JPS6056105A - スクリユ−膨張機の給油装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ュー膨張機、特にス
クリュ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 スクリュー型の流体（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シ、シだがってこれに関
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、スクリュ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って、たとえば噴射式油冷スク
リュ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だめのものであって膨張機の
だめの給油方法としては必ずしも適切なものとはいえな
かった。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ってみても、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、スクリュー型の流体機械を膨張機とし
て使用する場合、作用流体（高圧流体）として冷媒ガス
を用いるスクリュー膨張機では、ベアリングを潤滑した
潤滑油に多量の冷媒ガスが溶は込んでいるため、この冷
媒ガスを作用室内において利用することができれば、機
械効率を大きく改善することができる。という点を考慮
して、スクリュ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）スクリュー型流体機械の膨張機において、ロータ
回転軸を作用室に対してシールすると共に、そのベアリ
ングをそれぞれ強制潤滑した潤滑油は、ベアリング室に
収容された後シリンダ内壁に開口した油回収孔を通じて
作用室のガス流体内に回収される際、含有するガスを作
用室内に放出し、その後にガス流体諸共機外に排出され
、前記油回収孔はシリンダ室内を移動する作用空間が吐
出口に連通ずる以前のシリンダ壁面に開口したことを特
徴とする給油装置。

であって、今、その一実施例を図面に活って説明すると
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ュー型ガス流
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（
Ｓｌ）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（Ｐｌ）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（Ｓ、　）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（Ｓｌ）によって、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（Ｓ、）より排出される。

熱交換器（Ｓｌ）内で気化し高温・高圧になった冷媒ガ
スは、スクリュー膨張機４の吸入口５側に導かれる。作
用室内で膨張してスクリュー・ロータを回転させた高温
・高圧の冷媒ガスは低温・低圧になって膨張機の吐出口
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を通って液化し、その後ポ
ンプ（Ｐ、）の吸込側から吸込まれて加圧流体ととなシ
、熱交換器（Ｓｌ）の蒸発器２内に送給される。

高温・高圧の冷媒ガスによって駆動された膨張機４のス
クリュー°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（Ｓｌ）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■は、高温・高
圧の冷媒ガスのスクリュー膨張機４の吸入側端面シール
のために、膨張機の吸入室内のカス流体に噴射し、その
■は、膨張機のスクリュ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、膨張機のスクリュ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）によって吸入され、加圧されて、熱交換器
（Ｓｌ）の潤滑油加熱パイプ３に送給される。熱交換器
（Ｓｌ）の加熱パイプ３内を通っ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、冷媒カスおよび潤滑油の流れはクローズド・
す゛イクルを構成している。

本発明スクリュー膨張機、特にその給油装置は、上記シ
ステムのうちのスクリュ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一部を構成するものであ
り、以下、順を追って詳述する。

第２図は、本発明スクリュ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
スクリュー・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１．１１，１２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／−ルすると共に、その一方には高
圧ガス吸入室１９を他方にはカス吐出室側を設けている
。

■　吸入側端面のシール（第一系統） ２】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（Ｐ
２）によって加圧され、熱交換器（Ｓｌ）によって加熱
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１３．１４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シ、ロータ１３．１４の回転
に伴なって、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、連通を絶って、すなわ
ち、閉切って低圧側端板１２側に進行するに伴なって容
積が拡がシ、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２〕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っ
て高圧力スに混入し、吸入口５がら作用室へカスの流れ
に乗って流入”するが、潤滑油の比重はカスのそれより
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のスクリュー面に衝突、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ュー・ロ
ータの高圧側端面の摺動面およびスクリュー噛合線間の
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（Ｓｌ）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
っ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シ雌・雄ロータのスクリュー面、シ
リンダ内壁および高圧端板１１の端面ｎとによ多区画さ
れているだめ、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、膨張機の効率低下が起きないようにす
る。ことに吸入口５に近い作用室ではガス圧が高いがら
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。

吸入工程に先立って吸入室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って、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
発明スクリュー膨張機の平断面図を示し、図中、１１は
高圧側端板であって、並列するボールベアリング１７−
１．１７刊、１７−２．１７２を保持し、前記のベアリ
ングは高圧端板を内側がら貫いてロータ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
回転軸にはブツシュが嵌合してあり、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ｎが穿
設されている。前記給油孔％は、さらにブツシュの周面
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Ｕ
に連通し、前記と同様な構造よりなるブツシュの周面に
削設された油溝につながっている。高圧側端板１１の外
側端面には蓋板５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部が形成され潤滑油の収容室と
なっていて、前記ベアリング１７−、．１７−２はそれ
ぞれ同室内に露出している。ベアリング室あは油回収孔
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に連通ずる。

第４図は、シリンダ１０内壁、作用室の展開図であって
、上側水平線は高圧側端面ｎで吸入口５　ＩＩＩでアシ
、下側水平線は低圧側端面であって、吐出口６側であシ
、中央線はシリンダ眼鏡断面の円弧の交叉線、斜線は、
スクリュー歯先面とシリンダ内壁面との摺動接触線であ
って、それぞれの区画が作用室の空間を示す。まだ、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に連通ずる
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に溜った低圧
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に連通ずる以前の
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
とスクリュー歯先面との摺動面の潤滑とシールを行うだ
めの潤滑油噴射孔である。

