JP2005233027A - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡略な構成で脈動騒音を低減可能なスクリュー圧縮機を提供する。
【解決手段】 ハウジング７、８内でロータ１、２を回転させることで、気体を圧縮して吐出するスクリュー圧縮機において、ロータ２の吐出口７ｂ側の端面に、ロータ２と同期回転するとともにロータ２の端面を覆うような内部圧力調整部材３０を設ける。内部圧力調整部材３０は、少なくとも１組の、ハウジング内部の圧縮空間とハウジング外部の吐出口下流側とを連通させる連通口３０ａと、連通口３０ａの面積を変化させる弁体３０ｂとを有し、 弁体３０ｂは、ロータ２の回転が速くなるに伴って連通口３０ａの開口面積を小さくし、ロータ２の回転が遅くなるに伴って連通口３０ａの開口面積を大きくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部から気体を取り込み圧縮して吐出するスクリュー圧縮機に関するものである。

スクリュー型の容積型圧縮機では、ロータを回転させることにより、圧縮室を吐出口側に移動させながら圧縮室の体積を徐々に縮小させていくが、ロータの回転数が増大して流量が増大すると、吐出圧が高くなるため、吐出圧が圧縮室から気体が吐出される際の気体の圧力（以下、この圧力を内部圧力という。）より大きくなってしまう。

そして、吐出圧が内部圧力より大きくなってしまうと、圧縮室と吐出口とが連通したときに、吐出口側から圧縮室側に気体が流れてしまうので、吐出圧が周期的に変動して脈動が発生し、脈動騒音が発生してしまう。このような問題に対し、圧縮機の内部圧縮比を制御して吐出圧と内部圧力を近づけるための可変ポートを設けることで、脈動騒音を小さくする圧縮機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−３１７６７６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の圧縮機では、圧縮機とは独立して駆動できるポートが必要となり、構成が複雑になるという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、簡略な構成で脈動騒音を低減可能なスクリュー圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ハウジング（７、８）内で少なくとも１つのロータ（１、２）を回転させることで、ハウジング（７、８）内の圧縮空間を縮小して圧縮空間内の気体を圧縮し、ハウジングに設けられた吐出口（７ｂ）から圧縮された気体を吐出するスクリュー圧縮機であって、ロータ（２）の吐出口（７ｂ）側の回転軸方向端面に、ロータ（２）と同期回転するとともにロータ（２）の回転軸方向端面を覆うような内部圧力調整部材（３０）が配置されており、内部圧力調整部材（３０）は、少なくとも１組の、ハウジング内部の圧縮空間とハウジング外部の吐出口下流側とを連通させることができる連通口（３０ａ）と、連通口（３０ａ）の開口面積を変化させる弁体（３０ｂ）とを有し、弁体（３０ｂ）は、ロータ（２）の回転が速くなるに伴って連通口（３０ａ）の開口面積を小さくし、ロータ（２）の回転が遅くなるに伴って連通口（３０ａ）の開口面積を大きくするように構成されていることを特徴としている。

これにより、ロータ（１、２）が低速回転している場合には吐出圧が低いので、連通口（３０ａ）の開口面積を大きくして内部圧力を低くすることで、供給圧と内部圧力との圧力差を小さくすることができる。また、ロータ（１、２）が高速回転している場合には、気体被供給装置の圧力損失等により吐出圧が高くなっているので、連通口（３０ａ）の開口面積を小さくして内部圧力を高くすることで、供給圧と内部圧力との圧力差を小さくすることができる。このような内部圧力調整部材（３０）を設けるだけの簡略な構成で、脈動騒音を低減できる。

また、請求項２に記載の発明では、弁体（３０ｂ）は、内部圧力調整部材（３０）の径方向に移動可能であり、内部圧力調整部材（３０）の回転軸に近い方向に移動した場合に連通口（３０ａ）の開口面積を大きくし、内部圧力調整部材（３０）の回転軸から遠い方向に移動した場合に連通口（３０ａ）の面積を小さくするように構成され、内部圧力調整部材（３０）の回転軸に近い方向に向かって弾性部材（３０ｃ）の弾性力が作用していることを特徴としている。

このような構成により、弾性部材（３０ｃ）の弾性力と、回転により生じる遠心力を利用して、ロータ（１、２）が低速回転している際には、連通口（３０ａ）の開口面積を大きくし、ロータ（１、２）の回転速度が速くなるにしたがって、連通口（３０ａ）の開口面積を小さくすることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、連通口（３０ａ）および弁体（３０ｂ）は、ロータ（２）に形成されている歯先（２ｂ）の間に形成される溝空間（２ｄ）の数と同一数設けることで、すべての溝空間（２ｄ）の内部圧力と吐出圧とを近づけることができる。

