JP4669011B2 - 非対称プロファイルのロータを有する回転変位機械の改良 - Google Patents

Description

本発明は、回転変位機械の改良に関する。
本発明は、圧縮流体を受け取るように意図されかつポンプ機械としてエンジンとしてでさえ使用されることができる回転変位機械に関する。
本発明は、より詳細ではあるが限定的ではない方法で、ハウジングと少なくとも２つのツインロータ、すなわち、第１のロータおよび第２のロータとを備え、ロータはハウジング内で回転するように装着され互いに対して反対方向に駆動される機械に関する。

ロータは、従来、ねじ形状の要素（部分品）から構成され、すなわち、ロータの長手方向寸法に沿ってピッチが一定でありうるか可変でありうる１つ以上のねじ山を担持するコアを備える要素から構成される。
ハウジングにおいて、ねじが一連の「接続なしチャンバ」を形成し、操作上の遊びおよび構造による漏れ、および機械の形状が、体積効率、エネルギー効率および得られる最終圧力に影響を与える。
ロータが歯車式に噛み合うという事実のために、単数または複数のねじ山は、各々が中心コアに突出して位置する歯を構成するとみなされる。
ロータは、コアの長手方向軸にほぼ直交する横断面にしたがった断面に表すことができる。

断面では、各歯の形状を観察することができ、正確には、この歯の外側輪郭が、２つの対向するフランク、すなわち、各々が、
・ロータのコアと、
・コアから所定の距離にかつ第１のフランクおよび第２のフランクが接続されるレベルに位置する歯の一部と、
の間に延出する第１のフランクおよび第２のフランクによって画成されることに留意されたい。
一般に、これらのロータの単数または複数の歯の断面にしたがってロータの３つのカテゴリーが区別され、正確には、噛み合いと称される断面を備えたロータと、対称と称されるプロファイルを備えたロータと、非対称と称されるプロファイルを備えたロータと、である。

「噛み合いプロファイルを備えたロータ」という表現に関して、これは、歯のプロファイルが異なるロータを使用することを特徴とし、特に、一方では、第１の凸形フランクおよび第２の凸形フランクを有する少なくとも１つの歯を装備した第１のロータと、他方では、
・第１の凹形フランクおよび第２の凹形フランク、または、
・２つの連続した部分、すなわち、第１の凹形部分および第２の凸形部分を区別することができる第１のフランクと、２つの連続した部分、すなわち、第３の凸形部分および第４の凹形部分を区別することができる第２のフランクと、
を有することができる少なくとも１つの歯を装備した第２のロータと、である。
噛み合いプロファイルを備えたこのタイプのロータを機械加工することによる製造は比較的容易であり、本質的な困難さは、プロファイルの計算にある。

「対称と呼ばれる断面を備えたロータ」という表現に関して、これは、一方では、各歯の第１のフランクおよび第２のフランクが、歯の中心を通って進む半径方向軸に対して対称であり、他方では、断面の形状が対称的であり２つのロータで類似しているロータを使用することを特徴とする。
対称プロファイルを備えたこのタイプのロータのプロファイルの計算およびを機械加工することによる製造は、容易であるが、ロータの歯頂点のゾーン（歯の上部ゾーン）におけるロータの協働から派生した締めは、不完全であり、これが、それらを含む機械の体積効率に悪影響を与える可能性がある。

「非対称プロファイルを有するロータ」という表現に関して、これは、類似プロファイルを有しかつ少なくとも１つの歯が第１の凸形フランクおよび第２の凹形フランクを有する第１のロータおよび第２のロータを使用することを特徴とし（独国公開特許出願第６８６２９８号（特許文献１）、英国公開特許出願第１１２１０４号（特許文献２））、凹面および凸面は、歯が湾曲形状を想定する点へ際立たされる。
このタイプのロータを備える機械は、体積効率および得られる最終圧力の観点における優良な性能によって特徴づけられる。
このタイプのロータの欠点は、機械加工による製造が、凹形フランクの歯頂点に位置する鋭角の形態に異常が存在するため、繊細になることである。

非対称プロファイルを備えたロータを実施する機械の性能は、一方では、前述した形態異常が機械加工される精密さに強く関連付けられ、他方では、所定の操作上の遊びを得る目的でロータが組み立てられ調整されるやり方に強く関連付けられる。
非対称プロファイルおよび可変ピッチを備えたロータを実施する機械（国際公開特許出願第０２／０８６０９号（特許文献３））は、さらに、非常に良好な性能を得ることを可能にするが、製造および組立に対する許容は、非常に制約的である。

