JP7017261B2 - スクロール型真空ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、流体を吸引して膨張させた後、圧縮して吐出するスクロール型真空ポンプに関する。
特許文献１（特開２００７－１８２８２２号公報）は、駆動軸の回転を斜板カム機構により変換し、駆動軸に平行に配列された複数個のピストンを往復動させる圧縮機の駆動軸に結合された出力軸を有する膨張機が一体化された膨張圧縮機において、前記膨張機が前記駆動軸の前記ピストン側に配置されている膨張圧縮機を開示する。
特許文献２（特開２００７－１２７０１８号公報）は、ガスを膨張させる膨張機とガスを圧縮する圧縮機をシェル内に組み込んで前記膨張機の出力により前記圧縮機を駆動するように構成した膨張圧縮機において、前記膨張機と前記圧縮機をシェル外部から導入した高圧ガスを前記膨張機で膨張させることにより発生した動力を前記圧縮機へ動力を前記圧縮機へ動力伝達してシェル外部から導入した低圧ガスを前記圧縮機で圧縮するように構成し、その膨張後と圧縮後のガスを前記シェル内またはシェル近傍で合流させて一緒にシェル該に送り出すように構成したガス膨張圧縮機を開示する。
特開２００７－１８２８２２号公報 特開２００７－１２７０１８号公報
特許文献１に開示される膨張圧縮機は、二酸化炭素などを冷媒として用いた超臨界サイクルに使用される膨張手段としての膨張機を圧縮機に一体に形成したもので、膨張機を冷媒が通過する際に発生するエネルギーを圧縮機の駆動エネルギーとして回収するようにしたものである。
特許文献２に開示されるガス膨張圧縮機の膨張機は、熱源を利用して得られる高圧のガスを膨張させてその動力を取り出し冷凍サイクル用の圧縮機を駆動するためのものである。
既存のスクロール型真空ポンプでは、固定スクロール部材および旋回スクロール部材によって画成される圧縮室が、最外周部から中心部に向けて容積を縮小することによって、流体を吸引して圧縮し排出するもので、高真空を得るためには高い圧縮比が必要でそのため中心の排出口は高圧で圧縮熱が発生し中心部に位置するベアリングが高温となるために、大がかりな冷却機構を設ける必要があった。
また、最外周部から空気を吸引し中心部から吐出するスクロール型真空ポンプでは、中心部に凝縮水が発生し、真空度への影響やベアリングと封入グリスに悪い作用を与えることから、定期的にガスバラスト機構など、水を排水する機構が必要となる。
また、最外周部から空気を吸引し中心部から吐出するスクロール型真空ポンプでは、ポンプ内部の流体の漏れは、中心部の高圧部から真空度を決める外周部の吸い込み側の低圧部へと漏れるため、真空度を高くすることは難しかった。
これらの問題点について、特許文献１および２では解決することは不可能である。
このため、本願発明は、冷却装置が必要なく、凝縮水も発生せず、真空度の高いスクロール型真空ポンプを提供することにある。
したがって本願発明に係るスクロール型真空ポンプは、内部空間を画成するハウジングと、該ハウジングに回転自在に支持されるとともに吸引口が形成される回転軸と、該回転軸と一体に形成される第１の駆動スクロール鏡板および該第１の駆動スクロール鏡板から軸方向に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第１の駆動スクロールを具備する第１の駆動スクロール部材と、前記第１の駆動スクロールと噛合して、中心部で前記吸引口と連通するとともに最外周部で前記内部空間と連通する第１の膨張空間を画成する第１の従動スクロール、該第１の従動スクロールが立設する第１の従動スクロール鏡板および該第１の従動スクロール鏡板から軸方向反対側に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第1の従動スクロールを具備する第１の従動スクロール部材と、前記ハウジングに回転自在に支持され、外部動力によって回転されるともに内部に排出口が形成される駆動軸、該駆動軸と一体に形成される第２の駆動スクロール鏡板および該第２の駆動スクロール鏡板から軸方向に