JP2018505343A - キャビテーション抑制構造を有する液封式ポンプ・ポート部材 - Google Patents

Abstract

ポンプは、液体を含むハウジングと、シャフトから径方向に延伸し、円錐形空間を画定する複数のブレードを含むロータと、を含む。ポート部材は、円錐形空間内に配置される。ポート部材は、低圧領域と連通する入口と、高圧領域と連通する排出ポートと、低圧領域と高圧領域の間の圧力を有する流体供給源と連通するキャビテーション抑制ポートを画定する。隣接するブレードの各対は、液体およびポート部材と協働して、容量可変のバケットを囲み、ロータの回転は、バケットを、流体を引き込むための、入口ポートに隣接する入口位置と、流体をバケットに流入させるための、バケットがキャビテーション抑制ポートに隣接するキャビテーション抑制位置と、流体を排出するための、バケットが排出ポートに隣接して配置される排出位置に選択的に配置する。【選択図】図１Ａ〜図１Ｃ

Description

本出願は２０１５年２月１２日に出願された米国仮出願番号第６２／１１５,４０８号に基づく優先権を主張し、その内容は参照することによって本願明細書に完全に組み込まれる。

本開示は、液封式ポンプのキャビテーション抑制構造に関する。

複数の液封式ポンプおよびそれらの動作は周知である。一般に、液封式ポンプは、動作の間、ポンピングチャンバを画定する液体リングを利用する。ポンピングチャンバは、１または複数のローブからなってもよい。シャフトは、ロータを回転させる。液体リングは偏心である。ポンプの動作の間、液体リングの径方向内側面は、吸入ゾーンにおいてシャフトから径方向に間隔を置いて配置され、それにより、ロータの隣接するブレードによって形成された複数のバケットを、入口ポートからポンプのポンピングチャンバに入ったガスによって充填することができる。入口ポートは、ポンプヘッド入口の下流にある。複数のバケットが入口ポートを過ぎてスイープするにつれて、複数のバケットはガスで充填される。入口ポート・チャネルは、入口ポートから延伸して、ポンプヘッド入口と入口ポートの間の流体接続を提供する。

ポンプの圧縮ゾーンの液体リングの径方向内側面は、シャフトに対して配向され、複数のバケットのガスを圧縮して、ガスを排出ポートに強制的に通過させて、ポンプの排出ポートに導く。排出ポート・チャネルは、排出ポートから延伸して、排出ポートとポンプヘッド排出ポートの間の流体接続を提供する。

リングは、その偏心配向によって、バケット内のガスを圧縮する。ここで、配向とは、液体リングの径方向内側面が、吸入ゾーンに沿った方向と比べて、圧縮ゾーンに沿った径方向のシャフトの軸に対して非常に近い入口を有することを意味する。

ポンプの動作の間、封液は、複数のバケットに導入される。封液は、外側側壁で形成される封液導入ポートを介してポンプのバケットに入る。封液導入チャネルは、封液導入ポートまで延伸して、封液導入ポートにポンプヘッド封液体入口との間の流体接続を提供する。封液は、封液導入ポートから、複数のバケットに入る。封液は隙間を充填し、液体リングを形成している液体を補充する等のポンプの適切な動作を可能にする。

米国特許第４４９８８４４号明細書

バケット内の封液は、複数のブレードのキャビテーションを起こすことがあり、特に、バケットを形成するトレイリング・ブレードの先頭側の基部にキャビテーションを起こすことがある。キャビテーションによって生じる損傷を減らすために、当技術は、耐キャビテーション材料を使用した。当技術はまた、ポート部材内の封液の導入ポートに近接する複数のダイバータを使用してキャビテーションを減らしている。Ｂｉｓｓｅｌｌによる米国特許第４，４９８，８４４号は、円錐形又は円筒状のポート部材を有する液封式ポンプの動作方法について、総合的な説明および一部のその基本構成を提供するものであり、参照により本明細書にその全体を包含する。

本発明の一例は、液封式ポンプによって実施される。ポンプは、ポンプヘッドを有する。ポンプヘッドは、ポンプヘッドの外部の部分を貫通して開口するポンプヘッド・ガス入口を有し、ポンプヘッドの一部にガスの吸入チャネルを有する。ガスの吸入チャネルは、ポンプヘッド・ガス入口に開口する。ポンプは、チャンバを形成するポンピングチャンバ・ハウジングを更に備える。ロータは、チャンバ内にある。ロータは、複数のバケットを形成する複数のブレードを備える。ポート部材は、前記複数のブレードで形成した空洞内に設けられる。ポート部材は、第２の側壁の周囲に配置される第１の側面を有する。ガス入口ポートおよびガス出口ポートは、ポート部材の第１の側面に形成される。ガス入口ポートおよびガス出口ポートは、空洞内に設けられる。キャビテーション抑制通路は、第１の側面の外向面を貫通するガス開口を有する。開口は、空洞内にある。キャビテーション抑制通路は、前記ポート部材の表面を貫通して開口するガス入口を有する。入口は複数のバケットの外部にあり、入口は複数のバケットのいずれかからのガス排出から分離される。入口は、ポンプヘッド・ガス吸入チャネルから分離される。キャビテーション抑制通路開口は、ガス入口ポートから分離される。

ポート部材は、第１の側面を貫通して開口する封液導入ポートを更に有することができる。ポート部材内の封液導入チャネルは、封液導入ポートに開口する。封液導入チャネルは、それぞれ第１の軸に沿って第１の側面外面から離れてポート部材の中心軸に向かう方向に延伸する複数の壁を備える。複数の壁はまた、それぞれ第２の軸に沿ってポート部材の第１の開放端から離れてポート部材の第２の開放端に向かう方向に延伸する。各壁は、その第２の軸に沿って、第１の側面を貫通して開口する封液導入ポートの領域を通過する平面に対して角度を有する。平面は、中心軸に沿って延伸して、中心軸に平行である。角度は、好ましくは１０度±２度である。第１の側面を貫通して開口する封液導入ポートの領域は、面取りされた表面を備えるリムを備えることができる。封液ダイバータは導入ポートに近接してもよい。

