JPH02161102A - スクリュー膨張機の給油装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流体機械におけるスクリュー膨張機、特にス
クリュー膨張機に対する給油技術に関するものである。

〔従来の技術〕

スクリュー型の流体（ガス）機械を圧縮機として使用す
ることが以前から行われており、したがって、これに関
する給油方法は数多く提案されているが、上記機械を膨
張機として使用したケースは少なく、その際の給油手段
については、必ずしも明らかにされていない。

文献によれば、スクリュー型圧縮機は膨張機としても使
用することができるとあって、たとえば噴射式油冷スク
リュー型圧縮機の具体的構成の説明がなされているが、
当該装置においてケ−シング内に冷却した多量の潤滑油
を噴射して、ケーシングおよびロータ間の潤滑、圧縮気
体の直接冷却および各部のシール作用を行うようにした
給油手段、すべて気体圧縮の効率を高めるためのもので
あって膨張機のための給油方法としては必ずしも適切な
ものとはいえなかった。

すなわち、ケーシング内に注入する冷却潤滑油の噴射方
向−つを採ってみても、圧縮機と膨張機とを同一に論じ
ることができないのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで本発明は、スクリュー型の流体機械を膨張機とし
て使用する場合に。

（イ）吸入側に高圧流体を供給するので、吸入側端面で
のシールを確実にしないと効率の良否に大きく影響があ
る。

（ロ）吸入側から吸入した高圧ガス流体を作用室（シリ
ンダ内側）に取込み、膨張させて動力を得るようにした
原動機であるため１作用室および作用室相互間のシール
を確実にしないと機械効率に悪影響を及ぼす。

（ハ）構成部材相互の摺動面を潤滑・シールする液体を
注入するとき予め潤滑すべき摺動面の構成に応じて、潤
滑区域を適当に区分して、各区画毎に適切に摺動面を潤
滑・シールすることが同室内でポリトロープ膨張にある
気体のエネルギーを無駄にしない効果を奏するので１機
械効率の向上をもたらす。

以上のような諸点を考慮し、スクリュー膨張機において
最適な給油手段を提供することを目的とするものである
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、以下に述べるとお
りの各構成要件を具備している。

（１）スクリュー型流体機械において、吸入する高圧ガ
ス流体を受入れ、容積を変化させる作用室を区画する部
材相互の摺動面のシールおよび潤滑のため、ノズルを介
してシリンダー内側に噴射す　。

シール潤滑用液体の供給系統を、少なくとも高圧ガス流
体の吸入室の端面、スクリューロータを支承する高圧側
ベアリング、同じく低圧側ベアリング、作用室およびメ
カニカルシールの５系統に分割・供給することを特徴と
するスクリュー膨張機の給油装置。

〔作　　　用〕

本発明スクリュー膨張機、特にその給油装置は、上記シ
ステムのうちのスクリュー膨張機に対する潤滑油の作用
に関する技術である。

具体的には下記の５系統の潤滑手段を含む潤滑油の循環
系統を構成するものであり、以下、順を追って、その作
用を詳述する。

第２図は、本発明スクリュー膨張機の横断面図を示し、
図中、　１０は１作用室の外壁を形成する縦断面（図示
のスクリュー・ロータ回転軸に直交する平面に沿う断面
）が眼鏡形もしくは分銅形のシリンダで、その長手方向
両端には端面を封止する各端板１１．１２がねじ止めさ
れ、それぞれシリンダ室内で回転する雌、雄スクリユー
・ロータ１３．１４の回転軸１５．１６を軸支するベア
リング１７．１８を保持する一方、当該ロータの各端面
との間で接触シールすると共に、その一方には高圧ガス
吸入室１９を、他方にはガス吐出室２０を設けている。

■、吸入側端面のシール（第一系統） ２１は、高圧側端板１１に設けられた高温・高圧ガス吸
入室１９に向けて開口した潤滑油噴射ノズルで、作用室
のガス吸入口５に近接して設けられ、ポンプＰ２によっ
て加圧され、熱交換器Ｓ１によって加熱された潤滑油を
高温・高圧ガス中に霧状に噴射して、前記ガスと共に端
板１１に穿設した吸入口５を通して作用室内に吸入され
る。

