JP6209477B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機に関するものである。

従来、スクリュロータのロータ軸を受けるラジアル軸受に作用するラジアル荷重を低減可能な圧縮機が知られている。例えば、特許文献１には、ロータ軸を有するスクリュロータと、ロータ軸を受けるラジアル軸受と、を備える圧縮機が開示されている。ラジアル軸受には、当該ラジアル軸受とロータ軸との間の空間に高圧の油を供給するための油供給路が形成されている。油供給路を通じて供給された油の圧力によってロータ軸に作用する荷重の向きが、ロータ軸からラジアル軸受に作用するラジアル荷重の向きと逆向きとなるように、油供給路の位置が設定されている。よって、油供給路を通じてラジアル軸受とロータ軸との間の空間に高圧の油が供給されることにより、ラジアル軸受に作用するラジアル荷重が低減される。

特開２００８−１５７３３０号公報

ところで、スクリュ圧縮機では、スクリュロータの両側に配置されるラジアル軸受のうち、スクリュ圧縮機の吐出側に位置するラジアル軸受に対して、吸込側に位置するものよりも大きな荷重が作用する。軸受幅を確保するために吐出側に位置するラジアル軸受を大型化しなければならない。

なお、特許文献１に開示されるラジアル荷重を低減する手法を採用しようとすると、ラジアル軸受に油供給路が形成されているため、ラジアル軸受の構造が複雑となってしまう。また、ラジアル軸受には、ラジアル軸受とロータ軸との間の空間に供給される油の圧力に耐え得る強度が求められる。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ラジアル軸受の構造を簡素化しつつラジアル軸受に作用する荷重をより大きく低減することが可能な圧縮機を提供することを目的としている。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、スクリュ部であるロータ本体と、前記ロータ本体を覆うケーシングと、前記ロータ本体の長手方向における前方部に位置し、前記ロータ本体にて圧縮されたガスを吐出する吐出口と、前記ロータ本体の前記長手方向における後方部に位置し、前記ガスを吸込む吸込口と、前記ロータ本体から前方へと延びる第１軸と、前記ロータ本体から後方へと延びる第２軸と、前記第１軸をラジアル方向に支持する第１ラジアル軸受と、前記第２軸をラジアル方向に支持する第２ラジアル軸受と、前記第１ラジアル軸受に作用するラジアル荷重を低減する荷重低減機構と、を備え、前記荷重低減機構が、前記第１ラジアル軸受よりも前方側にて前記ロータ本体に作用する力のラジアル方向の成分とは反対向きの成分を含む荷重低減力を前記第１軸に作用させる、または、前記第２軸受よりも後方にて前記ロータ本体に作用する力の前記ラジアル方向の成分と同じ向きの成分を含む荷重低減力を前記第２軸に作用させる圧縮機を提供する。

スクリュロータを備える圧縮機においては、吐出側に近いほど流体の圧力が高くなるため、吐出側に位置する第１ラジアル軸受に作用するラジアル荷重の低減がより望まれている。本圧縮機では、荷重低減機構が設けられることにより、第１ラジアル軸受に特段の加工を施すことなく、容易に第１ラジアル軸受の荷重を低減することができる。

この場合において、前記荷重低減機構が、前記第１軸の周囲にて、高圧流体を収容可能な高圧室、及び、前記高圧室よりも低圧である低圧室を備え、前記高圧室と前記低圧室との間の圧力差により、前記第１ラジアル軸受よりも前方にて前記ロータ本体に作用する力のラジアル方向の成分とは反対向きの成分を含む前記荷重低減力を発生させることが好ましい。

このようにすれば、容易に荷重低減力を発生させることができる。

具体的に、前記第１軸の前記高圧室に接する部位の外径が、前記第１軸の前記長手方向における他の部位の外径よりも大きいことが好ましい。

このようにすれば、受圧面積を大きくすることができ、荷重低減力を容易に確保することができる。

また、本発明において、前記ケーシングが、前記ロータ本体及び前記第１ラジアル軸受を収容するとともに前方に向かって開口する開口部を有するロータケーシングと、前記高圧室及び前記低圧室を形成するとともに前記開口部を塞ぐサブケーシングと、を備え、前記サブケーシングは、前記ロータケーシングに対して着脱自在に装着されることが好ましい。

