JP4893630B2 - スクリュポンプ及びスクリュロータ - Google Patents
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Description
本発明は、一対のスクリュロータの回転によって、流体をハウジング内に吸入し、そしてハウジング外に吐出するスクリュポンプに関する。更に本発明は、スクリュポンプにおけるスクリュロータに関する。
特許文献1が開示するスクリュポンプは、互いに噛み合う一対のスクリュロータを有する。これらスクリュロータが回転することによって、スクリュポンプは流体を移送する。
図11に示すように、第1従来スクリュロータ90Aの歯形の軸垂直断面は、第2従来スクリュロータ90Bの歯形の軸垂直断面と同形同大である。第1従来スクリュロータ90Aの歯形の軸垂直断面は、第1従来スクリュロータ90Aの回転軸線に垂直な仮想平面上における、第1従来スクリュロータ90Aの歯形の形状である。第1従来スクリュロータ90Aの歯形の軸垂直断面は、歯先円弧Q1R1、歯底円弧S1T1、第1曲線S1Q1、及び第2曲線T1R1を含む。第1曲線S1Q1は、歯底円弧S1T1の第1端S1を、歯先円弧Q1R1の第1端Q1に連結する。第2曲線T1R1は、歯底円弧S1T1の第2端T1を、歯先円弧Q1R1の第2端R1に連結する。
図11に示すように、第1従来スクリュロータ90Aの歯形の軸垂直断面は、第2従来スクリュロータ90Bの歯形の軸垂直断面と同形同大である。第1従来スクリュロータ90Aの歯形の軸垂直断面は、第1従来スクリュロータ90Aの回転軸線に垂直な仮想平面上における、第1従来スクリュロータ90Aの歯形の形状である。第1従来スクリュロータ90Aの歯形の軸垂直断面は、歯先円弧Q1R1、歯底円弧S1T1、第1曲線S1Q1、及び第2曲線T1R1を含む。第1曲線S1Q1は、歯底円弧S1T1の第1端S1を、歯先円弧Q1R1の第1端Q1に連結する。第2曲線T1R1は、歯底円弧S1T1の第2端T1を、歯先円弧Q1R1の第2端R1に連結する。
第2従来スクリュロータ90Bの歯形の軸垂直断面は、歯先円弧Q2R2、歯底円弧S2T2、第1曲線S2Q2、及び第2曲線T2R2を含む。第1曲線S2Q2は、歯底円弧S2T2の第1端S2を、歯先円弧Q2R2の第1端Q2に連結する。第2曲線T2R2は、歯底円弧S2T2の第2端T2を、歯先円弧Q2R2の第2端R2に連結する。
第1従来スクリュロータ90Aの第1曲線S1Q1は、トロコイド曲線U1S1と接続部Q1U1とを含む。トロコイド曲線U1S1は、第2従来スクリュロータ90Bが第1従来スクリュロータ90Aの周りを転動した場合の、歯先円弧Q2R2の第1端Q2の軌跡によって創生される。接続部Q1U1は、トロコイド曲線U1S1の一端U1を、歯先円弧Q1R1の第1端Q1に繋ぐ直線である。第2曲線T1R1は、外側円弧R1W1、インボリュート曲線W1Y1、及び内側円弧Y1T1を含む。インボリュート曲線W1Y1は、外側円弧R1W1と内側円弧Y1T1の間に位置する。外側円弧R1W1は歯先円弧Q1R1に連結され、内側円弧Y1T1は歯底円弧S1T1に連結される。
同様に、第2従来スクリュロータ90Bの第1曲線S2Q2は、トロコイド曲線U2S2と、直線である接続部Q2U2とを含む。第2曲線T2R2は、外側円弧R2W2、インボリュート曲線W2Y2、及び内側円弧Y2T2を含む。
第1及び第2従来スクリュロータ90A,90Bは、スクリュポンプのハウジングとは非接触である。また、第1及び第2従来スクリュロータ90A,90B同士も、互いに非接触であるため、潜在的に流体洩れ(ガス洩れ)の問題がある。第1及び第2従来スクリュロータ90A,90Bの歯形は、流体洩れを抑制する目的で考えられたものであるが、流体洩れの更なる抑制が望まれる。
特開2005−351238号公報
本発明の目的は、流体洩れの抑制に優れたスクリュポンプ及びスクリュロータを提供することにある。
本発明の一観点によれば、ハウジングと、ハウジングに収容される第1スクリュロータと第2スクリュロータとを備えるスクリュポンプが提供される。第1スクリュロータと第2スクリュロータは、互いに噛み合う方向に回転する。第1スクリュロータと第2スクリュロータが回転することによって、流体がハウジング内に吸入され、そしてハウジング外に吐出される。第1スクリュロータと第2スクリュロータそれぞれの歯形の軸垂直断面は、第1円弧部、第2円弧部、第1曲線部、及び第2曲線部を含む。第1円弧部と第2円弧部は、それぞれ第1端と第2端を有する。第2円弧部の曲率半径は、第1円弧部の曲率半径よりも小さい。第1曲線部は、第1円弧部の第1端を、第2円弧部の第1端に連結する。第2曲線部は、第1円弧部の第2端を、第2円弧部の第2端に連結する。第1スクリュロータの第1曲線部は、第2スクリュロータの第1円弧部の第1端によって創生される第1トロコイド曲線である。第1スクリュロータの第2曲線部は、互いに連続するインボリュート曲線と第2トロコイド曲線とを含む。インボリュート曲線は、第1スクリュロータの第1円弧部の第2端に連続する。第2トロコイド曲線は、第2スクリュロータの第1円弧部の第2端によって創生される。第2スクリュロータの第1曲線部は、第1スクリュロータの第1円弧部の第1端によって創生される第1トロコイド曲線である。第2スクリュロータの第2曲線部は、互いに連続するインボリュート曲線と第2トロコイド曲線とを含む。インボリュート曲線は、第2スクリュロータの第1円弧部の第2端に連続する。第2トロコイド曲線は、第1スクリュロータの第1円弧部の第2端によって創生される。
