JP2024508049A - 3軸スクリューポンプ用スクリュー組立体および該組立体を含むスクリューポンプ - Google Patents
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Abstract
3軸スクリューポンプ(10)のスクリュー組立体(1)は、中央スクリュー(2)と、前記中央スクリュー軸(zc)と平行な横スクリュー軸(zl)を有する前記中央スクリュー(2)に噛み合うように構成された少なくとも1つの横スクリュー(3)と、を含み、中央スクリューの外径(Φce)は、横スクリューの外径(Φle)よりも大きく、中央スクリューの内径(Φci)は、前記横スクリューの外径(Φle)よりも小さい。【選択図】図4
Description
本発明は、容積式歯車ポンプ、特に3軸スクリューポンプ用のスクリュー組立体に関する。本発明はまた、上記スクリュー組立体を含む3軸スクリューポンプにも関する。
本発明は、ギヤポンプ、特に3軸スクリューポンプが従来から使用されている様々な産業分野で有用な用途を見出すことができる。
3軸スクリューポンプが高く評価されている典型的な使用分野はリフティングシステムであるが、その他の分野でも、動力油圧、潤滑、冷却、ろ過、移送など、さまざまな用途に広く使用されている。非限定的な例として、3軸スクリューポンプが適用される他の産業分野には、リフティングシステムに加えて、石油・ガス、化学、海軍、移動、農業食品、発電および代替エネルギー、製紙産業、製薬産業が含まれる。
1923年にスウェーデンの技術者カール・モンテリウスによって設計された3軸スクリューポンプは、現在では様々な産業分野で広く使用されている容積式ポンプである。実際、このポンプは驚くべき総合効率、良好な信頼性、リーズナブルな価格、流体伝達における低レベルな放射騒音(acoustic emission)および振動を有する。
3軸スクリューポンプは、3本のスクリューセットを有し、中央駆動(リード、lead)スクリューと2本の横(lateral)従動スクリューである。好ましくは2つのらせん状のねじ山を有するスクリューは、ケーシング内に並列に取り付けられると共に互いに噛み合うことで、本体とケーシングの間に密閉容積を発生させる。このようにして形成される閉じたチャンバの数は、スクリュー(ローターとも呼ばれる)の長さに正比例し、らせん状のねじ山のピッチに反比例する。閉じたチャンバは、スクリューの回転中、吸込口から吐出口へと連続的に前進する作動流体で占められている。
3つのスクリューセットのプロファイルは、駆動スクリューのみが圧力を伝達するように設計されている。このスクリューは、ポンプの構成上、ラジアル方向の力にさらされることがないため、先に述べたような優れた総合効率を発揮する。前述のように、2つの従動スクリューは空転しており、加圧流体によって案内される。それらの回転に対する唯一の障害は、作動流体との粘性摩擦と、中央スクリューとそれらが収容されるケーシングとの摺動摩擦である。このため、スクリューの歯面(flank)は長時間の作業でも摩耗がほとんどない。
誕生からほぼ1世紀が経った今でも、3軸スクリューポンプはその作成者が考案した特徴的な外観を示しており、中央駆動スクリューと横従動スクリューの表面プロファイルの直径の典型的な比率が特徴である。ΦliとΦleはそれぞれ横スクリューの内径と外径を、ΦciとΦcはそれぞれ中央スクリューの内径と外径を示し、寸法Φli:Φle:Φci:Φceは、実際には1:3:3:5の比率に従っており、これは、流体が占める面積とスクリューの材料によって定義される固体の面積との間の可能な限り最適な比率を示すため、最適であると考えられる。
この比率では、横スクリューの外径Φleと中央スクリューの内径Φciは常に厳密に同じであることに留意されたい。これらの直径が等しいことは、先行技術では絶対的な公理とされ、どの3軸スクリューポンプの設計もそれに基づいている。
前述の直径で識別される円は、理想的なプロファイルを構成する曲線を作成するために使用されるピッチ直径、つまり、鋭いエッジを除去するために一般的に採用される変更前のプロファイルを表す。この設計を選択した背景には、等しい接線速度を持ち、反対の角速度で回転する等しい直径の2つのベースシリンダが、滑ることなくお互いの上を転がり、その結果、熱やエネルギーの分散が少なくなるという考慮がある。
