JP2022520444A - ポンプ及び気体を圧送する方法 - Google Patents

Abstract

ポンプ及び気体を圧送するための方法が開示される。ポンプは、ポンプ・ハウジング要素及び更に別の要素を含み、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素の一方は、他方の要素に向かって延びる螺旋状突出部を含み、他方の要素は、少なくとも１つの液体開口部を含む。螺旋状突出部、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素は、気体入口から気体出口までの通路を形成する。螺旋状突出部は、その自由端よりも、その取付け端においてより広い軸方向断面を有する。ポンプ・ハウジング及び更に別の要素は、互いに対して回転可能に取り付けられ、少なくとも１つの液体開口部は、少なくとも１つの液体開口部からの液体出力が液体ブレードを形成するように構成され、液体ブレードは、要素の一方の回転時に、気体入口から気体出口までの通路に沿って気体を駆動するように動作可能である。【選択図】図４

Description

本発明の分野は、ポンプ及び気体を圧送する方法に関する。

気体を圧送するための異なるタイプのポンプが知られている。これらには、気体が排出される前にポンプ内部の表面に気体が取り込まれる捕捉式ポンプと、ターボ分子ポンプのような気体の分子が入口側から出口側又は排気側に向かって加速されるキネティック・ポンプ又は運動量移送ポンプと、気体が捕捉されてポンプの入口から出口に向かって移動する容積移送式ポンプとが含まれる。

容積移送式ポンプは、一般には１つ又は２以上のロータとステータとの間に形成される移動ポンプ・チャンバを設けて、ロータの移動により有効なポンプ・チャンバが移動するようになる。入口で受け取った気体が流入して、ポンプ・チャンバ内に閉じ込められ、出口に移動する。場合によっては、効率を改善するために、移動中に気体ポケットの容積が減少する。こうしたポンプは、ルーツ・ポンプと、回転ベーン式ポンプとを含む。気体をチャンバに引き込むために、チャンバは、一般に、気体を膨張させ、チャンバから気体を排出するために、チャンバ容積は一般に収縮する。この容積の変化は、例えば回転ベーン式ポンプにおいては、それ自体が摩耗の影響を受ける、ばねなどのデバイスを使用して、又はルーツ・ポンプ又はスクリュー・ポンプにおいて互いに協働する２つの同期ロータと、気体のポケットを移動させて入口と出口との間の容積変化を生じさせるステータとを使用して、ポンプ・チャンバの内外に延びるブレードによって達成することができる。付加的なロータは、付加的なシャフト、軸受、及びロータの動きを同期させるためのギアのようなタイミング方法を必要とする。

さらに、漏れを最小限に抑え、又は少なくとも低減させて、気体が閉じ込められる間に気体を効率的に移動させるために、可動部は、互いに対して及び閉じ込められる気体容積を形成する静止部と閉鎖シールを形成する必要がある。一部のポンプは、オイルのような液体を使用して、閉じ込められた容積の表面間を密封するが、他のポンプは、緊密な非接触の隙間に依存し、この隙間は、製造コストの増大をもたらすことがあり、また、部品が接触した場合、又は圧送される流体中に粒子状物質もしくは不純物が存在する場合には、ロック又は焼付きを生じやすいポンプになることがある。

耐摩耗性があり、電力消費が少なくポンプ機構が比較的小さく、製造及び作動するのに比較的安価なポンプを提供することが望まれる。

本発明の第１の態様は、気体を圧送するためのポンプを提供し、このポンプは、ポンプ・ハウジング要素及び更に別の要素を含み、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素の一方は、他方の要素に向かって延びる突出部を含み、他方の要素は少なくとも１つの液体開口部を含み、突出部、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素は、気体入口から気体出口までの通路を形成し、更に別の要素は、ポンプ・ハウジングのボア内に同心円状に取り付けられ、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素は、互いに対して回転可能に取り付けられ、突出部は螺旋を含み、螺旋の軸方向面を通る断面は、螺旋が、他方の要素に向かう地点においてより狭く、突出部が延びるポンプ・ハウジング及び更に別の要素の一方と前記突出部との交点においてより広くなるように変化し、少なくとも１つの液体開口部が、該少なくとも１つの液体開口部からの液体出力が液体ブレードを形成するように構成され、液体ブレードは、前記要素の一方の回転時に、気体を通路に沿って気体入口から気体出口まで駆動するように動作可能である。

本発明の発明者らは、開口部を通る液体出力がポンプの要素間の表面又はブレードを形成するように、ポンプの要素が液体開口部を有するように構成され、互いに対する要素の一方の回転時に、液体ブレードを使用して、ポンプを通じて気体を駆動できることを認識した。さらに、ポンプの要素が、要素の間に延びる螺旋状突出部が気体入口から気体出口までの形成を形成するように構成された場合、こうした通路により、気体は、要素の間を通路にわたって延びる液体ブレードによって、入口から出口まで駆動される。これにより、簡単、コンパクト、低電力及び低コストの配置を提供できる可能性があり、接触面間の摩擦及び摩耗に起因して生じる問題、並びに緊密な隙間に対する製造交差に関与するコストが回避又は少なくとも軽減される。

こうしたブレードは、１つ又はそれ以上の液体開口部を通して液体を駆動することによって形成することがきる。液体開口部を要素の一方上に配置することにより、液体ストリームが、要素間に液体表面又はブレードを形成することが可能になる。こうした液体ブレードは、本来、変形可能で低コストであり、厳しい製造公差を必要とせずに、閉じ込められた容積の表面間に良好なシールを提供することができる。さらに、こうしたブレードは、それ自体が摩耗を受けにくく、ブレードが接触する表面をほとんど摩耗させない。

ブレードは、ブレードを形成する液体が連続的に補給されるように、流動液体から形成される。ブレードの表面は、要素の表面及び突出部と共に作用して、圧送されることになる気体を閉じ込め、取り込み、隔離又は密閉する。要素の一方の回転により、閉じ込められた気体が、突出部により定められる通路に沿って気体入口から気体出口に移動する。圧送される気体は、ブレードの両側に位置する。

