KR20130100911A - 스크류형 진공 펌프 - Google Patents

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욀리콘 라이볼트 바쿰 게엠베하
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Abstract

스크류형 진공 펌프는, 펌프 하우징(10)에 배열되는 스크류 회전자(12, 14)들을 포함한다. 스크류 회전자(12, 14)들 각각은, 2 개의 베어링 요소(20)들을 통해 펌프 하우징에 지지되고 3.0 초과의 회전자 길이(l)와 회전자 축들의 거리(d) 사이의 비를 갖는다. 게다가, 스크류 회전자(12, 14)들은, 가변 피치, 7 개 이상의 권선들 및 4.5 이상의 빌트인 압축비를 갖는다. 권선들의 절반 이후에, 피치는 가압측 회전자 출구(24) 상의 피치보다 2 배 더 작다.

Description

스크류형 진공 펌프{SCREW VACUUM PUMP}
본 발명은 스크류형 진공 펌프에 관한 것이다.
스크류형 진공 펌프들은 펌프 하우징에 의해 형성된 펌핑 챔버에 배열되는 2개의 스크류 회전자들을 포함한다. 스크류 회전자들은 양측 상에서 수직으로(normally) 지지되며, 상이한 피치 프로파일들을 가질 수 있다. 회전자들은, 예컨대, "Wutz - Handbuch Vakuumtechnik", 2010년, 제 10 판, 270~277 페이지에서 기재된 바와 같은 대칭 또는 비대칭 치형(tooth) 프로파일을 가질 수 있다. 이러한 회전자들은, 통상, 4 미만의 빌트인 압축비, 즉 흡입측 챔버와 가압측 챔버 사이의 챔버 볼륨 비를 갖는다. 더 높은 압축비들은 흡입 압력들이 높은 경우에 아주 높은 동력 입력(power input)을 유발할 것이다. 이는 어울리지 않게 큰 드라이브 모터(상기 "Wutz" 와 같은 책의 276 페이지 참조)들의 사용을 필요로 할 것이다. 압축의 증가는 스크류 회전자들의 가압측 영역에서 높은 온도들이 발생하는 문제를 추가로 유발할 것이다. 이 경우에, 펌프 하우징을 통한 열 발산이 더이상 가능하지 않음으로써, 열 발산이 스크류 회전자들의 내부 냉각에 의해 실행되어야만 할 것이다. 이는 기술적으로 복잡하며, 스크류형 진공 펌프의 제조 및 유지 비용들의 증가를 유발할 것이다.
높은 빌트인 압축 비들을 허용하기 위해서, "VDI-Bericht" 2006년 제1932호에서는, 갭 높이를 변형시키는 것이 제안되었다. 갭 높이, 즉 특히, 스크류 회전자와 펌프 하우징 사이의 거리는 가압측 상에서 보다 흡입 측 상에서 더 커져야 하는 것으로 기재되어 있다. 점성이 있으며 분자인 압력 의존식 유동 형식들에 기인하여, 흡입 측 상에서 더 큰 갭이 허용가능할 것이다. 흡입 압력들이 높은 경우에, 이러한 갭은, 회전자의 회전 속도의 낮춤(lowering)과 공동으로 내부 압축의 감소를 유발할 것이다. 이는 압축 동력이 낮아지는 결과를 가져 낮은 열 발생을 유발한다. 그러나, 내부 압축의 감소는 또한 흡입 용량(suction capacity)이 감소되는 결과를 갖는다.
게다가, 단지 일측상에서, 즉 외팔보형(cantilevered) 방식으로 지지되는 회전자들이 공지되어 있다. 이는 단지 하나의 베어링만이 제공되어야 한다는 상당한 이점을 갖는다. 이 베어링은 가압측 상에, 즉 트랜스미션 측 상에 배열된다. 그려면, 흡입측 상의 낮은 압력들의 영역에 배열되는 제 2 베어링이 생략될 수 있다. 그러나, 외팔보형 방식으로 지지되는 스크류 회전자 조립체들은 구조적으로 짧은 길이의 회전자들을 가져야만 하는데, 이는 그렇지 않다면, 작동중 회전자들 사이의 상호 접촉들의 위험이 존재할 수 있기 때문이다. 회전자들의 구조적으로 비교적 짧은 길이는 권선들의 수가 적다는 결과를 갖는다. 게다가, 외팔보형 회전자들은 비교적 대직경을 갖는다. 회전자 길이와 회전자 축들의 거리 사이의 비는 정상적으로는 2.5 보다 작다.