作用室は、雌、雄スクリユー・ロータ１３．１４の歯の
噛金線とシリンダ１０内壁と端板１１の端面２２とによ
り区画されている空間よりなり、ロータ１３゜１４の回
転に伴なって、その容積が次第に拡がるように設けられ
ていて、前記作用室は高圧側端板１１に設けた吸入口５
に連通しているときは容積が狭く、連通を絶って、すな
わち、閉切って低圧側端板１２側に進行するに伴なって
容積が拡がり、やがて低圧側端板１２に穿設した吐出口
６に連通して、作用室内に吸入した高温・高圧ガスを吐
出口６を介して低圧側の吐出室２０に解放する。

この間に、吸入口５から吸入した高温・高圧ガスは作用
室内でロータ１３．１４を回転させながらポリトロープ
膨張を続けて低温・低圧ガスに変り動力を発生する。

今、吸入室１９内に噴射された高温潤滑油は霧状になっ
て高圧ガスに混入し、吸入口５から作用室へガスの流れ
に乗って流入するが、潤滑油の比重はガスのそれよりも
大きいから必ずしもガスの流れに乗りきれず、作、用室
を区画するシリンダ内壁面、高圧側端面２２およびロー
タ１３．１４のスクリュ−面に衝突、付着して前記面を
潤滑すると共に、これらの面相互およびスクリュー・ロ
ータの高圧側端面の摺動面およびスクリュー噛合線間の
潤滑および同部分に生じる隙間に侵入して効率よくシー
ル作用を奏する。

高圧・冷媒ガスが吸入室１９内に流入する工程に関連し
て、要すれば熱交換器Ｓ０内で加熱された高温の潤滑油
を吸入ガス内に噴射するとき、潤滑油の温度を高圧ガス
のそれと同等またはそれ以上の高温にし、潤滑油の噴射
によってガスの温度を高めるようにして、その結果、少
くとも吸入ガスの圧力低下が生じないように企画されて
いる。

作用室は、前述のとおり雌、雄ロータのスクリュー面、
シリンダ内壁および高圧端板１１の端面２２とにより区
画されているため、同室内に充満した高温・高圧ガスは
ロータを低圧端板１２側に推し付け、高圧側端板２２と
ロータの端面との間に隙間をつくる傾向を生じるが、高
温ガス中に混在する霧粒状の潤滑油が、その隙間をシー
ルしてガス漏れを防ぎ、膨張機の効率低下が起きないよ
うにする。

ことに吸入口５に近い作用室ではガス圧が高いから少し
のガス漏れも効率に及ぼす影響が大きいので、摺動面間
隙のシールは確実に行われる必要がある。吸入工程に先
立って吸入室１９において高圧ガス中に潤滑油を噴霧し
たのは；その為でもある。

第一系統の潤滑手段は以上のとおりであって、ここに噴
射された潤滑油は、その後工程のすべての摺動面の潤滑
と隙間のシール作用に関与するものとなる。

■、高圧側ベアリングの潤滑（第二系統）第３図は１本
発明スクリュー膨張機の平断面図を示し１図中、Ｕは高
圧側端板であって、並列するボールベアリング１７−、
、１７−２．１７−、、１７−、を保持し、前記のベア
リングは高圧端板を内側から貫いてロータ１３．１４の
回転軸１５が延長する、その頚部を軸支している。

ロータの高圧側端面２２とボールベアリングの内輪との
間の回転軸にはブツシュが嵌合してあり、その外周と端
板軸孔との摺動面にはラビリンスが削設されているほか
、端板１１を貫いて高圧側ベアリング潤滑用の給油孔２
３が穿設されている。前記給油孔２３は、さらにブツシ
ュの周面に設けられた油溝を介して、もう片側のロータ
の回転軸１５を軸支するベアリングを潤滑するため、給
油通路２４に連通し、前記と同様な構造よりなるブツシ
ュの周面に削設された油溝につながっている。

