Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekularpumpe mit einem Pumpenstator, einem schnell drehenden Pumpenrotor und einem Motor zum Antrieb des Pumpenrotors.

In einer Turbomolekularpumpe werden zur Erzeugung eines Hochvakuums ein Gas bzw. Gasteilchen durch rotierende Schaufeln des Pumpenrotors und die feststehenden Schaufeln des Pumpenstators auf ein Vielfaches des Eingangsdruckes verdichtet. Die durch die Gasverdichtung und Gasreibung verursachte Gaserwärmung wird überwiegend über den Pumpenrotor und den Pumpenstator wieder abgeführt. Während die Kühlung des Pumpenstators durch ein Kühlfluid führende Kühlkanäle erfolgen kann, ist die aktive Pumpenrotorkühlung problematisch, da dem rotierenden Pumpenrotor kein Kühlfluid zugeführt werden kann. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen kann der Pumpenrotor daher überhitzen. Bei Überhitzung des Pumpenrotors über eine maximal zulässige Rotortemperatur besteht die Gefahr der Zerstörung des Pumpenrotors und, als Folge davon, des Pumpenstators. Die Turbomolekularpumpe muss daher stets unterhalb der maximal zulässigen Rotortemperatur betrieben werden.

Eine direkte Messung der Rotortemperatur ist wegen der schwierigen Signalübertragung von dem schnelldrehenden Pumpenrotor zu dem Stator nur mit großem Aufwand möglich. Die Turbomolekularpumpe weist daher eine Steuervorrichtung auf, die die Motorleistung auf eine vorgegebene konstante Motor-Maximalleistung begrenzt, so dass auch die Pumpleistung und die damit korrelierende Gas- und Rotorerwärmung auf einen konstanten Maximalwert begrenzt sind.

Die zulässige Motor-Maximalleistung wird rechnerisch und/oder experimentell ermittelt, indem für den Pumpenbetrieb die ungünstigsten Prozessbedingungen angenommen werden, beispielsweise ein thermisch sich ungünstig verhaltendes Gas, eine schlechte Pumpenstator-Kühlung, hohe Umgebungstemperaturen etc. Die zulässige Motor-Maximalleistung wird so gewählt, dass der Pumpenrotor auch unter den ungünstigsten Prozessbedingungen die maximal zulässige Rotortemperatur nicht überschreiten kann. Durch die Festlegung einer konstanten Motor-Maximalleistung wird die Motorleistung auf die vorgegebene Maximalleistung auch dann beschränkt, wenn die Prozessbedingungen günstiger sind, als für die Berechnung der Motor-Maximalleistung angenommen. Die Motorleistung wird also auch dann auf die vorgegebene Motor-Maximalleistung begrenzt, wenn die tatsächliche Rotortemperatur die maximal zulässige Rotortemperatur noch nicht erreicht hat. Da die der Ermittlung der maximal zulässigen Motor-Maximalleistung zugrundegelegten extremen Prozessbedingungen in der Praxis nur einen seltenen Ausnahmefall darstellen, wird die Ausgangsleistung der Turbomolekularpumpe in der Regel auf einen Wert weit unterhalb eines tatsächlich thermisch zulässigen Wertes beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Ausgangsleistung einer Turbomolekularpumpe erhöht wird.

Die als nächst Kommender Stand der Technik angesehene EP 0 967 394 A1 beschreibt eine Turbomolekularpumpe, bei der zur Vermeidung einer Überhitzung des Motors die Motordrehzahl in Abhängigkeit von der Rotortemperatur geregelt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 9.

