JP2003286977A - スクリュ圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単且つ加工が容易な構成で、低コストに、
小吐出量・低圧域から大吐出量・高圧域にわたって所定
の全断熱効率が得られるスクリュ圧縮機を提供する。 【解決手段】 スクリュ状の歯すじで互いに噛み合う一
対のロータ３と、両ロータ３を収容するロータ室９及び
これと連通する流体の吸入口１１と吐出口１３を有する
ケーシング７を備え、吸入口１１から吸入した流体を各
ロータ３の歯すじとロータ室９との間で軸方向に移動さ
せながら圧縮し吐出口１３から吐出するスクリュ圧縮機
であって、開口部４１の回転方向縁部４３、４５を歯す
じの回転と反対方向に移動させて吐出の開始時期を早め
る副吐出口４７、４９を吐出口１３側に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、燃料電
池用の空気供給コンプレッサや、車両のスーパーチャー
ジャなどに用いられるスクリュ圧縮機に関する。 【０００２】 【従来の技術】特開平１０ー２２８８号公報に図５のよ
うなコンプレッサ２０１（スクリュ圧縮機）が記載され
ている。 【０００３】ケーシング２０３のロータ室２０５には、
スクリュ状の歯すじで互いに噛み合うロータ２０７、２
０９が収容されており、ケーシング２０３にはロータ室
２０５と連通する吸入口と吐出口が設けられている。 【０００４】ロータ２０７、２０９が回転すると、吸入
口から吸入された流体は軸方向に移動しながら容積が小
さくなる上記の噛み合い空間で圧縮され、吐出口から吐
出される。 【０００５】コンプレッサ２０１には油圧によって作動
するスライドバルブ機構２１１が設けられており、この
スライドバルブ機構２１１は、スライドバルブ２１３、
アンローダピストン２１５とアンローダシリンダ２１
７、スライドバルブ２１３とアンローダピストン２１５
とを連結するピストンロッド２１９、油圧ポンプの油圧
をアンローダシリンダ２１７に送る電磁弁２２１、電磁
弁２２１の開度を決めてアンローダシリンダ２１７に送
られる油圧とそのタイミングを調整するコントローラな
どから構成されている。 【０００６】アンローダシリンダ２１７に油圧が送られ
るとスライドバルブ２１３が移動操作され、この油圧を
調整することによってスライドバルブ２１３の開度（位
置）が制御されるようになっている。 【０００７】また、コンプレッサ２０１には、吐出側か
ら吸入側へ流体を戻す戻し流路が設けられており、スラ
イドバルブ２１３が移動操作されると、この戻し流路の
開度が変わって流体の戻り量と吐出量が制御され、コン
プレッサ２０１の小吐出量域で内部圧力比が過大になっ
て効率が低下するのを防止することができる。 【０００８】図６は、コンプレッサ２０１のようなスク
リュ圧縮機の効率を圧力比（縦軸）と流量Ｑ（横軸）と
の座標軸上に描いた等効率線図であり、長円で囲まれた
部分が全断熱効率ηｔ・ａｄを示す。 【０００９】このように各等効率線は圧力比（縦軸）方
向に縦長になっており、高い圧力比から低い圧力比まで
の広い圧力比範囲で効率が高く保たれるから、例えば、
コンプレッサ２０１をスーパーチャージャに用いた場
合、全負荷から部分負荷の広い範囲で高い効率が得ら
れ、エンジンの燃費低下を防止しながら充分な出力を得
ることができる。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】ところがコンプレッサ
２０１は、上記のように、コントローラによって電磁弁
２２１の開度を制御し、アンローダシリンダ２１７の作
動油圧および油圧供給のタイミングを設定するように構
成されており、それだけ構造が複雑で、コスト高であ
る。 【００１１】そこで、この発明は、簡単な構成で、低コ
ストに、小吐出量・低圧域から大吐出量・高圧域にわた
って所定の全断熱効率が得られるスクリュ圧縮機の提供
を目的とする。 【００１２】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１のスクリュ圧縮機は、スクリュ状の歯すじ
で互いに噛み合う一対のロータと、前記両ロータを収容
するロータ室及びこれと連通する流体の吸入口と吐出口
を有するケーシングを備え、前記吸入口から吸入した流
体を各ロータの歯すじとロータ室との間で軸方向に移動
