| 【発明の名称】 |
ベーン式流体機械 |
| 【発明者】 |
【氏名】松本 謙司
【氏名】川上 泰伸
【氏名】本間 健介
【氏名】筒井 寿博
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| 【要約】 |
【課題】各ベーンのシール部の構造を改良することによって，ケーシング内面の加工精度を緩和しても良好なシール性を確保し得るようにしたベーン式流体機械を提供する。
【解決手段】ベーン式流体機械４は，ケーシング７と，そのケーシング７内を回転するロータ３１と，そのロータ３１に支持されてケーシング内面４５を摺動する複数のベーン４２とを有する。各ベーン４２のシール部５０は，それがロータ回転方向Ｃ後側に向って撓んだ状態でケーシング内面４５を摺動するように弾性変形自在に構成されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ケーシング（７，１２０）と，そのケーシング（７，１２０）内を回転するロータ（３１，１２３）と，そのロータ（３１，１２３）に支持されて前記ケーシング内面（４５，４７；１３４，１３５）を摺動する複数のベーン（４２，１２６）とを有するベーン式流体機械において，各ベーン（４２，１２６）のシール部（５０，１３１）は，それがロータ回転方向（Ｃ）後側に向って撓んだ状態で前記ケーシング内面（４５，４７；１３４，１３５）を摺動するように弾性変形自在に構成されていることを特徴とするベーン式流体機械。
【請求項２】 各ベーン（４２，１２６）の前記シール部（５０，１３１）は耐熱性を有する合成ゴムよりなる，請求項１記載のベーン式流体機械。
【請求項３】 各ベーン（４２，１２６）の前記シール部（５０，１３１）表面に固体潤滑層（５５，１３２）を設けた，請求項１または２記載のベーン式流体機械。
【請求項４】 前記固体潤滑層（５５，１３２）は，前記シール部（５０，１３１）の表面に分散して付着する複数の小片の集合体よりなる，請求項３記載のベーン式流体機械。
【請求項５】 前記固体潤滑層（５５，１３２）はダイヤモンド状炭素膜よりなる，請求項４記載のベーン式流体機械。
【請求項６】 前記ベーン（４２，１２６）はベーン本体（４３，１２７）と，そのベーン本体（４３，１２７）に設けられた耐熱性合成ゴム製シール部材（４４，１２８）とよりなり，前記ベーン本体（４３，１２７）はＵ字板形状および平板形状の一方の形状を有し，前記シール部材（４４，１２８）は前記ベーン本体（４３，１２７）に装着されるＵ字形およびコ字形の一方の形を持つ装着部（４９，１３０）およびその装着部（４９，１３０）の外周部分に連設された前記シール部（５０，１３１）を有し，前記シール部（５０，１３１）の表面に，そのシール部（５０，１３１）の弾性変形を許容すべく，多数のマイクロクラックを有する固体潤滑層（５５，１３２）が設けられている，請求項１記載のベーン式流体機械。
【請求項７】 ケーシング（７，１２０）と，そのケーシング（７，１２０）内を回転するロータ（３１，１２３）と，そのロータ（３１，１２３）に支持されて前記ケーシング内面（４５，４７；１３４，１３５）を摺動する複数のベーン（４２，１２６）とを有するベーン式流体機械において，前記ベーン（４２，１２６）はベーン本体（４３，１２７）と，そのベーン本体（４３，１２７）に設けられた耐熱性合成ゴム製シール部材（４４，１２８）とよりなり，前記シール部材（４４，１２８）のシール部（５０，１３１）表面に，そのシール部（５０，１３１）の弾性変形を許容すべく，多数のマイクロクラックを有する固体潤滑層（５５，１３２）が設けられていることを特徴とするベーン式流体機械。
