JP4700066B2 - 圧縮機の静音化 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機に関し、詳しくは、エコノマイザポートを有する圧縮機に関する。

スクリュー式圧縮機は、一般に空気調和および冷却を目的として適用されている。このような圧縮機では、互いに噛み合う雄型および雌型のローブ形ロータまたはスクリューが、それぞれの軸の周りで回転され、作動流体（冷媒）を低圧の入口端部から高圧の出口端部へ圧送する。雄型ロータの連続したローブは、回転している間に冷媒を下流に送り、隣接する一対の雌型ロータのローブとハウジングの間の空間内で冷媒を圧縮するピストンとして働く。同様に、雌型ロータの連続したローブは、隣接する一対の雄型ロータのローブとハウジングの間の空間内で冷媒を圧縮する。圧縮が生じる雄型ロータおよび雌型ロータのローブ間の空間は、圧縮ポケット（あるいは、噛合ゾーンで結合された共通の圧縮ポケットの、雄型部分および雌型部分とも表現される）を形成する。一実施形態では、雄型ロータは、電気駆動モータと同軸上にあり、そのローブ形の作動部の入口側および出口側で軸受けによって支持されている。所与の雄型ロータに係合される複数の雌型ロータがあってもよいし、その逆であってもよい。

ローブ間の空間の１つが入口ポートに露出していると、冷媒は、実質的に吸込圧でその空間に進入する。ロータが回転し続けるとき、回転中のある時点で、その空間が入口ポートと連通しなくなり、その空間への冷媒の流れが遮断される。入口ポートが閉鎖された後、冷媒は、ロータが回転し続けるにつれて圧縮される。回転中のある時点で、各空間は、関連する出口ポートと交差し、閉じた圧縮工程が終了する。入口ポートおよび出口ポートは、それぞれ、径方向ポート、軸方向ポート、あるいは軸方向ポートと径方向ポートの混成の組合せであってもよい。

入口ポートと出口ポートの間との圧縮経路に沿って冷媒が圧縮されるとき、効率的な運転のために、ロータとハウジングとの間を封止することが望ましい。スクリュー圧縮機では、質量流量を増加させるために、エコノマイザが使用される。典型的なエコノマイザポートは、ロータの長さに沿って位置決めされ、圧縮ポケットが関連する吸込ポートから遮断された直後に、これらの圧縮ポケットに露出する位置に配置される。この場所では、ロータ内に閉じ込められた冷媒ガスは、吸込圧に近い。吸込圧より高い圧力でガスをエコノマイザポートに接続すると、ある量のガスが圧縮機に流入することができるようになる。さらに、吸込が遮断された後でガスをロータに供給すると、ロータ内に閉じ込められたガスの圧力が増大する。これにより、圧縮機によって必要とされる仕事の量が減少する。また、エコノマイザの流れが吸込圧より高いものであるので、冷媒の所与の総質量流量に対する動力が低減される。

他の形式の圧縮機（例えば、スクロール圧縮機および往復圧縮機）も、同様のエコノマイザポートを含むことができる。

それでもなお当技術分野において改良の余地が残されている。

本発明の一態様は、ハウジングを有する圧縮機を含む。１つまたは複数の作動要素が、ハウジングと協働して、吸込位置と吐出位置との間に圧縮経路を画定する。中間ポート（例えば、エコノマイザの流れを受けるエコノマイザポート）が、圧縮経路に沿って位置する。分岐経路（例えば、エコノマイザ経路）が、中間ポートまで（または、視点によっては、中間ポートから）延在している。圧縮機は、分岐経路に沿って、圧力脈動を制限する手段を含む。

