JP5914449B2 - クローポンプ - Google Patents

Description

本発明は、動力低減を可能にしたクローポンプに関する。

クローポンプは、ポンプ室を形成するハウジングの内部で、鉤形の爪部が形成された一対のロータが非常に狭いクリアランスを保ったまま非接触で相互に反対方向へ同速度で回転する。これら２つのロータで圧縮ポケットを形成し、この圧縮ポケットで圧縮した圧縮気体を吐出口から吐出する。潤滑油や封液を使わずに連続して吸引、圧縮及び排気を行うことで、真空状態又は加圧空気を作り出す。このように、潤滑油などを使わないので、クリーンな排気、吐出が可能になると共に、圧縮行程のないルーツポンプより高い圧縮比を実現できる利点がある。

図５は、従来のクローポンプの一例を示している。図５において、クローポンプ１００は、内部にポンプ室を形成するハウジング１０２を有し、ハウジング１０２は、２つの円の一部を重ね合わせた断面形状を有している。ハウジング１０２の両端面はサイドプレート（図示省略）で遮蔽され、ハウジング１０２の周壁に吸込口１０８が形成されている。ハウジング１０２の内部に２本の平行な回転軸１１０ａ及び１１０ｂが設けられ、回転軸１１０ａ及び１１０ｂには、夫々ロータ１１２ａ及び１１２ｂが固定されている。ロータ１１２ａ及び１１２ｂには、夫々相互に非接触で噛合う鉤形の爪部１１４ａ及び１１４ｂが形成されている。

ロータ１１２ａ及び１１２ｂは相互に反対方向（矢印方向）へ回転し、気体ｇは吸込口１０８に連通した入口ポケットＰ_０に吸引される。その後、ロータ１１２ａ及び１１２ｂの回転により、第１のポケットＰ_１及び第２のポケットＰ_２が形成される（図５（Ｄ）参照）。さらに、第１のポケットＰ_１及び第２のポケットＰ_２は合流して圧縮ポケットＰを形成する（図５（Ｆ）参照）。
ロータ１１２ａ及び１１２ｂの回転により圧縮ポケットＰは縮小される。吐出口１１６は縮小された圧縮ポケットＰに連通した位置で前記サイドプレートの一方に形成されている。気体ｇは圧縮ポケットＰで圧縮され、吐出口１１６から吐出される。

クローポンプが真空ポンプとして用いられる場合、吸込圧力が大気圧の運転時では、入口ポケットＰ_０、第１のポケットＰ_１及び第２のポケットＰ_２の圧力はほぼ大気圧を保持する。圧縮ポケットＰが形成された後の圧縮行程では、圧縮ポケットＰは大気圧以上になる。ロータの回転方向下流側の圧力が上流側の圧力より大きいときには、ロータに対してロータの回転方向と逆向きの逆トルクが発生する。

吸込圧力が到達圧力となる運転時では、入口ポケットＰ_０、第１のポケットＰ_１及び第２のポケットＰ_２の圧力は到達圧力（例えば約７，０００Ｐａ［絶対圧力］。到達圧力はポンプ形式によって異なる。）を保持する。圧縮ポケットＰの圧力は、吐出口１１６が大気圧に開放されるまでは到達圧力に維持されるが、吐出口１１６が開き始めると大気が圧縮ポケットＰに逆流し、大気圧となる。そのため、ロータ１１２ａ及び１１２ｂの下流側圧力が上流側圧力より増大し、逆トルクが増大する。

特許文献１には、クローポンプの一例が開示されている。このクローポンプのハウジングは、２つの円の一部を重ね合わせた断面形状のシリンダと、該シリンダの両端を塞ぐ２個のサイドプレートとで構成されている。吐出口は圧縮ポケットに開口する位置に設けられ、吐出効率を良くするため、前記一対のサイドプレートの両方に形成されている。

