JP5683544B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の真空ポンプに関するものである。

工業用真空の発生における多種類の用途に基づき、真空技術から分子ポンプ原理を除いて考えることはもはやできない。要するに、ポンプ効果は、高速で運動される面からガス分子への運動量伝達に基づいており、これにより、統計熱運動に指向性運動がさらに加えられる。

真空ポンプにおいて、回転するスリーブは、例えばホルベック・ポンプ段の形でその機能が実証されてきた。１つまたは複数のスリーブが１つのハブの片側に固定され、一方、ハブは軸上に配置されている。このような構造を、例えば欧州特許公開第０６９５８７２Ａ１号が示している。

例えば漏れ検出器内における真空ポンプの使用のような幾つかの使用例において、特に軽いガスに対して、ポンプの吸込開口と出口との間で高い圧力比が希望される。これは、上記の構造原理に基づき、きわめて長いスリーブを必要とする。しかしながら、この用途においては、コンパクトな構造が希望されている。真空ポンプそれ自身の構造長さを増大させる長いスリーブは、この希望とは相反するものである。

欧州特許公開第０６９５８７２Ａ１号

したがって、本発明の課題は、コンパクトな構造において高い圧力比を有する真空ポンプを提供することである。

この課題は、独立の請求項１の特徴により解決される。本発明の有利な形態が従属請求項２−１０に記載されている。
この課題は、請求項１に記載の特徴を有する真空ポンプにより解決される。

軸、軸と結合されたハブ、およびハブの第１の側と結合された、軸に同心のスリーブ、を有するロータを備えた本発明による真空ポンプは、スリーブが、ハブの第１の側と結合された第１のスリーブと、軸に同心に、軸方向においてハブの第１の側に向かい合う第２の側でハブと結合された第２のスリーブとに分割され、両スリーブの長さの和が、スリーブを分割しない場合の所望の圧力比のために必要な長さに対応すること、第１のスリーブは、ガス流れ内において第２のスリーブに後続配置されていること、第１のスリーブと第２のスリーブが、ガスを吸い込むための吸込開口とガスを排出するための出口の間に配置されていることを特徴とする。

課題を解決するために、請求項１の特徴により、２つのスリーブを有するハブを設けることが提案され、２つのスリーブはハブの向かい合う側に配置されている。同じポンプ作用長さを達成させるために、１つの長いスリーブの代わりに２つの短いスリーブが使用される。ここで、利点は、２つのスリーブの場合、製造公差はほとんど問題にならないことである。このような製造公差は、例えば、スリーブ直径および固定位置におけるスリーブの傾きである。これらの公差は、スリーブとステータとの間の隙間の設計において考慮されなければならず、且つ長いスリーブの場合、隙間をさらに広くさせることになる。製造公差のほかに、高速回転における遠心力によるスリーブの膨張もまた重要である。短いスリーブの場合、この膨張はより小さくなる。したがって、１つの長いスリーブの代わりに２つの短いスリーブの場合、より狭い隙間が使用可能である。狭い隙間は同時に圧力比の上昇を意味するので、単位長さ当たりの圧力比は上昇する。したがって、真空ポンプは、従来の構造による対応真空ポンプよりも、より良好な圧力比において、よりコンパクトな構造となる。

本発明の可能な一実施形態により、第１のスリーブの半径および第２のスリーブの半径が異なっているように設計されている。これにより、圧力比が同じままで、ポンプの構造をより小さくすることが可能である。

他の有利な一実施形態は、より小さい半径を有する第３のスリーブが第１のスリーブに同心に配置されているように設計されている。この第３のスリーブは、軸から軸方向に見て、第１のスリーブと同じ構造高さに配置されている。この手段により、追加構造空間を必要とすることなく、ポンプ効率を上昇することが可能である。

