多級幹泵的製作方法

2023-05-08 03:07:26

專利名稱：多級幹泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及容積式多級幹泵。本申請基於2007年11月14日於日本申請的特願2007-296014號主張優先權，在 此援用其內容。
背景技術：
為了進行排氣而利用幹泵。幹泵具備泵室，轉子被收容在泵室內的氣缸內。通過 使轉子在氣缸內旋轉，壓縮廢氣並使廢氣移動，進行排氣達到低壓。特別是進行排氣達到 lO^lO^Pa的程度或者10_4Pa的程度時，利用階段性地對廢氣進行壓縮並排氣的多級幹泵。 多級幹泵從廢氣的吸入口到排氣口串聯連接有多級泵室。在多級幹泵中，從吸入口附近的 低壓級泵室到排氣口附近的高壓級泵室，廢氣被依次壓縮，壓力上升。因此，能夠按順序減 少廢氣的容量。泵室的排氣容量與轉子的厚度成比例。因此，轉子的厚度從低壓級泵室到 高壓級泵室逐漸變薄(例如，參考專利文獻1)。當運轉幹泵時，廢氣在各泵室內被壓縮而發熱，氣缸和轉子的溫度上升。據此，具 有氣缸和轉子產生熱膨脹導致兩者發生幹涉的危險。因此，專利文獻2中提出了通過利用 與氣缸和轉子的溫度上升的關係來規定兩者的線膨脹係數，以防止兩者發生幹涉的技術。專利文獻1 特表2006-520873號公報專利文獻2 特開2003-166483號公報但是，在多級幹泵中，沿著轉子軸的軸向配置有多級泵室。因此，各泵室的熱膨脹 量沿著轉子軸的軸向累積。而且，各泵室的轉子由於厚度不同，熱膨脹量也不同。專利文 獻2所記載的技術即使可以防止在一個泵室中轉子和氣缸發生幹涉，也難以防止在沿轉子 軸的軸向並排配置的多個泵室中轉子和氣缸發生幹涉。其結果是需要在所有的泵室中將轉 子與氣缸的間隙設計得較大。於是，在該間隙中的廢氣的逆流量變大，使幹泵的排氣能力下 降。

發明內容
因此，本發明的一個目的在於提供一種能夠減小轉子與氣缸的間隙的多級幹泵。(1)本發明的一個實施方式中的多級幹泵採用以下結構一種多級幹泵，其特徵 在於，具備分別包括氣缸和收容在所述氣缸中的轉子的多個泵室；作為多個所述轉子的 旋轉軸的第一轉子軸；旋轉自如地支撐所述第一轉子軸並限制所述第一轉子軸的軸向移動 的固定軸承；以及旋轉自如地支撐所述第一轉子軸並容許所述第一轉子軸的軸向移動的自 由軸承，所述多個泵室配置在所述固定軸承與所述自由軸承之間，所述多個泵室之中吸氣 側的壓力低的第一泵室靠近所述固定軸承配置。由於在吸氣側的壓力低的低壓級泵室中，廢氣的壓縮熱造成的轉子和氣缸的溫度 上升量較小，因此兩者的熱膨脹量之差較小。因此，在低壓級泵室中能夠將轉子與氣缸在軸 向上的間隙設計得極小。此外，從固定軸承到自由軸承多級泵室的熱膨脹量累積，但由於靠近固定軸承配置熱膨脹量小的低壓級泵室，能夠減少低壓級泵室中的熱膨脹量的累積量。 由此，能夠減小各泵室中的所述間隙。(2)另外，上述多級幹泵也可以如以下所示地構成上述多級幹泵進一步具備隔 著所述固定軸承配置在所述自由軸承的相反側，對所述第一轉子軸施加旋轉驅動力的電動 機；作為多個所述轉子的旋轉軸的第二轉子軸；以及配置在所述固定軸承與所述電動機之 間將旋轉驅動力從所述第一轉子軸傳遞給所述第二轉子軸的定時齒輪。在該情況下，作為發熱源的(A)電動機、定時齒輪和固定軸承與(B)高壓級泵室和 軸承隔著(C)低壓級泵室於兩側分散配置。