JP4121247B2 - 無潤滑ねじロータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明はねじロータ機械に関し、好ましくは、主要請求の範囲の前文によるねじロータコンプレッサに関するものである。
【０００２】
ねじロータ機械は、主にガス、通常空気を圧縮し、及び圧縮ガスの膨張の程度をより少なくするコンプレッサとして使用される。
【０００３】
米国特許明細書第3,975,123号は、ねじロータが水で潤滑、冷却かつシールされるスクリューコンプレッサを教示している。ロータトラニオンが通常の方法により、オイルで潤滑される軸受に取付けられる。
【０００４】
この構造に伴う欠点は、油潤滑部分と無潤滑部分との間の軸線方向のシールが、無潤滑部分が破裂し得、または他の方法では無潤滑部分に漏れが生じ得ることがあることである。この性質によりオイルが漏れると、オイルでガスを汚染することになる。
【０００５】
本発明の目的は圧縮、または膨張されるべきガスが、軸受ハウジングからのオイルによって汚染されないねじロータ機械を提供することである。
【０００６】
その他の目的はオイルを使用することなく潤滑、かつ冷却される、全く油の不用なねじロータ機械を提供することである。
【０００７】
これらの目的は水潤滑軸受及びロータを有するねじロータ機で達成される。使用される軸受潤滑剤は添加物を含まない単なる水、または凝固点降下剤、粘性向上剤及び（または）腐食抑止剤を添加されている水である。
【０００８】
本発明の一つの好ましい実施の形態によれば、ねじロータ機械には、ロータ軸受ハウジングの各々の一つに動圧的及び静圧的両方で作用するスラストスライド軸受が含まれており、前記スラストスライド軸受の相手側部分が動作チャンバ、またはロータハウジング流入口手段に接続されている間、シャフトの最も近くに配置されたスライド軸受のその一部がラジアルスライド軸受、または滑り軸受を介して潤滑剤源に流体接続される。
【０００９】
次に、例示する本発明の実施の形態を参照しかつ添付図面を参照してより詳細に説明する。
【００１０】
スクリューコンプレッサの構造及び動作原理を図１及び２を参照して簡単に説明する。
【００１１】
一対の互いに係合するねじロータ１０１、１０２は二つの側壁１０３、１０４及び前記端部壁部間に延びる筒形壁部（ロータハウジング）１０５によって画成された動作チャンバに回転可能に取付けられる。筒形壁部１０５は、図２から明らかなように二つの相互に交差する筒形状に概して対応する形状を有する。各ねじロータ１０１、１０２には、複数のそれぞれの丸い突出部１０６、１０７並びに、ロータに沿ってそれぞれ螺旋形に延びる中間溝、即ち、雄型ロータ溝１１１及び雌型ロータ溝１１２が含まれている。一方のロータ１０１は、各丸い突出部１０６の大部分がピッチ円の外側に配置される雄型ロータであり、他のロータ１０２は各丸い突出部１０７の大部分がピッチ円の内側に配置される雌型ロータである。雌型ロータ１０２は通常、雌型ロータ１０１より多くの丸い突出部を有する。代表的組合せは、雌型ロータ１０１が４個の丸い突出部を有し、雌型ロータ１０２が６個の丸い突出部を有するものである。
【００１２】
圧縮されるべきガス、通常空気、が流入口１０８を通ってコンプレッサの動作チャンバに供給され、その後、ロータとチャンバ壁部間に画定されたＶ字形状の動作チャンバで圧縮される。各動作チャンバはロータ１０１、１０２の回転にともなって、図１の右側へ移動する。このように，動作チャンバの容積はそのサイクルの後の部分の間、切り込みされた流入口１０８との連通の後に連続的に減少する。これにより、ガスが圧縮され、かつ圧縮ガスは流出口１０９を通ってコンプレッサを出て行く。流入口圧力に対する流出口圧力の比率は、流入口１０８とのその連通が遮断された直後の動作チャンバの容積とそれが流出口１０９との連通を開始した時の前記動作チャンバの容積との内蔵された容積測定関係によって決定される。
【００１３】
