JP5860035B2 - スクリュー式真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、スクリュー式真空ポンプに関する。

スクリュー式真空ポンプは２つのスクリューロータを備えており、該スクリューロータは、ポンプハウジングによって形成されたポンプチャンバに配置されている。スクリューロータは、通常両側で支持されており、様々なピッチ形状を有している。スクリューロータは、例えば「ワット−真空技術のハンドブック（Wutz - Handbuch Vakuumtechnik）」，第10版，2010年，p.270 −277 に記載されているように、対称な歯形又は非対称な歯形を有することが可能である。通常、このようなロータでは固有圧縮比、つまり吸込み側チャンバと圧力側チャンバとの体積比が４未満である。より高い圧縮比は、吸込圧力が高い場合に非常に高いパワー入力値につながる。このため、不相応に大きな駆動モータを使用する必要がある（「ワット（Wutz）」，同書，p.276 参照）。圧縮力を増大させることにより、スクリューロータの圧力側領域で高温が発生する問題が生じる。この場合、ポンプハウジングを介した放熱がそれ以上不可能になり、そのため、スクリューロータの内部を冷却することにより放熱を行わなければならない。これは技術的に複雑であり、スクリュー式真空ポンプの製造コスト及び保守コストが高くなる。

独国特許出願公開第10334484号明細書

高い固有圧縮比を可能にするために、隙間高さを変えることが、「ＶＤＩ−レポート（VDI-Bericht ）」，第1932号，2006年に提案されている。隙間高さ、つまり特にはスクリューロータとポンプハウジングとの距離を、圧力側より吸込み側でより大きくすべきであると記載されている。粘性があり分子状である圧力依存性の流れのタイプのため、吸込み側でより大きい隙間が許容可能になる。吸込圧力が高い場合には、このような隙間は、スクリューロータの回転速度の低下と組み合わせて、内部圧縮を低下させる。この結果、圧縮力が下がり、発熱量も減少する。しかしながら、内部圧縮の低下により吸込能力も低下することが不利である。

更に、ロータは一方の側でのみ、つまり片持ちで支持されることが知られている。これは、１つの軸受を設けるだけでよいという相当な利点を有する。この軸受は、圧力側に、つまり伝達側に配置される。そのため、吸込み側の低圧領域に配置される第２の軸受が省略され得る。しかしながら、片持ちで支持されるスクリューロータの組立体では、スクリューロータ同士が作動中に接触する危険性があるので、スクリューロータの長さを構造上短くしなければならない。スクリューロータの長さが構造上相対的に短いため、巻回部分の数が少なくなる。更に、片持ちされるスクリューロータの直径は相対的に大きい。スクリューロータの長さとスクリューロータの軸間の距離との比率は、通常2.5 未満である。

本発明は、放熱が簡単な方法で実現される、「固有圧縮比」が少なくとも4.5 であるスクリュー式真空ポンプを提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の目的は請求項１に定義されている特徴によって達成される。

本発明のスクリュー式真空ポンプは、ポンプチャンバを画定するポンプハウジングを備えている。ポンプハウジングには、２つのスクリューロータが配置されている。本発明のスクリューロータは長いので、これらのスクリューロータは両側で支持されるタイプであり、そのため、２つの軸受要素がスクリューロータ毎に設けられている。更に、スクリューロータの直径は相対的に小さく、そのため、スクリューロータの長さとスクリューロータの軸間の距離との比率が、3.0 より大きく、好ましくは3.5 より大きく、更に好ましくは4.0 より大きい。更に、本発明のスクリューロータは異なるピッチを有しており、少なくとも７個の巻回部分、好ましくは少なくとも９個の巻回部分、更に好ましくは少なくとも11個の巻回部分を有している。本発明の圧縮比は少なくとも4.5 であり、好ましくは少なくとも５である。本発明によって提供されているような高い圧縮比でのスクリューロータの過熱を避けるために、スクリューロータは、ピッチが僅かにのみ変わっているか、又は全く変わらない複数の巻回部分を圧力側に有している。従って、本発明によれば、巻回部分の半分が設けられている領域のピッチは、ロータ出口でのピッチの２倍より小さい。巻回部分の半分が設けられている領域のピッチがロータ出口でのピッチの２倍より小さいが、巻回部分の半分が設けられている領域のピッチがロータ出口でのピッチの1.5 倍より小さいことが特に好ましい。本発明によって提供されているようなスクリューロータの圧力側での僅かに変わっているピッチと、好ましくはピッチに対応して選択されている隙間高さとによって、圧縮力がスクリューロータのより長い領域に沿って生成される。そのため、本発明は、改善された放熱を可能にする相当な利点を提供する。これが可能になるのは、圧縮処理、ひいては余熱が略高圧領域で生じるからであり、且つ本発明では高圧が生じる明らかに拡大した領域により、熱吸収のためのポンプハウジングの表面積が更に拡大されているからである。本発明のスクリュー式真空ポンプの好ましい実施形態によれば、１つのねじ山のみを夫々有するスクリューロータが設けられている。

