JP4155330B1 - シングルスクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリューロータに作用する軸方向荷重を減少させることが可能なシングルスクリュー圧縮機を提供する。
【解決手段】シングルスクリュー圧縮機１は、スクリューロータ２と、ケーシング３とを備えている。スクリューロータ２は、外周面に複数本の螺旋状の溝６を有しており、吸入側から吐出側に向かって外径が大きくなるテーパ形状である。ケーシング３は、スクリューロータ２を収納する。スクリューロータ２は、逆テーパ部分８を有している。逆テーパ部分８は、螺旋状の溝６を有する外周面において、吐出側の最大外径部分Ｂよりも下流側において、最大外径部分Ｂから外径が小さくなっていく逆テーパ形状である。
【選択図】図１

Description

本発明は、シングルスクリュー圧縮機に関する。

従来より、冷凍機の冷媒等の圧縮媒体の圧縮のために種々の圧縮機が提案されているが、その中でもシングルスクリュー圧縮機は、振動、騒音が小さく、信頼性が高いことで知られている。

特許文献１記載のシングルスクリュー圧縮機は、外周面に複数本の螺旋状の溝を有する円筒状のスクリューロータと、スクリューロータに噛み合いながら回転する少なくとも１個のゲートロータと、スクリューロータを収納するケーシングとを備えているシングルスクリュー圧縮機がある。冷媒等の圧縮媒体は、ケーシング内部で回転するスクリューロータの螺旋状の溝に送られ、螺旋状の溝とゲートロータの歯とケーシングとによって囲まれた空間内部で圧縮され、ケーシングの吐出ポートから吐出される。

また、特許文献２に記載されているように、吸入側から吐出側に向かって外径が変化するテーパ形状または逆テーパ形状のスクリューロータと、スクリューロータの螺旋状の溝に噛み合いながら回転するピニオンとを備えたシングルスクリュー圧縮機がある。このような特許文献２記載のシングルスクリュー圧縮機においても、冷媒等の圧縮媒体は、ケーシング内部で回転するスクリューロータの螺旋状の溝に送られ、螺旋状の溝とピニオンの歯とケーシングとによって囲まれた空間内部で圧縮され、ケーシングの吐出ポートから吐出される。
特開２００２−２０２０８０号公報 米国再発行特許第３０４００号公報

しかし、上記特許文献２記載のテーパ形状のスクリューロータの場合において、吐出側の径の小さいテーパ形状では、吐出ポートが小さくなり、圧縮損失が大きくなるような問題がある。また、特許文献１記載の円筒形状のスクリューロータの場合でも、吐出ポートを十分に確保できず、圧縮損失の低減が困難である。

そこで、圧縮損失を低減するために、吐出側の径の大きいテーパ形状のスクリューロータを用いることが提案されている。しかし、このような吐出側の径の大きいテーパ形状のスクリューロータでは、圧縮損失は低減するが、スクリューロータに作用する軸方向荷重が大きくなり、軸方向の荷重バランスが大きくなるという新たな問題が生じている。

本発明の課題は、スクリューロータに作用する軸方向荷重を減少させることが可能なシングルスクリュー圧縮機を提供することにある。

第１発明のシングルスクリュー圧縮機は、スクリューロータと、ケーシングとを備えている。スクリューロータは、外周面に複数本の螺旋状の溝を有しており、吸入側から吐出側に向かって外径が大きくなるテーパ形状である。ケーシングは、スクリューロータを収納する。スクリューロータは、逆テーパ部分を有している。逆テーパ部分は、螺旋状の溝を有する外周面において、吐出側の最大外径部分よりも下流側において、最大外径部分から外径が小さくなっていく逆テーパ形状である。

ここでは、スクリューロータが、螺旋状の溝を有する外周面において、吐出側の最大外径部分よりも下流側において、最大外径部分から外径が小さくなっていく逆テーパ形状の逆テーパ部分を有しているので、圧縮媒体がスクリューロータを軸方向に沿って吐出側へ押す力が圧縮媒体が逆テーパ部分を吸入側へ押し戻す力によって減殺されることにより、スクリューロータに作用する軸方向荷重を減少させることが可能である。

第２発明のシングルスクリュー圧縮機は、第１発明のシングルスクリュー圧縮機であって、ケーシングの外周面における逆テーパ部分に対向する場所には、第１吐出ポートが開口されている。

ここでは、ケーシングの外周面における逆テーパ部分に対向する場所に第１吐出ポートが開口されているので、ケーシング内部で圧縮された冷媒を吐出するための第１吐出ポートを大きく取ることができ、これにより、吐出圧損を低減でき、過圧縮を防止できる。

第３発明のシングルスクリュー圧縮機は、第２発明のシングルスクリュー圧縮機であって、ケーシングの外周面における最大外径部分よりも吸入側の場所には、さらに第２吐出ポートが開口されている。

