JP2004278350A - ロータ及びそれを備えたルーツ式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ルーツ式流体機械において、加工精度の大幅な向上を伴うことなく、圧力室間の流体の漏れを抑制する。
【解決手段】ルーツ式ブロワ１のロータ２１，２２は、径方向の外方に向かって膨出する複数の山部５１と、隣り合う山部５１間に設けられた谷部５２とからなる断面形状を有している。山部５１は、円弧状の両側部と、該両側部の間に位置する中央部とからなっている。この中央部は、ケーシング１０の内周面と曲率の略等しい円弧形状に形成されている。谷部５２は、円弧状に突出した中央部と、山部５１の両側部の円弧形状に対応した包絡線状の両側部と、中央部と両側部とを滑らかにつなぐトロコイド曲線状の連続部とからなっている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータ及びそれを備えたルーツ式流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ルーツ式ブロワやルーツ式真空ポンプなどに代表されるルーツ式流体機械は、水処理や空気輸送等、様々な産業分野で利用されている（例えば、特許文献１、２及び３参照）。
【０００３】
図８に示すように、ルーツ式流体機械では、複数の葉片を有する一対のロータ１１１，１１２が、ケーシング１１３内において互いに噛み合った状態で逆方向に回転する。これにより、上記葉片とケーシング１１３の内面とによって区画された複数の圧力室が、吸込口１０６側から吹出口１０７側へと移動する。そして、吸込口１０６から圧力室に吸い込まれた流体は、圧力室の移動と共に吹出口１０７側へ搬送され、吹出口１０７から吹き出される。
【０００４】
各ロータ１１１，１１２の断面形状は、径方向の外方に向かって膨出する複数の山部１０１と、山部１０１と山部１０１との間に形成された谷部１０２とから構成されている。従来のロータでは、山部１０１は円弧形状からなり、谷部１０２は山部１０１に対応する包絡線状あるいは山部１０１と曲率の等しい円弧形状に形成されていた。なお、図８に示すロータは、谷部１０２が山部１０１に対応する包絡線状に形成されたものである。
【０００５】
ルーツ式流体機械では、吹出口１０７側と吸込口１０６側との間に大きな圧力差が生じる。しかし、ロータ１１１，１１２が上記のような形状に形成されていることにより、回転の状態に拘わらず、両ロータ１１１，１１２の間は常に微小な間隔に保たれている。すなわち、一方のロータの山部１０１と他方のロータの谷部１０２とは常に噛み合っており、両ロータ１１１，１１２のいずれかの箇所で微小な間隔が保たれている。このことにより、吹出口１０７側の高圧の圧力室Ｒ１４から吸込口１０６側の低圧の圧力室Ｒ１１への流体の逆流は防止されている。
【０００６】
また、図８におけるケーシング１１３の両側部分において、各ロータ１１１，１１２の山部１０１とケーシング１１３の内周面との間も、微小な間隔に保たれている。このことにより、吹出口１０７側の圧力室Ｒ１４からその手前側の圧力室Ｒ１２への流体の漏れは、一応抑制されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−８２３７０号公報
【特許文献２】
特許第２６１６８２３号公報
【特許文献３】
特許第２８８４０６７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のロータでは、山部１０１が円弧状に形成されていたので、山部１０１とケーシング１１３の内周面との間で上記微小間隔が保たれる箇所は、山部１０１の頂点Ｐのみであった。このように、山部１０１とケーシング１１３とがいわば点接触のような状態（ただし、厳密には接触している訳ではない）にあるので、吹出口１０７側の高圧の圧力室Ｒ１４と当該圧力室Ｒ１４よりも進行方向後側の圧力室Ｒ１２との間で、流体の漏れが生じやすかった。
【０００９】
