(57)【要約】【課題】  外側部材と内側部材との間隙を小さくして気体の逆流流量を小さくしながら、高速回転時における外側部材と内側部材との接触を防止することができる軸流式流体機械を提供すること。【解決手段】  筒形状の外側部材２と、外側部材２の内周側２ａに間隙ｄを介して対向配置された外周面３ａを有する内側部材３と、外側部材２の内周側及び内側部材３の外周側の少なくともいずれか一方に形成されたねじ部４とを備え、外側部材２及び内側部材３の少なくともいずれか一方を回転させることで流体の吸入または排出を行う軸流型流体機械において、外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に流体軸受部５が設けられている。【選択図】      図１
2005171799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形状の外側部材と、該外側部材の内周面に間隙を介して対向配置された外周面を有する内側部材と、前記外側部材の内周側及び前記内側部材の外周側の少なくともいずれか一方に形成されたねじ部とを備え、前記外側部材及び前記内側部材の少なくともいずれか一方を回転させることで流体の吸入または排出を行う軸流型流体機械において、
前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面との間に流体軸受部が設けられていることを特徴とする軸流型流体機械。
【請求項２】
前記流体軸受部を構成する流体軸受は、流体動圧軸受であることを特徴とする請求項１記載の軸流型流体機械。
【請求項３】
前記流体軸受部は、少なくとも前記流体の排出側端における前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の軸流型流体機械。
【請求項４】
前記流体軸受部は、回転軸方向における前記ねじ部の両側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の軸流型流体機械。
【請求項５】
前記外側部材の内周面及び前記内側部材の外周面の少なくともいずれか一方は、前記ねじ部のねじ山部に嵌め込まれた筒状のスリーブにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の軸流型流体機械。
【請求項６】
前記軸流式流体機械は、気体の排気を行うねじ溝式真空ポンプであることを特徴とする請求項１記載の軸流型流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状の外側部材とその内部に配置された内側部材とこれらの間に形成されたねじ部とを備えるねじ溝式の軸流型流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を軸方向に移送する軸流型流体機械として、従来から、筒形状の外側部材と、外側部材の内周面に間隙を介して対向配置された外周面を有する内側部材と、外側部材の内周側及び内側部材の外周側の少なくともいずれか一方に形成されたねじ部とを備え、外側部材及び内側部材の少なくともいずれか一方を回転させることで流体の吸入または排出を行う軸流型流体機械が用いられている。
【０００３】
このような軸流型流体機械としては、例えば図７に示すように固定子である外側部材１０１と、この外側部材１０１の内周側に配置された回転子である内側部材１０２と、ねじ溝部１０３ａとねじ山部１０３ｂとから構成され内側部材１０２の外周側に形成されたねじ部１０３とを備えるねじ溝式真空ポンプ１０４が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このねじ溝式真空ポンプ１０４では、内側部材１０２を高速回転させることでねじ部１０３が気体を圧縮し、吸気側１０５から排気側１０６へ排気を行っている。ここで、外側部材１０１と内側部材１０２との間隙は通常で数十μｍ〜数百μｍに設定されている。このため、吸気側１０５から排気側１０６に向かって粘性流領域（真空度：１．０×１０５（＝大気圧）〜１．０×１０２Ｐａ）の気体を排気する際には、吸気側１０５と排気側１０６との圧力差が発生すると排気側１０６から吸気側１０５へ気体の逆流が生じる。ねじ部１０３が気体を圧縮して排気する流量を逆流流量よりも大きくすることで、気体が吸気側１０５から排気側１０６へ排気され吸気側１０５の真空度を高めることができる。
