JP2009503358A

JP2009503358A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP2009503358A
Application number: JP2008524573A
Authority: JP
Inventors: ナイジェルポールショフィールド; ピーターヒューバーチ
Original assignee: エドワーズリミテッド
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2009-01-29
Also published as: US8702407B2; ATE427426T1; US20100158728A1; EP1910682A1; WO2007015056A1; KR101351667B1; EP1910682B1; KR20080025194A; GB0515905D0; TWI453342B; TW200720546A; CN101238294A; US20110318210A1; CN101238294B; DE602006006062D1

Abstract

多段真空ポンプが、多段ロータ組立体を収容したステータを有し、各段は、噛み合い形ルーツ式ロータコンポーネントを含み、ポンプの入口段におけるロータコンポーネントの先端部半径は、ポンプの出口段におけるロータコンポーネントの先端部半径よりも大きい。

Description

本発明は、真空ポンプに関し、特に多段ルーツ式真空ポンプに関する。

多段ルーツ式ポンプは、一般に、各々が、ポンプのステータコンポーネントを構成するハウジング内に複数個のロータコンポーネントを支持する１対のシャフトを有する。ステータは、ガス入口、ガス出口及び複数個の排気チャンバを有し、隣り合う排気チャンバは、横方向壁によって分離されている。ガスフローダクトが、チャンバ出口を１つの排気チャンバから、これに隣接する下流側の排気チャンバのチャンバ入口に連結している。

各排気チャンバは、ポンプの排気段を構成するよう１対の突出部付きルーツ式ロータコンポーネントを収容している。ロータコンポーネントは、ロータコンポーネント間及び各ロータコンポーネントと排気チャンバの内壁との間に僅かなクリアランスが生じるように排気チャンバに収容されている。

ロータは、互いに又はポンプハウジングに接触しないので、多段ルーツ式ポンプを１２，０００ｒｐｍまで、又はそれ以上の高い回転速度で作動させることができる。シャフトの回転により、各対のロータコンポーネントは、逆方向に高速回転して、チャンバ入口を通ってガスを引き込み、このガスを、排気チャンバを通って内部圧縮なしにチャンバ出口に運ぶ。かくして、ガスは、排気チャンバの各々を通過し、その後ハウジングのガス出口から排出される。

排気チャンバを通してガスを運ぶのに必要なエネルギーは、とりわけ、排気チャンバの容積、及びガスが排気チャンバを通って運ばれているときにガスに作用する下流側圧力に依存する。ガスが多段ポンプを通っているときに、ガスを圧縮し、それによりハウジングの入口のところに真空を生じさせ、エネルギー消費量を減少させるために、入口段から排出段まで排気チャンバの幅を次第に減少させ、それにより排気チャンバの容積を次第に減少させることは知られている。ポンプの入口段の容積とポンプの出口段の容積の比は、ポンプの「容積比」と通称されており、かくして、ポンプの動力消費量とハウジングの入口のところで生じさせることができる真空の大きさの両方を決定する。

排気段の幅を減少させることにより、ロータコンポーネントの厚さは、ポンプの入口から出口まで次第に減少しなければならない。これは、低容積比、例えば最大５：１では問題になりそうではないが、高い容積比では、排出段のロータコンポーネントは、非常に薄くなる場合がある。例えば、入口段において厚さ３０ｍｍのロータコンポーネントを有するポンプの場合、２０：１の容積比を達成するためには排出段において１．５ｍｍのロータ厚さが必要である。これは、ロータコンポーネントの機械加工及び取付を非常に困難にする場合がある。さらに、ロータコンポーネント及びステータ間の熱膨張が入口段から排出段まで変わるので、特にロータコンポーネントが薄い排出段においてロータコンポーネントとステータとの間の僅かなクリアランスを維持することが困難な場合があり、これにより、ポンプの排気効率が著しく低下する場合がある。

少なくとも本発明の好ましい実施形態を提供する目的は、これらの問題及び他の問題を解決しようとすることにある。

本発明は、多段真空ポンプであって、多段ロータ組立体を収容したステータを有し、各段は、噛み合い形ルーツ式ロータコンポーネントを含み、ポンプの入口段におけるロータコンポーネントの先端部半径は、ポンプの排出段におけるロータコンポーネントの先端部半径よりも大きいことを特徴とする真空ポンプを提供する。