圧力室Ｒ１４と圧力室Ｒ１２との間の流体漏れを防ぐ方法として、山部１０１の頂点Ｐとケーシング１１３の内周面との間の隙間を更に小さくすることが考えられる。しかし、上記隙間を更に小さくするには、加工精度の大幅な向上が必要となる。そのため、上記隙間を小さくすることは、ルーツ式流体機械のコストアップの原因となる。また、山部１０１とケーシング１１３とが接触すると、騒音の発生及び性能の低下を招くので、上記隙間を小さくすることに関しては一定の限界がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加工精度の大幅な向上を伴うことなく、圧力室間の流体の漏れを抑制することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るロータは、径方向の外方に向かって膨出する複数の山部と、隣り合う山部間に設けられた谷部とからなる断面形状を有し、一方のロータの山部が他方のロータの谷部と噛み合うように対になって用いられるロータであって、前記山部は、円弧状の両側部と、該両側部の間に位置して該両側部よりも曲率の小さな曲線又は直線からなる中央部とにより形成されているものである。
【００１２】
上記ロータによれば、山部の中央部が両側部よりも曲率の小さな曲線又は直線からなっているので、上記山部は先端が切り取られたような形状となる。そのため、上記中央部の全部又は大部分は、ケーシングの内周面と微小な間隔を隔てて向かい合うことになる。すなわち、山部とケーシングとは、いわば線接触のような状態で向かい合う。したがって、ケーシングの内周面に沿った隙間の長さが長くなるので、圧力室間の流体の漏れは発生しにくくなる。このように、微小間隔の間隔自体を小さくする必要はないので、加工精度の大幅な向上を伴うことなく流体の漏れを抑制することができる。
【００１３】
前記谷部には、径方向の外側に突出した曲線状の突出部が設けられていることが好ましい。
【００１４】
このことにより、両ロータが噛み合う部分において、一方のロータの谷部は他方のロータの山部に向かって突出することになる。その結果、山部の先端が切り取られたような形状になっているにも拘わらず、両ロータが噛み合う部分において、一方のロータの山部と他方のロータの谷部とが、常に微小な間隔を隔てて向かい合うことになる。したがって、吹出口側の圧力室から吸込口側の圧力室への逆流は効果的に防止される。
【００１５】
前記谷部の突出部は円弧状に形成され、前記谷部の両側部分は、前記山部の両側部と曲率の等しい円弧状又は該両側部の円弧に対応する包絡線状に形成され、前記谷部の前記突出部と前記両側部分との間は、トロコイド曲線状に形成されていることが好ましい。
【００１６】
このことにより、両ロータが噛み合う部分においてシール性が向上する。
【００１７】
本発明に係るルーツ式流体機械は、一対の前記ロータと、少なくとも内周面の一部が円弧状の曲面に形成され、前記両ロータを噛み合った状態で回転自在に収容する略筒状の密閉型ケーシングとを備え、前記ロータの山部の中央部は、前記ケーシングの内周面の円弧形状と曲率の略等しい円弧形状に形成されているものである。
【００１８】
上記ルーツ式流体機械によれば、ロータの山部の中央部とケーシングの内周面とは、互いに曲率の略等しい円弧形状に形成されている。したがって、ロータの先端面とケーシングの内周面とは、互いに略平行となる。その結果、ロータとケーシングとの間には、ケーシングの周方向に沿った略一定間隔の細長い微小隙間が形成される。そのため、圧力室間の流体の漏れは、より一層抑制される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１及び図２に示すように、実施形態に係るルーツ式流体機械は、３葉のロータ２１，２２を有するルーツ式ブロワ１である。本ブロワ１は、一対のロータ２１，２２を収容するケーシング１０と、ロータ２１，２２のタイミングギア１２を収容するギアケース１１とを備えている。
【００２１】
