KR20010013692A - 스크루-스핀들 진공 펌프 및 그 작동 방법 - Google Patents

Abstract

각 로터를 따라서 잇따라 위치된 적어도 3개의 폐쇄된 공급 챔버를 갖는 스크루-스핀들 진공 펌프와 이 압축기를 작동시키는 방법. 이송측 상의 마지막에 있는 챔버는 이송측 쪽으로 개방되기 바로 전에 예비 진입에 의해서, 그리고 흡입 물질 흐름보다 적어도 5배 더 큰 예비 진입 흐름의 제공에 의해서 압축 한계 압력에 사실상 도달한다. 이 경우, 외부 압축대 내부 압축의 최소비가 5인 것이 전제 조건이다.

Description

스크루-스핀들 진공 펌프 및 그 작동 방법 {SCREW SPINDLE VACUUM PUMP AND OPERATING METHOD}

압축기에 의해 이송된 가스의 온도는 압축 압력비에 따라 상승한다. 2개의 로터들 사이에서 그리고 이 로터들과 케이싱 사이에서 최소한의 가능한 유극(play)에 좌우되는 스크루형 압축기에서, 압축기의 일부에 야기되는 열팽창에 대한 문제가 일어날 수 있다. 예비 진입에 의해서 기계의 공급 챔버 내에 포함된 가스의 온도를 낮추는 것은 (DE-A-195 22 559에) 공지되어 있다. 이는 냉각 공급 매체가 고압 지점으로부터 공급 챔버로 진입하는 것을 허용하는 것으로 의미된다. 기계 효율에 관한 한, 각각의 경우에서 챔버로 공급된 예비 진입량은 적다. 따라서, 예컨대 (US-A-4,812,110, US-A-5,082,427에 개시된 바와 같이) 스크루-스핀들 기계가 압축기로서 작동될 때, 이송되는 가스의 일부만이 예비 진입을 위해 재 순환되기에는 충분하다. 또한, 스크루-스핀들 기계가 진공 펌프로서 작동될 때, 압축기로서 작동될 때 발생하는 것과는 상이한 전제 조건에 따를 필요가 있다. 먼저, 압력비는 압축기 모드에서보다 진공 모드에서 적절하지 않게 높은데, 특히 전형적으로는 100 이상이다. 그 다음으로, 이러한 압력비에 따라서, 이송된 가스의 도달 온도는 사실상 높다. 최종적으로, 성취 가능한 진공이 예비 진입 역류에 의해 감손되지 않도록 보장할 필요가 있다.

본 발명의 기초가 되는 목적은 예비 진입에 의해 효율적인 냉각을 허용하여 효율적이고 성취 가능한 진공이 단지 경미하게만 감손되는 스크루-스핀들 진공 펌프와 이를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 해결책은 청구항 1 내지 3의 특징으로부터 알 수 있다. 이들은 각 로터를 따라서 잇따라 위치된 적어도 3개의 공급 챔버를 갖는 스크루-스핀들 진공 펌프를 미리 전제로 한다. 각각의 경우에 공급 챔버는 건조 이송의 경우에 피할 수 없는 유극을 제외하고는 폐쇄되어 있다. 이러한 기계의 경우, 본 발명에 따라서, 이송측 상의 마지막에 챔버를 두어서, 흡입 물질 흐름보다 적어도 5배 더 큰 냉각 가스의 예비 진입 흐름을 허용함으로써 이송측 쪽으로 개방되기 바로 전에 예비 진입에 의해 압축 한계 압력에 사실상 또는 완전히 도달한다. 이 경우, 외부 압축대 내부 압축의 비가 적어도 5인 작동점이 미리 전제된다. 한편, 그에 의해서, 온도 제어에 있어 최고 임계치에 있는 로터의 영역에서 효율적인 냉각이 달성된다. 다른 한편, 사실상 고압 하에 있는 마지막 챔버 내의 냉각 가스 일부가 두 번째 챔버로 역류하기 때문에, 이러한 냉각은 두 번째 챔버에 또한 영향을 미친다. 마지막으로, 이러한 장치의 장점은 마지막 챔버가 이송측을 향해 개방될 때 압력 균등이 기본적으로 완료되기 때문에, 발생 노이즈의 상당한 감소가 일어나는 것이다. 이는 마지막 챔버가 이송측 상에서 개방되기 전에 예비 진입에 의해서 한계 압력의 적어도 75 %, 양호하게는 90 %가 달성되는 것을 의미한다.