排出段ロータコンポーネントの先端部半径が入口段ロータコンポーネントの先端部半径よりも小さなポンプを提供することにより、排出段におけるロータコンポーネントの厚さを上述した程度まで減少させる必要なく、少なくとも１０：１、より好ましくは少なくとも１５：１の比較的高い容積比を有するポンプを達成することができる。例えば、入口段ロータコンポーネントの厚さが約３０ｍｍの場合、排出段ロータコンポーネントの厚さを約５ｍｍにした状態で比較的高い容積比を有するポンプを達成することができる。

ポンプは、各々が第１の先端部半径のロータコンポーネントを含む第１の複数個の排気段と、各々が第１の先端部半径よりも小さな第２の先端部半径のロータコンポーネントを含む第２の複数個の排気段とを有するのが良い。例えば、第１及び第２の複数個の排気段の各々は、少なくとも２つの排気段から成るのが良い。変形例として、ロータコンポーネントの先端部半径は、ポンプの入口段からポンプの排出段まで次第に減少しても良い。したがって、一般的な観点から言えば、ポンプは、各々が第１の先端部半径のロータコンポーネントを含む第１の個数（１つ又は２つ以上）の排気段と、各々が第１の先端部半径よりも小さな第２の先端部半径のロータコンポーネントを含む第２の個数（１つ又は２つ以上）の排気段とを有するのが良い。

ポンプの粗引き中、即ち、ポンプの入口に取り付けられたチャンバを大気圧から排気するとき、ポンプが最大公称速度で作動することができるようにするために、圧力リリーフ弁を、ガスをポンプから選択的に排出するために第１の複数個の排気段と第２の複数個の排気段との間に設けるのが良い。圧力リリーフ弁は、好ましくは、弁入口におけるガスの圧力が大気圧を下回ると自動的に閉じるよう構成されており、この時点で、第２の複数個の排気段は、ポンプの入口における圧力を更に減少させて正味排気速度を高めるのに有効になる。

ロータコンポーネントの各々は、好ましくは、複数個の突出部を有し、入口段におけるロータコンポーネントは、好ましくは、排出段におけるロータコンポーネントと同数の突出部を有する。ある段のロータコンポーネントは、互いに同一の輪郭を有しても良く、互いに異なる輪郭を有しても良い。例えば、ある段の一方のロータコンポーネントは、その段の他方のロータコンポーネントの突出部を受け入れるソケットを有するのが良い。

ロータ組立体は、好ましくは、２つの互いに噛み合った組をなすルーツ式ロータコンポーネントを含み、各組は、ステータに対して回転可能にそれぞれのシャフトに取り付けられる。変形例として、ロータコンポーネントの各組は、シャフトと一体であっても良く、ステータは、２つのステータ「ハーフシェル（half shell）」によって構成され、これらハーフシェルは、シャフトがハーフシェルのうちの一方の中にいったん設けられると、組み立てられる。

ポンプの入口段におけるロータコンポーネント間の噛み合いクリアランスは、ポンプの排出段におけるロータコンポーネント間の噛み合いクリアランスよりも好ましくは大きく、最も好ましくはこれよりも１０％〜３０％大きい。ポンプの入口段におけるロータコンポーネントは、シャフトを同期して、しかしながら互いに逆方向に回転させるようシャフトを連結する歯車にロータを「タイミング合わせ」するために使用されるのが良い。かくして、ポンプの入口段におけるロータコンポーネントの間の噛み合いクリアランスを大きくすると、ポンプの組立てを容易にすることができ、他方、ポンプの排出段におけるロータコンポーネント間の噛み合いクリアランスを小さくすると、最終的な動力消費量及び圧力を許容レベルに維持することができる。

次に、添付の図面を参照して本発明の好ましい特徴を説明する。

まず最初に図１を参照すると、多段真空ポンプ１０が、多段ロータ組立体１４を収容したステータ１２を有している。ステータ１２は、ステータ１２を複数個の排気チャンバに分割する複数個の横方向壁１６を有している。この例では、ステータ１２は、５つの排気段に分割されているが、ステータ１２は、所望の排気容量を備えたポンプを提供するのに必要な任意の個数の排気段に分割できる。