させながら圧縮し前記吐出口から吐出するスクリュ圧縮
機であって、前記吐出口側に前記ロータの回転に伴う前
記歯すじの通過によって開放され流体を吐出する開口部
を備え、前記開口部の回転方向縁部を前記歯すじの回転
と反対方向に移動させて吐出の開始時期を早める副吐出
口を前記吐出口側に設けたことを特徴としている。 【００１３】このスクリュ圧縮機によれば、副吐出口を
設けることによって、歯すじの回転方向と反対方向に、
開口部の回転方向縁部を移動させたものであり、流体の
歯すじの通過タイミングを標準より早くすることができ
る。歯すじの通過タイミングを標準より早くすれば、流
体の吐出の開始時期がそれだけ早くなって内部圧力が下
がると共に、最高効率点は小容量低圧比側へ移行する。
この場合、低圧力で小吐出量のときは、副吐出口を設け
ることの効率に対する感度が高く影響が大きいが、高圧
力で大吐出量のときは、副吐出口を設けることの効率に
対する感度が低く影響が少ない。図６に示す従来の等効
率線の左下半部が波線２５１のように変化し、その結
果、小吐出量低圧力域から大吐出量高圧力域の間で、所
定の全断熱効率を得ることができる。 【００１４】このように本発明のスクリュ圧縮機は、所
定の効率範囲内で広い吐出量範囲にわたり吐出量に比例
する吐出圧力が得られ、燃料電池用の空気供給コンプレ
ッサに対する要求を満足することができる。 【００１５】また、本発明のスクリュ圧縮機は、高い圧
力比から低い圧力比までの広い圧力比範囲で高い効率が
得られるので、車両のスーパーチャージャに用いれば、
全負荷から部分負荷までの広い負荷範囲で効率が高く保
たれ、エンジンの燃費低下を防止しながら充分な出力を
得ることができる。 【００１６】また、開口部の回転方向縁部の位置を調整
する調整手段を設ける構成は、構造が簡単且つ加工が容
易であり、低コストに実施することができる。 【００１７】 【発明の実施の形態】図１〜図４によってコンプレッサ
１（本発明の第１実施形態：スクリュ圧縮機）の説明を
する。図１はコンプレッサ１の構成を示す断面図であ
り、図２は図１のＢ−Ｂ線の沿って切断した断面図、図
３は図２のＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図である。 【００１８】本実施形態のコンプレッサ１は電気自動車
用の燃料電池に用いられており、電動モータによって高
速で回転駆動され、燃料電池に多量の空気を供給するよ
うに構成されている。 【００１９】図１に示すように、コンプレッサ１は、入
力側のスクリュロータ（以下「ロータ」という）３、こ
れと噛み合った出力側のスクリュロータ３´（以下「ロ
ータ」という。但し、図１ではロータ３に隠れているの
で不図示）、ギヤケーシング５、コンプレッサーケーシ
ング７、ロータ室９、タイミングギア組、ロータ室９と
連通する吸入口１１と吐出口１３、継ぎ手１５を備えて
いる。 【００２０】ロータ３はロータ軸１７とロータ本体１９
とで構成されており、ロータ軸１７はロータ本体１９の
中心孔にネジ込まれ、互いの間に形成された大径と小径
の圧入部で圧入されている。ロータ本体１９にはスクリ
ュ状の歯すじ２１が形成されている。 【００２１】同様に、出力側のスクリュロータ３´もロ
ータ軸とロータ本体とで構成されており、ロータ軸はロ
ータ本体にネジ込まれ、大径と小径の圧入部で圧入され
ている。また、ロータ本体には、ロータ本体１９の歯す
じ２１と噛み合うスクリュ状の歯すじが形成されてい
る。 【００２２】各ロータ軸は、左端部をベアリング２３，
２３によってギヤケーシング５に支承されており、右端
部をローラベアリング２５によってコンプレッサケーシ
ング７に支承されている。 【００２３】ギヤケーシング５とコンプレッサケーシン
グ７はボルト２７で固定されている。ロータ室９はギヤ
ケーシング５とコンプレッサケーシング７の間に形成さ
れており、各ロータ本体はロータ室９に収容されてい
る。 【００２４】ロータ室９と各ロータ本体の間と、各ロー
タ本体の間には、互いの接触を防止しながら空気の洩れ
を最小限にするために適度な隙間が設けられている。 【００２５】ギヤケーシング５にはギア室２９が設けら
れており、ギア室２９にはオイル溜まりが形成されてい
る。 【００２６】また、各ロータ軸とギヤケーシング５との
間には接触型のシール３１が配置されており、ロータ室
９からギア室２９への空気漏れと、ギア室２９からロー
