JPH066951B2

JPH066951B2 - 液封真空ポンプ

Info

Publication number: JPH066951B2
Application number: JP32543588A
Authority: JP
Inventors: 哲雄森澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1988-12-22
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPH02169890A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は１段ポンプで真空度を飛躍的に高めることの
できる、液封真空ポンプに関するものである。

（従来の技術）液封真空ポンプは、大別すると羽根車１回転につき、吸
気、排気を各１回行う、単動式（偏心形）と、羽根車１
回転につき吸気、排気を各２回行う複動式（対称形）と
がある。

また、吸気口、排気口の位置により羽根車の側面より
吸、排気を行うポートプレート式と羽根車の中心に回転
しないで吸気、排気側に区別されたパイプによって吸、
排気を行うポートシリンダ式とがある。

従来の一般に多く使用されている偏心形、ポートプレー
ト式について説明すると、第15図、第16図に示すよう
に、円筒形のケーシング内の偏心位置に羽根車を配置
し、ケーシング内に適量の封液（以下水と称す）を入れ
て羽根車を回転させると水は遠心力によりケーシングの
内周に沿って封水リングを形成し、この封水リングの内
側の羽根車のボス部との間にはほぼ三日月形の空間が生
じ、この空間を羽根車の複数の羽根が区画して複数の空
室に分割し、この複数の空室は羽根車の１回転中に前半
の1/2回転では回転方向に向かうに従って容積が順次拡
がる為圧力が順次低下し、逆に後半の1/2回転では回転
方向に向かうに従って容積が順次縮少される為圧力が順
次上昇する。従って圧力低下部分の空間に、真空タンク
に連なる吸気口を開口し、圧力上昇部分の空間に、大気
圧に通じる排気口を開口して設ければ、圧縮性流体（以
下空気と称す）が吸気口より吸引され、羽根車の回転毎
に吸入、圧縮、排気の工程を繰り返すポンプ作用をなし
て、真空タンク内を真空化するものである。通常の１段
型と高真空用の２段型とがある。この液封真空ポンプは
排気時に水が空気につれられて少しづつ吐出されるた
め、少量づつ補給する必要がある。

上記液封真空ポンプは次の特徴を有している。

(a)内部に接触部分がないため故障が少なく長期間の連
続運転に耐えられる。

(b)水封式のため、吸引する空気に、水や水蒸気が混入
しても支障が起こらない。

(c)反応性ガス等に対してそれに対応する封液を使用で
きる。

（発明が解決しようとする問題点）従来の液封真空ポンプは１段型、２段型とも封水の温度
により到達真空度が左右され、普通では水の温度により
定まっている蒸気圧以上の真空度を得られるものは無か
った。

すなわち水の蒸気圧は15℃で12.788Torrであるが、従来
の水封真空ポンプの到達圧力は普通１５℃において、１
段型で40〜100Torr、２段型で17〜20Torrであった。

又、到達圧力に近づくとキャビテーションが発生し長時
間の運転ができない。そのためにキャビテーションが発
生しない範囲で運転するか、あるいは別に空気エジュク
ターを設けて液封真空ポンプの性能に対応してこの空気
エジェクターを作動させて、キャビテーションが発生し
ない範囲において、高真空度を得る手段を用いる必要が
あった。

またキャビテーションを防止するために、吸気口にリー
ク弁を設けて空気を三日月形空室内に導入する手段も用
いられるが、この場合真空到達圧力は５Torr以上悪くな
るといった問題があった。

この発明は蒸気した従来の問題点を解消して空気エジュ
クターや、リーク弁に依存することなく、到達真空度を
高め得る高性能の液封真空ポンプを提供することを目的
とするものである。

（問題点を解決するための手段）上記の目的を達するためのこの発明は、 (1)ケーシング内部の液体を羽根車によって回転させ、
その液体の羽根車の半径方向の移動によってポンプ作用
を果たす液封真空ポンプにおいて、上記ケーシングの内周と、上記羽根車の外周との隙間が
不均等となる位置にある羽根車の外周が最接近している
上記ケーシングの内周位置と、上記羽根車の中心とを結
ぶ線が、該羽根車のボス部外周と交わる交点Ａと、上記
ケーシングの側面をふさぐサイドプレートに設けた細長
い排気口の終端近傍の周囲が、上記ボス部外周の交点Ａ
より反回転方向の位置と交わる交点Ｂとの間の、該ボス
部外周上に少なくとも２枚の羽根の基部を存在させると
ともに、羽根の半径方向の長さ（ｌ）と、羽根車の外周
における羽根と羽根との間の空間距離（ｔ）との比がｌ
／ｔ≧1.8となるように羽根と羽根との間隔の比較的狭
い羽根車とした液封真空ポンプである。

