JP2020169646A

JP2020169646A - 流体機械

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Publication number: JP2020169646A
Application number: JP2020114275A
Authority: JP
Inventors: 紘太郎千葉; Kotaro Chiba; 正彦高野; Masahiko Takano; 原島　寿和; Toshikazu Harashima; 寿和原島; 康輔貞方; Kosuke Sadakata; 山本　健太郎; Kentaro Yamamoto; 健太郎山本; 土屋　豪; Takeshi Tsuchiya; 豪土屋; 小谷　正直; Masanao Kotani; 正直小谷; 良二河井; Ryoji Kawai
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: EP3505763A1; WO2018038070A1; PL3505763T3; US20190170143A1; EP3505763B1; JP6728364B2; EP3505763A4; ES2977549T3; CN109563835B; JP6986117B2; JPWO2018038070A1; US11149734B2; CN109563835A

Abstract

【課題】流体機械の外部から作動空間に供給された液体を、作動空間の広範囲に拡散させる。【解決手段】スクリューロータ２，３と、前記スクリューロータ２，３を収納するケーシングによって構成され、作動空間内に外部から液体を供給する液体供給部２１ａ，２１ｂを備える流体機械であって、前記液体供給部は、前記スクリューロータ２，３の歯溝の幅方向よりも長手方向２４，２５に液体を拡散するように構成したものである。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、圧縮室内部に外部から液体を供給する機能を有する流体機械に関する。

スクリュー圧縮機として、圧縮室内部に外部から液体を供給する機能を有するものがある。液体供給の目的は、内部すき間の封止、圧縮過程における気体の冷却、摺動する雌雄両ロータの潤滑などである。

圧縮機内部に液体を噴射するものとして特許文献１がある。特許文献１には、「圧縮作動室に対応するケーシングの壁面部に給水部を形成する。・・・給水部材の底部に、角度θだけ傾斜させて外部と連通する複数の小孔を形成する。・・・先止まり穴に導かれた水は、小孔から圧縮作動室に広範囲にわたって噴射される。（段落００２０，００２１）」と記載されている。

特開２００３−１８４７６８号公報

特許文献１に記載の「水噴射式スクリュー圧縮機」は、角度θだけ傾斜した複数の小孔を備える給水部を有し、この小孔から噴射された水は圧縮作動室内に広範囲に広がると、記載されている。傾斜した複数の小孔から噴射された水はお互いに衝突したのち拡散するものの、その方向は指向性を有する。すなわち、それぞれの小孔を結ぶ直線方向には拡散しにくく、それと直交する方向には拡散しやすいという特徴がある。一方で、スクリュー圧縮機の圧縮作動室は、雌雄両ロータに巻き付けたＶ字型の溝形状である。圧縮作動室の広範囲に水を拡散させるためには、雌雄両ロータの歯溝の長手方向に水を拡散させる必要があるが、特許文献１では給水部から噴射される水の拡散の指向性については考慮されていない。

本発明の目的は、流体機械の外部から作動空間に供給された液体を、作動空間の広範囲に拡散させることである。

上記の目的を達成するため、本発明の「流体機械」の一例を挙げるならば、
スクリューロータと、前記スクリューロータを収納するケーシングによって構成され、作動空間内に外部から液体を供給する液体供給部を備える流体機械であって、
前記液体供給部は、前記スクリューロータの歯溝の幅方向よりも長手方向に液体を拡散するように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、流体機械の外部から作動空間に供給された液体が、スクリューロータの歯溝に沿って広範囲に拡散するため、圧縮気体と液体の伝熱領域が拡大し、液体による圧縮気体の冷却効果が促進でき、圧縮動力を低減することができる。

また、液体が作動空間の広範囲に拡散することにより、雄ロータの先端と雄側ボア、または雌ロータの先端と雌側ボアとの間にあるすき間を広範囲にわたって液体が封止し、圧縮効率を向上することができる。これにより、流体機械の省エネルギ化が可能となる。

本発明の第１実施例におけるスクリュー圧縮機のロータ外周図である。本発明の第１実施例の変形例におけるスクリュー圧縮機のロータ外周図である。本発明の第１実施例におけるノズルの断面図である。本発明の第２実施例におけるスクリュー圧縮機のロータ外周図である。本発明の第２実施例におけるノズルの断面図である。本発明の第２実施例におけるスリット部と作動空間の接続部を示す図である。本発明の第３実施例におけるスクリュー圧縮機のロータ外周図である。本発明の第３実施例におけるノズルの断面図である。一般的なスクリュー圧縮機の構成図である。図８のＡ−Ａ断面図である。一般的なスクリュー圧縮機の給油経路を示す図である。

