JP2004293420A - ドライポンプの潤滑油シール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受等を潤滑する潤滑油室内の潤滑油のポンプ室側への進入を極小化すると共に、シールの性能の低下を抑えて長期間安定して使用可能でメカロスの少ない多段式ドライポンプの潤滑油のシール構造を提供すること。
【解決手段】ポンプ室４と潤滑油室３との間に回転軸２０と共に回転するＶリング９を内蔵するシール室１７が形成され、シール室１７とポンプ室４との間に中間室２３が形成され、中間室２３と潤滑油室３とを気液分離機能を備える気液分離室１２を介して連通させている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドライポンプの潤滑油シール構造に関するものであり、詳細には、ポンプ室で発生する圧力変動の影響を受けることなく、寿命の長い潤滑油シール構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特許文献１の第２図に示されるように、ポンプ室内に、２つの同じ断面形状のロータが各々回転軸に取り付けられたものを有するルーツ式ドライポンプが知られている。ロータ同士の間、ロータとハウジング内壁との間には、わずかな間隙が設けられており、ロータは無潤滑で回転する。ロータは互いに逆方向に回転し、吸入口から取り入れた気体をオイルフリーのクリーンな状態のまま大気に放出する。
【０００３】
特許文献１の第１図には、軸受４に潤滑油１８を供給するための潤滑油室５が記載されている。回転軸２に取り付けられた回転板の一部が潤滑油１８に接して潤滑油１８を巻き上げて軸受４を潤滑している。
しかし、潤滑油がポンプ室１内に進入することは阻止しなければならないので、その目的のため、ドライシール１６、油切り板１３，油切り室１２，油戻し溝１５、及び油戻り通路１４を構成している。
回転軸２を伝わって進入してきた潤滑油は、油切り板１３により遠心力で外側にはね飛ばされる。飛ばされた潤滑油は、油切り室１２の壁面を伝わって油戻り通路１４から潤滑油室５に戻る。ここで、ドライシール１６側へ戻る潤滑油は、油戻し溝１５に沿って流れるため、ドライシール１６側へ潤滑油が流れ込むことがない。
【０００４】
【特許文献１】
特公平７−１１１１７５号公報（第１図、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術には、次のような問題があった。
（１）ドライポンプのロータの回転数は、一般に容積効率をあげて排気性能をあげるため、３０００ｒｐｍ以上の高速で運転されている。そのため、第１図に示されるドライシール１６のように、リップ状のリップ部が回転軸と接触する接触式のシールでは、シール面での摩擦が大きくなり、メカロスがおおきくなる問題があった。また、接触部における発熱も多くなり、シールの耐久性が低下する問題や、有機物質が発生してポンプ室側に進入する恐れがあった。特に、第１図のドライシール１６は、ポンプ室内の圧力が低下してリップ部両側の差圧が高くなると、リップ部の形状が差圧により回転軸に強く押しつけられる構造を採用しているため、この問題が顕著となる。
【０００６】
（２）特許文献１の問題を解決するために、接触式のドライシール１６を用いるのを止めて、非接触式シールを採用することも考えられる。
しかしながら、非接触式シールでは、潤滑部とポンプ室とが隙間で連通しているので、ポンプの排気条件によって発生する大きな圧力変動により、潤滑油がポンプ室内に漏れる恐れがあった。ポンプ室内に潤滑油が漏れた場合、ドライポンプを停止したときに、潤滑油の蒸気が真空チャンバに進入する恐れがあり、問題であった。
【０００７】
本発明は、上述問題点を解決するためになされたものであり、軸受等を潤滑する潤滑油室内の潤滑油のポンプ室側への進入を極小化すると共に、シールの性能の低下を抑えて長期間安定して使用可能でメカロスの少ないドライポンプの潤滑油のシール構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明のドライポンプのシール構造は、次のような構成を有している。
（１）ポンプ室と、回転軸へ供給する潤滑油を貯える潤滑油室とを備えるドライポンプの潤滑油シール構造において、ポンプ室と潤滑油室との間に回転軸と共に回転するＶ形シールリングを内蔵するシール室が形成され、シール室とポンプ室との間に中間室が形成され、中間室とシール室とを気液分離機能を備える気液分離室を介して連通させる。
