JP2018522163A - 液封式ポンプ用ロータのブレード構造 - Google Patents

Abstract

液封式ポンプは、内部空間を画定する固定ハウジングと、固定ハウジング内に回転可能に取り付けられた駆動シャフトと、を備える。駆動シャフトは、回転軸を有する。インペラは、回転軸に対して径方向外側に延在する複数のブレードを備え、各ブレードは根元部と先端部とを備え、連続曲線が、各ブレードの先端部から該ブレードの根元部を通って延在し、回転軸と交差する。【選択図】図１

Description

本発明は、液封式ポンプに関する。特に、本発明は、液封式ポンプのロータに関する。

従来、液封式ポンプは、気体をポンプ注入する又は圧縮するために使用されており、ハウジングと、ハウジング内に回転可能に支持されたロータと、を備える。ロータは、複数のブレードを備え、ハウジング内の駆動シャフトに取り付けられている。隣接するブレード間のチャンバ（すなわち、空間）は、ハウジングの注入開口部から気体を受け入れ、排出開口部から送出する。気体がハウジングの注入開口部を介してチャンバ内に吸引されると、回転中は気体がチャンバ内で排出開口部に向かって圧縮され、ハウジングの排出開口部を通ってチャンバから送出される。

本発明の一態様では、内部空間を画定する固定ハウジングと、固定ハウジング内に回転可能に取り付けられた駆動シャフトとを備える液封式ポンプを提供する。駆動シャフトは回転軸を有し、インペラの複数のブレードは、回転軸に対して径方向外側に延在する。各ブレードは根元部と先端部とを備え、１本の連続曲線が、各ブレードの先端部から該ブレードの根元部を通過し回転軸と交差するように構成されている。

本発明の別の態様では、内部空間を画定する固定ハウジングと、固定ハウジングに連結される内壁と、を備える液封式ポンプを提供する。内壁は注入開口部と排出開口部とを備える。駆動シャフトは、固定ハウジング内に回転可能に取り付けら、回転軸を有する。インペラは、駆動シャフトに固定され、回転軸から径方向外側に延在し、第１の先端部を有する第１のブレードを備える。また、インペラは、回転軸から第１のブレードとは反対側の径方向外側に延在し、第２の先端部を有する第２のブレードを備える。第１のブレードと第２のブレードは、回転軸に垂直な面内において第１の先端部から第２の先端部まで延在する連続曲線上に位置する。

本発明の別の態様では、液封式インペラ用ブレードを提供する。ブレードは、根元部と、根元部の反対側にある先端部と、根元部と先端部の間に延在する本体を備える。１本の連続曲線が、各ブレードの先端部から該ブレードの根元部を通過し、インペラの回転軸と交差する。この連続曲線は、正弦波状の曲線である。

本発明の他の態様は、詳細な説明及び添付の図面を検討することにより明らかになるであろう。

図１は、液封式ポンプの分解斜視図である。 図２は、図１の液封式ポンプのロータの斜視図である。 図３は、図２のロータを図４の線３０に沿って切断して側方から見た断面図である。 図４は、図２のロータの側面図である。 図５は、図４の切断線５−５に沿って切断したロータを正面側から見た断面図である。 図６は、別の実施形態に係るロータを正面側から見た断面図である。 図７は、更に別の実施形態に係るロータを正面側から見た断面図である。

本発明の実施形態の詳細な説明に先立ち、本発明が、その適用において、以下の説明に記載される又は以下の図面に示される構成の詳細及び構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施される、又は、実施可能である。また、本明細書で使用される表現や用語は説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書において「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及びその変形を使用する場合、それ以降に挙げられるもの及びその等価物ならびに追加項目を備えることを意図する。本明細書において「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」及びその変形を使用する場合、それ以降に挙げられるもの及びその等価物のみを備えることを意図する。特に特定又は限定しない限り、「取り付けられた（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持された（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」及び「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語及びその変形は、広範囲に使用され、直接的及び間接的な取り付け、接続、支持及び連結を備える。

図１に示すポンプは、本発明の液封式ポンプ１０である。図示された実施形態の液封式ポンプ１０は、エンドプレート１２と、エンドプレート１２に隣接するハウジング１３と、を備える単段液封式ポンプである。エンドプレート１２は、原動機（図示せず）と、ロータ１４とを支持する。他の実施形態では、液封式ポンプ１０は、１又はそれ以上のロータ１４が、必要に応じて、並列又は直列で共に作動するように構成された多段液封式ポンプであってもよい。

