JP2008291727A - 気体圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】気体を対象としたスクリュー型ポンプは主に送風を目的としたものであり、圧力は小さい。また、スクリュー型気体ポンプの圧縮比を大きくし圧縮機とする手段については当文献、他文献において具体的に明らかにされていない。本発明はスクリュー型気体ポンプの圧縮比を大きくする手段に関する。
【解決手段】スクリュー型圧縮機において、円筒状のスリーブの内側に棒状のシャフトを設置し、その隙間を小さくするとともに、シャフトを高速回転させることにより、その粘性によりシャフトの表面に引きずられて移動する気体を、螺旋状のリブと対向するスリーブ内面或いはシャフト外面との間に形成された微少隙間により、気体を高圧部に誘導することにより、気体を圧縮する。
【選択図】 図１

Description

本発明は気体の粘性を利用して気体を圧縮する気体圧縮機に関する。

液体の粘性を利用したポンプとして、スクリュー形状のポンプが特開２００３−３２８９８６等に開示されている。
特開２００３−３２８９８６ 気体の粘性を利用したポンプとして同様にスクリュー形状のフィンを持つポンプが特表２００６−５２６７３４に開示されている。 特表２００６−５２６７３４

これらのポンプはスクリュー型ポンプの特徴として、振動が小さい、排出する流体の脈動が小さい、オイルフリー等の特徴がある。

気体を対象としたスクリュー型ポンプは特許文献２に示されているが、それは主に送風を目的としたものであり、圧力は０．１ＭＰａ以下である。また、スクリュー型気体ポンプの圧縮比を大きくし圧縮機とする手段については当文献、また、他文献において具体的に明らかにされていない。本発明はスクリュー型気体ポンプの圧縮比を大きくする手段に関する。

気体は液体に比較して粘度が非常に小さい。よって、スクリュー型圧縮機において圧縮比を大きくするためには、シャフトの隙間を小さくするとともに、シャフトの回転数を大きくする必要がある。

空気を誘導するシャフトのリブ部とスリーブの隙間は、小さい方が空気漏れが少なく好ましい。しかし、０．００３ｍｍ以下の隙間になると運転時にシャフトとスリーブが焼き付く確率が急激に高くなる。また、シャフトとスリーブの加工公差はそれぞれ±０．００４ｍｍが適当であり、これよりシャフトのリブ部とスリーブの隙間の範囲は０．００３〜０．０１１が適正である。溝部とスリーブとの隙間は、小さければ圧縮圧力が大きくなり、大きければ圧縮圧力が下がる。この隙間が０．１ｍｍ以上では圧縮機として０．１ＭＰａを得ることが難しい。また、この隙間はシャフトのリブ部とスリーブの隙間よりも大きいことが必要であるから、溝部とスリーブの隙間は、シャフトのリブ部とスリーブの隙間よりも大きく、なおかつ０．１ｍｍ以下が適正である。

粘性の小さい気体を、粘性を利用して圧縮するためにはシャフトの回転速度を大きくする必要がある。実用的には５万回転を越える回転数が必要であるが、ボールベアリングでは耐久性に問題がある。本発明の圧縮機を実用化するためには、軸受けとして動圧空気軸受けを使用することが必要である。また、圧縮機の圧縮比を０．１ＭＰａにて２以上とするには図６に示すように、回転数５万回転においてシャフト外周の溝部の周長が５０ｍｍ以上必要である。

本発明の圧縮機はシャフトの回転により気体を圧縮するから、気体の流れは連続的であり脈動がない。また、回転部材の重心を回転中心に容易に合わせることができるから振動が小さい。また、空気軸受けにより支持されており、機械的な隙間をオイルにより塞ぐ必要がないから完全オイルフリーである。また、運転時は完全非接触なので発塵が無い。

円筒状のスリーブとその内側に位置する棒状のシャフトからなり、シャフトを高速回転させ、その粘性によりシャフトの表面に引きずられて移動する気体を、シャフト或いはスリーブの表面に形成された螺旋状のリブと、対向するスリーブ内面或いはシャフト外面との間に形成された微少隙間により気体を誘導することにより、気体を圧縮する。