【請求項８】 前記ベーン本体（４３，１２７）はＵ字板形状および平板形状の一方の形状を有し，前記シール部材（４４，１２８）は前記ベーン本体（４３，１２７）に装着されるＵ字形およびコ字形の一方の形を持つ装着部（４９，１３０）およびその装着部（４９，１３０）の外周部分に連設された前記シール部（５０，１３１）を有する，請求項７記載のベーン式流体機械。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はベーン式流体機械，特に，ケーシングと，そのケーシング内を回転するロータと，そのロータに支持されて前記ケーシング内面を摺動する複数のベーンとを有するものの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】本出願人は，先に，この種の流体機械として，二つ割のケーシング内に，ロータ回転軸線を含む仮想平面内において略競技用トラック形をなすロータチャンバを設け，そのロータチャンバ内面に，各ベーンの略Ｕ字形をなすシール部を摺動させるようにしたものを提案している（特願平１１−５７９３３号明細書および図面参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この場合，ロータチャンバ内面に，微小凹，凸部やケーシングの両合せ面のずれに因る微小段差が存すると，前記シール部が硬質のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）より構成されていて，それら微小凹，凸部等に倣うように変形することができないことからロータチャンバ内面およびシール部間のシール性が損われる。
【０００４】そこで，ロータチャンバ内面には精密加工を施さなければならないが，前記のようにロータチャンバは特殊な形状をしているため，その精密加工には多くの作業時間を要し，これが流体機械のコスト上昇の一因となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は，各ベーンのシール部の構造を改良することによって，ケーシング内面の加工精度を緩和しても良好なシール性を確保し得るようにした前記ベーン式流体機械を提供することを目的とする。
【０００６】前記目的を達成するため本発明によれば，ケーシングと，そのケーシング内を回転するロータと，そのロータに支持されて前記ケーシング内面を摺動する複数のベーンとを有するベーン式流体機械において，各ベーンのシール部は，それがロータ回転方向後側に向って撓んだ状態で前記ケーシング内面を摺動するように弾性変形自在に構成されているベーン式流体機械が提供される。
【０００７】各ベーンのシール部を前記のように構成すると，ケーシング内面に微小凹凸部や微小段差が在っても，それらの形状に倣うようにシール部が弾性変形するため，シール部およびケーシング内面間のシール性を確保することができる。
【０００８】またロータの高速回転に伴う遠心力によりシール部の面圧が上昇すると，その摺動発熱量が大となってシール部の耐久性が損われることになるが，このような不具合の発生は次のような作用で自動的に回避される。即ち，ロータの高速回転時にはシール部のロータ回転方向前側の面とケーシング内面との間に形成される楔形空間内の動圧力が上昇し，その動圧力は，遠心力によりシール部の変形量が増すことによって一層上昇する。その上昇した動圧力はシール部のケーシング内面に対する押圧力となり，その押圧力の作用点がシール部の変形により，その先端部分よりも基端部分側へ変位しているためシール部の先端部分に作用する圧力は低下する。これがシール部の面圧上昇の抑制となり，その摺動発熱量を減少させて，そのシール部の耐久性を大いに向上させることができる。なお，楔形空間内の動圧力が設計値を上回る場合にはシール部が大きく変形してその動圧力の過剰分を逃がし，楔形空間内の動圧力を略一定に保持する。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１において，内燃機関１の廃熱回収装置２は，内燃機関１の廃熱，例えば排気ガスを熱源として，流体としての，温度および圧力の上昇を図られた蒸気，つまり昇温昇圧蒸気を発生する蒸発器３と，その昇温昇圧蒸気の膨脹によって出力を発生する，ベーン式流体機械としての膨脹器４と，その膨脹器４から排出される，前記膨脹後の，温度および圧力が降下した蒸気，つまり降温降圧蒸気を液化する凝縮器５と，凝縮器５からの液体，例えば水を蒸発器３に供給する供給ポンプ６とを有する。
【００１０】膨脹器４は特殊な構造を有するもので，次のように構成される。
