JP6983872B2 - 真空ポンプのスクリューロータ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプのスクリューロータに関する。

スクリュー式真空ポンプは、ハウジングによって形成されたポンプチャンバ内に配置された２つのロータ要素を備えている。ロータ要素は螺旋状の外形を有しており、ガスを運ぶために反対方向に回転する。高い内部凝縮、つまりポンプの入口と出口との体積比を達成するために、螺旋状の外形のピッチが変わることが知られている。入口側又は吸込み側でピッチは大きく、更に巻き毎に形成されるチャンバの体積が大きい。出口側又は圧力側でピッチが小さく、更に巻き毎のチャンバの体積が小さいように、出口の方向にピッチは減少する。ピッチが変わることによって、低い入口圧力で低い電源入力を実現することが可能になり、加えてポンプの低い熱応力を実現することが可能になる。ピッチが変わることによって、複雑な、ひいてはコストがかかる製造工程が必要になる。特に巻き、つまり螺旋状の凹部のフライス加工又は旋盤加工のような製造段階を、複数の連続的な作業工程で行わなければならない。

本発明は、電源入力が低く、受ける熱応力が低い真空ポンプが安価に製造され得る真空ポンプのスクリューロータを提供することを目的とする。更に本発明は、対応するスクリュー式真空ポンプ及び適した製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１に係る真空ポンプのスクリューロータ、請求項１２に係る真空ポンプ、及び請求項１７に係る製造方法によって達成される。

本発明の真空ポンプのスクリューロータは、ロータ軸に配置された少なくとも２つの螺旋状のディスプレーサ要素を備えている。ディスプレーサ要素によって、ロータ要素が形成されている。本発明によれば、少なくとも２つのディスプレーサ要素のピッチは異なり、ディスプレーサ要素毎にピッチは一定である。本発明の真空ポンプのスクリューロータは、例えば２つのディスプレーサ要素を備えており、第１の吸込み側のディスプレーサ要素はより大きな一定のピッチを有しており、第２の圧力側のディスプレーサ要素はより小さな一定のピッチを有している。本発明に従って、一定のピッチを夫々有する複数のディスプレーサ要素を設けることにより、製造工程は大幅に簡略化される。

本発明によれば、各ディスプレーサ要素は少なくとも１つの螺旋状の凹部を有しており、螺旋状の凹部は螺旋状の凹部の全長に沿って同一の外形を有している。外形はディスプレーサ要素毎に異なることが好ましい。従って、夫々のディスプレーサ要素が、好ましくは一定のピッチ及び均一な外形を有している。その結果、製造がかなり容易になるので、製造コストを大幅に下げることができる。

吸込み能力を更に高めるために、吸込み側のディスプレーサ要素、つまり特に送出方向に見て第１のディスプレーサ要素の外形は非対称である。外形、つまり輪郭の非対称な形状によって、漏れ表面、いわゆるブローホールが好ましくは完全に除去されるか、又は少なくともより小さな断面を有するように、フランクが構成され得る。特に有用な非対称の輪郭は、いわゆる「クインビー輪郭」である。このような輪郭の製造が比較的難しくても、連続的なブローホールがないという利点がある。２つの隣り合うチャンバ間のみに短絡回路が存在する。輪郭が、異なる輪郭フランクを有する非対称の輪郭であるので、２つのフランクを非対称性故に２つの異なる作業工程で製造する必要があるため、その製造は少なくとも２つの作業工程を必要とする。

圧力側のディスプレーサ要素、特に送出方向に見て最後のディスプレーサ要素は、対称な外形を有して設けられている。対称な外形は、特に製造がより簡単になるという利点を有する。特に、対称な外形を有する両方のフランクは、回転式エンドミル又は回転式側フライスを使用することによって１つの作業工程で生成され得る。このタイプの対称な輪郭は小さなブローホールのみを有するが、これらは連続して設けられており、つまり２つの隣り合うチャンバ間のみに設けられていない。ブローホールの大きさは、ピッチが減少すると共に減少する。従って、好ましい実施形態によれば、このような対称の輪郭が、吸込み側のディスプレーサ要素より、好ましくは吸込み側のディスプレーサ要素と圧力側のディスプレーサ要素との間に配置されたディスプレーサ要素より小さなピッチを有するので、このような対称の輪郭が、特に圧力側のディスプレーサ要素のために設けられ得る。このような対称の輪郭の漏れ緊密性が幾分より低くても、このような対称の輪郭の製造が確かにより簡単になるという利点がある。特に、対称の輪郭を単純なエンドミル又は側フライスを使用して１つの作業工程で生成することが可能である。そのため、コストが大幅に下げられる。特に有用な対称の輪郭は、いわゆる「サイクロイド輪郭」である。

