JP2004517261A - スクリューポンプのプロファイル - Google Patents

Abstract

本発明は、ロータの軸に沿って修正可能な、歯のピッチおよび／または深さを含む、スクリューポンプロータの形成に関する。単純プロファイル工作機械（７）と、その特定の工作機械ガイド機構によって、ロータ軸（８）に沿って、プロファイル側面外形の第１部分を明確に定義し、その後、正確に形成する。次に、プロファイル側面外形の、残りの第２部分を、１組のロータの回転の動きに応じて、工作機械によって実行されるプロファイル側面外形の第１部分に従い、可能な限り正確に近接させて決定する。従って、ロータの軸に沿って修正可能な、歯のピッチおよび／または深さに応じて、横断面の異なるプロファイル外形を得ることができる。プロファイル工作機械として使用するために、ディスクフライスを選択する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
本発明は、１組のスクリューポンプロータのプロファイル形成に関し、このスクリューポンプロータは、スクリューポンプのスピンドルロータとも呼ばれ、各スクリューポンプロータのロータ軸に沿った、プロファイルのピッチおよび／または歯の高さの変更による内部圧縮を有する。
【０００２】
本発明は、更に、形成されたプロファイルを備える、１組のスクリュースピンドルに関する。
【０００３】
このようなスクリューポンプは、例えば、ＤＥ２９３４０６５Ａ１、１９５３０６６２Ａ１、またはＷＯ０１／５７４０１Ａ１により知られており、真空技術において、特に、吸引ポンプとして使用される場合に、重要性を増しているが、これは、ますます増加する環境規制および増大する作業ならびに廃棄コスト、および吸引する媒体の純度に対するより厳しい要件のために、液封ポンプや回転翼型ポンプなど、”湿った”環境で動作する既知の真空システムは、より頻繁に乾式ポンプと交換されているためである。乾式機械には、スクリューポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、スクロール機械、およびルーツポンプなどがある。
しかしながら、これらすべての機械は、信頼性や頑健性およびサイズや重量に関する頻繁に求められる要求を、低コストで満たすことは、達成できていない。
【０００４】
乾式スクリューポンプは、典型的な二軸式容積型機械であり、各スピンドルロータの螺旋の数を通して、複数の密閉作業室を直列に繋ぐことにより、要求される複数のステージを非常に単純に達成することによって、真空技術で必要とされる高い圧縮容量を容易に実現することから、真空技術においてますます利用されている。更に、スピンドルロータが非接触で前進することで、より高いロータ速度の達成を可能にし、公称吸引容量と容積効率の両方を、機械の実寸に比例して有利に増加させる。ガス供給スクリューポンプは、液体供給スクリューポンプとは対照的に、低消費電力化のために、内部圧縮を基にしている。容積型機械の動作原理によれば、吸引側に封入されるガス体積は、出口へ供給される際の選択的な要因、より詳しくは、ピッチを縮小する、および／または噛み合うスクリュースピンドルの歯の高さを下げることによって、縮小する。
【０００５】
同時に、スクリュースピンドルとして導入される、スピンドルプロファイル側面の間のギャップが可能な限り狭い、２つの容積型ロータの非接触の回転は、ｘ−ｙ横断面において、既知の歯車装置の原理に従って回転することが可能な外形、つまりロータの縦軸ｚの法線を持つプロファイルを必要とする。
【０００６】
既知の従来技術に従って、縦方向の可変ピッチを有する螺旋ロータを形成する場合、既知の歯車装置の原理に基づいて前進可能な、ｘ−ｙ横断面のプロファイルを選択する。前記プロファイルは、ロータの縦軸方向へ、ｚ軸方向に伸びる螺旋の線に沿って積み上げられ、”連続した積み重ね”作業という意向でプロファイルを”積み上げる”ことで、可変間隔の螺旋を得る。こうして、縦方向の可変ピッチを有する所望の螺旋ロータを作製する。
これは、ＣＡＤシステムを用いて、容易に設計または形成することができる。しかしながら、これを製造するためには、スピンドルのプロファイルが、ロータ軸に沿ってピッチの関数として変化することが、数学的に明白であり不可避であることから、製造においてかなりの困難が生じる。上述の、選択された渦巻または螺旋の線に沿った、ロータの縦軸方向への積み上げと併せて、歯車装置の原理に従いｘ−ｙ横断面に明確に定義された歯面の外形が、軸断面と標準切断面の両方において、内部圧縮を実現するために、ロータの縦軸方向への所望の関数曲線に従うそれぞれのピッチの関数として、必然的に変化することが、数学的に明白であり不可避である。これは、螺旋状の溝の形成に使用される固定式の工作機械が、選択される機械加工プロセスに応じて、軸断面または標準切断面の側面のプロファイルにのみ従うことから、製造において技術的困難が発生する部分である。これらの面で、上述のように、側面のプロファイルが、ロータ軸に沿ってピッチの各値の関数として変化することから、既知の工作機械を利用するこの製造プロセスを複雑にする。
