JP6302615B2 - 真空ポンプ段 - 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段に関するものである。

多くの工業プロセスは、分子流れ範囲内の真空条件下で行われる。このような真空条件を発生するために、真空ポンプまたは真空ポンプから構成された真空ポンプ・スタンドが使用される。真空ポンプ内においては、ガスを希望の最終真空から大気まで圧縮するために、異なる圧力範囲に適合された、異なる作動原理に基づく真空ポンプ段が使用される。

大気に向けて圧縮するときには、例えばサイド・チャネル・ポンプ段が使用される。サイド・チャネル・ポンプ段内において、羽根はチャネル内を円運動し、且つ入口および出口間で渦巻状のガス流れを供給する。ガス流れは円運動をするときに羽根に追従し、且ついわゆるスクレーパにおいて剥離されて出口に供給される。この原理に基づいて形成されたポンプ段は、粘性流れ範囲内においてのみ作動し、分子流れへの移行においては、渦巻状のガス流れがもはや発生可能ではないので、きわめて急速に圧縮および排気速度を失うということが欠点である。

粘性流れ範囲に隣接する分子範囲のきわめて低い絶対圧力においては、特にゲーデ（Ｇａｅｄｅ）ポンプ段が使用される。圧縮および排気速度は分子条件下においてのみ良好であり、且つ粘性範囲内においては圧縮および排気速度がきわめて急速に低下することがゲーデ・ポンプ段の欠点である。

真空ポンプはしばしばサイクル運転で使用されるので、上記の欠点は厳しくなり、したがって、個々のポンプ段は、全運転期間において、しばしば、それが最適ではない流れ範囲内において作動することになる。

したがって、本発明の課題は、粘性流れ範囲内においてのみならず、分子流れ範囲内においてもまた、圧縮および排気速度を有する真空ポンプ段を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の：
１つの入口（１０４；６０４）と、１つの出口（１０６；６０６）と、１つのロータ（１１２；２１２；３１２）と、１つのチャネル（１０８；２０８；３０８）と、前記入口と前記出口との間に配置された１つのスクレーパ（１１０）とを有する真空ポンプ段（１００；６１０）であって、前記ロータが、１つのロータ部分を前記チャネル内に入り込ませ、ポンプ作用が、前記ロータ部分と前記チャネル（１０８；２０８；３０８）との協働によって達成される当該真空ポンプ段（１００；６１０）において、
前記ロータ部分は、複数の構成要素、すなわち、羽根（１１４，２１４，３１４）及び平滑部分（１１６）を有し、前記平滑部分（１１６）が、前記ロータ（１１２；２１２；３１２）の１つの領域により形成され、この領域は、羽根底半径（１２０）を超えて外半径（１２２）まで突出し、且つ周囲に沿ってある角度範囲（１２４）にわたって伸長し、前記羽根底半径（１２０）が、ほぼ前記チャネル（１０８；２０８；３０８）の内側限界の半径付近に存在し、前記外半径（１２２）は、前記スクレーパ（１１０）に対して小さい隙間のみが残り、前記チャネルの深さ（１２６）の一部のみが利用されるように選択されていて、
前記平滑部分（１１６）が、前記ポンプ作用を分子流れ範囲内でゲーデに基づいて引き起こし、前記羽根（１１４，２１４，３１４）が、前記ポンプ作用をより高い圧力範囲内でサイド・チャネル原理に基づいて引き起こすことによって解決される。
有利な実施の形態は、従属請求項２〜７に記載されている。
請求項１の特徴を有する真空ポンプ段は、粘性流れ範囲内においてのみならず、分子流れ範囲内においてもまた、圧縮および排気速度を有している。したがって、この真空ポンプ段は、両方の流れ範囲内において、およびそれらの間の移行範囲内において使用可能であることが有利である。

請求項２−４に記載の変更態様は、構造要素が低コストで製造可能であるので有利である。
請求項５に記載のように、ロータ・ディスクの面内にロータ部分の構造要素を配置することは、好ましい質量分布が存在するので、製造上有利であるばかりでなく、ロータの動特性においても有利である。さらに、ガス流れにより対称の力が発生する。

請求項６および７に記載の真空ポンプは、ゲーデ段またはサイド・チャネル段を有する真空ポンプ段に比較して、圧縮経過および排気速度特性に基づいてより低い有利な電力消費を特徴とする。

