JP2006274889A - 回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、円筒体とプロペラファンとの隙間を均一に揃えて、送風の吹き戻りを規制し、送風効率の向上を得られる回転装置を提供しようとするものである。
【解決手段】回転軸４の中心軸Ｌａに対し所定量ｅだけ偏心した中心軸Ｌｂを備え、回転軸の中心軸まわりを回転軸と同期して旋回する円筒体（ローラ）７と、回転軸の外周面と円筒体の内周面との間に配設されたプロペラファン２６とを備え、プロペラファン２６は、回転軸４に嵌合固定されるハブ２８と、このハブの周面に互いに所定間隔を存して設けられる複数の翼３０ａ〜３０ｆとからなり、各翼の半径方向長さである翼スパン長Ｓを、回転軸の外周面と円筒体の内周面との間の距離Ｗに対応して、各翼の外周縁と円筒体の内周面間の隙間ｑが略均一になるように設定した。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸の中心軸に対して偏心して設けられ旋回（公転）運動を行う円筒体を備えるとともに、この円筒体の内部を冷却するプロペラファンを備えた回転装置に関する。

回転装置として、［特許文献１］に開示される流体機械は、固定のシリンダ内に偏心してローラを配置し、これらシリンダとローラとの間に作動室を区画形成する螺旋状のブレードを設け、これらで構成されるヘリカル式機構部を備えている。そして、軸受部通気孔とローラ通気孔およびクランクシャフトである回転軸の端部に設けられる冷却ファンとからなる冷却機構を備えている。上記冷却ファンは、ヘリカル式機構部の端面に突出する回転軸の端部に取付けられ、上記機構部の端面に突出して取付けられるファンカバーで囲われる。

吸込み口から吸込まれた空気等の流体がヘリカル式機構部で圧縮されることにより、高圧化するとともに高温化して吐出口から吐出される。圧縮運転を長時間継続すると、そのままでは吐出口周辺の温度上昇が大となってヘリカル式機構部に熱的悪影響を及ぼす。上記冷却機構を備えたことにより、特に吐出口周辺の温度上昇を抑制して、熱的悪影響の発生を防止する。

しかしながら、上述の装置では、冷却ファンとファンカバーをヘリカル式機構部から突出して取付けるために、装置自体が長手方向に長くなって大型化し、据付スペースが大となる。また、吐出口とは反対側の部位に電動機部が備えられていて、長時間の運転継続により温度上昇することは避けられない。電動機部が持った熱は、電動機部と一体に連設されるヘリカル式機構部に伝熱して、熱的悪影響を及ぼす。

上記冷却ファンは、吐出口の周辺部分を冷却するには好適であるが、反対側部位にある電動機部を冷却するには至らない。そのため、冷却ファンを装置の内部に取付け、装置の長手方向長さを短縮したうえで、吐出口周辺部に対する冷却とともに、ヘリカル式機構部内部および電動機部に対する冷却にも効果を奏する構成が望まれる。
たとえば、上述の［特許文献１］において、ファンカバーと冷却ファンを取外して、その分、回転軸を短縮化する。そして、現在、バランサ収納部２２ｅが設けられる位置に、バランサ４ｅに代えて冷却ファンを取付けることができれば、装置の長手方向長さの短縮化と、吐出口周辺部およびヘリカル式機構部内部と電動機部の冷却が可能となる。
特開２００４−１４４０６７号公報

しかしながら、ただ単純に、バランサ収納部に収納可能な径の冷却ファンを用意し、これを回転軸に取付けただけでは、満足する冷却効果が得られない。
すなわち、上述したようにヘリカル式機構部は、回転軸の偏心クランク部に環状のローラが旋回自在に取付けられ、回転軸と同心で固定のシリンダ内に配置される。回転軸を軸支する軸受とローラとの間にはオルダム機構が設けられ、ローラの自転を規制し、ローラが回転軸周りに旋回（公転）運動をなすよう作用する。

