JP2007092546A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材および相手面の摩耗が小さく、長期信頼性があり、高い機密性を有し、摩擦による摺動ロスを小さく、高性能で静粛な流体機械を提供する。
【解決手段】ヘリカル圧縮機構部を備えた流体機械において、ローラの他端側の端面と軸受部材の軸受面の一方に設けられた環状溝に装着され、ローラの端面と軸受部材の軸受面間をシールする環状のシール部材を備え、このシール部材は、断面形状がコ字状をなし互いに対向してシール面を構成する２個のリップ部及びこのリップ部同士を連結するヒール部とからなるシール材と、このシール材の内側に設けられたバネとからなり、２個のリップ部のうち、反溝底側のリップ部の摺動面に突起を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は流体機械に係り、特にヘリカル式作動室のシール機構を改良した流体機械に関する。

シリンダ内に偏心配置されたローラの外周面に形成された螺旋状のブレード溝に摺動可能に嵌められかつ複数の作動室を形成する螺旋状のブレードを備えたヘリカル式コンプレッサにおいて、無潤滑のコンプレッサは、圧縮室の吐出側とローラの駆動部（クランクシャフト、ボールベアリング、オルダムリングなど大気中の部分）との間にシール部材（以下、シールリングという。）が必要である。

従来、この箇所は、スプリングを装着したＰＴＦＥ樹脂（四ふっ化エチレン樹脂）製のシール部材（バリシール）を使用、ローラ端面と副軸受でシールしている。このシール隙間はローラ、シリンダ、副軸受の部品精度および組立精度によって決定され、シール隙間の変動幅（寸法、平行度）は大きくなる。また、装着の際にシールリングを押し潰すが、剛性が高く押圧力が大きいと摩耗の増加および摩擦抵抗の増加による消費電力の増加を招く問題がある。

そのため、スプリングには押圧力が小さく可動範囲が広い斜め巻きコイルスプリングなどが使用されている。

シールリングは、ローラもしくは軸受のどちらか一方に設けられた溝にフリーの状態で装着される。フランジタイプのように固定可能なシール部材では、シール隙間の変動幅が許容できず、一方を固定することによってシール性低下を招くおそれがある。

つまり、この種のシール材が一般に使用される回転軸回りのシールとは異なり、シール部を構成する部品点数が多いためにシール隙間の変動幅が大きくなり、上記構成のシールリングが使用される。

上記従来の構成では、次の問題があった。

シール部材の接触状態が不安定であり、初期の摺動側の接触面が広いと、（１）摺動面の初期馴染みが阻害される、（２）摩耗粉の排出が悪く摩耗粉の噛み込みによる摩耗進行がある、（３）摩耗進行により更に接触面が広がって摩擦抵抗が増加、圧縮機性能低下（摩擦ロス大）がある、（４）摩擦抵抗増加により溝内を回転、更に摩耗を進行させる、といった悪循環になり、圧縮機性能の長期信頼性に問題があった。

また、従来のヘリカル式コンプレッサにおいて、起動時、運転条件変更時など過渡時には、ローラが不安定な動きとなり、シリンダと接触して、音、振動、摩耗などの問題が発生するおそれがあった。

なお、流体機械の摺動部の改良に関して、特許文献１及び特許文献２に記載のような提案がなされている。
特開２００３−３９７８号公報 特開２００３−９７４６４号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、シール部材および相手面の摩耗が小さく、長期信頼性があり、高い機密性を有し、摩擦による摺動ロスを小さく、高性能で、静粛な流体機械を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る流体機械は、シリンダと、このシリンダ内に偏心して配置され一端側から他端側に向かって螺旋状溝が設けられたローラと、前記螺旋状溝に出没自在に嵌め込まれ前記シリンダと前記ローラとの間に複数の作動室を形成する螺旋状のブレードと、前記ローラを前記シリンダ内で偏心回転させることにより一端側の作動室に吸込んだ作動流体を他端側の作動室に移送するクランクシャフトと、前記シリンダの端面に設けられ前記クランクシャフトを支持するとともに前記ローラのスラスト荷重を支持する軸受部材と、前記ローラの他端側の端面と前記軸受部材の軸受面の一方に設けられた環状溝と、前記環状溝に装着され、前記ローラの端面と前記軸受部材の軸受面間をシールする環状のシール部材を備えた流体機械において、前記シール部材は、断面形状がコ字状をなし互いに対向してシール面を構成する２個のリップ部及びこのリップ部同士を連結するヒール部とからなるシール材と、このシール材の内側に設けられたバネとからなり、前記２個のリップ部のうち、反溝底側のリップ部の摺動面に突起を設けたことを特徴とする。

