JP2000064974A

JP2000064974A - ベーン式流体機械

Info

Publication number: JP2000064974A
Application number: JP10263889A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Nakamura; 満夫中村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2000-03-03

Abstract

(57)【要約】（修正有）【解決手段】ケーシングと偏心にロータを駆動軸心で回
転させ、ロータ溝に摺動嵌入したベーンは、駆動側端面
中心とピンクランクロータ、ロータとの間で駆動側ピン
クランク軸を構成し、駆動側ピンクランク軸を軸心にベ
ーン端面中心を円周軌跡に回転させることによって、ベ
ーン先端がどの回転角度においても、ケーシング内径に
沿ってすきま無し、又は微少すきまをもって回転する。
また、ケーシングを多段に配列し、高圧縮比がでる多段
ベーン式流体機械とした。【効果】ベーン先端は、摺動しないので半永久的に摩
耗せず、クリーンな流体を確保でき、他の同性能の流体
機械に比較して部品点数が少なく、長寿命のオイルフリ
ーの流体機械として、極めてコスト安に製作できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は真空ポンプやブロワ
として用いられるベーン式流体機械にあって、圧送流体
をオイルフリー化すると共に、ケーシングを多段に構成
するに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から容積型流体機械市場に存在し、
多くの装置機械の主要部を担当してきたベーン式流体機
械の構造は、ケーシング中心に対してロータはケーシン
グと偏心して組み立てられ、偏心側にケーシングとロー
タとはすきま無しに構成して、該ケーシング内周に内接
させ、ロータ中心を貫通し嵌着させた駆動軸により回転
させ、駆動軸上、ロータの長手方向半径間に設けた複数
のロータ溝に、ベーンを円周方向へ摺動自在に嵌入し、
ロータの回転によって、その遠心力でベーンが自由に外
方に振られて、故に該ベーンの先端がケーシング内周に
強く接触しながら、ベーンはロータに従動して回転し、
ロータ溝内を摺動しながら出入し、ケーシングとロータ
で構成される円弧体の吸入空間を、吸入側より吐出側へ
容積を縮小しながら圧送する構成は衆知されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来から存在するベー
ン式流体機械は、ロータに設けた複数のロータ溝に自由
に動くベーンを挿入している。該ベーンは摺動自在に構
成されているので、ロータの回転によって起動される遠
心力の作用で、ベーンの先端はケーシング内周と強い接
触をしながら摺動回転する。かかる構成によって給油式
ベーンにあっても、ベーン先端は速い周速による摺動、
接触によって油ぎれが起り、メタリックコンタクトが発
生し、ベーン及び対摺動部品が早期に摩耗する。又サイ
ドカバーとベーンとの摺動部も同様の現象を起こす。す
なわち、このことによって摺動する各部品の摩耗が促進
され、流体機械自体の性能、機能の低下はまぬがれな
い。更にメタリックコンタクトの増大により運転音も大
きく変化し、騒音が問題になる。これらの弊害を防止す
るため、全構成に多量の潤滑油を介在させないと正常運
転ができない構造である。故に給油式ベーン流体機械で
は、潤滑油は循環使用が主構成で、多量の回収を行う構
造が不可欠で、該、構造のため、流体機械そのものが複
雑になり、コストが増大すると共に故障の原因になって
いる。その上無視できない事は潤滑油は１〜２年で廃
棄、交換が必要で、ランニングコストが極めて大きく、
３〜４回の新油交換でイニシャルコストを凌駕する不経
済さも指摘されている。