【００１１】図２〜５において，ケーシング７は金属製第１，第２半体８，９より構成される。両半体８，９は，略楕円形の凹部１０を有する主体１１と，それら主体１１と一体の円形フランジ１２とよりなり，両円形フランジ１２を金属ガスケット１３を介し重ね合せることによって略楕円形のロータチャンバ１４が形成される。また第１半体８の主体１１外面は，シェル形部材１５の深い鉢形をなす主体１６により覆われており，その主体１６と一体の円形フランジ１７が第１半体８の円形フランジ１２にガスケット１８を介して重ね合せられ，３つの円形フランジ１２，１２，１７は，それらの円周方向複数箇所においてボルト１９によって締結される。これにより，シェル形部材１５および第１半体８の両主体１１，１６間には膨脹チャンバ２０が形成される。
【００１２】両半体８，９の主体１１は，それらの外面に外方へ突出する中空軸受筒２１，２２を有し，それら中空軸受筒２１，２２に，ロータチャンバ１４を貫通する中空の出力軸２３の大径部２４が軸受メタル２５を介して回転可能に支持される。これにより出力軸２３の軸線Ｌは略楕円形をなすロータチャンバ１４における長径と短径との交点を通る。また出力軸２３の小径部２６は，第２半体９の中空軸受筒２２に存する孔部２７から外部に突出して伝動軸２８とスプライン結合２９を介して連結される。小径部２６および孔部２７間は２つのシールリング３０によりシールされる。
【００１３】ロータチャンバ１４内に円形のロータ３１が収容され，その中心の軸取付孔３２と出力軸２３の大径部２４とが嵌合関係にあって，両者３１，２４間にはかみ合い結合部３３が設けられている。これによりロータ３１の回転軸線は出力軸２３の軸線Ｌと合致するので，その回転軸線の符号として「Ｌ」を共用する。
【００１４】ロータ３１には，その回転軸線Ｌを中心に軸取付孔３２から放射状に延びる複数，この実施例では１２個のスロット状空間３４が円周上等間隔に形成されている。各空間３４は，円周方向幅が狭く，且つロータ３１の両端面３５および外周面３６に一連に開口するように，両端面３５に直交する仮想平面内において略Ｕ字形をなす。
【００１５】各スロット状空間３４内に，同一構造の第１〜第１２ベーンピストンユニットＵ１〜Ｕ１２が，次のように放射方向に往復動自在に装着される。略Ｕ字形の空間３４において，その内周側を区画する部分３７に段付孔３８が形成され，その段付孔３８に，セラミックよりなる段付形シリンダ部材３９が嵌入される。シリンダ部材３９の小径部ａ端面は出力軸２３の大径部２４外周面に当接し，その小径孔ｂが大径部２４外周面に開口する通孔ｃに連通する。またシリンダ部材３９の外側に，その部材３９と同軸上に位置するようにガイド筒４０が配置される。そのガイド筒４０の外端部は，ロータ３１外周面に存する空間３４の開口部に係止され，また内端部は段付孔３８の大径孔ｄに嵌入されてシリンダ部材３９に当接する。またガイド筒４０は，その外端部から内端部近傍まで相対向して延びる一対の長溝ｅを有し，両長溝ｅは空間３４に面する。シリンダ部材３９の大径シリンダ孔ｆ内にセラミックよりなるピストン４１が摺動自在に嵌合され，そのピストン４１の先端部側は常時ガイド筒４０内に位置する。
【００１６】図２，６に示すように，ロータ３１の回転軸線Ｌを含む仮想平面Ａ内におけるロータチャンバ１４の断面Ｂは，直径ｇを相互に対向させた一対の半円形断面部Ｂ１と，両半円形断面部Ｂ１の両直径ｇの一方の対向端相互および他方の対向端相互をそれぞれ結んで形成される四角形断面部Ｂ２とよりなり，略競技用トラック形をなす。図６において，実線示の部分が長径を含む最大断面を示し，一方，一部を２点鎖線で示した部分が短径を含む最小断面を示す。ロータ３１は，図６に点線で示したように，ロータチャンバ１４の短径を含む最小断面よりも若干小さな断面Ｄを有する。
【００１７】図２，５，７〜１１に明示するように，ベーン４２は略Ｕ字板形状のベーン本体４３と，そのベーン本体４３に装着された略Ｕ字板形状のシール部材４４とより構成される。
