(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各ロータに沿って一方が他方の後ろに位置している少なくとも３つの閉じている供給チャンバーを備えると共に、冷却気を入れるために早期給気を行うスクリュースピンドル真空ポンプにおいて、
吐出側の最後尾にあるチャンバーが吐出側に向かって開く少し前に、早期給気によってこのチャンバーの圧力を圧縮最終圧力の少なくとも７５％にし、外部圧縮対内部圧縮の比率が少なくとも５の場合には、早期給気の質量流量は吸込の質量流量の少なくとも５倍であることを特徴とするスクリュースピンドル真空ポンプの作動方法。
【請求項２】
各ロータに沿って一方が他方の後ろに位置している少なくとも３つの閉じている供給チャンバーを備えると共に、冷却気を入れるために早期給気を行うスクリュースピンドル真空ポンプにおいて、
吐出側の最後尾にあるチャンバーには、吐出側に向かって開く前に、上記チャンバーの理論的な吸込容量を内部圧縮比で割った値の７５％以上となる早期給気の体積流量を提供することを特徴とするスクリュースピンドル真空ポンプの作動方法。
【請求項３】
吸込スペース内で回転すると共に、そのスクリューのねじ山が、一方が他方の後ろに位置している互いに閉じている少なくとも３つのチャンバーを形成するよう互いに係合している一対のロータと、吐出側の最後尾にあるチャンバーに割り当てられた少なくとも一つの早期給気オリフィスとを備えたスクリュースピンドル真空ポンプにおいて、
単位を除く数値に関して、平方ミリメートルで表される早期給気オリフィスの横断面が、毎時立方メートルで表される提携しているチャンバーの理論的な吸込容量と少なくとも同じであることを特徴とするスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項４】
早期給気オリフィスがスロットとして設計されており、少なくともその吐出側エッジが、提携しているスクリューのねじ山と平行になるよう設計されていることを特徴とする請求項３記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項５】
スロットの長さが、ロータ直径の１０分の１以上であることを特徴とする請求項４記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項６】
軸方向の早期給気オリフィスの幅が、スクリューのねじ山のヘッドの軸方向の幅の半分から全体までの幅であることを特徴とする請求項４または５に記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項７】
軸方向の早期給気オリフィスの幅が、スクリューのねじ山のヘッドの上記幅よりも大きいことを特徴とする請求項４または５に記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項８】
早期給気オリフィスの吸込側エッジもまた、提携しているスクリューのねじ山と平行にあることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１つに記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項９】
早期給気オリフィスの吸込側エッジを、提携しているスクリューのねじ山に対して、少なくとも部分的に傾斜させていることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１つに記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項１０】
チャンバーが吐出側でまさに開くための位置にロータがあるときに、提携しているスクリューのねじ山によって、早期給気オリフィスがちょうど覆われることを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１つに記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項１１】
チャンバーが吐出側でまさに開くための位置にロータがあるときに、早期給気オリフィスは提携しているねじ山にまだ完全に覆われておらず、早期給気オリフィスの該ねじ山によって覆われていない部分の軸方向の長さは、吐出側でチャンバーを開くのに割り当てられたねじ山の先端から測った上記早期給気オリフィスの距離に回転速度を掛けて、音速で割ったものより小さくなることを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１つに記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項１２】
早期給気オリフィスが、複数の孔から構成されることを特徴とする請求項３乃至１１のいずれか１つに記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【請求項１３】
早期給気オリフィスは、適する場合には、複数の部分オリフィスから構成され、チャンバーの長手方向の寸法の少なくとも半分の長さにわたって伸びていることを特徴とする請求項３乃至１２のいずれか１つに記載のスクリュースピンドル真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
