JPS6056104A - スクリユ−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】 技術分野 本発明は、流体機械におけるネクリュー膨張機、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、シたがってこれに関
する給油方法は数多く提案されているが、膨張機として
使用した場合は少なく、その際の給油手段については明
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造の説明がなされているが、
当該装置においてケーシング内に冷却した多量の潤滑油
を噴射して、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は、すべ
て気体圧縮の効率を高めるだめのものであって膨張機の
だ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
の噴射方向一つを採ってみても、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。

目　的 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、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
注入するとき予め適当に加熱しておけば、作用室を区画
する各摺動面を潤滑・シールすることが、すなわち、同
室内でポリトワーブ工程にある気体にエネルギーを追加
する効果を奏することになるので、機械効率の向上をも
たらす。

以上のような諸点を考慮して、スクリュー膨張機に最適
な給油手段を提供しようとするものである。

構　成 本発明給油装置は、 （１）　スクリュー型流体機械の膨張機において、高圧
ガス流体吸入側端面のシールを行うため、高圧ガス流体
の吸入室壁面に開口したノズルを通して流体側に噴射す
るシール・潤滑用液体または作用室を区画する摺動面の
シールおよび潤滑のため、シリンダ内側へ噴射するシー
ル・潤滑用液体は、それぞれ前記液体の噴射位置におけ
る高圧ガス流体の温度と、はぼ同程度に加熱された状態
または、それぞれの噴射位置における高圧ガス流体の温
度よりも、より高温状態を保持したままで噴射されるよ
うにしたことを特徴とするスクリュー膨張機の給油装置
。

を特徴とし、今、その一実施例を図面に清って説明する
と下記のとおりである。

第１図は、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要図を示し、図中、熱交換器（
Ｓｌ）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（Ｐｌ）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−１１
４）　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（ｓｌ）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
熱するだめのパイプ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（Ｓｌ）によって冷媒の気化上よび加熱・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
となシ熱交換器（Ｓｌ）より排出される。

熱交換器（Ｓｌ）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。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（Ｐｌ）の吸込側から吸込まれて加圧流体となり、
熱交換器（ｓｌ）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、発電機９を回して電気を起す。

熱交換器（Ｓ２）内には別に低温熱源を海水とする流体
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（ｓｌ）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、これを五つ
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■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
Ｉｌｕ、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、■Ｉ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１ｖ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
張機のメカニカル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ｉ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（Ｓｌ）の潤滑油加熱パイプ３に送給される。熱交換
器（Ｓｌ）の加熱パイプ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。

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前述潤滑油の
作用に関する技術である。具体的には上述五系統の潤滑
手段を含む潤滑油の循環系統の一部を構成するものであ
り、以下、順を追って詳述する。

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、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清う断面図
）が眼鏡形もしくは分銅形のシリンダで、その長手軸方
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７−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（Ｓｌ）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・口Ｔり１３．１４の歯の噛
合線とシリンダ１０内壁と端板１１の端面２２とによ多
区画されている空間よシなり、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側に解放する。

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
１３．１．４のスクリュー面に衝突、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、熱交換器（Ｓｌ）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呟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側に推付け、高圧側端面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が
ら少しのガス漏れも効率に及ぼす影響が大きいので、摺
動面間隙のソ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シであって、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。

１■　高圧側ベアリングの潤滑（第二系統）第３図は、
本発明スクリュー膨張機の平断面図を示し、図中、１】
は高圧側端板であって、並列するボールベアリングＩＬ
　、　Ｓ　１７−、．１７−２．１７−２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ｎが穿設されている。前記給油孔おは、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５がねし止めされていて、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１７−　、　
、、１７−２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側であシ、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、
一点鎖線の斜線は膨張用作用空間の終了位置を示すもの
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ｎ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に連通ずる以前の
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に連通ずる以前の
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だ
めの潤滑油噴射孔である。