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第２の駆動スクロールを具備し、前記第１の駆動スクロール部材と連結される第２の駆動スクロール部材と、前記第２の駆動スクロールと噛合して、最外周部で前記内部空間と連通するとともに中心部で前記排出口と連通する第１の圧縮空間を画成する第３の従動スクロール、該第３の従動スクロールが立設する第２の従動スクロール鏡板および該第２の従動スクロール鏡板から軸方向反対側に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第４の従動スクロールを具備し、前記第１の従動スクロール部材と従動リングを介して連結される第２の従動スクロール部材と、前記第２の従動スクロールと噛合して、中心部で前記吸引口と連通するとともに最外周部で前記内部空間と連通する第２の膨張空間を画成する第３の駆動スクロール、該第３の駆動スクロールが立設する第３の駆動スクロール鏡板および第３の駆動スクロール鏡板に立設し、前記第４の従動スクロールと噛合して最外周部で前記内部空間と連通するとともに中心部で前記排出口と連通する第２の圧縮空間を画成する第４の駆動スクロールを具備し、前記第１の従動スクロール部材および第２の従動スクロール部材の間に配される第３の駆動スクロール部材と、前記第１の従動スクロール部材を、前記ハウジングに回転自在に支持する第１の従動スクロール支持部材と、前記第２の従動スクロール部材を、前記ハウジングに回転自在に支持する第２の従動スクロール支持部材と、前記第１の駆動スクロール部材および第１の従動スクロール支持部材の間および／または前記第２の駆動スクロール部材および第２の従動スクロール支持部材の間に設けられるオルダムリングと、を少なくとも具備することにある。尚、膨張機構を構成するスクロールと、圧縮機構を構成するスクロールとは駆動軸の回転方向は同じであるため逆向きに延出するように形成されるものである。
以上の構成により、前記駆動軸に連結された外部動力、たとえば電動モータによって駆動軸が回転されると、第２の駆動スクロール部材と、これと連結される第３の駆動スクロール部材、第１の駆動スクロール部材が両側のベアリングを基準に回転し、さらにオルダムリングを介し同期回転させることで第１および第２の従動スクロール部材がやはり両側の別のベアリングを基準に回転することで、前記第１、第２および第３の駆動スクロール部材に対して相対的に旋回運動行う。これによって、第１および第２の膨張空間は、中心部から最外周部に向けてその容積を拡大しながら膨張するため、吸引された流体は、圧力を減じられて前記内部空間に至る。同時に、第１および第２の圧縮空間は、最外周部から中心部に向けてその容積を縮小しながら圧縮されるため、最外周部において内部空間から吸引された流体は、中心部に向けて圧縮され排出口を介して排出される。以上により、本願発明に係るスクロール型真空ポンプは、吸入口より流体を吸引して排出口から排出されるものである。
本願発明のスクロール型真空ポンプにおいて、流体は膨張側では断熱膨張して冷却され逆に圧縮側では断熱圧縮で発熱するため、熱的に相殺されるため特別な冷却装置を必要としない。同様に凝縮水の発生も抑制できるものである。さらに膨張行程時スクロールの外周ポケット容積側の真空度が中心吸引部ポケット容積側より高いため、中心の漏れは外側に向かうための中心部の真空度は漏れの影響を受けにくいという効果を有する。また圧縮空間も膨張空間も内部の圧力は相殺され軸方向荷重が発生しないため回転を支持しているベアリングへの負荷がほとんどないことや、駆動、従動スクロールとも両軸で支持されているため、高速化可能で小型化が容易に図れるという効果を有する。
また、前記第１および第２の膨張空間は、第１の従動スクロール鏡板の中心部に形成された貫通孔を介してお互いに連通するとともに、前記吸入口と中心部において連通すること、および前記第１および第２の圧縮空間は、第２の従動スクロール鏡板の中心部に形成された貫通孔を介してお互いに連通するとともに、前記排出口とその中心部において連通することが望ましい。
