KR100602866B1

KR100602866B1 - 스크류식 진공 펌프

Info

Publication number: KR100602866B1
Application number: KR1020047004326A
Authority: KR
Inventors: 요시무라마사시
Original assignee: 다이코 기카이 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2006-07-20
Also published as: JP3673743B2; US7214036B2; DE10197271T5; JP2003097480A; WO2003031821A1; TW588143B; KR20040035885A; US20040247465A1

Abstract

본 발명은, 진공 펌프의 에너지 절약을 도모하고, 또한 온도 상승을 억제하여, 배기 시간을 단축시키는 것을 목적으로 하며, 1쌍의 스크류 로터를 맞물리게 하여 케이싱 내에 회전이 자유롭게 수용하고, 축 방향을 따라서 기체를 배기하는 스크류식 진공 펌프로서, 1쌍의 스크류 로터가, 이론적인 가압 배기량이 다른 3종류의 나선치를 축 방향으로 차례로 구비하여, 제1종의 나선치와 제2종의 나선치 사이의 공간과, 제2종의 나선치와 제3종의 나선치 사이의 공간이 역지 밸브를 통해 토출측에 이어지는 바이패스관에 접속되었다. 3종류의 나선치의 가압 배기량에 대하여, 제1행정과 제2행정의 풍량비를 대략 1.4, 제2행정과 제3행정의 풍량비를 대략 1.4, 제1행정과 제3행정의 풍량비를 대략 2로 했다. 제3행정에서 가스를 제1행정의 대략 1/2로 압축한 후에 토출 포트가 열려 가스를 배출하도록 했다.

Description

스크류식 진공 펌프{SCREW TYPE VACUUM PUMP}

본 발명은 2축 다단식 스크류 로터를 이용하여 기체를 복수 개의 행정으로 순차 압축시키는 스크류식 진공 펌프에 관한 것이다.

최근, 지구 환경 보호의 입장에서 CO₂를 삭감하기 위해 진공 펌프의 소비 전력에 관한 에너지 절약이 요구되고 있다. 또, 안전성의 측면에서 케미컬용 진공 펌프에 대해서 유럽(EC)에서는 진공 펌프로부터의 토출 온도를 135℃ 이하로 정하고 있다. 일반적으로는 온도 등급(T₄)에 해당하고, 아세트알데히드, 트리메틸아민, 에틸메틸에테르, 디에틸에테르 등이 본 등급에 해당하며, 이들의 표면측 온도를 135℃ 이하로 할 필요가 있다.

종래의 스크류식 진공 펌프로서는, 1축 단단식의 1쌍의 스크류 로터를 이용한 것(일본 특허 공개 소63-36085호 공보 등)이나, 도 5에 도시한 바와 같은 1축 2단식의 1쌍의 스크류 로터를 이용한 것이 있다.

이 진공 펌프(61)는 케이싱(62) 내에 우나선과 좌나선의 좌우 1쌍의 스크류 로터(63, 64)를 회전이 자유롭게 맞물리게 한 것에 있어서, 각 스크류 로터(63, 64)의 축 방향으로 2종류 피치의 나선치(螺旋齒)(65, 66)를 형성하여, 케이싱(62) 의 흡입구(67)가 있는 측에 큰 피치의 나선치(65)를 배치하고, 케이싱(62)의 토출구(도시하지 않음)가 있는 측에 작은 피치의 나선치(66)를 배치한 것이다.

각 스크류 로터(63, 64)는 양단측이 베어링(73, 68)으로 지지되어, 일단측의 타이밍 기어(69)를 통해 서로 역방향으로 회전이 자유로우며, 한 쪽의 로터 축부(70)가 구동 모터 측에 접속된다.

각 스크류 로터(63, 64)의 회전에 의해, 흡입구(67)에서 제1 나선치(65) 측의 공실(71)로 도입된 가스는 압축되면서 제2 나선치(66) 측의 공실(72)로 운반되고, 제2 공실(72) 내에서 더욱 압축되어, 대기압 상태로 토출구로부터 배출된다.

그러나, 상기 종래의 진공 펌프(61)에 따르면, 도 6에 특성도{종축의 하측에 축 동력(kw), 상측에 배기 속도(ℓ/min), 횡축에 진공도(MPaA)}를 나타낸 바와 같이, 제2 나선치(66)로 가스를 압축할 때에 도 6의 하측의 곡선과 같이 큰 마력(축 동력 La)을 필요로 하여, 토출 온도가 200℃를 넘는 경우가 있었다. 또, 이 제2행정까지 가스가 압축되면, 상당한 압력 손실이 발생하여, 1쌍의 스크류 로터(63, 64)의 간극 누출이 발생하여, 도 6의 상측의 선도와 같이 배기 속도(S)가 저하된다고 하는 문제가 있었다.