従って、スクリューロータのピッチが僅かに変わっている圧力側に発明性がある長い領域が設けられた結果、少なくとも4.5 の圧縮比を実現することが可能になり、スクリューロータの過熱が回避されるように、生成された熱を放散することが可能になる。本明細書では、圧力がより低い領域又は高真空領域では、ガス密度が低いためポンプハウジングへの十分な熱伝達が不可能になるので、放熱が圧力側領域でのみ行われ得るとみなす必要がある。

固有の体積比が非常に高いスクリューロータの発明性がある設計は、低圧の場合にパワー入力が小さいという利点を更に有する。従って、10mbar未満の出力圧力のために、吸込能力に関して12W/(m³h) 未満のパワー入力を実現することが可能になる。

特に好ましい実施形態によれば、放熱はポンプハウジングを介してのみ行なわれる。媒体自体を介して行われる放熱とは別に、放熱は、好ましくはポンプハウジングを介してのみ行なわれる。従って、技術的に複雑なスクリューロータの内部冷却を行う必要がない。

更に、ピッチが僅かに変わっている複数の巻回部分をスクリューロータの圧力側領域に設けているという発明性により、ノイズが明らかに低減するという利点がある。これは、圧縮がより長い領域に亘って生じることで、最後のチャンバとガス出口領域との圧力差が小さくなるからである。それによって、ノイズを発生させる圧力波を引き起こす戻り空気混入が低減する。戻り空気混入が低減した結果、自由噴出による排出の場合のノイズの発生も３乃至６dB(A) まで低減する。このため、更に小型のノイズ減衰要素を設けることが可能になるという相当な利点がある。ノイズ減衰要素の体積を構造上小さくすることが可能になるため、より長いスクリューロータによる真空ポンプの構造上の長さの増大が、少なくとも部分的に補償され得る。

更に、スクリューロータの外形が略対称であることが好ましい。本明細書では、台形の外形、環状の外形又は螺旋状の外形が好ましい。スクリューロータの出口側での比較的長い領域に沿って圧縮力が広がるように、隙間高さ、つまり特にはスクリューロータとポンプハウジングの内壁との距離が選択されていることが好ましい。本明細書では、ターボ分子ポンプの冷却状態における比率「冷却状態の隙間高さ／軸間の距離」が2/1000より大きいことが特に好ましい。更に、動作状態では、つまり動作温度に達するとき、比率「冷却状態の隙間高さ／軸間の距離」は12/1000 より大きいことが好ましい。本発明によれば、端部での圧力処理では、チャンバ圧力が出口側から測定してスクリューロータの長さの約20%以降でのみ100 mbarの平均チャンバ圧力未満に低下するように、隙間高さが選択されていることが好ましい。

好ましい実施形態によれば、本発明のスクリュー式真空ポンプは、5000毎分回転数を超える公称の回転速度を有する。更に、過剰圧縮を避けるために、放圧弁がスクリューロータの圧力側領域に設けられ得る。放圧弁を設ける代わりに、又は放圧弁に加えて、回転速度制御部が設けられ得る。過剰圧力は、回転速度の適切な低下によっても回避され得る。両方の手段が、高い吸込圧力でパワー入力を効率的に低減し、従って内蔵されたモータの出力を効率的に下げるために適している。

本発明に従って設計された２つのスクリューロータを示す概略平面図である。 圧力発生を示す概略図と共に、本発明に係るスクリューロータと比較した現在の技術に係るスクリューロータを示す概略図である。

本発明を、添付図面を参照して好ましい実施形態により以下に更に詳細に説明する。

図１に示された２つのスクリューロータが、ポンプハウジング（不図示）に配置されている。該ポンプハウジングは、２つのスクリューロータ12,14 が配置されているポンプチャンバ10を画定している。前記２つのスクリューロータ12,14 は、軸受要素20によってポンプハウジング内に回転自在に配置されたスタブシャフト16,18 をスクリューロータ12,14 の両側部に有している。前記２つのスクリューロータ12,14 を駆動するために、スタブシャフト18又は代わりにスタブシャフト16は、駆動モータに直接又は伝動式で通常通り接続されている。第２のスクリューロータは、同一の駆動モータによって対応する歯部構成（不図示）によって駆動され、そのため、２つのスクリューロータ12,14 が互いに同期して反対方向に回転する。スクリューロータ12,14 は、吸込み側で（矢印22の方向に）搬送されるべき媒体を吸込み、圧力側で（矢印24の方向に）媒体を排出すべく機能する。

