JP2013076361A

JP2013076361A - クローポンプ

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Publication number: JP2013076361A
Application number: JP2011216393A
Authority: JP
Inventors: Shiro Tanigawa; 志郎谷川; Takahiro Kagami; 貴洋各務
Original assignee: Anest Iwata Corp
Current assignee: Anest Iwata Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP5725660B2; CN103842657B; EP2765312A1; EP2765312A4; CN103842657A; US9702361B2; WO2013046852A1; US20140227122A1

Abstract

【課題】低コストな手段で、ロータ間に形成される圧縮ポケットの過圧縮を緩和し、脈動や動力損失及び到達圧力の悪化等を抑制する。
【解決手段】ポンプ室１２の内部で、回転軸１８ａ、１８ｂに、爪部２２ａ、２２ｂをもつ雄ロータ２０と、該爪部が侵入する凹部２６ａ、２６ｂが形成された雌ロータ２４が取り付けられている。回転軸１８ａ、１８ｂを含む平面Ｌに対し、雌ロータ２４の回転方向上流側に窪み３２ａ、３２ｂが刻設されている。窪み３２ａ、３２ｂは、圧縮ポケットＰが吐出口３０との連通を止め、吐出口３０から分離した時から、圧縮ポケットＰが徐々に縮小して消滅する時まで、該窪みを介して圧縮ポケットＰと吐出口３０とを連通させるように、かつ圧縮ポケットＰが消滅すると同時に、吐出口３０との連通を止めるように、配置位置及び大きさ、形状が選定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉤状の爪部を有する２つのロータを備えたクローポンプに関し、詳しくは、圧縮工程の最後に形成される過圧縮ポケットによる動力損失や脈動をなくすようにしたクローポンプに関する。

クローポンプは、ポンプ室を形成するハウジング内で、二つの爪型ロータが、非常に狭いクリアランスを保ったまま非接触で反対方向に回転する。二つの爪型ロータで圧縮ポケットを形成し、この圧縮ポケットで圧縮した圧縮気体を吐出口から吐出する。潤滑油や封液を使わずに連続して吸引、圧縮、及び排気を行う事で、真空状態又は加圧空気を作り出す。このように、潤滑油等の液体を使用しないので、クリーンな排気、吐出を可能とする。また、圧縮工程のないルーツポンプより高い圧縮比を実現できると共に、非接触回転であるので、回転数を制御する事で、省エネ効果の有る、必要に応じた排気を容易に実現できる等の長所をもつ。

特許文献１には、かかるクローポンプの構成が開示されている。また、本発明者等は、先に、クローポンプを用い、脈動や動力変動を抑制できる多段真空ポンプを提案している（特許文献２）。

図８に従来の真空用クローポンプの構成を説明する。図８において、クローポンプ１００のポンプ室１０２は、内面が２つの円の一部を重ね合わせた断面形状をした外周壁１０４と、外周壁１０４に対し２列に並列に配置された前後サイド壁１０６とからなる。なお、前方サイド壁の図示は省略されている。ポンプ室１０２に２本の回転軸１０８ａ及び１０８ｂが、互いに平行な状態で貫通配置されている。回転軸１０８ａに、半径方向に突出した２個の爪部１１２ａ及び１１２ｂを備えた雄ロータ１１０が取り付けられている。一方、回転軸１０８ｂに、爪部１１２ａ、１１２ｂが侵入する凹部１１６ａ及び１１６ｂを有する雌ロータ１１４が取り付けられている。

回転軸１０８ａ及び１０８ｂの軸線を含む平面Ｌに対して、一方側に吸入口１１８が設けられ、他方側に吐出口１２０が設けられている。一対のロータ間、及びロータとポンプ室１０２の壁面間には微小なクリアランスが設けられている。このクリアランスが大きすぎると、ポンプ室の逆流が起こり、効率が低下する。平面Ｌより吐出口側に、一対のロータ１１０、１１４及び外周壁１０４、サイド壁１０６によって囲まれた圧縮ポケットＰが形成される。雄雌ロータ１１０、１１４が矢印方向に回転するに従って、圧縮ポケットＰの容積が減少し、圧縮ポケットＰの気体が圧縮されていく。図８（Ｂ）の時点では、吐出口１２０が圧縮ポケットＰと連通し、圧縮ポケットＰの気体は吐出口１２０に吐出される。