ここで、Ｖ形シールリングとは、樹脂材料等の弾性材料からなり、回転軸に密着して固定された本体部と、本体部からリップ状に突き出たリップ部と、本体とリップ部を繋ぐ弾性変形する部分とを備える。このリップ部が非回転時にはシール室の壁面と接触し、回転時には、非接触状態または僅かに接触した状態となる。
【０００９】
（２）（１）に記載するドライポンプの潤滑油シール構造において、回転軸の、ポンプ室と中間室との間の位置に、複数の非接触式シールリングが付設され、前記複数の非接触式シールリングの間に不活性ガスを供給するガス流路が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
上記構成を有する本発明のドライポンプのシール構造は、次のように作用する。
シール室内にあって回転軸に付設され、回転軸と共に回転するＶ形シールリングのリップ部は、非回転時にはシール室の内壁面に接触しているが、回転軸が回転している時には、遠心力により、内壁面から離れて非接触状態となっている。従って、リップ部が回転により、シール室の内壁面と摩擦することがなく、リップが損傷されることがない。また、摩擦熱も発生しないので、弾性材の性能の劣化を起こさない。
【００１１】
そして、回転軸を伝わってくる潤滑油は、回転時には、リップ部で遠心力により外側にはね飛ばされ、シール室の外壁に沿って潤滑油戻り通路から潤滑油室に戻る。回転軸が回転していない時には、リップ部がシール室の内壁面に接触しているので、潤滑油が中間室側に進入することが防止される。
【００１２】
一方、ドライポンプの運転状況（排気条件）によって、ポンプ室内の圧力は大きく変動する場合がある。このときに、ポンプ室側の圧力が低下するとシール室内の圧力が相対的に高くなる可能性がある。その場合には、リップ部が相対的に高くなった圧力で押されてシール室内壁面に押しつけられるため、摩擦によるメカロスの発生や摩擦熱による劣化の問題を発生する。
しかし、本発明では、中間室とシール室とを気液分離室を介して連通しているので、シール室と中間室とがほぼ同じ圧力に保つことができるため、
リップ部がシール室の内壁面に接触することがない。
【００１３】
言い換えると、ポンプ室内の圧力変動に対して、非接触シールリングはラビリンスとして機能し、中間室はバッファ空間として作用して、ポンプ室で発生する圧力変動を減衰させて、シール室へ圧力変動が伝わるのを防止する。さらに、中間室と連通されている気液分離室もバッファ空間として作用するため、全体としてバッファ空間が大きくなり減衰機能を高くすることができる。
気液分離室の持つ気液分離機能は、回転時にはね飛ばされた潤滑油を、気液分離により潤滑油はシール室に戻し、気体のみ中間室に流れるのを許す作用を行う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は、本発明の一実施の形態であるルーツタイプのドライポンプのポンプ室と潤滑油室との近傍のシール構造を示す断面図である。図１のドライポンプは、例えば複数のポンプ室を有する多段式ドライポンプである。
ポンプハウジング１と潤滑油室３との間には、軸受ハウジング２が配設されている。軸受ハウジング２内には、排気ロータ５と一体に形成されている回転軸２０を支持する２つの軸受１９が付設されている。
潤滑油室３には、回転軸の端部が突出しており、そこに潤滑油撥ねかけ板２１が固設されている。潤滑油撥ねかけ板２１は、回転軸２０と共に回転して軸受１９に、潤滑油室３の底部に貯えられている潤滑油２２を撥ね上げて供給する。
【００１５】
軸受１９の左側には、ラビリンスハウジング１５が付設されている。ラビリンスハウジング１５の左側には、シール室１７が形成されている。
シール室１７は、回転軸２０と一体的に回転するＶリング９を内蔵している。Ｖリング９は、樹脂材料等の弾性材料により構成されている。Ｖリング９は、スナップリング１０により軸方向に固定されている。Ｖリング９は、図２（ａ）に示すように、リップ状のリップ部２６と円柱状の本体部２８とを、弾性力のあるヒンジ部２７で繋いだ形で構成している。
【００１６】
Ｖリング９は、回転軸２０が回転していないときには、図２（ａ）に示すように、リップ部２６がシール室１７のシール室壁面２４に接触している。また、回転軸２０が回転しているときには、遠心力により、図２（ｂ）に示すように、リップ部２６が矢印の方向に浮き上がり、シール室壁面２４と非接触の状態である。
なお、Ｖリング９のカウンターフェイスとなるシール室壁面２４側に、螺旋溝を形成してポンプ作用を起こさせると、さらにシール性能を向上させることができる。
【００１７】
