JPH07504733A - 回転ライナを有する液体リングポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 回転ライナを有する液体リングポンプ 発明の背景 本発明は、ガスもしくは蒸気（以降、“ガス”と総称する）をポンピングしてガ スを圧縮もしくは減圧ガス領域（“真空”）に生成する液体リングポンプに関す る。更に詳細には、本発明は、固定ポンプハウジング内にライナを有し、そして 、このライナが液体リングに対して自由に回転されて液体リングとハウジング間 の流体摩擦が低減される液体リングポンプに関する。

回転ライナを有する液体リングポンプは、例えば、バービックの米国特許第５゜ １００．３００号公報およびロシャ国発明者証第９３９．８２６号公報に開示さ れるように公知である。バービックの米国特許第５．１００．３００号公報にお いては、ライナは、このライナと固定ハウジング間の間隙向加圧ベアリング流体 により回転するよう支持されている。ロシャ国発明者証第９３９．８２６号公報 においては、ガスが、ライナを回転するよう支持する液体内に混在されていて、 ライナの回転摩擦抵抗を減少するよう構成されている。しかしながら、流体も、 或いは更にガスを混在する流体であっても、ライナに対して可なりの抵抗力を発 生する。

従って、本発明の１つの目的は、前述のような回転ライナを有する液体リングポ ンプにおいて回転ライナ上の抵抗を減少することにある。

発明の概要 本発明の前記およびその他の目的は、本発明の原理に従い、すなわち、回転ライ ナを有し、そしてこのライナが、主として、このライナとハウジング間の間隙を 実質的に充満する圧縮ガスにより周囲ハウジングに対して回転するよう支持され ている液体リングポンプを提供することにより達成される。

本発明の更に別の特徴、特質および種々の利点は、好適な実施例に係わる添付図 面および以下の詳細な説明から更に明らかとなるであろう。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の原理に従って構成された例示的液体リングポンプを示す簡略断 面図である。

図２は、図１の２−２線に沿う簡略断面図である。

図３は、本発明に係わる例示的変形例を示すための、図２と同種の別の簡略断面 図である。

図４は、本発明の原理に従って構成された別の例示的液体リングポンプを示す簡 略断面図である。

図５は、本発明に係わる実施可能な変形例を示すための、図４の部分拡大図であ る。

図６は、本発明に係わる別の実施可能な変形例を示すための、図５と同じ部分図 である。

好適な実施例の詳細な説明 図１（本図は、成る点で、米国特許第５，２１７，３５２号公報の図１の右側部 分と同じである）に示すように、本発明に従って構成される例示的ポンプ１０は 、中空で実質的円筒状の躯体３０を有する固定ハウジング２０を含む。ロータ２ ８が、軸１２上に装着されて、躯体３０の長手方向中心軸線から横方向へ偏心す る軸線周りをこの軸と共に回転される。軸１２の回転は、モータ１３で駆動され る。中空で実質的円筒状のライナ３４が、躯体３０の内部に配置されている。

ライナ３４の外側円筒面は、躯体３０の内側円筒面から環状間隙３５だけ離間さ れている。ポンピング液体（例えば水、図示せ′０の所定量が躯体３０内に保持 されていて、軸１２がロータ２８を回転すると、このロータ２８の、軸および半 径方向へ延在されているブレードがポンピング液体に係合してこれを躯体３０内 の循環中空リングに形成する。躯体３０はロータ２８に対して偏心しているので 、液体リングも同じくロータに対して偏心している。

液体リングの外面がライナ３４の内面と係合することにより、ライナが液体リン グの実質的部分回転速度で回転させられる。圧縮ガス（例えば、圧縮空気）が（ 例えば、ガスポンプ３８かり実質的環状の室３６および円周且つ軸方向に離間さ れている穴部３８を通り間隙３５内へ圧入さね、この間隙３５を圧縮ガスで実質 的に充満することにより、ライナ３４を躯体３０に対して回転するよう支持する ガスベアリングが提供される。

