JP2006161696A - ベーンロータリ型真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 ベーン背圧印加によるベーンサイドからの作動流体の漏れ込みを低減させつつ、ベーンのジャンピング現象を防止しうるベーンロータリ型真空ポンプを提供する。
【解決手段】 フロントプレート９に、吸入ポート２１と、吐出ポート２２と、複数の背圧溝７１、７２、７３とを設け、スリット１１のベーン７よりもロータ中心側に位置する背圧室部１１ａを、ロータ６の軸心Ｏを中心とする円周Ｑ上に位置させ、各背圧溝７１、７２、７３を、その一端がポンプ空間８に開放される開放端７１ｂ、７２ｂ、７３ｂとなり、その他端側が前記円周Ｑ上にほぼ位置して前記背圧室部１１ａと連通可能な弧状溝部７１ａ、７２ａ、７３ａとなるように形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、空気圧縮機および真空ポンプとして使用されるベーンロータリ型真空ポンプに関するものである。

従来、この種のベーンロータリ型ポンプとして、ベーンジャンピングによる騒音増大および性能低下が課題となっていた。これを解決するため、ベーンに背圧を印加し、ベーンの先端を強制的にシリンダの内周面へと押さえつけることで、ベーンジャンピングを防止し、騒音低減および性能向上を図ったものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の背圧印加方法を示すものである。図６に示すように、円環状の背圧溝４８がロータ４６に設けられたベーン３４をガイドするためのスリット３３の中心側端部４４と連通するように、サイドプレートに設けられており、その背圧溝４８にオイルを供給する複数の穴４５が構成されている。なお、図６において３９は吸入ポート、４１は吐出ポート、３８はロータ４６の回転に伴って吸入・圧縮・吐出行程を繰り返すポンプ空間である。
特開２００１−１６５０８２号公報

前記従来の構成ではオイル潤滑が前提となっているため、オイルにより背圧印加を行なっている。また摺動部のクリアランス（例えばスリットとベーンのクリアランス）はオイルによりシールされ、作動流体の漏れも抑えられている。この構成をオイルレス機構の真空ポンプに適用し、高圧の作動流体を背圧溝へと導き、背圧をベーンに印加させる構成とした場合、ベーンサイドを抜けてポンプ空間へと作動流体が漏れ込むという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、オイルレス機構においてもベーンの適切な圧力の背圧印加を行い、作動流体の漏れ込みを低減させることができ、かつベーンジャンピング音を防止することができるとともに高効率を達成したベーンロータリ型真空ポンプの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内周円形のシリンダと、シリンダ内に収容された外周円形のロータと、シリンダの両側端面を覆うと共にロータの両側面に摺接するフロントプレートおよびエンドプレートとを有し、ロータはシリンダの中心軸心から偏心した軸心のまわりに一方向に回転駆動され、ロータには外周側が開放された複数のベーンガイド用のスリットが互いに等角度間隔に形成され、各スリットには板状のベーンが摺動自在に嵌合保持され、各スリットは先端面がロータの内周面に摺接し、両側面がフロントプレートおよびエンドプレートに摺接し、ロータの回転に伴って、シリンダ、ロータ、およびベーンで囲まれる複数のポンプ空間がその体積を変化させて吸入・圧縮・吐出行程を繰り返すように構成されたベーンロータリ型真空ポンプにおいて、前記フロントプレートおよびエンドプレートの少なくとも一方に、吸入ポートと、吐出ポートと、複数の背圧溝とを設け、前記各スリットのベーンよりもロータ中心側に位置する背圧室部を、ロータの軸心を中心とする円周上に位置させ、各背圧溝を、その一端が前記ポンプ空間に開放される開放端となり、その他端側が前記円周上にほぼ位置して前記背圧室部と連通可能な弧状溝部となるように形成したことを特徴とする。この構成によれば、背圧溝を分割形成することにより、ベーン背圧をロータの回転位相により変化させることができ、各回転位置で適切な背圧を与えることができる。その結果、ベーン背面とポンプ空間が高差圧になることもなく、ベーンサイドを抜けて作動流体が漏れ込む量も低減させることができる。また適切なベーン背圧を与えてベーンジャンピングを防止しうることにより、騒音低減と性能向上も図ることができる。また、フロントプレートおよびエンドプレートにそれぞれ吸入ポート、吐出ポート、背圧溝を備えた場合、ロータの両端面で圧力がつり合うため、ロータが片側のプレートにのみ接触することはなく、良好な摺動が期待できる。

また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、背圧室部の圧力が、この背圧室部に対応するベーンのロータ回転方向前側に形成されるポンプ空間の圧力と等しくなるように、ポンプ空間の圧力を背圧室部に導く背圧溝を有するようにしたものである。これにより、前記ベーンに対して回転方向前側のポンプ空間は、回転方向後側のポンプ空間より圧力が高いので、この回転方向前側のポンプ空間の圧力を前記ベーンの背圧室部に供給することで、ベーンジャンピングを十分に防ぐことができる。また、背圧室部とポンプ空間で圧力が釣り合っているため、ベーンとスリットとのサイドの隙間を経て作動流体がポンプ空間へと漏れ込むこともない。

