JP2020524236A - 多段式回転ピストンポンプ - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、複数の回転ピストンを支持する２本の軸をハウジングに備えている多段式回転ピストンポンプに関する。対応する回転ピストンは夫々の回転ピストン対を形成しており、夫々のポンプ段を形成している複数の回転ピストン対が設けられている。隣り合うポンプ段は連結チャネルを介して夫々互いに連結されている。多段式回転ピストンポンプは、第１のポンプ段に連結されているポンプ入口と、最後のポンプ段に連結されているポンプ出口とを更に備えている。本発明によれば、固有の容積比は少なくとも１５であるので、少なくとも1500 m3/h の高い送出性能が達成され得る。

Description

本発明は、多段式回転ピストンポンプに関する。

回転ピストンポンプは、ポンプチャンバ内に配置された２葉式回転ピストンを通常備えている。更に、例えば３つ又は４つの突部を有する多葉式回転ピストンが知られている。ガスが、入口を通って取り入れられて、形成された個々のチャンバを通り出口を通って排出されるように、２つの回転ピストンが反対方向に駆動される。多段式回転ピストンポンプでは、複数のこのような回転ピストン対が連続して配置されている。ポンプ段の出口は次のポンプ段の入口に連結されている。

大型のロックチャンバ又は他の大型のチャンバを真空状態にするために、大量のガスを送出しなければならい。このガスの送出を短時間の間に頻繁に行わなければならない。このために、下流側で直列に連結されているプレ真空ポンプと組合せて回転ピストンポンプを設けることが知られている。このようなシステムは、大量のガス流を連続的に送出する必要があるときにも使用され、ガス流の送出を、特には20mbar（絶対圧）未満の低い吸込圧力で行う。

一般に最近では、回転ピストンポンプと相応して高い送出性能を有するプレ真空ポンプとの組合せが、大量のガスを送出するために使用されている。

既知の市販の多段式回転ピストンポンプの送出性能は、約600 m³/hである。例えば、樫山工業株式会社のSD600C型のポンプは、このような送出性能を有している。通常、大型のスクリュー式ポンプ又は多段式回転ピストンポンプは、このようなポンプシステムにプレ真空ポンプとして使用されている。

本発明は、回転ピストンポンプ及びプレ真空ポンプの組合せが、同等の送出性能を有する１つの回転ピストンポンプと取り替えられ得る多段式回転ピストンポンプを提供することを目的とする。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴によって達成される。

一般に、大型の真空ポンプが相応して大きな送出性能を有する場合には、内面対送出容積又は処理量の比が好ましくないという問題がある。その結果、このようなポンプでは高温になる。高温により、大きな熱膨張が生じる。多段式回転ピストンポンプの場合、回転ピストンが軸方向に、つまり、回転ピストンを支持する軸の長手方向に変位するように、高温によって生じる熱膨張は、特に軸方向に生じる。その結果、回転ピストンが配置されているポンプチャンバは、相応して大きな軸方向の間隙を有することになる。しかしながら、このような間隙は、ポンプ出力、ひいては温度に悪影響を及ぼすことになる。

本発明に係る多段式回転ピストンポンプは、ハウジングに配置された２本の軸を備えており、前記軸は複数の回転ピストンを支持している。ここで、回転ピストンは更に夫々の軸と一体に形成され得る。対応する回転ピストンは回転ピストン対を夫々構成しており、ポンプ段を夫々構成する複数の回転ピストン対が設けられている。隣り合うポンプ段は連結チャネルを介して互いに連結されている。ここで、ポンプ段の出口は連結チャネルを介して次のポンプ段の入口に夫々連結されている。更に、流れ方向に第１のポンプ段はポンプ入口に連結されている。ポンプ入口は、真空状態にするロックチャンバなどに連結される。流れ方向に最後のポンプ段はポンプ出口に連結されている。

本発明によれば、多段式回転ピストンポンプは大きな固有の容積比を有する。固有の容積比は、出口段の送出容積に対する入口段の送出容積を定めている。本発明によれば、固有の容積比は少なくとも15であり、好ましくは少なくとも20であり、特に好ましくは少なくとも25である。固有の容積比が大きく、多段式回転ピストンポンプが設けられているため、特には少なくとも1500 m³/h であり、特には2500 m³/h を超える高い送出性能を実現することが可能である。固有の容積比は、ポンプ段の長さの変化、更に回転ピストンの外径及び突部の数の変化、更にこれらの変化の組合せによって実現され得る。

