JP7303888B2 - 摩耗性シール要素を備える無潤滑システム、対応するシール要素、及びシステムを組み立てる方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステータと、ステータによって境界付けされたローターキャビティの中に組み込まれた少なくとも１つの回転ローター要素とを含む、気体を圧送するための無潤滑システムに関する。特に、本発明は、無潤滑の実施形態における圧縮機、真空ポンプ、又は膨張機に関する。

既存の圧縮機は、圧縮プロフィール、例えばクロープロイール又はスクリュープロフィールを有する２つのローターを含むハウジングから構成される。ローター要素の回転により、これらのローター要素の間で気体が圧縮される。

無潤滑圧縮機では、一方では各ローターの間に、他方ではローターとハウジングとの間にシールをもたらすために液体潤滑剤又は密封材が導入されない。最新技術では、この目標を達成するために、ローター表面及び／又はハウジングの内壁に摩耗性被覆が塗布され、被覆は、圧縮機の作動期間中に部分的に摩滅して、可能な限り密着したシールを作る。

しかしながら、このような摩耗性被覆の塗布には比較的長い時間がかかり、摩耗性被覆の使用を比較的高価なものにする。

米国特許第５，６９５，３２７号には無潤滑式スクリュー圧縮機が記載されており、焼結されたＰＴＦＥ－マイカ混合物のシールディスクがローター要素の端面に使用される。作動時、これらのシールディスクは、ローター要素によって、ローター要素の端面がシールディスクに沿って非接触で動作する程度に摩耗される。

独国特許第３６０９９９６号は、ローター要素の端面に配置され、塑性変形可能な材料で作られたディスクを備えるスクリュー圧縮機を特徴とする。

実際の試験では、米国特許第５，６９５，３２７号及びドイツ特許第３６０９９９６号のディスクは、ローター要素の端面とハウジングとの間に適切なシールを得るのに適していないことを示している。

米国特許第５，６９５，３２７号 独国特許第３６０９９９６号

本発明の目的の１つは、気体を圧送するための無潤滑システムを提供することであり、ハウジングに対する１又は２以上のローター要素の端面のシールは、時間的及び／又は費用的により効果的な方法で得ることができる。

本発明のさらなる目的は、無潤滑システムのハウジングの内壁に対してローター要素の端面をシールするための改善された自己支持形シール要素を提供することである。改善は、例えば、高温環境での改善された性能、改善された耐食性、及び／又は改善されたシール特性の形とすることができる。

本発明のさらなる目的は、気体を圧送する無潤滑システムのための、時間効果及び／又は費用効果が高い組み立て方法を提供することである。

本発明の第１の態様は、圧縮機、膨張機、又は真空ポンプなどの気体を圧送するための無潤滑システムを提供することに関し、無潤滑システムは、少なくとも１つの回転ローター要素が組み込まれた、ローターキャビティを含むハウジングを有する静止したステータを備え、ステータはまた、ローターキャビティ内においてローター要素の少なくとも１つの端面とハウジングの内壁との間に組み込まれた少なくとも１つの自己支持形シール要素を含み、端面に沿ってシールを形成するようになっている。少なくとも１つの自己支持形シール要素は、関連するローター要素に向かい合う少なくとも１つの側面に、摩耗性層が被覆されている。

少なくとも１つの自己支持形シール要素は、例えば、外側に１又は２以上のローター要素の端面に向けられることが意図された少なくとも１つの摩耗性層を有する、摩耗性材料の層又は層状構造から成ることができる。

本明細書で使用される場合、「自己支持形」は、シール要素が、そのままで、無潤滑システムの組み立て中に取り扱うのに十分な強度をもつことを意味する。その結果、シール要素は、別個に製造され、次に、ハウジングのローターキャビティに挿入され、さらに例えば、ねじ留め、付着、締め付け、ロック、又は他の方法で締結することができる。

本明細書に使用される場合、「摩耗性」は、粉末形態で摩滅する被覆又は材料を指し、すなわち微粒子は、無潤滑システムの回転ローター要素の関連する端面との接触によって摩滅する。理想的には、これらの摩滅した微粒子は、１μｍよりも小さい数平均粒子サイズを有する。

