(57)【要約】【課題】耐熱性、耐久性、耐摩耗性等に優れ、かつ、シール性向上のために適度な弾性を有するブレード又はベーンが設けられる流体機械を提供する。【解決手段】流体機械であるヘリカルブレード式コンプレッサ又はベーンポンプのブレード及びベーンを、ヤング率Ｇが２０〜６０ＧＰａ、引張強度Ｆは１０００〜２０００ＭＰａの機械的性能をもつチタン合金で形成するとともに、前記チタン合金を、Ｔｉを基として、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとを含む多成分系合金となるように形成することで、上記手段を解決する。【選択図】                図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空筒体からなるシリンダと、シリンダ内に偏心した状態でシリンダの内周面に摺接しシリンダ内で回転するローラと、ローラの外周に設けられ、シリンダの吸込側から吐出側へ向けてピッチが徐々に小さくなる螺旋状の溝と、この螺旋状の溝に着脱可能に嵌合されると共にシリンダとローラとの間を複数の圧縮室に画成する螺旋状のブレードとからなる流体機械において、
上記ブレードは、ヤング率が２０〜６０ＧＰａ、引張強さ１０００〜２０００ＭＰａのチタン合金からなることを特徴とする流体機械。
【請求項２】
請求項１記載の流体機械において、前記ブレードには、弾性変形した状態でシリンダの内壁に摺接される摺接部が設けられることを特徴とする流体機械。
【請求項３】
内部にロータ収容穴が形成されたケーシングと、ケーシングのロータ収容穴内に偏心した位置で回転可能に設けられたロータと、基端側がロータの外周側に互いに離間して回動可能に取付けられ先端側がロータ収容穴の壁面に沿って摺接した複数のベーンとからなる流体機械において、
前記複数のベーンは、ヤング率が２０〜６０ＧＰａ、引張強さ１０００〜２０００ＭＰａのチタン合金からなることを特徴とする流体機械。
【請求項４】
請求項３記載の流体機械において、前記ベーンは、ケーシングの内壁に弾性変形した状態で摺接してなることを特徴とする流体機械。
【請求項５】
請求項１又は３記載の流体機械において、上記チタン合金はＴｉを基とし、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとが４０〜６０重量％含まれる多成分系合金からなることを特徴とする流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヘリカルブレード方式のコンプレッサ、ベーンポンプ等に関する流体機械に係る技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術による流体機械としては、ヘリカルブレード方式コンプレッサ、ベーンポンプ等が知られている。
【０００３】
ヘリカルブレード方式のコンプレッサは、シリンダ内にピストン状のローラを偏心させて配置し、ローラの外周面に形成されたピッチの異なる螺旋状の溝に、ブレードを巻回することでシリンダ内に、吸込口側から吐出口側へ向けて容積の異なる圧縮室が形成される構成となっている。これにより、シリンダ内をローラが旋回運動することで吸込口側から取入れられた流体は容積の異なる圧縮室内を順次移動し吐出口側から吐出されるようになっている。
【０００４】
一方、ベーンポンプは、筒状に形成したケーシングの内部に偏心した位置にロータを配設すると共に、このロータの周壁面から径方向の内側に形成した複数のスリットへ進退可能なベーンを挿入し、ロータの回転により生じるベーンの遠心力によってその先端をケーシングの内壁へ摺接させている。この種の従来技術によるベーンポンプは、ケーシング内で複数のスリット間に画成された複数の圧縮室がロータが１回転する度毎に順次縮小され、これにより圧縮室内で圧縮された流体を外部に吐出する。
【０００５】