本発明の他の有利な一実施形態により、より小さい半径を有する第４のスリーブが第２のスリーブに同心に配置されているように設計されている。軸方向に見て、第４のスリーブは第２のスリーブと同じ構造高さに配置されている。これによってもまた、同じままの構造空間において、ポンプ効率がさらに上昇される。

本発明の好ましい一実施形態により、第２のスリーブの半径方向内側に、スリーブの内側表面と協働してポンプ作用をなすステータが設けられている。これによってもまた同様に、ポンプの構造空間が拡大されることなく、ポンプ効率が明らかに上昇される。

他の有利な一実施形態により、ガス流れ内において第２のスリーブの手前に、ターボ分子構造タイプの少なくとも１つのロータ・ディスクが配置されているように設計されている。これによってもまた、ポンプのポンプ作用が上昇される。

本発明の特に有利な一実施形態は、少なくとも１つのスリーブが炭素繊維強化プラスチックを含むように設計されている。スリーブ材料としての炭素繊維強化プラスチックの使用は、遠心力によるスリーブの膨張が低減されるので、さらにより小さい隙間を可能にする。

本発明の他の一実施形態は、ハブが、ステータと協働してガスを供給する外表面を含むように設計されている。これにより、ハブの外表面がポンプ作用の達成のために使用される。

外表面および第１および第２のスリーブの外側に位置する表面は、共に、ただ１つの円筒面として形成されていることが有利である。これは、第１および第２のスリーブが、ハブの外表面と共に、ホルベック段の連続するスリーブのように働き、且つこれによりポンプのポンプ作用が最適化される。

本発明の他の有利な一実施形態は、ハブが、ガス流れ内において第１のスリーブの手前に、ガス入口と協働する凹部を有するように設計されている。この実施形態は、ガス入口とハブの凹部との協働が排気速度および圧力比のような真空技術的変数を改善させるという利点を有している。

他のステータと協働し且つその配置に基づいて追加構造空間を必要としない複数の同心スリーブの設置は、真空ポンプが、コンパクトな構造において、従来の構造タイプに基づく対応真空ポンプよりもより良好な圧力比を有するという利点を有している。

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、真空ポンプの縦断面図を示す。 図２は、ターボ分子構造タイプのロータ・ディスクを有する、一変更態様によるロータの部分断面図を示す。 図３は、他のスリーブを有する、一変更態様によるロータの部分断面図を示す。 図４は、追加ガス入口の高さに凹部を有する、一変更態様によるロータの部分断面図を示す。

図１は、真空ポンプの縦断面図を示す。真空ポンプのハウジング２内に吸込開口４が設けられ、吸込開口４を介してガスが真空ポンプ内に吸い込まれる。圧縮後、ガスは真空ポンプの出口６から排出される。

真空ポンプの内部にロータ１０が設けられ、ロータ１０はステータ３０と共にポンプ作用を発生する。ロータ１０は軸１２を有し、軸１２の吸込開口４に向けられた端部は永久磁気軸受１４により支持される。反対側端部は転がり軸受１６により支持される。この軸受配置は、吸込開口４に向かい合う側に２つの転がり軸受を有する浮動軸受支持のような、考えられる他の軸受タイプに比較して、吸込側に無潤滑軸受が使用され、およびロータ動特性上簡単な軸受支持に基づいて狭い隙間および短い構造長さが達成される、という利点を有している。

軸１２上に永久磁石２０が設けられ、永久磁石２０は通電された駆動コイル２２と協働する。これにより、ロータ１０は十分に高速の回転数で回転される。この回転数は使用されるポンプ原理に従って決定され、且つ分子ポンプ原理においては、一般に、毎分数万回転の範囲である。

