JP5284940B2 - 多段真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、複数のポンプ室が直列に連結され、ポンプ室ごとに配置された一対のロータが回転することにより圧縮空間を容積変化させ、吸引したガスを上段側から下段側に向けて順に圧縮する多段真空ポンプに関する。

従来から、複数のポンプ室が直列に連結された多段真空ポンプが広く用いられている。
一例として、図１０に多段真空ポンプの内部構造を示す。この真空ポンプは、不図示のハウジング内に軸７１と軸７２とが平行に配置され、軸７１に取り付けられたロータ５１〜５４と、軸７２に取り付けられたロータ６１〜６４とがそれぞれ一対となり、不図示の仕切り板で仕切られたポンプ室内で互いに非接触で回転する。

この図では、ガス流れ方向に上流側から２段目のロータ５２，６２と、３段目のロータ５３，６３と、４段目のロータ５４，６４とはクロー型ロータとなっている。クロー型ロータでは、雄ロータと雌ロータとが互いに逆回転し、両ロータとハウジング間に閉じ込められた空間の容積変化により吸込口から吸い込んだガスを圧縮する。そして、吸込口に接続された真空対象空間を真空状態とするものである。クロー型ロータを用いた真空ポンプは、例えば特許文献１（特開２００８−８８８７９号公報）に開示されている。

図１１は従来の多段真空ポンプの吸気・圧縮・排気過程を説明する図である。図１１（Ａ）に示すように、吸気及び排気終了時点では、雄ロータ５２と雌ロータ６２とにより吸気口７３と排気口７４とが閉鎖した状態となっており、さらに両ロータ５２、６２が回転することにより、図１１（Ｂ）に示すように、吸気口７３が開放されてガスを吸気するとともに、圧縮ポケット７５を圧縮する。圧縮されたガスは、排気口７４が開放されたら排気され、後段のポンプ室に移送される。排気が終了してさらに両ロータ５２、６２が回転すると、図１１（Ｃ）に示すように、再度吸気が開始されるとともに圧縮過程に入る。

このような多段真空ポンプにおいて、前段内の圧縮ポケットで圧縮されたガスはロータの回転にしたがって開となったガス通路を通って後段へ送り込まれる。この圧縮過程と開動作のタイミングは、主に、前段内の任意の圧縮容積比をもとに設計される。

特開２００８−８８８７９号公報

一般に、多段真空ポンプにおいてロータは軸に形成されたキー溝等により固定される。この場合、製造のしやすさを優先させるため、各段の位相差がないように全段が同じ角度で同軸上に、若しくは同じ角度で雄ロータと雌ロータとが交互に配置されている。
しかしながら、各段の間のガスの圧送は、全段を通じて同じタイミングとなるので、脈動や動力変動が大きくなってしまう。これにより、騒音や振動が大きくなったり、動力変動ピークを吸収できる大型の動力源が必要となり、コストが増大するという問題があった。

したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、圧縮効率を高く維持でき、且つ脈動や動力変動を抑制できる多段真空ポンプを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の多段真空ポンプは、ハウジングと仕切り板とにより複数のポンプ室が形成され、前記仕切り板に形成されたガス通路を介して前記複数のポンプ室が連結されており、前記ポンプ室ごとに、軸に取り付けられた一対のロータが配置され、前記一対のロータが互いに噛み合いながら回転することにより、吸気したガスを圧縮し、前記ガス通路に連通した排気側凹部で排気する多段真空ポンプにおいて、前記ポンプ室の吸気から排気までの１サイクルの前記ロータの回転角度Ｃと前記ロータの段数Ｓとに対して、隣接する前記ポンプ室のロータ角度の位相角Δθが、Δθ≦Ｃ／Ｓを満たすとともに、基準位置から前記排気側凹部の開放開始点までのロータ角度ψを、ガス流れ方向上流側から順に１段目のロータ角度ψ１、ｍ段目のロータ角度ψｍ、ｎ番目のロータ角度ψｎとすると、ψ１≦ψｍ≦ψｎ且つψ１＜ψｎ（ただし、ｎ，ｍは自然数、ｎ＞ｍである）の関係を満たすように、前記軸に対する前記ロータの角度を調整したことを特徴とする。このとき、前記ロータ角度ψｍが、ψｍ≦ψｍ＋１を満たすことがより好ましい。

