耐荷重同期装置を有するスクロールポンプ
【課題】ベアリングの設計が簡略化され、ベアリングにかかる費用を削減できるスクロールポンピング装置を提供する。
【解決手段】スクロールポンピング装置は、第１スクロール要素４４および第２スクロール要素４６と、第１スクロール要素４４に対する第２スクロール要素４６の周回運動を生成するために第２スクロール要素４６に動作可能に結合させた駆動機構と、第１スクロール要素と第２スクロール要素との間に結合された同期装置１４０であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置１４０と、を備えている。同期装置は、大略的に正方形の形状を有していてもよい。
【解決手段】スクロールポンピング装置は、第１スクロール要素４４および第２スクロール要素４６と、第１スクロール要素４４に対する第２スクロール要素４６の周回運動を生成するために第２スクロール要素４６に動作可能に結合させた駆動機構と、第１スクロール要素と第２スクロール要素との間に結合された同期装置１４０であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置１４０と、を備えている。同期装置は、大略的に正方形の形状を有していてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクロール型ポンプに関し、さらに詳しくは、スクロール型ポンプにおける周回および固定スクロール要素を同期するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スクロール装置は真空ポンプおよびコンプレッサの分野で周知である。スクロール装置では、ハウジング内の固定された螺旋ブレードに対して可動螺旋ブレードが周回する。この可動螺旋ブレードは偏心駆動機構に連結されている。スクロールブレードの形状およびそれらの相対運動は、気体の１つもしくは複数の容積または「ポケット」をブレード間に捕捉し、この装置を通じて移動させる。ほとんどの用途では、この装置を通じてその気体をポンプで送るために回転出力を利用する。油潤滑式スクロール装置は冷媒圧縮機として広く使用されている。他の用途として、エキスパンダ（コンプレッサとは逆に作動する）および真空ポンプが挙げられる。スクロールポンプは真空ポンプとしては広く採用されていない。主な理由として、スクロールポンプを製造するには、同程度の大きさの油潤滑式羽根ポンプよりもコストがかなりかかるためである。ドライ式スクロールポンプは、油汚染が許されないような用途に使用されている。高容積押しのけ率のスクロールポンプが、１９９７年４月１日付でLiepertに対して発行された特許に係る下記特許文献１に記載されている。
【０００３】
スクロールポンプは、固定および周回スクロール要素と、駆動機構と、を含む。固定スクロール要素および周回スクロール要素は、それぞれスクロール板とそのスクロール板から延びる螺旋スクロールブレードと、を含む。これらのスクロールブレードは、相互に噛み合ってブレード間ポケットを画成する。また、駆動機構は、ブレード間ポケットがポンプ出口へと移動していくように、固定スクロール要素に対する周回スクロール要素の周回運動を生成する。
【０００４】
スクロールポンプは、典型的には噛み合ったスクロールブレードを同期させる１つまたは複数の装置を利用する。同期装置は、それぞれ直接的または間接的に固定スクロール要素と周回スクロール要素との間に結合され、それらスクロール要素の相対的な回転を防ぎながら、周回運動を可能にする必要がある。先行技術の一手法では、３つのクランク機構が周回スクロール要素と固定スクロール要素との間に連結されている。
【０００５】
１９９９年９月１４日付でPottier外に対して発行された特許に係る下記特許文献２には、噛み合ったスクロールブレードを同期させるために金属ベローズを利用したスクロールポンプが開示されている。この金属ベローズは、クランク軸を取り囲んでおり、一端でクランク軸に、他端で固定壁に連結されている。金属ベローズは、ねじり変形に対する抵抗が高いため、周回スクロール要素の回転を防ぐために使用することができる。しかし、起動中およびポンプが異物を吸い込んだ場合に生じる異常なねじり負荷が過大に加わり、金属ベローズの破損を引き起こすおそれがある。
【０００６】
１９７４年４月９日付でVulliezに対して発行された特許に係る下記特許文献３には、分離に金属ベローズを利用し、同期にクランク機構を使用したスクロールポンプが開示されている。この金属ベローズは、両端を固定して連結されているため、上述のように異常なねじり負荷があると、過大に負荷を受けてしまう場合がある。また、開示の設計がねじれて過度に圧迫され、クランク機構が金属ベローズにねじり負荷を与えてしまう場合がある。さらに、クランク機構は、スクロールブレード周縁部の外側に位置しており、実質的にポンプの大きさを増やしてしまう。
【０００７】
１９８３年２月１日付でFischer外に対して発行された特許に係る下記特許文献４には、２つの押しのけ要素のねじれに対して剛性のある相対移動を確実にするために、板ばねの配置を含む少なくとも１つの平行運動案内装置を有するスクロール装置が開示されている。この同期方法には、軸方向荷重を支える能力がない。
１９８５年８月１３日付でBlainに対して発行された特許に係る下記特許文献５には、第１スクロールおよび第２スクロールを有し、同期のために、これらスクロールがスクロール周縁に位置した可撓性を有する環状バンドによって相互接続されているスクロール装置が開示されている。また、この環状バンドを使用して、スクロールによって発生した軸方向荷重を支えることもできる。
【特許文献１】米国特許第５，６１６，０１５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９５１，２６８号明細書
【特許文献３】米国特許第３，８０２，８０９号明細書
【特許文献４】米国特許第４，３７１，３２３号明細書
【特許文献５】米国特許第４，５３４，７１８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
出願人は、上記特許文献５に開示された環状バンドが、幾つかの用途において満足な性能を提供しないことを見出した。例えば、環状バンドは、スクロール装置の作動に伴う軸方向荷重を強固に支持しない。また、環状バンド内の横曲げ応力も高いことから、同期装置の寿命を制限することがある。
したがって、改良されたスクロール型のポンピング装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の局面によれば、スクロールポンピング装置が提供される。このスクロールポンピング装置は、第１スクロール要素および第２スクロール要素と、前記第１スクロール要素に対する前記第２スクロール要素の周回運動を生成するために前記第２スクロール要素に動作可能に結合された駆動機構と、前記第１スクロール要素と前記第２スクロール要素との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置と、を備えている。
【００１０】
同期装置は、周回運動中に第１スクロール要素と第２スクロール要素との間に同期を与え、ポンプ作動時に生じる軸方向荷重を支持する。同期装置が軸方向荷重を支持するので、ポンプベアリングの設計は簡略化され、ベアリングにかかる費用は削減される。
同期装置は大略的に正方形の形状を有していてもよい。この同期装置の実質的に平坦な部分は、連結部によって接合されていてもよい。連結部は、半径を有していてもよく、または実質的に平坦であってもよい。前記連結部に半径を有する実施形態においては、前記正方形の形状の側部寸法に対する前記連結部の半径の比率が約０．２５以下であってもよい。他の実施形態において、同期装置は角が直角である大略的に正方形の形状を有していてもよい。
【００１１】
同期装置の帯片は単層または２つ以上の層を含んでいてもよい。この２つ以上の層が、複数の層構造を形成するために積層されてもよく、または隔置されてもよい。
同期装置は、大略的に正方形の形状を有していてもよく、その場合、正方形の形状の互いに対向する側に第１および第２の実質的に平坦な部分を有していてもよい。これら第１および第２の実質的に平坦な部分は第２スクロール要素に結合されていてもよい。さらに、同期装置は、その正方形の形状の互いに対向する側に第３および第４の実質的に平坦な部分を備えていてもよい。これら第３および第４の実質的に平坦な部分は第１スクロール要素に結合されていてもよい。
【００１２】
