Eccentric pump

本発明は、ポンプであって、入口と出口とを備えたハウジングと、当該ポンプの中心軸線に対して同心的に配置された定置のシリンダと、該シリンダ内で偏心的に軌道運動する押退け体と、該押退け体のためのクランク駆動装置と、シリンダと押退け体との間に設けられた全周にわたって延びる三日月形の圧送室と、該圧送室に設けられた螺旋状のシールエレメントとが設けられている形式のものに関する。

前述した特徴を備えたポンプは、ヨーロッパ特許出願公開第４６４６８３号明細書に基づき公知である。 この公知のポンプはコンプレッサの機能を有していて、有利には、冷凍回路のガスを圧縮するために規定されている。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のポンプを改良して、ポンプをドライ真空ポンプとして使用することができるようにすることである。

この課題を解決するために本発明のポンプでは、ポンプが、ドライ真空ポンプとして形成されており、押退け体が、接触なしにシリンダ内で軌道運動するようになっており、押退け体とシリンダ内壁との間の最小の間隔が、０．２ｍｍに寸法設定されており、押退け体の外壁が、シールエレメントのための螺旋状の溝を装備しており、該溝のピッチが、入口から出口に向かって減少しており、駆動装置によって軸を介して駆動される回転システムが設けられており、該回転システムが、クランクを備えており、該クランクに押退け体が、軸受けを介して支持されており、回転システムが、２つのクランク区分を介して、ポンプハウジングの、両側に配置された軸受けカバーに支承されており、回転システムの構成部材が、少なくとも１つの質量補償ウェイトであり、該質量補償ウェイトが、押退け体に設けられた中空室内に位置しており、シールエレメントが、ＰＴＦＥを含有した材料から成っており、押退け体とハウジングとが、アルミニウム材料から成っており、シールエレメントと溝の側壁との間の滑り速度が、１〜５ｍ／ｓｅｃの間にあるように、クランクの回転数と偏心率とが選択されており、ポンプが、内側の圧縮を伴って運転されているようにした。

以前、真空ポンプの製造元の顧客は、ますます頻繁にドライ真空ポンプを必要としていた。 ドライ真空ポンプとは、ポンプの吸込み室が潤滑媒体なしであるポンプを意味している。 このような形式のポンプでは、炭化水素が、ポンプによって排気したいチャンバ内に拡散し、このチャンバ内で経過するプロセス（半導体生産、蒸着プロセス、化学的なプロセス等）を妨害する危険がもはやない。

ドライ運転式の回転翼型真空ポンプが知られている。 摩擦する部材（翼板、吸込み室内壁）は、比較的高い相対速度を有している。 したがって、翼板ひいてはポンプ自体の寿命が制限されている。 ドライ運転のために適切な真空ポンプはスクロール型ポンプである。 このスクロール型ポンプは定置の構成部材と、揺動する構成部材とを有している。 両構成部材は、内外で係合する螺線状の圧送エレメントを支持している。 その製作コストは高い。 さらに、スクロール型ポンプは、信頼性の高い継続運転を確保するために、しばしば待機されなければならない。 ドライ運転式のピストン型真空ポンプも市場に提供される。 その製作コストも同じく高く、その構造容積は大きい。 さらに、騒音発生と、回避することができない振動とが欠点である。 さらに、ドライ運転式の二軸型真空ポンプ（スクリュ型真空ポンプ、ルーツ型真空ポンプ、クロー型真空ポンプ）が知られている。 この二軸型真空ポンプは約２０ｍ ^３ ／ｈ以上のポンプ出力を有している。 しかし、この形式の真空ポンプの製作および使用は、５０ｍ ^３ ／ｈ未満の吸込み能ではたいていもはや経済的でない。

本発明による偏心型真空ポンプは、上述した欠点をもはや有していない。 摩擦は、主として、溝内での螺旋状のシールエレメントの運動時にしか生ぜしめられない。 圧送エレメントを案内する溝が何処に位置しているかに応じて、シールエレメントとシリンダの内壁または押退け体の外面との間の摩擦が著しく僅かとなる。 しかし、押退け体は軌道運動もしくはオービタル運動するので、摩擦するパートナの間の相対速度は高くなく、これによって、両者の摩耗が、特に適切な材料の使用時に無視可能となる。