エンドプレート１２は、ガス流入口２０と流体連通する吸気ポート１８と、ガス排出口２４と流体連通する排気ポート２２を有する内壁１６と、を備える。液封式ポンプ１０は、例えば、ガス流入口２０が作業端の場合、ポンプとして動作する。この場合、ガス流入口２０は真空であり（すなわち、大気圧より低圧）、ガス排出口２４は略大気圧又はそれ以上である。あるいは、液封式ポンプ１０は、例えば、ガス排出口２４が作業端の場合、圧縮機として動作する。この場合、ガス流入口２０は通常大気圧であり、ガス排出口２４は大気圧よりも高圧である。したがって、ガス流入口２０は、各用途においてガス排出口２４よりも低圧力である。当業者に理解されるように、「圧縮機」と「ポンプ」という用語は、広義で置き替え可能である。

図示する実施形態のエンドプレート１２は、駆動シャフト２８を回転可能に支持する。ロータ１４は駆動シャフト２８に連結され、これと共に回転軸３０を中心に（例えば、キー溝式カップリング３２を介して）時計回りの方向２９に回転する。具体的には、駆動シャフト２８はハウジング１３に対して偏心配置されており、ハウジング１３がポンプ揚液（例えば、水）で部分的に充たされると、回転ロータ１４がポンプ揚液を吸引し、ハウジング１３内でポンプ揚液がロータ１４に対して偏心した再循環液体のリング（図５）を形成する。再循環液体のリングは、一般に、封液環３３（図５〜図７に示す）と呼ばれる。截頭円錐形のポート部材３４は、エンドプレート１２の内壁１６に隣接して配置され、ロータ１４内に少なくとも部分的に収容される。截頭円錐形のポート部材３４は、ロータ１４と吸気及び排気ポート１８、２２との間の流体連通を促進する。図示されたエンドプレート１２は、円錐形のロータ１４を支持するように構成されているが、他の実施形態では、流入口２０と排出口２４の間の流れを促進するために、円錐形状のポート部材３４ではなく平坦なポートプレートと共に作動する平板状ロータを支持するようにエンドプレート１２を構成してもよい。更に、他の実施形態では、ロータ１４は、反時計回りの方向に回転してもよい。

図２に示すように、ロータ１４は、中央ハブ４０と、縁部４２と、中央ハブ４０と縁部４２の間に延在する複数のブレード４４と、を備える。特に、複数のブレード４４は、中央ハブ４０を中心に角度を有して等間隔で離間しており、ロータ１４の回転軸３０に対して径方向外側に延在している。ロータ１４のハブ４０、縁部４２及び各ブレード４４の間は、チャンバ４６となっている。チャンバ４６は、ロータ１４を囲む偏心した封液環３３により常に容積が変動する空間である。ロータ１４は、第１の端部４８と、第２の端部５０と、を更に備え、これらの間がロータ１４の軸方向長さとなっている。第１の端部４８は、截頭円錐形のポート部材３４を少なくとも部分的に収容する截頭円錐形の空間５２（図３に一番わかりやすく示される）を備える。截頭円錐形の空間５２は、軸２８と同心であり、中央ハブ４０に向かって狭くなっている。ロータ１４の第１の端部４８と第２の端部５０の中間には環状ディスク５４が配置されており、ロータ１４を、より具体的には各ブレード４４を強化している。他の実施形態では、第２の端部５０は、ポート部材３４と同様の別の截頭円錐形のポート部材を少なくとも部分的に収容する截頭円錐形の空間５２を含んでもよい。

図示する実施形態では、ロータ１４の各ブレード４４は、実質的に、ロータ１４の第１の端部４８と第２の端部５０との間の長さを有する（図４）。各ブレード４４の高さは、中央ハブ４０及び截頭円錐形の空間５２の少なくとも一方に隣接する根元部５６と、根元部５６の反対側にあり、縁部４２の外周に隣接する先端部５８との間の距離として定義される（図５）。また、各ブレード４４の厚さは、各ブレード４４の第１の面６０と、その第１の面６０とは反対側のブレード４４の第２の面６２との間の距離として定義される。ロータ１４が時計回りの方向２９に回転している場合、第１の面６０が前方側に、第２の面６２が後方側に位置する。各ブレード４４は、第１の面６０と第２の面６２の間の厚さが各ブレード４４の高さに沿って全体的に均一（すなわち、±１０％）である。図示するブレード４４は高さに沿った厚さが略均一となっているが、他の構成では、高さに沿った厚さが変化してもよい（例えば、図７）。

