JPS6356402B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 固定のケーシング内において少なくともひとつ
のピニオンホイールの歯と係合し、回転するひと
つのスクリユーを備えたシングルスクリユーコン
プレツサーを形成することは従来から知られてい
るし、またこの種コンプレツサーについては、フ
ランス特許1331998号及び同1586832号並びに英国
特許1548390号及び同1555329号において記載され
ている。

しかしてこの種コンプレツサーの効率は明らか
に、各部品間のクリアランスにより左右されるの
であり、これらクリアランスのいくつかは調整で
きるようになつている。このクリアランス調整可
能の例としては前記フランス特許1331998号が開
示するコンプレツサーにおけるピニオンホイール
とケーシングとの間のクリアランスや、前記フラ
ンス特許1586832号に示されているように、台形
状歯を備えた筒状ピニオンホイールを使用した場
合のピニオンホイールとスクリユーとの間のクリ
アランスなどである。

また、前記各英国特許に示されたコンプレツサ
ーに使用されている筒状外形のスクリユーの場
合、効率はきわめて微妙に前記スクリユーとケー
シングとの間のクリアランスに左右されることと
なるが、スクリユーがそこに示される如く筒状の
輪郭であるため、このクリアランスは調整し得
ず、従つてこの場合の効率については装置全体の
加工上の精度にのみ頼らざるを得ないのである。

こゝで云うクリアランスは、冷凍装置において
例えば冷媒２２の圧縮のためのオイル注入無しで
使用されるシングルスクリユーコンプレツサーの
場合に、特に決定的な要素となる。即ち、前記し
た如くオイル注入をしないことは、例えばオイル
循環径路を省けることでコストの低減を計れるこ
とのほか、熱交換器段階においていくつかの利点
をもたらすようなオイルフリーのガスが得られる
などの理由によりたいへん好ましいのであるが、
圧縮機効率は、前記フランス特許1268586号に対
する追加特許78706で述べられたる如く、オイル
注入式コンプレツサーにおいて、通常オイルでシ
ールされている前記ケーシングとスクリユーとの
間のクリアランスの寸法に大変敏感となるのであ
る。

このクリアランスの寸法を減少させることは従
来から試みられているが、クリアランスが直径の
約５×10^-4の半径方向の遊び（構造の正確さに基
づく真正の限界点）を下まわる場合、この種のコ
ンプレツサーのためのスクリユー及びケーシング
を形成する際、鋳鉄などの工業用材料を用いた場
合、コンプレツサーにおいてスクリユーとケーシ
ングとが焼付が生じ易くなつてしまい、この焼付
により、殆んどの場合装置全体が致命的に損傷さ
れてしまう問題がある。

従来、この問題解決のためにスクリユーもしく
はケーシングの表面にハニカムを形成し、このハ
ニカムにより前記スクリユー及びケーシングの間
の焼付作用を制限する如く成している。これにつ
いては1981年６月17日付出願のフランス特許出願
8111906号に記載されている。

しかしながら、このハニカムの形成については
極めてコストが高くつく問題がある。

本発明は、以上の如き各問題点を解決可能と
し、低コストで、焼付けを生じることなく効率を
向上することができるシングルスクリユーコンプ
レツサー又はポンプ若しくは気体膨張式エンジン
などのスクリユー式流体作動機械を提供しようと
するものであつて、上記した焼付現象は、冷媒等
の作動流体の温度が高くなり、かつ、この種のス
クリユー式作動機械特有の構造としてそうである
ようにスクリユーねじのねじ山頂部の幅が広く、
ケーシング側との接触面積が大きくなる吐出側部
分で主として発生する点に着目し、低圧側から高
圧側にかけてのクリアランス設け方について工夫
改良を試みたものである。すなわち、固定のケー
シング内で軸を中心に回転するスクリユーであつ
て、少なくともひとつのピニオンホイールにおけ
る歯と係合すべき複数のねじ山を設け、前記ケー
シングには少なくともひとつの低圧ポートと前記
ピニオンホイールに近接する少なくともひとつの
高圧ポートとが備えつけられており、また、前記
スクリユーにおける前記高圧ポートに近い側の端
部には前記スクリユーと前記ケーシングとの間を
ほゞ完全に漏れなくシールするための手段を設け
るとともに、前記スクリユーと前記ケーシングと
の間のクリアランスが前記ケーシングの母線に対
し前記低圧ポート側から前記高圧ポート側にかけ
て増加する如く成すとともに、前記クリアランス
が前記緊締シール手段近くで最大となる如く成
し、漏れの発生が低減できながら、焼付きの危険
性をなくすることができるようにしたものであ
る。