両側で支承された押退け体を備えた一流式の構成における本発明による真空ポンプの断面図である。

片持ち式に支承された押退け体を備えた一流式の構成における本発明による真空ポンプの断面図である。

二流式の構成における本発明による真空ポンプの部分断面図である。

２つの段と、片持ち式に支承された押退け体とを備えた本発明による真空ポンプの部分断面図である。

螺旋状のシールエレメントの第１の構成の断面図である。

螺旋状のシールエレメントの第２の構成の断面図である。

螺旋状のシールエレメントの第３の構成の断面図である。

本発明のさらなる利点および詳細を、図１〜図５ｃに概略的に示した実施例につき詳しく説明する。

図１に示した真空ポンプ１は、軸受けカバー３，４を備えた円筒状のハウジング２を有している。 軸受けカバー３には駆動モータ５が続いている。 モータ軸６は軸受けカバー３を貫通していて、軸受け７に支持されている。 モータ軸６は回転システム８の構成要素である。 この回転システム８の回転軸線は符号９で示してある。 回転システム８は軸管片１１によって軸受け１２を介して軸受けカバー４に支持されている。

回転システム８の別の構成要素はクランク１３である。 このクランク１３は円筒状のハウジング２の高さに位置している。 符号ｅで偏心率が示してある。 クランク１３の端区分１４，１５は軸受け１６，１７を装備している。 この軸受け１６，１７には、軌道運動もしくは円運動する中空（中空室２０）の押退け体１８が支持されている。 ほぼ円筒状のこの押退け体１８の軌道運動は回転軸線９を中心として行われる。 クランク軸線は符号１９で示してある。 押退け体１８の軸方向の位置を確保するためには、両軸受け１６，１７の一方（ここでは軸受け１６）が自動調心ころ軸受けとして形成されている。

ポンプ１のシリンダステータの機能を同時に有する円筒状のハウジング２は回転軸線９に対して同心的に配置されている。 押退け体１８の直径は、ハウジング２の内壁に接触しないように選択されている。 ハウジング２と押退け体１８との間の最小の間隔は可能な限り小さく、有利には１ｍｍよりも著しく小さく、たとえば０．２ｍｍに寸法設定されていることが望ましい。

軌道運動する押退け体の回転運動を阻止するためには、トルク支持体（オルダム継手、板ばね、線材ばねまたはこれに類するもの）を使用することが知られている。 このために、図１に示した構成では、連動する付加的な偏心体が設けられていて、符号２１で示してある。 この偏心体２１は端片を介して押退け体１８と軸受けカバー４とに支持されている。 偏心体２１を押退け体１８と軸受けカバー４とに回転可能に支承するためには、たとえばドライ滑り軸受けまたはグリース潤滑された転がり軸受けを使用することができる（図示せず）。 押退け体１８の明確な運動機構のためには、少なくとも２つの偏心体２１が使用されなければならない。 これらの偏心体２１は、たとえば１２０゜だけずらされて配置されている。 図示の運動機構は、回転軸線１９を備えたクランク１３に対して相対的な押退け体１８の回転運動を生ぜしめる。

クランク１３の、軸線２３を備えたほぼ円筒状の中間の区分２２も同じく回転軸線９に対して偏心的に配置されていて、しかも、偏心率Ｅを備えている。 偏心率ｅ，Ｅの方向は互いに逆方向に向けられている。 中間の区分２２の偏心率Ｅと質量とは、軸受け１６，１７を備えた回転するクランク区分１４，１５の質量と、軌道運動する押退け体１８の質量とによってポンプ１の運転の間に生ぜしめられるアンバランス力が補償されるように選択されている。

