JP4051672B2 - 回転ブロワ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、回転ブロワの容積効率を増大させるためにアブレィダブル被膜(abradable coating)を有する改良された回転ブロワに関し、特に、回転ローブ型ポンプ、コンプレッサ、またはルーツ型回転ブロワ等、一般的に、自動車のスパーチャージャーとして使用されるブロワのアブレィダブル被膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明は、種々の形式のポンプ、ブロワ、及びスクリュコンプレッサ等のコンプレッサに使用することができるが、特に、ルーツ型ブロワに使用すると有益であるので、以下でこれらに関連して説明する。しかし、本発明は、このようなブロワに限定されるものではない。
【0003】
ルーツ型の回転ブロワは、一般的に、一組のかみ合ったローブロータを有しており、このローブロータは、直線のローブまたは螺旋ねじれを有するローブのいずれかを有しており、各ロータは、1つのシャフトに取り付けられ、各シャフトには、タイミングギアが取付けられている。
【0004】
回転ブロワ、特にローツ型ブロワは、内燃機関用のスーパーチャージャーとして使用され、通常かなり高速度で、1分間当たり10,000〜20,000回転の範囲で作動して、ブロワ内部でエアを圧縮することなく、大きな容積の、エアのような圧縮可能流体を移送する。
【0005】
互いにかみ合うロータにより、入口ポートから出口ポートにより高圧で大容積のエアを移送することが望ましい。温度膨張および/または負荷による曲げに対して補償するためのクリアランスを設けることは、ロータが、互いに接触せず、またはロータとハウジングが接触しないように、ロータ部品を回転させるために必要とする設計である。また、偶然の接触によって、ロータまたはハウジングのかじりが生じないように、エポキシ被膜をロータに施すことが行われてきた。このように設計されたクリアランスは、必要であっても、漏れが生じることにより、回転ブロワの効率を制限する。この漏れ路の形成は、回転ブロワの容積効率を低下させる。
【0006】
回転ブロワの容積効率を制限するこの設計されたクリアランスに加えて、製造許容公差が存在するので、更に、容積効率を制限する。製造許容公差を減少又はなくすことは、回転ブロワの性能及び効率を改善できるが、コストが上昇するので、必ずしも適切な方法とはいえない。
【0007】
ポンプ効率を高めかつ流体の漏れを減少させるために、ポンプ、コンプレッサ、又は回転ブロワの可動部品の1つまたはそれ以上に被膜を形成することが知られている。たとえば、米国特許第4,806,387号明細書および米国特許第4、806,388号明細書に記載されているようなフッ素共重合体等の被膜材料が用いられる。これらの柔軟性のある、熱可塑性タイプの被膜は、ある程度効率を改善できるが、なお回転ブロワの効率を制限する作動クリアランスが生じる。
【0008】
ポンプ効率を改善する別の方法は、アブレィダブル材料を有する被膜を用いることである。このアブレィダブル被膜は、制御された方法で、摩滅または侵食する材料である。アブレィダブル被膜は、一般的に、可動部品と固定部品との間で接触する部分に使用される。また、ある場合には、2つの可動部品間で使用される。部品を動かす時、アブレィダブル材料の一部分は、非常に狭い許容範囲で摩滅する。
【0009】
アブレィダブル被膜は、軸方向にガスが流れるガスタービンに特に利用されていることがわかる。このタービンのシュラウドの内面にアブレィダブル材料が被膜される。タービン羽根が回転するとき、熱の発生により羽根が膨張し、羽根の先端は、密着したシールを有する必要なクリアランスを与えるために、シュラウド上のアブレィダブル材料と接触し、磨耗する。
【0010】
米国特許第5,554,020号明細書および米国特許第5,638,600号明細書には、回転ブロワ、コンプレッサ、又は油圧ポンプのような流体ポンプにアブレィダブル被膜を適用する例が開示されている。このアブレィダブル被膜は、被膜の公称厚さが12.5〜25ミクロンの場合、700°F(371.1℃)までの温度で安定な、固体潤滑剤を含むポリマー樹脂基材からなる。
