JP7189749B2

JP7189749B2 - スクリュー圧縮機

Info

Publication number: JP7189749B2
Application number: JP2018227315A
Authority: JP
Inventors: 紘太郎千葉; 正彦高野; 茂幸頼金; 謙次森田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2038-12-04
Also published as: US20220049700A1; WO2020116007A1; CN113167275A; JP2021028474A; TW202022233A; TWI720701B

Description

本発明は、ロータ径方向の外側に位置する吸込口と、作動室に対してロータ軸方向に連通する吸込流路とを有する、スクリュー圧縮機に関する。

特許文献１に記載のスクリュー圧縮機は、歯部を有する雄ロータと、雄ロータの歯部と噛み合う歯部を有する雌ロータと、雄ロータ及び雌ロータを収容するケーシングとを備える。

ケーシングは、雄ロータの歯部及び雌ロータの歯部を収容してそれらの歯溝に雄ロータ側の作動室及び雌ロータ側の作動室を形成するボアを有する。また、ケーシングは、雄ロータの歯部及び雌ロータの歯部よりロータ径方向の外側に位置する吸込口と、吸込口と吸込行程の作動室を接続するように形成された吸込流路とを有する。また、ケーシングは、雄ロータの歯部及び雌ロータの歯部よりロータ径方向の外側に位置する吐出口と、吐出口と吐出行程の作動室を接続するように形成された吐出流路とを有する。

作動室は、ロータ軸方向の一方側から他方側に移動しつつ、その容積が変化する。これにより、作動室は、吸込流路を介して吸込口から気体を吸込む吸込行程と、気体を圧縮する圧縮行程と、吐出流路を介して吐出口へ圧縮気体を吐出する吐出行程を順次行うようになっている。

吸込流路は、吸込行程の作動室に対してロータ軸方向に連通する。また、吸込流路は、雄ロータ側、かつ雄ロータの中心軸及び雌ロータの中心軸を通る仮想平面より下流側（言い換えれば、吸込口とは反対側）にある雄ロータ側吸込流路と、雌ロータ側、かつ前述した仮想平面より下流側にある雌ロータ側吸込流路とを有する。

特開２０１２－０４１９１０号公報（例えば、図８、図９参照）

特許文献１では、雄ロータ側吸込流路のロータ径方向外側の流路壁（但し、作動室に気体を閉じ込めるための部分を除く）は、ボアの壁よりロータ径方向の外側に位置する。そのため、雄ロータ側吸込流路から雄ロータ側作動室に向かう気体の流れの成分として、ロータ径方向の成分が生じ、圧力損失の増加の要因となっている。

同様に、雌ロータ側吸込流路のロータ径方向外側の流路壁（但し、作動室に気体を閉じ込めるための壁部分を除く）は、ボアの壁よりロータ径方向の外側に位置する。そのため、雌ロータ側吸込流路から雌ロータ側作動室に向かう気体の流れの成分として、ロータ径方向の成分が生じ、圧力損失の増加の要因となっている。

本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、吸込流路の圧力損失を低減することを課題の一つとするものである。

上記課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。本発明は、上記課題を解決するための手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、歯部を有する雄ロータと、前記雄ロータの歯部と噛み合う歯部を有する雌ロータと、前記雄ロータ及び前記雌ロータを収容するケーシングとを備え、前記ケーシングは、前記雄ロータの歯部及び前記雌ロータの歯部を収容してそれらの歯溝に雄ロータ側の作動室及び雌ロータ側の作動室を形成するボアと、前記雄ロータの歯部及び前記雌ロータの歯部よりロータ径方向の外側に位置する吸込口と、前記吸込口と吸込行程の作動室を接続するように形成され、前記吸込行程の作動室に対してロータ軸方向に連通する吸込流路とを有し、前記吸込流路は、前記雄ロータ側、かつ前記雄ロータの中心軸及び前記雌ロータの中心軸を通る仮想平面より下流側にある雄ロータ側吸込流路と、前記雌ロータ側、かつ前記仮想平面より下流側にある雌ロータ側吸込流路とを有する、スクリュー圧縮機において、前記雄ロータ側吸込流路は、少なくともロータ軸方向における前記雄ロータの歯部の吸込側端面から前記歯部の軸方向ピッチの半分の範囲にて、ロータ径方向外側の流路壁が、ロータ軸方向から見て前記ボアの壁と同じ位置になるように形成され、かつ、少なくとも前記雄ロータの回転方向における前記仮想平面から前記雄ロータの歯部の回転方向ピッチの範囲にて、前記雄ロータの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積が、前記雄ロータ側の各作動室のロータ径方向断面の面積と同じになるように形成される。