したがって、更に要約すると、液封式ポンプのロータの空洞内のポート部材は、キャビテーション抑制通路を有する。通路は、ポート部材の第１の側面の外向面を貫通するガス開口を有する。開口は、空洞内に配置される。キャビテーション抑制通路のガス入口は、ポート部材の表面を貫通して開口する。入口は、ロータの複数のブレードによって形成されるバケットの外部にあって、複数のバケットのいずれかからのガス排出から分離される。入口は、液封式ポンプのポンプヘッド・ガス吸入チャネルから分離される。キャビテーション抑制通路開口は、前記ガス入口ポートから分離される。封液導入ポートは、第１の側面を貫通して開口する。封液導入チャネルは、封液導入ポートに開口し、第１の側面を貫通して開口する封液導入ポートの領域を貫通して通過する平面に対して角度を有する壁を有する。平面は、中心軸に沿って延伸し、中心軸に平行である。

以下の詳細な説明、上記の概要および添付の図面は本発明が実施することができる特定の実施例を例示する。実施例は、当業者が本発明を実施可能なように本発明の態様を充分詳細に記載することを目的とする。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、他の実施例を利用することができ、変更をなすことができる。本発明は、添付の請求の範囲によって定義される。従って、本説明は限定的に解釈されるものではなく、均等物の範囲を本発明に制限するものではない。

一態様において、液封式ポンプは、入口開口と、出口開口と、キャビテーション抑制開口とを有するポンプヘッドと、ポンプヘッドに結合し、ポンプ・ハウジングおよびポンプヘッドによって実質的に囲まれるチャンバを画定するポンプ・ハウジングと、チャンバ内に少なくとも部分的に配置されたロータとを備える。ポート部材は、チャンバ内に配置され、ロータに隣接して配置される。ポート部材は、互いに分離された、入口ポートと、排出ポートと、キャビテーション抑制ポートとを、画定する壁を含む。複数のブレードは、ロータの回転軸の周囲に配置され、各対の隣接するブレードは隣接するブレードの間でバケットを部分的に画定する。各バケットは、バケットが排出ポートと入口ポートの間に配置された第１の位置から、入口ポートと流体連通する第２の位置まで回転してバケットに流体を引き込み、バケットがキャビテーション抑制ポートと流体連通する第３の位置まで回転して流体を収容し、バケットがキャビテーション抑制ポートおよび排出ポートと流体連通する第４の位置まで回転し、さらに、排出ポートと流体連通する第５の位置まで回転し、バケット内に流体を排出する。

別の態様においては、液封式ポンプは、実質的に囲まれ、所定の量の液体を含むチャンバを画定するポンプ・ハウジングと、チャンバ内に少なくとも部分的に配置され、回転軸を中心に回転するように支持されたシャフトと、シャフトから径方向に延伸し、円錐形内部空間を画定する複数のブレードとを含むロータを含む。ポート部材は、少なくとも部分的に円錐形内部空間内に配置される。ポート部材は、低圧領域と流体連通する入口ポートと、高圧領域と流体連通する排出ポートと、低圧領域と高圧領域の間の圧力を有する流体供給源と流体連通するキャビテーション抑制ポートとを画定する。複数のブレードは、各対の隣接するブレードが液体およびポート部材と協働して、容量可変のバケットを実質的に包囲して画定するように配置され、ロータの回転は、複数のバケットの第１のバケットを、バケットに低圧流体を引き込むための、入口ポートに隣接する入口位置と、流体を第１のバケットに流入させるための、バケットがキャビテーション抑制ポートに隣接するキャビテーション抑制位置と、バケットから高圧領域まで流体を排出するための、第１のバケットが排出ポートに隣接して配置される排出位置に、選択的に配置する。

さらに他の態様において、液封式ポンプのキャビテーションを抑制する方法は、ロータの隣接する複数のブレードの間に複数のバケットを画定することと、複数のブレードの周りに液体リングを形成して、液体リングと複数のブレードを協働させて各バケットを包囲し、複数のバケットが回転軸を中心に回転するにつれて各バケット内部の容積がロータを中心として液体リングが移動する結果として変化するように構成することと、バケットが実質的に密閉され、バケットの容積が最小容積となる閉鎖位置まで、複数のバケットの第１のバケットを回転させることを含む。方法は、バケットが入口ポートと流体連通する吸入位置に、複数のバケットの第１のバケットを回転させることと、バケットの更なる回転の間、第１のバケットと入口ポートの間の流体連通を維持し、その間に液体リングを第１のバケットに対して回転軸から径方向に移動させ、第１のバケットの容積を拡大し、入口ポートを介して所定の容積まで流体を引き込むことと、キャビテーション抑制ポートが第１のバケットと流体連通するキャビテーション抑制位置まで、複数のバケットの第１のバケットを回転させることをさらに含む。方法は、キャビテーション抑制ポートを介して第１のバケットに流体を流入させて、第１のバケット内の圧力を増加させることと、第１のバケットが排出ポートと流体連通し、キャビテーション抑制ポートと流体連通しない完全排出位置までバケットを回転させることと、第１のバケットの容積を減らし、排出ポートを介して所定の容積から流体を排出するために、液体リングを第１のバケットに対して回転軸に向かって径方向に移動させる、第１のバケットの更なる回転の間、第１のバケットと排出ポートの間の流体連通を維持することを、更に含む。

