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KR20100081345A - 다단식 드라이 펌프 - Google Patents

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KR20100081345A
KR20100081345A KR1020107010275A KR20107010275A KR20100081345A KR 20100081345 A KR20100081345 A KR 20100081345A KR 1020107010275 A KR1020107010275 A KR 1020107010275A KR 20107010275 A KR20107010275 A KR 20107010275A KR 20100081345 A KR20100081345 A KR 20100081345A
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pump
rotor shaft
rotor
cylinder
pump chamber
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도시오 스즈키
도모나리 다나카
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가부시키가이샤 아루박
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Abstract

다단식 드라이 펌프로서: 각각이 실린더와 상기 실린더에 수용된 로터를 포함하는 복수의 펌프실과; 복수의 상기 로터의 회전축이 되는 제1 로터 샤프트와; 상기 제1 로터 샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 상기 제1 로터 샤프트의 축방향 이동을 규제하는 고정 베어링과; 상기 제1 로터 샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 상기 제1 로터 샤프트의 축방향 이동을 허용하는 자유 베어링;을 구비하고, 상기 복수의 펌프실은 상기 고정 베어링과 상기 자유 베어링 사이에 배치되고; 상기 복수의 펌프실 중, 흡기측 압력이 낮은 제1 펌프실이, 상기 고정 베어링에 가깝게 배치되어 있는; 것을 특징으로 하는 다단식 드라이 펌프.

Description

다단식 드라이 펌프{Multi-stage dry pump}
본 발명은 용적 이송형 다단식 드라이 펌프에 관한 것이다.
본원은 2007년 11월 14일에 일본에 출원된 일본 특허출원 제2007-296014호에 기초하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.
배기를 행하기 위해 드라이 펌프가 이용되고 있다. 드라이 펌프는 펌프실을 구비하고 로터가 펌프실내의 실린더내에 수용되어 있다. 실린더내에서 로터를 회전시킴으로써 배기 가스를 압축하여 이동시켜 저압까지 배기를 행한다. 특히 10-2∼10-1Pa정도 또는 10-4Pa 정도까지 배기를 행할 경우에는 배기 가스를 단계적으로 압축하여 배기하는 다단식 드라이 펌프가 이용되고 있다. 다단식 드라이 펌프는 배기 가스의 흡입구로부터 토출구에 걸쳐 복수단의 펌프실을 직렬로 접속한 것이다. 다단식 드라이 펌프에서는 흡입구 부근의 저압단 펌프실로부터 토출구 부근의 고압단 펌프실에 걸쳐 배기 가스가 순차적으로 압축되어 압력이 상승한다. 따라서 배기 가스의 용량을 순서대로 줄일 수 있다. 펌프실의 배기 용량은 로터의 두께에 비례한다. 따라서 저압단 펌프실로부터 고압단 펌프실에 걸쳐 로터의 두께는 점차 얇아진다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
드라이 펌프를 운전하면 배기 가스가 각 펌프실에서 압축되어 발열하고 실린더 및 로터의 온도가 상승한다. 이로써 실린더 및 로터가 열팽창하여 양자가 간섭될 우려가 있다. 그래서 특허문헌 2에는 실린더 및 로터의 온도 상승과의 관계에서 양자의 선팽창율을 규정함으로써 양자의 간섭을 방지하는 기술이 제안되어 있다.
특허문헌 1: 일본 공표특허 제2006-520873호 공보 특허문헌 2: 일본 공개특허 제2003-166483호 공보
그러나 다단식 드라이 펌프에서는 로터 샤프트의 축방향을 따라서 복수단의 펌프실이 배치된다. 따라서 각 펌프실의 열팽창량이 로터 샤프트의 축방향을 따라서 누적된다. 게다가 각 펌프실의 로터는 두께가 다르기 때문에 열팽창량도 다르다. 특허문헌 2에 기재된 기술은 1개의 펌프실에서 로터 및 실린더의 간섭을 방지할 수는 있어도 로터 샤프트의 축방향으로 나란히 배치된 복수의 펌프실에서 로터 및 실린더의 간섭을 방지하기는 어렵다. 그 결과 모든 펌프실에서 로터와 실린더간의 간극을 크게 설계할 필요가 있다. 그래서 그 간극에서의 배기 가스의 역류량이 커져 드라이 펌프의 배기 능력을 저하시킨다.
