KR20240032018A - 스크류 펌프, 스크류 로터, 스크류 로터의 제조 방법, 및 스크류 펌프 또는 스크류 로터의 용도 - Google Patents

스크류 펌프, 스크류 로터, 스크류 로터의 제조 방법, 및 스크류 펌프 또는 스크류 로터의 용도 Download PDF

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롤란트 알베르트 뮐러
데이비드 토마스 크리스프
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라이볼트 게엠베하
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Abstract

챔버(62)를 한정하는 하우징 및 2개의 스크류 로터(10)를 포함하는 스크류 펌프(100). 각각의 스크류 로터(10)는 로터 샤프트(11)와, 로터 샤프트(11)와 연결된 적어도 2개의 변위 요소(12, 14)를 포함한다. 각각의 변위 요소(12, 14)는 적어도 하나의 나선형 돌출부(36, 50)를 갖는다. 변위 요소(12, 14) 중 하나는 챔버(62)의 흡입측 섹션(64)에 배열된 흡입측 변위 요소(12)이다. 변위 요소(12, 14) 중 다른 하나는 챔버(62)의 압력측 섹션(68)에 배열된 압력측 변위 요소(14)이다. 흡입측 변위 요소(12)는 이송 방향(22)으로 테이퍼지도록 설계된다. 압력측 변위 요소(14)와 챔버의 압력측 섹션(68) 사이의 간극은 이송 방향(22)으로 적어도 부분적으로 감소한다. 또한, 스크류 로터(10), 스크류 로터(10)의 제조 방법, 및 스크류 펌프(100) 또는 스크류 로터(10)의 용도와 관련된다.

Description

스크류 펌프, 스크류 로터, 스크류 로터의 제조 방법, 및 스크류 펌프 또는 스크류 로터의 용도
본 개시는 스크류 펌프, 스크류 로터, 스크류 로터의 제조 방법, 및 스크류 펌프 또는 스크류 로터의 용도와 관련된다.
일반적으로, 스크류 진공 펌프와 같은 건식 작동 진공 펌프는 낮은 흡입 압력에서 작동할 때 전력 소비가 높다. 이것은 펌프의 설계 용적비(build in volume)에서 낮아질 수 있다. 설계 용적비는 흡입 스테이지의 스윕 용적(swept volume) 대 배출 스테이지의 스윕 용적의 비율이다. 용적비가 높을수록 전력 소비가 낮아진다.
일반적으로, 스크류 진공 펌프는 하우징에 흡입 챔버를 포함하며, 흡입 챔버에는 2개의 스크류 로터가 배열되어 있다. 각각의 스크류 로터는 나선형 돌출부에 의해 형성된 나선형 리세스를 갖는 적어도 하나의 변위 요소를 포함한다. 나선형 돌출부는 바람직하게는 복수의 와인딩부(winding)를 형성한다. 스크류 진공 펌프, 특히 스크류 미세 진공 펌프의 경우, 흔히 가능한 한 높은 내부 용적비를 달성하는 것이 목표이다. 내부 용적비는 진공 펌프의 입구에서의 용적 대 진공 펌프의 출구에서의 용적의 비율이다. 예를 들어 LEYBOLD Screwline 또는 BUSCH Cobra 펌프와 같은 1 세대의 스크류 진공 펌프는 약 3 내지 4의 내부 용적비를 갖는다. 예를 들어 스크류 진공 펌프 LEYOLD DRYVAC 또는 Edwards GKS와 같은 현재 시중에 있는 진공 펌프의 경우, 용적비는 5 내지 7이다.
스크류 펌프에는 기본적으로 2개의 알려진 로터 형상이 있다: 원통형 로터로도 불리는 평행형 로터 및 원추형 로터로도 불리는 테이퍼형 로터. 평행형 로터의 경우, 높은 용적비는 매우 작은 배출 스테이지를 야기하며, 이는 기계가공하기 어렵다. 테이퍼형 로터는 높은 기하학적 용적비로 제작될 수 있으며, 이는 작고 깊은 홈을 기계가공할 필요 없이 배출 스테이지가 작게 제조될 수 있기 때문이다. 단점은 테이퍼형 로터에 통합될 수 있는 소형 배출 스테이지의 수가 제한된다는 것이다. 이러한 경우에, 간극을 통한 역 누출은 압축의 관점에서 배출 스테이지를 비효율적이게 하고, 압축 동력이 높은 값으로 되게 한다.
스크류 펌프에서 낮은 전력 소비를 달성하기 위해, 2개의 특징들, 즉 높은 용적비, 즉 작은 배출 스테이지와, 역 누출을 보상하기 위한 충분한 배출 스테이지 수가 실현되어야 한다. 이를 달성하는 하나의 방법은 펌프 흡입측의 테이퍼형 로터 섹션과 배기측의 평행형 로터 섹션을 조합하는 "하이브리드" 로터이다. 그러한 로터 유형은 예를 들어 DE202017005336U1에 기술되어 있다.
그러한 스크류 펌프에서는 열적 문제가 발생한다. 예를 들어, 작동 동안에, 예컨대 100 내지 300 mbar의 흡입 압력으로 작동하는 동안에, 하우징, 특히 스테이터와 로터의 고착이 생길 수 있다. "고착(seizure)"은 "크래쉬(crash)"로도 지칭될 수 있다. 한편, 예를 들어 그러한 스크류 펌프의 펌핑 효율은 상대적으로 낮다.
