JPH0137563B2

JPH0137563B2 -

Info

Publication number: JPH0137563B2
Application number: JP58164224A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takeishi; Yukihiro Kojima
Original assignee: Hokuetsu Industries Co Ltd
Current assignee: Airman Corp
Priority date: 1983-09-08
Filing date: 1983-09-08
Publication date: 1989-08-08
Also published as: JPS6056103A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、流体機械におけるスクリユー膨張
機、特にスクリユー膨張機に対する給油技術に関
するものである。

従来技術スクリユー型の流体（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
がつ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、スクリユ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つて、たとえば
噴射式油冷スクリユ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ためのものであつて膨張機の
ための給油方法としては必ずしも適切なものとは
いえなかつた。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つてみても、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、スクリユー型の流体機械を膨
張機として使用する場合、 (イ) 吸入側に高圧ガス流体を供給するので、吸入
側端面でのシールを確実に行う必要がある。

(ロ) 吸入側から吸入した高圧ガス流体を作用室
（シリンダ室）で膨張させて動力を得るところ
の原動機であるから、作用室間のシールを確実
に行う必要がある。

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

構成本発明は、 (1) スクリユ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
ガス流体の吸入室端面に開口したノズルを介し
て前記流体に向けてシール・潤滑用液体を噴射
する一方、作用室を区画するロータのスクリユ
ー歯噛合摺動面の潤滑およびシールのため、シ
リンダー壁面に複数個の前記液体噴射孔を穿設
して同液体をシリンダー内側に噴射すると共
に、前記ロータ回転軸を作用室に対してシール
し、そのベアリングを強制潤滑した前記シー
ル・潤滑用液体をベアリング室に収容した後、
同液体をシリンダ内壁に開口した前記噴射孔と
は別系統の油回収孔を通じて作用室のガス流体
内に噴射・回収し、含有するガスを作用室内に
放出させつつ前記回収油をガス流体、吸入室側
噴射シール・潤滑液体、シリンダー内側噴射流
体諸共、機外に排出するようにし、かつ、前記
シリンダ壁面に設けたシール・潤滑用液体噴射
孔およびベアリング室に連通する前記回収孔の
位置は、シリンダー室内を移動する作用空間が
吐出口に連通する以前であることよりなるスク
リユー膨張機の給油装置。

(2) シリンダ内側において、シール・潤滑用液体
を射出する噴射ノズルの開口位置を、各ロータ
のスクリユー歯の噛合線近傍に設けたことより
成る上記第(1)項記載のスクリユー膨張機の給油
装置。

を特徴とし、今、その一実施例を図面に沿つて説
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ユー
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S₁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によつて、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S₁から排出される。

熱交換器S₁内で気化し高温・高圧になつて冷媒
ガスは、スクリユー膨張機４の吸入口５側に導か
れる。作用室内で膨張してスクリユー・ロータを
回転させた高温・高圧の冷媒ガスは低温・低圧に
なつて膨張機の吐出口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を通つて液化し、その後ポンプP₁の吸
込側から吸込まれて加圧流体となり、熱交換器S₁
の蒸発器２内に送給される。

高温・高圧の冷媒ガスによつて駆動された膨張
機４のスクリユー・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S₁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Ｉは、高温・高圧の冷媒ガスのスクリユ
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
機のスクリユ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、膨張機のスクリユー回転軸の
低圧側ベアリング潤滑用に膨張機端板内に送給
し、は、膨張機のメカニカルシール用として圧
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からガス諸共、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によつて吸入され、加圧され
て熱交換器S₁の潤滑油加熱パイプ３内に送給され
る。熱交換器S₁の加熱パイプ３内を通つた高温潤
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。

本発明スクリユー膨張機、特にその給油装置は
上記システムのうちのスクリユー膨張機に対する
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
のうちの一部を構成するものであり、以下、順を
追つて詳述する。

第２図は、本発明スクリユ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（図示のスクリユー・ロータ回転軸に直交
する平面に沿う断面図）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が設けられている。

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、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によつて加圧され、熱交
換器S₁によつ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に開孔した吸入口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１３，１
４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の回転に伴なつてその容
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、連通を絶つて、
すなわち、閉切つて低圧側端板１２側に進行す
るに伴なつて容積が拡がり、やがて低圧側端板
１２に開孔した吐出口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
霧状になつ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つて流入するが、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のスクリユー面に衝突、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
スクリユー・ロータの高圧側端面の摺動面およ
びスクリユ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S₁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
の高温に加熱し、潤滑油の噴射によつてガスの
温度を高めるよう、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
ユー面、シリンダ内壁および高圧端板１１の端
面２２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、高圧側端面２２とロータの端面
との間に隙間をつくる傾向が生じるが、高圧ガ
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
が起きないように作用する。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
工程に先立つて吸入室１９において高圧ガス中
に潤滑油を噴霧しているのは、その為である。

第一系統の潤滑手段は以上のとおりであつ
て、ここに噴射された潤滑油は、その後の工程
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、本発明スクリユー膨張機の平断面
図を示し、図中、１１は高圧側端板であつて、
並列するボールベアリング１７_-1，１７_-1，１
７_-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ユが嵌合し
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油の給油孔２３が穿
設されている。前記給油孔２３は、さらにブツ
シユ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ユの周面に削設さ
れた油溝につながつている。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つていて、前記ベア
リング１７_-1，１７_-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に連通する。