本発明の第２の局面によれば、スクロールポンピング装置が提供される。このスクロールポンピング装置は、入口および出口を有し、固定スクロールブレードを含む固定スクロール要素と周回スクロールブレードを含む周回スクロール要素とを備えたスクロールセットを備えている。これら固定および周回スクロールブレードは、共に相互に噛み合って１つ以上のブレード間ポケットを画成する。さらに、スクロールポンピング装置は、前記固定スクロールブレードに対する前記周回スクロールブレードの周回運動を生成して、その１つ以上のブレード間ポケットが前記出口へと移動していくようにするため、前記周回スクロール要素に動作可能に結合された駆動機構と、前記周回スクロール要素と当該スクロールポンピング装置の固定部品との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置と、を備えている。
【００１３】
本発明の第３の局面によれば、第１スクロール要素と第２スクロール要素とを備えたタイプのスクロールポンピング装置を作動する方法が提供される。本方法は、前記第２スクロール要素に対する前記第１スクロール要素の周回運動を生成する工程と、第１スクロール要素と第２スクロール要素との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置によって、前記周回運動中に前記第１スクロール要素および前記第２スクロール要素を同期させる工程と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明をよりよく理解できるように、ここに引用により組み込まれた下記の添付図面を参照する。
本発明の第１の実施形態によるスクロールポンプを図１および図２に示す。典型的には空気である気体が、真空チャンバ、またはポンプの入口１２に連結された他の装置（図示せず）から排気される。ポンプハウジング１４は、固定スクロールプレート１６とフレーム１８とを含む。このポンプはさらに、ポンプで送られる気体を排気するための出口２０を含む。
【００１５】
スクロールポンプは、相互に噛み合った、螺旋形のスクロールブレードを一組含む。スクロールセットは、固定スクロールプレート１６から延びる固定スクロールブレード３０と、周回スクロールプレート３４から延びる周回スクロールブレード３２と、を備えている。スクロールブレード３０および３２は、好ましくは、それぞれスクロールプレート１６および３４と一体に形成されて、熱伝導を容易にし、ポンプの機械的な剛性および耐久性が高められる。スクロールブレード３０およびスクロールプレート１６は固定スクロール要素４４を構成し、スクロールブレード３２およびスクロールプレート３４は周回スクロール要素４６を構成する。スクロールブレード３０および３２は、相互に向かって軸方向に延びており、共に相互に噛み合ってブレード間ポケット４０を形成している。それらスクロールブレードの先端にある溝に位置するチップシール４２は、スクロールブレード間に封止を与える。スクロールブレード３０に対するスクロールブレード３２の周回運動によって、気体がスクロールブレード間のブレード間ポケット４０に進入していく、スクロール型ポンピング動作が生成される。
【００１６】
スクロールポンプ用の駆動機構５０は、クランク軸５４を介して周回スクロールプレート３４に結合されたモータ５２を備えている。クランク軸５４の一端６４は、クランク軸５４の主部に対して偏心するように構成されており、周回プレートベアリング７０を介して周回スクロールプレート３４に取り付けられている。クランク軸５４は、主軸受７２および７４を介してポンプハウジング１４に取り付けられている。モータ５２に通電すると、クランク軸５４は軸７６を中心に主軸受７２および７４内で回転する。クランク軸端部６４が偏心した構成は、スクロールブレード３０に対するスクロールブレード３２の周回運動を生成し、これによって入口１２から出口２０へとポンプで気体を送る。
【００１７】
このスクロールポンプは、真空ポンプの固定部品と周回スクロールプレート３４との間に結合されたベローズアセンブリ１００を含んでいてもよい。これは、ベローズアセンブリ１００の内側にある第１の容積（空間）とベローズアセンブリ１００の外側にある第２の容積（空間）とを分離するためである。固定スクロールブレード３０に対する周回スクロールブレード３２の運動時、ベローズアセンブリ１００の一端は自由に回転する。その結果、ベローズアセンブリ１００は、スクロールブレードを同期せず、作動中に大きなねじり応力を受けない。図１および図２の実施形態において、ベローズアセンブリ１００は、ベローズ１０２と、ベローズ１０２の第１の端部にシールされた第１フランジ１０４と、ベローズ１０２の第２の端部にシールされた第２フランジ１０６と、を備えている。フランジ１０４はクランク軸５４に回転可能に装着されたリングであってもよい。フランジ１０６は周回スクロールプレート３４への固定取り付け具を有していてもよい。あるいは、フランジ１０６は周回スクロールプレート３４に回転可能に装着されていてもよく、フランジ１０４はポンプハウジング１４への固定取り付け具を有していてもよい。
【００１８】
スクロールポンプは、さらに周回スクロールプレート３４とフレーム１８などの真空ポンプの固定部品との間に結合された同期装置１４０を含む。同期装置１４０は、スクロールブレード３２の周回運動時に周回スクロールブレード３２と固定スクロールブレード３０との間に同期を与え、ポンプ作動時に生じる軸方向荷重を支持する。同期装置１４０が軸方向荷重を支持するので、従来技術のスクロールポンプと比較してポンプベアリングの設計は簡略化され、ベアリングにかかる費用は削減される。以下に記載のように、同期装置１４０は、連結されていて、実質的に平坦な部分を有する帯片またはバンドを含み、同期装置１４０は大略的に正方形の形状を形成してもよい（図３参照）。同期装置１４０は、ボルト１４２および１４４によって周回スクロール要素４６に結合され、ボルト１４６および１４８によってフレーム１８に結合されている。
【００１９】
同期装置１４０を図３の斜視図に示す。同期装置１４０は、例えば図３の実施形態における大略的に正方形の形状に形成された、ステンレス鋼片などの帯片を含んでいてもよい。この大略的な正方形の形状は、丸みをつけた、角張った、または面取りした角を有していてもよい。その帯片は、スクロールポンプ作動時の横方向の可撓性および軸方向の剛性を目的として選択された厚みおよび幅を有する。一例では、その帯片は厚さ０．０６ｃｍ（センチメートル）、幅３．８ｃｍのステンレス鋼で作られている。この実施形態では、平坦な部分間の側面寸法は９ｃｍであり、クランク軸オフセット（周回運動の半径）は０．１５７ｃｍである。これらの寸法は単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことが理解されよう。好ましくは、帯片の断面は、同期装置に横方向の可撓性および軸方向の剛性を与えるために比較的薄く、比較的幅広である。
【００２０】
同期装置１４０は、疲労寿命の長い材料で作る必要があり、鉄の材料が適している。適当な材料の一つに、３２１ステンレス鋼などのステンレス鋼がある。他の適当な材料として、重合体、およびグラスファイバーなどの複合体が挙げられる。
同期装置１４０の帯片は、実質的に平坦な部分１６０、１６２、１６４、１６６、および１６８を含む。図３の実施形態において、平坦な部分１６０および１６８が重なり合って大略的に正方形の同期装置の一側面を形成している。平坦な部分１６０〜１６８は連結部１７０、１７２、１７４、および１７６によって相互接続されている。図３の実施形態において、連結部１７０〜１７６は、丸みがつけられ、半径を有する。他の実施形態において、連結部１７０〜１７６は実質的に平坦であってもよい。さらなる実施形態において、連結部を使用せず、平坦な部分が直角に交差する。上述の例では、同期装置１４０は、同期装置の対向面間の間隔として定義される側面寸法９ｃｍを有し、連結部１７０〜１７６は半径０．６ｃｍを有する。
【００２１】
同期装置１４０が変形しない場合、同期装置１４０の部分１６０〜１６８は実質的に平坦であることが理解されよう。しかし、スクロールポンプ作動中に、同期装置１４０はスクロール要素４４に対するスクロール要素４６の周回移動によって変形し、同期装置１４０の部分１６０〜１６８が平坦な形状から逸脱してしまう。また、同期装置１４０はスクロールポンプに組み付けた後、わずかに変形してもよい。
【００２２】
同期装置１４０の対向面上の平坦な部分１６２および１６６は周回スクロール要素４６に固定されている。図１および図３に示すように、周回スクロール要素４６には突起１８０および１８２が設けられている。同期装置１４０の平坦な部分１６２は、ボルト１４４およびクランプ要素１９０によって周回スクロール要素４６の突起１８０に固定されている。同期装置１４０の平坦な部分１６６は、ボルト１４２およびクランプ要素１９２によって周回スクロール要素４６の突起１８２に固定されている。したがって、同期装置１４０の平坦な部分は、周回スクロール要素４６の突起とそれぞれのクランプ要素との間でクランプされる。
【００２３】