図８（Ｃ）の時点では、雄雌ロータ１１０，１１４の回転によって、吐出口１２０の開口面積が縮小され、圧縮ポケットＰも縮小する。図８（Ｄ）の時点では、吐出口１２０が閉じた状態となっているのに対し、圧縮ポケットＰが存在し、圧縮ポケットＰでは圧縮が継続されている状態を示す。圧縮工程の最後には、圧縮ポケットＰの容積がゼロになるため、計算上は、容積比（圧縮比）が無限大になる。

特開２０１１−０３８４７６号公報特開２０１１−１３２８６９号公報

吐出口１２０の先端１２０ａは、加工上Ｒ形状にせざるを得ないなどの制約がある。そのため、図８（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、雌ロータ１１４の回転によって、吐出口１２０が閉じた後でも、圧縮ポケットＰが残存し、圧縮ポケットＰの容積がゼロとなるまで、圧縮ポケットＰで気体の圧縮が行われる。そのため、圧縮ポケットＰの圧力が一時的に急上昇する過圧縮状態が発生する。この状態で行き場を失った圧縮気体は、ロータ間やロータとポンプ室間の微小隙間から、他の空隙ポケットに逃げることになる。

圧縮ポケットＰが過圧縮になると、脈動が起こり、騒音や振動の原因となったり、ロータの回転方向と逆方向の反力が発生して、動力損失となるという問題がある。また、過圧縮により高い圧縮熱が発生する。これによって、ロータの熱膨張が起こり、ロータ間又はロータとポンプ室間で微小クリアランスがなくなり、摺動部で摩耗が起こるなどの問題が発生する。さらに、真空ポンプの場合、圧縮ポケットＰで行き場を失った気体が吸入口側に多量に流れ込むと、到達圧力を悪くするという問題も生じる。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、低コストな手段で、圧縮ポケットでの過圧縮の発生をなくし、前記問題点を解消することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明のクローポンプは、一対の回転軸の軸線を含む平面より第２のロータの回転方向上流側に、逃がし空間を形成する。即ち、逃がし空間を、第１のロータの爪部と第２のロータの凹部との間に形成された圧縮ポケットが吐出口から分離した時、該圧縮ポケットに連通する位置に設ける。これによって、吐出口から分離した圧縮ポケットの容積が減少して過圧縮が生じても、圧縮ポケットの気体が逃がし空間に逃げることができるので、過圧縮を緩和できる。また、逃がし空間を一対の回転軸の軸線を含む平面より第２のロータの回転方向上流側に設けたことにより、圧縮ポケットの圧縮気体が、第１のロータと第２のロータとの間の微小クリアランスから吸入口側のポケットへ逃げるのを抑制できる。

そのため、過圧縮に起因した脈動、及びこの脈動に起因した振動や騒音を抑制できると共に、ロータの回転方向と逆方向の反力が発生しなくなり、動力損失を抑止できる。また、過圧縮により発生する高い圧縮熱を抑制できるので、ロータの熱膨張による摺動部位の摩耗の発生を防止できる。さらに、真空ポンプの場合、圧縮ポケットで行き場を失った気体が吸入口側に多量に流れ込むことがなくなるので、到達圧力の悪化を招かない。

本発明装置において、逃がし空間は、第１のロータの爪部に対面する第２のロータの凹部の対向面に設けられた窪みによって形成されているとよい。これによって、簡単な加工で逃がし空間を形成できる。該窪みは、凹部の対向面の板厚方向の一部又は全域に形成されるようにする。該窪みの形状は、例えば、円弧形状や角形状、又はその他の形状でもよく、特定の形状に限定する必要はない。

前記窪みは、吐出口に面した第２のロータの表面まで延設され、圧縮ポケットが吐出口から分離した時、該窪みを介して圧縮ポケットと吐出口とを連通させ、圧縮ポケットが消滅するまで吐出口と圧縮ポケットとを連通させるように配置位置又は大きさ、形状が選定されているとよい。該窪みを吐出口に面した第２のロータの表面まで延設することで、窪みと吐出口との連通が可能になる。これによって、圧縮ポケットが吐出口から分離した後、圧縮ポケット内で過圧縮が生じても、圧縮ポケット内の気体を窪みを介して吐出口に逃がすことができる。

前記構成に加えて、前記窪みが、圧縮ポケットが消滅すると同時に、吐出口から分離されるように配置されていれば、圧縮ポケットが消滅した後で、吐出口から窪みへの吐出気体の逆流を防止できる。真空ポンプと比べて、圧縮ポンプは、吸入側と吐出側との圧力差が大きいので、逆流による到達圧力の悪化の程度は大きい。吐出口から窪みを経由し他の空隙ポケットへの吐出気体の逆流をなくすことで、これを防止できる。真空ポンプの場合でも、逆流した吐出気体が次の圧縮ポケットに流れ込むので効率が悪くなる。そのため、逆流をなくすことで、ポンプ効率の低下を防止できる。