ケーシング１０は、断面が長円型の筒形状からなる胴部１３と、胴部１３の一端を封止する軸受ケース１４と、胴部１３の他端を封止する軸受プレート１５とを備えている。そして、これら胴部１３の内周面と軸受ケース１４及び軸受プレート１５の内側の端面とにより、ケーシング１０の内部に密閉空間が形成されている。ロータ２１，２２は、上記密閉空間内に回転自在に収容されている。胴部１３の一方の側面（図１の上側の側面）には吸込口１７が形成され、他方の側面（図１の下側の側面）には吹出口１８が形成されている。
【００２２】
第１ロータ２１及び第２ロータ２２の各々は、ケーシング１０の長手方向に延びる回転軸２３と、回転軸２３と平行に延び且つ回転軸２３の径方向に突出する３つの葉片２４とからなっている。なお、本実施形態では回転軸２３と葉片２４とは別部材で構成されているが、回転軸２３と葉片２４とは同一部材で構成されていてもよく、一体物として構成されていてもよい。両ロータ２１，２２の回転軸２３は、軸受ケース１４及び軸受プレート１５に設けられた軸受１９によって、回転自在に支持されている。
【００２３】
第１ロータ２１と第２ロータ２２とは、形状及び寸法が同じである。図３に示すように、各ロータ２１，２２の断面形状は、径方向の外方に向かって膨出する山部５１と、隣り合う山部５１と山部５１との間に設けられた谷部５２とからなっている。
【００２４】
山部５１は、円弧の突端を切り取ったような形状に形成されている。具体的には、山部５１は、中央部５１Ａと、中央部５１Ａの両側に位置する両側部５１Ｂとから形成されている。両側部５１Ｂは円弧状に形成され、中央部５１Ａは両側部５１Ｂよりも曲率の大きな円弧状に形成されている。また、中央部５１Ａは、ケーシング１０の円弧状内周面６０、すなわち、トラック状の胴部１３の両端部に位置する内周面６０（図１における左右両側の内周面）と曲率の略等しい円弧状に形成されている。これにより、図４に誇張して示すように、山部５１の中央部５１Ａとケーシング１０の内周面６０とは略平行に隣り合うことになり、山部５１と内周面６０との間に、中央部５１Ａの長さＬと等しい長さの微小間隔ｔの隙間６５が形成される。すなわち、山部５１と内周面６０とが線接触のような状態で向かい合い、微小間隔ｔ（例えば、０．１ｍｍ程度）の隙間６５が内周面６０に沿って細長く形成される。
【００２５】
図３に示すように、谷部５２は、径方向の外側に突出した円弧状の中央部５２Ａと、中央部５２Ａの両側に位置する両側部５２Ｂとから形成されている。両側部５２Ｂは、山部５１の両側部５１Ａの円弧形状に対応した包絡線状に形成されている。
【００２６】
図１に示すように、ケーシング１０の内部には、各ロータ２１，２２の葉片２４とケーシング１０の内面とにより、複数の圧力室Ｒ１〜Ｒ４が区画形成されている。図２に示すように、第１ロータ２１及び第２ロータ２２の両回転軸２３は、タイミングギア１２によって連結されており、互いに同期しながら逆方向に回転する。なお、第１ロータ２１及び第２ロータ２２の一方には駆動機構（図示せず）が設けられており、一方のロータは駆動ロータとなり、他方のロータは従動ロータとなっている。
【００２７】
圧力室Ｒ１〜Ｒ４は、両ロータ２１，２２が互いに逆方向に回転することによって、吸込口１７側から吹出口１８側に順次移動する。すなわち、図１に示すように、吸込口１７とつながった圧力室Ｒ１は、ロータ２１，２２が回転するに従って、ロータ２１，２２の葉片２４とケーシング１０の内面とによって密閉された圧力室Ｒ２，Ｒ３となり、その後、吹出口１８とつながった圧力室Ｒ４となる。
【００２８】
次に、ルーツ式ブロワ１の動作について説明する。両ロータ２１，２２が回転すると、吸込口１７から空気が吸い込まれる。そして、吸い込まれた空気は、吸込口１７とつながった圧力室（図１の圧力室Ｒ１）に流入する。次に、当該圧力室よりもロータ２１，２２の回転方向後側の葉片２４の先端部が吸込口１７を通過すると、上記圧力室は密閉される。すなわち、上記圧力室は、回転方向の前側の葉片２４と後側の葉片２４とケーシング１０の内面とにより区画された密閉圧力室（図１の圧力室Ｒ２，Ｒ３）となる。
【００２９】
その後、上記圧力室の前側の葉片２４が吹出口１８を通過し、上記圧力室は吹出口１８とつながった状態の圧力室（図１の圧力室Ｒ４）となり、ロータ２１，２２の回転に伴って圧力室の容積は減少していく。その結果、上記圧力室Ｒ４内の空気は吹出口１８から吹き出される。
