JP2008537056A

JP2008537056A - ポンプ

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Publication number: JP2008537056A
Application number: JP2008507167A
Authority: JP
Inventors: ミラー、ジョージ
Original assignee: Science and Technology Facilities Council
Current assignee: Science and Technology Facilities Council
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2008-09-11
Also published as: GB0508107D0; WO2006111764A1; US20080213114A1; EP1872012A1

Abstract

ポンプは、半径が変わる閉ループを形成するガイド（１）と、少なくとも一つのピストン組立体（２）とを備える。ピストン組立体（２）は、チャンバ（４）と、チャンバ（４）内に摺動可能に設けられたピストン（５）とを備える。ピストン組立体（２）の第１端部はガイド（１）に従うように構成され、ピストン組立体（２）の第２遠端部はループの半径方向中心軸に近接して取り付けられる。ガイド（１）とピストン組立体（２）の少なくとも一つが、ガイド（１）とピストン組立体（２）の間の相対回転運動を起こすように回転する。この相対回転運動により、ピストン（５）がチャンバ（４）内を往復動し、ポンプの吸入口（２２）から排出口（２０）へと流体を汲み上げる。
【選択図】図１

Description

本発明はポンプに関する。特に、本発明は真空ポンプまたはコンプレッサとしての動作に適した、流体の汲み出し用のポンプに関するが、これに限定されない。

流体の汲み出しが必要になることが多い。そのような流体は、空気などの気体や水などの液体である。ある位置から別の位置に流体を移動させるために、ポンプ作用が必要となる。あるいは、ポンプは、第１の圧力である第１の位置からより高圧である第２の位置へと流体が移動するように、流体に圧力をかける必要がある。最も一般的には、加圧される流体は気体である。ポンプは、ポンプ吸入口を通して第１の位置から流体を吸い込み、ポンプ排出口を通して第２の位置に流体を排出することによって作用する。ポンプの吸入口と排出口は、通常、ポンプ構造を介して二つの位置を接続するチューブまたは通路を有する。

気体を加圧する必要のある応用形態の一つとして、ポンプが真空ポンプとして動作する場合がある。真空ポンプは、真空対象の密封されたチャンバ（室）にポンプ吸入口を接続し、チャンバ内からポンプ排出口へと流体を排出して密封されたチャンバ内の流体圧力を低下させることによって動作する。

気体を加圧する必要のある別の応用形態として、ポンプがコンプレッサとして動作する場合がある。コンプレッサは、加圧対象の密封されたチャンバ内にポンプ排出口を接続し、チャンバ内に流体を送り込んで（ポンプ吸入口から流体を吸い込んで）密封されたチャンバ内の流体圧力を増加させることによって動作する。

周知の流体ポンプ、特に真空ポンプまたはコンプレッサとして動作するポンプは、通常複雑であり可動部分が多い。多数の可動部分や過度の複雑さは、ポンプの製造コストを高くする。さらに、この種のポンプは修理がより複雑となりその費用も高くなる。

周知の流体ポンプの多くは、可動部分間の表面を潤滑するオイル等の潤滑剤を必要とする。しかしながら、潤滑剤によってポンプを通過する流体が汚染されることがある。

本発明の複数の実施形態の目的は、本明細書で特定されるかまたは他の文献で特定される従来技術における一つまたは複数の問題を取り除くか、またはその問題を緩和することである。さらに、本発明の複数の実施形態の目的は、真空ポンプやコンプレッサとしての動作に適した、または単に流体を移動させるのに適した新規な形態のポンプを提供することである。

本発明の第１の態様によると、半径が変化する閉ループを形成するガイドと、チャンバおよびチャンバ内に摺動可能に設けられたピストンを有する少なくとも一つのピストン組立体と、を備えるポンプが提供される。ピストン組立体の第１端部がガイドに従うように構成され、ピストン組立体の第２遠端部がループの半径方向中心軸に近接して取り付けられる。ガイドとピストン組立体との間の相対回転運動によってピストンがチャンバ内を往復変位して当該ポンプの吸入口から排出口へと流体を汲み上げるように、ガイドとピストン組立体のうちの少なくとも一つが回転するように構成される。

この構成では、ピストン組立体の第１端部が自動的にガイドに追従するので、ピストン組立体とガイドとの間で相対的な回転運動が発生し、ポンプ吸入口からポンプ排出口へと流体を汲み上げることができる。したがって、この種のポンプには、流体の汲み上げに必要な可動部分の点数が少ないという利点がある。

好ましくは、ピストン組立体の第１端部は半径方向中心軸に対して回転してピストンをガイドに向けて付勢するように構成され、さらに、ピストン組立体の第１端部がガイドに従うとき、第１端部と第２端部の間の距離を交互に増減させてピストンを往復変位させるように構成されている。

好ましくは、ピストン組立体の第１端部は、ピストン組立体の第１端部がガイドに従うようにピストン組立体が回転するときガイドの表面に沿って回転するように構成されたホイールを備える。