特開２０１１−０３８４７６号公報

クローポンプが真空ポンプとして用いられる場合、吸気しなければならない気体圧力は、大気圧から到達圧力（真空圧付近）まで幅がある。吸込圧力が到達圧力付近の運転では、気体の流れは無く、気体の排出に必要なエネルギーは小さくて済む。また、吐出口が大気圧に開放されていないとき逆トルクは小さい。しかし、吐出口が大気に開放されると、大気が真空状態のポンプ室に逆流し、ロータの下流側ポンプ室の圧力が大気圧付近まで上昇するため、逆トルクが増大し、ポンプ動力が増大するという問題がある。これを回避するためには、吐出口の面積をできるだけ小さくして大気の逆流を抑制する必要がある。

運転開始直後で吸込圧力が大気圧付近である場合、ポンプ室から多量の気体が排出される。多量の気体を圧力損失を発生させることなく排出するためには、十分に広い面積の吐出口が必要になる。また、圧力損失が大きくなるとポンプ動力が増大するという問題がある。前述のように、吸込圧力が到達圧力付近の運転時と、吸込圧力が大気圧付近の運転時とでは、吐出口に対するニーズが相反している。そのため、両方のニーズに対応できず、ポンプ動力を低減することができない。
特許文献１に開示されたクローポンプは、吐出効率を高めるための吐出口の構成を有しているが、前記ニーズを満たしてポンプ動力を低減できるものではない。

本発明は、前記の問題点を解決し、吐出口に対する相反するニーズに対応することで、クローポンプのポンプ動力を低減可能にすることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、２つの円の一部を重ね合わせた断面形状のポンプ室を形成するハウジングと、このハウジングの内部で互いに平行に配置され、反対方向へ同期回転する２本の回転軸と、該ハウジングの内部で該２本の回転軸に夫々固定され、相互に非接触状態で噛合う鉤形の爪部が形成された一対のロータと、これら一対のロータを２本の回転軸を介して回転駆動させる回転駆動装置と、ハウジングの隔壁に形成され、ポンプ室に連通する吸込口及び吐出口とを有するクローポンプに適用される。

本発明では、吐出口は、一対のロータの一方とハウジングの隔壁とで形成される第１のポケットと、一対のロータの他方とハウジングの隔壁とで形成される第２のポケットとが合流して形成される圧縮空間のうち、圧縮行程の初期に形成される初期圧縮空間に連通する位置に形成される第１の吐出口と、前記圧縮空間のうち圧縮行程の終期に形成される終期圧縮空間に連通する位置に形成される第２の吐出口とで構成される。そして、第１の吐出口は、初期圧縮空間の圧力が大気圧以上の閾値に達したとき第１の吐出口を開放し、前記閾値に達しないとき第１の吐出口を閉鎖する開閉機構を備えている。

吸込圧力が大気圧付近の運転時、圧縮行程の初期にポンプ室が前記閾値以上になったとき、第１の吐出口を通してポンプ室から多量の気体を吐出することで、気体の無駄な圧縮を避けることができる。そのため、第１の吐出口は第１のポケットと第２のポケットとが合流して形成される圧縮空間のうち圧縮行程の初期に形成される初期圧縮空間に連通する位置のハウジング隔壁に形成される。

また、真空ポンプとして用いられる場合、吸込圧力が到達圧力付近の運転時には、初期圧縮空間の圧力は前記閾値に達しないので、第１の吐出口は開閉機構により閉鎖されるので、ポンプ室への大気の逆流を防止できる。このように作動する第１の吐出口を設けることで、ロータに対する逆トルクの発生を抑制でき、ポンプ動力を低減できる。
なお、第１の吐出口の開口面積は大きくすることが望ましい。第１の吐出口の面積を大きくすることで、圧力損失を低減でき、ポンプ動力を低減できる。

第２の吐出口は、吸込圧力が到達圧力付近の運転時に気体吐出用として用いられる。第２の吐出口は、第１のポケットと第２のポケットとが合流して形成される圧縮空間のうち、圧縮行程の終期に形成される終期圧縮空間に連通する位置のハウジング隔壁に形成される。第２の吐出口を終期圧縮空間に形成することで、大気の逆流が起きる時間を短くできる。第２の吐出口から吐出される気体は少量となるので、開口面積は小さくてよい。従って、第１の吐出口の開口面積を第２の吐出口の開口面積より大きくするとよい。

