JP2007198289A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シール効果の向上、圧縮性能の向上を図かることができる流体機械を提供する。
【解決手段】本流体機械は、ヘリカル作動機構部２のブレード２４をフッ素樹脂で形成するとともに、ローラ２２外周面の螺旋状溝２２ａ端部に沿って角取部２２ｂを形成し、少なくとも螺旋状溝２２ａに樹脂をバインダとする固体潤滑被膜ｓを形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は流体機械に係り、特にローラの耐摩耗性を向上させたヘリカル作動機構部を備える流体機械に関する。

圧縮機、ブロワー、真空ポンプ等のヘリカル式流体機械は、流体を圧縮して搬送等を行うために、この流体をシールしてチャンバーを形成し、そのシールの一部は、ローラとシリンダ間の極小隙間により形成されるクリアランスシールからなる。

また、ローラはシリンダに対し、一定の偏心量をもって円運動する機構となっており、高性能化実現のためには、ローラ外周とシリンダ内面の真円度、円筒度等の部品形状精度を良好に保ち、ローラとシリンダ間のクリアランスを高精度に小さく保つことが重要になる。

このようなヘリカル式流体機械において、ブレードをフッ素樹脂で製作し、図８の従来例１に示すように、その高さ及び幅を一定に形成するとともに、ローラに設けたブレード嵌め込み用の螺旋状溝など摺動部に、潤滑を目的とした被膜を形成したものが提案されている（特許文献１）。

この特許文献１の流体機械は、ローラとブレードの摺動部の耐摩耗性向上のために、螺旋状溝内に被膜形成を行なうと、図９に示すように、被膜ｓがローラ２２の外周面の溝端部近傍に厚く形成されて部分的に盛り上りｓ_２が発生し、被膜形成工程の後は、ローラ２２外周面の形状が、盛り上りｓ_２分だけ寸法が変化して、シール効果の向上、圧縮性能の向上の実現が難く、改良の余地がある。

なお、このような被膜の盛り上りは、螺旋状溝のみに被膜を形成する場合のみならず、ローラ表面全面に被膜を形成する場合にも発生し、被膜形成方法がスプレー塗布による場合にも、液ダレとして盛り上りが発生し、被膜形成方法が電解メッキの場合にも、電解メッキ特有のエッジ形状部分近傍が盛り上がる現象が生じる。

このように被膜の盛り上りが発生した状態では、ローラとシリンダ間の設計隙間を高性能を目的として小さく設定した場合、盛り上がり部分がシリンダと接触し、異音発生、入力増加を引き起こすおそれがある。このような事態を防止するためローラとシリンダ間の設計隙間を大きめに設定すると、盛り上がっていない部分の隙間が大きくなりすぎ、漏れによる性能低下を引き起こし、高圧縮性能を実現するのが困難になる。

なお、クリアランスシールを行なうために、シール油を使うことも考えられるが、多量のシール油の存在は入力増加につながり、シール油使用量を極小に抑えるためにクリアランスは極小に保つ必要があることには変わらない。

また、高温での使用では、フッ素樹脂で形成されたブレードが熱膨張するため、図８の従来例２に示すように、ブレードの幅寸法と高さ寸法のいずれか一方、もしくはその両方を吸気側から吐出側に亘って漸次小さく形成することが提案されている（特許文献２）。

この特許文献２に記載の流体機械は、部分的には最適寸法になりにくく、ブレードと盛り上り螺旋状溝との最適クリアランスを実現し難く、シール効果の向上、圧縮性能の向上を実現し難く、改良の余地がある。
特開２００２−３６１１４２号公報 特開２００１−８２３６２号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、シール効果の向上、圧縮性能の向上を図かることができる流体機械を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る流体機械は、シリンダと、このシリンダ内に偏心して配置され外周部に吸込側の一端側から吐出側の他端側に向かって軸方向に徐々にピッチが小さくなる螺旋状溝が設けられたローラと、前記螺旋状溝に出没自在に嵌め込まれた螺旋状のブレードとからなるヘリカル作動機構部を備えた流体機械において、前記ブレードをフッ素樹脂で形成するとともに、前記ローラ外周面の螺旋状溝端部に沿って角取部を形成し、少なくとも前記螺旋状溝に樹脂をバインダとする固体潤滑被膜を形成したことを特徴とする。