好ましくは、閉ループは楕円である。

好ましくは、ピストン組立体の第１端部がピストンを構成し、ピストン組立体の第２端部がチャンバを構成する。

好ましくは、ピストン組立体の第１端部がチャンバを構成し、ピストン組立体の第２端部がピストンを構成する。

好ましくは、ピストン組立体の第２端部は少なくとも一つの通路を備えるシャフトの周りに回転可能であり、少なくとも一つの通路はそれぞれが半径方向に延び出している少なくとも一つのシャフト開口部と接続され、ピストン組立体はチャンバに接続される少なくとも一つのチャンバ開口部をさらに備え、該チャンバ開口部は、ピストン組立体の各回転の少なくとも一部の間、チャンバ開口部とシャフト開口部との接続部を介して通路とチャンバとが接続されるように配置される。

好ましくは、シャフトは少なくとも第１通路と第２通路とを備え、ピストン組立体は少なくとも第１チャンバ開口部と第２チャンバ開口部とを備え、チャンバ開口部は、第１通路から第１チャンバ開口部を介してチャンバ内に流体が吸い込まれ、チャンバから第２チャンバ開口部を介して第２通路に流体が排出されるように配置される。

好ましくは、シャフトは、ポンプ吸入口に接続された少なくとも一つの通路と、ポンプ排出口に接続された少なくとも一つの通路とを備え、通路は、ピストン組立体の各回転の少なくとも一部の間、チャンバがポンプ吸入口およびポンプ排出口と接続されるように構成される。

好ましくは、複数のピストン組立体を一緒に接続するロータを備える。より好ましくは、ロータは、各ピストン組立体の第２端部がシャフトの周りに回転可能であり、かつ、シャフトの周りに半径方向に対向してピストン組立体の組が配置されるように構成される。ポンプは複数のロータをさらに備えてもよい。

ポンプは少なくとも二つのピストン組立体をさらに備えてもよい。この場合、各回転の少なくとも一部の間、一方のチャンバから他方のチャンバに流体が汲み上げられるように、第１ピストン組立体のチャンバが第２ピストン組立体のチャンバに接続される。

ポンプは真空ポンプであってもよい。あるいは、ポンプはコンプレッサであってもよい。ポンプは、ポンプから流体を排出できるように構成された一方向弁を排出口に備えてもよい。ポンプ内に流体を吸い込めるように構成された一方向弁を吸入口に備えてもよい。

好ましくは、ポンプは気体を汲み上げるように構成される。

好ましくは、ピストン組立体は、ピストンとチャンバとの間を実質的に流体シールするよう構成されたピストンリングをさらに備える。二硫化モリブデン含浸ナイロンおよびブロンズ含浸ＰＴＦＥのうち少なくとも一つからなる材料でピストンリングが形成されてもよい。

二硫化モリブデン含浸ナイロンおよびブロンズ含浸ＰＴＦＥのうち少なくとも一つからなる材料でホイールが形成されてもよい。

好ましくは、ポンプは毎時１ｍ^３から毎時１００ｍ^３の間のポンプ速度で流体を汲み上げるよう構成される。好ましくは、ポンプは吸入口と排出口の間で１から１００の間の圧縮率で流体を圧縮するよう構成される。

本発明の第２の態様によると、ポンプの製造方法が提供される。この方法は、半径が変化する閉ループを形成するガイドと、チャンバおよびチャンバ内に摺動可能に設けられたピストンを有する少なくとも一つのピストン組立体と、を設けること、ピストン組立体の第１端部がガイドに従い、ピストン組立体の第２遠端部がループの半径方向中心軸に近接して取り付けられるように、ガイドと少なくとも一つのピストン組立体とを構成すること、を含む。ガイドとピストン組立体との間の相対回転運動によってピストンがチャンバ内を往復変位して当該ポンプの吸入口から排出口へと流体を汲み上げるように、ガイドとピストン組立体のうちの少なくとも一つが回転するように構成される。

本発明の第３の態様によると、流体をポンプで汲み上げる方法が提供される。ポンプは半径が変化する閉ループを形成するガイドと、チャンバおよびチャンバ内に摺動可能に設けられたピストンを有する少なくとも一つのピストン組立体と、を備える。ピストン組立体の第１端部がガイドに従うように構成され、ピストン組立体の第２遠端部がループの半径方向中心軸に近接して取り付けられる。この方法は、ガイドとピストン組立体との間の相対回転運動によってピストンがチャンバ内を往復変位してポンプの吸入口から排出口へと流体を汲み上げるように、ガイドとピストン組立体のうちの少なくとも一つを回転させることを含む。

以下、添付の図面を参照し、例示のみを目的として、本発明の実施形態について説明する。

図１を参照すると、閉ループを形成しているガイド１と、シャフト３の周りに回転可能に取り付けられた四つのピストン組立体２とが図示されている。ピストン組立体２はシャフト３の周りに回転可能に配置される。複数のピストン組立体２はロータ２５上に一緒に取り付けられ、ピストン組立体とロータとがシャフト３の周りをともに回転する。ロータ２５は、各ピストン組立体を隣のピストン組立体と固定する金属フレームを含む。組立体２は回転モータ（図示せず）によって駆動され、シャフト３を固定した状態のままシャフト３の周りに回転する。シャフト３の軸は、ほぼガイド１の半径方向中心軸に位置する。