高圧側端板１１の外側端面には蓋板２５がねじ止めされ
ていて、端板１１との間に高圧側ベアリング室２６が形
成され潤滑油の収容室となっていて、前記ベアリング１
７−い１７−３はそれぞれ同室内に露出している。ベア
リング室２６は油回収孔２７（第２図参照）を介して後
述するシリンダ１０内壁面に開孔する回収孔Ａに連通ず
る。

第４図は、シリンダ１０内壁、作用室の展開図であって
、上側水平線は高圧側端面２２で吸入口５側であり、下
側水平線は低圧側端面であって、吐出口６側であり、中
央線は、シリンダ眼鏡断面の円弧の交叉線、斜線はスク
リュー歯先面とシリンダ内壁面との摺動接触線であって
、それぞれの区画が作用室の空間を示す。

また、矢印の方向は、ロータの進行方向、すなわち作用
室の移動方向を、−点鎖線の斜線は膨張用作用空間の修
了位置を示すものである。

Ａは、シリンダ内壁に開口し、高圧側ベアリング室２６
、油回収孔２７を通じて作用室に連通している潤滑油回
収孔で、前記作用室が吐出口６に連通する以前の位置に
設けられる。

Ｂも同様、後述の低圧側ベアリング室３３に溜った低圧
側ベアリング１８の潤滑油等を回収する孔で、同じく作
用室に連通し、前記作用室が吐出口６に連通する以前の
位置に開口する。

なお、中央の交叉線に沿い、その両側に穿設されている
複数の油噴射孔２９は、シリンダ内壁とスクリュー歯先
面との摺動面の潤滑とシールを行うための潤滑油噴射孔
である。

再び第３図に戻って、図中、給油孔２３に供給された高
圧潤滑油は、給油孔２４等を通って、各ロータ回転軸の
ブツシュに設けられた油溝に導かれ。

ここから溢れた潤滑油は、一方にはブツシュ局面と端板
ｔｉに穿設した軸孔との間の摺動面のラビリンスを潤滑
、シールして作用室からの高圧ガスの漏洩を防ぎ、他方
は、高圧側ベアリング側に溢れ出して並列する各ボール
ベアリング１７−い１７−８を強制潤滑し、ベアリング
の回転に伴なう発熱を吸収して、その後流出し高圧側ベ
アリング室２６に滞留する。

さきに述べたとおり、高圧側ベアリング室２６に溜った
潤滑油は油回収孔２７を通ってシリンダ１０内壁に開口
する回収孔Ａに導かれ、ここで低圧側作用室内のガス媒
体に混合し、やがて吐出口６、吐出室２０より膨張機外
へ排出される。

高圧側ベアリング室２６内に滞留した潤滑油の中には高
圧ガス媒体が大量に溶は込んでいる（冷媒ガスを作用流
体として使用した場合）から、同室内に溜った潤滑油が
回収孔Ａから低温・低圧の作用室内に回収されたときに
油から溶解ガスが蒸発して作用室内でガス膨張作用を奏
し、エネルギ回収のために一役担うこととなる。

また、回収孔Ａから潤滑油を作用室内に噴射させるため
に、シリンダ内壁とスクリュー歯先面との摺動面の潤滑
およびシール作用を生じる。

■、膨張室噴射用（第三系統） 第２図を参照して、図中、ｌＯは、前述したように作用
室の外壁を形成する縦断面が眼鏡形もしくは分銅形のシ
リンダで、その眼鏡形断面の円弧の交叉線に近い壁面を
貫き、それぞれロータに設けたスクリューの歯の進行方
向、好ましくはスクリュー歯先の移動方向に傾けて複数
本の潤滑油噴射孔２９を穿設する。

