JPH09112446A - 高容積押しのけ率の、スクロールタイプの流体取り扱い装置 - Google Patents

高容積押しのけ率の、スクロールタイプの流体取り扱い装置

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JPH09112446A
JPH09112446A JP8162480A JP16248096A JPH09112446A JP H09112446 A JPH09112446 A JP H09112446A JP 8162480 A JP8162480 A JP 8162480A JP 16248096 A JP16248096 A JP 16248096A JP H09112446 A JPH09112446 A JP H09112446A
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Anthony Liepert
アントニー・リーパート
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 真空ポンプとして使用するとき、流体の背後
漏洩をよく制御して、ミリトルの真空と大気圧の間で確
実な状態の動作をなす、入り口での高容積押しのけ率を
もつ、スクロールタイプの、押しのけ流体取り扱い装置
を提供する。 【解決手段】流体取り扱い装置が、入り口および出口の
間でハウジング内に支持される、固定および可動の螺旋
状のブレードの入れ子式の、相互作用をする対をもつ第
1の高容積押しのけ率のスクロールポンプを有する。各
隣接するブレード対は、ブレード間のポケットを閉じる
ために、十分な角度範囲、好適には360゜にわたってい
る。真空ポンプの好適例において、ハウジング内に取り
付けられ第2のスクロールポンプが、流体に関して第1の
スクロールの出口と直接連通する流体入り口を有する。
第2のスクロールは、比較的短い軸線方向の高さをも
つ、多重巻きとなる、一対の共働する固定および可動ブ
レードを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的に流体取り扱
い装置に関し、特に一般的な粗引きポンプの利用に有益
な、スクロールタイプで、二段式の容積式(Positive di
splacement)真空ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】スク
ロールポンプの一般的な原理は、Creuxによる米国特許
第801,182号に説明されている。可動螺旋ブレード（時
に、「外被」または「壁」という）はハウジングないで
固定したブレードに関して旋回(oribit)する。ブレード
の配置およびそれらの相対運動は、ブレードの間に一つ
以上の流体の容積または「ポケット」に閉じこめ、その
流体をポンプにより移動させる。Creuxの特許は、回転
パワー出力を発生するためにブレードを駆動する蒸気エ
ネルギーを使用して説明する。しかし、多く応用例は流
体を装置により排出する回転パワーを利用する。オイル
潤滑式スクロールポンプは冷蔵用コンプレッサとして広
く使用されている。他の応用例はエキスパンダ（コンプ
レッサとは逆に作動する）および真空ポンプを含む。今
日、スクロールタイプのポンプは真空ポンプとして広く
使用されてはいない。
【０００３】スクロールポンプは多くの、しばしば競合
する設計目的を満たさなければならない。ブレードは、
それらの相対的な運動が輸送し、しばしば中に保持され
る流体を圧縮するポケットを画成するように、互いに相
互作用をするように形状付けされなければならない。ブ
レードはしたがって、互いに対して運動し、またシール
も行わなければならない。真空排出するときに、ポンプ
により達成できる真空レベルはしばしば、出口における
高圧が低圧の入り口領域へと戻るように流れを作る傾向
により限定される。ブレードシール、それらの螺旋端に
沿った先端シールおよび固定ブレードと可動ブレードと
の間のクリアランスシールの両方の有効性および耐久性
は性能および信頼性を決定する重要なものである。
【０００４】駆動、ブレードの運動、シール、作動流体
の摩擦が磨耗や熱を発生させる。そのため装置を冷却す
ることが必要となる。こうした様々な技術は知られてい
る。それらは、空冷、冷媒流、熱シンクおよび移動媒体
として機能する潤滑剤の流れまたは散布を含む。オイル
潤滑剤が最も一般的技術である。潤滑剤は作動流に作用
する可動な要素をシールすることを補助することができ
る。しかし、オイルまたは他の潤滑剤が真空ポンプで使
用されると、その圧力が低レベルに落ちるので、潤滑剤
それ自身の蒸気圧は、潤滑剤をガスにし、ある圧程度ポ
ンプの作動を悪くする。蒸気となった潤滑剤は、排気さ
れるべきシステムに逆流し、システムを潤滑剤の分子で
汚染することになる。
【０００５】さらに、真空ポンピングの際に、真空領域
からのガスの高容積押しのけ率を有すること、たとえば
質量分析計や半導体デバイスが製造される機械の構成部
分により急速に排気することが望ましい。一般的に、真
空ポンピングのためのスクロールの設計はほとんど、ま
たは全く圧縮を行わない。しかし、高押しのけ率のため
に単独で最適化されたスクロールポンプはしばしば、た
とえば数ミリトルの入り口と760トルの出口との間、お
よびその逆の間での大きな圧力差を受けて動作すること
に適さない。大きな圧力差を支持するために、出口の高
圧による流体の戻り流を阻止する多重のブレード表面対
ブレード表面のクリアランスを形成する多重回転をなす