さらに、前記排出口には逆止弁が設けられることが望ましい。これによって、流体の排出が円滑になる。尚、弁体としては、遠心力の作用の小さい樹脂製ボールが使用されることが望ましい。
さらにまた、前記第１の駆動スクロール、前記第１の従動スクロール、前記第２の従動スクロールおよび前記第３の駆動スクロールの中心部は、中心部のラップの巻始めの位置を大きく構成したことが望ましい。これによって、膨張側の排気量を確保することができるものである。
また、第２の駆動スクロール、第３の従動スクロール、前記第４の従動スクロールおよび第４の駆動スクロールは、中心部までラップが構成されることが望ましい。これによって、圧縮側の圧縮比を大きくすることができ、排気の容易化を図ることができるものである。
以上のように、本願発明に係るスクロール型真空ポンプにおいては、吸引排出される流体は、膨張側では断熱膨張して冷却され逆に圧縮側では断熱圧縮で発熱するため、熱的に相殺されるため特別な冷却装置を必要としない。同様に凝縮水の発生も抑制できるものである。さらに、膨張行程時スクロールの外周ポケット容積側の真空度が中心吸引部ポケット容積側より高いため、中心の漏れは外側に向かうための中心部の真空度は漏れの影響を受けにくいという効果を有する。また圧縮空間も膨張空間も内部の圧力は相殺され軸方向荷重が発生しないため回転を支持しているベアリングへの負荷がほとんどないことや、駆動、従動スクロールとも両軸で支持されているため、高速化可能で小型化が容易に図れるという効果を有する。
本発明に係るスクロール型真空ポンプの断面構造図である。 （ａ）は第１の駆動スクロール部材の断面図、（ｂ）は第１の従動スクロール部材の断面図、（ｃ）は第３の駆動スクロール部材の断面図、（ｄ）は第２の従動スクロール部材の断面図、（ｅ）は第２の駆動スクロール部材の断面図である。 駆動スクロール組立の断面図である。 従動スクロール組立の断面図である。 （ａ）は従動リングの断面図、（ｂ）は従動リングの正面図である。 本発明に係るスクロール型真空ポンプの第３の駆動スクロール部材の説明図であり、（ａ）はその圧縮側側面図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）はその膨張側側面図である。 本発明に係るスクロール型真空ポンプの逆止弁の説明図であり、（ａ）はその全体断面図であり、（ｂ）は弁座部の断面図であり、（ｃ）は弁ハウジングの断面図である。
以下、この発明の実施例について図面により説明する。
本発明に係るスクロール型真空ポンプ１は、図１に示すように、内部空間２を画成するハウジング３を具備する。このハウジング３は、略有底円筒形状をしており、一方の側面に外部動力としての電動モータ４を固定するためのハウジング３の一部を構成する連結部５によって開口面が閉鎖され、前記内部空間２が密封される。
第１のスクロール部材６は、たとえば図２（ａ）で示すように、ベアリング７を介して前記ハウジング３に回転自在に支持され、内部を貫通する吸引口８が形成された回転軸９と、該回転軸９と一体に形成され、径方向に拡大するプレート状の第１の駆動スクロール鏡板１０と、該第１の駆動スクロール鏡板１０から軸方向に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第１の駆動スクロール１１とを具備する。尚、回転軸９の先端部は、シール４２によってシールされるもので、シール４２はキャップ４５によって保持固定される。
第１の従動スクロール部材１２は、図２（ｂ）で示すように、前記第１の駆動スクロール１１と噛合して、中心部で前記吸引口８と連通するとともに最外周部で前記内部空間２と連通する第１の膨張空間１３を画成する第１の従動スクロール１４と、該第１の従動スクロール１４が立設する第１の従動スクロール鏡板１５と、該第１の従動スクロール鏡板１５から軸方向反対側に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第２の従動スクロール１６を具備する。