また、逃がし空間は、ポンプ室を構成するサイド壁の内面に設けられた窪みによって形成されてもよい。これによって、簡単な加工で逃がし空間を形成できる。該窪みの断面形状は、例えば、円弧形状や角形状、又はその他の形状でもよく、特定の形状に限定する必要はない。

この窪みは、吐出口に対して第２のロータの回転方向下流側に設けられ、圧縮ポケットが吐出口と分離した時から圧縮ポケットが消滅する時まで、圧縮ポケットと連通するように配置位置、大きさ、形状等が選定されているとよい。これによって、圧縮ポケットが吐出口と分離した時から圧縮ポケットが消滅する時までの間、圧縮ポケットの気体を窪みに逃がすことができ、圧縮ポケットの過圧縮を緩和できる。

前記構成に加えて、前記窪みは、圧縮ポケットが消滅すると同時に、第２のロータで閉じられるように配置されているとよい。これによって、吐出空気が吐出口から窪みを介して他の圧縮ポケットに逆流するのを抑制できる。

本発明のクローポンプは、回転軸の軸線を含む平面より第２のロータの回転方向上流側に、かつ第１のロータと第２のロータ間に形成された圧縮ポケットが吐出口と分離した時に、圧縮ポケットに連通する逃がし空間を設けるようにしたので、簡易かつ低コストな加工により、吐出口から分離した圧縮ポケットで過圧縮が起こるのを抑制できる。そのため、過圧縮に起因した振動や騒音、及び動力損失等を抑制できると共に、到達圧力の悪化を抑制できる。

本発明装置の第１実施形態に係るクローポンプの正面視断面図である。第１実施形態に係るクローポンプの雌ロータの正面図である。（Ａ）は図１中のＢ部拡大図であり、（Ｂ）は圧縮ポケットが消滅した後のＢ部拡大図である。第１実施形態の雌ロータの変形例を示す正面図である。本発明装置の第２実施形態に係るクローポンプの正面視断面図である。第２実施形態に係るクローポンプのポンプ室の斜視図である。（Ａ）は図１中のＣ部拡大図であり、（Ｂ）は圧縮ポケットが消滅した後のＣ部拡大図である。従来のクローポンプの正面図であり、（Ａ）〜（Ｄ）はロータの回転を時系列的に示しており、（Ｅ）は（Ｄ）のＡ部拡大図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明のクローポンプをオイルフリー型真空ポンプに適用した第１実施形態を図１〜図３によって説明する。図１において、本実施形態のクローポンプ１０Ａのポンプ室１２は、内面が２つの円の一部を重ね合わせた断面形状を有する外周壁１４と、外周壁１４に対し２列に並列に配置された前後サイド壁１６(前方側サイド壁は省略されている。)とからなる。前後サイド壁１６に穿設された孔に、２本の回転軸１８ａ及び１８ｂが、互いに平行な状態で貫通配置されている。回転軸１８ａに、半径方向に突出した２個の爪部２２ａ及び２２ｂを備えた雄ロータ２０が固定され、回転軸１８ｂに、爪部２２ａ、２２ｂが侵入する凹部２６ａ及び２６ｂを有する雌ロータ２４が固定されている。

回転軸１８ａ及び１８ｂの軸線を含む水平方向の平面Ｌを境にして、一方側に吸入口２８が設けられ、他方側に吐出口３０が設けられている。吐出口側に、雄ロータ２０の爪部２２ａ、２２ｂと雌ロータ２４の凹部２６ａ、２６ｂとの対向面、及び外周壁１４、サイド壁１６によって囲まれた圧縮ポケットＰが形成される。雄雌ロータ２０、２４が矢印方向に回転するに従って、圧縮ポケットＰの容積が減少し、圧縮ポケットＰ内の気体が圧縮されていく。そして、吐出口３０が開放され、圧縮ポケットＰの気体は吐出口３０に吐出口される。

