JP2018502254A

JP2018502254A - オイル噴射式真空ポンプ要素

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Publication number: JP2018502254A
Application number: JP2017537447A
Authority: JP
Inventors: イェンスブークス; ヨーゼフマリアセーヘルス
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2036-01-07
Also published as: EP3245405B1; CA2972636A1; BR112017014897A2; CA2972636C; BR112017014897B1; CN107208640A; US10670014B2; EP3245405B2; EP3245405A1; US20180274541A1; CN107208640B; JP6716576B2

Abstract

２つの協働するヘリカルロータ（３）がハウジング（２）内に設けられ、ハウジング（２）が、入口ポート（８）と、出口ポート（９）を有する出口端面（６）と、を備え、ヘリカルロータ（３）とハウジング（２）との間に圧縮チャンバ（１１ａ，１１ｂ）が形成される、オイル噴射式真空ポンプ要素（１）において、オイル噴射式真空ポンプ要素（１）が、第１の圧縮チャンバ（１１ａ）から上記出口端面（６）にある第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）まで延びる接続部を備え、第１の圧縮チャンバ（１１ａ）が、第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）よりも低圧であり、ヘリカルロータ（３）の回転時に第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）が出口ポート（９）と接触することができ、接続部は、第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）から第１の圧縮チャンバ（１１ａ）への流れを可能にするようなものであり、接続部が出口ポート（９）に直接接続されない、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、オイル噴射式真空ポンプ要素に関する。

より具体的には、本発明は、２つの協働するヘルカルロータがハウジング内に回転可能に設けられるようにした、スクリュータイプのオイル噴射式真空ポンプ要素を対象とする。

ヘルカルロータのローブとハウジングの壁との間にチャンバが定められ、該チャンバは、ロータの回転の結果として入口側から出口側へ移動し、これにより次第に小さくなって、これらのチャンバに取り込まれた空気が圧縮されるようになる。

圧縮熱の除去、ヘルカルロータの潤滑、腐食の防止、及びロータ間のシールの確保のために、このような要素の圧縮チャンバにオイルが噴射されることは知られている。

このオイルはオイル分離器から送られ、ここでオイルは出口空気から分離される。

全ての空気をオイルから取り除くことはできないので、一定量の空気を含むオイルが噴射されることになる。

この空気含有物は、オイル中に気泡の形態で又は溶解して存在することができる。その結果、キャビテーションが生じるリスクがある。オイル流において２つのタイプのキャビテーションがあり、すなわち、静圧がオイルの蒸気圧を下回ることによりオイル蒸気気泡が形成されるようになるキャビテーションと、静圧の低下によりオイル中の空気の溶解度が低下することで、ある一定量の空気を含む気泡が形成されるようになるキャビテーションと、がある。

キャビテーションのタイプによっては、このようにして（金属の）構成要素の近傍で気泡又はオイル蒸気気泡が形成されたときに損傷が発生する可能性がある。この損傷は、極めて多大なものとなる場合があり、機械破壊につながる可能性がある。

このようなキャビテーションは、静圧の低下の影響を受けてスクリュータイプのオイル噴射式真空ポンプ要素にて、より具体的には圧縮の最終段階で真空ポンプの出口において生じる可能性がある。

圧縮の最終段階において、圧縮チャンバの体積がゼロに達し、このチャンバ内の圧力が出口圧力よりも高くなることができるようになる。その結果、上述のチャンバと入口との間に大きな圧力差が生じ、ここでの圧力は、０．３ミリバール（ａ）以下になることができる。

最終圧縮段階の間、上述のチャンバは、ロータプロフィールのただ１つのセクションによって入口に接続されている別の圧縮チャンバから分離される。

このセクションにおいて、ロータのプロファイル間又はロータと出口端面との間にあるタイプのチャンネルが形成され、最初に収束した後に発散して、「ノズル」を形成する。

上述のチャンバと入口との間の大きな圧力差に起因して、このチャンネルを通じて上述のチャンバから入口までガス及びオイルの漏洩流が可能であり、これによりチャンネル及びロータの形式によって、この漏洩流の速度が極めて速くなり、ガス気泡が形成可能なほど静圧が低下するようになる。