また請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、圧縮行程初期のポンプ空間を形成する２枚のベーンのうち、ロータ回転方向後側のベーンに対応する背圧室部の圧力が、前記ポンプ空間よりもロータ回転方向に一つ先に形成されるポンプ空間の圧力となるようにポンプ空間の圧力を背圧室部に導く背圧溝を有するようにしたものである。これにより、吸入行程から圧縮行程に移行した時に形成されるポンプ空間の圧力よりも高い圧力を前記ベーンの背圧室部に供給することができ、ベーンジャンピングが発生しやすい閉じ込みポイント（吸入ポートの通過直後で、ポンプ空間の中で最大容積時のポイント）においてもベーンジャンピングを防止すると同時に、体積効率の向上を図ることができる。

また請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、隣り合う背圧溝の弧状溝部間には、背圧室部の幅以上の間隔を設けた構成にしたものである。これにより、背圧室部により２つの異なる背圧溝を介して２つの異なるポンプ空間が連通されることを防ぐことができる。

また請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の発明において、複数の背圧溝として、吸入ポートに連通するポンプ空間に開放端が接続する吸入ポート側の背圧溝と、吐出ポートに連通するポンプ空間に開放端が接続する吐出ポート側の背圧溝と、吸入ポート側の背圧溝と吐出ポート側の背圧溝との中間に位置する中間位置の背圧溝とを有するように構成したものである。そしてこの構成によれば、吸入・圧縮・吐出行程において、それぞれに最適な背圧をベーンに印加でき、高差圧から生じる摺動損失や漏れ損失を防止することができる。

また請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の発明において、ロータに設けた隣り合うスリットの角度間隔をθとし、ロータがシリンダに最接近する位置を原点位置としたとき、吸入ポート側の背圧溝の弧状溝部を、原点位置と、原点位置から（１８０°−θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置との間の角度範囲位置に設けてなるものである。そしてこの構成によれば、吸入行程においてベーンが原点位置を過ぎてスリットから飛び出す際に背圧室部が吸入圧力と同等となり、ベーン背面が負圧になるのを防止することができる。すなわちスムーズにベーンがスリットから飛び出すことが可能となり、吸入行程におけるジャンピングを防止できる。

また請求項７に記載の本発明では、請求項５または６に記載の発明において、ロータに設けた隣り合うスリットの角度間隔をθとし、ロータがシリンダに最接近する位置を原点位置としたとき、弧状溝部を、原点位置から（１８０°−θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置と、原点位置から（１８０°＋θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置との間の角度範囲位置に設けると共に、その開放端を前記弧状溝部の終端位置よりもロータ回転方向に進んだ位置に設けてなる中間位置の背圧溝を有するものである。そしてこの構成によれば、圧縮行程にあるポンプ空間の後側に位置するベーンに対応する背圧室部に当該ポンプ空間の圧力あるいはこれより１つ先に進んだポンプ空間の圧力を導入することができ、これによりベーンのジャンピングを防止でき、作動流体の漏れを大幅に低減するとともに騒音低減を図ることができる。

また請求項８に記載の本発明では、請求項７に記載の中間位置の背圧溝の開放端を、弧状溝部の始端位置からθロータ回転方向に進んだ位置と、前記始端位置から（θ＋２０°）ロータ回転方向に進んだ位置との間の角度範囲位置に設けたものである。この構成によれば圧縮行程初期時における１つ先に進んだポンプ空間の高圧力の導入期間をベーンのロータ回転位置により調整でき、過剰な押付力によるベーン先端磨耗を低減させることができる。

また請求項９に記載の本発明では、請求項５から８記載の発明のいずれかにおいて、ロータに設けた隣り合うスリットの角度間隔をθとし、ロータがシリンダに最接近する位置を原点位置としたとき、吐出ポート側の背圧溝の弧状溝部を、原点位置から（１８０°−θ／２）ロータ回転方向と逆方向に戻った位置と、原点位置との間の角度範囲位置に設けてなるものである。そしてこの構成によれば、上記請求項６に記載の発明と同様に、吐出行程時のベーンのジャンピング等を防止できる。

上記各発明は、請求項１０に記載のように３枚のベーンを備えたベーンロータリ型真空ポンプに適用すると好適である。

本発明のベーンロータリ型真空ポンプは、吸入・圧縮・吐出行程においてそれぞれ適切な背圧を印加でき、ベーンサイドの漏れやベーン先端の過剰な押付力を低減させつつ、ベーンジャンピング現象を防止できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明におけるベーンロータリ型真空ポンプの断面図を示すものである。

