JP5313260B2 - ドライポンプ - Google Patents

Description

本発明は、容積移送型のドライポンプに関する。
本願は、２００８年１０月１０日に出願された特願２００８−２６３９３８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

排気を行うためドライポンプが利用されている。ドライポンプは、ロータをシリンダ内に収容したポンプ室を備えている。ドライポンプは、シリンダ内でロータを回転させることにより、排気ガスを圧縮して移動させ、吸込口に設けられた密閉された空間を減圧するように排気を行う（例えば、特許文献１参照）。特に、中真空または良好な真空が得られるように排気を行なう場合には、排気ガスの吸込口から吐出し口にかけて複数のポンプ室を直列に接続した多段式ドライポンプが利用されている（例えば、特許文献２参照）。

ドライポンプを運転すると、排気ガスがポンプ室で圧縮されて発熱し、シリンダの温度が上昇する。シリンダの温度が上昇すると排気効率が低下する。このため、従来、シリンダの外周部分に冷媒を通す冷媒通路を形成し、シリンダ全体を均一に冷却するドライポンプが知られている。

特表２００４−５０６１４０号公報 特開２００３−１６６４８３号公報

しかしながら、多段式ドライポンプは、その構造上、大気側（吐出側）に近いポンプ室ほど内圧が高くなることがある。このため、大気側（吐出側）に近いポンプ室ほど発熱量も大きくなることがある。従来のように、シリンダ全体を冷媒などで均一に冷却する構造では、ポンプ室どうしで温度差が生じ、ドライポンプ全体を均一な温度に保つことができない。ドライポンプの内部で温度に偏りが生じると、ドライポンプが局部的に変形、膨張するなどして、排気効率が低下するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、局部的な温度の不均一を低減することにより、排気効率を高めることが可能なドライポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は次のようなドライポンプを提供した。
すなわち、本発明のドライポンプは、複数のシリンダと、前記複数のシリンダにそれぞれ形成されたポンプ室と、互いに隣接する前記ポンプ室どうしを区画する隔壁と、前記ポンプ室の内部に収容された複数のロータと、前記ロータの回転軸であるロータシャフトと、互いに内圧が異なる複数の前記ポンプ室のうち、少なくとも、最も高圧側のポンプ室を区画する隔壁の内部に形成され、冷媒を流通させる冷媒通路と、を含み、
最も高圧側のポンプ室を区画する隔壁から最も低圧側のポンプ室を区画する隔壁まで、段階的に前記冷媒通路が引き回される領域を小さくしたことを特徴とする。
また、本発明のドライポンプは、複数のシリンダと、前記複数のシリンダにそれぞれ形成されたポンプ室と、互いに隣接する前記ポンプ室どうしを区画する隔壁と、前記ポンプ室の内部に収容された複数のロータと、前記ロータの回転軸であるロータシャフトと、互いに内圧が異なる複数の前記ポンプ室のうち、最も高圧側のポンプ室を区画する隔壁の内部に形成され、冷媒を流通させる冷媒通路と、を含み、
前記冷媒通路は、最も高圧側のポンプ室を区画する隔壁以外の隔壁の内部へは引き回さず、センターシリンダの外周部分たけに引き回されることを特徴とする。

本発明のドライポンプにおいては、前記冷媒通路は、前記隔壁の内部において略Ｕ字型に形成されている、ことが好ましい。
本発明のドライポンプにおいては、前記冷媒通路は、互いに内圧が異なる複数の前記ポンプ室のうち、少なくとも、運転時に最も高温となるポンプ室を区画する隔壁の内部に形成されている、ことが好ましい。

本発明のドライポンプによれば、複数のポンプ室のうち最も高圧側となるポンプ室を区画する隔壁の内部に冷媒通路を形成し、冷媒を流すことによって、大気側（吐出側）に近いポンプ室を効率的に冷却することができる。その結果、大気側（吐出側）に近いポンプ室と、その前段に配置されたポンプ室との間で生じる温度の不均衡を解消する。大気側（吐出側）に近いポンプ室を特に集中して冷却することで、ロータの回転数を上昇させることができ、排気効率を高めて効率的に運転することが可能なドライポンプを実現できる。
また、本発明のドライポンプによれば、運転時に最も高温となるポンプ室を区画する隔壁の内部に冷媒通路を形成し、冷媒を流すことによって、最も高温となるポンプ室を効率的に冷却することができる。