【特許文献１】特開昭６２−３８８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したねじ溝式真空ポンプ１０４においては、圧縮比を高め、また排気流量を大きくするために外側部材１０１と内側部材１０２との間隙をなるべく小さくして気体の逆流流量を小さくする必要がある。しかしながら、上述したねじ溝式真空ポンプ１０３では、外側部材１０１と内側部材１０２の間隙を小さくすると、高速に回転する内側部材１０２が遠心力、熱応力あるいは振動などの影響を受け、その外周面が外側部材１０１に接触するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、外側部材と内側部材との間隙を小さくして気体の逆流流量を小さくしながら、高速回転時における外側部材と内側部材との接触を防止することができる軸流式流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明では、筒形状の外側部材と、該外側部材の内周面に間隙を介して対向配置された外周面を有する内側部材と、前記外側部材の内周側及び前記内側部材の外周側の少なくともいずれか一方に形成されたねじ部とを備え、前記外側部材及び前記内側部材の少なくともいずれか一方を回転させることで流体の吸入または排出を行う軸流型流体機械において、前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面との間に流体軸受部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、外側部材の内周面と内側部材の外周面との間に流体軸受部が設けられている。そのため、高速回転時においても、外側部材と内側部材とを非接触状態に保つことができる。また、外側部材と内側部材との間隙を流体軸受の軸受隙間程度に小さくする事ができる。すなわち、例えば、流体として気体が用いられた場合には、外側部材と内側部材との間隙を通常十数μｍとすることができる。そのため、逆流を小さく抑える事ができる。
【０００９】
本発明において、前記流体軸受部を構成する流体軸受は、流体動圧軸受であることが好ましい。軸流型流体機械においては、外側部材と内側部材との間に相対回転を生じさせることで、流体を軸方向に移送している。そのため、流体軸受を流体動圧軸受とすることで、流体軸受部に存在する流体を用いつつ、外側部材と内側部材との間の相対回転を利用して軸受部を構成することができる。
【００１０】
本発明において、前記流体軸受部は、少なくとも前記流体の排出側端における前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面との間に設けられていることが好ましい。排出側端に流体軸受部を設けることで、排気側からの逆流を効果的に抑える事ができる。
【００１１】
本発明において、前記流体軸受部は、回転軸方向における前記ねじ部の両側に設けられていることが好ましい。このように構成することで、軸流型流体機械において要部を構成するねじ部の両端を支持することができ、軸受としての十分な機能を果たすことができる。
【００１２】
本発明において、前記外側部材の内周面及び前記内側部材の外周面の少なくともいずれか一方は、前記ねじ部のねじ山部に嵌め込まれた筒状のスリーブにより形成されていることが好ましい。すなわち、ねじ山部に嵌め込まれた筒状のスリーブの内周面あるいは外周面を用いて流体軸受部を構成することが好ましい。このように構成することで、既存のねじ部を用いつつ流体軸受部を構成することができる。
【００１３】
本発明においては、前記軸流式流体機械は、気体の排気を行うねじ溝式真空ポンプとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、軸流型流体機械を構成する外側部材の内周面と内側部材の外周面との間に流体軸受部が設けられている。そのため、外側部材と内側部材との間隙を小さくして気体の逆流流量を小さくながら、高速回転時における外側部材と内側部材との接触を防止することができる。従って、簡易な構成により、軸流式流体機械の圧縮比を高めあるいは吸入・排出流量を大きくすることができる。すなわち、従来の軸流型流体機械と比較すると、同じ圧縮比であれば吸入・排出流量を大きくすることができる。また、従来よりも小さい回転数でも、圧縮比を高めあるいは吸入・排出流量を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
【００１６】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る軸流型流体機械を示す縦断面側面図である。図１では、外側部材を切断した状態の軸流型流体機械の側面を示している。
【００１７】
（概略構成）
本形態にかかる軸流型流体機械は、円筒形状の外側部材２と、外側部材２の内周面２ａに間隙ｄを介して対向配置された外周面３ａを有する内側部材３と、内側部材３の外周側に形成されたねじ部４とを備えたねじ溝式真空ポンプ１である。このねじ溝式真空ポンプ１は、内側部材３を回転させることで、吸気側８から排気側７へ気体の排気を行うように構成されている。また、外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に流体軸受部としての気体軸受部５が設けられている。
【００１８】