Gemäß der Erfindung ist an dem Pumpenstator ein Temperaturgeber zur Messung der Statortemperatur angeordnet. Ferner weist die Steuervorrichtung eine Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung auf, die die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Statortemperatur bestimmt. Die zulässige Motor-Maximalleistung ist also kein konstanter unveränderbarer Wert, sondern wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Statortemperatur bestimmt. Die Rotortemperatur korreliert stark mit der Temperatur der statorseitigen Teile der Pumpe, beispielsweise mit der Temperatur des Basisflansches, des Pumpengehäuses, des Motorgehäuses, des Lagergehäuses, des Pumpenstators, des Motors sowie mit der tatsächlichen Motor- bzw. Pumpleistung. Die Statortemperatur gibt daher Auskunft über die Rotortemperatur, so dass durch Messung der Statortemperatur und Begrenzung der zulässigen Motor-Maximalleistung für die jeweilige Statortemperatur auch die Rotortemperatur zuverlässig auf einen Maximalwert begrenzt werden kann. Durch die Messung der Statortemperatur und die dadurch vornehmbaren Rückschlüsse auf die Rotortemperatur, ist die zulässige Motor-Maximalleistung an die jeweilige thermische Situation angepasst, und liegt damit in der Regel oberhalb einer für ungünstigste thermische Umstände bestimmten konstanten zulässigen Motor-Maximalleistung. Die tatsächliche Motorleistung und damit die Ausgangsleistung der Pumpe kann auf diese Weise unter normalen Prozessbedingungen deutlich erhöht werden. Gleichzeitig ist der Pumpenrotor zuverlässiger gegen Überhitzung, d.h. Überschreiten der maximal zulässigen Rotortemperatur geschützt, da eine indirekte Überwachung der Rotortemperatur stattfindet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung eine Rotortemperatur-Ermittlungsvorrichtung auf, die aus der von dem Temperaturgeber gemessenen Statortemperatur die Rotortemperatur ermittelt. Anschließend bestimmt die Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Rotortemperatur die zulässige Motor-Maximalleistung.

Die Rotortemperatur-Ermittlungsvorrichtung ermittelt die Motor-Rotortemperatur aus mehreren verschiedenen Statortemperaturen, die in ein Polynom eingesetzt werden, dessen konstante Koeffizienten zuvor experimentell ermittelt wurden. Auf diese Weise lässt sich schließlich die zulässige Motor-Maximalleistung schnell und auch mit wenig Speicherplatz ermitteln. Die Begrenzung der Motor-Maximalleistung kann ggf. erst bei Erreichen einer Schwellentemperatur des Rotors eingreifen und die zulässige Motor-Maximalleistung begrenzen, während die Motor-Maximalleistung nicht begrenzt ist, solange die errechnete Rotortemperatur unterhalb der Schwellentemperatur liegt. Die zulässige Motor-Maximalleistung kann auch direkt aus einem Polynom ermittelt werden, das nach der zulässigen Motor-Maximalleistung aufgelöst ist und in dem die Rotor-Schwellentemperatur und/oder eine Rotor-Maximaltemperatur in Form von Koeffizienten bereits enthalten ist.

Die anhand der Koeffizienten berechnete Motor-Maximalleistung kann ggf. noch zusätzlich durch andere Parameter begrenzt werden.

Es sind mehrere Temperaturgeber an verschiedenen Stellen des Stators vorgesehen, wobei die Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturen aller Temperaturgeber bestimmt. Die Temperaturgeber können an dem Gehäuse der Turbomolekularpumpe, an einem Pumpenstatorelement, an einem statorseitigen Teil des Motors, beispielsweise an dem Motorgehäuse oder an der Motorwicklung, oder in einem Kühlkanal des Pumpenstators angeordnet sein. Die Temperaturgeber können auch an anderen statorseitigen Stellen der Turbomolekularpumpe angeordnet sein, deren Temperatur und Temperaturverhalten zuverlässige Rückschlüsse auf die Temperatur des Rotors zulassen. Auf diese Weise wird aus einer Vielzahl von gemessenen Temperaturen ein genauer Rückschluss auf die Rotortemperatur und damit auf die zulässige Motor-Maximalleistung ermöglicht. Die Begrenzung der Motorleistung erfolgt daher nah an der objektiv zulässigen Motor-Maximalleistung. Die Ermittlung der Rotortemperatur und der zulässigen Motor-Maximalleistung durch mehrere statorseitige Temperaturgeber ist so zuverlässig und genau, dass nur geringe Sicherheitsspannen vorgesehen werden müssen, um ein Überhitzen des Rotors zu vermeiden. Auf diese Weise kann der Motor mit einem Maximum an thermisch zulässiger Leistung angesteuert werden, d.h. das Leistungspotential des Motors und der Pumpe können stets annähernd vollständig ausgeschöpft werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung einen Kennfeldspeicher auf, in dem in einem Kennfeld die zulässige Motor-Maximalleistung für jede Statortemperatur gespeichert ist. In dem Kennfeld lässt sich auch eine komplexe nicht-lineare Kennlinie speichern, so dass eine aufwendige Ermittlung der zulässigen Motor-Maximalleistung durch Rechenoperationen entfallen kann.

