JP4549857B2 - スクリューポンプ及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、歯形状が同一で互いにねじれ方向が逆の一対のスクリューロータを噛み合わせ、同期して反転させて流体を吸い込みかつ吐出するスクリューポンプ及びその運転方法に関するものである。

従来から、特開平８−１８９４８５号公報（以下、特許文献１という）に示すように、タイミングギヤを介して一対のスクリューロータを非接触の状態で同期反転させて気体を吸い込みかつ吐出するスクリュー機械の例が知られている。この特許文献１には、設計・製造が容易なスクリューロータの歯形の例が紹介されている。すなわち、歯形状が同一で互いにねじれ方向が逆の一対のスクリューロータにおいて、その軸方向に沿った歯形状（以下、軸断面形状という）が、共に直線でピッチ線を挟んで等距離にあって互いに長さが等しい外周部および歯底部と、外周部と歯底部とを連結する２つの曲線とで構成されている。２つの曲線のうちの一方はピッチ線との交点であるピッチ点に対して点対称であって外周部および歯底部とを滑らかに連結している。他方の曲線は、軸直角断面上において相手側スクリューロータの外周上の点で創成されるトロコイド曲線によって決定される。

また、特開平９−３２４７８０号公報（以下、特許文献２という）には、２つの回転軸に固定された２対のスクリューロータを２軸同期ブラシレス直流モータにより駆動し、タイミングギヤを用いる事無く同期反転するスクリュー機械の例が示されている。

特許文献１の例ではスクリューロータを非接触で同期して反転させる手段としてタイミングギヤが必要である。一方、特許文献２のスクリュー機械では、２軸同期ブラシレス直流モータのマグネットカップリングによりタイミングギヤが無くても同期反転させることが可能である。しかしながら、いずれの場合でも、ポンプの吐出圧力の急激な変動等の外乱により、スクリューロータ同士が接触してしまう場合があった。従来の歯形では、スクリューロータ同士がピッチ線上でのみ接触するとは限らず、他の場所でも接触してしまう。このため、スクリューロータの接触する部分が互いに相対移動し、スクリューロータの接触部分が発熱し、摩耗したり、さらには、スクリューロータ同士が強く接触して拘束してしまう原因となっていた。そのため、特にマグネットカップリングを用いて同期反転させる方式においては、タイミングギヤを用いる場合に比べてスクリューロータ間のクリアランスを大きくする必要があり、スクリュー機械としての性能が低下していた。

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたもので、スクリューロータ間のクリアランスを小さくしてポンプ性能を向上させると共に、スクリューロータ同士が接触する場合においてもスクリューロータが摩耗したり、噛み込んだりすることを防止することができるスクリューポンプ及びその運転方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、歯の形状が同一で、互いにねじれ方向が逆の一対のスクリューロータを噛み合わせ、同期して反転させて流体を吸い込みかつ吐出するスクリューポンプにおいて、前記スクリューロータの歯は、対向する一対のテーパー面を有し、かつ前記テーパー面がピッチ線上でのみ接触する軸断面形状を有していることを特徴とする。

また、上記本発明は、前記スクリューロータの歯の軸断面形状が、前記ピッチ線を挟んで概略等距離にある外周部及び歯底部と、該外周部と歯底部とを連結する２つの連結部とで構成され、前記２つの連結部のうちの一方は、前記歯底部から前記外周部に向かって歯幅が小さくなるように前記スクリューロータの軸方向と垂直な方向に対して傾きを持った線であり、前記テーパー面は、前記２つの連結部のうちの前記一方から構成されることを特徴とする。
また、上記本発明は、前記傾きを持った線のピッチ線から前記外周部までの傾き角は前記歯底部からピッチ線までの傾き角よりも大きいことを特徴とする。
更に、上記本発明は、前記スクリューロータの歯は、前記テーパー面とは反対側に一対のトロコイド面を有し、前記トロコイド面は、相手側スクリューロータの外周上の点で創成されるトロコイド曲線或いはトロコイド曲線に近似した曲線から構成され、前記２つの連結部のうちの他方は、前記トロコイド曲線或いはトロコイド曲線に近似した前記曲線に対応することを特徴とする。

