JP3490029B2 - ロータリ形多段真空ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明はロータリ形多段真空
ポンプに関する。本発明による真空ポンプは蒸留、脱
泡、脱ガス、乾燥、蒸着など真空を利用する化学、食品
金属、半導体製造、光学などの工業用の真空ポンプ装置
に適用されることができる。 【０００２】 【従来の技術】一般に真空ポンプの吸込真空圧力と消費
動力の関係は常に一定に保たれるように設定されてお
り、その使用される吸込真空圧力にかかわらず全圧力範
囲において消費動力は一定であった。また消費動力を低
減するために吸込真空圧力が要求されない時間帯におい
ては、真空ポンプを停止する必要があった。そしてこの
ポンプの停止中にはポンプ内部が冷却され、蒸気圧力が
高い気体を取り扱う真空ポンプにおいては、ポンプ内部
で気体が凝縮固化し、回転体に付着し、ポンプの故障の
原因となっていた。 【０００３】または別の方法として、上記の問題を解決
するために、真空圧力が要求されない時間帯になると、
その信号を受け真空ポンプを停止させずに、ポンプ内部
を一定以上の温度に維持する範囲においてポンプの回転
数を低減させ、消費動力を低減させる方法が行われてき
た。また使用される電動機は吸込真空圧力と消費動力の
関係が一定のため、全圧力範囲において消費動力は一定
であるので、この時の軸動力以上の電動機が必要であっ
た。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】従来の真空ポンプでは
通常使用される高真空領域から低真空領域まで、全ての
領域でポンプを規定回転数で運転を継続すれば常に一定
の電力消費があった。また真空圧力が必要としない時間
帯であっても消費電力を低減することはできなかった。
そして他の方法として、可変速駆動機を用いて真空圧力
が要求されない時間帯であることの信号を受け、低速回
転の運転に入る様な複雑な運転制御装置が必要であっ
た。 【０００５】本発明の目的は、従来の真空ポンプにおけ
る問題点の１つの解決策を提案し、真空ポンプの通常使
用される真空領域での運転に際し、規定回転数において
継続運転されても、常に消費電力を低減することにあ
る。また、小形の電動機を用い、複雑な制御を必要とせ
ずロータリ形多段真空ポンプを提供することにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明においては、ロー
タリ真空ポンプが複数のポンプ区分により形成され、軸
受けに支承される各ポンプ区分の軸、これらの軸に固定
されるロータ、該ロータを同期させるために軸端に一対
のギヤ、および潤滑油を溜める油槽が設けられ、各ポン
プ区分を内蔵するハウジングには、吸込口、吐出口が設
けられ、各ポンプ区分の吐出口と次のポンプ区分の吸込
口との連結路が設けられ、圧縮される気体は、この連結
路を通り次のポンプ区分に吸込まれ、順次各ポンプ区分
において圧縮されるロータリ形多段真空ポンプにおい
て、多段真空ポンプを構成するポンプ区分の容積の比が
ポンプ区分の数（ｎ）をポンプ区分の数から１を減じた
数（ｎ−１）で除した値より大であるように決定され、
かつ真空ポンプは主として高真空領域において作動させ
られ、真空ポンプの消費動力が低減されるようになって
いる、ことを特徴とするロータリ形多段真空ポンプが提
供される。 【０００７】 【発明の実施の形態】本発明の一実施例として、ロータ
