KR102451435B1

KR102451435B1 - 펌프 밀봉

Info

Publication number: KR102451435B1
Application number: KR1020197017352A
Authority: KR
Inventors: 니겔 폴 쇼필드; 알랜 어니스트 킨네어드 홀브룩
Original assignee: 에드워즈 리미티드
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2022-10-05
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: JP7211947B2; US20190368489A1; EP3555476A1; WO2018115815A1; US11421689B2; KR20190098144A; GB201621618D0; CN110088478A; EP3555476B1; JP2020502409A

Abstract

펌프 조립체가 개시된다. 펌프 조립체는 회전자 샤프트 부분(80)을 갖는 회전자(50); 상기 회전자 샤프트 부분을 수용하기 위한 보어가 형성된 보어 부분을 갖는 고정자(100); 및 상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 사이에서 상기 보어 내로 반경방향으로 연장되는 원주방향 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부와 상기 회전자 샤프트 부분 또는 상기 보어 부분의 대응 표면 중 적어도 하나는 다른 하나와 접촉할 때 다른 하나에 의해 마모되도록 구성된다. 이런 식으로, 상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 사이의 갭은 시일을 제공하기 위해 원주방향 돌출부에 의해 적어도 부분적으로 충전될 수 있다. 상기 보어 부분 및 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나와 상기 돌출부는 상이한 경도의 재료로 형성될 수 있다. 상이한 경도의 재료를 제공하는 것은 시일 강화를 위해 상기 돌출부와 상기 보어 부분 또는 상기 회전자 샤프트 부분 사이의 일체의 접촉이 둘 사이의 마모를 초래하게 할 수 있다.

Description

펌프 밀봉

본 발명은 펌프 조립체에 관련된다.

압축기 및 진공 펌프는 공지되어 있다. 진공 펌프는 통상적으로 장치를 배기(evacuate)시키기 위한 진공 시스템의 부품으로서 사용된다. 또한, 이들 펌프는 예를 들어 반도체 생산에 사용되는 제조 설비를 배기시키기 위해 사용된다. 단일 펌프를 사용하여 단일 스테이지에서 진공으로부터 대기압으로의 압축을 수행하는 대신에, 각각의 스테이지가 진공으로부터 대기압으로 이행하는데 필요한 전체 압축 범위의 일부를 수행하는 다단 진공 펌프를 제공하는 것이 공지되어 있다. 유사한 구성이 압축기에 대해 존재한다.

미국 특허공개공보 2011/0256003호

이러한 압축기 및 진공 펌프는 장점을 제공하지만, 그 고유한 결점도 있다. 따라서, 다단 펌프에 대한 개선된 구성을 제공할 필요가 있다.

제 1 양태에 따르면, 펌프 조립체로서,

회전자 샤프트 부분을 갖는 회전자;

상기 회전자 샤프트 부분을 수용하기 위한 보어가 형성된 보어 부분을 갖는 고정자; 및

상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 사이에서 상기 보어 내로 반경방향으로 연장되는 원주방향 돌출부를 포함하며,

상기 돌출부와 상기 회전자 샤프트 부분 또는 상기 보어 부분의 대응 표면 중 하나는 다른 하나와 접촉할 때 다른 하나에 의해 마모되도록 구성되는, 펌프 조립체가 제공된다.

상기 제 1 양태는 기존 펌프 조립체의 문제가 누설, 특히 다단 펌프의 상이한 펌핑 상태 사이의 누설을 방지하기 위해 회전자와 고정자 사이를 밀봉하기가 종종 어렵다는 것임을 인지하고 있다. 기존의 시일 구조는 종종 복잡하거나 펌프 내의 환경에 부적합하다. 일부 형태의 펌프에서는, 기존의 시일 구조가 부적합한데 그 이유는 기존의 시일 구조가 회전자와 고정자 사이의 반경방향 간격을 확장시켜, 시일 주위에서 펌프 내의 원주방향 누설을 제공하기 때문이다.