要素の一方又は他方は、回転するように取り付けることができ、又は両方が反対方向に回転するようにとりつけることもできる。この点で、要素間の相対運動が必要であり、どの要素が回転要素であるかは重要でない。幾つかの実施形態において、ポンプ・ハウジング要素は、動かないように取り付けられ、更に別の要素は、回転するように取り付けられる。

しかしながら、こうした設計に関する潜在的な問題は、螺旋状突出部の形状を注意深く設計することなく、突出部の部分がブレードから外壁を覆うことがあり、この覆われた領域に沿って漏れ通路が生じ得ることである。この潜在的な問題に対処するために螺旋状突出部は、テーパ状の軸方向断面を有するように構成され、その結果、螺旋状突出部は、その自由端におけるよりも、これが取り付けられる壁においてより広くなる。テーパ状でない軸方向断面を有する螺旋状ねじ山は、実質的に矩形の半径方向断面を提供し、こうした形状は、液体ブレードから延びる壁の部分をマスキングする可能性がある。こうしたマスキングは、ポンプ性能に有害であり、ガス出口からガス入口への螺旋に沿った漏れ通路をもたらす。壁縁においてより広いねじ山は、同様に壁に向かって広くなる水平方向断面を提供し、液体ブレードへの、このプロファイルのマスキング効果を制限する。

幾つかの実施形態において、突出部の幅の変動は多数の値を有することができるが、この突出部は、該突出部が延びる要素から突出部に沿った１０％の地点において、突出部に沿った９５％の地点におけるよりも少なくとも２倍広く、幾つかの実施形態においては、４倍よりも広い。

幾つかの実施形態において、少なくとも１つの突出部の上面は半放物線に対応する形状を有する。

突出部が湾曲した形であり、液体が表面から送出されず、表面に付着する傾向がある場合は有利であり得る。実質的に放物線形状の上面は、実質的に直線であり、取り付けられる壁から角度を付けて延びる後縁（回転時にブレードに遭遇する後縁部又は最終縁部）を有することができる形の半径方向断面を提供する。軸方向断面又は面は、回転要素が回転するポンプの軸に平行であり、それを通るものであり、半径方向断面又は面は、軸に対して垂直であり、ポンプの大部分の実施形態の動作において実質的に水平方向のものである。

幾つかの実施形態において、少なくとも１つの突出部はポンプ・ハウジング要素から延び、かつ突出部がポンプ・ハウジング要素を、更に別の要素から接線方向外方に延びる水ブレードからマスキングしないように、半径方向面を通る断面を有する。

本発明の発明者らは、ポンプを効率的に圧送するために、突出部の形状は、これが螺旋の全長に沿って漏れ通路を提供することがあるので、特定の地点において外壁に到達しないように液体ブレードをマスキングすべきであることを認識した。こうした漏れ通路をどのように回避する又は少なくとも抑制するかを判断するとき、発明者らは、液体ブレードの方向は、作動条件に依存して変わり、突出部が極限条件に対して有効であるように設計できる場合には、中間条件もカバーされるべきであることを認識した。従って、突出部は、ポンプ・ハウジング壁が、接線方向ブレードから突出部によって覆われないように構成され、そのことは、ブレード間の圧力差のない条件に関係する。

幾つかの実施形態において、少なくとも１つの突出部は、ポンプ・ハウジング要素から延び、かつ、ポンプ・ハウジング要素を、突出部が更に別の要素から直角に延びる水ブレードからマスキングしないように、半径方向面を通る断面を有する。

より高い圧力差では、ブレードが内側の更に別の要素に対して実質的に垂直に延びることがあり、その場合には、突出部は、これを念頭において設計することができる。

幾つかの実施形態において、少なくとも１つの突出部の下面は平坦であり、そうした構成により、垂直な液体ブレードから外壁をマスキングしない突出部が提供される。

他の実施形態において、突出部は、実質的に放物線形状の軸方向面における断面を有する。

上面及び下面が同じ放物線形状を有する対称形な突出部として突出部を形成すると便利であり得る。こうした突出部は、螺旋の長さに沿って液体ブレードと有効なシールを形成する。

幾つかの実施形態において、半径方向平面における突出部の断面の回転方向に対する後縁は、後縁が更に別の要素の接線に平行な最大角度と、最大角度よりも最大１５％小さい角度との間のポンプ・ハウジング壁の接線に対して鋭角である。

前述したように、後縁の角度は、突出部の半径方向断面がブレードから外壁をマスキングするのを抑制するように選択する必要がある。後縁が内側の回転要素の接線と平行であれば、極限条件でも許容可能な性能が与えられるが、突出部は、僅かに大きい面積及び僅かに小さい鋭角を有するように形成することもできる。

幾つかの実施形態において、半径方向平面における突出部の断面の回転方向に対する前縁は、回転方向に湾曲し、曲率半径がポンプ・ハウジング要素と更に別の要素との間の距離の半分に等しい曲線と、後縁から離れるように延び、更に別の要素の接線に平行な線との間にある。

この特許出願の目的において、螺旋状ねじ山の前縁は、ブレードが回転する際に最初に接触する、その半径方向面におけるねじ山の部分であり、後縁は、ねじ山のその部分を超えて移動する際に接触する部分であると見なされる。

突出部による壁のマスキングを回避するために必要な前縁の形状は、より高い圧力の動作条件に依存して構成することができる。最大圧力条件での動作に対応する極限の場合、要素間の間隙の半分の半径を有する曲面をもつブレードに対応する。これに対応する形状の前縁を有する突出部は、極限条件においても許容可能である。これは、許容可能なシールを与えるための最小の断面に関するものであり、内側要素の接線と平行になるまで、回転方向から離れるように前縁を延ばすことによって大きくすることができる。

