JP2010196582A - シングルスクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力脈動の重なり合いによって生じる騒音を大幅に低減できるシングルスクリュー圧縮機を提供する。
【解決手段】第１発明のシングルスクリュー圧縮機１は、第１の回転軸８の周囲に複数本の螺旋状の溝２２を有するスクリューロータ３と、第２の回転軸８、９の周囲に複数の歯１２を有するゲートロータ５、６とを備えている。スクリューロータ２の溝１１の数とゲートロータ５、６の歯１２の数の比が互いに素でない。隣接するゲートロータの歯の形状は、互いに異なる形状をしている。スクリューロータ２の溝１１の形状は、ゲートロータ５、６の歯１２に噛合可能な形状をしている。
【選択図】図３

Description

本発明は、シングルスクリュー圧縮機に関する。

従来より、冷凍機の冷媒等の圧縮媒体を圧縮するために種々の圧縮機が提案されているが、その中でもシングルスクリュー圧縮機は、レシプロ式圧縮機よりも振動、騒音が小さく、種々の用途で使用されている。

特許文献１（特許第３８４０８９９号公報）および特許文献２（特許第３８０７９２２号公報）記載のシングルスクリュー圧縮機は、外周面に複数本の螺旋状の溝を有する円筒状のスクリューロータと、スクリューロータに噛み合いながら回転する１〜２枚のゲートロータと、スクリューロータを収納するケーシングとを備えているシングルスクリュー圧縮機がある。冷媒等の圧縮媒体は、ケーシング内部で回転するスクリューロータの螺旋状の溝に送られ、螺旋状の溝とゲートロータの歯とケーシングとによって囲まれた空間内部で圧縮され、ケーシングの吐出ポートから吐出される。

例えば、特許文献１〜２記載のような従来のシングルスクリュー圧縮機では、隣合うスクリュー溝およびゲートロータ歯がそれぞれ等しい形状をしているため、等間隔かつ同量のガスの圧縮と吐出が繰りかえされる。例えば、６本の溝を有するスクリューロータでは一回転中に６回の圧縮吐出が行われる。また、ゲートロータを２個有する場合は６回の圧縮吐出が２箇所で行われる。

シングルスクリュー圧縮機の騒音は、吐出ガスの圧力脈動が主要因となっているが、上記特許文献１および２記載のシングルスクリュー圧縮機のように隣接する溝および歯の形状が等しい場合、ある溝での吐出で発生する圧力脈動は、隣接する次の溝で吐出の圧力脈動と大きさもタイミングも同じであり、隣接する溝同士の吐出時の圧力脈動のタイミングが重なり合うことで大きな圧力脈動幅となって騒音を発生させるという問題が生じるおそれがある。

本発明の課題は、圧力脈動の重なり合いによって生じる騒音を大幅に低減できるシングルスクリュー圧縮機を提供することにある。

第１発明のシングルスクリュー圧縮機は、第１の回転軸の周囲に複数本の螺旋状の溝を有するスクリューロータと、第２の回転軸の周囲に複数の歯を有するゲートロータとを備えている。スクリューロータの溝の数とゲートロータの歯の数の比が互いに素でない。隣接するゲートロータの歯の形状は、互いに異なる形状をしている。スクリューロータの溝の形状は、ゲートロータの歯に噛合可能な形状をしている。

第２発明のシングルスクリュー圧縮機は、第１発明のシングルスクリュー圧縮機であって、複数のゲートロータの歯は、それぞれ末広がりの扇形状を有している。隣接するゲートロータの歯の開き角度は、互いに異なっている。

第３発明のシングルスクリュー圧縮機は、第１発明または第２発明のシングルスクリュー圧縮機であって、隣接するゲートロータの歯の歯先の半径は、互いに異なる。

第１発明によれば、スクリューロータの溝の数とゲートロータの歯の数の比が互いに素でないようにし、隣接するゲートロータの歯の形状を互いに異なる形状をし、さらにスクリューロータの溝の形状をゲートロータの歯に噛合可能な形状をすることにより、各溝間の吐出タイミング（または吐出間隔）と吐出ガス量が不均等になり、各溝の圧力脈動が重なりあってもピークが分散されるため、最大圧力脈動幅が低減できそれ起因する騒音を大幅に低下できる。

