JP2004506140A - 二軸式真空ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの軸（３，４）及び、該軸に固定されて互いに協働する２つのロータ（１，２）を備え、該ロータを前記軸によって片持ち支承した形式の真空ポンプに関する。温度変動時にもロータを軸に遊びなく固着することを保証するために本発明の提案では、軸（３，４）が、できるだけ高い弾性係数を有する素材、例えば鋼から成り、かつロータ（１，２）が、できるだけ低い密度を有する素材、例えばアルミニウム又はチタン合金から成り、かつあらゆる運転温度でも軸（３，４）におけるロータ（１，２）の遊びのない結合を確保する手段が設けられている。

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、真空ポンプであって、２つの軸及び該軸に結合されて互いに協働する２つのロータを備えており、該ロータが前記軸によって片持ち支承されている形式のものに関する。
【０００２】
背景技術
前記形式のポンプ、特にねじポンプの開発者及び製作者に課せられる目的は、代替可能な製作費をかけて前記形式のポンプを、できるだけ高い回転数及びできるだけ少量のギャップ漏れ量で運転できるようにして、真空形成目的を可能な限り効果的に達成することである。そのための前提条件は、軸受が精確であることと、熱間状態にあってもロータを軸に遊びなく結合することである。支承するに当たって考慮すべき点は、ロータを片持ち支承しなければならないことである。これは通常、それぞれ２つの軸受を用いて行われ、両方の軸受間に駆動モータが介在しているからである。前記支承形式がねじ真空ポンプにとって有利である。それというのは、吸込み側にはシール装置が無く低廉になるという利点が、軸と支承装置に対して課される要求が高くなるという欠点を上回るからである。
【０００３】
片持ち式に支承することは、ロータをその軸に遊びなく結合するという問題の要因になる。
【０００４】
片持ち式に支承する場合、回転系の重心を、できるだけロータ側軸受の近くに位置させるのが有利であることが知られている。このことを達成するために、可能な限り軽量な素材、例えばアルミニウムがロータのために選ばれる。しかしながらアルミニウムは、片持ち式支承の場合に軸素材として特に適している鋼の熱膨張係数（１２×１０^{− ６}／Ｋ）よりも著しく高い熱膨張係数（約２３×１０^{− ６}／Ｋ）を有している。鋼は高い弾性係数を有しており、従って剛性の軸の製造が可能である。鋼／アルミニウムの材料組合せの場合、あらゆる運転温度（周囲温度と約２００℃）においてロータを軸に遊びなく結合することは困難である。確かに膨張問題の点から見れば、より有利な素材、例えば鋼、チタン又はセラミックをロータのために使用することも可能ではある。しかしながら、これらの素材を使用した場合、ロータは著しく重くなり（鋼）、或いは著しくコスト高になる（チタンやセラミック）。またアルミニウムは、低い弾性係数の故に、軸素材としては適していない。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９６３１７１Ａ１号明細書により、本明細書冒頭に述べた形式の真空ポンプが公知である。しかしながら、熱間状態においてもロータを軸に遊びなく結合する問題については触れられていない。
【０００６】
発明の開示
本発明の課題は、本明細書冒頭に述べた形式の真空ポンプを改良して、真空ポンプの製作者及び開発者に課せられた目的を最適に満たす構成手段を提供することである。
【０００７】
前記課題が本発明に基づき特許請求の範囲に記載の構成手段によって解決される。
【０００８】
軸が、高い弾性係数を有する素材（例えば、鋼）から成っていることによって、軸の精確な案内、ひいてはロータの精確な案内も保証され、その結果、ロータ自体とそのケーシング周壁との間のギャップを小さく抑えることが可能である。このような作用効果を、軸上へのロータの遊びのない結合を保証するための手段も有している。軸素材に対比して軽量なロータ素材は、ポンプを高い回転数で運転することを可能にする。
【０００９】
すべての運転温度で軸におけるロータの遊びのない結合を確保する手段は、種々多様に実施できる。対偶関係にある素材の膨張係数の差が大きい場合に、ロータと軸とが、遊びの無い状態を熱間センタリング、冷間センタリング及び／又は摩擦センタリングによって保証するように構成されていてよい。また、鋼製軸に結合されたアルミニウム製ロータの大きな膨張を阻止する緊締帯を使用することも可能である。継ぎ目部位の温度変化を制限又は阻止する冷却手段を、補助的に又は単独に設けることても可能である。
