JP6987899B2 - 円筒対称性容積形機械 - Google Patents

Description

本発明は、円筒対称性容積形機械に関する。

容積形機械は、（英語）名称：「移送式機械」（positive displacement machine）としても公知である。

より具体的には、本発明は、２つの回転子、すなわち、外側回転子の中に回転可能に装着された内側回転子を含む円筒対称性を有する拡張機、圧縮機、及びポンプのような機械に関する。

そのような機械は、公知であり、例えば、ＵＳ １，８９２，２１７に説明される。回転子は、円筒又は円錐形状を有する場合があることも公知である。

そのような機械は、電気モータによって駆動される場合があることは公知である。

これにより、モータ回転子の回転子シャフトは、内側又は外側回転子の回転子シャフトを駆動することになり、両方の回転子シャフト間の伝達を実現するためにギア、カプリング、又はベルトドライブなどが使用される。

そのような機械は、非常にかさばり、かつモータの多くの部品、圧縮機、又は拡張機回転子、及び関連のハウジングから構成される。

結果として、機械の「フットプリント」又は空間占有率は比較的大きい。

機械は、多くの部品に起因して及び結果的により高価な組立てに起因して比較的高価であることにもなる。

別の欠点は、全ての部品を密封してこれらの部品をハウジングの中に回転可能に装着するための多くのシャフトシール及びベアリングに対する必要性である。

シールは、それらが故障した場合のリスクを呈し、一方でベアリングは損失を伴う。

ＵＳ １，８９２，２１７

本発明の目的は、上述の及び／又は他の欠点のうちの１又は２以上に対するソリューションを提供することである。

本発明は、円筒対称性容積形機械に関連し、この機械は、２つの協調する回転子、すなわち、機械に回転可能に装着された外側回転子と外側回転子に回転可能に装着された内側回転子とを含み、機械には、外側及び内側回転子を駆動するためのモータ回転子及びモータ固定子を有する電気モータが設けられ、電気モータが、外側回転子の周りに装着され、モータ固定子が、外側回転子を直接に駆動し、電気モータが、外側回転子及び内側回転子の長さの一部だけに沿って延び、モータが、最小直径を有する内側回転子の端部に位置付けられるという特徴を有する。

利点は、必要な部品が少ないようにモータ固定子が外側回転子を直接に駆動しているので、外側回転子及びモータ固定子又はモータ回転子の間の伝達に対する必要性がないことである。

別の利点は、外側回転子の周りへの電気モータの装着に起因して、機械のフットプリントを縮小することができ、機械がより小さくかつよりコンパクトにされることである。

更に、必要なシャフトシールが少なくなり、これは、機械の信頼性を高める。

これに加えて、必要なベアリングが少なくなり、これは、より少ない損失、及びその結果としてより効率的な機械をもたらす。

実際的な実施形態では、モータ回転子及び外側回転子は、まとめて配置されるか又は全体を形成する。

モータ回転子及び外側回転子は、例えば、圧入手段により又は溶接によるなどで互いに直接に接合することができる。

この実施形態は、標準的な外側回転子を使用することができるという利点を有する。

別の実際的な実施形態では、外側回転子は、モータ回転子として使用される。

これは、部品又は構成要素の機能が組み合わされ、すなわち、ある一定の部品が共有されるので、いくつかの部品がもはや存在しないことになるかのように機械を更によりコンパクトにすることができることを保証することになる。

本発明の特徴をより良く示すために、本発明による円筒対称性容積形機械の一部の好ましい実施形態を添付の図面を参照していかなる限定的性質もなしに一例として以下に説明する。

本発明による機械の概略図である。

図１に概略的に示す機械１は、この場合は圧縮機デバイスである。

本発明により、機械１が拡張機デバイスであることも可能である。本発明は、同じくポンプデバイスにも関連する場合がある。

機械１は、「円筒対称性移送式機械」とも呼ばれる円筒対称性容積形機械１である。これは、機械１が円筒対称性、すなわち、円錐と同じ対称特性を示すことを意味する。

機械１は、圧縮される気体を吸引するための入口３と圧縮された気体のための出口４とが設けられたハウジング２を含む。ハウジング２は、チャンバ５を形成する。

機械１のハウジング２には、２つの協調する回転子６ａ、６ｂ、すなわち、ハウジング２の中に回転可能に装着された外側回転子６ａと、外側回転子６ａに回転可能に装着された内側回転子６ｂとが、このチャンバ５に位置付けられる。

