JPH0218438B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えばエンジンにおける吸気過給の
ための機械式過給機として使用され、ロータと同
期的に回転する回転スリーブを有する回転圧縮機
に関し、特にエアベアリング式の回転スリーブを
有するものに関する。

（従来の技術） 従来より、回転スリーブを有する回転圧縮機は
知られている（例えば「容積形圧縮機」（昭和54
年４月５日産業図書株式会社発行）の図15.1（ａ）
参照）。すなわち、円筒状のセンターハウジング
とその両側に配置したサイドハウジングとで形成
されるケーシング内に、回転スリーブが回転自在
に嵌合されており、外部から駆動されるロータが
該回転スリーブの回転中心に対して偏心して配設
されているとともに、該ロータには先端が上記回
転スリーブ内周面に当接する複数の板状のベーン
が出没自在に嵌装されていて、上記ロータの回転
によりベーンを介して回転スリーブをロータにつ
れて回転させるようにしたものである。そして、
この回転圧縮機は、回転スリーブがベーンと共に
回転するために、ベーン先端の摺動による発熱や
摩耗が未然に防止されて耐久性の点で有利である
ことから、低回転から高回転までの広範囲の回転
域で運転されるエンジン等の過給機に最適なもの
として最近注目されている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、このようにスリーブを回転させるよう
にしたものでは、回転スリーブ内周面とロータ外
周面とで区画される圧縮室の高圧側（吐出ポート
側）と低圧側（吸入ポート側）との差圧によつて
生じる回転スリーブの内的作用力によつて、該回
転スリーブがセンターハウジング内周面の吐出ポ
ート側へ押しやられて該センターハウジング内周
面と接触することで局部摩耗を生じるほか、回転
スリーブの回転も制限されることとなり、回転ス
リーブ本来の機能が十分に発揮できないものとな
らざるを得なかつた。前述した従来の回転圧縮機
はこられの問題点を解決するために、回転スリー
ブとセンターハウジングとの間にオイルを供給し
てオイルベアリングの作用を付与せしめている
が、このオイルの供給は摩耗を減じるには効果が
あるが、数十ミクロンの間〓しかない回転スリー
ブとセンターハウジング間にオイルが充満し、そ
の高い粘性により回転スリーブの回転を抑制する
抵抗源となり、圧縮機の駆動トルク損失の増大と
なるのを避けられず、低速回転の圧縮機ならとも
かく毎分数千回転という高速回転が要求されるエ
ンジンの過給機用としては実用に供せないもので
あつた。

このため、上記回転スリーブをエアベアリング
タイプとし、その回転スリーブ外周面に圧縮溝
（もしくはデインプル）を刻設して、該圧縮溝
（もしくはデインプル）内において閉じ込められ
た空気を圧縮してその粘性剪断作用により圧力を
上昇させる、所謂ビスコステイポンプ
（viscosity pump）作用を発生させることによ
り、上記回転スリーブとセンターハウジングとの
接触を未然に防止することが考えられる。しか
し、この場合、圧縮溝（もしくはデインプル）で
のビスコステイポンプ作用だけでは、回転スリー
ブとセンターハウジングとの接触領域における圧
縮溝で十分な圧力上昇が得られないことがあり、
所期の目的とする接触防止効果を十分に発揮でき
ないという問題がある。

本発明の目的は、上記の如く耐久性で有利なエ
アベアリング式の回転スリーブを有する回転圧縮
機の実用化を図るべく、上記回転スリーブ外周面
に設ける圧縮溝もしくはデインプルの断面形状
を、該圧縮溝もしくはデインプル内の空気の粘性
剪断作用を最大限に引き出す形状とすることによ
り、簡単な構造でもつて、回転スリーブのセンタ
ーハウジングとの接触を未然にかつ確実に防止し
て、局部摩耗をなくし、かつ駆動トルク損失を低
減させることにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明の解決手段
は、上記の如き回転スリーブを有する回転圧縮機
において、上記回転スリーブに、回転スリーブ外
周面とセンターハウジング内周面との間に形成さ
れる間〓を回転スリーブ内周面とロータ外周面と
の間に形成される圧縮室に連通せしめて該間〓に
空気を供給するための連通孔を形成するととも
に、従来センターハウジング内周面の接触領域つ
まり吐出ポート付近に対応する部分に局部的に接
触していた回転スリーブの外周面にビスコステイ
ポンプ作用を行うための圧縮溝もしくはデインプ
ルを設け、さらに該圧縮溝もしくはデインプルの
深さをレイレーステツプ（Rayleigh step）とな
すように回転方向に対して前部で深く、後部で浅
くなるようにテーパ状にしたことを特徴とするも
のである。

