JP4288169B2 - ねじ真空ポンプの温度調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ真空ポンプの温度調整のための方法に関する。さらに本発明は、該方法の実施に適したねじ真空ポンプにも関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第Ａ１９８２０５２３号明細書により、前記形式のねじ真空ポンプが公知である。熱に関する問題が記載してある。ねじ山のリードが吸い込み側から吐き出し側へ減少しかつ多くの場合にねじ溝幅も変化していてポンプ室内で回転するロータの冷却は、特に困難である。この種のロータは運転中に特に吐き出し側の領域で熱的に強く負荷され、それというのは排出されるガスの圧縮は著しい熱の発生を伴うからである。ねじ真空ポンプの特性はロータとポンプ室ケーシングとの間の間隙に著しく左右されるので、該間隙を極めて小さく保つ試みがある。このような手段においては、熱的に強く負荷される領域、ロータ及びケーシングの熱膨張が問題である。ポンプ室ケーシングはロータの熱膨張と一緒に膨張するものではなく、若しくはわずかにしか膨張しない。十分に大きな間隙が存在していなければならない。これによって、ロータがケーシングに接触して食い込み若しくは焼き付いて停止してしまうようなことは避けられる。これらのことは、ロータとケーシングとが異なる材料から成っている場合には特に重要である。ケーシングの膨張係数がロータ材料の膨張係数よりも小さい（例えば、ケーシングが鉄鋳造部材から成っており、ロータがアルミニウムから成っている）場合には、始動段階でロータとケーシングの接触のおそれがある。膨張係数が逆の場合には、ポンプ間隙が増大して、ポンプ出力が減少することになる。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のねじ真空ポンプを改善しかつ、熱負荷に際してねじ真空ポンプの特性をほとんど変化させることなく運転できるようにすることである。

前記課題は本発明に基づき独立請求項の特徴部分に記載の手段によって解決される。

本発明によって、冷却作用若しくは温度調整に影響を及ぼし、意図的に、ポンプ室ケーシングの許容限度を超えることのない温度上昇を可能にすることができる。ポンプの高い熱負荷の際には、わずかしか冷却されないポンプ室ケーシングはロータと一緒に膨張する。接触のおそれは生じない。冷却の調整は、ポンプ室ケーシング内の間隙の大きさが異なる運転条件下でほぼ変わることなく維持されるように行われると有利である。調整値若しくは制御値としては、例えばポンプ室ケーシングの外側温度が用いられる。

ねじ真空ポンプを空気冷却式で冷却している、即ち空冷している場合には、冷却空気流はポンプの運転状態に依存して、例えば冷却空気流の形成のための送風機の回転数の制御によって調整される。このためには、送風機はポンプの駆動モータから独立した駆動部を有している。送風機をポンプの駆動部に連結してある場合には、冷却空気流の調整は、調節可能なブラインド若しくはスロットル等を用いて実施される。ポンプを液体によって、即ち液体冷却式で冷却している場合には、調整は、冷却液体の量（割合）若しくは温度の調節によって行われる。

ポンプが外側から空冷されており、ロータが液体冷却式冷却装置を備えている場合には、熱交換器を冷却空気流内に配置して、これによって液体（例えば、油）内の熱を排出するようになっていると有利である。熱交換器が冷却空気の流れ方向に関してポンプ室ケーシングの前に配置されていると、ポンプ室ケーシングの意図的な温度調整が可能である。調整値としては同じくポンプ室ケーシングの外側温度が用いられ、冷却液体の温度も調整値として使用可能である。このような構成によって、ポンプの冷却はロータとポンプ室ケーシングとの間の間隙をポンプの運転中にほぼコンスタントに維持するように調整できる。

さらに有利には、ポンプはロータ・内部冷却装置（液体）並びにケーシング冷却装置（液体で外側から）を備えており、両方の冷却装置はポンプのすべての運転状態でほぼコンスタントな間隙が維持できるように、相互に調節される。コンスタントな間隙を維持するための所望の調整は、例えば熱交換器で冷却されて冷却装置に供給される液体の量を冷却需要に応じて調節することによって行われる。

