封液排出口を有する液封式ポンプの切替方法及び液封式ポンプ

本発明は、概して、封液（圧縮流体）をポンプの作動室から排出する液封式ポンプ（「ポンプ」）に関する。 より具体的には、本発明は、変化する圧縮比に対応するために、封液排出システムを利用した液封式ポンプからガス排出システムを利用した液封式ポンプへの切替方法に関する。

液封式ポンプは周知である。 Ｂｉｓｓｅｌｌの米国特許第４，４９８，８４４号は、円錐状ポート部材を有する液封式ポンプを開示する。 この円錐状ポート部材は、従来の取入及び吐出口に加えて再循環排出ポートを有する。 米国特許第４，４９８，８４４号は、その全体が本明細書に組み込まれる。

図１に示すポンプは、円錐型液封式ポンプの公知の構成である。 図１は、ポンプの軸に平行な平面に沿った垂直方向断面図である。 図１Ａは、断面が線１００に沿った断面であることを示す。 したがって、断面線１００は、図１の透視点を提供する。

ポンプは第１のヘッド２０と第２のヘッド２２を有する。 各ヘッドはガス注入口２０ａ、２２ａを有する。 各ヘッドはガス吐出口２０ｂ、２２ｂを有する。 ヘッド２０、２２は液封式ポンプの軸端に位置する。 ポンプヘッド２０、２２の軸方向の間に位置するのは、本体又はハウジング２３である。 ハウジング内に位置するのはロータ２５である。 ロータ２５は回転翼２５ａを有する。 回転翼２５ａはハブ２５ｂから延びる。

本体又はハウジング２３はチャンバ（作動室）を提供し、ロータ２５が回転し、ガス注入口２０ａ、２２ａを介して空気又はガス２６を作動室に引き込む。 そして、ガス２６はガス吐出口２０ｂ、２２ｂを通って作動室から排気される。

上記から理解できるように、ガス２６は円錐状ポート部材２７、２８を通って作動室に引き込まれる。 また、ガスは円錐状ポート部材２７、２８を通って作動室から排気される。 チャンバは、ロータシュラウド２５ｃとローブシュラウド２３ｃにより、第１の作動室２３ａと第２の作動室２３ｂに分けられる。

図２を参照し、封液２９は作動室内にある。 ロータ２５の回転により、封液２９は作動室内で液封となる。 液封は、液封式ポンプのシャフト３０に対し半径方向に分散し収束する偏心形状をなす。 封液２９がシャフト３０から分散する部分では、ロータ組立体の隣接する回転翼間の空間（バケット）で生じた減圧がガス吸入区間を構成する。 封液２９がシャフト３０に収束する部分では、隣接する回転翼間の空間（バケット）内に生じた上昇圧がガス圧縮区間を構成する。 Ｓｃｈｕｌｔｚの米国特許第４，８５０，８０８号は、円錐型液封式ポンプの一例を提供する。 米国特許第４，８５０，８０８号は、その全体が本明細書に組み込まれる。

図１に示す液封式ポンプは、封液２９が作動室に入ることができるように、封液の入口又は導入路３１を有する。 封液２９はヘッド及び円錐状ポート部材を通過する。 封液２９がヘッド２０及び円錐部材２７のみを通って入るように図示されるが、ヘッド２２及び円錐部材２８を通って入ることもできる。

封液導入経路３１を有することに加え、図１のポンプは液排出通路も有し、ポンプの作動時に作動室から液体が出られるようにする。 従来技術である図２は、封液排出通路３３を通って作動室を出る封液２９の概略図を示す。 既存のヘッド２０、２２は、垂直軸に対して対称であり、１つのヘッドがポンプのいずれの軸端でも使える設計を可能とする。 回転の方向にもよるが、一般にヘッド内の経路は、封液２９の導入又は排出のいずれにも使用される。

設計上の圧縮比は、設計上の吸引圧に対する設計上の吐出圧の比である。 動作時の圧縮比は、動作時の吸引圧に対する動作時の吐出圧の比である。 実際には吐出口の圧力は一定のままであり、通常は大気圧である。 吸引圧は用途によって変化する。

固定吐出口を有するポンプでは、設計上の圧縮比より動作時の圧縮比が小さいときには、作動室内の圧力が上昇することが知られる。 圧力が上昇すると、追加のポンプ動力を用いる必要がある。 余分なポンプ動力の必要性を最小限にするために、図１及び２に示す従来技術には圧縮流体（封液）排出通路又はビルト・インの漏液経路があり、封液を作動室から出し、作動室内及びバケット内の圧力を下げることができる。 このように、封液を排出することで作動時のポンプに起こる圧縮比の変動に対処する。