본 발명의 목적은 4.5 이상의 "빌트인 압력비"를 가져 열 발산이 단순한 방식으로 실현될 수 있는 스크류형 진공 펌프를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1 에 규정된 특징들에 의해 이루어진다.
본 발명의 스크류형 진공 펌프는 펌핑 챔버를 형성하는 펌프 하우징을 포함한다. 펌프 하우징에, 2 개의 스크류 회전자들이 배열된다. 본 발명의 스크류 회전자들이 큰 길이를 갖기 때문에, 이러한 회전자들은 양 측면들 상에 지지되는 유형이므로, 스크류 회전자 당 2 개의 베어링 요소들이 제공된다. 게다가, 스크류 회전자들은 비교적 소직경을 가짐으로써, 스크류 회전자와 회전자 축들의 거리 사이의 비는 3.0 초과, 바람직하게는 3.5 초과, 그리고 더 바람직하게는 4.0이다. 게다가, 본 발명의 스크류 회전자들은 가변성 피치 및 7 개 이상, 바람직하게는 9 개 이상 그리고 더 바람직하게는 11 개 이상의 권선들을 포함한다. 본 발명의 압축비는 4.5 이상, 바람직하게는 5 이상이다. 본 발명에 의해 제공되는 바와 같이 고 압축비에서의 회전자의 과열을 회피하기 위해서, 회전자는 가압측 상에, 단지 약간 변하거나 전혀 변하지 않는 피치를 갖는 복수 개의 권선들을 포함한다. 이에 따라, 본 발명에 따르면, 권선들의 절반 이후에 피치는 회전자 출구에서의 피치의 2 배보다 작다. 권선들의 절반 이후의 피치가 회전자 출구에서의 피치의 2 배보다 작지만, 피치가 회전자 출구에서의 피치의 1.5 배보다 작은 것이 특히 바람직하다. 본 발명에 의해 제공되는 바와 같이 회전자들의 가압측 상의 피치의 작은 변화 및 이에 대응하여 선택되는 것이 바람직한 갭 높이에 기인하여, 회전자의 더 긴 영역을 따라 압축이 발생될 것이다. 이에 의해, 본 발명은 개선된 열발산을 허용하는 상당한 이점을 제공한다. 이는, 압축 작업, 및 이에 따라 폐열(waste heat)이 고압력들의 영역에서 실질적으로 발생하기 때문에, 그리고 또한 이러한 높은 압력들이 본 발명에서 발생하는 명확하게 연장된 영역에 기인하여, 열을 취하기(take-up) 위한 하우징 표면적이 이제 더 크기 때문에, 가능해진다. 본 발명의 스크류형 진공 펌프의 바람직한 실시예에 따르면, 단지 하나의 스레드만을 각각 포함하는 스크류 회전자들이 제공된다.
따라서, 스크류 회전자들이 피치의 약간의 변화를 갖는 가압측 상에서의 본 발명의 긴 영역의 결과로서, 4.5 이상의 압축비들을 실현하고 이렇게 발생된 열을 발산함으로써 회전자들의 과열이 회피되는 것이 가능해진다. 본원에서는, 낮은 압력들 또는 고진공의 영역들에서, 하우징으로의 열전달이 낮은 가스 밀도에 기인하여 충분하지 않게 될 수 있기 때문에, 열 발산은 가압측 영역에서만 발생할 수 있는 것으로 간주되어야만 한다.
매우 높은 빌트인 볼륨비를 갖는 스크류 회전자들의 본 발명의 설계는 추가로, 압력들이 낮은 경우에, 동력 입력이 작다는 이점을 더 갖는다. 이에 따라, 10mbar 미만의 출력 압력들을 위해서, 흡입 용량에 대해서, 12 W/(㎥h) 미만의 동력 입력이 실현될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 열 발산은 단지 펌프 하우징만을 통해 실행된다. 매체 자체를 통해 실행되는 열 발산과는 별도로, 열 발산은 바람직하게는 단지 펌프 하우징만을 통해 이와 같이 실행된다. 따라서, 기술적으로 복잡할 수 있는 회전자의 내부 냉각을 제공할 필요가 없다.
