JPH0325603B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流体を圧縮、膨張、ポンプ作用させ
る、スクリユーとピニオンを備えた容積形機械に
関するものである。

本明細書において考慮される装置は、ねじ山部
分により実質的に気密を保たれるケーシングと共
働すべく設けられたスクリユーと、ケーシングの
通路内を通過すべく配設され、歯が上記スクリユ
ーと噛合するピニオンと、スクリユーの一端側に
配設された低圧ポートと、スクリユーの他端側に
配設され、所定幅を有するケーシング部分によつ
てピニオンの上記通路から隔離された高圧ポート
とを備える。

この型の装置は、特に、米国特許第3133695号、
第3180565号、第3551082号明細書中に記載されて
いる。

これらの装置の効率を高めるため、そして流体
の漏れを減少させるため、その装置内に、冷却機
能（その装置がコンプレツサの場合）を有し、か
つ液体シールを形成することにより気密を保持す
ることのできる液体（通常は油）を注入すること
が知られている。これは特に上記米国特許第
3133695号明細書中に記載されている。

このシール作用は、液体の注入が減少するとも
はや効かなくなる。例えば、冷蔵庫のコンプレツ
サに適用する場合、圧縮室内の凝縮液を蒸発させ
て他の部分を冷却するために、圧縮室内へ液化ガ
スの凝縮液を注入することが必要である。この結
果ねじ山とケーシング間のクリアランスを密封す
るのに有効な液体はもはやなくなつてしまう。し
かし、これらのクリアランスの大きさは装置の効
率に決定的な影響を有する。

一例として、冷媒Ｒ−22で作用し、3000rpmで
約2500の容量を有するコンプレツサの場合、コ
ンプレツサの熱効率は、ねじ山とケーシング間の
クリアランスが10ミクロン増加するごとに、約１
％低下することが見出されている。

このクリアランスを減少させる試みが今までな
されてきた。しかし、約70〜100ミクロンより小
さい径方向クリアランスについての試験結果は常
に、ケーシング内でスクリユーの焼付きを起こ
し、この結果、これら２つの部分を破壊すること
なく分離させることができないというものであ
る。

本発明の目的は、クリアランスが高効率を維持
できる充分小さい値であり、かつ焼付、膠着を生
じるおそれのない、容積形機械を提供することで
ある。

本発明によれば、装置は上記において引用した
明細書中のものと同様なものであるが、次の点に
おいて特徴を有する。すなわち、ケーシングとス
クリユーの各作用面の一方は、その面のうち他の
面との共働部分に多数の小空洞が形成され、ラン
ドは実質的に円周方向に向く部分を有し、その部
分の少なくとも一部は制限された円周方向長さを
有していて、このため円周方向の端部の少なくと
も一方において凹陥部により制限されており、ね
じ山とに形成され、またねじ山と協働する位置に
あるケーシングに形成される各小空洞の周囲は、
せいぜい、該小空洞を形成されるか該小空洞に面
するねじ山の２つの縁部の一方のみにより切断さ
れる。

上述した構成の小空洞によりスクリユーとケー
シングのクリアランスを、焼付を起こすことなく
約20〜30ミクロンの大きさにまで小さくすること
が可能となつた。

本発明の範囲の限定を意味するものではない
が、焼付、膠着は装置内に残された不純物により
起こされるという説明をすることができる。粒子
や微片が逃げ道を見つけられずに回転方向へ移動
するので、このような不純物は、局部的に発生す
るが、ねじ山が実質的な幅を有する部分、特に高
圧側の端部へ広がりやすい傾向をもつ局部焼付を
起こす。

小空洞を設けたことにより、粒子や微片は小空
洞の中に入り込むので、形成される粒子等が大き
くなるのを阻止でき、粒子等はさらに転動するこ
とができず、その後小空洞から解放される。

補捉された粒子が、上述したような制限された
長さを有する、実質的に円周状のランド部の間に
形成されやすければ、その粒子はまた、円周状の
ランド部の一端に、素早く落ちる。

好ましくは、円周方向ランド部の少なくとも一
部の長さを制限する凹陥部は、小空洞である。円
周方向ランド部のいくつかは、それらの円周方向
の端部にある小空洞により制限されるかもしれな
い。

小空洞がスクリユーに形成される場合、円周方
向ランド部のいくつかは、両円周方向端部の一方
にある小空洞により、また他の円周方向端部にお
けるねじ縁部により制限されるかもしれない。