尚、好ましい実施例として、筒状に形成するス
クリユーに対し本発明を適用する場合、このスク
リユーの外面において、高圧側端部を除くほゞ全
面を筒状と成す一方、前記高圧側端部はきわめて
小さな角度の頂点を有する円錐状と成し、この円
錐の最小径部分を前記シール手段の始端部に対応
して位置させる如く成す。

また、本発明装置は、前記したオイル注入をし
ないコンプレツサーに適用し得るのみならず、圧
縮ガスの膨張により機械的エネルギーを得るため
の前記気体膨張式エンジンであつて、液体注入に
よつてはシーリングを確実なものとするのがきわ
めて難しい場合に対しても適用可能であるし、ま
た、当該クリアランスが決定的な要素となる超高
圧比のポンプに対しても適用可能であることは注
目に値することである。

本発明の一実施例を図面に従つて以後詳記する
ことにより本発明は一層明確なものとなろう。

第１図においてスクリユー１は、通常通りケー
シング３内の軸２を中心として回転するととも
に、歯５を備えた２つのピニオンホイール４と係
合するスクリユーねじを備える。前記ケーシング
３には低圧ポート６及び各ピニオンホイールに近
接して位置する高圧ポート７（断面により図面に
現われないケーシング上方部分に位置するため点
線にて示す）を設ける。

尚、スクリユーねじは、低圧ポート６から高圧
ポート７にかけてら旋状に設けられていると共
に、前記ピニオンホイール４の歯５の外周円軌跡
に沿つて低圧ポート６と高圧ポート７との間の中
間部で深く、低圧ポート５又は高圧ポート７の端
部近くで浅く（高圧ポート７側でより浅く）形成
されており、スクリユーねじのねじ山頂部の幅
は、既知通り、前記した中間部で狭く、端部近く
で広くなつている。

前記スクリユー１には孔８を設け、前記孔８を
介して空洞部９側と前記低圧ポート側とを連通さ
せるとともに、前記各側におけるスラストのバラ
ンスを取り、これにより軸方向のスラストを除く
如く成すのである。

また、前記スクリユー１には、該スクリユーに
おける前記高圧側端部に既知の如くねじに似た螺
旋から成るラビリンス部１０を設けるが、この螺
旋ねじの径は前記ケーシングの孔１１の径とほゞ
等しくしておくことにより、組立時前記螺旋ねじ
のねじ山と前記ケーシングとが接触した場合、前
記ねじ山が摩擦により急激にすり減らされること
により、極めて小さなクリアランスが得られ、こ
れにより前記高圧側において前記スクリユーと前
記ケーシングとのほゞ完全な漏れのないシールが
得られるのである。尚、このラビリンス部１０で
は、前記した如く極めて小さなクリアランスであ
るにもかかわらず、スクリユーとケーシングとの
間に焼付が生じないのは、前記ケーシングに対す
るラビリンス部１０のねじ山の摩擦により生じる
摩擦片が該ラビリンス部１０の螺旋ねじの溝部へ
自ずと埋め込まれるし、また、前記各摩擦片が前
記ケーシングと前記ねじ山との間でローリングを
始めても、このローリングは前記ねじが螺旋状で
あることによりこのねじの溝部により速やかに停
止させられることによるものである。

しかしながら、前記螺旋ねじは、前記スクリユ
ーにおいてスクリユーのねじとこのスクリユーね
じにおける溝部とを設けた部分まで延ばすことは
出来ない。なぜならそのように延ばすことによ
り、前記螺旋ねじの溝部を介してクリアランスが
生じてしまうからである。