互いに噛み合う上記スクリューロータにおいて、互いに対向する外周部と歯底部との間に所定のクリアランスを保つように２本の軸間距離を一定にしたまま片側のスクリューロータを回転させた場合、２つのスクリューロータは次の２通りの形態で接触する。
１つは、トロコイド曲線からなる面（以後、トロコイド面と呼ぶ）同士が接触する場合である。しかし、トロコイド曲線というのは相手側スクリューロータの外周上の１点で創成される曲線のことであるから、トロコイド面同士をピッチ線上でのみ接触させることは不可能である。従って、トロコイド面における接触は避けなければならないのでトロコイド面同士の間には所定のクリアランスを設ける必要がある。このように、トロコイド面同士は非接触であることが前提となるので、トロコイド曲線は厳密なものでなくともトロコイド曲線に近似したものであっても良い。

もう１つは、傾きを持った線で構成される面（以後、テーパー面と呼ぶ）同士が接触する場合である。従来の歯形では、この傾きを持った線がピッチ線との交点であるピッチ点に対して点対称であったため、これらのテーパー面同士は傾きを持った線の全長に渡って接触する。このため、接触する部分が互いに相対移動し、接触部分において発熱し、摩耗してしまう。従って、テーパー面同士の接触を避けるため、所定のクリアランスを設けて完全に非接触としていた。本発明においては、このテーパー面の形状、即ち傾きを持った線に改良を加えており、傾きを持った線の歯底部からピッチ線までの傾き角よりもピッチ線から外周部に至る傾き角を若干大きくしている。これにより、テーパー面同士はピッチ線上でのみ接触することになる。ピッチ線上ではスクリューロータの接触部位は相対移動しないので発熱することがない。また、駆動力を上記接触部位を介して一方のスクリューロータから他方（すなわち、相手側スクリューロータ）に伝達させることができ、互いのスクリューロータを反対方向に同期して回転させることができる。

つまり、上述した本発明によれば、テーパー面同士の接触を積極的に利用することが出来る。例えば、吐出圧力が低く駆動力も小さな小型のポンプ等においては、片軸のみを駆動して、タイミングギヤの代わりにこのテーパー面での転がり接触によりもう片軸を従動させることも可能である。また、スクリューロータ同士を非接触とする場合でも、従来のスクリューロータに比べてテーパー面間のクリアランスを狭めることができる。すなわち、仮にスクリューロータ同士が接触しても、上述したように、テーパー面同士が転がり接触することになるので、テーパー面間のクリアランスを小さく設定することができる。従って、ポンプ性能を向上させることができる。

本発明の好ましい態様は、前記一対のスクリューロータの回転軸に一対のマグネットロータを取り付け、前記マグネットロータの磁極数は互いに同一であり、前記マグネットロータを異磁極同士が引き合うように配置したことを特徴とする。
先に述べたように、本発明によれば、片軸のみを駆動してテーパー面同士の転がり接触により他方のスクリューロータを回転させる、いわゆるトラクションドライブが可能ではある。しかしながら、非接触駆動に比べると転がり摩擦により大きな駆動力が必要になる。そこで、一対のスクリューロータをタイミングギヤを用いずに滑らかに同期して反転させる手段としてマグネットロータを設けることにより、トラクションドライブであっても駆動力を低減させることができる。

本発明の好ましい態様は、前記マグネットロータの少なくとも１つの径方向外側に配置した鉄心と巻線とから成る複数相の電機子への通電の切り替えにより前記マグネットロータの少なくとも１つを駆動し、前記一対のスクリューロータを同期反転させることを特徴とする。
本発明によれば、少なくとも１つのマグネットロータをブラシレス直流モータとして駆動し、マグネットロータのマグネットカップリング作用と合わせて一対のスクリューロータを同期反転させることができる。