好ましい実施例において、ねじ軸に垂直であ
り、かつ、小空洞の面に交互に出合う平面は、小
空洞の形成された表面と交わる線に沿つて、小空
洞あるいは凹陥部の底面およびランド面を交互に
切断する。

しかして、ランドは、回転軸を中心とする円の
周囲においてどこにも連続的に配設されておら
ず、また、ランドとケーシングの間に形成された
粒子は、小空洞内にころがり込むか、円周方向ラ
ンド部を制限する凹陥部内に転り込み、そこで停
止する。

小空洞の深さは、流体の漏れる可能性を最小限
に抑えるため、0.2mmより小さいことが好ましい。
理論上、小空洞はケーシング上に設けてもよい
し、あるいはスクリユーに設けてもよい。

小空洞がスクリユー上に形成される場合、小空
洞の変位方向長さは、高圧ポートと低圧側へ臨む
ピニオン通路との間の流体の漏れが発生するのを
阻止するため、高圧ポートとピニオン通路との間
に位置するケーシングの帯状部の幅よりもむしろ
小さい。

次に本発明の他の特徴と効果を明確にするた
め、図示実施例に基づき本発明を説明する。

第１図および第２図において、本発明に係るコ
ンプレツサは、２個の半割ケーシング３ａ，３ｂ
から構成されるケーシング３内のベアリング２に
回転自在に設けられたスクリユー１を有する。こ
のスクリユー１は、ねじ山４の頂部２５により液
密を保持されて、ケーシング３と共働するよう構
成される。

モータ（図示せず）は、スクリユー１を矢印方
向へ回転させるために、このスクリユー１に連結
される。

スクリユー１のねじ山４はピニオン６の歯５と
噛合すべく配設される。このピニオン６は半割ケ
ーシング３ａ，３ｂにそれぞれ固定されたベアリ
ング７に回転自在に取付けられる。

ピニオン６はケーシングの凹部８内に配置さ
れ、通路１１を通つて、一部が筒部９内へ突出し
ており、該筒部９はスクリユー１用のハウジング
として用いられる。

第６図に示されるように、三角ポート１２は、
その一側がねじ山４の傾斜部に実質的に平行であ
り、筒部９内に設けられ、排出ポート１３に連通
するようになつている。

本装置の動作において、スクリユー１は矢印方
向へ回転するピニオン６へ運動を伝達する。スク
リユーと噛合する各歯５は、ケーシングと、該歯
が噛合するスクリユーの２つのねじ山と、該歯の
面部とにより形成される空間内に、取入れ口１４
を介して導入される所定量のガスを導く。

上記空間の容積は徐々に減少し、この空間内に
収容されたガスを圧縮する。この空間がポート１
２の反対側に位置するようになつた時、排出が行
なわれる。

小空洞１５は、スクリユーの外表面に形成され
（第３図参照）本質的には該スクリユーの次の部
分に形成される。すなわち、ねじ山が最大幅を有
する部分、換言すれば、ねじ長さの下から３分の
１と上から３分の１にほぼ一致する部分に渡つ
て、形成される。

上記小空洞は、ねじ山の頂部２５だけでなく、
ねじ山の端部（高圧側）とスクリユーの端部との
間に位置する円環部１６にも形成される。

小空洞は表面に形成されるとともにランド１９
により相互に分離された凹陥部である。

第１図〜第６図、および第８図の実施例におい
て、小空洞１５は矩形（略正方形）であり、また
軸方向に形成されたランド１９により分離された
軸方向列３１ａ，３１ｂ，３１ｃ等（第８図）内
に配列される。

各列のすべての隣合う２つの小空洞は、円周方
向に向うランド１９ｃより互に分離される。さら
に、各列の小空洞の配列に関する限り、各列（例
えば３１ｂ）は、両側に隣接する列３１ａ，３１
ｃにおける小空洞の半分の長さだけ、縦方向に偏
れている。したがつて、各ランド１９ｃは両円周
方向端部において、隣接する列の小空洞により制
限される。

しかし、第３図からわかるように、ねじ山の端
部２１，２２に隣接するランド１９ｃは、それら
の円周方向端部の一方において該端部により制限
される。

これらの構成により、スクリユーの軸に垂直
で、かつ、小空洞の形成された表面に出会う平面
１８は、小空洞の形成された表面との交線に沿つ
て、ランド１９ｃあるいは１９ａと小空洞１５と
に、交互に出会う。

