JP6109516B2 - スクリュー型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、スクリューロータを備えた圧縮機、送風機及び膨張機等のスクリュー型流体機械に関する。

一対の雄雌ロータが噛み合ってガスを圧縮するスクリュー圧縮機等において、性能低下の代表的な要因は内部漏洩である。内部漏洩とは、雄雌ロータ間に形成される圧縮室から
圧縮ガスがより低圧の圧縮室に逆流する現象をいう。内部漏洩によってガスの吸い込みが阻害されるとともに、漏洩ガスの再圧縮による動力損失が生じるため、スクリュー圧縮機等の性能が低下する。しかるに、スクリュー圧縮機等においては、雄雌ロータ間に連続した接触点が形成される。この連続した接触点を噛合いシール線と呼ぶ。噛合いシール線は圧縮ガスを密封する機能を有しており、ガスの内部漏洩量を低減するという観点から、その長さが短いことが望ましい。そのため、内部漏洩の対策として、雄雌ロータ間に形成される噛合いシール線の長さを極力短くし、噛合いシール線からのガス漏れを抑制する試みがなされている。

また、第２の問題として、ブローホールの問題がある。雌ロータがピッチ円の外側にアデンダムを有すると共に、雄ロータがピッチ円の内側にデデンダムを有するスクリューロータにおいては、ブローホールが形成される。このブローホールは、雄雌ロータと、ケーシング内に形成されるボアが相交わるカスプ線との間に形成され、ここからガス漏れが発生する。ブローホールの形成を図８で説明する。図８は、軸直角断面を示す図であり、スクリュー圧縮機のケーシング１００の内部に形成されるケーシングボアｂに、雄ロータ１０２及び雌ロータ１０４が設けられている。雄ロータ１０２は回転中心Ｏ_Ｍを中心とし、雌ロータ１０４は回転中心Ｏ_Ｆを中心とし、夫々矢印方向に回転する。図中、Ｐ_Ｍは雄ロータ１０２のピッチ円を示し、Ｐ_Ｆは雌ロータ１０４のピッチ円を示す。

ケーシングボアｂの内壁も雄雌ロータと接触して圧縮室のガス密封機能を有する。以下、ケーシングボアｂの内壁と軸直角断面の交線をチップシール線ｃと呼ぶことにする。雄ロータ１０２及び雌ロータ１０４間に形成される噛合いシール線ｓと、ロータ外周部に形成されるチップシール線ｃとは連結されておらず、不連続となっている。この不連続の部分をブローホールと称し、文字通り吹き抜け部となる。ブローホールは、吸入側ブローホールＢ_１と圧縮側ブローホールＢ_２の２箇所に形成される。吸入側ブローホールＢ_１は、上部カスプ点Ｐｋ_１と、噛合いシール線ｓとの間に形成され、圧縮側ブローホールＢ_２は噛合いシール線ｓのブローホール側最接近点Ｐ_ｓと、雄雌ロータの噛合い開始側に位置する下部カスプ点Ｐｋ_２との間に形成される。スクリュー圧縮機の性能の観点から問題となるのは圧縮側ブローホールＢ_２である。

図９は、圧縮側ブローホールＢ_２の形状を示す。圧縮側ブローホールＢ_２は、下部カスプ線ｋ_２と、雄ロータ１０２の歯面とブローホール側最接近点Ｐ_ｓ及び下部カスプ線ｋ_２を含むブローホール平面との交線とによって形成される雄ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_１と、雌ロータ１０４の歯面と該ブローホール平面との交線とによって形成される雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_２との間に形成される。通常、該ブローホール平面で切断した時の切り口の面積をもって、圧縮側ブローホールＢ_２の代表面積とされている。本明細書でもこれに従う。図９は、図８中のＡ矢視方向から視た図であり、前記ブローホール平面を図８中のｙ軸を含む平面に投影した図である。図１０は、Ａ矢視方向から視た噛合いシール線ｓの形状を示す。図中、ΔＬｓは噛合いシール線ｓの一歯分を示す。

本出願人は、先に、ブローホールの面積を低減可能なスクリューロータの構成を提案している（特許文献１）。この発明は、雌ロータのアデンダム頂部中心から回転方向に対し先進する側のピッチ円に至るまでの軸直角断面形状を３個以上の円弧で形成するようにしたものであり、これによって、ブローホール面積を低減している。