따라서, 펌프 조립체 또는 장치가 제공된다. 펌프 조립체는 회전자 또는 회전자 조립체를 포함할 수 있다. 회전자는 회전자 샤프트 부분 또는 액슬(axle)을 가질 수 있다. 펌프 조립체는 또한 고정자 또는 고정자 하우징을 포함할 수 있다. 고정자는 보어 부분 또는 벽을 가질 수 있다. 보어 부분은 회전자 샤프트 부분을 수용하는 보어 또는 개구를 가질 수 있다. 펌프 조립체는 또한 보어 내로 반경방향으로 연장되는 원주방향 돌출부 또는 리지(ridge)를 포함할 수 있다. 돌출부는 고정자의 보어 부분과 회전자의 회전자 샤프트 부분 사이에서 연장될 수 있다. 돌출부와 보어 부분 또는 돌출부와 회전자 샤프트 부분은 그 사이에서 접촉이 이루어질 때 하나 이상의 접촉면이 마모되도록 구성될 수 있다. 이런 식으로, 보어 부분과 회전자 샤프트 부분 사이의 갭은 시일을 제공하기 위해 원주방향 돌출부에 의해 적어도 부분적으로 충전될 수 있다. 상호작용하는 접촉 부품들 자체를 사용하여 그 사이의 충돌이 발생하는 곳에서 재료를 마모시킴으로써, 결과적인 경계면은 특정 부품의 임의의 주어진 조합에 대해 회전자 샤프트 부분과 보어 부분의 표면들 사이의 실제 교합 관계를 매우 밀접하게 반영하며, 따라서 고유한, 맞춤형 밀봉 구조를 제공한다.

상기 보어 부분 및 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나와 상기 돌출부는 상이한 경도의 재료로 형성될 수 있다. 상이한 경도의 재료를 제공하는 것은 시일 강화를 위해 돌출부와 보어 부분 또는 회전자 샤프트 부분 사이의 일체의 접촉이 둘 사이의 마모를 초래하게 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보어 부분 및 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나와 상기 돌출부 사이의 접촉은 보다 연질의 재료를 마모시킨다. 따라서, 보다 연질의 재료는 보다 경질의 재료에 의해 마모되어 회전 가능한 밀착 시일을 제공할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 돌출부와 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나는 상기 보어 부분과 상기 돌출부 중 다른 하나보다 경질이다. 따라서, 돌출부는 보어 부분보다 경질일 수 있거나 회전자 샤프트 부분은 돌출부보다 경질일 수 있다. 이는 재료들이 접촉할 경우에 하나의 재료가 다른 하나의 재료보다 연질이고 보다 연질인 재료가 마모되는 것을 보장한다. 따라서, 돌출부가 보어 부분의 일부를 마모시킬 수 있거나 회전자 샤프트 부분이 돌출부의 일부를 마모시켜 회전 가능한 밀착 시일을 제공할 수 있다. 대안적으로, 상이한 부품이 유사한 경도 특성을 갖는 경우에, 각 부품의 재료는 다른 것에 의해 마모될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 돌출부는 상기 보어 부분 및 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나와 일체이다. 따라서, 상기 돌출부는 보어 부분의 일부로서 또는 회전자 샤프트 부분의 일부로서 형성되어 그로부터 연장될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 돌출부는 상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나로부터 직립한다. 따라서, 상기 돌출부는 보어 부분 또는 회전자 샤프트 부분으로부터 직립 또는 돌출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 돌출부는 상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 사이의 끼워맞춤 공차까지를 포함하는 거리만큼 반경방향으로 직립한다. 따라서, 상기 돌출부는 보어 부분과 회전자 샤프트 부분 사이에서 특정되는 치수 공차 이하만큼 직립할 수 있다. 이것은 돌출부가 최대 공차 하에 보어 부분과 회전자 샤프트 부분 사이의 일체의 간극에 완전히 끼워맞춰질 수 있도록 보장한다.

일 실시예에서, 상기 돌출부는 상기 회전자 샤프트 부분의 변위 공차와 함께 상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 사이의 끼워맞춤 공차까지 포함하는 거리만큼 반경방향으로 직립한다. 따라서, 상기 돌출부는 치수 공차 이상만큼 직립될 수도 있다. 상기 돌출부는 따라서, 온도 변화 및/또는 진동 또는 기타 굴곡 모드로 인해 발생할 수 있는 것과 같은, 보어 부분에 대한 회전자 샤프트 부분의 일체의 변위를 고려하는 추가 공차만큼 직립할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 거리는 대략 50 ㎛ 내지 150 ㎛이다. 상기 거리는 펌프 설계 및 용도에 따라서 변경될 것임을 알 것이다.

일 실시예에서, 상기 돌출부는 상기 거리보다 큰 축방향 폭을 갖는다. 따라서, 상기 돌출부는 그 반경방향 높이보다 큰 축방향 폭 또는 길이를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 축방향 폭은 대략 100 ㎛ 내지 1 mm이다. 상기 폭은 펌프 설계 및 용도에 따라서 변경될 것임을 알 것이다.

