JP2536571B2 - 渦流形タ―ボ機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、渦流形の真空ポンプ、圧縮機及びタービン
等、羽根車の回転により流体に螺旋運動を与え、この角
運動エネルギを圧力に変換する渦流形ターボ機械の改良
に関するものである。

（従来の技術） 従来より、この種の渦流形ターボ機械としては、例え
ば、特開昭52-142313号公報に開示されているように、
多数の羽根を有する羽根車をハウジング内に回転可能に
配置し、上記羽根車を駆動モータの駆動によって回転さ
せ、流体をハウジングの吸込口より該ハウジング内の主
流路に吸い込み、該主流路内において流体を主流路の軸
方向に螺旋運動させながら移送しつつ圧縮し、吐出口よ
りハウジング外に吐出させるようにしたものが知られて
いる。

この渦流形ターボ機械における羽根車は、第８図に示
すように、ハブ（ａ）の外周面（ｂ）に多数の羽根
（ｃ）が放射状に延設されて成り、該羽根（ｃ）がハウ
ジング（ｄ）内の主流路（ｅ）に臨んでいる。そして、
上記羽根（ｃ）は、ハブ（ａ）の前面から後端外周面に
亘って扇状に形成されており、流体は羽根前縁（ｆ）の
根元より該羽根（ｃ）に流入し、ハブ外周面（ｂ）の円
弧面に倣って流れ、羽根後縁（ｇ）である外周より流出
して再び羽根前縁（ｆ）の根元より流入することにな
り、該動作を繰り返して螺旋運動することになる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述した渦流形ターボ機械において
は、羽根（ｃ）が主流路（ｅ）に大きく突出し、ハブ外
周面（ｂ）を中心角が略90度の扇状に形成しているた
め、羽根（ｃ）内における流体の回転移動距離が大き
く、上記主流路（ｅ）の軸方向に対する流体の進み角度
が大きく、つまり、流体が羽根（ｃ）に流入してから流
出するまでの間に主流路（ｅ）の軸方向に進む距離が大
きくなり、主流路（ｅ）を吸込口から吐出口までに流れ
る間において、流体の回転数が少なかった。しかも、流
体が各羽根（ｃ）と干渉し、大きい流体損失を生じるた
め、流速が低下するという問題があった。従って、第４
図破線（P1）に示すように、吸込圧と吐出圧との圧力比
が低く、特に排気速度の大きさに拘らず全域に亘って圧
力比が低く、圧縮効率が悪いという問題があった。

本発明は、斯かる点に鑑み、流体がハブの両端面に亘
って略真直に羽根を通り抜けるようにして、該羽根によ
って生ずる流体の進み角を小さくすると共に、羽根との
干渉を低減し、圧縮効率の向上を図ることを目的とする
ものである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明が講じた手段は、
第１図及び第２図に示すように、先ず、流体の吸込口
（61）及び吐出口（62）が開設された中空環状部（23）
を有するハウジング（２）が設けられている。そして、
該ハウジング（２）の中空環状部（23）内には流体の主
流路（24）が形成されている。加えて、上記ハウジング
（２）内には、駆動軸（７）に連結され且つ該駆動軸
（７）と直交する方向に延びるハブ（31）を有し、上記
主流路（24）の内周部に臨む複数枚の羽根（32,32,…）
が、駆動軸方向のほぼ円筒面に形成されたハブ外周面
（31a）に突設されて成り、吸込口（61）より主流路（2
4）に吸込まれた流体を螺旋状に移送しつつ圧縮して吐
出口（62）よりハウジング（２）外に吐出させる羽根車
（３）が収納されている渦流形ターボ機械を対象として
いる。更に、上記羽根車（３）は、ハブ外周面（31a）
が主流路（24）の一部を形成すると共に、羽根（32）の
通過時の流体流れが駆動軸方向のほぼ軸流流れになるよ
うに構成されている。一方、上記主流路（24）は、複数
枚の羽根（32,32,…）のみが臨む断面円形の環状空間に
形成されると共に、主流路（24）における羽根（32）の
出口側の最後方点と羽根後縁（32b）と間の通路幅
（Ｓ）が、ハブ外周面（31a）から羽根（32）の先端ま
でのスパン長さ（Ｌ）より長く形成されている。