Gemäß einem nebengeordneten Verfahren zur Begrenzung der maximal zulässigen Motorleistung eines Motors in einer Turbomolekularpumpe, der einen in einem Pumpenstator gelagerten Pumpenrotor antreibt, sind die Verfahrensschritte nach Anspruch 9 vorgesehen: Messen der Pumpenstatortemperatur, Ermitteln einer zulässigen Motor-Maximalleistung aus der gemessenen Pumpenstatortemperatur und Begrenzung der Motorleistung auf die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1

eine Turbomolekularpumpe im Längsschnitt mit mehreren Temperatugebern,

Fig. 2

ein Blockschaltbild der Regelung der Turbomolekular- pumpe der Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Turbomolekularpumpe 10 dargestellt, die ein Pumpengehäuse 12 aufweist, dessen einen Längsende die Saugseite 14 bildet und dessen anderes Ende die Druckseite bildet und einem Gasauslass 16 aufweist. In dem Pumpengehäuse 12 ist ein Pumpenstator 18 angeordnet, der einen Pumpenrotor 20 umfasst. Der Pumpenrotor 20 weist eine Rotorwelle 22 auf, die mit zwei Radialmagnetlagern 24,26 und einem nicht dargestellten Axiallager drehbar in dem Pumpengehäuse 12 gelagert ist. Die Rotorwelle 22 und der damit verbundene Pumpenrotor 20 werden durch einen Elektromotor 28 angetrieben. Der Elektromotor 28 und die beiden Radial-Magnetlager 24,26 sind in einem gemeinsamen Lager-Motor-Gehäuse 30 untergebracht. Das Pumpengehäuse 12 wird durch ein Kühlmittel gekühlt, das durch einen Kühlkanal 13 in dem Pumpengehäuse 12 fließt. Die Turbomolekularpumpe 10 dient der Erzeugung eines Hochvakuums und dreht mit Drehzahlen bis zu 100 000 U/min.

Die Turbomolekularpumpe 10 weist statorseitig, d.h. auf der Seite der feststehenden Teile, mehrere Temperaturgeber 32-38 auf. Ein erster Temperaturgeber 32 ist im Bereich des Basisflansches des Pumpengehäuses. 12 angeordnet. Ein zweiter Temperaturgeber 34 ist an bzw. in dem Pumpenstator 18 angeordnet. Ein dritter Temperaturgeber 36 ist an dem Motor 28 angeordnet und misst die im Bereich der Motorspulen bzw. der Motor-Magnetleitbleche herrschende Temperatur. Ein vierter Temperaturgeber 38 ist an dem Lager-Motorgehäuse 30 angeordnet. Ein weiterer Temperaturgeber kann im Verlauf des Kühlkanales 13 angeordnet sein.

Die durch die Gaserwärmung des komprimierten Gases auf den Pumpenrotor 20 übertragene und durch die aktiven Magnetlager 26 und den Elektromotor 28 in dem Pumpenrotor 20 induzierte Wärme wird im Wesentlichen durch Wärmestrahlung von dem Pumpenrotor 20 auf die statorseitigen Teile abgeführt. Die statorseitigen Teile, also das Pumpengehäuse 12, der Pumpenstator 18, das Lager-Motor-Gehäuse 30 sowie die Magnetlager 24,26 und der Elektromotor 28 werden also neben ihrer Eigenerwärmung auch durch die von dem Pumpenrotor 20 auf sie abgestrahlte Wärme erwärmt. Die Messung der Temperatur und des Temperaturverlaufes der genannten statorseitigen Teile erlaubt daher Rückschlüsse auf die Rotortemperatur.