일 실시예에서, 상기 펌프는 상기 보어를 따라서 축방향으로 분리되는 복수의 돌출부를 포함한다. 따라서, 추가 시일을 제공하고 밀봉을 추가로 강화하기 위해, 하나 초과의 돌출부가 보어의 축방향 길이를 따라서 제공될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 고정자에는 복수의 보어가 형성되며, 적어도 하나의 상기 돌출부가 각각의 보어 내에서 반경방향으로 연장된다. 따라서, 고정자는 단수 또는 복수의 보어를 가질 수 있으며 이들 보어의 각각은 각각의 보어에 대한 시일을 제공하기 위해 하나 이상의 돌출부를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 돌출부는 상기 보어 부분과 일체이며, 상기 돌출부는 회전자 샤프트 부분보다 연질이다. 따라서, 상기 돌출부는 상기 보어 부분의 일부로서 제공될 수 있으며, 상기 돌출부는 상기 회전자 샤프트 부분보다 연질이다. 따라서, 돌출부를 런닝 접촉 하에 끼워맞춰지도록 성형하여 밀착 시일을 제공하기 위해 돌출부는 회전자 샤프트 부분과의 임의의 접촉에 의해 마모될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 돌출부는 상기 회전자 샤프트 부분과 일체이며 상기 돌출부는 상기 보어 부분보다 경질이다. 따라서, 상기 돌출부는 상기 회전자 샤프트 부분의 일부로서 제공될 수 있으며, 상기 돌출부는 상기 보어 부분보다 경질이다. 따라서, 보어 부분을 런닝 접촉 하에 끼워맞춰지도록 성형하여 밀착 시일을 제공하기 위해 보어 부분은 돌출부와의 임의의 접촉에 의해 마모될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 고정자는 각각의 보어의 제 1 부분을 형성하는 제 1 하우징 부분 및 각각의 보어의 제 2 부분을 형성하는 제 2 하우징 부분을 포함하며, 상기 제 1 하우징 부분 및 상기 제 2 하우징 부분은 각각의 보어를 형성하도록 결합될 수 있다. 따라서, 클램셸-형태(clamshell-type) 고정자 구조와 같은, 다중-부분 고정자가 제공될 수 있다. 대안적으로, 다단 펌핑 장치의 슬라이스형 구조가 제공될 수 있다.

추가적인 특별한 바람직한 양태가 첨부된 독립 청구항 및 종속 청구항에 제시되어 있다. 종속 청구항의 특징은 독립 청구항의 특징과 적절하게 조합될 수 있으며, 청구 범위에 명시된 것 이외의 조합으로 조합될 수 있다.

장치 특징부가 어떤 기능을 제공하도록 작동 가능한 것으로 기술되는 경우에, 이것은 그 기능을 제공하거나 그 기능을 제공하도록 적응 또는 구성되는 장치 특징부를 포함하는 것을 알 것이다.

이제 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 추가로 설명할 것이다.
도 1은 클램셸 형태로 제조 및 조립된 다단 루츠(roots) 또는 클로(claw) 펌프의 고정자 부품을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 간략화된 회전자 조립체의 사시도이다.
도 2b는 도 1의 고정자 조립체에 설치되도록 구성된 회전자 조립체의 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 회전자의 샤프트와 개구 사이의 시일을 개선하기 위한 밀봉 구조를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 회전자의 샤프트와 개구 사이의 시일을 개선하기 위한 밀봉 구조를 도시한다.
도 5는 돌출 시일의 예시적 단면 프로파일을 도시한다.

실시예를 보다 상세히 논의하기 전에, 먼저 개요가 제공될 것이다. 실시예는 다단 진공 펌프와 같은 펌프 조립체 내의 회전 시일을 개선하는 구조를 제공한다. 회전자 샤프트와 고정자 사이의 보어 내로 반경방향으로 연장되는 원주방향 돌출부 또는 리브(rib)가 제공된다. 이 리브와 회전자 샤프트 또는 고정자 보어의 협동 표면 사이의 상대 접촉은 돌출부가 그 접촉 재료를 마모시킬 수 있게 하거나 회전 중에 그 재료에 의해 마모될 수 있게 한다. 즉, 고정자 내에서 회전자 샤프트가 회전하면 접촉 및 마모가 초래되며, 이는 돌출부와 그 접촉 재료 사이에 밀착-런닝 접촉을 제공한다. 이것은 매우 밀접한 시일을 제공하며, 이로 인해 회전자를 따라서 축방향으로 유체 누설이 방지된다. 또한, 마모 때문에, 펌프의 입구와 출구 사이에서 원주방향 유체 누설을 방지하기 위해서 회전자와 고정자 사이에 매우 타이트한 공차를 유지할 수 있다.

이 시일을 추가로 강화하고 마모 기구를 촉진하기 위해, 돌출부와 보어 또는 돌출부와 회전자 샤프트는 경도가 다른 재료로 형성될 수 있다.

