CN101855454B - 多级干泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多级干泵，其特征在于，具备：分别包括气缸和收容在所述气缸中的转子的多个泵室；作为多个所述转子的旋转轴的第一转子轴；旋转自如地支撑所述第一转子轴并限制所述第一转子轴的轴向移动的固定轴承；以及旋转自如地支撑所述第一转子轴并容许所述第一转子轴的轴向移动的自由轴承，所述多个泵室配置在所述固定轴承与所述自由轴承之间，所述多个泵室之中吸气侧的压力低的第一泵室靠近所述固定轴承配置。

Description

多级干泵
技术领域
本发明涉及容积式多级干泵。
本申请基于2007年11月14日于日本申请的特愿2007-296014号主张优先权，在此援用其内容。
背景技术
为了进行排气而利用干泵。干泵具备泵室，转子被收容在泵室内的气缸内。通过使转子在气缸内旋转，压缩废气并使废气移动，进行排气达到低压。特别是进行排气达到10-210-1Pa的程度或者10-4Pa的程度时，利用阶段性地对废气进行压缩并排气的多级干泵。多级干泵从废气的吸入口到排气口串联连接有多级泵室。在多级干泵中，从吸入口附近的低压级泵室到排气口附近的高压级泵室，废气被依次压缩，压力上升。因此，能够按顺序减少废气的容量。泵室的排气容量与转子的厚度成比例。因此，转子的厚度从低压级泵室到高压级泵室逐渐变薄(例如，参考专利文献1)。
当运转干泵时，废气在各泵室内被压缩而发热，气缸和转子的温度上升。据此，具有气缸和转子产生热膨胀导致两者发生干涉的危险。因此，专利文献2中提出了通过利用与气缸和转子的温度上升的关系来规定两者的线膨胀系数，以防止两者发生干涉的技术。
专利文献1：特表2006-520873号公报
专利文献2：特开2003-166483号公报
但是，在多级干泵中，沿着转子轴的轴向配置有多级泵室。因此，各泵室的热膨胀量沿着转子轴的轴向累积。而且，各泵室的转子由于厚度不同，热膨胀量也不同。专利文献2所记载的技术即使可以防止在一个泵室中转子和气缸发生干涉，也难以防止在沿转子轴的轴向并排配置的多个泵室中转子和气缸发生干涉。其结果是需要在所有的泵室中将转子与气缸的间隙设计得较大。于是，在该间隙中的废气的逆流量变大，使干泵的排气能力下降。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种能够减小转子与气缸的间隙的多级干泵。
(1)本发明的一个实施方式中的多级干泵采用以下结构：一种多级干泵，其特征在于，具备：分别包括气缸和收容在所述气缸中的转子的多个泵室；作为多个所述转子的旋转轴的第一转子轴；旋转自如地支撑所述第一转子轴并限制所述第一转子轴的轴向移动的固定轴承；以及旋转自如地支撑所述第一转子轴并容许所述第一转子轴的轴向移动的自由轴承，所述多个泵室配置在所述固定轴承与所述自由轴承之间，所述多个泵室之中吸气侧的压力低的第一泵室靠近所述固定轴承配置。
由于在吸气侧的压力低的低压级泵室中，废气的压缩热造成的转子和气缸的温度上升量较小，因此两者的热膨胀量之差较小。因此，在低压级泵室中能够将转子与气缸在轴向上的间隙设计得极小。此外，从固定轴承到自由轴承多级泵室的热膨胀量累积，但由于靠近固定轴承配置热膨胀量小的低压级泵室，能够减少低压级泵室中的热膨胀量的累积量。由此，能够减小各泵室中的所述间隙。
(2)另外，上述多级干泵也可以如以下所示地构成：上述多级干泵进一步具备：隔着所述固定轴承配置在所述自由轴承的相反侧，对所述第一转子轴施加旋转驱动力的电动机；作为多个所述转子的旋转轴的第二转子轴；以及配置在所述固定轴承与所述电动机之间将旋转驱动力从所述第一转子轴传递给所述第二转子轴的定时齿轮。
在该情况下，作为发热源的(A)电动机、定时齿轮和固定轴承与(B)高压级泵室和轴承隔着(C)低压级泵室于两侧分散配置。据此，能够使多级干泵的温度分布均匀化，另外能够较低地抑制多级干泵内的最高温度。因此，能够减小各泵室中的所述间隙。
