JP7258852B2 - ポンプ及び流体を圧送する方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は、ポンプ及び圧送方法に関する。

気体を圧送するための様々な形式のポンプが知られている。これらには、気体が除去される前にポンプ内部の表面に取り込まれる溜め込み式ポンプと、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カイネチックポンプ又は運動量輸送ポンプと、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ポンプとが含まれる。

容積移送ポンプは、一般には１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ポンプチャンバが移動するようになる。入口にて受け取った気体が流入して、ポンプチャンバに閉じ込められて出口に移動する。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。このようなポンプは、根本と、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は、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、例えば回転ベーンポンプにおいては、それ自体が摩耗の影響を受けるバネなどのデバイスを使用して、或いは根本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できる。追加のロータは、追加のシャフト、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。

更に、漏洩を最小限に抑え、又は少なくとも低減して、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、緊密な非接触クリアランスに依存し、このクリアランスは、製造コストの増加につながる可能性があり、また、部品が接触した場合、或いは圧送される流体中に粒状物質又は不純物が存在する場合に、ロック又は焼き付きを生じやすいポンプをもたらす可能性がある。

液体リングポンプは、ステータボアにおいて偏心して回転する固定ブレードをロータに設けることによって、これらの問題の幾つかに対処する。ブレードは、遠心作用によって所定容積の液体をステータボアの外周に向けて運び、ロータの隣接するブレードと液体のリングの内周との間に気体ポンプチャンバが形成される。これにより、ロータブレードがステータボアに接触せず、粒状物質が大きなクリアランス及び液体リング自体に収容できるので、摩耗が少なく、粒状物質耐性に優れたポンプが提供される。しかしながら、この形式のポンプは通常、消費電力が多く、抗力損失、乱流及びキャビテーションを低減するために低周波数で動作するという欠点がある。これにより、所与の量の圧送能力に対して比較的大型のポンプ機構を生じる可能性がある。

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、また製造及び作動する上で比較的安価なポンプを提供することが望まれている。

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、ポンプは、ロータ及びステータを備え、ロータ又はステータの少なくとも一方は、液体源と流体連通するように構成された少なくとも１つの液体開口部を含み、液体開口部は、液体源からの液体に作用する駆動力に応じて、液体ストリームが開口部から出力されるように構成され、液体ストリームは、ロータとステータとの間に液体ブレードを形成し、ステータ、ロータ及び液体ブレードによって閉じ込められた気体が、ポンプを通って気体入口から気体出口に向かって運ばれる。

本発明の発明者らは、ロータとステータとの間に表面又はブレードを形成するために液体を使用する場合、ステータ、ロータ及び液体ブレードによって気体が閉じ込められ、ロータの回転時に気体がポンプを通って運ぶことが可能となることを認識した。これにより、簡単で、小型で、低電力で、低コストである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、並びに厳しいクリアランスに対する製造公差に伴うコストが回避又は少なくとも軽減されることになる。発明者らはまた、このようなブレードは、液体を１又は２以上の液体開口部を通って運ぶことによって簡単な方法で形成できることを認識した。ステータ又はロータの何れか一方に液体開口部（複数可）を配置することにより、液体ストリームがロータとステータとの間に液体表面又はブレードを形成することができる。このような液体ブレードは、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。更に、このようなブレードは、それ自体が摩耗を受けにくく、接触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、ロータの表面及びステータと共に作用して、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。ロータの回転により、閉じ込められた気体が気体入口から気体出口に移動する。

液体開口部からの液体の流れにより、ロータとステータとの間に液体開口部から液体表面として延びるブレードが提供される。圧送されることになる気体は、ブレードの両側にある。

この特許出願の目的において、ポンプのロータは回転要素であり、ステータは、ロータがこれに対して回転する要素である。更に、圧送されることになる気体は、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。

幾つかの実施形態では、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運ぶ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提供され、結果として幾つかの実施形態では、液体ブレードは、気体入口から気体出口まで圧送経路に沿って気体を運ぶようになる。少なくとも１つの表面が液体ブレードから形成されており、その変形可能な性質のお陰で表面形状及び寸法が、回転時のロータとステータとの間の距離に適応することになるので、この相対運動は、幾つかの実施形態で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で大きな摩耗なしに提供することができる。

幾つかの実施形態では、ポンプは、液体に駆動力を作用させて、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運ぶ駆動機構を備える。

液体に作用する駆動力は、ポンプの外部の供給源に由来することができるが、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、幾つかの実施形態では、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備える。

液体開口部はロータの表面に形成することができるが、幾つかの実施形態では、ステータボアの表面に形成されて、ロータに向けることができる。このことは、ステータボアは、ロータと異なり回転せず、幾つかの実施形態ではポンプの外面を提供するので、加圧液体をポンプに供給する簡単な方法が可能になるという利点を有することができる。

幾つかの実施形態では、ロータは中空体であり、駆動機構は、ロータを回転させるモータを備える。

液体の開口部（複数可）がロータにある場合に、液体に駆動力を提供する１つの方法は、中空のロータを使用してこのロータを回転させることである。このような実施形態では、ロータを回転させることにより、中空のロータ本体の外周に対する遠心作用によって、中空のロータ本体内の液体を押し込み、液体のストリームを形成する１又は２以上の液体開口部を通って外に出力させることができる。液体開口部が適切に配置された場合、この液体のストリームは、ステータボアに延びる液体ブレードを形成する。

