JP2823671B2 - スクリュー式圧縮／膨張機械のためのケーシング構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕 少なくとも１つのゲート回転子（ロータ）と連動する
スクリューを用いたコンプレッサ又は膨張機械を製造す
ることはすでに知られている。かかる機械は、例えば米
国特許第3,180,565号などに記述されてきた。かかる機
械は20年以上前から広く用いられており、12社近くのさ
まざまなメーカーによって製造されている。

最も一般的な設計は、１つ又は２つの平面構造のゲー
ト回転子と連動する円筒形のスクリューを含むものであ
る。米国特許第3,180,565号の第５図では機械の低圧側
からスクリューを導入できるようなケーシングとエンド
キャップの構造が示されているものの、過去数年間に作
られた全ての機械は、スクリューが高圧側からケーシン
グ内に導入されるようなケーシングを有していた。

スクリュー／ケーシングアセンブリに対する前述のよ
うな後者のアプローチが行なわれる第１の理由は、ケー
シングの高圧端部上の盲穴を示している前述の特許中の
第５図の構造によると、スクリューを軸方向に位置づけ
ている軸受が高圧端部上にくることができず反対の低圧
端部上にくることになるという事実にある。しかしなが
ら、当該技術分野では未だ経験のないものではあるが、
熱膨張によるスクリューの溝の高圧端部の相対的変位を
最小限におさえるため高圧端部に軸方向にできるかぎり
近づけてスクリューを位置づけするような軸受を得るこ
とが望まれる。

第２の理由は、ケーシングの高圧端部上を移動できる
軸受ホルダを得ることがきわめて便利であるということ
にある。エアコンプレッサにおいては、上述のことが、
ホルダとケーシング間の両方の吐出し用ポートを連結す
るための安価な流路を容易なものにする。冷凍用圧縮機
においては、ケーシング中ぐり内にセンタリングされた
軸受ホルダ部分は、米国特許第4074957号に示されてい
るように容量制御スライダが振動するのを防ぐため、な
らびに圧力均衡化の目的で用いられてきた。センタリン
グされた軸受ホルダのかかる使用は、米国特許第4571,1
66号に示されているように軸受ホルダとは独立して角度
的に位置づけされているスライダについては不要であ
る。

しかしながら高圧側でケーシング内にスクリューを導
入することは、高圧側でスクリューシャフトを支持する
軸受がケーシング内に直接位置づけされておらず軸受ホ
ルダにより間接的に位置づけされているということを意
味することから、きわめて好ましくない。軸受ホルダは
組立て及び分解を可能にするようケーシングとの間に幾
分かのすき間を有していることから、スクリューは、実
施に費用のかかる特別な予防措置無しでは高圧側でケー
シング内に完全にセンタリングされ得ない。その結果、
スクリューのネジ山の頂とケーシングの間のすき間は増
大し、それに付随して機械の作動効率の相応する損失が
生じる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、１本の軸を中心にして回転するように載置
され複数のネジ山を具備したスクリューを含み、かかる
ネジ山の頂はスクリューの軸と同心のシリンダ上に置か
れかつ回転子を部分的にとり囲む円筒形の中ぐり（穴）
を有する定置ケーシングに対して実質的に気密に協働す
るように配置されているような、流体の圧縮又は膨張の
ための機械に関する。スクリューのネジ山とかみ合い係
合状態に配置された歯をもつ少なくとも１つのピニオン
形ゲート回転子がケーシングによって支持され、スクリ
ューの回転軸に対し横方向の軸を中心に回転するように
なっている。少なくとも１つの低圧ポートがスクリュー
の片端上でケーシング内に配置され、１つの高圧ポート
がピニオンのすぐ近傍で反対側端部上にてケーシング内
に配置されている。スクリューはそれぞれスクリューの
各端部に１つずつ配置された２組の軸受セットにより支
持されているシャフトによって保持されている。ケーシ
ングの円筒形中ぐりは両端部で開放しているが、高圧端
部上に補強用フープ（環状部分）を設置するための一体
型の環状横方向壁を含み、中ぐりは低圧端部上ではスク
リューを導入する目的で開放している。