(3)另外，上述多级干泵也可以如以下所示地构成：在所述第一转子轴的内部配置有传热能力高于所述第一转子轴的传热部件，所述传热部件的端部露出于所述第一转子轴的所述自由轴承侧的端部。
在该情况下，转子的热经由传热部件被传递到转子轴的端部，从转子轴的端部放热。因此，能够有效地进行转子的除热。
另外，发热量大的高压级泵配置在没有作为发热源的电动机和定时齿轮的自由轴承侧。而且高压级泵的热在自由轴承侧放热。因此，能够有效地进行高压级泵室的除热。
(4)另外，上述多级干泵也可以如以下所示地构成：所述多个泵室之中的压缩功最大的所述泵室中的所述转子与所述气缸在所述轴向上的间隙大于所述多个泵室之中的其他所述泵室中的所述转子与所述气缸在所述轴向上的间隙。
在该情况下，由于压缩功较小的低压级泵室的所述间隙变小，因此即使扩大压缩功较大的高压级泵室的所述间隙，也能够确保多级干泵整体的排气能力。因此，通过增大压缩功最大的泵室的所述间隙，能够减小压缩功最大的泵室中的压缩比来抑制发热，从而将多级干泵整体维持于可持续安全运转使用温度以下。
发明效果
根据本发明，由于越是热膨胀量小的低压级泵室越靠近固定轴承配置，从而能够减少从固定轴承到自由轴承热膨胀量的累积量。因此，能够减小各泵室中转子与气缸在轴向上的间隙。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式中的多级干泵的侧面剖视图；
图2是上述多级干泵的正面剖视图；
图3A是本发明的第一实施方式中的各泵室的间隙的说明图；
图3B是现有技术中的各泵室的间隙的说明图；
图4是表示多级泵的吸入侧的压力与排气速度的关系的图表；
图5是本发明的第一实施方式的变形例中的多级干泵的侧面剖视图；
图6是现有技术中的多级干泵的侧面剖视图。
符号说明
1…多级干泵
11、12、13、14、15…泵室
20…转子轴
21、22、23、24、25…转子
31、32、33、34、35…气缸
52…马达(电动机)
53…定时齿轮
54…固定轴承
56…自由轴承
具体实施方式
以下，利用附图对本发明的实施方式中的多级干泵进行说明。
(多级干泵)
图1和图2是第一实施方式中的多级干泵的说明图。图1是图2的A′-A′线中的侧面剖视图，图2是图1的A-A线中的正面剖视图。如图1所示，在多级干泵(以下，有时仅称为“多级泵”。)1中，厚度不同的多个转子21、22、23、24、25分别被收容在气缸31、32、33、34、35中。沿着转子轴20的轴向形成有多个泵室11、12、13、14、15。
如图2所示，多级泵1具备一对转子21a、21b、以及一对转子轴20a、20b。一对转子21a、21b被配置为一个转子21a的凸部29p与另一个转子21b的凹部29q啮合。转子21a、21b能够随着转子轴20a、20b的旋转而在气缸31a、31b的内部旋转。当使一对转子轴20a、20b相互反方向旋转时，配置在转子21a与21b的凸部29p之间的气体在沿着气缸31a、31b的内面移动的同时被压缩。
如图1所示，沿着转子轴20的轴向配置有多个转子21～25。各转子21～25与形成在转子轴20的外周面的槽部26相配合，以限制周向和轴向上的移动。各转子21～25分别被收容在气缸31～35中，构成多个泵室11～15。各泵室11～15从废气的吸入口5到排气口(未图示)串联连接，构成多级干泵1。
从吸入口侧(真空侧、低压级)的第一级泵室11到排气口侧(大气侧、高压级)的第五级泵室15，废气被压缩导致压力上升，因此能够按顺序减少废气的容量。泵室的排气容量与转子的掏出容积(掻き出し容積)和转速成比例。转子的掏出容量(掻き出し容量)与转子的叶数(凸部的个数)和厚度成比例。因此，从低压级泵室11到高压级泵室15转子的厚度变薄。在本实施方式中，从后述的固定轴承54到自由轴承56配置有第一级泵室11到第五级泵室15。