據此，能夠使多級幹泵的溫度分布均勻化，另外 能夠較低地抑制多級幹泵內的最高溫度。因此，能夠減小各泵室中的所述間隙。(3)另外，上述多級幹泵也可以如以下所示地構成在所述第一轉子軸的內部配 置有傳熱能力高於所述第一轉子軸的傳熱部件，所述傳熱部件的端部露出於所述第一轉子 軸的所述自由軸承側的端部。在該情況下，轉子的熱經由傳熱部件被傳遞到轉子軸的端部，從轉子軸的端部放 熱。因此，能夠有效地進行轉子的除熱。另外，發熱量大的高壓級泵配置在沒有作為發熱源的電動機和定時齒輪的自由軸 承側。而且高壓級泵的熱在自由軸承側放熱。因此，能夠有效地進行高壓級泵室的除熱。(4)另外，上述多級幹泵也可以如以下所示地構成所述多個泵室之中的壓縮功 最大的所述泵室中的所述轉子與所述氣缸在所述軸向上的間隙大於所述多個泵室之中的 其他所述泵室中的所述轉子與所述氣缸在所述軸向上的間隙。在該情況下，由於壓縮功較小的低壓級泵室的所述間隙變小，因此即使擴大壓縮 功較大的高壓級泵室的所述間隙，也能夠確保多級幹泵整體的排氣能力。因此，通過增大壓 縮功最大的泵室的所述間隙，能夠減小壓縮功最大的泵室中的壓縮比來抑制發熱，從而將 多級幹泵整體維持於可持續安全運轉使用溫度以下。發明效果根據本發明，由于越是熱膨脹量小的低壓級泵室越靠近固定軸承配置，從而能夠 減少從固定軸承到自由軸承熱膨脹量的累積量。因此，能夠減小各泵室中轉子與氣缸在軸 向上的間隙。


圖1是本發明的第一實施方式中的多級幹泵的側面剖視圖；圖2是上述多級幹泵的正面剖視圖；圖3A是本發明的第一實施方式中的各泵室的間隙的說明圖；圖3B是現有技術中的各泵室的間隙的說明圖；圖4是表示多級泵的吸入側的壓力與排氣速度的關係的圖表；圖5是本發明的第一實施方式的變形例中的多級幹泵的側面剖視圖；圖6是現有技術中的多級幹泵的側面剖視圖。符號說明1…多級幹泵11、12、13、14、15 …泵室
20…轉子軸21、22、23、24、25 …轉子31、32、33、34、35 …氣紅52…馬達(電動機)53…定時齒輪54…固定軸承56…自由軸承
具體實施例方式以下，利用附圖對本發明的實施方式中的多級幹泵進行說明。(多級幹泵)圖1和圖2是第一實施方式中的多級幹泵的說明圖。圖1是圖2的A' -A'線中 的側面剖視圖，圖2是圖1的A-A線中的正面剖視圖。如圖1所示，在多級幹泵(以下，有 時僅稱為「多級泵」。)1中，厚度不同的多個轉子21、22、23、24、25分別被收容在氣缸31、 32、33、34、35中。沿著轉子軸20的軸向形成有多個泵室11、12、13、14、15。如圖2所示，多級泵1具備一對轉子2la、2lb、以及一對轉子軸20a、20b。一對轉子 21a、21b被配置為一個轉子21a的凸部29p與另一個轉子21b的凹部29q嚙合。轉子21a、 21b能夠隨著轉子軸20a、20b的旋轉而在氣缸31a、31b的內部旋轉。當使一對轉子軸20a、 20b相互反方向旋轉時，配置在轉子21a與21b的凸部29p之間的氣體在沿著氣缸31a、31b 的內面移動的同時被壓縮。如圖1所示，沿著轉子軸20的軸向配置有多個轉子21 25。各轉子21 25與 形成在轉子軸20的外周面的槽部26相配合，以限制周向和軸向上的移動。各轉子21 25 分別被收容在氣缸31 35中，構成多個泵室11 15。