JP5177081B2 - スクリュー圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、ロータ径方向外側に位置する吸入口と作動室に対しロータ軸方向のみを開口する吸込ポートとを連通する吸込流路を備えたスクリュー圧縮機に関する。
スクリュー圧縮機は、互いに噛合いながら回転する雄ロータ及び雌ロータと、これら雄ロータ及び雌ロータを収納するケーシングとを備えており、雄ロータ及び雌ロータの歯溝とケーシングの壁面とで複数の作動室が形成されている。そして、雄ロータ及び雌ロータの回転に伴い、作動室は、ロータ軸方向に移動するとともに、容積が拡大されてガスを吸込み(吸込行程)、その後、容積が縮小されてガスを圧縮し(圧縮行程)、圧縮ガスを吐出する(吐出行程)。このようなスクリュー圧縮機において、吸入口は、雄ロータ及び雌ロータの径方向外側に位置し、吸込ポートは、雄ロータ及び雌ロータの吸込側歯部端面の近傍に位置して、複数の吸込行程の作動室に対しロータ軸方向のみを開口しており、吸入口と吸込ポートを連通する吸込流路を備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−44299号公報(図1)
しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。すなわち、雄ロータの歯数と雌ロータの歯数との組み合わせは、例えば3枚と4枚、4枚と5枚、4枚と6枚、5枚と6枚、又は6枚と8枚などであり、雄ロータの歯数が雌ロータの歯数に比べて1枚若しくは2枚少なくなっている。そのため、雄ロータの回転速度が雌ロータの回転速度に比べて大きくなり、雄ロータ側作動室(詳細には、雄ロータの歯溝内に形成された作動室)内のガス流速は雌ロータ側作動室(詳細には、雌ロータの歯溝内に形成された作動室)内のガス流速に比べて20〜30%速くなっている。ここで、吸込行程の作動室としては、雄ロータ及び雌ロータの噛合い側で互いに連通するものの吸込ポート側で互いに連通しない雄ロータ側作動室及び雌ロータ側作動室が存在する。このような吸込行程の雄ロータ側作動室と雌ロータ側作動室においては、吸込ガス流速に差が生じる。そして、吸込流路における吸入口近傍では、雄ロータ側作動室と雌ロータ側作動室による吸込ガス流速の偏りの影響が小さいものの、吸込ポート近傍では、その影響が生じて流れに乱れが生じる。そのため、吸込損失が大きくなっていた。
本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸込損失を低減することができ、圧縮機効率を向上させることができるスクリュー圧縮機を提供することにある。
(1)上記目的を達成するために、本発明は、互いに噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、前記雄ロータ及び前記雌ロータを収納して複数の作動室を形成するケーシングと、前記雄ロータ及び前記雌ロータの径方向外側に位置する吸入口と、前記雄ロータ及び前記雌ロータの吸込側歯部端面の近傍に位置して、複数の吸込行程の作動室に対しロータ軸方向のみを開口する吸込ポートと、前記吸入口と前記吸込ポートを連通する吸込流路とを備えたスクリュー圧縮機において、前記吸込流路は、前記雄ロータ及び前記雌ロータの吸込側歯部端面に対向する流路壁面に立設され、かつ前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向において、前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間に前記雄ロータへの流れと前記雌ロータへの流れを隔てるように構成されて、前記吸込行程の作動室への流れを案内する案内羽根を有する。
このような本発明においては、吸込流路に案内羽根を設けることにより、雄ロータ側作動室と雌ロータ側作動室による吸込ガス流速の偏りを要因とした流れの乱れを抑制することができ(いわゆる整流効果)、吸込損失を低減することができる。その結果、圧縮機効率を向上させることができる。
(2)上記(1)において、好ましくは、前記吸込流路は、雄ロータ側の前記案内羽根を有しており、前記雄ロータ側の案内羽根は、前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向における中央部に上流側端部が位置し、この上流側端部より前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向における雄ロータ側に下流側端部が位置するように延在する。
