JPH01219366A - 多段真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多段真空ポンプ、特にスタート時のトルクを減
少させる弁構造、スタート時の夫々の段についての高圧
アイドリンク構成及び改善された吸気及び耐疲労性を与
えるシリンダライナーに関する。

〔従来技術〕

オーストラリア特許第４８１０７２号及び５１８２１０
号並びにＰＣＴ／ＡＵ８２１００１２８は微動ピストン
と２個の作動スペースを有する往復ピストン−シリンダ
装置の種々の形式を示している。そのような装置の内の
実用装置では多段ポンプの夫々の段に多段シリンダをつ
けるのが普通である。この装置は特に潤滑油または他の
液体潤滑剤の代わりに固体のシールリングまたはスリー
ブを用いる機械的真空ポンプとして用いるに適している
。中間真空シリンダと低真空シリンダに直列となった一
対の並列高真空シリンダを有する４シリンダポンプは特
に適しており、バランスの良い形伏に構成するに適する
という利点を有する。

従来のポンプではこれら段間の接続はカバー付きの通路
と外部導管とによりなされているが、これらは、特に動
作シリンダにつき２個の動作スペースがあるため内部導
孔に容易には変更出来ない。

米国特許第４５８０３２７号は多段真空ポンプの隣接す
る一対のシリンダ用の配管構造を示しており、複数の通
路がシリンダの壁に沿って伸びて夫々のポートを通じて
これらシリンダの内部と連通している。弓形の凹みとし
ての複数の凹部が夫々の通路または通路群と整合してシ
リンダ壁の端部またはシリンダヘッドの底面に配置され
そして適当な開口がシリンダヘッドに設けられてこれら
凹部と連通してシリンダの内部へあるいはそこからの給
排気を行うようになっている。

米国特許出願番号第８２０５８５号（出願日昭和６１年
１月２１日）も潤滑油を用いない真空ポンプとして使用
するに適した往復ピストン・シリンダ装置を示している
。この真空ポンプは一端で閉じた第１部分及びこの部分
より小径であってこの部分に連続する第２部分を有する
シリンダと円筒状ヘッド部分と第２シリンダ部分内で滑
動する第２ピストン部分を有するピストンからなり、こ
のヘッド部分は第１シリンダ部分内で、滑動可能であり
、そして閉じたシリンダ端部に面する前面と環形の背面
を有している。ガス入口がガスをピストンの往復により
この前面と閉じたシリンダ端部との間の第１シリンダ部
分の内部に導入する。

第１排気ポートが設けられてピストンヘッド部分の前面
のポンプ作用によりピストンヘッド部分の前の第１シリ
ンダ部分の内部からガスを排出するようになっており、
逆止弁がこの第１排気ポートに設けられてピストンヘッ
ド部分の前の第１シリンダ部分の内部からの排気を許す
ようにし、そして第２排気ポートが設けられてピストン
ヘッド部分の背面のポンプ作用によりピストンヘッド背
後の第１シリンダ部分の排気を行う。シール装置がピス
トンヘッド部分に設けられており、これはピストンの円
筒表面上に配置された低摩擦材料でなるスリーブを含ん
でおり、ポンプの正常動作中に生じる温度範囲にわたり
平均ギャップがスリーブとシリンダ間に維持されるよう
にしており、このギャップの最大値は、スリーブを通っ
たガスの漏れがこのポンプにより達成されるべき許容し
うる真空度のレベルとなるようなものである。同様のス
リーブが第２ピストン部分にも設けられ、そして弾性装
置がスリーブの、第１ピストン部分から離れた側の端部
に隣接して設けられてスリーブをシリンダ壁と滑動的に
係合させている。更に排気ポート内の逆上弁は突起を有
し、これはピストンと係合してシリンダ内圧力が弁を通
常は閉じた位置に偏倚するばねの力に抗して開かされる
には低すぎる場合であっても各ビストンストロークによ
り排気ポート内の弁の開放を制御している。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のように従来のポンプは構造が大型となり、製造費
用が大であって、漏洩の問題が完全には解決していない
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はシリンダと、クランクケースと通路装置が１個
のケーシング内に配置され、２対のシリンダが、これら
シリンダの軸に直交して伸びるクランク軸支持装置の軸
の両側で実質的に共通の市内で互に対向するようにした
新規な、潤滑油を用いない多段真空ポンプを目的として
いる。各シリンダはシリンダヘッドに隣接した大径部と
クランク軸の軸に隣接した小径部分とを備え、相補的形
状のスリーブが各シリンダに挿入されており、このスリ
ーブはその内面に陽極酸化アルミニウム、アルミニウム
酸化物、無電解ニッケルまたは他の適当な材料からなる
耐疲労コーティングを有する。ステップ形ピストンが各
スリーブ内に往復しうるように装着されそしてクランク
ケース内で回転するクランク軸に動作的に接続する。各
シリンダヘッドは一対の対向的に動作するばね偏倚され
た逆止弁を有する。一方の弁はシリンダヘッドから遠ざ
かる１回以上のビストンストロークにおいてピストンの
前のシリンダにガスを入れることによりトルク低下弁と
して作用し、それ故ピストン背後のスペースのガスによ
りピストンの背面に作用する力に対抗しており、他方の
逆止弁はピストンの圧縮ストローク中排気弁として作用
する。