所望の調整を実施するために、センサーが使用される。この場合にセンサーは温度センサーであり、温度センサーの信号は中央制御部に供給される。中央制御部は冷却の強さを制御して、ポンプ間隙をほぼコンスタントに保つようにしている。単数若しくは複数の温度センサーの代わりに、間隔センサー若しくは距離センサーを用いてよく、間隔センサー若しくは距離センサーは直接に間隙値に関する情報を発信するようになっている。

次に本発明を、図１乃至図４に示す実施例に基づき詳細に説明する。図面において、
図１は空気冷却式のねじ真空ポンプの断面図であり、
図２及び図３はそれぞれ異なる実施例の空気及び液体冷却式のねじ真空ポンプの断面図であり、
図４は２つの液体冷却式冷却装置を備えたねじ真空ポンプの断面図である。

図面には、冷却すべきねじ真空ポンプを符号１で表し、ポンプ室ケーシングを符号２で表し、ロータを符号３で表し、ロータ３とポンプ室ケーシング２との吐出側の間隙を符号４で表し、ポンプの入口を符号５で表し、ロータ３の収容されたポンプ室ケーシング２に接続する伝動装置及びモータ室用ケーシングを符号６で表してある。概略的に示してあるように、ロータ３はねじを備えており、ねじのリード及び溝幅は吸い込み側から吐き出し側に向かって減少している。吐き出し側（圧力側）にある出口は図示を省略してある。ケーシング６内に伝動装置室７、駆動モータ９の収容されたモータ室８、及び別の室１０を設けてあり、該別の室は軸受室（図１）若しくはロータ３のための冷却液体回路の構成部分である（図２及び図３）。

ロータ３は軸１１，１２を備えており、該軸は伝動装置室７及びモータ室８を貫通している。ポンプ室ケーシング２と伝動装置室７との間、並びにモータ室８と軸受若しくは冷却液体室１０との間の仕切壁１３，１４を介してロータ３は片持ち式に支承されている。伝動装置室７とモータ室８との間の仕切壁は符号１５で表してある。伝動装置室７内に、ロータ３の同期的な回転を生ぜしめるための歯車対１６，１７が配置されている。ロータ軸１１は、モータ９の出力軸を成している。モータ９は、軸１１，１２と異なる出力軸を有していてよい。このような手段では、モータの出力軸は伝動装置室７内で終わっていて、そこに歯車を備えており、該歯車は同期歯車１６，１７の１つと係合し、若しくは軸１２に設けられた別の歯車（図示省略）と係合している。

図１乃至図３の実施例では、ケーシング２，６の冷却は、送風機２１の羽根車２０によって生ぜしめられた空気流を用いて行われる。羽根車２０によって生ぜしめられた送風の案内のために、ポンプ１を取り囲むケーシング２２を用いてあり、該ケーシングは両方の端面の領域で開かれている（開口２３，２４）。送風機２１は、ケーシング２２の、送風機並びにモータの側の開口２４が空気入口開口を成すように配置されている。

図１及び図２の実施例では、送風機２１は、ポンプ１の駆動モータ９から独立した駆動モータ２５を有している。このような手段は、モータ９をキャンドモータとして形成して一緒に密閉されたねじ真空ポンプにとって有利である。

図３及び図４の実施例においては、軸１１は室１０を貫通していて、ポンプ１のケーシング６の外側へ導かれていて、自由端部にベンチレータ若しくは送風機２１の羽根車２０を支持している。

すべての図面において、制御装置を概略的にブロック２６として示してある。該制御装置は破線で示すライン若しくは通路を介してセンサーに接続されており、センサーは所望の調節値の信号を供給するようになっている。例として、選択的に若しくは同時に使用可能な２つの温度・センサー２７，２８を設けてある。センサー２７は、ケーシング２の温度に相応する信号を供給するようになっている。該センサーは有利にはロータ３の吐き出し側の領域でケーシング２に取り付けられている。センサー２８はモータ室８内に配置されていて、冷却液体温度若しくは油温度に相応する信号を供給するようになっている。別のラインを介して制御装置は、ポンプ１の冷却を所望の形式で制御するための装置に接続されている。