이러한 배기 특성의 경우, 모터 마력을 크게 하지 않으면 안될 뿐만 아니라, 저진공 운전이 곤란하며, 배기 가스의 온도 상승(135℃ 이상)을 일으키는 동시에, 특히 대기∼진공의 동작을 반복하는 경우에 많은 배기 시간이 걸려, 성능적으로 불리했다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여, 에너지 절약을 도모하고, CO₂의 삭감에 기여하는 동시에, 진공 펌프의 내부 온도(토출 온도)가 EN 규격(135℃ 이하)을 만족하여, 안전성이 높고, 또 배기 성능이 우수한 진공 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 청구항 1에 따른 스크류식 진공 펌프는, 축 직각 단면 형상이 에피트로코이드(epitrochoid), 원호, 의사 아르키메데스 곡선으로 이루어지는 1쌍의 스크류 로터를 맞물리게 하여 케이싱 내에 회전이 자유롭게 수용하고, 축 방향을 따라서 기체를 배기하는 스크류식 진공 펌프에 있어서, 상기 1쌍의 스크류 로터가, 이론적인 가압 배기량이 다른 3종류의 나선치를 축 방향으로 차례로 구비하고, 제1종의 나선치와 제2종의 나선치 사이의 공간과, 제2종의 나선치와 제3종의 나선치 사이의 공간이, 각각 역지 밸브를 통해 토출측에 이어지는 바이패스관에 접속되고, 상기 3종류의 나선치의 가압 배기량에 대해, 제1행정과 제2행정의 풍량비를 대략 1.4, 제2행정과 제3행정의 풍량비를 대략 1.4, 즉 제1행정과 제3행정의 풍량비를 대략 2로 한 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의해, 케이싱 내에 도입된 가스는 우선 제1행정의 제1종의 나선치에 의해 압축되며, 이 때, 가스압이 규정치(예컨대 대기압) 이상으로 되면 규정치 이상의 가스압이 역지 밸브로부터 바이패스관으로 배기되고, 나머지 가스압이 제2행정의 제2종의 나선치에 의해 압축되며, 이 때에도 제1행정과 마찬가지로 규정치 이상의 가스압이 배기되고, 나머지 가스압이 제3행정의 제3종의 나선치에 의해 압축되어 외부로 토출된다. 각 역지 밸브는 바이패스관으로부터의 배기의 역류를 저지한다.

이에 따라, 제1행정∼제3행정에 이를 때까지, 스크류 로터에 큰 부하가 걸리지 않아, 축 동력이 적어도 된다. 또한, 케이싱 내부가 종래와 같은 고압으로 되지 않기 때문에, 배출 가스의 온도 상승이 억제된다. 또, 배기는 제1행정과 제2행정 사이 및 제2행정과 제3행정 사이 및 제3행정의 토출구로부터 각각 행해지기 때문에, 배기 속도가 제1행정∼제3행정에 이를 때까지 거의 균일하게 안정되어, 배기 속도의 저하가 발생하지 않아, 배기 시간이 단축된다.

삭제

상기 구성에 의해, 압력비 Pd/Ps=2이며, Pd=760 Torr로 하면, Ps=Pd/2=380 Torr이다. 토출 온도 Td=Ts(Pd/Ps)^n-1/n이며, 폴리트로프 지수 n=1.6로 하면, Td≒106℃로, 이 값은 EN 규격의 135℃ 이하를 충분히 만족한다.

청구항 3에 따른 스크류식 진공 펌프는 청구항 1에 기재한 스크류식 진공 펌프에 있어서, 상기 제3행정에서 가스를 제1행정의 대략 1/2로 압축한 후에 토출 포트가 열려 가스를 배출하도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의해, 청구항 1에 기재한 제1행정과 제3행정의 풍량비(대략 2)가 정확히 규제된다.

도 1은 본 발명에 따른 스크류식 진공 펌프의 일 실시형태를 도시하는 단면도이다.

도 2는 동 진공 펌프의 1쌍의 스크류 로터의 형상을 도시하는 축 직각 단면도이다.

도 3은 본 발명의 진공 펌프와 종래의 진공 펌프의 일량을 비교하여 도시하는 PV선도이다.