更に、チャンネルにおいて静圧が再度増大すると、形成された気泡が破裂し、ロータ及びハウジングに損傷を与えることになる。この損傷の結果、真空ポンプ要素は、もはや機能しなくなるか又は良好に作動しなくなる。

本発明の目的は、上述及び他の欠点に対する解決策を提供することにある。

本発明の主題は、２つの協働するヘリカルロータがハウジング内に設けられ、上記ハウジングが、入口ポートと、入口端面と、出口ポートを有する出口端面と、を備え、上記ヘリカルロータと上記ハウジングとの間に圧縮チャンバが形成されて、該圧縮チャンバが上記ヘリカルロータの回転によって上記入口ポートから上記出口ポートへ進んでこれにより次第に小さくなる、スクリュータイプのオイル噴射式真空ポンプ要素であって、上記オイル噴射式真空ポンプ要素が、第１の圧縮チャンバから上記出口端面にある第２の圧縮チャンバまで延びる接続部を備え、上記第１の圧縮チャンバが、上記第２の圧縮チャンバよりも低圧であり、上記ヘリカルロータの回転時に上記第２の圧縮チャンバが上記出口ポートと接触することができ、上記接続部は、上記第２の圧縮チャンバの圧力が低下するように上記第２の圧縮チャンバから上記第１の圧縮チャンバへの流れを可能にするようなものであり、上記接続部が上記出口ポートに直接接続されない、ことを特徴とする。

上記ヘリカルロータの回転により、上記第１の圧縮チャンバは次第に小さくなって、最終的には第２の圧縮チャンバになり、この時点で新しい第１の圧縮チャンバが形成される。

第２の圧縮チャンバは、圧縮サイクルの終わりの圧縮チャンバであり、ここに出口ポートを介して真空ポンプ要素から放出できる圧縮ガスが存在する。当然ながら、第２の圧縮チャンバは入口ポートに接続されていない。

本発明によるオイル噴射式真空ポンプ要素の利点は、高圧の第２の圧縮チャンバから低圧の第１の圧縮チャンバへの接続部を介してガス及びオイルの流れが可能にされることで、入口と第２の圧縮チャンバとの間の圧力差が低減されることである。その結果、ヘリカルロータのプロファイル間のチャンネルを介した流れ、又は入口に接続された圧縮チャンバから上記第２の圧縮チャンバを分離するロータプロファイルのセクションにおいてロータと出口端面との間の流れが遙かに低速になることから、キャビテーションを阻止することができる。

実際に、第２の圧縮チャンバの低い圧力に起因して、上記チャンネル前後の圧力差が小さ過ぎて、キャビテーションを引き起こすことができるチャンネルを通る流れを生じさせることができない。

接続部の正確な位置及びその設計は、ヘリカルロータのプロファイル並びに出口ポートの形状及び位置によって決まることになる。これら両方は、関連する真空ポンプ要素に応じて大きく異なる。

各事例において、接続部が出口ポートと接触することを阻止する必要があり、すなわち、接続部は、出口ポートと直接接続されてはならない。

本発明の特徴をより良好に示すことを意図して、限定ではなく例証として添付図面を参照しながら、本発明によるオイル噴射式真空ポンプ要素の幾つかの好ましい実施形態について以下で説明する。

スクリュータイプのオイル噴射式真空ポンプ要素を概略的に示す。図１のＩＩ−ＩＩに沿ったオイル噴射式真空ポンプ要素の概略断面図である。本発明によるオイル噴射式真空ポンプ要素の図２と同様の断面図である。ヘルカルロータの異なる位置における図３の断面図である。図３の代替の実施形態を示す。図３の代替の実施形態を示す。図３の代替の実施形態を示す。