各泵室11 15從廢氣的吸入口 5 到排氣口(未圖示)串聯連接，構成多級幹泵1。從吸入口側(真空側、低壓級)的第一級泵室11到排氣口側(大氣側、高壓級)的 第五級泵室15，廢氣被壓縮導致壓力上升，因此能夠按順序減少廢氣的容量。泵室的排氣容 量與轉子的掏出容積(搔豸出L容積)和轉速成比例。轉子的掏出容量(搔豸出L容量) 與轉子的葉數(凸部的個數)和厚度成比例。因此，從低壓級泵室11到高壓級泵室15轉 子的厚度變薄。在本實施方式中，從後述的固定軸承54到自由軸承56配置有第一級泵室 11到第五級泵室15。各氣缸31 35形成在中心氣缸30的內部。在中心氣缸30的軸向兩端部緊固有 側氣缸44、46。一對側氣缸44、46上分別固定有軸承54、56。固定在一個側氣缸44上的第 一軸承54是角接觸軸承等軸向的遊隙較小的軸承，發揮作為限制轉子軸的軸向移動的固 定軸承54的功能。固定在另一個側氣缸46上的第二軸承56是球軸承等軸向的遊隙較大 的軸承，發揮作為容許轉子軸的軸向移動的自由軸承56的功能。固定軸承54旋轉自如地 支撐轉子軸20的長度方向中央部附近，自由軸承56旋轉自如地支撐轉子軸20的長度方向 端部附近。在側氣缸46上安裝有蓋件48以覆蓋自由軸承56。在蓋件48的內側封入有自由 軸承56的潤滑油58。
另一方面，在側氣缸44上緊固有電動機殼體42。在電動機殼體的內側配置有DC 無刷電動機等電動機52。電動機52僅對一對轉子軸20a、20b(參考圖2)之中，圖1所示的 一個轉子軸20a施加旋轉驅動力。旋轉驅動力經由配置在電動機52與固定軸承54之間的 定時齒輪53傳遞給另一個轉子軸。(多級幹泵的要求性能)接下來，對多級泵所要求的性能進行說明。作為多級泵的低壓時的基本特性，要求極限壓力的低度。極限壓力是指多級泵以 單體可以排氣的最低壓力。為了降低極限壓力，增大多級泵的吸氣側與排氣側的壓力差即 可。為了增大壓力差，有(1)增加多級泵的級數、(2)減小轉子與氣缸的間隙、(3)增加轉子 的轉速等方法。作為多級泵的中高壓時的基本特性，要求排氣速度的高速度。排氣速度是指多級 泵每單位時間可以輸送的廢氣的容積。為了在較寬的壓力帶內較高地維持排氣速度，有(1) 增加最低壓級泵室的掏出容積、(2)增加高壓級泵室/低壓級泵室的掏出容積比、(3)減小 轉子與氣缸的間隙、(4)增加轉子的轉速等方法。對於上述任意的基本特性的提高，減小轉子與氣缸的間隙(以下，有時僅稱為「間 隙」。)都是有效的。一方面利用轉子的旋轉廢氣從吸氣口向排氣口流通，另一方面廢氣通 過轉子與氣缸的間隙逆流。因此，通過減小間隙能夠降低廢氣的逆流量。此外，泵室的排氣 效率(能力)通過從每單位時間的排氣容量減去通過間隙逆流的廢氣流量而算出。泵室的 每單位時間的排氣容量由基於轉子尺寸的掏出容積與轉子轉速的乘積來表示。轉子與氣缸的間隙考慮(1)轉子和氣缸的熱膨脹量之差、(2)機械加工精度和機 構部(例如軸承)的遊隙來設計。轉子和氣缸的熱膨脹量依賴於兩者的溫度分布和形狀、 材質。特別是轉子含有鋁合金，將鋁合金與鐵合金組合使用時，熱膨脹量之差有時會增大。 因此，有時將轉子與氣缸的間隙設計得較大。另外，廢氣在各泵室11 15被壓縮並發熱。其發熱量依賴於各泵室的壓縮功。壓 縮功由各泵室的吸氣側的壓力與轉子的掏出容積的乘積來表示。因此，各泵室的發熱量與 各泵室的吸氣側的壓力成比例。