JP2002536593A - 容積形機械、特にポンプに搭載される複式送出しスクリュー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 公知の多数のねじ山を持った複式送出しスクリューは、点対称プロフィルと、小さなピッチと、非常に大きな包囲角度とを有しており、また作業小室間における残留ブローホール損失によって、高速度で運転されなければならない。サイクロイド状の凹形状フランクが設けられた公知のスクリューフランクは、単一のねじ山を持ち且つ多数のねじ山を持った設計においてブローホール接続無しに作業小室の密閉を達成すると共に、中速域と低速回転速度で既に良好な真空と高い効率度合を与えることになる。本発明は、欠点を除去し、上述の公知の設計の長所を統合する。それは、重心を中心位置とした非点対称で多数のねじ山を持った横断プロフィルの送出しスクリュー（１、２）によって広い回転速度範囲に対して一様な解決を与えるものである。そのような送出しスクリューは、一方でブローホール損失無しで作動し、他方で高速運転用にも適しており、釣合い用腔所が無いので内部冷却のための対称チャンネルが設けられる。プロセス制御へのこれらの非常に良好な適合化の可能性は、医薬や化学や半導体の広範囲の技術分野で開く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、軸線が平行で、対向回転し、７２０°より大きい包囲角度で外部係
合し、各々サイクロイド状の凹形状フランクを有した同じ横断プロヒィルで設計
された、容積形機械、特にポンプに搭載される複式送出しスクリューに関し、そ
れらスクリューが、ハウジング内においてブローホール接続を行わずに良く密閉
された軸方向チャンバーの順次進行を形成していくものである。

【０００２】

【従来の技術】

次に、色々な型式の公知の複式送出しスクリューと、それらの特徴とを説明す
る。 第１型式のそのような複式スクリューでは、各送出しスクリューは、各ケーシ
ング内において共通軸上に互いの後に軸方向に複数のスクリュー体を配置してい
る。

【０００３】 ＥＰ ０ ４９６ １７０ Ａ２とＤＥ ４３ １６７ ３５ Ａ１の文献に
示されている複式スクリューは、異なった巻き方向のスクリュー体を有している
。それによって、容積流れは分割されることになり、臨界の動的シールを助ける
ことになる。さらに、単一のねじ山をもった非点対称プロフィルに対しても動的
釣合いが確保されている。

【０００４】 ＪＰ ６３−３６０８６とＤＥ １９５ ２２ ５５９ Ａ１の文献は、同様
にこの第１型式のスクリュー対を示しており、ここでは、しかし、異なったピッ
チを持って互いの後に配置されたスクリュー体を示している。圧縮の領域は、そ
れによって、軸方向に長くされていて、ハウジングの熱交換面は、それによって
拡大され、外部冷却における改良を行うことになる。

【０００５】 ＤＥ １９６ １４ ５６２ Ａ１に係るスクリューポンプでは、上記二つの
特徴、すなわち軸上で互いの後に配置されたスクリュー体の異なった巻き方向と
異なったピッチとが統合されている。

【０００６】 第１型式の複式スクリューの欠点は、スピンドル当り単一のスクリュー体を有
したものに比較して、特に構造出費が高いことである。さらに、ＤＥ １９５ ２２ ５５９ Ａ１の特許出願を除いて、上記公報の全ては単一のねじ山のロー
タを示しており、それらは、１００％の釣合いにも拘らず、それらの長い長さに
よって曲げ振動を起こす傾向が強く、それで高い回転速度での各ポンプの運転を
排除している。

【０００７】 第２型式の複式送出しスクリューでは、スクリューは多数のねじ山を有すると
共にプロフィルが点対称になっている。特に、会社の“スベンスカ ロータ マ
スキナー株式会社（Svenska Rotor Maskiner Aktiebolag ）”から名前をとった
ＳＲＭプロフィルがそれに属しており、それは二本のロータが異なった数の歯を
有しており、またロータの内の一方が“雄”と称し、他方が“雌”と称している
。これら公知のプロフィルに関しては、それらが点対称なので何ら釣合いエラー
の問題が起きていない。このことは、鏡面逆さになった歯面によって“対象”と
称されているプロフィルと、異なった歯面によって“非対象”と称されているも
のの両方に当てはまっている。

