JP3763843B2 - 回転単羽根ガスコンプレッサ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、ステータボアに関するベーン（羽根）の半径方向運動を制御して、ベーン延長部の半径とステータボアとの共働によるベーン先端部とステータボアとの間の非接触シールを達成する案内（ガイド）型のロータリー摺動ベーン機械の専門分野に関する。本発明を理解するのに必要なら、関連技術情報及び技術原理を開示した本出願人に係る米国特許第５，０８７，１８３号及び同第５，１６０，２５２号各明細書を参照されたい。
更に、オーストラリア特許第ＡＵ−Ｂ−５９１，０６５号明細書には、回転摺動ベーン型式の流体ポンプが開示され、この流体ポンプは、周辺ハウジング壁及び対向するハウジング端壁により画定されたハウジング内の実質上円筒状の室内で偏心的に支承されたメインシャフトと、ハウジングの円筒状室内でメインシャフトに装着状態で取り付けられた実質上円形のピストンであって、ピストンの外周を越えて延びるようにピストンに摺動自在に装着された少なくとも１つの半径方向ベーンを有するピストンと、ハウジング端壁の対向する各面の円筒状くぼみ内で静止のスタブ軸に回転自在に装着され、円筒状室と同軸になったベーン制御手段と、メインシャフトの回転中ピストンの周辺部がシール手段と接触しその接触を維持するように周辺ハウジング壁に装着された調整可能なシール手段とから成り、半径方向のベーンの半径方向端部が、メインシャフトの回転中、円筒状室及びピストン周辺部により形成された三日月形の室の内表面に接触してその接触を維持し、もって、メインシャフト、ピストン及び半径方向ベーンの回転により、ベーン制御手段を回転させ、三日月形の室内で、周辺ハウジング壁における調整可能なシール手段の両側に、ピストン周辺部から延びるベーンの一部により可変容量作業室を形成し、入口ポート手段を備えた一方の可変容量作業室が流体吸引作用を行い、出口ポート手段を備えた他方の可変容量作業室が流体排出作用を行う。前記オーストラリア特許第ＡＵ−Ｂ−５９１，０６５号明細書のベーン制御手段は一対の環状制御リングから成り、これらのリングは一対又は多数のスペーサシャフトにより離間した状態で保持され、共通軸線を有する一対の静止のスタブ軸に回転自在に装着され、各静止のスタブ軸はピストンの各側部でピストンとは偏心的に位置し、メインシャフトは適当なクリアランスを伴って各静止のスタブ軸のボアを通って延び、スペーサシャフトの少なくとも１つは対応する半径方向のベーンの半径方向内端部のボアを通って延びて、ピストン周辺部に対する半径方向ベーンの半径方向外端部の伸縮を制御し、他方のスペーサシャフトはピストンの適当な開口手段を通って延び、ベーン制御手段がピストンに追従して一緒に回転するのを許容する。
発明の背景
従来の基本的な摺動ロータリーベーン機械は、その構造が著しく簡単な点で、他のすべての流体容積形機械とは実際上区別される。しかし、前記米国特許の出現の前までは、従来の機械の特徴は作動効率が比較的低いことであった。周知のように、エネルギ効率低下の原因は機械的な摩擦及びガス動力機械における摩擦である。
前記米国特許明細書に開示された原理及びユニークな概念の応用は優れた結果をもたらすことが判明した。しかし、この概念を極めて小径のコンプレッサ装置に適用することは困難である。本発明は制限無しで小さな寸法の機械に特に適用できるユニークな概念を提供する。
発明の概要
