WO2018139070A1 - 液封式真空ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、モータの主軸（回転軸）の軸端部に２段のインペラ（羽根車）を取り付けた２段液封式真空ポンプに関するものである。　第１段ポンプ室（１）内に設けた第１段羽根車（４）と第２段ポンプ室（２）内に設けた第２段羽根車（５）とを同一回転軸（７）に固定し、第１段ポンプ室（１）の排気ポート（Ｐｄ）と第２段ポンプ室（２）の吸気ポート（Ｐｓ）とを連通した２段液封式真空ポンプにおいて、第１段羽根車（４）の外径を第２段羽根車（５）の外径より大きくした。

Description

液封式真空ポンプ

　本発明は、モータの主軸（回転軸）の軸端部に２段のインペラ（羽根車）を取り付けた２段液封式真空ポンプに関するものである。また、本発明は、円形ケーシングと、円形ケーシングの中心に対し偏心して取り付けられた羽根車と、羽根車を支持する主軸がケーシングを貫通する部分に設置された軸封部とを備えた液封式真空ポンプに関するものである。

　円形ケーシングと円形ケーシングの中心に対し偏心して取り付けられたインペラ（羽根車）とを備え、ケーシング内に水その他の液体を封入し、インペラの回転による遠心力によりケーシング内壁に沿って液膜（液環）を形成し、液膜と隣接する２枚の羽根とによって形成される羽根室の容積変化を利用してポンプ作用を行う液封式真空ポンプが知られている。

　高真空の液封式真空ポンプを設計する場合、二段式もしくはエゼクタを使用するが、どちらも寸法、質量が大きくなる。特に二段式の場合、二枚の羽根車を固定した回転軸を軸受で両端支持とするケースが多く、全長が長くなる。
　小型、高真空のポンプを設計する場合、従来の回転軸を両端支持するポンプ構造では大型となってしまうため、直動型モータの回転軸の軸端部に羽根車を２段設ける構造とし、真空ポンプの小型、軽量化を図る場合がある。
　２段液封式真空ポンプを設計する場合、真空側の１段目羽根車の幅を大気圧側の２段目羽根車に対して大きくし、排気速度大きくするのが通例である。

　特許文献１（実用新案登録公報第２５０８６６８号公報）には、上述した直動型モータの回転軸の軸端部に羽根車を２段設けた真空ポンプであって、第１段ポンプ室１０５内に設けた第１段インペラ１０６と第２段ポンプ室１０７内に設けた第２段インペラ１０８とを同一回転軸に固定し、第１段ポンプ室１０５の排気ポートと第２段ポンプ室１０７の吸気ポートとを連通した２段水封式真空ポンプが記載されている。

　また、液封式真空ポンプは、別置きの電動機の主軸と接続されて駆動されるか、直動型モータの主軸に前記羽根車を取りつけて駆動される。また、羽根車を支持する主軸が排気側のケーシングを貫通する部分には、軸シールを行うためのメカニカルシール等の軸封部品が設置されている。

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

実用新案登録第２５０８６６８号公報 特開２０１５－１７５３２２号公報

　上記２段水封式真空ポンプに関して、特許文献１の段落〔０００４〕には、以下のように記載されている。
　「ところで、前記のような２段水封式真空ポンプでは、吸入された空気は、第１段ポンプ室１０５において圧縮され、体積が減少した状態で、第２段ポンプ室１０７に流入するため、第２段ポンプ室１０７における空気流量は、第１段ポンプ室１０５における空気流量に比べて前記圧縮の度合いに応じて少なく設定する必要がある。そのため、通常は、両インペラ１０６，１０８の幅寸法のみを変更して、この空気流量の変化に対応している。」

　すなわち、特許文献１に記載されているように、従来の２段水封式真空ポンプにおいては、両インペラの外径寸法を同一にして両インペラの幅寸法のみを変更して、圧縮により生ずる空気流量の変化に対応していた。
　このように、従来の２段水封式真空ポンプにおいて両インペラの外径寸法を同一にして両インペラの幅寸法のみを変更することが行われていたのは、インペラの設計時、インペラの外径寸法を異ならせると回転軸に直交する断面の設計が複数必要になるが、幅寸法を変えれば、回転軸に直交する断面図は１枚で済み、より設計が容易になる、という理由によると考えられる。