少なくとも２つのこのようなディスプレーサ要素を設けることにより、対応するスクリュー式真空ポンプが低い入口圧力を生成することができる一方、電源入力が低いことが可能になる。更に熱応力が低い。一定のピッチ及び均一な外形を有する、本発明に従って構成された少なくとも２つのディスプレーサ要素を真空ポンプに配置することにより、ピッチが変わるディスプレーサ要素を備えた真空ポンプのような同一の結果が実質的にもたらされる。高い特定の体積比の場合、３つ又は４つのディスプレーサ要素が、ロータに応じて設けられ得る。

達成可能な入口圧力を下げるため、並びに／又は電源入力及び／若しくは熱応力を下げるため、特に好ましい実施形態によれば、圧力側のディスプレーサ要素、つまり送出方向に見て最後のディスプレーサ要素は多数の巻きを有している。多数の巻きにより、スクリューロータとハウジングとの間のより大きな間隙が受け入れられ得る一方、性能が同一のままである。ここでの間隙は、0.1 〜0.3 mmの範囲内のコールド間隙幅を有し得る。本発明によれば、圧力側のディスプレーサ要素は一定のピッチ、及び特に対称な外形も有するので、圧力側のディスプレーサ要素の多数の出口巻き及び多数の巻きの製造が安価である。このため、多数の巻きを設けることが受け入れ可能であるように、簡単且つ安価な製造工程が可能になる。この圧力側のディスプレーサ要素又は最後のディスプレーサ要素は、８を超える数の巻き、特に１０を超える数の巻き、特に好ましくは１２を超える数の巻きを有していることが好ましい。対称の輪郭を使用することにより、特に好ましい実施形態では、フライスを使用して輪郭の両方のフランクを同時的に切断することができるという利点がある。この工程では、フライスは夫々の反対側のフランクによって更に支持されるので、この工程中のフライスの変形又は撓み、及びその結果の不正確さが回避される。

製造コストを更に下げるために、ディスプレーサ要素及びロータ軸が一体に形成されていることが特に好ましい。

更なる好ましい実施形態によれば、隣り合うディスプレーサ要素間のピッチが非均一に変わっているか、又は急変している。任意に、２つのディスプレーサ要素は長手方向に互いに離れて配置されているため、２つのディスプレーサ要素間に、ツール逃げゾーンとしての機能を果たす囲んでいる円筒状のチャンバが形成されている。このため、ロータの領域で、螺旋状のラインを生成するツールが簡単な方法で取り出され得るので、特に一体化された構成のロータで有利になる。ディスプレーサ要素が互いに独立して製造され、次に軸に取り付けられる場合、ツール逃げゾーン、特にこのようなリング状の円筒状の領域を設ける必要がない。

本発明の好ましい実施形態によれば、２つの隣り合うディスプレーサ要素間のピッチが変わる位置に、ツール逃げゾーンが設けられてない。ピッチが変わる領域では、好ましくは両方のフランクは、ツールが取り出され得るように空所又は凹部を有している。空所又は凹部が局所的であり、空所又は凹部の大きさが完全に制限されているので、このような空所はポンプの圧縮性能に著しい影響を及ぼさない。

本発明の真空ポンプのスクリューロータは、特に複数のディスプレーサ要素を備えている。これらのディスプレーサ要素は夫々、同一の直径又は異なる直径を有し得る。この点において、圧力側のディスプレーサ要素の直径が吸込み側のディスプレーサ要素の直径より小さいことが好ましい。

ロータ軸から独立して製造されたディスプレーサ要素の場合、ディスプレーサ要素は、例えば圧入によってロータ軸に取り付けられる。ここでは、ディスプレーサ要素を互いに対して角度位置で固定するためのダウエルピンのような要素を設けることが好ましい。

特に、スクリューロータの一体化された構成の場合だけでなく、複数の要素が組み立てられた構成の場合にも、スクリューロータをアルミニウム又はアルミニウム合金から製造することが好ましい。ロータをアルミニウム又はアルミニウム合金、特にAlSi7Mg 又はAlSi17Cu4Mg から製造することが特に好ましい。合金は、好ましくは膨脹係数を減少させるように15％を超えるシリコン割合を有する。

本発明の更なる好ましい実施形態によれば、使用されるアルミニウムの膨脹係数はより低い。材料の膨脹係数は18×10^-6/K未満であることが好ましい。更なる好ましい実施形態によれば、ディスプレーサ要素の表面は覆われており、特に摩耗及び／又は腐食に対する被膜が設けられている。本明細書では、適用分野に応じて、好ましくは陽極被膜又は別の適切な被膜が設けられている。