以下本発明の実施例について図面に従い説明する。図１は本発明の空気圧縮機の断面図である。図２はその外観図である。シャフト１は母材がアルミ合金であり、外周円筒面には溝部１−ａとリブ部１−ｂ形成されている。また、アルミ合金の表面には耐食性、並びに耐摩耗性を付与するため陽極酸化膜が形成されている。その厚みは０．００５〜０．０２０ｍｍ程度である。

シャフト１はスリーブ２の内側に位置し、シャフト１のリブ部１−ａと、スリーブ２の内径との隙間は０．００３〜０．０１１ｍｍとなっている。シャフト溝部１−ａとスリーブ２の内面との隙間はシャフト１のリブ部１−ａと、スリーブ２の内径との隙間よりも大きく、０．１ｍｍ以下である。スリーブ２は温度変化によるシャフト１とスリーブ２の隙間の変化を抑えるためにシャフト１と同じアルミ合金である。スリーブ２の内面には耐焼き付き性を向上させるためのＰＴＦＥを含有した熱硬化性の樹脂、例えばポリイミドがコーティングされている。その厚さは０．０１〜０．２ｍｍ程度である。樹脂はスリーブ２の内径精度を確保するためコーティング後切削或いは研削により高精度に加工されている。図４にシャフト１の表面のリブ部と溝部の形状の展開図を示す。

シャフト１はスリーブ２の内側で高速回転する。回転数は５００００ｒｐｍ〜２０００００ｒｐｍ程度である。吸気孔３から吸い込まれた気体はスパイラル状の溝に沿って自身の粘性に引きずられて移動し圧縮され、中央部で排気孔４より排出される。図５に回転部分の外観図を示す。

シャフト１の片端にはシャフトを軸方向に支持する永久磁石５−ａが固定されている。高速回転に対応するため瓦型をした磁石を２枚或いは３枚使用する。円筒形状であると遠心力による変形に耐えられずひび割れが発生するが、瓦型のマグネットは遠心力により割れることが無い。着磁方向はシャフト１の軸方向と同じである。着磁方向を軸方向とすることで対向する磁石５−ｂとの磁石同士に発生する軸と直交する方向の力を最小にすることができる。永久磁石５−ａに対向する永久磁石５−ｂは端板６に接着固定されている。磁石５−ｂも軸方向に着磁され、その着磁方向は５−ａと逆となっている。シャフト１は逆方向に着磁された磁石により軸方向に支持される。

シャフト１の図右端にはシャフトを回転駆動する永久磁石７がヨーク８の外周にセットされている。永久磁石７は瓦型４枚の構成でありラジアル方向に互い違いに着磁されている。永久磁石７はその外側に位置するいくつかのリング９により回転中分解しないように固定される。

永久磁石７の外側には珪素鋼板が積層されたコア１０が配置される。コア１０は６セットに分割されておりマグネットワイヤ１１が巻回されている。マグネットワイヤは直径φ１．０ｍｍ前後で３０ターン前後巻回されている。

端板６ならびに端版１２はスリーブ２の解放端にボルトにより固定される。端板６ならびに端板１２とスリーブ２との間にはガスケットが配置され空気の漏れを防いでいる。端版１２の内側にはプリント配線板１３がビスにより固定され、マグネットワイヤ１１がプリント配線板の孔に通され、半田付けされる。このプリント配線板により外気と圧縮機内の空気は遮断され、かつマグネットワイヤ１１に電力が供給される。端版１２の外側には給電ケーブル１４とマグネットワイヤ１１の端子台となる樹脂板１５が固定されている。樹脂板１５にはボルト、ナットがセットされ、マグネットワイヤ１１と給電ケーブル１４が接続される。その外側にはカバー１６が設置され、給電ケーブル１４とマグネットワイヤ１１の接続部を保護している。

また、プリント配線板１３にはホール素子１７がセットされ回転駆動用磁石７の極位置を検出し、コア１０に巻回されたマグネットワイヤ１１に流す電流を切り替える信号を発生させる。ホール素子１７の信号はコネクタ１８を経由しモータ外部の駆動回路に導かれる。

