JP2014521887A - ルーツポンプ - Google Patents

Abstract

【解決手段】ルーツポンプは、ポンプ段（５０，５２，５４，５６，５８）を各形成している複数の多葉のロータリーピストンペア（１０；４８，４９）と、隣接するポンプ段（５２，５４，５６，５８，６０）夫々に連結している連結チャネル（３０，３４，７７，８４，８６，８８，９０）とを備える。本発明は、当該隣接するポンプ段（５０，５２，５４，５６，５８，６０）を隔てている隔壁（７４，７６，７８，８０，８２）内に配置される当該連結チャネル（３０，３４，７７，８４，８６，８８，９０）を提供する。

Description

本発明は、ルーツポンプに関する。

ルーツポンプは、ポンプ室に配置された二葉のロータリーピストンを典型的に備えている。２つのロータリーピストンは、形成された個々のポンプ室が主吸気口を介してガスを引き込み、主排気口を介して当該ガスを排出するように、反対方向に駆動される。ここで、主吸気口及び主排気口は、共に半径方向に延び、互いに反対側に配置されている。更に、多葉のロータリーピストン、特に三葉又は四葉のロータリーピストンが知られている。この場合であっても、ガスは、半径方向に配置された主吸気口から半径方向に配置された主排気口へ実質的に送り出される。

米国特許出願公開第2010/0158728 号明細書

更に、低圧を生成するために、多段のルーツポンプが知られている。そのようなルーツポンプは、各段に一対のロータリーピストンを備える。ここで、送り出されるガスは、ポンプ段の一の排気口から隣接するポンプ段の吸気口に送られる。これは、連結チャネルによって達成される。例えば、米国特許出願公開第2010/0158728 号明細書に記載されているように、これらの連結チャネルはルーツポンプのハウジング内に配置されることができ、当該連結チャネルは、ロータリーポンプが配置されたポンプ室を取り囲む。即ち当該連結チャネルは、当該ポンプ室の外側に半径方向に配置されている。これは、ポンプ段における例えばルーツポンプの下部に位置する排気口から、隣接するポンプ段における例えば反対側のルーツポンプの上部に位置する吸気口へガスを送るために必要である。そのようなルーツポンプは、ハウジング内における連結チャネルの設計が技術的に複雑になるという不都合が生じる。更に、当該連結チャネルを収容するためにハウジングの体積が大きくなってしまう。これは、ルーツポンプの外形寸法が大きくなるだけでなく、とりわけ高コストが伴う。複雑な製造工程以外にも、大量の金属が使用されることが原因で高コストとなる。

本発明の目的は、技術的に簡単な構成のルーツポンプを提供することにあり、更に好ましくは、構造上の空間とコストとを低減することにある。

前記目的は、請求項１の特徴を備える本発明によって達成される。

本発明のルーツポンプは、各ポンプ段夫々に形成されている多葉のロータリーピストンの組を複数備える。各ポンプ段には、二葉よりも多い歯数を有する２つのロータリーピストンが設けられており、当該ロータリーピストンは、少なくとも四葉、特には少なくとも六葉であることが好ましい。ポンプ段の２つのロータリーピストンは、ガスを送るために反対方向に回転する。好ましくは、平行に延びる２本のシャフトをルーツポンプが備えるように、ロータリーピストンペア夫々における２つのロータリーピストンの１つは、共通シャフトに配置されており、夫々のシャフトは夫々のポンプ段におけるロータリーピストンの一つを支える。２本のシャフトは、当該２本のシャフトの内１本のシャフトが駆動されるだけでよくなるように、ギアを介して接続されることができる。

隣接するポンプ段は連結チャネルを介して接続される。ここで、隣接するポンプ段は、一又は複数の連結チャネルを介して接続されてもよい。本発明によれば、連結チャネルは隔壁内に配置されている。隔壁は、隣接するポンプ段を互いに隔てる。そのため隔壁は、隣接するポンプ段のピストン室夫々の間に設けられている。本発明のように、連結チャネルを隔壁内に配置することによって、本発明のルーツポンプの外形寸法を従来技術と比べて大幅に低減することができる。これにより、原料投入量が低減されるため、コストが削減できるという利点を有する。更に、特には円筒形のチャネル又は孔として連結チャネルとして真っ直ぐに形成することができるため、隔壁内に設けられた連結チャネルをより経済的に製造することができる。そのため、本発明によれば、ピストン室の外側に半径方向に配置された曲げられた連結チャネルの技術的に難しい製造は必要でない。本発明によるルーツポンプは、極めてコンパクトな構造であり、重量の軽減と部品点数の削減とを達成することができるという更なる利点を有する。ルーツポンプは油潤滑のないドライランニングポンプとして設計されることができるため、当該ルーツポンプは、整備要件が減るという利点がある。