さらに、横スクリューの内径Φciに対して横スクリューの外径Φleを減少させることは、摺動による摩耗と効率の低下を伴う転動を引き起こすことに加え、作動流体が捕捉される空の断面積の減少、すなわちポンプ容量の減少をもたらすため、何の利点ももたらさない。逆に、横スクリューの内径のΦciに対する横スクリューの外径のΦleの増加は、スクリューの回転中に生成されたヘリコイドプロファイルの相互貫入につながるため、先行技術の研究では不可能に思えた。
したがって、上記の等しい直径を選択すると、先行技術では、中央スクリューと横スクリューの歯面は、エピトロコイド方程式を適用することによって得られ、エピトロコイドは、半径rの円の中心から距離pの位置にある定点から、半径rbの別の円の外側に前記円を転がすことによって空間上に記述された点を結ぶことによって得られるルーレット曲線である。エピトロコイドは、それぞれのスクリューの歯面の断面形状を定義し、スクリューの回転軸に沿って前進することにより、形状は連続的に回転し、らせんを定義する。
図5では、先行技術に関して、R1とd1は中央スクリューの歯面の構造に関するパラメータを示し、R2とd2は横スクリューの歯面の構造に関するパラメータを示している。先に述べた考察から、ベース半径rはどちらの構造でも同じである。見てわかるように、回転円の半径R1とR2は、どちらの構造でもrに等しい。さらに、中央スクリューの歯面の構成では、トレースポイントは回転円の半径r1の端に位置し、結果として得られる曲線はエピサイクロイドと呼ばれる。
したがって、設定すべき設計パラメータは、横スクリューの歯面を描き、中央スクリューの外径と横スクリューの内部をそれぞれ決定する点d2の中心からの距離だけである。このパラメータの選択は、スクリューの機械的強度に影響を与えることなく、容量、すなわち流体が占めるスクリューの容積を最適化することを目的としている。
具体的には、スクリューの直径間の一般的な比率1:3:3:5は、5/3d1に等しいd2の値を選択することによって、たとえば次のパラメータを選択することによって得られる。
R1=R2=1.5
r=1.5
d2=2.5(従動スクリューの歯面を生成する)
d1=1.5(リードスクリューまたは駆動スクリューの歯面を生成する)
R1=R2=1.5
r=1.5
d2=2.5(従動スクリューの歯面を生成する)
d1=1.5(リードスクリューまたは駆動スクリューの歯面を生成する)
これらのプロファイルは相似であるため、単純なスケール効果を使用してこの基本的な関係を作成すると、任意のサイズのプロファイルを得ることができる。
エピトロコイド方程式で生成される理想的なプロファイルは、鋭いエッジを持っていることに注意すべきである。前記エッジは容易に変形しやすい。エッジに変形があると、ポンプ動作中に騒音や異常な振動が発生したり、ポンプ自体に修復不可能な損傷を与えたりする危険性がある。さらに、エッジを工具の精度で作ることは難しく、その結果、局所的に発生し得る形状誤差により、スクリューの噛み合いに望ましくない困難を引き起こす可能性がある。
上記の理由から、先行技術では、理想的なプロファイルは一般的に、前述の鋭利なエッジ、特により鋭く、潜在的により重要なエッジを有する従動スクリューを面取りすることによって修正される。面取りは、エッジを直線で切断するという単純な方法で行うことも、円弧または楕円弧状の接続プロファイルを使用するより洗練された方法で行うこともできる。後者の解決策は、漏れや容積損失を最小限に抑えるものである。
明らかに、上記の幾何学的補正を導入すると、スクリューの歯面のライン上の完全な共役が失われるため、従動側と駆動側スクリューの両方のプロファイルを完全に再計算する必要がある。
先行技術による3軸スクリューポンプは、例えば文献US3,814,557AおよびUS2012/258000A1に開示されている。
先行技術に関連する本章で述べたように、3軸スクリューポンプは1900年代初頭に誕生し、スクリューのプロファイルは今日までほとんど変わっていないことに改めて留意すべきである。これまで導入されてきた改良は、常に構造的あるいは素材的な変更を伴うものだった。
一方で、このような広く普及している機械には、特に容量の増加と半径方向および軸方向の寸法の縮小に関して、常に改善の必要性が存在する。
