JP4387402B2 - 軸受及び液冷式スクリュ圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は軸受及びこの軸受を用いた液冷式スクリュ圧縮機に関する。
スクリュ圧縮機では、互いに噛合する雌雄１対のスクリュロータによって圧縮されるガスによりロータ軸にスラスト荷重及びラジアル荷重が作用するので、ロータ軸はスラスト軸受およびラジアル軸受により支持されている。これらの軸受に作用する荷重を軽減して軸受寿命を延ばすために、特許文献１、２にはスラスト荷重を軽減する装置が提案され、特許文献３にはラジアル荷重を軽減する装置が提案されている。
特許文献３に開示のスクリュ圧縮機は、ラジアル荷重の作用方向側に高圧流体室を設け、その反対側に定圧流体室を設けたものである。このスクリュ圧縮機の場合、軸受幅が大きくなり、圧縮機の大型化を招来する。
図９において、軸１０１に上から下に軸荷重Ｗというラジアル荷重が作用しているとすると、軸受１０２の受圧面１０３と軸１０１の間は隙間の一部が狭くなり、この狭い受圧領域Ａに油が巻き込まれて図１０に示すように油圧（動圧）Ｐｄが発生する。この油圧Ｐｄは、油粘度、隙間、回転数等により決まるが、周囲の圧力Ｐ１によっても決まる。周囲の圧力Ｐ１は、軸受１０２の端面部の圧力である。この油圧が大きいほど軸受１０２の負荷能力が高い。しかし、軸受１０２の受圧面１０３と軸１０１の隙間で発生する油圧は、軸受１０２の周囲の圧力Ｐ１より高いため、軸受隙間から軸受端面に向かって漏れる結果、負荷能力が低下する。
特公昭４８−３３０４１号公報 特開昭５７−１５３９８６号公報 特開平３−６１７１４号公報
本発明は構造が簡単でコンパクトな負荷能力の高い軸受、及びこの軸受を用いた液冷却式スクリュ圧縮機を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明に係る軸受は、軸を支持する軸受面のうち、上から下に作用する軸荷重に対抗する受圧面の受圧領域の周囲のみに溝を設け、該溝に連通する液供給路を設けて、該液供給路を介して前記溝に液が供給されるようにしたものである。
前記溝は２つの周方向溝と２つの軸方向溝からなることが好ましい。
この場合、前記２つの周方向溝と２つの軸方向溝は、前記受圧領域の周囲で閉じるように互いに連続していることが好ましい。
または、前記軸方向溝は中間で不連続になっていてもよい。
本発明に係る液冷式スクリュ圧縮機は、前記軸受を互いに噛合する雌雄１対のスクリュロータの軸受とした圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出するガスから液を分離する液分離器とを備え、前記液分離器で分離された液を前記軸受の液供給路に供給するものである。
前記液分離器で分離された液を前記軸受の液供給路に供給する液供給ラインに液ポンプを設けて液圧を上昇させることが好ましい。
本発明に係る軸受及び液冷式スクリュ圧縮機によれば、軸を支持する軸受面のうち、上から下に作用する軸荷重に対抗する受圧面の受圧領域の周囲のみに溝を設け、該溝に連通する液供給路を設けて、該液供給路を介して前記溝に液が供給されるようにしたので、軸受の受圧面での圧力が高くなり、軸受と軸の間の隙間で発生する油圧が周囲に漏れることがあっても、負荷能力が低下することがない。
また、軸を支持する軸受面のうち軸荷重に対抗する受圧面の受圧領域の周囲に溝を設けるだけであるので、軸受が大きくならず、コンパクトである。
以下、本願発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
図１は、本発明に係る軸受を使用した油冷式スクリュ圧縮機１を示す。この油冷式スクリュ圧縮機１のケーシング２内には互いに噛合する雌雄１対のスクリュロータ３，４が収容されている。各スクリュロータ３，４の両端のロータ軸５，６は、以下に説明する本発明に係るラジアル軸受７によって支持されている。また、図１において左側のラジアル軸受７の外側には、ロータ軸５，６に嵌着された円板状のスラスト部材８を両側から支持するスラスト軸受９が軸受押さえ１０，１１を介して設けられている。一方のスクリュロータ３の図１において右側のロータ軸５は、図示しないモータにより回転駆動され、このスクリュロータ３の回転に伴って他方のスクリュロータ４が回転するようになっている。
