JP6411040B2

JP6411040B2 - 液封式真空ポンプ及びそれに用いる羽根車

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Publication number: JP6411040B2
Application number: JP2014053776A
Authority: JP
Inventors: 裕之川▲崎▼
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: JP2015175322A

Description

本発明は、羽根車とケーシングの偏心配置によって吸気側から排気側への気体容積の変化（圧縮）により真空を作り出す液封式真空ポンプ及びそれに用いる羽根車に関するものである。

従来の液封式真空ポンプには、羽根車が側板を有するタイプ（クローズドインペラ）と、羽根車が側板を有しないタイプ（オープンインペラ）がある。クローズドインペラタイプは、隣り合う翼排気空間でのリークがないため、排気性能はよいが、液体を翼排気空間へ満たすために翼排気空間内部に給水経路の形成が必要となる。これに対して、オープンインペラタイプは、クローズドインペラタイプのような給水経路は不要である。

オープンインペラタイプでは、隣り合う翼排気空間でのリークを低減するために羽根車の端面隙間（軸方向隙間）をできるだけ小さくすることが有利である。羽根車の端面隙間を小さくするために、羽根車の端面に対して機械加工が行われる。

また、ポンプの小型化を目的としてモータ軸に羽根車を直接取り付け（カップリングレス）、オーバーハング構造を採用した場合、モータ軸に取り付けられた羽根車のアンバランス量が大きいと、軸の振動による微小隙間部での接触の可能性が高まる。このような羽根車のアンバランスを修正するために、翼を切削して質量を除去することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として、以下の先行技術文献がある。

特開平５−１１８２８５号公報

しかしながら、羽根車を鋳造や射出成型によって製造する場合に、羽根車の翼（インペラ）の先端までの湯流れが良好でなく、等配置された翼の形状に不均一を生じる可能性がある。湯流れ性を向上させるには翼厚みを上げることが望まれるが、排気空間容積が減少し排気速度性能が低下及び、羽根車質量が増加してしまう。

さらに、羽根車の端面隙間を小さくするために、羽根車の端面加工をする際に、翼が薄いと、断続切削によって翼が破損し、又は変形してしまう。これを防止するために、加工の切削深さは制限されて、加工時間ないし加工コストが増加してしまう。また、バランス修正のために翼を切削すると、その切削部分からのリークが発生して排気性能が低下するという問題がある。

本発明は、羽根車を鋳造や射出成形によって製造する際の湯流れを改善するとともに、翼厚みを増加することなく、羽根車の端面隙間を小さくするための端面加工及びバランス修正に有利な液封式真空ポンプ及びそれに用いる羽根車を提供することを目的とする。

本発明の液封式真空ポンプは、内部空間が形成され、側板に前記内部空間を開放する吸気口及び排気口を有するケーシングと、前記ケーシングの内部空間に偏心して設けられ、複数の翼を備えた羽根車と、前記羽根車を回転させる回転電動機とを備えた液封式真空ポンプにおいて、前記羽根車が、隣り合う前記翼を連結する翼連結部を備えた構成を有している。

この構成により、羽根車の隣り合う翼が翼連結部によって連結されるので、羽根車を鋳造や射出成型によって製造する際の湯流れが良好となり、翼の強度が向上して羽根車の端面加工をする際の翼の破損や変形をできる。また、翼連結部の質量を除去することでバランス修正を行うことができる。

上記の液封式真空ポンプにおいて、前記翼連結部は、すべての隣り合う前記翼を連結してよい。この構成により、羽根車の全周において、湯流れが良好になり、強度が向上し、バランス修正のための質量除去を行うことができる。

上記の液封式真空ポンプにおいて、前記翼連結部は、前記複数の翼を貫通する環状形状を有していてよい。この構成により、羽根車の全周において、湯流れが良好になり、強度が向上し、バランス修正のための質量除去を行うことができる。

上記の液封式真空ポンプにおいて、前記翼連結部は、前記翼の高さの３０％〜９０％の高さで前記翼を連結してよい。この構成により、湯流れの改善、強度向上、バランス修正を効果的に行うことができる。

上記の液封式真空ポンプにおいて、前記翼連結部は、隣り合う前記翼の間の空間容積に対する容積比率が、０．１〜７％であってよい。この構成により、翼連結部を設けたことによる排気性能の低下を抑えることができる。