凹形フランクの頂点に位置する鋭い縁が縁に沿って均一に機械加工されることを保証することが可能ではないため、実際に凹形フランクの頂点に位置する鋭い縁は、したがって、規則性に欠陥を呈することが容易にわかる。
機械加工におけるこれらの欠陥は、ねじに沿って協働するときに、２つの凹形フランクの間に存在する操作上の遊びにおける不規則性になり、漏れが機械の性能を損なう。
加えて、凹形フランクの頂点における縁は、摩耗を非常に受けやすく、機械を通って通過する流体は、摩耗による損耗を招くことがあり、それは即座に機械の性能を低下させる。
独国公開特許出願第６８６２９８号 英国公開特許出願第１１２１０４号 国際公開特許出願第０２／０８６０９号

正確には、本発明は、そのロータが非対称プロファイルであると称される回転変位機械に関し、本発明が得ることを目的とする１つの成果は、製造が抑制されることが少なく、性能があまり減少しない機械である。
本発明が得ることを目的とする別の成果は、性能が経時的に維持される機械である。
この目的のために、本発明は、その主題として、請求項１にしたがって前述したタイプの機械を有する。

本発明は、概略的に表す添付の図面を参照して、非限定的な例として示されている、以下の説明を読めば、より良好に理解される。

図を参照すると、ハウジング２と、非対称プロファイルと称される少なくとも２つのツインロータ３，４、すなわち、第１のロータ３および第２のロータ４と、を備える回転変位機械１が見られ、ツインロータ３，４はハウジング２内で回転するように装着され、長手方向軸６を中心にして回転するように駆動される。
好適ではあるが非限定的な方法で、ツインロータ３，４の長手方向軸６は平行である。

ツインロータ３，４は、各々がコア５から作られ、それに少なくとも１つのらせん形ねじ山７が突出し、これは、ツインロータ３，４の断面図に見られ、歯８の形状でコア５を覆い、歯８は、
・ツインロータ３，４の長手方向軸６に対して半径方向にかつこのロータの表面５１上に第１の所定の寸法「ｈ」を有し、
・凹形形状の第１のフランク９および凸形形状の第２のフランク１０を備え、これらは歯８の上部部分１１のレベルで接続し、第１のフランク９は、エピサイクロイド弧の形状を有する。
ツインロータ３，４は、一定ピッチ形または可変ピッチ形でありうる。

顕著な方法で、その従来の形状９１および１０１が、らせん形ねじ山７に沿って鋭い縁を形成するような方法で、第１の点「Ｗ」で接続する第１のフランク９および第２のフランク１０を備える代わりに、
・一方では、第１のフランク９は、修正された形状９２を有し、その弧の位置および長さは、この第１のフランク９の修正された形状９２および第２のフランク１０の従来の形状１０１が各々、接続セグメント１２と称される短いセグメントの両端「Ｂ」および「Ｃ」の一方に接続するような方法で予め決定され、接続セグメント１２は、らせん形ねじ山全体に沿って存在することによって、平坦と称されるらせん形表面１３を構成し、鋭い縁の存在を排除し、
・他方では、接続セグメント１２は、ツインロータ３，４の長手方向軸６に対して半径方向に、第２の所定の寸法「Ｌ」を有し、第１の所定の寸法「ｈ」に対する第２の所定の寸法「Ｌ」の比率が、０．００５〜０．１（１０００分の５から１０分の１）の間の範囲であるようにする。

ツインロータ３，４の各歯が、外径「Ｒａ」の実質的に円筒形のプロファイルの外側表面１４に接続される第１のフランク９および第２のフランク１０によって画成されるときには、この外側表面１４が、らせん形ねじ山７に沿って鋭い縁を形成するような方法で第１の点「Ｗ」で第１のフランク９の形状に接続される代わりに、外側表面１４は、接続セグメント１２によって第１のフランク９の形状に接続される。
好ましくは、ツインロータ３，４が５０ｍｍから３５０ｍｍの間の範囲の直径を有するときには、第１の寸法「ｈ」に対する第２の寸法「Ｌ」の比率は、０．００５〜０．１（１０００分の５から１０分の１）の間の範囲である。

同様に顕著な方法で、
・第１のフランク９の従来の形状９１、および、ツインロータ３，４を外接する追加円「Ｆ」と称される円は、第１の点「Ｗ」と称される交差の点「Ｗ」を有し、これは、ツインロータ３，４の長手方向軸６に位置する第２の点「Ｏ」を通って進む直線「Ｄ１」上に位置し、
・第１のフランク９の修正された形状９２および円「Ｆ」は、第３の点「Ｚ」と称される交差の点「Ｚ」を有し、これは、第２の点「Ｏ」を通って進みかつ第１の直線「Ｄ１」と第１の角度αを形成する第２の直線「Ｄ２」上に位置し、その値は、第１の式にしたがった計算によって概算することができ、