ハウジング２と押退け体１８との間には三日月形の圧送室２６が位置している。 螺旋状のシールエレメント２７が圧送チャンバを形成している。 この圧送チャンバはポンプ１の入口２８から出口２９に向かって運動させられる。 入口側には、押退け体１８の軌道運動時に常に閉鎖される圧送チャンバが形成される。 この圧送チャンバは出口側で初めて再び開放される。 図１に示した構成では、入口２８がカバー４に位置している。 出口チャンバ２９はカバー３に位置している。 出口チャンバ２９に続く出口管片は図示していない。

シールエレメント２７は螺旋状のフレキシブルな帯材であると同時に長く延ばしてみると、横断面で見て長方形の帯材でもある。 この帯材は、押退け体１８に設けられた溝３０内に案内されている。 弛緩された状態では、シールエレメント２７は、シリンダ２に設けられた孔の内径よりもやや大きい外径を有している。 これによって、帯材は、組み付けられた状態で、半径方向外向きに作用する予荷重もしくはプレロード下にあるので、ハウジング２の内壁に対するシールエレメント２７の密な当付けが保証されている。 シールエレメント２７の幅ｂは、偏心率ｅの二倍の量よりも大きく寸法設定されている。 これによって、圧送チャンバの、入口２８から出口２９への運動の間の閉鎖された状態と、溝３０内でのシールエレメント２７の確実な案内とが保証され、逆流が阻止される。 溝２０内でのシールエレメント２７の遊びは可能な限り小さく、たとえば０．２ｍｍに寸法設定されていることが望ましい。

ハウジング２とシールエレメント２７との間に著しい摩擦は生ぜしめられないにもかかわらず、シールエレメント２７には、ポンプ１の運転の間、シールエレメント２７と溝３０との間の摩擦によってトルクが加えられる。 これに基づき生ぜしめられる帯材２７の軸方向の移動は、有利にはロックによって阻止される。 このような形式のロックは、たとえばストッパとして押退け体１８の溝３０内に形成することができる。 別の可能性は、シールエレメント２７の一方の端区分が、軸線９を中心として回転することはできないものの、軸方向に僅かな運動遊びを有している（図２参照）ように、ハウジング２または一方の軸受けカバー３，４に位置決めされていることにある。

図１に示した構成では、押退け体１８に設けられた溝３０のピッチひいてはシールエレメント２７のピッチも入口２８から出口２９に向かって連続的に減少している。 このことは、入口２８から出口２９に向かって移送される圧送チャンバの容積にも同じく当てはまり、これによって、吸い込まれたガスの圧縮が行われる。 排気段階の開始時に、許容できないほど高いポンプ内の過圧を回避するためには、負荷軽減弁３２が設けられている。 この負荷軽減弁３２は入口２８と出口２９との間に位置していて、許容できないほど高い圧力が生ぜしめられた場合に、ハウジング２に設けられた孔３３を開放する。 負荷軽減もしくは放圧は通路３４，３５を介して行われる。 この通路３４，３５は直接出口２９に通じている。

図１に示した構成では、一方で押退け体１８の中空室２０が入口２８と出口２９との間の短絡を形成しかつ他方で炭化水素が中空室２０から入口の領域に侵入することが阻止されなければならない。 この役割を、一方ではシール部材４１，４２が果たしている。 このシール部材４１，４２は、押退け体１８に設けられた端面側の開口を通るクランク１３の端区分１４，１５の貫通部をシールしている。 さらに、軸受け１６，１７を潤滑するために、炭化水素不含のグリースを使用することが有利である。 さらに、押退け体の内室２０に所定の負圧、たとえば８０ｍｂａｒの負圧を維持することが有利である。 このことは、押退け体壁に設けられた孔４３を介して行うことができる。 この孔４３は圧送室２６に開口していて、しかも、押退け体の中空室に所望される内圧が形成される領域に開口している。 この手段によって、シール部材４２に生ぜしめられる圧力差が著しく低減される。