(3)上記(2)において、好ましくは、前記吸込流路は、雌ロータ側の前記案内羽根をさらに有しており、前記雌ロータ側の案内羽根は、前記雄ロータ側の案内羽根に対し離間するとともに、前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向における中央部に上流側端部が位置し、この上流側端部より前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向における雌ロータ側に下流側端部が位置するように延在する。
(4)上記(3)において、好ましくは、前記吸込流路は、前記雄ロータ側の案内羽根の外側を流れる流路の断面積と前記雌ロータ側の案内羽根の外側を流れる流路の断面積との比が、前記雄ロータの回転速度と前記雌ロータの回転速度との逆比となるように形成する。
雄ロータの回転速度は、雌ロータの回転速度に比べて大きくなっている。そのため、雄ロータ側作動室は、雌ロータ側作動室に比べて、吸込ガス流速が速く、吸込ポート近傍での速度変化(言い換えれば、吸込流路側と作動室側との速度差)が大きくなっており、この速度変化が吸込損失の要因となる。そこで、本発明においては、雄ロータ側案内羽根の外側を流れる流路の断面積と雌ロータ側案内羽根の外側を流れる流路の断面積との比が、雄ロータの回転速度と前記雌ロータの回転速度との逆比となるように形成する。すなわち、雄ロータ側案内羽根の外側を流れる流路の断面積を小さくし、雌ロータ側案内羽根の外側を流れる流路の断面積を大きくする。これにより、例えば雄ロータ側案内羽根の外側を流れる流路の断面積と雌ロータ側案内羽根の外側を流れる流路の断面積を等しくした場合に比べ、雄ロータ側案内羽根の外側の流路における流速を速くすることができる。したがって、雄ロータ側作動室における吸込ポート近傍での速度変化を低減することができ、吸込損失をさらに低減することができる。その結果、圧縮機効率を向上させることができる。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか1つにおいて、好ましくは、前記案内羽根は、流路幅方向外側に向かって凹状となるように曲線状に延在する。
本発明によれば、吸込損失を低減することができ、圧縮機効率を向上させることができる。
本発明の第1の実施形態におけるスクリュー圧縮機の構造を表す断面図である。 図1中のII−II矢視断面図である。 図2中のIII−III矢視断面図である。 図2中のIV−IV矢視断面図である。 図2中のV−V矢視断面図である。 本発明の第1の実施形態における雄ロータ及び雌ロータの構造を吸込ポートとともに表す雄ロータ及び雌ロータの斜視図である。 本発明の第1の実施形態における雄ロータ及び雌ロータの吸込側歯部端面を表す側面図、並びに雄ロータ側及び雌ロータ側の作動室を吸込ポート及び吐出ポートとともに表す雄ロータ及び雌ロータの展開図である。 本発明の第2の実施形態におけるスクリュー圧縮機の構造を表す断面図である。 本発明の一変形例におけるスクリュー圧縮機の構造を表す断面図である。 本発明の一変形例におけるスクリュー圧縮機の構造を表す断面図である。
本発明の第1の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本実施形態におけるスクリュー圧縮機の構造を表す断面図であり、図2は、図1中のII−II矢視断面図である。図3は、図2中のIII−III矢視断面図であり、図4は、図2中のIV−IV矢視断面図であり、図5は、図2中のV−V矢視断面図である。なお、図1は、図3中のI−I矢視断面図に相当し、図2は、図3中のII−II矢視断面図に相当する。
これら図1〜図5において、スクリュー圧縮機は、例えばオイルフリータイプの(すなわち、作動室内を無給油状態で運転する)ものであって、互いに噛合いながら回転する雄ロータ1及び雌ロータ2と、これら雄ロータ1及び雌ロータ2を収納するケーシング3とを備えている。ケーシング3は吸込側ケーシング4、主ケーシング5、及び吐出側ケーシング6で構成されており、それらはボルト等で互いに締結固定されている。
主ケーシング5は、雄ロータ1及び雌ロータ2の歯部を収納する内壁(ボア壁)を有し、この内壁と雄ロータ1及び雌ロータ2の歯溝とで複数の作動室が形成されている。主ケーシング5には、雄ロータ1及び雌ロータ2の径方向外側(図1中下側)に位置する吸入口7が形成されている。また、吸込側ケーシング4及び主ケーシング5によって、雄ロータ1及び雌ロータ2の吸込側(図1中左側)歯部端面の近傍に位置し、複数の吸込行程の作動室に対しロータ軸方向のみ開口する吸込ポート8が形成されており、さらに吸入口7と吸込ポート8を連通する吸込流路9が形成されている。
また、主ケーシング5には、雄ロータ1及び雌ロータ2の径方向外側(図1中上側)に位置する吐出口10と、雄ロータ1及び雌ロータ2の吐出側(図1中右側)歯部端面の近傍に位置して、吐出行程の作動室に対しロータ径方向及び軸方向を開口する吐出ポート11と、吐出口10と吐出ポート11を連通する吐出流路12とが形成されている。