サブケーシングは、ロータケーシングに対して着脱自在であるため、既存の圧縮機のロータケーシングをそのまま利用しつつ当該既存の圧縮機に荷重低減機構を付加することが可能となる。

この場合において、前記サブケーシングが、前記圧縮機から吐出された流体に含まれる油を前記高圧流体として前記高圧室に導入する高圧導入流路を有することが好ましい。

このようにすれば、圧縮機から吐出された油が高圧流体として高圧室に供給されるので、高圧室に高圧流体を供給するための専用の供給源の省略が可能となる。

また、本発明において、前記ロータ本体と噛み合うスクリュ部である他のロータ本体と、前記他のロータ本体から前方へと延びる他の第１軸と、前記他のロータ本体から後方へと延びる他の第２軸と、前記他の第１軸をラジアル方向に支持する他の第１ラジアル軸受と、前記他の第２軸をラジアル方向に支持する他の第２ラジアル軸受と、前記他の第１ラジアル軸受に作用するラジアル荷重を低減する荷重低減機構と、を備え、前記荷重低減機構が、前記他の第１軸の周囲にて、高圧流体を収容可能な他の高圧室、及び、前記他の高圧室よりも低圧である他の低圧室を備え、前記他の高圧室と前記他の低圧室との間の圧力差により、前記他の第１ラジアル軸受よりも前方にて前記他のロータ本体に作用する力のラジアル方向の成分とは反対向きの成分を含む前記荷重低減力を発生させることが好ましい。

このようにすれば、容易に荷重低減力を発生させることができる。

以上のように、本発明によれば、ラジアル軸受の構造を簡素化しつつより小さな荷重でラジアル軸受に作用する荷重の低減が可能な圧縮機を提供することができる。

本発明の一実施形態の圧縮機の構成の概略を示す図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ線での断面図である。 図１に示す圧縮機を含む圧縮装置の概略図である。 荷重低減機構の原理を示す概略図である。 荷重低減機構の変形例の原理を示す概略図である。

本発明の一実施形態の圧縮機１について、図１から図４を参照しながら説明する。

図１に示されるように、本実施形態の圧縮機１は、一対のスクリュロータ１０と、一対のスクリュロータ１０を受ける４つのラジアル軸受４１〜４４と、一対のスクリュロータ１０及び各ラジアル軸受４１〜４４を収容するケーシング５０と、を備えている。上下方向においてケーシング５０のうち一対のスクリュロータ１０の上側で、かつ一対のスクリュロータ１０の長手方向における後方（図１の右方向）部に吸込口５０ａが設けられている。上下方向において吸込口５０ａよりも下側で、かつ前記長手方向における前方（図１の左方向）部に吐出口５０ｂが設けられている。なお、上下方向は必ずしも重力方向における上下方向である必要はない。

一対のスクリュロータ１０は、雄ロータ２０と、雌ロータ３０とを備えている。

雄ロータ２０は、スクリュ部であるロータ本体２１と、ロータ本体２１から前方へと延びる第１軸２２と、ロータ本体２１から後方へと延びる第２軸２６と、を備えている。

第２軸２６は、駆動機２（図３を参照）に接続される接続部２７を有している。駆動機２によって第２軸２６が回転駆動される。

雌ロータ３０は、雄ロータ２０と同様に、スクリュ部であるロータ本体３１と、ロータ本体３１から前方へと延びる第１軸３２と、ロータ本体３１から後方へと延びる第２軸３６とを備えている。ただし、第２軸３６は、駆動機２に接続される部位を有していない。

４つのラジアル軸受４１〜４４は、雄ロータ２０の第１軸２２をラジアル方向に支持する第１ラジアル軸受４１と、雄ロータ２０の第２軸２６をラジアル方向に支持する第２ラジアル軸受４２と、雌ロータ３０の第１軸３２をラジアル方向に支持する第１ラジアル軸受４３と、雌ロータ３０の第２軸３６をラジアル方向に支持する第２ラジアル軸受４４と、を備えている。