これに対して、上記冷却ファンは回転軸に取付けられ、回転軸およびシリンダと同心である。一般的な構成の冷却ファンは、各翼の半径方向長さである翼スパン長が全て同一であるので、図７に模式的に示すような作用が行われる。
回転軸Ａおよび冷却ファンＢの中心軸Ｏａは互いに一致するが、これらの中心軸Ｏａに対してローラ（以下、「円筒体」と呼ぶ）Ｃの中心軸Ｏｂは偏心して設けられる。そして、冷却ファンＢと円筒体Ｃは同じ回転軸Ａに取付けられていて、回転軸Ａの回転にともない冷却ファンＢは同期して回転するが、円筒体Ｃはオルダム機構により自転が規制され冷却ファンｂを介して回転軸Ａ周りに旋回（公転）運動をなす。

冷却ファンＢと円筒体Ｃとを同一断面・視野で見た場合、０°の位置では冷却ファンＢの翼先端縁と円筒体Ｃの内周面との隙間が左右同一であっても、９０°の位置では円筒体Ｃ全体が左側に寄った位置に移動し、冷却ファンＢの翼先端縁と円筒体Ｃ内周面との隙間が左右異なる。１８０°位置では円筒体Ｃが元の位置に戻って隙間が左右同一となるが、２７０°位置では円筒体が右に寄った位置である９０°位置とは逆方向に偏った位置に移動して隙間が左右異なる。

このように、回転軸Ａの回転角度によって冷却ファンＢの翼先端縁と円筒体Ｃ内周面との隙間が同一の場合と、相違する場合がある。上記隙間部分は、冷却ファンの送風作用が及ばない範囲であり、送風した風が戻ってくる、吹き戻り範囲となる。当然、吹き戻り範囲が存在することで送風ムラを生じ、送風効率が低下して、冷却効果の損失となる。

本発明は上記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、回転軸の中心軸とは偏心して設けられ回転軸と同期して旋回する円筒体と、回転軸の外周面と円筒体の内周面との間に配設されるプロペラファンを備え、円筒体とプロペラファンとの隙間を均一に揃えて、プロペラファンの吹き戻りを規制し、送風効率の向上を得られる回転装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するため本発明は、回転軸と、この回転軸の中心軸に対して所定量だけ偏心した中心軸を備え回転軸の中心軸周りを回転軸と同期して旋回する円筒体と、回転軸の外周面と円筒体の内周面との間に配設されこれらの間に送風するプロペラファンとからなる回転装置において、上記プロペラファンは、回転軸に嵌合固定されるハブと、このハブの周面に互いに所定間隔を存して設けられる複数の翼とからなり、各翼の半径方向長さである翼スパン長を回転軸の外周面と円筒体の内周面との間の距離に対応して各翼の外周縁と円筒体の内周面間の隙間が略均一になるように設定した。

本発明によれば、円筒体とプロペラファンとの隙間を均一に揃えて、プロペラファンの吹き戻りを規制し、送風効率の向上を得られる等の効果を奏する。

以下、図面を参照しながら本発明における第１の実施の形態について詳細に説明するに、回転装置として、流体機械のうちの横置き型ヘリカル圧縮機を適用する。
図１は、横置き型ヘリカル圧縮機１の概略の断面図である。この圧縮機１は、ヘリカル式機構部としての圧縮機構部２と、この圧縮機構部２を駆動する電動機部３と、この電動機部３とヘリカル圧縮機構部２とに亘って設けられ、電動機部３の動力を圧縮機構部２へ伝達する回転軸４とから構成される。圧縮機構部２と電動機部３および回転軸４は一直線上に配置され、さらに、この直線上に圧縮機構部２および電動機部３を冷却するための冷却機構５が設けられてなる。