ただし、パラメータの値は、
・「Ｒａ」は、ツインロータ３，４の外径を表し、
・「Ｌ」は、ツインロータに対する半径方向における接続セグメント１２の相対値を表し、相対値の大きさは、外径「Ｒａ」と、コア５の長手方向軸６をこの長手方向軸６にもっとも近い接続セグメント１２の点から分離する半径の値「Ｒｐ」との間の差に対応し、
・「Ｈ」は、ツインロータ３，４の間の軸の中心距離を表す。
第１のフランク９の修正された形状９２およびコア５の外側表面５１は、点「Ａ」で接続する。

これも顕著な方法で、接続セグメント１２は、第１の直線「Ｄ１」に対して、第２の角度βだけ傾斜し、その値は、第２の式にしたがった計算によって概算することができ、
ＡｒｃＣｏｓｉｎｅ（Ｈ／（２Ｒａ））
ただし、
・「Ｈ」は、ツインロータ３，４の間の軸の中心距離を表し、
・「Ｒａ」は、ツインロータ３，４の外径を表す。
実際、第１のフランク９の修正された形状９２の位置は、第１のフランク９の従来の形状９１のサポートを、点Ｏのまわりに第１の角度αだけ振動させることによって、調整することができる。

接続セグメント１２は、第１の直線「Ｄ１」に対して、第２の角度βだけ傾斜し、この第２の角度は、ツインロータ３，４のらせん形ねじ山７全体に沿って、ツインロータ３，４の一方の第１のフランク９に接続する各らせん形表面１３が、少なくとも、ツインロータ３，４の他方の第１のフランク９のゾーンに実質的に平行に延出することができ、それがこの他方のロータの接続セグメント１２に接触しているように、調整される。

本発明に合致する機械は、従来の鋭い縁の代わりに、平坦な領域から作られたらせん形表面１３を有する。
そのような平坦な領域は、特に従来のツールによって、容易に正確に機械加工することができ、鋭い縁よりも漏れが少ないことを確実にする。

機械加工および組立の許容値に対する性能の変動性は、このように明らかに少なく、一方、ツインロータの機械加工の簡略性、および性能を減少することなく機械の操作上の遊びを増加する可能性を提供する。
有利なことに、平坦な領域の存在のおかげで得られたらせん形表面１３は、制御された表面のままであり、これは、ロータのピッチが一定であるかまたは可変であるかには無関係である。

平坦な領域に関して、その長さが、システムの性能を減少する性質である局所的な漏れ（ドイツ語の用語「Ｂｌａｓｌｏｃｈ」「ブローホール」(blow hole) によってよく知られた表現である）の発生を回避するために、歯の高さに対して小さいままであることもまた望ましい（図７および８）。
例示的な例によって、
・６５ｍｍの半径「Ｒａ」および３０ｍｍの歯の高さ「ｈ」で、１ｍｍの平坦な領域１２の幅「Ｌ」を有し、
・１０５ｍｍの半径「Ｒａ」および６０ｍｍの歯の高さ「ｈ」で、１．５ｍｍの平坦な領域１２の幅「Ｌ」を有し、
・１３０ｍｍの半径「Ｒａ」および７５ｍｍの歯の高さ「ｈ」で、２ｍｍの平坦な領域１２の幅「Ｌ」を有する。
図において、局所的な漏れは、図７および８では、際だっていないが簡単な矢印によって表されている。

前述した寸法、角度およびプロファイルは、操作上の遊び内で画成されることに留意しなければならない。
説明した特徴は、３つ以上のロータを備える機械に適用可能であることに同様に留意しなければならない。
同一の直径のロータ、異なる直径のロータ、各々がその長手方向寸法に沿って異なる直径を有するロータさえ、依然として本発明に対応する。

