JP2011247115A - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリュー圧縮機において、アキシャルポートの開口時間が短すぎると性能減となり、開口時間が長すぎると作動室が圧縮過程に入るために吸入過程で一度吸った気体をアキシャルポートから戻してしまう現象がある。性能向上のために作動室の閉止タイミングの最適な制御方法が求められていた。
【解決手段】雄ロータの歯と雌ロータの歯が互いに噛み合った状態で収納するボアを形成したケーシングと、ケーシングの吸入側に設けられたアキシャル吸入ポートと、吐出側に設けられた吐出ポートと、を具備し、アキシャル吸入ポートは、雄歯形に沿った線と雌歯形に沿った線を含む輪郭線で構成されており、雄歯形に沿った線は、雄ロータの雄歯溝と雌ロータの雌歯溝とボアで囲まれて形成される作動室の容積が最大となる、雄ロータの回転角度における雄歯溝の追従側輪郭線位置よりも雄ロータの回転方向側に所定のずれ角を設けて配置されるスクリュー圧縮機。
【選択図】 図１

Description

本発明はスクリュー圧縮機に関わり、特に、同期歯車を備えたオイルフリー式スクリュー圧縮機のアキシャル吸入ポートの形状に関する。

スクリュー圧縮機のエネルギ効率や体積効率を向上させるため、これまで多くの努力が費やされてきた。性能を決める要因は多々あるが、最近の研究からアキシャル吸入ポートの輪郭形状がスクリュー圧縮機の体積効率に影響することがわかってきた。一般的には、アキシャル吸入ポートにおいて十分な開口面積や開口時間を確保できなかった場合は吸い込み流量が減少し体積効率の低下につながるが、逆に過大な開口面積および開口時間が設定されている場合、一旦作動室に吸引された流体が圧縮工程で逆流し、結果的に吸い込み流量が減少し体積効率が低下する。

特許文献１には、一時的に容積変化が中断する作動室を備えたスクリュー圧縮機のアキシャル吸入ポートに好適な輪郭形状が述べられている。また、特許文献２には、吸入動作を断続させることにより吸い込み流量を増す方法が述べられている。

特開平６−２８８３６９号公報 特開平１０−９１６４号公報

特許文献１，特許文献２は、適用できるスクリュー圧縮機の構造や使用方法に条件があり、広く一般的に適用するには至らなかった。そのため、多くのスクリュー圧縮機に適用できる吸い込み量を増すための構造を具体化することが課題となっていた。

そこで、上記課題に鑑み本発明の目的は、一般的な構成のスクリュー圧縮機において、エネルギ効率，体積効率を向上できる構成を提案することにある。

上記課題を解決するため、請求項１は、ねじれた歯を有する雄ロータと、ねじれた歯を有する雌ロータと、前記雄ロータの歯と雌ロータの歯が互いに噛み合った状態で収納するためのボアを形成したケーシングと、該ケーシングの吸入側に設けられたアキシャル吸入ポートと、前記ケーシングの吐出側に設けられた吐出ポートと、を具備しており、前記アキシャル吸入ポートは、雄歯形に沿った線と雌歯形に沿った線を含む輪郭線で構成されており、前記雄歯形に沿った線は、前記雄ロータの雄歯溝と前記雌ロータの雌歯溝と前記ボアで囲まれて形成される作動室の容積が最大となる、前記雄ロータの回転角度における雄歯溝の追従側輪郭線位置よりも雄ロータの回転方向側に所定のずれ角を設けて配置されるスクリュー圧縮機とした。

また、請求項２は、ねじれた歯を有する雄ロータと、ねじれた歯を有する雌ロータと、前記雄ロータの歯と雌ロータの歯が互いに噛み合った状態で収納するためのボアを形成したケーシングと、該ケーシングの吸入側に設けられたアキシャル吸入ポートと、前記ケーシングの吐出側に設けられた吐出ポートと、を具備しており、前記アキシャル吸入ポートは、雄歯形に沿った線と雌歯形に沿った線を含む輪郭線で構成されており、前記雌歯形に沿った線は、前記雄ロータの雄歯溝と前記雌ロータの雌歯溝と前記ボアで囲まれて形成される作動室の容積が最大となる、前記雌ロータの回転角度における雌歯溝の追従側輪郭線位置よりも雌ロータの回転方向側に所定のずれ角を設けて配置されるスクリュー圧縮機とした。