도 4는 본 발명의 진공 펌프의 배기 속도와 축 동력을 도시하는 성능 선도이다.

도 5는 종래의 진공 펌프를 도시하는 단면도이다.

도 6은 종래의 진공 펌프의 배기 속도와 축 동력을 도시하는 성능 선도이다.

이하에, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 스크류식 진공 펌프(정확하게는 스크류식 드라이 진공 펌프)의 일 실시형태를 도시하는 것이다.

이 진공 펌프(1)는 금속제의 케이싱(2) 내에 우나선과 좌나선의 금속제의 1쌍의 스크류 로터(3, 4)를 회전이 자유롭게 맞물리게 한 것에 있어서, 각 스크류 로터(3, 4)를 축 방향으로 3종류의 나선 피치로 형성하여, 케이싱(2)의 흡입구(5)에서 토출구(6)에 이르기까지 제1∼제3의 3개 압축 행정(스테이지)(7∼9)을 설정하는 동시에, 제1행정(7)과 제2행정(8)의 중간의 공실(10)과, 제2행정(8)과 제3행정(9)의 중간의 공실(11)을 각각 역지 밸브(12, 13)를 통해 케이싱 외부의 배관(바이패스관)(14)으로 연통시켜, 그 배관(14)을 토출구(6) 측의 배관(15)에 연통시킨 것을 특징으로 하고 있다.

케이싱(2)은 외측이 대략 타원형으로 형성되며, 내측에 이 단면 원형의 공실을 직경 방향으로 랩(연통)시킨 대략 안경 형상의 로터 수용실(16, 17)을 갖고, 외측에 냉각(수냉)용의 재킷(18)을 갖고 있다. 이 병렬의 수용실(16, 17)에 좌우 1쌍의 스크류 로터(3, 4)가 회전이 자유롭게 수용되며, 각 스크류 로터(3, 4)의 외주면은 약간의 간극을 두고 수용실(16, 17)의 내주면에 근접하며, 각 스크류 로터(3, 4)끼리도 약간의 간극을 두고서 비접촉 상태로 위치하고 있다.

각 스크류 로터(3, 4)의 축부(19, 20)는 케이싱(2)의 길이 방향 전후의 격벽(21, 22)을 관통하여 외측의 각 사이드 케이스(23, 24) 내의 베어링(25, 26)에 의해 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 축부(19, 20)와 스크류 로터(3, 4)는 키 등에 의해 고정되어 있다. 토출구(6)는 격벽(22) 측의 토출 포트(6a)에 이어져 있다.

흡입구(5) 측의 사이드 케이스(23) 내에는 1쌍의 회전자 베어링(25)이 배치 고정되고, 토출구(6) 측의 사이드 케이스(24) 내에는 1쌍의 볼 베어링(26)이 배치 고정되는 동시에, 그 외측의 커버(27) 내에 1쌍의 타이밍 기어(28)가 배치되며, 각 축부(19, 20)는 격벽(22) 측에서 시일 부재에 의해 기밀하게 밀봉되고, 각 타이밍 기어(28)는 서로 맞물려 양 축부(19, 20)를 역방향으로 회전이 자유롭게 연결하고 있다.

한쪽의 축부(19)는 커버(27)의 외측으로 연장되고, 조인트를 통해 모터(도시 하지 않음)에 접속된다. 모터의 구동에 의해 구동 측의 스크류 로터(3)는 화살표 A와 같이 우측 방향으로 회전하고, 종동 측의 스크류 로터(4)는 좌측 방향으로 회전한다.

각 스크류 로터(3, 4)는 흡입구(5) 측에서 큰 나선 피치로 형성되고, 토출구(6)측에서 작은 나선 피치로 형성되며, 흡입구(5)와 토출구(6)의 축 방향 중간 위치에서 중간 정도 크기의 나선 피치로 형성되어 있다. 흡입구(5) 측의 큰 피치의 나선치(제1종의 나선치)(29)로 제1행정(7)이 구성되고, 축 방향 중간의 중간 정도 피치의 나선치(제2종의 나선치)(30)로 제2행정(8)이 구성되고, 토출구(6) 측의 작은 피치의 나선치(제3종의 나선치)(31)로 제3행정(9)이 구성되어 있다.

본 실시 형태에 있어서, 제1행정(7)의 공실(수용실)(32)은 축 방향으로 길게, 제2행정(8)의 공실(33)은 제1행정(7)의 공실(32)과 같은 정도 내지는 그보다 약간 짧으며, 제3행정(9)의 공실(34)은 제2행정(8)의 공실(33)보다도 짧게 형성되어 있다.