各气缸31～35形成在中心气缸30的内部。在中心气缸30的轴向两端部紧固有侧气缸44、46。一对侧气缸44、46上分别固定有轴承54、56。固定在一个侧气缸44上的第一轴承54是角接触轴承等轴向的游隙较小的轴承，发挥作为限制转子轴的轴向移动的固定轴承54的功能。固定在另一个侧气缸46上的第二轴承56是球轴承等轴向的游隙较大的轴承，发挥作为容许转子轴的轴向移动的自由轴承56的功能。固定轴承54旋转自如地支撑转子轴20的长度方向中央部附近，自由轴承56旋转自如地支撑转子轴20的长度方向端部附近。
在侧气缸46上安装有盖件48以覆盖自由轴承56。在盖件48的内侧封入有自由轴承56的润滑油58。
另一方面，在侧气缸44上紧固有电动机壳体42。在电动机壳体的内侧配置有DC无刷电动机等电动机52。电动机52仅对一对转子轴20a、20b(参考图2)之中，图1所示的一个转子轴20a施加旋转驱动力。旋转驱动力经由配置在电动机52与固定轴承54之间的定时齿轮53传递给另一个转子轴。
(多级干泵的要求性能)
接下来，对多级泵所要求的性能进行说明。
作为多级泵的低压时的基本特性，要求极限压力的低度。极限压力是指多级泵以单体可以排气的最低压力。为了降低极限压力，增大多级泵的吸气侧与排气侧的压力差即可。为了增大压力差，有(1)增加多级泵的级数、(2)减小转子与气缸的间隙、(3)增加转子的转速等方法。
作为多级泵的中高压时的基本特性，要求排气速度的高速度。排气速度是指多级泵每单位时间可以输送的废气的容积。为了在较宽的压力带内较高地维持排气速度，有(1)增加最低压级泵室的掏出容积、(2)增加高压级泵室/低压级泵室的掏出容积比、(3)减小转子与气缸的间隙、(4)增加转子的转速等方法。
对于上述任意的基本特性的提高，减小转子与气缸的间隙(以下，有时仅称为“间隙”。)都是有效的。一方面利用转子的旋转废气从吸气口向排气口流通，另一方面废气通过转子与气缸的间隙逆流。因此，通过减小间隙能够降低废气的逆流量。此外，泵室的排气效率(能力)通过从每单位时间的排气容量减去通过间隙逆流的废气流量而算出。泵室的每单位时间的排气容量由基于转子尺寸的掏出容积与转子转速的乘积来表示。
转子与气缸的间隙考虑(1)转子和气缸的热膨胀量之差、(2)机械加工精度和机构部(例如轴承)的游隙来设计。转子和气缸的热膨胀量依赖于两者的温度分布和形状、材质。特别是转子含有铝合金，将铝合金与铁合金组合使用时，热膨胀量之差有时会增大。因此，有时将转子与气缸的间隙设计得较大。
另外，废气在各泵室11～15被压缩并发热。其发热量依赖于各泵室的压缩功。压缩功由各泵室的吸气侧的压力与转子的掏出容积的乘积来表示。因此，各泵室的发热量与各泵室的吸气侧的压力成比例。另外，废气向转子和气缸的传热量由废气的温度和分子密度(即绝对压力)决定。因此，越是吸气侧的压力更高分子密度也更高的高压级泵室，转子和气缸的温度上升越多。所以，具有越是高压级的泵室，转子和气缸的热膨胀量之差越大，间隙越大的倾向。
另一方面，转子与气缸的间隙中的废气的逆流量与泵室的吸气侧和排气侧的平均压力成比例。因此，越是平均压力接近大气压的高压级泵室，间隙中的废气的逆流量越多。所以，越是高压级泵室越是要求将间隙设计得较小。
图6是现有技术中的多级泵的侧面剖视图。转子轴20通过固定轴承54支撑中央部附近，通过自由轴承56支撑端部附近。在这些固定轴承54与自由轴承56之间配置有多个泵室11、12、13、14、15。如上所述，具有越是高压级泵室间隙越大的倾向，但要求将间隙设计得较小。因此，在现有技术中的多级泵9中，越是高压级泵室越靠近固定轴承54配置。即，各泵室11～15被配置为从固定轴承54到自由轴承56各泵室的吸气侧的压力按顺序降低的方式。固定轴承54限制转子轴20的轴向位移。因此，在固定轴承54的附近热膨胀量的累积较少。所以，通过将越是高压级泵室越靠近固定轴承54配置，将通常较大的高压级泵室中的间隙尽可能设计得较小。
但是，从上述固定轴承54到容许转子轴20的轴向位移的自由轴承56，累积了多级泵室11～15的热膨胀量。因此，高压级泵室的热膨胀量被累积到低压级泵室。