第２発明によれば、複数のゲートロータの歯をそれぞれ末広がりの扇形状にし、さらに隣接するゲートロータの歯の開き角度を互いに異なるようにすることにより、各溝間の吐出タイミング（または吐出間隔）と吐出ガス量が不均等になり、各溝の圧力脈動が重なりあってもピークが分散されるため、最大圧力脈動幅が低減できそれ起因する騒音を大幅に低下できる。

第３発明によれば、隣接するゲートロータの歯の歯先の半径を互いに異なるようにすることにより、各溝間の吐出タイミング（または吐出間隔）と吐出ガス量が不均等になり、各溝の圧力脈動が重なりあってもピークが分散されるため、最大圧力脈動幅が低減できそれ起因する騒音を大幅に低下できる。

［第１実施形態］
つぎに本発明のシングルスクリュー圧縮機の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

＜シングルスクリュー圧縮機１の構成＞
図１〜３に示されるシングルスクリュー圧縮機１は、１本のスクリューロータ２と、スクリューロータ２を収納するケーシング３と、スクリューロータ２の回転軸となるシャフト４と、２個のゲートロータ５、６と、スクリューロータ２の軸方向から支持するスラスト軸受７と、２つのゲートロータ５、６のための回転軸８、９とを備えている。

ここでは、シャフト４は本発明の第１の回転軸に対応し、回転軸８、９は本発明の第２の回転軸に対応する。

スクリューロータ２は、外周面に複数本の螺旋状の溝１１を有している円柱状のロータである。スクリューロータ２は、シャフト４と一体になって、ケーシング３の内部で回転することが可能である。スクリューロータ２は、スラスト軸受７によって、軸方向に沿って吐出側から吸入側へ向かう方向（ガスの吸入方向Ｆ１の反対方向）から支持されている。シャフト４は、一端がスクリューロータ２と結合され、他端がケーシング３外部の駆動用モータ（図示せず）に連結されている。

ケーシング３は、円筒形状の部材であり、スクリューロータ２およびシャフト４を回転自在に収納する。

２つのゲートロータ、すなわち、第１ゲートロータ５および第２ゲートロータ６は、いずれもスクリューロータ２の溝１１に噛み合う複数枚の歯１２を有する回転体であり、スクリューロータ２の回転軸であるシャフト４に略直交する回転軸８、９回りに回転することが可能である。ゲートロータ５の歯１２は、ケーシング３に形成されたスリット１４を通して、ケーシング３内部のスクリューロータ２の螺旋状の溝１１と噛み合うことが可能である。２枚のゲートロータ５、６は、スクリューロータ２の回転中心に対して左右対称に配置されている。なお、ゲートロータ５、６を上下対称に配置してもよい。

スクリューロータ２が回転すれば、第１ゲートロータ５および第２ゲートロータ６の複数の歯１２は、順次複数の溝１１に噛み合うことができる。

また、ケーシング３の外周面には、ケーシング３内部で圧縮された冷媒を吐出するための吐出ポート１０が、第１ゲートロータ５および第２ゲートロータ６に対応してそれぞれ１個ずつ開口されている。

これらの吐出ポート１０は、スクリューロータ２の回転時において、スクリューロータ２外周面における溝１１に連通することが可能になるように、ケーシング３の外周面の適宜の位置に開口されている。

図３に示されるように、隣接するゲートロータ５、６の歯１２の形状は、互いに異なる形状をしている。なお、図示されていないが、ゲートロータ６の歯１２の形状は、ゲートロータ５の歯１２の形状と比較して、スクリューロータ２に対して軸対称の関係になっている。

例えば、図３に示されるように、ゲートロータ５の歯１２が１２枚（歯１２ａ１〜１２ａ１２）である場合には、６種類の異なる開き角度の末広がりの扇形状の歯を有している。すなわち、隣接するゲートロータ５、６の歯１２の開き角度が互いに異なるように、歯１２ａ１〜１２ａ６までは、それぞれ開き角度がα、β、γ、δ、ε、ζになっている。また、同様に、歯１２ａ１〜１２ａ６にそれぞれ対向する歯１２ａ７〜１２ａ１２も、それぞれ開き角度がα、β、γ、δ、ε、ζになっている。