【００１０】
ほぼ同じ膨張係数を有する素材を使用するのが簡単であると考えられる。このために本発明では、粉末冶金法で製作され、この場合に合金中の主成分をＣｕ又はＳｉとするアルミニウム合金を使用することを提案している。この種の鋼及びアルミニウム合金はほぼ等しい膨張係数（素材の質量密度）を有しているので、慣用方式の焼嵌め若しくは収縮嵌めによって、軸上へのロータの遊びのない結合が、すべての運転温度で保証されている。
【００１１】
ロータと軸とから成る各回転系の重心を、高い回転数の達成のためにロータ側軸受のできるだけ近くに位置させるためには、以下に列挙する種々の構成手段を選ぶのが有利である。すなわち：
鋼軸を部分的にのみ係合させる中空孔をロータ内に穿孔すること。冷却液を案内するために必要とされる場合には、低密度（例えばプラスチック素材製）の構成部品を前記中空孔内に収容することも可能である。
【００１２】
ロータを短くすること。このことは、周知の形式のねじポンプの場合、ねじリードを適当に変化させることによって、かつ／又は深く切込まれたロータ断面プロフィールによって達成される。
【００１３】
軸受側でロータ内に形成された切欠き部内に、ロータ側の軸受を収容すること。
【００１４】
両方の軸受を複列外向きに配置すること、及び／又は、軸のロータ側に分離形軸受を配置し、かつロータから離反した側に非分離形軸受を配置すること。
【００１５】
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１６】
ロータ１，２が片持ち式に支承されていて、軸方向の中空孔を備えており、該中空孔内をロータの軸３，４の自由端部が延びている。該自由端部にロータ１，２が遊びなく固定されている。
【００１７】
図１の実施例では、ロータ１が各端面側に中空孔５，６を有しており、中空孔がロータ１のほぼ中央で細い孔７を介して互いに連通されている。組立状態では、中空孔６の吸込み側開口がディスク８によって密閉されており、ディスクが例えば図示のように、ねじ山９によって中空孔の開口内にねじ込み結合されている。
【００１８】
軸３が軸受側の中空孔５内で終わっていて、端面側に軸方向へ向けられたカラー１１を備えている。中空孔５，６を互いに連通する小径の孔７の領域で内向きに延びるリング状の凸設部１２が、軸方向へ向けられたカラー１３を備えており、該カラーの方向及び直径が、該カラーを軸３のカラー１１の内側に接触させるように選ばれている。軸３が鋼から成り、かつロータ１が鋼よりも大きな膨張係数のアルミニウムから成っている場合には、カラー１１，１３が周囲温度で互いに遊びなく接触していて、インナーセンタリングを形成しており、該インナーセンタリングが温度の上昇に際しても遊びなく保たれる。
【００１９】
ロータ１と軸３との結合のために軸方向のボルト１４を設けてあり、該ボルトが中空孔６の方から装着される。ボルトがロータ１の凸設部１２を貫通して、軸３のカラー１１内にねじ込まれている。有利には、ボルトヘッドに対応してリング１５を配置してあり、該リングが軸素材から成っている。これによって、熱間センタリングのほかに摩擦センタリングも得られる。
【００２０】
さらに軸３及びロータ１が、温度に起因した問題を避けるために冷却通路系を備えている。このために、軸３が中心孔１６を有している。中心孔１６内に管区分１７を収容してあり、管区分が中空孔６内まで延在していて、冷却媒体の供給のために役立っている。中空孔６内に、管区分１７へ取り付けられた中空（肉薄）及び／又は軽量の挿入体１８が、半径方向外側のリング通路１９を形成しており、リング通路１９が殊に、孔７を介して中空孔５の半径方向外側のリング通路２１に連通されており、該リング通路２１が、軸３と中空孔５の内周壁とによって形成されている。リング通路１９，２１を介して次いで、軸３内に管区分１７と中心孔１６の内周壁とによって形成されたリング通路２３を介して、冷却媒体が流し戻される。冷却媒体を逆方向に流過させることも可能である。
【００２１】
図２でロータ１，２の軸受側に備えられたカラー２５，２６は、軸３，４を外側から包囲している。ロータ素材が軸３，４の素材よりも大きな膨張係数を有している場合には、この形式のアウターセンタリングは、温度上昇に際してロータと軸との間に遊びを生ぜしめることになる。これを回避するためにリング２７，２８を設けてあり、該リングがカラー２５，２６を包囲している。リング２７，２８の素材が、軸３，４の素材の膨張係数に等しいか又はそれよりも小さい膨張係数を有しており、その結果、リング２７，２８が温度上昇に際してカラー２５，２６の膨張を阻止し、ひいては不都合な遊びを防止する。