图3B是现有技术中的各泵室的间隙的说明图。由于高压级泵室的热膨胀量被累积到低压级泵室，因此最低压级泵室11的间隙d1比最高压级泵室15的较大的间隙d5更大。因此，存在作为多级泵整体的排气能力降低的问题。另外，由于最低压级泵室11的间隙d1较大，存在无法降低多级泵的极限压力的问题。
图3A是本实施方式中的各泵室的间隙的说明图。在本实施方式中，与现有技术相反，多个泵室11～15被配置为从固定轴承54到自由轴承吸气侧的压力按顺序增高。即，越是低压级泵室越靠近固定轴承54配置。越是吸气侧的压力较低分子密度也较低的低压级泵室，由于转子和气缸的温度上升量越小，所以热膨胀量之差较小。因此，能够将最低压级泵室11的间隙d1设计地极小。此外，从固定轴承54到自由轴承，多级泵室11～15的热膨胀量累积，但通过将越是热膨胀量小的低压级泵室越靠近固定轴承54配置，能够减少热膨胀量的累积量。因此，也能够将最高压级泵室15的间隙d5设计地比较小。由此，能够综合地减小各泵室11～15的间隙，从而能够提高作为多级泵整体的排气能力。另外，由于最低压级泵室11的间隙d1变小，因此能够降低多级泵的极限压力。
图4是表示多级泵的吸入侧的压力与排气速度的关系的图表。在如上述构成的本实施方式中的多级泵，与现有技术中的多级泵相比，各压力下的排气速度增加，极限压力降低。
此外，如上所述废气在各泵室11～15被压缩并发热。产生的热除了与废气一起被排出之外，还被传递到图1所示的转子21～25和气缸31～35。传递到气缸31～35的热通过配置在气缸周围的制冷剂通路38排出。与此相对，传递到转子21～25的热，经由转子轴20和轴承54、56被传递到气缸31～35，通过气缸的制冷剂通路38排出。
这里，当为了提高多级泵1的排气能力而增加转子21～25的转速时，由于压缩功增加废气的发热量也增加。但是，由于配置在气缸31～35周围的制冷剂通路38的冷却能力是固定的，因此发热量将超过冷却能力。当发热量超过冷却能力时，有多级泵的温度超过可持续安全运转使用温度的危险。可持续安全运转使用温度是多级泵的构成材料作为机构部件可以使用的温度(材料组织具有可逆性且强度不降低的温度)，按照多级泵的用途和使用条件来确定。
因此，为了抑制废气的发热量，需要设法使泵室的压缩功减少。作为使泵室的压缩功减少的手法，可以考虑(1)减少转子的掏出容积、(2)扩大转子与气缸的间隙。这里，当减少掏出容积时，多级泵的排气能力下降而无法满足规格。因此，反而采用扩大转子与气缸的间隙的手法。特别是希望扩大发热量最大的最高压级泵室15的间隙。
为了实现发热量的抑制所需要的间隙将显著地大于考虑上述(1)转子和气缸的热膨胀差、(2)机械加工精度和机构部的游隙而设定的间隙。在图3B所示的现有技术中，由于多级泵室11～15的间隙都较大，因此如果进一步扩大最高压级泵室15的间隙，将难以确保多级泵整体的排气能力。与此相对，在图3A所示的本实施方式中，由于压缩功较小的低压级泵室的间隙变得较小，因此即使进一步扩大压缩功较大的最高压级泵室15的间隙，也能够确保多级泵整体的排气能力。因此，通过使压缩功最大的最高压级泵室15的间隙大于低压级泵室11～14，能够抑制最高压级泵室15中的发热量，从而将多级泵整体维持于可持续安全运转使用温度以下。此外，能够降低最高压级泵室15的压缩功，分配给低压级泵室11～14，从而可以使多级泵的温度分布均匀化。进而，通过在热膨胀量最大的最高压级泵室15中扩大间隙，能够降低转子与气缸的接触风险。
另外，作为图6所示的多级泵9的发热原因，除了上述废气的压缩输送以外，还可以举出电动机52的运转和机构部(定时齿轮53和轴承54、56等)的滑动摩擦。为了使多级泵整体的温度分布均匀化，希望不使发热源集中而是分散配置。关于这点，在图6所示的现有技术中，从纸面左侧按照电动机52、定时齿轮53、固定轴承54、最高压级泵室15、泵室14、13、12、最低压级泵室11、自由轴承56的顺序配置。在此情况下，作为发热源的电动机52到最高压级泵室15集中配置，因此难以使多级泵9的温度分布均匀化，另外多级泵9内的最高温度也较高。