ブレード対が知られている。しかし、このようなポンプ
のスループット、または押しのけ能力は制限される。
【０００６】押しのけ容積を増加させるための単純な策
は各ポケットがより大きな容積を有するように最大の内
側ブレード空間を増加させることである。一定のスクロ
ール壁の厚さに対して、この空間はクランク半径により
設定される。したがって、理論的に、押しのけ容積はク
ランク半径の増加により単に増加させられる。しかし、
より大きな半径は、シール速度および付随の磨耗の増
加、クランクに作用する半径方向力の増加、シール速度
および摩擦に関連するパワー消費の増加という種々の欠
点を有する。より大きなクランク半径はプレートの直径
を大きくし、したがってポンプ全体の寸法を大きくす
る。また、あるプレートの直径に対して、大きなクラン
ク半径は回転数を少なくし、連続したクリアランスシー
ルを減らし、背面漏洩を大きくする。クランク半径を増
加させる単純な策は、したがって、大きさ、磨耗および
摩擦熱の観点から受け入れられない。
【０００７】ポンプ能力を増加させるために、Iwata Ai
r Compressor CorporationのモデルISP-600ドライスク
ロール真空ポンプより行うように、多重スクロールを並
列に操作することが知られている。これは、四回り以上
の角度範囲をもつブレードをそれぞれが有する、二つの
平行な、背中合わせのスクロールセットを使用する一段
粗引きポンプである。このポンプは毎分当たり20立方フ
ィート（0.56立方メートル）の通常の能力を有するが、
想像するところ、出口から入り口へとポンプを経てもど
る漏洩により、そのポンピング速度が100ミリトルに急
激に降下する。このことは、ある応用例、たとえばヘリ
ウム漏洩検出器（この場合、漏洩試験が開始する前に20
ミリトルまで試験片を排気しなければならない）におい
て非常に重大な問題である。他の問題は、このポンプが
50ミリトルのベース圧を達成できるにすぎないが、市販
の二段回転の、オイル潤滑式粗引きポンは0.5ミリトル
のベース圧を達成できることである。さらに他の問題
は、このモデルIwataポンプが20フィート（6.1ｍ）の先
端シール材を使用していることである。このような量の
先端シールの磨耗は排気されるべきシステムを汚染する
重大なデブリを発生する。このような量のシール材はま
たパワー条件に逆の影響を与える。
【０００８】Vulliezによる米国特許第3,802,809号は二
段のスクロールタイプの真空ポンプを開示する。その装
置は冷却はされるが、汲み上げオイルを循環することに
よって、潤滑はされない。この真空ポンプは、オイル冷
却循環から作動流体に対して開放したスクロール表面を
絶縁するために、内部ベローズおよび内部オイル移動通
路を有する。一つの中心からずれた偏心ベアリングでの
駆動が可動プレートを推進する。二段の実施例が示され
ているが、二つの可動プレートを使用する。Vulliezの
特許は入れ子式の第1段を有する二段を使用するが、そ
れらの段の容積押しのけ率は等しくものとする必要があ
る（第9欄、第54行）。この配置は連結した二段のユニ
ットのように、ポンプにより得られる有効な押しのけ率
を限定する。備え付けられた電気ファンが、可能な冷却
装置として説明されているが、それはオイル冷却循環の
補助となる。
【０００９】一つの最近のスクロールポンプの設計は改
良された動作結果を達成するために直列にスクロールポ
ンプを結合している。たとえば、Shibamotoによる米国
特許第5,304,047号は二段で、スクロールタイプのオイ
ル潤滑式冷媒コンプレッサを開示する。Shibamoto特許
は第2段の入り口を第1段の出口から半径方向に離す。Sh
ibamoto特許は二段ポンプを開示するが、それは、ガス
の背後漏洩を制御するために旋回する第2段のスクロー
ルの外側端に動的で、オイル潤滑式シールを必要とする
ことから真空ポンプの動作には適さない。また、オイル
冷媒および潤滑剤が低および中間圧のゾーンの可動部分
に注入され、集められ、循環させられる。
【００１０】したがって、本発明の主要な目的は、真空
ポンプとして使用するとき、流体の背後漏洩をよく制御
して、ミリトルの真空と大気圧の間で確実な状態の動作
をなす、入り口での高容積押しのけ率をもつ、スクロー
ルタイプの、押しのけ流体取り扱い装置を提供すること
である。
【００１１】比較的低パワー条件で特徴付けられる上記
利点をもつ流体取り扱い装置を提供することである。
【００１２】さらに、本発明の目的は、作動流体にされ
されるオイルまたは他の液体潤滑剤もしくは冷媒なし
に、5ミリトル以下のベース圧を容易に得ることができ
る上記利点を有する流体取り扱い装置を提供することで
ある。
【００１３】さらに、本発明の目的は、比較的低い製造
コストおよび耐久性をもつ上記利点を有する流体取り扱
い装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】ガス真空ポンプのような
ドライで、スクロールタイプの流体取り扱い装置が、流
体入り口と流体出口との間のハウジング内に取り付け
ら、相互作用をする固定および可動スクロールブレード
の少なくとも、入れ子式の二対により形成される第1段
スクロールポンプを有する。偏心駆動が、好適には中央
部に偏心駆動を有し、比較的小さなクランク半径をもつ
ほぼ円形のプレートにより可動ブレードの旋回(orbita
l)運動を推進する。プレートとハウジングとの間に位置
するボールベアリングポケットが旋回運動を同期し、軸
線方向の推力負荷に抗する。動作の各サイクルにおい
