungen auf dem Stator des Motors angeordnet sind, nach einem oder beiden der naprUche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Pumpenwelle gekoppelte Generator vom kollektorlosen Gleichstrommotor gebildet wird.

7.) Turbomolekularpumpe mit einem Drehfeldmotor, der von einem motorgetriebenen Drehstromgenerator gespeist wird, wobei zwischen dem Antriebsmotor des Drehstromgenerators und dem Drehstromgenerator eine ein annähernd konstantes Drehmoment übertragende Kupplung vorgesehen ist nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Vertilwicklung speisendc, Bat der Penwene direkt oder indirt gekoppelte Generator der Drehstromgenerator ist.

8.) Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennseichnet, daß die weiteren Mittel, die bewirken, daß das Ventil zumindest während der Anlaufphase der Turbomolekularpumpe geschlossen ist, durch eine ein begrenztes Drehmoment übertragende Kupplung zwischen dem Generator und der Welle der Turbomolekularpumpe gebildet werden, wobei der Antriebsmotor der Turbomolekularpumpe mit dem Generator gekoppelt ist, so daß unmittelbar nach dem Einschaften der Anstriebsmotor und der Generator mit annähernd ihrer Nenndrehzahl laufen und das ventil geschlossen ist, während die Turbomolekularpumpe nur allmählich auf Drehzahl kommt.

9.) Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe nur geflutet wird, wenn die Drehzahl kleiner ist als die halbe nenndrahzahl der Pumpe.

L e e r s e i t e