(57)【要約】【課題】高効率のスクリュー式回転ポンプ及びモータ装置を提供する。【解決手段】流体ポンプ（１０）またはモータ（１００）は、互いに交差する回転軸を有しており互いに係合させられる一対のテーパ形状のロータ（２２，２４，１２２，１２４）を含む。第１のロータ（２２，１２２）は、低圧側の小端部（３４，５４，１３４，１５４）及び高圧側の大端部（３２，５２，１３２，１５２）、及び高圧側の端部（２８，１２８）から低圧側の端部（２６，１２６）に向かって幅及び深さが大きくなるらせん状のねじ山（３６，５６，１３６，１５６）を含む。第２のロータ（２４，１２４）は、第１のロータ（２２，１２２）と係合しており、らせん状のねじ山（３６，５６，１３６，１５６）が逆方向に巻かれていることを除いて、第１のロータと同一の形状を有する。両方のロータ（２２，２４，１２２，１２４）は、それらが限られた範囲において各々の受け空洞の内部及び外部に向かって運動することを許容するスライド式スプライン（４２，６２，１４２，１６２）に取り付けられている。ポンプ（１０）またはモータ（１００）の高圧側の圧力は、ロータ（２２，２４，１２２，１２４）を受け空洞の内壁（１６，２０，１１６，１２０）に対して押し当てようとし、それにより、両者の密封特性及びポンプ（１０）またはモータ（１００）全体の効率が向上する。【選択図】図２
2008533361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己密封型であり２つのロータを備えたテーパ形状のスクリューポンプ装置（１０）であって、
大端部（３２）及び小端部（３４）を有し、さらに、テーパ形状のコア（３０）及び前記テーパ形状のコア（３０）を取り囲んでおり前記大端部（３２）から前記小端部（３４）に向かって幅広となる少なくとも１つのらせん状のフライト（３６）を含む第１のテーパ形状のロータ（２２）と、
大端部（５２）及び小端部（５４）を有し、さらに、テーパ形状のコア（５０）及び前記テーパ形状のコア（５０）を取り囲んでおり前記大端部（５２）から前記小端部（５４）に向かって幅広となる少なくとも１つのらせん状のフライト（５６）を含む第２のテーパ形状のロータ（２４）と、
前記第１及び第２のテーパ形状のロータ（２２，２４）が互いに係合可能となるように前記第１及び第２のテーパ形状のロータ（２２，２４）を受けるための２つの隣接するテーパ形状の空洞（１４，１８）を有し、さらに、前記テーパ形状のロータ（２２，２４）の前記大端部（３２，５２）に隣接して配置された高圧ポート（２８）、及び前記テーパ形状のロータ（２２，２４）の前記小端部（３４，５４）に隣接して配置された低圧ポート（２６）を含むポンプ筐体（１２）と、を備え、
前記第２のテーパ形状のロータ（２４）の前記らせん状のフライト（５６）は、前記第１のテーパ形状のロータ（２２）の前記らせん状のフライト（３６）とは反対の方向に回転し、
前記テーパ状のロータ（２２，２４）のいずれか一方の回転は、前記低圧ポート（２６）に導入された流体を前記高圧側に流入させ、
前記高圧側に流入させられた前記流体は、前記テーパ形状のロータ（２２，２４）の前記大端部（３２，５２）を押圧して、前記テーパ形状のロータ（２２，２４）を前記テーパ形状の空洞（１４，１８）の内壁（１６，２０）に、両者が密封状態を形成するように結合させることを特徴とするポンプ装置。
【請求項２】
前記テーパ形状のロータ（２２，２４）が、前記ポンプ筐体（１２）の高圧側の流体の影響により、前記テーパ形状の空洞（１４，１８）の内部又は外部に向かって移動可能となるように、前記テーパ形状のロータ（２２，２４）を支持するためのマウント手段（４２，６２）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項３】
前記マウント手段は、第１及び第２のシャフト（４２，６２，８２）を備え、
前記テーパ状のロータ（２２，２４）の各々は、長軸を有し、さらに、前記第１及び第２のシャフトを受けるための空洞を含み、
前記第１及び第２のテーパ状のロータ（２２，２４）は、前記ポンプ筐体（１２）の高圧側の流体の圧力に応じて、前記シャフトに沿って縦方向に運動可能であることを特徴とする請求項２に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項４】
前記シャフトは、スプライン（４２，６２）であり、
前記ロータの前記空洞（４０，６０）は、前記ロータ（２２，２４）が前記スプライン（４２，６２）と平行をなす方向に運動でき、且つ、前記スプライン（４２，６２）に対して回転運動できないように、前記スプラインを拘束することを特徴とする請求項３に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項５】
前記第１及び第２のシャフトは、互いに０°〜６０°の角度をなすように傾斜することを特徴とする請求項４に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項６】
前記第１及び第２のシャフト（４２，６２，８２）の片方は、動力源によって駆動されることを特徴とする請求項５に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項７】
前記ロータ（２２，２４）の前記大端部（３２，５２）は、略平坦であり、且つ、前記大端部が前記空洞と密封状態を形成するように結合するときに、前記空洞の表面積の７０％を超える部分と接する面を有することを特徴とする請求項６に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項８】