第１の吐出口を開閉する開閉機構の閾値は限りなく大気圧に近い値とするとよい。これによって、初期圧縮空間の圧力が高くならないうちに第１の吐出口を開放できるため、逆トルクの発生を有効に防止できる。

また、第２の吐出口は圧力が高くなる終期圧縮空間に連通するように形成されているので、第１の吐出口と比べて大気の逆流は起こりにくい。そのため、開放されたままでも逆トルクの発生を抑制できる。

本発明の一実施態様として、第１の吐出口は第２の吐出口より一対のロータの回転方向上流側の初期圧縮空間に連通する位置に配置することができる。これによって、圧縮行程の初期で第１の吐出口を早期に開放できるので、気体の過圧縮を早期に解消できる。

また、本発明の一実施態様として、ハウジングは、２つの円の一部を重ね合わせた断面形状のシリンダと、シリンダの回転軸の軸方向両端面を塞ぐ一対のサイドプレートとで構成することができる。そして、第１の吐出口をシリンダに形成し、第２の吐出口を一対のサイドプレートの一方に形成し、かつ初期圧縮空間には連通せず、終期圧縮空間に連通する位置に形成することができる。
このように、第２の吐出口をサイドプレートの一方に形成することで、第２の吐出口の配置の自由度を広げることができると共に、第２の吐出口の加工が容易になるという利点がある。また、第２の吐出口を初期圧縮空間には連通せず、終期圧縮空間に連通する位置に形成することで、ポンプ室への大気の逆流を有効に防止できる。

本発明の一実施態様として、前記開閉機構を、第１の吐出口を開閉する弁体と、該弁体に対して第１の吐出口を閉鎖する方向へ弾性力を付勢するバネ部材とで構成し、該バネ部材の弾性力を、前記初期圧縮空間の圧力が前記閾値に達したとき第１の吐出口を開放し、前記閾値に達しないとき第１の吐出口を閉鎖するように調整することができる。これによって、開閉機構を簡易かつ低コストとすることができる。

前記開閉機構の別な実施態様として、初期圧縮空間の圧力を検出する圧力センサと、第１の吐出口を開閉する電磁弁と、該圧力センサの検出値が入力され、前記初期圧縮空間の圧力が閾値に達したとき第１の吐出口を開放し、前記閾値に達しないとき第１の吐出口を閉鎖するように電磁弁の動作を制御する制御装置とで構成することができる。
これによって、第１の吐出口を前記閾値で正確に開閉制御できると共に、クローポンプの運転条件の変更に応じて、前記閾値の変更が容易になるという利点がある。

本発明によれば、第１の吐出口及び第２の吐出口を設けるという簡易かつ低コストな手段で、クローポンプのポンプ動力を低減できる。

（Ａ）〜（Ｈ）は本発明の第１実施形態に係るクローポンプを行程順に示す正面視断面図である。 前記クローポンプの底面図である。 本発明の第２実施形態に係るクローポンプの正面視断面図である。 本発明の第３実施形態に係るクローポンプの正面視断面図である。 （Ａ）〜（Ｈ）は従来のクローポンプを行程順に示す正面視断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
次に、本発明の第１実施形態に係るクローポンプを図１及び図２に基づいて説明する。図１及び図２において、本実施形態に係るクローポンプ１０Ａは真空ポンプとして用いられる例である。内部にポンプ室を形成するハウジング１２を有している。図２に示すように、ハウジング１２は、２つの円の一部を重ね合わせた断面形状のシリンダ１４と、シリンダ１４の両端面を塞ぐ一対のサイドプレート１６ａ及び１６ｂとで構成されている。シリンダ１４には吸込口１８が形成され、吸込口１８は気体が圧縮されない入口ポケットＰ_０に連通する位置に配置されている。

