DE68906929T2 - Turbomolekularpumpe. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbo-Molekular-Pumpe.
• Es sind Turbo-Molekular-Pumpen bekannt, bei denen eine Ausstoßwirkung bewirkt wird mittels der Kombination von stehenden oder stationären Blättern oder Schaufeln und Rotorblättern oder -schaufeln, die geeignet sind, sich mit hohe Drehzahl zu drehen. Beide Blätter sind geeignet, miteinander zusammenzuwirken, um gasförmigen Molekülen ein Moment oder einen Impuls aufzuprägen, die gegen die Blätter stoßen und zwar in einem Niedrigdruckzustand, wobei das Auftreten von Kollisionen zwischen gasförmigen Molekülen vernachlässigbar ist.
• Die Verwendung von Magnetlagern in einer derartigen Turbo-Molekular-Pumpe ermöglicht ein kontaktloses Tragen der Drehwelle der Pumpe, und somit kann die Lebensdauer des Lagers vorteilhafterweise semipermanent bzw. sehr lang gemacht werden.
• Mit Bezug auf Fig. 5 wird nun eine Turbo-Molekular-Pumpe des Standes der Technik mit Magnetlagern beschrieben. Eine feste Welle 2 ist in einem Gehäuse 1 vorgesehen, und ein Rotor 3 ist über der Welle 2 angeordnet. Statorblätter 4 sind auf der Innenwand des Gehäuses 1 vorgesehen.
• Die feste Welle 2 besitzt aktive, radiale Magnetlager 5, 5 und einen Motor 6, vermittels welchem der Rotor 3 sich mit einer hohen Drehzahl auf kontaktlose Weise drehen kann. In Fig. 5 bezeichnen die Bezugszeichen 7, 7 Aufsetzlager, die geeignet sind, den Rotor 3 und eine Rotorabdeckung 8a, die an dem Rotor 3 befestigt ist, mechanisch zu tragen im Falle eines Versagens der Magnetlager 5.
• In einer Turbo-Molekular-Pumpe der oben beschriebenen Art stören Vibrationen, die durch die Restunausgeglichenheit bewirkt werden, die während einer Drehung noch vorhanden ist, das Drehmoment, das durch den Motor 6 erzeugt wird, Stöße, dem das Gehäuse 1 ausgesetzt ist, usw. die Steuerung der Magnetlager 5. Somit bewirken diese Störungen, daß die feste Welle 2 mit der Eigenfrequenz der festen Welle 2 schwingt. Dies erzeugt manchmal Biegeschwingungen in der festen Welle selbst, die in der Art eines Auslegers geformt ist, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Beziehung zwischen der Amplitude und dem erzwungenen Schwingungsverhältnis dieser Biegeschwingungen ist in Fig. 7 gezeigt, und ein vereinfachtes Modell dieses strukturellen Systems, wie in Fig. 8 gezeigt, kann so definiert werden, daß es einen Freiheitsgrad besitzt.
• Diese Schwingungen oder Vibrationen können einen ungünstigen Faktor darstellen, der das Steuersystem instabil macht, und selbsterregte oder erzwungene Schwingungen werden manchmal in dem Pumpenhauptkörper erzeugt. Dies führt dazu, daß übermäßige Schwingungen in dem Pumpenhauptkörper erzeugt werden, und macht es unmöglich, daß die Magnetlager 5, 5 den Rotor 3 auf stabile Weise tragen, wodurch die funktionelle Zuverlässigkeit der Turbo-Molekular-Pumpe verringert wird.
• FR-A-2534980 und DE-A-23 49 033 beziehen sich auf Turbo- Molekular-Pumpen, die Magnetlager, Aufsetzlager und Dämpfungsmittel zur Vermeidung von Schwingungen besitzen. In dem Fall der FR-A-2534980 werden Ringelemente aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material verwendet zur Erzeugung von Foucault-Strömen zu Dämpfungszwecken. Zusätzlich werden hydraulische Dämpfungsmittel verwendet. DE-A-23 49 033 verwendet axiale sowie radiale Magnetlager. FR-A-1476267 beschreibt in Verbindung mit elektrischen Leistungskabeln Dämpfungsmittel, die ein elastisches Ringelement zusammen mit einer ringförmigen Dämpfungsmasse verwenden. In ähnlicher Weise zeigt GB-A- 474 585 in Verbindung mit Mitteln zum Dämpfen der Schwingungen eines Straßenfahrzeugs einen Steg aus elastischem Material und eine entsprechende Masse.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Nachteile, die den Pumpen des Standes der Technik anhaften, zu lösen und eine Turbo-Molekular-Pumpe vorzusehen, die ein vermindertes Schwingungsniveau während des Betriebs erzeugt und funktionsmäßig zuverlässig ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbo-Molekular-Pumpe gemäß des Anspruchs 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• In der Praxis der vorliegenden Erfindung umf aßt der dynamische Dämpfer ein Gewicht und ein elastisches Glied, das als eine Feder und Dämpfungskomponenten wirkt. Das Gewicht ist vorzugsweise in der Form eines Rings und besteht aus einem Material, das ein großes Massenverhältnis und ein großes spezifisches Gewicht besitzt (beispielsweise Wolfram), um die Größe davon zu minimieren, sowie die Amplitude der festen Welle auf einem Niveau so niedrig wie möglich zu halten. Das elastische Glied ist zwischen dem ringförmigen Gewicht und der festen Welle angeordnet und besteht vorzugsweise aus Gummi mit geringer Temperaturabhängigkeit (z. B. ein EPT oder ein Fluorsystemgummi).
• Um den dynamischen Dämpfer auf seinen optimalen Zustand einzustellen, wird die Federkonstante des elastischen Glieds, das dazu geeignet ist, wie eine Feder zu wirken, vorzugsweise dadurch bestimmt, daß man Faktoren berücksichtigt wie die Eigenschaften und die Größe des elastischen Glieds und die Masse des Gewichts, so daß es eine natürliche oder Eigenfreguenz bildet, die als optimal auf der Basis des Massenverhältnisses eingeschätzt wird. Diese Federkonstante kann derart ausgewählt werden, daß zwei feste Punkte, durch die die Amplitudenkurve hindurch geht, unabhängig von der Dämpfung in der Höhe gleich werden. Die Härte des elastischen Glieds reguliert die Dämpfungswirkung des dynamischen Dämpfers, und die Härte wird vorzugsweise derart ausgewählt, daß die Amplitudenkurve an den zwei festen Punkten durch ein Maximum geht. Es sei jedoch bemerkt, daß verhindert werden sollte, daß die Federkonstante von der optimalen Eigenfrequenz des dynamischen Dämpfers abweicht, da die Härte des elastischen Glieds auch eine Auswirkung auf die Federkonstante besitzt.