ケーシング５０は、各ロータ本体２１，３１と各ラジアル軸受４１〜４４とを収容するロータケーシング５２と、ロータケーシング５２に対して着脱自在に装着されるサブケーシング５４とを有する。

ロータケーシング５２は、前方に向かって開口する開口部５３を有する。雄ロータ２０の第１軸２２の前方側の端部２２ｂ（以下、「外側部位２２ｂ」という。）及び雌ロータ３０の第１軸３２の前方側の端部３２ｂ（以下、「外側部位３２ｂ」という。）は、開口部５３から前方に突出している。

雄ロータ２０の第１軸２２は、ロータ本体２１から前方へと延びる基軸２３と、基軸２３の前方側の端部２３ｂの周囲に取り付けられた大径部２４ｂと、を有しており、端部２３ｂ及び大径部２４ｂが外側部位２２ｂを構成する。同様に、雌ロータ３０の第１軸３２は、ロータ本体３１から前方へと延びる基軸３３と、基軸３３の前方側の端部３３ｂの周囲に取り付けられた大径部３４ｂと、を有しており、端部３３ｂ及び大径部３４ｂが外側部位３２ｂを構成する。各大径部２４ｂ，３４ｂの外径は、各基軸２３，３３の外径よりも大きく形成されている。

サブケーシング５４は、開口部５３の開口を塞ぐとともに各外側部位２２ｂ，３２ｂを収容する形状を有する。サブケーシング５４は、雄ロータ２０の外側部位２２ｂを上下方向の両側から挟み込む位置で当該外側部位２２ｂの周囲に形成される空間を周方向について区画する区画部５５と、雌ロータ３０の外側部位３２ｂを上下方向の両側から挟み込む位置で当該外側部位３２ｂの周囲に形成される空間を周方向について区画する区画部５６とを有する。

図２に示されるように、サブケーシング５４内のうち各外側部位２２ｂ，３２ｂの並び方向について区画部５５よりも外側（図２の左側）及び区画部５６よりも外側（図２の右側）の２か所に、高圧流体を収容可能な高圧室５４ａが形成されている。サブケーシング５４内のうち前記並び方向について区画部５５よりも内側でかつ区画部５６よりも内側の１か所に、高圧室５４ａよりも低圧の低圧室５４ｂが形成されている。雄ロータ２０側の高圧室５４ａは、前記並び方向について外側部位２２ｂの外側の外周面２２ｃに接している。雌ロータ３０側の高圧室５４ａは、前記並び方向について外側部位３２ｂの外側の外周面３２ｃに接している。低圧室５４ｂは、前記並び方向について外側部位２２ｂの内側の外周面２２ｄ及び外側部位３２ｂの内側の外周面３２ｄの双方に接している。雄ロータ２０の外側部位２２ｂと区画部５５との間、及び雌ロータ３０の外側部位３２ｂと区画部５６との間には、それぞれ隙間（図示略）が形成されている。

サブケーシング５４は、高圧室５４ａに連通する高圧導入流路５８と、低圧室５４ｂに連通する低圧連通流路５９（図２を参照）とを有している。

図３に示されるように、本実施形態の圧縮機１は、気液分離器３及び給油流路４とともに圧縮装置を構成する。

気液分離器３は、吐出口５０ｂから吐出された流体をガスと油とに分離する。気液分離器３で分離されたガスは、下流側に送られ、気液分離器３で分離された油は、給油流路４を通じて圧縮機１内に戻される。

給油流路４は、高圧の油を高圧導入流路５８を通じて高圧室５４ａに導入可能となるようにサブケーシング５４に接続されている。給油流路４には、クーラ５、ポンプ６、及びフィルタ７が設けられている。

圧縮装置において、駆動機２の回転駆動によって一対のスクリュロータ１０が回転駆動されると、雄ロータ２０のロータ本体２１と雌ロータ３０のロータ本体３１との間で吸込口５０ａから吸い込まれたガスが圧縮される。このとき、圧縮ガスの圧力により、雄ロータ２０のロータ本体２１及び雌ロータ３０のロータ本体３１には、各ロータ本体２１，３１が互いに離間する向きの力Ｆｒ（図４を参照）が作用する。これにより、各ラジアル軸受４１〜４４には、力Ｆｒの作用方向と同じ向き（径方向外向き）のラジアル荷重が作用する。本圧縮機１においては、吐出側に近いほどガスの圧力が高くなるため、吸込側に位置する各第２ラジアル軸受４２，４４に対してよりも吐出側に位置する各第１ラジアル軸受４１，４３に対してより大きなラジアル荷重が作用する。このため、各第１ラジアル軸受４１，４３に作用するラジアル荷重が低減されることが望ましい。