て、それぞれの共働するブレード対はそのサイクルの一
部の間、真空入り口に対して開き、そのサイクルの続く
一部の間で、この対が出口に対して開く度に、その入り
口に対して閉じる。ブレードのそれぞれは、動作の各サ
イクルにおいてポケットを閉じるために、十分な角度範
囲、好適には360°に対して角度方向に伸長する。各サ
イクルにおけるこの開閉は、輸送されるガスの内部圧縮
がなく連続して行われる。真空ポンピングに対する好適
な例において、第1段の高押しのけ率のスクロールポン
プからの出口は、ハウジングの出口での大気圧にむかっ
て放出する第2段のスクロールポンプの入り口と直接に
連通する。第1段の出口および第2段の入り口は好適に、
それら周囲において他方に隣接する。
【００１５】好適例において、第1段のスクロールのセ
ットはスクロールの中心に入り口を有する四つの入れ子
式ブレードの対を使用する。第2段のスクロールのセッ
トは一対のブレードを使用し、ブレードはガスの多重の
容積またはポケットをブレードにより画成される流体経
路にそって移送するために多重の螺旋条の巻きとなり、
それぞれは可動クリアランスシールにより隣接するポケ
ットから離れている。第2段の出口は螺旋のブレードの
中心付近にある。第1のスクロールのセットの容積押し
のけ率は第2段のスクロールのセットのものより高い。
高圧の放出部からのガスの背後漏洩をよりよくよりよく
制御するために、ブレードの軸線方向の高さは短く、典
型的には第1段のスクロールのブレードの軸線方向の高
さの約半分に維持される。これにより、第1スクロール
のセットがクリアランスシールのみ動作可能とするのに
十分な背後漏洩の制御がなされる。クランクの半径は、
好適に第2段のブレードの一つの厚さの二倍以下であ
る。
【００１６】エアファン、好適には偏心ギアに対して中
央駆動軸に取り付けられた一つが、装置を冷却する。フ
ィン、好適にはファンと面する、放射状に列となったフ
ィンが冷却エアー流に対する熱伝導を強化し、ポンプに
かかる圧力差による変形に対してプレートを強化する。
プレートとハウジングとの間に設けられたトラストベア
リングは（直接または間接に）プレートに作用する軸線
方向の力およびモーメントに抗する。偏心駆動のベアリ
ングであるとき、ベアリングは、ベアリングの潤滑剤、
たとえば低蒸気圧のグリースが作動流体にさらされるこ
とを避けるためにシールされる。
【００１７】本発明のこれらおよび他の特徴ならびに目
的は、添付図面とともに以下の説明から理解されよう。
【００１８】
【発明の実施の形態】図1-5は本発明にしたがった容積
式流体取り扱い装置10を示す。特に、本発明は好適実施
例、すなわちドライ、二段真空ポンプに関して説明され
る。流体はガスで、典型的にはシステム、たとえばポン
プの真空入り口12に連結された容器または設備（図示せ
ず）から排気されるエアーである。ネジ12aおよび取り
付けフランジ12ｂが入り口12をハウジング14の中心に位
置する入り口ポート14aに留め付けている。
【００１９】Oリングシール13および13aは取り付けフラ
ンジ12ｂとハウジング14とを、そしてハウジング部分14
ｂおよび14ｃと他のものとをそれぞれ密封している。ハ
ウジング14は半分になる中空の部分により形成されてい
る。ハウジング部分14ｂは段Iである容積式容積ポンプ
を含んで画成し、、ハウジング部分14ｃは段IIである低
背後漏れポンプを含んで画成している。中央（または半
径方向内側）出口ポート14ｄが中央に近い段IIのハウジ
ング内に形成されている。それは、ハウジング部分14ｃ
に穴があけられ、ハウジングの外周囲の大気へと曲げら
れる、放射方向に向いた高圧放出通路16と直に連通す
る。
【００２０】第1の段のスクロールポンプ18がハウジン
グ内に取り付けられ、その入り口領域18aは入り口ポー
ト14aおよび真空入り口12に近接している。図2および3
に示されているように、スクロールポンプ18は四対の入
れ子になる、螺旋形ブレード（またはラップ）により形
成されている。各ブレードの対は静止ブレード19、およ
び旋回(orbit)するブレード20を含む。ブレード19は好
適に、熱の移動を容易にし、ポンプの機械的な剛直さお
よび耐久性を高めるためにハウジング部分14ｂと一体に
形成されている。続くブレード20は好適に、同じ理由で
可動プレート22と一体に形成されている。ブレード19お
よび20は図1-3に示されているように、軸線方向に他方
にむかって伸長し、差し込まれている(interleaf)。プ
レート22およびブレード20の旋回運動が入り口領域18a
のところで、スクロールのセットに入るガスの特徴的な
スクロール型ポンピング動作を行う。図2および3に関連
して以下でより詳しい説明を行う。各ブレード19および
20の自由端はMcCullough等による米国特許第3,994,636
号に説明されているシールのような、摩擦が低く、耐磨
耗のある弾性的に付勢された材料から成る連続した先端
シール26を支承する。このシールはTeflon（商標）をベ
ースとした化合物の外側層を有する。その外側層は、そ
の外側層をシーリングをなすものとする下層弾性材を有
する。各ブレード19および20は、プレート22およびハウ
ジング14ｂにむかってそれぞれ伸長し、その結果各ブレ
ードの端部において浅い滑動シールがなされる。この発
明の変形例として、先端シール26は省くことができる。
そして、ブレードの自由端とそれに面する表面との間に
僅かなクリアランスがある。
【００２１】ガスがスクロールポンプ18の外側周囲18b
