Two stage conical liquid ring pump having removable manifold, shims and first and second stage head o-ring receiving boss

本発明は液封式（水封式を含む）ポンプに関し、より詳細には円錐型２段（２ステージ）液封式ポンプ、および真空を生じさせるために使用される２段液封式真空ポンプに関する。

本発明はポンプに関する。 特に、本発明は真空を生じさせるために使用される２段液封式ポンプに関する。 液封式ポンプは、湿潤性工業環境で使用することができ、本質的に低摩擦であるため、耐用年数が長い。 液封式ポンプは、偏心ケーシング内で自由に回転するインペラ（羽根車）によって、空気または気体を除去する。 作動液体（通常は水）がポンプ内に供給され、遠心力によって飛ばされて内側ケーシング壁に沿って可動リング（封液）を形成し、封止されたポンプチャンバを形成する。 また、封止液体もポンプ内に供給され、ロータと他の部品との間の隙間を封止する。 工業的ユーザは、様々な用途にこれらの高度に信頼の置けるポンプを使用する。 たとえば、湿潤紙パルプを鶏卵箱および苗床容器に成形する用途、処置用土壌から汚染された地下水を真空引きする土壌改善の用途、および、他の多くの用途がある。 液封式ポンプの具体例は、特許文献１および特許文献２に見出すことができる。 両特許の内容は、本出願において参照され導入される。

米国特許第４，５２１，１６１号明細書（Ｏｌｓｅｎ等）

米国特許第５，８９９，６８８号明細書（Ｓｈｅｎｏｉ等）

本発明に従う２段液封式ポンプは、第１の端部で第１段ヘッド部に接続され第２の端部で第２段ヘッド部に接続される２チャンバから成る本体を有する。 例示的な実施形態において、第１段および第２段ヘッド部は各々が、内側面、側面または端部を含む。 各端部は、対向する本体の一側面に係合するように構成される。 少なくとも１つの端部は、本体内のロータと円錐との間に隙間（クリアランス）を設定するのを可能にするようにシムとして機能する複数のガスケットを受け入れるように設計された面を有する。 クリアランスの設定を可能にするために、シムを使用してヘッド部の内側面と本体の端部との間に軸方向の間隔を形成する。 円錐とロータとの間のクリアランスは、最大性能のために重要である。 第１段および第２段のヘッド部はまた、各々が、その面に環状の切り込み（ｒａｂｂｅｔ）若しくはボスを有する。 ボスは、要求のより厳しい用途における封止を可能にするためにＯリングを受け入れるように構成される。

例示的な実施形態において、第１段および第２段のヘッド部は、本体から独立した取り外し可能な段間マニホールドによって相互接続される。 段間マニホールドは、効率を改善するための空気／水分離構造を内蔵する。 取り外し可能な（リムーバブル）段間マニホールドを使用する場合には、ヘッド部および本体の鋳造を簡略化でき、より良好なコアサポート、より良好な可鍛性、及び鋳造欠陥率の低下に寄与し、結果としてコストが低下する。 段間マニホールドは、第１段（第１ステージ）から送出される空気と水を分離するように変断面設計を有する。 取り外し可能なマニホールドにより、ヘッド部上でのＯリングの交換使用を可能にする。 取り外し可能なマニホールドは、ヘッド部上の対応するフランジ面に対するＯリングまたはガスケット封止用のフランジを有する。 フランジのボルト用の貫通穴は、端移動（ｅｎｄ ｔｒａｖｅｌ）設定の変動に適応するようなサイズを有する。

例示的な実施形態において、第１段の円錐は、第１段円錐に形成された２個のタイミング通気口から構成される補助排出ポートを有する。 この通気口は、低速安定性を提供し、これにより、水分処理能力が改善され油圧ノイズが低減される。 当該通気口は、高真空能力が影響されないように配置される。 また、この通気口は、低真空でのホッギング（ｈｏｇｇｉｎｇ）状態下でロータバケットの過剰圧縮を減少させ、それによって、低真空での所要ピーク電力を減少させる。