上記圧縮機構部２は、シリンダ６内に旋回（公転）自在に偏心配置された円筒体である環状のローラ７と、後述するようにローラ７とシリンダ６との間で、かつ軸方向に沿って次第に容積が小さくなる圧縮室８を区画する、不等ピッチのヘリカルブレード９とを有している。
なお説明すると、上記回転軸４には、それ自体の中心軸Ｌａとは所定量ｅだけ偏心した中心軸Ｌｂからなるクランク部４ａが一体に設けられる。上記ローラ７は、クランク部４ａの両側端に設けられる単列玉軸受７ａを介して嵌め込まれている。ローラ７の外周面には、図中左端から右端へ向けてピッチが徐々に小さくなる螺旋溝１０が設けられ、この螺旋溝１０内に上記ヘリカルブレード９が出没自在に嵌め込まれている。

上記ヘリカルブレード９は、弾性材料、もしくは弾性を有するプラスチックまたはテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂材にから成形されている。ヘリカルブレード９は、それ自体の弾性を利用してシリンダ６の内周面に気密に当接され、シリンダ６の内周面とローラ７の外周面との環状間隙を軸方向に沿って、複数の上記圧縮室８に仕切っている。
各圧縮室８は、ヘリカルブレード９の隣り合う２つの巻き間に形成されており、ヘリカルブレード９に沿ってシリンダ６の内周面とローラ７の外周面との接触部から、次の接触部まで延びたほぼ三日月状をなしている。これら圧縮室８の各容積はヘリカルブレード９のピッチに対応し、吸込み管１１が接続される図中左側端の吸込み側から吐出管１２が接続される右側端の吐出側へ向って徐々に小さくなっている。

上記電動機部３は、合成樹脂材などの絶縁材料から形成されるカバー１３によって覆われるモータステータ１５と、このモータステータ１５内で回転するモータロータ１６とから構成される。このモータロータ１６に上記回転軸４が取付けられ、圧縮機構部２側に延出されている。
上記圧縮機構部２は、一端部に主軸受部１８を備え、他端部に副軸受部１９を備えていて、上記電動機部３は取付け具を介して主軸受部１８に取付け固定される。上記回転軸４は、主軸受部１８に設けられる主単列玉軸受１８ａと、副軸受部１９に設けられる副単列玉軸受１９ａによって軸支されている。

上記回転軸４の副軸受部１９側の端部には、上記ローラ７に設けられたバランサ収納部２０に収納されるバランサ２１が、図示しないキーによって回動が防止され、Ｃ字形止め輪によって軸方向の動きが防止されて取付けられる。
上記冷却機構５は、主軸受部１８の周面に設けられ外部に開口する図示しない外気取入口と、主軸受部１８に同一半径上で互いに所定間隔を存して設けられる複数の主軸受部通気孔２２と、ローラ７の主軸受部１８側端部に設けられる凹部からなるファン収納部２３と、ローラ７に同一半径上で互いに所定間隔を存して設けられる複数のローラ通気孔２４と、ローラ７の副軸受部１９側端部に設けられる凹部からなるバランサ収納部２０と、副軸受部１９に設けられる副軸受部通気孔２５および冷却ファンであるプロペラファン２６とから構成される。

なお、上記副軸受部通気孔２５は、副軸受部１９とローラ７との間に設けられ、回転軸４の回転にともなうローラ７の自転を防止して、ローラ７を回転軸４回りに旋回（公転）運動をさせるオルダム機構２７と同位置に設けられることになる。
上記プロペラファン２６は、回転軸４のクランク部４ａとは外れた位置に設けられるところから、プロペラファン２６の中心軸Ｌａは回転軸４の中心軸Ｌａと一致する。そして、回転軸４のクランク部４ａに取付けられるローラ７の中心軸Ｌｂが回転軸４の中心軸Ｌａとは所定量ｅだけ偏心しているところから、プロペラファン２６の中心軸Ｌａはローラ７の中心軸Ｌｂとは所定量ｅだけ偏心している。

