JP7014940B2 - ロータリーポンプ - Google Patents

Description

この発明は、オイルフリー型ロータリーポンプに関し、更に詳しくは揺動片の先端をローター外周面に対して摺動させ、前記ローターの外周面を追従させながら所要角度で往復移動させて主室の気密を保持し、圧縮気体の漏洩を防止し、高圧・高真空・高速・低騒音・低振動回転を可能とするロータリーポンプに関する。

特許文献１の揺動シール型ロータリーポンプでは、ローターが外側ローターと内側ローターに別れている。そのため部品点数が多くなり、しかも外側ローターがカーボン製であるため高価であり、ローターの外形が円であって主室の内周面もまた円であるためその接触は点となり、気密保持が線であるためシール性が低い。この種のポンプでは大気圧から加圧する圧縮機と真空から大気圧へと排気する真空ポンプがある。特に潤滑油を使用しないオイルフリー型においては小型では性能が低く、特に容量が大きくなると高価であるだけでなく製作が困難である等の問題が発生する。また、外側ローターと内側ローターの間にベアリングを入れているため、ベアリングからのグリスの洩れだしによる吐出気体の品質低下の問題も発生する。そして揺動軸のシールがないため、このシール部からの漏れが性能低下に結び付く。更に他の部分では隙間によるシールのため、内部漏れが多い等により高圧化が難しい等の問題もある。

特開２０００－３５６１９５号公報

本発明では吐出される気体の質即ち、吐出圧力が大気圧以上である場合、吐出される気体に油分が含まれない所謂オイルフリーな吐出気体が得られることを目的とする。また吸入圧力が大気圧以下の真空ポンプの場合、排気に油分を含まないクリーンな排気を得るポンプの提供を目的とする。
また特許文献１のポンプではローターの外形が円であり、主室の内周面もまた円であるためそのシール部は点となり、気密保持が線であるためシール性が低い。
また外側ローターと揺動片先端シールは常に接触する状態にあるが、この構造では双方の材質が同じであるため、双方が傷付き気密が更に損なわれる。
前述のように本発明適用前の揺動シール型ロータリーポンプでは、ローターが外側ローターと内側ローターに別れている。そして両ローターの間にグリス封入形のボールベアリングを配置しているため、常温においても、また特に高温に晒された場合、封入されたグリスがシールから外に滲み出てくる可能性が否定できない。また真空領域ではグリスを使用した場合、グリスが蒸発してトラブルとなる可能性がある。

本発明では、基本的にこの問題を解決すること及びコスト低減及び性能向上を図るため、ローターを一体物とし、しかも、そのローターと駆動軸を一体化したものである。またローターと主室内周面は性能向上を目的として線のシールではなく面のシールとし、隙間シールではなく接触シールとした。これはローターの一体化によって可能となった。また更に好ましい形態として揺動軸にシールを設けて尚且つ長寿命化を目的としてシール部材の一定量以上の摩耗を防止する構造としたものである。

本発明適用前のローターは内外分割形ローターで、ローターの外周面形状が真円であるため、前述のように主室内周とのシールは線であり、シールのための気密性が低いという問題があった。
本発明ではこの問題を解決すること及びコスト低減を目的として、一体物のローター外周面の一部を外周面の他の部分と違える（一部を真円からずらす）ことにより、ローターと駆動軸を一体化してローター側のシール部を線ではなく面とし、内部漏れを少なくして性能向上を図ったものである。好ましい形態では、ローター外周の一部を面とした上、その一部を自己潤滑性の部材とし、主室内周に対して面でシールし且つ主室内周に接触させる構造として、更に長寿命化を目的としてシール部材の一定量以上の摩耗を防止する構造としたものである。
このような形態を得る手法として、まず真円の形状のローターを形成し、その後Ｄ部に対応する部分を一部加工するようにする。

そして、ローター側シールと揺動片先端シールとが接触すると双方に傷が付いて気密性が損なわれるため、双方が接近したときに接触させず隙間が開くようにしている。即ち、ローター側シール外径は揺動片先端シールが接近した時は隙間が生じるように、面状の範囲のシール外周半径を主室内周半径と同じにしている。しかし、このとき圧縮行程は終了しており圧縮行程に影響を及ぼさない。
これもまた一体型ローターによって可能となったものである。