各ピストン組立体２は、チャンバ４と、チャンバ４内に摺動可能に取り付けられたピストン５とを含む。各チャンバ４は、中空の壁で囲われた空洞を備える。この空洞は一端が開口しており、そこにピストンが摺動可能に設けられる。ピストンは、チャンバの開口端を完全にまたは実質的に完全にふさぐように配置された金属製のディスクまたはプラグを備える。ピストン５がチャンバ内を摺動すると、ピストンによって有効に閉止されるチャンバの容積が変化する。各チャンバは典型的には一端が開口した円筒形であり、その中に円柱形のピストンが収容される。しかしながら、チャンバ（およびピストン）は、例えば製造を容易にするために他の任意の形状であってもよい。ピストンがチャンバ内を摺動するときにチャンバ４とピストン５との間のギャップを封止するために、少なくとも一つのピストンリング２１が各ピストンに取り付けられる。ガイド１は、内面６と外面７を有する。ピストン５にはそれぞれガイド１の内面６に沿って転がるように構成されたホイール８が組み込まれており、ホイールがガイド１に従う。ホイール８は、車軸９を介してピストン５に回転可能に取り付けられる。この具体的な実施形態では、各ピストン５が各ピストン組立体２の第１端部を区画する。ピストン組立体２が回転すると、第１端部がガイド１の内面６をたどる。チャンバ４は第２端部を区画する。第２端部は、シャフト３の周りにガイド１の半径方向中心軸に対して回転する。

ピストン組立体２がシャフト３の周りに回転すると、ピストン５（およびホイール８）がガイド１に向けて付勢されるが、これは各ピストン５の質量がシャフト３から離れる方向に加速されるため、すなわちいわゆる「遠心力」によってピストンが付勢されるからである。ガイド１の内面６はピストン５の半径方向運動を制限するように配置されており、そのため、ピストン組立体２の第１端部は、組立体の回転にともない内面６に追従する。ピストン組立体２が回転する間のあらゆる瞬間において、シャフト３とガイド１の内面６との間の距離によって各ピストン組立体の最大長さが制限される。したがって、ガイド１の形状のために、各ピストン組立体２が回転すると、ピストン５はチャンバ４内を往復方向に（reciprocally）変位する。

ガイド１の内面６は連続面を形成している。内面６の半径は変化する。「半径の変化」という用語は、ガイド１が固定形状であり、ガイドの中心位置（すなわちシャフト３の中心）からピストン組立体２の第１端部によりスイープされる経路に沿って内面６までの距離を測定したときに、ガイドの半径が変化することを意味している。具体的には、ガイド１の内面６が楕円を形成している。ピストン組立体２が回転し第１端部がガイド１の内面６をたどると、ピストン組立体２が楕円の最大半径および最小半径と一致する地点間を移動するとき、ピストン組立体の第１端部と第２端部の間の長さが最大長１０から最小長１１まで交互に増減を繰り返す。

シャフト３の内部には多数の通路１２があり、これらの通路はシャフト３の軸と平行に延びている。通路１２は、放射状に延びるシャフト開口部１３と接続している。ピストン組立体２のチャンバ４にもチャンバ開口部１４がある。ピストン組立体２が回転すると、少なくとも各回転中の一部の期間、チャンバ開口部１４がシャフト開口部１３と接触し、これによってチャンバ開口部１４とシャフト開口部１３とが連結される。シャフト開口部１３とチャンバ開口部１４とが連結されると、チャンバ４から通路１２を通って流体が通過可能となり、逆もまた可能となる。

シャフト開口部１３は、各ピストン組立体２がその最大長１０に向けて延び出るとき、チャンバ４と通路とが連結されるように配置される。これによって、通路からチャンバ４内に流体を流すことが可能になる。反対に、ピストン組立体２が短くなるとき、チャンバ４は異なるシャフト開口部１３を通じて別の流体通路１２と接続される。これによって、チャンバ４から通路へと流体を汲み出すことが可能になる。

ピストン組立体の回転中のあらゆる瞬間においてピストン組立体のうち二つの長さが増加しピストン組立体のうち二つの長さが減少するように、ピストン組立体２は、半径方向に対向させた組が二つできるように配置される。各ピストン組立体２のチャンバ４の変化する容積に対応すべく、シャフト３の長さに沿って四つの通路１２が延びている。これら四つの通路１２は、それぞれが別々のシャフト開口部１３と接続される、シャフト通路１２は、半径方向に対向させた組として配置される。二本のシャフト通路がポンプ吸入口に接続し、二本のシャフト通路がポンプ排出口に接続する。したがって、ピストン組立体２が回転すると、シャフト通路１２の第１組からチャンバ４の第１組の内部へと流体が送り込まれ、チャンバ４のもう一方の組からシャフト通路のもう一方の組の内部へと流体が送り込まれる。

各ピストン組立体２が回転すると、チャンバ４のうちピストン５によって封止された部分の容積が（ピストン５の動きのために）事実上交互に増減する。シャフト３の周りを一回転するたびに、ピストン組立体２は流体を二回吸い込み二回排出する。ピストン組立体２が回転すると、チャンバ開口部がそれぞれのシャフト開口部と交替で接続する。シャフト開口部１３とチャンバ開口部１４との相対サイズと相対位置によって、各回転においてチャンバ４が流体を吸い込むかまたは排出する部分が決まる。