従来、ブレードは、シリンダの内周面を常時摺動し、ベーンはロータの回転により生じる遠心力によってその先端がケーシングの内壁面へ摺接されているため、各々には耐熱性、耐久性等の機械的性質が要求される。さらには、ブレード及びベーンは、連続する圧縮室の差圧による圧力を受けるためにブレード及びベーンが変形する。この変形が弾性域を通り越して塑性変形すると、シール性が低下し圧縮効率が低減するため、ブレード及びベーンには、適度な弾性性能を有し塑性変形し難い性質が求められる。従来、特許文献１に記載のようにガラス繊維、炭素繊維等を充填した樹脂や合金等の金属を複合的なブレードも採用されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３１６４６３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来のブレード及びベーンに用いられている樹脂等は耐熱性が優れていても、温度上昇の伴って活性化する分子の熱運動により分子間の結合力が弱くなり、強度（引張強さ）が低下する。また、合金等の金属は、強度が高く維持されてものの、ヤング率が高いために塑性変形し易く、さらには、冷間加工によって形成される金属材料は、加工硬化によってヤング率が上昇し硬くて脆いものとなる。したがって、ブレード及びベーンは、安定したシール性を発揮することができず、圧縮効率が低下する問題を有している。さらには、近年の著しい技術進歩において、圧縮率の向上を目指しブレードの性能向上が求められている。
【０００８】
本発明は、このような課題を考慮してなされたもので、耐熱性、耐久性、耐摩耗性等に優れ、かつ、シール性向上のために適度な弾性を有するブレード又はベーンが設けられる流体機械を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するため、本発明に係る流体機械は、次のような手段を採用する。
【００１０】
即ち、請求項１では、中空筒体からなるシリンダと、シリンダ内に偏心した状態でシリンダの内周面に摺接しシリンダ内で回転するローラと、ローラの外周に設けられ、シリンダの吸込側から吐出側へ向けてピッチが徐々に小さくなる螺旋状の溝と、この螺旋状の溝に着脱可能に嵌合されると共にシリンダとローラとの間を複数の圧縮室に画成する螺旋状のブレードとからなる流体機械において、  上記ブレードは、ヤング率が２０〜６０ＧＰａ、引張強さ１０００〜２０００ＭＰａのチタン合金からなることを特徴とする。
【００１１】
上記手段によれば、低ヤング率、高強度（引張強さ）のチタン合金を採用することにより、弾性率が大きく、塑性変形し難いブレードを提供することができ、シール性能が高い流体機械を提供することができる。
【００１２】
また、請求項２では、請求項１記載の流体機械において、前記ブレードには、弾性変形した状態でシリンダの内壁に摺接される摺接部が設けられることを特徴とする。
【００１３】
上記手段によれば、螺旋状の溝内で摺接部が弾性変形した状態でシリンダの周壁に安定して押付けられ、ブレードとシリンダとの間を安定してシールすることができる。
【００１４】
また、請求項３では、内部にロータ収容穴が形成されたケーシングと、ケーシングのロータ収容穴内に偏心した位置で回転可能に設けられたロータと、基端側がロータの外周側に互いに離間して回動可能に取付けられ先端側がロータ収容穴の壁面に沿って摺接した複数のベーンとからなる流体機械において、前記複数のベーンは、ヤング率が２０〜６０ＧＰａ、引張強さ１０００〜２０００ＭＰａのチタン合金からなることを特徴とする。
【００１５】
上記手段によれば、上記手段によれば、低ヤング率、高強度（引張強さ）のチタン合金を採用することにより、弾性変形能が大きく、塑性変形し難いベーンを提供することができ、シール性能が高い流体機械を提供することができる。
【００１６】
また、請求項４では、請求項３記載の流体機械において、前記ベーンは、ケーシングの内壁に弾性変形した状態で摺接してなることを特徴とする。
【００１７】
上記手段によれば、ベーンをケーシングの内壁に弾性変形した状態で摺接させることができ、ベーンとケーシングとの間を安定してシールすることができる。
【００１８】
また、請求項５では、請求項１又は３記載の流体機械において、上記チタン合金はＴｉを基とし、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとが４０〜６０重量％含まれる多成分系合金からなることを特徴とする。
【００１９】
上記手段によれば、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとを含む多成分系のチタン合金とすることで、低ヤング率、高強度（引張強さが高い）を提供することができる。特に、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとが、４０〜６０重量％含まれるため、ヤング率を低減させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る流体機械を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図３は、実施の形態（１）を示し、ヘリカルブレード方式コンプレッサ１０１を用いた実施形態である。