図２に示すように、吸込ライン１２を介して供給されるガスは上記油冷式スクリュ圧縮機１で圧縮されて吐出ライン１３に吐出される。吐出ガスライン１３には油分離器１４が設けられ、油分離器１４で油が分離されたガスが図示しない需要先に供給される。また油分離器１４で分離された油は油供給ライン１５を介して油冷式スクリュ圧縮機１の軸受やロータ噛溝に戻される。油供給ライン１５には油クーラ１６、フィルタ１７、油ポンプ１８が設けられている。
図３は、前記油冷式スクリュ圧縮機１のロータ軸５を支持するラジアル軸受７の概念図、図４はその軸受面２１の展開図である。他のラジアル軸受７もこの図３、図４に示したものと同様の構成であり、説明を省略する。ラジアル軸受７には、ロータ軸５を支持する軸受面２１のうち軸荷重Ｗに対抗する受圧面２２に溝２３が形成されている。具体的には、この溝２３は、ロータ軸５との隙間が最も小さく、動圧Ｐｄが作用する受圧領域Ａの周囲に形成されている。溝２３は、図４に示すように、２つの周方向溝２３ａ，２３ｂと２つの軸方向溝２３ｃ，２３ｄとからなり、これらの溝２３ａ〜２３ｄは前記受圧領域Ａの周囲で閉じるように互いに連続している。また、溝２３に連通する油供給路２４がラジアル軸受７を貫通して設けられている。この油供給路２４は溝２３のどの部分でもよいが、強度的には図４に示すように２つの軸方向溝２３ａ，２３ｂの中央に設けることが好ましい。前記油供給路２４は、図２に示す油供給ライン１５に接続され、油ポンプ１８によって加圧された高圧の油が供給される。
次に、前記油冷式スクリュ圧縮機１のラジアル軸受７の作用について説明する。油供給ライン１５より高圧の油が油供給路２４を介してラジアル軸受７の溝２３に供給されると、溝２３には受圧領域Ａより高い圧力Ｐｓが作用する。つまり、受圧領域Ａから周囲に漏れる分の油を溝２３に補充して供給するので、受圧領域Ａの圧力が高くなり、ラジアル軸受７の負荷能力が向上する。この受圧領域Ａの圧力は、図３に示すように、溝２３に供給された油の圧力Ｐｓと周囲圧力Ｐ１の差圧Ｐｓ−Ｐ１だけ受圧領域Ａの動圧Ｐｄをかさ上げした圧力となる。溝２３内の油の圧力Ｐｓは油分離器１４内のガスの吐出圧力Ｐ２と同じであり、ラジアル軸受７の周囲圧力Ｐ１はほぼガスの吸込圧力である。例えば、吐出圧力Ｐ２が０．７ＭＰａの場合、ラジアル軸受７の負荷能力は従来の軸受の約１．５倍となる。スクリュ圧縮機１では、常に同じ方向にしか軸荷重Ｗが作用しないため、受圧領域Ａを正しく囲むように溝２３を設けておけば、どのような運転条件でも負荷能力を維持することができる。
上記実施形態では、油供給ライン１５に油ポンプ１８を設けているので、油ポンプ１８を設けない場合に比べて、ラジアル軸受７の溝２３に供給する油の圧力Ｐｓが上昇し、さらに負荷能力を高めることができる。
上記実施形態では、溝２３は連続しているが、軸方向溝２３ｃ，２３ｄの存在によりラジアル軸受７の強度が低下し、ラジアル軸受７が変形する虞れがある。このため、図５に示すように軸方向溝２３ｃ，２３ｄの中間に不連続部２５を設けて、強度を維持してもよい。このような不連続部２５は短ければ、油の漏れが少なく、負荷能力に影響を与えない。なお、ここでいう軸方向溝２３ｃ，２３ｄの中間とは、軸方向溝２３ｃ，２３ｄの真ん中に必ずしも限定されない。
図６，図７（ａ）はラジアル軸受７の溝２３の実施例を示す。このラジアル軸受７では、ラジアル軸受７の両端近傍に受圧面２２の約９０度の範囲にわたって一定深さの周方向溝２３ａ，２３ｂを設け、該周方向溝２３ａ，２３ｂの両端から受圧面２２にかけて深さが徐々に浅くなる遷移溝２３ｅ，２３ｆを形成した。また、周方向溝２３ａ，２３ｂの遷移溝２３ｅ，２３ｆの間に軸方向溝２３ｃ，２３ｄを設けた。軸方向溝２３ｃ，２３ｄには油供給路２４を形成した。周方向溝２３ａ，２３ｂは、幅５〜１０ｍｍ、深さ５〜１０ｍｍ、軸方向溝２３ｃ，２３ｄも、幅５〜１０ｍｍ、深さ５〜１０ｍｍが好ましい。図７（ｂ）は、軸方向溝２３ｃ，２３ｄの中間に不連続部２５を設けた以外は、図７（ａ）と同様である。不連続部２５の幅は、溝の幅の２〜４倍が好ましい。