幾つかの実施形態では、液体源は、ロータが部分的に浸漬されたリザーバを備える。

液体を中空ロータに供給する１つの方法は、ロータを液体のリザーバに部分的に浸漬させることである。

幾つかの実施形態では、中空ロータは、液体リザーバ内に延びる下端にて開口部を有し、中空ロータの内径が下端から増大している。ロータを回転させることで、液体がロータ内で上昇し、液体開口部（複数可）を通って排出されるようになる。

中空のロータ本体の内径が底部から上端に向かって増大する場合、底端がリザーバに浸漬されていることが望ましい。このようにして、液体リザーバに浸漬された下端では、直径が小さくなり、該直径は中空体に向かって増大する。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が、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、或いは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、ロータの内面にある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寸法は、ブレード又はベーンを形成するために開口部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液体の途切れのない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は、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、開口部の寸法及び数、並びにロータの高さなどのパラメータに依存することになる。

幾つかの実施形態では、ロータ及びステータは、一方が他方のボア内に取り付けられて、一方が内側構成要素を構成し、他方が外側構成要素を構成する。

ポンプは、平行な軸線を有して一方が他方の内部に取り付けられた、ロータ及びステータから形成することができる。ロータは、回転して２つの構成要素間に相対運動を提供し、この相対運動により、気体を圧送するための駆動力が提供される。幾つかの実施形態では、回転構成要素（ロータ）は、内側構成要素であるが、他の実施形態では外側構成要素である。

幾つかの実施形態では、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状に取り付けられる。

内側構成要素を偏心して取り付けるということは、相対的な回転があるときに、ステータ、ロータ及び液体ブレードによって形成される気体ポケットが容積変化することを意味する。この容積の変化により、気体は、気体ポケットを閉じ込めているチャンバが膨張するにつれて入口でポンプチャンバに吸い込まれ、チャンバが収縮するにつれて気体出口から押し出すことができるようになる。このようにして、ポンプは、ブレードを形成する変形可能な液体表面を有する回転ベーンポンプと同様の方法で作用する。理解できるように、これらのブレードは、ロータが回転するにつれて、実際に寸法が変化するが、これは、ロータ表面の一部がステータに向かって移動し、ステータから離れるにつれて必然的に起こる。ポンプチャンバの変化する容積を生成するために、バネ及び中実ブレードのような機械部品又は摺動部品は不要である。

幾つかの実施形態では、ポンプは、ステータとロータとの間をシールするためのシール部材を更に備え、気体入口がシール部材の一方の側にあり、気体出口が他方の側にある。

ロータ及びステータが同心状に取り付けられて、液体開口部（複数可）がロータ上にある場合、ステータとロータとの間のシール部材は、シール部材の両側に位置する２つのポンプチャンバの壁を形成することができる。これらのポンプチャンバは、ロータが回転するにつれて容積が変化することになる。気体出口は、シール部材のうちロータが回転して近づく側にあり、気体入口は離れた側にあることができる。

幾つかの実施形態では、少なくとも１つの液体開口部は、ステータ又はロータの一方の長さの少なくとも一部に沿って延び、少なくとも１つの液体開口部は、ステータとロータとの間に軸方向において少なくとも部分的に延びる表面として液体ブレードを提供するように構成される。

液体開口部は幾つかの異なる方法で配置することができるが、液体開口部は、それらから放出される液体が、ロータとステータとの間にポンプの長さの少なくとも一部に沿って延びる液体ブレードを形成するように配置することができる。

幾つかの実施形態では、ポンプは、少なくとも１つの液体開口部を含まないロータ又はステータのうち一方の表面から延びる突起を更に備える。

ステータ又はロータの一方が少なくとも１つの液体開口部を有し、他方が突起を有し、両者間の相対的な回転により、少なくとも１つの液体開口部から形成された液体ブレード（複数可）が、突起によって形成された経路に沿って気体を掃引するようになる。

液体開口部（複数可）は、幾つかの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開口部が存在してもよく、又はスロット形の単一の開口部が存在してもよい。幾つかの実施形態では、スロット又は複数の開口部は、ロータ及びステータの軸線と実質的に平行に延在す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。

他の実施形態では、スロット又は隣接する開口部は、ステータ及びロータの軸線に対して角度を付けることができ、場合によっては、ステータとロータと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。

螺旋スロット又はステータ又はロータの一方の表面の周りに延びる複数の開口部から形成された螺旋は、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にある螺旋突起と併用して、又は平面と併せて使用することができる。

幾つかの実施形態では、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。

気体が圧送されるにつれて気体に対して容積圧縮を提供することで、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出力が削減される。

回転ベーン式の配置では、ロータが回転してブレードがステータボアの周囲を移動するにつれて、ロータがステータボア内に偏心して取り付けられることに起因して容積圧縮が提供される。

スクリュー式配置の場合、気体入口と気体出口との間の寸法が縮小するポンプチャンバを設ける方法は、螺旋のピッチを入口から気体出口に向かって変えることである。これにより、ポンプ軸線の長さに沿って容積圧縮が生じる。

幾つかの実施形態では、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、ステータ及びロータの少なくとも一方にテーパーが付けられている。

入口と出口との間の寸法が縮小するポンプチャンバを提供する別の方法は、ステータとロータ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ーを付けることである。幾つかの実施形態では、テーパーが付けられているのはステータである。回転しないステータにテーパーを付けることは、多くの場合、気体出口に向かってポンプチャンバの寸法を縮小させる最も簡単な方法である。

幾つかの実施形態では、ステータ及びロータ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、非軸対称にテーパーが付けられる。