また、請求項４に記載の発明では、連通口（３０ａ）における内部圧力調整部材（３０）の径方向と直交する方向の長さは、溝空間（２ｄ）における内部圧力調整部材（３０）の径方向と直交する方向の長さより短くなっていることを特徴としている。これにより、隣り合う溝空間（２ｄ）が連通して発生する気体漏れを防止し、流量性能が低下することを防止できる。

また、請求項５に記載の発明では、連通口（３０ａ）における内部圧力調整部材（３０）の回転軸に最も近い部位は、溝空間（２ｄ）のうち内部圧力調整部材（３０）の回転軸に最も近い部位より、内部圧力調整部材（３０）の回転軸に近くなっていることを特徴としている。これにより、連通口（３０ａ）の開口面積を大きくした際に、効果的に内部圧力と吐出圧とを近づけることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、本発明のスクリュー圧縮機を、図示しない気体被供給装置に気体を供給する気体供給装置として適用したものである。図１はスクリュー圧縮機の断面図であり、図２はスクリュー圧縮機のロータの端面図である。

本実施形態のスクリュー圧縮機は、ねじ状のオスロータ１およびメスロータ２（図２参照）と、駆動源の回転力によりロータ１、２を回転駆動する回転伝達機構３と、一対のロータ１、２および回転伝達機構３を収納するケーシング４と、駆動源の回転力を受ける入力軸５等から構成されている。なお、図１において一対のロータ１、２は紙面奥側と手前側に並んで配置されている。

オスロータ１およびメスロータ２は、互いに噛合するように螺旋状の突起部が形成された雄ねじ状に形成されている。図２に示すように、オスロータ１の歯先１ｂとメスロータ２の歯元（溝）２ｃが噛み合い、オスロータ１の歯元（溝）１ｃとメスロータ２の歯先２ｂが噛み合うように構成されている。そして、各ロータ１、２が回転することで、溝空間１ｄ、２ｄ内の気体が圧縮される。

図１に示すように、オスロータ１およびメスロータ２は、電動式モータ１００等の駆動源から回転力を得た回転伝達機構３により回転駆動される。本実施形態では、オスロータ１が駆動側、メスロータ２が従動側になっており、それぞれ回転軸１ａ、２ａを中心として回転する。

ケーシング４は、モータ１００側から順に、潤滑ボックス６、ロータハウジング７およびハウジングカバー８から構成されている。潤滑ボックス６、ロータハウジング７およびハウジングカバー８は、ボルト（図示せず。）等の締結手段によって強固に結合されている。ロータ１、２と回転伝達機構３はそれぞれ離隔した状態でケーシング４内に収納されており、一対のロータ１、２はロータハウジング７内に収納され、回転伝達機構３は循環ボックス６内に収納されている。なお、ロータハウジング７およびハウジングカバー８とが本発明のハウジングに相当している。

潤滑ボックス６内には、回転伝達機構３と、回転伝達機構３に供給される潤滑油とが収納された潤滑油空間９が形成されている。潤滑油としては、例えばエンジンオイルと同程度の粘度を有するオイルを用いることができる。回転伝達機構３を構成する歯車等には、潤滑油空間９内の潤滑油がはねかけられることにより潤滑が行われる。

潤滑ボックス６には、モータ１００から回転力を受ける入力軸５が設けられている。潤滑ボックス６には、モータ１００側に第１ベアリング１１が設けられ、潤滑油空間９側に第２ベアリング１２が設けられており、入力軸５はこれらのベアリング１１、１２を介して潤滑ボックス６に支持されている。また、潤滑ボックス６に形成された入力軸５が挿入される挿通穴の内部には、第１、第２ベアリング１１、１２に供給される潤滑油がケーシング４外に流出するのを阻止するための第１オイルシール１３が装着されている。

ロータハウジング７内には一対のロータ１、２が収納されたロータ室１０が形成されている。ロータハウジング７には、ロータ室１０内に空気を吸入するための吸入口７ａと、ロータ室１０外に空気を吐出するための吐出口７ｂが形成されている。吸入口７ａはロータハウジング７の軸方向端部のうちハウジングカバー８側に設けられており、吐出口７ｂはロータハウジング７の軸方向端部のうち潤滑ボックス６側に設けられている。

ロータ１、２の外周先端とロータ室１０の内壁との間は、微小な隙間が形成されたシール構造となっている。ロータ１、２とロータ室１０内壁との間には、吸入口７ａから吸入された空気を圧縮するための圧縮室１０ａが形成されている。