고정자

도 1은 클램셸 형태로 제조 및 조립된 다단 루츠 또는 클로 펌프의 주요 부품을 도시하는 개략도이다. 이러한 펌프의 고정자(100)는 복수의 펌핑 챔버(106, 108, 110, 112, 114, 116)를 함께 형성하는 제 1 및 제 2 절반-셸 고정자 부품(102, 104)을 포함한다. 절반-셸 고정자 부품(102, 104)의 각각은 함께 끼워맞춰질 때 다른 절반-셸 고정자 부품(102, 104)의 각각의 종방향-연장 면과 상호 결합되는 제 1 및 제 2 종방향-연장 면(118, 120)을 갖는다. 도 1에서는 절반-셸 고정자 부품(102)의 두 개의 종방향-연장 면(118, 120)만 볼 수 있다. 조립 중에, 두 개의 절반-셸 고정자 부품(102, 104)은 화살표 R로 도시된 횡방향 또는 반경방향으로 함께 이동된다.

고정자(100)는 제 1 및 제 2 단부 고정자 부품(122, 124)을 추가로 포함한다. 두 개의 절반-셸 고정자 부품(102, 104)이 함께 끼워맞춰질 때, 제 1 및 제 2 단부 고정자 부품(122, 124)은 결합된 두 개의 절반-셸 고정자 부품(102, 104)의 각각의 단부 면(126, 128)에 화살표 L로 도시된 대략 축방향 또는 종방향으로 끼워맞춰진다. 제 1 및 제 2 단부 고정자 부품(122, 124)의 내면(130, 132)은 절반-셸 고정자 부품(102, 104)의 각각의 단부면(126, 128)과 상호 결합된다.

펌핑 챔버(106, 108, 110, 112, 114, 116)의 각각은 절반-셸 고정자 부품(102, 104)의 횡단 벽(134) 사이에 형성된다. 이 개략도에서, 챔버는 유사한 크기인 것으로 도시되어 있지만, 일반적으로 펌프의 길이를 따라서 크기가 변경될 것이다. 도 1에서는 절반-셸 고정자 부품(102)의 횡단 벽(134)만 볼 수 있다. 절반-셸 고정자 부품(102, 104)이 조립될 때, 횡단 벽(134)은 하나의 펌핑 챔버와 인접한 펌핑 챔버 사이에 또는 펌핑 챔버(106, 116)와 단부 고정자 부품(122, 124) 사이에 축방향 분리를 제공한다.

두 개의 종방향-연장 회전자(도시되지 않음)의 샤프트는 절반-셸 고정자 부품(102, 104)이 함께 끼워맞춰질 때 횡단 벽(134)에 형성된 개구(136) 내에 배치된다. 조립 전에, 로브(lobe)(도시되지 않음)는 두 개의 로브가 각각의 펌핑 챔버(106, 108, 110, 112, 114, 116) 내에 배치되도록 샤프트에 끼워맞춰진다. 단부 고정자 부품(122, 124) 각각은 두 개의 개구(123, 125)를 가지며, 이들 개구를 통해서 샤프트가 연장된다. 샤프트는 단부 고정자 부품(122, 124) 내의 베어링(도시되지 않음)에 의해 지지되며 모터 및 기어 기구(도시되지 않음)에 의해 구동된다.

회전자

도 2a는 간략화된 회전자 조립체(50)의 사시도이다. 이 예에서는, 회전자 조립체(50)가 두 세트의 로브를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 두 세트보다 많이 제공될 수도 있음을 알 것이다[도 1에 도시된 펌프의 경우에는, 각각의 펌핑 챔버(106, 108, 110, 112, 114, 116)에 대해 한 세트씩, 여섯 세트가 요구될 것이다]. 또한, 샤프트 상에는 각각의 세트에 두 개보다 많은 로브(예를 들면 3개, 4개 또는 5개의 로브)가 제공될 수 있으며 이들 로브는 루츠, 클로 또는 다른 형태의 것일 수 있다. 도 2b에는, 여섯 개의 스테이지를 갖는 보다 복잡한 회전자 조립체(50')가 도시되어 있다. 각각의 로브 세트는 각각의 펌핑 스테이지의 펌핑 요건에 따라서 폭이 변경된다. 대응 펌핑 챔버(106, 108, 110, 112, 114, 116)는 그에 따라서 크기를 갖는다.

도 2a로 돌아가서, 간략화된 회전자 조립체(50)는 맞물림 쌍의 로브를 이용하는 용적식 로브 펌프에 사용되는 형태의 회전자이다. 회전자 조립체(50)는 회전 가능한 샤프트 주위에 대칭적으로 형성되는 로브 쌍을 도시한다. 각각의 로브(55)는 하이포사이클로이드 곡선과 에피사이클로이드 곡선의 교호적인 접선 섹션에 의해 규정된다. 이 예에서, 회전자 조립체(50)는 단일 금속 요소로부터 가공되는 단일체이며, 원통형 공극이 로브(55)를 통해서 연장되어 질량을 감소시킨다.