各小空洞は、これが形成されるねじ山の間に完
全に内包されるか、あるいは、該小空洞は、ねじ
山の２つの縁部間に渡つて流体が漏れないように
するため、ねじ山の２つの縁部２１，２２の一方
のみにより切断されるよう構成することが必要で
ある。本実施例は、直径140mmのスクリユーに関
するものであり、この条件はピツチＰを２mmにす
ることにより満足される。

本実施例では、スクリユーとケーシングの間の
クリアランスＪ（第４図および第５図参照）は非
常に小さく、すなわち、概略数10シクロンの大き
さである。小空洞の深さは約0.1〜0.15mmであり、
縁部１９の厚さｅは約0.5mmである。また、第４
図、第５図に示すように小空洞の各側壁は底面か
ら開口部に向けて拡開するように傾斜している。

第６図は三角ポート１２とピニオン通路１１に
一致する範囲内でスクリユーと共働するケーシン
グの円筒壁６を示す。ケーシングのこの部分の前
を通過する小空洞１５を図中に鎖線で示す。コン
プレツサの本来の作動を確保するため、上記ポー
ト１２と通路１１間の帯状部２３の幅Ｌは、そこ
でねじ山に捕えられ、そこから解放されないガス
の量を確実にゼロにするよう最小値に抑えられ
る。さらに、高圧の三角ポート１２と低圧の通路
１１との間の流体の漏れを防止するため、小空洞
の変位方向Ｆに沿う方向の寸法ｌを上記幅Ｌより
小さくすることが必要である。

非常に小さい小空洞を加工することはコストが
かかるので、この加工の必要性を避けるために、
実質的な幅Ｌは帯状部２３のほとんどの部分に渡
つて維持されるが、ポート１２は該帯状部の部分
に膨出するくぼみ２４により大きくなつている。
その後発生するかもしれない漏れは、局部的に抑
えられる。さらに、このような漏れは、小空洞の
深さが小さいことにより、非常に低い値に抑えら
れる。小空洞はまた、高圧のポート１２からピニ
オン通路１１への回転変位を受ける小空洞により
移送される高圧ガスの体積を、無視できるくらい
の大きさに抑える効果を有する。

上述しまた添附図面に示された小空洞は、四辺
形をなすが、後述の記載から理解されるように、
例えば円形や多角形のような他の形状であつても
よく、これらは同様な効果を奏する。小空洞が放
電加圧（EDM）により加工される時、四辺形は
成形するのに特に容易である。これはこの加工工
程において、単なる切削操作によつてEDM電極
を成形することが可能だからである。

他の実施例において、図示されないが、ランド
１９ａが軸方向に対して傾斜し、および（また
は）ランド１９ｃが円周方向に対してわずかに傾
斜してもよい。

ローレツト切りあるいはランドを成形するため
に充填金属を電気化学的に溶着させるような他の
方法により、非常に複雑な輪郭を形成することが
できる。この場合、小空洞は、例えばワニスで形
成されたマスクの予備的な溶着により得ることが
でき、このワニスはその後除去される。

小空洞を用いることにより、スクリユーとケー
シングが同じ金属（例えば鋳鉄）で形成される時
でさえ、焼付を起こすことなく約数10ミクロンの
非常に小さいクリアランスとすることが可能とな
る。

さて、この利点は、油の注入をすることのない
シングル・スクリユー型の冷蔵庫や空調機のコン
プレツサを効果的に構成するのに必須の条件であ
る（油を吸込まないため回路を汚すことなく、ま
た低価格のものとなるという付随的な利点を伴な
う）。一方、効率の観点からすると、この装置を
高いランクのものとするような熱効率を得ること
ができる。したがつて、3000rpmにおいて30ミク
ロンの径方向クリアランスでもつてケーシング内
に回転可能に装着される直径140mmのスクリユー
を備えたコンプレツサの場合、冷媒Ｒ−22を用
い、圧縮比を約３とした計測の結果、等エントロ
ピ効率は約77％であつた。これは同様な圧縮能力
を有する公知の型の最良の比較装置よりも平均10
〜20％も高い。

現在まで用いられてきた約0.1mmのクリアラン
スの場合、効率は70％を越えることはない。

第９図〜第１２図には小空洞の種々の実施例が
示され、これらは全て、円周方向あるいは実質的
に円周方向に向くランド１９ｃが両円周方向端部
あるいはそれぞれ実質的な円周方向端部における
小空洞３１５，５１５ａ，５１５ｃにより制限さ
れるという条件を満たし、ただし、縁部２１，２
２との隣接部では、ランド１９ｃは、小空洞によ
り一端において、また該縁部２１，２２の一方に
より他端において制限される。