本発明の一観点によれば、ハウジングと、ハウジングに収容される第1スクリュロータと第2スクリュロータとを備えるスクリュポンプが提供される。第1スクリュロータと第2スクリュロータは、互いに噛み合う方向に回転する。第1スクリュロータと第2スクリュロータが回転することによって、流体がハウジング内に吸入され、そしてハウジング外に吐出される。第1スクリュロータと第2スクリュロータそれぞれの歯形の軸垂直断面は、第1円弧部、第2円弧部、第1曲線部、及び第2曲線部を含む。第1円弧部と第2円弧部は、それぞれ第1端と第2端を有する。第2円弧部の曲率半径は、第1円弧部の曲率半径よりも小さい。第1曲線部は、第1円弧部の第1端を、第2円弧部の第1端に連結する。第2曲線部は、第1円弧部の第2端を、第2円弧部の第2端に連結する。第1スクリュロータの第1曲線部は、第2スクリュロータの第1円弧部の第1端によって創生される第1トロコイド曲線である。第1スクリュロータの第2曲線部は、互いに連続するインボリュート曲線と第2トロコイド曲線とを含む。インボリュート曲線は、第1スクリュロータの第1円弧部の第2端に連続する。第2トロコイド曲線は、第2スクリュロータの第1円弧部の第2端によって創生される。第2スクリュロータの第1曲線部は、第1スクリュロータの第1円弧部の第1端によって創生される第1トロコイド曲線である。第2スクリュロータの第2曲線部は、互いに連続するインボリュート曲線と第2トロコイド曲線とを含む。インボリュート曲線は、第2スクリュロータの第1円弧部の第2端に連続する。第2トロコイド曲線は、第1スクリュロータの第1円弧部の第2端によって創生される。
第1スクリュロータの回転軸線を、第1軸線と称し得る。第2スクリュロータの回転軸線を、第2軸線と称し得る。第1軸線を中心とする第1スクリュロータの第1円弧部の角度と、第1軸線を中心とする第1スクリュロータの第2円弧部の角度と、第2軸線を中心とする第2スクリュロータの第1円弧部の角度と、第2軸線を中心とする第2スクリュロータの第2円弧部の角度とは、いずれも等しく設定し得る。
本発明の別の一観点によれば、スクリュポンプにおけるスクリュロータが提供され得る。スクリュロータは、第1スクリュロータと第2スクリュロータのうちのいずれか一方である。
「第1スクリュロータの歯形の軸垂直断面」とは、第1スクリュロータの回転軸線に垂直な仮想平面上における、第1スクリュロータの歯形の断面形状である。「第2スクリュロータの歯形の軸垂直断面」とは、第2スクリュロータの回転軸線に垂直な仮想平面上における、第2スクリュロータの歯形の断面形状である。本発明の歯形は、歯先面の軸方向寸法(回転軸線に沿った寸法)を増大させる。歯先面は、第1円弧部によって形成される円周面であり、歯底面は、第2円弧部によって形成される円周面である。歯先面の軸方向寸法が増大することによって、ハウジングと歯先面の間からの流体洩れが減少させられる。
図1〜図9は、本発明を具体化した第1実施形態を示す。
図1は、第1実施形態に係るスクリュポンプ11を示す。スクリュポンプ11は、流体としてのガスを移送する。図1に示すように、スクリュポンプ11のハウジングは、ロータハウジング12、フロントハウジング13、及びリヤハウジング14を含む。筒状のロータハウジング12の前端(図1の左方)に、蓋状のフロントハウジング13が接合される。ロータハウジング12の後端(図1の右方)に、板状のリヤハウジング14が接合される。リヤハウジング14は、段差状の取付孔14aを有する。取付孔14aには軸受体15が挿通され、軸受体15はリヤハウジング14にボルト締結されている。軸受体15は、前方に平行に延びる第1筒部160と第2筒部161を有する。第1及び第2筒部160,161は、それぞれロータハウジング12内に位置する。
図1は、第1実施形態に係るスクリュポンプ11を示す。スクリュポンプ11は、流体としてのガスを移送する。図1に示すように、スクリュポンプ11のハウジングは、ロータハウジング12、フロントハウジング13、及びリヤハウジング14を含む。筒状のロータハウジング12の前端(図1の左方)に、蓋状のフロントハウジング13が接合される。ロータハウジング12の後端(図1の右方)に、板状のリヤハウジング14が接合される。リヤハウジング14は、段差状の取付孔14aを有する。取付孔14aには軸受体15が挿通され、軸受体15はリヤハウジング14にボルト締結されている。軸受体15は、前方に平行に延びる第1筒部160と第2筒部161を有する。第1及び第2筒部160,161は、それぞれロータハウジング12内に位置する。
第1筒部160は第1支持孔190を有し、第2筒部161は第2支持孔191を有する。第1支持孔190と第2支持孔191は、それぞれ軸受体15を貫通する。第1支持孔190には駆動シャフト20が挿入され、第2支持孔191には従動シャフト21が挿入される。一対の第1転がり軸受240は、駆動シャフト20を、軸受体15に対して回転可能に支持する。一対の第2転がり軸受241は、従動シャフト21を、軸受体15に対して回転可能に支持する。第1筒部160の中心軸線は、駆動シャフト20の回転軸線である第1軸線171に一致する。第2筒部161の中心軸線は、従動シャフト21の回転軸線である第2軸線181に一致する。駆動シャフト20及び従動シャフト21それぞれの前端(図1の左方)は、第1及び第2支持孔190,191から突出している。
ロータハウジング12内には、第1スクリュロータ17と第2スクリュロータ18とが、配置されている。第1スクリュロータ17の前端(図1の左方)は、連結板23を介して、駆動シャフト20の前端にボルト固定されている。第2スクリュロータ18の前端は、別の連結板23を介して、従動シャフト21の前端にボルト固定されている。すなわち、第1スクリュロータ17は、駆動シャフト20と一体回転する。第2スクリュロータ18は、従動シャフト21と一体回転する。第1スクリュロータ17は、第1回転方向Xに回転させられ、第2スクリュロータ18は第2回転方向Zに回転させられる。第1回転方向Xと第2回転方向Zは互いに逆方向である。図2において第1回転方向Xは反時計回り方向であり、第2回転方向Zは時計回り方向である。
第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18は、それぞれ流体移送体としてのネジ歯車である。すなわち、第1スクリュロータ17には、駆動歯17Aが形成され、第2スクリュロータ18には従動歯18Aが形成されている。第1スクリュロータ17は、駆動歯17Aの間に存在する駆動ネジ溝17aを有し、第2スクリュロータ18は、従動歯18Aの間に存在する従動ネジ溝18aを有する。第1スクリュロータ17の軸方向とは、第1スクリュロータ17の回転軸線である第1軸線171の方向であり、第2スクリュロータ18の軸方向とは、第2スクリュロータ18の回転軸線である第2軸線181の方向である。