油噴射孔２９の外端は、シリンダ１０内壁に設けた潤滑
油噴射孔に開口しており、同室には要すれば熱交換器Ｓ
１内の加熱パイプを通って加熱され、ポンプＰ２により
加圧された潤滑油を給油孔２８を通して供給し、噴射孔
２９を通してロータの回転に伴ないスクリュー歯が進行
する方向に向って作用室内に高温潤滑油を噴射する。噴
射孔２９は、またロータのスクリュー歯の噛金線付近の
シリンダ壁面に開口するから作用室内に噴射された潤滑
油の一部は、噛合線側にも導かれ、噛合摺動面の潤滑お
よびシール作用を奏する。

第５図を参照して、図面は、雌ロータ１４のスクリュー
歯に直交する平面に沿って切断して示す一部断面図で、
図中、１０はシリンダ、１４は雌ロータ。

２９は、シリンダ壁を貫いて斜めに設けられた潤滑油噴
射孔、３０は、雌ロータのスクリュー歯先面の突出条、
矢印は、ロータの回転に伴なうスクリュー歯の移動方向
を示す。歯と歯の間の溝部とシリンダ内壁面によって区
画された空間が作用室で、それぞれガス媒体が充満して
いるが、ロータ進行方向上流側の作用室内のガスがより
高温・高圧であって下流側のそれほど、低温・低圧にな
っている。

噴射孔２９から噴射された潤滑油は、図示のようにスク
リュー歯の突条３０の進行方向の後側からシリンダ内壁
面とスクリュー歯先面との間に噴射して高圧作用室と低
圧作用室との区画する突条３０の摺動面を潤滑かつシー
ルして高温・高圧ガスの漏洩を防ぐと共に、ロータの高
速回転に伴ない潤滑油が突条３０の移動に従って行けず
高圧側で油膜が保てない傾向が生じないよう突条の移動
方向に沿って噴射するようにしている。

作用室内に噴射された高温潤滑油は膨張室内の潤滑およ
びシール作用を果した後、ガス媒体と混合して、ガスと
一緒に吐出口６から機外に排出される。

■、低圧側ベアリングの潤滑（第四系統）第２図および
第３図を参照して１図中、１２は低圧側端板であって、
ローラベアリングｔａ、　ｔｇを保持し、前記ベアリン
グは低圧側端板を内側から貫いてロータ１３．１４の回
転軸１６が延長する頚部を軸支する。低圧側端板１２側
の構造は高圧側端板のそれと殆んど相違しないが、雄ロ
ータ１３の回転軸１６が機外に延長しているため、前記
軸と低圧側ベアリング室３３を形成する蓋板３２との間
にメカニカルシール３６が設けられること、および低圧
側端板１２には、その内側端面に吐出口６を、それに続
いて吐出口２０が連通している点、若干の差異がある。

給油孔３１は端板１２を貫いて回転軸１６のブツシュに
衝き当るまで設けてあり、開孔３１から供給され、た高
圧の潤滑油は、各ロータ回転軸のブツシュ周面と端板１
２との間の摺動面を潤滑、シールする一方、低圧側ベア
リング１８を通ってこれを強制潤滑し、低圧側ベアリン
グ室３３に溜る。低圧側ベアリング室３３は油回収孔３
４を介してシリンダ１０内壁に開口した回収孔Ｂに連通
されていて、室３３に滞留した潤滑油は回収孔３４およ
びＢを通って低圧側作用室に射出し、そこでガス媒体と
混同して吐出口６から吐出室２０に排出される。

その作用および効果は、高圧側ベアリング潤滑の場合と
殆んど変りがない。

■、メカニカルシールの潤滑（第五系統）第３図を参照
して、回転軸１６が低圧側ベアリング室３３の蓋板３２
を貫通する部分には蓋板に穿設された貫通孔と回転軸と
の間にシール材３５が詰められているが、さらに外側に
メカニカルシール取付板３８をねじ止めして、同板３８
と軸１６との間をメカニカルシール３６によってシール
する。