再び第３図に戻って、図中、給油孔器に供給された高圧
潤滑油は、給油孔２４等を通って、各ロータ回転軸のブ
ツシュに設けられだ油溝に導かれ、ここから溢れた潤滑
油は、一方にはブツシュ周面と端板１１に穿設した軸孔
との間の摺動面のラビリンス構造を潤滑、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ＩＣ
、，１７−２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
に滞溜する。さきに述べたとおり、高圧側ベアリング室
部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、吐出室側より
膨張機外へ排出される。

高圧側ベアリング室２６内に滞溜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、１０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シリン
ダ壁面を貫き、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２
９の外端は、シリンダ１０外側に設けた潤滑油貯溜室に
開口しており、同室には熱交換器（Ｓｌ）内の加熱パイ
プを通って加熱され、ポンプ（Ｐ２）によシ加圧された
潤滑油を給油孔路を通して供給し、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合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７リンダ
壁を貫いて斜めに設けられた潤滑油噴射孔、加は、雌ロ
ータのスクリュー歯先面の突条、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
リュー歯の突条側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
作用室とを区画する突条３０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
に清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そのほか、ポリトロ
ープ膨張によって低温・低圧になって来るガス媒体を加
熱してガス圧の低下を防ぎ、効率を上げる効果も奏する
。前記潤滑油は膨張室内の潤滑およびゾール作用を果し
た後、ガス媒体と混合して、ガスと一諸に吐出口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、図中、１２は低圧側端板であって、
ローラベアリング１８．１８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７−ル謁が設けられていること、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
いて吐出室加が連通している点、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
衝当るまで設けてあシ、回礼３１がら供給された高温・
高圧の潤滑油は、各ロータ回転軸のブツシュ周面と端板
１２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
３４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に滞溜した潤滑油は回収孔３４お
よびＢを通って低圧側作用室内に射出し、そこでガス媒
体と混合して吐出口６から吐出室加に排出される。

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（Ｓｌ）の加熱パイプ３から高温・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に滲透して低圧側べ
アリング室３３に移動、滞溜し、低圧側ベアリング潤滑
油と合体する。

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が、本発明給油装置の
実施例は、上記のうちの主として、１１　吸入側端面の
シール、すなわち第一系統および■、膨張室噴射用、す
なわち第三系統に属する潤滑油の循環系によって具体化
されている。

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１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、要するに定常的
に多量の高圧力ス流体源が得られる状態の許であれば、
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、ｌ、それに伴なって本発明給油装置は、幽該スク
リュー膨張機の効率を向上させ、かつ、耐用年数を大巾
に延長させる効果を奏するものである。

効　果 本発明装置は、以上述べたとお９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
面のシールのために少くともガス流体を冷却することな
く、むしろエネルギーをガス内に注入して吸入室におけ
る同流体の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シ、特に予め
加熱したシール・簡滑用液を直接吸入室または作用室に
充満する高圧ガス内に噴射して、作用室内でのポリトロ
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
を図ることによシ、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。

【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
軸を含む平面によシ切断して示す横断面図、第３図は、
同膨張機の平断面図、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・・・／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、】９・・吸
入室、加・・・吐出室、２１・・・噴射ノズル、’１３
．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、（資）突茶、３３・・低圧側
ベアリング室、３５・・・シール材、３６・・メカニカ
ルシール代理人　弁理士　永　１）　浩　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）スクリュー型流体機械の膨張機において、高圧ガ
   ス流体吸入側端面のシールを行うため、高圧ガス流体の
   吸入室壁面に開口したノズルを通して流体側に噴射する
   シール・潤滑用液体または作用室を区画する摺動面のシ
   ールおよび潤滑のためシリンダ内側へ噴射するシール・
   潤滑用液体は、それぞれ前記液体の噴射位置における高
   圧ガス流体の温度と、はぼ同程度に加熱された状＠また
   は、それぞれの噴射位置における高圧ガス流体の温度よ
   りも、より高温状態を保持したままで噴射されるように
   したことを特徴とする冬クリユー膨張機の給油装置。