再び第３図に戻って、図中、給油孔Ｚ３に供給された高
圧潤滑油は、給油孔冴等を通って、各ロータ回転軸のブ
ツシュに設けられだ油溝に導かれ、ここから溢れた潤滑
油は、一方にはブツシュ周面と端板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
−　、．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。さきに述べたとおシ、筒圧側ベアリン
グ室２６に溜った潤滑油は油回収孔２７を通ってシリン
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合し、やがて吐出口６、吐出室
側よシ膨張機外へ排出される。

高圧側ベアリング室あ内に滞溜した潤滑油の中には高圧
ガス媒体が大量に溶は込んでいる（冷媒ガスを作用流体
として使用した場合）から、同室内に溜った潤滑油が回
収孔Ａから低温・低圧の作用室内に回収されたときに油
から溶解カ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亡るだめ
に、シリンダ内壁とスクリュ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７
リングで、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ューの歯
の進行方向、好ましくはスクリュ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２
９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（Ｓｌ）内の加熱パイ
プを通って加熱され、ポンプ（Ｐ２）により加圧された
潤滑油を給油孔列を通して供給し、噴射孔２９を通して
ロータの回転に伴ないスクリュー歯が進行する方向に向
っ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ュ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のスクリュー歯
に直交する平面に活っ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、（９）は、
雌ロータのスクリュー歯先面の突条、矢印は、ロータの
回転に伴なうスクリュ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っ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シ高温・高圧であっ
て下流側のそれほど、低温・低圧になっている。

噴射孔列から噴射された潤滑油は、図示のようにスクリ
ュー歯の突条（９）の進行方向の後側からシリンダ内壁
面とスクリュ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摺動面を潤滑かつソール
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刃の移動に従って行けず高圧
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
に沿って噴射する。

作用室内に噴射された高温潤滑油はそのほか、ポリトロ
ープ膨張によって低温・低圧になっ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だ
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は低圧側端板であって、
ローラベアリング１８．１８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１２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
いて吐出室側が連通している点、若干の差異がある。

給油孔３１は端板１２を貫い−て回転軸１６のブツシュ
に衝当るまで設けてあり、凹孔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ュ周面と端
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を通っ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あお
よびＢを通っ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から吐出室側に排出される。

その作用および効果は、高圧側ベアリング潤滑の場合と
殆んど変シがない。

■　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間をねじ止めして、同板間と軸
１６との間をメカニカルシール３６によってシールする
。取付板３８には給油孔３７を設けて、ここに熱交換器
（Ｓｌ）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、滞溜し、低圧側ベアリング潤滑油と
合体する。

スクリュー膨張機における潤滑・シール油の供給手段は
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、主として■−１高圧側ベアリングの潤滑（第
二系統）および■、低圧側ベアリングの潤滑（第四系統
）に属する潤滑油の循環系によっ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て
、工場廃熱を利用した発電装置の原動機として使用した
スクリュー膨張機の給油装置について述べたが、スクリ
ュー膨張機の使用範囲は、必ずしも上述実施例の利用技
術の説明に制約されるものではない。

ただし、高圧の作動ガスが潤滑油内に溶は込むような作
動流体と潤滑油との関連性を考慮しなければならない。

効　果 本発明給油装置は、以上述べたとおシの構成を備えるの
で、作用室を区画する摺動面の潤滑とシール作用を行わ
せるだめの高圧潤滑油を利用して、スクリュー・ロータ
回転軸を作用室に対してシールし、作用室からの高圧ガ
スの漏洩を防止し、また、各ベアリングを強制潤滑して
ロータの機械的回転抵抗を極力少なくすると共にベアリ
ングの冷却を行って耐用時間をのばし、さらに、使用済
の潤滑油をベアリング室に収容して、これを吐出口に連
通ずる以前の位置における作用空間内に回収して潤滑お
よびシール作用を行わせ、その際、潤滑油が吸収してい
る冷媒ガスを作用室内に放出させて、これを動力源の一
部として活用した後、ガス諸共機外に排出する等、種々
の機会にエネルギーの有効利用を図り、機械効率が高く
、また、無開放連続運転時間および耐用年限の長いスク
リュー膨張機を実現させるところの給油装置を提供する
ものである。

【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ュー型流体機械
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、前記膨張機の雌ロータの回転
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
クリュ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・・・スクリュー膨張機、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、１４・・
・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、加・・・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、２７．３４、ＡおよびＢ・・・油回収孔
、２９・油噴射孔、加・・・突条、３３・・・低圧側ベ
アリング室、３５・・・シールＬ３６・・・メカニカル
シール代理人　弁理士　永　１）　浩　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）スクリュー型流体機械の膨張機において、ロータ
   回転軸を作用室に対してシールすると共に、そのベアリ
   ングをそれぞれ強制潤滑した潤滑油は、ベアリング室に
   収容された後シリンダ内壁に開口した油回収孔を通じて
   作用室のガス流体内に回収される際、含有するガスを作
   用室内に放出し、その後にガス流体諸共機外に排出され
   、前記油回収孔はシリンダ車内を移動する作用空間が吐
   出口に連通ずる以前のシリンダ壁面に開口したことを特
   徴とする給油装置。