【0011】
このような被膜により回転ブロワの容積効率が改善されるが、なお、ロータに対して良好な接着性を有しかつ十分に潤滑されるアブレィダブル被膜を有する改良型回転ブロワを必要としている。アブレィダブル被膜は、ロータに対して良好な接着性を有しかつ十分な潤滑が得られるようにするとともに、さらに、自動車に関連する溶媒に対して化学的な抵抗力を備えるようにすべきである。アブレィダブル被膜の潤滑特性は、流体の大容積を移送しながら最小の熱の発生を伴う被膜された表面間のスライド動きを許容する。
【0012】
アブレィダブル被膜は、十分に柔らかいので、被膜が磨耗する場合にほとんどノイズを発生しない。アブレィダブル被膜は、ロータに対して湿式または乾式のいずれか形式を用いることが望ましい。このアブレィダブル被膜は、作動中のクリアランスによる漏れを最小化することにより、かみ合ったローブの回転ブロワの容積効率を十分に増加するようにすべきである。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑みて、本発明の目的は、回転ブロワの容積効率を増大させるために、アブレィダブル被膜を有する改良型の回転ブロワを提供することである。
【0014】
他の目的は、ロータに対して接着性を有し、かつ十分な潤滑性能を備えた所定の最大硬さを有する回転ブロワのローブロータ用の改良されたアブレィダブル被膜を提供することである。また、本発明の別の目的は、漏れを最小にするほぼゼロのクリアランスを形成するために、各ロータのローブにアブレィダブル被膜を設けて回転ブロワの容積効率を増大することである。更に、本発明の別の目的は、十分な潤滑性能を有するアブレィダブル被膜を提供して、エアの大容積を移送するとき、熱の発生を最小にして被膜されたロータ間にスライド動きを可能にすることである。
【0015】
更に、他の目的は、回転ブロワにアブレィダブル被膜を適用して、すりあわせ期間後の被膜磨耗を最小になるように十分に柔らかく、かつ接触ノイズを発生しないようにすることである。さらに、本発明の目的は、、ルーツ型回転ブロワを低コストでかつ経済的な方法で製造できる改良されたアブレィダブル被膜の使用を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有する。本発明は、一対のかみ合ったローブロータを有する回転ブロワにおいて、
ローブロータの少なくとも1つの一部分にアブレィダブル被膜を含み、前記回転ブロワの容積効率を増大するために前記ロータ間のクリアランスがほぼゼロで作動するようにアブレィダブル被膜を形成し、前記アブレィダブル被膜は、被膜基材と固体潤滑剤との混合物であり、かつ鉛筆硬度試験で約2Hの最大硬さを有し、さらに、前記被膜基材は、約0.5 lb/gal(59.9kg/m3) に等しいかまたはそれ以下の揮発性有機化合物(VOC)を有し、かつ前記アブレィダブル被膜は、約400°Fまでの温度安定性を有することを特徴としている。
【0017】
この最大硬さは、ロータに対する良好な接着性を与える硬さと、ロータ間にスライド動きを可能にする潤滑性との間に良好なバランスを達成する。好ましくは、被膜基材は、グラファイトを混合して形成された粉末状のエポキシポリマー樹脂である。初期のすり合わせ前のアブレィダブル被膜の厚さは、約80〜約130ミクロンであり、好ましくは約100ミクロンである。
【0018】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、以下で説明する本発明は、これらの図面により制限されるものではないが、最初に図1において、参照符号11で示す回転ポンプまたはルーツ型ブロワ11が例示されている。この回転ブロワ11は、図示されかつ詳細に説明され、米国特許第4,828,467号、第5,118,268号、第5,320,508号等の特許明細書を参照することにより良く理解できる。これらの特許は、本発明の譲受人に譲渡されかつここで、参考文献として包含される。