このように、ロータの位相角Δθを、Δθ≦Ｃ／Ｓとすることで各段において排気タイミングをずらすことができる。すなわち、複数のポンプ室において排気タイミングが同時であと脈動や動力変動ピークが増大してしまうが、本発明のように排気タイミングをずらすことにより真空ポンプから発生する音や振動を抑えることができる。また、基準位置から排気側凹部の開放開始点までのロータ角度ψを、ψ１≦ψｍ≦ψｎ且つψ１＜ψｎとすることにより、後段側のポンプ室の排気タイミングを前段側より遅らせることができ、これにより後段側のポンプ室の方が圧縮比が高くなり、真空ポンプの圧縮効率を高く維持することが可能となる。

また、前記軸と前記ロータとが固定手段により固定され、前記固定手段は、前記ロータの軸貫通部に形成された円環状の切欠部と、前記切欠部に挿入され、内周面が前記軸に接触し、外周面が前記切欠部の奥側に向けて拡径したテーパ状に形成された内側リングと、前記切欠部に挿入され、外周面が前記ロータに接触し、内周面が前記切欠部の奥側に向けて拡径したテーパ状に形成され前記内側リングに当接した外側リングと、前記外側リングを前記切欠部の開放側から奥側に向けて加圧する加圧部材とを有することが好ましい。
このように、テーパ形状の内側リングと外側リングによりロータと軸とを圧着させる構成とすることにより、軸に切削加工することなくロータと軸を固定することができる。また、ロータと軸の組み立て時に、ロータの軸周方向位置を自在に調整可能である。

さらに、前記軸と前記ロータとが固定手段により固定され、前記固定手段は、前記軸に形成されたキー溝と、前記ロータに形成され前記キー溝に係合する凸部とを有し、前記キー溝が、前記ロータの位相角に応じて前記軸の円周方向に異なる位置に複数形成されていることが好ましい。
このように、キー溝によりロータと軸とを係合させることにより、ロータの角度を精度よく設定でき、且つロータの角度がずれることを確実に防止できる。

さらにまた、前記軸と前記ロータとが固定手段により固定され、前記固定手段は、前記軸に形成されたスプライン溝と、前記ロータに形成され前記スプライン溝に係合する凸部とを有することが好ましい。
このように、軸とロータとをスプライン係合させることにより、ロータの角度調整が容易となり、且つロータの角度がずれることを確実に防止できる。
また、上記した多段真空ポンプは、クロー型真空ポンプであることが好ましく、これにより脈動や動力変動が起こりやすいクロー型真空ポンプにおいても、騒音や振動を大幅に抑制することが可能となる。

以上記載のように本発明によれば、ロータの位相角Δθを、Δθ≦Ｃ／Ｓとすることで、各段において排気タイミングをずらすことができる。すなわち、複数のポンプ室において排気タイミングが同時であと脈動や動力変動ピークが増大してしまうが、本発明のように排気タイミングをずらすことにより真空ポンプから発生する音や振動を抑えることができる。
また、基準位置から前記排気側凹部の開放開始点までのロータ角度ψを、ψ１≦ψｍ≦ψｎ且つψ１＜ψｎとすることにより、後段側のポンプ室の排気タイミングを前段側より遅らせることができ、これにより後段側のポンプ室の方が圧縮比が高くなり、真空ポンプの圧縮効率を高く維持することが可能となる。