与此相对，在图1所示的本实施方式中，隔着固定轴承54在自由轴承56的相反侧配置有对转子轴20a施加旋转驱动力的电动机52。另外，在固定轴承54与电动机52之间配置有对与转子轴20a成对的转子轴20b(参考图2)传递旋转驱动力的定时齿轮53。即，从图1的纸面左侧按照电动机52、定时齿轮53、固定轴承54、最低压级泵室11、泵室12、13、14、最高压级泵室15、自由轴承56的顺序配置。在此情况下，作为发热源的(A)电动机52、定时齿轮53和固定轴承54与(B)最高压级泵室15和自由轴承56隔着(C)最低压级泵室11和泵室12、13、14于两侧分散配置。据此，能够使多级泵1的温度分布均匀化，另外能够较低地抑制多级泵1内的最高温度。与此相伴，能够将各泵室11～15的间隙设计得较小。另外通过配置在中心气缸30的制冷剂通路38，能够可靠地进行气缸31～35和转子21～25的除热。
图5是本发明的实施方式的变形例中的多级干泵的侧面剖视图。在该变形例中，在转子轴20的内部配置有传热能力高于转子轴20的的传热部件71。例如，转子轴20由铁合金构成，传热部件71由铝合金构成。此外，作为传热部件71也可以采用热管。传热部件71的端部露出于转子轴20的自由轴承56侧的端部。根据该结构，转子的热经由传热部件71被传递到转子轴20的端部，从转子轴20的端部放热。因此，能够有效地进行转子的除热，从而能够抑制转子24、25的热膨胀。
如上所述，发热量大的高压级泵室14、15被配置在自由轴承56侧。而且传热部件71从转子轴20的自由轴承56侧的端部到高压级泵室14、15的形成区域延伸设置。据此，能够有效地进行配置在发热量大的高压级泵室14、15中的转子24、25的除热。其结果是能够降低各泵室间的温度差。
此外，本发明的技术范围并不限定于上述各实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内，包括对上述的各实施方式施加各种变更。即，各实施方式中所列举的具体材料和结构等仅为一个示例，能够适宜变更。
例如，在实施方式的多级泵中采用三叶式罗茨型转子，但也可以采用除此之外(例如五叶式)的罗茨型转子。
另外，在实施方式中以罗茨式泵为例进行了说明，但也可以将本发明应用于爪式泵或螺杆式泵等其他种类的泵。
另外，实施方式的多级泵为具备五级泵室的结构，但也可以将本发明应用于五级以外的多级泵。
产业上的利用可能性
根据本发明，由于越是热膨胀量小的低压级泵室越靠近固定轴承配置，因此能够减少从固定轴承到自由轴承热膨胀量的累积量。所以，能够减小各泵室中转子与气缸在轴向上的间隙。

Claims (3)

1.一种多级干泵，其特征在于，具备：
分别包括气缸和收容在所述气缸中的转子的多个泵室；
作为多个所述转子的旋转轴的第一转子轴；
旋转自如地支撑所述第一转子轴并限制所述第一转子轴的轴向移动的固定轴承；以及
旋转自如地支撑所述第一转子轴并容许所述第一转子轴的轴向移动的自由轴承，
所述多个泵室配置在所述固定轴承与所述自由轴承之间，
所述多个泵室之中吸气侧的压力低的第一泵室靠近所述固定轴承配置，
所述多个泵室之中的压缩功最大的所述泵室中的所述转子与所述气缸在所述轴向上的间隙大于所述多个泵室之中的其他所述泵室中的所述转子与所述气缸在所述轴向上的间隙。
2.根据权利要求1所述的多级干泵，其特征在于，进一步具备：
隔着所述固定轴承配置在所述自由轴承的相反侧，对所述第一转子轴施加旋转驱动力的电动机；
作为多个所述转子的旋转轴的第二转子轴；以及
配置在所述固定轴承与所述电动机之间将旋转驱动力从所述第一转子轴传递给所述第二转子轴的定时齿轮。
3.根据权利要求1所述的多级干泵，其特征在于，在所述第一转子轴的内部配置有传热能力高于所述第一转子轴的传热部件，
所述传热部件的端部露出于所述第一转子轴的所述自由轴承侧的端部。
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