(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に平行配置され、外側で逆方向に係合し、単条構造で少なくとも７２０°のラップ角を有し、滑らかな面の、平行な端面を有している、スクリューポンプ用のスクリューロータ装置であって、
各スクリューロータ（１，２；１０１；２０１；３０１）が、共通の回転軸と、偏心した、あるいは、偏心していない重心位置と、異なる、あるいは、異ならない材料比重を有して一緒に結合された数個のパーツを含み、
各パーツがロータの内部でポンプ室とは隔離したキャビティであるバランシングキャビティ（３；１０３；２０３；３０３）を形成し、
ロータ内部の各パーツの材料の密度とジオメトリの調整で静的バランシングをとり、それにより影響を受ける動的アンバランスについては、計算でスクリュー長さ／ピッチの比＝ａを1／2の奇数倍よりも若干小さな値に設定して静的アンバランスへほとんど影響を与えずに動的バランシングをとって解消する、ことを特徴とするスクリューロータ装置。
【請求項２】
各スクリューロータ（１，２；１０１，１０２；２０１，２０２）が、円筒状のスクリューボディ（１０４；２０４）と、該スクリューボディと同じ軸を有するロータシャフト（１０５；２０５）を含み、前記スクリューロータと前記円筒状のスクリューボディが、偏心したキャビティであるバランシングキャビティ（１０３、２０３）をスクリューボディ内に形成している、ことを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ装置。
【請求項３】
各スクリューロータ（１，２）が、円筒状のスクリューボディとロータシャフトとを含み、
前記ロータシャフトは、前記スクリューボディと同じ軸を有し、かつ、前記スクリューロータのよこ切断面で見たときに前記スクリューボディ（１０４；２０４）に偏心して取り付けられており、
スクリューボディとロータシャフトが異なる比重の材料で作られている、ことを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ装置。
【請求項４】
各スクリューロータ（１，２）が、円筒状のスクリューボディとロータシャフトとを含み、前記ロータシャフトは前記スクリューボディと同じ軸を有し、
かつ、前記スクリューロータのよこ切断面で見たときに前記スクリューボディ（１０４；２０４）に偏心して取り付けられており、
スクリューボディとロータシャフトが、異なる比重の材料で作られており、かつ、偏心したキャビティである、バランシングキャビティ（１０３、２０３）をスクリューボディ内に形成している、
ことを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ装置。
【請求項５】
各スクリューロータ（１，２；３０１，３０２）が、円筒状のスクリューボディ（３０４）と、該スクリューボディと同じ軸を有するロータシャフトを含み、前記ロータシャフトはスクリューロータの一方の端部に取り付けられていて、
スクリューボディが偏心した中空のキャビティである、バランシングキャビティ（３０３）を内部に有し、
ロータのシャフトの無い端面へのアクセスが選択的に栓（３０９）で塞ぐことができる、ことを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ装置。
【請求項６】
バランシングキャビティ（１０３）が数個の同一の、側方の翼（１０８）を有し、それらは螺旋条の経路を平行な距離で倣っている、ことを特徴とする請求項２または４に記載のスクリューロータ装置。
【請求項７】
バランシングキャビティ（２０３）が、動的アンバランスが《ゼロ》に等しくなるように、一定の断面積で軸方向に真っ直ぐに延伸している、ことを特徴とする、請求項２，４，５のいずれか１項に記載のスクリューロータ装置。
【請求項８】
バランシングキャビティ（１０３、２０３）がロータシャフトに配設された通路（１０７；２０７）によって通風あるいは冷却される、ことを特徴とする請求項２、４、６、７のいずれか１項に記載のスクリューロータ装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１つのロータ装置を備えるスクリューポンプ。
