JP2009523210A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【解決手段】排気されるべき空間に真空を生じさせる真空ポンプは、筒状内部空間(22)を有するハウジング(10)を備える。エキスペラ(26)が内部空間(22)に偏心して配置されている。螺旋状のシーリング要素(34)が、少なくとも１つの三日月状の搬送空間を形成するために、エキスペラ(26)とハウジング(10)の内壁(38)との間に設けられている。ハウジング(10)又はエキスペラ(26)は、ハウジング(10)とエキスペラ(26)との間に相対回転運動を生じさせるための駆動装置(44)に接続されている。本発明によれば、真空ポンプはドライランニング真空ポンプとして構成される。

Description

本発明は、空間に真空を生じさせるための真空ポンプに関する。

真空ポンプは、特に粒子によって非常に影響される処理が行なわれる空間の排気に用いられる。このような処理は、特に半導体製造、蒸着処理、化学処理等で行なわれる。排気されるべき空間内に真空ポンプから潤滑性物質が入り込むことを回避するために、ドライランニングポンプを用いることが必要とされる。

例えばドライランニングタイプの回転スライドバルブ式真空ポンプが公知であるが、摩擦要素に、つまり、スライドとポンプ室の内壁との間に高い相対速度が生じるという不利がある。高い相対速度は許容範囲の体積流量には必須であるので、回転スライドバルブ式真空ポンプの寿命は比較的短い。

ドライランニングタイプの真空ポンプの更なる種類として、スクロール型ポンプがある。スクロール型ポンプは、１つの固定要素及び１つの周回要素を備え、それらの要素は、相互に係合して配置された渦巻状の搬送手段を備える。しかしながら、スクロール型ポンプは製造コストが高く、確実な連続操作を確保するために頻繁な保守作業を必要とする。

ドライランニングタイプのピストン型真空ポンプは、製造コストが高く、更にそれらの構造体積が大きいという不利がある。このようなポンプでは、ノイズ発生及び生じる振動も不利である。

国際公開第０３／０８１０４８号パンフレットから、偏心して支持されたエキスペラを備えたドライランニング真空ポンプが知られている。螺旋状のシーリング要素は、筒状エキスペラの渦巻状の溝に配置されている。中空シリンダの内部に、クランクが、シリンダの回転軸に偏心して配置されている。回転するクランク及び周回するエキスペラからなるシステムは、筒状ハウジングに配置されている。国際公開第０３／０８１０４８号パンフレットに記載された真空ポンプは、高い搬送性能には適するが、複雑な設計である。
国際公開第０３／０８１０４８号パンフレット

本発明の目的は、ドライランニング条件でも、特に低い吸引能力の場合にも、経済的に確実に作動可能な真空ポンプを提供することである。

本発明によれば、上記の目的は請求項１の特徴によって達成される。

本発明の真空ポンプは、筒状内部空間を有するハウジングを備える。前記内部空間内には、エキスペラが偏心して配置されている。エキスペラとハウジングの内壁との間に、螺旋状のシーリング要素が、少なくとも１つの三日月状の搬送空間を形成するために配置されている。エキスペラ及び／又はハウジングは駆動装置に直接接続されており、所与の設計に応じて、ハウジング又はエキスペラのいずれかは好ましくは固定されている。前記偏心のため、ハウジング又はエキスペラの単純な回転運動により、例えば気体の、排気されるべき空間から真空ポンプの入口を通って真空ポンプの出口への搬送が生じる。

この点に関する本発明の本質的な態様は、エキスペラが中心に支持されている、つまり、エキスペラが駆動されるかどうかに応じて、駆動軸又は支持軸を形成するエキスペラの軸が、筒状エキスペラに同心状に配置されている点にある。従って、エキスペラは周回する移動ではなく回転する移動を行なう。本発明によれば、エキスペラは同心状に支持されている。

本発明によれば、真空ポンプはドライランニング真空ポンプとして構成される。本発明の真空ポンプは、ハウジング又はエキスペラだけが駆動される必要がある簡単な構造設計の真空ポンプであるという利点を特に提供する。これは、エキスペラ又はハウジングの電動機への簡単な接続によって実現することができ、その接続は、例えばベルトドライブ又は中間伝動を介して、或いは直接に実現される。本発明の真空ポンプは、好ましくは300 l/min未満、最も好ましくは200 l/minの回転数を有するスローランニング真空ポンプとして、特に適する。本発明の真空ポンプの構成及び形状のために、十分な搬送流量が、低い回転数にもかかわらず得ることができる。