前記ロータ（２２，２４）の前記小端部（３４，５４）は、前記低圧側（２２）の表面積の３０％を超え、当該表面積の７５％を超えない部分と接する面を有することを特徴とする請求項７に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項９】
前記ロータ（２２，２４）の前記小端部（３４，５４）は、前記空洞の内壁と密封状態を形成するように結合する長円弧（４４，６４）と、前記ロータの前記空洞よりも直径が大きい短円弧（４６，６６）と、前記長円弧（４４，６４）と前記短円弧（４６，６６）の間のＳ字状の遷移部（４８，６８）と、を備えた形状を有しており、
前記Ｓ字状の遷移部（４８，６８）は、逆方向を向いた２つの円弧をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項１０】
前記第１のロータ（２２）の前記長円弧（４４）は、前記第２のロータ（２４）の前記小円弧（６６）に接触し、
前記第２のロータ（２４）の前記長円弧（６４）は、前記第１のロータ（２２）の前記小円弧（４６）に接触し、
前記第１及び第２のロータ（２２，２４）の前記遷移部（４８，６８）は、前記第１及び第２のロータ（２２，２４）が回転するときに、互いに接触することを特徴とする請求項９に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項１１】
低圧側と高圧側の間の体積変化率は、１：１〜１５：１の間で可変であることを特徴とする請求項１０に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項１２】
前記ロータと同種類の追加ロータを最大で４つ追加することができ、
そのうちの１つのロータは、最大で５つとなる残りのロータを、前記１つのロータの回転方向とは逆の方向に駆動することを特徴とする請求項１１に記載のポンプ装置（１０）。
【請求項１３】
自己密封型であり２つのロータを備えたテーパ形状のスクリュー式圧力モータ装置（１００）であって、
大端部（１３２）及び小端部（１３４）を有し、さらに、テーパ形状のコア（１３０）及び前記コア（１３０）を取り囲んでおり前記大端部（１３２）から前記小端部（１３４）に向かって幅広となる少なくとも１つのらせん状のフライト（１３６）を含む第１のテーパ形状のロータ（１２２）と、
大端部（１５２）及び小端部（１５４）を有し、さらに、テーパ形状のコア（１５０）及び前記コア（１５０）を取り囲んでおり前記大端部（１５２）から前記小端部（１５４）に向かって幅広となる少なくとも１つのらせん状のフライト（１５６）を含む第２のテーパ形状のロータ（１２４）と、
前記第１及び第２のテーパ形状のロータ（１２２，１２４）が互いに係合可能となるように前記第１及び第２のテーパ形状のロータ（１２２，１２４）を受けるための２つの隣接するテーパ形状の空洞（１１４，１１８）を有し、さらに、前記テーパ形状のロータ（１２２，１２４）の前記大端部（１３２，１５２）に隣接して配置された高圧ポート（１２８）、及び前記テーパ形状のロータ（１２２，１２４）の前記小端部（１３４，１５４）に隣接して配置された低圧側ポート（１２６）を含むモータ筐体（１１２）と、を備え、
前記第２のテーパ形状のロータ（１２４）の前記らせん状のフライト（１５６）は、前記第１のテーパ形状のロータ（１２２）の前記らせん状のフライト（１３６）とは反対の方向に回転し、
前記テーパ形状のロータ（１２２，１２４）は、前記テーパ形状のロータ（１２２，１２４）の高圧側に流体が導入されると、空洞内部における圧縮流体の膨張によって回転し、
前記高圧側における前記流体は、前記テーパ形状のロータ（１２２，１２４）の前記大端部（１３２，１５２）を押圧して、前記テーパ形状のロータ（１２２，１２４）を前記テーパ形状の空洞（１１４，１１８）の内壁（１１６，１２０）に、両者が密封状態を形成するように結合させることを特徴とするモータ装置。
【請求項１４】
前記ロータ（１２２，１２４）が、前記筐体（１１２）の高圧側の流体の影響により、前記テーパ形状の空洞（１１４，１１８）の内部又は外部に向かって移動可能となるように、前記ロータ（１２２，１２４）を支持するためのマウント手段（１４２，１６２）をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のモータ装置（１００）。
【請求項１５】
前記マウント手段は、第１及び第２のシャフト（１４２，１６２，１８２）を備え、
前記ロータ（１２２，１２４）の各々は、長軸を有し、さらに、前記第１及び第２のシャフトを受けるための空洞（１４０，１６０）を含み、
前記第１及び第２のロータ（１２２，１２４）は、前記モータ筐体（１１２）の高圧側の流体の圧力に応じて、前記シャフトに沿って縦方向に運動可能であることを特徴とする請求項１４に記載のモータ装置（１００）。
【請求項１６】
前記シャフトは、スプライン（１４２，１６２）であり、
前記ロータの前記空洞は、前記ロータ（１２２，１２４）が前記スプライン（１４２，１６２）と平行をなす方向に運動でき、且つ、前記スプライン（１４２，１６２）に対して回転運動できないように、前記スプラインを拘束することを特徴とする請求項１５に記載のモータ装置（１００）。
【請求項１７】
前記第１及び第２のシャフトは、互いに０°〜６０°の角度をなすように傾斜することを特徴とする請求項１６に記載のモータ装置（１００）。
【請求項１８】