【０００８】 この第２型式の複式スクリューの欠点は、所謂ブローホールが二つのハウジン
グの内腔部の交差線上に位置されたハウジングエッジにできるために、それらが
ポンプハウジング内においてチャンバーの軸方向への順次進行を形成できない点
に見受けられる。それらスクリューは、大きなピッチを有すると共に、小さな包
囲角度を表しており、それによって高い回転速度で良好な端部真空と良好な効率
度合とが達成されるにすぎない。これに加えるに、端面上の端部キャップが、こ
の種の複式スクリューを有したコンプレッサには機能的理由で必要とされている
。

【０００９】 この種のロータの冷却の可能性として、一方で、一般的に知られていて且つ広
く使用されている“流体噴射”があるが、しかし、それは全ての用途に適してい
るとは限らない。他方で、冷却媒体がロータを通して導入される内部冷却システ
ムがある。ＤＥ ９１４ ８８６、ＵＳ２，７１４，３１４とＵＳ２，４４１，
７７１の特許は、最後に掲げられた種類の冷却システムを示している。

【００１０】 次に説明する第３形式の複式スクリューは、同様に点対称プロフィルに属して
いる。 ＤＥ １９５ ２２ ５５９ Ａ１とＤＥ １９５ ２２ ５６０ Ａ１の特
許出願には、二重ねじ山を持った矩形状プロフィルの複式スクリューが記載され
ている。これら送出しスクリューで実現されるポンプ構想は、広範囲な意見によ
れば現時点では最も進歩し且つ最も柔軟性に富んだ設計を示している。二重ねじ
山を有した矩形状プロフィルは、曲げ振動を起こさずに高速度回転ができるよう
にすると共に、端面上に端部キャップを設けずに運転している。しかし、他方で
、正しくこの矩形プロフィルの故に、最小限の漏れでもって十分に密閉された状
態での軸方向へのチャンバー進行の形成は、高速度回転（８０００回／分）との
組合わせの場合は最小ピッチと大きな包囲角度とによって達成されるにすぎず、
すなわち、低速度と中速度の回転速度範囲での運転は、結果的に端部真空が不十
分で、効率度合が不十分となる。ポンプの冷却は、ここでは、冷却流体によって
静止部品上で従来通り行われる。ロータの冷却は、圧力側の同軸状態の内腔域に
おける熱放射の原理に従って行われる。このロータの幾何学的形状は、流れる冷
却媒体による効果的な内部冷却システムのための空間は残されていない。

【００１１】 特許公告のＤＥ ４２ ２４ ９６９ Ｃ１に記載されている等しいねじ山深
さで、等しいねじ山の数で、両側で対称状にフランクプロフィルが設計された複
式スクリューの場合、フランクプロフィルの修正によって損失隙間を低減する試
みが行われた。しかし、これらの対策によって達成される改善について入手でき
る情報が無い。

【００１２】 ここで説明されている第４の最後の型式の複式スクリューは、単一のねじ山を
有したプロフィルを有している。

【００１３】 この型式のロータを有した公知のポンプは、カシヤマによって製造されており
、また一条のねじ山の矩形状プロフィルを有し、一方側で支承されたロータを備
えている。幾何学的形状、回転速度、漏れ、端部真空および効率度合に関しては
、ＤＥ １９５ ２２ ５５９ Ａ１とＤＥ １９５ ２２ ５６０ Ａ１の文
献のさらに上述した二重ねじ山を有した矩形プロフィルとの関係で生じるのと同
じ問題がこのポンプでも生じている。釣合いについての付加的な問題は、コア領
域において外面上に窪みを形成することによって解決される。非常に限定された
用途領域と最小寸法の場合は、製造業者の意見では冷却は不必要であるとしてい
る。