コンプレッサあるいは真空ポンプどちらの場合でも、多段圧縮タイプでは各段の間では圧力差が発生するため、揺動軸シールが必要となる。しかし本発明適用前の揺動シール型ポンプではこのシールが無いため漏洩が発生する。本発明ではこの問題を解決するために揺動軸と側板、揺動軸と仕切り板をシールする目的で揺動軸あるいは側板・仕切り板側に溝を設け、自己潤滑性リングを溝内に遊嵌し、前記溝奥部に波型またはコイルバネを配置して側板または仕切り板に対して付勢する。更に前記溝の中心は揺動軸に対して偏心した位置に設ける。これによりシールリングは溝の中で回転しないためトラブルの発生を防止できる。また、シールリングは円筒の他にステップカットとすることによりシール効果を高めることができる。

現在オイルフリー型ロータリーポンプにはスクリュー型またはスクロール型のポンプ等が提案されている。しかしスクリュー型オイルフリーポンプはタイミングギアを使用しているためオイルの管理を必要とし、且つオイルを吐出側に混入させないためにメカニカルシールを使用する等複雑な構造であるため高コストでメンテナンス費用も高価である等の問題がある。
そしてコンプレッサでは１１ＫＷ以上、そしてスクロール型では１．５ＫＷ～５．５ＫＷの範囲である。
本発明では０．１ＫＷ～１００ＫＷ以上の範囲が低コストで製作可能となる。また本発明ではスクリュー型と違いタイミングギアを使用していないため潤滑油を使用しない。従って潤滑油を管理する必要がなく、潤滑油によって周囲を汚すことが無い。
前述のように本発明のオイルフリー型ロータリーポンプによれば、低コスト・長寿命で小容量から大容量のオイルフリー真空ポンプ・ブロアー及びコンプレッサを提供することができる。

本発明適用前の水平断面図を示す。 本発明適用前の垂直断面図を示す。 本発明のローターのシールを表す斜視図を示す。 本発明の揺動片先端及び揺動軸のシールを表す斜視図を示す。 本発明の揺動片先端及び先端シールの関係図を示す。 本発明の揺動片先端シールの装着時の状態を示す。 本発明の揺動片先端シールの摩耗時の状態を示す。 本発明のローターと揺動片先端シールの関係を示す部分拡大図。 本発明のローターシールの装着時の拡大図を示す。 本発明のローターシールの摩耗時の拡大図を示す。 本発明のローターシールの揺動片先端シールとの関係（１）を示す。 本発明のローターシールの揺動片先端シールとの関係（２）を示す。 本発明のローターシールの揺動片先端シールとの関係拡大図を示す。 本発明の揺動軸の軸シール（１）を示す斜視図を示す。 本発明の揺動軸の軸シール（２）を示す斜視図を示す。 本発明の揺動軸側に溝を設けた場合の軸シールの摩耗防止の実施例の断面図を示す。 本発明の側板及び仕切り板側に溝を設けた場合の軸シールの摩耗防止の実施例の断面図を示す。 本発明の揺動軸の軸シールの装着時の状態及び圧力の状態を示す。 本発明の揺動軸の軸シールの摩耗時の状態及び圧力の状態を示す。

一体型ローターとしたことによる効果
実線で示すローターの外周面の形状に注目されたい。この外周面は、全体的には点Ｃ’を中心とした半径ＲＲの円に対応する。
しかし、Ｄで示す外周面の部分については、点Ｃ’とはオフセットした別の点Ｃを中心としたＲＣを半径とした円に対応する。この場合、半径ＲＣを半径ＲＲより大きくすることによりＤの部分の曲率を大きくする。
このようにローターの外周面の一部が特定の範囲Ｄにおいて、ローターの他の部分と異なることから、主室内周面との間に間隙ｍを作り出し、面状のシールを可能とする。
例えば、Ｄの領域について、角度で１０°～２０°程度にすることができる。
また、一体型ローターとしたことによってＤで示す外周面の部分について揺動片シール先端はＲＲで示す円上を通る。しかし、前述のようにローターの外周面はＤの範囲は点Ｃを中心とした半径ＲＣとしているので、Ｄで示す外周面の部分では揺動片シール先端とローターの外周面とは間隙が生じる。即ち、このことによってこの部分ではローターの外周に設けたシールと揺動片シール先端の接触による両シールの擦過によるダメージを避けることができる（図１２・１３）。
具体的に言うと、ローターの外周面を見るとDの部分については、他の部分よりも中心に向かって凹んだ形態である。従って揺動片シール先端が、ローターの外周面上、他の部分からDの部分に達するとき、Dの部分が他の部分よりも凹んでいることからローター側のシールと接触することがない。すなわち、揺動片シール先端は、Dの部分をスムーズに通り過ぎる。ここで、揺動片シール先端をよりスムーズに移動させるため、好ましくは、ローター側シールについて、半径ＲＲの仮想の円よりも飛び出ないような設計にするとよい。これについては、後で述べる段付きピン（６６）によるストッパ作用を利用することができる。