【００１８】ベーン本体４３は，ロータチャンバ１４の半円形断面部Ｂ１による内周面４５に所定の間隔を以て対向する半円弧状部４６と，四角形断面部Ｂ２による対向内端面４７に所定の間隔を以て対向する一対の平行部４８とを有する。各平行部４８の端部に外方へ突出する短軸５１が設けられ，また半円弧状部４６および両平行部４８の外周部分に，外方に向って開口するＵ字溝５２が一連に形成され，さらに半円弧状部４６の両平面部分にそれぞれ欠円形断面の一対の突条５３が設けられている。両突条５３は，それらによる仮想円柱の軸線Ｌ１が，両平行部４８間の間隔を２等分し，且つ半円弧状部４６を周方向に２等分する直線に一致するように配置されている。また両突条５３の内端部は両平行部４８間の空間に僅か突出しており，両突条５３間の間隙５４は半円弧状部４６内まで延びている。
【００１９】シール部材４４は，長方形断面を有するＵ字形装着部４９と，その装着部４９の外周部分に連設されると共に三角形断面を有するシール部５０とを備える。その装着部４９はベーン本体４３のＵ字溝５２に装着され，シール部５０はＵ字溝５２から突出して，ロータチャンバ１４の半円形断面部Ｂ１による内周面４５および四角形断面部Ｂ２による対向内端面４７を摺動する。
【００２０】図５に一部拡大して示すように，シール部５０は，それがロータ回転方向Ｃの後側に向って撓んだ状態でケーシング７の内面，したがって前記内周面４５および対向内端面４７を摺動するように弾性変形自在に構成されている。シール部材４４は，基本的には，耐熱性を有する合成ゴムより構成されるが，実施例においてはシール部５０の表面に固体潤滑層５５が設けられている。
【００２１】前記合成ゴムとしてはパーフロロエラストマが用いられ，一方，固体潤滑層５５は，硬く，且つ摩擦係数が小さいダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜よりなる。
【００２２】本実施例において用いられるダイヤモンド状炭素膜とは，レーザーラマンスペクトルにおいて，１６８０cm-1のグラファイトバンドと，１３７０cm-1のダイヤモンドバンドの何れか一方に鋭いピークが現れ，他方に非常にブロードなピークが現れるような皮膜，または前記グラファイトバンドおよびダイヤモンドバンドの両方に非常にブロードなピークが現われるような皮膜を言う。これは，Jascoリポートvol.３１，No. ３，４９−５３（１９８９年），大久保優晴著，「ラマン分光法によるダイヤモンド膜の評価」による。ダイヤモンド状炭素膜はイオンビーム蒸着法の適用下でシール部５０表面に付着形成されて固体潤滑層５５を構成する。この固体潤滑層５５には，シール部５０を図５に示すように撓ませると，多数のマイクロクラックがランダムに生じ，これにより固体潤滑層５５は，シール部５０表面に分散して付着する複数の小片の集合体より構成されることになり，その結果，シール部５０の弾性変形が許容されるので，それの前記内周面４５等に対する倣い性が良好となる。この場合，シール部５０に対する各小片の付着力は高く，したがって各小片の脱落は生じない。
【００２３】各ベーン４２はロータ３１の各スロット状空間３４に摺動自在に収められており，その際，ベーン本体４３の両突条５３はガイド筒４０内に，また両突条５３の両側部分はガイド筒４０の両長溝ｅ内にそれぞれ位置し，これにより両突条５３の内端面がピストン４１の外端面と当接することができる。ベーン本体４３の両短軸５１にボールベアリング構造のローラ５９が取付けられ，それらローラ５９は第１，第２半体８，９の対向内端面４７に形成された略楕円形の環状溝６０にそれぞれ転動自在に係合される。これら環状溝６０の楕円形状は，図５に明示するように，ロータチャンバ１４の楕円形状と相似の関係を持つ。これにより，ローラ５９と環状溝６０との協働で，ベーン本体４３の半円弧状部４６およびロータチャンバ１４の内周面４５間の間隙ならびに各平行部４８およびロータチャンバ１４の対向内端面４７間の間隙がそれぞれ保持されると共にフリクションロスの軽減が図られている。またそれらの間隙は，ロータ３１の回転停止時において，シール部材４４により埋められているか，または最小に保たれているので，ロータ３１の回転開始時，またはその直後から前記間隙をシールすることができる。