【００１４】 凹形状フランクを持った単一ねじ山のプロフィルの複式スクリューは、ＧＢ １１２ １０４とＧＢ ６７０ ３９５、ＧＢ ７４６ ６２８とＷＯ ９７／
２１９２６の文献に開示されている。延長されたサイクロイドとして単一ねじ山
を有したプロフィルの一方のフランク（凹形状フランク）を各場合毎に設計する
ことで、ハウジングの内部縁からコア円までスクリューの外部輪郭に沿って延び
ている作動対称線が、交互に形成されている。これらの作動線は、ピッチ長さを
オーバラップ状態で二倍にしてポンプの内部空間を軸方向に移動する小室に分割
している。大きな包囲角度（７２０°より大きい）による設計は、ブローホール
の無い良好な密閉を完全に成就しており、良好な効率度合と良好な端部真空とが
中速範囲（３０００回／分）と低回転速度に対しても達成されている。出口制御
は、必ずしも端面上のキャップを介して行われるとは限らず、スクリュー自身が
これを達成できるだけである。そのような単一のねじ山を有した送出しスクリュ
ーの設計で重要なのは、釣合いを取る方法である。端面および／または内部に中
空空間を構築したり、外部の必須でないスクリュー部分を削除したり、異なった
厚さの材料を使用したり、包囲角度を変えたりすることで、静的および動的釣合
いは達成される。そのような方法に対する最新の技術状態を示している文献とし
てＪＰ ６２ ２９１ ４８６と、ＷＯ ９７／２１９２５と、ＪＰ ０ ２３
０５３９３と、ＷＯ ９８／１１３５１とがある。

【００１５】 しかし、特に高い回転速度で且つスリムなロータで曲げ振動を起こさずに運転
することは達成不可能である。さらに、釣合いを取る腔所にかなりの領域がそれ
に必要とされるので、効果的なロータの内部冷却は、ここでは不可能である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】

最新の技術状態から始めて、本願発明は、その目的として、広い回転速度範囲
（約１０００−８０００回／分）において問題無く運転するのに適していて、ま
た良好な真空が低い回転速度でも達成できて、且つ曲げ振動の無い運転が高い領
域に入っても可能な送出しスクリューセットをつくり出すようにしている。さら
に、送出しスクリューは、効果的なロータの内部冷却の装備を可能にすべきであ
り、それは、特により大形のポンプ（＞２００ｍ³ ／時）にとって益々重要にな
る。

【００１７】 さらに、ある解決策は、単なる見せかけの解決策に過ぎないと言うことに言及
すべきである。これらの間には、複数の凹形状フランクを持った点対称のプロフ
ィルを有したＵＳ４，２２４，０１６とＡＵ２６１ ７９２の文献におけるもう
一つ別の内容に説明されているロータがある。スクリューロータはそのようなプ
ロフィルで設計されているが、しかし、これらは、ハウジング内に軸方向へのチ
ャンバーの順次進行を何ら形成するものでは無いが、代わりに全ての部分容積が
、どの容積形機械もこれについて達成され得ないような形で互いに接続されてい
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

本目的を達成するために、本発明に係る複式送出しスクリューは、横断プロフ
ィルが、多数のねじ山で形成されているが、しかし、点対称にはなっておらず、
また単一の歯の正確に一つのフランクが、サイクロイド状の凹形状フランクとし
て設計されており、また全ての他のフランクが、ほぼ凸形状に湾曲されており、
また個々の横断プロフィルの境界を定める曲線の各々の設計によるプロフィル重
心と回転点との一致が存在していることを特徴としている。 一つの設計の可能性によれば、スクリュー形状のチャンネルが、歯の領域にお
いてロータ内部に設けられており、そのチャンネルを通して冷却媒体が流れるよ
うにしている。

