JP2015520824A - 改良されたスクリュー形容積式機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング（２）と、ハウジング（２）内で回転するように取り付けられて互いに反対の方向に駆動される第１のロータ（３’）および第２のロータ（３”）とを備えるスクリュー形容積式機械（１）に関し、この容積式機械（１）は、第１の電動機（４’）および第２の電動機（４”）も備え、これらの第１の電動機および第２の電動機は、駆動装置ケーシング（５）内に配置されるとともに、第１のロータ（３’）が第１の電動機（４’）により駆動され、第２のロータ（３”）が第２の電動機（４”）により駆動されるようにハウジング（２）に結合されている。通例、第１の電動機（４’）および／または第２の電動機（４”）は、非同期式電動機である。

Description

本発明は、改良されたスクリュー形容積式機械に関する。より具体的には、本発明は、ハウジングと、ハウジング内で回転するように取り付けられて互いに反対の方向に駆動される第１のロータおよび第２のロータとを備える容積式機械に関する。

真空技術の分野において、回転式容積式機械は多年にわたって使用され、圧縮性ガスを圧送するための機械として働いている。これらの機械の中で、特に「スクリュー形」と称されるポンプが用いられている。それらは、通例、ハウジングと、このハウジングの中で回転するように取り付けられて互いに反対の方向に駆動される２つのツインロータとを含む。この種のポンプのロータはスクリュー形の部分（すなわち、ロータの縦方向寸法に沿ってそのピッチが一定または可変であり得る１つ以上のスレッドを支えるコアを含む部分）により構成される。
この種のポンプの構造および機能は真空技術の分野の当業者には良く知られているので、これらのポンプについての詳しい説明はここではしない。

在来のスクリューポンプのロータは、普通、非同期式電動機により駆動される。非同期式電動機は、通例、２つの主要部分（すなわち、サポートとして役立つとともにネットワークもしくは可変速駆動装置に接続される巻線を含む強磁性材料のステータと、ベアリングによってステータに固定される同じく強磁性材料のシリンダの形のロータ）から構成される。ロータは短絡された導体から構成される巻線を含む。ロータの導体には、ステータの電流により生成される磁界によって誘導される電流が通される。
スクリューポンプについてと全く同様に、非同期式電動機の構造および動作も真空技術の分野の当業者には良く知られている。従って、これらの電動機についてのより詳しい説明もここではしない。

従来、２つのポンプスクリューのうちの１つは、非同期式電動機のロータに、電動機によって自動的に駆動するように直接結合される。電動機のロータとロータの軸との間に結合部分を付け加えることももちろん可能ではあるが、電動機のロータの回転がポンプのロータのうちの１つに直接伝えられることに注意することが重要である。ポンプの２つのスクリューを結合する歯車装置のおかげで、電動機によって直接駆動される第１のスクリューの回転は他方のスクリューに直接伝えられる。

この従来構造の利点は、ポンプの２つのスクリューが単一の電動機によって駆動され得るという事実にある。さらに、ポンプ内の２つのロータの運動の同期は、２つのスクリューを結合する歯車装置を通して他方のスクリューに伝えられるのが第１のスクリューの回転であるという事実によって自動的に保証される。

しかし、この従来構造は、特に歯車装置の潤滑が必要であることに起因する、大きな欠点をも有する。実際、大きなモーメントを伝える歯車装置に関して、歯車装置のホイールにはおおよそ数ｋＮｍのモーメントがかかるということが知られており、そのために鉱油またはグリースでの良好な潤滑が絶対に必要である。今日、潤滑歯車装置は、より複雑なメンテナンスを意味する。一方、オイルまたはグリースの存在は、特に厳しいレベルの衛生を必要とする用途（例えば、食品または薬剤産業）で、ポンプの性能にマイナスの影響を及ぼしかねない。

これらの問題を克服するために、さらに前述したような単一の非同期式電動機を有する駆動装置の代わりに、２つの同期式電動機を有する駆動装置を用いることによってスクリューポンプを改変することが既に提案されている。

非同期式電動機は、同期式電動機とちょうど同じく、回転部分（すなわち、ロータ）および固定部分（すなわち、ステータ）から構成される。非同期式電動機とは対照的に、同期式電動機のロータは、永久磁石または直流電流を供給されるコイルにより提供される磁界によって回転させられる。概して、低出力電動機のロータは永久磁石を使用し、より高出力の電動機では電磁石が使用される。
改めて、当業者であれば、同期式電動機の構造および動作を完璧に知っているはずなので、より詳しい説明をここでする必要はない。