Ｖ_ＤＰ＝（Ａ_Ｍ＋Ａ _Ｆ ）ｘＺ_ＭｘＬのような、理論的な最大排気量ＶＤＰはスクリューコンプレッサに対して定義される。この容積は雌型ロータの回転当たりの容積として表わされる。Ａ_Ｍ及びＡ_Ｆはロータシャフトに対する断面におけるそれぞれの雌型ロータ溝１１１及び雌型ロータ溝１１２の断面積である。
【００１４】
コンプレッサの形状における本発明の実施の形を図３から６を参照して説明する。
【００１５】
説明を主にロータ軸受及びロータ潤滑を中心にする。
【００１６】
図３に図式的に示したロータ１０２はロータハウジング及びそのトラニオン３１、３２に取付けられ、それぞれの軸受ハウジング２１、２２の中に延びている。軸受ハウジング２１は側壁１０４に配置され、他の軸受ハウジング２１は対向する側壁、または側壁１０３に配置される。
【００１７】
実際のロータ１０２は、側壁１０３、１０４がロータハウジングに間隔をおいて配置される距離より約0.5mm短い。この機能を図３に示す。このように，ロータ１０２は軸線方向に移動する。
【００１８】
ロータ１０２のトラニオン３１、３２の各々はそれぞれのラジアルスライド軸受１に取付けられる。トラニオン３１はトラニオン３２より長く、かつスラストスライド軸受９、１０が設けられており、スラストスライド軸受にはトラニオン３１に固定して取付けられかつ前記トラニオンと共に移動可能な回転ディスク９、及び軸受ハウジングに取付けられたスライドディスクの形態の静止部分１０Ａが含まれる。ロータのすぐ近傍にある回転ディスク９の側面は、トラニオン３１に接続されたロータ１０２の端面１２が側壁１０４の内面に対して位置する時、スラストスライド軸受の反対側のスライドディスク１０Ａからせいぜい 0.1mm の位置にある。このように、ロータ１０２は側壁１０４の内面からせいぜい0.1mmの距離の間で軸線方向に移動できる。
【００１９】
ラジアルスライド軸受１の各々にはそれぞれのトラニオン３１、３２に対して開放する少なくとも一つのチャンバ２、好ましくは二つのチャンバが含まれる。ラジアルスライド軸受１に二つのチャンバ２が含まれる場合は、それらが直径に沿って交互に配置されているが、前記チャンバは非対称に配置されることが好ましい。各チャンバ２は通路３を介して潤滑剤源（図示せず）に接続される。通路３はチャンバ２からスリーブ状のラジアルスライド軸受１を通り、かつその後、それぞれの側壁１０３、１０４を通って半径方向にかつそこから（図示せず）潤滑剤源へ延びる。潤滑剤は水、または水を基本とした液体である。水を基本とした液体には水の他に、腐食抑止剤、粘性向上剤、及び／または凝固点降下剤が含まれる水溶性液体であってよい。このような薬剤は公知であり、かつ市販されている。水の含有率は少なくとも60%であることが好ましい。
【００２０】
チャンバ２はスリーブの中心部で延び、かつスリーブ状要素の軸線方向端部からある距離で終端する溝の形状をしている。従って、それ故、このように，ラジアルスライド軸受１はその軸線方向端部に円形の断面積を有し、かつそれと共にそれぞれのトラニオン３１、３２との円筒形接触範囲を有する。
【００２１】
一実施形態によれば、チャンバ２は、スリーブ状要素の端部壁を通って延びる通路６１によってギャップ状空間７に接続される。
【００２２】
軸受ハウジング２１、２２は内部に、即ち、ロータ１０２から遠方に位置するそれらの部分の中に、水（潤滑剤）をいずれかのロータハウジング流入口手段へ、またはロータハウジング及び二つの螺旋形ねじロータ１０１、１０２によって区切られた前記コンプレッサの動作チャンバへ搬送するのためのそれぞれの流出口２７、２８と共に設けられる。
【００２３】
スラストスライド軸受９、１０は図４から最もよく理解できよう。スラストスライド軸受１０は、スライドディスク１０Ａを含む。シャフト３１上の回転ディスク９は、コンプレッサの動作中変化するクリアランスを持って、前記スライドディスク１０Ａと対向して隣接する。スライドディスク１０Ａは、球形の部分領域１５を有する支持手段１０Ｂを介して、軸受ハウジング２１に取付けらた静止要素１６に調整可能に固定され、前記静止要素１６は、部分領域１５に相補的な部分領域を有している。クリアランスは、トラニオン３１、スライドディスク１０Ａ、支持手段１０Ｂ及び静止要素１６間に設けられる。