【００１９】

【発明の実施の形態】

本発明の実施例を添付図面を参照にして次により詳しく説明する。 図１は、図３によって表示されているハウジングを通った断面を線図で示して
おり、その内部には、本発明に係る複式送出しスクリュー１、２の第１実施例が
見受けられる。図１に係る図は、図３において線Ｉ−Ｉに沿って切断されたもの
でるが、しかし、図３で１１によって示されているチャンネルは示されていない
。図示されているスクリューの各々は、一様で連続したスクリュー体を有してお
り且つ、好ましくは、外部に設けられた同期装置によって乾燥状態で運転するポ
ンプ用に意図されている。スクリューのプロフィルは、次の境界を定める曲線か
ら造られており、単一の凹形状フランク６は、その半径方向外端でエッジ７を経
て先端円弧Ｋへと通じている。その半径方向内端では、サイクロイド状の凹形状
のフランク６は、正接して基底円弧Ｆへと通じている。基底円弧の外端では、変
遷半径を経て第１の凸形状フランク８が後に続いており、その半径方向外端では
別の先端円弧Ｋが後に続いている。この別の先端円弧の外端には、第２の凸形状
フランク９が配置されており、それは、その部分に対して、変遷半径を経て別の
基底円弧Ｆへと通じている。その別の基底円弧の他方端では、輪郭は、再度変遷
半径を経て第３の凹形状フランク１０へと通じており、それは、その半径方向外
端で、既に掲げた先端円に出合っている。上記の境界を定める曲線の形状と相互
位置とは、横断プロフィルの横断面の平面重心が正確に各々の送出しスクリュー
の回転軸線と一致するように選択されている。釣合いを取る対策は、それによっ
て不必要になり、また冷却用チャンネルは、図３において参照符号１１によって
示されているように、送出しスクリューの内部に配置されている。

【００２０】 本発明に係る複式送出しスクリューの第２実施例を参照すると、図２は、各送
出しスクリューの二つの先端円弧ｂＫ１、ｂＫ２の半径ｒＫ１、ｒＫ２が、上記
条件を、すなわちプロフィルの重心と回転点との一致を保持するために、図１に
おけるように等しくする必要がない事を示している。図２によれば、ｒＫ１はｒ
Ｋ２よりも大きく、その結果はっきりした隙間が、凸形状フランク８、９に隣接
した先端円弧Ｋとハウジング内壁との間に存在することになる。しかし、この隙
間は、これがエッジ７とそれに隣接した先端円弧とで生じるので作業小室を密閉
する上で余り重要ではない。異なった基底円半径ｒＦ１、ｒＦ２は、必然的に軸
線の間隔取りから、また先端円半径ｒＫ１、ｒＫ２から帰結している。この設計
によって、作業空間を形成しているハウジング３の面とロータ１、２の面とは、
拡大されていて、それは、ロータの内部冷却との関連で有利である。

【００２１】 図３は、図１において矢印III の方向において部分的に切断して見た図１に係
る複式送出しスクリューセットを示している。二重のねじ山を持ったロータは、
鏡面逆さに成形されており、また互いに係合されている。スクリュー形状のチャ
ンネル１１は、それらの内部に形成されており、そのチャンネルを通して冷却媒
体が運転中に流れる。各ロータは、一体物として構築されている。この代わりに
、勿論各ロータは、さらに同じまたは異なった材料から造られるロータ軸４とス
クリュー体５とからも造られよう。好ましい横断プロフィルの幾何学的形状のお
かげで、最小強度の材料も、この場合に使用される。もし、人がロータ冷却無し
で済ませるならば、鋳造できない特別の材料も使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図３の線Ｉ−Ｉに従った正面断面においてハウジング内の複式送出しスクリュ
ーセットを示している。

【図２】 正面断面における不等先端円弧を持った複式送出しスクリューセットを示して
いる。

【図３】 図１の矢印III の方向において部分的に切断して見た内部冷却チャンネル付き
複式送出しスクリューセットを示している。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年９月４日（２０００．９．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、軸線が平行で、７２０°より大きな包囲角度で対向して外部係合し 、各々正確に一つのサイクロイド状の凹形状フランクと、さらに少なくとも三つ の他のほぼ凸形状に湾曲されたフランクとを有した等しい多数のねじ山を持った 非対称の横断プロフィルで設計された容積形機械、特にポンプに搭載される複式 送出しスクリューに関する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００１２】 他のものの中で第４型式の複式スクリューロータが、ＧＢ ５２７ ３３９
Ａの特許出願に記載されており、それは、正確に一つの凹形状フランクとさらに 別の凸形状に湾曲されたフランクとを有した多数のねじ山を持った非対称のプロ フィルを有している。後者を介して、駆動は、これで直接的に第１ロータから第 ２ロータへ行われ、それは、回転速度に上限を設けることになる。さらに、ロー タからロータへのトルクの転送の向きに凸形状のフランクの幾何学的形状を固定 すると、フレキシビリティの欠乏によって横断プロフィルの釣合い取りを妨げる ことになり、これは同様に回転速度における制限に通じる。しかし、サイクロイ ド状の凹形状フランクは、軸方向へ移動する作業小室の良好な密閉を達成するの で、良好な端部真空と効率度合の値が、期待される。ロータ冷却はこの文献には 記載されていない。 ここに記載されている第５の最後の型式の複式スクリューは、単一のねじ山を 持ったプロフィルを有している。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００１８】

