KR20070103759A - 홀웩 진공 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전자 관(24)을 갖춘 펌프 회전자(16) 및 펌프 고정자(12, 14)를 포함하는 홀웩 진공 펌프에 관한 것이다. 펌프 고정자(12, 14) 각각은 나선형 나사 홈(21, 23)을 구비하며 회전자 관(24)의 방사상 내부 및 방사상 외부에 위치된다. 상기 진공 펌프는 회전자 관(24)을 지지하는 지지 링(30)을 포함하는 회전자 블레이드 디스크를 더 포함한다. 블레이드 디스크의 블레이드(18)는 회저자 측(40) 상에 견부를 구비하며, 상기 견부는 지지 링(30)을 지지한다.

Description

홀웩 진공 펌프 {HOLWECK VACUUM PUMP}

본 발명은 펌프 회전자 및 회전관을 포함하는 홀웩 진공 펌프에 관한 것이다.

국제특허출원 제 WO 2004/055375A1호에는 회전관 내부 및 외부에서 반경방향으로 배치되며 나선형 나사 홈이 각각 형성되는 펌프 고정자를 포함하는 2-패스 홀웩 진공 펌프(two-pass Holweck vacuum pump)가 개시되어 있다. 펌핑 특성을 개선시키기 위해, 회전자 블레이드 디스크가 유입구 측에 제공되며, 상기 회전자 블레이드 디스크는 회전자 관(rotor tube)을 지지하는 지지 링을 포함한다. 지지 링의 축방향 길이는 블레이드 디스크의 블레이드의 축방향 길이 보다 길어서, 지지 링이 블레이드를 관통하는데 즉, 2개의 섹션으로 블레이드를 분리시킨다. 지지 링의 일부분은 회전자 블레이드의 평면으로부터 축방향으로 연장된다. 지지 링의 외팔보 부분에는, 회전자 관이 예컨대 지지 링의 외부에 끼워맞추어짐으로써 고정된다. 지지 링과 회전자 관 사이에 작용하는 모든 힘은 블레이드 디스크의 블레이드에 직접 전달된다. 특히 원심력에 의해 발생되는 반경 방향 및 접선 방향 힘은 블레이드 상에 특히 지지 링 상에 상당한 기계적 응력을 작용하며 이들의 내구년한(service life)을 단축시키는 것으로 시험을 통해 밝혀졌다.

본 발명의 목적은 향상된 내구년한의 블레이드 디스크를 갖는 2-패스 홀웩 진공 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 상기한 목적은 첨부된 청구의 범위의 청구항 1에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 홀웩 진공 펌프에 있어서, 블레이드 디스크의 복수의 블레이드는 지지 링을 지지하는 회전자-측 근위 견부(rotor-side proximal shoulders)를 포함한다. 이러한 지지 링은 복수의 블레이드를 넘어서 축방향으로 더 이상 돌출하지는 않지만, 복수의 블레이드 내에 형성된 대응하는 계단형 견부에 의해 방사상 내측으로 지지된다. 따라서, 이들 복수의 블레이드는 지지 링의 방사상 외부 보다 지지 링의 방사상 내부에 보다 큰 축방향 길이를 갖는다. 복수의 블레이드의 견부는 지지 링이 계단형 견부의 방사상 외부에서 지지되도록 구성된다. 따라서, 지지 링은 블레이드 디스크에 의해 기본적으로 전체 축방향 길이에 걸쳐 지지된다. 지지 링을 지지하는 블레이드 구조체는 복수의 블레이드와 지지 링 사이에 작용하는 힘은 복수의 블레이드 상에 작용하는 보다 국부적인 정점 응력(local peak stress)이 되도록 상당히 강도가 높게 된다. 회전자 관은 복수의 블레이드에 의해 지지되는 지지 링의 일부분 상에서 방사상 외부로부터 밀린다. 인장 강도에 대해 상당한 내성을 갖는 경량 물질로 이루어진 것이 바람직한 회전자 관이 지지 링을 둘러싸고 있어서, 회전자 관이 수 만 rpm의 고속 회전 속도에서 발생되는 높은 원심력을 견디도록 지지된다. 이로 인해, 지지 링 내에서 발생되는 접선력(tangential forces)이, 상응하게 높은 회전 속도를 지지 링이 견딜 수 있을 정도로 낮은 정도로 유지될 수 있다.