【００２４】図２，３において，出力軸２３の大径部２４は第２半体９の軸受メタル２５に支持された厚肉部分６２と，その厚肉部分６２から延びて第１半体８の軸受メタル２５に支持された薄肉部分６３とを有する。その薄肉部分６３内にセラミックよりなる中空軸６４が，出力軸２３と一体に回転し得るように嵌着される。その中空軸６４の内側に固定軸６５が配置され，その固定軸６５は，ロータ３１の軸線方向厚さ内に収まるように中空軸６４に嵌合された大径中実部６６と，出力軸２３の厚肉部分６２に存する孔部６７に２つのシールリング６８を介して嵌合された小径中実部６９と，大径中実部６６から延びて中空軸６４内に嵌合された薄肉の中空部７０とよりなる。その中空部７０の端部外周面と第１半体８の中空軸受筒２１内周面との間にシールリング７１が介在される。
【００２５】シェル形部材１５の主体１６において，その中心部内面に，出力軸２３と同軸上に在る中空筒体７２の端壁７３がシールリング７４を介して取付けられる。その端壁７３の外周部から内方へ延びる短い外筒部７５の内端側は第１半体８の中空軸受筒２１に連結筒７６を介して連結される。端壁７３に，それを貫通するように小径で，且つ長い内管部７７が設けられ，その内管部７７の内端側は，そこから突出する短い中空接続管７８と共に固定軸６５の大径中実部６６に存する段付孔ｈに嵌着される。内管部７７の外端部分はシェル形部材１５の孔部７９から外方へ突出し，その外端部分から内管部７７内に挿通された昇温昇圧蒸気用導入管８０の内端側が中空接続管７８内に嵌着される。内管部７７の外端部分にはキャップ部材８１が螺着され，そのキャップ部材８１によって，導入管８０を保持するホルダ筒８２のフランジ８３が内管部７７の外端面にシールリング８４を介して圧着される。
【００２６】図２〜４，１２に示すように，固定軸６５の大径中実部６６に，第１〜第１２ベーンピストンユニットＵ１〜Ｕ１２のシリンダ部材３９に，中空軸６４および出力軸２３に一連に形成された複数，この実施例では１２個の通孔ｃを介して昇温昇圧蒸気を供給し，またシリンダ部材３９から膨脹後の第１の降温降圧蒸気を通孔ｃを介して排出する機構が次のように設けられている。
【００２７】図１２に明示するように，大径中実部６６内において，中空接続管７８に連通する空間８５から互に反対方向に延びる第１，第２孔部８６，８７が形成され，第１，第２孔部８６，８７は大径中実部６６の外周面に開口する第１，第２凹部８８，８９の底面に開口する。第１，第２凹部８８，８９に，供給口９０，９１を有するカーボン製第１，第２シールブロック９２，９３が装着され，それらの外周面は中空軸６４内周面に摺擦する。第１，第２孔部８６，８７内には同軸上に在る短い第１，第２供給管９４，９５が遊挿され，第１，第２供給管９４，９５の先端側外周面に嵌合した第１，第２シール筒９６，９７のテーパ外周面ｉ，ｊが第１，第２シールブロック９２，９３の供給口９０，９１よりも内側に在ってそれに連なるテーパ孔ｋ，ｍ内周面に嵌合する。また大径中実部６６に，第１，第２供給管９４，９５を囲繞する第１，第２環状凹部ｎ，ｏと，それに隣接する第１，第２盲孔状凹部ｐ，ｑとが第１，第２シールブロック９２，９３に臨むように形成され，第１，第２環状凹部ｎ，ｏには第１，第２ベローズ状弾性体９８，９９が，また第１，第２盲孔状凹部ｐ，ｑには第１，第２コイルばね１００，１０１がそれぞれ収められ，第１，第２ベローズ状弾性体９８，９９および第１，第２コイルばね１００，１０１の弾発力で第１，第２シールブロック９２，９３を中空軸６４内周面に押圧する。
【００２８】また大径中実部６６において，第１コイルばね１００および第２ベローズ状弾性体９９間ならび第２コイルばね１０１および第１ベローズ状弾性体９８間に，常時２つの通孔ｃに連通する第１，第２凹状排出部１０２，１０３と，それら排出部１０２，１０３から導入管８０と平行に延びて固定軸６５の中空部ｒ内に開口する第１，第２排出孔１０４，１０５とが形成されている。
【００２９】これら第１シールブロック９２と第２シールブロック９３といったように，同種部材であって，「第１」の文字を付されたものと「第２」の文字を付されたものとは，固定軸６５の軸線に関して点対称の関係にある。
【００３０】固定軸６５の中空部ｒ内および中空筒体７２の外筒部７５内は第１の降温降圧蒸気の通路ｓであり，その通路ｓは，外筒部７５の周壁を貫通する複数の通孔ｔを介して膨脹チャンバ２０に連通する。