摩耗性被覆により、システム運転中の摩耗は、運転中に発生する熱を考慮して制御することが可能になり、それによって上記に定義した微粒子が摩滅する。従って、摩耗性被覆、例えば摩耗性材料の厚さ５０μｍの層から、十分な摩耗性材料が除去されるまで所定量の摩耗性材料が除去され、ローター要素の適切な回転を可能にするようになっており、摩耗性被覆内の残りの摩耗性材料は、良好なシールをもたらす、すなわち残りの隙間は例えば１０μｍよりも小さい。

ハウジングの内壁に摩耗性被覆を塗布するのではなく、１又は２以上の自己支持形シール要素の上に又は自己支持形シール要素として摩耗性被覆を設けることで、ハウジングの製造及び／又は組み立てが簡素化され、時間及び費用が節約され、及び／又は無潤滑システムに改善されたシールがもたらされる。さらに、シール要素の自己支持性（これにより摩耗性被覆をハウジングの関連部分に直接塗布する必要がなくなる）に起因して、摩耗性被覆としてより高い耐熱性及び／又はより優れた耐食性を有する材料を使用することができ、結果として、より高い動作温度の及び／又は腐食に対してより耐性のあるシールが得られ、これにより無潤滑システムの寿命を延ばすことができる。より詳細には、自己支持形シール要素は、これによって覆われるハウジングの一部分に腐食保護をもたらし、これは、従来技術を考慮すると、腐食に対して被覆よりもより良好な保護をもたらす。達成することができえる高い耐熱性は、より高い温度での適用性を保証する。このようなシステムでの高温は、主として、より高い入口温度及び／又はより高い圧力比の結果である。その結果、より高い耐熱性は、動作範囲の拡大を可能にする。しかしながら、材料の熱容量の範囲内で、機械的耐久性は、依然として耐用期間を決定する。より高い耐熱性は、例えば、従来技術の有機被覆の代わりに、本明細書に記載された炭素ベースの材料を使用することによって達成可能である。

本発明の実施形態によれば、自己支持形シール要素又はその各々は、好ましくは少なくとも１．０ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも１．５ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも２．０ｍｍの厚さを有することができる。

本発明の実施形態によれば、摩耗性被覆は、少なくとも１００μｍ、好ましくは少なくとも２００μｍ、さらに好ましくは少なくとも３００μｍの厚さを有することができる。

本発明の実施形態によれば、自己支持形シール要素又はその各々は、大部分を板状に成形することができる。

本発明の実施形態によれば、自己支持形シール要素又はその各々は、層状構造、例えば摩耗性被覆と支持体又は補強材との組み合わせから成ることができる。

本発明の実施形態によれば、少なくとも摩耗性被覆、場合により自己支持形シール要素全体は、摩耗性材料から成ることができる。好ましい実施形態によれば、摩耗性材料は、炭素マトリックスを含有するか又はそれから成る。炭素マトリックスは、少なくとも部分的に、好ましくは全体的に、黒鉛の形態、例えば微粒子黒鉛である。実施形態によれば、黒鉛化度はＰ１であり、隣接する六角形炭素層に対して６０％を超える、８０％を超える、又は９５％を超える黒鉛関連性をもつ確率として定義される。Ｘ線回折分光法は、黒鉛化度を決定するための適切な方法を提供する。

本発明による炭素マトリックスの形態の摩耗性材料は、複合体の炭化（例えば、酸素の存在下又は不在下での高温における）によって利用可能であり、複合体は、ポリマーマトリックス及び炭素（例えば、炭素繊維又は炭素粒子の形態である）を含む。実施形態では、ポリマーは、ポリエステル、ビニルエステル、ポリエポキシド、ポリフェノール、ポリイミド、ポリアミド、ポリプロピレン、及びポリエーテルエーテルケトンから成る群から選ばれ、さらに好ましくは、ポリマーはポリエポキシドである。

好ましくは、本発明による炭素マトリックスの形態の摩耗性材料は、上述したような炭化複合体を、高温処理などの別個の黒鉛形成工程に供することによっても入手可能であり、これは黒鉛化度を高める。実施形態では、本発明による炭素マトリックスの形態の摩耗性材料は、炭化複合体を含浸させることによって得られ、これは、随意的に、別個の黒鉛形成工程に供される。含浸は、金属、塩、又はポリマーを用いて行うことができる。