から排出するが、そこで、ガスはハウジング14bに形成
されたチャンネル28のセットを通り、環状プレナムチャ
ンバー29により囲まれた第二段のスクロールポンプ30の
環状入り口領域30aに流れる。
【００２２】第二段ポンプ30はガス入力を第一段のポン
プ18からチャネル28およびチャネル29を介して移送す
る。確実な状態での動作において、ポンプは中間圧、た
とえば約50ミリトルのガスを受け、それを760トルの大
気圧に放出する。したがって、ポンプ30が、中心近くの
出口領域30bから、その外周の入り口領域30aへのガスの
背後漏洩を制御することは需要なことである。（以下で
詳説するように、動作の各サイクルにおいて、大気圧の
ガスが最も内部のポケットを満たし、ポケットが閉じる
ときに圧搾される。） この好適な形状において、ポンプ30は、図示のように四
以上の多重回転において、それぞれ1440度以上の全角距
離に対して螺旋状となった静止および可動ブレード31お
よび32を有している。このスクロールのセットに乗った
作動ガスの容積またはポケットP9-P16が、それらがポン
プによりインボリュート経路にそって半径方向内側に進
行するように、連続する動作サイクルにおいて輸送され
る。ガスポケットはまた、ポケットの容積が、それが入
り口から出口に進むときに、減少するので、ある程度圧
縮される。しかし、第二段内の、結果として生じた内部
圧力の増加は、入り口と出口のの圧力差と比較すると
き、無視できる。ポンプは基本的に圧縮のない大量輸送
を行う。半径方向に最も内部のポケットが出口に対して
開いたとき、それは大気圧（出口）ガスで満たされるこ
とに注意すべきである。連続した旋回が高圧のガスの容
積を出口に押し進め、各動作サイクルごとに出口を閉じ
る。
【００２３】背後漏洩を制御するために、本発明の重要
な態様は、ブレード31、32の軸方向高さが比較的低いこ
とである。図示のように、この実施例において、軸方向
の高さは第1段ブレード19、20の高さの約半分である。
ブレード31、32のそれぞれは、その自由端に連続した低
摩擦、耐磨耗の先端シールを支承する。ポンプ18におけ
るように、先端シールはブレードおよびプレートと向か
い合うハウジング部分14cとの間に滑動シールを形成す
る。周知のように、ブレード31および32はブレード31お
よび32は、それらが最も近づいたときの向かい合う面の
間に僅かなクリアランスをもって動作する。実際の接触
はそこにはあってはならない。このクリアランスはポケ
ット内にガスを実質的に含み、ブレード対ブレードの摩
擦、摩損および加熱を避けるのに十分なものである。低
い軸線方向の高さが、クリアランスシールでの漏洩経路
となる断面積を減少させる。
【００２４】高さに対する正確な値は、正確に直接計算
することができない。押しのけ率がスクロールブレード
の軸線方向の高さに線形的に比例すること、漏洩がスク
ロールブレードの間のクリアランスおよび角度整合、ブ
レードの高さ、先端シールを通過する漏洩、並びに個々
のスクロールポケット内の瞬間的な圧力および流れ状況
の複雑な関数であることは経験的に分かったことであ
る。あるスクロールポンプにおいて、軸線方向の高さに
対して所望の値はまた、もちろん、ポンプの全体の大き
さ、所望の動作特性、およびブレードのクリアランス、
新しい磨耗および後の使用による磨耗の両方に依存す
る。軸線方向の高さに対する決定的な制御設計の要因
は、背後漏洩が排出システム内に所望のベース圧力を維
持するために十分に制御されるかどうかである。
【００２５】本発明の重要な態様はまた、第1段のポン
プ18の容積押しのけ率が第2段のポンプ30のものを越え
ることである。言い換えると、本発明の一態様は、各段
の機能が分かれ、最適化され、決して直列に組み合わさ
れていないことである。第1の段Iは容積押しのけに対し
て最適化され、その押しのけは公知の二段、スクロール
真空ポンプのものよりも高い。第2の段は第1の段よりも
小さな容積押しのけではあるが背後漏洩を制御するため
に最適化される。
【００２６】図2および3は、参考のために座標軸が加え
られたブレードの一サイクルの動作の間における二つの
位置にあるブレード19、20を示す。図2および3は入れ子
式になった可動および静止ブレードの四つの対を示す。
図2において、入り口は、Ｃのところで入り口18aからポ
ケットＰ1へのガスの更なる流入を阻止するために閉じ
たブレード対19’、20’を除きブレードのすべての対に
対して少なくとも部分的に開放される。ポケットＰ1の
外側出口端もＣ’のところで閉じている。可動ブレード
20’の、連続した反時計回りの旋回（回転ではない）運
動により、ブレード20’は接近した外側静止ブレード2
0’から内側に移動し、したがってポケットＰ1はＣ’の
ところで開く。環状領域29からの、中間圧力をもつガス
がポケットＰ1に戻し充填される。しかし、入り口18aの
戻る多量の流れがブレード19’および20’の連続した近
接により実質的に妨げられる。ポケットＰ1の体積がゼ
ロ近くに減少するとき、ブレード20’の連続した回動運
動はポケットＰ1のすべてのガスをポート28を介して環
状領域29内へと強いる。これが四つの入れ子になった配
列であるから、対応するポケットの開閉が、動作の各サ
イクルにおいて異なる時間であはあるが、各静止ブレー
ド19の内外で起こる。
【００２７】図3は、可動ブレード20が半径ｒのところ
で、運動の中心（ｘ-ｙ座標で0,0）のまわりの角度位置
Aから角度位置A’まで136°旋回した図2のスクロールの