リ形真空ポンプが図１〜図４に示される。図１〜図４に
示される真空ポンプはロータリ真空ポンプが複数のポン
プ区分により形成され、軸受けに支承される各ポンプ区
分の軸、これらの軸に固定されるロータ、該ロータを同
期させるために軸端に一対のギヤ、および潤滑油を溜め
る油槽が設けられ、各ポンプ区分を内蔵するハウジング
には、吸込口、吐出口が設けられ、各ポンプ区分の吐出
口と次のポンプ区分の吸込口との間には連結路が設けら
れ、圧縮される気体は、この連結路を通り次のポンプ区
分に吸込まれ、順次各ポンプ区分において圧縮される。 【０００８】このロータリ真空ポンプが複数のポンプ区
分により形成され、軸受けに支承される各ポンプ区分の
軸、これらの軸に固定されるロータ、該ロータを同期さ
せるために軸端に一対のギヤ、および潤滑油を溜める油
槽が設けられ、各ポンプ区分を内蔵するハウジングに
は、吸込口、吐出口が設けられ、各ポンプ区分の吐出口
と次のポンプ区分の吸込口との間には連結路が設けら
れ、圧縮される気体は、この連結路を通り次のポンプ区
分に吸込まれ、順次各ポンプ区分において圧縮されるロ
ータリ形多段真空ポンプにおいて、ポンプ区分の数をｎ
とし、そしてそれを構成する各段のポンプ区分の容積の
比が最終ポンプ区分より順次ｎを（ｎ−１）で除した値
より大きく選定されている。 【０００９】この真空ポンプの作用は次の通りである。
初めのポンプ区分である第１ポンプ区分の吸込口（１
１）から吸い込まれた気体（Ｇ１１）は、第１ポンプ区
分のロータ（１２Ａ，１２Ｂ）により圧縮され、第１ポ
ンプ区分の吐出口（１３）に吐き出される。吐出された
気体は第１区分の冷却器（１６）に流入し冷却される。
そして第２ポンプ区分の吸込口（２１）に流入した気体
（Ｇ２１）は、圧縮される気体（Ｇ２２）と第１ポンプ
区分へ逆流する逆流冷却気体（Ｇ１４Ａ，Ｇ１４Ｂ）と
に分かれる。この第１ポンプ区分へ逆流する逆流冷却気
体は外周気体流路（１６Ａ，１６Ｂ）を通り、逆流冷却
気体の流入口（１５Ａ，１５Ｂ）から第１ポンプ区分の
ハウジング内に流入し、第１ポンプ区分に吸い込まれた
気体の温度上昇を低く抑えながら、圧縮し吐出口（１
３）から吐出される。 【００１０】他方第２ポンプ区分の吸込口（２１）から
吸い込まれた気体（Ｇ２１）は、第２ポンプ区分のロー
タ（２２Ａ，２２Ｂ）により圧縮され吐出口（２３）よ
り吐出され、第２区分の冷却器（２６）内で冷却され
る。第３ポンプ区分においても同様に、吸込口（３１）
に流入した気体（Ｇ３１）は、圧縮される気体と第２ポ
ンプ区分へ逆流する逆流冷却気体（Ｇ２４Ａ，Ｇ２４
Ｂ）とに分かれる。この第２ポンプ区分へ逆流する逆流
冷却気体は外周気体流路（２６Ａ，２６Ｂ）を通り、逆
流冷却気体の流入口（２５Ａ，２５Ｂ）から第２ポンプ
区分のハウジング内に流入し、第２ポンプ区分に吸い込
まれた気体の温度上昇を低く抑えながら、圧縮し吐出口
（２３）から吐出される。以上の作用が各ポンプ区分で
順次行われる。 【００１１】ポンプ区分の数をｎとしそしてそれを構成
するポンプ区分の容積の比はｎを（ｎ−１）で除した値
より大きく選定される。一般に容積形の真空ポンプの単
一ポンプ区分における動力は、図５に示すように該単一
ポンプ区分の吸込側と吐出側における圧力差（ΔＰ）に
そのロータによって移動される容積（Ｖ）を乗じた値
（Ｌ＝Ｃ×ΔＰ×Ｖ）で表される。Ｃはディメンジョン