したがって、本発明の技術的課題は、同様のサイズの従来技術のポンプよりも著しく大きな流量を有するスクリュー組立体および対応する3軸スクリューポンプを提供することである。
本発明の根底にある解決策のアイデアは、横スクリューの外径と横スクリューの内径が同等であるという条件を緩和することによって、スクリュー組立体とそれに対応する3軸スクリューポンプを提供することである。
純粋に理論的な観点からすれば、上記の条件は、横スクリューの内径と横スクリューの外径からなる2つのシリンダ間に滑りがないことを保証するために必要であるが、実際には直径が接触していないことが確認されている。一方では、ポンプの運転を可能にするために必然的に存在するクリアランスを考慮しなければならない。他方では、運動の伝達中にスクリュー間で交換される力は、例えば図14で特定される合力Frisにより、理論上接触している2つの表面をお互いから遠ざける反力を引き起こすことが確認されている。
一方、先行技術で前述の直径がお互いに同等に保たれているのは、第2の理由もある。前の章で説明したように、全体の容量の観点から見た直径の唯一の有利な変更は、横スクリューの内径のΦciに対する横スクリューの外径のΦleの増加である。しかし、この変更は、スクリューのプロファイル間の貫通につながるため、不可能と考えられていた。
しかし、この理論的な観点では、加工時に実際に導入されるプロファイルの変化、特にプロファイルの鋭角部分に施される面取りが十分に考慮されていないことが確認された。これらの幾何学的補正は、相互貫入が発生したであろう場所で正確に行われ、エッジを発生させたピッチ直径の範囲内にある。このため、理論的な相互貫入は、エッジの面取りという技術的な必要性を利用することで、実際には避けることができる。
同等条件の緩和は、全く新しい設計観点をもたらし、先行技術の固定したプロファイルを再考することを可能にし、その結果、より大きな流体捕捉面積を得ることができ、最終的に同じ外径のスクリューで流量を増加させることができた。
本発明では、プロファイルの定義に影響を与えるさまざまなパラメータを考慮し、直径間の同等条件の緩和が達成された。まず、正しく回転する(rolling)ために3軸スクリューセットに必要なクリアランスを検討した。そのため、流体漏れを発生させるような不均衡をプロファイルに生じさせないために、理論式に加えられる補正の最大範囲が検証された。最後に、工作機械による加工性や部品自体の機械的強度を考慮し、横スクリューで達成可能な最小内径を技術的観点から評価した。
したがって、上記で明らかになった技術的問題は、請求項1に従ってスクリュー組立体によって、また請求項16に従ってそれぞれの3軸スクリューポンプによって解決される。
したがって、3軸スクリューポンプのためのスクリュー組立体であって、中央スクリューと、横スクリュー軸が中央スクリュー軸に平行な状態で前記中央スクリューと噛み合うように配置された少なくとも1つの横スクリューとを含み、中央スクリューの内径が横スクリューの外径より大きく、横スクリューの内径が横スクリューの外径より小さいことを特徴とするスクリュー組立体。スクリューは両方とも、一定のピッチを有する1つ以上のらせん状のねじ山を含む。
横スクリューの内径は、横スクリューの外径の60%から99%までに含まれることが好ましく、より好ましくは68%から98%まで、さらに好ましくは85%から92%までである。
好ましくは、横スクリューの内径はそれぞれのピッチ円の直径より小さく、横スクリューの外径はそれぞれのピッチ円の直径より大きい。
好ましくは、横スクリューの外径はそれぞれのピッチ円の直径の1倍から1.3倍までに含まれ、より好ましくは1倍から1.2倍までに含まれ、さらに好ましくは、横スクリューの外径はそれぞれのピッチ円の直径の1.1倍に等しい。
好ましくは、中央スクリューと横スクリューの軸間の距離は、中央スクリューの外径の1/2より大きく3/5より小さい。
中央スクリューと横スクリューの軸間の距離は、好ましくは中央スクリューの外径の52%から56%までで構成され、さらに好ましくは54%に等しい。
本発明の歯車および装置の特徴および利点は、添付図面を参照して非限定的な例として与えられるその実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。
