JP6292910B2 - 液供給式圧縮機及び気液分離器 - Google Patents

Description

本発明は、作動ガス中に油又は水等の液体を注入して作動ガスを圧縮する液供給式圧縮機及び気液混合圧縮ガスから液成分を分離する気液分離器に関する。

例えば、液供給式圧縮機の一つである給油式のスクリュー圧縮機では、作動ガスの圧縮熱の冷却、圧縮作動室のシール性向上、スクリューロータ等の潤滑などを目的として、圧縮機本体内の作動ガス（例えば空気）中に油を注入して作動ガスを圧縮する。そして、圧縮機本体で圧縮された作動ガスに含まれる油を分離機構で分離する。特許文献１は、圧縮機本体、遠心分離機構及び濾過分離機構を一体構造とし、小型化を図った給油式スクリュー圧縮機を開示する。

特許文献１の給油式スクリュー圧縮機は、圧縮機本体を構成するものとして、回転軸が略水平で互いに略平行となるように配置された雄ロータ及び雌ロータと、これら雄ロータ及び雌ロータを収容するとともに圧縮室を形成するメインケーシング（ロータケーシング）と、このメインケーシングに接続されて吐出室が形成された吐出側ケーシング（Ｄケーシング）とを有する。先ず、雄ロータ及び雌ロータの回転に伴い、圧縮室の容積が増加して、吸込み口から圧縮室に作動ガスを吸込む（吸込み過程）。その後、圧縮室の容積が減少して、圧縮室内の作動ガスを圧縮する（圧縮過程）。圧縮室で圧縮された作動ガスは、吐出室に吐き出されるようになっている。

特許文献１の給油式スクリュー圧縮機は、遠心分離機構を構成するものとして、メインケーシングの下部に設けられ、中心軸が略鉛直方向となるように配置された二重円筒状の内壁部及び外壁部と、内壁部と外壁部の間に形成された旋回流路と、メインケーシングの下部に設けられ、吐出室から旋回流路に作動ガスを導く流入通路（吐出通路）と、メインケーシングの下部に設けられ、内壁部の内側から外壁部の外側に作動ガスを導く流出通路と、外壁部の下側に接続された下側ケーシングとを有する。流入通路から流入した作動ガスは、旋回流路で旋回され、作動ガスと油の比重差によって、作動ガスに含まれる油が分離される（一次分離）。分離された油は、外壁部に沿って流れながら落下して、下側ケーシングの下部に溜められ、その一部が圧縮機本体の圧縮室に供給されるようになっている。一方、分離された作動ガスは、内壁部の内側に流れ込み、流出通路を介して濾過分離機構に流出するようになっている。

そして、特許文献１の油冷式スクリュー圧縮機は、濾過分離機構を構成するものとして、遠心分離機構の流出通路に接続されたマニホールドと、このマニホールドの上側に取付けられた油分離エレメント容器と、この油分離エレメント容器内に収納された油分離エレメント（詳細には、略円筒状のフィルタ）とを有する。油分離エレメントで、作動ガスに残余する油が分離される（二次分離）。分離された油は、圧縮機本体の吸込み口に供給されるようになっている。

特開２００３−４２０８２号公報

上述した給油式スクリュー圧縮機には、次のような改善の余地がある。特許文献１の図２で示されているように、メインケーシングにおける旋回流路の上面は、流入通路の出口近傍の領域で、流路幅の大部分が平坦かつ流入通路の上面とほぼ同じ高さである。そして、流入通路の出口直後の作動ガスは、流入通路の断面より旋回流路の断面が大きいので拡がろうとするものの、旋回流路の上面で跳ね返されて、下向きの速度成分が増加する。そのため、作動ガスの旋回距離が短くなり、気液分離性能が低減するという事態が生ずる。このような現象は、圧縮された作動ガスに含まれる油や水等を旋回分離する気液分離機構を有する液供給式の圧縮機に共通していえることである。

本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、液供給式圧縮機において、気液分離性能を向上することを課題の一つとするものである。