【００３０】
吹出口１８を通過した葉片２４は、他方のロータと噛み合った後、再び吸込口１７側に移動する。
【００３１】
両ロータ２１，２２が噛み合う部分では、いずれかの箇所において両ロータ２１，２２間の隙間が微小間隔に保たれる。このことにより、吹出口１８側の圧力室Ｒ４と吸込口１７側の圧力室Ｒ１との間において、空気の逆流は防止される。
【００３２】
前述したように、本実施形態に係るロータ２１，２２では、山部５１は先端が切り取られたような形状に形成されている。しかし、図５に誇張して示すように、両ロータ２１，２２の噛み合う際に、一方のロータの山部５１の中央部５１Ａは、他方のロータの谷部５２の中央部５２Ａと所定の微小間隔ｔ２（例えば、０．１ｍｍ程度）にまで接近する。つまり、一方のロータの山部５１の中央部５１Ａと他方のロータの谷部５２の中央部５２Ａとが、いわば点接触のような状態で接近する。この結果、山部５１は先端が切り取られたような形状に形成されているにも拘わらず、両ロータ２１，２２間の隙間は常に微小な間隔に保たれる。
【００３３】
以上のように、本ルーツ式ブロワ１では、ロータ２１，２２の山部５１の中央部５１Ａを、両側部５１Ｂよりも曲率の大きな円弧状に形成しているので、山部５１とケーシング１０の内周面６０との間に、内周面６０に沿った細長い微小隙間６５を形成することができる。特に、本実施形態では、山部５１の中央部５１Ａは内周面６０と曲率の略等しい円弧状に形成されているので、山部５１と内周面６０との間に形成される微小隙間６５の間隔を、略一定の微小間隔ｔに保つことができる。したがって、圧力室同士の空気の漏れを抑制することができる。
【００３４】
ロータ２１，２２の谷部５２の中央部５２Ａを、径方向に突出する円弧状に形成したので、山部５１の中央部５１Ａが曲率の大きな円弧状であるにも拘わらず、両ロータ２１，２２の噛み合い部分における両ロータ２１，２２間の隙間を小さく抑えることができる。したがって、吹出口側から吸込口側への空気の逆流を効果的に防止することができる。
【００３５】
上記実施形態では、ロータ２１，２２の谷部５２は、円弧状の中央部５２Ａと包絡線状の両側部５２Ｂとにより形成されていた。しかし、図６に示すように、円弧状の中央部５２Ａと包絡線状の両側部５２Ｂとの間に、それらと滑らかに連続するトロコイド曲線状の連続部５２Ｃを設けてもよい。図７に示すように、このように中央部５２Ａと両側部５２Ｂとの間（点Ｐ１と点Ｐ２との間）に連続部５２Ｃを設けることにより、円弧状に突出する中央部５２Ａと包絡線状の両側部５２Ｂとの境目における隙間７０が塞がれる。その結果、両ロータ２１，２２が噛み合う際の両ロータ２１，２２間の隙間をより小さくすることができる。したがって、吹出口１８側の圧力室Ｒ４と吸込口１７側の圧力室Ｒ１とにおける空気の逆流を、より効果的に防止することができる。
【００３６】
ロータ２１，２２の谷部５２の両側部５２Ｂは、山部５１の両側部５１Ｂと曲率の等しい円弧状に形成されていてもよい。このような形状であっても、前述した効果を得ることができる。
【００３７】
なお、上記実施形態では、ロータ２１，２２の山部５１の中央部５１Ａは円弧状に形成されていたが、中央部５１Ａの形状は円弧状に限らず、他の曲線状に形成されていてもよい。また、中央部５１Ａは直線状（曲率＝０）に形成されていてもよい。
【００３８】
上記ロータ２１，２２は、各葉片２４が軸方向に直線状に延びるいわゆるストレート型のロータであったが、ロータ２１，２２の軸方向の形状は何ら限定されるものではない。例えば、各葉片２４が軸方向に螺旋状に延びるいわゆるヘリカル型のロータであってもよい。
【００３９】
本発明に係るルーツ式流体機械は、ルーツ式ブロワに限らず、ルーツ式真空ポンプ等、他のルーツ式流体機械であってもよい。
【００４０】
