JP2013113300A - 真空ポンプ用の高速回転ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】改善された真空技術的性能を有する真空ポンプ用高速回転ロータを提供することである。
【解決手段】第１のスリーブ１６および支持構造（１４；６０）を含む、真空ポンプ２用高速回転ロータ１０に関するものである。真空技術的性能を上昇させるために、第１のスリーブ１６の内側に第２のスリーブ１８が配置され且つ第１および第２のスリーブが複合材を形成することが提案される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の高速回転式のロータに関するものである。

ホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）の構造原理に基づく分子ポンプ段は、かなり以前から真空技術の分野において成果をあげている。一般に、分子ポンプ段は、ターボ分子ポンプがより高い背圧に向けて排出可能なように、ターボ分子ポンプ段内において背圧側ポンプ段として使用される。ホルベックにより、滑らかなスリーブが、螺旋状溝が設けられたステータ内で回転する。複数のスリーブが存在していてもよく、即ち、ドイツ特許公開第１９６３２３７５Ａ１号は、ガス流れ内において異なる軸方向長さのスリーブを並列に作用させることを提案する。

炭素繊維強化材料からなるスリーブは、これが熱および遠心力の作用のもとで小さい伸びを有するので、特に成功している。
しかしながら、スリーブはロータに支持されなければならず、この場合、支持構造部分内に、より大きな伸びを発生し、このように高い応力をスリーブ内に発生させる材料が使用されることに欠点が存在する。この欠点は、特に回転数限界および温度限界により、ロータの形態を困難にし且つ真空技術的性能を制限する。真空技術的性能には、例えば達成される圧縮および排気速度が付属する。

欧州特許公開第１４０８２３７Ａ１号に、繊維強化ホルベック・スリーブを支持構造部分内に移行させ、この場合、繊維の特殊な形態を利用することが提案されている。しかしながら、この提案は、今日まで市場において成果をもたらさず、この原因は、繊維形態およびロータ形状の複雑性にあった。

ドイツ特許公開第１９６３２３７５Ａ１号 欧州特許公開第１４０８２３７Ａ１号

したがって、本発明の課題は、改善された真空技術的性能を有する真空ポンプ用高速回転ロータを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有するロータにより解決される。
請求項１の特徴を有する形態により、支持構造とスリーブとの間の応力差の低減が達成される。より少ない応力差に基づいて真空技術的性能が改善され、その理由は、回転数および作業温度がより高く選択可能であるからである。

この場合、第１のスリーブは直接支持構造により支持可能であり、一方、第２のスリーブは第１のスリーブにより支持され且つこれにより第１のスリーブを介して支持構造と間接的に結合されているにすぎない。代替態様として、第２のスリーブが支持構造と結合され且つ第１のスリーブが第２のスリーブにより支持されていてもよい。さらに、両方のスリーブが直接支持構造と結合されていることもまた可能である。

従属請求項２ないし１５は本発明の有利な変更態様を与え、これらの変更態様は上記の利点をさらに上昇させる。
特に、第１のスリーブおよび第２のスリーブが、それから製造されている材料に関して、相互に異なるように設計されていてもよい。特に、材料は、熱および／または遠心力の作用による伸びに関して、異なっている。

他の一実施例において、第１のスリーブおよび第２のスリーブが、面で、特に全面で、相互に結合されていてもよい。
本発明の他の一実施形態により、両方のスリーブが形成する複合材は、遠心力の作用により第２のスリーブによって第１のスリーブに与えられる力が、支持構造特に支持構造のハブの伸びによって第１のスリーブに作用する力とほぼ同じになるように設計されていてもよい。

特に、請求項５および６に記載の材料選択は、特に相互の特徴の組み合わせにおいて、特に小さい応力差を形成させる。請求項７により、ロータ側において、螺旋状溝の形のポンプ作用構造が設けられたとき、真空技術的性能がさらに改善され、このようにして、例えば排気速度が改善される。

複合材は、両方のスリーブが接着結合または焼ばめ結合を形成することにより形成されてもよい。焼ばめ結合は、特に、第１のスリーブおよび第２のスリーブが異なる温度にもたらされ、次に相互にはめ込まれ、特に相互に引き込まれるかないしは相互に差し込まれるようにして形成される。それに続いて、即ち「常温」に戻されたとき、予め相対的に「冷却された」スリーブは再び膨張し、一方、予め相対的に「加熱された」スリーブは収縮する。これにより、両方のスリーブ間に固定結合が形成され、これに対しては、特に追加の固定手段は必要とされない。この場合、特に、「冷却される」のは内側スリーブ、この場合即ち第２のスリーブであり、一方、より高い温度に上昇されるスリーブは、第１のスリーブ即ち外側スリーブである。