図２は、回転軸４と、この回転軸４に取付けられるプロペラファン２６との中心軸Ｌａに対して、回転軸４のここでは図示しない上記クランク部４ａに単列玉軸受７ａを介して嵌合されるローラ７との関係を、模式的に示す断面図である。
上述したように、回転軸４とプロペラファン２６の中心軸Ｌａに対して、ローラ７の中心軸Ｌｂが所定量ｅだけ偏心して取付けられる。上記プロペラファン２６は、回転軸４に嵌合固定されるハブ２８と、このハブ２８の周面に、互いに所定間隔を存して設けられる複数（ここでは、６枚）の翼３０ａ〜３０ｆとから構成される。

回転軸４と、プロペラファン２６のハブ２８とは互いに断面が真円状をなし、内周面のみ示す環状のローラ７もまた断面が真円状をなす。これに対して、プロペラファン２６を構成する複数の翼３０ａ〜３０ｆは、後述するように、それぞれの翼スパン長Ｓが互いに異なる。
図３は、プロペラファン２６の、たとえば翼３０ｄにおける翼スパン長Ｓを説明する図であるが、他の翼３０ａ〜３０ｃ、３０ｅ、３０ｆにおいても全く同一の条件で設定されている。

すなわち、プロペラファン２６の翼３０ｄにおいて、プロペラファン２６の中心軸Ｌａから翼３０ｄの最外周縁までの距離をＭ、プロペラファン２６の中心軸Ｌａからハブ２８の半径をＮとしたとき、中心軸Ｌａから翼３０ａの最外周縁までの距離Ｍとハブ２８の半径Ｎとの差（Ｍ−Ｎ）が、翼スパン長Ｓとなる。
再び図２に示すように、上記プロペラファン２６では、全ての翼３０ａ〜３０ｆにおける半径方向長さである翼スパン長Ｓを、回転軸４の外周面とローラ７の内周面との間の距離Ｗに対応して、各翼３０ａ〜３０ｆの外周縁とローラ７の内周面間の隙間ｑが略均一になるように設定されている。

ここでは、左側の翼３０ａを例に説明しているが、他の翼３０ｂ〜３０ｆにおいても、それぞれ翼スパン長Ｓが異なるうえに、回転軸４の外周面とローラ７の内周面との間の距離Ｗに対応して、各翼３０ｂ〜３０ｆの外周縁とローラ７の内周面間の隙間ｑが略均一になるように設定されることには変りがない。
このようにして構成される横置き型ヘリカル圧縮機１であって、電動機部３に通電することにより、電動機部３が起動されてモータステータ１５内に回転磁界が生じ、モータロータ１６が回転駆動される。モータロータ１６の回転力は、回転軸４を介してクランク部４ａに伝達され、かつオルダム機構２７の作用によってローラ７を旋回（公転）運動させる。

このローラ７の旋回運動により、ローラ７はシリンダ６の内周面に内接しながら摺動し、シリンダ６、ローラ７及びヘリカルブレード９によって形成される圧縮室８がシリンダ６の軸方向に沿ってヘリカル状に移動して、各圧縮室８の容積が次第に小さくなるように体積変化させる。各圧縮室８における体積変化により、吸込み管１１を経て吸込まれた空気等の流体が順次圧縮されて高圧化され、吐出管１２を経て吐出される。
上記冷却機構５では、回転軸４の回転によりプロペラファン２６が回転し、外部の冷却空気が外気導入孔から導入されて、主軸受部通気孔２２を流通する。このとき、運転にともなって電動機部３に発生する熱が冷却空気に奪われ、電動機部３の冷却がなされる。プロペラファン２６の回転により、冷却空気は主軸受部通気孔２２からファン収納部２３と、ローラ通気孔２４と、バランサ収納部２０を介して副軸受部通気孔２５に導かれ、圧縮機構部２内部を冷却して外部に排出される。