【００２２】
このヘリカルブレード方式のコンプレッサ１０１は、シリンダ１と、シリンダ１の内周面に摺接してシリンダ１内で回転するローラ２と、ローラ２の外周に設けられるブレード５とから構成される。
【００２３】
シリンダ１は中空筒状体に成形され、内部に後述するローラ２が収容されるローラ収容空間Ｓが形成されるように、周壁部１Ａと、周壁部１Ａの両端に設けられた閉塞端部１Ｂとで構成されている。このシリンダ１の中心軸線をＬ１とする。
【００２４】
ローラ２は、円柱状に形成され、シリンダ１のロータ収容空間Ｓ内に配設される。その軸方向両端面には支軸２Ａが各々突設されている。支軸２Ａは、両側の閉塞端部１Ｂに設けられる軸受３によって回転可能に支持される。また、ローラ２の中心軸Ｌ２が、シリンダ１の中心軸線Ｌ１よりも距離δ程偏心した位置となるようにローラ２は配設される。
【００２５】
さらに、ローラ２の外周側には、横断面が略コ字状をなして螺旋状に延びる螺旋状の凹溝であるブレード取付溝４が形成され、後述の吸込口７側から吐出口８側に向かうに従って徐々にそのピッチが小さくなるように形成されている。
【００２６】
ブレード５は、横断面が略四角形をなし、ローラ２の外周側に螺旋状に巻回されるように、かつ、ブレード取付溝４に対応した螺旋状に形成されている。よって、ブレード取付溝４と同様に、吸込口７側から吐出口８側に向かうに従って徐々にピッチが小さくなっている。また、ブレード５は、ブレード取付溝４に沿って螺旋状に着脱可能に取付けられると共に、シリンダ１の周壁部１Ａの内面１Ｃに摺接し、シリンダ１との間に圧縮室６を画成している。
【００２７】
図２に示すように、ローラ２の回転時には、ブレード取付溝４の溝底とシリンダ１の内面１Ｃまで距離ｄ１がブレード５の厚さｄ２よりも長い場合、ブレード５はローラ２の遠心力によりブレード取付溝４から一定寸法だけ突出し、この状態でケーシング１の内壁に摺接するようになる。したがって、シリンダ１の内面１Ｃとローラ２との間の距離は最小でｄ１―ｄ２となり、このｄ１―ｄ２は、所定距離に設定されるが、ここでは、ローラ２の外周面がシリンダ１の内周面１Ｃに摺接して回転するように設定される。
【００２８】
このように構成されるヘリカルブレード式コンプレッサ１０１は、ローラ２が回転すると冷媒等の作動流体が、吸込口７側から圧縮室６内に吸まれ、圧縮室６内に吸込まれた作動流体は、吐出口８側の圧縮室６へと順次圧縮され、吐出口８から吐出される。このとき、図３に示すように、ブレード５は、一方側の圧縮室６ａの圧力Ｆ１、他方側の圧縮室６ｂの圧力Ｆ２で押圧され、圧力Ｆ１とＦ２の差圧Ｆ３が加わることになる。
【００２９】
ここで、ブレード５は、体心立方構造をもつβ型チタン合金に属し、Ｔｉを基として、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとを含む多成分系合金が採用される。このチタン合金は、ヤング率Ｇが２０〜６０ＧＰａ、引張強度Ｆは１０００〜２０００ＭＰａとなっている。一般材料のチタン合金は、強度はある程度強いものの、ヤング率Ｇが１００ＧＰａ以上であることが知られ、また、アルミニウム合金等のヤング率Ｇが低い合金は、耐熱性に優れない面が多く見られるため、上記チタン合金は、弾性特性、耐熱性、耐久性に優れていることが伺える。
【００３０】
この実施の形態（１）のチタン合金は、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）を添加することで低ヤング率を実現させ、さらに、Ｏ又はＮを添加して引張強さを高めている。Ｔｉ以外のＶａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮは、全体の４０〜６０重量％となっている。以下に記す表１は、本発明のチタン合金と他の合金との機械的物性値を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
この実施の形態（１）によれば、ヤング率が２０〜６０ＧＰａと低い数値であるため、ブレード５は差圧Ｆ３等による曲げ応力に弾性変形し、塑性変形を起すことなく、シール性を保持することができる。したがって、圧縮効率が向上したヘリカルブレード式コンプレッサ１０１を提供することができる。
【００３３】