本発明は更にスクリュー式真空ポンプに関する。このポンプは、上述したような２つの相互に噛合する真空ポンプのスクリューロータを備えている。２つのスクリューロータは、ポンプハウジングによって形成された吸込チャンバに配置されている。通常、２つのスクリューロータの一方は、例えば電気モータのような駆動手段に連結されている。２つのスクリューロータは、特にロータ軸に配置された歯車を介して互いに連結され得る。このようにして、反対方向に回転するスクリューロータの同期が特に達成される。特に好ましい実施形態によれば、スクリューロータの発明性ある構成により、少なくとも２、特に少なくとも４のスクリュー式真空ポンプの内部圧縮率を達成することが可能である。このような高い内部圧縮率は、特に一定のピッチを夫々有する２つのロータの構成、特に圧力側のディスプレーサ要素の多数の巻きを有する２つのロータの構成により可能である。特に、大きな間隙が圧力側のディスプレーサ要素の領域で許可されても、このような高い内部圧縮率が可能である。大きな間隙は特に、熱応力が圧力側のディスプレーサ要素に亘ってより均一に分散するという利点を有する。特に、対応するディスプレーサ要素の熱応力が更に回避され、ひいてはディスプレーサ要素がハウジングの内側に接するという危険性が回避される。この点についての更なる態様は、スクリューロータの膨脹係数がハウジングの膨脹係数より低いということである。特に、ハウジングの膨脹係数は、スクリューロータの膨脹係数より少なくとも５％大きく、特に好ましくは１０％大きい。

本明細書ではハウジングは、スクリューロータの材料中のシリコンの割合より小さいシリコンの割合を有するアルミニウム合金から製造されていることが好ましい。このため、スクリューロータに対するハウジングのより大きな熱膨張が保証される。そのため、特に動作中、つまり熱応力が増加する際、間隙がより小さくなることができても、ディスプレーサ要素の外側とポンプチャンバの内側との間に十分な間隙が常に存在することが保証される。

本発明は更に、上述したようなスクリューロータを製造する方法に関する。本明細書での製造を、特にディスプレーサ要素及びロータ軸を一体に形成するように行う。第１の工程では、スクリューロータのための基体を製造する。ディスプレーサ要素を製造するための螺旋状の凹部を、エンドミル又は側フライスによって生成する。螺旋状の凹部のピッチ、特に外形が各ディスプレーサ要素で異なるので、ディスプレーサ要素に応じて螺旋状の凹部の生成を別々の工程で行う。

対称な外形を有するディスプレーサ要素の場合、凹部を、１つのツールを使用して、特に１つの作業工程で生成することが好ましい。更に、好ましくは両方のフランクが１つの作業工程で生成され得るように、ツールが凹部の外形を再現することが好ましい。非対称の要素の場合、フランクは、２つの異なるツールによって処理される必要がある。

特に一体に製造されたスクリューロータでは、螺旋状の凹部を生成する前にツール逃げゾーンを生成することが好ましい。このようなリング状の円筒状凹部をフライス加工又は旋盤加工により製造することができる。

特に好ましい実施形態によれば、このようなツール逃げゾーンが設けられていない。代わりに、凹部又は空所が、隣り合うディスプレーサ要素のフランクに設けられている。この場合、フライス加工ツールを取り出すときに空所又は凹部を生成する。

１つの基体から、任意に軸に続く軸ジャーナルと共に、特にディスプレーサ要素も共にロータ軸を製造することができるように、使用される基体は、特に円筒状に構成される。半製品として形成されて、凹部及び／又は軸受ピンを既に有する基体の使用が更に可能である。基体を、例えば鋳造工程によって製造することが可能である。

本発明を、好ましい実施形態により添付図面を参照して以下により詳細に説明する。

真空ポンプのスクリューロータの第１の好ましい実施形態を示す平面略図である。 真空ポンプのスクリューロータの第２の好ましい実施形態を示す平面略図である。 輪郭が非対称なディスプレーサ要素を示す断面略図である。 輪郭が対称なディスプレーサ要素を示す断面略図である。 スクリュー式真空ポンプを示す断面略図である。