本発明によれば、吸込流路の圧力損失を低減することができる。

なお、上記以外の課題、構成及び効果は、以下の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態における給油式のスクリュー圧縮機の構成を表す概略図である。本発明の一実施形態における圧縮機本体の構造を表す鉛直断面図である。図２の断面III－IIIによる水平断面図である。図２の断面IV－IVによる鉛直断面図である。図２の断面Ｖ－Ｖによる鉛直断面図である。本発明の一変形例における圧縮機本体の構造を表す水平断面図である。

本発明の一実施形態を、図１～図５を用いて説明する。

本実施形態のスクリュー圧縮機は、モータ１と、モータ１によって駆動され、空気（気体）を圧縮する圧縮機本体２と、圧縮機本体２から吐出された圧縮空気とこれに含まれる油（液体）を分離する気液分離器３と、気液分離器３で分離された油を圧縮機本体２（詳細には、後述する作動室、吸入側軸受、及び吐出側軸受）に供給する油配管４とを備える。油配管４には、油を冷却するオイルクーラ５や、油中の不純物を除去するオイルフィルタ６等が設けられている。

圧縮機本体２は、スクリューロータである雄ロータ１１Ａ及び雌ロータ１１Ｂと、雄ロータ１１Ａ及び雌ロータ１１Ｂを収納するケーシング１２とを備える。

雄ロータ１１Ａは、螺旋状に延在する複数（本実施形態では４つ）の歯を有する歯部１３Ａと、歯部１３Ａの軸方向一方側（図２及び図３の左側）に接続された吸入側軸部１４Ａと、歯部１３Ａの軸方向他方側（図２及び図３の右側）に接続された吐出側軸部１５Ａとを有する。雄ロータ１１Ａの吸入側軸部１４Ａは吸入側軸受１６Ａで回転可能に支持され、雄ロータ１１Ａの吐出側軸部１５Ａは吐出側軸受１７Ａで回転可能に支持されている。

同様に、雌ロータ１１Ｂは、螺旋状に延在する複数（本実施形態では６つ）の歯を有する歯部１３Ｂと、歯部１３Ｂの軸方向一方側（図２及び図３の左側）に接続された吸入側軸部１４Ｂと、歯部１３Ｂの軸方向他方側（図２及び図３の右側）に接続された吐出側軸部１５Ｂとを有する。雌ロータ１１Ｂの吸入側軸部１４Ｂは吸入側軸受１６Ｂで回転可能に支持され、雌ロータ１１Ｂの吐出側軸部１５Ｂは吐出側軸受１７Ｂで回転可能に支持されている。

雄ロータ１１Ａの吸入側軸部１４Ａは、ケーシング１２を貫通して、モータ１の回転軸に連結されている。そして、モータ１の駆動によって雄ロータ１１Ａが回転し、雄ロータ１１Ａの歯部１３Ａと雌ロータ１１Ｂの歯部１３Ｂの噛み合いによって雌ロータ１１Ｂも回転するようになっている。

ケーシング１２は、メインケーシング１８と、メインケーシング１８の軸方向一方側（図２及び図３の左側）に連結された吸入側ケーシング１９と、メインケーシング１８の軸方向他方側（図２及び図３の右側）に連結された吐出側ケーシング２０とで構成されている。

