JP2010275931A - オイルフリースクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】オイルフリースクリュー圧縮機において、圧縮作動空間がゼロとなる前に吐出ポートが閉じることに起因して生じる過圧縮等の不具合を防止して、消費動力の増大を回避する。
【解決手段】オイルフリースクリュー圧縮機は、複数のねじれた歯が形成された１対の雄スクリューロータ１および雌スクリューロータ２と、これら両ロータを収容し吸入ポートと吐出ポート４とが形成されたケーシング３と、両ロータの両軸端部を回転可能に支持しケーシングに保持された軸受１１〜１４を備える。両ロータの回転に伴い両ロータとケーシングとにより形成される圧縮作動空間の容量が略ゼロとなるタイミングにおいて吐出ポートと繋がる溝６を、ケーシングの吐出ポートに隣接して設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、１対の雄スクリューロータと雌スクリューロータとが形成する圧縮作動空間へ、油分を混入させないようにしたオイルフリースクリュー圧縮機に関する。

一対のスクリューロータを組み合わせて圧縮作動空間を形成するスクリュー圧縮機には、この圧縮機を冷却するため及び一対のロータの円滑な駆動を可能にするため、圧縮作動空間に潤滑油を供給する給油式スクリュー圧縮機と、一対のロータをタイミングギアを介して駆動することによりロータ間の接触を回避し、圧縮作動空間への油分の混入を防止するオイルフリースクリュー圧縮機がある。

電子関連や食品、化学などの油分の混入を嫌う産業分野においては、オイルフリースクリュー圧縮機の需要が高い。しかしながら、空気圧縮機の電力費は、工場設備における電力費の約２５％にも上ると言われており、消費電力の少ないエネルギ効率の高い圧縮機が求められている。

このような、従来のオイルフリースクリュー圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載のスクリュー圧縮機では、冷却された吐出ガスの一部を吸込み側に戻した結果圧縮機の動力が増大するという不具合を回避するために、吐出ポートに連通するロータ室壁部の位置よりも吐出ポート側で、吐出ポート近傍のロータ室内の空間部あるいは吐出開始直後の吐出口部分に、吐出流路中の吐出ガス冷却手段の出側で分岐させた分岐流路を合流させている。

また、オイルフリースクリュー圧縮機ではないが、給油式のスクリュー圧縮機の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の圧縮機では、消費電力等の増大を抑制するために、ケーシングのロータ吐出側端面に対向する壁面に凹部を形成し、作動空間が吐出ポートと隔絶される直前に作動空間を凹部に連通させ、作動空間の容積が実質的に０になるまでこの連通を継続させている。

特開昭６３−４５４８８号公報 特開２００８−８２２７３号公報

上記特許文献１に記載のオイルフリースクリュー圧縮機では、吐出ガスを吐出ポートのできるだけ近傍で冷却することにより、吐出温度を低く抑え吸込み圧力の上昇を抑止して動力を低減している。しかしながらこの公報に記載のものでは、吐出ポート近傍に作動ガスが残って過圧縮が生じること等による動力の増加、すなわち複雑な吐出ポート部形状に起因する過圧縮等については、十分に考慮されていない。

また、上記特許文献２に記載の給油式スクリュー圧縮機では、軸受に給油した潤滑油が作動空間へ混入するのを許容するので、油分の分離を機外で実施している。そのため、圧縮機本体の構造が簡素になっている。これに対して、オイルフリースクリュー圧縮機では、作動空間への油分の混入を防止するために、高性能な軸封装置が必要となっている。その結果、ロータ長が長くなるので高速回転機器における振動発生を抑制するために、ケーシングの端面深さ方向長さが著しく制限される。