特に高い送出性能に達するために、多段式回転ピストンポンプが少なくとも３つのポンプ段、特に少なくとも５つのポンプ段を有していることが特に好ましい。

ｎ＞√(VR)−１がポンプ段の数に適用されていることが好ましい。
尚、ｎはポンプ段の数であり、VRは固有の容積比である。

更に、過剰圧縮を避けるために、ポンプ段の内の少なくとも１つを逃しチャネルに連結し、逃しチャネルに、又はポンプ段と逃しチャネルとの間に逃し弁が配置されていることが好ましい。過剰圧縮は、ポンプの出口圧力より高い中間圧力へのガスの圧縮を意味し、つまり、通常は２bar を超えるあらゆる圧力が過剰圧縮とみなされる。過剰圧縮を低減することによって、所要の最大モータ出力が減少する。

少なくとも２つの第１のポンプ段、特には３つの第１のポンプ段が逃しチャネルに連結されており、対応する逃し弁が逃しチャネルに配置されていることが特に好ましい。これらのポンプ段は流れ方向に第１のポンプ段である。

このような逃しチャネルを設けることにより、個々の連続的なポンプ段に様々な送出性能を実現することが可能である。第２のポンプ段の送出性能が第１のポンプ段の送出性能より小さい場合、送出ガスの一部が、特に送出段階の初めに逃しチャネルを介して直接排出され得る。従って、送出段階に応じて、送出が下流側のポンプ段の様々な送出性能で可能である。

従って、例えば1000 mbar の最初の高い圧力で、第１のポンプ段が送出ガスを逃しチャネルを介して特には完全に排出するように、本発明に係る多段式回転ピストンポンプは特に動作可能である。送出工程の初めに、特に第１のポンプ段の弁が開いている。この送出段階中、残りのポンプ段は休止中であり、つまり、少量のガスを送出する。このような「休止」ポンプ段がガスを送出しても、逃し弁のため、圧力は上昇しない。その後、圧力が適切に低下した場合、つまり、例えば500 mbarであるとき、第１のポンプ段に連結されている逃し弁が閉じられ、送出ガスは、第２のポンプ段に連結されている逃しチャネルを介して特には完全に排出される。これら２つのポンプ段及び全ての更なるポンプ段の弁が開いている。残りのポンプ段は休止中である。その後、再度、例えば250 mbarの低圧で、第２のポンプ段に連結されている逃し弁が閉じられ、送出を、残りのポンプ段又は第３のポンプ段のいずれかを介して第３のポンプ段に連結されている逃しチャネルを通して行う。第１のポンプ段及び第２のポンプ段の弁は閉じており、第３のポンプ段及び場合によっては更なるポンプ段の弁は開いている。真空ポンプのポンプ段の数及び夫々のポンプ段に連結されている逃しチャネルの数に応じて、この処理が継続され得る。

逃しチャネルは、周囲環境及び／又はポンプ出口に連結されていることが好ましい。送出ガスは、例えば有毒であるか又は清浄化する必要があるので、送出ガスを周囲環境に直接導くことができないときに、ポンプ出口への連結は特に有利である。

別の好ましい実施形態によれば、隣り合うポンプ段間の圧力差が500 mbar未満であるように、ポンプ段を選択するための圧力レベル、つまり対応する回転ピストン対が配置されているポンプチャンバの大きさが設定されている。そのため、最高温度の低下を実現することができ、特に多段式回転ピストンポンプ全体で複数のポンプ段が設けられていることにより、非常に高い送出性能に達することができる。

更に、特に高い送出性能に達するために、効率的な冷却が有利である。従って、好ましい実施形態によれば、ハウジングは、冷却フィンをハウジングの外側に有している、及び／又は冷却チャネルをハウジング壁に有している。冷却媒体、特に冷却液が冷却チャネルを通って流れる。更に、ハウジングに配置されて、ポンプ段が連結されている連結チャネルは、冷却チャネルの近傍に配置されていることが好ましい。例えば、連結チャネルは、特に効率的な冷却を達成するために冷却チャネルによって部分的に囲まれ得る。