ケーシング１２は、雄ロータ１１Ａの歯部１３Ａ及び雌ロータ１１Ｂの歯部１３Ｂを収納してそれらの歯溝に雄ロータ側の作動室及び雌ロータ側の作動室を形成するボア２１を有する。ボア２１は、雄ロータ１１Ａの歯部１３Ａ及び雌ロータ１１Ｂの歯部１３Ｂをそれぞれ収納する２つの円筒状の穴が互いに部分的に重なって構成されている（図５参照）。

ケーシング１２は、雄ロータ１１Ａの歯部１３Ａ及び雌ロータ１１Ｂの歯部１３Ｂよりロータ径方向の外側（図２の上側）に位置する吸込口２２と、吸込口２２と吸込行程の作動室を接続するように形成された吸込流路２３とを有する。ボア２１、吸込口２２、及び吸込流路２３は、メインケーシング１８に形成されている。

ケーシング１２は、雄ロータ１１Ａの歯部１３Ａ及び雌ロータ１１Ｂの歯部１３Ｂよりロータ径方向の外側（図２の下側）に位置する吐出口２４と、吐出口と吐出行程の作動室を接続するように形成された吐出流路２５とを有する。吐出口２４は、吐出側ケーシング２０に形成され、吐出流路２５は、吐出側ケーシング２０及びメインケーシング１８に形成されている。

作動室は、ロータ軸方向の一方側から他方側に移動しつつ、その容積が変化する。これにより、作動室は、吸込流路２３を介して吸込口２２から気体を吸込む吸込行程と、気体を圧縮する圧縮行程と、吐出流路２５を介して吐出口２４へ圧縮気体を吐出する吐出行程を順次行うようになっている。

吸込流路２３は、吸込行程の作動室に対してロータ軸方向に連通する。また、吸込流路２３は、雄ロータ１１Ａ側、かつ雄ロータ１１Ａの中心軸Ｏ１及び雌ロータ１１Ｂの中心軸Ｏ２を通る仮想平面Ｃより下流側（言い換えれば、吸込口２２とは反対側）にある雄ロータ側吸込流路２６Ａと、雌ロータ１１Ｂ側、かつ仮想平面Ｃより下流側にある雌ロータ側吸込流路２６Ｂとを有する（図３及び図４参照）。

ここで本実施形態の大きな特徴として、雄ロータ側吸込流路２６Ａのロータ径方向外側の流路壁２７Ａ（但し、作動室に気体を閉じ込めるための部分２８を除く）は、少なくともロータ軸方向における雄ロータ１１Ａの歯部１３Ａの吸込側端面から歯部１３Ａの軸方向ピッチＰ１（図３参照）の半分の範囲にて（具体例として、図３ではＰ１×０．８＝Ｒ１の範囲にて、後述の図６ではＰ１×０．５＝Ｒ１の範囲にて）、ロータ軸方向から見てボア２１の壁と同じ位置になるように形成されている。なお、歯部の軸方向ピッチとは、ロータ軸方向における歯先の間隔を意味する。また、加工誤差等を考慮するため、流路壁２７Ａがロータ軸方向から見てボア２１の壁と同じ位置になるとは、雄ロータ１１Ａの中心軸Ｏ１を基準とした流路壁２７Ａの半径方向位置がボア２１の壁の半径方向位置の９５％～１０５％の範囲内にあるものとする。

また、雌ロータ側吸込流路２６Ｂのロータ径方向外側の流路壁２７Ｂ（但し、作動室に気体を閉じ込めるための部分２８を除く）は、少なくともロータ軸方向における雌ロータ１１Ｂの歯部１３Ｂの吸込側端面から歯部１３Ｂの軸方向ピッチＰ２（但し、Ｐ１＝Ｐ２。図３参照）の半分の範囲にて（具体例として、図３ではＰ２×０．８＝Ｒ２の範囲にて、後述の図６ではＰ２×０．５＝Ｒ２の範囲にて）、ロータ軸方向から見てボア２１の壁と同じ位置になるように形成されている。なお、加工誤差等を考慮するため、流路壁２７Ｂがロータ軸方向から見てボア２１の壁と同じ位置になるとは、雌ロータ１１Ｂの中心軸Ｏ２を基準とした流路壁２７Ｂの半径方向位置がボア２１の壁の半径方向位置の９５％～１０５％の範囲内にあるものとする。

