JP2021152335A - 液冷式ガス圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】通常の衝突式微粒給油機構の場合、２つの小径給油穴を加工する前に、その穴加工の直角面を確保する目的で、窪み部の加工を施すが、その窪み部が油冷式空気圧縮機においては圧縮途中の膨張容積になるので性能低下の要因となってしまう。また、この窪み部の角部に噴出した油が接触してしまうことにより油の飛散範囲拡大が阻害されて冷却効果が低減してしまう。【解決手段】上記課題を解決するため、ロータと、ロータを格納するメインケースと、を有し、メインケースの内壁には、メインケースの内部に液体を供給する少なくとも一組の給液穴があり、中心軸から給液穴の内壁側出口までの距離は、ロータの中心軸から内壁までの距離と等しく、一組の給液穴は、それぞれの給液穴の延伸方向がメインケースの内部で交差する圧縮機を提供する。【選択図】 図１

Description

本発明は液冷式ガス圧縮機に関する。

液冷式ガス圧縮機は、（１）ロータと圧縮器本体およびロータが複数の場合にはロータ同士の潤滑という目的、（２）ロータの回転にともなって容積が減少する作動室から圧縮対象のガスが漏れないようにシールする目的、そして（３）ガスの圧縮熱によって加熱されたロータやガスを冷却する目的などのために液体が圧縮機本体に導入される。

液冷式ガス圧縮機の高性能化への取組みとして、給液のタイミング、給液温度、給液量などの変更が検討されてきた。その検討の中で、微粒給液という技術が考案されている。微粒給油では圧縮室内に微粒子化した液体を給液することによって液体の比表面積が大きくし、熱を効果的に液体に移動させることができため、液冷式ガス圧縮機の性能を向上させることができる。

特開2003-184768

特許文献１は、１対の雄スクリューロータと雌スクリューロータと、これらロータを収容するケーシングとを有し、ケーシングに１対のロータとケーシングにより形成される圧縮作動室に水を注入する第１の給水部を形成し、圧縮作動室に連通し作動ガスを外部から吸入する吸入部に水を注入する第２の給水部を形成し、この第２の給水部に注入される水を微粒化させる微粒化手段を設け、微粒化手段で微粒化した水を第２の給水部から吸入空気に噴霧させるものであって、第２の給水部から注入される水の平均粒径を、第１の給水部から噴霧される水の平均粒径よりも小にした技術を開示している。
特許文献１で開示される構造は水潤滑圧縮機において微粒給液機構を採用して高性能化を実現する手法であるが、微粒給液化させる構造において、圧縮途中での膨張容積（文献１の窪み部）が存在し、膨張による性能低下と、膨張容積によって水の飛散範囲が狭くなる可能性がある。

上記課題を解決するため、ロータと、ロータを格納するメインケースと、を有し、メインケースの内壁には、メインケースの内部に液体を供給する少なくとも一組の給液穴があり、中心軸から給液穴の内壁側出口までの距離は、ロータの中心軸から内壁までの距離と等しく、一組の給液穴は、それぞれの給液穴の延伸方向がメインケースの内部で交差する圧縮機を提供する。

本発明の衝突式微粒給液構造を採用することにより、圧縮途中の膨張によるロスを低減し、更には、液の飛散範囲を拡大できるので、より高性能な衝突式微粒給液構造にすることが出来る。また、膨張容積部の加工をする必要がないので、加工の負担も軽減できる。

実施例１の液冷式ガス圧縮機の衝突式微粒給油構造を示す図の一例 小径給油穴組の配置例を示す図の一例 液冷式ガス圧縮機の従来構造を示す図の一例 衝突式微粒給液の説明図 従来の微粒給液機構を示す図の一例

以下、本発明の液冷式ガス圧縮機の一形態であるツインスクリュー式の油冷式空気圧縮機の実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の実施例を説明する前に、ツインスクリュー式油冷式空気圧縮機の従来の構造を図３を用いて説明する。

ツインスクリュー式油冷式空気圧縮機は、メインケース３とＤケース４の中に雄ロータ１と雌ロータ２を収納し、雄ロータ１は、ＭＳ軸受５とＭＤ軸受６により支持され、雌ロータ２は、ＦＳ軸受７とＦＤ軸受８により支持されて回転している。