幾つかの実施形態では、外側構成要素のボアに気体出口に向かって非軸対称にテーパーが付けられているが、他の実施形態では、内側構成要素が増大する直径を有することができる。

非軸対称のテーパーは、気体出口を通る気体の排出及び気体入口を通る気体の吸引を助けることができる。

ステータにテーパーが付けられている場合、ロータは、一方の側でステータに平行で近接して維持されて、この長さに沿ってシールすることができ、ステータボアは、ロータから離れた側でテーパーが付けられる。気体出口は、ブレードの回転方向において、ロータ及びステータがシールを形成する部分の直前に配置することができ、気体入口はその直後に存在することができる。

幾つかの実施形態では、少なくとも１つの液体開口部は、ロータの表面と非垂直な角度で配置され、液体は加圧液体として供給され、角度が点けられた液体開口部において加圧液体が出力されることにより、ロータを回転させる駆動力が提供される。

液体開口部がロータの表面に対してある角度で配置される場合、液体の出力自体が、ロータに力を与えてロータを回転させることができる。これにより、ロータを駆動するためのモータが不要になり、ポンプのコストが削減され、ポンプを簡単でコスト効果よく構成することができる。

幾つかの実施形態では、駆動機構は、供給源から供給される液体を加圧するための加圧手段を備える。

前述したように、幾つかの実施形態では、液体を液体源から開口部に運ぶための駆動機構は、ロータの回転によって与えることができるが、他の実施形態では、駆動機構は、供給源から供給される液体を加圧するための加圧手段を備えることができる。幾つかの実施形態では、液体は、ロータの回転から独立して加圧形態で供給することができる。これにより、ロータが液体中で必要な圧力を生成するために必要とされる場合よりも、ロータ及びポンプチャンバの回転を遅くすることができる。

幾つかの実施形態では、気体入口及び気体出口は、ステータに形成され、各々は、一方向弁を備える。

他の実施形態では、ポンプは、ステータに形成されて各々が一方向弁を備える、複数の気体入口及び気体出口を備える。

幾つかの実施形態では、ポンプは、シャフトを駆動するためのモータを備え、ロータは、シャフトに取り付けられた実質的に円形の偏心カムを備え、シャフトはステータボアに同心状に取り付けられる。

ステータボアにある液体開口部と共に良好に作動することができる別の形式のポンプは、ロータがステータボア内で回転する円形の偏心カムであるポンプである。ロータの回転により、ロータの外側面及びステータの内側ボア面と液面との間のポンプチャンバのサイズが変化し、ピストンポンプの動作と同様に、ポンプチャンバが膨張するにつれて気体が気体入口弁を介して吸い込まれ、ポンプチャンバが収縮するにつれて気体が気体出口弁を通って押し出される。

幾つかの実施形態では、複数の液体開口部は、ロータとステータ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。

幾つかの実施形態では、ポンプは、単一の液体ブレードを形成するために単一の液体開口部を備えるが、複数の液体開口部を備えることもできる。複数の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、又は開口部は、これらから放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。

幾つかの実施形態では、複数の液体開口部のうちの少なくとも１つのセットが互いに隣接して配置され、複数の液体開口部のうちの少なくとも１つのセットから出力されるストリームが組み合わされて単一の液体ブレードを形成する。

場合によっては、複数の開口部があってもよく、こ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。１つのブレードだけが存在する場合、このセットが全ての液体開口部を備えることができるが、他の実施形態では、複数のセットがあり、各セットがそれらの独自のブレードを形成するように配置することもできる。液体ブレードは、スロットの形で単一の液体開口部から形成できるが、幾つかの実施形態では、各々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に近接している複数の隣接する開口部によって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有することにより、配置されるロータ又はステータの構造的完全性が改善されて、これによってポンプの機械的完全性を改善することができる。

幾つかの実施形態では、ポンプは、気体入口及び気体出口の複数のペアを備え、各ペアの気体入口及び気体出口は、液体開口部によって分離され、ペアの気体入口及び気体出口の間に液体ブレードを提供する。

例えば、ポンプが円形の偏心カムロータを備える場合、気体入口及び気体出口の複数のペアが存在し、各ペアと各気体容積とが液体開口部によって分離することができる。偏心カムの回転により、液体開口部から形成された液体表面によって囲まれるポンプチャンバは、最初に容積が増加して入口から気体を吸い込み、次に収縮して気体を出口を通じて押し出すようにする。入口及び出口は各々、弁付きにすることができる。気体入口及び気体出口のこれら複数のペアは、直列又は並列に接続されて、ポンプの性能特性を変更することができる。

幾つかの実施形態では、ポンプは、気体入口及び気体出口と、並びに気体入口と気体出口との間で気体を移動させるための少なくとも１つのポンプチャンバとを備え、ポンプは、動作時に、液体表面、ロータの表面及びステータボアの表面が少なくとも１つのポンプチャンバの表面を形成するように構成される。

幾つかの実施形態では、ポンプは、ロータの少なくとも一方端を支持する少なくとも１つの流体力学的軸受を備える。

ポンプのロータは軸受上で支持されており、通常は転がり軸受又は玉軸受であり、高価な部品である可能性があり、潤滑を必要とし、摩耗を受け易い。この形式のポンプとしては、円筒シャフトとボアとの間の液膜を利用する流体力学的軸受が好適とすることができる。場合によっては、流体力学的軸受は、ポンプブレードと同じ液体源からの液体で充填され、ロータ及びステータ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、追加の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、真空ポンプを備える。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安い効率的な方式で気体を移送できるようになる。

