JPS6344957B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流体作動機械の改良に関し、特に圧
縮機、モータ、ポンプとして用いられる一つのね
じ要素とロータとを有した流体作動機械における
シールの配置・構造の改良に関する。また、本発
明は主に空気、冷媒蒸気、ガス等を圧縮する圧縮
機として用いられる単一ねじ・ロータ型の機械を
対象とするので便宜上、以下の記載は低圧流入口
を介して圧縮流体が機械へ送入され、高圧流出口
を介して該流体が吐出される用途例に関連して説
明する。然しながら本発明は高圧下で供給される
流体から運動エネルギを取出すために機械を使用
する（即ち、モータとして使用する）作用態様に
も等しく利用できることは言うまでもない。

本発明は前提として特に次の構成を有した流体
作動機械に関する。即ち、ケーシング内において
軸線周りに回転可能に設けられ、かつ流体の低圧
口に臨んだ低圧端側の一端面と上記低圧口の流体
が迂回導入されて作用する他端面とを具備して成
るねじ要素を具え、そのねじ要素はその軸心に対
して斜けて形成された複数の溝と、該溝相互間を
分離しかつ上記ケーシングの内周壁と密接係合す
ることにより該ねじ要素の回転運動に従つて各溝
内に室空間を形成せしめるランド部分とを有し、
また上記ケーシング内には上記のねじ要素の複数
溝に噛み合つた歯を有する少くとも１つの回転ロ
ータ要素を具備し、該ロータ要素は上記ねじ要素
と噛合回転するに従つてその複数の歯を順次に上
記ねじ要素の溝に密封係合させて該溝内の室空間
を密閉室空間に形成すると共に該密閉室空間の容
積をねじ要素とロータ要素との噛合回転に従つて
漸減させるように設けられ、更にケーシングは、
上記ねじ要素の上記低圧端と反対の高圧端側に接
近して少くとも１つの高圧口を具備し、この高圧
口は各密閉室空間の容積値が略最小値になるとき
その密閉室空間と連通する構成になつている。な
お、上述のような種類の流体作動機械を本明細書
の全般を通して特定種の流体作動機械と称する。

〔従来技術と問題点〕

このような特定種の流体作動機械では、そのね
じ要素の両端面に同一の作用圧力が掛けられてい
るから、ねじ要素の軸方向のスラスト力が極めて
小さくなる利点が有ることは周知である。流体作
動機械が圧縮機である場合には、ねじ要素の両端
面に共に吸入圧力が作用し、圧縮された流体はね
じ要素の高圧域において高圧の溝からねじ要素と
ケーシングとの間の間〓を介して端部空間へ向け
て漏れて行く。圧縮機が水または油の注入を受け
ている場合には間〓を充分な液で充満して圧縮さ
れる作動ガス流体の損失量を微量にすることがで
きる。しかしながら間〓が液体で満たされている
ときには作動ガス流体に代つて低圧領域へ液体が
移動して行く。するとこの液体は圧縮熱を幾分吸
収して温暖化し、機内に流入して来る吸入作動流
体を暖熱化させるから圧縮機出力を低下させるこ
とになる。このような理由から漏れ量を最小に保
つことは常に重要である。