【００３１】図２，５に示すように，第１半体８の主体１１外周部において，ロータチャンバ１４の短径の両端部近傍に，半径方向に並ぶ複数の導入孔１０６よりなる第１，第２導入孔群１０７，１０８が形成され，それら導入孔群１０７，１０８からロータチャンバ１４内に，膨脹チャンバ２０内にて温度および圧力が降下した第２の降温降圧蒸気が導入される。また第２半体９の主体１１外周部において，ロータチャンバ１４の長径の一端部と第２導入孔群１０８との間に，半径方向および周方向に並ぶ複数の導出孔１０９よりなる第１導出孔群１１０が形成され，また長径の他端部と第１導入孔群１０７との間に，半径方向および周方向に並ぶ複数の導出孔１０９よりなる第２導出孔群１１１が形成される。これら第１，第２導出孔群１１０，１１１からは，相隣る両ベーン４２間での膨脹により，さらに温度および圧力が降下した第３の降温降圧蒸気が外部に排出される。
【００３２】出力軸２３等は水により潤滑されるようになっており，その潤滑水路は次のように構成される。即ち，図２，３に示すように第２半体９の中空軸受筒２２に形成された給水孔１１２に給水管１１３が接続される。給水孔１１２は，第２半体９側の軸受メタル２５が臨むハウジング１１４に，またそのハウジング１１４は出力軸２３の厚肉部分６２に形成された通水孔ｕに，さらにその通水孔ｕは中空軸６４の外周面母線方向に延びる複数の通水溝ｖ（図１２も参照）に，さらにまた各通水溝ｖは第２半体８側の軸受メタル２５が臨むハウジング１１５にそれぞれ連通する。また出力軸２３の厚肉部分６２内端面に，通水孔ｕと，中空軸６４および固定軸６５の大径中実部６６間の摺動部分とを連通する環状凹部ｗが設けられている。
【００３３】これにより，各軸メタル２５および出力軸２３間ならびに中空軸６４および固定軸６５間が水により潤滑され，また両軸受メタル２５および出力軸２３間の間隙からロータチャンバ１４内に進入した水によって，ケーシング７と，シール部材４４および各ローラ５９との間の潤滑が行われる。
【００３４】図４において，ロータ３１の回転軸線Ｌに関して点対称の関係にある第１および第７ベーンピストンユニットＵ１，Ｕ７は同様の動作を行う。これは，点対称の関係にある第２，第８ベーンピストンユニットＵ２，Ｕ８等についても同じである。
【００３５】例えば，図１２も参照して，第１供給管９４の軸線がロータチャンバ１４の短径位置Ｅよりも図４において反時計方向側に僅かずれており，また第１ベーンピストンユニットＵ１が前記短径位置Ｅに在って，その大径シリンダ孔ｆには昇温昇圧蒸気は供給されておらず，したがってピストン４１およびベーン４２は後退位置に在るとする。
【００３６】この状態からロータ３１を僅かに，図４反時計方向，つまりロータ回転方向Ｃに回転させると，第１シールブロック９２の供給口９０と通孔ｃとが連通して導入管８０からの昇温昇圧蒸気が小径孔ｂを通じて大径シリンダ孔ｆに導入される。これによりピストン４１が前進し，その前進運動はベーン４２がロータチャンバ１４の長径位置Ｆ側へ摺動することによってロータ３１の回転運動に変換される。通孔ｃが供給口９０からずれると，昇温昇圧蒸気は大径シリンダ孔ｆ内で膨脹してピストン４１をなおも前進させ，これによりロータ３１の回転が続行される。この昇温昇圧蒸気の膨脹は第１ベーンピストンユニットＵ１がロータチャンバ１４の長径位置Ｆに至ると終了する。その後は，ロータ３１の回転に伴い大径シリンダ孔ｆ内の第１の降温降圧蒸気は，ベーン４２によりピストン４１が後退させられることによって，小径孔ｂ，通孔ｃ，第１凹状排出部１０２，第１排出孔１０４，通路ｓ（図３参照）および各通孔ｔを経て膨脹チャンバ２０に排出される。膨脹チャンバ２０において，なおも膨脹することによって温度および圧力が降下した第２の降温降圧蒸気は，図２，５に示すように，第１導入孔群１０７を通じてロータチャンバ１４内に導入され，相隣る両ベーン４２間でさらに膨脹してロータ３１を回転させた後第３の降温降圧蒸気が第１導出孔群１１０より外部に排出される。
【００３７】このように，昇温昇圧蒸気の膨脹によりピストン４１を作動させてベーン４２を介しロータ３１を回転させ，また昇温昇圧蒸気の圧力降下による降温降圧蒸気の膨脹によりベーン４２を介しロータ３１を回転させることによって出力軸２３より出力が得られる。