同期装置１４０の対向面上の平坦な部分１６４および平坦な部分１６０、１６８はボルト１４８および１４６によってスクロールポンプのフレーム１８に固定されている。ボルト１４６は部分１６０および１６８を貫通していて、これらの部分は重なり合って大略的に正方形の同期装置の一側面を形成している。同期装置１４０の平坦な部分１６４は、ボルト１４８およびクランプ要素１９４によってフレーム１８に固定されている。同期装置１４０の、重なり合った平坦な部分１６０および１６８は、ボルト１４６およびクランプ要素１９６によってフレーム１８に固定されている。したがって、周回スクロール要素４６は、同期装置１４０の２つの対向面上の第１および第２の実質的に平坦な部分１６２および１６４に結合され、フレーム１８などの固定部品は、同期装置１４０の他の２つの対向面上の第３および第４の実質的に平坦な部分１６４および平坦な部分１６０、１６８に結合されている。この実施形態において、平坦な部分１６０、１６２、１６４、１６６、および１６８には取り付けボルト用にそれぞれクリアランスホールが設けられている。
【００２４】
同期装置１４０を周回スクロール要素４６に連結することで、周回スクロールブレード３２に間接的に連結される。同様に、フレーム１８および固定スクロール要素１６が強固に連結されているので、同期装置１４０をフレーム１８に連結することで、固定スクロールブレード３０に間接的に連結される。したがって、固定スクロールブレード３０および周回スクロールブレード３２は、スクロールポンプ作動時に同期装置１４０によって同期させられる。同期装置１４０は、固定スクロールブレード３０に強固に連結されている任意のスクロールポンプ要素と周回スクロールブレード３２に強固に連結されている任意のスクロールポンプ要素との間に結合されてもよい。これらは、例えば、９０°間隔で連結されて、同期装置１４０の変形を可能にする。
【００２５】
作動の際には、駆動機構５０は固定スクロール要素４４に対する周回スクロール要素４６の周回運動を生成する。スクロール要素４６の周回運動は、突起１８０および１８２を介して同期装置１４０へと伝達される。したがって、同期装置１４０と周回スクロール要素４６との間の連結点は周回移動を描き、一方、フレーム１８への連結点は固定されている。周回移動によって同期装置１４０が変形するが、同期装置１４０は、周回スクロール要素４６の回転移動を阻止し、それによって同期を行う。
【００２６】
同期装置１４０は軸７６に対して垂直な平面においては容易に変形することが認められる場合がある。しかし、同期装置１４０は軸方向の剛性が高く、スクロールポンプ作動中の軸方向荷重の結果として、軸７６に沿って非常に小さな変形を発現する。
本発明の実施形態による同期装置を図４、図４Ａ、図４Ｂ、図５、図６、および図９に示す。本発明の第２の実施形態による同期装置２００を図４に示す。同期装置２００は、丸みをおびた連結部２１０、２１２、２１４、および２１６によって接続された、４つの実質的に平坦な部分２０２、２０４、２０６、および２０８を含んでいて、大略的に正方形の形状を有する閉鎖ループを形成する。連結部２１０、２１２、２１４、および２１６の半径は、同期装置２００の側面寸法Ｄの約１０分の１であってもよい。さらに、同期装置２００は、平坦な部分にそれぞれ補強部分２２０、２２２、２２４、および２２６を含んでいてもよい。部分２２０、２２２、２２４、および２２６は、同期装置２００がフレームと周回スクロール要素とに結合される位置で補強してもよい。これら補強部分は、同期装置２００の帯片と一体に形成されていてもよく、または例えば、接着剤、リベット、または溶接によって帯片に固定されていてもよい。
【００２７】
本発明の第３の実施形態による同期装置２２８を図４Ａに示す。同期装置２２８は、図４に示す同期装置２００に類似しているが、補強部分を含んでいない。図４Ａの実施形態は、丸みをおびた連結部２１０〜２１６によって接続された、４つの実質的に平坦な部分２０２〜２０８を含んでいて、閉鎖ループを形成する。
同期装置の性能は、その側面寸法Ｄに対する連結部２１０、２１２、２１４、および２１６の半径Ｒの比率の関数であることが分かっている。特に、軸方向への偏向がこの比率の関数である。同期装置の設計は、軸方向への偏向を制限することを目指しているので、軸方向への偏向が小さくなる比率を選択することが望ましい。図７を参照すると、軸方向への偏向が側面寸法Ｄに対する半径Ｒの比率の関数としてプロットされている。軸方向荷重（２２４ニュートン）、帯片幅（３．８ｃｍ）および帯片厚さ（０．０６ｃｍ）は一定に保たれている。比率０．５が環形状に相当し、比率０が直角の角を有する正方形に相当することが観測される。軸方向への偏向を小さくするためには、側面寸法Ｄに対する半径Ｒの比率は、好ましくは約０．２５以下、より好ましくは約０．１以下である。
【００２８】
図８は、従来技術に対する本発明のもう一つの利点を示している。正規化された横方向、軸方向、および角度方向の曲げ応力が、側面寸法Ｄに対する半径Ｒの比率（Ｒ／Ｄ比）の関数としてプロットされている。図８において、これら応力は３２１ステンレス鋼の耐久限度に対して正規化されている。軸方向荷重（２２４ニュートン）、帯片幅（３．８ｃｍ）、帯片厚さ（０．０６ｃｍ）、側面寸法Ｄ（９ｃｍ）、およびクランクオフセット（０．１５７ｃｍ）はすべて一定に保たれている。Ｒ／Ｄ比が増加するに従って、横方向および軸方向の曲げ応力が大幅に増加する。横方向の曲げ応力は、Ｒ／Ｄ値が０．２より大きい場合、３２１ステンレス鋼の耐久限度を上回る。従来技術では、Ｒ／Ｄはおよそ０．５（環形状）である。この形状、材料、および印加した軸方向荷重では、同期装置は０．２より大きいＲ／Ｄ値で疲労破損を経験する。
【００２９】
図７および図８は、従来技術に対する本発明の利点を明確に示している。曲げ応力を最小限にするため、また軸方向への偏向を最小限にするため、Ｒ／Ｄ比は小さくなければならず、好ましくは約０．２５以下、より好ましくは約０．１以下である。
本発明の第４の実施形態による同期装置２４０を図４Ｂに示す。同期装置２４０は、平坦な部分２０２、２０４、２０６、および２０８それぞれと接合する実質的に平坦な連結部２３０、２３２、２３４、および２３６を有する。したがって、同期装置２４０は面取りした角を有する正方形として構成される。また、同期装置２４０は八角形として見なしてもよい。連結部２３０、２３２、２３４、および２３６の長さを調節して同期装置の性能を制御することができる。連結部の長さがゼロに近づくにつれて、同期装置は直角の角を有する正方形に近づく。直角の角を有する正方形が本発明の範囲に包含されることが理解されよう。
【００３０】
本発明の第５の実施形態による同期装置２４２を図５に示す。同期装置２４２は、同期装置２４２の帯片が複数の層構造を有し、例えば、溶接、接着剤、またはリベット締めによって一体に固定または積層された２つ以上の層を含んでいるという点において、図４の実施形態と異なっている。複数の層構造は、単一層構造と同じ曲げ応力を発現するが、角度方向および軸方向の剛性がより大きい。
【００３１】
本発明の第６の実施形態による同期装置２４４を図６に示す。同期装置２４４の帯片は、間隔をあけて配置され、別個の領域において連結されている２つ以上の層を含んでいる。同期装置２４４は、閉鎖ループ内部層２５０と、この層２５０よりわずかに寸法の大きい閉鎖ループ外部層２５２と、を含む。内部層２５０および外部層２５２は間隔をあけて配置され、スペーサ２５４および２５６によって相互に固定されている。層の数と層間のスペーサの数および大きさとが本発明の範囲内で変動し、異なった用途に異なった性能を提供してもよいことが理解されよう。
【００３２】
本発明の第７の実施形態によるスクロールポンプを図９に模式的に示す。このスクロールポンプは、第１スクロール要素３００と、第２スクロール要素３０２と、同期装置３１０と、を含む。同期装置３１０は、角が直角で、大略的に正方形の形状を有する閉鎖ループを形成する４つの実質的に平坦な部分３１２、３１４、３１６、および３１８を有する帯片を含む。第１スクロール要素３００は、接続部材３２０によって平坦な部分３１４に固定され、接続部材３２２によって平坦な部分３１８に固定されている。第２スクロール要素３０２は、接続部材３２４によって平坦な部分３１２に固定され、接続部材３２６によって平坦な部分３１６に固定されている。接続部材３２０、３２２、３２４、および３２６は、直接接続しても間接的に接続してもよい。間接接続の場合には、同期装置３１０はスクロール要素にそれぞれ強固に連結されているスクロールポンプ部品に固定される。図９は角が直角で正方形の形状を有するような同期装置３１０を示しているが、図９のスクロールポンプにおいて本発明の範囲内のどの同期装置を利用してもよい。
【００３３】