前記ロータ（１２２，１２４）の前記大端部（１３２，１５２）は、略平坦であり、且つ、前記大端部が前記空洞と密封状態を形成するように結合するときに、前記空洞の表面積の７０％を超える部分と接する面を有することを特徴とする請求項１７に記載のモータ装置（１００）。
【請求項１９】
前記ロータ（１２２，１２４）の前記小端部（１３４，１５４）は、前記低圧側（１２２）の表面積の３０％を超え、当該表面積の７５％を超えない部分と接する面を有することを特徴とする請求項１８に記載のモータ装置（１００）。
【請求項２０】
前記ロータ（１２２，１２４）の前記小端部（１３４，１５４）は、前記空洞の内壁と密封状態を形成するように結合する長円弧（１４４，１６４）と、前記ロータの前記空洞よりも直径が大きい短円弧（１４６，１６６）と、前記長円弧（１４４，１６４）と前記短円弧（１４６，１６６）の間のＳ字状の遷移部（１４８，１６８）と、を備えた形状を有しており、
前記Ｓ字状の遷移部（１４８，１６８）は、逆方向を向いた２つの円弧をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載のモータ装置（１００）。
【請求項２１】
前記第１のロータ（１２２）の前記長円弧（１４４）は、前記第２のロータ（１２４）の前記小円弧（１６６）に接触し、
前記第２のロータ（１２４）の前記長円弧（１６４）は、前記第１のロータ（１２２）の前記小円弧（１４６）に接触し、
前記第１及び第２のロータ（１２２，１２４）の前記遷移部（１４８，１６８）は、前記第１及び第２のロータ（１２２，１２４）が回転するときに、互いに接触することを特徴とする請求項２０に記載のモータ装置（１００）。
【請求項２２】
低圧側と高圧側の間の体積変化率は、１：１〜１５：１の間で可変であることを特徴とする請求項２１に記載のモータ装置（１００）。
【請求項２３】
制御回路（８０）が速度及びトルク特性を制御することを特徴とする請求項２２に記載のモータ装置（１００）。
【請求項２４】
前記ロータと同種類の追加ロータを最大で４つ追加することができ、
そのうちの１つのロータは、最大で５つとなる残りのロータを、前記１つのロータの回転方向とは逆の方向に駆動することを特徴とする請求項１３に記載のモータ装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、概して、２軸スクリュー式のモータ及びポンプに関し、特に、乾式及び湿式の両方の真空ポンプ、空気圧式コンプレッサ及びエアコン用のコンプレッサ、油圧ポンプ、水圧モータ、並びに油圧モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
従来技術の説明
先行技術は、高効率のスクリュー式回転ポンプ及びモータを製造するための数多くの試みを含む。稀な例として、ロータがテーパ形状を有しており、一連のスクリュー部分が片端において広くなるように段階的に形成されている場合がある。
【０００３】
これらの特殊なケースのうち最も典型的な例は、２００４年１月６日にマイケル  ヘンリー  ノースに対して交付された米国特許第６，６７２，８５５号明細書（特許文献１）に記載されたポンプであって、図１に先行技術として図示されているものであろう。この設計において、「谷径（ｒｏｏｔ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）」と呼ばれる内側の錐体の直径は、スクリューが吸気口側から排気口側に向かって動くにつれて大きくなる。この設計は、改善された体積圧力特性という効果を奏する。また、傾斜を変更できるねじ山は、入口圧力が比較的「低い」（５０ミリバール以下）ときもより大きなポンピング速度を実現する。
【０００４】
同様になされた従来の試みが、段階的に縮小するスクリュー部分を含むスクリュー式コンプレッサ／ポンプを開示する米国特許第６，０１９，５８６号明細書（特許文献２）に記載されている。同特許は、吸気ポート側に向かうテーパ形状の内部錐体（ｉｎｎｅｒ  ｃｏｎｅ）、及び排気ポート側に向かうテーパ形状の外部錐体（ｏｕｔｅｒ  ｃｏｎｅ）を定義し、らせん状の溝と錐体表面との間に段階的に収縮する空洞を形成するロータ・チャンバに関するものである。その成果は、ロータ及びシャフトの短縮のみならず、体積圧縮の機能を備えたポンプ／コンプレッサである。このような設計は、ポンプの密封性を幾分向上させるように思われるが、同特許文献は、「らせん状の歯は、クリアランス及びガス漏れ極小化するために、ロータ・チャンバの内壁に大きく接近する上面を有する」と記載しているにすぎない。
【０００５】
関連性は低いが、本体、ポンプ・チャンバ、及びテーパ形状のロータを含む真空ポンプを開示する米国特許第２００１／００４１１４５  Ａ１号明細書（特許文献３）もある。
【０００６】
先端技術の総論は、以下でも発見される。米国特許第４，９５２，１２５号明細書（特許文献４）、米国特許第６，１２９，５３４号明細書（特許文献５）、米国特許第６，２１７，３０５号明細書（特許文献６）、及び米国特許第６，３７５，１３５号明細書（特許文献７）。次の米国特許出願公開にも留意すべきである。米国特許出願公開第２００１／００２４６２０  Ａ１号明細書（特許文献８）、米国特許出願公開第２００１／００４１１４５  Ａ１号明細書（特許文献９）、及び米国特許出願公開第２００１／００５１１０１  Ａ１号明細書（特許文献１０）。加えて、次の特許出願または特許文献にも留意すべきである。特開２００１−３０４１５６号公報（特許文献１１）、特開２０００−０７３９７６号公報（特許文献１２）、特開平１−２６７３８４号公報（特許文献１３）。他にも欧州特許第１１３０２６３号明細書（特許文献１４）、及び仏国特許発明第２６８４４１７Ａ１号明細書（特許文献１５）がある。