本発明の実施形態に係る多段真空ポンプの全体構成を示す図で、（Ａ）は分解斜視図で、（Ｂ）は内部構造図である。 本発明の実施形態に係る多段真空ポンプの外観を示す図であり、（Ａ）は側面図で、（Ｂ）は斜視図である。 軸に取り付けられたロータを示す図であり、（Ａ）は斜視図で、（Ｂ）は側面図である。 排気側の仕切り板を示す図であり、（Ａ）は平面図で、（Ｂ）は側面図で、（Ｃ）は斜視図である。 吸気側の仕切り板を示す図であり、（Ａ）は平面図で、（Ｂ）は斜視図である。 ポンプ室の吸気・圧縮・排気過程を説明する図である。 テーパ状リングを含む固定手段を示す側面図である。 キー溝を含む固定手段を示す図であり、（Ａ）はロータの正面図で、（Ｂ）は軸の断面図で、（Ｃ）は軸の斜視図である。 スプライン溝を含む固定手段の断面図である 従来の多段真空ポンプの内部構造を示す斜視図である。 従来の多段真空ポンプの吸気・圧縮・排気過程を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。なお、以下に示す本実施形態では、本発明が好適に適用されるクロー型真空ポンプを例に挙げて説明する。

まず最初に、図１及び図２を参照して多段真空ポンプの全体構成を説明する。
図１は本発明の実施形態に係る多段真空ポンプの全体構成を示す図で、（Ａ）は分解斜視図で、（Ｂ）は内部構造図である。図２は本発明の実施形態に係る多段真空ポンプの外観を示す図であり、（Ａ）は側面図で、（Ｂ）は斜視図である。
本実施形態に係る多段真空ポンプ１は、主に、ハウジング１１〜１４と、ハウジング１１の吸気側に配設されたサイドカバー２と、ハウジング１４の排気側に配設されたサイドカバー４と、モータ６と、モータ６により回転駆動される軸７，８と、仕切り板１５〜１７と、軸７，８にそれぞれ取り付けられたロータ３１〜３４、ロータ４１〜４２とを備えている。

ハウジング１１〜１４は、軸７，８及びロータ３１〜３４、ロータ４１〜４２を収容している。ガス流れ方向上流側から順に、ハウジング１１、１２、１３、１４が軸方向に配置されている。ハウジング１１〜１４の吸気側にはサイドカバー２が配設され、排気側にはサイドカバー４が配設されているとともに、ハウジング１１〜１４の間には仕切り板１５〜１７が介装されている。
仕切り板１５〜１７は、軸７，８に対して垂直に配置され、且つ各仕切り板１５〜１７が軸方向に沿って並行に配設されている。なお、ハウジング１１〜１４と仕切り板１５〜１７はそれぞれ別体とした例を示したが、ハウジング１１〜１４と仕切り板１５〜１７を各段ごとに一体化して形成してもよい。

そして、上段側から順に、サイドカバー２とハウジング１１と仕切り板１５とにより１段目ポンプ室２１が形成され、仕切り板１５とハウジング１２と仕切り板１６とにより２段目ポンプ室２２が形成され、仕切り板１６とハウジング１３と仕切り板１７とにより３段目ポンプ室２３が形成され、仕切り板１７とハウジング１４とサイドカバー４とにより４段目ポンプ室２４が形成されている。
吸気側のサイドカバー２にはガス吸込口３が設けられており、排気側のサイドカバー４には排気口５が設けられている。仕切り板１５〜１７には、隣り合うポンプ室２１〜２４を連通するガス通路２８（図４、図５参照）が設けられている。
ガス吸込口３から吸い込まれたガスは各段のポンプ室２１〜２４で、後で詳述するロータの回転動作により圧縮された後に排気口５より排気される。

各段のポンプ室２１〜２４内には、軸７により回転するロータ３１〜３４と、軸８により回転するロータ４１〜４４が収容されている。
２本の軸７，８は平行に配置されている。軸７，８はそれぞれモータ６に連結し、このモータ６により回転駆動する。このとき、軸７と軸８は、端部にそれぞれ設けられたギヤ９ａ、９ｂにより回転タイミングが同期するようになっている。