ロータ組立体１４は、２つの互いに噛み合った組をなす突出部付ルーツ式ロータコンポーネント１８，２０，２２，２４，２６を含み、各組は、それぞれのシャフト２８，３０に取り付けられている。各シャフト２８，３０は、ステータ１２に対して回転可能に軸受によって支持されている。シャフト２８，３０は、各排気チャンバが１対の相互噛み合いロータコンポーネントを収容するようステータ１２内に設けられており、これら１対の相互噛み合いロータコンポーネントは、一緒になってポンプ１０の段を構成する。シャフトのうちの一方２８は、このシャフト２８の一端部に連結されたモータ３２によって駆動される。他方のシャフト３０は、互いに噛み合ったタイミング歯車３４によってシャフト２８に連結されており、したがって、シャフト２８，３０は、ステータ１２内で同期して、しかしながら互いに逆方向に回転するようになる。

ポンプ入口３６が、入口排気段に直接通じており、この入口排気段は、ロータコンポーネント１８，１８′を含み、ポンプ出口３８が、排出排気段に直接通じており、この排出排気段は、ロータコンポーネント２６，２６′を含む。ポンプ１０内には、入口３６から出口３８に排気されるガスを流通させることができるガス通路４０，４２，４４，４６，４８が設けられている。

ポンプ１０の入口３６における減圧を達成するために、ステータ１２内に定められた排気チャンバの容積は、入口排気段から排出排気段まで次第に減少している。この例では、最初の３つの排気チャンバの容積の減少は、排気チャンバの厚さを次第に減少させることによって達成され、最後の２つの排気チャンバの容積の減少は、排気チャンバの厚さを次第に減少させると共に最初の３つの排気チャンバと比較して排気チャンバの直径を減少させることによって達成される。

組をなすロータコンポーネントは、排気チャンバの壁とロータコンポーネントの表面との間のクリアランスを小さく維持するために輪郭付けられている。ロータコンポーネントの組のうちの一方は、図２に詳細に示されている。ロータコンポーネントの厚さｔは、入口段ロータコンポーネント１８の厚さｔ₁から排出段ロータコンポーネント２６の厚さｔ₂まで次第に減少している。

ロータコンポーネントは、複数のロータコンポーネント数に分割されており、各ロータコンポーネント数は、特定の先端部半径、即ち、ロータコンポーネントの外側輪郭とロータコンポーネントの中心との間の最大距離がｄの１つ又は２つ以上のロータコンポーネントを含む。図示の例では、ロータコンポーネントは、先端部半径ｄ₁を有する第１の複数個のロータコンポーネント５０及び先端部半径ｄ₂を有する第２の複数個のロータコンポーネント５２に分割されており、ｄ₂は、ｄ₁よりも小さく、好ましくはｄ₁よりも少なくとも１５％小さく、より好ましくはｄ₁よりも少なくとも２０％小さい。図１及び図２に示す例では、第１の複数個のロータコンポーネント５０は、ポンプ１０の入口３６の近くに位置する３つのロータコンポーネント１８，２０，２２から成り、第２の複数個のロータコンポーネント５２は、ポンプ１０の出口３８の近くに位置する２つのロータコンポーネント２４，２６から成る。

排気段の個数及び大きさを所要の排気容量に応じて変えることができる。例えば、６段真空ポンプは、先端部半径ｄ₁の３つのロータコンポーネント及び先端部半径ｄ₂の３つのロータコンポーネントから成っていても良く、或いは、先端部半径ｄ₁の３つのロータコンポーネント、先端部半径ｄ₂の２つのロータコンポーネント及び先端部半径ｄ₃の１つのロータコンポーネントから成っていても良く、ここで、ｄ₁＞ｄ₂＞ｄ₃である。

ロータコンポーネント１８，２０，２２，２４，２６の各々は、同数の突出部を有するのが良い。図３及び図４に示すように、ロータコンポーネントの各々は、３つの突出部６０を有するが、ロータコンポーネントは、任意の個数の突出部を有しても良く、例えば、２〜５個の突出部を有しても良い。突出部は、任意所望の湾曲輪郭を有することができる。例えば、図３に示すように、ある段のロータコンポーネント１８，２６のうちの一方は、この段の他方のロータコンポーネント１８′，２６′の突出部を受け入れるソケット６２を有するのが良い。