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備えた、軽減システムから圧送される汚染物質を低減する湿式洗浄器を提供する。

軽減システムは、湿式洗浄器と併せて使用されることが多く、湿式洗浄器は、液体ストリームを提供して、軽減システムから圧送されることになる気体と反応させ、又は該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、追加の液体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、該方法は、ロータの表面とステータとの間に液体ブレードを形成するために、ステータ又はロータの一方にある少なくとも一つの液体開口部から液体を出力するステップと、ロータを回転させて、ステータ、ロータ及び液体ブレードによって閉じ込められた気体を圧送経路に沿って気体入口から気体出口まで移動させるステップと、を含む。

幾つかの実施形態では、本方法は、ロータをステータのボア内で回転させて、液体ブレードが気体を圧送経路に沿って移動させるステップを含む。

更なる特定且つ好ましい態様は、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た場合、これは、その機能をもたらすか、またはその機能をもたらように適応または構成された装置の特徴部を含むことを理解されたい。

次に、本発明の実施形態について、添付図面を参照して更に説明する。

ステータボアに偏心して取り付けられたロータの横断面及び縦断面を示す図である。 ロータの表面に液体開口部が提供され、開口部からの液体ストリームが液体表面又はブレードを形成するようになっている、同じロータ及びステータボアを示す説明図である。 ロータが回転するにつれて所与の液体開口部から出力される液体の軌跡と、液体ストリームによって生成された対応する表面又はブレードを示す説明図である。 ロータが回転するにつれて所与の液体開口部から出力される液体の軌跡と、液体ストリームによって生成された対応する表面又はブレードを示す説明図である。 ロータが回転するにつれて所与の液体開口部から出力される液体の軌跡と、液体ストリームによって生成された対応する表面又はブレードとを示す説明図である。 隣接する液体表面間に形成された気体ポケット／容積を示す説明図である。 隣接する液体表面間に形成された気体ポケット／容積を示す説明図である。 ロータがステータボア内に取り付けられた実施形態による、ポンプのロータ上における異なる液体開口配置を示す説明図である。 ステータ及びロータの一方が他方の内部に取り付けられた、ポンプの異なる実施形態を示す説明図である。 ステータ及びロータの一方が他方の内部に取り付けられた、ポンプの異なる実施形態を示す説明図である。 ステータ及びロータの一方が他方の内部に取り付けられた、ポンプの異なる実施形態を示す説明図である。 ステータ及びロータの一方が他方の内部に取り付けられた、ポンプの異なる実施形態を示す説明図である。 ステータ及びロータの一方が他方の内部に取り付けられた、ポンプの異なる実施形態を示す説明図である。 一実施形態による多段ピストン式ポンプを示す説明図である。 ロータの表面と非垂直なスロットからの液体流によって駆動される自己駆動式ロータを示す説明図である。

実施形態について更に詳細に検討する前に、最初に概要を説明する。

実施形態により、液体から形成される高速の表面である液体ブレードを備えるポンプが提供され、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、また気体のポケットを隔離及び移動させる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できる。

液体表面の寸法及び形状は、従来のポンプに見られる剛性の硬い表面とは異なり、ロータとステータとの相対位置に適応し、また、表面に大きな摩耗を引き起こすこと又は厳しい公差に頼ることなく、或いは圧送されることになる気体又は流体の流れ中の粒状物質に敏感でなく他の表面との良好なシールを提供することになる。

図１から図４Ａは、真空発生時の回転式ベーンポンプに近似する実施形態を示しており、中実の機械式摺動ベーン又はブレードが、液体表面で置き換えられる。

液体「ブレード」は、ポンプのロータを形成する回転シャフトの孔又はスロットから生じる液体の連続ストリームから形成される。液体ストリームは、偏心したステータボアに向かって高速で移動する。液体をシャフトからステータボアに高速で運ぶために必要な圧力は、回転するシャフトの遠心作用によって実現できる。液体ストリームから形成されて液体ブレードを提供する表面は、シャフトと共に回転するので、回転ベーン式ポンプの動きに匹敵する。

図１は、実質的に円形のステータボア２０内において高周波数で回転する実質的に円形の中空シャフトを通る横断面を示している。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。シャフトは、ステータの内側にほぼ最大オフセットまで偏心して配置されている。

シャフト及びステータの軸線は、垂直方向に配向され、中空で端部が開口したシャフトの基部が、液体リザーバ３０に浸漬されている。

図２は、ロータの回転により液体が液体リザーバ３０からシャフト１０を上昇している動作時のポンプを示す。シャフト１０の中空ボアは、液体リザーバ水平高さの下方に位置する直径１２の内部増大部があり、シャフトの回転時に遠心力によって液体が加速され、シャフト１３の内側を上方に圧送されて、シャフトの孔又は細長いスロット１５から出て、シャフト又はロータ１０とステータ内側ボア２０との間に連続した液体表面４０を形成するように機能する。液体は、ステータボア２０の内壁を下方に逆流して（４２）、リザーバ３０に流入する。これは、連続サイクルベースで起こり、ステータ内側ボア２０に接触する液体（幾つかの実施形態では水）が、重力を受けてボアを下方に進み、リザーバを補給する。矢印は、単一の表面又はブレード４０を作成する、液体ストリーム方向を示すことに留意されたい。

シャフトの内側の液体は、遠心力を受けて孔／スロットを通じて押し込まれ、ステータボアに向かって移動して、複数の液体表面４０を形成し、これらは、ロータ１０が回転するにつれてポンプを通って気体を運ぶブレードを形成する。これが図３Ａから図３Ｃに詳細に示される。