図３乃至図５を参照して、多段真空ポンプの内部構造を説明する。
図３は軸に取り付けられたロータを示す図であり、（Ａ）は斜視図で、（Ｂ）は側面図である。図４は排気側の仕切り板を示す図であり、（Ａ）は平面図で、（Ｂ）は側面図で、（Ｃ）は斜視図である。図５は吸気側の仕切り板を示す図であり、（Ａ）は平面図で、（Ｂ）は斜視図である。
図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、軸７に取り付けられたロータ３１〜３４は、軸８に取り付けられたロータ４１〜４４とそれぞれ対応して、一対の雌ロータと雄ロータとからなるロータセットを形成している。例えば雌ロータ３１と雄ロータ４１とは、わずかな隙間を保持して互いに噛み合いながら逆方向に回転する。図３では、軸７，８の軸方向にそれぞれ雌ロータと雄ロータとが交互に配置された構成を例示しているが、同一軸に雄ロータまたは雌ロータのいずれか一方のみが配置された構成としてもよい。

なお、ロータ３１〜３４及びロータ４１〜４４の厚さは全て同一であってもよいし、図示されるように上段側から下段側に向けて厚さが小さくなるようにしてもよい。
また、図３では、１サイクルで圧縮過程を２回行なうようなロータ形状としているが、ロータ形状はこれに限定されるものではない。他にも、１サイクルで圧縮過程を１回行なうもの、あるいはサイクルで圧縮過程を３回行なうものなどを用いることができる。

図４（Ａ）は図１のＤ方向矢視図、すなわちＤ方向から見た、仕切り板１５の排気側面を表す平面図であり、図４（Ｂ）は仕切り板１５の排気側面を上にした側面図であり、図４（Ｃ）は斜視図である。
これらの図に示すように、仕切り板１５の排気側面には、雌ロータ３１の取り付けられた軸７が貫通する軸貫通部２５と、雄ロータ４１の取り付けられた軸８が貫通する軸貫通部２６と、雌ロータ３１側の軸貫通部２５の外周に沿って湾曲して形成された排気側凹部２７と、仕切り板１５を貫通して排気側凹部２７に連通するガス通路２８とを有する。排気側凹部２７の縁２７ａと縁２７ｂの位置及び形状は、前段ロータの外径と位相角によって決定される。また、図中の矢印は、ロータ３１、４１（不図示）の回転方向を示し、排気側凹部２７は開放開始点Ｐから開放される。

図５（Ａ）は、図１のＥ方向矢視図、すなわちＥ方向から見た、仕切り板１５の吸気側面を表す平面図であり、図５（Ｂ）は仕切り板１５の吸気側面を下にした斜視図である。
これらの図に示すように、仕切り板１５の吸気側面には、図４と同様に軸７が貫通する軸貫通部２５と、軸８が貫通する軸貫通部２６と、軸貫通部２５の外周に沿って湾曲し、軸貫通部２６側まで延びた吸気側凹部２９と、仕切り板１５を貫通して吸気側凹部２９に連通するガス通路２８とを有する。吸気側凹部２９の縁２９ａと縁２９ｂの位置及び形状は、後段ロータの外径と位相角によって決定される。また、図中の矢印は、ロータ３２、４２（不図示）の回転方向を示す。
なお、仕切り板１６、１７については、図４及び図５に示す仕切り板１５と同様の構成を備えるため、説明を省略する。

次に、本発明の実施形態に係る真空ポンプの特徴的構成について説明する。上記した構成を備える真空ポンプ１において、ポンプ室２１〜２４の吸気から排気までの１サイクルのロータの回転角度Ｃと、軸方向のロータの段数Ｓとに対して、ロータの位相角Δθが以下の式（１）を満たし、
Δθ≦Ｃ／Ｓ ・・・（１）
且つ、基準位置から排気側凹部の開放開始点までのロータ角度ψを、ガス流れ方向上流側から順に１段目のロータ角度ψ１、ｍ段目のロータ角度ψｍ、ｎ番目のロータ角度ψｎとすると、これらが以下の式（２）及び式（３）を満たすように、軸に対するロータの角度をそれぞれ調整する。
ψ１≦ψｍ≦ψｎ ・・・（２）
ψ１＜ψｎ ・・・（３）