上の図1を参照すると、3軸スクリューポンプは全体的に参照番号10で示され、参照番号1はその上に組み立てられたスクリュー組立体2、3を示す。前述のように、本発明は、特に、前記スクリューのプロファイル20、30に関連する2、3であり、図10~13において、先行技術の対応するプロファイル20’、30’に面している。新しいプロファイル20、30は、先行技術の対応するプロファイル20’、30’に対して、ポンプで送られる流体が捕捉される補足容積Vを断面で画定する。
図は概略図を表しており、一定の縮尺で描かれておらず、代わりに本発明の重要な特徴を強調するために描かれていることは注目に値する。さらに、図では、異なる要素の形状が所望の用途に応じて変化する可能性があるため、それらの要素は概略的に示されている。また、図面において、同一の参照番号は、形状または機能が同一の要素を指すことにも留意されたい。
公知の態様において、3軸スクリューポンプ10は、吸込口Sと吐出口Dとを有するポンプ本体5を含む。ポンプ本体内には、駆動軸4と一体の駆動(lead)中央スクリュー2と、2つの従動横(lateral)スクリュー3とを有するスクリュー組立体1が組み立てられている。横スクリュー3の軸zlと中央スクリュー2の軸zcは互いに平行であり、スクリューは互いに噛み合っている。中央スクリュー2の回転運動は、このように2つの横スクリュー3を動かし、図4に示されるように、対向するねじ山の間に囲まれた空間において、吸込口Sから吐出口Dへ流体Fを運ぶ。
中央スクリュー2は、固定ピッチpcの2つのねじ山21、22を有し、横スクリュー3も中央スクリュー2と同じピッチplの2つのねじ山を有する。
したがって、中央スクリュー2のプロファイル20は、断面において、顕著に凸状の歯面によって円筒形の底部に結合された2つの円形の頂部を有する。
横スクリュー3のプロファイル30はまた、断面において、顕著に凹んだ歯面によって円筒形の底部に結合された2つの円形の頂部を有する。
既知の方法では、2つの横スクリュー3は互いに同等であるか、または同じプロファイル30を有することに留意されたい。
前述のように、本発明は、スクリュー2、3の歯面のプロファイル20、30の特定の形状に関する。
本明細書で説明する好ましい実施形態は、前記プロファイルの好ましい形状を示し、これが先行技術プロファイルからどのように得られるかを示す。
本開示の対応する段落に記載されているように、先行技術のプロファイルは、横スクリューの内径と横スクリューの外径との間の同等条件から作成される。したがって、図5に示すように、横スクリュー2の内径、すなわち横スクリュー3の外径に等しい軸間距離s'が存在する。さらに、先行技術では、横スクリューの内径はそれぞれの外径の1/3に相当し、中央スクリューの外径は内径の5/3に相当する。したがって、典型的な直径の比率は1:3:3:5である。
新しいプロファイルを得るために、まず上記の比率を変更し、スクリューの機械的耐性を損なうことなくポンプの容量を増加させることができる新しいパラメータ設定を特定する。図6に示す直径間の新しい比率Φ’li:Φ’le:Φ’ci:Φ’ceは、便宜的に0.4:2.7:2.7:5として選択され、吸込セクションを約7%増やすことができる。提案された直径に関するパラメータ設定に従い、先行技術に関しては、軸間距離Sが3から2.7に短縮された。
新しいパラメータから開始して、先行技術の分析で説明したエピトロコイド方程式を使用して、2つのスクリューの理想的なプロファイルが生成される。前述したように、エピトロコイドは、半径円の中心から一定の距離にある固定点から、その円を別の円の外側に転がすことによって、空間上に記述された点を結ぶことで得られる曲線である。この場合、円からの距離と円の半径は、2つのスクリューに選択された内径と外径によって決定される。エピトロコイドは、両方のスクリューに選択された内径と外径で定義された円に外接および内接され、図7に見える理想的なプロファイルを決定する。