第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18は、駆動歯17Aが従動ネジ溝18aに入り込むように、且つ従動歯18Aが駆動ネジ溝17aに入り込むようにしてロータハウジング12内に収納されている。すなわち、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18は、両者間に密閉空間を作り出すように構成されている。第1及び第2スクリュロータ17,18の各々と、ロータハウジング12の内周面121との間には、8の字状のポンプ室10が区画形成される。
駆動歯17Aの厚みは、第1スクリュロータ17の前端(図1の左方)から後端(図1の右方)に向かって次第に減少し、後端付近では一定値である。同様に、従動歯18Aの厚みも、第2スクリュロータ18の前端(図1の左方)から後端(図1の右方)に向かって次第に減少し、後端付近では一定値である。つまり、駆動歯17Aの間隔、すなわち駆動ネジ溝17aの幅は、第1スクリュロータ17の前端から後端に向かって次第に減少し、後端付近では一定値である。同様に、従動歯18Aの間隔、すなわち従動ネジ溝18aの幅も、第2スクリュロータ18の前端から後端に向かって次第に減少し、後端付近では一定値である。
リヤハウジング14の後端には、有底筒状のギヤハウジング22が組付固定されている。ギヤハウジング22内には駆動シャフト20及び従動シャフト21の後端(図1では右端)20a,21aがそれぞれ突出している。後端20a,21aには、一対のタイミングギヤ25が互いに噛み合った状態で止着されている。ギヤハウジング22には、駆動源である電動モータ26が取り付けられている。電動モータ26の出力シャフト26aは、軸継手27を介して、駆動シャフト20の後端20aに連結されている。
フロントハウジング13の中央部には、吸入口28が形成されている。ロータハウジング12の後端には、吐出口29が形成されている。吸入口28と吐出口29は、それぞれポンプ室10に連通する。
電動モータ26が駆動すると、出力シャフト26a及び軸継手27を介して、駆動シャフト20が回転させられる。その結果、一対のタイミングギヤ25の噛合連結を介して、従動シャフト21は、駆動シャフト20とは異なる方向に回転する。つまり、第1スクリュロータ17と第2スクリュロータ18も回転する。第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18の回転によって、吸入口28からポンプ室10にガスが吸入される。ポンプ室10のガスは、吐出口29に移送され、吐出口29からポンプ室10外部に吐出される。
次に、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18の歯形を、詳細に説明する。
図3は、第1スクリュロータ17の歯形の軸垂直断面と、第2スクリュロータ18の歯形の軸垂直断面とを示す。第1スクリュロータ17の歯形の軸垂直断面は、第1スクリュロータ17の軸方向に垂直な仮想平面上における、第1スクリュロータ17の歯形の断面形状を示す。第2スクリュロータ18の歯形の軸垂直断面は、第1スクリュロータ17の歯形の軸垂直断面と同形同大である。
図3は、第1スクリュロータ17の歯形の軸垂直断面と、第2スクリュロータ18の歯形の軸垂直断面とを示す。第1スクリュロータ17の歯形の軸垂直断面は、第1スクリュロータ17の軸方向に垂直な仮想平面上における、第1スクリュロータ17の歯形の断面形状を示す。第2スクリュロータ18の歯形の軸垂直断面は、第1スクリュロータ17の歯形の軸垂直断面と同形同大である。
図3に示すように、第1軸線171と第2軸線181の間の距離であるLは、駆動シャフト20と従動シャフト21のピッチ間距離Lを示す。図3に示すように、第1軸線171上の第1中心点P1と、第2軸線181上の第2中心点P2との間の距離は、ピッチ間距離Lである。
第1スクリュロータ17の歯形の軸垂直断面は、駆動歯先円弧A1B1、駆動歯底円弧C1D1、駆動第1曲線A1C1、及び駆動第2曲線B1D1を含む。駆動歯先円弧A1B1は、第1中心点P1を中心として、第1端A1から第2端B1に至る第1円弧部である。駆動歯底円弧C1D1は、第1中心点P1を中心として、第1端C1から第2端D1に至る第2円弧部である。駆動第1曲線A1C1は、駆動歯先円弧A1B1の第1端A1を、駆動歯底円弧C1D1の第1端C1に連結する第1曲線部である。駆動第2曲線B1D1は、駆動歯先円弧A1B1の第2端B1を、駆動歯底円弧C1D1の第2端D1に連結する第2曲線部である。
駆動歯先円弧A1B1と駆動歯底円弧C1D1は、第1中心点P1を間に挟む。第1中心点P1に対して、第1端A1と第1端C1は同じ側(図2(a)において左側)に存在し、第2端B1と第2端D1は反対側(図2(a)において右側)に存在する。駆動歯底円弧C1D1の曲率半径(R2)は、駆動歯先円弧A1B1の曲率半径(R1)よりも小さい。
図3に示すように、第2スクリュロータ18の歯形の軸垂直断面は、従動歯先円弧A2B2、従動歯底円弧C2D2、従動第1曲線A2C2、及び従動第2曲線B2D2を含む。従動歯先円弧A2B2は、第2中心点P2を中心として、第1端A2から第2端B2に至る第1円弧部である。従動歯底円弧C2D2は、第2中心点P2を中心として、第1端C2から第2端D2に至る第2円弧部である。従動第1曲線A2C2は、従動歯先円弧A2B2の第1端A2を、従動歯底円弧C2D2の第1端C2に連結する第1曲線部である。従動第2曲線B2D2は、従動歯先円弧A2B2の第2端B2を、従動歯底円弧C2D2の第2端D2に連結する第2曲線部である。