上記の液封式真空ポンプにおいて、前記翼連結部の断面は、円形又は凸多角形であってよい。この構成により、羽根車を鋳造・射出成型する際のアンダーカットを回避できる。

上記の液封式真空ポンプにおいて、前記翼連結部は、前記羽根車の他の部分と一体的に鋳造又は射出成型で形成されてよい。この構成により、翼連結部を容易に設けることができる。

本発明の羽根車は、ケーシングの内部空間に液体を供給して、回転電動機で羽根車を回転させることで、前記ケーシングの内部空間に液環を形成し、前記液環の内部の圧縮空間にて吸気口から取り込んだ空気を圧縮し、排気口から排気する液封式真空ポンプにおいて、前記ケーシングの内部空間に偏心して設けられ、前記回転電動機によって回転させられる前記羽根車であって、複数の翼と、隣り合う前記翼を連結する翼連結部とを備えた構成を有している。

この構成によっても、羽根車の隣り合う翼が翼連結部によって連結されるので、羽根車を鋳造する際の湯流れが良好となり、翼の強度が向上して羽根車の端面加工をする際の翼の破損や変形をでき、翼連結部の質量を除去することでバランス修正を行うことができる。

本発明によれば、羽根車の隣り合う翼が翼連結部によって連結されるので、羽根車を鋳造する際の湯流れが良好となり、翼の強度が向上して羽根車の端面加工をする際の翼の破損や変形をでき、翼連結部の質量を除去することでバランス修正を行うことができる。

本発明の実施の形態の液封式真空ポンプの全体構成を示す図図１のＡ−Ａ断面図本発明の実施の形態の羽根車の斜視図（ａ）本発明の実施の形態の羽根車の正面図（ｂ）本発明の実施の形態の羽根車の側面図（ａ）本発明の実施の形態の羽根車の正面図（ｂ）本発明の実施の形態の羽根車の側面図（ａ）本発明の実施の形態の羽根車の側面図（ｂ）本発明の実施の形態の羽根車の正面図（ａ）本発明の実施の形態の翼連結部の断面形状の例（円形）を示す図（ｂ）本発明の実施の形態の翼連結部の断面形状の例（六角形）を示す図（ｃ）本発明の実施の形態の翼連結部の断面形状の例（四角形）を示す図

以下、本発明の実施の形態の液封式真空ポンプについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する場合の一例を示すものであって、本発明を以下に説明する具体的構成に限定するものではない。本発明の実施にあたっては、実施の形態に応じた具体的構成が適宜採用されてよい。

図１は、本発明の実施の形態の液封式真空ポンプの全体構成を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。液封式真空ポンプ１は、回転電動機としてのモータ１０と、モータ１０の前方に設けられたモータ軸２０と、モータ軸２０に軸支された羽根車３０と、羽根車３０を収納するケーシング４０を備えている。液封式真空ポンプ１は、側板を有しないオープン型の羽根車３０を有し、モータ軸２０に羽根車３０が直接締結されるオーバーハング構造の液封式真空ポンプである。

ケーシング４０は円柱形の内部空間を有し、後側板４０ｂにモータ軸２０を通す孔が形成されている。モータ軸２０には羽根車３０が固定されており、羽根車３０はケーシング４０の円柱形の内部空間に対して偏心している。羽根車３０は、モータ軸２０の回転によって回転する。ケーシング４０の内部空間の円柱形の高さ（図１の左右方向の大きさ）は、羽根車３０がケーシング４０の内面に接触せずに回転可能なように、わずかに羽根車３０の高さ（図１の左右方向の大きさ）より高くなっている。よって、羽根車３０の前面及び背面とケーシング４０の内面との間にはわずかな隙間（端面隙間）が形成されている。

ケーシング４０の前側板４０ａには、ケーシング４０の内部空間を開放する吸気口４１が形成されており、ケーシング４０の後側板４０ｂにはケーシング４０の内部空間を開放する排気口４２が形成されている。吸気口４１には吸気流路４３が接続されており、排気口４２に排気流路４４が接続されている。

羽根車３０は、円柱形の基部３１と、基部３１から等間隔に放射状に形成された複数の翼３２を備えている。図２において、羽根車３０は反時計回りに回転する。複数の翼３２は、外側部分が回転方向に向けて湾曲した形状を有している。羽根車３０には、さらに隣り合う翼３２の間にそれらを繋ぐ翼連結部３３が設けられる。翼連結部３３については後述する。