セットを示す。旋回の方向は、速度ωで反時計回りであ
る。可動ブレード20の各完全な旋回に対して、360゜角
度範囲よりもやや狭い、全体で八つのポケット（各ブレ
ード対に対して二つ）がスクロールの内側端で実質的に
閉じている。可動ブレードのセットが反時計回りにまわ
ると、各塞がれたポケットは出口18bに対して実質的に
開放される。さらに、旋回運動の結果、各ポケットの容
積はゼロ近くに減少し、これにより可動プレートの一回
りが完了する。すべてのスクロールのポンプにおいて、
このブレードの旋回相互作用はまた、スクロールのセッ
トを通して作動流体を推進する。しかし、図2および3の
スクロール形状により、流体をスクロールのセット内で
圧縮することが実質的にない。内部ブレード空間に対し
て入り口が閉じると、入り口の前の約360゜の所の位置
する出口が開く。さらに、ブレードの運動は、空間内の
流体を出口へ移動させるが、しがし、流体は出口とほと
んど直に連通する流体であるので、圧縮による流体の圧
力の増大は無視できる。このタイプの装置は、一般的に
容積式ポンプとして参照される。排出圧力のもつ流体は
勢いよく進み、ポケットにその圧力をかける。
【００２８】ブレードの設計および入れ子式にするこ
と、並びに流体により動作サイクルの間、常に満たされ
るポンプ18の内部容積の比較的高い割合のため、ポンプ
18の容積押しのけ率は高く、特にドライスクロールポン
プに対してそうである。あるポンプの大きさに対して、
同じ条件で動作するとき、容積押しのけ率は、これまで
ドライスクロールポンプで達成された最良の率の約二倍
と計算される。
【００２９】図4は、図2および3のグリッド（座標）と
同じ大きさのグリッドが重ね合わされた第二段のポンプ
30の、一対の、多重回転スクロールのセットを示す。流
体入り口領域30aはポンプ30の外側周囲のまわりに環状
バンドのように伸長する。流体は二つのポケットＰ9お
よびＰ10に入り、包含される。ポンプ30は可動ブレード
20とは反対の側のプレート22の上に取り付けられた可動
ブレード32を有するので、旋回する方向は図4のｘ-ｙ座
標の中心0、0のまわりで時計まわりである。旋回の半径
は、もちろんｒである。動作の連続したサイクルでの、
ブレード32の連続的な軌道により、包含された多くのガ
スはスクロールを通して半径方向内側に進む。上述した
ように、ポケット内の容積は減少することから圧縮がな
されるが、その圧縮の程度は、ポンプ30にかかる圧力の
差に比較して無視できる。半径方向に最も奥のポケット
Ｐ16は、スクロールのセットの連続した旋回がこのポケ
ットの容積を減少し、ポケットを閉じるときに、再度圧
搾される排出圧力をもつガスで戻し充填される。このポ
ンプのスクロールのブレードの多くの回動は、インボリ
ュート経路にそって、連続して間隔があけられた多重ク
リアランスシールをもつ長い漏洩経路を形成する。図示
のように、ポンプ30は一つの固定（静止）ブレードおよ
び一つの旋回（可動）ブレードを使用し、それぞれは四
回りで360゜以上となる角度をもつ螺旋となる。
【００３０】図1に戻って、ポンプ18および30のための
駆動40が軸線方向に間隔があけられたベアリング48、50
に取り付けられた駆動軸46に、ゴム製のスパイダーカッ
プリング44により連結された電動モータ42により付勢さ
れる。ベアリング50はハウジング52のカラー52aで支持
されている。スナップリング54がシート凹所52bと一緒
になってカラー52aにベアリング50を止め付けている。
駆動軸46の一端の取り付けられた、偏心し、グリースが
充填され、密封されたボールベアリング65がプレート22
の中心カラー22aに連結されている。駆動軸とハウジン
グ部14cとの間にクリアランスがあることから、旋回カ
ラー22aとハウジング14cの対面する面との間の境界面で
のドライシール58およびベアリングに唯一の摩擦が生じ
る。シール58は先端シール26のために使用されたのと同
じ材料からなってもよい。
【００３１】ハウジング52の駆動軸に取り付けられたフ
ァン60がハウジング52内の入り口ポート62を通してハウ
ジング部14cの外側表面に至る冷却エアーの流れを形成
する。釣り合い重り64が、駆動軸の回転の軸線46aに関
して偏心して回動するプレートの質量の均衡を図るため
にファン60と一体に形成されている。金属製フィン66の
セットが、ハウジング部14cの外側面の凹所に半径方向
に向けて取り付けられている。フィンはポンプ18および
30からファンにより形成されたエアー流への熱の移動を
強める。フィン66はまた、ハウジング部14ｃを強化しハ
ウジングにかかる圧力差（定常的な動作において、数ミ
ルトルから1大気圧の差）による変形に抗する。変形
は、それがガスの漏洩およびブレードの磨耗の両方を増
加させる、スクロールポンプ30内の、スクロール壁のク
リアランスの間隔を変化させることから望ましくない。
【００３２】スラストベアリング68のセットが、プレー
ト22の外側周囲と、ハウジング部14bの外側の、内側に
向いた面との間に円形配列にして配置されている。スラ
ストベアリングは米国特許第4,259,043号に説明されて
いるタイプのものである。各ベアリング68がプレートお
よびハウジングにある二つの鏡像関係にある、円形凹所
内に保持された球状ボールベアリング70を含む。好適
に、これらの凹所は、耐磨耗性があり、硬化された材
料、典型的に工具鋼において、許容範囲近くまで削った
ものである。ドライ真空ポンプのような好適な応用例に
おいて、ベアリングは商標「Krytox 240AC」のもとでI.