【０００７】
この問題は、ロータの出口側に位置する端への、いわゆる”ねじ山形成”によって悪化する。これは、内部圧縮を得るために、ガス注入口側から出口側にかけて、出口側でピッチが最小となるように、所望の内部圧縮の値によってピッチを縮めていくものである。その結果、スピンドルロータの製造にあたって、所望の側面を機械加工するために、選択した工作機械を、プロファイルの歯の間隔が縮まるにつれて、機械加工するスピンドルロータにかなり深く突き刺さなければならないという難点に直面する。これは、選択した工作機械の剛性によって、限られた範囲でしか実行することができない。
ロータの縦軸の軸断面または標準切断面において、側面のプロファイルが変化することに関連したこれらの難点は、液体供給スクリューポンプなどでは、液体がほとんど圧縮できないことから、長い間知られているように、ピッチが一定で、プロファイルの歯が一定の高さを有する場合には生じない。注入する圧縮媒体の省電力での圧縮を達成するために、縦方向に変化するピッチの提供が望まれているが、これは、製造において明確となる難点を増加させる。同様の問題は、内部圧縮を達成または増加するために、プロファイル歯の高さを、ロータの縦軸において、追加的または代替的に変化させる場合にも発生する。
【０００８】
従って、本発明の目的は、ロータ軸に沿って変化するピッチおよび／または歯高を設けることによって、内部圧縮を実行する螺旋ロータの、低コストかつ容易な製造を可能にすること、および、適切な螺旋ロータを提供することである。
【０００９】
本発明によれば、この目的の解決方法は、単純なプロファイル工作機械（ならい工作機械）により、その特徴的な製造プロセスと、特有の工作機械ガイダンスを使用して、プロファイル側面外形の第１部分を、ロータ軸に沿って明確に定義し機械加工を仕上げること、ならびに、プロファイル側面外形の残りの第２部分を、１組のロータの前進移動、および工作機械によって定義されるプロファイル側面外形の前記第１部分に従って、最大の近似で定義することにより、ロータ軸に沿って変化するピッチおよび／または歯の高さに応じて、横断面において異なるプロファイルを得ることによって達成される。従って、プロファイルを形成するには、プロファイルの第１部分を、単純工作機械を使用し、直接定義して機械加工を仕上げ、前記工作機械は、プロファイルピッチおよび／または歯の高さを変化させることで内部圧縮を生むために、ロータの縦軸に沿って動かし、プロファイルの他の部分を、工作機械によって形成された側面プロファイルに応じて定義する。
【００１０】
用語”単純工作機械”とは、本明細書においては、加工物に依存しない任意の工作機械として解釈する。従って、所望のスピンドルロータを製造する場合、特殊な、特定または特有の工作機械を使用することは、まったく不要である。
【００１１】
用語”単純工作機械”は、ロータの縦軸に沿って、さまざまな横断面を形成する、任意の工作機械として解釈し、前記”単純工作機械”は、プロファイルを定義する。
【００１２】
この”単純”な、すなわち加工物に依存しない工作機械を、加工物を通してガイドすることにより、プロファイル歯が所望の高さまたは深さである、特定の側面プロファイルを機械加工する。側面プロファイルの形は、工作機械の形状だけでなく、主に、加工物に対する工作機械の移動によって定義される。初期値である工作機械形状が、変化はせずに、むしろ、開始時に単に選択され、最小の歯間隔、プロファイルの好ましい中間近接、および低コストに関する初期値として働くのに対し、加工物に対する、工作機械の制御された移動は、プロファイル形状に影響を及ぼすように決定される。工作機械の移動を制御するには、さまざまな可能性があり、前記可能性は、選択される加工機械に応じ、前記機械によって提供される可能性に適合される。多軸マシニングセンタは、より多くの可能性を提供するが、本発明は単純な切削機械によって実施することもでき、この単純工作機械として使用されるフライスは、傾斜させることができる。
【００１３】