従動歯先円弧A2B2と従動歯底円弧C2D2は、第2中心点P2を間に挟む。第2中心点P2に対して、第1端A2と第1端C2は同じ側(図2(a)において右側)に存在し、第2端B2と第2端D2は反対側(図2(a)において左側)に存在する。従動歯底円弧C2D2の曲率半径(R2)は、従動歯先円弧A2B2の曲率半径(R1)よりも小さい。
図3は、第1中心点P1と第2中心点P2とを通る仮想直線Mを示す。駆動歯先円弧A1B1の第1端A1と、従動歯先円弧A2B2の第1端A2とは、仮想直線M上に位置している。駆動第1曲線A1C1は、従動歯先円弧A2B2の第1端A2の軌跡によって創生されるトロコイド曲線(駆動第1トロコイド曲線)である。従動第1曲線A2C2は、駆動歯先円弧A1B1の第1端A1の軌跡によって創生されるトロコイド曲線(従動第1トロコイド曲線)である。
駆動第2曲線B1D1は、第1交点E1において互いに連続する駆動インボリュート曲線B1E1と駆動第2トロコイド曲線E1D1とからなる複合曲線である。駆動インボリュート曲線B1E1は、駆動歯先円弧A1B1の第2端B1に連続する。駆動第2トロコイド曲線E1D1は、駆動歯底円弧C1D1の第2端D1に連続する。
同様に、従動第2曲線B2D2は、第2交点E2において互いに連続する従動インボリュート曲線B2E2と従動第2トロコイド曲線E2D2とからなる複合曲線である。従動インボリュート曲線B2E2は、従動歯先円弧A2B2の第2端B2に連続する。従動第2トロコイド曲線E2D2は、従動歯底円弧C2D2の第2端D2に連続する。
駆動インボリュート曲線B1E1は、図4に示す第1基礎円Co1によって形成される。第1基礎円Co1は、第1中心点P1を中心点とする。第1基礎円Co1の半径であるインボリュート半径Roは、ピッチ間距離Lの半分であるピッチ半径r=L/2よりも短い(Ro<r)。従動インボリュート曲線B2E2は、図4に示す第2基礎円Co2によって形成される。第2基礎円Co2は、第2中心点P2を中心点として、インボリュート半径Roを有する。
駆動第2トロコイド曲線E1D1は、従動歯先円弧A2B2の第2端B2の軌跡によって創生される。従動第2トロコイド曲線E2D2は、駆動歯先円弧A1B1の第2端B1の軌跡によって創生される。
図3に示すように、第1中心点P1周りの駆動歯先円弧A1B1の角度と、第2中心点P2周りの従動歯先円弧A2B2の角度とを、それぞれ第1角度θ1と称する。第1中心点P1周りの駆動歯底円弧C1D1の角度と、第2中心点P2周りの従動歯底円弧C2D2の角度とを、それぞれ第2角度θ2と称する。本実施形態では、駆動歯先円弧A1B1の第1角度θ1は、従動歯先円弧A2B2の第1角度θ1に等しい。また、駆動歯底円弧C1D1の第2角度θ2は、従動歯底円弧C2D2の第2角度θ2に等しい。本実施形態において、第1角度θ1と第2角度θ2は、それぞれ180度未満であり(θ1<180°,θ2<180°)、第1角度θ1は第2角度θ2に等しく設定されている(θ1=θ2)。
図2(c)に示すように、第1スクリュロータ17は、駆動歯17Aの歯先面である駆動歯先面172と、駆動ネジ溝17aの歯底面である駆動歯底面173とを有する。駆動歯先面172の軸垂直断面は駆動歯先円弧A1B1であり、駆動歯底面173の軸垂直断面は駆動歯底円弧C1D1である。駆動歯先面172と駆動歯底面173はそれぞれ、第1軸線171に沿って延びる螺旋状の円周面である。
同様に、第2スクリュロータ18は、従動歯18Aの歯先面である従動歯先面182と、従動ネジ溝18aの歯底面である従動歯底面183とを有する。従動歯先面182の軸垂直断面は従動歯先円弧A2B2であり、従動歯底面183の軸垂直断面は従動歯底円弧C2D2である。従動歯先面182と従動歯底面183はそれぞれ、第2軸線181に沿って延びる螺旋状の円周面である。
第1スクリュロータ17の第1角度θ1が第2角度θ2に等しい場合、駆動歯先面172の軸方向寸法は、駆動歯底面173の軸方向寸法に、ほぼ等しい。第2スクリュロータ18の第1角度θ1が第2角度θ2に等しい場合、従動歯先面182の軸方向寸法は、従動歯底面183の軸方向寸法に、ほぼ等しい。駆動歯先面172の軸方向寸法は、第1軸線171に沿った寸法であり、従動歯先面182の軸方向寸法は、第2軸線181に沿った寸法である。
図2(c)に示すように、第1スクリュロータ17は、駆動歯17Aの側面としての駆動歯側面174を有し、第2スクリュロータ18は、従動歯18Aの側面としての従動歯側面184を有する。駆動歯側面174は従動歯側面184に対向する。駆動歯側面174の軸垂直断面は駆動第2曲線B1D1であり、従動歯側面184の軸垂直断面は従動第2曲線B2D2である。駆動歯側面174は、駆動歯先面172を駆動歯底面173に繋ぐ曲面であり、従動歯側面184は、従動歯先面182を従動歯底面183に繋ぐ曲面である。第1スクリュロータ17と第2スクリュロータ18は、互いに非接触な状態で回転するが、駆動歯側面174と従動歯側面184の間には、両者間のクリアランスが零に近付くことによって、見かけ上、線状のシール部が生じる。
図2(c)に示すように、駆動歯先面172と駆動歯側面174の間の角度は、駆動歯先角度αを示す。従動歯先面182と従動歯側面184の間の角度は、従動歯先角度βを示す。ロータハウジング12の内周面121と、駆動歯側面174との間の角度は、第1クリアランス角度γを示す。ロータハウジング12の内周面121と、従動歯側面184との間の角度は、第2クリアランス角度δを示す。駆動歯先角度αは鈍角(90°よりも大きく、180°未満の角度)であり、第1クリアランス角度γは鋭角(90°未満の角度)である。従動歯先角度βは鈍角であり、第2クリアランス角度δは鋭角である。本実施形態において、駆動歯先角度αは従動歯先角度βに等しく(α=β)、第1クリアランス角度γは第2クリアランス角度δに等しい(γ=δ)。
次に、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18の歯形それぞれの、軸垂直断面の作成手順を説明する。