図１に示すオイル噴射式真空ポンプ要素１は、スクリュータイプの一要素である。要素１は基本的に、２つの協働するヘルカルロータ３が回転可能に設けられたハウジング２を備える。

ハウジング２は、入口側５に入口端面４と、出口側７に出口端面６とを含む。

入口ポート８は、ハウジング２に付加される。入口ポート８は、図１において破線で示される。

出口ポート９は、出口端面６の位置にてハウジングに付加される。これは図２に示される。圧縮チャンバ１１ａ，１１ｂは、ヘリカルロータ３のローブ１０とハウジング２との間に形成される。ヘリカルロータ３の回転によって、これらの圧縮チャンバ１１ａ，１１ｂは、入口ポート８から出口ポート９に移動する。

圧縮チャンバ１１ａ，１１ｂが入口ポート８と接触している限りはチャンバの体積は増大し、よってガスの負圧が増大することになる。圧縮チャンバ１１ａ，１１ｂがもはや入口ポート８と接触しなくなると、圧縮チャンバ１１ａ，１１ｂの体積は、ヘリカルロータ３が更に回転した時に減少することになり、ガス（例えば、空気）がこれらのチャンバにおいて圧縮されるようになる。

第１の圧縮段階において入口ポート８を介して圧縮チャンバ１１ａに入る空気は、ヘリカルロータ３の回転によって出口ポート９に移送され、これにより高圧にまで圧縮される。

ヘリカルロータ３の回転中のある時点で、圧縮チャンバ１１ｂが出口ポート９と接触し、この圧縮チャンバ１１ｂにおいて圧縮された空気は、最終圧縮段階の間に取り除くことができる。

図２には、上述の２つの圧縮段階に属する付随の圧縮チャンバ１１ａ，１１ｂ、すなわち、入口ポート８及び出口端面６と接触する第１の圧縮チャンバ１１ａと、入口ポート８と接触せずに出口端面６とのみ接触する第２の圧縮チャンバ１１ｂとが示されている。

この図面で解るように、これら２つの圧縮チャンバ１１ａ，１１ｂは、ヘリカルロータ３の１つのセクションによって互いに分離され、これにより「ノズル」形状を有するチャンネル１２がヘリカルロータ３のプロファイル間に形成される。このチャンネル１２を介して第２の圧縮チャンバ１１ｂから第１の圧縮チャンバ１１ａの方向で空気及び／又はオイルの流れが可能であり、これによりチャンネル１２の形式により、キャビテーションが生じる可能性があるほど、流れ速度が極めて高くなる。

本発明によるオイル噴射式真空ポンプ要素１において、出口端面に接続部が、この事例では溝１３の形態で付加される。

溝１３は、第１の圧縮チャンバ１１ａから第２の圧縮チャンバ１１ｂに延びる。

これによって、溝１３の第１の端部１４ａは、最終的には第１の圧縮チャンバ１１ａと部分的に重なり合うことになり、溝１３の第２の端部１４ｂは、第２の圧縮チャンバ１１ｂと重なり合うことになる。

この溝１３を介して第１の圧縮チャンバ１１ａまでの第２の圧縮チャンバ１１ｂからのガス及び／又はオイルの流れが高圧で可能であり、第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力が低下することになる。

このようにして、ガス及び／又はオイルの流れが上述のチャンネル１２を介してより低速になるように、第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力が高くなりすぎるのを防ぐことができる。

このようにして、キャビテーション及びその有害な影響が阻止される。

図示の実施例において、溝１３は、入口ポート８に接続された第１の圧縮チャンバ１１ａと接触しているが、これは必須ではない。本発明においては、溝１３が接続されている該当する第１の圧縮チャンバ１１ａが、第２の圧縮チャンバ１１ｂよりも低圧であることだけが必要である。本発明によれば、接続部は、溝１３が出口ポート９に直接接続されないように設計される。