본 개시의 목적은 보다 양호한 고착 안전성, 특히 최적화된 펌핑 효율을 추가로 갖는 스크류 펌프, 바람직하게는 스크류 진공 펌프, 스크류 로터, 스크류 로터의 제조 방법, 및 스크류 펌프, 바람직하게는 스크류 진공 펌프의 용도를 제공하는 것이다.
본 개시의 목적은 청구항 1에 규정된 스크류 펌프, 청구항 18에 규정된 스크류 로터, 청구항 19에 규정된 스크류 로터의 제조 방법, 및 청구항 21에 규정된 스크류 펌프 또는 스크류 로터의 용도에 의해 달성된다.
본 개시의 스크류 펌프는 바람직하게는 스크류 진공 펌프이다. 보다 바람직하게는, 본 개시의 스크류 펌프는 건식 작동 스크류 진공 펌프이다. 스크류 펌프는 챔버를 한정하는 하우징을 포함한다. 특히, 챔버의 내벽은 스크류 펌프의 스테이터에 대응한다. 스크류 펌프는 2개의 스크류 로터를 더 포함한다. 각각의 스크류 로터는 로터 샤프트와, 로터 샤프트와 연결된 적어도 2개의 변위 요소를 포함한다. 각각의 변위 요소는 적어도 하나의 나선형 돌출부를 갖는다. 바람직하게는, 나선형 돌출부는 다수의 와인딩부를 포함한다. 나선형 돌출부는 특히 그 사이에 나선형 리세스를 형성한다. 변위 요소 중 하나는 챔버의 흡입측 섹션에 배열된 흡입측 변위 요소이다. 변위 요소 중 다른 하나는 챔버의 압력측 섹션에 배열된 압력측 변위 요소이다. 흡입측 변위 요소는 이송 방향으로 테이퍼지도록 설계된다. 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 간극은 이송 방향으로 감소한다. 간극은 반경방향 간극이다. 이러한 챔버의 압력측 섹션은 특히 압력측 스테이터 요소이다. 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 간극은 적어도 부분적으로, 바람직하게는 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 전체 길이에 걸쳐 감소한다. 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 간극은 적어도 압력측 변위 요소의 입구 영역에서 감소하는 것이 바람직하다. 압력측 변위 요소의 입구 영역은 챔버의 압력측 섹션 및 압력측 변위 요소의 흡입측 영역이다. 출구 영역은 이송 방향으로의 반대 부위에 있다. 바람직하게는, 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 간극은 출구 영역에서 일정하고, 특히 동일한 것이 가능하다. 입구 영역, 특히 압력측 변위 요소의 입구 섹션 및/또는 챔버의 압력측 섹션의 입구 섹션은 작동 동안에 높은 온도를 갖고, 특히 변위 요소의 영역 또는 심지어 전체 스크류 펌프의 가장 높은 온도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 특히, 100 내지 300 mbar의 흡입 압력에서, 그러한 높은 온도가 관찰될 수 있다. 그러한 높은 온도는 압력측 변위 요소, 특히 나선형 돌출부의 열 팽창을 초래할 수 있다. 압력측 변위 요소의 입구 영역에서 팽창이 가장 큰 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명에 따르면, 열 팽창이 상이한 간극을 보상할 수 있으므로, 작동 동안에 최적화된, 바람직하게는 일정한 간극을 달성하는 것이 가능하다.
압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 간극은, 작동 동안에, 특히 100 내지 300 mbar의 흡입 압력 영역에서의 작동 동안에, 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이에 본질적으로 균일한 갭이 형성되도록 조정되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소의 직경은 이송 방향으로 증가한다. 직경은 적어도 부분적으로, 바람직하게는 압력측 변위 요소의 전체 길이에 걸쳐, 즉 압력측 변위 요소의 입구로부터 출구까지 증가하는 것이 바람직하다. 직경은 바람직하게는 압력측 변위의 반경방향 직경이다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소는 흡입측 변위 요소에 대해 역-원추형으로 설계된다. 압력측 변위 요소는, 바람직하게는 압력측 변위 요소의 전체 길이에 걸쳐, 즉 압력측 변위 요소의 입구로부터 출구까지, 적어도 부분적으로 역-원추형으로 설계되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 간극은 이송 방향으로, 특히 압력측 변위 요소의 전체 길이에 걸쳐, 즉 압력측 변위 요소의 입구로부터 출구까지 선형적으로 적어도 부분적으로 감소한다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 특히 입구 영역에서의 반경방향 간극은 100 ㎛ 내지 500 ㎛, 바람직하게는 130 ㎛ 내지 450 ㎛, 보다 바람직하게는 150 ㎛ 내지 400 ㎛이다. 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 반경방향 간극은, 특히 압력측 변위 요소의 전체 길이에 걸쳐, 즉 압력측 변위 요소의 입구로부터 출구까지 20 ㎛ 내지 150 ㎛만큼 감소하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소와 챔버의 압력측 섹션 사이의 간극은 이송 방향으로 10% 내지 50%, 특히 15% 내지 30%만큼 감소한다. 이러한 감소는 특히 압력측 변위 요소의 전체 길이에 걸친 감소, 즉 압력측 변위 요소의 입구로부터 출구까지의 감소를 한정한다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소의 나선형 돌출부 중 적어도 하나의 직경은 이송 방향으로 증가한다. 다시 말해서, 나선형 돌출부는 원추형 형상을 갖는 것이 바람직하다. 나선형 돌출부의 직경은 바람직하게는 반경방향 직경이다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소의 적어도 하나의 나선형 돌출부의 직경은 이송 방향으로 0.05% 내지 0.5%, 특히 0.05% 내지 0.2%만큼 증가한다. 이러한 증가는 특히 압력측 변위 요소의 전체 길이에 걸친 증가, 즉 압력측 변위 요소의 입구로부터 출구까지의 증가를 한정한다.