　しかしながら、２段水封式真空ポンプにおいて両インペラの外径寸法を同一にして両インペラの幅寸法のみを変更する従来の手法では、モータの回転軸の軸端部に２段のインペラ（羽根車）を取り付ける片持ち構造の２段水封式真空ポンプの場合に、片持ち構造の回転軸の軸長が長くなるため、回転軸の振れ回わり振動を引き起こし、真空ポンプの性能低下を起こすという問題がある。
　また、両インペラの外径寸法を同一にして両インペラの幅寸法のみを変更する従来の手法では、排気速度を上げて到達真空度を高めようとすると、２段のインペラ（羽根車）の幅寸法をいずれも増加させる必要があり、片持ち構造の回転軸を含む回転体の軸長が更に長くなる。この場合、片持ち構造の回転軸の軸長が長くなればなるほど、回転軸を含む回転体の固有振動数が低下することになり、回転軸が高速回転になるにつれて固有振動数（危険速度）に近づきやすくなり、共振を起こしやすいという問題がある。

　一方、上述したように真空ポンプの高速化を図る場合に、運転時の羽根室内の圧力変動や、回転体の自重による主軸のたわみによってケーシングと羽根車が接触することを防止するため、主軸径には余裕を持たせ極力太くする。軸封部品(メカニカルシール等)の寸法は主軸径によって決定される。よって、上述したように、主軸径を極力太くする設計を行うと、排気ケーシングの軸封部品収容空間の内径が排気側の羽根車のボス径を上回り、軸封部品収容空間を通り、各羽根室が連通してしまうため、密閉された空間としての羽根室を形成することができないという問題があった。

　図１１は、従来の液封式真空ポンプの主要構成を示す模式図である。図１１に示すように、吸気側の第１段羽根車４と排気側の第２段羽根車５とを支持する主軸（回転軸）７が排気ケーシング９を貫通する部分には、軸シールを行うためのメカニカルシール等の軸封部品１０Ｂが設置されている。主軸７は、運転時の羽根室内の圧力変動や、回転体の自重による主軸のたわみによってケーシングと羽根車が接触することを防止するため、主軸径には余裕を持たせ極力太くしている。そのため、排気ケーシング９における軸封部品１０Ｂの収容空間の内径Ｄ３が排気側の第２段羽根車５のボス径Ｄ４を上回り、軸封部品１０Ｂの収容空間を通り、ケーシング両側壁と液膜と隣接する２枚の羽根によって形成される各羽根室が互いに連通してしまうため、密閉された空間としての各羽根室を形成することができないという問題があった。

　上記の問題を解決するため、従来は排気ケーシングの分割化、主軸径を細くする、羽根車ボス径を太くする、軸封部品収容空間に別部品を挿入するなどの設計を行う必要があった。しかし、部品点数やポンプ寸法の増加、強度不足による共振、排気速度の低下などの欠点があった。

　本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、モータの回転軸の軸端部に２段のインペラ（羽根車）を取り付ける片持ち構造の２段水封式真空ポンプにおいて、回転軸の軸長を短くすることができ、回転軸の振れ回わり振動を防止することができるとともに回転軸を含む回転体の固有振動数を高く設定することができる２段液封式真空ポンプを提供することを目的とする。
　また、本発明は、排気ケーシングの分割化、主軸を細くする、羽根車ボス径を太くする、といった設計を行うことなく、軸封部品収容空間を介して各羽根室が互いに連通してしまうことを防止することができ、羽根車に密閉された空間としての羽根室を形成することができる液封式真空ポンプを提供することを目的とする。

　上述した目的を達成するために、本発明の液封式真空ポンプの第１の態様は、第１段ポンプ室内に設けた第１段羽根車と第２段ポンプ室内に設けた第２段羽根車とを同一回転軸に固定し、第１段ポンプ室の排気ポートと第２段ポンプ室の吸気ポートとを連通した２段液封式真空ポンプにおいて、前記第１段羽根車の外径を前記第２段羽根車の外径より大きくしたことを特徴とする２段液封式真空ポンプである。

　まず、２段液封式真空ポンプにおける羽根車の異径化の考え方を説明する。
　液封式真空ポンプは、羽根車の軸芯と偏心させて取付けられた円形のケーシング内に水その他の液体をほぼ半分位封入し、運転によって羽根車が回転するのに伴い遠心力によってケーシング内面に沿って液膜を形成させ、該液膜で周辺部を封じられた各羽根室の容積変化によってポンプ作用させるようにしたものである。
　液封式真空ポンプに使用する羽根車の設計諸元として、主に、羽根車外径、羽根枚数、羽根厚さ、羽根車幅（軸方向寸法）、軸径、キー部、回転速度、偏芯量等が挙げられ、これにより排気速度と出力が決定する。排気速度は主に、ブースタポンプ（吸気側羽根車：１段目）の羽根室容積によって決定され、目標とする排気速度を実現するために、上記諸元を決定する。