【0019】
従来技術でよく知られているように、回転ブロワは、一般的に入口ポート開口から出口ポート開口へ空気などの圧縮性の流体を、出口ポート開口の高圧空気に触れる前に空気の移動容積を圧縮させることなく送り出す、すなわち移送させるために使用される。この回転ブロワ11は、主ハウジング部材15と、支持プレート部材17と、駆動部ハウジング部材19とを含むハウジングアセンブリ13を有している。これらの3つの部材は複数のねじ21によって接合されている。
【0020】
図2において、主ハウジング部材15は、横方向に重なり合った円筒室27,29を形成する円筒形壁面23、25を形成した一体部材である。室27,29は、ロータ軸のサブアセンブリ31,33が設けられ、これらのアセンブリは、室27,29の各軸線に一致した軸回りに対向する方向に回転するように取り付けられている。2つの回転軸のサブアセンブリ31,33は、ほぼ同一である。この分野で知られているように、サブアセンブリ31は、図示された矢印の方向にシャフト37と共に回転するロータ35を含んでいる。同様に、サブアセンブリ33は、矢印の方向にシャフト41と共転するロータ39を含んでいる。
【0021】
シャフト41は、入力軸であり、公知のように回転ブロワ11を作動させるために、駆動部ハウジング部材19内に配置されている。サブアセンブリ31は、図2において矢印で図示したように反時計方向の螺旋ねじれを有する。また、サブアセンブリ33は、図2において矢印で図示したように時計方向の螺旋ねじれを有する。本発明に従うアブレィダブル被膜を使用することを説明するために、サブアセンブリ31、33は、同一であることを考慮して、以下でアブレィダブル被膜の使用に関して一方のみについて説明する。
【0022】
図3には、ロータ39の断面図が示されている。このロータ39の構造及び製造は、以下で、上記米国特許第5,320,508号明細書よりも詳細に説明する。ロータ39は、3つの分離したローブ43,45,47を含み、これらは一緒に結合し、好ましくは一体に形成され、略円筒形状の円筒ウエブ部分49を形成する。シャフト41は、中央孔部分51内に配置されている。本発明は、中実ロータ、及び中空ロータの両方に対して利用できるけれども、各ローブ43,45,47は、それぞれ内部に中空室53,55,57を形成している。
【0023】
本発明に従う構成をより容易にかつ明確にするために、真直ぐなローブとしてロータ39が螺旋形ローブまたは真直ぐなローブのいずれも利用可能であることを理解すべきである。
【0024】
図4において、好ましくは、ロータ39’の外表面全体を覆うアブレィダブル被膜が示されている。被膜61は、被膜材料基材と固体潤滑剤の混合物からなり、被膜材料基材は、以下で詳細に説明する粉末状(ここでは、粉末塗装材料として言及されている。)のエポキシポリマー樹脂が望ましい。適切な固体潤滑剤は、次の限材料に限定するものではないが、グラファイト、CaF2、MgF2、MoS2、BaF2、およびBNを含んでいる。この被膜混合物は、硬化処理され、好ましくは、ロータの表面温度が、約375°Fに熱せられる。アブレィダブル被膜は、約−40℃〜約200℃の範囲の温度に適合する。または、このアブレィダブル被膜は、400°F(204.4℃)までの温度安定性を有する。この被膜61の組成は、以下で詳細に説明する。少なくとも容積効率を上げるために必要なことは、アブレィダブル被膜61で覆うことであり、たとえば、各ローブ43,45、47の、歯末のたけの周りの一方の歯元径(r1)から歯元径(r2)までの領域を覆うべきである。更に、好ましくは、両方のロータは、その外表面全体を覆うアブレィダブル被膜61を有している。
【0025】
図2に示す通常のアブレィダブル被膜を備えていない回転ブロワは、作動クリアランスは、ロータ間が約6〜約10ミル(mils)であり、ロータとハウジング間が約3〜約5ミルの範囲に設計されている(25ミクロンがほぼ1ミルに等しい。)。