代替態様として、複合材は、両方のスリーブが相互に圧着されるかないしは相互に締まりばめされること、両方のスリーブが相互に溶接されること、または両方のスリーブが相互にねじ込まれること、により形成されてもよく、この場合、ねじ込み結合は、特に、外側スリーブはその内側におよび内側スリーブはその外側にそれぞれねじ山が設けられ、且つ内側スリーブが外側スリーブ内にねじ込まれることにより両方のスリーブがねじ込み結合されることによって行われる。

一般的に、複合材を形成するために、両方のスリーブ間に接着結合が行われてもよい。代替態様として、両方のスリーブ間に、形状はめあい結合または摩擦はめあい結合が形成されることが可能である。

さらに、一方のスリーブが他方のスリーブの外装または積層を形成するように設計されていてもよく、この場合、外装ないしは積層は、第１のスリーブにより形成されていても、または第２のスリーブにより形成されていてもよい。

請求項１０および場合によりそれを引用した請求項に記載のようにターボ分子ポンプ・セクションと組み合わされたとき、上昇された真空技術的性能がポンプ全体のポンプ作用を改善させる。請求項１５に記載のように、少なくとも１つの追加の入口を有する真空ポンプに対して、例えば多室システムの室間における従来達成できなかった圧力比または従来達成できなかった排気速度が要求されたとき、改善された性能に基づいて新たな利用分野が開かれる。

一実施例およびその変更態様により、本発明を詳細に説明し且つそれらの利点を解明することとする。

図１は、高速回転ロータを備えた真空ポンプの部分断面図を示す。 図２は、一変更態様によるロータおよびステータの部分断面図を示す。 図３は、ロータの支持構造およびスリーブを断面図で示す。 図４は、少なくとも１つのターボ分子ポンプ・セクションを有するロータの略図を示す。 図５は、スリーブがハブの吸込側に固定されている真空ポンプの部分断面図を示す。

図１は真空ポンプ２を示し、真空ポンプ２は、フランジ４により、図示されていない排気されるべき容器と着脱可能に結合可能である。ガスは吸込開口６を介して流入し、真空ポンプ内において圧縮され且つガス出口８を介して排出される。一般に、粗引きポンプがガス出口と結合されている。

真空ポンプの内部にロータ１０が設けられ、ロータ１０は軸１２を含む。軸１２は第１の軸受３４および第２の軸受３６により回転可能に支持されている。軸上に駆動磁石３２が設けられていてもよく、駆動磁石３２は、ロータを高速回転させるために駆動コイル３０と協働する。回転数は、ロータおよびステータ４０の協働により分子ポンプ効果が形成されるように決定されている。ステータ４０は、半径方向内側表面に螺旋状溝４２を有している。

ロータの軸１２に支持構造１４が固定され、支持構造はディスク状に形成されたハブ１４として設計されていてもよい。第１のスリーブ１６は、このハブ１４と、共に回転するように結合されている。この第１のスリーブ１６の内側に第２のスリーブ１８が配置され且つ両方のスリーブ１６、１８は複合材を形成する。この複合材は、耐薬品性、耐熱性および耐高速回転性を有することが好ましい。このようにして、第１および第２のスリーブ１６、１８は、運転条件に適合するように相互に結合されている。ロータ１０が回転したとき直ちに、遠心力が回転部分特にハブ１４およびスリーブ１６、１８に作用しはじめる。特に、第１のスリーブ１６が繊維強化材料特に炭素繊維強化プラスチックから形成されているとき、第２のスリーブ１８の伸びは第１のスリーブ１６により阻止される。第２のスリーブ１８は、ここで、材料および形状に関して、遠心力の作用により第２のスリーブ１８によって第１のスリーブ１６に与えられる力が、ハブ１４の伸びによって第１のスリーブ１６に作用する力とほぼ同じになるように形成されている。目的は、特に、ハブ１４および第２のスリーブ１８の形態において、第１のスリーブ１６内の応力を、その物質定数に適合する大きさにすることである。これにより、第１のスリーブ１６の過負荷が回避される。第２のスリーブ１８による追加の形態自由度により、運転状態の量が本質的により大きいときにおいて第１のスリーブ１６の過負荷が達成可能であることが有利であり、この場合、運転状態は、特に温度、回転数およびガス負荷により決定されている。