様々な実施形態において、この手段は、１つまたは複数の作動要素からの吐出脈動の共鳴により、ハウジングが外部へ発する音を制限する手段であってもよい。ハウジングの壁の内部において、分岐経路は、第１のレッグと、第２のレッグと、第３のレッグと、を含んでもよい。第１のレッグは、中間ポートから延出してもよい。第２のレッグは、第１のレッグより遠位にあり、第１のレッグと実質的に交差してもよい。第３のレッグは、第２のレッグより遠位にあり、第２のレッグと実質的に交差してもよい。この手段が、第２のレッグと、第１のレッグおよび第３のレッグの一方と、の交差部から延出する第１の盲容積(blind volume)を含んでもよい。この手段が、第２のレッグと、第１のレッグおよび第３のレッグのもう一方と、の交差部から延出する第２の盲容積をさらに含んでもよい。一方または両方の盲容積が、ヘルムホルツ共鳴器を形成する絞りを備えてもよい。この手段が、ハウジングの鋳造物の壁の内部に形成されてもよい。

圧縮機が、ハウジングの第１の部分の前駆体を鋳造することを含む工程によって製造されてもよい。少なくとも１つの作動要素を収容するために、少なくとも１つの穴が、前躯体に機械加工されてもよい（例えば、大雑把な穴の鋳造の後に仕上げの機械加工をする）。前駆体が、第１の容積および第２の容積を機械加工することを含めて、分岐経路の各部分を画定するように機械加工されてもよい。第１の容積が、少なくとも１つの穴から外向きに機械加工されてもよい。第２の容積が、前躯体の長手方向端部から機械加工され、（第１の容積の機械加工の前または後に）第１の容積と交差されてもよい。所望の調整を実現するために、第２の容積にプラグが挿入されてもよい。第２のハウジング部分が、第２の容積の近位端部を横切って、長手方向端部を覆って固定されてもよい。プラグが、第１の端部に沿った平面より奥まった位置にあってもよく、ヘルムホルツ共鳴器へのポートを画定する開口部を有してもよい。

圧縮機が、基本となる圧縮機から再製品化されてもよく、あるいは、その構成が、基本となる構成からリエンジニアリングされてもよい。初期の圧縮機または構成が提供される。そのような圧縮機／構成は、ハウジングと、１つまたは複数の作動要素と、中間ポートと、中間ポートへの分岐経路と、を含む。再製品化またはリエンジニアリングにおいては、盲容積が分岐経路に沿って配置される。圧力脈動パラメータの所望の制御を実現するように、盲容積の少なくとも１つの幾何学的パラメータが選択される。

様々な実施形態において、この配置が、ハウジングの壁中に盲容積を位置づけるものであってよい。この選択が、（例えば、最小の閾値、または所望の閾値が満たされるまで）少なくとも１つの幾何学的パラメータを変更すること、および圧力脈動のパラメータを直接的または間接的に求めること、からなる繰り返し作動を含んでもよい。求めることが、脈動の目標振動数での音響強度を測定することを含んでもよい。この配置することは、ハウジング内の区画にプラグを挿入することを含んでもよい。プラグは、ヘルムホルツ共鳴器のポートを画定する開口部を有してもよい。プラグは、区画の一部分の有効容積を減少させる可能性がある。この配置することは、ハウジング内の区画の盲末端側部分を延長することを含んでもよい。

本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細が、添付の図面および以下の説明に記述されている。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、その説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

異なる図面における同じ参照番号および記号は、同じ要素を示す。

図１は、モータ（図示せず）および駆動ロータ２６、２８を含むハウジングアセンブリ２２を有する圧縮機２０を示しており、駆動ロータ２６、２８は、それぞれ中央長手方向軸５００、５０２を有する。この例示的な実施形態では、ロータ２６は、第１端部３１と第２端部３２との間に延在する雄型ローブ形本体つまり作動部３０を有する。作動部３０は、雌型ロータ２８の雌型ローブ形本体つまり作動部３４と噛み合わせられている。作動部３４は、第１端部３５および第２端部３６を有する。各ロータは、関連する作動部の第１端部および第２端部から延出するシャフト部（例えば、関連する作動部と一体的に形成されたスタブ３９、４０、４１、４２）を含む。これらの各シャフトスタブは、関連するロータの軸の周りで回転するように、１つまたは複数の軸受アセンブリ（図示せず）によってハウジングに取り付けられている。