第１スクロール要素３００および第２スクロール要素３０２は、当該技術で公知の、または今後に開発されるどんなスクロール要素であってもよい。一般に、第２スクロール要素３０２は、スクロールポンプの作動中、第１スクロール要素３００に対して周回運動をする。スクロール要素３００および３０２は、図１および図２に関して上述されたスクロール要素４４および４６にそれぞれ対するものであってもよい。スクロール要素３００および３０２は、単ステージスクロール要素であってもよく、または２つ以上のステージを有していてもよい。単ステージスクロールポンプの例を図１および図２に示す。１ステージより多いステージを有するスクロールポンプが、上記特許文献１に開示されている。スクロールポンプの各ステージには、１つ以上のスクロールブレードが含まれていてもよい。いくつかの実施形態において、スクロール要素３００および３０２は固定スクロール要素と周回スクロール要素とを含んでいてもよい。他の実施形態において、両方のスクロール要素が回転し、一方のスクロール要素が他方のスクロール要素に対して周回運動を描く、上記特許文献５に開示されているように、スクロール要素３００および３０２は同方向回転形状を有していてもよい。スクロールポンプは、油潤滑式または乾式（オイルフリー）でもよく、真空ポンプとしてまたはコンプレッサとして作動するものであってもよい。
【００３４】
本発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明してきたが、当業者には様々な変更、修正および改良が容易に思いつくものと理解される。かかる変更、修正および改良は、本開示内容の一部であることが意図されており、また本発明の精神および範囲内に含まれることが意図されている。したがって、以上の説明および図面は単なる例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態によるスクロールポンプの模式的な側断面図である。
【図２】図１のスクロールポンプの模式的な平面視による断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による同期装置および周回スクロール要素の斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による同期装置の斜視図である。
【図４Ａ】本発明の第３の実施形態による同期装置の正面図である。
【図４Ｂ】本発明の第４の実施形態による同期装置の正面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態による同期装置の斜視図である。
【図６】本発明の第６の実施形態による同期装置の斜視図である。
【図７】同期装置の側面寸法に対する連結部の半径の比率の関数としての、同期装置の軸方向への最大偏向のグラフである。
【図８】同期装置の側面寸法に対する連結部の半径の比率の関数としての、横方向、軸方向、および角度方向における同期装置の応力／耐久強さのグラフである。
【図９】本発明の第７の実施形態によるスクロールポンプの模式図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクロール型ポンプに関し、さらに詳しくは、スクロール型ポンプにおける周回および固定スクロール要素を同期するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スクロール装置は真空ポンプおよびコンプレッサの分野で周知である。スクロール装置では、ハウジング内の固定された螺旋ブレードに対して可動螺旋ブレードが周回する。この可動螺旋ブレードは偏心駆動機構に連結されている。スクロールブレードの形状およびそれらの相対運動は、気体の１つもしくは複数の容積または「ポケット」をブレード間に捕捉し、この装置を通じて移動させる。ほとんどの用途では、この装置を通じてその気体をポンプで送るために回転出力を利用する。油潤滑式スクロール装置は冷媒圧縮機として広く使用されている。他の用途として、エキスパンダ（コンプレッサとは逆に作動する）および真空ポンプが挙げられる。スクロールポンプは真空ポンプとしては広く採用されていない。主な理由として、スクロールポンプを製造するには、同程度の大きさの油潤滑式羽根ポンプよりもコストがかなりかかるためである。ドライ式スクロールポンプは、油汚染が許されないような用途に使用されている。高容積押しのけ率のスクロールポンプが、１９９７年４月１日付でLiepertに対して発行された特許に係る下記特許文献１に記載されている。
【０００３】
スクロールポンプは、固定および周回スクロール要素と、駆動機構と、を含む。固定スクロール要素および周回スクロール要素は、それぞれスクロール板とそのスクロール板から延びる螺旋スクロールブレードと、を含む。これらのスクロールブレードは、相互に噛み合ってブレード間ポケットを画成する。また、駆動機構は、ブレード間ポケットがポンプ出口へと移動していくように、固定スクロール要素に対する周回スクロール要素の周回運動を生成する。
【０００４】
スクロールポンプは、典型的には噛み合ったスクロールブレードを同期させる１つまたは複数の装置を利用する。同期装置は、それぞれ直接的または間接的に固定スクロール要素と周回スクロール要素との間に結合され、それらスクロール要素の相対的な回転を防ぎながら、周回運動を可能にする必要がある。先行技術の一手法では、３つのクランク機構が周回スクロール要素と固定スクロール要素との間に連結されている。
【０００５】
１９９９年９月１４日付でPottier外に対して発行された特許に係る下記特許文献２には、噛み合ったスクロールブレードを同期させるために金属ベローズを利用したスクロールポンプが開示されている。この金属ベローズは、クランク軸を取り囲んでおり、一端でクランク軸に、他端で固定壁に連結されている。金属ベローズは、ねじり変形に対する抵抗が高いため、周回スクロール要素の回転を防ぐために使用することができる。しかし、起動中およびポンプが異物を吸い込んだ場合に生じる異常なねじり負荷が過大に加わり、金属ベローズの破損を引き起こすおそれがある。
【０００６】
１９７４年４月９日付でVulliezに対して発行された特許に係る下記特許文献３には、分離に金属ベローズを利用し、同期にクランク機構を使用したスクロールポンプが開示されている。この金属ベローズは、両端を固定して連結されているため、上述のように異常なねじり負荷があると、過大に負荷を受けてしまう場合がある。また、開示の設計がねじれて過度に圧迫され、クランク機構が金属ベローズにねじり負荷を与えてしまう場合がある。さらに、クランク機構は、スクロールブレード周縁部の外側に位置しており、実質的にポンプの大きさを増やしてしまう。
【０００７】
１９８３年２月１日付でFischer外に対して発行された特許に係る下記特許文献４には、２つの押しのけ要素のねじれに対して剛性のある相対移動を確実にするために、板ばねの配置を含む少なくとも１つの平行運動案内装置を有するスクロール装置が開示されている。この同期方法には、軸方向荷重を支える能力がない。
１９８５年８月１３日付でBlainに対して発行された特許に係る下記特許文献５には、第１スクロールおよび第２スクロールを有し、同期のために、これらスクロールがスクロール周縁に位置した可撓性を有する環状バンドによって相互接続されているスクロール装置が開示されている。また、この環状バンドを使用して、スクロールによって発生した軸方向荷重を支えることもできる。
【特許文献１】米国特許第５，６１６，０１５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９５１，２６８号明細書
【特許文献３】米国特許第３，８０２，８０９号明細書
【特許文献４】米国特許第４，３７１，３２３号明細書
【特許文献５】米国特許第４，５３４，７１８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
出願人は、上記特許文献５に開示された環状バンドが、幾つかの用途において満足な性能を提供しないことを見出した。例えば、環状バンドは、スクロール装置の作動に伴う軸方向荷重を強固に支持しない。また、環状バンド内の横曲げ応力も高いことから、同期装置の寿命を制限することがある。
したがって、改良されたスクロール型のポンピング装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の局面によれば、スクロールポンピング装置が提供される。このスクロールポンピング装置は、第１スクロール要素および第２スクロール要素と、前記第１スクロール要素に対する前記第２スクロール要素の周回運動を生成するために前記第２スクロール要素に動作可能に結合された駆動機構と、前記第１スクロール要素と前記第２スクロール要素との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置と、を備えている。
【００１０】
同期装置は、周回運動中に第１スクロール要素と第２スクロール要素との間に同期を与え、ポンプ作動時に生じる軸方向荷重を支持する。同期装置が軸方向荷重を支持するので、ポンプベアリングの設計は簡略化され、ベアリングにかかる費用は削減される。
