液体リング真空ポンプ

この発明は、シャフトがポンプハウジング内に偏心して取り付けられている液体リング真空ポンプに関する。 インペラーと駆動モータのロータがそのシャフトに接続されている。 コントロールディスクがインペラーに平行に設けられている。

この種のポンプは、容器（コンテナ）その他の密封されたスペースの排気（真空排気）を行うために使用することができる。 ポンプの入口開口部は被排気スペースに接続されており、そのスペース内のガスは前記入口開口部を通して吸い込まれ、ポンプ内で圧縮され、出口開口部から再び排出される。

液体リング真空ポンプでは、液体リングはインペラーによって動き続ける。 その結果、インペラーのベーン間にあるチャンバーは液体リングによって密封される。 インペラーはポンプハウジング内に偏心して取り付けられることから、液体リングはインペラーの角位置に応じて異なる程度でチャンバー内に入り込み、その結果、チャンバーの容量（容積）を変更するピストンとして作用する。 この目的のために要求される全ての力は、シャフトとインペラーとによって伝達される。

モノブロックデザインの古典的な液体リング真空ポンプは、標準的な電気モータと、これにしっかりとフランジ接続されたポンプとからなる。 ポンプとモータは、スライドリングシールの助けによって動圧で分離される。 ポンプは専用の軸受を一つも有していないため、電気モータの軸受がプロセスフォースを吸収するために使用される。 これらの軸受は通常強化されている。 プロセスフォースは径方向及び軸方向に片持ちインペラーに作用して、シャフトに圧縮負荷、とりわけ曲げ負荷をかける。 ポンプ設計中、この撓みを考慮に入れて十分なトレランスを設けなければならない。 特に、インペラーとコントロールディスクとの間の距離を維持する必要がある。 そうでなければ、シャフトの撓みによって、インペラーがコントロールディスクに衝突することになるからである。 しかしながら、インペラーとコントロールディスクとの間のトレランスは、ポンプ効率度を低減する漏れ損失と関係する。

発明が解決しようとする課題及び課題を解決するための手段

本発明は、漏れ損失が低減できる液体リング真空ポンプを提案するという目的に基づく。 冒頭で述べた先行技術を出発点として、この目的は、請求項１に記載の発明特定事項によって達成される。 本発明によれば、シャフトのために第１主軸受及び第２主軸受が設けられる。 前記第１主軸受は、インペラーとロータとの間で、コントロールディスクの平面に配置される。 前記インペラーは、前記第１主軸受と前記第２主軸受との間に配置される。 有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

まず、幾つかの用語について説明する。 インペラーと駆動モータのロータとは共通のシャフトに搭載されている。 これはモノブロックデザインのポンプで、ロータとインペラーとの間にシャフトフランジは存在しない。 用語「主軸受」は回転軸受を指し、この軸受の中でシャフトは静的に案内される。 シャフトが回転していなくとも、シャフトはこれらの主軸受によって規定の位置に保持される。 シャフトが回転しているときのみベアリングフォースを吸収できる動圧軸受は、この意味で主軸受ではない。 例えば、滑り軸受または転がり軸受が主軸受として適している。 主軸受は好ましくは、ポンプの作動液によって潤滑される。

「ポンプハウジング」はインペラーが収容されているポンプ部分のことである。 したがって、シャフトを偏心して取り付けることは、ポンプハウジング内のインペラーに関係する。 ポンプの他の部分では、シャフトを中央に配置することが可能である。 被配送ガスがインペラーのチャンバーに出入りするときに通る開口部が、インペラーに近接して配置されたコントロールディスクに形成されている。 このコントロールディスクをポンプハウジング内に直接に機械加工することは排除されない。 しかし、原則として、前記コントロールディスクは、ポンプハウジングに接続された別体の部材である。

駆動モータとインペラーとの間の中央領域でシャフトが撓むと不都合があることを本発明は認識している。 その場合、インペラーとコントロールディスクの間により大きいトレランスを維持する必要があるが、それは、直ちに、漏れ損失の増大となる。 したがって、本発明によれば、前記第１主軸受と第２主軸受とをインペラーに対して近接して配置することが提案される。 そして、シャフトを、シャフトに作用する力の大部分が生成される領域に搭載するので、インペラーをコントロールディスクからわずかな距離のところに配置することが可能となり、その結果、漏れ損失を低減できる。