各々が一定ピッチのねじ山を備えた２つのツインロータの上面図である。 ２つのロータに対して半径平面に沿った、図１のツインロータのセットの断面図である。 半径平面に沿った断面に見られる、図１のツインロータのいずれの一方の拡大図である。 図３の拡大詳細図である。 図１に示されている平面Ｖ−Ｖにおける図１のロータの噛み合いの断面図である。 図１に示されている平面ＶＩ−ＶＩにおける図１のロータの噛み合いの断面図である。 図１に示されている平面ＶＩＩ−ＶＩＩにおける図１のロータの噛み合いの断面図である。 図１に示されている平面Ｖ−Ｖに対してわずかにずれた平面における図１のロータの噛み合いの断面図である。 図１に示されている平面ＩＸ−ＩＸにおける図１のロータの一方の拡大詳細図である。 各々が可変ピッチを備えた２つのツインロータの上面図である。 ２つのロータに対して半径平面に沿った、図１０のツインロータのセットの断面図である。 各々が可変ピッチの２つのねじ山を備えた２つのツインロータの断面図である。 ２つのロータに対して半径平面に沿った、図１２のツインロータのセットの断面図である。

Claims (6)

1. 回転変位機械であって、
   ハウジングと、
   非対称プロファイルの少なくとも２つのツインロータであって、第１のロータおよび第２のロータが前記ハウジング内で長手方向軸に回転するように装着される少なくとも２つのツインロータと、を備え、
   前記ツインロータはそれぞれ、少なくとも１つのらせん形ねじ山を有するコアを備え、前記らせん形ねじ山は、コアから突出し、前記らせん形ねじ山の歯の形状で前記コアを覆い、また前記ツインロータの長手方向軸に対して半径方向にかつ前記ツインロータの表面上に第１の所定の寸法を有し、
   前記らせん形ねじ山は、前記らせん形ねじ山の上部部分で接続する凹形形状の第１のフランクおよび凸形形状の第２のフランクを備え、前記第１のフランクがエピサイクロイド弧の形状を有し、
   前記第１のフランクは、前記第１のフランクおよび前記第２のフランクがそれぞれ接続セグメントの両端の一方に接続するようにその弧の位置および長さが予め決定される形状を有し、前記接続セグメントは前記らせん形ねじ山の全長に沿って存在し、かつ平坦ならせん形表面を構成し、
   前記接続セグメントは、前記ツインロータの長手方向軸に対して半径方向に、第２の所定の寸法を有し、第１の寸法に対する第２の寸法の比率が０．００５〜０．１の間の範囲であるような長さＬを持つ回転変位機械。
2. 請求項１記載の回転変位機械において、
   前記ツインロータの各歯が外径の実質的に円筒形のプロファイルの外側表面に接続される第１のフランクおよび第２のフランクによって規定され、前記外側表面が前記接続セグメントによって前記第１のフランクに接続される回転変位機械。
3. 請求項１記載の回転変位機械において、
   前記ツインロータが５０〜３５０ｍｍの間の範囲の直径を有する場合には、第１の寸法に対する第２の寸法の比率は、０．００５〜０．１の間の範囲である回転変位機械。
4. 請求項１記載の回転変位機械において、
   前記接続セグメントが第１の直線に対して第２の角度βだけ傾斜し、この第２の角度は、前記ツインロータのらせん形ねじ山の全長に沿って、前記ツインロータの一方の第１のフランクに接続する各らせん形表面が少なくとも前記ツインロータの他方の第１のフランクのゾーンに実質的に平行に延出し、それが前記ツインロータの他方の接続セグメントに接触するように、調整される回転変位機械。
5. 請求項１記載の回転変位機械において、
   前記接続セグメントが第１の直線に対して第２の角度βだけ傾斜し、この第２の角度βの値が、β＝ＡｒｃＣｏｓ（Ｈ／（２Ｒａ））という第２の式にしたがって計算することによって概算され、ここで、Ｈは前記ツインロータ間の軸の中心距離を表し、Ｒａは前記ツインロータの外径を表す回転変位機械。
6. 請求項１記載の回転変位機械において、
   前記第１のフランクおよび前記ツインロータの一方に外接する円は、前記ツインロータの長手方向軸に位置する第２の点を通って進む直線上に位置する交差の点を有し、
   前記第１のフランクおよび前記円は、前記第２の点を通って進みかつ前記第１の直線と第１の角度αを形成する第２の直線上に位置する交差の点を有し、この第１の角度αの値が、
   

   

   という第１の式にしたがって計算することによって概算され、ここで、
   Ｒａは、前記ツインロータの外径を表し、
   Ｌは、前記ツインロータに対する半径方向における前記接続セグメントの相対値を表し、この相対値の大きさが外径Ｒａと前記コアの長手方向軸をこの長手方向軸にもっとも近い前記接続セグメントの点から分離する半径の値との間の差に対応し、
   Ｈは、前記ツインロータの間の軸の中心距離を表す回転変位機械。

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