本発明に係る流体機械によれば、シール効果が向上し、性能の向上を図ることができる流体機械を提供することができる。

本発明に係る流体機械の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る流体機械の一実施形態としての横型ヘリカル圧縮機の縦断面図である。

図１に示すように、ヘリカル式圧縮機１は、ケーシングレスの圧縮機であり、ヘリカル機構部としてのヘリカル圧縮機構部２と、このヘリカル圧縮機構部２を駆動させる駆動部３と、この駆動部３とヘリカル圧縮機構部２間に設けられ駆動部３の動力をヘリカル圧縮機構部２に伝達するクランクシャフト４と、ヘリカル圧縮機構部２のローラ２２が自転するのを防止するための自転防止機構を構成するオルダムリング５を有している。

ヘリカル圧縮機構部２は、シリンダ２１内に、旋回（公転）自在に偏心配置された環状のローラ２２と、このローラ２２とシリンダ２１間に軸方向に次第に容積が小さくなる圧縮室２３を区画する不等ピッチのブレード２４とを有している。ローラ２２の外周面には、所定寸法の螺旋状溝２２ａが図１中左端の吸込口２１ａ側端から右端の吐出口２１ｂ端に向けてピッチが徐々に小さくなるように形成されており、図２に拡大して示すように、この螺旋状溝２２ａ内には弾性を有する螺旋状のブレード２４が出没かつ摺動可能に嵌め込まれている。

図３に示すように、ローラ２２は例えば中空円筒状のアルミニウム合金製ローラ基材からなり、螺旋状溝２２ａには樹脂をバインダとして用い金属基材の摺動面に自己潤滑性固体潤滑剤を密着保持してなる被膜ｓが形成される。

なお、図４に示すように、この被膜ｓは必要に応じて、ローラ２２全面に被覆してもよく、この場合にも、本実施形態と同様の効果が得られる。

上記バインダとしての樹脂材は、エポキシ樹脂またはポリアミドイミド樹脂が好ましい。これにより、バインダ樹脂は、いずれの基材に対しても密着性に優れ剥離しにくく、耐熱性に優れ摩擦熱による劣化が少なく、さらには材料自身の機械強度に優れるので、バインダ樹脂自身が耐摩耗性をもつため、高信頼性の摺動部を実現できる。

さらに、上記固体潤滑剤は、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ボロン、酸化アンチモン、雲母の中から１種以上選択されるのが好ましい。これにより、その固体潤滑効果が、自身の結晶構造が層状であり、層間がすべることによって潤滑効果を示すと同時に、摺動相手を削るような攻撃性が非常に低く、高信頼性の摺動部を構成するのに好適である。

図５に示すように、ローラ２２の外周面の螺旋状溝２２ａの端部に沿ってステップ状の角取部２２ｂが形成され、図６に示すように、螺旋状溝２２ａに形成される固体潤滑被膜ｓの端部ｓ_１が角取部２２ｂに収容されるようになっている。

従って、螺旋状溝２２ａにスプレー塗布により被膜ｓを形成するとき、螺旋状溝２２ａに端部に液ダレが発生して端部ｓ_１が形成されても、この端部ｓ_１は角取部２２ｂに収容され、ローラ２２の表面に被膜の盛り上りが発生せず、表面は平坦である。これにより、ローラとシリンダ間のクリアランスを小さく保ち、寿命を確保しつつ高性能化を図ることができる。

また、角取部は螺旋状溝加工と類似の工具で加工できるため、加工時間を短縮でき効率的であり、さらに、形状の測定が容易であり高精度な寸法管理が可能なため、漏れのバラツキを高精度に管理可能であり、品質バラツキの少ない製品を実現でき製造性に優れる。

なお、角取部はローラの外周の直径より小さくなるようにローラが切削されて形成される小径部からなればよく、断面形状が本実施形態のステップ状の他に、図７に示すようなテーパ状でもよく、この場合には外周にはみ出す被膜端部の被膜厚さ分布は螺旋状溝から離れるほど薄くなるので、これに合わせて角取部を形成し、被膜工程後のローラ形状精度をより高め、高性能、品質の安定が実現する。さらに、角取部は凸円弧状あるいは凹円弧状などであっても、同様の効果が得られる。

