JP5135338B2 - コンプレッサー用ローター - Google Patents

Description

本発明はローターに関し、より詳細には、真空条件において作動するコンプレッサー用ローターに関する。

本発明が参照する類の真空コンプレッサー及びローターの例は、出願人による特許文献１及び特許文献２に開示されている。
米国特許第5520008号 米国特許第7013669号

本発明によれば、真空条件において作動するコンプレッサー・アセンブリの一部として用いられる、ブレード及び軸受シャフトと係合するように適合された軸対称ローターであって、当該ローターがシャフトによって回転するように適合されたものが提供される。

本発明の一実施態様において、ローターは、夫々が設置部分を有する複数の羽根を設置することによってローターの主軸の回りを回動可能な羽根車を形成するのに適したローターであって、当該ローターは一次スロット及び補助スロットを備え、当該一次スロットの夫々は当該羽根のうちの１つの設置部分を受け入れることができ、当該一次スロット及び補助スロットは当該羽根車の回転に起因する遠心力及び熱運動によって当該回転の間に寸法が変化し、それによって当該一次スロットに挿入された当該設置部分に圧力を加えることによって当該一次スロット内に当該羽根を保持する。

ローターは、前記一次スロット内に羽根をより良く保持するために当該羽根の設置部分の延伸部を受け入れるのに適合した上部インサート及び下部インサートを更に備えることができる。また、ローターは、回転の間に羽根車の回りにより良い空気流の供給を促進することに適合した双曲線形体であることができるハブを設置するのに適合したものであることができる。

補助スロットは、夫々の一次スロットが左補助スロット（las）及び右補助スロット（ras）に連結されるように、一次スロットの両側及びそこから離れた箇所に設置することができる。夫々の補助スロットのローターの外周から主軸に向けての伸長「Ｌ」は、連結する一次スロットのローターの外周から主軸に向けての伸長「ｌ」よりも長いものであることができ（Ｌ＞ｌ）、当該一次スロットの幅よりも短いものであることができる。

補助スロットの数は、ローターのセクション当たりの一次スロットの集中度及び一次スロットの大きさに応じて変更することが可能である。従って、例えば、主軸の回りに一次スロットがまばらに設置される配置において、１つの補助スロットが１つの一次スロット用のrasとして機能し、他の補助スロットが他の一次スロット用のlasとして機能するように、隣接する２つの一次スロットの間に２つの補助スロットを設置することができる。ローターが一次スロットに対して密に設置される場合には、１つの補助スロットは隣接する２つの一次スロットの間に設置することができ、その場合、同一の補助スロットが、１つの一次スロット用のlas及び他の一次スロット用のrasの両方として機能する。

羽根車の羽根は、羽根を３次元の湾曲形状を含む様々な形状とすることができるように複合材料から形成することが可能である。羽根の湾曲形状は、ローターの一次スロットに挿入された際に、２つの隣接する羽根の間で羽根が３次元の拡散チャネルを形成することによって、かかる拡散チャネルを形成するための、例えばダイヤフラムといった、接続要素の必要性を省く設計とすることが可能である。加えて、羽根の設置部分は、一次スロット内において羽根を更に固定するためにローター内に受け入れられるように適合された延伸部を含むことができる。延伸部は、例えば矩形といった、様々な形状であってよい。

操作において、羽根車が回転する間に、ローター本体の寸法は遠心力及び熱運動に起因して増加する。寸法が増加する間に、一次スロット及び補助スロットの幅が増加する。しかしながら、主軸に向けての補助スロットの延伸が一次スロットのそれとの比較においてより大きいため、補助スロットの幅が一次スロットの増大分を犠牲にして増加し、実際、一次スロットの幅を減少させ、その中に挿入される羽根の設置部分を加圧する。