好ましい実施形態では、摩耗性材料は、８０重量％、９０重量％、又は９５重量％よりも多い炭素を含む。

摩耗性材料の好ましい硬度は、ＨＲ５／１００で１００から１２０の間である。本明細書で用いる場合及び平均的な熟練者に公知であるように、「ＨＲ５／１００」は、直径５ｍｍのボール、総荷重１００重量キログラム（＝９８０．７Ｎ）で測定されたロックウェル硬度を指す。

本発明の実施形態によれば、少なくとも１つのローター要素はステンレス鋼で作られている。

本発明の実施形態によれば、ローター要素の少なくとも１つの端面は、粗さＲａ＞１．０μｍ、好ましくはＲａ＞２．５μｍの接触面を有する。これは、例えば、熟練者に知られている手段を用いて端面を粗くすることによって達成可能である。ローター要素は、好ましくは硬化ステンレス鋼で作られている。

本発明の実施形態によれば、自己支持形シール要素又はその各々は、気体をローターキャビティに供給するための及び／又はローターキャビティから排出するための１又は２以上の開口を有することができる。換言すると、これらの開口は、ハウジングの入口ポートへの／出口ポートからの通路を形成する。

本発明による第２の態様は、本明細書に記載の他の態様及び／又は実施形態と組み合わせるか否かにかかわらず、無潤滑システムを組み立てる方法の提供に関する。この方法は、
（ａ）自己支持形シール要素又はその各々を、ステータハウジングの内壁に取り付け、摩耗性被覆のそれぞれを内壁のそれぞれに背を向けるようにするステップと、
（ｂ）ハウジングによって境界付けされたローターキャビティ内に少なくとも１つのローター要素を回転可能に組み込むステップと、
（ｃ）システムを運転して摩耗性被覆を部分的に摩滅させるステップと、
を含む。

運転は、所定の時間、例えば５分から１５分の間に及び／又は所定の温度範囲、例えば３０２°Ｆ～５７２°Ｆ（１５０°Ｃ～３００°Ｃ）の温度範囲内で行うことができる。

本発明の実施形態によれば、方法は、少なくとも１つのローター要素のうちの少なくとも１つの端面を粗面化するステップを含むことができる。

本発明の実施形態によれば、ステップ（ａ）は、自己支持形シール要素又はその各々とハウジングのそれぞれの内壁との間に密封材及び／又は接着剤を塗布するステップを含むことができる。この密封材及び／又は接着剤の目的は、自己支持形シール要素とハウジングの内壁との間のシールを保証すること及び／又は自己支持形シール要素を内壁に接着する（必要に応じて）こととすることができる。

本発明は、本発明に従って図示された実施形態の実施例を使用して、以下により詳細に説明される。

本発明の第１の実施形態による無潤滑システムの概略的な断面図である。 本発明の第２の実施形態による無潤滑システムの概略的な断面図である。 本発明の第３の実施形態による無潤滑システムの概略的な断面図である。 本発明による自己支持形シール要素の実施形態の概略的な断面図である。 本発明による自己支持形シール要素の実施形態の概略的な断面図である。 本発明による自己支持形シール要素の実施形態の概略的な断面図である。 第２の実施形態によるシール要素を有するハウジングの一部の斜視図である。 本発明の実施形態によるクロー圧縮機の動作を複数のステップで概略的に示す説明図である。 本発明の実施形態によるクロー圧縮機の動作を複数のステップで概略的に示す説明図である。 本発明の実施形態によるクロー圧縮機の動作を複数のステップで概略的に示す説明図である。 本発明の実施形態によるクロー圧縮機の動作を複数のステップで概略的に示す説明図である。 図１の詳細を示す説明図である。 図１の詳細を示す説明図である。

本発明は、特定の実施形態に関して、特定の図面を参照して説明されるが、本発明は、それらに限定されず、特許請求の範囲によってのみ特定される。記載された図面は、単に概略的で非制限的である。各図面において、特定の要素の寸法は、説明目的で誇張されて縮尺通りに描かれていない場合がある。寸法及び相対寸法は、必ずしも本発明の実際的な実施形態に対応するわけではない。

さらに、第１の、第２の、第３のなどの用語は、説明及び特許請求の範囲において類似の要素を区別するために使用され、必ずしも連続的な又は時系列的な順序を説明するためではない。この用語は、適切な状況下で交換可能であり、本発明の実施形態は、本明細書に記載又は図示された順序以外の順序で適用することができる。