特に、圧縮機構部２においては、ローラ７の内周面と、吐出管１２が接続され圧縮運転にともなって発熱し易い吐出口周辺部が効率よく冷却される。オルダム機構２７も発熱するが、副軸受部通気孔２５が設けられているので、オルダム機構２７も冷却される。
図６は、回転軸４と、冷却機構５を構成するプロペラファン２６と、これら回転軸４およびプロペラファン２６に対する円筒体であるローラ７との、回転にともなう相互関係を順に示す図である。なお、図においては模式的に示すため、ローラ７に設けられる螺旋溝１０と、この螺旋溝１０に嵌め込まれるヘリカルブレード９等は省略している。

図の左列は、回転軸４およびプロペラファン２６とローラ７との相互関係を９０°ずつ変化して示す一部断面図である。図の右列は、図の左列の回転角度に対応する回転軸４およびプロペラファン２６とローラ７との横断面図である。すなわち、同じ回転角においてプロペラファン２６とローラ７との関係と、プロペラファン２６を構成する翼３０ａ〜３０ｆの位置は対応する。
回転軸４の回転にともなって、回転軸４に取付けられるプロペラファン２６が回転し、ローラ７はオルダム機構２７の作用により同期して旋回（公転）する。回転軸４の中心軸Ｌａとプロペラファン２６の中心軸Ｌａとが一致するので、回転軸４とプロペラファン２６の回転角度が一致する。これに対して、上記ローラ７は回転軸４の中心軸Ｌａとは所定量ｅだけ偏心した中心軸Ｌｂを備えていて、ローラ７の旋回運動にともなってこの中心軸Ｌｂは回転軸４およびプロペラファン２６の中心軸Ｌａの周りをまわる。

上述したように、プロペラファン２６を構成する各翼３０ａ〜３０ｆの半径方向長さである翼スパン長Ｓを、回転軸４の外周面とローラ７の内周面との間の距離Ｗに対応して、各翼３０ａ〜３０ｆの外周縁とローラ７の内周面間の隙間ｑが略均一になるように設定してある。
したがって、プロペラファン２６の１回転中のいずれの位置においても、翼３０ａ〜３０ｆの外周縁とローラ７の内周面間の隙間ｑが略均一になって、偏りがない。プロペラファン２６の回転がそのまま送風作用に生かされ、いわゆる空気の吹き戻りを抑制して送風効率の向上化を図れ、電動機部３と圧縮機構部２に対する冷却効果の向上化を得られる。しかも、プロペラファン２６を圧縮機構部２の内部に取り込んだ構成であるので、装置長手方向の短縮化と、必要な据付けスペースのを低減化を得られる。

第２の実施の形態として、図４に示すようなプロペラファン２６Ａの構成であってもよい。なお、プロペラファン２６Ａとして、ハブ２８と、この周面に複数の翼３０ａ〜３０ｆを備えたことは変りがない。
最も短い翼スパン長Ｓａの翼（以下、「第１の翼」と呼ぶ）３０ａを基準にして、時計周り方向に隣接する位置にある翼（以下、「第２の翼」と呼ぶ）３０ｂから、さらに同方向に隣接する位置にある翼（以下、「第３の翼」と呼ぶ）３０ｃを介して、第１の翼３０ａとは１８０°対向する位置にある翼（以下、「第４の翼」と呼ぶ）３０ｄが設けられる。そして、第４の翼３０ｄから時計回り方向に隣接する位置にある２つの翼（以下、「第５の翼」、「第６の翼」と呼ぶ）３０ｅ，３０ｆを介して、はじめの第１の翼３０ａに至る。