確実に、容易な保守で本発明のドライランニング真空ポンプを動作させることができるためには、螺旋状のシーリング要素、及びその上をシーリング要素が滑る滑り面間の適切な材料の組み合わせを実現することは特に利点である。真空ポンプの設計に応じて、外部摩擦シーリング要素を備えた真空ポンプに設けられたならば、シーリング要素は、シーリング要素がエキスペラとの共通回転のためにエキスペラに接続される場合にハウジングの筒状内部空間の内壁を滑る。内部摩擦シーリング要素を備えた真空ポンプでは、シーリング要素は、ハウジングとの共通回転のためにハウジングに接続され、筒状エキスペラの外面を滑る。シーリング要素及び滑り面間の、つまり、ハウジングの内壁及びエキスペラの外面間の特に好ましい材料の組み合わせは、滑らかにされた、特に陽極酸化アルミニウムの滑り面と組み合わせて、PTFE化合物又はPEEKから作られたシーリング要素からなる。更に、シーリング要素は、ばね鋼、特にコーティングされたばね鋼から作ることができる。コーティングは、好ましくはPTFE化合物（充填材を含むPTFE）、PEEK及びPEEK化合物、PI（ポリイミド）及びPI化合物、PPS（ポリフェニレンスルフィド)及びPPS化合物、又は充填材を含むエポキシ樹脂のうちのいずれか１つを含む。機械的応力及び熱応力に非常に抵抗力のあるプラスチックは、一般に非常に役に立つ。このような摩擦学のシステムでは、5m/sまでの相対速度が実現可能である。滑り面に適切な材料は、陽極処理された、それによって好ましくは硬化されたアルミニウム以外に、鋼、特にステンレス鋼だけでなく、ねずみ鋳鉄、回転楕円面の鋳鉄、アニール処理された鋳鉄がある。これらの材料は、好ましくは摩耗保護層、特にCrN 又はTiN でコーティングされる。シーリング要素と滑り面との間の摩擦を減じるために、コーティング又はスライディングラッカーを備えることは更に有利である。これらは、TiN 、CrN 、AICrN 及びCrC と同様にセラミックコーティングであってもよい。

上記に関して、滑り面の粗度R_z は、好ましくは５より低く、更に好ましくは２より低く、最も好ましくは0.5 より低い。

エキスペラとハウジングの筒状内部空間との間の偏心のため、シーリング要素は溝に配置され、その中でラジアル方向に移動可能である。前記溝は、エキスペラ又はハウジングのいずれかに形成される。シーリング要素及び溝の壁内の相対速度は、明らかにより低いが、例えば溝の内壁にもコーティングすることは有利であり、その結果摩擦を減じる。

溝の幅及び深さは、真空ポンプの動作状態で、一方では、シーリング要素の十分なラジアル方向移動が確保されるという目的のために選択され、他方では、真空ポンプのポンピング性能を減じる漏れ流出を回避するために、シーリング要素及び溝間の間隙は可能な限り小さいという目的のために選択される。この点で、特に材料の所与の選択に基づいて、膨張係数、それ故構成要素の熱膨張が互いに異なってもよいことが考慮されるべきである。これは、特にプラスチックから作られたシーリング要素についても同じことがいえる。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、冷却要素は、シーリング要素の滑り面で発生した熱の放散のために設けられる。これは、特にシーリング要素の摩耗発生の相当な減少を可能にする。シーリング要素が、ハウジングの筒状内部空間の内壁を滑るために配置された、内部での滑り運動を備えたタイプの真空ポンプでは、好ましくは冷却リブの形で設けられた冷却要素は、好ましくはハウジングに接続されている。十分な冷却効果を確保するために、冷却リブに対して気流を導くことが可能である。この流れは、温度に基づき制御可能であり、それ故真空ポンプは、動作の始めで急速に動作温度に達し、次に、狭い温度範囲内で動作される。これにより、シーリング要素が、高い熱膨脹係数を有する材料から製造されることが可能であり、その結果比較的狭い温度範囲のみで、十分な滑り特性と共に確実な密閉効果を保証することができるという利点が特にある。

内部での滑り運動のためのシーリング要素を備えた真空ポンプでは、エキスペラが冷却される場合、特に有利である。この目的のために、例えば中空エキスペラを設けることができ、この場合にも、冷却リブは、冷却のための冷却リブの周りに流れる空気と共に、中空空間に配置されることが可能である。