本発明に係る流体機械によれば、シール部材および相手面の摩耗が小さく、長期信頼性があり、高い機密性を有し、摩擦による摺動ロスを小さく、高性能で静粛な流体機械を提供することができる。

以下、本発明に係る流体機械の第１実施形態について横型ヘリカル圧縮機を例にとり添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る流体機械の第１実施形態としての横型ヘリカル圧縮機の縦断面図である。

図１に示すように、本第１実施形態の横型ヘリカル圧縮機１は、ケーシングレスであり、多数の作動室が形成されるヘリカル圧縮機構部２と、このヘリカル圧縮機構部２を駆動させる電動機部３と、この電動機部３とヘリカル圧縮機構部２間に設けられ電動機部３の動力をヘリカル圧縮機構部２に伝達するクランクシャフト４をベース５に直線上に配置している。

また、ヘリカル圧縮機構部２の一側と電動機部３間にクランクシャフト４を支持する主軸受６を、ヘリカル圧縮機構部２の他側にクランクシャフト４を支持するとともにローラ２２のスラスト荷重を支持する副軸受７を設けて、副軸受７とヘリカル圧縮機構部２のローラ２２間には、ローラ２２が自転するのを防止するための自転防止機構を構成するオルダムリング８を設け、さらに、クランクシャフト４の一端には、ヘリカル圧縮機１を冷却する冷却ファン９を設けている。

電動機部３は、主軸受６に固定されたモータステータ３１と、このモータステータ３１内で回転し、クランクシャフト４を回転させるモータロータ３２とからなっている。

一方、ヘリカル圧縮機構部２は、シリンダ２１内に、旋回（公転）自在に偏心配置された可動部材としての環状の上記ローラ２２と、このローラ２２とシリンダ２１間に軸方向に次第に容積が小さくなる作動室としての圧縮室２３を区画する不等ピッチのブレード２４とを有している。

ローラ２２の外周面には、所定寸法の螺旋状溝２２ａが図１中左端の吸込口２１ａ側端から右端の吐出口２１ｂ端に向けてピッチが徐々に小さくなるように形成されており、このブレード溝２２ａ内には弾性を有する螺旋状のブレード２４が出没かつ摺動可能に嵌め込まれている。

また、回転するローラ２２と主軸受６間には、主軸受６に設けた取付溝６ａに挿入して、環状をなし、図２に示す断面形状をなす吸込側シール部材２５を設けている。この吸込側シール部材２５は、断面形状がコ字状をなし互いに対向してシール面を構成する２個のリップ部２５ａ及びこのリップ部２５ａ同士を連結するヒール部２５ｂとからなるシール材２５ｃと、このシール材２５ｃの内側に設けられた弾性部材２５ｄとからなっている。

さらに、ローラ２２と副軸受７間には、ローラ２２に設けた取付溝２２ｂに挿入して、図３に示す環状、図４に示す断面形状をなす吐出側シール部材２６を設けている。吐出側シール部材２６は、例えばふっ素樹脂製で、断面形状がコ字状をなし互いに対向してシール面を構成する２個のリップ部２６ａ_１、２６ａ_２及びこのリップ部２６ａ_１、２６ａ_２同士を連結するヒール部２６ｂとからなるシール材２６ｃと、このシール材２６ｃの内側に設けられた斜め巻きバネ２６ｄとからなっており、２個のリップ部２６ａ_１、２６ａ_２のうち、反溝底側のリップ部２６ａ_１の摺動面に円弧状突起２６ｅを設ける。