を合わすための係数であるので、ここでは簡単のために
Ｌ＝ΔＰ×Ｖとして記述する。即ち図５では１−２−３
−４で囲まれた面積が動力となる。 【００１２】第１ポンプ区分の容積を、Ｖ₁ 、第２ポン
プ区分の容積をＶ₂ そして最終ポンプ区分であるｎポン
プ区分の容積をＶ_n とし、第１ポンプ区分と第２ポンプ
区分の容積比をｋ₁ とすると、ｋ₁ ＝Ｖ₁ ／Ｖ₂ 、第２
ポンプ区分と第３ポンプ区分の容積比をｋ₂ としてｋ₂
＝Ｖ₂ ／Ｖ₃ 、以下同様に最終ポンプ区分の前の（ｎ−
１）ポンプ区分と最終ポンプ区分のｎポンプ区分の容積
比をｋ_n-1 としてｋ_n-1 ＝Ｖ_n-1 ／Ｖ_n となる。よって
Ｖ₂ ＝Ｖ₁ ／ｋ₁ ，Ｖ₃ ＝Ｖ₁ ／（ｋ₁ ×ｋ₂ ），…Ｖ
_n ＝Ｖ₁ ／（ｋ₁ ×ｋ₂ ×…ｋ_n-1 ）である。 【００１３】ポンプ区分の吸込圧力については、第１ポ
ンプ区分をＰ_s1、第２ポンプ区分をＰ_s2とするとＰ_s2＝
Ｐ_s1×ｋ₁ である。そして順にＰ_s3＝Ｐ_s1×ｋ₁ ×ｋ
₂ 、となり第ｎポンプ区分での吸込圧力はＰ_sn＝Ｐ_s1×
ｋ₂ ×…ｋ_n-1 である。 【００１４】各ポンプ区分の圧力差については、第１ポ
ンプ区分と第２ポンプ区分の圧力差をΔＰ₁ とすると、
ΔＰ₁ ＝Ｐ_s2−Ｐ_s1、第２ポンプ区分と第３ポンプ区分
の圧力差をΔＰ₂ としてΔＰ₂ ＝Ｐ_s3−Ｐ_s2＝（Ｐ_s1×
ｋ₁ ×ｋ₂ ）−（Ｐ_s1×ｋ₁ ）そしてｎ−１ポンプ区分
とｎポンプ区分の圧力差はΔＰ_n としてΔＰ_n ＝Ｐ
_s1〔（ｋ₁ ×ｋ₂ ×ｋ₃ …ｋ_n ）−（ｋ₁ ×ｋ₂ ×ｋ₃
…ｋ_n-1 ）〕となる。 【００１５】ポンプ区分の動力は図５に示されたよう
に、その圧力差と容積を乗じた値であるので、第１ポン
プ区分の動力はＬ₁ ＝ΔＰ₁ ×Ｖ₁ ＝Ｐ_s1（ｋ₁ −１）
Ｖ₁ であり、第２ポンプ区分では同じくＬ₂ ＝ΔＰ₂ ×
Ｖ₂ ＝Ｐ_s1×ｋ₁ （ｋ₂ −１）Ｖ₂ である。ここで仮に
ｋ₁ ≒ｋ₂ としてｋ_a と置くと、Ｌ₂ ＝Ｐ_s1（ｋ_a ² −
ｋ_a ）Ｖ₂ となりそしてＶ₂ ＝Ｖ₁ ／ｋ_a であるので、
Ｌ₂ ＝Ｐ_s1（ｋ_a ² −ｋ_a ）Ｖ₁ ／ｋ_a ＝Ｐ_s1（ｋ_a −
１）Ｖ₁ となって第１ポンプ区分と第２ポンプ区分は同
じ動力となる。同様にして第１ポンプ区分から最終ポン
プ区分の前の（ｎ−１）ポンプ区分までは全て同じ動力
となるので、この間の合計動力Ｌ_n-1 は上記各ポンプ区
分の（ｎ−１）倍すれば良いので、 最終ポンプ区分の動力はポンプの排気圧力をＰ_d とし
て、 この（３）式を変形すれば Ｌ_n ＝｛Ｐ_d −Ｐ_s1（ｋ₁ ×ｋ₂ ×…ｋ_n-1 ）｝×Ｖ₁
／（ｋ₁ ×ｋ₂ ×…ｋ_n-1 ）である。 【００１６】ここで上記ではｋ₁ ≒ｋ₂ ≒ｋ₃ …≒ｋ_n
としたので、容積比の相乗平均ｋ_a は、 ｋ_a ＝ ^n-1√（ｋ₁ ×ｋ₂ ×…ｋ_n-1 ） である。 すなわち ｋ_a ^n-1 ＝ｋ₁ ×ｋ₂ ×…ｋ_n-1
…（４）であるので（３）式の両辺をｋ_a ^n-1 で除
するとＬ_n ／ｋ_a ^n-1 ＝（Ｐ_d ／Ｒ_a ^n-1 −Ｐ_s1）×Ｖ
₁ ／ｋ_a ^n-1 となるから 【００１７】第１ポンプ区分から最終ポンプ区分までの
合計の動力は（２）式と（５）式を加えて下記になる。 これを整理すると下記になる。 【００１８】上式の〔ｋ_a −ｎ／（ｎ−１）〕はｋ_a を
ｎ／（ｎ−１）より大きな値とすると正の値となるの
