JP7179315B2 - multi-stage roots pump - Google Patents
multi-stage roots pump Download PDFInfo
- Publication number
- JP7179315B2 JP7179315B2 JP2018165909A JP2018165909A JP7179315B2 JP 7179315 B2 JP7179315 B2 JP 7179315B2 JP 2018165909 A JP2018165909 A JP 2018165909A JP 2018165909 A JP2018165909 A JP 2018165909A JP 7179315 B2 JP7179315 B2 JP 7179315B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stage
- rotor
- compression element
- pump
- pressure side
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
Description
本発明は、多段ルーツ式ポンプに関し、特に、各種化学プラントにおいて、ガスの圧送、吸引または循環に使用される多段ルーツ式ポンプに関する。 The present invention relates to a multi-stage roots pump, and more particularly to a multi-stage roots pump used for pumping, sucking or circulating gas in various chemical plants.
従来から、各種化学プラントにおいて、ガスの圧送、吸引または循環のためにルーツ式ポンプが使用されている。ルーツ式ポンプは、ケーシング内に2つのロータを有し、これら2つのロータが、互いに反対方向に同じ回転位相で回転している。2つのロータは、ケーシングの内面との間およびロータ相互間に僅かなすき間を保って回転しながら、ケーシングとの間で捕捉した一定量のガスを吸込側(低圧側)から吐出側(高圧側)へ移送し、高圧側へ押し込むようにしてガスを吐出する。ロータがガスを吐出する際に吐出側の高圧ガスがケーシング内に逆流することで、吐出されるガスが圧縮される。吸込側と吐出側のガスの圧力差が大きく、ポンプが吐き出す風量が大きい場合には、大きな軸動力が必要となるため、大きな駆動用モータが必要となり、またその消費電力が増大する。また、吸込側と吐出側のガスの圧力比が大きい場合は、圧縮熱により吐出ガスの温度が高温となるため、回転するロータの温度が高くなり、ロータの熱膨張によりケーシングの内面との間およびロータ相互間の僅かなすき間を保つことが出来なくなり、その結果、回転するロータとケーシング、あるいはロータ相互間が接触し運転が出来なくなることがある。このため、ポンプが運転可能な吸込側と吐出側のガスの圧力比が制限される。 Traditionally, Roots-type pumps have been used in various chemical plants for pumping, sucking or circulating gases. A Roots-type pump has two rotors in a casing, which rotate in opposite directions with the same phase of rotation. While the two rotors rotate with a slight gap between them and the inner surface of the casing and between the rotors, a certain amount of gas trapped between them is transferred from the suction side (low pressure side) to the discharge side (high pressure side). ), and the gas is discharged by pushing it toward the high pressure side. When the rotor discharges gas, the high-pressure gas on the discharge side flows back into the casing, thereby compressing the discharged gas. When the gas pressure difference between the suction side and the discharge side is large and the amount of air discharged by the pump is large, a large shaft power is required, so a large driving motor is required and its power consumption increases. In addition, when the pressure ratio between the gas on the suction side and the gas on the discharge side is large, the temperature of the discharge gas becomes high due to the heat of compression, so the temperature of the rotating rotor rises. As a result, the rotating rotor and the casing, or between the rotors may come into contact with each other, making it impossible to operate. Therefore, the pressure ratio between the gas on the suction side and the gas on the discharge side at which the pump can be operated is limited.
そこで、ポンプの軸動力を低減させ、かつ、吐出ガスの温度上昇をポンプが運転可能な温度に抑制するために、吸込側と吐出側のガスの圧力差と圧力比を、移動容積の異なる複数のルーツ式ポンプで分担する多段ルーツ式ポンプが広く用いられている。このような多段ルーツ式ポンプとしては、例えば図23に示すように、複数台の単段ルーツ式ポンプ(ガスを1回の吸込及び吐出により圧縮するポンプ作動領域を1段のみ有するルーツ式ポンプ)を直列に配置し、前段のポンプの吐出口と後段のポンプの吸込口とを配管で接続した多段ルーツ式ポンプ(以下、「配管接続型」と称する。)がある。また、例えば図24ならびに特許文献1および2に示すように、ロータを支持する2本の回転軸の軸方向に複数段のロータを直列に配置した多段ルーツ式ポンプ(以下、「直列内装型」と称する。)も提案されている。 Therefore, in order to reduce the shaft power of the pump and to suppress the temperature rise of the discharge gas to a temperature at which the pump can be operated, the pressure difference and the pressure ratio of the gas on the suction side and the discharge side are adjusted to a plurality of different moving volumes. Multi-stage roots pumps are widely used. As such a multistage Roots pump, for example, as shown in FIG. 23, a plurality of single stage Roots pumps (a Roots pump having only one pump operating region for compressing gas by one suction and one discharge). are arranged in series, and the discharge port of the pump in the preceding stage and the suction port of the pump in the subsequent stage are connected by piping (hereinafter referred to as "piping connection type"). Further, as shown in, for example, FIG. ) has also been proposed.
しかしながら、配管接続型の多段ルーツ式ポンプは、複数台の単段ルーツ式ポンプが外部配管で直列に接続される構造である。その構造上、配管接続型の多段ルーツ式ポンプには、広い設置面積が必要となるという問題がある。また、それぞれの単段ルーツ式ポンプにおいて生じるガスの脈動により、配管表面からの騒音および配管の振動が発生するという問題もある。 However, the pipe-connected multi-stage roots-type pump has a structure in which a plurality of single-stage roots-type pumps are connected in series via an external pipe. Due to its structure, the pipe-connected multi-stage roots pump has the problem that it requires a large installation area. Another problem is that the pulsation of gas generated in each single-stage roots-type pump causes noise and vibration from the pipe surface.
他方、直列内装型の多段ルーツ式ポンプは、ロータを支持する2本の回転軸の軸方向に複数段のロータを直列に配置する構造である。その構造上、直列内装型の多段ルーツ式ポンプでは、ロータの回転軸が長くなるため、吸込圧力と吐出圧力の圧力差が大きな運転条件や、急激な圧力変動が生じる運転条件下において、回転軸の撓みが大きくなるため、回転するロータとケーシングの内面とが接触し易いという問題もある。ロータとケーシングの内面が接触すると、ポンプの作動が停止してしまう。そのため、圧力差の大きな運転条件や急激な圧力変動が生じる運転条件等の厳しい運転条件下でも、ロータとケーシングの内面とが接触せずに安全に作動できる多段ルーツ式ポンプが求められている。 On the other hand, the multi-stage Roots type pump of serial internal type has a structure in which a plurality of stages of rotors are arranged in series in the axial direction of two rotating shafts that support the rotors. Structurally, in series internal multistage Roots pumps, the rotor shaft is long. There is also the problem that the rotating rotor and the inner surface of the casing are likely to come into contact with each other because the deflection of the rotor becomes large. Contact between the rotor and the inner surface of the casing will cause the pump to stop operating. Therefore, there is a demand for a multi-stage roots pump that can operate safely without contact between the rotor and the inner surface of the casing even under severe operating conditions such as operating conditions with a large pressure difference or sudden pressure fluctuations.
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、設置面積を小さくできるとともに、脈動による騒音および振動を低減し、かつ、厳しい運転条件下でもロータとケーシングの内面との接触を防止可能な、多段ルーツ式ポンプを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and is capable of reducing the installation area, reducing noise and vibration caused by pulsation, and preventing contact between the rotor and the inner surface of the casing even under severe operating conditions. It is an object of the present invention to provide a multi-stage Roots-type pump which is possible.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下の(1)および(2)により、多段ルーツ式ポンプの設置面積を小さくできるとともに、脈動による騒音および振動を低減し、かつ、厳しい運転条件下でもロータとケーシングの内面との接触を防止できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成した。
(1)複数段のロータ等の圧縮要素を回転軸の軸方向に対して並列に配置すること
(2)並列に配置された複数段の圧縮要素のうち、少なくとも1つの隣接する圧縮要素間の移動容積比を1より大きくすること
As a result of extensive research to solve the above problems, the present inventors have found that the following (1) and (2) make it possible to reduce the installation area of the multistage roots pump and reduce noise and vibration caused by pulsation. In addition, the inventors have found that contact between the rotor and the inner surface of the casing can be prevented even under severe operating conditions, and have completed the present invention based on this knowledge.
(1) Compression elements such as multiple stages of rotors are arranged in parallel with respect to the axial direction of the rotating shaft (2) Between at least one adjacent compression element among multiple stages of compression elements arranged in parallel Make the transfer volume ratio greater than 1
すなわち、本発明の第1の観点による多段ルーツ式ポンプは、互いに反対方向に回転可能な1対のロータと、前記1対のロータのそれぞれを回転可能に支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する複数段の圧縮要素と、ガスの吸込口および吐出口が設けられ、同じ段の前記圧縮要素が有する2本の前記回転軸を含む平面の法線方向に沿って複数段の前記圧縮要素が並列配置されるように前記圧縮要素を収容するケーシングと、前記ケーシングに設けられ、隣接して配置された低圧側の前記圧縮要素と高圧側の前記圧縮要素との間に存在するガスを外部に吐出する少なくとも1つの中間吐出口と、前記ケーシングの外部に設けられ、前記中間吐出口から排出されたガスを冷却する冷却部と、前記ケーシングに設けられ、前記冷却部により冷却されたガスを前記中間吐出口よりも低圧側の前記圧縮要素内に導入する第1冷却ガス導入口と、を備え、下記式(1):
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
(ただし、式(1)において、QthLは、隣接する2つの前記圧縮要素のうち低圧側の前記圧縮要素の移動容積であり、QthHは、隣接する2つの前記圧縮要素のうち高圧側の前記圧縮要素の移動容積である。)
で表される移動容積比RQが1以上であり、かつ、並列に配置された複数段の前記圧縮要素のうち、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において移動容積比RQが1より大きい。
That is, the multi-stage roots pump according to the first aspect of the present invention comprises a pair of rotors rotatable in mutually opposite directions, and two rotary shafts rotatably supporting each of the pair of rotors. A plurality of stages of compression elements each independently provided, and a gas suction port and a gas discharge port are provided. A casing that houses the compression elements so that the compression elements are arranged in parallel, and a gas that is provided in the casing and exists between the low-pressure side compression element and the high-pressure side compression element that are arranged adjacent to each other. at least one intermediate discharge port that discharges to the outside, a cooling unit that is provided outside the casing and cools the gas discharged from the intermediate discharge port, and is provided in the casing and cooled by the cooling unit a first cooling gas introduction port that introduces gas into the compression element on the lower pressure side than the intermediate discharge port, and the following formula (1):
RQ = QthL / QthH (1)
(However, in formula (1), Qth L is the movement volume of the compression element on the low pressure side of the two adjacent compression elements, and Qth H is the displacement of the compression element on the high pressure side of the two adjacent compression elements. is the displacement volume of the compression element.)
The moving volume ratio R Q is 1 or more, and the moving volume ratio R Q is greater than 1 between at least one adjacent compression element among the plurality of stages of compression elements arranged in parallel. .
第1の観点の前記多段ルーツ式ポンプは、前記ロータを回転駆動する駆動機構をさらに備え、前記駆動機構は、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数を、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数よりも高くしてもよい。 The multi-stage roots pump of the first aspect further comprises a drive mechanism for rotationally driving the rotor, wherein the drive mechanism rotates between at least one adjacent compression element of the rotor on the low-pressure side of the compression element. The number of revolutions may be higher than the number of revolutions of the rotor in the compression element on the high pressure side.
この場合に、少なくとも1つの前記圧縮要素における前記1対のロータの長さおよび直径が、並列配置された他の前記圧縮要素における前記1対のロータの長さおよび直径と同一であってもよい。 In this case, the length and diameter of the pair of rotors in at least one of the compression elements may be the same as the length and diameter of the pair of rotors in the other compression element arranged in parallel. .
前記駆動機構を備える第1の観点の前記多段ルーツ式ポンプにおいて、前記圧縮要素の数が2つであり、前記駆動機構が、1段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第1タイミングギヤと、2段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第2タイミングギヤと、1対の前記第1タイミングギヤのうち一方の前記第1タイミングギヤと噛み合う第1駆動ギヤと、1対の前記第2タイミングギヤのうち一方の前記第2タイミングギヤと噛み合う第2駆動ギヤと、前記第1駆動ギヤと前記第2駆動ギヤとを回転可能に支持する単一の駆動軸と、を有し、1段目の前記ロータの回転数が2段目の前記ロータの回転数より高くなるように、前記第1駆動ギヤおよび前記第2駆動ギヤの歯数が設定されてもよい。 In the multi-stage roots pump of the first aspect comprising the drive mechanism, the number of compression elements is two, and the drive mechanism is arranged so that the shaft ends of the two rotary shafts of the first stage are meshed with each other. A pair of first timing gears provided in the second stage, a pair of second timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the second stage, and a pair of the first timing gears a first drive gear that meshes with one of the first timing gears; a second drive gear that meshes with one of the second timing gears of the pair of second timing gears; and a single drive shaft rotatably supporting the drive gear, wherein the first drive gear rotates so that the rotation speed of the rotor in the first stage is higher than the rotation speed of the rotor in the second stage. and the number of teeth of the second drive gear may be set.
また、第1の観点の前記多段ルーツ式ポンプの少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータと高圧側の前記圧縮要素における前記ロータとが、以下の条件(A)と条件(B)の少なくともいずれか一方を満足してもよい。
(A)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さが、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さよりも長い。
(B)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径が、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径よりも大きい。
Further, between at least one adjacent compression element of the multi-stage roots pump of the first aspect, the rotor in the compression element on the low pressure side and the rotor in the compression element on the high pressure side meet the following conditions ( At least one of A) and condition (B) may be satisfied.
(A) The length of the rotor in the compression element on the low pressure side is longer than the length of the rotor in the compression element on the high pressure side.
(B) the diameter of the rotor in the compression element on the low pressure side is larger than the diameter of the rotor in the compression element on the high pressure side;
この場合に、第1の観点の前記多段ルーツ式ポンプは、前記ロータを回転駆動する駆動機構をさらに備え、前記駆動機構は、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数を、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数と同一にしてもよい。 In this case, the multi-stage roots pump of the first aspect further comprises a drive mechanism for rotationally driving the rotor, wherein the drive mechanism changes the rotational speed of the rotor in the compression element on the low pressure side to It may be the same as the rotation speed of the rotor in the compression element.
前記駆動機構を備える第1の観点の前記多段ルーツ式ポンプにおいて、前記圧縮要素の数が2つであり、前記駆動機構が、1段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第1タイミングギヤと、2段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第2タイミングギヤと、1対の前記第1タイミングギヤのうち一方の前記第1タイミングギヤと、1対の前記第2タイミングギヤのうち一方の前記第2タイミングギヤの両方と噛み合う共通駆動ギヤと、前記共通駆動ギヤを回転可能に支持する駆動軸と、を有し、1段目の前記圧縮要素における前記ロータと2段目の前記圧縮要素における前記ロータとが、以下の条件(A)と条件(B)の少なくともいずれか一方を満足してもよい。
(A)1段目の前記圧縮要素における前記ロータの長さが、2段目の前記圧縮要素における前記ロータの長さよりも長い。
(B)1段目の前記圧縮要素における前記ロータの直径が、2段目の前記圧縮要素における前記ロータの直径よりも大きい。
In the multi-stage roots pump of the first aspect comprising the drive mechanism, the number of compression elements is two, and the drive mechanism is arranged so that the shaft ends of the two rotary shafts of the first stage are meshed with each other. A pair of first timing gears provided in the second stage, a pair of second timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the second stage, and a pair of the first timing gears a common drive gear that meshes with one of the first timing gear and one of the second timing gears of the pair of second timing gears; a drive shaft that rotatably supports the common drive gear; and the rotor in the compression element of the first stage and the rotor in the compression element of the second stage may satisfy at least one of the following conditions (A) and (B) .
(A) The length of the rotor in the compression element of the first stage is longer than the length of the rotor in the compression element of the second stage.
(B) The diameter of the rotor in the compression element of the first stage is larger than the diameter of the rotor in the compression element of the second stage.
また、第1の観点の前記多段ルーツ式ポンプは、前記ロータを回転駆動する駆動機構をさらに備え、前記駆動機構は、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数を、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数よりも高くし、かつ、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータと高圧側の前記圧縮要素における前記ロータとが、以下の条件(A)と条件(B)の少なくともいずれか一方を満足してもよい。
(A)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さが、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さよりも長い。
(B)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径が、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径よりも大きい。
Further, the multistage roots pump of the first aspect further includes a drive mechanism for rotationally driving the rotor, wherein the drive mechanism is arranged between at least one adjacent compression element such that, between the compression elements on the high pressure side, the The rotation speed of the rotor is higher than the rotation speed of the rotor in the compression element on the low pressure side, and between at least one adjacent compression element, the rotor in the compression element on the low pressure side and the rotor on the high pressure side The rotor in the compression element may satisfy at least one of the following conditions (A) and (B).
(A) The length of the rotor in the compression element on the low pressure side is longer than the length of the rotor in the compression element on the high pressure side.
(B) the diameter of the rotor in the compression element on the low pressure side is larger than the diameter of the rotor in the compression element on the high pressure side;
この場合に、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータと高圧側の前記圧縮要素における前記ロータとが、前記条件(A)と前記条件(B)の両方を満足してもよい。 In this case, between at least one adjacent compression element, the rotor in the compression element on the low pressure side and the rotor in the compression element on the high pressure side satisfy both the condition (A) and the condition (B) may be satisfied.
前記駆動機構を備える第1の観点の前記多段ルーツ式ポンプにおいて、前記圧縮要素の数が2つであり、前記駆動機構が、1段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第1タイミングギヤと、2段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第2タイミングギヤと、1対の前記第1タイミングギヤのうち一方の前記第1タイミングギヤと噛み合う第1駆動ギヤと、1対の前記第2タイミングギヤのうち一方の前記第2タイミングギヤと噛み合う第2駆動ギヤと、前記第1駆動ギヤと前記第2駆動ギヤとを回転可能に支持する単一の駆動軸と、を有し、2段目の前記ロータの回転数が1段目の前記ロータの回転数より高くなるように、前記第1駆動ギヤおよび前記第2駆動ギヤの歯数が設定されてもよい。 In the multi-stage roots pump of the first aspect comprising the drive mechanism, the number of compression elements is two, and the drive mechanism is arranged so that the shaft ends of the two rotary shafts of the first stage are meshed with each other. A pair of first timing gears provided in the second stage, a pair of second timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the second stage, and a pair of the first timing gears a first drive gear that meshes with one of the first timing gears; a second drive gear that meshes with one of the second timing gears of the pair of second timing gears; and a single drive shaft rotatably supporting the drive gear, wherein the first drive gear rotates so that the rotation speed of the rotor in the second stage is higher than the rotation speed of the rotor in the first stage. and the number of teeth of the second drive gear may be set.
また、本発明の第2の観点による多段ルーツ式ポンプは、互いに反対方向に回転可能な1対のロータと、前記1対のロータのそれぞれを回転可能に支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する複数段の圧縮要素と、ガスの吸込口および吐出口が設けられ、同じ段の前記圧縮要素が有する2本の前記回転軸を含む平面の法線方向に沿って複数段の前記圧縮要素が並列配置されるように前記圧縮要素を収容するケーシングと、前記ロータを回転駆動する駆動機構と、を備え、下記式(1):
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
(ただし、式(1)において、QthLは、隣接する2つの前記圧縮要素のうち低圧側の前記圧縮要素の移動容積であり、QthHは、隣接する2つの前記圧縮要素のうち高圧側の前記圧縮要素の移動容積である。)
で表される移動容積比RQが1以上であり、かつ、並列に配置された複数段の前記圧縮要素のうち、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において移動容積比RQが1より大きく、前記駆動機構は、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数を、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数よりも高くし、かつ、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータと高圧側の前記圧縮要素における前記ロータとが、以下の条件(A)と条件(B)の少なくともいずれか一方を満足する。
(A)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さが、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さよりも長い。
(B)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径が、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径よりも大きい。
A multi-stage roots-type pump according to a second aspect of the present invention comprises a pair of rotors rotatable in mutually opposite directions, and two rotary shafts rotatably supporting each of the pair of rotors. A plurality of stages of compression elements each independently provided, and a gas suction port and a gas discharge port are provided. A casing that houses the compression elements so that the compression elements are arranged in parallel, and a drive mechanism that rotationally drives the rotor, wherein the following formula (1):
RQ = QthL / QthH (1)
(However, in formula (1), Qth L is the movement volume of the compression element on the low pressure side of the two adjacent compression elements, and Qth H is the displacement of the compression element on the high pressure side of the two adjacent compression elements. is the displacement volume of the compression element.)
The moving volume ratio R Q is 1 or more, and the moving volume ratio R Q is greater than 1 between at least one adjacent compression element among the plurality of stages of compression elements arranged in parallel. , between at least one of the adjacent compression elements, the drive mechanism makes the rotation speed of the rotor in the compression element on the high pressure side higher than the rotation speed of the rotor in the compression element on the low pressure side; Between at least one adjacent compression element, the rotor in the compression element on the low pressure side and the rotor in the compression element on the high pressure side satisfy at least one of the following conditions (A) and (B): Be satisfied.
(A) The length of the rotor in the compression element on the low pressure side is longer than the length of the rotor in the compression element on the high pressure side.
(B) the diameter of the rotor in the compression element on the low pressure side is larger than the diameter of the rotor in the compression element on the high pressure side;
第2の観点の前記多段ルーツ式ポンプは、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータと高圧側の前記圧縮要素における前記ロータとが、前記条件(A)と前記条件(B)の両方を満足してもよい。 In the multi-stage roots pump of the second aspect, between at least one adjacent compression element, the rotor in the compression element on the low pressure side and the rotor in the compression element on the high pressure side meet the condition (A) and the above condition (B).
第2の観点の前記多段ルーツ式ポンプにおいて、前記圧縮要素の数が2つであり、前記駆動機構が、1段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第1タイミングギヤと、2段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第2タイミングギヤと、1対の前記第1タイミングギヤのうち一方の前記第1タイミングギヤと噛み合う第1駆動ギヤと、1対の前記第2タイミングギヤのうち一方の前記第2タイミングギヤと噛み合う第2駆動ギヤと、前記第1駆動ギヤと前記第2駆動ギヤとを回転可能に支持する単一の駆動軸と、を有し、2段目の前記ロータの回転数が1段目の前記ロータの回転数より高くなるように、前記第1駆動ギヤおよび前記第2駆動ギヤの歯数が設定されてもよい。 In the multi-stage roots pump of the second aspect, the number of compression elements is two, and the drive mechanism is a pair provided at the shaft ends of the two rotation shafts of the first stage so as to mesh with each other. a pair of second timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the second stage; and one of the pair of first timing gears, the first timing gear A first driving gear meshing with one timing gear, a second driving gear meshing with one of the second timing gears of the pair of second timing gears, and the first driving gear and the second driving gear are rotated. and a single drive shaft capable of supporting said first drive gear and said second drive such that the rotational speed of said rotor in a second stage is higher than the rotational speed of said rotor in a first stage. The number of gear teeth may be set.
第2の観点の多段ルーツ式ポンプにおいて、前記ケーシングが、隣接して配置された低圧側の前記圧縮要素と高圧側の前記圧縮要素の間に存在するガスを外部に吐出する少なくとも1つの中間吐出口をさらに有してもよい。 In the multi-stage roots-type pump of the second aspect, the casing has at least one intermediate discharge for discharging gas existing between the adjacent low-pressure side compression element and the high-pressure side compression element to the outside. It may further have an outlet.
第1および第2の観点による前記多段ルーツ式ポンプにおいて、前記ケーシングが、最後段の前記圧縮要素にガスが吸い込まれる吸込位置と前記吐出口との間に、前記圧縮要素内に冷却ガスを導入する第2冷却ガス導入口をさらに有してもよい。また、前記圧縮要素の配置のみにより、前記ケーシングの内部が前記圧縮要素と同数のポンプ作動領域に分割されていてもよく、複数の前記圧縮要素が、一体の前記ケーシング内に単一の段群として設けられていてもよい。 In the multi-stage roots pump according to the first and second aspects, the casing introduces cooling gas into the compression elements between a suction position where gas is sucked into the last stage compression element and the discharge port. You may further have the 2nd cooling gas introduction port which carries out. Alternatively, the interior of the casing may be divided into the same number of pump operating regions as the number of compression elements solely by the arrangement of the compression elements, and a plurality of the compression elements may be arranged in a single stage group within the integral casing. may be provided as
なお、本発明において、ロータの「長さ」とは、ロータの回転軸方向の長さのことをいう。また、本発明において、ロータの「直径」とは、ロータの回転軸に垂直な断面(ロータプロフィル)におけるロータの回転中心を中心とし、ロータの突出部の先端に接する円の直径のことをいう。 In the present invention, the "length" of the rotor means the length of the rotor in the rotation axis direction. Further, in the present invention, the "diameter" of the rotor refers to the diameter of a circle centered on the rotation center of the rotor in a cross section perpendicular to the rotation axis of the rotor (rotor profile) and in contact with the tip of the protruding portion of the rotor. .
本発明によれば、多段ルーツ式ポンプの設置面積を小さくできるとともに、脈動による騒音および振動を低減し、かつ、厳しい運転条件下でもロータとケーシングの内面との接触を防止できる。 According to the present invention, it is possible to reduce the installation area of the multi-stage roots pump, reduce noise and vibration due to pulsation, and prevent contact between the rotor and the inner surface of the casing even under severe operating conditions.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面においては、同一の符号が付された構成要素は、実質的に同一の構造または機能を有するものとする。また、本発明に係る多段ルーツ式ポンプは、技術的に矛盾しない限りにおいて、後述する第1実施形態およびその変更例、ならびに第2~第11実施形態のうちの少なくとも2以上の態様を組み合わせたものであってもよい。さらに、先行する実施形態で述べた事項は、技術的に矛盾しない限りにおいて、後続する変更例および実施形態にも適宜符号を読み替えて準用される。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In addition, in this specification and the drawings, constituent elements with the same reference numerals have substantially the same structure or function. In addition, the multi-stage roots pump according to the present invention is a combination of at least two aspects of the first embodiment and modifications thereof, and the second to eleventh embodiments, as long as there is no technical contradiction. can be anything. Furthermore, the matters described in the preceding embodiments are also applied mutatis mutandis to the following modified examples and embodiments by appropriately replacing the symbols as long as they are not technically inconsistent.
[本発明と先行技術との関係]
初めに、図44および45を参照しながら、先行技術に係る配管接続型および直列内装型の多段ルーツ式ポンプの構成および問題点を述べた後に、当該問題点を解決するためになされた本発明に係る多段ルーツ式ポンプの概要を述べる。
[Relationship between the present invention and prior art]
First, referring to FIGS. 44 and 45, the configuration and problems of the pipe connection type and series internal type multi-stage Roots type pumps according to the prior art will be described, and then the present invention will be made to solve the problems. The outline of the multi-stage roots type pump according to
(配管接続型多段ルーツ式ポンプ)
図44に示すように、配管接続型の多段ルーツ式ポンプの一例としての外装2段ルーツ式ポンプ50は、2台の単段ルーツ式ポンプ51、52が外部の配管53で直列に接続される構造を有する。
(Piping connection type multistage roots type pump)
As shown in FIG. 44 , an exterior two-stage roots-
<構成>
単段ルーツ式ポンプ51(以下、単に「単段ポンプ51」と記載する。)は低圧側のポンプであり、単段ルーツ式ポンプ52(以下、単に「単段ポンプ52」と記載する。)は高圧側のポンプである。例えば、外装2段ルーツ式ポンプ50を真空ポンプとして用いる場合、単段ポンプ51は真空側のポンプ、単段ポンプ52は大気圧側のポンプとなる。単段ポンプ51は、圧縮されるガスの吸込口51aを有し、単段ポンプ52は、圧縮されたガスの吐出口52aを有する。また、単段ポンプ51のケーシング内部に設けられたロータ(図示せず)の駆動軸51bの一端がモータ54に接続され、単段ポンプ52のケーシング内部に設けられたロータ(図示せず)の駆動軸52bの一端がモータ54に接続される。
<Configuration>
A single-stage roots-type pump 51 (hereinafter simply referred to as "single-
外装2段ルーツ式ポンプ50は、吸込口51aから吸い込まれたガスを1段目の単段ポンプ51で圧縮した後に、配管53を通して圧縮ガスを2段目の単段ポンプ52に移送し、単段ポンプ52で圧縮ガスをさらに大気圧または所望の圧力まで圧縮し、吐出口52aから圧縮ガスを排出する。
The exterior two-stage roots type pump 50 compresses the gas sucked from the
<問題点>
外装2段ルーツ式ポンプ50のような配管接続型の多段ルーツ式ポンプは、複数台の単段ルーツ式ポンプ(51、52)が外部の配管(53)で直列に接続される構造であることから、以下の問題を有する。第1に、複数台の単段ルーツ式ポンプ(51、52)分の広い設置面積が必要となる。第2に、ガスが複数台の単段ルーツ式ポンプ(51、52)を接続する配管(53)内を流れる際の圧力損失により、排気性能が低下し、かつ、ポンプ(51、52)を駆動するモータ(54)の消費動力が増加する。第3に、それぞれの単段ルーツ式ポンプ(51、52)において生じるガスの脈動により、2台の単段ルーツ式ポンプ(51、52)を接続する配管(53)の表面から騒音が発生するとともに、配管(53)が振動する。第4に、2台の単段ルーツ式ポンプ(51、52)を駆動する必要があるため、それぞれの単段ルーツ式ポンプ(51、52)の駆動軸(51b、52b)に軸封機構(図示せず)を設ける必要がある。
<Problems>
A pipe-connected multi-stage roots-type pump such as the exterior two-stage roots-
(直列内装型多段ルーツ式ポンプ)
図45に示すように、直列内装型多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ60は、ケーシング61の内部に、2組のロータ62、63が2本の回転軸64の軸方向に直列に配置される構造を有する。すなわち、直列内装型多段ルーツ式ポンプでは、2組のロータ62、63は、同軸上に配置される。
(In-line multi-stage roots type pump)
As shown in FIG. 45 , an internal two-stage roots-
<構成>
ケーシング61は、例えば、ロータ62の上方に圧縮されるガスの吸込口61aを有し、ロータ63の下方に圧縮されたガスの吐出口61bを有する。ロータ62、63は、それぞれ、回転軸64に回転可能に支持されており、互いに反対方向に回転する。2本の回転軸64のそれぞれの軸端にはタイミングギヤ65が取り付けられている。タイミングギヤ65の歯数は、2組のロータ62、63が同じ回転速度で回転するように設定される。また、回転軸64の両端部は、それぞれベアリング66A、66Bにより支持されている。回転軸64のタイミングギヤ65と反対側の軸端は、図示しないモータに接続される。
<Configuration>
The
また、内装2段ルーツ式ポンプ60は、ロータ62とロータ63とが同軸上に直列に配置されることから、1段目(低圧側)のロータ62で圧縮されたガスを2段目(高圧側)のロータ63に移送するためのガス流路67を有する。このガス流路67は、ロータ62の下方にロータ62の長手方向に延びた部分と、ロータ62とロータ63とに挟まれた鉛直方向に延びた部分とを有する。ガス流路67の鉛直方向に延びた部分は、ロータ62の端面とガス流路67とを仕切る仕切り板68Aと、ロータ63の端面とガス流路67とを仕切る仕切り板68Bとにより囲まれている。
In addition, since the rotor 62 and the
内装2段ルーツ式ポンプ60は、吸込口61aから吸い込まれたガスを1段目のロータ62で圧縮した後に、ガス流路67を通して圧縮ガスを2段目のロータ63に移送し、ロータ63で圧縮ガスをさらに大気圧または所望の圧力まで圧縮し、吐出口61bから圧縮ガスを排出する。
The internal two-stage roots-
<問題点>
内装2段ルーツ式ポンプ60のような直列内装型の多段ルーツ式ポンプは、複数段のロータ(62、63)を回転軸(64)の軸方向に沿って直列に配置する構造であることから、以下の問題を有する。第1に、軸方向に直列に配置された前段(低圧側)のロータ(62)から後段(高圧側)のロータ(63)にガスを移送するためのガス流路(67)が必要となる。そのガス流路(67)を設けるためには、各段のロータ(62、63)を含むポンプ作動領域間に仕切り板(68A、68B)を設けるなどしてケーシング(61)をポンプ作動領域の数に分割する必要がある。第2に、直列に配置された複数段のロータ(62、63)の長さの合計以上の回転軸(64)の長さが必要となることため、回転軸(64)が長くなる。例えば、内装2段ルーツ式ポンプ60では、1段目と2段目の間の移動容積比を1.6~1.8程度にする場合、回転軸64の長さは、2段目のロータ63の長さを1とすると、2.6~2.8よりも長い3程度の長さが必要となる。そのため、特に、大型の(ロータ長さが長い)ロータを設ける場合に剛性が低下する。第3に、回転軸(64)を両端で支持するベアリング(66A、66B)が、軸方向に直列に配置された複数のポンプ作動領域を挟むように設けられるため、ベアリング(66A、66B)間の距離が長くなる。ポンプの運転条件により各ポンプ作動領域の吸込圧力と吐出圧力の差圧が大きくなると、この差圧により、軸と直交する方向の大きな荷重が各ポンプ作動領域のロータ(62、63)に負荷される。この場合にベアリング(66A、66B)間の距離が長いと、荷重による回転軸(64)の撓みが大きくなり、ロータ(62、63)の外周面とケーシング(61)の内面との間の僅かなすき間が維持できなくなる。その結果、回転するロータ(62、63)の外周面とケーシング(61)の内面とが接触し、ポンプの作動が停止する。第4に、ガスの圧縮熱により回転軸(64)とロータ(62、63)の温度が上昇すると、回転軸(64)とロータ(62、63)が熱膨張する。このとき、ベアリング(66A、66B)間の距離が長いと、熱膨張により、軸受(66A)と軸受(66B)側のロータ(62、63)の端面位置が大きく変動する。したがって、ポンプの運転中にロータ(62、63)の端面とケーシング(61)の内面との接触を防止するためには、予め大きな熱膨張を見込んでロータ(62、63)とケーシング(61)の内面との間に広いすき間を設定しなければならない。その結果、充分なポンプの排気性能が得られない。第5に、回転軸(64)の長さが長いことから、ロータ(62、63)、ケーシング(61)等の加工および組立が難しくなり、加工精度や組立精度が低下する場合がある。このように、ロータ(62、63)、ケーシング(61)等の加工精度や組立精度が低いことなどにより、各段のポンプ作動領域間で、ロータ(62、63)およびケーシング(61)の位置合わせの精度が低いと、ロータ(62、63)相互間およびロータ(62、63)とケーシング(61)との間のすき間に影響が出る。そのため、ロータ(62、63)、ケーシング(61)等には、高い加工精度および組立精度が求められる。したがって、ロータ(62、63)とケーシング(61)の内面との間のすき間は、加工精度および組立精度の高さに応じて、ある程度余裕を持って広めに設定する必要がある。その結果、上記と同様に充分なポンプの排気性能が得られない。
<Problems>
A series-internal multi-stage roots-type pump such as the internal two-stage roots-
(本発明の好適な実施形態に係る多段ルーツ式ポンプ)
以上述べた配管接続型および直列内装型の多段ルーツ式ポンプにおける問題点を解決するために、本発明の好適な実施形態に係る多段ルーツ式ポンプは、主に、以下の(A)および(B)の特徴を有している。
(A)複数段(複数組)の圧縮要素(ロータ、回転軸等)を回転軸の軸方向に対して並列に配置すること
(B)並列に配置された複数段(複数組)の圧縮要素のうち、少なくとも1つの隣接する圧縮要素間の移動容積比RQ(下記式(1)を参照)を1より大きくすること
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
(Multistage roots pump according to preferred embodiment of the present invention)
In order to solve the problems of the pipe connection type and series internal type multistage roots type pumps described above, the multistage roots type pump according to a preferred embodiment of the present invention mainly includes the following (A) and (B). ).
(A) Arranging multiple stages (multiple sets) of compression elements (rotors, rotating shafts, etc.) in parallel with respect to the axial direction of the rotating shaft (B) Multiple stages (multiple sets) of compression elements arranged in parallel Among them, at least one moving volume ratio R Q (see formula (1) below) between adjacent compression elements should be greater than 1 R Q = Qth L /Qth H (1)
ただし、式(1)において、QthLは、隣接する2つの圧縮要素のうち低圧側の圧縮要素の移動容積であり、QthHは、隣接する2つの圧縮要素のうち高圧側の圧縮要素の移動容積である。 However, in equation (1), Qth L is the movement volume of the compression element on the low pressure side of the two adjacent compression elements, and Qth H is the movement volume of the compression element on the high pressure side of the two adjacent compression elements. Volume.
本発明の多段ルーツ式ポンプは、以上の特徴を有することにより、上述した配管接続型および直列内装型の多段ルーツ式ポンプと比較して、以下のような利点を有する。 The multistage Roots pump of the present invention has the above-described features, and thus has the following advantages compared to the above-described pipe connection type and series internal type multistage Roots pumps.
第1に、1つのケーシング内に複数の圧縮要素を並列に配置することで、配管接続型多段ルーツ式ポンプのように、単段ポンプを複数台直列に配置し、各単段ポンプ間を配管で接続する必要がなくなる。したがって、複数の単段ポンプおよび配管を設置するのに必要であったスペースが、ほぼ単段ポンプ1台分のスペースで済むため、設置面積の減少による省スペース化を実現できる。 First, by arranging multiple compression elements in parallel in one casing, multiple single-stage pumps can be arranged in series like a pipe-connected multi-stage roots pump, and pipes can be connected between each single-stage pump. no need to connect with Therefore, the space required for installing a plurality of single-stage pumps and pipes can be reduced to a space equivalent to approximately one single-stage pump, thereby realizing space saving by reducing the installation area.
第2に、配管接続型多段ルーツ式ポンプでは、ケーシングや各機械要素を包含するカバー等の構成部品の数は、ポンプ2台分必要となる。一方、本発明の多段ルーツ式ポンプでは、1つのケーシング内に複数の圧縮要素が配置されていることから、ケーシングや各機械要素を包含するカバー等の構成部品の数は、ポンプ1台分でよい。その結果、コストも大幅に削減できる。 Secondly, in the pipe-connected multi-stage roots pump, the number of component parts such as a casing and a cover containing each mechanical element is required for two pumps. On the other hand, in the multi-stage roots pump of the present invention, since a plurality of compression elements are arranged in one casing, the number of components such as a casing and a cover containing each mechanical element is reduced for one pump. good. As a result, costs can be significantly reduced.
第3に、配管接続型多段ルーツ式ポンプでは、単段ポンプの台数分だけ軸封機構を設けることが必要になるが、本発明の多段ルーツ式ポンプでは、ケーシングが1つであるため、多段ポンプであってもポンプ1台分の軸封機構を設けるだけでよい。 Thirdly, in the pipe-connected multi-stage roots pump, it is necessary to provide as many shaft sealing mechanisms as there are single-stage pumps. Even if it is a pump, it is enough to provide a shaft sealing mechanism for one pump.
第4に、本発明の多段ルーツ式ポンプでは、複数台の単段ポンプを接続する配管が不要となるため、配管から発生する騒音および振動、ならびにガスが配管を流れる際の圧力損失を低減できる。 Fourth, the multi-stage roots pump of the present invention does not require piping to connect a plurality of single-stage pumps, so noise and vibration generated from the piping and pressure loss when gas flows through the piping can be reduced. .
第5に、本発明の多段ルーツ式ポンプでは、1つのケーシング内に複数の圧縮要素を並列に配置することで、直列内装型多段ルーツ式ポンプのように、隣接する圧縮要素間の仕切り板(例えば、上述した仕切り板68A、68B)を設ける必要がなくなる。したがって、本発明によれば、ロータ等の圧縮要素の配置のみにより、ケーシングの内部を複数(圧縮要素の数)のポンプ作動領域に分割できる。
Fifth, in the multistage Roots pump of the present invention, by arranging a plurality of compression elements in parallel in one casing, partition plates ( For example, there is no need to provide the
第6に、本発明の多段ルーツ式ポンプでは、複数の圧縮要素が回転軸の軸方向に対して並列に配置されているため、直列内装型多段ルーツ式ポンプのように、回転軸やケーシングが長くなりすぎることがなく、回転軸が短くなる。したがって、回転軸やケーシングの剛性が低下したりすることはないという利点がある。特に、ポンプを大風量化しようとする場合には、この利点があることで有利となる。すなわち、ポンプの風量はロータの長さに比例することから、大風量化のためにはロータを長くする必要がある。この場合、直列内装型多段ルーツ式ポンプでは、複数の圧縮要素が同じ回転軸上に直列に配置されているため、回転軸が非常に長くなり、剛性が低下したり、装置の製作が困難になったりする。したがって、直列内装型多段ルーツ式ポンプでは、大風量化が困難であった。これに対して、本発明の多段ルーツ式ポンプでは、複数の圧縮要素が回転軸の軸方向に対して並列に配置されているため、ロータの長さを長くしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。 Sixthly, in the multi-stage Roots pump of the present invention, since a plurality of compression elements are arranged in parallel with respect to the axial direction of the rotary shaft, the rotary shaft and the casing are different from those of the series internal multi-stage Roots pump. The axis of rotation is shortened without being too long. Therefore, there is an advantage that the rigidity of the rotating shaft and casing is not lowered. In particular, this advantage is advantageous when the pump is intended to have a large air volume. That is, since the air volume of the pump is proportional to the length of the rotor, it is necessary to lengthen the rotor in order to increase the air volume. In this case, since multiple compression elements are arranged in series on the same rotating shaft, the rotating shaft becomes very long in the series internal multistage roots type pump, which reduces the rigidity and makes it difficult to manufacture the device. become. Therefore, it was difficult to increase the air volume with the series internal multi-stage Roots pump. On the other hand, in the multi-stage roots pump of the present invention, since a plurality of compression elements are arranged in parallel with respect to the axial direction of the rotary shaft, even if the length of the rotor is increased, the rigidity is lowered. Therefore, it is easy to increase the air volume.
第7に、直列内装型多段ルーツ式ポンプでは、複数の圧縮要素が同軸上に配置されているため、ケーシングとロータに高い加工精度および組立精度が求められ、ポンプ製作の難易度が上がる。例えば、各段のポンプ作動領域間で、ロータとケーシングの寸法を合わせたり、正確に位置合わせをしたりする必要がある。このような加工精度や組立精度が低くなると、ロータ相互間のすき間、およびロータとケーシング間のすき間を、余裕を持って広めに設定しておかなければならない等の影響が出る。これに対して、本発明の多段ルーツ式ポンプでは、複数の圧縮要素が別軸上に並列に配置されるため、各段のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプの性能上支障がない範囲で収まる。そのため、本発明の多段ルーツ式ポンプには、直列内装型多段ルーツ式ポンプと比較すると、それほど高い加工精度および組立精度は求められない、という利点がある。 Seventhly, since a plurality of compression elements are coaxially arranged in the series internal multistage roots pump, the casing and rotor require high machining and assembly accuracy, which increases the difficulty of manufacturing the pump. For example, the rotor and casing must be sized and precisely aligned between the pumping regions of each stage. If the machining accuracy and the assembly accuracy are lowered, the gap between the rotors and the gap between the rotor and the casing must be widened with a margin. In contrast, in the multi-stage Roots pump of the present invention, a plurality of compression elements are arranged in parallel on different axes, so that the dimensional accuracy and alignment accuracy between the pump operating regions of each stage are relatively high. Even if it is not necessary, it will be within a range that does not hinder the assembly and the performance of the pump. Therefore, the multi-stage roots pump of the present invention has the advantage that it does not require very high machining accuracy and assembly accuracy as compared with the series internal multi-stage roots pump.
<並列内装型多段ルーツ式ポンプ特有の課題とその解決手段の概要>
ここで、本発明者らが、複数段のロータ等の圧縮要素を回転軸の軸方向に対して並列に配置した多段ルーツ式ポンプ(以下、「並列内装型多段ルーツ式ポンプ」と記載する。)についてさらに検討したところ、上述した配管接続型多段ルーツ式ポンプおよび直列内装型多段ルーツ式ポンプと比べ、吐出ガスの温度が著しく上昇することを知見した。これは、前段(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに後段(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれ、後段の圧縮要素でさらに圧縮されて温度が上昇するためである。このような温度上昇は、多段ルーツ式ポンプの段数が増えるほどさらに顕著になる。このように、ガスの温度が著しく上昇する場合、この温度上昇によりロータおよびケーシングの熱膨張も大きくなる。そこで、この熱膨張により、ロータとケーシングとの間、または、ロータ相互間で接触することを防止するため、予め後段の圧縮要素におけるロータとケーシングとのすき間およびロータ相互間のすき間を、余裕を持って広めに設定する必要がある。その結果、後段の圧縮要素においてガスの漏れ量、すなわち、高圧側から低圧側に逆流するガスの量が増えるため、体積効率が低下する、という問題があることがわかった。ここで、多段ルーツ式ポンプの「体積効率」とは、多段ルーツ式ポンプの構造から導かれる理論風量に対する実際の風量の比率(実際の風量/理論風量)のことを意味する。
<Problems specific to parallel internal multi-stage roots pumps and overview of solutions>
Here, the present inventors have developed a multi-stage roots type pump in which compression elements such as multiple stages of rotors are arranged in parallel with respect to the axial direction of the rotating shaft (hereinafter referred to as a "parallel internal multi-stage roots type pump"). ), it was found that the temperature of the discharged gas rises significantly compared to the pipe-connected multistage roots pump and the in-line multistage roots pump. This is because the gas that has been compressed by the compression element in the front stage (low pressure side) and the temperature has risen is directly sucked into the compression element in the rear stage (high pressure side) without being dissipated, and is further compressed by the compression element in the rear stage and the temperature rises. to rise. Such a temperature rise becomes more pronounced as the number of stages of the multi-stage roots pump increases. Thus, if the temperature of the gas increases significantly, the increase in temperature will also increase the thermal expansion of the rotor and casing. Therefore, in order to prevent contact between the rotor and the casing or between the rotors due to this thermal expansion, the gap between the rotor and the casing in the latter compression element and the gap between the rotors should be increased in advance. It is necessary to hold it and set it wide. As a result, it was found that the amount of gas leaked from the compression element in the latter stage, that is, the amount of gas that flows back from the high pressure side to the low pressure side increases, so that there is a problem that the volumetric efficiency decreases. Here, the "volumetric efficiency" of the multistage roots pump means the ratio of the actual air volume to the theoretical air volume derived from the structure of the multistage roots pump (actual air volume/theoretical air volume).