また、上記角取部による被膜の盛り上り抑制効果は、本実施形態のように螺旋状溝のみに被膜を施す場合に限らず、被膜をローラ全面に施す場合、あるいは被膜形成方法が電解メッキであり、電解メッキ特有のエッジ形状部分近傍が盛りが上る現象が出る場合にも、同様の効果が得られる。

ブレード２４はフッ素樹脂で形成され、５０重量％以上のフッ素樹脂を含む外、繊維状強化材あるいはその他充填材を含むのが好ましい。

ブレード２４は、吸込側端から所定の巻回角度範囲及び吐出側端から所定の巻回角度範囲の少なくとも一方の範囲を除いて、ピッチが小さくなる方向に向かって、高さ及び幅の少なくとも一方が徐々に小さくなっている。

例えば、本実施形態では、図８における実施形態１に示すように、ブレード２４は、吸込側端から巻回角度３６０°（１巻）の範囲及び吐出側端から巻回角度３６０°（１巻）の範囲及び範囲を除いてピッチが小さくなる方に向かって、高さあるいは幅が徐々に小さくなる。これにより、使用状況に合わせて、ブレードの寸法を変化させ、螺旋状溝と最適クリアランスが実現する。

また、ブレードの他の実施形態として、図８の実施形態２のように、ブレードは、吸込側端から１巻（３６０°）の範囲を除いてピッチが小さくなる方に向かって、高さあるいは幅が徐々に小さくなる形状でもよい。これにより、圧縮性能への影響の大きい、吸込側から１巻以降、徐々に寸法を小さくすることで、圧縮性能への影響を小さくして、ブレードの熱膨脹を吸収することができる。

また、図８の実施形態３のように、吐出側端から１巻（３６０°）の範囲を除いてピッチが小さくなる方に向かって、高さあるいは幅が徐々に小さくなる形状でもよい。これにより、吐出ガス温度にさらされ、圧縮性能への影響の小さい吐出側１巻は一定の小さい寸法とし、圧縮性能への影響の大きい、吸込側から吐出側１巻までは徐々に寸法を小さくすることで、圧縮性能への影響を小さくして、ブレードの熱膨脹を吸収することができる。

さらに、図８の実施形態４のように、吸込側端から２巻（７２０°）の範囲及び吐出側端から半巻（１８０°）の範囲を除いて、ピッチが小さくなる方向に向かって、高さあるいは幅が徐々に小さくなるような形状でもよい。これにより、使用状況に合わせて、ブレードの寸法を変化させ、螺旋状溝と最適クリアランスが実現する。

なお、ブレードの高さあるいは幅の減少は、実施形態１〜４のように、直線状に減少しても、ステップ状に減少してもよい。

次に本実施形態のヘリカル式圧縮機の圧縮作用について説明する。

図１に示すようなヘリカル式圧縮機１の駆動部３を付勢して、クランクシャフト４を介してローラ２２を偏心回転（公転）させる。このローラ２２の偏心回転により、ローラ２２はシリンダ２１の内周面に内接しながら摺動し、公転される。上記ローラ２２の偏心回転によりシリンダ２１とローラ２２との間にブレード２４により形成される各圧縮室２３はシリンダ軸方向にヘリカル状に移動しながら容積が次第に小さくなるように体積変化する。各圧縮室２３は体積変化により吸込口２１ａを経て吸込まれた冷媒が順次圧縮されて高圧化され、吐出口２１ｂを経て吐出される。

このような圧縮工程において、ローラ２２は、シリンダ２１に対し、一定の偏心量をもって円運動する機構となっているため、高性能実現のためには、ローラ外周とシリンダ内面の、真円度、円筒度等の部品形状精度を良好に保ちローラ２２とシリンダ２１間のクリアランスを高精度に小さく保つことが重要になる。

本ヘリカル式圧縮機１では、螺旋状溝２２ａに被膜を形成するときに、不可避な液ダレによる被膜端部ｓ_１が角取部２２ｂに収容され、ローラ２２の表面に被膜の盛り上りが発生せず、表面は平坦であるので、ローラ２２外周面の形状精度が向上し、ローラ２２とシリンダ２１間クリアランスを小さく保つことができる。これによって異音発生や入力増加を避けつつローラ２２とシリンダ２１間のクリアランスから流体が漏れるのを低減し高性能を発揮する。