実施例およびそれらの変更態様に基づき、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、ロータ部分および構造要素を有する真空ポンプ段の断面図を示す。 図２は、第２の実施例によるロータ部分内構造要素の展開図を示す。 図３は、第２の実施例によるロータ部分内構造要素の断面図を示す。 図４は、第３の実施例によるロータ部分内構造要素の展開図を示す。 図５は、第３の実施例によるロータ部分内構造要素の断面図を示す。 図６は、多段真空ポンプの略断面図を示す。 図７は、従来技術および本真空ポンプ段の圧縮経過の比較線図を示す。

図１に示す真空ポンプ段１００はハウジング１０２を有している。ハウジング内に入口１０４が設けられ、入口からガスが真空ポンプ段内に吸い込まれる。真空ポンプ段の内部で供給されたガスは出口１０６から排出される。入口および出口はチャネル１０８により相互に結合されている。このチャネル内に、ハウジング内に回転可能に配置されたロータ１１２がロータ部分を入り込ませ、この場合、チャネルおよびロータ部分は協働してポンプ作用を発生する。ロータ部分は、ロータの回転軸から半径方向に見てチャネルの内側限界１１８を超えてチャネル内に突出するロータの部分を含む。図１に示す実施例においては、ロータ部分は、構造要素、即ち羽根１１４および少なくとも１つの平滑部分１１６により形成される。平滑部分はロータの１つの領域により形成され、この領域は、羽根底半径１２０を超えて外半径１２２まで突出し、且つ周囲に沿ってある角度範囲１２４にわたって伸長する。羽根底半径は、ほぼチャネルの内側限界の半径付近に存在する。外半径は、一方ではスクレーパ１１０に対して小さい隙間のみを残し、他方ではチャネル深さ１２６の一部のみが利用されるように選択されている。スクレーパは、ロータ部分において同伴されたガス流れを分離し、且つ入口と出口との間の直接流れを阻止する。平滑部分は、分子流れ範囲内において、チャネルと協働して圧縮および排気速度を発生し、且つゲーデの原理に基づいて作動する。羽根１１４は、粘性流れ範囲内において、チャネルと協働するサイド・チャネル・ポンプ構造として作動する。

複数の平滑部分が、質量平衡が得られるようにロータの周囲にわたって分配されることが有利である。これは、例えば、向かい合う２つの平滑部分によって達成される。さらに、この形態は、羽根および平滑部分の寸法が、向かい合うそれぞれの質量の値が一致するように決定されることにより、改良可能であることは有利である。

このようなロータの製造は、例えば、はじめに中実ディスクが製造され、中実ディスクから複数の羽根が鋸引きにより削り出されるので、コスト的に有利である。平滑部分の範囲内においては、鋸引きによる削り出しが不要である。

一変更態様において、チャネルが、図示のようにディスク面内に配置されず、軸方向にオフセットされて配置されている。このとき、羽根および平滑部分は図面平面から飛び出している。

次に、第２の実施例を図２および３により説明する。図２にチャネルおよびロータ部分が展開図で示され、図３は線Ｉ−Ｉ′による断面図を示す。
ハウジング２０２内に、チャネル深さ２２６をもつチャネル２０８が設けられている。チャネルの内側限界２１８を超えてロータ部分がチャネル内に入り込んでいる。チャネル内に、構造要素として羽根２１４が設けられ、羽根はロータの回転によりチャネル内を円運動する。羽根は運動方向に厚さ２２８を有している。羽根の少なくとも１つは、次の羽根との間隔２３０の約１／５より大きい厚さを有している。この厚さにより、チャネル壁２４０、２４２および２４４に向かい合う羽根表面２５０、２５２および２５４は、分子流れ範囲内において、ゲーデ・ポンプ構造のように作動する。粘性流れ範囲内においては、ロータ部分は羽根によりサイド・チャネル・ポンプ段として作動する。この場合もまた、図１に示す実施例及び第３の実施例でも説明されているように、チャネルがロータの面２３４に対して軸方向にオフセットされて配置されていてもよい。このとき、構造要素は、図においてロータの横の左側または右側に配置されている。しかしながら、ロータ動特性を改善するために、構造要素特に羽根２１４をロータ２１２の面２３４内に存在するように配置することが有利である。これは、質量分布および作用力に関して有利である。

一変更態様において、少なくとも１つの羽根２１４が、次の羽根との間隔２３０とほぼ同じ厚さまたはそれより大きい厚さを有している。
他の一実施例が図４および５に示されている。図４に、チャネルおよびロータ部分が展開図で示され、図５は線ＩＩ−ＩＩ′による断面図を示す。