　メインポンプ（排気側羽根車：２段目）は、ブースタポンプ（吸気側羽根車：１段目）にて圧縮された気体を吸排気するため、１段目より羽根室容積を小さくする。従来は設計の容易さから、ブースタポンプ（吸気側羽根車：１段目）の幅のみを変更し、これを採用していた。そのため、出力や周波数、排気速度などの仕様に合わせ、１段目、２段目の羽根車をそれぞれ用意する必要があった。
　本発明者らは、ブースタポンプ（吸気側羽根車：１段目）とメインポンプ（排気側羽根車：２段目）の羽根車諸元が幅以外同一である必然性はなく、羽根室容積を変化させることができれば、ブースタポンプ（吸気側羽根車：１段目）とメインポンプ（排気側羽根車：２段目）の外径を異径としても良い、ということに着目したものである。なお、偏心量、羽根枚数、羽根厚さなど、外径以外の諸元についても、各々の羽根車で異なる設計をしても良い。

　本発明によれば、吸気側の第１段羽根車の外径を排気側の第２段羽根車の外径より大きくすることで排気速度の向上を図る。この場合、第１段羽根車の幅は、第２段羽根車の幅と同一もしくはそれよりも大きくすれば良い。第１段羽根車の幅を大きくすることなく外径を大きくすることにより排気速度向上を得る手法の効果として、第１段羽根車の幅を大きくする場合に比べて回転軸の軸長を短くでき、回転軸を含む回転体の固有振動数を高く設定することができ、安定した回転状態を実現しやすくなる。

　本発明の好ましい態様は、前記第１段羽根車の軸方向幅は、前記第２段羽根車の軸方向幅と同等もしくは大きいことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記第１段羽根車を収容するケーシングの収容部の外径は、前記第２段羽根車を収容するケーシングの収容部の外径よりも大きいことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記第１段羽根車のボス部外径は、前記第２段羽根車のボス部外径と同等もしくは大きいことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、排気速度が異なる複数機種の真空ポンプにおいて、前記第２段羽根車は共通の羽根車を用いることを特徴とする。

　本発明の液封式真空ポンプの第２の態様は、封液を収容するケーシングと、前記ケーシング内に収容される少なくとも１つの羽根車とを備えた液封式真空ポンプにおいて、前記羽根車を支持する主軸がケーシングを貫通する部分に軸封部品を設け、前記羽根車は、前記主軸が挿通される孔を有した円筒状のボス部と、前記ボス部から半径方向外方に延びる複数の羽根と、前記軸封部品に面する側において前記ボス部の外周から半径方向外方に延びる円環状の側板とを備え、前記側板の外径は、前記ケーシングに形成された軸封部品収容空間の内径より大きいことを特徴とする液封式真空ポンプである。

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

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

　本発明の２段液封式真空ポンプによれば、吸気側の第１段羽根車を大径化することにより、第１段羽根車の幅寸法を縮小することができるため、両羽根車の外径寸法を同一にして両羽根車の幅寸法のみ変更する従来の方式と比較すると、片持ち構造の回転軸の軸長を短縮することができる。したがって、回転軸の振れ回わり振動を防止することができ、真空ポンプの性能低下の恐れがない。また、回転軸を含む回転体の固有振動数を高く設定することができ、回転軸が高速回転しても危険速度に近づく恐れはなく、共振を起こすことがない。したがって、回転軸を含む回転体の安定した回転状態を実現しやすくなる。