同期装置は大略的に正方形の形状を有していてもよい。この同期装置の実質的に平坦な部分は、連結部によって接合されていてもよい。連結部は、半径を有していてもよく、または実質的に平坦であってもよい。前記連結部に半径を有する実施形態においては、前記正方形の形状の側部寸法に対する前記連結部の半径の比率が約０．２５以下であってもよい。他の実施形態において、同期装置は角が直角である大略的に正方形の形状を有していてもよい。
【００１１】
同期装置の帯片は単層または２つ以上の層を含んでいてもよい。この２つ以上の層が、複数の層構造を形成するために積層されてもよく、または隔置されてもよい。
同期装置は、大略的に正方形の形状を有していてもよく、その場合、正方形の形状の互いに対向する側に第１および第２の実質的に平坦な部分を有していてもよい。これら第１および第２の実質的に平坦な部分は第２スクロール要素に結合されていてもよい。さらに、同期装置は、その正方形の形状の互いに対向する側に第３および第４の実質的に平坦な部分を備えていてもよい。これら第３および第４の実質的に平坦な部分は第１スクロール要素に結合されていてもよい。
【００１２】
本発明の第２の局面によれば、スクロールポンピング装置が提供される。このスクロールポンピング装置は、入口および出口を有し、固定スクロールブレードを含む固定スクロール要素と周回スクロールブレードを含む周回スクロール要素とを備えたスクロールセットを備えている。これら固定および周回スクロールブレードは、共に相互に噛み合って１つ以上のブレード間ポケットを画成する。さらに、スクロールポンピング装置は、前記固定スクロールブレードに対する前記周回スクロールブレードの周回運動を生成して、その１つ以上のブレード間ポケットが前記出口へと移動していくようにするため、前記周回スクロール要素に動作可能に結合された駆動機構と、前記周回スクロール要素と当該スクロールポンピング装置の固定部品との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置と、を備えている。
【００１３】
本発明の第３の局面によれば、第１スクロール要素と第２スクロール要素とを備えたタイプのスクロールポンピング装置を作動する方法が提供される。本方法は、前記第２スクロール要素に対する前記第１スクロール要素の周回運動を生成する工程と、第１スクロール要素と第２スクロール要素との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置によって、前記周回運動中に前記第１スクロール要素および前記第２スクロール要素を同期させる工程と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明をよりよく理解できるように、ここに引用により組み込まれた下記の添付図面を参照する。
本発明の第１の実施形態によるスクロールポンプを図１および図２に示す。典型的には空気である気体が、真空チャンバ、またはポンプの入口１２に連結された他の装置（図示せず）から排気される。ポンプハウジング１４は、固定スクロールプレート１６とフレーム１８とを含む。このポンプはさらに、ポンプで送られる気体を排気するための出口２０を含む。
【００１５】
スクロールポンプは、相互に噛み合った、螺旋形のスクロールブレードを一組含む。スクロールセットは、固定スクロールプレート１６から延びる固定スクロールブレード３０と、周回スクロールプレート３４から延びる周回スクロールブレード３２と、を備えている。スクロールブレード３０および３２は、好ましくは、それぞれスクロールプレート１６および３４と一体に形成されて、熱伝導を容易にし、ポンプの機械的な剛性および耐久性が高められる。スクロールブレード３０およびスクロールプレート１６は固定スクロール要素４４を構成し、スクロールブレード３２およびスクロールプレート３４は周回スクロール要素４６を構成する。スクロールブレード３０および３２は、相互に向かって軸方向に延びており、共に相互に噛み合ってブレード間ポケット４０を形成している。それらスクロールブレードの先端にある溝に位置するチップシール４２は、スクロールブレード間に封止を与える。スクロールブレード３０に対するスクロールブレード３２の周回運動によって、気体がスクロールブレード間のブレード間ポケット４０に進入していく、スクロール型ポンピング動作が生成される。
【００１６】
スクロールポンプ用の駆動機構５０は、クランク軸５４を介して周回スクロールプレート３４に結合されたモータ５２を備えている。クランク軸５４の一端６４は、クランク軸５４の主部に対して偏心するように構成されており、周回プレートベアリング７０を介して周回スクロールプレート３４に取り付けられている。クランク軸５４は、主軸受７２および７４を介してポンプハウジング１４に取り付けられている。モータ５２に通電すると、クランク軸５４は軸７６を中心に主軸受７２および７４内で回転する。クランク軸端部６４が偏心した構成は、スクロールブレード３０に対するスクロールブレード３２の周回運動を生成し、これによって入口１２から出口２０へとポンプで気体を送る。
【００１７】
このスクロールポンプは、真空ポンプの固定部品と周回スクロールプレート３４との間に結合されたベローズアセンブリ１００を含んでいてもよい。これは、ベローズアセンブリ１００の内側にある第１の容積（空間）とベローズアセンブリ１００の外側にある第２の容積（空間）とを分離するためである。固定スクロールブレード３０に対する周回スクロールブレード３２の運動時、ベローズアセンブリ１００の一端は自由に回転する。その結果、ベローズアセンブリ１００は、スクロールブレードを同期せず、作動中に大きなねじり応力を受けない。図１および図２の実施形態において、ベローズアセンブリ１００は、ベローズ１０２と、ベローズ１０２の第１の端部にシールされた第１フランジ１０４と、ベローズ１０２の第２の端部にシールされた第２フランジ１０６と、を備えている。フランジ１０４はクランク軸５４に回転可能に装着されたリングであってもよい。フランジ１０６は周回スクロールプレート３４への固定取り付け具を有していてもよい。あるいは、フランジ１０６は周回スクロールプレート３４に回転可能に装着されていてもよく、フランジ１０４はポンプハウジング１４への固定取り付け具を有していてもよい。
【００１８】
スクロールポンプは、さらに周回スクロールプレート３４とフレーム１８などの真空ポンプの固定部品との間に結合された同期装置１４０を含む。同期装置１４０は、スクロールブレード３２の周回運動時に周回スクロールブレード３２と固定スクロールブレード３０との間に同期を与え、ポンプ作動時に生じる軸方向荷重を支持する。同期装置１４０が軸方向荷重を支持するので、従来技術のスクロールポンプと比較してポンプベアリングの設計は簡略化され、ベアリングにかかる費用は削減される。以下に記載のように、同期装置１４０は、連結されていて、実質的に平坦な部分を有する帯片またはバンドを含み、同期装置１４０は大略的に正方形の形状を形成してもよい（図３参照）。同期装置１４０は、ボルト１４２および１４４によって周回スクロール要素４６に結合され、ボルト１４６および１４８によってフレーム１８に結合されている。
【００１９】
同期装置１４０を図３の斜視図に示す。同期装置１４０は、例えば図３の実施形態における大略的に正方形の形状に形成された、ステンレス鋼片などの帯片を含んでいてもよい。この大略的な正方形の形状は、丸みをつけた、角張った、または面取りした角を有していてもよい。その帯片は、スクロールポンプ作動時の横方向の可撓性および軸方向の剛性を目的として選択された厚みおよび幅を有する。一例では、その帯片は厚さ０．０６ｃｍ（センチメートル）、幅３．８ｃｍのステンレス鋼で作られている。この実施形態では、平坦な部分間の側面寸法は９ｃｍであり、クランク軸オフセット（周回運動の半径）は０．１５７ｃｍである。これらの寸法は単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことが理解されよう。好ましくは、帯片の断面は、同期装置に横方向の可撓性および軸方向の剛性を与えるために比較的薄く、比較的幅広である。
【００２０】
同期装置１４０は、疲労寿命の長い材料で作る必要があり、鉄の材料が適している。適当な材料の一つに、３２１ステンレス鋼などのステンレス鋼がある。他の適当な材料として、重合体、およびグラスファイバーなどの複合体が挙げられる。
同期装置１４０の帯片は、実質的に平坦な部分１６０、１６２、１６４、１６６、および１６８を含む。図３の実施形態において、平坦な部分１６０および１６８が重なり合って大略的に正方形の同期装置の一側面を形成している。平坦な部分１６０〜１６８は連結部１７０、１７２、１７４、および１７６によって相互接続されている。図３の実施形態において、連結部１７０〜１７６は、丸みがつけられ、半径を有する。他の実施形態において、連結部１７０〜１７６は実質的に平坦であってもよい。さらなる実施形態において、連結部を使用せず、平坦な部分が直角に交差する。上述の例では、同期装置１４０は、同期装置の対向面間の間隔として定義される側面寸法９ｃｍを有し、連結部１７０〜１７６は半径０．６ｃｍを有する。
