JP2000154792A - スクリュー流体機械 - Google Patents
スクリュー流体機械Info
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- JP2000154792A JP2000154792A JP10329067A JP32906798A JP2000154792A JP 2000154792 A JP2000154792 A JP 2000154792A JP 10329067 A JP10329067 A JP 10329067A JP 32906798 A JP32906798 A JP 32906798A JP 2000154792 A JP2000154792 A JP 2000154792A
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- female rotor
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
- F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
- F04C18/082—Details specially related to intermeshing engagement type pumps
- F04C18/084—Toothed wheels
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
- F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
- F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
- F04C18/14—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
- F04C18/16—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
Abstract
止し、広い運転範囲でスクリュー流体機械を静粛に運転
する。 【解決手段】スクリュー流体機械では、雄ロータ1と雌
ロータ2が互いに噛み合って回転する。各ロータの外周
部に形成された歯は、軸方向にねじれている。これら両
ロータはケーシングに収容されており、ケーシング内壁
面と両ロータの外周面間に圧縮作動室が形成される。雄
ロータの歯の大部分は、ピッチ円の外側に、雌ロータの
歯の大部分は、ピッチ円の内側に形成されている。雄ロ
ータと雌ロータとは、1ないし3箇所で接触または最接
近する。前進面側1個所と後進面側2個所で接触あるい
は接近する位置におけるロータ形状を、前進面側の接触
点5における雌ロータの回転半径RLが、後進面側の接
触点の中で雌ロータの回転中心に近い方の接触点6の回
転半径RT以下になるように定める。
Description
タの噛み合いにより作動ガスを圧縮するスクリュー流体
機械に係り、特にスクリュー圧縮機およびスクリュー真
空ポンプに好適なスクリュー流体機械に関する。
る2軸形のスクリュー流体機械では、歯面分離振動と呼
ばれる振動現象が発生する場合がある。この2軸型のス
クリュー流体機械の設計に当たっては、通常、雄ロータ
を駆動側とする。雄ロータと雌ロータに形成されたスク
リュー歯面同士が直接接触して、あるいはロータと同軸
上に設けられた同期歯車が噛み合うことにより、雄ロー
タの駆動トルクが雌ロータに伝達され、雌ロータが駆動
される。
ロータ歯面に作用する圧力条件によっては、雄ロータか
ら雌ロータへの伝達トルクが一時的に負となり、トルク
を伝達していた歯面同士が互いに乖離する歯面分離とい
う現象が生じることがある。歯面分離が生じた後で、雄
ロータから雌ロータに伝達される伝達トルクが正に復帰
すると、一旦離れた歯面同士が衝突し合う。その結果、
歯面分離と歯の衝突が繰り返され、大きな振動と騒音を
発生する。
ば、特開平5―195972号公報に記載のものでは、
雄ロータから雌ロータへの伝達トルクが負にならない条
件を求めて、その条件下でスクリュー圧縮機を運転する
ことが提案されている。伝達トルクが負にならない条件
は、歯形やロータ間の回転伝達誤差および各ロータの慣
性モーメントで示される条件であり、これらの条件に基
づいてロータ歯面にかかるガス圧力条件を求めている。
2―252991号公報に開示されている。この公報に
記載のものでは、雄ロータから雌ロータへ伝達される伝
達トルクを、常にネガティブトルクとしている。そし
て、後進面での接触を維持することにより、歯面分離振
動の発生を防止している。
972号公報に記載のものでは、歯面分離を生じない条
件は提示されているものの、その具体的実現方法につい