他の本発明の態様は、詳細な説明および添付の図面を考慮することによって明瞭になる。

図１Ａは、本発明の実施形態における液封式ポンプの概略不規則側面図であり、ロータの空洞内のポート部材を示し、ロータはハウジング内にあり、ハウジングはポンプヘッドに結合していることを示す。 図１Ｂは、本発明の実施形態における液封式ポンプの概略側面図であり、液封式ポンプのポンプヘッドと、ロータと、ハウジングに対するガス入口ポートの位置を示す。 図１Ｃは、本発明の実施形態における液封式ポンプの概略側面図であり、液封式ポンプのポンプヘッドと、ロータと、ハウジングに対するガス排出ポートの位置を示す。 図２は、本発明の実施形態における液封式ポンプのポート部材およびロータの概略正面図である。 図３は、図２に示されるポート部材の中心軸に沿った断面図である。 図４は、特定の角度を例示する、図２に示されるポート部材の概略正面図である。 図５は、ポート部材の第２の側壁の内径を例示する、図４に示されるポート部材の側面図である。 図６は、本発明の実施形態における液封式ポンプのポンプヘッドと結合する図４のポート部材の概略背面図である。 図７は、図４のポート部材の等角背面図である。 図８は、図４のポート部材の等角側面図である。 図９は、図８の側面図と異なる図４のポート部材の等角側面図である。

本発明のいかなる実施例も詳細に説明される前に、以下の説明に記載または以下の図面に図示される構造の詳細および部品の配置に、本発明の適用が制限されないことを理解すべきである。本発明は、他の実施例とすることが可能であり、様々な方法で実施または実行することができる。また、本願明細書において用いられる語法および用語は説明の目的である、制限的に解釈されてはならないことを理解すべきである。本願明細書における、「含む」、「備える」、「有する」の使用およびその変形は、リストされた要素およびその均等物並びに追加要素を含むものと解されるべきである。特定または制限されない限り、「取り付けられ」、「接続され」、「支持され」、「結合され」の用語およびその変形は広い意味で使用され、直接的および間接的な取り付け、接続、支持および結合の両者を含む。更に、「接続され」、「結合され」は、物理的または機械的な接続または結合に制限されない。

図１ａに図示するように、液封式ポンプ１０は、ポンピングチャンバ・ハウジング１６によって形成されるチャンバ１４を含む。ガス２０をポンプ輸送する、ポンピングチャンバ内のロータ１８は、ロータの中心領域の周りに配置される複数のブレード１８ａを備える。特に、それらは、ロータの中心軸１８ｂの周りに配置される。複数のブレード１８ａは、互いに等間隔に離間するように配置される。隣接したブレードの各対の間には、空間があり、これはバケット１８ｃと称してもよい。複数のバケット１８ｃは、ロータ中心軸１８ｂの周りに配置される。液封式ポンプがその作動速度で動作するときに、各バケット１８ｃは、液体リング２２の液体によって密閉された個別の密閉バケット１８ｃを形成する。密閉バケット１８ｃは、チャンバ内の回転液体リング２２の内面２２ａと相関してバケット１８ｃの角度配向に依存して、拡大・縮小する空隙部（容積）を有する。液体リングの内面２２ａは、液体リング２２の径方向内側境界を画定して、各密閉バケット１８ｃの径方向外側境界を形成する。各密閉バケット１８ｃの径方向内側境界は、ポート部材２６の第２の側壁２４の外向面２４ａによって形成される。各密閉バケットは、圧縮性流体チャンバと称してもよい。

各ロータブレード１８ａは、ロータの中心軸に対して径方向に延伸する第１の自由端１８ｄを有する。各ロータブレードは、ロータ中心軸１８ｂに対して軸方向に延伸する第２の自由端１８ｅを有する。第２の自由端１８ｅは、それぞれ、ロータ中心軸１８ｂに対して傾斜している、または、平行である。本実施例において、それらは傾斜している。各ブレードの第１および第２の自由端は、互いに交差する。第２の自由端は、空洞１９を形成する。ロータは、シャフト２８に固定して接続される。シャフトは、空洞１９を貫通し、ロータ１８のハブ１８ｈによって形成されるシャフト収容開口１８ｇを貫通して延伸する。

ポート部材２６は、空洞１９内にある。ポート部材２６は、空洞１９内に第１の側壁３０を有する。第１の側壁３０は、第１の方向に延びている。第１の方向は、ポート部材の第１の開放端２６ａからポート部材２６ｂの第２の開放端に向かう方向である。第１の側壁３０は、第１の方向に延伸して、第１の開放端２６ａと第２の開放端２６ｂの間にある。第１の側壁３０は、外側側壁で、ポート壁と称してもよい。第１の側面は、第２の側壁２４の周囲に配置される。第２の側壁２４は、内側側壁である。内側側壁２４は、シャフト収容中空部２４ｂを形成する。シャフト２８は、中空部２４ｂ内に延伸する。

ポート部材２６は、第１の側壁３０に形成された、ガス入口ポート３２と、ガス排出ポート３６とを有する。ガス入口ポート３２は、第１の側壁３０を貫通して開口する。ガス排出ポート３６は、第１の側壁３０を貫通して開口する。入口ポート３２および排出ポート３６は、開始端３３、３７をそれぞれ有する。開始端３３、３７は、それぞれ、それぞれの閉鎖端３４、３８から、周方向に離間して配置される。ガス排出ポートの開始端３７は、ガス排出ポートの閉鎖端３８から離間して配置される。ガス入口ポートの開始端３３は、ガス入口ポートの閉鎖端３４から離間して配置される。ガス入口ポートおよびガス排出ポートの開始端３３、３７はそれぞれ開始端部からなり、ガス入口ポートおよびガス排出ポートの閉鎖端３４、３８はそれぞれ閉鎖端部からなる。第１の側壁３０の一部の内面３０ａは、ガス入口ポート・チャネル３５を第２の方向に画定する（図７に示される）。第２の方向は、ポート部材の中心軸から径方向で外側に向かう方向である。ガス入口ポート・チャネル３５は、ポート部材の第１の開放端２６ａから延伸して、それを貫通して、ガス入口ポート３２まで開口する。ガス入口ポート３２は、ガス入口ポート・チャネル３５に開口する。ガス入口ポート・チャネル３５は、ポンプヘッド４４のガス吸入チャネル４２とガス入口ポート３２とのガス流接続を提供する。ガス入口ポート・チャネル３５は、ポンプヘッドのガスの吸入チャネル４２に開口する。ポンプヘッドのガス吸入チャネル４２は、ポンプヘッド入口４３に開口する。ポンプヘッド入口４３は、ポンプヘッド４４に開口する。