本発明のドライポンプを示す側面断面図である。 本発明のドライポンプを示す正面断面図である。 実施例における検証結果を示す図である。

以下、本発明に係るドライポンプの最良の形態について、図面に基づき説明する。本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明する。本発明の技術範囲は下記の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。また、以下の説明で用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法及び比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。

図１は、本発明のドライポンプを示す側面断面図である。また、図２は図１のＡ−Ａ線における正面断面図である。多段式のドライポンプ１は、互いに厚さが異なる複数のロータ２１，２２，２３，２４，２５が、それぞれシリンダ３１，３２，３３，３４，３５に収容される。そして、ロータシャフト２０の軸方向Ｌに沿って複数のポンプ室１１，１２，１３，１４，１５が形成されている。

ドライポンプ１は、一対のロータ２５ａ，２５ｂと、一対のロータシャフト２０ａ，２０ｂとを備えている。一対のロータ２５ａ，２５ｂは、一方のロータ２５ａ(第１ロータ）の凸部２９ｐと他方のロータ２５ｂ(第２ロータ）の凹部２９ｑとが噛み合うように配置されている。ロータ２５ａ，２５ｂは、ロータシャフト２０ａ，２０ｂの回転に伴って、シリンダ３５ａ，３５ｂの内部を回転する。一対のロータシャフト２０ａ，２０ｂの各々を互いに逆方向に回転させると、ロータ２５ａ，２５ｂの各々の凸部２９ｐの間に配置されたガスが、シリンダ３５ａ，３５ｂの内面に沿って移動し、吐出口６で圧縮される。

ロータシャフト２０の軸方向Ｌに沿って、複数のロータ２１〜２５が配置されている。各ロータ２１〜２５は、ロータシャフト２０の外周面に形成された溝部２６に係合して、周方向および軸方向への移動が規制されている。各ロータ２１〜２５が、それぞれシリンダ３１〜３５に収容されて、複数のポンプ室１１〜１５が構成されている。各ポンプ室１１〜１５は、排気ガスの吸込口５から吐出口６に向けて直列に接続され、多段式のドライポンプ１が構成されている。

複数のポンプ室１１〜１５のうち、吸込口５に接するポンプ室（第１段ポンプ室）１１が真空側、即ち低圧側である。また、吐出口６に接するポンプ室（第５段ポンプ室）１５が常圧側、即ち高圧側である。また、ポンプ室１１とポンプ室１５との間には、ポンプ室１２（第２段ポンプ室），ポンプ室１３（第３段ポンプ室），及びポンプ室１４（第４段ポンプ室）が設けられている。
この構成においては、吸込口５（真空側、低圧段）の第１段ポンプ室１１から吐出口６（大気側、高圧段）の第５段ポンプ室１５にかけて、排気ガスが圧縮されて圧力が上昇するので、ポンプ室の排気容量は段階的に小さくされる。
具体的に、真空側の第１段ポンプ室１１において圧縮されたガスは、第２段ポンプ室１２に流動する。第２段ポンプ室１２において圧縮されたガスは、第３段ポンプ室１３に流動する。第３段ポンプ室１３において圧縮されたガスは、第４段ポンプ室１４に流動する。第４段ポンプ室１４において圧縮されたガスは、第５段ポンプ室１５に流動する。第５段ポンプ室１５において圧縮されたガスは、吐出口６から排気される。従って、吸込口５から供給されたガスは、ポンプ室１１〜１５を通じて徐々に圧縮されて、吐出口６から排気される。

ポンプ室１１〜１５の排気容量は、ロータの掻き出し容積および回転数に比例する。ロータの掻き出し容積はロータの葉数（ブレードの数、凸部の個数）および厚さに比例するため、低圧段ポンプ室１１から高圧段ポンプ室１５に向けて、厚さが徐々に薄くなるようにロータの厚さが設定されている。なお、本実施形態におけるドライポンプ１では、第１段ポンプ室１１が後述する自由ベアリング５６側に、第５段ポンプ室１５が固定ベアリング５４側に配置されている。

シリンダ３１〜３５は、センターシリンダ３０の内部に形成されている。センターシリンダ３０の軸方向両端部には、サイドシリンダ４４，４６が固着されている。一対のサイドシリンダ４４，４６には、それぞれベアリング５４，５６が固定されている。