本発明の追加的特徴は、下記の例示的な実施形態の詳細な説明を考慮すれば、当業者に明らかになるであろう。

連続気流に影響を与えることなく大量の材料キャリーオーバーを処理するように構成された２段（若しくは、２ステージ）液封式真空ポンプ１０が図示される。 ポンプ１０は、本体１４に対して偏心配置されるロータ１２を含む。 本体１４は、チャンバ１６ａを取り囲む第１のチャンバ・ハウジング１６を有する。 本体は、さらに、チャンバ１８ａを取り囲む第２のチャンバ・ハウジング１８を有する。 図２に示されるように、第１段（第１ステージ）３８は図の右側にあり、第２段（第２ステージ）３６は図の左側にある。 マニホールド３４は、第１段３８と第２段３６を接続する。

本体１４は、第１段３８を第２段３６から分離する中間円形壁４８を含むロータ１２を収容するように構成される。 ロータ１２は、駆動シャフト４９に連結され、力が入力シャフト５０に加えられたときに駆動シャフト４９によって回転させられる。 ロータ１２は、第１段ブレード５２および第２段ブレード５４を含む。 ロータ１２及び駆動シャフト４９は、第１のチャンバ１６ａ内に空間５６が形成され且つ第２のチャンバ１８ａ内に空間５８が形成されるように、本体１４内に配置される。

また、本体１４内には第１段及び第２段の円錐６０、６２が配置される。 第１段の円錐６０は第１のチャンバ１６ａ内に配置され、第２段の円錐６２は第２のチャンバ１８ａ内に配置される。 第１段ヘッド部３２は、第１段ハウジング１６の端２０１で本体１４に連結される。 第２段ヘッド部３３は、第２段ハウジング１８の端２０６で本体１４に連結される（例えば、図２参照）。

第１段ヘッド部またはエンドシールド３２は、本体１４の第１のチャンバ・ハウジング１６に連結されるように構成される。 第１段ヘッド部３２の面７９には、第１段ヘッド部３２を本体１４の第１のチャンバ・ハウジング１６に固定するための複数の開口９２が形成される。 第１段の面、エンドまたは側面７９は、表面１７９を有し、表面１７９はシム２００を受け入れるように構成される。 シム２００は、第１の本体１４の端壁２０１と内側面の表面１７９との間に軸方向の間隔または距離を生じさせる。 この間隔は、円錐６０、６２とロータ１２との間に端移動クリアランスを設定することを可能にする。 円錐型液封式ポンプにおいて、ロータ１２と第１段および第２段円錐６０、６２との間に移動クリアランスを適切に設定することは重要である。 もし、これらの構成要素が適切に配置されない場合には早期摩耗および内部漏れが生じるおそれがあり、それにより、真空ポンプの効率が低下するおそれがある。

また、第１段ヘッド部３２は面７９上に環状切り込み（ｒａｂｂｅｔ）若しくはボス１１０を有し、１１０はＯリング２０２を受け入れて第１段ヘッド部３２と本体１４との間の封止を可能とするように構成される。 Ｏリング２０２はボス１１０の円周状側壁２０３と本体１４の端方向の内部側壁２０４との間を封止する。 Ｏリング２０２を受け入れる溝２０３ａが側壁２０３にある。 段間マニホールド３４が第１段ヘッド部３２から取り外せるので、Ｏリングを交換使用することが容易にできる。

第１段ヘッド部３２は、例えば、図４および図５に示されるように、第１段円錐６０のフランジ８２を受け入れるように構成される凹所８０を有する。 凹所８０は、第１段円錐６０を第１段ヘッド部３２に取り付け可能にする複数の開口８４を有する。 また、第１段ヘッド部３２は、ロータシャフト４９を受け入れるように構成された中心部開口８６を有する。 凹所８０は、開口８６とボス側壁２０３との間にある。 また、第１段ヘッド部３２は封水（封液）供給通路８８（図７ａ参照）を有し、封水が第１段円錐通路８８ａ（図６ａ参照）に入ることを可能にする。 さらに、第１段ヘッド部３２は入口ポート７０と流体連通する空気入口２６を有する（図７ａ参照）。 また、第１段ヘッド部３２は排出ポート開口６６（図７ａ参照）と流体連通する排出ポート３０（図５参照）を有する。