圧縮流体又は封液排出通路（漏液経路）の使用には、幾つかの欠点がある。 作動室内を適切な圧力とするために、封液を連続的に開放及び補充する平衡動作が排出に必要となる。 封液の流量が通常の流量を超えると、液排出手段の出力制御機能が限界を超え、駆動システムに過負荷をかける低圧縮比でポンプ動力が増加する。 更に、設計上の圧縮比から低圧縮比へ真空圧が急激に低下すると、ポンプ内の液体が定常状態の低圧縮比の状態よりも多い周期に入る。 過剰な液体は駆動設備に過負荷をかける。 また、ポンプへの封液が減った場合、液排出通路を通る流出は、ポンプ内の封止を失わせ送出されるガス量を減らす。

本開示は、封液排出を利用した液封式ポンプからガス排出を利用したポンプへの切替を提供する。 ガス排出は、連続的な封液の導入及び開放の必要性をある程度まで除去するために、封液排出に伴う問題を防止する。 一方、ポンプが設計上の圧縮比より小さい圧縮比で稼働する場合、ガスをポンプの作動室から排出し、過圧縮を低減することができる。 その結果、シャフトの電力要求も低減する。 既存の液封式ポンプの切替は、ポンプの部品への変化が最低限でようやく行うことができる。

封液排出又は封液導入のいずれかに使われる液封式ポンプの封液経路は、機能の再割当がされ、ガス排出の一部を形成する。 本開示では、ポンプヘッド内の封液導入路の機能を再割当し、ガス排出路の一部とすることを示す。 また、本開示は、既存の液封式ポンプの封液排出通路から封液導入路への切替も提供する。

封液排出通路から封液導入路への切替には、ポンプヘッドを通って延びる排出路の一部を密封する新たな錐体を設ける必要がある。 この新しい錐体は、新しい流路を提供し、封液排出通路の一部を形成するために使っていたポンプヘッド内の経路から作動室内へ封液が進入できるようにする。 勿論、封液導入路に機能を再割当された通路は、封止剤を受け取るため再配管される。

ガス排出を設けるために、封液導入に使用されていたポンプヘッドの経路は、ポンプ吐出口にガスを排出するための適切なサイズの経路の一部を形成するように機能が再割当される。 また、新しい錐体は、封液導入用の開口であったが今はポンプヘッド内のガス排出の開口として機能が再割当されるポンプヘッド内の開口と並んだ排出経路を備えている。 新しい錐体のガス経路は、錐体の円錐面を貫くガス出口を有する。

機能の再割当がされ切り替えられたポンプは、ポンプがもはや圧縮比の変動に対処するための封液排出に依存していないため、ポンプへの封止流が低くても稼働することができる。 また、機能の再割当により、従来技術のポンプ以上に電力要求を増加させることなく、ポンプの全動作の真空範囲を超えて再割当前のポンプの２００％以上の封液の流量でポンプを稼動することができる。 これにより、再割当後のポンプは、密封率の倍増に反応しにくく、真空の急激な低下にも反応しにくくなる。

図１は、ポンプのシャフトに平行な平面に沿った従来技術の液封式ポンプの縦断面図である。

図１Ａは、図１に示す種類のポンプヘッドの端面図である。

図２は、図１に示すポンプの一部を拡大した概略図であり、ロータ周辺の封液を排出させることができる封液排出通路を示す。

図３は、ポンプのシャフトに平行な平面に沿った図１に示す種類のポンプを取り外した時の水平断面図であり、図には、円錐部材と結合したポンプヘッドが含まれる。

図４は、図３の断面と同様に取った液封式ポンプを透視した水平断面図であり、ポンプヘッドと錐体が、封液導入用に使用されていた流路にガスを排出できるよう本発明に従って再構成される。

図５は、図３に示す円錐部材の等角図である。

図６は、図５に示す円錐部材の端面図であり、錐体の先端部又は小端部内部を見たものである。

図７は、図４に示す錐体の等角図である。

図８は、図７に示す錐体の端面図であり、錐体の先端部又は小端部内部を見たものである。

図９は、図３に示す種類のポンプヘッドの端面図である。

図１０は、図４に示す種類の再構成後のポンプヘッドの端面図である。

本発明は、漏液経路としても知られる封液排出通路に依存するポンプからガス排出路を使用したポンプに切り替えるものである。 ここで、ガス排出路は封液排出通路の代わりとして変化する圧縮比に対応するために使用される。 ポンプの切替前には、ポンプは、図１、２及び３に示す全ての特徴を持っている。 図３は、切替前の封液（圧縮流体）排出通路を有するポンプヘッド４０を示す。 排出路又は経路は、ポンプヘッド４０を通って延びる流路４１ａと、円錐部材４６のフランジ４４を貫いて延びる開口４１ｂによって形成される。 排出路により、不要な封液２９を作動室から排出することができる。