〔作　用〕

一対のピストン中シリンダ組立体が高圧ポンプ組立体と
なり、他方のピストン会シリンダ組立体対が低圧ポンプ
組立体となる。ポンプにより排気される装置は第１のシ
リンダ対の中間に配置される入口に接続し、ガスはシリ
ンダヘッド内に配置されたトルク低下弁及び各シリンダ
のスリーブの大径部の側壁内の実質的に環形の通路を通
じて各シリンダに供給される。排気されるべき装置の圧
力がまだ高い、初期動作段階において、低圧ポンプ組立
体のシリンダからの排気は排気通路に沿って排気弁から
外気に通じる出口へと流れ、比較的少量の排気ガスが交
差通路に沿って、高圧ポンプ組立体の第１ピストン・シ
リンダ組立体のシリンダへと流れる。高圧ポンプ組立体
のシリンダ内の入口及び出口弁は交差通路に直接には接
続せず、シリンダ内部で互に連通し、第２のピストン争
シリンダ組立体対の初期動作中その第１のピストン・シ
リンダ組立体がアイドリングとなるようになっている。

低圧ポンプ組立体からのガスの圧力が一度充分低（なっ
て大口弁が高圧ポンプ組立体のガス圧によっては開かな
（なると、ガスはピストン動作により制御される各シリ
ンダの側壁内の入口ポートを通じて第２のピストン・シ
リンダ組立体対のシリンダに入る。高圧ポンプ組立体を
構成する第２のピストン・シリンダ組立体対はその後装
置圧力の低下を生じさせうる。

〔実　施　例〕

本発明の潤滑油を用いない真空ポンプの説明において、
入口から出口への真空ポンプ内の圧力差は最低圧が入口
に隣接してあり、大気圧に近い最高圧が出口近辺となる
ものである。

本発明の真空ポンプは５００００　：　１を越える圧縮
比を宵し、大気圧から数百ｍｍＨｇ以上の非常に１５い
真空度まで容器の排気を行うことが出来る。

この真空ポンプは単一体としてのクランクケース・シリ
ンダ鋳造体を有し、これがこの鋳造体内に一体に形成さ
れる異なったピストン・シリンダ組立体間を相互に接続
する通路を有している。このポンプは第１図に示すよう
に配置された４個のピストン拳シリンダ組立体を何する
多段ポンプである。