シール室７の左側には、中間室２３が形成されている。ポンプハウジング１には、排気ロータ５を内蔵するポンプ室４が形成されている。ポンプ室４と中間室２３との間では、軸受ハウジング２と回転軸２０との隙間は僅かなスペースとされており、２つの非接触式シールリング６，７が回転軸２０側に取り付けられている。本実施の形態では、非接触式シールリング６，７として、断面矩形状の円状リングを用いているが、例えば、ラビリンスシール等を用いても良い。
また、２つの非接触式シールリング６，７の間には、不活性ガスである窒素ガスを供給するための流路８が形成されている。これは、排気対象気体が反応性ガスの場合に、軸受等を保護するために僅かな量の窒素ガスを流すのに用いるためである。
【００１８】
中間室２３とシール室１７とは、連通管路１１，１４によって、ポンプハウジング１の外部に設置されている気液分離室１２を介して連通されている。気液分離室１２の内部は、例えば、ステンレスメッシュで構成される油セパレータ１３を内蔵している。油セパレータ１３は低圧力損失で、潤滑油または油蒸気分子と気体とを分離できる機能を有している。
本実施の形態では、気液分離室１２と油セパレータ１３とを外部に設けたが、軸受側ハウジング２内に設けても良い。
【００１９】
ラビリンスシールハウジング１５は、ラビリンスシール溝１６が形成されたものであり、潤滑油がシール室１７へ進入するのを防止する機能を果たしているが、他の非接触シール、例えば板状のものを交差させたものでも良い。
また、軸受ハウジング２のシール室１７の下部には、潤滑油室３の潤滑油２２と連通する潤滑油戻し管路１８が形成されている。これは、ラビリンスシール溝１６から漏れ出た潤滑油を潤滑油室３に戻すためのものである。
【００２０】
次に、上記構成を有するドライポンプのシール構造の作用を説明する。
回転軸２０が回転されて排気ロータ５が回転すると、ポンプ室４内で真空排気作用が行われる。このとき、非接触シールリング６のポンプ室４側近傍のポンプ室側隙間２５は減圧された状態にある。ここで、ドライポンプのロータ隙間等からの漏れのため、ルーツタイプのドライポンプでは、大きな圧力変動が発生する場合がある。その圧力変動の大きさは、実験によれば、１０ｋＰａ近傍から４ｋＰａ前後の圧力変動が発生する。
【００２１】
本実施の形態では、この大きな圧力変動に対して、非接触シールリング６，７及び中間室２３を設けているので、非接触シールリング６，７は気体の絞り部として機能し、中間室２３は気体圧力変動のバッファとして機能するため、圧力変動を減衰させることができ、中間室２３の圧力変動を極小に保つことができる。
さらに、中間室２３は、圧力損失の小さい気液分離室１２を介してシール室１７と連通管路１１，１４で連通されているので、バッファ空間の体積はより大きくなるため、ポンプ室側軸隙間２５付近での大きな圧力変動は、シール室１７では十分小さくなっている。同時に、Ｖリング９のリップ部２６の中間室２３側とシール室１７側との両側での圧力差を十分小さく保つことができる。
【００２２】
一方、Ｖリング９については、次の２つのことが周知である。第１に、シール前後の圧力差が小さい状態で、シール面圧を低くして回転軸２０と一体となって回転するときには、図２（ｂ）に示すように、遠心力でリップ部２６が外周方向（矢印で示す。）に変形することである。第２に、カウンターフェイスとは、さらに小さな面圧または隙間を持った状態で、油滴や油蒸気分子をシールするように作用し、そのときにはシール効果とシール寿命が長いことである。
【００２３】
本実施の形態においては、中間室２３とシール室１７とを気液分離室１２を介して連通しているので、ポンプ室４で圧力変動が発生しても、シール室１７と中間室２３とをほぼ同じ圧力に保つことができるため、リップ部２６の前後の圧力差を極小とすることができ、リップ部２６がシール室１７の内壁面２４に接触することがない。
【００２４】
回転軸２０は高速回転しているので、リップ部２６まで進入してきた油滴や油蒸気分子は、遠心力ではね飛ばされ、シール室１７から中間室２３、さらには非接触シール６，７を介して連通しているポンプ室４に油滴や油蒸気分子が移動することはない。
回転軸２０が停止しているときには、Ｖリング９のリップ部２６は、所定の面圧で、シール室壁面２４に押圧されており、シール室１７と中間室２３とは隔離されているため、潤滑油２２や油蒸気分子が、シール室１７から中間室２３へ進入することがない。
また、気液分離室１２を介して連通管路１１，１４を経ていく経路では、油セパレータ１３が油成分を分離するので、油蒸気分子等が中間室２３へ進入することがない。
【００２５】