図２は、本実施形態の雌ロータ２４の構成を示す。雌ロータ２４は、雄ロータ２０の爪部２２ａが侵入する凹部２６ａと、雄ロータ２０の爪部２２ｂが侵入する凹部２６ｂを有する。また、爪部２２ａに対面する凹部２６ａの対向面に窪み３２ａが刻設され、爪部２２ｂに対面する凹部２６ｂの対向面に窪み３２ｂが刻設されている。窪み３２ａ及び３２ｂは、回転軸１８ａ及び１８ｂの軸線を含む平面Ｌに対し、雌ロータ２４の回転方向ａの上流側に設けられている。窪み３２ａ、３２ｂは、円弧形状をしており、かつ雌ロータ２４の板厚方向全域に亘って形成されている。円弧形状としたことで、切削ドリルを用いた窪みの加工が容易になる。

窪み３２ａ及び３２ｂは、圧縮工程の終盤で、圧縮ポケットＰが吐出口３０との連通を止め、吐出口３０から分離した時から、圧縮ポケットＰが徐々に縮小して消滅する時まで、圧縮ポケットＰと吐出口３０とを連通させるように、配置位置及び大きさ、形状が選定されている。さらに、圧縮ポケットＰが消滅すると同時に、吐出口３０との連通を止め、吐出口３０と分離するように、配置位置及び大きさ、形状が選定されている。

図１及び図３（Ａ）は、ロータの動作タイミング上、図８の（Ｄ）及び（Ｅ）に相当する図であり、圧縮ポケットＰの圧縮工程の終盤を示す。圧縮工程の終盤で、縮小した圧縮ポケットＰは吐出口３０と分離するが、本実施形態では、窪み３２ｂが設けられているため、圧縮ポケットＰが残存している間、圧縮ポケットＰは窪み３２ｂを通して吐出口３０と連通している。そのため、圧縮ポケットＰの気体は、圧縮ポケットＰの容積が減少するにつれて、窪み３２ｂを通って吐出口３０に逃げることができる。従って、圧縮ポケットＰが過圧縮になることはない。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す状態の直後で、圧縮ポケットＰが消滅した瞬間を示している。圧縮ポケットＰが消滅すると同時に、窪み３２ｂと吐出口３０とは分離している。窪み３２ａも、窪み３２ｂと同様な機能をもつように、配置位置及び大きさ、形状が選定されている。

本実施形態によれば、窪み３２ａ及び３２ｂを設けたことにより、圧縮工程の終盤で、雄ロータ２０の爪部２２ａ、２２ｂと雌ロータ２４の凹部２６ａ、２６ｂの互いに対面した対向面に圧縮ポケットＰが残存している間、圧縮ポケットＰは、窪み３２ａ、３２ｂを介して吐出口３０と連通しているので、圧縮ポケットＰが過圧縮となることはない。そのため、過圧縮に起因した脈動の発生、及び脈動の発生に起因した振動や騒音の発生を抑えることができる。また、過圧縮によって発生した反力による動力損失を抑制できる。

また、窪み３２ａ、３２ｂは、平面Ｌより雌ロータ２４の回転方向上流側に配置されているので、圧縮ポケットＰで過圧縮した気体が吸入口１８側のポケットに流れ込むのを抑制できる。そのため、到達圧力の悪化を抑制できる。また、過圧縮によって発生した圧縮熱によるロータの熱膨張を抑えることができ、これによって、ロータの摺動部の摩耗を防止できる。

さらに、圧縮ポケットＰが消滅すると同時に、窪み３２ａ、３２ｂと吐出口３０とが分離するので、吐出気体が吐出口３０から逆流して、次の圧縮ポケットに流れ込むことがなくなる。そのため、真空ポンプとしてのポンプ効率の低下を防止できる。

図４は、雌ロータ２４に設けられた窪みの変形例である。この変形例では、四角形状の窪み３４ａ及び３４ｂが刻設されている。窪み３４ａ、３４ｂの配置位置は、第１実施形態の窪み３２ａ、３２ｂと同一である。この変形例でも、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態２）
次に、本発明装置の第２実施形態を図５〜図７により説明する。本実施形態も、第１実施形態と同様に、クローポンプをオイルフリー型真空ポンプに適用したものである。第１実施形態と同一の部位又は部材には同一の符号を付し、それら部位又は部材の説明は重複するので省略する。本実施形態のクローポンプ１０Ｂでは、平面Ｌに対し、雌ロータ２４の回転方向上流側の位置、即ち、回転軸１８ａ、１８ｂ間の領域では、平面Ｌより吐出口３０側の位置で、サイド壁１６の内面に窪み３６が刻設されている。窪み３６は、円形の外周と球状の曲面を形成している。かかる形状とすることによって、切削ドリルによる加工が容易になる。