本発明の他の実施態様において、中心軸と設置ボアとを有するローターを固定設置するための設置アレンジメントであって、当該アレンジメントが、中空の中心ボア及び円錐先端と共に形成される回転軸と、締付けボルトと、円錐ボア受け及び設置ねじ穴と共に形成される軸受シャフトとを備え、当該円錐先端が当該円錐ボア受けにフィットするように適合されており、当該回転軸がその中心ボア内に当該クランプ・ボルトを受け入れて当該軸受シャフトの設置穴内にねじ込められるように構成され、それによって当該円錐先端が当該軸受シャフトに固定的にクランプされ、それによって、羽根が設置されて羽根車が形成された後であっても、当該ローターを軸受シャフトに設置することが可能であることを特徴とする設置アレンジメントが提供される。

ローターは、全範囲の作動温度における高速回転においてもローターが回転軸と適合するように、締まりばめによって回転軸に設置することが可能である。そのような締まりばめはローター本体を加熱・冷却することにより行うことができ、最終的には羽根車の回転によるローターの熱膨張の間にローターのグリップが回転軸に対して緩むことを防ぐことができる。

本発明の他の実施態様において、上記実施態様によるローターと複数の羽根とを含み、例えば接着剤等の全ての適切な追加手段によって一次スロット内に保持可能な羽根車が提供される。

上記の接着剤の主要な目的は、羽根車が回転している際に羽根を一次スロット内に保持すること、即ち一般的なボルト・グリップアレンジメントを代替えするものというよりは、むしろ羽根車が休止状態、即ち回転していない時に、羽根を羽根車内に保持することである。

本発明の更なる実施態様において、前記羽根車を固定設置するための設置アレンジメントであって、当該アレンジメントが、中空の中心ボア及び円錐先端と共に形成される回転軸と、円錐ボア受け及び設置ねじ穴と共に形成される軸受シャフトとを備え、当該円錐先端が当該円錐ボア受けにフィットするように適合されており、当該回転軸が更にその中心ボアを通してクランプ・ボルトを受け入れて当該軸受シャフトの設置穴内にねじ込められるように構成され、それによって当該円錐先端が当該軸受シャフトに固定的にクランプされ、それによって羽根車を当該軸受シャフトに設置することが可能であることを特徴とする設置アレンジメントが提供される。

本発明の更なる実施態様において、上述の羽根車と連関して作動するコンプレッサーが提供され、当該コンプレッサーは当該羽根車と、設置アレンジメントと、駆動モーターとを備える。

図１Ａ〜１Ｆに、主軸Ｘ−Ｘを有するローター２０とローターに設置された複数の羽根３０とを含む、全体的に符号１０で表される羽根車を示す。

図２Ａ及び２Ｂには、羽根３０は、設置部分３２と羽根車部分３４とを含むことが示されている。羽根３０は、ローター２０内への設置に適合されており、設置部分３２においてその中に保持される。設置部分３２は、更に、ローター２０によって設置部分３２を更に把持するのに適合された矩形延伸部３６を含む。羽根３０は、羽根の羽根車部分３４が曲形を受け入れ、同時に実質的に軽量でかつ耐久性を有することができるように、複合材料によって形成される。羽根３０の曲形は、（図１Ａ及び１Ｂに見られるように）２つの隣接する羽根３０がその間に３次元の拡散チャネルを形成するような形状である。拡散チャネルの形成は、背景技術に開示されているように、例えば、接続ダイヤフラムといった、羽根の間のコネクタの必要性を省略するものである。

図１Ａ及び１Ｂに戻り、更に図３を参照して、ローター２０は、Ｘ−Ｘ軸の回りに均等に間を空けて配置された１揃いの一次スロット２４及びそこから間を空けて全ての一次スロット２４の両側に形成された１揃いの補助スロット２６と共に形成された双曲面形状の本体２２を有する。夫々の一次スロット２４は、（図２Ａ及び２Ｂに示す）コンプレッサー羽根３０の設置部分３２を受け入れるように適合されている。補助スロット２６は、後に詳細に説明される目的のために、一次スロット２４より僅かに狭く、そして深く形成される。