で、Ｐ_s1の値が大きくなればなる程、Ｌ_t は大きくな
り、図６のように動力は高真空領域で小さくなり低真空
領域では大きくなる。逆に、ｋ_a をｎ／（ｎ−１）より
小さくすると負の値となるので、Ｐ_s1が大きくなればな
る程、Ｌ_t は小さくなる。なお、ｋ_a ＝ｎ／（ｎ−１）
とすると全吸込圧力領域において、Ｌ_t は一定となる。 【００１９】本発明の一実施例として、３つのポンプ区
分から成る３段形ロータリ真空ポンプが図１、図２に示
されており、これによって説明する。３段形であるので
ｎ／（ｎ−１）＝３／２となり、第３ポンプ区分の容積
をＶ₃ とすると、第２ポンプ区分の容積及び第３ポンプ
区分の容積はそれぞれ（Ｖ₃ ×３／２）、（Ｖ₃ ×３／
２×３／２）以上の値をとると、〔ｋ_a −ｎ／（ｎ−
１）〕はｋ_a がｎ／（ｎ−１）より大きな値となり正の
値なので、Ｐ_s1が大きくなればなる程、Ｌ_t は大きくな
る。 【００２０】各ポンプ区分の容積は上記の方法で決定さ
れるが、具体的には次のように決定される。同一ポンプ
内の各ポンプ区分では、ロータの外径は通常一定である
ので、ポンプ区分のロータ長さを変化させることによっ
て容積が変えられる。例えば３個のポンプ区分から成る
真空ポンプの場合はｎ＝３であるので、図１、図２に示
される様に、第３ポンプ区分のロータ長さをＲ₃ とする
と、第２ポンプ区分のロータ長さ（Ｒ₂ ）はＲ₃ ×３／
２より長く、第１ポンプ区分のロータ長さ（Ｒ₁ ）をＲ
₃ ×３／２×３／２より長くすることによって、各段の
容積の比（ｋ_a ）がｎ／（ｎ−１）より大きくした、多
段真空ポンプが得られる。即ち、Ｒ₂ ／Ｒ₃ ＞３／２，
Ｒ₁ ／Ｒ₂ ＞３／２となるように選定される。 【００２１】本発明の実施例として第１表に示される各
ポンプ区分におけるロータ長さを持つ真空ポンプを製作
し、動力を測定すると図７のように結果が得られた。即
ち下表に示されるように、各ポンプ区分のロータ長さ
を、第１例ではｋ_a ≒１．５、第２例ではｋ_a ≒１．７
としたので、第１例においては、吸込圧力に対する動力
はほぼ一定となり、第２例では１０⁴Pa 以上の吸込圧力
では急激に増加している。これによりｋ_a はｎを（ｎ−
１）で除した値より大きくすると高真空域では動力は小
さくなり、低真空域では大きくなることが実証的に確認
された。 【００２２】各ポンプ区分のロータ長さが第１表に示さ
れる。 【００２３】このようにして得られた動力特性は図６に
概念的に示される。図６でＡ−Ｃ−Ｄがその動力線であ
り、通常はこれによって示される最大値以上の駆動機が
取り付けられる。本発明のロータリ形多段真空ポンプに
おいてはポンプ区分の容積の比（ｋ_a ）がポンプ区分の
数（ｎ）をポンプ区分の数から１を減じた数（ｎ−１）
で除した値より大であるように決定される。Ｐ_s1の値が
大きくなればなるほどＬ_t は大であり、動力は高真空領
域では小さく低真空域で大きい傾向を示す。図７にみら
れるようにｋ_a ＝１．７の場合の特性はｋ_a ＝１．５の
場合の特性に比べて、Ｐ_a が高い一部範囲を除いて駆動
力が低く抑えられている。本発明のロータリ形多段真空
ポンプは主としてＰ_a が低い高真空域で作動させられ
る。図６において、現実の作動は高真空域（Ｃ→Ｄ）の
範囲であり、最大消費動力は低減された値（Ｌ_e ）以下
に抑えられる。 【００２４】本発明において、可変速駆動装置、例えば