また、前記サイドプレートに設けた排気口を、上記交点
Ａより反回転方向に寄った上記ボス部外周近傍に細長く
開口して、その終端を上記羽根車のボス部外周より内側
に位置させるとともに、始端から大気圧に連通する排気
通路を設けた、液封真空ポンプである。

また、上記サイドプレートに設ける給水口を、上記交点
Ａから回転方向に少なくとも１枚の羽根の基端が存在す
る距離を持つ上記ボス部外周位置の近傍に設けた、液封
真空ポンプである。

また、上記サイドプレートに設ける吸気口を、上記給水
口の位置から回転方向に上記ボス部外周上の少なくとも
２枚の羽根の基端が存在する距離を持つ位置の上記ボス
部外周近傍を始端とし、上記交点Ａを通る半径方向の中
心線から、上記羽根車の中心角で少なくとも180°の位
置に終端を位置させ、上記ボス部の外側に該ボス部に沿
ってほぼ円弧状に開口し、該開口部の中央付近から真空
タンクに連通する吸気路を設けた、液封真空ポンプであ
る。

（作用）この発明は、特別の装置を設けずして、液封真空ポンプ
の到達真空度を封水の蒸気圧以上にすることを目標とし
て研究し、試作及び試験を重ねて発明されたもので、到
達真空度を決定する要因が前記した蒸気圧によって理論
的に決定されるものでなく、次の３点にあることに着目
した。

(イ)羽根車と側板との間の隙間からの洩れ (ロ)軸のシール不良による洩れ (ハ)圧縮された空気の吸入側への洩れ上記要因(イ)は羽根車と、側板との加工精度を高めて隙
間を小さくすれば改善可能であり、(ロ)は高精度なメカ
ニカルシールを使用することで１×10^−２Torrまでシー
ル可能であり、(ハ)は羽根車の回転につられて回転する
封水リングの波立ちや乱流を少なくすることで改善でき
るはずであり、この点を上記の如く構成して目的を達し
たものである。

すなわち、液封真空ポンプの構成が封水リング中に羽根
車の羽根が出入りして羽根と羽根との間に形成される空
室の容積が回転につれて変化することによる空気の吸
入、圧縮、排気が行われるため、羽根車の回転につられ
て回転する封水リングが波み立ち、乱流して空室内の空
気が気泡となって封水と混合状態となり、空室と封水リ
ングとの境界が不明確になるもので、こうした封水リン
グの波立ちの軽減を、羽根車の羽根の数を増して羽根と
羽根との間の容積を小さくすることで果たし、さらに、
給水口を交点Ａと、吸気口の始端との間に設けたことに
より、羽根車の回転による吸引力が大きく働いて十分な
給水量を確保したことと、吸気口の始端と排気口の終端
との距離を従来のものより長くして、排気口から排出さ
れるべき空気が吸気口の始端に回って漏れるのを防いが
ことと、吸気口の終端を従来のものにより回転方向に大
きく延長して空気の吸入時間を引き延ばしたこととによ
り、気泡の発生の原因となる乱流を抑制して、気泡の減
少を果たすことができる。

斯して水封リングの波立ちと乱流とを抑制して、気泡の
発生を軽減させた状態において、排気口より圧縮された
空気を完全に排気させるために、排気口の終端位置を前
記交点Ａの位置より反回転方向に、従来より遠く離して
距離を長く保った位置として、この交点Ａと排気口終端
近傍の周縁が羽根車のボス部外周と交わる交点Ｂとの間
の羽根車のボス部外周に、数を増した羽根の中の２枚以
上の羽根の基端を存在させることで、排気口の終端部
と、前記交点Ａとの間に羽根と羽根との間に形成される
羽根室が完全な形で１室以上存在して、排気口の終端部
と交点Ａとが同一の羽根室内に共存することが絶対にあ
り得ないこととなり、また排気口を通過した羽根室は交
点Ａに至るまでの間に再び圧力が上昇する。その結果、
三日月形の空間は排気口の終端近傍の交点Ｂの位置で消
滅して、交点Ａの位置まで形成されることがなくなり、
従って圧縮された空気が交点Ａを越えて吸気口に漏れる
のを防止できる。

さらに、排気口を始端から終端に向かって漸次深く形成
したとにより、最高圧となる排気口の始端部から、大気
圧となる終端部に至るまでの間の圧力を徐々に低下させ
て急激な変化を緩和し、排気を円滑に行えるようにし
て、圧縮された空気の吸気口への戻りを防止する一助と
したものである。