第９図〜第１２図の実施例はまた、スクリユー
の軸に垂直な全ての面１８は、小空洞が形成され
た表面と交叉する線に沿つて、小空洞とランドに
交互に出会うという条件を満たす。このことは第
１０図および第１２図により確認され、これらの
図は、それぞれの場合において、全ての主な可能
な位置における面１８を示している。

第９図および第１０図において、小空洞は円形
であり、また第１図〜第６図に示された例と同様
に、小空洞は、両側に隣接する列に対して小空洞
の半分の軸方向長さだけ偏れた軸方向列内に配列
されている。

第１１図および第１２図において、小空洞は矩
形であり、スクリユーの軸に平行に測つた長さが
異なる、２つの形を有する。小空洞の中心は軸方
向とともに円周方向にも配列される。両方向にお
いて、大きい小空洞と小さい小空洞とが交互に現
れる。

本発明の他の実施例によれば、小空洞はスクリ
ユーのねじ頂部と共働するケーシング内壁に形成
される。このような構成は、ケーシングの形状が
小空洞の加工に適している時、例えばEDM電極
を容易に近づけさせることのできる、平らなもし
くは円錐状のケーシングの場合に、特に有利であ
る。

第７図によれば、プレーン・スクリユー１０１
は低圧の取入れ口１１４を設けられたケーシング
１０３内に回転自在に取付けられる。「プレー
ン・スクリユー」の語を用いることは、ねじ山１
０４が同一面内にあり、ケーシングの平面部と共
働するという事実により説明される。ピニオン
（図示せず）はスクリユーの面に対して垂直な面
内にあり、そのピニオン歯は、それに応じて形成
されるねじ溝に噛合する。この型のコンプレツサ
は米国特許第3180565号明細書中にかなり詳しく
記載されている。

ねじ山の頂部とケーシング間のクリアランスは
上記実施例のものとほぼ同じ大きさである。ケー
シングの作用面には、円周方向のランドにより、
また横方向のランド、より正確には円周方向のラ
ンドに垂直なランドにより、制限される。円周方
向のランドは円周上に連続的に配設されておら
ず、制限された長さの部分を形成し、その部分は
隣接する横の列の小空洞により両端において制限
される。小空洞は、より正確には第１図〜第６図
および第８図のものと同種のものであり、また第
９，１０図あるいは第１１，１２図のもの、ある
いはさらに選ぶこのとできる本発明による他の形
状等がある。

この実施例において、小空洞の深さは最小値に
抑えられることが重要であり、また、可能なら
ば、その深さは、容量が１／回転の装置の場
合、約0.10〜0.15mmの大きさを越えないようにす
ることが重要である。

スクリユーのねじ山が変位する間、各小空洞に
は加圧あれたガスが満たされ、このガスは次のね
じ山が来ると解放され膨張することに注意しなけ
ればならない。このように無益な出力は短時間の
間にかなりの値に達しやすく、したがつて、小空
洞を設けたことにより得られる全ての利益をなく
してしまう。

一方、本発明に係る構成は封入流体のない装置
の場合に有利であり、この構成はまた、封入流体
（コンプレツサあるいは蒸気装置における）が非
常に低い粘性を有する場合、例えば、油が小さい
抵抗のシールを構成する水に置き換えられた場
合、あるいは使用される液体が低い粘性を有する
時、機械がポンプや油圧モータとして用いられる
場合にも有用である。