２つの同期式電動機を有する構成では、ポンプの２つのロータ（またはスクリュー）の各々は２つの電動機のうちの１つによって駆動される。２つのロータの運動の同期は２つの電動機を直接通して達成される。実際、同期式電動機の回転速度は電源投入時の設定では回転する磁界の回転速度に対応するので、対応する制御モジュールを用いて２つのスクリューの回転速度を制御することは容易である。２つの電動機のためのこの複合制御モジュールのおかげで、ポンプの２つのロータの回転速度を同期することができる。

しかし、同期式電動機は一般的に非同期式電動機より高価である。さらに、２つの同期式電動機のために制御モジュールを実現することも、ポンプのコストを著しく高める結果をもたらす。同時にこれらの制御電子装置はポンプのハウジングに統合されなければならず、それはポンプの大きさを相当増大させることになる。

従って、本発明の目的は、前述したような欠点を克服し、既知のタイプの機械より複雑ではなく、大きさがより小さくて、かつより安価でもあるスクリュー形容積式機械を提供しようとすることである。
本発明の他の１つの目的は、圧送される流体を汚染する可能性のあるどんな潤滑剤も絶対的に存在しないスクリュー形容積式機械を提案することである。

本発明の、設定されたこれらの目的は、ハウジングと、ハウジング内で回転するように取り付けられて互いに反対の方向に駆動される第１のロータおよび第２のロータとを備えるスクリュー形容積式機械で達成することができ、この容積式機械は、第１の電動機および第２の電動機も備え、これらの第１の電動機および第２の電動機は、駆動装置ケーシング内に配置されるとともに、第１のロータが第１の電動機により駆動され、第２のロータが第２の電動機により駆動されるようにハウジングに結合されている。

本発明の利点は、特に、提案される容積式機械のロータが個別に駆動されるという事実にある。このような個別駆動のために、２つのロータは、より正確に、かつ特定の用途の具体的な必要性により適合するように、駆動され得る。

本発明の１つの特定の実施形態では、第１の電動機および／または第２の電動機は非同期式電動機である。本発明のこのような実施形態は、特に、非同期式電動機を用いることにより、容積式機械の製造が従来技術において提案されているような同期式電動機を用いる場合よりはるかに安価になるという利点を有する。さらに、非同期式電動機は、通例、同等のレベルの性能を有する同期式電動機よりはるかに維持しやすく、また容易に制御することができる。

本発明の他の１つの実施形態では、第１の電動機の回転部分が第１のロータに結合され、かつ／または第２の電動機の回転部分が第２のロータに結合されている。本発明のこのような実施形態の利点を、特に、容積式機械の簡単な構造で見出すことができる。実際、電動機のロータ（回転部分）を機械のロータに直接結合することができるが、電動機の回転部分とポンプのロータとの間に１つ以上の結合エレメントを挿入することも可能である。

注目すべきことに、互いに噛み合う第１の同期ホイールおよび第２の同期ホイールが、第１のロータおよび第２のロータにそれぞれ結合されて設けられている。これらの同期ホイールのおかげで、２つの電動機のうちの１つが停止した場合でも容積式機械の２つのロータの同期運動が可能である。実際、２つの同期ホイールは２つのロータに結合されていて、それらは常時噛み合って動くので、２つのロータの非同期回転は不可能である。従って、スクリューへのダメージも起こり得ない。

本発明の他の１つの好ましい実施形態において、第１の同期ホイールと第２の同期ホイールとの間の接触面に潤滑剤は加えられない。本発明のこのような実施形態の利点は、特に、完全に潤滑剤なしで容積式機械が達成され得ることである。この事実のおかげで、そのような機械を高度の衛生基準が尊重されなければならないデリケートな用途にも使用することができる。さらに、これらの機械は、潤滑剤のために排出やその他の処置をする必要がないので、メンテナンスも簡単である。

本発明の他の１つの実施形態は、第１の同期ホイールおよび／または第２の同期ホイールの歯の表面が低摩擦係数を有する材料の層で覆われることを見越す。このような実施形態は、特に、２つのホイールの接触面での摩擦が軽減されるという事実の故に、ホイール間での大きなモーメントの伝達を支援できる同期ホイールをもたらすので、有利である。覆いとして使用されるのに適する材料は、種々のタイプの金属および／または合金（例えば、鉄、銅、錫、鉛などの合金）ならびにセラミックまたは種々の合成物質（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）など）である。