흡입구(5)는 제1행정(7)의 공실(32)에 연통되어 제1행정(7)의 나선치(29)의 1번째 권선에 대응하여 위치하고, 토출구(6)의 포트(6a)는 제3행정(9)의 공실(34)에 연통되어 제3행정(9)의 나선치(31)의 종단면(31b)에 대응하여 위치하여, 토출관(15)에 의해 외부로 이어져 있다. 토출 포트(6a)는 스크류 로터(4)의 회전에 따라 나선치(31)의 종단면(31b)에 의해 막혀 닫히고, 종단면(31b)의 이동에 의해서 개방되어 열린다. 토출 포트(6a)의 형상은 예컨대 대략 초생달형이다(예컨대 소직경의 내측 원호와 대직경의 외측 원호와 양 원호의 일단을 연결하는 직선으로 구성 되며, 타단은 교차하고 있다).

토출관(15)은 도중에 분기되어, 그 분기된 배관(14)이, 케이싱 길이 방향을 따라서 위치하고, 제2행정(8)과 제3행정(9)의 중간 위치의 공실(11)과, 제1행정(7)과 제2행정(8)의 중간 위치의 공실(10)에 각각 역지 밸브(13, 12)를 통해 연통하고 있다. 배관(14)의 시작단측의 부분(14a)이 거의 직각으로 굴곡되어 제1 역지 밸브(12)에 이어지고, 배관(14)의 길이 방향 중간부가 짧은 배관(14b)에 의해 제2 역지 밸브(13)에 이어져 있다.

각 역지 밸브(12, 13)는 케이싱(2)의 외벽면에 고정되어 시일링에 의해 밀봉되면서, 케이싱(2)의 구멍부(35, 36)를 거쳐 각 중간실(10, 11)에 이어지고 있다. 각 역지 밸브(12, 13)는 각 중간실(10, 11)에서 배관(14)으로의 가스(기체)의 유출을 가능하게 하여, 배관(14)으로부터 각 중간실(10, 11)로의 가스의 역류를 저지한다. 각 역지 밸브(12, 13)는 중간실(10, 11)의 압력이 규정압(예컨대 대기압) 이상으로 되면 밸브를 열어 가스를 한 방향으로만 유출시킨다.

제1 중간실(10)은 제1행정(7)의 나선치(29)의 종단면(29b)과 제2행정(8)의 나선치(30)의 시작단면(30a) 사이에 위치하고, 제2 중간실(11)은 제2행정(8)의 나선치(30)의 종단면(30b)과 제3행정(9)의 나선치(31)의 시작단면(31a) 사이에 위치하고 있다. 각 중간실(10, 11)의 축 방향 길이는 나선치(30)의 반주(半周) 정도의 축 방향 길이이며, 각 중간실(10, 11) 내에 스크류 로터(19, 20)의 골짜기부(37)와 동일한 지름의 원통형의 중간축(38)이 위치하고 있다. 축부(19, 20)는 중간축(38)이나 골짜기부(37)보다도 소직경으로 스크류 로터(3, 4)의 직경 방향 중심부를 관통하고 있다. 각 중간실(10, 11)에 이어지는 구멍부(35, 36)에 대하여 180° 반대측에 형성된 구멍부(39, 40)는 덮개와 시일링으로 밀폐되어 있다.

1쌍의 스크류 로터(3, 4)는 역나사 형상일 뿐만 아니라, 구동측의 우나선의 스크류 로터(3)가 축 방향으로 제3행정(9)의 소피치의 나선치(31)→제2행정(8)의 중피치의 나선치(30)→제1행정(7)의 대피치의 나선치(29)로 계속되는 데 대하여, 종동측의 좌회전 스크류 로터(4)는 축 방향으로 제1행정(7)의 대피치의 나선치(29)→제2행정(8)의 중피치의 나선치(30)→제3행정(9)의 소피치의 나선치(31)로 계속되는 점에서 전체 형상이 다르다. 각 나선치(29∼31)마다의 형상은 양 스크류 로터(3, 4)에서 동일하다.