また、ハウジングカバー８には開口部８ａが形成されている。開口部８ａは、ハウジング７内部の圧縮室１０ａとハウジング７外部の吐出口７ｂ下流側とを連通させるものである。本実施形態のハウジング７内には、メスロータ２とハウジングカバー８の間に内部圧力調整部材３０が設けられている。内部圧力調整部材３０は、メスロータ２の吐出口７ｂ側の回転軸方向端面に接するように配置されている。内部圧力調整部材３０については、後述する。

上述のように、ロータ１、２は回転伝達機構３により回転駆動される。回転伝達機構３は、入力軸５の回転をオスロータ回転軸１ａとメスロータ回転軸２ａに伝達するとともに、一対のロータ１、２を一定比で同期回転させるように構成されている。回転伝達機構３は、モータ１００によって駆動される入力軸５の回転をオスロータ回転軸１ａに同軸上で伝えるカップリング１４と、このカップリング１４からオスロータ回転軸１ａに伝えられた回転をメスロータ回転軸２ａに伝える第１、第２ギヤ１６、１７等から構成される。なお、第１、第２ギヤ１６、１７は、一対のロータ１、２を一定比で同期回転させるためのタイミングギヤである。

オスロータ回転軸１ａとメスロータ回転軸２ａは、一端側が第３、第４ベアリング１８、１９を介してロータハウジング７に回転可能に支持され、他端側が第５、第６ベアリング２０、２１を介してハウジングカバー８に回転可能に支持されている。

また、ロータハウジング７に形成されたロータ回転軸１ａ、２ａが挿入される挿通穴には、第３、第４ベアリング１８、１９に供給される潤滑油がロータ室１０内に漏れるのを阻止するための第２、第３オイルシール２２、２３が装着されている。さらに、ハウジングカバー８に形成されたロータ回転軸１ａ、２ａが挿入される挿通穴にも、第５、第６ベアリング２０、２１に封入されているグリースがロータ室１０内に漏れるのを阻止するための第４、第５オイルシール２４、２５が装着されている。

次に、内部圧力調整部材３０の構成について図３に基づいて説明する。

図３は、内部圧力調整部材３０を軸方向から見た断面図である。図３に示すように、本実施形態の内部圧力調整部材３０はメスロータ２の外径と同じ直径を有する円盤状に形成されており、メスロータ２の回転軸方向端面を覆うことができる面積を有している。内部圧力調整部材３０は軽量であることが好ましく、例えば樹脂材料から構成することができる。また、内部圧力調整部材３０は、メスロータ２と同軸上に配置されており、メスロータ２の回転と同期して回転する。

内部圧力調整部材３０には、複数の連通口３０ａと、これらの連通口３０ａの開口面積を調整する弁体３０ｂが設けられている。

連通口３０ａは、メスロータ２の歯先２ｂ間に形成される溝空間２ｄに対応する位置に設けられている。連通口３０ａは、ハウジングカバー８の開口部８ａに対応する位置に移動した際に、メスロータ２の溝空間２ｄを吐出口７ｂの下流側と連通させる。本実施形態の連通口３０ａは、メスロータ２の歯先２ｂ間に形成される溝空間２ｄと同じ数（本例では６箇所）だけ設けられている。

メスロータ２の複数の溝空間２ｄはそれぞれ独立しており、各溝空間２ｄ内に封入された気体の圧力は一定ではない。この結果、溝空間２ｄ同士が連通すると、溝空間２ｄの間で漏れを生じ流量性能が低下する。このため、連通口３０ａにおける内部圧力調整部材３０の径方向と直交する方向の長さ、すなわち回転方向長さは、メスロータ２の隣り合う溝空間２ｄを連通させない長さである必要がある。本実施形態では、連通口３０ａの回転方向長さを溝空間２ｄの回転方向長さより短くしている。

また、連通部３０ａにおける内部圧力調整部材３０の回転軸に最も近い部位は、溝空間２ｄのうち回転軸に最も近い部位である歯元２ｃより、回転軸に近くなるように形成されている。これにより、連通口３０ａが最大限に開口している状態では、溝空間２ｄとカバー開口部８ａとを結ぶ流路が連通口３０ａにより遮られることを極力避けることができる。

弁体３０ｂは、内部圧力調整部材３０内部を移動することで、連通口３０ａの開口面積を調整可能に構成されている。弁体３０ｂは、回転軸と連通部３０ａとを結ぶ方向、すなわち内部圧力調整部材３０の径方向に移動することができる。弁体３０ｂが内部圧力調整部材３０の回転軸に近い方向に移動した場合に連通口３０ａの面積が大きくなり、弁体３０ｂが内部圧力調整部材３０の回転軸から遠い方向に移動した場合に連通口３０ａの面積が小さくなる。