取付板３８には給油孔３７を設けて、ここに熱交換器Ｓ
□の加熱パイプ３から要すれば高温・高圧の潤滑油を圧
入し、メカニカルシール３６を潤滑した後、メカニカル
シール室に充満してシール材３５に滲透して低圧側ベア
リング室３３に移動、滞留し、低圧側ベアリング潤滑油
と合体する。

〔実　施　例〕

今、本発明の一実施例を図面に沿って説明すると下記の
とおりである。

第１ＷＩは、本発明給油装置を施したスクリュー型ガス
流体機械の膨張機を原動機として、工場廃熱を利用して
構成した発電システムの概略図を示し、図中、熱交換器
Ｓ１には一方に工場から排出される高温流体を通すパイ
プ１が設けられ、他方からポンプＰ１を介して送給され
る液状の冷媒（ここではフレオンガス、Ｒ−１１４）を
加熱して気化させ、高温・高圧ガスに変える蒸発器２が
設置されている。熱交換器Ｓ工にはさらに、ポンプＰ２
を介して送給される潤滑油を高温に加熱するためのパイ
プ３が設けられる。

なお、パイプ１を通過した高温流体の熱エネルギーは、
熱交換器Ｓ１によって冷媒の気化および加熱・昇圧なら
びに潤滑油の加熱のために用い尽されて低温流体となり
熱交換器Ｓ０より排出される。

熱交換器Ｓ１内で気化し高温・高圧になった冷媒ガスは
、スクリュー膨張機４の吸入口５側に導かれる０作用室
内で膨張してスクリュー・ロータを回転させた高温・高
圧の冷媒ガスは低温・低圧になって膨張機の吐出口６側
から排出されて分離タンク７内に送込まれ、ここで冷媒
ガスと潤滑油とが分離して、冷媒ガスは熱交換器Ｓ２内
に設置した凝縮器８を通って液化し、その後ポンプＰ工
の吸込側から吸込まれて加圧流体となり、熱交換器Ｓ工
の蒸発器２内に送給される。

高温・高圧の冷媒ガスによって駆動された膨張機４のス
クリューロータは１発電機９を回して電気を起す。

熱交換器Ｓ２内には別に海水などを低温熱源とする流体
を導入して、冷媒ガスの通る凝縮器８を冷却し、これを
凝縮、液化させている。

他方、熱交換器Ｓ０内に設けられた潤滑油加熱パイプ３
内を流れて高温に加熱された潤滑油は、これを５つの系
統に分けて膨張機内に供給し、摺動面の潤滑およびシー
ル作用等に用いる。

すなわち、そのＩは、高温・高圧の冷媒ガスのスクリュ
ー膨張機４の吸入側端面シールのために、膨張機の吸入
室内のガス流体に噴射し、その■は、膨張機のスクリュ
ー回転軸の高圧側ベアリング潤滑用に膨張機端板内に送
給し、■は、膨張機の作用室内の摺動面の潤滑およびシ
ール用として同室内に噴射し、その■は、膨張機のスク
リュー回転軸の低圧側ベアリング潤滑用として膨張機端
板内に送給し、■は、膨張機のメカ二カシール用に圧入
する。それらの膨張機内に送給された潤滑油は。

上記のように冷媒ガスに混入したまま膨張機内部を移動
し、吐出口６から諸共、排出されて分離タンク７内に収
容されている間に気液分離が行われ、ここで分離された
潤滑油はタンク７の底部からポンプＰ２によって吸入さ
れ加圧されて、熱交換器Ｓ１の潤滑油加熱パイプ３に送
給される。

熱交換器Ｓ工のパイプ３内を通った高温潤滑油のその後
の作動は前述したとおりである。

かくして、冷媒ガスおよび潤滑油の流れはクローズド・
サイクルを構成している。

スクリュー膨張機における潤滑・シール油の供給手段は
以上述べたとおりの構成より成る。

なお、上記技術の説明は、冷媒ガスを作動源流体とし、
工場廃熱利用の発電装置に使用したスクリュー膨張機の
給油装置の実施例に沿って述べたが、スクリュー膨張機
に用いられる高圧ガス源は必ずしも冷媒ガスに限られる
ものではない。