更に図１Ｃも参照して、羽根３０は一次スロット２４内に設置されて羽根車１０を形成し、接着剤を用いて適当な位置に保持することができる（図１Ｅ参照）。羽根３０をローター２０の本体２２に設置するための更なる固定手段を提供するために、羽根３０の設置部分３２が上部から下部まで夫々のコネクタ２８ａ及び２８ｂによって一次スロット２４内に保持される（図５及び６も参照のこと）。下部コネクタ２８ｂは羽根３０の矩形延伸部３６を把持する。羽根車１０は、更に、ローター本体２２に設置された双曲面ハブ２９を包含する。ハブ２９は、羽根３０を一次スロット２４内に固定するために上部コネクタ２８ａに圧力を加えることにも適合されている。

図１Ｅには、ローター本体２２の一次スロット２４内に設置されたコンプレッサー羽根３０が示されている。一次スロットは主軸Ｘ−Ｘに向かう放射状延伸部「ｌ」を有する。補助スロット２６は全ての一次スロット２４の両側に形成されており、「Ｌ」＞「ｌ」となるような主軸Ｘ−Ｘに向かう放射状延伸部「Ｌ」を有する。接着剤２５が羽根３０の設置部分３２を包囲し、それによって羽根３０を適当な位置に保持することが助長されるように、一次スロット２４内に挿入される。接着剤２５の目的は、羽根車１０が静止、即ち回転していないときに羽根を適切な場所に保持することが主であり、接着剤２５の効果は羽根車１０が回転している際にはそれ程有意なものではない。

図４において、静止している際の本体２２の外周半径が「ｒ_１」であり、一次及び補助スロット２４、２６の夫々の基底２７及び２８は、図１Ｅの「ｌ」及び「Ｌ」に対応する周径「ｒ_２」及び「ｒ_３」の夫々に位置している。「ｒ_２」及び「ｒ_３」の差は「Δｒ」で示されている。一次スロット２４及び補助スロット２６の幅は、夫々「Ｍ」及び「ｎ」である。

操作において、羽根車１０の回転の間に、遠心力及び熱運動により生じる膨張によってローター本体２２の寸法（点線で示す）が増加し、半径「Ｒ_１」＞「ｒ_１」となる。この本体２２の寸法の増加はスロット２４及び２６の夫々の基底２７及び２８の周径の寸法をも増加させ、それらは半径「Ｒ_２」及び「Ｒ_３」に夫々位置し、「Ｒ_２」＞「ｒ_２」及び「Ｒ_３」＞「ｒ_３」となる。従って、補助スロット２６は伸長し、その幅を幅「Ｎ」に変化させ、「Ｎ」＞「ｎ」となる。補助スロット２６は一次スロット２４の何れの側にも形成されるので、幅「ｎ」から「Ｎ」への増加は、一次スロット２４の両側に加えられる圧力によって一次スロット２４の幅「Ｍ」の実質的な減少を生じて幅「ｍ」となり、「ｍ」＜「Ｍ」となる。この一次スロット２４の幅の縮小は、前述の接着剤２５と共に、羽根３０のローター２０への固定を維持する。膨張の間に、一次及び補助スロット２４及び２６の幅の特定の関係並びにそれらの間の距離によって、距離「Δｒ」は実質的に同一、即ち、「Δｒ_２−３」≒「ΔＲ_２−３」に保たれることには留意すべきである。

羽根車が静止している際には、羽根３０は接着剤の作用によってのみ適切な位置に保持される。斯界に知られる羽根車との比較において、本発明の羽根車が作動する場合には、幅「Ｍ」から「ｍ」への縮小が羽根３０の設置部分３２に圧力を加えてそれを固定する。通常のローターにおいては、補助スロットが存在しないため、一次スロットの幅「Ｍ」が回転の間に増加し、羽根の把持が緩んでしまう。これを避けるために、通常は、ローターから羽根が抜けてしまうのを防ぐためにスロットを一定の幅で保持するように設計されたタンゼントボルトを含む設置アレンジメントが必要とされる。本発明は、精巧な設置アレンジメントの必要性を無くすだけでなく、本体２２の作成を非常に単純化して、この問題を上手く回避するものである。