また、第１段ヘッド部３２はポンプ１０の固定を可能にする一対のブラケット部材９０（図７ｂ参照）を有する。

第１段円錐６０は通路２０を有し（図６ａ、６ｂ参照）、通路２０に対して入口ポート７０（図７ａ）が開口している。 また、第１段円錐６０は排出ポート開口６６（図７ａ参照）に対して開口する主排出ポート６４（図６ａ，６ｃ参照）を有する。 さらに、第１段円錐６０は補助排出ポート６８（図６ａ，６ｃ参照）を有する。 補助排出ポート６８は、低速安定性のための２つの時間調節通気口からなり、当該通気口は水処理能力を向上させ、結果として水圧ノイズを減少させる。 補助排出ポート６８は高真空能力が影響されないように配置される。 また通気口は、低真空でのホッギング（ｈｏｇｇｉｎｇ）状態下で、ロータ１２のブレード５２間のロータバケット若しくは空間２８（図３参照）における過剰な圧縮を減少させる。 付随して、低真空での所要ピーク電力もまた減少する。 ポンプ１０は、第１段円錐６０がこれらの通気口を備えることで、通常先端速度よりも低速で作動できる。 また、円錐６０は水圧ノイズを減少するために直線状に整列配置された４個のスキュー穴６７（図６ｃ参照）を有する。

第２段ヘッド部またはエンドシールド３３は、取入ポート７１ａ、７１ｂ（図５参照）を有し、これらは段間マニホールド３４から圧縮空気を受け入れるように構成された第１のチャンバ７１ａと、段間マニホールド３４から水を受け入れるように構成された第２のチャンバ７１ｂとを有する。 また、第２段ヘッド部３３は出口ポート８１を有する。 第２段ヘッド部３３は、本体１４の第２のチャンバ・ハウジング１８に連結されるように構成される。

第２段ヘッド部３３は面７９ａ上に環状切り込み（ｒａｂｂｅｔ）またはボス１１０ａを有し（図８ｂ参照）、１１０ａはＯリング２０２を受け入れて第２段ヘッド部３３と本体１４との間の封止を可能にするように構成される。 段間マニホールド３４は第２段ヘッド部３３から取り外せるので、Ｏリング２０２を交換使用することが容易にできる。 Ｏリング２０２は、第１段ヘッド部３２と同一方式で、即ち、ボス１１０ａの側壁２０７（図８ｂ参照）と本体１４の内部側壁２０８（図２参照）との間を封止する。 Ｏリング２０２は溝２１０（図８ｃ参照）内に着座する。

第１段および第２段ヘッド部３２、３３は、例えば、図２に示されるように、駆動シャフト４９を支持するように構成される外部軸受キャリア９４、９６を有する。 軸受キャリア９４、９６は、駆動シャフト４９を支持するように構成される軸受９８、１００を含む。 駆動シャフト４９に沿う漏れを防止して第１段および第２段ヘッド部３２、３３を封止するために、第１段および第２段ヘッド部３２、３３では、ロータ１２とポンプ１０の残部との間にシール１０２、１０４（図２参照）を使用している。

排出ポート３０および取入ポート７１ａ、７１ｂ（図５参照）の両者は、嵌め合わせ面７７（図７ｃ，７ｄ参照）、７８（図８ｂ参照）を含み、７７及び７８は、Ｏリングまたはガスケットを受け入れてポート３０および７１ａ、７１ｂを段間マニホールド３４に対して封止するように構成される。 嵌め合わせ面７７、７８には、第１第および第２段ヘッド部３２、３３の端移動設定の変動に適応するような大きさを有する複数の開口７６が形成できる。 段間マニホールド３４は取り外し可能であるため、費用効果的な製造のために軽量で耐食性の材料で作られるという選択肢を提供する。

ポンプ１０のモジュール設計は、第１段内側面７９（図７ａ参照）と本体端壁２０１（図３参照）との間にガスケットが使用されることを可能にする。 ガスケットは、電力産業での用途等の一般的な用途においてポンプが使用されるときに、シム２００およびガスケット２００（図３参照）としての二重の目的を果たす。 また、同モジュール設計は、化学産業での用途等の要求のより厳しい用途のために、同一鋳造を使用するが何らかの追加的な機械加工を備えるＯリングの使用を可能にする。 要求の厳しい産業用途では、シム２００は端移動を設定するためだけに使用され、Ｏリング２０２は第１段ヘッド部３２／第２段ヘッド部３３と本体１４との間を封止するように使用される。