적은 수의 챔버를 갖는 알려진 기계에서, 두드러진 누출 손실로 인해 출구가 개방될 때 챔버 내의 압력이 비교적 급격하게 이미 상승되었기 때문에 이러한 높은 예비 진입이 불가능하여, 결과적으로 낮은 압력 차이가 예비 진입에 유용할 수 있다.

또한, 이러한 관점에서, 압축기들과 진공 펌프들 사이의 압력비의 상당한 차이가 다시 한번 중요한 역할을 하고, 낮은 압력비로 인하여 비교적 높은 압력은 진공 펌프의 경우에서보다도 압축기의 경우에 출구 쪽으로 개방된 챔버 내에서 우세하다.

내부 압축에서 이 챔버가 폐쇄될 때 흡입측에 가장 인접한 챔버의 체적과 이 챔버가 개방될 때 이송측에 가장 인접한 챔버의 체적의 비를 이해할 수 있다. 만일 스크루-스핀들의 단면 형상이 그의 길이에 걸쳐서 일정하면, 내부 압축은 1이다.

본 발명에 따라서 예비 진입을 형성하기 위한 다른 가능성은 청구항 2에 포함되어 있다. 이에 따르면, 챔버가 이송측 쪽으로 개방되기 전에 이송측 상의 마지막에 있는 챔버로 공급된 예비 진입의 체적 흐름은 내부 압축비에 의해 나뉘어진 예비 진입의 시점에 상기 챔버의 이론적 흡입 용량의 75 %보다 크게 한다. 만일 예비 진입이 상당한 길이의 시간 간격에 걸쳐 연장되면, 예비 진입이 끝나는 시점이 기초로서 취해진다. 그 대신, 예비 진입의 개방과 폐쇄 사이의 시간적 중간 지점이 또한 기초로서 취해질 수 있다. 체적 흐름은 진입이 허용되는 가스의 온도와 출구 압력에 관련되어야 한다. 이론적 흡입 용량은 임계 시점에서 챔버의 체적에 회전 속도가 곱해진 값이다.

고유의 상당한 교축 효과가 있는 지금까지 종래의 작은 예비 진입 오리피스는 이러한 목적에 충분하지 않다. 경험상, ㎟ 단위인 예비 진입 오리피스의 단면은 적어도 ㎥/h 단위인 관련 챔버의 이론적 흡입 용량만큼은 커야하지만, 양호하게는 2배, 더 바람직하게는 3배만큼 커야한다. 물론, 이는 챔버 내로 가스를 도입하는 벽 오리피스로 불리는 예비 진입 오리피스가 오리피스 폭의 효과를 다시 감손시키는 어떤 좁은 단면에 의해 선행되지 않음을 미리 전제로 한다. 이러한 점에서, 챔버의 이론적 흡입 용량은 이 공급 챔버의 체적, 스크루 날개의 개수 및 회전 속도의 곱이고, 연속 작동시에 기대되는 최대 회전 속도가 기초로서 취해진다.

이론적 흡입 용량에 대한 이러한 정의는 청구항 2를 참고로 앞에서 주어진 정의에 반하여 계수로서 스크루 날개의 개수를 포함한다. 이는 단 하나의 챔버만이 청구항 2에서 고려되는 한편, 여기에서는 다수의 날개를 갖는 스크루-스핀들의 경우, 동시에 다수의 챔버에 할당될 수 있는 이들 모든 진입 오리피스가 설명된다.

마지막 단계에서 본 발명에 따른 강한 예비 진입은 로터의 스크루 날개의 피치가 일정할 때, 즉 이론적으로 압축이 등체적으로 발생할 때 특히 효과적이다. 그러나, 피치가 감소하는 경우에, 본 발명은 적절한 것으로 판명되는데, 이는 펌프가 정상 작동점에 있을 때 마지막 단계에서 예비 진입 없이 한계 압력이 도달되는 이러한 범위까지 일반적으로 피치가 감소하지 않기 때문이다. 더욱이, 비록 이것이 대부분의 사용예에서 불필요하거나 또는 바람직하지 않더라도, 본 발명은 마지막 단계에서의 강한 예비 진입에 더하여 초기 단계에서의 약한 예비 진입을 또한 구비하는 것을 배제하지는 않는다.

