JP2020012439A

JP2020012439A - スクリュー圧縮機本体

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Publication number: JP2020012439A
Application number: JP2018136355A
Authority: JP
Inventors: 佑樹谷山; Yuki Taniyama; 紘太郎千葉; Kotaro Chiba
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: JP7037448B2

Abstract

【課題】ロータ強度に係る信頼性を確保しつつ、圧縮空気の吐出完了直前における圧力損失、撹拌損失を低減し、エネルギー効率の向上を両立する。【解決手段】少なくとも１つずつの雄雌スクリューロータと、前記雄雌スクリューロータを格納して圧縮作動空間を構成するケーシングとを備え、前記圧縮作動空間に供給された液体と吸込み気体を圧縮し、前記雄雌スクリューロータの吐出側端面に対向する吐出ポートから圧縮混合気体を吐き出すスクリュー圧縮機本体であって、前記雌スクリューロータが、軸方向に所定深さを有する凹部を吐出側端面に備え、前記凹部が、吐出完了直後の前記吐出ポート軸方向投影面と重なる部分に、回転方向に対しては反回転方向の圧縮作動空間にのみ連通するものである。【選択図】図２

Description

本発明は、スクリュー圧縮機本体に係り、圧縮作動空間内に供給された液体とともに吸込み気体を圧縮し、吐き出すスクリュー圧縮機本体に関する。

複数のロータ（例えば、少なくとも１つの雄雌スクリューロータ）の歯溝が噛み合い、回転することで作動気体を圧縮するスクリュー圧縮機では、潤滑や冷却を目的として、ロータを格納する空間に油や水といった液体を供給する給液式のものが知られている。供給された液体は、圧縮される作動気体とともに吐出端面まで移動し、吐出ポートから排出されるようになっている。

圧縮工程中の２つのロータ間がつくる容積（以下、「作動空間容積」という場合がある。）と、吐出ポートとが連通する部分の面積（以下、「連通面積」という場合がある。）とは、ロータの回転に伴って時々刻々と変化し、圧縮機体及び液体を吐き出していくが、通常液体は圧縮機体よりも比重が大きいために、液体は圧縮気体よりも後に吐き出される。
したがって、作動空間が吐出ポートと連通開始直後は、吐出は、液体が圧縮気体に対して大きな割合となり、吐出完了直前では、液体が圧縮気体に対して大きな割合となる。

吐出完了直前での吐出ポートの連通面積は吐出開始時のそれに比べて小さい。より小さい連通面積で液体が大きな割合で吐き出されることから、液体の粘性摩擦を伴いその空間において液体が詰まるような現象を招来し、圧力損失の原因にもなる。即ち吐出完了の直前（連通面積がゼロとなる手前の状態）には、吐き出されずに詰まった液体が雌ロータ吐出側端面に覆われ、わずかに連通する吐出ポートに対して圧縮気体の吐出しによるロータ軸方向の流れを妨げ、吐出ポートが密閉状態となり、液体の吐出しが不完全となる。不完全な液体の吐出しは、作動空間容積と吐出ポートが連通する面積をその分小さくするため、圧力損失を招来するばかりでなく、滞留部からしばらくして流出した液体が吐出ポートの先の流路で作動気体へ撹拌作用を招き損失の原因ともなる。

特許文献１は、液体として油を、圧縮気体として空気を適用するスクリュー圧縮機であって、「作動油を収容する油分収容部が第１ロータや第２ロータに設けられているスクリュー圧縮機で、油分収容部が圧縮室と作動室を連通しない」構成を開示する。より具体的には、雄ロータ各歯の吐出側端面に、歯先から軸心寄りに向かって凹部を備え、当該凹部に油を逃がしさ、逃がした油を吐出開始時から圧縮空気とともに吐き出すことで、油の吐出しを安定させる技術を開示する。

特許文献２は、液体として油を、圧縮気体として空気を適用するスクリュー圧縮機であって、「吐出ポートの上部の近傍に位置する部分と、吐出圧力以下の圧力にある作動空間とを連通する油流出経路通路を設けた」構成を開示する。より具体的には、作動油を吐出ポート上部に設けた油回収経路を経て、吐出圧力よりも低い圧力空間へ戻すことにより、吐出ポート上部の油の詰まりを軽減させ且つ吐出ポートの先の流路（吐出後半の狭小な連通面積）に油をできるだけ排出しない技術を開示する。これにより、作動空間容積と吐出ポートとの連通面積を確保し且つ吐出ポートの先の流路における撹拌損失を低減している。