雄ロータ１とメインケース３およびＤケース４により閉じられた空間がＭ側作動室１０であり、雌ロータ２とメインケース３およびＤケース４により閉じられた空間がＦ側作動室１１である。各作動室は、雄ロータ１と雌ロータ２が回転することにより徐々に容積が小さくなるので、作動室内に閉じ込められた空気が圧縮されることにより圧力が上昇し、温度が上昇する。

油冷式空気圧縮機において給油する主な目的は、作動室を構成するロータとメインケース３およびＤケース４の隙間を埋めて漏れ出す空気を減らすシール、雄ロータ１の軸に接続されたモータから雄ロータ１に伝えられた動力をロータを介して雌ロータ２に伝える際にロータの摩耗とかじりを防ぐ潤滑、以下で説明する冷却の３つである。

従来の油冷式空気圧縮機の場合、図３のＢ詳細で示す単純丸穴で構成された給油通路１２から、Ｍ側作動室１０およびＦ側作動室１１に潤滑油を給油する構造となっている。作動室に供給された油はロータの回転を動力としてロータやケースの表面に広がり、ロータやケースの表面で圧縮された空気と熱交換していた。圧縮空気の温度が最も高くなる吐出しの部分で圧縮空気の温度と油の温度が同一であると油との熱交換が最大限まで行われたといえるが、従来構造では圧縮空気と油との接触がロータやケース表面などの限られた部分でしか行われておらず、熱交換が不十分であった。

そこで、圧縮空気と油との接触面積を増やす方法として、油を微粒子化して比表面積（単位体積あたりの表面積）を増加させることで熱交換を十分に行わせることが考案されている。油を微粒子化することにより油の液滴の質量（１滴当たりの質量）が減少するため、作動室内に長時間油が滞留し、より熱交換しやすくなるという効果も期待できる。液体を微粒子化する方法は、単一噴孔式や渦巻き噴射式など様々な方法が考案されているが、作動室内に供給する油の圧力や構造の簡易さを考慮すると衝突式が有力である。

衝突式微粒給油に関して図４を用いて説明する。図４は、給油通路９から供給された油が２つの小径給油穴１４から噴出し、衝突点１５を中心とした所定範囲で衝突するモデルをシミュレートした図の例である。

衝突した油は図４の側面図から見て横方向の運動量が相殺されて下方向の運動量が残り、液膜１７のように扇型となる。油の表面張力によって液膜は小径給油穴１４から離れるに伴なって線状になり、その後に液滴１８となる。この際、側面図から見た油の厚さが薄くなればなるほど、その先により粒径の小さい油として飛散させることができる。そして油の粒径が小さくなると、上述の通り単位体積あたりの表面積が大きくなるため、圧縮空気との熱交換面積を増やすことができ、冷却性が向上して圧縮機の高性能化が図れることになる。

衝突式微粒給油の油冷式空気圧縮機の給液ノズルの従来の構造を図５を用いて説明する。図５（ａ）（ｂ）はそれぞれ衝突式微粒給油ノズルの構造を示す図の一例である。図５（ａ）（ｂ）のいずれも油冷式空気圧縮機の構造は図３で示したものと同様の構造となっており、図３のＢの部分の構造が異なっている。

図５（ａ）は、給油通路９に給油ノズル１３が嵌めこまれた構造となっており、給油ノズル１３の先端は、ロータ１、２が格納されるメインケース３の内壁より突出しないように配置されている。給油ノズル１３の構造は、小径給油穴１４が２箇所に穴あけ加工された構造となっており、小径給油穴１４から噴出した油は、衝突点１５にて衝突するように加工されたものである。

図５（ｂ）は、メインケース３の外壁から内壁方向に貫通しないように吸油経路９を設けた後に、メインケース３の内壁に略直角のＶ字型の溝を設け、Ｖ字型の溝に小径給油穴１４が２箇所に穴あけ加工された構造となっており、小径給油穴１４から噴出した油は、衝突点１５にて衝突するように加工されたものである。