両方の回転子６ａ、６ｂは、ローブ７が設けられ、かつ協調的に互いの上に回転することができ、それによってローブ７の間に圧縮チャンバ８が現れ、その容積は、この圧縮チャンバ８に捕捉された気体が圧縮されるように回転子６ａ、６ｂの回転によって低減される。この原理は、公知のタンジェント協調式スクリュー回転子に非常に似ている。

回転子６ａ、６ｂは、ベアリングによって機械１の中に装着され、それによって内側回転子６ｂは、一端９ａで機械１の中に装着される。この場合に、内側回転子６ｂを機械１のハウジング２の中に装着するのに単に１つのベアリング１０が適用される。このベアリング１０は、内側回転子６に加わる軸力を担持するための軸方向ベアリングである。この軸力は、左を向けられることになる。

内側回転子６ｂの他端９ｂは、言わば、外側回転子６ａによって支持又は担持される。

外側回転子６ａは、図示の例では両端９ａ、９ｂでベアリングによって機械１に装着される。これにより、少なくとも１つの軸方向ベアリング１２が使用される。これは、外側回転子６ａが受ける軸力を担持することができることになる。外側回転子６ａがハウジング２の中にそれによって装着される他方のベアリング１１は、軸方向ベアリングとは別のタイプのベアリングである場合がある。

この単純なベアリング配置に起因して、ベアリング１０、１１、１２に関する損失は、可能な限り小さく保つことができる。

図示の例では、回転子６ａ、６ｂは、円錐形状を有し、それによって回転子６ａ、６ｂの直径Ｄ、Ｄ’は、軸方向Ｘ−Ｘ’に減少する。これは、本発明にとって必要条件ではなく、回転子６ａ、６ｂの直径Ｄ、Ｄ’は、一定である場合もあり、又は軸方向Ｘ−Ｘ’に別の方法で変化する場合もある。

回転子６ａ、６ｂのそのような形状は、圧縮機及び拡張機デバイスの両方に適している。回転子６ａ、６ｂは、これに代えて、一定直径Ｄ、Ｄ’を有する円筒形状を有する場合もある。これらは、次に、圧縮機又は拡張機デバイスの場合に組み込まれた容積比が存在するように可変ピッチ、又は機械１がポンプデバイスの場合に一定ピッチのいずれかを有することができる。

外側回転子６ａの軸線１３と内側回転子６ｂの軸線１４は平行ではなく、角度αの下で位置決めされ、それによってこれらの軸線１３、１４は、点Ｐで互いに交差する。これは、本発明にとって必要条件ではない。例えば、回転子６ａ、６ｂの直径Ｄ、Ｄ’が一定である場合に、軸線１３、１４は、実際に平行であると考えられる。

軸線１３、１４は、角度αの下で位置決めされるが、これらは、固定された軸線１３、１４である。これは、回転子６ａ、６ｂの回転中に軸線１３、１４が機械１のハウジング２に対して変位されない又は移動しないことになることを意味する。軸線１３、１４は、言い換えれば、周回移動を行わないことになる。

これは、両方の回転子３ａ、３ｂ間の正しい相対移動を保証するための特別なギアのような追加の規定を行う必要がないという利点を有する。

更に、機械１には、回転子６ａ、６ｂを駆動することになる電動モータ１５も設けられる。このモータ１５には、モータ回転子１６及びモータ固定子１７が設けられる。

本発明により、電気モータ１５は、外側回転子６ａの周りに装着され、それによってモータ固定子１７は、外側回転子６ａを直接に駆動している。

図示の例では、これは、外側回転子６ａがモータ回転子１６としても同様に機能するので実現される。

言い換えると、機械１の１つの部品は、２つの機能、すなわち、外側回転子６ａの機能及びモータ回転子１６の機能を実行することになる。

このようにして、モータ固定子１７は、外側回転子６ａを直接に駆動することになる。

これは、機械１がよりコンパクトで複雑さが減るように、機械１がより少ない部品を含むことになるという結果を有する。

電気モータ１５のモータ固定子１７は、モータ回転子１６を駆動するのに典型的に円筒対称性回転場を発生しているので、このモータ回転子１６及び従ってこの場合は外側回転子６ａも、円筒対称性を示すことが必要である。

外側回転子６ａがモータ回転子１６の機能を引き受けているので、モータ１５は、機械１にいずれの追加回転部品も追加しない。この理由により、追加のベアリングも従って存在せず、関連の損失も同様である。

電気モータ１５の磁石１８は、この場合は外側回転子６ａに好ましくは埋め込まれる。これらの磁石１８は、永久磁石である場合がある。これらの磁石１８が外側回転子に埋め込まれず、むしろ例えばその外側の上に装着されることも勿論可能である。