図３Ａは、これらの表面の圧送作用に起因する圧力差の圧力効果を無視した場合の水滴の軌跡を示し、図３Ｂは、圧力差の効果を考慮したより現実的な液滴の軌跡を示し、図３Ｃは、各々が後続の時間に開口部から放出される複数の液滴の合計としてブレードの瞬間像を示している。

図３Ａから図３Ｃは、シャフト１０が回転するにつれて、液体が所与の孔／スロットを通って連続的に放出されることにより、湾曲したブレードと同等の表面４０が提供され、その有効な表面がシャフトと共に回転することを示している。図３Ａは、遠心力に起因する液滴の動きを示している。図３Ｂは、遠心力と、液体ブレードの両側に加わる圧力差との両方を考慮した液滴の動きを示している。図３Ｃは、遠心力、圧力差及び回転に起因するブレードの輪郭を示している。液面を横切る圧力差（ＰＨ－ＰＬ）は、これらの表面の圧送作用に起因する。液体がゆっくりと排出されるほど、圧力差によってより多くの液体が偏向される。液体が速く進むほど、圧力差による偏向が少なくなる。従って、回転速度は、液体の速度が十分に高く、ロータと内側ステータ壁との間に途切れのない表面を維持するのに十分であるように選択すべきである。この高回転速度により、物理的に小さなポンプでも比較的高いポンプ能力を有することができる。例えば、ステータの直径が１５０ｍｍ、シャフトの長さが１００ｍｍであり、２００Ｈｚで動作する真空ポンプは、５００ｍ³／時を超える排気量を提供できる。これはほんの一例であり、拡大又は縮小できる。注目すべきは、性能密度（物理寸法の関数としての容量）である。ポンプ原理により、ｍ³容積あたり～約３００，０００ｍ³／時を提供することができる。これは、余分な空間を消費する液体リングがないので、液体リングポンプと比べて高い回転数及び高いスペース効率の両方によって可能になる。

図４Ａは、隣接する液体ブレード間に閉じ込められた気体ポケット又は容積が、このようなポンプによってどのように移動するかを示している。気体ポケットが移動して、容積をシャフトの回転及びボアに対する偏心位置の関数として変化させた結果、入口から出口への圧送作用が生じる。気体ポート５０、５２には、一方向弁を設けることができる。

図３Ａから図３Ｃ及び図４Ａに示すように、結果として生じるブレードを形成する液体表面４０の形状は、シャフト回転及び圧力降下の組み合わせに起因して湾曲することになる。これを説明するには、個々の「液滴」の動きと、「液滴」のストリームによって発生する結果として生じる「表面」を考慮することが有用である。

例えば、時間ｔ＝０に、液滴１が半径「ｒ」でシャフトから放出される。時間ｔ＝δｔにて、同じ液滴１は半径ｒ＋δｒであり、別の液滴がシャフト周波数に応じて前進した角度で同じ孔／スロットから放出される。最初の液滴は、時間ｔ＝ｎ．δｔにてステータボアに達すると、ブレードの「先端」を表し、この同じ時点にて、シャフトの同じ孔／スロットから排出される液滴がブレードの「根本」を形成する。

従って、特定の時点にて観察される水ブレードは、液体「液滴」が、時間ｎ．δｔ（液滴がシャフトからステータボアまで進むのにかかる時間）にわたって連続的に流れる結果である。この時間中にシャフトは回転し、根本位置、先端位置及び中間の位置に、ブレードの異なる接線軌道及び湾曲した外観を与える。

気体を圧送するとブレードを横切る圧力降下も存在し、これは、液滴をそれらの名目上の接線軌道から偏向させ、ブレードの湾曲を増幅する役割を果たすことになる。偏向／曲率の量は、圧力降下、液体速度、液体の質量／密度及び進行距離を含む幾つかのパラメータに依存する。これらの値を不利に組み合わせると、液滴はステータボアに達する前に「失速」し、ブレードの完全な形成を妨げる可能性がある。従って、これらのパラメータ値は、シャフトとステータとの間にブレードが完全に形成されるように組み合わせる必要がある。

これらのパラメータはまた、システム内を循環する液体の量、ひいては液体の運動エネルギを発生するために消費される電力に影響を及ぼす。図面には、ドライブトレイン、軸受、シールなどは示されていない。

ポンプ動作を効率的にするために考慮する重要なパラメータ
・液体循環速度－シャフト内への液体の供給部及びリザーバに戻す排水設備は、液体が孔／スロット１５を通ってシャフトから離れる速度、さもなければブレード表面４０を十分に形成しない速度を超えるように維持する必要がある。従って、孔／スロットは、好ましくは、シャフト１０及びリザーバ３０への流れと比べて「制限的」である必要がある。
・シャフト周波数及び内径／外径－これらは、液体の循環速度及び運動エネルギ又は消費電力、液体の速度及び最大圧力降下、圧送速度に影響する。
・シャフトの外径とステータボアの内径との間のギャップは、最大圧力降下及び圧送速度に影響する。
・ブレード／ポンプの軸方向の長さは、圧送速度、液体循環速度、運動エネルギ又は消費電力に影響する。