さらに、本明細書及び特許請求の範囲における頂部、底部、上方、下方などの用語は、説明目的で使用されており、必ずしも相対的な位置を説明するものではない。このように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載された本発明の実施形態は、本明細書に記載された又は図示された向き以外の向きで適用することができる。

さらに、実施形態は、「好ましい実施形態」と呼ばれるが、本発明の範囲の限定としてではなく、本発明がどのように実施できるかの例として理解すべきである。

特許請求の範囲において使用される用語「備える」は、以後で説明する手段又はステップに限定されると解釈すべきではなく、それは、他の要素及びステップを除外するものではない。この用語は、参照される機能、要素、ステップ、又は構成要素の存在を特定するものとして解釈すべきであるが、１又は２以上の他の特徴、要素、ステップ、又は構成要素、あるいはそれらのグループの存在又は追加を除外するものではない。その結果として、「手段Ａ及びＢを備える装置」という表現の範囲は、構成要素Ａ及びＢのみからなる装置に限定されるべきではない。この意味は、本発明に関して、装置の構成要素Ａ及びＢのみが列挙されていること、及び特許請求の範囲はさらにそれらの構成要素の均等物を含んで解釈すべきであるということである。

各図に示すシステムは、気体又は空気などの気体混合物を圧送するための、例えば圧縮機、膨張機、真空ポンプなどである無潤滑システム又はその要素である。無潤滑とは、潤滑、冷却、又はシールするために液体が気体流に注入されないことを意味する。冷却は、このようなシステムを冷却するために熟練者に知られている装置又は手段によって行われる。ローター要素の相互間の及びステータのハウジングに対するローター要素のシーリングは、本明細書に説明するように行われるが、例えば、環境に対するシーリングなどの、シーリングのための追加の装置を備えることができる。このような追加の装置は、熟練者に公知であるので本明細書ではこれ以上説明しない。

各図に示す無潤滑システムのローター要素の駆動部、及びハウジングの外側でローター軸に嵌合することができる相互的な歯車装置は、何らかの熟練者に公知の駆動部及び歯車装置とすることができるので、本明細書ではこれ以上説明しない。

図１は、ハウジング１２０を有する静止ステータ、第１のローター要素１０１、及び第２のローター要素１０２を備える無潤滑システム１００を示す。静止ステータは、内部にローター要素が回転可能に組み込まれたローターキャビティを備える。例えば、ローター要素１０１及び１０２は、それぞれ、クロー圧縮機の雌ローター要素及び雄ローター要素である（例えば、図８）。ローター要素１０１、１０２は、それぞれローター軸１０３、１０４を備え、図示すように、ローター軸１０３、１０４は、両方の側面でハウジング１２０を貫通して延びることができるので、両方の側面でシールが必要になる。

自己支持形シール要素１２１、１３１は、ローター要素１０１、１０２の端面とハウジング１２０のそれぞれの内壁との間に設けられ、端面に沿ってシールを形成する。これらの自己支持形シール要素は、ローター要素に向かい合う少なくとも１つの側面に摩耗性被覆１２２、１３２を備える。反対側の側面１２５、１３５、すなわち、ハウジングの内壁に向かい合う側面上には、密封材及び／又は接着剤が塗布され、その側面に沿ったシールを保証すること及び／又はその位置を固定することができる。このことは、組み立て時に、ハウジングの内壁又はシール要素１２１、１３１の関連する側面１２５、１３５に密封材及び／又は接着剤を最初に塗布することによって行うことができる。

ハウジング１２０は、基本的に、２つの部品、すなわちハウジングの一方の側面及びジャケットを形成する第１の部品１２０ａ及び反対側の側面を形成する第２の部品１２０ｂで構成される。これらの部品１２０ａ及び１２０ｂは、組み合わされてその目的で設けられた穴を貫通するボルトによって一緒に締め付けられる。図示するように、部品１２０ａ及び１２０ｂの各々は、それぞれの自己支持形シール要素１２１、１３１を収容するための凹部を備える。