以下の実施例では２つのロータを有し、空気を圧縮するツインスクリュー空気圧縮機を流体機械の一例として説明するが、本発明の要旨を変更しない範囲において変更可能である。すなわち、他の流体機械、例えばシングルスクリュー圧縮機、トリプルスクリュー圧縮機などの３つ以上のロータを有する圧縮機にも適用可能であり、また、圧縮する気体は空気以外であってもよい。

実施例の説明に先立って、スクリュー圧縮機の全体構成を説明する。

図８および図９に、スクリュー圧縮機の構成を示す。図８はスクリュー圧縮機の構成図、図９は図８のＡ−Ａ断面である。スクリュー圧縮機１は、ねじれた歯（ローブ）を持ち互いに噛み合って回転する雄ロータ２と雌ロータ３、それらを収納するケーシング４、雌雄両ロータをそれぞれ回転自在に支持するための吸込側軸受５と吐出側軸受６、およびオイルシールまたはメカニカルシールなどの軸封部品７によって構成される。一般的には、雄ロータ２は吸込側端部にロータ軸を介して回転駆動源であるモータ８に接続される。また、雄ロータ２および雌ロータ３は、それぞれケーシング４の雄側ボア９および雌側ボア１０に対して数１０〜数１００μｍのすき間を保って収容される。

モータ８によって回転駆動された雄ロータ２は、雌ロータ３を回転駆動し、雌雄両ロータの歯溝とそれを囲む雄側ボア９および雌側ボア１０とで形成される作動空間１１が膨張および収縮することによって、空気等の流体を吸込口１２から吸入し、所定の圧力まで圧縮したのち、吐出流路１３から吐出する。また、作動空間１１、吸込側軸受５、吐出側軸受６、および軸封部品７に対して、スクリュー圧縮機１の外部から給液孔１４、吸込側軸受給液孔１５、および吐出側軸受給液孔１６を介して液体が注入される。図９において、符号１４ａは雄側ボアの給液孔を、符号１４ｂは雌側ボアの給液孔を示す。

図１０に、スクリュー圧縮機１に供給される液体の外部経路を示す。液体経路は、スクリュー圧縮機１、遠心分離機１７、冷却器１８、フィルタや逆支弁などの補機１９、およびそれらを接続する配管２０によって構成される。スクリュー圧縮機１から吐出された圧縮気体中には、圧縮機内部に外部から注入された液体が混入している。圧縮気体中に混入した液体は、遠心分離機１７によって圧縮気体から分離され、冷却器１８によって冷却された後、補機１９を介して分岐し、再度、給液孔１４からスクリュー圧縮機１内部の作動空間１１へ、吸込側軸受給液孔１５から吸込側軸受５へ、吐出側軸受給液孔１６から吐出側軸受６へ供給される。なお、液体経路の分岐点は、図中に示したようにスクリュー圧縮機１の外部に限られるものではなく、スクリュー圧縮機１のケーシング４の内部において分岐するものも含まれる。

本発明は、このようなスクリュー圧縮機において、スクリュー圧縮機の外部から作動空間１１に供給された液体を、作動空間の広範囲に拡散させ、圧縮気体の冷却効果の促進などを行うものである。
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１Ａおよび図２に、本発明の第１の実施例を示す。なお、本実施例は空気を圧縮するスクリュー型空気圧縮機に関するものである。また、図８および図９に示されるスクリュー圧縮機の構成については、同様の構成であることから、同一の符号を付して説明を省略する。