上述した特許文献２に示すように、従来から、タイミングギヤを用いずに２軸同期ブラシレス直流モータを用いてスクリューロータを同期反転させるスクリュー機械が知られている。これに対し、本発明では、トラクションドライブが可能であることから、必ずしも２軸同期ブラシレス直流モータを用いる必要はなく、一対のマグネットロータを同時に駆動する必要はない。従って一対のマグネットロータの外周上の磁極のうち、一部分の磁極を使用することにより簡便な駆動源、即ちブラシレス直流モータを構成することができる。また、片側のマグネットロータを軸方向に延長して延長部を形成し、この延長部の外周面に近接して電機子を配置してもよい。

本発明に好ましい態様は、前記一対のスクリューロータの回転軸に複数対のマグネットロータを取り付け、前記マグネットロータの磁極数は各対ごとに互いに同一であり、前記マグネットロータを異磁極同士が引き合うように配置したことを特徴とする。
スクリューロータ同士を非接触とする場合は、マグネットカップリング作用を強化することが必要となる。本発明によれば、駆動源となるマグネットロータとは別に他のマグネットロータを設けることにより、マグネットカップリング作用を強化することができ、スクリューロータを非接触で回転させることができる。

本発明の他の態様は、歯の形状が同一で、互いにねじれ方向が逆の一対のスクリューロータを有するスクリューポンプの運転方法において、前記スクリューロータの対向する一対のテーパー面をピッチ線上でのみ接触させながら、前記一対のスクリューロータのうちの一方を駆動することにより前記一対のスクリューロータを同期して反転させて流体を吸い込みかつ吐出することを特徴とするスクリューポンプの運転方法である。

以上説明したように、本発明によれば、スクリューロータの対向する一対の歯面同士はピッチ線上でのみ接触することから、接触による摩耗や噛み込みを防止することができる。さらに、スクリューロータ同士の接触を積極的に利用することにより以下の効果が得られた。
（１）スクリューロータ同士の転がり接触によるトラクションドライブが可能である。つまりタイミングギヤを用いることなく１軸のみを駆動することで２つのスクリューロータを同期反転することができる。この場合でも、スクリューロータが傷みにくい。
（２）テーパー面（上記一対の歯面）における接触位置を基準にしてスクリューロータを容易に組み立てることが可能となる。また、スクリューロータ間のクリアランスの管理が簡単である。
（３）タイミングギヤを用いることなくマグネットカップリング作用によりスクリューロータを同期反転させる場合において、スクリューロータ同士が接触してもテーパー面同士は互いに滑ることなく、接触部分が相対移動することがない。このように、スクリューロータを滑らかに転がり接触させることができ、それぞれのスクリューロータを回転方向にふらつかせずに安定して回転させることができる。
（４）テーパー面同士のクリアランスを小さく、または０とすることができるので、ポンプ性能を向上させることができる。
（５）永久磁石と、この永久磁石を回転させる巻線を備えた簡単な構成のモータを用いてスクリューロータを駆動させることができる。
このように、本発明によれば、小型でかつ高性能のスクリューポンプが得られる。また、タイミングギヤが不要となることにより、装置のコンパクト化、オイルフリー、低騒音、低動力などの環境にやさしいスクリューポンプが提供できる。

以下、本発明の実施形態に係るスクリューポンプ（スクリューブロワ）ついて添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態のスクリューポンプの回転軸に沿った断面図である。
図２は、図１のII−II線断面を矢印の方向から見た断面図である。

ポンプケーシング８内には２本の回転軸１ａ，１ｂが平行に配置され、それぞれの回転軸１ａ，１ｂは軸受３により回転自在に支承されている。回転軸１ａには右ねじ状の歯を有するスクリューロータ２ａが、また回転軸１ｂには左ねじ状の歯を有するスクリューロータ２ｂがそれぞれ固定されている。スクリューロータ２ａ，２ｂは、回転軸１ａ，１ｂを支承する軸受３間に位置を合わせて並んで配置されている。回転軸１ａ，１ｂの端部には一対のマグネットロータ４が固定されており、これらのマグネットロータ４はモータケーシング９に収容されている。モータケーシング９には吸気口１１が設けられ、ポンプケーシング８には吐出口１２が設けられている。吐出側の軸受３はポンプケーシング８に固定され、吸気側の軸受３は軸受押さえ６及びボルト１０にて軸受ハウジング５に固定されている。軸受ハウジング５は図示しないボルト等でポンプケーシング８に固定されている。

