(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のハウジング内にスラスト動圧ガス軸受を介して回転体を軸着するとともにこの回転体の円周部と前記ハウジングの内周に形成したステータとの間でガス圧縮作用を行うターボ機構を前記回転体の軸方向に多段に設け、ハウジングの軸方向一端側の吸気口からのガスを圧縮しハウジングの軸方向他端側の排気口に排出するようにしたターボ形回転機器であって、前記スラスト動圧ガス軸受を前記回転体に付設した円盤と、この円盤に対向する前記ハウジングとの間に介在された動圧ガス軸受用部材とによって構成するとともに、このスラスト動圧ガス軸受に冷却ガスを供給する冷却ガス供給系を設けた回転機器において、前記円盤の盤面に前記冷却ガスを流動させる翼を付設したことを特徴とするターボ形回転機器。
【請求項２】
円盤の一方側の盤面に翼を付設するとともに他方側の盤面とハウジングとの間には動圧ガス軸受用部材を介在させたことを特徴とする請求項１記載のターボ形回転機器。
【請求項３】
円盤の両盤面とハウジングとの間のそれぞれに動圧ガス軸受用部材を介在させるとともに、円盤の内方には半径方向の通路を設け、円盤が回転するとき円盤中心部の通路端より円盤外周の通路端に向けて冷却ガスが流動するよう構成したことを特徴とする請求項１記載のターボ形回転機器。
【請求項４】
翼を円盤の外周部近傍に付設したことを特徴とする請求項１記載のターボ形回転機器。
【請求項５】
円盤の両盤面とハウジングとの間のそれぞれに動圧ガス軸受用部材を介在させるとともに、円盤の両面にそれぞれ付設したそれぞれの翼と、この両翼により流動する冷却ガスをハウジング外に排出する排出路を設けたことを特徴とする請求項１記載のターボ形回転機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機構を採用するターボ形の真空ポンプやターボブロワ、あるいはガスタービン、コンプレッサなどのターボ形回転機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のターボ形回転機器の一つに、ハウジング内にオイルを持ち込まず作動し、オイルフリーな環境が要求される用途に利用されるターボ形ドライポンプがある。このドライポンプは、円筒状のハウジング内に軸受を介してロータを軸着するとともにこのロータと前記ハウジングの内周に形成したステータとの間でガス圧縮のポンプ作用を行う円周流ポンプを多段に設け、ハウジングの軸方向一端側の吸気口からのガスを圧縮しハウジングの軸方向他端側の排気口に排出する。この円周流ポンプは非接触形でターボ形ポンプに属するものである。しかも、このターボ形ドライポンプは大気圧の状態から排気が可能で真空域をつくることができる。
このようなドライポンプにおける軸受としては、機械的な玉軸受、磁気軸受、あるいは静圧軸受等が採用されていたが、最近ではメンテナンスに便利であり寿命も長く、しかもイニシャルコストやランニングコストを低減化できる動圧ガス軸受が提案されている。
【０００３】
この動圧ガス軸受には、薄片すなわちフォイルを使用するフォイル軸受やティルティングパッドを使用するティルティングパッド軸受、さらにはスパイラル方式を採用するスパイラル軸受等がある。たとえばフォイル軸受の場合、支持する支持面と支持される回転体の面が近接対向された間にフォイルが片持ち状に設置され、フォイルによって回転方向に漸次狭小となる楔状の隙間が形成される。そしてこの楔状隙間に気体（ガス）を巻き込んで動圧を発生させ、回転体を基体面に対して支承するものである。したがって玉軸受のようにオイルを使用するというものではなく、完全なオイルフリー環境（ドライ）が実現される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
動圧ガス軸受は、回転体の回転によって気流を生じさせ動圧を発生させることから、この気流の摩擦により熱が発生する。発熱は機器の変形、さらにはガタ（ゆるみ）を生じ、騒音が発生したり円周流ポンプ機能の低下にもつながる。このようなことから、通常この軸受部に冷却ガスを流通させて冷却している。冷却ガスとしては窒素ガス等の不活性ガスが使用される。
【０００５】