바람직하게는, 흡입측 변위 요소의 적어도 하나의 나선형 돌출부의 직경은 이송 방향으로 3% 내지 40%, 특히 5% 내지 30%, 보다 특히 15% 내지 30%만큼 감소한다. 이러한 감소는 특히 흡입측 변위 요소의 전체 길이에 걸친 감소, 즉 흡입측 변위 요소의 입구로부터 출구까지의 감소를 한정한다.
바람직하게는, 특히 원추형의 압력측 변위 요소의 경사는 특히 원추형의 흡입측 변위 요소의 경사보다 작다. 흡입측 변위 요소의 경사는 2° 내지 8°인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 압력측 변위 요소의 경사는 0.01° 내지 1°, 특히 0.05° 내지 1°, 보다 특히 0.05° 내지 0.5°이다.
압력측 변위 요소의 나선형 돌출부 중 하나 이상의 직경이 증가하는 것에 대한 대안으로서, 압력측 변위 요소의 하나 이상의 나선형 돌출부가 일정한 직경, 즉 원통형 형상을 갖는 것이 가능하다.
바람직하게는, 챔버의 압력측 섹션의 내경은 이송 방향으로 감소한다. 이러한 챔버의 압력측 섹션은 압력측 변위 요소를 위한 스테이터에 대응한다. 챔버의 압력측 섹션의 감소하는 내경은 선형 또는 곡선형 방식으로 적어도 부분적으로, 바람직하게는 단부에서 단부까지 구현될 수 있다.
바람직하게는, 스크류 펌프의 내부 용적비는 4 이상, 특히 7 이상이다.
바람직하게는, 흡입측 변위 요소의 내부 요소의 직경은 이송 방향으로 적어도 부분적으로, 특히 단부에서 단부까지 증가한다. 내부 요소는 원추형으로 증가하는 것이 바람직하다. 이러한 내부 요소는 바람직하게는 로터 샤프트의 일부이다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소의 내부 요소의 직경은 본질적으로 일정하다. 다시 말해서, 압력측 변위 요소의 내부 요소는 특히 단부에서 단부까지 동일한 직경을 갖는다. 이러한 내부 요소는 바람직하게는 로터 샤프트의 일부이다.
바람직하게는, 각각의 변위 요소는 적어도 하나의 나선형 리세스를 갖는다. 나선형 리세스는 나선형 돌출부에 의해, 특히 나선형 돌출부의 와인딩부들 사이에 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 흡입측 변위 요소의 나선형 리세스의 용적은 압력측 변위 요소의 나선형 리세스의 용적보다 크다.
바람직하게는, 변위 요소는 서로를 향하는 단부면에서 실질적으로 동일한 직경을 갖는다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소의 직경, 특히 평균 또는 최대 직경은 흡입측 변위 요소의 입구 직경보다 5% 내지 35%, 특히 10% 내지 25%만큼 더 작다.
바람직하게는, 흡입측 변위 요소는 4 이상, 특히 7 이상의 용적비를 갖는다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소는 1 내지 3, 특히 1 내지 1.5, 보다 특히 1.0001 내지 1.1의 용적비를 갖는다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소의 직경은 70 ㎜ 내지 200 ㎜이다.
바람직하게는, 흡입측 변위 요소의 직경은 펌프 입구의 영역에서 80 내지 300 ㎜이다.
바람직하게는, 흡입측 변위 요소의 직경은 압력측 변위 요소로의 전이 영역에서 65 내지 180 ㎜이다. 전이 영역은 흡입측 변위 요소의 출구 영역에 대응한다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소의 직경은 펌프의 출구 및/또는 압력측 변위 요소의 출구의 영역에서 65 내지 180 ㎜이다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소의 나선형 돌출부의 와인딩부의 수는 3개 이상, 특히 5개 이상, 보다 특히 8개 이상이다. 바람직하게는, 압력측 변위 요소의 와인딩부들 사이의 갭의 수는 2개 이상, 특히 4개 이상, 보다 특히 7개 이상이다.
바람직하게는, 흡입측 변위 요소의 나선형 돌출부의 와인딩부의 수는 3개 내지 6개이다. 특히, 흡입측 변위 요소의 와인딩부들 사이의 갭의 수는 2개 내지 5개이다.
바람직하게는, 유동 방향으로 흡입측 변위 요소의 상류에 배열된 추가 변위 요소가 제공되며, 추가 변위 요소는 바람직하게는 형상이 실질적으로 원통형이다.
본 개시는 스크류 펌프용 스크류 로터를 추가로 개시한다. 바람직하게는, 본 개시의 스크류 로터는 스크류 진공 펌프, 보다 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프용 스크류 로터이다. 스크류 로터는 로터 샤프트와, 로터 샤프트와 연결된 적어도 2개의 변위 요소를 포함한다. 각각의 변위 요소는 적어도 하나의 나선형 돌출부를 갖는다. 바람직하게는, 나선형 돌출부는 복수의 와인딩부를 포함한다. 변위 요소 중 하나는 흡입측 변위 요소이다. 변위 요소 중 다른 하나는 압력측 변위 요소이다. 흡입측 변위 요소는 이송 방향으로 테이퍼지도록 설계된다. 압력측 변위 요소의 직경은 이송 방향으로 증가한다. 흡입측 변위 요소는 바람직하게는 스크류 펌프의 챔버의 흡입측 섹션에 배열되도록 구성된다. 압력측 변위 요소는 바람직하게는 스크류 펌프의 챔버의 압력측 섹션에 배열되도록 구성된다.