図５に示すように、ロータ１４の各ブレード４４は、各ブレード４４の先端部５８から各ブレード４４の根元部５６を通って延在し、回転軸３０と交差する連続曲線のような正弦波状の曲線６４を描くよう構成されている。定義上、正弦曲線（すなわち、正弦波）は、数学的関係ｙ＝Ａｓｉｎ（ｘ）（「Ａ」は曲線の振幅）により表される曲線のことであり、正弦に対する角度の大きさの比を図的に表示したものである。ここで明確にしておくが、正弦波状の曲線６４は、数学的な正弦曲線と同様の特性を示すが、数学的関係ｙ＝Ａｓｉｎ（ｘ）により表される曲線と必ずしも一致するわけではない。

正弦波状の曲線６４は、回転軸３０に垂直な面内（すなわち、Ａ−Ａ部分の平面）において複数のブレード４４のうちの１つのブレードの先端部５８から複数のブレード４４のうちの対向する１つのブレードの先端部５８まで延在する完全な１サイクル（すなわち、１周期）を備える。通常、正弦波状の曲線の１周期は、１つの頂部６６と、１つの谷部６８と、曲線６４に沿って規則的に離間し、共通軸７２と交差する３つの点７０を有する。図に示すように、これら３つの点７０は、対向ブレード４４それぞれの先端と、ロータ１４の回転軸３０上に位置する。更に、各ブレード４４は、図５に示すように、共通軸７２からの最大偏差（すなわち、頂部６６及び谷部６８）の測度である振幅が約１．０となるように構成されている。具体的には、振幅は、共通軸７２と、これに平行で各ブレード４４の頂部６６又は谷部６８の頂点に接する軸７４との間の垂直距離の測度である。

図５に示す実施形態では、各ブレード４４の第１の面６０は、根元部５６と先端部５８との間に形成された凹面である。逆に、各ブレード４４の第２の面６２は、根元部５６と先端部５８との間に形成された凸面である。中央ハブ４０を中心とした各ブレード４４間に一定の間隔があることによって、ロータ１４が時計回りの方向２９に回転する間に、各ブレード４４の先端部５８が、回転軸３０及び隣接するブレード４４の根元部５６と交差する、回転軸３０に垂直な面内にある、仮想直線よりも確実に前方に延在するように構成されている。

図６は、別の実施形態に係るロータ１１４を示す。図５のロータ１４と同様に、ロータ１１４は複数のブレード１４４を備え、これらもまた、各ブレード１４４の先端部１５８から該ブレード１４４の根元部１５６を通って延在し、回転軸３０と交差する正弦波状の曲線１６４を画定するように構成されている。正弦波状の曲線１６４もまた、数学的な正弦曲線と同様の特性を示すが、数学的関係ｙ＝Ａｓｉｎ（ｘ）により表される曲線と必ずしも一致するわけではない。この実施形態では、各ブレード１４４は、回転軸３０に垂直な面内（すなわち、Ａ−Ａ部分の平面）において複数のブレード１４４のうちの１つのブレードの先端部１５８から対向する１つのブレードの先端部１５８まで延在する正弦波状の曲線１６４に４周期が含まれるよう構成される。このため、複数のブレード１４４は、第１の面１６０及び第２の面１６２のそれぞれが、根元部１５６と先端部１５８との間に凹面と凸面を有している。この場合、各ブレード１４４は更に、共通軸１７２と、これに平行で各ブレード１４４の頂部１６６又は谷部１６８の頂点に接する軸１７４との間の垂直距離として測定される振幅が約０．１２５となるように構成される。

図５の構成と同様に、図６のブレード１４４は、各ブレードの先端部から回転軸を通って反対側のブレードの先端部までの数学的意味で連続的な正弦波状の曲線に沿っている（すなわち、「ｙ」の値の小さな変化が勾配に急激な変化がない「ｘ」の値の小さな変化もたらしている非線形曲線に沿っている）。

図７は、別の実施形態に係るロータ２１４を示している。ロータ２１４は、図５及び図６のロータ１４、１１４と同様の特徴を有しており、根元部２５６、先端部２５８、第１の面２６０及び第２の面２６２を備え、径方向外側に延在する複数のブレード２４４を有している。この実施形態では、各ブレード２４４の厚さは、その高さに沿って不均一である。例えば、各ブレード２４４の厚さは、根元部２５６及び先端部２５８近くで第１の面２６０と第２の面２６２が互いに向かって狭まるように、根元部２５６及び先端部２５８で薄くなっている。