注目すべきことに、このような機械は、第１の電動機および第２の電動機のスタートアップを同期させるスタータも備える。本発明のこのような実施形態の利点は、特に、電動機が調和して動作することにある。このような調和したスタートアップのおかげで、２つの電動機の動作パラメータ（例えば、回転速度、さらに他のパラメータも）を最大限に同期することができる。

本発明の特別の特徴および利点は、添付図面と関連して実例として非限定的な仕方で説明される実施例を伴う以下の説明の文脈の中でより詳しく明らかになる。添付図面は以下のものを概略的に表す。

本発明の一実施形態に従う容積式機械の実施例の部分断面図を示す。 本発明の一実施形態に従う容積式機械のロータの一端の透視図を示し、その２つのロータの１つは断面が示されている。 本発明の一実施形態に従う容積式機械の外側ボディの一部を示す。

前述したように、図１は、本発明に従う容積式機械の実施例の概略断面図である。この図１では、最も重要なエレメントだけが示されている。けれども、当業者であれば、本発明に従う容積式機械は、機械を動かすことができるように必然的に他のエレメントも有するということを理解できるはずである。

図１の容積式機械１は、本質的に、２つのロータ３’および３”を囲むハウジング２を含む。機械１のハウジング２は、単一のピースとして作ることもできるし、あるいは図１に示されているように異なる複数のピースから作ることもできる。通例、ハウジング２は一方の側に向けて開いており、閉じたチャンバを作るためにハウジング２を閉じるべくカバー２１が使用される。

ロータ３’、３”は、特定の輪郭を有する２つのスクリュー（図示せず）が据え付けられている軸３１’、３１”を各々含む。一般的に、ロータ３’、３”の２つのスクリューは、機械１の中央軸Ａに関して対称である。機械１の動作中、ロータ３’、３”は互いに反対の方向に駆動され回転する。容積式機械１におけるロータ３’、３”の駆動原理を以下でさらに説明する。

機械１のハウジング２と一体を成す駆動装置ケーシング５は２つの電動機４’および４”を含む。もちろん、電動機４’、４”の各々に１つずつ、２つの異なる駆動装置ケーシングを備えたり、あるいは完全に異なるやり方でしたりすることも考えられる。
電動機４’、４”は非同期式電動機である。これらの２つの非同期式電動機４‘４“は、ロータ４１’、４１”およびステータ４２’、４２”から構成される。ステータ４２’、４２”は駆動装置ケーシング５に関して不動である（かつ通例一体を成す）が、ロータ４１’、４１”は、ロータ４１’、４１”の巻線に電流を誘導するステータ４２’、４２”の電流により生成される磁界により回転させられる（このようにして電動機４’、４”の回転部分を表す）。非同期式電動機のこれらの公知のエレメントは、現実の電動機におけるエレメントの配置および動作方法を当業者であれば完璧に把握できるので、図１には示していない。

ロータ３’、３”の軸３１’、３１”は、電動機４’、４”に向けて先細ゾーン３２’、３２”で細くなっている。ロータ３’、３”のこれらのゾーン３２’、３２”は電動機４’、４”のロータ（回転部分）４１’、４１”に結合されているので、直接ロータと共に回転することができる。もちろん、ロータ３’、３”と電動機４’、４”との間に位置する中間伝導ピースを伴うようなやり方を有することも可能である。このようにして２つのロータ３’、３”の各々は異なる非同期式電動機によって駆動される。
ロータ３’、３”は、通例、ハウジング２によって駆動装置ケーシングと閉じたチャンバとの間に収容されるベアリング７’、７”により回転可能に支持される。もちろん、他のベアリング配置形を含むやり方も可能である。

機械１の正しい機能を保証するために機械１のロータ３’の回転とロータ３”の回転とを同期させなければならないことを考慮して、ロータ３’および３”とそれぞれ一体を成して同期ホイール６’、６”が設けられる。普通であれば、同期ホイール６’、６”の歯が２つのロータ３’、３”の間でモーメントを伝えるとは想定されない。それにもかかわらず、コンポーネントの摩擦およびロータのチャージの変動とは対照的に、相殺されるべき小さなモーメントが現れるかもしれない。これは、特に、機械１の左側部分（ロータ３’および電動機４’を有する）および右側部分（ロータ３”および電動機４”を有する）の対称性（方向が逆であるにもかかわらず）の故に起こり得る。