참고로 도 2에 1쌍의 스크류 로터(3, 4)를 맞물리게 한 상태의 축 직각 방향 단면을 나타낸 바와 같이, 각 나선치(29∼31)[도면에서는 중간의 나선치(30)를 도시함]는 골짜기부(37)의 외주를 구성하는 소직경의 거의 1/4 원주의 원호(43)와, 원호(43)의 한 쪽에 이어지는 의사 아르키메데스 곡선(44)과, 원호(43)의 다른 쪽에 이어지는 에피트로코이드 곡선(45)과, 나선치 외주의 큰 원호(46)로 구성되어, 의사 아르키메데스 곡선(44)의 아래쪽 측과 에피트로코이드 곡선(45)의 아래쪽 측은 큰 원호(46)에 순조롭게 이어져 있다. 도 2에서 부호 47은 회전 중심을 나타낸다.

1쌍의 스크류 로터(3, 4)가 케이싱(2) 내에서 화살표와 같이 역방향으로 회전하여, 어느 곳까지 압축 없이 등용적(等容積)으로 이동하고, 사이드 케이스(24) 측의 격벽(22)에 설치한 토출 포트(6a)(도 1)가 스크류 로터(4)의 종단면에서 폐지 된 상태에서 열리게 되기 직전의 1/2 회전인 곳에서 가스가 압축되어, 토출 포트(6a)의 열림과 동시에 배출된다. 상세한 점은 일본 특허 공개 소63-36085호 공보 참조.

이하에 상기 진공 펌프의 작용 및 이론 구성을 설명한다.

도 1에서 1쌍의 스크류 로터(3, 4)의 회전에 의해, 케이싱(2)의 흡입구(5)로부터 흡인된 가스(기체)는 제1행정(7)의 좌우 1쌍의 나선치(29)에 의해 압축되면서 제2행정(8)으로 보내진다. 여기서, 제2행정(8)의 배기 용량은 제1행정(7)의 배기 용량보다도 작으므로[예컨대 케이싱(2) 내에서 제2행정(8)의 나선치(30)가 만들어내는 공간은 제1행정(7)의 나선치(29)가 만들어내는 공간보다도 작다], 당연히 가스의 압축이 발생한다. 이 압축압이 토출 압력(본 실시 형태의 경우는 대기압)보다도 큰 경우, 가스는 제1 중간실(10)에서부터 역지 밸브(12)를 지나서 배관(14)을 거쳐 토출되는 것과, 제2행정(8)으로 진행하는 것으로 분기된다.

제1행정(7)과 제2행정(8)의 중간 압력, 즉 제1 중간실(10)의 압력을 Pm₁이라고 하면,

Pm₁= Ps₁×Qs₁/Qs₂×Tm₁/Ts₁ (1)

여기서, Ps₁ ; 흡입구(5)의 압력

Qs₁ ; 제1행정(7)의 흡입 배기 속도

Qs₂ ; 제2행정(8)의 흡입 배기 속도

Tm₁ ; 제1행정(7)과 제2행정(8) 사이의 가스의 온도

Ts₁ ; 흡입구(5)의 가스의 온도(절대온도)이다.

Pm₁이 (1)식으로 상기 각 값을 대입하여 얻어지는 값으로 될 때까지{(1)식의 값을 만족할 때까지}, 가스는 역지 밸브(12)를 통해 토출구(6) 측으로 배관(14)을 지나서 배출되는 것과, 제2행정(8)으로 진행하는 것으로 분기되어, Pm₁이 (1)식의 값을 만족하면, 역지 밸브(12)는 닫히게 되어, 흡입구(5)로부터 흡인된 가스는 전부 제2행정(8)으로 진행한다.

제2행정(8)에 있어서도, 제1행정(7)과 마찬가지로, 제2행정(8)과 제3행정(9)의 중간 압력, 즉 제2 중간실(11)의 압력을 Pm₂로 하면,

Pm₂ =Pm₁×Qs₂/Qs₃×Tm₂/Tm₁

=Ps₁×Qs₁/Qs₂×Tm₁/TS₁×Qs₂/Qs₃×Tm₂/Tm₁

=Ps₁×Qs₁/Qs₃×Tm₂/TS₁ (2)

여기서, Qs₃ ; 제3행정의 흡입 배기 속도

Tm₂ ; 제2행정과 제3행정 사이의 가스의 온도

Ps₁, Qs₁, Qs₂, Tm₁, Ts₁은 상기와 같음.

Pm₂가 (2)식의 값을 만족할 때까지, 가스는 역지 밸브(13)를 통해 토출구(6) 측으로 배관(14)을 거쳐 배출되는 것과, 제3행정(9)으로 진행하는 것으로 분기된다. Pm₂가 (2)식의 값을 만족하면, 역지 밸브(13)는 닫히게 되어, 흡입구(5)로부터 흡인된 가스는 전부 제3행정(9)으로 이행한다.