この特定の例において、２つの一次スロット２４の間に２つの補助スロット２６が形成される。しかしながら、上記図面に示すスロットの配置は変更することができ、例えば、２つの隣接する羽根３０の間に補助スロット２６を１つだけ形成することもできることは理解される。例えば、２つの隣接する羽根の間の距離が短すぎる場合には、２つのスロットを形成すると２つの一次スロットの間の距離が短くなりすぎてしまうので（例えば数センチ）、両側の一次スロットに作用する１つの補助スロットのみを使用することが要求される。一方、２つの羽根の間の距離が長すぎる場合には、一次スロットの間の距離が長くなりすぎるので（例えば、数十センチ）、２つの補助スロットを使用することが必要となる。

図１Ｃに戻って、羽根車１０は、更に、羽根車１０、即ちローター２０及びその上に設置されている羽根３０、を軸受シャフト５０に設置することを助成してコンプレッサー・アッセンブリ１００を形成するのに適合した、ローター２０内で軸Ｘ−Ｘに沿って位置する設置アレンジメント４０を包含する。設置アレンジメントは、一方の側、即ち上側、から突出する、ローター本体２２と同軸の円錐先端４４と共に形成される回転軸４２を含む。先端４４は外面４４ａを有する。中空の中心ボア４６はＸ−Ｘ軸の方向に回転軸４２の全長に渡って延伸し、その中に締付けボルト４８を収容する。ボルトは、円錐先端４４から突出するのに十分な長さを有する。

図５を参照して、軸受シャフト５０に設置された、羽根を有する羽根車１０を示す。円錐先端４４は、軸受シャフト５０中に形成される対応する受入れ円錐ボア５４内に位置する。円錐ボア５４の内部には、更に、締付けボルト４８を収容するのに適合されたねじ穴５６が形成される。軸受シャフト５０には、更に、羽根車１０及び回転軸４２に回転を伝達するための２つの歯５８が形成される。

アセンブリにおいて、羽根車１０は締まりばめと共に回転軸４２に設置される。締まりばめは、作動温度の全範囲において、高速回転の間であってもローター本体２２を回転軸４２に合致させる。羽根３０は、次に、ローター２０に設置され、羽根を有するローターと設置アレンジメント４０は、円錐先端４４が円錐孔５４内に挿入されるように軸受シャフト５０に設置される。次に、締付けボルト４８が、羽根車１０が軸受シャフト５０に固定されるまで、即ち、円錐先端４４の外表面が円錐孔５４の内表面に対して同レベルになるまで、締付けられる。次に、ローターの半球２９が設置され、羽根車１０が操作可能状態となる。換言すると、上述のように、本発明による設置アレンジメント４０は、羽根３０が既にローターに設置されていても、羽根車１０を軸受シャフト５０に設置することを可能にする。

図６は全体的に符号１００で示される、軸受シャフト５０に設置されモーター６０に接続された、羽根車１０を含む完全なコンプレッサー・アセンブリを示す。カバー７０は、例えば、この特定の例においてその中においてコンプレッサーが用いられる熱ポンプ等の、タンク・フォーミングの一部であることができる。

図１Ａは、２つの羽根が挿入された、本発明の一実施例による羽根車の一部分を示すアイソメ図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す羽根車の他のアイソメ図である。 図１Ｃは、図１Ａ及び図１Ｂに示す羽根車の主軸に沿った断面図である。 図１Ｄは、主軸に対して垂直な、図１Ａに示す羽根車の断面図である。 図１Ｅは、図１Ｄに示す部分「Ａ」の拡大図である。 図１Ｆは、図１Ｃに示す羽根車の部分拡大図である。 図２Ａは、図１Ａに示す羽根車に用いられる羽根のアイソメ正面図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す羽根のアイソメ底面図である。 図３は、図１Ａに示す羽根車のローターの部分アイソメ図である。 図４は、図１Ａに示す羽根車の静止及び操作状態におけるローターの部分概略図である。 図５は、図１に示す羽根車が設置されたコンプレッサー・アセンブリの部分概略図である。 図６は、図１に示す羽根車を含むコンプレッサーの概略部分断面図である。