図２に、スクリュー圧縮機のケーシング４において、給液孔１４と作動空間１１の間に設けられる、液体供給部である本実施例のノズル２１の断面図を示す。この断面図は、図１Ａの直線21a1（詳細については後述する。）に沿って、ボアの外周面から内周面に向かって径方向に断面を取った場合の図である。実施例１のノズル２１は、衝突噴流型ノズルといわれているものである。給液孔１４の端部には、給液孔１４よりも孔径の小さい第１の噴射孔２２および第２の噴射孔２３が互いに角度θだけ傾斜して接続され、第１の噴射孔２２および第２の噴射孔２３は作動空間１１に連通する。第１の噴射孔２２と第２の噴射孔２３とは作動空間１１側で交差しており、交差する点はスクリューロータの歯溝上に位置する。給液孔１４から第１の噴射孔２２および第２の噴射孔２３に流入し、それぞれから噴射された潤滑油はお互いが衝突し、その後拡散する。その拡散方向には指向性があり、第１の噴射孔２２と第２の噴射孔２３を結ぶ直線の方向には拡散し難く、それと直交する方向には拡散しやすい。また、第１の噴射孔２２および第２の噴射口２３から流出した潤滑油は、衝突後に微粒化されて拡散する。なお、ノズルに供給する液体は水でも良い。

図１Ａに、雄側ボア９に接続する雄側ノズル２１ａおよび雌側ボア１０に接続する雌側ノズル２１ｂを示す。雄側ノズル２１ａは、第１の噴射孔２２および第２の噴射孔２３の、作動空間11側の開口部のそれぞれを結ぶ直線21a1が、雄ロータの歯溝の長手方向２４に対して直交するよう設置される。なお、直線21a1は、図２に示した位置だけでなく、第１の噴射孔２２および第２の噴射孔２３の長手方向における中心軸同士を結ぶ直線で定義される。雄側ノズル２１ａより噴射された潤滑油は、第１の噴射孔２２と第２の噴射孔２３を結ぶ直線に対して直交する方向に広く拡散するため、雄ロータ２の歯溝内に広く拡散する。これにより、微粒化された潤滑油と圧縮空気の伝熱領域が広くなり、圧縮過程における圧縮空気の冷却が促進され、圧縮効率の向上に繋がる。また、潤滑油が雄ロータ２の歯溝内に広く拡散することにより、雄ロータ２と雄側ボア９との間のすき間の広い範囲に潤滑油が介在し、圧縮空気の内部漏洩の抑制効果を向上させることができる。同様の目的により、雌側ノズル２１ｂについても第１の噴射孔２２および第２の噴射孔２３を結ぶ直線が雌ロータ３の歯溝の長手方向２５に対して直交するように設置される。以上により、圧縮効率が高く内部漏洩の少ない省エネルギなスクリュー型空気圧縮機の実現が可能となる。

なお、本実施例においては、雄側ノズル２１ａの第１の噴射孔２２と第２の噴射孔２３を結ぶ直線が雄ロータ２の歯溝の長手方向２４に対して直交している。ただし、直交方向から±２５°以内の角度であれば、潤滑油の飛散範囲は直交する場合の９０％以上となるため、圧縮空気の冷却効果および内部漏洩の抑制効果は大きく変わらない。従って、雄側ノズル２１ａの第１の噴射孔２２と第２の噴射孔２３を結ぶ直線は、雄ロータ２の歯溝の長手方向２４に対して、厳密に直交している必要はない。雌側ノズル２１ｂについても同様である。

図１Ｂに、第１の実施例の変形例のスクリュー圧縮機のロータ外周図を示す。雄型ノズル２１ａおよび雌型ノズル２１ｂをそれぞれ複数個（３個）設けたものである。複数個あるノズルの位置関係は、隣のノズルから生成される微粒化された潤滑油同士が過度に衝突し合わないように、ある程度間隔を開けて設けると良い。

図３、図４、および図５に、本発明の第２の実施例を示す。なお、本実施例は実施例１と同様にスクリュー型空気圧縮機に関するものであり、実施例１と同じ箇所については、同じ記号を付して説明する。

本実施例において、実施例１と異なる点は、雄側ノズル２１ａおよび雌側ノズル２１ｂに代えて、スリット部を有する雄側ノズル２６ａおよび雌側ノズル２６ｂを備えたことにある。図４に、本実施例のノズル２６の、スリット部長手方向の断面図を示す。実施例２のノズル２６は、ファンスプレーノズルといわれているものである。給液孔１４に流入した潤滑油は、スリット部２７を介して作動空間１１に流入する。スリット部２７は、給液孔１４との接続部から作動空間１１との接続部に向かって断面積が広がる形状を有する。図５に、スリット部２７と作動空間１１の接続部を示す。スリット部２７は、スリットの長手方向の寸法ａが幅方向の寸法ｂよりも長い形状である。スリット部２７から作動空間１１に噴射される潤滑油は、寸法ｂの方向（スリットの幅方向）よりも、寸法ａの方向（スリットの長手方向）に広く拡散する。潤滑油は、スリット部２７から膜状に噴射され、その後、微粒化していく。