（作用） 上記構成により、本発明では、羽根車（３）を回転す
ると、流体は吸込口（61）より主流路（24）に吸込ま
れ、該主流路（24）内において、羽根前縁（32a）より
該羽根（32）に流入し、後縁（32b）より流出して主流
路（24）内を回転し、再び羽根（32）に流入することに
なる。そして、流体は上記羽根（32）により角運動エネ
ルギを得て回転しつつ主流路（24）の軸方向に流れ、こ
の螺旋運動により圧縮されて吐出口（62）よりハウジン
グ（２）外に吐出される。

従って、流体は羽根車（３）のハブ（31）の両面に亘
って略真直に羽根（32）を通り抜け、角運動エネルギを
得ることになり、該羽根（32）によって生じる流体の進
み角が小さくなるので、流体の回転数が多くなり、羽根
（32）を通る回数が多くなることから、与えられる角運
動エネルギが大きくなり、圧縮効率を従来に比して大幅
に向上させることができる。

また、流体が羽根（32）に干渉することがなく、スム
ーズに渦流を形成するので、流速を高めることができ、
一層圧縮効率を向上させることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図及び第２図に示すように、（１）は渦流形ター
ボ機械としての圧縮ポンプであって、気体等の各種流体
を螺旋状に移送しつつ圧縮して吐出するようにしてい
る。

該圧縮ポンプ（１）はハウジング（２）内に羽根車
（３）が収納されて構成されており、該ハウジング
（２）は、第１図において左右に分割された第１ハウジ
ング部材（21）と第２ハウジング部材（22）とを一体的
に組合わせて形成されている。そして、該両ハウジング
部材（21,22）は、上記羽根車（３）の両端面を覆うデ
ィスク部（21a,22a）と、該ディスク部（21a,22a）の外
周縁に連続形成され、半円弧状の環状凹部を有する半ト
ーラス部（21b,22b）とより成り、該両半トーラス部（2
1b,22b）で中空環状部（23）を形成している。

該中央環状部（23）内には、流体の主流路（24）が環
状空間で構成され、該主流路（24）は、液体のガイド部
材（コア）等が設けられていないほぼ完全な断面円形な
空間で構成されている。

更に、上記主流路（24）には、中空環状部（23）の内
周面に所定幅のストリッパ部材（５）が設けられてい
て、上記主流路（24）を高圧側と低圧側とに区画してい
る。そして、該ストリッパ部材（５）の内周部には上記
羽根車（３）が通る案内路（51）が刳設されており、該
ストリッパ部材（５）の一側方（第２図において右側）
には第１ハウジング部材（21）の半トーラス部（21b）
に流体の吸込口（61）が、他側方（第２図において左
側）には第２ハウジング部材（22）の半トーラス部（22
b）に流体の吐出口（62）がそれぞれ開設されていて、
該吸込口（61）から導入された流体と吐出口（62）から
吐出される流体とがストリッパ部材（５）で合流しない
ように構成されている。

一方、上記羽根車（３）は、円板状のハブ（31）の外
周面（31a）に複数枚の羽根（32）が放射状に延設され
て構成されている。該ハブ（31）の両端面は上記両ハウ
ジング部材（21,22）のディスク部（21a,22a）が近接し
て覆われており、該ハブ（31）の中央部に駆動軸（７）
が連結されて該ハブ（31）が駆動軸（７）と直交する方
向に延びている。該駆動軸（７）は上記主流路（24）及
びガイド部材（４）と同心上に位置し、上記第２ハウジ
ング部材（22）のディスク部（22a）を貫通し、図示し
ないが、外端にモータが連結されており、該モータの駆
動により羽根車（３）が回転するように成っている。

また、上記ハブ外周面（31a）は、駆動軸（７）と同
心上の円筒面に形成され、上記主流路（24）外周面の一
部を構成している。

上記羽根車（３）の羽根（32）は、第３図に示すよう
に、上記ハブ外周面（31a）より遠心方向に突出して上
記主流路（24）内に臨んでおり、先端が上記ガイド部材
（４）の内周部に近接するように形成されている。更
に、該羽根（32）は、上記ハブ（31）の両端面に亘って
形成され、流体が羽根前縁（32a）から後縁（32b）に通
り抜けると、上記ハブ（31）の前面から後面に通り抜け
るように成っており、該羽根（32）の通過時の流れがほ
ぼ軸流流れになり、この羽根（32）通過時に角運動エネ
ルギが流体に与えられるように構成されている。