図１において、本発明のベーンロータリ型真空ポンプ１は、ポンプ機構部２とモータ部３と冷却回路部４により構成されている。

ポンプ機構部２は、内周円形のシリンダ５と、外周円形のロータ６と、自己潤滑性材質よりなる３枚の板状のベーン７と、これらを挟み込んで３つのポンプ空間８（図２参照）を形成させる自己潤滑性材料よりなるフロントプレート９とエンドプレート１０から構成されている。これらにより、オイルレスの構成となっている。また、図２に示すように、ロータ６はシリンダ５の軸心から偏心した位置に軸心を有する状態で配置されている。このロータ６には、各ベーン７を収容し案内する３本のスリット１１が、半径方向で、かつロータ６の軸方向に貫通するように形成されている。３本のスリット１１はロータ回転方向Ｒに一定の角度θ、すなわち１２０°の間隔をあけて形成され、各スリット１１の半径方向外端はロータ６の外周に開放され、半径方向内端部はロータ６の中心部近傍に達して背圧室部１１ａとなっている。各スリット１１にはベーン７がロータ半径方向に摺動可能に嵌合保持されている。前記ベーン７はフロントプレート９およびエンドプレート１０に接触しており、これらによっても摺動自在に案内支持されている。ロータ６の軸としてメカシャフト１２が備えられており、このメカシャフト１２が回転することで、ロータ６も一体となって回転し、それに伴ってベーン７がスリット１１の内部で外側に移動する。運転中はベーン７の先端がシリンダ５の内周面と接触回転することにより、ポンプ空間８が仕切られ、吸入・圧縮・吐出を繰り返し、ポンプ機能を果たしている。

モータ部３は、ステータ１３とモータロータ１４と、左側のモータケーシングを兼ねる前記エンドプレート１０と、右側のモータケーシング１５から構成されている。ステータ１３はエンドプレート１０とモータケーシング１５で両側から挟みこまれ、その内部にモータロータ１４を備えている。モータロータ１４の軸としてモータシャフト１６が備えられており、その両端は軸受１７、１８により支承されている。ここで用いられる軸受１７、１８としては、グリス封入タイプのボールベアリングが望ましい。またモータシャフト１６とメカシャフト１２は一体型となっており、モータロータ１４の回転が直接ロータ６の回転となるため、動力の伝達ロスは発生しない。

冷却回路部４は、冷却ファン１９とエアーガイド２０から構成されている。モータシャフト１６の反ポンプ機構側端部に冷却ファン１９を取り付け、その周りをエアーガイド２０で囲い、風の分散を防いでいる。またモータケーシング１５の軸方向端面には複数の貫通穴が設けられており、風回路を形成することでモータ部３の冷却を行なっている。

図２は、本実施形態におけるベーンロータリ型真空ポンプ１のポンプ機構部２の断面図である。この形態では、吸入ポート２１、吐出ポート２２はともにフロントプレート９に設けられており、吸入ポート２１から吸い込まれた作動流体はポンプ空間８に至り、ベーン７によって閉じ込められた後、回転とともに圧縮され、吐出ポート２２より排気される。このサイクルにおいて、ベーン７がシリンダ５の内周面から離れてしまう、いわゆるベーンジャンピング現象が発生する場合がある。この現象が生じると、作動流体の漏れ損失増加だけでなく、騒音増大およびベーン７の磨耗促進となる。

そこでこの現象を防止する方法として、フロントプレート９に前記スリット１１のベーン７よりロータ中心側に位置する空間である背圧室部１１ａとポンプ空間８とを連通し得る３つの背圧溝７１、７２、７３を設け、ベーン７の背面に圧力を作動流体により印加させ、強制的にベーン７の先端をシリンダ５の内周面に押さえつけるようにする。さらにこの背圧溝７１、７２、７３は３つに分割されているので、ベーン７の回転位相により、背圧を変えることで、各回転位置で最適な背圧を与えることができる。これにより、ベーン７の背面とポンプ空間８が高差圧になることがなく、ベーン７の背面の作動流体がベーン７とスリット１１との隙間等を抜けてポンプ空間８に漏れ込む量を低減できるようにしている。

各スリット１１の背圧室部１１ａは、ロータ６の中心Ｏを中心とする円周Ｑ上に位置するように形成され、後述する各背圧溝７１、７２、７３の弧状溝部７１ａ、７２ａ、７３ａと連通しうるように構成されている。

より具体的な構成を図２および図３（概念図）に基づいて説明する。

前記フロントプレート９には、図２、図３に示すように、吸入ポート２１、吐出ポート２２、第１の背圧溝（吸入ポート側の背圧溝）７１、第２の背圧溝（中間位置の背圧溝）７２、第３の背圧溝（吐出ポート側の背圧溝）７３が凹設されている。前記吸入ポート２１には供給口２１ａより作業流体が供給され、吐出ポート２２の作業流体は排出口２２ａより外部に吐出される。

ロータ６はシリンダの中心軸心から偏心した軸心（ロータ６の中心）Ｏのまわりに図の半時計方向Ｒに回転駆動され、吸入ポート２１からポンプ空間８に供給された作業流体は、このポンプ空間８の回転方向後側に位置するベーン７が前記吸入ポート２１の終点２１ｅを過ぎた時点で、このポンプ空間８内に閉じ込められ、ロータ６の回転に伴って前記ポンプ空間８の体積が減小することによって圧縮され、次いでこのポンプ空間８の回転方向前側に位置するベーン７が前記吐出ポート２２の始点２２ｓを過ぎた時点で、このポンプ空間８内の作業流体は吐出ポート２２、排出口２２ａを通じて高圧作業流体となって吐出される。