図３に示すように、雄側ノズル２６ａは、雄ロータ２の歯溝の長手方向２４に沿って、スリット部２７の長手方向の寸法ａを示す直線26a1が位置するように配置される。なお、直線26a1は、図４に示す位置のみならず、この位置と並行関係にある位置を定義してもよい。これにより、雄側ノズル２６ａから噴射された潤滑油は、スリット部２７の長手方向に広く拡散するため、雄ロータ２の歯溝内に広く拡散する。これにより、実施例１と同様に、圧縮空気の冷却効果および内部漏洩の低減効果が促進される。同様の目的により、雌側ノズル２６ｂについても、寸法ａの方向（スリットの長手方向）が雌ロータ３の歯溝の長手方向２５に沿うように設置する。以上により、省エネルギなスクリュー型空気圧縮機の実現が可能となる。

なお、本実施例においては、雄ロータ２の歯溝の長手方向２４に沿って平行に、スリット部２７の長手方向の寸法ａを示す直線26a1が配置されているが、第１実施例に記載した説明と同様の理由により、雄ロータ２の歯溝の長手方向２４に対して±２５°以内の角度であれば、平行である場合に比べて９０％以上の潤滑油の拡散範囲を実現可能である。従って、スリット部２７の長手方向の寸法ａが、雄ロータ２の歯溝の長手方向２４に対して厳密に平行になっている必要はない。雌側ノズル２６ｂについても同様である。

図６および図７に、本発明の第３の実施例を示す。なお、本実施例は実施例２と同様にスクリュー型空気圧縮機に関するものであり、実施例２と同じ箇所については、同じ記号を付して説明する。

本実施例において、第２の実施例と異なる点は、ノズル２６と作動空間１１の接続部の形状が、より開口部の面積が大きい長方形の溝部２９を有するノズル２８を備えたことにある。本実施例においては、ノズル２８と作動空間１１の接続部である溝部２９の開口部の長辺の寸法は、実施例２のスリット部２７におけるそれの１０倍であり、短辺の寸法はスリット部２７におけるそれと同等程度である。

図６に示すように、雄ロータ２に接続されたノズル２８ａは、その開口部の長手方向28a1が作動空間１１を形成する雄ロータ２の歯溝の長手方向２４と同一又はほぼ同一方向に沿うように配置される。雌ロータ３に接続されたノズル２８ｂについても同様である。これにより、実施例２に示したノズル２６と比べて、ノズル２８と作動空間１１の接続部の開口面積が大きいため、潤滑油の微粒化の効果は小さくなるものの、作動空間１１を形成する雄ロータ２の歯溝および雌ロータ３の歯溝のより広範囲に潤滑油が広く拡散する。従って、雄ロータ２と雄側ボア９の間のすき間、および雌ロータ３と雌側ボア１０のすき間のより広範囲を潤滑油によって封止する効果があり、内部漏洩の小さい、すなわち省エネルギであるスクリュー型空気圧縮機の実現が可能となる。

なお、上記の各実施例では、空気を圧縮するスクリュー型空気圧縮機を例に本発明を説明したが、本発明は、空気に限らず、気体を圧縮するスクリュー圧縮機全般に用いることができる。また、雌雄一対のスクリューロータを備えるスクリュー圧縮機について説明したが、本発明は、シングルロータやトリロータのスクリュー圧縮機にも用いることができる。

以上の各実施例で説明したとおり、本発明では、スクリュー圧縮機において、液体供給部であるノズルは、スクリューロータの歯溝の幅方向よりも長手方向に液体を拡散するように構成されている。

これにより、スクリュー圧縮機の外部から作動空間に供給された液体が、スクリューロータの歯溝に沿って広範囲に拡散するため、圧縮気体と液体の伝熱領域が拡大し、液体による圧縮気体の冷却効果が促進でき、圧縮動力を低減することができる。また、液体が作動空間の広範囲に拡散することにより、ロータの先端とボアとの間にあるすき間を広範囲にわたって液体が封止し、圧縮効率を向上することができる。そして、スクリュー圧縮機の省エネルギ化が可能となる。