図３Ａは図１に示すスクリューロータの歯を示す拡大断面図であり、図３Ｂは図１に示すスクリューロータの軸直角断面図である。
図３Ａに示すように、スクリューロータ２ａの右ねじ状の歯の軸断面形状（スクリューロータ２ａの軸方向に沿った歯形状）は、外周部Ｅ（ａｂ）と、歯底部Ｆ（ｃｄ）と、外周部Ｅと歯底部Ｆとを連結する第１の連結部Ｉ１（ｄａ）及び第２の連結部Ｉ２（ｃｂ）とから構成されている。ピッチ線Ｐは外周部Ｅと歯底部Ｆとの間に位置している。外周部Ｅの長さと歯底部Ｆの長さはほぼ等しくなっており、外周部Ｅと歯底部Ｆはそれぞれピッチ線Ｐから概略等距離に位置している。図３Ａに示す外周部Ｅ（ａｂ）、歯底部Ｆ（ｃｄ）、第１の連結部Ｉ１（ｄａ）、及び第２の連結部Ｉ２（ｃｂ）は、それぞれ図３Ｂに示す曲線ａ’ｂ’、曲線ｃ’ｄ’、曲線ｄ’ａ’、及び曲線ｃ’ｂ’に対応している。曲線ａ’ｂ’及び曲線ｃ’ｄ’は、スクリューロータ２ａの軸心を中心として延びる円弧である。なお、図３Ｂに示す軸直角断面はスクリューロータ２ａの歯の軸直角断面形状（軸線に垂直な断面形状）を示している。

図３Ｂに示す軸直角断面において、第１の連結部Ｉ１（ｄａ）に対応する曲線ｄ’ａ’は、相手側スクリューロータ２ｂの外周上の点で創成されるトロコイド曲線或いはトロコイド曲線に近似した曲線である。図４Ａ乃至図４Ｄはトロコイド曲線が創成される様子を説明するための図である。図４Ａ乃至図４Ｄに示すように、スクリューロータ２ａ，２ｂが同期反転するときに、相手側のスクリューロータ２ｂの外周上の点Ｈがスクリューロータ２ａの歯面上を動く軌跡によってトロコイド曲線、すなわち曲線ｄ’ａ’が創成される。このように、スクリューロータ２ａの歯面上に創成されるトロコイド曲線により曲線ｄ’ａ’が決定される。図１においては曲線ｄ’ａ’からなるトロコイド面を符号Ｓで示している。

図３Ａに示すように、第２の連結部Ｉ２は、軸方向断面において歯底部Ｆから外周部Ｅに向かって歯幅が小さくなるようにスクリューロータ２ａの軸方向と垂直な方向に対して傾きを持った線（傾斜線）ｃｂであり、この線ｃｂは２つの直線ｃｅ，ｅｂから構成されている。すなわち、歯底部Ｆからピッチ線Ｐまでの傾き角θ１を持った直線ｃｅと、傾き角θ１よりも若干大きい傾き角θ２を持ったピッチ線Ｐから外周部Ｅまでの直線ｅｂとにより線ｃｂ（第２の連結部Ｉ２）が形成されている。ここで、角度θ１，θ２は、スクリューロータ２ａの軸方向と垂直な方向に対する直線ｃｅ，ｅｂの傾きである。図１においては第２の連結部Ｉ２からなるテーパー面を符号Ｔで示している。このテーパー面Ｔにより当然ながら外周部Ｅでの歯幅は、歯底部Ｆでの歯幅よりも小さくなっている。ここで、歯幅とは、スクリューロータ２ａの歯の厚さであり、第１の連結部Ｉ１と第２の連結部Ｉ２との間の軸方向の距離である。なお、スクリューロータ２ｂも、スクリューロータ２ａと同様の歯形状を有している。