【０００７】
前述のスクリュー式ポンプ及びモータの先行技術に関しては、以下の欠点が指摘されることが多い。
【０００８】
第１に、これらは密封性に乏しいことが多く、それが、過剰なエネルギー消費及び低いポンプ効率につながっている。互いに係合するスクリューは摩擦によって損耗し、その結果、スクリュー間の空隙が大きくなるため、上記の点は時間の経過とともに問題となる。
【０００９】
第２に、これらはポンプ容量に対してロータ及びシャフトのサイズが大きくなる傾向にある。そのため、出力に対するポンプ／モータのサイズが問題となる。
【００１０】
第３に、引例として挙げたテーパ形状のスクリューポンプの中には局所的な体積圧縮を伴うものがあるが、通常のスクリューポンプはロータの長さ方向に沿って局所的な体積圧縮を伴うものではない。そのため、このようなポンプ／モータへのガスの適用は困難であり、ロータの長さ方向に沿った実現するポンプと比べて電力消費量が大きくなる。
【００１１】
第４に、上記のようなポンプ／モータは、低速の流れに対する圧力差が制限される傾向にある。
【００１２】
特許文献１に記載された装置及び他のいくつかの発明は、上記の問題点のいくつかに対処することを試みたものであり、それらの発明自体は有用なものであるが、依然として以下のような重大な欠点を伴う。
【００１３】
第１に、高圧側の圧力を超える圧力がポンプ内部に発生した場合にそれを除去可能な設計になっていないことが挙げられる。つまり、ポンプは、両側の圧力が等しい稼動開始時に、その内部に「高圧」側を超える圧力を発生させてしまう場合がある。これが大幅な効率の損失につながり、そして、密封性を低下させ、ポンプ作用を減退させる。特許文献１は、この問題を最小限に抑えるため、ポンプの運転の初期段階において軸速度を低下させる調速用の電子機器を用いることを提案しているが、その結果、ポンピング速度が低下してしまう。
【００１４】
第２に、特許文献１及び２に記載された外側の錐体（すなわちテーパ形状をなす「ねじ山の外径（“ｔｈｒｅａｄ  ｄｉａｍｅｔｅｒ”）」）は、好適な密封特性を得る上で不利に働く。ポンプ稼動時に、高圧側と低圧側の圧力差は、必然的にスクリューをブロック（すなわちロータ・チャンバ）の外部に押し出すはずである。真空ポンプにおいては、ポンピング開始時に内部空洞内の圧力が出力圧力（大気圧）よりも大きくなるため問題点が増幅される。特許文献１及び２に記載された発明は、いずれも吸気口側（すなわち低圧側）の径が大きくなる円錐台を含むものである。このブロックは平面図において、吸入口側が長辺となる台形をなす。排気口側（すなわち高圧側）はロータをブロック外部に押し出そうとするため、ブロックとねじ山の間の密封特性が減じられる。
【００１５】
このような従来技術による装置は、いずれも真空ポンプに要求される圧力差（約１４．７ｐｓｉまたは７６０ｍｍＨｇ）に十分対応しうるが、それよりもはるかに大きな圧力差のポンピングを行うための装置である。例えば、ガスコンプレッサーの圧力差は５０００ｐｓｉもの大きな値になりうる。
【特許文献１】米国特許第６，６７２，８５５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０１９，５８６号明細書
【特許文献３】米国特許第２００１／００４１１４５  Ａ１号明細書
【特許文献４】米国特許第４，９５２，１２５号明細書
【特許文献５】米国特許第６，１２９，５３４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，２１７，３０５号明細書
【特許文献７】米国特許第６，３７５，１３５号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００１／００２４６２０  Ａ１号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００１／００４１１４５  Ａ１号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００１／００５１１０１  Ａ１号明細書
【特許文献１１】特開２００１−３０４１５６号公報
【特許文献１２】特開２０００−０７３９７６号公報
【特許文献１３】特開平１−２６７３８４号公報
【特許文献１４】欧州特許第１１３０２６３  Ａ１号明細書
【特許文献１５】仏国特許発明第２６８４４１７Ａ１号明細書
【発明の開示】
【００１６】
関連出願の相互参照
本出願は、アラン  ノーティスにより、２００５年３月１０日に出願され、「テーパ形状のスクリューポンプ（Ｔｈｅ  Ｔａｐｅｒｅｄ  Ｓｃｒｅｗ  Ｐｕｍｐ）」と題された出願番号６０／６６０，２２４の米国仮出願の優先権を主張するものである。
【００１７】
発明の概要
本発明は、内側の錐体（すなわち、ねじ山どうしの間の谷底部（“ｒｏｏｔ”））及び外側の錐体（すなわち、ねじ山（“ｔｈｒｅａｄ”））の両方の直径が、装置の低圧側から高圧側に進むにつれて大きくなるようなテーパ形状のスクリューポンプ／モータからなる。その結果、スクリューの軸は、従来技術において一般的であるように平行をなすものではない。このような構成のブロック及びスクリューは、ポンプ／モータの圧力差を利用して密封特性を向上させる。それにより、従来技術において発見されるよりもはるかに大きな圧力差を達成可能なポンプ／モータを得ることができる。
【００１８】