第２の駆動スクロール部材１７は、図２（ｅ）で示すように、前記ハウジング２の一部、特に前記連結部５に、ベアリング１８を介して回転自在に支持され、外部動力としての電動モータ５によって回転されるとともに内部を貫通する排出口１９が形成される駆動軸２０と、該駆動軸２０と一体に形成される第２の駆動スクロール鏡板２１と、第２の駆動スクロール鏡板２１から軸方向に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第２の駆動スクロール２２とを具備し、前記第１の駆動スクロール部材６とネジ等によって連結される。また、駆動軸２０の先端は、シール４３によってシールされるもので、シール４３は、連結部５に保持固定される。
第２の従動スクロール部材２３は、図２（ｄ）で示すように、前記第２の駆動スクロール２２と噛合して、最外周部で前記内部空間２と連通するとともに中心部で前記排出口１９と連通する第１の圧縮空間２４を画成する第３の従動スクロール２５と、該第３の従動スクロール２５が立設する第２の従動スクロール鏡板２６と、該第２のスクロール鏡板２６から軸方向反対側に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第４の従動スクロール２７とを具備し前記第１の従動スクロール部材１２とネジ等で連結される。
第３の駆動スクロール部材２８は、図２（ｃ）で示すように、前記第２の従動スクロール１６と噛合して、中心部で前記吸引口８と連通するとともに最外周部で前記内部空間２と連通する第２の膨張空間２９を画成する第３の駆動スクロール３０と、該第３の駆動スクロール３０が立設する第３の駆動スクロール鏡板３１と、該第３の駆動スクロール鏡板３１に立設し、前記第４の従動スクロール２７と噛合して最外周部で前記内部空間２と連通するとともに中心部で前記排出口１９と連通する第２の圧縮空間３２を画成する第４の駆動スクロール３３を具備し、前記第１の駆動スクロール部材６および前記第２の駆動スクロール部材１７と連結されるとともに、前記第１の従動スクロール部材１２および第２の従動スクロール部材２３の間に配されるものである。
この第３の駆動スクロール部材２８において、たとえば図６（ｂ），（ｃ）で示すように、膨張側を構成する前記第３の駆動スクロール３０は、最外周部を構成する幅広の第３の駆動スクロール外周部３０ａと、それに連接される幅狭の第３の駆動スクロール内周部３０ｂとによって構成され、その中心側端部３０ｃは、排気量を確保するために巻始めの位置を大きく設定されている。これに対応して膨張側の第１の駆動スクロール１１、第１の従動スクロール１４および第２の従動スクロール１６も同様に構成されるものである。尚、第１の駆動スクロール部材６、第２の駆動スクロール部材１７および第３の駆動スクロール部材２８によって構成される駆動スクロール組立６０は、図３に示すもので、たとえばボルト４５、４６によって一体に連結される。
また前記第３の駆動スクロール部材２８において、たとえば図６（ａ），（ｂ）で示すように、圧縮側を構成する第４の駆動スクロール３３は、最外周部を構成する幅広の第４の駆動スクロール外周部３３ａと、それに連接される幅狭の第４の駆動スクロール内周部３３ｂとによって構成され、その中心側端部３３ｃは、圧縮比を大きくするために巻始めの位置を中心部まで設定したものである。これに対応して圧縮側の第２の駆動スクロール２２、第３の従動スクロール２５および第４の従動スクロール３３も同様に構成されるものである。
さらに第１の従動スクロール支持部材３５は、前記ベアリング３６を介して前記ハウジング２に前記第１の従動スクロール部材１２を回転自在に支持する。また、第２の従動スクロール支持部材３７は、前記ベアリング３８を介して前記ハウジング２、特に連結部５に、前記第２の従動スクロール部材２３を回転自在に支持する。また、第１の従動スクロール支持部材３５、第１の従動スクロール部材１２、第２の従動スクロール部材２３および第２の従動スクロール支持部材３７によって構成される従動スクロール組立７０は、たとえば図４に示すもので、特に第１の従動スクロール部材１２および第２の従動スクロール部材２３の間には、図５に示す従動リング４４を介して連結固定されるもので、これによって第３の駆動スクロール部材２８を摺動自在に保持できるものである。