ポンプ１０は単一の鋳造ハウジング１２を有し、このハ
ウジング内に４個のピストン・シリンダ組立体２１．２
２．２３．２４が配置される。これら４個の組立体の軸
は１つの共通の面内に配置され、組立体２１と２２の軸
が組立体２３と２４の軸に対しわずかにずれて対向して
いる。各組立体は段階のついた形とされており、夫々の
ピストンは前記米国特許出願番号第８２０５８５号に示
されるピストンとほぼ同じものである。各組立体のシリ
ンダは後述する挿入スリーブを有する。組立体２１と２
２は低圧ポンプ組立体を構成し、組立体２３と２４が高
圧ポンプ組立体を形成する。

図示しない、排気されるべき装置は組立体２１と２２の
中間にある入口２５に接続する。装置からのガスはシリ
ンダヘッド内の大口弁として作用するトルク低下弁２６
と２７及び各シリンダの大径部の側壁に配置されたほぼ
環形の入口通路２８．２９を通じて各組立体に供給され
る。組立体２１と２２のピストンが往復動作を行うと、
ガスは排気弁３０．３１を通り共通通路１４へと強制さ
れる。

排気されるべき装置の圧力がまだ高い、初期動作段階で
は組立体２１と２２からの排気ガスは通路１４を矢印１
５に沿って排気弁１６から出口１７へと流れ、比較的少
量のガスが通路１４を矢印１８に沿って交差通路１９か
ら高圧組立体２３．２４へと流れる。組立体２１１２２
からのガスは排気ポート３５．３Ｂを通りそして排気ポ
ート３０．３１からのガスと同じように流れる。

組立体２３は排気弁４２と大口弁として作用するトルク
低下弁４１を有する。組立体２４は排気弁４４と大口弁
として作用するシリンダヘッド内のトルク低下弁４３を
有する。隔壁３２．３３．３４がハウジング内の横方向
通路内に形成され、そしてこれらは組立体２１．２２．
２４のシリンダヘッド内のトルク低下弁と排気弁の間に
配置される。組立体２３についてはそのような隔壁はな
く、ポンプサイクルの初期部分において排気弁４２を通
り排気されるガスの多（がトルク低下弁４１を通りシリ
ンダへと右方向にもどされて組立体２３内のピストンが
アイドリングをするようになっている。ポンプ動作の初
期高圧段階では組立体２３の環形入口通路３７を通り排
気されるガスの部分の比は小さい。通路１４と１８内の
圧力排気弁１６を開（にはすでに充分でないレベルに低
下し、それ数組立体２１と２２により排気されるすべて
のガスが通路１９を通り組立体２３用の入口通路３７に
流れる。組立体２３からの排気は通路３８と３９を通っ
て組立体２４のトルク低下弁４３と環形入口通路４０を
流れる。このような伏態において、組立体２３と２４も
入口２５に接続する装置の圧力を低下させるために動作
を開始する。組立体２４は４個の組立体の内、シリンダ
ヘッド内の排気弁４４から排出されるガスがほぼ環形の
入口通路４５を通りピストンの反対側に供給されるよう
になった唯一のものである。これは、ピストンの両端の
シリンダ部分が直列に接続されるから更にポンピングを
与えるものである。これらは最終的には弁４６を通り出
口１７へと排出される。

各組立体について用いるに適したスリーブ５０を第２．
３．４図に示す。スリーブ５０はピストン及びシリンダ
と同様のステップ状となっており、第５図に示すように
鋳造体５４のシリンダ５２内にはまるようになっている
。スリーブ５０により鋳造体５４に用いた材料と同一ま
たは異なる材料を用いることが出来る。更に、別個のス
リーブを用いたことにより、入口及び出口ポートについ
ての構造を与えることが主鋳造体にそれを与えるよりも
容易になる。スリーブ５０の内面５６は耐疲労コーティ
ングを有する。そのようなコーティングは前記米国特許
出願に示されるように組立体のピストンに与えられる充
填材を有するポリテトラフロロエチレンのスリーブと組
み合わせると良好な耐摩耗、耐疲労特性を与える。また
スリーブを利用することにより、鋳造体の表面に直接コ
ーティングを与える場合と異なり、アルミニウム酸化物
のコーティングを与えることが容易になる。