ハウジング１２の内部には、２本の回転軸２０ａ及び２０ｂが互いに平行に配置されている。ハウジング１２の内部で回転軸２０ａ及び２０ｂには夫々ロータ２２ａ及び２２ｂが固定されている。回転軸２０ａ及び２０ｂはハウジング１２の外側に延設され、端部に夫々ギア２６ａ及び２６ｂが設けられている。ギア２６ａ及び２６ｂは電動モータ２８によって互いに逆方向へ同速度で回転される。従って、ロータ２２ａ及び２２ｂは、電動モータ２８によって互いに逆方向（矢印方向）へ同速度で回転される。

ロータ２２ａ及び２２ｂには、相互に非接触状態で（微小な隙間を有して）噛合う鉤形の爪部２４ａ及び２４ｂが２個ずつ形成されている。２個の爪部は周方向で相反する位置に配置されている。

ロータ２２ａ及び２２ｂの回転により、気体ｇは吸込口１８から入口ポケットＰ_０に吸引される。次に、気体ｇが流入した入口ポケットＰ_０は、ハウジング１２とロータ２２ａとで囲まれた第１のポケットＰ_１と、ハウジング１２とロータ２２ｂとで囲まれた第２のポケットＰ_２とに分離する（図１（Ｄ）参照）。
さらなるロータ２２ａ及び２２ｂの回転により、第１のポケットＰ_１及び第２のポケットＰ_２は合流して圧縮ポケットＰが形成される（図１（Ｆ）参照）。その後、圧縮ポケットＰは縮小され、圧縮ポケットＰ内の気体ｇは圧縮される。

ハウジング１２の周壁を形成するシリンダ１４には、第１の吐出口３０及び第２の吐出口３２が形成されている。第１の吐出口３０は、第１のポケットＰ_１と第２のポケットＰ_２とが合流した直後に形成される初期圧縮空間Ｐｅに連通する位置に配置されている（図１（Ｆ）参照）。また、第１の吐出口３０は、初期圧縮空間Ｐｅのうちロータ回転方向上流側の領域に連通する位置に配置されている。第２の吐出口３２は、初期圧縮空間Ｐｅより後行程に形成され、初期圧縮空間Ｐｅより狭められた領域を有する終期圧縮空間Ｐｃに連通する位置に配置されている（図１（Ｈ）参照）。

図２に示すように、第１の吐出口３０は、シリンダ１４の軸方向長さのほぼ全長に近い長さを有する長辺と、シリンダ１４の周方向に向いた短辺とからなる長方形状を有している。第２の吐出口３２は、小径の円形を有している。第１の吐出口３０の面積は第２の吐出口３２の面積より大きく形成されている。

また、第１の吐出口３０を開閉する弁体３４が設けられている。弁体３４の背面にはバネ部材３６の一端が接続されている。バネ部材３６の他端は固定架台３８に接続されている。バネ部材３６の弾性力は、初期圧縮空間Ｐｅの圧力が大気圧以上であって、かつ限りなく大気圧に近い値の閾値（例えば、１．０４気圧（ａｔｍ））以上で第１の吐出口３０を開放し、初期圧縮空間Ｐｅの圧力が前記閾値未満のとき、第１の吐出口３０を閉じる弾性力に調整されている。

初期圧縮空間Ｐｅが縮小され、初期圧縮空間Ｐｅの圧力が閾値以上になると、初期圧縮空間Ｐｅの圧力がバネ部材３６の弾性力を上回って弁体３４を押し、第１の吐出口３０が開放される。これによって、第１の吐出口３０は大きな開口面積を有しているため、一気に大流量の気体が吐出される。気体ｇが第１の吐出口３０から吐出されて初期圧縮空間Ｐｅの圧力が閾値より低下すると、バネ部材３６の弾性力により弁体３４が第１の吐出口３０を閉鎖する。
ロータ２２ａ及び２２ｂがさらに回転して初期圧縮空間Ｐｅを縮小し、終期圧縮空間Ｐｃを形成する。第１の吐出口３０が閉じられるため、気体ｇは第２の吐出口３２から吐出される（図１（Ｈ）参照）。

