JP5249778B2 - スクリューポンプ - Google Patents

Description

本発明は、スクリューポンプに関する。

スクリューポンプは、数個の作動要素で製造され、入口における高真空環境からその下流の出口における大気圧までポンプ送りする能力を有しているので、潜在的な魅力を有している。スクリューポンプは、通常、間隔をおいた２つの平行なシャフトを有し、各シャフトは、雄ねじ形ロータを支持し、シャフトは、ロータの雄ねじ部が相互に噛合うようにポンプ本体内に取付けられている。相互に噛合う箇所におけるロータの雄ねじ部同士の間の厳密な公差、ステータとして作用するポンプ本体の内面との厳密な公差により、入口と出口との間でポンプ送りされるガスの容積を、ロータの雄ねじ部と上記内面との間に閉込め、それにより、ロータを回転させるとき、ガスをポンプの中を通して推進させる。

使用中、ロータがガスを圧縮することにより、熱を発生させる。その結果、ロータの温度は急激に上昇し、この温度上昇は、ポンプの出口に近接したロータの段において最も著しい。これと比較して、ステータの嵩は大きいので、ステータの加熱速度は、ロータの加熱速度よりもいくらか遅い。これにより、ロータとステータとの間に温度の不一致を生じさせ、ロータとステータとの間の隙間が減少すると、動力の減衰を許すならば、ステータの内部でロータが焼き付く結果になり得る。

例えば、国際公開ＷＯ２００４／０３６０４９号パンフレットから、スクリューポンプのロータを冷却するシステムを提供することが知られており、このシステムでは、スクリューポンプの各ロータの端部に形成されたキャビティに、冷却剤が導入され、続いて排出される。かかるシステムは、ロータの効果的な冷却行うことができるけれども、システムの複雑さとシステムの構成要素のコストの両方の観点から、実現するのに比較的高価である。

第１の側面において、本発明は、スクリューポンプであって、流体入口と流体出口とを有するステータを備え、ステータは、第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータを収容し、第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータは、それぞれのシャフトに取付けられ、ステータ内において、流体入口から流体出口まで移動する流体を圧縮するように互いに反対方向に回転するように構成され、第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータを軸線方向に見た断面は、流体入口から流体出口に向かって変化し、雄ねじ部のピッチは、流体出口に向かって増大する、スクリューポンプを提供する。

ロータの軸線方向に見た断面を変化させると共に、雄ねじ部のピッチを増大させることによって、極限でポンプ送りするときの動力要求を低く保ちながら、大気圧条件に近い圧力におけるポンプ送り性能を改善したスクリューポンプを達成することができる。ロータの各段の容量は、上述した条件に順応するように最適なやり方で選択されるのがよい。例えば、入口段は各々、大きい容量を有し且つ互いに実質的に同様である。逆に、排気段は各々、小さい容量を有し且つ容積が互いに実質的に同様である。

ロータは、テーパしているのがよく、従って、本発明の第２の側面では、スクリューポンプであって、流体入口と流体出口とを有するステータを備え、ステータは、テーパする（先細りの）第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータを収容し、第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータは、それぞれのシャフトに取付けられ、ステータ内において、流体入口から流体出口まで移動する流体を圧縮するように互いに反対方向に回転するように構成され、雄ねじ部のピッチは、流体出口に向かって増大する、スクリューポンプを提供する。

各ロータを軸線方向に見た断面における半径方向先端の位置は、流体出口から流体入口に向かって変化し、それにより、各雄ねじ形ロータの接触面の変化を生じさせる。

雄ねじ部のピッチは、流体入口から流体出口まで徐々に増大するのがよい。雄ねじ部のピッチは、ロータに沿って途中から流体出口まで増大していてもよい。

第３の側面においては、本発明は、スクリューポンプであって、流体入口と流体出口とを有するステータを備え、ステータは、テーパする第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータを収容し、第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータは、それぞれのシャフトに取付けられ、ステータ内において、流体入口から流体出口まで移動する流体を圧縮するように互いに反対方向に回転するように構成され、各雄ねじ形ロータは、流体入口に近接した第１のセクションと、流体出口に近接した第２のセクションとを有し、第２のセクションにおける雄ねじ部のピッチは、流体出口に向かって増大する、スクリューポンプを提供する。

第１のセクションにおける雄ねじのピッチは、実質的に一定であってもよいし、流体出口に向かって変化していてもよい。第１のセクションにおける雄ねじのピッチは、流体出口に向かって減少していてもよい。