本発明における隔壁内に連結チャネルを配置することで、連結チャネルの長さが短いことによって圧力損失を低減できることが他の利点である。

好ましくは、チャネル入り口開口部及び／又はチャネル出口開口部が、ロータリーピストンの側壁によって作動中に覆われるように、少なくとも連結チャネルの一部は、当該ロータリーピストンペアが配置されているピストン室に接続される。そのため、少なくとも一つの連結チャネルにおけるチャネル入口開口部及び／又はチャネル出口開口部は、ピストン室に対して半径方向に配置されずに軸長方向に配置される。当該開口部は、ロータリーピストンの半径方向の端面によってではなく、側壁によって覆われる。

できる限りコンパクトかつ経済的な本発明のルーツポンプの構造を可能とするために、好ましくは全ての連結チャネルがポンプ段夫々を隔てる隔壁内に配置される。主吸気口及び／又は主排気口が隔壁内に配置されていないだけである。主吸気口及び／又は主排気口は軸長方向又は半径方向に配置されてもよい。好ましくは、主吸気口は主排気口と半径方向反対側に配置される。好ましい実施形態において、例えば、ガスがポンプの頂部から引き込まれた場合、当該ガスは半径方向反対側のポンプの底部から排出される。言うまでもなく、主吸気口から主排気口にかけて個々のポンプは軸長方向に連続して配置されているため、主吸気口は主排気口から半径方向に偏倚している。

特に、３つ又はそれ以上の歯を持っているロータリーピストンによって、隔壁内で軸長方向に延びている連結チャネルを設けることが可能である。これは、二葉の間に位置するチャンバがロータリーピストンの約１８０度の回転の後にのみガスを排出するのではなく、１８０度よりも小さい回転角で既に排出するという事実によって実現することができる。そのような本発明のルーツポンプの好ましい実施形態において、主吸気口側のチャンバから主排気口側のチャンバまでガスを送ることによって、当該ガスを２つのポンプ段の間に送る必要がなくなる。例えば、三葉のロータリーピストンによって、ガスはロータリーポンプの頂部の主吸気口を通って引き込まれる。当該ガスは、約９０度のロータリーピストンの回転角で中央部に配置された連結チャネルを通って第１段から第２段へ送られる。この連結チャネルは、当該ガスが隣接するロータリーピストンの中央部に入るように、軸長方向に延びてもよい。このポンプ段において、その後当該ガスは、更に排気口側に送られ、隔壁内に特には斜め又は対角線上に配置されたチャネルを通って、当該排気口側の領域から隣接するポンプ段の入口側チャンバ内へ流れる。特には、三葉以上の歯数を有するロータリーピストンに関しては、複数の軸長方向のチャネルが隣接するポンプ段間に延びることができる。特に、軸長方向のチャネルを設けることは、チャネルの形成が技術的に簡単であるという利点を有する。これらは、軸状であってもよく、特には円筒形の孔であってもよい。

隔壁内において対角線上又は斜めに延びている連結チャネルの技術的に簡単な設計を可能とするために、そのような連結チャネルが配置された隔壁は、軸長方向の連結チャネルが設けられた隔壁よりも軸長方向に厚いことが好ましい。従って、屈曲のない直線状で斜めの連結チャネルを設計することもできる。

ポンプの消費電力をできる限り低く維持するために、連結チャネルはできる限り大きな横断面を有する。横断面を拡大するために、互いに平行な複数のチャネルを設けることもできる。特には隔壁内で斜めに延びているチャネルに関して、当該チャネルをできる限り短くするためにこのように構成されるとよい。

圧縮を高めるために、好ましくは各ロータリーピストンは軸長方向に異なる幅を有し、当該ロータリーピストンの幅は、特にはポンピング方向に向かって段階的に減少している。従って、ロータリーピストンの歯の間に形成された各チャンバの体積は低減される。

好ましい実施形態においては、２つの噛み合ったロータリーピストンは直径及び形状が同じである。しかしながら、異なる直径と異なる歯数を持つロータリーピストンを設けることもでき、当該ロータリーピストンは夫々異なる速さで回転する。同様に、噛み合ったロータリーピストンは、異なる歯の形状であってもよい。