（作用） このことにより、本発明では、連通孔により回
転スリーブとセンターハウジングとの間に供給さ
れその間を流れる空気は、回転スリーブの回転に
伴い、圧縮溝もしくはデインプル内においてその
深さが回転方向に対して前部で深く、後部で徐々
に浅くなる所謂無限小のレイレーステツプとなし
ているため、空気の乱れ等による反回転方向の作
用力を生じることなく、スムーズな圧縮が行われ
て十分な圧縮力が生じることによつて高い圧力を
発生する。さらに回転スリーブがその内的作用力
によりセンターハウジング内周面の上記接触領域
に近接すると、上記圧縮溝もしくはデインプル内
の空気が上述のビスコステイポンプ作用を行つて
更に圧縮されるので、その圧力が一層上昇するこ
とになり、よつて上記近接した回転スリーブがそ
の反発力を受けて平衡状態に保ち得る位置まで移
動して、両者の接触を未然に防ぐようにしたもの
である。

（発明の効果） したがつて、本発明によれば、回転スリーブを
有する回転圧縮機において、回転スリーブとセン
ターハウジングとの間に空気を供給するととも
に、回転スリーブ外周面に設けた圧縮溝もしくは
デインプルを、その深さが回転方向に対して前部
で深く、後部で浅くなようにテーパ状に形成する
という簡単な構成によつて、ビスコステイポンプ
作用を無限小のレイレーステツプ作用との相乗作
用により十分高圧のエアベアリング層が形成され
ることにより、回転スリーブとセンターハウジン
グとの接触を未然にかつ確実に防止でき、従来の
如き局部摩耗を防止できるとともに、回転スリー
ブの回転がスムーズに行い得て駆動トルク損失を
低減でき、よつて耐久性の優れた回転スリーブを
有する回転圧縮機の実用化を図つて、エンジンの
過給機等として最適なものを提供し実現できるも
のである。

（実施例） 以下、本発明の技術的手段の具体例としての実
施例を図面に基づいて説明する。

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示す。第
１図および第２図において、１はケーシングであ
つて、該ケーシング１は、円筒状のセンターハウ
ジング２とその左右両側に配置されたサイドハウ
ジング３，３とが複数本（図では４本）の締結ボ
ルト４，４…によつて締結されて構成されてい
る。該ケーシング１内には、外径がセンターハウ
ジング２の内径よりも若干小さい円筒状の回転ス
リーブ５がセンターハウジング２の軸心と同心的
にかつ回転自在に嵌合されていて、該回転スリー
ブ５の外周面５ａとセンターハウジング２の内周
面２ａとの間の間〓（例えば30〜50μ）によつて
空気のみによる空気軸受部としての空気軸受室６
が形成されている。さらに、上記回転スリーブ５
の内側には、両端に軸部７ａ，７ａを有する円柱
状のロータ７が回転スリーブ５の回転中心（セン
ターハウジング２の軸心）に対して偏心してかつ
回転スリーブ５にタンジエントシール点Ｐで最小
クリアランスを保つように配設されており、上記
回転スリーブ５の内周面５ｂとロータ７の外周面
７ｂとの間に略三日月状の空間部８が形成され
る。

上記一方のサイドハウジング３（第２図で左側
のサイドハウジング）には上記空間部８に対向し
て、該空間部８のトレーリング側（第１図で左
側）に吸入ポート９が、また空間部８のリーデイ
ング側（第１図で右側）に吐出ポート１０がそれ
ぞれ開口されている。また、両サイドハウジング
３，３の内壁面３ａ，３ａには回転スリーブ５の
両端面５ｃ，５ｃに対応して環状のシール溝１
１，１１が形成されており、該各シール溝１１に
は回転スリーブ端面５ｃに摺接してガスシールす
るサイドシール１２が装着されている。