コンプレッサーにより運搬される気体の温度は、圧縮圧力比と共に上昇する。二つのロータ間と、ロータとケーシング間との両方に、ほとんど遊びを持たないことを前提とするスクリュー型コンプレッサーにおいて、コンプレッサーの部品に引き起こされる熱膨張は、問題につながる。早期給気（pre-admission）によって、機械の供給セル内に含まれる気体の温度を下げることが、知られている（ドイツ特許公開第１９５  ２２  ５５９号）。これは、冷却供給媒質を高圧点から供給セルに入れることを意味する。機械の効率に関する限りでは、各場合にチャンバーに提供される早期給気の量は少ない。したがって、例えば、スクリュースピンドル機がコンプレッサーとして作動されるとき（米国特許第４，８１２，１１０号；米国特許第５，０８２，４２７号）、運搬される気体のうちのほんの少量だけを早期給気用に再循環すれば十分である。また、スクリュースピンドル機が真空ポンプとして作動されるときには、コンプレッサーとして作動されるときの必須条件と異なる必須条件を満たす必要がある。第一に、真空モードにおける圧力比は、コンプレッサーモードでの圧力比よりも不均衡に高く、特に、典型的に１００を優に越す。第二に、上記圧力比に応じて、運搬される気体の到達する温度は、かなり高くなる。最後に、到達真空が早期給気の逆流によって損なわれないことを、確実にする必要がある。
本発明が基づく目的とは、効率と真空をわずかしか損なうことなく、早期給気による効果的な冷却を可能にするスクリュースピンドル真空ポンプとその作動方法を提供することである。
本発明による解決策は、請求項１から３の特徴にみられる。該請求項は、スクリュースピンドル真空ポンプが、各ロータに沿い、一方が他方の後ろに位置している少なくとも３つの供給チャンバーを持つことを、前提としている。これらの供給チャンバーは、各場合において、乾燥物運搬のときには不可避の遊びを除いて、閉じている。このような機械において、本発明によれば、吐出側の最後尾に位置するチャンバーに吸込の質量流量の少なくとも５倍以上の冷却気の流れを早期給気することにより、チャンバーが吐出側に向かって開かれる少し前に、このチャンバーは、早期給気によって実質的にまたは完全に圧縮最終圧力にされる。「圧縮最終圧力」とは、圧縮によって最終的に達成されるべき圧力のことである。この場合、作動点としては、外部圧縮対内部圧縮の比率が少なくとも５になる作動点を前提とする。一方では、温度調節に最も重要なロータのあたりを効果的に冷却することが、それにより達成される。他方では、この冷却が最後尾から二番目のチャンバーにも効果がある。というのは、最後尾のチャンバー内の冷却ガス（かなりの高圧下にある。）の幾らかが、最後尾から二番目のチャンバーに逆流するからである。最後に、上記構成の利点は、発生するノイズをかなり減少できることであり、なぜなら、最後尾のチャンバーが吐出側に向かって開くときには、圧力の均一化がすでに本質的に完了しているからである。これは、最後尾のチャンバーが吐出側で開く前に、早期給気によって圧縮最終圧力の少なくとも７５％、好ましくは９０％に達することを意味する。
より少数のチャンバーを持つ既知の機械では、そのような高い早期給気は不可能である。なぜなら、著しい漏れ損失のために、吐出口が開くとき、チャンバー内の圧力は既に比較的急激に上昇してしまっており、その結果、より低い圧力差しか、早期給気に利用できないからである。
また、この点において、コンプレッサーと真空ポンプとの圧力比の相当な差が再び役割を果たす；より低い圧力比ゆえに、真空ポンプの場合よりもコンプレッサーの場合の方が吐出口に向かって開いているチャンバー内に比較的高い圧力が広がる。
内部圧縮とは、吸込側に最も近いチャンバーの閉じるときの容積と、吐出側に最も近いチャンバーの開くときの容積との比率のことを言う。スクリュースピンドルの横断面の形がスクリュースピンドルの全長にわたって一定である場合には、内部圧縮は１に等しい。一方、外部圧縮とは、吸込圧力と、圧縮後の圧力（吐出圧力）との比であり、圧力比に等しい。
本発明に従って早期給気を定義できる他の可能性は、請求項２に含まれる。該請求項によると、吐出側の最後尾にあるチャンバーに吐出側に向かって開く前に供給される早期給気の体積流量は、早期給気時の上記チャンバーの理論的な吸込容量を内部圧縮比で割った値の７５％よりも大きくなる。早期給気が相当の長さの時間に渡る場合、早期給気の終わる時間が基準とされる。その代わりに、早期給気の開いてから閉じるまでの時間の中間点もまた、基準としてもよい。体積流量は、吐出圧力と入ってくる気体の温度に関連していなければならない。理論的な吸込容量とは、臨界時間つまり上記基準となる時間におけるチャンバーの容積に回転速度を掛けたものである。
これまでの従来の小さい早期給気オリフィスは、相当な絞り効果が本来備わっているが、本目的には不十分である。経験に基づく方法によると、平方ミリメートル（mm2
）で表される早期給気オリフィスの横断面は、単位を含まない数字のみに着目すると、毎時立方メートル（m3/h）で表される提携しているチャンバーの理論的な吸込量と、少なくとも同じであるか、好ましくは２倍、さらに好ましくは３倍の大きさであるべきである。もちろんこれは、早期給気オリフィス、つまり、気体をチャンバーへ取り入れる壁オリフィスのそのように拡張された横断面の前にはそれよりも狭い横断面がないことを前提とする。なぜならば、その狭い横断面が存在することにより、オリフィスの横断面つまり幅を拡張することによる効果が減じられることになるからである。この点において、チャンバーの理論的な吸込容量は、上記供給チャンバーの容積と、スクリューのねじ山の数と、回転速度との積であり、連続運転の場合に予期される最高回転速度が基準とされる。