따라서, 본 발명은 로터와 실린더간의 간극을 줄일 수 있는 다단식 드라이 펌프의 제공을 하나의 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 일태양에 관한 다단식 드라이 펌프는 이하의 구성을 채용하였다: 다단식 드라이 펌프로서: 각각이 실린더와 상기 실린더에 수용된 로터를 포함하는 복수의 펌프실과; 복수의 상기 로터의 회전축이 되는 제1 로터 샤프트와; 상기 제1 로터 샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 상기 제1 로터 샤프트의 축방향 이동을 규제하는 고정 베어링과; 상기 제1 로터 샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 상기 제1 로터 샤프트의 축방향 이동을 허용하는 자유 베어링;을 구비하고, 상기 복수의 펌프실은 상기 고정 베어링과 상기 자유 베어링 사이에 배치되고; 상기 복수의 펌프실 중 흡기측 압력이 낮은 제1 펌프실이 상기 고정 베어링에 가깝게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 다단식 드라이 펌프.
흡기측 압력이 낮은 저압단 펌프실에서는 배기 가스의 압축열에 의한 로터 및 실린더의 온도 상승량이 작기 때문에 양자의 열팽창량의 차가 작아진다. 따라서 저압단 펌프실에서 로터와 실린더간의 축방향에서의 간극을 매우 작게 설계할 수 있다. 고정 베어링으로부터 자유 베어링에 걸쳐 복수단의 펌프실의 열팽창량이 누적되는데, 열팽창량이 작은 저압단 펌프실을 고정 베어링 근처에 배치했기 때문에, 저압단 펌프실에서의 열팽창량의 누적량을 줄일 수 있다. 이로써 각 펌프실에서의 상기 간극을 작게 할 수 있다.
(2) 또 상기 다단식 드라이 펌프는 이하와 같이 구성되어도 좋다: 상기 다단식 드라이 펌프는: 상기 고정 베어링을 사이에 두고 상기 자유 베어링의 반대쪽에 배치되고 상기 제1 로터 샤프트에 회전 구동력을 부여하는 전동기와; 복수의 상기 로터의 회전축이 되는 제2 로터 샤프트와; 상기 고정 베어링과 상기 전동기 사이에 배치되고 상기 제1 로터 샤프트로부터 상기 제2 로터 샤프트에 회전 구동력을 전달하는 타이밍 기어;를 더 구비한다.
이 경우, 발열원인 (A)전동기, 타이밍 기어 및 고정 베어링과, (B)고압단 펌프실 및 베어링이 (C)저압단 펌프실을 사이에 두고 양쪽에 분산 배치된다. 이로써 다단식 드라이 펌프의 온도 분포를 균일화할 수 있게 되고, 또 다단식 드라이 펌프내의 최고 온도를 낮게 억제할 수 있다. 따라서 각 펌프실에서의 상기 간극을 작게 할 수 있다.
(3) 또 상기 다단식 드라이 펌프는 이하와 같이 구성되어도 좋다: 상기 제1 로터 샤프트의 내부에 상기 제1 로터 샤프트보다 전열(傳熱) 능력이 높은 전열 부재가 배치되고, 상기 전열 부재의 단부는 상기 제1 로터 샤프트의 상기 자유 베어링쪽의 단부로 노출되어 있다.
이 경우, 로터의 열이 전열 부재를 통해 로터 샤프트의 단부로 전달되고 로터 샤프트의 단부로부터 방열된다. 따라서 로터의 제열(除熱)을 효율적으로 행할 수 있다.
또 발열량이 큰 고압단 펌프가, 발열원인 전동기나 타이밍 기어가 없는 자유 베어링쪽에 배치되어 있다. 그리고 고압단 펌프의 열이 자유 베어링쪽으로 방열된다. 따라서 고압단 펌프실의 제열을 효율적으로 행할 수 있다.
(4) 또 상기 다단식 드라이 펌프는 이하와 같이 구성되어도 좋다: 상기 복수의 펌프실 중 압축일량이 최대가 되는 상기 펌프실에서의 상기 로터와 상기 실린더간의 상기 축방향에서의 간극은, 상기 복수의 펌프실 중 다른 상기 펌프실에서의 상기 로터와 상기 실린더간의 상기 축방향에서의 간극보다 크다.