上記パラメータは、ポンプに特定の特性を提供するように組み合わせて考慮し及び選択する必要がある。

図４Ｂは、図４Ａに示した偏心配置の代替の同心配置を示している。この配置では、気体入口と気体出口との間にシール５１があり、これによりロータ１０の回転時にポンプチャンバ容積が変化し、気体は、出口５２を通って排出され、入口５０を通って吸入される。同心配置は、ロータの回転時にブレード４０の長さが変化しないため、より高い容積能力を提供することができる。従って、長いブレード、ひいてはポンプチャンバ間の圧力差に対してより感度が高い部分は存在しない。対照的に、図４Ａに示した配置の利点は、別個のシール及び組み込まれた滑らかな容積圧縮を必要としない、自然なシール点である。

図５Ａは、ポンプの回転シャフト１０上に長手方向形状ブレードを形成するように配置された液体開口部１５の異なる配置を示している。液体開口部は、最初の図に示すように一列に配置された複数のスロット型孔１５、又は２番目の図に示すように複数の丸い孔１５、或いは実質的にロータ１０の全長に沿って延びる長手方向形状の液体開口部又はスロット１５で形成することができる。多くの実施形態では、ロータの周りにおいて異なる円周位置に配置された液体開口部によって形成された複数のブレードがある。開口部の各長手方向配置を通って出る液体により、回転ベーン式ポンプに類似しているポンプ配置内に液体ブレードが形成される。長手方向形状のブレードが、単一のスロットを通って出る液体から形成されず、線に沿った複数の隣接する開口部を通って出る液体から形成されると、各隣接する開口部から出力される液体は、合体して液体ブレードを形成する。

図５Ｂは、代替の偏心螺旋スクリューの実施形態を示し、ここで軸方向の圧送は、上部の気体入口５０から底部に向かって気体出口５２まで気体を運ぶ単一のシャフトスクリュー式ポンプによって提供され、スクリューの壁は、螺旋状の液体表面４０によって形成されている。図の左側に更に詳細に示すロータ１０は、螺旋状の液体開口部１５を有し、そこからの液体がスクリュー状の液体表面を形成する。液体開口部１５は、単一の螺旋スロットとして示されるが、図５Ａでは、螺旋経路に沿って互いに隣接して配置された複数の開口部から形成することができる。図の左側に描いたロータから分かるように、螺旋構造のピッチは、気体出口５２に向かって減少し、気体が圧送されるにつれて気体の容積を圧縮する。この実施形態の１つの利点は、実施形態によれば液体リザーバ３０（ロータの基部にある）が気体入口５０（ロータの上部にある）から離れて配置できることである。これにより、液体リザーバを横切って発生する大きな圧力降下が防止される。更に、真空ポンプの場合、気体入口５０が顧客の機器に最も近いので、リザーバ及びこれに関連する排水設備をポンプから離しておくことが有利とすることができる。螺旋構造のピッチは、気体出口に向かって減少するように選択でき、気体を圧縮して、圧送効率を改善する。

従来から、スクリュー式ポンプは２つの回転シャフトを有し、各々は、協働する中実のスクリュー輪郭を有するが、螺旋状の液体表面が変形可能であり、またステータボア内にシャフトが偏心して配置されることにより、単一のシャフトで形成することができる。

更なる類似の実施形態が図５Ｃに示される。図５Ｂと同様に、ロータ又はシャフト１０がステータボア２０内で回転すると、回転螺旋開口１５を通って液体が出ることによって、回転螺旋ブレード４０が提供される。しかしながら、この実施形態は、図示のようにステータボア２０の直径を小さくすることにより、又はシャフト１０の直径を大きくすることにより、或いはその両方によって、半径方向ギャップを出口に向かって短縮するために可変の根本先端直径を利用する。これにより、内部容積の圧縮が提供され、圧縮効率が向上し、必要な最大液体速度／流量が減少して、ブレードをポンプの圧力降下がより高い端部に維持することができ、電力消費を削減することができる。ステータにテーパーが付けられている場合、ロータは、この長さに沿って密封するために、一方の側がステータと平行に近接して維持され、ステータボアは、ロータから離れた側でテーパーが付けられている。気体出口は、ブレードの回転方向において、ロータ及びステータがシールを形成する部分の直前に配置され、気体入口はその直後に配置される。

幾つかの実施形態では、更なる容積圧縮が、図５Ｂに示すような可変ピッチの螺旋状液体ブレードによって提供される。ブレードのピッチは、この場合も出口に向かって減少し、ポンプチャンバの容積をポンプの高圧力端部に向かって縮小させる。

図５Ｄは、気体出口５２に向かって容積を圧縮するテーパー付きステータを有する更なる実施形態を示し、この実施形態では、テーパー付きステータ２０内に同心ロータ１０がある。中実の螺旋ネジ山２５が、ステータからロータ１０まで延びている。幾つかの実施形態（図示しない）では、ロータにある液体開口部は、図５Ａに示すようなスロット状の長手方向形状を有し、ネジ山によって形成された螺旋経路に沿って気体を運ぶ軸方向ブレードが提供される。従って、ロータ１０がステータ２０内で回転するにつれて、入口５０から来た気体は、螺旋経路に沿い出口５２に向かって運ばれる。テーパー付きボアは、出口に向かって移動するときに圧縮するように気体に作用する。或いは、液体開口部自体は、図５Ｂと同様に螺旋ブレードを形成する螺旋形態を有することができる。この場合、螺旋形のネジ山とブレードは反対方向に進み、結果として螺旋ネジ山が時計回りに下降すると、螺旋ブレードは反時計回りに下降する。これは、図５Ｆのテーパーなしボアの実施形態についてより詳細に示される。

テーパー付きボアによって、気体出口に向かう液体ブレードは、入口に向かう液体ブレードよりも小さいため、増大した圧力差を支援することができる。このような配置で流体を圧送するためにロータを駆動するのに必要な出力は、大幅に削減される。