一対のスクリュロータ１０の回転駆動と同時に、給油流路４及び高圧導入流路５８を通じて高圧流体である高圧の油が高圧室５４ａに供給される。一方、低圧室５４ｂは、低圧連通流路５９を通じて大気圧に開放されている。このため、高圧室５４ａと低圧室５４ｂとの間の圧力差により、各外側部位２２ｂ，３２ｂに対し高圧室５４ａから低圧室５４ｂに向かう前記並び方向内向きの力（以下、「荷重低減力Ｆｋ」という。）が作用する。より具体的には、図２に示されるように、荷重低減力Ｆｋは、前記並び方向外側の上部から並び方向内側の下部に向かう向きに作用する。雄ロータ２０の外側部位２２ｂに作用する荷重低減力Ｆｋの向きは、雄ロータ２０側の第１ラジアル軸受４１に作用するラジアル荷重の向きと反対向きとなり、雌ロータ３０の外側部位３２ｂに作用する荷重低減力Ｆｋの向きは、雌ロータ３０側の第１ラジアル軸受４３に作用するラジアル荷重の向きと反対向きとなる。換言すれば、各荷重低減力Ｆｋの作用する向きが、各第１ラジアル軸受４１，４３に作用するラジアル荷重の向きとそれぞれ反対向きとなるように高圧室５４ａ及び低圧室５４ｂが配置されている。よって、各外側部位２２ｂ，３２ｂに荷重低減力Ｆｋが作用することにより、各第１ラジアル軸受４１，４３に作用するラジアル荷重が低減される。つまり、高圧室５４ａ及び低圧室５４ｂは、各第１ラジアル軸受４１，４３に作用するラジアル荷重を低減する荷重低減機構としての機能を果たす。なお、高圧室５４ａに供給された高圧の油は、雄ロータ２０の外側部位２２ｂと区画部５５との隙間、及び雌ロータ３０の外側部位３２ｂと区画部５６との隙間を通じて低圧室５４ｂに流入し、低圧導入流路５９を通じてサブケーシング５４外に流出する。

ここで、雄ロータ２０側に注目して、荷重低減力Ｆｋが第１ラジアル軸受４１に作用するラジアル荷重を低減させる原理を、図４を参照しながら説明する。圧縮機１の駆動時には、雄ロータ２０のロータ本体２１に雌ロータ３０のロータ本体３１から離間する向き（図４の上向き）の力Ｆｒが作用する。そうすると、第１軸２２のうち第１ラジアル軸受４１で支持されている部位（以下、「内側部位２２ａ」という。）には、第１ラジアル軸受４１から力Ｆｒの作用方向と反対向きの力Ｆ１が作用する。同様に、第２軸２６のうち第２ラジアル軸受４２で支持されている部位（以下、「内側部位２６ａ」という。）には、第２ラジアル軸受４２から力Ｆｒの作用方向と反対向きの力Ｆ２が作用する。そして、高圧室５４ａと低圧室５４ｂとの間の圧力差により、第１軸２２の外側部位２２ｂに前記並び方向内向き（力Ｆｒの作用方向と反対向き）の荷重低減力Ｆｋが作用する。この状態における第２軸２６の内側部位２６ａ回りのモーメントの釣り合い式は、次のようになる。

Ｆｒ×（Ｌ２−Ｌ１）＝Ｆ１×Ｌ２＋Ｆｋ×（Ｌ３＋Ｌ２）・・・（１）

上記式（１）において、Ｌ１は第１軸２２の内側部位２２ａとロータ本体２１の中央部との間の距離、Ｌ２は第１軸２２の内側部位２２ａと第２軸２６の内側部位２６ａとの間の距離、Ｌ３は第１軸２２の内側部位２２ａと外側部位２２ｂとの間の距離、である。上記式（１）より、力Ｆ１は、以下の式（２）のように表される。