特許第３３５６４６８号公報

しかし、一般的にスクリューロータを装備した流体機械において、噛合いシール線の長さとブローホールの面積とは相反する関係にある。即ち、噛合いシール線を短くすると、ブローホール面積は増加する。そのため、噛合いシール線の長さの低減と、ブローホール面積の低減とを同時に実現することは困難である。特許文献１で開示された内部漏洩抑制手段は、主としてブローホール面積を低減するものであるので、噛合いシール線の長さを短縮することも含めて、内部漏洩抑制手段を考える必要がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、噛合いシール線の長さの低減と、ブローホール面積のさらなる低減とを実現することを目的とする。

本発明は、互いに噛み合って回転する雄ロータと雌ロータとからなり、雌ロータがピッチ円の外側にアデンダムを有すると共に、雄ロータがピッチ円の内側にデデンダムを有し、ブローホールの形成が問題とされるスクリューロータを備えたスクリュー型流体機械に適用される。前記目的を達成するため、本発明のスクリュー型流体機械は、雄雌ロータ及びケーシングに形成されたカスプ線の間に形成されたブローホールの輪郭のうち、噛合いシール線のブローホール側最接近点からカスプ線までの間で雌ロータによって形成される雌ロータ側ブローホールの輪郭が、複数の輪郭要素によって構成され、複数の輪郭要素は少なくとも２個の円弧を含むものである。

本発明において、雄雌ロータの歯形は、雄ロータと雌ロータ間に形成される噛合いシール線が設定値以下となる条件下で設定される。例えば、雄雌ロータの歯形は噛合いシール線は、設計上可能な限り短くなるように設定される。圧縮側ブローホールは、雄雌ロータ及び下部カスプ線の間に形成される。本発明では、圧縮側ブローホールの輪郭のうち、噛合いシール線のブローホール側最接近点からカスプ線までの間で雌ロータによって形成される雌ロータ側ブローホールの輪郭が、少なくとも２個の円弧を含む輪郭で構成されるようにする。雌ロータ側ブローホールの輪郭に少なくとも２個の円弧を含めることで、ブローホール面積を低減できる。雌ロータの歯形は、雌ロータによって形成されるブローホールの輪郭を変換して求め、雄ロータの歯形は、雌ロータの歯形に対応して創成する。なお、得られた雌ロータ歯形の曲率中心がピッチ円の内側にあることが創成理論上必要な要件となる。

特許文献１に記載されたブローホール面積低減手段は、ブローホール面積を低減可能な雌ロータ歯形の形状を試行錯誤しながら見出すものである。これに対し、本発明は、先にブローホールの面積を低減可能な雌ロータ側ブローホール輪郭を見い出し、この輪郭に合わせて雌ロータの歯形を決定するものである。そのため、ブローホール面積を低減可能な雌ロータの歯形を試行錯誤することなく選定できる。また、前もって噛合いシール線が設計上可能な限り短くなるように雄雌ロータの歯形を選定しているので、噛合いシール線の長さの短縮と、ブローホール面積の低減とを同時に達成できる。

本発明において、具体的には、雌ロータ側ブローホールの輪郭が、噛合いシール線のブローホール側最接近点に接続される第１の円弧と、該第１の円弧に連なる第２の円弧と、第２の円弧の終端とカスプ線との間を延びる曲線からなる輪郭要素とで構成されるとよい。これによって、ブローホール面積を低減できる輪郭を形成できる。

前記構成において、第２の円弧の終端とカスプ線とを結ぶ曲線を、第２の円弧の終端に連なる第３の円弧と、第３の円弧の終端とカスプ線との間を延びる第４の円弧とで構成するとよい。このように、雌ロータ側ブローホールの輪郭を４個の異なる円弧で構成することで、圧縮側ブローホールの面積を低減できる輪郭の形成が可能になる。

あるいは、第２の円弧の終端とカスプ線との間を延びる曲線を、第２の円弧の終端に連なる第１の放物線と、該第１の放物線の終端とカスプ線とを結ぶ第２の放物線とで構成してもよい。これによっても、圧縮側ブローホールの面積を低減できる輪郭の形成が可能になる。

あるいは、第２の円弧の終端とカスプ線との間を延びる曲線を１個の３次曲線で構成してもよい。これによっても、圧縮側ブローホールの面積を低減できる輪郭の形成が可能になる。

本発明において、円弧、放物線又は３次曲線で構成される輪郭要素間の接続点において、この接続点における両側の輪郭要素の接線が同一の勾配を有するように構成するとよい。これによって、ブローホール面積を低減しながら、異なる曲線同士を滑らかに接続できる。