図７に示すように、各ブレード２４４は、中央ハブ４０とロータ２１４の縁部４２の間に延在し、回転軸３０に垂直な面内にある曲線に沿って延在している。各ブレード２４４は、第１の面２６０及び第２の面２６２のそれぞれが、根元部２５６と先端部２５８の間に凹面と凸面を有している。この実施形態では、各ブレード２４４が沿って延在する曲線は、回転軸３０と交差していない。

このように、図７の構成では、図５及び図６の構成と同様に、ブレードが根元部から先端部まで連続した非直線的な曲線に沿っている。しかし、図５及び図６の構造とは異なり、図７のブレードが沿う曲線は、ロータ２１４の回転軸３０を横切って反対側のブレード２４４まで連続して延在するものではない。ブレード２４４の根元部２５６近くの湾曲部分でガスの流れ角が変わることにより、摩擦及び乱流が減少し、圧力回復が進む。

運転中、原動機が作動して封液環３３を形成している間、ロータ１４、１１４、２１４はハウジング１３内で回転する。原動機の作動により、チャンバ４６、１４６、２４６が、吸気ポート１８と対応するガス流入口２０から第1の圧力の気体を引き込む回転ピストンとして作用する。具体的には、気体は、吸気ポート１８の近くから遠のいていく封液環３３により、チャンバ４６、１４６、２４６内に引き込まれる。截頭円錐形部材３４により、内壁１６の吸気ポート１８と排気ポート２２の間で截頭円錐形部材３４やロータ１４を通る気体（例えば、吸入流及び吐出流）が流れやすくなる。

次に、各チャンバ４６、１４６、２４６が回転して吸気ポート１８を通過すると、気体は、封液環３３、ハブ４０、ブレード４４、１４４、２４４のうちの１つのブレードの第１の面６０、１６０、２６０、及び、それに隣接するブレード４４、１４４、２４４の一方の第２の面６２、１６２、２６２との間に閉じ込められる。ロータ１４、１１４、２１４が時計回りの方向２９に回転し続けると、封液環３３がハブ４０に近づくにつれてチャンバ４６、１４６、２４６内の空間の容積が減少し、チャンバ４６、１４６、２４６内に閉じ込められた気体は、第１の圧力よりも大きい第２の圧力に圧縮される。次に、各チャンバ４６、１４６、２４６が回転して排出ポート２２を通過すると、気体はチャンバ４６、１４６、２４６から排気ポート２２を介してガス排出口２４を通って排出される。その結果、ガス排出口２４を通る気体は、むらのない連続的な流れとなる。

上記説明の弦波状の連続曲線（又は別の連続曲線）を有する複数のブレードを備えるロータ１４、１１４、２１４は、摩擦低減により効率が増すため、特に高真空及び高速での適用において有利である。効率が増大することで、単段式液封圧縮機／ポンプの動作範囲を、現在多段液封圧縮機／ポンプで行っている用途にまで広げ、コストを削減し、より柔軟に使用することが可能となる。通常、単段式液封圧縮機／ポンプは、入口圧力や流量の面である程度の適応性があるため、有利である。

上記に説明し、図面に示した実施形態は、単なる一例として示すものであり、本発明の概念及び原理を限定することは意図されていない。したがって、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、要素、その構成及び配置の様々な変更が可能であることは理解されよう。

本発明の様々な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

１０ 液封式ポンプ
１２ エンドプレート
１３ ハウジング
１４ ロータ
１６ 内壁
１８ 吸気ポート
２０ ガス流入口
２２ 排気ポート
２４ ガス排出口
２８ 駆動シャフト
２９ 時計回りの方向
３０ 回転軸
３２ キー溝式カップリング
３３ 封液環
３４ ポート部材
４０ 中央ハブ
４２ 縁部
４４ ブレード
４６ チャンバ
４８ 第１の端部
５０ 第２の端部
５２ 空間
５４ 環状ディスク
５６ 根元部
５８ 先端部
６０ 第１の面
６２ 第２の面
６４ 曲線
６６ 頂部
６８ 谷部
７０ 点
７２ 共通軸
７４ 平行軸
１１４ ロータ
１４４ ブレード
１５６ 根元部
１５８ 先端部
１６０ 第１の面
１６２ 第２の面
１６４ 曲線
１６６ 頂部
１６８ 谷部
１７２ 共通軸
１７４ 平行軸
２１４ ロータ
２４４ ブレード
２５６ 根元部
２５８ 先端部
２６０ 第１の面
２６２ 第２の面

Claims (20)