これは図３において明確に解り、溝１３は、出口ポート９からある離れた距離にて留まり、溝１３の第２の端部１４ｂ及び出口ポート９とは接触しないようになる。

これにより、溝１３及び第１の圧縮チャンバ１１ａを介して出口ポート９から入口ポート８への直接の漏洩流が可能とはならないことが確保される。

図３の状況において、溝１３の第２の端部１４ｂは、第２の圧縮チャンバ１１ｂと接触していない。ヘリカルロータ３が更に回転すると、これにより第２の圧縮チャンバ１１ｂが次第に小さくなり、この端部１４ｂは、第２の圧縮チャンバ１１ｂと次第に重なり合うことになる。その結果、溝１３によりチャンバが依然として第１の圧縮チャンバ１１ａと接触しているので、第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力の増大が相殺され、第２の圧縮チャンバ１１ｂから第１の圧縮チャンバ１１ａへのガス及び／又はオイルの流れが可能となる。

図４は、第２の圧縮チャンバ１１ｂの体積が実質的にゼロに達した状況を示している。これにより溝１３の第２の端部１４ｂは、依然として第２の圧縮チャンバ１１ｂに接続されている。

この時点では、第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力は、極めて高くなる可能性があるが、溝１３により、第１の圧縮チャンバ１１ａへの接続部を通じたキャビテーションを阻止するのには十分に低くなる。

これにより溝１３が第２の圧縮チャンバ１１ｂと接触する第２の端部１４ｂの位置は、第２の圧縮チャンバ１１ｂへの接続部が出口ポート９と接触することなく実現されるように好適に選ぶ必要がある。

溝１３及び詳細には第２の端部１４ｂの最終位置は、ロータプロファイル及び出口ポート９の形状によって決まることになる。

溝１３の最終形態及びサイズ、及びひいては溝１３を介して流れることができるガス及び／又はオイルの流量は、２つの基準、すなわち、第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力がキャビテーションを阻止するのに十分なほどに低下することができるように、流量が十分に高い必要があること、及びこの事例ではオイル噴射式真空ポンプ要素１の性能又は効率が低下することになる理由から、流量が過度に高くならない場合があること、によって決まることになる。溝１３を介して流れることができる流量は、溝１３の最小断面によって決まることになる。

好ましくは、ｍｍ²単位の溝１３の最小断面は、リットル／秒単位の要素１の最大体積流量の０．０１〜０．０４倍の間である。

しかしながら、ｍｍ²単位のこの最小断面が、リットル／秒単位の要素１の最大体積流量の０．０１〜０．１又は０．０１〜０．０８、又は０．０１〜０．０６倍であることを排除するものではない。より小さな最小断面を有する溝１３は、キャビテーションを阻止するのに十分なほど第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力を低下させるように十分な流れを可能にすることができないことになる。

より大きな最小断面を有する溝１３は、第２の圧縮チャンバ１１ｂから第１の圧縮チャンバ１１ａへの大きな流れを可能にし、オイル噴射式真空ポンプ要素１の効率が過剰なほど低下することになる。

好ましくは、出口端面６にて第２の圧縮チャンバ１１ｂに接続される溝１３の端部１４ｂは、溝と上記の圧縮チャンバ１１ｂとの間の最大接触領域が、リットル／秒単位の要素１の最大体積流量の０．０１〜０．０４倍であるｍｍ²単位の面積を有するように設計される。上記の最大接触領域が、リットル／秒単位の要素１の最大体積流量の０．０１〜０．１又は０．０１〜０．０８、又は０．０１〜０．０６倍であることを排除するものではない。溝１３と第２の圧縮チャンバ１１ｂとの間の接触領域は、溝１３自体の最大断面よりも小さいことが可能であるので、好ましくは、所望の効果を得るために、上記の接触領域がより高い規定条件であることで十分である。溝１３の最終設計に関しては、別の異なる選択肢も可能である。