そして、上記主流路（24）は、図１に示すように、該
主流路（24）における羽根（32）の出口側の最後方点と
羽根後縁（32b）と間の通路幅（Ｓ）が、ハブ外周面（3
1a）から羽根（32）の先端までのスパン長さ（Ｌ）より
長く形成され、流体が羽根（32）の先端より短絡的に流
出しないようにしている。

更に、上記羽根（32）は、翼形が略三日月状に形成さ
れて所定の反りを有するように形成されており、該羽根
（32）の流入角（β_１）及び流出角（β_２）は、例え
ば、45°に形成され、該流入角（β_１）によって流体が
スムーズに羽根（32）に流入する一方、流出角（β_２）
によって羽根（32）に流出時に大きなエネルギが与えら
れるように成っている。

次に、この圧縮ポンプ（１）の圧縮動作について説明
する。

先ず、モータを駆動して駆動軸（７）を回転すると、
羽根車（３）がハウジング（２）内で回転し、各羽根
（32,32,…）が主流路（24）内を回転移動することにな
る。一方、流体は吸込口（61）よりハウジング（２）内
の主流路（24）に吸込まれ、羽根前縁（32a）より該羽
根（32）に流入し、後縁（32b）より流出することにな
り、この羽根（32）によって流体に角運動エネルギが与
えられ、上記主流路（24）の外周部を回転し、再び羽根
（32）に流入することになる。そして、流体は上記回転
を繰り返しつつ主流路（24）の軸方向に移送され、螺旋
運動して圧縮され、吐出口（62）よりハウジング（２）
外に吐出されることになる。

特に、流体はハブ（31）の前面から後面に亘って羽根
（32）を通り抜けることになるので、該羽根（32）によ
って生ずる流体の進み角が小さく、流体が一回転する間
に主流路（24）の軸方向に進む距離が小さくなり、吸込
口（61）から吐出口（62）まで移送される間の回転数が
増加することになる。

しかも、流体は第２図に示すように、吸込口（61）側
で進み角が大きく、吐出口（62）にいくに従って進み角
が小さくなって、回転数が多くなり、羽根（32）を通る
回数が増加することになるので、流体に与えられる角運
動エネルギが増大することになる。その上、上記羽根
（32）は前縁（32b）側及び後縁（32b）側が湾曲して反
りを有しているため、流体が羽根（32）にスムーズに流
入すると共に、羽根（32）の流出時に大なるエネルギが
与えられることになる。

更に、上記羽根（32）と流体とが干渉することがな
く、スムーズに渦流を形成するので、流速を高めること
ができる。

また、上記主流路（24）における羽根（32）の出口側
の通路幅（Ｓ）が、羽根（32）のスパン長さ（Ｌ）より
長いので、流体が羽根（32）の先端より短絡的に流出す
ることがなく、性能の向上を図ることができる。

従って、第４図実線（P2）に示すように、吸込圧と吐
出圧との圧力比を従来（破線（P1）参照）に比して大幅
に向上させることができ、圧縮効率（ポンプ効率）を向
上させることができる。

第５図は他の実施例を示し、中空環状部（23′）が卵
形に形成されており、ハブ外周面（31a′）が上記中空
環状部（23′）に倣ってやや円弧状に形成されている。
更に、上記ハブ外周面（31a′）に突設された羽根（3
2′）の子午面はやや扇状に形成されている。その他の
構成並びに作用・効果は前実施例と同じである。

第６図及び第７図は本発明の渦流形圧縮ポンプ
（１′）を用いた複合真空ポンプ（A1,A2）を示し、半
導体製造装置などの真空室から空気を排除し、清浄な真
空を作り出すものである。