이 경우 압축일량이 작은 저압단 펌프실의 상기 간극이 줄어들었기 때문에 압축일량이 큰 고압단 펌프실의 상기 간극을 확대해도 다단식 드라이 펌프 전체의 배기 능력을 확보할 수 있다. 그래서 압축일량이 최대가 되는 펌프실의 상기 간극을 크게 함으로써 압축일량이 최대가 되는 펌프실에서의 압축비를 작게 하여 발열을 억제하고, 다단식 드라이 펌프 전체를 안전 운전 지속 가능 사용 온도 이하로 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면 열팽창량이 작은 저압단 펌프실일수록 고정 베어링 근처에 배치했기 때문에, 고정 베어링으로부터 자유 베어링에 걸쳐 열팽창량의 누적량을 줄일 수 있게 된다. 따라서 각 펌프실에서 로터와 실린더간의 축방향에서의 간극을 작게 할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 다단식 드라이 펌프의 측면 단면도이다.
도 2는, 상기 다단식 드라이 펌프의 정면 단면도이다.
도 3a는, 본 발명의 제1 실시형태에서의 각 펌프실의 간극의 설명도이다.
도 3b는, 종래 기술에서의 각 펌프실의 간극의 설명도이다.
도 4는, 다단식 펌프의 흡입측 압력과 배기 속도의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 제1 실시형태의 변형예에 관한 다단식 드라이 펌프의 측면 단면도이다.
도 6은, 종래 기술에 관한 다단식 드라이 펌프의 측면 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관한 다단식 드라이 펌프에 대해서 도면을 사용하여 설명하기로 한다.
(다단식 드라이 펌프)
도 1 및 도 2는 제1 실시형태에 관한 다단식 드라이 펌프의 설명도이다. 도 1은 도 2의 A´-A´선의 측면 단면도이고, 도 2는 도 1의 A-A선의 정면 단면도이다. 도 1에 도시한 것처럼, 다단식 드라이 펌프(1; 이하, 단순히 「다단식 펌프」라고 하는 경우가 있다)에서는 두께가 다른 복수의 로터(21),(22),(23),(24),(25)가 각각 실린더(31),(32),(33),(34),(35)에 수용되어 있다. 로터 샤프트(20)의 축방향을 따라서 복수의 펌프실(11),(12),(13),(14),(15)이 형성되어 있다.
도 2에 도시한 것처럼 다단식 펌프(1)는, 한쌍의 로터(21a),(21b)와, 한쌍의 로터 샤프트(20a),(20b)를 구비하고 있다. 한쌍의 로터(21a),(21b)는 한쪽 로터(21a)의 볼록부(29p)와 다른 쪽 로터(21b)의 오목부(29q)가 맞물리도록 배치되어 있다. 로터(21a),(21b)는 로터 샤프트(20a),(20b)의 회전에 따라 실린더(31a),(31b)의 내부를 회전할 수 있다. 한쌍의 로터 샤프트(20a),(20b)를 서로 반대방향으로 회전시키면 로터(21a)와, (21b)의 볼록부(29p) 사이에 배치된 가스가 실린더(31a),(31b)의 내면을 따라서 이동하면서 압축된다.
도 1에 도시한 것처럼 로터 샤프트(20)의 축방향을 따라서 복수의 로터(21)∼(25)가 배치되어 있다. 각 로터(21)∼(25)는 로터 샤프트(20)의 외주면에 형성된 홈부(26)에 걸어맞춤되어 둘레방향 및 축방향으로의 이동이 규제되어 있다. 각 로터(21)∼(25)가 각각 실린더(31)∼(35)에 수용되어, 복수의 펌프실(11)∼(15)이 구성되어 있다. 각 펌프실(11)∼(15)은 배기 가스의 흡입구(5)로부터 토출구(미도시)에 걸쳐 직렬로 접속되고 다단식 드라이 펌프(1)가 구성되어 있다.
흡입구측(진공측, 저압단)의 제1단 펌프실(11)로부터 토출구측(대기측, 고압단)의 제5단 펌프실(15)에 걸쳐, 배기 가스가 압축되어 압력이 상승하기 때문에, 배기 가스의 용량을 순서대로 줄일 수 있다. 펌프실의 배기 용량은 로터의 퍼냄 용적 및 회전수에 비례한다. 로터의 퍼냄 용량은 로터의 잎의 갯수(볼록부의 갯수) 및 두께에 비례한다. 따라서 저압단 펌프실(11)로부터 고압단 펌프실(15)에 걸쳐 로터의 두께가 얇게 되어 있다. 본 실시형태에서는 후술하는 고정 베어링(54)으로부터 자유 베어링(56)에 걸쳐 제1단 펌프실(11) 내지 제5단 펌프실(15)이 배치되어 있다.