また作動ガス流体が液体中に幾分なりと溶解す
る場合にはこの液が間〓を通つて漏れ出る際に損
失が更に発生することになる。圧力が落ちるとガ
スは液体から散逸され、この散逸ガスが体積損失
を累加することになる。このような問題を抱えた
１例としては作動流体として標準冷媒R22または
R21を使用した油注入形のコンプレツサがある。
このような液体注入形の機構を具えたものは例え
ば、英国特許第1352698号及び第1352699号明細書
に開示されているが、この場合に更に問題点とし
て蒸気相の液体が作動流体として作用し圧縮され
る点にある。この場合、圧力が落ちると蒸気が数
パーセント蒸発し、従つて吐出圧力から吸入圧力
への損失を微小にすることが絶対必須となる。上
記特定種の流体作動機械に基づく圧縮機の従来の
設計では高圧端側におけるねじ要素の周面部分と
ケースとの間の環状ラジアル間〓をできるだけ少
さくすることに依存するものであつた。然しなが
ら、この環状ラジアル間〓は、ねじ要素の直径や
ねじ要素が収納される孔径の加工公差と熱変形と
の結果、また軸受内部にある空〓が色々異なる結
果、更に、ねじ収納孔と軸受孔との同心性におけ
る公差や軸とねじ要素との同心性における公差等
の諸影響で変化することから、極めて小さい値に
設計、設定することは不可能である。よつて、上
記環状ラジアル間〓は、上述した諸公差の合計値
になる。換言すれば、設計に当たつてケース内で
ねじ要素の回転が確実に行われるようにするため
には、加工上の不正確や作用条件の変化による悪
影響が全て加算されてしまうような最悪の場合に
も必要な最少〓間が確保されるように、比較的大
きな平均間〓を設計、設定することが必要とな
る。このような環状ラジアル間〓の公差、従つ
て、該間〓の設計値は流体機械の設計構造、加
工、組立における精度を改善することで減少させ
ることはできるが、それでは、製造コストをいた
ずらに増加させることになる。

上述のように、ねじ式流体作動機械におけるね
じ溝の高圧端側をねじ要素の端部近くに設けられ
る低圧領域に対してシール（封止）すべく、ねじ
要素と固定ケース面との間に環状ラジアル間〓を
設けることには限界がある。

ここで、他方、この特定種の流体作動機械で
は、ねじ要素をケーシング内に回転可能に収納
し、且つ、ロータ要素の歯と噛合させることか
ら、元来、軸方向には設計、製作上、寸法の厳密
性が必要であると言う事実がある。依つて、上記
環状ラジアル間〓には限界があること及びケース
内におけるねじ要素の回転を許容しなければなら
ないことを配慮しつつ同時に元来、軸方向におけ
る流体作動機械の各要素の寸法は厳密性を有する
点を考慮に入れて流体作動機械の改良設計を行
い、製造上における高精度化を改めて図ることな
く、問題となるシール間〓の公差を最少にして該
間〓寸法をも最小値に設定することを可能にし、
以て、該シール間〓による作動流体の漏れ封止機
能を確実にすることを本発明の目的とするもので
ある。

〔解決手段〕

本発明に依れば、ケーシング内で軸心周りに回
転可能に設けられ、かつ流体の低圧口に臨んだ低
圧端側の一端面と前記低圧口の流体が迂回導入さ
れて作用する他端面とを具備して成るねじ要素を
具え、該ねじ要素はその軸心に対して傾けて形成
された複数の溝と、溝相互間を分離すると共に前
記ケーシングの内壁と密接係合することにより該
ねじ要素の回転運動に従つて各溝内に室空間を形
成せしめるランド部分とを有し、また前記ケーシ
ング内には前記ねじ要素の複数溝に噛み合つた歯
を有する少なくとも１つの回転ロータ要素を具
え、該ロータ要素は前記ねじ要素と噛合回転する
に従つてその複数の歯を順次に前記ねじ要素の溝
に密封係合させて該溝内の室空間を密閉室空間に
形成すると共に該密閉室空間の容積を前記ねじ要
素とロータ要素との噛合回転に従つて漸減させる
ように設けられ、更に前記ケーシングは、前記ね
じ要素の前記低圧端側と反対の高圧端側に接近し
て少なくとも１つの高圧口を具備し、該高圧口は
前記ねじ要素の各溝内に形成される前記の密閉室
空間の容積値が略最小値になるときその密閉室空
間と連通する構成を有する流体作動機械におい
て、ねじ要素の前記高圧端側における該ねじ要素
と前記ケーシングとの間に流体の高・低圧間を封
止する一つのシール領域部が設けられ、該シール
領域部は前記ねじ要素の端面と、これに対向した
前記ケーシングにおける全体的に半径方向に拡が
る面又は該ケーシングに対して固定された部材の
全体的に半径方向に拡がる面との間に、しかも前
記ねじ要素の周縁に近い部分に配設された間〓に
設けられた流体作動機械を提供するものである。