他の形態可能性が、図２ないし５による変更態様により示されている。
図２に示すように、ハブ１４は軸１２と結合され、ハブ１４に第１のスリーブ１６が固定されている。第１のスリーブ１６の内側に、第１のスリーブ１６と複合材を形成して、第２のスリーブ１８が設けられている。図１に示す例と同様にステータ４０が設けられ、ステータ４０は第１のスリーブ１６の外側表面と協働し、これにより第１のステータ４０および第１のスリーブ１６は第１のポンプ段を形成する。このステータ４０に追加して、第２のスリーブ１８の内側表面と協働する第２のステータ４４が存在し、これにより第２のスリーブ１８および第２のステータ４４は第２のポンプ段を形成する。

ポンプ段は相互に直列に流動されてもよく、ガスはこのとき矢印１００に沿って流動する。ポンプ段を並列に運転することが望ましい場合がある。このために、ハブ１４内に少なくとも１つの通路５２が設けられていてもよく、通路５２を介して、ガスはハブ１４を通過して点線矢印１０２に沿って第２のポンプ段内に流入可能である。

有利な一変更態様は、結合部５０に関するものである。結合部５０を介して、第２のスリーブ１８およびハブ１４が相互に結合されている。ハブ１４および第２のスリーブ１８はこの位置において一体に形成されていてもよい。

他の有利な一変更態様により、第２のスリーブ１８の内側表面上にポンプ作用構造を形成することが提案される。ポンプ作用構造は例えば少なくとも１つの螺旋状溝２０であってもよい。このポンプ作用構造により排気速度および圧縮が上昇可能である。

図３に示す変更態様は支持構造に関するものである。変更態様により、支持構造は支持ディスク６０として形成されている。支持ディスクは軸装着部６８を設けた内輪６６を有し、軸装着部６８により、支持ディスクは軸に固定可能である。内輪６６には半径方向外側に羽根６２の円周リムが続き、これにより本質的にターボ分子構造タイプのディスクが形成される。支持リング６４が羽根の少なくとも一部と結合されているかまたはそれと一体に形成され、支持リング６４に、第２のスリーブ１８と複合材を形成する第１のスリーブ１６が固定されている。

図４に、ターボ分子ポンプ・セクションを形成するために、軸１２上にさらにターボ分子構造タイプのロータ・ディスク８２が設けられていてもよいことが示されている。複数のロータ・ディスクが軸上に配置され且つ第１のディスク・セクション８４および第２のディスク・セクション８６を形成可能である。他のディスク・セクションが存在していてもよい。これにより、多室システムの差動排気のために性能のよい真空ポンプが提供される。

図４に示すロータは、ハブ１４と結合された第１のスリーブ１６のほかに第３のスリーブ７８を有し、第３のスリーブ７８は、同様に、ハブ１４にまたは固有の支持構造に固定されていてもよい。

第１のステータ４０は第１のスリーブ１６の外側表面と協働してポンプ段を形成する。第２のステータ４４は第２のスリーブの内側表面および第３のスリーブ７８の外側表面とポンプ作用を形成し、これにより第２および第３のポンプ段が形成される。

ガスを、第１および第２のステータ４０、４４間の第２のポンプ段内に流入させるために、ガス入口８８が設けられていてもよい。
図４に示すロータは、永久磁気軸受８０と、転がり軸受または能動的磁気軸受として形成されていてもよい第２の軸受３６とにより、回転可能に支持されていてもよい。

図５に、真空ポンプのロータおよびステータが略断面図で示され、ガス流れが矢印により示されている。ロータの軸１２は、その吸込側端部において永久磁気軸受８０により支持されている。背圧側において、軸１２を支持するために転がり軸受９２が使用されている。軸受間において、ディスク形状のハブ１４が軸と結合されている。このハブ１４に、第１のスリーブ１６が、共に回転可能に、耐薬品性および耐熱性を有して装着されている。第１のスリーブ１６は、ハブ１４から吸込側１０４の方向に伸長する。第１のスリーブ１６の半径方向内側に配置された第２のスリーブ１８は、第１のスリーブ１６と複合材を形成する。複合材はその半径方向内側表面上にポンプ構造例えば少なくとも１つの螺旋状溝を有していてもよい。スリーブの半径方向内側表面は第２のステータ４４と協働し且つ第２のステータ４４と分子ポンプ段を形成する。一方、第１のスリーブ１６の半径方向外側表面は、ステータ４０と協働して分子ポンプ段を形成する。ステータの一方または両方はポンプ構造を有していてもよい。このようにして、コンパクトな分子真空ポンプが提供される。第２のスリーブ１８の内側表面上の追加のポンプ構造により、このポンプ段内において高い排気速度が達成可能であり、これによりポンプ段相互の有利な排気速度段階が可能となる。第２のスリーブ１８はハブと一体に形成されていてもよい。