ガスケットのみの構成、即ち、Ｏリングがない場合には、第１段または第２段ヘッド部上のガスケットは端移動クリアランスを設定するためのシム（ｓｈｉｍ）としても機能する。 第２段ヘッド部上に使用されるガスケット／シムは何れも、導管２０５（図８ａ，８ｂ，８ｃ参照）の周りを封止するように構成されなければならない。 この構成に使用されるシムまたはガスケットは何れも、Ｏリング２０２の使用を妨げないであろうが、一般的に、封止用にガスケットが使用されるときにはＯリングは要望されない。 従って、Ｏリング２０２を省略することもある。 逆に、封止用のＯリングを使用するときには、封止用にガスケットを使用することは所望されない。 使用されるガスケットは何れもシムとして完全に機能するであろう。

或るＯリングの構成では、図示された表面１７９ａを有する第２段の内側面端若しくは側面７９ａは、円錐６０、６２とロータ１２との間の端移動の設定を可能にするためにシムを受け入れるようには構成されていない。 第２段ヘッド部の作動液体導管２０５はシムの効果的な使用を妨げる。 導管２０５は、Ｏリング２０９（図３参照）を受け入れる溝２０５ａで縁取られている。 Ｏリング２０９は、本体１４の端面２０６（図３参照）に対して導管２０５を封止する。 もしシムが使用される場合には、端面２０６に対して導管２０５を封止するＯリングの能力を妨げるであろう。 従って、Ｏリング構成では、第２段ヘッド部３３上にシムを使用することを可能にするために、シムの使用に適合するように第２段ヘッド部３３を再構成しなければならないであろう。 例えば、導管２０５を除去し、代替の導管構成を使用することができる。

ポンプ動作において、ロータ１２が回転することにより、空気または気体は第１段ヘッド部の入口２６内に引き込まれ、矢印１１２（図４参照）で示される方向に進む。 空気は、入口ポート７０（図７ａ参照）を通じて第１円錐通路２０（図６ａ参照）に入る。 回転が進むにつれて、液封（環状の封止液体）用の液体（図示せず）は、空気または気体を圧縮するロータバケット２８（図３参照）内に送り込まれ、次いで、気体および液体の混合物が、矢印１１４（図７ａ参照）によって示された方向に第１段ヘッド部３２のポート６６を通じて円錐排出ポート６４（図６ａ参照）から送り出される。 この気体および液体の混合物は、ポート３０を通って第１段ヘッド部３２から排出され、段間マニホールド３４に入り、矢印１１６（図４参照）で示されるように進む。

上記気体／液体混合物がマニホールド３４に沿って移動するにつれて、この混合物は、
底面部分４６に通じて下方に傾斜するランプ４４によって特徴づけられる拡張領域４２（図４参照）に入る。 底面部分４６は上方部分４７に対向している。 拡張領域４２において、混合物の液体部分は底面部分４６へ向って落下し、空気部分は液体上の上方部分４７にとどまる。 この分離は、速度の減少および重力効果に起因して発生する。 空気はチャンバ７１ａ（図５参照）を通じて第２段ヘッド部３３に入る。 （分離された）液体はチャンバ７１ｂ（図５参照）を通じて第２段ヘッド部３３に入る。 矢印１１８は、段間マニホールド３４から第２段ヘッド部３３内へ送入される空気を示している。 矢印１２０は、段間マニホールド３４から第２段ヘッド部３３内へ送入される水を示している。

実施形態は図面および前述の説明に例示され述べられているが、そのような例示および説明は、例示的なものであるとみなされ、特に制限的なものではなく、例示的な実施形態のみが示され述べられ且つ本発明の思想に入るすべての変更および修正例は保護されることが望まれることが理解される。 出願人は、開示の実施形態の例示として意図される説明および図面を提供しており、これらの実施形態に対して開示の制限を含むかまたは暗示するとして解釈されるようには意図されない。 明細書に述べられた様々な特徴から発生する本発明の開示の複数の利点がある。 開示の代替の実施形態は、述べられた特徴のすべてを含まなくてもよいが、依然として、そのような特徴の利点の少なくともいくつかから利益を得ることに注意されたい。 当業者は、過度の実験なしで、開示および関連方法の自己の実施を容易に考案してもよく、それらは、開示の１つまたはそれ以上の特徴を組み込み、且つ、本開示および添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に入る。