図１の実施例では、送風機２１によって生ぜしめられた空気流を制御するようになっている。このために、制御装置２６はライン２９を介して駆動モータ２５と接続されている。一方若しくは両方のセンサー２７，２８によって供給された信号に依存して、羽根車２０の回転数の制御が行われる。センサー２７によって供給される信号はケーシング温度に関する情報であり、かつセンサー２８によって供給される信号はロータ温度に関する情報であるので、両方のセンサーを使用して間隙４に対する差制御を実施することができる。

考えられる別の実施例では、両方の温度センサー２７，２８の代わりに１つのセンサー２９だけを設け、該センサーは例えば温度センサー２７の箇所に、即ちポンプケーシング２の吐き出し側の領域に配置されている。センサー２９は距離センサーであり、該距離センサーはポンプ間隙４の大きさに関する情報を直接に供給するようになっている。この種のセンサーはそれ自体公知である。センサー信号を形成するために、容量変化を、有利には間隙寸法値に依存して生じる渦流の変化を用いるようになっている。

前記形式の１つのセンサー２９にのみ依存してポンプ１の温度調整の制御を行ってよい。例えば間隙寸法値がポンプの運転中にロータ３の膨張に基づき減少すると、ケーシング２への冷却作用が減少され、このためにベンチレータ２０の回転数の減少によって冷却空気流が減少させられる。これによって、ケーシングが膨張して、その結果、間隙寸法値の前記減少が補償される。間隙寸法値がポンプ１の運転中に増大すると、該増大は冷却作用の増大（ケーシング２の収縮）によって補償される。

図２の実施例は図１の実施例に対して次の点で異なっており、即ち、ポンプ１はロータのための液体冷却式冷却装置を備えている。ロータ３の冷却のための冷却液体回路は概略的に示してある。該形式の冷却機構はドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７４５６１６号明細書、同第１９９６３１７１．９号、並びに同１９９６３１７２．７号明細書に記載してある。軸１１，１２はローラ３に対する冷却媒体（例えば、油）の搬送のために役立っている。図示の実施例では、ロータ３を通過した冷却媒体はモータ室８内に集められる。そこから冷却媒体は、管路３１を介して熱交換器３２へ供給される。熱交換器３２は空冷式若しくは水冷式であってよい。特に有利には図面に示してあるように、送風機２１によって形成された空気流が、冷却液体によってロータ３内で吸収された熱を受け取るようになっている。熱交換器３２を通過した液体は管路３３を介して室１０へ送られる。そこから液体は概略的に暗示してあるように、軸１１，１２内の孔を経てロータ３に達し、かつそこで冷却通路を流過して、次いで軸１１，１２を経てモータ室８内へ戻される。

液体冷却式冷却装置を制御するために、図２には制御値のための２つの実施例（すでに述べたセンサー２７，２８）、並びに熱交換器３２内の冷却液体の制御された冷却のための２つの実施例を示してある。１つの実施例では図１の実施例と同様に、羽根車２０の回転数をいずれか１つの制御値に依存して制御するようになっている。別の実施例では管路内に調整弁３５を配置してあり、該調整弁は冷却液体の、熱交換器を単位時間当たりに流過する量を規定するようになっている。

図２に示す装置では、ポンプ１は送風機２１の空気流によって付加的に温度調節されるようになっていてよい。該冷却装置では、熱交換器３２及び送風機２１を開口２４の領域に配置してある。このような配置の利点として、ポンプ１のポンプ室ケーシング２に沿って流れる空気流は予め熱せられている。これによってポンプ室ケーシング２の熱膨張が、ポンプ室ケーシング２をポンプ１の運転中に高い温度に昇温するロータ３と接触させない範囲で可能になる。有利にはポンプ室ケーシング２及びロータ３は熱伝導の改善のためにアルミニウムから成っている。さらにケーシング２は熱接触のための改善のためにひれを有していてよい。

送風機２１によって生ぜしめられた空気流が熱交換器３２だけを冷却するか、若しくは熱交換器３２及びポンプのケーシング２，６を冷却するかには無関係に、有利には、熱交換器３２は羽根車の前に配置されていて、これによって接触防止手段を成している。