また、吸込側１巻（３６０°まで）は温度上昇が少なく、体積効率への影響が大きいので、寸法を大きく一定とし、螺旋状溝とのクリアランスを小さくするとともに、温度が高くなる吐出側に向って、ブレードの幅方向または高さ方向の寸法のうち、少なくとも一方を徐々に小さくし、螺旋状溝とのクリアランスを徐々に大きくすることにより、ブレードの熱膨脹を吸収するようにした。さらに、圧縮性能への影響の大きい、吸込側から吐出側１巻までは徐々に寸法を小さくすることにより、圧縮性能への影響を小さくして、ブレードの熱膨脹を吸収した。

上記実施形態によれば、螺旋状溝の液ダレの発生により被膜端部が形成されても、この端部は角取部に収容され、ローラの表面に被膜の盛り上りが発生せず、表面は平坦であり、ローラとシリンダ間のクリアランスを小さく保ち、寿命を確保しつつ高性能を図ることができる。また、ブレードを形状が一定の部位と、徐々に形状が変化する部位との組み合わせた形状にすることにより、ブレードの変形は防止され、耐漏れ性向上、熱伝導性が向上して、摺動部温度を低下させることができて、摩耗低減を達成でき、結果として高信頼性、高性能で長寿命、使用温度条件範囲の広い流体機械が実現される。

なお、上記実施形態では横型ヘリカル圧縮機を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、本発明に係るヘリカル式流体圧縮機は他の圧縮機、真空ポンプなどに適用できる。

本発明の流体機械の一実施形態に係る横型ヘリカル圧縮機の縦断面図。 本発明の流体機械の一実施形態に係る横型ヘリカル圧縮機の摺動部の縦断面図。 本発明の流体機械の一実施形態に係る横型ヘリカル圧縮機に用いられるローラの斜視図。 本発明の流体機械の一実施形態に係る横型ヘリカル圧縮機に用いられるローラの他の実施形態の斜視図。 本発明の流体機械の一実施形態に係る横型ヘリカル圧縮機に用いられるローラの螺旋状溝を拡大して示す縦断面図。 本発明の流体機械の一実施形態に係る横型ヘリカル圧縮機に用いられるローラの螺旋状溝を拡大して示す縦断面図。 本発明の流体機械の他の実施形態に係る横型ヘリカル圧縮機に用いられるローラの螺旋状溝を拡大して示す縦断面図。 本発明の流体機械の他の実施形態に係る横型ヘリカル圧縮機に用いられるブレードの形状説明図。 従来の横型ヘリカル圧縮機に用いられるローラの螺旋状溝を拡大して示す縦断面図。

符号の説明

１…ヘリカル式圧縮機、２…ヘリカル圧縮機構部、３…駆動部、２１…シリンダ、２１ａ…吸込口、２１ｂ…吐出口、２２…ローラ、２２ａ…螺旋状溝、２２ｂ…角取部、２３…圧縮室、２４…ブレード、ｓ…固体潤滑被膜、ｓ_１…端部。

Claims (3)

1. シリンダと、このシリンダ内に偏心して配置され外周部に吸込側の一端側から吐出側の他端側に向かって軸方向に徐々にピッチが小さくなる螺旋状溝が設けられたローラと、前記螺旋状溝に出没自在に嵌め込まれた螺旋状のブレードとからなるヘリカル作動機構部を備えた流体機械において、前記ブレードをフッ素樹脂で形成するとともに、前記ローラ外周面の螺旋状溝端部に沿って角取部を形成し、少なくとも前記螺旋状溝に樹脂をバインダとする固体潤滑被膜を形成したことを特徴とする流体機械。
2. 前記ブレードは、吸込側端から所定の巻回角度範囲及び吐出側端から所定の巻回角度範囲の少なくとも一方の範囲を除いて、ピッチが小さくなる方向に向かって、高さ及び幅の少なくとも一方が徐々に小さくなることを特徴とする請求項１記載の流体機械。
3. 前記吸込側端から所定の巻回角度は３６０°、前記吐出側端から所定巻回角度は３６０°であることを特徴とする請求項２記載の流体機械。

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