E. DuPont de Nemoursにより販売されている製品のよ
うな、低蒸気圧のフッ化処理されたグリースでグリース
充填されている。シール73はグリースがベアリング68か
ら出ることを防止する。
【００３３】ベアリングは二つの機能をもつ。それらは
プレートに作用する差分流体圧により基本的に形成され
る圧縮負荷に抗し、またそれらはスクロールブレードの
相対的運動を同期化し、すなわちそれらは偏心した軸が
回転する時に固定した角度方向にプレートを保持する。
【００３４】ポンプ10は、欠陥または磨耗した部品を取
り替えるために容易に組み立てら、分解される。ネジ72
を除去することにより、ハウジング部14bおよび14cはハ
ウジング部14bをハウジング部14cから離すように引っ張
ることにより、軸線方向に分離できる。プレート22に接
近で、偏心ベアリング56から引っ張ることができる。
【００３５】図示のように（ただし限定を意味するもの
ではない）、3ミリトルの安定した状態の真空を形成す
る10ft3/min(ＣＦＭ)の押しのけ能力をもつドライ真空
ポンプにおいて、スクロールプレート22は9インチ(22.8
6cm)の直径をもち、ブレードを除いて3/8(0.95cm)イン
チのブレードの厚さ、鋳造アルミニウムのような適当な
構成材料により形成されている。スクロールが許容範囲
近くまで機械で作った後に、それらはアルミニウムの表
面特性を改良するためにハードコートされる。第1段の
スクロールブレードは高さが1インチ（2.54ｃｍ）で、
厚さが0.157インチ（0.4ｃｍ）である。第2段のブレー
ドは高さが0.5インチ（1.27ｃｍ）で、厚さが0.157イン
チ（0.4ｃｍ）である。第1段と第2段のブレード対ブレ
ードの最小のクリアランスは0.003インチ（0.0076ｃ
ｍ）である。第1段は第2段の容積押しのけ率のほぼ3倍
である。ブレードは図2-4に示された数および形状をも
つ。モータ40は1740ｒｐｍで約450ワットを消費する。
【００３６】本発明の重要な態様は、高い押しのけ率お
よび低い背後漏洩が上述のように比較的小さなクランク
半径、たとえば0.157インチ（0.4ｃｍ）で得ることがで
きることである。クランク半径は好適に、ブレード31ま
たは32の厚さの二倍より小さい。上述したように、小さ
なクランク半径は高い押しのけ率を相いれないと考えら
れていた。その理由は、そのことがスクロールポンプの
ポケットの容積が対応して小さいものとなるからであ
る。上述した半径ならびに角度形状および寸法をもつ第
1段ポンプの、入れ子式の二つ以上のブレード対が、た
だ小さなクランク半径により（好適にはブレードの厚さ
程度）、高い押しのけ率を達成する。
【００３７】本発明の小さなクランク半径は、先端およ
び他のシールの速度（速度がクランク半径の比例する）
を減ずるという大きな利点をもつ。これは順に、シール
の磨耗を減じ、これはより長いメンテナンス期間やより
少ないシールの磨耗汚染をもたらす。9.000時間の通常
のメンテナンス期間が予想される。小さなクランクの半
径もまた半径に比例して半径クランク力を減じ、また摩
擦熱やパワーの消費を減ずる。さらに、第1および第2段
ポンプのが同じ半径で旋回するので、小さいクランク半
径は、クリアランスシールを通過しようとも先端シール
を通過しようとも、背後漏洩を減ずる連続して間隔があ
けられたクリアランスシールおよび先端シールを形成す
る第2段のブレード対の更なる回転を可能にする。実際
に、本発明により提供される背後漏洩の制御は第1段ポ
ンプ18の先端シールの完全な省略を可能にする。これは
明らかにコスト、磨耗、および維持についての利点であ
る。
【００３８】軸線方向の高さの計算では、クランク半径
に対して正しい値はない。その値は最終的な性能目的お
よび上記したバラメータ、たとえば磨耗の減少、パワー
の消費、背後漏洩の制御、初期コストの減少の一つ以上
の最適化から経験的に決定され得る。
【００３９】図5は、トラストベアリング68が、一回り
わたって角度方向に展開する螺旋ブレード19”、20”の
三つの入れ子式の対内に位置する円形に配列されてい
る。この配置は、ほとんどベアリングシールを使用せ
ず、ベアリングがより直接に軸線方向の力に抗すること
ができようにする。この配置は、プレートの動揺を起こ
させようとするモーメントに対抗するようにはしない。
三つの入り口ポート14a’は三つの最も奥のポケットの
終端に示されている。シール26および58と同じ材料の円
形シール90がベアリング68を取り囲む。
【００４０】真空ポンプが5ミリトルより低いベース圧
力を支持できるように動作したとき、依然として高い押
しのけ率で動作する、高押しのけ率のスクロールタイプ
の、流体取り扱い装置を説明してきた。ポンプは流体と
相互作用をする液体潤滑油または冷媒をもたないドライ
動作を行うことができる。それは、電力消費が比較的低
く、通常のメンテナンス、特に先端シールの交換といっ
たことのメンテナンスの間の間隔が長いという結果をも
たらす。ポンプは第1段の先端シール無しでも動作でき
る。
【００４１】本発明を好適実施例をもって説明してきた
が、種々の変形、変更が当業者であれば上記説明および
添付の図面からなし得ることは理解できよう。たとえ
ば、本発明は、各段に対して一つとなる複数の旋回する
プレートをもち、いろいろな数の入れ子式のスクロー
ル、たとえば五個のスクロールをもち、第1段において
ブレードの角度範囲（たとえば340゜-380゜）をなして
（しかし、ある程度のトレードオフの関係はある）、動
作できる。同様に、好適実施例は空冷のみを使用した
が、本発明は液体潤滑剤、冷媒を、上述した付随問題、
システム、シール、液体冷媒および/または潤滑剤を保
持するためのものを設けることによるコストを伴うが、
使用できる。さらに、本発明は共通した中央の、偏心駆
動とともに説明されているが、多重周囲クランクのよう
な他の公知の偏心駆動を使ってもその特徴、利点を得る
ことができる。これら、および他の変形例は特許請求の
範囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがって構成された二段の真空ポン
プの垂直断面図である。
【図２】線2-2にそった図1の第一段のスクロールのセッ
トの側方断面図である。
【図３】図2に対応するが、異なる位置の軌道にある可
動スクロールブレードをもった状態の断面図である。
【図４】線4-4にそった図1の第二段のスクロールのセッ
トの側方断面図である。
【図５】他の第一段のスクロールセットの形状およびベ
アリング配列の、図2および図3に対応する側方断面図で
ある。
【符号の説明】
10 容積式流体取り扱い装置 12 入り口 12a ネジ 12ｂ 取り付けフランジ 13、13a Oリングシール 14 ハウジング 14a 入り口ポート 14ｂおよび14ｃ ハウジング部分 14ｄ 出口ポート 16 高圧放出通路 18 スクロールポンプ 18a 入り口領域 19 静止ブレード 20 ブレード 22 可動プレート 26 先端シール 28 チャンネル 29 環状プレナムチャンバー 30 第二段のスクロールポンプ 30a 環状入り口領域 31、32 静止および可動ブレード 42 電動モータ 44 スパイダーカップリング 46 駆動軸 48、50 ベアリング 52 ハウジング 52a カラー 54 スナップリング 58 ドライシール 60 ファン 62 入り口ポート 64 釣り合い重り 65 ボールベアリング 66 フィン 68 スラストベアリング

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高容積押しのけ率の、流体取り扱い装置
    であって、 流体のための入り口および出口を有するハウジングと、 該ハウジング内に取り付けられる少なくとも二つの、入
    れ子式になった固定および可動部レートの第1のスクロ
    ールセットと、 前記可動ブレードを支承する前記ハウジング内に取り付
    けられるプレートと、前記可動ブレードに前記固定ブレ
    ードを旋回させ、これにより内側ブレードポケットの流
    体と相互作用させる前記プレートおよび前記可動ブレー
    ドに、動作的に連結される偏心駆動と、 共に多重回転に対して角度方向に伸長する、少なくとも
    一対の固定および可動ブレードを形成する、前記ハウジ
    ング内に取り付けられる第2のスクロールセットと、 前記スクロールセットの出口を前記第2の入り口に連結
    する流路と、から成り、 前記少なくとも二対の固定および可動ブレードが入れ子
    式で、それぞれが、前記第1のスクロールセットの中心
    に接近した点からその周囲に接近した点へ、各動作サイ
    クル中に前記ポケットに十分に接近した角度距離にわっ
    て伸長し、 前記偏心駆動がまた、前記出口の向かって移動する一連
    の内側ブレードポケットを形成する旋回運動を行うため
    に前記第2のスクロールセットを推進し、 前記第2のスクロールセットが前記ハウジングの出口へ
    と流体を排出し、 前記第1のスクロールセットが入り口において、前記第2
    のスクロールセットの容積押しのけ率よりも高い容積押
    しのけ率を有する、ところの高容積押しのけ率の流体取
    り扱い装置。
  2. 【請求項２】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の流
    体取り扱い装置であって、第2のスクロールセットが前
    記第1のスクロールセットの前記ブレードより低い軸線
    方向の高さをもつ、ところの高容積押しのけ率の流体取
    り扱い装置。
  3. 【請求項３】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の流
    体取り扱い装置であって、 前記流路が前記第1および第2のスクロールセットの外側
    周囲に位置する、ところの高容積押しのけ率の流体取り
    扱い装置。
  4. 【請求項４】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の流
    体取り扱い装置であって、 前記第1のスクロールセットがほぼ一回転にわたって角
    度方向に伸長する、ところの高容積押しのけ率の流体取
    り扱い装置。
  5. 【請求項５】 請求項4に記載の高容積押しのけ率の流
    体取り扱い装置であって、 前記ブレードの対が四つあり、前記入り口の流体の圧力
    対前記出口に比が約1：1である、ところの高容積押しの
    け率の流体取り扱い装置。
  6. 【請求項６】 請求項4に記載の高容積押しのけ率の流
    体取り扱い装置であって、 前記固定ブレードが前記ハウジングに取り付けられ、前
    記駆動が、駆動軸および、前記プレートの中心と前記駆
    動軸との間をほぼ連結する偏心ベアリングを有する、と
    ころの高容積押しのけ率の流体取り扱い装置。
  7. 【請求項７】 請求項6に記載の高容積押しのけ率の流
    体取り扱い装置であって、 前記入り口が前記第1のスクロールセットの中心付近に
    位置し、前記出口が前記第2のスクロールセットの中心
    付近に位置する、ところの高容積押しのけ率の流体取り
    扱い装置。
  8. 【請求項８】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の流
    体取り扱い装置であって、 前記第2のスクロールセットが、前記ハウジング内に取
    り付けられる前記固定ブレード、および前記第1のスク
    ロールセットの前記可動ブレードと反対側の前記プレー
    トに取り付けられる可動ブレードを有する、ところの高
    容積押しのけ率の流体取り扱い装置。
  9. 【請求項９】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の流
    体取り扱い装置であって、 前記第1のスクロールセットの高さが前記第2のスクロー
    ルセットの高さの約二倍である、ところの高容積押しの