本明細書で述べるポンプ（例えば、約１０ｍ^３／ｈｒのポンプ速度で流体を汲み出すように構成されているポンプ）は、最大延び出し長が５ｃｍから１５ｃｍであるピストン組立体を有していてもよい。ピストン組立体の最小長は、通常最大延び出し長の６０％から８０％であり、例えば７０％である。しかしながら、これらの寸法に限定されない。ポンプのサイズは、ナノメートルのスケールから数メートルまたはそれ以上の範囲にまたがってもよい。

ピストン組立体が最大長１０の位置から最小長１１の位置まで回転するとき、チャンバ４内の流体は、シャフト通路１２との接続によって解放される前に圧縮される。ピストン組立体の最大延び出し長と最小長に対応するチャンバ４の実効容積（すなわち、ピストンにより封止されるチャンバ４の部分）の比率がポンプの圧縮率を決定する。図１のポンプでは、最大延び出し長が約１１．５ｃｍ、最小長が約８ｃｍのピストン組立体を有するポンプに対して、通常、圧縮率５０を得ることができる。すなわち、チャンバが拡大するときにチャンバ４内に吸い込まれる流体は、チャンバが収縮するときに最大５０倍に圧縮される。最大限と最小限にあるときのピストン組立体の長さの差を増加することによって、圧縮率を増大させることができる。本発明の別の実施形態では、圧縮率を１０から１００の間で変化させることができる。さらに別の実施形態では、圧縮率を１から１００の間で変化させることができる。

図１のポンプを真空ポンプとして作動させることができる。通常、ポンプ吸入口の圧力を０．０１ｍＢａｒまで低下させることができる。ポンプのポンプ速度は、単位時間当たりにポンプによって汲み上げられる流体の容積として定義される。汲み上げられる流体の容積をポンプの吸入口または排出口で測定してもよい。流体を圧縮するように構成されたポンプについては、吸入口で測定される汲み上げられた流体の容積が、排出口で測定される容積と異なっていてもよい。図１のポンプのポンプ速度は、通常、毎時５ｍ^３から毎時４０ｍ^３の間で変化させることができる。しかしながら、本発明によるポンプのポンプ速度は、毎時１ｍ^３以下から毎時１００ｍ^３以上まで変化してもよい。本発明の好適な一実施形態では、ピストン組立体２が延び出し収縮するたびに各ピストン組立体２の内部に吸い込まれ排出される流体は、６０ｃｍ^３である。これは、通常の回転速度で毎時１０．６ｍ^３に等しい。典型的に、この種のポンプは約１５００ｒｐｍで回転する。

図２は、図１のポンプの部分断面図を示す。図１および図２の両方に示した同様の構成要素を参照するのに同一の番号を使用する。ポンプが真空ポンプとして動作する場合、図２に示すように、通常、ポペット弁２０などの一方向弁がポンプ排出口２３に接続される。これは、高圧の流体が排出口を通ってポンプに再進入するのを防止するためである。ポンプがコンプレッサとして動作する場合、通常、ポペット弁２２がポンプの吸入口２４に接続される。これは、高圧の流体が吸入口を通ってポンプから逃げ出すのを防止するためである。図２は、通常動作時におけるポペット弁２２とポンプ吸入口を点線で示している。ポンプが真空ポンプとして動作しているかまたはコンプレッサとして動作しているかに応じて、ポンプは排出口または吸入口の一方にのみポペット弁を備える。しかしながら、本発明によるポンプはポンプ吸入口とポンプ排出口の両方にポペット弁を備えていてもよいことは認められよう。

ポペット弁は、開口部と、ばねで付勢されたディスクまたはプラグとを備える一方向弁の形をしている。ディスクまたはプラグは、開口部に対して通路に近い方向に押し付けられるように配置されている。ポペット弁の開口部から遠い側の流体がより高圧であるとき、ディスクまたはプラグに作用する流体圧によって通路が閉鎖される。

図１のポンプがコンプレッサとして動作するとき、ポンプ吸入口が大気圧である大量の気体と接続されている場合、ポンプ排出口における圧力を５０Ｂａｒまで増加させることができる。

各ピストンチャンバ４は、シャフト３の縦軸に沿った異なる位置に二つのチャンバ開口部１４を有することが好ましい。これは図３に示されている。図３はそれ以外の点では図２と同一であり、したがって、同様の特徴を参照するために全体として同一の番号が用いられている。この構成は、別々のチャンバ開口部１４を通してチャンバ４内に流体を吸い込みチャンバ４から流体を排出することができるので、望ましい。したがって、対応するシャフト開口部は、シャフト３の長さに沿って別々の位置にあってもよい。この結果、シャフト開口部は適切なチャンバ開口部１４と接続され、正確な時間にチャンバ４を正しい通路１２に接続する。シャフト３の長さに沿ってシャフト開口部１３を別の位置にすることによって、チャンバ開口部１４への接続の相対タイミングを決定するための、シャフト開口部１３の相対サイズと相対位置を決める際の自由度を大きくすることができる。図示の位置では、上部開口部１４がそれぞれのシャフト開口部１３と接続している。別の位置（図示せず）では、下部開口部がそれぞれのシャフト開口部１３と接続し、上部開口部がふさがれるように、ピストン組立体が回転される。