次に図３を参照して、吸入ポート２１、吐出ポート２２、背圧溝７１、７２、７３を具体的に説明し、（）内には具体的数値の１例を示す。シリンダ５に対し偏心しているロータ６がシリンダ５に最接近して実質点にシリンダ５との隙間が零となるトップクリアランス点７４を回転方向角度位置の原点位置Ｓとしたとき、前記吸入ポート２１は原点位置Ｓよりα₁（１０°）〜α₂（１２５°）の角度範囲にわたって形成され、前記吐出ポート２２は原点位置Ｓよりβ₁（３００°、すなわち−６０°）〜β₂（３５０°、すなわち−１０°）の角度範囲にわたって形成されている。また第１の背圧溝７１は、その一端が前記吸入ポート２１に、その最も原点位置Ｓに近い箇所において接続する開放端７１ｂとなり、その他端部が前記円周Ｑ上にほぼ位置する円弧状の弧状溝部７１ａとなっている。第１の背圧溝７１の弧状溝部７１ａは前記吸入ポート２１の角度範囲よりも狭い角度範囲に形成され、具体的には原点位置Ｓよりγ₁（３０°）〜γ₂（１００°）の角度範囲に形成されている。

第２の背圧溝７２は、その一端がロータ６の外周側、すなわちポンプ空間８に開放される開放端７２ｂとなっており、その他端部が前記円周Ｑ上にほぼ位置する弧状溝部７２ａとなっている。第２の背圧溝７２の弧状溝部７２ａは円弧部と直線部とからなっており、弧状溝部７２ａの直線部から延長する同一線上の直線部の先端が前記開放端７２ｂとなっている。第２の背圧溝７２の弧状溝部７２ａはロータ６の回転に伴ってスリット１１の背圧室部１１ａが前記円周Ｑ上を移行するときに、この背圧室部１１ａと連通関係を維持する範囲を指すものであり、具体的には原点位置よりδ₁（１３５°）〜δ₂（２００°）の範囲に形成されている。そして第２の背圧溝７２の開放端７２ｂは前記弧状溝部７２ａの終端よりもロータ回転方向に可成り進んだ角度位置ε（２６０°）に形成されている。

第３の背圧溝７３は、その一端が前記吐出ポート２２に、その最も原点位置Ｓに近い箇所において接続する開放端７３ｂとなり、その他端部が前記円周Ｑ上にほぼ位置する円弧状の弧状溝部７３ａとなっている。第３の背圧溝７３の弧状溝部７３ａは前記吐出ポート２２の角度範囲よりも若干ロータ回転方向と逆の方向に移行した範囲に形成され、具体的には原点位置よりζ₁（２７０°）〜ζ₂（３３０°）の範囲に形成されている。

なお図２に示すように前記スリット１１の前記円周Ｑ上における幅角度、すなわち前記背圧室部１１ａの幅角度φは２０°であり、前記スリット１１のロータ外周上における幅角度、すなわちベーン７の幅角度ψは８°である。

次に本実施形態の作用を、あるポンプ空間８に着目して説明する。回転方向後側のベーン７が前記原点位置Ｓを通過したとき、このベーン７とこれにより回転方向前側のベーン７とで囲まれるポンプ空間８には吸入ポート２１より作業流体が供給されているが、前記後側のベーン７が吸入ポート２１の終端位置２１ｅに達するまでこの状態、すなわち吸入行程が続行される。本実施形態では、吸入ポート２１の終端角度位置α₂が１２５°に設定されているので、後側のベーン７（厳密にはその中心線位置を原点位置Ｓからの角度とする。）が原点位置Ｓより角度α₂−ψ／２、すなわち１２１°移動したときに、吸入行程が終了する。この吸入行程において、後側のベーン７に対応するスリット１１の背圧室部１１ａの圧力は、当初吐出ポート２２と同等の高圧状態となっているが、ロータ６の回転に伴ってベーン７が外側に移動することにより圧力が低下していく。前記背圧室部１１ａが第１の背圧溝７１の弧状溝部７１ａに連通する位置までそのような状態が続き、両者が連通する位置までロータ６が回転した後は、前記背圧室部７１ａに第１の背圧溝７１を通じて吸入ポート２１の圧力が導入される。この状態は前記背圧室部１１ａと前記弧状溝部７１ａとが連通関係にある間維持され、当該ポンプ空間８の後側のベーン７は当該ポンプ空間８の圧力（吸入ポート２１の圧力）と同等の背圧を受けて、その先端部がシリンダ５の内周面に接触することになる。この同等の背圧をベーン７が受ける角度範囲は、原点位置Ｓより（γ₁−φ／２）〜（γ₂＋φ／２）の角度範囲においてである。