図２に示した構成は、回転システム８と、この回転システム８に支承された押退け体１８とが、軸６に片持ち式に支持されている点で図１に示した構成と異なっている。 軸６自体は、ポンプハウジング２内の軸受け７と、モータハウジング内の別の軸受け（図示せず）とを介して支持されている。 この手段は、押退け体１８の中空の内室２０を吸込み側で密に閉鎖することができる（カバー４４）という利点を有している。 押退け体１８の回転運動を阻止するためには、オルダム継手４５が設けられている。 シールエレメント２７は軸方向ピン４６によってカバー４に位置決めされている。 ピン４６は、シールエレメント２７に設けられた孔４７を貫通している。 この孔４７は、軸線９を中心とした帯材の回転を阻止しているものの、軸方向での遊びは許容している。

ガスバラスト供給に対する２つの構成が図示してある。 第１の構成では、バラストガスが管路５１を介して外部から、ハウジング２に設けられた孔（図示せず）を通って圧送室２６内に到達する。 管路５１内には、遮断弁５２と、逆止弁５３と、差圧弁５４とが位置している。 このような形式のガスバラスト装置は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９６２４４５号明細書に基づき公知である。

第２の構成では、バラストガスの供給が押退け体１８の中空室２０を介して行われる。 回転システム８に設けられた通路システム５５が外部への接続部を形成している。 通路システムを介して供給されたバラストガス（矢印５６）は、押退け体壁に設けられた孔５７（破線で図示してある）を介して圧送室２６内に到達する。 この構成の利点は、押退け体が内部からバラストガスによって冷却されることである。

図２に示した構成では、ポンプによって圧送されるガスが圧送室２６を、ハウジング２に設けられた孔５９を介して離れる。 この孔５９は通路３４に開口している。 この通路３４はポンプの出口２９に接続されている。 押退け体１８の軌道運動と螺旋状の溝３０のピッチとは、圧送室２６内の個々の圧送チャンバがポンプ１の運転の間に入口２８から孔５９にまで運動させられる（矢印６１）ように選択されている。 図示の構成では、押退け体１８がその区分６２で孔５９を越えて延びている。 このことは、溝３０にも当てはまる。 しかし、この溝３０のピッチは、無関係の別のシールエレメント２７'が圧送チャンバを形成するように選択されている。 この圧送チャンバは、入口２８と孔５９との間の圧送方向と逆方向に向けられている（矢印６３）。 さらに、ポンプは二流式に形成されている。 このポンプは２つのポンプ段を有している。 両ポンプ段は各端面から孔５９の方向に媒体を圧送する。 押退け体の中空室２０と区分６２の吸込み側との間に接続部が形成される（矢印６４）と、中空室２０を所定の負圧に保持することが可能となる。 さらに、ポンプの有効な冷却を実現することができる。 回転システム８に設けられた通路システム５５を介して中空室２０内に流入した冷却ガスは区分６２の吸込み側に到達し、圧送されるガスと一緒に孔５９と出口２９とを通って圧送室２６から離れる。 こうして、さらに、ガスがポンプの入口２８から中空室２０内に到達し、この中空室２０内に位置する軸受け７，１６，１７に到達し得ることが阻止される。 このことは、たとえば腐食性ガスまたはエッチングガスを圧送したい場合に望ましい。

図３には、中間の１つの入口２８と、矢印によってしか示していない端面側の２つの出口２９，２９'とを備えた二流式の構成が示してある。 入口２８の側方には２つのポンプ区分が位置している。 両ポンプ区分のうち、一方のポンプ区分しか図示していない。 見ることができない区分は、可視の区分に対して鏡像的に形成されている。 両ポンプ区分はその都度入口２８から出口２９；２９'に向かって媒体を圧送する。 回転システム８（軸線９）と、軌道運動する押退け体１８とはポンプ１の全長にわたって延びている。 駆動はモータとカップリング（図示せず）とを介して行われる。 ２つのシールエレメント２７，２７'が圧送チャンバを形成している。 この圧送チャンバは内側から外側に向かって移送される。 図１に示した構成と異なり、シールエレメント２７，２７'を案内する溝３０，３０'はハウジング２に位置している。 シールエレメント２７，２７'のそれぞれ内側の狭幅面は押退け体１８の円筒状の外壁に接触している。 このことは、螺旋状のシールエレメント２７，２７'が、弛緩された状態で、押退け体１８の外径よりも小さい直径を有していることによって達成される。