第１の側壁３０の一部の内面３０ａは、第２の方向でガス排出チャネル３９を画定する。ガス排出チャネル３９は、ガス排出ポートからポート部材２６の第１の端部２６ａまで、それを貫通して延伸する。ガス排出ポート３６は、ガス排出チャネル３９に開口する。ガス排出チャネル３９は、ポンプヘッドのガス排出通路４５にガス流接続を提供する。ポンプヘッドのガス排出通路４５は、ポート部材のガス排出チャネル３９に開口する。ポンプヘッドのガス排出通路４５は、ポンプヘッドのガス出口４６に開口する。ガス出口４６は、ポンプヘッドの外側に開口する。

ポート部材２６は、第１の側壁３０の外面３０ｂを貫通して開口するガス開口５１を備えるキャビテーション抑制通路５０（図６および図７に示される）を有する。キャビテーション抑制通路のガス開口５１は、キャビテーション抑制通路の出口である。キャビテーション抑制通路のガス開口５１は、キャビテーション抑制通路５０のガス入口５２とのガス流接続している。ガス入口５２は、ポート部材２６内にある。ガス入口５２は、チャンバ１４のいかなるバケット１８ｃとも、ガス流接続を受けることもガス排出接続を受けることもない。ガス入口５２は、バケット１８ｃの外部にある。ガス入口５２は、ガス供給チャネル５６とガス流接続している。ガス入口５２は、ガス供給チャネル５６に開口する。ガス供給チャネル５６は、前記ポンピングチャンバの外部にある。ガス供給チャネル５６は、ポンプヘッド４４を貫通して延伸してもよい。ガス供給チャネル５６は、ポンプヘッド・ガス入口４３またはポンプヘッド吸入チャネル４２に開口しない。ガス供給チャネル５６は、ポンプヘッドのガス吸入チャネル４２およびポンプヘッド入口４３とは、流体分離を含めて、分離される。ガス供給チャネル５６は、外部の供給源から、ポンピングチャンバおよびポンプヘッドまでガスを受けとる。ガス供給チャネル５６およびキャビテーション抑制通路５０は、連続する。キャビテーション抑制通路５０は、ガス入口ポート・チャネル３５またはガス入口ポート３２に開口しない。キャビテーション抑制通路は、要素３５、３２から、流体分離を含めて、分離される。ガス供給チャネル５６のためのガス供給源は、チャンバ１４およびポンプヘッド４４の周囲の環境の雰囲気であってもよい。キャビテーション抑制通路に関する詳細は、以下でより詳細に説明される。

ポート部材２６はまた、第１の側壁３０を貫通して開口する封液導入ポート６０を有する。封液導入ポート６０は、ガス入口ポート３２の閉鎖端３４とガス排出ポート３６の開始端３７の間で、ロータの回転の周方向に配向される。封液導入ポート６０は、ポート部材２６の封液導入チャネル６１に開口する。封液導入チャネル６１は、封液供給チャネル６２に流接続を提供する。封液導入チャネル６１は、封液供給チャネル６２に開口する。封液供給チャネル６２は、ポンプ、特にポンプヘッドを貫通して延伸してもよい。ポート部材の封液導入チャネル６１は、第１の側面外面３０ｂからポート部材の中心軸４０に向かう方向に延伸する複数の壁６３を備える。複数の壁は、第２の側壁２４および第１の側壁３０に接続される。封液導入チャネル６１は、第２の側壁２４を貫通して開口し、シャフト２８に開口する。封液導入チャネル６１は、ポート部材の第１の開放端２６ａから、それを貫通して、封液導入ポート６０まで延伸する。封液２１は、バケット１８ｃが回転の周方向で封液導入ポートをスイープするにしたがって、封液導入ポート６０からバケット１８ｃに入る。封液は、隙間を満たし、ポンプの適切な動作を可能にする。

動作中、密閉バケット１８ｃは位置Ｋ（図２に示す）まで回転し、位置Ｋはキャビテーション抑制出口５１とガス流受領接続している。位置Ｋにおいて、密閉バケットは、キャビテーション抑制出口５１に開口する。出口５１は、密閉バケット１８ｃに開口する。位置Ｋにあるとき、バケットはガス排出ポート３６とガス流排出接続している。バケット１８ｃは、ガス排出ポート３６に開口する。位置Ｋにおいて、バケットは、前記ガス入口ポート３２またはガス入口ポート・チャネル３５とのガス流受領接続していない。バケットは、ガス入口ポート３２またはガス入口チャネル３５に開口していない。バケットは、ガス入口ポート３２で完全にスイープした。位置Ｋにおいて、バケットは、封液導入ポート６０に開口しない。少なくとも一部のバケットは、周方向にガス入口ポートの閉鎖端３４とガス排出ポートの開始端３７の間にある。バケットが位置Ｋにあるときに、ガスの外部供給源は、最初にガス入口ポート３２の中を流れることなく、入口５２を通過して、キャビテーション抑制通路５０に入る。キャビテーション抑制通路内のガスは、最初にガス入口ポート３２を通過することなく、前記キャビテーション抑制通路５１を通過して、密閉バケット１８ｃに入る。バケットへの流れは、バケット内のガスの容積および圧力を増加させる。このように、位置Ｋのバケットは、キャビテーション抑制通路５０から受け取ったガスにより、ガスの容積が増加し、ガスの圧力が増加する。通路から受け取るガスは、外部のガス供給源からのものである。ガスは、最初にガス入口ポート３２を通過することなく受け取られる。