〔作用〕

このような構成によれば、シール間〓を効果的
に設定するために必須の要件はケーシング中にお
けるねじ要素の軸方向位置を正確に設定されるこ
とであるが、ねじ要素の軸方向位置を正確に設定
することは、既述のように、元来、ねじ要素とロ
ータ要素との間に満足の行く噛み合い状態、つま
り、ねじ要素とロータ要素との間で微小な封止間
〓を維持した噛み合い状態を維持する上で重要で
あるから、上記構成のシール領域を設けた構造を
採用してもそれによつて機械の構造上で特別に高
精度の要素が新たに必要になることはない。それ
ばかりか、従来の環状ラジアル間〓の形成のため
に要した高精度加工領域を１箇所削減できる有利
が得られるのである。更にねじ要素の軸方向位置
を設定するスラスト軸受の設置位置並びにねじ要
素端面と協働して封止（シール）間〓を形成する
上記の半径方向に拡がる面の位置を同一基準面か
ら設定すれば封止間〓の寸法公差は上記スラスト
軸受の位置決定に用いられるシムの厚味公差とそ
のスラスト軸受の内部空〓との和の量だけで決ま
り、故に極めて小さな公差値になる。そして、こ
の封止間〓の寸法設定上における公差が小さいこ
とは、封止間〓寸法を正確に設定し得ることを意
味することになる。以下、本発明を添付図面に示
す実施例に基づき詳細に説明する。

〔実施例〕

さて、図面を参照すると、流体作動機械のねじ
要素１は複数のらせん溝３１を具備し、これらの
溝３１は略トロイダル面７に沿う底面を有してい
る。上記らせん溝はらせん状のランド３２により
相互に分離されており、該ランド３２は１つの共
通な理想円筒表面をらせん状に巡るように延長し
ている。ねじ要素１は軸１２に固定され、該軸１
２はスラスト軸受２（本例ではアンギユラ軸受で
構成されている）によりケーシング１１内に回転
可能に取付けられている。ねじ要素１はケーシン
グ１１の孔３３内に組み込まれており、該ねじ要
素１のランド３２はケーシング１１の孔３３の円
筒壁面に密接している。上記ねじ要素１の高圧端
側では、らせん状のランド３２は、軸方向におい
て各らせん溝３１の高圧端３６とねじ要素の端面
５との間に位置した円周状のランド３４に結合し
ている（第２図参照）。

各らせん溝３１の他端３８は常時、ケーシング
１１の低圧空間９と連通しており、該低圧空間９
は吸入ガス源と吸入口３９を介して連通してい
る。第３図に略示するように、２つのロータ要素
ないしピニオン３７はそれらの軸線をねじ要素１
の両端においてしかもねじ軸線に直交関係で配
し、ケーシング１１内に回転自在に取付けられけ
いる。第４図に示すように、各ロータ要素３７は
歯８を有し、これらの歯８はらせん溝３１の断面
形状と一致し、故に各らせん溝を２つの室に密封
的に分離している。２つの室は、上記高圧溝端３
６に近接した第１の室と上記低圧溝端３８に近接
した第２の室である。第２図に矢印４１で示した
方向にねじ要素１が回転すると第１の室の容積は
回転中に漸減し、故にねじ要素の回転により該第
１の室がケーシング１１の横壁に設けられた高圧
口と一致するまで、該第１室内ではガスが圧縮さ
れる。第２図における参照番号４２は、同図に図
示されたケーシング１１の破断された部分に設け
られた高圧口の位置を示している。