ここでは、ケーシングの外周面における最大外径部分よりも吸入側の場所にさらに第２吐出ポートが開口されているので、吐出面積を十分に確保できる。

第４発明のシングルスクリュー圧縮機は、第３発明のシングルスクリュー圧縮機であって、第１吐出ポートおよび第２吐出ポートは、スクリューロータの回転時において、スクリューロータ外周面における隣接する２本の溝に同時に連通することが可能である。

ここでは、第１吐出ポートおよび第２吐出ポートが、スクリューロータの回転時において、スクリューロータ外周面における隣接する２本の溝に同時に連通することが可能であるので、第１吐出ポートと第２吐出ポートとの間の途中圧縮を防ぎ、吐出圧の不均衡をなくすことが可能である。

第５発明のシングルスクリュー圧縮機は、第３発明または第４発明のシングルスクリュー圧縮機であって、ケーシングの外周面において、第１吐出ポートおよび第２吐出ポートが連通している。

ここでは、ケーシングの外周面において、第１吐出ポートおよび第２吐出ポートが連通しているので、さらに吐出面積を広く確保でき、かつ、吐出ポートの形成が容易になる。

第６発明のシングルスクリュー圧縮機は、第１発明から第５発明のいずれかのシングルスクリュー圧縮機であって、スクリューロータの溝が形成された部分において、吐出側端部の外径は、吸入側端部の外径よりも大きい。

ここでは、スクリューロータの溝が形成された部分において、吐出側端部の外径が、吸入側端部の外径よりも大きいので、逆テーパ部分を十分に確保することが可能である。

第１発明によれば、圧縮媒体がスクリューロータを軸方向に沿って吐出側へ押す力が圧縮媒体が逆テーパ部分を吸入側へ押し戻す力によって減殺されることにより、スクリューロータに作用する軸方向荷重を減少させることができる。

第２発明によれば、ケーシング内部で圧縮された冷媒を吐出するための第１吐出ポートを大きく取ることができ、これにより、吐出圧損を低減でき、過圧縮を防止できる。

第３発明によれば、吐出面積を十分に確保できる。

第４発明によれば、第１吐出ポートと第２吐出ポートとの間の途中圧縮を防ぎ、吐出圧の不均衡をなくすことができる。

第５発明によれば、さらに吐出面積を広く確保でき、かつ、吐出ポートの形成が容易になる。

第６発明によれば、逆テーパ部分を十分に確保することができる。

つぎに本発明のシングルスクリュー圧縮機の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

＜シングルスクリュー圧縮機１の構成＞
図１〜５に示されるシングルスクリュー圧縮機１は、スクリューロータ２と、スクリューロータ２を収納するケーシング３と、スクリューロータ２の回転軸となるシャフト４と、ゲートロータ５と、スラスト軸受１３とを備えている。

スクリューロータ２は、外周面に複数本の螺旋状の溝６を有しており、吸入側端部Ａから吐出側端部Ｃ（より具体的には、最大外径部分Ｂ）に向かって外径が大きくなるテーパ形状のロータである。スクリューロータ２は、シャフト４と一体になって、ケーシング３の内部で回転することが可能である。スクリューロータ２は、スラスト軸受１３によって、軸方向に沿って吐出側から吸入側へ向かう方向から支持されている。

また、スクリューロータ２は、螺旋状の溝６を有する外周面において、吸入側端部Ａから吐出側の最大外径部分Ｂまでテーパ状に外径が大きくなる主テーパ部分７と、最大外径部分Ｂよりも下流側において、最大外径部分Ｂから外径が小さくなっていく逆テーパ形状の逆テーパ部分８とを有している。これらの主テーパ部分７および逆テーパ部分８には、連続的に螺旋状の溝６が形成されている。

これにより、冷媒等の圧縮媒体がスクリューロータ２を軸方向に沿って吐出側端部Ｃへ押す力が圧縮媒体が逆テーパ部分を吸入側端部Ａへ押し戻す力によって減殺されることにより、スクリューロータ２に作用する軸方向荷重（例えば、圧縮媒体が吸入側端部Ａから吐出側端部Ｃへ押す荷重、およびその反力であるスラスト軸受１３が押し戻す荷重）を減少させることが可能である。

また、スクリューロータ２の溝６が形成された主テーパ部分７および逆テーパ部分８において、吐出側端部Ｃの外径Ｄ１は、吸入側端部Ａの外径Ｄ２よりも大きくなるように設定されているので、逆テーパ部分８の範囲を十分に確保できる。

ケーシング３は、円筒形状の部材であり、スクリューロータ２およびシャフト４を回転自在に収納する。ケーシング３は、内径が部分的に変化しており、スクリューロータ２の主テーパ部分７の外周面に接触するテーパ状内面部９を有している。