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

図１は、本発明の第１の態様に係る２段液封式真空ポンプの実施形態を示す模式的断面図である。 図２は、第１段ポンプ室および第１段ポンプ室内に配置された第１段羽根車の詳細を示す図であり、図１のII－II線断面図である。 図３は、第１段羽根車のボス部の外径を第２段羽根車のボス部の外径より大きくした実施形態を示す模式的断面図である。 図４は、第１段羽根車のボス部の外径を第２段羽根車のボス部の外径より大きくした実施形態を示す模式的断面図である。 図５Ａは、両羽根車の外径寸法を同一にして両羽根車の幅寸法のみ変更した従来の２段液封式真空ポンプを示す模式図である。 図５Ｂは、真空側（吸気側）の第１段羽根車の外径を大気圧側（排気側）の第２段羽根車の外径よりも大きくした本発明の２段液封式真空ポンプを示す模式図である。 図６Ａは、図５Ａ，図５Ｂに示す真空ポンプよりも排気速度を大きくした場合の２段液封式真空ポンプを示す図であり、両羽根車の幅寸法のみ変更した従来の２段液封式真空ポンプを示す模式図である。 図６Ｂは、真空側（吸気側）の第１段羽根車の外径を大気圧側（排気側）の第２段羽根車の外径よりも大きくした本発明の２段液封式真空ポンプを示す模式図である。 図７は、本発明の第２の態様に係る液封式真空ポンプの実施形態を示す模式的断面図である。 図８は、第２段ポンプ室および第２段ポンプ室内に配置された第２段羽根車の詳細を示す図であり、図７のVIII－VIII線断面図である。 図９Ａは、図７および図８に図示された本発明の第２段羽根車を示す斜視図である。 図９Ｂは、図１１に図示された従来の第２段羽根車を示す斜視図である。 図１０Ａは、本発明の第２段羽根車の他の実施形態を示す斜視図である。 図１０Ｂは、図１０ＡのＡ部の断面形状を示す模式図である。 図１０Ｃは、図１０ＡのＢ部の断面形状を示す模式図である。 図１１は、従来の液封式真空ポンプの主要構成を示す模式図である。

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

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

　図１に示すように、第１段羽根車４と第２段羽根車５はモータ６の回転軸７の軸端部に取り付けられている。第１段羽根車４と第２段羽根車５とを支持する回転軸７は、モータ６のモータケーシング１３に設けられた軸受１４によって片持ち構造（オーバーハング構造）で支持されている。真空側（吸気側）の第１段羽根車４の外径Ｄ１は、大気圧側（排気側）の第２段羽根車５の外径Ｄ２より大きく設定されている。図１では、第１段羽根車４と第２段羽根車５とを収容するケーシングを単一のケーシング３として図示しており、ケーシング３において第１段羽根車４を収容する収容部の外径は、第２段羽根車５を収容する収容部の外径よりも大きく設定されている。第１段羽根車４と第２段羽根車５とをそれぞれ個別のケーシングに収容する場合には、第１段羽根車４を収容するケーシングの外径は、第２段羽根車５を収容するケーシングの外径よりも大きく設定される。

　図２は、第１段ポンプ室１および第１段ポンプ室１内に配置された第１段羽根車４の詳細を示す図であり、図１のII－II線断面図である。図２に示すように、ケーシング３は内部に円形の内部空間を有し、この内部空間が第１段ポンプ室１になっている。回転軸７には第１段羽根車４が固定されており、第１段羽根車４はケーシング３の円形の内部空間（第１段ポンプ室１）に対して偏心している。第１段羽根車４は、厚肉の円筒形のボス部４１と、ボス部４１から等間隔に放射状に延びる複数の羽根４２とを備えている。図２において、第１段羽根車４は反時計回りに回転する。複数の羽根４２は、外側部分が回転方向に向けて湾曲した形状を有している。ケーシング３の内部空間には、その約半分の容積を満たす量の液体（例えば、水）が供給される。第１段羽根車４が回転すると、複数の羽根４２が第１段羽根車４の外周方向に液体を掻き出し、液体は、遠心力によってケーシング３の内面に沿って周回し、環状の液膜（液環）ＬＦを形成する。第１段ポンプ室１では、液膜ＬＦと隣接する２枚の羽根４２とによって形成される各羽根室の容積変化を利用して気体を圧縮しポンプ作用を行う。図２では、第１段ポンプ室１および第１段羽根車４を図示したが、第２段ポンプ室２および第２段羽根車５も、サイズ（ポンプ室内径，羽根車外径）は異なるが、同様の構成になっている。

　第１段羽根車４のボス部４１の外径は、第２段羽根車５のボス部の外径と同等もしくは大きい。図１および図２においては、第１段羽根車４のボス部４１の外径が第２段羽根車５のボス部４１の外径と同等になっている実施形態を図示したが、図３および図４は、第１段羽根車４のボス部４１の外径を第２段羽根車５のボス部４１の外径より大きくした実施形態を示す模式的断面図である。
　図３に示す実施形態においては、第１段羽根車４のボス部４１の外径が第２段羽根車５のボス部４１の外径より大きくなっており、仕切壁３ｐに形成された排気ポートＰｄと吸気ポートＰｓとが斜めに連通している。
　図４に示す実施形態においては、第１段羽根車４のボス部４１の外径が第２段羽根車５のボス部４１の外径より大きくなっており、仕切壁３ｐに形成された排気ポートＰｄと吸気ポートＰｓとが、中心軸がずれて連通している。