内側部材３は、外周側にねじ溝部４ａとねじ山部４ｂとからなるねじ部４が形成されたシャフト３１と、筒状のスリーブ３２とから構成されている。シャフト３１は、図示下端側が図示を省略するモータ等の駆動源に接続されており、外側部材２の内周側を回転するように構成されている。スリーブ３２は本形態においては、薄肉円筒形状をしており、ねじ山部４ｂに圧入等の手段によりその内周面がねじ山部４ｂに密着して気密性を保持しながら嵌め込まれている。スリーブ３２の外周面が内側部材３の外周面３ａに該当する。また、スリーブ３２は、シャフト３１の回転軸方向におけるねじ部４の両端側、すなわち、図１におけるねじ部４の図示上下端側における２箇所で、ねじ山部４ｂに嵌め込まれている。尚、ねじ山部４ｂと外側部材２の内周面２ａとの間隙は、数十μｍ〜数百μｍに設定されている。
【００１９】
外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に気体軸受部５が設けられていることから、内周面２ａと外周面３ａとは、例えばスリーブ３２はアルミ金属から形成される一方、外側部材２はステンレス鋼から形成されるように異種の金属材質により構成されている。
【００２０】
気体軸受部５を構成する気体軸受は、回転子としての内側部材３をその回転時に、固定子としての外側部材２に対してラジアル方向に非接触状態で支持するように構成された気体動圧軸受である。本形態においては、外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間隙ｄは十数μｍに設定されるとともに、外側部材２の内周面２ａ及び内側部材３の外周面３ａの少なくともいずれか一方にへリングボーン等の溝形状が形成されている。上述のように、スリーブ３２は、図１におけるねじ部４の図示上下端側において、ねじ山部４ｂに嵌め込まれていることから、気体軸受部５は、ねじ部４の両側において２箇所に設けられている。また、本形態では、気体軸受部５は、排気側７端及び吸気側８端における外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に設けられている。尚、気体動圧軸受としては、回転軸と直交する方向における外側部材２の内周面２ａ及び内側部材３の外周面３ａの断面を略真円に形成したいわゆる真円軸受や、外側部材２の内周面２ａ及び内側部材３の外周面３ａの少なくともいずれか一方に凹凸を形成した軸受等の種々の気体動圧軸受を用いることができる。
【００２１】
（排気動作）
以上のように構成されたねじ溝式真空ポンプ１により、吸気側８から排気側７へ粘性流領域の気体の排気を行う際の排気動作を以下に説明する。
【００２２】
吸気側８から排気側７へ気体の排気を行うときは、内側部材３を高速回転させる。内側部材３が回転することで、ねじ部４が回転され、気体は吸気側８から排気側７へ押し流される。吸気側８から排気側７へ押し流される気体は主としてねじ溝部４ａを通過する。このとき、ねじ部４の両側に設けられた気体軸受部５においては、内側部材３を高速回転させることで、ラジアル方向に動圧力が発生し、内側部材３が外側部材２に対して非接触状態で支持される。
【００２３】
（本形態の効果）
以上説明したように、本形態におけるねじ溝式真空ポンプ１には、外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に気体軸受部５が設けられている。そのため、内側部材３の高速回転時における遠心力や振動等の影響で、外側部材２と内側部材３とが接近すればする程、気体軸受部５において両部材２，３間には大きな正圧が発生し、両部材２，３を遠ざける方向に反発力が作用する。従って、内側部材３の高速回転時においても、外側部材２と内側部材３とを非接触状態に保つことができる。また、内側部材３を高速回転させ、吸気側８から排気側７へ気体の排気を行う際には、外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に形成された間隙ｄ、すなわち気体軸受部５における間隙ｄを通過する気体の逆流が生じる。しかし、本形態のように、気体軸受部５における間隙ｄは十数μｍと小さく設定できることから、気体の逆流流量を小さくすることができる。従って、ねじ溝式真空ポンプ１の圧縮比を高め、また排気流量を大きくすることができる。また、従来と同程度の圧縮比及び排気流量を得るために必要な内側部材３の回転速度を小さくすることができる。
【００２４】
また、外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に気体軸受部５を構成している。従って、別途内側部材２の軸受部を設ける必要がなく、ねじ溝式真空ポンプ１の構成が簡略化される。さらに、軸受として気体軸受を採用することから、ボール軸受や磁気軸受等のように治工具を用いた高精度な組立の必要がない。そのため、比較的簡単に組立作業をすることができ、ねじ溝式真空ポンプ１の組立作業の効率が良い。
【００２５】
本形態では、気体軸受部５を構成する気体軸受は気体動圧軸受である。従って、気体軸受部５に存在する気体を用いつつ、外側部材２と内側部材３との間の相対回転を利用して軸受部を構成することができる。すなわち、簡易な構成で気体軸受部５を構成することが可能になる。
【００２６】