바람직하게는, 스크류 펌프용 스크류 로터는 본 개시의 상기 스크류 펌프에 대해 규정된 하나 이상의 특징을 포함한다.
바람직하게는, 스크류 펌프용 스크류 로터는 상기에 규정된 스크류 펌프용 스크류 로터이다.
본 개시는 스크류 펌프용 스크류 로터를 제조하는 방법을 추가로 개시한다. 바람직하게는, 상기 방법은 스크류 진공 펌프, 보다 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프용 스크류 로터를 제조하는 방법이다. 상기 방법은 스크류 로터를 제공하는 단계를 포함한다. 제공된 스크류 로터는 로터 샤프트와, 로터 샤프트와 연결된 적어도 2개의 변위 요소를 포함한다. 각각의 변위 요소는 적어도 하나의 나선형 리세스를 갖는다. 바람직하게는, 나선형 돌출부는 다수의 와인딩부를 포함한다. 변위 요소 중 하나는 흡입측 변위 요소이다. 변위 요소 중 다른 하나는 압력측 변위 요소이다. 압력측 변위 요소는 실질적으로 원통형으로 설계된다. 상기 방법의 다른 단계는 이송 방향으로 압력측 변위 요소의 증가하는 직경을 달성하도록 압력측 변위 요소를 기계가공하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 기계가공은 본 개시의 스크류 펌프의 상기 압력측 변위 요소에 대해 규정된 하나 이상의 특징을 갖는 압력측 변위 요소를 달성하는 방식으로 수행된다.
바람직하게는, 기계가공은 선삭(turning), 및/또는 밀링(milling), 및/또는 연삭(grinding)에 의해 수행된다.
본 개시는 스크류 펌프를 제조하는 방법을 추가로 개시한다. 바람직하게는, 상기 방법은 스크류 진공 펌프, 보다 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프를 제조하는 방법이다. 상기 방법은 스크류 펌프용 스크류 로터를 제조하는 상기에 규정된 방법의 단계를 포함한다. 상기 방법의 다른 바람직한 단계는 펌프의 하우징 내부에 스크류 펌프용 스크류 로터를 제조하는 상기에 규정된 방법의 단계로 제조된 적어도 하나, 바람직하게는 2개의 스크류 로터를 배열하는 것이다.
본 개시는 진공을 발생시키기 위한 상기에 규정된 스크류 펌프의 용도, 또는 진공을 발생시키기 위한, 스크류 펌프, 바람직하게는 스크류 진공 펌프, 보다 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프에서의 상기에 규정된 스크류 로터, 특히 상기에 규정된 스크류 로터 중 2개의 스크류 로터의 용도를 추가로 개시한다.
이하에서는 본 개시가 바람직한 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 최신 기술의 스크류 로터의 개략적인 측면도를 도시하고,
도 2는 최신 기술의 스크류 진공 펌프의 일부분의 개략적인 절개 측면도를 도시하고,
도 3은 본 개시에 따른 스크류 로터의 일 실시예의 개략적인 측면도를 도시하고,
도 4는 본 개시에 따른 스크류 진공 펌프의 일 실시예의 일부분의 개략적인 절개 측면도를 도시하고,
도 5a 및 도 5b는 도 3의 상세 섹션 V에 기초하는 실시예의 개략적인 상세 측면도를 도시하고,
도 6은 본 개시에 따른 스크류 진공 펌프의 다른 실시예의 일부분의 개략적인 절개 측면도를 도시하고,
도 7은 최신 기술의 스크류 진공 펌프의 반경방향 간극을 나타내는 그래프를 도시하며,
도 8은 본 개시에 따른 스크류 진공 펌프의 일 실시예의 반경방향 간극을 나타내는 그래프를 도시한다.
유사하거나 동일한 구성요소 또는 요소는 도면에서 동일한 참조 부호 또는 그 변형(예를 들어, 51 및 51a 내지 51e)으로 식별된다.
도 1에 도시된 스크류 로터(10)는 바람직하게는 DE202017005336U1의 스크류 로터에 대응한다. 스크류 로터(10)는 2개의 변위 요소(12, 14)를 지지하는 로터 샤프트(11)를 포함한다. 로터 샤프트의 2개의 원통형 단부(16, 18)는 펌프 하우징에서 스크류 로터를 지지하기 위한 베어링을 수용하는 역할을 한다. 오버행 방식(overhung manner)으로, 즉 일 측부에서 로터 샤프트를 지지하는 것도 가능하다.
도 1의 우측에 있는 변위 요소(12)는 원추형이고, 도 1의 우측에 배열되지만 여기서는 도시되어 있지 않은 펌프 입구(20)로부터 도 1의 좌측에 배열되지만 여기서는 도시되어 있지 않은 펌프 출구(24)를 향해 이송 방향(22)으로 테이퍼져 있다.