각 실린더(31)∼(35)는 센터 실린더(30)의 내부에 형성되어 있다. 센터 실린더(30)의 축방향 양단부에는 사이드 실린더(44),(46)가 고착되어 있다. 한쌍의 사이드 실린더(44),(46)에는 각각 베어링(54),(56)이 고정되어 있다. 한쪽 사이드 실린더(44)에 고정된 제1 베어링(54)은 앵귤러 베어링 등의 축방향의 유동이 작은 베어링으로서, 로터 샤프트의 축방향 이동을 규제하는 고정 베어링(54)으로서 기능한다. 다른 쪽 사이드 실린더(46)에 고정된 제2 베어링(56)은 볼베어링 등 축방향의 유동이 큰 베어링으로서, 로터 샤프트의 축방향 이동을 허용하는 자유 베어링(56)으로서 기능한다. 고정 베어링(54)은 로터 샤프트(20)의 길이 방향 중앙부 부근을 회전 가능하게 지지하고, 자유 베어링(56)은 로터 샤프트(20)의 길이 방향 단부 부근을 회전 가능하게 지지하고 있다.
자유 베어링(56)을 덮도록 사이드 실린더(46)에 캡(48)이 장착되어 있다. 캡(48)의 안쪽에는 자유 베어링(56)의 윤활유(58)가 봉입되어 있다.
한편, 사이드 실린더(44)에는 모터 하우징(42)이 고착되어 있다. 모터 하우징의 안쪽에는 DC브러시리스 모터 등의 모터(52)가 배치되어 있다. 모터(52)는 한쌍의 로터 샤프트(20a),(20b)(도 2 참조) 중, 도 1에 도시한 한쪽 로터 샤프트(20a)에만 회전 구동력을 부여한다. 다른 쪽 로터 샤프트에는, 모터(52)와 고정 베어링(54) 사이에 배치된 타이밍 기어(53)를 통해 회전 구동력이 전달된다.
(다단식 드라이 펌프의 요구 성능)
다음으로 다단식 펌프에 요구되는 성능에 대해서 설명하기로 한다.
다단식 펌프의 저압시의 기본 특성으로서 도달 압력이 낮을 것이 요구된다. 도달 압력이란, 다단식 펌프가 단체(單體)로 배기할 수 있는 최저 압력이다. 도달 압력을 낮추기 위해서는 다단식 펌프의 흡기측과 배기측과의 압력차를 크게 하면 좋다. 압력차를 크게 하기 위해서는, (1) 다단식 펌프의 단수를 증가시키거나, (2) 로터와 실린더간의 간극을 작게 하거나, (3) 로터의 회전수를 증가시키는 등의 방법이 있다.
다단식 펌프의 중고압시의 기본 특성으로서 배기 속도가 빠를 것이 요구된다. 배기 속도란, 다단식 펌프가 단위 시간당 수송할 수 있는 배기 가스의 용적을 말한다. 넓은 압력대에서 배기 속도를 높게 유지하려면, (1) 최저압단 펌프실의 퍼냄 용적을 증가시키거나, (2) 고압단 펌프실/저압단 펌프실의 퍼냄 용적비를 증가시키거나, (3) 로터와 실린더간의 간극을 작게 하거나, (4) 로터의 회전수를 증가시키는 등의 방법이 있다.
상기 모든 기본 특성의 향상에 대해서 로터와 실린더간의 간극(이하, 단순히 「간극」이라고 하는 경우가 있다.)을 작게 하는 것이 유효하다. 로터의 회전에 의해 흡기구로부터 배기구를 향해 배기 가스가 유통되는 반면, 로터와 실린더간의 간극을 통해 배기 가스가 역류한다. 따라서 간극을 작게 함으로써 배기 가스의 역류량을 줄일 수 있다. 펌프실의 배기 효율(능력)은 단위 시간당 배기 용량에서 간극을 역류하는 배기 가스 유량을 감산함으로써 산출된다. 펌프실의 단위 시간당 배기 용량은, 로터의 치수에 기초한 퍼냄 용적과 로터 회전수의 곱으로 표시된다.