また、後段の圧縮要素におけるガスの漏れ量、すなわち、後段の圧縮要素の吐出側(高圧側)から後段の圧縮要素の吸込側(低圧側)への漏れ量が多くなるほど、後段の圧縮要素の吸込圧力が上昇する。後段の圧縮要素の吸込圧力が上昇すると、後段の圧縮要素の吸込圧力(前段の圧縮要素の吐出圧力と等しい)と前段の圧縮要素の吸込圧力との差圧が大きくなる。その結果、前段の圧縮要素の軸動力も増大してしまう、という問題もあることがわかった。 In addition, the more the amount of gas leaked from the compression element in the latter stage, that is, the amount of leakage from the discharge side (high pressure side) of the compression element in the latter stage to the suction side (lower pressure side) of the compression element in the latter stage, the greater the amount of leakage of the compression element in the latter stage. Suction pressure increases. When the suction pressure of the post-stage compression element increases, the differential pressure between the suction pressure of the post-stage compression element (equal to the discharge pressure of the pre-stage compression element) and the suction pressure of the pre-stage compression element increases. As a result, it was found that there is also a problem that the shaft power of the compression element in the front stage also increases.
一方、複数の単段ルーツ式ポンプが配管で接続された配管接続型多段ルーツ式ポンプでは、前段(低圧側)の圧縮要素で圧縮されたガスは、ケーシングの外部に設けられた配管を通って後段(高圧側)の圧縮要素に移送される。また、複数段の圧縮要素を回転軸に沿って直列に配置した直列内装型多段ルーツ式ポンプでは、前段の圧縮要素で圧縮されたガスは、ケーシング内に設けられたガス流路を通って後段の圧縮要素に移送される。このように、配管接続型多段ルーツ式ポンプおよび直列内装型多段ルーツ式ポンプでは、前段の圧縮要素で圧縮されたガスは、後段の圧縮要素に直接吸い込まれずに、一旦配管やガス流路を通過する。そのため、前段の圧縮要素で圧縮されたガスは、配管やガス流路の通過中などに放熱されるため、複数の圧縮要素を軸方向に対して並列に配置した場合のように、ガスの顕著な温度上昇の問題が生じない。 On the other hand, in a pipe-connected multi-stage roots-type pump in which multiple single-stage roots-type pumps are connected by pipes, the gas compressed by the compression element in the previous stage (low-pressure side) passes through the pipes provided outside the casing. It is transferred to the compression element in the latter stage (high pressure side). Also, in a multi-stage Roots-type pump in which multiple stages of compression elements are arranged in series along the rotary shaft, the gas compressed by the compression elements of the previous stage passes through the gas flow path provided in the casing to the subsequent stage. of compression elements. In this way, in the pipe-connected multi-stage Roots pump and the in-line multi-stage Roots pump, the gas compressed by the front-stage compression element is not directly sucked into the rear-stage compression element, but once passes through the piping and gas flow path. do. As a result, the gas compressed by the preceding compression element radiates heat while passing through pipes and gas flow paths. temperature rise problem does not occur.
以上のように、本発明者らは、並列内装型多段ルーツ式ポンプでは、後段の圧縮要素におけるガスの顕著な温度上昇を起因とするガスの漏れ量の増加を抑制する、という新たな課題があることを見出した。この課題は、配管接続型多段ルーツ式ポンプおよび直列内装型多段ルーツ式ポンプなどにおいては生じない、並列内装型多段ルーツ式ポンプ特有の課題である。この課題が解決されれば、ガスの圧縮効率の低下を抑制し、かつ、前段の圧縮要素の軸動力を低下させることも可能となる。 As described above, the inventors of the present invention have found that the parallel internal multistage roots pump has a new problem of suppressing an increase in the amount of gas leakage caused by a significant temperature rise of the gas in the compression element of the latter stage. I found something. This problem is peculiar to parallel internal multistage roots pumps, which does not occur in pipe connection type multistage roots pumps or series internal multistage roots pumps. If this problem is solved, it will be possible to suppress the decrease in gas compression efficiency and reduce the shaft power of the compression element in the preceding stage.
そこで、後述する第1~第5実施形態に係る多段ルーツ式ポンプでは、前段(低圧側)の圧縮要素と後段(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に存在するガスを外部に排出し冷却した後に前段の圧縮要素内に戻す冷却機構を設けることにより、上述した課題を解決している。すなわち、この冷却機構を設けることにより、前段の圧縮要素により圧縮されたガスを一旦冷却した後に後段の圧縮要素に吸い込ませることができるため、後段の圧縮要素におけるガスの顕著な温度上昇を防止できる。したがって、第1~第5実施形態に係る多段ルーツ式ポンプによれば、後段の圧縮要素におけるガスの顕著な温度上昇を起因とするガスの漏れ量の増加を抑制できる。 Therefore, in the multi-stage roots pumps according to the first to fifth embodiments described later, the gas present in the intermediate position between the front-stage (low-pressure side) compression element and the rear-stage (high-pressure side) compression element is discharged to the outside. The above problem is solved by providing a cooling mechanism that returns the heat to the compression element in the preceding stage after cooling. That is, by providing this cooling mechanism, the gas compressed by the compression element of the preceding stage can be cooled once and then sucked into the compression element of the subsequent stage, so that a significant temperature rise of the gas in the compression element of the subsequent stage can be prevented. . Therefore, according to the multi-stage Roots pumps according to the first to fifth embodiments, it is possible to suppress an increase in the amount of gas leakage caused by a significant temperature rise of the gas in the compression element of the latter stage.
また、後述する第6~第9実施形態に係る多段ルーツ式ポンプでは、後段(高圧側)の圧縮要素に含まれるロータのサイズを前段(低圧側)の圧縮要素に含まれるロータのサイズよりも小さくすることにより、上述した課題を解決している。すなわち、後段のロータのサイズを小さくすることにより、後段のロータ自体の熱膨張を抑制できるため、ロータ同士およびロータとケーシング間のすき間を予め狭く設定できる。その結果、後段の圧縮要素におけるガスの漏れ量が低減する。したがって、第6~第9実施形態に係る多段ルーツ式ポンプによれば、後段の圧縮要素におけるガスの顕著な温度上昇を起因とするガスの漏れ量の増加を抑制できる。 Further, in the multi-stage roots pumps according to sixth to ninth embodiments described later, the size of the rotor included in the compression element in the latter stage (high pressure side) is set larger than the size of the rotor included in the compression element in the previous stage (low pressure side). The problem mentioned above is solved by making it small. That is, by reducing the size of the rear-stage rotor, the thermal expansion of the rear-stage rotor itself can be suppressed, so that the clearance between the rotors and between the rotor and the casing can be narrowed in advance. As a result, the amount of gas leaked from the compression element in the latter stage is reduced. Therefore, according to the multi-stage roots pumps according to the sixth to ninth embodiments, it is possible to suppress an increase in the amount of gas leaked due to a significant temperature rise of the gas in the compression element of the latter stage.
さらに、後述する第10および第11実施形態に係る多段ルーツ式ポンプでは、第1~第5実施形態における冷却機構および第6~第9実施形態における後段のロータのサイズの縮小という2つの解決手段を組み合わせることにより、上述した課題の解決をより確実にしている。 Furthermore, in the multi-stage roots-type pumps according to tenth and eleventh embodiments, which will be described later, there are two solutions: the cooling mechanism in the first to fifth embodiments, and the reduction in the size of the subsequent rotor in the sixth to ninth embodiments. By combining the above, the above-mentioned problems can be solved more reliably.
以下、上述した課題を解決する本発明の好適な実施形態として、第1~第11実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの構成、動作および作用効果を述べる。ここで、本明細書において「ポンプ」とは、ブロワ及び真空ポンプを含む概念である。また、ブロワとは、大気圧のガスを吸い込んで大気圧以上の圧力まで圧縮して吐き出す装置であり、真空ポンプとは、大気圧以下の圧力でガスを吸い込んで大気圧まで圧縮して吐き出す装置である。 Hereinafter, as preferred embodiments of the present invention for solving the above-described problems, the configuration, operation and effects of multi-stage roots pumps according to the first to eleventh embodiments will be described. Here, the term "pump" as used herein is a concept including a blower and a vacuum pump. A blower is a device that draws in gas at atmospheric pressure, compresses it to a pressure above the atmospheric pressure, and then discharges it. A vacuum pump is a device that draws in gas at a pressure below the atmospheric pressure, compresses it to atmospheric pressure, and discharges it. is.
[第1実施形態]
図1~図6Cを参照しながら、本発明の第1実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図1は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ100(以下、「ポンプ100」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図2、図3および図4は、それぞれ、図1のII-II線、III-III線およびIV-IV線で切断した断面図である。図5A~図5Eは、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプによるガスの圧縮方法を示す説明図である。図6A~図6Eは、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプによるガスの冷却方法を示す説明図である。
[First embodiment]
A multi-stage roots pump according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6C. FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 100 (hereinafter abbreviated as "pump 100") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 2, 3 and 4 are cross-sectional views taken along lines II-II, III-III and IV-IV of FIG. 1, respectively. 5A to 5E are explanatory diagrams showing a method of compressing gas by the multi-stage roots pump according to this embodiment. 6A to 6E are explanatory diagrams showing a gas cooling method using the multistage roots pump according to the present embodiment.
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図1~図4に示すように、ポンプ100は、回転圧縮機の一種である2段ルーツ式ポンプであり、ケーシング110と、2段(2組)の圧縮要素と、駆動機構と、冷却機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 1 to 4, the
<ケーシング>
ケーシング110には、ポンプ100により圧縮されるガスの吸込口111および吐出口113が設けられている。本実施形態では、吸込口111は、ケーシング110の鉛直方向上部に、吐出口113は、ケーシング110の鉛直方向下部に設けられている。すなわち、ポンプ100は、下部垂直吐出しの形式である。このような場合のみならず、吸込口111および吐出口113は、吸込口111から導入されたガスが、1段目の圧縮要素および2段目の圧縮要素で圧縮された後に吐出口113から排出されるような位置に設けられていればよい。例えば、吸込口111がケーシング110の鉛直方向の上部、吐出口113がケーシング110の側面に設けられていてもよい(下部水平吐出し方式であってもよい)。また、ポンプ100は立て形のポンプであるが、横形のポンプを用い、当該ポンプにおいて吸込口および吐出口がケーシングの側面に設けられていてもよい。
<Casing>
The
また、詳しくは後述するように、ケーシング110は、同じ段の圧縮要素が有する2本の回転軸122、122を含む仮想平面または2本の回転軸132、132を含む仮想平面の法線方向に沿って、2段の圧縮要素が並列配置されるように圧縮要素を収容する。このように、本実施形態では、回転軸122、132の軸方向に対して並列に配置された複数段の圧縮要素が単一のケーシング110に内装されており、各圧縮要素を接続する外部の配管や内部のガス流路などは特に設けられていない。そのため、前段(本実施形態では1段目)の圧縮要素で圧縮されて吐き出されたガスは、後段(本実施形態では2段目)の圧縮要素に直接(そのまま)吸い込まれる。
In addition, as will be described later in detail, the
ケーシング110の素材は、ケーシング110が十分な強度と剛性を有するようなものであれば特に制限はされないが、例えば、鋳鉄(FC)、ダクタイル鋳鉄(FCD)、機械構造用炭素鋼鋼材(SC)などが使用できる。
The material of the
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング110内に、吸込口111側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口113側に位置する2段目(高圧側)の圧縮要素の、2段の圧縮要素とが設けられている。2段の圧縮要素間には、上述した直列内装型多段ルーツ式ポンプ(図45を参照)のように、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング110内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ121、121と、2本の回転軸122、122とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ131、131と、2本の回転軸132、132とを有する。
<Compression element>
As the compression element of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図2に示すように、ロータ121は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部121a、121b、121cを有する形状である。また、各突出部121a、121b、121cの間には、凹部121dが設けられている。同様に、ロータ131も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部131a、131b、131cを有する形状である。また、各突出部131a、131b、131cの間には、凹部131dが設けられている。
As shown in FIG. 2, the
1対のロータ121、121は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸122、122は、1対のロータ121、121を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸122、122は、2つのベアリング123A、123Bにより支持されている。同様に、1対のロータ131、131は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸132、132は、1対のロータ131、131を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸132、132は、2つのベアリング133A、133Bにより支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸122と回転軸132とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ131について、ロータ121と重複する説明を省略し、ロータ121の内容を適宜読み替えるものとする。
The pair of
1対のロータ121、121同士およびロータ121とケーシング110の内面110aとが接触しないように、各々のロータ121、121同士の間および突出部121a、121b、121cの先端(葉端)とケーシング110の内面110aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ121が配置される。このすき間は、必要な圧縮比に応じて、ケーシング110とロータ121の2片の突出部により囲まれた空間の十分な密閉性が保たれるように設定すればよいが、可能な限り小さいことが好ましい。具体的には、上記のすき間は、例えば、3mm以下であることが好ましく、1mm以下であることがより好ましい。以下、この十分な密閉性が保たれたわずかなすき間を有する状態を「シール」された状態と称することとする。各々のロータ121、121は、後述するタイミングギヤ161A、161Bにより回転位相が維持されており、ロータ121の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。したがって、ロータの回転の高速化が図れ、摩耗がないため内部潤滑も不要となる。同様に、ロータ131は、対となるロータ131およびケーシング110の内面110dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ131、131は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。
Between the
ここで、1対のロータ121、121の突出部121a、121b、121cのそれぞれが、該ロータ121を支持する回転軸122の中心を回転中心として、回転角度が115度以上の範囲で、ケーシング110aの内面との間でシールされた状態を保つことが好ましい。そのためには、ケーシング110の1段目(低圧側)の内面110aの吸込口111側の端部110bおよびロータ121の回転中心を結ぶ線分と、内面110aの2段目(高圧側)の圧縮要素側の端部110cおよびロータ121の回転中心とを結ぶ線分とのなす角θが、115度以上の範囲となるようにケーシング110の形状を設定すればよい。このことは、1対のロータ131、131についても同様であり、ケーシング110の2段目の内面110dの1段目の圧縮要素側の端部110eおよびロータ131の回転中心を結ぶ線分と、内面110aの吐出口113側の端部110fおよびロータ131の回転中心とを結ぶ線分とのなす角θが、115度以上の範囲となるようにケーシング110の形状を設定することが好ましい。これにより、ロータ121、131により圧縮されたガスが、吸込口111側に逆流することを防止でき、その結果、十分にシールされた状態が保たれる。角θが115度以上の範囲となるように設定されることが好ましい点については、後述する各実施形態でも同様である。
Here, each of the protruding
ポンプ100では、1段目の圧縮要素であるロータ121、回転軸122等と、2段目の圧縮要素であるロータ131、回転軸132等とは、単一のケーシング110内において、同じ段の2本の回転軸122、122(または2本の回転軸132、132)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ121と2段目のロータ131とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口111、1段目のロータ121、2段目のロータ131および吐出口113が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口111からケーシング110内に導入されると(図2の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ121により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図2の矢印Gm)。ロータ121により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ131により圧縮された後に、そのまま吐出口113からケーシング110外に排出される(図2の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ100によれば、単一のケーシング110内において、1段目のロータ121と2段目のロータ131とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、直列内装型多段ルーツ式ポンプと異なり、1段目の圧縮要素(ロータ121)と2段目の圧縮要素(ロータ131)との間に仕切りを設けなくても、ロータ121、131の配置自体で、2段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、2段のロータを有する場合、ロータ2つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ100では、ロータ121とロータ131とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。したがって、回転軸122、132やケーシング110の剛性の低下を抑制できる。特に、ポンプ100を大風量化するためにロータ121、131の長さを長くしたとしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。さらに、1段目と2段目のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプ100の性能上支障がない範囲で収まるため、それほど高い加工精度および組立精度は求められない。
Thus, according to the
また、後述するように、1段目のロータ121の長さL1と、2段目のロータ131の長さL2とが同じ長さ(L1=L2)にできる。したがって、本実施形態のポンプ100によれば、1段目のロータ121と2段目のロータ131に同じロータ(形状および大きさが同じロータ)を使用できるので、部品の種類が減らせるとともに、同じロータを使用できることから組立が容易になるというメリットがある。その結果、生産効率の向上やコストの削減につながる。
Further, as will be described later, the length L1 of the
なお、ロータ121、131の素材としては、高精度の加工が容易なものが好適であり、例えば、鋳鉄(FC)、ダクタイル鋳鉄(FCD)などが使用できる。
As the material for the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ100では、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ121)と2段目の圧縮要素(ロータ131)との間において、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
In the
RQ = QthL / QthH (1)
ただし、式(1)において、QthLは、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素のうち低圧側の圧縮要素(本実施形態では1段目の圧縮要素)の移動容積であり、QthHは、高圧側の圧縮要素(本実施形態では2段目の圧縮要素)の移動容積である。 However, in formula (1), Qth L is the displacement volume of the low-pressure side compression element (first-stage compression element in this embodiment) of the first-stage compression element and the second-stage compression element, Qth H is the displacement volume of the high pressure side compression element (the second stage compression element in this embodiment).
ここで、再び図1および図2を参照しながら、移動容積比RQの詳細を述べる。まず、本実施形態における移動容積(Displacement)Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング110とロータ121またはロータ131とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。なお、JIS B0132:2005によれば、押しのけ量とは、圧縮要素(本実施形態では、ロータ121、131)によって押しのけられる単位時間当たりの容積のことである。また、圧縮要素(本実施形態では、ロータ121、131)によって押しのけられる1回転当たりの容積を、押しのけ容積Vthともいう。すなわち、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the details of the displacement volume ratio RQ will be described with reference to FIGS. 1 and 2 again. First, the displacement Qth in the present embodiment is a so-called displacement amount, which is proportional to the rotational speed N and is the theoretical volume per time of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さである。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸122、132に垂直な断面における断面積である。
However, in equation (2), A is the area of movement per revolution, and L is the length of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in the cross-section perpendicular to the axis of
本実施形態のポンプ100における移動容積比RQは、以下のようにして計算される。まず、1段目のロータ121を例に挙げると、左右1対のロータ121、121が1回転する毎に、それぞれ、ガスの吸い込みと吐き出しが6回(左側のロータ121と右側のロータ121とで、それぞれ3回ずつ)繰り返される。2段目のロータ131についても同様である。ここで、図2に示すように、ロータ121の2片の突出部(例えば、突出部121aと突出部121b)とケーシング110の内面110aとで囲まれる空間の回転軸122に垂直な断面の断面積をS1とすると、1段目(低圧側)の圧縮要素の移動面積A1は、A1=6×S1となる。同様に、ロータ131の2片の突出部(例えば、突出部131bと突出部131c)とケーシング110の内面110dとで囲まれる空間の回転軸132に垂直な断面の断面積をS2とすると、2段目(高圧側)の圧縮要素の移動面積A2は、A2=6×S2となる。以上より、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、下記式(3)で表される。
The displacement volume ratio RQ in the
ただし、式(3)において、Qth1は1段目の圧縮要素の移動容積、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、N1は1段目のロータ121の回転数、N2は2段目のロータ131の回転数を表す。ここで、ロータ121とロータ131の直径および形状は同一である。したがって、1段目の移動面積A1と2段目の移動面積A2は等しい。また、図1に示すように、ロータ121の長さL1とロータ131の長さL2は等しい。よって、上記式(3)は、以下の式(3-1)のように書き替えられる。
However, in equation (3), Qth1 is the movement volume of the first stage compression element, Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, N1 is the rotation speed of the
したがって、本実施形態では、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2を1より大きくするためには、1段目のロータ121の回転数N1を2段目のロータ131の回転数N2よりも高くすればよい(N1>N2)。このように、本実施形態では、1段目の圧縮要素の回転数N1と2段目の圧縮要素の回転数N2の回転数比(N1/N2)により、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2が決定される。これにより、1段目のロータ121の長さL1と2段目のロータ131の長さL2とを同一にできるので、1段目のロータ121と2段目のロータ131とをポンプ100の部品として共通化できる。その結果、部品の種類が減らせるので、生産効率の向上やコストの削減につながる。また、通常は、50Hz対応のモータと60Hz対応のモータとでは、異なる性能を有するポンプを用いることが必要となるが、本実施形態のポンプ100によれば、駆動ギヤ165および駆動ギヤ166の減速比を変えることで、50Hz対応のモータと60Hz対応のモータの両方に共通して用いることができる。さらに、駆動ギヤ165および駆動ギヤ166の減速比を変え、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の回転数比を調整することで、移動容積比RQ1-2が変わるので、ポンプ100の風量が容易に調整できる。
Therefore, in this embodiment, in order to make the moving volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage greater than 1, the rotational speed N1 of the
一方、配管接続型2段ルーツ式ポンプにおいて移動容積比を1以上にしたい場合には、ロータ長さが異なる2つの単段のポンプを直列に配置することになる。そのため、装置が非常に大型化してしまう。また、直列内装型2段ルーツ式ポンプにおいて移動容積比を1以上にしたい場合には、回転数比を変えることができないので、長さが異なる2組のロータを同軸上に直列に配置することになる。そのため、ロータの回転軸が非常に長くなってしまう。本実施形態のポンプ100によれば、これらの問題点も解決できる。
On the other hand, in a pipe-connected two-stage roots-type pump, if the moving volume ratio is to be 1 or more, two single-stage pumps with different rotor lengths are arranged in series. As a result, the device becomes very large. In addition, if it is desired to increase the moving volume ratio to 1 or more in a two-stage roots type pump of in-line internal type, it is necessary to arrange two sets of rotors of different lengths coaxially in series, since the rotational speed ratio cannot be changed. become. Therefore, the rotating shaft of the rotor becomes very long. According to the
一般に、単段ルーツ式ポンプでは、その軸動力は、吸込口と吐出口における圧力差とその移動容積で決まる。詳細には、単段ルーツ式ポンプの理論軸動力Lth(s)は、以下の式(4-1)に示すように、単段ルーツ式ポンプの移動容積Qthsと、吐出圧力Psと吸込圧力Pdの差ΔP(ΔP=Pd-Ps)との積となる。したがって、単段ルーツ式ポンプでは、吐出圧力と吸込圧力の差(ΔP)を一定とすると、移動容積(Qths)に比例した軸動力が必要となる。
Lth(s)=Qths×ΔP ・・・(4-1)
In general, in a single-stage roots pump, its shaft power is determined by the pressure difference between the suction port and the discharge port and its displacement volume. Specifically, the theoretical shaft power Lth(s) of a single-stage Roots pump is calculated by the moving volume Qths of the single-stage Roots pump, the discharge pressure Ps, and the suction pressure Pd, as shown in the following equation (4-1). ΔP (ΔP=Pd−Ps). Therefore, if the difference (ΔP) between the discharge pressure and the suction pressure is constant, the single-stage roots pump requires shaft power proportional to the displacement (Qths).
Lth(s)=Qths×ΔP (4-1)
一方、多段ルーツ式ポンプの軸動力Lth(m)は、以下の式(4-2)に示すように、多段ルーツ式ポンプの段数iをn段とすると、各段における吐出圧力と吸込圧力の差ΔPiと移動容積Qthiとの積の総和となる。 On the other hand, as shown in the following equation (4-2), the shaft power Lth (m) of the multi-stage roots pump is calculated as follows: Assuming that the number of stages i of the multi-stage roots pump is n, the difference between the discharge pressure and the suction pressure at each stage is: It is the sum of the products of the difference ΔPi and the movement volume Qthi.
例えば、2段ルーツ式ポンプの理論駆動力Lth(2)は、以下の式(4-3)で表される。ただし、Lth1およびLth2は、それぞれ、式(4-4)および式(4-5)で表される。
Lth(2)=Lth1+Lth2 ・・・(4-3)
Lth1=Qth1×ΔP1 ・・・(4-4)
Lth2=Qth2×ΔP2 ・・・(4-5)
For example, the theoretical driving force Lth(2) of a two-stage roots pump is expressed by the following equation (4-3). However, Lth1 and Lth2 are represented by equations (4-4) and (4-5), respectively.
Lth(2)=Lth1+Lth2 (4-3)
Lth1=Qth1×ΔP1 (4-4)
Lth2=Qth2×ΔP2 (4-5)
ただし、式(4-3)、(4-4)および(4-5)において、Lth1は1段目のポンプの理論動力、Lth2は2段目のポンプの理論動力、Qth1は1段目のポンプの移動容積、Qth2は2段目のポンプの移動容積、ΔP1は2段目の吸込圧力Ps2(2段目の吸込圧力Ps2は、1段目の吐出圧力と等しい。)と1段目の吸込圧力Ps1との差(ΔP1=Ps2-Ps1)、ΔP2は吐出圧力Pdと2段目の吸込圧力Ps2との差(ΔP2=Pd-Ps2)である。 However, in equations (4-3), (4-4) and (4-5), Lth1 is the theoretical power of the first stage pump, Lth2 is the theoretical power of the second stage pump, and Qth1 is the first stage The movement volume of the pump, Qth2 is the movement volume of the second stage pump, ΔP1 is the second stage suction pressure Ps2 (the second stage suction pressure Ps2 is equal to the first stage discharge pressure) and the first stage The difference from the suction pressure Ps1 (ΔP1=Ps2−Ps1), and ΔP2 is the difference between the discharge pressure Pd and the second stage suction pressure Ps2 (ΔP2=Pd−Ps2).
ここで、2段ルーツ式ポンプの排気性能を単段ルーツ式ポンプの排気性能と同じ性能にする場合、単段ルーツ式ポンプの吸込圧力Psと2段ルーツ式ポンプの1段目の吸込圧力Ps1とは等しいことから、Pd-Ps=(Pd-Ps2)+(Ps2-Ps1)となり、以下の式(4-6)の関係が成り立つ。すなわち、吐出圧力Pdと吸込圧力Psとの差ΔPが、ΔP1とΔP2の合計となる。したがって、2段ルーツ式ポンプでは、単段ルーツ式ポンプの昇圧分(ΔP)を、1段目のポンプの昇圧分(ΔP1)と2段目のポンプの昇圧分(ΔP2)とで分担して昇圧できる。
ΔP=ΔP1+ΔP2 ・・・(4-6)
Here, when the exhaust performance of the two-stage roots pump is the same as that of the single stage roots pump, the suction pressure Ps of the single stage roots pump and the first stage suction pressure Ps1 of the two stage roots pump is equal to , Pd-Ps=(Pd-Ps2)+(Ps2-Ps1), and the following equation (4-6) holds. That is, the difference ΔP between the discharge pressure Pd and the suction pressure Ps is the sum of ΔP1 and ΔP2. Therefore, in the two-stage roots type pump, the pressure increase (ΔP) of the single stage roots type pump is divided between the pressure increase (ΔP1) of the first stage pump and the pressure increase (ΔP2) of the second stage pump. It can be boosted.
ΔP=ΔP1+ΔP2 (4-6)
また、2段ルーツ式ポンプの排気性能を単段ルーツ式ポンプの排気性能と同じ性能にする場合、以下の式(4-7)の関係を満たす。
Qths=Qth1 ・・・(4-7)
Further, when the pumping performance of the two-stage roots pump is the same as that of the single-stage roots pump, the relationship of the following equation (4-7) is satisfied.
Qths=Qth1 (4-7)
このとき、1段目と2段目の移動容積比RQ1-2(=Qth1/Qth2)が1より大きいと、すなわち、2段目の移動容積Qth2が1段目の移動容積Qth1よりも小さいと、上述の通り、軸動力は移動容積に比例するため、小さくなった移動容積分に比例して軸動力を低減できる。具体的には、移動容積比RQ1-2が1より大きい2段ルーツ式ポンプは、1段目の移動容積Qth1と2段目の移動容積Qth2の差ΔQth1-2(=Qth1-Qth2)とΔP2との積(ΔQth1-2×ΔP2)の分だけ、同じ排気性能の単段ルーツ式ポンプよりも軸動力を低減できる。 At this time, if the movement volume ratio R Q1-2 (=Qth1/Qth2) between the first stage and the second stage is greater than 1, that is, the movement volume Qth2 of the second stage is smaller than the movement volume Qth1 of the first stage. Then, as described above, since the shaft power is proportional to the movement volume, the shaft power can be reduced in proportion to the reduced movement volume. Specifically, in a two-stage roots-type pump in which the moving volume ratio R Q1-2 is greater than 1, the difference ΔQth 1-2 (=Qth1-Qth2) between the moving volume Qth1 of the first stage and the moving volume Qth2 of the second stage is and ΔP2 (ΔQth 1−2 ×ΔP2), the shaft power can be reduced compared to a single-stage roots pump with the same exhaust performance.
同様に、例えば、3段ルーツ式ポンプの理論駆動力Lth(3)は、以下の式(4-8)で表される。ただし、Lth1、Lth2およびLth3は、それぞれ、式(4-9)、式(4-10)および式(4-11)で表される。
Lth(3)=Lth1+Lth2+Lth3 ・・・(4-8)
Lth1=Qth1×ΔP1 ・・・(4-9)
Lth2=Qth2×ΔP2 ・・・(4-10)
Lth3=Qth3×ΔP3 ・・・(4-11)
Similarly, for example, the theoretical driving force Lth(3) of a three-stage roots pump is represented by the following equation (4-8). However, Lth1, Lth2 and Lth3 are represented by equations (4-9), (4-10) and (4-11), respectively.
Lth(3)=Lth1+Lth2+Lth3 (4-8)
Lth1=Qth1×ΔP1 (4-9)
Lth2=Qth2×ΔP2 (4-10)
Lth3=Qth3×ΔP3 (4-11)
ただし、式(4-8)、(4-9)、(4-10)および(4-11)において、Lth1は1段目のポンプの理論動力、Lth2は2段目のポンプの理論動力、Lth3は3段目のポンプの理論動力、Qth1は1段目のポンプの移動容積、Qth2は2段目のポンプの移動容積、Qth3は3段目のポンプの移動容積、ΔP1は2段目の吸込圧力Ps2(2段目の吸込圧力Ps2は、1段目の吐出圧力と等しい。)と1段目の吸込圧力Ps1との差(ΔP1=Ps2-Ps1)、ΔP2は3段目の吸込圧力Ps3(3段目の吸込圧力Ps3は、2段目の吐出圧力と等しい。)と2段目の吸込圧力Ps2との差(ΔP2=Ps3-Ps2)、ΔP3は吐出圧力Pdと3段目の吸込圧力Ps3との差(ΔP3=Pd-Ps3)である。 However, in formulas (4-8), (4-9), (4-10) and (4-11), Lth1 is the theoretical power of the first-stage pump, Lth2 is the theoretical power of the second-stage pump, Lth3 is the theoretical power of the third-stage pump, Qth1 is the displacement of the first-stage pump, Qth2 is the displacement of the second-stage pump, Qth3 is the displacement of the third-stage pump, and ΔP1 is the second-stage pump. The difference between the suction pressure Ps2 (the suction pressure Ps2 of the second stage is equal to the discharge pressure of the first stage) and the suction pressure Ps1 of the first stage (ΔP1=Ps2−Ps1), and ΔP2 is the suction pressure of the third stage. The difference between Ps3 (the suction pressure Ps3 of the third stage is equal to the discharge pressure of the second stage) and the suction pressure Ps2 of the second stage (ΔP2=Ps3−Ps2), ΔP3 is the discharge pressure Pd and the third stage It is the difference (ΔP3=Pd−Ps3) from the suction pressure Ps3.
ここで、3段ルーツ式ポンプの排気性能を単段ルーツ式ポンプの排気性能と同じ性能にする場合、単段ルーツ式ポンプの吸込圧力Psと2段ルーツ式ポンプの1段目の吸込圧力Ps1とは等しいことから、2段ルーツ式ポンプの場合と同様に、以下の式(4-12)の関係が成り立つ。すなわち、吐出圧力Pdと吸込圧力Psとの差ΔPが、ΔP1とΔP2とΔP3の合計となる。したがって、3段ルーツ式ポンプでは、単段ルーツ式ポンプの昇圧分(ΔP)を、1段目のポンプの昇圧分(ΔP1)と2段目のポンプの昇圧分(ΔP2)と3段目のポンプの昇圧分(ΔP3)とで分担して昇圧できる。
ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3 ・・・(4-12)
Here, when the pumping performance of the three-stage roots type pump is the same as that of the single-stage roots type pump, the suction pressure Ps of the single-stage roots type pump and the suction pressure Ps1 of the first stage of the two-stage roots type pump are is equal to , the relationship of the following equation (4-12) holds as in the case of the two-stage roots pump. That is, the difference ΔP between the discharge pressure Pd and the suction pressure Ps is the sum of ΔP1, ΔP2, and ΔP3. Therefore, in the three-stage roots pump, the pressure increase (ΔP) of the single-stage roots pump is divided into the pressure increase of the first stage pump (ΔP1), the pressure increase of the second stage pump (ΔP2), and the pressure increase of the third stage pump (ΔP2). The pressure can be increased by sharing with the pressure increase of the pump (.DELTA.P3).
ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3 (4-12)
また、3段ルーツ式ポンプの排気性能を単段ルーツ式ポンプの排気性能と同じ性能にする場合、2段ルーツ式ポンプの場合と同様に、以下の式(4-7)の関係を満たす。
Qths=Qth1 ・・・(4-7)
Further, when the pumping performance of the three-stage roots pump is the same as the pumping performance of the single stage roots pump, the relationship of the following equation (4-7) is satisfied as in the case of the two-stage roots pump.
Qths=Qth1 (4-7)
このとき、1段目と2段目の移動容積比RQ1-2(=Qth1/Qth2)が1より大きく、かつ、2段目と3段目の移動容積比RQ2-3(=Qth2/Qth3)が1より大きいと、すなわち、2段目の移動容積Qth2が1段目の移動容積Qth1よりも小さく、かつ、3段目の移動容積Qth3が2段目の移動容積Qth2よりも小さいと、上述の通り、軸動力は移動容積に比例するため、小さくなった移動容積分に比例して軸動力を低減できる。具体的には、移動容積比RQ1-2が1より大きく、かつ、移動容積比RQ2-3が1より大きい3段ルーツ式ポンプは、1段目の移動容積Qth1と2段目の移動容積Qth2の差ΔQth1-2(=Qth1-Qth2)とΔP2との積(ΔQth1-2×ΔP2)に加え、2段目の移動容積Qth2と3段目の移動容積Qth3の差ΔQth2-3(=Qth2-Qth3)とΔP3との積(ΔQth2-3×ΔP3)の分だけ、同じ排気性能の単段ルーツ式ポンプよりも軸動力を低減できる。 At this time, the moving volume ratio R Q1-2 (=Qth1/Qth2) between the first stage and the second stage is greater than 1, and the moving volume ratio R Q2-3 (=Qth2/ Qth3) is greater than 1, that is, if the second-stage movement volume Qth2 is smaller than the first-stage movement volume Qth1 and the third-stage movement volume Qth3 is smaller than the second-stage movement volume Qth2 , As described above, since the shaft power is proportional to the movement volume, the shaft power can be reduced in proportion to the reduced movement volume. Specifically, a three-stage roots-type pump in which the moving volume ratio R Q1-2 is greater than 1 and the moving volume ratio R Q2-3 is greater than 1 has a moving volume Qth1 in the first stage and a moving volume Qth1 in the second stage. In addition to the product of the difference ΔQth 1-2 (=Qth1-Qth2) of the volume Qth2 and ΔP2 (ΔQth 1-2 ×ΔP2), the difference ΔQth 2− between the second stage movement volume Qth2 and the third stage movement volume Qth3 3 (= Qth2 -Qth3) and .DELTA.P3 (.DELTA.Qth.sub.2-3.times..DELTA.P3) can reduce shaft power compared to a single-stage roots pump with the same exhaust performance.
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ100の駆動軸167の軸動力を低減できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図1、図3および図4に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ161(161A、161B)と、1対の第2タイミングギヤ162(162A、162B)と、第1駆動ギヤ165と、第2駆動ギヤ166と、モータ入力軸である単一の駆動軸167と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIGS. 1, 3 and 4, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 161 (161A, 161B), a pair of second timing gears 162 (162A, 162B), and , a
1対の第1タイミングギヤ161A、161Bは、1段目の2本の回転軸122の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ121、121の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ162A、162Bは、2段目の2本の回転軸132の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ131、131の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。
A pair of first timing gears 161A and 161B are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
ここで、1対のロータ121、121(または1対のロータ131、131)の回転位相がずれると、1対のロータ121、121(または1対のロータ131、131)同士が接触してしまうおそれがある。そのため、第1タイミングギヤ161および第2タイミングギヤ162の素材としては、例えば、クロムモリブデン鋼などのような強度および硬度に優れる材料を使用することが好ましい。また、クロムモリブデン鋼を使用して所望のタイミングギヤの形状に加工した後に、浸炭焼入れと研磨仕上げを施して、第1タイミングギヤ161および第2タイミングギヤ162の耐久性を向上させることがより好ましい。
Here, if the rotational phases of the pair of
また、第1駆動ギヤ165は、1対の第1タイミングギヤ161のうちの一方の第1タイミングギヤ161Aと噛み合うように設けられており、第2駆動ギヤ166は、1対の第2タイミングギヤ162のうちの一方の第2タイミングギヤ162Aと噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸167は、第1駆動ギヤ165と第2駆動ギヤ166とを回転可能に支持する。すなわち、第1駆動ギヤ165と第2駆動ギヤ166とは、同一の駆動軸に回転可能に支持される。この駆動軸167は、後述するサイドカバー180に設けられたベアリング168Aと、ベアリング・ギヤ室173に設けられたベアリング168Bとにより支持されている。また、駆動軸167のベアリング168B側の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。
The
上述したように、本実施形態では、ロータ121の長さL1とロータ131の長さL2とが同じである。したがって、上述した移動容積比を1より大きくする(RQ>1とする)ためには、1段目のロータ121の回転数を2段目のロータ131の回転数より高くする必要がある。言い換えると、1段目のロータ121の回転速度を2段目のロータ131の回転速度より速くする必要がある。そこで、ポンプ100では、1段目のロータ121の回転数が2段目のロータ131の回転数より高くなるように、第1駆動ギヤ165および第2駆動ギヤ166の歯数が設定される。例えば、駆動軸167の回転速度から回転軸122、132の回転速度を減速させる場合には、第1駆動ギヤ165の減速比が第2駆動ギヤ166の減速比よりも小さくなるように、第1駆動ギヤ165および第2駆動ギヤ166の歯数を設定すればよい。ここでの「減速比」とは、互いに噛み合う駆動ギヤとタイミングギヤとの歯数の比率(=タイミングギヤの歯数/駆動ギヤの歯数)のことである。この場合、第1タイミングギヤ161と第2タイミングギヤ162の歯数が同じであるとすると、第1駆動ギヤ165の歯数を第2駆動ギヤ166の歯数よりも多くすればよい。各駆動ギヤ165、166の減速比をどの程度とするかは、所望の移動容積比RQが得られるように適宜決定すればよい。一方、駆動軸167の回転速度から回転軸122、132の回転速度を増速させる場合や同等の場合であっても、1段目のロータ121の回転数が、2段目のロータ131の回転数よりも高くなるように、第1駆動ギヤ165および第2駆動ギヤ166の歯数が設定されれば差し支えない。
As described above, in this embodiment, the length L1 of the
<冷却機構>
ポンプ100には、図2に示すように、冷却機構として、冷却器1と、中間吐出口115と、中間逆流冷却ガス導入口116(以下、単に「冷却ガス導入口116」と記載する。)とが設けられている。冷却器1は、本実施形態の冷却部の一例であり、ケーシング110の外部に設けられる。中間吐出口115は、ケーシング110の側面に少なくとも1つ設けられる。冷却ガス導入口116は、本実施形態の第1冷却ガス導入口の一例であり、ケーシング110の側面に、少なくとも1つ設けられる。
<Cooling mechanism>
As shown in FIG. 2, the
冷却器1は、中間吐出口115および冷却ガス導入口116と接続され、中間吐出口115から排出されたガスを冷却する。冷却器1としては、特に制限されないが、例えば、プレート式、シェル・チューブ式(多管式)、フィンチューブ式、スパイラル式、空冷式などの各種熱交換器を用いることができる。また、本発明の冷却部としては、冷却器1を設けずに、中間吐出口115と冷却ガス導入口116とを接続する配管(図示せず。)をケーシング110の外部に設けてもよい。この場合、中間吐出口115から排出されたガスは、上記配管を通過する際に放熱することで冷却される。冷却効率を重視する場合には、上記のような熱交換器を設け、ポンプ100全体のエネルギー効率を重視する場合には、上記の配管のみを設けるとよい。
中間吐出口115は、隣接して配置された低圧側(本実施形態では1段目)の圧縮要素と高圧側(本実施形態では2段目)の圧縮要素との間に存在するガスを、図2の矢印Geに示すように、ケーシング110の外部に吐出するための吐出口である。この中間吐出口115は、隣接する圧縮要素間、すなわち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に設けられる。図2に示した例では、中間吐出口115をケーシング110の左側面に1箇所のみ設けた例が示されているが、中間吐出口115の数は特に制限されず、2箇所以上設けてもよい。例えば、図2に示した断面において、ケーシング110の左側面だけでなく、右側面にもう1箇所設けられてもよい。また、図2に示した断面の手前側からみて、ケーシング110の前側面(正面側の面)または後側面(背面側の面)のうち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、中間吐出口115が設けられてもよい。
The
冷却ガス導入口116(116A、116B)は、冷却器1により冷却されたガスを、中間吐出口115よりも低圧側の圧縮要素(本実施形態では、中間吐出口115から排出されるガスの圧力よりも低い圧力のガスが存在する1段目の圧縮要素)内に導入するための吸込口である。この冷却ガス導入口116は、1段目のロータ121により吸い込まれた(掻き込まれた)移動容積Qth1部分に、冷却器1により冷却されたガスが混ざり合うことが可能な位置に設けられる。
The cooling gas inlet 116 (116A, 116B) feeds the gas cooled by the
ここで、中間吐出口115が設けられた1段目の圧縮要素の吐出側と2段目の圧縮要素の吸込側の中間位置の圧力(中間圧力Pm)は、1段目の圧縮要素(ロータ121)からの吐出圧力と等しく、また、この圧力は、2段目の圧縮要素(ロータ131)への吸込圧力とも等しい。中間圧力Pmは、ロータ121とケーシング110とで囲まれた空間の圧力Pr以上(Pm≧Pr)であるため、中間吐出口115から排出されたガスは、冷却器1を通過して、循環される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止できる。その結果、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Here, the pressure (intermediate pressure Pm) at an intermediate position between the discharge side of the first stage compression element provided with the
なお、図2には、冷却ガス導入口116がケーシング110の左右両側面に1箇所ずつ(合計2箇所)設けられた例が示されているが、冷却ガス導入口116の数は特に制限されず、少なくとも1つの冷却ガス導入口116が設けられていれば、上記のガスの著しい温度上昇の抑制効果は得られる。2段目の圧縮要素に吸い込まれるガスの冷却効果を高めるためには、冷却ガス導入口116の数が多い方が好ましい。特に、ケーシング110内を均一に冷却するためには、図2に示すように、冷却ガス導入口116がケーシング110の左右両側面から、冷却器1により冷却されたガスを導入することが好ましい。
Note that FIG. 2 shows an example in which the cooling
また、ポンプ100には、冷却器1と接続された逆止弁3が設けられている。この逆止弁3は、中間圧力Pmが大気圧以下の場合には、大気圧からの差圧により閉止され、中間圧力Pmが大気圧以上の場合には開放される。中間吐出口115から排出されたガスは、逆止弁3が開放された状態においては、1段目の圧縮要素より圧力の低い大気に排気され、逆止弁3が閉止された状態においては、冷却ガス導入口116から1段目の圧縮要素内に導入される。
The
上述した構成を有する本実施形態の冷却機構を設けることにより、1段目の圧縮要素から吐出されるガスの温度が低下することから、2段目のロータおよびケーシングの熱膨張も小さくなる。したがって、2段目の圧縮要素におけるロータとケーシングとのすき間およびロータ相互間のすき間を狭く設定できる。その結果、2段目の圧縮要素においてガスの漏れ量、すなわち、高圧側から低圧側に逆流するガスの量が少なくなるため、体積効率が向上する。 By providing the cooling mechanism of this embodiment having the above-described configuration, the temperature of the gas discharged from the first-stage compression element is lowered, so the thermal expansion of the second-stage rotor and casing is also reduced. Therefore, the gap between the rotor and the casing and the gap between the rotors in the second stage compression element can be narrowed. As a result, the amount of gas leaked from the second-stage compression element, that is, the amount of gas flowing back from the high pressure side to the low pressure side is reduced, thereby improving the volumetric efficiency.