【００２１】
同期装置１４０が変形しない場合、同期装置１４０の部分１６０〜１６８は実質的に平坦であることが理解されよう。しかし、スクロールポンプ作動中に、同期装置１４０はスクロール要素４４に対するスクロール要素４６の周回移動によって変形し、同期装置１４０の部分１６０〜１６８が平坦な形状から逸脱してしまう。また、同期装置１４０はスクロールポンプに組み付けた後、わずかに変形してもよい。
【００２２】
同期装置１４０の対向面上の平坦な部分１６２および１６６は周回スクロール要素４６に固定されている。図１および図３に示すように、周回スクロール要素４６には突起１８０および１８２が設けられている。同期装置１４０の平坦な部分１６２は、ボルト１４４およびクランプ要素１９０によって周回スクロール要素４６の突起１８０に固定されている。同期装置１４０の平坦な部分１６６は、ボルト１４２およびクランプ要素１９２によって周回スクロール要素４６の突起１８２に固定されている。したがって、同期装置１４０の平坦な部分は、周回スクロール要素４６の突起とそれぞれのクランプ要素との間でクランプされる。
【００２３】
同期装置１４０の対向面上の平坦な部分１６４および平坦な部分１６０、１６８はボルト１４８および１４６によってスクロールポンプのフレーム１８に固定されている。ボルト１４６は部分１６０および１６８を貫通していて、これらの部分は重なり合って大略的に正方形の同期装置の一側面を形成している。同期装置１４０の平坦な部分１６４は、ボルト１４８およびクランプ要素１９４によってフレーム１８に固定されている。同期装置１４０の、重なり合った平坦な部分１６０および１６８は、ボルト１４６およびクランプ要素１９６によってフレーム１８に固定されている。したがって、周回スクロール要素４６は、同期装置１４０の２つの対向面上の第１および第２の実質的に平坦な部分１６２および１６４に結合され、フレーム１８などの固定部品は、同期装置１４０の他の２つの対向面上の第３および第４の実質的に平坦な部分１６４および平坦な部分１６０、１６８に結合されている。この実施形態において、平坦な部分１６０、１６２、１６４、１６６、および１６８には取り付けボルト用にそれぞれクリアランスホールが設けられている。
【００２４】
同期装置１４０を周回スクロール要素４６に連結することで、周回スクロールブレード３２に間接的に連結される。同様に、フレーム１８および固定スクロール要素１６が強固に連結されているので、同期装置１４０をフレーム１８に連結することで、固定スクロールブレード３０に間接的に連結される。したがって、固定スクロールブレード３０および周回スクロールブレード３２は、スクロールポンプ作動時に同期装置１４０によって同期させられる。同期装置１４０は、固定スクロールブレード３０に強固に連結されている任意のスクロールポンプ要素と周回スクロールブレード３２に強固に連結されている任意のスクロールポンプ要素との間に結合されてもよい。これらは、例えば、９０°間隔で連結されて、同期装置１４０の変形を可能にする。
【００２５】
作動の際には、駆動機構５０は固定スクロール要素４４に対する周回スクロール要素４６の周回運動を生成する。スクロール要素４６の周回運動は、突起１８０および１８２を介して同期装置１４０へと伝達される。したがって、同期装置１４０と周回スクロール要素４６との間の連結点は周回移動を描き、一方、フレーム１８への連結点は固定されている。周回移動によって同期装置１４０が変形するが、同期装置１４０は、周回スクロール要素４６の回転移動を阻止し、それによって同期を行う。
【００２６】
同期装置１４０は軸７６に対して垂直な平面においては容易に変形することが認められる場合がある。しかし、同期装置１４０は軸方向の剛性が高く、スクロールポンプ作動中の軸方向荷重の結果として、軸７６に沿って非常に小さな変形を発現する。
本発明の実施形態による同期装置を図４、図４Ａ、図４Ｂ、図５、図６、および図９に示す。本発明の第２の実施形態による同期装置２００を図４に示す。同期装置２００は、丸みをおびた連結部２１０、２１２、２１４、および２１６によって接続された、４つの実質的に平坦な部分２０２、２０４、２０６、および２０８を含んでいて、大略的に正方形の形状を有する閉鎖ループを形成する。連結部２１０、２１２、２１４、および２１６の半径は、同期装置２００の側面寸法Ｄの約１０分の１であってもよい。さらに、同期装置２００は、平坦な部分にそれぞれ補強部分２２０、２２２、２２４、および２２６を含んでいてもよい。部分２２０、２２２、２２４、および２２６は、同期装置２００がフレームと周回スクロール要素とに結合される位置で補強してもよい。これら補強部分は、同期装置２００の帯片と一体に形成されていてもよく、または例えば、接着剤、リベット、または溶接によって帯片に固定されていてもよい。
【００２７】
本発明の第３の実施形態による同期装置２２８を図４Ａに示す。同期装置２２８は、図４に示す同期装置２００に類似しているが、補強部分を含んでいない。図４Ａの実施形態は、丸みをおびた連結部２１０〜２１６によって接続された、４つの実質的に平坦な部分２０２〜２０８を含んでいて、閉鎖ループを形成する。
同期装置の性能は、その側面寸法Ｄに対する連結部２１０、２１２、２１４、および２１６の半径Ｒの比率の関数であることが分かっている。特に、軸方向への偏向がこの比率の関数である。同期装置の設計は、軸方向への偏向を制限することを目指しているので、軸方向への偏向が小さくなる比率を選択することが望ましい。図７を参照すると、軸方向への偏向が側面寸法Ｄに対する半径Ｒの比率の関数としてプロットされている。軸方向荷重（２２４ニュートン）、帯片幅（３．８ｃｍ）および帯片厚さ（０．０６ｃｍ）は一定に保たれている。比率０．５が環形状に相当し、比率０が直角の角を有する正方形に相当することが観測される。軸方向への偏向を小さくするためには、側面寸法Ｄに対する半径Ｒの比率は、好ましくは約０．２５以下、より好ましくは約０．１以下である。
【００２８】
図８は、従来技術に対する本発明のもう一つの利点を示している。正規化された横方向、軸方向、および角度方向の曲げ応力が、側面寸法Ｄに対する半径Ｒの比率（Ｒ／Ｄ比）の関数としてプロットされている。図８において、これら応力は３２１ステンレス鋼の耐久限度に対して正規化されている。軸方向荷重（２２４ニュートン）、帯片幅（３．８ｃｍ）、帯片厚さ（０．０６ｃｍ）、側面寸法Ｄ（９ｃｍ）、およびクランクオフセット（０．１５７ｃｍ）はすべて一定に保たれている。Ｒ／Ｄ比が増加するに従って、横方向および軸方向の曲げ応力が大幅に増加する。横方向の曲げ応力は、Ｒ／Ｄ値が０．２より大きい場合、３２１ステンレス鋼の耐久限度を上回る。従来技術では、Ｒ／Ｄはおよそ０．５（環形状）である。この形状、材料、および印加した軸方向荷重では、同期装置は０．２より大きいＲ／Ｄ値で疲労破損を経験する。
【００２９】
図７および図８は、従来技術に対する本発明の利点を明確に示している。曲げ応力を最小限にするため、また軸方向への偏向を最小限にするため、Ｒ／Ｄ比は小さくなければならず、好ましくは約０．２５以下、より好ましくは約０．１以下である。
本発明の第４の実施形態による同期装置２４０を図４Ｂに示す。同期装置２４０は、平坦な部分２０２、２０４、２０６、および２０８それぞれと接合する実質的に平坦な連結部２３０、２３２、２３４、および２３６を有する。したがって、同期装置２４０は面取りした角を有する正方形として構成される。また、同期装置２４０は八角形として見なしてもよい。連結部２３０、２３２、２３４、および２３６の長さを調節して同期装置の性能を制御することができる。連結部の長さがゼロに近づくにつれて、同期装置は直角の角を有する正方形に近づく。直角の角を有する正方形が本発明の範囲に包含されることが理解されよう。
【００３０】
本発明の第５の実施形態による同期装置２４２を図５に示す。同期装置２４２は、同期装置２４２の帯片が複数の層構造を有し、例えば、溶接、接着剤、またはリベット締めによって一体に固定または積層された２つ以上の層を含んでいるという点において、図４の実施形態と異なっている。複数の層構造は、単一層構造と同じ曲げ応力を発現するが、角度方向および軸方向の剛性がより大きい。
【００３１】
本発明の第６の実施形態による同期装置２４４を図６に示す。同期装置２４４の帯片は、間隔をあけて配置され、別個の領域において連結されている２つ以上の層を含んでいる。同期装置２４４は、閉鎖ループ内部層２５０と、この層２５０よりわずかに寸法の大きい閉鎖ループ外部層２５２と、を含む。内部層２５０および外部層２５２は間隔をあけて配置され、スペーサ２５４および２５６によって相互に固定されている。層の数と層間のスペーサの数および大きさとが本発明の範囲内で変動し、異なった用途に異なった性能を提供してもよいことが理解されよう。