本発明の特徴とするところは、単一の回転ベーンのみを使用することである。単羽根式のベーン機械は特殊なものである。その理由は、前記米国特許明細書に開示された如き多重ベーンとは異なり、単ベーンの半径方向の非接触位置を制御するために普通の二重レース式のころ軸受を使用できるからである。前記米国特許明細書に開示された多重ベーンにおいては、ベーンの半径方向速度及び接線方向速度は常に相対的に変化し、従って、他のベーンとは独立に各ベーンの速度を変化させることのできる特殊なセグメント化した軸受を使用する必要がある。本発明のユニークな概念の特徴の一部は、回転するロータ及びベーンが力学的に平衡するような付加的な手段を設けたことである。このユニークな概念を利用したコンプレッサは従来の装置に比べて著しく簡単な構造となる。更に、機械的な摩擦が少なく、ガスシール性に優れ、従って、エネルギ効率が高い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ロータ、その摺動単ベーン、ステータハウジング及び内部ボアを示すために一方の端プレートを省略して示した本発明の装置の立面図、
第２図は第１図の装置の部分断面側立面図、
第３図はロータの端面図、
第４図はベーンと一緒に組み立てられる一対の耐摩性の半径方向のベーンガイドの１つを示す図、
第５ａ図は内側レースと外側レースとから成る軸受の断面図、第５ｂ図は第５ａ図の軸受と一緒に組み立てられる特殊インサートを示す図、第５ｃ図は軸受とインサートとの組立体を示す図、
第６図は修正したベーンを取り付けた修正したベーンガイド組立体の端面図である。
詳細な説明
図面は単ベーン（羽根）式の流体容積形装置を示し、この装置は完全円筒状の貫通ボア１２を備えたステータハウジング１０から成り、ボア１２は所定の直径と、所定の長手軸線１２′とを有する。また、ボア１２は所定の長手方向長さ１２Ｌと、長手軸線１２′のまわりで同心的に湾曲した実質上連続する内表面１２Ｓとを有する。
ボア１２の両端を閉じる手段が設けてある。図に示す好ましい実施例では、第１及び第２のステータ端プレート手段１３、１５を円形ボアの各端部に設け、ハウジング内に空間を画定し、この空間を閉じる。
ロータ１４を担持するロータシャフト２６はボア１２内でこれに対して偏心的に位置し、端プレート手段１３、１５における軸受２８、２８Ａにより支持され、ロータシャフト軸２６′のまわりで回転できる。このロータシャフト軸は長手軸線１２′に対して所定距離だけ離れて平行に位置している。長手軸線１２′とロータシャフト軸２６′との間の間隔即ち距離は第１図に明示するが、この距離はステータハウジング１０の内表面１２Ｓに対するロータ１４の偏心度である。従って、第１図に示すように、ロータ１４は、これをシャフト２６に装着したときに、ロータの頂部がボアの内表面１２Ｓにほぼ接触（符号４０にて示す）するように選択された直径を有する。上述の関係を画定する別の方法は、（互いに平行な）両方の軸線１２′、２６′を含む平面１７について考察することである。このように決定した平面１７は第１図の紙面に垂直であり、図示のように、軸線１２′、２６′を含む。従って、平面１７は第１図に符号４０にて示したロータ１４の周辺の接触点を通る。
第５ａ図、第５ｂ図及び第５ｃ図には、耐摩性の半径方向のベーンガイド組立体２１が示してある。この組立体は普通の耐摩性軸受１９を備え、この軸受は外側レース１９−Ｏと、内側レース１９−Ｉと、これらの間に位置した複数個の素子１９−Ｒとを有する。耐摩性の素子１９−Ｒは（図示のような）球体でもローラ（ころ）でも当業者に既知の他の構成素子でもよい。軸受１９は外径１９−ＯＤ及び内径１９−ＩＤを有する。特殊なインサート２０を軸受１９内に設ける。詳細には、第５ｂ図に示すインサート２０は外径２０′を有する主本体部分から成り、この外径は、第５ｃ図に明示するように、素子２０が軸受１９の内側レース内に嵌入できるように選定されている。更に、部材２０は、円周方向の表面２０′を越えて延びる半径方向に延びたフランジ２０″を備え、第５ｃ図に示すように、軸受１９を当接させる肩部を画定する。
特殊なインサート２０は更に、第５図に示すように、軸２２（第１、２図）を収容するための長手方向の貫通ボア２０″′を有する。
第４図はベーンガイド組立体２１と、これに取り付けたベーン１８の断面図で、ベーン１８は軸２２に回転自在に装着されている。代わりに、軸２２をベーン１８に関して固定し、ボア２０″′内に回転自在に収容してもよい。第２図を参照すると、軸２２は長手軸線１２′と同心的に端プレート１３内に位置した部材２０により支持され、軸の他端は端プレート１５内の対応する部材２０ａにより支持される。