ステータ３０は、ロータ１０に向かい合うその表面上に、１つまたは複数の螺旋状溝３２を有している。
軸１２にハブ４０が固定されている。ハブ４０は、第１の側４２と、これに向かい合う第２の側４４とを有している。第２の側４４は吸込開口４に向けられている。第１の側４２に第１のスリーブ５０が固定され、第２の側４４に第２のスリーブ５２が固定されている。両方のスリーブ５０、５２はステータ３０およびその螺旋状溝３２と協働してホルベックに基づくポンプ作用を発生させる。ガス流れは、吸込開口４を介して、第２のスリーブ５２およびステータ３０の間の隙間Ｓ内に導かれる。第１のスリーブ５０はガス流れ内において第２のスリーブ５２に後続配置され、これにより、より高い圧力に圧縮する。上記のガス案内と共にスリーブ５０および５２を使用することにより、隙間Ｓに対して製造公差はより小さい値となるので、隙間Ｓは、両方のスリーブ５０、５２の長さＬ１、Ｌ２の和の長さに対応するただ１つの対応スリーブにおいてよりも狭く形成される。

以下の図２−４に変更態様が示され、この場合、紹介された特徴は相互に組み合わされてもよい。
図２に、ステータ３０の一部およびロータ１０の一部が示されている。ハブ４０が軸１２上に配置されている。ハブ４０は、ほぼディスク状で且つ軸線Ｗに垂直な平面内を伸長する本体を有し、これにより、少ない材料消費量で、ロータ動特性上有利な、スリーブ５０、５２、５４に対する支持構造が提供される。ハブ４０およびスリーブ５０、５２、５４、５６の少なくとも１つは一体に形成されている。ハブ４０を対称に形成すること、または図２に示されているように、特に軸方向に対して垂直に見て非対称に形成すること、が可能である。ハブ４０の第１の正面側に対応するハブ４０の第１の側４２に２つの突起８０および８４が設けられ、これらの突起８０および８４に第１のスリーブ５０および第３のスリーブ５４が固定されている。スリーブ５０、５２、５４の材料は、本質的に、炭素繊維強化プラスチックを含む。スリーブ５０、５２、５４の固定は、例えば接着により行われてもよい。第１の側に向かい合う第２の側４４上に他の突起８２が設けられ、突起８２に、吸込開口の方向に伸長し且つガス流れ内において第１のスリーブ５０の手前に配置された第２のスリーブ５２が固定されている。

ハブ４０は半径方向外側に位置する外表面４６を有し、外表面４６は、ステータ３０内の少なくとも１つの螺旋状に伸長する溝３２と共にポンプ作用を達成する。一変更態様において、外表面４６は、半径方向外側に位置する、第１および第２のスリーブ５０および５２の表面６０および６２と共に、材料の相違は別として、連続の円筒面を形成する。

軸１２上に、ガス流れ内において第２のスリーブ５２の手前に、ターボ分子構造タイプのロータ・ディスク７０が配置され、ロータ・ディスク７０により、より短い構造長さにおいて排気速度が上昇され、および圧力範囲がより低い圧力の方向に拡張される。

図３に、第１および第２のスリーブ５０および５２の長さＬ１およびＬ２を異なる長さに形成した、追加の形態空間が紹介される。これにより、真空技術的データおよびロータ動特性が、質量分布に基づき、ロータに対して調整可能である。代替態様または追加態様として、第１および第２のスリーブ５０、５２の半径Ｒ１およびＲ２は相互に異なっていてもよい。

第２のスリーブ５２に同心に且つより小さい半径で、第４のスリーブ５６が設けられていてもよい。第２および第４のスリーブ５２、５６の間に追加のステータ３４が設けられ、ステータ３４はポンプ作用構造として螺旋状溝３６および３８を有している。溝３６は、第２のスリーブの内側に位置する表面６４と協働する。矢印はガス流れを表わし、ガス流れは、はじめに、第４のスリーブ５６の外側表面においてハブ４０の方向に行われ、次に、第２のスリーブ５２の表面６４においてハブ４０から離れる方向に向けられ、それに続いて、第２のスリーブ５２の半径方向外側に位置する表面において、再びハブ４０の方向に向けられている。