また、強度も１０００〜２０００ＭＰａと大きく、チタン合金の基本特性である耐熱、耐食性に加えて、高い耐久性を提供し、さらには、安定したシール性能を提供することができる。
【００３４】
図４、図５に、本発明に係る実施の形態（２）を示す。
【００３５】
この実施の形態（２）は、ブレード５の内周側に沿ってブレード取付溝４内で弾性変形する摺接部１１Ａが設けられるブレード１１を採用している。その他の構成は、上述の実施の形態（１）と同様である。
【００３６】
ブレード１１はブレード取付溝４の溝深さｄ３よりも長尺の長さｄ４に形成される本体部１１Ａと、本体部１１Ａから突出するように形成される摺接部１１Ｂとで構成されている。摺接部１１Ｂは、長さｄ５に形成され、弾性変形し易いように細長状に成形される。ここで、ブレード１１の本体部１１Ａの長さｄ４は、ブレード取付溝４から飛び出さないように、摺接部１１Ｂが弾性変形したときの長さｄ６を考慮して、長めに形成されることが望ましい。そして、ブレード１１は、摺接部１１Ｂを弾性変形させて、ブレード取付溝４に設けられる。
【００３７】
この実施の形態（２）によると、ブレード１１は、前述の実施の形態（１）と同様に。Ｔｉと、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとを含む多成分系のチタン合金からなり、ヤング率Ｇが２０〜６０ＧＰａと弾性率が高くなるため、摺接部１１Ｂは、塑性変形せずに弾性変形させた状態で設置可能となる。
【００３８】
このように設置される摺接部１１Ｂは、ブレード取付溝４の底面４ａに接する面積が小さくなり、摩擦熱の発生を押さえて耐久性を向上させる。また、弾性変形する摺接部１１Ｂはその弾性力により、本体部１１Ａを周壁部１Ａ方向に押圧するため、周壁部１Ａの内面１Ｃとブレード１１とのシール性が向上されるとともに、弾性力の補助によりブレード１１の耐久性が向上される。なお、その他の作用・効果は、前述の実施の形態（１）と同様である。
【００３９】
図６に、本発明に係る実施の形態（３）を示す。
【００４０】
この実施の形態（３）は、前述の実施の形態（２）の別形態である。前述の実施の形態（２）の摺接部１１Ｂをブレード１１と分離させ、ブレード取付溝４の底面４ａに弾性シール部１１Ｃを設け、その上方にブレード１１が載設される構成となっている。
【００４１】
弾性シール部１１Ｃもブレード１１と同様に、Ｔｉと、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとを含む多成分系のチタン合金からなり、半円状に形成されている。半円の円弧側にブレード１１が当接されるようにブレード取付溝４内に設けられる。
【００４２】
この実施の形態（３）によると、弾性シール部１１Ｃはその弾性力により、ブレード１１を周壁部１Ａ方向に押圧するとともに、ブレード１１と円弧面１１Ｄで接するため、摩擦抵抗を減少させる。また、前述の実施の形態（１）及び（２）と同様な作用・効果が奏される。
【００４３】
図７、図８に、本発明に係る実施の形態（４）を示す。
【００４４】
この実施の形態（４）は、流体機械をベーンポンプに適用した場合を実施形態である。
【００４５】
ベーンポンプ１１０は、ケーシング２１と、ケーシング２１内部に形成されるロータ収容部２３と、ローラ収容部２３に収容されるロータ２４と、ロータの周方向に複数設けられるベーン２６とで構成されている。
【００４６】
ケーシング２１内には略楕円形状の内壁２が設けられ、ロータ収容穴２３内に通じる吸込通路２１Ａと吐出通路２１Ｂが設けられている。
【００４７】
ロータ２４は、円柱状をなし、ロータ収容穴２３内に偏心した位置で回転可能に取付けられている。また、ロータ２４には、周方向に等間隔な位置で断面略Ｌ字状のベーン収容溝２５が設けられている。そして、このベーン収容溝２５は、凹球形状をなした凹球溝部２５Ａを有している。
【００４８】
ベーン２６は、円柱部２６Ａと、この円柱部２６Ａに一体形成された略長方形状の平板部２６Ｂとによって構成されている。また、このベーン２６は、前述の実施の形態（１）と同様に、体心立方構造をもつβ型チタン合金に属し、Ｔｉを基として、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとを含む多成分系合金からなる。このチタン合金は、ヤング率Ｇが２０〜６０ＧＰａ、引張強度は１０００〜２０００ＭＰａとなっている。
【００４９】