本発明の一実施形態にしたがったポンプによって汲み上げられる流体は、通常、気体である。最も一般的には、特にチャンバを真空にする真空ポンプとしてポンプを使用する場合、気体は空気である。

本明細書で記載されるポンプは、有利なことに「乾燥」状態で作動できるように製造することができる。これは、チャンバ４とピストン５の間での摩擦を防ぐための潤滑剤が不要であることを意味する。これは、潤滑剤による流体の汚染を予防するために望ましい。良好な流体シールが得られるようにピストンリングをしっかりとはめ込まなければならないので、耐摩耗性があり強靱な材料のピストンリングを用いることで、実現可能である。この結果、大量の摩擦を発生しうる。ピストンリングは低摩擦係数を有する材料からピストンリングが製造される。適切な材料には、二硫化モリブデンを含浸させた（molybdenum disulphide impregnated）ナイロン、青銅を含浸させた（bronze impregnated）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が含まれる。これらの材料は市販されているので、特に適している。しかしながら、同様の特性を有する多くの他の適切な材料があることは容易に分かることである。

ホイール８がガイド１の内面６に沿って回転すると、ホイール８も相当量の摩擦にさらされる。したがって、ホイール８はピストンリングと同様の耐摩耗性の材料で製造されることが好ましい。

ポンプの他の全ての構成部品はアルミニウムで製造されることが便利である。これは、アルミニウムが比較的安価であり、容易に機械加工可能な材料だからである。ピストン組立体を回転させるために使用される全ての駆動部品、およびベアリング等の他の部品は、市販されている標準の部品を用いることが便利である。

上述の実施形態は空気を汲み出すという文脈で説明されたが、本発明に記載のポンプは、任意の形態の流体、例えば任意の他の気体や水などの任意の液体を汲み出すように構成することも可能であることは理解されよう。

各ピストン組立体の一部を形成するホイール８がガイド１の内面６に沿って回転するという、上述のガイド１とピストン組立体２の構成は、単に本発明の好適な実施形態の一つを示すに過ぎない。例えば、ホイールの代わりに、ガイドの内面に沿って回転するのではなく内面に沿って摺動する滑材を用いてもよい。

上述の実施形態では、ピストン組立体の最大範囲をガイドが限定し、ピストン組立体の回転によりピストン５の質量が加速され、ピストン組立体の第１端部をガイドに向けて外方に付勢する。別の実施形態では、ピストン組立体に取り付けられたホイールがガイドの外側に沿って回転するようなレールをガイドに形成してもよい。このような実施形態では、楕円の半径が増加するにつれてガイドによってピストン組立体が強制的に延び出される。ピストン組立体を短縮させるべく構成された第２のレールがあってもよく、この結果、一組のレールの間をホイールが回転するレールをガイドが形成することになる。あるいは、各ピストン組立体が一組のホイールをさらに備え、レールのいずれかの側面によってピストン組立体の伸縮が強制されてもよい。このようなガイド構成は、空気より粘性のある流体（例えば水）を汲み出すようにポンプが構成されているとき、好ましい可能性がある。粘性の高い流体ではチャンバの拡大または収縮可能である割合が限定される傾向があり、その結果、上述のポンプでは、ポンプの第１端部が回転の全体を通してガイドと接触できなくなる。

ホイールを拘束するように配置された二本のガイドレールを有しピストン組立体の伸縮を強制する上述の修正形態に対して、シャフトの周りを回転するピストン組立体の代わりに、ピストン組立体の周りをガイドが回転するというさらなる修正をポンプに加えてもよい。さらに、ピストンとチャンバとを交換するという修正をポンプに加えてもよい。

あるいは、ピストン５がばねまたは他の弾性部材によって外方に付勢されてもよい。したがって、シャフト３から離れた位置にあるピストン組立体の端部は、ガイド１の内面６と接触するように強いられる。

ガイドは必ずしも楕円形である必要はない。実際、ガイドは、半径が変化する任意の形状であってもよい。シャフトの周りを回転するときに各ピストン組立体が行う拡大および収縮の数が、ガイドの形状によって変化してもよい。

「交互に増減する」という語句は広い意味で使用される。この語句は、回転の増加する部位にある間、ピストン組立体２の長さがほとんどの場合増加するが一時的に中断する可能性もあるというシナリオを含むように意図されている。増加する部位の中断の間、ピストン組立体の長さは一定である。同様に、回転のうち減少する部位の中断の間、ピストン組立体２の長さが一時的に一定であってもよい。ピストン組立体２の長さが変化すると、ピストン５によって切り離されるチャンバ部分内の空間が増減する。

図４ａ、図４ｂ、図４ｃは、ガイドの別の形状を図式的に示す。ピストン組立体２がシャフト３の周りを回転し、シャフト３の遠端がガイド１の内面６をたどる様子が図示されている。