샤프트의 제 1 축방향 단부(60)는 단부 고정자 부품(122)에 의해 제공된 베어링 내에 수용되며, 인접한 펌핑 챔버 내에 수용되는 제 1 회전 베인 부분(90A)으로부터 연장된다. 중간 축방향 샤프트 부분(80)은 제 1 회전 베인 부분(90A)으로부터 연장되며 개구(136) 내에 수용된다. 개구(136)는 중간 축방향 샤프트 부분(80)의 표면 상에 밀접한 끼워맞춤을 제공하지만, 베어링으로서 작용하지 않는다. 이후 각각의 펌핑 챔버에는 추가 회전 베인 부분이 제공되며, 각각의 회전 베인 부분은 중간 축방향 샤프트 부분에 의해 분리된다. 최종 회전 베인 부분(90B)은 중간 축방향 부분으로부터 축방향으로 연장되며 최종 펌핑 챔버 내에 수용된다. 제 2 축방향 단부(70)는 최종 회전 베인 부분(90B)으로부터 축방향으로 연장된다. 제 2 축방향 단부(70)는 단부 고정자 부품(124)의 개구(125) 내에 배치된 베어링에 의해 수용된다.

다단 진공 펌프는, 대기압보다 낮고 잠재적으로 10^-3 mbar 정도로 낮은 펌핑 챔버 내의 압력으로 작동한다. 따라서, 펌프의 내부와 외부 분위기 사이에는 압력 차이가 존재할 것이다. 주위 가스가 펌프 내로 및 각각의 펌핑 챔버(106, 108, 110, 112, 114, 116) 사이에서 누설되는 것은 최소화될 필요가 있다.

회전자-기반 시일

도 3은 회전자 조립체(50)의 샤프트와 개구(136) 사이의 시일을 개선하기 위한 밀봉 구조를 도시하고 있다. 중간 축방향 샤프트 부분(80A)이 제공되는데 이는 도 3(실척은 아님)에 개략적으로 도시되어 있듯이 반경방향으로 직립하고 그 외표면 주위에서 원주방향으로 연장되는 리지 또는 돌출부(30A)를 갖는다.

통상적으로, 돌출부(30A)의 높이는 중간 축방향 부분(80A)의 외표면의 반경과 개구(136)의 반경 사이의 제조 공차와 대략 동일하도록 선택된다. 예를 들어, 중간 축방향 부분(80A)은 대략 100 mm의 외경을 가질 수 있으며 개구(136)는 대략 100 mm의 내경을 갖는다. 중간 축방향 부분(80A)과 개구(136)의 제조 공차는 50 내지 150 미크론의 갭을 제공하도록 설정될 수 있다. 따라서, 돌출부(30A)의 높이(H)는 이 공차 값, 즉 50 내지 150 ㎛으로 설정될 수 있다. (예를 들어, 굴곡, 늘어짐, 오프셋 축방향 위치설정으로 인해 또는 온도 효과로 인해) 회전자 조립체(50, 50')의 변위의 편향이 발생하는 구조에서, 돌출부(30A)의 높이(H)는 이 추가 변위 값/공차를 포함하도록 설정될 수도 있다.

중간 축방향 부분(80A)을 형성하는 재료는 그 안에 개구(136)가 형성되는 재료보다 단단하도록 선택될 수 있다. 다시 말해서, 횡단 벽(134)을 형성하는 재료는 중간 축방향 부분(80A)을 형성하는 재료보다 연질일 수 있다.

중간 축방향 부분(80A) 및 개구(136)의 실제 상대 치수에 따라서, 돌출부(30A)는 개구(136)를 터치만 하거나 그것에 대해 기대어질 것이다. 이 실시예에서, 두 재료의 경도 차이로 인해, 돌출부(30A)가 개구(136)에 대해 기대어지면, 돌출부(30A)는 개구(136)를 넘어서 횡단 벽(134) 내로 연장될 것이다. 회전자가 회전함에 따라, 개구(136)의 표면에는 개구(136) 상의 돌출부(30A)의 마모로 인해 국소 홈이 형성될 것이다. 그러므로, 돌출부(30A)의 표면과 개구(136) 내로의 임의의 홈 커트 사이에는 매우 밀접한 끼워맞춤이 제공되며, 이는 펌핑 챔버 사이에 개선된 축방향 유체 시일을 제공한다. 또한, 중간 축방향 부분(80A)의 외경과 개구(136) 사이에 타이트한 공차를 유지하는 것은 펌핑 챔버의 배출측으로부터 그 펌핑 챔버의 입구측으로 다시 원주방향으로 누설되는 것을 최소화하는데 도움이 된다.