さらに、前記第１の駆動スクロール部材６および第１の従動スクロール支持部材３５の間および前記第２の駆動スクロール部材１７および第２の従動スクロール支持部材３７の間にはオルダムリング３９が設けられ、第１の従動スクロール部材１２および第２の従動スクロール部材２３が、前記第１の駆動スクロール部材６、第２の駆動スクロール部材１７および第３の駆動スクロール部材２８に対して相対的に旋回運動を行うものである。尚、前記第１および第２の駆動スクロール部材６，１７の背面には、前記オルダムリング３９が噛合する溝が形成されるものである。
また、前記第１および第２の膨張空間１３，２９の中心部は、第１の従動スクロール鏡板１５の中心部に形成された貫通孔４０を介してお互いに連通する。さらに、前記第１および第２の圧縮空間２４，３３は、第２の従動スクロール鏡板２６の中心部に形成された貫通孔４１を介してお互いに連通する。
さらに、前記排出口１９には逆止弁５０が設けられる。この逆止弁５０は、たとえば図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されるように、弁座部５１と、弁ハウジング５２と、弁体５６とによって構成される。弁体５６は、遠心力の作用の小さい樹脂ボールであることが望ましいが、これに限定されるものではない。また、弁座部５１は、前記弁体５３が着座する弁座５５と、該弁座５５に弁体５６が着座することによって閉鎖される弁通路５３とが形成される。さらに、前記弁ハウジング５２は、弁体５６が弁座５５から離脱することによって前記弁通路５３を介して前記第１および第２の圧縮空間２４，３３の中心部と前記排出口１９とを連通する開口部５４が形成される。これによって、排出口１９からの流体の排出を円滑に行うことが可能となり、逆流による誤動作を防止できるものである。
以上の構成により、電動モータ４が駆動して駆動軸２０が回転されると、第２の駆動スクロール部材１７と、これと連結される第１の駆動スクロール部材６が回転し、これに伴って第１および第２の従動スクロール部材１２，２３が回転しながら、前記第１、第２および第３の駆動スクロール部材６，１７、２８に対して旋回運動行う。これによって、第１および第２の膨張空間１３，２９は、中心部から最外周部に向けてその容積を拡大しながら膨張するため、吸引された流体は、圧力を減じられて前記内部空間２に至る。同時に、第１および第２の圧縮空間２４，３２は、最外周部から中心部に向けてその容積を縮小しながら圧縮されるため、最外周部において内部空間２から吸引された流体は、中心部に向けて圧縮され排出口１９を介して排出される。以上により、本願発明に係るスクロール型真空ポンプ１は、吸引口８より流体を吸引して排出口１９から排出することができるものである。
１ スクロール型真空ポンプ
２ 内部空間
３ ハウジング
４ 電動モータ
５ 連結部
６ 第１の駆動スクロール部材
７ ベアリング
８ 吸引口
９ 回転軸
１０ 第１の駆動スクロール鏡板
１１ 第１の駆動スクロール
１２ 第１の従動スクロール部材
１３ 第１の膨張空間
１４ 第１の従動スクロール
１５ 第１の従動スクロール鏡板
１６ 第２の従動スクロール
１７ 第２の駆動スクロール部材
１８ ベアリング
１９ 排出口
２０ 駆動軸
２１ 第２の駆動スクロール鏡板
２２ 第２の駆動スクロール
２３ 第２の従動スクロール部材
２４ 第１の圧縮空間
２５ 第３の従動スクロール
２６ 第２の従動スクロール鏡板
２７ 第４の従動スクロール
２８ 第３の駆動スクロール部材
２９ 第２の膨張空間
３０ 第３の駆動スクロール
３１ 第３の駆動スクロール鏡板
３２ 第２の圧縮空間
３３ 第４の駆動スクロール
３５ 第１の従動スクロール支持部材
３６ ベアリング
３７ 第２の従動スクロール支持部材
３９ オルダムリング
４０，４１ 貫通孔
４２，４３ シール
４４ 従動リング
５０ 逆止弁
５１ 弁座部
５２ 弁ハウジング
５３ 弁体
５４ 開口部
５５ 弁座
５６ 弁体
６０ 駆動スクロール組立
７０ 従動スクロール組立

Claims (5)

  1. 内部空間を画成するハウジングと、