第４図を参照すると、部材２０は長手軸線１２′のまわりで非対称的となっている。詳細には、釣合せ部分即ち重り２４がボア２０″′（即ち、軸２２との連結地点）に直径方向で対向する位置に設けてある。
第３図はロータ１４の端面図である。ロータシャフト２６はロータの適当な中央ボア１４″内に嵌合し、キー２６″′の如き適当な手段を設けて、ロータをシャフト２６と一緒に回転させるようにする。シャフトは外部の手段（図示せず）により回転するようになっている。
また、第３図に示すロータの溝穴１６は軸線２６′から半径方向に延び、所定の溝穴幅（即ち、溝穴の２つの側部１６′、１６″間の直線距離）を有し、ロータの外周１４′で終端している。溝穴１６はロータ１４の長手方向全長にわたって（即ち、軸方向一端から他端まで）延びる。
ロータ１４は釣合せ開口４２を有し、この開口は、好ましくは、軸方向一端から他端までロータの長手方向全長にわたって延びる。図示のように、開口４２は湾曲形状を呈し、その有効モーメント中心は溝穴１６の有効軸即ち中心軸に対して正確に直径方向で対向している。当業者なら分かるように、開口４２は、ロータ、ベーン１８、２つのベーンガイド組立体及び軸２２から成る回転組立体に対する力学的な平衡を提供する機能を補助する。
第１、４図に示すベーン１８は実質上矩形の横断面を有し、第２図に示すように、ボアの長手方向長さに実質上等しい長手方向長さを有する。図示のように、ベーンは部材２０、２０ａに担持された軸２２に枢着されている。ベーンの先端半径は第１、４図に符号１８ａにて示す。ベーン１８の湾曲幅は、ベーンがロータの溝穴１６内で自由に前後へ摺動できるように、選定されている。
更に、先端半径はステータのボアの所定の直径及び長手軸線１２′からの軸２２の軸線までの距離に関連して選定される。ベーンの先端半径即ち先端面１８ａとボアの内表面１２Ｓとの間の極めて有効なクリアランスは０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）ないし０．１０１６ｍｍ（０．００４インチ）の範囲であることが判明した。このクリアランスは、装置の製造費を比較的安価に保った状態で、優れた作動結果を与える。
（第１図の平面１７の右側で）ケーシング即ちハウジング１０に装着されたガス入口手段３０はボア１２からハウジング内へ延びたガス吸入マニホルド３２に接続される。ロータがロータ軸線２６′のまわりで（第１図の右まわりに）回転したとき、吸引ガスが入口ポート３０から装置内へ進入する。次いで、ガスは吸入マニホルド領域３２内へ流入し、このマニホルド領域の後縁３２ａを通って、ベーン１８の背後の膨張吸入容積キャビティ３４内へ流入する。
回転するベーン１８の前方のガス容積（符号３６にて示す）の寸法はロータベーン組立体が回転し続けるにつれて減少することが分かる。圧縮する容積３６内の圧力が圧縮ガスを放出すべき領域内の圧力を僅かに越えると、ガスは第１図の平面１７の左側にある出口ポートマニホルド領域３８を通ってコンプレッサから流出し、出口ポートマニホルド領域３８から、出口ポート５０（第２図）を有するカップ状の端ベル（エンドベル）Ｃ内に形成したサンプＺへ流入する。存在するガスが比較的大きな容積のサンプ領域Ｚ内へ流入すると、ガスは迅速に減速する。従って、ガス流に随伴される液体潤滑剤は塊になる傾向を有し、重力によりサンプＺの底部Ｗへ落下する。塊になった潤滑剤は記号Ｙにて示すが、もちろん、サンプＺ内の高圧を受ける。液体導管手段６１の入口手段６０は潤滑剤Ｙ内に浸され、導管手段はその上端６１′又はその近傍で潤滑ボア６３に接続し、このボアは、第２図に示すように、シャフト２６の中央に位置し、シャフトの一部を通って長手方向に延びる。半径方向に延びたボア６５はボア６３をシャフトの外周に接続し、そこからロータ１４内の適当な導管６７（第３図）に接続し、溝穴１６内へ潤滑剤を流入させて、溝穴内でのベーン１８の半径方向摺動に対して潤滑作用を与える。また、潤滑剤はコンプレッサの他の部分（例えば、ロータシャフトの軸受２８、２８ａ）へも供給される。