決定すべきもう一つのパラメータは、エピトロコイド生成の開始点p、p’、p’’である。実際、スクリューを特徴づけるパラメータは、中央スクリュー2のプロファイルを生成するエピトロエコイドの2つの連続する始点p'、p''を結ぶ弦によって定められる角度αである。この値は、もう一方のスクリュー3の対応する角度βと一意に関連付けられる。歯の開き角αおよび歯面の開き角βと定義される前記角度は、中央スクリュー2の外形上の歯面を結合する円弧の長さ、および横スクリュー3の2つの連続する歯の間の円弧の長さを定義する。一方では、スクリューのハウジングと滑り接触する円筒面を決定し、他方では、スクリューで定義された螺旋の機械的強度を決定する。出願人は、幾何学的解析により、作動流体を捕捉するのに有効な体積は、歯の開き角αと歯面の開き角βの選択に関して不変であると判断した。このため、ポンプの能力に影響を与えることなく、トライボロジーと機械的な考慮に基づいて角度を任意に選択できる。
次に、従動横スクリュー3の理想的なプロファイルの上に追加の幾何学的形状gの適用が実行される。図8に示される前記追加の幾何学的形状gは、ピッチ直径の外側に展開し、エピトロコイド方程式によって定義される歯面fを、先に設定された横スクリューの外径Φ’leよりも大きい直径、すなわちピッチ円直径Cplよりも大きい直径の切り捨て(truncation)円Ctに結合する。したがって、追加の幾何学的形状gは、スクリューのプロファイルの面cを定義し、この面は先に特定した点pで歯面に結合する。エピトロコイドによって画定される面cと追加の幾何学的形状によって画定される歯面fとの間の接続点pは、角点ではなく変曲点であることが好ましい(角点とは、第1種の微分不可能な点を意味する)。追加の幾何学的形状gは、設計上の選択に従って適切に選択できる。たとえば、楕円曲線またはスプライン関数にできる。
横スクリュー3の最終プロファイルが得られたら、中央スクリュー2のプロファイルを補間によって求める。最終的な2つのプロファイルを図9に示す。お気づきのように、エピトロコイドによって画定された中央スクリュー2の面c’の基部には、ピッチ円Cpcに対する新しい内円への接続歯面f’が形成されている。したがって、プロファイルの再定義により、2つのスクリューの内径と外径が変化することになる。特に、横スクリューの内径Φciは横スクリューの外径Φleより小さくなった。前述のパラメータ設定を使用すると、最終的な直径Φli:Φle:Φci:Φceの比率は0.4:2.97:2.43:5になる。
図7に示された理想的なプロファイルに対して行われた修正により、スクリューが同じ直径の場合、ポンプ容量はさらに約10%増加する。従って、先行技術と比較した場合、全体的な能力の増加は約17%に相当する。さらに、スクリューの軸間距離が小さくなるため、ポンプの半径方向の寸法が小さくなる。
上述の改良点は、図12、13で明らかに見ることができる。実際、ハッチングを施した部分は、スクリューの外径が同じであっても、ポンプで汲み上げられた流体が占めることのできる自由な前面容積が増加し、その結果、容量が増加したことを表している。
本発明によるポンプの利点は、特に半径方向の寸法がコンパクトであることに起因するが、同じ流量の場合、スクリューのピッチが短くなるため、軸方向の寸法もコンパクトになる。
さらに、ポンプの構造に必要な材料の量が少ないため、製造コストが抑えられるという利点もある。
本発明によるポンプのその他の利点は、その性能に関するものである。特に、ポンプの容積効率は同じだが、圧力リップルが改善され、騒音が減少し、正味吸込ヘッド(NPSH)が低くなる。
明らかに、当業者は、偶発的かつ特定のニーズを満たすために、上述の歯車および装置にいくつかの変更および変形を加えることができ、それらのすべては、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の保護範囲に含まれる。
Claims (16)
- 一定ピッチの1つ以上のねじ山を有する中央スクリュー(2)と、
前記中央スクリュー(2)に噛み合うように構成され、それぞれが前記中央スクリュー軸(Zc)に平行な横スクリュー軸(Zl)を有する2つの横スクリュー(3)と、を含み、
中央スクリューの外径(Φce)は、横スクリューの外径(Φle)よりも大きく、
中央スクリューの内径(Φci)は、前記横スクリューの外径(Φle)よりも小さいことを特徴とする
3軸スクリューポンプ(10)のスクリュー組立体(1)。 - 前記中央スクリューの内径(Φci)は、前記横スクリューの外径(Φle)の60%から99%に含まれる
請求項1に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記中央スクリューの内径(Φci)は、前記横スクリューの外径(Φle)の85%から92%に含まれる