実際には、突出部の半径方向又は水平方向断面のプロファイルを、極限条件におけるブレードの液滴の軌跡と合致させることは、ブレードから外壁をマスキングすることなく、許容可能なポンピングをもたらす突出部を提供する。傾斜した前縁を維持する必要があるが、プロファイルは大きくすることができる。

半径方向断面が、内側要素の接線に平行な前縁及び後縁の両方を有する場合、半径方向断面は、２つの要素間の環状の間隙において円セグメントを形成する。

幾つかの実施形態において、少なくとも1つの突出部の下面は平坦であり、これにより、更に別の要素の接線に実質的に垂直な半径方向断面の回転方向に対する前縁が提供される。

このような配置は機械加工が容易であり、上面が湾曲し、自由端よりも交差端の方がより広い場合、許容可能な性能をもつ突出物を提供する。

幾つかの実施形態において、少なくとも１つの液体開口部は、回転するように取り付けられた要素の表面上に形成される。

回転するように取り付けられた要素は、一般にロータと呼ばれ、これが液体開口部を有する要素である場合、回転運動は、ブレードを形成するために液体開口部から液体を排出するのを助けることができるので、有利であり得る。

幾つかの実施形態において、突出部、ポンプ・ハウジング、及び更に別の要素によって形成される通路の断面は、気体入口から気体出口へと減少する。

場合によっては、入口と出口の間で通路の断面積が連続的に又は通路の部分に沿って減少することがある。結果として生じる容積の減少により、圧送される際に気体の容積が圧縮され、そのことは、チャンバからの気体の排出を助けるだけでなく、所定の気体容積を圧送するのに必要な電力も低減する。

幾つかの実施形態においては、内側構成要素は外側構成要素のボア内に偏心して取り付けられ、他の実施形態では、内側構成要素は外側構成要素のボア内に同心円状に取り付けられる。

内側構成要素を偏心させて取り付けることで、相対的な回転時に、ポンプ・ハウジング要素及び液体ブレードによって形成される気体ポケットの容積が、要素の周囲の周りで変化する。このように偏心した取り付けは、要素の回転時にブレードのサイズが変化することを必要とするが、これは自然に起こることである。ブレードのサイズの変化をもたらすために、ばね及び中実ブレードなどの機械部品又は摺動部品を必要としない。

液体出口は、様々な方法で配置することができる。互いに隣接して配置された複数の液体出口があってもよく、又はスロットの形の単一の出口があってもよい。幾つかの実施形態においては、スロット又は複数の出口は、要素の軸と実質的に平行に走る長手方向形状を有する。このように配置することにより、ポンプ・チャンバの半径と実質的に垂直なブレードが提供される。

他の実施形態において、スロット又は隣接する出口は、要素の軸に対して角度を付けることができ、場合によっては、ステータとロータの間に螺旋状の液体ブレードが形成されるように螺旋を形成することができる。

このようなブレードを生成するように構成されたポンプは、他の構成要素の表面上の螺旋状突出部と共に使用することができる。螺旋状突出部は、スクリュー式ポンプと同様に動作するポンプを提供する。こうした突出部は、軸方向液体ブレード又は螺旋状ブレードと共に使用することができる。

幾つかの実施形態において、螺旋の角度は、螺旋のピッチが気体出口に向かって減少するように、気体入口から気体出口に向かって変化する。

気体出口に向かって螺旋のピッチを減少させることは、気体が圧送されるにつれて気体に対して容積圧縮を提供し、それは、気体をチャンバから排出するのに役立つだけでなく、所与の量の気体を圧送するのに必要な電力も低減する。

幾つかの実施形態において、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素の少なくとも一方は、ステータとロータとの間の距離が気体出口に向かって減少するようにテーパ状になっている。

入口と出口との間のサイズを減らすポンプ・チャンバを提供する１つの方法は、要素の間の距離が気体出口に向かって減少するようにテーパ状にすることである。幾つかの実施形態においては、テーパ状になっているのは非回転要素すなわちステータであり、他において、回転要素すなわちロータはテーパ状になっている。回転しないステータをテーパ状にすることは、多くの場合、気体出口に向かってポンプ・チャンバのサイズを低減させる最も簡単な方法である。

幾つかの実施形態において、テーパ状になっているポンプ・ハウジング及び更に別の要素の少なくとも一方は、非軸対称にテーパ状になっている。

幾つかの実施形態においては、一般的にテーパは軸対称であり、外側構成要素のボアがガス出口に向かって非軸対称にテーパ状になっているが、他の実施形態においては、内側構成要素が増大する直径を有し得る。

幾つかの実施形態において、複数の液体出口は、ポンプ・ハウジング要素と更に別の要素との間に複数の液体ブレードを形成する複数の液体ストリームを提供する。

幾つかの実施形態において、ポンプは、単一の液体ブレードを形成するように単一の液体開口部を含むことができるが、ポンプは複数の液体開口部を含む。複数の液体開口部からの液体は単一のブレードを形成することができ、開口部は、開口部から排出された液体が複数のブレードを形成するように配置することができる。

幾つかの実施形態において、複数の開口部の少なくとも１つのセットは、互いに隣接して配置され、複数の液体出口の少なくとも１つのセットからのストリーム出力が結合して単一の液体ブレードを形成する。

場合によっては、複数の開口部があり、それらのセットが単一のブレードを形成することができる。ブレードが１つしかない場合、このセットは全ての液体開口部を含むことができる、他の実施形態においては、複数のセットがあり、各々セットが独自のブレードを形成するように配置された幾つかのセットがある場合がある。液体ブレードは、例えばスロットの形態の単一の液体出口から形成することができるが、幾つかの実施形態においては、それぞれを通る液体ストリームが合体して単一のブレードを形成するのに十分なほど近接した複数の隣接する開口部により形成することができる。単一のスロットではなく、複数の開口部を設けることで、それらが配置されている要素の構造的完全性が高まり、それによりポンプの機械的完全性を高めることができる。

本特許出願の目的において、ロータという用語は、ポンプ・ハウジング又は回転する更に別の要素を指すように使用され、ステータという用語は、ロータが回転する要素を指すように使用される。さらに、圧送される気体は、蒸気、気体蒸気混合物、又は内部に粒子が同伴された気体とすることができる。