自己支持形シール要素１２１、１３１の各々は、摩耗性被覆１２２、１３２を有する基本的に板状の本体を備え、図示する実施形態では、この本体は、全体が摩耗性材料で作られている。この摩耗性材料は、システムの運転時に、好ましくは１０μｍよりも小さいシール隙間（seal opening）を実現するために、粉末形態で摩滅するようにデザインされている。摩耗性材料は、上述のように炭素マトリックスを含むか又は好ましくは炭素マトリックスから成る。システムの運転時に摩耗性材料の制御された摩耗を実現するために、ローター要素の端面の表面は、好ましくは粗面化される必要がある。

ローター要素１０１、１０２の輪郭側面を、互いに対して及びハウジング１２０の内側ジャケットに対してシールするために、摩耗性被覆１４１、１４２、１４３は、熟練者に知られている方法でこれらの輪郭側面及び内側ジャケットに塗布されている。

図１に示すシステムでは気体の入口開口及び出口開口は示されていない。これらは、例えば図７に示すように実現することができ、その場合、シール要素１２１は、入口ポート及び出口ポートの高さで開口を備える。しかしながら、これらの入口ポート及び出口ポートは他の位置に配置することもできる。

図２は、図１の無潤滑システム１００の変形例を示す。図２には、明確化のためにローター要素が示されていない。図２の無潤滑システム２００は、基本的に３つの部品、すなわち側面部品２２０ａ、ジャケット部品２２０ｂ、及び側面部品２２０ｃで構成されるステータ２２０を含み、これらは、組み合わされて、設けられた穴を貫通するボルトによって一緒に締め付けられる。図示するように、側面部品２２０ａ及び２２０ｃの各々は、それぞれの自己支持形シール要素２２１、２３１を収容するための凹部を含む。これらの凹部及びその中に配置されたシール要素２２１、２３１は、ローターキャビティ２１０に対して過大であり、シール要素２２１、２３１は、ジャケット部品２２０ｂを越えて横方向に延び、ジャケット部品２２０ｂによってそれぞれの側面部品２２０ａ、２２０ｃに締め付けられる。

図２の実施形態では、ローター軸（図示せず）は、ハウジングを貫通して一方の側面にのみ延びている。このことは、反対側のシール要素２３１の実施形態を単純化し、シール要素２３１は完全に閉じた板状の本体とすることができる。

ローター要素（図示せず）の端面とハウジング２２０のそれぞれの内壁との間には、板状の本体２２１、２３１の形態の自己支持形シール要素が設けられ、いずれの場合も端面に沿ってシールを形成するようになっている。これらの自己支持形シール要素は、ローターキャビティ２１０に向かい合う少なくとも１つの側面上で、摩耗性層２２２、２３２で被覆されている。反対側の側面２２５、２３５、すなわちハウジング２２０ａ、２２０ｃの内壁に向かい合う側面上には、密封材及び／又は接着剤が塗布され、その側面に沿ったシールを保証すること及び／又は位置を固定することができる。このことは、組み立て時に、ハウジングの内壁又はシール要素２２１、２３１の関連する側面２２５、２３５に密封材及び／又は接着剤を最初に塗布することによって行うことができる。

自己支持形シール要素２２１、２３１の各々は、摩耗性被覆２２２、２３２を有する基本的に板状の本体を備え、図示する実施形態では、この本体は、全体が摩耗性材料で作られている。この摩耗性材料は、システム運転時に、好ましくは１０μｍよりも小さいシール隙間を実現するために、粉末形態で摩滅するようにデザインされている。摩耗性材料は、好ましくは本明細書の他のどこかで定義されているような摩耗性材料である。システム運転時に摩耗性材料の制御された摩耗を実現するために、ローター要素の端面の表面は、好ましくは粗面化される必要がある。

ローター要素の輪郭側面を、互いに対して及びハウジング２２０ｂの内側ジャケットに対してシールするために、摩耗性被覆２４１、２４３は、熟練者に知られている方法でこれらの輪郭側面及び内側ジャケットに塗布されている。

図２に示すシステムの気体の入口開口及び出口開口は、図７に示されており、シール要素２２１は、入口ポート及び出口ポートの高さで開口２７０、２８０を備える。しかしながら、これらの入口ポート及び出口ポートは、他の位置に配置することもできる。