ベーン２６は、基端側となる円柱部２６Ａをベーン収容溝２５の凹球溝部２５Ａ内に回動可能に嵌合させることで取付けられ、ベーン２６の平板部２６Ｂは、ケーシング２１の内壁２２に弾性変形した状態で摺接されて設置される。したがって、複数のベーン２６は、ケーシング２１の内壁２２とロータ２４との間で複数の圧縮室２７を区画形成している。
【００５０】
このように構成されるベーンポンプ１１０は、ロータ２４がロータ収容穴２３内で回転すると、冷媒等の作動流体は、吸込口２８側から圧縮室２７内に吸込まれる。圧縮室２７内に吸込まれた作動流体は、ロータ２４が回転することにより圧縮室２７の容積が順次小さくなり、これに伴って流体は吐出口２９側の圧縮室２７へと圧縮され、吐出口２９から吐出される。
【００５１】
この実施の形態（４）によると、ベーン２６は、前述の実施の形態（１）と同様に、塑性変形を起すことなく、シール性を保持することができる。したがって、圧縮効率が向上、安定したシール性能を発揮するベーンポンプ１１０を提供することができる。その他、本発明のチタン合金の作用・効果は、前述の実施の形態（１）と同様に奏される。
【００５２】
上述の実施の形態の他に、シール性向上を目的とした用途に上記チタン合金を用いることで、同様の作用・効果を得ることができ、よって、上記の実施の形態には限定されない。例えば、スクロール式流体機械のラップ部等に設けることができる。
【００５３】
（実施例１）
上記実施の形態で採用しているチタン合金は、株式会社豊田中央研究所が開発したゴムメタル（Ｇｕｍ  Ｍｅｔａｌ：登録商標）と呼ばれるチタン合金で、フックの法則が成立しない非線形弾性挙動を示し、弾性変形能が２．５％と超弾性的な性質を有するものである。しかも、室温以下の温度にて強加工を施しても、全く加工硬化を示さず、９９．９％以上の超塑性的な冷間加工性をも有している。（冷間加工後の転位はほとんど見られなかった。）
【００５４】
【発明の効果】以上詳述した通り、請求項１の発明によれば、ヘリカルブレード方式のコンプレッサに用いられるブレードを、Ｔｉを基とし、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとを含む多成分系のチタン合金で形成することで、ヤング率が２０〜６０ＧＰａ、引張強さ１０００〜２０００ＭＰａを実現させ、ブレードの耐久性、寿命等を向上させるとともに、ブレードとシリンダとの間のシール性能が長時間安定して発揮される効果がある。したがって、圧縮効率が向上し、高効率、高耐久性のヘリカルブレード式コンプレッサを提供することができる。
【００５５】
また、請求項５に記載の流体機械は、上記請求項１と同様に、ベーンポンプの複数のベーンを、Ｔｉを基とし、Ｖａ族（Ｔａ  、Ｎｂ、Ｖ）と、ＩＶａ族（Ｚｒ、Ｈｆ）と、Ｏ又はＮとを含む多成分系合金のチタン合金から構成することで、ベーンの耐久性、寿命等を高めることができるとともに、ベーンとケーシングとの間のシール性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態（１）を示し、ヘリカルコンプレッサを示す断面図である。
【図２】図１のＸ１−Ｘ１断面図である。
【図３】図２のＹ１部における拡大図である。
【図４】本発明に係る実施の形態（２）を示す要部拡大図である。
【図５】図４のブレードの断面図である。
【図６】本発明に係る実施の形態（３）を示す要部拡大図である。
【図７】本発明に係る実施の形態（４）を示し、ベーンポンプを示す断面図である。
【図８】図７中のベーンを拡大して示す斜視図である。
【符号の説明】
１、２１            ケーシング
１Ａ                シリンダ
２                  ローラ
４                  ブレード取付溝
５，１１            ブレード
６，２７            圧縮室
７                  吸込口
８                  吐出口
２３                ロータ収容穴
２４                ロータ
２５                ベーン収容溝
２６                ベーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004218617.tif 000009
【図７】
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【図８】
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