〔発明の効果〕

前述の構造からいくつかの利点が得られる。

まず第１に、ケーシングの中へ高圧側から挿入される
従来の設計によるスクリューにおいては、低圧側ではケ
ーシング内で完全にセンタリングすることができたとし
ても、高圧側では軸受ホルダによる間接的な支持構造を
とる他はないために完全なセンタリングができない。従
って、低圧側ではケーシングとスクリューの間に最小限
の半径方向のすき間しかないのに、高圧側ではより大き
いすき間ができるという結果を招いていたのに対し、本
発明によるとそれと全く逆の結果が生じることになる。
つまり、高圧側ではケーシングによって直接に支持され
る軸受によってスクリューを完全にセンタリングして、
高圧側での半径方向のすき間を最小限にすることができ
る。同じ大きさのすき間でも、高圧側では低圧側よりも
遥かに大きい漏れを生じるから、本発明によれば効率が
大幅に改善される。

第２に、高圧端部軸受を支持するためにフープが具備
されていることから、高圧側でのケーシングの剛性が強
まり、圧力ならびに熱変形によるケーシング中ぐりの変
形は大幅に軽減され、そのため中ぐりはより円形にとど
まることができ、又楕円形になることが少なくなり、ひ
いては高圧側での半径方向のスクリューケーシングのす
き間が減少することになる。このことは特に、雑音低減
を目的として吐出用ポートのすぐ後の領域内にプリナム
チャンバが具備されている冷凍圧縮機について言えるこ
とである。潤滑油の不要な浸液型の圧縮機においては、
プリナムチャンバは、ほとんどのケーシングが吸込み温
度にあるのに対して凝縮温度にあり、かくしてケーシン
グ及び中ぐりを受ける円形スクリューの変形に大きく貢
献することになる。本発明に基づく環状のフランジ様の
フープの効果として、かかる変形は大幅に軽減される。
０°〜−20℃の範囲内の吸込み温度でR22で作動し約40
℃で吐出している冷凍圧縮機についての測定は、ケーシ
ングの楕円化を示した。すなわち、中ぐりの高圧端部の
短径と長径の差を約40％減少させなくてはならないもの
であった。

第３に、例えば米国特許第4,074,957号に示されてい
るように、コンプレッサの容量を制御するためスライダ
が用いられている場合、明らかに製造上の理由からスラ
イダを支持するためケーシング内に作られる側溝は、ス
クリューが導入されるケーシング端部からすなわち先行
技術では高圧端部から機械加工されなくてはならない。
このことはすなわち、高圧ガスを持つ側溝が、スクリュ
ーが終結し米国特許第4,475,877号に記述されているシ
ールリングの設置されている部域内に存在する、という
ことを意味している。つまり、軸受ホルダであれケーシ
ングのフープを構成する部分であれ、中ぐり近くのあら
ゆる部品と前記シールリングの間にはいかなるスペース
も残され得ないのである。万一スペースが残された場
合、高圧ガスはシールリング及びケーシング内に入り容
易にことでとくシールリングとケーシングのまわりに漏
れることができ、効率は著しく低減することになる。

シールリングはスクリューに対して正確に軸方向に位
置づけされていなくてはならず、又スクリュー自体シム
でケーシング内に軸方向に正確に位置づけされていなく
てはならないため、シムは、高圧シールと軸受ホルダの
間又は軸受ホルダとスクリューの間に設置されなくては
ならない。その結果、スクリューはまず第１にケーシン
グ内で組立てられなければならず、適切な位置づけが決
定され、望ましいシムが決定されなくてはならない。そ
の後スクリューは正しいシムで分解及び再組立てされな
くてはならない。

スクリューを低圧側から導入することにより、スライ
ダ用の側溝を同じ側から機械加工し、シールリングが設
置される部域に到達しないうちに停止させることがで
き、かくして高圧がシールリングとそれに裏打ちするケ
ーシングフープの間の部域に到達しないようにすること
が可能となる。