従って、本発明のルーツポンプの設計によって、ローターの回転について応力ピークの均一化を特には達成することができ、圧縮熱の均一化も達成することができる。

以下は、好ましい実施形態及び添付図面に関する本発明の詳細な説明である。

第１ポンプ段における三葉のロータリーピストンペアの概略図である。 第２、即ち隣接するポンプ段における三葉のロータリーピストンペアの概略図である。 第１段における六葉のロータリーピストンペアの概略図である。 第２段における六葉のロータリーピストンペアの概略図である。 第３段における六葉のロータリーピストンペアの概略図である。 図３から図５において概略的に示された六葉のロータリーピストンペアを備える６段のルーツポンプの概略断面図である。 他の実施形態におけるロータリーピストンペアの概略平面図である。

図１及び図２に概略的に示された三葉のロータリーピストンペア１０は、第１ポンプ段（図１）におけるポンプ室１２内に配置されている。２つのロータリーピストン１０は夫々、図示しないシャフトに回転可能に支持され、矢印１４、１６の方向に反対向きに駆動される。ガスは、主吸気口１８を介してチャンバ２０に供給される。図１において左のロータリーピストンの回転によって、当該ガスは、外壁の湾曲部分２２によって閉ざされたチャンバ２０内に封入される。図１における左のロータリーピストンが更に、矢印１４の方向に回されたとき、チャンバ２０は、符号２４によって識別されたチャンバに対応する位置において開かれる。チャンバ２４は、２４、２６、２８の部分が同じ圧力レベルとなるように、２つのロータリーピストンの下部全体を囲う。そのため、チャンバ２０内にある当該ガスは、軸長方向の連結チャネル３０、即ちロータリーピストンのロータリーシャフトと平行に延びるチャネルを通って排出される。

同様に、図１における右のロータリーピストンにより、チャンバ３２内にガスが封入される。このガスは、ロータリーピストン１０の回転によって図１における矢印１６の方向に下向きに移動し、その後、軸長方向に延びている破線で示された連結チャネル３４によって排出される。

第１ポンプ段（図１）に対して軸長方向の下流に配置された次のポンプ段（図２）では、ガスは、連結チャネル３０を通ってチャンバ３６に入る。このときチャンバ３６は、３８、４０部分と同様の圧力レベルである。図２における左のロータリーピストンを回転させることによって、主排気口４４に向けてガスを供給するように、閉じられたチャンバは、曲面壁４２と結合して形成される。同じ搬送の原理が、図２における右のロータリーピストンで実行され、右のピストン１０が矢印の方向に回されるとすぐに、連結チャネル３４を通ってガスがチャンバ４０に入る。チャンバ４６にその後封入されたガスは、同様に主排気口４４に向かって送られる。

第３段を形成するために、図２の主排気口である排気口４４から主吸気口に向かって上向きに、ガスがもう一度送られる必要がある。本発明によれば、これは隔壁内に対角線上又は斜めに延びているチャネルによって達成される。当該チャネルは、本実施形態では図示されていない。

図３〜５は、第１段（図３）、第２段（図４）、及び第３段（図５）に関する連結チャネルを持つ六葉のロータリーピストンペア４８，４９を示している。例えば、６つの段（図６）を持つルーツポンプにおいて、図３は第１段５０に対応し、図４は第２段５２に対応し、図５は第３段５４に対応する。第４段５６は、本質的には第１段（図３）に対応する。しかしながら、吸気口は、半径方向に存在せず、対角線上又は斜めに延びている連結チャネル５７に直通して存在している。第５段５８は、第２段、即ち図４に対応する。第６段６０は、第３段５４、即ち図５に示された段に対応し、主排気口６２に通じる排気口が半径方向に存在する。軸長方向、即ちポンピング方向６４において幅が減少していく各ロータリーピストン４８は、共通シャフト６６に支持されている。同様に、ロータリーピストン４９は共通シャフト６８に支持されている。２本のシャフト６６、６８は、上部筐体７０又は下部筐体７２内で回転可能に支持され、モータによって当該２本のシャフト６６、６８の一方だけが駆動されればよいように、図示しないギアを介して接続されることができる。

隔壁７４，７６，７８，８０，８２は隣接するポンプ段の間に設けられている。本実施形態では、連結チャネル８４、８６、８８、９０、７７の少なくとも一つが配置されている。加えて、先行技術から知られるように、少なくとも部分的に外部に配置された連結チャネルを設けることもできる。本実施形態において、ガスは、主吸気口５１を通って引き込まれる。主吸気口５１は半径方向に配置する代わりに、吸気口５３（図３）のように軸長方向に形成してもよい。言うまでもなく、斜めの吸気口を設けることが可能であり、チャンバ５５（図３）へのガスの流入手段を提供するだけでよい異なる吸気口の組み合わせを設けることも可能である。

その後、軸長方向、即ちシャフト６６，６８と平行な方向に延びている連結チャネル８４を通り、ガスは第１ポンプ段５０から第２ポンプ段５２に送られる。連結チャネル８４は隔壁７４内に配置されている。ここで、図１及び図２で説明した原理によって、ガスは、中間室５７を介して連結チャネル８４に接続されるチャンバ５９に送られる。