スクリューロータのピッチは、斜線26によって可視化されている。図１には、ピッチがスクリューロータの長さl に亘って変わっていることが示されている。圧力側領域28では、ピッチは吸込み側領域30より著しく狭い。本発明によれば、巻回部分の半分が設けられている領域31のピッチがロータ出口24でのピッチの最大２倍であるように、圧力側領域28のピッチが設けられている。その結果、ピッチがほんの僅かに変わっている比較的長い圧力側領域28が設けられている。圧力側領域28では、入口と出口との圧力差の大部分に亘る圧縮が生じる。従って、この圧力側領域28では圧縮処理の大部分が行なわれる。その結果、放散されるべき熱が略この圧力側領域28で生じる。本発明によれば、熱の放散が、圧力側領域28でスクリューロータ12,14 を囲むポンプハウジングを介して行なわれる。

本発明によれば、スクリューロータ12,14 は構造上長い。従って、本発明によって提供されているように、スクリューロータ12,14 の長さl とスクリューロータの軸間の距離d との比率が3.0 より大きい。

図２の上部には、図１のスクリューロータ12,14 に相当する本発明に係るスクリューロータ12が示されている。スクリューロータ12の下方には、現在の技術に係るスクリューロータ32が示されている。スクリューロータ32は更に短く、ピッチがほんの僅かに変わっている少数の巻回部分を圧力側領域36に有している。現在の技術に係るスクリューロータ32では、圧力発生が、ライン34によって概略的に示されている経路に沿って生じる。このため、スクリューロータ32の圧力側領域36で著しい圧力上昇が生じることは明らかである。

本発明に係るスクリューロータ12の構成により、圧力側領域28は明らかにより長い。更に、隙間高さは対応して選択される（冷却状態の隙間高さ／軸間の距離は2/1000より大きく、加熱状態の隙間高さ／軸間の距離は1/1000より大きい）。この結果、図２のライン38によって示されているように、圧力の増加はより平坦な経路をたどる。

Claims (11)

1. スクリュー式真空ポンプにおいて、
   ポンプチャンバを画定するポンプハウジングと、
   前記ポンプチャンバに配置された２つのスクリューロータと
   を備えており、
   前記２つのスクリューロータは、２つの軸受要素によって前記ポンプハウジングに夫々支持されており、前記スクリューロータの長さと前記スクリューロータの軸間の距離との比率が３を超えており、
   前記スクリューロータは、異なるピッチと、少なくとも７個の巻回部分と、少なくとも4.5 の固有圧縮比とを有しており、
   前記巻回部分の半分が設けられている圧力側の領域のピッチは、圧力側のロータ出口でのピッチの２倍より小さいことを特徴とするスクリュー式真空ポンプ。
2. 前記スクリューロータは夫々１つのねじ山のみを有していることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー式真空ポンプ。
3. 前記スクリューロータの外形が略対称であるか、又は非対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリュー式真空ポンプ。
4. 放熱のために、前記ポンプハウジングのみが能動的に冷却されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスクリュー式真空ポンプ。
5. 前記スクリューロータの長さと前記スクリューロータの軸間の距離との比率は、3.5 より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスクリュー式真空ポンプ。
6. 前記スクリューロータの長さと前記スクリューロータの軸間の距離との比率は４より大きいことを特徴とする請求項５に記載のスクリュー式真空ポンプ。
7. 少なくとも９個の巻回部分が前記スクリューロータ毎に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスクリュー式真空ポンプ。
8. 少なくとも11個の巻回部分が前記スクリューロータ毎に設けられていることを特徴とする請求項７に記載のスクリュー式真空ポンプ。
9. 前記固有圧縮比は、少なくとも５であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のスクリュー式真空ポンプ。
10. 最大の回転速度が5000毎分回転数を超えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のスクリュー式真空ポンプ。
11. 過剰圧縮を避けるために、１又は複数の放圧弁が圧力側領域に設けられているか、及び／又は、回転速度が回転速度制御部によって制御され得ることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のスクリュー式真空ポンプ。

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