本発明におけるスクリューのねじ山どうしのピッチは、ロータの全長に亘り変化する。このようなピッチの変化は、テーパ形状のスクリューを備えた既存の機械において発見されるものと比較して、かなり急になっている。従来技術による既存のポンプ／モータに相当するか、またはそれを上回る体積圧縮を、より少ないねじ山で達成することで、より小型でよりコンパクトなサイズを実現することができる。本発明は、１：１〜１５：１の範囲の体積圧縮比を達成することができる。
【００１９】
また、本発明は、ロータ内の空洞の圧力を除去する圧力除去バルブ／装置の概念を導入している。先行技術による装置は、スクリュー機構の全域において余計な圧縮力が発生してしまうという問題点を内包しており、始動時のポンピング速度を低下させる（それによって、より低速の出力を引き起こす）電子装置を追加することによって、その問題点を軽減するよう試みるものである。圧力除去バルブは、内圧を下げることによってポンプの効率を極大化する。空洞内の圧縮力が高圧側のそれを超えたとき、圧力除去バルブが開き、ポンプの内圧を高圧側と実質的に等しい圧力まで下げる。これが同サイズのモータとしては大きな圧力差を実現する。
【００２０】
本発明は、以下の図面を参照することによって、さらに明確に理解されうる。
【００２１】
図面の簡単な説明
図１は、上記の特許文献１に記載されているようなテーパ形状のスクリューを備えた真空ポンプの従来技術を示す。
【００２２】
図２は、本発明の好ましい実施形態の真空ポンプの基本構成であって、一部の例においては、モータの構成または高圧側の荷重となりうるものを示す。
【００２３】
図２Ａ−２Ｂは、真空ポンプの内部のブロック及びテーパ形状の空洞を示す。
【００２４】
図２Ｃは、３つのロータの実施形態を示す。
【００２５】
図２Ｄは、少なくとも１つの駆動式ロータを含む６つのロータの実施形態を示す。
【００２６】
図３は、図２に示す構成のポンプの側面図である。
【００２７】
図４は、ロータ（すなわち、スクリュー）及び高圧側に被荷重／駆動式モータを含むスライド式スプラインの断面図である。
【００２８】
図５は、低圧側が大気圧である場合にモータ／ポンプとして使用されるときの本発明の好ましい実施形態を示す。
【００２９】
図５Ａは、モータ／ポンプの内部のブロック及びテーパ形状の空洞を示す。
【００３０】
図６は、図５に示されたモータの制御回路を含む基本構成を示す。
【００３１】
図７は、図５に示されるような低圧側の荷重／モータのスライド式スプラインの断面図を示す。
【００３２】
図８は、ロータ（スクリュー）の構成要素を詳細に示す。
【００３３】
図９Ａ−９Ｇは、ポンプ及びモータの構造において、ロータのスライド回転機構によって保持される密封特性を示す。
【００３４】
図１０は、スライド回転機構による密封状態の縒り糸状の部分（ｓｔｒａｎｄ）の構成、及びカーブが形成される様子を示す。
【００３５】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、どのようにロータの小端部が相互に干渉するかを示す。
【００３６】
発明の詳細な説明
本説明を通じて、同様の符号は、本発明を例示する異なる図面において同様の構成要素を特定するために用いられる。
【００３７】
既に述べた通り、図１は、従来技術によるテーパ形状の２軸スクリューポンプであって、米国特許第６，６７２，８８５号明細書（特許文献１）に記載された種類のものを示している。スクリューは従来のものであり、一方は右巻きのねじ山からなり、もう片方は左巻きのねじ山からなる。ロータのコアは、高圧側から低圧側に向かってねじ山の幅が大きくなるに従って狭小になるテーパ形状をなす。両方のロータの回転軸が平行である点にも注意すべきである。高圧側はポンプのテーパ形状の先端部に位置するため、その高圧力が必然的に２軸スクリューを空洞から押し出そうとする。これは密封特性を低下させ、それゆえ、効率を低下させる傾向がある。図１に示される２軸スクリューポンプは、従来技術の典型例である。
【００３８】
本発明の好ましい実施形態によるポンプ１０が図２〜４に例示されている。ポンプ１０は、空洞内壁１６を含む第１空洞１４、及び第２空洞内壁２０を含む第２空洞１８を有するポンプブロック１２を備えている。第１ロータ２２は、第１空洞１４にぴったりと適合し、第１空洞壁１６と密封状態を形成するように接触する。同様に、第１ロータに対して逆巻きのねじ山を有しており第１ロータと噛み合う第２ロータ２４は、第２空洞１８内に納まり、第２空洞１８の空洞内壁２０と密封状態を形成するように接触する。本実施形態の好ましい実施形態によるポンプ１０は、ほぼ全てのポンプと同様に、低圧側２６及び高圧側２８を有するものである。
【００３９】
第１ロータ２２及び第２ロータ２４の構造は極めて類似している。第１ロータ２２は、テーパ形状のコア３０、大端部３２及び小端部３４を含んでいる。第１のらせん状のフライト（ｆｌｉｇｈｔ）は、低圧側２６から高圧側２８に向かって進む。らせん状のフライト３６は、低圧側２６寄りで最も厚く、高圧側２８に近い大端部３２に向かって進むにつれて狭くなる。第１ロータ２２は、第１空洞の空洞内壁１６に接触する外縁部３８を含んでいる。第１ロータ２２の長軸の内部には、スプライン受け空洞４０が配置されている。スプライン受け空洞４０は、図２に示されるようなシャフト８２に取り付けられたスプラインを受けるためのものである。ロータ２２の小端部３４は、大外側部４４、小外側部４６、及び図１１Ａに示されるような一対のＳ字状の遷移部４８を有する面を含んでいる。スプライン４２は、かさ歯車８４ａを含んでおり、かさ歯車８４ａは、スプライン６２を介して第２ロータ２４に連結される他のかさ歯車８４ｂと互いに係合する。
