JP2007146659A - 油冷式圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】油冷式スクリュー空気圧縮機において、従来、雄ロータの歯形には外周に沿った円弧区間が無く、雌ロータの外周で効果のある油による封止効果を、雄ロータでも増強したかった。
【解決手段】前記課題を解決するため、本発明においては、雄ロータの歯形の一部に外周円弧となる区間を設けた。運転中は外周隙間にある程度の漏洩長さが確保され、油の粘性と表面張力による封止効果が増加する。よって内部漏洩が低減し圧縮機の性能が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は油冷式スクリュー空気圧縮機に係わり、特に吸入圧力と吐出圧力の差が比較的大きい単段圧縮機に好適なロータの歯形に関する。

産業用に広く用いられている空気圧縮機で、およそ５ｋＷから２００ｋＷ容量のものはスクリュー式が大部分である。スクリュー式のうちでも多くは雌雄２つのロータを噛み合わせて同期回転する２軸形スクリュー式であり、本発明もそれに特化しているため、単にスクリュー式と称することにする。スクリュー式においては、ロータの歯溝が相手ロータとロータを取り囲むボア壁面に囲まれて圧縮室を形成する。圧縮室はロータの回転によって容積が拡大し次に縮小する。拡大過程にあっては圧縮室をボア壁面の開口部である吸入ポートと連通させて大気から空気を導入する。容積の縮小過程にあっては圧縮室を所定圧力まで内圧が上昇するまで閉じたままとし、その後に開口する位置に吐出ポートをボア壁面に形成しておく。

スクリュー圧縮機の性能を左右する因子として重要なものは内部漏洩である。スクリュー圧縮機にはロータの歯溝毎に多くの圧縮室が形成されて順次移動しながら容積を拡大縮小するが、内部漏洩とは圧縮が進み内圧が高い圧縮室から前過程にある内圧が低い圧縮室に空気が漏れることである。圧縮室は完全に閉じた空間ではなく、ロータの回転を維持するために隙間が設けられており、この隙間を通って内部漏洩が発生している。

内部漏洩流路としては、ロータとボア壁面の間、雌雄のロータ間、ブローホール、ロータの歯の端面とボア端面の間がある。これら内部漏洩流路を少なくする歯形としては特許文献１や特許文献２など多くの提案がなされている。

特開昭５７−９３６０２号公報 特開昭５７−１７６３０３号公報

内部漏洩流路のうちでも総延長の長いロータ外周とボア壁面の間の外周隙間に着目してみる。従来の歯形の大部分は図３に示すように、雌ロータの先端部には外周円弧の区間ｆ４´―ｆ１が存在している。外周円弧区間は雌ロータの最大半径を維持し、同心円となるボア壁面３２との間に均一の隙間４３を形成する。

この隙間４３は圧縮機を長期間にわたり各種の条件でも安定して運転するために、ある程度（例えば５０μm）以上は確保する必要がある。一方で高圧の圧縮室４１から比較的低圧の圧縮室４２への内部漏洩流路となるため、性能の観点からは、この隙間は小さい方が望ましい。

スクリュー圧縮機のうち油冷式あるいは給油式と呼ぶ種類のものは、圧縮室に油５１を供給し、圧縮室に閉じ込めた空気を油５１とともに圧縮する。そうすることにより内部漏洩流路である外周隙間４３を油５１で満たし、内部漏洩を低減し圧縮機の性能（エネルギ効率）を向上することができる。外周円弧区間ｆ４´―ｆ１が長ければ、それだけ油の粘性や表面張力の作用が大きくなり、この封止効果も拡大する。ただし、極端にこの区間を大きく形成すると副作用もあるため、圧縮機の用途や目的により最適値（たとえば１〜５ｍｍ）がある。

もちろん油５１による外周隙間の封止効果は完全ではなく、油膜が切れて空気が漏れる瞬間も発生しうるが巨視的には油の封止効果は大きく作用している。

雄ロータについても同様に外周すきまがあり、ここを通る内部漏洩を少なくすれば性能向上になる。しかし、公知例にあるように従来の歯形では雄ロータの外周付近の曲線は外周円弧よりも曲率半径の小さなもので、最大変形となるのは理論設計上は歯毎に１点であり、外周円弧を形成する区間が存在しなかった。したがって、雌ロータで説明したロータ外周隙間での油の封止効果が雄ロータでは、比較的小さなものであった。

本発明においては上記状況に鑑み、雄ロータの外周においても油による封止効果を十分に作用させることで外周隙間における内部漏洩を低減し、空気圧縮機のエネルギ効率を向上させることを目的とする。

雄ロータの歯形を形成する輪郭の一部に半径最大となる外周円弧の一部をなす区間を設ける。同時に、雄ロータの外周円弧と噛み合うように、雌ロータの歯形の輪郭の一部に半径最小となる歯底円弧の一部をなす区間を設ける。

雄ロータの外周においても雌ロータの外周と同様に漏洩流路の隙間幅が一定で推移する区間ができるので、ここを流れる内部漏洩を抑制する油の封止効果を拡大することができる。この効果により内部漏洩が低減されるので、空気圧縮機としての効率が向上する。

本発明の実施例を図１〜図４を用いて説明する。図１はロータの回転軸に直交する断面での断面図、図２は図１の雌雄ロータの歯１つ分の拡大図である。図３は図１と図２に共通する断面での運転中の雌ロータ歯先の模式図であり、本発明と従来の歯形にも共通する。図４は本発明による雄ロータの歯先の運転中の模式図である。