ケーシング４０の内部空間には、その約半分の容積を満たす量の液体（例えば、水）が供給される。羽根車３０が回転すると、複数の翼３２が羽根車３０の外周方向に液体を掻き出し、液体は、遠心力によってケーシング４０の内面に沿って還流し、環状の液環Ｌを形成する。

ケーシング４０の内部空間に供給される液体の量は、図２に示すように液環Ｌが形成されたときにその液環Ｌの内面が、ケーシング４０の内部空間に対して偏心して設けられた羽根車３０の基部３１の外周と接する量、即ち、液環Ｌの内面が羽根車３０の偏心方向に位置する翼３２の根本の位置に一致する量とされる。よって、液環Ｌの内部に形成される圧縮空間Ｃは、図２に示すように、偏心した基部３１によって三日月形状となる。圧縮空間Ｃは、液環Ｌと基部３１とケーシング４０の前側板４０ａ及び後側板４０ｂとによって囲われた空間であり、翼３２によって各気室に区分けされる。すなわち、各気室は、隣り合う２枚の翼３２と、それらの間の基部３１の外面と、液環Ｌの内面と、ケーシング４０の前側板４０ａ及び後側板４０ｂとによって囲われた空間である。

図２に示すように、吸気口４１は、この三日月状の圧縮空間Ｃの上流側（羽根車３０の回転により気室が移動する方向における上流側）の部分に対応する形状を有し、排気口４２は、圧縮空間Ｃの下流側の部分に対応する形状を有している。吸気口４１より空気が気室に取り込まれると、羽根車３０の回転によって気室の容積が減少することで空気は圧縮される。気室が羽根車３０の回転によって排気口４２に達すると、気室内の圧縮された空気は排気口４２から排気される。

即ち、ケーシング４０の内部空間には液体が供給されており、モータ１０で羽根車３０を回転させることで、複数の翼３２が液体を掻き出して、液体は遠心力によってケーシング４０の内周に沿った液環Ｌを形成する。このようにして、圧縮空間Ｃには、隣り合う２つの翼３２、液環Ｌ、及び前後の両側板によって気室が形成される。この気室に吸気口４１から取り込まれた気体は、羽根車３０の回転に伴う気室の容積の減少によって圧縮される。羽根車３０の回転によって気室が排気口４２まで達すると、気室内で圧縮された気体は排気口４２から排気される。

次に、図１及び図２に加えて、図３も参照して羽根車３０の構成について説明する。上述のように、羽根車３０には、隣接する２つの翼３２同士を連結する翼連結部３３が設けられている。翼連結部３３は、すべての隣接する２つの翼３２を連結しており、全体として複数の翼３２を貫通する円環形状に形成されている。翼連結部３３は、各翼３２に固定されている。

この翼連結部３３によって、羽根車３０を鋳造する際の各翼３２間の湯流れの不均一を緩和して、鋳造不良を低減でき、羽根車３０のアンバランス量を低減できる。また、この翼連結部３３によって、翼３２の剛性が向上するので、羽根車３０とケーシング４０との間の端面隙間を微小にするために羽根車３０に対して機械加工をする際の断続切削による翼３２の破損や変形を防止できる（翼３２の剛性を向上できる）。これにより、端面隙間を微小にするよう加工する際の切削深さを大きくすることができ、加工時間を短縮して加工コストを低減できる。

また、羽根車３０のアンバランス量を低減するために、翼連結部３３を切削してその質量を除去することができる。仮に翼連結部３３がないとすると、質量除去のために翼３２を切削することになり、その除去部分からのリークが発生して排気性能が低下する可能性があるところ、本実施の形態の羽根車３０では、バランス修正の際には、翼連結部３３を切削することで質量を除去でき、そうすることで翼３２を切削する必要がなくなり、翼３２の強度を弱めたり、翼３２を切削した部分からリークが発生することがない。なお、羽根車３０のアンバランス量を低減するために、翼連結部３３に対して質量を付加することもできる。