第１の側壁を貫通して開口する封液導入ポート６０の領域は、リム６５によって画定される。リムは、面取り面を備える。面取り面は、第１の側壁と継ぎ目がなく第１の側壁３０の一部である。面は、連続する外周であってもよい。面は、外周の長さの少なくとも半分を画定する。封液導入チャネル６１は、シャフト２８に開口する。封液導入チャネルの複数の壁６３は、第１の側壁を貫通して開口する密閉入口ポートの領域、特に第１の側面の外面３０ｂを貫通して開口する領域を貫通する平面６７に対して、傾斜する。貫通する平面は、ポート部材の中心軸４０に沿って延伸して、それに対して平行である。複数の壁はそれぞれ、第１の端部２６ａに対して遠位の壁の第１の端部から第１の端部２６ａに対して近位の壁の第２の端部に向かう方向に傾斜している。したがって、壁の第１の端部から壁の第２の端部まで延伸する最も短い直線は、平面６７に対して傾斜している。複数の壁はそれぞれ、線に沿って、平面に対して１０±２度で傾斜している。線に沿って延伸する軸に沿った複数の壁は、平面に対して同一の角度で傾斜している。複数の壁は、平面に対して先の位置から周方向に１０±２度回転したとみなすことができる。先の位置において、第１の端部から第２の端部に向かう方向で、複数の壁は、平面に対して平行に延伸する。傾斜した複数の壁６３は、平面６７に対して所定の角度で封液導入ポートを介して封液を導くので、傾斜した複数の壁６３はバケットの圧力降下を低減する。傾斜した流れは封液の速度を低減させ、それにより、バケット内の圧力を増加させる。面取りされたリム６５も同じ原理で動作する。

封液導入ポート６０に近接して、封液２１の流れに対して干渉配向を有するダイバータ６９がある。干渉は、封液が封液導入ポート６０を通って流れる前に設けられる。ダイバータ６９が封液導入ポートを過ぎてスイープするにつれて、ダイバータ６９は封液２１を分流し、それにより、バケットを画定するトレイル・ブレードの導入面に沿って流れる封液の速度を減少させる。速度が減少する結果、バケット内の圧力を増加させ、それにより、バケット内の圧力降下を減少させ、トレイル・ブレードの導入面の基部でキャビテーションを減少させる。

更に詳細には、キャビテーション抑制通路５０は、第１の部分５３および第２の部分５５を有するチャネルを備える。第１の部分は、ポート部材のキャビテーション抑制通路に対するガス入口５２を備える。ガス入口５２は、ポート部材２６の表面を貫通して開口する。表面は、ポート部材の第１の開放端２６ａの対向面であってもよい。ポート部材２６がポンプヘッドに接続される場合には、対向面はポンプヘッド４４に対向する。ガス入口は、ガス供給チャネル５６に結合するように構成される。第１の部分は、第１の方向に延伸する。しかし、第１の部分は、第１の側壁３０の内側対向面３０ａに開口しない。第１の部分は、ガス入口ポート・チャネル３５または排出チャネル３９に開口しない。第１の部分は、ポート部材２６の追加の構造７１の内部で、第１の方向に延伸する。構造７１は、第２の側壁２４の内面２４ｃと第１の側壁３０の外面３０ｂの間にある。追加の構造は、第１の側面の外面からポート部材の中心軸に向かう方向で厚さが増加する、第１の側壁３０の一部と考えることができる。方向は、第１の側面外面からポート部材の中心軸に向かう径方向からなる。構造は、第１の側壁３０から第２の側壁２４まで延伸する部分であってもよい。構造は、回転方向と逆の周方向にガス排出チャネル３９を画定してもよい。追加の構造７１の、中心軸に沿ってポート部材の第１の開放端２６ａからポート部材の第２の開放端２６ｂに向かう方向で測定された長さは、中心軸に沿って測定されたガス排出ポート３６の長さより短い。ガス排出ポート３６の長さは、ポート部材の第１の端部２６ａに対して最も近位の外面３０ｂを貫通する排出ポート３６の開口の第１の端部７３から、ポート部材の第１の端部２６ａに対して最も遠位の排出ポート３６の開口の第２の端部７５までを測定した。追加の構造の長さは、ガス排出ポートの長さの少なくとも１．５倍で、好ましくは約２倍である。

チャネルの第２の部分５５は、通路５０の開口（出口）５１を備える。第１の部分５３は、第２の部分５５内に開口する。第２の部分は、第１の側面の内面３０ａを貫通して開口しない。第１の部分および第２の部分は、ガス流接続し、互いに連続する。

キャビテーション抑制通路は、第１の側壁３０の内面３０ａを貫通して開口しない。キャビテーション抑制通路は、入口３２または入口チャネル３５に開口しない。入口を除いて、キャビテーション抑制通路は、追加の構造７１の表面を貫通して開口しない。通路５０は、ガス入口ポート３２、ガス入口ポート・チャネル３５、ガス排出ポート３６、ガス排出チャネル３９から、流体分離を含めて、分離される。位置Ｋにあるとき、バケット１８ｃは出口５１を排出ポート３６に結合することができる。