また、上記ロータ７はその軸部７ａ，７ａにお
いて、それぞれ両サイドハウジング３，３に設け
た支持孔１３，１３にベアリング１４，１４を介
して回転自在に支承されており、一方の軸部７ａ
（第２図で右側の軸部）はケーシング１外に延出
され、該軸部７ａの延出部にはエンジン等の回転
駆動装置（図示せず）にベルナ駆動連結されたプ
ーリ１５が装着されていて、外部の回転駆動装置
によりプーリ１５を介してロータ７を回転駆動す
るようになされている。

さらに、上記ロータ７の外周面７ｂには軸方向
に沿つて半径方向に凹んだ複数（図では４つ）の
ベーン溝１６，１６…が円周方向に等間隔に形成
され、該各ベーン溝１６にはそれぞれ板状のベー
ン１７がロータ７の半径方向に摺動かつ出没自在
に嵌合されている。該ベーン１７，１７…は、ロ
ータ７の回転時に遠心力を受けて先端部が回転ス
リーブ５の内周面５ｂに気密状態に圧接すること
により、回転スリーブ内周面５ｂとロータ外周面
７ｂとの空間部８を４つの圧縮室１８，１８…に
区画形成するとともに、この状態で回転スリーブ
５をロータ７と同期的に回転させるようになされ
ている。

そして、本発明の特徴として、上記回転スリー
ブ５は、第３図および第４図に示すように、その
外周面５ａに多数のＶ型形状の圧縮溝１９，１９
…が周方向に等間隔に刻設されている。各圧縮溝
１９は、そのＶ型溝の溝両端部１９ａ，１９ａが
回転方向Ｘに対して前方に位置するように、かつ
溝中央部１９ｂが軸方向中央に位置するように形
成されているとともに、溝深さが回転方向Ｘに対
して溝前部１９ｃで深く、溝後部１９ｄに向かう
に従つて徐々に浅くなるようにテーパ状に形成さ
れている。

さらに、上記回転スリーブ５には、回転スリー
ブ５内部の圧縮室１８と外部の空気軸受室６とを
連通する小孔よりなる多数の連通孔２０，２０…
が設けられており、圧縮室１８の空気を空気軸受
室６に噴出供給して回転スリーブ５とセンターハ
ウジング２との間にエアベアリング層を形成する
ようにしている。

尚、上記回転スリーブ５が従来局部的に接触し
ていたセンターハウジング２の内周面２ａの上記
吐出ポート１０付近に対応する部分つまり接触領
域θは、回転スリーブ５のロータ７とのタンジエ
ントシール点Ｐを通る直径線l₁と直交する直径線
l₂に対してトレーリング側に70゜、リーデイング側
に吐出ポート１０の中心を通る角度θoから最大
70゜までの範囲、つまりθo＋70゜≦θ≦140゜の範囲
であることが実験的に求められている。

次に、上記実施例の作動について説明するに、
エンジン等の外部の回転駆動装置によりロータ７
を第１図でＸ方向に回転駆動すると、該ロータ７
の各ベーン溝１６に嵌装されたベーン１７は、そ
れぞれ遠心力を受けてその先端部が回転スリーブ
５の内周面５ｂに気密状態に圧接することによ
り、回転スリーブ内周面５ｂとロータ外周面７ｂ
との間の空間部８が４つの圧縮室１８，１８…に
区画形成されるとともに、この状態を保持しなが
ら上記ロータ７の回転力がベーン１７，１７…を
介して回転スリーブ５に伝達されて、該回転スリ
ーブ５がロータ７と同期的に回転する。そして、
このロータ７と回転スリーブ５との同期的回転に
伴つて上記圧縮室１８の容積は同期的に変化し、
圧縮室１８が吸入ポート９側から吐出ポート１０
側に移動するに従つて徐々に増大して最大容積に
なつた後徐々に減少する。このことにより、吸入
ポート９より圧縮室１８に吸入された空気は該圧
縮室１８内で圧縮加圧されたのち吐出ポート１０
からケーシング１外に吐出されることになる。