第１のセクションは、流体入口に近接した第１のサブセクションと、第２のセクションに近接した第２のサブセクションとを有し、第１のサブセクションにおける雄ねじ部のピッチは、第２のサブセクションにおける雄ねじ部のピッチと異なるのがよい。第２のサブセクションのピッチは、流体出口に向かって減少するのがよい。第１のサブセクションのピッチは、流体出口に向かって増大するのがよい。

雄ねじ部は、矩形断面を有するのがよい。変形例として、雄ねじ部は、共役の形状を有していてもよい。

本発明の内容において、用語「共役」は、ロータの形態に関連して用いられ、一対のロータの間の関係について、一方のロータの形状が他方のロータの形状によって決定されることをいう。共役のロータの間には、極めて厳密な結合が達成され、それにより、ロータ間に良好なシール特性が得られる。

本発明の好ましい特徴について、以下、例示的にだけ、添付図面を参照して説明する。

最初に、図１を参照すると、本発明を理解する上での参考例であるスクリューポンプ１０は、ステータ１２を有し、ステータは、上板１４と底板１６とを有している。流体入口１８が上板１４に形成され、流体出口２０が底板１６に形成されている。スクリューポンプ１０は、更に、第１のシャフト２２と、第１のシャフトから間隔を隔て且つこれと平行な第２のシャフト２４とを有しており、これらのシャフト２２、２４は、上板１４及び底板１６に対して実質的に直交する長手方向軸線を有している。第１のシャフト２２及び第２のシャフト２４を支持するためのベアリング（図示せず）が設けられる。第１のシャフト２２及び第２のシャフト２４は、ステータ１２内において、それぞれのシャフトの長手方向軸線を中心に互いに反対方向に回転するように構成されている。第１のシャフト２２及び第２のシャフト２４のうちの一方は、駆動モータ（図示せず）に結合され、第１のシャフト２２及び第２のシャフト２４は、ギアボックスに配置されたタイミングギア（図示せず）によって互いに結合され、使用時、第１のシャフト２２及び第２のシャフト２４は、同じ速度であるが互いに逆方向に回転する。

第１のロータ２６は、ステータ１２内において回転運動するように、第１のシャフト２２に取付けられ、第２のロータ２８は、同様に、第２のシャフト２４に取付けられる。２つのロータ２６、２８の各々の根部（ルート）は、流体出口２０から流体入口１８に向かってテーパする（先細りになる）形状を有し、各根部は、螺旋形の羽根、即ち、雄ねじ部３０，３２を有し、雄ねじ部３０、３２は、図示のように相互に噛合うように、根部の外面に形成されている。第１のロータ２６及び第２のロータ２８がこのようにテーパしていることは、第１のロータ２６及び第２のロータ２８の排気段におけるロータの表面積を増大させることに役立ち、その結果、雄ねじ部の先端とステータとの間の接触面積が増大して、それに応じて、それらの間の熱伝達経路が改善される。

第１のロータ２６、第２のロータ２８及び雄ねじ部３０，３２の形状は、互いに対して及びステータ１２に対して計算され、ステータ１２の内面に対する厳密な公差を確保する。第１のロータ２６、第２のロータ２８及び雄ねじ部３０，３２は、ステータ１２の内面と共に、流体チャンバ３４を形成し、流体チャンバの寸法は、流体入口１８から流体出口２０まで徐々に減少し、その結果、スクリューポンプ１０に入った流体は、流体入口１８から流体出口２０まで搬送されながら圧縮される。

第１のロータ２６の雄ねじ部３０のピッチ及び第２のロータ２８の雄ねじ部３２のピッチは各々、流体出口２０に向かって増大する。図１に示した実施形態においては、第１のロータ２６及び第２のロータ２８のピッチは、第１のロータ２６及び第２のロータ２８に沿って徐々に増大している。流体出口２０に向かう雄ねじ部３０，３２のピッチの増大により、第１のロータ２６及び第２のロータ２８の複数の段の表面積をさらに増大させ、第１のロータ２６及び第２のロータ２８は、スクリューポンプ１０の使用中に最も大きな温度上昇を経験する。結果として、第１のロータ２６及び第２のロータ２８の複数の段を取り囲んでいるステータ１２の表面積が増大し、従って、第１のロータ２６及び第２のロータ２８の上記複数の段から熱を発散させるヒートシンクとして作用することができる。動作中、この表面積の増大と、第１のロータ２６及び第２のロータ２８を通ってギアボックスへ向かう高温流とが組合わされ、第１のロータ２６及び第２のロータ２８を通る冷却剤の任意の流れを追加的に必要とすることなしに、熱を、第１のロータ２６及び第２のロータ２８とステータ１２の内面との間の衝突を回避するのに充分な速度で、第１のロータ２６及び第２のロータ２８から除去することを可能にする。