明らかに、本発明は上記実施例に制限されるも
のではなく、その技術的思想の範囲内で、他の変
形例に拡張できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るコンプレツサを１つの半
割ケーシングを除去して示し、第２図の−線
に沿う縦断面図、第２図は第１図の−線に沿
う矢視平面図、第３図は第１図の要部を拡大して
示す側面図、第４図および第５図はそれぞれ第３
図の−線および−線に沿う断面図、第６
図は第２図の−線に沿う矢視図、第７図は本
発明に係るコンプレツサの他の実施例を示し、一
部を断面とした平面図、第８図は小空洞を拡大し
て示す平面図、第９図および第１１図は第３図と
同様な平面図で他の実施例を示し、第１０図およ
び第１２図は第８図と同様な平面図で、それぞれ
第９図および第１１図の実施例に対応する。 １，１０１……スクリユー、３，１０３……ケ
ーシング、４，１０４……ねじ山、５……歯、６
……ピニオン、１１……通路、１２……高圧ポー
ト、１４，１１４……低圧ポート、１５，１１
５，３１５，５１５，５１５ａ，５１５ｂ……小
空洞、１８……面、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ……
ランド、２１，２２……縁部、２３……帯状部、
２４……くぼみ、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ……
列。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体を圧縮、圧送、もしくは膨張させる容積
   形機械であつて、ねじ山とねじ溝とから成るスク
   リユーと、ケーシングと、該ケーシング内に設け
   た通路内に配設され、歯が上記スクリユーのねじ
   溝部分と噛合する少なくとも一つのピニオンと、
   前記スクリユーの一端側に配設された少なくとも
   一つの低圧ポートと、前記スクリユーの他端側に
   配設され、所定幅を有するケーシングの部分によ
   つて前記ピニオンの通路から隔離された少なくと
   も一つの高圧ポートとを備え、前記スクリユーの
   前記ねじ山の頂部と前記ケーシングとが互いに共
   働する作用面を形成し、これら作用面が互いに極
   めて近接しており、その結果ケーシングとスクリ
   ユーとの間が実質的に気密に保たれている容積形
   機械において、前記ケーシングとスクリユーとの
   互いに共働する作用面のうち一方の作用面の少な
   くとも一部の領域には複数の小空洞が設けられ、
   この領域では作用面が前記小空洞の周囲にランド
   として残されており、これらランドは互いに連通
   して一つの連続した作用面を形成しているが、ス
   クリユーの回転軸を中心とする円弧の円周に沿つ
   た方向では前記小空洞によつて交互に分断されて
   おり、前記小空洞は、各々の小空洞の外周が、小
   空洞が形成され、或いは小空洞に対向する前記ね
   じ山頂部の２つの縁部と同時に交差することがな
   いように形成され、前記小空洞が形成された前記
   一方の作用面の領域は、前記スクリユーの前記高
   圧ポート側端の、作用面が互いに極めて近接した
   部分の、円周方向に比較的長い長さを有する作用
   面の領域略全部を含んでいることを特徴とする容
   積形機械。 ２ 前記ランドは限られた円周方向長さを有する
   実質的に円周方向に向いた部分を備え、該部分の
   円周方向の両側端部は凹陥部に制限され、この凹
   陥部は少なくとも前記小空洞のいくつかを含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の容積
   形機械。 ３ 前記円周方向ランド部のいくつかは円周方向
   の両側端部が小空洞により制限されることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の容積形機械。 ４ 前記小空洞はスクリユー上に形成され、実質
   的に円周方向を向いたランド部のいくつかは円周
   方向の両側端部のうち一方を小空洞により制限さ
   れ、円周方向の両側端部のうち他の一方を前記ス
   クリユーのねじ溝により制限されることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の容積形機械。 ５ スクリユーの軸に垂直であり、かつ小空洞の
   形成された表面と交差する平面は、該平面と前記
   表面との交線に沿つてランドの表面と、小空洞も
   しくは凹陥部の底面とを交互に切断することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項から第４項のいず
   れか１項に記載の容積形機械。 ６ 小空洞は円周方向を横切る列内に配列され、
   各列は両側に隣接する列に対して縦方向に偏れて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項から
   第５項のいずれか１項に記載の容積形機械。 ７ 小空洞は異なる軸方向長さを有する２つの形
   を有し、それら小空洞の中心は、実質的に円周方
   向の列内、および円周方向の列を横切る方向の列
   内に配列され、小空洞は、軸方向および横方向の
   列の両者に沿つて、大きい形および小さい形が交
   互に設けられることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第５項のいずれか１項に記載の容積形
   機械。 ８ 小空洞の深さは0.2mmより浅いことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第７項のいずれか
   １項に記載の容積形機械。 ９ 小空洞はケーシング上に形成されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項から第８項のいず
   れか１項に記載の容積形機械。 １０ 小空洞はスクリユー上に形成されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第８項のい
   ずれか１項に記載の容積形機械。 １１ 小空洞のスクリユー回転方向の長さは、高
   圧ポートとピニオンの通路との間に位置するケー
   シング帯状部の幅よりも小さいことを特徴とする
   特許請求の範囲第１０項記載の容積形機械。 １２ 高圧ポートは、この高圧ポートとピニオン
   の通路の間に位置する帯状部の一部に突出するく
   ぼみにより拡大されることを特徴とする特許請求
   の範囲第１１項記載の容積形機械。 １３ 各々の小空洞は底面から上方に拡開する傾
   斜した側壁を備えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項から第１２項のいずれか１項に記載の
   容積形機械。