대조적으로, 다른 실시예에서, 돌출부(30A)가 개구(136)가 형성되어 있는 횡단 벽(134)보다 연질의 재료로 형성되면, 두 표면 사이의 상대 운동으로 인해 발생하는 마모는 횡단 벽(134)보다 돌출부(30A)를 마모시키는 역할을 할 것이다.

추가 실시예에서, 회전자 조립체(50, 50')는 대응 돌출부(30A)와 함께, 고정자 조립체(100)의 횡단 벽(134)의 재료와 동일한 재료(또는 거의 동일한 경도 특성을 갖는 재료)로 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 두 표면 사이의 상대 운동으로 인해 발생하는 마모는 돌출부(30A) 및 횡단 벽(134)의 국소 표면 부분을 둘 다 마모시키는 역할을 할 것이다.

개구-기반 시일

도 4는 회전자의 샤프트와 개구 사이의 시일을 개선하기 위한 대체 밀봉 구조를 도시한다. 개구(136B)가 제공되는데 이는 도 4(실척은 아님)에 개략적으로 도시되어 있듯이 반경방향으로 직립하고 그 외표면 주위에서 원주방향으로 연장되는 리지 또는 돌출부(30B)를 갖는다.

통상적으로, 돌출부(30B)의 높이는 중간 축방향 부분(80)의 외표면의 반경과 개구(136B)의 반경 사이의 제조 공차와 대략 동일하도록 선택된다. 예를 들어, 중간 축방향 부분(80)은 약 100 mm의 외경을 가질 수 있으며 개구(136B)는 약 100 mm의 내경을 갖는다. 중간 축방향 부분(80)과 개구(136B)의 제조 공차는 50 내지 150 미크론의 갭을 제공하도록 설정될 수 있다. 따라서, 돌출부(30B)의 높이(H)는 이 공차 값, 즉 50 내지 150 미크론으로 설정될 수 있다. (예를 들어, 굴곡, 늘어짐, 오프셋 축방향 위치설정으로 인해 또는 온도 효과로 인해) 회전자 조립체(50, 50')의 변위의 편향이 발생하는 구조에서, 돌출부(30B)의 높이(H)는 이 추가 변위 값을 포함하도록 설정될 수도 있다.

중간 축방향 부분(80)을 형성하는 재료는 돌출부(30B)를 형성하는 재료보다 단단하도록 선택될 수 있다. 다시 말해서, 횡단 벽(134B)을 형성하는 재료는 중간 축방향 부분(80)을 형성하는 재료보다 연질일 수 있다.

중간 축방향 샤프트 부분(80) 및 개구(136B)의 실제 상대 치수에 따라서, 돌출부(30B)는 중간 축방향 샤프트 부분(80)을 터치만 하거나 그것에 대해 기대어질 것이다. 이 실시예에서, 두 재료의 경도 차이로 인해, 돌출부(30B)가 중간 축방향 부분(80)에 대해 기대어지면, 돌출부(30B)는 부식될 것이다. 회전자가 회전함에 따라, 중간 축방향 부분(80)과 접촉하는 돌출부의 선단은 마모될 것이다. 그러므로, 돌출부(30B)의 표면과 중간 축방향 부분(80) 사이에는 매우 밀접한 끼워맞춤이 제공되며, 이는 펌핑 챔버 사이에 개선된 축방향 유체 시일을 제공한다. 또한, 중간 축방향 부분(80)의 외경과 개구(136B) 사이에 타이트한 공차를 유지하는 것은 펌핑 챔버의 배출측으로부터 그 펌핑 챔버의 입구측으로의 원주방향 역누설을 최소화하는데 도움이 된다.

다른 실시예에서, 돌출부(30B)가 중간 축방향 샤프트 부분(80)보다 경질의 재료로 형성되면, 두 표면 사이의 상대 운동으로 인해 발생하는 마모는 돌출부(30A)보다 샤프트 부분(80)의 표면을 마모시키는 역할을 할 것이다.

추가 실시예에서, 회전자 조립체(50, 50') 및 그로인한 축방향 샤프트 부분(80)은 횡단 벽(134b) 및 고정자 조립체(100)의 대응 돌출부(30B)의 재료와 동일한 재료(또는 거의 동일한 경도 특성을 갖는 재료)로 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 두 표면 사이의 상대 운동으로 인해 발생하는 마모는 돌출부(30B) 및 횡단 벽(134)의 국소 표면 부분을 둘 다 마모시키는 역할을 할 것이다.