雄ロータ1は、吸込側ケーシング4に設けられたラジアル軸受13aと主ケーシング5に設けられたラジアル軸受14a及びスラスト軸受15aとで回転可能に支持されている。また、軸受13aより雄ロータ1の歯部側(図1及び図2中右側)には軸封装置16aが設けられ、軸受14a,15aより雄ロータ1の歯部側(図1及び図2中左側)には軸封装置17aが設けられており、軸受13a〜15aを潤滑する潤滑油が作動室に流入しないようになっている。
同様に、雌ロータ2は、吸込側ケーシング4に設けられたラジアル軸受13bと主ケーシング5に設けられたラジアル軸受14b及びスラスト軸受15bとで回転可能に支持されている。また、軸受13bより雌ロータ2の歯部側(図1及び図2中右側)には軸封装置16bが設けられ、軸受14b,15bより雌ロータ2の歯部側(図1及び図2中左側)には軸封装置17bが設けられており、軸受13b〜15bを潤滑する潤滑油が作動室に流入しないようになっている。
雄ロータ1の吸込側軸部端部にはピニオン18が取り付けられており、このピニオン18は、図示しないモータの回転軸に接続されたプルギヤと噛合わされている。これにより、モータの回転動力が伝達されて雄ロータ1が回転するようになっている。また、雄ロータ1及び雌ロータ2の吐出側軸部端部には一対のタイミングギヤ19a,19bが設けられている。これにより、雄ロータ1及び雌ロータ2が非接触状態で同期回転するようになっている。
そして、雄ロータ1及び雌ロータ2の回転に伴い、作動室は、軸方向に移動するとともに、容積が拡大されて吸込ポート8を介しガスを吸込み(吸込行程)、容積がほぼ最大となって吸込ポート8が閉じられた後、容積が縮小されてガスを圧縮し(圧縮行程)、吐出ポート11を介し圧縮ガスを吐出する(吐出行程)。このような作動室の詳細を、図6及び図7により説明する。
図6は、雄ロータ1及び雌ロータ2の構造を吸込ポート8とともに表す雄ロータ1及び雌ロータ2の斜視図である。図7(a)は、雄ロータ1及び雌ロータ2の吸込側歯部端面を表す側面図であり、図7(b)は、雄ロータ1側及び雌ロータ2側の作動室を吸込ポート8及び吐出ポート11とともに表す雄ロータ1及び雌ロータ2の展開図(詳細には、雄ロータ1及び雌ロータ2の歯部外周側を展開した図であり、図中の実線は歯先を示すもの)である。
これら図6、図7(a)、及び図7(b)において、雄ロータ1は、4枚の歯20a〜20dを有し、雌ロータ2は、6枚の歯21a〜21fを有しており、吸込ポート8側にて雄ロータ1の歯20aが雌ロータ2の歯21f,21aの間の歯溝に噛合った状態を示している。
雄ロータ1側の作動室は、雄ロータ1の歯20a,20bの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吸込側の作動室22aと、雄ロータ1の歯20b,20cの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吸込側の作動室22bと、雄ロータ1の歯20c,20dの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吸込側の作動室22cと、雄ロータ1の歯20d,20aの間の歯溝に形成された作動室22dと、雄ロータ1の歯20a,20bの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吐出側の作動室22eと、雄ロータ1の歯20b,20cの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吐出側の作動室22fと、雄ロータ1の歯20c,20dの間に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吐出側の作動室22gとで構成されている。雄ロータ1側の作動室22a,22b,22cは、吸込ポート8を介し吸込流路9に連通してガスを吸い込み、雄ロータ1側の作動室22f,22gは、吐出ポート11を介し吐出流路12に連通して圧縮ガスを吐出するようになっている。
雌ロータ2側の作動室は、雄ロータ2の歯21a,21bの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吸込側の作動室23aと、雌ロータ2の歯21b,21cの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吸込側の作動室23bと、雌ロータ1の歯21c,21dの間の歯溝に形成された作動室23cと、雌ロータ2の歯21d,21eの間の歯溝に形成された作動室23dと、雄ロータ1の歯21e,21fの間の歯溝に形成された作動室23eと、雄ロータ1の歯21f,21aの間の歯溝に形成された作動室23fと、雄ロータ1の歯21a,21bの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吐出側の作動室23gと、雄ロータ1の歯21b,21cの間の歯溝に形成され雄ロータ1及び雌ロータ2の噛合いで区切られた吐出側の作動室23hとで構成されている。雌ロータ2側の作動室23a,23b,23cは、吸込ポート8を介し吸込流路9に連通してガスを吸い込み、雄ロータ2側の作動室23g,23hは、吐出ポート11を介し吐出流路12に連通して圧縮ガスを吐出するようになっている。