そして、それぞれの開き角度の関係は、大小大小・・・のごとく、交互に角度の大小を変えている。

そして、スクリューロータ２の溝１１の数とゲートロータ５、６の歯１２の数の比は、互いに素でない関係になっている（いいかえれば、必ず、倍数比になっている）。例えば、図３に示されるように、ゲートロータ５の歯１２が１２枚（歯１２ａ１〜１２ａ１２）である場合には、１２と素でない関係の約数、例えば、６本の溝１１がスクリューロータ２に形成されている。

そして、スクリューロータ２の溝１１の形状は、ゲートロータ５、６の歯に噛合可能な形状をしている。すなわち、図３のゲートロータ５の１２枚の歯１２に噛み合うスクリューロータ２の６本の溝１１も、開き角度がα、β、γ、δ、ε、ζの歯１２ａ１〜１２ａ６（それに対向する歯１２ａ７〜１２ａ１２）に噛み合うような６種類の異なる溝幅を有している。

以上のような構成により、隣接するスクリューロータ２の溝１１の間の吐出タイミング（または吐出間隔）と吐出ガス量が不均等になり、各溝の圧力脈動が重なりあってもピークが分散されるため、最大圧力脈動幅が低減できそれ起因する騒音を大幅に低下できる。

＜シングルスクリュー圧縮機１の動作説明＞
図１〜３に示されるシングルスクリュー圧縮機１は、以下のようにしてガスを圧縮する。

まず、シャフト４がケーシング３外部のモータ（図示せず）から回転駆動力を受けると、スクリューロータ２が矢印Ｒ１（図１参照）の方向に回転する。このとき、スクリューロータ２の螺旋状の溝１１に噛み合う２枚のゲートロータ５、６は、その歯１２が螺旋状の溝１１の内壁に押されることによって、矢印Ｒ２の方向へ回転する。このとき、図１〜２のスクリューロータ２の紙面手前側では、ケーシング３の内面と、スクリューロータ２の溝１１と、ゲートロータ５の歯１２とで仕切られて形成された紙面手前側の圧縮室の容積が減少する。それとともに、スクリューロータ２の紙面奥側では、ケーシング３の内面と、スクリューロータ２の溝１１と、ゲートロータ６の歯１２とで仕切られて形成された紙面奥側の圧縮室の容積が減少する。

これらの２つの圧縮室の容積の減少を利用することによって、ケーシング３の吸入側開口１５から導入される圧縮前の冷媒Ｆ１（図１参照）は、溝１１と歯１２とが噛み合う直前に圧縮室に導かれ、溝１１と歯１２とが噛み合っている間に圧縮室の容積が減少して冷媒が圧縮され、その後、溝１１と歯１２との噛み合いが外れた直後に、圧縮された冷媒Ｆ２（図２参照）が、ゲートロータ５、６にそれぞれ対応する図２の紙面手前側および紙面奥側に開口する吐出ポート１０から吐出される。

＜第１実施形態の特徴＞
（１）
第１実施形態のシングルスクリュー圧縮機１では、スクリューロータ２の溝１１の数とゲートロータ５、６の歯１２の数の比が互いに素でないようにし、隣接するゲートロータ５、６の歯１２の形状を互いに異なる形状にし、さらにスクリューロータ２の溝１１の形状をゲートロータ５，６の歯１２に噛合可能な形状にしているので、各溝１１間の吐出タイミング（または吐出間隔）と吐出ガス量が不均等になり、各溝１１の圧力脈動が重なりあってもピークが分散されるため、最大圧力脈動幅が低減できそれ起因する騒音を大幅に低下できる。

（２）
また、第１実施形態のシングルスクリュー圧縮機１では、複数のゲートロータ５、６の歯１２をそれぞれ末広がりの扇形状にし、さらに隣接するゲートロータ５、６の歯１２の開き角度を互いに異なるようにすることにより、各溝１１間の吐出タイミング（または吐出間隔）と吐出ガス量が不均等になり、各溝１１の圧力脈動が重なりあってもピークが分散されるため、最大圧力脈動幅が低減できそれ起因する騒音を大幅に低下できる。