冷却に関して、回転ピストンが配置されているポンプチャンバの内面が可能な限り広いことが更に特に好ましい。特に、以下の式が適用されている。
Ａ＞400 mm²/(m³/h)＊S/VR
尚、Ａは、終圧動作中に200 mbarを超える時間平均圧力を好ましくは有するポンプチャンバの内面の一部であり、Ｓは、１〜50 mbar のポンプ入口での入口圧力間の真空ポンプの最も高い測定送出性能であり、VRは容積比である。所与の送出容積で相応して広い表面を実現するために、ロータの適度な回転速度は有利である。特に、回転速度は6000 1/minより低く、好ましくは4500 1/minより低く、特に好ましくは3000 1/minより低い。

更に、連結チャネルの表面は、例えばガスを効率的に冷却するためのフィンによって広げられていることが好ましい。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、多段式回転ピストンポンプが終圧で作動するとき、最後のポンプ段の直後のガス温度は300 ℃未満であり、好ましくは250 ℃未満であり、特に好ましくは200 ℃未満である。このようなガス温度は、約20℃の周囲温度及び約20℃の冷却媒体入口温度、並びに公称冷却水流量（つまり、冷却水の温度上昇が入口から出口で20℃より小さい）、及び空気での動作で測定される。

更に、回転ピストン、及び好ましくは更に回転ピストンを支持する軸が合金鋼又は鋼で形成されていることが好ましい。特に、熱膨張係数が互いに著しく異なるので、鋼の軸及びアルミニウムのハウジングの組合せが有利である。

ハウジングはアルミニウム又はアルミニウム合金を含んでいることが好ましい。

上述した特徴の組合せは、特に効率的な吸込能力の達成に役立つので特に好ましい。

本発明に係る多段式回転ピストンポンプの別の本質的な利点は、所要の設置スペースが大幅に減少し得ることである。プレ真空ポンプの設置が必要ではなくなるか、又は少なくともより小型のプレ真空ポンプを使用することができる。

別の好ましい実施形態によれば、第１のポンプ段の出口はバイパスラインに連結されている。バイパスラインには弁が配置されている。バイパスラインは、特に第１のポンプ段に連結されている。このようなバイパスラインを設けることによって、第１のポンプ段を解放することが可能になる。更にこのため、第１のポンプ段の圧力上昇の制限が保証される。

本発明によれば、駆動モータを公称出力より高い出力で短時間に作動させることが更に可能である。そのため、ポンプの有効性を更に高めることができる。ここで、駆動モータは、公称出力より高い出力で５〜30秒の時間で特に作動可能である。特に、公称出力と比較して出力を50％、好ましくは100 ％高めることが可能である。

以下に、本発明を、添付図面を参照して好ましい実施形態に基づき詳細に説明する。

本発明に係る多段式回転ピストンポンプを示す断面略図である。 ２つの突部を有する回転ピストン段を示す断面略図である。

本発明に係る多段式回転ピストンポンプは、複数のポンプ段12, 14, 16, 18をポンプハウジング10に備えている。ポンプ段毎に、２つの回転ピストンが設けられている。２葉式回転ピストンとして構成されている対応する回転ピストン20が図２の断面図に概略的に示されている。ガスが矢印22によって示された方向にガス入口24を通って取り込まれて、矢印28によって示された方向に反対側の出口26を通って排出されるように、２つの回転ピストン20は反対方向に回転する。

回転ピストン対の各々の１つの回転ピストンが共通の軸30（図１）に配置されている。従って、多段式回転ピストンポンプは、図１で連続的に配置された２本の軸30を備えており、前記軸はポンプハウジング10に支持されている。軸は、例えば歯車32によって駆動される。送出されるガスは、ポンプ入口34を介して取り込まれて、ポンプ出口36を介して排出される。個々のポンプ段12, 14, 16, 18は、連結チャネル38を介して夫々互いに連結されている。各ポンプ段12, 14, 16, 18は出口40を有しており、送出されるガスは、出口40を通して連結チャネル38に送出される。最後のポンプ段18の出口42はポンプ出口36に連結されている。更にポンプ段14, 16, 18は、対応する連結チャネル38に夫々連結されている入口44を夫々有している。各入口44に、例えば加重式ボール弁であってもよい弁46, 48, 50が設けられている。入口44及び逃しチャネル52が、弁を介して連結され得る。第１のポンプ段12は、図示されていないバイパスラインに更に連結され得る。このようなバイパスラインは第１のポンプ段12の出口40に連結されており、バイパスライン弁を有している。バイパスラインは通常、第１のポンプ段12の入口34に連結されている。逃しチャネル52はポンプ出口36に連結されている。