図８および９に示すように、キャビテーション抑制通路５０の開口５１（特に開口５１の中間点）は、第１の開放端２６ａから軸方向距離Ｘである。軸方向距離は、ポート部材２６の中心軸に沿って測定される。距離Ｘは、ポート部材の第１の開放端２６ａからポート部材２６の第１の端部２６ａに対して最も近位のガス入口ポート３２の端７７までの軸方向距離Ｙより大きい。好ましくは、距離は最小化される。距離Ｙは、ポート部材の中心軸に沿って測定される。距離Ｘは、ポート部材の第１の端部２６ａからポート部材２６の第１の端部２６ａに対して最も遠位のガス入口ポート３２の端７９までの軸方向距離Ｚよりも短い。距離Ｚも、ポート部材の中心軸に沿って測定される。図２を参照して、開口５１（特に開口５１の中間点）は、回転の周方向において、ガス入口ポート３２の閉鎖端３４からＡ度である。開口５１は、ガス排出ポート３６の開始端３７からＢ度である。好ましくは、ＡはＢより大きい。好ましくは、ＡはＢよりも２±０.２倍大きい。示された実施例において、Ａは６６±５度であり、Ｂは３２±５度である。

ダイバータは周方向の一方の端部から反対側の端部まで測定した、第１の長さを有し、第１の側壁３０の外面３０ｂを貫通して開口する封液導入ポート６０のリムにおいて周方向で測定された封液導入チャネルの幅と好ましくは同一または略同一である。長さは、封液導入ポートの幅の少なくとも０．５倍でなければならない。ダイバータは、ポート部材の中心軸の半径に沿って測定される最も近い距離ｄを有しなければならない。距離ｄは、第２の側壁の内径ｒより大きくなければならない。距離ｄは、ｒの約１．２２±０.０２倍である。

充填材８２の表面８１はキャビテーション抑制通路５０を画定し、それにより、通路は充填材の表面８１に開口する。したがって、表面８１は、通路の表面を形成する。充填材８２は、プラグであってもよい。充填材８２は、チャネル８５の少なくとも一部を充填する。充填材８２を有するチャネル８５は、追加の構造７１内にある。充填材８２を除き、チャネル８５は、追加の構造からキャビテーション抑制通路５０内に開口する開口８５ａを有する。充填材８２は、開口を充填する。チャネル８５も、追加の構造の表面を貫通する開口８５ｂを有する。この開口８５ｂは、充填されない。チャネル８５は、キャビテーション抑制通路５０の提供に関連して設けられたロケーティングチャネルである。

好適な動作モードにおいて、ポンプ１０は、入口３２で低い絶対圧（高負圧）を発生させ、排出ポート３６でより高い絶対圧（例えば、大気圧）でポンプ輸送された流体を排出する真空ポンプとして作動する。ある動作条件の間、入口３２の閉鎖端３４を通る際に、バケット内の圧力は、液体リングを形成する液体の蒸気圧より低い。この条件では、結果として液体が沸騰する（すなわち、気泡が形成される）ことがありうる。高圧領域（例えば、排出ポート３６における大気圧）に対してこの沸騰した液体を突然曝露することによって、気泡の突然の圧壊（爆縮）が生じ、キャビテーションが生じる可能性がある。

図２を参照して、キャビテーション抑制装置を含むポンプの動作は、最もよく理解することができる。図２は、複数の径方向破線によって詳細に描写されたバケットの複数の位置を示す。各バケットは、説明のために記載された位置Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、ＫおよびＬからなる複数の位置を通って、回転する。バケットは、位置Ｇから回転性サイクルを開始する。この位置で、バケットは、排出ポート３６および入口開口３２に対しては閉鎖し、図２に示すように時計回り方向に回転する。位置Ｇにおいて、液体リングはシャフトに最接近し、又はその近くにあり、バケットの容積は最小又はそれに近い。更に回転することにより、バケットは位置Ｈに配置される。この位置では、バケットは入口開口３２に対して開口し、液体リングがシャフトから退くにつれて、バケットの容積は増加する。容積の増加により、増加している容積に流体を吸い込む。更に回転することにより、バケットは位置Ｉに配置される。この位置では、バケットは、入口３２および排出ポート３６に対して再び閉鎖する。更に、位置Ｉでは、液体リングはロータから最大の距離又はそれに近く、バケットの容積は最大又はそれに近くなる。位置Ｉにおいて、バケットは最低圧（最高負圧）となり、気泡の形成が最も起こりうる状態となる。連続して回転することにより、バケットは位置「Ｊ」に配置される。バケットがこの位置に接近するにつれて、液体リングはシャフトの方に進み、液体リングの容積が減り、バケット内の圧力が増加する。位置「Ｊ」に達すると、バケットは、キャビテーション抑制開口５１に開口する。キャビテーション抑制開口５１は、相対的高圧（例えば、大気圧）源に流体結合して、所定の量の高圧流体をバケットに入れる。バケットに流入する流体の量を制御して、バケットの圧力を徐々に増加させるように、キャビテーション抑制開口５１または流体経路の寸法が設定される。その後、バケットは、キャビテーション抑制開口５１および排出ポート３６に開口する位置Ｋまで回転する。この位置で、流体は自由にバケットに入ることができ、圧力を大気圧まで増加させる。バケットは、最終的に、容積が実質的に大気圧となる位置Ｌまで回転し、液体リングがシャフトに近づくにつれて、容積が減少し、バケットの容積は減少する。最後に、バケットは位置Ｇに戻り、プロセスが再開される。バケットを排出ポート３６に曝露する前にキャビテーション抑制入口を介して高圧流体を流入させることにより、バケット内で圧力が段階的に増加し、それにより、いかなる気泡も徐々に消滅させることができるので、キャビテーション損傷のおそれを低減することができる。

ポート部材２６を製造するために、ポート部材２６の第１の側壁３０および第２の側壁２４が設けられている。ガス入口ポート３２およびガス排出ポート３６は、第１の側壁３０に設けられている。封液導入ポート６０は、第１の側壁３０に設けられている。封液チャネル６１は、平面６７に対して傾斜した複数の壁６３を有する。追加の構造７１は、排出ポート３６の長さより短い長さを延伸するように設けられている。上記の特徴は、機械加工とともに鋳造で設けることができる。

