JP2001503119A - スクリューロータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 公知の設計のラップ角度が720°以上の一体鋳鉄構造の単条スクリューロータが3000min^-1までの平均回転数でアンバランス無しに作動する。厳しい清潔面、補修面の要求があったり、腐食性物質と共に作動したり、限られたスペースしかないところで作動したり、品質が要求される、工程内でのポンプの使用は、ロータの設計、バランシングに課題を与えるが、本発明はそれを解決する。ロータ内の数個の独立パーツでロータを構成し、キャビティの形成、および／または、適切な材料を選択することにより、不均等な質量の分配が達成され、それは、スクリュー長さ／ピッチ比と協働して、静的、動的バランシングをおこなう。説明されたように設計されたスクリューロータは、組み立てが容易で、コンパクトで安定した構造を有しているので幾つかの利点を提供する。さらに、それらは、材料のフレキシビリティとキャビティの無い滑らかな表面とから、食品工業、化学、薬品、および半導体製造に使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 スクリューロータ装置 本発明は外部軸で逆方向に少なくとも720°のラップ角で係合し軸平行的に配 列された単条のスクリューロータ装置のバランスシング手段に関する。 重心の中心線距離、端面、ラップ角が、単条形状のスクリューの静的、および 、動的アンバランスを決定する。 日本の大晃機械工業株式会社の昭６２（１９８７）−２９１４８６号公報には 、スクリューのバランシング方法が記載されていて、スクリューのピッチの複数 倍にすることにより先ず静的バランスが得られ、スクリューの両側の端面の、中 空または軽い材料で充填された、キャビティの動的バランスが得られる。 この方法は鋳造できない特殊な材料を必要とし、実際的でない。普通ではない プロファイルジオメトリによっても、この方法は限界がある、例えば、先ず、ス クリューの壁厚がスタビリティの点で自由に減少することが不可能で、他方、螺 旋形状のバランス用キャビティの軸方向の過大な延伸が本質的な製造上の問題を おこし、軽い材料でキャビティを充填することはこの問題を一層悪化させている 。 スイスのブッシュ(Busch)社のスイス特許出願３４８７／９５には別のスクリ ューバランシングの方法が記載されていて、スクリュー長さ（＝２Ｗ₂）はピッ チｌの整数倍よりもピッチの１¹/₂倍だけ大きくされている（２Ｗ₂＝５・ｌ／２ ，７・ｌ／２，９・ｌ／２）。 残りの静的および動的なアンバランスを補償するために、外部の 受動スクリュー構成材の入口側の修正、および／または、端面上への一つまたは それ以上のバランシングキャビティの配設、および／または、外部への追加質量 の配置がおこなわれる。 この方法は、一方では、特殊な材料の使用の選択を提供し、他方では、バラン シングキャビティの減少を可能ならしめ、その結果、形状の安定性を向上する。 出口側のスクリュー端部に要求される温度低下をしながらある媒体をポンピン グするためにスクリューロータを使用するのには、小型で、滑らかで、キャビテ ィの無い表面が要求されるが、それは、ゴミをはじくので、清潔にするのが容易 である。メンテナンス、組み立て、補修部品のストックのコストの低減と、小さ く、コンパクトなポンプの要求は、外部追加質量の使用に反対する。 本発明は、キャビティの無い滑らかな表面の単条スクリューを外部追加質量を せずに、バランスさせる手段を明示するという課題にもとづいている。 この課題は、軸方向に平行配置され、外部軸内で逆方向に係合し、単条構造で 少なくとも720°のラップ角を有し、滑らかな面の、平行な端面を有している、 スクリューポンプ用のスクリューロータ装置であって、 各スクリューロータ（１，２；１０１，１０２；２０１，２０２）が、共通の 回転軸と、選択的な偏心した重心位置と、選択的な材料比重を有して一緒に結合 された数個の独立したパーツを含み、 各独立パーツがロータの内部でポンプ室とは隔離したキャビティであるバラン シングキャビティ（３；１０３；２０３；３０３）を形成し、 ロータ内部の独立パーツの材料の比重とジオメトリの調整で静的バランシング と動的アンバランスを誘起し、計算でスクリュー長さ ／ピッチの比＝ａを1／2の奇数倍よりも若干小さな値に設定して静的アンバラン スへ微小な影響を与えて動的バランシングを得ることを特徴とするスクリューロ ータ装置として解決される。 