本発明によれば、吸入量を増やし高効率の圧縮機を実現することができる。

実施例１のロータ対と吸入ポートの輪郭である。 実施例１のボア外周面の展開図である。 一般的なスクリュー圧縮機の断面模式図である。 一般的なスクリュー圧縮機のロータ対と吸入ポートの輪郭である。 スクリュー圧縮機の作動室の容積変化と吸入流量のグラフである。 流入断面積形状を説明する図である。

本発明の実施例を説明する前に、スクリュー圧縮機の一般的な構成について、図３と図４を用いて説明する。

図３は、スクリュー圧縮機の断面模式図である。１は、ねじれた歯を有する雄ロータ、２は、ねじれた歯を有する雌ロータである。ここに示すように、スクリュー圧縮機においては、雄ロータ１と雌ロータ２は互いに噛み合った状態で、ケーシング３の内部に形成したボア４に収納されている。ボア４は、一部を重複した２つの円筒形であり、より具体的には、雄ロータ１の歯部を覆う円筒状外周面と、雌ロータ２の歯部を覆う円筒状外周面と、吸入側端面７と、吐出側端面８の４面で構成される。吸入側端面７には後述するアキシャル吸入ポート１１が設けられ、吐出側端面８には図示しない吐出ポートが設けられている。また、雄ロータ１の軸の一端に設けられた同期歯車１０と、雌ロータ２の軸の一端に設けられた同期歯車１０が、噛み合うように配置されており、雄ロータ１の回転駆動に同期して、雌ロータ２が回転駆動するように構成されている。雄ロータ１の雄歯溝５と雌ロータ２の雌歯溝６が連通する空間は、ボア４に覆われ、閉じた空間である作動室９を形成する。雄歯溝５と雌歯溝６が連通する空間は複数存在するので、作動室９も複数形成されることになる。各作動室９は、両ロータの回転に伴い、吸入側端面７から吐出側端面８方向に移動する。なお、オイルフリー式スクリュー圧縮機では同期歯車１０同士のバックラッシは、雄ロータ１と雌ロータ２の歯部同士のバックラッシより小さく設計されており、雄ロータ１と雌ロータ２の歯部同士が接触することはない。このため、各作動室９は厳密な意味では閉じた空間ではなく、隙間を通じて隣接する作動室とつながっている。しかし、隙間を通って隣接する作動室９に漏れるガスは微少量であり無視できる。また、非オイルフリー式スクリュー圧縮機では、一般的に油や水などで隙間はシールされており、隣接する作動室９同士での漏れの影響は無視できる。よって以下では各作動室９が独立した空間であるとして説明を行う。

図４は、ボア４の吸入側端面７に設けられるアキシャル吸入ポート１１の一般的な形状を説明する図である。矢印で示すように、雄ロータ１は時計回りで回転し、雌ロータ２は反時計回りで回転する。吸入側端面７上の両ロータが接する位置で生まれた作動室９は、両ロータの回転に従い、作動室９の先頭が吐出側端面８に向かって移動しながら、内容積を拡大する。この間、作動室９には、アキシャル吸入ポート１１を介して被圧縮ガスが供給される。アキシャル吸入ポート１１の雄ロータ１側の輪郭線１５と雌ロータ２側の輪郭線１８は、作動室９の内容積が最大となる位置に設けられている。すなわち、作動室９の内容積が拡大している期間、アキシャル吸入ポート１１に連通する作動室９には被圧縮ガスが供給され、作動室９の内容積が縮小する期間、アキシャル吸入ポート１１と連通しない作動室９には新たな被圧縮ガスが供給されないことになる。その後、両ロータの回転に伴い、作動室９の内容積が縮小するので、作動室９内の被圧縮ガスが圧縮されることとなる。圧縮された被圧縮ガスは、吐出側端面８に設けられた吐出ポートから吐き出される。

本発明の実施例１を、図１を用いて説明する。図３，図４と同等の構成については同一の符号を付し説明を省略する。図１（ａ）は、ボア４の吸入側端面７に設けられるアキシャル吸入ポート１１の実施例１における形状を説明する図である。矢印で示すように、雄ロータ１は時計回りで回転し、雌ロータ２は反時計回りで回転する。最も吐出側の斜線で示す作動室９は最大容積となった位置にあり、それより吸入側に並ぶ作動室は容積拡大による吸入過程にある。