図４ａは、卵形のガイドを示す。このガイドは、各ピストン組立体２の長さが増加も減少もしないポイント３０と３１の間の部分を有する（シャフト３からの遠端がガイドの右半分にあるとき）。各回転中、各ピストン組立体は、ポイント３２で一旦長さが最大になった後、再び収縮する。

図４ｂは、他のガイド形状を示す。これは、二つの重なり合う楕円または卵形で形成されており、圧縮率が最も増大する。これは、ポイント３３と３４におけるピストン組立体の最大長と、ポイント３５と３６における最小長の間の差が増加しているためである。

図４ｃは、他のガイド形状を示す。これは、二つの交差した楕円に近い形をしており、各ピストン組立体は、完全な回転のたびに四回、延長と収縮を行う（楕円の場合は、延長と収縮はそれぞれ二回であるのに対して）。各ピストン組立体は、ポイント３７、３８、３９および４０でその最大範囲まで延びる。

多くの他の形状のガイドが特性の変化を予測させるのは明らかである。図４ａ、図４ｂ、図４ｃは、可能であるガイド形状の変化を単に例示したに過ぎない。

さらに好ましい特徴は、容積が減少している第１ピストン組立体２のチャンバ４が、容積の増加している第２ピストン組立体のチャンバ４と接続されるように、シャフト通路１２が配置される。これによって、第１チャンバ内の既に加圧された流体を第２チャンバの中に通し、そこでさらに加圧することができる。第２チャンバは、第１チャンバと同じサイズである必要はない。実際、第２チャンバは第１チャンバよりも小さいことが好ましい。これは、第１チャンバからの加圧された流体は、第１チャンバの最大サイズよりも小さい容積を占めるためである。その最大サイズが第１チャンバの最小サイズと同等であるように第２チャンバを構成してもよく、これにより加圧された流体が第２チャンバに入るときに流体が拡張することを防止する。加えて、第１チャンバから第２チャンバへとサイズを減少することで、第１チャンバから排出口を通った流体の通過が容易になる。この「多段式連結（multistage linking）」は、第２ピストンが別のピストンに接続されるように拡張されてもよい。この効果は、各ピストン組立体２の圧縮率を増加することに等しい。真空ポンプとして作動するとき、このように修正された図１によるポンプは、排出口が大気圧の気体源に接続されたとき、吸入口における圧力を０．１ｍＢａｒまで低下させることが分かっている。

図５は、多段式連結を模式的に示す。ロータ２５は、シャフト３の周りを回転する四つのピストン組立体２を接続する。第１ピストン組立体５０は、ポンプ吸入口に接続されるシャフト通路５１に接続される。第２ピストン組立体５２は、シャフト通路５４によって第３ピストン組立体５３に接続される。第４ピストン組立体５５は、ポンプ排出口に接続されるシャフト通路５６に接続される。ロータ２５が回転すると、四つのピストン組立体が異なるシャフト通路と接続するようにピストン組立体が移動する。シャフト通路５１に接続されたピストン組立体は、ポンプ吸入口から未圧縮の流体を吸い込む。その後、ピストン組立体がシャフト通路５４の第１端部５７に接続されると、この流体が圧縮され排出される。この排出は、シャフト通路５４の第２端部５８に接続されたピストン組立体が流体を吸い込むようになったときに発生する。この次のピストン組立体は、シャフト通路５４の第２端部５８から既に圧縮された流体を吸い込む。その後、ピストン組立体が回転運動しシャフト通路５６と接続してポンプ排出口に接続されるまで、この流体はさらに圧縮される。このように、シャフト通路５６内の流体は二度圧縮される。

任意の数のピストン組立体があってもよい。設けられるピストン組立体の数が多くなるほど、汲み上げられる流体の流れがより滑らかになる。しかしながら、ピストン組立体が高速で回転するときにそれらが釣り合いを取れるように、半径方向に対向した組を作ってピストン組立体を配置するのが有利である。ピストン組立体は、各ロータによって接続された釣り合いの取れた組として配置される。例えば、図１は、二組の釣り合いの取れたピストン組立体を示しており、これらはロータ２５によってともに接続されている。これによりポンプ内のあらゆる振動が低減され、結果としてポンプがより静粛となり摩耗が少なくなる。ピストン組立体の全てが同一平面内にある必要はない。事実、ピストン組立体がシャフトの長さに沿って分配され、複数のロータによってグループ単位でともに接続されている場合、同一平面内にないことで多数のピストン組立体を組み込むことがより容易になる。異なる平面にあるピストン組立体が同一のガイドによって制御されてもよい。あるいは、異なる平面にあるピストン組立体が別々のガイドによって制御されてもよい。この場合、ガイドは互いにオフセットされているか、または異なる形状をしていてもよい。