特開２０１５−８６７８２号公報特開２００８−２９７９４４号公報

ここで、特許文献１に記載されているスクリュー圧縮機は圧縮空気の吐出開始直後（吐出ポート下部）の工程で油と圧縮空気とを分離する構造によって、圧力損失及び撹拌損失の低減に有効な手段であるが、吐出完了直前に油の吐出には改善の余地が残るともいえる。

特許文献２に記載されているスクリュー圧縮機はケーシングの加工により雄雌ロータの吐出完了直前における油を吐出圧力以下の圧力部分へ排出し、圧力損失および撹拌損失の低減に有効な手段であるが、圧縮過程で高温高圧となった油を低圧側へ戻すことによる動力の増加、ケーシングへの加工工数の増加という改善の余地が残る。
圧縮空気の吐出完了直前における圧力損失、撹拌損失を低減し、エネルギー効率の向上を両立する技術が望まれる。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち少なくとも１つずつの雄雌スクリューロータと、前記雄雌スクリューロータを格納して圧縮作動空間を構成するケーシングとを備え、前記圧縮作動空間に供給された液体と吸込み気体を圧縮し、前記雄雌スクリューロータの吐出側端面に対向する吐出ポートから圧縮混合気体を吐き出すスクリュー圧縮機本体であって、前記雌スクリューロータが、軸方向に所定深さを有する凹部を吐出側端面に備え、前記凹部が、吐出完了直後の前記吐出ポート軸方向投影面と重なる部分に、回転方向に対しては反回転方向の圧縮作動空間にのみ連通するものであるスクリュー圧縮機本体である。

本発明によれば、雌ロータ吐出側端面に凹部を備えることで、吐出完了直前時に生じる吐出ポート上部における液体の詰まり部分へ圧縮気体を流入できるような構造を有することにより、吐出完了直前の液体の詰まりを軽減し、圧力損失の低減且つエネルギー効率を向上させることができる。
本発明の他の課題・構成・効果は、以下の記載から明らかになる。

本発明を適用した実施例１によるスクリュー圧縮機本体の縦断面、スクリューロータの吐出側端面及び吐出ポートの構成を模式的に示す図である。実施例１による吐出ポート周辺部分を拡大した様及び雌ロータ吐出側端面に備える凹部の構成を模式的に示す図である。実施例１による吐出ポートの開口の様を模式的に示す状態遷移図である。比較例による吐出ポート周辺部分を拡大した様を模式的に示す図である。本発明を適用した実施例２による吐出ポート周辺部分を拡大した様を模式的に示す図である。

以下、図面を用いて、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。

図１に、本発明を適用した実施例１による給油式スクリュー空気圧縮機本体１００（以下、単に「圧縮機１００」と称する場合がある。）の構成を模式的に示す。図１（ａ）は、軸方向縦断面を示し、図１（ｂ）は、吐出側断面（図１（ａ）の一点鎖線矢視Ａ）を示す。
図１（ａ）、（ｂ）おいて、圧縮機１００は、互いに噛み合う螺旋状のローブを有する雌ロータ１及び雄ロータ２と、これらを格納する円筒空間３、吸込流路９、圧縮空気と油の混合気体を吐き出す吐出ポート５及び吐出ポート５を介して吐き出された混合気体が流通する吐出流路６を備えるケーシング７とを備える。雄ロータ２は、ロータシャフトに接続された駆動源（例えば、電動機や内燃機関等）から回転動力を受け、雄ロータ２の回転に伴いローブの前進面が雌ロータ１のローブ後進面と摺動することで一対の雄雌ロータが回転するようになっている。本実施例では、雌ロータ１は吐出方向に対して時計回り（図１（ｂ）において、反時計回り。）に回転し、雄ロータ２は、吐出方向に対して反時計回り（図１（ｂ）において、時計回り。）に回転する。

ケーシング７は、円筒空間３を有するケーシング本体７ａと、吐出流路６を有する吐出ケーシング７ｂとから成る。ケーシング本体７ａは、円筒空間３の一側が連通する吸込み通路９を有すると共に円筒空間３の他側が開口する側端面を有する。また、ケーシング本体７ａは、外部から供給される油が圧縮機室に流通する給油路１０を有する。給油路１０は、円筒空間３の雌ロータ１側及び雄ロータ２側にそれぞれ開口する。吸込流路９は、両ロータ１、２の中心を結ぶ線Ｂより上側（吐出ポート５とはロータ軸線に対して逆側）に配置する。

