JP6779807B2 - 液封式真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、円形ケーシングと、円形ケーシングの中心に対し偏心して取り付けられた羽根車と、羽根車を支持する主軸がケーシングを貫通する部分に設置された軸封部とを備えた液封式真空ポンプに関するものである。

円形ケーシングと円形ケーシングの中心に対し偏心して取り付けられた羽根車とを備え、ケーシング内に水その他の液体を封入し、羽根車の回転による遠心力によりケーシング内壁に沿って液膜を形成し、液膜と隣接する２枚の羽根とによって形成される羽根室の容積変化を利用してポンプ作用を行う液封式真空ポンプが知られている。液封式真空ポンプは、別置きの電動機の主軸と接続されて駆動されるか、直動型モータの主軸に前記羽根車を取りつけて駆動される。また、羽根車を支持する主軸が排気側のケーシングを貫通する部分には、軸シールを行うためのメカニカルシール等の軸封部品が設置されている。

真空ポンプは、高速化を図ることにより羽根車径を小さくでき、小型・軽量化が可能であることは知られている。例えば、真空ポンプを駆動する電動機を４極のものから２極のものに代えると、２極の電動機は４極の電動機に対して回転速度が増加するため、軸動力が過大とならないよう、４極に対し羽根車径を小さく設計する。羽根車径を小さくしながらも、隣接する２枚の羽根によって形成される羽根室の容積を極力大きく確保するため、羽根車のボス径も小さくする。液封式真空ポンプは、羽根車とケーシングと液膜とによって形成された空間の気体を吸排気するため、羽根車とケーシング間のサイドクリアランスを狭くして液膜を形成させる必要がある。

特開２０１５−１７５３２２号公報

上述したように真空ポンプの高速化を図る場合に、運転時の羽根室内の圧力変動や、回転体の自重による主軸のたわみによってケーシングと羽根車が接触することを防止するため、主軸径には余裕を持たせ極力太くする。軸封部品(メカニカルシール等)の寸法は主軸径によって決定される。よって、上述したように、主軸径を極力太くする設計を行うと、排気ケーシングの軸封部品収容空間の内径が排気側の羽根車のボス径を上回り、軸封部品収容空間を通り、各羽根室が連通してしまうため、密閉された空間としての羽根室を形成することができないという問題があった。

図５は、従来の液封式真空ポンプの主要構成を示す模式図である。図５に示すように、吸気側の第１段羽根車４と排気側の第２段羽根車５とを支持する主軸７が排気ケーシング９を貫通する部分には、軸シールを行うためのメカニカルシール等の軸封部品１０が設置されている。主軸７は、運転時の羽根室内の圧力変動や、回転体の自重による主軸のたわみによってケーシングと羽根車が接触することを防止するため、主軸径には余裕を持たせ極力太くしている。そのため、排気ケーシング９における軸封部品１０の収容空間の内径Ｄ１が排気側の第２段羽根車５のボス径Ｄ２を上回り、軸封部品１０の収容空間を通り、ケーシング両側壁と液膜と隣接する２枚の羽根によって形成される各羽根室が互いに連通してしまうため、密閉された空間としての各羽根室を形成することができないという問題があった。

上記の問題を解決するため、従来は排気ケーシングの分割化、主軸径を細くする、羽根車ボス径を太くする、軸封部品収容空間に別部品を挿入するなどの設計を行う必要があった。しかし、部品点数やポンプ寸法の増加、強度不足による共振、排気速度の低下などの欠点があった。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、排気ケーシングの分割化、主軸を細くする、羽根車ボス径を太くする、といった設計を行うことなく、軸封部品収容空間を介して各羽根室が互いに連通してしまうことを防止することができ、羽根車に密閉された空間としての羽根室を形成することができる液封式真空ポンプを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、封液を収容するケーシングと、前記ケーシング内に収容される少なくとも１つの羽根車と、前記ケーシングの後端部を閉塞する排気ケーシングとを備えた液封式真空ポンプにおいて、前記羽根車を支持する主軸が前記排気ケーシングを貫通する部分に軸封部品を設け、前記羽根車は、前記主軸が挿通される孔を有した円筒状のボス部と、前記ボス部から半径方向外方に延びる複数の羽根と、前記軸封部品に面する側において前記ボス部の外周から半径方向外方に延びる円環状の側板とを備え、前記側板の外径は、前記ケーシングに形成された軸封部品収容空間の内径より大きく、前記側板の外周は、前記排気ケーシングに形成された排気ポートよりも、前記羽根車の半径方向において内側にあることを特徴とする液封式真空ポンプ。
である。