도 3에, 종래와 본 발명의 진공 펌프의 P-V(일) 선도를 비교하여 나타낸 바와 같이, 종래 제품의 P-V 선도는 도 3에서 0-V₁-1-m-4-Pd를 연결하는 선도로 되고, 본 발명의 진공 펌프(1)의 P-V 선도는 0-V₁-1-2-3-4-Pd를 연결하는 선도가 된다.

도 3에서, P는 압력, V는 비체적, Pd는 토출압, Pm₁은 제1행정(7)과 제2행정(8)의 중간[제1 중간실(10)]의 압력, Pm₂는 제2행정(8)과 제3행정(9)의 중간[제2 중간실(11)]의 압력, V₁은 흡입측(압축 시작점)에 있어서의 비체적, V₂는 제1 중간실(10)에 있어서의 비체적, V₃은 제2 중간실(11)에 있어서의 비체적, V₄는 토출측에 있어서의 비체적을 각각 나타낸다.

종래의 진공 펌프에 있어서는 흡입측(도 3의 부호 1)에서 토출측(도 3의 부호 4)에 이를 때까지 압력이 직선에 가까운 이차 곡선으로 증가하는 데 대하여, 본 발명의 진공 펌프(1)(도 1)에 따르면, 제1행정(7)의 공실(32) 내의 가스 압력이 대기압 이상으로 되었을 때에, 중간실(10)에서부터 역지 밸브(12)를 거쳐 바이패스관(14)으로 배출되므로, 도 3의 부호 1∼2와 같이 제1행정(7)의 공실(32) 내에서 압력이 일정(Pm₁)하게 유지되고, 계속해서 제2행정(8)의 공실(33) 내에서 가 스가 압축되어 부호2∼m과 같이 세로 방향으로 Pm₂까지 높아지고, 제2행정(8)의 공실(33) 내의 가스 압력이 대기압 이상으로 되었을 때에, 중간실(11)에서부터 역지 밸브(13)를 거쳐 바이패스관(14)으로 배출되므로, 도 3의 부호 m∼3과 같이 제2행정(8)의 공실(33) 내에서 압력이 일정(Pm₂)하게 유지되며, 이어서 제3행정(9)의 공실(34) 내에서 토출측에 이를 때까지 도 3의 부호 3∼4와 같이 대략 이차곡선적으로 압력이 높아진다.

이와 같이, 종래형에 비하여 본 발명품의 경우는, 도 3에서 해칭을 한 부분의 면적에 해당하는 것만큼 동력이 절약되게(에너지가 절약되게) 된다.

토출 온도에 관해서는, 흡입 온도(Ts₁)를 40℃(절대온도로 313 K)로 하면, 제1행정을 나왔을 때의 온도, 즉 제1행정에서의 토출 온도(tm₁)는

tm₁ =Ts₁×(Pm₁/Ps₁)^n-1/n-273

=313×1.4^0.6/1.6-273

=82(℃)

여기서, n ; 폴리트로프 지수

제1행정에서의 토출 온도(tm₁)는 82℃<135℃이며, EN 규격을 만족하고 있다.

마찬가지로 제2행정에서의 토출 온도(tm₂)는

tm₂ =Ts₂×(Pm₂/Pm₁)^n-1/n-273

=(273+82)×1.4^0.6/1.6-273

≒130(℃)

제2행정에서의 토출 온도(tm₂)는 130℃<135℃이며, 마찬가지로 EN 규격을 만족하고 있다.

제3행정에서는, 진공 상태에서의 열량 교환으로부터 계산하면, 대부분의 열량, 즉 모터 동력은 케이싱 재킷부(18)(도 1)의 냉각수의 온도 상승으로서 변환되기 때문에, 제2행정의 토출 온도(tm₂)≒제3행정의 토출 온도(td)라고 생각된다.

따라서, 제1행정∼제3행정을 통과한 모든 가스는 EN 규격을 만족하며 135℃ 이하로 배출되게 된다.

이하에, 본 발명의 진공 펌프(1)의 특징을 총괄하여 기재한다.

종래 기술에서는 최종단까지 한번에 압축하기 때문에, 제1행정과 제2행정의 중간압이 스크류 로터에 작용하여 마력을 소비하고 있었다. 본 발명의 실시형태에 있어서도 바이패스관으로서 배관(14)이나 역지 밸브(12, 13)를 이용하지 않으면, 종래와 같이 제1행정(7)과 제2행정(8)의 중간압이나 제2행정(8)과 제3행정(9)의 중간압이 스크류 로터(3, 4)에 작용하여 마력을 소비하여 버리게 된다. 그렇게 되지 않기 위해서, 각 행정 사이에서 중간압을 빼내, 대기 이상의 압력이 발생하지 않는 식의 구조로 했다.