図３に示す装置では、羽根車２０はモータ軸１１に連結されている。ねじ真空ポンプは一般的に一定の回転数で運転されるので、送風機２１を用いて空気流を調整することはできない。空気流の調整のために図３の実施例では、調節可能なブラインド（例えば、アイリス絞り）、スロットル若しくは類似のものを設けてある。このようなブラインドは羽根車２０と熱交換器３２との間に配置されていて、概略的に示してあり、符号３６で表してある。ブラインド３６はライン３７を介して制御装置２６に接続されている。冷却空気流量の調整及び／又は液体の冷却の調整は、図２で述べた調整に相応して、空気流の流過断面積の調整によって行われ、有利には間隙値を一定にするようになっていてよい。

図３の装置における冷却液体回路はさらにサーモスタット弁３８を備えている。サーモスタット弁は管路３１内に配置されていて、有利には装置２６によっても制御される。サーモスタット弁は、ポンプ１の運転開始の段階で、即ち冷却液体がまだ運転温度に達していない状態で、管路３１から冷却液体が熱交換器を迂回するバイパス管路３９を経て直接に管路３３へ流れるように機能するものである。冷却液体の温度が運転音度に達すると、管路３９は遮断されて、熱交換器は管路３１に接続される（弁３８の図示の位置）。このようなバイパス手段は運転開始段階を短くするものである。

図４の実施例では、ねじ真空ポンプはすでに述べたロータ冷却装置並びに、液体で作動するケーシング冷却装置４１を備えている。該ケーシング冷却装置は、ロータケーシング２の出口領域に配置された冷却周壁４２（例えば液体で満たされている）を有しており、該冷却周壁内に冷却巻管４３を配置してあり、該冷却巻管は冷却媒体によって貫流されるようになっている。別の例として、冷却周壁４２自体が冷却液体によって貫流されるようになっていてよい。

図示の実施例ではケーシング冷却装置の出口はモータ室８に接続されており、モータ室内にはモータ内部冷却装置を流過した冷却液体も流入するようになっている。冷却液体は管路３１を介して熱交換器３２内に達する。熱交換器に接続された管路４４は３／２・方向制御弁４７を備えており、該制御弁は管路４５，４６への冷却液体供給量の分配を行うようになっている。管路４５はロータ内部冷却装置の入口に接続しており、管路４６はケーシング外側冷却装置の入口に接続している。弁４５は、制御装置２６によって制御される調整弁である。

図４の実施例では、ベンチレータ２０及び熱交換器３２は、図２及び図３の実施例と同じくケーシング２２の開口２４の領域に配置されている。空気冷却式冷却装置は（モータ及び伝動装置用ケーシング６の冷却のためには）必ずしも必要でないので、熱交換器３２及びその冷却手段は別の箇所にかつ駆動モータ９から独立して配置されていてよい。両方の冷却回路にとって個別の熱交換器を設けることもできる。さらにケーシング２８は省略されてよい。

図４に示す装置を用いることによって、前述の別のすべての実施例と同じように、特にポンプ１の温度調整は、ポンプのポンプ間隙４がほぼコンスタントに保たれるように行われ得る。センサー２７，２８は、ケーシング２若しくはロータ３の温度に関連した信号を発信するようになっている。該信号に依存して、弁４５の制御が行われ、若しくは両方の冷却装置への冷却液体量の分配が行われる。

本発明に基づく前述の構成は、ねじポンプの出力密度を著しく増大させるものである。ポンプは小さく形成でき、高い表面温度で運転できる。さらに、空気案内に役立つ外側のケーシング２２は接触防止手段の機能を有している。該冷却機構若しくは温度調整機構は、２つの冷却機構（ロータ内部冷却装置、ケーシング外側冷却装置）の存在する場合に、ポンプから発生した熱のほぼ半分を両方の冷却機構のそれぞれによって排出するように調整されると有利である。

空気冷却式のねじ真空ポンプの断面図 空気及び液体冷却式のねじ真空ポンプの実施例の断面図 空気及び液体冷却式のねじ真空ポンプの別の実施例の断面図 ２つの液体冷却式冷却装置を備えたねじ真空ポンプの断面図