インペラーにできるだけ近いところでプロセスフォースを吸収するのが適切である。 そのため、前記第１主軸受は前記コントロールディスクの平面に配置される。 古典的軸受設計（例えばGB 1 355 193、 DE 1 293 942参照）では、せいぜいシールがコントロールディスクの平面に設けられているに過ぎない。

主軸受の軸方向の延びつまり長さは原則としてコントロールディスクの厚さよりも大きい。 その結果、主軸受は一方向または両方向にコントロールディスクから張り出している。 前記第１主軸受は、半径方向の力のみならず、シャフトからの軸方向の力をも吸収できるように設計されるのが好ましい。 軸方向の力の吸収は、インペラーの方向を向いている前記第１主軸受の端面を介して起こり得る。 この目的のために、コントロールディスクを超えて軸方向に突出するように第１主軸受を配置することができる。 第２主軸受については、半径方向の力のみを吸収し、シャフトからの軸方向の力は吸収しないように設計することができる。

前記コントロールディスク自体は、一般的に、大きい負荷を吸収するのに適さない部材である。 主軸受によってコントロールディスクを負荷無しの状態に維持するために、コントロールディスクに対して近接して配置されたハウジング部分に主軸受を保持することができる。 コントロールディスクはそのハウジング部分とインペラーとの間に位置する。 駆動モータのロータは、そのハウジング部分の反対側に配置されるのが好ましい。 それ故、シャフトはハウジング内を端から端まで延び、その結果、ロータが前記ハウジング部分の一方の側に、そしてインペラーがもう一方の側に位置する。

ポンプが２つよりも多くの主軸受を備えることができることは、排除されない。 さらなる軸受が設けられた場合、それらは原則、主軸受よりも寸法の小さい補助軸受である。 この場合、前記主軸受は、シャフトの２つの最大軸受である。

有利な一実施形態では、２つの主軸受のみが設けられる。 駆動モータのロータはシャフト上の比較的大きい塊（mass）ではあるけれども（この塊は前記２つの主軸受の間には配置されない）、ロータは通常は不均衡とは無縁であり、その結果、大きな力がその部分でシャフトに作用することはない。 さらに、モータ自体がある程度までベアリングフォースを吸収できる。 つまり、駆動モータのロータとステータとのギャップが十分小さいものであれば、作動液（この中でロータが回転する）によって動圧軸受が形成される。

シャフトがロータの（インペラーから見て）他端側に取り付けられない場合には、前記主軸受が磨耗したとき駆動モータのロータとステータに損傷が起こる場合がある。 この種の損傷のリスクを減らすため、ロータの他端側に走行リング（run-on ring)を設けることができる。 正常運転の間、この走行リングにはベアリングフォースは生じない。 この走行リングは、シャフトが走行リングで遊びを有するように設計することができる。 走行リングの機能は、主軸受の一つが磨耗した場合に発揮される。 この場合、走行リングは駆動モータのロータとステータとが互いに接触するのを防止する。 さらに、この走行リングのベアリングフォースが所定値を超えた場合に残りの軸受の一つに磨耗が生じていると結論づけることによって、走行リングを磨耗インジケータとして使用可能である。

漏れ損失を低く保つためには、インペラーとコントロールディスクとの間の距離は小さくなければならない。 このためには、シャフトの軸方向位置を正確に設定する必要がある。 有利な一実施形態においては、シャフトの軸方向位置は、インペラーが前記第１主軸受の端面に当接するということによって画定される。 このため、前記第１主軸受はコントロールディスクの平面を僅かに超えて突き出ている。 第１主軸受の軸方向位置はポンプの組み立て作業中に正確に設定する必要があるが、これ以上の設定作業は必要ではない。

インペラーは、ポンプの運転中に起こる回転の結果として前記第１主軸受の方向に力が生成されるように、設計されるのが好ましい。 シャフトが軸方向に僅かな遊びを有している場合には、インペラーが前記力によって自動的に第１主軸受の端面に押圧される。

好ましくは、インペラーのチャンバーは、前記コントロールディスクの反対側の端部側で、ポンプの作動中に液体リングの中にまで突出するフランジ付きディスクによって密封される。 したがって、インペラーとコントロールディスクとの間の漏れギャップがポンプの唯一の漏れギャップとなる。 前記フランジ付きディスクのもう一方の側において、ポンプの作業スペースをハウジングカバーで密封することができる。