（実施例）以下、この発明を偏心形ポートプレート式を例として図
にもとづいて説明する。

本発明液封真空ポンプの全体構成を、第11図の正面図、
第12図の側面図、第13図の平面図、第14図の中央縦断面
図により示し、その詳細を第１図〜第10図に示してい
る。

図において(1)はケーシング本体で、内部を円形にくり
抜いてポンプ室となる空間が形成されている。

(2)(2a)はサイドプレートで、ケーシング本体(1)の両側
面に当接し、円形くり抜部を塞いで、円筒形のポンプ室
(3)を形成している。

(4)は羽根車で、ボス部(4a)の外周に、回転方向に前傾
した円弧状の羽根(4b)を、半径方向の長さ（ｌ）と、羽
根車(4)の外周における相隣れる羽根(4b)間の空間距離
（ｔ）との比がｌ／ｔ≒４となるように、比較的小間隔
で多数設けてある。この羽根車(4)は第14図に示す如く
軸方向の中央に羽根(4b)と一の補強壁(4c)を設けて羽根
(4b)を補強してあるが、この補強壁(4c)は羽根(4b)の両
側端のどちから一方の端部にあってもよく、また羽根(4
b)の補強の必要がなければ、補強壁(4c)を省略してもよ
い。この羽根車(4)はポンプ室(3)の中心(P)より偏心(S)
した位置に中心(Q)が位置して、サイドプレート(2)(2a)
に支持された軸(5)に固定され、この軸(5)を動力源（図
示省略）により駆動するものである。

サイドプレート(2)(2a)には大気圧に連通する排気口(6)
と、水源（図示省略）に連通している給水口(7)と、真
空タンク（図示省略）に連通している吸気口(8)とが夫
々ポンプ室(3)に開口して設けてある。

上記排気口(6)は、ほぼ羽根車(4)の回転方向に添って細
長い円弧状に開口して、その終端位置を羽根車(4)のボ
ス部(4a)の外周より内側に位置してボス部(4a)によりふ
さがれており、羽根車(4)の外周が、最接近しているケ
ーシング本体(1)の内周位置(T)と、羽根車(4)の中心(Q)
とを結ぶ線(Q-T)がボス部(4a)の外周と交わる交点Ａ
と、排気口(6)の終端付近の周縁がボス部(4a)と交わる
交点Ｂとの間のボス部外周に４枚の羽根(4b)の基端が存
在するように羽根(4)の数と排気口(6)の終端近くの位置
及び形状が定められている。

また、第３図に示す如く、始端から終端に向かって漸次
深さを増すとともに、第２図Ｄ−Ｄ′断面である第４図
に示す如く、幅方向の外側を内側より深く形成して、終
端から第２図Ｅ−Ｅ′断面である第５図に示す如く外部
の大気圧に連通する排気通路(6a)が設けてある。

上記給水口(7)は、ボス部(4a)の外周に対応する位置
で、交点Ａからボス部(4a)の外周に２枚の羽根の基端が
存在する距離を隔てた位置に開口し、第２図Ｆ−Ｆ′断
面である第６図に示す如く給水通路(8a)を通って給水源
（図示省略）に連結されている。

上記吸気口(8)は、ボス部(4a)の外周に添ってほぼ円弧
状に開口しており、その始端は、給水口(7)の位置から
回転方向に、ボス部(4a)の外周上に３枚の羽根(4b)の基
端が存在する距離を隔てたボス部(4a)上の位置に対応し
た位置にあり、終端が線(Q-T)から回転方向に羽根車(4)
の中心角（θ）で195°の位置にある。そして第２図Ｇ
−Ｇ′断面である第７図に示す長さ方向の断面形状を持
つとともに幅を始端部から長さ方向の中央付近まで漸次
拡大し、中央部付近から終端まで同一幅に形成してあ
り、その状態を第２図Ｈ−Ｈ′断面及びＪ−Ｊ′断面で
ある第７図及び第８図にそれぞれ示している。

図中(12)はメカニカルシールである。

なお上記ポンプ室(4)は円筒状のものを例として示した
が、これ以外に例えば長円形等であっても実施可能であ
る。

以上の構成により、適量の水を封入したポンプ室(3)内
で羽根車(4)を第１図Ｒ矢印の方向に回転させると、水
は羽根車(4)の回転による遠心力でポンプ室(3)の内周に
沿った封入リング(9)を形成して羽根車(4)に連れられて
回転し、この封入リング(9)の内周と羽根車(4)のボス部
(4a)との間にほぼ三日月形の空間(10)が形成される。