永久磁石を有する電気モータ１５（すなわち、同期永久磁石モータ）の代わりに、非同期誘導モータを適用することもでき、それによって磁石１８は、かご形電機子によって置換される。モータ固定子１７からの誘導により、かご形電機子内に電流が誘導される。

他方で、モータ１５はまた、リラクタンスタイプ又は誘導タイプ、又はタイプの組合せのものである場合がある。

図に見ることができるように、電気モータ１５は、回転子６ａ、６ｂの長さＬの一部だけに沿って延び、それによって電気モータ１５は、最小直径Ｄを有する端部９ｂに位置付けられる。

これは、磁石１８が、より小さい直径Ｄを有する回転子６ａ、６ｂの端部９ｂに位置付けられることを意味する。磁石１８及びモータ１５が、直径Ｄ’を有する他方のより大きい端部に位置付けられることも勿論可能である。

これは、機械１が更によりコンパクトになるように追加の空間節約さえも伴うことになる。

機械１を可能な限りコンパクトにするために、モータ１５の最大直径Ｅは、外側回転子６ａの最大直径Ｄ’の好ましくは最大で２倍、好ましくは最大で１．７倍、より好ましくは最大で１．５倍である。

しかし、本発明は、これらの上述の寸法に限定されない。これに代えて、外側回転子６ａの最大直径Ｄ’は、例えば、モータ固定子１７の内径Ｆよりも大きい場合がある。機械１を更によりコンパクトにするために、外側回転子６ａの最大直径Ｄ’は、モータ１５の最大直径Ｅ、すなわち、モータ固定子１７の外径よりも大きい場合がある。外側回転子６ａが射出成形によって作られる場合に、磁石１８は、射出成形工程中に外側回転子６ａ内に好ましくは同時成形される。

それは、最小直径Ｄを有する回転子６ａ、６ｂの端部９ｂにモータ１５が位置付けられるという事実と組み合わせて、取りわけ、モータ１５の最大直径Ｅをそのように小さく保つことができるという特徴に起因する。モータ１５の最大直径Ｅが小さいほど、最終的な機械１がよりコンパクトになり、機械１のフットプリントがより小さくなる。

勿論、例えば内側回転子６ｂのような機械１の他の部品が同様に射出成形によって作られることは除外されない。

モータ固定子１７は、外側回転子６ａの周りに包み込み方式で装着され、それによって前者は、この場合は機械１のハウジング２に位置付けられる。

モータ１５を機械１のハウジング２の中に装着することにより、特別なモータハウジングを設ける必要がなく、機械１をよりコンパクトに配置することができる。更に、モータ１５と回転子６ａ、６ｂの間のシールの必要性もない。

更に、このようにして、モータ１５及び回転子８ａ、６ｂの潤滑は、それらが同じハウジング２に位置付けられ、その結果、互いから隔離されないので一緒に制御することができる。

ハウジング２がそれをモータ１５のハウジング２としても使用することができるように配置されること、又は回転子６ａ、６ｂのハウジング２に取り付けることができる個別のハウジング２がモータ１５のために設けられることも勿論可能である。

図示の例では、機械１の外側回転子６ａは、モータ回転子１６として使用されるが、モータ回転子１６及び外側回転子６ａがまとめて配置されること、又は例えばそれらは圧入の手段により又は溶接などによって直接に互いに接合されるので、それらが全体を形成することが勿論可能である。

機械１の作動は非常に単純であり、以下の通りである。

機械１の作動中に、モータ固定子１７は、公知の方法でモータ回転子１６を駆動することになる。

この場合に外側回転子６ａはモータ回転子１６として機能するので、それは、従って、駆動されることになる。

雄及び雌スクリュー回転子を有して例えば雄スクリュー回転子がモータ１５によって駆動される公知のオイル注入式スクリュー圧縮機と同じ方法で、外側回転子６ａは、それと共に内側回転子６ｂを駆動することになる。

回転子６ａ、６ｂの回転に起因して、気体は、入口３から吸い込まれることになり、それは、回転子６ａ、６ｂ間の圧縮チャンバ８に至ることになる。気体が吸気口３から吸い込まれると、それは、図１の矢印に従ってモータ回転子１６及びモータ固定子１７に沿って流れることになり、このようにしてモータ１６の冷却を保証する。

回転により、圧縮チャンバ８は、出口４に向けて変位し、このようにして気体の圧縮を保証するように同時に容積が減少することになる。

圧縮された気体は、次に、出口１を通って機械１を離れることができる。

作動中に、液体が、部品を冷却及び／又は潤滑にするために機械１に注入されることになる。これらの部品は、取りわけ、ベアリング１０、１１、１２、内側及び外側回転子６ａ、６ｂ、モータ固定子１７の巻線等である。