【０００４】又、流体機械をオイルフリーとして構成す
るため、ベーン材質を自己潤滑性材を使用するが、従来
構造のままでは、ベーンの摩耗は先端は勿論、摺動速度
がベーン先端より遅いベーン端面においても著しく、摩
耗したベーンと、発生したすきまが起す回転衝撃音も段
々大きくなり、早期にベーンの交換が必要となる。又性
能の低下と共に前述したベーンの摩耗で、摩耗粉が流体
に混入し、オイルフリーとしての実用に障害を及ぼし、
メンテナンス費用も増大する等種々の課題を残し、実用
機は小型の一部に限られている。更に多段式とするため
のケーシング構造及び、ロータに回転軸を嵌着しない構
成におけるロータ両端での軸受支承方法が解決課題とな
っている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、本発明はベーンがロータ溝を自由に出入りする
摺動自在にせずに、ベーンの駆動側端面中心に構成した
駆動側ピンクランク軸により、該ベーン駆動側端面中心
は、偏心量の１／２を半径とする円周の軌跡上に存在す
ると共に、ロータ溝に摺動嵌合させたベーンと、該、駆
動側ピンクランク軸と、ピンクランクロータの三つの部
品で従動回転する構成にしているので、ベーン先端とケ
ーシング内周とは、すきま無しで又接触せずに回転し、
オイルフリーとできる構成とした。又、ケーシングは、
圧縮室を多段に配列すると共に、ロータは同芯で両側に
ロータフランジを設け、軸受支承できる構成にした。

【０００６】

【作用】課題を解決するための手段に示したように、ロ
ータ溝に摺動嵌入するベーンは、駆動側端面中心に駆動
側ピンクランク軸の片方軸を、ベーン内部へ軸受を伴な
って回転自在に構成する。該、駆動側ピンクランク軸の
主軸は、反駆動側ピンクランク軸の主軸から１８０°反
対位置で前記片方軸中心よりロータ偏心量ｍの１／２の
位置でロータ中心のピンクランクロータに回転可能に装
着する。ピンクランクロータはロータ駆動側のロータ端
板に、軸受けを介して回転自在に装着する。この構成に
よって、ロータ溝に摺動嵌入したベーンは、ロータの回
転に伴なうロータ溝とベーンとの最適の嵌合精度を保持
し、又、駆動側ピンクランク軸とピンクランクロータ及
びベーン端面中心との加工組立精度は、ベーンがロータ
溝に於いて摺動し、出入する寸法を厳しく管理してい
る。従って、該、ベーンのケーシング内周方向の両先端
は、遠心力で振られることなく、ケーシング内径に沿っ
て回転し、寸法の管理によってすきま無し、若しくは微
少のすきまを保って構成することができる。

【０００７】尚、平成１０年７月２日出願、特許願、整
理番号Ａ００１０Ｍ２８−５、ベーン式流体機械の〔特許請求の範囲〕

【請求項１】によって本発明の関連発明として、ベーン
の反駆動側端面中心にピンクランク軸および反駆動側サ
イドカバーとの作動回転で、本発明

【請求項１】と同様にベーンのケーシング内周方向の両
先端は、ケーシング内径に沿って回転して、流体を吸
入、圧縮する構成を記載しているが、本発明

【請求項１】と前記、特許願、整理番号Ａ１００１０Ｍ
２８−５

【請求項１】を、同じベーンに同時に構成することがで
き、これによってケーシング長さの大なるベーン流体機
械にあっても安定したベーンの動きを保証することがで
きる。

【０００８】自己潤滑性材のベーン構成とした場合、ロ
ータ溝部の摺動速度はケーシング内周の摺動速度に比較
し、１／１２程度のため、又、材料の適材の選択と同時
に、摺動面の仕上精度を向上させることにより、性能及
び寿命に影響するような摩耗は発生しない。ケーシング
内径は、加工容易な円を基準に、ベーンの径方向長さ
と、ケーシング内径との差をケーシング中心点よりＹ線
上部に減じたＸ線に平行したＸ_２線を基準に上部に半円
弧を、又、下部にＸ線、Ｏ点を中心とした半円弧を構成
する。従って、ベーン先端と該、両半円弧とはどの回転
位置でも内周に沿った回転位置を保ち、圧縮作用に充分
な効果を発揮する状態を保持して、円滑な回転運動を行
うようにしている。

【０００９】高圧縮比を保つため、ケーシングを構成す
る圧縮室は多段に並べて配列し、圧縮流体は初段から終
段まで直列に多段圧縮する構成としている。該構成は、
ベーン両端面に装着したピンクランク機構によるベーン
の摺動安定性によって就し得るものである。本発明はロ
ータには回転軸を嵌着せずに、ベーンのピンクランク機
構を主体としているので、ロータには両側にロータフラ
ンジをロータ同芯に構成し、精密な両側軸受支承構成と
している。