潤滑油室３に貯えられている潤滑油２２は、回転軸２０の回転に伴って、潤滑油撥ねかけ板２１により、軸受１９に撥ねかけられ軸受１９を潤滑する。この潤滑油２２は基本的には、ラビリンスシール１６によりシール室１７へ進入しないようになっている。しかし、ラビリンスシール１６は構造上、隙間があるので、運転状況により発生する圧力変動によっては、潤滑油２２や油蒸気分子がシール室１７へ進入することがある。
この場合には、前述したように、Ｖリング９により、油滴や油蒸気分子は、Ｖリング９の回転による遠心力で撥ね飛ばされ、シール室１７から中間室２３へ移動することはない。すなわち、油滴や油蒸気分子は、シール室１７内で浮遊したり、シール室１７の壁面に付着して重力により下方に落ちたりする。シール室１７の下部に落ちた潤滑油は、潤滑油戻し管路１８で、潤滑油室３に戻される。
【００２６】
なお、排気対象気体が排気プロセスにおいて凝縮したり析出したりする反応性ガスの場合には、軸受ハウジング２の外部から、希釈や冷却を目的とする窒素ガスが、パージガス供給孔８を介して、非接触式シールリング６，７の間に供給される。このときには、ポンプ室４と軸隙間２５の圧力変動は、この窒素ガス供給によりさらに緩和されるので、Ｖリング９のシール作用が安定し、シール性能、シール寿命が共に向上する。
【００２７】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の多段式ドライポンプのシール構造によれば、ポンプ室４と潤滑油室３との間に回転軸２０と共に回転するＶリング９を内蔵するシール室１７が形成され、シール室１７とポンプ室４との間に中間室２３が形成され、中間室２３とシール室１７とを気液分離機能を備える気液分離室１２を介して連通させているので、シール室１７と中間室２３とがほぼ同じ圧力に保つことができるため、回転軸２０が回転しているときに、リップ部２６がシール室の内壁面２４に接触することがなく、Ｖリング９のシール性能とシール寿命とを共に向上させることができる。
【００２８】
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、色々な変形が可能である。
例えば、本実施の形態では、Ｖ形シールリングとして、Ｖリング９を使用しているが、非回転時にはカウンターフェイスに接触し、遠心力によりカウンターフェースと非接触状態となるシールリングならば別な形状であっても、本発明を適用できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のドライポンプのシール構造によれば、ポンプ室と潤滑油室との間に回転軸と共に回転するＶ形シールリングを内蔵するシール室が形成され、シール室とポンプ室との間に中間室が形成され、中間室と潤滑油室とを気液分離機能を備える気液分離室を介して連通させているので、シール室と中間室とがほぼ同じ圧力に保つことができるため、回転軸が回転しているときに、リップ部がシール室の内壁面に接触することがなく、Ｖ形シールリングのシール性能とシール寿命とを共に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多段式ドライポンプのシール構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、回転軸が回転していないときのＶリングの状態を示す断面図である。
（ｂ）は、回転軸が回転しているときのＶリングの状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ポンプハウジング
２ 軸受ハウジング
３ 潤滑油室
４ ポンプ室
５ 排気ロータ
６，７ 非接触式シールリング
８ パージガス供給孔
９ Ｖリング
１１，１４ 連通管路
１２ 気液分離室
１３ 油セパレータ
１７ シール室
２０ 回転軸
２３ 中間室
２４ シール室壁面
２６ リップ部

Claims (2)

1. ポンプ室と、回転軸へ供給する潤滑油を貯える潤滑油室とを備えるドライポンプの潤滑油シール構造において、
   前記ポンプ室と前記シール室との間に、前記回転軸と共に回転するＶ形シールリングを内蔵するシール室が形成され、
   前記シール室と前記ポンプ室との間に中間室が形成され、
   前記中間室と前記シール室とを気液分離機能を備える気液分離室を介して連通させることを特徴とするドライポンプの潤滑油シール構造。
2. 請求項１に記載するドライポンプの潤滑油シール構造において、
   前記回転軸の、前記ポンプ室と前記中間室との間の位置に、複数の非接触式シールリングが付設され、
   前記複数の非接触式シールリングの間に不活性ガスを供給するガス流路が形成されていることを特徴とするドライポンプの潤滑油シール構造。

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