【００２２】
図１の冷却系に相当する冷却系が、設けられている。リング通路２１，２２がカラー２５，２６の領域内まで延在していて、最大発生運転温度を低下させ、これによって遊びの発生を排除している。
【００２３】
リング２７，２８が外周に環状の溝を備えており、該溝内にピストンリング（図示せず）を配置してある。ピストンリングが、ケーシングに固定されたリング２９，３０と相俟って、ラビリンスシール３１，３２を形成しており、ラビリンスシールが、軸受３３，３４からねじポンプの圧送室３５，３６内への潤滑剤蒸気の侵入を防止するために役立っている。
【００２４】
図３の実施例では摩擦センタリングが実現されている。このためにディスク３８を用いてあり、該ディスクは中空孔５の吸込み側の開口の閉鎖のためにも役立っている。ディスク３８が、ボルト３９，４１を介して軸３にも、ロータ１にも堅く結合されている。ロータ素材が、軸３よりも大きな膨張係数を有し、かつディスク３８が例えば軸素材から成っている場合には、堅いボルト結合部が温度上昇の際に遊びの発生を防止する。
【００２５】
図３に示してあるように、ディスク３８が軸方向に向けられたカラー４３を備えていてよく、カラーが中空孔５内に係合している。これによって、熱間センタリングも達成される。このためにロータ１、軸３及びディスク３８が熱間状態で互いに遊びなく組み立てられる。このような組み立て（結合）は、前述の関係にある膨張係数に基づき、温度降下に際して遊びなく保たれる。このことは、ロータと軸との間の、ディスク３８なしの結合にも当てはまる。
【００２６】
軸上へのロータの結合が締まりばめ（プレスばめ）によって行われてよい。ロータがアルミニウムから成っており、かつ軸が鋼から成っている場合には、締まりばめを生ぜしめる周囲温度が有利には、ロータ（１，２）の最大温度（二軸式真空ポンプの運転時にロータに生じる最大の温度）にほぼ相当している。このようにして形成された結合部は、二軸式真空ポンプの運転中に発生するすべての運転温度で遊びなく保たれる。
【００２７】
さらに図３に示してあるように、カラー４３と軸３の端面とが、有利には軸３の半径方向外側の切欠き４４内で互いに接触している。カラー４３と軸３との互いに向き合わされた接触面間に、調整リング４５が配置してある。種々の厚さの単数若しくは複数の調整リング４５の挿入によって、若しくは種々の高さのカラー４３によっても、軸３に対するロータ１の軸方向位置が規定されてよい。これによって、ロータ１と第２のロータ（図示せず）とのフランク間遊びを調整することが可能である。ディスク３８が、不釣合補正のため及び／又はトルク伝達のために（例えば、歯付きディスクとして）も用いられてよい。
【００２８】
さらに図３に示してあるように、ロータ側の軸受３３をロータ３の軸受側の切欠き４７内に配置することが可能である。切欠き４７内に、軸方向に延びる軸受支持体４８が係合している。冷却系（軸３内の中心孔１６、管区分１７）が軸受３３まで延在していて、軸受温度を低く保つようになっている。
【００２９】
所望の高い回転数を確実に達成するために、有利には両方の軸受３３，５１が、図４に示してあるように複列外向きに配置されている。軸受のこのような配置形式においては、力の作用点が圧力角度に基づきロータ重心の方向に移動している。このような観点から、別の有利な実施例では図５に示してあるように、軸３のロータ側に分離形軸受３３を配置し、かつ軸のロータから離反した側に非分離形軸受５１を配置してある。力の作用点が軸受中心点に位置している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく真空ポンプの軸及びこれに結合されたロータの概略的な縦断面図。
【図２】本発明に基づく真空ポンプの実施例の部分的な縦断面図。
【図３】本発明に基づく真空ポンプの別の実施例の部分的な概略断面図。
【図４】本発明に基づく真空ポンプの軸受装置の実施例の概略断面図。
【図５】本発明に基づく真空ポンプの軸受装置の別の実施例の概略断面図。
【符号の説明】
１，２　　ロータ、　３，４　　軸、　５，６　　中空孔、　７　　孔、　８　　ディスク、　９　　ねじ山、　１１　　カラー、　１２　　凸設部、　１３　　カラー、　１４　　ボルト、　１５　　リング、　１６　　中心孔、　１７　　管区分、　１８　　内設体、　１９，２１　　リング通路、　２３　　リング通路、　２５，２６　　カラー、　２７，２８　　リング、　２９，３０　　リング、　３１，３２　　ラビリンスシール、　３３，３４　　軸受、　３５，３６　　圧送室、　３８　　ディスク、　３９，４１　　ボルト、　４３　　カラー、　４４　　切欠き、　４５　　調整リング、　４７　　切欠き、　４８　　軸受支持体、　５１　　軸受