【発明の詳細な説明】
本発明は外部軸で逆方向に少なくとも720°のラップ角で係合し軸平行的に配列された単条のスクリューロータ装置のバランシング手段に関する。
重心の中心線距離、端面、ラップ角が、単条形状のスクリューの静的、および、動的アンバランスを決定する。
日本の大晃機械工業株式会社の昭６２（１９８７）−２９１４８６号公報には、スクリューのバランシング方法が記載されていて、スクリューのピッチの複数倍にすることにより先ず静的バランスが得られ、スクリューの両側の端面の、中空または軽い材料で充填された、キャビティの動的バランスが得られる。
この方法は鋳造できない特殊な材料を必要とし、実際的でない。普通ではないプロファイルジオメトリによっても、この方法は限界がある。例えば、先ず、スクリューの壁厚がスタビリティの点で自由に減少することが不可能で、他方、螺旋形状のバランス用キャビティの軸方向の過大な延伸が本質的な製造上の問題をおこし、軽い材料でキャビティを充填することはこの問題を一層悪化させている。
スイスのブッシュ（Busch）社の国際公開ＷＯ９７／２１９２５には別のスクリューバランシングの方法が記載されていて、スクリュー長さ（＝２Ｗ2）はピッチｌの整数倍よりもピッチの1 1/2倍だけ大きくされている（２Ｗ2＝５・ｌ／２，７・ｌ／２，９・ｌ／２）。
残りの静的および動的なアンバランスを補償するために、外部の受動スクリュー構成材の入口側の修正、および／または、端面上への一つまたはそれ以上のバランシングキャビティの配設、および／または、外部への追加質量の配置がおこなわれる。
この方法は、一方では、特殊な材料の使用の選択を提供し、他方では、バランシングキャビティの減少を可能ならしめ、その結果、形状の安定性を向上する。
出口側のスクリュー端部に要求される温度低下をしながらある媒体をポンピングするためにスクリューロータを使用するのには、小型で、滑らかで、キャビティの無い表面が要求されるが、それは、ゴミをはじくので、清潔にするのが容易である。メンテナンス、組み立て、補修部品のストックのコストの低減と、小さく、コンパクトなポンプの要求は、外部追加質量の使用に反対する。
本発明は、キャビティの無い滑らかな表面の単条スクリューを外部追加質量をせずに、バランスさせる手段を明示するという課題にもとづいている。
この課題は、軸方向に平行配置され、外部軸内で逆方向に係合し、単条構造で少なくとも720°のラップ角を有し、滑らかな面の、平行な端面を有している、スクリューポンプ用のスクリューロータ装置であって、
各スクリューロータ（１，２；１０１，１０２；２０１，２０２）が、共通の回転軸と、選択的な偏心した重心位置と、選択的な材料比重を有して一緒に結合された数個の独立したパーツを含み、
各独立パーツがロータの内部でポンプ室とは隔離したキャビティであるバランシングキャビティ（３；１０３；２０３；３０３）を形成し、
ロータ内部の各パーツの材料の密度とジオメトリの調整で静的バランシングをとり、それにより影響を受ける動的アンバランスについては、計算でスクリュー長さ／ピッチの比＝ａを1／2の奇数倍よりも若干小さな値に設定して静的アンバランスへほとんど影響を与えずに動的バランシングをとって解消することを特徴とするスクリューロータ装置として解決される。
特定のスクリュージオメトリにおいては形状の選択は、特徴的な従属請求項に記載されているように、個々のロータパーツの数、形、材料、および、バランシングキャビティ３の選択に依る。
増大する製造コストは本発明に以下の利点により相殺される。
1.  滑らかで、キャビティの無い表面による工程とメンテナンスの容易化。
2.  表面の減少によるスクリュー端部の温度低下。
3.  異なる化学的、機械的応力の個々の部品の材料選択の最適化。
4.  組み立て、および、部品の調達、ストックの容易化。
5.  形状が安定し、小型でコンパクトな構造。
6.  スクリューボデーと種々のロータシャフトの組合わせのモジュラーデザイン
7.  内部ロータの冷却の可能性。
本発明の詳細は図示の構造例により説明される。