特定のスクリュージオメトリにおいては形状の選択は、特徴的な従属請求項に 記載されているように、個々のロータパーツの数、形、材料、および、バランシ ングキャビティ３の選択に依る。 増大する製造コストは本発明に以下の利点により相殺される。 1. 滑らかで、キャビティの無い表面による工程とメンテナンスの容易化。 2. 表面の減少によるスクリュー端部の温度低下。 3. 異なる化学的、機械的応力の個々の部品の材料選択の最適化。 4. 組み立て、および、部品の調達、ストックの容易化。 5. 形状が安定し、小型でコンパクトな構造。 6. スクリューボデーと種々のロータシャフトの組合わせのモジュラーデザイ ン 7. 内部ロータの冷却の可能性。 本発明の詳細は図示の構造例により説明される。 図１：本発明によるパイロットギヤリングを有するスクリューポンプ用の単条ス クリューロータ装置であって、偏心した内部質量の集中と、軸方向断面でスクリ ュー長さ／ピッチの比＝２Ｗ₂／ｌ＜9／2である。 図２：図１の右回りピッチのスクリューの断面重心の軌跡である。 図３：軸断面において翼形に分割されたバランシングキャビティを有する第１の 変形例における、図１のスクリューロータ装置のロータの構造例である。 図４：図３のＡ−Ａ線に沿って見た断面図である。 図５：図３、４の様な翼配置における、断面重心の軌跡を示し、破線はバランシ ングキャビティの断面重心の軌跡である。 図６：ロータの第１の変形例の端面セクションのジオメトリを、重心、最大許容 キャビティとともに示す。 図７：異なる軸方向位置Ｗにおける色々なバランシングキャビティの形状である 。 図８：軸方向セクションに真っ直ぐなバランシングキャビティを有する第２の変 形例における、２分割構造における図１のスクリューロータセクションのロータ の構造の例である。 図９：Ｂ−Ｂ線に沿って見た図４におけるロータの端面セクションである。 図１０：図８、９の様な真っ直ぐなバランシングキャビティの断面重心の軌跡を 示し、破線は重心を通る軸である。 図１１：シングルサイドのロータシャフトの副次的変形例における図８のロータ の構造の例である。 構造の１例において、スクリューロータ１０１、２０１（図３，４，８，９） が、円筒状のスクリューボディと、共軸的なロータシャフトの２つの部分、から 形成されている。スクリューボディ１０４、２０４（図３、８）は約9/2ラップ する螺旋条、および共軸的なセンタボアを有する。スクリューボディ１０４、２ ０４の内部において、センタボア１０６、２０６は、偏心したキャビティ、バラ ンシングキャビティ（１０３、２０３）と呼ばれる、に延伸している。スクリュ ーボディ１０４、２０４のセンタボア１０６、２０６内にロータシャフト１０５ 、２０５が圧力バメされ、バランシングキャビティ１０３、２０３は外部に対し てシールされている。フォームフィット領域はロータシャフト１０５、２０５と スクリューボディ１０４、２０４の間のトルクの伝達を確実にしている。製造、 および、強度上の理由から、スクリューボディ１０４、２０４およびロータシャ フト１０５、２０５は異なる金属で作られている。 ロータシャフト１０５、２０５内に設けられている通路１０７、２０７はポン ピングする媒体からシールされている点からバランシングキャビティ１０３、２ ０３の通気あるいは冷却を確保している。この構造では、通気のために、入口側 から導びかれ横方向穴を介してバランシングキャビティの領域内に達している中 心穴を示している。 計算処理： ｕ，ｖ，ｗ直交座標系において、次の関係がｗ軸まわりを回転するｐ＜ｗ＜ｑ の間で延伸する均等比重のいかなる形状の物体に対しても適用される。 ここで： ｐ，ｑ ＝積分範囲 ［cm］ Ｐ_u，Ｐ_v ＝パワー成分 ［ｇ］ Ｍ_u,w，Ｍ_v,w＝トルク成分 ［gcm］ ω ＝２π／Ｔ＝回転速度 ［rad／sec］ π ＝円周率＝3.1415... Ｔ ＝回転持続時間 ［sec］ τ ＝γ／ｂ ［g sec²／cm⁴］ γ ＝比重 ［ｇ／cm³］ ｂ ＝重力加速度＝981 ［cm／sec²］ ｇ＜ｗ＞＝ｆ＜ｗ＞．