게다가, 회전자의 가압측 영역에서 약간의 피치 변화를 갖는 복수 개의 권선들의 본 발명의 제공은 명백한 소음 감소의 이점을 갖는다. 이는, 압축이 더 긴 영역에 걸쳐 발생함으로써, 마지막 챔버와 가스 출구 영역 사이의 압력차가 더 작기 때문인 사례이다. 이에 의해, 복귀 통기(return aeration)가 감소되는데, 이 복귀 통기는 소음 발생을 일으키는 압력 파동들을 유발한다. 이러한 낮은 복귀 통기의 결과로서, 자유 블로우아웃(blow-out) 배출인 경우의 소음 발생은 3 ~ 6dB(A) 까지 감소된다. 이는, 더 작은 크기의 소음 감쇠(dampening) 요소가 제공될 수 있는 상당한 이점을 제공한다. 감쇠 요소의 구조적 볼륨을 감소시키기 위한 이러한 가능성 때문에, 더 긴 스크류 회전자들에 기인한 진공 펌프의 구조적 길이의 증가가 적어도 부분적으로 보상될 수 있다.
게다가, 스크류 회전자들의 프로파일은 실질적으로 대칭인 것이 바람직하다. 본원에서는 사다리꼴(trapezoidal) 프로파일들, 사이클로이드(cycloid) 프로파일들 또는 에볼벤트(evolvent) 프로파일들이 바람직하다. 바람직하게는, 갭 높이, 즉, 특히 스크류 회전자들과 하우징의 내벽 사이의 거리는, 회전자의 출구측 상의 비교적 긴 영역을 따라 압축이 확대되는 것에 영향을 미치도록 선택된다. 특히 본원에서는, 터보 분자 펌프의 냉각 상태에서 "콜드 갭의 높이/축 거리" 비가 2/1000 초과인 것이 바람직하다. 게다가, 작동 상태에서, 즉 작동 온도에 도달할 때, "콜드 갭의 높이/축 거리" 비가 12/1000 초과인 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 최종 압력 작동시, 출구 측으로부터 측정되는 바와 같이, 챔버 압력이 회전자 길이의 약 20% 이후에 단지 100 mbar의 평균 챔버 압력 미만으로 떨어지도록, 갭 높이들이 선택되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 스크류형 진공 펌프는, 5000 회전/분 초과의 공칭 회전 속도를 갖는다. 게다가, 과압축을 회피하기 위해서, 과압 밸브가 스크류 회전자들의 가압측 영역에 제공될 수 있다. 과압 밸브의 제공에 대한 대안으로 또는 추가로, 회전 속도 콘트롤이 제공될 수 있다. 또한, 회전 속도의 적절한 감소에 의해 과압이 회피될 수 있다. 고흡입 압력에서의 동력 입력 및 이에 따라 빌트인 모터 성능을 효과적으로 감소시키기 위해 양자의 조치(measure)가 적합하다.
본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 바람직한 실시예에 의해 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 설계된 2 개의 스크류 회전자들의 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스크류 회전자와 종래 기술에 따른 스크류 회전자를, 압력 발생(development)의 개략적인 다이어그램과 함께 비교한 개략적인 도면이다.
도 1에 예시된 2 개의 스크류 회전자들은, 펌프 하우징(도시생략)에 배열된다. 상기 펌프 하우징은, 2 개의 스크류 회전자(12, 14)들이 배열되는 펌핑 챔버(10)를 형성한다. 이들의 측면들 양쪽에서, 상기 2 개의 스크류 회전자들은 베어링 요소(20)들을 통해 펌프 하우징 내에 회전 가능하게 배열된 샤프트 스터브(16, 18)들을 포함한다. 상기 2 개의 스크류 회전자(12, 14)들을 구동시키기 위해서, 샤프트 스터브(18) 또는 대체로 샤프트 스터브(16)가 직접 또는 트랜스미션을 통해 통상의 방식으로 드라이브 모터에 연결된다. 2 개의 스크류 회전자(12, 14)들이 서로 동기화되어 반대 방향으로 회전할 수 있도록, 제 2 스크류 회전자가 대응하는 치형(toothing) 배열체(도시 생략)를 통해, 동일한 드라이브 모터에 의해 구동된다. 스크류 회전자(12, 14)들은 흡입측(화살표 22) 상에 이송될 매체의 흡입 흡기(suctional intake)와 가압측(화살표 24) 상에 상기 매체의 배출을 유발하도록 작용한다.