　図５Ａ，図５Ｂは、両羽根車の外径寸法を同一にして両羽根車の幅寸法のみ変更した従来の２段液封式真空ポンプ（図５Ａ）と、真空側（吸気側）の第１段羽根車４の外径を大気圧側（排気側）の第２段羽根車５の外径よりも大きくした本発明の２段液封式真空ポンプ（図５Ｂ）とを示す模式図である。図５Ａ，図５Ｂにおいては、両真空ポンプは、同一排気速度を条件として２つの羽根車を模式的に図示している。

　図５Ａに示す従来の２段液封式真空ポンプにおいては、真空側の第１段羽根車４と大気圧側の第２段羽根車５の外径寸法Ｄを同一にして第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１を第２段羽根車５の幅寸法Ｗ２より大きくしている。このように、従来の２段液封式真空ポンプにおいては、特許文献１に記載されているように、両羽根車４，５の幅寸法のみを変更して空気流量の変化に対応している。

　図５Ｂに示す本発明の２段液封式真空ポンプにおいては、真空側（吸気側）の第１段羽根車４の外径Ｄ１を大気圧側（排気側）の第２段羽根車５の外径Ｄ２より大きくしている。このように、本発明においては、第１段羽根車４の外径寸法を第２段羽根車５の外形寸法より大きくすることにより、空気流量の変化に対応している。これにより、図５Ｂに示すように、第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１を図５Ａに示す従来の第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１に比べて短くすることができ、片持ち構造の回転軸７の軸長Ｌを短縮することができる。

　図６Ａ，図６Ｂは、図５Ａ，図５Ｂに示す真空ポンプよりも排気速度を大きくした場合の２段液封式真空ポンプを示す図であり、両羽根車の幅寸法のみ変更した従来の２段液封式真空ポンプ（図６Ａ）と、真空側（吸気側）の第１段羽根車４の外径を大気圧側（排気側）の第２段羽根車５の外径よりも大きくした本発明の２段液封式真空ポンプ（図６Ｂ）とを示す模式図である。図６Ａ，図６Ｂにおいては、両真空ポンプは、同一排気速度を条件として２つの羽根車を模式的に図示している。

　図６Ａに示す従来の２段液封式真空ポンプにおいては、真空側（吸気側）の第１段羽根車４と大気圧側（排気側）の第２段羽根車５の外径寸法Ｄを同一にして第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１を第２段羽根車５の幅寸法Ｗ２より大きくしている。このように、従来の２段液封式真空ポンプにおいては、両羽根車４，５の幅寸法のみを変更して空気流量の変化に対応している。
　また、図６Ａに示す真空ポンプは、図５Ａに示す真空ポンプよりも排気速度を大きく設定しているため、図５Ａに示す真空ポンプに比べて第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１、第２段羽根車５の幅寸法Ｗ２を増加させている。

　図６Ｂに示す本発明の２段液封式真空ポンプにおいては、真空側（吸気側）の第１段羽根車４の外径Ｄ１を大気圧側（排気側）の第２段羽根車５の外径Ｄ２より大きくしている。このように、本発明においては、第１段羽根車４の外径寸法を第２段羽根車５の外径寸法より大きくすることにより、空気流量の変化に対応している。これにより、図６Ｂに示すように、第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１を図６Ａに示す従来の第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１に比べて短くすることができ、片持ち構造の回転軸７の軸長Ｌを短縮することができる。
　また、図６Ｂに示す真空ポンプは、図５Ｂに示す真空ポンプよりも排気速度を大きく設定しているため、図５Ｂに示す真空ポンプに比べて第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１を増加させている。しかしながら、本発明では、第２段羽根車５については、図５Ｂに示す真空ポンプおよび図６Ｂに示す真空ポンプ、ともに共通の第２段羽根車５を用いている。