図１：本発明によるパイロットギヤリングを有するスクリューポンプ用の単条スクリューロータ装置であって、偏心した内部質量の集中と、軸方向断面でスクリュー長さ／ピッチの比＝２Ｗ2／ｌ＜9／2である。
図２：図１の右回りピッチのスクリューの断面重心の軌跡である。
図３：軸断面において翼形に分割されたバランシングキャビティを有する第１の変形例における、図１のスクリューロータ装置のロータの構造例である。
図４：図３のＡ−Ａ線に沿って見た断面図である。
図５：図３、４の様な翼配置における、断面重心の軌跡を示し、破線はバランシングキャビティの断面重心の軌跡である。
図６：ロータの第１の変形例の端面セクションのジオメトリを、重心、最大許容キャビティとともに示す。
図７：異なる軸方向位置Ｗにおける色々なバランシングキャビティの形状である。
図８：軸方向セクションに真っ直ぐなバランシングキャビティを有する第２の変形例における、２分割構造における図１のスクリューロータセクションのロータの構造の例である。
図９：Ｂ−Ｂ線に沿って見た図４におけるロータの端面セクションである。
図１０：図８、９の様な真っ直ぐなバランシングキャビティの断面重心の軌跡を示し、破線は重心を通る軸である。
図１１：シングルサイドのロータシャフトの副次的変形例における図８のロータの構造の例である。
構造の１例において、スクリューロータ１０１、２０１（図３，４，８，９）が、円筒状のスクリューボディと、共軸的なロータシャフトの２つの部分、から形成されている。スクリューボディ１０４、２０４（図３、８）は約9/2ラップする螺旋条、および共軸的なセンタボアを有する。スクリューボディ１０４、２０４の内部において、センタボア１０６、２０６は、偏心したキャビティ、バランシングキャビティ（１０３、２０３）と呼ばれる、に延伸している。スクリューボディ１０４、２０４のセンタボア１０６、２０６内にロータシャフト１０５、２０５が圧力バメされ、バランシングキャビティ１０３、２０３は外部に対してシールされている。フォームフィット領域はロータシャフト１０５、２０５とスクリューボディ１０４、２０４の間のトルクの伝達を確実にしている。製造、および、強度上の理由から、スクリューボディ１０４、２０４およびロータシャフト１０５、２０５は異なる金属で作られている。
ロータシャフト１０５、２０５内に設けられている通路１０７、２０７はポンピングする媒体からシールされている点からバランシングキャビティ１０３、２０３の通気あるいは冷却を確保している。この構造では、通気のために、入口側から導びかれ横方向穴を介してバランシングキャビティの領域内に達している中心穴を示している。
計算処理：
ｕ，ｖ，ｗ直交座標系において、次の関係がｗ軸まわりを回転するｐ＜ｗ＜ｑの間で延伸する均等比重のいかなる形状の物体に対しても適用される。
0004307559.tif 000002
ここで：
ｐ，ｑ＝積分範囲  ［cm］
Ｐu，Ｐv＝遠心力のｕ、ｖ方向成分  ［ｇ重］
Ｍu,w，Ｍv,w＝トルク成分  ［gcm］
ω＝２π／Ｔ＝回転速度  ［rad／sec］
π＝円周率＝3.1415...
Ｔ＝回転持続時間  ［sec］
τ＝γ／ｂ  ［ｇ重sec2／cm4］
γ＝比重  ［ｇ重／cm3］
ｂ＝重力加速度＝981  ［cm／sec2］
ｇ＜ｗ＞＝ｆ＜ｗ＞．ｒ＜ｗ＞  ［cm3］
ｆ＜ｗ＞＝ｗの関数としてのよこ切断面の表面  ［cm2］
ｒ＜ｗ＞＝ｗの関数としての重心の中心からの距離  ［cm］
φ＜ｗ＞＝ｗの関数としての重心の角度位置  ［rad］
中央のよこ切断面がｕ，ｖ面内にあり、中央のよこ切断面の重心Ｓoがｕ軸上にあり、ピッチｌが一定で、よこ切断面ｆ0が一定で、重心の中心からの距離ｒ0が一定なｕ，ｖ，ｗ座標系（図２）におけるスクリューボディに対しては、特に以下を導き出すことができる。
ｇ＜ｗ＞＝ｇ0＝ｆ0・ｒ0＝定数  （５）
ｆ＜ｗ＞＝α＝（２π／ｌ）・Ｗ  （６）
−α2から＋α2の位置角度に対応する対称的な−Ｗ2から＋Ｗ2までの対称的な延伸に対して、以下が適用される。
ｐ＝−Ｗ2  （７）
ｑ＝＋Ｗ2  （８）
Ｗ2＝α2・（ｌ／２π）  （６ａ）
この対称性から、バランスがとられていないスクリュー（中実スクリュー）に対して直接導かれる。