また、この特許文献２に記載のものを、そのままオイルフリースクリュー圧縮機に適用すると、ロータ端面深さ方向に形成される溝の位置や形状により、吸込開始状態の圧縮作動空間内へ漏れる吐出側の圧縮空気の量を増加させる恐れがある。漏れ量が増えると、オイルフリースクリュー圧縮機の性能が、当然ながら低下する。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、オイルフリースクリュー圧縮機において、圧縮作動空間が０となる前に吐出ポートが閉じることに起因して生じる過圧縮等の不具合を防止することにある。本発明の他の目的は、過圧縮等にによる消費動力の増加または圧縮空気の過剰な温度上昇の発生を抑制することにある。本発明のさらに他の目的は、安価な製造方法で吐出ポートから圧縮作動空間が０となるタイミングまで圧縮空気を効率良く吐出させることが可能な吐出ポートを実現することにある。そして本発明は、少なくともこれらいずれかの目的を達成することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、複数のねじれた歯が形成された１対の雄スクリューロータおよび雌スクリューロータと、これら両ロータを収容し吸入ポートと吐出ポートとが形成されたケーシングと、両ロータの両軸端部を回転可能に支持しケーシングに保持された軸受と、両ロータの一方の軸端部に取付けられ両ロータを非接触で同期回転させるタイミングギヤと、各軸受とロータの歯との間に配置され、ロータの噛み合い部に油が侵入するのを防止する軸封装置とを備えるオイルフリースクリュー圧縮機において、両ロータの回転に伴い両ロータとケーシングとにより形成される圧縮作動空間の容量がほぼゼロとなるタイミングにおいて吐出ポートと繋がる溝を、ケーシングの吐出ポートに隣接して設けたことにある。

そしてこの特徴において、溝は、雌ロータの歯底円と雄ロータの歯先円との交じわる位置近傍から、両ロータの中心を結ぶ線まで延びているのがよく、雄ロータの歯先部から外方に延びており、その幅が軸方向深さよりも大きいことが望ましい。また、溝を切削加工で形成して、吐出側から吸込み側への漏れを防止するのがよい。

本発明によれば、圧縮作動空間の容積が実質的にゼロになるまで吐出ポートに連通する手段をオイルフリースクリュー圧縮機に設けたので、過圧縮等の不具合を防止できる。また、過圧縮等による消費動力の増加または圧縮空気の過剰な温度上昇の発生も抑制できる。さらに、安価な製造方法で吐出ポートから圧縮作動空間がゼロとなるタイミングまで圧縮空気を効率良く吐出させることができる。

本発明に係るオイルフリースクリュー圧縮機の一実施例の要部横断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図１のＢ−Ｂ断面図。 図１のＣ−Ｃ断面図。 本発明にオイルフリースクリュー圧縮機の一実施例の平面断面図（ａ）及び正面断面図（ｂ）。

以下、本発明に係るオイルフリースクリュー圧縮機の一実施例を、図面を用いて説明する。初めにオイルフリースクリュー圧縮機の概要を、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、オイルフリースクリュー圧縮機５０の平面断面図であり、同図（ｂ）は正面断面図である。オイルフリースクリュー圧縮機５０は、１対の雄のスクリューロータ１と雌のスクリューロータ２を有しており、これら１対のロータ１、２はケーシング３に形成されたボアに収容されている。ボアは、円筒状の２個の空間が軸方向に直角な方向に連接したもので、互いの軸心が平行になっている。

各ロータ１、２の一方の軸端部は、軸受１１、１２で、他方の軸端部は軸受１３、１４で回転可能に支持されている。軸受１１〜１４は、ケーシング３に保持されている。軸受１１〜１４には潤滑油が供給される。本発明に係るスクリュー圧縮機５０は、オイルフリー圧縮機なので、後述する作動空間へ潤滑油が侵入するのを防止するために、各軸受よりも軸方向中央側には、軸封装置３１〜３４が設けられている。

雌ロータ２の一方の軸端には、ピニオンギア２１が取付けられており、このピニオンギア２１は図示しない原動機に噛み合っている。雄ロータ１及び雌ロータ２には、タイミングギヤ２２、２３が取付けられており、両タイミングギヤ２２、２３がかみ合うことにより、雄ロータ１と雌ロータ２とは同期回転する。

雄ロータ１と雌ロータ２の軸方向中間部は大径に形成されている。各ロータ１、２の大径部は、ケーシング３に形成したボアの内壁面との間にわずかな隙間を有して保持される。また、各ロータ１、２の大径部には、スパイラル状に複数の溝または歯が形成されている。本実施例では、雄ロータ１が４枚の歯を、雌ロータ２が６本の溝を有している。そして、雄ロータ１の歯が雌ロータ２の溝に、わずかな隙間を保ちながら噛み合っている。

雄ロータ１およびメスロータ２の一方側（図５では右側）には、吸込み口から吸込まれた空気を両ロータ１、２とケーシング３により形成される作動空間に導く吸込みポートが形成されている。両ロータ１、２の軸方向反対側には、両ロータ１、２およびケーシング３により形成された作動空間から機外に圧縮空気を導く吐出ポート４が形成されている。