ここでは、ハウジング３０２内にチャネル３０８が設けられ、チャネルは、回転軸への方向に内側限界３１８によって制限される。ロータ部分内に構造要素として羽根３１４が設けられ、羽根は、粘性流れ範囲内において、サイド・チャネル・ポンプ作用を導く。さらに、ロータ部分はベース・ウェブ３４０を有し、ベース・ウェブは、内側限界を超えてチャネル内に入り込んでいる。図５の断面図に、ベース・ウェブ高さ３３２をもつベース・ウェブが内側限界を超えて突出していることが示されている。これにより、ベース・ウェブの側面３４２はチャネル内を円運動する。側面は、分子流れ範囲内において、チャネル壁と協働してゲーデ・ポンプ段として作動する。この場合もまた、図１に示す実施例及び第２の実施例で既に説明されているように、チャネルはロータの面３３４に対して軸方向にオフセットされて配置されていてもよい。このとき、構造要素は、図においてロータの横の左側または右側に配置されている。しかしながら、構造要素即ちベース・ウェブおよび羽根は、ディスク形ロータ３１２の面３３４内に存在することが有利であり、これにより、ロータの動特性はより良好となる。

一変更態様において、ベース・ウェブは、ロータの周囲の一部に沿ってのみ設けられている。
実施例の個々の手段は組み合わされてもよい。即ち、それにより、分子流れ範囲内においてはゲーデに基づくポンプ作用が発生され、およびより高い圧力範囲内においてはサイド・チャネル原理に基づくポンプ作用が発生される構造要素をロータ部分内に形成するために、ベース・ウェブが、より厚い羽根および／または平滑部分と共に利用されてもよい。

上記の形態の有利な作用が、図７の測定曲線から明らかである。それぞれそれらの最大値に正規化された４つの測定曲線が示されている。ゼロ流量における圧縮、即ち、ポンプ段入口からのガス流れなしに測定された、出口圧力の入口圧力に対する比が、背圧に対して示されている。

曲線７０は純ゲーデ・ポンプ段に対する経過を示す。分子流れ範囲内においては、より急な上昇が観察され、一方、より高い圧力に対して、特に１ｈＰａ以上においては、顕著な圧縮が発生していない。

曲線７２は純サイド・チャネル・ポンプ段の経過を示す。ここでは、圧縮はより高い圧力においてその最大値に到達する。
曲線７４は図１に示す平滑部分をもつ実施例に対する圧縮経過を示し、曲線７６は図２および３に示す厚い羽根をもつ実施例に対する経過を示す。

これらの曲線経過は、実施例に示す形状を使用することにより、分子流れ範囲７８内においてのみならず、粘性流れ範囲８０内においてもまた、圧縮が達成されることが有利であることを表わす。この圧縮は、分子流れ範囲内においては純サイド・チャネル・ポンプ段よりも良好であり、粘性流れ範囲内においては純ゲーデ段よりも良好である。

図６に、上記の真空ポンプ段の利点が特に顕著である真空ポンプ６００が、原理構造図で示されている。
真空ポンプのハウジング６０２内に軸６４０が設けられ、軸は軸受６５０および６５２により回転可能に支持される。軸受は、グリス潤滑またはオイル潤滑の転がり軸受、ガス軸受、滑り軸受または磁気軸受であってもよい。これらの軸受構造形式は混在して使用されてもよく、この場合、オイル等のような潤滑剤は、むしろ、軸受６５２の側に見られる背圧の範囲内において使用される。

ポンプ入口６８０からガスが真空ポンプ内に流入し、且つ高真空ポンプ段６２０に到達する。高真空ポンプ段はホルベック・ポンプ段またはターボ分子ポンプ段として形成されていることが有利であり、且つそれ自身多段として形成されていてもよい。これらの個々の段内に異なるポンプ原理が使用されてもよい。高真空ポンプ段の出口６２２からガスが流出し、且つ多重範囲段６１０の入口６０４に到達し、多重範囲段は図１−５に記載のデータに基づいて形成されている。

入口６０４は吸込開口６１２とガス流れ結合をなしているので、多重範囲段６１０は、この吸込開口からのみならず、高真空ポンプ段の出口６２２からもまたガスを吸い込む。多重範囲段内で圧縮されたガスは出口６０６から排出され、且つ背圧段６３０に供給される。背圧段はサイド・チャネル・ポンプ段として形成されていることが有利であり、それ自身、複数のポンプ段を含んでいてもよい。ポンプ出口６８２を通過して、ガスは、真空ポンプから、例えば大気にまたは背圧ポンプへの供給配管内に排出される。

ポンプ段６１０、６２０および６３０は駆動手段６６０により共通に駆動される。
この装置により、多重範囲段は、純ゲーデ・ポンプ段または純サイド・チャネル・ポンプ段よりも、単位消費電力当たり、より良好な圧縮特性および排気速度特性を有する圧力範囲および流れ範囲内において作動することが有利である。

