KR101351667B1 - 진공 펌프 - Google Patents

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니겔 폴 쇼필드
피터 휴 버치
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에드워즈 리미티드
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Abstract

다단 진공 펌프는 다단 회전자 조립체를 수용하는 고정자를 포함하고, 각각의 단은 교차 루츠 회전자 부품을 포함하며, 펌프의 입구단에서의 회전자 부품의 팁 반경은 펌프의 배기단에서의 회전자 부품의 팁 반경보다 크다.
Figure R1020087002669
회전자, 고정자, 회전자 부품, 입구단, 배기단, 팁 반경, 로브

Description

진공 펌프{VACUUM PUMP}
본 발명은 진공 펌프에 관한 것으로, 특히 다단 루츠 진공 펌프(Roots vacuum pump)에 관한 것이다.
다단 루츠 펌프는 일반적으로 펌프를 위한 고정자 부품을 제공하는 하우징 내에 복수의 회전자 부품(component)을 각각 지지하는 한 쌍의 샤프트를 포함한다. 고정자는 가스 입구, 가스 출구 및 복수의 펌핑 챔버를 포함하고, 인접한 펌핑 챔버는 횡단벽에 의해 분리되어 있다. 가스 유동 도관은 하나의 펌핑 챔버로부터의 챔버 출구를 인접한 하류측 펌핑 챔버의 챔버 입구에 연결한다.
각각의 펌핑 챔버는 펌프의 펌핑단(pumping stage)을 제공하기 위해 한 쌍의 로브형(lobed) 루츠 회전자 부품을 수용한다. 회전자 부품은, 회전자 부품들 사이 및 각각의 회전자 부품과 펌핑 챔버의 내부벽 사이에 작은 간극(clearance)이 존재하도록 펌핑 챔버에 수용된다.
회전자가 서로에 대해 또는 펌핑 하우징과 접촉하지 않으므로, 다단 루츠 펌프는 최대 12,000 rpm 또는 심지어 그 이상의 높은 회전 속도로 작동될 수 있다. 샤프트의 회전에 의해, 각 쌍의 회전자 부품은 반대 방향으로 고속 회전하여 챔버 입구를 통해서 가스를 흡입하고 내부 압축 없이 펌핑 챔버를 통해서 챔버 출구로 가스를 송출한다. 따라서 가스는 하우징의 가스 출구로부터 배기되기 전에 각각의 펌핑 챔버를 통과한다.
펌핑 챔버를 통해서 가스를 운송하는데 필요한 에너지는 무엇보다도 펌핑 챔버를 통해서 운송될 때 가스에 작용하는 하류측 압력 및 펌핑 챔버의 체적에 의존한다. 다단 펌프를 통과할 때 가스를 압축하여 하우징의 입구에서 진공을 발생시키고 에너지 소비를 감소시키기 위해, 입구단에서 출구단에 이르기까지 펌핑 챔버의 폭을 점진적으로 감소시키고 그로 인해 펌핑 챔버의 체적을 점진적으로 감소시키는 것이 공지되어 있다. 따라서, 통상 펌프의 "체적비"로 지칭되는, 펌프의 입구단의 체적과 펌프의 출구단의 체적 사이의 비율이, 펌프의 전력 소비, 및 하우징의 입구에서 발생될 수 있는 진공의 크기를 결정짓는다.
펌핑단의 폭을 감소시킴으로써, 회전자 부품의 두께는 펌프의 입구에서 출구까지 점진적으로 감소해야 한다. 이는 예를 들어 5:1까지의 낮은 체적비에서는 문제가 되지 않지만, 더 높은 체적비에서는 배기단의 회전자 부품이 매우 얇아질 수 있다. 예를 들어, 입구단에서 30 mm 두께의 회전자 부품을 갖는 펌프에서는, 20:1의 체적비를 달성하려면 배기단에서 1.5 mm의 회전자 두께가 요구될 것이다. 이는 회전자 부품의 가공 및 장착을 매우 어렵게 할 수 있다. 또한, 입구단에서 배기단까지의 회전자 부품과 고정자 사이의 가변적인 열 팽창으로 인해, 특히 회전자 부품이 얇은 배기단에서 회전자 부품과 고정자 사이에 작은 간극을 유지하기가 어려 울 수 있고, 이는 펌프의 펌핑 효율을 현저히 저하시킬 수 있다.
본 발명의 적어도 바람직한 실시예의 목적은 상기 및 기타 문제점들을 해결하고자 하는 것이다.