本発明によれば、噛合いシール線の長さの短縮と、ブローホール面積のさらなる低減を同時に達成でき、スクリュー型流体機械の内部漏洩を効果的に抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る圧縮側ブローホールの形状を示す線図である。 図１の圧縮側ブローホールの形状に基づいて製作した雌ロータの歯形の一部を示す線図である。 図２の雌ロータの歯形に対応して創成した雄ロータの歯形の一部を示す線図である。 本発明の第２実施形態に係るブローホールの形状を示す線図である。 本発明の第３実施形態に係るブローホールの形状を示す線図である。 本発明の実施に供されたスクリューロータの仕様を示す図表（表１）である。 図６（表１）の仕様を有するスクリューロータを用いて本発明を実施した結果を示す図表（表２）である。 スクリューロータの軸直角断面形状を示す説明図である。 従来のスクリューロータのブローホール形状を示す線図である。 スクリューロータの噛合いシール線を示す線図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、スクリュー圧縮機に用いられ、歯数４枚の雄ロータと歯数６枚の雌ロータからなるスクリューロータに適用した例である。本実施形態では、まず、雄雌ロータ間に形成される噛合いシール線ｓの長さを、スクリュー圧縮機の仕様に対して、可能な限り短縮させた長さに設定する。こうして設定した噛合いシール線ｓに基づいて、圧縮側ブローホールＢ_２の面積を設定する。

図１は、圧縮側ブローホールＢ_２の形状を概略的に示す。圧縮側ブローホールＢ_２は、下部カスプ線ｋ_２と、雄ロータによって形成される雄ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_１と、雌ロータよって形成される雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_３の間に形成されている。雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_３は、本実施形態で設定されるブローホールの輪郭であり、雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_２は、特許文献１で提案された雌ロータ歯形によって形成されるブローホールの輪郭である。図中、点Ｄは、下部カスプ線ｋ_２と雄ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_１との交点であり、点Ｐ_４は、下部カスプ線ｋ_２と雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_２及びＲ_３との交点である。

雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_３は、４個の円弧Ｃ_１（Ｐｓ・Ｐ_１間）、Ｃ_２（Ｐ_１・Ｐ_２間）、Ｃ_３（Ｐ_２・Ｐ_３間）及びＣ_４（Ｐ_３・Ｐ_４間）によって形成されている。円弧Ｃ_１の始端は噛合いシール線ｓのブローホール側最接近点Ｐ_ｓであり、円弧Ｃ_１の終端に円弧Ｃ_２の始端が接続されている。また、円弧Ｃ_２の終端に円弧Ｃ_３の始端が接続され、円弧Ｃ_３の終端に円弧Ｃ_４の始端が接続されている。円弧Ｃ_４の終端は下部カスプ線ｋ_２と交点Ｐ_４で接続している。

円弧Ｃ_１の中心はＯ_１であり、曲率半径はｒ１である。円弧Ｃ_２の中心はＯ_２であり、曲率半径はｒ２である。円弧Ｃ_３の中心はＯ_３であり、曲率半径はｒ３である。円弧Ｃ_４の中心はＯ_４であり、曲率半径はｒ４である。各円弧の接続点において、接続点の両側の円弧の接線は同一勾配を有し、両接線は重なる。これによって、各円弧の接続点で、両側の円弧は滑らかに接続されている。また、曲率半径ｒ１及びｒ４は、曲率半径ｒ２及びｒ３と比べて大幅に大径に設定されている。これによって、圧縮側ブローホールＢ_２の面積を低減するブローホール輪郭の形成が容易になる。

図１に示すように、本実施形態の雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_３で形成された圧縮側ブローホールＢ_２の面積は、雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_２で形成された圧縮側ブローホールの面積より明らかに減少していることがわかる。また、雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_２及びＲ_３の両端は、ブローホール側最接近点Ｐ_ｓ及び交点Ｐ_４で一致しており、かつブローホール側最接近点Ｐｓ及び接続点Ｐ_４における両輪郭の接線の傾きは同一である。これによって、シール線の長さ及びブローホール面積を共に最小限にしつつ、ブローホール側最接近点Ｐ_ｓ及び交点Ｐ_４での歯形を滑らかに接続可能にしている。これらの点で歯形を滑らかにすることで、応力集中や、雄ロータとの噛合い不良をなくすことができると共に、歯面にピッチングなどの疲労破壊が生じるのを防止できる。