바람직하게는, 지지 링은 복수의 블레이드의 계단형이 아닌 영역 안으로 축방향으로 연장되지 않는다. 지지 링의 축방향 길이는 복수의 블레이드의 축방향 계단부의 축방향 길이에 대략 상응한다. 복수의 블레이드의 절반 이상의 부분은 전체 반경 방향 길이에 걸쳐 지지 링에 의해 관통되지 않는다. 따라서, 회전자 관과 지지 링 사이에 작용하는 힘들이 오로지 블레이드 견부의 영역에서만 블레이드에 직접 적용되고 블레이드의 전체 축방향 길이에는 적용되지 않는 것을 보장한다. 견부의 축방향 길이에 대한 지지 링의 축방향 연장이 제한됨으로써, 지지 링의 전체 축방향 길이가 회전자 관에 의해 외부에서 지지되어 높은 원심력을 견딜 수 있음이 보장된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 블레이드 디스크의 복수의 블레이드는 배킹 링(backing ring)을 지지하는 흡입-측 (말단) 계단형 견부를 포함한다. 따라서, 이러한 배킹 링을 지지하는 흡입-측 계단형 견부는 지지 링을 지지하는 복수의 블레이드의 계단형 견부와 마주하여 축방향으로 배열되는 한편, 축방향으로 중간 영역은 어떠한 계단부 및 지지 링도 포함하지 않는다. 회전자 관이 지지 링의 외부에 체결되면, 대응하는 배킹 링은 체결된 회전자 관에 의해 블레이드 상에 작용되는 불균일한 응력을 보상할 수 있다. 이러한 방법으로, 배킹 링은 블레이드에 적용되는 힘들의 대칭성을 향상시킨다.

바람직하게, 블레이드의 축방향 길이는 견부로부터 내부를 향해 반경 방향으로 감소한다. 인접한 내부 펌프 회전자의 외형은 상기한 블레이드의 형상에 상응하게 구성된다. 내부를 향해 방사상으로 감소되는 블레이드의 축방향 길이에 의해, 블레이드가 충분히 강성일 때 유동의 측면에서 가능한 한 최적의 수준으로 내부 기학적 배열이 유지된다. 이로써, 보다 높은 흡입 용량이 실현될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 회전자 관은 섬유 강화 물질로 이루어진다. 특히, 예컨대 탄서-섬유 강화 물질과 같은 비금속 물질이 적합하다. 탄소-강화 비금속 물질은 비교적 경량이면서 높은 기계적 강성 특히 높은 인장 강도를 제공한다. 따라서, 섬유-강화 물질로 이루어진 회전자 관은 상당한 정도로 직경이 증가되지 않으면서 고속 회전 속도로 회전될 수 있다. 이러한 사실은 회전자와 고정자 사이의 작은 간극의 실현에 매우 중요하다. 추가로, 높은 인장 강도로 인해, 회전자 관도 파괴적인 접선력에 대항해서 배킹 링을 지지할 수 있음이 보장된다.

바람직하게, 나선형 나사 홈의 나사선, 즉 그 나사선 바닥은 유입구로부터 유출구로 방사상으로 테이퍼(taper) 형태를 갖는다. 따라서, 나사 홈의 깊이 및 횡단면은 유입구로부터 유출구를 향해 감소된다. 따라서, 2 개의 홀웩 스테이지 또는 패스의 유입구 횡단면이 비교적 커서 홀웩 스테이지의 흡입 용량이 향상된다.

아래에, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1 은 지지 링이 제공되는 블레이드 디스크를 포함하는 홀웩 진공 펌프의 종방향 단면을 나타낸다.

도 2 는 지지 링 및 배킹 링이 제공되는 블레이드 디스크를 포함하는 홀웩 진공 펌프의 종방향 단면을 나타낸다.

도 1 및 도 2는 2개의 평행한 홀웩 펌프 스테이지(12, 14)를 포함하는 홀웩 진공 펌프(10, 50)를 도시한다. 2개의 홀웩 진공 펌프(10, 50)는 유입구 측에 각각의 회전자 블레이드 디스크(28, 28')를 포함하며, 이러한 회전자 블레이드 디스크(28, 28')는 각각의 복수의 블레이드(18, 58)를 구비한다.

이러한 2개의 평행한 홀웩 펌프 스테이지(12, 14)는 기본적으로 방사상 외부 펌프 고정자(20), 방사상 내부 펌프 고정자(22), 및 방사상 외부 펌프 고정자(20)와 방사상 내부 펌프 고정자(22) 사이에 배열된 회전식 회전자 관(24)에 의해 형성된다. 방사상 외부 펌프 고정자(20) 및 방사상 내부 펌프 고정자(22) 모두는 나선형 나사 홈(21, 23)을 포함하며, 나선형 나사 홈(21, 23)의 각각의 홈 바닥은 유출구로부터 방사상으로 테이퍼(taper) 형태를 갖는다.