【００３２】
本発明の第７の実施形態によるスクロールポンプを図９に模式的に示す。このスクロールポンプは、第１スクロール要素３００と、第２スクロール要素３０２と、同期装置３１０と、を含む。同期装置３１０は、角が直角で、大略的に正方形の形状を有する閉鎖ループを形成する４つの実質的に平坦な部分３１２、３１４、３１６、および３１８を有する帯片を含む。第１スクロール要素３００は、接続部材３２０によって平坦な部分３１４に固定され、接続部材３２２によって平坦な部分３１８に固定されている。第２スクロール要素３０２は、接続部材３２４によって平坦な部分３１２に固定され、接続部材３２６によって平坦な部分３１６に固定されている。接続部材３２０、３２２、３２４、および３２６は、直接接続しても間接的に接続してもよい。間接接続の場合には、同期装置３１０はスクロール要素にそれぞれ強固に連結されているスクロールポンプ部品に固定される。図９は角が直角で正方形の形状を有するような同期装置３１０を示しているが、図９のスクロールポンプにおいて本発明の範囲内のどの同期装置を利用してもよい。
【００３３】
第１スクロール要素３００および第２スクロール要素３０２は、当該技術で公知の、または今後に開発されるどんなスクロール要素であってもよい。一般に、第２スクロール要素３０２は、スクロールポンプの作動中、第１スクロール要素３００に対して周回運動をする。スクロール要素３００および３０２は、図１および図２に関して上述されたスクロール要素４４および４６にそれぞれ対するものであってもよい。スクロール要素３００および３０２は、単ステージスクロール要素であってもよく、または２つ以上のステージを有していてもよい。単ステージスクロールポンプの例を図１および図２に示す。１ステージより多いステージを有するスクロールポンプが、上記特許文献１に開示されている。スクロールポンプの各ステージには、１つ以上のスクロールブレードが含まれていてもよい。いくつかの実施形態において、スクロール要素３００および３０２は固定スクロール要素と周回スクロール要素とを含んでいてもよい。他の実施形態において、両方のスクロール要素が回転し、一方のスクロール要素が他方のスクロール要素に対して周回運動を描く、上記特許文献５に開示されているように、スクロール要素３００および３０２は同方向回転形状を有していてもよい。スクロールポンプは、油潤滑式または乾式（オイルフリー）でもよく、真空ポンプとしてまたはコンプレッサとして作動するものであってもよい。
【００３４】
本発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明してきたが、当業者には様々な変更、修正および改良が容易に思いつくものと理解される。かかる変更、修正および改良は、本開示内容の一部であることが意図されており、また本発明の精神および範囲内に含まれることが意図されている。したがって、以上の説明および図面は単なる例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態によるスクロールポンプの模式的な側断面図である。
【図２】図１のスクロールポンプの模式的な平面視による断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による同期装置および周回スクロール要素の斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による同期装置の斜視図である。
【図４Ａ】本発明の第３の実施形態による同期装置の正面図である。
【図４Ｂ】本発明の第４の実施形態による同期装置の正面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態による同期装置の斜視図である。
【図６】本発明の第６の実施形態による同期装置の斜視図である。
【図７】同期装置の側面寸法に対する連結部の半径の比率の関数としての、同期装置の軸方向への最大偏向のグラフである。
【図８】同期装置の側面寸法に対する連結部の半径の比率の関数としての、横方向、軸方向、および角度方向における同期装置の応力／耐久強さのグラフである。
【図９】本発明の第７の実施形態によるスクロールポンプの模式図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１スクロール要素および第２スクロール要素と、
前記第１スクロール要素に対する前記第２スクロール要素の周回運動を生成するために前記第２スクロール要素に動作可能に結合させた駆動機構と、
前記第１スクロール要素と前記第２スクロール要素との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置と、
を備えたスクロールポンピング装置。
【請求項２】
前記同期装置が大略的に正方形の形状を有する、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項３】
前記同期装置の前記実質的に平坦な部分が、連結部によって接続されている、請求項２に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項４】
前記連結部が半径を有している、請求項３に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項５】
前記正方形の形状の側部寸法に対する前記連結部の前記半径の比率が、約０．２５以下、好ましくは約０．１以下である、請求項４に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項６】
前記連結部が実質的に平坦である、請求項３に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項７】
前記帯片が２つ以上の層を含んでいる、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項８】
前記同期装置が大略的に正方形の形状を有しており、前記正方形の形状は、その互いに対向する側に第１および第２の実質的に平坦な部分を備えており、前記第１および第２の実質的に平坦な部分は、前記第２スクロール要素に結合されていて、
前記正方形の形状の互いに対向する側に、第３および第４の実質的に平坦な部分が備えられており、前記第３および第４の実質的に平坦な部分は前記第１スクロール要素に結合されている、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項９】
前記第１スクロール要素が固定スクロール要素を備え、前記第２スクロール要素が周回スクロール要素を備えた、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１０】
真空ポンプとしてまたはコンプレッサとして構成される、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１１】
スクロールポンピング装置であって、
入口および出口を有し、固定スクロールブレードを含む固定スクロール要素と周回スクロールブレードを含む周回スクロール要素とを備えたスクロールセットであって、前記固定および周回スクロールブレードが共に相互に噛み合って１つ以上のブレード間ポケットを画成しているスクロールセットと、
前記固定スクロールブレードに対する前記周回スクロールブレードの周回運動を生成して、前記１つ以上のブレード間ポケットが前記出口へと移動していくようにするため、前記周回スクロール要素に動作可能に結合させた駆動機構と、
前記周回スクロール要素と当該スクロールポンピング装置の固定部品との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置と、を備えたスクロールポンピング装置。
【請求項１２】
前記同期装置が大略的に正方形の形状を有しており、
前記同期装置の前記実質的に平坦な部分が連結部によって接続されており、
前記連結部が半径を有している、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１３】
前記帯片が、前記周回スクロール要素に連結するための領域と、当該スクロールポンピング装置の前記固定部品に連結するための領域とを含む、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１４】
前記帯片の両端が重なり合って大略的に正方形の形状の一側部を形成する、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１５】
前記同期装置が閉じたループ形状を有している、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１６】
前記実質的に平坦な部分のうちの１つ以上が補強部分を含む、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１７】
