(57)【要約】【課題】モータの回転軸の軸端に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。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第２５０８６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。」
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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２】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】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】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５】図５（ａ），（ｂ）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５（ａ））と、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（図５（ｂ））とを示す模式図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）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６（ａ））と、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（図６（ｂ））とを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る２段液封式真空ポンプの実施形態を図１乃至図６を参照して説明する。図１乃至図６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。
【００１８】
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１０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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
図５（ａ），（ｂ）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５（ａ））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５（ｂ））とを示す模式図である。図５（ａ），（ｂ）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。
【００２３】
図５（ａ）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。
【００２４】
図５（ｂ）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５（ｂ）に示すように、第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１を図５（ａ）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。
【００２５】
図６（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）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６（ａ））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６（ｂ））とを示す模式図である。図６（ａ），（ｂ）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。
【００２６】
図６（ａ）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６（ａ）に示す真空ポンプは、図５（ａ）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５（ａ）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。
【００２７】
図６（ｂ）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６（ｂ）に示すように、第１段羽根車４の幅寸法Ｗ１を図６（ａ）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６（ｂ）に示す真空ポンプは、図５（ｂ）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５（ｂ）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５（ｂ）に示す真空ポンプおよび図６（ｂ）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。
【００２８】
図５（ａ），（ｂ）および図６（ａ），（ｂ）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。
【００２９】
図５（ｂ）および図６（ｂ）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。
【００３０】
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。
【符号の説明】
【００３１】
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
８    吸気側カバー
８ｓ  吸気口
９    排気ケーシング
９ｄ  排気口
１０    メカニカルシール
１２    モータフランジ
１３    モータケーシング
１４    軸受
４１    ボス部
４２    羽根
Ｄ１    第１段羽根車の外径
Ｄ２    第２段羽根車の外径
ＬＦ    液膜（液環）
Ｐｄ    排気ポート
Ｐｓ    吸気ポート
Ｗ１    第１段羽根車の幅寸法
Ｗ２    第２段羽根車の幅寸法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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