Ｐv＝０  （２ａ）
Ｍu,w＝０  （４ａ）
他の成分は以下の様に決定される。
式（１），（５），（６），（６ａ），（７），（８）から
0004307559.tif 000003
ここで、
τ0＝γ0／ｂ  ［ｇ重sec2／cm4］
γ0＝スクリューボデーの比重  ［ｇ重／cm3］
ｌ＝ピッチ  ［cm］
ｒ0＝中実スクリューの端面の重心の中心からの距離  ［cm］
ｆ0＝中実スクリューのよこ切断面の表面  ［cm2］
α2＝1／2スクリューラップ角度  ［rad］
ｌとｇ0はスクリューのジオメトリにより決定される。
ωはω＞Φでの操作にのみ従属するパラメータである。
τ0は材料に依存するのでτ0＞Φで条件により変化する。
主たる変数はラップ角＝２α2である。
α2のみを変化させるだけでは、Ｐu＝０、およびＭu,w＝０を同時に得ることはできない（静的および動的バランシング）。本出願においては、外部へ質量の付加、端面のバランシングキャビティは無く偏心した質量集中がスクリューの内部に形成される。
ここで述べられている構造例によって、ロータシャフトはアンバランスに何ら影響を及ぼさない。バランシングキャビティは中実のスクリュー内に形成されており、これは、単独に静的、動的なアンバランスの補償を提供し、これは、問題は、材料のデータの影響を受けずに、純粋なフォーム形状に凝縮されていることを意味している、すなわち、中実スクリューとバランシングキャビティの静的および動的な値は、以下の４つの式が満足されるように、両立しなければならない。
0004307559.tif 000004
ここでインデックス<<3>>はバランシングキャビティとの組合せを示す。
構造の例の第１の変形例（図３、４）においては、要求されるネジ深さｔ（図３）は、比較的小さいコア径ｃ（図３）に対して、比較的大きい。ここでは、実際の、バランシングキャビティ１０３は、等間隔に、また、軸方向に整列された（図４）、３つの同じ翼１０８から成り、螺旋条の経路を平行な距離で倣っていく。図５は５つの翼のとり得る位置I-Vを示している。この変形例の構造においては、中央の３つ位置II,III,IVのみ使用されている（概算）。
このタイプのバランシングキャビティ設計１０３において、翼の寸法と形状を変えることにより、静的な値は実質的に変化するが、動的な値の変化は非常に小さい。しかしながら、アンバランスなスクリューについては、スクリュー長さ（＝２Ｗ2）を変えることにより実質的な動的変化と微小な静的変化が、ピッチの半分の奇数倍の領域において得られる。
与えられたスクリューの端面外形（図６）から、表面ｆ0、重心位置ｒ0、φsが関連する公知の方法によって決定され、以下が与えられる。
ｆ0＝91.189［cm2］；ｒ0＝2.869［cm］；φs＝84.178［＜o］
以上よりｇ0＝ｆ0・ｒ0＝261.636［cm3］
（同様に規定される）ピッチｌ＝6.936［cm］に対して、α2が（１ｂ）から（３ｂ）に変化する中実スクリューに対して直接の値が表１に示されるように与えられる。
バランシングキャビティの形状は必ずしも、条件（２ｂ），（４ｂ），（１ｂ），（３ｂ）から導き出せるものではない。そうではなくて、最初にジオメトリを決定することが必要で、その後、この為の前記４つの角度データを決定し、それからジオメトリの修正、前記４つの角度データの再計算等を、（２ｂ），（４ｂ），（１ｂ），（３ｂ）が十分な精度を満たすまでおこなう。
バランシングキャビティの延長の限界は安定性から指示される最小壁厚さにより決定される。三次元的に変化するスクリュー表面の曲線により、横切断面上のの限界線は計算によってのみ決定され、横切断面の輪郭とピッチｌはスクリュー表面上の各点に対する、大きさが最小壁厚さに等しい、直交ベクトルを与える。ベクトルの終端点は、それから、固定面（Ｗ＝一定）内に入り込み、限界線上に一つの点を与える。特定のプロファイルフォーミュラを含むサブルーチンを有する特別なコンピュータプログラムを使用することにより、壁厚0.7［cm］に対して図６において破線で示される限界線の曲線データが計算される。