実際、電動機４’、４”のスタートアップ中、それらのロータ４１’、４１”は回転させられて機械１のロータ３’、３”を駆動する。電動機４’、４”はともに完全に独立の非同期式電動機であるので、直感的にはロータ３’の回転はロータ３”の回転とは完全に無関係である。この意味において、機械１の２つの側の対称性のために、さらにチャージの同様に等しい分布のために、外部からの影響がなくても、２つのロータ３’、３”のほとんど同期した回転が得られる。もちろん、同期に影響を及ぼし得るパラメータをなるべく均一にするために全動作パラメータ（例えば、公称速度など）が同一（好ましくは同じメーカー製）の同じタイプの電動機４’、４”を使用するのが好ましい。電動機４’、４”間の同期をさらに高めるために電動機４’、４”の同時スタートアップを実行できるように、さらにスタータ（図示せず）を設けることができる。もちろん、他のやり方も同じく可能である。

代わりに、この場合には、同期ホイール６’、６”は、２つの電動機のうちの１つが故障した場合でも運動の同期を保証するのに役立つ。壊れた電動機のスタートアップの前に２つのロータ３’、３”の回転が同一のままであることを保証するために、ホイール６’、６”は「在来の」歯車装置の役割を果たして一方のロータから他方へモーメントを伝える。この構造のおかげで、機械１は、徐々に停止するのに要する時間の間、設備全体に対するリスクなしで動作し続けることができる。

本発明の目的は、各ロータのために非同期式電動機を備えているポンプを運転可能にすることである。これらの電動機は、そのとき、乾式同期あるいはオイルで滑らかにされない同期を有する歯車列で電子的に同期させられないで回転する。
本発明のこの目的は、前述したような容積式機械の構造の助けで達成される。

しかし、同期ホイール６’、６”の歯同士の摩擦を減少させ、結果的に、これらの歯がとにかく接触するときの状況における磨滅と発熱とを減少させるために、些細な技術上の選択肢を伴う幾つかのステップを構想することができる。これらの種々のステップおよび技術上の選択肢は、本発明の一定数の好ましい実施形態をもたらす。

特に、その中でもとりわけ伝達装置の滑り速度および機械効率が最も重要である或るパラメータを最適化することによって計算を通して同期ホイール６’、６”の歯を画定することが可能である。同様に、ホイール６’、６”の望ましい性能を高めるために種々の適切な材料（すなわち、いろいろなタイプの鋼（例えば、浸炭鋼、窒化鋼、窒化炭素鋼、工具鋼など）、ならびに種々の合成材料もしくはプラスチック材料）を使用することができる。

同様に、歯の表面だけでなくて中央における深部の硬度を高めるためにホイール６’、６”の材料に適切な熱処理を加えることができる。さらに、注目すべきことに、摩擦係数を改善するために、歯の良好な精度を狙った適切な機械加工および仕上げだけでなくて、なるべく滑らかな表面状態を得ることを可能にするミクロ仕上げも考えられる。薄いコーティング層を付けるために表面を所要の状態にするためにも適切な機械加工および仕上げを用いることができることは言うまでもない。

摩擦係数を改善するとともに磨滅を減らすために、硬度が高められている既に処理済みの鋼に悪影響を及ぼさず、かつなお高い硬度をもたらすＰＶＤおよびＣＶＤタイプのコーティングを含む１つ以上の連続するコーティングを付けることもできる。
同様に、本発明に従う容積式機械の性能を改善するために、適切な配分およびサイクルでグリースによる最小の潤滑剤の使用も考えられる。

歯車装置の一方または他方に合成材料あるいはプラスチック材料を用いる場合、その選択は、伝達装置の滑り速度および機械効率を考慮に入れて機械抵抗を最適化する計算を必要とする。この場合、再び摩擦を軽減する目的で、いろいろな実施形態（仕上げ、コーティングなど）で一方の歯車装置をプラスチック材料とし、他方の歯車装置を鋼製とすることができ、このことから合成材料あるいはプラスチック材料について重要な要素である熱の減少がもたらされる。