図５に示すように、円弧状突起２６ｅの幅Ｄ１は摺動面となり得る全幅Ｄ２の１／２以下であるのが好ましい。これにより、初期馴染みや長期の使用において、円弧状突起に摩耗が生じてもシール面の幅が大きくならず、突起の効果が長期に渡って得られる。また、図５および図６に示すように、円弧状突起２６ｅの位置（突起中心Ｌ）が摺動面となり得る全幅Ｄ２の中心よりも開口側に配置するのが好ましい。これにより、シール部材の押圧力が減少、シール部の面圧および摩擦抵抗が低減でき高性能と信頼性が得られる。

さらに、上述図４に示すように、溝底側のリップ部２６ａ_２の摺動面に傾斜面を設けてもよいが、図７あるいは図８に示すように、溝底側のリップ部２６ａ_３からヒール部２６ｂに渡って同一平面状であってもよい。これにより、溝へ挿入する面を平滑にして、広い面で溝底と接触するように配設することで、溝底との摩擦抵抗が大きくなり、シール部材の回転を抑制でき、安定したシール性能が長期に渡って維持できる。摺動側ではないので、摩擦抵抗による圧縮機性能への影響はない。

なお、本実施形態では、突起を円弧状の例で説明したが、図９に示す三角形状突起２６ｅ_１あるいは図１０に示す台形状突起２６ｅ_２でも同様の効果が得られ、また、図１１に示すように、リップ部２６ａ_１に円弧状突起２６ｅを有し、リップ部２６ａ_３からヒール部２６ｂに渡って同一平面状にし、板バネ２６ｆを装着した構成でも、同様の効果が得られる。

本第１実施形態の横型ヘリカル圧縮機によれば、反溝底側のリップ部に突起を設けることで、小さい接触面でシールを行うため、使用初期、接触面圧が大きく摺動面の初期馴染みが早く（ふっ素樹脂の移着膜生成）、高い機密性が得られる。また、旋回運動による摺動は、小半径を連続的に描くような微細な動きであることから摩耗粉の排出が難しく、噛込み易く、摩耗粉による摩耗（ざらつき摩耗）が生じるが、突起によって接触部から閉口部に向けて常に隙間ができ、摩耗粉の排出が良好で摩耗粉の噛込みが抑えられ、シール部材および相手面の摩耗が低減できる。さらに接触面が小さいために摩擦による摺動ロスが小さく、圧縮機性能が向上する。

次に本発明の第２実施形態に係る流体機械について説明する。

本第２実施形態は、第１実施形態の吐出側及び吸込側シール部材が接する接触面を含む摺動面に摺動特性が優れた別部材を付加する。

例えば、図１及び図１２に示すように、ローラ２２と主軸受６間に吸込側シール部材２５を設けている。この吸込側シール部材２５が互いに対向して相対的に摺動する部材、すなわちローラ２２の一側面に摺動特性が優れた別部材２７を付着する。

また、図１３に示すように、ローラ２２と副軸受７間に吐出側シール部材２６を設けている。この吐出側シール部材２６が互いに対向して相対的に摺動する部材、すなわち副軸受７の一側に摺動特性が優れた別部材２７を付着する。

さらに、図１４に示すように、副軸受７のオルダム溝７ａに案内されるオルダムリング８のキー部８ａに別部材２７を付着する。

一般にローラ等摺動相手部品の表面処理により摺動特性を向上させる場合には、その使用材料は、材質が制限されるが、本第２実施形態によれば、材質に制限されずに最適な摺動部材を選定できる。また別部材を交換することで、摺動相手部品全体の交換が必要なく、メンテナンス性が向上する。さらには、摺動相手部品の製造性向上のために、この部品を鋳造した場合、その摺動面に巣があっても、別部材品を介在させることで巣による摩耗への影響を排除でき、高信頼性の圧縮機が実現される。

このように、摺動部に摺動特性の優れた別部材を設けることで、摩擦が低減し、低入力化することで高性能の圧縮機を実現でき、さらに、整備時に別部材のみの部分的な交換ですみ、経済的である。