원추형 흡입측 변위 요소(12)의 나선형 리세스(26)는 용적이 감소하도록 설계되어 있다. 이것은 한편으로는 변위 요소(12)의 원추형 외부 형상으로 인해 달성된다. 변위 요소(12)의 원추형 외부 형상은 변위 요소의 나선형 돌출부(36)의 감소하는 직경에 의해 달성된다(또한 도 3 참조). 반면에, 변위 요소(12)의 내부 부분(28)이 이송 방향으로 넓어지는 것으로 인해 용적 감소가 달성된다(또한 도 3 참조). 따라서, 2개의 맞물림 스크류 로터에 의해 형성된 개별 챔버 용적은 이송 방향(22)으로 각각의 용적을 감소시킨다.
2개의 변위 요소(12, 14)만이 제공되는 도시된 실시예에서, 펌프 출구(24) 또는 펌프의 압력측을 향하여 있는 변위 요소(12)의 단부면(30)은 압력측 변위 요소(14)의 단부면(32)에 접하여 있다. 단부면(32)은 펌프 입구를 향해 또는 진공 펌프의 흡입측 방향을 향하여 있다. 2개의 변위 요소(12, 14)의 직경은 바람직하게는 단부면(30, 32)의 영역에서 실질적으로 동일하다.
도 1에서, 압력측 변위 요소(14)는 원통형 형상을 갖는다. 압력측 변위 요소(14)는 또한 나선형 리세스(34)를 형성하는 나선형 돌출부(36)를 갖는다.
도시된 실시예에서, 리세스(34)로 인해 8개의 와인딩부가 압력측 변위 요소(14)에 형성된다.
도 2는 도 1의 스크류 로터(10)를 갖는 스크류 진공 펌프(100)의 일부분의 개략적인 절개 측면도를 도시한다.
스크류 진공 펌프(100)의 하나의 스크류 로터(10) 및 진공 펌프(100)의 하우징의 벽(60)의 일부분만이 도시되어 있다. 하우징은 내부에 챔버(62)를 형성한다.
도시된 벽(60)의 우측 섹션은 흡입측 변위 요소(12)용 스테이터를 형성하는 챔버(62)의 흡입측 섹션(64)에 대응한다. 한편, 도시된 벽(60)의 좌측 섹션은 압력측 변위 요소(14)용 스테이터를 형성하는 챔버(62)의 압력측 섹션(68)에 대응한다.
흡입측 변위 요소(12)와 챔버(62)의 흡입측 섹션(64) 사이의 간극은 흡입측 변위 요소(12)의 나선형 돌출부(36)의 외부면(38)과 챔버(62)의 흡입측 섹션(64)의 내부면(66) 사이의 거리(AR)에 대응한다. 바람직하게는, 거리(AR)는 일정하며, 즉 거리(AR)는 전체 흡입측 변위 요소(12)에 대해 동일한 값을 갖는다.
압력측 변위 요소(14)와 챔버(62)의 압력측 섹션(68) 사이의 간극은 일정하다. 따라서, 압력측 변위 요소(14)의 우측에 있는 나선형 돌출부(50)의 와인딩부(51a)의 외부면(52a)과 챔버(62)의 흡입측 섹션(68)의 내부면(70) 사이의 거리()는 압력측 변위 요소(14)의 좌측에 있는 나선형 돌출부(50)의 와인딩부(51e)의 외부면(52)과 챔버(62)의 흡입측 섹션(68)의 내부면(70) 사이의 거리()와 동일하다. 바람직하게는, 거리 AR뿐만 아니라 및 은 동일하다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 스크류 로터(10)를 갖는 스크류 펌프의 경우, 낮은 흡입 압력에서 작동할 때, 압축은 주로 압력측 변위 요소(14)에서 실행되며, 이는 스크류 펌프에 대한 전력 소비를 낮춘다. 그러나 예를 들어 100 내지 300 mbar 범위에서 작동하는 경우, 테이퍼형 흡입측 변위 요소(12)에서 압축이 실행되고, 가스가 압력측 변위 요소(14)에 진입하기 전에 대기압에 도달한다. 압력측 변위 요소(14)는 압축에 기여하지 않고, 회전 냉각 핀으로서 역할을 하면서 가스를 이송하기만 하며, 즉 이들은 가스 및 로터를 모두 냉각시킨다. 낮은 흡입 압력에서 작동할 때, 전력 소비가 낮고 로터 온도도 낮다. 예를 들어 100 내지 300 mbar의 흡입 압력으로 작동하는 동안에, 압축 동력은 높고, 압축은 테이퍼형 흡입측 변위 요소(12)에서 실행된다. 이것은 이러한 영역에서 높은 출력 밀도를 야기하고, 결과적으로 높은 로터 온도를 초래한다.
간극 관점에서의 과제는 펌프(100)의 온도 프로파일이다. 낮은 입구 압력에서 작동할 때, 높은 용적비로 인해 전력 소비가 낮고, 로터 온도도 낮다. 이것은 반경방향 간극의 열 감소를 적게 한다. 그러나 예를 들어 100 내지 300 mbar의 흡입 압력의 경우, 압축 동력은 높고, 압축은 테이퍼형 흡입측 변위 요소(12)에서 실행된다. 이것은 이러한 영역에서 높은 출력 밀도를 야기하고, 결과적으로 특히 변위 요소(12)와 압력측 변위 요소(14) 사이의 전이 영역에서 반경방향 간극의 높은 열 감소 및 높은 로터 온도를 초래한다.
도 1 및 도 2의 진공 펌프(100)에 대한 열 효과에 기초한 변화하는 반경방향 간극의 영향이 도 7에 도시되어 있다.