また、2段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量、すなわち、2段目の圧縮要素の吐出側(高圧側)から2段目の圧縮要素の吸込側(低圧側)への漏れ量が少なくなるほど、2段目の圧縮要素の吸込圧力が低下する。2段目の圧縮要素の吸込圧力が低下すると、2段目の圧縮要素の吸込圧力(1段目の圧縮要素の吐出圧力と等しい)と1段目の圧縮要素の吸込圧力との差圧が小さくなる。その結果、1段目の圧縮要素の軸動力を小さくすることができる。 Also, the amount of gas leaked from the second stage compression element, that is, the leakage amount from the discharge side (high pressure side) of the second stage compression element to the suction side (low pressure side) of the second stage compression element decreases. , the suction pressure of the second stage compression element decreases. When the suction pressure of the second-stage compression element decreases, the pressure difference between the suction pressure of the second-stage compression element (equal to the discharge pressure of the first-stage compression element) and the suction pressure of the first-stage compression element increases. become smaller. As a result, the shaft power of the first stage compression element can be reduced.
<第2冷却ガス導入口>
本実施形態のポンプ100では、ケーシング110が、最後段(本実施形態では2段目)の圧縮要素にガスが吸い込まれる吸込位置(上記の中間位置)と吐出口113との間に、ケーシング110の内部に冷却ガスCを導入する逆流冷却ガス導入口117(以下、単に「冷却ガス導入口117」と記載する。)をさらに有する。この冷却ガス導入口117は、本実施形態に係る第2冷却ガス導入口の一例である。より詳細には、冷却ガス導入口117は、2段目のロータ131により吸い込まれた(掻き込まれた)移動容積Qth2部分に、ケーシング110内に導入された冷却ガスCが混ざり合うことが可能な位置に設けられる。
<Second cooling gas inlet>
In the
また、冷却ガスCとしては、2段目のロータ131により掻き込まれた移動容積部分のガスの温度以下であり、かつ、ポンプ100の吐出圧力Pdと同等の圧力のガスが用いられる。本実施形態では、大気中の空気、または、ポンプ100のケーシング110から吐き出された吐出ガスを配管等の通過に伴い放熱させることにより冷却して、もしくは、ケーシング110から吐き出された吐出ガスを冷却器等により冷却して、ケーシング110内に導入する冷却ガスCとして利用する。この冷却方法は、ケーシング110から吐出されたガスを冷却後に再びケーシング110内に戻す(逆流させる)ことから「逆流冷却方式」と呼ばれている。
Further, as the cooling gas C, a gas whose temperature is lower than the temperature of the gas in the moving volume portion drawn by the
一般に、圧力比(吐出圧力/吸込圧力)が大きいほど、吸い込まれたガスがより圧縮されるため、吐出ガスの温度が高くなる。このような場合に、冷却ガス導入口117を設け、逆流冷却方式により冷却ガスCをケーシング110内に導入することで、吐出ガスの温度を低下させることができる。そのため、吸込ガスの温度が高温の場合、一般には,前置冷却器等により吸込ガスを冷却する必要があるが、本実施形態の逆流冷却方式を利用すると、ポンプ100は、高温の吸込ガスを冷却することなく吸引できる。ポンプの操作条件等により多少異なるが、例えば、吸込ガス温度が120℃程度であっても、冷却することなくケーシング110内に吸い込むことができる。
In general, the higher the pressure ratio (discharge pressure/suction pressure), the more the sucked gas is compressed, and the higher the temperature of the discharged gas. In such a case, the temperature of the discharged gas can be lowered by providing the cooling
また、真空ポンプおよびブロワの使用可能な圧力範囲は、吐出ガスの温度により決定されることがある。本実施形態の逆流冷却方式を用いると、吐出ガスの温度を低く抑えることができるため、使用可能な圧力範囲を大幅に拡大できる。 Also, the usable pressure range of vacuum pumps and blowers may be determined by the temperature of the discharge gas. By using the backflow cooling method of the present embodiment, the temperature of the discharged gas can be kept low, so the usable pressure range can be greatly expanded.
さらに、逆流冷却方式を利用すると、吸込ガスの温度が常温の場合には、潤滑油冷却用の冷却水は必要ない。また、真空ポンプの冷却に封水を使用することがあるが、用途や吸込ガスによっては封水を使用することができない。その場合には、逆流冷却方式を利用すると、封水を使用することなくポンプ100の作動が可能となる。
Furthermore, when the backflow cooling method is used, cooling water for cooling the lubricating oil is not required when the temperature of the intake gas is normal temperature. Sealing water is sometimes used to cool the vacuum pump, but it cannot be used depending on the application and suction gas. In that case, the use of a backflow cooling system allows operation of the
加えて、真空ポンプに逆流冷却方式を採用する場合には、冷却ガスCとして大気中の空気を利用できるため、大気中の空気を取り入れ可能な冷却ガス導入口117を設けるだけで、吐出ガスの温度を十分に低下させることができる。そのため、ポンプ100の構造が複雑化しない。また、それ以外の場合であっても、真空ポンプやブロワの吐出ガスをポンプ100の外部に設置した冷却器(図示せず。)等で冷却することにより、冷却ガスCとして使用できる。
In addition, when the backflow cooling method is adopted for the vacuum pump, since air in the atmosphere can be used as the cooling gas C, the discharge gas can be reduced simply by providing the cooling
なお、図2には、ケーシング110の左右両側面に冷却ガス導入口117が設けられている例が示されているが、冷却ガス導入口117が、ケーシング110の左右いずれか一方の側面のみに設けられていてもよい。ただし、吐出ガス温度を均一に低下させる効果を十分に得るためには、ケーシング110の左右両側面に冷却ガス導入口117が設けられていることが好ましい。
FIG. 2 shows an example in which the cooling
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ100は、ケーシング110とベアリング・ギヤ室173との間、および、ケーシング110とベアリング室174との間に、中間室として、サイドカバー180を有している。図1に示すように、サイドカバー180には、シール機構Sb、Scが設けられているため、第1タイミングギヤ161、第2タイミングギヤ162、第1駆動ギヤ165、第2駆動ギヤ166、ベアリング123A、123B、133A、133Bの潤滑油がケーシング110内へ漏れ込むことがなく、また、ケーシング110内に吸い込まれたガスに含まれるドレンなどで潤滑油が劣化することを防止できる。なお、第1タイミングギヤ161、第2タイミングギヤ162、第1駆動ギヤ165、第2駆動ギヤ166、ベアリング123A、123B、133A、133Bの潤滑方法としては、例えば、ハネカケ潤滑を使用できるが、特に制限されるものではない。
<Other configurations>
In addition, the
また、上述したサイドカバー180に設けられたシール機構の他に、図1に示すように、駆動軸167がベアリング・ギヤ室173を貫通する箇所に、軸封機構Saが設けられている。本実施形態のポンプ100では、単一のケーシング110内に2段の圧縮要素が単一の段群として設けられているため、配管接続型多段ルーツ式ポンプと異なり、駆動軸167の軸封機構の設置箇所が1箇所で済む。なお、シール機構Sb、Scおよび軸封機構Saのシール方法としては、特に制限されず、ポンプ100により圧縮するガスの種類に応じて適宜選択すればよい。具体的には、シール機構Sb、Scおよび軸封機構Saとして、オイルシール、ラビリンスシール、メカニカルシール(シングルメカニカルシール、ダブルメカニカルシール)などを単独で、または組み合わせて用いることができる。
In addition to the seal mechanism provided in the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、図1~図6Eを参照しながら、上述した構成を有するポンプ100の駆動方法、ならびにポンプ100によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法を述べる。
(Operation of multistage roots pump)
Next, referring to FIGS. 1 to 6E, a method of driving the
<ポンプの駆動方法>
図1~図4に示すように、図示しないモータにより駆動軸167が回転すると、駆動軸167に支持された第1駆動ギヤ165および第2駆動ギヤ166が同じ方向に回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ161A、161Bのうち、第1駆動ギヤ165と噛み合う一方の第1タイミングギヤ161Aが、第1駆動ギヤ165とは反対方向に回転する。このときの第1タイミングギヤ161Aの回転数は、第1駆動ギヤ165の回転数から、第1駆動ギヤ165の歯数と第1タイミングギヤ161Aの歯数との比から算出される減速比(第1タイミングギヤ161Aの歯数/第1駆動ギヤ165の歯数)で減速された回転数となる。また、第1タイミングギヤ161Aと噛み合う他方の第1タイミングギヤ161Bは、第1タイミングギヤ161Aの歯数と同じ歯数であるため、第1タイミングギヤ161Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ121、121は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ121、121の回転により、吸込口111付近のガスが、吸込口111からケーシング110内に吸い込まれた(図2の矢印Gs)後に、ロータ121により圧縮されて中間位置に吐き出される(図2の矢印Gm)。
<Pump driving method>
As shown in FIGS. 1 to 4, when
同様に、1対の第2タイミングギヤ162A、162Bのうち、第2駆動ギヤ166と噛み合う一方の第2タイミングギヤ162Aが、第2駆動ギヤ166とは反対方向に回転する。このときの第2タイミングギヤ162Aの回転数は、第2駆動ギヤ166の回転数から、第2駆動ギヤ166の歯数と第2タイミングギヤ162Aの歯数との比から算出される減速比(第2タイミングギヤ162Aの歯数/第2駆動ギヤ166の歯数)で減速された回転数となる。また、第2タイミングギヤ162Aと噛み合う他方の第2タイミングギヤ162Bは、第2タイミングギヤ162Aの歯数と同じ歯数であるため、第2タイミングギヤ162Aと互いに反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ131、131は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ131、131の回転により、1段目のロータ121により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ131に掻き込まれた(図2の矢印Gm)後に、ロータ131により圧縮されて吐出口113から外部に排出される(図2の矢印Gd)。
Similarly, of the pair of second timing gears 162A and 162B, one of the second timing gears 162A meshing with the
また、上述したように、本実施形態では、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口115からケーシング110の外部に排出され、冷却器1で冷却された後に、ケーシング110の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口116A、116Bから1段目の圧縮要素内(ロータ121とケーシング110とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pmは、ロータ121とケーシング110とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口115から排出されたガスは、冷却器1を通って、循環する。より詳細には、図2の矢印Geに示すように、中間吐出口115から排出されたガスは、冷却器1により冷却され、冷却ガス導入口116から1段目の圧縮要素内、具体的には、1段目のロータ121とケーシング110とで囲まれた領域内(移動容積Qth1部分)に導入された後、再び中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口115から常時排出され、冷却器1により冷却されたガスが1段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Further, as described above, in the present embodiment, the gas present in the intermediate position between the first stage and the second stage is discharged from the
さらに、中間圧力Pmが大気圧以上の場合には、逆止弁3が開放され、中間圧力Pmと大気圧との圧力差により、中間位置に存在するガスは、中間吐出口115から、より圧力の低い大気に排出され(図2の矢印Geおよび矢印Gd)、中間圧力Pmが大気圧以下まで下がる。したがって、2段目の圧縮要素(ロータ131)への吸込圧力が小さくなるため、1段目の圧縮要素(ロータ121)への吸込圧力と2段目の圧縮要素(ロータ131)への吸込圧力との差圧ΔP1を小さくすることができる。その結果、ポンプ100を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ100が吸込口111に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pmが大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Furthermore, when the intermediate pressure Pm is equal to or higher than the atmospheric pressure, the
本実施形態では、第1タイミングギヤ161Aとの間の第1駆動ギヤ165の減速比が、第2タイミングギヤ162Aとの間の第2駆動ギヤ166の減速比よりも小さくなっている。したがって、ロータ121の回転数N1がロータ131の回転数N2よりも高くなる。また、ロータ121の長さL1とロータ131の長さL2が等しく、ロータ121とロータ131の形状が同じであることから、上述したように、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素との間の移動容積比RQは、1より大きくなる。
In this embodiment, the reduction ratio of the
<ガスの圧縮方法>
次に、図5A~図5Eを参照しながら、ポンプ100によるガスの圧縮方法を述べる。なお、図5A~図5Eにおいて、粗いドットハッチングは、圧力の低い部分(低圧部)を示し、細かいドットハッチングは、圧力の高い部分(高圧部)を示している。また、ガスの圧縮方法については、ポンプ100の2段の圧縮要素のうち、1段目(低圧側)の圧縮要素を例に挙げて説明する。
<Gas compression method>
Next, a method of compressing gas by the
上述したように、ケーシング110の内部で、1対のロータ121および1対のロータ131が、ケーシング110の内面110aとの間、ロータ121相互間およびロータ131相互間に僅かなすき間を保って互いに反対方向に回転する。このとき、1つのロータ121(例えば、図示した例では、左側のロータ121)の突出部121aの先端(以下、「葉端121a」と記載する。)が吸込口111を通過する際、ケーシング110との間で捕捉した一定量の低圧ガスを吸込口111側から吐出口113側までに移送し、高圧側へ押し込む形で吐出する。
As described above, inside the
詳細には、まず、図5Aに示すように、1つのロータ121の葉端121aが吸込口111を通過する。このとき、突出部121bの先端(以下、「葉端121b」と記載する。)は、内面110aとシールされた状態にある。その後、図5Bに示すように、葉端121aと、内面110aの吸込口111側の端部110bとがシールされた状態となる際に、葉端121aと葉端121bと内面110aで囲まれた容積Vの低圧ガスが捕捉される。さらに、図5Cに示すように、葉端121aおよび葉端121bと、内面110aとがシールされた状態を保ちながら、容積Vの低圧ガスが吐出口113側へ向けて移送される。次いで、図5Dに示すように、容積Vの低圧ガスが捕捉された状態を保ったまま、葉端121bが、内面110aの2段目の圧縮要素側の端部110cに到達し、図5Eに示すように、葉端121bがそこからさらに回転し、2段目の圧縮要素側の中間位置に到達した瞬間、吐出側の中間圧(低圧ガスよりも高い圧力)のガスが1段目のポンプ作動領域内に逆流し、低圧ガスが背圧を受けて圧縮される。
Specifically, first, the
その後、図示してはいないが、2段目の圧縮要素においても、1段目と同様にして、ロータ121から吐き出されたガスが、ロータ131の2つの葉端とケーシング110の内面110dとにより囲まれた容積Vでロータ131に捕捉され、吐出口113側まで移送された後に、吐出側の高圧ガスの逆流により圧縮(逆流圧縮)され、吐出口113からケーシング110の外部に排出される。
After that, although not shown, in the second stage compression element, as in the first stage, the gas discharged from the
なお、上記のように、吐出側の高圧ガスの逆流により、吸込側の低圧ガスが逆流圧縮される際、急激な圧力変化が生じる。この圧力変化により、ポンプ100から騒音が発生する。これに対して、本実施形態では、ロータ121、131として、三葉ロータを用いていることから、後述する二葉ロータの場合と比較して、上記の圧力変化が起こる周期が2/3となり、また、圧力ピークの最大値も減少する。その結果、ポンプ100によるガスの逆流圧縮が滑らかに行われ、騒音を低減できる。
As described above, when the high-pressure gas on the discharge side backflows and the low-pressure gas on the suction side is back-compressed, a rapid pressure change occurs. This pressure change causes the
<ガスの冷却方法>
続いて、図6A~図6Eを参照しながら、ポンプ100を真空ポンプとして用いた場合のガスの冷却方法(逆流冷却方式を用いた冷却方法)を述べる。なお、図6A~図6Eにおいて、粗いドットハッチングは、真空領域(吸込圧力領域)を示し、細かいドットハッチングは、大気圧領域(吐出圧力領域)を示している。ここでの「真空」とは、大気圧よりも低い圧力を意味し、絶対真空を意味するものではない。また、ガスの冷却方法については、ポンプ100の2段の圧縮要素のうち、2段目(高圧側)の圧縮要素を例に挙げて説明する。
<Gas cooling method>
Next, referring to FIGS. 6A to 6E, a gas cooling method (a cooling method using a backflow cooling method) when the
本実施形態のガスの冷却方法は、上述した逆流冷却方式を採用したものであり、具体的には以下の通りである。まず、図6Aに示すように、1つのロータ131(図示した例では、左側のロータ131)の突出部131aの先端(以下、「葉端131a」と記載する。)が、1段目の圧縮要素との間の中間位置を通過する。このとき、突出部131bの先端(以下、「葉端131b」と記載する。)は、内面110dとシールされた状態にある。その後、図6Bに示すように、葉端131aと、内面110dの1段目の圧縮要素側の端部110eとがシールされた状態となる際に、葉端131aと葉端131bの先端と内面110dで囲まれた容積Vの真空状態のガスが真空領域から捕捉されるとともに、吐出圧力と同じ圧力(大気圧)の冷却ガスCが、容積Vの真空状態のガス側に逆流し始める。図6Bでは、真空状態のガスに吐出圧力と大気圧の冷却ガスCが混ざり始めた状態を、ドットの濃さのグラデーションで示している。さらに、図6Cに示すように、ロータ131の回転に伴って、葉端131aおよび葉端131bと、内面110d、110hとがシールされた状態を保ちながら、冷却ガスCが容積Vのガス側に十分に流れ込み、容積Vのガスの圧力は、吐出圧力(大気圧)に接近する。次いで、図6Dに示すように、ロータ131がさらに回転し、容積Vのガスが捕捉された状態を保ったまま、葉端131bが、内面110dの吐出口113側の端部110fに到達すると、容積Vのガスの圧力は、吐出圧力とほぼ同じになり、吐出口113と容積Vのガスが捕捉されている空間とが連通する直前の状体となる。その後、さらにロータ131が回転すると、図6Eに示すように、葉端131bが吐出口113に到達し、容積Vのガスが吐出口113側に押し出される。
The gas cooling method of the present embodiment employs the above-described backflow cooling method, and is specifically as follows. First, as shown in FIG. 6A, one rotor 131 (in the illustrated example, the
以上のように、本実施形態の逆流冷却方式を利用して冷却ガスCをケーシング110内に導入することで、吐出ガスの温度を低下させることができる。その結果、上述した様々な作用効果が得られる。
As described above, the temperature of the discharged gas can be lowered by introducing the cooling gas C into the
(第1変更例)
次に、図7を参照しながら、本実施形態のロータ121、131の形状を変更した第1変更例について述べる。本変更例に係る多段ルーツ式ポンプ101(以下、「ポンプ101」と記載する。)は、上述した第1実施形態に係るポンプ100とは、ロータの形状のみが異なる変更例である。本変更例は、後述する第2~第11実施形態の変更例としても適用できる。
(First modified example)
Next, referring to FIG. 7, a first modified example in which the shapes of the
図7に示すように、ポンプ101は、1段目および2段目の圧縮要素として、それぞれ、1対のロータ141、151と、2本の回転軸142、152とを有する。
As shown in FIG. 7, the
<ロータ141、151>
ロータ141は、二葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した2片の突出部141a、141bを有する所謂まゆ形の断面形状である。また、各突出部141a、141bの間には、凹部141dが設けられている。同様に、ロータ151も、二葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した2片の突出部151a、151bを有する所謂まゆ形の断面形状である。また、各突出部151a、151bの間には、凹部151dが設けられている。なお、以下、必要に応じて、ロータ151について、ロータ141と重複する説明を省略し、ロータ141の内容を適宜読み替えるものとする。
<
The
1対のロータ141、141同士およびロータ141とケーシング110の内面110aとが接触しないように、各々のロータ141、141同士の間および突出部141a、141bの先端(葉端)とケーシング110の内面110aと間には、わずかなすき間ができる(シールされた状態となる)ように、ロータ141が配置される。
Between the
ここで、1対のロータ141、141の突出部141a、141bのそれぞれが、該ロータ141を支持する回転軸142の中心を回転中心として、回転角度が175度以上の範囲で、ケーシング110aの内面との間でシールされた状態を保つことが好ましい。そのためには、ケーシング110の1段目(低圧側)の内面110aの吸込口111側の端部110bおよびロータ141の回転中心を結ぶ線分と、内面110aの2段目(高圧側)の圧縮要素側の端部110cおよびロータ141の回転中心とを結ぶ線分とのなす角θが、175度以上の範囲となるようにケーシング110の形状を設定すればよい。このことは、1対のロータ151、151についても同様であり、ケーシング110の2段目の内面110dの1段目の圧縮要素側の端部110eおよびロータ151の回転中心を結ぶ線分と、内面110dの吐出口113側の端部110fおよびロータ151の回転中心とを結ぶ線分とのなす角θが、175度以上の範囲となるようにケーシング110の形状を設定することが好ましい。これにより、ロータ141、151により圧縮されたガスが、吸込口111側に逆流することを防止でき、その結果、十分にシールされた状態が保たれる。
Here, each of the protruding
<移動容積比>
本変更例のポンプ101における移動容積比RQは、以下のようにして計算される。まず、左右1対のロータ141、151が1回転する毎に、それぞれ、ガスの吸い込みと吐き出しが4回ずつ(1つのロータ141、151で、それぞれ2回ずつ)繰り返される。ここで、ロータ141の2片の突出部(突出部141aと突出部141b)とケーシング110の内面110aとで囲まれる空間の回転軸142に垂直な断面の断面積をS1’とすると、1段目(低圧側)の圧縮要素の移動面積A1は、A1=4×S1’となる。同様に、ロータ151の2片の突出部(突出部151aと突出部151b)とケーシング110の内面110dとで囲まれる空間の回転軸152に垂直な断面の断面積をS2’とすると、2段目(高圧側)の圧縮要素の移動面積A2は、A2=4×S2’となる。このように、本変更例では、第1実施形態とは移動面積A1、A2の算出方法が異なる。他の点は、第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
<Transfer volume ratio>
The displacement volume ratio RQ in the
<逆流冷却時の留意点>
ここで、図8Aおよび図8Bを参照しながら、本変更例に係るポンプ101において逆流冷却方式を採用して吐出ガスを冷却する際の留意点を述べる。図8Aおよび図8Bは、ともに、冷却ガス導入口117からの冷却ガスCが、ケーシング110の内面110dとロータ151とのすき間g1を通り抜けて、ケーシング110の内面110dとロータ151とにより捕捉されたガスに導入され始めた状態を示している。このように、冷却ガスCが導入され始めた段階で、図8Aに示すように、1段目の圧縮要素側で、ケーシング110の内面110dとロータ151との間にすきまg2があり、シールされていない状態であると、このすき間から捕捉されたガスが1段目(低圧側)の圧縮要素の方に戻ってしまい、圧縮率が低下してしまう。したがって、図8Bに示すように、冷却ガスCが導入され始めた段階において、ケーシング110の内面110dとロータ151との間がシールされた状態となっていることが必要である(図8Bの破線の丸囲みs2を参照)。
<Precautions for backflow cooling>
Here, with reference to FIGS. 8A and 8B, points to consider when cooling the discharge gas by adopting the backflow cooling method in the
<用途の違い>
本変更例に係るポンプ101の用途は、特に制限されるものではないが、本変更例のロータ141、151のように、二葉ロータを採用する場合には、ポンプ101を湿式真空ポンプに用いることが好適である。一方、第1実施形態のロータ121、131のように、三葉ロータを採用する場合には、ポンプ100を乾式ブロワに用いることが好適である。湿式真空ポンプを使用するシステムの例としては、酸素発生装置(PSA/VSA)などが挙げられ、乾式ブロワを使用するシステムの例としては、窒素(N2)スタートアップブロワなどが挙げられる。
<Difference in usage>
The application of the
(第2変更例)
次に、図9を参照しながら、本実施形態のロータ121の形状を変更した第2変更例について述べる。本変更例に係る多段ルーツ式ポンプ102(以下、「ポンプ102」と記載する。)は、上述した第1実施形態に係るポンプ100とは、1段目のロータの形状のみが異なる変更例である。本変更例は、後述する第2~第11実施形態の変更例としても適用できる。
(Second modified example)
Next, a second modified example in which the shape of the
図9に示すように、ポンプ101は、1段目および2段目の圧縮要素として、それぞれ、1対のロータ141、131と、2本の回転軸142、132とを有する。すなわち、ポンプ101では、1段目のロータ141が第1変更例と同じ二葉ロータであり、2段目のロータ131が第1実施形態と同じ三葉ロータである。その他の構成および動作については、上述した第1実施形態または第1変更例と同様である。なお、図9に示した例とは逆に、1段目のロータを第1実施形態と同じ三葉ロータとし、2段目のロータを第1変更例と同じ二葉ロータとしたものも本発明の範囲に含まれる。
As shown in FIG. 9, the
[第2実施形態]
次に、図10~図12を参照しながら、本発明の第2実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図10は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ200(以下、「ポンプ200」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図11は、図10のXI-XI線で切断した断面図である。図12は、図10のXII-XII線で切断した断面図である。第1実施形態のポンプ100は、1段目(低圧側)のロータ121と2段目(高圧側)のロータ131の長さおよび直径が同一で、かつ、1段目のロータ121の回転数が2段目のロータ131の回転数よりも高いという例であったが、本実施形態に係るポンプ200は、1段目のロータ221と2段目のロータ231の回転数および直径が等しく、かつ、1段目のロータ221の長さが2段目のロータ231の長さよりも長いという例である。なお、以下では、第1実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Second embodiment]
Next, a multi-stage roots pump according to a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 10 to 12. FIG. FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 200 (hereinafter abbreviated as "pump 200") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI of FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 10. FIG. In the
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図10~図12に示すように、ポンプ200は、回転圧縮機の一種である2段ルーツ式ポンプであり、ケーシング210と、2段の圧縮要素と、駆動機構と、冷却機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 10 to 12, the
<ケーシング>
ケーシング210の構成および機能は、第1実施形態に係るケーシング110と同様である。
<Casing>
The configuration and function of the
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング210内に、吸込口211側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口213側に位置する2段目(高圧側)の圧縮要素の、2段の圧縮要素とが設けられている。2段の圧縮要素間には、直列内装型多段ルーツ式ポンプのように、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング210内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ221、221と、2本の回転軸222、222とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ231、231と、2本の回転軸232、232とを有する。
<Compression element>
As the compression element of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図11に示すように、ロータ221は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部221a、221b、221cを有する形状である。また、各突出部221a、221b、221cの間には、凹部221dが設けられている。同様に、ロータ231も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部231a、231b、231cを有する形状である。また、各突出部231a、231b、231cの間には、凹部231dが設けられている。
As shown in FIG. 11, the
1対のロータ221、221は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸222、222は、1対のロータ221、221を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸222、222は、2つのベアリング223、223により支持されている。同様に、1対のロータ231、231は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸232、232は、1対のロータ231、231を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸232、232は、2つのベアリング233、233により支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸222と回転軸232とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ231について、ロータ221と重複する説明を省略し、ロータ221の内容を適宜読み替えるものとする。
The pair of
1対のロータ221、221同士およびロータ221とケーシング210の内面210aとが接触しないように、各々のロータ221、221同士の間および突出部221a、221b、221cの先端(葉端)とケーシング210の内面210aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ221が配置される。このすき間の大きさについては、第1実施形態と同様である。各々のロータ221、221は、後述するタイミングギヤ261A、261Bにより回転位相が維持されており、ロータ221の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ231は、対となるロータ231およびケーシング210の内面210dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ231、231は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。その他、ロータ221、231の構成および機能は、第1実施形態に係るロータ121、131の構成および機能と同様である。
Between the
ポンプ200では、第1実施形態のポンプ100と同様に、1段目の圧縮要素であるロータ221、回転軸222等と、2段目の圧縮要素であるロータ231、回転軸232等とは、単一のケーシング210内において、同じ段の2本の回転軸222、222(または2本の回転軸232、232)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ221と2段目のロータ231とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口211、1段目のロータ221、2段目のロータ231および吐出口213が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口211からケーシング210内に導入されると(図11の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ221により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図11の矢印Gm)。ロータ221により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ231により圧縮された後に、そのまま吐出口213からケーシング210外に排出される(図11の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ200によれば、単一のケーシング210内において、1段目のロータ221と2段目のロータ231とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、直列内装型多段ルーツ式ポンプと異なり、1段目の圧縮要素(ロータ221)と2段目の圧縮要素(ロータ231)との間に仕切りを設けなくても、ロータ221、231の配置自体で、2段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、2段のロータを有する場合、ロータ2つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ200では、ロータ221とロータ231とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。したがって、回転軸222、232やケーシング210の剛性の低下を抑制できる。特に、ポンプ200を大風量化するためにロータ221、231の長さを長くしたとしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。さらに、1段目と2段目のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプ200の性能上支障がない範囲で収まるため、それほど高い加工精度および組立精度は求められない。
Thus, according to the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ200においても、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ221)と2段目の圧縮要素(ロータ231)との間において、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
Also in the
RQ = QthL / QthH (1)
ここで、本実施形態における移動容積Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング210とロータ221またはロータ231とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。すなわち、上述したように、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the movement volume Qth in this embodiment is a so-called displacement amount, which is the theoretical volume per time of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Vthは、押しのけ容積であり、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さであり、Nは、ロータの回転数である。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸222、232に垂直な断面における断面積である。
where, in equation (2), Vth is the displacement, A is the area of movement per revolution, L is the length of the rotor, and N is the number of rotations of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in a cross-section perpendicular to the axis of
本実施形態のポンプ200における1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、以下の式(3)により計算される。
The displacement volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage in the
ただし、式(3)において、Qth1は1段目の圧縮要素の移動容積、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、A1は1段目の圧縮要素の移動面積、A2は2段目の圧縮要素の移動面積、L1は1段目のロータ221の長さ、L2は2段目のロータ231の長さ、N1は1段目のロータ221の回転数、N2は2段目のロータ231の回転数を表す。
However, in formula (3), Qth1 is the movement volume of the first stage compression element, Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, A1 is the movement area of the first stage compression element, A2 is the second stage The moving area of the compression element, L1 is the length of the
ここで、本実施形態のポンプ200では、1段目のロータ221の長さL1が、2段目のロータ231の長さL2と異なる点で、上述した第1実施形態とは異なる。そのため、ポンプ200は、第1実施形態に係るポンプ100のように、1段目のロータ221と2段目のロータ231に同じロータ(形状および大きさが同じロータ)を使用できるというメリットは享受できない。一方、ポンプ200によれば、1段目のロータ221の長さL1が、2段目のロータ231の長さL2よりも長くなっていることから(L1>L2)、1段目のロータ221の回転数N1と、2段目のロータ231の回転数N2を同じ(すなわち、N1=N2)としても、移動容積比RQを1以上にできる。
Here, the
なお、ポンプ200において、ロータ221とロータ231の直径および形状は同一である。したがって、1段目の移動面積A1と2段目の移動面積A2は等しい。また、ロータ221の回転数N1とロータ231の回転数N2とは等しい。よって、上記式(3)は、以下の式(3-2)のように書き替えられる。
In
したがって、本実施形態では、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2を1より大きくするためには、1段目のロータ221の長さL1を2段目のロータ231の長さL2よりも大きくすればよい(L1>L2)。このように、本実施形態では、1段目のロータ221の長さL1と2段目のロータ231の長さL2のロータ長さ比(L1/L2)により、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2が決定される。これにより、1段目のロータ221の回転数N1と2段目のロータ231の回転数N2とを同一にできるので、詳しくは後述するように、ギヤ構成がシンプルになり、ギヤの点数も減らせる。
Therefore, in this embodiment, in order to make the moving volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage larger than 1, the length L1 of the
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ200の駆動軸267の軸動力を低減できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図10および図12に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ261(261A、261B)と、1対の第2タイミングギヤ262(262A、262B)と、共通駆動ギヤ265と、モータ入力軸である単一の駆動軸267と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIGS. 10 and 12, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 261 (261A, 261B), a pair of second timing gears 262 (262A, 262B), and a common drive mechanism. It has a
1対の第1タイミングギヤ261A、261Bは、1段目の2本の回転軸222の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ221、221の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ262A、262Bは、2段目の2本の回転軸232の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ231、231の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。なお、第1タイミングギヤ261および第2タイミングギヤ262の素材は、第1実施形態に係る第1タイミングギヤ161および第2タイミングギヤ162の素材と同様である。
A pair of first timing gears 261A and 261B are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
また、共通駆動ギヤ265は、1対の第1タイミングギヤ261のうちの一方の第1タイミングギヤ261Aと、1対の第2タイミングギヤ262のうちの一方の第2タイミングギヤ262Aの両方と噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸267は、共通駆動ギヤ265を回転可能に支持する。この駆動軸267は、サイドカバー280に設けられたベアリング268と、ベアリング・ギヤ室273に設けられたベアリング268とにより支持されている。また、ベアリング・ギヤ室273に設けられたベアリング268側の駆動軸267の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。
In addition, the
上述したように、本実施形態では、ロータ221の長さL1が、ロータ231の長さL2よりも長い。したがって、上述した移動容積比を1より大きくする(RQ>1とする)ためには、1段目のロータ221の回転数が2段目のロータ231の回転数と同じでよい。言い換えると、1段目のロータ221の回転速度を2段目のロータ231の回転速度と同じ速さにすることができる。そこで、ポンプ200では、1段目のロータ221の回転数が2段目のロータ231の回転数と同じになるように、同じ歯数の第1タイミングギヤ261と第2タイミングギヤ262とが同一の共通駆動ギヤ265に噛み合うようにしている。なお、各ロータ221、231の長さをどの程度とするかは、所望の風量および移動容積比RQが得られるように適宜決定すればよい。
As described above, the length L1 of the
<冷却機構>
図11に示すように、本実施形態に係るケーシング210にも、中間吐出口215および本実施形態に係る第1冷却ガス導入口の一例としての中間逆流冷却ガス導入口216(以下、単に「冷却ガス導入口216」と記載する。)が設けられる。中間吐出口215および冷却ガス導入口216は、それぞれ、第1実施形態に係る中間吐出口115および冷却ガス導入口116と同じ構成、機能および作用効果を有する。また、本実施形態に係る冷却部の一例としての冷却器1が、中間吐出口215および冷却ガス導入口216と接続される。また、冷却器1には、逆止弁3も接続される。
<Cooling mechanism>
As shown in FIG. 11, the
<第2冷却ガス導入口>
図11に示すように、本実施形態に係るケーシング210にも、第1実施形態に係る冷却ガス導入口117と同じ構成、機能および作用効果を有する逆流冷却ガス導入口217が設けられる。
<Second cooling gas inlet>
As shown in FIG. 11, a
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ200は、ケーシング210とベアリング・ギヤ室273との間、および、ケーシング210とベアリング室274との間に、中間室として、サイドカバー280を有している。このサイドカバー280は、第1実施形態に係るサイドカバー180と実質的に同じ構成および機能を有する。また、ポンプ200にも、第1実施形態に係るポンプ100と同様のシール機構および軸封機構が設けられている。
<Other configurations>
In addition, the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ200の駆動方法を述べる。なお、ポンプ200によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method of driving the
<ポンプの駆動方法>
図10~図12に示すように、図示しないモータにより駆動軸267が回転すると、駆動軸267に支持された共通駆動ギヤ265が回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ261A、261Bのうち、共通駆動ギヤ265と噛み合う一方の第1タイミングギヤ261Aが、共通駆動ギヤ265とは反対方向に回転する。このときの第1タイミングギヤ261Aの回転数は、共通駆動ギヤ265の回転数から、共通駆動ギヤ265の歯数と第1タイミングギヤ261Aの歯数との比から算出される減速比(第1タイミングギヤ261Aの歯数/共通駆動ギヤ265の歯数)で減速された回転数となる。また、第1タイミングギヤ261Aと噛み合う他方の第1タイミングギヤ261Bは、第1タイミングギヤ261Aの歯数と同じ歯数であるため、第1タイミングギヤ261Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ221、221は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ221、221の回転により、吸込口211付近のガスが、吸込口211からケーシング210内に吸い込まれた(図11の矢印Gs)後に、ロータ221により圧縮されて中間位置に吐き出される(図11の矢印Gm)。
<Pump driving method>
As shown in FIGS. 10 to 12, when the
同様に、1対の第2タイミングギヤ262A、262Bのうち、共通駆動ギヤ265と噛み合う一方の第2タイミングギヤ262Aが、共通駆動ギヤ265とは反対方向に回転する。このときの第2タイミングギヤ262Aの回転数は、共通駆動ギヤ265の回転数から、共通駆動ギヤ265の歯数と第2タイミングギヤ262Aの歯数との比から算出される減速比(第2タイミングギヤ262Aの歯数/共通駆動ギヤ265の歯数)で減速された回転数となる。ここで、第1タイミングギヤ261Aと第2タイミングギヤ262Aとは、同じ歯数であり、かつ、同じ共通駆動ギヤ265に噛み合っていることから、第2タイミングギヤ262Aの回転方向および回転数は、第1タイミングギヤ261Aと同じになる。また、第2タイミングギヤ262Aと噛み合う他方の第2タイミングギヤ262Bは、第2タイミングギヤ262Aの歯数と同じ歯数であるため、第2タイミングギヤ262Aと互いに反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ231、231は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ231、231の回転により、1段目のロータ221により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ231に掻き込まれた(図11の矢印Gm)後に、ロータ231により圧縮されて吐出口213から外部に排出される(図11の矢印Gd)。
Similarly, of the pair of second timing gears 262A and 262B, one of the second timing gears 262A meshing with the
また、本実施形態では、第1実施形態と同様に、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口215からケーシング210の外部に排出され、冷却器1で冷却された後に、ケーシング210の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口216A、216Bから1段目の圧縮要素内(ロータ221とケーシング210とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pmは、ロータ221とケーシング210とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口215から排出されたガスは、冷却器1を通って、循環する。より詳細には、図11の矢印Geに示すように、中間吐出口215から排出されたガスは、冷却器1により冷却され、冷却ガス導入口216から1段目の圧縮要素内、具体的には、1段目のロータ221とケーシング210とで囲まれた領域内(移動容積Qth1部分)に導入された後、再び中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口215から常時排出され、冷却器1により冷却されたガスが1段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Further, in the present embodiment, as in the first embodiment, the gas present in the intermediate position between the first stage and the second stage is discharged from the
さらに、中間圧力Pmが大気圧以上の場合には、逆止弁3が開放され、中間圧力Pmと大気圧との圧力差により、中間位置に存在するガスは、中間吐出口215から、より圧力の低い大気に排出され(図11の矢印Geおよび矢印Gd)、中間圧力Pmが大気圧以下まで下がる。したがって、2段目の圧縮要素(ロータ231)への吸込圧力が小さくなるため、1段目の圧縮要素(ロータ221)への吸込圧力と2段目の圧縮要素(ロータ231)への吸込圧力との差圧ΔP1を小さくすることができる。その結果、ポンプ200を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ200が吸込口211に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pmが大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Furthermore, when the intermediate pressure Pm is equal to or higher than the atmospheric pressure, the
本実施形態では、ロータ221の長さL1がロータ231の長さL2よりも大きくなっている。また、第1タイミングギヤ261Aとの間の共通駆動ギヤ265の減速比は、第2タイミングギヤ262Aとの間の共通駆動ギヤ265の減速比と同じになっている。したがって、ロータ221の回転数N1は、ロータ231の回転数N2と同じになる。また、ロータ221とロータ231の形状が同じであることから、上述したように、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素との間の移動容積比RQは、1より大きくなる。
In this embodiment, the length L1 of the
[第3実施形態]
次に、図13~図15を参照しながら、本発明の第3実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図13は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ300(以下、「ポンプ300」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図14は、図13のXIV-XIV線で切断した断面図である。図15は、図13のXV-XV線で切断した断面図である。第1実施形態のポンプ100は、1段目(低圧側)のロータ121と2段目(高圧側)のロータ131の長さおよび直径が同一で、かつ、1段目のロータ121の回転数が2段目のロータ131の回転数よりも高いという例であったが、本実施形態に係るポンプ300は、1段目のロータ321と2段目のロータ331の回転数および長さが等しく、かつ、1段目のロータ321の直径が2段目のロータ331の直径よりも大きいという例である。なお、以下では、第1実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Third embodiment]
Next, a multi-stage roots pump according to a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 13 to 15. FIG. FIG. 13 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 300 (hereinafter abbreviated as "pump 300") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 14 is a cross-sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. 13. FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line XV-XV of FIG. 13. FIG. In the
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図13~図15に示すように、ポンプ300は、回転圧縮機の一種である2段ルーツ式ポンプであり、ケーシング310と、2段の圧縮要素と、駆動機構と、冷却機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 13 to 15, the
<ケーシング>
ケーシング310の構成および機能は、第1実施形態に係るケーシング110と同様である。
<Casing>
The configuration and function of the
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング310内に、吸込口311側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口313側に位置する2段目(高圧側)の圧縮要素の、2段の圧縮要素とが設けられている。2段の圧縮要素間には、直列内装型多段ルーツ式ポンプのように、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング310内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ321、321と、2本の回転軸322、322とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ331、331と、2本の回転軸332、332とを有する。
<Compression element>
As the compression element of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図14に示すように、ロータ321は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部321a、321b、321cを有する形状である。また、各突出部321a、321b、321cの間には、凹部321dが設けられている。同様に、ロータ331も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部331a、331b、331cを有する形状である。また、各突出部331a、331b、331cの間には、凹部331dが設けられている。
As shown in FIG. 14, the
1対のロータ321、321は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸322、322は、1対のロータ321、321を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸322、322は、2つのベアリング323、323により支持されている。同様に、1対のロータ331、331は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸332、332は、1対のロータ331、331を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸332、332は、2つのベアリング333、333により支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸322と回転軸332とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ331について、ロータ321と重複する説明を省略し、ロータ321の内容を適宜読み替えるものとする。
The pair of
1対のロータ321、321同士およびロータ321とケーシング310の内面310aとが接触しないように、各々のロータ321、321同士の間および突出部321a、321b、321cの先端(葉端)とケーシング310の内面310aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ321が配置される。このすき間の大きさについては、第1実施形態と同様である。各々のロータ321、321は、後述するタイミングギヤ361A、361Bにより回転位相が維持されており、ロータ321の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ331は、対となるロータ331およびケーシング310の内面310dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ331、331は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。その他、ロータ321、331の構成および機能は、第1実施形態に係るロータ121、131の構成および機能と同様である。
Between the
ポンプ300では、第1実施形態のポンプ100と同様に、1段目の圧縮要素であるロータ321、回転軸322等と、2段目の圧縮要素であるロータ331、回転軸332等とは、単一のケーシング310内において、同じ段の2本の回転軸322、322(または2本の回転軸332、332)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ321と2段目のロータ331とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口311、1段目のロータ321、2段目のロータ331および吐出口313が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口311からケーシング310内に導入されると(図14の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ321により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図14の矢印Gm)。ロータ321により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ331により圧縮された後に、そのまま吐出口313からケーシング310外に排出される(図14の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ300によれば、単一のケーシング310内において、1段目のロータ321と2段目のロータ331とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、直列内装型多段ルーツ式ポンプと異なり、1段目の圧縮要素(ロータ321)と2段目の圧縮要素(ロータ331)との間に仕切りを設けなくても、ロータ321、331の配置自体で、2段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、2段のロータを有する場合、ロータ2つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ300では、ロータ321とロータ331とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。したがって、回転軸322、332やケーシング310の剛性の低下を抑制できる。特に、ポンプ300を大風量化するためにロータ321、331の長さを長くしたとしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。さらに、1段目と2段目のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプ300の性能上支障がない範囲で収まるため、それほど高い加工精度および組立精度は求められない。
Thus, according to the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ300においても、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ321)と2段目の圧縮要素(ロータ331)との間において、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
Also in the
RQ = QthL / QthH (1)
ここで、本実施形態における移動容積Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング310とロータ321またはロータ331とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。すなわち、上述したように、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the movement volume Qth in this embodiment is a so-called displacement amount, which is a theoretical volume per hour of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Vthは、押しのけ容積であり、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さであり、Nは、ロータの回転数である。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸322、332に垂直な断面における断面積である。 where, in equation (2), Vth is the displacement, A is the area of movement per revolution, L is the length of the rotor, and N is the number of rotations of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in a cross-section perpendicular to the rotation axes 322 and 332 .