【００２４】
回転ディスク９にはトラニオン３１に押し合わせられるか、またはある他の方法でそれに固定されるリング９Ａが含まれる。軸受要素９Ｂはリング９Ａに固定される。
【００２５】
軸受要素９Ｂは、コンプレッサが作動するのにともなって共に回転接触状態になるリング９Ａとスライドディスク１０Ａ間に配置される。
【００２６】
軸受要素９Ｂを図５及び６により詳細に示す。図５は上視した軸受要素９Ｂを示し、かつ図６は図５のVI−VI線から見た断面図である。軸受要素９Ｂは環状、またはリング形状を有し、ここでは、内径がシャフト３１の直径に対応している。軸受要素９Ｂは、トラニオン３１と共にスライドディスク１０Ａに向って開口するリング状通路１７を形成する。複数の半径方向溝１８が通路１７から軸受要素の外周に向って半径方向に延びる。これらの半径方向溝１８もスライドディスク１０Ａに向って開口する。半径方向溝１８に接続する凹部領域１９が、各半径方向溝１８に隣接して配置されている。凹部領域１９の表面は、図６から明らかなように、半径方向溝１８の底部表面よりも軸受要素９Ｂの表面２０に近い位置にある。
【００２７】
図５から明らかになるように、軸受要素９Ｂはスライドディスク１０Ａに接触するため意図したリング状領域外周に最も接近している。
【００２８】
通路１７及び溝１８、または凹部領域１９から構成されていない軸受要素９Ｂのそれらの部分は、スライドディスク１０Ａとの接触のため意図されたものである。
【００２９】
スラストスライド軸受９、１０は、静圧及び動圧組合せ軸受として機能する。
【００３０】
コンプレッサが動作している時、水である潤滑剤は潤滑剤源から通路３を通って圧力Ｐｌになっているチャンバ２へ供給される。トラニオン３１に向って開口するチャンバ２を含まないスリーブ状要素のこれらの部分は、チャンバ２からの水の流れを制限する縮径部を画定する。これらの軸線方向の縮径部には４、５と参照番号を付してあり、チャンバ２に対して通路３の流入開口の外側に左右対称に位置することが好ましい。ラジアルスライド軸受１は流体力学的な原理に従って動作する。
【００３１】
リング形状ギャップ６は、図４から詳細に理解できるように、ラジアルスライド軸受１の右側、縮径部４とロータハウジングの側壁１０４との間に配置される。リング形状ギャップ６は平均圧力Ｐｍになっており、平均圧力はコンプレッサ流出口圧力Ｐｄとコンプレッサ流入口圧力Ｐとの間にある。
【００３２】
水は、チャンバ２からトラニオン３１及び圧縮部４との間のクリアランスを通って、リング形状ギャップ６に流れ、前記リング形状ギャップ６からコンプレッサの動作チャンバへ流れる。
【００３３】
リング形状のギャップ状空間７が、ラジアルスライド軸受１の左側における、前記軸受１の縮径部とスライドディスク１０Ａとの間に配置される（図４参照）。圧力Ｐｉは、スライド軸受１の圧縮部及び軸受要素９Ｂとスライドディスク１０Ａ間の参照番号８のギャップ領域の比率によって決定される。説明したようにスライドディスク１０Ａと共同作用する軸受要素表面の詳細な実施の形態の結果として、ギャップ幅はコンプレッサの動作中変化する。圧力Ｐｉも圧力Ｐｍ及びＰｋによって影響され、ここで、Ｐｍはリング形状ギャップ６の圧力、及びＰｋはスラスト軸受９、１０の外側のハウジング２１の圧力である。
従って、 Ｐｌ＞Ｐｉ＞Ｐｋである。
【００３４】
先に述べたように、スラストスライド軸受９、１０は静圧及び動圧組合せ軸受である。流体力学力成分Ｆ_ＤＹＮは、回転軸受要素９Ｂの凹部領域１９によって発生し；流体静力学成分Ｆ _ＳＴＡＴ は、スラストスライド軸受９、１０及び差圧（Ｐｉ−Ｐｋ）によって発生する。
【００３５】
トラニオン３１に、図４で左側に作用する力Ｆ_ＡＬは従って、