タ室９へのオイル洩れとを防止している。 【００２７】タイミングギア組はギア室２９に収容され
ており、互いに噛み合った大径のタイミングギヤ３５と
小径のタイミングギヤから構成されている。 【００２８】大径のタイミングギヤ３５はロータ３のロ
ータ軸１７に圧入されており、小径のタイミングギヤは
テーパーリング固定機構によって出力側のロータ軸に固
定されている。このテーパーリング固定機構は、各スク
リュロータの歯すじが互いに接触しないように、小径の
タイミングギヤを出力側ロータ軸にロックして回転方向
に位置決めする。 【００２９】吸入口１１はコンプレッサケーシング７の
軸方向に形成されており、吐出口１３はギヤケーシング
５とコンプレッサケーシング７に跨って形成され、径方
向に開放されている。 【００３０】継ぎ手１５は、電動モータの出力軸と入力
側のロータ軸１７とを連結しており、この出力軸とロー
タ軸１７とをセンターリングし、これらの芯ずれと、芯
ずれによるコンプレッサ１の振動を防止している。 【００３１】電動モータによってコンプレッサ１が駆動
されると、各ロータ３、３´はタイミングギア組によっ
て互いの歯すじを接触させずに噛み合いながら、図２の
矢印３７，３９のように反対方向に回転する。 【００３２】空気は、入力側のスクリュロータ３と出力
側のスクリュロータ３´の噛合い空間に連通している吸
入口１１から吸い込まれる。噛合い空間は、ロータ３と
ロータ３´同士およびコンプレッサケーシング７間の空
間であり、両ロータ３の回転と共にこの噛み合い空間が
最大になるまでの間、空気は吸入口１１から吸い込まれ
る。そして、噛合い空間が最大になったとき噛合い空間
は、コンプレッサケーシング７の内壁との間に閉じ込め
られた閉空間となって吸込工程が終了する。その後は、
圧縮工程が始まって、閉空間（噛合い空間）はロータ
３、ロータ３´の回転に伴い吐出口１３側へ移動しつつ
縮小し、内部圧縮される。 【００３３】一方、ロータ３、ロータ３´の上端部には
吐出口１３が設けられ、各スクリュロータの回転に伴
い、噛合い空間が吐出口１３の開口部４１に連通すると
吐出工程が始まり、内部圧縮された噛合い空間から吐き
出され、圧縮工程が終了する。 【００３４】このコンプレッサ１では、図２の２点鎖線
で示す回転方向縁部４３，４５の従来の（標準の）回転
方向縁部に隣接して副吐出口４７，４９を設けており、
副吐出口４７，４９を設けたことによって、回転方向縁
部４３，４５が各歯すじの回転と反対方向に移動し、回
転方向縁部５１，５３が形成されている。そして、開口
部４１の回転方向縁部を、従来の開口縁部４３，４５か
ら回転と反対方向の縁部５１，５３にまで移動させたこ
とにより、これらの間に生じる回転方向の寸法差５５
（図３）だけ圧縮空気の吐出開始時期が早くなる。 【００３５】吐出口１３からの空気の吐出開始時期が早
くなると、コンプレッサケーシング７内の内部圧力が下
がり、内部圧力が下がると最高効率点が小容量低圧力比
側へ移行する。なお、これと逆に、吐出口１３からの吐
出開始時期を若干遅らせるとケーシング７内の内部圧力
が上がり、内部圧力が上がると最高効率点が大容量高圧
力比側へ移行する。 【００３６】この場合、低圧力で小吐出量のときは、副
吐出口４７、４９を設けることの効率に対する感度が高
く影響が大きいが、高圧力で大吐出量のときは、副吐出
口４７、４９を設けることの効率に対する感度が低く影
響が少ない。 【００３７】従って、本実施形態では、従来の回転方向
縁部４３、４５を、副吐出口４７、４９を設けて回転方
向縁部５１、５３とすることにより吐出開始時期を早め
ることで、低圧力で小吐出領域から高圧力で大吐出領域
まで、高い効率を得ることが可能となる。 【００３８】これを図４に示すコンプレッサの等効率曲
線を用いて説明する。同図において、横軸は吐出量
（Ｑ）を、縦軸は吸入口１１側の吸い込み圧力に対する
吐出口１３からの吐出圧力の圧力比（Ｐ_１／Ｐ_０）を示
しηｔ・ａｄは全断熱効率を示す。同図に示すように、
開口部４１に、副吐出口４７、４９を設けることによ
り、吐出開始時期が早まり、これによって低圧力で小吐
出量の場合の効率は、全断熱効率を示す等効率線の左下
半分（矢印５７で示す範囲）が図４において左下側へ移
行する。 【００３９】従って、上記したように低圧力で小吐出量
域では、吐出開示時期を適切に早めることにより、過圧