ｒ＜ｗ＞ ［cm³］ ｆ＜ｗ＞＝ｗの関数としての端面セクション表面 ［cm²］ ｒ＜ｗ＞＝ｗの関数としての重心の中心からの距離［cm］ φ＜ｗ＞＝ｗの関数としての重心の角度位置 ［rad］ 中央の端面セクションがｕ，ｖ面内にあり、中央の端面セクションの重心Soが ｕ軸上にあり、ピッチｌが一定で、前表面ｆ₀が一定で、重心の中心からの距離 が一定なｕ，ｖ，ｗ座標系（図２）におけるスクリューボディに対しては、特に 以下を導き出すことができる。 ｇ＜ｗ＞＝ｇ₀＝ｆ₀・ｒ₀＝定数 （５） ｆ＜ｗ＞＝α＝（２π／ｌ）・Ｗ （６） −α₂から＋α₂の位置角度に対応する対称的な−Ｗ₂から＋Ｗ₂までの対称的な 延伸に対して、以下が適用される。 ｐ＝−Ｗ₂ （７） ｑ＝＋Ｗ₂ （８） Ｗ₂＝α₂・（ｌ／２π） （６ａ） この対称性から、バランスがとられていないスクリュー（中実スクリュー）に 対して直接導かれる。 Ｐ_v＝Φ （２ａ） Ｍ_u,w＝Φ （４ａ） 他の成分は以下の様に決定される。 式（１），（５），（６），（６ａ），（７），（８）から 式（３），（５），（６），（６ａ），（７），（８）から ここで、 τ₀＝γ₀／ｂ ［g sec²／cm⁴］ γ₀＝スクリューボデーの比重 ［ｇ／cm³］ ｌ ＝ピッチ ［cm］ ｒ₀＝中実スクリューの端面の重心の中心からの距離 ［cm］ ｆ₀＝中実スクリューの前表面 ［cm²］ α₂＝1／2スクリューラップ角度 ［rad］ ｌとｇ₀はスクリューのジオメトリにより決定される。 ωはω＞Φでの操作にのみ従属するパラメータである。 τ₀は材料に依存するのでτ₀＞Φで条件により変化する。 主たる変数はラップ角＝２α₂である。 α₂のみを変化させるだけでは、Ｐ_v＝Φ、およびＭ_v,w＝Φを同時に得ること はできない（静的および動的バランシング）。本出願においては、外部へ質量の 付加、端面のバランシングキャビティは無く偏心した質量集中がスクリューの内 部に形成される。 ここで述べられている構造例によって、ロータシャフトはアンバランスに何ら 影響を及ぼさない。バランシングキャビティは中実のスクリュー内に形成されて おり、これは、単独に静的、動的なアンバランスの補償を提供し、これは、問題 は、材料のデータの影響を受けずに、純粋なフォーム形状に凝縮されていること を意味してい る、すなわち、中実スクリューとバランシングキャビティの静的および動的な値 は、以下の４つの式が満足されるように、両立しなければならない。 ここでインデックス<<₃>>はバランシングキャビティとの組合せを示す。 構造の例の第１の変形例（図３、４）においては、要求されるネジ深さｔ（図 ３）は、比較的小さいコア径ｃ（図３）に対して、比較的大きい。ここでは、実 際の、バランシングキャビティ１０３は、等間隔に、また、軸方向に整列された （図４）、３つの同じ翼１０８から成り、螺旋条の経路を平行な距離で倣ってい く。図５は５つの翼のとり得る位置I-Vを示している。この変形例の構造におい ては、中央の３つ位置II，III，IVのみ使用されている（概算）。 このタイプのバランシングキャビティ設計１０３において、翼の寸法と形状を 変えることにより、静的な値は実質的に変化するが、 動的な値の変化は非常に小さい。しかしながら、アンバランスなスクリューにつ いては、スクリュー長さ（＝２Ｗ₂）を変えることにより実質的な動的変化と微 小な静的変化が、ピッチの半分の奇数倍の領域において得られる。 与えられたスクリューの端面外形（図６）から、表面ｆ₀、重心位置ｒ₀、ψ₂ が関連する公知の方法によって決定され、以下が与えられる。 ｆ₀＝91.189[cm²];ｒ₀＝2.869[cm];ψ₂＝84.178［＜⁰］ 以上よりｇ₀＝ｆ₀・ｒ₀＝261.636［cm³］ （同様に規定される）ピッチｌ＝6.936[cm]に対して、α₂が（１ｂ）から（３ ｂ）に変化する中実スクリューに対して直接の値が表１に示されるように与えら れる。 バランシングキャビティの形状は必ずしも、条件（２ｂ），（４ｂ），（１ｂ ），（３ｂ）から導き出せるものではない。