このとき、スクリューを分解することなく到達可能な
アセンブリの外側にスクリューを位置づけするシムを設
置することが可能である。シールリングの間にはスロッ
トがある。かかるスロットは、ケーシングとの関係にお
けるスクリューとシールの幾分かの相対的な軸方向変位
を可能にする必要性から作り出されたものであるが、高
圧がこれに到達することはない。

〔実施例〕

添付の図面では、同じ部品は同じ参照番号で示されて
いる。

本発明は、図面に示されている本発明を具体化するコ
ンプレッサの好ましい実施態様についての以下の記述か
ら、より完全に理解することができる。

第１図において、軸受３及び４により回転可能な形で
支持されているシャフト２上に載置されたスクリュー１
は、２つの対称なゲート回転子７及び８の歯６と係合す
るネジ山５を有している。スクリュー及びゲート回転子
はケーシング９内で回転可能である。冷凍システム内で
の作動に用いられる場合、ケーシング９は通常、好まし
くは米国特許第4,571,166号の教示に従って作られた単
数又は複数のスライダ10を具備している。スライダ10
は、それ自体油圧又は吐出圧ガスといった流体動力手段
により起動されているピストン12により軸方向に移動可
能である。

ケーシング９は、吸込み配管14と連絡している吸込み
ポート又は低圧ポート13を有している。吐出用ポート41
は、スクリュー１の高圧端部38に近いゲート回転子の近
傍に位置づけされている。スクリュー１は、高圧端部シ
ール15により高圧端部38上でケーシング９との関係にお
いて密封されている。高圧端部シール15の詳細は、米国
特許第4,475,877号に示されている。

ケーシング９は、一体のものとしてケーシングの内側
に主中ぐり17に対し横方向の環状壁部分つまりフープ16
を含んでおり、かかるフープの中にスクリュー１が回転
可能な形で位置づけられる。かかる壁16は、エンドプレ
ート18がボルト19により押しつけられている外側端面37
を有する。付加的なボルト20がエンドプレート18から軸
端シール15まで延び、軸端シール15を軸受４に対して又
シム21を通してエンドプレート18に対して引き寄せてい
る。

かかる組立てから、スクリュー１の軸方向の位置づけ
がシム21の厚みによって決定されること、ならびにケー
シング９からスクリューを分解することなく単にエンド
プレート18を除去することにより意のままにかかるシム
を交換できるということがわかる。同様に、スクリュー
１のかかる軸方向調整を容易にするため、高圧シール15
と壁16の間にはすき間11が存在することもわかる。

同様に、スライダ10が収容される側溝22がシール15と
ケーシングの端壁16の内部表面の間のすき間11から間隔
が置かれた軸方向の一地点で終結するということもわか
る。側溝が高圧側から機械加工されなければならなかっ
た場合又は、壁16が低圧ポート側にあり軸受ホルダー
（軸受３を支持する）が従来の技術においてそうである
ように中ぐり17の高圧端部上に置かれていた場合、上記
のことは言えなかったであろう。従来の機械における前
述の後者の条件はすき間11に高い圧力を導入し高圧シー
ルとケーシングの間の空間24内でシールのまわりに漏れ
が発生し効率を損うことになる。さらに、高圧シール15
は片側においてすき間11の全表面について高圧を受ける
ことになる一方、シール15の反対側は、スクリュー１の
端部とシール15の間の体積25が従来の方法に従ってネジ
内の単数又は複数の穴26により吸込み圧力に連結されて
いるために吸込み圧力下にある。