전술한 실시예에서는 단일의 돌출부(30A, 30B)가 제공되어 있지만, 복수의 돌출부가 축방향으로 이격되어 제공될 수도 있음을 알 것이다. 예를 들어, 한 쌍의 돌출부가 제공될 수 있는 바, 이들 돌출부는 개구(136, 136B)의 각 단부를 향해서 하나씩 제공된다. 또한, 상이한 높이의 돌출부가 제공될 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 도 5a에 도시하듯이 보다 큰 높이의 돌출부가 개구(136, 136B)의 중심을 향해서 제공될 수 있다. 또한, 반대되는 반경방향으로 연장되는 돌출부가 중간 축방향 부분 및 개구 양자에 제공될 수 있다.

돌출부(30A, 30B)의 치수가 주어지면 이들 돌출부를 도 3 및 도 4에 개략적으로 도시하듯이 가공하기는 어려울 것임을 알 것이다. 따라서, 도 5b 및 도 5c는 예시적 돌출부(30C, 30D)의 예시적 단면 프로파일이다. 통상적으로, 돌출부의 상면의 폭은 약 100 미크론 내지 1 밀리미터일 것이다.

실시예에서, 중간 축방향 샤프트 부분(80A)은 스틸로 제조되는 반면에, 횡단 벽(134)은 알루미늄 합금으로 제조된다. 대안적으로, 부품, 축방향 샤프트 부분(80) 또는 횡단 벽(134)의 어느 것이나 주철로 구성될 수 있다.

전술했듯이, 상기 실시예들은 다단 루츠 펌프 상의 스테이지 사이의 밀봉을 개선하는 것을 목적으로 한다. 스테이지 사이의 주요 누설 경로중 하나는 샤프트와 고정자 사이의 보어를 통한 것이다. 이들 실시예에서는, 융기 리지가 고정자 상에 가공 형성되며, 이 융기 리지는 샤프트를 따르는 가스 누설에 대한 양호한 밀봉을 제공하기 위해 샤프트와 약간 접촉하도록 설계된다. 작동 시에 리지는 샤프트와의 접촉으로 인해 부분적으로 마모될 수 있다. 다른 실시예에서는, 융기 리지가 회전자 상에 가공 형성되는 역구조가 제공된다.

이 고정자 기반 돌출부 또는 리지(30B)가 펌프의 작동 중에 회전자 샤프트 부분(80)에 우선하여 마모되도록 구성되는 실시예에서는, 마모가 국소적으로 발생하고 따라서 마모된 섹션이 고정 유지됨에 따라 개선된 밀봉이 달성된다. 리지 또는 돌출부(30A)가 회전자 샤프트(80) 상에 제공되고 이것이 펌프의 작동 시에 횡단 벽(134)을 국소적으로 연마시키는 실시예에서도 유사한 이점이 나타난다. 다시, 마모된 섹션은 회전 부재가 일시적 경로를 따라갈 때 정지 상태로 유지되지만, 부품들 사이의 시일은 회전 사이클 내내 그 완전성을 유지한다.

대조적으로, 마모된 부분이 회전 부품 상에 위치할 때, 마모는 원주방향 범위 전체의 주위에서 경험될 가능성이 있으며, 따라서 최근접 공차 부분을 수용하기 위해 샤프트 주위에는 최소 누설 경로가 내내 형성될 수 있다. 양호한 시일이 여전히 달성될 것이며 누설 경로는 감소될 것이지만, 이는 마모가 고정자 기반 부품에서 발생하는 실시예에 비해서 덜 효과적일 수 있다.

다단 루츠 펌프는 주지되어 있으며, 훨씬 더 낮은 출력의 펌프를 제공하는 것이 요구된다. 이는 보다 작은 용량의 배기 스테이지를 요구한다. 스테이지 용량이 감소될수록, 양호한 압축비를 유지하기 위해서는 밀봉 품질이 개선되어야 한다. 샤프트를 따르는 스테이지 사이의 누설은 중요한 문제이며, 스테이지의 크기가 작을수록 지배적이게 된다.

실시예는 펌프 빌드 내의 공차 변동을 수용하기 위해 개방된 상태로 남아있어야 하는 간극의 일부를 좁히기 위해 고정자 클램프 또는 회전자 샤프트 상에 가공 형성되는 약 0.3 mm 폭 및 0.15 mm 높이의 작은 리지를 사용한다. 하나 또는 그 이상의 리지가 사용될 수 있다. 실시예에서, 고정자 재료는 무게-감소 및 신속 가공의 이유로 알루미늄이도록 선택되었다. 이것이 주철 샤프트보다 연질의 재료이므로, 샤프트가 과도한 재료를 마모시키고 잘-끼워맞춰진 시일을 생성하는 것이 비교적 용이하다.