内部圧力調整部材３０の回転軸と弁体３０ｂとの間には弾性部材３０ｃが設けられている。弁体３０ｂには内部圧力調整部材３０の回転軸に近づく方向に向かって弾性部材３０ｃの弾性力が作用している。したがって、弁体３０ｂは弾性部材３０ｃにより内部圧力調整部材３０の回転軸に近づく方向に引っ張られている。本実施形態では、弾性部材３０ｃとしてコイル状の引っ張りバネを用いている。

次に、本実施形態のスクリュー圧縮機の作動について説明する。

一対のロータ１、２が、回転伝達機構３により一定比で同期回転されると、ロータハウジング７のハウジングカバー８側に設けられた吸入口７ａから空気が圧縮室１０ａに吸い込まれる。このとき、圧縮室１０ａは、一対のロータ１、２の回転とともに、潤滑油空間９側からハウジングカバー８側に移動しながらその体積が縮小していくため、圧縮室１０ａ内の空気は次第に加圧圧縮されながらハウジングカバー８側に移動していく。

そして、一対のロータ１、２の回転角が所定の角度に達すると、圧縮室１０ａがロータハウジング７のハウジングカバー８側に設けられた吐出口７ｂに到達し、それまで密閉されていた圧縮室１０ａが吐出口７ｂにて開放された状態となるので、圧縮室１０ａ内の圧縮された空気が吐出口７ｂから吐出される。吐出口７ｂから吐出された気体は、所定の供給圧（吐出圧）で下流側の気体被供給装置（図示せず）に供給される。

次に、内部圧力調整部材３０の作動について図４、図５に基づいて説明する。図４はロータ１、２が低速回転している際の内部圧力調整部材３０の断面図であり、図５はロータ１、２が高速回転している際の内部圧力調整部材３０の断面図である。

まず、一対のロータ１、２が回転すると、メスロータ２の回転に伴い内部圧力調整部材３０が同期回転する。ロータ１、２が低速回転している際には、図４に示すように、弁体３０ｂは弾性部材３０ｃにより内部圧力調整部材３０の回転軸に近づく方向に引っ張られており、連通口３０ａは最大限に開口した状態となっている。このため、溝空間２ｄ（圧縮室１０ａ）は、外部の吐出口７ｂ下流側と連通した状態となる。このとき、圧縮室１０ａの内部圧力の方が吐出口７ｂ下流側の気体圧力、すなわち気体被供給装置への供給圧より高いので、溝空間２ｄ（圧縮室１０ａ）が吐出口７ｂ下流側と連通することで、圧縮室１０ａの内部圧力が低下して気体被供給装置への供給圧に近づくこととなる。

ロータ１、２が低速回転している場合には、気体被供給装置への気体供給圧が低いので、連通口３０ａの開口面積を大きくして圧縮室１０ａの内部圧力を低くすることで、供給圧と内部圧力との圧力差を小さくすることができ、脈動騒音を低減することができる。

そして、内部圧力調整部材３０の回転速度が速くなるに伴い、弁体３０ｂに作用する遠心力が大きくなる。このため、内部圧力調整部材３０の回転速度が速くなるにつれて弁体３０ｂが弾性部材３０ｃの弾性力に逆らい、徐々に内部圧力調整部材３０の回転軸から遠ざかる方向に移動する。このため、ロータ１、２が高速回転している際には、図５に示すように、弁体３０ｂは遠心力により内部圧力調整部材３０の回転軸から遠ざかる方向に移動しており、連通口３０ａは完全に閉塞した状態となっている。したがって、溝空間２ｄ（圧縮室１０ａ）は外部と連通しないため、圧縮室１０ａの内部圧力が上昇する。

ロータ１、２が高速回転している場合には、気体被供給装置の圧力損失等により供給圧が高くなっているので、連通口３０ａの開口面積を小さくして内部圧力を高くすることで、供給圧と内部圧力との圧力差を小さくすることができ、脈動騒音を低減することができる。

このように本実施形態の内圧調整部材３０は、弾性部材３０ｃの弾性力と、回転により生じる遠心力を利用することで、ロータ１、２が低速回転している際には、連通口３０ａの開口面積を大きくし、ロータ１、２の回転速度が速くなるにしたがって、連通口３０ａの開口面積を小さくすることができる。このような簡略な構成の内圧調整部材３０を設けるだけで、スクリュー圧縮機の脈動騒音を低減することができる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、本発明を２軸のロータを有するスクリュー圧縮機を用いて説明したが、気体を圧縮するロータを１軸、あるいは３軸以上有しているスクリュー圧縮機でも適用可能である。