キャビテーション抑制通路への入口５２を有するために、キャビテーション抑制通路のチャネルの第１の部分５３が、追加の構造７１内に設けられている。ロケーティングチャネル８５は、第１の部分５３に開口し、追加の構造７１の表面を貫通して開口するように、追加の構造７１内に設けられている。チャネルの第２の部分５５は、キャビテーション抑制通路５０の開口５１を有し、第１の部分５３に開口するように、設けられている。ロケーティングチャネルの開口８５ａは第１の部分５３に開口しており、充填材８２で充填されている。第１の部分５３および第２の部分５５ならびにロケーティングチャネル８５は、ポート部材２６が鋳造またはその他の方法で形成された後で、ポート部材２６内で機械加工される。

ポンプ１０は、チャンバ１４を画定する、円形の内面を有するチャンバハウジング１６を備えてもよい。この場合、コンプレッサ・パッケージは、単一の吸入ゾーンおよび圧縮ゾーンを有する単一ローブ設計である。ポンプは、複数ローブ設計とすることもできる。この場合、作動チャンバハウジング１６は、楕円形チャンバ１４を画定する楕円形の内面を有する。チャンバは、交互のパターンの２つの吸入ゾーンおよび２つの圧縮ゾーンを有する。２つの吸入ゾーンは、楕円の短軸の両端部にあり、２つの圧縮ゾーンは長軸の両端部にある。

本願明細書において使用される用語「ガス」は広い意味であり、大気、大気以外のガス状の流体、大気及び／又は非大気ガスと大気以外の混合ガス、非圧縮と圧縮性流体の混合物、大気と混合した気化した液体、および気化した液体を含むが、これらに限定されるものではない。

本発明のさまざまな特徴および効果は、以下の請求項に記載される。

１０ ：液封式ポンプ
１４ ：チャンバ
１６ ：チャンバハウジング
１８ ：ロータ
１８ａ ：ブレード
１８ｂ ：中心軸
１８ｃ ：バケット
１８ｄ ：第１の自由端
１８ｅ ：第２の自由端
１８ｇ ：シャフト収容開口
１８ｈ ：ハブ
１９ ：空洞
２０ ：ガス
２１ ：封液
２２ ：液体リング
２２ａ ：内面
２４ ：内側側壁
２４ａ ：外向面
２４ｂ ：中空部
２４ｃ ：内面
２６ ：ポート部材
２６ａ ：第１の開放端
２６ｂ ：第２の開放端
２８ ：シャフト
３０ ：第１の側壁
３０ａ ：内面
３０ｂ ：外面
３２ ：入口ポート
３３ ：開始端
３４ ：閉鎖端
３５ ：入口チャネル
３６ ：排出ポート
３７ ：開始端
３８ ：閉鎖端
３９ ：排出チャネル
４０ ：中心軸
４２ ：吸入チャネル
４３ ：ポンプヘッド入口
４４ ：ポンプヘッド
４５ ：ガス排出通路
４６ ：ガス出口
５０ ：キャビテーション抑制通路
５１ ：キャビテーション抑制開口
５２ ：ガス入口
５３ ：第１の部分
５５ ：第２の部分
５６ ：ガス供給チャネル
６０ ：封液導入ポート
６１ ：封液導入チャネル
６２ ：封液供給チャネル
６３ ：壁
６５ ：リム
６７ ：平面
６９ ：ダイバータ
７１ ：構造
７３ ：第１の端部
７５ ：第２の端部
７７ ：端
７９ ：端
８１ ：表面
８２ ：充填材
８５ ：ロケーティングチャネル
８５ａ ：開口
８５ｂ ：開口
Ｘ ：軸方向距離
Ｚ ：軸方向距離
ｄ ：距離
ｒ ：内径

Claims (20)