この例示的な実施形態では、モータは、ロータおよびステータを有する電気モータである。ロータ２６およびロータ２８のうちの一方のシャフトスタブの１つをモータのロータに結合し、モータがそのロータを、その軸の周りで駆動することができるようにしてもよい。そのロータは、軸の周りで動作可能な第１の方向に駆動されたとき、もう一方のロータを逆向きの第２の方向に駆動する。例示的なハウジングアセンブリ２２は、ロータ本体の端部３２、３６と実質的に同一平面上にある吐出端面５２を有するロータハウジング５０を含む。アセンブリ２２は、ロータハウジングの下流面に（例えば、両方のハウジング部片のフランジを貫通するボルトによって）取り付けられた上流面５６を有する出口ハウジング５４をさらに含む。例示的なロータハウジング５０および出口ハウジング５４は、それぞれ、さらに仕上げの機械加工を施すべき鋳造物として形成されてもよい。

ハウジングアセンブリ２２の表面は、噛み合わせられたロータ本体３０、３４との組合せで、冷媒流れ５０４を吸込（入口）プレナム６０から吐出（出口）プレナム６２まで圧縮し押し流す圧縮ポケットに通じる入口ポートおよび出口ポートを画定する。一対の雄型圧縮ポケットおよび雌型圧縮ポケットが、ハウジングアセンブリ２２、雄型ロータ本体３０、および雌型ロータ本体３４によって形成される。この対において、１つのポケットが、それぞれの関連するロータの一対の隣接するローブの間に位置している。

ロータハウジングの内側表面は、作動部３０および作動部３４それぞれのローブの頂点と緊密な対向／封止関係にある円形の円筒部７０、７２を含む。円筒部７０、７２は、一対の対向する噛合ゾーン（図示せず）で接する。ハウジングアセンブリの内側表面は、他と協働して吸込ポートおよび吐出ポートを画定する部分をさらに含む。様々なポートの構成が可能である。実施形態に応じて、ポートは、径方向、軸方向、あるいは両方の混成であってもよい。

圧縮機は、（表面７０および表面７２の一方または両方に、）圧縮行程の中間段階（例えば、エコノマイザポートが、圧縮開始後に圧縮ポケットに露出し、圧縮の２分の１が生じる前にこれらポケットから閉鎖されるような前半の行程の位置）に配置された、エコノマイザポート８０をさらに含む。エコノマイザポート８０は、冷媒のエコノマイザの流れ５１０が、圧縮経路に沿って主流５０４と合流し、組み合わされた流れ５１２として吐出プレナム６２内に吐出されることを許容し得る。

エコノマイザの流れは、エコノマイザの熱交換器またはフラッシュタンク（図示せず）から、ハウジングアセンブリに取り付けるためのフランジ８４を有するエコノマイザライン８２を通って案内される。例示的な実施形態では、フランジ８４は、エコノマイザ流路がロータハウジング５０を通るように、ロータハウジング５０表面の対応する取付け区域に取り付けられる。例示的なエコノマイザ流路は、ロータハウジング５０内で、ポート８０から外向きに延出する近位レッグ９０を含む。中間レッグ９２が、近位レッグ９０と交差して概ね長手方向に延在している。遠位レッグ９４が、突き合わせ部８６において、ロータハウジングの外部９６に向かって概ね外向きに延出している。