ての考慮が不十分である。つまり、歯面分離を生じない
スクリュー圧縮機についての具体的構成が不明であるの
で、具体的にスクリュー圧縮機を実現することが困難で
ある。一方、特開平2−252991号公報に記載のも
のは、ガスの圧力圧条件、例えば吸入圧力、吐出圧力や
圧縮する気体の種類等について考慮されていないので、
これらの条件が変化する一般のスクリュー流体機械で
は、必ずしも満足する結果が得られない。
みなされたものであり、その目的は、各種条件下におい
ても、スクリュー圧縮機において歯面分離振動の発生を
防止することにある。本発明の他の目的は、広い運転条
件下でスクリュー圧縮機を静粛に運転させることにあ
る。
の本発明の第1の特徴は、外周にねじれた歯を有する雄
ロータと、この雄ロータと噛合って作動ガスを圧縮する
外周にねじれた歯を有する雌ロータと、これら両ロータ
を収納するケーシングとを備えたスクリュー流体機械に
おいて、雌ロータが雄ロータと接触または最接近する接
触点が3箇所形成される雄ロータと雌ロータの相対位置
関係にあるときは、雌ロータの前進面側の接触点半径が
後進面側の接触点半径より小さくなるよう各ロータの歯
形を定めたものである。そして、後進面側の接触点が2
個存在するときは、雌ロータの回転中心に近い方の後進
面側の接触点半径より前進面側の接触点半径が小さくな
るよう各ロータの歯形を定めるのが望ましい。
特徴は、外周にねじれた歯を有する雄ロータと、この雄
ロータと噛合って作動ガスを圧縮する外周にねじれた歯
を有する雌ロータと、これら両ロータを収納するケーシ
ングとを備えたスクリュー流体機械において、雄ロータ
の最大半径点と雌ロータの最小半径点が最接近したとき
から後進面で接触点が解消されるまでの回転角度につい
て雌ロータの接触点半径を積分したときに、後進面側の
接触点の積分値が前進面側の接触点の積分値より大にな
るように各ロータの歯形を定めるものである。
特徴は、外周にねじれた歯を有する雄ロータと、この雄
ロータと噛合って作動ガスを圧縮する外周にねじれた歯
を有する雌ロータと、これら両ロータを収納するケーシ
ングとを備えたスクリュー流体機械において、雄ロータ
から雌ロータへの伝達トルクの雌ロータ一歯分の積分値
が正となるものである。
タの歯数は5枚であり、雌ロータの歯数は6枚である
か、吸込圧力が定常運転状態で大気圧より低いことが望
ましい。
ロータと雌ロータを噛み合わせて回転すると、両ロータ
の歯面相互が接触する点や僅かな隙間を残し接近する点
が現れ、回転とともに発生、移動、消滅を繰り返す。接
近する点も歯形設計上は接触点と同一に取り扱える。そ
こで、この点を接触点に準じて接近点と呼び、接触点及
び接近点を総称して最接近点と名付ける。接近点では両
ロータの軸直角断面上での歯面間隙間が空間的に極小値
をとる。隙間があるため、接近点は幾何学的に厳密な1
点でなく、雌雄ロータそれぞれの歯面での2点となる
が、スクリュー流体機械としての基本性能を満足する場
合には、隙間が小さいので、本質的に1点として取り扱
うことが可能である。実際のロータにおいて、接近点と
接触点とが同一点にならないのは、ロータの加工誤差や
熱変形、ガス荷重変形のために、ロータ間に隙間を必要
とするためである。接触点も接近点も機構学的な噛み合
い条件である「接触点(接近点)の共通法線はピッチ点
を通る。」を満足する。なお、接近点は基準角度からあ
る程度離れると、接触点に遷移する場合もあるが、幾何
学的には差異ない。
実施例を図面を用いて説明する。図1は、本発明のスク
リュー流体機械の第1の実施例に関する図であり、雌ロ
ータと雄ロータの噛み合いの様子を示す軸直角断面図で
ある。
圧縮機やスクリュー真空ポンプである。雄ロータ1と雌
ロータ2が、噛み合った状態で図示しないケーシングに
収納されている。雄ロータ1及び雌ロータ2のいずれも
が、外周側に軸方向にねじられた歯を有している。両ロ
ータの歯数は、雄ロータが5枚、雌ロータが6枚の場合
が代表的である。そして、各ロータ1、2の中心軸回り
に、回転方向4の方向へ同期回転する。
み合ったまま各々の回転中心で回転させ、雄ロータの最
外周部に位置する最大半径となる点(以下、歯先点と称
す)と前記雌ロータの歯底に位置する最小半径となる点
(以下、歯底点と称す)が最接近する回転角度を以下に
示すように、基準角度とする。
じて、両ロータ1、2は、歯面上の1〜3個所で接触す
る。なお、現実には歯の損傷を避けるため等の理由で、
雄ロータの歯及び雌ロータの歯が接触しないで、微少な
隙間をもって接近している場合もある。以下の記載にお
いては説明の煩雑さを避けるため、雄ロータと雌ロータ
が隙間が無く接触する場合について説明する。雌ロータ
と雄ロータが隙間をもって接近するロータの場合には、
現実の接近点を接触点として取り扱えば、本発明をその
まま適用できることは、上述した通りである。