好ましくは、溝は、少なくとも１つのスロット形セクション１５を含む。

ここでのスロット形セクション１５は、溝１３を通る流れ方向で見た断面が変化しない又は実質的に変化しない、溝１３の一部であることを意味する。

このセクション１５は、直線状又は曲線状とすることができる。

図３〜６において、溝１３は、スロット形セクション１５のみを含む。

これらの図面で解るように、スロット形状の溝１３は、異なる向きを有する。また、このスロット形セクション１５に接続される溝１３が拡大セクション１６を含むことも可能であり、これにより溝１３が少なくとも第１の圧縮チャンバ１１ａと部分的に重なり合う。これは図７に示されており、ここでは、溝１３の第１の端部１４ａが拡大セクション１６によって形成されて、スロット形セクション１５によって形成された第２の端部１４ｂよりもより広い断面を有することが解る。この拡大セクション１６の正確な形状は、第二義的に重要である。第１の端部１４ａについての唯一の条件は、溝１３が常に第１の圧縮チャンバ１１ａに接続されるようにこの端部１４ａが十分に延びることである。

好ましくは、溝１３と第１の圧縮チャンバ１１ａとの間の重なり合いは、第１の圧縮チャンバ１１ａの体積がゼロに達するまでヘリカルロータ３の回転時に第１の圧縮チャンバ１１ａと第２の圧縮チャンバ１１ｂとの間の接続部が溝１３によって保持されるようなものである。

この時点で、第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力が極めて高く、第２の圧縮チャンバ１１ｂはもはや出口ポート９に接続されていないので、この第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力は、上記のノズル形チャンネル１２のみを介して放出することができるようになる。これを阻止するために、第２の圧縮チャンバ１１ｂが溝１３を介して第１の圧縮チャンバ１１ａに及ぶひいては入口ポート８に接続されるのを確保する。このようにして、この圧縮チャンバ１１ｂの体積がゼロに達してキャビテーションを阻止できる時点で、この段階の間に第２の圧縮チャンバ１１ｂの圧力が高くなりすぎるのを防ぐことができる。上記で示された実施例において、出口端面６における溝１３によって常に接続がされているが、第２の圧縮チャンバ１１ｂと少なくとも部分的に重なり合う出口端面６の溝部と、第２の圧縮チャンバ１１ｂよりも低圧で第１の圧縮チャンバ１１ａに通じて接続されたチャンネル又はパイプとによって接続が実現されることを排除するものではない。

既に述べたように、この圧縮チャンバ１１ａは、入口ポート８に接続された圧縮チャンバ１１ａとすることができるが、これは本発明において必須ではない。このチャンネル又はこのパイプは、ハウジング自体又はその他に組み込むことができるが、当然ながら、ハウジング上に構築することもできる。

このような実施形態において、好ましくは、溝部とチャンネルの最小断面並びに溝部と第２の圧縮チャンバ１１ｂの間の最大触領域の両方が、上記の条件を確実に満たす必要があり、すなわち、ｍｍ²単位のこの最小断面及びこの最大接触領域が、リットル／秒単位の要素１の最大体積流量の０．０１〜０．１倍、好ましくは０．０１〜０．０８倍、より好ましくは又は０．０１〜０．０６倍、更により好ましくは０．０１〜０．０４倍である。

上記の溝部は、例えば図７に示すように、溝１３のスロット形セクション１５の形態をとることができる。好ましくは、チャンネル又はパイプは、第２の圧縮チャンバ１１ｂの体積がゼロに達するまでヘリカルロータ３の回転時に第１の圧縮チャンバ１１ａとチャンネル又はパイプとの間の接続部が保持されるようなものであることも確保される。

