JP5468117B2

JP5468117B2 - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP5468117B2
Application number: JP2012193204A
Authority: JP
Inventors: アルミーン・コンラート; イェルク・シュタンツェル; アレクサンドル・シリノフ
Original assignee: プファイファー・ヴァキューム・ゲーエムベーハー
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-09-03
Also published as: EP2565463A3; EP2565463A2; JP2013053627A; DE102011112691A1; EP2565463B1

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載のロータを備えた真空ポンプ、請求項１０の上位概念に記載のロータの製造方法および請求項１５の上位概念に記載のロータに対するセクションに関するものである。

真空ポンプにおいて、圧力差を発生させるために種々の物理的効果が利用される。このような効果は、高速で運動される構造部分によるガス分子への運動量伝達である。特殊な設計は回転スリーブを設け、回転スリーブは、同軸に配置された固定ステータ・スリーブと協働する。このステータ・スリーブに螺旋状に形成された溝が設けられ且つこのポンプ段が分子圧力範囲内において使用された場合、これは一般にホルベック段と呼ばれる。

ホルベック段の真空技術的性能は、特に、スリーブの回転数および溝の形状の関数である。真空技術的性能の改善がドイツ特許公開第１９６３２３７５号に紹介され、ここでは、相互に同軸に且つガス流れ内において相互に平行に配置された複数の回転スリーブが使用される。

性能を上昇させるための他の可能性は、回転数に関するものである。回転数の上昇と共に、慣性力によるスリーブの負荷が上昇する。スリーブの変形を小さくすることにより、真空技術的に有利な狭い隙間が可能となるが、スリーブのこの小さい変形を達成させるために、欧州特許公開第１４０８２３７Ａ１号は、炭素繊維強化材料からなるスリーブを紹介している。

ドイツ特許公開第１９６３２３７５号欧州特許公開第１４０８２３７Ａ１号

本発明の技術的課題は、上記のタイプの真空ポンプの性能をさらに上昇させることである。

この技術的課題は、請求項１の特徴を有する真空ポンプ、請求項１０の特徴を有する方法および請求項１５の特徴を有するセクションにより解決される。従属請求項２−９並びに１１−１４は、本発明の有利な変更態様を与える。

少なくとも１つの繊維方向を有する繊維複合材料からなる少なくとも１つのセクションを含むロータを備えた本発明による真空ポンプは、セクションが少なくとも１つの螺旋状に配置された溝を有し、および繊維方向を有する繊維の少なくとも１つの部分が溝に平行に配向されているように、繊維複合材料の繊維が配向されていることを特徴とする。

製造条件によっては、溝に平行に配向された繊維方向を有する全ての繊維は、必ずしも正確に平行ではない。繊維方向が溝に対してほぼ平行に配向されているように、繊維方向を有する繊維の少なくとも１つの部分が配向されていることにより、必要な安定性が得られる。

これは、繊維方向が溝に対してほぼ平行に配向されていることを意味する。
セクションが少なくとも１つの螺旋状に配置された溝を有し、および繊維方向が溝に対して平行に配向されていることが有利であり、これにより、真空ポンプの運転において、セクションは遠心力の作用に抵抗する。

ロータのセクション上の溝は、真空データに関して性能を改善すること、例えば圧縮を上昇させること、が特定された。溝の配向および繊維の相互位置により、セクションの高い剛性が達成される。配向により、ロータ内において、溝に隣接して長い繊維長さもまた可能であり、これにより、この位置にもまた高い剛性が達成される。高い剛性は長い寿命をもたらし、さらに、ロータの高速回転、したがって、真空発生における性能の改善を可能にする。遠心力が作用しているときに炭素複合材料の伸びが小さいことは、セクションと付属ステータとの間の狭い隙間を可能にし、このことは、同様に、性能の改善をもたらす。

本発明の特に好ましい一実施形態により、セクションはスリーブを含む。これは、少なくとも１つの螺旋状に配置された溝を有するセクションがスリーブとして形成されていることを意味する。このスリーブ状構造は、特に、ホルベック・ポンプ段において使用される。