本発明の好ましい態様は、前記側板は、端面の少なくとも一方が、前記主軸の軸方向と直交する面と平行になっていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記側板は、前記各羽根の幅方向端面および半径方向内端に接続されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ボス部と前記複数の羽根と前記側板とを有した前記羽根車は、鋳造により一体成形されることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記複数の羽根を隣接する羽根間で互いに連結する円環状の連結リングを備え、前記連結リングは、前記各羽根の幅方向端部に位置し、かつ前記側板の外周側に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記連結リングの幅は、前記各羽根の幅よりも小さいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記連結リングは、前記各羽根の幅方向端部側から幅方向内方に向かって先細になった断面形状を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ボス部の外径は、前記軸封部品収容空間の内径より小さいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記液封式真空ポンプは、吸気側の第１段羽根車と排気側の第２段羽根車とを備えた２段液封式真空ポンプからなり、前記側板は前記第２段羽根車に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、排気ケーシングの分割化、主軸を細くする、羽根車ボス径を太くする、といった設計を行うことなく、軸封部品収容空間を介して各羽根室が互いに連通してしまうことを防止することができ、羽根車に密閉された空間としての各羽根室を形成することができる。

図１は、本発明に係る液封式真空ポンプの実施形態を示す模式的断面図である。 図２は、第２段ポンプ室および第２段ポンプ室内に配置された第２段羽根車の詳細を示す図であり、図１のII−II線断面図である。 図３（ａ），（ｂ）は、図１および図２に図示された本発明の第２段羽根車（図３（ａ））と、図５に図示された従来の第２段羽根車（図３（ｂ））とを示す斜視図である。 図４（ａ）は、本発明の第２段羽根車の他の実施形態を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部の断面形状を示す模式図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ部の断面形状を示す模式図である。 図５は、従来の液封式真空ポンプの主要構成を示す模式図である。

以下、本発明に係る液封式真空ポンプの実施形態を図１乃至図４を参照して説明する。図１乃至図４において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係る液封式真空ポンプの実施形態を示す模式的断面図である。図１においては、液封式真空ポンプの一例として、２段液封式真空ポンプを図示している。図１に示すように、２段液封式真空ポンプは、第１段ポンプ室１と第２段ポンプ室２とを内部に形成するケーシング３を備えている。第１段ポンプ室１には吸気側の第１段羽根車４が設けられ、第２段ポンプ室２には排気側の第２段羽根車５が設けられている。第１段羽根車４と第２段羽根車５とは、直動型モータ６の同一の主軸（回転軸）７に固定されている。ケーシング３の中央部には、半径方向内方に延びる仕切壁３ｐが形成されており、この仕切壁３ｐによって第１段ポンプ室１と第２段ポンプ室２とを仕切っている。仕切壁３ｐには、第１段ポンプ室１の排気ポートＰｄと第２段ポンプ室２の吸気ポートＰｓとが形成されており、排気ポートＰｄと吸気ポートＰｓとにより第１段ポンプ室１と第２段ポンプ室２とを連通させている。

ケーシング３の前端側の開口部は吸気側カバー８によって閉塞されており、この吸気側カバー８により密閉された空間としての第１段ポンプ室１を形成している。ケーシング３の後端側の開口部は排気ケーシング９によって閉塞されており、この排気ケーシング９により密閉された空間としての第２段ポンプ室２を形成している。吸気側カバー８には吸気口８ｓが形成されており、吸気口８ｓから気体（たとえば、空気）を第１段ポンプ室１内に吸入するようになっている。排気ケーシング９には第２段ポンプ室２の排気ポートＰｄが形成されている。また、排気ケーシング９には排気口９ｄが形成されており、第２段ポンプ室２から排気ポートＰｄを介して排出された気体を排気ケーシング９の排気口９ｄから外部に排出するようになっている。主軸７が排気ケーシング９を貫通する部分には、軸シールを行うためのメカニカルシール等の軸封部品１０が装着されている。排気ケーシング９の開口部はモータフランジ１２によって閉塞されている。

図１に示すように、第１段羽根車４および第２段羽根車５は、それぞれ円筒形のボス部４１と、ボス部４１から等間隔に放射状に延びる複数の羽根４２とを備えている。排気側の第２段羽根車５のボス部４１には、軸封部品１０の収容空間に面する側に、ボス部４１の外周から半径方向外方に延びる円環状の側板４３が形成されている。側板４３の外径Ｄ３は、軸封部品１０の収容空間の内径Ｄ１より大きく設定されている。すなわち、第２段羽根車５における軸封部品１０の収容空間の内径Ｄ１と第２段羽根車５のボス径Ｄ２と側板４３の外径Ｄ３との関係は、Ｄ３＞Ｄ１＞Ｄ２に設定されている。したがって、液膜と隣接する２枚の羽根４２によって形成される各羽根室における軸封部品１０の収容空間に面する側およびボス部側（基部側）は、軸封部品１０の収容空間の内径Ｄ１より大きな外径Ｄ３を有する側板４３によって閉塞されている。したがって、ケーシング両側壁と液膜と隣接する２枚の羽根４２によって形成される各羽根室が軸封部品１０の収容空間を介して互いに連通してしまうことはなく、密閉された空間としての各羽根室を形成することができる。