図６は本実施形態に係るクローポンプ１０Ｂのポンプ室１２を示す。このポンプ１２は、第１実施形態のポンプ室１２と同一の構成を有する。図６では、前側に配置されるサイド壁は省略されている。サイド壁１６には回転軸１８ａ及び１８ｂが貫通する孔３８ａ及び３８ｂが穿設されている。

窪み３６は、圧縮工程の終盤に、雄ロータ２０の爪部２２ａ、２２ｂと雌ロータ２４の凹部２６ａ、２６ｂとの対向面間に残存する圧縮ポケットＰが、吐出口３０と分離した時から、圧縮ポケットＰが消滅する時まで、圧縮ポケットＰと連通するように、その位置、大きさ、形状が選定されている。また、窪み３６は、圧縮ポケットＰが消滅すると同時に、雌ロータ２４でその全域が閉じられるように、その位置、大きさ、形状が選定されている。

図７（Ａ）は、雄雌ロータ２０、２４の動作タイミング上、図３（Ａ）に相当する図である。圧縮工程の終盤で、圧縮ポケットＰの容積が縮小し、吐出口３０と分離した時、圧縮ポケットＰは窪み３６と連通している。この状態は圧縮ポケットＰが消滅する時まで持続する。そのため、圧縮ポケットＰの気体は窪み３２ｂに逃げることができるので、圧縮ポケットＰの過圧縮を緩和できる。

図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の直後に、圧縮ポケットＰが消滅したタイミングを示す。この時、同時に、窪み３６は雌ロータ２４によって閉じられる。そのため、吐出口３０の吐出気体が窪み３６を通って他の圧縮ポケットに逆流するのを抑制できる。従って、真空ポンプとしてのクローポンプ１０Ｂのポンプ効率が低下するのを抑制できる。

前記第１実施形態及び第２実施形態は、本発明のクローポンプをいずれも真空ポンプに適当した例であるが、本発明は、圧縮用のクローポンプにも適用できる。

本発明によれば、簡易かつ低コストな手段で、ロータ間に形成される圧縮ポケットの過圧縮を緩和でき、過圧縮の発生によって起こる不具合いを抑制できる。

１０Ａ、１０Ｂ、１００クローポンプ
１２，１０２ポンプ室
１４，１０４外周壁
１６，１０６サイド壁
１８ａ、１８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ回転軸
２０，１１０雄ロータ（第１のロータ）
２２ａ、２２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ爪部
２４，１１４雌ロータ（第２のロータ）
２６ａ、２６ｂ、１１６ａ、１１６ｂ凹部
２８，１１８吸入口
３０，１２０吐出口
３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂ、３６窪み
３８ａ、３８ｂ孔
Ｌ平面
Ｐ圧縮ポケット

Claims

互いに平行で反対方向に回転する一対の回転軸と、該一対の回転軸に固定され、一方に半径方向に突出した爪部が設けられた第１のロータと、該爪部が侵入する凹部を有する第２のロータと、これら一対のロータを収容するポンプ室と、前記一対の回転軸の軸線を含む平面を境にして一方側のポンプ室に形成された吸入口と、他方側のポンプ室に形成された吐出口とを備え、
前記平面より第２のロータの回転方向上流側に、かつ第１のロータの爪部と第２のロータの凹部との間に形成された圧縮ポケットが前記吐出口から分離した時、該圧縮ポケットに連通する逃がし空間を設け、該圧縮ポケット内の残存圧縮気体を該逃がし空間に逃がすように構成したことを特徴とするクローポンプ。
前記逃がし空間は、前記第１のロータの爪部に対面する前記第２のロータの凹部の対向面に設けられた窪みによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のクローポンプ。
前記窪みは、前記吐出口に面した第２のロータの表面まで延設され、前記圧縮ポケットが吐出口から分離した時、該窪みを介して該圧縮ポケットと吐出口とを連通させ、圧縮ポケットが消滅するまで吐出口と圧縮ポケットとを連通させるように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のクローポンプ。
前記窪みは、前記圧縮ポケットが消滅すると同時に、前記吐出口から分離されるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載のクローポンプ。
前記逃がし空間は、前記ポンプ室を構成するサイド壁の内面に設けられた窪みによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のクローポンプ。
前記窪みは、前記吐出口に対して第２のロータの回転方向下流側に設けられ、前記圧縮ポケットが吐出口と分離した時から圧縮ポケットが消滅する時まで、圧縮ポケットと連通するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載のクローポンプ。
前記窪みは、前記圧縮ポケットが消滅すると同時に、前記第２のロータで閉じられるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のクローポンプ。