液体リングに対するライナ３４の前記回転は、液体リングとライナ内面との間の 関係速度を減少することにより、ポンプ内流体摩擦損失を減少させる。ライナベ アリング流体が低粘性の圧縮ガスである場合には、高粘性の流体である場合より も、ライナ３４はこのライナを回転させる液体リングの速度により近い速度で回 転される。例えば、ガスがベアリング流体である場合には、ライナ３４はロータ ブレードのチップ速度の約８０％の速度で回転される。このことは、液体がライ ナベアリング流体に使用されている場合に比較して、ポンプ効率を実質的に改善 する。

ポンプでボンピング（“圧縮”）されるべきガスは、吸込導管２４および入口開 口部２６を通り、ポンプ円周方向の一側部上における円周方向隣接ロータブレー ド間のスペース（１″）に対して供給される。なお、前記入口開口部はポンプの 固定構造の一部をなすボートｉ材２２内に配置されている。入口開口部２６は、 ロータの回転方向へ向はサイズを有効に増大されるロータ室へ連通されている。

なおここで、前記サイズの増大は、前記室は、その−境界面を形成する液体リン グの内面が、液体リングの軸線に対する偏心のためにポンプの前記側部上におい て軸線から後退されていることによる。従って、サイズを増大される前記室はボ ンピングされるべきガスを吸引する。このようにしてポンピングされるべきガス がポンプ吸込領域へ受入れられると、次いで、各ロータ室はそのサイズを、液体 リングの内面がロータ軸方向へ移動することにより減少されるポンプ圧縮領域へ と回動される。そしてこれにより、室内のガスが圧縮さね、この圧縮されたガス が吐出穴部３２および吐出導管４０を通りロータから吐出される。

図１に示す形式のポンプ（ここに示し且つ説明する回転ライナを有する別のポン プも同様であるが）の設計、製造および作動において遭遇する問題の１つは、ポ ンプ円周方向の一方向から他方向へのガス圧力の差が、ライナ３４をハウジング 連体３０の成る半径方向へ向けて押圧し勝ちであることである。このことは、ラ イナ３４を躯体３０の成る点に接触させて、ライナの回転を減速すると共に更に 場合によっては停止させるに至る。この問題は、間隙３５内のライナベアリング 流体が液体もしくは圧縮カスのいずれであっても発生され得るが、しがしながら 本来、ベアリング流体がガスである場合に一側となれば、このガスの使用は小さ な間隙３５（下記の間隙サイズの論議を参照、この論議は間隙３５にも同様に適 用される）の使用を典型的に意味するものであるので−１特に重要である。

ライナ３４の前記半径方向移動は、ハウジング連体３０のポンプ円周方向→部に 対するライナ３４の接触を可能とするばかりではなく、ポンプ円周方向他側部上 の間隙３５を拡大し勝ちである。このことは、殊にベアリング流体がガスである 場合に、ライナベアリング流体の前記ポンプ他側部上における無駄な流動を前記 問題が図２に描写されている。すなわち、通常形式の回転ライナベアリング流体 供給オリフィス１−８（図１には、包括参照符号３８で指示されている）が、外 側固定ハウジング３０および内側回転ライナ３４に対して図示されている。

ライナ３４およびハウジング３０間の間隙３５は、ポンプ円周方向の一方向から 他方向へのポンピングガス圧力差に基づく荷重９にょるライナ移動をより明らか に示すべく誇張されている。ライナ３４上の荷重９は、詳細には、ガス圧力差と ライナ投影面積（“ライナ投影面積”は、ライナの直径と軸方向長さの相乗積で ある）の相乗積にほぼ等しい。図２における荷重９の方向は、“ランド”　（す なわち、ロータブレードの外側チップがハウジングに最近接する位置）をハウジ ングの底部から４５°の位置に配置する代表的ポンプ設計の場合を示している。

ベアリング流体の回転ライナ３４に対する流動量および吐出圧力が、回転ライナ の適宜作動とポンプの全体効率に影響する。これらパラメータの双方は荷重９の 大きさに依存される。

本発明によれば、ポンプ設計を図３に示すように、圧力差（荷重ベクトル９に関 連して上述した）によってライナ重量を相殺するよう指向することにより、ライ ナ３４を回転状態に支持するベアリングガスの能力を改善することができる。

ポンプの吸込および吐出工程は頂部の２つの四分円に指向される。これにより、 ポンピングガスの圧力差に基づく荷重は、ベクトルＯＡで示すように上向きに指 向される。この荷重はミ下向きのライナ重量（ベクトルＯＢ）およびライナ内液 体リング（図示せず）重量で相殺される。