本発明の他の有利な一実施形態は、スリーブの内側に内側溝が、およびスリーブの外側に外側溝が設けられているように設計されている。この構造は、他の内側層がスリーブの内側外表面上に配置されることにより達成される。この他の層により、スリーブの安定性が明らかに上昇される。

本発明の有利な他の一実施形態は、溝が少なくとも１つのセクションの軸方向伸長部全体にわたり伸長するように設計されている。
これにより、ポンプ効率の上昇が最善に達成される。

本発明の他の特に好ましい一実施形態により、溝の巻付角は３６０°より大きい値である。これにより、スリーブのきわめて高い安定性が達成される。
本発明の他の有利な一実施形態により、セクションが少なくとも１つの第１および第２の層を含み、この場合、溝が層の１つ内に配置されているように設計されている。この構造により、溝がスリーブを補強する層内に配置されていることが達成される。溝はスリーブの材料から切り取られないので、スリーブの安定性は他の層により上昇される。層内の溝は、ポンプ効率が同様に改善されることを保証する。

本発明の他の有利な一実施形態により、第１の層が第１のマトリックスを、および第２の層が第２のマトリックスを含むように設計されている。マトリックス内に、繊維複合材料の繊維が配置されている。したがって、繊維は第１の繊維方向内に存在する。スリーブを形成する繊維は、終端縁にほぼ平行に存在する。これにより、高速回転において発生する遠心力はほぼ繊維方向に沿って作用する力を発生するので、スリーブは遠心力にきわめて良好に抵抗可能であることが保証されている。

第２の層は第２のマトリックスを有することが有利である。これにより、スリーブ上に突起を形成する繊維を、終端縁に鋭角に伸長させる可能性が存在する。これにより、スリーブ即ちセクションの安定性が明らかに上昇される。

溝が、相互に異なる形状を有する第１の溝セクションおよび第２の溝セクションを有することは有利である。この実施形態は、１つのガス入口および２つのガス出口を有するポンプにおいて有利である。この実施形態においては溝の供給方向が相互に反対方向に形成され且つガス入口から離れる方向に向けられているので、相互に反対の回転方向を有する２つの溝セクションを設けることが有利である。これは、溝セクションが相互に異なる形状を有することを意味する。

本発明の他の有利な一実施形態により、第１および第２の溝セクションの間に、ロータの周りを一周する溝が設けられている。ガス入口から周りを一周する溝に突き当たったガスが両方の螺旋状に形成された溝の方向に供給されることを保証するために、反対方向の溝セクションの溝が当接する位置に、ロータの周りを一周する溝が設けられている。

本発明は、さらに、真空ポンプのロータがスリーブを含み、ロータ内において、スリーブが繊維方向を有する繊維材料で巻き付けられ、および繊維複合材料を形成するために繊維材料がプラスチック・マトリックス内に埋め込まれる、真空ポンプのロータの製造方法に関するものであり、この製造方法は、繊維方向がスリーブの終端縁に対してある角度をなして巻き付けられ且つ繊維方向に配向された溝が成形されることを特徴とする。理想的な場合、溝は繊維方向に平行に形成されている。

この形態により、真空ポンプの運転において、セクションが遠心力の作用に抵抗することが保証されている。
本方法の有利な一実施形態は、溝の成形が、繊維方向に沿ったフライス加工を含むように設計されている。溝のこの製造方法は比較的簡単である。
代替方法により、溝の成形が雌型（ネガ成形型）上における繊維材料の巻付により行われるように設計されている。これにより、溝は巻付により形成され、したがって、のちに材料が除去される必要がないので、繊維材料は一方でフライス加工により損傷されず、他方でこれは材料を節約する製造方法であることが保証されている。

本発明による方法の特に好ましい一実施形態は、第１の層が第１の繊維方向で、および第２の層が第２の繊維方向で巻き付けられ、および溝が層の少なくとも１つ内に成形されるように設計されている。この実施形態は、一方で異なる層が成形され、他方で繊維方向が相互に異なるので、スリーブがきわめて安定であるという利点を有している。繊維方向が相互に異なることは、理想的な場合、第１の層の繊維方向と第２の層の繊維方向との間に鋭角が形成されることを意味する。