１０ 羽根車
２０ ローター
２２ ローター本体
２４ 一次スロット
２８ａ コネクタ
２８ｂ コネクタ
２９ 双曲面ハブ
３０ 羽根
３２ 設置部分
３４ 羽根車部分
３６ 矩形延伸部
４０ 設置アレンジメント
４２ 回転軸
４４ 円錐先端
４８ 締付けボルト
５０ 軸受シャフト
５４ 円錐孔
１００ コンプレッサー・アセンブリ

Claims (19)

1. 夫々が設置部分を有する複数の羽根を設置することによってローターの主軸の回りを回動可能な羽根車を形成するのに適したローターであって、当該ローターは一次スロット及び補助スロットを備え、前記補助スロットは、前記一次スロットの両側に間隔を置いて前記一次スロットよりも深く放射状に配置され、当該一次スロットの夫々は当該羽根のうちの１つの設置部分を受け入れることができ、当該一次スロット及び補助スロットは当該羽根車の回転に起因する遠心力及び熱運動によって当該回転の間に寸法が変化し、深めの前記補助スロットは、その寸法を変化させて前記一次スロットの幅を減少し、それによって当該一次スロットに挿入された当該設置部分に圧力を加えることによって当該一次スロット内に保持した当該羽根を維持することを特徴とするローター。
2. 前記ローターが、前記一次スロット内に羽根を保持するために当該羽根の設置部分の延伸部を受け入れるのに適合した上部コネクタ及び下部コネクタを更に備える、請求項１に記載のローター。
3. 前記ローターが、ローターに設置された際に前記一次スロット内での羽根の保持を更に促進するように設置されるハブの設置に適合したものである、請求項１に記載のローター。
4. 前記ハブが、前記回転の間に羽根車の回りにより良い空気流の供給を促進することに適合した双曲線形体である、請求項３に記載のローター。
5. 前記一次スロットが、前記羽根車が静止しているときに前記羽根を保持するための接着剤の導入に更に適合されたものである、請求項１に記載のローター。
6. 前記一次スロットの夫々が前記ローターの外周から前記主軸に向けての伸長「ｌ」を有し、前記補助スロットの夫々が前記ローターの外周から主軸に向けての伸長「Ｌ」を有し、「Ｌ」＞「ｌ」である、請求項１に記載のローター。
7. 前記補助スロットの幅が前記一次スロットの幅よりも小さいものである、請求項１に記載のローター。
8. ２つの補助スロットが、一方の補助スロットが前記一次スロットのうちの１つの右補助スロットとして機能し、他方の補助スロットが他の一次スロットの左補助スロットとして機能するように、２つの隣接する一次スロットの間ごとに配置される、請求項１に記載のローター。
9. １つの補助スロットが２つの隣接する一次スロットの間に配置され、当該補助スロットが一方の一次スロットの左補助スロット及び他方の一次スロットの右補助スロットの両方として機能する、請求項１に記載のローター。
10. 前記羽根が複合材料で製造されたものである、請求項１に記載のローター。
11. 前記羽根が３次元形状の曲面である、請求項１０に記載のローター。
12. 前記曲面形状が、前記ローターの前記一次スロットに挿入された際に２つの隣接する羽根の間ごとに３次元の拡散チャネルを形成するように設計されたものである、請求項１１に記載のローター。
13. 前記羽根の前記設置部分が、前記一次スロット内において前記羽根を更に固定させるために前記ローターの上部コネクタ及び下部コネクタ内に受け入れられるのに適合された延伸部を更に有する、請求項２に記載のローター。
14. 前記延伸部が矩形形状である、請求項１３に記載のローター。
15. 前記羽根車の回転の間に、前記補助スロットの幅が前記一次スロットの増大分を犠牲にして増加するように適合されており、前記一次スロットの幅を減少させ、それによって一次スロットに挿入された前記羽根の設置部分に圧力を加える、請求項１に記載のローター。
16. 前記羽根車が締まりばめによって前記回転軸に設置されるように適合されている、請求項１に記載の設置アレンジメント。
17. 前記締まりばめがローター本体を加熱・冷却することによって行われる、請求項１６に記載の設置アレンジメント。
18. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載のローター及び羽根を備えた羽根車。
19. 請求項１８に記載の羽根車を備えたコンプレッサー。

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