另外，廢氣向轉子和氣缸的傳熱量由廢氣的溫度和分子密 度(即絕對壓力)決定。因此，越是吸氣側的壓力更高分子密度也更高的高壓級泵室，轉子 和氣缸的溫度上升越多。所以，具有越是高壓級的泵室，轉子和氣缸的熱膨脹量之差越大， 間隙越大的傾向。另一方面，轉子與氣缸的間隙中的廢氣的逆流量與泵室的吸氣側和排氣側的平均 壓力成比例。因此，越是平均壓力接近大氣壓的高壓級泵室，間隙中的廢氣的逆流量越多。 所以，越是高壓級泵室越是要求將間隙設計得較小。圖6是現有技術中的多級泵的側面剖視圖。轉子軸20通過固定軸承54支撐中央 部附近，通過自由軸承56支撐端部附近。在這些固定軸承54與自由軸承56之間配置有多 個泵室11、12、13、14、15。如上所述，具有越是高壓級泵室間隙越大的傾向，但要求將間隙 設計得較小。因此，在現有技術中的多級泵9中，越是高壓級泵室越靠近固定軸承54配置。 即，各泵室11 15被配置為從固定軸承54到自由軸承56各泵室的吸氣側的壓力按順序 降低的方式。固定軸承54限制轉子軸20的軸向位移。因此，在固定軸承54的附近熱膨脹 量的累積較少。所以，通過將越是高壓級泵室越靠近固定軸承54配置，將通常較大的高壓級泵室中的間隙儘可能設計得較小。但是，從上述固定軸承54到容許轉子軸20的軸向位移的自由軸承56，累積了多級 泵室11 15的熱膨脹量。因此，高壓級泵室的熱膨脹量被累積到低壓級泵室。圖3B是現有技術中的各泵室的間隙的說明圖。由於高壓級泵室的熱膨脹量被累 積到低壓級泵室，因此最低壓級泵室11的間隙dl比最高壓級泵室15的較大的間隙d5更 大。因此，存在作為多級泵整體的排氣能力降低的問題。另外，由於最低壓級泵室11的間 隙dl較大，存在無法降低多級泵的極限壓力的問題。圖3A是本實施方式中的各泵室的間隙的說明圖。在本實施方式中，與現有技術相 反，多個泵室11 15被配置為從固定軸承54到自由軸承吸氣側的壓力按順序增高。艮口， 越是低壓級泵室越靠近固定軸承54配置。越是吸氣側的壓力較低分子密度也較低的低壓 級泵室，由於轉子和氣缸的溫度上升量越小，所以熱膨脹量之差較小。因此，能夠將最低壓 級泵室11的間隙dl設計地極小。此外，從固定軸承54到自由軸承，多級泵室11 15的 熱膨脹量累積，但通過將越是熱膨脹量小的低壓級泵室越靠近固定軸承54配置，能夠減少 熱膨脹量的累積量。因此，也能夠將最高壓級泵室15的間隙d5設計地比較小。由此，能夠 綜合地減小各泵室11 15的間隙，從而能夠提高作為多級泵整體的排氣能力。另外，由於 最低壓級泵室11的間隙dl變小，因此能夠降低多級泵的極限壓力。圖4是表示多級泵的吸入側的壓力與排氣速度的關係的圖表。在如上述構成的本 實施方式中的多級泵，與現有技術中的多級泵相比，各壓力下的排氣速度增加，極限壓力降 低。此外，如上所述廢氣在各泵室11 15被壓縮並發熱。產生的熱除了與廢氣一起 被排出之外，還被傳遞到圖1所示的轉子21 25和氣缸31 35。傳遞到氣缸31 35的 熱通過配置在氣缸周圍的製冷劑通路38排出。與此相對，傳遞到轉子21 25的熱，經由 轉子軸20和軸承54、56被傳遞到氣缸31 35，通過氣缸的製冷劑通路38排出。這裡，當為了提高多級泵1的排氣能力而增加轉子21 25的轉速時，由於壓縮功 增加廢氣的發熱量也增加。但是，由於配置在氣缸31 35周圍的製冷劑通路38的冷卻能 力是固定的，因此發熱量將超過冷卻能力。