본 발명에 따른 예비 진입이 마지막 단계에서만 발생하고 적어도 3개의 연속 공급 챔버가 구비되기 때문에, 만일 회전 속도가 너무 낮지 않다면 진공 펌프 흡입 용량의 감손은 무시할 수 있다.

본 발명에 따른 진공 펌프의 유리한 실시예에서, 예비 진입 오리피스는 적어도 이송측의 한계 설정 에지가 그와 관련된 변위식 스크루 날개에 평행하도록 설계된 슬롯으로서 설계된다. 이는 슬롯이 가능한 마지막 순간까지 최대로 가능한 단면을 갖고 개방되는 장점을 제공한다. 슬롯의 길이는 적절하게는 로터 직경의 1/10, 바람직하게는 1/5보다 크다. 이는 적절하게는 로터 직경의 1/3 크기 정도이다. 예비 진입 오리피스의 축 방향 폭은 적절하게는 변위식 스크루 날개의 (동일한 방향으로 측정된) 전체 헤드의 폭과 그 절반의 사이에 있다. 이는 이송측 상의 마지막에 있는 챔버의 예비 진입 충전이 예비 진입 오리피스와 후속 챔버 사이에 이미 만들어진 연결부에 의해 위험한 상태에 놓이지 않는 한 헤드 폭을 조금 초과할 수 있다.

예비 진입 오리피스의 흡입측 한계 설정 에지는 또한 관련된 변위식 스크루 날개에 평행하게 움직일 수 있다. 그러나, 적절하게는 흡입측 한계 설정 에지를 설계하여 관련된 변위식 스크루 날개에 대해 적어도 부분적으로 경사지고, 그에 의해 바람직하지 않은 노이즈의 발생을 수반할 수 있는 예비 진입 오리피스의 갑작스런 개방을 방지하도록 서서히 개방되게 한다. 일반적으로, 그 목적은 챔버가 이송측 상에서 개방되기 전에 예비 진입 오리피스가 폐쇄되는 것을 보장하는 것이다. 바꾸어 말하면, 예비 진입 오리피스는 챔버가 이송측 상에서 바로 개방되는 위치에 로터가 있을 때 그와 관련된 스크루 날개에 의해서 즉시 덮여진다. 예를 들어, 이는 개방 중에 이송측으로부터 챔버 내로 지나가는 압력의 급상승이 예비 진입 오리피스만큼 떨어져 선행하고 다음 예비 진입 작동에서의 냉각 효과를 감소시키는 늦게 가열된 가스로 되돌아가는 것을 방지한다. 불쾌한 노이즈는 또한 이로부터 회피될 수 있다. 그러나, 많은 경우에, 이송측 상의 챔버의 개구로부터 음속으로 발산하는 압력 펄스가 예비 진입 오리피스의 도달 시까지 필요한 그 시간 간격동안 예비 진입 오리피스가 폐쇄되는 것을 보장하도록 주의를 하면, 챔버가 이송측 상에서 개방될 때 예비 진입 오리피스가 미리 폐쇄될 필요는 없다. 바꾸어 말하면, 관련된 스크루 날개의 덮개 에지를 지나 예비 진입 오리피스의 자유 축방향 돌출 길이는, 회전 속도에 의해 곱해지고 음속에 의해 나뉘어진, 이송측 상의 챔버의 개구를 이루는 스크루 날개의 그 단부로부터의 상기 예비 진입 오리피스의 거리보다 작아야 한다.

일반적으로, 예비 진입 오리피스와 이송측 상의 챔버의 개구 사이의 바람직하지 않은 상호 작용을 피하기 위하여 제공되는 이들 조건은 높은 작동 속도(예를 들어, 6000 min^-1)에서 존재하면 충분한 데, 이는 이들 단점이 저속에서는 크게 중요하지 않기 때문이다.

전술된 설명은 예비 진입이 스크루 날개의 헤드면과 예비 진입 오리피스의 상호 작용에 의해 제어되는 것을 미리 전제로 하였다. 비록 이것이 바람직한 것이나, 예비 진입 오리피스가 예비 진입 시점의 제어 원인이 되는 또는 스크루 날개의 헤드면과 관련하여는 부분적으로 제어의 원인이 되는 밸브에 의해 선행되도록 하는 것이 제외되어서는 안 된다.