各溝３１の第１室の容積が減少する間に第２室
の容積は、反対に増加し、故に該第２室内は吸入
ガスで充満される。ピニオン歯８がらせん溝３１
を完全に通過して該ねじ溝から離れることによ
り、第１室が完全に消えると、他方のロータ要素
３７の一歯が低圧溝端３８側で同溝内に入り、該
他方のロータ要素３７との噛合による圧縮工程が
開始される。

ねじ要素１の軸方向に見た両端に掛かる圧力の
不均等によりねじ要素に軸方向スラストが負荷さ
れるのを回避すべく、通路手段４３が設けられて
いる。つまり、この通路手段４３を迂回すること
によつて低圧領域９が、ねじ要素１の端面５の近
くの低圧空間１０９（第２図）に連通するのであ
る。こうして、高圧溝端３６とねじ端面５との間
には圧力差が生ずる。故に、この両者間を封止す
るために、封止手段を必要とするものである。本
発明によると、この封止手段は、ねじ端面５の周
縁部分５ａに接近した位置に、該ねじ端面５とそ
の端面５に対向した面、つまり、ケーシング１１
に対して固定されている面３との間に配設されて
周方向に延設された可及的に小さくできる軸方向
封止間〓６（第１図）から構成されるのである。

次に封止間〓６の軸方向寸法（間〓厚）を設定
する手段について説明する。

上記の面３とねじ端面５とは平らに機械加工さ
れ、ねじ軸１２に直角をなしている。スラスト軸
受２の内輪４４は軸方向にねじ要素１、特にその
端面５の位置決めをしている（第１図参照）。ス
ラスト軸受２自体の軸方向位置決めは、該スラス
ト軸受２の外輪４７に部分的に係合したクランプ
要素４６により設定されている。該クランプ要素
４６は平坦面３に向けて定着されており、間にシ
ム４を保持している。従つて、面３と外輪４７の
前面との間の距離はシムの厚さに等しい。内輪４
４の前面は理論的には外輪４７の前面と一致して
いて、故に封止間〓６（面３と内輪の前面に衝接
している面５との間の距離）はシム４の厚さに等
しいことになる。だから、面３は基準面であり、
ねじ要素１を軸方向に正確に位置決めする基準の
面を成し、かつ、封止間〓６が正確に決定される
面を成しているのである。この封止間〓６の寸法
値は従つてシムの厚さ寸法とスラスト軸受２の軸
方向動き量との両者のみに依存、決定されること
になる。軸１２の位置はその肩１０によつて位置
決めされており、その位置は比較的正確度が低
く、ねじ要素１の全長寸法に依存して決まる。

第２図は本発明による機械の具体的構造例を明
示したもので、ねじ要素１のらせん溝３１を明瞭
に図示している。同図はまた、ねじ要素１の両端
面側に有る２つの低圧領域９及び１０９の間が通
路手段４３を介して連通している状態を示してい
る。

ここで、第１図、第２図に示した流体作動機械
の運転時の状態に就いて考察すると、該機械のケ
ーシング１１の低圧領域９に作動ガス流体が矢印
Ａ方向から流入されると、この作動ガス流体はね
じ要素１のトロイダル面７における低圧域７ｂに
吸入され、ロータ要素３７とねじ要素１との回転
に従つて圧縮作用を受け、ねじ要素１のトロイダ
ル面７における高圧域７ａに達する。この高圧域
７ａに達した圧縮後の作動ガス流体はケーシング
１１に形成された高圧口４２（第２図）から吐出
されるが、同時にケーシング１１とねじ要素１の
高圧域外周との間の〓間並びに封止間〓６を経て
低圧領域９側に漏出せんとする。然し、このとき
本発明では封止間〓６が予め設定可能な微小間〓
量に形成されているから、高圧の作動ガス流体は
シール作用を受ける事になり、従つて圧縮効率の
低減を阻止できるのである。しかも、微小な封止
間〓６が設けられることにより、この間〓６でね
じ要素１の端面５に作用する高圧作動ガス流体の
圧力はねじ要素１を介して回転軸１２に第２図の
左方から右方へスラスト力を及ぼすが、このスラ
スト力は低圧領域９内に流入して来た作動ガス流
体の圧力と大気圧（これは該作動ガス流体の圧力
より一般に低い）との差圧によつて回転軸１２に
第２図の右方から左方へ作用するスラスト力を解
消させ、その結果、スラスト軸受２に掛かるスラ
スト荷重を充分に低減させるように作用する。