本発明は、一例として記載され且つ図面に示された実施形態に限定されず、本発明によるオイル噴射式真空ポンプ要素は、本発明の範囲から逸脱することなく、あらゆる種類の形態及び寸法で実現することができる。

１オイル噴射式真空ポンプ要素
２ハウジング
３ヘリカルロータ
６出口端面
８入口ポート
９出口ポート

Claims

２つの協働するヘリカルロータ（３）がハウジング（２）内に設けられ、前記ハウジング（２）が、入口ポート（８）と、入口端面（４）と、出口ポート（９）を有する出口端面（６）と、を備え、前記ヘリカルロータ（３）と前記ハウジング（２）との間に圧縮チャンバ（１１ａ，１１ｂ）が形成されて、該圧縮チャンバ（１１ａ，１１ｂ）が前記ヘリカルロータ（３）の回転によって前記入口ポート（８）から前記出口ポート（９）へ進んでこれにより次第に小さくなる、スクリュータイプのオイル噴射式真空ポンプ要素（１）において、
前記オイル噴射式真空ポンプ要素（１）が、第１の圧縮チャンバ（１１ａ）から前記出口端面（６）にある第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）まで延びる接続部を備え、前記第１の圧縮チャンバ（１１ａ）が、前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）よりも低圧であり、前記ヘリカルロータ（３）の回転時に前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）が前記出口ポート（９）と接触することができ、前記接続部は、前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）の圧力が低下するように前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）から前記第１の圧縮チャンバ（１１ａ）への流れを可能にするようなものであり、前記接続部が前記出口ポート（９）に直接接続されない、ことを特徴とするオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。
前記第１の圧縮チャンバ（１１ａ）が、前記入口ポート（８）と及び前記出口端面（６）と接触する、ことを特徴とする請求項１に記載のオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。
前記接続部が、前記出口端面（６）に付加される溝（１３）によって実現され、該溝（１３）が、前記第１の圧縮チャンバ（１１ａ）から前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）に延びる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。
前記溝（１３）が少なくともスロット形直線状又は曲線状セクション（１５）を含む、ことを特徴とする請求項３に記載のオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。
前記溝（１３）が、前記スロット形セクション（１５）に隣接して拡大セクション（１６）を含み、該拡大セクション（１６）により前記溝（１３）が前記第１の圧縮チャンバ（１１ａ）と少なくとも部分的に重なり合う、ことを特徴とする請求項４に記載のオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。
前記接続部が、前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）と少なくとも部分的に重なり合う前記出口端面（６）における溝部と、前記第１の圧縮チャンバ（１１ａ）に通じて接続されたチャンネル又はパイプとによって実現され、前記チャンネル又はパイプが前記ハウジング又はその他に組み込まれている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。
ｍｍ²単位の前記接続部の最小断面が、リットル／秒単位の前記オイル噴射式真空ポンプ要素（１）の最大体積流量の０．０１〜０．１倍、好ましくは０．０１〜０．０８倍、より好ましくは又は０．０１〜０．０６倍、更により好ましくは０．０１〜０．０４倍である、ことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。
前記出口端面（６）にて前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）に接続される前記接続部の端部（１４ｂ）は、前記接続部と前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）との間の最大接触領域が、リットル／秒単位の前記オイル噴射式真空ポンプ要素（１）の最大体積流量の０．０１〜０．１倍、好ましくは０．０１〜０．０８倍、より好ましくは又は０．０１〜０．０６倍、更により好ましくは０．０１〜０．０４倍であるｍｍ²単位の面積を有するように設計される、ことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。
前記接続部と前記第１の圧縮チャンバ（１１ａ）との間の重なり合いは、前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）の体積がゼロ又は実質的にゼロに達するまで前記ヘリカルロータ（３）の回転時に前記第１の圧縮チャンバ（１１ａ）と前記第２の圧縮チャンバ（１１ｂ）との間の接続部が保持されるようなものである、ことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のオイル噴射式真空ポンプ要素（１）。