これに続く箇所では、本発明を添付の図面を参照しながら有利な一実施形態により説明する。

本発明のポンプの概略断面図である。

図１に示した液体リング真空ポンプは基部１５を有するハウジング１４を備えている。 シャフト１９がハウジング１４内に取り付けられている。 このシャフト１９はハウジング１４の左端から右端までハウジング１４を横断して延びている。 シャフト１９は一方の側でポンプの駆動モータのロータ２０を、他方の側でインペラー２１を支持している。 このインペラー２１を介して、配送すべきガスが輸送される。

ハウジング１４は、軸方向に、３つのハウジング部分１６，１７，１８からなる。 前記インペラー２１は、図１中左手側に示されているハウジング部分１８に収容されており、前記駆動モータは図中右手側に示されているハウジング部分１６に収容されている。 駆動モータは、シャフト１９に接続されたロータ２０と、ハウジング部分１６に接続されたステータ２４とを備えている。 電気エネルギが電源２５を介して駆動モータに供給され、その結果、シャフト１９はインペラー２１と共に回転することになる。 輸送すべき媒体はインペラー２１の回転を通じて送られる。 これについては以下に詳細に述べる。

シャフト１９は、インペラー２１の両側にインペラー２１から僅かに離れて配置された第１主軸受２３と第２主軸受２６とを介して取り付けられている。 第１主軸受２３は中央のハウジング部分１７内に保持され、そこから、コントロールディスク２２の平面を僅かに超えて延びている。 第２主軸受２６は、ハウジング部分１８の末端側に位置し、シャフト１９の端からインペラー２１まで延びている。 これら２つの主軸受２３，２６は、インペラー２１によって最も大きい力がシャフト１９に伝達される領域に位置している。

第１主軸受２３とシャフト１９の他端との間では小さい力だけが作用する。 駆動モータは、ロータ２０とステータ２４との間の薄いつまり小さいギャップがポンプの動作中、作動流体で満たされることにより、それ自身の動圧軸受を形成する。 シャフト１９は、その他端に設けられた走行リング（run-on ring）２７において遊びを有する。 したがって、走行リング２７は、正常運転中は如何なるベアリングフォースも吸収せず、主軸受２３，２６が磨耗した場合の追加的安全装置として働く。 走行リング２７にベアリングフォースが生じているかどうかは、走行リング２７に取り付けた適切なセンサーによって判定できる。 ベアリングフォースが生じていることは、ポンプの磨耗が始まったことを示すものと理解できる。

インペラー２１は、実際のポンプハウジングを形成するハウジング部分１８に偏心して搭載されている。 インペラーが回転すると、作動液が動き、その結果、インペラーと一緒に動く液体リングがポンプハウジング内に生成される。 インペラーの角位置に応じて、液体リングはインペラーのチャンバー内に深く、または浅く入り込む。 その結果、液体リングは、チャンバー内を上下動するピストンとして働く。 被配送ガスは、チャンバーの容量（容積）が増大した領域で吸入され、チャンバーの容量（容積）が低減した領域で再び排出される。

ガスの供給及び排出のために、図１に示されていない配管が中央のハウジング部分１７に設けられている。 これらの配管は、図１では見えない複数の穴を有するコントロールディスク２２に開口している。 前記複数の穴は、ガスが正しい領域でチャンバーへの出入りを行えるように設けられている。

インペラー２１が自由自在に回転できるよう、コントロールディスク２２とインペラー２１との間には必然的にギャップがなければならない。 それと同時に、そのギャップはポンプの漏れギャップを形成し、この漏れギャップを通って被配送ガスは、あるチャンバーから次のチャンバーへと逃げることができる。 インペラー２１の反対側では、チャンバーは、ポンプの動作中、液体リングの中へと張り出す壁によって閉じられる。

インペラー２１とコントロールディスク２２との間の漏れギャップを小さく保つために、インペラー２１を長手方向において正確に位置決めしなければならない。 本発明のポンプでは、インペラー２１の位置は、インペラー２１が第１主軸受２３の端面に当接することで定まる。 第１主軸受２３が中央のハウジング部分１７に保持されている結果として、ベアリングフォースはそこに伝わり、コントロールディスク２２には伝わらない。 第１主軸受２３は、中央のハウジング部分１７から始まって、インペラー２１の方向にコントロールディスク２２を幾分超えて張り出している。 インペラー２１が第１主軸受２３の端面に当接すると、インペラー２１はコントロールディスク２２からの所定の距離を維持する。 インペラー２１は、コントロールディスク２２の方向へ作用する力がポンプの運転中に生成されるように、設計されている。 その結果、インペラー２１は、ポンプにおける所望の位置を自動的に取ることができる。