図１に示すように、スクリューロータ２ａ，２ｂの外周部Ｅとポンプケーシング８の内周面８ａとの間には微小なクリアランスＣ０が形成され、これによりスクリューロータ２ａ，２ｂがポンプケーシング８内で非接触で回転可能となっている。また、スクリューロータ２ａ，２ｂの対向部には右ねじ状の歯と左ねじ状の歯の噛み合い部が存在する。スクリューロータ２ａ，２ｂ同士を非接触とするためには、通常、歯底部Ｆと外周部ＥとのクリアランスＣ１、トロコイド面Ｓ同士のクリアランスＣ２、およびテーパー面Ｔ同士のクリアランスＣ３を設けることが必要である。

本発明の大きな特徴は、このテーパー面Ｔの形状にある。第２の連結部Ｉ２によって決定されるテーパー面Ｔの形状によりスクリューロータ２ａ，２ｂのテーパー面Ｔ同士は、ピッチ線Ｐ上でのみ接触する。このピッチ線Ｐ上では、スクリューロータ２ａ，２ｂのテーパー面Ｔが等速度（相対速度が０）で移動するので、スクリューロータ２ａ，２ｂを転がり接触させることができる。従って、スクリューロータ２ａ，２ｂは転がり接触により滑らかに同期反転する。なお、本実施形態においては、このテーパー面Ｔを構成する第２の連結部Ｉ２を２直線ｃｅ，ｅｂの組み合わせとしているが、他にも歯底部Ｆから外周部Ｅにかけて徐々に傾き角が大きくなる１つの曲線であってもよく、さらには直線と曲線との組み合わせであってもよい。

図１においては、テーパー面Ｔ同士を接触させた状態で、即ちクリアランスＣ３が無い状態でスクリューロータ２ａ，２ｂが組み立てられている。図９は従来のスクリューロータを示す断面図である。図９に示すように、従来のスクリューロータでは、トロコイド面Ｓ同士のクリアランスＣ２とテーパー面Ｔ同士のクリアランスＣ３を設けることが必要であると同時に各クリアランスＣ２，Ｃ３の大きさを管理しなければならなかった。これに対して本実施形態においては、クリアランスＣ３を無くし、テーパー面Ｔ同士がピッチ線Ｐ上でのみ接触していることから、クリアランスＣ２の大きさも一義的に決まるので、スクリューロータ２ａ，２ｂを組み立てやすいと同時にポンプ性能も安定し、かつ向上するのである。このように、クリアランスＣ３を無くすことでクリアランスＣ２の大きさが一定になり、トロコイド面Ｓ同士を非接触に保つことができる。従って、トロコイド面Ｓにおける曲線ｄ’ａ’は厳密なトロコイド曲線でなくともトロコイド曲線に近似した曲線であっても良い。なお、本実施形態に係るスクリューロータ２ａ，２ｂの材料としては、カーボンを付加したポリアミドイミドなどの耐熱性及び耐摩耗性に優れた樹脂を用いることが好ましい。スクリューロータ２ａ，２ｂを樹脂により構成することにより、自己潤滑が可能になり、テーパー面Ｔ同士の接触音を低減させることができる。

図５は、図１のＶ−Ｖ線断面図である。図５に示すように、一対のマグネットロータ４は同一の構成を有し、互いに同一位置に並んで配置されている。各マグネットロータ４は、磁性材のヨーク４ｂと、その外周面に取り付けられたリング形状のマグネット４ａとを備えている。マグネット４ａは８極に着磁しており、これにより、マグネットロータ４の外周面には８極の磁極が形成されている。なお、本実施形態では、マグネットロータ４の磁極数を８極としたが、この磁極数は偶数（２ｎ：ｎ＝１，２，・・・）であれば良い。マグネットロータ４は異磁極が引き合うように対向し、かつクリアランスＣ４を保って配置されている。図１および図２のように組み立てられたスクリューロータ２ａ，２ｂは、マグネットロータ４のマグネットカップリング作用により各々のクリアランスＣ０，Ｃ１，Ｃ２を維持したまま滑らかに反対方向に同期して回転することが可能になっている。また、さらに同期して回転する力を強めたい場合には、マグネットロータを一組のみならず複数組を回転軸１ａ，１ｂに取り付けてもよい。