Ｆ_ＡＬ＝Ｆ_ＤＹＮ＋Ｆ _ＳＴＡＴ である。
【００３６】
ロータ１０２の端部壁１２及びロータハウジングの側壁１０４も背圧軸受として機能する。平衡状態になると、トラニオン３１は力ＦＡＬに等しく、しかし反対方向に作用する力ＦＡＥによって作用される。ＦＤＹＮが増大すると、図で左側に作用する力ＦＡＬも増大する。それにともなってロータ１０２はロータハウジングの側壁１０４に向って引かれ、その間のギャップは増大し、かつリング形状ギャップ６の圧力は上昇する。この圧力増大は力Ｆ_ＡＥの効果を打ち消す力Ｆ_ＡＬの増大させる。
【００３７】
軸受ハウジング２１の圧力Ｐｋを動作チャンバ流入口圧力Ｐに等しいか、またはこの圧力より高く選択してよい。圧力Ｐｋは、軸受ハウジング２１を排出する手段の適切な位置によって選択される。ロータハウジング流入手段１０８をこのような手段によって選択すると、動作空間のガス容積が流入口から遮断され、かつ圧縮が開始される位置が選択されていると、ＰｋはＰに等しく、一方ＰｋはＰより高くなる。
【００３８】
コンプレッサの始動に先だって水、または水溶液流体がラジアルスライド軸受１へ供給される。スラストスライド軸受９、１０の領域は、 Ｆ_ＡＬ＞Ｆ_ＡＥとなるように寸法を決められ、その結果、非回転ロータ１０１、１０２がハウジングの側壁１０４に向って引かれ、かつコンプレッサが始動するとこの位置を占有することになる。
【００３９】
コンプレッサが作動状態となり、かつロータが回転すると、コンプレッサの動作空間に発生したガスの力は力Ｆ_ＡＬとは反対方向のロータに作用し、かつそれと共に側壁１０４から離れてロータ１０１、１０２を動かすことになる。全クリアランスの分布、または遊びＳ＝Ｓ１（端部表面クリアランス）＋Ｓ２（スラスト軸受クリアランス）はガスの力、またはＰｄによって、かつ加えられた水圧Ｐｌによって、かつ軸受ハウジング２１の圧力Ｐｋによって制限されることになる。
【００４０】
コンプレッサが負荷から解除されると、潤滑剤圧力はラジアルスライド軸受１の外側領域で著しく下降し、その結果、スライドスラスト軸受の潤滑が不十分になる。十分な潤滑を得るために、トラニオン３１、スライドディスク１０Ａ、支持手段１０Ｂ及び静止要素１６の間のクリアランスの圧力を増大させる必要がある。これは、例えば、静止要素１６を通過する半径方向通路を介してこのクリアランスへ潤滑剤を供給することにより達成される。このように，リング形状空間７に隣接する静止要素１６に設けられた圧縮部を通ったリング形状空間７に浸透する供給潤滑剤は、リング形状空間７から離れた第二通路から取り出される。
【００４１】
軸受の静止部分はグラファイト、または高分子材料製である。軸受の回転部分は硬質の、非腐食性金属、または硬質高分子複合材料から構成されている。
【００４２】
ロータの少なくとも一つは硬質高分子複合材料、例えば、SiO_２を有するエポキシ樹脂から作られており、シャフト、またはトラニオンはステンレス鋼、青銅、または腐食保護塗布を施される金属製である。
【００４３】
水冷スライド軸受、または滑り軸受が、全く油が不用なねじロータ機械を構成することができる。これはオイル潤滑剤システムと無潤滑部分間の軸線方向のシールを不要にし、シール、しばしば機械的接触シールによる誤動作の危険を排除する。
【００４４】
完全な水潤滑ねじロータの電力消費が、オイル潤滑軸受及び機械的シールを含む対応するねじロータ機械の電力消費よりも5〜10%少ないことが見出されている。
【００４５】
水潤滑軸受を含むねじロータ機械の費用も、オイル潤滑ころがり軸受を有し、かつ機械的シールを欠くことのできないような機械の費用より幾分低い。
【００４６】
図７に図示した水循環システムには直列にコンプレッサＫ、第一の公知空気分離器４１、熱交換器４０、及び第二空気分離器４２が含まれる。第一空気分離器は導管４３によってコンプレッサＫの流出口１０９に接続され、かつその上方部分の圧縮ガスのための第一流出口４４、分離された水のための下方部分の第二流出口４５の二つの流出口４４、４５を有する。第一空気分離器の第二流出口４５は熱交換器４０に接続される。熱交換器４０はフィルター４６を含んでよい導管５３によって第二空気分離器４２に接続される。