先ず、図4に示すように、第1中心点P1、第2中心点P2、及びピッチ間距離Lを決定する。第1中心点P1を中心として、ピッチ半径rを有する円を、第1ピッチ円C31と称する。第2中心点P2を中心として、ピッチ半径rを有する円を、第2ピッチ円C32と称する。ピッチ半径r=L/2である。つまり、第1ピッチ円C31と第2ピッチ円C32は、第1中心点P1と第2中心点P2の間の真ん中の位置である接点Fにおいて、互いに接する。
先ず、図4に示すように、第1中心点P1、第2中心点P2、及びピッチ間距離Lを決定する。第1中心点P1を中心として、ピッチ半径rを有する円を、第1ピッチ円C31と称する。第2中心点P2を中心として、ピッチ半径rを有する円を、第2ピッチ円C32と称する。ピッチ半径r=L/2である。つまり、第1ピッチ円C31と第2ピッチ円C32は、第1中心点P1と第2中心点P2の間の真ん中の位置である接点Fにおいて、互いに接する。
更に、第1中心点P1を中心として、ピッチ半径rよりも大きな半径である外半径R1を有する第1外円C11と、ピッチ半径rよりも小さな半径である内半径R2を有する第1内円C21とを決定する(R2<r<R1)。同様に、第2中心点P2を中心として、外半径R1を有する第2外円C12と、内半径R2を有する第2内円C22とを決定する。ピッチ間距離Lは、外半径R1と内半径R2の和である(L=R1+R2=2r)。
次に、図5に示すように、第1基礎円Co1と第2基礎円Co2とを決定する。インボリュート半径Roの値を、ピッチ半径r未満に設定する(Ro<r)。第1基礎円Co1を用いて、接点Fを通るように、駆動創生インボリュート曲線I1を決定する。駆動創生インボリュート曲線I1と第1外円C11の交点は、駆動歯先円弧A1B1の第2端B1である。同様に、第2基礎円Co2を用いて、接点Fを通るように、従動創生インボリュート曲線I2を決定する。従動創生インボリュート曲線I2と第2外円C12の交点は、従動歯先円弧A2B2の第2端B2である。
次に、図6に示すように、第1スクリュロータ17と第2スクリュロータ18が回転した場合の、第2端B2の軌跡によって、駆動第2創生トロコイド曲線J1が決定される。換言すれば、第2ピッチ円C32が第1ピッチ円C31に接しながら、第2スクリュロータ18が第1スクリュロータ17の周りを転動することによって、駆動第2創生トロコイド曲線J1は創生される。駆動第2創生トロコイド曲線J1と第1内円C21の交点は、駆動歯底円弧C1D1の第2端D1である。駆動第2創生トロコイド曲線J1と駆動創生インボリュート曲線I1の交点は、第1交点E1である。第1交点E1において、駆動第2創生トロコイド曲線J1は駆動創生インボリュート曲線I1に連結する。第2端B1と第1交点E1の間の駆動創生インボリュート曲線I1の部分は、駆動インボリュート曲線B1E1を構成する。第1交点E1と第2端D1の間の駆動第2創生トロコイド曲線J1の部分は、駆動第2トロコイド曲線E1D1を構成する。第1交点E1において、駆動インボリュート曲線B1E1の接線は、駆動第2トロコイド曲線E1D1の接線に一致する。つまり、第1交点E1は、駆動インボリュート曲線B1E1と駆動第2トロコイド曲線E1D1との繋ぎ目である。
同様に、図6に示すように、第1スクリュロータ17と第2スクリュロータ18が回転した場合の、第2端B1の軌跡によって、従動第2創生トロコイド曲線J2が決定される。換言すれば、第1ピッチ円C31が第2ピッチ円C32に接しながら、第1スクリュロータ17が第2スクリュロータ18の周りを転動することによって、従動第2創生トロコイド曲線J2は創生される。従動第2創生トロコイド曲線J2と第2内円C22の交点は、従動歯底円弧C2D2の第2端D2である。従動第2創生トロコイド曲線J2と従動創生インボリュート曲線I2の交点は、第2交点E2である。第2交点E2において、従動第2創生トロコイド曲線J2は、従動創生インボリュート曲線I2に連結する。第2端B2と第2交点E2の間の従動創生インボリュート曲線I2の部分は、従動インボリュート曲線B2E2を構成する。第2交点E2と第2端D2の間の従動第2創生トロコイド曲線J2の部分は、従動第2トロコイド曲線E2D2を構成する。第2交点E2において、従動インボリュート曲線B2E2の接線は、従動第2トロコイド曲線E2D2の接線に一致する。つまり、第2交点E2は、従動インボリュート曲線B2E2と従動第2トロコイド曲線E2D2との繋ぎ目である。
次に、図7に示すように、第1中心点P1と第2中心点P2とを通る仮想直線Mを決定する。第1中心点P1と第2中心点P2の間以外における、仮想直線Mと第1外円C11の交点が、駆動歯先円弧A1B1の第1端A1である。同様に、第1中心点P1と第2中心点P2の間以外における、仮想直線Mと第2外円C12との交点が、従動歯先円弧A2B2の第1端A2である。
図7に示すように、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18が回転した場合の、第2スクリュロータ18の第1端A2の軌跡によって、駆動第1創生トロコイド曲線K1が決定される。換言すれば、第2ピッチ円C32が第1ピッチ円C31に接した状態で、第2スクリュロータ18が第1スクリュロータ17の周りを転動することによって、駆動第1創生トロコイド曲線K1は創生される。駆動第1創生トロコイド曲線K1は、第1スクリュロータ17の第1端A1を通る。駆動第1創生トロコイド曲線K1と第1内円C21の交点は、駆動歯底円弧C1D1の第1端C1である。第1端A1と第1端C1の間の駆動第1創生トロコイド曲線K1の部分は、駆動第1曲線A1C1を構成する。
同様に、図7に示すように、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18が回転した場合の、第1スクリュロータ17の第1端A1の軌跡によって、従動第1創生トロコイド曲線K2が決定される。換言すれば、第1ピッチ円C31が第2ピッチ円C32に接した状態で、第1スクリュロータ17が第2スクリュロータ18の周りを転動することによって、従動第1創生トロコイド曲線K2は創生される。従動第1創生トロコイド曲線K2は、第2スクリュロータ18の第1端A2を通る。従動第1創生トロコイド曲線K2と第2内円C22の交点は、従動歯底円弧C2D2の第1端C2である。第1端A2と第1端C2の間の従動第1創生トロコイド曲線K2の部分は、従動第1曲線A2C2を構成する。