この円筒吠鋳造体はスリーブ５０内のほぼ環形のガス入
口通路６２と関連するほぼ環形のガス入口通路５８を有
する。鋳造体はまたスリーブ５０の空気出口通路８４と
関連するガス出口通路６０を有する。適当なシール装置
６６がスリーブ５０と鋳造体５４の間に設けられてガス
漏れを防止する。シリンダヘッド６８は第５図にはスリ
ーブ５０の上端に形成された環形凹部７０内に配置され
る。シリンダヘッドとその弁は第６．７図において述べ
る。

スリーブ５０のガス入口通路６２は第２．３図に詳細に
示しである。通路６２はスリーブ５０の内壁５６のまわ
りに３６０”にわたり伸びるスロ、ｙ　）　７２と、第
３図に示す等間隔の支柱７４を除きそのほぼ全周にわた
りスリーブの壁を貫通して伸びる弓形開口を有する。狭
いスロットまたはギャップを通るガスの流れは、特に低
圧では実質的に制限されることは知られており、そして
スリーブ５０の壁を囲むほぼ環形のプレナムチャンバ５
８からスリーブ５０の内部へのガスの自由な流れをあた
えるために、スロット７２と連通ずる開口の側７６と７
８が第２．５図に示すように拡大されている。

スロット７２の軸方向長さは圧縮比を最大にするために
小さいが特に低圧において良好なポンプ速度を与えるに
充分なものであるべきであり、従って、このスロットの
面積はスリーブ５０の内面のまわりに３６０°にわたり
伸びるスロットとすることにより最大とされている。

前述のように第２回のステップつきピストン８Ｏは前述
の米国特許出願第８２０５８５号に示されるポリテトラ
フロロエチレンのスリーブと同様にピストンの大径及び
小径部分の夫々の外面に充填材・を有するポリテトラフ
ロロエチレンのスリーブ８２と８４を有する。平均ギャ
ップは同じく上記米国出願と同様にシリンダのスリーブ
の内面とスリーブとの間につくられ、そしてエンドシー
ル８６が第２図のようにピストンの端部に装着されてポ
ンプのクランクケース内にある大気に接するスリーブ５
０の内面とシール係合する。

第４−８図に示すように、シリンダヘッド６８は第１図
の組立体の夫々のシリンダヘッドとして適したものであ
る。シリンダヘッド６８はＯ−リング６９を介して適当
な手段によりシリンダスリーブ５０に密着固定出来る。

このシリンダヘッドはガス入口ポート１００とガス出口
ポート１０２を有する。これらポートの夫々はばね偏倚
された逆止弁１０４．１０８を有する。逆止弁１０４と
１０６はねじ等によりシリンダヘッドに固定されるスト
ラップ１０８と１１０によりシリンダヘッド６８に装着
される。逆止弁１０４はその弁部材１１４の上面１１２
のガス圧がばね１１３の力及び弁の下面にガス圧により
与えられる力を克服し、弁部材１１４を第６図に示すよ
うに下降させるに充分となるとき入口ポート１００を通
じてシリンダにガスが入りつるようにする。シリンダヘ
ッドにそのような大口弁を設けると初期吸気ストローク
によりピストンを降下させるに必要なトルクが大幅に低
下する。大口弁を設けない場合にはピストンがほとんど
そのストロークの下死点部分に達しスリーブ５０の側壁
のスロット７２を開放するまでシリンダにガスは入れら
れず、シリンダ内のピストンの下降がシリンダの上端に
減圧をつくり出してピストンの駆動力がピストンに加わ
ることによる力とピストンの環形面１２５のガス圧によ
る力の両方に打ち勝たねばならなくなる。そのような弁
を用いることにより、初期吸気ストロークにおいてそし
て実質的な量のガスが排気されているとき、ピストンを
下降させるに必要なトルクが大幅に減少出来、真空ポン
プのモータを大口弁１０４のないときのそれよりかなり
小さいものとすることが出来る。弁部材１１４の上面１
１２の圧力はばね力に打ち勝つには不充分であるから、
弁部材１１４は閉じたままとなり、ガスはスロット７２
のみを通ってシリンダに入る。