Die Beziehung zwischen der tatsächlichen Temperatur des Pumpenrotors 20 und den von den Temperaturgebern 32-38 gemessenen Temperaturen der statorseitigen Teile lässt sich mit einem einfachen Versuchsaufbau ermitteln. Hierzu wird saugseitig ein Rotor-Temperaturgeber 40 in geeigneter Weise möglichst nah an dem Pumpenrotor 20 angeordnet. Auf diese Weise kann die Rotortemperatur im Experiment direkt gemessen werden, so dass der Zusammenhang zwischen der Rotortemperatur und den von den statorseitigen Temperaturgebern 32-38 gemessenen Temperaturen unter verschiedenen Prozessbedingungen aufgezeichnet werden kann. Aus den von allen Temperaturgebern 32-40 aufgezeichneten Temperaturen und Temperaturverläufen lässt sich ein Polynom für die Motorleistung P in Abhängigkeit von der Rotortemperatur und den statorseitigen Temperaturen ermitteln: $$\mathrm{P}\mathrm{=}{\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{0}}\mathrm{+}{\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{1}}{{{{\mathrm{T}}_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{\beta }}}_{\mathrm{1}}\mathrm{+}{\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{2}}{{{{\mathrm{T}}_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{\beta }}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{3}}{{{\mathrm{T}}_{\mathrm{3}}}^{\mathrm{\beta }}}_{\mathrm{3}}}^{}\mathrm{\dots }{\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{n}}{{{\mathrm{T}}_{\mathrm{n}}}^{\mathrm{\beta }}}_{\mathrm{n}}\mathrm{.}}^{}$$

P ist die momentane Motorleistung, T₁ bis T_n sind die jeweils gemessenen Temperaturen der statorseitigen Temperaturgeber 32-38 und des Rotortemperaturgebers 40. Die Koeffizienten α₀ bis α_n sowie β₁ bis β_n sind Konstanten, die durch die Auswertung der experimentell gemessenen Pumpenrotor- und Pumpenstatortemperaturen ermittelt wurden. Gibt man anstelle der gemessenen Rotortempeartur die maximal zulässige Rotortemperatur in dieses Polynom ein, so wird mit diesem Polynom die zulässige Motor-Maximalleistung P_max ermittelt.

Damit liegt ein Polynom vor, mit dem für einen Satz gleichzeitig gemessener Statortemperaturen T₁ bis T_n jeweils die zulässige Motor-Maximalleistung P_max errechnet werden kann.

In Fig. 2 ist schematisch die Steuerung des Pumpenrotormotors 28 dargestellt. Eine Steuervorrichtung 42 steuert einen Motortreiber 44, der wiederum die Spulen des Elektromotors 28 ansteuert. Über ein Stellelement 46 wird ein Motor-Leistungssollwert an die Steuervorrichtung 42 ausgegeben. Die Steuervorrichtung 42 weist eine Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung 50 und einen Leistungsbegrenzer 52 auf. In der Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung 50 wird aus den von den vier Temperaturgebern 32-38 gelieferten Temperaturwerten nach der o.a. Formel die zulässige Motor-Maximalleistung P_max ermittelt. In dem Leistungsbegrenzer 52 wird der von dem Stellelement 46 gelieferte Motorleistungssollwert auf die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung begrenzt, falls der von dem Stellelement 46 angegebene Leistungswert größer als die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung ist. Auf diese Weise wird die Rotortemperatur auf eine Maximaltemperatur begrenzt, so dass der Rotor vor Zerstörung durch Überhitzung geschützt ist. Als weitere Parameter für die Ermittlung der zulässigen Motor-Maximalleistung können neben der Kühlfluidtemperatur auch die tatsächliche Motorleistung, die Umgebungstemperatur und andere Messgrößen genutzt werden.

Mit der beschriebenen Vorrichtung lässt sich über mehrere statorseitige Temperaturgeber auf die vorliegende Rotortemperatur schließen. Um eine Überhitzung des Pumpenrotors auf eine Temperatur oberhalb einer maximalen Rotortemperatur zu vermeiden, wird aus der ermittelten Rotortemperatur eine zulässige Motor-Maximalleistung ermittelt, auf die die Motorleistung begrenzt ist. Die zulässige Motor-Maximalleistung ist also variabel, so dass das Leistungsvermögen des Motors und der Pumpe voll ausgeschöpft werden kann, und nur bei Überhitzungsgefahr begrenzt wird.