雄ロータ1側の作動室22a〜22cにおける吸込ガス流速のロータ軸方向成分VMYと雌ロータ2側の作動室23a〜23cにおける吸込ガス流速のロータ軸方向成分VFYは、同じである。一方、雄ロータ1の回転速度が雌ロータ2の回転速度に比べて大きいため、雄ロータ1側の作動室22a〜22cにおける吸込ガス流速のロータ径方向成分VMXは雌ロータ2側の作動室23a〜23cにおける吸込ガス流速のロータ径方向成分VFXより大きくなる。したがって、雄ロータ1側の作動室22a〜22cにおける吸込ガス流速Vは、雌ロータ2側の作動室23a〜23cにおける吸込ガス流速Vより速くなる。そして、吸込流路9における吸入口7の近傍では、雄ロータ1側の作動室22a〜22cと雌ロータ側作動室23a〜23cによる吸込ガス流速の偏りの影響が小さいものの、吸込ポート8の近傍では、特に雄ロータ側の作動室22b,22cと雌ロータ側作動室23b,23cによる吸込ガス流速の偏りの影響を受けて、流れに乱れが生じやすくなっている。
そこで、本実施形態においては、前述の図1、図4、及び図5に示すように、吸込流路9は、雄ロータ1及び雌ロータ2の吸込側歯部端面に対向する流路壁面(詳細には、吸入側ケーシング4の端面)に立設された雄ロータ1側の案内羽根24a及び雌ロータ2側の案内羽根24bを有している。
雄ロータ1側の案内羽根24aは、雄ロータ1と雌ロータ2との軸心間方向(図5中上下方向)における中央部に上流側端部が位置し、この上流側端部より雄ロータ1と雌ロータ2との軸心間方向における雄ロータ1側(図5中下側)に下流側端部が位置するように延在し、かつ流路幅方向外側(図5中下側)に向かって凹状となるように曲線状に延在している。言い換えれば、雄ロータ1の歯20b,20cの間の歯底に向かって延在している。
雌ロータ2側の案内羽根24bは、雄ロータ1側の案内羽根24aに対し離間するとともに、雄ロータ1と雌ロータ2との軸心間方向における中央部に上流側端部が位置し、この上流側端部より雄ロータ1と雌ロータ2との軸心間方向における雌ロータ2側(図5中上側)に下流側端部が位置するように延在し、かつ流路幅方向外側(図5中上側)に向かって凹状となるように曲線状に延在している。言い換えれば、雌ロータ2の歯21b,21cの間の歯底に向かって延在している。
そして、雄ロータ1側の案内羽根24aの外側を流れたガスは、主として雄ロータ1側の作動室22b,22cへ案内されるようになっている。また、雌ロータ2側の案内羽根24bの外側を流れたガスは、主として雌ロータ2側の作動室23b,23cへ案内されるようになっている。また、雄ロータ1側の案内羽根24aと雌ロータ2側の案内羽根24bとの間を流れたガスは、雄ロータ1側の作動室22a及び雌ロータ2側の作動室23aへ案内されるようになっている。これにより、雄ロータ1側作動室と雌ロータ2側作動室による吸込ガス流速の偏りを要因とした流れの乱れを抑制することができ(いわゆる整流効果)、吸込損失を低減することができる。その結果、圧縮機効率を向上させることができる。
なお、上記第1の実施形態においては、吸込流路9は、雄ロータ1側の案内羽根24a及び雌ロータ2側の案内羽根24bを有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、雄ロータ1側作動室の吸込ガス流速が雌ロータ2側作動室の吸込ガス流速より速いことから、例えば雄ロータ1側の案内羽根24aのみとした場合でも、吸込損失を低減する効果を得ることができる。
本発明の第2の実施形態を図8により説明する。本実施形態は、雄ロータ1側の案内羽根24aの外側を流れる流路の断面積と雌ロータ2側の案内羽根24bの外側を流れる流路の断面積とを異ならせた実施形態である。なお、上記第1の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図8は、本実施形態におけるスクリュー圧縮機の構造を表す断面図であり、上記第1の実施形態における図5に相当する。