도 7의 하부의 그래프는 스크류 로터(10)의 길이에 따른 반경방향 간극을 나타낸다.
곡선 C는 저온 상태(cold condition)에서의 간극을 나타낸다. 저온 상태에서, 간극은 일정하다. 바람직하게는, 간극은 = = AR에 대응한다.
곡선 W는 가온 상태(warm condition), 바람직하게는 100 내지 300 mbar, 특히 200 mbar의 흡인 압력에서의 간극을 나타낸다. 가온 상태에서, 간극은 이송 방향으로 스크류 로터(10)의 길이에 걸쳐 감소하며, 이에 의해 영역 Q에서 최소 간극에 도달한다. 이러한 영역 Q에서 팽출부(bulge)를 찾을 수 있다. 이러한 감소된 간극은 고착 위험을 초래한다.
반경방향 간극은 펌프 성능에 있어서 단연 가장 중요한 간극인 것으로 밝혀졌다. 가능한 한 작아야 하지만, 로터가 최고 온도에 도달하는 100 내지 300 mbar 영역을 포함하는 모든 상태들 하에서 펌프가 안전하게 작동할 수 있어야 한다. 따라서, 반경방향 간극은 이러한 작동 영역에 맞게 설계되어야 한다.
도 3은 본 개시에 따른 스크류 로터(10)의 일 실시예를 도시한다.
이 실시예는 도 1의 스크류 로터(10)에 기초하고 있다.
도 1의 스크류 로터(10)와 대조적으로, 도 3의 스크류 로터(10)는 흡입측 변위 요소(12)에 비해 역-원추형 형상(counter conical shape)을 갖는 나선형 돌출부(50)를 갖는 압력측 변위 요소(14)를 도시한다. 상세하게는, 압력측 변위 요소(14)의 직경은 이송 방향(22)으로 증가한다. 표시된 바와 같이, 흡입측 변위 요소(12)의 입구 영역의 직경()은 흡입측 변위 요소(12)의 출구 영역의 직경()보다 작다. 나선형 돌출부(50)의 직경()은 와인딩부(51a)에서 결정되는 반면, 나선형 돌출부(50)의 직경()은 와인딩부(51e)에서 결정된다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소(14)의 나선형 돌출부(50)의 직경은 이송 방향으로 0.05% 내지 0.5%, 특히 0.05% 내지 0.2%만큼 증가한다. 이러한 증가는 특히 압력측 변위 요소(14)의 전체 길이에 걸친 증가, 즉 압력측 변위 요소(14)의 입구부터 출구까지의 증가를 한정한다.
도 1과 같이, 압력측 변위 요소(14)의 내부 요소(54)의 외경 또는 나선형 리세스(34)의 직경에 대응하는 압력측 변위 요소(14)의 내경(DRP)은 바람직하게는 압력측 변위 요소(14)에 대해 일정하다. 따라서, 직경(DRP)은 이송 방향(22)으로 압력측 변위 요소(14)의 전체 길이에 걸쳐 동일한 값을 갖는다.
또한, 도 3의 흡입측 변위 요소(12)의 내경 및 외경은 도 1과 동일하다. 흡입측 변위 요소(12)의 입구 영역의 직경은 흡입측 변위 요소(12)의 출구 영역의 직경보다 작다. 예시적으로, 나선형 돌출부(36)의 우측에 있는 제 1 영역의 직경()이 표시되어 있으며, 이는 나선형 돌출부(36)의 좌측에 있는 제 2 영역의 직경()보다 크다. 흡입측 변위 요소(12)의 내부 요소(42)의 외경 또는 나선형 리세스(26)의 직경에 대응하는 흡입측 변위 요소(12)의 내경은 바람직하게는 이송 방향(22)으로 증가한다. 예시적으로, 나선형 돌출부(26)의 우측에 있는 제 1 영역의 직경()이 표시되어 있으며, 이는 나선형 돌출부(26)의 좌측에 있는 제 2 영역의 직경()보다 작다.
도 3은 본 개시에 따른 스크류 진공 펌프(100)의 일 실시예를 도시한다. 이 실시예의 스크류 로터(10)는 도 3의 스크류 로터(10)에 대응한다.
도 3의 우측, 즉 흡입측 변위 요소(12)의 섹션은 도 2의 실시예에 대응한다.
좌측, 즉 압력측 변위 요소(14)의 섹션에서, 압력측 변위 요소(14)의 나선형 돌출부(50)의 직경 증가로 인해, 압력측 변위 요소(14)와 챔버(68)의 압력측 섹션 사이의 간극은 이송 방향(22)으로 감소한다. 이것은 압력측 변위 요소(14)의 우측 영역에서 챔버(62)의 압력측 섹션(68)과 나선형 돌출부(50) 사이의 거리()로 표시되며, 이 거리()는 압력측 변위 요소(14)의 좌측 영역에서 압력측 섹션(68)의 챔버(62)와 나선형 돌출부(50) 사이의 거리()보다 크다.
바람직하게는, 압력측 변위 요소(14)와 챔버(62)의 압력측 섹션(68) 사이의 간극은 이송 방향(22)으로 10% 내지 50%, 특히 15% 내지 30%만큼 감소한다. 이러한 감소는 특히 압력측 변위 요소(14)의 전체 길이에 걸친 감소, 즉 압력측 변위 요소(14)의 입구로부터 출구까지의 감소를 한정한다.
도 5a는 도 3의 섹션 V의 상세 측면도를 도시한다.