Claims (18)

1. 真空ポンプであって、２つの軸（３，４）及び該軸に結合されて互いに協働する２つのロータ（１，２）を備えており、該ロータが前記軸によって片持ち支承されている形式のものにおいて、軸（３，４）が、弾性係数の高い材料、例えば鋼から成っており、かつロータ（１，２）が密度の低い材料、例えばアルミニウム又はチタン合金から成っており、軸（３，４）上へのロータ（１，２）の遊びのない結合をすべての運転温度で保証する手段が設けられていることを特徴とする、二軸式真空ポンプ。
2. 各軸（３，４）上でのロータ（１，２）の冷間センタリング、熱間センタリング及び／又は摩擦センタリングのための手段が設けられている請求項１記載の二軸式真空ポンプ。
3. 熱間センタリングのための手段が、ロータ（１，２）若しくは軸（３，４）の軸方向へ延びるカラー区分（１１，１３）から成っており、ロータ（１，２）のカラー区分（１３）が半径方向内側に位置している請求項２記載の二軸式真空ポンプ。
4. 摩擦センタリングのための手段が、ロータ（１，２）と軸（３，４）とを互いに結合する軸方向のボルト（１４，３９，４１）から成っている請求項２記載の二軸式真空ポンプ。
5. ロータ（１，２）が中空に穿孔されており、ロータの吸込み側に配置したディスク（３８）が設けられている請求項１記載の二軸式真空ポンプ。
6. ディスク（３８）が、ロータ（１，２）の中空孔（５）内に係合したカラー（４３）を備えており、該カラーが冷間センタリングを生ぜしめるようになっている請求項５記載の二軸式真空ポンプ。
7. カラー（４３）と軸（３）とが、調整リング（４５）を介して互いに接触している請求項６記載の二軸式真空ポンプ。
8. ロータ（１，２）がカラー（２５，２６）を備えており、該カラーが軸（３，４）を包囲しており、かつ緊締リング（２７，２８）を設けてあり、該緊締リングが前記カラー（２５，２６）を包囲している請求項１記載の二軸式真空ポンプ。
9. 軸（３，４）とロータ（１，２）との間の嵌合部位の高さに、冷却系が配置されている請求項１から８までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。
10. ロータ（１，２）の素材と軸（３，４）の素材の膨張係数がほぼ等しい請求項１記載の二軸式真空ポンプ。
11. 軸（３，４）が鋼から成っており、かつロータ（１，２）が、粉末冶金法で製造されて、合金中の主成分をＣｕ又はＳｉとするアルミニウム合金から成っている請求項１０記載の二軸式真空ポンプ。
12. ロータ（１，２）が中空室を有しており、軸（３，４）が前記中空室を部分的に貫通している請求項１から１１までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。
13. 軸（３，４）の通っていない中空室内に、軽量の構成部分（１８）を配置してあり、該構成部分が冷却媒体流を導くようになっている請求項１２記載の二軸式真空ポンプ。
14. ロータ（１，２）が軸方向で可能な限り短くされており、かつねじ山が、吸込み側から吐出側へ減少するリードを有している請求項１から１３までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。
15. ロータ側の軸受（３３）が、ロータ（１，２）に設けた切欠き（４７）内に配置されている請求項１から１４までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。
16. 軸（３，４）の両方の軸受（３３，５１）が、複列外向きに配置されている請求項１から１５までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。
17. ロータ（１，２）に隣接する軸受（３３）が、分離形軸受であり、かつロータ（１，２）から離隔して配置された軸受（５１）が非分離形軸受である請求項１から１５までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。
18. 二軸式真空ポンプ用のユニットを製造する方法であって、該ユニットが、中空孔（５）を有するアルミニウム製のロータ（１，２）及び、該ロータの中空孔（５）を少なくとも部分的に貫通する鋼製の軸（３，４）から成っている形式のものにおいて、ロータ（１，２）と軸（３，４）との間に締まりばめを形成し、かつ締まりばめの形成の際の周囲温度を、二軸式真空ポンプの運転時にロータ（１，２）に生じる最大の温度とほぼ同じにすることを特徴とする、二軸式真空ポンプ用のユニットを製造する方法。