本発明の他の有利な一実施形態は、溝が、相互に異なる形状をもつ第１の溝セクションおよび第２の溝セクションにより成形されるように設計されている。この実施形態は、１つのガス入口および２つのガス出口を有する複流ポンプにおいて有利である。このポンプにおいては、両方のセクションの溝が相互に反対方向に配置されていることが必要である。

本発明により、さらに、繊維方向を有する繊維複合材料を含む真空ポンプのロータに対するセクションが保護され、セクションが溝を有し、および繊維方向を有する繊維の少なくとも１つの部分が溝に平行に配向されているように、繊維複合材料の繊維が配向されていることを特徴とする。これにより、真空ポンプの運転において、セクションが遠心力の作用に抵抗することが保証されている。

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、スリーブを有するロータを備えた真空ポンプの縦断面図を示す。図２は、溝の位置および繊維方向を示すための、スリーブの一部の断面図を示す。図３は、内側溝、外側溝および周囲溝を有するスリーブの断面図を示す。図４は、雌型（ネガ成形型）の側面図を示す。図５は、内側溝を有するスリーブを製造するための雌型（ネガ成形型）および溝ウェブの巻付の横断面図を示す。図６は、雌型（ネガ成形型）および中央層の巻付の横断面図を示す。図７は、第２の例による複流真空ポンプの縦断面図を示す。図８は、一変更態様におけるロータを側面図で示す。図９は、達成される利点を示すための、排出圧力に対する圧縮の線図を示す。

図１は、真空ポンプの縦断面図を示す。ハウジング２は入口４を有し、入口４を介してガスが真空ポンプ内に到達する。ガスは、ポンプ作用要素により圧縮されたのちに、出口６を介して排出される。

ハウジング２内に、永久磁気軸受８および転がり軸受１０により回転可能に支持されたロータ１２が存在する。代替軸受支持は能動的磁気軸受およびガス軸受を含む。駆動装置１８はロータ１２を回転軸線３１０の周りに回転させ、この場合、回転数は使用されるポンプ原理に応じて決定され、且つ分子ポンプの場合、毎分数万回転となる。ターボ分子ポンプ・セクション１４が設けられていてもよいが、分子ポンプ・セクション１６が設けられ、この場合、後者はガス流れ内において後方に配置され且つより高い圧力に圧縮する。

ロータ１２の一部は分子ポンプ・セクション１６に付属するセクション２２であり、セクション２２は、ハブ２０と、ハブ２０に固定されたスリーブ２４とを含む。さらに、セクション２２は、スリーブ２４の外側外表面上を螺旋状に伸長する少なくとも１つのウェブ２８を含む。隣接する巻付ウェブ２８の間に、溝の深さＴを有する少なくとも１つの螺旋状に伸長する溝３０が存在し、この場合、ウェブ２８とスリーブ２４の終端縁２６との間に鋭角３１２が形成される。この溝３０または複数の溝３０は、ステータ４０と協働してポンプ作用を発生する。ステータ４０は平滑な内側外表面４２を有していても、または外表面４２上に螺旋状に伸長する溝を有していてもよい。

図２に、図１からの破線の枠の範囲内のセクションの構造が部分断面部分斜視図で示されている。
第１の層５０は繊維６０を有する繊維複合材料を含み、繊維６０は第１のマトリックス６２内に埋め込まれている。繊維６０は第１の繊維方向３１４内に位置している。この層５０はスリーブ２４を形成し、したがって、繊維は終端縁２６にほぼ平行に位置している。高速回転において発生する遠心力はほぼ繊維方向３１４に沿って作用する力であるので、スリーブ２４はこの力に比較的良好に抵抗可能である。