図５Ｅに、テーパーなしステータ及びステータ２０上の螺旋ネジ２５を有する同心配置が示される。ロータ１０は、この場合も同様に、一方端が液体リザーバ３０内に浸漬され、中空シャフトを上昇する液体は、長手方向スロットを通って出力されて長手方向形状の液体ブレード４０を形成し、液体ブレード４０は、ネジ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経路に沿って気体入口５０から気体出口５２に気体を掃引する。

図５Ｆには、ステータボア２０上に同様に内部螺旋ネジ２５を備える代替の同心配置が示されるが、ここでは液体ブレード４０は、長手方向形状ブレードではなく螺旋ブレードである。

これらの液体ブレード配置の幾つかについて、ポンプ段の数が増大され、従来の機械式ポンプの技術分野で周知であるように、容量を増加させることができる。

図６には、カムシャフト１０及び液体ブレード４０は、ステータ２０からカムシャフトロータ１０に向かって延びる非回転の液体ブレード４０が示され、多段ピストンポンプに類似した多段変位ポンプを提供している。実施形態によれば、使用する液体ブレード４０の数に応じて、異なる数のポンプ段を可能にする。液体ブレードを提供するための液体開口部１５は、ステータボア２０上に位置することができ、ポンプチャンバ１７は、液体ブレードの表面並びにステータボア２０及びカムシャフト１０の表面によって提供される。カムシャフトの進行及びポンプチャンバ１７の対応する容積の変化を示す図から分かるように、カムシャフト１０がボア内で回転することによりこれらポンプチャンバ１７は容積が変化する。各液体ブレード４０間に気体入口５０及び気体出口５２の複数のペアが配置され、各ペアは弁を有する。カムシャフトが回転するにつれてポンプチャンバが膨張し、気体は、気体入口５０を通って引き込まれることになる。更に回転すると、ポンプチャンバ１７が収縮し、気体は気体出口５２を通って排出されることになる。次いで、ロータ１０は、後続のポンプチャンバの容積を変化させる。このようにして、ポート５０、５２のペアは、圧送プロセス中に複数段を形成し、より大きい圧力差のために直列に、又はより大きい容量のために並列に接続することができる。ブレード４０は、ステータ上の開口部１５から形成される所定位置に固定され、弁も固定位置にあることを可能にする。

上述した多くの実施形態では、液体表面を提供する液体循環は、液体に遠心力を提供す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代わりの方法、すなわち高圧力液体源の方法が使用される。

このような高圧力液体供給部又はポンプは、個別に又は調整されたシャフト回転と併せて使用でき、これにより流体速度及びシャフト周波数の両方が、要求されるポンプ性能に応じて独立して変動可能であり、効率及びポンプ調整を制御可能にする。

図７は、名目上接線方向の孔／スロット１５を有するシャフトを示している。この実施形態は、シャフトに高圧力液体を提供するために外部供給源を使用する。この実施形態では、高圧力液体供給部により、液体のストリームに変形可能な液体表面４０が提供されるだけでなく、水圧からシャフト１０の回転を駆動する力が提供される。

幾つかの実施形態では、ポンプは、湿式洗浄環境で使用して、圧送機能が湿式洗浄に統合することができ、このような実施形態では、液体ブレードが有利である。これに関して、液体ブレードポンプの１つをプロセスガスの流れに合わせて配置することによって、ポンプは、真空生成に加えて、例えば軽減システムの出口（又は入口）における湿式洗浄に使用できる。

幾つかの実施形態では、回転運動を支援するために、液体ブレードと同じ高圧力液体源からの流体力学的軸受が使用され、従って、ポンプを更に簡素化し、コストを削減する。

モータ及び周波数インバーター又はベルト駆動のような、シャフトを駆動する手段が必要な場合、このような駆動システムは、好ましくは、液体が駆動手段内に漏洩するリスクを低減するために、シャフトの上部に配置することができる。

要約すると、実施形態は、液体開口部からの放出を満たし又はこれを超える液体循環が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され、ポンプチャンバ間の漏洩を防止するのに役立つ。液体開口部の寸法、使用する液体の種類、液体の速度、ロータとステータとの間の距離、ロータの長さ及びその回転速度のような多くのパラメータは、全て液面の形成及び維持に影響を与える点に留意されたい。従って、これらの機能は、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。

本発明の例示の実施形態は、添付の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ることなく、種々の変更及び修正は、添付の特許請求の範囲及びこれらの均等手段によって定めたように、本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって本明細書で達成することができることは理解される。

１０ ロータ
１３ シャフト内の液体
１５ 液体開口部
１７ ポンプチャンバ
２０ ステータの内側ボア
２５ 螺旋ネジ
３０ 液体リザーバ
４０ 液体ブレード
４２ 液体ストリーム
５０ 気体入口
５１ シール
５２ 気体出口

Claims (21)