本実施形態では、吸込流路9は、雄ロータ1側の案内羽根24aの外側を流れる流路の断面積と雌ロータ2側の案内羽根24aの外側を流れる流路の断面積との比が、全体的に、雄ロータ1の回転速度と雌ロータ2の回転速度との逆比となるように形成している。すなわち、雄ロータ1側の案内羽根24aの外側を流れる流路の断面積Sを小さくし、雌ロータ2側の案内羽根24bの外側を流れる流路の断面積Sを大きくする。これにより、例えば雄ロータ1側の案内羽根24aの外側を流れる流路の断面積と雌ロータ2側の案内羽根24bの外側を流れる流路の断面積を等しくした場合に比べ、雄ロータ1側の案内羽根24aの外側の流路における流速を速くすることができる。したがって、雄ロータ1側作動室における吸込ポート8近傍での速度変化(言い換えれば、吸込流路側と作動室側との速度差)を低減することができ、吸込損失をさらに低減することができる。その結果、圧縮機効率を向上させることができる。
なお、上記第1及び第2の実施形態においては、雄ロータ1側の案内羽根24a及び雌ロータ2側の案内羽根24bは、流路断面幅方向外側に向かって凹状となるように曲線状に延在した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、雄ロータ1側の案内羽根24a及び雌ロータ2側の案内羽根24bのうちの一方又は両方を直線状に延在するようにしてもよい。このような変形例を図9及び図10により説明する。なお、本変形例において、上記第1の実施形態と同等の部分は、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図9及び図10は、本変形例におけるスクリュー圧縮機の構造を表す断面図であり、上記第1の実施形態における図4及び図5に相当する。
本変形例では、吸入口7は、雄ロータ1と雌ロータ2との軸心間方向に対して雌ロータ2側(図中上側)に約45度傾けた方向に開口している。そして、雄ロータ1側の案内羽根24aは、ほぼ直線状に延在している。このような変形例においても、上記第1の実施形態と同様、吸込損失を低減することができ、圧縮機効率を向上させることができる。
1 雄ロータ
2 雌ロータ
3 ケーシング
7 吸入口
8 吸込ポート
9 吸込流路
24a 雄ロータ側の案内羽根
24b 雌ロータ側の案内羽根

Claims (5)

  1. 互いに噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、前記雄ロータ及び前記雌ロータを収納して複数の作動室を形成するケーシングと、前記雄ロータ及び前記雌ロータの径方向外側に位置する吸入口と、前記雄ロータ及び前記雌ロータの吸込側歯部端面の近傍に位置して、複数の吸込行程の作動室に対しロータ軸方向のみを開口する吸込ポートと、前記吸入口と前記吸込ポートを連通する吸込流路とを備えたスクリュー圧縮機において、
    前記吸込流路は、
    前記雄ロータ及び前記雌ロータの吸込側歯部端面に対向する流路壁面に立設され、かつ前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向において、前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間に前記雄ロータへの流れと前記雌ロータへの流れを隔てるように構成されて、前記吸込行程の作動室への流れを案内する案内羽根を有することを特徴とするスクリュー圧縮機。
  2. 請求項1記載のスクリュー圧縮機において、前記吸込流路は、雄ロータ側の前記案内羽根を有しており、前記雄ロータ側の案内羽根は、前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向における中央部に上流側端部が位置し、この上流側端部より前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向における雄ロータ側に下流側端部が位置するように延在したことを特徴とするスクリュー圧縮機。
  3. 請求項2記載のスクリュー圧縮機において、前記吸込流路は、雌ロータ側の前記案内羽根をさらに有しており、前記雌ロータ側の案内羽根は、前記雄ロータ側の案内羽根に対し離間するとともに、前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向における中央部に上流側端部が位置し、この上流側端部より前記雄ロータと前記雌ロータとの軸心間方向における雌ロータ側に下流側端部が位置するように延在したことを特徴とするスクリュー圧縮機。
  4. 請求項3記載のスクリュー圧縮機において、前記吸込流路は、前記雄ロータ側の案内羽根の外側を流れる流路の断面積と前記雌ロータ側の案内羽根の外側を流れる流路の断面積との比が、前記雄ロータの回転速度と前記雌ロータの回転速度との逆比となるように形成したことを特徴とするスクリュー圧縮機。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項記載のスクリュー圧縮機において、前記案内羽根は、流路幅方向外側に向かって凹状となるように曲線状に延在したことを特徴とするスクリュー圧縮機。
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