幾つかの実施形態において、ロータは、ステータのボア内に回転可能に取り付けられ、ロータとステータ・ボアとの間に液体ブレードを形成する液体ストリームは、ステータ・ボア内におけるロータの回転時に、ポンプを通って気体を駆動するように動作可能である。

ロータの回転により、気体ポケットを密閉する表面間に相対運動が与えられ、その結果、幾つかの実施形態において、液体表面は、気体入口から気体出口まで圧送通路に沿って気体を駆動するようになる。幾つかの実施形態において、少なくとも一方の表面が液体ブレードから形成され、その変形可能な性質のためにその表面形状及びサイズが、回転時のロータとステータとの間の距離に適合するので、幾つかの実施形態において、この相対運動は、気体ポケットの容積の変化と共に、気体ポケットを閉じ込める表面上にいずれの大きな摩耗もなしに提供することができる。

幾つかの実施形態において、ポンプは、液体に駆動力を作用させ、液体源から少なくとも１つの液体開口部を通って液体を駆動するためのポンプ機構を含む。

液体に作用する駆動力は、ポンプの外部の供給源に由来し得るが、ポンプは、例えば、外部の加圧液体源に接続することができ、幾つかの実施形態においては、ポンプ自体が、この駆動力を液体に作用させるための駆動機構を含む。

液体開口部は回転可能な内側構成要素の表面上に形成できるが、幾つかの実施形態において、それらは、固定外側構成部品の表面上に形成される。このことは、加圧液体をポンプに供給する簡単な方法を可能にするという利点を有することができる。

幾つかの実施形態において、ポンプは、液体リザーバをさらに含み、内側構成要素は回転可能に取り付けられ、かつ液体リザーバ内に延びる下端部に開口部を有する中空体を含み、中空ロータの内径は、下端部から増大する。

液体出口が回転する内側構成要素上にある場合、液体に駆動力を提供する１つの方法は、中空構成要素を使用して、この中空構成要素を回転させることである。このような実施形態において、中空ロータを回転させることにより、中空ロータ本体の外周に対する遠心作用によって、中空ロータ本体内の液体が押し込まれ、液体ストリームを形成する１又はそれ以上の液体出口を通って外に出力される。液体出口が適切に配置された場合、この液体ストリームは、ステータ・ボアに延びる液体ブレードを形成する。

中空ロータは、液体リザーバ内に延びる下端部に開口部を有する場合、下端部から増大する中空ロータの内径は、ロータを回転せると、液体がロータ内で上昇し、液体出口を通って排出されるのを助ける。このように、液体リザーバ内に浸漬される下端部では、直径がより小さく、直径は中空体へと増大する。これにより、中空体の内面に対する遠心力によって押し付けられた液体は、増大する内径をロータ本体の上部に向かって上昇する。直径の増大は、傾斜した増大とすることができ、又は段階的増大とすることができ、又は２つの組み合わせとすることができる。直径の増大はまた、ロータの内面上のベーンによって相補され、より大きい直径に向かって液体の加速を支持することができる。液体は、中空体の内面に向かって放出され、後続の液体の加速度及び圧力によって押し上げられる。回転の速度は、液体の密度のような他のパラメータと同様に、液体が中空体内をどの高さまで押し上げられるかに影響する。ロータの適切な速度及びサイズは、ブレード又はベーンを形成するために出口を通って圧送される液体の所望の流量に応じて選択することができる。ロータとステータとの間の途切れのない液体ストリームを維持して、気体を効果的に圧送させるために、リザーバから中空のロータ本体に十分な液体が供給される必要があることに留意されたい。このこともまた、ロータの回転速度、出口のサイズ及び数、並びにロータの高さなどのパラメータに依存する。

幾つかの実施形態において、ポンプは、回転要素の少なくとも一方の端部を支持するための少なくとも１つの流体軸受を含む。

ポンプのロータは軸受上で支持され、通常、高価な部品であり得るころ軸受又は玉軸受であり、潤滑を必要とし、摩耗を受け易い。このタイプのポンプとして、円筒シャフトとボアとの間の液膜を利用する流体軸受が好適であり得る。場合によっては、流体軸受は、ポンプ・ブレードと同じ液体源からの液体で充填され、ポンプ内で既に使用されている液体供給部及び機械的特徴の効率的使用がなされ、付加的な構成要素又は異なる潤滑液の使用が回避される。

ポンプは、圧縮機のような多数のものとすることができるが、幾つかの実施形態では、真空ポンプを含む。実施形態によるポンプにより、真空ポンプが特に効果的になり、摩耗が少なく初期コストが低い効率的な方法で気体を移送することが可能になる。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様によるポンプを含む、除去システム（ａｂａｔｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）から圧送される汚染物質を低減させるための湿式スクラバ（ｗｅｔ ｓｃｒｕｂｂｅｒ）を提供する。

除去システムは、湿式スクラバと共に使用されることが多く、湿式スクラバは、液体ストリームを提供して、除去システムから圧送された気体と反応させるか、又は気体から粒状物質を除去する。気体を移動させるために液体表面を使用するポンプは、付加的な液体スクラブ（洗浄）源と併せて使用され、又は単独で使用して、気体の移動及び気体からの粒状物質の除去に必要な液体源及びポンプの両方を提供することができる。

本発明の第３の態様は、気体を圧送する方法を提供し、この方法は、ポンプ・ハウジング要素又は更に別の要素の一方上の少なくとも１つの液体開口部から液体を出力することを含み、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素の他方は突出部を含み、突出部、ポンプ・ハウジング要素及び更に別の要素は、気体入口から気体出口までの通路を形成し、突出部は螺旋を含み、螺旋の軸方向面を通る断面は、螺旋が他方の要素に向かう地点においてより狭く、突出部が延びるポンプ・ハウジング及び更に別の要素の一方と前記突出部との交点においてより広くなるように変化し、少なくとも１つの液体開口部からの液体出力が液体ブレードを形成し、要素の一方の回転時に、気体を通路に沿って気体入口から気体出口へ駆動するように、ポンプ・ハウジング要素又は更に別の要素の一方を回転させることをさらに含む。