そうではなくて、最初にジオメトリ を決定することが必要で、その後、この為の前記４つの角度データを決定し、そ れからジオメトリの修正、前記４つの角度データの再計算等を、（２ｂ），（４ ｂ），（１ｂ），（３ｂ）が十分な精度を満たすまでおこなう。 バランシングキャビティの延長の限界は安定性から指示される最小壁厚さによ り決定される。三次元的に変化するスクリュー表面の曲線により、端面セクショ ン上の限界線は計算によってのみ決定され、前方セクターの外形とピッチｌはス クリュー表面上の各点に対する、大きさが最小壁厚さに等しい、直交ベクトルを 与える。ベクトルの終端点は、それから、固定面（Ｗ＝一定）内に入り込み、限 界線上に一つの点を与える。特定のプロファイルフォーミュラを含むサブルーチ ンを有する特別なコンピュータプログラムを使用することにより、壁厚0.7[cm] に対して図６において破線で示される限 界線の曲線データが計算される。 複雑なスパイラル形状であることから、実行可能な関数ｇ₃<W>とφ₃<W>は、数 学的に非常に複雑な、手法によってのみ表すことができ、副次的な積分（（１ｂ ）..．（４ｂ））の問題を伴い、コンピュータプログラムにより多数の微小量を 最終的に合計する概算方法が速い解決を提供する。 このために、バランシングキャビティは軸に沿って１個づつオフセットしてい る全て同じ厚さΔＷのＮ個のディスクに分割される。各ディスクの前方の外形は 多数の独立した点により別々に確定されこの形で記憶される。 それから、コンピュータサブルーチンが、ｇ_n＜ｗ＞とφ_n＜ｗ＞を各ディスク に対して計算して、それらをデータ記憶領域に記憶する。 さらなるコンピュータプログラムはこれらのデータを再度読み込み以下の合計 によって積分値を計算する。 構造において、ディスク端部表面セクションの輪郭が、最適に翼の中央領域内 の限界線（図６において破線で示される）まで延伸され、中実スクリューの重心 位置とバランシングキャビティが１０８に重ねられている（図４）。 中央セクションは（ここでは）同じディスクの変り得る数ｍまで延伸し、端部 領域はそれぞれ減少する外形線の５つのディスクを有する。ΔＷ＝0.108[cm]で ｍを変えた時に、３つの翼のバランシングキャビティに対して表２に示される値 が得られる。 α₂＝806.8...806.9［＜⁰］，ｍ＝10で良好な概算が得られる。それから、デ ィスクのジオメトリを修正することによって細かい調整が行われる。スクリュー 長さ／ピッチの比の値の計算値は、この場合は、２Ｗ₂／ｌ＝ａ＝4.485＜9／2で ある。 構造の例の第２の変形例においては、比較的大きなコア径ｃに比して、要求さ れる条深さｔ（図８）は比較的小さい。有効的なバランシングキャビティ２０３ （図８）は真っ直ぐに延び、軸に平行で、軸方向の中央（図１０）のスクリュー のコア領域内に一定断面で偏心している（図９）。 バランシングキャビティ２０３のこの形は動的アンバランスには影響を及ぼさ ない。計算処理により、9／2ラップの領域のａ₀＝スクリュー長さ／ピッチは（ ３ａ）により決定され、これに対する動的アンバランスは同様に《ゼロ》に等し い。このａ₀の値はプロファイルに依らない。異なるラップに対する幾つかの値 が表３に示されている。これから、スクリューの静的アンバランスの（プロファ イル依存の）値は（１ａ）から直接に求められる。 Ｐ_u／ω²τ₀＝ｇ₀・（ｌ／π）sinα₂ α₂＝14.0662 ［rad］ ｌ ＝5.390 ［cm］ ｇ₀＝150.374 ［cm³］ Ｐ_u／ω²τ₀＝257.347 ［cm⁴］ この値は、断面と長さを調整することによりバランシングキャビ ティ２０３と等しくなる。 ｅ＝2.85［cm］ ｄ＝1.6［cm］からｊ＝20.3［cm］ 第２の変形例の副次的な変形例（図１１）においては、スクリューロータ３０ ２はベアリングマウントされておりスクリューボディの一方の側に共軸的に固定 されたロータシャフト上に突出している。偏心したバランシングキャビティ３０ ３は軸の無い端面から大きな共軸的なボアを介してアクセス可能であって、幾つ かの方法でこの様に作ることができる。