【００４７】
第二空気分離器４２も二つの流出口４７、４８、ガス含有水のための第一流出口４７、僅かの低ガス含有率を有し、かつコンプレッサＫのための潤滑剤源として使用される水のための第二流出口４８とを有している。流出口４８から延びる導管５０は分岐点５１でコンプレッサの軸受を潤滑するための導管の中に分岐していおり、これらの導管は図３で参照番号３が付けられている。このように、分離器４２の水の方が潤滑剤源である。
【００４８】
その流出口４７を通って空気分離器４２を出るガス含有水は導管５２を通ってコンプレッサＫの動作チャンバに供給される。フィルター及びイオン交換器またはそのいずれかが第二空気分離器４２とコンプレッサＫ間に設けられてよい。フィルター及びイオン交換器またはそのいずれかは図示されていない。熱交換器４０を通過する水は例えば、水、または空気で冷却される。
【００４９】
第二空気分離器４２の寸法を小型にするため、導管５３を接続する導管５４が、熱交換器４０と第二空気分離器２４と前記コンプレッサの流出口端部のコンプレッサＫの動作チャンバとの間に設けられることが好ましい。導管５３にフィルターが含まれる場合は、導管５４は熱交換器４０とフィルター４６の間で導管５３から分かれる。
【００５０】
コンプレッサＫが動作すると、空気が流入口１０８から導入され、その後、圧縮される。圧縮ガスは流出口１０９及び導管４３を通って第一空気分離器４１へ供給され、空気分離器では水がガスから分離され、かつ分離器の底部で収集される。水が取除かれた空気は流出口４４を介して空気分離器４１の上方部分に取り出される。水を第一空気分離器４１から第二空気分離器４２へ供給するのに先だって、水は熱交換、例えば、周囲の大気による、または水などの液体媒体による熱交換によって冷却される。
【００５１】
熱交換器４０で冷却された水のほとんどは導管５４を通ってコンプレッサＫの動作チャンバへ直接進む。前記水の残りは第二空気分離器４２へ供給される。
【００５２】
空気含有水は、上方流出口４７を通って第二空気分離器４２から採取され、（コンプレッサＫの流入口端部を通る近くの）コンプレッサＫの閉鎖動作チャンバへ供給される。基本的にすべての空気を第二空気分離器４１で取り除いた水は、ポート４８及び導管５０を通って分離器から出る。この水は上記方法でコンプレッサＫの軸受を潤滑するため使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知のスクリューコンプレッサの縦断面図である。
【図２】 図１のII−II線から視た断面図である。
【図３】 本発明によるねじロータ機械の断面図である。
【図４】 図３に示したロータ機械の部分を示す図である。
【図５】 上方からスラスト軸受ディスクを示す図である。
【図６】 前記図のＶＩ−ＶＩ線で破断した、図１に示した軸受ディスクの縦断面図である。
【図７】 本発明によるコンプレッサへ水を戻すシステムの略図である。

Claims (12)

1. ロータシャフト（１１１）に垂直な平坦端部表面（１２、１３）を有し、相互に共働するねじロータ（１０１、１０２）と；
   前記端部表面から突出するトラニオン（３１、３２）と；
   前記ねじロータ（１０１、１０２）を収容し、かつトラニオン（３１、３２）のための軸受ハウジング（２１、２２）が設けられた二つの相互に対向する平行側壁（１０３、１０４）を有するロータハウジング（１０５）と
   を有し；
   前記側壁（１０３、１０４）間の距離がロータの長さより長く、
   かつロータが前記側壁（１０３、１０４）間で軸線方向に移動可能であり、かつロータ端部表面（それぞれ１２及び１３）と間隔をおいて関連配置された、各軸受ハウジング（２１、２２）におけるラジアルスライド軸受（１）と；