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、
同実施例によるシール領域部をねじ要素の高圧端
側の端面の間〓に設けたことによつて奏せられる
種々の効果を以下に説明する。

(1) 本実施例によると、封止間〓がケーシングの
周壁に近い小さな半径方向領域部に限定形成さ
れていることにより、その封止間〓の半径方向
内側領域に有るねじ端面は全て封止間〓部で作
用する圧力に比べて低い圧力を受圧しており、
このことによつて、ねじに作用するスラスト力
も小さな力に限られ、このスラスト力がねじ要
素に作用する他のスラスト力、つまり、軸がケ
ーシングから突出していることにより、ケーシ
ング内で得られる圧力（吸入圧力）と大気圧と
の差異によつて外部から内部に向けて該ねじ軸
に作用するスラスト力を緩衝するように働く。
なお、封止間〓における圧力はその間〓の両端
の吐出圧力と吸入圧力との間で変化する。

(2) 本例による間〓の場合には、ねじ要素とケー
シングとの間で温度差があつても、それによつ
て間〓寸法に影響が及ぶことはなく、温度膨張
を見越した設計上の厳しい配慮が不要となる。
この点、従来の機械における周面間〓の寸法で
は不確実で温度膨張の影響を直接受ける。本例
はこの不確実性を解消し、従つて比較的狭い空
〓を規定することが可能となるのである。

(3) シール間〓中に液体が在ると、この液体は回
転を起すようになり、この傾向は作動中のねじ
要素の近傍の液体程顕著である。そして均衡状
態に達すると間〓中で半径方向内側に向う流れ
は減少して行く。その理由は回転流体に生ずる
遠心力によつて圧力勾配は部分的に釣合いを取
られるからである。液体に更に回転を生ぜしめ
るようにねじ要素の端面に羽根を設けることも
できる。このような羽根はラジアル羽根に成す
ことが可能であり、薄肉の場合には始めケーシ
ング部分と接触し、摩耗によつて密接状態とな
るように成すことができる。

(4) シール用間〓を必要な限界量に設定してから
軸受回りにねじ要素が自由回転できるか否かに
ついて機械組立段階で予め検査をすることが望
ましい場合がある。このとき従来の円周間〓に
よるシールの場合にはねじ要素をケーシング内
に挿設、組立してからはじめて間〓シールを設
置できるのであるが、そのような従来構成の場
合、ねじ要素に所要の自由回転が得られない場
合にはその理由がシール面の調整上の誤りに依
るものであるか、その他の原因に依るものであ
るかがわからない。然るに本実施例に依る機械
においてはねじ要素端面と固定ケーシング部と
の間の間〓にシール領域部が設けられ、この間
〓はねじ要素をケーシング内に挿設組立する前
に正確な間〓となるように予め調整しかつねじ
要素が自由回転するように調整できるという利
点がある。

(5) シール領域部の形成に寄与しているケーシン
グの面又は該ケーシングに固定された部材の面
は言わばそのシールの形成目的のためにのみ存
在するのであるから例えばポリテトラフルオロ
エチレンのような低摩擦のプラスチツク材料に
よつて形成することができ、しかもそのプラス
チツク材料の表面は、対向するねじ要素の端面
にラビリンスまたはスパイラルシールを形成
し、それらラビリンスまたはスパイラルシール
の先端とはじめ軽く接触させるようにしておい
てもよい。