로터와 실린더간의 간극은, (1) 로터 및 실린더의 열팽창량의 차, (2) 기계 가공 정밀도 및 기구부(예를 들면 베어링)의 유동을 고려하여 설계된다. 로터 및 실린더의 열팽창량은 양자의 온도 분포나 형상, 재질에 의존한다. 특히 로터가 알루미늄 합금을 포함하고, 알루미늄 합금과 철합금을 조합하여 사용할 경우에는 열팽창량의 차가 커지는 경우가 있다. 따라서 로터와 실린더간의 간극을 크게 설계하는 경우가 있다.
그런데 배기 가스는 각 펌프실(11)∼(15)에 압축되어 발열한다. 그 발열량은 각 펌프실의 압축일량에 의존한다. 압축일량은 각 펌프실의 흡기측 압력과 로터의 퍼냄 용적의 곱으로 표시된다. 따라서 각 펌프실의 발열량은 각 펌프실의 흡기측 압력에 비례한다. 또 배기 가스에서 로터 및 실린더로의 전열량은 배기 가스의 온도 및 분자 밀도(즉 절대 압력)에 의해 정해진다. 따라서 흡기측 압력이 보다 높고 분자 밀도도 보다 높은 고압단 펌프실일수록 로터 및 실린더의 온도가 보다 상승한다. 따라서 보다 고압단의 펌프실일수록 로터 및 실린더의 열팽창량의 차가 보다 커져 간극이 보다 커지는 경향이 있다.
한편, 로터와 실린더간의 간극에서의 배기 가스의 역류량은 펌프실의 흡기측 및 배기측 평균 압력에 비례한다. 따라서 평균 압력이 대기압에 가까운 고압단 펌프실일수록 간극에서의 배기 가스의 역류량이 많아진다. 그래서 고압단 펌프실일수록 간극을 보다 작게 설계할 것이 요구된다.
도 6은, 종래 기술에 관한 다단식 펌프의 측면 단면도이다. 로터 샤프트(20)는 중앙부 부근이 고정 베어링(54)에 의해 지지되고 단부 부근이 자유 베어링(56)에 의해 지지되어 있다. 이들 고정 베어링(54)과 자유 베어링(56) 사이에 복수의 펌프실(11),(12),(13),(14),(15)이 배치되어 있다. 상술한 것처럼 고압단 펌프실일수록 간극이 커지는 경향이 있지만 간극을 작게 설계할 것이 요구된다. 그래서 종래 기술에 관한 다단식 펌프(9)에서는 고압단 펌프실일수록 고정 베어링(54) 근처에 배치되어 있다. 즉, 고정 베어링(54)으로부터 자유 베어링(56)에 걸쳐 각 펌프실의 흡기측 압력이 순서대로 낮아지도록 각 펌프실(11)∼(15)이 배치되어 있다. 고정 베어링(54)은 로터 샤프트(20)의 축방향 변위를 규제하고 있다. 따라서 고정 베어링(54) 근방에서는 열팽창량의 누적이 작아진다. 그래서 고압단 펌프실일수록 고정 베어링(54) 근처에 배치함으로써, 커지기 쉬운 고압단 펌프실에서의 간극을 가능한 한 작게 설계하였다.
그러나, 상술한 고정 베어링(54)으로부터 로터 샤프트(20)의 축방향 변위를 허용하는 자유 베어링(56)에 걸쳐, 복수단의 펌프실(11)∼(15)의 열팽창량이 누적된다. 따라서 고압단 펌프실의 열팽창량은 저압단 펌프실에 누적된다.
도 3b는 종래 기술에서의 각 펌프실의 간극의 설명도이다. 고압단 펌프실의 열팽창량이 저압단 펌프실에 누적되기 때문에, 최저압단 펌프실(11)의 간극(d1)은 최고압단 펌프실(15)의 큰 간극(d5)보다 커진다. 따라서 다단식 펌프 전체로서의 배기 능력이 낮아진다는 문제가 있다. 또 최저압단 펌프실(11)의 간극(d1)이 커지기 때문에 다단식 펌프의 도달 압력을 낮출 수 없다는 문제가 있다.