特に好ましくは、ハウジング又はエキスペラの支持部が出口側に設けられてもよい。この場合、支持部は、接続が真空ポンプの圧力を受ける側に存在しないように、配置される。それによって、特に転がり軸受として形成された軸受からの潤滑剤が、排気されるべき空間に入らないよう保護される。特に、エキスペラの張り出した支持部が好ましい。軸受に作用する傾斜モーメントを減じるのに有効であるエキスペラの張り出した支持部の更なる改良は、内部に配置された軸受の好ましい構成にある。例えば、中空シリンダの形状でエキスペラを備え、中空シリンダ内にエキスペラのための駆動軸を配置し、駆動軸をシリンダに接続することが可能である。空洞に配置された駆動軸が内部で支持され、それにもかかわらず支持部が出口側に配置されることを可能にするために、駆動軸は、必要とされる場合、エキスペラの空洞内に配置された中空軸によって囲まれてもよい。中空軸は固定されており、駆動軸の支持部のための軸受を支える。

螺旋状のシーリング要素は、好ましくは複数の巻き又は曲がりを含む。それに一致して、渦巻状の溝は複数のねじ山の曲がりを含む。真空ポンプのパワー入力を可能な限り低く維持し、かつ同時に小さな構造空間を保ちながら、圧縮温度を低く維持するために、内部圧縮が好ましい。搬送されるべき媒体のこのような内部圧縮は、溝又はシーリング要素のピッチを搬送方向に減じることにより得られる。内部圧縮及び外部圧縮間の圧縮比は1/3 乃至1/10が好ましい。好ましくは、バイパス弁が、圧縮領域の過剰圧縮を防ぐために設けられる。

本発明の真空ポンプの運動学の数理解析は、相対速度が、その第３のパワーの程度まで、最大の得られる部分的性能に影響を及ぼすことを示す。前記相対速度は、シーリング要素とスライディング要素との間の相対速度である。最大の得られる相対速度は、実質上材料の組み合わせ、表面品質及び接触部分に生じる温度次第である。

他方では、回転数は、最大相対速度が一定に維持されるとき、可能な部分的性能に対する相互の二次効果を有する。このようにして、公知の真空ポンプと比較して、依然として高い吸引性能に達しながら、500 l/min又は200 l/min未満の非常に低い回転数を有するポンプを実現することができる。従って、真空ポンプの創造性ある構造設計により、低い回転数で高い吸引性能に達することができる。必要な回転数が低いために、真空ポンプはドライランニング真空ポンプとして設計可能である。より高い回転数は、接触部分で最大相対速度を引き起こし、結果として摩耗がより速くなる。このようにして、本発明のドライランニング真空ポンプを用いて、約0.1m³/h 乃至30m³/hの吸引性能が得られる。更に、真空ポンプの単純な構成により安価な構造が可能になる。少ない数の構成要素により、保守は非常に便利になる。更に長い有効寿命が、特に低い回転数により保証される。更に、衝撃抵抗に課せられる要求は低い。更なる利点は、ほんの僅かな振動の発生及び低いノイズ発生にある。

本発明の好ましい実施形態によれば、シーリング要素はラジアル方向に偏って設けられる。これは十分な密閉効果を伴う。更に、この設備により、熱膨張の平衡がもたらされ、便利に交換できることが可能になる。ラジアル方向の偏りは、例えば溝の底でのエラストマー材料によって生成されることが可能である。更にシーリング要素は、ばねを設けることにより接線的に伸張されることが可能である。

本発明は、添付図面を参照して、好ましい実施形態によって以下に詳細に説明される。

本発明の第１の好ましい実施形態（図１）によれば、真空ポンプは固定されたハウジング10を備える。ハウジング10は、入口カバー12及び出口カバー14によって閉じられる。入口カバー12は、排気されるべき空間に接続された入口16を含む。出口カバー14は、排気されるべき空間から吸引された気体の排出のための接続部18を備える。従って、気体は、矢印20の方向に排気されるべき空間から入口16を通ってハウジング10の筒状内部空間22に移動して、出口カバー14に配置された前記出口接続部18を通って矢印24の方向に前記空間を出る。

前記筒状空間22の内部に、筒状エキスペラ26が設けられている。エキスペラ26は、軸28に対して中心に配置されている。従って、エキスペラの中心軸30は軸28の中心軸に相当する。軸28は、筒状内部空間22に偏心して配置されている。その結果、内部空間22の中心軸32は、エキスペラ26及び軸28の中心軸30に対して夫々偏心距離e を有する。図示された典型的な実施形態では、軸28は入口カバー12に固定されたカバー50を通って導かれる。