【００４０】
第２ロータ２４は、ねじ山が第１ロータ２２とは逆方向に巻かれており、駆動シャフト８２に連結されていないという点を除いて、第１ロータ２２とほぼ同一の構造を有している。第１ロータ２２と同様に、第２ロータ２４は、大端部５２において最も幅が広く、小端部５４において最も狭くなるテーパ形状のコア５０を含んでいる。第２ロータのらせん状のフライト５６は、コア５０を取り囲むように配置され、第１ロータ２２のフライトとは逆方向に巻かれているが、それと比較的堅固な密封状態を形成するように噛み合う。らせん状のフライト５６は、内壁２０に接触する外面５８を含んでいる。第２ロータ２４の長軸に沿って、スプライン受け空洞６０が配置されている。小端部５４の表面は、大外側部６４、小内側部６６、及び一対のＳ字状の遷移部６８を含んでいる。
【００４１】
図３には、排気通路７２に連結された複数の排気弁７０が示されている。排気通路７２は、取り外し可能な高圧ヘッド７６に取り付けられたポート７４に達し、それを貫通する。ロータ２２及び２４は、圧縮ばね７８による付勢力が加わっている。
【００４２】
図２に示されるように、取り外し可能な部品（または構成要素）７２がポンプ１０の高圧側に位置している。部品８０の取り外しは、ベアリング９６のみならず、かさ歯車８４ａ及び８４ｂへのアクセスを可能とする。それとは反対に、装置１０がモータとして稼動する場合は、シャフト８２は、事実上、出力軸となる。以上より、スプライン４２及び６２が、空洞４０，６０の内部で、大端部３２，５２の表面に加わる高圧側の圧力の影響を受けて動くことは明白である。モータとしての装置１０または１００は、図６に示されるような制御ボックス８８によって制御されることができる。制御ボックス８８の制御は、従来型のモータ制御システムのそれと同様であり、トルク／速度に関する要求に応じてバルブの開閉を行うというものである。かさ歯車８４ａ，８４ｂは、ボールベアリング９６に取り付けられており、自由に回転することができる。スプライン４２，６２は、スプライン受け空洞４０，６０の内部及び外部、そして、ポンプである場合には、スクリュー９４によって固定されるスプラインナット９２に座する引張ばね９０を介してスクリュー２２，２４を付勢する。
【００４３】
以上の環境を考慮すれば、本発明のポンプ１０及びモータ１００が十分に理解される。
【００４４】
図２は、真空ポンプ１０の基本構成を示すが、これは場合によっては、モータの構成または高圧側の荷重を示す。軸どうしが互いに０〜６０°の間の角度をなしている点に注意が必要である。真空ポンプの構成において、らせん状のフライトは合計３つであるが、従来技術はもっと多くのフライトを有する傾向がある。
【００４５】
図３は、ポンプ１０の基本構成の側面図であり、図中で、圧力除去バルブ７０が排気通路７２に連通しており、最終的には高圧側のポート７４に連通していることが分かる。取り外し可能な高圧ヘッド部品７６は、ロータ２２，２４の取付／交換を可能にする。
【００４６】
図４は、ロータ２２及びスライド式スプラインアセンブリの断面図である。圧縮ばね７８は、ポンプ始動時に、スクリューをブロック内部に向かって押し出す。本発明の主要な特徴及び利点の一つは、高圧側の圧力が大端部３２，５２の表面に力を作用させ、それにより、ロータ２２，２４をそれらが位置する空洞１４，１８の内壁に対して押し当て、気密状態が形成されるように両者を係合させることである。それにより気密性及び稼動効率が向上する。
【００４７】
図２〜４におけるポンプとしての各種構成要素の配置は、モータ／コンプレッサ１００として優れた効果を奏するため、図５〜７に示されるように僅かに変更されうる。
【００４８】
モータ１００としての好ましい実施形態は、モータブロック１１２、及び第１空洞内壁１１６を有する第１空洞１１４を含んでいる。また、モータブロック１１２は、第２空洞内壁１２０を有する第２空洞１１８を含んでいる。第１ロータ１２２は、第１空洞１１８にすっぽり納まり、気密状態が形成されるように内壁１１６と接触している。同様に、第２ロータ１２４は、第２空洞１１８にすっぽり納まり、気密状態が形成されるように内壁１２０と接触している。ポンプ１０の実施形態についても言えるように、モータ１００は、低圧側のポート１２６及び高圧側のポート１２８を含んでいる。
【００４９】
第１ロータ１２２は、テーパ形状の第１コア１３０、大端部１３２、及び小端部１３４を含んでいる。らせん状の第１フライト１３４は、テーパ形状のコア１３０を取り囲むように配置されている。らせん状のフライト１３６の外縁部１３８は内壁１１６と接触する。スプライン１４２は第１ロータ１２２内の空洞１４０によって受けられる。小端部１３４の低圧側の表面は、大外側部１４４、小内側部１４６、及び一対のＳ字状の遷移部１４８を含んでいる。
【００５０】
同様に、第２ロータ１２４は、らせん状のフライト１５６の巻き方向がらせん状のフライト１３６のそれと反対である点を除いて、第１ロータ１２２と実質的に同一である。第２ロータ１２４は、テーパ形状のコア１５０、大端部１５２、及び小端部１５４を含んでいる。第２ロータのらせん状のフライト１６２は、内壁１２０に接触する外縁部１５８を含んでいる。第２ロータのスプライン１６２は、第２ロータ１２４のスプライン空洞１６０によって受けられる。第１ロータ１２２と同様に、第２ロータ１２４は、大外側部１６４、小内側部１６６、及び一対のＳ字状の遷移部１６８を含んでいる。
【００５１】