【００３８】各ベーン４２のシール部５０を弾性変形自在に構成して，前記のように撓んだ状態でロータチャンバ１４の内周面４５および対向内端面４７を摺動させると，その内周面４５等に微小凹凸部や第１，第２半体８，９による微小段差が在っても，それらの形状に倣うようにシール部５０が弾性変形するため，シール部５０およびロータチャンバ１４の内周面４５間等のシール性を確保することができる。一方，ベーン本体４３のＵ字溝５２およびシール部材４４の装着部４９間のシール性は，その装着部４９の弾性により確保される。
【００３９】また図１３に示すように，ロータ３１の高速回転時にはシール部５０のロータ回転方向Ｃ前側の面，実施例では固体潤滑層５５の面とロータチャンバ１４の内周面４５との間に形成される楔形空間ＳＷ内の動圧力が上昇し，その動圧力は，遠心力によりシール部５０の変形量が増すことによって一層上昇する。その上昇した動圧力はシール部のロータチャンバ内周面４５に対する押圧力となり，その押圧力の作用点Ｚがシール部５０の変形により，その先端部分よりも基端部分側へ変位しているためシール部５０の先端部分に作用する圧力は低下する。これがシール部５０の面圧上昇の抑制となり，その摺動発熱量を減少させて，そのシール部５０の耐久性を大いに向上させることができる。なお，楔形空間ＳＷ内の動圧力が設計値を上回る場合にはシール部５０が大きく変形してその動圧力の過剰分を逃がし，楔形空間ＳＷ内の動圧力を略一定に保持する。
【００４０】さらにシール部５０にフラッタリングが生じても，その撓みによる振動減衰効果により，シール部５０の面圧を低減し得るので，シール部５０表面に硬いダイヤモンド状炭素膜よりなる固体潤滑層５５が存在していても，ロータチャンバ１４の内周面４５および対向内端面４７に縞状の摺動痕が生じることはない。
【００４１】さらにまたシール部材４４を前記合成ゴムより構成すると，その摩擦係数が比較的大きいため，摺動状況によっては，シール部材４４がベーン本体４３のＵ字溝５２から外れたり，またそのシール部材４４に裂け目が生じたりすることがあるが，前記のようにシール部５０に，摩擦係数の小さい固体潤滑層５５を設けると前記不具合の発生を確実に回避することができる。
【００４２】次に，シール部材４４に関し摺動試験を行って，そのシール部５０の撓み量ｘと摩擦係数μとの関係を調べた。図１４は試験方法を示し，それは次の通りである。即ち，ケーシング７に相当する平板１１６に，その下方から，ベーン本体４３に相当するホルダ１１７に保持されたシール部材４４のシール部５０を所定の荷重で押付け，次いで平板１１６を矢印ｙで示すように所定の速度で一方向に摺動させるものである。この試験は，水中，つまりウエット状態および大気中，つまりドライ状態で，固体潤滑層５５を有するシール部５０と，それを持たないシール部５０について行われた。この場合，平板１１６はＪＩＳ ＳＵＳ３１６で示されるステンレス鋼より構成され，またホルダ１１７はＪＩＳ ＳＵＳ３０４で示されるステンレス鋼より構成された。シール部材４４は前記パーフロロエラストマーより構成され，また固体潤滑層５５は厚さ約１μｍのダイヤモンド状炭素膜より構成された。平板１１６の摺動速度は０．５ｍ／ｓに設定され，またシール部５０の押圧荷重は撓み量ｘに応じ０．３〜３kgｆの範囲で調節された。
【００４３】図１５は試験結果を示す。図１５から，シール部５０表面に固体潤滑層５５を設けると，ドライ状態においても，またウェット状態においても固体潤滑層５５を持たない場合に比べてシール部５０の摩擦係数μが小さくなることが判る。シール部５０の摩擦係数μは，好ましくはμ≦０．３であり，そのためにはシール部５０撓み量ｘを，ドライ状態においては，ｘ≦０．２４mmに，一方ウエット状態においては，この実施例ではｘ≦０．５mmに設定する。
【００４４】シール部５０の形状は前記三角形断面に限らず，図１６に示すような各種の形状が適用される。図１６において，（ａ）は漏斗形断面を有する場合に，（ｂ）はブレード形断面を有する場合に，（ｃ）は三角形断面を有するものの両裾部にそれぞれ切欠き１１８を形成してシール部５０を撓み易くした場合に，（ｄ）はブレード形断面を有するものの峰側に前記同様の切欠き１１８を形成した場合にそれぞれ該当する。