一方のサイドシリンダ４４（第１のサイドシリンダ）に固定された第１ベアリング５４は、アンギュラ軸受け等の軸方向のあそびが小さいベアリングであり、ロータシャフトの軸方向の移動を規制する固定ベアリング５４として機能する。サイドシリンダ４４には、固定ベアリング５４の潤滑油５８が封入されているのが好ましい。他方のサイドシリンダ４６（第２のサイドシリンダ）に固定された第２ベアリング５６は、玉軸受け等の軸方向のあそびが大きいベアリングであり、ロータシャフトの軸方向の移動を許容する自由ベアリング５６として機能する。固定ベアリング５４はロータシャフト２０の中央部付近を回転自在に支持し、自由ベアリング５６はロータシャフト２０の端部付近を回転自在に支持している。

自由ベアリング５６を覆うように、サイドシリンダ４６にキャップ４８が装着されている。キャップ４８の内側には、自由ベアリング５６の潤滑油５８が封入されているのが好ましい。一方、サイドシリンダ４４にはモータハウジング４２が固着されている。

モータハウジングの内側には、ＤＣブラシレスモータ等のモータ５２が配置されている。モータ５２は、一対のロータシャフト２０ａ，２０ｂのうち、一方のロータシャフト２０ａ（第１のロータシャフト）のみに回転駆動力を付与する。他方のロータシャフト２０ｂ（第２のロータシャフト）には、モータ５２と固定ベアリング５４との間に配置されたタイミングギア５３を介して、回転駆動力が伝達される。

複数のポンプ室１１〜１５は、互いに隣接するポンプ室どうしの間を隔壁３６〜３９によって区画されている。この隔壁３６〜３９は、例えば、センターシリンダ３０と一体の材料で形成されている。
ここで、隔壁３６（第１隔壁）は、ポンプ室１１，１２の間に設けられている。隔壁３７（第２隔壁）は、ポンプ室１２，１３の間に設けられている。隔壁３８（第３隔壁）は、ポンプ室１３，１４の間に設けられている。隔壁３９（第４隔壁）は、ポンプ室１４，１５の間に設けられている。
隔壁３６〜３９のうち、最も高圧側となる第５段ポンプ室１５に隣接した隔壁、即ち吐出口６（大気側、高圧段）に接する第５段ポンプ室１５と、その前段の第４段ポンプ室１４とを区画する隔壁３９の内部には、冷媒通路３８が形成されている。

冷媒通路３８は、隔壁３９の内部において、例えば略Ｕ字型に延びる断面円形の管状流路である。この冷媒通路３８の内部に例えば冷媒Ｃとして水を流通させることにより、隔壁３９が広い範囲で効率よく冷却される。即ち、隔壁３９によって区画される高圧側の第５段ポンプ室１５は、側面の広い範囲で集中的に冷却される。

なお、冷媒通路３８の一端３８ａ側は、冷媒供給源（図示せず）に接続されている。また、隔壁３９の内部を循環した冷媒通路３８は、更に、隔壁３６〜３８の内部には引き回さずに、センターシリンダ３０の外周部分３０ａだけに通される。これによって、ポンプ室１２〜１４は、ポンプ室１５を冷却するための冷却力よりも弱い冷却力で外周側から冷却される。

このようなドライポンプ１を運転すると、ロータの圧縮仕事等によって発熱する。そして、一般的に良好な到達圧力を得ようとした場合、それぞれのポンプ室１１〜１５の発熱量は、到達圧力に近い領域となる高圧側（吐出側）に近いポンプ室ほど内圧が高くなるために、発熱量も大きくなる。即ち、ポンプ室１１からポンプ室１５に向かうほど発熱量が多くなり、高圧側となる第５段ポンプ室１５が最も高温となる。

第５段ポンプ室１５を区画する隔壁３９の内部に冷媒通路３８を形成し、冷媒Ｃを流すことによって、最も高温になる第５段ポンプ室１５を効率的に冷却することができる。その結果、第５段ポンプ室１５と、その前段であるポンプ室１１〜１４との間で生じる温度の不均衡を解消する。高圧側（吐出側）の第５段ポンプ室１５を特に集中して冷却することで、ロータの回転数を上昇させることができ、排気効率を高めて効率的に運転することが可能なドライポンプ１を実現できる。また、最も発熱の多い第５段ポンプ室１５の温度上昇が抑制されるので、ロータ２５の構成材料の変質を防止することができる。