경사진 참조선(58)으로 표시된 바와 같이, 압력측 변위 요소(14)의 나선형 돌출부(50)는 직경이 이송 방향으로 증가한다. 여기서는, 도시된 바와 같이, 선형 증가가 구현된다.
좌측 와인딩부(51d)의 좌측의 직경()은 좌측 와인딩부(51d)의 우측의 직경()보다 크다. 좌측 와인딩부(51d)의 최소 직경()은 중간 와인딩부(51c)의 최대 직경()보다 크다.
직경은 나선형 돌출부(50)의 외부면(51d, 51c, 51b) 사이에서 측정되며, 나선형 돌출부(50)의 타측의 외부면은 도 5a에 도시되어 있지 않다.
도 5b는 도 5a에 기초하는 압력측 변위 요소(14)의 대안적인 실시예를 도시한다.
나선형 돌출부(50)의 우측 와인딩부(51b)와 중간 와인딩부(51c)는 도 5a에도 구현된 바와 같이 이송 방향으로 증가하는 직경을 갖는다. 따라서, 특히 와인딩부(51b, 51c)의 외부면(52b, 52c)은 원추형 형태를 갖는다.
그러나, 나선형 돌출부(50)의 좌측 와인딩부(51d)는 원통형 형태를 가지며, 따라서 일정한 직경을 갖는다. 이러한 실시예에서, 나선형 돌출부(50)의 일부만이 증가하는 직경을 갖는다. 다시 말해서, 나선형 돌출부(50)의 직경은 압력측 변위 요소(14)의 길이에 걸쳐 부분적으로 증가한다.
도 6은 본 개시에 따른 스크류 진공 펌프(100)의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예의 스크류 로터(10)는 도 1의 스크류 로터(10)에 대응한다.
스크류 진공 펌프(100)의 하우징의 벽(60)은 도 2의 실시예에 기초하고 있다. 그러나, 도 2와 대조적으로, 챔버(62)의 압력측 섹션(68)은 이송 방향(22)으로 감소하는 내경을 갖는다.
압력측 변위 요소(14)와 챔버(62)의 압력측 섹션(68) 사이의 간극은 역시 이송 방향(22)으로 감소한다. 우측의 압력측 섹션(68)과 나선형 돌출부(50) 사이의 거리()는 좌측의 압력측 섹션(68)과 나선형 돌출부(50) 사이의 거리()보다 크다.
도시된 실시예에서, 나선형 돌출부(36) 및/또는 나선형 돌출부(50)의 변화하는 직경에 대해 일정한 피치가 구현된다. 그러나, 변화하는 피치, 예를 들어 이송 방향(22)으로 증가하거나 감소하는 피치를 갖는 것이 가능하다.
실시예들은 하나의 스크류 로터(10)만을 도시한다. 본 개시의 스크류 펌프는 바람직하게는 본원에 규정된 바와 같은 스크류 로터(10)에 대한 간극의 관점에서 동일한 제 2 스크류 로터를 갖는 것이 바람직하다.
실시예들의 스크류 로터(10)는 스크류 진공 펌프, 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프용 스크류 로터(10)이다. 그러나, 특히 도면에 도시된 바와 같은 본 개시의 스크류 로터(10)는 일반적인 스크류 펌프용 스크류 로터(10)인 것이 또한 가능하다. 실시예들의 스크류 펌프(100)는 스크류 진공 펌프(100), 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프(100)이다. 그러나, 특히 도면에 도시된 바와 같은 본 개시의 스크류 펌프(100)는 일반적인 스크류 펌프인 것이 또한 가능하다.
도 8은 본 발명에 따른, 압력측 변위 요소(14)와 챔버(62)의 압력측 섹션(68) 사이의 간극 감소의 영향을 나타낸다.
도 8의 하부의 그래프는 도 3의 스크류 로터(10)의 길이에 따른 반경방향 간극을 도시한다.
곡선 C'는 저온 상태에서의 간극을 나타낸다.
곡선 W'는 가온 상태, 바람직하게는 100 내지 300 mbar, 특히 200 mbar의 입구 압력에서의 간극을 나타낸다. 가온 상태에서, 간극은 이송 방향으로 스크류 로터(10)의 길이에 걸쳐 감소한다.
최신 기술의 진공 펌프(도 7 참조)의 현저한 간극 저하(영역 Q)와 대조적으로, 본 발명에 따른 스크류 로터(10) 및/또는 스크류 진공 펌프(100)는, 특히 영역 Q'에서, 본질적으로 일정한 간극 변화를 나타낸다.
따라서, 고착 위험이 감소될 수 있다. 한편, 본 발명에 따르면, 최적의 펌핑 효율을 달성하기 위해 반경방향 간극을 최적화, 특히 최소화하는 것이 가능하다.