ロータ／ステータシール領域４０におけるロータの外径と所定のステータボアとを極めて近接させることにより、高圧容積領域３６から吸引領域３４への漏洩ガス流がロータ／ステータシール領域４０を通る可能性を最少化する。
第６図は２つの点で組立体２１とは異なる修正したベーンガイド組立体１２１を示す。詳細には、部材１２０は耐摩性軸受の内側レースとしての機能を果たす。別の異なる点は、長手方向に延びるボア即ち空所１１８″をベーン１１８′に設けて組立体の力学的平衡を容易にしたことである。
本発明は現在好ましいと思われる上述の実施例以外の方法で具体化でき、実施例に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形、修正が可能である。

Claims (4)

1. 単羽根式の容積形装置において、
   （ａ）所定の直径と、所定の長手軸線及び長さと、前記長手軸線のまわりで同心的に湾曲し全体として連続する内表面とを有する完全円筒状の貫通ボアを備えるステータハウジングと、
   （ｂ）前記円筒状ボアの各端部で前記ステータハウジングに取り付けられ、該ステータハウジング内に閉じた空間を画成する第１及び第２のステータ端プレート手段と、
   （ｃ）前記ボア内に偏心して位置し且つ前記ステータ端プレート手段内の軸受手段により支持され、前記長手軸線に平行に且つ該長手軸線から所定距離離間して延在するロータシャフト軸線のまわりで回転するロータシャフトと、
   （ｄ）前記ボア内に位置すると共に前記ロータシャフトに装着且つ連結されて該ロータシャフトと一体的に回転する円筒状のロータであって、（ｉ）２つの軸方向端部と、（ｉｉ）前記ボアの長手方向の長さと実質上同じ長さの長手方向長さと、（ｉｉｉ）所定の溝穴幅を有し、該ロータの径方向にそって該ロータの外周まで延在すると共に前記２つの軸方向端部間を長手方向に延伸する溝穴とを備えるロータと、
   （ｅ）所定の直径を有する外側レースと、該外側レース内に同心的且つ回転自在に装着された内側レースとを有すると共に、回転軸線が前記長手軸線と同心的となるように前記第１及び第２のステータ端プレート手段に装着された第１及び第２の耐摩性の半径方向のベーンガイド組立体と、
   （ｆ）前記第１及び第２のベーンガイド組立体の前記内側レースに連結された軸と、
   （ｇ）全体として矩形で且つ長手方向の長さが前記ロータの前記長手方向長さと実質上同じで、前記ロータの溝穴内に摺動自在に嵌入できる厚さを有するベーンであって、前記軸に回転自在に装着されると共に、外先端表面が前記ボアの内表面と非接触状態を保つ一方、シール関係を維持するように前記ロータの前記溝穴内に配置されたベーンと、
   （ｈ）前記ステータハウジングに装着されたガス入口手段及びガス出口手段と、
   （ｉ）前記ボアから前記ステータハウジング内に凹形状をなすように形成されると共に前記ガス入口手段に接続された吸入マニホルドと、
   （ｊ）前記ボアから前記ステータハウジング内に凹形状をなすように形成されると共に前記ガス出口手段に接続され、前記ロータシャフト軸線及び前記長手軸線により画定される平面に関して前記吸入マニホルドとは反対側に位置する出口マニホルドと、
   （ｋ）前記ロータを回転させる手段と、を具備することを特徴とする単羽根式の容積形装置。
2. 前記ベーンは、その長手方向に延伸する空所を有し、該空所はポンプ機能を損なうことなく該ベーンの質量を減少させる請求項１に記載の単羽根式の容積形装置。
3. 前記第１及び第２のベーンガイド組立体の前記内側レースは力学的な平衡手段を有する請求項１又は２に記載の単羽根式の容積形装置。
4. 前記内側レースと前記外側レースの間に耐摩性の素子が配設された請求項１〜３の何れかに記載の単羽根式の容積形装置。

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