    け率の流体取り扱い装置。
  10. 【請求項１０】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記偏心駆動が、前記駆動の軸線と平行な、軸線方向に
    向いた力およびモーメントに抗し、前記旋回と同期する
    ために配置され、前記プレートと前記ハウジングの間に
    取り付けられる複数の、密閉されたトラストベアリング
    を含む、ところの高容積押しのけ率の流体取り扱い装
    置。
  11. 【請求項１１】 請求項10に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記トラストベアリングが前記プレートと前記ハウジン
    グの周囲のまわりに位置する、ところの高容積押しのけ
    率の流体取り扱い装置。
  12. 【請求項１２】 請求項10に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記トラストベアリングが前記第1のスクロールセット
    のブレード内に放射状に位置する、ところの高容積押し
    のけ率の流体取り扱い装置。
  13. 【請求項１３】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記旋回の半径が、前記第2のスクロールセットのブレ
    ードの一つの厚さの二倍以下である、ところの高容積押
    しのけ率の流体取り扱い装置。
  14. 【請求項１４】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記第1のスクロールセットが唯一のブレード対ブレー
    ドのクリアランスシールを有する、ところの高容積押し
    のけ率の流体取り扱い装置。
  15. 【請求項１５】 請求項1に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記第1のスクロールセットが前記入れ子式のブレード
    対の少なくとも三対を有する、ところの高容積押しのけ
    率の流体取り扱い装置。
  16. 【請求項１６】 高容積押しのけ率の、流体取り扱い装
    置であって、 流体のための入り口および出口を有するハウジングと、 該ハウジング内に取り付けられる少なくとも二つの、入
    れ子式になった固定および可動部レートの第1のスクロ
    ールセットと、 前記可動ブレードを支承する前記ハウジング内に取り付
    けられるプレートと、前記可動ブレードに前記固定ブレ
    ードを旋回させ、これにより内側ブレードポケットの流
    体と相互作用させる前記プレートおよび前記可動ブレー
    ドに、動作的に連結される偏心駆動と、 共に多重回転に対して角度方向に伸長する、少なくとも
    一対の固定および可動ブレードを形成する、前記ハウジ
    ング内に取り付けられる第2のスクロールセットと、 前記スクロールセットの出口を前記第2の入り口に連結
    する流路と、から成り、 前記少なくとも二対の固定および可動ブレードが入れ子
    式で、それぞれが、前記第1のスクロールセットの中心
    に接近した点からその周囲に接近した点へ、各動作サイ
    クル中に、前記ポケットに十分に接近した角度距離にわ
    って伸長し、 前記偏心駆動がまた、前記出口の向かって移動する一連
    の内側ブレードポケットを形成する旋回運動を行うてた
    めに前記第2のスクロールセットを推進し、 前記第2のスクロールセットが前記ハウジングの出口へ
    と流体を排出し、 前記第2のスクロールセットのブレードが前記第1のスク
    ロールセットのものよりも低い軸線方向の高さを有す
    る、ところの高容積押しのけ率の流体取り扱い装置。
  17. 【請求項１７】 請求項16に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記第1のスクロールセットの高さが前記第2のスクロー
    ルセットの高さの約二倍である、ところの高容積押しの
    け率の流体取り扱い装置。
  18. 【請求項１８】 請求項16に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記流路が前記第1および第2のスクロールセットの外側
    周囲に位置する、ところの高容積押しのけ率の流体取り
    扱い装置。
  19. 【請求項１９】 請求項16に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記第1のスクロールセットがほぼ一回転にわたって角
    度方向に伸長する、ところの高容積押しのけ率の流体取
    り扱い装置。
  20. 【請求項２０】 請求項16に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記第2のスクロールセットが、前記ハウジング内に取
    り付けられる前記固定ブレード、および前記第1のスク
    ロールセットの前記可動ブレードと反対側の前記プレー
    トに取り付けられる可動ブレードを有する、ところの高
    容積押しのけ率の流体取り扱い装置。
  21. 【請求項２１】 請求項16に記載の高容積押しのけ率の
    流体取り扱い装置であって、 前記偏心駆動が、前記駆動の軸線と平行な、軸線方向に
    向いた力およびモーメントに抗し、前記旋回と同期する
    ために配置される、前記プレートと前記ハウジングの間
    に取り付けられる複数の、密閉されたトラストベアリン
    グを含む、ところの高容積押しのけ率の流体取り扱い装
    置。
JP8162480A 1995-06-07 1996-06-04 高容積押しのけ率の、スクロールタイプの流体取り扱い装置 Pending JPH09112446A (ja)

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