上述したように、第１の翼３０ａの翼スパン長Ｓａを最小に設定したうえで、第２の翼３０ｂの翼スパン長Ｓｂから、第３の翼３０ｃの翼スパン長Ｓｃを介して第４の翼３０ｄにおける翼スパン長Ｓｄを順次長く設定する。第１の翼３０ａとは１８０°対向する位置にある第４の翼３０ｄの翼スパン長Ｓｄを最も長く設定し、第５の翼３０ｅの翼スパン長Ｓｅと第６の翼３０ｆの翼スパン長Ｓｆを徐々に短く設定して、基準の翼スパン長Ｓａに形成される上記第１の翼３０ａに戻る。
このようにして構成されたプロペラファン２６Ａを用いることにより、より確実に空気の吹き戻りを抑制して、送風のロスの低減化を図れる。

第３の実施の形態として、図５（Ａ）（Ｂ）に示すようなプロペラファン２６Ｂであってもよい。プロペラファン２６Ｂとして、ハブ２８と、この周面に複数の翼３０ａ〜３０ｆを備えたことは変りがない。
翼スパン長Ｓａが最も短い第１の翼３０ａを、他の翼３０ｂ〜３０ｆに対して軸方向位置をずらして設け、それによって生じた空間スペースにバランスウエイト３５が設けられる。

このようにしてバランスウエイト３５を取付けることで、プロペラファン２６Ｂのアンバランスを調整でき、さらにバランスウエイト３５を取付ける部分の翼３０ａの質量を減少させることなく、最大限の仕事を行わせることができる。
以上の、第２の実施の形態におけるプロペラファン２６Ａおよび第３の実施の形態におけるプロペラファン２６Ｂを備えたヘリカル圧縮機１においても、第１の実施の形態のプロペラファン２６と全く同一の作用をなし、同一の効果を奏することは言うまでもない。

また、回転装置として、流体機械における横置き型のヘリカル圧縮機を適用して説明したが、これに限定されるものではなく、同様の作用をなす回転装置の全てに適用することも可能である。
そして、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。

本発明における第１の実施の形態に係る、回転装置であるヘリカル式圧縮機の断面図。 同実施の形態に係る、プロペラファンとローラ（円筒体）との相対関係を説明する図。 同実施の形態に係る、プロペラファン翼の翼スパン長を説明する図。 本発明における第２の実施の形態に係る、プロペラファンの正面図。 本発明における第３の実施の形態に係る、プロペラファンの正面図と側面図。 各実施の形態に共通する、回転軸とプロペラファンの回転運動に対するローラの旋回（公転）運動を、９０°ずつ回転角度を異ならせて説明する図。 従来の回転軸とプロペラファンの回転運動に対するローラの旋回（公転）運動を、９０°ずつ回転角度を異ならせて説明する図。

符号の説明

４…回転軸、７…ローラ（円筒体）、２６…プロペラファン、２８…ハブ、３０ａ〜３０ｆ…翼、３５…バランスウエイト。

Claims (3)

1. 回転軸と、
   この回転軸の中心軸に対して所定量だけ偏心した中心軸を備え、上記回転軸の中心軸周りを回転軸と同期して旋回する円筒体と、
   上記回転軸の外周面と上記円筒体の内周面との間に配設され、これらの間に送風するプロペラファンとからなる回転装置において、
   上記プロペラファンは、上記回転軸に嵌合固定されるハブと、このハブの周面に、互いに所定間隔を存して設けられる複数の翼とからなり、
   上記各翼の半径方向長さである翼スパン長を、回転軸の外周面と円筒体の内周面との間の距離に対応して、各翼の外周縁と円筒体の内周面間の隙間が略均一になるように設定したことを特徴とする回転装置。
2. 上記回転軸の外周面と上記円筒体の内周面との間の隙間が最小である位置に設けられる翼の翼スパン長を基準にして、上記回転軸の外周面と円筒体の内周面との間の距離が最大である位置に向かって各翼の翼スパン長を順次大に設定したことを特徴とする請求項１記載の回転装置。
3. 翼スパン長が最も小さい翼は、上記ハブにおける軸方向位置を他の翼に対してずらして設け、それによって生じた空間スペースにバランスウエイトを設けたことを特徴とする請求項１および請求項２のいずれかに記載の回転装置。

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