真空ポンプのスクリューロータの第１の好ましい実施形態によれば、ロータは２つのディスプレーサ要素10, 12を備えている。第１の吸込み側のディスプレーサ要素10は、約10〜150 mm／回転の大きなピッチを有する。ピッチは、ディスプレーサ要素10全体に沿って一定である。更に螺旋状の凹部の外形が一定である。第２の圧力側のディスプレーサ要素12もディスプレーサ要素12の長さに沿って一定のピッチ及び凹部の一定の外形を有する。圧力側のディスプレーサ要素12のピッチは、好ましくは10〜30mm／回転の範囲内である。２つのディスプレーサ要素間に、リング状の円筒状凹部14が設けられている。前記円筒状凹部14は、図１に示されているスクリューロータの一体化された構成を考慮して、ツール逃げゾーンを実現するという目的を有する。

更に、一体化されたスクリューロータは２つの軸受座16及び軸端部18を有している。軸端部18には、例えば駆動するための歯車が連結されている。

図２に示されている第２の好ましい実施形態では、２つのディスプレーサ要素10, 12が別々に製造され、その後、例えばディスプレーサ要素10, 12をロータ軸20に押し付けることによってロータ軸20に固定される。この製造方法は、幾分より複雑かもしれないが、ツール逃げのために２つの隣り合うディスプレーサ要素10, 12間の円筒状の間隔14の必要性が除去される。軸受座16及び軸端部18はディスプレーサ要素の一体の構成要素になり得る。或いは、連続的な軸20が、ディスプレーサ要素10, 12の材料とは異なる別の材料から製造され得る。

図３は、非対称の輪郭（例えばクインビー輪郭）の側面略図を示す。図示された非対称の輪郭はいわゆる「クインビー輪郭」である。断面図は、互いに噛合する２つのスクリューロータを示し、スクリューロータの長手方向が図面の面に対して垂直に延びている。ロータの反対方向の回転が、２つの矢印15によって示されている。ディスプレーサ要素の長手軸芯に垂直に延びている面17に関して、２つのフランク19, 21の輪郭は各ロータで異なる。従って、互いに対向するフランク19, 21を、互いに独立して製造する必要がある。しかしながら、この理由で幾分より複雑でより困難な製造では、完全なブローホールが存在せず、２つの隣り合うチャンバ間に短絡回路のみが設けられるという利点がある。

このような対称の輪郭は、好ましくは吸込み側のディスプレーサ要素10に設けられている。

次に図４の側面略図は、ここでも反対方向（矢印15）に回転する２つのディスプレーサ要素及び２つのスクリューロータの断面図を示す。対称軸芯17に関して、フランク23は各ディスプレーサ要素で対称な構成を有している。図４に示されている対称的に構成された外形の好ましい実施形態では、サイクロイド輪郭が使用されている。

図４に示されているような対称の輪郭は、好ましくは圧力側のディスプレーサ要素12に設けられている。

図５に示されている更なる実施形態は、ここでも一体化された構成である。例えばエンドミルのようなツールを取り出すために、ディスプレーサ要素12のフランクに凹部又は空所が設けられている。

更に、３以上のディスプレーサ要素を設けることが可能である。これらのディスプレーサ要素は任意に異なる頭部直径及び対応する足部直径を有することが可能である。本明細書では、より大きな頭部直径を有するディスプレーサ要素が、入口、つまり吸込み側の領域でより大きな吸込み能力を実現する、及び／又は体積比を増加させるように、入口、つまり吸込み側に配置されていることが好ましい。更に、上述した実施形態の組合せが可能である。例えば、２以上のディスプレーサ要素が軸と一体に製造され得るか、又は、追加のディスプレーサ要素が軸から独立して製造されて、その後、軸に取り付けられ得る。

真空ポンプの断面略図（図５）は、ポンプチャンバ24に配置された真空ポンプの２つのスクリューロータ26をハウジング22内に示す。２つのロータは、軸受28を介してハウジングに支持されている。２つの軸端部18に、夫々の歯車32が連結されている。歯車32は互いに噛合するため、２つの軸の同期が保証される。２つの歯車32の内の一方は、例えば電気モータのような駆動手段に連結されている。

図５に見られ得るように、ガスの吸込みが、矢印34によって示されているように吸込み側のディスプレーサ要素10の領域で生じる。ガスの放出が相応して、矢印36によって示されているように第２の圧力側のディスプレーサ要素12の端部で生じる。

Claims (23)