第４図は、シリンダ１０内壁、作用室の展開
図であつて、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
つて、吐出口６側であり、中央線はシリンダ眼
鏡形断面の円弧の交叉線、斜線は、スクリユー
歯先面とシリンダ内壁面との摺動接触線であつ
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２
６、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
溜つ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
とスクリユ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図に戻つて、図中、給油孔２３に供
給された高圧潤滑油は、給油孔２４等を通つ
て、各ロータ回転軸のブツシユに設けられた油
構に導かれ、ここから溢れた潤滑油は、一方に
はブツシユ周面と端板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１７_-1，１７_-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２６に溜つた潤滑油は油回収孔２７を通つ
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入
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内に滞溜した潤滑油
の中には高圧ガス媒体が大量に溶け込んでいる
（冷媒ガスを作用流体として使用した場合）か
ら、同室内に溜つた潤滑油が回収孔Ａから低
温・低圧の作用室内に回収されたときに潤滑油
から溶解ガスが蒸発して作用室内でガス膨張作
用を起こし、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ユー歯先
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ユーの歯の進行方
向、好ましくはスクリユ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S₁内の加熱パイプ３を通つて加熱され、ポ
ンプP₂により加圧された潤滑油を給油孔３８
を介して供給し、噴射孔２９を通してロータの
回転に伴ないスクリユー歯が進行する方向に向
つ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ユー歯の噛合線付
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
クリユー歯に直交する平面に沿つて切断して示
す噴射孔２９を含む一部断面図で、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、３
０は、雌ロータのスクリユー歯先面の突条、矢
印は、ロータの回転に伴なうスクリユー歯の移
動方向を示す。歯と歯の間の溝部とシリンダ内
壁面によつ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
あつて下流側のそれほど、低温・低圧になつて
いる。

噴射孔２９から噴射された潤滑油は、図示の
ようにスクリユー歯の突条３０の進行方向の後
側からシリンダ内壁面とスクリユー歯先面との
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の移動に従つ
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つて噴射する。

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つて低温・低圧にな
つ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シ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
は低圧側端板であつて、ローラベアリング１
８，１８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１
２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
ブツシユに衝当るまで設けてあり、同孔３１か
ら供給された高温・高圧の潤滑油は、各ロータ
回転軸のブツシユ周面と端板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を通つ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を通つて低圧
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１６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３
６によつてシールする。取付板３８には給油孔
３７を設けて、ここに熱交換器S₁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、シール材３５に滲透して低圧側ベ
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。

スクリユー膨張機における潤滑・シール油の
供給系統は以上のとおりであるが、本発明給油
装置の実施例は、上述のうちの主として、、
吸入側端面のシール、すなわち第一系統と、
、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つ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
リユー膨張機の給油装置に沿つて述べたが、スク
リユ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に供給する潤滑兼シール
剤に水を選択することができる。ただし、この際
は、ベアリングの潤滑を別系統にすることを要す
る。

また、本発明のスクリユー膨張機の使用範囲
も、上記実施例の利用技術の説明に制約されるも
のではない。要するに定常的な高圧ガス流体源、
望ましくは適当に高温のガス流体源が得られると
きには、特に支障のない限り、何時、如何なる環
境の許でも実施可能であることはいうまでもな
く、それに伴つて本発明給油装置は当該スクリユ
ー膨張機の効率と耐用年数を大巾に向上させる効
果を奏するものである。

効果本発明給油装置は以上述べたとおりの構成を備
えるので、高温・高圧流体の吸入側端面における
漏洩を効果的に防止すると共に、作用室相互の区
画のシールを確実にし、また摺動面の潤滑を行う
ことにより高圧ガス流体の漏洩を最小限にとど
め、ロータのスクリユー歯の噛合線近傍から作用
室内に潤滑油を噴射して、前記噛合線および作用
室を区画する摺動面の潤滑およびシール作用と潤
滑油膜の切れがないようにして、作用室相互間で
高圧ガス流体の漏洩が生じることを防ぎ、かつ、
スクリユー・ロータの機械的回転抵抗を極力少な
くすることによつて、エネルギーの有効利用を図
り、効率の高いスクリユー膨張機を実現させると
共に、膨張機全体機構における摺動面の摩耗量を
減少せしめて無開放連続連転期間および耐用年数
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ユー型
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ユ
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……スクリユー膨張機、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、１
４……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、２２，２８，３１および３７……給
油孔、２６……高圧側ベアリング室、２７，３
４，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、３５……メカニカルシー
ル。

Claims

【特許請求の範囲】１スクリユ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
ス流体の吸入室端面に開口したノズルを介して前
記流体に向けてシール・潤滑用液体を噴射する一
方、作用室を区画するロータのスクリユー歯噛合
摺動面の潤滑およびシールのため、シリンダー壁
面に複数個の前記液体噴射孔を穿設して同液体を
シリンダー内側に噴射すると共に、前記ロータ回
転軸を作用室に対してシールし、そのベアリング
を強制潤滑した前記シール・潤滑用液体をベアリ
ング室に収容した後、同液体をシリンダ内壁に開
口した前記噴射孔とは別系統の油回収孔を通じて
作用室のガス流体内に噴射・回収し、含有するガ
スを作用室内に放出させつつ前記回収油をガス流
体、吸入室側噴射シール・潤滑液体、シリンダー
内側噴射流体諸共、機外に排出するようにし、か
つ、前記シリンダ壁面に設けたシール・潤滑用液
体噴射孔およびベアリング室に連通する前記回収
孔の位置は、シリンダー室内を移動する作用空間
が吐出口に連通する以前であることよりなるスク
リユー膨張機の給油装置。２シリンダ内側において、シール・潤滑用液体
を射出する噴射ノズルの開口位置を、各ロータの
スクリユー歯の噛合線近傍に設けたことより成る
上記第１項記載のスクリユー膨張機の給油装置。