その後、ガスは更に先に送られ（図４参照）、軸長方向に延びている連結チャネル８６を通って第２ポンプ段５２から第３ポンプ段５４に流れる。連結チャネル８６は、隔壁７６内に配置されている。

ガスが更に先に送られるとき（図５参照）、当該ガスを主排気口側から主吸気口側に向かって送ることが必要である。この目的のために、他の隔壁７４，７６，８０，８２よりも軸長方向に厚い隔壁７８内に、対角線上又は斜めの連結チャネル７７が設けられている。

ガスは、隔壁８０内で軸長方向に延びているチャネル８８を通って、第４ポンプ段５６から第５ポンプ段５８に送られる。次のポンプ段６０へは、隔壁８２内に設けられた軸長方向のチャネル９０を通って更に送られる。本実施形態では、第６ポンプ段６０は、最後のポンプ段であるため、略半径方向の主排気口６２に接続される。

特には図３〜５から明らかなように、ロータリーピストンが配置されたチャンバの一部のみがガスを送るために用いられる。そのため、これらのチャンバは、アクティブなチャンバ、即ち搬送に関するチャンバの領域内においてだけ、少ない許容範囲での表面加工を必要とする。従って、製造コストを更に低減することができる。

同じように設計されたロータリーピストンの代わりに、異なる直径及び特には異なる歯数のロータリーピストンを設けることもできる。更には、異なる歯の形状のロータリーピストンの組であってもよい。一例を図７における平面図に示す。ここでは、左のロータリーピストン９２は、右のロータリーピストン９４における５つの形状の異なった歯と協働する歯を有する。

Claims (9)

1. ポンプ段（５０，５２，５４，５６，５８）を各形成している複数の多葉のロータリーピストンペア（１０；４８，４９）と、
   隣接するポンプ段（５２，５４，５６，５８，６０）を各連結している連結チャネル（３０，３４，７７，８４，８６，８８，９０）と
   を備えるルーツポンプにおいて、
   前記連結チャネル（３０，３４，７７，８４，８６，８８，９０）は、前記隣接するポンプ段（５０，５２，５４，５６，５８，６０）を隔てている隔壁（７４，７６，７８，８０，８２）内に配置されていること
   を特徴とするルーツポンプ。
2. 少なくとも一つの連結チャネル（３０，３４，７７，８４，８６，８８，９０）のチャネル入口開口部及び／又はチャネル出口開口部は、ロータリーピストン（１０，４８，４９）の側壁によって、作動中に覆われること
   を特徴とする請求項１に記載のルーツポンプ。
3. 前記連結チャネル（３０，３４，７７，８４，８６，８８，９０）の全ては、前記ポンプ段（５０，５２，５４，５６，５８，６０）を隔てている前記隔壁（７４，７６，７８，８０，８２）内に配置されていること
   を特徴とする請求項１又は２に記載のルーツポンプ。
4. 少なくとも三葉のロータリーピストン（１０，４８，４９）が設けられ、
   少なくともいくつかの前記連結チャネル（３０，３４，７７，８４，８６，８８，９０）は、軸長方向に延びていること
   を特徴とする請求項１から３までの何れか一つに記載のルーツポンプ。
5. 主吸気口（５１）は、主排気口（６２）と半径方向反対側に配置されていること
   を特徴とする請求項１から４までの何れか一つに記載のルーツポンプ。
6. ポンプ段（５４）と隣接するポンプ段（５６）とを連結する連結チャネル（７７）は、対応する隔壁（７８）内で斜めに延び、２つのシャフト軸（６６，６８）によって形成された平面を略横切る方向に延びていること
   を特徴とする請求項５に記載のルーツポンプ。
7. 斜めの連結チャネル（７７）を含む隔壁（７８）は、軸長方向の連結チャネル（８４，８６，８８，９０）を含む隔壁（７４，７６，８０，８２）よりも厚いこと
   を特徴とする請求項６に記載のルーツポンプ。
8. 前記ロータリーピストンペア（１０；４８，４９）夫々における２つのロータリーピストン（１０；４８，４９）の１つは、共通シャフト（６６，６８）に配置されていること
   を特徴とする請求項１から７までの何れか一つに記載のルーツポンプ。
9. 前記ポンプ段（５０，５２，５４，５６，５８，６０）夫々における前記ロータリーピストン（１０，４８，４９）の軸長方向の幅は、特にポンピング方向に向かって減少すること
   を特徴とする請求項１から８までの何れか一つに記載のルーツポンプ。

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