また、ロータ２１，２２の葉片２４の個数は３に限定されるものではなく、２又は４以上であってもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、ロータの山部の中央部が両側部よりも曲率の小さな曲線又は直線からなっているので、ロータの山部とケーシングの内周面とを、線接触のような状態で向かい合わせることができる。そのため、ロータとケーシングとの間の隙間を、ケーシングの内周面に沿った細長い隙間にすることができる。したがって、加工精度の大幅な向上を伴うことなく、圧力室間の流体の漏れを少なくすることが可能となる。
【００４２】
ロータの谷部に曲線状の突出部を設けることとすれば、両ロータの噛み合い部分において、一方のロータにおける山部の中央部と他方のロータにおける谷部とを、より接近させることができる。したがって、一方のロータの山部と他方のロータの谷部との間を常に微小な間隔に保つことができ、両ロータの噛み合い部分における圧力室間の流体の漏れを効果的に抑制することができる。
【００４３】
谷部の突出部と両側部分との間をトロコイド曲線状に形成することとすれば、両ロータの噛み合い部分におけるシール性をさらに向上させることができる。
【００４４】
本発明に係るルーツ式流体機械によれば、ロータとケーシングとの間に、ケーシングの内周面に沿った略一定間隔の細長い微小隙間を形成することができる。したがって、圧力室間の流体の漏れをより一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るルーツ式ブロワの横断面図であり、図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】実施形態に係るルーツ式ブロワの縦断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】実施形態に係るロータの横断面図である。
【図４】ロータとケーシングとの間の隙間を誇張して示すロータ及びケーシングの部分拡大断面図である。
【図５】両ロータ間の隙間を誇張して示すロータの部分拡大断面図である。
【図６】変形例に係るロータの部分断面図である。
【図７】変形例に係るロータの部分拡大断面図である。
【図８】従来のルーツ式流体機械を説明する概念図である。
【符号の説明】
１ ルーツ式ブロワ（ルーツ式流体機械）
１０ ケーシング
１７ 吸込口
１８ 吹出口
２１ 第１ロータ
２２ 第２ロータ
２３ 回転軸
２４ 葉片
５１ 山部
５１Ａ 山部の中央部
５１Ｂ 山部の両側部
５２ 谷部
５２Ａ 谷部の中央部（突出部）
５２Ｂ 谷部の両側部
５２Ｃ 谷部の連続部
６０ ケーシングの内面
６５ 微小隙間
Ｒ１〜Ｒ４ 圧力室

Claims (4)

1. 径方向の外方に向かって膨出する複数の山部と、隣り合う山部間に設けられた谷部とからなる断面形状を有し、一方のロータの山部が他方のロータの谷部と噛み合うように対になって用いられるロータであって、
   前記山部は、円弧状の両側部と、該両側部の間に位置して該両側部よりも曲率の小さな曲線又は直線からなる中央部とにより形成されていることを特徴とするロータ。
2. 前記谷部には、径方向の外側に突出した曲線状の突出部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のロータ。
3. 前記谷部の突出部は円弧状に形成され、
   前記谷部の両側部分は、前記山部の両側部と曲率の等しい円弧状又は該両側部の円弧に対応する包絡線状に形成され、
   前記谷部の前記突出部と前記両側部分との間は、トロコイド曲線状に形成されていることを特徴とする請求項２記載のロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の一対のロータと、
   少なくとも内周面の一部が円弧状の曲面に形成され、前記両ロータを噛み合った状態で回転自在に収容する略筒状の密閉型ケーシングとを備え、
   前記ロータの山部の中央部は、前記ケーシングの内周面の円弧形状と曲率の略等しい円弧形状に形成されていることを特徴とするルーツ式流体機械。

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