このような実施形態では、雄ロータ側吸込流路２６Ａから雄ロータ側作動室に向かう気体の流れの成分として、ロータ径方向の成分が生じにくいため、圧力損失を低減することができる。また、雌ロータ側吸込流路２６Ｂから雌ロータ側作動室に向かう気体の流れの成分として、ロータ径方向の成分が生じにくいため、圧力損失を低減することができる。その結果、吸気流量の増大や、動力の低減を図ることができる。

また、流路壁２７Ａ，２７Ｂがボア２１の壁よりロータ径方向の外側に位置する場合と比べて、圧縮機本体２の停止時に雄ロータ側吸込流路２６Ａ及び雌ロータ側吸込流路２６Ｂの下部に油が溜まるのを抑制することができる。そのため、雄ロータ側吸込流路２６Ａ及び雌ロータ側吸込流路２６Ｂの下部に溜まる油の影響による圧力損失も抑えることができる。

流路壁２７Ａ，２７Ｂがロータ軸方向から見てボア２１の壁と同じ位置になる範囲として、少なくともロータ軸方向におけるロータの歯部の吸込側端面から歯部の軸方向ピッチの半分の範囲とした理由について補足する。スクリュー圧縮機の体積効率の観点から、雄ロータ側作動室のロータ軸方向断面（言い換えれば、ロータ軸方向に延在する断面）の面積に対する雄ロータ側吸込流路２６Ａのロータ軸方向断面の面積や、雌ロータ側作動室のロータ軸方向断面の面積に対する雌ロータ側吸込流路２６Ｂのロータ軸方向断面の面積を考慮する必要がある。雄ロータ側作動室のロータ軸方向断面の面積は、例えば（雄ロータの歯の外径と軸の外径との差分）×軸方向ピッチ÷２で表されるので、雄ロータ側吸込流路２６Ａのロータ軸方向断面の面積は、少なくとも（雄ロータの歯の外径と軸の外径との差分）×軸方向ピッチ÷２を確保したほうがよい。同様に、雌ロータ側作動室のロータ軸方向断面の面積は、例えば（雌ロータの歯の外径と軸の外径との差分）×軸方向ピッチ÷２で表されるので、雌ロータ側吸込流路２６Ｂのロータ軸方向断面の面積は、少なくとも（雌ロータの歯の外径と軸の外径との差分）×軸方向ピッチ÷２を確保したほうがよい。このような観点から、少なくともロータ軸方向におけるロータの歯部の吸込側端面から歯部の軸方向ピッチの半分の範囲にて、雄ロータ側吸込流路２６Ａ又は雌ロータ側吸込流路２６Ｂに特徴をもたせないと、その効果が十分に得られない。

なお、上記一実施形態において、雄ロータ側吸込流路２６Ａは、雄ロータ１１Ａの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積Ｖ１（図３参照）が、雄ロータ側の各作動室のロータ径方向断面（言い換えれば、ロータ径方向に延在する断面）の面積Ｓ１（図５参照）より大きくなるように形成され、雌ロータ側吸込流路２６Ｂは、雌ロータ１１Ｂの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積Ｖ２（図３参照）が、雌ロータ側の各作動室のロータ径方向断面の面積Ｓ２（図５参照）より大きくなるように形成された場合を例にとって示したが、これに限られない。本発明の一変形例を、図６を用いて説明する。図６は、本変形例における圧縮機本体の構造を表す水平断面図である。