図８（ａ），（ｂ）は、下記条件で、溝のある本発明に係るラジアル軸受と、溝の無い従来のラジアル軸受に、それぞれロータ軸を支持して回転させながらラジアル軸受の溝に水圧を作用させたときの受圧面の各点の圧力を計算により求め、グレイスケールで表示したものである。
ロータ軸の径：７０ｍｍ
軸受の内径：７０．１５ｍｍ
軸受の内径に対する長さの比：１
鉛直軸から回転方向の軸方向溝までの角度：２５°
鉛直軸から反回転方向の軸方向溝までの角度：８０°
周方向溝間の間隔：５０ｍｍ
軸受端面から周方向溝縁までの距離：５ｍｍ
周方向溝：幅５ｍｍ、深さ５ｍｍ
軸方向溝：幅５ｍｍ、深さ５ｍｍ
ロータ軸の回転数：２２３１ｒｐｍ
給水圧力：２ｋｇ／ｃｍ２
給水の粘度：１．０２ｅ−１０ｋｇｓ／ｍｍ２
この結果、図８（ａ）に示すように、溝の無い従来のラジアル軸受では、黒く見える受圧領域が小さくて負荷能力が低く、図８（ｂ）に示すように溝のある本発明のラジアル軸受では、受圧領域が広がり、負荷能力が高いことが分かった。また、溝の無い従来のラジアル軸受では、受圧領域で発生する油圧は１３６．３ｋｇ／ｍｍ２であったが、溝のある本発明のラジアル軸受では、３３３．８ｍｍ２であり、溝の無い従来のラジアル軸受に比べて受圧領域の圧力が約２．４倍に増大したことが確認された。
なお、前記実施形態は、油冷式スクリュ圧縮機の軸受であるが、本発明は油に代わる他の液体を冷却媒体とする液冷式スクリュ圧縮機の軸受にも適用可能である。
本発明の軸受が使用された油冷式スクリュ圧縮機の内部構造を示す断面図。 図１の油冷式スクリュ圧縮機の接続ラインを示す系統図。 図１の油冷式スクリュ圧縮機の軸受を示す概略断面図。 図３の軸受の軸受面の展開図 図３の軸受の軸受面の変形例の断面図。 本発明に係る軸受の実施例を示す正面図。 （ａ）は図５の軸受のＩ−Ｉ線断面図、（ｂ）はその変形例の断面図。 従来の軸受（ａ）と本発明に係る軸受（ｂ）の受圧面の圧力の計算結果を示す図。 従来の油冷式スクリュ圧縮機の軸受を示す概略断面図。 図９の軸受の軸受面の展開図。
符号の説明
１ 油冷式スクリュ圧縮機
３，４ スクリュロータ
５，６ ロータ軸
１４ 油分離器
１５ 油供給ライン
１８ 油ポンプ
２１ 軸受面
２２ 受圧面
２３ 溝
２３ａ，２３ｂ 周方向溝
２３ｃ，２３ｄ 軸方向溝
２４ 油供給路
２５ 不連続部
Ａ 受圧領域

Claims (6)

  1. 軸を支持する軸受面のうち、上から下に作用する軸荷重に対抗する受圧面の受圧領域の周囲のみに溝を設け、該溝に連通する液供給路を設けて、該液供給路を介して前記溝に液が供給されることを特徴とする軸受。
  2. 前記溝は２つの周方向溝と２つの軸方向溝からなることを特徴とする請求項１に記載の軸受。
  3. 前記２つの周方向溝と２つの軸方向溝は、前記受圧領域の周囲で閉じるように互いに連続していることを特徴とする請求項２に記載の軸受。
  4. 前記軸方向溝は中間で不連続になっていることを特徴とする請求項３に記載の軸受。
  5. 請求項１から４のいずれかに記載の軸受を互いに噛合する雌雄１対のスクリュロータの軸受とした圧縮機本体と、
    前記圧縮機本体から吐出するガスから液を分離する液分離器とを備え、
    前記液分離器で分離された液を前記軸受の液供給路に供給することを特徴とする液冷式スクリュ圧縮機。
  6. 前記液分離器で分離された液を前記軸受の液供給路に供給する液供給ラインに液ポンプを設けて液圧を上昇させることを特徴とする請求項５に記載の液冷式スクリュ圧縮機。
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