本実施形態のポンプ300における1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、以下の式(3)により計算される。
The displacement volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage in the
ただし、式(3)において、Qth1は1段目の圧縮要素の移動容積、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、A1は1段目の圧縮要素の移動面積、A2は2段目の圧縮要素の移動面積、L1は1段目のロータ321の長さ、L2は2段目のロータ331の長さ、N1は1段目のロータ321の回転数、N2は2段目のロータ331の回転数を表す。
However, in formula (3), Qth1 is the movement volume of the first stage compression element, Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, A1 is the movement area of the first stage compression element, A2 is the second stage The moving area of the compression element, L1 is the length of the
ここで、本実施形態のポンプ300では、1段目のロータ321の直径D1が、2段目のロータ331の直径D2と異なる点で、上述した第1実施形態とは異なる。そのため、ポンプ300は、第1実施形態に係るポンプ100のように、1段目のロータ321と2段目のロータ331に同じロータ(形状および大きさが同じロータ)を使用できるというメリットは享受できない。一方、ポンプ300によれば、1段目のロータ321の直径D1が、2段目のロータ331の直径D2よりも大きくなっていることから(D1>D2)、1段目のロータ321の回転数N1と、2段目のロータ331の回転数N2を同じ(すなわち、N1=N2)としても、移動容積比RQを1以上にできる。
Here, the
なお、ポンプ300において、ロータ321の直径D1は、ロータ331の直径D2よりも大きい。したがって、1段目の移動面積A1は、2段目の移動面積A2よりも大きくなる(A1>A2)。また、ロータ321の長さL1とロータ331の長さL2とは等しく、ロータ321の回転数N1とロータ331の回転数N2とは等しい。よって、上記式(3)は、以下の式(3-3)のように書き替えられる。
In
したがって、本実施形態では、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2を1より大きくするためには、1段目のロータ321の直径D1を2段目のロータ331の直径D2よりも大きくすることにより、1段目の移動面積A1を2段目の移動面積A2よりも大きくすればよい(A1>A2)。このように、本実施形態では、1段目のロータ321の直径D1と2段目のロータ331の直径D2のロータ直径比(D1/D2)、言い換えると、1段目の移動面積A1と2段目の移動面積A2の移動容積比(A1/A2)により、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2が決定される。
Therefore, in the present embodiment, in order to make the moving volume ratio RQ1-2 between the first stage and the second stage greater than 1, the diameter D1 of the
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ300の駆動軸367の軸動力を低減できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図13および図15に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ361(361A、361B)と、1対の第2タイミングギヤ362(362A、362B)と、第1駆動ギヤ365と、第2駆動ギヤ366と、モータ入力軸である単一の駆動軸367と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIGS. 13 and 15, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 361 (361A, 361B), a pair of second timing gears 362 (362A, 362B), and a first It comprises a
1対の第1タイミングギヤ361A、361Bは、1段目の2本の回転軸322の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ321、321の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ362A、362Bは、2段目の2本の回転軸332の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ331、331の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。なお、第1タイミングギヤ361および第2タイミングギヤ362の素材は、第1実施形態に係る第1タイミングギヤ161および第2タイミングギヤ162の素材と同様である。
A pair of first timing gears 361A and 361B are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
また、第1駆動ギヤ365は、1対の第1タイミングギヤ361のうちの一方の第1タイミングギヤ361Aと噛み合うように設けられており、第2駆動ギヤ366は、1対の第2タイミングギヤ362のうちの一方の第2タイミングギヤ362Aと噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸367は、第1駆動ギヤ365と第2駆動ギヤ366とを回転可能に支持する。この駆動軸367は、サイドカバー380に設けられたベアリング368と、ベアリング・ギヤ室373に設けられたベアリング368とにより支持されている。また、ベアリング・ギヤ室373に設けられたベアリング368側の駆動軸367の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。
Also, the
上述したように、本実施形態では、ロータ321の直径D1が、ロータ331の直径D2よりも大きい。したがって、上述した移動容積比を1より大きくする(RQ>1とする)ためには、1段目のロータ321の回転数が2段目のロータ331の回転数と同じでよい。言い換えると、1段目のロータ321の回転速度を2段目のロータ331の回転速度と同じ速さにすることができる。そこで、ポンプ300では、1段目のロータ321の回転数が2段目のロータ331の回転数と同じになるように、第1タイミングギヤ361、第2タイミングギヤ362、第1駆動ギヤ365および第2駆動ギヤ366の歯数が設定される。例えば、駆動軸367の回転速度から回転軸322、332の回転速度を減速させる場合には、第1駆動ギヤ365の減速比が第2駆動ギヤ366の減速比と等しくなるように、第1タイミングギヤ361、第2タイミングギヤ362、第1駆動ギヤ365および第2駆動ギヤ366の歯数を設定すればよい。ここでの「減速比」は、第1実施形態と同様である。この場合、第1駆動ギヤ365の歯数と第1タイミングギヤ361の歯数との比率(=第1タイミングギヤ361の歯数/第1駆動ギヤ365の歯数)が、第2駆動ギヤ366の歯数と第2タイミングギヤ362の歯数との比率(=第2タイミングギヤ362の歯数/第2駆動ギヤ366の歯数)と等しければよい。一方、駆動軸367の回転速度から回転軸322、332の回転速度を増速させる場合や同等の場合であっても、1段目のロータ321の回転数が、2段目のロータ331の回転数と等しくなるように、第1駆動ギヤ365および第2駆動ギヤ366の歯数が設定されれば差し支えない。なお、各ロータ321、331の直径をどの程度とするかは、所望の風量および移動容積比RQが得られるように適宜決定すればよい。
As described above, the diameter D1 of the
<冷却機構>
図14に示すように、本実施形態に係るケーシング310にも、中間吐出口315および本実施形態に係る第1冷却ガス導入口の一例としての中間逆流冷却ガス導入口316(以下、単に「冷却ガス導入口316」と記載する。)が設けられる。中間吐出口315および冷却ガス導入口316は、それぞれ、第1実施形態に係る中間吐出口115および冷却ガス導入口116と同じ構成、機能および作用効果を有する。また、本実施形態に係る冷却部の一例としての冷却器1が、中間吐出口315および冷却ガス導入口316と接続される。また、冷却器1には、逆止弁3も接続される。
<Cooling mechanism>
As shown in FIG. 14, the
<第2冷却ガス導入口>
図14に示すように、本実施形態に係るケーシング310にも、第1実施形態に係る冷却ガス導入口317と同じ構成、機能および作用効果を有する逆流冷却ガス導入口317が設けられる。
<Second cooling gas inlet>
As shown in FIG. 14, a
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ300は、ケーシング310とベアリング・ギヤ室373との間、および、ケーシング310とベアリング室374との間に、中間室として、サイドカバー380を有している。このサイドカバー380は、第1実施形態に係るサイドカバー180と実質的に同じ構成および機能を有する。また、ポンプ300にも、第1実施形態に係るポンプ100と同様のシール機構および軸封機構が設けられている。
<Other configurations>
In addition, the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ300の駆動方法を述べる。なお、ポンプ300によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method for driving the
図13~図15に示すように、駆動軸367に支持された第1駆動ギヤ365および第2駆動ギヤ366が同じ方向に回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ361A、361Bのうち、第1駆動ギヤ365と噛み合う一方の第1タイミングギヤ361Aが、第1駆動ギヤ365とは反対方向に回転する。このときの第1タイミングギヤ361Aの回転数は、第1駆動ギヤ365の回転数から、第1駆動ギヤ365の歯数と第1タイミングギヤ361Aの歯数との比から算出される減速比(第1タイミングギヤ361Aの歯数/第1駆動ギヤ365の歯数)で減速された回転数となる。また、第1タイミングギヤ361Aと噛み合う他方の第1タイミングギヤ361Bは、第1タイミングギヤ361Aの歯数と同じ歯数であるため、第1タイミングギヤ361Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ321、321は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ321、321の回転により、吸込口311付近のガスが、吸込口311からケーシング310内に吸い込まれた(図14の矢印Gs)後に、ロータ321により圧縮されて中間位置に吐き出される(図14の矢印Gm)。
As shown in FIGS. 13 to 15, a
同様に、1対の第2タイミングギヤ362A、362Bのうち、第2駆動ギヤ366と噛み合う一方の第2タイミングギヤ362Aが、第2駆動ギヤ366とは反対方向に回転する。このときの第2タイミングギヤ362Aの回転数は、第2駆動ギヤ366の回転数から、第2駆動ギヤ366の歯数と第2タイミングギヤ362Aの歯数との比から算出される減速比(第2タイミングギヤ362Aの歯数/第2駆動ギヤ366の歯数)で減速された回転数となる。また、第2タイミングギヤ362Aと噛み合う他方の第2タイミングギヤ362Bは、第2タイミングギヤ362Aの歯数と同じ歯数であるため、第2タイミングギヤ362Aと互いに反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ331、331は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ331、331の回転により、1段目のロータ321により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ331に掻き込まれた(図14の矢印Gm)後に、ロータ331により圧縮されて吐出口313から外部に排出される(図14の矢印Gd)。
Similarly, of the pair of second timing gears 362A and 362B, one of the second timing gears 362A meshing with the
ここで、本実施形態では、第1駆動ギヤ365および第2駆動ギヤ366が同一の駆動軸367に支持されており、かつ、第1駆動ギヤ365の歯数と第1タイミングギヤ361Aの歯数との比から算出される減速比と、第2駆動ギヤ366の歯数と第2タイミングギヤ362Aの歯数との比から算出される減速比とが等しい。そのため、第1タイミングギヤ361の回転数と、第2タイミングギヤ362の回転数とが等しい。
Here, in this embodiment, the
また、本実施形態では、第1実施形態と同様に、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口315からケーシング310の外部に排出され、冷却器1で冷却された後に、ケーシング310の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口316A、316Bから1段目の圧縮要素内(ロータ321とケーシング310とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pmは、ロータ321とケーシング310とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口315から排出されたガスは、冷却器1を通って、循環する。より詳細には、図14の矢印Geに示すように、中間吐出口315から排出されたガスは、冷却器1により冷却され、冷却ガス導入口316から1段目の圧縮要素内、具体的には、1段目のロータ321とケーシング310とで囲まれた領域内(移動容積Qth1部分)に導入された後、再び中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口315から常時排出され、冷却器1により冷却されたガスが1段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Further, in this embodiment, as in the first embodiment, the gas present in the intermediate position between the first stage and the second stage is discharged from the
さらに、中間圧力Pmが大気圧以上の場合には、逆止弁3が開放され、中間圧力Pmと大気圧との圧力差により、中間位置に存在するガスは、中間吐出口315から、より圧力の低い大気に排出され(図14の矢印Geおよび矢印Gd)、中間圧力Pmが大気圧以下まで下がる。したがって、2段目の圧縮要素(ロータ331)への吸込圧力が小さくなるため、1段目の圧縮要素(ロータ321)への吸込圧力と2段目の圧縮要素(ロータ331)への吸込圧力との差圧ΔP1を小さくすることができる。その結果、ポンプ300を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ300が吸込口311に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pmが大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Furthermore, when the intermediate pressure Pm is equal to or higher than the atmospheric pressure, the
本実施形態では、ロータ321の直径D1がロータ331の直径D2よりも大きくなっている。また、第1タイミングギヤ361Aとの間の第1駆動ギヤ365の減速比は、第2タイミングギヤ362Aとの間の第2駆動ギヤ366の減速比と同じになっている。したがって、ロータ321の回転数N1は、ロータ331の回転数N2と同じになる。また、ロータ321の長さL1とロータ331の長さL2とが同じであることから、上述したように、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素との間の移動容積比RQは、1より大きくなる。
In this embodiment, the diameter D1 of the
[第4実施形態]
次に、図16~図19を参照しながら、本発明の第4実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図16は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ400(以下、「ポンプ400」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図17、図18および図19は、それぞれ、図16のXVII-XVII線、XVIII-XVIII線およびXIX-XIX線で切断した断面図である。上述した第1~第3実施形態のポンプ100、200、300は、2段の圧縮要素を有する2段ルーツ式ポンプの例であったが、本実施形態に係るポンプ400は、3段の圧縮要素を有する3段ルーツ式ポンプの例である。ここで、1段目(最も低圧側)の圧縮要素と2段目(中間)の圧縮要素との関係は、第1実施形態に係るポンプ100の1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の関係と同様であり、2段目(中間)の圧縮要素と3段目(最も高圧側)の圧縮要素との関係は、第2実施形態に係るポンプ200の1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の関係と同様である。なお、以下では、上述した実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Fourth embodiment]
Next, a multistage roots pump according to a fourth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 16 to 19. FIG. FIG. 16 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 400 (hereinafter abbreviated as "pump 400") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 17, 18 and 19 are cross-sectional views taken along lines XVII-XVII, XVIII-XVIII and XIX-XIX of FIG. 16, respectively. Although the
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図16~図19に示すように、ポンプ400は、回転圧縮機の一種である3段ルーツ式ポンプであり、ケーシング410と、3段(3組)の圧縮要素と、駆動機構と、冷却機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 16 to 19, the
<ケーシング>
ケーシング410の構成および機能は、第1実施形態に係るケーシング110と同様である。
<Casing>
The configuration and function of the
ここで、ケーシング410は、同じ段の圧縮要素が有する2本の回転軸422、422を含む仮想平面、2本の回転軸432、432を含む仮想平面、または、2本の回転軸442、442を含む仮想平面の法線方向に沿って、3段の圧縮要素が並列配置されるように圧縮要素を収容する。このように、本実施形態では、回転軸422、432、442の軸方向に対して並列に配置された複数段の圧縮要素が単一のケーシング410に内装されており、各圧縮要素を接続する外部の配管や内部のガス流路などは特に設けられていない。そのため、1段目の圧縮要素で圧縮されて吐き出されたガスは、2段目の圧縮要素に直接(そのまま)吸い込まれて圧縮された後に吐き出され、さらに、3段目の圧縮要素に直接(そのまま)吸い込まれる。したがって、3段ルーツ式ポンプの各圧縮要素により圧縮されたガスの温度上昇は、2段ルーツ式ポンプの場合と比べ、ガスの温度上昇の問題はさらに深刻となる。そこで、本実施形態では、詳しくは後述するように、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスの冷却だけでなく、2段目と3段目の間の中間位置に存在するガスの冷却も実施される。
Here, the
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング410内に、吸込口411側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口413側に位置する3段目(高圧側)の圧縮要素と、1段目と3段目の間に配置される2段目(中間)の圧縮要素の、3段の圧縮要素とが設けられている。3段の圧縮要素間には、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング410内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ421、421と、2本の回転軸422、422とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ431、431と、2本の回転軸432、432とを有する。3段目の圧縮要素は、1対のロータ441、441と、2本の回転軸442、442とを有する。
<Compression element>
As the compression element of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図17に示すように、ロータ421は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部421a、421b、421cを有する形状である。また、各突出部421a、421b、421cの間には、凹部421dが設けられている。同様に、ロータ431も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部431a、431b、431cを有する形状である。また、各突出部431a、431b、431cの間には、凹部431dが設けられている。同様に、ロータ441も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部441a、441b、441cを有する形状である。また、各突出部441a、441b、441cの間には、凹部441dが設けられている。
As shown in FIG. 17, the
1対のロータ421、421は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸422、422は、1対のロータ421、421を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸422、422は、2つのベアリング423、423により支持されている。同様に、1対のロータ431、431は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸432、432は、1対のロータ431、431を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸432、432は、2つのベアリング433、433により支持されている。同様に、1対のロータ441、441も、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸442、442は、1対のロータ441、441を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸442、442は、2つのベアリング443、443により支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸422と回転軸432と回転軸442とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ431、441について、ロータ421と重複する説明を省略し、ロータ421の内容を適宜読み替えるものとする。
The pair of
1対のロータ421、421同士およびロータ421とケーシング410の内面410aとが接触しないように、各々のロータ421、421同士の間および突出部421a、421b、421cの先端(葉端)とケーシング410の内面410aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ421が配置される。このすき間の大きさについては、第1実施形態と同様である。各々のロータ421、421は、後述するタイミングギヤ461A、461Bにより回転位相が維持されており、ロータ421の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ431は、対となるロータ431およびケーシング410の内面410dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ431、431は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ441は、対となるロータ441およびケーシング410の内面410gとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ441、441は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。その他、ロータ421、431、441の構成および機能は、上述した各実施形態に係るロータの構成および機能と同様である。
Between the
ポンプ400では、1段目の圧縮要素であるロータ421、回転軸422等と、2段目の圧縮要素であるロータ431、回転軸432等と、3段目の圧縮要素であるロータ441、回転軸442等と、は、単一のケーシング410内において、同じ段の2本の回転軸422、422(または2本の回転軸432、432、または2本の回転軸442、442)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ421と2段目のロータ431と3段目のロータ441とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口411、1段目のロータ421、2段目のロータ431、3段目のロータ441および吐出口413が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口411からケーシング410内に導入されると(図17の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ421により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図17の矢印Gm1)。ロータ421により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ431により圧縮された後に、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素の中間に進む(図17の矢印Gm2)。ロータ431により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、3段目のロータ441により圧縮された後に、そのまま吐出口413からケーシング410外に排出される(図17の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ400によれば、単一のケーシング410内において、1段目のロータ421と2段目のロータ431と3段目のロータ441とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、1段目の圧縮要素(ロータ421)と2段目の圧縮要素(ロータ431)との間、および、2段目の圧縮要素(ロータ431)と3段目の圧縮要素(ロータ441)との間に仕切りを設けなくても、ロータ421、431、441の配置自体で、3段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、3段のロータを有する場合、ロータ3つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ400では、ロータ421とロータ431とロータ441とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。したがって、回転軸422、432、442やケーシング410の剛性の低下を抑制できる。特に、ポンプ400を大風量化するためにロータ421、431、441の長さを長くしたとしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。さらに、1段目と2段目と3段目のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプ400の性能上支障がない範囲で収まるため、それほど高い加工精度および組立精度は求められない。ここで、3段以上の圧縮要素を有する多段ルーツ式ポンプでは、回転軸およびケーシングの剛性低下、大風量化の困難性、高い加工精度および組立精度の必要性などの問題が、2段ルーツ式ポンプの場合よりもさらに深刻なものとなる。このような場合に、本実施形態に係るポンプ400によれば、上記の問題が全て解決されるため、複数の圧縮要素を別の軸上に並列配置するメリットが大きい。
Thus, according to the
また、後述するように、1段目のロータ421の長さL1と、2段目のロータ431の長さL2とを同じ長さにできる。したがって、本実施形態のポンプ400によれば、1段目のロータ421と2段目のロータ431に同じロータ(形状および大きさが同じロータ)を使用できるので、部品の種類が減らせるというメリットがある。その結果、生産効率の向上やコストの削減につながる。
Further, as will be described later, the length L1 of the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ400では、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ421)と2段目の圧縮要素(ロータ431)との間において、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
In the
RQ = QthL / QthH (1)
ただし、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2を求める場合、式(1)において、QthLは、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素のうち低圧側の圧縮要素(本実施形態では1段目の圧縮要素)の移動容積であり、QthHは、高圧側の圧縮要素(本実施形態では2段目の圧縮要素)の移動容積である。 However, when obtaining the displacement volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage, in equation (1), Qth L is the low pressure side of the first stage compression element and the second stage compression element. is the displacement volume of the compression element (in this embodiment, the first stage compression element), and Qth H is the displacement volume of the high pressure side compression element (in this embodiment, the second stage compression element).
ここで、本実施形態における移動容積Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング410とロータ421、ロータ431またはロータ441とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。すなわち、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the movement volume Qth in the present embodiment is a so-called displacement amount, which is proportional to the number of rotations N, and is the theoretical amount per hour of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Vthは、押しのけ容積であり、Nは、ロータの回転数であり、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さである。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸422、432、442に垂直な断面における断面積である。 where, in equation (2), Vth is the displacement, N is the number of rotations of the rotor, A is the moving area per revolution, and L is the length of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in a cross-section perpendicular to the rotation axes 422, 432, 442.
本実施形態のポンプ400における1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、以下のようにして計算される。まず、1段目のロータ421を例に挙げると、左右1対のロータ421、421が1回転する毎に、それぞれ、ガスの吸い込みと吐き出しが6回(左側のロータ421と右側のロータ421とで、それぞれ3回ずつ)繰り返される。2段目のロータ431についても同様である。ここで、図17に示すように、ロータ421の2片の突出部(例えば、突出部421aと突出部421b)とケーシング410の内面410aとで囲まれる空間の回転軸422に垂直な断面の断面積をS1とすると、1段目(低圧側)の圧縮要素の移動面積A1は、A1=6×S1となる。同様に、ロータ431の2片の突出部(例えば、突出部431bと突出部431c)とケーシング410の内面410dとで囲まれる空間の回転軸432に垂直な断面の断面積をS2とすると、2段目(高圧側)の圧縮要素の移動面積A2は、A2=6×S2となる。以上より、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、下記式(3)で表される。
The displacement volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage in the
ただし、式(3)において、Qth1は1段目の圧縮要素の移動容積、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、N1は1段目のロータ421の回転数、N2は2段目のロータ431の回転数を表す。ここで、ロータ421とロータ431の直径および形状は同一である。したがって、1段目の移動面積A1と2段目の移動面積A2は等しい。また、図16に示すように、ロータ421の長さL1とロータ431の長さL2は等しい。よって、上記式(3)は、以下の式(3-1)のように書き替えられる。
However, in equation (3), Qth1 is the movement volume of the first stage compression element, Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, N1 is the rotation speed of the
したがって、本実施形態では、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2を1より大きくするためには、1段目のロータ421の回転数N1を2段目のロータ431の回転数N2よりも高くすればよい(N1>N2)。このように、本実施形態の1段目と2段目の間では、1段目の圧縮要素の回転数N1と2段目の圧縮要素の回転数N2の回転数比(N1/N2)により、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2が決定される。これにより、1段目のロータ421の長さL1と2段目のロータ431の長さL2とを同一にできるので、1段目のロータ421と2段目のロータ431とをポンプ400の部品として共通化できる。
Therefore, in this embodiment, in order to make the moving volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage greater than 1, the rotational speed N1 of the
また、ポンプ400では、別の回転軸上に並列に配置された2段目の圧縮要素(ロータ431)と3段目の圧縮要素(ロータ441)との間においても、上記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
Further, in
ただし、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3を求める場合、式(1)において、QthLは、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素のうち低圧側の圧縮要素(本実施形態では2段目の圧縮要素)の移動容積であり、QthHは、高圧側の圧縮要素(本実施形態では3段目の圧縮要素)の移動容積である。 However, when obtaining the movement volume ratio R Q2-3 between the second stage and the third stage, Qth L in the equation (1) is the low pressure side of the second stage compression element and the third stage compression element. and Qth H is the displacement of the high-pressure side compression element (the third-stage compression element in the present embodiment).
上述したように、移動容積Qth(m3/min)は、上記式(2)で表される。したがって、本実施形態のポンプ400における2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3は、以下のようにして計算される。まず、2段目のロータ431を例に挙げると、左右1対のロータ431、431が1回転する毎に、それぞれ、ガスの吸い込みと吐き出しが6回(左側のロータ431と右側のロータ431とで、それぞれ3回ずつ)繰り返される。3段目のロータ441についても同様である。ここで、上述したように、2段目(中間)の圧縮要素の移動面積A2は、A2=6×S2となる。同様に、ロータ441の2片の突出部(例えば、突出部441bと突出部441c)とケーシング410の内面410gとで囲まれる空間の回転軸442に垂直な断面の断面積をS3とすると、3段目(高圧側)の圧縮要素の移動面積A3は、A3=6×S3となる。以上より、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3は、下記式(5)で表される。
As described above, the movement volume Qth (m 3 /min) is represented by the above formula (2). Therefore, the displacement volume ratio R Q2-3 between the second stage and the third stage in the
ただし、式(5)において、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、Qth3は3段目の圧縮要素の移動容積、N2は2段目のロータ431の回転数、N3は3段目のロータ441の回転数を表す。ここで、本実施形態のポンプ400では、2段目のロータ431の長さL2が、3段目のロータ441の長さL3と異なる。そのため、ポンプ400の2段目と3段目との関係では、1段目と2段目との関係のように、2段目のロータ431と3段目のロータ441に同じロータ(形状および大きさが同じロータ)を使用できるというメリットは享受できない。一方、2段目のロータ431の長さL2が、3段目のロータ441の長さL3よりも長くなっていることから(L2>L3)、2段目のロータ431の回転数N2と、3段目のロータ441の回転数N3を同じ(すなわち、N2=N3)としても、移動容積比RQ2-3を1以上にできる。
However, in equation (5), Qth2 is the movement volume of the second-stage compression element, Qth3 is the movement volume of the third-stage compression element, N2 is the rotation speed of the second-
なお、ポンプ400において、ロータ431とロータ441の直径および形状は同一である。したがって、2段目の移動面積A2と3段目の移動面積A3は等しい。また、ロータ431の回転数N2とロータ441の回転数N3とは等しい。よって、上記式(5)は、以下の式(5-1)のように書き替えられる。
In
したがって、本実施形態では、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3を1より大きくするためには、2段目のロータ431の長さL2を3段目のロータ441の長さL3よりも大きくすればよい(L2>L3)。このように、本実施形態では、2段目のロータ431の長さL2と3段目のロータ441の長さL3のロータ長さ比(L2/L3)により、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3が決定される。これにより、2段目のロータ431の回転数N2と3段目のロータ441の回転数N3とを同一にできるので、詳しくは後述するように、ギヤ構成がシンプルになり、ギヤの点数も減らせる。
Therefore, in this embodiment, in order to make the moving volume ratio R Q2-3 between the second stage and the third stage greater than 1, the length L2 of the
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ400の駆動軸467の軸動力を低減できる。なお、本実施形態では、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2と、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3とが双方ともに1より大きい場合が例示されている。この場合には、軸動力の低減効果が顕著に向上できる。ただし、本発明に係る3段ルーツ式ポンプとしては、RQ1-2とRQ2-3の少なくともいずれか一方の移動容積比が1より大きければよい。例えば、RQ1-2とRQ2-3のいずれか一方が1より大きく、他方が1である3段ルーツ式ポンプも、本発明に係る多段ルーツ式ポンプとして使用できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図16、図18および図19に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ461(461A、461B)と、1対の第2タイミングギヤ462(462A、462B)と、1対の第3タイミングギヤ463(463A、463B)と、第1駆動ギヤ464と、第2駆動ギヤ465と、第3駆動ギヤ466と、モータ入力軸である駆動軸467と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIGS. 16, 18 and 19, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 461 (461A, 461B), a pair of second timing gears 462 (462A, 462B), and , a pair of third timing gears 463 (463A, 463B), a
1対の第1タイミングギヤ461A、461Bは、1段目の2本の回転軸422の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ421、421の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ462A、462Bは、2段目の2本の回転軸432の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ431、431の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第3タイミングギヤ463A、463Bは、2段目の2本の回転軸442の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ431、431の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。
A pair of first timing gears 461A and 461B are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
また、第1駆動ギヤ464は、1対の第1タイミングギヤ461のうちの一方の第1タイミングギヤ461Aと噛み合うように設けられており、第2駆動ギヤ465は、1対の第2タイミングギヤ462のうちの一方の第2タイミングギヤ462Aと噛み合うように設けられている。また、第3駆動ギヤ466は、1対の第2タイミングギヤ462のうちの一方の第2タイミングギヤ462Bと、1対の第3タイミングギヤ463のうちの一方の第3タイミングギヤ463Bの両方と噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸467は、第1駆動ギヤ464と第2駆動ギヤ465とを回転可能に支持する。すなわち、第1駆動ギヤ464と第2駆動ギヤ465とは、同一の駆動軸に回転可能に支持される。また、駆動軸467は、後述するサイドカバー480に設けられたベアリング468と、ベアリング・ギヤ室473に設けられたベアリング468とにより支持されている。ベアリング・ギヤ室473に設けられたベアリング468側の駆動軸467の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。また、第3駆動ギヤ466は、回転軸469の軸端に設けられている。回転軸469の第3駆動ギヤ466が設けられていない方の軸端は、後述するサイドカバー480に設けられたベアリング470により支持されている。
Also, the
上述したように、本実施形態では、ロータ421の長さL1とロータ431の長さL2とが同じである。したがって、1段目と2段目の間の移動容積比を1より大きくする(RQ1-2>1とする)ためには、1段目のロータ421の回転数を2段目のロータ431の回転数より高くする必要がある。言い換えると、1段目のロータ421の回転速度を2段目のロータ431の回転速度より速くする必要がある。そこで、ポンプ400では、1段目のロータ421の回転数が2段目のロータ431の回転数より高くなるように、第1駆動ギヤ464および第2駆動ギヤ465の歯数が設定される。例えば、駆動軸467の回転速度から回転軸422、432の回転速度を減速させる場合には、第1駆動ギヤ464の減速比が第2駆動ギヤ465の減速比よりも小さくなるように、第1駆動ギヤ464および第2駆動ギヤ465の歯数を設定すればよい。この場合、第1タイミングギヤ461と第2タイミングギヤ462の歯数が同じであるとすると、第1駆動ギヤ464の歯数を第2駆動ギヤ465の歯数よりも多くすればよい。各駆動ギヤ464、465の減速比をどの程度とするかは、所望の移動容積比RQ1-2が得られるように適宜決定すればよい。一方、駆動軸467の回転速度から回転軸422、432の回転速度を増速させる場合や同等の場合であっても、1段目のロータ421の回転数が、2段目のロータ431の回転数よりも高くなるように、第1駆動ギヤ464および第2駆動ギヤ465の歯数が設定されれば差し支えない。
As described above, in this embodiment, the length L1 of the
また、本実施形態では、ロータ431の長さL2が、ロータ441の長さL3よりも長い。したがって、2段目と3段目の間の移動容積比を1より大きくする(RQ2-3>1とする)ためには、2段目のロータ431の回転数が3段目のロータ441の回転数と同じでよい。言い換えると、2段目のロータ431の回転速度を3段目のロータ441の回転速度と同じ速さにすることができる。そこで、ポンプ400では、2段目のロータ431の回転数が3段目のロータ441の回転数と同じになるように、同じ歯数の第2タイミングギヤ462と第3タイミングギヤ463とが同一の第3駆動ギヤ466に噛み合うようにしている。なお、各ロータ431、441の長さをどの程度とするかは、所望の風量および移動容積比RQ2-3が得られるように適宜決定すればよい。
Also, in this embodiment, the length L2 of the
<冷却機構>
ポンプ400には、図17に示すように、冷却機構として、冷却器1、2と、中間吐出口415、417と、中間逆流冷却ガス導入口416、418(以下、単に「冷却ガス導入口416、418」と記載する。)とが設けられている。冷却器1、2は、本実施形態の冷却部の一例であり、ケーシング410の外部に設けられる。中間吐出口415、417は、ケーシング410の側面に、それぞれ少なくとも1つずつ設けられる。冷却ガス導入口416、418は、本実施形態の第1冷却ガス導入口の一例であり、ケーシング410の側面に、それぞれ少なくとも1つずつ設けられる。
<Cooling mechanism>
As shown in FIG. 17, the
冷却器1は、中間吐出口415および冷却ガス導入口416と接続され、中間吐出口415から排出されたガスを冷却する。冷却器2は、中間吐出口417および冷却ガス導入口418と接続され、中間吐出口417から排出されたガスを冷却する。冷却器1、2としては、特に制限されないが、例えば、プレート式、シェル・チューブ式(多管式)、フィンチューブ式、スパイラル式、空冷式などの各種熱交換器を用いることができる。また、本発明の冷却部としては、冷却器1、2を設けずに、中間吐出口415と冷却ガス導入口416とを接続する配管(図示せず。)、中間吐出口417と冷却ガス導入口418とを接続する配管(図示せず。)などをケーシング110の外部に設けてもよい。この場合、中間吐出口415、417から排出されたガスは、上記配管を通過する際に放熱することで冷却される。冷却効率を重視する場合には、上記のような熱交換器を設け、ポンプ400全体のエネルギー効率を重視する場合には、上記の配管のみを設けるとよい。
中間吐出口415は、隣接して配置された低圧側(本実施形態では1段目)の圧縮要素と高圧側(本実施形態では2段目)の圧縮要素との間に存在するガスを、図17の矢印Ge1に示すように、ケーシング410の外部に吐出するための吐出口である。この中間吐出口415は、隣接する圧縮要素間、すなわち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に設けられる。図17に示した例では、中間吐出口415をケーシング410の左側面に1箇所のみ設けた例が示されているが、中間吐出口415の数は特に制限されず、2箇所以上設けてもよい。例えば、図17に示した断面において、ケーシング410の左側面だけでなく、右側面にもう1箇所設けられてもよい。また、図17に示した断面の手前側からみて、ケーシング410の前側面(正面側の面)または後側面(背面側の面)のうち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、中間吐出口415が設けられてもよい。また、中間吐出口417は、隣接して配置された低圧側(本実施形態では2段目)の圧縮要素と高圧側(本実施形態では3段目)の圧縮要素との間に存在するガスを、図17の矢印Ge2に示すように、ケーシング410の外部に吐出するための吐出口である。この中間吐出口417は、隣接する圧縮要素間、すなわち、2段目(低圧側)の圧縮要素と3段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に設けられる。中間吐出口415と同様に、中間吐出口417の数は特に制限されず、中間吐出口417は、図17に示すように、ケーシング410の左側面に1箇所のみ設けられてもよく、ケーシング410の側面に2箇所以上設けられてもよい。
The
冷却ガス導入口416(416A、416B)は、冷却器1により冷却されたガスを、中間吐出口415よりも低圧側の圧縮要素(本実施形態では、中間吐出口415から排出されるガスの圧力よりも低い圧力のガスが存在する1段目の圧縮要素)内に導入するための吸込口である。この冷却ガス導入口416は、1段目のロータ421により吸い込まれた(掻き込まれた)移動容積Qth1部分に、冷却器1により冷却されたガスが混ざり合うことが可能な位置に設けられる。また、冷却ガス導入口418(418A、418B)は、冷却器2により冷却されたガスを、中間吐出口417よりも低圧側の圧縮要素(本実施形態では、中間吐出口417から排出されるガスの圧力よりも低い圧力のガスが存在する2段目の圧縮要素)内に導入するための吸込口である。この冷却ガス導入口418は、2段目のロータ431により吸い込まれた(掻き込まれた)移動容積Qth2部分に、冷却器2により冷却されたガスが混ざり合うことが可能な位置に設けられる。
The cooling gas inlet 416 (416A, 416B) feeds the gas cooled by the
ここで、中間吐出口415が設けられた1段目の圧縮要素の吐出側と2段目の圧縮要素の吸込側の中間位置の圧力(中間圧力Pm1)は、1段目の圧縮要素(ロータ421)からの吐出圧力と等しく、また、この圧力は、2段目の圧縮要素(ロータ431)への吸込圧力とも等しい。中間圧力Pm1は、ロータ421とケーシング410とで囲まれた空間の圧力Pr1以上(Pm1≧Pr1)であるため、中間吐出口415から排出されたガスは、冷却器1を通過して、循環される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止できる。その結果、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。同様に、中間吐出口417が設けられた2段目の圧縮要素の吐出側と3段目の圧縮要素の吸込側の中間位置の圧力(中間圧力Pm2)は、2段目の圧縮要素(ロータ431)からの吐出圧力と等しく、また、この圧力は、3段目の圧縮要素(ロータ441)への吸込圧力とも等しい。中間圧力Pm2は、ロータ431とケーシング410とで囲まれた空間の圧力Pr2以上(Pm2≧Pr2)であるため、中間吐出口417から排出されたガスは、冷却器2を通過して、循環される。その結果、2段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、2段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに3段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止できる。その結果、3段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Here, the pressure (intermediate pressure Pm1) at an intermediate position between the discharge side of the first-stage compression element provided with the
図17には、冷却ガス導入口416がケーシング410の左右両側面に1箇所ずつ(合計2箇所)設けられた例が示されているが、冷却ガス導入口416の数は特に制限されず、少なくとも1つの冷却ガス導入口416が設けられていれば、上記のガスの著しい温度上昇の抑制効果は得られる。2段目の圧縮要素に吸い込まれるガスの冷却効果を高めるためには、冷却ガス導入口416の数が多い方が好ましい。特に、ケーシング410内を均一に冷却するためには、図17に示すように、冷却ガス導入口416がケーシング410の左右両側面から、冷却器1により冷却されたガスを導入することが好ましい。同様に、冷却ガス導入口418の数は特に制限されず、少なくとも1つの冷却ガス導入口418が設けられていれば、上記のガスの著しい温度上昇の抑制効果は得られる。3段目の圧縮要素に吸い込まれるガスの冷却効果を高めるためには、冷却ガス導入口418の数が多い方が好ましい。特に、ケーシング410内を均一に冷却するためには、図17に示すように、冷却ガス導入口418がケーシング410の左右両側面から、冷却器2により冷却されたガスを導入することが好ましい。
FIG. 17 shows an example in which one cooling
また、ポンプ400には、冷却器1と接続された逆止弁3および冷却器2と接続された逆止弁4が設けられている。逆止弁3は、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素との間の中間位置の中間圧力Pm1が大気圧以下の場合には、大気圧からの差圧により閉止され、中間圧力Pm1が大気圧以上の場合には開放される。中間吐出口415から排出されたガスは、逆止弁3が開放された状態においては、1段目の圧縮要素より圧力の低い大気に排気され、逆止弁3が閉止された状態においては、冷却ガス導入口416から1段目の圧縮要素内に導入される。同様に、逆止弁4は、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素との間の中間位置の中間圧力Pm2が大気圧以下の場合には、大気圧からの差圧により閉止され、中間圧力Pm2が大気圧以上の場合には開放される。中間吐出口417から排出されたガスは、逆止弁4が開放された状態においては、2段目の圧縮要素より圧力の低い大気に排気され、逆止弁4が閉止された状態においては、冷却ガス導入口418から1段目の圧縮要素内に導入される。
The
上述した構成を有する本実施形態の冷却機構を設けることにより、1段目の圧縮要素から吐出されるガスの温度が低下するとともに、2段目の圧縮要素から吐出されるガスの温度も低下することから、2段目および3段目のロータおよびケーシングの熱膨張も小さくなる。したがって、2段目および3段目の圧縮要素におけるロータとケーシングとのすき間およびロータ相互間のすき間を狭く設定できる。特に、3段目の圧縮要素においては、上述した冷却機構を設ける場合と設けない場合とでは、吐出ガスの温度に大きな差が生じる。その結果、2段目および3段目の圧縮要素においてガスの漏れ量(特に3段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量)、すなわち、高圧側から低圧側に逆流するガスの量が少なくなるため、体積効率が向上する。 By providing the cooling mechanism of this embodiment having the configuration described above, the temperature of the gas discharged from the first-stage compression element is lowered, and the temperature of the gas discharged from the second-stage compression element is also lowered. Therefore, the thermal expansion of the second and third stage rotors and casings is also reduced. Therefore, the gap between the rotor and the casing and the gap between the rotors in the second and third stage compression elements can be narrowed. In particular, in the third-stage compression element, there is a large difference in the temperature of the discharged gas between when the cooling mechanism described above is provided and when it is not provided. As a result, the amount of gas leaked from the second and third stage compression elements (especially the amount of gas leaked from the third stage compression element), that is, the amount of gas flowing back from the high pressure side to the low pressure side is reduced. , the volumetric efficiency is improved.
また、2段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量、すなわち、2段目の圧縮要素の吐出側(高圧側)から2段目の圧縮要素の吸込側(低圧側)への漏れ量が少なくなるほど、2段目の圧縮要素の吸込圧力が低下する。2段目の圧縮要素の吸込圧力が低下すると、2段目の圧縮要素の吸込圧力(1段目の圧縮要素の吐出圧力と等しい)と1段目の圧縮要素の吸込圧力との差圧が小さくなる。その結果、1段目の圧縮要素の軸動力を小さくすることができる。さらに、3段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量、すなわち、3段目の圧縮要素の吐出側(高圧側)から3段目の圧縮要素の吸込側(低圧側)への漏れ量が少なくなるほど、3段目の圧縮要素の吸込圧力が低下する。3段目の圧縮要素の吸込圧力が低下すると、3段目の圧縮要素の吸込圧力(2段目の圧縮要素の吐出圧力と等しい)と2段目の圧縮要素の吸込圧力との差圧が小さくなる。その結果、2段目の圧縮要素の軸動力も小さくすることができる。このように、3段以上の圧縮要素を有する多段ルーツ式ポンプでは、軸動力の低減効果が2段の圧縮要素を有する多段ルーツ式ポンプよりも大きくなる。 Also, the amount of gas leaked from the second stage compression element, that is, the leakage amount from the discharge side (high pressure side) of the second stage compression element to the suction side (low pressure side) of the second stage compression element decreases. , the suction pressure of the second stage compression element decreases. When the suction pressure of the second-stage compression element decreases, the pressure difference between the suction pressure of the second-stage compression element (equal to the discharge pressure of the first-stage compression element) and the suction pressure of the first-stage compression element increases. become smaller. As a result, the shaft power of the first stage compression element can be reduced. Furthermore, the leakage amount of gas in the third stage compression element, that is, the leakage amount from the discharge side (high pressure side) of the third stage compression element to the suction side (low pressure side) of the third stage compression element decreases. , the suction pressure of the third stage compression element decreases. When the suction pressure of the third-stage compression element decreases, the pressure difference between the suction pressure of the third-stage compression element (equal to the discharge pressure of the second-stage compression element) and the suction pressure of the second-stage compression element increases. become smaller. As a result, the shaft power of the second stage compression element can also be reduced. Thus, a multi-stage roots pump having three or more stages of compression elements has a greater effect of reducing shaft power than a multi-stage roots pump having two stages of compression elements.
なお、本実施形態では、1-2段間の中間位置のガスを冷却するための冷却機構(すなわち、中間吐出口415、冷却器1および冷却ガス導入口416からなる冷却機構)と、2-3段間の中間位置のガスを冷却するための冷却機構(すなわち、中間吐出口417、冷却器2および冷却ガス導入口418からなる冷却機構)の2つの冷却機構が設けられているが、いずれか一方の冷却機構のみを設けることでも、上述した吐出ガスの顕著な温度上昇の抑制効果は得られる。ただし、より確実に吐出ガスの温度上昇を抑制するためには、上述した2つの冷却機構を両方設けた方が好ましい。
In this embodiment, a cooling mechanism (that is, a cooling mechanism consisting of the
<第2冷却ガス導入口>
本実施形態のポンプ400では、ケーシング410が、最後段(本実施形態では3段目)の圧縮要素にガスが吸い込まれる吸込位置(上記の中間位置)と吐出口413との間に、ケーシング410の内部に冷却ガスCを導入する逆流冷却ガス導入口419(以下、単に「冷却ガス導入口419」と記載する。)をさらに有する。この冷却ガス導入口419は、本実施形態に係る第2冷却ガス導入口の一例である。冷却ガス導入口419は、第1実施形態に係る冷却ガス導入口117と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Second cooling gas inlet>
In the
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ400は、ケーシング410とベアリング・ギヤ室473との間、および、ケーシング410とベアリング室474との間に、中間室として、サイドカバー480を有している。このサイドカバー480は、第1実施形態に係るサイドカバー180と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Other configurations>
In addition, the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ400の駆動方法を述べる。なお、ポンプ400によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method of driving the
<ポンプの駆動方法>
図16~図19に示すように、図示しないモータにより駆動軸467が回転すると、駆動軸467に支持された第1駆動ギヤ464および第2駆動ギヤ465が同じ方向に回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ461A、461Bのうち、第1駆動ギヤ464と噛み合う一方の第1タイミングギヤ461Aが、第1駆動ギヤ464とは反対方向に回転する。このときの第1タイミングギヤ461Aの回転数は、第1駆動ギヤ464の回転数から、第1駆動ギヤ464の歯数と第1タイミングギヤ461Aの歯数との比から算出される減速比(第1タイミングギヤ461Aの歯数/第1駆動ギヤ464の歯数)で減速された回転数となる。また、第1タイミングギヤ461Aと噛み合う他方の第1タイミングギヤ461Bは、第1タイミングギヤ461Aの歯数と同じ歯数であるため、第1タイミングギヤ461Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ421、421は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ421、421の回転により、吸込口411付近のガスが、吸込口411からケーシング410内に吸い込まれた(図17の矢印Gs)後に、ロータ421により圧縮されて1段目と2段目の中間位置に吐き出される(図17の矢印Gm1)。
<How to drive the pump>
As shown in FIGS. 16 to 19, when
同様に、1対の第2タイミングギヤ462A、462Bのうち、第2駆動ギヤ465と噛み合う一方の第2タイミングギヤ462Aが、第2駆動ギヤ465とは反対方向に回転する。このときの第2タイミングギヤ462Aの回転数は、第2駆動ギヤ465の回転数から、第2駆動ギヤ465の歯数と第2タイミングギヤ462Aの歯数との比から算出される減速比(第2タイミングギヤ462Aの歯数/第2駆動ギヤ465の歯数)で減速された回転数となる。また、第2タイミングギヤ462Aと噛み合う他方の第2タイミングギヤ462Bは、第2タイミングギヤ462Aの歯数と同じ歯数であるため、第2タイミングギヤ462Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ431、431は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ431、431の回転により、1段目のロータ421により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ431に掻き込まれた後に(図17の矢印Gm1)、ロータ431により圧縮されて2段目と3段目の中間位置に吐き出される(図17の矢印Gm2)。
Similarly, of the pair of second timing gears 462A and 462B, one of the second timing gears 462A meshing with the
さらに、第2タイミングギヤ462Bと噛み合う第3駆動ギヤ466が、第2タイミングギヤ462Bとは反対方向に回転する。また、1対の第3タイミングギヤ463A、463Bのうち、第3駆動ギヤ466と噛み合う第3タイミングギヤ463Bが、第3駆動ギヤ466とは反対方向に回転する。ここで、第2タイミングギヤ462Bと第3タイミングギヤ463Bとは、同じ歯数であり、かつ、共通の第3駆動ギヤ466に噛み合っていることから、第3タイミングギヤ463Bの回転方向および回転数は、第2タイミングギヤ462Bと同じになる。また、第3タイミングギヤ463Bと噛み合う他方の第3タイミングギヤ463Aは、第3タイミングギヤ463Bの歯数と同じ歯数であるため、第3タイミングギヤ463Bと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ441、441は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ441、441の回転により、2段目のロータ431により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から3段目のロータ441に掻き込まれた後に(図17の矢印Gm2)、ロータ441により圧縮されて吐出口413から外部に排出される(図17の矢印Gd)。
Further, the
また、本実施形態では、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口415からケーシング410の外部に排出され、冷却器1で冷却された後に、ケーシング410の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口416A、416Bから1段目の圧縮要素内(ロータ421とケーシング410とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pm1は、ロータ421とケーシング410とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口415から排出されたガスは、冷却器1を通って、循環する。より詳細には、図17の矢印Ge1に示すように、中間吐出口415から排出されたガスは、冷却器1により冷却され、冷却ガス導入口416から1段目の圧縮要素内、具体的には、1段目のロータ421とケーシング410とで囲まれた領域内(移動容積Qth1部分)に導入された後、再び1段目と2段目の中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口415から常時排出され、冷却器1により冷却されたガスが1段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。同様に、本実施形態では、2段目と3段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口417からケーシング410の外部に排出され、冷却器2で冷却された後に、ケーシング410の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口418A、418Bから2段目の圧縮要素内(ロータ431とケーシング410とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pm2は、ロータ431とケーシング410とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口417から排出されたガスは、冷却器2を通って、循環する。より詳細には、図17の矢印Ge2に示すように、中間吐出口417から排出されたガスは、冷却器2により冷却され、冷却ガス導入口418から2段目の圧縮要素内、具体的には、2段目のロータ431とケーシング410とで囲まれた領域内(移動容積Qth2部分)に導入された後、再び2段目と3段目の中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口417から常時排出され、冷却器2により冷却されたガスが2段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、2段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、2段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに3段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、3段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Further, in the present embodiment, the gas present in the intermediate position between the first stage and the second stage is discharged from the
さらに、1段目と2段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pm1が大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口415から、より圧力の低い大気に排出され(図17の矢印Ge1および矢印Gd)、中間圧力Pm1が大気圧以下まで下がる。同様に、2段目と3段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pm2が大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口417から、より圧力の低い大気に排出され(図17の矢印Ge2および矢印Gd)、中間圧力Pm2が大気圧以下まで下がる。したがって、2段目および3段目の圧縮要素(ロータ431、441)への吸込圧力が小さくなるため、2段目の吸込圧力Ps2と吸込口411から吸い込まれるガスの圧力(1段目の吸込圧力Ps1)との差ΔP1、および、3段目の吸込圧力Ps3と2段目の吸込圧力Ps2との差ΔP2を小さくすることができる。その結果、ポンプ400を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ400が吸込口411に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pm1、Pm2が大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Furthermore, when the pressure (intermediate pressure) Pm1 at the intermediate position between the first stage and the second stage is equal to or higher than the atmospheric pressure, the pressure difference causes the gas to be discharged from the
本実施形態では、第1タイミングギヤ461Aとの間の第1駆動ギヤ464の減速比が、第2タイミングギヤ462Aとの間の第3駆動ギヤ466の減速比よりも小さくなっている。したがって、ロータ421の回転数N1がロータ431の回転数N2よりも高くなる。また、ロータ421の長さL1とロータ431の長さL2が等しく、ロータ421とロータ431の形状が同じであることから、上述したように、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素との間の移動容積比RQ1-2は、1より大きくなる。
In this embodiment, the reduction ratio of the
一方、ロータ431の長さL2がロータ441の長さL3よりも大きくなっている。また、第2タイミングギヤ462Bとの間の第3駆動ギヤ466の減速比は、第3タイミングギヤ463Bとの間の第3駆動ギヤ466の減速比と同じになっている。したがって、ロータ431の回転数N2は、ロータ441の回転数N3と同じになる。また、ロータ431とロータ441の形状が同じであることから、上述したように、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素との間の移動容積比RQ2-3は、1より大きくなる。
On the other hand, length L2 of
すなわち、本実施形態における1段目と2段目の間の関係は第1実施形態と同様であり(1段目と2段目のロータの長さが同じで、回転数が異なる)、2段目と3段目の間の関係は第2実施形態と同様である(2段目と3段目のロータの長さが異なり、回転数が同じ)。 That is, the relationship between the first stage and the second stage in this embodiment is the same as in the first embodiment (the length of the rotors of the first stage and the second stage is the same, but the rotation speed is different). The relationship between the second and third stages is the same as in the second embodiment (the lengths of the rotors of the second and third stages are different, and the number of revolutions is the same).