切替前において、ポンプヘッド４０は封液導入経路も有する。 封液導入経路は、ポンプヘッド４０を通って延びる流路４８ａと円錐部材４６を通って延びる流路４８ｂにより形成される。

図１及び３に示すポンプからガス排出型液封式ポンプへの切替を行うために、図４、７、８に示すような新たな円錐部材５０が設けられる。 また、ポンプヘッド４０は、封液導入流路４８ａの機能が再割当されてガス排出経路の一部４４８ａを形成するように、可能な機械加工等により再構成される。 新たな錐体５０は、ガス排出経路の別の一部４４８ｂを形成する。 錐体経路４４８ｂは、ポート４４８ｂ'を有し、排出されるガスはそれを通って錐体経路４４８ｂに進入する。 図１０に示すように、ガス排出経路は導管５５を含んでもよく、経路４４８ａを通って再割当されたポンプヘッド４４０を出たガスが、ポンプ吐出口５６又は排出配管システム５８で終端することができる。 図示されるように、図１０のポンプは主吐出口７３を有する。

封液導入路の一部として使用されていたポンプヘッド４０の一部を通るガス排出流路を設けるにあたり、設けられた通路が作動室からガスを放出するのに十分な面積を有するか否かを確認することが重要である。 経路が小さいほど、ガスポート４４８ｂ'において必要な圧力は大きく、ポート４４８ｂ'のその圧力を得るため真空ポンプに必要な電力も大きい。 高電力は、末端消費者の作業コストの増加を意味する。 実験により、通路面積に対するポンプ容量の比率が平方インチあたり４９０〜１、１６０ＣＭＦのとき、適切な断面積の経路となることが示される。 経路のどの部分も、所望の比率範囲外の制限領域を持たないことが好ましい。

図８で最もよく理解できるように、単一の排出開口部４４８ｂ'を含み、２０インチの水銀真空で稼働するように設計された錐体５０では、錐体内の開口の前方端４４８ｂ''、回転翼２５ａとロータ本体２３の最接近点より手前で１３０及び１４０度の間の角度でなくてはならない。 ロータ本体の最接近点は線６０で近似される。 回転方向は、矢印６１で示される。 排出開口（ポート）４４８ｂ'の閉鎖端４４８ｂ'''の角度は、ロータと本体の最接近より前は、１１０〜１１５度が好ましい。 排出開口の閉鎖部から錐体の最後の吐出口７０の開口部までに含まれる角度は、許容誤差が７度の連続する２つの回転翼間の角距離前後である。 流入口は７１で示す。

新たな錐体５０は封液流路４４１ｂを備え、封液２９は、圧縮流体排出流路４１ａとして使われていたものを通って作動室に入ることができる。 このように、圧縮流体排出流路４１ａの一部は、封液導入路４４１ａに再割当される。 また、ポンプ４０は、圧縮流体排出流路４１ａが４１ａ'で部分的に封止されるように再構成される。 錐体５０は、排出口４１ｂを省略した錐体フランジ４４４を設けることにより排出経路４１ａの一部分４１ａ'を封止する。 このように、フランジ４４４は４１ａ'で排出部４１ａを封止する。 現在は封液導入路４４１ａとして再割当される通路は、図９及び１０に示すように再配管される。

本明細書で使用されるガスという用語は、十分に広義であり、空気も含んでいる。

本発明の実施例を開示してきたが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかであろう。

本明細書に開示する全ての特徴（添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む）、及び／又は開示された方法又はプロセスの全ての工程は、そこにおいて少なくともいくつかの特徴及び／又は工程が相互排他的である組み合わせを除く、全ての組み合わせにおいて併用することができる。

本明細書で開示されるそれぞれの特徴（添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む）は、特に明記されない限り、同一、同等又は同様の目的を果たす代替的な特徴に置き換えることができる。 つまり、特に明記されない限り、開示されるそれぞれの特徴は、一般的な一連の同等又は同様の特徴の単なる一例である。

本発明は先述の実施態様の詳細に制限されない。 本発明は、本明細書に開示される特徴（添付の特許請求の範囲、要約及び図面を含む）の全ての新規なもの又は全ての新規な組み合わせ、又は、開示される全ての方法又はプロセスの全ての工程の全ての新規なもの又は全ての新規な組み合わせに拡大する。