少なくとも排出段ロータコンポーネントの先端部半径を減少させることにより、比較的高い容量比を達成するための排出段排気コンポーネントの厚さの所要の減少分は、排出段排気コンポーネントの先端部半径が入口段ロータコンポーネントの先端部半径と同じであった場合に必要な減少分よりも小さい。例えば、先端部半径が一定値に保持される場合、排出段ロータコンポーネントの厚さは、２０：１の容量比を達成するためには入口段ロータコンポーネントの厚さの約５％であることが必要である。しかしながら、排出段排気コンポーネントの先端部半径が入口段ロータコンポーネントの先端部半径よりも１５％〜２０％小さい場合には、排出段ロータコンポーネントの厚さは、上記と同じ容量比を達成するためには入口段ロータコンポーネントの厚さの約１０％〜１５％であることが必要であるに過ぎず、それにより排出段排気コンポーネントの機械加工及び取付が容易になる。

ポンプ１０の入口段におけるロータコンポーネント１８，１８′間の噛み合いクリアランスは、好ましくは、ポンプ１０の排出段のところのロータコンポーネント２６，２６′の間の噛み合いクリアランスよりも大きく、最も好ましくは１０％〜３０％大きい。ポンプの入口段におけるロータコンポーネント１８，１８′は、歯車３４にロータを「タイミング合わせ」するために使用されるのが良く、したがって、入口段ロータコンポーネント１８，１８′間の噛み合いクリアランスを大きくすると、かくしてポンプ１０の組立てを容易にすることができる。排出段ロータコンポーネント２６，２６′間の噛み合いクリアランスを小さくすると、最終的な動力消費量及び圧力を許容レベルに保つことができ、入口段ロータコンポーネント１８，１８′間の余分なクリアランスによる、最終的な動力及び圧力並びにピーク容積排気速度に対する影響は無視できる。

２組の噛み合い形ロータコンポーネントを有する多段真空ポンプを示す図である。図１のポンプの１組のロータコンポーネントを示す図である。図１のポンプの入口段のロータコンポーネントの輪郭を示す図である。図１のポンプの排気段のロータコンポーネントの輪郭を示す図である。

Claims

多段真空ポンプであって、多段ロータ組立体を収容したステータを有し、各段は、噛み合い形ルーツロータコンポーネントを含み、前記ポンプの入口段における前記ロータコンポーネントの先端部半径は、前記ポンプの排出段における前記ロータコンポーネントの先端部半径よりも大きい、ことを特徴とする真空ポンプ。
前記排出段ロータコンポーネントの前記先端部半径は、前記入口段ロータコンポーネントの前記先端部半径よりも少なくとも１５％小さい、請求項１記載の真空ポンプ。
前記排出段ロータコンポーネントの前記先端部半径は、前記入口段ロータコンポーネントの前記先端部半径よりも少なくとも２０％小さい、請求項１又は２記載の真空ポンプ。
前記真空ポンプは、各々が第１の先端部半径のロータコンポーネントを含む第１の個数の排気段と、各々が前記第１の先端部半径よりも小さな第２の先端部半径のロータコンポーネントを含む第２の個数の排気段とを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記第１の個数の排気段及び前記第２の個数の排気段は各々、複数個の排気段から成る、請求項４記載の真空ポンプ。
前記第１の複数個の排気段と前記第２の複数個の排気段との間に設けられ、大気圧よりも高い圧力のガスを前記ステータから排出する一方向弁を有する、請求項４又は５記載の真空ポンプ。
前記ロータコンポーネントの各々は、複数個の突出部を有し、前記ポンプの前記入口段における前記ロータコンポーネントは、前記ポンプの前記排出段における前記ロータコンポーネントと同数の突出部を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記ロータコンポーネントの各々は、２〜５個の突出部を有する、請求項７記載の真空ポンプ。
前記ロータコンポーネントの各々は、３つの突出部を有する、請求項８記載の真空ポンプ。
各段は、互いに異なる輪郭を有するロータコンポーネントを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
ある段の一方の前記ロータコンポーネントは、前記段の他方のロータコンポーネントの突出部を受け入れるポケットを有する、請求項１０記載の真空ポンプ。
前記ロータ組立体は、２つの互いに噛み合った組をなすルーツ式ロータコンポーネントを含み、各組は、前記ステータに対して回転可能にそれぞれのシャフトに取り付けられている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記ポンプの前記入口段における前記ロータコンポーネント間の噛み合いクリアランスは、前記ポンプの前記排出段における前記ロータコンポーネント間の噛み合いクリアランスよりも大きい、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の真空ポンプ。