또, 흡입측에서부터 제1행정(7)의 나선치(29), 제2행정(8)의 나선치(30), 제3행정(9)의 나선치(31)로 배열한 경우에, 토출 온도(내부 온도)의 한계를 135℃ 이하라고 생각하고, 제1행정(7)→제2행정(8)→토출[제3행정(9)]의 순으로 흡인 가스가 흐르기 시작할 때의 압력비를 2로 했다.

제1행정(7)과 제2행정(8) 사이의 중간압을 Pm₁, 제2행정(8)과 제3행정(9) 사이의 중간압을 Pm₂, 흡입압을 Ps, 토출압을 Pd, 제1행정(7)의 공실(32)의 용적을 Q₁, 제2행정(8)의 공실(33)의 용적을 Q₂, 공실(32) 내의 온도를 T₁, 공실(33) 내의 온도를 T₂, 제1행정(7)과 제2행정(8)의 풍량비를 R₁, 제2행정(8)과 제3행정의 풍량비를 R₂라고 하면,

R₁=Pm₁/Ps=Q₁/Q₂×T₂/T₁ (3)

R₂=Pm₂/Pm₁=Q₂/Q₃×T₃/T₂ (4)

따라서,

R₁×R₂=Pm₂/Ps=Q₁/Q₃×T₃/T₁≒Q _th1/Q_th3 (5)

(5)식을 계산하면, R₁×R₂=2이다.

즉, 제3행정(9)의 나선치(31)에 의한 이론적인 가압 배기량(Q_th3)을 제1행정(7)의 나선치(29)에 의한 이론적인 가압 배기량(Q_th1)의 1/2로 한다. ·

또한, R₁×R₂=R²=2로부터,

R₁=R₂=R=√2≒1.4가 되어,

제1행정(7)과 제2행정(8)의 이론적인 가압 배기량은 1.4, 즉 제2행정(8)의 이론적인 가압 배기량을 제1행정(7)의 1/1.4, 제3행정(9)의 1.4배로 하면 된다. 이론적인 가압 배기량의 비율은 제1행정:제2행정:제3행정=2:1.4:1이다.

이와 같이, 제1행정(7)과 제2행정(8)의 풍량비를 대략 1.4, 제2행정(8)과 제3행정(9)의 풍량비를 대략 1.4로 한다. 즉, 제1행정(7)과 제3행정(9)의 풍량비를 대략 2로 한다. 제3행정(9)에 있어서 토출 포트(6a)(도 1)의 형상을, 가스가 대략 1/2 압축후에 포트(6a)가 열려 배출되는 형상으로 한다.

압력비 Pd/Ps=2라는 것은,

Pd=760 Torr(0.1 MPaA 또는 1 ATM)라 하면,

Ps=Pd/2=380 Torr(0.05 MPaA)이다.

여기서, Pd는 토출압, Ps는 흡입압이다.

일반적으로, 토출 온도 Td=Ts(Pd/Ps)^n-1/n

여기서, n은 폴리트로프 지수이며, n=1.6이라고 하면,

Td=293×2^0.375≒106(℃)

106℃<135℃로 EN 규격을 만족한다.

380 Torr 이상의 고진공 영역에 관해서는 열량 교환에 의한 토출 온도 계산 을 하면, 135℃ 이하가 될 수 있다. 흡인측을 완전히 닫아 사용할 때에는, 송냉각 가스를 로터 토출측에 도입하여 진공 펌프 내를 냉각하는 것으로 한다. 송냉각 가스는 케이싱 내주에 설치한 포트(도시하지 않음)로부터 나선치에 의한 개폐 동작에 의해 케이싱 내에 공급된다. 이 점에 대해서는 일본 특허 공개 소63-36085호 참조.

또, 도 4에 성능 특성을 도시하는 {종축의 하측에 축 동력 La(kw), 상측에 배기 속도(유량) S(ℓ/min), 횡축에 진공도(MPaA)를 나타냄}와 같이, 소비 전력(축 동력)도 종래의 1축 단단식의 스크류 로터에서 도달할 때까지 운전하는 것보다(도 6 참조) 훨씬 적은 동력으로 운전할 수 있어, 에너지 절약형으로 된다.