吸入行程の終了近傍時には、前記背圧室部１１ａは前記弧状溝部７１ａから離れて閉塞空間となり、吸入ポート２１の圧力とほぼ同等の圧力状態が維持され、この状態は、前記後側のベーン７が前記吸入ポート２１の終端２１ｅに達するまで、すなわち原点位置Ｓより（γ₂＋φ／２）〜（α₂−ψ／２）の角度範囲において継続する。

上記のようにあるポンプ空間８が吸入行程にあるとき、そのポンプ空間８の後側のベーン７に作用する背圧は、当初高圧状態にあり、徐々に圧力を低下した後、当該ポンプ空間８の圧力が導入されてこれと同等となり、このポンプ空間８とほぼ同等の圧力状態が吸入行程終了時まで維持される。

前記後側のベーン７が前記吸入ポート２１の終端位置２１ｅを通過すると、その後前記ポンプ空間８の体積が減小し、内部の作業流体が圧縮される圧縮行程が始まり、このポンプ空間８の前側のベーン７が前記吐出ポート２２の始端２２ｓを通過する直前で圧縮行程が終了する。この圧縮行程において、当該ポンプ空間８の後側のベーン７に対応する背圧室部１１ａの圧力は、当初吸入行程終了時の圧力とほぼ同じ圧力、すなわち吸入ポート２１とほぼ同じ圧力であって、その状態は原点位置Ｓより（α₂−ψ／２）〜（δ₁−φ／２）の角度範囲継続する。

その後、前記ベーン７に対応する背圧室部１１ａが第２の背圧溝７２の弧状溝部７２ａに達すると、第２の背圧溝７２の開放端７２ｂから導入される圧力が前記背圧室部７２ａに与えられることになる。前記開放端７２ｂは前記弧状溝部７２ａの始点δ₁、終点δ₂よりもそれぞれ（ε−δ₁）、（ε−δ₂）の角度、ロータ回転方向に進んだ角度位置にあり、その幅角度ω（図示省略）がロータの外周位置で８°（ベーン幅と同一）となるように形成され、（ε−δ₁）＞θ＞（ε−δ₂）の関係となっているため、前半は当該ポンプ空間８よりも１つ先に進んだポンプ空間８の圧力を前記弧状溝部１１ａに導き、後半は当該ポンプ空間８の圧力を前記弧状溝部１１ａに導くようになっている。具体的には、前記後側のベーン７が原点位置Ｓより（δ₁−φ／２）〜（ε−θ）の角度範囲において前記１つ先に進んだポンプ空間８の圧力、すなわち吐出ポート２２と同等の高圧力が前記第２の背圧溝７２を通じて導入され、前記後側のベーン７が原点位置Ｓより（ε−θ）〜ほぼ（δ₂＋φ／２）の角度範囲において当該ポンプ空間８の圧力、すなわち圧縮行程にある作動流体の圧力が前記第２の背圧溝７２を通じて導入される。

圧縮行程の終了近傍時には、前記背圧室部１１ａは前記弧状溝部７２ａから離れて閉塞空間となり、圧縮時の高圧状態が維持され、この状態は、当該ポンプ空間８が前記吐出ポート２２に連通するまで、換言すれば前記後側のベーン７が原点位置Ｓより（β₁＋ψ／２−θ）の角度位置に達するまで維持される。

上記のようにあるポンプ空間８が圧縮行程にあるとき、そのポンプ空間８の後側のベーン７に作用する背圧は、当初吸入ポート２１の圧力と略同一であるが、すぐに当該ポンプ空間８よりも１つ先のポンプ空間８の高圧力の導入により当該ポンプ空間８の圧力よりも高圧となり、圧縮行程が進行するにつれて当該ポンプ空間８の圧力が高まることに対処しうるようにし、その後は当該ポンプ空間８の圧力の導入により等圧となり、行程終了近傍においてほぼ等圧となる状態が維持される。

前記後側のベーン７が原点位置Ｓより（β₁＋ψ／２−θ）の角度位置を過ぎると、当該ポンプ空間８の前側のベーン７が前記吐出ポート２２の始端２２ｓを通過して、当該ポンプ空間８と吐出ポート２２とは連通し、当該ポンプ空間８の作業流体が高圧状態となって排出口２２ａより外部に吐出される吐出行程に移行する。この吐出行程は、前記後側のベーン７が前記吐出ポート２２の終端２２ｅを通過するまで続行される。

この吐出行程の当初において、前記後側のベーン７に対応する背圧室部１１ａは閉塞空間であり、その圧力は圧縮行程の最終段階に付与された圧力が、前記閉塞空間がベーンの内側への移動によって圧縮されるに伴い徐々に上昇していく状態となり、この状態が前記背圧室部１１ａが第３の背圧溝７３の弧状溝部７３ａに連通するようになるまで、すなわち原点位置Ｓより（ζ₁−φ／２）の角度位置に達するまで続く。