第３図に示されているように、吐出しポート41は、ケ
ーシング９の中に形成され穴51を通して吐出管52内に高
圧ガスを吐出するプリナムチャンバ50と通じている。同
一で対称的なプリナムチャンバ（図示せず）が、吐出管
53を通して高圧ガスを吐出するためにゲート回転子７に
隣接した形で具備されている（第２図）。吐出用ポート
のすぐ後ろにかかるプリナムチャンバが存在すること
は、各脈動がより大きな量に移行した結果としてのスク
リュー１内の各々の溝から出る高圧ガスの脈動エネルギ
ーの減少に起因するノイズの低下に役立つ。プリナムチ
ャンバ50を具備することは、特に冷凍及び空調機械にお
けるノイズ低下にとってきわめて重要である。一方、オ
イル噴射ではなく液体状の凝縮ガスの噴射で作動する空
調用コンプレッサの場合（これは現在広く利用されてい
る技術である）、第３図内の部域54を含むケーシング９
のほとんどが吸込み温度にあるのに対し、チャンバ50は
凝縮温度にある。その結果、ケーシングは、スクリュー
１の高圧端部における中ぐり17の形状を円形から楕円形
状に変える傾向をもつ大規模な熱変形力を受ける。

上述の熱変形力に対し、ケーシング９の高圧端部にお
いてフープ16が有効に抵抗する。この点において、高圧
端におけるケーシング９の剛性のかかる力に対する抵抗
の度合は、スクリュー１の高圧端部へのアクセスに必要
とされる貫通中ぐり45のサイズによって制限される。し
かしながら、軸受４を収容するのに必要とされるフープ
の軸方向寸法と中ぐり45の所要直径の組合せにより、必
要とされる剛化強度を達成するのに適当なフープ16の半
径方向断面が可能となる。例えば、140ミリメートルの
スクリュー直径をもつ機械においては、軸受４の外径
は、中ぐり17の端面の60％に相当する半径方向フープ寸
法を提供するよう、標準的には80ミリメートルである。
軸受４とシム21の組合せ厚みに対応するよう、フープ16
は軸方向に約40ミリメートル延び、かくして、意図され
ている剛性を達成するための適当なフープ16内断面積を
提供している。

剛性におけるかかる改善は、機械の全長又は全体積を
増加させることなく達成される、というのも、先行技術
においては、軸受ホルダは、軸受４と同じ軸受を支持
し、従ってケーシングの高圧端部における剛性のためい
かなる形であれ材料の厚みを用いることなく同じ軸方向
寸法つまり厚みを必要としていたからである。

前述のことから、ケーシング９の吸込み端部からケー
シング９内にスクリュー１を組立てることにより、スク
リューを軸方向に位置づけするために費用のかかる分解
を行なう必要がなくなる。

その上、かくしてスクリュー１の外径とケーシング中
ぐり17の間のより緊密なすき間ひいてはより高い効率が
可能となる。

軸受４がセットされる壁16内の中ぐり45は、ケーシン
グ９内の中ぐり17と絶対的に同心的に機械加工されう
る。これは、両中ぐりが分解無しに一緒に機械加工でき
るからである。これに対して、軸受３を中ぐり17の中心
に正確に位置づけすることは、組立て及び分解のために
中ぐり17と幾分かのすき間をもっていなくてはならない
軸受ホルダ23によってかかる軸受が支持されていること
から、むずかしい。さらに、かかるすき間は、軸受ホル
ダ23とケーシング９を組立てる場合にスクリューの回転
軸が中ぐりの片側に向かって押されるように、均等に分
布され得ない。従って、スクリューとケーシングの間に
は、例えばスクリューをやや円錐形にすることなどによ
って、高圧側よりも吸込み側でより大きいすき間が具備
されなくてはならない。

先行技術においては、同じ状況は発生したが、この場
合、ホルダは高圧側にあり、従って、スクリューとケー
シングのすき間は吐出側（高圧側）端部において最大と
なるから、本発明のように軸受ホルダが低圧側に設けら
れて高圧側ではすき間が小さくなるものと比べて、遥に
大きな漏れを生じていた。