更なる特定の好ましい態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、必要に応じて独立請求項の特徴と組み合わせ、及び請求項に明示的に記載されている組み合わせ以外で組み合わせることができる。

装置の特徴部がある機能をもたらすように動作可能であると記載される場合、これは、その機能をもたらす、又はその機能をもたらように適応又は構成された装置の特徴部を含むことが理解されるであろう。

ここで、添付図面を参照して本発明の実施形態について更に説明する。

ステータ・ボア上の螺旋状突出部及びロータ上の液体開口部を有するスクリュー式ポンプ型実施形態を示す。 実施形態によるものではない、ねじ山の半径方向面を通る断面を示す。 異なる動作圧における液体ブレードの方向を概略的に示す。 実施形態による、ポンプの螺旋状ねじ山を示す。 別の実施形態による、ポンプの螺旋状ねじ山を示す。 図５のねじ山の半径方向面における断面を示す。 更に別の実施形態による、ポンプの螺旋状ねじ山を示す。 実施形態による、長手方向液体ブレードを形成するための内側構成要素上の液体開口部を示す。 実施形態による、螺旋状液体ブレードを形成するための内側構成要素上の液体開口部を示す。 シャフトの回転時に、液体開口部から排出された液体により形成される液体ブレードを有するリザーバ内の中空シャフトを示す。

実施形態について更に詳細に説明する前に、最初に概要を述べる。

実施形態は、液体から形成される高速の表面である液体ブレードを含むポンプを提供すし、この表面は、従来の真空ポンプに見られる中実の機械的表面の一部に匹敵し、気体のポケットを隔離し移動させるための物理的境界として使用される。液体は水とすることができ、例えば、蒸気圧又はプロセス互換性のようなポンプの特性を変えるために他の液体を使用することができる。

液体表面のサイズ及び形状は、従来のポンプに見られる剛性の硬い表面とは異なり、他のポンプ要素の相対位置に適合し、また、これらの表面に大きな摩耗を引き起こすこと又は厳しい公差に依存することなく、又は圧送される気体又は流体の流れ中の粒状物質に敏感ではなく他の表面との良好なシールも提供する。

液体「ブレード」は、孔又はスロットから生じる連続した液体ストリームから形成される。幾つかの実施形態において、液体ブレードは、ポンプのロータを形成する回転要素内にある。液体ストリームは、他のポンプ・ハウジング要素に向かって高速で移動する。液体を１つの要素から他の要素に高速で駆動するために必要な圧力は、回転要素の遠心作用、加圧液体源、又はこの２つの組み合わせによって達成することができる。

要素の間に形成される突出部は、液体ブレードが、ポンプ・ハウス要素の一方の回転時に気体を駆動することができる螺旋状通路を定める。突出部は、ポンプの一方の長手方向端部の入口から対向する長手方向端部の出口までの通路を形成する。

図１は、更に別の要素１０が、ポンプ・ハウジング要素２０内に取り付けられた実施形態を示す。この実施形態において、突出部２５は、ポンプ・ハウジング要素２０の内面から延びるねじ山である。この雌ねじ２５は、螺旋の形態である。これは、長手方向スロットを有する図８の内側構成要素又は螺旋状スロットを有する図９のものと共に使用することができる。

この実施形態において、内側構成要素１０は、液体リザーバ３０内に下端部を有するように回転可能に取り付けられる。内側構成要素又はロータ１０の回転時に、液体は中空シャフトを上昇し、液体開口部を通って出力されて長手方向の液体ブレード４０を形成し、液体ブレード４０は、ねじ山２５、ステータ・ボア２０及びロータ１０によって定められる螺旋状通路に沿って、気体入口５０から気体出口５２へ気体を掃引する。事実上、液体表面４０は、ねじ山の形態に沿って閉じ込められた「ポケット」を作成し、液体表面が回転するにつれて、ポケットは気体入口から気体出口に向かって移動する。ねじ山の形状は、チャネルを横切る適切なシールを提供するように、液体表面の曲率に適合させることができる。

本実施形態において、ねじ山はステータ上にあり、ロータは回転するが、螺旋状通路が構成要素の一方の表面上の機械的ねじ山又は突出部によって形成される場合、それは、必要とされる２つの構成要素の間の相対運動に過ぎず、従って、ねじ山はロータ上にあり、ステータは液体出口を有することができる。この点で、ステータは固定部であり、ロータは回転部であり、ロータは、内側構成要素とすることができ、又は外側構成要素とすることができる。後者の場合、ステータは、回転する外側構成要素内のシリンダである。本実施形態において、ステータ及びロータは、同心円状に取り付けることができる。液体開口部が静的構成要素上にある場合、例えば加圧液体源に接続することなどによって、液体開口部から液体を駆動する異なる方法が必要とされる。

本実施形態において、液体出口は、垂直方向に延びるスロットとして示されるが、この形状に従う複数の隣接する液体出口とすることができ、又は気体入口５０と気体出口５２との間の構成要素の長手方向軸に沿って延びるが、異なる形状を有することができる。

機械的ねじ山２５を有する利点は、液体が対向する表面に当たるとき、液体の逆移動に対する耐性が増大すること、及び液体を出口に向かって駆動し、ポンプを横切る高い圧力比を達成することである。

こうした配置に関連する１つの潜在的問題が、図２に関連して示される。図２は、図１のポンプを通る断面を概略的に示す。単一のテーパ状でないねじ山を有するこの場合、水ブレード４０は、壁に到達する前にねじ山２５の表面プロファイルによって阻止され得る。