스크류 회전자들의 피치는 사선(26)들에 의해 가시화된다. 도 1에서, 피치가 회전자의 길이(l)에 걸쳐 변화하는 것을 볼 수 있다. 가압측 영역(28)에서의, 피치는 흡입측 영역(30)에서의 피치보다 현저하게 더 낫다. 여기서, 본 발명에 따르면, 흡입측 영역(28)에서의 피치는 권선들의 절반인 영역(31)에서의 피치가 회전자 출구(24)에서의 피치의 최대 2배가 되도록 제공된다. 그 결과, 피치가 단지 약간 변화하는 비교적 긴 가압측 영역(28)이 형성된다. 가압측 영역(28)에서, 입구와 출구 사이의 압력 차이의 대부분에 걸쳐 압축이 발생할 수 있다. 이에 따라, 이 영역(28)에서, 또한, 압축 작업의 대부분이 실행된다. 후속하여, 발산(dissipate)될 열이 이 영역에서 실질적으로 발생될 것이다. 본 발명에 따르면, 가압측 영역의 스크류 회전자(12, 14)들을 둘러싸는 하우징을 통해 열 발산이 실행된다.
본 발명에 따르면, 스크류 회전자(12, 14)들은 구조적으로 큰 길이를 갖는다. 이에 따라, 본 발명에 의해 제공되는 바와 같이, 스크류 회전자(12, 14)들의 길이(l)와 회전자 축들의 거리(d) 사이의 비는 3.0 보다 크다.
도 2의 상부 부분에서, 본 발명에 따른 스크류 회전자(12)가 도 1의 스크류 회전자(12, 14)에 대응하는 것으로 묘사되어 있다. 그 아래에, 종래 기술의 스크류 회전자(32)가 도시되어 있다. 스크류 회전자(32)는 더 짧으며, 그의 가압측 영역에서, 약간의 피치의 변화만을 갖는 더 적은 수의 권선들을 포함한다. 종래 기술의 회전자(32)에 있어서, 압력 발생은 라인(34)에 의해 개략적으로 대표되는 코스를 취할 것이다. 이로부터, 강한 압력이 스크류 회전자(32)의 가압측 영역(36)에서 발생할 것은 명백하다.
본 발명에 따른 회전자(12)의 구성에 기인하여, 가압측 영역(28)이 명백하게 더 길다. 게다가, 갭 높이가 대응하여 선택된다(콜드(cold) 갭의 높이/축의 거리>2/1000 및 웜(warm) 갭의 높이/축의 거리>1/1000). 그로부터 다이어그램의 라인(38)에 의해 도시된 바와 같이, 더 편평한 코스를 취하는 압력의 증가가 유발된다.

Claims (10)

  1. 펌프 챔버(10)를 형성하는 펌프 하우징, 및
    상기 펌프 하우징(10)에 배열되는 2 개의 스크류 회전자(12, 14)들을 포함하며,
    상기 스크류 회전자(12, 14)들은, 2 개의 베어링 요소(20)들을 통해 펌프 하우징에 각각 지지되고 3.0 초과의 회전자 길이(l)와 회전자 축들의 거리(d) 사이의 비를 가지며,
    상기 스크류 회전자(12, 14)들은, 가변 피치, 7 개 이상의 권선(winding)들 및 4.5 이상의 빌트인(built-in) 압축비를 가지며,
    상기 권선들의 절반 이후에 피치는 가압측 회전자 출구(24) 상에서의 피치보다 2 배 더 작은 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크류 회전자(12, 14) 각각은 단지 하나의 스레드(thread)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스크류 회전자(12, 14)들의 프로파일은 실질적으로 대칭 또는 비대칭인 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 발산을 위해서, 단지 펌프 하우징만이 활발히(actively) 냉각되는 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 길이(l)와 상기 회전자 축들의 거리(d) 사이의 비는 3.5 초과, 바람직하게는 4 초과인 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크류 회전자(12, 14)당 9 개 이상 그리고 바람직하게는 11 개 이상의 권선들이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축비는 5 이상, 바람직하게는 6 이상인 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 갭 높이들은, 상기 진공 펌프의 최종 압력이 5 Pa 이상이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 회전 속도는 5000 회전/분 초과인 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    과압축(overcompressure)의 회피를 위해서, 하나 또는 복수 개의 과압(overpressure) 밸브들이 상기 가압측 영역(28)에 제공되고/제공되거나 상기 회전 속도가 회전 속도 제어 유닛에 의해 제어가능한 것을 특징으로 하는,
    스크류형 진공 펌프.
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