JP2012514149A - Vacuum pump - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、ロータ要素(24,36) が配置されているポンプハウジング(34)を備えた真空ポンプ、特にホルヴェック(Holweck )真空ポンプに関する。ロータ要素は少なくとも2つの筒状の搬送要素(24)を有しており、搬送要素(24)は、互いに同心状に配置されており、円盤状の保持要素(36)に接続されている。ステータ要素(26)が、2つの隣り合う搬送要素(24)間に配置されている。本発明によれば、単一の螺旋状の流路(28)がステータ要素によって形成されている。The invention relates to a vacuum pump, in particular a Holweck vacuum pump, comprising a pump housing (34) in which rotor elements (24, 36) are arranged. The rotor element has at least two cylindrical conveying elements (24). The conveying elements (24) are arranged concentrically with each other and connected to a disc-shaped holding element (36). A stator element (26) is arranged between two adjacent transport elements (24). According to the invention, a single spiral channel (28) is formed by the stator element.
Description
本発明は、真空ポンプ、特にはホルヴェック(Holweck )真空ポンプに関する。 The present invention relates to a vacuum pump, and in particular to a Holweck vacuum pump.
真空ポンプは、ポンプハウジングに配置されたロータ要素を備えている。ホルヴェック真空ポンプでは、ロータ要素は、例えばロータ軸に同心状に配置された管状の搬送要素を有している。搬送要素は、螺旋状の流路を有するステータ要素に囲まれている。搬送要素の回転により、摩擦真空ポンプの搬送機構が、搬送されるべきガス分子を運ぶべく作用する。回転動作により、ステータ要素の方に面する搬送要素の面が個々のガス分子にパルスを伝える。このような摩擦真空ポンプの性能は、摩擦面間の相対速度と搬送されるべきガスのタイプとにより略決まる。 The vacuum pump includes a rotor element disposed in the pump housing. In the Holweck vacuum pump, the rotor element has a tubular conveying element, for example arranged concentrically on the rotor shaft. The conveying element is surrounded by a stator element having a spiral flow path. Due to the rotation of the transport element, the transport mechanism of the friction vacuum pump acts to transport the gas molecules to be transported. Due to the rotational movement, the face of the conveying element facing towards the stator element transmits pulses to the individual gas molecules. The performance of such a friction vacuum pump is largely determined by the relative speed between the friction surfaces and the type of gas to be conveyed.
特別に設計されたホルヴェック真空ポンプが、独国特許出願公開第19632375号明細書に述べられている。この文献に述べられているホルヴェック真空ポンプのロータ要素は、ロータ軸に接続された円盤状の保持要素を備えている。保持要素は、ロータ軸に同心状に複数の管状の搬送要素に囲まれている。従って、隣り合う搬送要素は1つの環状の流路を形成している。これらの流路に、ステータ要素が夫々配置されている。各ステータ要素は、それ自体で閉じて搬送要素と平行に延びる管状壁を備えている。管状壁の両側には、各ステータ要素が2つの螺旋状の流路を形成するように螺旋状のウェブが夫々配置されている。従って、2つの隣り合う管状の搬送要素間に、2つの流路が形成されている。このような構造では、流路の一方の側壁が搬送要素によって常に形成されており、流路の他の3つの側壁がステータ要素によって形成されている。 A specially designed Holweck vacuum pump is described in DE 19632375. The rotor element of the Holweck vacuum pump described in this document comprises a disc-shaped holding element connected to the rotor shaft. The holding element is surrounded by a plurality of tubular conveying elements concentrically with the rotor shaft. Therefore, adjacent transport elements form one annular flow path. Stator elements are respectively disposed in these flow paths. Each stator element comprises a tubular wall that closes itself and extends parallel to the conveying element. On both sides of the tubular wall, helical webs are respectively arranged so that each stator element forms two helical channels. Accordingly, two flow paths are formed between two adjacent tubular conveying elements. In such a structure, one side wall of the flow path is always formed by the conveying element, and the other three side walls of the flow path are formed by the stator element.