當發熱量超過冷卻能力時，有多級泵的溫度超過 可持續安全運轉使用溫度的危險。可持續安全運轉使用溫度是多級泵的構成材料作為機構 部件可以使用的溫度(材料組織具有可逆性且強度不降低的溫度)，按照多級泵的用途和 使用條件來確定。因此，為了抑制廢氣的發熱量，需要設法使泵室的壓縮功減少。作為使泵室的壓縮 功減少的手法，可以考慮(1)減少轉子的掏出容積、(2)擴大轉子與氣缸的間隙。這裡，當 減少掏出容積時，多級泵的排氣能力下降而無法滿足規格。因此，反而採用擴大轉子與氣缸 的間隙的手法。特別是希望擴大發熱量最大的最高壓級泵室15的間隙。為了實現發熱量的抑制所需要的間隙將顯著地大於考慮上述(1)轉子和氣缸的 熱膨脹差、(2)機械加工精度和機構部的遊隙而設定的間隙。在圖3B所示的現有技術中，由 於多級泵室11 15的間隙都較大，因此如果進一步擴大最高壓級泵室15的間隙，將難以 確保多級泵整體的排氣能力。與此相對，在圖3A所示的本實施方式中，由於壓縮功較小的 低壓級泵室的間隙變得較小，因此即使進一步擴大壓縮功較大的最高壓級泵室15的間隙， 也能夠確保多級泵整體的排氣能力。因此，通過使壓縮功最大的最高壓級泵室15的間隙大於低壓級泵室11 14，能夠抑制最高壓級泵室15中的發熱量，從而將多級泵整體維持於可 持續安全運轉使用溫度以下。此外，能夠降低最高壓級泵室15的壓縮功，分配給低壓級泵 室11 14，從而可以使多級泵的溫度分布均勻化。進而，通過在熱膨脹量最大的最高壓級 泵室15中擴大間隙，能夠降低轉子與氣缸的接觸風險。另外，作為圖6所示的多級泵9的發熱原因，除了上述廢氣的壓縮輸送以外，還可 以舉出電動機52的運轉和機構部(定時齒輪53和軸承54、56等)的滑動摩擦。為了使多 級泵整體的溫度分布均勻化，希望不使發熱源集中而是分散配置。關於這點，在圖6所示的 現有技術中，從紙面左側按照電動機52、定時齒輪53、固定軸承54、最高壓級泵室15、泵室 14、13、12、最低壓級泵室11、自由軸承56的順序配置。在此情況下，作為發熱源的電動機 52到最高壓級泵室15集中配置，因此難以使多級泵9的溫度分布均勻化，另外多級泵9內 的最高溫度也較高。與此相對，在圖1所示的本實施方式中，隔著固定軸承54在自由軸承56的相反側 配置有對轉子軸20a施加旋轉驅動力的電動機52。另外，在固定軸承54與電動機52之間 配置有對與轉子軸20a成對的轉子軸20b (參考圖2)傳遞旋轉驅動力的定時齒輪53。艮口， 從圖1的紙面左側按照電動機52、定時齒輪53、固定軸承54、最低壓級泵室11、泵室12、13、 14、最高壓級泵室15、自由軸承56的順序配置。在此情況下，作為發熱源的(A)電動機52、 定時齒輪53和固定軸承54與(B)最高壓級泵室15和自由軸承56隔著(C)最低壓級泵室 11和泵室12、13、14於兩側分散配置。據此，能夠使多級泵1的溫度分布均勻化，另外能夠 較低地抑制多級泵1內的最高溫度。與此相伴，能夠將各泵室11 15的間隙設計得較小。 另外通過配置在中心氣缸30的製冷劑通路38，能夠可靠地進行氣缸31 35和轉子21 25的除熱。圖5是本發明的實施方式的變形例中的多級幹泵的側面剖視圖。在該變形例中， 在轉子軸20的內部配置有傳熱能力高於轉子軸20的的傳熱部件71。例如，轉子軸20由 鐵合金構成，傳熱部件71由鋁合金構成。