本形態では、気体軸受部５は、少なくとも排気側７端における外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に設けられている。従って、排気側７からの気体の逆流を効果的に防止することができる。すなわち、図１において吸気側８端における外側部材２の内周面２ａと内側部材３の外周面３ａとの間に気体軸受部５が形成されていなかったとしても、排気側７からの気体の逆流は防止することができる。
【００２７】
本形態では、気体軸受部５は、回転軸方向におけるねじ部４の両側に設けられている。従って、ねじ溝式真空ポンプ１において要部を構成するねじ部４の両端を支持することができ、回転子としての内側部材２の軸受としての十分な機能を果たすことができる。
【００２８】
また、本形態では、内側部材３の外周面３ａは、ねじ山部４ｂに嵌め込まれた薄肉円筒形状のスリーブ３２により形成されている。すなわち、スリーブ３２の外周面を用いて気体軸受部５が構成されている。従って、従来から用いられているねじ部４を変更することなく気体軸受部５を構成することができる。
【００２９】
（本形態の変形例）
図２は、本発明の実施の形態１に係る軸流型流体機械の変形例を示す縦断面側面図である。図２においても、図１と同様に外側部材を切断した状態の軸流型流体機械の側面を示している。
【００３０】
図２に示すように、ねじ部４の回転軸方向の全長にわたって薄肉円筒状スリーブ３２を嵌め込むように構成しても良い。このように構成しても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
［実施の形態２］
図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態２に係る軸流型流体機械を示す上面図及び縦断面側面図である。図３（Ｂ）では、外側部材を切断した状態の軸流型流体機械の側面を示している。本形態に係る軸流型流体機械は、基本的な構成が実施の形態１と共通しているため、共通している部分については、同一の符号を付して図示することとし、それらの説明を省略する。
【００３２】
図３に示すように本形態におけるねじ溝式真空ポンプ１では、内側部材３は、外周側にねじ溝部４ａとねじ山部４ｂとからなるねじ部４が一部に形成されたシャフト部３３とこのシャフト部３３と一体で形成されたボス部３４とから構成されている。シャフト部３３の図示下端側は、図示を省略するモータ等の駆動源に接続されており、内側部材３は外側部材２の内周側を回転するように構成されている。
【００３３】
ボス部３４は、シャフト部３３よりも大径で、シャフト部３３に形成されたねじ部４の両端側で２箇所に形成されている。本形態では、ボス部３４の外周面が内側部材３の外周面３ａに該当する。この外周面３ａと外側部材２の内周面２ａとの間に気体軸受部５が設けられている。また、ボス部３４には、吸気側８から排気側７へ気体の排気を行う際に気体が通過する貫通孔３４ａが軸方向に貫通して設けられている。本形態においては、４５°間隔で円環状に８個の貫通孔３４ａが設けられている。
【００３４】
以上のように構成された本形態の係るねじ溝式真空ポンプ１で、実施の形態１と同様に内側部材３を高速回転させて吸気側８から排気側７へ気体の排気を行うこととなる。この際、吸気側８から排気側７へ押し流される気体は主として吸気側８の貫通孔３４ａ、ねじ溝部４ａ、排気側７の貫通孔３４ａを通過することになる。
【００３５】
本形態におけるねじ溝式真空ポンプ１では、シャフト部３３とボス部３４とが一体で形成されて内側部材３が構成され、ボス３４部の外周面すなわち内側部材３の外周面３ａと外側部材２の内周面２ａとの間に気体軸受部５が設けられている。そのため、実施の形態１のように、従来から用いられているねじ部４を変更することなく気体軸受部５を構成することはできない。しかしながら、シャフト部３３とボス部３４とを一体で形成するため加工が容易になる。また、ねじ山部４ｂにスリーブ３２を嵌め込んだ場合には、ねじ山部４ｂとスリーブ３２の内周面との間からの気体が漏れ出し、排気側７から吸気側８へ逆流を生ずるおそれがあるため、気体の漏れを防止する手段を施す必要が生じる場合がある。しかし、本形態の構成を採用すれば気体の漏れを考慮する必要がない。
【００３６】
［他の実施の形態］
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形可能である。例えば、上述した形態においては、内側部材３にねじ部４を形成するとともに内側部材３を回転させることとしたが、ねじ部４の形成部材並びに内側部材３と外側部材２との回転及び固定のパターンとしては以下の表１の組合せを採用することができる。
【００３７】
【表１】
2005171799.tif 000003
【００３８】
すなわち、表中ＮＯ．１の組合せが上述した実施の形態１及び２に該当するが、図４に示すように内側部材３を固定するとともに外側部材２を回転させても良い（表中ＮＯ．２）。この場合、ねじ部４が回転せず気体を流通させることができないため、外側部材２の少なくとも一方の端部に気体を流通させるためのインペラ１０を設けるか（図４参照）、排気側７に油回転真空ポンプやドライ真空ポンプなどの粗引き用の補助ポンプを設けるようにする。なお、補助ポンプを使用する場合には、インペラ１０を設ける必要はない。また、内側部材３と外側部材２のいずれか一方を回転させることには限られず、両部材３，２を回転させるようにしても良い（表中ＮＯ．３）。この場合はインペラ１０等は不要である。このときの回転方向は互いに逆向きであることが好ましいが、同方向に回転させて回転速度差を設けるようにしても良い。