縮にならずに、適切な低吐出圧を所定の効率で得られ、
また、大吐出量域ではより高吐出圧を所定の効率で得る
ことができ、例えば燃料電池の空気供給用のコンプレッ
サに要求される特性を満たすことができる。 【００４０】また、開口部４１に副吐出口４７，４９を
設けて回転方向縁部の位置を調整するコンプレッサ１の
構成は、構造が簡単であり、低コストに実施することが
できる。 【００４１】なお、副吐出口４７，４９は、コンプレッ
サ１のように、開口部４１と一体の開口を持つもので
も、あるいは、別の開口を持つものでもよい。 【００４２】また、本発明のスクリュ圧縮機は、上記の
ように、副吐出口４７、４９を設けたことにより、高い
圧力比から低い圧力比までの広い圧力比範囲で高い効率
が得られるので、車両のスーパーチャージャに用いた場
合、全負荷から部分負荷までの広い負荷範囲で効率が高
く保たれ、エンジンの燃費低下を防止しながら充分な出
力が得られる。 【００４３】また、本発明のスクリュ圧縮機は、コンプ
レッサとしてだけでなく、流体圧を与えて回転を取り出
すタービン（膨張機）として用いてもよい。 【００４４】 【発明の効果】請求項１の発明によれば、副吐出口を設
けることによって、流体の歯すじの通過タイミングを標
準より早くすることにより、流体の吐出の開始時期がそ
れだけ早くなって内部圧力が下がると共に、最高効率点
は低圧比側へ移行しながら若干低下し、この場合、低圧
力で小吐出量のときは、副吐出口４７、４９を設けるこ
との効率に対する感度が高く影響が大きいが、高圧力で
大吐出量のときは、副吐出口４７、４９を設けることの
効率に対する感度が低く影響が少ない。小吐出量低圧力
域から大吐出量高圧力域の間で、所定の全断熱効率を得
ることができる。 【００４５】また、所定の効率範囲内で広い吐出量範囲
にわたり吐出量に比例する吐出圧力が得られ、燃料電池
用の空気供給コンプレッサに対する要求を満足する。 【００４６】さらに、高い圧力比から低い圧力比までの
広い圧力比範囲で高い効率が得られるので、車両のスー
パーチャージャに用いれば、全負荷から部分負荷までの
広い負荷範囲で効率が高く保たれ、エンジンの燃費低下
を防止しながら充分な出力が得られる。 【００４７】また、開口部の回転方向縁部の位置を調整
する調整手段を設ける構成は、構造が簡単であり、ま
た、加工が非常に容易であるために低コストに実施する
ことができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施形態を示す図面であり、図２のＡ
−Ａ断面図である。 【図２】図１のＢ−Ｂ断面図である。 【図３】図２のＣ−Ｃ断面図である。 【図４】各実施形態の特性を示すグラフである。 【図５】従来例の断面図である。 【図６】従来例の特性を示すグラフである。 【符号の説明】 １ コンプレッサ（スクリュ圧縮機） ３ 入力側のスクリュロータ ５ ギアケーシング（ケーシング） ７ コンプレッサケーシング（ケーシング） ９ ロータ室 １１ 吸入口 １３ 吐出口 ２１ 歯すじ ４１ 開口部 ４７，４９ 副吐出口 ５１，５３ 吐出の開始時期を早める回転方向縁部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 光 栃木県栃木市大宮町2388番地 栃木富士産 業株式会社内 (72)発明者 荒巻 和喜 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3H029 AA03 AA17 AB02 BB42 BB43 CC03 CC06 CC25 CC85

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 スクリュ状の歯すじで互いに噛み合う一
   対のロータと、 前記両ロータを収容するロータ室及びこれと連通する流
   体の吸入口と吐出口を有するケーシングを備え、前記吸
   入口から吸入した流体を各ロータの歯すじとロータ室と
   の間で軸方向に移動させながら圧縮し前記吐出口から吐
   出するスクリュ圧縮機であって、前記吐出口側に前記ロ
   ータの回転に伴う前記歯すじの通過によって開放され流
   体を吐出する開口部を備え、前記開口部の回転方向縁部
   を前記歯すじの回転と反対方向に移動させて吐出の開始
   時期を早める副吐出口を前記吐出口側に設けたことを特
   徴とするスクリュ圧縮機。