　図５Ａ，図５Ｂおよび図６Ａ，図６Ｂから明らかなように、真空側の第１段羽根車４を大径化することにより、第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１を縮小することができるため、両羽根車の外径寸法を同一にして両羽根車の幅寸法のみ変更する従来の方式と比較すると、片持ち構造の回転軸７の軸長を短縮することができる。したがって、回転軸７の振れ回わり振動を防止することができ、真空ポンプの性能低下の恐れがない。また、回転軸７を含む回転体の固有振動数を高く設定することができ、回転軸７が高速回転しても危険速度に近づく恐れはなく、共振を起こすことがない。したがって、回転軸７を含む回転体の安定した回転状態を実現しやすくなる。

　図５Ｂおよび図６Ｂに図示するように、本発明においては、真空ポンプの排気速度を変更した場合においても、２つの真空ポンプにおける第２段羽根車５は同一の羽根車を使用することができる。すなわち、メインポンプ（排気側羽根車）としての第２段羽根車５を排気速度が異なる複数機種において共用することができる。したがって、第２段羽根車５および第２段羽根車５を収容するケーシング部等の部品の共用化を図ることができる。

　次に、本発明の第２の態様に係る液封式真空ポンプの実施形態を図７乃至図１０Ｃを参照して説明する。図７乃至図１０Ｃにおいて、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
　図７は、本発明に係る液封式真空ポンプの実施形態を示す模式的断面図である。図７においては、液封式真空ポンプの一例として、２段液封式真空ポンプを図示している。図７に示すように、２段液封式真空ポンプは、第１段ポンプ室１と第２段ポンプ室２とを内部に形成するケーシング３を備えている。第１段ポンプ室１には吸気側の第１段羽根車４が設けられ、第２段ポンプ室２には排気側の第２段羽根車５が設けられている。第１段羽根車４と第２段羽根車５とは、直動型モータ６の同一の主軸（回転軸）７に固定されている。ケーシング３の中央部には、半径方向内方に延びる仕切壁３ｐが形成されており、この仕切壁３ｐによって第１段ポンプ室１と第２段ポンプ室２とを仕切っている。仕切壁３ｐには、第１段ポンプ室１の排気ポートＰｄと第２段ポンプ室２の吸気ポートＰｓとが形成されており、排気ポートＰｄと吸気ポートＰｓとにより第１段ポンプ室１と第２段ポンプ室２とを連通させている。

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

　図７に示すように、第１段羽根車４および第２段羽根車５は、それぞれ円筒形のボス部４１と、ボス部４１から等間隔に放射状に延びる複数の羽根４２とを備えている。排気側の第２段羽根車５のボス部４１には、軸封部品１０Ｂの収容空間に面する側に、ボス部４１の外周から半径方向外方に延びる円環状の側板４３が形成されている。側板４３の外径Ｄ５は、軸封部品１０Ｂの収容空間の内径Ｄ３より大きく設定されている。すなわち、第２段羽根車５における軸封部品１０Ｂの収容空間の内径Ｄ３と第２段羽根車５のボス径Ｄ４と側板４３の外径Ｄ５との関係は、Ｄ５＞Ｄ３＞Ｄ４に設定されている。したがって、液膜と隣接する２枚の羽根４２によって形成される各羽根室における軸封部品１０Ｂの収容空間に面する側およびボス部側（基部側）は、軸封部品１０Ｂの収容空間の内径Ｄ３より大きな外径Ｄ５を有する側板４３によって閉塞されている。したがって、ケーシング両側壁と液膜と隣接する２枚の羽根４２によって形成される各羽根室が軸封部品１０Ｂの収容空間を介して互いに連通してしまうことはなく、密閉された空間としての各羽根室を形成することができる。

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

　図８は、第２段ポンプ室２および第２段ポンプ室２内に配置された第２段羽根車５の詳細を示す図であり、図７のVIII－VIII線断面図である。図８に示すように、ケーシング３は内部に円形の内部空間を有し、この内部空間が第２段ポンプ室２になっている。主軸７には第２段羽根車５が固定されており、第２段羽根車５はケーシング３の円形の内部空間（第２段ポンプ室２）に対して偏心している。第２段羽根車５は、円筒形のボス部４１と、ボス部４１から等間隔に放射状に延びる複数の羽根４２とを備えている。図８において、ケーシング３の内部空間には、その約半分の容積を満たす量の液体（例えば、水）が供給される。第２段羽根車５が回転すると、複数の羽根４２が第２段羽根車５の外周方向に液体を掻き出し、液体は、遠心力によってケーシング３の内面に沿って周回し、環状の液膜（液環）ＬＦを形成する。第２段ポンプ室２では、ケーシング両側壁と液膜ＬＦと隣接する２枚の羽根４２とによって形成される各羽根室Ｒｂの容積変化を利用して気体を圧縮しポンプ作用を行う。