図３に示した構成の特別な利点は、両出口２９，２９'が端面側に配置されていることにある。 押退け体の両端面はもはや真空密に閉鎖されている必要はない。 冷媒、たとえばベンチレータによって発生させられた冷却空気が中空室２０を通流するようにポンプを変更することさえ可能となる。 別の利点は、さほどの軸方向力が軸受けに加えられないことである。 なぜならば、軸方向のガス力および摩擦力がその都度補償されるからである。

図４に示した構成は、本発明による二段式のポンプ１である。 このポンプ１は、螺旋状の２つの溝３０，３０''を備えた外側のハウジング２を有している。 両溝３０，３０''内には、それぞれ１つのシールエレメント２７，２７''が案内されている。 配置形式は二条ねじに相当している。 シールエレメント２７，２７''は、軌道運動する押退け体１８の円筒状の外面に接触している。 シールエレメント２７，２７''は圧送チャンバを形成している。 この圧送チャンバは三日月形の圧送室２６内でハウジング２の自由端面３１からポンプ１の出口２９に向かって移送される。

クランク１３（クランク区分１４）だけでなく、軌道運動する押退け体１８も、端面３１の領域にもはや支承が不要となるように片持ち式に支承されている。 クランク区分１４は段部を有している。 押退け体１８は、互いに異なる直径を備えた両軸受け１６，１７を介して片持ち式に支持されている。

図示の二段式の構成では、シールエレメント２７，２７''と押退け体１８の外壁とによって形成されたポンプ段に別のポンプ段が前置されている。 このためには、押退け体１８が二重ポットのように形成されている。

端面側の中空室の一方には、クランク１３と軸受け１６，１７とが位置している。 反対の側に位置する、端面３１を備えた第２の中空室３６内には、別のポンプ段が位置している。 ハウジング２には、フランジ３４を介して円筒状の構成部材３５が軸線９に対して同心的に取り付けられている。 構成部材３５は押退け体１８の内室３６に突入している。 構成部材３５の直径は、その外壁と、押退け体１８の内壁とが三日月形の別の圧送室３７を形成するように選択されている。 円筒状の構成部材３５の外壁（または押退け体１８の内壁）は螺旋状の溝３８を装備している。 この溝３８内には別のシールエレメント３９が案内されている。

構成部材３５と、押退け体１８と、シールエレメント３９とによって形成されたポンプ段は、本発明による二段式のポンプ１の第１の段として働く。 この段は軸受け側から端面３１の方向に媒体を圧送する。 この領域では、圧送室３７，２６が互いに接続されている。 入口２８を、構成部材３５に設けられた中央の孔６０が形成している。 構成部材３５に設けられた溝３８のピッチと、ハウジング２に設けられた溝３０，３０'のピッチとはコンスタント（簡単に製作可能）であるものの、異なる大きさに選択されている。 溝３８のピッチは溝３０，３０'のピッチよりも大きく寸法設定されている。 二段式のポンプ１を通過する間、圧送されるガスの圧縮が行われる。 前述した構成の特別な利点は、高圧段が外側に位置していることにある。 有利には、高圧段に発生させられた熱は、ハウジング２に設けられた冷却通路または、図示のように、比較的大面の冷却リブ５１によって簡単に導出することができる。