図１（ｂ）に示すように、アキシャル吸入ポート１１の輪郭線は、噛み合い部の線１３，雄歯底径に沿った円弧１４，雄歯形に沿った線１５，雄歯先径に沿った円弧１６，雌歯先径に沿った円弧１７，雌歯形に沿った線１８，雌歯底径に沿った円弧１９、の７つの輪郭線で構成される。このうち、圧縮機の性能に大きく影響する輪郭線である、雄歯形に沿った線１５と、雌歯形に沿った線１８を詳しく説明する。

図１（ａ）中にハッチングで示した最大容積の作動室９は、雌雄両方で吸入側端面７と吐出側端面８に接している。吸入側端面７における各ロータの歯溝の輪郭をロータ回転に対して先行する側と追従する側の２つに分けて考える。これらのうち、圧縮機の性能に与える影響が大きいのは追従側であるので、以下では、雄歯溝５の追従側輪郭線２１と、雌歯溝６の追従側輪郭線２２に着目する。

図１（ｂ）に示すように、雄歯形に沿った線１５は、作動室９が最大容積となるタイミングでの追従側輪郭線２１位置から、Δｆ１だけ時計回りにずれた位置に設けられている。なお、雄歯形に沿った線１５の位置精度は、ロータ直径の１／２０以内であればよい。

また、雌歯形に沿った線１８は、作動室９が最大容積となるタイミングでの追従側輪郭線２２位置から、Δｆ２だけ反時計回りにずれた位置に設けられている。なお、雌歯形に沿った線１８の位置精度は、ロータ直径の１／２０以内であればよい。

次に、図２に示すボア４の展開図を用いて、作動室９とアキシャル吸入ポート１１との位置関係を説明する。図２で示すボア４の展開図のうち、右側は雄側円筒の展開図であり、左側は雌側円筒の展開図である。また、展開図の下端は吸入側端面７であり、上端は吐出側端面８である。吸入側端面７に隣接し、雄歯形に沿った線１５と雌歯形に沿った線１８で両端が規定されるアキシャル吸入ポート１１が開口している。

符号３１で示す中央の縦線は、雄側円筒と雌側円筒の交線のうち、膨張側にある膨張側カスプである。符号３２で示す左右両側の縦線は、ボア４の雄側円筒と雌側円筒の交線のうち、圧縮側にある圧縮側カスプである。また、斜線２４，２５およびそれらに平行な斜線は各ロータの歯先線を示す。各歯先線間に形成される作動室のうち、アキシャル吸入ポート１１と面する作動室には被圧縮ガスの吸入があり、アキシャル吸入ポート１１と面しない作動室には被圧縮ガスの吸入がない。

なお、雌雄両ロータが回転すると、矢印で示すように、作動室は上方に移動し、内容量が拡大または減少する。

図５を用いて、以上で説明した構成のスクリュー圧縮機の作動室への被圧縮ガスの吸入行程を説明する。図５（ａ）はロータを回転させたときの作動室の容積を示す。図５（ｂ）は図５（ａ）を微分して求めた作動室の容積変化率を示す。図５（ｃ）は作動室が吸入する体積流量を示す。なお、本実施例のアキシャル吸入ポート１１が一般的なアキシャル吸入ポートよりも大きいことは、図５では、作動室容量増加期間よりもアキシャル吸入ポート開口期間が長いことで示されている。

まず、雄歯溝と雌歯溝が連通して形成される作動室が、吸入側端面７と膨張側カスプ３１の接点に生じるロータの回転角度をθ₀とする。回転角度θ₀〜θ₁の期間、吸入側端面７における作動室の開口は雄歯溝と雌歯溝が連結したものとなっている。回転角度θ₁のとき、吸入側端面７における作動室の開口が雄歯溝側と雌歯溝側に分離する。図５（ｃ）に示すように、回転角度θ₁〜θ₂の期間、作動室が吸入する体積流量は大きいが、雄ロータ側と雌ロータ側の二つの開口を介して、作動室に被圧縮ガスが吸入されるので、通過圧損は小さく、円滑な吸入を実現できる。

回転角度θ₂のタイミングで、作動室の先端が吐出側端面８に到達すると、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、作動室の容積の変化率および吸入する体積流量は次第に低下する。また、回転角度θ₃のタイミングで作動室の容積が最大になり、θ₃以後は作動室の容積が減少に転じる。ここで着目すべきは、作動室９の容積が減少に転じても、作動室への被圧縮ガスの吸入が回転角度θ₄まで継続する点である。