吐出行程の次の段階において、前記背圧室部１１ａが第３の背圧溝２２の弧状溝部２２ａに連通することにより、この背圧室部１１ａに吐出ポート２２の圧力が導入され、当該ポンプ空間８の圧力と等しくなり、この状態が前記背圧室部１１ａが第３の背圧溝７３の弧状溝部７３ａの終端ζ₂を通過するまで、すなわち原点位置Ｓより（ζ₂−φ／２）の角度位置に達するまで続く。

吐出行程の終了近傍においては、後側のベーン７に対応する背圧室部１１ａは閉塞空間となり吐出ポート２２の圧力とほぼ等しい圧力の状態を維持し、前記後側のベーン７が原点位置Ｓに達したとき、次のサイクルの吸入行程に移行する。

上記のようにあるポンプ空間８が吐出行程にあるとき、そのポンプ空間８の後側のベーン７に作用する背圧は、当初圧縮行程最終段階のポンプ空間８の圧力と等しい圧力から始まり、これが徐々に昇圧した後、当該ポンプ空間８の圧力（吐出ポート２２の圧力）と等圧になり、その後もほぼ同じ圧力の状態が維持される。

上記実施の形態ではフロントプレート９に、吸入ポート２１、吐出ポート２２、背圧溝７１、７２、７３を設けているが、これらをエンドプレート１０に設けてもよい。さらには図４に示すように、フロントプレート９とエンドプレート１０の両方に吸入ポート２１、吐出ポート２２、そして背圧溝７１、７２、７３を設けることができ、この場合には、ロータ６の両側面で圧力がつり合うため、ロータ６がフロントプレート９もしくはエンドプレート１０のどちらか一方のプレートにのみ接触することはなく、プレートに施した自己潤滑剤の摺動磨耗を防止することができる。

またベーン７、フロントプレート９、エンドプレート１０に用いられる自己潤滑剤として、１８５０℃から１９５０℃の間で焼成したカーボンを用いると良い。この材質を用いると、炭素の結晶子が小さくなり、結晶構造が緻密となって硬度が上がり、フロントプレート９もしくはエンドプレート１０とロータ６の磨耗量を低減することができ、焼き付きを防止できる。さらに前記自己潤滑剤として、前記カーボンにジビニルベンゼンを含浸させるとより好適な材質になる。これはカーボンの炭素結晶子構造の隙間空間にジビニルベンゼンを入れ込むこととなり、さらに硬度が上がり、前記磨耗量をさらに低減できるからである。

上記実施の形態においては、吸入ポート側の背圧溝（第１の背圧溝）７１は、その弧状溝部７１ａを原点位置Ｓより３０°〜１００°の角度範囲に設けているが、その角度範囲γ₁〜γ₂はこれに限定されるものではない。この角度範囲γ₁〜γ₂は、吸入行程にあるポンプ空間８の後側のベーン７に対応するスリット１１の背圧室部１１ａに吸入ポート２１と同等の背圧を導入しうる範囲となるように形成されていればよく、原点位置Ｓと、吸入ポート２１の終点２１ｅとの間にあればよい。また吸入ポート２１は、一般に原点位置Ｓとこれから（１８０°−θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置との範囲内に形成されているので、前記角度範囲γ₁〜γ₂は、原点位置Ｓと、原点位置Ｓから（１８０°−θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置との間にあればよい。従って吸入行程にあたり、ベーン７がトップクリアランス部７４（原点位置Ｓ）を通過してスリット１１から飛び出す際にベーン７の背面が負圧になってしまうという問題を、上記のように構成することで背圧室部１１ａと吸入ポート２１を連通させて、ベーン７の背面が負圧になるのを防止しているのである。

上記実施の形態において、中間位置の背圧溝（第２の背圧溝）７２は、その弧状溝部７２ａを原点位置Ｓより１３５°〜２００°の角度範囲に設け、その開放端７２ｂを原点位置Ｓより２６０°の位置に設けているが、前記角度範囲δ₁〜δ₂および開放端位置εはこれに限定されるものではない。前記角度範囲δ₁〜δ₂は、原点位置Ｓから（１８０°−θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置と、原点位置Ｓから（１８０°＋θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置との間に設け、前記開放端位置εを、弧状溝部７２ａの始端位置δ₁からθ〜（θ＋２０°）ロータ回転方向に進んだ範囲の適当位置に設けると好適である。本実施の形態では、θが１２０°であるため、第２の背圧溝７２は、トップクリアランス部７４の対面点を中心として、両側にそれぞれ６０°までの区間で形成している。この区間は吸入完了後の圧縮行程にあたり、ベーン７のジャンピングが発生すると、作動流体が吸入側へと大量に漏れてしまい、性能低下を引き起こしてしまう。そこでベーン７の背圧を印加することになるが、この背圧は少なくとも当初は少し高めの圧力が望ましく、いわゆる中間圧が望ましい。