それぞれ第１の端部で第１段ヘッド部に接続され、第２の端部で第２段ヘッド部に接続される２チャンバから成る本体を有する２段液封式ポンプの斜視図であり、第１段および第２段ヘッド部は、取り外し可能な段間マニホールドによって相互接続される。

ポンプ長手方向軸に沿い第１段入口を通じて得られる変則的な断面図であり、本体の第１および第２のチャンバおよび第１段および第２の段ヘッド部が示され、本体およびヘッド部を貫通し延びる駆動シャフトがさらに示され、このシャフトは一対の円錐間に配置される２段ロータに連結されている。

図１に示された液封式ポンプの分解図である。

第１段ヘッド部に対する第１段円錐を示すために、本体、シャフトおよびロータをポンプから取り外した状態の２段液封式ポンプの斜視図であり、段間マニホールドを通る空気および水の流れがさらに示される。

図４に類似した斜視図であるが、段間マニホールドが第１段および第２段ヘッド部から取り外されており、段間マニホールドから空気および水を受け入れる第２段ヘッド部の２チャンバから成る入口ポートがさらに示される。

図４に示された第１段円錐の円錐部材の斜視端面図である。

図６ａに示された円錐の側部斜視図である。

図６ａに示された円錐の側部平面図である。

空気入口ポートおよび段間マニホールドへの出口ポートを示す第１段ヘッド部の内側側部の斜視図であり、第１段ヘッド部において更に、円錐とロータ間のクリアランスを設定しシム入れ（詰め木）するための面と、Ｏリング封止用のヘッド部上に設けられる環状の切り込み（ｒａｂｂｅｔ）若しくはボスが示される。

第１段ヘッド部の外部側面を示す平面背面図である。

７ｃ−７ｃ線に沿って切り取られた第１段ヘッド部を示す断面図である。

第１段ヘッド部の排出ポートを示す平面図である。

第２段ヘッド部の内部側面の平面正面図である。

第２段ヘッド部の内部側面の側面斜視図である。

８ｃ−８ｃ線に沿って切り取られた第２段ヘッド部を示す断面図である。

段間マニホールドの平面端面図である。

９ｂ−９ｂ線に沿って切り取られた図９ａの段間マニホールドを示す断面図である。

符号の説明

９ 駆動シャフト１０ ２段液封式真空ポンプ１２ ロータ１４ 本体１６ 第１のチャンバ・ハウジング１６ａ チャンバ１８ 第２のチャンバ・ハウジング１８ａ チャンバ２０ 第１円錐通路２６ 空気入口２８ ロータバケット３０ 排出ポート３２ 第１段ヘッド部３３ 第２段ヘッド部３４ 段間マニホールド３６ 第２段３８ 第１段４２ 拡張領域４４ 下方に傾斜するランプ４６ 底面部分４７ 上方部分４８ 中間円形壁４９ 駆動シャフト５０ 入力シャフト５２ 第１段ブレード５４ 第２段ブレード５６，５８ 空間６０ 第１段円錐６２ 第２段円錐６４ 主排出ポート６６ 排出ポート開口６７ スキュー穴６８ 補助排出ポート７０ 入口ポート７１ａ 第１のチャンバ（取入ポート）
７１ｂ 第２のチャンバ（取入ポート）
７６ 開口７７，７８ 嵌め合わせ面７９，７９ａ 面８０ 凹所８１ 出口ポート８２ フランジ８４ 開口８６ 中心部開口８８ 封水供給通路８８ａ 第１段円錐通路９０ ブラケット部材９２ 開口９４，９６ 外部軸受キャリア９８，１００ 軸受１０２，１０４ シール１１０，１１０ａ 環状切り込み（ｒａｂｂｅｔ）若しくはボス１１２，１１４，１１６，１１８，１２０ 矢印１７９，１７９ａ 表面２００ シム（ガスケット）
２０１ 端（端壁）
２０２ Ｏリング２０３ 円周状側壁２０３ａ 溝２０４ 内部側壁２０５ 導管２０５ａ 溝２０６ 端（端面）
２０７ 側壁２０８ 内部側壁２０９ Ｏリング２１０ 溝