第1端A1と第2端B1の間の第1外円C11の部分は、駆動歯先円弧A1B1を構成する。駆動歯先円弧A1B1と駆動第1曲線A1C1の間の角度が鋭角になるように、駆動歯先円弧A1B1は決定される。第1端C1と第2端D1の間の第1内円C21の部分は、駆動歯底円弧C1D1を構成する。駆動歯先円弧A1B1と駆動歯底円弧C1D1が第1中心点P1を間に挟むように、駆動歯底円弧C1D1は決定される。駆動歯先円弧A1B1の曲率半径は外半径R1であり、駆動歯底円弧C1D1の曲率半径は内半径R2である。
同様に、第1端A2と第2端B2の間の第2外円C12の部分は、従動歯先円弧A2B2を構成する。従動歯先円弧A2B2と従動第1曲線A2C2の間の角度が鋭角になるように、従動歯先円弧A2B2は決定される。第1端C2と第2端D2の間の第2内円C22の部分は、従動歯底円弧C2D2を構成する。従動歯先円弧A2B2と従動歯底円弧C2D2が第2中心点P2を間に挟むように、従動歯底円弧C2D2は決定される。
このようにして、第1スクリュロータ17と第2スクリュロータ18それぞれの歯形の軸垂直断面の作成手順は、完了する。
スクリュポンプ11において、第1スクリュロータ17が第1回転方向Xに回転し、且つ、第2スクリュロータ18が第2回転方向Zに回転してゆくと、図8(a)に示すように、第2スクリュロータ18の第1端A2は、駆動第1曲線A1C1に沿って移動していく。その後、第1スクリュロータ17の第1端A1は、従動第1曲線A2C2に沿って移動していく。
スクリュポンプ11において、第1スクリュロータ17が第1回転方向Xに回転し、且つ、第2スクリュロータ18が第2回転方向Zに回転してゆくと、図8(a)に示すように、第2スクリュロータ18の第1端A2は、駆動第1曲線A1C1に沿って移動していく。その後、第1スクリュロータ17の第1端A1は、従動第1曲線A2C2に沿って移動していく。
第1スクリュロータ17と第2スクリュロータ18が回転してゆくと、第1スクリュロータ17の第2端B1は、従動第2トロコイド曲線E2D2に沿って移動していく。その後、駆動インボリュート曲線B1E1は、従動インボリュート曲線B2E2に噛合する。その後、図8(b)に示すように、第2スクリュロータ18の第2端B2は、駆動第2トロコイド曲線E1D1に沿って移動していく。
図9(a),図9(b),及び図9(c)は、それぞれ、本発明の第1スクリュロータ17と第2スクリュロータ18の歯形の、第1,第2,及び第3実施例を示す。図9(d),図9(e),及び図9(f)は、それぞれ、図11に示す第1及び第2従来スクリュロータ90A,90Bの歯形の、第1,第2,及び第3比較例を示す。図9(a)〜図9(f)のいずれも、ピッチ半径r=40mm、外半径R1=55.5mm、内半径R2=24.5mmに設定されている。
図9(a),図9(d)は、インボリュート半径Roが内半径R2よりも小さい場合であり(Ro<R2)、Ro=16.75mmである。図9(b),図9(e)は、インボリュート半径Roが内半径R2に等しい場合であり(Ro=R2)、Ro=24.5mmである。図9(c),図9(f)は、インボリュート半径Roが内半径R2よりも大きく、且つ、ピッチ半径rよりも小さい場合であり(R2<Ro<r)、Ro=32.25mmである。
Ro=16.75mmである図9(a)の第1実施例では、θ1=θ2=130.67°である。Ro=16.75mmである図9(d)の第1比較例では、θ1=θ2=126.9°である。
Ro=24.5mmである図9(b)の第2実施例では、θ1=θ2=149.43°である。Ro=24.5mmである図9(e)の第2比較例では、θ1=θ2=143.85°である。
Ro=32.25mmである図9(c)の第3実施例では、θ1=θ2=160°である。Ro=32.25mmである図9(f)の第3比較例では、θ1=θ2=152.68°である。
図9(a)の第1実施例を、図9(d)の第1比較例と比較して明らかなように、インボリュート半径Roが内半径R2よりも小さい場合(Ro<R2)、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18のθ1,θ2は、第1及び第2従来スクリュロータ90A,90Bのθ1,θ2よりも大きい。
図9(b)の第2実施例を、図9(e)の第2比較例と比較して明らかなように、インボリュート半径Roが内半径R2に等しい場合(Ro=R2)、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18のθ1,θ2は、第1及び第2従来スクリュロータ90A,90Bのθ1,θ2よりも大きい。
図9(c)の第3実施例を、図9(f)の第3比較例と比較して明らかなように、インボリュート半径Roが内半径R2よりも大きく、且つピッチ半径rよりも小さい場合(R2<Ro<r)、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18のθ1,θ2は、第1及び第2従来スクリュロータ90A,90Bのθ1,θ2よりも大きい。
つまり、インボリュート半径Roがピッチ半径rよりも小さい場合(Ro<r)、第1スクリュロータ17及び第2スクリュロータ18のθ1,θ2は、第1及び第2従来スクリュロータ90A,90Bのθ1,θ2よりも大きい。インボリュート半径Roがピッチ半径r以上である場合(r≦Ro)、駆動インボリュート曲線B1E1は、従動インボリュート曲線B2E2には噛合しない。
第1実施形態は、以下の利点を有する。