この空間(10)は回転方向に対する始端部が給水口(7)近
傍に、終端が排気口(6)の終端近傍に位置し、中心線(P-
Y)上の位置で最大幅を持ち、この空間(10)の回転方向の
主として前半部に吸気口(8)が開口し、終端部近傍に排
気口(6)が開口している。

斯して、羽根(4b)は空間(10)の始端部と終端部とで深
く、中心線(Q-Y)の位置の中央部で浅く封入リング(9)中
に突っ込んでいて、空間(10)を複数の空室(11)に区画
し、この空室(11)は空間(10)の始端部で狭く、中央部に
向かうに従って順次拡大している。

このため羽根車(4)がＲ矢印の方向に回転すると、空間
(10)の始端部から中央部に向かうに従って１つの空室(1
1)は容積が漸次拡大するため負圧となって吸気口(8)か
ら真空タンク内の空気を吸い込み、中央部を越えた吸気
口(8)の終端を過ぎた位置から、空間(10)の終端に至る
に従って空室(11)の容積は漸次縮小されて圧力が高ま
り、排気口(6)から外部の大気圧中に吐出されて、羽根
車(1)の１回転毎に吸入、圧縮、排気作用を繰り返して
真空タンク内を真空にするものである。

なお排気通路(6a)内は大気圧であり、排出される空気に
つれられて排気口(6)から少量づつ排出される水が溜ま
っており、空気はこの溜まり水をくぐって排出される。

以上の如く排気口(6)の終端位置を交点Ａより反回転方
向に遠ざけ、かつ羽根(4b)の数を増したため、交点Ａと
交点Ｂとの間に２枚以上の羽根の基端が存在して、交点
Ａ及び交点Ｂの何れをも含まない羽根と羽根の間の羽根
室が常時１室以上存在することとなり、排気口(6)と交
点Ａとが一つの羽根室内に共存することが無くなり、従
って空気が交点Ａを越えて吸気口(7)に逆戻りするのを
防止できる。

第16図は従来の液封真空ポンプの一例を示すもので、羽
根（４ｂ′）の数が少なくて、羽根と羽根との間の容積
が大きいため回転による封水リング（９′）の波立ちが
激しくて乱流が生じやすくなり、さらに排気口（６′）
は交点Ａ′に接近しており、かつ羽根室が大きいため図
示の如く、排気口（６′）の終端と、交点Ａ′とが同じ
羽根室内に共存する場合があって、排気口（６′）部分
の空気が羽根車（４′）の回転につられて交点Ａ′を越
えて吸気口（８′）に逆戻りしやすくなり、到達真空度
を高めることが困難であった。

また、到達真空度に近づくと発生するキャビテーション
は、羽根(4b)の数を増して封入リング(9)の波立ちや乱
流を少なくすることにより或程度減少させることができ
るが、排気口(6)の大きさや給水量によっても変化する
ことが、試験の結果判明した。すなわち、排気口(6)を
小さくして排気につれられて排出される水の量を少なく
すると、キャビテーションが発生し易くなり、排気口
(6)を大きくして排水量を増大させると共に、給水量を
増せばキャビテーションの発生が少なくなり、給水口
(7)を圧縮側に設けると給水量が減少してキャビテーシ
ョンが増大した。

従って排気口(6)を或程度広くして給水口(7)を羽根車
(4)の回転による吸引エネルギーの大きい吸気口(8)の始
端近傍に設けることでキャビテーションの発生を抑制す
ることができた。

次に第１図〜第14図に示す本発明と、第15図、第16図に
示す従来のものとを比較試験した結果の真空到達圧力に
おける状態を示す。

(イ)従来のもの 760〜100Torr 封入リング(9)の全体が空気を含んで白く見える。

100〜40Torr 封入リング(9)の外周部分のみに僅かに空気を含まない
澄んだ層が見える。

40〜30Torr 封入リング(9)の内周部分の約3/4が空気を含んだ白い層
となり、その外側の約1/4が水のみの澄んだ色の層とな
る。

20Torr 到達真空度近くになると、封入リング(9)の内周部分の
空気を含む層が薄くなりキャビテーションが発生する。
そして波立ち部分と空気を含む白い層は排気口に全部排
出されず、一部は吸入側に行ってしまう。また、封水リ
ング(9)の内周部分は空気を多く含み、外周に向かうに
従って空気の含みは減少するが、水のみの澄んだ層との
境界は判然としていない。