第２の層５２は第１の層５０と結合され且つ繊維６０を有する繊維複合材料を含み、繊維６０は第２のマトリックス６４内に埋め込まれている。この層５２の繊維６０は、終端縁２６に対して角度３１２をなして多数配向され、この角度を、ウェブ２８および終端縁２６もまた相互に形成している。このように、真空ポンプの運転においてセクションが遠心力の作用に抵抗するように、繊維方向３１６は溝３０に沿って配向されている。ウェブ２８に作用する遠心力は、主として、第２の層５２の繊維方向３１６に沿った力成分を有している。巻付角が３６０°より大きい値であるとき、高い安定性が達成される。巻付をウェブ２８の軸方向全長にわたり行うことが有利である。

繊維複合材料は炭素繊維複合材料ＣＦＫであってもよく、その理由は、炭素繊維複合材料は発生する力に対して十分に抵抗可能であるからである。真空ポンプ内に使用されたとき、温度に対する伸びおよび化学的抵抗性が同様に有利である。

溝の深さＴは全体の層の厚さＳに対応していてもよい。溝の深さが層の厚さより僅かに小さいとき、即ちＴ＜Ｓのとき、高い剛性が達成される。
セクションの一変更態様が図３に断面図で示されている。

ここに示されているセクションは３つの層５０、５２および５４を有している。層５０は３つの層の中央層であり且つ支持スリーブを形成する。外側表面上に層５２が設けられ、層５２は、図２に関して説明されているように、螺旋状溝３０およびウェブ２８を有している。

層５０の内側外表面上に第３の層５４が配置されている。この層５４は、繊維位置およびマトリックスに関して、第２の層５２の視点に従って構成されている。第３の層５４は第１の内側溝３２および第２の内側溝３６を有し、第１の内側溝３２および第２の内側溝３６は異なる勾配を有している。これは、第１のウェブ３４が終端縁２６と第１の角度３２０を、第２のウェブ３８が終端縁２６と第２の角度３２２を形成することにより達成され、この場合、第１および第２の角度３２０、３２２は相互に異なっている。層５２および５４内の螺旋状溝の回転方向は同じであってもまたは反対方向であってもよい。

図１および図２に示すロータ１２のセクションおよび図３に示す外側層５２は、はじめに第１の層５０が形成されることにより製造される。第１の層５０は、繊維が周方向に多数位置するように繊維を巻き付けることにより形成される。繊維はマトリックス内に埋め込まれる。ここで、繊維が第１の層５０の終端縁２６に対して角度３２０、３２２をなして第１の層５０上に巻き付けられ、次に同様にマトリックス内に埋め込まれることにより、外側の第２の層５２が形成される。このとき、繊維の間に隙間を残すこと、即ち、第２の層５２内にウェブ２８のみを巻き付けることが可能である。連続する第２の層５２を形成し、硬化後に、終端縁２６に対する角度３２０、３２２が、第２の層５２の繊維が第１の層５０上に巻き付けられる角度にほぼ対応するように、連続する第２の層５２内に溝３０が削り取られることが有利である。この方法の利点は、溝の深さが容易に変化可能であることである。例えば、セクションの軸方向一端に、セクションの軸方向反対側端部においてよりも深い溝が成形されてもよい。より高い圧力範囲内においてより浅い溝端部が作動するとき、これは、真空技術的性能に関して好ましいことである。より浅い溝の範囲内においては第２の層５２は完全に削り取られず、溝の最も深い位置において溝の深さは最大に層の厚さＳの値をとる。これにより、遠心力に対する特に高い抵抗性が正確に保持される。

溝の深さＴまたは溝の幅またはこれらの両方が溝３０の長さにわたり変化してもよく、これにより、溝３０の形状が作業圧力範囲に適合され且つポンプの性能が改善可能であることが有利である。

スリーブの内側外表面上の溝の製造を、図４−６により詳細に説明することとする。
雌型（ネガ成形型）７０は円筒セクションを有し、円筒セクションの外表面上に螺旋状成形型溝７２が設けられている。ここで、この成形型溝７２内に帯状繊維材料７４が巻き付けられ、これにより、成形型溝７２は次第に充填される。図５は、半分充填された状態を横断面図で示す。成形型溝７２が充填され且つマトリックスが提供されたとき、第３の層５４の製造が終了される。ここで、繊維７６が外表面それ自身の周りに巻き付けられることにより、層５０が製造される（図６参照）。