ところで、軸受部は非接触であるため、したがって冷却ガス流路内の圧力損失があり、この点を考慮して高圧の冷却ガスを供給する必要がある。他方、ターボ形ドライポンプの運転時はターボドライポンプ内が低圧となり、ポンプのアキシャル方向の押え付け力が増大し、スラスト軸受部における軸受損失が増大する。したがって、動圧ガス軸受部の昇温化を招くことから冷却ガスを多量かつ高圧で供給する必要がある。すなわち高圧ガス源が必要である。高圧ガス供給のためにランニングコストが増大することになる。また、軸受損失の増大は回転体の駆動源としての電動機を必要とし、たとえば高周波モータ・インバータの大型化を招来する。この面でもコストアップになる。また、この種ドライポンプではポンプ内のガス流路は狭く、にもかかわらず大流量の冷却ガスが必要となるため、圧力損失を考慮してガスを加圧し供給する必要もあり、設備の大型化、コストアップを伴っていた。
本発明はこのような課題を解決するターボ形回転機器を提供せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供するターボ形回転機器は、上記課題を解決するために、円筒状のハウジング内にスラスト動圧ガス軸受を介して回転体を軸着するとともにこの回転体の円周部と前記ハウジングの内周に形成したステータとの間でガス圧縮作用を行うターボ機構を前記回転体の軸方向に多段に設け、ハウジングの軸方向一端側の吸気口からのガスを圧縮しハウジングの軸方向他端側の排気口に排出するようにしたターボ形回転機器であって、前記スラスト動圧ガス軸受を前記回転体に付設した円盤と、この円盤に対向する前記ハウジングとの間に介在された動圧ガス軸受用部材とによって構成するとともに、このスラスト動圧ガス軸受に冷却ガスを供給する冷却ガス供給系を設けた回転機器において、前記円盤の盤面に前記冷却ガスを流動させる翼を付設したものである。したがって、この翼の回転によって冷却ガスに流動が生起され、動圧ガス軸受部の冷却が効果的に行われることになる。冷却ガスは高圧でなくてもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるターボ形回転機器を図面に示す実施例にしたがって説明する。
図面は本発明が提供するターボ形回転機器をターボ形のドライポンプに実施した例を示し、図１はこのターボ形のドライポンプＤＰの基本的な構成を示す図であり、ポンプ全体を縦断面して示している。
【０００８】
このドライポンプＤＰの主体は、円筒状のハウジング１とこのハウジング１の内方で軸受にて回転自在に軸着された回転体（以下ロータという）２で構成されている。ハウジング１は具体的には図示のとおり有底形となっていて、軸方向一端側（上方）の開口部が吸気口１Ｋであり、中段には軸方向他端側（下方）にて排気口１Ｈが設置されている。そしてロータ２の円周部とハウジング１の内周に形成されたステータとの組み合わせにより円周流ポンプＳＰが構成されている。この円周流ポンプＳＰはロータ２の軸方向に複数段、すなわち多段に設けられている。なお、図１に示される実施例においては、円周流ポンプＳＰの上方にねじ溝ポンプが設置されたいわゆるハイブリッド形のドライポンプの例が示されている。
【０００９】
以下この構成を詳述すると、まずハウジング１の内周上段にはねじ溝１Ｍが刻設されていて、このねじ溝１Ｍに近接すべくロータ２における上段の円筒部２Ｐが対向している。このねじ溝１Ｍとロータ２の円筒部２Ｐの組み合わせによって、いわゆるねじ溝ポンプ機構ＮＰが構成され、ロータ２の回転によって気体の粘性流域の分子を圧縮し下方へと圧送する。
【００１０】
さらに、ハウジング１の内周中段には、ステータ部１Ｔが多段、具体的には７段、軸方向に積設されている。他方ロータ２には、その中段から下方にこれら各ステータ１Ｔ間に挿入されるロータ円周部２Ｂが対向して設けられている。そしてステータ部１Ｔには内周端に溝１Ｇが形成され、他方ロータ円周部２Ｂの外周端にも溝２Ｇが形成されている。この両溝１Ｇ、２Ｇの相対的変位にて気流を生起させポンプ機能が作動する。このポンプ機能が流路１Ｎを介して後段に順次連接され全体としてガスの圧縮が行われる。この両者はもちろん非接触であるが、その組み合わせによって円周流ポンプＳＰが形成される。この多段の円周流ポンプＳＰの作動によって、ねじ溝ポンプ機構ＮＰにて圧送されたガスは、さらに圧縮されて下方へと圧送され排気路１Ｒを経て排気口１Ｈに排気されることになる。すなわち、各段の円周流ポンプＳＰはその円周でガスを圧縮し、終端で流路１Ｎを経て次段の円周流ポンプＳＰにガスを送り出し、これを各段順次行って排気していくものである。
【００１１】
以上がターボ形ｋドライポンプＤＰの基本的な原理とその作動であるが、ロータ２は図面に示すとおり断面がＨ形をなしていて、その中央部が回転駆動機構に連結されるとともに軸着されている。すなわち、３は回転駆動軸でハウジング１の軸芯上に配置されている。この回転駆動軸３には中段に軸受のための円盤すなわちフランジ部３Ｆが顎設され、さらにその下方に電動機（モータ）４が一体的に設置されている。この電動機４は電機子に相当するハウジング１の内周に設置された電機子巻線４Ｍと回転子に相当する回転駆動軸３に設置された回転子巻線３Ｍとの組み合わせによって構成され、外部からの電気エネルギー９の供給によって回転駆動軸３を高速回転させるものである。なお、図において３Ｓは回転駆動軸３の上端のねじ部でナット３Ｎと協働し、ロータ２をこの回転駆動軸３に固着するものである。
【００１２】
このような回転体すなわちロータ２は、動圧ガス軸受からなる軸受機構によってハウジング１に軸着されている。すなわち、図示例の動圧ガス軸受はフォイル軸受で、具体的にはフランジ部３Ｆとハウジング１の円筒部１Ｅとの上下隙間にはスラスト軸受としてのフォイル軸受５が周囲均等に複数個設置されている。フランジ部３Ｆの上下に設置されることで強力なスラスト力にも対応できるようになっている。他方、回転駆動軸３の上下には、ハウジング１の円筒部１Ｅとの隙間に上下２段にてラジアル用のフォイル軸受６が設置されている。これら両方のフォイル軸受５、６によってロータ２が非接触でかつ円滑に軸受されている。このような動圧ガス軸受は非接触形軸受であるが、ガス流による発熱が生起するので、この熱を取り除かねばならない。そこで図１に示すように冷却ガスの供給口１Ｆが設けられており、ここから供給された冷却ガスによって上記両フォイル軸受５、６の冷却が行われるのである。
【００１３】
以上の構成は、従来より実施されているターボ形のドライポンプの構成であって、本発明はこれらの構成において、フォイル軸受５、６を冷却する冷却ガスをこのフォイル軸受部に積極的に流動させる手段を設けたものである。
すなわち、本発明が提供するターボ形ドライポンプにおいては、フォイル軸受を回転駆動軸３に付設した円盤具体的にはフランジ部３Ｆと、このフランジ部３Ｆに対向するハウジング１との間に介在された動圧ガス軸受用部材具体的にはフォイルとによって構成するとともに、このフランジ部３Ｆのフォイルと反対側の盤面に翼Ｂを付設したものである。
【００１４】
図２はこの構成をより拡大して示す図であり、さらに図３はフランジ部３Ｆを下方より見た底面図である。これらの図から明らかなように翼Ｂはフランジ部の底面に放射状に複数枚付設されている。したがって、このフランジ部３Ｆが高速回転されると、翼Ｂも同時に回転して遠心ポンプの機能を発揮され、下方より回転駆動軸３に沿って流入してきた冷却ガスに積極的な流動を生起させることになる。
【００１５】
図２、図３の実施例の場合、フランジ部３Ｆの下面にのみ翼Ｂが付設されているが、この翼Ｂにてフランジ部３Ｆの下面全面域にわたり、外周方向に空気流が発生するわけである。この空気流に沿ってあるいはこの空気流に付勢されて冷却ガスはフランジ部３Ｆの上面側と積極的に流動し、フォイル軸受５の部材（フォイル）が効率よく冷却されることになる。
【００１６】
図４から図７は、翼Ｂの付設位置と付設個数を変えて示す各実施例である。しかもこれらの実施例はフランジ部３Ｆの両盤面にフォイル軸受５の部材を介設した形式の例である。まず図４の場合、翼Ｂをフランジ部３Ｆの外周近傍に付設された例で遠心ポンプの機能が大きく作用するものである。
【００１７】
この図４の実施例の場合、この翼Ｂは図５に示すようにスパイラル状をなしていてフランジ部３Ｆすなわち回転駆動軸３が矢印方向に回転駆動される。この矢印方向の回転によってフランジ部３Ｆの上面には外周から内方に向けて空気流が生起され、下方からの冷却ガスが上方へ流動して上下両面のフォイル軸受５の部材を冷却することになる。
つぎに図６は、図４に示す翼Ｂをフランジ部３Ｆの内方側に移動させた例を示している。もちろんこの場合も、翼Ｂは図５に示す場合と同様スパイラル状に付設されていて、回転により外方より内方への空気流を生起する。
図７はフランジ部３Ｆの上下両面に翼Ｂを付設した例を示している。しかも翼Ｂはフランジ部３Ｆの外周近傍にて付設されている。この場合翼Ｂの形状は図３に示す場合と同様放射状になっていて、遠心ポンプ機能を生起し、したがってフランジ部３Ｆの上下両面における空気を外周に流動させることになり、ハウジング１に形成した排出口１Ｑに冷却ガス等を排出することになる。この排出によって下方からの冷却ガスには流動が生起し、冷却ガスによるフォイル軸受５のフォイル部材の冷却が効率的に行われる。またフランジ部３Ｆの上面からの気体は、冷却ガスも含まれるが、この冷却ガスが真空ポンプによって上方へ流れていくのを防止する必要がある。したがって、この翼Ｂによる空気流の生起で冷却ガスが真空ポンプ側に流れるのを阻止することができる。
図８は翼Ｂがフランジ部３Ｆの両面でかつフランジ部３Ｆの内方に付設された例を示している。内方に付設しているが形状は図３と同様放射状で、内方にあるガスを外方へ付勢する機能を有する。したがって、下方位の冷却ガスは外方に流動しフォイル軸受５を積極的に冷却することになる。
図９、図１０はフランジ部３Ｆの厚さを大きくして、この厚さの中に孔を穿設してこの孔に更に翼３Ｂを形成し、冷却ガスをこの孔を介して積極的に流動させる実施例である。
図９はフランジ部３Ｆが回転駆動軸３から突出するその付け根の部分に穿設した縦孔ＴＡと放射方向に穿設した孔ＨＡを連接させたもので、内部に翼３Ｂが形成されている。したがって、フランジ部３Ｆの回転により翼３Ｂは遠心ポンプ作用を生起し、下方の冷却ガスが矢印で示すようにこの両孔ＴＡ、ＨＡを介して積極的に流動されフォイル軸受５等の冷却を行うことになる。
図１０は回転駆動軸３の中心部に縦孔ＺＡを穿設し、これを放射方向の孔ＨＡと連接したもので、３Ｂは翼を示している。この実施例においても図９と同様の機能が発揮される。
【００１８】
本発明が提供するターボ形回転機器は、以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく種々の変形例を挙げることができる。
まずターボ形回転機器としてターボ形のドライポンプの例を示したが、ターボ分子ポンプにも本発明は適用可能である。さらに真空ポンプのみでなく、ターボブロワやターボ形ガスタービンさらにはターボ形コンプレッサにも効果的に適用可能である。
つぎに発明の構成についてであるが、動圧ガス軸受としてはフォイル軸受に限定されず、ティルティングパット軸受等の軸受を採用しているスラスト用動圧ガス軸受にも本発明は適用可能である。
また、フランジ部（円盤）に付設する翼の形、個数、付設場所については上記ならびに図示例に限定されない。また図９、図１０ではフランジ部に通路としての孔を穿設した例を示したが、フランジ部を２枚形にしてそれを互いに間隙を有して接合させ、この間隙に翼を介設するような変形例も挙げられる。
本発明は、これらすべてを包含するものである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は以上詳述したとおりであるから、スラスト用の動圧ガス軸受に対する冷却ガスの供給が簡略な構成にて効率よく行われることになり、ターボ形回転機器の耐久性を向上させることができる。特に冷却ガス源の低圧化（常圧）が可能となる。これに伴って装置の所要動力を低減でき、回転機器全体のコンパクト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したターボ形ドライポンプの構成を示す図である。
【図２】本発明の要部の構成を拡大して示す図である。
【図３】図２の構成を下方より示す底面図である。
【図４】本発明の他の実施例の構成を拡大して示す図である。
【図５】図４の構成の要部を上面より示す平面図である。
【図６】本発明の他の実施例の構成を拡大して示す図である。
【図７】本発明の他の実施例の構成を拡大して示す図である。
【図８】本発明の他の実施例の構成を拡大して示す図である。
【図９】本発明の他の実施例の構成を拡大して示す図である。
【図１０】本発明の他の実施例の構成を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１…ハウジング
２…回転体
３…回転駆動軸
３Ｆ…フランジ部
４…モータ
５、６…フォイル軸受
１Ｆ…供給口
１Ｚ、１Ｑ…排出口
ＮＰ…ねじ溝ポンプ
ＳＰ…円周流ポンプ
Ｂ、３Ｂ…翼
【図１】
0004576746.tif 000002
【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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【図７】
0004576746.tif 000008
【図８】
0004576746.tif 000009
【図９】
0004576746.tif 000010
【図１０】
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