なお、雌ロータの歯形は、雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_３を変換して求める。また、雄ロータの歯形は、雌ロータの歯形に対応して創成する。こうして求めた軸直角断面における雌ロータの歯形の一部を図２に示し、雄ロータの歯形の一部を図３に示す。図２において、曲線Ｔ_Ｆが本実施形態の雌ロータの歯形の一部であり、曲線ｔ_ｆが特許文献１で提案された雌ロータの歯形の一部である。図３において、曲線Ｔ_Ｍが本実施形態の雄ロータの歯形の一部であり、曲線ｔ_ｍが特許文献１で提案された雄ロータの歯形の一部である。

図２において、曲線Ｔ_Ｆは曲線ｔ_ｆより雄ロータ側に突出しており、また、図３において、曲線Ｔ_Ｍは曲線ｔ_ｍより雌ロータから離れる方向へ凹んでいる。なお、得られた雌ロータ歯形に円弧が含まれる場合、該円弧の曲率中心がピッチ円の内側にあることが創成理論上必要な要件となる。

本実施形態によれば、まず、圧縮側ブローホールＢ_２の面積を低減可能な雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_３を見い出し、この雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_３に合わせて雌ロータの歯形を決定するものである。そのため、圧縮側ブローホール面積Ｂ_２を低減可能な雌ロータの歯形を試行錯誤することなく選定できると共に、特許文献１よりさらに圧縮側ブローホールＢ_２の面積を低減できる。また、噛合いシール線ｓのブローホール側最接近点Ｐ_ｓに接続された円弧Ｃ_１の曲率半径ｒ１、及び交点Ｐ_４に接続された円弧Ｃ_４の曲率半径ｒ４は、他の円弧の曲率半径ｒ２及びｒ３と比べて大幅に大径に設定されているので、圧縮側ブローホールＢ_２の面積を低減する雌ロータ側ブローホール輪郭の形成が容易になる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図４により説明する。本実施形態も第１実施形態と同仕様のスクリュー圧縮機に適用した例である。図４において、本実施形態の雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_４は、２個の円弧Ｃ_１（Ｐｓ・Ｐ_１間）及びＣ_２（Ｐ_１・Ｐ_２間）と、２個の放物線Ｃ_５（Ｐ_２・Ｐ_３間）及びＣ_６（Ｐ_３・Ｐ_４間）で構成されている。円弧Ｃ_１は第１実施形態の円弧Ｃ_１と同一の円弧であり、円弧Ｃ_２は第１実施形態の円弧Ｃ_２と同一の円弧である。放物線Ｃ_５の始端は円弧Ｃ_２の終端に接続され、放物線Ｃ_６の始端は放物線Ｃ_５の終端され、放物線Ｃ_６の終端は交点Ｐ_４に接続されている。なお、交点Ｄ及び交点Ｐ_４は第１実施形態の交点Ｄ及び交点Ｐ_４と同一位置にある。

本実施形態の雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_４は、第１実施形態の円弧Ｃ_３及びＣ_４を放物線Ｃ_５及びＣ_６に置き換えたものである。第１実施形態と同様に、各円弧及び各放物線の接続点において、接続点の両側の円弧の接線は同一勾配を有し、両接線は重なる。このように、雌ロータ側輪郭Ｒ_４を２個の円弧Ｃ_１（Ｐｓ・Ｐ_１間）、Ｃ_２（Ｐ_１・Ｐ_２間）と、２個の放物線Ｃ_５（Ｐ_２・Ｐ_３間）及びＣ_６（Ｐ_３・Ｐ_４間）で構成することで、圧縮側ブローホールＢ_２の面積を低減できる。また、円弧Ｃ_１、Ｃ_２及び放物線Ｃ_５、Ｃ_６の接続点において、接続点の両側の円弧の接線は同一勾配を有しているので、異なる曲線間を滑らかに接続できる。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を図５により説明する。本実施形態も第１実施形態と同仕様のスクリュー圧縮機に装備されるスクリューロータに適用した例である。図５において、本実施形態の雌ロータ側ブローホール輪郭Ｒ_５は、２個の円弧Ｃ_１（Ｐｓ・Ｐ_１間）及びＣ_２（Ｐ_１・Ｐ_２間）と、１個の３次曲線Ｃ_７（Ｐ_２・Ｐ₄間）で構成されている。円弧Ｃ_１は第１実施形態の円弧Ｃ_１と同一の円弧であり、円弧Ｃ_２は第１実施形態の円弧Ｃ_２と同一の円弧である。３次曲線Ｃ_７の始端は円弧Ｃ_２の終端に接続され、３次曲線Ｃ_７の終端は、下部カスプ線ｋ_２との交点Ｐ_４に接続されている。