[第5実施形態]
次に、図20~図23を参照しながら、本発明の第5実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図20は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ500(以下、「ポンプ500」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図21、図22および図23は、それぞれ、図20のXXI-XXI線、XXII-XXII線およびXXIII-XXIII線で切断した断面図である。第5実施形態のポンプ500は、第4実施形態に係るポンプ400と同様に、3段の圧縮要素を有する3段ルーツ式ポンプの例である。ここで、1段目(最も低圧側)と2段目(中間)との関係は、第4実施形態に係るポンプ400の1段目と2段目の関係と同様であるが、2段目(中間)と3段目(最も高圧側)との関係が、第4実施形態に係るポンプ400の2段目と3段目の関係と異なる例である。具体的には、ポンプ500では、2段目(中間)のロータ531と3段目(高圧側)のロータ541の長さが同一で、かつ、2段目のロータ531の回転数が3段目のロータ541の回転数よりも高いという例である。なお、以下では、第4実施形態と異なる点を中心に述べ、上述した実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Fifth embodiment]
Next, a multi-stage roots pump according to a fifth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 20 to 23. FIG. FIG. 20 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 500 (hereinafter abbreviated as "pump 500") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 21, 22 and 23 are cross-sectional views taken along lines XXI-XXI, XXII-XXII and XXIII-XXIII of FIG. 20, respectively. The
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図20~図23に示すように、ポンプ500は、回転圧縮機の一種である3段ルーツ式ポンプであり、ケーシング510と、3段(3組)の圧縮要素と、駆動機構と、冷却機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 20 to 23, the
<ケーシング>
ケーシング510の構成および機能は、第4実施形態に係るケーシング410と同様である。
<Casing>
The configuration and function of
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング510内に、吸込口511側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口513側に位置する3段目(高圧側)の圧縮要素と、1段目と3段目の間に配置される2段目(中間)の圧縮要素の、3段の圧縮要素とが設けられている。3段の圧縮要素間には、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング510内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ521、521と、2本の回転軸522、522とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ531、531と、2本の回転軸532、532とを有する。3段目の圧縮要素は、1対のロータ541、541と、2本の回転軸542、542とを有する。
<Compression element>
As the compression element of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図21に示すように、ロータ521は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部521a、521b、521cを有する形状である。また、各突出部521a、521b、521cの間には、凹部521dが設けられている。同様に、ロータ531も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部531a、531b、531cを有する形状である。また、各突出部531a、531b、531cの間には、凹部531dが設けられている。同様に、ロータ541も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部541a、541b、541cを有する形状である。また、各突出部541a、541b、541cの間には、凹部541dが設けられている。
As shown in FIG. 21, the
1対のロータ521、521は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸522、522は、1対のロータ521、521を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸522、522は、2つのベアリング523、523により支持されている。同様に、1対のロータ531、531は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸532、532は、1対のロータ531、531を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸532、532は、2つのベアリング533、533により支持されている。同様に、1対のロータ541、541も、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸542、542は、1対のロータ541、541を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸542、542は、2つのベアリング543、543により支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸522と回転軸532と回転軸542とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ531、541について、ロータ521と重複する説明を省略し、ロータ521の内容を適宜読み替えるものとする。
The pair of
1対のロータ521、521同士およびロータ521とケーシング510の内面510aとが接触しないように、各々のロータ521、521同士の間および突出部521a、521b、521cの先端(葉端)とケーシング510の内面510aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ521が配置される。このすき間の大きさについては、第1実施形態と同様である。各々のロータ521、521は、後述するタイミングギヤ561A、561Bにより回転位相が維持されており、ロータ521の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ531は、対となるロータ531およびケーシング510の内面510dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ531、531は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ541は、対となるロータ541およびケーシング510の内面510gとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ541、541は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。その他、ロータ521、531、541の構成および機能は、上述した各実施形態に係るロータの構成および機能と同様である。
Between the
ポンプ500では、1段目の圧縮要素であるロータ521、回転軸522等と、2段目の圧縮要素であるロータ531、回転軸532等と、3段目の圧縮要素であるロータ541、回転軸542等と、は、単一のケーシング510内において、同じ段の2本の回転軸522、522(または2本の回転軸532、532、または2本の回転軸542、542)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ521と2段目のロータ531と3段目のロータ541とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口511、1段目のロータ521、2段目のロータ531、3段目のロータ541および吐出口513が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口511からケーシング510内に導入されると(図21の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ521により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図21の矢印Gm1)。ロータ521により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ531により圧縮された後に、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素の中間に進む(図21の矢印Gm2)。ロータ531により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、3段目のロータ541により圧縮された後に、そのまま吐出口513からケーシング510外に排出される(図21の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ500によれば、単一のケーシング510内において、1段目のロータ521と2段目のロータ531と3段目のロータ541とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、1段目の圧縮要素(ロータ521)と2段目の圧縮要素(ロータ531)との間、および、2段目の圧縮要素(ロータ531)と3段目の圧縮要素(ロータ541)との間に仕切りを設けなくても、ロータ521、531、541の配置自体で、3段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、3段のロータを有する場合、ロータ3つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ500では、ロータ521とロータ531とロータ541とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。このような構成により生じる効果については、第4実施形態と同様である。
Thus, according to the
また、後述するように、1段目のロータ521の長さL1と、2段目のロータ531の長さL2と、3段目のロータ541の長さL3とをすべて同じ長さにできる。したがって、本実施形態のポンプ500によれば、1段目のロータ521と2段目のロータ531と3段目のロータ541に同じロータ(形状および大きさが同じロータ)を使用できるので、部品の種類が減らせるとともに、同じロータを使用できることから組立が容易になるというメリットが非常に大きい。その結果、生産効率のさらなる向上やコストのさらなる削減につながる。
Further, as will be described later, the length L1 of the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ500では、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ521)と2段目の圧縮要素(ロータ531)との間において、第4実施形態と同様に、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
In the
RQ = QthL / QthH (1)
ここで、本実施形態における移動容積Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング510とロータ521、ロータ531またはロータ541とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。すなわち、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the movement volume Qth in the present embodiment is a so-called displacement amount, which is proportional to the rotational speed N, and is the theoretical amount per hour of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Vthは、押しのけ容積であり、Nは、ロータの回転数であり、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さである。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸522、532、542に垂直な断面における断面積である。
where, in equation (2), Vth is the displacement, N is the number of rotations of the rotor, A is the moving area per revolution, and L is the length of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in a cross-section perpendicular to the axis of
本実施形態のポンプ500における1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、第4実施形態のポンプ400における1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2と同様にして計算されるため、詳細な説明を省略する。
The moving volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage in the
また、ポンプ500では、別の回転軸上に並列に配置された2段目の圧縮要素(ロータ531)と3段目の圧縮要素(ロータ541)との間においても、上記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
Further, in the
ただし、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3を求める場合、式(1)において、QthLは、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素のうち低圧側の圧縮要素(本実施形態では2段目の圧縮要素)の移動容積であり、QthHは、高圧側の圧縮要素(本実施形態では3段目の圧縮要素)の移動容積である。 However, when obtaining the movement volume ratio R Q2-3 between the second stage and the third stage, Qth L in the equation (1) is the low pressure side of the second stage compression element and the third stage compression element. and Qth H is the displacement of the high-pressure side compression element (the third-stage compression element in the present embodiment).
上述したように、移動容積Qth(m3/min)は、上記式(2)で表される。したがって、本実施形態のポンプ500における2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3は、以下のようにして計算される。まず、2段目のロータ531を例に挙げると、左右1対のロータ531、531が1回転する毎に、それぞれ、ガスの吸い込みと吐き出しが6回(左側のロータ531と右側のロータ531とで、それぞれ3回ずつ)繰り返される。3段目のロータ541についても同様である。ここで、上述したように、2段目(中間)の圧縮要素の移動面積A2は、A2=6×S2となる。同様に、ロータ541の2片の突出部(例えば、突出部541bと突出部541c)とケーシング510の内面510gとで囲まれる空間の回転軸542に垂直な断面の断面積をS3とすると、3段目(高圧側)の圧縮要素の移動面積A3は、A3=6×S3となる。以上より、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3は、下記式(5)で表される。
As described above, the movement volume Qth (m 3 /min) is represented by the above formula (2). Therefore, the displacement volume ratio R Q2-3 between the second stage and the third stage in the
ただし、式(5)において、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、Qth3は3段目の圧縮要素の移動容積、N2は2段目のロータ531の回転数、N3は3段目のロータ541の回転数を表す。ここで、ロータ531とロータ541の直径および形状は同一である。したがって、2段目の移動面積A2と3段目の移動面積A3は等しい。また、図20に示すように、ロータ531の長さL2とロータ541の長さL3は等しい。よって、上記式(5)は、以下の式(5-2)のように書き替えられる。
However, in equation (5), Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, Qth3 is the movement volume of the third stage compression element, N2 is the rotation speed of the
したがって、本実施形態では、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3を1より大きくするためには、2段目のロータ531の回転数N2を3段目のロータ541の回転数N3よりも高くすればよい(N2>N3)。ここで、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2を1より大きくするためには、1段目のロータ521の回転数N1を2段目のロータ回転数N2よりも高くすればよい(N1>N2)ことから、本実施形態では、各ロータ521、531、541の回転数の関係は、N1>N2>N3となる。このように、本実施形態の2段目と3段目の間でも、2段目の圧縮要素の回転数N2と3段目の圧縮要素の回転数N3の回転数比(N2/N3)により、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3が決定される。これにより、1段目のロータ521の長さL1と、2段目のロータ531の長さL2と、3段目のロータ541の長さL3とをすべて同一にできるので、1段目のロータ521と2段目のロータ531と3段目のロータ541をポンプ500の部品としてすべて共通化できる。
Therefore, in this embodiment, in order to make the moving volume ratio R Q2-3 between the second stage and the third stage greater than 1, the rotational speed N2 of the
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ500の駆動軸567の軸動力を低減できる。なお、本実施形態では、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2と、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3とが双方ともに1より大きい場合が例示されている。この場合には、軸動力の低減効果が顕著に向上できる。ただし、本発明に係る3段ルーツ式ポンプとしては、RQ1-2とRQ2-3の少なくともいずれか一方の移動容積比が1より大きければよい。例えば、RQ1-2とRQ2-3のいずれか一方が1より大きく、他方が1である3段ルーツ式ポンプも、本発明に係る多段ルーツ式ポンプとして使用できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図20、図22および図23に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ561(561A、561B)と、1対の第2タイミングギヤ562(562A、562B)と、1対の第3タイミングギヤ563(563A、563B)と、第1駆動ギヤ564と、第2駆動ギヤ565と、2-3段間中間ギヤ566と、第3駆動ギヤ567と、モータ入力軸である駆動軸568と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIGS. 20, 22 and 23, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 561 (561A, 561B), a pair of second timing gears 562 (562A, 562B), and , a pair of third timing gears 563 (563A, 563B), a
1対の第1タイミングギヤ561A、561Bは、1段目の2本の回転軸522の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ521、521の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ562A、562Bは、2段目の2本の回転軸532の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ531、531の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第3タイミングギヤ563A、563Bは、2段目の2本の回転軸542の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ531、531の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。
A pair of first timing gears 561A and 561B are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
また、第1駆動ギヤ564は、1対の第1タイミングギヤ561のうちの一方の第1タイミングギヤ561Aと噛み合うように設けられており、第2駆動ギヤ565は、1対の第2タイミングギヤ562のうちの一方の第2タイミングギヤ562Aと噛み合うように設けられており、第3駆動ギヤ567は、1対の第3タイミングギヤ563のうちの一方の第3タイミングギヤ563Aと噛み合うように設けられている。また、2-3段間中間ギヤ566は、1対の第2タイミングギヤ562のうちの一方の第2タイミングギヤ562Aと噛み合うように設けられている。すなわち、第2タイミングギヤ562Aは、第2駆動ギヤ565と2-3段間中間ギヤ566の両方と噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸568は、第1駆動ギヤ564と第2駆動ギヤ565とを回転可能に支持する。すなわち、第1駆動ギヤ564と第2駆動ギヤ565とは、同一の駆動軸に回転可能に支持される。また、駆動軸568は、後述するサイドカバー580に設けられたベアリング569と、ベアリング・ギヤ室573に設けられたベアリング569とにより支持されている。ベアリング・ギヤ室573に設けられたベアリング569側の駆動軸568の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。また、2-3段間中間ギヤ566と第3駆動ギヤ567とは、同一の回転軸570に回転可能に支持されている。回転軸570の一方の軸端(2-3段間中間ギヤ側の軸端)は、サイドカバー480に設けられたベアリング571により支持され、他方の軸端(第3駆動ギヤ571側の軸端)は、ベアリング・ギヤ室573に設けられたベアリング571に支持されている。
The
上述したように、本実施形態では、ロータ521の長さL1とロータ531の長さL2とロータ541の長さL3とが同じである。したがって、1段目と2段目の間の移動容積比を1より大きくする(RQ1-2>1とする)ためには、1段目のロータ521の回転数を2段目のロータ531の回転数より高くする必要がある。言い換えると、1段目のロータ521の回転速度を2段目のロータ531の回転速度より速くする必要がある。そこで、ポンプ500では、1段目のロータ521の回転数が2段目のロータ531の回転数より高くなるように、第1駆動ギヤ564および第2駆動ギヤ565の歯数が設定される。例えば、駆動軸568の回転速度から回転軸522、532の回転速度を減速させる場合には、第1駆動ギヤ564の減速比が第2駆動ギヤ565の減速比よりも小さくなるように、第1駆動ギヤ564および第2駆動ギヤ565の歯数を設定すればよい。この場合、第1タイミングギヤ561と第2タイミングギヤ562の歯数が同じであるとすると、第1駆動ギヤ564の歯数を第2駆動ギヤ565の歯数よりも多くすればよい。各駆動ギヤ564、565の減速比をどの程度とするかは、所望の移動容積比RQ1-2が得られるように適宜決定すればよい。一方、駆動軸568の回転速度から回転軸522、532の回転速度を増速させる場合や同等の場合であっても、1段目のロータ521の回転数が、2段目のロータ531の回転数よりも高くなるように、第1駆動ギヤ564および第2駆動ギヤ565の歯数が設定されれば差し支えない。
As described above, in this embodiment, the length L1 of the
同様に、2段目と3段目の間の移動容積比を1より大きくする(RQ2-3>1とする)ためには、2段目のロータ531の回転数を3段目のロータ541の回転数より高くする(回転速度より速くする)必要がある。そこで、ポンプ500では、2段目のロータ531の回転数が3段目のロータ541の回転数より高くなるように、2-3段間中間ギヤ566および第3駆動ギヤ567の歯数が設定される。図示した例では、同一の回転軸570に支持された2-3段間中間ギヤ566と第3駆動ギヤ567の回転数が同じである。そのため、2-3段間中間ギヤ566により減速される第2タイミングギヤ562の減速比が、第3駆動ギヤ567により減速される第3タイミングギヤ563の減速比よりも小さくなるように、2-3段間中間ギヤ566および第3駆動ギヤ567の歯数を設定すればよい。この場合、第2タイミングギヤ562と第3タイミングギヤ563の歯数が同じであるとすると、2-3段間中間ギヤ566の歯数を第3駆動ギヤ567の歯数よりも多くすればよい。2-3段間中間ギヤ566および第3駆動ギヤ567による減速比をどの程度とするかは、所望の移動容積比RQ2-3が得られるように適宜決定すればよい。このようなギヤ構成以外であっても、2段目のロータ531の回転数が、3段目のロータ541の回転数よりも高くなるように、2-3段間中間ギヤ566および第3駆動ギヤ567の歯数が設定されれば差し支えない。なお、各ロータ521、531、541の回転数をどの程度とするかは、所望の風量および移動容積比RQ1-2、RQ2-3が得られるように適宜決定すればよい。
Similarly, in order to make the movement volume ratio between the second stage and the third stage greater than 1 (R Q2-3 >1), the rotation speed of the
<冷却機構>
ポンプ500には、図21に示すように、冷却機構として、冷却器1、2と、中間吐出口515、517と、中間逆流冷却ガス導入口516、518(以下、単に「冷却ガス導入口516、518」と記載する。)とが設けられている。冷却器1、2は、本実施形態の冷却部の一例であり、ケーシング510の外部に設けられる。中間吐出口515、517は、ケーシング510の側面に、それぞれ少なくとも1つずつ設けられる。冷却ガス導入口516、518は、本実施形態の第1冷却ガス導入口の一例であり、ケーシング510の側面に、それぞれ少なくとも1つずつ設けられる。
<Cooling mechanism>
As shown in FIG. 21, the
冷却器1は、中間吐出口515および冷却ガス導入口516と接続され、中間吐出口515から排出されたガスを冷却する。冷却器2は、中間吐出口517および冷却ガス導入口518と接続され、中間吐出口517から排出されたガスを冷却する。冷却器1、2としては、第4実施形態と同じものを使用できる。
中間吐出口515、517は、それぞれ、第4実施形態に係る中間吐出口415、417と実質的に同じ構成および機能を有する。
The
冷却ガス導入口516(516A、516B)は、第4実施形態に係る冷却ガス導入口416(416A、416B)と実質的に同じ機能および構成を有し、冷却ガス導入口518(518A、518B)は、第4実施形態に係る冷却ガス導入口418(418A、418B)と実質的に同じ機能および構成を有する。 The cooling gas inlets 516 (516A, 516B) have substantially the same function and configuration as the cooling gas inlets 416 (416A, 416B) according to the fourth embodiment, and the cooling gas inlets 518 (518A, 518B) have substantially the same function and configuration as the cooling gas introduction ports 418 (418A, 418B) according to the fourth embodiment.
ここで、中間吐出口515が設けられた1段目の圧縮要素の吐出側と2段目の圧縮要素の吸込側の中間位置の圧力(中間圧力Pm1)は、1段目の圧縮要素(ロータ521)からの吐出圧力と等しく、また、この圧力は、2段目の圧縮要素(ロータ531)への吸込圧力とも等しい。中間圧力Pm1は、ロータ521とケーシング510とで囲まれた空間の圧力Pr1以上(Pm1≧Pr1)であるため、中間吐出口515から排出されたガスは、冷却器1を通過して、循環される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止できる。その結果、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。同様に、中間吐出口517が設けられた2段目の圧縮要素の吐出側と3段目の圧縮要素の吸込側の中間位置の圧力(中間圧力Pm2)は、2段目の圧縮要素(ロータ531)からの吐出圧力と等しく、また、この圧力は、3段目の圧縮要素(ロータ541)への吸込圧力とも等しい。中間圧力Pm2は、ロータ531とケーシング510とで囲まれた空間の圧力Pr2以上(Pm2≧Pr2)であるため、中間吐出口517から排出されたガスは、冷却器2を通過して、循環される。その結果、2段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、2段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに3段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止できる。その結果、3段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Here, the pressure (intermediate pressure Pm1) at the intermediate position between the discharge side of the first-stage compression element provided with the
1-2段間の中間位置のガスを冷却する冷却機構(すなわち、中間吐出口515、冷却器1および冷却ガス導入口516とからなる冷却機構)と、2-3段間の中間位置のガスを冷却する冷却機構(すなわち、中間吐出口517、冷却器2および冷却ガス導入口518とからなる冷却機構)のうち、いずれか一方のみでも吐出ガスの温度上昇の抑制効果は得られるが、より確実に吐出ガスの温度上昇を抑制するには、両方とも設けた方がよいことは、第4実施形態と同様である。
A cooling mechanism (that is, a cooling mechanism consisting of an
なお、冷却ガス導入口516、518の個数については、第4実施形態に係る冷却ガス導入口416、418と同様に、少なくとも1つ設けられていれば、上記のガスの著しい温度上昇の抑制効果は得られる。ただし、ケーシング510内を均一に冷却するためには、図21に示すように、冷却ガス導入口516、518がケーシング510の左右両側面から、冷却器1、2により冷却されたガスを導入することが好ましい。
As for the number of the cooling
また、ポンプ500には、第4実施形態のポンプ400と同様に、冷却器1と接続された逆止弁3および冷却器2と接続された逆止弁4が設けられている。逆止弁3、4の構成および機能は、第4実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。
Further, the
上述した構成を有する本実施形態の冷却機構を設けることにより、1段目の圧縮要素から吐出されるガスの温度が低下するとともに、2段目の圧縮要素から吐出されるガスの温度も低下することから、2段目および3段目のロータおよびケーシングの熱膨張も小さくなる。したがって、2段目および3段目の圧縮要素におけるロータとケーシングとのすき間およびロータ相互間のすき間を狭く設定できる。特に、3段目の圧縮要素においては、上述した冷却機構を設ける場合と設けない場合とでは、吐出ガスの温度に大きな差が生じる。その結果、2段目および3段目の圧縮要素においてガスの漏れ量(特に3段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量)、すなわち、高圧側から低圧側に逆流するガスの量が少なくなるため、体積効率が向上する。 By providing the cooling mechanism of this embodiment having the configuration described above, the temperature of the gas discharged from the first-stage compression element is lowered, and the temperature of the gas discharged from the second-stage compression element is also lowered. Therefore, the thermal expansion of the second and third stage rotors and casings is also reduced. Therefore, the gap between the rotor and the casing and the gap between the rotors in the second and third stage compression elements can be narrowed. In particular, in the third-stage compression element, there is a large difference in the temperature of the discharged gas between when the cooling mechanism described above is provided and when it is not provided. As a result, the amount of gas leaked from the second and third stage compression elements (especially the amount of gas leaked from the third stage compression element), that is, the amount of gas flowing back from the high pressure side to the low pressure side is reduced. , the volumetric efficiency is improved.
また、2段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量、すなわち、2段目の圧縮要素の吐出側(高圧側)から2段目の圧縮要素の吸込側(低圧側)への漏れ量が少なくなるほど、2段目の圧縮要素の吸込圧力が低下する。2段目の圧縮要素の吸込圧力が低下すると、2段目の圧縮要素の吸込圧力(1段目の圧縮要素の吐出圧力と等しい)と1段目の圧縮要素の吸込圧力との差圧が小さくなる。その結果、1段目の圧縮要素の軸動力を小さくすることができる。さらに、3段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量、すなわち、3段目の圧縮要素の吐出側(高圧側)から3段目の圧縮要素の吸込側(低圧側)への漏れ量が少なくなるほど、3段目の圧縮要素の吸込圧力が低下する。3段目の圧縮要素の吸込圧力が低下すると、3段目の圧縮要素の吸込圧力(2段目の圧縮要素の吐出圧力と等しい)と2段目の圧縮要素の吸込圧力との差圧が小さくなる。その結果、2段目の圧縮要素の軸動力も小さくすることができる。このように、3段以上の圧縮要素を有する多段ルーツ式ポンプでは、軸動力の低減効果が2段の圧縮要素を有する多段ルーツ式ポンプよりも大きくなる。 Also, the amount of gas leaked from the second stage compression element, that is, the leakage amount from the discharge side (high pressure side) of the second stage compression element to the suction side (low pressure side) of the second stage compression element decreases. , the suction pressure of the second stage compression element decreases. When the suction pressure of the second-stage compression element decreases, the pressure difference between the suction pressure of the second-stage compression element (equal to the discharge pressure of the first-stage compression element) and the suction pressure of the first-stage compression element increases. become smaller. As a result, the shaft power of the first stage compression element can be reduced. Furthermore, the leakage amount of gas in the third stage compression element, that is, the leakage amount from the discharge side (high pressure side) of the third stage compression element to the suction side (low pressure side) of the third stage compression element decreases. , the suction pressure of the third stage compression element decreases. When the suction pressure of the third-stage compression element decreases, the pressure difference between the suction pressure of the third-stage compression element (equal to the discharge pressure of the second-stage compression element) and the suction pressure of the second-stage compression element increases. become smaller. As a result, the shaft power of the second stage compression element can also be reduced. Thus, a multi-stage roots pump having three or more stages of compression elements has a greater effect of reducing shaft power than a multi-stage roots pump having two stages of compression elements.
<第2冷却ガス導入口>
本実施形態のポンプ500では、ケーシング510が、最後段(本実施形態では3段目)の圧縮要素にガスが吸い込まれる吸込位置(上記の中間位置)と吐出口513との間に、ケーシング510の内部に冷却ガスCを導入する逆流冷却ガス導入口519(以下、単に「冷却ガス導入口519」と記載する。)をさらに有する。この冷却ガス導入口519は、本実施形態に係る第2冷却ガス導入口の一例である。冷却ガス導入口519は、第1実施形態に係る冷却ガス導入口117と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Second cooling gas inlet>
In the
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ500は、ケーシング510とベアリング・ギヤ室573との間、および、ケーシング510とベアリング室574との間に、中間室として、サイドカバー580を有している。このサイドカバー580は、第1実施形態に係るサイドカバー180と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Other configurations>
In addition, the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ500の駆動方法を述べる。なお、ポンプ500によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method for driving the
<ポンプの駆動方法>
図20~図23に示すように、図示しないモータにより駆動軸568が回転すると、駆動軸568に支持された第1駆動ギヤ564および第2駆動ギヤ565が同じ方向に回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ561A、561Bのうち、第1駆動ギヤ564と噛み合う一方の第1タイミングギヤ561Aが、第1駆動ギヤ564とは反対方向に回転する。このときの第1タイミングギヤ561Aの回転数は、第1駆動ギヤ564の回転数から、第1駆動ギヤ564の歯数と第1タイミングギヤ561Aの歯数との比から算出される減速比(第1タイミングギヤ561Aの歯数/第1駆動ギヤ564の歯数)で減速された回転数となる。また、第1タイミングギヤ561Aと噛み合う他方の第1タイミングギヤ561Bは、第1タイミングギヤ561Aの歯数と同じ歯数であるため、第1タイミングギヤ561Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ521、521は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ521、521の回転により、吸込口511付近のガスが、吸込口511からケーシング510内に吸い込まれた(図21の矢印Gs)後に、ロータ521により圧縮されて1段目と2段目の中間位置に吐き出される(図21の矢印Gm1)。
<Pump driving method>
As shown in FIGS. 20 to 23, when
同様に、1対の第2タイミングギヤ562A、562Bのうち、第2駆動ギヤ565と噛み合う一方の第2タイミングギヤ562Aが、第2駆動ギヤ565とは反対方向に回転する。このときの第2タイミングギヤ562Aの回転数は、第2駆動ギヤ565の回転数から、第2駆動ギヤ565の歯数と第2タイミングギヤ562Aの歯数との比から算出される減速比(第2タイミングギヤ562Aの歯数/第2駆動ギヤ565の歯数)で減速された回転数となる。また、第2タイミングギヤ562Aと噛み合う他方の第2タイミングギヤ562Bは、第2タイミングギヤ562Aの歯数と同じ歯数であるため、第2タイミングギヤ562Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ531、531は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ531、531の回転により、1段目のロータ521により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ531に掻き込まれた後に(図21の矢印Gm1)、ロータ531により圧縮されて2段目と3段目の中間位置に吐き出される(図21の矢印Gm2)。
Similarly, of the pair of second timing gears 562A and 562B, one of the second timing gears 562A meshing with the
さらに、第2タイミングギヤ562Aと噛み合う2-3段間中間ギヤ566が、第2タイミングギヤ562Aとは反対方向に回転する。ここで、2-3段間中間ギヤ566と第3駆動ギヤ567とは、共通の回転軸570に支持されているため、2-3段間中間ギヤ566と第3駆動ギヤ567は、同じ方向に同じ回転速度で回転駆動する。また、1対の第3タイミングギヤ563A、563Bのうち、第3駆動ギヤ567と噛み合う第3タイミングギヤ563Aが、第3駆動ギヤ567とは反対方向に回転する。このときの第3タイミングギヤ563Aの回転数は、第3駆動ギヤ567の回転数から、第3駆動ギヤ567の歯数と第3タイミングギヤ563Aの歯数との比から算出される減速比(第3タイミングギヤ563Aの歯数/第3駆動ギヤ567の歯数)で減速された回転数となる。なお、第3駆動ギヤ567の回転数は、第2タイミングギヤ562Aと2-3段間中間ギヤ566との歯数の比により算出される変速比で増速された2-3段間中間ギヤ566の回転数と同じである。第3タイミングギヤ563Aと噛み合う他方の第3タイミングギヤ563Bは、第3タイミングギヤ563Aの歯数と同じ歯数であるため、第3タイミングギヤ563Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ541、541は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ541、541の回転により、2段目のロータ531により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から3段目のロータ541に掻き込まれた後に(図21の矢印Gm2)、ロータ541により圧縮されて吐出口513から外部に排出される(図21の矢印Gd)。
Further, the 2-3 step
また、本実施形態では、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口515からケーシング510の外部に排出され、冷却器1で冷却された後に、ケーシング510の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口516A、516Bから1段目の圧縮要素内(ロータ521とケーシング510とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pm1は、ロータ521とケーシング510とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口515から排出されたガスは、冷却器1を通って、循環する。より詳細には、図21の矢印Ge1に示すように、中間吐出口515から排出されたガスは、冷却器1により冷却され、冷却ガス導入口516から1段目の圧縮要素内、具体的には、1段目のロータ521とケーシング510とで囲まれた領域内(移動容積Qth1部分)に導入された後、再び1段目と2段目の中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口515から常時排出され、冷却器1により冷却されたガスが1段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。同様に、本実施形態では、2段目と3段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口517からケーシング510の外部に排出され、冷却器2で冷却された後に、ケーシング510の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口518A、518Bから2段目の圧縮要素内(ロータ531とケーシング510とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pm2は、ロータ531とケーシング510とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口517から排出されたガスは、冷却器2を通って、循環する。より詳細には、図21の矢印Ge2に示すように、中間吐出口517から排出されたガスは、冷却器2により冷却され、冷却ガス導入口518から2段目の圧縮要素内、具体的には、2段目のロータ531とケーシング510とで囲まれた領域内(移動容積Qth2部分)に導入された後、再び2段目と3段目の中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口517から常時排出され、冷却器2により冷却されたガスが2段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、2段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、2段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに3段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、3段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Further, in the present embodiment, the gas existing in the intermediate position between the first stage and the second stage is discharged from the
さらに、1段目と2段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pm1が大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口515から、より圧力の低い大気に排出され(図21の矢印Ge1および矢印Gd)、中間圧力Pm1が大気圧以下まで下がる。同様に、2段目と3段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pm2が大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口517から、より圧力の低い大気に排出され(図21の矢印Ge2および矢印Gd)、中間圧力Pm2が大気圧以下まで下がる。したがって、2段目および3段目の圧縮要素(ロータ531、541)への吸込圧力が小さくなるため、2段目の吸込圧力Ps2と吸込口511から吸い込まれるガスの圧力(1段目の吸込圧力Ps1)との差ΔP1、および、3段目の吸込圧力Ps3と2段目の吸込圧力Ps2との差ΔP2を小さくすることができる。その結果、ポンプ500を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ500が吸込口511に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pm1、Pm2が大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Furthermore, when the pressure (intermediate pressure) Pm1 at the intermediate position between the first stage and the second stage is equal to or higher than the atmospheric pressure, the pressure difference causes the gas to be discharged from the
本実施形態では、第1タイミングギヤ561Aとの間の第1駆動ギヤ564の減速比が、第2タイミングギヤ562Aとの間の2-3段間中間ギヤ566の減速比よりも小さくなっている。したがって、ロータ521の回転数N1がロータ531の回転数N2よりも高くなる。また、ロータ521の長さL1とロータ531の長さL2が等しく、ロータ521とロータ531の形状が同じであることから、上述したように、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素との間の移動容積比RQ1-2は、1より大きくなる。
In this embodiment, the reduction ratio of the
同様に、第2タイミングギヤ562Aとの間の2-3段間中間ギヤ566の減速比が、第3タイミングギヤ563Aとの間の第3駆動ギヤ567の減速比よりも小さくなっている。したがって、ロータ531の回転数N2がロータ541の回転数N3よりも高くなる。また、ロータ531の長さL2とロータ541の長さL3が等しく、ロータ531とロータ541の形状が同じであることから、上述したように、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素との間の移動容積比RQ2-3は、1より大きくなる。
Similarly, the reduction ratio of the 2nd-3rd stage
すなわち、本実施形態における1段目と2段目の間の関係および2段目と3段目の間の関係はともに第1実施形態と同様である(1段目と2段目と3段目のロータの長さが同じで、回転数が異なる)。 That is, the relationship between the first and second stages and the relationship between the second and third stages in this embodiment are both the same as in the first embodiment (the first, second, and third The length of the eye rotor is the same, but the number of revolutions is different).
[第6実施形態]
次に、図24~図30を参照しながら、本発明の第6実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図24は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ600(以下、「ポンプ600」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図25および図26は、それぞれ、図24のXXV-XXV線およびXXVI-XXVI線で切断した断面図である。図27および図28は、第1実施形態に係るポンプ100における漏れ面積を説明するための断面図であり、図29および図30は、本実施形態に係るポンプ600における漏れ面積を説明するための断面図である。第1実施形態のポンプ100は、1段目(低圧側)のロータ121と2段目(高圧側)のロータ131の長さおよび直径が同一で、かつ、1段目のロータ121の回転数が2段目のロータ131の回転数よりも高いという例であったが、本実施形態に係るポンプ600は、1段目のロータ621の長さおよび直径が、2段目のロータ631の長さおよび直径よりも大きく、かつ、1段目のロータ621の回転数の方が、2段目のロータ631の回転数よりも低い、という例である。なお、以下では、上述した実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Sixth embodiment]
Next, a multi-stage roots pump according to a sixth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 24 to 30. FIG. FIG. 24 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 600 (hereinafter abbreviated as "pump 600") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 25 and 26 are cross-sectional views taken along lines XXV--XXV and XXVI--XXVI of FIG. 24, respectively. 27 and 28 are cross-sectional views for explaining the leakage area in the
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図24~図26に示すように、ポンプ600は、回転圧縮機の一種である2段ルーツ式ポンプであり、ケーシング610と、2段(2組)の圧縮要素と、駆動機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 24 to 26, the
<ケーシング>
ケーシング610の構成および機能は、第1実施形態に係るケーシング110と同様であるが、本実施形態では、冷却ガス導入口116のような中間逆流冷却ガス導入口が設けられていない点で第1実施形態と相違する。また、本実施形態では、冷却器1および逆止弁3も設けられていない。
<Casing>
The configuration and function of the
また、ケーシング610は、同じ段の圧縮要素が有する2本の回転軸622、622を含む仮想平面または2本の回転軸632、632を含む仮想平面の法線方向に沿って、2段の圧縮要素が並列配置されるように圧縮要素を収容する。このように、本実施形態では、回転軸622、632の軸方向に対して並列に配置された複数段の圧縮要素が単一のケーシング610に内装されており、各圧縮要素を接続する外部の配管や内部のガス流路などは特に設けられていない。そのため、前段(本実施形態では1段目)の圧縮要素で圧縮されて吐き出されたガスは、後段(本実施形態では2段目)の圧縮要素に直接(そのまま)吸い込まれる。
In addition, the
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング610内に、吸込口611側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口613側に位置する2段目(高圧側)の圧縮要素の、2段の圧縮要素とが設けられている。2段の圧縮要素間には、直列内装型多段ルーツ式ポンプのように、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング610内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ621、621と、2本の回転軸622、622とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ631、631と、2本の回転軸632、632とを有する。
<Compression element>
As the compression element of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図25に示すように、ロータ621は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部621a、621b、621cを有する形状である。また、各突出部621a、621b、621cの間には、凹部621dが設けられている。同様に、ロータ631も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部631a、631b、631cを有する形状である。また、各突出部631a、631b、631cの間には、凹部631dが設けられている。
As shown in FIG. 25, the
1対のロータ621、621は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸622、622は、1対のロータ621、621を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸622、622は、2つのベアリング623、623により支持されている。同様に、1対のロータ631、631は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸632、632は、1対のロータ631、631を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸632、632は、2つのベアリング633、633により支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸622と回転軸632とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ631について、ロータ621と重複する説明を省略し、ロータ621の内容を適宜読み替えるものとする。
A pair of
1対のロータ621、621同士およびロータ621とケーシング610の内面610aとが接触しないように、各々のロータ621、621同士の間および突出部621a、621b、621cの先端(葉端)とケーシング610の内面610aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ621が配置される。このすき間の大きさについては、第1実施形態と同様である。各々のロータ621、621は、後述するタイミングギヤ661A、661Bにより回転位相が維持されており、ロータ621の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ631は、対となるロータ631およびケーシング610の内面610dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ631、631は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。ここで、本実施形態では、後述するように、2段目のロータ631相互間およびロータ631とケーシング610との間のすき間の方が、1段目のロータ621相互間およびロータ621とケーシング610との間のすき間よりも狭く設定される。その他、ロータ621、631の構成および機能は、上述した各実施形態に係るロータの構成および機能と同様である。
Between the
ポンプ600では、1段目の圧縮要素であるロータ621、回転軸622等と、2段目の圧縮要素であるロータ631、回転軸632等とは、単一のケーシング610内において、同じ段の2本の回転軸622、622(または2本の回転軸632、632)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ621と2段目のロータ631とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口611、1段目のロータ621、2段目のロータ631および吐出口613が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口611からケーシング610内に導入されると(図25の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ621により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図25の矢印Gm)。ロータ621により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ631により圧縮された後に、そのまま吐出口613からケーシング610外に排出される(図25の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ600によれば、単一のケーシング610内において、1段目のロータ621と2段目のロータ631とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、直列内装型多段ルーツ式ポンプと異なり、1段目の圧縮要素(ロータ621)と2段目の圧縮要素(ロータ631)との間に仕切りを設けなくても、ロータ621、631の配置自体で、2段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、2段のロータを有する場合、ロータ2つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ600では、ロータ621とロータ631とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。したがって、回転軸622、632やケーシング610の剛性の低下を抑制できる。特に、ポンプ600を大風量化するためにロータ621、631の長さを長くしたとしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。さらに、1段目と2段目のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプ600の性能上支障がない範囲で収まるため、それほど高い加工精度および組立精度は求められない。
Thus, according to the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ600においても、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ621)と2段目の圧縮要素(ロータ631)との間において、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
Also in the
RQ = QthL / QthH (1)
ここで、本実施形態における移動容積Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング610とロータ621またはロータ631とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。すなわち、上述したように、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the movement volume Qth in this embodiment is a so-called displacement amount, which is the theoretical volume per time of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Vthは、押しのけ容積であり、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さであり、Nは、ロータの回転数である。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸622、632に垂直な断面における断面積である。
where, in equation (2), Vth is the displacement, A is the area of movement per revolution, L is the length of the rotor, and N is the number of rotations of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in a cross-section perpendicular to the axis of
本実施形態のポンプ600における移動容積比RQは、以下のようにして計算される。まず、1段目のロータ621を例に挙げると、左右1対のロータ621、621が1回転する毎に、それぞれ、ガスの吸い込みと吐き出しが6回(左側のロータ621と右側のロータ621とで、それぞれ3回ずつ)繰り返される。2段目のロータ631についても同様である。ここで、図25に示すように、ロータ621の2片の突出部(例えば、突出部621aと突出部621b)とケーシング610の内面610aとで囲まれる空間の回転軸622に垂直な断面の断面積をS1とすると、1段目(低圧側)の圧縮要素の移動面積A1は、A1=6×S1となる。同様に、ロータ631の2片の突出部(例えば、突出部631aと突出部631b)とケーシング610の内面610dとで囲まれる空間の回転軸632に垂直な断面の断面積をS2とすると、2段目(高圧側)の圧縮要素の移動面積A2は、A2=6×S2となる。以上より、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、下記式(3)で表される。
The displacement volume ratio RQ in the
ただし、式(3)において、Qth1は1段目の圧縮要素の移動容積、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、A1は1段目の圧縮要素の移動面積、A2は2段目の圧縮要素の移動面積、L1は1段目のロータ621の長さ、L2は2段目のロータ631の長さ、N1は1段目のロータ621の回転数、N2は2段目のロータ631の回転数を表す。
However, in formula (3), Qth1 is the movement volume of the first stage compression element, Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, A1 is the movement area of the first stage compression element, A2 is the second stage The moving area of the compression element, L1 is the length of the
ここで、本実施形態のポンプ600では、ロータ621の直径D1は、ロータ631の直径D2よりも大きい(D1>D2)。したがって、1段目の移動面積A1は、2段目の移動面積A2よりも大きくなる(A1>A2)。また、1段目のロータ621の長さL1が、2段目のロータ631の長さL2よりも長い(L1>L2)。一方、1段目のロータ621の回転数N1は、2段目のロータ631の回転数N2よりも低い(N1<N2)。このような場合であっても、移動容積比RQを1以上とすることができれば、第1実施形態とは異なり、2段目(高圧側)のロータ631の回転数を、1段目(低圧側)のロータ621の回転数よりも高くしてもよい。
Here, in the
この第6実施形態に係るポンプ600の構成からわかるように、隣接する圧縮要素間の移動容積比RQを1以上とすることができさえすれば、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素とで、ロータの直径および長さ、ならびに各ロータの回転数を自由に設計することができる。例えば、本実施形態のように、1段目(低圧側)のロータ621の直径D1を2段目(高圧側)のロータ631の直径D2よりも大きくした場合には、移動容積比RQが1以上という要件を満たす必要はあるが、1段目のロータ621の長さが2段目のロータ631の長さ以上であり、かつ、1段目のロータ621の回転速度が2段目のロータ631の回転速度以下である、といった場合もあり得る。
As can be seen from the configuration of the
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ600の駆動軸667の軸動力を低減できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図24および図26に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ661と、1対の第2タイミングギヤ662と、第1駆動ギヤ665と、第2駆動ギヤ666と、モータ入力軸である単一の駆動軸667と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIGS. 24 and 26, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 661, a pair of second timing gears 662, a
1対の第1タイミングギヤ661A、661Bは、1段目の2本の回転軸622の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ621、621の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ662A、662Bは、2段目の2本の回転軸632の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ631、631の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。
A pair of first timing gears 661A and 661B are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
また、第1駆動ギヤ665は、1対の第1タイミングギヤ661のうちの一方の第1タイミングギヤ661Aと噛み合うように設けられており、第2駆動ギヤ666は、1対の第2タイミングギヤ662のうちの一方の第2タイミングギヤ662Aと噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸667は、第1駆動ギヤ665と第2駆動ギヤ666とを回転可能に支持する。すなわち、第1駆動ギヤ665と第2駆動ギヤ666とは、同一の駆動軸に回転可能に支持される。この駆動軸667は、サイドカバー680に設けられたベアリング668と、ベアリング・ギヤ室673に設けられたベアリング668とにより支持されている。また、ベアリング・ギヤ室673に設けられたベアリング668側の駆動軸667の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。
Also, the
上述したように、本実施形態では、2段目のロータ631の回転数が、1段目のロータ621の回転数より高い。言い換えると、2段目のロータ631の回転速度が、1段目のロータ621の回転速度より速い。そこで、ポンプ600では、2段目のロータ631の回転数が1段目のロータ621の回転数より高くなるように、第1駆動ギヤ665および第2駆動ギヤ666の歯数が設定される。図26には、例えば、駆動軸667の回転速度から回転軸622の回転速度を減速させ、回転軸632の回転速度を増速する例が示されている。図26に示した例では、第1タイミングギヤ661の歯数が、第1駆動ギヤ665の歯数よりも多く、第1駆動ギヤ665の歯数が、第2駆動ギヤ666の歯数よりも少なく、第2タイミングギヤ662の歯数が、第2駆動ギヤ666の歯数よりも少なくなっている。
As described above, in this embodiment, the rotation speed of the
<中間吐出口>
本実施形態のポンプ600を真空ポンプとして使用する場合、ケーシング610が、隣接する圧縮要素間、すなわち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、ガスを外部に吐出する中間吐出口615をさらに有してもよい。図25に示した例では、中間吐出口615をケーシング610の左側面に1箇所のみ設けた例が示されているが、中間吐出口615の数は特に制限されず、2箇所以上設けてもよい。例えば、図25に示した断面において、ケーシング610の右側面のうち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、中間吐出口615が設けられていてもよい。
<Intermediate outlet>
When the
中間吐出口615は、真空ポンプとして使用されるポンプ600の軸動力を低減するために設けられるが、まず、軸動力について説明する。上述したように、1段目の軸動力Lth1は、2段目の吸込圧力Ps2と吸込口611から吸い込まれるガスの圧力(1段目の吸込圧力Ps1)との差ΔP1(ΔP1=Ps2-Ps1)と1段目の移動容積Qth1との積となる(Lth1=ΔP1×Qth1)。2段目の軸動力Lth2も同様に、吐出圧力Pdと2段目の吸込圧力Ps2との差ΔP2(ΔP2=Pd-Ps2)と2段目の移動容積Qth2との積となる(Lth2=ΔP2×Qth2)。ΔP1、ΔP2が大きいほど、また、移動容積Qth1、Qth2が大きいほど、軸動力Lth1、Lth2が大きくなるため、大きな動力のモータが必要となる。
The
次に、中間吐出口615について説明する。中間吐出口615は、1段目の圧縮要素の吐出側と2段目の圧縮要素の吸込側の中間位置に設けられる。この中間位置の圧力(中間圧力Pm)は、1段目の圧縮要素(ロータ621)からの吐出圧力と等しく、また、この圧力は、2段目の圧縮要素(ロータ631)への吸込圧力とも等しい。
Next, the
真空ポンプの場合、吸込口611から吸い込んだガスは、吐出口613で大気圧まで圧縮される。言い換えると大気圧までの圧縮で十分であるが、1段目の吸込圧力が高くなると、2段目の吸込圧力(1段目の吐出圧力、中間圧力とも等しい。)が大気圧以上に昇圧されることがある。上述の通り、1段目の軸動力Lth1は、ΔP1(ΔP1=Ps2-Ps1)と1段目の移動容積Qth1との積となる(Lth1=ΔP1×Qth1)ため、ΔP1が著しく上昇し、軸動力が増大してしまう。これは、1段目の吸込圧力、2段目の吸込圧力ともに大気圧の状態から排気が始まるポンプ起動時にも顕著である。したがって、モータの動力を低減するためには、ΔP1をできるだけ小さくすることが好ましい。
In the case of a vacuum pump, gas sucked from the
そこで、1段目と2段目の間の中間位置に、外部の大気と連通した中間吐出口615を設けることで、中間圧力Pmが大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口615から、より圧力の低い大気に排出され(図25の矢印Ge)、中間圧力Pmが大気圧以下まで下がる。したがって、2段目の圧縮要素(ロータ631)への吸込圧力が小さくなるため、ΔP1を小さくすることができる。その結果、ポンプ600を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ600の起動時は、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素ともに大気圧の状態から排気が開始される。したがって、ポンプ600が吸込口611に向けてガスを引き始めた段階では、2段目の吸込圧力が大気圧の状態で1段目の圧縮要素からも大気圧のガスが移送されると、中間圧力Pmは、大気圧と移動容積比RQとの積まで上昇する。このように、ポンプ600がガスを引き始めた段階では、中間圧力Pmが大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Therefore, by providing an
なお、中間吐出口615を設ける場合には、中間吐出口615には逆止弁(図示せず。)を設ける必要がある。逆止弁を設けることにより、中間圧力Pmが大気圧以下の場合には、大気圧からの差圧により逆止弁が閉じ、中間圧力Pmが大気圧以上の場合には、逆止弁が開き、より圧力の低い大気に排気される。
In addition, when the
<第2冷却ガス導入口>
本実施形態のポンプ600では、ケーシング610が、最後段(本実施形態では2段目)の圧縮要素にガスが吸い込まれる吸込位置(上記の中間位置)と吐出口613との間に、ケーシング610の内部に冷却ガスCを導入する逆流冷却ガス導入口617(以下、単に「冷却ガス導入口617」と記載する。)をさらに有する。この冷却ガス導入口617は、本実施形態に係る第2冷却ガス導入口の一例である。冷却ガス導入口617は、第1実施形態に係る冷却ガス導入口117と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Second cooling gas inlet>
In the
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ600は、ケーシング610とベアリング・ギヤ室673との間、および、ケーシング610とベアリング室674との間に、中間室として、サイドカバー680を有している。このサイドカバー680は、第1実施形態に係るサイドカバー180と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Other configurations>
In addition, the
<ガスの漏れ量>
図27~図30を参照しながら、多段ルーツ式ポンプに含まれる各圧縮要素におけるガスの漏れ量について説明する。なお、図27は、図28のXXVII-XXVII線により切断した断面図であり、図29は、図30のXXIX-XXIX線により切断した断面図である。
<Amount of gas leakage>
The amount of gas leakage in each compression element included in the multistage roots pump will be described with reference to FIGS. 27 to 30. FIG. 27 is a cross-sectional view cut along line XXVII-XXVII of FIG. 28, and FIG. 29 is a cross-sectional view cut along line XXIX-XXIX of FIG.