つまり、これまでに説明した本実施形態の構成により、タイミングギヤが無くても安定した運転が可能なスクリューポンプを構成することができる。タイミングギヤが無いことは、潤滑油が不要であり、タイミングギヤによる騒音や駆動力の損失が無いことを意味している。さらに、スクリューポンプの軸方向の長さを短くすることができるので、スクリューポンプをコンパクトにすることができる。

スクリューポンプの駆動方法としては、一般に、いろいろな方法が考えられる。前述した特許文献２の２軸同期ブラシレス直流モータを用いても良いが、別の一般的な１軸駆動のモータを回転軸１ａ（又は１ｂ）に連結しても良い。本実施形態に係るスクリューポンプは、図５に示すように、各マグネットロータ４の外周面の一部に近接して配置された鉄心７ａと巻線７ｂとから成る三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の電機子７による駆動方法を採用している。三相の電機子７はマグネットロータ４同士が対向する側とは反対側に２セット配置されている。このことはマグネットロータ４同士が互いに引き合う力をマグネットロータ４と鉄心７ａとの間に作用する引力でキャンセルする狙いがある。なお、回転軸１ａ，１ｂを中心に配置された電機子７の各相の開角は６０度となっている。

三相の巻線７ｂ（Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１,Ｕ_１′，Ｖ_１′，Ｗ_１′）は、図６Ａに示すように結線され、２つのマグネットロータ４と電機子７とにより１つのブラシレス直流モータが構成される。図６Ａは２つのマグネットロータを同時に駆動する方法を説明するための結線図であり、本実施形態に係るブラシレスＤＣモータは２軸同期ブラシレス直流モータの一種であることを示している。巻線Ｕ_１′，Ｖ_１′，Ｗ_１′は、それぞれ巻線Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１と逆方向に巻かれている。なお、図６Ａにおいて、ｉ_ＵＶ、ｉ_ＶＷ、ｉ_ＷＵ、ｉ_ＶＵ、ｉ_ＷＶ、ｉ_ＵＷは、各巻線７ｂ（Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１,Ｕ_１′，Ｖ_１′，Ｗ_１′）を流れる電流を表している。図６Ｂは片側のマグネットロータのみを駆動する方法を説明するための結線図である。このように、片側のマグネットロータ４のみを駆動するようにしてもよい。いずれの場合であっても、マグネットロータ４の磁極位置に応じてｉ_ＵＶ、ｉ_ＶＷ、ｉ_ＷＵ、ｉ_ＶＵ、ｉ_ＷＶ、ｉ_ＵＷの６通りの通電を切り替えてマグネットロータ４を駆動する図７に示すようなブラシレス直流モータの駆動装置を使用する。

図７はブラシレス直流モータを駆動するための駆動装置を示す模式図である。なお、図７において、ブラシレス直流モータＭはマグネットロータ４と電機子７（図５参照）とから構成されている。図７に示すように、ブラシレス直流モータＭの駆動装置は、電源３９からの電流を整流する整流回路４０と、スイッチング回路４１と、スイッチング回路４１を介してブラシレス直流モータＭを制御する制御部４２を備えている。制御部４２は、マグネットロータ４の磁極位置及び回転速度を検出するセンサ４３と、整流回路４０からの電流を監視するセンサ４４と、パルス幅変調信号をスイッチング回路４１に送信するＰＷＭ制御部４５と、マグネットロータ４の磁極位置に基づいた通電切換信号を所定のパターンに従ってスイッチング回路４１に送信する通電制御部４６と、センサ４３の出力信号と予め設定された回転速度基準Ｒとを比較する比較器４７とを備えている。なお、マグネットロータ４の磁極位置を検出するセンサと、マグネットロータ４の回転速度を検出するセンサとを別々に設けてもよい。