【００１０】

【実施例】図１〜図８の必要図の参照による実施例で構
成を説明する。図１は本発明の駆動側ピンクランク軸の
構成とロータ反駆動側、ロータフランジの軸受支承の実
施例である。図１に於いて、１ケーシング内には２駆動
側サイドカバーを介して、１ケーシングと偏心に４ロー
タと４ａ駆動側ロータフランジを同芯に結合し、１６軸
受で、２駆動側サイドカバーのボス部に回転自在て支承
している。６は駆動側ピンクランク軸の主軸で、ロータ
中心Ｘ_１線より下方に偏心量ｍの１／２、ｍ／２Ａ線上
に、８ピンクランクロータに１１軸受にて支承する。８
ピンクランクロータは４ロータの駆動側端板に、該、ロ
ータ同芯でＸ_１線の駆動軸心に回転自在に嵌装する。６
ａは駆動側ピンクランク軸の片方軸を示し、１３ベーン
内軸受、１４ベーン内オイルシールと共に５ａベーン内
グリス溜をもって、５ベーンの駆動側端面中心に構成す
る。４ｄロータ溝と５ベーンは摺動嵌合に嵌入する。４
ｂ反駆動側ロータフランジで４ロータと同芯にて構成
し、２０軸受を介して３反駆動側サイドカバーに回転自
在に支承する。１９は反駆動側ピンクランク軸の主軸で
１５ハウジングにて、ケーシング中心Ｘ線と、ロータ中
心Ｘ_１線の中間、Ｂ線上、ｍ／２の偏心位置の中心で３
反駆動側サイドカバーに軸受を介して回転自在に支承す
る。

【００１１】次に図３〜図６につき説明する。該四つの
図は多段型に配列した構成を示し、図３、図４は多段を
３段にした構成で、１は初段ケーシング、１ａは中段ケ
ーシング、１ｂは終段ケーシングで、１ｃは初段、中段
の仕切壁、１ｄは中段と終段の仕切壁で、各段圧縮空間
Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３を構成している。４ｆは初段、中段の
嵌合溝、４ｅは中段、終段の嵌合溝で、４ロータに微小
すきまをもって構成する。図５は前記、各段の接続を示
し、２２初段吐出口、２３中段吸入口、２４中段吐出
口、２５終段吸入口で２６は初段吸入口、２７は終段吐
出口である。図６は多段型ベーンの形状を示し、４ｇ、
４ｈは上述の仕切壁の遊合溝を示し、すきま無しに構成
する。

【００１２】次に図２により回転作動を説明する。（０
°、１８０°）図で５ベーンはＸ_１線上で、ベーン駆動
側端面中心はＸ_１、Ｙ線の交点Ｇにある。ｈは該ベーン
端面中心の回転軌跡円を示し、Ｂ、Ｙ線の交点Ｔを中心
に半径ｍ／２で回転する。ｊは駆動側ピンクランク軸の
主軸中心の回転軌跡円を示し、Ｘ_１、Ｙ線の交点Ｇを中
心に半径ｍ／２で回転する。８はピンクランクロータで
４ロータのＧ点で回転自在に且、Ｕ点の位置を固定し、
６の前記、駆動側ピンクランク軸の主軸を回転自在にＸ
_１線より下方、ｍ／２位置に設ける。（４５°）図では
４ロータ及び５ベーンが４５°、矢印方向、左に回転し
た位置を示し、５ベーンの端面中心はｈの回転軌跡円上
でＢ線との交点Ｇに位置し、この時、８ピンクランクロ
ータは９０°回転し、ｊの回転軌跡上でＡ、Ｘ_１線の交
点Ｕに６の駆動側ピンクランク軸の主軸は位置する。５
ベーンは圧縮工程中である。（９０°）図では４ロータ
と５ベーンが９０°回転した状態を示し、５ベーンの端
面中心はｈ回転軌跡円とＸ、Ｙ線との交点Ｇにくる。こ
の時、８ピンクランクロータは４５°の位置より更に９
０°回転し、Ａ、Ｂ線とＹ線との交点Ｕに位置する。５
ベーンは吐出を開始した直後である。この様に（０°）
〜（１５０°）と４ロータを回転すれば、５ベーンの端
面中心Ｇ点はｈの回転軌跡円上を回転角度に従って移動
し、５ベーンの両先端はＲケーシング内周に接する構成
で回転する。同時に８ピンクランクロータのｊ回転軌跡
円上にあるＵ点は、ｈの回転にｍ／２の偏心を保って同
期回転する。６ａ駆動側ピンクランク軸の片方軸及び８
ピンクランクロータは４ロータの倍速で従動回転する。