成形型溝７２は多条螺旋として成形されていてもよい。
成形型溝７２のみが充填され且つそれに続いて外表面が巻き付けられたとき、内側にのみ溝を有するスリーブ２４が形成される。これはきわめて安定な構造を提供する。

巻付過程が終了されたのち、雌型（ネガ成形型）７０は、旋削により、製造されたスリーブ２４から取り除かれる。
装置の真空技術的性能を図９により説明することとする。図９に、ガス流量が存在しないときの入口および出口間の圧力比、いわゆるアイドル圧縮が、排出圧力に対して示されている。曲線３００は、例えばいわゆるホルベック・ポンプ段において使用されるような、ステータのみが螺旋状溝を有する通常の装置を示す。曲線３０２は、ロータ上に溝を有する装置を示す。アイドル圧縮は明らかに上昇されている。

本発明の使用は上記の例に限定されない。
図７に、複流真空ポンプが断面図で示されている。複流真空ポンプは、１つのガス入口２０４および２つのガス出口２０６が設けられているハウジング２０２を有している。ガス出口２０６は、ハウジング２０２内に設けられた内側溝を貫通して装着されていてもよい。ロータ２１２は軸受２０８および２１０内に回転可能に支持され、且つ駆動装置２１８により駆動される。ロータ２１２はスリーブ２２４を含むセクションを有し、スリーブ２２４の外側外表面上に、２つの溝２３０ａおよび２３０ｂが上記の方法で成形されている。溝２３０ａ、２３０ｂの供給方向は相互に反対であり、且つ図７において矢印が示すように、ガス入口２０４から離れる方向に向けられている。溝２３０ａ、２３０ｂは相互に反対の回転方向を有している。セクション上の溝はステータ側の溝２４２ａおよび２４２ｂと協働し、ステータ側の溝２４２ａおよび２４２ｂは、同様に螺旋状に、反対の回転方向を有して形成されている。スリーブ２２４の溝２３０ａ、２３０ｂは、ステータ側の溝２４２ａ、２４２ｂと向かい合って配置されている。

図８は、他の形態視点を示す。セクション２２２′は、第１の溝セクション２５０および第２の溝セクション２５４をもつ螺旋状溝を有している。溝セクション２５０、２５４の形状特に断面は異なっている。即ち、第１の溝セクション２５０は半円形断面を有し、第２の溝セクション２５４は三角形断面を有している。溝セクション２５０、２５４の間に、周りを一周する溝２６０が設けられている。断面は、それぞれの溝セクションが好ましく作動する圧力範囲への適合を可能にする。代替態様または追加態様として、螺旋の勾配に関して形状が相互に異なっていてもよい。周りを一周する溝セクションは、異なる流動範囲の間の移行点に設けられていてもよい。

２ハウジング
４入口
６出口
８永久磁気軸受
１０転がり軸受
１２ロータ
１４ターボ分子ポンプ・セクション
１６分子ポンプ・セクション
１８駆動装置
２０ハブ
２２分子ポンプ・セクション１６のセクション
２４スリーブ
２６終端縁
２８ウェブ
３０溝
３２内側溝
３４第１のウェブ
３６第２の内側溝
３８第２のウェブ
４０ステータ
４２ステータ４０の外表面
５０第１の層、中央層
５２第２の層
５４第３の層
６０繊維
６２マトリックス
６４第２のマトリックス
７０雌型（ネガ成形型）
７２成形型溝
７４帯状繊維材料
７６帯状繊維材料
２０２ハウジング
２０４ガス入口
２０６ガス出口
２０８軸受
２１０軸受
２１２ロータ
２１８駆動装置
２２２′ セクション
２２４スリーブ
２３０ａ溝
２３０ｂ溝
２４０ステータ
２４２ａステータ側の溝
２４２ｂステータ側の溝
２５０溝セクション
２５４第２の溝セクション
２６０溝
３００曲線
３０２曲線
３１０回転軸線
３１２角度
３１４繊維方向
３１６繊維方向
３２０第１の角度
３２２第２の角度
Ｓ層の厚さ
Ｔ溝の深さ