   トラニオン（３１、３２）のすぐ近傍に位置し、かつ機械の動作中ラジアルスライド軸受（１）に潤滑剤を供給する、加圧潤滑剤源をラジアルスライド軸受（１）の領域へ接続する第一通路（３）と；
   第一及び第二圧力下のガスのためのロータハウジング流入口及び流出口手段と；
   をさらに有する回転スクリュー機械において、
   ラジアルスライド軸受（１）が、トラニオン（３１、３２）に対して開口する少なくとも一つのチャンバ（２）を有し、かつチャンバ（２）の各側面に縮径部（４、５）を画定する軸線方向の範囲を有するスリーブ状要素であり；
   チャンバ（２）が潤滑剤源に流体接続し；
   かつ潤滑剤が水溶性液体である
   ことを特徴とする機械。
2. 縮径部（５）を画定し、かつ第二縮径部（４）よりロータハウジングから大きな距離をおいて配置されるチャンバ（２）の一つの軸線方向の範囲が、チャンバ（２）をラジアルスライド軸受（１）の外側に接続する通過通路を含むことを特徴とする請求項１に記載の機械。
3. スリーブ状要素（１）が二つの相互に間隔をおいて配置されたチャンバ（２）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の機械。
4. チャンバ（２）が、ロータハウジングから近い距離を置いて配置される前記縮径部（４）に隣接したリング形状ギャップ（６）と流体接続し、
   前記リング形状ギャップ（６）が、側壁（１０３、１０４）及びトラニオン（それぞれ３１及び２２）の間のギャップによって画定されることを特徴とする請求項１、２、または３に記載の機械。
5. トラニオン（３１）が、それに固定装着される回転ディスク（９）を有し、
   ロータのすぐ近傍に位置するそのディスクの側面が、軸受ハウジング（２１）に静止的に取付けられたスライドディスク（１０Ａ）に摺動的に当接し、
   前記スライドディスク（１０Ａ）が、回転ディスク（９）とロータに最も近接して配置されたラジアルスライド軸受（１）との間に配置されることを特徴とする請求項４に記載の機械。
6. スライドディスク（１０Ａ）に隣接する回転ディスク（９）の領域が、少なくとも一つのリング形状領域をディスク周辺部に含むことを特徴とする請求項５に記載の機械。
7. 回転ディスク（９）は、スライドディスク（１０Ａ）と凹部領域（１９）を係合する一つの側壁とに向って開口して半径方向に延びる溝（１８）を含むことを特徴とする請求項６に記載の機械。
8. リング形状領域が、軸受ハウジングの外周部に対して、シールを形成することを特徴とする請求項６または７に記載の機械。
9. ロータの端部表面（１２）及びロータハウジングの側壁（１０４）が、第二スラスト軸受として機能し、
   スラストスライド軸受（９、１０）の領域が、チャンバが加圧され、かつロータ（１０２）が静止している時、ロータ（１０２）が前記側壁に向って移動するように寸法決めされていることを特徴とする請求項８に記載の機械。
10. ロータ（１０１、１０２）が、機械の動作中にロータハウジングで作用するガスの力によって、側壁（１０４）から間隔をおいて保持されることを特徴とする請求項９に記載の機械。
11. 潤滑剤のロータハウジングへの供給のために軸受ハウジング（２１）とロータハウジング、またはロータハウジング流入口手段（１０８）との間に通路（２７）を有する特徴とする請求項１または２に記載の機械。
12. 各ロータの二つの軸受ハウジング（２１）の一つが、動圧的及び静圧的作動するスラストスライド軸受（９、１０）を有する機械において、
    トラニオン（３１）のすぐ近傍に配置されたスラストスライド軸受（９、１０）の部分が、ラジアルスライド軸受（１）を介して潤滑剤源と流体接続し、
    前記スラストスライド軸受の対向部分が機械内の動作空間と、またはロータハウジング流入口手段（１０８）と流体接続することを特徴とする請求項１または２に記載の機械。

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