また、ケーシング３における逆テーパ部分８に対向する場所には、ケーシング３内部で圧縮された冷媒を吐出するための第１吐出ポート１０が開口されている。

また、別の吐出ポートとして、ケーシング３の外周面における最大外径部分Ｂよりも吸入側の場所において、第２吐出ポート１１が開口されている。

これらの第１吐出ポート１０および第２吐出ポート１１は、スクリューロータ２の回転時において、スクリューロータ２外周面における隣接する２本の溝６に同時に連通することが可能になるように、それぞれケーシング３の外周面の適宜の位置に開口されている。そのため、第１吐出ポート１０と第２吐出ポート１１との間の途中圧縮を防ぎ、吐出圧の不均衡の解消が可能になる。

ゲートロータ５は、スクリューロータ２の溝６に噛み合う複数枚の歯１２を有する回転体であり、スクリューロータ２の回転軸であるシャフト４に略直交する回転軸（図示せず）回りに回転することが可能である。ゲートロータ５の歯１２は、ケーシング３に形成されたスリット１４を通して、ケーシング３内部のスクリューロータ２の螺旋状の溝６と噛み合うことが可能である。

スクリューロータ２が備える溝６の個数は、６本であり、ゲートロータ５が備える歯１２の枚数は１１枚である。溝６の個数の６と歯１２の枚数の１１とは、互いに素であるから、このシングルスクリュー圧縮機１が動作すると、複数の歯１２が順番に複数の溝６に噛み合うことができる。

＜シングルスクリュー圧縮機１の動作説明＞
シャフト４がケーシング３外部のモータ（図示せず）から回転駆動力を受けると、スクリューロータ２が矢印Ｒ１（図２〜３参照）の方向に回転する。このとき、スクリューロータ２の螺旋状の溝６に噛み合うゲートロータ５は、その歯１２が螺旋状の溝６の内壁に押されることによって、矢印Ｒ２の方向に回転する。このとき、ケーシング３の内面と、スクリューロータ２の溝６と、ゲートロータ５の歯１２とで仕切られて形成された圧縮室の容積が減少する。

この容積の減少を利用することによって、ケーシング３の吸入側開口１５から導入される圧縮前の冷媒Ｆ１（図１参照）は、溝６と歯１２とが噛み合う直前に圧縮室に導かれ、溝６と歯１２とが噛み合っている間に圧縮室の容積が減少して冷媒が圧縮され、その後、溝６と歯１２との噛み合いが外れた直後に、圧縮された冷媒Ｆ２、Ｆ３（図１参照）が、それぞれ、第１吐出ポート１０、第２吐出ポート１１から吐出される。

このとき、主テーパ部分７において冷媒がスクリューロータ２を軸方向に沿って吸入側端部Ａから吐出側端部Ｃへ押す力は、冷媒が逆テーパ部分８を吐出側端部Ｃから吸入側端部Ａへ押し戻す力によって減殺される。これによって、スクリューロータ２に作用する軸方向荷重を減少させることが可能になる。

なお、スクリューロータ２に作用する軸方向荷重が前後方向（図２の端部Ａ→Ｃ方向とＣ→Ａ方向）へ変動しないように、冷媒が主テーパ部分７を押す力の方が逆テーパ部分８を押す力の方が常時大きくなるように、主テーパ部分７および逆テーパ部分８は設計されている。

＜特徴＞
（１）
実施形態のシングルスクリュー圧縮機１では、スクリューロータ２は、螺旋状の溝６を有する外周面において、吸入側端部Ａから吐出側の最大外径部分Ｂまでテーパ状に外径が大きくなる主テーパ部分７と、最大外径部分Ｂよりも下流側において、最大外径部分Ｂから外径が小さくなっていく逆テーパ形状の逆テーパ部分８とを有している。

これにより、冷媒等の圧縮媒体がスクリューロータ２を軸方向に沿って吐出側Ｂへ押す力が圧縮媒体が逆テーパ部分を吸入側端部Ａへ押し戻す力によって減殺されることにより、スクリューロータ２に作用する軸方向荷重を減少させることが可能である。

その結果、軸方向荷重に起因する問題、例えば、スクリューロータ２とケーシング３の内面との隙間の拡大、またはスラスト軸受１３とスクリューロータ２の接触面のシール部分の摩耗の発生を抑えることが可能になる。

（２）
実施形態のシングルスクリュー圧縮機１では、スクリューロータ２の溝６が形成された主テーパ部分７および逆テーパ部分８において、吐出側端部Ｃの外径Ｄ１は、吸入側端部Ａの外径Ｄ２よりも大きくなるように設定されているので、逆テーパ部分８の範囲を十分に確保できる。