単純工作機械を制御し移動させる可能性は、加工機械によって指示され、適宜、スピンドルロータのプロファイル側面の形を定義する。工作機械の移動は、スピンドルロータに適切な側面フランクを形成するように制御されなければならない。この目的のために、こうして形成されたプロファイル側面の特定の部分、好ましくは歯元、つまりピッチ円の下に位置するプロファイル側面を、他の部分、好ましくは歯末、つまりピッチ円の上に位置するプロファイル側面に、既知の歯車装置の原理に一致させて、理論的に複製することで、対応する理論的な第２部分、つまり歯末を、第１部分、つまり歯元に基づいて形成する。この、歯車装置の原理と一致した理論的作業は、エンベロープを通して、またはプロファイルピッチ関数による複製を通して分析的に行われる。鏡像対称を示す２つの同一のスピンドルロータの特性を利用して、歯元と歯末の側面が常に互いに嵌合し、噛み合わされる。
【００１４】
ここで、２つの第２プロファイル断面、つまり単純工作機械により実際に形成された形を、この理論的な形と直接比較する。実際のところ、実際のプロファイルの材料が、前進する側面への貫通という意味で、理論的プロファイルより後ろに突出することは、どうしても防がなければならないが、側面間隔があるという意味で、実際のプロファイルの材料が理論的プロファイルに届かない場合は、この材料の不足は、通常、最初に最小限に抑えられれば十分である。この手順は、新しいピッチ値を持つ各横断面において、繰り返される。個別／特有プロファイルが、このように、異なって最適化され得るようにした、さまざまな断面とともに得られる。従って、ピッチの大きな領域では、噛み合わせライン（噛み合わせのすべての点で静止した部分）は、２つの外径（”最小のブローホール”）の交点に可能な限り近づけられる。実際のプロファイルの材料は、理論的プロファイルと比較して、側面間隔が形成される意味での不足が最低限であるが、小さいピッチでは、噛み合わせラインが短く保たれると同時に、材料の不足が最大に許容される。入力される唯一の数量は、スピンドルロータ軸に沿ったピッチの所望の形である。
【００１５】
従来技術で発見されたアプローチとは明白に異なる、参照プロファイルを得るためのアプローチを使用して、前記参照プロファイルを、各横断面に対して一定に保ち、可能な最善の方法で近接させる。
【００１６】
上述の発明は、回転、つまり、内側に向いた旋削用のみを有するある種の内部大歯車を必要とする、内軸に対する工作機械の動き、または切削のいずれかの、スピンドルロータを製造する既知の方法を使用して、実施することができる。
【００１７】
このことから、単純工作機械を使用して形成する、プロファイルの第１部分では、歯元全体を、ピッチ円より下で形成することが賢明である。
【００１８】
プロファイルの第１部分に使用する、単純工作機械は、正面フライスとしても良い。プロファイルの第１部分に対し、単純工作機械によって、２つのプロファイル側面を、最小ピッチの範囲で同時に定義し、機械加工することができる。
【００１９】
スピンドルロータ軸に沿った工作機械の移動に対して、スピンドルロータの回転の動きを、選択的に制御することによって、単純工作機械は、ピッチに所望の変化を与えることが可能となる。
【００２０】
更に詳しくは、機械加工は次のように進められる。回転材料切削機械とすることも可能な、第１プロファイルの工作機械として、従来技術の単純な正面フライスを使用して、最初にロータブランクを機械加工し、歯元全体の機械加工を完全に仕上げる。これにより、歯元を、ピッチ円より下に位置する側面プロファイル範囲として、つまり、ピッチ円よりも、加工物の内側深くに位置するように定義し、同一速度で反対方向に好適に回転する、２つのスピンドルロータのピッチ円を、２つのスピンドルロータの軸間の間隔と一致させる。
【００２１】
正面フライス−あるいは回転工作機械−は、歯間隔の右と左の面において同時に、歯元の最小のピッチで、完全に機械加工できる形状を持つように、好適に設計されている。正面フライスの、ロータの縦軸方向へ前進する動き−工作機械または加工物のいずれかの動き、または両者が互いに関連した動き−によって、歯間隔を、ピッチを増加させながら広げていくことで、正面フライスは、１つの歯間隔面（例えば、一般的に”左”側とよばれる）の機械加工を先に行い、続く機械加工工程で、残りの歯元面（”右”の歯元）を、その傾斜角をロータ軸に対して修正することにより、仕上げる。
【００２２】
所望の内部圧縮を実施するために、側面のピッチ角度を、ピッチの所望の形に一致する ロータの縦軸に対して修正する。これによって、正面フライス−または同等の単純工作機械−の機械加工の角度を、側面のピッチ角度の所望の機能的曲線に従い、ロータの縦軸に対して傾ける。または、この傾斜角度を、間隔またはいくつかの面において、調整または修正する。一般的に、この正面フライスの回転軸の傾斜角度の変化は、側面プロファイルを製造するための最新の製造機械を用いて、ロータ軸に沿って工作機械を動かすことで、確実に達成し、所望の精度を保証することができ、またこの変化を、間隔において精度良く制御することができる。