たとえば圧搾空気を使用する場合は、吸入側端面シール
および作用室内へ供給する潤滑兼シール用液体に″水″
を選択することができる。ただし。

この際はベアリングの潤滑手段を別系統にすることを要
する。

また、本発明のスクリュー膨張機の使用領域も、上述実
施例の説明に制限されるものではなく、要するにに定常
的に多量の高圧ガス流体源が得られる状態のもとであ九
ば、特に支障のない限り、何時、如何なる環境下でも実
施可能であり、それに伴なって本発明給油装置は、当該
スクリュー膨張機の効率を向上させ、かつ、耐用年数を
大幅に延長させる効果を奏するものである。

〔発明の効果〕 本発明装置は、以上述べたとおりの構成を備えるので、
高温・高圧ガス流体の吸入側端面における作用室からの
漏洩を効果的に防止すると共に。

前記端面における摺動面のシールによって吸入室におけ
る同流体の無用な圧力低下を防止する一方、シリンダ内
側へ噴射する潤滑・シール用液体と相俟って作用室相互
を区画する摺動面の潤滑とシール作用を確実にして、作
用室相互間のガスの漏洩を最小限にとどめ、また、スク
リュー・ロータの機械的回転抵抗を極力小さくし、ガス
の圧力低下を可及的に防止するなど、種々の機会にエネ
ルギーの有効利用を図ることにより、効率の高いスクリ
ュー膨張機を実現させ、さらに、膨張機全体機構におけ
る摺動面の摩耗量を減少させて無開放連続運転時間およ
び耐用年数の延長をもたらすところの給油装置を提供す
ることができる。

なお、本給油装置に熱交換器を付設して、予め加熱した
シール・潤滑油液を直接、吸入室または作用室内に噴射
すれば、作用′室における高圧ガスのポリトロープ工程
にエネルギーを追加し、ガスの圧力低下を可及的に防止
し、エネルギーの有効利用を図ることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置が施されたスクリュー型流体機械
の膨張機を原動機として使用した工場廃熱利用発電シス
テムの系統図、第２図は、前記膨張機の雄ロータの回転
軸を含む平面により切断して示す横断面図、第３図は、
同膨張機の平断面同第４図は、膨張機のシリンダ内壁お
よび作用室の展開図、第５図は、膨張機の雌ロータのス
クリュー歯に直交する平面で切断して示す一部横断面図
である。 ４・・・スクリュー膨張機、　５・・・吸入口、６・・
・吐出口、　　　　　　１０・・・シリンダ、１１・・
・高圧側端板、　　　　１２・・・低圧側端板、１３・
・・雄ロータ、　　　　　　１４・・・雌ロータ、１５
．１６・・・回転軸、　　　　１７・・・高圧側ベアリ
ング、１８・・・低圧側ベアリング、　１９・・・吸入
室、２０・・・吐出室、　　　　　　２１・・・噴射ノ
ズル、２３、２８．３１および３７・・・給油孔、２６
・・・高圧側ベアリング室、 ２７．３４、ＡおよびＢ・・・油回収孔、２９・・・油
噴射孔、　　　　　３０・・・突条、３３・・・低圧側
ベアリング室、３５・・・シール材、３６・・・メカニ
カルシール。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）スクリュー型流体機械において、吸入する高圧ガ
   ス流体を受入れ、容積を変化させる作用室を区画する部
   材相互の摺動面のシールおよび潤滑のため、ノズルを介
   してシリンダー内側に噴射すシール潤滑用液体の供給系
   統を、少なくとも高圧ガス流体の吸入室の端面、スクリ
   ューロータを支承する高圧側ベアリング、同じく低圧側
   ベアリング、作用室およびメカニカルシールの５系統に
   分割・供給することを特徴とするスクリュー膨張機の給
   油装置。