本発明に従う被膜は、約80ミクロン(μm)〜約130ミクロン(μm)の範囲に制御された厚さであり、好ましくは約100ミクロン(μm)の厚さを有している。
被覆されたロータは、ロータ間で約0〜約7ミルの範囲にある製造許容公差によるクリアランスを有することが可能である。
【0026】
好ましくは、ロータ上のアブレィダブル被膜材料の厚さは、ロータとハウジング間にわずかな締まりばめを形成することである。組み立て工程中、回転ブロワは、短いすり合わせ期間の間に組み立てライン上で操作される。ここで使用する「すり合わせ」ということは、作動サイクルに関係しており、作動サイクルは、回転ブロワが約2,000〜約16,000rpmで回転し、最低約2分間持続する。そして、回転速度が減退し元に戻る。
【0027】
もちろん、すり合わせ期間は、ほぼゼロのクリアランスで被膜を磨耗させる作動サイクルを含むが、それに制限されるものではない。「ほぼゼロのクリアランス」は、回転ブロワが最少の漏れを有する回転ブロワの容積効率を増大する、最大作動クリアランスを含むが、それに制限されるものではない。すり合わせ期間は、アブレィダブル被膜がほぼゼロの作動クリアランスで磨耗することを可能にする。製造許容公差が好ましいわずかな締まりばめを与えない場所では、すり合わせ期間、及びこれに続く作業は、温度膨張等の他の要因により被膜材料をかなり磨耗させ、回転ブロワのほぼゼロ作動クリアランスを作り出す。すり合わせ期間の後で、被膜61は、ロータ間で約3〜約7ミル(mils)であり、ロータとハウジング間で約1.5〜約2ミルの範囲の作動クリアランスに磨耗することが望ましい。
【0028】
図5において見られるように、アブレィダブル被膜61は、円筒壁表面23’及び25’(破線で示す)上に選択的に形成することができる。このアブレィダブル被膜は、静電気またはエアを噴霧するスプレー処理を用いて付着させることができるが、液体スプレー、浸漬塗装、またはローリング処理等の液体プロセスを適用することもできる。
【0029】
たとえ、スプレー被膜処理を車両に適用して、改良した厚さの均一性、及び静電粉末被覆処理による反復性を得ることができたとしても、環境上の関心事は、揮発性有機化合物である。この揮発性有機化合物の内容物は、0.5lbs/gallon((59.9kg/m3)以下であることが望ましい。ロータまたは円筒壁面上の被膜の接着性は、機械加工、研磨、グリットブラスト(grit blasting)等、あるいはエッチング、脱脂等の表面処理のための他の化学的手段、溶媒洗浄、あるいはアルカリまたはリン酸塩による洗浄等の化学的処理によって基板の表面を前もって改良することができる。これらの処理の全ては、被膜処理技術において良く知られている。
【0030】
本発明の被膜は、接触領域を剥がすことなく、その構造を維持するために好ましく、アルミニウム又は他の軽金属に対する良い接着性を有している。また、アブレィダブル被膜材料は、すり合わせ期間後にエンジン内にいかなる粒子が侵入しようとも、触媒コンバータあるいは熱排気ガス用の酸素センサ(HEGO)に対して害を与えない。このように、被膜粒子は可燃性であることが必要とされる。更に、アブレィダブル被膜は、ガソリン、オイル、水、アルコール、排気ガス、さらにウイリアム エフ. ニー会社(william F. Nye,Inc.)の登録商標Nye #605の合成潤滑オイルまたは他の自動車用溶媒等にも適合性を有しなければならない。
【0031】
本発明の好ましいアブレィダブル被膜材料を用いるブロワの開発において、種々の被膜材料が調査された。図8は、これらの被膜材料のいくつかの結果を示す図表1である。
【0032】
この図表1における結果は、アブレィダブル被膜を作り出すために、種々の材料が使用できることを示している。たとえば、ウレタンは、磨耗性および潤滑性に対してグラファイトまたはワックス状のフルオロポリマー添加物に対してよく作用する。
【0033】