さらに、ケーシングの高圧端部にフープ16を有するた
め、ケーシングにはより高い剛性が与えられ、すき間が
より重要である部域内でのその変形が防がれている。

約４の圧縮比で冷媒R22を圧縮し液体冷媒の噴出によ
り冷却されている回転数3600rpm、スクリュー直径40ミ
リメートルの冷凍圧縮機という前述の例においては、圧
力及び熱変形の下でのケーシングの変形は高圧端部で約
40％低減され、このことが75％〜76％から約78％への有
効効率の増大の原因である、ということがわかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第２図のラインＩ−Ｉ′での断面図、第２図
は、第１図のラインII−II′での断面図、第３図は、や
や縮小した形での第１図のラインIII−III′での部分断
面図である。 １…スクリュー、3,4…軸受、５…ネジ山、６…歯、7,8
…ゲート回転子、９…ケーシング、10…スライダ、11…
すき間、12…ピストン、14…吸込み配管、15…高圧端部
シール、16…フープ、17…主中ぐり、18…エンドプレー
ト、19…ボルト、20…付加的なボルト、21…シム、22…
側溝、23…軸受ホルダ、38…高圧端部、41…吐出用ポー
ト、45…貫通中ぐり、50…プリナムチャンバ、51…穴、
52…吐出管。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−17284（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F04C 18/30 F04C 18/16 F01C 3/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対する低圧端部及び高圧端部を有し、１
   本の軸線を中心にして回転するように装着され得ると共
   に、複数のネジ山が設けられているスクリューと、 前記ネジ山とかみあい係合するように配置された歯をも
   ち、前記スクリューの前記軸線に対して横方向の軸線を
   中心にして回転することができる少なくとも１つのピニ
   オンと、 前記スクリューの低圧端部の近くに位置づけされた少な
   くとも１つの低圧ポートと、 前記ピニオンの直ぐ近傍で前記スクリューの反対側の高
   圧端部の近くに位置づけされている高圧ポートとを含ん
   で成り、 前記ネジ山の頂は、前記スクリューの軸線と同心の円筒
   面上に配列していると共に、前記スクリューを少なくと
   も一部分取り囲むように円筒形の中ぐりを有する定置ケ
   ーシングに対して実質的に気密状態で協働するように配
   置されており、前記スクリューは、それぞれ前記スクリ
   ューの各端部に配置されている２組の軸受により支持さ
   れたシャフトにより保持されているような、流体の圧縮
   又は膨張のための機械において、 前記ケーシングの中ぐりは、両端部で開放されているこ
   と、 前記ケーシングの高圧端は、前記中ぐりの直径よりも実
   質的に小さい内径の中ぐりを有し前記ケーシングと一体
   構造のフープを含むこと、 及び、前記ケーシングの中ぐりの低圧端は、前記スクリ
   ュー及び前記ケーシングの組立ての際に前記ケーシング
   の前記中ぐりの中へ前記スクリューを導入することを可
   能にするために、前記スクリューの直径以上の直径を備
   えていることを特徴とする機械。
2. 【請求項２】相対する低圧端部及び高圧端部を有し、１
   本の軸線を中心にして回転するように装着され得ると共
   に、複数のネジ山が設けられているスクリューと、 前記ネジ山とかみあい係合するように配置された歯をも
   ち、前記スクリューの前記軸線に対して横方向の軸線を
   中心にして回転することができる少なくとも１つのピニ
   オンと、 前記スクリューの低圧端部の近くに位置づけされた少な
   くとも１つの低圧ポートと、 前記ピニオンの直ぐ近傍で前記スクリューの反対側の高
   圧端部の近くに位置づけされている高圧ポートとを含ん
   で成り、 前記ネジ山の頂は、前記スクリューの軸線と同心の円筒
   面上に配列していると共に、前記スクリューを少なくと
   も一部分取り囲むように円筒形の中ぐりを有する定置ケ
   ーシングに対して実質的に気密状態で協働するように配
   置されており、前記スクリューは、それぞれ前記スクリ
   ューの各端部に配置されている２組の軸受により支持さ
   れたシャフトにより保持されているような、流体の圧縮
   又は膨張のための機械において、 前記スクリューの高圧ポート端部上に配置された軸受セ
   ットは、前記ケーシングの中ぐりに対して横方向の、前
   記ケーシングと一体になった延長部分によって構成され
   ているフープの内径により装着されていること、 及び、前記スクリューの低圧端部上の軸受セットは、前
   記スクリューの低圧端部において前記ケーシングに固定
   された軸受ホルダ上に装着されていることを特徴とする
   機械。