これに関して、機械１には、図示しない液体注入回路が設けられる。この液体は、例えば、合成オイルであるか否かに関わらず、オイルである場合がある。

これにより、液体は、チャンバ５にも注入されることになり、これは、内側及び外側回転子６ａ、６ｂ間の潤滑及び密封を保証することになる。

出口を通って、この液体は、圧縮された気体と共に機械１を離れることになる。液体は、分離器によって気体から分離されて回収することができる。

機械１が液体を含まないこと、及び潤滑がオイルの代わりに油脂によって行われることも勿論可能である。

本発明は、例として説明して図に示した実施形態に決して限定されず、むしろ本発明による円筒対称性容積形機械は、本発明の範囲から逸脱することなく全ての種類の形態及び寸法に実現することができる。

１ 円筒対称性容積形機械
６ａ 外側回転子
６ｂ 内側回転子
８ 圧縮チャンバ
１５ 電気モータ

Claims (13)

1. 機械（１）が、２つの協調する回転子（６ａ、６ｂ）、すなわち、機械（１）に回転可能に装着された外側回転子（６ａ）と該外側回転子（６ａ）に回転可能に装着された内側回転子（６ｂ）とを含む円筒容積形機械（１）であって、前記外側回転子（６ａ）及び前記内側回転子（６ｂ）は、ローブ（７）が設けられ、前記ローブ（７）の間に圧縮チャンバ（８）が現れ、該圧縮チャンバ（８）の容積は、前記外側回転子（６ａ）及び前記内側回転子（６ｂ）の回転によって、低減又は増加され、これにより、圧縮チャンバ（８）に捕捉された気体が圧縮又は膨張され、該外側及び内側回転子（６ａ、６ｂ）を駆動するモータ回転子（１６）とモータ固定子（１７）とを有する電気モータ（１５）が機械（１）に設けられ、
   前記電気モータ（１５）は、前記外側回転子（６ａ）の周りに装着され、
   前記モータ固定子（１７）は、前記外側回転子（６ａ）を直接に駆動しており、
   前記電気モータ（１５）は、前記外側回転子（６ａ）及び前記内側回転子（６ｂ）の長さ（Ｌ）の一部だけに沿って延び、該モータ（１５）は、最小直径（Ｄ）を有する該内側回転子（６ｂ）の端部（９ｂ）に位置付けられ、
   前記外側回転子（６ａ）及び前記内側回転子（６ｂ）は、円錐形状を有する、
   ことを特徴とする機械（１）。
2. 前記モータ回転子（１６）及び前記外側回転子（６ａ）は、圧入手段により又は溶接により、互いに直接に接合することにより、まとめて配置されることを特徴とする請求項１に記載の機械。
3. 前記外側回転子（６ａ）は、前記モータ回転子（１６）として機能することを特徴とする請求項１に記載の機械。
4. 前記電気モータ（１５）には、前記外側回転子（６ａ）に埋め込まれた永久磁石（１８）が設けられることを特徴とする請求項３に記載の機械。
5. 前記内側回転子（６ｂ）及び前記外側回転子（６ａ）は、互いに対して角度（α）の下で位置決めされた軸線（１３、１４）を有し、これらの軸線（１３、１４）は、互いに交差していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の機械。
6. 前記内側回転子（６ｂ）及び前記外側回転子（６ａ）の前記軸線（１３、１４）は、固定された非周回軸線であることを特徴とする請求項５に記載の機械。
7. 前記内側回転子（６ｂ）は、ベアリングによって機械（１）の中に一端（９ａ）で装着されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の機械。
8. 前記外側回転子（６ａ）は、少なくとも１つの軸方向ベアリング（１１）によって機械（１）の中に装着されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の機械。
9. 機械（１）が、拡張機、圧縮機、又はポンプデバイスであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の機械。
10. 前記外側回転子（６ａ）は、射出成形技術によって作られることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の機械。
11. 磁石（１８）が、射出成形工程中に前記外側回転子（６ａ）内に同時成形されることを特徴とする請求項４及び請求項１０に記載の機械。
12. 機械（１）には、ハウジング（２）が設けられ、前記モータ（１５）は、該ハウジング（２）の中に装着され、又は該ハウジング（２）は、該モータ（１５）のハウジング（２）としても機能することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の機械。
13. 前記モータ（１５）の最大直径（Ｅ）が、前記外側回転子（６ａ）の最大直径（Ｄ’）の最大で２倍であることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の機械。

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