取られるべきこれらの種々の処置に関するいくつかの補助的データが図２および３で見られる。
既に説明したように、図２は容積式機械のロータの一端を示し、２つのロータのうちの一方は断面で表されている。この図２で、鋼のハブ６１に固定されて金属のカバー６４により保持されるプラスチック製の歯６３が示されている。この構造はネジ６２によってロックされる。プラスチックの歯６３から熱を除去するために、特にこれらのネジの数は機械的固定に実際に必要な数より多くてもよい。実際、これらのネジ６２は、熱単位を集め、それをハブ６１およびカバー６４の外面へ伝えるヒートシンクとして役立つように、プラスチックの歯６３を貫通して歯と接触している。図２にも同様に示されているように、カバー６４の外面および／またはハブ６１の面は、回転を通して空気との熱交換を容易にするように働く溝６４１を有することができる。

さらに、図３に示されているように、本発明に従う容積式機械の内部での空気の循環を可能とし、それによって熱の除去を改善するために、機械のボディに適切な形状および位置に１つ以上の開口部２２を設けることができる。

もちろん、本発明は、その実施に関して多数の変形を受ける。多様な実施形態を記載してきたが、全ての可能な実施形態を網羅的に特定することは考えられないことが分かるはずである。もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく記載された１つの手段を他の同等の手段に替えることも考えられる。これらの改変は全て真空の技術分野の当業者のありふれた知識の一部を形成するものである。

Claims (11)

1. スクリュー形容積式機械（１）であって、
   ハウジング（２）と、
   前記ハウジング（２）内で回転するように取り付けられて互いに反対の方向に駆動される第１のロータ（３’）および第２のロータ（３”）と、
   第１の電動機（４’）および第２の電動機（４”）と、を備え、
   前記第１の電動機（４’）および前記第２の電動機（４”）は、駆動装置ケーシング（５）内に配置されるとともに、前記第１のロータ（３’）が前記第１の電動機（４’）により駆動され、前記第２のロータ（３”）が前記第２の電動機（４”）により駆動されるように前記ハウジング（２）に結合される容積式機械。
2. 請求項１記載の容積式機械において、
   前記第１の電動機（４’）および／または前記第２の電動機（４”）は、非同期式電動機である容積式機械。
3. 請求項１または２記載の容積式機械において、
   前記第１の電動機（４’）の回転部分（４１’）が前記第１のロータ（３’）に結合され、かつ／または前記第２の電動機（４”）の回転部分（４１”）が前記第２のロータ（３”）に結合される容積式機械。
4. 請求項１〜３のいずれか記載の容積式機械において、
   互いに噛み合う第１の同期ホイール（６’）および第２の同期ホイール（６”）が設けられ、前記第１のロータ（３’）および前記第２のロータ（３”）にそれぞれ結合される容積式機械。
5. 請求項４記載の容積式機械において、
   前記第１の同期ホイール（６’）および前記第２の同期ホイール（６”）の間の接触面に潤滑剤は加えられない容積式機械。
6. 請求項４または５記載の容積式機械において、
   前記第１の同期ホイール（６’）および／または前記第２の同期ホイール（６”）の歯の表面は、低摩擦係数を有する材料の層で覆われる容積式機械。
7. 請求項１〜６のいずれか記載の容積式機械において、
   前記容積式機械は、前記第１の電動機（４’）および前記第２の電動機（４”）のスタートアップを同期させるスタータをさらに備える容積式機械。
8. 請求項１〜７のいずれか記載の容積式機械において、
   前記第１の同期ホイール（６’）および／または前記第２の同期ホイール（６”）は、複合構造を有する容積式機械。
9. 請求項８記載の容積式機械において、
   前記第１の同期ホイール（６’）および／または前記第２の同期ホイール（６”）の複合構造は、第１の材料（特に、プラスチック材料）の歯（６３）および第２の材料（特に、鋼）のハブ（６１）にある容積式機械。
10. 請求項８または９記載の容積式機械において、
    前記第１の同期ホイール（６’）および／または前記第２の同期ホイール（６”）の複合構造は、歯（６３）から熱を抽出することを可能にする少なくとも１つのネジ（６２）を含む容積式機械。
11. 請求項８〜１０のいずれか記載の容積式機械において、
    前記第１の同期ホイール（６’）および／または前記第２の同期ホイール（６”）の複合構造は、空気との熱交換を可能にする少なくとも１つの溝（６４１）を含む容積式機械。

Images