ただし、ｎ，ｍは自然数、ｎ＞ｍである。Δθは、隣り合うポンプ室のロータの位相角である。また、ロータ角度ψは、図４に示す排気側凹部２７が開く時のロータ角度ψ、具体的には任意の基準位置から排気側凹部２７の開放開始点Ｐまで回転したロータの回転角度をいう。
好ましくは、以下の式（４）をさらに満たすように設定する。
ψｍ≦ψｍ＋１ ・・・（４）
ただし、ｎ，ｍは自然数、ｎ＞ｍ＋１である。

このように、ロータの位相角をΔθ≦Ｃ／Ｓとすることで、各段において排気タイミングをずらすことができ、真空ポンプから発生する音や振動を抑えることができる。
また、基準位置から排気側凹部の開放開始点までのロータ角度ψを、ψ１≦ψｍ≦ψｎ且つψ１＜ψｎとすることにより、後段側のポンプ室の排気タイミングを前段側より遅らせることができ、これにより後段側のポンプ室の方が圧縮比が高くなり、真空ポンプの圧縮効率を高く維持することが可能となる。

上記した構成を備える真空ポンプ１において、図６を参照して、吸気過程と排気過程を説明する。
図６は従来の多段真空ポンプの吸気・圧縮・排気過程を説明する図であり、図６（Ａ）は図３（Ｂ）のＦ方向矢視図を示し圧縮・排気過程を説明する図で、図６（Ｂ）は図３（Ｂ）のＧ方向矢視図を示し吸気過程を説明する図である。ロータの回転角度に応じて、図６（Ａ）の排気過程と図６（Ｂ）の吸気過程とを対応させて示している。

図６（Ａ）に示す排気過程では、ロータ３１、４１の回転角度が０°の時、圧縮ポケット３５（図中、ハッチングで示した領域）が閉鎖されており、雌ロータ３１及び雄ロータ４１の回転によりガスが圧縮された状態となっている。
ロータ３１、４１の回転角度が６０°の時、排気側凹部２７が圧縮ポケット３５に開放し、排気が開始される。ロータ３１、４１の回転角度が１２０°の時、排気側凹部２７と圧縮ポケット３５とはまだ連通した状態で、排気が続いている。
図６（Ｂ）に示す吸気過程では、ロータ３２、４２の回転角度が０°の時、吸気ポケット３６（図中、ハッチングで示した領域）が吸気側凹部２９に開放された状態であり、ロータ３２、４２の回転角度が６０°、１２０°においても吸気ポケット３６と吸気側凹部２９とは常に通じている。

ここで、上記した構成を備える真空ポンプにおいて、軸とロータの固定手段について説明する。
図７は軸７とロータ３１の固定手段を示した側面図である。これは、ロータ３１の軸貫通部２５に円環状の切欠部３１ａを設け、この切欠部３１ａに、軸７に当接する内側リング３７と、内側リング３７の外周面に当接する外側リング３８とを挿入する。内側リング３７は、内面が軸７の外周面に当接し、切欠部３１ａの軸方向奥側に向けて拡径したテーパ形状を有する。外側リングは３８、内面が内側リング３７の外面に当接し、切欠部３１ａの軸方向奥側に向けて拡径したテーパ形状を有する。

切欠部３１ａの開放側から外側リング３８に当接させた加圧部材３９で、外側リング３８を軸方向奥側に向けて押圧し、加圧部材３９のフランジ部を締結部材４０でロータ３１に固定する。これにより、図中矢印方向に加圧力が加わり、ロータ３１と軸７とを圧着する。
このように、テーパ形状のリング３７、３８によりロータ３１と軸７とを圧着させる構成とすることにより、軸７に切削加工することなくロータ３１と軸７を固定することができる。また、ロータ３１と軸７の組み立て時に、ロータ３１の軸周方向位置を自在に調整可能である。

また、軸７とロータ３１の固定手段の別の例として、図８に示すようにキー溝４６を用いた構造としてもよい。図８（Ａ）はロータの断面図で、（Ｂ）は軸の断面図で、（Ｃ）は軸の斜視図である。
図８（Ａ）に示すように、ロータ３１には軸方向に直線状の凸部４５が形成されている。一方、図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、軸７には、軸方向に直線状に切削加工されたキー溝４６が形成されている。キー溝４６は、ロータ３１の位相角に応じて、軸７の周方向に異なる位置に複数形成されている。
このように、キー溝４６によりロータ３１と軸７とを係合させることにより、ロータ３１の角度を精度よく設定でき、且つロータ３１の角度がずれることを確実に防止できる。