図６を用いてこの理由を説明する。図６は吸入側ケーシングから吸入ポートを通じてロータへ吸入される被圧縮ガスの流れの状態を示している。従来は吸入に伴う慣性効果の小さい静止状態に近い状態からの吸入を想定していたため、ロートから吸入される被圧縮ガスの流速は十分大きな慣性効果を持ち、本実施例では、この慣性効果を利用できるようなアキシャル吸入ポート１１の形状を採用することで、吸引量を増やして体積効率を向上させている。

以下では、作動室容積が減少に転じた後も、被圧縮ガスの吸入が可能である理由をより詳細に検討する。

雄ロータ歯溝底の半径Ｒｍ，雄ロータ巻き角度θｍ，雌ロータ歯溝底の半径Ｒｆ，雌ロータ巻き角度θｆ、ロータの軸方向長さをＬとすると、作動室の軸方向の溝長さＬ′は、歯溝底半径を最小として、
Ｌ′＝√｛(２πＲ×θ／２π)²＋Ｌ²｝
と表す事ができる。（θはradian単位）
作動室に流入した被圧縮ガスは、圧縮工程前に移行する前はポート温度および圧力とほぼ等しいと考えられる。この時の被圧縮ガスの音速をａとする。非オイルフリー式の場合については、油ないしは水などの蒸気量で補正された音速で定義される。

作動室体積が最小の段階からロータの回転と共に作動室体積は拡大するが、作動室が吐出端面に到達した段階で作動室の容積拡大は最大となる。このとき、作動室が吐出端面に到達したことは被圧縮気体の音速条件のもとで吸入側へ伝達される。その気体の圧縮性に基づくタイムラグ時間Δｔは、例えば作動室の軸方向の溝長さＬ′を用いて、
Δｔ＝√｛(２πＲ×θ／２π)²＋Ｌ²｝／ａ
となる。回転速度をωとすると、ずれ角度Δｆは、
Δｆ＝ω×√｛(２πＲ×θ／２π)²＋Ｌ²｝／ａ
となる。

具体的には、例えば雄ロータ側溝長さＬ′ｍが雌ロータ側溝長さＬ′ｆより短い場合を考えると、雌ロータ側歯溝底半径Ｒｆ＝３０mm，巻き角度θｆ＝１５０°，ロータ軸方向長さＬ＝１００mm、被圧縮ガスを空気とし音速ａ＝３４０ｍ／ｓであった場合、Δｔ＝３.７×１０^-4secとなり、雌ロータの回転数を秒間２００回転とすると、遅れ時間のあいだに動く角度Δｆは、Δｆ＝２７°となる。従って、アキシャルポートの閉止タイミングを、作動室が最大容積を成す角度から理論上はΔｆ＝２７°以下の範囲で遅らせることにより、吸い込み口断面積および吸い込み時間を拡大することが可能となり、吸い込み体積効率の向上を行う事ができるものである。

以上で説明した実施例１のスクリュー圧縮機によれば、吸入過程にある作動室が、円滑かつ低圧損で被圧縮ガスを吸入することができ、なおかつ、一旦吸入した被圧縮ガスの作動室からの逆流を防ぎつつ、吸入量を増やすことができる。

なお、被圧縮ガスの種別については、いずれの種類のガスにおいても適用可能である。また、条件については雄ロータ１と雌ロータ２で形成される作動室９の形状（主に長さ）で規定されるものであり、様々なロータ歯形状についても適用可能であり、またロータなどの材質については問わない。

本発明の実施例２について記述する。実施例１では雄雌のアキシャル吸入ポート１１を同一タイミングで閉止するようにしていたが、実施例２では、アキシャル吸入ポート１１の雄側輪郭線である輪郭線１５のみを実施例１に記述した閉止タイミングにて閉止することとした。

これにより雌ロータ側の最大ズレ角度Δｆ《雄ロータ側の最大ズレ角度Δｆとなる場合でも、効率向上を実施可能となる。

本発明の実施例３について記述する。実施例１では雄雌のアキシャル吸入ポート１１を同一タイミングで閉止するようにしていたが、実施例３では、アキシャル吸入ポート１１の雌側輪郭線である輪郭線１８のみを実施例１に記述した閉止タイミングにて閉止することとした。