"예비 진입 오리피스" 또는 "슬롯"의 개념은 오리피스가 나뉘어지지 않는 것을 요구하지 않음이 지적될 수 있다. 생산 경제면에서, 이러한 오리피스는 예를 들어, 웨브에 의해 서로로부터 분리되는 다수의 개별 보어로 구성될 수 있다. 이는 예비 진입이 챔버 길이의 큰 부분에 걸쳐서 예비 진입 오리피스를 적절히 연장함으로써 발생될 수 있는 장점을 제공한다. 바람직한 설명으로, 다수의 개별의 부분 오리피스로 구성된 예비 진입은 챔버 길이의 적어도 절반을 걸쳐서 연장한다. 이는 270 도까지 이를 수 있다.

Claims (13)

1. 각 로터를 따라서 잇따라 위치된 적어도 3개의 폐쇄된 공급 챔버와, 냉각 가스의 공급을 위한 예비 진입을 갖는 스크루-스핀들 진공 펌프를 작동하는 방법에 있어서,

   이송측 상의 마지막에 있는 챔버는 이송측 쪽으로 개방되기 바로 전에 예비 진입에 의해 압축 한계 압력에 도달하고,

   외부 압축대 내부 압축의 비가 적어도 5인 경우에 예비 진입의 물질 흐름이 흡입 물질 흐름보다 적어도 5배 더 큰 것을 특징으로 방법.
2. 각 로터를 따라서 잇따라 위치된 적어도 3개의 폐쇄된 공급 챔버와, 냉각 가스의 공급을 위한 예비 진입을 갖는 스크루-스핀들 진공 펌프를 작동하는 방법에 있어서,

   이송측 상의 마지막에 있는 챔버는 이송측 쪽으로 개방되기 전에 내부 압축비에 의해 나뉘어진 상기 관련 챔버의 이론적 흡입 용량의 (출구 압력에 대하여) 75 %보다 큰 예비 진입 체적의 흐름을 이송측에 공급하는 것을 특징으로 방법.
3. 흡입 공간 내에서 회전하고, 잇따라 배치되고 서로로부터 폐쇄된 적어도 3개의 챔버를 형성하기 위하여 그의 스크루 날개가 서로에 대해 관여하는, 한 쌍의 변위식 로터를 갖고, 그리고 이송측 상의 마지막에 있는 챔버에 할당된 적어도 하나의 예비 진입 오리피스를 갖는 스크루-스핀들 진공 펌프에 있어서,

   ㎟ 단위인 예비 진입 오리피스의 단면은 적어도 ㎥/h 단위인 관련 챔버의 이론적 흡입 용량만큼은 큰 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
4. 제3항에 있어서, 예비 진입 오리피스는 슬롯으로서 설계되고, 적어도 그의 이송측의 한계 설정 에지는 그와 관련된 변위식 스크루 날개에 평행하도록 설계된 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
5. 제4항에 있어서, 슬롯의 길이는 로터 직경의 1/10보다 큰 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 예비 진입 오리피스의 축 방향 폭은 변위식 스크루 날개의 전체 헤드의 폭과 그 절반의 사이에 있는 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향으로의 예비 진입 오리피스의 폭은 변위식 스크루 날개의 헤드 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 흡입측 한계 설정 에지가 관련된 변위식 스크루 날개에 평행하게 움직이는 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
9. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 흡입측 한계 설정 에지는 관련된 변위식 스크루 날개에 대해 적어도 부분적으로 경사져서 움직이는 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
10. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 예비 진입 오리피스는 챔버가 이송측 상에서 바로 개방되는 위치에 로터가 있을 때 그와 관련된 스크루 날개에 의해 즉시 덮이는 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
11. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 예비 진입 오리피스는 챔버가 이송측 상에서 바로 개방되는 위치에 로터가 있을 때 그와 관련된 스크루 날개에 의해 아직 완전히 덮이지 않았으나, 이 스크루 날개의 덮개 에지를 지나 예비 진입 오리피스의 자유 축방향 돌출 길이는, 회전 속도에 의해 곱해지고 음속에 의해 나뉘어진, 이송측 상의 챔버의 개구에 할당된 스크루 날개의 단부의 끝으로부터 상기 예비 진입 오리피스의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
12. 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 예비 진입 오리피스가 다수의 보어를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.
13. 제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 만일 적절하다면 다수의 부분 오리피스를 포함하는 예비 진입 오리피스가 챔버 길이의 적어도 절반에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 스크루-스핀들 진공 펌프.