펌프 회전자(16)는 기본적으로 롤러 베어링 및/또는 자석 베어링에 의해 지지되는 샤프트(26), 허브(hub; 27), 블레이드(18), 지지 링(30) 및 회전자 관(24)을 포함한다. 도 2에 도시된 진공 펌프(50)의 펌프 회전자(56)는 제2 배킹 링(second backing ring; 60)을 더 포함한다. 허브(27), 블레이드(18) 및 지지 링(30)과 가능하다면 지지 링(60)이 하나의 피스로 형성되며 알루미늄으로 이루어지지만, 개별의 부품으로서 제조되어 조립될 수도 있다. 특히, 지지 링(60)은 별도의 부품으로 제조된 후 블레이드(58)에 부착될 수 있다. 회전자 관(24)은 섬유-강화 물질, 예컨대 탄소 섬유-강화 플라스틱 물질로 이루어진다.

회전자 측 상에서, 복수의 블레이드(18, 58)는 계단현 견부(steped shoulder; 40)를 포함하는데, 이러한 계단형 견부(40)는 지지 링(30)을 지지한다. 축방향 견부의 길이는 지지 링(30)의 길이와 대략 동일하다. 펌프 유입구의 방향에서, 지지 링(30)은 블레이드(18) 안으로 축방향으로 연장되지 않아서 견부(40)의 외부의 복수의 블레이드(18) 사이의 방사상 공간이 방사상으로 연속된다. 지지 링(30)은 원형의 원통형이며 회전자 관(24)을 지지하는데, 이 회전자 관(24)은 지지 링(30)에 체결되거나 가압된다.

복수의 블레이드(18)의 축방향 길이는 견부(40)로부터 내부를 향해 방사상으로 감소된다. 그러나, 허브 부근의 복수의 블레이드(18)의 축방향 길이는 견부(40) 및/또는 지지 링(30) 방사상 외부의 복수의 블레이드(18)의 축방향 길이를 초과한다.

도 2의 홀웩 진공 펌프(50)에서, 복수의 블레이드(58)는 유입구 측 상에 제2 견부(62)를 포함하며, 이 제2 견부(62)는 배킹 링(60)을 지지한다. 유입구-측 영역 내에서, 역시 복수의 블레이드(58)의 축방향 길이가 허브(27)를 향해 연속적으로 감소된다.

복수의 블레이드(18)에 견부(40)를 제공함으로써, 지지 링(30)은 이 지지 링이 회전자 관(24)을 지지하는 영역 내에서 가능한 최상의 방법으로 지지된다. 이로써 지지 링(30)이 유입구-측 영역 내에서 복수의 블레이드(18)를 관통하지 않으므로, 회전자 관(24), 지지 링(30) 및 견부(40) 사이에 전달되는 모든 힘의 적용은 상당히 감소된다. 또한, 회전자 관(24)이 원심력에 대항해서 전체 축방향 길이에 걸쳐 지지 링(30)을 방사상으로 지지하므로, 지지 링(30) 내에서의 접선력의 발생이 상당히 감소된다.

Claims (7)

1. 회전자 관(24), 및 상기 회전자 관(24)을 지지하는 지지 링(30)이 제공되는 유입구-측 회전자 블레이드 디스크(28)를 갖춘 펌프 회전자(16), 및

   상기 회전자 관(24)의 내부 및 외부에 방사상으로 배열되며 나선형 나사 홈(21, 23)이 제공되는 각각의 펌프 고정자(20, 22)를 포함하는 홀웩 진공 펌프(10)에 있어서,

   상기 블레이드 디스크(28)의 블레이드(18)는 상기 지지 링(30)을 지지하는 회전자-측 견부(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는

   홀웩 진공 펌프(10).
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지 링(30)은 상기 블레이드(18)의 비-계단형 영역 안으로 축방향으로 연장되지 않는 것을 특징으로 하는

   홀웩 진공 펌프(10).
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 회전자 관(24)은 상기 지지 링(30)의 전체 축방향 길이를 덮는 것을 특 징으로 하는

   홀웩 진공 펌프(10).
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   블레이드 디스크(28')의 블레이드(58)는 배킹 링(60)을 지지하는 유입구-측 견부(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는

   홀웩 진공 펌프(50).
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   블레이드(18, 58)의 축방향 길이는 각각 견부(40, 62)로부터 내부를 향해 방사상으로 감소되는 것을 특징으로 하는

   홀웩 진공 펌프(10).
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 회전자 관(24)은 섬유-강화 물질, 특히 탄소 섬유-강화 플라스틱 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는

   홀웩 진공 펌프(10).
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 고정자의 나사 홈(21, 23)은 상기 유입구로부터 상기 유출구를 향해 방사상으로 테이퍼 형태를 갖는 것을 특징으로 하는

   홀웩 진공 펌프(10).

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