請求項2に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記中央スクリューの内径(Φci)は、それぞれのピッチ円(Cpi)の直径よりも小さく、前記横スクリューの外径(Φle)は、それぞれのピッチ円(Cpl)の直径よりも大きい
請求項1~3のいずれか1項に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記横スクリューの外径(Φle)は、前記それぞれのピッチ円(Cpl)の前記直径の1倍から1.3倍に含まれる
請求項4に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記横スクリューの外径(Φle)は、前記それぞれのピッチ円(Cpl)の前記直径の1.1倍に等しい
請求項5に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記横スクリュー(3)の前記断面プロファイルは、エピトコロイドに沿う歯面(f)を有し、前記歯面(f)は、面(c)によって切り捨て円(Ct)に結合されている
請求項1~6のいずれか1項に記載のスクリュー組立体(1)。 - 歯面(f)および面(c)は、前記横スクリュー(3)の前記断面プロファイルの変曲点に接続する
請求項7に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記横スクリュー(3)の前記面(c)は、曲線状であり、角点(第1種の非微分点)を介さずに前記歯面(f)および前記切り捨て円(Ct)に接続されている
請求項7または請求項8に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記中央スクリュー(2)の前記断面プロファイルは、エピトコロイドに沿う面(c’)を有し、
前記面(c’)は歯面(f’)によってベース円(Cb)に結合されている
請求項7~9のいずれか1項に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記中央スクリュー(2)と前記横スクリュー(3)の前記軸間の前記距離(S)は、前記中央スクリューの外径(Φce)の半分よりも大きく、3/5よりも小さい
請求項1~10のいずれか1項に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記中央スクリュー(2)と前記横スクリュー(3)の前記軸間の前記距離(S)は、前記中央スクリューの外径(Φce)の52%から56%に含まれる
請求項11に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記中央スクリュー(2)と前記横スクリュー(3)の前記軸間の前記距離(S)は、前記中央スクリューの外径(Φce)の54%に等しい
請求項12に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記横スクリュー(3)は、互いに等しく、前記中央スクリュー軸(zc)に平行な横スクリュー軸(zl)を有し、前記中央スクリューの両側で噛み合うように構成される
請求項1~13のいずれか1項に記載のスクリュー組立体(1)。 - 前記中央スクリュー(2)は、等ピッチ(pc)を有する第1のねじ山(21)と第2のねじ山(22)を含み、
両方の横スクリュー(3)は、等ピッチ(pl)を有する第1のねじ山(31)と第2のねじ山(32)を含み、
前記中央スクリュー(2)のねじ山の前記ピッチ(pc)は、前記横スクリュー(3)のねじ山の前記ピッチ(pl)と同じである
請求項14に記載のスクリュー組立体(1)。 - ポンプ本体(5)と、
吸込口(S)と、
吐出口(D)と、
請求項14または15に記載のスクリュー組立体(1)と、を含み、
前記メインスクリュー(2)と前記横スクリュー(3)は、前記ポンプ本体内に回転式に配置されると共に、噛み合わされており、
前記メインスクリュー(2)の前記横スクリュー(3)の回転は、流体(F)を前記吸入ポート(S)から前記吐出口(D)へ移動させる
3軸スクリューポンプ(10)。
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