(ロ)本発明のもの 760〜100Torr 上記した従来のものと同様に封水リング(9)の全体が空
気を含んで白く見える。

100〜15Torr 封入リング(9)の内周部分の約1/3に空気を含む白い層が
あり、澄んだ水のみの層との境界が明瞭に確認できる。
しかし空気を含む白い層の一部が吸気側に行く。

２〜１Torr 封水リング(9)の内周部分の空気を含む白い層が約1/10
程度の薄いものとなり、排気口(6)から交点Ａを越えて
給水口(7)に至る間の羽根車(4)のボス部(4a)の外側には
空気を含む白い層は見られなくなり、到達真空度に達し
てもキャビテーションの発生は極めて軽微で、実質的に
支障のない程度であった。

（発明の効果）以上説明したこの発明に係る液封真空ポンプによれば、
羽根の数を増して羽根と羽根との間の空室を狭めたこと
と、排気口、給水口、及び吸気口の位置と形状を独自の
ものとしたことによりキャビテーションの発生を抑制す
るとともに、空気エジェクターやリーク弁を使用せず、
二段ポンプに依ることもなくして、封水の温度による蒸
気圧以上の到達真空度を得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明液封真空ポンプの要部を示す縦断面図、
第２図はサイドプレートの正面図、第３図は第２図Ｃ−
Ｃ′断面図、第４図は同じく第２図Ｄ−Ｄ′断面図、第
５図は同じく第２図Ｅ−Ｅ′断面図、第６図は同じく第
２図Ｆ−Ｆ′断面図、第７図は同じく第２図Ｇ−Ｇ′断
面図、第８図は同じく第２図Ｈ−Ｈ′断面図、第９図は
同じく第２図Ｊ−Ｊ′断面図、第10図は同じく第２図Ｋ
−Ｋ′断面図、第11図は本発明液封真空ポンプの全体構
造を示す正面図、第12図は同じく側面図、第13図は同じ
く平面図、第14図は第11図Ｌ−Ｌ′断面図、第15図は従
来の液封ポンプの要部を示す縦断面図、第16図は第15図
Ｍ−Ｍ′断面図である。１・・ケーシング本体２，2a・・サイドプレート３・・ポンプ室４・・羽根車 4a・・ボス部 4b・・羽根 4c・・補強壁５・・軸６・・排気口 6a・・排気通路７・・給水口 7a・・給水通路８・・吸気口 8a・・吸気通路９・・封水リング 10・・空間 11・・空室 12・・メカニカルシールＡ・・交点Ｂ・・交点Ｐ・・ポンプ室の中心Ｑ・・羽根車の中心Ｓ・・偏心量Ｒ・・回転方向Ｘ−Ｙ・・中心線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング内部の液体を羽根車によって回
転させ、その液体の羽根車の半径方向の移動によってポ
ンプ作用を果たす液封真空ポンプにおいて、上記ケーシングの内周と、上記羽根車の外周との隙間が
不均等となる位置にある羽根車の外周が最接近している
上記ケーシングの内周位置と、上記羽根車の中心とを結
ぶ線が、該羽根車のボス部外周と交わる交点Ａと、上記
ケーシングの側面をふさぐサイドプレートに設けた細長
い排気口の終端近傍の周囲が、上記ボス部外周の上記交
点Ａより反回転方向の位置と交わる交点Ｂとの間の、該
ボス部外周上に少なくとも２枚の羽根の基部を存在させ
たことを特徴とする、液封真空ポンプ。
【請求項２】上記排気口の終端を、上記羽根車のボス外
周より内側に位置させるとともに、始端から終端に向か
って漸次深さを増して、その終端から大気圧に連通する
排気通路を設けた、特許請求の範囲第１項記載の液封真
空ポンプ。
【請求項３】上記サイドプレートに設ける給水口を、上
記交点Ａから回転方向に少なくとも１枚の羽根の基端が
存在する距離を持つ上記ボス部外周位置の近傍に設け
た、特許請求の範囲第１項記載の液封真空ポンプ。
【請求項４】上記サイドプレートに設ける吸気口を、上
記給水口の位置から回転方向に上記ボス部外周上の少な
くとも２枚の羽根の基端が存在する距離を持つ位置の上
記ボス部外周近傍を始端とし、上記交点Ａを通る半径方
向の中心線から、上記羽根車の中心角で少なくとも180゜
の位置に終端を位置させ、上記ボス部の外側に該ボス部
に沿ってほぼ円弧状に開口し、該開口部の中央付近から
真空タンクに連通する吸気通路を設けた、特許請求の範
囲第１項記載の液封真空ポンプ。