Claims (21)

  1. 스크류 펌프(100), 바람직하게는 스크류 진공 펌프(100), 보다 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프(100)에 있어서,
    챔버(62)를 한정하는 하우징 및 2개의 스크류 로터(10)를 포함하며,
    각각의 스크류 로터(10)는,
    로터 샤프트(11)와,
    상기 로터 샤프트(11)와 연결된 적어도 2개의 변위 요소(12, 14)를 포함하며, 각각의 변위 요소(12, 14)는 적어도 하나의 나선형 돌출부(36, 50)를 가지며,
    상기 변위 요소(12, 14) 중 하나는 상기 챔버(62)의 흡입측 섹션(64)에 배열된 흡입측 변위 요소(12)이고,
    상기 변위 요소(12, 14) 중 다른 하나는 상기 챔버(62)의 압력측 섹션(68)에 배열된 압력측 변위 요소(14)이고,
    상기 흡입측 변위 요소(12)는 이송 방향(22)으로 테이퍼지도록 설계되고,
    상기 압력측 변위 요소(14)와 상기 챔버의 압력측 섹션(68) 사이의 간극은 이송 방향(22)으로 적어도 부분적으로 감소하는
    스크류 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)와 상기 챔버(62)의 압력측 섹션(68) 사이의 간극은, 작동 동안에, 특히 100 내지 300 mbar 영역에서의 작동 동안에, 상기 압력측 변위 요소(14)와 상기 챔버(62)의 압력측 섹션(68) 사이에 균일한 갭이 형성되도록 조정되는
    스크류 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)의 직경은 이송 방향(22)으로 증가하는
    스크류 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)는 상기 흡입측 변위 요소(12)에 대해 역-원추형으로 설계되는
    스크류 펌프.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)와 상기 챔버(62)의 압력측 섹션(68) 사이의 간극은 이송 방향(22)으로 선형적으로 적어도 부분적으로 감소하는
    스크류 펌프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)와 상기 챔버(62)의 압력측 섹션(68) 사이의 간극은 이송 방향(22)으로 10% 내지 50%, 특히 15% 내지 30%만큼 감소하는
    스크류 펌프.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)의 적어도 하나의 나선형 돌출부의 직경은 이송 방향(22)으로 증가하는
    스크류 펌프.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)의 적어도 하나의 나선형 돌출부의 직경은 이송 방향(22)으로 0.05% 내지 0.5%, 특히 0.05% 내지 0.2%만큼 증가하는
    스크류 펌프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버(62)의 압력측 섹션(68)의 내경은 이송 방향(22)으로 감소하는
    스크류 펌프.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크류 펌프(100)의 내부 용적비는 4 이상, 특히 7 이상인
    스크류 펌프.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡입측 변위 요소(12)는 4 이상, 특히 7 이상의 용적비를 갖는
    스크류 펌프.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)는 1 내지 3, 특히 1.0001 내지 1.1의 용적비를 갖는
    스크류 펌프.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡입측 변위 요소(12)의 내부 요소(42)의 직경은 이송 방향(22)으로 증가하는
    스크류 펌프.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력측 변위 요소(14)의 내부 요소(54)의 직경은 본질적으로 일정한
    스크류 펌프.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 변위 요소(12, 14)는 적어도 하나의 나선형 리세스(26, 34)를 갖는
    스크류 펌프.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 흡입측 변위 요소(12)의 나선형 리세스의 용적은 상기 압력측 변위 요소(14)의 나선형 리세스의 용적보다 큰
    스크류 펌프.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이송 방향(22)으로 상기 흡입측 변위 요소(12)의 상류에 배열된 추가 변위 요소가 제공되며, 상기 추가 변위 요소는 바람직하게는 형상이 실질적으로 원통형인
    스크류 펌프.
  18. 스크류 펌프(100), 바람직하게는 스크류 진공 펌프(100), 보다 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프(100)용 스크류 로터(10)에 있어서,
    로터 샤프트(11)와,
    상기 로터 샤프트(11)와 연결된 적어도 2개의 변위 요소(12, 14)를 포함하며, 각각의 변위 요소(12, 14)는 적어도 하나의 나선형 돌출부(36, 50)를 가지며,
    상기 변위 요소(12, 14) 중 하나는 흡입측 변위 요소(12)이고,
    상기 변위 요소(12, 14) 중 다른 하나는 압력측 변위 요소(14)이고,
    상기 흡입측 변위 요소(12)는 이송 방향(22)으로 테이퍼지도록 설계되고,
    상기 압력측 변위 요소(14)의 직경은 이송 방향(22)으로 증가하는
    스크류 로터.
  19. 스크류 펌프(100), 바람직하게는 스크류 진공 펌프(100), 보다 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프(100)용 스크류 로터(10)를 제조하는 방법에 있어서,
    스크류 로터(10)를 제공하는 단계로서, 상기 스크류 로터(10)는 로터 샤프트(11)와, 상기 로터 샤프트(11)와 연결된 적어도 2개의 변위 요소(12, 14)를 포함하며, 각각의 변위 요소(12, 14)는 적어도 하나의 나선형 리세스(26, 34)를 가지며, 상기 변위 요소(12, 14) 중 하나는 흡입측 변위 요소(12)이고, 상기 흡입측 변위 요소(12)는 이송 방향(22)으로 테이퍼지도록 설계되고, 상기 변위 요소(12, 14) 중 다른 하나는 압력측 변위 요소(14)이고, 상기 압력측 변위 요소(14)는 실질적으로 원통형으로 설계되는, 제공하는 단계와,
    이송 방향(22)으로 증가하는 직경을 갖도록 상기 압력측 변위 요소(14)를 기계가공하는 단계를 포함하는
    스크류 로터의 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 기계가공하는 단계는 선삭 및/또는 밀링 및/또는 연삭에 의해 수행되는,
    스크류 로터의 제조 방법.
  21. 진공을 발생시키기 위한 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 스크류 펌프(100)의 용도, 또는 진공을 발생시키기 위한, 스크류 펌프(100), 바람직하게는 스크류 진공 펌프(100), 보다 바람직하게는 건식 작동 스크류 진공 펌프(100)에서의 제 18 항에 기재된 스크류 로터(10)의 용도.
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