図２は、回転体によって出口から排出された水が、どのように回転体の移動方向に移動し続け、他の力を考慮に入れない場合、線４０で示されるようなロータの接線方向にあるブレードを形成するかを概略的に示す。ブレードが地点１から地点２に回転するにつれて、実質的に均一の狭い矩形半径方向断面を有する従来のねじ山２５は、ブレード４０が、ブレードの特定の位置においてステータに到達するのを阻止し、これにより、密封されない領域６０が生じる。この領域は、上から下までねじ螺旋の通路に従い、ステータの上部と下部との間に漏れ通路を生じさせる。

実施形態は、ポンプが作動できる異なる圧力条件下で、水ブレードが外壁に到達するのを可能にするように、突出部又はねじ山２５の表面プロファイルをブレード・プロファイルの極端に適合させることにより、これに対処しようとする。

図３は、ブレードのプロファイルが、異なるブレード間の圧力差（ＰＤ）によってどのように変化するかを概略的に示し、可能なブレード・プロファイル４０ａ及び４０ｂが示される。ブレード縁４０ａは、ブレード間に圧力差がない場合を概略的に表し、それは、例えば始動時の状態である。ブレード縁４０ｂは、ブレードを横切るより大きい最大圧力差がある場合を概略的に表す。これらの表現は概略的なものであり、ロータの回転運動などのブレードの形状に影響を与える他の要因を考慮に入れていないことに留意されたい。実際には、ブレード４０ｂの形状は、どちらかというと涙滴形又は半円形であってもよく、曲線はロータの回転方向に延びる。

ブレードの異なる可能な幾何学的形状を念頭に置くと、チャネルの設計は、ＤＰ＝０であってもシールを生成するべきである。そうでない場合には、初期圧力差の生成は困難である。ブレード縁４０ａは、シールを生成するための１つの極端な場合ＤＰ＝０ｍｂａｒを想定し、一方、線４０ｂは、シールを生成するための他の極端な場合、例えばＤＰ＝最大値を想定する。他の圧力差におけるブレードの位置は、２つの極端の間にある。

図４は、対向する壁に到達するのがねじ山プロファイルによって阻止されるブレードにより形成される潜在的な漏れ通路を回避する又は少なくとも抑制するように、ねじ山の断面（及び初期部分）が適合される実施形態に従った、螺旋状ねじ山の異なる図を示す。

図４ａは、ねじ山の等角図を示す。

図４ｂは、上の図の線Ｂ－Ｂを通る断面を下の図において示す。この傾斜したねじ山を通る水平方向又は半径方向断面を見ると分かるように、ねじ山の、ステータ壁に近い部分がより厚く、従って、ねじ山を通る断面は、このセクションが中心に向かって該セクションよりもさらに遠くまで延びている。このように、水平方向又は半径方向面において、傾斜したねじ山の断面は、ブレードが壁に到達するのを阻止しない円セクションの形状を形成する。これは、水が壁に到達しない「影」をもたらす、図２の傾斜した実質的に線形のねじ山の断面とは対照的であり、その形状は、水ブレードのための影を形成しない。

図４Ｃは、軸方向又は垂直方向面における、ねじ山のテーパ状プロファイルを示す。見て分かるように、このプロファイルは、中線に関して対称であり、実質的に放物線状プロファルを有する。中線は、ステータの壁に垂直である。このプロファイルにより、垂直方向の水ブレードが、ねじ山の表面から引き離されることなく上を通り、縁壁に到達し、それによりあらゆる気体の漏れを抑制する表面が提供される。

図５は、ノズルから放出された粒子の伝達通路の２つの極端に適合するような、ねじ山の許容可能な最小断面プロファイルを示す更に別の例を示す。この例では、時計回りの回転方向に対する後縁が、内側回転要素の接線に平行な縁部を有する。これは、圧力差がなく、粒子が接線に沿って移動する水ブレードの通路に対応する。この断面は、詳細Ｃに示されるねじ山の上面の、主に放物線状の垂直方向プロファイルを定める。最大圧力差の他方の極端では、粒子は間隙の半分に等しい曲率半径で移動し、これが下面のプロファイルを定める。

図６は、最小面積の突出部の半径方向断面をより詳細に示し、これにより、後縁（時計回りに回転したときに遭遇する第２の縁部）は、圧力差がゼロのときには水ブレードの線に従い、前縁（ブレードが遭遇する突出部の第１の縁）は、圧力差が最大のときには水ブレードの形状に従う。

図５及び図６に示される突出部は、ねじ山の例であり、前縁及び後縁は、ポンプの動作の両極端にあるブレードの通路によって定められ、突出部の水平方向又は半径方向断面は最小値又はより低い値である。外壁との頂部において後縁の角度をより鋭角にし、前縁を反時計回り方向にさらに延ばすことによって、突出部の面積を拡大することができる。

例えば、前縁を内側要素の接線に対して垂直にすると、これは突出部の平坦な下面に対応し、それにより機械加工が容易になるので有利である。これは図７に示される。或いは、対称的な突出部は、ブレードが丸みを帯びた表面に付着する傾向があるという利点があり、この場合、断面は図４の円セグメントの形状を有し、一方、突出部の軸方向断面は外側放物線形状を有する。

幾つかの実施形態において、内側構成要素１０上の液体開口部は、ねじ山２５によって形成される螺旋状通路に沿って気体を駆動する軸方向ブレードを提供するために、図９に示されるような長手方向の形態を有することができる。他の実施形態において、内側構成要素１０は、螺旋状ブレードを提供するために、螺旋形状の液体開口部を有することができる。

液体開口部が螺旋形状を有し、螺旋状ブレードを形成する場合、ねじ山とブレードの螺旋形状が反対方向に進行し、螺旋状ねじ山が時計回りの方向に下降する場合、螺旋状ブレードは反時計回りの方向に下降する。

図８及び図９は、実施形態のポンプの内側構成要素上の液体開口部１５の異なる配置を示す。図８において、開口部１５は、内側構成要素１０に沿って長手方向軸方向に配置され、動作時に、外側構成要素上の突出部によって定められる通路に沿って気体を掃引するための長手方向ブレードを提供する。各ブレードは、１つの長手方向スロットによって形成することも、又は内側構成要素の長さに沿って配置された複数の液体開口部によって形成することもできる。複数のブレードは、内側構成要素の異なる円周方向位置に設けることができる。