본 발명은, 다단 회전자 조립체를 수용하는 고정자를 포함하고 각각의 단은 상호 맞물린(intermeshing) 루츠 회전자 부품을 포함하는 다단 진공 펌프로서, 펌프의 입구단에서의 회전자 부품의 팁 반경은 펌프의 배기단에서의 회전자 부품의 팁 반경보다 큰 다단 진공 펌프를 제공한다.
배기단 회전자 부품의 팁 반경이 입구단 회전자 부품의 팁 반경보다 작은 펌프를 제공함으로써, 배기단에서의 회전자 부품의 두께를 전술한 정도로 감소시킬 필요 없이 적어도 10:1, 더 바람직하게는 적어도 15:1의 비교적 높은 체적비를 갖는 펌프가 달성될 수 있다. 예를 들어, 입구단 회전자 부품이 대략 30 mm의 두께를 갖는 경우에, 대략 5 mm의 두께를 갖는 배기단 회전자 부품에서는 비교적 높은 체적비를 갖는 펌프가 달성될 수 있다.
펌프는 제 1 팁 반경의 회전자 부품을 각각 포함하는 제 1 복수의 펌핑단, 및 상기 제 1 팁 반경보다 작은 제 2 팁 반경의 회전자 부품을 각각 포함하는 제 2 복수의 펌핑단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 복수의 펌핑단의 각각은 적어도 2개의 펌핑단을 포함할 수 있다. 대안적으로, 회전자 부품의 팁 반경은 펌프의 입구단으로부터 펌프의 배기단까지 점진적으로 감소될 수 있다. 따라서, 더 일반적으로, 펌프는 제 1 팁 반경의 회전자 부품을 각각 포함하는 제 1 개수(하나 이상)의 펌핑단과, 상기 제 1 팁 반경보다 작은 제 2 팁 반경의 회전자 부품을 각각 포함하는 제 2 개수(하나 이상)의 펌핑단을 포함할 수 있다.
초기 배기(roughing) 중에, 즉 펌프의 입구에 부착된 챔버가 대기압으로부터 배기될 때, 펌프가 최대 공칭 속도로 작동할 수 있도록 하기 위해, 감압(pressure relief) 밸브가 펌프로부터 가스를 선택적으로 배기하기 위해 제 1 복수의 펌핑단과 제 2 복수의 펌핑단 사이에 배치될 수 있다. 감압 밸브는 바람직하게는 밸브 입구에서의 가스의 압력이 대기압 미만으로 강하될 때 자동으로 폐쇄되도록 구성되고, 이 시점에서 제 2 복수의 펌핑단은 펌프 입구에서의 압력을 더 감소시키고 전체 펌핑 속도를 향상시키는데 효과적이게 된다.
각각의 회전자 부품은 복수의 로브를 포함하는 것이 바람직하며, 입구단 회전자 부품은 배기단 회전자 부품과 동일한 수의 로브를 갖는 것이 바람직하다. 단의 회전자 부품은 동일한 프로파일 또는 상이한 프로파일을 가질 수 있다. 예를 들어, 단의 회전자 부품 중 하나는 그 단의 다른 회전자 부품의 로브를 수용하기 위한 소켓을 가질 수 있다.
회전자 조립체는 상호 맞물린 2세트의 루츠 회전자 부품을 포함하는 것이 바람직하며, 각각의 세트는 고정자에 대한 회전을 위해 각각의 샤프트 상에 장착된다. 대안적으로, 각 세트의 회전자 부품은 샤프트와 일체형일 수 있고, 고정자는 샤프트가 절반 셸(shell) 중 하나 내에 장착될 경우 조립되는 2개의 고정자 "절반 셸"에 의해 제공된다.
펌프의 입구단에서의 회전자 부품들 사이의 맞물림 간극은 펌프의 배기단에서의 회전자 부품 사이의 맞물림 간극보다 큰 것이 바람직하며, 10 내지 30% 큰 것이 가장 바람직하다. 펌프의 입구단에서의 회전자 부품은 샤프트들이 동기화되어 반대 방향으로 회전되도록 샤프트들을 연결하는 기어에 회전자를 "타이밍 조절"하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 펌프의 입구단에서의 회전자 부품들 사이의 더 큰 맞물림 간극은 펌프의 조립을 용이하게 할 수 있고, 펌프의 배기단에서의 회전자 부품들 사이의 더 작은 맞물림 간극은 최종 전력 소비 및 압력을 허용 가능한 레벨로 유지시킬 수 있다.
이제 본 발명의 바람직한 특징을 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이다.
도 1은 두 세트의 상호 맞물린 회전자 부품을 포함하는 다단 진공 펌프를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 펌프의 회전자 부품 세트를 도시하는 도면.
도 3은 도 1의 펌프의 입구단의 회전자 부품의 프로파일을 도시하는 도면.