(1)駆動第2曲線B1D1は、駆動インボリュート曲線B1E1と駆動第2トロコイド曲線E1D1とからなる複合曲線である。従動第2曲線B2D2は、従動インボリュート曲線B2E2と従動第2トロコイド曲線E2D2とからなる複合曲線である。これに対し、図11に示す従来の駆動第2曲線T1R1は、外側円弧R1W1、インボリュート曲線W1Y1、及び内側円弧Y1T1からなる複合曲線である。よって、本実施形態は、従来よりも、駆動第2曲線B1D1の長さと、従動第2曲線B2D2の長さとを短くすることができる。その結果、駆動歯先円弧A1B1の周方向寸法すなわち第1角度θ1と、駆動歯底円弧C1D1の周方向寸法すなわち第2角度θ2とを、それぞれ増大させることができる。また、従動歯先円弧A2B2の周方向寸法すなわち第1角度θ1と、従動歯底円弧C2D2の周方向寸法すなわち第2角度θ2とを、それぞれ増大させることができる。
(1)駆動第2曲線B1D1は、駆動インボリュート曲線B1E1と駆動第2トロコイド曲線E1D1とからなる複合曲線である。従動第2曲線B2D2は、従動インボリュート曲線B2E2と従動第2トロコイド曲線E2D2とからなる複合曲線である。これに対し、図11に示す従来の駆動第2曲線T1R1は、外側円弧R1W1、インボリュート曲線W1Y1、及び内側円弧Y1T1からなる複合曲線である。よって、本実施形態は、従来よりも、駆動第2曲線B1D1の長さと、従動第2曲線B2D2の長さとを短くすることができる。その結果、駆動歯先円弧A1B1の周方向寸法すなわち第1角度θ1と、駆動歯底円弧C1D1の周方向寸法すなわち第2角度θ2とを、それぞれ増大させることができる。また、従動歯先円弧A2B2の周方向寸法すなわち第1角度θ1と、従動歯底円弧C2D2の周方向寸法すなわち第2角度θ2とを、それぞれ増大させることができる。
駆動歯先円弧A1B1の周方向寸法が増大すると、駆動歯先面172の軸方向寸法が増大する。その結果、駆動歯先面172とロータハウジング12の内周面121との間のシール長さが増大する。したがって、隣り合うポンプ室10同士の間の流体漏れを、効果的に抑制することができる。また、従動歯先円弧A2B2の周方向寸法が増大すると、従動歯先面182の軸方向寸法が増大する。その結果、従動歯先面182とロータハウジング12の内周面121との間のシール長さが増大する。したがって、隣り合うポンプ室10同士の間の流体漏れを、効果的に抑制することができる。
(2)駆動歯底円弧C1D1の周方向寸法が増大すると、駆動歯底面173の軸方向寸法が増大する。よって、駆動ネジ溝17aの加工性を向上させることができる。また、従動歯底円弧C2D2の周方向寸法が増大すると、従動歯底面183の軸方向寸法が増大する。よって、従動ネジ溝18aの加工性を向上させることができる。
(3)第1スクリュロータ17の駆動歯側面174は、第2スクリュロータ18の従動歯側面184に対向する。駆動歯側面174と駆動歯先面172の間の角度が駆動歯先角度αであり、従動歯側面184と従動歯先面182の間の角度が従動歯先角度βである。第1スクリュロータ17の駆動歯側面174は、従動インボリュート曲線B2E2と従動第2トロコイド曲線E2D2とからなる複合曲線である従動第2曲線B2D2によって、創生される。これに対して、図11の第1従来スクリュロータ90Aの駆動歯側面は、外側円弧R2W2、インボリュート曲線W2Y2、及び内側円弧Y2T2からなる複合曲線である第2曲線T2R2によって、創生される。よって、本実施形態は、駆動歯先角度αを、従来よりも小さくすることができる。すなわち、本実施形態は、第1クリアランス角度γを、従来よりも大きくすることができる。つまり、第1クリアランス角度γを、従来よりも鈍い角度にすることができる。従って、スクリュポンプ11が移送する流体(ガス)に含まれる反応生成物等の異物が、ロータハウジング12の内周面121と駆動歯先面172との間に入り込むことを、本実施形態は抑制することができる。
同様に、第2スクリュロータ18の従動歯側面184は、駆動インボリュート曲線B1E1と駆動第2トロコイド曲線E1D1とからなる複合曲線である駆動第2曲線B1D1によって、創生される。これに対して、図11の第2従来スクリュロータ90Bの従動歯側面は、外側円弧R1W1、インボリュート曲線W1Y1、及び内側円弧Y1T1からなる複合曲線である第2曲線T1R1によって、創生される。よって、本実施形態は、従動歯先角度βを従来よりも小さくでき、第2クリアランス角度δを従来よりも大きくすることができる。つまり、第2クリアランス角度δを、従来よりも鈍い角度にすることができる。従って、移送流体中の異物が、ロータハウジング12の内周面121と従動歯先面182との間に入り込むことを、本実施形態は抑制することができる。
(4)従動インボリュート曲線B2E2と従動第2トロコイド曲線E2D2とからなる複合曲線である従動第2曲線B2D2が駆動歯側面174を創生し、且つ、駆動インボリュート曲線B1E1と駆動第2トロコイド曲線E1D1とからなる複合曲線である駆動第2曲線B1D1が従動歯側面184を創生する。その結果、駆動歯側面174と従動歯側面184の間に生じる線状のシール部のクリアランスを、駆動歯底面173付近と従動歯底面183付近とにおいて、広くすることができる。よって、スクリュポンプ11における異物の噛み込みを、更に抑制することができる。
例えば、図11のインボリュート曲線W1Y1は、歯先円弧Q1R1に直接繋がることができず、外側円弧R1W1を介して歯先円弧Q1R1に繋がっていた。よって、従来では異物が、歯底面付近のクリアランスから、歯先面と歯底面の間のシール部に向かって集まりやすく、異物の噛み込みが生じやすかった。本実施形態は、このような問題を解決することができる。
上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
駆動歯17Aの厚み(軸方向寸法)は、第1スクリュロータ17の前端から後端に向かって減少することに限らず、第1スクリュロータ17の前端から後端に亘って一定でもよい。同様に、従動歯18Aの厚みも、第2スクリュロータ18の先端から後端に亘って一定でもよい。
駆動歯17Aの厚み(軸方向寸法)は、第1スクリュロータ17の前端から後端に向かって減少することに限らず、第1スクリュロータ17の前端から後端に亘って一定でもよい。同様に、従動歯18Aの厚みも、第2スクリュロータ18の先端から後端に亘って一定でもよい。