Ｆ１＝｛Ｆｒ（Ｌ２−Ｌ１）−Ｆｋ（Ｌ３＋Ｌ２）｝／Ｌ２・・・（２）

上記式（２）より、力Ｆ１（第１ラジアル軸受４１に作用するラジアル荷重）は、力Ｆｒに比べて荷重低減力Ｆｋに起因する分だけ小さくなることが分かる。

ここで、上記特許文献１に記載の発明のように、第１軸２２の内側部位２２ａに直接荷重低減力Ｆｋを作用させた場合に当該内側部位２２ａに作用する力Ｆ１′は、上記式（２）においてＬ３＝０とすればよいので、以下の式（３）ように表される。

Ｆ１′＝｛Ｆｒ（Ｌ２−Ｌ１）−Ｆｋ×Ｌ２｝／Ｌ２・・・（３）

式（２）及び式（３）より、本圧縮機１のように第１軸２２の外側部位２２ｂに対して荷重低減力Ｆｋが作用した場合に内側部位２２ａに作用する力Ｆ１と、従来のように第１軸２２の内側部位２２ａに対して直接荷重低減力Ｆｋが作用した場合に内側部位２２ａに作用する力Ｆ１′との差ΔＦ１は、次の式（４）のように表される。

ΔＦ１＝Ｆ１′−Ｆ１＝Ｆｋ×Ｌ３／Ｌ２・・・（４）

このように、本圧縮機１では、第１軸２２の内側部位２２ａに直接荷重低減力Ｆｋを作用させる場合に比べて、力Ｆ１をより大きく低減することができる。よって、ガスをより高圧に圧縮することが可能となる。しかも、本圧縮機１では、第１軸２２の外側部位２２ｂに荷重低減力Ｆｋを作用させるので、第１ラジアル軸受４１に特段の加工を施すことなく、容易に第１軸２２の内側部位２２ａ部位に作用する力Ｆ１を低減することができる。

また、本実施形態では、外側部位２２ｂの外径が、第１軸２２の長手方向における他の部位の外径よりも大きいため、受圧面積を大きくすることができる。このため、荷重低減力Ｆｋを容易に確保することができる。

以上のことは、雌ロータ３０側についても同様である。

また、上記実施形態では、サブケーシング５４が、ロータケーシング５２に対して着脱自在であるため、既存の圧縮機のロータケーシングをそのまま利用しつつ当該既存の圧縮機に荷重低減機構を付加することが可能となる。

また、上記実施形態では、圧縮機から吐出された油が高圧流体として高圧室５４ａに供給されるので、高圧室５４ａに高圧流体を供給するための専用の供給源の省略が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

上記実施形態の圧縮機１では、雄ロータ２０の外側部位２２ｂ及び雌ロータ３０の外側部位３２ｂにそれぞれ荷重低減力Ｆｋを作用させる例が示されたが、図５に示されるように、雄ロータ２０の第２軸２６の外側部位２６ｂ及び雌ロータ３０の第２軸３６の外側部位にそれぞれ荷重低減力Ｆｋを作用させてもよい。なお、図５では、雄ロータ２０のみが示されている。この例では、荷重低減力Ｆｋの向きは、ロータ本体２１に作用する力Ｆｒの向きと同じ向きとなる。この場合、第２軸２６の内側部位２６ａ回りのモーメントの釣り合い式より、差ΔＦ１は、以下の式（５）のように表される。

ΔＦ１＝Ｆｋ×（Ｌ３−Ｌ２）／Ｌ２・・・（５）

よって、この場合も、上記と同様の効果が得られる。

また、上記実施形態では、第１軸にのみ荷重低減力Ｆｋを作用させる例が示されたが、第１軸及び第２軸の両方に荷重低減力Ｆｋを作用させてもよい。また、雄ロータ２０及び雌ロータ３０のいずれか一方にのみ荷重低減力Ｆｋを作用させてもよい。

また、上記実施形態では、一対のスクリュロータ１０を有するツインスクリュ圧縮機が例示されたが、単一のスクリュロータを有するシングルスクリュ圧縮機であってもよい。また、高圧室５４ａには、高圧の油以外に圧縮ガスなど他の高圧流体を導入してもよい。