１…スクリュー圧縮機
２…雄ロータ
３…雌ロータ
４…ケーシング
５…吸込側軸受
６…吐出側軸受
７…軸封部品
８…モータ
９…雄側ボア
１０…雌側ボア
１１…作動空間
１２…吸込口
１３…吐出流路
１４…給液孔
１５…吸込側軸受給液孔
１６…吐出側軸受給液孔
１７…遠心分離機
１８…冷却器
１９…補機
２０…配管
２１…実施例１のノズル
２２…第１の噴射孔
２３…第２の噴射孔
２４…雄ロータ２の歯溝の長手方向
２５…雌ロータ３の歯溝の長手方向
２６…実施例２のノズル
２７…スリット部
２８…実施例３のノズル
２９…溝部

上記の目的を達成するため、本発明の「流体機械」の一例を挙げるならば、
スクリューロータと、前記スクリューロータを収納するケーシングによって構成され、作動空間内に外部から液体を供給する液体供給部を備える流体機械であって、
前記液体供給部は、給液孔と作動空間とを接続するスリット部を有し、該スリット部の長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも長い形状であり、
前記スリット部は、前記給液孔から作動空間に向かってその断面積が拡大するものであり、
前記スリット部の長手方向が、前記スクリューロータの液体噴射孔に連通する歯溝の長手方向に対して±２５°以内の角度となるように、前記液体供給部が配置され、
前記液体供給部は、前記スクリューロータの歯溝の幅方向よりも長手方向に液体を拡散するように構成したことを特徴とする。

Claims

スクリューロータと、前記スクリューロータを収納するケーシングによって構成され、作動空間内に外部から液体を供給する液体供給部を備える流体機械であって、
前記液体供給部は、前記スクリューロータの歯溝の幅方向よりも長手方向に液体を拡散するように構成したことを特徴とする流体機械。
請求項１記載の流体機械において、
前記液体供給部は、それぞれの軸が同一平面内で互いに傾斜し、同一歯溝内で交差する複数の液体噴射孔を備えていることを特徴とする流体機械。
請求項２記載の流体機械において、
前記複数の液体噴射孔の長手方向における中心軸同士を結ぶ直線が、前記スクリューロータの歯溝の長手方向と直交する方向に対して、所定の角度となるように、前記液体供給部が配置されていることを特徴とする流体機械。
請求項３記載の流体機械において、
前記直線が、前記スクリューロータの液体噴射孔に連通する歯溝の長手方向と直交する方向に、前記液体供給部が配置されていることを特徴とする流体機械。
請求項２記載の流体機械において、
前記液体供給部は、衝突噴流型ノズルであることを特徴とする流体機械。
請求項１記載の流体機械において、
前記液体供給部は、給液孔と作動空間とを接続するスリット部を有し、該スリット部の長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも長い形状であることを特徴とする流体機械。
請求項６記載の流体機械において、
前記液体供給部のスリット部の長手方向が、前記スクリューロータの液体噴射孔に連通する歯溝の長手方向と、所定の角度となるように、前記液体供給部が配置されていることを特徴とする流体機械。
請求項７記載の流体機械において、
前記液体供給部のスリット部は、前記給液孔から作動空間に向かってその断面積が拡大するものであることを特徴とする流体機械。
請求項７記載の流体機械において、
前記液体供給部のスリット部の長手方向が、前記スクリューロータの液体噴射孔に連通する歯溝の長手方向と平行となるように、前記液体供給部が配置されていることを特徴とする流体機械。
請求項７記載の流体機械において、
前記液体供給部は、ファンスプレーノズルであることを特徴とする流体機械。
請求項１記載の流体機械において、
前記液体供給部は、作動空間側の開口部が長方形状の溝部を有し、該溝部の長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも長い形状であることを特徴とする流体機械。
請求項１１記載の流体機械において、
前記液体供給部の溝部の長手方向が、前記スクリューロータの液体噴射孔に連通する歯溝の長手方向と、所定の角度となるように、前記液体供給部が配置されていることを特徴とする流体機械。
請求項１１記載の流体機械において、
前記液体供給部の溝部の長手方向が、前記スクリューロータの液体噴射孔に連通する歯溝の長手方向と平行となるように、前記液体供給部が配置されていることを特徴とする流体機械。