従つて、スクリユーねじの端部（第２図符号１
２）と、前記螺旋ねじ１０との間には通常、平坦
で且つ障害物の無い部分１４を残しておくのであ
る。

第１図並びに第２図において一層明確に示した
如く、本発明のスクリユーは、前記シール手段の
近くの部位で最大のクリアランスを有し、且つこ
のクリアランスが前記スクリユーの母線に沿つて
前記低圧ポート側へ近づくにつれて減少する如く
成している。

尚、このための好ましい且つ簡単な実施形態と
しては、前記スクリユーを円錐形１３とし、この
円錐形が前記スクリユーにおける前記シール手段
から筒状部分の方向に伸びる如くなすのである。

具体的な数値で例を示すと、直径140mmのスク
リユーと、前記スクリユーに噛合い、同じく140
mmの直径とした二つの対称的配置のピニオンホイ
ールとを使うコンプレツサーであつて、毎分3000
回転（rpm）で約2500/minの行程体積を有す
るものを使つて４バールから12バールまで冷媒２
２を圧縮するとともに、同冷媒液の注入により冷
却される如くなしている場合において、前記スク
リユーがその全長にわたつて筒状であり且つスク
リユーに対するケーシングの半径方向クリアラン
スが約0.1mmである場合、冷媒は約65％の等エン
トロピー効率を有することとなるが、このクリア
ランスによれば、焼付は全然みられない。

しかし、前記した半径方向のクリアランスを25
ミクロンまで減らすと、焼付はだいたい瞬間的に
生じることゝなる。

ところが一方、本発明に基づけば、前記スクリ
ユーの高圧側端部に向かう部分以外は25ミクロン
の半径方向クリアランスを維持し、また例えば２
mm幅と成した部分１４と前記スクリユーねじの端
部１２とから15mmの部位から前記円錐部１３を開
始させるとともに、前記円錐部１３が前記シール
手段１０と連結する箇所でのスクリユーとケーシ
ングとの半径方向クリアランスを0.1mmとした場
合は、このコンプレツサーにおける等エントロピ
ー効率は72％に達し、前記の例と比べ相対的増加
率は10％と成るとともに、何ら焼付が生じないの
である。これは、円錐部１３を設けた高圧側端部
に向かう部分以外は、25ミクロンの小さなクリア
ランスとし、漏れを低減したからであり、一方、
最も高温となり、かつ、スクリユーねじのねじ山
頂部の幅が最も広く、焼付の起こり易い高圧側端
部に向かう部分には、前記円錐部１３が形成され
て、最大0.1mmの大きなクリアランスが確保され
るからである。このように、焼付が回避されなが
ら72％の高い効率が得られることにより、一般に
よく知られたピストン装置に対し対抗可能となる
ある。これに対し、前記した65％効率のもので
は、エネルギー効率が要求される場合、使用は困
難である。

エネルギーの観点からすると、前記した如くの
効率の実質的改善は同時に、体積圧縮効率の改善
や一つのスクリユーねじから次位のスクリユーね
じに亘つてのガス圧縮に際しての、ガス漏出の減
少に基づく軸出力の減少の改善につながるもので
ある。

しかし、一番特徴的なことは、前記した効率改
善が実質的には、完全な筒状形のスクリユーを使
うことにおいての改善と等しいのであつて、即
ち、前記円錐部１３を設け、吐出側でクリアラン
スを大きくしているにもかかわらず、該円錐部１
３が効率の点で何らの問題も生じないという点で
ある。

実際のところ、表面にハニカムを設けることに
より、焼付なしに回転する如く成したスクリユー
に25ミクロンの半径方向クリアランスを設けて使
用していて、その後、このスクリユーを加工して
前述の如くその各数値に従つて円錐部を設けるよ
うにしたところ、効率の差は0.5％以下であつて、
性能の差はゼロであるとともに、軸出力の増加は
約0.4％であつた。