ＰＷＭ制御部４５には、比較器４７を介してセンサ４３の出力信号が送信される。ＰＷＭ制御部４５は、マグネットロータ４（ブラシレス直流モータＭ）の回転速度と回転速度基準Ｒとの偏差に基づいてパルス幅変調信号を生成するようになっている。このパルス幅変調信号はスイッチング回路４１に送信され、同時に通電制御部４６からは通電切換信号がスイッチング回路４１に送信される。これにより、パルス電流が所定のパターンに従ってブラシレス直流モータＭに流れるようになっている。

通常、スクリューポンプの起動時には、スクリューロータ２ａ，２ｂ（図１参照）を回転させるために大きなトルクを必要とする。制御部４２は、ブラシレス直流モータＭが一定の回転速度で回転するように制御するため、起動時においてブラシレス直流モータＭに過大な電流が流れてしまい、ブラシレス直流モータＭが発熱するなどの問題を起こしてしまう。そこで、このような問題を回避するために、センサ４４の出力信号と予め設定された電流制限基準Ｌとを比較する比較器４８を設け、電流制限基準Ｌ以上の電流がブラシレス直流モータＭに流れてしまうことを防止している。なお、センサ４４−１をスイッチング回路４１とブラシレス直流モータＭとの間に設け、ブラシレス直流モータＭに通電される電流を監視するようにしてもよい。このように、制御部４２は、センサ４３，４４の出力信号に基づいて回転速度と電流との２つの制御を切り替えるようになっている。

また、図１においてモータケーシング９は、マグネットロータ４、鉄心７ａ、および巻線７ｂを覆い、図示はしていないがボルト等を使用して軸受ハウジング５に固定されている。また、モータケーシング９には吸気口１１、ポンプケーシング８には吐出口１２を設けて１つのポンプユニットケーシングを構成している。吸気口１１から吸い込まれた気体によりマグネットロータ４や巻線７ｂを冷却できて都合が良い。

次に、本発明の第２の実施形態に係るスクリューポンプ（スクリューブロワ）について図８を参照して説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係るスクリューポンプの回転軸に沿った断面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成は第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。

図８に示すように、回転軸１ａ，１ｂには、マグネットロータ（第１のマグネットロータ）４とスクリューロータ２ａ，２ｂの間に、一対のマグネットロータ（第２のマグネットロータ）５０が固定されている。このマグネットロータ５０の基本的構成は、マグネットロータ４と同様である。すなわち、マグネットロータ５０は、ヨーク５０ｂと、このヨーク５０ｂの外周面に固定されたマグネット５０ａとを備えている。スクリューロータ２ａ，２ｂの回転をより滑らかに同期させるためには、マグネットロータ５０の磁極数はマグネットロータ４の磁極数よりも大きいことが好ましい。すなわち、マグネットロータ５０の磁極数は、ｍ＋２ｎ（ｍ＝マグネットロータ４の磁極数、ｎ＝１，２，・・・）であることが好ましい。このような観点から、マグネットロータ５０の磁極数は１４に設定されている。また、マグネットカップリング作用を強化するためには、マグネットロータ５０間のクリアランスＣ５をできるだけ小さくすることが好ましい。本実施形態では、マグネットロータ５０間のクリアランスＣ５はマグネットロータ４同士のクリアランスＣ４よりも小さく設定されている。

このように、スクリューロータ２ａ，２ｂを駆動するためのマグネットロータ４とは別にマグネットロータ５０を設けることによってマグネットカップリング作用を強化することができ、スクリューロータ２ａ，２ｂを滑らかに同期反転させることができる。また、駆動力を低減させるために２対のマグネットロータ４，５０を設けているため、スクリューロータ２ａ，２ｂを接触させて駆動力を伝達させる必要がない。従って、スクリューロータ２ａ，２ｂを非接触で配置することが出来る。この場合、これらのスクリューロータ２ａ，２ｂの材料としてアルミニウムなどの金属を用いることができる。本実施形態においても、仮にスクリューロータ２ａ，２ｂが接触したとしても、これらのスクリューロータ２ａ，２ｂのテーパー面Ｔ同士がピッチ線Ｐ上でのみ接触することになる。従って、スクリューロータ２ａ，２ｂの発熱や摩耗などを防止することができる。なお、本実施形態では、２対のマグネットロータ４，５０が設けられているが、３対以上のマグネットロータを設けても良い。