とくに、第１実施形態では、ゲートロータ５、６の歯１２の扇の開き角度を変更することにより、（歯先から歯元まで歯幅一定の状態で）歯幅のみを変化させる場合と比較して、各溝１１間の吐出ガス量または容積により大きな差をつけることが可能であるため、歯幅のみを変化させる場合よりも高い脈動低減効果を得ることができる。

すなわち、第１実施形態では、ゲートロータ５、６の歯１２の扇の開き角度を変更することにより、吐出タイミングを変えることができ、同じスクリューロータ２の大きさでも、圧縮室の容積を各溝間で大きく変えることができる。

＜第１実施形態の変形例＞
（Ａ）
上記の第１実施形態では、２枚のゲートロータ５、６を備えたシングルスクリュー圧縮機１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１枚のゲートロータ５のみを備えたシングルスクリュー圧縮機１であってもよい。

この場合も、第１実施形態と同様に、スクリューロータ２の溝１１の数とゲートロータ５の歯１２の数の比が互いに素でないようにし、隣接するゲートロータ５の歯１２の形状を互いに異なる形状にし、さらにスクリューロータ２の溝１１の形状をゲートロータ５の歯１２に噛合可能な形状にすればよい。

［第２実施形態］
上記の第１実施形態では、隣接するゲートロータ５、６の歯１２の形状を互いに異なる形状にするために、ゲートロータ５、６の歯１２をそれぞれ開き角度を互いに異なる末広がりの扇形状にしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、歯１２の長さを変えてもよい。

すなわち、第２実施形態では、図４に示されるように、隣接するゲートロータ５、６の歯１２の歯先の半径を互いに異なるようにしてもよい。なお、図示されていないが、ゲートロータ６の歯１２の形状は、ゲートロータ５の歯１２の形状と比較して、スクリューロータ２に対して軸対称の関係になっている。

第２実施形態では、図４に示されるように、ゲートロータ５の歯１２が１２枚（歯１２ｂ１〜１２ｂ１２）である場合には、６種類の異なる歯先半径の歯を有している。例えば、隣接するゲートロータ５、６の歯１２の歯先半径が互いに異なるように、歯１２ｂ１〜１２ｂ６までは、それぞれ歯先半径がＨａ、Ｈｂ、Ｈｃ、Ｈｄ、Ｈｅ、Ｈｆになっている。また、同様に、歯１２ｂ１〜１２ｂ６にそれぞれ対向する歯１２ｂ７〜１２ｂ１２も、それぞれ歯先半径がＨａ、Ｈｂ、Ｈｃ、Ｈｄ、Ｈｅ、Ｈｆになっている。

そして、それぞれの歯先半径の関係は、大小大小・・・のごとく、交互に歯先半径の大小を変えている。

そして、第１実施形態と同様に、第２実施形態についても、スクリューロータ２の溝１１の数とゲートロータ５、６の歯１２の数の比は、互いに素でない関係になっている（いいかえれば、必ず、倍数比になっている）。例えば、図４に示されるように、ゲートロータ５の歯１２が１２枚（歯１２ｂ１〜１２ｂ１２）である場合には、１２と素でない関係の約数、例えば、６本の溝１１がスクリューロータ２に形成されている。

そして、スクリューロータ２の溝１１の形状は、ゲートロータ５、６の歯に噛合可能な形状をしている。すなわち、図４のゲートロータ５の１２枚の歯１２に噛み合うスクリューロータ２の６本の溝１１も、歯先半径がＨａ、Ｈｂ、Ｈｃ、Ｈｄ、Ｈｅ、Ｈｆの歯１２ｂ１〜１２ｂ６（それに対向する歯１２ｂ７〜１２ｂ１２）に噛み合うような６種類の異なる溝深さを有している。

以上のような構成により、隣接するスクリューロータ２の溝１１の間の吐出タイミング（または吐出間隔）と吐出ガス量が不均等になり、各溝の圧力脈動が重なりあってもピークが分散されるため、最大圧力脈動幅が低減できそれ起因する騒音を大幅に低下できる。