なお、冷媒通路は、少なくとも高圧側（吐出側）のポンプ室１５を区画する隔壁の内部に形成されていればよいが、前段であるポンプ室１１〜１４を区画する隔壁の内部にも形成してもよい。その場合、隔壁３９から隔壁３６に向かって冷媒通路が形成される範囲（例えば、冷媒通路が形成される領域の大きさ（面積）、或いは冷媒通路の長さ等）を段階的に小さくするなどして、ポンプ室１１〜１５のそれぞれの発熱量に応じて冷却能力を段階的に変化させるのが好ましい。

また、冷媒通路は、ドライポンプの運転条件に応じて、発熱量が最大となるポンプ室を区画する隔壁の内部に形成されていればよい。即ち、運転条件によっては、必ずしも高圧側（吐出側）のポンプ室の発熱量が最大になるわけではない。このため、例えば、発熱量が最大となるポンプ室が低圧側（吸込側）である場合には、低圧側（吸込側）に隣接するポンプ室を区画する隔壁の内部に冷媒通路を形成すれば良い。

本発明の効果を検証した実施例を以下に示す。本発明例として、図１，２に示すような、隔壁３９の内部に冷媒通路３５を形成して、大気側（吐出側）の第５段ポンプ室１５を冷却したドライポンプを用いた。また、比較例として、大気側（吐出側）のポンプ室を区画する隔壁に、特に冷媒通路を形成しない従来のドライポンプを用いた。

こうした本発明例のドライポンプと、比較例のドライポンプとをそれぞれ一定時間運転し、大気側（吐出側）のポンプ室の温度、真空側（吸込側）のポンプ室の温度、およびこの間に配されたポンプ室の温度を測定した。この測定結果を図３に示す。
図３に示す測定結果によれば、本発明例のドライポンプは、比較例のドライポンプよりも全体的にポンプ室の温度を低くすることができた。特に、本発明例のドライポンプは、大気側（吐出側）のポンプ室の温度が、比較例のドライポンプと比べて大幅に低減され、全体的な温度分布が安定することが確認された。

以上詳述したように、本発明は、局部的な温度の不均一を低減することにより、排気効率を高めることが可能なドライポンプに有用である。

１ ドライポンプ、５ 吸入口、６ 吐出口、１１〜１５ ポンプ室、３６〜３９ 隔壁、３８ 冷媒通路。

Claims (4)

1. ドライポンプであって、
   複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダにそれぞれ形成されたポンプ室と、
   互いに隣接する前記ポンプ室どうしを区画する隔壁と、
   前記ポンプ室の内部に収容された複数のロータと、
   前記ロータの回転軸であるロータシャフトと、
   互いに内圧が異なる複数の前記ポンプ室のうち、少なくとも、最も高圧側のポンプ室を区画する隔壁の内部に形成され、冷媒を流通させる冷媒通路と、を含み、
   最も高圧側のポンプ室を区画する隔壁から最も低圧側のポンプ室を区画する隔壁まで、段階的に前記冷媒通路が引き回される領域を小さくしたことを特徴とするドライポンプ。
2. ドライポンプであって、
   複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダにそれぞれ形成されたポンプ室と、
   互いに隣接する前記ポンプ室どうしを区画する隔壁と、
   前記ポンプ室の内部に収容された複数のロータと、
   前記ロータの回転軸であるロータシャフトと、
   互いに内圧が異なる複数の前記ポンプ室のうち、最も高圧側のポンプ室を区画する隔壁の内部に形成され、冷媒を流通させる冷媒通路と、を含み、
   前記冷媒通路は、最も高圧側のポンプ室を区画する隔壁以外の隔壁の内部へは引き回さず、センターシリンダの外周部分たけに引き回されることを特徴とするドライポンプ。
3. 請求項２に記載のドライポンプであって、
   前記冷媒通路は、前記隔壁の内部において略Ｕ字型に形成されている、
   ことを特徴とするドライポンプ。
4. 請求項１に記載のドライポンプであって、
   前記冷媒通路は、互いに内圧が異なる複数の前記ポンプ室のうち、少なくとも、運転時に最も高温となるポンプ室を区画する隔壁の内部に形成されている、
   ことを特徴とするドライポンプ。

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