圧縮要素における吐出側(高圧側)から吸込側(低圧側)へのガスの漏れ量QLは、多段ルーツ式ポンプの吸込圧力Psと吐出圧力Pdとの差圧ΔP(=Pd-Ps)と、ロータ相互間、ロータとケーシング間等のすき間により形成される漏れ面積ALと、により決まる。差圧ΔPが一定であるとすると、漏れ面積ALが小さいほど、吐出側から吸込側へのガスの漏れ量QLが少なくなる。後段の圧縮要素の吐出側(高圧側)から吸込側(低圧側)へのガスの漏れ量QLが少なくなると、後段の圧縮要素への吸込圧力PsHが低下する。吸込圧力PsHが低下すると、前段の圧縮要素への吸込圧力PsLとの差圧が小さくなるため、前段の圧縮要素の軸動力が低下する。以下、本実施形態に係るポンプ600におけるガスの漏れ面積ALについて、第1実施形態に係るポンプ100におけるガスの漏れ面積ALと比較しながら述べる。
The amount of gas leakage QL from the discharge side (high pressure side) to the suction side (low pressure side) in the compression element is the differential pressure ΔP (=Pd−Ps) between the suction pressure Ps and the discharge pressure Pd of the multistage roots pump, and the leakage area AL formed by the gap between the rotors, between the rotor and the casing, or the like. Assuming that the differential pressure ΔP is constant, the smaller the leakage area AL, the smaller the gas leakage amount QL from the discharge side to the suction side. When the gas leakage amount QL from the discharge side (high pressure side) to the suction side (low pressure side) of the compression element in the latter stage decreases, the suction pressure PsH to the compression element in the latter stage decreases. When the suction pressure PsH decreases, the differential pressure with respect to the suction pressure PsL to the compression element of the previous stage decreases, so the shaft power of the compression element of the previous stage decreases. The gas leakage area AL in the
まず、図27および図28に示すように、第1実施形態に係るポンプ100において、1段目の圧縮要素における全漏れ面積AL1および2段目の圧縮要素における全漏れ面積AL2は、それぞれ、以下の式(6)および(7)で表される。
AL1=Ar1+Ax1+As1 ・・・(6)
AL2=Ar2+Ax2+As2 ・・・(7)
First, as shown in FIGS. 27 and 28, in the
AL1=Ar1+Ax1+As1 (6)
AL2=Ar2+Ax2+As2 (7)
ただし、式(6)において、Ar1は、1段目のロータ121の突出部の先端とケーシング110の内面とのすき間により形成される漏れ面積であり、Ax1は、ロータ121相互間のすき間により形成される漏れ面積であり、As1は、ロータ121の長さ方向の両端(ロータサイド)とケーシング110との間のすき間により形成される漏れ面積である。また、式(7)において、Ar2は、2段目のロータ131の突出部の先端とケーシング110の内面とのすき間により形成される漏れ面積であり、Ax2は、ロータ131相互間のすき間により形成される漏れ面積であり、As2は、ロータ131のロータサイドとケーシング110との間のすき間により形成される漏れ面積である。
However, in equation (6), Ar1 is the leakage area formed by the gap between the tip of the protruding portion of the
また、漏れ面積Ar1、Ax1、As1、Ar2、Ax2、As2は、以下の式(6-1)~(6-3)および(7-1)~(7-3)により求められる。
Ar1=2×Cr1×L1 ・・・(6-1)
Ax1=Cx1×L1 ・・・(6-2)
As1=CsA1×(D1+H1)+CsB1×(D1+H1) ・・・(6-3)
Ar2=2×Cr2×L2 ・・・(7-1)
Ax2=Cx2×L2 ・・・(7-2)
As2=CsA2×(D2+H2)+CsB2×(D2+H2) ・・・(7-3)
Also, the leak areas Ar1, Ax1, As1, Ar2, Ax2, and As2 are obtained by the following equations (6-1) to (6-3) and (7-1) to (7-3).
Ar1=2×Cr1×L1 (6-1)
Ax1=Cx1×L1 (6-2)
As1=CsA1×(D1+H1)+CsB1×(D1+H1) (6-3)
Ar2=2×Cr2×L2 (7-1)
Ax2=Cx2×L2 (7-2)
As2=CsA2×(D2+H2)+CsB2×(D2+H2) (7-3)
ただし、式(6-1)~(6-3)および(7-1)~(7-3)において、Cr1、Cr2は、それぞれ、ロータ121、131の突出部の先端とケーシング110の内面とのすき間の図27に示した断面での距離である。Cx1、Cx2は、それぞれ、ロータ121、131相互間のすき間の図27で示した断面での距離である。CsA1、CsA2は、それぞれ、ロータ121、131の長さ方向の一方のロータサイドとケーシング110との間のすき間の図28に示した断面での距離である。CsB1、CsB2は、それぞれ、ロータ121,131の長さ方向の他方のロータサイドとケーシング110との間のすき間の図28に示した断面での距離である。また、L1、L2は、それぞれ、ロータ121、131の長さであり、D1、D2は、それぞれ、ロータ121、131の直径である。
However, in equations (6-1) to (6-3) and (7-1) to (7-3), Cr1 and Cr2 are the tips of the protrusions of
ここで、上述したように、ポンプ100のような並列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、第1実施形態のように冷却機構を設けない場合には、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されたガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれ、2段目の圧縮要素でさらに圧縮されることにより、ガスの温度が著しく上昇する。そこで、第1実施形態では、冷却機構により中間位置のガスを常時冷却することにより、2段目の圧縮要素におけるガスの温度上昇を抑制している。そのため、すき間Cr2、Cx2、CsA2、CsB2をロータ131の熱膨張を見越して広めに取る必要がない。
Here, as described above, in the case of a parallel internal multistage roots pump such as the
仮に、ポンプ100において冷却機構を設けない場合には、すき間Cr2、Cx2、CsA2、CsB2をロータ131の熱膨張を見越して広めに取る必要がある。その結果、2段目の圧縮要素における漏れ面積Ar2、Ax2、As2が大きくなり(すなわち、全漏れ面積AL2が大きくなり)、吐出側から吸込側へのガスの漏れ量が増加する。
If the
次に、図29および図30に示すように、本実施形態に係るポンプ600においても、1段目の圧縮要素における全漏れ面積AL1および2段目の圧縮要素における全漏れ面積AL2は、それぞれ、上記の式(6)および(7)で表される。
Next, as shown in FIGS. 29 and 30, also in the
ただし、式(6)において、Ar1は、1段目のロータ621の突出部の先端とケーシング610の内面とのすき間により形成される漏れ面積であり、Ax1は、ロータ621相互間のすき間により形成される漏れ面積であり、As1は、ロータ621の長さ方向の両端(ロータサイド)とケーシング610との間のすき間により形成される漏れ面積である。また、式(7)において、Ar2は、2段目のロータ631の突出部の先端とケーシング610の内面とのすき間により形成される漏れ面積であり、Ax2は、ロータ631相互間のすき間により形成される漏れ面積であり、As2は、ロータ631のロータサイドとケーシング610との間のすき間により形成される漏れ面積である。
However, in equation (6), Ar1 is the leakage area formed by the gap between the tip of the protrusion of the
また、ポンプ600においても、漏れ面積Ar1、Ax1、As1、Ar2、Ax2、As2は、上記の式(6-1)~(6-3)および(7-1)~(7-3)により求められる。
Also, in the
ただし、式(6-1)~(6-3)および(7-1)~(7-3)において、Cr1、Cr2は、それぞれ、ロータ621、631の突出部の先端とケーシング610の内面とのすき間の図29に示した断面での距離である。Cx1、Cx2は、それぞれ、ロータ621、631相互間のすき間の図29で示した断面での距離である。CsA1、CsA2は、それぞれ、ロータ621、631の長さ方向の一方のロータサイドとケーシング610との間のすき間の図30に示した断面での距離である。CsB1、CsB2は、それぞれ、ロータ621,631の長さ方向の他方のロータサイドとケーシング610との間のすき間の図30に示した断面での距離である。また、L1、L2は、それぞれ、ロータ621、631の長さであり、D1、D2は、それぞれ、ロータ621、631の直径である。
However, in equations (6-1) to (6-3) and (7-1) to (7-3), Cr1 and Cr2 are the tips of the protrusions of
ここで、ロータ相互間、ロータとケーシング間等のすき間は、ロータ、ケーシングの熱膨張量を考慮して設定されるが、熱膨張量はロータの長さおよび直径に比例するため、ロータの長さが短いほど、ロータの直径が小さいほど、各々の隙間を小さく設定できる。本実施形態に係るポンプ600では、2段目のロータ631の長さL2が、1段目のロータ621の長さL1よりも小さく、かつ、2段目のロータ631の直径D2が、1段目のロータ621の直径D1よりも小さい。したがって、ロータ631の熱膨張量が小さくなるため、ポンプ600の2段目の圧縮要素における各々のすき間Cr2、Cx2、CsA2、CsB2を、1段目の圧縮要素における各々のすき間Cr1、Cx1、CsA1、CsB1よりも小さく設定できる。その結果、ポンプ600の2段目の圧縮要素における漏れ面積Ar2、Ax2、As2が小さくなり(すなわち、全漏れ面積AL2が小さくなり)、吐出側から吸込側へのガスの漏れ量QLが減少する。
Here, the gaps between the rotors and between the rotor and the casing are set in consideration of the amount of thermal expansion of the rotor and casing. The smaller the diameter of the rotor, the smaller each gap can be set. In the
以上述べたように、本実施形態に係るポンプ600のように、高圧側の圧縮要素におけるロータ(本実施形態では、2段目のロータ631)のサイズを小さくすることにより、第1実施形態に係るポンプ100等のように冷却機構を設けなくても、高圧側の圧縮要素の吐出側(高圧側)から吸込側(低圧側)へのガスの漏れ量QLを減少させることができる。一方で、2段目のロータ631のサイズが小さくなることにより、2段目の圧縮要素の1回転当たりの移動容積が小さくなるため、2段目のロータ631の回転数を上げることで2段目の移動容積Qth2を所定の大きさに調整している。
As described above, like the
例えば、2段目のロータ631のサイズを小さくした上で、さらに、ロータ631の回転数N2を1段目のロータ621の回転数N1と同じか、ロータ621の回転数N1よりも低くすると、2段目の圧縮要素の移動容積Qth2が小さくなりすぎてしまう。ここで、ポンプ全体としての圧力比rの仕様は決まっている(例えば、2段のルーツ式ポンプの場合には、r≦3)ことから、2段目の圧縮要素の移動容積Qth2が小さくなると、その分、1段目の圧縮要素の移動容積Qth1を大きくする必要がある。したがって、このような場合、移動容積Qth2が小さくなりすぎた分、移動容積Qth1が大きくなりすぎてしまう。すなわち、移動容積比RQ(=Qth2/Qth1)が大きくなりすぎてしまう。1段目の移動容積Qth1が大きくなりすぎると、1段目の圧縮要素で圧縮されるガスの圧縮率も高くなることから、その分、1段目の圧縮要素で圧縮後のガスの温度の上昇量も大きくなる。また、移動容積比RQが大きくなりすぎると、1段目の圧縮要素の2段目の圧縮要素に対する仕事の分担の割合が高くなることから、1段目の軸動力が大きくなりすぎてしまう。
For example, after reducing the size of the
そこで、本実施形態に係るポンプ600では、2段目のロータ631のサイズを小さくした場合でも、2段目の圧縮要素の移動容積Qth2が小さくなりすぎないように、2段目のロータ631の回転数N2を上げる(1段目のロータ621の回転数N1よりも高くする)ことにより、移動容積比RQが大きくなりすぎないように、2段目の圧縮要素の移動容積Qth2を適切な大きさに調整している。
Therefore, in the
以上の構成を有する本実施形態に係るポンプ600によれば、上述したように、ロータ631のサイズを小さくすることにより、2段目の圧縮要素における漏れ量QL2が低下するため、2段目の圧縮要素への吸込圧力PsHが低下する。吸込圧力PsHが低下すると、1段目の圧縮要素への吸込圧力PsLとの差圧が小さくなるため、1段目の圧縮要素の軸動力が低下する。一方、2段目の圧縮要素への吸込圧力PsHが低下することから、2段目の圧縮要素からの吐出圧力PdHとの差圧が大きくなることから、2段目の軸動力は高くなる。しかし、2段目のロータ631のサイズが小さいことから、2段目の軸動力の上昇分は、1段目の軸動力の低下分よりも小さくなるため、ポンプ600全体としての軸動力は低下する。このことは、後述する実施例においても示されている。
According to the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ600の駆動方法を述べる。なお、ポンプ600によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method of driving the
<ポンプの駆動方法>
図24および図26に示すように、図示しないモータにより駆動軸667が回転すると、駆動軸667に支持された第1駆動ギヤ665および第2駆動ギヤ666が同じ方向に回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ661A、661Bのうち、第1駆動ギヤ665と噛み合う一方の第1タイミングギヤ661Aが、第1駆動ギヤ665とは反対方向に回転する。このときの第1タイミングギヤ661Aの回転数は、第1駆動ギヤ665の回転数から、第1駆動ギヤ665の歯数と第1タイミングギヤ661Aの歯数との比から算出される減速比(第1タイミングギヤ661Aの歯数/第1駆動ギヤ665の歯数)で減速された回転数となる。また、一方の第1タイミングギヤ661Aと噛み合う他方の第1タイミングギヤ661Bは、第1タイミングギヤ661Aの歯数と同じ歯数であるため、第1タイミングギヤ661Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ621、621は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ621、621の回転により、吸込口611付近のガスが、吸込口611からケーシング610内に吸い込まれた(図25の矢印Gs)後に、ロータ621により圧縮されて中間位置に吐き出される(図25の矢印Gm)。
<Pump driving method>
As shown in FIGS. 24 and 26, when the
同様に、1対の第2タイミングギヤ662A、662Bのうち、第2駆動ギヤ666と噛み合う一方の第2タイミングギヤ662Aが、第2駆動ギヤ666とは反対方向に回転する。このときの第2タイミングギヤ662Aの回転数は、第2駆動ギヤ666の回転数から、第2駆動ギヤ666の歯数と第2タイミングギヤ662Aの歯数との比から算出される変速比(第2タイミングギヤ662Aの歯数/第2駆動ギヤ666の歯数)で増速された回転数となる。また、一方の第2タイミングギヤ662Aと噛み合う他方の第2タイミングギヤ662Bは、一方の第2タイミングギヤ662Aの歯数と同じ歯数であるため、第2タイミングギヤ662Aと互いに反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ631、631は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ631、631の回転により、1段目のロータ621により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ631に掻き込まれた(図25の矢印Gm)後に、ロータ631により圧縮されて吐出口613から外部に排出される(図25の矢印Gd)。
Similarly, of the pair of second timing gears 662A and 662B, one of the second timing gears 662A meshing with the
また、本実施形態では、1段目と2段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pmが大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口615から、より圧力の低い大気に排出され(図25の矢印Ge)、中間圧力Pmが大気圧以下まで下がる。したがって、2段目の圧縮要素(ロータ631)への吸込圧力が小さくなるため、2段目の吸込圧力Ps2と吸込口611から吸い込まれるガスの圧力(1段目の吸込圧力Ps1)との差ΔP1を小さくすることができる。その結果、ポンプ600を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ600が吸込口611に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pmが大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Further, in this embodiment, when the pressure (intermediate pressure) Pm at the intermediate position between the first stage and the second stage is equal to or higher than the atmospheric pressure, the pressure difference causes the gas to flow out of the
本実施形態では、第1タイミングギヤ661の回転速度が減速される一方で、第2タイミングギヤ662の回転速度が増速されるように、各ギヤの歯数が決められている。また、ロータ621の直径D1がロータ631の直径D2よりも大きい。さらに、ロータ621の長さL1がロータ631の長さL2よりも長い。このような特殊な条件下であっても、上述したように、移動容積比RQが1より大きくなるようにすることは可能である。
In this embodiment, the number of teeth of each gear is determined so that the rotation speed of the
[第7実施形態]
次に、図31および図32を参照しながら、本発明の第7実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図31は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ700(以下、「ポンプ700」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図32は、図31のXXXII-XXXII線で切断した断面図である。第6実施形態のポンプ600は、1段目(低圧側)のロータ621と2段目(高圧側)のロータ631の長さおよび直径が異なるという例であったが、本実施形態に係るポンプ700は、1段目のロータ721の長さが、2段目のロータ731の長さよりも大きく、かつ、1段目のロータ721の直径が、2段目のロータ731の直径と等しい、という例である。なお、以下では、上述した実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Seventh Embodiment]
Next, a multi-stage roots pump according to a seventh embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 31 and 32. FIG. FIG. 31 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 700 (hereinafter abbreviated as "pump 700") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 32 is a cross-sectional view taken along line XXXII-XXXII of FIG. 31. FIG. The
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図31および図32に示すように、ポンプ700は、回転圧縮機の一種である2段ルーツ式ポンプであり、ケーシング710と、2段(2組)の圧縮要素と、駆動機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 31 and 32, the
<ケーシング>
ケーシング710の構成および機能は、第6実施形態に係るケーシング610と同様である。
<Casing>
The configuration and function of
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング710内に、吸込口711側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口713側に位置する2段目(高圧側)の圧縮要素の、2段の圧縮要素とが設けられている。2段の圧縮要素間には、直列内装型多段ルーツ式ポンプのように、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング710内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ721、721と、2本の回転軸722、722とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ731、731と、2本の回転軸732、732とを有する。
<Compression element>
As the compression element of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図32に示すように、ロータ721は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部721a、721b、721cを有する形状である。また、各突出部721a、721b、721cの間には、凹部721dが設けられている。同様に、ロータ731も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部731a、731b、731cを有する形状である。また、各突出部731a、731b、731cの間には、凹部731dが設けられている。
As shown in FIG. 32, the
1対のロータ721、721は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸722、722は、1対のロータ721、721を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸722、722は、2つのベアリング723、723により支持されている。同様に、1対のロータ731、731は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸732、732は、1対のロータ731、731を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸732、732は、2つのベアリング733、733により支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸722と回転軸732とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ731について、ロータ721と重複する説明を省略し、ロータ721の内容を適宜読み替えるものとする。
The pair of
1対のロータ721、721同士およびロータ721とケーシング710の内面710aとが接触しないように、各々のロータ721、721同士の間および突出部721a、721b、721cの先端(葉端)とケーシング710の内面710aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ721が配置される。このすき間の大きさについては、第1実施形態と同様である。各々のロータ721、721は、後述するタイミングギヤ761、761により回転位相が維持されており、ロータ721の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ731は、対となるロータ731およびケーシング710の内面710dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ731、731は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。ここで、本実施形態では、後述するように、2段目のロータ731相互間およびロータ731とケーシング710との間のすき間の方が、1段目のロータ721相互間およびロータ721とケーシング710との間のすき間よりも狭く設定される。その他、ロータ721、731の構成および機能は、上述した各実施形態に係るロータの構成および機能と同様である。
Between the
ポンプ700では、1段目の圧縮要素であるロータ721、回転軸722等と、2段目の圧縮要素であるロータ731、回転軸732等とは、単一のケーシング710内において、同じ段の2本の回転軸722、722(または2本の回転軸732、732)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ721と2段目のロータ731とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口711、1段目のロータ721、2段目のロータ731および吐出口713が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口711からケーシング710内に導入されると(図32の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ721により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図32の矢印Gm)。ロータ721により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ731により圧縮された後に、そのまま吐出口713からケーシング710外に排出される(図32の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ700によれば、単一のケーシング710内において、1段目のロータ721と2段目のロータ731とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、直列内装型多段ルーツ式ポンプと異なり、1段目の圧縮要素(ロータ721)と2段目の圧縮要素(ロータ731)との間に仕切りを設けなくても、ロータ721、731の配置自体で、2段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、2段のロータを有する場合、ロータ2つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ700では、ロータ721とロータ731とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。したがって、回転軸722、732やケーシング710の剛性の低下を抑制できる。特に、ポンプ700を大風量化するためにロータ721、731の長さを長くしたとしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。さらに、1段目と2段目のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプ700の性能上支障がない範囲で収まるため、それほど高い加工精度および組立精度は求められない。
Thus, according to the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ700においても、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ721)と2段目の圧縮要素(ロータ731)との間において、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
Also in the
RQ = QthL / QthH (1)
ここで、本実施形態における移動容積Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング710とロータ721またはロータ731とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。すなわち、上述したように、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the movement volume Qth in this embodiment is a so-called displacement amount, which is the theoretical volume per hour of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Vthは、押しのけ容積であり、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さであり、Nは、ロータの回転数である。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸722、732に垂直な断面における断面積である。 where, in equation (2), Vth is the displacement, A is the area of movement per revolution, L is the length of the rotor, and N is the number of rotations of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in a cross-section perpendicular to the rotation axes 722 and 732 .
本実施形態のポンプ700における1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、上述した第6実施形態と同様に、下記式(3)で表される。
The displacement volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage in the
ただし、式(3)において、Qth1は1段目の圧縮要素の移動容積、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、A1は1段目の圧縮要素の移動面積、A2は2段目の圧縮要素の移動面積、L1は1段目のロータ721の長さ、L2は2段目のロータ731の長さ、N1は1段目のロータ721の回転数、N2は2段目のロータ731の回転数を表す。
However, in equation (3), Qth1 is the movement volume of the first stage compression element, Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, A1 is the movement area of the first stage compression element, A2 is the second stage The moving area of the compression element, L1 is the length of the
ここで、本実施形態のポンプ700では、ロータ721の直径D1は、ロータ731の直径D2と等しい(D1=D2)ため、1段目の移動面積A1は、2段目の移動面積A2と等しい(A1=A2)。また、1段目のロータ721の長さL1が、2段目のロータ731の長さL2よりも長い(L1>L2)。一方、1段目のロータ721の回転数N1は、2段目のロータ731の回転数N2よりも低い(N1<N2)。このような場合であっても、移動容積比RQを1以上とすることができれば、第1実施形態とは異なり、2段目(高圧側)のロータ731の回転数を、1段目(低圧側)のロータ721の回転数よりも高くしてもよい。
Here, in the
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ700の駆動軸767の軸動力を低減できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図31に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ761と、1対の第2タイミングギヤ762と、第1駆動ギヤ765と、第2駆動ギヤ766と、モータ入力軸である単一の駆動軸767と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIG. 31, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 761, a pair of second timing gears 762, a
1対の第1タイミングギヤ761、761は、1段目の2本の回転軸722の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ721、721の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ762、762は、2段目の2本の回転軸732の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ731、731の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。
A pair of first timing gears 761, 761 are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
また、第1駆動ギヤ765は、1対の第1タイミングギヤ761のうちの一方の第1タイミングギヤ761と噛み合うように設けられており、第2駆動ギヤ766は、1対の第2タイミングギヤ762のうちの一方の第2タイミングギヤ762と噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸767は、第1駆動ギヤ765と第2駆動ギヤ766とを回転可能に支持する。すなわち、第1駆動ギヤ765と第2駆動ギヤ766とは、同一の駆動軸に回転可能に支持される。この駆動軸767は、サイドカバー780に設けられたベアリング768と、ベアリング・ギヤ室773に設けられたベアリング768とにより支持されている。また、ベアリング・ギヤ室773に設けられたベアリング768側の駆動軸767の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。
Also, the
上述したように、本実施形態では、2段目のロータ731の回転数が、1段目のロータ721の回転数より高い。言い換えると、2段目のロータ731の回転速度が、1段目のロータ721の回転速度より速い。そこで、ポンプ700では、2段目のロータ731の回転数が1段目のロータ721の回転数より高くなるように、第1駆動ギヤ765および第2駆動ギヤ766の歯数が設定される。図31には、例えば、駆動軸767の回転速度から回転軸722の回転速度を減速させ、回転軸732の回転速度を増速する例が示されている。図31に示した例では、第1タイミングギヤ761の歯数が、第1駆動ギヤ765の歯数よりも多く、第1駆動ギヤ765の歯数が、第2駆動ギヤ766の歯数よりも少なく、第2タイミングギヤ762の歯数が、第2駆動ギヤ766の歯数よりも少なくなっている。
As described above, in this embodiment, the rotation speed of the
<中間吐出口>
本実施形態のポンプ700を真空ポンプとして使用する場合、ケーシング710が、隣接する圧縮要素間、すなわち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、ガスを外部に吐出する中間吐出口715をさらに有してもよい。図32に示した例では、中間吐出口715をケーシング710の左側面に1箇所のみ設けた例が示されているが、中間吐出口715の数は特に制限されず、2箇所以上設けてもよい。例えば、図32に示した断面において、ケーシング710の右側面のうち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、中間吐出口715が設けられていてもよい。中間吐出口715は、第6実施形態に係る中間吐出口615と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Intermediate outlet>
When the
<第2冷却ガス導入口>
本実施形態のポンプ700では、ケーシング710が、最後段(本実施形態では2段目)の圧縮要素にガスが吸い込まれる吸込位置(上記の中間位置)と吐出口713との間に、ケーシング710の内部に冷却ガスCを導入する逆流冷却ガス導入口717(以下、単に「冷却ガス導入口717」と記載する。)をさらに有する。この冷却ガス導入口717は、本実施形態に係る第2冷却ガス導入口の一例である。冷却ガス導入口717は、第1実施形態に係る冷却ガス導入口117と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Second cooling gas inlet>
In the
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ700は、ケーシング710とベアリング・ギヤ室773との間、および、ケーシング710とベアリング室774との間に、中間室として、サイドカバー780を有している。このサイドカバー780は、第1実施形態に係るサイドカバー180と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Other configurations>
In addition, the
<ガスの漏れ量>
2段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量QLに関しては、基本的に、上述した第6実施形態と同様であるが、以下の点で相違する。すなわち、本実施形態では、ロータ731の直径D2は、ロータ721の直径D1と等しいため、2段目の圧縮要素におけるロータ731とケーシング710との間のすき間Cr2と、ロータ731相互間のすき間Cx2の減少効果が第6実施形態よりも小さい。そのため、2段目の圧縮要素における漏れ面積Ar2、Ax2の減少効果が第6実施形態よりも小さい。しかしながら、ロータ731のロータサイドのすき間CsA2、CsB2の減少効果は第6実施形態と同等にできるため、2段目の圧縮要素における全漏れ面積AL2の減少効果は、本実施形態においても十分に得られる。その結果、2段目の圧縮要素における吐出側から吸込側へのガスの漏れ量QLが減少する。ただし、全漏れ面積AL2の減少効果をさらに高めるためには、上述した第6実施形態のように、ロータ731の直径D2をロータ721の直径D1よりも小さくすることが好ましい。
<Amount of gas leakage>
The gas leakage amount QL in the second-stage compression element is basically the same as in the above-described sixth embodiment, but differs in the following points. That is, in this embodiment, since the diameter D2 of the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ700の駆動方法を述べる。なお、ポンプ700によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method of driving
<ポンプの駆動方法>
図31に示すように、図示しないモータにより駆動軸767が回転すると、駆動軸767に支持された第1駆動ギヤ765および第2駆動ギヤ766が同じ方向に回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ761、761のうち、第1駆動ギヤ765と噛み合う一方の第1タイミングギヤ761が、第1駆動ギヤ765とは反対方向に回転する。このときの一方の第1タイミングギヤ761の回転数は、第1駆動ギヤ765の回転数から、第1駆動ギヤ765の歯数と一方の第1タイミングギヤ761の歯数との比から算出される減速比(一方の第1タイミングギヤ761の歯数/第1駆動ギヤ765の歯数)で減速された回転数となる。また、一方の第1タイミングギヤ761と噛み合う他方の第1タイミングギヤ761は、一方の第1タイミングギヤ761の歯数と同じ歯数であるため、一方の第1タイミングギヤ761と反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ721、721は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ721、721の回転により、吸込口711付近のガスが、吸込口711からケーシング710内に吸い込まれた(図32の矢印Gs)後に、ロータ721により圧縮されて中間位置に吐き出される(図32の矢印Gm)。
<Pump driving method>
As shown in FIG. 31, when the
同様に、1対の第2タイミングギヤ762、762のうち、第2駆動ギヤ766と噛み合う一方の第2タイミングギヤ762が、第2駆動ギヤ766とは反対方向に回転する。このときの一方の第2タイミングギヤ762の回転数は、第2駆動ギヤ766の回転数から、第2駆動ギヤ766の歯数と一方の第2タイミングギヤ762の歯数との比から算出される変速比(一方の第2タイミングギヤ762の歯数/第2駆動ギヤ766の歯数)で増速された回転数となる。また、一方の第2タイミングギヤ762と噛み合う他方の第2タイミングギヤ762は、一方の第2タイミングギヤ762の歯数と同じ歯数であるため、一方の第2タイミングギヤ762と互いに反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ731、731は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ731、731の回転により、1段目のロータ721により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ731に掻き込まれた(図32の矢印Gm)後に、ロータ731により圧縮されて吐出口713から外部に排出される(図32の矢印Gd)。
Similarly, of the pair of second timing gears 762 , 762 , one of the second timing gears 762 meshing with the
また、本実施形態では、1段目と2段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pmが大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口715から、より圧力の低い大気に排出され(図32の矢印Ge)、中間圧力Pmが大気圧以下まで下がる。したがって、2段目の圧縮要素(ロータ731)への吸込圧力が小さくなるため、2段目の吸込圧力Ps2と吸込口711から吸い込まれるガスの圧力(1段目の吸込圧力Ps1)との差ΔP1を小さくすることができる。その結果、ポンプ700を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ700が吸込口711に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pmが大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Further, in this embodiment, when the pressure (intermediate pressure) Pm at the intermediate position between the first stage and the second stage is equal to or higher than the atmospheric pressure, the pressure difference causes the gas to flow out of the
本実施形態では、第1タイミングギヤ761の回転速度が減速される一方で、第2タイミングギヤ762の回転速度が増速されるように、各ギヤの歯数が決められている。また、ロータ721の長さL1がロータ731の長さL2よりも長い。このような特殊な条件下であっても、上述したように、移動容積比RQが1より大きくなるようにすることは可能である。
In this embodiment, the number of teeth of each gear is determined so that the rotational speed of the
[第8実施形態]
次に、図33および図34を参照しながら、本発明の第8実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図33は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ800(以下、「ポンプ800」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図34は、図33のXXXIV-XXXIV線で切断した断面図である。第6実施形態のポンプ600は、1段目(低圧側)のロータ621と2段目(高圧側)のロータ631の長さおよび直径が異なるという例であったが、本実施形態に係るポンプ800は、1段目のロータ821の直径が、2段目のロータ831の直径よりも大きく、かつ、1段目のロータ821の長さが、2段目のロータ831の長さと等しい、という例である。なお、以下では、上述した実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Eighth Embodiment]
Next, a multi-stage roots pump according to an eighth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 33 and 34. FIG. FIG. 33 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 800 (hereinafter abbreviated as "pump 800") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 34 is a cross-sectional view taken along line XXXIV-XXXIV of FIG. 33. FIG. The
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図33および図34に示すように、ポンプ800は、回転圧縮機の一種である2段ルーツ式ポンプであり、ケーシング810と、2段(2組)の圧縮要素と、駆動機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 33 and 34, the
<ケーシング>
ケーシング810の構成および機能は、第6実施形態に係るケーシング610と同様である。
<Casing>
The configuration and function of
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング810内に、吸込口811側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口813側に位置する2段目(高圧側)の圧縮要素の、2段の圧縮要素とが設けられている。2段の圧縮要素間には、直列内装型多段ルーツ式ポンプのように、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング810内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ821、821と、2本の回転軸822、822とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ831、831と、2本の回転軸832、832とを有する。
<Compression element>
As the compression element of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図34に示すように、ロータ821は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部821a、821b、821cを有する形状である。また、各突出部821a、821b、821cの間には、凹部821dが設けられている。同様に、ロータ831も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部831a、831b、831cを有する形状である。また、各突出部831a、831b、831cの間には、凹部831dが設けられている。
As shown in FIG. 34, the
1対のロータ821、821は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸822、822は、1対のロータ821、821を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸822、822は、2つのベアリング823、823により支持されている。同様に、1対のロータ831、831は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸832、832は、1対のロータ831、831を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸832、832は、2つのベアリング833、833により支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸822と回転軸832とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ831について、ロータ821と重複する説明を省略し、ロータ821の内容を適宜読み替えるものとする。
The pair of
1対のロータ821、821同士およびロータ821とケーシング810の内面810aとが接触しないように、各々のロータ821、821同士の間および突出部821a、821b、821cの先端(葉端)とケーシング810の内面810aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ821が配置される。このすき間の大きさについては、第1実施形態と同様である。各々のロータ821、821は、後述するタイミングギヤ861、861により回転位相が維持されており、ロータ821の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ831は、対となるロータ831およびケーシング810の内面810dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ831、831は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。ここで、本実施形態では、後述するように、2段目のロータ831相互間およびロータ831とケーシング810との間のすき間の方が、1段目のロータ821相互間およびロータ821とケーシング810との間のすき間よりも狭く設定される。その他、ロータ821、831の構成および機能は、上述した各実施形態に係るロータの構成および機能と同様である。
Between the
ポンプ800では、1段目の圧縮要素であるロータ821、回転軸822等と、2段目の圧縮要素であるロータ831、回転軸832等とは、単一のケーシング810内において、同じ段の2本の回転軸822、822(または2本の回転軸832、832)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ821と2段目のロータ831とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口811、1段目のロータ821、2段目のロータ831および吐出口813が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口811からケーシング810内に導入されると(図34の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ821により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図34の矢印Gm)。ロータ821により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ831により圧縮された後に、そのまま吐出口813からケーシング810外に排出される(図34の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ800によれば、単一のケーシング810内において、1段目のロータ821と2段目のロータ831とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、直列内装型多段ルーツ式ポンプと異なり、1段目の圧縮要素(ロータ821)と2段目の圧縮要素(ロータ831)との間に仕切りを設けなくても、ロータ821、831の配置自体で、2段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、2段のロータを有する場合、ロータ2つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ800では、ロータ821とロータ831とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。したがって、回転軸822、832やケーシング810の剛性の低下を抑制できる。特に、ポンプ800を大風量化するためにロータ821、831の長さを長くしたとしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。さらに、1段目と2段目のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプ800の性能上支障がない範囲で収まるため、それほど高い加工精度および組立精度は求められない。
Thus, according to the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ800においても、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ821)と2段目の圧縮要素(ロータ831)との間において、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
Also in the
RQ = QthL / QthH (1)
ここで、本実施形態における移動容積Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング810とロータ821またはロータ831とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。すなわち、上述したように、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the movement volume Qth in this embodiment is a so-called displacement amount, which is proportional to the rotational speed N and is the theoretical volume per time of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Vthは、押しのけ容積であり、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さであり、Nは、ロータの回転数である。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸822、832に垂直な断面における断面積である。
where, in equation (2), Vth is the displacement, A is the area of movement per revolution, L is the length of the rotor, and N is the number of rotations of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in a cross-section perpendicular to the axis of
本実施形態のポンプ800における1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、上述した第6実施形態と同様に、下記式(3)で表される。
The displacement volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage in the
ただし、式(3)において、Qth1は1段目の圧縮要素の移動容積、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、A1は1段目の圧縮要素の移動面積、A2は2段目の圧縮要素の移動面積、L1は1段目のロータ821の長さ、L2は2段目のロータ831の長さ、N1は1段目のロータ821の回転数、N2は2段目のロータ831の回転数を表す。
However, in formula (3), Qth1 is the movement volume of the first stage compression element, Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, A1 is the movement area of the first stage compression element, A2 is the second stage The moving area of the compression element, L1 is the length of the
ここで、本実施形態のポンプ800では、ロータ821の直径D1が、ロータ831の直径D2よりも大きい(D1>D2)ため、1段目の移動面積A1は、2段目の移動面積A2より大きい(A1>A2)。また、1段目のロータ821の長さL1は、2段目のロータ831の長さL2と等しい(L1=L2)。一方、1段目のロータ821の回転数N1は、2段目のロータ831の回転数N2よりも低い(N1<N2)。このような場合であっても、移動容積比RQを1以上とすることができれば、第1実施形態とは異なり、2段目(高圧側)のロータ831の回転数を、1段目(低圧側)のロータ821の回転数よりも高くしてもよい。
Here, in the
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ800の駆動軸867の軸動力を低減できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図33に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ861と、1対の第2タイミングギヤ862と、第1駆動ギヤ865と、第2駆動ギヤ866と、モータ入力軸である単一の駆動軸867と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIG. 33, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 861, a pair of second timing gears 862, a
1対の第1タイミングギヤ861、861は、1段目の2本の回転軸822の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ821、821の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ862、862は、2段目の2本の回転軸832の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ831、831の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。
A pair of first timing gears 861, 861 are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
また、第1駆動ギヤ865は、1対の第1タイミングギヤ861のうちの一方の第1タイミングギヤ861と噛み合うように設けられており、第2駆動ギヤ866は、1対の第2タイミングギヤ862のうちの一方の第2タイミングギヤ862と噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸867は、第1駆動ギヤ865と第2駆動ギヤ866とを回転可能に支持する。すなわち、第1駆動ギヤ865と第2駆動ギヤ866とは、同一の駆動軸に回転可能に支持される。この駆動軸867は、サイドカバー880に設けられたベアリング868と、ベアリング・ギヤ室873に設けられたベアリング868とにより支持されている。また、ベアリング・ギヤ室873に設けられたベアリング868側の駆動軸867の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。
Also, the