翼連結部３３は、翼３２の前後方向（羽根車３０の軸方向）の略中央位置に設けられており、半径方向には、翼３２の高さの中央よりもやや外側に設けられている。翼連結部３３の前後方向の位置は、本実施の形態の位置に限られないが、翼３２の強度向上、及び鋳造時の湯流れ性の向上の観点からは、中央位置が有利である。

また、半径方向の位置も本実施の形態の位置に限られないが、翼３２の外径に近い（外側である）ほど、翼連結部３３自体の容積が大きくなって気室の容積が減少し、また翼連結部３３自体の質量が大きくなるので大きな回転トルクが必要となる一方、翼３２の根本に近い（内側にある）ほどバランス調整のための翼連結部３３の切削加工が困難になり、また、翼３２の強度向上の効果も小さくなる。また、翼連結部３３が翼３２の外径に近いほうが、翼連結部３３を切削することによるバランス修正の効果は大きくなる。従って、翼連結部３３の半径方向の位置は、これらの要因を考慮して決定され、望ましくは翼３２の高さの３０％〜１００％の高さ、より望ましくは翼３２の高さの５０〜８０％の高さ、さらに望ましくは翼３２の高さの６０〜７０％の高さとする。

図４は、翼３２の高さの３０％の位置に翼連結部３３を設けた例を示しており、図４（ａ）は羽根車３０の正面図であり、図４（ｂ）は羽根車３０の側面図である。この例では、図４に示すように、翼連結部３３は、翼３２の根元を高さ０％としたときの３０％の高さに設けられている。この例では、翼連結部３３自体の容積または質量は大きくなく、気室の容積減少は少なく、また、大きな回転トルクも必要としない。

図５は、翼３２の高さ１００％の位置に翼連結部３３を設けた例を示しており、図５（ａ）は羽根車３０の正面図であり、図５（ｂ）は羽根車３０の側面図である。この例では、図５に示すように、翼連結部３３は、翼３２の先根元を高さ０％としたときの１００％の高さ（即ち翼３２の先端）に設けられている。この例では、翼３２の強度向上の効果が最大となる。

次に、この翼連結部３３による排気性能への影響を説明する。図６は、翼連結部３３による排気性能への影響を説明する図である。図６（ａ）は羽根車３０の側面図であり、図６（ｂ）は羽根車３０の正面図である。隣り合う２つの翼３２の間（翼排気空間）の翼連結部３３の容積（翼連結部容積）をＶｘ［ｍ³］とし、翼排気空間の容積（翼排気容量）をＶｓ［ｍ³］とし、翼連結部３３がない場合の排気速度をＥ［ｍ³／ｈ］とし、翼連結部３３がある場合の排気速度をＥ´［ｍ³／ｈ］とすると、以下の式（１）が成り立つ。

翼連結部容積Ｖｘ、及び翼排気容量Ｖｓは、以下の式（２）及び（３）で求められる。

ここで、図６に示すように、Ｓｘは翼連結部３３の断面積であり、Ｌｘは翼排気空間における翼連結部３３の弦の長さであり、Ｓは翼排気空間の軸方向に垂直な断面の面積であり、Ｂは羽根車３０の前後方向の厚さである。

上述のように、翼連結部３３の容積を大きくするほど排気性能への影響が大きくなってしまうため、上記の鋳造時の湯周り性能の向上、切削加工時の剛性の向上という利点を必要最小限度で享受できるように、翼連結部３３の形状を決定することが望ましい。排気空間容積に対する翼連結部３３の容積の比率は、０．１〜７％とするのが望ましく、０．２〜５％とするのがより望ましい。なお、バランス修正のために翼連結部３３の一部を除去すると排気性能はその除去した分だけ向上することになる。

図７（ａ）〜（ｃ）は、翼連結部３３の断面形状のバリエーションを示す図である。羽根車３０は、全体が一体として鋳造によって製造される。このとき、羽根車３０の前後方向に、翼連結部３３の位置で分割した鋳型によって鋳造が行われる。このため、翼連結部３３は、前後方向にアンダーカットが生じない形状とする。そのような断面形状としては、例えば、図７（ａ）に示す円形を採用することができ、また、図７（ｂ）に示す六角形、図７（ｃ）に示す四角形（ひし形）のような凸多角形を採用できる。