その際、吐出ポート１０付近に位置する圧縮室
１８内の高圧の空気の一部は、該圧縮室１８と空
気軸受室６との圧力差により、接触領域θ近傍に
おいて回転スリーブ５の連通孔２０，２０…を介
して空気軸受室６内に噴出供給される。この噴出
された圧縮空気は、空気軸受室６内においてエア
ベアリング作用をしたのち、圧縮溝１９内に導か
れる。そして、圧縮溝１９内に導入された空気
は、圧縮溝１９内において、該圧縮溝１９の溝深
さが回転方向Ｘに対して前部で深く、後部に向つ
て徐々に浅くなるように一種の無限小のレイレー
ステツプをなしているので、回転スリーブ５の回
転に伴い溝前部１９ｃで膨張したのち、溝後部１
９ｄで再圧縮されて圧縮力が生じる。この際、圧
縮溝１９は前部で深く後部で浅いテーパ状に形成
されているので、圧縮溝１９内の圧縮空気は乱れ
ることなくスムーズに流れつつ、その圧縮がスム
ーズにかつ漸次行われて圧縮効果を有効に発揮で
き、十分に高い圧縮力が得られる。しかも、Ｖ型
形状の圧縮溝１９の溝両端部１９ａ，１９ａが回
転方向に対して前方に位置している関係上、圧縮
溝１９内の空気は、回転スリーブ５の回転および
空気の慣性によつて溝両端部１９ａ，１９ａから
溝中央部１９ｂに向かつて急速に圧縮されながら
移動する。その結果は、接触領域θにおける圧縮
溝１９内は十分高圧の空気が満たされることにな
る。

この状態で、上記回転スリーブ５が圧縮室１８
の高圧側（吐出ポート１０側）と低圧側（吸入ポ
ート９側）との圧力差による内作用力によりセン
ターハウジング内周面２ａの接触領域θに近接す
ると、圧縮溝１９内の空気は、ほぼ完全な閉じ込
め場になつているために回転スリーブ５の近接に
よつて圧縮されてその圧力が急激に上昇する所謂
ビスコステイポンプ作用を行う。一層高圧なもの
となる。この高圧空気より、センターハウジング
２に近接しようとする回転スリーブ５は大きな反
発力を受けて平衡状態を保つ位置まで移動する。

したがつて、このように内作用力でセンターハ
ウジング内周面２ａの接触領域θへ押し付けられ
ようとする回転スリーブ５を高圧の空気圧で支え
てその接触を未然に防止し、回転スリーブ５を滑
らかに回転させることができ、よつて従来の如き
局部摩耗を防止でき、また駆動トルク損失を低減
できる。特に、圧縮溝１９のレイレーステツプ作
用とビスコステイポンプ作用との相乗作用によつ
て、低回転時においても回転スリーブ５の円滑な
回転を確保することができる。

尚、上記実施例では回転スリーブ５の外周面５
ａにＶ型形状の圧縮溝１９を設けた場合について
述べたが、この圧縮溝としてはその他Ｗ型，Ｕ型
形状等、各種形状のものが採用可能であり、また
圧縮溝に代え、円形、三角形等の各種形状の圧縮
デインプルを採用してもよく、上記実施例と同様
の作用効果を奏することができる。

次に、本発明によるレイレーステツプ作用とビ
スコステイポンプ作用との相乗効果ついて第５図
および第６図に基づいて理論的に説明する。第５
図ａおよびｂは段付き溝でのレイレーステツプ作
用を説明するための模式図であつて、ｈは回転ス
リーブ外周面とセンターハウジング内周面との間
〓、Lgは段付き溝の深底部（前部）の周方向幅、
Leは同じく浅底部（後部）の周方向幅、Lrは溝
間の周方向間隔、ｅは溝の浅底部の深さ、ｄはセ
ンターハウジング内周面から溝の深底部底面まで
の間〓である。また、第６図ａおよびｂはＶ型形
状の圧縮溝でのビスコステイポンプ作用を説明す
るための模式図であて、agは圧縮溝の周方向幅、
arは圧縮溝間の周方向間隔、ｆは圧縮溝の深さ、
Ｌは圧縮溝の長さ、θは軸方向に対する圧縮溝の
傾き角である。

先ず、第５図により、段付き溝をレイレーステ
ツプとみなしてそのステツプ部（浅底部）の圧力
のピーク値Pmaxを求めると、 Pmax＝１＋［Σ・（−１）／（＋１） ・（・³＋１）］ ここで、＝Lr／Le、＝（ｈ＋ｅ）／ｈ Σ＝6μ・（Lr＋Le）・Ｕ／h²・Po μ：空気の粘性係数、Po：溝入口圧力、 Ｕ：スリーブ回転速度 となる。この圧力値Pmaxを、圧縮溝でのビスコ
ステイポンプ作用と比較するために溝内における
圧力上昇率_Rという表現に変換すると、 _R＝Pmax／Po …（） となる。