圧縮ガスを、ライナを回転するよう支持するベアリング流体として使用する場合 には、前記ガスの、ポンプ作動スペース内への流出を減少もしくは実質的に排除 することが重要である。バービックの米国特許第５，１００，３００号公報記載 の形式の端板を、それ単独でもしくは後述する別の構造と結合してライナ端部上 に設けると、ライナベアリングガスのポンプ作動スペース内への流出を減少もし くは排除するのに、極めて有効である。図４（本図は、成る点で米国特許第５゜ １００．３００号公報の図９と同じである）には、ライナベアリングガスの環状 間隙１７３からポンプ１００作動スペース内への流出を防止すべく、回転ライナ １７０の端部上に設けられる端板１７６が示されている。米国特許第５，１００ ゜３００号公報にはポンプ１００の各部が詳細に記述されているが、ここでは全 体について簡単に説明する。ロータ１４０は、軸１３０上に装着されて、中空で 実質的円筒状の固定ハウジング１２２の長手方向中心軸線とは偏心されている前 記軸の軸線周りを回転する。ロータ１４０は、その各軸端部上のトロイド状端部 ンユラウト１４８と軸方向中央部のトロイド状環状中央部シュラウド１４６とを 含む。回転ライナ１７０は、中空で実質的円筒状の躯体１７２とこの躯体の各端 部を部分的に閉塞するトロイド状覆い板１７６とを含む。ポンピング液体の所定 量（図示せず）がライナ１７０およびハウジング１２２内に保持されて、液体リ ングを、図１に関連して説明した前述の方法で形成する。ポンピング（“圧縮” ）されるべきガスは、ヘッド部材１５０内の通路１５２および中空、円錐台状“ 円錐”部材１５７内の接続通路を通りポンプへ導入される。ガスは、圧縮された 後、円錐およびヘッド部材１５７および１５０内の別の通路（例えば、１５４） を通りポンプから吐出される。要素１５１．１５３および１５５は、軸１３０を 回転するよう支持する。

本発明によれば、ライナ１８０を回転するよう支持するベアリング流体として使 用される圧縮ガス（例えば、圧縮空気）は、穴部１２２ｄを通りポンプ内へ導入 される。この圧縮ガスは、通路１２２ｃを通ってポンプの環状肩りに分配される 。通路１２２ｃから、圧縮ガスは、ポンプの軸方向および円周用りに分配されテ ィるオリフィス１２２ｅを通り環状間隙１７３へ進入する。このようにして間隙 １７３内へ導入された圧縮ガスは、前記間ｉＷＡ　（および、好適には端板１７ ６およびヘッド部材１５０間のトロイド状間１１！１；（１７５）を実質的に充 満して、ライナ１７０を、ハウジング１２２に対して、図１に関連して前述した ように、液体リング速度の大部分に対応する速度で回転させるよう支持する。端 板１７６は、圧縮ガスの間隙１７３軸方向端部からポンプ作動スペース内への流 出量を減少させる。また、端板１７６はライナ１７０を補強することにより、躯 体１７２を円筒状に維持してハウジング１２２内の自由回転を確保する。端板に 関するこの利点は、圧縮ガスがライナベアリング流体として使用される場合に特 に重要であるが、これは、間隙１７３が、前記場合には、液体がライナベアリン グとして使用される場合よりも典型的に小さいからである。詳細には、圧縮ガス がライナベアリング流体として使用される場合には、間隙１７３０半径方向厚さ はライナ外径の約０．０１乃至約０．１０％に過ぎない。比較のために、水がラ イナベアリング流体として使用される場合には、代表的な間隙厚さはライナ外径 の約０．０６乃至約０．１５％の範囲である。

圧縮ガスライナベアリング流体のポンプ作動スペース内への流出を更に減少する ために、例えば図５に示すように、作動スペース内へ流出する前の圧縮ガスを捕 捉して、これをポンプから放出する装置を設けることができる。図５に例示する 実施例においては、環状流路２２０が、間隙１７３の軸方向端部に近接するヘッ ド部材１５０内に設けられている。嵌望により、ポンプの他方の軸方向端部も同 様に構成することができる）。環状流路２２０は、間隙１７３の隣接軸方向端部 と環状に連通されている。従って、間！！１１７３の軸方向端部から流出する圧 縮ガスは、環状流路２２０内へ流入して導管２２１を通りポンプから導出される 。