図６に示されるように、モータ１００の実施形態は、制御ボックス８８に到るチューブを含んでいる。これにより、流速及びトルクを制御しながら、高圧流体が空洞１１４，１１８内の様々な地点に入り込むことを可能にするか、または、流体が上記地点から低圧側に流出することを可能にする。取り外し可能な高圧ヘッド１７６は、高圧側へのアクセスを可能にするものである。かさ歯車１８４ａ，１８４ｂは、スプライン１４２，１６２に取り付けられ、互いに噛み合わせられる。制御ボックス８８は、モータ１００の稼動を制御する。本実施形態の装置１００がポンプとして使われる場合、引張ばね９０がスプライン１４２の一端に取り付けられ、スプラインナット９２が他端に取り付けられる。スプラインナット９２は、スクリュー９４によってロータ１２２に固定される。これは、コンプレッサの始動時に、ブロックに対する圧力をスクリューに限定する。
【００５２】
図５は、好ましい実施形態によるモータ１００の基本構成を示しており、図中で低圧側は大気圧である。ベアリング１９６はスプライン１４２，１６２を固定する。低圧側プレート１８０は、かさ歯車１８４ａ，１８４ｂ及びベアリング１９６が取り外されメンテナンスされることができるように、取り外し可能となっている。ポンプ１０の実施形態において、シャフト１８２は駆動モータに連結されている一方で、モータ１００の実施形態において、出力シャフト１８２は荷重に連結されている。かさ歯車１８４ａ，１８４ｂは、その荷重をロータ１２２，１２４の両方に均等に配分してスクリューどうしの磨耗を軽減する。互いに噛み合せられたロータ１２２，１２４は、モータ１００内部での流体の膨張を許容するために漸次変化する空間を形成しながら回転する。高圧側ポートは符号１２８によって示されている。スライド式スプライン１４２，１６２は、自ら回転するか、またはロータによって回転させられることで、圧力差がスクリューをブロックに対して押し戻して、好適な気密状態を作り出すようにする。
【００５３】
図６は、モータ１００の基本構成を側面から見た断面図を示しており、制御ボックス８８は、高圧側からスクリュー空洞内の様々な地点に加わる圧力を、流体ホースを介して制御する。これにより速度及びトルクの制御が可能になる。モータが直列に配置される適用例において、出力圧力は、全圧（ｆｕｌｌ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）未満の圧力が要求される場面において制御可能となる。
【００５４】
図７は、ポンプ１００の低圧側におけるスクリュー及びスライド式スプライン装置を示す別の断面図である。モータ１００としての実施形態は、引張ばね９０、スプラインナット９２、及びスクリュー９４を取り除いた点を除いて図７と同一である。これにより、ロータ１２２，１２４が回転するか、または、ポンプの実施形態においてスプラインによって回転させられるときに、圧力差がロータ１２２，１２４をブロック１１２に対して押し付けて、より良好な気密状態を形成する。スプライン空洞１１４及び１１６は、ロータ１２２，１２４が圧力差によってブロック１１２内に落ち着くようにする。引張ばね９０は、ポンプ始動時にロータ１２２，１２４をブロック１２４に引き入れるために用いられる。引張ばね９０の反対側は、スプラインナット９２である。スプラインナット９２は、スクリュー９４に固定される。引張ばね９０は、スプライン１４２またはスプラインナット９２に機械的に取り付けられるか、またははんだ付けされる。
【００５５】
本発明には、具体的な利用方法に応じて変化することのない基本的な特徴がいくつかある。図８〜１０は、発明者による本出願がポンプ１０として作用するのか、またはモータ１００として作用するのかとは無関係に、本出願に当てはまる特徴を明らかにする。
【００５６】
図８は、ポンプ１０の実施形態におけるスクリューの構成部品を示すものであるが、これはモータ１００の実施形態にも同じように当てはまる。符号３０で示される物品はテーパ形状のロータ用コアである。符号３８で示されるものはらせん状のフライト３８の外縁部であり、符号３０で示されるものはロータのテーパ形状をなすコアである。従来技術とは対照的に、これらは両方とも低圧側に向かうテーパ形状をなしており、内面及び外面は互いに逆方向に向かうテーパ形状をなしている。ねじ山すなわちらせん状のフライトの外表面は、独特の回転式の密封機構を形成する。圧縮比／膨張費は、１：１から１５：１の間で変えることができる。
【００５７】
図９Ａ−９Ｇは、各々のロータのＳ字状の遷移部におけるスライド回転式の密封機構の運動を漸次的に示している。本発明は、全ての実施形態における全ての使用方法の下で、このようなスライド式密封機構を保持する。このような密封機構の開発は非常に有用である。Ｓ字状の遷移部が形成する密封構造が図１０に示されている。半径をＡとすると、Θ１を中心としたコンパスは、図中の真ん中の円上のｔ点から、内側の円とΘ１を通過する放射状の直線の交差点であるΘ１Ｍｉｎ点までの円弧を描く。外側の円弧はΘ２を中心としており、ｔから外側の円とΘ２を通過する線分の交差点であるΘ２Ｍａｘまでの円弧を描く。線分Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、全て長さが等しい。互いに平行でない軸を採用することで、付加的な複雑性が生起する。その解決方法は、上記の密封構造における各々の縒り糸状の部分（ｓｔｒａｎｄ）を、２つの軸の交差点から半径が伸びる球体の表面に配置することである。各々の縒り糸状の部分及び反対側のスクリューにおいてそれと対をなす縒り糸状の部分は、軸どうしの交差点からの距離のみならず寸法が完全に一致する。