そこで本実施形態では、中間圧を与える方法として、前記背圧溝７２の開放端７２ｂを、前記弧状溝部７２ａの始端位置δ₁からθ〜（θ＋２０°）ロータ回転方向に進んだ範囲の適当位置である、原点位置Ｓから２６０°の位置において、ポンプ空間８と連通させている。これにより、吸入完了後から若干の間はベーン７の背面に高圧を導くこととなるが、背圧溝７２が連通するポンプ空間８が１つ先のポンプ空間８から当該ポンプ空間８に変わった時点で、背圧室部１１ａには同圧を導くことになる。このように、適切な背圧を印加することで、ベーン７の先端磨耗を低減させることができる。なお、本実施の形態では中間圧の背圧導入区間を原点位置Ｓから１２５°（δ₁−φ／２）〜１４０°（ε−θ）の範囲としたがこれに限定するものではなく、ベーンの枚数や運転条件によって適宜設定すれば良い。

上記実施の形態においては、吐出ポート側の背圧溝（第３の背圧溝）７３は、その弧状溝部７３ａを原点位置Ｓより２７０°〜３３０°の角度範囲に設けているが、その角度範囲ζ₁−ζ₂はこれに限定されるものではない。吐出ポート側の背圧溝７３は、吐出行程にあるポンプ空間８の後側のベーン７に対応するスリット１１の背圧室部１１ａに吐出ポート２２と同等の背圧を導入しうる範囲となるように形成されていればよく、前記背圧溝７３の開放端７３ｂは吐出ポート２２の始点２２ｓと終点２２ｅとの間にあればよく、弧状溝部７３ａの前記角度範囲ζ₁〜ζ₂は、原点位置Ｓと、原点位置Ｓから（１８０°−θ／２）ロータ回転方向とは逆方向に戻った位置との間にあればよい。従って吐出行程にあたり、高圧状態にある作動流体によってベーン７がスリット１１に押し戻されてしまうという問題を、上記のように構成することで、ベーン７の背面と吐出ポート２２を連通させて、ベーン７の背圧を常に高圧状態とし、押し戻されることなく吐出行程が完了できるようにすることができる。

上記実施の形態においては、背圧溝７１、７２、７３を３分割しているが、これに限ったものではなく、ポンプ空間８と連通する中間位置の背圧溝（第２の背圧溝）７２は複数存在することもありえる。またベーン７の枚数が多い場合には、背圧溝を適宜連続させてもよく、要はそれぞれのポンプ空間８に対応する背圧室部１１ａにポンプ空間８と同等の圧力、もしくはより高圧が印加されるようにすることが望ましいのである。またベーン７の枚数が２枚の場合や、４枚以上の場合に本発明を適用することができる。

図５の（ａ）には、ベーン７が２枚の場合の例を示している。この例においても吸入ポート側の背圧溝１７１、吐出ポート側の背圧溝１７３は、それぞれ吸入行程、吐出行程にあるポンプ空間８の後側にあるベーン７に対応するスリット１１の背圧室部１１ａに吸入ポート２１、吐出ポート２２の圧力を導入しうるように構成されている。また中間位置の背圧溝１７２は、圧縮行程にあるポンプ空間８の後側にあるベーン７に対応するスリット１１の背圧室部１１ａに、当初、当該ポンプ空間８の１つ先にあるポンプ空間８の圧力を、その後当該ポンプ空間８の圧力を導入しうるように構成されている。

図５の（ｂ）には、ベーン７が４枚の場合の例を示している。この例においても、吸入ポート側の背圧溝２７１、吐出ポート側の背圧溝２７３は、それぞれ吸入行程にあるポンプ空間８の後側にあるベーン７に対応するスリット１１の背圧室部１１ａに吸入ポート２１、吐出ポート２２の圧力を導入しうるように構成されている。また中間位置の背圧溝２７２は圧縮行程にあるポンプ空間８の後側にあるベーン７に対応するスリット１１の背圧室部１１ａに、当初、当該ポンプ空間８の１つ先にあるポンプ空間８の圧力を、その後当該ポンプ空間８の圧力を導入しうるように構成されている。

以上のように、本発明にかかるベーンロータリ型真空ポンプは、ベーンジャンピングの防止により、騒音低減と性能向上を図ることができるので、家庭用健康器具や医療用治療器具等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態におけるベーンロータリ型真空ポンプの縦断面図である。 本発明の実施の形態におけるベーンロータリ型真空ポンプのポンプ機構部を示す横断面図である。 本発明の実施の形態におけるベーンロータリ型真空ポンプのポンプ機構部を示す概念図である。 本発明の他の実施の形態におけるベーンロータリ型真空ポンプの縦断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明のさらに別の実施の形態におけるポンプ機構部の横断面図である。 従来のベーンロータリ型圧縮機のポンプ機構部の横断面図である。