１ 圧縮機
４ 給油流路
１０ 一対のスクリュロータ
２０ 雄ロータ
２１ ロータ本体
２２ 第１軸
２２ａ 内側部位
２２ｂ 外側部位
２６ 第２軸
２６ａ 内側部位
３０ 雌ロータ
３１ ロータ本体
３２ 第１軸
３２ａ 内側部位
３２ｂ 外側部位
３６ 第２軸
３６ａ 内側部位
４１，４３ 第１ラジアル軸受
４２，４４ 第２ラジアル軸受
５０ ケーシング
５２ ロータケーシング
５３ 開口部
５４ サブケーシング
５４ａ 高圧室
５４ｂ 低圧室
５８ 高圧導入流路

Claims (4)

1. スクリュ部であるロータ本体と、
   前記ロータ本体を覆うケーシングと、
   前記ロータ本体の長手方向における前方部に位置し、前記ロータ本体にて圧縮されたガスを吐出する吐出口と、
   前記ロータ本体の前記長手方向における後方部に位置し、前記ガスを吸込む吸込口と、
   前記ロータ本体から前方へと延びる第１軸と、
   前記ロータ本体から後方へと延びる第２軸と、
   前記第１軸をラジアル方向に支持する第１ラジアル軸受と、
   前記第２軸をラジアル方向に支持する第２ラジアル軸受と、
   前記第１ラジアル軸受に作用するラジアル荷重を低減する荷重低減機構と、
   を備え、
   前記荷重低減機構が、前記第１ラジアル軸受よりも前方側にて前記ロータ本体に作用する力のラジアル方向の成分とは反対向きの成分を含む荷重低減力を前記第１軸に作用させる、または、前記第２軸受よりも後方にて前記ロータ本体に作用する力の前記ラジアル方向の成分と同じ向きの成分を含む荷重低減力を前記第２軸に作用させ、
   前記荷重低減機構が、前記第１軸の周囲にて、高圧流体を収容可能な高圧室、及び、前記高圧室よりも低圧である低圧室を備え、
   前記高圧室と前記低圧室との間の圧力差により、前記第１ラジアル軸受よりも前方にて前記ロータ本体に作用する力のラジアル方向の成分とは反対向きの成分を含む前記荷重低減力を発生させ、
   前記第１軸の前記高圧室に接する部位の外径が、前記第１軸の前記長手方向における他の部位の外径よりも大きい圧縮機。
2. 請求項１に記載の圧縮機において、
   前記ケーシングが、
   前記ロータ本体及び前記第１ラジアル軸受を収容するとともに前方に向かって開口する開口部を有するロータケーシングと、
   前記高圧室及び前記低圧室を形成するとともに前記開口部を塞ぐサブケーシングと、
   を備え、
   前記サブケーシングは、前記ロータケーシングに対して着脱自在に装着される圧縮機。
3. 請求項２に記載の圧縮機において、
   前記サブケーシングが、
   前記圧縮機から吐出された流体に含まれる油を前記高圧流体として前記高圧室に導入する高圧導入流路を有する圧縮機。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮機において、
   前記ロータ本体と噛み合うスクリュ部である他のロータ本体と、
   前記他のロータ本体から前方へと延びる他の第１軸と、
   前記他のロータ本体から後方へと延びる他の第２軸と、
   前記他の第１軸をラジアル方向に支持する他の第１ラジアル軸受と、
   前記他の第２軸をラジアル方向に支持する他の第２ラジアル軸受と、
   前記他の第１ラジアル軸受に作用するラジアル荷重を低減する荷重低減機構と、
   を備え、
   前記荷重低減機構が、前記他の第１軸の周囲にて、高圧流体を収容可能な他の高圧室、及び、前記他の高圧室よりも低圧である他の低圧室を備え、
   前記他の高圧室と前記他の低圧室との間の圧力差により、前記他の第１ラジアル軸受よりも前方にて前記他のロータ本体に作用する力のラジアル方向の成分とは反対向きの成分を含む前記荷重低減力を発生させる圧縮機。

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