第６図に示す複合真空ポンプ（A1）は、ケーシング
（10）内にねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）と２台の渦流形圧
縮ポンプ（１′,1′）とが多段に組み合されて収納され
ている。該ケーシング（10）の上部中央には上記真空室
に開放される流入口（10a）が、下部側面には大気に開
放される流出口（10b）がそれぞれ開設されている。更
に、上記ケーシング（10）内には中央部に駆動軸（11）
が上下に亘って設けられ、該駆動軸（11）は円筒状のボ
ス部材（11a）が一体に回転するように外嵌されると共
に、上端部がケーシング（10）上部のフレーム（10c）
に、下端部がケーシング（10）の底部に回転自在に嵌合
されて支持されている。

また、上記駆動軸（11）の下部には駆動モータ（12）
が連結されており、該駆動モータ（12）はケーシング
（10）に固定されたステータ（12a）と、駆動軸（11）
が嵌挿されたロータ（12b）とより成り、上記駆動軸（1
1）を回転するようにしている。

上記ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）は、上下一対の円板状
ロータ（13,13）と、上下一対の円環状のステータ（14,
14）とが交互に重畳配設されて成り、上記ケーシング
（10）の流入口（10a）側（第５図において上部）に設
けられている。上記ロータ（13,13）は中央部に上記駆
動軸（11）が嵌入されて水平に該駆動軸（11）に固定さ
れると共に、該両ロータ（13,13）は上記ボス部材（11
a）により所定間隔を存して並設され、上記駆動軸（1
1）の回転によって回転するように成っている。

また、上記ステータ（14,14）は外周縁部にてケーシ
ング（10）に水平に固定されると共に、上部のステータ
（14）は上記両ロータ（13,13）間に、下部のステータ
（14）は下部のロータ（13）の下方にそれぞれ並設され
ており、上記各ロータ（13,13）と各ステータ（14,14）
とは対向面が近接するように設けられている。更に、上
記上部のステータ（14）の両面及び下部のステータ（1
4）の上面にはそれぞれ螺旋溝（14a,14a,14a）が刳設さ
れて３段のポンプ段に構成しており、上記ロータ（13,1
3）の回転により流入口（10a）からケーシング（10）内
に空気を吸込み、上記各螺旋溝（14a,14a,14a）に導入
して圧縮し、上記渦流形圧縮ポンプ（１′）に送り出し
ている。

一方、上記渦流形圧縮ポンプ（１′）は第１図に示す
ものと同様であるが、駆動軸（11）は羽根車（３）及び
ハウジング（２′）を貫通しており、該ハウジング
（２′）はディスク部（21a′,22a）と半トーラス部（2
1b,22b）とを覆う外函部（21c,22c）を備え、該外函部
（21c,22c）内が冷却水等が循環する冷却路（21d,22d）
と成っている。

そして、該冷却路（21d,22d）には冷却水等の流入管
（25a）及び流出管（25b）が連通されている。更に、図
示しないが、上部渦流形圧縮ポンプ（１′）の吐出口
（62）は下部渦流形圧縮ポンプ（１′）の吸込口（61）
に連通している。

次に、上記複合真空ポンプ（A1）の作用について説明
する。

先ず、駆動用モータ（12）を始動すると、ねじ溝形圧
縮ポンプ（Ｓ）及び渦流形圧縮ポンプ（１′,1′）が共
に起動し、真空室の空気が流入口（10a）よりケーシン
グ（10）内に吸込まれる。この吸込まれた空気は、先
ず、上記ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）の両ロータ（13,1
3）の回転により、上部ステータ（14）の上面螺旋溝（1
4a）に導入して求心方向に螺旋運動した後、下面螺旋溝
（14a）に移って遠心方向に螺旋運動し、その後、下部
ステータ（14）の上面螺旋溝（14a）に移り、再び求心
方向に螺旋運動して空気は10Torr程度に圧縮されて下方
に吐出される。

続いて、上記ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）より吐出され
た空気は、流入口（10a）側の渦流形圧縮ポンプ
（１′）の吸込口（61）より主流路（24）に導入し、羽
根車（３）の回転により該主流路（24）内を螺旋運動し
つつ主流路（24）の軸方向に進み、この螺旋運動中にお
いて羽根（32）により角運動エネルギが与えられて圧縮
される。その後、上記空気は流入口（10a）側の渦流形
圧縮ポンプ（１′）の吐出口（62）より吐出し、流出口
（10b）側の渦流形圧縮ポンプ（１′）の吸込口（61）
より該圧縮ポンプ（１′）の主流路（24）に吸込まれ、
上述と同様に螺旋運動して760Torr程度に圧縮され、吐
出口（62）より吐出して、ケーシング（10）の流出口
（10b）より大気に放出される。