【００２３】
ピッチがより大きく、それに応じて歯間隔が広い場合に、右および左の歯元側面を機械加工するのに必要とされるように、正面フライスを、加工物に対して縦に何度も動かす代わりに、正面フライスを大きな角度で相応に傾斜させることにより、２つの歯間隔面を同時に機械加工することも代替的には可能であるが、これは、あまり好ましくないプロファイルをもたらす場合がある。
【００２４】
プロファイル側面の根元を、特に単純に構成するために、正面フライスの機械加工角度を、ロータの縦軸に対して変化させずに維持し、ロータ軸に沿った正面フライスの移動に対し、加工物の回転の動きを選択的に制御することによって、螺旋ロータの所望の可変ピッチを得ることも可能である。
【００２５】
これらすべての可能性は、単純工作機械、好ましくは正面フライスを使用した、形成されるプロファイル側面外形の第１部分、好ましくは歯元全体の仕上げに存する創意に基づいている。
使用する正面フライスには、従来技術の標準的な切削ディスクを有する、標準的な正面フライスを、有効に使用することができる。この機械加工工程の後には、ピッチ円の下に位置するスピンドルロータのプロファイル側面を完成させる。このような準備とともに、ここでさまざまなプロファイル外形を、横断面（つまり、ロータの縦軸の法線）において得ることができる。次に、例えば、正面フライスなどの工作機械により明確に定義された、各歯元プロファイルを、既知の歯車装置の原理に一致する、歯末プロファイルの各横断面に複製する。前記歯元プロファイルは、ここで、既知の歯車装置の原理と一致しない可能性もあるが、例えば、”エンベロープ”を使用して、または前進移動のシミュレーションを通して、結果としての歯末プロファイルを十分に形成することができる。いずれにせよ、協同するロータの側面の間には、非接触の前進移動のために、特定の隙間が必要である。
【００２６】
また、プロファイルの歯末部分において、２つのロータの間に、既知のプロファイル（例えば、サイクロイドプロファイル）を持つスクリューポンプは、”丸みのある歯末のアパーチャ”とも呼ばれる、既知のいわゆる”ブローホール”も有する。従って、本発明では、製造に関連して形成されたプロファイルにより形成される、プロファイル側面の間の隙間は、任意に存在する隙間幅に、常に比例して見られる。前記隙間幅は、非常に高い範囲で、内部の漏れを起こさせる。当然ながら、製造によるこの余分な隙間は、例えば、単に、工作機械の形状を変化させることによって、反復的に縮小することができるが、側面の間の特定の漏れは、動力分散を向上させるためには、好ましい場合もある。
【００２７】
本発明は、ロータおよび反ロータの、歯元および歯末プロファイルの側面外形が、嵌合している場合に、特に有効である。上述のように、螺旋ロータは、好適には同一速度で反対方向に回転するため、１つのスピンドルロータを”ロータ”と呼び、他のロータを”反ロータ”と呼ぶ。製造に関する理由から、また均一な動力変換を達成するために、２つのロータのプロファイル側面を、ピッチ方向の方向性を単に逆にしただけの、同一の構成を持つように形成することが賢明である。１つのロータは、左側のピッチを有し、他の１つのロータは右側のピッチを有する。これは、工作機械の傾斜を、単に逆にすることによって、他のすべての製造パラメータは変更せずに、容易に達成することができる。２つのロータを通した各横断面において、ロータおよび反ロータのプロファイルは、同一の構成とし、横断面は、すでに述べたように、ピッチの関数として変化する。
【００２８】
有利なことに、工作機械が歯元外形を指示し、側面外形全体が、同一の外形という条件下で明確に定義され、ロータの歯元が、常に反ロータの歯末のみと嵌合し、ロータの歯末が、常に反ロータの歯元のみと嵌合するので、ロータの歯元プロファイルが、一度決定すると、前記外形が、まったく同一に反ロータに複製され、結果としての歯末プロファイルもまた、同一となる。
【００２９】
記載された形成プロセスは、正面フライスまたは他の任意の単純工作機械による、ピッチ円より下に位置する側面領域全体、つまり歯元の機械加工の仕上げに存する、上述の、ねじ山の形成に関する問題を、根本的に軽減する的確な解決方法を提供する。工作機械の剛性は、こうして大幅に高められるため、最小ピッチの決定における設計の制限は、より好適なものとなる。
【００３０】