ローターと主室間のシールについて
ローターと主室内周間のシールについてはローターの主室内周に接触する部分について、ローター側にシリンダ中心軸と平行に所要の幅で溝（６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ）を設けて、自己潤滑性のある部材（６１ａ，６１ｂ，６１ｃ）を遊嵌する（図９・１０）。
次に前記溝にローター外方に付勢するための波型またはコイル型のバネ（６４）等の弾性体を配置し、段付きピン（６６）で前記自己潤滑性部材が一定以上摩耗しないための構造とする（図３）。但し、ローターシールは回転時に揺動片出入口に引っかかるのを防止するため装着時にストッパが働いた状態とし、ローターシール外周が主室内周（ＲＲ）と同一寸法となるようにすることが必要となる。そして、このことによってローターシールは主室内周と接触しても焼損には至らず、隙間を無くして運転が可能になることで内部漏れを低減でき、性能向上を図ることができる。
内側・外側分離型ローターを一体型ローターにすることにより、前述のほかに
1. 一体型により部品点数を少なくし、製作コストを下げることができる。
2. 分離型ローターではローター外周と主室内周の気密は線であったが、一体型では隙間を無くして且つ面でのシールとすることができるので気密性を高めることができ、性能を向上させることができる。
3. この隙間はローター、揺動片、主室内周で構成する圧縮行程が終了した後に発生するので性能低下とはならない。

揺動片とローター外周間のシールについて
揺動片とローター外周間のシールについては揺動片（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ）先端にシリンダ中心軸と平行に所要の幅で溝（２４ｇ，２４ｈ，２４ｉ）を設けて、自己潤滑性のある部材（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）を遊嵌する（図４・５）。
次に前記溝にローター外周に付勢するための波型（７６）またはコイル型のバネ（６４）等の弾性体を配置し（図４）、溝側及び自己潤滑性部材側双方を段付き構造（図５）とし前記自己潤滑性部材が一定以上摩耗しないための構造とする（図６・７）。但し、揺動片先端シールは同様にローターシールと干渉させないために、装着時にはストッパが働いた状態とすることが必要である。こうすることによって、揺動片先端シールとローター外周とが隙間なく運転ができ、なお且つ揺動片先端シールとローター外周との接触に柔軟性を持たせることが可能となることで性能向上を向上させることができる。

揺動軸と側板及び仕切り板間のシールについて
吸入圧力が大気圧で吐出圧力が正圧の場合、即ちコンプレッサの圧力領域では第１副室（１４ａ）と第２副室（１４ｂ）及び第２副室（１４ｂ）と第３副室（１４ｃ）、第１副室（１４ａ）と大気との間には圧力差が発生する。従って前記の３カ所は漏洩防止装置が必要となる。また、本発明のポンプを真空ポンプとして使用する場合も同様に第１副室（１４ａ）と第２副室（１４ｂ）及び第２副室（１４ｂ）と第３副室（１４ｃ）、第１副室（１４ａ）及び第３副室と大気との間には圧力差が発生する。
そこで揺動軸も仕切り板（１８ａ）と仕切り板（１８ｂ）及び側板（３０）に対してシールをする必要がある。
次に吸入圧力が真空で吐出圧力が大気圧の場合即ち真空ポンプの圧力領域ではでは第１副室（１４ａ）と第２副室（１４ｂ）及び第２副室（１４ｂ）と第３副室（１４ｃ）、第３副室（１４ｃ）と大気圧との間に圧力差が発生する。
そこで揺動軸も仕切り板（１８ａ）と仕切り板（１８ｂ）及び側板（３０、３２）に対してシールをする必要がある。
そしてシールリング溝を揺動軸側に形成する場合（図１６）と、シールリング溝を側板及び仕切り板側に形成する場合（図１７）を提示した。
しかし、揺動軸は揺動運動をするためシールリングの中心が揺動軸と同じだとシールリングは仕切り板または側板との摩擦によって回されてトラブル発生の原因となる。
本発明ではこの問題の解消を目的としてシールリングを揺動軸の中心と一致させずに、偏心させることでこの問題を解消させた（図１４、１５、１６、１７）。
具体的には、図１６に示すように、揺動軸（２２）の中心Ｃ１に対し、揺動軸シール（７４）の中心Ｃ２をオフセットすることにより、揺動軸（２２）とそれに保持される揺動軸シール（７４）とが常に一体に動くようになっている。尚、揺動軸シール（７４）については（図１４）に示すように、合口の無い形態、或いは、図１５に示すように、合口のある形態にすることができる。また、揺動軸シール（７４）を側板（３０、３２）及び仕切り板（１８ａ，１８ｂ）側に配置することもできる。
そしてシールリングの摩耗を一定量とするため、シールリングを段付きとしストッパ板（８０）で摩耗を停止させる構造とした（図１６、１７・１８、１９）