上述したように、本実施形態では、2段目のロータ831の回転数が、1段目のロータ821の回転数より高い。言い換えると、2段目のロータ831の回転速度が、1段目のロータ821の回転速度より速い。そこで、ポンプ800では、2段目のロータ831の回転数が1段目のロータ821の回転数より高くなるように、第1駆動ギヤ865および第2駆動ギヤ866の歯数が設定される。図33には、例えば、駆動軸867の回転速度から回転軸822の回転速度を減速させ、回転軸832の回転速度を増速する例が示されている。図33に示した例では、第1タイミングギヤ861の歯数が、第1駆動ギヤ865の歯数よりも多く、第1駆動ギヤ865の歯数が、第2駆動ギヤ866の歯数よりも少なく、第2タイミングギヤ862の歯数が、第2駆動ギヤ866の歯数よりも少なくなっている。
As described above, in this embodiment, the rotation speed of the
<中間吐出口>
本実施形態のポンプ800を真空ポンプとして使用する場合、ケーシング810が、隣接する圧縮要素間、すなわち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、ガスを外部に吐出する中間吐出口815をさらに有してもよい。図34に示した例では、中間吐出口815をケーシング810の左側面に1箇所のみ設けた例が示されているが、中間吐出口815の数は特に制限されず、2箇所以上設けてもよい。例えば、図34に示した断面において、ケーシング810の右側面のうち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、中間吐出口815が設けられていてもよい。中間吐出口815は、第6実施形態に係る中間吐出口615と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Intermediate outlet>
When the
<第2冷却ガス導入口>
本実施形態のポンプ800では、ケーシング810が、最後段(本実施形態では2段目)の圧縮要素にガスが吸い込まれる吸込位置(上記の中間位置)と吐出口813との間に、ケーシング810の内部に冷却ガスCを導入する逆流冷却ガス導入口817(以下、単に「冷却ガス導入口817」と記載する。)をさらに有する。この冷却ガス導入口817は、本実施形態に係る第2冷却ガス導入口の一例である。冷却ガス導入口817は、第1実施形態に係る冷却ガス導入口117と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Second cooling gas inlet>
In the
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ800は、ケーシング810とベアリング・ギヤ室873との間、および、ケーシング810とベアリング室874との間に、中間室として、サイドカバー880を有している。このサイドカバー880は、第1実施形態に係るサイドカバー180と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Other configurations>
In addition, the
<ガスの漏れ量>
2段目の圧縮要素におけるガスの漏れ量QLに関しては、基本的に、上述した第6実施形態と同様であるが、以下の点で相違する。すなわち、本実施形態では、ロータ831の長さL2は、ロータ821の長さL1と等しいため、2段目の圧縮要素におけるロータ831のロータサイドのすき間CsA2、CsB2の減少効果が第6実施形態よりも小さい。そのため、2段目の圧縮要素における漏れ面積As2の減少効果が第6実施形態よりも小さい。しかしながら、ロータ831とケーシング810との間のすき間Cr2と、ロータ731相互間のすき間Cx2の減少効果は第6実施形態と同等にできるため、2段目の圧縮要素における全漏れ面積AL2の減少効果は、本実施形態においても十分に得られる。その結果、2段目の圧縮要素における吐出側から吸込側へのガスの漏れ量QLが減少する。ただし、全漏れ面積AL2の減少効果をさらに高めるためには、上述した第6実施形態のように、ロータ831の長さL2をロータ821の長さL1よりも短くすることが好ましい。
<Amount of gas leakage>
The gas leakage amount QL in the second-stage compression element is basically the same as in the above-described sixth embodiment, but differs in the following points. That is, in this embodiment, since the length L2 of the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ800の駆動方法を述べる。なお、ポンプ800によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method of driving the
<ポンプの駆動方法>
図33に示すように、図示しないモータにより駆動軸867が回転すると、駆動軸867に支持された第1駆動ギヤ865および第2駆動ギヤ866が同じ方向に回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ861、861のうち、第1駆動ギヤ865と噛み合う一方の第1タイミングギヤ861が、第1駆動ギヤ865とは反対方向に回転する。このときの一方の第1タイミングギヤ861の回転数は、第1駆動ギヤ865の回転数から、第1駆動ギヤ865の歯数と一方の第1タイミングギヤ861の歯数との比から算出される減速比(一方の第1タイミングギヤ861の歯数/第1駆動ギヤ865の歯数)で減速された回転数となる。また、一方の第1タイミングギヤ861と噛み合う他方の第1タイミングギヤ861は、一方の第1タイミングギヤ861の歯数と同じ歯数であるため、一方の第1タイミングギヤ861と反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ821、821は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ821、821の回転により、吸込口811付近のガスが、吸込口811からケーシング810内に吸い込まれた(図34の矢印Gs)後に、ロータ821により圧縮されて中間位置に吐き出される(図34の矢印Gm)。
<Pump driving method>
As shown in FIG. 33, when the
同様に、1対の第2タイミングギヤ862、862のうち、第2駆動ギヤ866と噛み合う一方の第2タイミングギヤ862が、第2駆動ギヤ866とは反対方向に回転する。このときの一方の第2タイミングギヤ862の回転数は、第2駆動ギヤ866の回転数から、第2駆動ギヤ866の歯数と一方の第2タイミングギヤ862の歯数との比から算出される変速比(一方の第2タイミングギヤ862の歯数/第2駆動ギヤ866の歯数)で増速された回転数となる。また、一方の第2タイミングギヤ862と噛み合う他方の第2タイミングギヤ862は、一方の第2タイミングギヤ862の歯数と同じ歯数であるため、一方の第2タイミングギヤ862と互いに反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ831、831は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ831、831の回転により、1段目のロータ821により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ831に掻き込まれた(図34の矢印Gm)後に、ロータ831により圧縮されて吐出口813から外部に排出される(図34の矢印Gd)。
Similarly, of the pair of second timing gears 862 , 862 , one of the second timing gears 862 meshing with the
また、本実施形態では、1段目と2段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pmが大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口815から、より圧力の低い大気に排出され(図34の矢印Ge)、中間圧力Pmが大気圧以下まで下がる。したがって、2段目の圧縮要素(ロータ831)への吸込圧力が小さくなるため、2段目の吸込圧力Ps2と吸込口811から吸い込まれるガスの圧力(1段目の吸込圧力Ps1)との差ΔP1を小さくすることができる。その結果、ポンプ800を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ800が吸込口811に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pmが大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Further, in this embodiment, when the pressure (intermediate pressure) Pm at the intermediate position between the first stage and the second stage is equal to or higher than the atmospheric pressure, the pressure difference causes the gas to flow out of the
本実施形態では、第1タイミングギヤ861の回転速度が減速される一方で、第2タイミングギヤ862の回転速度が増速されるように、各ギヤの歯数が決められている。また、ロータ821の直径D1がロータ831の直径D2よりも大きい。このような特殊な条件下であっても、上述したように、移動容積比RQが1より大きくなるようにすることは可能である。
In this embodiment, the number of teeth of each gear is determined so that the rotational speed of the
[第9実施形態]
次に、図35~図38を参照しながら、本発明の第9実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図35は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ900(以下、「ポンプ900」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図36、図37および図38は、それぞれ、図35のXXXVI-XXXVI線、XXXVII-XXXVII線およびXXXVIII-XXXVIII線で切断した断面図である。上述した第6~第8実施形態のポンプ600、700、800は、2段の圧縮要素を有する2段ルーツ式ポンプの例であったが、本実施形態に係るポンプ900は、3段の圧縮要素を有する3段ルーツ式ポンプの例である。ここで、1段目(最も低圧側)の圧縮要素と2段目(中間)の圧縮要素との関係および2段目(中間)の圧縮要素と3段目(最も高圧側)の圧縮要素との関係はともに、第6実施形態に係るポンプ600の1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の関係と同様である。なお、以下では、上述した実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Ninth Embodiment]
Next, a multi-stage roots pump according to a ninth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 35 to 38. FIG. FIG. 35 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 900 (hereinafter abbreviated as “pump 900”) as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 36, 37 and 38 are cross-sectional views taken along lines XXXVI-XXXVI, XXXVII-XXXVII and XXXVIII-XXXVIII of FIG. 35, respectively. The
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図35~図38に示すように、ポンプ900は、回転圧縮機の一種である3段ルーツ式ポンプであり、ケーシング910と、3段(3組)の圧縮要素と、駆動機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 35 to 38, the
<ケーシング>
ケーシング910の構成および機能は、第6実施形態に係るケーシング610と同様である。
<Casing>
The configuration and function of
ここで、ケーシング910は、同じ段の圧縮要素が有する2本の回転軸922、922を含む仮想平面、2本の回転軸932、932を含む仮想平面、または、2本の回転軸942、942を含む仮想平面の法線方向に沿って、3段の圧縮要素が並列配置されるように圧縮要素を収容する。このように、本実施形態では、回転軸922、932、942の軸方向に対して並列に配置された複数段の圧縮要素が単一のケーシング910に内装されており、各圧縮要素を接続する外部の配管や内部のガス流路などは特に設けられていない。そのため、1段目の圧縮要素で圧縮されて吐き出されたガスは、2段目の圧縮要素に直接(そのまま)吸い込まれて圧縮された後に吐き出され、さらに、3段目の圧縮要素に直接(そのまま)吸い込まれる。したがって、3段ルーツ式ポンプの各圧縮要素により圧縮されたガスの温度上昇は、2段ルーツ式ポンプの場合と比べ、ガスの温度上昇の問題はさらに深刻となる。そこで、本実施形態では、詳しくは後述するように、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスの冷却だけでなく、2段目と3段目の間の中間位置に存在するガスの冷却も実施される。
Here, the
<圧縮要素>
本実施形態の圧縮要素としては、単一のケーシング910内に、吸込口911側に位置する1段目(低圧側)の圧縮要素と、吐出口913側に位置する3段目(高圧側)の圧縮要素と、1段目と3段目の間に配置される2段目(中間)の圧縮要素の、3段の圧縮要素とが設けられている。3段の圧縮要素間には、仕切り板等は設けられておらず、複数の圧縮要素が、一体のケーシング910内に単一の段群として設けられている。各段の圧縮要素は、1対のロータと、当該1対のロータを支持する2本の回転軸と、をそれぞれ独立に有する。具体的には、本実施形態では、1段目の圧縮要素は、1対のロータ921、921と、2本の回転軸922、922とを有する。2段目の圧縮要素は、1対のロータ931、931と、2本の回転軸932、932とを有する。3段目の圧縮要素は、1対のロータ941、941と、2本の回転軸942、942とを有する。
<Compression element>
As the compression elements of this embodiment, a first stage (low pressure side) compression element located on the
図36に示すように、ロータ921は、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部921a、921b、921cを有する形状である。また、各突出部921a、921b、921cの間には、凹部921dが設けられている。同様に、ロータ931も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部931a、931b、931cを有する形状である。また、各突出部931a、931b、931cの間には、凹部931dが設けられている。同様に、ロータ941も、三葉ロータであり、そのロータプロフィルは、回転中心から径方向に突出した3片の突出部941a、941b、941cを有する形状である。また、各突出部941a、941b、941cの間には、凹部941dが設けられている。
As shown in FIG. 36, the
1対のロータ921、921は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸922、922は、1対のロータ921、921を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸922、922は、2つのベアリング923、923により支持されている。同様に、1対のロータ931、931は、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸932、932は、1対のロータ931、931を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸932、932は、2つのベアリング933、933により支持されている。同様に、1対のロータ941、941も、それぞれ、互いに反対方向に回転可能に設けられている。2本の回転軸942、942は、1対のロータ941、941を回転可能に支持しており、互いに平行に配置されている。また、2本の回転軸942、942は、2つのベアリング943、943により支持されている。さらに、本実施形態では、回転軸922と回転軸932と回転軸942とが、互いに平行となるように配置される。なお、以下、必要に応じて、ロータ931、941について、ロータ921と重複する説明を省略し、ロータ921の内容を適宜読み替えるものとする。
A pair of
1対のロータ921、921同士およびロータ921とケーシング910の内面910aとが接触しないように、各々のロータ921、921同士の間および突出部921a、921b、921cの先端(葉端)とケーシング910の内面910aと間には、わずかなすき間ができるように、ロータ921が配置される。このすき間の大きさについては、第1実施形態と同様である。各々のロータ921、921は、後述するタイミングギヤ961A、961Bにより回転位相が維持されており、ロータ921の断面形状は、例えば、いわゆるインボリュート曲線となっているため、上記のわずかなすき間、すなわち、シールされた状態を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ931は、対となるロータ931およびケーシング910の内面910dとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ931、931は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。同様に、ロータ941は、対となるロータ941およびケーシング910の内面910gとの間にわずかなすき間ができるように配置される。また、1対のロータ941、941は、わずかなすき間を保ちながら、互いに接触することなく反対方向に回転できる。その他、ロータ921、931、941の構成および機能は、上述した各実施形態に係るロータの構成および機能と同様である。
Between the
ポンプ900では、1段目の圧縮要素であるロータ921、回転軸922等と、2段目の圧縮要素であるロータ931、回転軸932等と、3段目の圧縮要素であるロータ941、回転軸942等と、は、単一のケーシング910内において、同じ段の2本の回転軸922、922(または2本の回転軸932、932、または2本の回転軸942、942)を含む仮想の平面の法線方向に沿って、並列に配置されている。すなわち、1段目のロータ921と2段目のロータ931と3段目のロータ941とは、それぞれ、別の軸に支持されており、かつ、同じ段の2本の回転軸が互いに平行で、かつ、異なる段の2本の回転軸も互いに平行に配置される。換言すると、ガスの吸込口911、1段目のロータ921、2段目のロータ931、3段目のロータ941および吐出口913が、鉛直方向に沿って並んで配置される。したがって、ガスが吸込口911からケーシング910内に導入されると(図36の矢印Gs)、鉛直下方に進み、ロータ921により圧縮された後に、1段目の圧縮要素と2段目の圧縮要素の中間に進む(図36の矢印Gm1)。ロータ921により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、2段目のロータ931により圧縮された後に、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素の中間に進む(図36の矢印Gm2)。ロータ931により圧縮されたガスは、さらに鉛直下方に進み、3段目のロータ941により圧縮された後に、そのまま吐出口913からケーシング910外に排出される(図36の矢印Gd)。
In the
このように、本実施形態に係るポンプ900によれば、単一のケーシング910内において、1段目のロータ921と2段目のロータ931と3段目のロータ941とが別の軸上に並列に配置されている。そのため、1段目の圧縮要素(ロータ921)と2段目の圧縮要素(ロータ931)との間、および、2段目の圧縮要素(ロータ931)と3段目の圧縮要素(ロータ941)との間に仕切りを設けなくても、ロータ921、931、941の配置自体で、3段の圧縮要素のポンプ作動領域に分けることができる。また、直列内装型多段ルーツ式ポンプの場合には、3段のロータを有する場合、ロータ3つ分以上の回転軸の長さが必要となるが、ポンプ900では、ロータ921とロータ931とロータ941とが別軸上に並列に配置されているため、ロータの回転軸の長さは、ロータ1つ分程度の長さで足りる。したがって、回転軸922、932、942やケーシング910の剛性の低下を抑制できる。特に、ポンプ900を大風量化するためにロータ921、931、941の長さを長くしたとしても剛性が低下したりすることがないため、大風量化が容易となる。さらに、1段目と2段目と3段目のポンプ作動領域間で、寸法の精度や位置合わせの精度がそれ程高くなくても、組立上およびポンプ900の性能上支障がない範囲で収まるため、それほど高い加工精度および組立精度は求められない。ここで、3段以上の圧縮要素を有する多段ルーツ式ポンプでは、回転軸およびケーシングの剛性低下、大風量化の困難性、高い加工精度および組立精度の必要性などの問題が、2段ルーツ式ポンプの場合よりもさらに深刻なものとなる。このような場合に、本実施形態に係るポンプ900によれば、上記の問題が全て解決されるため、複数の圧縮要素を別の軸上に並列配置するメリットが大きい。
Thus, according to the
<移動容積比>
本実施形態のポンプ900では、別の回転軸上に並列に配置された1段目の圧縮要素(ロータ921)と2段目の圧縮要素(ロータ931)との間において、下記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
<Transfer volume ratio>
In the
RQ = QthL / QthH (1)
ここで、本実施形態における移動容積Qthとは、いわゆる押しのけ量のことであり、回転数Nに比例した、ケーシング910とロータ921、ロータ931またはロータ941とで囲まれた空間の時間当たりの理論容積である。すなわち、移動容積Qth(m3/min)は、以下の式(2)で表される。
Qth=Vth(m3/rev)×N(min-1)
=A(m2/rev)×L(m)×N(min-1) ・・・(2)
Here, the movement volume Qth in the present embodiment is a so-called displacement amount, which is proportional to the rotation speed N, and the theoretical amount per hour of the space surrounded by the
Qth=Vth(m 3 /rev)×N(min −1 )
=A (m 2 /rev) x L (m) x N (min -1 ) (2)
ただし、式(2)において、Vthは、押しのけ容積であり、Nは、ロータの回転数であり、Aは、1回転当たりの移動面積であり、Lは、ロータの長さである。移動面積Aは、押しのけ容積Vtの回転軸922、932、942に垂直な断面における断面積である。
where, in equation (2), Vth is the displacement, N is the number of rotations of the rotor, A is the moving area per revolution, and L is the length of the rotor. The area of movement A is the cross-sectional area of the displacement volume Vt in a cross-section perpendicular to the axis of
本実施形態のポンプ900における1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2は、第4実施形態等と同様に、下記式(3)で表される。
The displacement volume ratio R Q1-2 between the first stage and the second stage in the
ただし、式(3)において、Qth1は1段目の圧縮要素の移動容積、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、A1は1段目の圧縮要素の移動面積、A2は2段目の圧縮要素の移動面積、L1は1段目のロータ921の長さ、L2は2段目のロータ931の長さ、N1は1段目のロータ921の回転数、N2は2段目のロータ931の回転数を表す。
However, in formula (3), Qth1 is the movement volume of the first stage compression element, Qth2 is the movement volume of the second stage compression element, A1 is the movement area of the first stage compression element, A2 is the second stage The moving area of the compression element, L1 is the length of the
ここで、本実施形態のポンプ900では、ロータ921の直径D1は、ロータ931の直径D2よりも大きい(D1>D2)。したがって、1段目の移動面積A1は、2段目の移動面積A2よりも大きくなる(A1>A2)。また、1段目のロータ921の長さL1が、2段目のロータ931の長さL2よりも長い(L1>L2)。一方、1段目のロータ921の回転数N1は、2段目のロータ931の回転数N2よりも低い(N1<N2)。このような場合であっても、移動容積比RQを1以上とすることができれば、第4実施形態等とは異なり、2段目(高圧側)のロータ931の回転数を、1段目(低圧側)のロータ921の回転数よりも高くしてもよい。
Here, in the
また、ポンプ900では、別の回転軸上に並列に配置された2段目の圧縮要素(ロータ931)と3段目の圧縮要素(ロータ941)との間においても、上記式(1)で表される移動容積比RQが1より大きい。
Further, in the
ただし、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3を求める場合、式(1)において、QthLは、2段目の圧縮要素と3段目の圧縮要素のうち低圧側の圧縮要素(本実施形態では2段目の圧縮要素)の移動容積であり、QthHは、高圧側の圧縮要素(本実施形態では3段目の圧縮要素)の移動容積である。 However, when obtaining the movement volume ratio R Q2-3 between the second stage and the third stage, Qth L in the equation (1) is the low pressure side of the second stage compression element and the third stage compression element. and Qth H is the displacement of the high-pressure side compression element (the third-stage compression element in the present embodiment).
上述したように、移動容積Qth(m3/min)は、上記式(2)で表される。したがって、本実施形態のポンプ900における2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3は、第4実施形態等と同様に、下記式(5)で表される。
As described above, the movement volume Qth (m 3 /min) is represented by the above formula (2). Therefore, the displacement volume ratio R Q2-3 between the second stage and the third stage in the
ただし、式(5)において、Qth2は2段目の圧縮要素の移動容積、Qth3は3段目の圧縮要素の移動容積、N2は2段目のロータ931の回転数、N3は3段目のロータ941の回転数を表す。
However, in equation (5), Qth2 is the movement volume of the second-stage compression element, Qth3 is the movement volume of the third-stage compression element, N2 is the rotation speed of the second-
ここで、本実施形態のポンプ900では、ロータ931の直径D2は、ロータ941の直径D3よりも大きい(D2>D3)。したがって、2段目の移動面積A2は、3段目の移動面積A3よりも大きくなる(A2>A3)。また、2段目のロータ931の長さL2が、2段目のロータ941の長さL3よりも長い(L2>L3)。一方、2段目のロータ931の回転数N2は、3段目のロータ941の回転数N3よりも低い(N2<N3)。このような場合であっても、移動容積比RQを1以上とすることができれば、第4実施形態等とは異なり、3段目(高圧側)のロータ941の回転数を、2段目(低圧側)のロータ931の回転数よりも高くしてもよい。
Here, in the
以上のように、移動容積比RQが1より大きいと、ポンプ900の駆動軸967の軸動力を低減できる。なお、本実施形態では、1段目と2段目の間の移動容積比RQ1-2と、2段目と3段目の間の移動容積比RQ2-3とが双方ともに1より大きい場合が例示されている。この場合には、軸動力の低減効果が顕著に向上できる。ただし、本発明に係る3段ルーツ式ポンプとしては、RQ1-2とRQ2-3の少なくともいずれか一方の移動容積比が1より大きければよい。例えば、RQ1-2とRQ2-3のいずれか一方が1より大きく、他方が1である3段ルーツ式ポンプも、本発明に係る多段ルーツ式ポンプとして使用できる。
As described above, when the displacement volume ratio RQ is greater than 1, the shaft power of the
<駆動機構>
図35、図37および図38に示すように、本実施形態の駆動機構は、1対の第1タイミングギヤ961(961A、961B)と、1対の第2タイミングギヤ962(962A、962B)と、1対の第3タイミングギヤ963(963A、963B)と、1-2段間中間ギヤ964と、2-3段間中間ギヤ965と、モータ入力軸である駆動軸967と、を備える。
<Drive Mechanism>
As shown in FIGS. 35, 37 and 38, the drive mechanism of this embodiment includes a pair of first timing gears 961 (961A, 961B), a pair of second timing gears 962 (962A, 962B), and , a pair of third timing gears 963 (963A, 963B), a 1st-2nd step
1対の第1タイミングギヤ961A、961Bは、1段目の2本の回転軸922の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ921、921の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第2タイミングギヤ962A、962Bは、2段目の2本の回転軸932の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ931、931の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。1対の第3タイミングギヤ963A、963Bは、2段目の2本の回転軸942の軸端に互いに噛み合うように設けられており、1対のロータ931、931の回転位相が一致するように、同じ歯数となっている。
A pair of first timing gears 961A and 961B are provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two
また、1-2段間中間ギヤ964は、1対の第1タイミングギヤ961のうちの一方の第1タイミングギヤ961Aと、1対の第2タイミングギヤ962のうちの一方の第2タイミングギヤ962Aの両方と噛み合うように設けられており、2-3段間中間ギヤ965は、1対の第2タイミングギヤ962のうちの一方の第2タイミングギヤ962Aと、1対の第3タイミングギヤ963のうちの一方の第3タイミングギヤ963Aの両方と噛み合うように設けられている。さらに、駆動軸967は、1-2段間中間ギヤ964を回転可能に支持する。また、駆動軸967は、後述するサイドカバー980に設けられたベアリング968と、ベアリング・ギヤ室973に設けられたベアリング968とにより支持されている。ベアリング・ギヤ室973に設けられたベアリング968側の駆動軸967の軸端は、モータ(図示せず。)に接続されている。また、2-3段間中間ギヤ965は、回転軸969に回転可能に支持されている。回転軸969は、サイドカバー980に設けられたベアリング970と、ベアリング・ギヤ室973に設けられたベアリング970とにより支持されている。
The 1st-2nd step
上述したように、本実施形態では、2段目のロータ931の回転数が、1段目のロータ921の回転数より高い。言い換えると、2段目のロータ931の回転速度が、1段目のロータ921の回転速度より速い。そこで、ポンプ900では、2段目のロータ931の回転数が1段目のロータ921の回転数より高くなるように、第1タイミングギヤ961、第2タイミングギヤ962および1-2段間中間ギヤ964の歯数が設定される。図35および図38には、例えば、駆動軸967の回転速度から回転軸922および回転軸932の回転速度を減速する例が示されている。図35および図38に示した例では、第1タイミングギヤ961および第2タイミングギヤ962が共通の1-2段間中間ギヤ964と噛み合い、第1タイミングギヤ961および第2タイミングギヤ962の歯数がともに1-2段間中間ギヤ964の歯数より多くなっている。また、1-2段間中間ギヤ964の歯数と第1タイミングギヤ961の歯数との比から算出される減速比(第1タイミングギヤ961の歯数/1-2段間中間ギヤ964の歯数)の方が、1-2段間中間ギヤ964の歯数と第2タイミングギヤ962の歯数との比から算出される減速比(第2タイミングギヤ962の歯数/1-2段間中間ギヤ964の歯数)よりも大きくなるように、第1タイミングギヤ961の歯数が、第2タイミングギヤ962の歯数よりも多くなっている。これにより、2段目のロータ931の回転数が、1段目のロータ921の回転数より高くなる。
As described above, in this embodiment, the rotation speed of the
また、本実施形態では、3段目のロータ941の回転数が、2段目のロータ931の回転数より高い。言い換えると、3段目のロータ941の回転速度が、2段目のロータ931の回転速度より速い。そこで、ポンプ900では、3段目のロータ941の回転数が2段目のロータ931の回転数より高くなるように、第2タイミングギヤ962、第3タイミングギヤ963および2-3段間中間ギヤ965の歯数が設定される。図35および図38には、例えば、第2タイミングギヤ962の回転速度から回転軸969の回転速度を増速し、回転軸969の回転速度から第3タイミングギヤ963の回転速度を減速する例が示されている。図35および図38に示した例では、第2タイミングギヤ962および第3タイミングギヤ963が共通の2-3段間中間ギヤ965と噛み合い、第2タイミングギヤ962および第3タイミングギヤ963の歯数がともに2-3段間中間ギヤ965の歯数より多くなっている。また、2-3段間中間ギヤ965の歯数と第2タイミングギヤ962の歯数との比から算出される減速比(第2タイミングギヤ962の歯数/2-3段間中間ギヤ965の歯数)の方が、2-3段間中間ギヤ965の歯数と第3タイミングギヤ963の歯数との比から算出される減速比(第3タイミングギヤ963の歯数/2-3段間中間ギヤ965の歯数)よりも大きくなるように、第2タイミングギヤ962の歯数が、第3タイミングギヤ963の歯数よりも多くなっている。これにより、3段目のロータ941の回転数が、2段目のロータ931の回転数より高くなる。
Further, in the present embodiment, the rotation speed of the
<中間吐出口>
本実施形態のポンプ900を真空ポンプとして使用する場合、ケーシング910が、隣接する圧縮要素間、すなわち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置、および、2段目(低圧側)の圧縮要素と3段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に、それぞれ、ガスを外部に吐出する中間吐出口915、917をさらに有していてもよい。図36に示した例では、中間吐出口915、917をそれぞれ、ケーシング910の左側面に1箇所ずつのみ設けた例が示されているが、中間吐出口915、917の数は特に制限されず、2箇所以上ずつ設けてもよい。例えば、図36に示した断面において、ケーシング910の右側面のうち、1段目(低圧側)の圧縮要素と2段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に中間吐出口915が設けられ、2段目(低圧側)の圧縮要素と3段目(高圧側)の圧縮要素との間の中間位置に中間吐出口917が設けられていてもよい。その他の事項については、中間吐出口915、917は、第6実施形態に係る中間吐出口615と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Intermediate outlet>
When the
<第2冷却ガス導入口>
本実施形態のポンプ900では、ケーシング910が、最後段(本実施形態では3段目)の圧縮要素にガスが吸い込まれる吸込位置(上記の中間位置)と吐出口913との間に、ケーシング910の内部に冷却ガスCを導入する逆流冷却ガス導入口919(以下、単に「冷却ガス導入口919」と記載する。)をさらに有する。この冷却ガス導入口919は、本実施形態に係る第2冷却ガス導入口の一例である。冷却ガス導入口919は、第1実施形態に係る冷却ガス導入口117と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Second cooling gas inlet>
In the
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ900は、ケーシング910とベアリング・ギヤ室973との間、および、ケーシング910とベアリング室974との間に、中間室として、サイドカバー980を有している。このサイドカバー980は、第1実施形態に係るサイドカバー180と実質的に同じ構成および機能を有する。
<Other configurations>
In addition, the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ900の駆動方法を述べる。なお、ポンプ900によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method of driving the
<ポンプの駆動方法>
図35~図38に示すように、図示しないモータにより駆動軸967が回転すると、駆動軸967に支持された1-2段間中間ギヤ964が回転駆動する。次いで、1対の第1タイミングギヤ961A、961Bのうち、1-2段間中間ギヤ964と噛み合う一方の第1タイミングギヤ961Aが、1-2段間中間ギヤ964とは反対方向に回転する。このときの第1タイミングギヤ961Aの回転数は、1-2段間中間ギヤ964の回転数から、1-2段間中間ギヤ964の歯数と第1タイミングギヤ961Aの歯数との比から算出される減速比(第1タイミングギヤ961Aの歯数/1-2段間中間ギヤ964の歯数)で減速された回転数となる。また、第1タイミングギヤ961Aと噛み合う他方の第1タイミングギヤ961Bは、第1タイミングギヤ961Aの歯数と同じ歯数であるため、第1タイミングギヤ961Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ921、921は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ921、921の回転により、吸込口911付近のガスが、吸込口911からケーシング910内に吸い込まれた(図36の矢印Gs)後に、ロータ921により圧縮されて1段目と2段目の中間位置に吐き出される(図36の矢印Gm1)。
<Pump driving method>
As shown in FIGS. 35 to 38, when the
同様に、1対の第2タイミングギヤ962A、962Bのうち、1-2段間中間ギヤ964と噛み合う一方の第2タイミングギヤ962Aが、1-2段間中間ギヤ964とは反対方向に回転する。このときの第2タイミングギヤ962Aの回転数は、1-2段間中間ギヤ964の回転数から、1-2段間中間ギヤ964の歯数と第2タイミングギヤ962Aの歯数との比から算出される減速比(第2タイミングギヤ962Aの歯数/1-2段間中間ギヤ964の歯数)で減速された回転数となる。また、第2タイミングギヤ962Aと噛み合う他方の第2タイミングギヤ962Bは、第2タイミングギヤ962Aの歯数と同じ歯数であるため、第2タイミングギヤ962Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ931、931は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ931、931の回転により、1段目のロータ921により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ931に掻き込まれた後に(図36の矢印Gm1)、ロータ931により圧縮されて2段目と3段目の中間位置に吐き出される(図36の矢印Gm2)。
Similarly, of the pair of second timing gears 962A and 962B, one of the second timing gears 962A meshing with the
さらに、第2タイミングギヤ962Aと噛み合う2-3段間中間ギヤ965が、第2タイミングギヤ962Aとは反対方向に回転する。また、1対の第3タイミングギヤ963A、963Bのうち、2-3段間中間ギヤ965と噛み合う第3タイミングギヤ963Aが、2-3段間中間ギヤ965とは反対方向に回転する。また、第3タイミングギヤ963Aと噛み合う他方の第3タイミングギヤ963Bは、第3タイミングギヤ963Aの歯数と同じ歯数であるため、第3タイミングギヤ963Aと反対方向に同じ回転数で回転する。これにより、1対のロータ941、941は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ941、941の回転により、2段目のロータ931により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から3段目のロータ941に掻き込まれた後に(図36の矢印Gm2)、ロータ941により圧縮されて吐出口913から外部に排出される(図36の矢印Gd)。
Further, the 2-3 step
また、本実施形態では、1段目と2段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pm1が大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口915から、より圧力の低い大気に排出され(図36の矢印Ge1および矢印Gd)、中間圧力Pm1が大気圧以下まで下がる。同様に、2段目と3段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pm2が大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口917から、より圧力の低い大気に排出され(図36の矢印Ge2および矢印Gd)、中間圧力Pm2が大気圧以下まで下がる。したがって、2段目および3段目の圧縮要素(ロータ931、941)への吸込圧力が小さくなるため、2段目の吸込圧力Ps2と吸込口911から吸い込まれるガスの圧力(1段目の吸込圧力Ps1)との差ΔP1、および、3段目の吸込圧力Ps3と2段目の吸込圧力Ps2との差ΔP2を小さくすることができる。その結果、ポンプ900を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ900が吸込口911に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pm1、Pm2が大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Further, in the present embodiment, when the pressure (intermediate pressure) Pm1 at the intermediate position between the first stage and the second stage is equal to or higher than the atmospheric pressure, gas is discharged from the
本実施形態では、第1タイミングギヤ961Aとの間の1-2段間中間ギヤ964の減速比が、第2タイミングギヤ962Aとの間の1-2段間中間ギヤ964の減速比よりも大きくなっている。したがって、ロータ921の回転数N1がロータ931の回転数N2よりも低くなる。また、ロータ921の長さL1がロータ931の長さL2よりも長く、かつ、ロータ921の直径D1がロータ931の直径D2よりも大きい。このような特殊な条件下であっても、上述したように、移動容積比RQ1-2が1より大きくなるようにすることは可能である。
In the present embodiment, the reduction ratio of the 1st-2nd stage
また、第2タイミングギヤ962Aとの間の2-3段間中間ギヤ965の減速比が、第3タイミングギヤ963Aとの間の2-3段間中間ギヤ965の減速比よりも大きくなっている。したがって、ロータ931の回転数N2がロータ941の回転数N3よりも低くなる。また、ロータ931の長さL2がロータ941の長さL3よりも長く、かつ、ロータ931の直径D2がロータ941の直径D3よりも大きい。このような特殊な条件下であっても、上述したように、移動容積比RQ2-3が1より大きくなるようにすることは可能である。
Further, the reduction ratio of the 2nd-3rd step
[第10実施形態]
次に、図39および図40を参照しながら、本発明の第10実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図39は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ1000(以下、「ポンプ1000」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図40は、図39のXL-XL線で切断した断面図である。本実施形態に係るポンプ1000は、第6実施形態に係るポンプ600に、第1実施形態等と同様の冷却機構を設けた例である。なお、以下では、上述した実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Tenth embodiment]
Next, the multi-stage roots pump according to the tenth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 39 and 40. FIG. FIG. 39 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 1000 (hereinafter abbreviated as "pump 1000") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 40 is a cross-sectional view taken along line XL-XL in FIG. 39. FIG. A
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図39および図40に示すように、ポンプ1000は、回転圧縮機の一種である2段ルーツ式ポンプであり、ケーシング610と、2段(2組)の圧縮要素と、駆動機構と、冷却機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 39 and 40, the
<ケーシング>
本実施形態のケーシングは、第6実施形態に係るケーシング610と同様である。本実施形態では、このケーシング610に後述する中間逆流冷却ガス導入口1016が設けられている。
<Casing>
The casing of this embodiment is similar to the
<圧縮要素、駆動機構>
本実施形態の圧縮要素および駆動機構は、第6実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。
<Compression element, drive mechanism>
Since the compression element and drive mechanism of this embodiment are the same as those of the sixth embodiment, detailed description thereof will be omitted.
<移動容積比>
本実施形態のポンプ1000における移動容積比についても、第6実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。
<Transfer volume ratio>
The movement volume ratio of the
<冷却機構>
図40に示すように、本実施形態に係るケーシング610にも、中間吐出口615および本実施形態に係る第1冷却ガス導入口の一例としての中間逆流冷却ガス導入口1016(以下、単に「冷却ガス導入口1016」と記載する。)が設けられる。中間吐出口615および冷却ガス導入口1016は、それぞれ、第1実施形態に係る中間吐出口115および冷却ガス導入口116と同じ構成、機能および作用効果を有する。また、本実施形態に係る冷却部の一例としての冷却器1が、中間吐出口615および冷却ガス導入口1016と接続される。また、冷却器1には、逆止弁3も接続される。
<Cooling mechanism>
As shown in FIG. 40, the
<第2冷却ガス導入口>
図40に示すように、第6実施形態と同様に、逆流冷却ガス導入口617が設けられる。
<Second cooling gas inlet>
As shown in FIG. 40, a backflow cooling
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ1000の構成は、第6実施形態に係るポンプ600と同様である。
<Other configurations>
In addition, the configuration of the
<ガスの漏れ量>
2段目の圧縮要素における吐出側(高圧側)から吸込側(低圧側)へのガスの漏れ量QLについても、第6実施形態と同様である。
<Amount of gas leakage>
The gas leakage amount QL from the discharge side (high pressure side) to the suction side (low pressure side) in the second stage compression element is also the same as in the sixth embodiment.
このように、本実施形態に係るポンプ1000では、後段(本実施形態では2段目)の圧縮要素におけるガスの顕著な温度上昇を起因とするガスの漏れ量の増加を抑制する、という課題に対し、冷却機構を設けること、および、後段(2段目)のロータサイズを小さくすること、という2つの解決手段を採用している。そのため、2段目の圧縮要素における吐出側から吸込側へのガスの漏れ量QLの低減効果に非常に優れる。すなわち、中間吐出口615、冷却器1および冷却ガス導入口1016からなる冷却機構を設けることにより、2段目の圧縮要素で圧縮されるガスの温度上昇を抑制することによるロータ631の熱膨張量の減少効果と、ロータ631自体の長さL2および直径D2を小さくすることによるロータ631の熱膨張量の減少効果の相乗効果が得られる。
As described above, the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ1000の駆動方法を述べる。なお、ポンプ1000によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method of driving
<ポンプの駆動方法>
図39に示すように、本実施形態に係るポンプ1000では、第6実施形態と同様にして、1対のロータ621、621は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ621、621の回転により、吸込口611付近のガスが、吸込口611からケーシング610内に吸い込まれた(図40の矢印Gs)後に、ロータ621により圧縮されて中間位置に吐き出される(図40の矢印Gm)。
<Pump driving method>
As shown in FIG. 39, in the
また、第6実施形態と同様にして、1対のロータ631、631は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ631、631の回転により、1段目のロータ621により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ631に掻き込まれた(図40の矢印Gm)後に、ロータ631により圧縮されて吐出口613から外部に排出される(図40の矢印Gd)。
Also, as in the sixth embodiment, the pair of
ここで、本実施形態では、第1実施形態と同様に、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口615からケーシング610の外部に排出され、冷却器1で冷却された後に、ケーシング610の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口1016A、1016Bから1段目の圧縮要素内(ロータ621とケーシング610とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pmは、ロータ621とケーシング610とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口615から排出されたガスは、冷却器1を通って、循環する。より詳細には、図40の矢印Geに示すように、中間吐出口615から排出されたガスは、冷却器1により冷却され、冷却ガス導入口1016から1段目の圧縮要素内、具体的には、1段目のロータ621とケーシング610とで囲まれた領域内(移動容積Qth1部分)に導入された後、再び中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口615から常時排出され、冷却器1により冷却されたガスが1段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Here, in the present embodiment, as in the first embodiment, the gas present in the intermediate position between the first stage and the second stage is discharged from the
また、中間圧力Pmが大気圧以上の場合には、逆止弁3が開放され、中間圧力Pmと大気圧との圧力差により、中間位置に存在するガスは、中間吐出口615から、より圧力の低い大気に排出され(図40の矢印Geおよび矢印Gd)、中間圧力Pmが大気圧以下まで下がる。したがって、2段目の圧縮要素(ロータ631)への吸込圧力が小さくなるため、1段目の圧縮要素(ロータ621)への吸込圧力と2段目の圧縮要素(ロータ631)への吸込圧力との差圧ΔP1を小さくすることができる。その結果、ポンプ1000を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ1000が吸込口611に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pmが大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Further, when the intermediate pressure Pm is equal to or higher than the atmospheric pressure, the
本実施形態では、第1タイミングギヤ661の回転速度が減速される一方で、第2タイミングギヤ662の回転速度が増速されるように、各ギヤの歯数が決められている。また、ロータ621の直径D1がロータ631の直径D2よりも大きい。さらに、ロータ621の長さL1がロータ631の長さL2よりも長い。このような特殊な条件下であっても、上述したように、移動容積比RQが1より大きくなるようにすることは可能である。
In this embodiment, the number of teeth of each gear is determined so that the rotation speed of the
[第11実施形態]
次に、図41および図42を参照しながら、本発明の第11実施形態に係る多段ルーツ式ポンプについて詳述する。図41は、本実施形態に係る多段ルーツ式ポンプの一例としての内装2段ルーツ式ポンプ1100(以下、「ポンプ1100」と省略して記載する。)の全体構成を示す部分断面図である。図42は、図41のXLII-XLII線で切断した断面図である。本実施形態に係るポンプ1100は、第9実施形態に係るポンプ900に、第1実施形態等と同様の冷却機構を設けた例である。なお、以下では、上述した実施形態と重複する説明を適宜省略する。
[Eleventh embodiment]
Next, the multi-stage roots pump according to the eleventh embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 41 and 42. FIG. FIG. 41 is a partial cross-sectional view showing the overall configuration of an internal two-stage roots-type pump 1100 (hereinafter abbreviated as "pump 1100") as an example of a multi-stage roots-type pump according to the present embodiment. 42 is a cross-sectional view taken along line XLII-XLII in FIG. 41. FIG. A
(多段ルーツ式ポンプの構成)
図41および図42に示すように、ポンプ1100は、回転圧縮機の一種である3段ルーツ式ポンプであり、ケーシング910と、3段(3組)の圧縮要素と、駆動機構と、冷却機構とを主に備える。
(Configuration of multistage roots pump)
As shown in FIGS. 41 and 42, the
<ケーシング>
本実施形態のケーシングは、第9実施形態に係るケーシング910と同様である。本実施形態では、このケーシング910に後述する中間逆流冷却ガス導入口1116、1118が設けられている。
<Casing>
The casing of this embodiment is similar to the
<圧縮要素、駆動機構>
本実施形態の圧縮要素および駆動機構は、第9実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。
<Compression element, drive mechanism>
Since the compression element and drive mechanism of this embodiment are the same as those of the ninth embodiment, detailed description thereof will be omitted.
<移動容積比>
本実施形態のポンプ1100における移動容積比についても、第9実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。
<Transfer volume ratio>
Since the movement volume ratio in the
<冷却機構>
図42に示すように、本実施形態に係るケーシング910にも、中間吐出口915、917および本実施形態に係る第1冷却ガス導入口の一例としての中間逆流冷却ガス導入口1116(以下、単に「冷却ガス導入口1116」と記載する。)および中間逆流冷却ガス導入口1118(以下、単に「冷却ガス導入口1118」と記載する。)が設けられる。中間吐出口915、917および冷却ガス導入口1116、1118は、それぞれ、第4実施形態に係る中間吐出口415、417および冷却ガス導入口416、418と同じ構成、機能および作用効果を有する。また、本実施形態に係る冷却部の一例としての冷却器1が、中間吐出口915および冷却ガス導入口1116と接続され、冷却器2が、中間吐出口917および冷却ガス導入口1118と接続される。また、冷却器1には、逆止弁3も接続され、冷却器2には、逆止弁4も接続される。
<Cooling mechanism>
As shown in FIG. 42, the
<第2冷却ガス導入口>
図42に示すように、第9実施形態と同様に、逆流冷却ガス導入口919が設けられる。
<Second cooling gas inlet>
As shown in FIG. 42, a backflow cooling
<その他の構成>
その他、本実施形態のポンプ1100の構成は、第9実施形態に係るポンプ900と同様である。
<Other configurations>
In addition, the configuration of the
<ガスの漏れ量>
2段目および3段目の圧縮要素における吐出側(高圧側)から吸込側(低圧側)へのガスの漏れ量QLについても、第9実施形態と同様である。
<Amount of gas leakage>
The gas leakage amount QL from the discharge side (high pressure side) to the suction side (low pressure side) in the second and third stage compression elements is also the same as in the ninth embodiment.