出口ポート１０２を制御するための逆止弁１０６はピス
トンの圧縮ストロークにより開くようになっており、ピ
ストンにより圧縮されてガスがばね１１５の力に打ち勝
って弁部材１１６を第６図において上昇させて出口ポー
ト１０２を開かせる。このポンプの動作が継続すると、
組立体２１．２２．２３．２４により圧縮されたガスの
圧力が弁組立体１０６のばね力に打ち勝つには不充分な
ところまで低下する。このように弁部材１１６を開かせ
るように動かす為に、弾性０−リング１１８が弁部材１
１６の低面の円形溝内に配置される。０−リング１１８
はシリンダヘッド６８の下面より突出しそしてシリンダ
チャンバへと突出し、ピストンがその上死点まで動くと
きピストンと０−リング１１８が接触し、弁部材１１６
が第６図において上昇してガス出口通路１０２を開くよ
うになっている。Ｏ−リング１１８は弁部材ではなくピ
ストンに装着してもよい。同様に、他の適当な突起をＯ
−リングの代わりに用いてもよい。ガス出口ポート用の
この形式の弁組ヴ体は前述の米国特許第８２０８５８号
に示されている。

上述の多段真空ポンプはガスを含む容器を潤滑油のない
雰囲気をつくる極低圧まで排気することが出来る。この
クランクケースとシリンダの組立体用の単一の鋳造体お
よび多数の通路は小型で漏洩の可能性のない効率のよい
真空ポンプを可能にする。第４図は鋳造体内に形成され
る交差通路１９とクランク軸１３および軸受組立体１５
用の一体的支持体１１を示している。第１及び第２のピ
ストン拳シリンダ組立体２Ｌ２２はほぼ同一であり、排
気されている装置内の圧力を急速に低下させるように動
作し、かくして真空ポンプの第１段を構成する。通路１
４の圧力が弁１６を閉じたままにするレベルまで低下し
てしまうと、ピストン・シリンダ組立体２３で構成され
る第２段が組立体２１と２２の夫々のピストンの大径部
分の両側のガスを排出する。交差通路１９は組立体２３
のシリンダに連通ずるが通路３８には連通せず、組立体
２３はそれより高圧ではアイドリングとなる。組立体２
４は組立体２３のピストンの両側のチャンバを有効に排
気し、組立体２４のピストンの両側のチャンバは弁４Ｂ
、４７を介して排気される。出口の数は１個であり、特
にポンプが有害ガスの排気または高価なガスの収集に用
いられる場合に大気への漏洩の可能性を低下させている
。

クランクケースとシリンダの鋳造体はアルミニウムの合
金または他の適当な材料でよい。同様に、シリンダスリ
ーブはアルミニウム合金等でよ（、その上に陽極酸化ア
ルミニウム、アルミニウム酸化物、無電解ニッケル等の
耐疲労粒子のコーティングを配置出来る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、小型で、安価な多段真空ポンプが得ら
れ、その漏洩の可能性は著しく低いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多段真空ポンプの概略図、第２図は第
３図の線Ｂ−Ｈにおける断面図、第３図は第２図の線Ａ
−Ａにおける断面図、第４図は本発明の真空ポンプの一
部の断面図、第５図は本発明におけるシリンダヘッドの
上面図、第６図は第５図の線Ｃ−Ｃにおける断面図であ
る。 １０・・・真空ポンプ　　　　　　　１２・・・ハウジ
ング２１．２２．２３．２４　　・・・ピストン・シリ
ンダ組立体２Ｇ、２７，４１．４３　　・・・トルク低
減弁１３・・・交差通路　　　　　　ＩＧ、４２．４４
・・・排気弁５０・・・シリンダスリーブ　　　　　５
４・・・鋳造体５８・・・プレナムチャンバ　６８・・
・シリンダヘッド７２・・・スロット　　　　　　　８
２．８４　　・・・スリーブ璽０４．１０Ｂ・・・ガス
人口弁組立体特許出願人　　コモンウェルス　サイエン
ティフィック　アンド　インダストリアル リサーチ　オーガニゼーシ式ン