図５（ａ）（ｂ）共に、微粒給油化により単純丸穴に比べて熱交換効率の向上が図れる一方で、メインケース３の内壁に膨張容積１６が形成されてしまう点で圧縮効率の低下が懸念される。膨張容積１６が形成される理由として、図５（ａ）の構造では給油ノズル１３をメインケース３に嵌め込む際に隙間が生じてしまうこと、図５（ａ）（ｂ）の構造共に２つの小径給油穴を加工する前に、その穴加工の直角面を確保する目的で、窪み部の加工が施されることが挙げられる。

また、図５（ａ）（ｂ）の構造は、衝突点１５が給油ノズル１３やメインケース３の内壁などの構造物に近いことにより油の飛散形状が狭くなる場合がある。これは、飛散中の油が給油ノズル１３やメインケース３の内壁の縁部分（紙面表及び裏方向）などの構造物に接触してしまうことにより、飛散範囲が狭くなるという要因のほか、油の飛散する周りの空気の流れ通路が狭くなることにより飛散範囲が狭くなるという要因があると考えられる。

さらに、特に図５（ａ）の構造では給油ノズル１３の取付け角度が締付け度合いなどにより変化するため、油の飛散角度を制御できないという問題がある。

本実施例による、衝突式微粒給油の油冷式ガス圧縮機の給液ノズルの構造は、上記図５（ａ）（ｂ）における懸念点を解消する目的で開発された構造である。

図１は、本実施例における油冷式ガス圧縮機の衝突式微粒給油構造の一例を示す図である。油冷式ガス圧縮機の構造については図３を用いて説明したものと同様であるため、説明を省略する。

なお、図１では雄ロータ１と雌ロータ２のそれぞれに一組ずつ小径給油穴１４が設けられている例を示しているが、本実施例において小径給油穴１４の組は一組に限るものではなく、また、小径給油穴１４が配置される場所も図１で例示する位置に限るものではない。すなわち、１つの給油経路９Ｂから枝分かれするように複数の給油経路９Ａが設けられ、各給油経路９Ａに連通する複数組の小径給油穴１４が設けられるように構成してよい。

給油経路９Ｂは図示しない油溜まりに連通しており、油溜まりには油冷式ガス圧縮機から吐出された圧縮空気から分離された油やＭＳ軸受５、ＭＤ軸受６、ＦＳ軸受７、ＦＤ軸受８等に供給された油が溜められている。油溜まりに溜められた油は圧縮空気の圧力により輸送され、オイルクーラーなどを経由して給油経路９Ｂに供給される。

本実施例における衝突式微粒給油構造は、メインケース３の外側から作動室１０、１１方向に貫通しないように吸油経路９Ａ、９Ｂを設けた後に、メインケース３に直接加工を施して小径給油穴１４を形成した点で図５（ａ）（ｂ）の構成と異なる。

本実施例の衝突式微粒給油構造を別の言葉で表すと、ロータ１、２の中心軸からメインケース３の内壁までの距離と、ロータ１、２の中心軸から小径給油穴１４の出口１９までの距離が等しい構造である。小径給油穴１４の出口１９は、図１中の始め括弧で示されるメインケース３の内壁に設けられた穴の縁を結んだ面を指す。図５（ａ）（ｂ）における小径給油穴１４の出口１９とは、メインケース３の内壁よりも中心軸からの距離が長くなっている点で本実施例の小径給油穴１４の出口１９と異なる。

膨張容積１６は小径給油穴１４の出口１９がメインケース３の内壁よりも中心軸から遠い位置にあることによって生成される空間であるため、この構造により、本実施例の衝突式微粒給油構造には膨張容積１６が形成されず、圧縮空気の膨張再圧縮による圧縮効率の低下を防止することができる。

また、この構造では２つの小径給油穴１４から噴出した油が衝突する衝突点１５が必然的にメインケース３の内壁よりも中心軸側に存在することとなる。このため、衝突点１５の軸方向（図１の紙面鉛直方向）や衝突点１５を含む径の径方向（中心軸から衝突点１５までの距離と等しい距離の点）に構造物がロータ１、２を除いて存在せず、図５（ａ）（ｂ）で懸念された油の飛散形状が狭くなる点が改善される。