図１に示すように、第１段羽根車４と第２段羽根車５はモータ６の主軸７の軸端部に取り付けられている。第１段羽根車４と第２段羽根車５とを支持する主軸７は、モータ６のモータケーシング１３に設けられた軸受１４によって片持ち構造（オーバーハング構造）で支持されている。図１では、第１段羽根車４と第２段羽根車５とを収容するケーシングを単一のケーシング３として図示しているが、第１段羽根車４と第２段羽根車５とをそれぞれ個別のケーシングに収容してもよい。

図２は、第２段ポンプ室２および第２段ポンプ室２内に配置された第２段羽根車５の詳細を示す図であり、図１のII−II線断面図である。図２に示すように、ケーシング３は内部に円形の内部空間を有し、この内部空間が第２段ポンプ室２になっている。主軸７には第２段羽根車５が固定されており、第２段羽根車５はケーシング３の円形の内部空間（第２段ポンプ室２）に対して偏心している。第２段羽根車５は、円筒形のボス部４１と、ボス部４１から等間隔に放射状に延びる複数の羽根４２とを備えている。図２において、ケーシング３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。第２段羽根車５が回転すると、複数の羽根４２が第２段羽根車５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３の内面に沿って周回し、環状の液膜（液環）ＬＦを形成する。第２段ポンプ室２では、ケーシング両側壁と液膜ＬＦと隣接する２枚の羽根４２とによって形成される各羽根室Ｒｂの容積変化を利用して気体を圧縮しポンプ作用を行う。

図３（ａ），（ｂ）は、図１および図２に図示された本発明の第２段羽根車５（図３（ａ））と、図５に図示された従来の第２段羽根車５（図３（ｂ））とを示す斜視図である。
図３（ａ）に示すように、本発明の第２段羽根車５は、円筒形のボス部４１と、ボス部４１から等間隔に放射状に延びる複数の羽根４２と、ボス部４１から半径方向外方に延びる円環状の側板４３とを備えている。ボス部４１、複数の羽根４２および側板４３を備えた第２段羽根車５は、鋳造によって一体成形される。側板４３は、軸封部品１０の収容空間に面する側であってボス部４１の端部に設けられており、また側板４３は、各羽根４２の幅方向端面４２ａおよび半径方向内端４２ｂに接続されている（図１参照）。また、ボス部４１には、主軸７を嵌合するための貫通孔４１ｈやキーを挿入するためのキー溝４１ｋ等が形成されている。

図３（ｂ）に示す従来の第２段羽根車５は、図５にも図示したように側板４３を備えていないが、隣接する２枚の羽根４２同士を連結するための円環形状に形成された連結リング４４を備えている。連結リング４４は、各羽根４２の先端部で幅方向の中央部に設けられている。従来の第２段羽根車５は、側板４３を備えていない点と連結リング４４を備えている点が図３（ａ）示す本発明の第２段羽根車５と異なっている。
従来の第２段羽根車５においては、連結リング４４は各羽根４２の剛性を高めるために設けられているが、本発明の第２段羽根車５においては、側板４３により各羽根４２の剛性を高めることができるために連結リング４４を省略したものである。

図４（ａ）は、本発明の第２段羽根車５の他の実施形態を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部の断面形状を示す模式図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ部の断面形状を示す模式図である。
図４（ａ）に示すように、本実施形態の第２段羽根車５は、隣接する２枚の羽根４２同士を連結するために円環状に形成された連結リング４４を備えている。すなわち、本実施形態の第２段羽根車５は、連結リング４４と側板４３とを併用している。連結リング４４は、各羽根４２の先端部で各羽根４２の幅方向端部に位置し、かつ側板４３の外周側に位置している。図４（ａ）に示す第２段羽根車５におけるその他の構成は、図３（ａ）に示す第２段羽根車５と同様である。
図４（ｂ）は連結リング４４の断面形状を示す図である。図４（ｂ）に示すように、連結リング４４の断面形状は、半円（左端）、三角（左から２番目）、台形（左から３番目）、鉛直方向に長軸がある半楕円（左から４番目）、水平方向に長軸がある半楕円（右端）等である。連結リング４４の断面形状は、いずれも、羽根４２の幅方向端部側（図４（ｂ）において左側）から幅方向内方（図４（ｂ）において右側）に向かって先細になっている。
図４（ｃ）は側板４３の断面形状を示す図である。図４（ｃ）に示すように、側板４３の断面形状は、長方形（左側）、台形（右側）等である。右側の図で示す側板４３の断面形状は、ボス部４１から羽根４２の外周側に向かって先細になっている。