本実施形態の雌ロータ側ブローホー輪郭Ｒ_５は、第１実施形態の円弧Ｃ_３及びＣ_４を３次曲線Ｃ_７に置き換えたものである。第１実施形態と同様に、各円弧及び各放物線の接続点において、接続点の両側の円弧の接線は同一勾配を有し、両接線は重なる。その他の構成は第１実施形態と同一である。図５から明らかなように、本実施形態によっても、圧縮側ブローホールＢ_２の面積を低減できると共に、円弧Ｃ_１、Ｃ_２及び３次曲線Ｃ_７の接続点において、接続点の両側の円弧の接線は同一勾配を有しているので、異なる曲線間を滑らかに接続できる。

次に、前記第１〜３実施形態の仕様で実際にスクリューロータを設計し、設計したスクリューロータの噛合いシール線ｓの長さ及び圧縮側ブローホールＢ_２の面積を計測した結果を説明する。図６の表１は設計したスクリューロータの仕様を示す。図７の表２は、表１の仕様で製作したスクリューロータの噛合いシール線長さ及びブローホール面積を示す。表２中の「従来型（従来技術）」とは、特許文献１で提案されたスクリューロータを示す。表２から、本発明のスクリューロータは、従来型よりさらに噛合いシール線長さを短縮し、かつブローホール面積を従来型より約２５％低減できることがわかる。

本発明によれば、スクリュー圧縮機等の回転機械に適用されるスクリューロータにおいて、噛合いシール線の長さやブローホール面積を従来より低減でき、これによって、内部漏洩を抑制し、性能をさらに向上できる。

１００ ケーシング
１０２ 雄ロータ
１０４ 雌ロータ
Ｂ_１ 吸入側ブローホール
Ｂ_２ 圧縮側ブローホール
Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４ 円弧
Ｃ_５、Ｃ_６ 放物線
Ｃ_７ ３次曲線
Ｄ、Ｐ_４ 交点
Ｏ_１，Ｏ_２，Ｏ_３，Ｏ_４ 中心
Ｐｋ_１ 上部カスプ点
Ｐｋ_２ 下部カスプ点
Ｐ_Ｍ、Ｐ_Ｆ ピッチ円
Ｐ_ｓ ブローホール側最接近点
Ｒ_１ 雄ロータ側ブローホール輪郭
Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４、Ｒ_５ 雌ロータ側ブローホール輪郭
Ｔ_Ｆ、ｔ_ｆ 雌ロータ歯形
Ｔ_Ｍ、ｔ_ｍ 雄ロータ歯形
ｋ_２ 下部カスプ線
ｃ チップシール線
ｒ_１、ｒ_２、ｒ_３、ｒ_４ 曲率半径
ｓ 噛合いシール線

Claims (5)

1. カスプ線を規定するボアを有するケーシングと、該ボアに配置され、互いに噛み合って回転する一対の雄雌ロータからなるスクリューロータとを備え、雌ロータがピッチ円の外側にアデンダムを有すると共に、雄ロータがピッチ円の内側にデデンダムを有するスクリュー型流体機械において、
   前記雄ロータ、前記雌ロータ及び前記カスプ線の間に形成されるブローホールは、前記噛合いシール線のブローホール側最接近点から前記カスプ線までの間で前記雌ロータによって形成される雌ロータ側ブローホール輪郭を有し、
   前記雌ロータは、
   前記噛合いシール線のブローホール側最接近点を始端とする第１の円弧と、
   該第１の円弧の終端に連なる第２の円弧と、
   前記第２の円弧の終端と前記カスプ線との間を延びる曲線と、
   を含む複数の輪郭要素によって構成される前記雌ロータ側ブローホール輪郭が得られるような
   雌ロータ歯形を有するとともに、
   前記第１の円弧及び前記第２の円弧の中心は、それぞれ、前記雌ロータ側ブローホール輪郭に対して前記雌ロータ側に位置する
   ことを特徴とするスクリュー型流体機械。
2. 前記曲線が、前記第２の円弧の終端に連なる第３の円弧と、該第３の円弧の終端とカスプ線との間を延びる第４の円弧とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー型流体機械。
3. 前記曲線が、前記第２の円弧の終端に連なる第１の放物線と、該第１の放物線の終端と前記カスプ線との間を延びる第２の放物線とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー型流体機械。
4. 前記曲線が１個の３次曲線で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー型流体機械。
5. 前記輪郭要素間の接続点において、該接続点における両側の輪郭要素の接線が同一の勾配を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のスクリュー型流体機械。

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