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）クランクケースと少なくとも１個のシリンダを限
   定するポンプブロックと、円筒形外表面と耐疲労性コー
   ティングを有する筒形内表面を有し、上記シリンダ内に
   配置される環形スリーブと、このスリーブに対面する表
   面に耐摩擦面を有しこのスリーブ内に配置されて往復す
   るピストンと、から成る真空ポンプ。
2. （２）前記スリーブの前記コーティングは実質的には陽
   極酸化されたアルミニウムであり、前記ピストンの前記
   耐摩擦表面はポリテトラフロロエチレンにその疲労度を
   低下させる材料を充填してなる特許請求の範囲第１項記
   載のポンプ。
3. （３）前記スリーブの前記コーティングは実質的にアル
   ミニウム酸化物からなり、前記ピストンの前記耐摩擦面
   はポリテトラフロロエチレンにその疲労度を低下させる
   材料を充填してなる、特許請求の範囲第１項記載のポン
   プ。
4. （４）前記スリーブのコーティングは実質的に無電解ニ
   ッケルからなり、前記ピストンの耐摩擦面はポリテトラ
   フロロエチレンにその疲労度を減少させる材料を充填し
   たものからなる特許請求の範囲第１項記載のポンプ。
5. （５）前記真空ポンプは潤滑油を用いないポンプであり
   、前記ポンプの充填されたポリテトラフロロエチレン表
   面は前記スリーブの前記コーティングから離されて上記
   ピストンと前記シリンダがポンプの動作中経験する温度
   全範囲にわたり維持される平均ギャップを限定するごと
   くなった特許請求の範囲第２乃至４項の１に記載するポ
   ンプ。
6. （６）前記シリンダ、スリーブ及びピストンの夫々は大
   径部分と小径部分を有し、これら部分は肩部により互に
   接続して上記ピストンの大径部分の端部に隣接して動作
   チャンバと、上記スリーブの大径部分に配置されて上記
   ピストンが上死点に達したとき上記ピストンにより覆わ
   れないようになっているガス入口通路手段と、上記スリ
   ーブの肩部を通って伸びるガス出口通路手段を限定する
   ごとくなった特許請求の範囲第５項記載のポンプ。
7. （７）前記スリーブと係合するように配置されたシリン
   ダヘッドを更に含み、このシリンダヘッドは排気孔と、
   この排気孔を開閉する第１弁装置と、入口孔とこの入口
   孔を開閉する第２弁装置を有し、第２弁装置はばね偏倚
   された逆止弁装置であって上記シリンダへのガスの流れ
   のみを許すようになっており、それにより、上記ピスト
   ンの上記シリンダヘッドから離れる方向の初期動作によ
   り上記第２弁装置が開きスタート時の上記ピストンの往
   復に必要なトルクを低下させるごとくなった特許請求の
   範囲第６項記載のポンプ。
8. （８）シリンダと、このシリンダ内に滑動しうるように
   配置されたピストンと、シリンダヘッドとから成り、こ
   のシリンダヘッドは排気孔と、この排気孔を開閉する第
   １弁装置と、入口孔と、この入口孔を開閉する第２弁装
   置と、このシリンダ内に配置されて上記ピストンが下死
   点に達したとき開くようになった他の入口孔と、を有し
   、上記第２弁装置は上記シリンダへのガスの流れのみを
   許すようにする偏倚手段を有する逆止弁であり、上記ヘ
   ッドから離れる上記ピストンの初期動作により上記第２
   弁装置が開き、スタート時に上記ピストンを往復させる
   に必要なトルクを減少させるようになった真空ポンプ。
9. （９）前記偏倚手段はばねである特許請求の範囲第８項
   記載のポンプ。