本発明は、特には経済的に更に有利な製造を可能にし、及び/又は搬送容量を増大させるように、真空ポンプの、特にはホルヴェック真空ポンプの設計を簡素化することを目的とする。 The present invention aims at simplifying the design of the vacuum pump, in particular the Holweck vacuum pump, so as to enable a particularly advantageous production in particular economically and / or to increase the conveying capacity.
本発明によれば、上記の目的は請求項1に定義された特徴によって達成される。 According to the invention, the above object is achieved by the features defined in claim 1.
特にはホルヴェック真空ポンプである本発明の真空ポンプは、ポンプハウジングに配置されて好ましくはロータ軸に支持されているロータ要素を備えている。ロータ要素は少なくとも2つの搬送要素を備えており、搬送要素は、本発明の第1の好ましい実施形態によれば、互いに同心状に配置されており、管状をなしている。本実施形態では、前記管状の搬送要素はロータ軸に対しても同心状に配置されていることが特に好ましい。ここではガスが、搬送要素の側方面で生じる摩擦によって搬送されており、搬送要素はガス粒子に衝撃を与えている。2つの隣り合う搬送要素間に、ステータ要素が形成されている。ステータ要素は、媒体が搬送方向に搬送される螺旋状の流路を備えている。媒体は、ステータ要素とロータ要素又はロータ要素の搬送要素との相対的な移動によって搬送される。その過程で、ロータ軸に接続されたロータ要素が通常回転させられる。しかしながら、ステータ要素が回転されられることも可能であり、特には、ステータ要素及びロータ要素の両方が好ましくは相互に反対方向に回転させられることも可能である。 The vacuum pump according to the invention, in particular a Holbaek vacuum pump, comprises a rotor element which is arranged in a pump housing and is preferably supported on a rotor shaft. The rotor element comprises at least two transport elements, which according to the first preferred embodiment of the invention are arranged concentrically with one another and are tubular. In this embodiment, it is particularly preferable that the tubular conveying element is arranged concentrically with respect to the rotor shaft. Here, the gas is transported by the friction generated on the side surfaces of the transport element, which transports the gas particles. A stator element is formed between two adjacent transport elements. The stator element includes a spiral channel through which the medium is transported in the transport direction. The medium is transported by relative movement of the stator element and the rotor element or the transport element of the rotor element. In the process, the rotor element connected to the rotor shaft is normally rotated. However, the stator element can also be rotated, in particular both the stator element and the rotor element can preferably be rotated in opposite directions.
本発明によれば、ステータ要素は単一の螺旋状の流路を備えている。 According to the invention, the stator element comprises a single spiral channel.
従って、独国特許出願公開第19632375号明細書とは対照的に、2つの流路ではなく1つの流路のみが2つの隣り合う搬送要素間に径方向に配置されている。従って、ステータ要素は、螺旋状のウェブを有する中央の管状壁を備えていない。螺旋状のウェブを有する中央の管状壁とは異なり、本発明のステータ要素は好ましくは自立して平坦な螺旋状の帯である。任意には、安定化ウェブを更に設けることが可能であるが、2つの別個の流路への分離にはならない。 Thus, in contrast to German Offenlegungsschrift 19632375, only one channel, not two channels, is arranged radially between two adjacent conveying elements. Thus, the stator element does not comprise a central tubular wall with a helical web. Unlike the central tubular wall with a spiral web, the stator element of the present invention is preferably a free-standing flat spiral band. Optionally, a stabilizing web can be further provided, but not separated into two separate channels.
従って、本発明によれば、単一の螺旋状の流路が2つの隣り合う搬送要素間に径方向に配置されている。複数のねじ山を有する螺旋状の流路が設けられているように、相互に平行な複数の流路を搬送方向及び軸方向に設けることも可能である。 Thus, according to the invention, a single spiral channel is arranged radially between two adjacent transport elements. It is also possible to provide a plurality of flow paths parallel to each other in the transport direction and the axial direction so that a spiral flow path having a plurality of threads is provided.