第1スクリュロータ17の駆動歯17Aと、第2スクリュロータ18の従動歯18Aとは、それぞれ一条であることに限らず、二条にしてもよい。
第1及び第2角度θ1,θ2を任意に変更してもよい。例えば、図10(a)に示す第2実施形態のように、第1スクリュロータ17の第1角度θ1を、第2角度θ2よりも大きくしてもよい。第1角度θ1を180°よりも大きくし、第2角度θ2を180°よりも小さく設定してもよい。駆動歯先円弧A1B1の周方向寸法は、従動歯底円弧C2D2の周方向寸法よりも大きい。第2スクリュロータ18の第1角度θ1は、第2角度θ2よりも小さく設定される。つまり、従動歯先円弧A2B2の周方向寸法は、従動歯底円弧C2D2の周方向寸法よりも小さく設定される。この場合、図10(b)に示すように、駆動歯17Aの軸方向寸法は、従動歯18Aの軸方向寸法よりも大きい。駆動ネジ溝17aの幅(軸方向寸法)は、従動ネジ溝18aの幅よりも小さい。
第1及び第2角度θ1,θ2を任意に変更してもよい。例えば、図10(a)に示す第2実施形態のように、第1スクリュロータ17の第1角度θ1を、第2角度θ2よりも大きくしてもよい。第1角度θ1を180°よりも大きくし、第2角度θ2を180°よりも小さく設定してもよい。駆動歯先円弧A1B1の周方向寸法は、従動歯底円弧C2D2の周方向寸法よりも大きい。第2スクリュロータ18の第1角度θ1は、第2角度θ2よりも小さく設定される。つまり、従動歯先円弧A2B2の周方向寸法は、従動歯底円弧C2D2の周方向寸法よりも小さく設定される。この場合、図10(b)に示すように、駆動歯17Aの軸方向寸法は、従動歯18Aの軸方向寸法よりも大きい。駆動ネジ溝17aの幅(軸方向寸法)は、従動ネジ溝18aの幅よりも小さい。
Claims (3)
- ハウジングと、
前記ハウジングに収容される第1スクリュロータと第2スクリュロータとであって、前記第1スクリュロータと前記第2スクリュロータは互いに噛み合う方向に回転し、前記第1スクリュロータと前記第2スクリュロータが回転することによって、流体が前記ハウジング内に吸入され、そして前記ハウジング外に吐出されることと
を備えるスクリュポンプであって、
前記第1スクリュロータと前記第2スクリュロータそれぞれの歯形の軸垂直断面は、第1円弧部、第2円弧部、第1曲線部、及び第2曲線部を含み、前記第1円弧部と前記第2円弧部はそれぞれ第1端と第2端を有し、前記第2円弧部の曲率半径は前記第1円弧部の曲率半径よりも小さく、前記第1曲線部は前記第1円弧部の第1端を前記第2円弧部の第1端に連結し、前記第2曲線部は前記第1円弧部の第2端を前記第2円弧部の第2端に連結し、
前記第1スクリュロータの前記第1曲線部は、前記第2スクリュロータの前記第1円弧部の第1端によって創生される第1トロコイド曲線であり、
前記第1スクリュロータの前記第2曲線部は、互いに連続するインボリュート曲線と第2トロコイド曲線とを含み、前記インボリュート曲線は前記第1スクリュロータの前記第1円弧部の第2端に連続し、前記第2トロコイド曲線は前記第2スクリュロータの前記第1円弧部の第2端によって創生され、
前記第2スクリュロータの前記第1曲線部は、前記第1スクリュロータの前記第1円弧部の第1端によって創生される第1トロコイド曲線であり、
前記第2スクリュロータの前記第2曲線部は、互いに連続するインボリュート曲線と第2トロコイド曲線とを含み、前記インボリュート曲線は前記第2スクリュロータの前記第1円弧部の第2端に連続し、前記第2トロコイド曲線は前記第1スクリュロータの前記第1円弧部の第2端によって創生されることを特徴とする、スクリュポンプ。 - 前記第1スクリュロータの回転軸線を第1軸線と称し、前記第2スクリュロータの回転軸線を第2軸線と称し、
前記第1軸線を中心とする前記第1スクリュロータの前記第1円弧部の角度と、
前記第1軸線を中心とする前記第1スクリュロータの前記第2円弧部の角度と、
前記第2軸線を中心とする前記第2スクリュロータの前記第1円弧部の角度と、
前記第2軸線を中心とする前記第2スクリュロータの前記第2円弧部の角度とは、いずれも等しいことを特徴とする、請求項1に記載のスクリュポンプ。 - スクリュポンプにおけるスクリュロータであって、前記スクリュロータは第1スクリュロータと第2スクリュロータのうちのいずれか一方であり、前記第1スクリュロータと前記第2スクリュロータは前記スクリュポンプのハウジングに収容され、前記第1スクリュロータと前記第2スクリュロータは互いに噛み合う方向に回転することによって、流体を前記ハウジング内に吸入し、そして前記ハウジング外に吐出し、
前記第1スクリュロータと前記第2スクリュロータそれぞれの歯形の軸垂直断面は、第1円弧部、第2円弧部、第1曲線部、及び第2曲線部を含み、前記第1円弧部と前記第2円弧部はそれぞれ第1端と第2端を有し、前記第2円弧部の曲率半径は前記第1円弧部の曲率半径よりも小さく、前記第1曲線部は前記第1円弧部の第1端を前記第2円弧部の第1端に連結し、前記第2曲線部は前記第1円弧部の第2端を前記第2円弧部の第2端に連結し、
前記第1スクリュロータの前記第1曲線部は、前記第2スクリュロータの前記第1円弧部の第1端によって創生される第1トロコイド曲線であり、
前記第1スクリュロータの前記第2曲線部は、互いに連続するインボリュート曲線と第2トロコイド曲線とを含み、前記インボリュート曲線は前記第1スクリュロータの前記第1円弧部の第2端に連続し、前記第2トロコイド曲線は前記第2スクリュロータの前記第1円弧部の第2端によって創生され、
前記第2スクリュロータの前記第1曲線部は、前記第1スクリュロータの前記第1円弧部の第1端によって創生される第1トロコイド曲線であり、
前記第2スクリュロータの前記第2曲線部は、互いに連続するインボリュート曲線と第2トロコイド曲線とを含み、前記インボリュート曲線は前記第2スクリュロータの前記第1円弧部の第2端に連続し、前記第2トロコイド曲線は前記第1スクリュロータの前記第1円弧部の第2端によって創生されることを特徴とする、スクリュポンプにおけるスクリュロータ。
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