　図９Ａ，図９Ｂは、図７および図８に図示された本発明の第２段羽根車５（図９Ａ）と、図１１に図示された従来の第２段羽根車５（図９Ｂ）とを示す斜視図である。
　図９Ａに示すように、本発明の第２段羽根車５は、円筒形のボス部４１と、ボス部４１から等間隔に放射状に延びる複数の羽根４２と、ボス部４１から半径方向外方に延びる円環状の側板４３とを備えている。ボス部４１、複数の羽根４２および側板４３を備えた第２段羽根車５は、鋳造によって一体成形される。側板４３は、軸封部品１０Ｂの収容空間に面する側であってボス部４１の端部に設けられており、また側板４３は、各羽根４２の幅方向端面４２ａおよび半径方向内端４２ｂに接続されている（図７参照）。また、ボス部４１には、主軸７を嵌合するための貫通孔４１ｈやキーを挿入するためのキー溝４１ｋ等が形成されている。

　図９Ｂに示す従来の第２段羽根車５は、図１１にも図示したように側板４３を備えていないが、隣接する２枚の羽根４２同士を連結するための円環形状に形成された連結リング４４を備えている。連結リング４４は、各羽根４２の先端部で幅方向の中央部に設けられている。従来の第２段羽根車５は、側板４３を備えていない点と連結リング４４を備えている点が図９Ａ示す本発明の第２段羽根車５と異なっている。
　従来の第２段羽根車５においては、連結リング４４は各羽根４２の剛性を高めるために設けられているが、本発明の第２段羽根車５においては、側板４３により各羽根４２の剛性を高めることができるために連結リング４４を省略したものである。

　図１０Ａは、本発明の第２段羽根車５の他の実施形態を示す斜視図であり、図１０Ｂは図１０ＡのＡ部の断面形状を示す模式図であり、図１０Ｃは図１０ＡのＢ部の断面形状を示す模式図である。
　図１０Ａに示すように、本実施形態の第２段羽根車５は、隣接する２枚の羽根４２同士を連結するために円環状に形成された連結リング４４を備えている。すなわち、本実施形態の第２段羽根車５は、連結リング４４と側板４３とを併用している。連結リング４４は、各羽根４２の先端部で各羽根４２の幅方向端部に位置し、かつ側板４３の外周側に位置している。図１０Ａに示す第２段羽根車５におけるその他の構成は、図９Ａに示す第２段羽根車５と同様である。
　図１０Ｂは連結リング４４の断面形状を示す図である。図１０Ｂに示すように、連結リング４４の断面形状は、半円（左端）、三角（左から２番目）、台形（左から３番目）、鉛直方向に長軸がある半楕円（左から４番目）、水平方向に長軸がある半楕円（右端）等である。連結リング４４の断面形状は、いずれも、羽根４２の幅方向端部側（図１０Ｂにおいて左側）から幅方向内方（図１０Ｂにおいて右側）に向かって先細になっている。
　図１０Ｃは側板４３の断面形状を示す図である。図１０Ｃに示すように、側板４３の断面形状は、長方形（左側）、台形（右側）等である。右側の図で示す側板４３の断面形状は、ボス部４１から羽根４２の外周側に向かって先細になっている。

　次に、図９Ｂに示す従来の第２段羽根車５と、図１０Ａに示す本発明の第２段羽根車５とについて鋳造の観点から説明する。
　従来の羽根車は、図９Ｂに示すように、主軸７の軸方向と直交する面と平行、かつ幅方向中心に連結リング４４が配置されており、上型と下型の分割面をリング部に設定し鋳造を行っていた。
　連結リング４４と側板４３を併用する場合、従来の羽根車のような幅方向中心に連結リングが形成されていると、型の分割面を設定できず製作が難しくなる。そこで、図１０Ａに示す本発明の羽根車のように、側板４３と連結リング４４を第２段羽根車５の排気側に設け、かつ連結リング４４の断面形状を半円にすることで、型の分割を行うことができる。連結リング４４の断面形状は、図１０Ｂに示すように、三角，台形などの多角形、半楕円など、型の分割が可能となる断面形状であれば任意に設定可能である。