螺旋状のシールエレメント２７，２７'，２７''，３９は、吸込み側から吐出し側に向かって運動させられる圧送チャンバを相関的にシールするという役割を有している。 さらに、シールエレメントと、関与する構成部材２，１８，３５との間の摩擦抵抗が最小であることが望ましい。 図５ａ〜図５ｃには、シールエレメント２７の特別な構成が示してある。 図５ａに示した構成では、シールエレメント２７が、ほぼ軸方向に向けられたシールリップ７１でステータハウジング２の内面に接触している。 シールリップ７１の下方に位置する切欠き７２は、より高い圧力を備えた側に向かって開放しているので、シールリップ７１のフレキシブルなかつ確実な当付けが確保されている。 図５ｂおよび図５ｃに示したシールエレメント２７の構成は溝３０の領域に、半径方向に向けられた異なる長さのシールリップ７３，７４を有している。 このシールリップ７３，７４は、シールエレメントと溝側壁との間の減少させられた摩擦抵抗の作用を有している。

前述した実施例は、主として、その支承ならびにシールエレメントのための案内溝の数、ピッチおよび場所の選択に関して異なっている。 念のために付言しておくと、前述した構成は、前述した実施例の各々で実現することができる。 本発明によって、低い製作コストで、騒音および振動の少ないコンパクトなドライ真空ポンプを製作することが可能となる。 このドライ真空ポンプは小さなポンプ出力（５０ｍ ^３ ／ｈ未満）でも経済的である。 回転する構成部材の回転数が１５００〜３６００ｒ． ｐ． ｍの間にあれば十分である。 ポンプの冷却は簡単である。 なぜならば、主要な全ての構成部材が大気に接触しているからである。

摩擦する部材のための材料の選択がポンプの寿命に対して重要となる。 螺旋状のシールエレメント２７，２７'，３９のためには、ピストン型真空ポンプまたはスクロール型真空ポンプにも使用されるように、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）またはＰＴＦＥコンパウンドが有効であると分かった。 押退け体１８および／またはハウジング２ならびに構成部材３５は、有利にはアルミニウム材料、特に有利には硬質に陽極酸化されたアルミニウム合金、たとえばＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金から成っている。 この材料または類似の材料の使用時には、圧送室内の潤滑媒体の不足にもかかわらず、シールエレメントと、所属の溝との間の高い滑り速度を許容することが可能となる。 この滑り速度は、クランクの回転数と、偏心率ｅとに関連している。 この値が高ければ高いほど、ますますコンパクトに、規定されたポンプ出力を備えたポンプを形成することができる。 有利には、回転数と偏心率とは、滑り速度が１〜５ｍ／ｓｅｃ、有利には４〜５ｍ／ｓｅｃの間にあるように選択される。

１ 真空ポンプ、 ２ ハウジング、 ３ 軸受けカバー、 ４ 軸受けカバー、 ５ 駆動モータ、 ６ モータ軸、 ７ 軸受け、 ８ 回転システム、 ９ 回転軸線、 １１ 軸管片、 １２ 軸受け、 １３ クランク、 １４ 端区分、 １５ 端区分、 １６ 軸受け、 １７ 軸受け、 １８ 押退け体、 １９ クランク軸線、 ２０ 中空室、 ２１ 偏心体、 ２２ 区分、 ２３ 軸線、 ２６ 圧送室、 ２７，２７'，２７'' シールエレメント、 ２８ 入口、 ２９，２９' 出口、 ３０，３０'，３０'' 溝、 ３１ 端面、 ３２ 負荷軽減弁、 ３３ 孔、 ３４ 通路またはフランジ、 ３５ 通路または構成部材、 ３６ 内室、 ３７ 圧送室、 ３８ 溝、 ３９ シールエレメント、 ４１ シール部材、 ４２ シール部材、 ４３ 孔、 ４４ カバー、 ４５ オルダム継手、 ４６ 軸方向ピン、 ４７ 孔、 ５１ 管路または冷却リブ、 ５２ 遮断弁、 ５３ 逆止弁、 ５４ 差圧弁、 ５５ 通路システム、 ５６ 矢印、 ５７ 孔、 ５９ 孔、 ６０ 孔、 ６１ 矢印、 ６２ 区分、 ６３ 矢印、 ６４ 矢印、 ７１ シールリップ、 ７２ 切欠き、 ７３ シールリップ、 ７４ シールリップ、 ｂ 幅、 ｅ 偏心率、 Ｅ 偏心率