도 3a는 본 실시형태에서의 각 펌프실의 간극의 설명도이다. 본 실시형태에서는 종래 기술과는 반대로, 고정 베어링(54)으로부터 자유 베어링에 걸쳐 흡기측 압력이 순서대로 높아지도록 복수의 펌프실(11)∼(15)이 배치되어 있다. 즉, 저압단 펌프실일수록 고정 베어링(54) 근처에 배치되어 있다. 흡기측 압력이 낮고 분자 밀도도 낮은 저압단 펌프실일수록 로터 및 실린더의 온도 상승량이 작기 때문에 열팽창량의 차는 작아진다. 따라서, 최저압단 펌프실(11)의 간극(d1)을 매우 작게 설계할 수 있다. 고정 베어링(54)으로부터 자유 베어링에 걸쳐 복수단의 펌프실(11)∼(15)의 열팽창량이 누적되는데, 열팽창량이 작은 저압단 펌프실일수록 고정 베어링(54) 근처에 배치함으로써, 열팽창량의 누적량을 줄일 수 있다. 따라서 최고압단 펌프실(15)의 간극(d5)도 비교적 작게 설계할 수 있다. 이로써 각 펌프실(11)∼(15)의 간극을 종합적으로 작게 할 수 있게 되어 다단식 펌프 전체의 배기 능력을 향상시킬 수 있다. 또 최저압단 펌프실(11)의 간극(d1)이 작아지기 때문에 다단식 펌프의 도달 압력을 낮출 수 있다.
도 4는, 다단식 펌프의 흡입측의 압력과 배기 속도의 관계를 도시한 그래프이다. 상기와 같이 구성한 본 실시형태에 관한 다단식 펌프에서는 종래 기술에 관한 다단식 펌프에 비해 각 압력에서의 배기 속도가 증가하여 도달 압력이 낮아졌다.
그런데 상술한 것처럼 배기 가스는 각 펌프실(11)∼(15)에 압축되어 발열한다. 발생한 열은 배기 가스와 함께 배출되는 것 외에 도 1에 도시한 로터(21)∼(25) 및 실린더(31)∼(35)에 전달된다. 실린더(31)∼(35)에 전달된 열은 실린더 주위에 배치된 냉매 통로(38)를 통해 배출된다. 이에 대해 로터(21)∼(25)에 전달된 열은 로터 샤프트(20) 및 베어링(54),(56)을 통해 실린더(31)∼(35)에 전달되고 실린더의 냉매 통로(38)를 지나 배출된다.
여기에서 다단식 펌프(1)의 배기 능력을 향상시키기 위해 로터(21)∼(25)의 회전수를 증가시키면 압축일량이 증가하기 때문에 배기 가스의 발열량도 증가한다. 그러나 실린더(31)∼(35) 주위에 배치된 냉매 통로(38)의 냉각 능력은 일정한 상태이므로 발열량이 냉각 능력을 상회한다. 발열량이 냉각 능력을 상회하면 다단식 펌프의 온도가 안전 운전 지속 가능 사용 온도를 상회할 우려가 있다. 안전 운전 지속 가능 사용 온도는 다단식 펌프의 구성 재료가 기구 부품으로서 사용할 수 있는 온도(재료 조직이 가역성을 가지고 강도가 저하되지 않는 온도)로서, 다단식 펌프의 용도나 사용 조건에 따라 정해져 있다.
그래서 배기 가스의 발열량을 억제하기 위해 펌프실의 압축일량을 줄이는 연구가 필요해진다. 펌프실의 압축일량을 감소시키는 수법으로서, (1) 로터의 퍼냄 용적을 줄이는 것, (2) 로터와 실린더간의 간극을 확대하는 것을 생각할 수 있다. 여기에서 퍼냄 용적을 줄이면 다단식 펌프의 배기 능력이 저하되어 사양을 만족할 수 없게 된다. 그래서 로터와 실린더간의 간극을 확대하는 수법을 채용한다. 특히, 발열량이 최대가 되는 최고압단 펌프실(15)의 간극을 확대하는 것이 바람직하다.