複雑なスパイラル形状であることから、実行可能な関数ｇ3<W>とφ3<W>は、数学的に非常に複雑な、手法によってのみ表すことができ、副次的な積分（（１ｂ）...（４ｂ））の問題を伴い、コンピュータプログラムにより多数の微小量を最終的に合計する概算方法が速い解決を提供する。
このために、バランシングキャビティは軸に沿って１個づつオフセットしている全て同じ厚さΔＷのＮ個のディスクに分割される。各ディスクの前方の外形は多数の独立した点により別々に確定されこの形で記憶される。
それから、コンピュータサブルーチンが、ｇn＜ｗ＞とφn＜ｗ＞を各ディスクに対して計算して、それらをデータ記憶領域に記憶する。
さらなるコンピュータプログラムはこれらのデータを再度読み込み以下の合計によって積分値を計算する。
0004307559.tif 000005
構造において、中央領域におけるバランシングキャビティのよこ切断面の輪郭は、最適に限界線（図６において破線で示される）まで延伸され、中実スクリューの重心の角度位置とバランシングキャビティの重心の角度位置が１０８（図４）に重ねられている。
中央領域は同一のディスクで可変数であるｍ個まで延在し、端部領域が小さくなっていく外形の５つのディスクを有する。ΔＷ＝0.108［cm］でｍを変えた時に、３つの翼のバランシングキャビティに対して表２に示される値が得られる。
α2＝806.8...806.9［＜o］，ｍ＝10で良好な概算が得られる。それから、ディスクのジオメトリを修正することによって細かい調整が行われる。スクリュー長さ／ピッチの比の値の計算値は、この場合は、２Ｗ2／ｌ＝ａ＝4.485＜9／2である。
構造の例の第２の変形例においては、比較的大きなコア径ｃに比して、要求される条深さｔ（図８）は比較的小さい。有効的なバランシングキャビティ２０３（図８）は真っ直ぐに延び、軸に平行で、軸方向の中央（図１０）のスクリューのコア領域内に一定断面で偏心している（図９）。
バランシングキャビティ２０３のこの形は動的アンバランスには影響を及ぼさない。計算処理により、約９／２ラップのａ0＝スクリュー長さ／ピッチは（３ａ）により決定され、これに対する動的アンバランスは同様に《ゼロ》に等しい。このａ0の値はプロファイルに依らない。異なるラップに対する幾つかの値が表３に示されている。これから、スクリューの静的アンバランスの（プロファイル依存の）値は（１ａ）から直接に求められる。
Ｐu／ω2τ0＝ｇ0・（ｌ／π）sin α2
α2＝14.0662  ［rad］
ｌ＝5.390  ［cm］
ｇ0＝150.374  ［cm3］
Ｐu／ω2τ0＝257.347  ［cm4］
この値は、断面と長さを調整することによりバランシングキャビティ２０３と等しくなる。
ｅ＝2.85［cm］  ｄ＝1.6［cm］から  ｊ＝20.3［cm］
第２の変形例の副次的な変形例（図１１）においては、スクリューロータ３０２はスクリューボディーの一方の側に共軸的に固定されたロータシャフトの一方の側に支持されている。偏心したバランシングキャビティ３０３は軸の無い端面から大きな共軸的なボアを介してアクセス可能であって、幾つかの方法でこの様に作ることができる。スクリューボディとロータシャフトは好ましくは１つのブロックユニットを形成し、ロータの端面の共軸的なボアは栓３０９で塞ぐことができる。スクリューボディの特定の形状、特に片側支持の場合、同じ計算処理に対して両側支持の場合とは異なるようにバランシングキャビティ３０３のｅ，ｄ，ｊを与える。
図３，４，６，７；８，９に示されたプロポーションで説明された構造例の両方の変形のプロファイルジオメトリを有するスクリューロータが、原理的に、コンピュータで計算され、１長さ単位＝１cmで作られ、次いでテストされる。
0004307559.tif 000006
0004307559.tif 000007
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【図１】
0004307559.tif 000009
【図２】
0004307559.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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