吐出ケーシング７ｂは、ケーシング本体７ａの吐出側端面と円筒空間３の開口を覆うように接続する。図１（ｂ）に示すように、ケーシング７ｂは、吐出ポート５（点線）を有する。吐出ポート５は、両ロータ１及び２の回転に伴って部分的に開口するようになっている（図１（ｂ）の黒塗部分）。

吐出ポート５は、吐出通路６に連通する構成となる。吐出流路６は両ロータ１、２の中心を結ぶ線１８より下側（吸込流路９とロータ軸線に対して逆側。）に配置する。この吐出流路６は、ロータ軸線に対して全体が斜め下方（ロータ軸線から離れる方向）に延在する。なお、吐出流路６が斜め下方に延在する形状となるのは、軸受室８を避けるためである。

また、吐出流路６は、吐出ポート５の雌ロータ１側の上部から軸方向に向かって一部延在するポケット部１２を有する。図２（ａ）に、雌ロータ１の吐出側及び吐出流路６周辺の縦断面拡大図を示す。ポケット部１２は、吐出完了直前に吐出割合が高くなる油の油溜りとして機能する空間である。図２（ａ）では、油溜りをハッチングで模式的に示している。なお、吐出ポート５の上部は、雌ロータ１、雄ロータ２の吐出側端面が吐出ポート５に連通した後、吐出完了直前まで圧縮作動室と連通する部分である（ポケット部１２と軸方向投影面で重なる部分）。

ここで、吐出完了状態となった次の瞬間には、ポケット部１２が雌ロータ１の端面に覆われるため密閉状態となり、ポケット部１２に滞留した油が詰まる傾向にあり、その後も解消されにくくなる。油の詰まりにより、圧縮空気が吐出される作動空間に連通する吐出ポート５の面積が小さくなるため、圧力損失の原因となる。また、ポケット部１２に滞留した油は、その後吐出流路６に流出し、吐出流路６において作動流体に対して撹拌作用を招き、これも吐出圧損失の原因となる。

このような吐出ポート５の開口具合と、油の詰まりについて図３を用いて説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、両ロータ１及び２の回転に伴う吐出ポート５の開口遷移を模式的に示す図である。

図３（ａ）は、吐出中の吐出ポート５の開口の様を示し、図３（ｂ）は、吐出完了直前の吐出ポート５の開口の様を示し、図３（ｃ）は吐出完了直後の吐出ポート５の様を示す。

まず、図３（ａ）において、吐出中は吐出ポート５に対する開口面積９（黒塗部分）が比較的大である。この時は、より比重の低い圧縮空気が吐き出される割合が油よりも大である。
次いで、図３（ｂ）において、吐出完了直前では、吐出ポート５の開口面関は符号１１で示すような狭小な面積となる。この時は、より比重が高い油が吐き出される割合が大となる。

そして、図３（ｃ）において、吐出完了直後では、雌ロータ１寄りの吐出ポート５上部が雌ロータ１のローブ端面に完全に覆われる。このとき当該吐出ポート５上部の軸方向吐出側にあるポケット部１２には油が滞留し且つこれを解消するための吐出力が略無い状態となる。

このように滞留した油が、圧力損失の原因となったり又ポケット部１２からしばらくして流出した油が吐出ポート５の先の吐出流路６で作動流体へ撹拌作用を招き損失の原因となったりする。

そこで、本実施例の雌ロータ１は、その吐出側端面の一部に、軸方向に所定の深さを持つ凹部１４を備える構成を有する点を特徴の１つとする。図２（ｂ）に、雌ロータ１の吐出し側端面を示す。凹部１４は、吐出完了直後即ち雌ロータ１の吐出側端面が吐出ポート５を通過した後もポケット部１２と連通し且つ吸気側作動室１９とは連通しない形状を有する。本実施例において、凹部１４は、雌ロータ１４のローブ付け根付近に位置し、回転方向に対しては反回転方向にのみ開口を有する溝形状を有する。

図２（ａ）に示すように、凹部１４は吐出ポート５と雌ロータ１の吐出側端面の間に空間１４を形成する。これにより、圧縮空気がポケット部１２に滞留する油を押し出す方向への流れ２１が生成される。

比較例として、雌ロータ１に凹部１４を備えない場合について述べる。
図４に、凹部１４を備えない雌ロータ１の吐出側及び吐出流路６周辺の縦断面拡大図を示す。凹部１４を備えない場合、吐出完了直後に吐出ポート５の上部が雌ロータ１のローブ端面によって覆われるため（図３（ｃ）参照）、軸方向や吐出流路６に向かう流れ２０が支配的となり、ポケット部１２に滞留する油を押し出す方向への流れは略発生しない。よって、ポケット部１２に滞留する油が圧力損失や撹拌ロスを招来する。