【００３９】
また、図５に示されるように、ねじ部４を外側部材２に形成しても良い（表中ＮＯ．４〜６）。この場合、ねじ部４が設けられた部材が固定されるときには、回転側の部材にインペラ１０を設けるようにするか（図５参照）、排気側７に油回転真空ポンプやドライ真空ポンプなどの粗引き用の補助ポンプを設けるようにする（表中ＮＯ．４）。尚、外側部材２にねじ部４を形成する場合には、図５に示されるように薄肉円筒形状のスリーブ２１をねじ山部４ｂに嵌め込むことで外側部材２の内周面２ａを形成して気体軸受部５を設ければ良い。あるいは、上記の実施の形態２に対応して、外側部材２にねじ山部４ｂよりも内径が小径となる肉厚部を設けることで内周面２ａを形成して気体軸受部５を設けるようにしても良い。
【００４０】
さらに、図６に示されるように内側部材３と外側部材２との両部材にねじ部４を形成しても良い（表中ＮＯ．７〜９）。この場合、ねじ部４が設けられた部材が必ず回転するので、インペラ１０を設けることは要しない。尚、この場合には、内側部材３のねじ山部４ｂにスリーブ３２を嵌め込むこと（図６参照）または内側部材３にボス部を設けることで内側部材３の外周面３ａを形成するとともに、外側部材２にねじ山部４ｂよりも内径が小径となる肉厚部２２を設けること（図６参照）あるいは外側部材２のねじ山部４ｂにスリーブを嵌め込むことで外側部材２の内周面２ａを形成して気体軸受部５を設けるようにすれば良い。
【００４１】
さらにまた、上述した実施の形態では、軸流型流体機械は気体を排気するねじ溝式真空ポンプ１であったが、本発明における軸流型流体機械はこれには限定されない。すなわち、例えば、気体の吸入を行うコンプレッサ装置に本発明を適用しても良い。また、気体以外の水や油等の非圧縮性流体を扱う軸流型流体機械に本発明を適用しても良い。
【００４２】
また、上述した実施の形態では、気体軸受部５を構成する気体軸受は気体動圧軸受であったが、気体軸受は気体静圧軸受であっても良い。すなわち、例えば、図１における気体軸受部５における内側部材３の外周面３ａに所定の圧力を有する気体を径方向外方から供給することで気体軸受を構成しても良い。
【００４３】
さらに、上述した実施の形態では、外側部材２はその内周面２ａの内径が一定の円筒形状であったが、外側部材２の内周面２ａはその内径が軸方向で次第に変化するテーパ形状を有する円錐状に形成しても良い。また、上述した実施の形態では内側部材３は略円柱状であったが、内側部材３も円錐状に形成しても良い。尚、上述した実施の形態では、気体軸受部５はねじ部４の両端側で２箇所に設けられていたが、例えば、ねじ部４が軸方向両側から挟みこむように１箇所に設けても良い。
【００４４】
さらにまた、上述した実施の形態では、粘性流領域の気体の排気を行っているが、逆流は吸気側と排気側との圧力差により生じるので、粘性流体だけでなく例えば中間流領域（真空度：１．０×１０２〜１．０×１０−２Ｐａ）の気体を排気するようにしても良い。さらには、分子流領域（真空度：＞１．０×１０−２Ｐａ）の気体を排気するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る軸流型流体機械を示す縦断面側面図である。
【図２】実施の形態１に係る軸流型流体機械の変形例を示す縦断面側面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態２に係る軸流型流体機械を示す上面図及び縦断面側面図である。
【図４】ねじ部を有しない外側部材が回転する本発明の他の実施の形態に係る軸流型流体機械を示す縦断面側面図である。
【図５】ねじ部を有しない内側部材が回転する本発明の他の実施の形態に係る軸流型流体機械を示す縦断面側面図である。
【図６】内側部材及び外側部材がねじ部を有する本発明の他の実施の形態に係る軸流型流体機械を示す縦断面側面図である。
【図７】従来の軸流型流体機械を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  ねじ溝式真空ポンプ（軸流型流体機械）
２  外側部材
２ａ  内周面
３  内側部材
３ａ  外周面
４  ねじ部
４ａ  ねじ溝部
４ｂ  ねじ山部
５  気体軸受部（流体軸受部）
２１  スリーブ
３２  スリーブ
ｄ  間隙
【図１】
2005171799.tif 000004
【図２】
2005171799.tif 000005
【図３】
2005171799.tif 000006
【図４】
2005171799.tif 000007
【図５】
2005171799.tif 000008
【図６】
2005171799.tif 000009
【図７】
2005171799.tif 000010