流路の2つの側方面が2つの隣り合う搬送要素によって形成されていることが好ましい。従って、流路の径方向の幅は、2つの隣り合う搬送要素間の距離に略相当することが好ましい。 It is preferred that the two lateral surfaces of the flow path are formed by two adjacent transport elements. Therefore, it is preferable that the radial width of the flow path substantially corresponds to the distance between two adjacent transport elements.
流路の発明性がある設計により、流路の断面積が同一であれば、他の限界条件も同一であるという前提条件下で、搬送容量がより大きくなる。これは、図1及び2に表された概略図間の比較から明らかである。 Due to the inventive design of the flow path, if the cross-sectional area of the flow path is the same, the transport capacity becomes larger under the precondition that the other limit conditions are also the same. This is evident from a comparison between the schematic diagrams represented in FIGS.
現状の技術(図1)によれば、流路10はステータ要素12によって形成されており、3つの側方面14,16,18が、固定されたステータ要素12によって形成されている。流路10の4番目の内側面20が、回転する管状の搬送要素22によって形成されている。図面の面で垂直方向の速度分布v が前記概略図の下に概略的に示されている。簡単な方法で検討すると、つまり「滑り流れ」条件を無視すると、図表に示されているように、速度分布は略線形である。速度は、流路10の側方面16で0であり、搬送要素22の内側面20で最大である。この速度は、回転する搬送要素22の接線方向の速度に略相当する。圧縮がK=1 である前提条件下では、搬送されるガス容積は、表面積と速度に関する積分とに比例する。
According to the current technology (FIG. 1), the
本発明の第1の好ましい実施形態によれば、2つの相互に同心状をなす管状の搬送要素24が設けられている。2つの搬送要素24間に、螺旋状のステータ要素26が配置されている。従って、流路28が、一方ではステータ要素26の2つの固定された内壁30によって、他方では搬送要素24の2つの動く内壁32によって形成されている。図2の図表に示されているように、図面の面で垂直方向の速度分布v は、速度が2つの内壁32で最大になるように表されている。簡単な方法で検討すると、速度分布はここでも線形である。従って、簡単に表現すると、曲線下の表面積は、現状の技術に係る速度分布に基づく表面積の2倍である。
According to a first preferred embodiment of the invention, two mutually concentric
2つの図表では、やや分かりにくい速度推移が破線で表わされている。しかしながら、速度推移から、本発明に係る構造(図2)での搬送容積(曲線下の表面積)が、現状の技術に係る構造(図1)より相当大きいことが明らかである。 In the two charts, the somewhat difficult to understand speed transition is represented by broken lines. However, from the speed transition, it is clear that the transport volume (surface area under the curve) in the structure according to the present invention (FIG. 2) is considerably larger than the structure according to the current technology (FIG. 1).
好ましい実施形態によれば、ロータ要素は、ロータ軸に接続された好ましくは円盤状の保持要素を備えている。少なくとも2つの管状の搬送要素が、保持要素に接続されている。これに関連して、保持要素は、搬送要素に取り付けられるか又は搬送要素に挿入されることが可能な好ましくは環状の突起部を有していることが好ましい。搬送要素は、圧入、接着等によって保持要素に接続されている。 According to a preferred embodiment, the rotor element comprises a preferably disc-shaped holding element connected to the rotor shaft. At least two tubular conveying elements are connected to the holding element. In this context, it is preferred that the holding element has a preferably annular projection that can be attached to or inserted into the transport element. The conveying element is connected to the holding element by press fitting, bonding or the like.
搬送要素は、保持要素の一側にのみ配置されていることが好ましく、保持要素は、搬送方向に見たときに搬送要素の上流側に設けられていることが特に好ましい。このため、保持要素が、ポンプで送られるべきガスを搬送要素の方に搬送するロータブレードを更に備えることが可能であるという利点がある。 The transport element is preferably arranged only on one side of the holding element, and the holding element is particularly preferably provided on the upstream side of the transport element when viewed in the transport direction. This has the advantage that the holding element can further comprise a rotor blade for conveying the gas to be pumped towards the conveying element.