図５に示す真空ポンプの排気速度は、吸込側１０４においてロータ・ディスク８２がロータ上に装着されていることにより、さらに上昇可能である。さらなる上昇は、ガス流れ内においてロータ・ディスク８２に続くステータ・ディスク９０により得られる。

図２ないし５に示す変更態様により示された特徴は、それが技術的に矛盾しないかぎり、組み合わせられても、または交換されてもよい。

２ 真空ポンプ
４ フランジ
６ 吸込開口
８ ガス出口
１０ ロータ
１２ 軸
１４ ハブ
１６ 第１のスリーブ
１８ 第２のスリーブ
２０ 第２のスリーブ内の溝
３０ 駆動コイル
３２ 駆動磁石
３４ 第１の軸受
３６ 第２の軸受
４０ ステータ
４２ 溝
４４ 第２のステータ
５０ 結合部
５２ 通路
６０ 支持ディスク
６２ 羽根
６４ 支持リング
６６ 内輪
６８ 軸装着部
７８ 第３のスリーブ
８０ 永久磁気軸受
８２ ロータ・ディスク
８４ 第１のディスク・セクション
８６ 第２のディスク・セクション
８８ ガス入口
９０ ステータ・ディスク
９２ 転がり軸受
１００ 矢印：直列ガス流れ
１０２ 点線矢印：並列ガス流れ
１０４ 吸込側

Claims (15)

1. 第１のスリーブ（１６）および支持構造（１４；６０）を含む、真空ポンプ（２）用の高速回転ロータ（１０）において、
   第１のスリーブ（１６）の内側に第２のスリーブ（１８）が配置され、第１のスリーブ（１６）および第２のスリーブ（１８）が複合材を形成することを特徴とする真空ポンプ（２）用の高速回転ロータ（１０）。
2. 請求項１に記載のロータにおいて、
   第１のスリーブ（１６）および第２のスリーブ（１８）が、それらを製造する材料に関して、特に熱および／または遠心力の作用による伸びに関して、相互に異なっていることを特徴とするロータ。
3. 請求項１または２に記載のロータにおいて、
   第１のスリーブ（１６）および第２のスリーブ（１８）が、面で、特に全面で、相互に結合されていることを特徴とするロータ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   複合材が、特に少なくとも第２のスリーブの材料および／または形状に関して、遠心力の作用により第２のスリーブ（１８）によって第１のスリーブ（１６）に与えられる力が、支持構造（１４；６０）特にハブ（１４）の伸びによって第１のスリーブ（１６）に作用する力とほぼ同じになるように設計されていることを特徴とするロータ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   第１のスリーブ（１６）が、炭素繊維強化材料を含むことを特徴とするロータ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   第２のスリーブ（１８）がメタル合金を含むことを特徴とするロータ。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   第２のスリーブ（１８）が、内側表面上に螺旋状溝（２０）を有することを特徴とするロータ。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   第１のスリーブ（１６）および第２のスリーブ（１８）が、接着結合または焼ばめ結合を形成することを特徴とするロータ。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   第２のスリーブ（１８）と、支持構造（１４；６０）の少なくとも一部とが一体に形成されており、または、
   第１のスリーブ（１６）と、支持構造（１４；６０）の少なくとも一部とが接着部位を介して相互に結合されていること、を特徴とするロータ。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    少なくとも１つのターボ分子ポンプ・セクションを形成するために、ロータがターボ分子構造タイプによるロータ・ディスク（８２）を含むことを特徴とするロータ。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    支持構造がハブ（１４）を含むことを特徴とするロータ。
12. 真空ポンプ（２）であって、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の高速回転ロータ（１０）を含むことを特徴とする真空ポンプ（２）。
13. 請求項１２に記載の真空ポンプ（２）において、
    真空ポンプ（２）が、螺旋状通路を有する第１のステータ（４０）を含み、第１のステータ（４０）が第１のスリーブ（１６）の外側表面と協働し、これにより第１のステータ（４０）および第１のスリーブ（１６）がポンプ段特に第１のポンプ段を形成することを特徴とする真空ポンプ（２）。
14. 請求項１２または１３に記載の真空ポンプ（２）において、
    真空ポンプ（２）が、第２のスリーブ（１８）の内側表面と協働する第２のステータ（４４）を有し、これにより第２のスリーブ（１８）および第２のステータ（４４）がポンプ段特に第２のポンプ段を形成することを特徴とする真空ポンプ（２）。
15. 請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の真空ポンプ（２）において、
    真空ポンプ（２）がガス入口（８８）を有し、ガス入口（８８）を介して、ガスが、第１のステータ（４０）および第２のステータ（４４）の間で、第２のステータ（４４）を含む第２のポンプ段内に到達することを特徴とする真空ポンプ（２）。

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