第１スクロール要素と第２スクロール要素とを備えたタイプのスクロールポンピング装置を作動する方法であって、
前記第１スクロール要素に対する前記第２スクロール要素の周回運動を生成する工程と、
前記第１スクロール要素と前記第２スクロール要素との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置によって、前記周回運動中に前記第１スクロール要素および前記第２スクロール要素を同期させる工程と、を含む方法。
【請求項１８】
前記同期装置が大略的に正方形の形状を有しており、前記正方形の形状は、その互いに対向する側に第１および第２の実質的に平坦な部分を備えており、
前記第１および第２の実質的に平坦な部分を前記第２のスクロール要素に結合させる工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記同期装置が、前記正方形の形状の互いに対向する側に第３および第４の実質的に平坦な部分をさらに備えており、前記第３および第４の実質的に平坦な部分を前記第１スクロール要素に結合させる工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１スクロール要素に対する前記第２スクロール要素の軸方向移動を前記同期装置によって制限する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１】
第１スクロール要素および第２スクロール要素と、
前記第１スクロール要素に対する前記第２スクロール要素の周回運動を生成するために前記第２スクロール要素に動作可能に結合させた駆動機構と、
前記第１スクロール要素と前記第２スクロール要素との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置と、
を備えたスクロールポンピング装置。
【請求項２】
前記同期装置が大略的に正方形の形状を有する、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項３】
前記同期装置の前記実質的に平坦な部分が、連結部によって接続されている、請求項２に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項４】
前記連結部が半径を有している、請求項３に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項５】
前記正方形の形状の側部寸法に対する前記連結部の前記半径の比率が、約０．２５以下、好ましくは約０．１以下である、請求項４に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項６】
前記連結部が実質的に平坦である、請求項３に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項７】
前記帯片が２つ以上の層を含んでいる、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項８】
前記同期装置が大略的に正方形の形状を有しており、前記正方形の形状は、その互いに対向する側に第１および第２の実質的に平坦な部分を備えており、前記第１および第２の実質的に平坦な部分は、前記第２スクロール要素に結合されていて、
前記正方形の形状の互いに対向する側に、第３および第４の実質的に平坦な部分が備えられており、前記第３および第４の実質的に平坦な部分は前記第１スクロール要素に結合されている、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項９】
前記第１スクロール要素が固定スクロール要素を備え、前記第２スクロール要素が周回スクロール要素を備えた、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１０】
真空ポンプとしてまたはコンプレッサとして構成される、請求項１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１１】
スクロールポンピング装置であって、
入口および出口を有し、固定スクロールブレードを含む固定スクロール要素と周回スクロールブレードを含む周回スクロール要素とを備えたスクロールセットであって、前記固定および周回スクロールブレードが共に相互に噛み合って１つ以上のブレード間ポケットを画成しているスクロールセットと、
前記固定スクロールブレードに対する前記周回スクロールブレードの周回運動を生成して、前記１つ以上のブレード間ポケットが前記出口へと移動していくようにするため、前記周回スクロール要素に動作可能に結合させた駆動機構と、
前記周回スクロール要素と当該スクロールポンピング装置の固定部品との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置と、を備えたスクロールポンピング装置。
【請求項１２】
前記同期装置が大略的に正方形の形状を有しており、
前記同期装置の前記実質的に平坦な部分が連結部によって接続されており、
前記連結部が半径を有している、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１３】
前記帯片が、前記周回スクロール要素に連結するための領域と、当該スクロールポンピング装置の前記固定部品に連結するための領域とを含む、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１４】
前記帯片の両端が重なり合って大略的に正方形の形状の一側部を形成する、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１５】
前記同期装置が閉じたループ形状を有している、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１６】
前記実質的に平坦な部分のうちの１つ以上が補強部分を含む、請求項１１に記載のスクロールポンピング装置。
【請求項１７】
第１スクロール要素と第２スクロール要素とを備えたタイプのスクロールポンピング装置を作動する方法であって、
前記第１スクロール要素に対する前記第２スクロール要素の周回運動を生成する工程と、
前記第１スクロール要素と前記第２スクロール要素との間に結合された同期装置であって、連結された実質的に平坦な部分を有する帯片を備えた同期装置によって、前記周回運動中に前記第１スクロール要素および前記第２スクロール要素を同期させる工程と、を含む方法。
【請求項１８】
前記同期装置が大略的に正方形の形状を有しており、前記正方形の形状は、その互いに対向する側に第１および第２の実質的に平坦な部分を備えており、
前記第１および第２の実質的に平坦な部分を前記第２のスクロール要素に結合させる工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記同期装置が、前記正方形の形状の互いに対向する側に第３および第４の実質的に平坦な部分をさらに備えており、前記第３および第４の実質的に平坦な部分を前記第１スクロール要素に結合させる工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１スクロール要素に対する前記第２スクロール要素の軸方向移動を前記同期装置によって制限する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２００７−５３０８７０（Ｐ２００７−５３０８７０Ａ）
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０６１５５（Ｐ２００７−５０６１５５）
【出願日】平成１７年２月４日（２００５．２．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００３５７２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１０３４９５
【国際公開日】平成１７年１１月３日（２００５．１１．３）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月４日（２００５．２．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００３５７２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１０３４９５
【国際公開日】平成１７年１１月３日（２００５．１１．３）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【Ｆターム（参考）】
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