可能な限り小型の真空ポンプを実現するために、外側の搬送要素とポンプハウジングの内壁との間に追加の流路を配置することが利点である。この場合、対応する追加のステータ要素が、ポンプハウジングに直接接続されるか、又はポンプハウジングと一体に形成され得る。 In order to realize as small a vacuum pump as possible, it is advantageous to arrange an additional flow path between the outer conveying element and the inner wall of the pump housing. In this case, a corresponding additional stator element can be directly connected to the pump housing or formed integrally with the pump housing.
更に、内側の搬送要素は、ロータ軸の外側面によって直接取り替えられ得る。 Furthermore, the inner conveying element can be replaced directly by the outer surface of the rotor shaft.
特に好ましい実施形態によれば、搬送要素及び/又は保持要素、つまり好ましくはロータ要素全体が、軽量であると同時に、非常に安定した材料から形成されている。特に、プラスチック、好ましくは炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の構成要素を作製することが可能である。それにより、製造コストは著しく低減され得る。更に、このような軽量の構成要素の使用は、生じる慣性モーメントが著しく小さくなるという利点を有する。従って、特には磁気軸受である軸受の構造は簡素化され得る。これは、更なるコスト削減になる。 According to a particularly preferred embodiment, the conveying element and / or the holding element, i.e. preferably the entire rotor element, are made of a very stable material while being lightweight. In particular, it is possible to make components of plastic, preferably carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Thereby, the manufacturing costs can be significantly reduced. Furthermore, the use of such lightweight components has the advantage that the resulting moment of inertia is significantly reduced. Therefore, the structure of the bearing, in particular a magnetic bearing, can be simplified. This is a further cost reduction.
本発明の第2の好ましい実施形態によれば、円盤状の搬送要素が、管状の搬送要素の代わりに設けられている。このような少なくとも2つの円盤状の搬送要素は、好ましくは互いに略平行に配置されており、特に好ましい実施形態によれば、ロータ軸に対して略径方向に延びている。第1の好ましい実施形態によれば、ステータ要素は、2つの隣り合う搬送要素間に配置されており、それ自体が複数のねじ山を有するように設計され得る単一の螺旋状の流路を備えている。搬送原理は、第1の実施形態に関して述べられている搬送原理に相当し、ガスは、略径方向に搬送される。これに関連して、ロータ軸は、中空軸として形成されており、好ましくは軸方向の流路を備えていることが特に好ましい。ここでは、ガスの搬送は、例えば、ロータ軸を貫いて形成された流路を介してガスを吸い込むように取り入れて、隣り合う搬送要素間に配置された渦巻き状の流路を介してガスを径方向に外部に搬送することにより行われ得る。また、逆の搬送方向が可能である。更に例えば、断面図で見たときに蛇行した搬送流が形成されるように、ガスが、隣り合う流路を介して好ましくは径方向の内側と径方向の外側とに交互に搬送されることが可能である。 According to a second preferred embodiment of the invention, a disc-shaped transport element is provided instead of a tubular transport element. Such at least two disc-shaped conveying elements are preferably arranged substantially parallel to each other and, according to a particularly preferred embodiment, extend substantially radially with respect to the rotor shaft. According to a first preferred embodiment, the stator element is arranged between two adjacent conveying elements and has a single helical flow path that can itself be designed to have a plurality of threads. I have. The transport principle corresponds to the transport principle described with respect to the first embodiment, and the gas is transported in a substantially radial direction. In this connection, it is particularly preferred that the rotor shaft is formed as a hollow shaft, preferably with an axial flow path. In this case, the gas is transported by, for example, taking in the gas through a flow path formed through the rotor shaft and passing the gas through a spiral flow path disposed between adjacent transport elements. It can be carried out by conveying to the outside in the radial direction. Also, the reverse transport direction is possible. Further, for example, the gas is preferably conveyed alternately between the radially inner side and the radially outer side through adjacent flow paths so that a meandering flow is formed when viewed in cross-section. Is possible.