図６は、シャフト３の周りを回転する別々のロータ上にある二つのピストン組立体の間の多段式連結を図式的に示す。第１ピストン組立体６０は、ポンプ吸入口に接続されたシャフト通路６１に接続される。第２ピストン組立体６２は、シャフト通路６４によって第３ピストン組立体６３に接続される。第４ピストン組立体６５は、ポンプ排出口に接続されたシャフト通路６６に接続される。ロータが回転すると、四つのピストン組立体が異なるシャフト通路と接続されるように移動し、ピストン組立体の新たなセットがシャフト通路６１、６４、６６に接続される。シャフト通路６１に接続されたピストン組立体は、ポンプ吸入口から未圧縮の流体を吸い込む。シャフト通路６４の第１端部６８に接続されたピストン組立体は、圧縮された流体をポンプで排出する。この排出は、シャフト通路６４の第２端部６９に接続されたピストン組立体が流体を吸い込むときに発生する。この次のピストン組立体は、シャフト通路６４の第２端部６９から既に圧縮された流体を吸い込む。その後、流体はさらに圧縮される。シャフト通路６６に接続されポンプ排出口に接続されたピストン組立体は、二度圧縮された流体を排出する。

図７は、多段式連結の別のオプションを示す。図１に示したものであってもよい第１ポンプ７０は、ポンプ吸入口７１から流体を吸い込み、ポンプ排出口７２で圧縮された流体を排出する。ポンプ排出口７２は、第２ポンプ７４のポンプ吸入口７３に接続されている。第２ポンプも、図１に示したようなポンプであってもよい。第２ポンプは流体をさらに圧縮して、ポンプ排出口７５から流体を排出する。

上述の多段式連結の三つのオプションは、ポンプの圧縮率を増加させるために本明細書で何回も説明されているポンプとして適用することができ、またこれらをいかに組み合わせても適用できることは認められよう。

チャンバと吸入口／排出口との間で流体を移送するように構成された任意の数のシャフト通路があってもよい。また、上述したように、二つのピストン組立体のチャンバを交差結合（cross link）させて、吸入口と排出口の間の圧力差を増大させてもよい。通路の正確な配置は、ポンプの使用される方法、ピストン組立体の数と位置、およびガイドの形状によって決まる。

上述のポンプでは、各ピストン組立体の第１端部（すなわち、ガイドに従うように配置された端部）がピストン（ホイールとともに）であり、シャフトの周りに回転可能に取り付けられた第２端部がチャンバである。この構成では、各ピストン組立体が回転するときに、チャンバがシャフトに対して一定の半径方向位置を維持し、ピストンが半径方向に往復動する必要がある。ピストンとチャンバの相対的な半径方向位置が反対であってもよい、すなわち、チャンバ側の端部がガイドに従うように構成されていてもよいことは認められよう。

モータはパンケーキ型（pancake）モータが便利であり、各ピストン組立体の回転平面と平行に位置するように配置される。これにより、ポンプ／ロータの組合せの全体の容積が低下する。さらに、モータは、ポンプを始動すると所望の動作速度まで増分的に回転するような可変速モータであってもよい。これにより、モータとポンプとの摩耗を低減することができる。

本発明のさらなる修正形態や応用形態は、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、当業者にとっては容易に明らかであろう。

本発明の一実施形態によるポンプの断面の概略平面図である。真空ポンプとして動作する図１のポンプを、線ＩＩ−ＩＩに沿って矢印で示す方向に見たときの部分断面を示す概略図である。本発明の別の実施形態によるポンプの部分断面を示す概略図である。本発明の実施形態によるポンプ用のガイドの他の形状を示す概略図である。本発明の実施形態によるポンプ用のガイドの他の形状を示す概略図である。本発明の実施形態によるポンプ用のガイドの他の形状を示す概略図である。本発明の別の実施形態によるポンプの横断面の概略平面図である。本発明のさらに別の実施形態によるポンプの横断面の概略側面図である。本発明のさらに別の実施形態によるポンプの横断面の概略図である。