さらにまた、軸７とロータ３１の固定手段の別の例として、図９に示すように軸７とロータ３１とをスプライン係合させてもよい。図９は、ロータを取り付けた軸の断面図である。
図９に示すように、軸７の外周面に、軸方向に平行なスプライン溝４７を形成し、これに対応してロータ３１の軸貫通部２５の内面に直線状の凸部４８を一または複数形成する。軸７のスプライン溝４７とロータ３１の凸部４８とを係合させることにより、ロータ３１を軸７の周方向に対して固定することができ、ロータ３１の角度調整が容易となり、且つロータ３１の角度がずれることを確実に防止できる。

１ 真空ポンプ
２、４ サイドカバー
７、８ 軸
１１〜１４ ハウジング
１５〜１７ 仕切り板
２１〜２４ ポンプ室
２５、２６ 軸貫通部
２７ 排気側凹部
２８ ガス通路
２９ 吸気側凹部
３１〜３４、４１〜４４ ロータ
３５ 圧縮ポケット
３６ 吸気ポケット
３７ 内側リング
３８ 外側リング
３９ 加圧部材
４０ 締結部材
４５、４８ 凸部
４６ キー溝
４７ スプライン溝

Claims (6)

1. ハウジングと仕切り板とにより複数のポンプ室が形成され、前記仕切り板に形成されたガス通路を介して前記複数のポンプ室が連結されており、前記ポンプ室ごとに、軸に取り付けられた一対のロータが配置され、前記一対のロータが互いに噛み合いながら回転することにより、吸気したガスを圧縮し、前記ガス通路に連通した排気側凹部で排気する多段真空ポンプにおいて、
   前記ポンプ室の吸気から排気までの１サイクルの前記ロータの回転角度Ｃと前記ロータの段数Ｓとに対して、隣接する前記ポンプ室のロータの位相角Δθが、Δθ≦Ｃ／Ｓを満たすとともに、基準位置から前記排気側凹部の開放開始点までのロータ角度ψを、ガス流れ方向上流側から順に１段目のロータ角度ψ１、ｍ段目のロータ角度ψｍ、ｎ番目のロータ角度ψｎとすると、ψ１≦ψｍ≦ψｎ且つψ１＜ψｎ（ただし、ｎ，ｍは自然数、ｎ＞ｍである）の関係を満たすように、前記軸に対する前記ロータの角度を調整したことを特徴とする多段真空ポンプ。
2. 前記ロータ角度ψｍが、ψｍ≦ψｍ＋１を満たすことを特徴とする請求項１に記載の多段真空ポンプ。
3. 前記軸と前記ロータとが固定手段により固定され、
   前記固定手段は、前記ロータの軸貫通部に形成された円環状の切欠部と、前記切欠部に挿入され、内周面が前記軸に接触し、外周面が前記切欠部の奥側に向けて拡径したテーパ状に形成された内側リングと、前記切欠部に挿入され、外周面が前記ロータに接触し、内周面が前記切欠部の奥側に向けて拡径したテーパ状に形成され前記内側リングに当接した外側リングと、前記外側リングを前記切欠部の開放側から奥側に向けて加圧する加圧部材とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の多段真空ポンプ。
4. 前記軸と前記ロータとが固定手段により固定され、
   前記固定手段は、前記軸に形成されたキー溝と、前記ロータに形成され前記キー溝に係合する凸部とを有し、
   前記キー溝が、前記ロータの位相角に応じて前記軸の円周方向に異なる位置に複数形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の多段真空ポンプ。
5. 前記軸と前記ロータとが固定手段により固定され、
   前記固定手段は、前記軸に形成されたスプライン溝と、前記ロータに形成され前記スプライン溝に係合する凸部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の多段真空ポンプ。
6. 前記多段真空ポンプが、クロー型真空ポンプであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多段真空ポンプ。

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