羽根車３０の材質としては、鋳鉄鋳物、銅合金鋳物、ステンレス鋳物を採用可能である。また、軽量化のために汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチックなどの樹脂を用いてもよい。特に、本実施の形態の羽根車３０では、翼連結部３３によって翼３２の強度が確保されているので、羽根車３０にはそれ自体で強度の弱い材料を採用することができ、それによって軽量化を図ることができる。なお、樹脂を用いる場合は、射出成型によって製造することが可能であり、ラピッドプロトタイピング工法での製造も可能である。ラピッドプロトタイピング工法の場合は、金型を用いた射出成型におけるアンダーカットは考慮する必要はなく、翼連結部３３の断面形状は制約を受けずに任意の形状とすることができる。

なお、上記の実施の形態では、すべての翼排気空間に翼連結部３３が設けられ、それによって、翼連結部３３が複数の翼３２を貫通する円環形状として形成されていたが、本発明の翼連結部３３は、これに限られない。例えば、翼連結部３３は環状になっていなくてもよい。すなわち、翼連結部３３は、必ずしもすべての翼排気空間になければならないものではなく、例えば、複数の翼排気空間に対して１つおきに翼連結部３３を設けてもよい。さらに、各翼排気空間における翼連結部３３の位置及び断面形状はそれぞれ異なっていてもよい。また、各翼排気空間における翼連結部３３が直線形状であり、全体として多角形の環状形状をなしていてもよい。

また、上記の実施の形態では、翼連結部３３は、各翼排気空間に１本のみであり、全体として１つの円環をなしていたが、翼連結部３３は、翼排気空間に複数本設けられてよく、全体として複数の環をなすものであってよい。

また、上記の実施の形態では、吸気口４１をケーシング４０の前側板４０ａに形成し、排気口４２をケーシング４０の後側板４０ｂに形成したが、吸気口４１及び排気口４２は、ケーシング４０の前側板４０ａ及び後側板４０ｂのいずれに設けてもよい。例えば、吸気口４１及び排気口４２をいずれも前側板４０ａに設けてもよいし、吸気口４１を後側板４０ｂに設け、排気口４２を前側板４０ａに設けてもよい。

本発明は、羽根車を鋳造する際の湯流れが良好となり、翼の強度が向上して羽根車の端面加工をする際の翼の破損や変形をでき、翼連結部の質量を除去することでバランス修正を行うことができるという効果を有し、羽根車とケーシングの偏心配置によって吸気側から排気側への気体容積の変化（圧縮）により真空を作り出す液封式真空ポンプ等として有用である。

１液封式真空ポンプ
１０モータ
２０モータ軸
３０羽根車
３１基部
３２翼
３３翼連結部
４０ケーシング
４１吸気口
４２排気口
４３吸気流路
４４排気流路

Claims

内部空間が形成され、側板に前記内部空間を開放する吸気口及び排気口を有するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間に偏心して設けられ、複数の翼を備えた羽根車と、
前記羽根車を回転させる回転電動機と、
を備えた液封式真空ポンプにおいて、
前記羽根車の前記複数の翼の端面には、円板状の部材が設けられておらず、
前記羽根車が、隣り合う前記翼を連結する翼連結部を備えたことを特徴とする液封式真空ポンプ。
前記翼連結部は、すべての隣り合う前記翼を連結することを特徴とする請求項１に記載の液封式真空ポンプ。
前記翼連結部は、前記複数の翼を貫通する環状形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の液封式真空ポンプ。
前記翼連結部は、前記翼の高さの３０％〜９０％の高さで前記翼を連結することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
前記翼連結部は、隣り合う前記翼の間の空間容積に対する容積比率が、０．１〜７％であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
前記翼連結部の断面は、円形又は凸多角形であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
前記翼連結部は、前記羽根車の他の部分と一体的に鋳造又は射出成型で形成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
ケーシングの内部空間に液体を供給して、回転電動機で羽根車を回転させることで、前記ケーシングの内部空間に液環を形成し、前記液環の内部の圧縮空間にて吸気口から取り込んだ空気を圧縮し、排気口から排気する液封式真空ポンプにおいて、前記ケーシングの内部空間に偏心して設けられ、前記回転電動機によって回転させられる前記羽根車であって、
前記羽根車は、複数の翼を備え、
前記羽根車の前記複数の翼の端面には、円板状の部材が設けられておらず、
前記羽根車は、隣り合う前記翼を連結する翼連結部を備えたことを特徴とする羽根車。