리지의 높이는 런닝 간극을 메우는데 필요한 것에 불과하다. 루츠 펌프는 스테이지의 배출 측에 고압을 생성하며 이것은 샤프트의 배출측으로부터 입구측으로 원주방향 유동을 생성할 것이다. 이것은 샤프트와 고정자 사이의 밀착-런닝 끼워맞춤에 의해 최소화된다. 마모성 리지의 추가는 샤프트와 고정자 사이의 전반적인 간극이 증가되게 할 수 없으며, 따라서 리지는 단지 런닝 공차 대역에 들어맞기에 충분히 높을 수 있다.

비교적 큰 반경방향 높이를 종종 가질 수 있는 다른 시일과 달리, 실시예는 축방향 유동과 원주방향 유동을 둘 다 방지해야 하며, 따라서 시일 리지 높이는 공차 변동을 감당할 만큼 충분히 매우 작을 수 있다. 이것은 스테이지 사이 영역에서 가스가 샤프트의 일 측으로부터 다른 측으로 유동하기 위한 최소 갭을 남긴다. 개선된 밀봉 수단 스테이지 크기는 더 작을 수 있으며 따라서 전력이 감소될 수 있다.

이 접근법은 압축기 설계 또는 다른 회전 기계에 사용될 수 있음을 알 것이다.

본 발명의 예시적 실시예는 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 정확한 실시예에 한정되지 않으며 청구범위 및 그 균등물에 의해 한정되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 알아야 한다.

50: 회전자
55: 로브
60, 70: 축방향 단부
80: 중간 축방향 부분
90A, 90B: 회전 베인 부분
100: 고정자 조립체
102, 104: 고정자 부품
106, 108, 110, 112, 114, 116: 펌핑 챔버
118, 120: 면
122, 124: 단부 고정자 부품
123, 125: 단부 고정자 부품 개구
126, 128: 단부 면
130, 132: 내면
134: 횡단 벽
136: 개구
L: 종방향
R: 반경 방향

Claims

펌프 조립체에 있어서,
회전자 샤프트 부분을 갖는 회전자;
상기 회전자 샤프트 부분을 수용하기 위한 보어가 형성된 보어 부분을 갖는 고정자; 및
상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 사이에서 상기 보어 내로 반경방향으로 연장되는 원주방향 돌출부를 포함하며,
상기 돌출부와 상기 회전자 샤프트 부분 또는 상기 보어 부분의 대응 표면 중 적어도 하나는 다른 하나와 접촉할 때 상기 다른 하나에 의해 마모되도록 구성되고,
상기 돌출부는 상기 회전자 샤프트 부분의 변위 공차와 함께 상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 사이의 끼워맞춤 공차까지 포함하는 거리만큼 반경방향으로 직립하는
펌프 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 보어 부분 및 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나와 상기 돌출부는 상이한 경도의 재료로 형성되는
펌프 조립체.
제 2 항에 있어서,
상기 보어 부분 및 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나와 상기 돌출부 사이의 접촉은 보다 연질의 재료를 마모시키는
펌프 조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 보어 부분보다 경질이거나, 상기 회전자 샤프트 부분은 상기 돌출부보다 경질인
펌프 조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 보어 부분 및 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나와 일체인
펌프 조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 보어 부분과 상기 회전자 샤프트 부분 중 하나로부터 직립하는
펌프 조립체.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 거리는 50 ㎛ 내지 150 ㎛인
펌프 조립체.
제 1 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 거리보다 큰 축방향 폭을 갖는
펌프 조립체.
제 10 항에 있어서,
상기 축방향 폭은 100 ㎛ 내지 1 mm인
펌프 조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보어를 따라서 축방향으로 분리되는 복수의 상기 돌출부를 포함하는
펌프 조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고정자에는 복수의 보어가 형성되며, 적어도 하나의 상기 돌출부가 각각의 보어 내에서 반경방향으로 연장되는
펌프 조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 보어 부분과 일체이며, 상기 돌출부는 상기 회전자 샤프트 부분보다 연질인
펌프 조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 회전자 샤프트 부분과 일체이며 상기 돌출부는 상기 보어 부분보다 경질인
펌프 조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고정자는 각각의 보어의 제 1 부분을 형성하는 제 1 하우징 부분 및 각각의 보어의 제 2 부분을 형성하는 제 2 하우징 부분을 포함하며, 상기 제 1 하우징 부분 및 상기 제 2 하우징 부분은 각각의 보어를 형성하도록 결합될 수 있는
펌프 조립체.