【００５８】
本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、本発明全体の精神と範囲から逸脱することなく、本発明の構成及び実施に対して変更が加えられることが可能である点が、当該技術分野における通常の技術を有する者によって認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】テーパ形状のスクリューを備えた真空ポンプの従来技術を示す図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態の真空ポンプの基本構成を示す図である。
【図２Ａ】真空ポンプの内部のブロック及びテーパ形状の空洞を示す図である。
【図２Ｂ】真空ポンプの内部のブロック及びテーパ形状の空洞を示す図である。
【図２Ｃ】３つのロータの実施形態を示す図である。
【図２Ｄ】少なくとも１つの駆動式ロータを含む６つのロータの実施形態を示す図である。
【図３】図２に示す構成のポンプの側面図である。
【図４】ロータ及び高圧側に被荷重／駆動式モータを含むスライド式スプラインの断面図である
【図５】低圧側が大気圧である場合にモータ／ポンプとして使用されるときの好ましい実施形態を示す図である。
【図５Ａ】モータ／ポンプの内部のブロック及びテーパ形状の空洞を示す図である。
【図６】図５に示されたモータの制御回路を含む基本構成を示す図である。
【図７】図５に示されるような低圧側の荷重／モータのスライド式スプラインの断面図である。
【図８】ロータ（スクリュー）の構成要素を詳細に示す図である。
【図９Ａ】ロータのスライド回転機構によって保持される密封特性を示す図である。
【図９Ｂ】ロータのスライド回転機構によって保持される密封特性を示す図である。
【図９Ｃ】ロータのスライド回転機構によって保持される密封特性を示す図である。
【図９Ｄ】ロータのスライド回転機構によって保持される密封特性を示す図である。
【図９Ｅ】ロータのスライド回転機構によって保持される密封特性を示す図である。
【図９Ｆ】ロータのスライド回転機構によって保持される密封特性を示す図である。
【図９Ｇ】ロータのスライド回転機構によって保持される密封特性を示す図である。
【図１０】スライド回転機構による密封状態の縒り糸状の部分（ｓｔｒａｎｄ）の構成、及びカーブが形成される様子を示す図である。
【図１１Ａ】ロータの小端部が相互に干渉する様子を示す図である。
【図１１Ｂ】ロータの小端部が相互に干渉する様子を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０    ポンプ、
１２    ポンプ筐体、
１４    空洞、
１８    空洞、
１６    内壁、
２０    内壁、
２２    ロータ、
２４    ロータ、
２６    低圧ポート
２８    高圧ポート、
３０    コア、
３２    大端部、
３４    小端部、
３６    フライト、
４２    シャフト、
４４    大外側部（長円弧）、
４６    小外側部（短円弧）、
４８    遷移部、
５０    コア、
５２    大端部、
５４    小端部、
５６    フライト、
６２    シャフト、
６４    大外側部（長円弧）、
６６    小内側部（短円弧）、
６８    遷移部、
８０    制御回路、
１００  モータ、
１１２  モータ筐体、
１１４  空洞、
１１８  空洞、
１２０  内壁、
１２２  ロータ、
１２４  ロータ、
１２６  低圧ポート、
１２８  高圧ポート、
１３０  コア、
１３２  大端部、
１３４  小端部、
１３６  フライト、
１４２  シャフト、
１４４  大外側部（長円弧）、
１４６  小内側部（短円弧）、
１４８  遷移部、
１５０  コア、
１５２  大端部、
１５４  小端部、
１５６  フライト、
１６２  シャフト、
１６４  大外側部（長円弧）、
１６６  小内側部（短円弧）、
１６８  遷移部。
【図１】
2008533361.tif 000003
【図２】
2008533361.tif 000004
【図２Ａ】
2008533361.tif 000005
【図２Ｂ】
2008533361.tif 000006
【図２Ｃ】
2008533361.tif 000007
【図２Ｄ】
2008533361.tif 000008
【図３】
2008533361.tif 000009
【図４】
2008533361.tif 000010
【図５】
2008533361.tif 000011
【図５Ａ】
2008533361.tif 000012
【図６】
2008533361.tif 000013
【図７】
2008533361.tif 000014
【図８】
2008533361.tif 000015
【図９Ａ】
2008533361.tif 000016
【図９Ｂ】
2008533361.tif 000017
【図９Ｃ】
2008533361.tif 000018
【図９Ｄ】
2008533361.tif 000019
【図９Ｅ】
2008533361.tif 000020
【図９Ｆ】
2008533361.tif 000021
【図９Ｇ】
2008533361.tif 000022
【図１０】
2008533361.tif 000023
【図１１Ａ】
2008533361.tif 000024
【図１１Ｂ】
2008533361.tif 000025
【国際調査報告】
2008533361.tif 000026