この別部材として、ローラ等摺動相手部品となる部材より面粗さの小さい部材を用いるのが好ましい。これにより、高信頼性、摩擦が低減して、低入力化することで高性能の圧縮機が実現され、また、平面度の高い部品を設けることで、シール面においては漏れが低減し、その他の面でもあっても摺動の際のガタつきが低減して、より高性能の圧縮機が実現される。

別部材の材質としては、面粗さの小さい、あるいは平面度の良いＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等でできたシートが好ましい。これにより、面精度がよいものを容易に入手でき、また部品形状に合った加工もし易い。

さらに、別部材が薄板であるのが好ましい。薄板であれば別部材自体の平面度が若干悪くても、組立てた際に形状が他部品に倣うので、組立てた状態で良好な平面度を得やすい。

また、薄板は固体潤滑被膜で覆ったものが好ましい。これにより、摺動特性がさらに優れた材料の選定が可能になり、高信頼性、摩擦が低減して、低入力化で高性能の圧縮機が実現される。

また、本発明の第３実施形態に係る流体機械について説明する。

本第３実施形態は、第１実施形態のローラの外周にテーパー部を形成し、このテーパー部に固体潤滑被膜を形成する。

例えば、図１５に示すように、第３実施形態の横型ヘリカル圧縮機のローラ２２は、その外周面２２ｃにテーパー部２２ｃ_１を形成し、このテーパー部２２ｃ_１の表面に固体潤滑被膜２８を形成する。

ローラとシリンダのクリアランスは、漏れを減らし、体積効率をよくするためには、小さい方が好ましいが、起動時、運転条件変更時など過渡時には、ローラが不安定な動きとなり、シリンダと接触する可能性がある。そこで、ローラ外周の反オルダム側はその一部をテーパーとし、接触を防止している。テーパーとすれば、ローラとシリンダのクリアランスが広がるので漏れは増加する。そこで、そのテーパー部に固体潤滑被膜を塗布することにより、クリアランスを小さくして漏れを防止し、ローラの動きが不安定な時も固体潤滑被膜と直接シリンダが接触し、ローラが直接は接触しないので、音、振動、摩耗などの問題を解決でき静粛な横型ヘリカル圧縮機が実現される。

テーパーの始点からの距離に応じて、固体潤滑被膜の厚さを変えるのが好ましい。テーパーの始点から遠くローラ外周径が小さい部位では、固体潤滑被膜を厚く、テーパの始点近傍のローラ外径がそれ程小さくない部位では薄く塗布することにより、テーパーを設けていない部位とほぼ同様の外径にして、ローラとシリンダのクリアランスを小さくして、ローラが直接シリンダに接触するのを減じることができる。

また、図１６に示すように、ローラ２２の外周の吸込側第１室目に対応する部位に、固体潤滑被膜２９を塗布して形成するのが好ましい。これにより、熱膨脹の小さい吸込側第１室目のローラとシリンダのクリアランスが小さくなって、漏れが減少し、体積効率が向上する。

なお、上記各実施形態の流体機械では、横型ヘリカル圧縮機を例にとり説明したが、本発明はこれ以外の流体機械にも適用できる。

図１に示す本発明の横型ヘリカル圧縮機を用い、表１及び下記に示すように突起の有無及び突起の形状を変化させて、表２に示すような消費電力、摩耗量、圧縮応力を調べた。耐久時間は１００時間と１０００時間とし、また、シールリングの形状の差によって装着した際の押圧力が変化し摺動部の面圧や摩擦抵抗の増加に至ることから、装着を模擬した圧縮試験により圧縮応力を相対比較した。

［実施例１］
図５及び図６に示すように、ＰＴＦＥ樹脂製のシール外皮に斜め巻きコイルスプリングを挿入、開口部側の反溝底側のシール部（リップ部という）に円弧状の突起を設けている。また閉口部（ヒール部という）には段差が設けてある。ローラ側のリング状の装着溝と副軸側の摺動面の隙間（シール隙間という）の最大値に対して、充分に接触可能なリップ間高さ（Ｈ）が有りかつ、最小のシール隙間（Ｋ２）に対しても円弧状突起のリップ部とヒール部の段差によって副軸側摺動面との間に隙間（Ｗ）を設けている。つまり、使用されるシール隙間の範囲において隙間（Ｗ）が確保でき、摺動面では突起の先端が接触する。