図３は、図１の無潤滑システム１００の変形例を示す。図３には、明確化のためにローター要素が示されていない。図３の無潤滑システム３００は、基本的に３つの部品、すなわち側面部品３２０ａ、ジャケット部品３２０ｂ、及び側面部品３２０ｃで構成されるステータ３２０を備え、これらは、組み合わされて、設けられた穴を貫通するボルトによって一緒に締め付けられる。図示するように、側面部品３２０ａ及び３２０ｃの各々は、それぞれの自己支持形シール要素３２１、３３１を収容するための凹部を含む。これらの凹部及びその中に配置されたシール要素３２１、３３１の寸法は、ローターキャビティ３１０の寸法に対応する。自己支持形シール要素３２１、３３１は、埋め込み式ねじ３２６によってそれぞれのステータ部品３２０ａ、３２０ｃに機械的に締結され、ねじ３２６の頭部は、それらが摩耗性被覆を妨害しない程度に埋め込まれている。

ローター要素（図示せず）の端面とハウジング３２０のそれぞれの内壁との間には、板状の本体３２１、３３１の形態の自己支持形シール要素が設けられ、いずれの場合もローター要素の端面に沿ってシールを形成するようになっている。これらの自己支持形シール要素は、ローターキャビティ３１０に向かい合う少なくとも２つの側面上で、摩耗性層３２２、３３２で被覆されている。反対側の側面３２５、３３５、すなわち、ハウジング３２０ａ、３２０ｃの内壁に向かい合う側面上には、密封材及び／又は接着剤が塗布され、その側面に沿ったシールを保証すること及び／又は追加的に位置を固定することができる。このことは、組み立て時に、ハウジングの内壁又はシール要素３２１、３３１の関連する側面３２５、３３５に密封材及び／又は接着剤を最初に塗布することによって行うことができる。

自己支持形シール要素３２１、３３１の各々は、摩耗性被覆３２２、３３２を有する基本的に板状の本体を備え、図示する実施形態では、この本体は、全体が摩耗性材料で作られている。この摩耗性材料は、システム運転時に、好ましくは１０μｍよりも小さいシール隙間を実現するために、粉末形態で摩滅するようにデザインされている、摩耗性材料は、好ましくは本明細書の他のどこかで定義されるような摩耗性材料である。システムの運転中に摩耗性材料の制御された摩耗を実現するために、ローター要素の端面の表面は、好ましくは粗面化される必要がある。

ローター要素の輪郭側面を、互いに対して及びハウジング３２０ｂの内側ジャケットに対してシールするために、摩耗性被覆３４１、３４３は、熟練者に知られている方法でこれらの輪郭側面及び内側ジャケットに塗布されている。

図３に示すシステムの気体の入口開口及び出口開口は、図７に示すように実現することができ、従って、シール要素３２１は、入口ポート及び出口ポートの高さに対応する開口を備える。しかしながら、これらの入口ポート及び出口ポートは他の位置に位置することもできる。

図４～図６は、自己支持形シール要素３３１、５３１、６３１の代替的な実施形態を示す。

図４は、図３にも示すシール要素３３１を示し、全体が摩耗性材料で作られた板状の本体を備えている。

図５は、ハウジングに向かい合う側の支持体５０２と、ローター要素に向かい合う側の摩耗性被覆５０１とから成る自己支持形シール要素５３１を示す。摩耗性被覆５０１は、本明細書の他のどこかで定義されるような摩耗性材料で作られている。支持体５０２は、何らかの支持体材料から作ることができ、シール要素５３１を自己支持形にするために設けることができ、その場合、摩耗性被覆５０１は、摩耗性被覆の形態にすることができる。他方では、摩耗性被覆５０１は、それ自体を自己支持形の層として、さらなる補強のために支持体５０２を備えることができ、その場合、２つの層は、接着剤又は他の何らかの公知の手段によって互いに接合することができる。

図６は、本明細書の他のどこかで定義されるような摩耗性材料で作られ、補強要素又は層６０２が埋め込まれている板状の本体６０１を備える自己支持形シール要素６３１を示す。

図８Ａから図８Ｄは、複数の動作段階の間の無潤滑式クロー圧縮機を示す。例えば、クロー圧縮機は、図１～図７に示された実施形態に従って設計することができる。図８は、対応する自己支持形シール要素を通る、頂部の入口ポート８７０及び中央の出口ポート８８０を示す。クロー圧縮機は、２つのローター要素、すなわち雄ローター要素８０１及び雌ローター要素８０２を含み、これらは矢印で示す方向に回転する。