通常はガス状である流体が、ロータ要素とステータ要素との相対的な移動によって搬送される。特にロータ要素とステータ要素との相対的な移動は、ステータ要素に対するロータ要素の搬送要素の相対的な移動である。好ましい実施形態によれば、ロータ要素の駆動がロータ軸によってのみ行なわれるように、ステータ要素は固定されており、従って動かない。 A normally gaseous fluid is conveyed by the relative movement of the rotor and stator elements. In particular, the relative movement between the rotor element and the stator element is a relative movement of the conveying element of the rotor element relative to the stator element. According to a preferred embodiment, the stator element is fixed so that it is driven only by the rotor shaft, and therefore does not move.
しかしながら、上記に説明した実施形態ではロータ要素として述べられている構成要素が固定されており、従って動かず、螺旋状又は渦巻き状の流路を形成するステータ要素が、例えばステータ要素を駆動軸に接続することによって駆動されることも可能である。 However, in the embodiment described above, the components described as rotor elements are fixed, so that a stator element that does not move and forms a spiral or spiral flow path is used, for example, with the stator element as a drive shaft. It is also possible to drive by connecting.
更に、ロータ要素及びステータ要素の両方が駆動されるべく配置されており、例えば、対応する駆動軸に接続されていることが可能である。ステータ要素に対して反対方向にロータ要素を回転させることによって、流体が搬送される相対的な移動が生成される。 Furthermore, both the rotor element and the stator element are arranged to be driven and can be connected, for example, to a corresponding drive shaft. By rotating the rotor element in the opposite direction relative to the stator element, a relative movement in which the fluid is conveyed is generated.
本発明を、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態により説明する。 The invention will now be described by means of preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings.
本発明に応じて構成されたロータ要素が、ポンプハウジング34に配置されている(図3)。ロータ要素は、略円盤状の保持要素36を備えている。保持要素36は、中央のピン38によってロータ軸(不図示)に接続されている。説明のために、ロータ軸の中心線58が示されている。円盤状の保持要素36の内部領域が閉円盤40として形成されている。閉円盤40は放射状のロータブレード42に続いている。搬送方向44に面する保持要素36の底側に、環状の突起部46が配置されており、突起部46は好ましくは保持要素36と一体に形成されている。
A rotor element constructed in accordance with the present invention is disposed in the pump housing 34 (FIG. 3). The rotor element includes a substantially disc-shaped holding
図示された実施形態では、3つの管状又は円筒状の搬送要素24が、差し込み式の取付によって前記突起部46に密に接続されている。従って、保持要素36の回転により、搬送要素24が回転させられる。2つの隣り合う搬送要素24間に、本発明に応じて設計されたステータ要素26が夫々配置されており、図示された実施形態では、2つのステータ要素26が設けられている。
In the illustrated embodiment, three tubular or cylindrical conveying
特に図4から明らかなように、ステータ要素26は螺旋状をなしている。この構成では、単一の螺旋状要素が設けられるか、又は互いの内側に配置された複数の螺旋状要素が設けられることが可能である。図4に図示されたステータ要素26の実施形態では、合計で5つの相互に係合するステータ部材52が設けられており、ステータ部材52は、部分的な螺旋状要素として夫々形成されている。個々の隣り合うステータ部材52間に、螺旋状の流路が夫々形成されており、複数の相互に係合するステータ部材52が設けられている場合、搬送方向又は軸方向に互いに平行に延びる複数の流路が設けられている。個々の流路28の機能性は図2に見られ得る。
As can be seen in particular from FIG. 4, the
従って、図4に示されたステータ要素26は、軸方向又は搬送方向44に互いに平行に配置された複数の流路28を備えている。しかしながら、図2を参照して述べたように、相当大きな略2倍の搬送容積が得られるように、流路28は径方向には重なり合っていない。
Accordingly, the