ハウジング内にエコノマイザ流路のレッグを形成するために、様々な技術を用いることができる。これは、鋳造（例えば、インベストメント鋳造）および機械加工の一方または両方を含んでもよい。例えば、一実施形態では、ロータハウジングの大まかな形状を鋳造する。次に、表面（例えば、５２、７０、７２）を機械加工で仕上げてもよい。表面５２に穴を形成して、中間穴部としての第２のレッグ９２を形成するとともに、近位穴部１００および末端側穴部１０２を形成してもよい。近位穴部は、近位レッグ９０の吐出端部の方へ向かっており、末端側穴部１０２は、遠位レッグ９４の吸込側の方へ向かっている。表面５２において、穴の開いた近位端部が出口ハウジング５４によって封止されているので、近位穴部１００および末端側穴部１０２は、エコノマイザ流路内で実質的な役割を果たさない。近位レッグ９０および遠位レッグ９４は、そこを通るエコノマイザ流路セクションを完成させるために、ロータハウジングの内部および外部から機械加工されてもよい。例示的な実施形態では、近位レッグ９０を圧縮ポケットに沿って（例えば、ロータのローブと平行に）細長にし、流れを増大させてもよい。遠位部分９４は管路８２と接続するために、円形またはその他の断面を有してもよい。例示的な実施形態では、穴は、全長さＬを有する。近位部分１００は、長さＬ_Oを有し、末端側部分１０２は、長さＬ_Sを有する。例示的な穴は、直径Ｄ₁を有する円形である。Ｌ_Sは、通常、製造加工品としてはかなり小さなものとなる。Ｌ_Oは、圧縮経路に沿った特定のエコノマイザポートの位置によって規定されるものである。この位置は、圧縮機の設計された動作パラメータに依存するものである。様々な製造技法において、ポート８０（および近位レッグ９０）は、基本となる圧縮機の種々の型式に対して異なる位置となり得るが、遠位レッグ９４および取付け形状８６は、寸法的な経済性ために、変更されない。

吸込ポート、吐出ポート、およびエコノマイザポートでの圧縮ポケットの開閉は、圧力脈動を生じさせる。脈動がエコノマイザライン内でガス中に伝播すると、脈動は、望ましくない振動を引き起こし、付随する望ましくない音を発生させる。この脈動は、エコノマイザ流路に関わる変更によって、少なくとも部分的に対処され得る。例示的な変更は、ハウジング内のエコノマイザ流路に隣接する変更に関わる。例示的な変更は、既存の製造技法およびそれらの加工品を利用する。例示的な変更が、既存の圧縮機の再製品化、または既存の圧縮機の構成のリエンジニアリング時に行われてもよい。

図２は、基本となる図１の圧縮機２０の２つの例示的な変更形態を示している。１つの変更形態は、サイドブランチ型(side branch)共鳴器を形成する穴末端側部分１０２’を含む。この部分の容積（例えば、遠位レッグ９４との交差部より遠位で測定される容積）は、末端側部分１０２の容積に比べて増加している。この増加が、例示的な長手方向の延長（例えば、長さＬ_S1まで深くすること）によって実現され得る。末端側部分１０２’の幾何学的特性（例えば、長さおよび容積）が、圧力脈動を１つまたは複数の振動数において減衰させるために調整されてもよい。例示的な振動数は、（システムの動作条件によって規定されうる）設計された圧縮機の動作速度で開閉するエコノマイザポートの振動数である。

第２の変更形態（独立して実施されてもよい）は、同様の原理を適用し、サイドブランチ型共鳴器として近位容積を構成する。例示的なプラグ１２０（例えば、円筒形のプラグ）が、穴の下流端部に収まるように、穴の開口部に挿入（例えば、圧入）される。プラグにより、実質的な近位部分１００’の長さおよび容積が、近位部分１００の長さおよび容積に比べて減少する（長さの方が、関連性の高いパラメータであると考えられている）。例示的なプラグの長さは、Ｌ_Pで示されており、実質的な近位部分の長さをＬ_S2に減少させる。平坦面となるプラグ１２０の長さは、（例えば上記で説明したように）望ましい調整を実現するように選択されてもよい。あるいは、そのような調整は、所与の寸法をもつプラグの挿入の（例えば、同一平面より奥まった）深さによって実現されてもよい。もし適切な調整が、近位容積の長さの拡大を必要とする場合には、プラグを挿入するかわりに、突き合わせハウジング５４内に補足的な中ぐりをすることによって、これを達成することができる。あるいは、適切な調整が、近位容積の拡大を必要とする場合には、プラグを挿入するかわりに、深座ぐりによって、これを達成することができる。