    該ハウジングに回転自在に支持されるとともに吸引口が形成される回転軸と、該回転軸と一体に形成される第１の駆動スクロール鏡板および該第１の駆動スクロール鏡板から軸方向に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第１の駆動スクロールを具備する第１の駆動スクロール部材と、
    前記第１の駆動スクロールと噛合して、中心部で前記吸引口と連通するとともに最外周部で前記内部空間と連通する第１の膨張空間を画成する第１の従動スクロール、該第１の従動スクロールが立設する第１の従動スクロール鏡板および該第１の従動スクロール鏡板から軸方向反対側に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第２の従動スクロールを具備する第１の従動スクロール部材と、
    前記ハウジングに回転自在に支持され、外部動力によって回転されるともに内部に排出口が形成される駆動軸、該駆動軸と一体に形成される第２の駆動スクロール鏡板および該第２の駆動スクロール鏡板から軸方向に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第２の駆動スクロールを具備し、前記第１の駆動スクロール部材と連結される第２の駆動スクロール部材と、
    前記第２の駆動スクロールと噛合して、最外周部で前記内部空間と連通するとともに中心部で前記排出口と連通する第１の圧縮空間を画成する第３の従動スクロール、該第３の従動スクロールが立設する第２の従動スクロール鏡板および該第２の従動スクロール鏡板から軸方向反対側に突出するとともに径方向に螺旋状に延出する第４の従動スクロールを具備し、前記第１の従動スクロール部材と従動リングを介して連結される第２の従動スクロール部材と、
    前記第２の従動スクロールと噛合して、中心部で前記吸引口と連通するとともに最外周部で前記内部空間と連通する第２の膨張空間を画成する第３の駆動スクロール、該第３の駆動スクロールが立設する第３の駆動スクロール鏡板および第３の駆動スクロール鏡板に立設し、前記第４の従動スクロールと噛合して最外周部で前記内部空間と連通するとともに中心部で前記排出口と連通する第２の圧縮空間を画成する第４の駆動スクロールを具備し、前記第１の従動スクロール部材および第２の従動スクロール部材の間に配される第３の駆動スクロール部材と、
    前記第１の従動スクロール部材を、前記ハウジングに回転自在に支持する第１の従動スクロール支持部材と、
    前記第２の従動スクロール部材を、前記ハウジングに回転自在に支持する第２の従動スクロール支持部材と、
    前記第１の駆動スクロール部材および第１の従動スクロール支持部材の間および／または前記第２の駆動スクロール部材および第２の従動スクロール支持部材の間に設けられるオルダムリングと、を少なくとも具備することを特徴とするスクロール型真空ポンプ。
  2. 前記第１および第２の膨張空間は、第１の従動スクロール鏡板の中心部に形成された貫通孔を介してお互いに連通するとともに、前記吸入口と中心部において連通すること、および
    前記第１および第２の圧縮空間は、第２の従動スクロール鏡板のその中心部に形成された貫通孔を介してお互いに連通するとともに、前記排出口とその中心部において連通することを特徴とする請求項１記載のスクロール型真空ポンプ。
  3. 前記排出口には逆止弁が設けられることを特徴とする請求項２記載のスクロール型真空ポンプ。
  4. 前記第１の駆動スクロール、前記第１の従動スクロール、前記第２の従動スクロールおよび前記第３の駆動スクロールの中心部は、中心部のラップの巻始めの位置を大きく構成したことを特徴とする請求項１～３のいずれか１つのスクロール型真空ポンプ。
  5. 第２の駆動スクロール、第３の従動スクロール、前記第４の従動スクロールおよび第４の駆動スクロールは、中心部までラップが構成されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載のスクロール型真空ポンプ。
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