吐出ポート４の詳細を、図１に示したスクリュー圧縮機５０の横断面図及び図１の各部断面である図２ないし図４を用いて説明する。図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図で、雄ロータ１の吐出部近傍を示す図である。図３は、図２のＢ−Ｂ矢視断面図で、雄ロータ１と雌ロータ２の噛み合い部で吐出ポート４近傍を示す図である。図４は、雄ロータ１と雌ロータ２の噛み合い部付近のＣ−Ｃ矢視断面図で水平断面を示す図である。

ところで、オイルフリースクリュー圧縮機５０では、空気は、吸入配管を通ってケーシング３内に導かれる。そして、１対の雄ロータ１と雌ロータ２とこれらロータ１、２を収容するケーシング３から構成される圧縮作動空間の容積が、ロータ１、２の回転に伴って拡大して圧縮機内部に吸入される。その後、圧縮作動空間が最大容積となる付近でケーシング３により完全に閉じられ、さらにロータ１、２の回転が進むと、圧縮作動空間が収縮する。これにより、空気の圧力が上昇する。

圧縮作動空間が所定の容積まで収縮した状態に合わせて、ロータ１、２の軸方向端面部であって外径部付近に、ロータ１、２の歯形の輪郭形状に合わせて吐出ポートを形成する。この吐出ポートから圧縮空気を吐出する。雄雌両ロータ１、２同士及びロータ１、２とケーシング３間はお互いが接触しないように、ロータ１、２及びケーシング３の加工精度や熱膨張や空気圧力による変形、軸受隙間を考慮して隙間を形成する。オイルフリースクリュー圧縮機５０では、この隙間から空気が漏れると性能が低下する。したがって、隙間を可能な限り小さくすれば、性能が向上する。しかしながら、ケーシング３の形状は、複雑にならざるを得ず、一般的には鋳物で製作する。吸入ポート及び吐出ポート形状も鋳物で形成するが、高精度が必要な部分は機械加工で製作する。

特に、吐出ポート４は、過圧縮による消費動力の増加や圧縮空気温度上昇を避けるため、圧縮作動空間がゼロとなるタイミングまで圧縮空気を吐出できるように開口部を形成するのが望ましい。しかし、鋳物や機械加工での形成が困難であるのと、コストが増大するので、ロータ１、２の端面に隙間を許容している。この隙間からは圧縮空気が逃げるので、吐出ポートを圧縮作動空間がゼロとなるタイミングまで開口させずとも、実質的に過圧縮を防止できる。

しかしながら、この従来の方法では、過圧縮を防止できるが、常に端面から圧縮空気が逃げるので、性能低下はやむをえない。そこで本発明では簡単な構成で、端面からの漏れを低減させながら、過圧縮も防止している。

なお、以下の説明は理論的な説明なので、雄ロータ１と雌ロータ２がその歯面上で接するものとしているが、上述したように、実際のオイルフリースクリュー圧縮機では、歯面が接触すると摩擦・摩耗及び振動・騒音を生じるので、熱膨張を考慮しても接触しない程度に、隙間を形成する。しかしながら、この隙間は非常に小さいので、実質的な考察では接触するものとみなしても何等かまわない。

図１において、各ロータ１、２の回転方向をＤＩＲで表している。雄ロータ１と雌ロータ２とが同期して回転すると、雄ロータ１の歯面であって先に雌ロータ２の歯面に接触する面である前進面ＳＦ１が、雌ロータ２の歯面ＳＲ２と噛み合い、ケーシング３の内壁面との間で、作動空間７を形成する。この作動空間７は、雄ロータ１及び雌ロータ２の回転とともに軸方向吸込み側から吐出側に移動する。その際、シールラインと呼ばれる雄ロータ１と雌ロータ２の仮想的な接触線により作動空間は仕切られる。このシールラインの後端が、両ロータ１、２の吸込み端壁部３ａに達したときに、作動空間７の容積は実質的にゼロになる。図１は、この作動空間７の容積が０になった状態を、示した図である。

すなわち、雄ロータ１と雌ロータ２とは、歯面上の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で接触している。点Ｐ１，Ｐ２で両端を区切られ雄ロータ１の前進面ＳＦ１と雌ロータ２の歯面ＳＲ２間に、圧縮作動空間が形成されている。一方、雄ロータ１の前進面ＰＦ１とは反対歯面ＳＲ１と雌ロータ２の前進面ＳＦ２及び点Ｐ２，Ｐ３により新たな圧縮作動空間８が形成されている。