1. 気体を圧送するための容積移送式真空ポンプであって、
   ロータ及びステータを備え、
   前記ロータ又は前記ステータの少なくとも一方が、液体源と流体連通するように構成された少なくとも１つの液体開口部を含み、
   前記液体開口部は、前記液体源からの液体に作用する駆動力に応じて、液体ストリームが前記液体開口部から出力されるように構成され、前記液体ストリームは、前記ロータと前記ステータとの間に液体ブレードを形成し、前記ステータ、前記ロータ及び前記液体ブレードによって閉じ込められた気体が、前記容積移送式真空ポンプを通って気体入口から気体出口に向かって運ばれ、前記ロータとステータとが上下方向に配向されている、
   ことを特徴とするポンプ。
2. 前記ロータは回転可能に取り付けられ、前記ロータと前記ステータとの間に前記液体ブレードを形成する前記液体ストリームは、前記ロータの回転時に、前記ポンプを通って前記気体を運ぶように動作可能である、
   請求項１に記載のポンプ。
3. 前記ポンプは、前記液体に駆動力を作用させて、前記液体源から前記少なくとも１つの液体開口部を通って前記液体を運ぶ駆動機構を備える、
   請求項１に記載のポンプ。
4. 前記少なくとも１つの液体開口部は、前記ロータの表面に形成される、
   請求項１に記載のポンプ。
5. 前記ロータは回転可能に取り付けられ、前記ロータと前記ステータとの間に前記液体ブレードを形成する前記液体ストリームは、前記ロータの回転時に、前記ポンプを通って前記気体を運ぶように動作可能であり、
   前記ポンプは、前記液体に駆動力を作用させて、前記液体源から前記少なくとも１つの液体開口部を通って前記液体を運ぶ駆動機構を備え、
   前記少なくとも１つの液体開口部は、前記ロータの表面に形成され、
   前記ロータは中空体であり、前記駆動機構は、前記ロータを回転させるモータを備える、
   請求項１に記載のポンプ。
6. 前記液体源は、前記ロータが部分的に浸漬されたリザーバを備える、
   請求項５に記載のポンプ。
7. 中空の前記ロータは、前記リザーバ内に延びる下端にて開口部を有し、前記ロータの内径が前記下端から増大している、
   請求項６に記載のポンプ。
8. 前記少なくとも１つの液体開口部が、前記ステータの表面に形成される、
   請求項１に記載のポンプ。
9. 前記ロータ及び前記ステータは、一方が他方のボア内に取り付けられ、前記一方が内側構成要素を構成し、前記他方が外側構成要素を構成するようになる、
   請求項１に記載のポンプ。
10. 前記内側構成要素は、前記外側構成要素のボア内に偏心して取り付けられる、
    請求項９に記載のポンプ。
11. 前記内側構成要素は、前記外側構成要素のボア内に同心状に取り付けられる、
    請求項９に記載のポンプ。
12. 前記少なくとも１つの液体開口部は、前記ステータ又は前記ロータ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、前記少なくとも１つの液体開口部は、前記ステータと前記ロータとの間に軸方向に少なくとも部分的に延びる表面として前記液体ブレードを提供するように構成される、
    請求項９に記載のポンプ。
13. 前記少なくとも１つの液体開口部は、前記ステータ又は前記ロータの表面の周りに延びる螺旋の形態で配置され、前記少なくとも１つの液体開口部は、前記ステータと前記ロータとの間に螺旋表面として前記液体ブレードを提供するように構成される、
    請求項９に記載のポンプ。
14. 前記ステータ及び前記ロータの少なくとも一方は、前記ステータと前記ロータとの間の距離が前記気体出口に向かって減少するようにテーパーが付けられている、
    請求項９に記載のポンプ。
15. 複数の液体開口部を備え、
    前記複数の液体開口部が、前記ロータと前記ステータのボアとの間に複数の液体ブレードを形成する複数の液体のストリームを提供する、
    請求項１に記載のポンプ。
16. 前記ポンプは、気体入口及び気体出口の複数のペアを備え、前記気体入口及び気体出口の各ペアは、液体開口部によって分離されて、前記気体入口及び気体出口のペアの間に液体ブレードを提供する、
    請求項１５に記載のポンプ。
17. 前記ポンプは、動作時に、前記液体ブレード、前記ロータの表面及び前記ステータのボアの表面が少なくとも１つのポンプチャンバの表面を形成して、前記気体入口と前記気体出口との間で前記気体を移動させるように構成される、
    請求項１に記載のポンプ。
18. 前記ポンプは更に、前記ロータの少なくとも一方端を支持するための少なくとも１つの流体力学的軸受を備える、
    請求項２に記載のポンプ。
19. 使用中に、前記ステータ、前記ロータ、及び前記液体ブレードにより気体ポケットが画成され、前記ロータの回転が前記気体ポケットの容積の変化を引き起こす、
    請求項１に記載のポンプ。
20. 請求項１に記載のポンプを備えた、
    軽減システムから圧送される汚染物質を低減するための湿式洗浄器。
21. 気体を圧送するための容積移送式真空ポンプであって、
    ロータ及びステータボアを含むステータであって、前記ロータは前記ステータボア内に受け入れられている、ロータ及びステータと、
    前記ロータと接続され、前記ステータボア内で前記ロータを偏心して回転させるように構成されたシャフトと、を備え、
    前記ロータ又は前記ステータの少なくとも一方が、液体源と流体連通するように構成された少なくとも１つの液体開口部を含み、
    前記少なくとも１つの液体開口部は、前記液体源からの液体に作用する駆動力に応じて、液体ストリームが前記少なくとも１つの液体開口部から出力されるように構成され、前記液体ストリームは、前記ロータと前記ステータとの間に液体ブレードを形成し、前記ステータ、前記ロータ及び前記ステータボア内の前記液体ブレードによって閉じ込められた気体が、前記容積移送式真空ポンプを通って気体入口から気体出口に向かって運ばれ、
    使用中に、前記ステータ、前記ロータ、及び前記液体ブレードにより気体ポケットが画成され、前記ロータの回転が前記気体ポケットの容積の変化を引き起こす、
    ことを特徴とするポンプ。

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