本変形例では、雄ロータ側吸込流路２６Ａは、少なくとも雄ロータ１１Ａの回転方向における仮想平面Ｃから雄ロータ１１Ａの歯部１３Ａの回転方向ピッチ（本実施形態では９０度）の範囲にて、雄ロータ１１Ａの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積Ｖ１（図６参照）が、雄ロータ側の各作動室のロータ径方向の断面積Ｓ１（図５参照）と同じになるように形成されている。なお、歯部の回転方向ピッチとは、ロータ回転方向における隣り合う歯先の間の角度を意味する。また、加工誤差等を考慮するため、面積Ｖ１が面積Ｓ１と同じであるとは、面積Ｖ１が面積Ｓ１の９５％～１０５％の範囲内にあるものとする。

また、雌ロータ側吸込流路２６Ｂは、少なくとも雌ロータ１１Ｂの回転方向における仮想平面Ｃから雌ロータ１１Ｂの歯部１３Ｂの回転方向ピッチ（本実施形態では４５度）の範囲にて、雌ロータ１１Ｂの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積Ｖ２（図６参照）が、雌ロータ側の各作動室のロータ径方向断面の面積Ｓ２（図５参照）と同じになるように形成されている。なお、加工誤差等を考慮するため、面積Ｖ２が面積Ｓ２と同じであるとは、面積Ｖ２が面積Ｓ２の９５％～１０５％の範囲内にあるものとする。

このような変形例では、雄ロータ側吸込流路２６Ａ内の流速の変化や、雄ロータ側吸込流路２６Ａから雄ロータ側作動室への流速の変化を抑えて、圧力損失を更に低減することができる。また、雌ロータ側吸込流路２６Ｂ内の流速の変化や、雌ロータ側吸込流路２６Ｂから雌ロータ側作動室への流速の変化を抑えて、圧力損失を更に低減することができる。

なお、上記一実施形態においては、雄ロータ側吸込流路２６Ａと雌ロータ側吸込流路２６Ｂの両方が、第１の特徴（詳細には、少なくともロータ軸方向における歯部の吸込側端面から歯部の軸方向ピッチの半分の範囲にて、ロータ径方向外側の流路壁が、ロータ軸方向から見てボア２１の壁と同じ位置になるように形成された特徴）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、雄ロータ側吸込流路２６Ａと雌ロータ側吸込流路２６Ｂのうちの一方だけが、第１の特徴を有してもよい。

また、上記一変形例においては、雄ロータ側吸込流路２６Ａと雌ロータ側吸込流路２６Ｂの両方が、第１の特徴と第２の特徴（詳細には、少なくともロータ回転方向における仮想平面Ｃから歯部の回転方向ピッチの範囲にて、ロータの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積が、各作動室のロータ径方向断面の面積と同じになるように形成された特徴）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、例えば、雄ロータ側吸込流路２６Ａと雌ロータ側吸込流路２６Ｂのうちの一方だけが、第１の特徴と第２の特徴を有してもよい。また、例えば、雄ロータ側吸込流路２６Ａと雌ロータ側吸込流路２６Ｂの両方が、第１の特徴を有し、雄ロータ側吸込流路２６Ａと雌ロータ側吸込流路２６Ｂのうちの一方だけが、第２の特徴を有してもよい。

また、本発明の適用対象として、給油式の（詳細には、作動室内に油を供給する）スクリュー圧縮機を例にとって説明したが、これに限られず、給水式の（詳細には、作動室内に水を供給する）スクリュー圧縮機や、無給液式の（詳細には、作動室内に油や水などの液体を供給しない）スクリュー圧縮機であってもよい。

１１Ａ…雄ロータ、１１Ｂ…雌ロータ、１２…ケーシング、１３Ａ，１３Ｂ…歯部、２１…ボア、２２…吸込口、２３…吸込流路、２６Ａ…雄ロータ側吸込流路、２６Ｂ…雌ロータ側吸込流路、２７Ａ…雄ロータ側吸込流路のロータ径方向外側の流路壁、２７Ｂ…雌ロータ側吸込流路のロータ径方向外側の流路壁