被膜基材としてウレタンは、フレダ社(Freda Inc.)から市販されている。水ベースの2つの異なる形式、即ち、一液型ウレタンまたは二液型ウレタンのウレタンシステムが被膜基材として試験された。多価アルコールを含むウレタン樹脂は、イソシアン酸塩が多価アルコールと反応するとき、架橋重合体構造となる。多価アルコールは、ポリアクリレート、カルボキシル、ポリエステル、または反応性ヒドロキシル(OH)を有する他のモノマーとすることができる。この架橋重合反応は、室温で起こり、約150°Fの温度範囲に加熱することによって反応が加速される。約190°F以上の加熱により被膜の膨張を導くので、避けなければならない。ウレタンは一度硬化されると、約350°Fまたはそれ以上の温度まで寸法的にかつ化学的に安定である。
【0034】
一液型ウレタンは、基本的に水ベース系であり、ポリカーボネイト及び付加的に5〜10%のポリウレタンを有する。二液型ウレタンは、基本的に多価アルコールポリエステルおよび充填剤を有する水ベース系である。この二液型ウレタン系は、より接着性、柔軟性、および一液型ウレタンと比較して化学的な抵抗力を有する。
【0035】
シリコンベースの産業用被膜もまた、商業的に利用することができるが、シリコンベースのオイルが、HEGOセンサを傷つけるという問題がある。これらの比較的柔らかいベース材料は、スプレー後、迅速に硬化し、室温で加硫したゴム(RTV)と類似している。シリコンベースの被膜は、充填剤を添加して磨耗性と潤滑性を高めており、良好な化学的抵抗力と共に、優れた温度耐候性(<約500°F)を有する。すり合わせ期間後に残るいかなる磨耗材料が、燃焼室内に入ると、シリカ(SiO2)等の物質の中で燃える。
【0036】
図8の図表1に示す被膜基材材料が、本発明に従って使用される磨耗性粉末被膜である被膜基材の別の実施形態である一方で、図9の図表2は、いくつかの好ましい被膜基材材料と、その特性を示している。
【0037】
シリコン共重合体のベース被膜基材は、ダンプニー社(Dampney compny Inc.)から商業的に販売されており、また、シリコン重合体の被膜基材は、エルパコ コーティング社(Elpaco Coating Corp)から商業的に販売されている。水ベースの樹脂結合された潤滑被膜は、エイケソン コロイズ社(Acheson Colloids Company)から市販されている。水性ソリッドフィルム潤滑剤+MoS2は、サンズストーム プロダクツ社(Sandstrom Products Campany)から商業的に販売されている。
【0038】
これらの材料の中で、最も好ましい被膜基材は、エポキシ粉末ペイント材料として一般的な粉末状のエポキシ−ポリマー樹脂基材である。最適な被膜材料は、ミシガン州のウォターフォードフロー コーティングLLCから商業的に販売されている型レオグ番号♯APC−2000が役立つ。この好ましいコーティング材料は、約30ミクロンの中間粒子サイズを有する。硬化処理中、粒子は、一緒に連結され、より磨耗がしやすい粗いスポンジ状の層を形成する。粒子サイズが、硬化ステップ中に約10ミクロン以下になると、この粉末状被膜基材は、液体に変わり、被膜が連続シートを形成させるように流れ出る。この被膜の形式は、なお、使用することができるが、最適ではない。
【0039】
前に述べたように、被膜材料のキーとなる成分の1つは、固定潤滑剤である。この固定潤滑剤は、潤滑特性を備えた充填剤として機能する。被膜基材に大量のグラファイトを加えることにより、潤滑作用を与える。しかし、加えられたグラファイトの量は、また硬さが低い被膜にグラファイトを添加することにより硬さがより硬くなる。より柔らかい被膜は、接触した時に起こるノイズを低下させるが、あまりグラファイトの量が多くなると、接着に影響を与え高速度回転中、積層剥離が生じる。その結果、良好な接着性と適当な硬さを達成するバランスが必要となる。グラファイトの量は、磨耗性、接着性(粘着性)、及び磨耗可能な被膜の剥離抵抗を制御する。
【0040】
本発明のために、硬さは、鉛筆硬度と呼ばれる米国材料試験協会ASTM D−3363に従って測定される。ここで使用される「鉛筆硬度」は、塗装または被覆された表面を傷つける最も硬い鉛筆の等級で定義された表面硬さを意味するものであって制限するものではない。本発明に従うアブレィダブル被膜は、ほぼ2Hの最大硬さを有する。最小硬さは、約2Bである。