도 4에서, 축 동력(La)의 부호 1∼2 구간은 제1행정(7)의 나선치(29)로 가스를 압축할 때의 축 동력, 부호 2∼3의 구간은 제2행정(8)의 나선치(30)로 가스를 압축할 때의 축 동력, 부호 3∼4의 구간은 제3행정(9)의 나선치(31)로 가스를 압축할 때의 축 동력을 각각 나타내고 있다. 종래와 달리 바이패스관(14)에 의한 배기 작용으로 특히 제2행정(8)에 있어서의 가스 압축시의 축 동력이 낮게 억제되어, 전체적으로 편평한 대략 사다리꼴 형상의 축 동력 선도로 되고 있다.

또, 도 4에서 상측에 배기 속도 선도를 나타낸 바와 같이, 바이패스관(14)을 설치함으로써, 종래(도 6의 상측의 선도)와 같이 배기량이 토출측에서 손상되는 일없이, 제1행정(7)의 나선치(29)에 의한 배기 속도(유량)가 제3행정(9)에서 대기압에 이를 때까지 유지되기 때문에, 대기∼진공을 반복하는 운전의 경우, 배기 시간이 대폭 단축되어, 운전이 효율적으로 이루어진다.

한편, 상기 진공 펌프(1)(도 1)의 다른 실시형태로서, 1쌍의 스크류 로터(3, 4)를 좌우 1쌍이 아니라, 상하 1쌍 배치하는 것도 가능하다. 또한, 스크류 로터(3, 4)의 각 행정에 있어서의 나선치를 별개로 제조 조립하여 일체화시키는 것도 가능하다. 또, 타이밍 기어(28)를 토출측이 아니라 흡입측에 배치하는 것도 가능하다. 또한, 가스의 압축을 3개 행정(7∼9)에서 행하게 하는 구성은, 도 2의 곡선 형상 이외의 스크류 로터를 사용하는 진공 펌프에도 적용 가능하다. 또, 상기 가스는 공기라도 좋다.

이상과 같이, 청구항 1에 기재한 발명에 따르면, 3종류의 나선치와 바이패스관과 역지 밸브의 작용으로, 제1행정∼제3행정에 이를 때까지, 스크류 로터에 큰 부하가 걸리지 않아, 축 동력(소비 전력)이 적게 소비되므로, 에너지 절약이 달성되어, 화력 발전 등에 있어서의 CO₂의 삭감이 가능하게 된다. 또한, 케이싱 내가 종래와 같은 고압으로 되지 않으므로, 배출 가스의 온도 상승이 억제되어, 예컨대 케미컬용 진공 펌프에 있어서의 안전성이 높아진다. 또한, 배기 속도가 제1행정 상태로 유지되므로, 특히 대기∼진공을 반복하는 운전의 경우에 배기 시간이 대폭 단축되어, 운전 효율이 상승된다.

또한, 배출 가스의 온도 상승이 억제되어, 케미컬용 진공 펌프에 있어서의 EC의 온도 규격을 만족하여, 케미컬 가스의 인화 등의 위험을 회피할 수 있어, 안전성이 높아진다.

청구항 3에 기재한 발명에 따르면, 각 행정의 풍량비가 정확히 규제되어, 상기 청구항 1에 기재한 효과가 한층 더 확실하게 달성된다.

Claims

축 직각 단면 형상이 에피트로코이드, 원호, 의사 아르키메데스 곡선으로 이루어지는 1쌍의 스크류 로터를 맞물리게 하여 케이싱 내에 회전이 자유롭게 수용하여, 축 방향을 따라서 기체를 배기하는 스크류식 진공 펌프에 있어서,

상기 1쌍의 스크류 로터가, 이론적인 가압 배기량이 다른 3종류의 나선치를 축 방향으로 차례로 구비하여, 제1종의 나선치와 제2종의 나선치 사이의 공간과, 제2종의 나선치와 제3종의 나선치 사이의 공간이, 각각 역지 밸브를 통해 토출측에 이어지는 바이패스관에 접속되고, 상기 3종류의 나선치의 가압 배기량에 대하여, 제1행정과 제2행정의 풍량비를 대략 1.4, 제2행정과 제3행정의 풍량비를 대략 1.4, 즉 제1행정과 제3행정의 풍량비를 대략 2로 한 것을 특징으로 하는 스크류식 진공 펌프.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제3행정에서 가스를 제1행정의 대략 1/2로 압축한 후에 토출 포트가 열려 가스를 배출하도록 한 것을 특징으로 하는 스크류식 진공 펌프.