インバータによる制御を行うことによって、低真空領域
における真空ポンプの最大消費動力を一定以下に調整す
れば、より消費電力を低減することが可能な多段式真空
ポンプが提供される。図６において駆動機をＬ_m より小
さいサイズのＬ_e としＢ−Ｃの領域において、本発明に
よる真空ポンプの回転数を低真空領域でのみ低下させる
と、全吸込真空域での消費動力は低減し、動力特性はＢ
−Ｃ−Ｄとなりより小サイズの駆動機を使用することが
可能となり、合わせて通常使用される真空圧力領域、例
えば１０⁴ Pa以下の圧力では省エネルギーの運転が可能
となる。 【００２５】本発明によるロータリ形多段真空ポンプに
おいては、真空ポンプの常時使用される領域において、
大幅に消費電力が低減させられる。これは該真空ポンプ
の構成によってもたらされる動力特性によって生ずる消
費電力の低減であり、煩雑な運転手順を必要としない。
駆動機を可変速にすれば当該装置の駆動機は小サイズ化
される。このように、省エネルギー形の真空ポンプが安
価に提供されることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の１実施例によるロータリ形多段真空ポ
ンプを示す図である。 【図２】本発明の１実施例によるロータリ形多段真空ポ
ンプを示す図である。 【図３】本発明の１実施例によるロータリ形多段真空ポ
ンプを示す図である。 【図４】本発明の１実施例によるロータリ形多段真空ポ
ンプを示す図である。 【図５】ポンプの動力を説明するための図である。 【図６】本発明による真空ポンプの動力特性を示す図で
ある。 【図７】本発明による真空ポンプの吸込圧力対動力の特
性の例を示す図である。 【符号の説明】 １１…第１ポンプ区分の吸込口 １３…第１ポンプ区分の吐出口 １５Ａ，１５Ｂ…逆流冷却気体流入口 １６…第１ポンプ区分の冷却器 １６Ａ，１６Ｂ…外周気体流路 ２１…第２ポンプ区分の吸込口 ２３…吐出口 ２５Ａ，２５Ｂ…逆流冷却気体流入口 ２６…第２ポンプ区分の冷却器 ２６Ａ，２６Ｂ…外周気体流路 ３１…第３ポンプ区分の吸込口 Ｇ１１…第１ポンプ区分へ吸込まれる気体 Ｇ２１…第２ポンプ区分へ吸込まれる気体 Ｇ３１…第３ポンプ区分へ吸込まれる気体 Ｇ１４Ａ…逆流冷却気体 Ｇ１４Ｂ…逆流冷却気体 Ｇ２４Ａ…逆流冷却気体 Ｇ２４Ｂ…逆流冷却気体

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ロータリ真空ポンプが複数のポンプ区分
   により形成され、軸受けに支承される各ポンプ区分の
   軸、これらの軸に固定されるロータ、該ロータを同期さ
   せるために軸端に一対のギヤ、および潤滑油を溜める油
   槽が設けられ、各ポンプ区分を内蔵するハウジングに
   は、吸込口、吐出口が設けられ、各ポンプ区分の吐出口
   と次のポンプ区分の吸込口との連結路が設けられ、圧縮
   される気体は、この連結路を通り次のポンプ区分に吸込
   まれ、順次各ポンプ区分において圧縮されるロータリ形
   多段真空ポンプにおいて、 多段真空ポンプを構成するポンプ区分の容積の比がポン
   プ区分の数（ｎ）をポンプ区分の数から１を減じた数
   （ｎ−１）で除した値より大であるように決定され、か
   つ真空ポンプは主として高真空領域において作動させら
   れ、真空ポンプの消費動力が低減されるようになってい
   る、ことを特徴とするロータリ形多段真空ポンプ。