次に、図３（ｂ）に示す従来の第２段羽根車５と、図４（ａ）に示す本発明の第２段羽根車５とについて鋳造の観点から説明する。
従来の羽根車は、図３（ｂ）に示すように、主軸７の軸方向と直交する面と平行、かつ幅方向中心に連結リング４４が配置されており、上型と下型の分割面をリング部に設定し鋳造を行っていた。
連結リング４４と側板４３を併用する場合、従来の羽根車のような幅方向中心に連結リングが形成されていると、型の分割面を設定できず製作が難しくなる。そこで、図４（ａ）に示す本発明の羽根車のように、側板４３と連結リング４４を第２段羽根車５の排気側に設け、かつ連結リング４４の断面形状を半円にすることで、型の分割を行うことができる。連結リング４４の断面形状は、図４（ｂ）に示すように、三角，台形などの多角形、半楕円など、型の分割が可能となる断面形状であれば任意に設定可能である。

実施形態においては、２段の羽根車を備えた２段液封式真空ポンプを説明したが、１段の羽根車を備えた液封式真空ポンプにも本発明が適用されることは勿論である。
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ 第１段ポンプ室
２ 第２段ポンプ室
３ ケーシング
３ｐ 仕切壁
４ 第１段羽根車
５ 第２段羽根車
６ モータ
７ 主軸
８ 吸気側カバー
８ｓ 吸気口
９ 排気ケーシング
９ｄ 排気口
１０ 軸封部品
１２ モータフランジ
１３ モータケーシング
１４ 軸受
４１ ボス部
４１ｈ 貫通孔
４１ｋ キー溝
４２ 羽根
４２ａ 幅方向端面
４２ｂ 半径方向内端
４３ 側板
４４ 連結リング
Ｄ１ 軸封部品の収容空間の内径
Ｄ２ 第２段羽根車のボス径
Ｄ３ 側板の外径
ＬＦ 液膜（液環）
Ｐｄ 排気ポート
Ｐｓ 吸気ポート
Ｒｂ 羽根室

Claims (9)

1. 封液を収容するケーシングと、前記ケーシング内に収容される少なくとも１つの羽根車と、前記ケーシングの後端部を閉塞する排気ケーシングとを備えた液封式真空ポンプにおいて、
   前記羽根車を支持する主軸が前記排気ケーシングを貫通する部分に軸封部品を設け、
   前記羽根車は、前記主軸が挿通される孔を有した円筒状のボス部と、前記ボス部から半径方向外方に延びる複数の羽根と、前記軸封部品に面する側において前記ボス部の外周から半径方向外方に延びる円環状の側板とを備え、
   前記側板の外径は、前記ケーシングに形成された軸封部品収容空間の内径より大きく、前記側板の外周は、前記排気ケーシングに形成された排気ポートよりも、前記羽根車の半径方向において内側にあることを特徴とする液封式真空ポンプ。
2. 前記側板は、端面の少なくとも一方が、前記主軸の軸方向と直交する面と平行になっていることを特徴とする請求項１記載の液封式真空ポンプ。
3. 前記側板は、前記各羽根の幅方向端面および半径方向内端に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の液封式真空ポンプ。
4. 前記ボス部と前記複数の羽根と前記側板とを有した前記羽根車は、鋳造により一体成形されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
5. 前記複数の羽根を隣接する羽根間で互いに連結する円環状の連結リングを備え、
   前記連結リングは、前記各羽根の幅方向端部に位置し、かつ前記側板の外周側に位置していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
6. 前記連結リングの幅は、前記各羽根の幅よりも小さいことを特徴とする請求項５記載の液封式真空ポンプ。
7. 前記連結リングは、前記各羽根の幅方向端部側から幅方向内方に向かって先細になった断面形状を有することを特徴とする請求項５または６記載の液封式真空ポンプ。
8. 前記ボス部の外径は、前記軸封部品収容空間の内径より小さいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
9. 前記液封式真空ポンプは、吸気側の第１段羽根車と排気側の第２段羽根車とを備えた２段液封式真空ポンプからなり、
   前記側板は前記第２段羽根車に設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。

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