に示す回転角度になると、接触点は3個所になる。この
接触点は、前進面側に1個所5、後進面側に2個所6、
7ある。なお、前進(Leading)面とは、雄ロータにおい
ては最大半径となる歯先点11から回転方向に歯底まで
の区間であり、雌ロータにおいては最小半径となる歯底
点12から回転方向4に歯先14までの区間である。ま
た、後進(Trailing)面とは、雄ロータにおいては歯先点
11から反回転方向へ歯底までの区間であり、雌ロータ
においては歯底点12から歯先16までの区間である。
雄ロータ1と雌ロータ2とは、夫々の前進面同士および
夫々の後進面同士が接触する。なお、雄ロータ1の歯底
と雌ロータ2の歯先とは、回転軸心を中心とする円弧上
に位置しており、互いに接触する。
半径をRL、このRLから雌ロータ2の歯底半径を差し
引いた残りの長さをLとする。同様に、後進面側の2つ
の接触点のなかで、雌ロータ2の半径が小さい方の接触
点6における雌ロータ2の半径をRT、このRTから雌
ロータ2の歯底半径を差し引いた残りの長さをTとす
る。前進面側の接触点5と後進面側の接触点6で区切ら
れ、雌ロータと雄ロータに挟まれた三日月形の領域を作
動室8と呼ぶ。この作動室8は、圧縮される作動ガスで
満たされている。作動室8の圧力は、ロータの軸方向端
部である吐出端面近傍が最も高い。
進面の両側に存在する限り、いかなる回転角度において
も、L≦Tになるようにする。すなわち、RL≦RTと
なるように歯形を形成する。図1の回転角度では、この
設定になっている。
2に示すように、雄ロータと雌ロータの相対回転位置に
よっては、L>TすなわちRL>RTとなることがあっ
た。前進面と後進面における接触点の位置がこのような
関係になると、雌ロータに負のガストルクが発生し歯面
分離振動を発生しやすい。ここで、ガストルクとはロー
タ周囲の気体の圧力がロータ歯面に作用し発生するトル
クであり、ロータの回転を妨げる方向を正とする。
ータ2の輪郭部に内圧が作用する。この内圧の回転方向
への投影成分が、雄ロータ1及び雌ロータ2のトルク変
動の一因になる。この投影成分は、図1で示したL、T
で示される部分に作用する内圧の回転方向成分と等価で
ある。つまり、雌ロータへは回転方向にL相当の負のト
ルクが作用し、逆回転方向にT相当の正のトルクが作用
する。
に形成される歯形がL>Tとなる断面が、軸方向にあっ
た。この断面では、雌ロータ2は作動室8内のガスの圧
力によって負のガストルクを受ける。この従来のスクリ
ュー流体機械でも、もちろん、軸方向にロータの歯がね
じれていること、および、作動室8が形成された部分以
外の歯面にもある程度のガス圧力が作用すること等の理
由で、軸方向全断面を合計した総合トルクが必ずしも負
になるとは限らない。
吸入弁を絞った場合等には、吸入圧力が低くなる。そし
て、吐出圧力が高くなり、ある回転角度で瞬間的に雌ロ
ータに作用するガストルクが負になることが生じた。こ
の場合、雌ロータは雄ロータから伝達される伝達トルク
よりも大きいガストルクで回転駆動されてしまい、雄ロ
ータから雌ロータへは伝達トルクが伝達されない。
士が離れているところでは、雌ロータは雄ロータより先
行回転し、両ロータの後進面同士が衝突する。さらに回
転が進み、雌ロータに付加されるガストルクが正に戻る
と、後進面の接触から正規の前進面接触に戻る。その結
果、再び雄ロータと雌ロータの歯面同士が衝突する。そ
の後このような現象が繰り返され、歯面分離振動が発生
する。
と雌ロータ2の歯の相対位置がどの位置、つまりどの回
転角度であっても、L≦Tとなるようにしている。その
ため、軸方向のすべての断面において、負のガストルク
を発生しない。したがって、圧力条件がどのように変化
しても、雌ロータに作用する総合トルクを常に正とする
ことができ、歯面分離振動を防止できる。このため、広
い運転範囲でスクリュー流体機械を静粛に運転できる。
いて説明する。図3〜図7は、雄ロータと雌ロータの噛
み合いを説明する図であり、ケーシング内に両ロータが
収納された様子を軸直角断面で示した図である。図8〜
図10は、雌ロータの半径が接触点の変化に従って変化
する様子を説明するグラフである。
ケーシング3に収納され、噛み合いながら同期回転す
る。図3の位置を基準点とし、回転角度を0度とする。
すなわち、雄ロータ1の歯先点11と雌ロータ2の歯底
点12が一致し、接触終了点21となった回転角度が0
度である。回転方向4に雄雌両ロータを回転させると、
接触点は回転方向に移動するが、接触終了点21以降で
はこの歯同士が接触しなくなる。なお、回転角度0度に
おいては、後進面にもう1点、接触点7が形成される。
転方向4と逆方向に同期して回転させる。雌ロータと雄
ロータの歯数比から、雄ロータを−9度(運転時の回転
方向を正にとる)だけ回転させると、雌ロータは−7.