円弧状の突起の幅（Ｄ１）は、ヒール段差までのシール幅（Ｄ２）と同じ幅（Ｄ１＝Ｄ２）としている。また接触部はシール幅（Ｄ２）に対して１／２の位置（Ｌ）に配置される。以下、同じ条件とするためにリップ間高さ（Ｈ）、最小のシール隙間（Ｋ）を合わせている。

［実施例２］
実施例１と同じ構成であるが、突起の幅（Ｄ１）はヒール段差までのシール幅（Ｄ２）に対して１／２、１／３、１／７の長さの円弧状としている。接触部は、実施例１と同じシール幅（Ｄ２）に対して１／２の位置（Ｌ）に配置している。

［実施例３］
実施例２と同じ、突起の幅（Ｄ１）がヒール段差までのシール幅（Ｄ２）に対して１／３の円弧状とした構成であるが、接触部はシール幅（Ｄ２）に対して１／３、１／６の位置（Ｌ）に配置する。

［実施例４］
図７に示すような構造を有し、図４の実施例１に対し、反摺動面（溝挿入側の面）は平滑である。リップ部の構成は実施例１と同じで、円弧状の突起の幅（Ｄ１）はシール幅（Ｄ２）と同じ幅（Ｄ１＝Ｄ２）としている。また接触部はシール幅（Ｄ２）に対して１／２の位置（Ｌ）に配置される。

［比較例１］
図１７〜図１９に示す従来のシールリングで、突起がない構成であるがリップ間高さ（Ｈ）と接触点は実施例１（突起位置）と同じである。また、最小のシール隙間（Ｋ２）に対しては隙間（Ｗ２）が小さく、面接触し易い状態である。

調査結果を表２に示す。

表２からもわかるように、
（１）圧縮応力（相対比）は、装着のバネ、リップ部の撓み剛性、リップ間高さ（Ｈ）、シール隙間（Ｋ）は同じなので、圧縮した際の作用点（接触点）の位置に関係する。つまり、開口部先端位置に突起を設けた方がモーメントの差で小さい力により挟み込むことができる。よって、その反力となる突起の接触応力（面圧）も小さくなる。

以下、具体的に比較する。

（２）実施例１（比較例１との比較）
消費電力が１００Ｈ後で比較例１の消費電力量を１としたとき０．０２（２％）低減、１０００Ｈ後の増加量も小さく、接触部の寸法差による摩擦抵抗の違いによる。圧縮応力は同一なので、突起による摺動特性向上の効果を確認できる。一方、比較例１は１０００Ｈ後には、摩耗量が大きくなり、信頼性に乏しいことが判る。また、シールリングの閉口部内周面に摺動傷が見られ、ローラ構内を回転した痕跡があった。

実施例１はシールリングの閉口部内周面に摺動傷が若干見られ、ローラ構内を多少回転した痕跡があった。

（３）実施例２（比較例１及び実施例１との比較）
実施例２は比較例１に比べて、消費電力が低減、１０００Ｈ後の増加量も小さく、また、実施例１に比べて、突起の幅を小さくしたことで、実施例１よりも消費電力、摩耗量が改善された。しかし、実施例２の（３）は、突起の幅１／７が小さすぎて初期馴染みの段階で摩耗し、１０００Ｈ後には実施例１よりも摩耗量は増加した。よって、シール可能な面の１／２未満、１／７を超える範囲の突起の幅が適していることが判る。

（４）実施例３（比較例１及び実施例２との比較）
実施例３は突起の位置を開口部の端に配置したことで、比較例１に比べて、消費電力が低減、１０００Ｈ後の摩耗量も小さく、さらに、実施例２に比べて圧縮応力も小さくなり、突起の効果を最大限に発揮でき、消費電力、摩耗量が最も小さくなった。よって、突起の位置はシール可能な面の１／２を超えて開口側への配置が適していることが判る。