• Ein dynamischer Dämpfer mit einer Federkonstante, wie sie oben beschrieben wurde, gestattet, daß die Amplitudenkurve des strukturellen Systems der vorliegenden Erfindung seine maximalen Amplitudenpunkte an den zwei festen Punkten hat, wodurch es möglich ist, die Resonanzamplitude auf einem minimalen Niveau zu halten.
• Wenn die Turbo-Molekular-Pumpe der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben konfiguriert ist, kann ein Drehglied auf eine kontaktlose Weise getragen werden und kann daher mit hoher Drehzahl gedreht werden mittels der aktiven, radialen Magnetlager, die auf der Pumpe vorgesehen sind. Zusätzlich ist in der vorliegenden Erfindung der dynamische Dämpfer auf einem Ende der festen Welle angebracht, und dies ermöglicht, daß ein vereinfachtes Modell des strukturellen Systems so definiert wird, daß es zwei Freiheitsgrade besitzt, was es ermöglicht, die Amplitude der Eigenfrequenz der festen Welle auf einem bemerkenswert geringen Niveau zu halten. Bei dieser Konfiguration kann das Drehglied stabil durch die Magnetlager getragen werden, und ferner können nachteilige Faktoren, die auf das Steuersystem der Magnetlager einwirken würden, eliminiert werden, wodurch es möglich wird, eine Turbo-Molekular-Pumpe vorzusehen, die fast keine Schwingungen während des Betriebs erzeugt.
• Fig. 1 ist ein Vorderansicht im Schnitt, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 2 ist eine Vorderansicht im Schnitt, die den dynamischen Dämpfer in Einzelheiten zeigt;
• Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein vereinfachtes Modelll des strukturellen Systems der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 4 ist ein Kennliniendiagramm des Amplituden/Frequenz-Verhältnisses, das die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 5 ist eine Vorderansicht im Schnitt, die eine Turbo-Molekular-Pumpe des Standes der Technik zeigt;
• Fig. 6 ist ein Diagramm, das einen Modus zeigt, in dem Biegeschwingungen in der festen Welle der Turbo-Molekular-Pumpe des Standes der Technik erzeugt werden;
• Fig. 7 ist ein Kennliniendiagramm des Amplituden/Frequenz-Verhältnisses, das den in Fig. 6 gezeigten Modus ergibt; und
• Fig. 8 ist ein Diagramm, das ein vereinfachtes Modell des strukturellen System gemäß des Standes der Technik zeigt.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In Fig. 1 werden ähnliche Bezugszeichen verwendet, um Bauteile zu bezeichnen, die denen in Fig. 5 ähnlich sind.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein dynamischer Dämpfer 10, der durch eine Rotorabdeckung 8 abgedeckt ist, auf dem oberen Endteil einer festen Welle 2 angeordnet.
• Wie in Fig. 2 gezeigt, weist der dynamische Dämpfer 10 ein ringförmiges Gewicht 11 und ein ringförmiges Gummiglied 12 auf, das an dem Gewicht 11 befestigt ist und zwischen dem Gewicht 11 und einer Spindel 2a angeordnet ist, die von dem Endteil der festen Welle 2 vorsteht.
• Dieses Gewicht 11 besteht aus einem Material, beispielsweise Wolfram, das ein großes Massenverhältnis und ein großes spezifisches Gewicht besitzt, damit es die Amplitude der festen Welle 2 auf einem Niveau so gering wie möglich halten kann, und auch um seine Größe zu minimieren. Das Gummiglied 12 besteht aus EPT oder einem Fluorsystemgummi, das eine geringe Temperaturabhängigkeit besitzt. Die Federkonstante und Dämpfungsfähigkeit des dynamischen Dämpfers 10 wird nicht nur durch die Größe reguliert, sondern auch durch die Härte des Gummis, der für das Gummiglied verwendet wird; die Härte des Gummis ist daher so ausgewählt, daß die zwei festen Punkte P und Q auf der Amplitudenkurve in dem optimalen Zustand gleich hoch werden und daß die Amplitudenkurve an diesen zwei festen Punkten P und Q in dem gleichen Zustand durch einen Maximalwert geht.
• Ein vereinfachtes Modell des strukturellen Systems der Turbo-Molekular-Pumpe, die mit einem dynamischen Dämpfer ausgerüstet ist, der wie oben beschrieben konfiguiert ist, ist, wie in Fig. 3 gezeigt, so definiert, daß es zwei Freiheitsgrade besitzt, und daß das Verhältnis zwischen seiner Amplitude und dem erzwungenen Schwingungsverhältnis so wird wie in Fig. 4 gezeigt. Wie es aus der Fig. 4 klar sein dürfte, entsprechen die festen Punkte P und Q dem maximalen Amplitudenpunkt auf der Amplitudenkurve, wodurch es ermöglicht wird, die Resonanz des strukturellen Systems auf einem Niveau so gering wie möglich zu halten.
• Wenn die vorliegende Erfindung wie oben beschrieben konfiguriert ist, kann der Rotor in einer kontaktlosen Weise durch die Magnetlager stabil getragen werden. Darüberhinaus kann die Amplitude der festen Welle bemerkenswert gering gemacht werden, und die Erzeugung selbsterregter oder erzwungener Schwingungen während einer Hochgeschwindigkeitsdrehung kann ihrerseits verhindert werden. Somit sieht die vorliegende Erfindung eine Turbo-Molekular- Pumpe vor, die ein vermindertes Schwingungsniveau erzeugt und daher höchst zuverlässig ist.