次に第６図により、段付きのない圧縮溝でのビ
スコステイポンプ作用による圧力上昇率_Bを求
めると、 _B＝Ｃ・Ｋ・Λ＋１ …（） ここで、Ｃ：比例定数、 Λ＝6μ・Ｕ・Ｌ／Ｐ・h² Ｋ＝（H³−１）・（Ｈ−１）・sin2θ／ ｛（H³＋１）²＋2H³・（Ａ＋A^-1） ＋（H³−１）²・cos2θ｝ …（） Ａ＝ag／ar、Ｈ＝（ｆ＋ｈ）／ｈとなる。

そこで、上記第６図の圧縮溝が第５図の如き段
付き溝であるとすると、該圧縮溝の有効深さ(i)
は、 ＝（Lg・ｄ＋Le・ｅ）／（Lg＋Le） となり、結局、段付き圧縮溝のビスコステイポン
プ作用による圧力上昇率は、Ｈ＝（＋ｈ）を上
記（）式に代入し、さらにこの（）式を
（）式に代入した値になる。

したがつて、全体としての圧力上昇率、つまり
レイレーステツプ作用とビスコステイポンプ作用
とによる圧力上昇率ｍは、上記で求めた（）
式での圧力上昇率_Bと（）式での圧力上昇率
Ｐ_Rとの積、 _n＝_R・_B となる。

今、一例として、回転圧縮機に対応した数値を
用い、ｈを横軸にとつた場合の圧力上昇率の計
算値を第７図に示す。第７図において、実線は段
付き圧縮溝の場合での圧力上昇率特性を示し、破
線は単なる等深さの圧縮溝の場合での圧力上昇率
特性を示す。同図により、段付き圧縮溝の場合に
は等深さの圧縮溝の場合と較べて圧力上昇率が大
であり、特に通常のエアベアリング層の間〓ｈの
使用域である30〜50μにおいて大巾に上昇してお
り、回転スリーブとセンターハウジングとの接触
防止効果に優れていることが判る。このことか
ら、本発明の如きテーパ状の圧縮溝の場合には、
該テーパを無限小のレイレーステツプの集合体と
みなすことができるので、上記段付き圧縮溝より
も一層大きな圧力上昇率が見込め、著効を発揮す
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を例示し、第１図は縦断
正面図、第２図は第１図の―線断面図、第３
図は回転スリーブの斜視図、第４図は第３図の要
部拡大断面図である。第５図ａおよびｂはレイレ
ーステツプ作用を説明するための模式平面図およ
び断面図、第６図ａおよびｂはビスコステイポン
プ作用を説明するための模式平面図および断面
図、第７図は圧力上昇率特性を示すグラフであ
る。 １…ケーシング、２…センターハウジング、３
…サイドハウジング、５…回転スリーブ、７…ロ
ータ、１７…ベーン、１９…圧縮溝、１９ｃ…前
部、１９ｄ…後部、２０…連通孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 円筒状のセンターハウジングとその両側に配
   置したサイドハウジングとで形成されたケーシン
   グと、該ケーシング内に回転自在に嵌合された回
   転スリーブと、該回転スリーブの回転中心に対し
   て偏心して配設され外部から回転駆動されるロー
   タと、該ロータに出没自在に嵌装され先端が回転
   スリーブ内周面に当接して該回転スリーブ内の空
   間を複数の圧縮室に区画する複数個の板状のベー
   ンとを備え、上記ロータの回転によりベーンを介
   して回転スリーブを回転させるようにした回転圧
   縮機において、上記回転スリーブには回転スリー
   ブ外周面とセンターハウジング内周面との間に形
   成される間〓を上記圧縮室に連通せしめて該間〓
   に空気を供給するための連通孔が形成されている
   とともに、上記回転スリーブ外周面に圧縮溝もし
   くはデインプルが刻設されていて、該圧縮溝もし
   くはデインプルはその深さが回転方向に対して前
   部で深く、後部で浅くなるようにテーパ状に形成
   されることにより、回転スリーブ外周面とセンタ
   ーハウジング内周面との間に形成される空〓の空
   気を圧縮し、該空〓に空気のみによる空気軸受部
   を形成することを特徴とする回転スリーブを有す
   る回転圧縮機。