발열량의 억제를 실현하기 위해 필요한 간극은, 상술한 (1) 로터 및 실린더의 열팽창차, (2) 기계 가공 정밀도 및 기구부의 유동을 고려하여 설정되는 간극보다 현격하게 커진다. 도 3b에 도시한 종래 기술에서는 복수단의 펌프실(11)∼(15)의 간극이 모두 크게 되어 있으므로 최고압단 펌프실(15)의 간극을 더욱 확대하면 다단식 펌프 전체의 배기 능력을 확보할 수 없게 된다. 이에 반해 도 3a에 도시한 본 실시형태에서는 압축일량이 작은 저압단 펌프실의 간극이 작게 되어 있으므로 압축일량이 큰 최고압단 펌프실(15)의 간극을 더 확대하더라도 다단식 펌프 전체의 배기 능력을 확보할 수 있다. 그래서 압축일량이 최대가 되는 최고압단 펌프실(15)의 간극을 저압단 펌프실(11)∼(14)보다 크게 함으로써, 최고압단 펌프실(15)에서의 발열량을 억제하여, 다단식 펌프 전체를 안전 운전 지속 가능 사용 온도 이하로 유지할 수 있다. 또 최고압단 펌프실(15)의 압축일량을 줄여 저압단 펌프실(11)∼(14)에 배분할 수 있게 되어 다단식 펌프의 온도 분포를 균일화할 수 있다. 또 열팽창량이 최대가 되는 최고압단 펌프실(15)에서 간극을 확대함으로써 로터와 실린더와의 접촉 리스크를 줄일 수 있다.
그런데 도 6에 도시한 다단식 펌프(9)의 발열 원인으로서, 상술한 배기 가스의 압축 수송에 의한 것 외에 모터(52)의 운전에 의한 것 및 기구부(타이밍 기어(53)나 베어링(54),(56) 등)의 슬라이딩 마찰에 의한 것을 들 수 있다. 다단식 펌프 전체의 온도 분포를 균일화하기 위해서는 발열원을 집중시키지 않고 분산시켜 배치하는 것이 바람직하다. 이 점, 도 6에 도시한 종래 기술에서는 지면(紙面) 왼쪽으로부터 모터(52), 타이밍 기어(53), 고정 베어링(54), 최고압단 펌프실(15), 펌프실(14),(13),(12), 최저압단 펌프실(11), 자유 베어링(56)의 순서대로 배치되어 있다. 이 경우, 발열원인 모터(52)로부터 최고압단 펌프실(15)까지 집중하여 배치되어 있기 때문에 다단식 펌프(9)의 온도 분포를 균일화할 수 없고 또 다단식 펌프(9) 내의 최고 온도도 높아진다.
이에 반해 도 1에 도시한 본 실시형태에서는, 고정 베어링(54)을 사이에 두고 자유 베어링(56)의 반대쪽에, 로터 샤프트(20a)에 회전 구동력을 부여하는 모터(52)가 배치되어 있다. 또 고정 베어링(54)과 모터(52) 사이에, 로터 샤프트(20a)와 쌍을 이루는 로터 샤프트(20b)(도 2 참조)에 회전 구동력을 전달하는 타이밍 기어(53)가 배치되어 있다. 즉, 도 1의 지면 왼쪽으로부터 모터(52), 타이밍 기어(53), 고정 베어링(54), 최저압단 펌프실(11), 펌프실(12),(13),(14), 최고압단 펌프실(15), 자유 베어링(56)의 순서대로 배치되어 있다. 이 경우, 발열원인 (A) 모터(52), 타이밍 기어(53) 및 고정 베어링(54)과, (B) 최고압단 펌프실(15) 및 자유 베어링(56)이, (C) 최저압단 펌프실(11) 및 펌프실(12),(13),(14)을 사이에 두고 양쪽에 분산 배치된다. 이로써 다단식 펌프(1)의 온도 분포를 균일화할 수 있게 되고, 또 다단식 펌프(1) 내의 최고 온도를 낮게 억제할 수 있다. 이에 따라 각 펌프실(11)∼(15)의 간극을 작게 설계할 수 있다. 또 센터 실린더(30)에 배치된 냉매 통로(38)에 의해 실린더(31)∼(35) 및 로터(21)∼(25)의 제열을 확실하게 수행할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관한 다단식 드라이 펌프의 측면 단면도이다. 이 변형예에서는 로터 샤프트(20)의 내부에 로터 샤프트(20)보다 전열 능력이 높은 전열 부재(71)가 배치되어 있다. 예를 들면, 로터 샤프트(20)는 철합금으로 이루어지고, 전열 부재(71)은 알루미늄 합금으로 이루어져 있다. 전열 부재(71)로서 히트 파이프를 채용할 수도 있다. 전열 부재(71)의 단부는 로터 샤프트(20)의 자유 베어링(56)쪽 단부로 노출되어 있다. 이 구성에 의하면, 로터의 열이 전열 부재(71)를 통해 로터 샤프트(20)의 단부에 전달되고 로터 샤프트(20)의 단부로부터 방열된다. 따라서 로터의 제열을 효율적으로 수행할 수 있게 되어 로터(24),(25)의 열팽창을 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이 발열량이 큰 고압단 펌프실(14),(15)은 자유 베어링(56)쪽에 배치되어 있다. 그리고 전열 부재(71)는 로터 샤프트(20)의 자유 베어링(56)쪽 단부로부터, 고압단 펌프실(14),(15)의 형성 영역에 걸쳐 연장 설치되어 있다. 이로써 발열량이 큰 고압단 펌프실(14),(15)에 배치된 로터(24),(25)의 제열을 효율적으로 수행할 수 있게 된다. 그 결과 각 펌프실간의 온도차를 줄일 수 있다.