図３は、ヘルムホルツ共鳴器のチャンバを形成するために末端側穴部および近位穴部が使用される、２つの他の変更を示している。図２の第１の変更と同様に、末端側部分１０２’’をつくるために、穴が深くされてもよい。開口部１３２を有する中央が開口したプラグ１３０が、遠位レッグ９４との交差部の近くで末端側部分１２０’’に挿入されてもよい。末端側部分１０２’の残りの容積は、Ｌ_C1で示される長さを有し、関連する共鳴器の容積を有するヘルムホルツ共鳴器のチャンバを画定する。開口部１３２は、所与の横断面積および長さＬ_H1を有し、ヘルムホルツ共鳴器へのポートを画定する。例示的な開口部は、穴の断面積の５〜５０％の横断面積を有する円い筒状の開口部である。チャンバの幾何学的パラメータ、および開口部の幾何学的パラメータが、（例えば、上記で説明したように）所望の音の減衰を実現するように調整されてもよい。関連性の高いホルムヘルツ共鳴器の特性は、開口部／ポートの長さおよび横断面積、ならびにチャンバの容積であると考えられる。同様に、開口部１４２を有するプラグ１４０が、近位レッグ９０との交差部の近くで近位穴部に挿入されてもよい。プラグ１４０は、Ｌ_H2で示される長さを有し、Ｌ_C2で示される長さ、および関連するチャンバの容積を有する共鳴器のチャンバを残す。

図４は、サイドブランチ型共鳴器１５０とヘルムホルツ共鳴器１５２を組み合わせたものを示している。例示的なヘルムホルツ共鳴器１５２が、ヘルムホルツ共鳴器の容積を制御するために、穴の近位端部内のプラグ１５４の選択によって調整されてもよい。ヘルムホルツ共鳴器が、前述のように、プラグのポート１５６の特徴を選択することによってさらに調整されてもよい。サイドブランチ型共鳴器が、前述のように、その長さを選択することによって調整されてもよい。

図５は、開口部／ポートの長さを短くし、かつ／またはチャンバの容積の減少を小さくすることができるプラグ１６４、１６６を使用して形成された、ヘルムホルツ共鳴器１６０、１６２を示している。各プラグは、ロータハウジング５０内の関連する容積の側壁に係合する管状の側壁１７０を有する。側壁の近位端部を横切って、開口部／ポート１７４を有するウェブ板１７２が延在する。側壁１７０の長さが、保持および安定のために選択されてもよい。ハウジング５４内の相互に位置合わせされる穴１８０により、共鳴器１６２のチャンバの容積が増大する。このような構成は、近位レッグ９０がハウジング５０の吐出端部に比較的近い場合に、特に有用でありうる。

本発明の１つまたは複数の実施形態を説明してきた。しかしながら、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、様々な変更を加えることができることを理解されたい。例えば、リエンジニアリングまたは再製品化の状況において、既存の圧縮機の詳細が、実施形態の詳細に殊更に影響する、あるいはそれを規定することもありうる。実施形態は、（例えば、雄型ロータが２つの雌型ロータと噛み合わせられ、各対が、関連するエコノマイザ流路を有するとき）複数のエコノマイザ流路を有する圧縮機を含んでもよい。この原理は、スクリュー式のロータ以外の作動要素を有する圧縮機（例えば、往復圧縮機およびスクロール圧縮機）に適用されてもよい。したがって、その他の実施形態は、添付の特許請求の範囲に包含される。

基本となる従来技術の圧縮機の部分縦断面図。 本発明の原理による第１の変更がなされた図１の圧縮機の部分縦断面図。 本発明の原理による第２の変更がなされた図１の圧縮機の部分縦断面図。 本発明の原理による第３の変更がなされた図１の圧縮機の部分縦断面図。 本発明の原理による第４の変更がなされた図１の圧縮機の部分縦断面図。