なお、本発明のスクリューポンプは、本実施形態のような気体を排気する用途のみならず油等の液体の移送にも使用できることができる。また、各部品の構成や形状等についても本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは言うまでも無い。

本発明は、歯形状が同一で互いにねじれ方向が逆の一対のスクリューロータを噛み合わせ、同期して反転させて流体を吸い込みかつ吐出するスクリューポンプに及びその運転方法に好適に用いることができる。

本発明の第１の実施形態に係るスクリューポンプの回転軸に沿った断面図である。 図１のII−II線断面を矢印の方向から見た断面図である。 図３Ａは図１に示すスクリューロータの歯を示す拡大断面図であり、図３Ｂは図１に示すスクリューロータの軸直角断面図である。 図４Ａ乃至図４Ｄはトロコイド曲線が創成される様子を説明するための図である。 図１のＶ−Ｖ断面を矢印の方向から見た断面図である。 図６Ａは２つのマグネットロータを同時に駆動する方法を説明するための結線図であり、図６Ｂは片側のマグネットロータのみを駆動する方法を説明するための結線図である。 本発明の第１の実施形態に係るスクリューポンプのブラシレス直流モータの駆動装置を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るスクリューポンプの回転軸に沿った断面図である。 従来の歯形を有するスクリューロータの噛み合わせ部を示す断面図である。

Claims (5)

1. 歯の形状が同一で、互いにねじれ方向が逆の一対のスクリューロータを噛み合わせ、同期して反転させて流体を吸い込みかつ吐出するスクリューポンプにおいて、
   前記スクリューロータの歯は、対向する一対のテーパー面を有し、かつ前記テーパー面がピッチ線上でのみ接触する軸断面形状を有しており、
   前記スクリューロータの歯の軸断面形状が、前記ピッチ線を挟んで概略等距離にある外周部及び歯底部と、該外周部と歯底部とを連結する２つの連結部とで構成され、前記２つの連結部のうちの一方は、前記歯底部から前記外周部に向かって歯幅が小さくなるように前記スクリューロータの軸方向と垂直な方向に対して傾きを持った線であり、前記テーパー面は、前記２つの連結部のうちの前記一方から構成され、
   前記傾きを持った線のピッチ線から前記外周部までの傾き角は前記歯底部からピッチ線までの傾き角よりも大きく、
   前記スクリューロータの歯は、前記テーパー面とは反対側に一対のトロコイド面を有し、前記トロコイド面は、相手側スクリューロータの外周上の点で創成されるトロコイド曲線或いはトロコイド曲線に近似した曲線から構成され、前記２つの連結部のうちの他方は、前記トロコイド曲線或いはトロコイド曲線に近似した前記曲線に対応することを特徴とするスクリューポンプ。
2. 前記一対のスクリューロータの回転軸に一対のマグネットロータを取り付け、前記マグネットロータの磁極数は互いに同一であり、前記マグネットロータを異磁極同士が引き合うように配置したことを特徴とする請求項１に記載のスクリューポンプ。
3. 前記マグネットロータの少なくとも１つの径方向外側に配置した鉄心と巻線とから成る複数相の電機子への通電の切り替えにより前記マグネットロータの少なくとも１つを駆動し、前記一対のスクリューロータを同期反転させることを特徴とする請求項２に記載のスクリューポンプ。
4. 前記一対のスクリューロータの回転軸に複数対のマグネットロータを取り付け、前記マグネットロータの磁極数は各対ごとに互いに同一であり、前記マグネットロータを異磁極同士が引き合うように配置したことを特徴とする請求項１に記載のスクリューポンプ。
5. 歯の形状が同一で、互いにねじれ方向が逆の一対のスクリューロータを有するスクリューポンプの運転方法において、
   前記スクリューロータの対向する一対のテーパー面をピッチ線上でのみ接触させながら、前記一対のスクリューロータのうちの一方を駆動することにより前記一対のスクリューロータを同期して反転させて流体を吸い込みかつ吐出することを特徴とするスクリューポンプの運転方法。

Images