1. 真空ポンプのスクリューロータであって、
   ロータ軸に配置された少なくとも２つの螺旋状のディスプレーサ要素を備えており、
   少なくとも２つのディスプレーサ要素は、互いに異なるが前記ディスプレーサ要素毎に一定のピッチを有しており、
   前記ディスプレーサ要素は夫々少なくとも１つの螺旋状の凹部を有しており、各凹部の外形は前記凹部の全長に亘って均一であり、
   吸込み側の前記ディスプレーサ要素は、前記ディスプレーサ要素の長手方向に見て前記ディスプレーサ要素の長手軸芯に垂直に延びる線に対して非対称な外形を有し、
   圧力側の前記ディスプレーサ要素は、前記ディスプレーサ要素の長手方向に見て前記ディスプレーサ要素の長手軸芯に垂直に延びる線に対して対称な外形を有することを特徴とする真空ポンプのスクリューロータ。
2. 螺旋状のディスプレーサ要素を夫々有する少なくとも２つのロータ要素が設けられており、前記ディスプレーサ要素は、互いに異なるが前記ディスプレーサ要素毎に一定のピッチを有していることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプのスクリューロータ。
3. 前記圧力側のディスプレーサ要素は、８を超える数の巻き、好ましくは１０を超える数の巻き、特に好ましくは１２を超える数の巻きを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空ポンプのスクリューロータ。
4. 圧力側のディスプレーサ要素は、１つのねじ山タイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の真空ポンプのスクリューロータ。
5. 前記ロータ軸及び前記ディスプレーサ要素は一体に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の真空ポンプのスクリューロータ。
6. ２つの隣り合うディスプレーサ要素間のピッチの少なくとも１つの変化が非均一であるか、又は急であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の真空ポンプのスクリューロータ。
7. 前記吸込み側のディスプレーサ要素の輪郭の、少なくともフランクの内の１つにブローホールが無いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の真空ポンプのスクリューロータ。
8. ２つのディスプレーサ要素間のピッチが変わる位置に、ツール逃げゾーンが設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の真空ポンプのスクリューロータ。
9. ２つのディスプレーサ要素間のピッチが変わる位置の、前記ディスプレーサ要素のフランクの少なくとも１つに、空所が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の真空ポンプのスクリューロータ。
10. 前記真空ポンプのスクリューロータ全体が、アルミニウム又はアルミニウム合金、特にAlSi17Cu4Mg から形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の真空ポンプのスクリューロータ。
11. アルミニウムはより低い膨脹係数、特に18×10^-6/K未満の膨脹係数を有し、特に高シリコン割合が少なくとも15％であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の真空ポンプのスクリューロータ。
12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の相互に噛合する２つのスクリューロータと、
    前記スクリューロータを囲むハウジングと、
    前記２つのスクリューロータに連結されている駆動手段と
    を備えていることを特徴とするスクリュー式真空ポンプ。
13. 前記スクリュー式真空ポンプの内部圧縮率が少なくとも２であり、特に少なくとも４であることを特徴とする請求項１２に記載のスクリュー式真空ポンプ。
14. 前記スクリューロータの膨脹係数は前記ハウジングの膨脹係数より低く、前記ハウジングの膨脹係数は、前記スクリューロータの膨脹係数より特に５％大きく、特に好ましくは１０％大きいことを特徴とする請求項１２又は１３に記載のスクリュー式真空ポンプ。
15. 前記ハウジングは、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成されていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１つに記載のスクリュー式真空ポンプ。
16. 前記圧力側のディスプレーサ要素と前記ハウジングとの間に間隙が設けられており、前記間隙の高さが0.05mm〜0.5 mmの範囲内であり、好ましくは0.1 mm〜0.3 mmの範囲内であることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１つに記載のスクリュー式真空ポンプ。
17. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載のスクリューロータを製造する方法であって、
    − 前記スクリューロータの基体を準備する工程、
    − フライス又は研削ねじを使用して第１のディスプレーサ要素の螺旋状の凹部を生成する工程、及び
    − 更なるフライス又は研削ねじを使用して更なるディスプレーサ要素の更なる螺旋状の凹部を生成する工程
    を有することを特徴とする方法。
18. 輪郭が対称のディスプレーサ要素を、１つのツールを使用して、特に１つの作業工程で製造することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記螺旋状の凹部を生成する前に、隣り合うディスプレーサ要素間に、ツール逃げゾーンとして特にリング状の円筒状凹部を生成することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の方法。
20. ２つの隣り合うディスプレーサ要素間に、ツールを取り出すために少なくとも１つのフランクに凹部を生成することを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１つに記載の方法。
21. 前記螺旋状の凹部を生成するために、前記螺旋状の凹部の外形を再現するツールを、前記ディスプレーサ要素毎に使用することを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか１つに記載の方法。
22. 前記基体は円筒状であることを特徴とする請求項１７〜２１のいずれか１つに記載の方法。
23. 前記基体を、予め形成された凹部及び／又は軸受ピンと共に半製品として形成することを特徴とする請求項１７〜２２のいずれか１つに記載の方法。

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