図２は、スクリューポンプ１０を本発明による実施形態として用いるのに適した一例によるロータ４０を示している。図１の第１のロータ２６及び第２のロータ２８と同様、ロータ４０の根部は、一方の端部４２から他方の端部４４に向かってテーパする形状を有しており、ロータ４０がステータ１２内に据付けられたとき、ロータ４０の根部は、流体出口２０から流体入口１８に向かってテーパし、その外面に形成された螺旋状の羽根、即ち、雄ねじ部４５を有している。螺旋状の雄ねじ部４５の先端の直径は、協働するロータ（図示せず）の根部と噛合う厳密な公差を可能にするようにテーパしている。

この実施形態においては、ロータ４０は、ロータ４０がステータ１２に据付けられたときに流体入口１８に近接する第１のセクション４６と、ロータ４０がステータ１２に据付けられたときに流体出口２０に近接する第２のセクション４８とに分けられる。この実施形態においては、第２のセクション４８は、ロータ４０の少なくとも最後の２つの段、即ち、排気段にわたって延びている。第２のセクション４８の雄ねじ部のピッチは、例えば、一方の端部４２に向かって線形的に又は指数関数的に増大し、好ましくは、ロータ４０がステータ１２に据付けられたときに第２のセクション４８の複数段は、互いに同様なポンプ送り容積を有している。

第１のセクション４６の雄ねじ部のピッチは、第２のセクション４８の雄ねじ部のピッチと異なって変化する。第１のセクション４６の雄ねじ部のピッチは、一定であってもよいし、他方の端部４４から一方の端部４２に向かって減少していてもよいし、第２のセクション４８の雄ねじと別の割合で増大していてもよい。変形例として、図２に示すように、第１のセクション４６は、他方の端部４４に近接した第１のサブセクション４６ａと、第２のセクション４８に近接した第２のサブセクション４６ｂとに分けられる。ロータの各段が、ロータの雄ねじ部の３６０゜の回転によって定められ、且つ、雄ねじ部が連続しているので、段は必ずしも離散的な整数部分とみなされるわけではない。この実施形態においては、第１のサブセクション４６ａは、第１の入口段を越えて、例えば、ロータ４０の１．５、２、又は３段まで延び、第２のサブセクションもまた、少なくとも約２段にわたって延びている。また、第１のサブセクション４６ａの雄ねじ部のピッチは、一方の端部４２に向かって増大し、好ましくは、ロータ４０がステータ１２に据付けられたとき、第１のサブセクション４６ａの複数段は、互いに同様のポンプ送り容積を有している。これにより、高ポンプ送り速度をより高い圧力で維持することを助ける。対照的に、第２のサブセクション４６ｂの雄ねじ部のピッチは、一方の端部４２に向かって減少する。

結果として、２つのロータ４０を組込んだポンプ１０の使用中、流体入口１８から流体出口２０まで移動するガスの容積の減少の大部分は、ロータ４０の第２のサブセクション４６ｂによって実行される。これは、ポンプの極限出力を減少させることに貢献すると共に、ロータ４０の第２のセクション４８において発生する熱を少なくし、それにより、ロータ４０の排気段の温度が低下させる。

図３のグラフは、図２に示したタイプのロータを有するスクリューポンプを通る、異なる段における容量の変化を示している。グラフにおいて、流体入口１８から流体出口２０までの段に、１〜７の番号を付している。段１及び段２は、ロータ４０の第１のサブセクション４６ａの入口段を構成し、段３及び段４は、ロータ４０の第２のサブセクション４６ｂの段を構成し、段５〜７は、ロータ４０の第２のセクション４８の排気段を構成している。変形例として、段５がロータ４０の第２のサブセクション４６ｂの一部分を構成すると考えてもよい。

前述のように、排気段５〜７は、極めて類似した容量を有している。これらの排気段は、ポンプの中を移動するガスの圧力の大きさを最大程度、例えば、段５の入口における約１ｍｂａｒ（１０²Ｐａ）から段７の出口における約１０００ｍｂａｒ（１０⁵Ｐａ）まで上昇させる。従って、これらの排気段は、行われる最大レベルの仕事を引受け、その結果、ポンプの使用中、最大の温度上昇を受ける。