【００１３】次に５ベーンを自己潤滑性のある材料を使
用すれば、給油の必要のない構成が可能となる。従来構
成の自己潤滑性材のベーンを用いたベーン式流体機械に
あっては、ベーンはロータ溝内を自由自在に動くので、
該、機械が運転中は遠心力でケーシング内周に押付けら
れ、更に高い周速度で回転するのでベーン先端は摩耗が
激しく、短寿命で信頼性がない。本発明による構成によ
れば、１ケーシングの内周と５ベーンの両先端はすきま
無し、又は微少すきまで回転することができるので、ベ
ーン先端の摩耗はない。４ｄロータ溝と５ベーンの側
面、摺動嵌合部については、今ケーシング内径１５０ｍ
ｍ、偏心量１０ｍｍの実機を例とすれば、回転数１４５
０ｒ／ｍとすれば、ケーシング内径周速度は１１，３８
８ｍ／ｓであり、この際のロータ溝、摺動速度は０．９
６６ｍ／ｓとなる。この時の速度比はロータ溝、摺動速
度がケーシング内径、周速度の１／１１．７となり、こ
の数値に遠心力による摩耗の増大を加味し、更にロータ
溝摺動面を鏡面に近い仕上精度にすれば、前記の速度比
による摩耗率よりも実際の摩耗率は低減する。以上のこ
とにより従来式のカーボンベーンの場合、４，０００Ｈ
ｒ程度の寿命と考えられているが、本発明構造の自己潤
滑性材のベーンは４０，０００〜５０，０００Ｈｒの寿
命と推定でき、５〜６年の長期使用に耐えることにな
る。故に本発明構造でオイルフリーとして自己潤滑性材
のベーンを使用して、充分な機能を発揮し得る。

【００１４】本発明にあって、４ロータ中心Ｘ_１線より
ｍ／２をＸ線に偏てたＹ線上のＴ点を中心に、ｈ回転軌
跡円にて、５ベーンを４ｄロータ溝を出入させて流体を
圧送する構成にあって、５ベーンの先端間寸法、２Ｌを
もって常時、該、先端を１ケーシング内周に沿って回転
させるのは図７に示すような、Ｏを中心にＯ、Ｎ間のＱ
を半径に円を２Ｑとした１ケーシングの内径では、ベー
ン先端とケーシング内周にはすきまＳが発生し、機械性
能は保持できない。すなわち、ケーシング内径は、ベー
ンの先端長さを基準にして、各回転角度においてベーン
先端点を連結した円構成でないと、前述の問題点を克服
することはできない。この作画法について図８にて説明
する。ケーシング内径２Ｑとベーン先端間寸法２Ｌにお
いて、２Ｑ−２Ｌ＝ＳとなりＸ、Ｙ線の交点Ｏより上方
にＳ寸法、隔てたＸ_２線を構成し、前記、交点Ｏを中心
にＱを半径とした上円弧にあって、Ｘ_２線より上方の２
γを弦とした円弧を活用する。下円弧はＸ線のＯ点を中
心にＱを半径とした円弧を活用し、該Ｘ_２、Ｘ線を重ね
て、上、下に構成された円弧を連結すれば、求めるケー
シング内径が構成できる。本構成の際、Ｘ線にＸ_２線を
重ねて、下円弧に上円弧を接続するが、該、円弧の接続
点に段差が起こることが考察される。今、ケーシング半
径Ｑ＝１００ｍｍ、偏心量１０ｍｍとすれば、ベーン先
端間寸法の半分Ｌ＝９９．４９８７ｍｍとなる。Ｓ＝２
Ｑ−２Ｌ＝２×１００−２×９９．４９８７＝１．００
２６ｍｍ、この時のγ寸法は９９．９９４７となり、Ｑ
−γ＝０．００５３ｍｍとなって、この数値が段差とな
る。然しこの寸法は極めて微少で、実用上は障害となら
ない。