Claims

半径が変化する閉ループを形成するガイドと、
チャンバおよびチャンバ内に摺動可能に設けられたピストンを有する少なくとも一つのピストン組立体と、を備え、
前記ピストン組立体の第１端部が前記ガイドに従うように構成され、前記ピストン組立体の第２遠端部が前記ループの半径方向中心軸に近接して取り付けられ、
前記ガイドと前記ピストン組立体との間の相対回転運動によって前記ピストンが前記チャンバ内を往復変位して当該ポンプの吸入口から排出口へと流体を汲み上げるように、前記ガイドと前記ピストン組立体のうちの少なくとも一つが回転するように構成されていることを特徴とするポンプ。
前記ピストン組立体の第１端部は、前記半径方向中心軸に対して回転して前記ピストンを前記ガイドに向けて付勢するように構成され、さらに、前記ピストン組立体の第１端部が前記ガイドに従うとき、前記第１端部と第２端部の間の距離を交互に増減させて前記ピストンを往復変位させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
前記ピストン組立体の第１端部は、前記ピストン組立体の第１端部が前記ガイドに従うようにピストン組立体が回転するとき前記ガイドの表面に沿って回転するように構成されたホイールを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のポンプ。
前記閉ループが楕円であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のポンプ。
前記ピストン組立体の第１端部が前記ピストンを構成し、前記ピストン組立体の第２端部が前記チャンバを構成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のポンプ。
前記ピストン組立体の第１端部が前記チャンバを構成し、前記ピストン組立体の第２端部が前記ピストンを構成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のポンプ。
前記ピストン組立体の第２端部は、少なくとも一つの通路を備えるシャフトの周りに回転可能であり、
前記少なくとも一つの通路は、それぞれが半径方向に延び出している少なくとも一つのシャフト開口部と接続され、
前記ピストン組立体は、前記チャンバに接続される少なくとも一つのチャンバ開口部をさらに備え、該チャンバ開口部は、前記ピストン組立体の各回転の少なくとも一部の間、前記チャンバ開口部と前記シャフト開口部との接続部を介して前記通路と前記チャンバとが接続されるように配置されることを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載のポンプ。
前記シャフトは少なくとも第１通路と第２通路とを備え、前記ピストン組立体は少なくとも第１チャンバ開口部と第２チャンバ開口部とを備え、前記チャンバ開口部は、前記第１通路から前記第１チャンバ開口部を介して前記チャンバ内に流体が吸い込まれ、前記チャンバから前記第２チャンバ開口部を介して前記第２通路に流体が排出されるように配置されることを特徴とする請求項７に記載のポンプ。
前記シャフトは、前記ポンプ吸入口に接続された少なくとも一つの通路と、前記ポンプ排出口に接続された少なくとも一つの通路とを備え、前記通路は、前記ピストン組立体の各回転の少なくとも一部の間、前記チャンバが前記ポンプ吸入口および前記ポンプ排出口と接続されるように構成されることを特徴とする請求項７または８に記載のポンプ。
複数の前記ピストン組立体を一緒に接続するロータを備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のポンプ。
前記ロータは、各ピストン組立体の第２端部がシャフトの周りに回転可能であり、かつ、シャフトの周りに半径方向に対向してピストン組立体の組が配置されるように構成されることを特徴とする請求項１０に記載のポンプ。
複数のロータをさらに備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載のポンプ。
少なくとも二つのピストン組立体をさらに備え、各回転の少なくとも一部の間、一方のチャンバから他方のチャンバに流体が汲み上げられるように、第１ピストン組立体のチャンバが第２ピストン組立体のチャンバに接続されることを特徴とする請求項７に記載のポンプ。
真空ポンプであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載のポンプ。
コンプレッサであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載のポンプ。
ポンプから流体を排出できるように構成された一方向弁を排出口に備えることを特徴とする請求項１４または１５に記載のポンプ。
ポンプ内に流体を吸い込めるように構成された一方向弁を吸入口に備えることを特徴とする請求項１４または１５に記載のポンプ。
気体を汲み上げるように構成されることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載のポンプ。
前記ピストン組立体が、前記ピストンと前記チャンバとの間を実質的に流体シールするよう構成されたピストンリングをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載のポンプ。
前記ピストンリングが、二硫化モリブデン含浸ナイロンおよびブロンズ含浸ＰＴＦＥのうち少なくとも一つからなる材料で形成されることを特徴とする請求項１９に記載のポンプ。
前記ホイールが、二硫化モリブデン含浸ナイロンおよびブロンズ含浸ＰＴＦＥのうち少なくとも一つからなる材料で形成されることを特徴とする請求項３ないし２０のいずれかに記載のポンプ。
毎時１ｍ^３から毎時１００ｍ^３の間のポンプ速度で流体を汲み上げるよう構成されることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載のポンプ。
吸入口と排出口の間で１から１００の間の圧縮率で流体を圧縮するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし２２のいずれかに記載のポンプ。
半径が変化する閉ループを形成するガイドと、
チャンバおよびチャンバ内に摺動可能に設けられたピストンを有する少なくとも一つのピストン組立体と、を設けること、
前記ピストン組立体の第１端部が前記ガイドに従い、前記ピストン組立体の第２遠端部が前記ループの半径方向中心軸に近接して取り付けられるように、前記ガイドと前記少なくとも一つのピストン組立体とを構成すること、を含み、
前記ガイドと前記ピストン組立体との間の相対回転運動によって前記ピストンが前記チャンバ内を往復変位して当該ポンプの吸入口から排出口へと流体を汲み上げるように、前記ガイドと前記ピストン組立体のうちの少なくとも一つが回転するように構成されていることを特徴とするポンプの製造方法。
流体をポンプで汲み上げる方法であって、
前記ポンプは、
半径が変化する閉ループを形成するガイドと、
チャンバおよびチャンバ内に摺動可能に設けられたピストンを有する少なくとも一つのピストン組立体と、を備え、
前記ピストン組立体の第１端部が前記ガイドに従うように構成され、前記ピストン組立体の第２遠端部が前記ループの半径方向中心軸に近接して取り付けられており、
前記ガイドと前記ピストン組立体との間の相対回転運動によって前記ピストンが前記チャンバ内を往復変位して前記ポンプの吸入口から排出口へと流体を汲み上げるように、前記ガイドと前記ピストン組立体のうちの少なくとも一つを回転させることを含むことを特徴とする方法。
添付の図面を参照して実質的に明細書に記載されているポンプ。
添付の図面を参照して実質的に明細書に記載されているポンプの製造方法。
添付の図面を参照して実質的に明細書に記載されている流体のポンプ移動方法。