これらの排気段の中を搬送されるガスが高い圧力であることにより、これらの段の間に、大きなレベルの逆方向漏れが存在する。前の段に比べて低い容量を備えた排気段を設けることによって、（２つ又は３つの）排気段の容量を実質的に同一にすれば、極限における熱発生及び動力要求について、この逆漏れの衝撃を最小にすることができる。

さらに、ポンプを極限で動作させるときの各段の動力要求は、その段の容積と圧力変化との間の関係によって支配される。従って、極限動力要求をより低く保つために、比較的小さく且つ実質的に等しい容量を有する排気段を有することが望ましい。

逆に、比較的大きい容量を有する入口段を有することが望ましく、（２つ又は３つの）入口段の容量は実質的に同一である。そうすると、例えばポンプのスイッチを最初に入れたとき、高容積のガスを上昇させた圧力で受け入れるポンプ１０の能力が高められる。ガスは、ガス流に対する著しい妨害を受けることなしに、入口段の間を容易に搬送されるので、流体入口１８へのガスの逆漏れを回避することができ、高い入口圧力における許容可能なポンプ送り速度が達成される。

図３における破線は、一定ピッチの雄ねじ部を有する、テーパするロータを備えたポンプの複数段の容量の変化を示している。かかる構成を実現したとき、高い入口圧力においてポンプ速度を高め且つ最大圧力においてパワー要件を緩和する完全な利益は得られない。

図１及び図２に示したロータの輪郭は、実質的に正方形の切断面又は矩形の形態を有し、少量の非直交性が先端部分の雄ねじ部の断面に導入され、それにより、歯の相互の噛合いを達成することを可能にする。変形例として、台形の形態を用いてもよい。別の変形例として、一対の協働する共役なスクリューロータを使用してもよく、共益なスクリューロータは、ロータの間に極めて厳密な結合が達成されるように一方のロータの形状が他方のロータの形態によって決定される仕方でロータが協働する形状を有している。協働する共役のロータ間には、一般的に、良好な密封特性が得られる。

図４は、一対の相互に噛合っている共役のスクリューロータ６０，６０’を示している。図２に示したロータと同様、それぞれのスクリューロータ６０，６０’は、テーパする根部を有し、それぞれの根部は雄ねじ部６５を有している。雄ねじ部６５は、スクリューロータ６０の半径方向先端に、長手方向に延びる先端接触部分６１を有し、スクリューロータ６０の半径方向の最も内側の部分に、長手方向に延びる根部接触部分６３を有している。動作中、先端接触部分６１は、ステータ（図示せず）の内面と相互作用すると共に、協働するロータ６０’の根部接触部分６３と相互作用する。

図５は、図４に示した共役のスクリューロータを軸線方向に見た断面図を示している。断面の例は、どのようにしてスクリューロータ６０の外輪郭を多数のセクションから作るのかを示しており、この例においては、４つのセクション７１，７２，７３，７４がそれぞれ別々に定められている。第１のセクション７１は、円弧をなし、第２のセクション７２につながり、第２のセクションは略螺旋形状のセクションで形成されている。第２のセクション７２は、例えば、アルキメデスの螺旋又はインボリュート螺旋をなす。変形例として、第２のセクション７２は、多くの相互に結合された螺旋のサブセクションから構成されていてもよい。例えば、各サブセクションは、変形したアルキメデスの螺旋形状である。各サブセクションは、ポンプの動作中の２つのロータの回転時に、対応するロータ６０’の対応するサブセクションと噛合うように構成されている。結果として、特に、第２のセクション７２が、いくつかのサブセクションではなく、単一のセクションから形成されている場合、両方のロータが同一の軸線方向断面輪郭を有することはほとんどない。螺旋形セクションがインボリュート螺旋をなす場合、断面輪郭は同一になることがある。

第２のセクション７２に続く第３のセクション７３は、円弧をなす。最後の第４のセクション部分７４は、展開された凹形セクションであり、第１のセクション７１につながっている。

共役なスクリューロータの構成を使用することに関連した利点は、主として、協働するロータ間に存在するより良好な密封特性にある。矩形又は台形の形状のロータをステータ内に組立てると、一般的に、相互に噛合うロータ及びステータの交差箇所に“噴出孔”を形成する。この噴出孔は、所定の量の流体が、１つのロータとステータとの間に形成された流体チャンバ３４（図１参照）から、他方のロータとステータとの間に形成された流体チャンバ３４へと移動する結果をもたらす。しかしながら、共役のスクリュー形態であれば、極めて厳密な密封の形成が、各段の間に達成できるので、段と段との間の漏れを最小にするために、離散的な系列の軸線方向チャンバが達成される。