5度回転する。この状態を図4に示す。図3に示された
接触終了点21は2つに分離し、前進面側の接触点5と
後進面側の接触点6になる。接触点5と接触点6を境と
し、両ロータ歯面に挟まれた細い領域が、高い圧力の作
動室8となる。一方、接触点6と接触点7を境とし両ロ
ータ歯面に囲まれた領域は、吸入工程の作動室8aであ
る。この作動室8aは圧力が低く、トルクへの影響が小
さい。
向に回転すると、図5の状態(雄ロータが−18度、雌
ロータが−15度)を経て、図6の状態(雄ロータが−
27度、雌ロータが−22.5度)になる。図6の状態
では、後進面側の2つの接触点6、7が一致して、接触
開始点22になる。さらに回転を進めると、図7に示す
ように(雄ロータが−36度、雌ロータが−30度)、
後進面での接触が終り、前進面側にのみ接触点5が形成
される。
5、6における雌ロータの半径の変化を示したのが、図
9および図10である。比較のために、従来歯形の場合
を、図8に示す。これらの図において、横軸は雌ロータ
の回転角度であり、運転時と逆の回転方向を横軸の正方
向にしている。したがって、原点が0で、右方向が負回
転方向となる。前進面側の接触点5における雌ロータの
半径RLを実線で示し、後進面側の接触点の雌ロータの
半径RTを破線で示している。なお、この図9及び図1
0では、雌ロータ2の直径を100mmとした。
面の接触点5、6の半径が歯底半径30mmに等しくな
ると、接触終了点21に一致する。雌ロータが−22.
5度回転した位置では、後進面側の接触点6が接触開始
点22となる。そして、これより運転時と逆回転方向に
進んだロータ角度では、雄ロータと雌ロータに形成され
た歯同士が接触しなくなる。そのため、回転角度が−2
2.5度以下になると、RTは存在しなくなる。なお本
実施例では、この接触開始点22が存在する回転角度を
−22.5度としているが、歯形や歯数により変化する
ことは言うまでもない。
来の歯形ではRT<RLとなる軸方向断面が存在し、雌
ロータに負のガストルクが発生する。その結果、歯面分
離振動が発生していた。
ると、図9に示すように、どの回転角度においても、R
T≦RLの関係が満足される。そのため、雌ロータに負
のガストルクを生じず、歯面分離振動が発生しない。
クリューロータにおいて、接触点における雌ロータの半
径の変化を図10に示す。基準角度0度を起点とし、接
触開始点22の角度(−22.5度)までの間の任意の
角度を終点とする積分範囲Aを設定する。この積分範囲
Aにおいて、前進面側の接触点5における雌ロータ半径
RLと、後進面側の接触点6における雌ロータの半径R
Tを積分し、その値をそれぞれTL、TTとする。これ
らの値は、図10において、積分範囲Aでの雌ロータの
半径を示す線より下の面積で表される。この求められた
面積が、TL≦TTを満たす歯形を雄ロータ及び雌ロー
タ上に形成する。なお、このTL≦TTなる条件さえ満
たされれば、部分的にRL>RTとなる区間があっても
かまわない。
の回転につれて、作動室8が、図6→図5→図4→図3
の順序で縮小する。この吐出側端面では、作動室8は作
動ガスの圧縮を完了し、機外へガスを吐出する。そし
て、図3の状態では、接触点が接触終了点21に一致し
て、作動室8が消滅する。この吐出側端面に形成される
作動室8は圧力が高いので、雌ロータに負のガストルク
が発生する原因となりえる。雌ロータに作用するガスト
ルクは、断面毎に、k・(RT−RL)で示される。こ
こで、kは定数である。各断面毎に求めた(RT−R
L)を軸方向に積分すれば、総合ガストルクが求められ
る。
ータ回転角度が、図5に示す回転角度にある場合を考え
る。この吐出端面で形成された作動室8を吸入側まで辿
って行けば、図4および図3に示す回転角度における作
動室と同様の作動室が途中で得られる。このことから、
図10における積分範囲Aは、図5に相当する雌ロータ
回転角度−15度から基準角度0度までであることがわ
かる。したがって、この範囲を積分範囲として(RT−
RL)を積分する。この結果、作動室8による雌ロータ
回転角度−15度までの総合ガストルク(TT−TL)
が得られた。
0度から接触開始点の角度までの間のいずれかの角度と
して、(RT−RL)を積分する。この終点の角度が何
れの値であっても、TL≦TTとなる歯形を求めれば、雌
ロータに負のガストルクが発生せず、歯面分離振動を防
止できる。本実施例によれば、第1実施例に比較して、
歯形の分布をさらに自由に出来るので、歯形設計の自由
度が増す。
クリュー圧縮機や真空ポンプ等のスクリュー流体機械に
おいて、歯面分離振動を防止できるので、スクリュー流
体機械を静粛に運転できる。また、本発明によれば、吸
入圧力が低くかつ吐出圧力が高い条件においても、スク
リュー流体機械の雌ロータに負のガストルクを生じない
ので、広い運転範囲で静粛な運転が可能である。
のロータ部の詳細横断面図である。
横断面図である。