Claims (14)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングと協働して、吸込位置と吐出位置との間に圧縮経路を画定する１つまたは複数の作動要素と、
   前記ハウジングの壁の内部で長手方向に延びるキャビティと、
   前記キャビティから半径方向に延び、前記ハウジングの内周面に開口する中間ポートと、
   前記キャビティから半径方向に延び、エコノマイザラインと連通する第２のポートと、
   を備え、
   前記中間ポートと前記第２のポートとは前記ハウジングの軸方向に互いにオフセットした位置にあり、
   前記キャビティが前記第２のポートを越えてさらに長手方向に延びることによって盲容積が形成されており、この盲容積が圧力脈動を制限するための共鳴器要素として機能することを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 前記盲容積が、前記１つまたは複数の作動要素からの吐出脈動の共鳴により、前記ハウジングが外部へ放射する音を制限する請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記キャビティが前記中間ポートを越えてさらに長手方向に延びることによって第２の盲容積が形成されている請求項１に記載の圧縮機。
4. 前記第２の盲容積が、ヘルムホルツ共鳴器を形成する絞りを備える請求項３に記載の圧縮機。
5. 請求項１に記載のスクリュー圧縮機を製造する方法であって、
   前記ハウジングの第１の部分の前駆体を鋳造するステップと、
   前記少なくとも１つの作動要素を収容するために、少なくとも１つの穴を前記前駆体に機械加工するステップと、
   前記キャビティ、前記中間ポートおよび前記第２のポートの各部分を画定するために前記前駆体を機械加工するステップであって、
   前記中間ポートを、前記少なくとも１つの穴から外側へ機械加工するステップと、
   前記第２のポートを、前記ハウジングの外側から前記キャビティまで機械加工するステップと、
   前記キャビティを、前記前駆体の長手方向端部から機械加工し、前記中間ポートおよび第２のポートと交差させるステップと、を含む、前記前駆体を機械加工するステップと、
   を含む、スクリュー圧縮機を製造する方法。
6. 前記キャビティにプラグを挿入するステップと、
   第２のハウジング部分を、前記キャビティを閉塞して、前記長手方向端部を覆うように前記ハウジングに固定するステップと、
   を含む請求項５に記載の方法。
7. 前記プラグが、前記長手方向端部に沿った平面から引っ込んでおり、ヘルムホルツ共鳴器へのポートを画定する開口部を有する請求項６に記載の方法。
8. 圧縮機の再製品化または前記圧縮機の構成のリエンジニアリングによって請求項１記載の圧縮機を提供する方法であって、
   初期の圧縮機に対して、前記盲容積を配置するステップと、
   圧縮脈動のパラメータの所望の制御を提供するために、前記盲容積の少なくとも１つの幾何学的パラメータを選択するステップと、
   を含む方法。
9. 前記選択するステップが、
   前記少なくとも１つの幾何学的パラメータを変更することと、
   前記圧力脈動のパラメータを直接的または間接的に決定することと、
   の繰り返しを含む請求項８に記載の方法。
10. 前記決定するステップが、脈動の目標振動数での音響強度を測定することを含む請求項９に記載の方法。
11. 前記配置するステップが、前記ハウジング内のキャビティにプラグを挿入することを含み、前記プラグが、ヘルムホルツ共鳴器のポートを画定する開口部を有する請求項８に記載の方法。
12. 前記配置するステップが、キャビティの一部分の有効容積を減少させるために、前記ハウジング内の前記区画にプラグを挿入することを含む請求項８に記載の方法。
13. 前記配置するステップが、前記キャビティの盲端末側部分を延長することを含む請求項８に記載の方法。
14. 前記１つまたは複数の作動要素が、
    第１の回転軸を有する雄型のローブ形ロータと、
    第２の回転軸を有して前記第１のロータと噛み合わせられた雌型のローブ形ロータと、
    を含む請求項１に記載の圧縮機。

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