図９は、液体開口部が螺旋状であり、動作時に螺旋状ブレードを提供する代替的な実施形態を示す。図示される実施形態において、螺旋は、１つの螺旋状スロットから形成されるが、他の実施形態においては、螺旋状通路に沿って配置された複数の開口部から形成することができる。

液体ブレードは、開口部を通して液体を駆動することによって形成される。これは、例えば加圧液体源を用いて、様々な方法で行うことができる。しかしながら、液体開口部がポンプのロータ上にある幾つかの実施形態においては、液体を駆動するための力は、ロータを回転させるために使用される駆動機構によって提供される。

図１０は、液体リザーバ３０内での中空ロータ１０の回転時に、どのように液体が液体開口部を通って駆動され、液体ブレードを形成するかを示す。図１０は、実質的に円形のステータ・ボア２０内で回転するように構成された実質的に円形の中空シャフト１０を通る断面を示す。シャフトは、ポンプのロータ１０を形成し、ステータ・ボア２０の内径よりも小さい外径を有する。シャフト及びステータの軸は垂直方向に配向され、自由端の中空シャフトの基部は、液体リザーバ３０内に浸漬される。

図１０は、ロータの回転時に、液体タンク３０からの液体３２がシャフト１０を上昇するのを示す。シャフト１０の中空ボアには、液体リザーバのレベルよりも下方に位置する直径１２の内部増加部があり、シャフトが回転して、遠心力によって液体を加速させ、シャフトの内部を汲み上げ、次に、シャフトの穴又は細長いスロット（図示せず）から出して、シャフト又はロータ１０とステータの内側ボア２０との間に連続的な液体表面４０を形成する。液体は、ステータ・ボア２０の内壁を流れ落ちてリザーバ３０に戻る。これは、ステータの内側ボア２０に接触する液体、一部の実施形態では水が、重力下でボアを下方に移動し、リザーバを満たす連続的なサイクル・ベースである。矢印は、単一の表面又はブレード４０を生成するための液体の流れの方向を示すことに留意されたい。

シャフト内の液体は、遠心力下で穴／スロットを通って押し込まれ、ステータ・ボアに向かって移動し、複数の液体表面４０を形成し、これらは、ロータ１０が回転する際にポンプを通して気体を駆動するブレードを形成する。

上述した実施形態の多くにおいて、液体表面を提供する液体循環は、液体に遠心力を与える回転ロータによって生成されるが、幾つかの実施形態では、液体循環を生成する別の方法、すなわち高圧液体源のものが使用される。

このような高圧液体供給又はポンプは、別個に使用することもでき、又は調整されたシャフトの回転と共に使用することもでき、ポンプ性能要件に応じて流体速度とシャフト周波数の両方の独立した変動が可能になりし、制御可能な効率とポンプのチューニングを可能にする。

幾つかの実施形態において、ポンプを湿式スクラブ環境において使用することができ、ポンプ機能を湿式スクラブに統合することができ、こうした実施形態において、液体ブレードは、利点を有する。この点で、液体ブレード・ポンプの１つをプロセス気体流に沿って配置することによって、真空生成に加えて、ポンプを湿式スクラブに使用することができる（例えば、除去システムの出口（又は入口）上で）。

モータ及び周波数インバータ、又はベルト駆動装置のような、シャフトを駆動するための手段が必要な場合、そうした駆動システムは、液体が駆動手段に漏れるリスクを減らすために、シャフトの上部に配置することが好ましい場合がある。

要約すると、実施形態は、液体出口からの放出を満たす又はこれを超える液体の循環を達成できる場合に効果的に機能する。これにより、ブレードが連続した表面として維持する助けとなる。液体出口のサイズ、使用される液体のタイプ、液体の速度、要素とブレードとの間の距離、ブレードの長さ及び回転速度などの多くのパラメータは全て、液体表面の形成及び維持に影響を与えることに留意されたい。従って、これらの特徴は、電力消費、ポンプ容量及び圧縮のような、特定のポンプに必要な特性に応じて選択する必要がある。

本発明の例示的実施形態は、添付図面を参照して本明細書で詳細に開示されているが、本発明は正確な実施形態に限定されないこと、並びに、添付の特許請求の範囲及びこれらの同等物によって定められるような本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって種々の変更及び修正を本明細書で達成できることが理解される。

１０：回転要素
１５：液体開口部
２０：ポンプ・ハウジング要素
２５：突出部
３０：液体リザーバ
３２：リザーバからの液体
４０、４０ａ、４０ｂ：液体ブレード
５０：気体入口
５２：気体出口
６０：気体漏れ通路

Claims (27)