図１に示すように雄ロータ１と雌ロータ２はケーシング３内部で一部を重複する円筒形状穴の中に回転自在に収納され、互いの歯が噛み合って回転する。円筒形状の穴の内面は雄ロータ側のボア壁面３１と雌ロータ側のボア壁面３２からなる。各ロータ外周とボア壁面の間には隙間があり、ロータの回転を妨げない。

雄ロータは４枚の歯を有し、雌ロータは５枚の歯を有する。雄ロータの歯とはピッチ円より外側の凸部を意味し、雌ロータの歯とはピッチ円より内側の凹部で通称「歯溝」と称する部分を意味する。歯形の設計によっては、雄ロータの歯は歯元の一部をピッチ円よりも内側に有し、同様に雌ロータの歯先の一部がピッチ円の外側に出ることがあってもかまわない。

図２に各ロータ歯をそれぞれ１枚噛み合わせた拡大図を示す。

雄ロータはｍ１からｍ２の区間が後進面、ｍ２からｍ３の区間が本発明による外周円弧、ｍ３からｍ４の区間が前進面である。同様に雌ロータはｆ１からｆ２の区間が後進面、ｆ２からｆ３の区間が歯底円弧、ｆ３からｆ４の区間が前進面である。前進面と後進面の曲線は上記従来技術による歯形を例に示したが、他の曲線であっても噛み合いの条件が満たされていれば選択自由である。

１つの歯と隣接する歯の間には、雄ロータでは歯底円弧、雌ロータでは外周円弧となる区間が従来の歯形と同様に存在する。

雄の外周円弧区間ｍ２−ｍ３の長さが雌の歯底円弧区間ｆ２−ｆ３の長さよりも長い理由は、回転半径と歯数が異なるためである。雄ロータの回転中心２３に対するｍ２とｍ３の開き角度は、雌ロータの回転中心２４に対するｆ２−ｆ３の開き角度の４分の５倍（歯数比の逆数）になる。

本実施例は次のように作用する。

雄ロータ１を外部から回転駆動すると、歯の噛み合いによって雌ロータ２が回転し、図１の矢印の向きに同期回転が持続する。ロータの歯はねじれており、圧縮室は移動しながら内部容積を拡大縮小する。図１の断面においては圧縮室４１が最も内圧が高く、隣接する圧縮室４２はそれに次ぐ。圧縮室４２´は圧縮室４２と軸方向の別な断面で連通しており、ひとつの圧縮室を形成している。

雌ロータの歯先付近においては、図３に示すような動作をしているが、従来技術ならびに発明が解決しようとする課題で説明した従来の歯形と同様の作用効果なので、ここでは説明を省く。

雄ロータ１の歯先付近においては図４に示すような動作をしている。外周円弧を成す区間ｍ２−ｍ３では、ボア壁面３１との間の外周隙間４４は周方向にある程度の長さ（例えば１〜５ｍｍ）を有している。雄ロータ１の回転により圧縮室も回転するので、圧縮室４１内部にある油５１は圧縮室の後端である雄ロータ１側に偏り、外周隙間４４に集中しやすい。外周隙間４４を通って比較的低圧の圧縮室４２´に内部漏洩する流れは油の粘性ならびに表面張力が作用する。このとき、外周隙間の流れ方向長さが油の粘性抵抗を増強し、内部漏洩量を少なくする。

雄ロータ歯先においても雌ロータと同様に内部漏洩量が低減できるので、圧縮機のエネルギ効率すなわち性能が向上する。

本実施例では、雄ロータ４枚、雌ロータ５枚の歯数としたが、他の枚数の組み合わせであっても、本発明は同様の効果を有する。また、雌ロータを外部から駆動し、雄ロータを接触駆動したり、ロータ軸の延長上に付加した同期歯車により雌雄ロータ間の回転伝達する方式であってもよい。

本発明の実施例１における雌雄ロータの歯形である。 図１のロータの歯１つ分の拡大図である。 従来技術ならびに本発明に共通する雌ロータ歯先の拡大図である。 本発明による雄ロータの歯先の拡大図である。

符号の説明

１…雄ロータ、２…雌ロータ、３…ケーシング、２１…雄のピッチ円、２２…雌のピッチ円、２３…雄の回転中心、２４…雌の回転中心、３１…雄のボア壁面、３２…雌のボア壁面、４１…高圧の圧縮室、４２…１つ前の圧縮室、４３，４４…外周隙間、５１，５２…油、ｆ１〜ｆ４…雌ロータの歯形曲線上の点、ｍ１〜ｍ４…雄ロータの歯形曲線上の点。

Claims (1)

1. 平行２軸の回りを互いに噛み合って回転し、ねじれた歯を有する雌雄１対のロータと、それらを収容し一部を重複する１対のボアをケーシング内部に備え、該雄ロータの歯の全部もしくは大部分がピッチ円の外側に、該雌ロータの歯の全部もしくは大部分がピッチ円の内側に形成され、吸い込んだ空気の圧縮過程において圧縮室に油を注入する油冷式スクリュー圧縮機において、
   前記雄ロータの歯形を形成する輪郭の一部に半径最大となる外周円弧の一部をなす区間を設けるとともに、前記雌ロータの歯形の輪郭の一部に半径最小となる歯底円弧の一部をなす区間を設けたことを特徴とする油冷式スクリュー圧縮機。
   

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