Claims (3)

1. Turbo-Molekular-Pumpe, die folgendes aufweist:

ein Gehäuse (1),

eine Welle (2), die innerhalb des Gehäuses (1) befestigt ist,

einen Rotor (3), der über der festen Welle (2) angeordnet ist,

ein Paar aktiver, radialer Magnetlager (5, 5) zum beweglichen Tragen des Rotors (3),

einen Motor (6), der zwischen dem Paar aktiver, radialer Magnetlager (5, 5) angeordnet ist,

einen dynamischen Dämpfer (10), der an einem Ende der festen Welle (2) angebracht ist,

wobei der dynamische Dämpfer (10) ein ringförmiges Gewicht (11) und ein ringförmiges, elastisches Glied (12) aufweist, wobei das ringförmige Gewicht (11) derart angeordnet ist, daß es eine Spindel (2a) umgibt, die an einem Ende der festen Welle (2) angebracht ist, und wobei das elastische Glied (12) an dem Gewicht (11) befestigt ist und zwischen dem Gewicht (11) und der Spindel (2a) angeordnet ist,

wobei ein Ende der festen Welle (2) mit einem Ende des zylindrischen Gehäuses (1) derart verbunden ist, daß es dort getragen wird, wogegen das andere Ende der Welle frei ist, wobei Aufsetzlager (7) zum mechanischen Tragen des Rotors (3) im Falle des Versagens der Magnetlager (5, 5) auf der festen Welle (2) an einer Stelle nahe dem freien Ende davon und an einer Stelle nahe dem getragenen Ende davon vorgesehen sind, und

wobei der dynamische Dämpfer (10) an dem freien Ende der festen Welle (2) vorgesehen ist.

2. Turbo-Molekular-Pumpe gemäß Anspruch 1, wobei der Rotor (3) geeignet ist, den Teil der festen Welle (2) zu umgeben, der nach außen frei liegt, und sich axial über die feste Welle (2) zu erstrecken, wobei der Rotor (3) mit einer Rotorabdeckung (8) zum Abdecken des dynamischen Dämpfers (10) und einer Reihe von Rotorschaufeln versehen ist, die axial voneinander beabstandet sind und sich radial nach außen erstrecken, und wobei eine Reihe von stationären Schaufeln oder Blättern auf der Innenseite des zylindrischen Gehäuses (1) derart vorgesehen sind, daß sie sich radial nach innen erstrecken, und zwar in entsprechende Spalte oder Zwischenräume, die zwischen der Reihe von Rotorschaufeln gebildet sind.

3. Turbo-Molekular-Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (1) und der Rotor (3) zylindrisch sind, und wobei die Rotorabdeckung (8) ein Ende des zylindrischen Rotors (3) schließt.