横断面図である。
横断面図である。
横断面図である。
横断面図である。
ある。
において、ロータに形成される歯形を説明するグラフで
ある。
例において、ロータに形成される歯形を説明するグラフ
である。
ング、4………回転方向、5………前進面側の接触点、
6………後進面側の接触点、7………後進面側の接触
点、8………作動室、9………ピッチ点、10……雌ロ
ータ中心、11……雄ロータの歯先点、12……雌ロー
タの歯底点、14、16……雌ロータの歯先、21……
接触終了点、22……接触開始点。
Claims (6)
- 【請求項1】外周にねじれた歯を有する雄ロータと、こ
の雄ロータと噛合って作動ガスを圧縮する外周にねじれ
た歯を有する雌ロータと、これら両ロータを収納するケ
ーシングとを備えたスクリュー流体機械において、前記
雌ロータが前記雄ロータと接触または最接近する接触点
が3箇所形成される雄ロータと雌ロータの相対位置関係
にあるときは、雌ロータの前進面側の接触点半径が後進
面側の接触点半径より小さくなるよう各ロータの歯形を
定めたことを特徴とするスクリュー流体機械。 - 【請求項2】前記後進面側の接触点が2個存在するとき
は、雌ロータの回転中心に近い方の後進面側の接触点半
径より前進面側の接触点半径が小さくなるよう各ロータ
の歯形を定めたことを特徴とする請求項1に記載のスク
リュー流体機械。 - 【請求項3】外周にねじれた歯を有する雄ロータと、こ
の雄ロータと噛合って作動ガスを圧縮する外周にねじれ
た歯を有する雌ロータと、これら両ロータを収納するケ
ーシングとを備えたスクリュー流体機械において、前記
雄ロータの最大半径点と雌ロータの最小半径点が最接近
したときから後進面で接触点が解消されるまでの回転角
度について雌ロータの接触点半径を積分したときに、後
進面側の接触点の積分値が前進面側の接触点の積分値よ
り大になるように各ロータの歯形を定めたことを特徴と
するスクリュー流体機械。 - 【請求項4】外周にねじれた歯を有する雄ロータと、こ
の雄ロータと噛合って作動ガスを圧縮する外周にねじれ
た歯を有する雌ロータと、これら両ロータを収納するケ
ーシングとを備えたスクリュー流体機械において、前記
雄ロータから前記雌ロータへの伝達トルクの雌ロータ一
歯分の積分値が正となることを特徴とするスクリュー流
体機械。 - 【請求項5】前記雄ロータの歯数は5枚であり、雌ロー
タの歯数は6枚であることを特徴とする請求項1ないし
4のいずれか1項に記載のスクリュー流体機械。 - 【請求項6】吸込圧力が定常運転状態で大気圧より低い
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記
載のスクリュー流体機械。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32906798A JP3823573B2 (ja) | 1998-11-19 | 1998-11-19 | スクリュー流体機械 |
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| JP32906798A JP3823573B2 (ja) | 1998-11-19 | 1998-11-19 | スクリュー流体機械 |
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|---|---|
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ID=18217253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32906798A Expired - Fee Related JP3823573B2 (ja) | 1998-11-19 | 1998-11-19 | スクリュー流体機械 |
Country Status (3)
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| JP (1) | JP3823573B2 (ja) |
| BE (1) | BE1014896A5 (ja) |
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| CN102900666A (zh) * | 2011-07-25 | 2013-01-30 | 株式会社神户制钢所 | 齿轮泵 |
| JP2015518105A (ja) * | 2012-04-19 | 2015-06-25 | ザ シティ ユニバーシティThe City University | スクリューエキスパンダ、スクリューマシン設計方法、スクリューマシン製造方法、スクリューマシン及び発電機 |
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