上記課題を達成するために、特許請求の範囲に記載の発明を適用する。即ち圧縮室に液体を注入して作動ガスを圧縮する液供給式圧縮機であって、圧縮ロータを収容するとともに、前記圧縮室を形成するメインケーシングを有する圧縮機本体と、中心軸が略鉛直方向で且つ二重円筒状となるように配置された内壁部及び該内壁部より長い外壁部と、前記内壁部と前記外壁部間の上方壁部に形成され、前記圧縮機本体から吐き出された圧縮ガスを旋回させて、該圧縮ガスに含まれる液体を分離する旋回流路と、前記外壁部の下側に、前記旋回流路で分離した液体を溜める液体貯留部とを有し、前記旋回流路の入口直後の上面が、前記圧縮ガスの流れ方向に沿って高さが上昇して下降する凹部形状を有し、前記旋回流路の入口直後の上面よりも旋回気流下流の上面が、前記圧縮ガスの流れ方向に沿って高さが上昇して下降する凹部形状を更に少なくとも１つ有し、前記旋回気流下流の上面に形成された少なくとも１つの凹部形状の頭頂部が、前記入口直後の上面に形成された凹部形状の頭頂部よりも、前記液体貯留部からの高さが低いものである。

本発明の一側面によれば、旋回流路での旋回気流の下向きの速度成分が抑制され、作動ガスの旋回距離を十分に確保することができ、気液分離性能を向上できる。
なお、本発明の他の課題及び効果は、以下の記載から更に明らかになる。

本発明の一実施形態における給油式スクリュー圧縮機の構造を表す断面図である。 図１中断面II−IIによる圧縮機の断面図である。 図１中断面III−IIIによる圧縮機の断面図であり、メインケーシングにおける旋回流路の上面等を示す。 図３中断面Ｔ１による流入通路の断面図、及び図３中断面Ｔ２〜Ｔ１０による旋回流路の断面図である。 図３及び図４で示された旋回流路の上面の外縁の位置変化を表す図である。

本発明を適用した実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における給油式スクリュー圧縮機の構造を表す断面図であり、図２は、図１中断面II−IIによる断面図である。

これら図１及び図２で示すように、給油式スクリュー圧縮機は、圧縮機本体１、遠心分離機構２及び濾過分離機構３を一体構造としたものである。

圧縮機本体１は、雄ロータ４及び雌ロータ５と、これら雄ロータ４及び雌ロータ５を収容するメインケーシング６と、このメインケーシング６の吐出側（図１中右側）に接続された吐出側ケーシング７とを備えている。

雄ロータ４及び雌ロータ５は、それらの回転軸Ｌ１，Ｌ２（後述の図３で示す）が略水平で互いに略平行となるように配置されており、略水平方向に並んで配置されている。雄ロータ４は、軸受８，９，１０で回転可能に支持され、雌ロータ５も、図示しない軸受で回転可能に支持されている。吐出し側の軸受９，１０等は、吐出側ケーシング７によって支持されている。また、吐出側ケーシング７の下方には、後述する圧縮室から吐き出された空気を遠心分離機構２に案内する吐出室１４が設けられている。
なお、雄ロータ４の一方側（図１中左側）の端部は、図示しない電動機に直接又は間接的に接続される。電動機の駆動によって雄ロータ４が回転し、この雄ロータ４と噛み合わされた雌ロータ５も回転するようになっている。

メインケーシング６は、雄ロータ４の歯部を収容する略円筒状のボア１１と、雌ロータ５の歯部を収容する略円筒状のボア１２とを有しており、雄ロータ４の歯部、雌ロータ５の歯部及びボア１１，１２で圧縮室を形成するようになっている。また、これに伴いメインケーシング６の底面は、ボア１１や１２の形状に沿ってボア外側面が形成される形状となっている。また、メインケーシング６の底面には、後述する内壁部１５と外壁部１６のそれぞれの上端部と接続される基部が、底面から延伸して設けられる。

先ず、雄ロータ４及び雌ロータ５の回転に伴い、圧縮室の容積が増加し、圧縮機本体１は、吸込み口１３から圧縮室に空気（作動ガス）を吸込む（吸込み過程）。その後、回転の進行に伴い圧縮室の容積が減少し、圧縮機本体１は圧縮室内の空気を圧縮する（圧縮過程）。なお、圧縮過程において圧縮熱が発生するため、圧縮機本体１では、圧縮室や吸込み口１３に後述する油を噴射して空気を冷却するようになっている。また、ロータ４，５及びメインケーシング６等を冷却してそれらの熱変形を抑制する効果や、ロータ４，５の潤滑作用、ロータ４，５とメインケーシング６の間の隙間のシール作用も得られるようになっている。

圧縮室で圧縮されて油を含んだ空気は、吐出側ケーシング７に形成された吐出室１４に吐き出されるようになっている。なお、吸込み口１３には吸込みフィルタ（図示せず）が接続されている。