エキスペラ26は螺旋状又は渦巻状のシーリング要素34を備える。シーリング要素34は、対応する螺旋状又は渦巻状の溝36に配置されている。シーリング要素34は、エキスペラ26との共通回転及びエキスペラに対するラジアル方向移動のためにエキスペラに接続されている。エキスペラ26の回転によって、シーリング要素34は、ハウジング10の内壁38に対して回転させられる。同時に、エキスペラ26はラジアル方向に移動して、矢印20,24 の方向に気体を搬送することになる。気体の搬送は、シーリング要素34の隣接した螺旋状の通路間に形成された三日月状の搬送空間が、図１の右側に向けて媒体を搬送して行なわれる。シーリング要素34の隣接した螺旋状の通路間の距離を、媒体が圧縮又は濃縮されるように搬送方向に減少させてもよい。

図１に示された典型的な実施形態では、相対運動が、内部空間22の内壁38とシーリング要素34の外面40との間で生じる。この運動により、ハウジング10及びシーリング要素34の両方が加熱する。それ故本実施形態では、ハウジング10が、十分な熱伝導率を有し、外側の冷却リブ42を備えることが必須である。更に、冷却効果を高めるために、気流を冷却リブ42に向けて導くことが可能である。

エキスペラ26に接続された軸28は、好ましくは電動機からなる駆動手段44（図３）に接続されている。図示された典型的な実施形態では、軸の支持部は、好ましくは転がり軸受として形成された軸受46,48 によって構成され、軸受は、入口カバー12及び出口カバー14に夫々配置されている。前記軸受46,48 は、カバー50によって保持され、好ましくは転がり軸受として形成され、更にグリース処理され、密閉されるか蓋が設けられる。特に出口側では、周囲と排気されるべき空間との間の気体交換を回避するために、優れたシーリング特性を有するシーリング52を入口カバー12と軸28との間に配置することが利点である。このような気体交換の発生は、特に排気されるべき空間が、半導体処理等が行われる空間である場合、不利である。コンタクト軸シーリングは、ドライランニング又は潤滑されたタイプであり得る。圧力差が小さい場合、ギャップシーリングを設けることもできる。また入口側の軸受48は、コンタクト軸シーリングによってポンプ室でのプロセス媒体から分離されてもよい。

更に、シーリング要素34をハウジング10に形成された溝に配置することができ、この場合、発生した相対速度はシーリング要素とエキスペラ26の外側との間に生じる。しかしながら、このような配置によって引き起こされた熱の放散はより困難である。熱の放散のために、例えば中空エキスペラを用いることができる。

更なる選択として、固定されたエキスペラと回転するハウジングとを備えることができる。この場合、ハウジング内の孔が、ハウジングの回転の回転軸に対して偏心して配置される。

更なる好ましい実施形態（図２）における接続では、図１に類似の又は同一の構成要素は同一の参照番号で示される。

ハウジング10は、図１に示された実施形態と一致して構成され、ハウジングカバー12,14 によって閉じられている。ハウジング10は、エキスペラ54を収容する筒状開口部を備える。図１に示された構成と同様に、エキスペラ54は筒状の外形を有し、溝36が、溝に配置された螺旋状のシーリング要素34を有するので、第２実施形態（図２）の機能は図１の実施形態の機能に相当する。

エキスペラ54の軸受と、排気されるべき空間及び入口開口16との間の夫々の接続が生じることを避けるために、図示された実施形態での軸受はエキスペラ54内に配置されている。この目的のために、エキスペラ54は、より小さい直径を有する筒状開口62に接続する筒状開口60を有して形成される。筒状開口60,62 は、エキスペラ54に対して回転対称に配置されており、従ってエキスペラ54の中心軸に設けられている。筒状開口64が開口62の反対側に同心状に配置されており、前記開口62,64 は更なる同心開口を介して互いに接続されている。

複数の階段を有して形成された駆動軸66は、筒状開口60,62 に配置されており、開口64に延びるネジ付ピン68を有する。軸66をエキスペラ54との共通回転のためにエキスペラに接続すべく、ネジ付ピン68は、ナット70によって所定の位置に固定されており、調整バネ72が設けられている。エキスペラ54の筒状中空空間60内に、軸受56,58 が軸66の外側に配置されている。更に、筒状開口60の内部に軸受56,58 を支える中空軸74が配置されている。中空軸64は、カバー14との共通回転のためにカバーに接続されている。この位置定義のために、軸受56はバネ76によって付勢されている。軸受58はカバー78によって保持されている。

軸受は内部で且つ出口側に夫々配置されているため、排気されるべき空間への接続が存在しないため、存在する圧力を受けて、潤滑剤が軸受から吸い出され、排気されるべき空間に入り込む可能性を除外する。