導管２２１は日には、図５に示すようにチェック弁２２２を介して）ポンプの主 吐出導管１５４内へ放出するか、或いは、導管２２１を延在および／もしくは移 動してポンプから完全に分離した出口を設けることができる。このように、圧縮 空気は、流路２２０によって収集され導管２２１を介してポンプから放出される ので、間隙１７３からポンプ作動スペース内への流出−この場合は、ポンプの効 率および／もしくは容量が阻害される−を防止することができる。

間隙１７３からの漏洩圧縮ガスを収集するために、代案としてもしくは流路２２ ０に付加して、１つもしくはそれ以上のシールを、圧縮ガスのポンプ作動スペー ス内への流出を防止もしくは少なくとも実質的に減少するよう更に設けることが できる。例えば、図５に例示する実施例においては、環状シール１７７が、端板 １７６の最内側面と円錐体１５７の半径方向外向き対向面との間に配置されてい る。（また、所望により、ポンプの他方側端部も同様に構成することができる） 。シール１７７は、ポンプの固定端部構造とライナ端板１７６の内径部間の間隙 をシールする。この配置においては、シール１７７は固定および回転面間の駆動 間隙で作動されることができる。このように、シール１７７は２つの金属面間の 単なる密着駆動適合から構成することができる。

圧縮ガスをライナベアリング流体として使用する場合には、圧縮ガスのポンプ作 動スペース内への流出を防止するだけではなく、各ライナ端板１７６と隣接する ポンプ固定端部構造間のトロイド状間隙１７５における固い液体膜の形成を防止 することが重要である。このような固い流体膜の形成は、ライナ外側端部壁面上 の抵抗力を、特にロータ速度と近接する速度のライナ回転において増大する。

図５の環状大略２２０には、間隙１７５からの液体排出部を設けることができる 。

ロータ／ライナ構造の内部から流出する全ての液体は、ライナの端面によって振 り落とされる。この液体は環状流路２２０内に収集さね、そしてここで、環状間 隙１７３の隣接軸方向端部から排出される圧縮ガスと混合される。このガス／液 体混合物は、導管２２１を通りポンプから排出される。

図５に示すように、ライナ１７０の端面を排気すると、ライナ上の軸方向スラス トの大きな生成が、また全て防止される。ライナの各端部は、排気もしくは大気 の圧力である。この設計においては、何等かの軸方向スラストが内部の軸方向圧 力差から発生されたとしても、これは、両ライナ端板１７６が同一サイズであれ ば、極めて小さい。軸方向スラストは一般的に比較的小さいので、ライナの軸方 向位置を保持する付加的構造は同等必要としない。代案として、米国特許第５゜ １００．３００号公報の図５における参照符号２９で或いはここの図６に示され るような流体静力学的ベアリングを、成る場合には、ライナ１７０の軸方向位置 を保持するために使用することができる。図６には、代表的な流体静力学的ペア リングパラｌ”１８０が、ライナ１７０の軸方向端部上で作動するようヘッド部 材１５０上に配置されて、ライナをヘッド部材から軸方向へ離間させているのが 示されている。幾つかの同じベアリングパッドを、ライナの各端部上で作用する よう分配することができる。これらの各ベアリングパッドは、導管１８２を通し てベアリング流体を供給される。このベアリング流体は、液体もしくは圧縮ガス のいずれでも良い。液体を使用する場合には、パッド１８０は好適には間隙１７ ５内における液体の集積を全て防止するように設計および配置される。ベアリン グパッド１８０に対して圧縮ガスを使用すると、ライナ上の抗力を最少にする観 点から最も好適である。

成る種の適用に対しては、図１に示す比較的簡単な構造が適応される。この構造 は、間隙３５の軸方向端部には端板もシールも備えない簡単な回転ライナから形 成されている。ライナを回転するよう支持するガスは、ライナ端部周りを流動し て液体リングに流入する。このガスは、液体に比較して軽量であるので、遠心加 速領域内を半径方向内側へ移動する。少なくともガスの一部分はポンプの吸込側 へ向は流動し、そしてここで、吸込圧力まで膨張して有効なポンプ容積を置換す る。全てのガスは、最後には規定の吐出ポートを通りポンプから放出される。