７０ 純ゲーデ・ポンプ段に対する経過
７２ 純サイド・チャネル・ポンプ段の経過
７４ 平滑部分をもつ実施例に対する圧縮経過
７６ 厚い羽根をもつ実施例に対する経過
７８ 分子流れ範囲
８０ 粘性流れ範囲
１００、６１０ 真空ポンプ段（多重範囲段）
１０２、２０２、３０２、６０２ ハウジング
１０４、６０４ 入口
１０６、６０６ 出口
１０８、２０８、３０８ チャネル
１１０ スクレーパ
１１２、２１２、３１２ ロータ
１１４、２１４、３１４ 羽根（構造要素）
１１６ 平滑部分（構造要素）
１１８、２１８、３１８ チャネルの内側限界
１２０ 羽根底半径
１２２ 外半径
１２４ 角度範囲
１２６、２２６ チャネル深さ
２２８ 厚さ
２３０ 間隔
２３４、３３４ ロータの面
２４０、２４２、２４４ チャネル壁
２５０、２５２、２５４ 羽根表面
３３２ ベース・ウェブ高さ
３４０ ベース・ウェブ（構造要素）
３４２ ベース・ウェブの側面
６００ 真空ポンプ
６１２ 吸込開口
６２０ 高真空側ポンプ段（高真空ポンプ段）
６２２ 高真空側ポンプ段の出口
６３０ 大気側ポンプ段（背圧段）
６４０ 軸
６５０、６５２ 軸受
６６０ 駆動手段
６８０ ポンプ入口
６８２ ポンプ出口
Ｋ_０ 圧縮
ｐ 背圧

Claims (6)

1. １つの入口（１０４；６０４）と、１つの出口（１０６；６０６）と、１つのロータ（１１２；２１２；３１２）と、１つのチャネル（１０８；２０８；３０８）と、前記入口と前記出口との間に配置された１つのスクレーパ（１１０）とを有する真空ポンプ段（１００；６１０）であって、前記ロータが、１つのロータ部分を前記チャネル内に入り込ませ、ポンプ作用が、前記ロータ部分と前記チャネル（１０８；２０８；３０８）との協働によって達成される当該真空ポンプ段（１００；６１０）において、
   前記ロータ部分は、複数の構成要素、すなわち、羽根（１１４，２１４，３１４）及び平滑部分（１１６）を有し、前記平滑部分（１１６）が、前記ロータ（１１２；２１２；３１２）の１つの領域により形成され、この領域は、羽根底半径（１２０）を超えて外半径（１２２）まで突出し、且つ周囲に沿ってある角度範囲（１２４）にわたって伸長し、前記羽根底半径（１２０）が、ほぼ前記チャネル（１０８；２０８；３０８）の内側限界の半径付近に存在し、前記外半径（１２２）は、前記スクレーパ（１１０）に対して小さい隙間のみが残り、前記チャネルの深さ（１２６）の一部のみが利用されるように選択されていて、
   前記平滑部分（１１６）が、前記ポンプ作用を分子流れ範囲内でゲーデに基づいて引き起こし、前記羽根（１１４，２１４，３１４）が、前記ポンプ作用をより高い圧力範囲内でサイド・チャネル原理に基づいて引き起こすことを特徴とする真空ポンプ段（１００；６１０）。
2. 前記複数の構造要素は、複数の羽根（１１４；２１４；３１４）を含み、少なくとも１つの羽根（２１４）の厚さが、その次の羽根までの間隔（２３０）の１／５より大きいことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ段（１００；６１０）。
3. 前記複数の構造要素は、複数の羽根（１１４；２１４；３１４）を含み、少なくとも１つの羽根（２１４）の厚さが、その次の羽根までの間隔（２３０）と同じ厚さ又はそれより大きいことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ段（１００；６１０）。
4. 前記複数の構造要素は、前記チャネル内に入り込んでいる１つのベース・ウェブ（３４０）を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空ポンプ段（１００；６１０）。
5. 真空ポンプ（６００）が、請求項１〜４のいずれか１項に記載の真空ポンプ段（６１０）を有し、この真空ポンプ段（６１０）は、１つの高真空側ポンプ段（６２０）と１つの大気側ポンプ段（６３０）との間のガス流の中に配置されていることを特徴とする真空ポンプ（６００）。
6. 前記真空ポンプ段（６１０）の入口（６０４）が、１つの吸込開口（６１２）と前記高真空側ポンプ段（６２０）の１つの出口（６２２）とにガス通流式に連結していることを特徴とする請求項５に記載の真空ポンプ（６００）。

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