【0041】
有利なことに、アブレィダブル被膜は、図6、図7に示すような回転ブロワの容積効率をかなり増加することが可能である。図6は、アブレィダブル被膜がない通常の従来型回転ブロワと、アブレィダブル被膜を有する改良型回転ブロワとを比較する、回転数(rpm)対百分率容積効率のグラフである。約4000rpmの低い速度で、容積効率が約15%増加する。図7に示す0.69バールのより高い圧力では、容積効率がより大きくなり、約30%の増加が得られる。
【0042】
以上、本発明の実施形態に関して記載してきたが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、種々の変更及び修正を含み、添付された特許請求の範囲またはその技術的思想から逸脱しない上述の記載を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明で使用される形式のルーツ型回転ブロワの側面図である。
【図2】図2は、図1の2−2線に沿って見た横断面図である。
【図3】図3は、ルーツ型ブロワに使用されるロータの1つを示す横断面図である。
【図4】図4は、ロータが直線ローブに描かれた本発明に従うアブレィダブル被膜を示す図3と同様の横断面図である。
【図5】図5は、本発明に従う改良したアブレィダブル被膜を有する図2と同様の横断面図である。
【図6】図6は、通常の回転ブロワと本発明に従う改良した回転ブロワとの圧力0.35バール(5psi)における性能曲線を示すグラフである。
【図7】図7は、圧力0.69バール(10psi)における図6と同様の性能曲線を示すグラフである。
【図8】図8は、被膜材料の特性を示す図表1である。
【図9】図9は、被膜材料の特性を示す図表2である。
【符号の説明】
11 回転ブロワ
13 ハウジングアセンブリ
15 主ハウジングアセンブリ
17 支持プレート
19 駆動部ハウジング部材
23,25 円筒形壁面
27,29 円筒室
31,33 サブアセンブリ
35,39 ロータ
37,41 シャフト
43,45,47 ローブ
49 円筒ウエブ部分
53,55,57 中空室
61 アブレィダブル被膜
Claims (9)
- 一対のかみ合ったローブロータを有する回転ブロワにおいて、
前記ローブロータの少なくとも1つの一部分にアブレィダブル被膜を含み、前記回転ブロワの容積効率を増大するために前記ロータ間のクリアランスがほぼゼロで作動するように前記アブレィダブル被膜を形成し、前記アブレィダブル被膜は、被膜基材と固体潤滑剤との混合物であり、かつ鉛筆硬度試験で約2Hの最大硬さを有し、
さらに、前記被膜基材は、約0.5 lb/gal(59.9kg/m3) に等しいかまたはそれ以下の揮発性有機化合物(VOC)を有し、かつ前記アブレィダブル被膜は、約400°Fまでの温度安定性を有することを特徴とする回転ブロワ。 - 前記アブレィダブル被膜は、鉛筆硬度試験で約4Bの最小硬さを有することを特徴とする請求項1記載の回転ブロワ。
- 前記アブレィダブル被膜は、約80ミクロンから約130ミクロンの範囲の厚さであることを特徴とする請求項1記載の回転ブロワ。
- 前記アブレィダブル被膜は、約100ミクロンの厚さであることを特徴とする請求項3記載の回転ブロワ。
- 前記アブレィダブル被膜の被膜材料は、エポキシ粉末からなることを特徴とする請求項1記載の回転ブロワ。
- 前記固体潤滑剤は、グラファイトからなることを特徴とする請求項5記載の回転ブロワ。
- 前記被膜基材は、エポキシ、ウレタン、シリコン重合体、及びシリコン共重合体からなるグループから選択された部材であることを特徴とする請求項1記載の回転ブロワ。
- 前記アブレィダブル被膜は、鉛筆硬度試験で約2Bの硬さを有することを特徴とする請求項1記載の回転ブロワ。
- 前記アブレィダブル被膜は、鉛筆硬度試験で約Bの硬さを有することを特徴とする請求項1記載の回転ブロワ。
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