JPH0329962B2 - - 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。

〔従来の技術〕

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、上記機械を膨張機として使用したケース
は少なく、その際の給油手段については、必ずし
も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成の説
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、ケーシ
ングおよびロータ間の潤滑、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、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。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで本発明は、スクリユー型の流体機械を膨
張機として使用す場合に、 (イ) 吸入側に高圧流体を供給するので、吸入側端
面でのシールを確実にしないと効率の良否に大
きく影響がある。

(ロ) 吸入側から吸入した高圧ガス流体を作用室
（シリンダ内側）に取込み、膨張させて動力を
得るようにし原動機であるため、作用室および
作用室相互間のシールを確実にしないと機械効
率に悪影響を及ぼす。

(ハ) 機械部材相互の摺動面を潤滑・シールする液
体を注入するとき予め潤滑すべき摺動面の構成
に応じて、潤滑区域を適当に区分して、各区画
毎に適切に摺動面を潤滑・シールすることが同
室内でポリトロープ工程にある気体のエネルギ
ーを無駄にしない効果を奏するので、機械効率
の向上をもたらす。

以上のような諸点を考慮し、スクリユー膨張機
において最適な給油手段を提供することを目的と
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、以下に述
べるとおりの各構成要件を具備している。

(1) スクリユー型流体機械において、吸入する高
圧ガス流体を受入れ、容積を変化させる作用室
を区画する部材相互の摺動面のシールおよび潤
滑のため、ノズルを介してシリンダー内側に噴
射するシール潤滑用液体の供給系統を、少なく
とも高圧ガス流体の吸入室の端面、スクリユー
ロータを支承する高圧側ベアリング、同じく低
圧側ベアリング、作用室およびメカニカルシー
ルの５系統に分割・供給することを特徴とする
スクリユー膨張機の給油装置。

〔作用〕

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
する潤滑油の作用に関する技術である。

具体的には下記の５系統の潤滑手段を含む潤滑
油の循環系統を構成するものであり、以下、順を
追つて、その作用を詳述する。

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）が眼鏡形もしくは分銅形の
シリンダで、その長手方向両端には端面を封止す
る各端板１，１２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１
３，１４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
を設けている。

吸入側端面のシール（第一系統） ２１は、高圧側端板１１に設けられた高温・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に穿設し
た吸入口５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に穿設した
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ー
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、要すれば熱交換器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
の高温にし、潤滑油の噴射によつてガスの温度を
高めるようにして、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、シリンダー内壁および高圧端板１１１
の端面２２と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１
２側に推し付け、高圧側端板２２とロータの端面
との間に隙間をつくる傾向を生じるが、高温ガス
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、膨張機の効率低下を起き
ないようにする。

ことにより吸入口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たのは、その為
でもある。

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１７−₁，１７−₁，１７−
_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１
５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
側ベアリング潤滑用の給油孔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
用作用空間の修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２６、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溝に導か
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
ラビリンスを潤滑、シール化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に滞留する。

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
ー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合し、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内に滞留した潤滑油の
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油から溶解ガスが蒸
発して作用室内でガス膨張作用を奏し、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、同室には要す
れば熱交換器S₁内の加熱パイプを通つて加熱さ
れ、ポンプP₂により加圧された潤滑油を給油孔
２８を通して供給し、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２
９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
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、３０は、雌ロータのスクリ
ユー歯先面の突出条、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の区画する突条３０の摺動面
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
噴射するようにしている。

作用室内に噴射された高温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、ガスと一緒に吐出口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１８，１
８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１３１４の回転軸１６が延長す
る頚部を軸支する。低圧側端板１２側の構践は高
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３
２との間にメカニカルシール３６が設けられるこ
と、および低圧側端板１２には、その内側端面に
吐出口６を、それに続いて吐出口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
ツシユに衝き当るまで設けてあり、同孔３１から
供給され、た高圧の潤滑油は、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に滞留した潤滑油は回収孔３
４およびＢを通つて低圧側作用室に射出し、そこ
でガス媒体と混同して吐出口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１
６との間をメカニカルシール３６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から要すれば高温・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てシール材
３５に滲透して低圧側ベアリング室３３に移動、
滞留し、低圧側ベアリング潤滑油と合体する。

〔実施例〕

今、本発明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略図を示
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より排出される。

熱交換器S₁内で気化し高温・高圧になつた冷媒
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内には別に海水などを低温熱源とす
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５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として膨張機
端板内に送給し、Ｖは、膨張機のメカニカシール
用に圧入する。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、ここで分離され潤滑油はタンンク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に送給される。

熱交換器S₁のパイプ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。

スクリユー膨張機における潤滑・シール油の供
給手段は以上述べたとおりの構成より成る。

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の実施例に沿つて述べた
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へ供給する潤滑兼シール
用液体に“水”を選択することができる。ただ
し、この際はベアリグの潤滑手段を別系統にする
ことを要する。

また、本発明のスクリユー膨張機の使用領域
も、上述実施例の説明に制限されるものではな
く、要するにに定常的に多量の高圧ガス流体源が
得られる状態のもとであれば、特に支障のない限
り、何時、如何なる環境下でも実施可能であり、
それに伴なつて本発明給油装置は、当該スクリユ
ー膨張機の効率を向上させ、かつ、耐用年数を大
幅に延長させる効果を奏するものである。

〔発明の効果〕

本発明装置は、以上述べたとおりの構成を備え
るので、高温・高圧ガス流体の吸入側端面におけ
る作用室からの漏洩を攻効果的に防止すると共
に、前記端面における摺動面のシールによつて吸
入室における同流体の無用な圧力低下を防止する
一方、シリンダ内側へ噴射する潤滑・シール用液
体と相俟つて作用室相互を区画する摺動面の潤滑
とシール作用を確実にして、作用室相互間のガス
の漏洩を最小限にとどめ、また、スクリユー・ロ
ータの機械的回転抵抗を極力小さくし、ガスの圧
力低下を可及的に防止するなど、種々の機会にエ
ネルギーの有効利用を図ることにより、効率の高
いスクリユー膨張機を実現させ、さらに、膨張機
全体機構における摺動面の摩耗量を減少させて無
開放連続運転時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。

なお、本給油装置に熱交換器を付設して、予め
加熱したシール・潤滑油液を直接、吸入室または
作用室内に噴射すれば、作用室における高圧ガス
のポリトロープ工程にエルギーを追加し、ガスの
圧力低下を可及的に防止し、エネルギーの有効利
用を図ることも可能である。

【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、２３，２８，３１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、３６……メカニカルシー
ル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ スクリユー型流体機械において、吸入する高
   圧ガス流体を受入れ、容積を変化させる作用室を
   区画する部材相互の摺動面のシールおよび潤滑の
   ため、ノズルを介してシリンダー内側に噴射すシ
   ール潤滑用液体の供給系統を、少なくとも高圧ガ
   ス流体の吸入室の端面、スクリユーロータを支承
   する高圧側ベアリング、同じく低圧側ベアリン
   グ、作用室およびメカニカルシールの５系統に分
   割・供給することを特徴とするスクリユー膨張機
   の給油装置。