共役のスクリューロータの形態に関連した密封特性は、スクリューロータ６０，６０’の長さ方向に沿うピッチの急な変化が実現された場合であっても維持される。前述したように、望ましくは、スクリューロータの長さ方向に沿ってピッチを変化させて、スクリューロータの中心部分から最適な圧縮を達成し、一方、ポンプの妥当な総合動力要求及びポンプの排気段の熱特性を維持する。

ロータの根部のテーパする性質は、ロータの断面輪郭をシャフトに沿って即ち流体出口２０から流体入口１８に向かって変化させる１つのやり方を示している。例えば、第１のセクション７１及び第３のセクション７３のそれぞれの半径は、テーパするように増大してもよいし、減少してもよく、他のセクション７２，７４の寸法は、円弧セクションの半径変化に適合するように構成される。しかしながら、その他のパラメータをシャフトに沿って変化させてもよい。例えば、第１のセクション７１及び第３のセクション７３のそれぞれの角度範囲αを、シャフトに沿った長手方向の距離と共に変化させてもよい。角度範囲αを増大させることは、ロータの長手方向の接触部分６１，６３を増大させる効果を有する。その結果、ステータとそれに対応するロータとが接触する表面積は、雄ねじ部のピッチとは独立して増大し、それにより、ロータ間及び各ロータとステータとの間の熱移送及び密封特性を改善する。各段の容量は影響を受けるだろうが、容積の変化は、ピッチの任意の変化によって決定される。

上述したように、第２のセクション７２の外輪郭、即ち、軸線ほうこうに見た断面の半径方向先端の位置は、多数の相互に結合された螺旋形サブセクションで構成されてもよい。これらのサブセクションの広がり及び明確さは、シャフトに沿った長手方向の距離と共に変化してもよい。

スクリューポンプの断面図である。 図１のスクリューポンプに使用するのに適した別のロータの断面図である。 一定ピッチのロータにおける複数段の容量の変化と、図２に示したロータと類似したロータにおける複数段の容量の変化とを比較したグラフである。 図１のスクリューポンプに用いるのに適した相互に噛合う一対の別のロータを示す図である。 図４のロータの一方を軸線方向に見た断面図である。

Claims (7)

1. スクリューポンプであって、
   流体入口と流体出口とを有するステータを備え、
   ステータは、テーパする第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータを収容し、
   第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータは、それぞれのシャフトに取付けられ、ステータ内において、流体入口から流体出口まで移動する流体を圧縮するように互いに反対方向に回転するように構成され、
   各雄ねじ形ロータは、流体入口に近接した第１のセクションと、流体出口に近接した第２のセクションとを有し、第１のセクションの雄ねじ部のピッチは、第２のセクションの雄ねじ部のピッチと異なって変化し、第１のセクションにおける雄ねじ部のピッチは、実質的に一定であり、第２のセクションにおける雄ねじ部のピッチは、流体出口に向かって増大する、スクリューポンプ。
2. スクリューポンプであって、
   流体入口と流体出口とを有するステータを備え、
   ステータは、テーパする第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータを収容し、
   第１の雄ねじ形ロータ及び第２の雄ねじ形ロータは、それぞれのシャフトに取付けられ、ステータ内において、流体入口から流体出口まで移動する流体を圧縮するように互いに反対方向に回転するように構成され、
   各雄ねじ形ロータは、流体入口に近接した第１のセクションと、流体出口に近接した第２のセクションとを有し、第１のセクションの雄ねじ部のピッチは、第２のセクションの雄ねじ部のピッチと異なって変化し、第１のセクションにおける雄ねじ部のピッチは、流体出口に向かって減少し、第２のセクションにおける雄ねじ部のピッチは、流体出口に向かって増大する、スクリューポンプ。
3. 第１のセクションは、流体入口に近接した第１のサブセクションと、第２のセクションに近接した第２のサブセクションとを有し、第１のサブセクションにおける雄ねじ部のピッチは、第２のサブセクションにおける雄ねじ部のピッチと異なる、請求項２に記載のスクリューポンプ。
4. 第２のサブセクションのピッチは、流体出口に向かって減少する、請求項３に記載のスクリューポンプ。
5. 第１のサブセクションのピッチは、流体出口に向かって増大する、請求項３又は４に記載のスクリューポンプ。
6. 雄ねじ部は、矩形断面を有する、請求項１〜５の何れか１項に記載のスクリューポンプ。
7. 雄ねじ部は、共役の形状を有していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のスクリューポンプ。

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