本実施形態によれば、吸込圧力が大気圧付近の運転時、初期圧縮空間Ｐｅの圧力が閾値以上になると、第１の吐出口３０が開放され、第１の吐出口３０から多量の気体ｇを吐出するため、気体ｇの無駄な圧縮を回避できる。そのため、ロータ２２ａ及び２２ｂに対する逆トルクの発生を抑制でき、ポンプ動力を低減できる。また、第１の吐出口３０は大きな開口面積を有しているので、圧力損失を低減でき、これによっても、ポンプ動力を低減できる。
また、吸込圧力が到達圧力付近の運転時には、初期圧縮空間Ｐｅの圧力が低いため、第１の吐出口３０は閉鎖されるので、初期圧縮空間Ｐｅへの外部大気の逆流を防止できる。

吸込圧力が到達圧力付近の運転時には、専ら第２の吐出口３２から気体ｇを吐出する。第２の吐出口３２の開口面積が小さいので、大気の逆流はおこりにくい。また、第２の吐出口３２を終期圧縮空間Ｐｃに形成することで、大気の逆流が起きる時間を短くできる。そのため、第２の吐出口３２は開放されたままでも逆トルクの発生を抑制できる。また、到達圧力付近の運転時では、吐出される気体ｇの流量は少ないので、圧力損失も抑制できる。従って、到達圧力付近の運転時においてもポンプ動力を低減できる。

また、第１の吐出口３０は初期圧縮空間Ｐｅのうちロータ回転方向上流側の領域に連通する位置に配置されているので、圧縮行程の初期で第１の吐出口３０を早期に開放できる。そのため、気体の過圧縮を早期に解消できる。
さらに、第１の吐出口３０の開閉機構として、バネ部材３６を用いているので、開閉機構を低コスト化できる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。本実施形態に係るクローポンプ１０Ｂは、第２の吐出口４０をサイドプレート１６ａ及び１６ｂのどちらか一方に形成した例である。即ち、第２の吐出口４０は、サイドプレート１６ａ及び１６ｂのどちらか一方に形成され、かつ初期圧縮空間Ｐｅには連通せず、終期圧縮空間Ｐｃに連通する位置に配置されている。第２の吐出口４０の形状及び大きさ等は、第１実施形態の第２の吐出口３２と同一である。

本実施形態によれば、第１実施形態のクローポンプ１０Ａで得られる作用効果に加えて、第２の吐出口４０の配置の自由度を広げることができると共に、第２の吐出口４０の加工が容易になるという利点がある。また、第２の吐出口４０は、サイドプレート１６ａ及び１６ｂのどちらか一方に形成され、かつ初期圧縮空間Ｐｅには連通せず、終期圧縮空間Ｐｃに連通する位置に配置されているので、ポンプ室への大気の逆流を有効に防止できる。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を図４に基づいて説明する。本実施形態に係るクローポンプ１０Ｃは、前記第２実施形態と比べて、第１の吐出口３０を開閉する開閉機構が異なっている。本実施形態の開閉機構は、初期圧縮空間Ｐｅの圧力を検出する圧力センサ５０と、第１の吐出口３０を開閉する電磁弁５２と、圧力センサ５０の検出値が入力され、初期圧縮空間Ｐｅの圧力が前記閾値に達したとき第１の吐出口３０を開放し、前記閾値に達しないとき第１の吐出口３０を閉鎖するように電磁弁５２の動作を制御する制御装置５４とで構成されている。その他の構成は第２実施形態と同一である。

かかる構成において、制御装置５４によって、初期圧縮空間Ｐｅの圧力が前記閾値に達したとき、第１の吐出口３０を開放し、初期圧縮空間Ｐｅの圧力が前記閾値に達しないとき、第１の吐出口３０を閉鎖できる。
本実施形態によれば、第１の吐出口３０を前記閾値を境界として正確に開閉できると共に、クローポンプ１０Ｃの運転条件の変更に応じて、前記閾値の変更が容易になるという利点がある。