以上のように、本実施例における給液ノズルの構造は、図５（ａ）（ｂ）の構造と比較してより効率的に圧縮空気を冷却し、圧縮効率の低下の懸念をなくすことができる。

次に、図２の例を用いて２つの小径給油穴１４とロータ１、２の軸方向との関係について説明する。図２はメインケース３に設けられた小径給油穴組２０、２１、２２が配置された部分をロータ１、２の軸方向から見た図の一例である。図示された一点鎖線はロータ１、２の歯先を示しており、小径給油穴１４から伸びた点線は紙面裏方向に伸びる小径給油穴１４を示している。

小径給油穴１４は断面が円形の円筒形であるが、メインケース３の内壁に対して傾斜して設けられているため、上面図では楕円形状となる。さらに詳細に述べると、メインケース３の内壁はロータ１、２を格納するために円筒形となっているため、厳密な楕円とは異なる形状となる。

小径給油穴組２０は小径給油穴１４を結ぶ直線がロータ１、２の軸方向に対して並行、小径給油穴組２１は垂直になっている例である。また、小径給油穴組２２は小径給油穴１４を結ぶ直線がロータ１、２の歯先と垂直となっている。図４を用いて説明したように、小径給油穴１４から噴出して衝突点１５で衝突した油は小径給油穴１４を結ぶ直線に対して垂直に広がり液膜１７を構成する。小径給油穴組２２のように小径給油穴１４を配置することによって液膜１７が歯先に衝突することを防止し、より多くの液滴１８を作動室１０、１１内に供給することができる。

図２では３パターンの小径給油穴組の配置を示したが、ロータ１、２の軸方向と小径給油穴組との関係はこの３パターンに限定されるものではなく、全ての角度において油の液滴１８を生成することができる。また、１つのメインケース３に対して１パターンの小径給油穴組を設けても良いし、複数パターンの小径給油穴組を設けても良い。例えば小径給油穴組２２を採用する場合、雄ロータ１側のメインケース３内壁と雌ロータ２側のメインケース３内壁には、それぞれのロータの刃先の角度に応じた小径給油穴組を設けることができる。

本実施例では液冷式ガス圧縮機の一形態であるツインスクリュー式の油冷式空気圧縮機を一例として説明したが、本発明はツインスクリュー式に限られるものではなく、シングルスクリュー式や３つ以上のロータを有するスクリュー式、さらにはスクリューを用いない他方式の圧縮機であっても、圧縮室内に油を噴出する圧縮機であれば適用可能である。また、本発明は冷媒を油に限るものでもなく、水やその他の液体をケーシング内部に噴出してもよい。さらに、圧縮対象の気体も空気に限るものではなく、窒素ガスや炭化水素ガス、水素ガスなどの他の気体を対象とした圧縮機であっても適用可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：Ｍロータ
２：Ｆロータ
３：メインケース
４：Ｄケース
５：ＭＳ軸受
６：ＭＤ軸受
７：ＦＳ軸受
８：ＦＤ軸受
９：給油経路
１０：Ｍ側作動室
１１：Ｆ側作動室
１２：給油穴
１３：給油ノズル
１４：小径給油穴
１５：給油衝突点
１６：膨張容積
１７：液膜
１８：油の液滴
１９：小径給油穴の内壁側出口
２０、２１、２２：小径給油穴組

Claims (4)

1. ロータと、
   前記ロータを格納するメインケースと、を有し、
   前記メインケースの内壁には、前記メインケースの内部に液体を供給する少なくとも一組の給液穴があり、
   前記中心軸から前記給液穴の内壁側出口までの距離は、前記ロータの中心軸から前記内壁までの距離と等しい圧縮機。
2. 前記一組の給液穴は、それぞれの給液穴の延伸方向が前記メインケースの内部で交差する請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記一組の給油穴出口を結ぶ直線が前記ロータの歯先と略垂直となるように前記一組の給油穴が配置されている請求項１に記載の圧縮機。
4. 前記給液穴に液体を供給する給液経路を有し、
   前記給液経路には、複数組の前記給液穴が連通する請求項１に記載の圧縮機。

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