符号の説明

１ ベーンロータリ型真空ポンプ
２ ポンプ機構部
３ モータ部
４ 冷却回路部
５ シリンダ
６ ロータ
７ ベーン
８ ポンプ空間
９ フロントプレート
１０ エンドプレート
１１ スリット
１１ａ 背圧室部
１２ メカシャフト
１３ ステータ
１４ モータロータ
１５ モータケーシング
１６ モータシャフト
１７ 軸受
１８ 軸受
１９ 冷却ファン
２０ エアーガイド
２１ 吸入ポート
２１ａ 供給口
２２ 吐出ポート
２２ａ 排出口
７１ 吸入ポート側の背圧溝
７２ 中間位置の背圧溝
７３ 吐出ポート側の背圧溝
７１ａ、７２ａ、７３ａ 弧状溝部
７１ｂ、７２ｂ、７３ｂ 開放端
７４ トップクリアランス点
１７１、２７１ 吸入ポート側の背圧溝
１７２、２７２ 中間位置の背圧溝
１７３、２７３ 吐出ポート側の背圧溝
Ｓ 原点位置
Ｏ ロータの中心

Claims (10)

1. 内周円形のシリンダと、シリンダ内に収容された外周円形のロータと、シリンダの両側端面を覆うと共にロータの両側面に摺接するフロントプレートおよびエンドプレートとを有し、ロータはシリンダの中心軸心から偏心した軸心のまわりに一方向に回転駆動され、ロータには外周側が開放された複数のベーンガイド用のスリットが互いに等角度間隔に形成され、各スリットには板状のベーンが摺動自在に嵌合保持され、各スリットは先端面がロータの内周面に摺接し、両側面がフロントプレートおよびエンドプレートに摺接し、ロータの回転に伴って、シリンダ、ロータ、およびベーンで囲まれる複数のポンプ空間がその体積を変化させて吸入・圧縮・吐出行程を繰り返すように構成されたベーンロータリ型真空ポンプにおいて、前記フロントプレートおよびエンドプレートの少なくとも一方に、吸入ポートと、吐出ポートと、複数の背圧溝とを設け、前記各スリットのベーンよりもロータ中心側に位置する背圧室部を、ロータの軸心を中心とする円周上に位置させ、各背圧溝を、その一端が前記ポンプ空間に開放される開放端となり、その他端側が前記円周上にほぼ位置して前記背圧室部と連通可能な弧状溝部となるように形成したことを特徴とするベーンロータリ型真空ポンプ。
2. 背圧室部の圧力が、この背圧室部に対応するベーンのロータ回転方向前側に形成されるポンプ空間の圧力と等しくなるように、ポンプ空間の圧力を背圧室部に導く背圧溝を有する請求項１に記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
3. 圧縮行程初期のポンプ空間を形成する２枚のベーンのうち、ロータ回転方向後側のベーンに対応する背圧室部の圧力が、前記ポンプ空間よりもロータ回転方向に一つ先に形成されるポンプ空間の圧力となるようにポンプ空間の圧力を背圧室部に導く背圧溝を有する請求項１または２に記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
4. 隣り合う背圧溝の弧状溝部間には、背圧室部の幅以上の間隔が設けられている請求項１から３のいずれかに記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
5. 複数の背圧溝として、吸入ポートに連通するポンプ空間に開放端が接続する吸入ポート側の背圧溝と、吐出ポートに連通するポンプ空間に開放端が接続する吐出ポート側の背圧溝と、吸入ポート側の背圧溝と吐出ポート側の背圧溝との中間に位置する中間位置の背圧溝とを有する請求項１から４のいずれかに記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
6. ロータに設けた隣り合うスリットの角度間隔をθとし、ロータがシリンダに最接近する位置を原点位置としたとき、吸入ポート側の背圧溝の弧状溝部を、原点位置と、原点位置から（１８０°−θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置との間の角度範囲位置に設けてなる請求項５に記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
7. ロータに設けた隣り合うスリットの角度間隔をθとし、ロータがシリンダに最接近する位置を原点位置としたとき、弧状溝部を、原点位置から（１８０°−θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置と、原点位置から（１８０°＋θ／２）ロータ回転方向に進んだ位置との間の角度範囲位置に設けると共に、その開放端を前記弧状溝部の終端位置よりもロータ回転方向に進んだ位置に設けてなる中間位置の背圧溝を有する請求項５または６に記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
8. 請求項７に記載の中間位置の背圧溝の開放端を、前記弧状溝部の始端位置からθロータ回転方向に進んだ位置と、前記始端位置から（θ＋２０°）ロータ回転方向に進んだ位置との間の角度範囲位置に設けたベーンロータリ型真空ポンプ。
9. ロータに設けた隣り合うスリットの角度間隔をθとし、ロータがシリンダに最接近する位置を原点位置としたとき、吐出ポート側の背圧溝の弧状溝部を、原点位置から（１８０°−θ／２）ロータ回転方向と逆方向に戻った位置と、原点位置との間の角度範囲位置に設けてなる請求項５から８のいずれかに記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
10. ベーンが３枚、ロータに形成されたスリットが３本、複数の背圧溝が吸入ポート側の背圧溝と、単数または単一組の中間位置の背圧溝と、吐出ポート側の背圧溝とからなる請求項５〜９のいずれかに記載のベーンロータリ型真空ポンプ。

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