符号の説明

１ ねじ真空ポンプ、 ２ ポンプ室ケーシング、 ３ ロータ、 ４ 間隙、 ５ 入口、 ６ 伝動装置及びモータ室用ケーシング、 ７ 伝動装置室、 ８ モータ室、 ９ 駆動モータ、 １０ 室、 １１，１２ 軸、 １３，１４，１５ 仕切壁、 １６，１７ 歯車対、 ２０ 羽根車、 ２１ 送風機、 ２３，２４ 開口、 ２５ 駆動モータ、 ２６ 制御装置、 ２７，２８ 温度・センサー、 ２９ センサー、 ３１ 管路、 ３２ 熱交換器、 ３３ 管路、 ３５ 調整弁、 ３６ ブラインド、 ３７ ライン（通路）、 ３８ サーモスタット弁、 ３９ バイパス管路、 ４１ ケーシング冷却装置、 ４２ 冷却周壁、 ４３ 冷却巻管、 ４４，４５，４６ 管路、 ４７ ３／２・方向制御弁

Claims (25)

1. ポンプ室ケーシング（２）並びに、伝動装置室（７）及びモータ室（８）を有する伝動装置及びモータ室用ケーシング（６）によって形成されているポンプケーシングと、冷却装置とを含むねじ真空ポンプであって、前記ポンプ室ケーシング（２）内にねじ真空ポンプのロータ（３）が片持ち式に支承されて収容されており、前記ロータ（３）の軸（１１，１２）は前記伝動装置室（７）及びモータ室（８）を貫通している、ねじ真空ポンプの温度調整のための方法であって、
   前記ねじ真空ポンプを外側から空気流によって冷却し、前記冷却装置をねじ真空ポンプ（１）の運転状態に依存して制御するステップを備え、前記ステップにおいて、前記ポンプ室ケーシング（２）の温度を検出し、前記ロータ（３）の温度を検出し、前記ロータ（３）と前記ポンプ室ケーシング（２）との間の間隙（４）を一定に保つように、前記冷却装置を、前記ポンプ室ケーシングの前記検出した温度及び前記ロータの前記検出した温度に依存して制御することを特徴とする、ねじ真空ポンプの温度調整方法。
2. 冷却装置に含まれる送風機（２１）によって空気流を形成して、該空気流によってねじ真空ポンプを外側から冷却し、送風機の羽根車（２０）の回転数を、ポンプ室ケーシング（２）の温度及びロータの温度に依存して調整する請求項１記載の方法。
3. 冷却装置に含まれる送風機（２１）によって空気流を形成して、該空気流によってねじ真空ポンプを外側から冷却し、かつ前記空気流の流過断面積を調整する請求項１記載の方法。
4. 冷却装置はロータのための液体冷却式冷却装置を含んでおり、該液体冷却式冷却装置の冷却媒体によって前記ロータを冷却し、かつ前記冷却媒体の温度を、ポンプ室ケーシングの温度及びロータの温度に依存して調整する請求項１記載の方法。
5. 冷却装置は送風機（２１）を含んでおり、該送風機によってロータのための液体冷却式冷却装置の熱交換器を通して空気流を流過させて、前記液体冷却式装置の冷却媒体の温度を調整する請求項４記載の方法。
6. 液体冷却式冷却装置の熱交換器（３２）を貫流する液体量を調整する請求項４記載の方法。
7. ポンプ室ケーシング（２）を外側から冷却し、かつロータを内側から冷却する請求項１記載の方法。
8. ポンプ室ケーシング（２）内に配置されたロータを冷却媒体で冷却する請求項７記載の方法。
9. ねじ真空ポンプのポンプケーシングを液体冷却式冷却装置によって冷却する請求項８記載の方法。
10. 液体冷却式冷却装置の熱交換器（３２）を流過した液体を、ロータ内部冷却装置及びケーシング用冷却装置（４１）に供給し、液体分配量を調整する請求項９記載の方法。
11. ロータ内部冷却装置及びケーシング用冷却装置の各冷却回路に対応して、それぞれ個別の熱交換器を配置する請求項１０記載の方法。
12. ロータ内部冷却装置から排出される熱量とケーシング用冷却装置から排出される熱量とをほぼ同じ大きさにする請求項７記載の方法。
13. ねじ真空ポンプ（１）であって、
    該ねじ真空ポンプのポンプケーシングはポンプ室ケーシング（２）並びに、伝動装置及びモータ室用ケーシング（６）によって形成されており、ねじ真空ポンプのロータ（３）は前記ポンプ室ケーシング（２）内に収容されかつ片持ち式に支承されており、前記ロータ（３）の軸（１１，１２）は前記伝動装置及びモータ室用ケーシング（６）を貫通しており、