このように、本実施例では雌ロータ１に凹部１４を適用することでポケット部１２に詰まった油が圧縮空気により掻き出されることにより油の詰まりが軽減され、圧縮空気が吐き出される作動空間容積と吐出ポート５が連通する面積が縮小せず、圧力損失の軽減や吐出流路６での撹拌作用を軽減することができる。

本発明を適用した実施例２について説明する。なお、実施例１と同一要素については同一符号を使用し、詳細な説明を省略する場合がある。

実施例２は、雌スクリュー１の吐出側端部に備える凹部５０の形状が実施例１の凹部１４と異なる。実施例２の凹部５０は、ロータ軸方向の深さが、雌ロータ１の回転方向に向かって小さくなる（回転方向とは逆に向かって大きくなる）形状を有することを特徴の１つとする。

実施例２の凹部５０によれば、圧縮空気が油の詰まり部分１２に滞留する油を押し出す方向への流れ２１とその流れの軸方向成分２２が作り出す角度が、実施例１と比較してより鋭角になることにより、油の詰まり部分１２へ流入する圧縮流体の流れのロータ軸方向成分２２が大きくなるため、より円滑に吐出し流路方向へ油を掻き出すことを可能とし、油詰まり時間を短縮することができ、実施例１と比較して圧力損失の低減効果が見込める。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記種々の構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上記例では、凹部１４や５０が雌ロータ１のローブの数と同数（６つ）備える構成としたが、少なくとも１つの凹部１４・５０を備えることでも一定の上記効果を得ることができる。また、複数の場合も１ローブ飛びで凹部１４・５０を備える構成などとしてもよい。

また、上記例では雄雌ロータが一つずつのツインスクリューを適用して説明したが、３以上のスクリューロータからなるマルチスクリューに適用することも可能である。

また、上記例では、油を作動室に供給する給油式の圧縮機本体を適用して説明したが、水等他の液体を供給する構成であってもよい。同様に、圧縮気体は空気に限定するものではなく、他の気体であってもよい。

１…雌ロータ、２…雄ロータ、３…円筒空間、４…作動空間、５…吐出ポート、６…吐出流路、７…ケーシング、７ａ…ケーシング本体、７ｂ…吐出ケーシング、８…軸受室、９…吸込流路、１０…給油孔、１１…吐出完了直前の吐出ポートの開口、１２…ポケット部、１４…凹部、１９…吐出圧力以下の圧力にある作動空間、２０・２１…吐出方向の流れ、２２…ロータ軸方向成分

Claims

少なくとも１つずつの雄雌スクリューロータと、前記雄雌スクリューロータを格納して圧縮作動空間を構成するケーシングとを備え、前記圧縮作動空間に供給された液体と吸込み気体を圧縮し、前記雄雌スクリューロータの吐出側端面に対向する吐出ポートから圧縮混合気体を吐き出すスクリュー圧縮機本体であって、
前記雌スクリューロータが、
軸方向に所定深さを有する凹部を吐出側端面に備え、
前記凹部が、
吐出完了直後の前記吐出ポート軸方向投影面と重なる部分に、回転方向に対しては反回転方向の圧縮作動空間にのみ連通するものであるスクリュー圧縮機本体。
請求項１に記載のスクリュー圧縮機本体であって、
前記凹部の軸方向深さが、同一深さであるスクリュー圧縮機本体。
請求項１に記載のスクリュー圧縮機本体であって、
前記凹部の軸方向深さが、反回転方向に向かって深くなるものであるスクリュー圧縮機本体。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機本体であって、
前記吐出ポートに連通し、前記混合気体の吐出方向に延在する吐出流路を備え、
前記吐出流路が、
前記雄雌スクリューロータの軸方向から徐々に離間する方向に延在するものであり、
前記吐出ポートの吸込作動空間寄りの部分から前記スクリューロータの軸方向に平行に延在するポケット部を有するものであるスクリュー圧縮機本体。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機本体であって、
前記凹部を、複数備えるものであるスクリュー圧縮機本体。
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機本体であって、
前記凹部の数が、前記雌ロータのローブの数と同数であるスクリュー圧縮機本体。
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機本体であって、
前記液体が油又は水のいずれかであり、
前記吸込気体が空気であるスクリュー圧縮機本体。