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

　本発明は、モータの主軸（回転軸）の軸端部に２段のインペラ（羽根車）を取り付けた２段液封式真空ポンプに利用可能である。また、本発明は、円形ケーシングと、円形ケーシングの中心に対し偏心して取り付けられた羽根車と、羽根車を支持する主軸がケーシングを貫通する部分に設置された軸封部とを備えた液封式真空ポンプに利用可能である。

　　１　　第１段ポンプ室
　　２　　第２段ポンプ室
　　３　　ケーシング
　　３ｐ　仕切壁
　　４　　第１段羽根車
　　５　　第２段羽根車
　　６　　モータ
　　７　　回転軸（主軸）
　　８　　吸気側カバー
　　８ｓ　吸気口
　　９　　排気ケーシング
　　９ｄ　排気口
　１０Ａ　　メカニカルシール
　１０Ｂ　軸封部品
　１２　　モータフランジ
　１３　　モータケーシング
　１４　　軸受
　４１　　ボス部
　４１ｈ　貫通孔
　４１ｋ　キー溝
　４２　　羽根
　４２ａ　幅方向端面
　４２ｂ　半径方向内端
　４３　　側板
　４４　　連結リング
　Ｄ１　　第１段羽根車の外径
　Ｄ２　　第２段羽根車の外径
　Ｄ３　　軸封部品の収容空間の内径
　Ｄ４　　第２段羽根車のボス径
　Ｄ５　　側板の外径
　ＬＦ　　液膜（液環）
　Ｐｄ　　排気ポート
　Ｐｓ　　吸気ポート
　Ｒｂ　　羽根室
　Ｗ１　　第１段羽根車の幅寸法
　Ｗ２　　第２段羽根車の幅寸法

Claims (12)

1. 　第１段ポンプ室内に設けた第１段羽根車と第２段ポンプ室内に設けた第２段羽根車とを同一回転軸に固定し、第１段ポンプ室の排気ポートと第２段ポンプ室の吸気ポートとを連通した２段液封式真空ポンプにおいて、
   　前記第１段羽根車の外径を前記第２段羽根車の外径より大きくしたことを特徴とする２段液封式真空ポンプ。
2. 　前記第１段羽根車の軸方向幅は、前記第２段羽根車の軸方向幅と同等もしくは大きいことを特徴とする請求項１記載の２段液封式真空ポンプ。
3. 　前記第１段羽根車を収容するケーシングの収容部の外径は、前記第２段羽根車を収容するケーシングの収容部の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の２段液封式真空ポンプ。
4. 　前記第１段羽根車のボス部外径は、前記第２段羽根車のボス部外径と同等もしくは大きいことを特徴とする請求項１記載の２段液封式真空ポンプ。
5. 　排気速度が異なる複数機種の真空ポンプにおいて、前記第２段羽根車は共通の羽根車を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の２段液封式真空ポンプ。
6. 　封液を収容するケーシングと、前記ケーシング内に収容される少なくとも１つの羽根車とを備えた液封式真空ポンプにおいて、
   　前記羽根車を支持する主軸がケーシングを貫通する部分に軸封部品を設け、
   　前記羽根車は、前記主軸が挿通される孔を有した円筒状のボス部と、前記ボス部から半径方向外方に延びる複数の羽根と、前記軸封部品に面する側において前記ボス部の外周から半径方向外方に延びる円環状の側板とを備え、
   　前記側板の外径は、前記ケーシングに形成された軸封部品収容空間の内径より大きいことを特徴とする液封式真空ポンプ。
7. 　前記側板は、端面の少なくとも一方が、前記主軸の軸方向と直交する面と平行になっていることを特徴とする請求項６記載の液封式真空ポンプ。
8. 　前記側板は、前記各羽根の幅方向端面および半径方向内端に接続されていることを特徴とする請求項６または７記載の液封式真空ポンプ。
9. 　前記ボス部と前記複数の羽根と前記側板とを有した前記羽根車は、鋳造により一体成形されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
10. 　前記複数の羽根を隣接する羽根間で互いに連結する円環状の連結リングを備え、
    　前記連結リングは、前記各羽根の幅方向端部に位置し、かつ前記側板の外周側に位置していることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。
11. 　前記連結リングは、前記各羽根の幅方向端部側から幅方向内方に向かって先細になった断面形状を有することを特徴とする請求項１０記載の液封式真空ポンプ。
12. 　前記液封式真空ポンプは、吸気側の第１段羽根車と排気側の第２段羽根車とを備えた２段液封式真空ポンプからなり、
    　前記側板は前記第２段羽根車に設けられていることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか一項に記載の液封式真空ポンプ。

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