도 4는 도 1의 펌프의 배기단의 회전자 부품의 프로파일을 도시하는 도면.
먼저 도 1을 참조하면, 다단 진공 펌프(10)는 다단 회전자 조립체(14)를 수용하는 고정자(12)를 포함한다. 고정자(12)는 고정자(12)를 복수의 펌핑 챔버로 분할하는 복수의 횡단벽(16)을 포함한다. 본 예에서, 고정자(12)는 5개의 펌핑단으로 분할되지만, 펌프(10)에 소정의 펌핑 용량을 제공하는데 필요한 임의 수의 펌핑단으로 분할될 수도 있다.
회전자 조립체(14)는 상호 맞물린 2세트의 로브형 루츠 회전자 부품(18, 20, 22, 24, 26)을 포함하고, 각 세트는 각각의 샤프트(28, 30) 상에 장착되어 있다. 각각의 샤프트(28, 30)는 고정자(12)에 대해 회전하도록 베어링에 의해 지지된다. 샤프트(28, 30)는, 펌프(10)의 단을 함께 제공하는 한 쌍의 상호 맞물린 회전자 부품을 각각의 펌핑 챔버가 수용하도록 고정자(12) 내에 장착된다. 샤프트 중 하나(28)는 그 샤프트(28)의 일 단부에 연결된 모터(32)에 의해 구동된다. 타이밍 기어(34)에 의해서 상기 샤프트(28)에 다른 샤프트(30)가 연결되어, 샤프트들(28, 30)이 고정자(12) 내에서 동기화되어 반대 방향으로 회전하도록 한다.
펌프 입구(36)는 회전자 부품(18, 18')을 포함하는 입구 펌핑단과 직접 연통하고, 펌프 출구(38)는 회전자 부품(26, 26')을 포함하는 배기 펌핑단과 직접 연통한다. 펌핑되는 가스가 입구(36)에서 출구(38)로 통과할 수 있도록 펌프(10) 내에는 가스 통로(40, 42, 44, 46, 48)가 제공된다.
펌프(10)의 입구(36)에서 감소된 압력을 달성하기 위해, 고정자(12) 내에 규정되는 펌핑 챔버의 체적은 입구 펌핑단으로부터 배기 펌핑단까지 점진적으로 감소한다. 본 예에서, 최초 3개의 펌핑 챔버의 체적의 감소는 펌핑 챔버의 두께를 점진적으로 감소시킴으로써 달성되고, 마지막 2개의 펌핑 챔버의 체적의 감소는, 펌핑 챔버의 두께를 점진적으로 감소시키는 것과 아울러, 최초 3개의 펌핑 챔버에 비해 마지막 2개의 펌핑 챔버의 직경을 감소시킴으로써 달성된다.
회전자 부품의 세트는 펌핑 챔버의 벽과 회전자 부품의 표면 사이에 작은 간극을 유지하도록 프로파일링된다(profiled). 회전자 부품 세트 중 하나가 도 2에 더 상세히 도시되어 있다. 회전자 부품의 두께(t)는 입구단 회전자 부품(18)의 두께(t1)로부터 배기단 회전자 부품(26)의 두께(t2)로 점진적으로 감소한다.
회전자 부품은 복수 집단의 회전자 부품으로 분할되고, 각각의 집단은 특정 팁 반경, 즉 회전자 부품의 외부 프로파일과 회전자 부품의 중심 사이의 최대 거리(d)를 갖는 하나 이상의 회전자 부품을 포함한다. 도시된 예에서, 회전자 부품은 팁 반경(d1)을 갖는 제 1 복수의 회전자 부품(50) 및 팁 반경(d2)을 갖는 제 2 복수의 회전자 부품(52)으로 분할되고, d2는 d1보다 작고, 바람직하게는 d1보다 적어도 15% 작고, 더 바람직하게는 d1보다 적어도 20% 작다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 예에서, 제 1 복수의 회전자 부품(50)은 펌프(10)의 입구(36)에 근접한 3개의 회전자 부품(18, 20, 22)을 포함하고, 제 2 복수의 회전자 부품(52)은 펌프(10)의 출구(36)에 근접한 2개의 회전자 부품(24, 26)을 포함한다.
펌핑단의 수 및 크기는 요구 펌핑 용량에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 6단 진공 펌프는 팁 반경(d1)의 3개의 회전자 부품 및 팁 반경(d2)의 3개의 회전자 부품, 또는 팁 반경(d1)의 3개의 회전자 부품, 팁 반경(d2)의 2개의 회전자 부품 및 팁 반경(d3)의 하나의 회전자 부품을 포함할 수 있고, 여기서 d1> d2 > d3이다.