【００４５】前記膨脹器４を圧縮機として使用する場合には，出力軸２３によりロータ３１を図４時計方向に回転させて，ベーン４２により，流体としての外気を第１，第２導出孔群１１０，１１１からロータチャンバ１４内に吸込み，このようにして得られた低圧縮空気を第１，第２導入孔群１０７，１０８から膨脹チャンバ２０，各通孔ｔ，通路ｓ，第１，第２排出孔１０４，１０５，第１，第２凹状排出部１０２，１０３，通孔ｃを経て大径シリンダ孔ｆに供給し，またベーン４２によりピストン４１を作動させて低圧縮空気を高圧縮空気に変換し，その高圧縮空気を通孔ｃ，供給口９０，９１，および第１，第２供給管９４，９５を経て導入管８０に導入するものである。
【００４６】図１７はベーン式流体機械としてのベーンポンプ１１９を示す。そのケーシング１２０は円筒形ケーシング本体１２１と，その両端に設けられる２つの環状端板１２２とよりなる。ケーシング１２０内には円筒形ロータ１２３が収容され，その回転軸１２４の軸線Ｌ３はケーシング１２０の中心線Ｌ４からεだけずれている。ロータ１２３は円周上等間隔に形成された３つのベーン溝１２５を有し，それらベーン溝１２５に，ケーシング内面，つまりケーシング本体１２１の内周面１３４および両端板１２２の内面１３５を摺動するベーン１２６が摺動自在に嵌込まれている。
【００４７】図１８，１９および図２０，２１に示すように，各ベーン１２６はベーン本体１２７と，そのベーン本体１２７に設けられた耐熱性合成ゴム製シール部材１２８とよりなる。ベーン本体１２７は平板形状を有し，その長縁部および両短縁部に亘り一連のコ字形溝１２９が形成されている。シール部材１２８は，ベーン本体１２７のコ字形溝１２９に装着されるコ字形装着部１３０およびその装着部１３０の外周部分に連設されたシール部１３１を有する。前記同様に，装着部１３０は長方形断面を持ち，またシール部１３１は三角形断面を持つ。シール部１３１の表面には，そのシール部１３１の弾性変形を許容すべく，多数のマイクロクラックを有する固体潤滑層１３２が前記同様に設けられている。耐熱性合成ゴムとしては前記同様にパーフロロエラストマが用いられ，また固体潤滑層１３２は前記同様にダイヤモンド状炭素膜より構成される。
【００４８】通常のベーンポンプにおいては，運転中のロータ１２３の熱膨脹を考慮して，ロータ１２３の端面１３３と，それと対向する端板１２２の内面１３５との間に所定の間隙が設けられているが，前記のようなシール部材１２８を用いると，そのシール部材１２８によってロータ１２３回転停止時に前記間隙を埋めるか，または最小にすることができ，これによりロータ１２３の回転開始時，或はその直後から前記間隙をシールすることができる。
【００４９】ベーン式流体機械には，前記のものの外に例えばベーンモータ，送風機，ベーン圧縮機等が含まれる。
【００５０】
【発明の効果】本発明によれば，各ベーンのシール部の構造を前記のように特定することによってケーシング内面の加工精度を緩和しても良好なシール性を確保し得るようにしたベーン式流体機械を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５３２６
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月４日（１９９９．１１．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７１８７０
【弁理士】
【氏名又は名称】落合 健 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１３２６７２（Ｐ２００１−１３２６７２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１８日（２００１．５．１８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３１３４８５ |
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