このような圧縮作動空間形状の変化に対応して、従来から吐出ポートが形成されている。図２に示すように、各ロータ１、２の吐出側端面近傍であって、ケーシング３の下側部分に、圧縮作動室に接続する吐出流路３１が形成されている。そして、ケーシング３の側壁部分は、図で破線で示すように、雄ロータ２の次に噛み合う歯の反前進面ＳＲ１、雄ロータ２の歯底円、雌ロータ２の次に噛み合う歯の前進面とは反対面ＳＲ２、雌ロータ２の歯底円、雄ロータ１及び雌ロータ２の歯先円をそれぞれ結んだ形状に開口している。

さらに本発明では、上述したように性能を低下させることなく過圧縮を防止させるため、実質的に作動空間の容積がゼロになっても、圧縮空気を吐出可能とする吐出ポート加工溝６を形成している。この加工溝６の詳細を、以下に説明する。

図１に示すように、加工溝６は、雄ロータ１の歯先と雌ロータ２の歯底との噛合い部近傍に位置している。吐出側から吸込側への空気の漏れを防止するため、吐出ポート４と吸込開始状態の圧縮作動空間８とが連通しないように、雄ロータ１の歯先外径より外側に加工溝６を位置させる。さらに、吐出完了状態の圧縮作動空間７が可能な限り吐出ポート４に連通するように、吐出側のロータ１の端面とケーシング３との隙間δ程度（図２参照）の隙間分だけ、雄ロータ１の歯先外径より外側に位置させる。

雌ロータ２の軸封装置３４部へ圧縮空気が漏れるのを低減するため、加工溝６の幅は可能な限り小さくする。加工溝５の深さ、すなわち軸方向の寸法εは、軸封装置３４を備えることにより制限されるが、溝の幅寸法δの１／２程度とする（図４参照）。加工溝６の長さＷは、上述した吐出ポート４のコーナ部、すなわち雌ロータ２の歯底部と雄ロータ１の歯先部との交わり部から始まり、雄ロータ１と雌ロータ２の軸中心を結ぶ線までとする。

加工溝５の諸元をこのように定めるのは、以下の理由による。加工溝５の長さＷをこれ以上延ばすと、すなわち雄ロータ１と雌ロータ２の中心を結ぶ線を越えると、吸入開始の溝と連続してしまい、吸入側へ圧縮空気が逆流する。また、加工溝５の深さεは、加工性を考慮して定める。さらに、加工溝５の幅δを広げすぎると、雌ロータ２の軸封部の孔に近づきすぎて、圧縮空気が軸封部に流れてしまう。これらの理由から、加工溝５の寸法を上記のように定めている。

１…雄（スクリュー）ロータ、２…雌（スクリュー）ロータ、３…ケーシング、４…吐出ポート、５…圧縮作動空間、６…（吐出ポート）加工溝、７…吐出完了状態の圧縮作動空間、８…吸込開始状態の圧縮作動空間、１１〜１４…軸受、２１…ピニオンギヤア、２２、２３…タイミングギヤ、３１〜３４…軸封装置、５０…オイルフリースクリュー圧縮機。

Claims (4)

1. 複数のねじれた歯が形成された１対の雄スクリューロータおよび雌スクリューロータと、これら両ロータを収容し吸入ポートと吐出ポートとが形成されたケーシングと、前記両ロータの両軸端部を回転可能に支持しケーシングに保持された軸受と、前記両ロータの一方の軸端部に取付けられ両ロータを非接触で同期回転させるタイミングギヤと、前記各軸受と前記ロータの歯との間に配置され、ロータの噛み合い部に油が侵入するのを防止する軸封装置とを備えるオイルフリースクリュー圧縮機において、
   前記両ロータの回転に伴い両ロータとケーシングとにより形成される圧縮作動空間の容量がほぼゼロとなるタイミングにおいて吐出ポートと繋がる溝を、前記ケーシングの吐出ポートに隣接して設けたことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
2. 前記溝は、前記雌ロータの歯底円と雄ロータの歯先円との交じわる位置近傍から、両ロータの中心を結ぶ線まで延びていることを特徴とする請求項１に記載のオイルフリースクリュー圧縮機。
3. 前記溝は、前記雄ロータの歯先部から外方に延びており、その幅が軸方向深さよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のオイルフリースクリュー圧縮機。
4. 前記溝を切削加工で形成して、吐出側から吸込み側への漏れを防止したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のオイルフリースクリュー圧縮機。

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