Claims

少なくとも１つの繊維方向（３１４、３１６）を有する繊維複合材料からなる少なくとも１つのセクション（２２；２２４；２２２′）を含むロータ（１２；２１２）を備えた真空ポンプにおいて、
セクション（２２；２２４；２２２′）が少なくとも１つの螺旋状に配置された溝（３０；３２、３６；２３０ａ、２３０ｂ）を有し、繊維方向（３１４、３１６）を有する繊維（６０）の少なくとも１つの部分が溝（３０；３２、３６；２３０ａ、２３０ｂ）に平行に配向されているように、繊維複合材料の繊維（６０）が配向されていることを特徴とする真空ポンプ。
セクション（２２；２２４；２２２′）がスリーブ（２４；２２４）を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
スリーブ（２４；２２４）の内側に内側溝（３２、３６）が、スリーブ（２４；２２４）の外側に外側溝（３０）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載真空ポンプ。
溝（３０；２３０ａ；２３０ｂ）が、少なくとも１つのセクション（２２；２２４；２２２′）の軸方向伸長部全体にわたり伸長することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
溝（３０；３２、３６；２３０ａ；２３０ｂ）の巻付角が３６０°より大きい値であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
セクション（２２；２２４；２２２′）が少なくとも１つの第１および第２の層（５０、５２）を含み、この場合、溝（３０；３２、３６；２３０ａ；２３０ｂ）が層（５０、５２）の１つ内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
第１の層（５０）が第１のマトリックス（６２）を、第２の層（５２）が第２のマトリックス（６４）を含むことを特徴とする請求項６に記載の真空ポンプ。
溝が、相互に異なる形状を有する第１の溝セクション（２５０）および第２の溝セクション（２５４）を含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
第１および第２の溝セクション（２５０、２５４）の間に、ロータ（１２）の周りを一周する溝（２６０）が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の真空ポンプ。
真空ポンプのロータ（１２；２１２）がスリーブ（２４；２２４；２２２′）を含み、ロータ（１２；２１２）内において、スリーブ（２４；２２４；２２２′）が繊維方向（３１４、３１６）を有する繊維材料で巻き付けられ、繊維複合材料を形成するために繊維材料がプラスチック・マトリックス内に埋め込まれる、真空ポンプのロータ（１２；２１２）の製造方法において、
繊維方向（３１４、３１６）がスリーブの終端縁に対してある角度（３１２）をなして巻き付けられ且つ繊維方向に配向された溝（３０；３２、３６；２３０ａ；２３０ｂ；２５０、２５４）が成形されることを特徴とする真空ポンプのロータ（１２；２１２）の製造方法。
溝（３０；３２、３６；２３０ａ；２３０ｂ；２５０、２５４）の成形が、繊維方向（３１４、３１６）に沿ったフライス加工を含むことを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
溝（３０；３２、３６；２３０ａ；２３０ｂ；２５０、２５４）の成形が雌型（７０）上における繊維材料の巻付を含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の製造方法。
第１の層（５０）が第１の繊維方向（３１４）で、第２の層が第２の繊維方向（３１６）で巻き付けられ、溝が層の少なくとも１つ内に成形されることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の製造方法。
溝が、相互に異なる形状をもつ第１の溝セクション（２５０）および第２の溝セクション（２５４）により成形されることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載の製造方法。
繊維方向（３１４、３１６）を有する繊維複合材料を含む真空ポンプのロータ（１２；２１２）に対するセクション（２２；２２４；２２２′）において、
セクション（２２；２２４；２２２′）が溝（３０；３２、３６；２３０ａ；２３０ｂ；２５０、２５４）を有し、繊維方向（３１４、３１６）を有する繊維（６０）の少なくとも１つの部分が溝（３０；３２、３６；２３０ａ；２３０ｂ；２５０、２５４）に平行に配向されているように、繊維複合材料の繊維（６０）が配向され、これにより、真空ポンプの運転において、セクションが遠心力の作用に抵抗することを特徴とするロータ（１２）に対するセクション（２２；２２４；２２２′）。