これにより雄ロータ側の最大ズレ角度Δｆ《雌ロータ側の最大ズレ角度Δｆとなる場合でも、効率向上を実施可能となる。

１ 雄ロータ
２ 雌ロータ
３ ケーシング
４ ボア
５ 雄歯溝
６ 雌歯溝
７ 吸入側端面
８ 吐出側端面
９ 作動室
１０ 同期歯車
１１ アキシャル吸入ポート
１３〜１９ アキシャル吸入ポートの輪郭を構成する個々の線
２１ 雄歯溝の追従側輪郭線
２２ 雌歯溝の追従側輪郭線
２３ アキシャル吸入ポート１１の進行側輪郭線
２４ 雄歯先線
２５ 雌歯先線
２９ 作動室（内容積拡大中で吸入過程にある）
３１ 膨張側カスプ
３２ 圧縮側カスプ

Claims (4)

1. ねじれた歯を有する雄ロータと、
   ねじれた歯を有する雌ロータと、
   前記雄ロータの歯と雌ロータの歯が互いに噛み合った状態で収納するためのボアを形成したケーシングと、
   該ケーシングの吸入側に設けられたアキシャル吸入ポートと、
   前記ケーシングの吐出側に設けられた吐出ポートと、
   を具備しており、
   前記アキシャル吸入ポートは、雄歯形に沿った線と雌歯形に沿った線を含む輪郭線で構成されており、
   前記雄歯形に沿った線は、前記雄ロータの雄歯溝と前記雌ロータの雌歯溝と前記ボアで囲まれて形成される作動室の容積が最大となる、前記雄ロータの回転角度における雄歯溝の追従側輪郭線位置よりも雄ロータの回転方向側に所定のずれ角を設けて配置されることを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. ねじれた歯を有する雄ロータと、
   ねじれた歯を有する雌ロータと、
   前記雄ロータの歯と雌ロータの歯が互いに噛み合った状態で収納するためのボアを形成したケーシングと、
   該ケーシングの吸入側に設けられたアキシャル吸入ポートと、
   前記ケーシングの吐出側に設けられた吐出ポートと、
   を具備しており、
   前記アキシャル吸入ポートは、雄歯形に沿った線と雌歯形に沿った線を含む輪郭線で構成されており、
   前記雌歯形に沿った線は、前記雄ロータの雄歯溝と前記雌ロータの雌歯溝と前記ボアで囲まれて形成される作動室の容積が最大となる、前記雌ロータの回転角度における雌歯溝の追従側輪郭線位置よりも雌ロータの回転方向側に所定のずれ角を設けて配置されることを特徴とするスクリュー圧縮機。
3. ねじれた歯を有し微小な隙間を間に保ちながら互いに噛み合った雌雄２つのロータを、ケーシング内部に設けた一部を重複する２つの円筒穴からなるボア内に回転自在に備え、
   前記雄ロータの歯溝と前記雌ロータの歯溝１つずつが噛み合い部で連通して１つの作動室を形成し、ロータの回転に伴い移動しつつ内容積が拡大する作動室の一端が前記ボアの吸入側端面に面し、該吸入側端面にアキシャル吸入ポートを設けたスクリュー圧縮機において、
   前記アキシャル吸入ポートは、前記作動室の容積がほぼ最大となる回転角度を経て容積縮小過程にある位置からさらに、作動室が吐出端面に到達したときからロータの歯部長さを被圧縮ガスの音速で移動に要する時間だけ後以降に吸入ポートを閉止する構造であることを特徴とするスクリュー圧縮機。
4. ねじれた歯を有し微小な隙間を間に保ちながら互いに噛み合った雌雄２つのロータを、ケーシング内部に設けた一部を重複する２つの円筒穴からなるボア内に回転自在に備え、
   前記雄ロータの歯溝と前記雌ロータの歯溝１つずつが噛み合い部で連通して１つの作動室を形成し、ロータの回転に伴い移動しつつ内容積が拡大する作動室の一端が前記ボアの吸入側端面に面し、該吸入側端面にアキシャル吸入ポートを設けたスクリュー圧縮機において、
   前記アキシャル吸入ポートの輪郭は、該作動室の容積がほぼ最大となるロータの回転角度以降において、作動室が吐出端面に到達したときからロータの歯部長さを被圧縮ガスの音速で移動に要する時間だけ後以降に閉止するようなロータの回転角度から、該作動室の一部を成す雄ロータ歯溝の回転で後側となる端面での輪郭線に沿った部分と、雌ロータ歯溝の回転で後側となる端面での輪郭線に沿った部分の両方を含み、それら輪郭線よりも雌雄両ロータの回転方向と反対側が開口しているとともに、回転方向側がボア端面で塞がれている構造であることを特徴とするスクリュー圧縮機。

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