第７図に示す複合真空ポンプ（A2）は、他のねじ溝形
圧縮ポンプ（Ｓ′）を用いたもので、該ねじ溝形圧縮ポ
ンプ（Ｓ′）は、駆動軸（11）に連結された円筒状のロ
ータ（15）で構成され、該ロータ（15）の外周面に螺旋
溝（15a）が刳設されている。従って、ケーシング（1
0）に吸込まれた空気はケーシング（10）と螺旋溝（15
a）との空間に導入して圧縮された後、渦流形圧縮ポン
プ（１′）に送られることになる。その他の構成並びに
作用・効果は第６図に示すものと同様である。

尚、本発明は、圧縮ポンプ（１）の他、タービンなど
各種の渦流形ターボ機械に適用することができる。

また、羽根（32）はハブ（31）の厚さより小さく形成
してもよい。

（発明の効果） 以上のように、本発明に渦流形ターボ機械によれば、
流体がハブの前面から後面に亘って略真直に羽根を通り
抜けるようにしたために、該羽根によって生ずる流体の
進み角を小さくすることができるので、主流路内におい
て流体の螺旋状の回転が多くなり、羽根を通る回数が増
加することから、流体に与えられる角運動エネルギが大
きくなり、圧縮効率を向上させることができる。

また、流体が羽根にに干渉することがなく、スムーズ
に渦流を形成するので、流速を高めることができ、一層
圧縮効率を向上させることができる。

また、上記主流路における羽根の出口側の通路幅が、
羽根のスパン長さより長いので、流体が羽根の先端より
短絡的に流出することがなく、性能の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】 第１図〜第７図は本発明の実施例を示し、第１図は渦流
形圧縮ポンプの縦断面図、第２図は第１図II-II線にお
ける断面図、第３図は第２図III-III線における展開図
である。第４図は排気速度に対する圧力比の特性図であ
る。第５図は他の渦流形圧縮ポンプの縦断面図、第６図
は複合真空ポンプの縦断面図、第７図は他の複合真空ポ
ンプの縦断面図である。第８図は従来の渦流形ターボ機
械の要部を示す断面図である。 （１′,1′）……圧縮ポンプ、（2,2′）……ハウジン
グ、（３）……羽根車、（23,23′）……中空環状部、
（24）……主流路、（31）……ハブ、（31a）……ハブ
外周面、（32）……羽根、（32a）……前縁、（32b）…
…後縁、（A1,A2）……複合真空ポンプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−142313（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−25902（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−57294（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭46−39385（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許3869220（ＵＳ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の吸込口（61）及び吐出口（62）が開
   設された中空環状部（23）を有するハウジング（２）
   と、 該ハウジング（２）の中空環状部（23）内に形成された
   流体の主流路（24）と、 駆動軸（７）に連結され且つ該駆動軸（７）と直交する
   方向に延びるハブ（31）を有し、上記主流路（24）の内
   周部に臨む複数枚の羽根（32,32,…）が、駆動軸方向の
   ほぼ円筒面に形成されたハブ外周面（31a）に突設され
   て成り、上記ハウジング（２）内に収納されて吸込口
   （61）より主流路（24）に吸込まれた流体を螺旋状に移
   送しつつ圧縮して吐出口（62）よりハウジング（２）外
   に吐出させる羽根車（３）と を備えている渦流形ターボ機械であって、 上記羽根車（３）は、ハブ外周面（31a）が主流路（2
   4）の一部を形成すると共に、羽根（32）の通過時の流
   体流れが駆動軸方向のほぼ軸流流れになるように構成さ
   れている一方、 上記主流路（24）は、複数枚の羽根（32,32,…）のみが
   臨む断面円形の環状空間に形成されると共に、主流路
   （24）における羽根（32）の出口側の最後方点と羽根後
   縁（32b）と間の通路幅（Ｓ）が、ハブ外周面（31a）か
   ら羽根（32）の先端までのスパン長さ（Ｌ）より長く形
   成されている ことを特徴とする渦流形ターボ機械。