本発明によれば、簡易かつ低コストな手段で、運転条件にかかわらず、常にポンプ動力を低減できるクローポンプを実現できる。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ クローポンプ
１２，１０２ ハウジング
１４ シリンダ
１６ａ、１６ｂ サイドプレート
１８，１０８ 吸込口
２０ａ、２０ｂ、１１０ａ、１１０ｂ 回転軸
２２ａ、２２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ ロータ
２４ａ、２４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ 爪部
２６ａ、２６ｂ ギア
２８ 電動モータ
３０ 第１の吐出口
３２、４０ 第２の吐出口
３４ 弁体
３６ バネ部材
３８ 固定架台
５０ 圧力センサ
５２ 電磁弁
５４ 制御装置
１００ クローポンプ
１１６ 吐出口
Ｐ 圧縮ポケット
Ｐｅ 初期圧縮空間
Ｐｃ 終期圧縮空間
Ｐ_０ 入口ポケット
Ｐ_１ 第１のポケット
Ｐ_２ 第２のポケット
ｇ 気体

Claims (6)

1. ２つの円の一部を重ね合わせた断面形状のポンプ室を形成するハウジングと、
   該ハウジングの内部で互いに平行に配置され反対方向へ同期回転する２本の回転軸と、
   前記ハウジングの内部で前記２本の回転軸に夫々固定され、相互に非接触状態で噛合う鉤形の爪部が形成された一対のロータと、
   前記一対のロータを前記２本の回転軸を介して回転駆動させる回転駆動装置と、
   前記ハウジングの隔壁に形成され、前記ポンプ室に連通する吸込口及び吐出口とを有するクローポンプであって、
   前記吐出口は、前記一対のロータの一方と前記ハウジングの隔壁とで形成される第１のポケットと、前記一対のロータの他方と前記ハウジングの隔壁とで形成される第２のポケットとが合流して形成される圧縮空間のうち、圧縮行程の初期に形成される初期圧縮空間に連通する位置に形成される第１の吐出口と、前記圧縮空間のうち圧縮行程の終期に形成される終期圧縮空間に連通する位置に形成される第２の吐出口とで構成され、
   前記初期圧縮空間の圧力が大気圧以上の閾値に達したとき前記第１の吐出口を開放し、前記閾値に達しないとき前記第１の吐出口を閉鎖する開閉機構を備えていることを特徴とするクローポンプ。
2. 前記第１の吐出口の開口面積は前記第２の吐出口の開口面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載のクローポンプ。
3. 前記第１の吐出口は前記第２の吐出口より前記一対のロータの回転方向上流側の前記初期圧縮空間に連通する位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクローポンプ。
4. 前記ハウジングは、２つの円の一部を重ね合わせた断面形状のシリンダと、前記シリンダの前記回転軸の軸方向両端面を塞ぐ一対のサイドプレートとで構成され、
   前記第１の吐出口は前記シリンダに形成され、前記第２の吐出口は前記一対のサイドプレートの一方に形成され、かつ前記初期圧縮空間には連通せず、前記終期圧縮空間に連通位置に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクローポンプ。
5. 前記開閉機構は、
   前記第１の吐出口を開閉する弁体と、該弁体に対して前記第１の吐出口を閉鎖する方向へ弾性力を付勢するバネ部材とで構成され、
   前記バネ部材の弾性力は前記初期圧縮空間の圧力が前記閾値に達したとき前記第１の吐出口を開放し、前記閾値に達しないとき前記第１の吐出口を閉鎖するように調整されていることを特徴とする請求項１に記載のクローポンプ。
6. 前記開閉機構は、
   前記初期圧縮空間の圧力を検出する圧力センサと、
   前記第１の吐出口を開閉する電磁弁と、
   前記圧力センサの検出値が入力され、前記初期圧縮空間の圧力が閾値に達したとき前記第１の吐出口を開放し、前記閾値に達しないとき前記第１の吐出口を閉鎖するように前記電磁弁の動作を制御する制御装置とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のクローポンプ。

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