（３）
実施形態のシングルスクリュー圧縮機１では、ケーシング３における逆テーパ部分８に対向する場所には、第１吐出ポート１０が開口されているので、ケーシング３内部で圧縮された冷媒を吐出するための第１吐出ポート１０を大きく取ることができる。したがって、吐出圧損を低減でき、過圧縮を防止できる。

さらに詳しく説明すれば、冷媒の圧力は、主テーパ部分７では、最大外径部分Bへ向かうほど上昇するが、最大外径部分Bの下流側である逆テーパ部分では既に、所定の吐出圧になっているため、第１吐出ポート１０を大きく取っても固定圧力比を得ることが可能である。

（４）
実施形態のシングルスクリュー圧縮機１では、実施形態のシングルスクリュー圧縮機１では、ケーシング３の外周面における最大外径部分Ｂよりも吸入側の場所には、さらに第２吐出ポート１１が開口されているので、吐出面積を十分に確保できる。

（５）
実施形態のシングルスクリュー圧縮機１では、第１吐出ポート１０および第２吐出ポート１１は、スクリューロータ２の回転時において、スクリューロータ２外周面における隣接する２本の溝６に同時に連通することが可能になるように、それぞれケーシング３の外周面に開口されている。したがって、第１吐出ポート１０と第２吐出ポート１１との間の途中圧縮を防ぎ、吐出圧の不均衡をなくすことができる。

＜変形例＞
（Ａ）
上記実施形態では、ケーシング３の外周面において、第１吐出ポート１０および第２吐出ポート１１が別個に離れて形成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の変形例として、ケーシング３の外周面において、第１吐出ポート１０および第２吐出ポート１１が連通していてもよく、この場合、さらに吐出面積を広く確保でき、かつ、吐出ポートの形成が容易になる。

（Ｂ）
なお、実施形態では、第１吐出ポート１０および第２吐出ポート１１を有する例をあげて説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１吐出ポートのみでもよい。

（Ｃ）
また、第１吐出ポート１０および第２吐出ポート１１に開口面積を変更するシャッタを設けて、冷媒の吐出量または吐出圧力を変更できるようにしてもよい。

本発明は、シングルスクリュー圧縮機に適用することが可能である。とくに、チラーやヒートポンプ等に内蔵されたスクリュー圧縮機に好適に適用できる。また可変容量（ＶＲＶ）タイプの圧縮機にも適用できる。

本発明の実施形態に係わるシングルスクリュー圧縮機の構成図。 図１のスクリューロータおよびゲートロータの正面図。 図１のスクリューロータおよびゲートロータの斜視図。 図１のシングルスクリュー圧縮機のＩＶ−ＩＶ線断面図。 図１のシングルスクリュー圧縮機のＶ−Ｖ線断面図。

符号の説明

１ シングルスクリュー圧縮機
２ スクリューロータ
３ ケーシング
４ シャフト
５ ゲートロータ
６ 螺旋状の溝
７ 主テーパ部分
８ 逆テーパ部分
１０ 第１吐出ポート
１１ 第２吐出ポート

Claims (6)

1. 外周面に複数本の螺旋状の溝（６）を有しており、吸入側から吐出側に向かって外径が大きくなるテーパ形状のスクリューロータ（２）と、
   前記スクリューロータ（２）を収納するケーシング（３）と
   を備えており、
   前記スクリューロータ（２）は、前記螺旋状の溝（６）を有する外周面において、前記吐出側の最大外径部分（Ｂ）よりも下流側において、前記最大外径部分（Ｂ）から外径が小さくなっていく逆テーパ形状の逆テーパ部分（８）を有している、
   シングルスクリュー圧縮機（１）。
2. 前記ケーシング（３）の外周面における前記逆テーパ部分（８）に対向する場所には、第１吐出ポート（１０）が開口されている、
   請求項１に記載のシングルスクリュー圧縮機（１）。
3. 前記ケーシング（３）の外周面における前記最大外径部分（Ｂ）よりも吸入側の場所には、さらに第２吐出ポート（１１）が開口されている、
   請求項２に記載のシングルスクリュー圧縮機（１）。
4. 前記第１吐出ポート（１０）および前記第２吐出ポート（１１）は、前記スクリューロータ（２）の回転時において、前記スクリューロータ（２）外周面における隣接する２本の溝（６）に同時に連通することが可能である、
   請求項３に記載のシングルスクリュー圧縮機（１）。
5. 前記ケーシング（３）の外周面において、前記第１吐出ポート（１０）および前記第２吐出ポート（１１）が連通している、
   請求項３または４に記載のシングルスクリュー圧縮機（１）。
6. 前記スクリューロータ（２）の溝（６）が形成された部分において、吐出側端部（Ｃ）の外径は、吸入側端部（Ａ）の外径よりも大きい、
   請求項１から５のいずれかに記載のシングルスクリュー圧縮機（１）。

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