図８Ａに示す第１の動作段階では、大気は、例えば、ローター要素８０１、８０２の回転によって入口ポート８７０を通ってローターキャビティ（圧縮室）に向かって引き込まれる。

図８Ｂに示す第２の動作段階では、引き込まれた空気は、ローター要素８０１、８０２の歯車又は爪とステータとの間に閉じ込められる。自己支持形シール要素は、ローター要素８０１、８０２の端面に沿ってシールを提供する。

図８Ｃに示す第３の動作段階では、ローター要素８０１、８０２の歯車又は爪は、互いに向かって移動し、密閉された自由空間が減少し、結果的に、閉じ込められた空気が圧縮される。ここでも、自己支持形シール要素は、ローター要素８０１、８０２の端面に沿ってシールを提供する。

図８Ｄに示す第４の動作段階では、ローター要素８０１、８０２はさらに回転し、それによって雌ローター要素８０１が出口ポート８８０通って回転し、圧縮空気は、出口ポートを通って排出される。その際に、排出空気は、それぞれのシール要素の出口ポート８８０を通過する。

図８Ａ～図８Ｄによる動作は、システムの運転でも使用される。ここで、ローター要素８０１、８０２は、例えば５分～１５分の間の運転期間で回転し、システムの温度は、正常なシステム運転の間に、予想される動作温度に応じて、例えば３０２°Ｆ～５７２°Ｆ（１５０°Ｃ～３００°Ｃ）の温度範囲に制御される。この運転プロセスの間に、所定量の材料が、摩耗性被覆から摩滅する。システムは、例えば最初に各摩耗性層に関して５０μｍを超過して組み立てることができる。本明細書に説明するように、摩耗性材料は、システムの運転時に、粉末形態で摩滅するように、すなわち全ての摩耗した粒子が１μｍ又はそれよりも小さい大きさの微粒子であるように選択される。このように、シールは、１０μｍよりも小さい残りのシール隙間により得ることができる。

図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ運転の前後の図１による実施形態の詳細を示す。運転は、選択的な摩耗方向なしで、摩耗性被覆１２２の表面上でのローター１０１のローター表面の等しい摩耗作用に基づく。実際には、多くの場合、ローター１０１は、ローター軸１０３と共に単一の構成要素を形成し、ローター軸がローター本体と結合する場所に溝１０６が存在する。この溝の存在は、ローター軸の開始点での応力集中を防ぐためにローター設計に固有のものである。ローター軸と同一平面にありかつ同心であるこの溝の位置では、運転時に材料が摩滅しないので、非摩耗材料のリング１２６がシール要素１２１上に形成され、リング１２６は、運転後にローター要素の溝１０６の中に部分的に位置することになる。これは、ローター軸の周囲に追加の気体シールをもたらす。運転プロセス中に自然に発生するこのリングは、ローター要素及び／又は摩耗性シール要素の製造プロセス中に、追加のステップ及び／又は手段を必要とすることなく、ローター内のこのノッチの高さで追加の気体シールをもたらす。

１００ 無潤滑システム
１０１、１０２ ローター要素
１２０ ハウジング
１２１、１３１ 自己支持形シール要素
１２２、１３２ 被覆

Claims (16)