このように、本実施形態に係るポンプ1100では、後段(本実施形態では2段目および3段目)の圧縮要素におけるガスの顕著な温度上昇を起因とするガスの漏れ量の増加を抑制する、という課題に対し、冷却機構を設けること、および、後段(2段目および3段目)のロータサイズを小さくすること、という2つの解決手段を採用している。そのため、2段目および3段目の圧縮要素における吐出側から吸込側へのガスの漏れ量QLの低減効果に非常に優れる。すなわち、中間吐出口915、冷却器1および冷却ガス導入口1116からなる冷却機構と、中間吐出口917、冷却器2および冷却ガス導入口1118からなる冷却機構とを設けることにより、2段目および3段目の圧縮要素で圧縮されるガスの温度上昇を抑制することによるロータ931、941の熱膨張量の減少効果と、ロータ931、941自体の長さL2、L3および直径D2、D3を小さくすることによるロータ931、941の熱膨張量の減少効果の相乗効果が得られる。
As described above, in the
(多段ルーツ式ポンプの動作)
続いて、上述した構成を有するポンプ1100の駆動方法を述べる。なお、ポンプ1100によるガスの圧縮方法およびガスの冷却方法は、上述した第1実施形態のポンプ100と同様である。
(Operation of multistage roots pump)
Next, a method of driving
<ポンプの駆動方法>
図41に示すように、本実施形態に係るポンプ1100では、第9実施形態と同様にして、1対のロータ921、921は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ921、921の回転により、吸込口911付近のガスが、吸込口911からケーシング910内に吸い込まれた(図42の矢印Gs)後に、ロータ921により圧縮されて1段目と2段目の中間位置に吐き出される(図42の矢印Gm1)。
<Pump driving method>
As shown in FIG. 41, in a
また、第9実施形態と同様にして、1対のロータ931、931は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ931、931の回転により、1段目のロータ921により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から2段目のロータ931に掻き込まれた後に(図42の矢印Gm1)、ロータ931により圧縮されて2段目と3段目の中間位置に吐き出される(図42の矢印Gm2)。
Also, as in the ninth embodiment, the pair of
さらに、第9実施形態と同様にして、1対のロータ941、941は、回転位相が保たれた状態で、互いに反対方向に同じ回転数で回転する。この1対のロータ941、941の回転により、2段目のロータ931により圧縮されて中間位置に吐き出されたガスが、中間位置から3段目のロータ941に掻き込まれた後に(図42の矢印Gm2)、ロータ941により圧縮されて吐出口913から外部に排出される(図42の矢印Gd)。
Furthermore, as in the ninth embodiment, the pair of
ここで、本実施形態では、第4実施形態と同様に、1段目と2段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口915からケーシング910の外部に排出され、冷却器1で冷却された後に、ケーシング910の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口1116A、1116Bから1段目の圧縮要素内(ロータ921とケーシング910とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pm1は、ロータ921とケーシング910とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口915から排出されたガスは、冷却器1を通って、循環する。より詳細には、図42の矢印Ge1に示すように、中間吐出口915から排出されたガスは、冷却器1により冷却され、冷却ガス導入口1116から1段目の圧縮要素内、具体的には、1段目のロータ921とケーシング910とで囲まれた領域内(移動容積Qth1部分)に導入された後、再び1段目と2段目の中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口915から常時排出され、冷却器1により冷却されたガスが1段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、1段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、1段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに2段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、2段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。同様に、本実施形態では、2段目と3段目の間の中間位置に存在するガスが、中間吐出口917からケーシング910の外部に排出され、冷却器2で冷却された後に、ケーシング910の左右両側面に設けられた2箇所の冷却ガス導入口1118A、1118Bから2段目の圧縮要素内(ロータ931とケーシング910とで囲まれた空間内)に導入される。このとき、中間位置の圧力(中間圧力)Pm2は、ロータ931とケーシング910とで囲まれた空間の圧力以上であることから、中間吐出口917から排出されたガスは、冷却器2を通って、循環する。より詳細には、図42の矢印Ge2に示すように、中間吐出口917から排出されたガスは、冷却器2により冷却され、冷却ガス導入口1118から2段目の圧縮要素内、具体的には、2段目のロータ931とケーシング910とで囲まれた領域内(移動容積Qth2部分)に導入された後、再び2段目と3段目の中間位置に吐出される。そのため、中間位置のガスを排出するブロワ等の装置を別途設けなくても、中間位置のガスは中間吐出口917から常時排出され、冷却器2により冷却されたガスが2段目の圧縮要素内に常時導入される。その結果、2段目の圧縮要素から吐き出されるガスの温度が低下するため、2段目(低圧側)の圧縮要素で圧縮されて温度が上昇したガスが、放熱されずに3段目(高圧側)の圧縮要素に直接吸い込まれることを防止でき、3段目の圧縮要素で圧縮されたガスの著しい温度上昇も抑制できる。
Here, in the present embodiment, as in the fourth embodiment, the gas existing in the intermediate position between the first stage and the second stage is discharged from the
さらに、1段目と2段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pm1が大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口915から、より圧力の低い大気に排出され(図42の矢印Ge1および矢印Gd)、中間圧力Pm1が大気圧以下まで下がる。同様に、2段目と3段目の間の中間位置の圧力(中間圧力)Pm2が大気圧以上の場合には、圧力差によりガスが中間吐出口917から、より圧力の低い大気に排出され(図42の矢印Ge2および矢印Gd)、中間圧力Pm2が大気圧以下まで下がる。したがって、2段目および3段目の圧縮要素(ロータ931、941)への吸込圧力が小さくなるため、2段目の吸込圧力Ps2と吸込口911から吸い込まれるガスの圧力(1段目の吸込圧力Ps1)との差ΔP1、および、3段目の吸込圧力Ps3と2段目の吸込圧力Ps2との差ΔP2を小さくすることができる。その結果、ポンプ1100を作動するモータの動力を低減できる。特に、ポンプ1100が吸込口911に向けてガスを引き始めた段階では、中間圧力Pm1、Pm2が大気圧以上になりやすいため、ガスの引き始めの段階において、特に、モータの動力低減効果が高い。
Furthermore, when the pressure (intermediate pressure) Pm1 at the intermediate position between the first stage and the second stage is equal to or higher than the atmospheric pressure, the pressure difference causes the gas to be discharged from the
本実施形態では、第1タイミングギヤ961との間の1-2段間中間ギヤ964の減速比が、第2タイミングギヤ962との間の1-2段間中間ギヤ964の減速比よりも大きくなっている。したがって、ロータ921の回転数N1がロータ931の回転数N2よりも低くなる。また、ロータ921の長さL1がロータ931の長さL2よりも長く、かつ、ロータ921の直径D1がロータ931の直径D2よりも大きい。このような特殊な条件下であっても、上述したように、移動容積比RQ1-2が1より大きくなるようにすることは可能である。
In the present embodiment, the reduction ratio of the 1st-2nd stage
また、第2タイミングギヤ962との間の2-3段間中間ギヤ965の減速比が、第3タイミングギヤ963との間の2-3段間中間ギヤ965の減速比よりも大きくなっている。したがって、ロータ931の回転数N2がロータ941の回転数N3よりも低くなる。また、ロータ931の長さL2がロータ941の長さL3よりも長く、かつ、ロータ931の直径D2がロータ941の直径D3よりも大きい。このような特殊な条件下であっても、上述したように、移動容積比RQ2-3が1より大きくなるようにすることは可能である。
In addition, the reduction ratio of the
[多段ルーツ式ポンプの用途]
以上、本発明の好適な実施形態として、第1~第11実施形態に係るポンプ100(第1および第2変更例を含む。)、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100の構成および動作について詳細に説明したが、続いて、上記ポンプの好適な用途例について述べる。
[Uses of multi-stage roots pumps]
As described above, the pumps 100 (including the first and second modifications), 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, and 900 according to the first to eleventh embodiments are preferred embodiments of the present invention. , 1000, 1100 have been described in detail, an example of a preferred application of the pump will now be described.
なお、上述した各実施形態の多段ルーツ式ポンプをブロワとして用いた場合の吐出圧力、および、各実施形態の多段ルーツ式ポンプを真空ポンプとして用いた場合の吸込圧力は、例えば、各実施形態の多段ルーツ式ポンプを真空ポンプとして用いた場合、吸込圧力(ゲージ圧)を、最大-80kPa(絶対圧で20kPa)程度とすることができる。また、各実施形態の多段ルーツ式ポンプによる吸込ガス量については、例えば、1~400m3/minとすることができる。このような各実施形態の多段ルーツ式ポンプ(ポンプ100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100)の性能を活かせる用途の例として、例えば、以下の用途例が挙げられる。 Note that the discharge pressure when the multistage roots pump of each embodiment described above is used as a blower and the suction pressure when the multistage roots pump of each embodiment is used as a vacuum pump are, for example, When a multi-stage roots pump is used as a vacuum pump, the maximum suction pressure (gauge pressure) can be about -80 kPa (20 kPa in absolute pressure). Further, the amount of gas sucked by the multistage roots pump of each embodiment can be, for example, 1 to 400 m 3 /min. Examples of applications where the performance of the multistage roots pumps (pumps 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) of each embodiment can be utilized include the following applications: Examples include:
(用途例:酸素発生装置)
図43を参照しながら、第1~第11実施形態に係るポンプ100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、ならびに第1および第2変更例に係るポンプ101、102を適用可能な用途の一例について説明する。図43は、酸素発生装置10の全体構成を示している。
(Application example: Oxygen generator)
Referring to FIG. 43, pumps 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 according to first to eleventh embodiments and pumps according to first and second modifications An example of applications to which 101 and 102 can be applied will be described. FIG. 43 shows the overall configuration of the
酸素発生装置10は、吸着剤を使用し,空気中から窒素ガス等を除去して濃度90~93%の酸素ガスを製造する装置である。液体酸素などに比べ安価で安定した酸素が供給できるため、多量の酸素を利用する場面で導入されている。酸素発生装置10としては、PSA(Pressure Swing Adsorption)とVSA(Vacuum Swing Adsorption)の2種類があり、VSA酸素発生装置は起動・停止の切り替えが容易であるため、立上げの複雑な深冷分離に代わる酸素発生装置として活用されている。
The
図43に示すように、酸素発生装置10は、原料空気ブロワ11と、2本の吸着塔12A、12Bと、均圧塔13と、酸素昇圧ブロワ14と、アフタークーラ15と、減圧ポンプ16と、排気サイレンサ17と、バルブスキッド18とを備える。原料である空気は、原料空気ブロワ11により、モレキュラシーブを充填した吸着塔12A、12Bに導かれる。吸着塔12A、12Bは2塔で構成されており、この吸着塔12A、12Bにおいて一定濃度の酸素が連続的に発生する。1塔の吸着塔(例えば、吸着塔12A)で吸着が行われている間に、もう1塔の吸着塔(例えば、吸着塔12B)は再生され、一定時間が経過すると、吸着が行われる塔が切り換えられる。窒素ガスなどの不純物を吸着した吸着剤の再生(脱着)は、吸着塔12A、12B内の圧力を減圧にすることにより行われる。原料の空気から窒素ガスなどの不純物が除去された酸素を主成分とするガスは、均圧塔13に導かれ、一定圧力に調整された後に、酸素昇圧ブロワ14にて昇圧される。昇圧されるとガスの温度が上昇することから、アフタークーラ15にて酸素昇圧ブロワ14から送られたガスを冷却することにより、濃度90~93%の酸素ガスが得られる。アフタークーラ15では、例えば、冷却水を流すことによりガスを冷却する。一方、不純物である窒素ガス等の不純物は、吸着塔12A、12B内で吸着剤から減圧ポンプ16で減圧され脱着した後に、排気サイレンサ17から排気ガスとして排出される。
As shown in FIG. 43, the
以上のような酸素発生装置10において、例えば、上述した実施形態に係る窒素ガスなどの不純物を吸着した吸着剤の再生(脱着)のため、吸着塔12A、12B内の圧力を大気圧から-80kPaG程度まで短時間に繰り返し減圧行う減圧ポンプ16として、ポンプ100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100などが好適に使用される。
In the
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述した形態に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で当業者が想到し得る他の形態または各種の変更例についても本発明の技術的範囲に属するものと理解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the above-described embodiments. That is, it is understood that other forms or various modifications that can be conceived by those skilled in the art within the scope of the invention described in the claims also belong to the technical scope of the present invention.
例えば、上述した形態においては、立て形の多段ルーツ式ポンプの場合について説明したが、本発明に係る多段ルーツ式ポンプは、横形の多段ルーツ式ポンプであってもよい。 For example, in the above embodiment, a case of a vertical multi-stage roots pump has been described, but the multi-stage roots pump according to the present invention may be a horizontal multi-stage roots pump.
また、上述した形態においては、2段ルーツ式ポンプおよび3段ルーツ式ポンプの場合について説明したが、本発明に係る多段ルーツ式ポンプは、4段以上の圧縮要素を備える多段ルーツ式ポンプであってもよい。 Further, in the above embodiment, the two-stage Roots-type pump and the three-stage Roots-type pump have been described, but the multi-stage Roots-type pump according to the present invention is a multi-stage Roots-type pump having four or more stages of compression elements. may
また、上述した形態においては、圧縮要素が二葉ロータおよび三葉ロータを有する場合について説明したが、本発明に係る多段ルーツ式ポンプでは、圧縮要素が四葉以上のロータを有する多段ルーツ式ポンプであってもよい。なお、四葉ロータは、例えば、コンプレッサ等に用いることができる。 Further, in the above embodiment, the case where the compression element has a two-lobe rotor and a three-lobe rotor has been described, but in the multi-stage roots pump according to the present invention, the compression element is a multi-stage roots pump having rotors of four or more lobes. may The four-leaf rotor can be used, for example, in compressors and the like.
また、上述した形態においては、全ての隣接する圧縮要素間の移動容積比RQが1より大きい場合について説明したが、本発明に係る多段ルーツ式ポンプが、3段以上の多段ルーツ式ポンプである場合には、一部の圧縮要素間において移動容積比RQが1より大きければよく、残りの隣接する圧縮要素間では、移動容積比RQが1(低圧側の移動容積と高圧側の移動容積が等しい)であってもよい。 Further, in the above embodiment, the case where the moving volume ratio R Q between all adjacent compression elements is greater than 1 has been described, but the multi-stage roots type pump according to the present invention is a multi-stage roots type pump with three or more stages. In some cases, the moving volume ratio R Q may be greater than 1 between some of the compression elements, and between the remaining adjacent compression elements, the moving volume ratio R Q may be 1 (the moving volume on the low pressure side and the moving volume on the high pressure side equal movement volumes).
また、上述した形態においては、隣接する圧縮要素間のロータの回転数比により移動容積比RQを1以上とする際に、隣接する圧縮要素に含まれるロータの長さおよび直径を同一とした場合について説明したが、移動容積比RQが1以上という要件を満たせば、本発明に係る多段ルーツ式ポンプでは、必ずしも、隣接する圧縮要素に含まれるロータの長さおよび直径が同一でなくてもよい。すなわち、移動容積比RQが1以上という要件を満たせば、ロータのサイズ(長さ、直径等)は、特に制限されない。 Further, in the above embodiment, the length and diameter of the rotors included in the adjacent compression elements are set to be the same when the movement volume ratio RQ is set to 1 or more by the rotation speed ratio of the rotors between the adjacent compression elements. Although the case has been described, if the requirement that the moving volume ratio RQ is 1 or more is satisfied, the length and diameter of the rotors included in adjacent compression elements are not necessarily the same in the multi-stage roots pump according to the present invention. good too. In other words, the size (length, diameter, etc.) of the rotor is not particularly limited as long as it satisfies the requirement that the moving volume ratio RQ is 1 or more.
また、上述した形態においては、隣接する圧縮要素間のロータの長さを変えることにより移動容積比RQを1以上とする際に、隣接する圧縮要素のそれぞれのロータの回転数を同一とした場合について説明したが、移動容積比RQが1以上という要件を満たせば、本発明に係る多段ルーツ式ポンプでは、必ずしも、隣接する圧縮要素のそれぞれのロータの回転数が同一でなくてもよい。 Further, in the above embodiment, when changing the length of the rotors between the adjacent compression elements so that the moving volume ratio RQ is 1 or more, the rotation speeds of the rotors of the adjacent compression elements are set to be the same. Although the case has been described, as long as the requirement that the moving volume ratio R Q is 1 or more is satisfied, in the multi-stage roots pump according to the present invention, the rotation speeds of the rotors of adjacent compression elements may not necessarily be the same. .
また、上述した第2実施形態では、1段目のロータの回転数と2段目のロータの回転数が等しく、1段目のロータの直径と2段目のロータの直径が等しく、かつ、1段目のロータの長さが2段目のロータの長さよりも長い例を挙げた。さらに、第3実施形態では、1段目のロータの回転数と2段目のロータの回転数が等しく、1段目のロータの長さと2段目のロータの長さが等しく、かつ、1段目のロータの直径が2段目のロータの直径よりも大きい例を挙げた。しかし、これらの例に限られず、本発明には、例えば、1段目のロータの回転数と2段目のロータの回転数が等しく、1段目のロータの長さが2段目のロータの長さより長く、かつ、1段目のロータの直径が2段目のロータの直径よりも大きい例も含まれる。 Further, in the above-described second embodiment, the number of rotations of the rotor in the first stage and the number of rotations of the rotor in the second stage are equal, the diameter of the rotor in the first stage is equal to the diameter of the rotor in the second stage, and An example in which the length of the rotor in the first stage is longer than the length of the rotor in the second stage has been given. Furthermore, in the third embodiment, the number of rotations of the rotor in the first stage and the number of rotations of the rotor in the second stage are equal, the length of the rotor in the first stage and the length of the rotor in the second stage are equal, and An example is given in which the diameter of the rotor in the first stage is larger than the diameter of the rotor in the second stage. However, the present invention is not limited to these examples. and the diameter of the rotor in the first stage is larger than that of the rotor in the second stage.
また、上述した第10および第11実施形態では、それぞれ、第6および第9実施形態に冷却機構を設けた場合を例示して説明したが、例えば、第7または第8実施形態に冷却機構を設けた場合も本発明に含まれる。 Further, in the tenth and eleventh embodiments described above, the case where the cooling mechanism is provided in the sixth and ninth embodiments, respectively, has been exemplified and explained. The present invention also includes the case where it is provided.
次に、本発明を実施例および比較例により、さらに具体的に説明するが、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。以下の実施例では、上述した第6~第8実施形態の全軸動力の改善効果について検証した。 [EXAMPLES] Next, although an Example and a comparative example demonstrate this invention still more concretely, this invention is not limited at all by these examples. In the following examples, the effect of improving the all-axis power of the sixth to eighth embodiments described above was verified.
表1に示す実施例6-1~6-3、7-1~7-3、8-1~8-3および比較例1の2段ルーツ式ポンプによる全軸動力を計算した。なお、実施例6-1~6-3は、上述したポンプ600の構成を有するポンプの実施例である。また、実施例7-1~7-3は、上述したポンプ700の構成を有するポンプの実施例である。また、実施例8-1~8-3は、上述したポンプ800の構成を有するポンプの実施例である。また、比較例1は、上述したポンプ100から冷却器1、逆止弁3、中間吐出口115、冷却ガス導入口116および冷却ガス導入口117を除いた構成を有するポンプの実施例である。計算条件としては、以下の(a)~(c)とした。
(a)いずれの実施例および比較例においても、1-2段間の移動容積比(=1段目の移動容積Qth1/2段目の移動容積Qth2)は、1.8とした。
(b)いずれの実施例および比較例においても、1段目のロータの直径、長さおよび回転数は、同一とした。なお、1段目の回転数は1000rpmとした。
(c)2段目のロータの直径、長さおよび回転数は、以下の表1に示す条件とした。
All shaft powers of the two-stage roots pumps of Examples 6-1 to 6-3, 7-1 to 7-3, 8-1 to 8-3 and Comparative Example 1 shown in Table 1 were calculated. Examples 6-1 to 6-3 are examples of pumps having the configuration of the
(a) In any of the examples and comparative examples, the ratio of the volume transferred between the first stage and the second stage (=moved volume Qth1 of the first stage/moved volume Qth2 of the second stage) was set to 1.8.
(b) The diameter, length, and number of rotations of the first-stage rotor were the same in all the examples and comparative examples. Note that the rotation speed of the first stage was set to 1000 rpm.
(c) The conditions shown in Table 1 below were used for the diameter, length and number of revolutions of the second stage rotor.
表1において、ロータ回転数比とは、1段目のロータの回転数に対する2段目のロータの回転数の比率であり、ロータ直径比とは、1段目のロータの直径に対する2段目のロータの直径の比率であり、ロータ長さ比とは、1段目のロータの長さに対する2段目のロータの長さの比率である。例えば、比較例1は、2段目のロータの回転数が1段目のロータの回転数よりも低く、1段目のロータの直径と2段目のロータの直径が等しく、かつ、1段目のロータの長さと2段目のロータの長さが等しい例である。また、実施例6-1~6-3は、2段目のロータの回転数が1段目のロータの回転数よりも高く、1段目のロータの直径よりも2段目のロータの直径の方が小さく、かつ、1段目のロータの長さよりも2段目のロータの長さの方が短い例である。また、実施例7-1~7-3は、2段目のロータの回転数が1段目のロータの回転数よりも高く、1段目のロータの直径と2段目のロータの直径が等しく、かつ、1段目のロータの長さよりも2段目のロータの長さの方が短い例である。また、実施例8-1~8-3は、2段目のロータの回転数が1段目のロータの回転数よりも高く、1段目のロータの直径よりも2段目のロータの直径の方が小さく、かつ、1段目のロータの長さと2段目のロータの長さが等しい例である。 In Table 1, the rotor rotation speed ratio is the ratio of the rotation speed of the second-stage rotor to the rotation speed of the first-stage rotor, and the rotor diameter ratio is the diameter of the second-stage rotor to the diameter of the first-stage rotor. The rotor length ratio is the ratio of the length of the second stage rotor to the length of the first stage rotor. For example, in Comparative Example 1, the rotation speed of the rotor in the second stage is lower than that of the rotor in the first stage, the diameter of the rotor in the first stage is equal to the diameter of the rotor in the second stage, and the rotor in the first stage In this example, the length of the first rotor is equal to the length of the rotor of the second stage. Further, in Examples 6-1 to 6-3, the rotation speed of the rotor in the second stage is higher than the rotation speed of the rotor in the first stage, and the diameter of the rotor in the second stage is higher than the diameter of the rotor in the first stage. is smaller, and the length of the rotor in the second stage is shorter than the length of the rotor in the first stage. Further, in Examples 7-1 to 7-3, the rotation speed of the rotor in the second stage is higher than that of the rotor in the first stage, and the diameter of the rotor in the first stage and the diameter of the rotor in the second stage are different. In this example, the length of the rotor in the second stage is equal and shorter than the length of the rotor in the first stage. Further, in Examples 8-1 to 8-3, the rotation speed of the rotor in the second stage is higher than the rotation speed of the rotor in the first stage, and the diameter of the rotor in the second stage is higher than the diameter of the rotor in the first stage. is smaller, and the length of the rotor in the first stage is equal to the length of the rotor in the second stage.
各実施例および比較例における1段目の圧縮要素の軸動力Lth1(kW)は、以下の式(A)により計算した。
Lth1(kW)=(1.667/100)×Qth1(m3/min)×ΔP1(kPa) ・・・(A)
The shaft power Lth1 (kW) of the first-stage compression element in each example and comparative example was calculated by the following formula (A).
Lth1 (kW)=(1.667/100)×Qth1 (m 3 /min)×ΔP1 (kPa) (A)
また、各実施例および比較例における2段目の圧縮要素の軸動力Lth2(kW)は、以下の式(B)により計算した。
Lth2(kW)=(1.667/100)×Qth2(m3/min)×ΔP2(kPa) ・・・(B)
Further, the axial power Lth2 (kW) of the second-stage compression element in each example and comparative example was calculated by the following formula (B).
Lth2 (kW)=(1.667/100)×Qth2 (m 3 /min)×ΔP2 (kPa) (B)
ただし、上記式(A)および式(B)において、Qth1およびQth2は、それぞれ、1段目および2段目の圧縮要素の移動容積(m3/min)であり、ΔP1は、漏れ風量を考慮した2段目の圧縮要素への吸込圧力から、1段目の圧縮要素への吸込圧力を減じた差圧(kPa abs.)であり、ΔP2は、2段目の圧縮要素からの吐出圧力から、漏れ風量を考慮した2段目の圧縮要素への吸込圧力を減じた差圧(kPa abs.)である。 However, in the above formulas (A) and (B), Qth1 and Qth2 are the displacement volumes (m 3 /min) of the first and second stage compression elements, respectively, and ΔP1 is the leakage air volume. is the differential pressure (kPa abs.) obtained by subtracting the suction pressure to the first stage compression element from the suction pressure to the second stage compression element, and ΔP2 is the discharge pressure from the second stage compression element , is the differential pressure (kPa abs.) obtained by subtracting the suction pressure to the second-stage compression element in consideration of the leakage air volume.
さらに、上記式(A)および式(B)で求めた軸動力Lth1、Lth2から、ポンプ全体における全軸動力Lth(kW)を以下の式(C)により算出した。
Lth(kW)=Lth1(kW)+Lth2(kW) ・・・(C)
Further, from the shaft powers Lth1 and Lth2 determined by the above formulas (A) and (B), the total shaft power Lth (kW) of the entire pump was calculated by the following formula (C).
Lth (kW) = Lth1 (kW) + Lth2 (kW) (C)
また、各実施例および比較例における全軸動力(kW)は、1段目の圧縮要素への吸込圧力(kPa abs.)を10kPa、20kPa、30kPa、40kPaおよび50kPaとした場合について、それぞれ計算した。このときの2段目の圧縮要素への吸込圧力(kPa abs.)の理論値は、上述したように、移動容積比が1.8である(したがって、1段目の圧縮要素の圧力比は1.8である)ことから、それぞれ、18kPa、36kPa、54kPa、72kPaおよび90kPaとなる。以上のようにして計算した全軸動力(kW)を表2に示す。また、比較例1の全軸動力に対する各実施例の全軸動力の低下率(%)を表3に示す。 Further, the total shaft power (kW) in each example and comparative example was calculated for each case where the suction pressure (kPa abs.) to the first stage compression element was 10 kPa, 20 kPa, 30 kPa, 40 kPa and 50 kPa. . The theoretical value of the suction pressure (kPa abs.) to the second stage compression element at this time is, as described above, a moving volume ratio of 1.8 (therefore, the pressure ratio of the first stage compression element is 1.8), resulting in 18 kPa, 36 kPa, 54 kPa, 72 kPa and 90 kPa, respectively. Table 2 shows the all-shaft power (kW) calculated as described above. Table 3 shows the rate of decrease (%) of the all-shaft power of each example with respect to the all-shaft power of Comparative Example 1.
また、各実施例と比較例1とで、全軸動力(kW)を比較したグラフを図46~48に示す。 46 to 48 show graphs comparing all-axis power (kW) between each example and Comparative Example 1. FIG.
表2、表3および図46~図48に示すように、全軸動力に関しては、全ての実施例のポンプにおいて、比較例1のポンプよりも軸動力が低減できることがわかった。2段目のロータの直径を1段目のロータよりも小さく、または、2段目のロータの長さを1段目のロータよりも短くすることにより、漏れ面積が小さくなるため、2段目の圧縮要素における漏れ量を減少させることができる。2段目の漏れ量が減少すると、2段目の圧縮要素への吸込圧力が低下し、1段目の圧縮要素への吸込圧力との差圧が小さくなるため、1段目の軸動力を低減させることができる。一方で、上述したように、2段目の軸動力は上昇するが、移動容積の大きい1段目の軸動力の低減効果が大きいため、全軸動力(1段目の軸動力と2段目の軸動力の合計)も低減する。このようなことが、本実施例において実証された。 As shown in Tables 2 and 3 and FIGS. 46 to 48, it was found that the shaft power of all the example pumps can be reduced more than the pump of comparative example 1 with respect to the total shaft power. By making the diameter of the rotor of the second stage smaller than that of the rotor of the first stage or the length of the rotor of the second stage shorter than that of the rotor of the first stage, the leakage area becomes smaller. can reduce the amount of leakage in the compression element of When the second-stage leakage amount decreases, the suction pressure to the second-stage compression element decreases, and the differential pressure from the suction pressure to the first-stage compression element decreases. can be reduced. On the other hand, as described above, although the axial power of the second stage increases, the effect of reducing the axial power of the first stage, which has a large moving volume, is large. (total shaft power) is also reduced. This was demonstrated in this example.
また、全ての実施例において、2段目のロータの回転数を上げるほど(ロータ回転数比を上げるほど)全軸動力が低下していた。さらに、全軸動力の低減効果としては、第6実施形態に対応する実施例6-1~6-3の低減効果が、第7実施形態に対応する実施例7-1~7-3および第8実施形態に対応する実施例8-1~8-3よりも大きかった。例えば、1段目の吸込圧力が20kPa abs.(ゲージ圧で約-80kPa G)の場合には、軸動力が比較例1よりも最大で約10%低下していた(実施例6-3)。 Further, in all the examples, the power of all shafts decreased as the rotation speed of the second-stage rotor was increased (as the rotor rotation speed ratio was increased). Furthermore, as for the reduction effect of all-axis power, the reduction effect of Examples 6-1 to 6-3 corresponding to the sixth embodiment is greater than that of Examples 7-1 to 7-3 and 7-3 corresponding to the seventh embodiment. It was larger than Examples 8-1 to 8-3 corresponding to the eight embodiments. For example, if the first stage suction pressure is 20 kPa abs. In the case of (approximately −80 kPa G in gauge pressure), the shaft power was reduced by approximately 10% at maximum compared to Comparative Example 1 (Example 6-3).
100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100 多段ルーツ式ポンプ
110、210、310、410、510、610、710、810、910、101、1110 ケーシング
111、211、311、411、511、611、711、811、911、1011、1111 吸込口
113、213、313、413、513、613、713、813、913、1013、1113 吐出口
115、215、315、415、417、515、517、615、715、815、915、917、1015、1115、1117 中間吐出口
116、216、316、416、418、516、518、616、716、816、916、918、1016、1116、1118 中間逆流冷却ガス導入口
117、217、317、419、519、617、717、817、919、1017、1119 逆流冷却ガス導入口
121、131、141、151、221、231、321、331、421、431、441、521、531、541、621、631、721、731、821、831、921、931、941 ロータ
122、132、142、152、222、232、322、332、422、432、442、522、532、542、622、632、722、732、822、832、922、932、942 回転軸
161、261、361、461、561、661、761、861、961 第1タイミングギヤ
162、262、362、462、562、662、762、862、962 第2タイミングギヤ
265、365 共通駆動ギヤ
463、563、963 第3タイミングギヤ
165、265、365、464、564、665、765、865 第1駆動ギヤ
166、366、465、565、666、766、866 第2駆動ギヤ
466、567 第3駆動ギヤ
964 1-2段間中間ギヤ
566、965 2-3段間中間ギヤ
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 Multistage roots pump 110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 101, 1110 Casing 111, 211 , 311, 411, 511, 611, 711, 811, 911, 1011, 1111 Suction port 113, 213, 313, 413, 513, 613, 713, 813, 913, 1013, 1113 Discharge port 115, 215, 315, 415 , 417, 515, 517, 615, 715, 815, 915, 917, 1015, 1115, 1117 Intermediate outlet 116, 216, 316, 416, 418, 516, 518, 616, 716, 816, 916, 918, 1016 , 1116, 1118 Intermediate backflow cooling gas inlets 117, 217, 317, 419, 519, 617, 717, 817, 919, 1017, 1119 Backflow cooling gas inlets 121, 131, 141, 151, 221, 231, 321, 331, 421, 431, 441, 521, 531, 541, 621, 631, 721, 731, 821, 831, 921, 931, 941 Rotor 122, 132, 142, 152, 222, 232, 322, 332, 422, 432, 442, 522, 532, 542, 622, 632, 722, 732, 822, 832, 922, 932, 942 Rotating shaft 161, 261, 361, 461, 561, 661, 761, 861, 961 First timing gear 162, 262, 362, 462, 562, 662, 762, 862, 962 Second timing gear 265, 365 Common drive gear 463, 563, 963 Third timing gear 165, 265, 365, 464, 564, 665, 765, 865 1st drive gear 166, 366, 465, 565, 666, 766, 866 2nd drive gear 466, 567 3rd drive gear 964 Intermediate gear between 1st and 2nd stage 566, 965 Intermediate gear between 2nd and 3rd stage
Claims (17)
ガスの吸込口および吐出口が設けられ、同じ段の前記圧縮要素が有する2本の前記回転軸を含む平面の法線方向に沿って複数段の前記圧縮要素が並列配置されるように前記圧縮要素を収容するケーシングと、
前記ケーシングに設けられ、隣接して配置された低圧側の前記圧縮要素と高圧側の前記圧縮要素との間に存在するガスを外部に吐出する少なくとも1つの中間吐出口と、
前記ケーシングの外部に設けられ、前記中間吐出口から排出されたガスを冷却する冷却部と、
前記ケーシングに設けられ、前記冷却部により冷却されたガスを前記中間吐出口よりも低圧側の前記圧縮要素内に導入する第1冷却ガス導入口と、
を備え、
下記式(1):
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
(ただし、式(1)において、QthLは、隣接する2つの前記圧縮要素のうち低圧側の前記圧縮要素の移動容積であり、QthHは、隣接する2つの前記圧縮要素のうち高圧側の前記圧縮要素の移動容積である。)
で表される移動容積比RQが1以上であり、かつ、並列に配置された複数段の前記圧縮要素のうち、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において移動容積比RQが1より大きい、多段ルーツ式ポンプ。 a plurality of stages of compression elements each independently having a pair of rotors rotatable in directions opposite to each other and two rotating shafts rotatably supporting each of the pair of rotors;
A gas suction port and a gas discharge port are provided, and the compression elements are arranged in parallel along the normal direction of a plane containing the two rotation axes of the compression elements of the same stage. a casing housing the element;
at least one intermediate discharge port provided in the casing for discharging gas existing between the low-pressure side compression element and the high-pressure side compression element that are adjacent to each other;
a cooling unit provided outside the casing for cooling the gas discharged from the intermediate discharge port;
a first cooling gas introduction port provided in the casing for introducing gas cooled by the cooling section into the compression element on the lower pressure side than the intermediate discharge port;
with
Formula (1) below:
RQ = QthL / QthH (1)
(However, in formula (1), Qth L is the movement volume of the compression element on the low pressure side of the two adjacent compression elements, and Qth H is the displacement of the compression element on the high pressure side of the two adjacent compression elements. is the displacement volume of the compression element.)
The moving volume ratio R Q is 1 or more, and the moving volume ratio R Q is greater than 1 between at least one adjacent compression element among the plurality of stages of compression elements arranged in parallel. , multi-stage roots type pump.
前記駆動機構は、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数を、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数よりも高くする、請求項1に記載の多段ルーツ式ポンプ。 further comprising a drive mechanism that rotationally drives the rotor,
2. The drive mechanism, between at least one adjacent compression element, makes the rotation speed of the rotor in the compression element on the low pressure side higher than the rotation speed of the rotor in the compression element on the high pressure side. A multi-stage roots pump as described in .
前記駆動機構が、
1段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第1タイミングギヤと、
2段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第2タイミングギヤと、
1対の前記第1タイミングギヤのうち一方の前記第1タイミングギヤと噛み合う第1駆動ギヤと、
1対の前記第2タイミングギヤのうち一方の前記第2タイミングギヤと噛み合う第2駆動ギヤと、
前記第1駆動ギヤと前記第2駆動ギヤとを回転可能に支持する単一の駆動軸と、
を有し、
1段目の前記ロータの回転数が2段目の前記ロータの回転数より高くなるように、前記第1駆動ギヤおよび前記第2駆動ギヤの歯数が設定される、請求項2または3に記載の多段ルーツ式ポンプ。 The number of compression elements is two,
The drive mechanism
a pair of first timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the first stage;
a pair of second timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the second stage;
a first drive gear meshing with one of the pair of first timing gears;
a second driving gear that meshes with one of the pair of second timing gears;
a single drive shaft rotatably supporting the first drive gear and the second drive gear;
has
4. The number of teeth of said first drive gear and said second drive gear are set so that the number of rotations of said rotor in the first stage is higher than the number of rotations of said rotor in the second stage. A multi-stage roots pump as described.
(A)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さが、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さよりも長い。
(B)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径が、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径よりも大きい。 Between at least one adjacent compression element, the rotor in the compression element on the low pressure side and the rotor in the compression element on the high pressure side satisfy at least one of the following conditions (A) and (B): A multi-stage roots pump according to claim 1.
(A) The length of the rotor in the compression element on the low pressure side is longer than the length of the rotor in the compression element on the high pressure side.
(B) the diameter of the rotor in the compression element on the low pressure side is larger than the diameter of the rotor in the compression element on the high pressure side;
前記駆動機構は、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数を、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数と同一にする、請求項5に記載の多段ルーツ式ポンプ。 further comprising a drive mechanism that rotationally drives the rotor,
6. A multi-stage roots pump according to claim 5, wherein said drive mechanism makes the number of rotations of said rotor in said compression element on the low pressure side the same as the number of rotations of said rotor in said compression element on the high pressure side.
前記駆動機構が、
1段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第1タイミングギヤと、
2段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第2タイミングギヤと、
1対の前記第1タイミングギヤのうち一方の前記第1タイミングギヤと、1対の前記第2タイミングギヤのうち一方の前記第2タイミングギヤの両方と噛み合う共通駆動ギヤと、
前記共通駆動ギヤを回転可能に支持する駆動軸と、を有し、
1段目の前記圧縮要素における前記ロータと2段目の前記圧縮要素における前記ロータとが、以下の条件(A)と条件(B)の少なくともいずれか一方を満足する、請求項6に記載の多段ルーツ式ポンプ。
(A)1段目の前記圧縮要素における前記ロータの長さが、2段目の前記圧縮要素における前記ロータの長さよりも長い。
(B)1段目の前記圧縮要素における前記ロータの直径が、2段目の前記圧縮要素における前記ロータの直径よりも大きい。 The number of compression elements is two,
The drive mechanism
a pair of first timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the first stage;
a pair of second timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the second stage;
a common drive gear that meshes with both the first timing gear of the pair of first timing gears and the second timing gear of the pair of second timing gears;
a drive shaft that rotatably supports the common drive gear;
7. The rotor according to claim 6, wherein the rotor in the first-stage compression element and the rotor in the second-stage compression element satisfy at least one of the following conditions (A) and (B): Multi-stage roots type pump.
(A) The length of the rotor in the compression element of the first stage is longer than the length of the rotor in the compression element of the second stage.
(B) The diameter of the rotor in the compression element of the first stage is larger than the diameter of the rotor in the compression element of the second stage.
前記駆動機構は、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数を、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数よりも高くし、かつ、
少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、
低圧側の前記圧縮要素における前記ロータと高圧側の前記圧縮要素における前記ロータとが、以下の条件(A)と条件(B)の少なくともいずれか一方を満足する、請求項1に記載の多段ルーツ式ポンプ。
(A)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さが、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さよりも長い。
(B)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径が、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径よりも大きい。 further comprising a drive mechanism that rotationally drives the rotor,
The drive mechanism makes the rotation speed of the rotor in the compression element on the high pressure side higher than the rotation speed of the rotor in the compression element on the low pressure side between at least one of the adjacent compression elements, and
between at least one adjacent compression element;
2. The multistage roots according to claim 1, wherein the rotor in the compression element on the low pressure side and the rotor in the compression element on the high pressure side satisfy at least one of the following conditions (A) and (B): formula pump.
(A) The length of the rotor in the compression element on the low pressure side is longer than the length of the rotor in the compression element on the high pressure side.
(B) the diameter of the rotor in the compression element on the low pressure side is larger than the diameter of the rotor in the compression element on the high pressure side;
前記駆動機構が、
1段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第1タイミングギヤと、
2段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第2タイミングギヤと、
1対の前記第1タイミングギヤのうち一方の前記第1タイミングギヤと噛み合う第1駆動ギヤと、
1対の前記第2タイミングギヤのうち一方の前記第2タイミングギヤと噛み合う第2駆動ギヤと、
前記第1駆動ギヤと前記第2駆動ギヤとを回転可能に支持する単一の駆動軸と、
を有し、
2段目の前記ロータの回転数が1段目の前記ロータの回転数より高くなるように、前記第1駆動ギヤおよび前記第2駆動ギヤの歯数が設定される、請求項8または9に記載の多段ルーツ式ポンプ。 The number of compression elements is two,
The drive mechanism
a pair of first timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the first stage;
a pair of second timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the second stage;
a first drive gear meshing with one of the pair of first timing gears;
a second driving gear that meshes with one of the pair of second timing gears;
a single drive shaft rotatably supporting the first drive gear and the second drive gear;
has
10. The number of teeth of said first drive gear and said second drive gear are set so that the number of rotations of said rotor in the second stage is higher than the number of rotations of said rotor in the first stage. A multi-stage roots pump as described.
ガスの吸込口および吐出口が設けられ、同じ段の前記圧縮要素が有する2本の前記回転軸を含む平面の法線方向に沿って複数段の前記圧縮要素が並列配置されるように前記圧縮要素を収容するケーシングと、
前記ロータを回転駆動する駆動機構と、
を備え、
下記式(1):
RQ=QthL/QthH ・・・(1)
(ただし、式(1)において、QthLは、隣接する2つの前記圧縮要素のうち低圧側の前記圧縮要素の移動容積であり、QthHは、隣接する2つの前記圧縮要素のうち高圧側の前記圧縮要素の移動容積である。)
で表される移動容積比RQが1以上であり、かつ、並列に配置された複数段の前記圧縮要素のうち、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において移動容積比RQが1より大きく、
前記駆動機構は、少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数を、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの回転数よりも高くし、かつ、
少なくとも1つの隣接する前記圧縮要素間において、低圧側の前記圧縮要素における前記ロータと高圧側の前記圧縮要素における前記ロータとが、以下の条件(A)と条件(B)の少なくともいずれか一方を満足する、多段ルーツ式ポンプ。
(A)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さが、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの長さよりも長い。
(B)低圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径が、高圧側の前記圧縮要素における前記ロータの直径よりも大きい。 a plurality of stages of compression elements each independently having a pair of rotors rotatable in directions opposite to each other and two rotating shafts rotatably supporting each of the pair of rotors;
A gas suction port and a gas discharge port are provided, and the compression elements are arranged in parallel along the normal direction of a plane containing the two rotation axes of the compression elements of the same stage. a casing housing the element;
a drive mechanism that drives the rotor to rotate;
with
Formula (1) below:
RQ = QthL / QthH (1)
(However, in formula (1), Qth L is the movement volume of the compression element on the low pressure side of the two adjacent compression elements, and Qth H is the displacement of the compression element on the high pressure side of the two adjacent compression elements. is the displacement volume of the compression element.)
The moving volume ratio R Q is 1 or more, and the moving volume ratio R Q is greater than 1 between at least one adjacent compression element among the plurality of stages of compression elements arranged in parallel. ,
The drive mechanism makes the rotation speed of the rotor in the compression element on the high pressure side higher than the rotation speed of the rotor in the compression element on the low pressure side between at least one of the adjacent compression elements, and
Between at least one adjacent compression element, the rotor in the compression element on the low pressure side and the rotor in the compression element on the high pressure side satisfy at least one of the following conditions (A) and (B): Satisfying, multi-stage roots pump.
(A) The length of the rotor in the compression element on the low pressure side is longer than the length of the rotor in the compression element on the high pressure side.
(B) the diameter of the rotor in the compression element on the low pressure side is larger than the diameter of the rotor in the compression element on the high pressure side;
前記駆動機構が、
1段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第1タイミングギヤと、
2段目の2本の前記回転軸の軸端に互いに噛み合うように設けられる1対の第2タイミングギヤと、
1対の前記第1タイミングギヤのうち一方の前記第1タイミングギヤと噛み合う第1駆動ギヤと、
1対の前記第2タイミングギヤのうち一方の前記第2タイミングギヤと噛み合う第2駆動ギヤと、
前記第1駆動ギヤと前記第2駆動ギヤとを回転可能に支持する単一の駆動軸と、
を有し、
2段目の前記ロータの回転数が1段目の前記ロータの回転数より高くなるように、前記第1駆動ギヤおよび前記第2駆動ギヤの歯数が設定される、請求項11または12に記載の多段ルーツ式ポンプ。 The number of compression elements is two,
The drive mechanism
a pair of first timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the first stage;
a pair of second timing gears provided so as to mesh with each other at the shaft ends of the two rotating shafts of the second stage;
a first drive gear meshing with one of the pair of first timing gears;
a second driving gear that meshes with one of the pair of second timing gears;
a single drive shaft rotatably supporting the first drive gear and the second drive gear;
has
13. The number of teeth of said first drive gear and said second drive gear is set so that the number of rotations of said rotor in the second stage is higher than the number of rotations of said rotor in the first stage. A multi-stage roots pump as described.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018165909A JP7179315B2 (en) | 2018-09-05 | 2018-09-05 | multi-stage roots pump |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018165909A JP7179315B2 (en) | 2018-09-05 | 2018-09-05 | multi-stage roots pump |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020037921A JP2020037921A (en) | 2020-03-12 |
JP7179315B2 true JP7179315B2 (en) | 2022-11-29 |
Family
ID=69737672
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018165909A Active JP7179315B2 (en) | 2018-09-05 | 2018-09-05 | multi-stage roots pump |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7179315B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114837950B (en) * | 2022-05-27 | 2024-06-21 | 山东省章丘鼓风机股份有限公司 | Method for calculating area and determining position of countercurrent port of Roots vacuum pump |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001027190A (en) | 1999-07-15 | 2001-01-30 | Unozawa Gumi Iron Works Ltd | Rotary multi-stage vacuum pump |
JP2001227487A (en) | 2000-02-21 | 2001-08-24 | Anlet Co Ltd | Multi-stage roots vacuum pump |
JP3139905U (en) | 2007-12-21 | 2008-03-06 | 株式会社アンレット | 4 and 6 roots vacuum pumps |
US20140093412A1 (en) | 2012-03-26 | 2014-04-03 | Edwards Limited | Vacuum pump stators and vacuum pumps |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01113183U (en) * | 1988-05-25 | 1989-07-31 | ||
JPH07305689A (en) * | 1994-03-16 | 1995-11-21 | Chemitec:Kk | Multistage-type vacuum pump |
-
2018
- 2018-09-05 JP JP2018165909A patent/JP7179315B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001027190A (en) | 1999-07-15 | 2001-01-30 | Unozawa Gumi Iron Works Ltd | Rotary multi-stage vacuum pump |
JP2001227487A (en) | 2000-02-21 | 2001-08-24 | Anlet Co Ltd | Multi-stage roots vacuum pump |
JP3139905U (en) | 2007-12-21 | 2008-03-06 | 株式会社アンレット | 4 and 6 roots vacuum pumps |
US20140093412A1 (en) | 2012-03-26 | 2014-04-03 | Edwards Limited | Vacuum pump stators and vacuum pumps |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
三葉ロータリブロワ"ARJ"Series,株式会社宇野澤組鐵工所,2011年09月,p.3,https://www.unozawa.co.jp/pdf/download/catalog_ARJ.pdf |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020037921A (en) | 2020-03-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8702407B2 (en) | Multistage roots vacuum pump having different tip radius and meshing clearance from inlet stage to exhaust stage | |
EP2626562B1 (en) | Pump | |
EP2359006B1 (en) | Screw compressor | |
JP5014880B2 (en) | Single screw multistage compressor and refrigeration / cooling system using the same | |
JP7179315B2 (en) | multi-stage roots pump | |
CN101886628B (en) | Scroll compressor | |
CN114320917A (en) | Straight-line roots pump | |
CN219366316U (en) | Multistage Roots vacuum pump | |
WO2003102422A1 (en) | Two-stage rotary screw fluid compressor | |
JP5338314B2 (en) | Compressor and refrigeration equipment | |
CN111336105A (en) | Scroll compressor and refrigeration equipment | |
JP7179316B2 (en) | multi-stage roots pump | |
CN111306060A (en) | Scroll compressor and refrigeration equipment | |
KR101964226B1 (en) | A compressing system | |
CN110594152B (en) | Vertical two-stage scroll compressor | |
WO2008094384A1 (en) | Reflux gas compressor | |
CN209976794U (en) | Air supplementing valve of scroll compressor and scroll compressor | |
CN113153746A (en) | Built-in exhaust supercharger type composite screw vacuum pump | |
JP7198116B2 (en) | Multi-stage compressor | |
CN116241461B (en) | Multistage Roots vacuum pump and working method thereof | |
CN216714708U (en) | Built-in exhaust supercharger type composite screw vacuum pump | |
CN103782037B (en) | Rotary compressor | |
CN213205971U (en) | Rotary vane compressor | |
EP4317692A1 (en) | Multi-stage screw compressor | |
CN202266422U (en) | Nine-stage scroll compressor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210628 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220412 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220426 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220624 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20221101 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20221109 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7179315 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |