(57)【要約】【課題】  駆動効率に優れ、大量の水蒸気を排気できる真空ポンプを提供する。【解決手段】  シリンダ３，３Ａ内を往復動するピストン４，４Ａと、シリンダ３，３Ａに設けられた吸気口８，８Ａ及び排気口９，９Ａと、吸気口８，８Ａに設けられ吸気方向に開く逆止弁10，10Ａと、排気口９，９Ａに設けられ排気方向に開く逆止弁11，11Ａとを有するシリンダピストン機構２，２Ａを一対備え、一方のシリンダピストン機構２の排気口９に、他方のシリンダピストン機構２Ａの吸気口８Ａを接続し、一方のシリンダピストン機構２のピストン４の往復動に対して、他方のシリンダピストン機構２Ａのピストン４Ａを逆方向に往復動する。一方のシリンダ３内の水蒸気を他方のシリンダ３Ａに吸引することにより、水蒸気が大量に混入する場合でも、効率よく減圧吸引することができる。    【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダに設けられた吸気口及び排気口と、前記吸気口に設けられ吸気方向に開く逆止弁と、前記排気口に設けられ排気方向に開く逆止弁とを有するシリンダピストン機構を一対備え、一方の前記シリンダピストン機構の前記排気口に、他方の前記シリンダピストン機構の前記吸気口を接続したことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
一方の前記シリンダピストン機構のピストンの往復動に対して、他方のシリンダピストン機構のピストンを逆方向に往復動することを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
【請求項３】
前記一対のシリンダピストン機構に対応して、クランク軸に一対のクランクピン部を設け、これらクランクピン部をクランク軸の回転中心を挟んだ位置に配置し、それらクランクピン部に、対応する前記ピストンを連結したことを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の真空ポンプとして、ロータリポンプ，水封式真空ポンプ、ダイヤフラム式真空ポンプやドライ真空ポンプ（例えば特許文献１）などの各種のものが知られている。それら真空ポンプは、用途により、水蒸気を大量に排気可能な性能が望まれる。
【０００３】
例えば、食品産業における食品の真空冷却，真空包装，真空乾燥や透明氷の製造、廃棄物処理における生ごみ処理機，産業汚泥・ヘドロの脱水、化学産業における濃縮，脱ガス，脱泡，真空下での化学反応などにおいては、真空ポンプは、真空吸引と共に水蒸気を大量に排気して作動する性能が要求される。
【０００４】
これに対して、従来のロータリポンプでは、水蒸気と油が混ざり、乳化現象を起すと、その後、排気能力が低下し、また、ダイヤフラム式真空ポンプでは、一般的に排気速度が遅く、また、ドライポンプは、水に弱い面がある。これに対して、水封式真空ポンプでは、大量の水蒸気を排気できるが、封水の温度によって排気速度が変化し、到達圧力が大きく変わってしまう欠点がある。
【０００５】
そして、近年の環境意識の高まりから、ＯＤＰ（オゾン破壊係数）やＧＷＰ（地球温暖化係数）がゼロ又はゼロに近い水，空気，二酸化炭素，炭化水素，アンモニア等の自然冷媒の利用が注目されており、これらの冷媒の中でも、水は環境的にもコスト的にも優れており、取り扱いも容易である。また、水は理論成績係数ＣＯＰも、フロンやアンモニアと同等で高い水準を示す。
【特許文献１】特開２００５−１５２６９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、駆動効率に優れ、大量の水蒸気を排気できる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】
【０００７】
本願発明者らは、例えば、クリーンで効率の良い小型空調システムを構築することを一つの目的に、水の減圧冷却による冷房システムについて検討し、本発明に至った。
【０００８】
請求項１の発明は、シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダに設けられた吸気口及び排気口と、前記吸気口に設けられ吸気方向に開く逆止弁と、前記排気口に設けられ排気方向に開く逆止弁とを有するシリンダピストン機構を一対備え、一方の前記シリンダピストン機構の前記排気口に、他方の前記シリンダピストン機構の前記吸気口を接続したものである。
【０００９】
また、請求項２の発明は、一方の前記シリンダピストン機構のピストンの往復動に対して、他方のシリンダピストン機構のピストンを逆方向に往復動するものである。
【００１０】
また、請求項３の発明は、前記一対のシリンダピストン機構に対応して、クランク軸に一対のクランクピン部を設け、これらクランクピン部をクランク軸の回転中心を挟んだ位置に配置し、それらクランクピン部に、対応する前記ピストンを連結したものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の構成によれば、ピストンシリンダ機構は、ピストンが往復動することにより、圧縮工程と膨張工程とを交互に繰り返し、一方のシリンダピストン機構の吸気口を、内部に水などを含む真空容器などに接続し、一方のピストンの往復動によるシリンダ内の膨張工程において、前記真空容器から水蒸気を吸引し、その圧縮工程において、他方のピストンを他方のシリンダが膨張工程となるように往復動することにより、一方のシリンダ内の水蒸気を他方のシリンダに吸引し、このようにして一方のシリンダ内から水蒸気を吸引除去することにより、水蒸気が大量に混入する場合でも、効率よく減圧することができる。
【００１２】
したがって、この真空ポンプを水が入った真空容器の減圧に用いれば、効率の良い冷房システムを構築することができる。
【００１３】
また、請求項２の構成によれば、一方のピストンが往復動して圧縮工程と膨張工程を繰り返し、この間、他方のピストンは逆方向に往復動して圧縮工程と膨張工程とを繰り返し、このように一方のピストンの圧縮工程において、他方のシリンダが膨張工程となるため、一方の排気口の逆止弁と、他方の吸気口の逆止弁とが開成し、一方のシリンダの水蒸気を含む気体を、効率よく他方のシリンダに排気することができ、一方のシリンダ内に水が溜まらないから、一方のシリンダピストン機構において、連続して安定した真空吸引を行うことができる。
【００１４】
尚、一方のシリンダの膨張工程においては、排気口の逆止弁は閉成し、吸気口の逆止弁が開成して、接続した真空容器を真空吸引し、他方のシリンダの圧縮工程においては、吸気口の逆止弁は閉成し、排気口の逆止弁が開成して、シリンダ内の水蒸気を含む気体を外部に排気することができる。
【００１５】
また、請求項３の構成によれば、クランク軸を回転駆動することにより、一方のピストンと他方のピストンが逆位相の運動となり、それらピストンが互いに逆方向に往復動する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なる真空ポンプを採用することにより、従来にない真空ポンプが得られ、その真空ポンプを夫々記述する。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の実施例１について図１〜図４を参照して説明する。同図に示すように、真空ポンプ１は、一対のピストンシリンダ機構２，２Ａを備え、これらピストンシリンダ機構２，２Ａには、同一構成のものが用いられ、略平行に配置されている。尚、説明を容易にするため、一方のピストンシリンダ機構２の部品の符号に対して、他方のピストンシリンダ機構２Ａには、部品の符号にＡを付して説明する。
【００１８】
前記ピストンシリンダ機構２，２Ａは、略円筒形のシリンダ３，３Ａと、前記シリンダ３，３Ａ内を往復動するピストン４，４Ａと、前記ピストン４，４Ａとクランク軸５とを連結するクランクシャフト６，６Ａと、前記シリンダ３，３Ａの端部を塞ぐシリンダカバー７，７Ａと、前記シリンダカバー７，７Ａに設けられた吸気口８，８Ａ及び排気口９，９Ａと、前記排気口８，８Ａに設けた逆止弁10，10Ａと、前記排気口９，９Ａに設けた逆止弁11，11Ａとを備える。
【００１９】
前記逆止弁９，９Ａは、圧力差により外部からシリンダ３，３Ａ内部への流体の流れを許容する方向に開成するものであり、内部が外部より圧力が高くなっても、内部から外部への方向は閉成して流体の流れを阻止するものである。また、前記逆止弁10，10Ａは、圧力差によりシリンダ３，３Ａ内部から外部への流体の流れを許容する方向に開成するものであり、外部が内部より圧力が高くなっても、外部から内部への方向は閉成して流体の流れを阻止するものである。
【００２０】
前記一方のシリンダピストン機構２の吸気口８には吸気路21が接続され、前記排気口９と吸気口８Ａとが連通路22により接続され、前記排気口９Ａには排気路23が接続されている。それら吸気路21，連通路22及び排気路23は管路などにより構成され、前記吸気路21には真空容器24などが接続される。
【００２１】
前記クランク軸５には、前記各クランクシャフト６，６Ａに対応して、クランクピン部51，51Ａが設けられ、これらクランクピン部51，51Ａは、クランク軸５の回転中心を挟んだ対称の位置に配置され、それらクランクピン部51，51Ａに前記クランクシャフト６，６Ａの基端を回動可能に連結し、それらクランクシャフト６，６Ａの先端は前記ピストン４，４Ａに回動可能に連結されている。尚、図中12，12Ａは、前記ピストン４，４Ａに外装された管状のシール材であり、前記ピストン４，４Ａの外周面とシリンダ３，３Ａの内周面との気密を保つものである。
【００２２】
また、前記クランク軸５は、原動機であるモータ25により回転駆動し、回転伝達機構であるプーリ（図示せず）群によりモータ25の回転を減速してクランク軸５に伝える。
【００２３】
ところで、ピストンとシリンダとを備えたポンプを用いて真空排気を行う場合、シリンダ内に水蒸気を多量に吸気すると、その水蒸気がシリンダ内で圧縮された場合、凝結して水に戻り、この水は膨張工程において再びシリンダ内で水蒸気に状態変化するだけで真空排気の妨げとなる。
【００２４】
本実施例はこのような問題を解決するものであり、その真空ポンプ１の動作について、以下に説明する。各ピストンシリンダ機構２，２Ａは、ピストン４，４Ａが往復動することにより、圧縮工程と膨張工程とを交互に繰り返し、クランク軸５に連結したピストン４とピストン４Ａの往復動は逆位相の運動となる。そして、一方のピストン４の往復動によるシリンダ３内の膨張工程において、真空容器24から水蒸気を含む気体を吸引し、その圧縮工程において、他方のピストン４Ａを、他方のシリンダ３Ａが膨張工程となるように往復動することにより、一方のシリンダ３内の水蒸気を含む気体を、他方のシリンダ３Ａが吸引する。この場合、シリンダ３，３Ａ及びピストン４，４Ａは同一のものであり、ピストン４，４Ａは逆方向に同速度で移動するから、シリンダ３の圧縮空間とシリンダ３Ａの膨張空間の体積合計は一定に保たれる。
【００２５】
したがって、一方のシリンダ３における圧縮工程で水蒸気が水に凝結することなく、水蒸気が他方のシリンダ３Ａ内に吸引されるため、一方のシリンダ３において、吸引した水蒸気が真空排気の妨げになることがない。また、他方のシリンダピストン機構２Ａは、膨張工程において、一方のシリンダピストン機構２Ａから連通路22を通って加圧した気体が送り込まれるものであるから、ピストン４Ａの駆動力が小さく済み、真空ポンプ１全体として、小さな動力で効率よく連続した真空排気を行うことができる。実際に、ピストン４，４Ａの逆位相運転を採用した場合、動力のモータ25の負荷を２倍にはせず、略1.2倍程度となった。
実験例
前記シリンダ３，３Ａの容積は約500cc（ピストンの往復動に対応する容積）、真空容器24の到達圧力は約１kPa、モータ25の消費電量は約１kW、モータ25の定常運転時の消費電力は約0.5kW、排気速度は約180リットル/分（インバータ電源周波数30Hz時）、モータ25の消費電力は2.2kW定格、ギヤ比（減速比）は約2.8（モータ25のプーリの直径とクランク軸５のプーリの直径の比が、約１対2.8）とした。
【００２６】
また、真空容器24は容積3.0×10-3ｍ3のものを用い、前記真空ポンプ１により真空排気を行った。また、真空容器24内の圧力の時間変化を絶対圧力計で測定し、さらに、インバータ周波数を変化させ、周波数による絶対圧力の時間変化及び消費電力について測定し、その結果の一例を図３に示す。
【００２７】
図３はインバータ周波数を30Hzとしたときの消費電力，真空容器24内の絶対圧力の時間経過特性を示し、真空容器24内の絶対圧力は、運転開始直後、急激に減少し、約15秒で0.6 kPaに達した。消費電力は運転開始直後、急激に上昇し、圧力が一定になると、500W程度で一定となった。また、真空容器24の内部に容積約200ccの水を入れた場合、図４のインバータ周波数30Hzに示すように、運転開始後、約５分で、真空容器24内の水温が25℃から15℃まで冷却でき、真空ポンプ１が良好に機能することを確認できた。尚、図４は、インバータ周波数を変えた真空ポンプ１と、「水封式」で示す水封式真空ポンプに２℃の冷水を連続供給した場合とを比較するグラフ図である。
【００２８】
そして、従来のエアコンは、コンプレッサにより冷媒を加圧するが、本実施例の真空ポンプ１を水冷房システムと組み合わせた場合、水の膨張運動による冷却を用いるため、断熱での力学的なエネルギーは圧縮過程よりはるかに少なく、有利である。また、水は熱容量が大きいため、真空ポンプ１の断続運転で消費電力の低減や、夜間電力での冷滅貯蔵の利用も考えられる。
【００２９】
また、本実施例の真空ポンプ１は、例えば、中古自動車のエンジンを改良して製造することもできるため、安価で製造が容易で、資源の有効活用を図ることができる。
【００３０】
このように本実施例では、請求項１に対応して、シリンダ３，３Ａ内を往復動するピストン４，４Ａと、シリンダ３，３Ａに設けられた吸気口８，８Ａ及び排気口９，９Ａと、吸気口８，８Ａに設けられ吸気方向に開く逆止弁10，10Ａと、排気口９，９Ａに設けられ排気方向に開く逆止弁11，11Ａとを有するシリンダピストン機構２，２Ａを一対備え、一方のシリンダピストン機構２の排気口９に、他方のシリンダピストン機構２Ａの吸気口８Ａを接続したから、ピストンシリンダ機構２，２Ａは、ピストン４，４Ａが往復動することにより、圧縮工程と膨張工程とを交互に繰り返し、一方のシリンダピストン機構２の吸気口８を、内部に水などを含む真空容器24などに接続し、一方のピストン４の往復動によるシリンダ３内の膨張工程において、真空容器24から水蒸気を吸引し、その圧縮工程において、他方のピストン４を他方のシリンダ３Ａが膨張工程となるように往復動することにより、一方のシリンダ３内の水蒸気を他方のシリンダ３Ａに吸引し、このようにして一方のシリンダ３内から水蒸気を吸引除去することにより、水蒸気が大量に混入する場合でも、効率よく減圧することができる。
【００３１】
したがって、この真空ポンプ１を水が入った真空容器24の減圧に用いれば、減圧より生じる水蒸気の気化熱により温度が下がり、効率の良い冷房システムを構築することができる。
【００３２】
また、このように本実施例では、請求項２に対応して、一方のシリンダピストン機構２のピストン４の往復動に対して、他方のシリンダピストン機構２Ａのピストン４Ａを逆方向に往復動するから、一方のピストン４が往復動して圧縮工程と膨張工程を繰り返し、この間、他方のピストン４Ａは逆方向に往復動して圧縮工程と膨張工程とを繰り返し、このように一方のピストン４の圧縮工程において、他方のシリンダ３Ａが膨張工程となるため、一方の排気口９の逆止弁11と他方の吸気口８Ａの逆止弁10とが開成し、一方のシリンダ３の水蒸気を含む気体を、効率よく他方のシリンダ３Ａに排気することができ、一方のシリンダ３内に水が溜まらないから、一方のシリンダピストン機構２において、連続して安定した真空吸引を行うことができる。
【００３３】
尚、一方のシリンダ３の膨張工程においては、排気口９の逆止弁11は閉成し、吸気口８の逆止弁10が開成して、接続した真空容器24を真空吸引し、他方のシリンダ３Ａの圧縮工程においては、吸気口９Ａの逆止弁10Ａは閉成し、排気口９Ａの逆止弁11Ａが開成して、シリンダ３Ａ内の水蒸気を含む気体を排気路23などから外部に排気することができる。
【００３４】
また、このように本実施例では、請求項３に対応して、一対のシリンダピストン機構２に対応してクランク軸５に一対のクランクピン部51，51Ａを設け、これらクランクピン部51，51Ａをクランク軸５の回転中心を挟んだ位置に配置し、それらクランクピン部51，51Ａに、対応するピストン４，４Ａをクランクシャフト６，６Ａにより連結したから、クランク軸５を回転駆動することにより、一方のピストン４と他方のピストン４Ａが逆位相の運動となり、それらピストン４，４Ａが互いに逆方向に往復動する。
【００３５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では、一対のシリンダピストン機構を備えたものを示したが、一対にさらに１つ加えて３つのシリンダピストン機構を備えていてもよく、少なくとも一対のシリンダピストン機構があればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例１を示す全体断面説明図である。
【図２】同上、一方のピストンが膨張工程後の状態を示す全体断面説明図である。
【図３】同上、到達圧力と消費電力の関係を示すグラフ図である。
【図４】同上、温度と時間の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  真空ポンプ
２，２Ａ  ピストンシリンダ機構
３，３Ａ  シリンダ
４，４Ａ  ピストン
５  クランク軸
51，51Ａ  クランクピン部
８，８Ａ  吸気口
９，９Ａ  排気口
10，10Ａ  逆止弁
11，11Ａ  逆止弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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