1. 入口開口と、出口開口と、キャビテーション抑制開口とを有するポンプヘッドと、
   前記ポンプヘッドに結合し、ポンプ・ハウジングおよび前記ポンプヘッドによって実質的に囲まれるチャンバを画定するポンプ・ハウジングと、
   前記チャンバ内に少なくとも部分的に配置されたロータと、
   前記チャンバ内に配置され、前記ロータに隣接して配置され、互いに分離された、入口ポートと、排出ポートと、キャビテーション抑制ポートとを、画定する壁を含むポート部材と、
   前記ロータの回転軸の周囲に配置された複数のブレードと、を備え、
   各対の隣接するブレードは隣接するブレードの間でバケットを部分的に画定し、各バケットは、前記バケットが前記排出ポートと前記入口ポートの間に配置された第１の位置から、前記入口ポートと流体連通する第２の位置まで回転して前記バケットに流体を引き込み、前記バケットが前記キャビテーション抑制ポートと流体連通する第３の位置まで回転して前記流体を収容し、前記バケットが前記キャビテーション抑制ポートおよび前記排出ポートと流体連通する第４の位置まで回転し、さらに、前記排出ポートと流体連通する第５の位置まで回転し、前記バケット内に前記流体を排出することを特徴とする液封式ポンプ。
2. 前記ロータは円錐形の内部空間を画定する請求項１の液封式ポンプ。
3. 前記ポート部材の壁は円錐形外壁であり、前記円錐形の内部空間内に少なくとも部分的に配置される請求項２の液封式ポンプ。
4. 前記チャンバ内に配置された液体を更に備え、前記液体は前記ポート部材および前記複数のブレードと協働して前記各バケットを囲む請求項１の液封式ポンプ。
5. 前記各バケットが前記第２の位置から前記第３の位置に移動する間に、前記液体が複数のブレードに対してシャフトから離れるように移動することで、前記各バケットの容積が拡大する請求項４の液封式ポンプ。
6. 前記第２の位置にあるとき前記各バケット内の圧力は第１の圧力であり、前記第５の位置にあるとき前記各バケット内の圧力は前記第１の圧力より大きい第２の圧力であり、流体供給源は第１の圧力と第２の圧力の間にある第３の圧力で前記流体を前記キャビテーション抑制ポートに供給する請求項４の液封式ポンプ。
7. 前記第３の位置において各バケット内の圧力は前記第１の圧力より大きく前記第２の圧力より小さい請求項６の液封式ポンプ。
8. 前記ポート部材の前記壁に形成された封液導入ポートを更に備え、前記封液導入ポートは前記入口ポートの閉鎖端と前記排出ポートの開放端の間に配置される請求項１の液封式ポンプ。
9. 前記ポート部材は前記封液導入ポートに近接するダイバータを含む請求項８の液封式ポンプ。
10. 前記ダイバータは、回転の周方向で測定された前記封液導入ポートの幅と略同じである、前記周方向で一端から反対側の端部まで測定された第１の長さを有する請求項９の液封式ポンプ。
11. 実質的に囲まれ、所定の量の液体を含むチャンバを画定するポンプ・ハウジングと、
    前記チャンバ内に少なくとも部分的に配置され、回転軸を中心に回転するように支持されたシャフトと、前記シャフトから径方向に延伸し、円錐形内部空間を画定する複数のブレードとを含むロータと、
    少なくとも部分的に前記円錐形内部空間内に配置されるポート部材と、を備え、
    前記ポート部材は、低圧領域と流体連通する入口ポートと、高圧領域と流体連通する排出ポートと、低圧領域と高圧領域の間の圧力を有する流体供給源と流体連通するキャビテーション抑制ポートとを画定し、前記複数のブレードは、各対の隣接するブレードが前記液体および前記ポート部材と協働して、容量可変のバケットを実質的に包囲して画定するように配置され、前記ロータの回転は、複数のバケットの第１のバケットを、バケットに低圧流体を引き込むための、前記入口ポートに隣接する入口位置と、前記流体を前記第１のバケットに流入させるための、前記バケットが前記キャビテーション抑制ポートに隣接するキャビテーション抑制位置と、前記バケットから高圧領域まで前記流体を排出するための、前記第１のバケットが前記排出ポートに隣接して配置される排出位置に選択的に配置することを特徴とする液封式ポンプ。
12. 前記入口位置にあるとき前記第１のバケット内の圧力は第１の圧力であり、前記バケットが前記排出位置にあるとき前記第１のバケット内の圧力は前記第１の圧力より大きい第２の圧力であり、流体供給源は第１の圧力と第２の圧力の間にある第３の圧力で前記流体を前記キャビテーション抑制ポートに供給する請求項１１の液封式ポンプ。
13. 前記キャビテーション抑制位置にあるとき前記第１のバケット内の圧力は前記第１の圧力より大きく前記第２の圧力より小さい請求項１２の液封式ポンプ。
14. 前記ポート部材に形成された封液導入ポートを更に備え、前記封液導入ポートは前記入口開口の閉鎖端と前記排出開口の開放端の間に配置される請求項１１の液封式ポンプ。
15. 前記ポート部材は前記封液導入ポートに近接するダイバータを含む請求項１４の液封式ポンプ。
16. 前記ダイバータは、回転の周方向で測定された前記封液導入ポートの幅と略同じである、前記周方向で一端から反対側の端部まで測定された第１の長さを有する請求項１５の液封式ポンプ。
17. ロータの隣接する複数のブレードの間に複数のバケットを画定することと、
    前記複数のブレードの周りに液体リングを形成して、前記液体リングと前記複数のブレードを協働させて各バケットを包囲し、前記複数のバケットが回転軸を中心に回転するにつれて各バケット内部の容積が前記ロータを中心として前記液体リングが移動する結果として変化するように構成することと、
    前記バケットが実質的に密閉され、前記バケットの容積が最小容積となる閉鎖位置まで、前記複数のバケットの第１のバケットを回転させることと、
    前記バケットが入口ポートと流体連通する吸入位置に、前記複数のバケットの前記第１のバケットを回転させることと、
    前記バケットの更なる回転の間、前記第１のバケットと前記入口ポートの間の流体連通を維持し、その間に前記液体リングを前記第１のバケットに対して前記回転軸から径方向に移動させ、前記第１のバケットの容積を拡大し、前記入口ポートを介して所定の容積まで流体を引き込むことと、
    キャビテーション抑制ポートが前記第１のバケットと流体連通するキャビテーション抑制位置まで、前記複数のバケットの前記第１のバケットを回転させることと、
    前記キャビテーション抑制ポートを介して前記第１のバケットに前記流体を流入させて、前記第１のバケット内の圧力を増加させることと、
    前記第１のバケットが排出ポートと流体連通し、前記キャビテーション抑制ポートと流体連通しない完全排出位置まで前記バケットを回転させることと、
    前記第１のバケットの容積を減らし、前記排出ポートを介して所定の容積から流体を排出するために、前記液体リングを前記第１のバケットに対して回転軸に向かって径方向に移動させる、前記第１のバケットの更なる回転の間、前記第１のバケットと前記排出ポートの間の流体連通を維持することを、含むことを特徴とする液封式ポンプのキャビテーションを抑制する方法。
18. 前記複数のバケットの前記第１のバケットが前記吸入位置にあるとき、第１の圧力であり、前記第１のバケットが前記完全排出位置にあるとき、前記第１のバケット内の圧力は前記第１の圧力より大きい第２の圧力である請求項１７の方法。
19. 前記キャビテーション抑制ポートに供給源から流体の流れを導き、前記供給源は前記第１の圧力と前記第２の圧力の間である第３の圧力であることを更に含む請求項１８の方法。
20. 前記キャビテーション抑制ポートを介して前記第１のバケットに前記流体の流れを導くことにより、前記第１のバケット内の圧力を前記第１の圧力より大きく前記第２の圧力より小さい圧力に圧力を増加させる請求項１８の方法。

Images