회전자 부품(18, 20, 22, 24, 26)의 각각은 동일한 수의 로브(lobe)를 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 회전자 부품은 3개의 로브(60)를 포함하지만, 예를 들어 2개 내지 5개의 로브와 같이 임의의 수의 로브를 가질 수 있다. 로브는 임의의 소정의 만곡 프로파일을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 단의 회전자 부품(18; 26) 중 하나는 이 단의 다른 회전자 부품(18', 26')의 로브를 수용하기 위한 소켓(62)을 포함할 수 있다.
적어도 배기단 회전자 부품의 팁 반경을 감소시킴으로써, 비교적 높은 체적비를 달성하기 위한 배기단 펌핑 부품의 소요 두께 감소는, 배기단 펌핑 부품의 팁 반경이 입구단 회전자 부품의 팁 반경과 동일한 경우 요구되는 것보다 작다. 예를 들어, 팁 반경이 일정 값으로 유지되면, 배기단 회전자 부품의 두께는 20:1의 체적비를 달성하기 위해 입구단 회전자 부품의 두께의 대략 5%일 필요가 있다. 그러나, 배기단 펌핑 부품의 팁 반경이 입구단 회전자 부품의 팁 반경보다 15 내지 20% 작으면, 배기단 회전자 부품의 두께는 동일 체적비를 달성하기 위해 단지 입구단 회전자 부품의 두께의 대략 10 내지 15%일 필요가 있고, 이에 의해 배기단 펌핑 부품의 가공 및 장착을 용이하게 한다.
펌프(10)의 입구단에서의 회전자 부품(18, 18') 사이의 맞물림 간극은, 펌프(10)의 배기단에서의 회전자 부품(26, 26') 사이의 맞물림 간극보다 큰 것이 바람직하며, 10 내지 30% 큰 것이 가장 바람직하다. 펌프의 입구단에서의 회전자 부품(18, 18')은 회전자를 기어(34)에 "타이밍 조절"하는데 사용될 수 있고, 따라서 입구단 회전자 부품(18, 18') 사이의 더 큰 맞물림 간극이 펌프(10)의 조립을 용이하게 할 수 있다. 배기단 회전자 부품(26, 26') 사이의 더 작은 맞물림 간극은 최종 전력 소비 및 압력을 허용 가능한 레벨로 유지할 수 있고, 입구단 회전자 부품(18, 18') 사이의 잉여 간극은 최종 전력 및 압력과 최대 체적 펌핑 속도에 대한 영향이 무시할만하다.

Claims (13)

  1. 다단 회전자 조립체를 수용하는 고정자를 포함하고, 각각의 단은 상호 맞물린 루츠 회전자 부품을 포함하는 다단 진공 펌프에 있어서,
    상기 펌프의 입구단에서의 회전자 부품의 팁 반경은 상기 펌프의 배기단에서의 회전자 부품의 팁 반경보다 크며,
    상기 펌프의 입구단에서의 회전자 부품들 사이의 맞물림 간극은 상기 펌프의 배기단에서의 회전자 부품들 사이의 맞물림 간극보다 큰 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기단 회전자 부품의 팁 반경은 상기 입구단 회전자 부품의 팁 반경보다 적어도 15% 작은 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기단 회전자 부품의 팁 반경은 상기 입구단 회전자 부품의 팁 반경보다 적어도 20% 작은 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프는 제 1 팁 반경의 회전자 부품을 각각 포함하는 제 1 개수의 펌핑 단과, 상기 제 1 팁 반경보다 작은 제 2 팁 반경의 회전자 부품을 각각 포함하는 제 2 개수의 펌핑단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 개수의 펌핑단 각각은 복수의 펌핑단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 고정자로부터 가스를 대기압 이상의 압력에서 배기하기 위해 상기 제 1 개수의 펌핑단과 상기 제 2 개수의 펌핑단 사이에 배치되는 일방 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 부품의 각각은 복수의 로브를 포함하고, 상기 펌프의 입구단에서의 회전자 부품은 상기 펌프의 배기단에서의 회전자 부품과 동일한 개수의 로브를 갖는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전자 부품의 각각은 2개 내지 5개의 로브를 갖는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전자 부품의 각각은 3개의 로브를 갖는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 단은 상이한 프로파일을 갖는 회전자 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  11. 제 10 항에 있어서,
    단의 회전자 부품 중 하나는 그 단의 다른 회전자 부품의 로브를 수용하기 위한 소켓을 포함하는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 조립체는 상호 맞물린 두 세트의 루츠 회전자 부품을 포함하고, 각각의 세트는 고정자에 대해 회전하도록 각각의 샤프트 상에 장착되는 것을 특징으로 하는
    다단 진공 펌프.
  13. 삭제
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