個々のポンプ段の送出性能が送出方向に減少することが好ましい。特に、次のポンプ段の送出性能は前のポンプ段の送出性能の半分になる。

ポンプ出口36では、圧力は通常約1000 mbar である。

弁及びラインの圧力損失を考慮しない場合、回転ピストンポンプは、以下の表１に従って理想的に作動可能である。

表１では、ポンプ段毎に２：１の変化率が適用されている、つまり、次のポンプ段の送出性能は、前のポンプ段の送出性能の半分である。

ここで、P_in はポンプ入口34の圧力である。圧力P₁は、第２のポンプ段14の入口の圧力であり、圧力P₂は、第３のポンプ段16の入口の圧力であり、圧力P₃は、第４のポンプ段18の入口の圧力である。

記載されている圧力はmbarである。

弁V₁は弁46であり、弁V₂は弁48であり、弁V₃は弁50である。「０」は、弁が開いていることを意味し、「ｇ」は、弁が閉じていることを意味する。

表１に記載されている前述の値は単なる例示である。どの弁が開いているかに応じて、１つのポンプ段から次のポンプ段に圧力を半分にすることが適切である。従って、弁が閉じているときのみポンプ段が作動するので、ポンプ段の対応する弁が閉じているとき、圧力は常に半分になる。

Claims (12)

1. ハウジング(10)に配置されて、複数の回転ピストン(20)を支持している２本の軸
   を備えており、
   対応する回転ピストン(20)は回転ピストン対を構成しており、ポンプ段(12, 14, 16, 18)を夫々構成する複数の回転ピストン対が設けられており、
   隣り合うポンプ段を互いに夫々連結する複数の連結チャネル(38)と、
   第１のポンプ段に連結されているポンプ入口(34)と、
   最後のポンプ段に連結されているポンプ出口(36)と
   を更に備えており、
   固有の容積比(VR)が少なくとも１５であり、好ましくは少なくとも２０であり、特に好ましくは少なくとも２５であることを特徴とする多段式回転ピストンポンプ。
2. ポンプ段の数（ｎ）は少なくとも３であり、特には少なくとも５であることを特徴とする請求項１に記載の多段式回転ピストンポンプ。
3. ｎ＞√(VR)−１がポンプ段の数（ｎ）に適用されていることを特徴とする請求項２に記載の多段式回転ピストンポンプ。
4. 過剰圧縮を避けるために、前記ポンプ段の少なくとも１つが、逃し弁(46, 48, 50)が配置されている逃しチャネル(52)に連結されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の多段式回転ピストンポンプ。
5. 少なくとも第２のポンプ段及び第３のポンプ段、特には更に第４のポンプ段が逃しチャネル(52)に連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の多段式回転ピストンポンプ。
6. 前記逃しチャネル(52)は周囲環境及び／又は前記ポンプ出口に連結されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の多段式回転ピストンポンプ。
7. 隣り合うポンプ段の圧力差が500 mbar未満であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の多段式回転ピストンポンプ。
8. 前記ハウジング(10)は、外側に配置された冷却フィン、及び／又はハウジング壁に配置された冷却チャネルを有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の多段式回転ピストンポンプ。
9. 前記連結チャネル(38)は前記ハウジング(10)に、特には前記冷却チャネルの近くに配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の多段式回転ピストンポンプ。
10. 前記回転ピストンポンプ全体の送出性能は少なくとも1500 m³/h であり、特には少なくとも2500 m³/h であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の多段式回転ピストンポンプ。
11. 回転ピストン対(20)が配置されており、時間平均圧力が200 mbarを超えるポンプチャンバの表面(A) に、
    Ａ＞400 mm²/(m³/h)＊S/VR
    が適用されており、
    尚、Ｓは、１〜50 mbar の終圧間のポンプの最も高い測定送出性能であり、VRは内部容積比であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の多段式回転ピストンポンプ。
12. 終圧動作中、最後のポンプ段の直後で測定されたガス温度が、300 ℃未満であり、特には250 ℃未満であり、特に好ましくは200 ℃未満であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の多段式回転ピストンポンプ。

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