図示された実施形態(図3)では、追加の流路48が、外側の搬送要素24とポンプハウジング34との間に設けられている。前記追加の流路48は、同様の螺旋状の追加のステータ要素50によって形成されており、図示された実施形態では、前記追加のステータ要素50は、ポンプハウジング34の内壁54に密に接続されているか又はポンプハウジング34と一体に形成されている。
In the illustrated embodiment (FIG. 3), an
個々の流路28,48 を通って搬送される媒体は、開口部56を介して吐出されるか又は更なる搬送段階に供給される。更に、隣り合う流路28,48 に共通の吐出口を設けることが可能である。
The medium conveyed through the
更なる好ましい実施形態(図5)では、図2を参照して説明された発明性がある搬送原理が原則としてここでも実現されている。しかしながら、ロータ軸60の長手軸58に対するガスの搬送が径方向に行なわれる。
In a further preferred embodiment (FIG. 5), the inventive transport principle described with reference to FIG. 2 is in principle also realized here. However, the conveyance of the gas with respect to the
概略的に図示されたポンプハウジング62の内部に、ロータ軸60が配置されており、図示された実施形態では、ロータ軸60は中空軸として構成されている。円盤状の搬送要素64が、前記中空軸60に接続されている。ここで、ロータ軸60を囲む搬送要素64は、突起部66によって固定されることが可能であり、突起部66は、環状をなし、中空軸60の外側面に接続されている。2つの隣り合う円盤状の搬送要素64間に、流路28が形成されている。流路28内に、ステータ要素68が配置されている。第2の好ましい実施形態(図5)では、前記ステータ要素68は螺旋状ではなく渦巻き状をなしており、そのため、流路も渦巻き状をなし、径方向に延びている。従って、図5に図示された実施形態では、ガスは流路28内で渦巻き状に、つまり内側から外側に搬送される。
A
本発明の第2の実施形態の図5に示された好ましい変形例では、搬送されるべき媒体が、中空軸60の内部室74に入るように矢印72の方向にポンプハウジング62の吸込口70を介して吸込まれる。ガスは、内部室74から矢印によって示されているように、中空軸60の開口部76を通って流路28内に搬送される。ガスは、ポンプハウジング62の吐出口78を通って矢印81の方向に吐出される。
In the preferred variant shown in FIG. 5 of the second embodiment of the invention, the
図示された実施形態では、追加のステータ要素82が、ポンプハウジング62の内壁80に配置されており、好ましくはポンプハウジング62に固定して接続されているか又はポンプハウジング62と一体に形成されており、それにより、ガスが2つの外側の搬送要素64とポンプハウジング62の内壁80との間にも搬送される。
In the illustrated embodiment, an
中空軸60は、駆動部84に接続された軸ジャーナル86によって支えられている。
The
ステータ要素68は渦巻き状に構成されている。そのため、ステータ要素68は、図5では例えば内側から外側に延びている個々の流路を形成することが可能である。更に、図6の断面図に概略的に示されているように渦巻き状のステータ要素68を設計することが可能である。図6に示された渦巻き状のステータ要素68は複数のねじ山を有しており、図示された実施形態では、3つの流路88が互いに平行に延びている。図示された実施形態では、流路の入口が規則的に配置されており、流路が3つの場合には、流路の入口は互いに120°ずつずれている。
The
Claims (14)
2つの隣り合う搬送要素(24,64) 間に配置されており、単一の螺旋状又は渦巻き状の流路(28)を有するステータ要素(26,68) と
を備えた真空ポンプ、特にはホルヴェック(Holweck )真空ポンプにおいて、
前記ロータ軸(58)は中空軸(60)として設計されており、それにより、搬送されるべきガスが少なくとも部分的に前記中空軸(60)を通って搬送されることを特徴とする真空ポンプ。 A rotor element (36, 24, 64) disposed in the pump housing (34, 62) and connected to the rotor shaft (58) and having at least two conveying elements (24, 64);
A vacuum pump with a stator element (26,68) arranged between two adjacent transport elements (24,64) and having a single spiral or spiral channel (28), in particular In the Holweck vacuum pump,
The rotor shaft (58) is designed as a hollow shaft (60), whereby the gas to be transported is at least partially transported through the hollow shaft (60) .
該保持要素(36)は、前記ロータ軸に接続されており、該ロータ軸に接続された前記搬送要素(24)を有していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の真空ポンプ。 Said rotor element (36) preferably comprises a disc-shaped holding element (36),
The holding element (36) is connected to the rotor shaft and has the transport element (24) connected to the rotor shaft. Vacuum pump.
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