（５）実施例４（比較例１及実施例１との比較）
実施例４は、反摺動面が平滑であり、比較例１に比べて、消費電力が低減、１０００Ｈ後の摩耗量も小さく、摩耗量も改善された。また、実施例１に比べて、１０００Ｈでの摩耗量が抑制され、よって、溝挿入側の面を平滑にして接触面積を増やした効果により回転が抑えられ、長期に渡って高い信頼性が得られる。

本発明に係る流体機械の第１実施形態の縦断面図。 本発明に係る流体機械の第１実施形態に用いられる吸込側シール部材の縦断面図。 本発明に係る流体機械の第１実施形態に用いられる吐出側シール部材の平面図。 本発明に係る流体機械の第１実施形態に用いられる吐出側シール部材の縦断面図。 図４の吐出側シール部材の円弧状突起を拡大して示す縦断面図。 本発明に係る吐出側シール部材の円弧状突起を示す縦断面図。 本発明に係る吐出側シール部材の円弧状突起の他の実施形態を示す縦断面図。 本発明に係る吐出側シール部材の円弧状突起の他の実施形態を示す縦断面図。 本発明に係る吐出側シール部材の円弧状突起の他の実施形態を示す縦断面図。 本発明に係る吐出側シール部材の円弧状突起の他の実施形態を示す縦断面図。 本発明に係る吐出側シール部材の円弧状突起の他の実施形態を示す縦断面図。 本発明に係る流体機械の第２実施形態に用いられる別部材の取り付け状態を示す縦断面図。 本発明に係る流体機械の第２実施形態に用いられる別部材の取り付け状態を示す縦断面図。 本発明に係る流体機械の第２実施形態に用いられる別部材の取り付け状態を示す縦断面図。 本発明に係る流体機械の第３実施形態に用いられるローラの縦断面図。 本発明に係る流体機械の第３実施形態に用いられるローラの側面図。 従来の流体機械に用いられる吐出側シール部材の縦断面図。 従来の流体機械に用いられる吐出側シール部材の縦断面図。 従来の流体機械に用いられる吐出側シール部材の縦断面図。

符号の説明

１…横型ヘリカル圧縮機、２…ヘリカル圧縮機構部、３…電動機部、４…クランクシャフト、６…主軸受、７…副軸受、８…オルダムリング、６ａ…取付溝、２１…シリンダ、２２…ローラ、２２ａ…螺旋状溝、２２ｂ…取付溝、２３…圧縮室、２４…ブレード、２５…吸込側シール部材、２６…吐出側シール部材、２６ａ_１…リップ部、２６ａ_２…リップ部、２６ｂ…ヒール部、２６ｃ…シール材、２６ｄ…斜め巻きバネ、２６ｅ…円弧状突起。

Claims (4)

1. シリンダと、
   このシリンダ内に偏心して配置され一端側から他端側に向かって螺旋状溝が設けられたローラと、
   前記螺旋状溝に出没自在に嵌め込まれ前記シリンダと前記ローラとの間に複数の作動室を形成する螺旋状のブレードと、
   前記ローラを前記シリンダ内で偏心回転させることにより一端側の作動室に吸込んだ作動流体を他端側の作動室に移送するクランクシャフトと、
   前記シリンダの端面に設けられ前記クランクシャフトを支持するとともに前記ローラのスラスト荷重を支持する軸受部材と、
   前記ローラの他端側の端面と前記軸受部材の軸受面の一方に設けられた環状溝と、
   前記環状溝に装着され、前記ローラの端面と前記軸受部材の軸受面間をシールする環状のシール部材を備えた流体機械において、
   前記シール部材は、断面形状がコ字状をなし互いに対向してシール面を構成する２個のリップ部及びこのリップ部同士を連結するヒール部とからなるシール材と、このシール材の内側に設けられたバネとからなり、前記２個のリップ部のうち、反溝底側のリップ部の摺動面に突起を設けたことを特徴とする流体機械。
2. 前記シール材の溝底側はリップ部からヒール部に渡って同一平面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 互いに対向して相対的に摺動する部材間に摺動特性の優れた別部材を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の流体機械。
4. 前記ローラの外周面にテーパー部を形成し、前記テーパー部の表面に固体潤滑被膜を形成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の流体機械。

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