理論的な吸込容量の上記定義は、請求項２に関してなされた上記定義と対比すると、ねじ山の数を要因に含む。つまり、このことは、多重ねじ山型スクリュースピンドルの場合には、複数のチャンバーにいっせいに割り当てられる全ての上記吸気オリフィスについて言及されており、それに対して、請求項２ではたった一つのチャンバーが考慮されているという事実により説明される。
最終段階の本発明による強い早期給気は、ロータのスクリューねじ山のピッチが一定のとき、特に効果的である。しかしながら、漸減ピッチについても、本発明が適していることがわかっている。なぜなら、通例は、最終段階の早期給気なしでさえ、ポンプが通常の作動点にあるときに、圧縮最終圧力に達する程ピッチが減少することは決してないからである。さらに、本発明は、たとえ、最初の段階の弱い早期給気がほとんどの使用例において不要で望ましくないものであるとしても、最終段階の強い早期給気に加えて、最初の段階の弱い早期給気を行うことを排除するものではない。
本発明に従った早期給気が最終段階だけで起こることと、少なくとも３つの連続する供給チャンバーが提供されていることにより、回転速度が遅すぎないならば、真空ポンプの吸込容量の損失は取るに足らないものである。
本発明に従った真空ポンプの好都合な実施形態において、早期給気オリフィスはスロットとして設計されており、少なくとも吐出側エッジは、提携しているスクリューのねじ山と平行に設計されている。これは、スロットが、最後の瞬間まで、できる限り大きな横断面で開かれるという利点をもたらす。スロットの長さは、便宜上、ロータ直径の１０分の１以上であり、好ましくは、５分の１以上の長さである。ロータ直径の３分の１程の規模であると都合が良い。軸方向の早期給気オリフィスの幅は、便宜上、スクリューのねじ山のヘッド（つまり、ケーシングの内周面に対向するねじ山の頂面）の半分から全体までの幅（同方向に測定）である。該幅は、ヘッドの幅を少し越えてもよい。但し、それは、吐出側の最後尾のチャンバーを早期給気で満たすことが、早期給気オリフィスと次のチャンバーとの間に既になされた連結によって、危険にさらされることがない限りにおいてである。
早期給気オリフィスの吸込側エッジもまた、提携しているスクリューのねじ山と平行であってもよい。しかしながら、提携しているスクリューのねじ山に対して、少なくとも部分的に傾斜させるように吸込側エッジを設計することは、さらに好都合であり、それによって、早期給気オリフィスが不意に開き、漸進的な開きに伴う望ましくないノイズの発生を引き起こす事態を回避できる。一般に、意図することとは、チャンバーが吐出側で開く前に、早期給気オリフィスが閉じているのを確実にすることである。つまり、ロータが、チャンバーが吐出側でまさに開くための位置にあるときに、早期給気オリフィスは、提携しているねじ山によってちょうど覆われる。これは、例えば、吐出側の開いている間に吐出側からチャンバーへと突き抜ける圧力サージが、早期給気オリフィスまで前進するのを防ぎ、次の早期給気作動における冷却効果を減じる加熱された気体を早期給気オリフィスへ逆流させるのを防ぐ。不快なノイズもまた、それによって回避できる。しかしながら、多くの例において、吐出側のチャンバーの開口から音速で広がる圧力パルスが早期給気オリフィスに到達するまでに要する時間内に早期給気オリフィスが閉じられることを確実にするよう注意が払われる場合、チャンバーが吐出側で開くときに、早期給気オリフィスがすでに閉じている必要はない。すなわち、提携しているねじ山の被覆端から超えて伸びる早期給気オリフィスの軸方向の自由長、つまり、早期給気オリフィスの該ねじ山によって覆われていない部分の軸方向の長さは、吐出側のチャンバーの開口を構成しているねじ山の先端から測った上記早期給気オリフィスの距離に回転速度を掛けて、音速で割った値より小さくなければならない。
一般に、早期給気オリフィスと吐出側でのチャンバーの開きとの間に起こる望ましくない相互作用を回避するために提供される上記の条件は、高い作動速度（例えば、６０００min-1）である場合において存在すれば十分である。というのは、低速度ではこのような不利が重要性を持たないからである。
上述した状況は、スクリューのねじ山のヘッド面と早期給気オリフィスとの相互作用により、早期給気が制御されることを前提とする。これは好適な形態であるが、早期給気の時間を制御することに、全体的またはねじ山のヘッド面と連帯して部分的に責がある弁を、早期給気オリフィスの前に置くことは、妨げるべきではない。
「早期給気オリフィス」または「スロット」という用語は、オリフィスが分割されないことを要求しない、と指摘されうる。生産経済の理由から、そのようなオリフィスは、例えば、ウェブによって互いに分離された複数の個々の孔から構成されうる。これは、早期給気が、早期給気オリフィスをチャンバーの長さの大部分に渡って適切に伸ばすことにより生じるという利点をもたらす。好適な形態においては、複数の分離した部分オリフィスより構成された早期給気オリフィスが、チャンバーの長さの少なくとも半分の長さにわたって伸びている。その大きさは２７０°にまで達する。