＜第２実施形態の特徴＞
第２実施形態では、隣接するゲートロータ５、６の歯１２の歯先の半径を互いに異なるようにすることにより、各溝１１間の吐出タイミング（または吐出間隔）と吐出ガス量が不均等になり、各溝の圧力脈動が重なりあってもピークが分散されるため、最大圧力脈動幅が低減できそれ起因する騒音を大幅に低下できる。

とくに、第２実施形態では、ゲートロータ５、６の歯１２の歯先半径を変更することにより、（歯先から歯元まで歯幅一定の状態で）歯幅のみを変化させる場合と比較して、各溝１１間の吐出ガス量または容積により大きな差をつけることが可能であるため、歯幅のみを変化させる場合よりも高い脈動低減効果を得ることができる。

すなわち、第２実施形態では、ゲートロータ５、６の歯１２の歯先半径を変更することにより、吐出ポートの有効面積を変えることが可能である。

＜第２実施形態の変形例＞
（Ａ）
上記の第１実施形態の変形例（Ａ）と同様に、１枚のゲートロータ５のみを備えたシングルスクリュー圧縮機１であってもよい。この場合も、スクリューロータ２の溝１１の数とゲートロータ５の歯１２の数の比が互いに素でないようにし、隣接するゲートロータ５の歯１２の形状を互いに異なる形状にし、さらにスクリューロータ２の溝１１の形状をゲートロータ５の歯１２に噛合可能な形状にすればよい。

（Ｂ）
さらに、第２実施形態の変形例として、ゲートロータ５、６の歯１２の歯先半径を変更するとともに、第１実施形態のように歯１２を互いに開き角度が異なる扇形状にしてもよい。この場合、スクリューロータ２の各溝１１間の吐出ガス量または容積にさらに大きな差をつけることが可能であるため、歯幅のみを変化させる場合よりもさらに高い脈動低減効果を得ることができる。

本発明は、シングルスクリュー圧縮機に適用することが可能である。とくに、チラーやヒートポンプ等に内蔵されたシングルスクリュー圧縮機に好適に適用できる。また可変容量（ＶＲＶ）タイプの圧縮機にも適用できる。

本発明の第１実施形態に係わるシングルスクリュー圧縮機の主要部分の構成図。 図１のシングルスクリュー圧縮機の正面図。 図１の異なる開き角度を有する末広がりの歯を有するゲートロータおよびそれに噛み合うスクリューロータの拡大正面図。 本発明の第２実施形態に係わるシングルスクリュー圧縮機の異なる歯先半径を有する長さが不連続な歯を有するゲートロータおよびそれに噛み合うスクリューロータの拡大正面図。

１ シングルスクリュー圧縮機
２ スクリューロータ
３ ケーシング
４ シャフト
５ 第１ゲートロータ
６ 第２ゲートロータ
７ スラスト軸受
８、９ 回転軸
１１ 溝
１２、１２ａ１〜１２ａ１２、１２ｂ１〜１２ｂ１２ 歯

特許第３８４０８９９号公報 特許第３８０７９２２号公報

Claims (3)

1. 第１の回転軸（４）の周囲に複数本の螺旋状の溝（１１）を有するスクリューロータ（２）と、
   第２の回転軸（８、９）の周囲に複数の歯（１２）を有するゲートロータ（５、６）と
   を備えており、
   前記スクリューロータ（２）の溝（１１）の数と前記ゲートロータ（５、６）の歯（１２）の数の比が互いに素でなく、
   隣接する前記ゲートロータ（５、６）の歯（１２）の形状は、互いに異なる形状をしており、
   前記スクリューロータ（２）の溝（１１）の形状は、前記ゲートロータ（５、６）の歯に噛合可能な形状をしている、
   シングルスクリュー圧縮機（１）。
2. 複数の前記ゲートロータ（５、６）の歯（１２）は、それぞれ末広がりの扇形状を有しており、
   隣接する前記ゲートロータ（５、６）の歯（１２）の開き角度は、互いに異なっている、
   請求項１に記載のシングルスクリュー圧縮機（１）。
3. 隣接する前記ゲートロータ（５、６）の歯（１２）の歯先の半径は、互いに異なる、
   請求項１または２に記載のシングルスクリュー圧縮機（１）。

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