図１に示すポンプ構造は、低真空度で作動される真空ポンプに対するライナベア リング流体としての圧縮空気に関して−ここで、低真空度ではライナ支持ガスの 膨張は小さいので−、実用的である。このポンプ構造は、また低圧縮率の圧縮機 に対しても実用的である。これらの適用において、圧縮ガスの液体リング内への 膨張流入量は全体のポンプ容量に比較して小さい。この構造は、ライナ端部周り にガス流動を有するよう所望されるので、複雑な端部シールを必要としない。

これまでの記載は単に本発明の詳細な説明するものであり、そして、種々の変更 例が本発明の範囲および精神を逸脱することなく同業者には可能であることは理 解されるであろう。例えば、添付図面に示すポンプは“円錐状”　慣際には、円 錐台形）ポート部材を有する両端部ポンプであるが、しかしながら、本発明の原 理は、単一端部ポンプ等のような多くの別の公知形状を有する液体リングポンプ 、或いは平坦もしくは円筒状ポート部材を有するポンプに対しても同等に適用可 能である。

ＦＩ６．５ 補正書の写しく翻沢幻提出書 （特許法第１８４条の７第１亀 平成　６年　９月１３日

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．環状ハウジングと、前記ハウジング内に配置されると共に前記ハウジングの 内面から環状間隙だけ離間されている環状ライナ部材と、軸の周りを回転するよ うハウジング内に配置されるロータであって、前記ライナ部材は前記軸の周りに 環状に形成されていて、前記ロータの回転により前記ハウジング内に保持されて いる所定量のポンピング液体が前記ライナ部材内部において循環環状液体リング 形状を有する液体リングポンプにおいて、圧縮ガスを前記間隙内に導入する装置 であって、前記圧縮ガスを前記間隙内に実質的に充満させることにより前記ライ ナ部材を前記ハウジングに対して回転させるガスベアリングを形成する前記導入 装置を有することを特徴とする液体リングポンプ。
2. ２．更に、前記ライナ部材の各軸方向端部上には端部材を有し、前記各端部材は 前記ライナ部材から半径方向内側へ延在することを特徴とする請求項１記載の液 体リングポンプ。
3. ３．更に、前記各端部材は、ほぼ少なくとも前記液体リングが前記ライナ部材か ら半径方向内側へ延在するよう前記ライナ部材から半径方向内側へ延在すること を特徴とする請求項２記載の液体リングポンプ。
4. ４．更に、前記各端部材はトロイド形状であることを特徴とする請求項３記載の 液体リングポンプ。
5. ５．更に、前記各端部材は前記ハウジングの隣接軸端部から第二間隙だけ軸方向 に離間されていて、前記第二間隙内に圧縮ガスを前記間隙が実質的に充満される よう導入することにより、前記端部材と前記ハウジングとの間にさらなるガスベ アリングを提供することを特徴とする請求項２記載の液体リングポンプ。
6. ６．更に、圧縮ガスを前記間隙内に導入する前記装置は前記ハウジングの内面を 貫通する複数の穴部を有し、この穴部は前記ハウジングの周りの環状方向に互い に離間されていて、前記圧縮ガスの一部が前記穴部のそれぞれを通り前記間隙内 に導入されることを特徴とする請求項１記載の液体リングポンプ。
7. ７．更に、前記圧縮ガスが、前記間隙から前記液体リングもしくはこの液体リン グ内部のポンプの作動スペース内へ流出するのを実質的に防止するシール装置を 有することを特徴とする請求項１記載の液体リングポンプ。
8. ８．前記軸は実質的に水平であり、また、前記ロータと液体リングは、協働して ガスをポンプして、前記液体リングの第一アーチ状部分に隣接する比較的低い吸 込圧力から前記液体リングの第二アーチ状部分に隣接する比較的高い吐出圧力ま で高める請求項１記載の液体リングポンプにおいて、更に、前記ポンプは、前記 第二アーチ状部分がポンプ頂部に隣接するよう配向されていることを特徴とする 液体リングポンプ。