記載した実施の一例として、これまで詳細に述べた、ロータ軸に沿ってプロファイルピッチを変化させることで得られる、１組の螺旋ロータにおける内部圧縮は、２つのロータを囲むポンプの吸引室として、最も一般的に使用されるが、こうして、このレベルでの単純な円筒型として、構成することができる。すでに述べたように、所望の内部圧縮を得るために、歯高を、追加的な提供によって、または唯一の歯高として、修正することができる。内部圧縮と正確に一致する、各作業室の容量もまた、この方法で修正することができる。本発明の手順は、この、ロータの軸に沿った歯高の変化に存するアプローチと、直接または間接的に、併せて使用することもできる。この目的のために、工作機械すなわち正面フライスは、機械加工プロセス中に、ロータ軸と、ロータ軸に沿った工作機械軸との間の距離を修正することにより、単に１つの追加的な移動を実行して、ロータの縦軸に沿って変化する歯高を形成する。上述の、プロファイル側面を形成する方法を同一に保ち、ピッチの変化と合わせて、または別々に、実行することができる。機械加工プロセスにおける、この、側面のピッチ角度および／または２軸の間隔の選択的な変更は、最新の加工機械を使用して、いかなる問題もなく実行することができる。
【００３１】
本発明の模範的な実施形態を、次の模式的な形式を示す図面を参照して、更に説明する。
【００３２】
図１は、ロータ軸に沿って変化するピッチを有する、螺旋ロータの上面または側面と、プロファイル側面を機械加工するための、単純工作機械として働くフライスとを、同時に説明する図である。
【００３３】
図２は、ロータの部分的な縦断面を、拡大して示す図である。
【００３４】
説明される模範的な実施形態において、図１は、ピッチ２をロータ軸に沿って変化させることにより達成される内部圧縮を有する、螺旋ロータ１の上面図である。螺旋ロータ１は、１方のロータ側に、より小さいピッチｍ_Ａｕｓ２Ａを、もう一方の側に、より大きいピッチｍ_Ｅｉｎ２Ｂを有し、それに応じて異なる、ロータ軸に沿った側面のピッチ角度β３Ａおよび３Ｂを有する。本発明によれば、ピッチ円５の下の歯元４と、ピッチ円の上の歯末６とを含む、各プロファイル側面外形の定義による製造は、正面フライス７のような、単純工作機械を使用して実行する。正面フライス７は、スピンドルロータ１に嵌合し、選択的な移動を通して、ロータ軸８に沿ってプロファイル側面を形成する。ロータプロファイルを機械加工するために実行される移動の間に、正面フライスの軸９は、ロータの縦方向に、ロータ軸に対して一定または変化する角度ｙで傾けられ、所望の内部圧縮に応じた、上述の側面のさまざまなピッチ角度βを形成する。
【００３５】
図２は、さまざまなプロファイル側面を説明するための、拡大された軸断面であり、ピッチ円（円筒線５の形で示す）と、歯元（４−太い実線で示し、正面フライスが機械加工を確実に同時に仕上げる、歯元の円筒直径を含む）と、結果としての歯末の外形（６−円筒外径を除いて破線で示す）とを示す。

Claims (5)

1. 内部圧縮を有するスクリューポンプのスクリューポンプロータの形成方法であって、前記スクリューポンプロータは、歯のピッチおよび深さを含み、前記歯のピッチおよび／または深さは、スクリューポンプロータの軸に沿って変化し、
   前記方法は、
   プロファイル工作機械を使用し、前記プロファイル工作機械を、スクリューポンプロータの軸に沿って、スクリューポンプロータに対して動かし、前記歯のプロファイル側面外形の第１部分の定義および機械加工の仕上げを行い、それによって、前記歯の前記プロファイルピッチおよび／または深さを変化させる工程と、
   プロファイル側面外形の、残りの第２部分を、プロファイル工作機械によって形成された、プロファイル側面外形の第１部分に従って、決定する工程とを含むことを特徴とする、スクリューポンプのスクリューポンプロータの形成方法。
2. 前記プロファイル側面外形の前記第１部分は、完全なプロファイル側面外形の、前記歯のピッチ円より下に位置する部分を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１部分を機械加工するための、前記プロファイル工作機械は、正面フライスであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１部分を機械加工するための、前記プロファイル工作機械は、前記プロファイル側面外形の２つの面を、最小ピッチの範囲で、同時に定義し機械加工することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記プロファイル工作機械は、前記スクリューポンプロータの軸に沿って、前記プロファイル工作機械の動きに対して、スクリューポンプロータの回転の動きを、選択的に制御することによって、ピッチに所望の変化を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。