このように予期しない結果を得た理由の一部
は、前記スクリユー１に加工した前記円錐部１３
が比較的大きなクリアランスを生じ、それによる
リークを生じさせるが、このクリアランスは、ス
クリユーねじのねじ山頂部が幅広とされ、ケーシ
ングの孔１１との間のシール面積が広い吐出側部
分に位置されるので、ねじ山頂面を介してのリー
クが少ないものにできるからである。又、前記ラ
ビリンス部１０により、吐出側の端部における漏
れが確実にシールされているからである。

第３図には英国特許1548390によるものに適用
した前記とは別の形状のシール手段を示している
が、この態様によつても前述のものと類似の効果
が得られるし、また、第４図は、前記フランス特
許2286958などにより知られた円錐形状スクリユ
ーのものに対し本発明を適用したもので、スクリ
ユーには円錐状部１５を設け、この円錐状部１５
にはケーシングの円錐状部１６と同一角度を持た
せるとともにきわめて小さいクリアランス１７を
設定し、前記円錐状部１５に引き続き円錐部１３
を設けることによりシール手段１０ｂへ向つてク
リアランスが増加していく如く成している。

尚、本発明では平板状のピニオンホイールを持
つたコンプレツサーに対し本発明を適用する場合
を示したが、前記フランス特許1586832の筒状ピ
ニオンホイールをもつたコンプレツサーやポンプ
もしくは気体膨張式装置等に本発明を適用した場
合でも本発明を格別に修正する必要はない。

以上、本発明では、スクリユー１における高圧
ポート７側に位置する端部に、ケーシング３との
間をほぼ完全に漏れなくシールするシール手段を
設け、スクリユー１とケーシング３との間のクリ
アランスを、ケーシング３の母線に沿つて低圧ポ
ート６側から高圧ポート７側に向かつて増大し、
かつ、前記シール手段のすぐ近くで最大となるよ
う設けたから、従来のハニカム構造を用いるもの
に比べて低コストで、低圧ポート６側で漏れを少
なくできると共に、温度が高く、しかも、スクリ
ユーねじのねじ山頂面の接触面積が最も大きい吐
出ポート７側でクリアランスを大きく確保できる
ため、焼付を生じることなく効率を高めることが
できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を組み込んだスクリユー式流体
作動機械の断面図、第２図は第１図に示す本発明
についての概略図、第３図はスクリユーの高圧側
端部に別のシール手段を組込んだ概略図、第４図
は本発明円錐状スクリユーを備えたものに適用す
る概略図である。 １…スクリユー、２…軸、３…ケーシング、４
…ピニオンホイール、５…歯、６…低圧ポート、
７…高圧ポート、８…連通孔、９…空洞部、１０
…シール手段、１１…ケーシング孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定状のケーシング内で軸を中心に回転し、
   少なくとも一つのピニオンホイールの歯と係合す
   るねじ山を設けたスクリユーを備え、前記ケーシ
   ングには、少なくとも一つの低圧ポートと、前記
   ピニオンホイールに近接して配置される少なくと
   も一つの高圧ポートとを備え、前記スクリユー
   は、前記高圧ポート側に位置する端部において、
   前記スクリユーとケーシングとの間を、ほゞ完全
   に漏れなくシールするシール手段を備えると共
   に、前記スクリユーとケーシングとの間のクリア
   ランスは、前記ケーシングの母線に沿つて前記低
   圧ポート側から高圧ポート側に向つて増大するご
   とく成つており、かつ、前記クリアランスが前記
   シール手段のすぐ近くで最大となるごとくしたこ
   とを特徴とするスクリユー式流体作動機械。 ２ ケーシングにおいてスクリユーのねじ山と協
   働する部分を筒状となし、前記スクリユーのねじ
   頂部の包絡部分は、低圧側で前記ケーシングと接
   触する前記スクリユーの包絡部分に関し、筒体を
   構成し、小さな傾斜で円錐状に延びる延長部分
   は、シール手段の始端部において、最小径部分を
   もつている特許請求の範囲第１項記載のスクリユ
   ー式流体作動機械。