図４に示す変更態様は、追加のステータ３４を有し、この作用により、（図示されていない）吸込開口４を介して流入したガスは、はじめに、ステータ３４および第２のスリーブ５２の協働によって、ハブ４０から離れる方向に供給される。

他の可能な形態特徴は凹部４８により形成され、凹部４８は第１および第２のスリーブ５０、５２の間のハブ４０の領域を示し、この領域内においては、ハブ４０の半径は両方のスリーブ５０および５２の半径よりも低減されている。この凹部４８は、ガス入口８を介して流入したガスがはじめに凹部４８内に到達する形で、追加のガス入口８と協働する。これによって、ガスはロータ１０の周りに分配され、これにより、第１のスリーブ５０の方向へのガス流れが改善される。

２ ハウジング
４ 吸込開口
６ 出口
８ ガス入口
１０ ロータ
１２ 軸
１４ 永久磁気軸受
１６ 転がり軸受
２０ 永久磁石
２２ 駆動コイル
３０ ステータ
３２ 溝
３４ ステータ
３６ 溝
３８ 溝
４０ ハブ
４２ 第１の側
４４ 第２の側
４６ 外表面
４８ 凹部
５０ スリーブ
５２ スリーブ
５４ スリーブ
５６ スリーブ
６０ 表面
６２ 表面
６４ 表面
７０ ロータ・ディスク
８０ 突起
８２ 突起
８４ 突起
Ｌ１ スリーブの長さ
Ｌ２ スリーブの長さ
Ｒ１ 半径
Ｒ２ 半径
Ｓ 隙間
Ｗ 軸線

Claims (10)

1. 軸（１２）、軸（１２）と結合されたハブ（４０）、およびハブ（４０）の第１の側（４２）と結合された、軸（１２）に同心のスリーブ、を有するロータ（１０）を備えた真空ポンプにおいて、
   スリーブが、ハブ（４０）の第１の側（４２）と結合された第１のスリーブ（５０）と、軸（１２）に同心に、軸方向においてハブ（４０）の第１の側（４２）に向かい合う第２の側（４４）でハブ（４０）と結合された第２のスリーブ（５２）とに分割され、両スリーブの長さ（Ｌ１、Ｌ２）の和が、スリーブを分割しない場合の所望の圧力比のために必要な長さに対応すること、第１のスリーブ（５０）は、ガス流れ内において第２のスリーブ（５２）に後続配置されていること、第１のスリーブ（５０）と第２のスリーブ（５２）が、ガスを吸い込むための吸込開口（４）とガスを排出するための出口（６）の間に配置されていることを特徴とする真空ポンプ。
2. 第１のスリーブ（５０）の半径（Ｒ１）および第２のスリーブ（５２）の半径（Ｒ２）が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. より小さい半径を有する第３のスリーブ（５４）が第１のスリーブ（５０）に同心に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の真空ポンプ。
4. より小さい半径を有する第４のスリーブ（５６）が第２のスリーブ（５２）に同心に配置されてい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。
5. 第２のスリーブ（５２）の半径方向内側に、スリーブ（５２）の内側表面（６４）と協働してポンプ作用をなすように形成されているステータ（３４）が設けられてい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。
6. ガス流れ内において第２のスリーブ（５２）の手前に、ターボ分子構造タイプの少なくとも１つのロータ・ディスク（７０）が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。
7. 少なくとも１つのスリーブ（５０、５２、５４、５６）が炭素繊維強化プラスチックを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
8. ハブ（４０）が、ステータ（３０）と協働してガスを供給するように形成されている外表面（４６）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。
9. 外表面（４６）および第１および第２のスリーブ（５０、５２）の半径方向外側に位置する表面（６０、６２）は、共に、ただ１つの円筒面として形成さ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。
10. ハブ（４０）が、ガス流れ内において第１のスリーブ（５０）の手前に、ガス入口（８）と協働するように形成されている凹部（４８）を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の真空ポンプ。

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