スリーブ２の外周には圧縮された気体を排出する空気バルブ１９と圧縮前の気体を吸入する空気バルブ２０がセットされる。

シャフト１端部には全周にわたるリブ部１−ｃが設けられている。リブ部１−ｃはリブ部１−ａとほぼ同じ外形寸法であり、このリブ部１−ｃとスリーブ２の微少隙間により空気室２１の空気を遮断し空気ダンパーを形成する。シャフト１とスリーブ２の間にはオリフィス板２２がボルトにより共締めされている。図３にオリフィス板２２を示す。オリフィス板２２は一部分が切り欠かれた形状をしており、オリフィスを形成する。このオリフィス板２２の切り欠き２２−ａは縦０．５ｍｍ、横０．１ｍｍ、長さ５ｍｍ程度である。この切り欠き２２−ａを空気が通過することによりシャフト１の運動エネルギーを奪い、シャフトが軸方向に振動することを防止する。

シャフトにはヘリングボーンタイプの動圧軸受け部１−ｄが両端に２カ所形成されている。空気軸受けは非接触にて高速回転の軸受けを支持することができる。

本発明の圧縮機は数気圧から数十気圧の気体の圧縮に適している。また、並列直列に連結することにより容易に容量、圧力を増加させることが可能である。

本実施例ではシャフト１，スリーブ２の材質はアルミ合金を用いたが、より強度の高いチタン合金を用いることによりより高速回転が可能となり高性能な圧縮機を提供できる。また、シャフト１の表面処理には陽極酸化処理を用いたが金属メッキを用いても良い。また、陽極酸化皮膜にフッ素樹脂等を含浸させ潤滑性を付加することによりスムースな起動停止特性を得ることもできる。スリーブ２の樹脂コーティングはポリイミドの他、ポリアミドイミド、エポキシ等の樹脂を用いても良い。ＰＴＦＥの含有が無くともＰＯＭ等で潤滑性を付与することも可能である。また、ラジアル方向の軸受けには動圧軸受けの代わりに、静圧軸受けを使用することも可能である。

本発明は空気圧縮の分野に利用可能である。なお、特徴としてオイルフリーの圧縮空気を提供できるため、特に医薬品分野、また、食品分野に高い利用可能性があると言える。具体的には二酸化炭素を圧縮し超臨界状態として各種物質の抽出に用いられることが考えられる。また、比較的小型に構成できることから研究用の用途に特に向いていると言える。

本発明の気体圧縮機の断面図 本気体圧縮機の外観図 本気体圧縮機の部品、シャフト１の外観図 本気体圧縮機の部品、オリフィス板２２の外観図 本気体圧縮機の部品、回転部分の外観図 本気体圧縮機の圧縮圧力特性

符号の説明

１ シャフト
１−ａ シャフトの溝部
１−ｂ シャフトのリブ部
１−ｃ シャフトの全周のリブ部
１−ｄ シャフトの動圧軸受け部
２ スリーブ
３ 吸気孔
４ 排気孔
５−ａ 永久磁石
５−ｂ 永久磁石
６ 端板
７ 永久磁石
８ ヨーク
９ リング
１０ コア
１１ マグネットワイヤ
１２ 端板
１３ プリント配線板
１４ 給電ケーブル
１５ 樹脂板
１６ カバー
１７ ホール素子
１８ コネクタ
１９ 空気バルブ
２０ 空気バルブ
２１ 空気室
２２ オリフィス板
２２−ａ オリフィス板の切り欠き

Claims (5)

1. 円筒状のスリーブとその内側に位置する棒状のシャフトからなり、シャフトを高速回転させ、その粘性によりシャフトの表面に引きずられて移動する気体を、シャフト或いはスリーブの表面に形成された螺旋状のリブと、対向するスリーブ内面或いはシャフト外面との間に形成された微少隙間により、気体を誘導し圧縮する気体圧縮機。
2. 請求項１の圧縮機において、シャフト或いはスリーブの表面に形成されたリブ部と、スリーブ内面或いはシャフト外面との隙間が０．００３ｍｍから０．０１１ｍｍであり、シャフト或いはスリーブの表面の溝部と、スリーブ内面或いはシャフト外面との隙間が、０．１ｍｍ以下であることを特徴とする気体圧縮機。
3. 請求項１の圧縮機において、回転シャフトは動圧空気軸受けによりラジアル方向を回転自在に支持されることを特徴とする気体圧縮機。
4. 請求項２の圧縮機において、シャフトの回転速度は５０，０００ｒｐｍ以上であることを特徴とする気体圧縮機。
5. 請求項４の圧縮機において、シャフト溝部の周長は５０ｍｍ以上であることを特徴とする気体圧縮機。

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