１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 圧縮気体通路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 副室
１７ プーリ
１８ａ，１８ｂ 仕切り板
２０ 駆動軸
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ ローター
２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ ローター外周
２２ 揺動軸
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 揺動片
２４ｇ，２４ｈ，２４ｉ 揺動片先端溝
２５ バランス・ウエイト
２７ 上蓋
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 吸入口
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ 吐出口
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 主室
３０ 側板ａ
３２ 側板ｂ
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ 圧縮室
６１ａ ローターシール（ａ）
６１ｂ ローターシール（ｂ）
６１ｃ ローターシール（ｃ）
６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ ローターシール溝
６２ａ，６２ｂ，６２ｃ ローター外周ＲＣ部
６４ 付勢用コイルバネ
６６ ローターストッパピン
７２ａ 揺動片先端シール（ａ）
７２ｂ 揺動片先端シール（ｂ）
７２ｃ 揺動片先端シール（ｃ）
７３ａ，７３ｂ，７３ｃ 揺動片先端シール先端
７４ 揺動軸シール
７５ 揺動軸シール溝
７６ 揺動片先端付勢バネ
７９ 付勢波型バネ
８０ 摩耗防止板
ｍ 主室内周面とローター外周面との間隙
Ｂ ローター外周ＲＣ部中間位置
Ｃ 半径ＲＣの円の中心
Ｃ’ 半径ＲＲの円の駆動軸の中心
Ｃ１ 揺動軸７７の中心
Ｃ２ 揺動軸シール７４の中心
Ｄ ローター外周ＲＣ部範囲
Ｅ 揺動片先端部― ローター外周ＲＣ部最大隙間
ＥＡＳ 揺動片先端シール装着時隙間
ＥＲＳ ローターシール装着時隙間
ＥＳ１ 揺動軸シール装着時隙間
ＲＣ シリンダ内周半径
ＲＥ ローター偏心量
ＲＲ ローター外周半径

Claims (3)

1. 圧縮室を区画するための主室及びその主室に隣り合い、主室に連結する副室ならびに気体を取り入れる入口及び圧縮室の圧縮気体を取り出す出口を含むケーシングと、
   主室内に位置し、駆動軸に偏芯された状態で支持され、その外周面の一部がローターシール部となるローターであって、そのローターは一体物であり、かつ、その外周面の一部が外周面の他の部分と異なる形状であり、前記ローターシール部が、前記主室の内周面に対して僅かな間隙を保持し、前記ローターと前記主室の内周面との間に、その周方向に面状に広がるローターと、
   副室内に位置する搖動軸に支持され、一端が主室内に延びる搖動片を備え、主室の内周面、ローター及び搖動片によって圧縮室を区画するロータリーポンプであって、
   前記搖動軸は、側板及び仕切り板とのシール部において、前記搖動軸に対して偏芯した円筒状の溝を形成し、円筒状のシールリングは前記側板及び仕切り板に対して弾性的に付勢されており、段付き部を設けて摩耗防止板により摩耗が一定以上進行しない摩耗防止構造となっていることを特徴とするロータリーポンプ。
2. 圧縮室を区画するための主室及びその主室に隣り合い、主室に連結する副室ならびに気体を取り入れる入口及び圧縮室の圧縮気体を取り出す出口を含むケーシングと、
   主室内に位置し、駆動軸に偏芯された状態で支持され、その外周面の一部がローターシール部となるローターであって、そのローターは一体物であり、かつ、その外周面の一部が外周面の他の部分と異なる形状であり、前記ローターシール部が、前記主室の内周面に対して僅かな間隙を保持し、前記ローターと前記主室の内周面との間に、その周方向に面状に広がるローターと、
   副室内に位置する搖動軸に支持され、一端が主室内に延びる搖動片を備え、主室の内周面、ローター及び搖動片によって圧縮室を区画するロータリーポンプであって、
   前記搖動軸は、側板及び仕切り板とのシール部において、側板及び仕切り板に対して偏芯した円筒状の溝を形成し、円筒状のシールリングは前記搖動軸に対して弾性的に付勢されており、段付き部を設けて摩耗防止板により摩耗が一定以上進行しない摩耗防止構造となっていることを特徴とするロータリーポンプ。
3. 前記円筒状のシールリングは切断の無い円筒状を成し、内径に対しては隙間を無くして側板または仕切り板に対して付勢をすることで漏洩を防止する構造とし、段付き部を設けて摩耗防止板により摩耗が一定以上進行しない摩耗防止構造となっていることを特徴とする請求項１に記載のロータリーポンプ。

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