第２図ではねじ要素の断面内において、トロイ
ダル面の底部は円上にあるが、これはねじ要素の
中心軸線を含む平面内に歯を有するような平板状
のロータ要素を用いるときに起るものであり、円
錐や円筒等の面に歯が配設され、従つてトロイダ
ル面の底部がねじ要素の断面内において円上にな
い場合の流体作動機械にも本実施例の構成を適用
することが可能である。またねじ要素１の面５と
ケーシング１１に固定された部材の面３とは平面
でシール領域部の形成に協働するように図示され
ているが、その他例えば、円錐面等の面形状にす
ることも可能である。

〔発明の効果〕

以上の記載から明らかなように、本発明によれ
ば、ねじ要素の端面と、これに対向したケーシン
グにおける全体的に半径方向に拡がる面又は該ケ
ーシングに対して固定された部材の全体的に半径
方向に拡がる面との間に、しかも当接ねじ要素の
周縁に近い部分に配設された間〓に依つて形成さ
れる高・低圧間のシール領域部を有する流体作動
機械としたから、シール領域の設定のための加工
上の精度は元来、ねじ要素のケーシング内への正
しい設置に必要な軸方向の高加工精度を維持する
ことで達成でき、従来、環状ラジアル間〓をシー
ル領域とするために、ねじ要素の外周面とケーシ
ングの内周面との加工にも必要とされた高精度の
加工を省除でき、このように高精度加工箇所が低
減したことにより、流体作動機械の加工を容易に
することができたのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流体作動機械の高圧端の
略示縦断面図であつてシール間〓の位置を示して
おり、第２図は第１図の縦断面に対して垂直な流
体作動機械の縦断面、第３図はねじ要素の軸心に
垂直な断面図、第４図は第３図の−線に沿つ
た一部分の断面図である。 １……ねじ要素、２……軸受、３……基準面、
４……シム、５……ねじ部端面、５ａ……周縁部
分、６……間〓、８……歯、９……低圧領域、１
１……ケーシング、１２……軸、３１……らせん
溝、３２……らせん状ランド、３７……ロータ要
素、３９……吸入口、４２……高圧口、１０９…
…低圧領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ケーシング内で軸心周りに回転可能に設けら
   れ、かつ流体の低圧口に臨んだ低圧端側の一端面
   と前記低圧口の流体が迂回導入されて作用する他
   端面とを具備して成るねじ要素を具え、該ねじ要
   素はその軸心に対して傾けて形成された複数の溝
   と、溝相互間を分離すると共に前記ケーシングの
   内壁と密接係合することにより該ねじ要素の回転
   動作に従つて各溝内に室空間を形成せしめるラン
   ド部分とを有し、また前記ケーシング内には前記
   ねじ要素の複数溝に噛み合つた歯を有する少なく
   とも１つの回転ロータ要素を具え、該ロータ要素
   は前記ねじ要素と噛合回転するに従つてその複数
   の歯を順次に前記ねじ要素の溝に密封係合させて
   該溝内の室空間を密閉室空間に形成する共に該密
   閉室空間の容積を前記ねじ要素とロータ要素との
   噛合回転に従つて漸減させるように設けられ、更
   に前記ケーシングは、前記ねじ要素の前記低圧端
   側と反対の高圧端側に接近して少なくとも１つの
   高圧口を具備し、該高圧口は前記ねじ要素の各溝
   内に形成される前記の密閉室空間の容積値が略最
   小値になるときその密閉室空間と連通する構成を
   有する流体作動機械において、ねじ要素の前記高
   圧端側における該ねじ要素と前記ケーシングとの
   間に流体の高・低圧間を封止する一つのシール領
   域部が設けられ、該シール領域部は前記ねじ要素
   の端面と、これに対向した前記ケーシングにおけ
   る全体的に半径方向に拡がる面又は該ケーシング
   に対して固定された部材の全体的に半径方向に拡
   がる面との間に、しかも前記ねじ要素の周縁に近
   い部分に配設された間〓に設けられたことを特徴
   とした流体作動機械。