1. ローターキャビティ（２１０；３１０）を含むハウジング（１２０；２２０；３２０）を有する静止ステータと、前記ローターキャビティ内に組み込まれた少なくとも１つの回転ローター要素（１０１、１０２）とを備える、気体を圧送するための無潤滑システム（１００；２００；３００）であって、前記ステータは、前記ローターキャビティ内で前記ローター要素のうちの少なくとも１つの端面と前記ハウジングの内壁との間に組み込まれて前記端面に沿ってシールを形成する、少なくとも１つの自己支持形シール要素（１２１、１３１；２２１、２３１；３２１、３３１；５３１；６３１）をさらに備え、前記少なくとも１つの自己支持形シール要素の対応するローター要素に向かい合う少なくとも１つの側面上に、摩耗性被覆（１２２、１３２；２２２、２３２；３２２、３３２；５０１；６０１）を設け、
   前記ローター要素（１０１、１０２）のうちの少なくとも１つの、前記摩耗性被覆と接触する少なくとも１つの端面は、前記ローター要素のローター軸の周りに切り欠き（１０６）が形成され、前記切り欠き（１０６）に存在する前記自己支持形シール要素の前記摩耗性被覆は、前記切り欠き内に延びるリング（１２６）を含む、とを特徴とする、無潤滑システム（１００；２００；３００）。
2. 前記自己支持形シール要素（１２１、１３１；２２１、２３１；３２１、３３１；５３１；６３１）又はその各々は、少なくとも１．０ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の無潤滑システム。
3. 前記摩耗性被覆（１２２、１３２；２２２、２３２；３２２、３３２；５０１；６０１）は、少なくとも１００μｍの厚さを有する、請求項１又２に記載の無潤滑システム。
4. 前記自己支持形シール要素（１２１、１３１；２２１、２３１；３２１、３３１；５３１；６３１）又はその各々は、大部分が板状である、請求項１から３のいずれかに記載の無潤滑システム。
5. 前記自己支持形シール要素（１２１、１３１；２２１、２３１；３２１、３３１；５３１；６３１）又はその各々は、層状構造から成る、請求項１から４のいずれかに記載の無潤滑システム。
6. 少なくとも前記摩耗性被覆（１２２、１３２；２２２；２３２；３２２、３３２；５０１；６０１）は、炭素マトリックスから成る、請求項１から５のいずれかに記載の無潤滑システム。
7. 前記炭素マトリックスは、６０％を超える、８０％を超える、又は９５％を超える黒鉛化度Ｐ１を有する、請求項６に記載の無潤滑システム。
8. 前記摩耗性被覆は、１００から１２０の間の硬度ＨＲ５／１００を有する、請求項１から７のいずれかに記載の無潤滑システム。
9. 前記ローター要素（１０１、１０２）のうちの少なくとも１つの少なくとも１つの端面は、粗さＲａ＞１．０μｍの接触面を有する、請求項１から８のいずれかに記載の無潤滑システム。
10. 前記自己支持形シール要素（１２１、１３１；２２１、２３１；３２１、３３１；５３１；６３１）は、前記気体を供給するための及び／又は排出するための１又は２以上の開口（２７０、２８０）を備える、請求項１から９のいずれかに記載の無潤滑システム。
11. 前記システムは、圧縮機、膨張機、又は真空ポンプである、請求項１から１０のいずれかに記載の無潤滑システム。
12. 気体を圧送するために、請求項１から１１のいずれかに記載されるような無潤滑システムに使用される、自己支持形シール要素。
13. 請求項１から１１のいずれかに記載の無潤滑システム（１００）を組み立てる方法であって、
    （ａ）前記自己支持形シール要素（１２１、１３１；２２１、２３１；３２１、３３１；５３１；６３１）又はその各々を、前記ステータの前記ハウジング（１２０；２２０；３２０）の内壁に取り付け、それによって前記摩耗性被覆（１２２、１３２；２２２；２３２；３２２、３３２；５０１；６０１）のそれぞれを、前記内壁のそれぞれに背を向けるようにするステップと、
    （ｂ）前記ハウジングによって境界付けされた前記ローターキャビティ（２１０；３１０）内に、少なくとも１つのローター要素（１０１、１０２）を回転可能に組み込むステップと、
    （ｃ）前記システムを運転して前記摩耗性被覆を部分的に摩滅させるステップと、
    を含む方法。
14. 少なくとも１つのローター要素の少なくとも１つの端面を粗面化するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. ステップ（ａ）は、前記自己支持形シール要素（１２１、１３１；２２１、２３１；３２１、３３１；５３１；６３１）又はその各々と、前記ステータの前記ハウジング（１２０；２２０；３２０）の前記内壁のそれぞれとの間に、密封材及び／又は接着剤を塗布するステップを含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 前記ローター要素（１０１、１０２）のうちの少なくとも１つの、前記摩耗性被覆と接触する少なくとも１つの端面は、前記ローター要素のローター軸の周りで切り欠き（１０６）が形成され、前記ステップ（ｃ）の間に、前記運転の結果として、前記自己支持形シール要素の前記摩耗性被覆上に、リング（１２６）が形成されてそこに存在して前記切り欠き内に延びる、請求項１３、１４、又は１５に記載の方法。

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