    ねじ真空ポンプ（１）の冷却のための冷却装置、及びセンサー装置を含んでおり、該センサー装置は第１及び第２の温度センサー（２７，２８）を有しており、前記第１の温度センサー（２７）は、前記ポンプ室ケーシング（２）の温度に相応する信号を供給するようになっており、前記第２の温度センサー（２８）は、前記ロータ（３）の温度に相応する信号を供給するようになっており、
    前記冷却装置の制御のための制御装置を含んでおり、該制御装置は、前記両方のセンサー（２７，２８）、並びに前記冷却装置に接続されていて、該冷却装置を、前記ポンプ室ケーシングの温度及び前記ロータの温度に依存して制御して、前記ロータと前記ポンプ室ケーシングとの間の間隙（４）を一定に保つようになっていることを特徴とするねじ真空ポンプ。
14. 冷却装置は、送風機（２１）を含んでおり、該送風機はポンプケーシングの外側からの冷却のための空気流を形成するようになっており、前記送風機の羽根車（２０）の回転数は制御装置によって制御されるようになっている請求項１３記載のポンプ。
15. 冷却装置は、送風機（２１）を含んでおり、該送風機はポンプケーシングの外側からの冷却のための空気流を形成するようになっており、前記送風機（２１）の空気流の流過断面積は制御装置によって調整されるようになっている請求項１３記載のポンプ。
16. 冷却装置はロータのための液体式ロータ冷却装置、並びに該液体式ロータ冷却装置に対応して配置された熱交換器（３２）を含んでおり、該熱交換器内を流れる冷却媒体の温度は制御装置によって調節されるようになっている請求項１３記載のポンプ。
17. 冷却装置は送風機（２１）を含んでおり、該送風機は熱交換器（３２）を通して冷却空気を流過させるようになっている請求項１６記載のポンプ。
18. 制御装置は、熱交換器内を流れる冷却媒体の液体量を調節するようになっている請求項１６記載のポンプ。
19. 冷却装置は、ポンプ室ケーシング冷却装置及びロータ冷却装置を含んでおり、前記ポンプ室ケーシング冷却装置はポンプ室ケーシング（２）を外側から冷却するようになっており、かつ前記ロータ冷却装置は、ポンプ室ケーシング（２）内に配置されたロータを内側から冷却するようになっている請求項１３記載のポンプ。
20. ポンプ室ケーシング冷却装置は、ポンプ室ケーシング（２）の外周を、空気流により冷却するようになっており、ロータ冷却装置は、ロータを冷却媒体で冷却するようになっており、さらに熱交換器を含んでおり、該熱交換器は、前記ポンプ室ケーシング冷却装置の空気流により冷却されるようになっている請求項１９記載のポンプ。
21. ポンプ室ケーシング冷却装置はさらに、ポンプ室ケーシング（２）を冷却媒体により冷却するようになっている請求項２０記載のポンプ。
22. 熱交換器（３２）を流過した冷却媒体は、ロータ冷却装置並びにポンプ室ケーシング冷却装置に供給されるようになっており、制御装置は制御弁を介して、前記ロータ冷却装置への冷却媒体供給量と前記ポンプ室ケーシング冷却装置への冷却媒体供給量との分配を行うようになっている請求項２１記載のポンプ。
23. さらに別の熱交換器を含んでおり、該熱交換器を流過した冷却媒体は、ポンプ室ケーシング冷却装置に供給されるようになっている請求項２１記載のポンプ。
24. 制御装置は、ロータ冷却装置から排出される熱量とポンプ室ケーシング冷却装置から排出される熱量とを同じ大きさにするために、ロータ冷却装置とポンプ室ケーシング冷却装置とを制御するようになっている請求項１９記載のポンプ。
25. 第２の温度センサー（２８）は、伝動装置及びモータ室用ケーシング（６）に配置されている請求項１９記載のポンプ。

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