図１及び２に示されたエキスペラ26,54 のための支持部以外に、エキスペラはハウジングの外部に張り出すように支持され得る。

図１に示された両側の支持部は、特に両向き流れシステムが設けられた場合に有利である。両向き流れ真空ポンプでは、吸引取り入れが中心に配置された吸引ノズルによって行われ、次に適切に構成されたエキスペラを用いて、気体は側部に向けて両方向に搬送され、２つの出口開口から横方向に排出される。このタイプのエキスペラは２つのシーリング要素を有し、シーリング要素は、この場合も螺旋状であり、媒体を中心の入口ノズルから夫々外側に運ぶ。両側に支持部を有する両向き流れシステムでは、軸受は夫々出口側に配置されており、従ってこの場合にも軸受の潤滑剤が排気されるべき空間内に入り込む可能性を回避する。

軸受の配置に応じて、軸受は、シャフト軸受又は他のシーリング要素によって搬送空間に向けて密閉される。

図３の斜視図は、電動機として形成された駆動要素44を備えた完全に組み立てられた真空ポンプを示す。図面には、周方向に分配され、略ラジアル方向に配置された冷却リブ42を備えるハウジング１０が明瞭に示されている。更に、入口16及び出口18が示されている。エキスペラ26に固定された軸28は、ベルトドライブ82を介して電動機44に接続されている。

２つの構成要素は、底板80に配置されている。図３に示された配置は非常に小型であり、従ってスペースを節約した配置である。

本発明の真空ポンプの様々な実行可能な実施形態の運動学に関して、回転軸は、好ましくは溝を有する構成要素の軸であることに特に言及する。孔及びエキスペラの両方は、常に断面で円形である。筒状エキスペラの中心線は、軸の中心線に、特にエキスペラの回転軸に相当する。好ましくは様々な実施形態において、溝の底は常に溝を有する構成要素と同心である。

シーリング効果も、搬送方向での溝のピッチの減少によって得られる。更に、真空ポンプの２段階構成も可能である。

真空ポンプの第１の好ましい実施形態の概略側面図である。 真空ポンプの第２の好ましい実施形態の概略側面図である。 電動機の駆動を備えた真空ポンプの概略斜視図である。

Claims (14)

1. 空間に真空を生じさせるための真空ポンプにおいて、
   筒状内部空間(22)を有するハウジング(10)と、
   前記内部空間(22)に偏心して配置されたエキスペラ(26,54) と、
   少なくとも１つの三日月状の搬送空間を形成するために、前記エキスペラ(26,54) と前記ハウジングの内壁(38)との間に配置された螺旋状のシーリング要素(34)と、
   前記ハウジング(10)と前記エキスペラ(26)との間に相対回転運動を生じさせるために、前記ハウジング(10)又は前記エキスペラ(26,54) に接続された駆動装置(44)とを備え、
   前記真空ポンプは、ドライランニング真空ポンプとして構成されていることを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記エキスペラ(26,54) は同心状に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記ドライランニング動作は、前記シーリング要素(34)と十分な滑り特性を有する滑り面(38)との間で適切な材料の組み合わせ、特にPTFE及び／又はPEEK及び／又は滑らかにされた陽極酸化アルミニウムを用いることによって実現されることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
4. 前記内部空間の内壁(38)は、0.1 乃至５の、好ましくは0.5 乃至２の粗度R_zを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の真空ポンプ。
5. 前記シーリング要素(34)は、その中でのラジアル方向移動のために溝(36)に保持されており、前記溝(36)は前記ハウジング(10)又は前記エキスペラ(26)に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の真空ポンプ。
6. 前記溝(36)はコーティングされていることを特徴とする請求項５に記載の真空ポンプ。
7. 前記ハウジング(10)に接続され、前記ハウジングの内壁(38)を冷却するための冷却要素を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の真空ポンプ。
8. 前記冷却要素は、前記ハウジング(10)の外側に配置された冷却リブ(42)を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の真空ポンプ。
9. 軸受(56,58) が、前記ハウジング(10)又は前記エキスペラ(54)を回転可能に支持するために配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の真空ポンプ。
10. 前記エキスペラ(54)が張り出すように支持されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の真空ポンプ。
11. 前記エキスペラ(54)は内部軸受(56,58) を備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の真空ポンプ。
12. 前記エキスペラは、その中に配置された前記エキスペラ(54)に接続された駆動軸(66)を含む中空空間(60)を有することを特徴とする請求項１１に記載の真空ポンプ。
13. 前記中空空間(60)は、該中空空間に設けられた、前記駆動軸(66)を囲み、前記軸受を収容するための中空軸(74)を有することを特徴とする請求項１２に記載の真空ポンプ。
14. 前記ハウジング(10)又は前記エキスペラ(26,54) の回転数は、500 l/minの範囲に、好ましくは200 l/minの範囲に定められていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の真空ポンプ。

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