【００１５】更に図３〜図６の多段式ベーン流体機械に
ついて説明する。本発明の最もすぐれた構成は、５ベー
ンの作動が駆動側ピンクランク軸、ピンクランクロータ
との関連と、ロータ溝との摺動精度の確保と合わせて、
メカニカルにベーンの動きを規則よく制御していること
で、これにて多段式にケーシングを分割して各段を構成
する形状にできるので、５ベーンが単一部品で各仕切壁
に対応する遊合溝を構成し駆動できる。故に多段式にす
る場合に従来では、各段別個に流体機械を設置していた
が、本発明では一台のベーン流体機械で高性能、コンパ
クトに製品化できるものである。

【００１６】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、ベーンは摺
動自在でなく、且遠心力で振られる構成とせず、メカニ
カルな構成で回転圧縮するので、ケーシング内径とベー
ン先端は、どの回転角度でもすきま無し、或は微少すき
ま等に自由に構成できる。このように最も摩耗しやすい
個所は、摺動しない係合ができるので部品の摩耗がな
い。又、殆ど摩耗粉は発生せず、クリーンな流体が使用
できる。又、ロータには回転軸を嵌入しないが、ロータ
エンドにロータフランジで両端軸受にできるから、ケー
シングの長さが大になって対応できるので大容量のベー
ン流体機械を構成できる。ベーンは単一部品で各段を構
成できるので、多段ベーン式流体機械としてケーシング
を直列に簡略構造にできるのでコンパクト、コスト安に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるベーン式流体機械の縦断面
図。