スクリューボディとロータシャフトは好 ましくは１つのブロックユニットを形成し、ロータの端面の共軸的なボアは栓３ ０９で塞ぐことができる。スクリューボディの特定の形状、特に片側ベアリング の場合、同じ計算処理に対してバランシングキャビティ３０３の異なる比ｅ，ｄ ，ｊを与える。 図３，４，６，７；８，９に示されたプロポーションで説明された構造例の両 方の変形のプロファイルジオメトリを有するスクリューロータが、原理的に、コ ンピュータで計算され、１長さ単位＝１cmで作られ、次いでテストされる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ， ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 軸方向に平行配置され、外部軸内で逆方向に係合し、単条構造で少なくと も７２０°のラップ角を有し、滑らかな面の、平行な端面を有している、スクリ ューポンプ用のスクリューロータ装置であって、 各スクリューロータ（１，２；１０１，１０２；２０１，２０２）が、共通の 回転軸と、選択的な偏心した重心位置と、選択的な材料比重を有して一緒に結合 された数個の独立したパーツを含み、 各独立パーツがロータの内部でポンプ室とは隔離したキャビティであるバラン シングキャビティ（３；１０３；２０３；３０３）を形成し、 ロータ内部の独立パーツの材料の密度とジオメトリの調整で静的バランシング と動的アンバランスを誘起し、計算でスクリュー長さ／ピッチの比＝ａを１／２ の奇数倍よりも若干小さな値に設定して静的アンバランスへ微小な影響を与えて 動的バランシングを得ることを特徴とするスクリューロータ装置。 2. 各スクリューロータ（１，２；１０１，１０２；２０１，２０２）が、円 筒状のスクリューボディ（１０４；２０４）と、共軸的なロータシャフト（１０ ５；２０５）を含み、それらが、スクリューボディ内にバランシングキャビティ （１０３、２０３）を形成していることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ ーロータ装置。 3. 各スクリューロータ（１，２）が、円筒状のスクリューボディと断面でベ アリングマウントされスクリューボディ内で偏心した共軸的なロータシャフトを 含み、スクリューボディとロータシャフトが異なる比重の材料で作られているこ とを特徴とする請求項１に 記載のスクリューロータ装置。 4. 各スクリューロータ（１，２）が、円筒状のスクリューボディと断面でベ アリングマウントされスクリューボディ内で偏心した共軸的なロータシャフトを 含み、スクリューボディとロータシャフトが異なる比重の材料で作られていて、 偏心した中空のキャビティ、バランシングキャビティ（３）をスクリューボディ 内に形成していることを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ装置。 5. 各スクリューロータ（１，２；３０１，３０２）が、一方の側に共軸的に 適用されたロータシャフトを備える円筒状のスクリューボディ（３０４）を含み 、スクリューボディが偏心した中空のキャビティ、バランシングキャビティ（３ ０３）を内部に有し、ロータのシャフトの無い端面へのアクセスが選択的に栓（ ３０９）で塞ぐことができることを特徴とする請求項１に記載のスクリューロー タ装置。 6. バランシングキャビティ（１０３）が側方に数個の翼タイプの延長部（１ ０８）を有し、それらは平行な中心線を有してスクリューの条を倣っていること を特徴とする請求項２または４のいずれか１項に記載のスクリューロータ装置。 7. バランシングキャビティ（２０３）が、動的アンバランスが《ゼロ》に等 しくなるように、一定の断面積で軸方向に真っ直ぐに延伸していることを特徴と する、請求項６の代わりに、請求項２または４のいずれか１項に記載のスクリュ ーロータ装置。 8. バランシングキャビティ（１０３、２０３）がロータシャフトに配設され た通路（１０７；２０７）によって通風あるいは冷却されることを特徴とする請 求項２、４、６、７のいずれか１項に記載のスクリューロータ装置。 9. 請求項１から８の１つ以上のロータ装置を備えるスクリュー ポンプ。