また、上記実施形態では、内部圧力調整部材３０をメスロータ２の吐出口７ｂ側端面に設けたが、内部圧力調整部材３０をオスロータ１の吐出口７ｂ側端面に設けた場合でも同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、内部圧力調整部材３０に連通口３０ａおよび弁体３０ｂをメスロータ２の溝空間２ｄと同じ数だけ設けたが、連通口３０ａおよび弁体３０ｂは少なくとも１組設ければ、上記実施形態の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、弁体３０ｂを内部圧力調整部材３０の回転軸に近い方向に引っ張る構成の弾性部材３０ｃを用いたが、これに限らず、弾性部材は、弁体３０ｂを内部圧力調整部材３０の回転軸に近い方向に弾性力を作用させるものであればよい。例えば弾性部材として、弁体３０ｂを内部圧力調整部材３０の回転軸に近い方向に押しつけるような圧縮バネを用いることもできる。この場合には、弾性部材を内部圧力調整部材３０の回転軸から弁体３０ｂより遠い側に設ければよい。

また、上記実施形態では、弾性部材３０ｃとしてコイルバネを用いたが、他の種類のバネや、あるいはバネ以外の弾性部材を用いてもよい。

スクリュー圧縮機の断面図である。 スクリュー圧縮機のロータの端面図である。 内部圧力調整部材を軸方向から見た断面図である。 ロータが低速回転している際の内部圧力調整部材の断面図である。 ロータが高速回転している際の内部圧力調整部材の断面図である。

符号の説明

１…オスロータ、２…メスロータ、２ｄ…溝空間、４…ケーシング、６…潤滑ボックス、７…ロータハウジング、８…カバー、８ａ…開口部、９…潤滑油空間、１０…ロータ室、１０ａ…圧縮室、３０…内部圧力調整部材、３０ａ…連通口、３０ｂ…弁体、３０ｃ…弾性部材。

Claims (5)

1. ハウジング（７、８）内で少なくとも１つのロータ（１、２）を回転させることで、前記ハウジング（７、８）内の圧縮空間を縮小して前記圧縮空間内の気体を圧縮し、前記ハウジングに設けられた吐出口（７ｂ）から圧縮された気体を吐出するスクリュー圧縮機であって、
   前記ロータ（２）の前記吐出口（７ｂ）側の回転軸方向端面に、前記ロータ（２）と同期回転するとともに前記ロータ（２）の回転軸方向端面を覆うような内部圧力調整部材（３０）が配置されており、
   前記内部圧力調整部材（３０）は、少なくとも１組の、前記ハウジング内部の前記圧縮空間と前記ハウジング外部の前記吐出口下流側とを連通させることができる連通口（３０ａ）と、前記連通口（３０ａ）の開口面積を変化させる弁体（３０ｂ）とを有し、
   前記弁体（３０ｂ）は、前記ロータ（２）の回転が速くなるに伴って前記連通口（３０ａ）の開口面積を小さくし、前記ロータ（２）の回転が遅くなるに伴って前記連通口（３０ａ）の開口面積を大きくするように構成されていることを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 前記弁体（３０ｂ）は、前記内部圧力調整部材（３０）の径方向に移動可能であり、前記内部圧力調整部材（３０）の回転軸に近い方向に移動した場合に前記連通口（３０ａ）の面積を大きくし、前記内部圧力調整部材（３０）の回転軸から遠い方向に移動した場合に前記連通口（３０ａ）の開口面積を小さくするように構成され、前記内部圧力調整部材（３０）の回転軸に近い方向に向かって弾性部材（３０ｃ）の弾性力が作用していることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
3. 前記連通口（３０ａ）および前記弁体（３０ｂ）は、前記ロータ（２）に形成されている歯先（２ｂ）の間に形成される溝空間（２ｄ）の数と同一数設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュー圧縮機。
4. 前記連通口（３０ａ）における内部圧力調整部材（３０）の径方向と直交する方向の長さは、前記溝空間（２ｄ）における内部圧力調整部材（３０）の径方向と直交する方向の長さより短くなっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のスクリュー圧縮機。
5. 前記連通口（３０ａ）における前記内部圧力調整部材（３０）の回転軸に最も近い部位は、前記溝空間（２ｄ）のうち前記内部圧力調整部材（３０）の回転軸に最も近い部位より、前記内部圧力調整部材（３０）の回転軸に近くなっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のスクリュー圧縮機。

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