【課題を解決するための手段】 本目的を達成するために、各々正確に一つのサイクロイド状の凹形状フランク とさらに別のほぼ凸形状に湾曲されたフランクとを有した多数のねじ山を持ち、 非対称の横断プロフィルの複式送出しスクリューは、個々の横断プロフィルの境 界を設定する曲線を各々幾何学的に設計し且つ相互の位置決めを行うことによる プロフィル重心と回転点との一致が存在していることを特徴としている。 一つの設計の可能性によれば、スクリュー形状のチャンネルが、歯の領域にお
いてロータ内部に設けられており、そのチャンネルを通して冷却媒体が流れるよ
うにしている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸線が平行で、対向回転し、７２０°より大きい包囲角度で
   外部係合し、各々サイクロイド状の凹形状フランクを有した同じ横断プロフィル
   で設計された、容積形機械、特にポンプに搭載される複式送出しスクリュー（１
   、２）であって、それらスクリューが、ハウジング（３）内において、ブローホ
   ール接続を行わずに良く密閉された軸方向チャンバーの順次進行を形成していく
   ものであり、そこで、横断プロフィルは、多数のねじ山が形成されているが、し
   かし、点対称にはなっておらず、単一の歯の正確に一つのフランクは、サイクロ
   イド状の凹形状フランク（６）として設計されており、また少なくとも三つの他
   のフランク（８、９、１０）の全ては、ほぼ凸形状に湾曲されており、また個々
   の横断プロフィルの境界を定める曲線の各々の設計によるプロフィル重心と回転
   点との一致が存在していることを特徴とする複式送出しスクリュー。
2. 【請求項２】 横断プロフィルは、前記サイクロイド状の凹形状フランク（
   ６）と、３つの凸形状フランク（８、９、１０）と、同じ半径の二つの先端円弧
   （Ｋ）と、同じ半径の二つの基底円弧（Ｆ）とによって形成された二つの歯を有
   している請求項１記載の複式送出しスクリュー。
3. 【請求項３】 凹形状フランク（６）として同じ基底円弧（Ｆ）につながっ
   ている第１の凸形状フランク（８）と、凹形状フランク（６）として同じ先端円
   弧（Ｋ）につながっている第３の凸形状フランク（１０）とは合致している請求
   項２記載の複式送出しスクリュー。
4. 【請求項４】 第２の凸形状フランク（９）は、第１（８）と第３（１０）
   の凸形状フランクに対して鏡面逆さになるように設計されている請求項３記載の
   複式送出しスクリュー。
5. 【請求項５】 全ての先端円弧（Ｋ）と結果的に全ての基底円弧（Ｆ）とは
   同じ半径とは限らず、またハウジングの内腔に対応した最大先端円は、凹形状フ
   ランク（６）を持った歯に割り当てられている請求項１記載の複式送出しスクリ
   ュー。
6. 【請求項６】 それらは、一体鋳造構造で製造されている請求項１から５の
   いずれか一つに記載の複式送出しスクリュー。
7. 【請求項７】 それらは、複数の部片から組み立てられている請求項１から
   ５のいずれか一つに記載の複式送出しスクリュー。
8. 【請求項８】 ロータ軸（４）とスクリュー体（５）とは異なった材料から
   構成されている請求項７記載の複式送出しスクリュー。
9. 【請求項９】 ねじ形状のチャンネル（１１）は、歯の領域においてスクリ
   ュー内部に設けられており、それらチャンネルは、冷却媒体によって貫流される
   ようになっている請求項１から８のいずれか一つに記載の複式送出しスクリュー
   。
10. 【請求項１０】 ピッチは、軸線に沿って変化するようになっている請求項
    １から９のいずれか一つに記載の複式送出しスクリュー。
11. 【請求項１１】 プロフィルは、軸線に沿って変化するようになっている請
    求項１０記載の複式送出しスクリュー。