본 발명의 기술 범위는 상술한 각 실시형태로 한정되지 않으며 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 상술한 각 실시형태에 여러가지 변경을 추가한 것을 포함하는다. 즉, 각 실시형태에서 언급한 구체적인 재료나 구성 등은 극히 일례에 불과하며 적절히 변경할 수 있다.
예를 들면, 실시형태의 다단식 펌프에는 3엽식 루트(root)형 로터를 채용했으나, 그 밖(예를 들면 5엽식)의 루트형 로터를 채용할 수도 있다.
또 실시형태에서는 루트형 펌프를 예로 들어 설명하였으나, 클로우(claw)형 펌프나 스크류형 펌프 등 다른 종류의 펌프에 본 발명을 적용할 수도 있다.
또 실시형태의 다단식 펌프는 5단의 펌프실을 구비한 구성으로 하였으나, 5단 이외의 다단식 펌프에 본 발명을 적용할 수도 있다.
<산업상 이용 가능성>
본 발명에 의하면 열팽창량이 작은 저압단 펌프실일수록 고정 베어링 근처에 배치했기 때문에 고정 베어링으로부터 자유 베어링에 걸쳐 열팽창량의 누적량을 줄일 수 있게 된다. 따라서 각 펌프실에서 로터와 실린더간의 축방향에서의 간극을 작게 할 수 있다.
1…다단식 드라이 펌프
11,12,13,14,15…펌프실
20…로터 샤프트
21,22,23,24,25…로터
31,32,33,34,35… 실린더
52…모터(전동기)
53…타이밍 기어
54…고정 베어링
56…자유 베어링

Claims (4)

  1. 다단식 드라이 펌프로서:
    각각이 실린더와 상기 실린더에 수용된 로터를 포함하는 복수의 펌프실;
    복수의 상기 로터의 회전축이 되는 제1 로터 샤프트;
    상기 제1 로터 샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 상기 제1 로터 샤프트의 축방향 이동을 규제하는 고정 베어링;
    상기 제1 로터 샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 상기 제1 로터 샤프트의 축방향 이동을 허용하는 자유 베어링;을 구비하고,
    상기 복수의 펌프실은 상기 고정 베어링과 상기 자유 베어링 사이에 배치되고;
    상기 복수의 펌프실 중, 흡기측 압력이 낮은 제1 펌프실이, 상기 고정 베어링에 가깝게 배치되어 있는; 것을 특징으로 하는 다단식 드라이 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정 베어링을 사이에 두고 상기 자유 베어링의 반대쪽에 배치되고, 상기 제1 로터 샤프트에 회전 구동력을 부여하는 전동기;
    복수의 상기 로터의 회전축이 되는 제2 로터 샤프트;
    상기 고정 베어링과 상기 전동기 사이에 배치되고, 상기 제1 로터 샤프트로부터 상기 제2 로터 샤프트로 회전 구동력을 전달하는 타이밍 기어;를 더 구비한 것을 특징으로 하는 다단식 드라이 펌프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 로터 샤프트의 내부에, 상기 제1 로터 샤프트보다 전열 능력이 높은 전열 부재가 배치되고,
    상기 전열 부재의 단부는, 상기 제1 로터 샤프트의 상기 자유 베어링쪽의 단부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 다단식 드라이 펌프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 펌프실 중 압축일량이 최대가 되는 상기 펌프실에서의 상기 로터와 상기 실린더간의 상기 축방향에서의 간극은, 상기 복수의 펌프실 중 다른 상기 펌프실에서의 상기 로터와 상기 실린더간의 상기 축방향에서의 간극보다 큰 것을 특징으로 하는 다단식 드라이 펌프.
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