此外，作為傳熱部件71也可以採用熱管。傳熱部 件71的端部露出於轉子軸20的自由軸承56側的端部。根據該結構，轉子的熱經由傳熱部 件71被傳遞到轉子軸20的端部，從轉子軸20的端部放熱。因此，能夠有效地進行轉子的 除熱，從而能夠抑制轉子24、25的熱膨脹。如上所述，發熱量大的高壓級泵室14、15被配置在自由軸承56側。而且傳熱部件 71從轉子軸20的自由軸承56側的端部到高壓級泵室14、15的形成區域延伸設置。據此， 能夠有效地進行配置在發熱量大的高壓級泵室14、15中的轉子24、25的除熱。其結果是能 夠降低各泵室間的溫度差。此外，本發明的技術範圍並不限定於上述各實施方式，在不脫離本發明主旨的範 圍內，包括對上述的各實施方式施加各種變更。即，各實施方式中所列舉的具體材料和結構 等僅為一個示例，能夠適宜變更。例如，在實施方式的多級泵中採用三葉式羅茨型轉子，但也可以採用除此之外 (例如五葉式)的羅茨型轉子。另外，在實施方式中以羅茨式泵為例進行了說明，但也可以將本發明應用於爪式 泵或螺杆式泵等其他種類的泵。另外，實施方式的多級泵為具備五級泵室的結構，但也可以將本發明應用於五級以外的多級泵。產業上的利用可能性根據本發明，由于越是熱膨脹量小的低壓級泵室越靠近固定軸承配置，因此能夠 減少從固定軸承到自由軸承熱膨脹量的累積量。所以，能夠減小各泵室中轉子與氣缸在軸 向上的間隙。
權利要求
一種多級幹泵，其特徵在於，具備分別包括氣缸和收容在所述氣缸中的轉子的多個泵室；作為多個所述轉子的旋轉軸的第一轉子軸；旋轉自如地支撐所述第一轉子軸並限制所述第一轉子軸的軸向移動的固定軸承；以及旋轉自如地支撐所述第一轉子軸並容許所述第一轉子軸的軸向移動的自由軸承，所述多個泵室配置在所述固定軸承與所述自由軸承之間，所述多個泵室之中吸氣側的壓力低的第一泵室靠近所述固定軸承配置。
2.根據權利要求1所述的多級幹泵，其特徵在於，進一步具備隔著所述固定軸承配置在所述自由軸承的相反側，對所述第一轉子軸施加旋轉驅動力 的電動機；作為多個所述轉子的旋轉軸的第二轉子軸；以及配置在所述固定軸承與所述電動機之間將旋轉驅動力從所述第一轉子軸傳遞給所述 第二轉子軸的定時齒輪。
3.根據權利要求1所述的多級幹泵，其特徵在於，在所述第一轉子軸的內部配置有傳 熱能力高於所述第一轉子軸的傳熱部件，所述傳熱部件的端部露出於所述第一轉子軸的所述自由軸承側的端部。
4.根據權利要求1所述的多級幹泵，其特徵在於，所述多個泵室之中的壓縮功最大的 所述泵室中的所述轉子與所述氣缸在所述軸向上的間隙大於所述多個泵室之中的其他所 述泵室中的所述轉子與所述氣缸在所述軸向上的間隙。
全文摘要
本發明提供一種多級幹泵，其特徵在於，具備分別包括氣缸和收容在所述氣缸中的轉子的多個泵室；作為多個所述轉子的旋轉軸的第一轉子軸；旋轉自如地支撐所述第一轉子軸並限制所述第一轉子軸的軸向移動的固定軸承；以及旋轉自如地支撐所述第一轉子軸並容許所述第一轉子軸的軸向移動的自由軸承，所述多個泵室配置在所述固定軸承與所述自由軸承之間，所述多個泵室之中吸氣側的壓力低的第一泵室靠近所述固定軸承配置。
文檔編號F04C18/18GK101855454SQ20088011562
公開日2010年10月6日 申請日期2008年11月12日 優先權日2007年11月14日
發明者田中智成, 鈴木敏生 申請人:株式會社愛發科