1. 気体を圧送するためのポンプであって、
   ポンプ・ハウジング要素及び更に別の要素を含み、
   前記ポンプ・ハウジング及び前記更に別の要素の一方は、前記他方の要素に向かって延びる突出部を備え、前記他方の要素は少なくとも１つの液体開口部を備え、
   前記突出部、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素は、気体入口から気体出口までの通路を形成し、
   前記更に別の要素は、前記ポンプ・ハウジングのボア内に同心円状に取り付けられ、前記ポンプ・ハウジング及び更に別の要素は、互いに対して回転可能に取り付けられ、
   前記突出部は螺旋を含み、該螺旋の軸方向面を通る断面は、前記螺旋が前記他方の要素に向かう地点においてより狭く、前記突出部が延びる前記ポンプ・ハウジング及び前記更に別の要素の一方と前記突出部との交点においてより広くなるように変化し、
   前記少なくとも１つの液体開口部は、前記少なくとも１つの液体開口部からの液体出力が液体ブレードを形成するように構成され、前記液体ブレードは、前記要素の一方の回転時に、気体を前記通路に沿って前記気体入口から前記気体出口まで駆動するように動作可能である、
   ことを特徴とするポンプ。
2. 前記突出部は、前記突出部が延びる前記要素から前記突出部に沿った１０％の地点において、前記突出部に沿った９５％の地点におけるよりも少なくとも２倍広く、好ましくは４倍よりも広い、
   請求項１に記載のポンプ。
3. 前記少なくとも１つの突出部の上面は実質的に放物線形状を有する、
   請求項１または２に記載のポンプ。
4. 前記少なくとも１つの突出部は前記ポンプ・ハウジング要素から延び、かつ前記突出部が前記ポンプ・ハウジング要素を、前記更に別の要素から接線方向外方に延びる水ブレードからマスキングしないように、半径方向面を通る断面を有する、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載のポンプ。
5. 前記少なくとも１つの突出部は、前記ポンプ・ハウジング要素から延び、かつ前記ポンプ・ハウジング要素を、前記突出部が前記更に別の要素から直角に延びる水ブレードからマスキングしないように、半径方向面を通る断面を有する、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載のポンプ。
6. 前記少なくとも１つの突出部の下面は平坦である、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載のポンプ。
7. 前記半径方向平面における前記突出部の前記断面の回転方向に対する後縁は、前記後縁が前記更に別の要素の接線に平行な最大角度と、前記最大角度よりも最大１５％小さい角度との間の前記ポンプ・ハウジング壁の接線に対して鋭角である、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載のポンプ。
8. 前記半径方向平面における前記突出部の前記後縁は、前記表面が前記更に別の要素の接線に実質的に平行であるように角度が付けられている、
   請求項７に記載のポンプ。
9. 前記半径方向平面における前記突出部の前記断面の回転方向に対する前縁は、前記回転方向に湾曲し、曲率半径が前記ポンプ・ハウジング要素と前記更に別の要素との間の距離の半分に等しい曲線と、前記後縁から離れるように延び、前記更に別の要素の接線に平行な線との間にある、
   請求項１ないし８のいずれか１項に記載のポンプ。
10. 前記半径方向平面における前記突出部の前記断面の回転方向に対する前縁は、前記更に別の要素の接線に実質的に垂直な表面を含む、
    請求項９に記載のポンプ。
11. 前記少なくとも１つの突出部の下面は平坦である、
    請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のポンプ。
12. 前記突出部の軸方向断面は実質的に放物線形状を有する、
    請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のポンプ。
13. 前記突出部は、前記ポンプ・ハウジング要素の円形断面のセグメントを含む半径方向面を通る断面を有する、
    請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のポンプ。
14. 前記ポンプ・ハウジングは、動かないように取り付けられ、前記更に別の要素は回転するように取り付けられている、
    請求項１３に記載のポンプ。
15. 前記少なくとも１つの液体開口部は、回転するように取り付けられた前記要素の表面上に形成されている、
    請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のポンプ。
16. 前記突出部、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素により形成された前記通路の断面は、前記気体入口から前記気体出口へと減少する、
    請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のポンプ。
17. 前記少なくとも１つの液体開口部は、前記ポンプ・ハウジング又は更に別の要素の一方の長さの少なくとも一部に沿って延びる少なくとも１つの液体開口部を備えている、
    請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のポンプ。
18. 前記少なくとも１つの液体開口部は、前記要素の軸に実質的に平行に走る長手方向に沿って配置されている、
    請求項１７に記載のポンプ。
19. 前記少なくとも１つの液体開口部は、前記ポンプ・ハウジング又は更に別の要素の表面の周りに延びる螺旋の形状で配置されている、
    請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のポンプ。
20. 前記螺旋の角度は、前記螺旋のピッチが前記気体出口に向かって減少するように、前記気体入口から前記気体出口に向かって変化している、
    請求項１ないし１９のいずれか１項に記載のポンプ。
21. 液体リザーバをさらに含み、前記更に別の要素は回転可能に取り付けられ、かつ前記液体リザーバ内に延びる下端部に開口部を有する中空体を含み、前記中空ロータの内径は、前記下端部から増大する、
    請求項１ないし２０のいずれか１項に記載のポンプ。
22. 複数の液体開口部を備えている、
    請求項１ないし２１のいずれか１項に記載のポンプ。
23. 前記複数の液体開口部は、前記ポンプ・ハウジング要素と前記更に別の要素との間に複数の液体ブレードを形成する複数の液体ストリームを提供する、
    請求項２２に記載のポンプ。
24. 前記複数の液体出口の少なくとも１つのセットは、互いに隣接して配置され、前記複数の液体出口の前記少なくとも１つのセットからのストリーム出力が単一の液体ブレードを形成している、
    請求項２２または２３に記載のポンプ。
25. 前記ポンプは真空ポンプである、
    請求項１ないし２４のいずれか１項に記載のポンプ。
26. 除去システムから圧送される汚染物質を減少させるための湿式スクラバであって、前記湿式スクラバは、請求項１ないし２５のいずれか１項に記載のポンプを備えていることを特徴とする、湿式スクラバ。
27. 気体を圧送する方法であって、
    ポンプ・ハウジング要素又は更に別の要素の一方上の少なくとも１つの液体開口部から液体を出力することを含み、前記ポンプ・ハウジング及び前記更に別の要素の他方は突出部を含み、前記突出部、ポンプ・ハウジング及び更に別の要素は、気体入口から気体出口までの通路を形成し、
    前記突出部は螺旋を含み、前記螺旋の軸方向面を通る断面は、前記螺旋が前記他方の要素に向かう地点においてより狭く、前記突出部が延びる前記ポンプ・ハウジング及び前記更に別の要素の前記一方と前記突出部との交点においてより広くなるように変化し、
    前記少なくとも１つの液体開口部からの液体出力が液体ブレードを形成し、前記要素の一方の回転時に、気体を前記通路に沿って前記気体入口から前記気体出口へ駆動するように、前記ポンプ・ハウジング要素又は前記更に別の要素の一方を回転させることをさらに含む、
    ことを特徴とする方法。

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