【図２】本発明に係わるベーン式流体機械の作動説明
図。

【図３】本発明に係わる多段ベーン式流体機械の縦断
面図。

【図４】図３の多段ベーン式流体機械のＣ−Ｃ′矢視
断面図。

【図５】図３の多段ベーン式流体機械のＥ矢視図。

【図６】本発明に係わる多段ベーン式流体機械のベー
ン形状図。

【図７】従来構成のケーシング内周と本発明に係わる
ベーン式流体機械のベーン関連図法。

【図８】本発明に係わるベーン式流体機械のケーシン
グ内径加工図法。

【称号の説明】

１……ケーシング２……駆動側サ
イドカバー３……反駆動側サイドカバー４……ロータ４ａ……駆動側ロータフランジ４ｂ……反駆動
側ロータフランジ４ｃ……ロータ結合ピン４ｄ……ロータ
溝５……ベーン５ａ……ベーン
内グリス溜５ｂ……ベーン内軸受孔６……駆動側ピ
ンクランク軸の主軸６ａ…駆動側ピンクランク軸の片方軸７……駆動軸８……ピンクランクロータ９…駆動側ピン
クランク軸の主軸軸受１１……ピンクランクロータ軸受１３……ベーン
内軸受１４……ベーン内オイルシール１５……ハウジ
ング１６，２０……軸受１９……反駆動
側ピンクランク軸の主軸１ａ……中段ケーシング１ｂ……終段ケ
ーシング１ｃ……初段、中段仕切壁１ｄ……中段、
終段仕切壁４ｆ……初段、中段嵌合溝４ｅ……中段、
終段嵌合溝４ｇ……初段、中段ベーン遊合溝４ｈ……中段、
終段ベーン遊合溝２２……初段吐出口２３……中段吸
入口２４……中段吐出口２５……終段吸
入口２６……初段吸入口２７……終段吐
出口ｍ……偏心竜Ｘ……ケーシン
グ中心線Ｘ_１……ロータ中心線Ｘ_２……上円弧
中心線Ａ……駆動側ピンクランク軸、主軸受線Ｂ……反駆動側ピンクランク軸、回転軌跡中心線ｈ……ベーン端面中心回転軌跡円Ｔ……ｈ回転軌
跡中心点Ｇ……ベーン端面中心点ｊ……駆動側ピンクランク軸、主軸回転軌跡円Ｕ……駆動側ピンクランク軸中心点Ｌ……ベーン先
端間寸法の半分Ｑ……ケーシング半径Ｒ……ケーシン
グ内径Ｓ……ベーン先端の発生すきま γ……ケーシン
グ上円弧の弦の半分（ケーシング内径加工図法）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング、サイドカバーと、ロータ及び
ロータ溝に嵌入したベーンと、ロータフランジ、並びに
駆動側ピンクランク軸とピンクランクロータ、駆動軸に
より構成され、ロータはケーシングと、偏心量ｍで偏心
して組付けられ、ロータ中心と同芯の駆動側ロータフラ
ンジに、嵌入された駆動軸の軸心で回転し、ロータ溝に
摺動嵌入されたベーンは、ロータ駆動側のベーン端面
と、ロータ端板に回転自在に嵌装した、ピンクランクロ
ータとの間で、駆動側ピンクランク軸を装着し、該、駆
動側ピンクランク軸は駆動軸心より偏心量ｍの１／２の
設定位置を、ケーシング中心とロータ中心の偏心方向と
１８０°反対位置でピンクランクロータに回転可能に構
成し、該、設定位置を中心として偏心量ｍ／２を半径と
した、ｊ円周を軌跡する駆動側ピンクランク軸の片方軸
を、ベーン端面中心に、ベーン内部へ回転自在に構成す
ると共に、ロータとベーンと駆動側ピンクランク軸によ
って構成される各回転角度にあって、該、ベーンのケー
シング内周方向の両先端は、ケーシング内径に沿って回
転して、流体を円弧空間に吸入し、圧縮する構成を特徴
とするベーン式流体機械。
【請求項２】ケーシング、サイドカバーと、ロータ及び
ロータ溝に嵌入したベーンと、駆動軸により構成され、
ロータはケーシングと、偏心量ｍで偏心して組付けら
れ、ロータ中心と同芯の駆動側ボスに嵌入された駆動
軸、軸心で回転し、ロータにはロータ溝と摺動嵌入され
たベーンで構成されると共に、ロータ中心には回転軸を
嵌着しない構成にして、ロータとベーンとケーシング内
周による各回転角度にあって、該、ベーンのケーシング
内周方向の両先端は、ケーシング内径に沿って回転し
て、流体を円弧空間に吸入し、圧縮する構成を特徴とす
るベーン式流体機械にあって、ロータの反駆動側にはロ
ータと同芯に反駆動側ロータフランジを嵌着し、軸受を
介して反駆動側サイドカバーで回転自在に支承すること
を特徴とするベーン式流体機械。
【請求項３】ケーシング、サイドカバーとロータ及びベ
ーンより成り、ロータは偏心して、ケーシング内面にす
きま無しに駆動軸にて取付けられ、該駆動軸、軸心で回
転し、ロータのロータ溝に嵌入されたベーンは、端面中
心が偏心量ｍ／２を半径としたｈ円周を軌跡し、且、ロ
ータと従動回転する構成のベーン式流体機械にあって、
ケーシング半径Ｑと、ベーン先端間寸法の半分ＬとＸ，
Ｙ線の交点Ｏを中心に２Ｑを直径として画いた円にあっ
て、２Ｑ−２Ｌ＝Ｓにて求まる該Ｓ寸法をＸ線の上円弧
側にＳ寸法をプロットして、Ｘ_２線を構成し、該Ｘ_２線
とＸ線を重ねて上、下に構成される円弧を連結し、ケー
シング内径としたことを特徴とするベーン式流体機械の
ケーシング。
【請求項４】ケーシングに構成する圧縮室を多段に配列
し、各段を構成する仕切壁をケーシングに構築すると共
に、該仕切壁に対応する嵌合溝をロータに設け、ロータ
溝に摺動嵌入されたベーンとにより各段の圧縮を行う多
段、ベーン式流体機械において、ケーシング巾の最も大
なる圧縮室を初段圧縮室とし、該初段圧縮室から終段圧
縮室に向って、順次圧縮比を高めるようにケーシング巾
を構成したことを特徴とする特許請求範囲、請求項１及
び２記載の多段ベーン式流体機械。