Claims

歯部を有する雄ロータと、前記雄ロータの歯部と噛み合う歯部を有する雌ロータと、前記雄ロータ及び前記雌ロータを収容するケーシングとを備え、
前記ケーシングは、前記雄ロータの歯部及び前記雌ロータの歯部を収容してそれらの歯溝に雄ロータ側の作動室及び雌ロータ側の作動室を形成するボアと、前記雄ロータの歯部及び前記雌ロータの歯部よりロータ径方向の外側に位置する吸込口と、前記吸込口と吸込行程の作動室を接続するように形成され、前記吸込行程の作動室に対してロータ軸方向に連通する吸込流路とを有し、
前記吸込流路は、前記雄ロータ側、かつ前記雄ロータの中心軸及び前記雌ロータの中心軸を通る仮想平面より下流側にある雄ロータ側吸込流路と、前記雌ロータ側、かつ前記仮想平面より下流側にある雌ロータ側吸込流路とを有する、スクリュー圧縮機において、
前記雄ロータ側吸込流路は、
少なくともロータ軸方向における前記雄ロータの歯部の吸込側端面から前記歯部の軸方向ピッチの半分の範囲にて、ロータ径方向外側の流路壁が、ロータ軸方向から見て前記ボアの壁と同じ位置になるように形成され、かつ、
少なくとも前記雄ロータの回転方向における前記仮想平面から前記雄ロータの歯部の回転方向ピッチの範囲にて、前記雄ロータの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積が、前記雄ロータ側の各作動室のロータ径方向断面の面積と同じになるように形成されたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
請求項１に記載のスクリュー圧縮機において、
前記雌ロータ側吸込流路は、少なくともロータ軸方向における前記雌ロータの歯部の吸込側端面から前記歯部の軸方向ピッチの半分の範囲にて、ロータ径方向外側の流路壁が、ロータ軸方向から見て前記ボアの壁と同じ位置になるように形成されたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
請求項２に記載のスクリュー圧縮機において、
前記雌ロータ側吸込流路は、少なくとも前記雌ロータの回転方向における前記仮想平面から前記雌ロータの歯部の回転方向ピッチの範囲にて、前記雌ロータの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積が、前記雌ロータ側の各作動室のロータ径方向断面の面積と同じになるように形成されたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
歯部を有する雄ロータと、前記雄ロータの歯部と噛み合う歯部を有する雌ロータと、前記雄ロータ及び前記雌ロータを収容するケーシングとを備え、
前記ケーシングは、前記雄ロータの歯部及び前記雌ロータの歯部を収容してそれらの歯溝に雄ロータ側の作動室及び雌ロータ側の作動室を形成するボアと、前記雄ロータの歯部及び前記雌ロータの歯部よりロータ径方向の外側に位置する吸込口と、前記吸込口と吸込行程の作動室を接続するように形成され、前記吸込行程の作動室に対してロータ軸方向に連通する吸込流路とを有し、
前記吸込流路は、前記雄ロータ側、かつ前記雄ロータの中心軸及び前記雌ロータの中心軸を通る仮想平面より下流側にある雄ロータ側吸込流路と、前記雌ロータ側、かつ前記仮想平面より下流側にある雌ロータ側吸込流路とを有する、スクリュー圧縮機において、
前記雌ロータ側吸込流路は、
少なくともロータ軸方向における前記雌ロータの歯部の吸込側端面から前記歯部の軸方向ピッチの半分の範囲にて、ロータ径方向外側の流路壁が、ロータ軸方向から見て前記ボアの壁と同じ位置になるように形成され、かつ、
少なくとも前記雌ロータの回転方向における前記仮想平面から前記雌ロータの歯部の回転方向ピッチの範囲にて、前記雌ロータの各半径方向に沿って切断されたロータ軸方向断面である各流路断面の面積が、前記雌ロータ側の各作動室のロータ径方向断面の面積と同じになるように形成されたことを特徴とするスクリュー圧縮機。