1. 内部空間を画定する固定ハウジングと、
   前記固定ハウジング内に回転可能に取り付けられ、回転軸を有する駆動シャフトと、
   前記回転軸に対して径方向外側に延在し、それぞれが根元部と先端部とを備える複数のブレードを備えるインペラを備え、
   連続曲線が、各ブレードの前記先端部から該ブレードの前記根元部を通って延在し、前記回転軸と交差することを特徴とする、液封式ポンプ。
2. 前記複数のブレードは、それぞれが正弦波状の曲線を画定する請求項１に記載の液封式ポンプ。
3. 各ブレードは、前記回転軸に垂直な面において前記根元部と前記先端部の間の厚さが均一である、請求項１に記載の液封式ポンプ。
4. 各ブレードは、前記根元部と前記先端部との間に延在する第１の面と第２の面とを更に備え、
   前記第１の面は凹状であり、前記インペラが時計回りの方向に回転する場合に前記第２の面より前方にあり、第２の面は凸状であり、前記インペラが時計回りの方向に回転する場合に前記第１の面の後方にある、請求項１に記載の液封式ポンプ。
5. 各ブレードの前記先端部は、隣接するブレードの前記根元部と前記回転軸とを通って延在する仮想線より時計回り方向前方に延在している、請求項１に記載の液封式ポンプ。
6. 各ブレードの前記第１の面及び前記第２の面は、前記根元部と前記先端部との間に凹部と凸部とを有する、請求項４に記載の液封式ポンプ。
7. 各ブレードの前記第１の面と前記第２の面は、前記凹部と前記凸部との間に略直線部を有する、請求項６に記載の液封式ポンプ。
8. 前記正弦波状の曲線の１サイクルは、各ブレードの前記先端部から各対向ブレードの前記先端部まで延在する、請求項２に記載の液封式ポンプ。
9. 各ブレードは、前記回転軸と前記ブレードの前記先端部を通って延在する平面と、対応するブレードの前記正弦波状の曲線の頂点に接して延在する平行面との間の距離として定義される振幅の目盛り単位が約１．０となるように構成された、請求項８に記載の液封式ポンプ。
10. 正弦波状の曲線の４サイクルが、各ブレードの前記先端部から各対向ブレードの前記先端部まで延在する、請求項６に記載の液封式ポンプ。
11. 各ブレードは、前記回転軸と前記ブレードの前記先端部を通って延在する平面と、対応するブレードの前記正弦波状の曲線の頂点に接して延在する平行面との間の距離として定義される振幅の目盛り単位が約０．１２５となるように構成された、請求項１０に記載の液封式ポンプ。
12. 内部空間を画定する固定ハウジングと、
    前記固定ハウジングに連結され、注入開口部と排出開口部とを有する内壁と、
    前記固定ハウジング内に回転可能に取り付けられ、回転軸を有する駆動シャフトと、
    前記回転軸から径方向外側に延在し、第１の先端部を有する第１のブレードと、前記回転軸から前記第１のブレードとは反対側の径方向外側に延在し、第２の先端部を有する第２のブレードとを備え、前記駆動シャフトに固定されたインペラを備え、
    前記第１のブレードと前記第２のブレードは、前記回転軸に垂直な面内において前記第１の先端部から前記第２の先端部まで延在する連続曲線に位置することを特徴とする、液封式ポンプ。
13. 前記内壁は平坦な壁である、請求項１２に記載のインペラ。
14. 前記内壁は円錐形の壁である、請求項１２に記載のインペラ。
15. 各ブレードは、第１の面と第２の面とを更に備え、
    前記第１の面は、前記インペラが時計回りの方向に回転する場合に前記第２の面より前方にあり、前記第２の面は、前記インペラが時計回りの方向に回転する場合に前記第１の面の後方にある、請求項１２に記載のインペラ。
16. 各ブレードの先端部は、前記インペラの縁部の外周で終端する、請求項１２に記載のインペラ。
17. 第１の面と、第２の面と、縁部の外周との間の空間であるバケット部を更に備える、請求項１２に記載のインペラ。
18. 前記注入開口部は、第１の圧力で流体を前記バケット部に導入し、流体は、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力で前記バケット部から前記排出開口部へと送出される、請求項１７に記載のインペラ。
19. 前記連続曲線は正弦波状の曲線である、請求項１２に記載の液封式ポンプ。
20. 根元部と、
    前記根元部の反対側にある先端部と、
    前記根元部と前記先端部の間に延在する本体とを備え、
    連続曲線が、各ブレードの前記先端部から該ブレードの前記根元部を通って延在してインペラの回転軸と交差し、前記連続曲線は正弦波状の曲線であることを特徴とする、液封式インペラ用ブレード。

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