遠心分離機構２は、メインケーシング６の下部に設けられた基部（天板部）と接続される二重円筒状の内壁部１５及び外壁部１６と、内壁部１５と外壁部１６の間に形成された旋回流路１７と、メインケーシング６の下部に設けられ、吐出室１４から入口を介して旋回流路１７に圧縮空気を導く流入通路１８と、メインケーシング６の下部に設けられ、内壁部１５の内側から吐出口を介して濾過分離機構３に向かって圧縮空気を導く流出通路１９と、外壁部１６の下側に接続された下側ケーシング２０（基板部）とを有している。なお、内壁部１５と外壁部１６は、それらの中心軸が略鉛直方向となるように配置されており、それらの中心軸が同軸であることが好ましい。下側ケーシング２０は、その上部が外壁部の一部を構成し、その下部が液体貯留部を構成している。

そして、流入通路１８からの圧縮空気を旋回流路１７で旋回させ、圧縮空気と油の比重差によって、圧縮空気に含まれる油を分離する（一次分離）。分離された油は、外壁部１６に沿って流れながら落下して、下側ケーシング２０の下部に溜められ、その一部が図示しない油系統（例えば、油を冷却するオイルクーラや配管等で構成された系統。）を介し圧縮機本体１の圧縮室に供給されるようになっている。一方、油と一次分離された圧縮空気は、内壁部１５の内側に入り込み、流出通路１９を介して濾過分離機構３に流出するようになっている。

濾過分離機構３を構成するものとして、遠心分離機構２の流出通路１９に接続されたマニホールド２１と、マニホールド２１の上側に取付けられた油分離エレメント容器２２と、油分離エレメント容器２２内に収納された油分離エレメント（図示せず）と備える。

濾過分離機構３は、圧縮空気に残余する油を油分離エレメントで分離する（二次分離）。分離された油は、図示しない油系統を介し圧縮機本体１の吸込み口１３に供給されるようになっている。一方、二次分離された圧縮空気は、図示しない圧縮空気系統（例えば、圧縮空気を冷却するエアクーラや配管等で構成された系統。）を介し圧縮空気の使用先に供給するようになっている。

次に、本実施形態の特徴の一つである旋回流路１７の上面の形状について説明する。

図３は、図１中断面III−IIIによる断面図（言い換えれば、メインケーシング６の下面図）であり、メインケーシング６における旋回流路１７の上面等を示す。図４は、図３中断面Ｔ１による流入通路１８の断面図及び図３中断面Ｔ２〜断面Ｔ１０による旋回流路１７の断面図である。図５は、図３及び図４で示された旋回流路１７の上面の外縁２３（外壁部１６側の縁部）及び同上面の内縁２４（内壁部１５側の縁部）の位置変化を表す図である。なお、図４及び図５において、Ｈ_０は、例えば給油式スクリュー圧縮機の設置面（以下、「基準面」という。）からメインケーシング６のフランジ底面までの高さ、Ｈ_１は、基準面から流入通路１８の上面の外縁までの高さ又Ｈ_２は、基準面から流入通路１８の下面の外縁までの高さを示す。

流入通路１８の上面の一部（詳細には、図３で示す断面Ｔ１０近傍から断面Ｔ１までの範囲）は、雌ロータ５を収容するボア１２に沿った形状で形成されている。また、メインケーシング６における旋回流路１７の上面の一部（詳細には、図３で示す断面Ｔ１から断面Ｔ５近傍までの範囲であって、圧縮空気が１／３周程度旋回する範囲）も、雌ロータ５を収容するボア１２に沿った形状で形成されている。
これにより、旋回流路１７の上面は、流入通路１８の出口直後の領域で圧縮空気が１／６周程度旋回する範囲で（詳細には、図３で示す断面Ｔ１から断面Ｔ３近傍までの範囲で）、その高さが圧縮空気の流れ方向に沿って凹部形状（好ましくは、滑らかな凹部曲面）となるように形成されている。表面の摩擦ロスや乱流の発生等を軽減する為である。

図５を用いて、旋回流路１７の上面の外縁の位置変化に着目して説明する。図５で示すように、旋回流路１７の上面の外縁２３は、断面Ｔ１から断面Ｔ２へ移るときに曲線的に上昇し、断面Ｔ２から断面Ｔ３へ移るときに曲線的に下降して、断面Ｔ１と同じ位置まで戻る。断面Ｔ３から断面Ｔ４へ移るときにさらに曲線的に下降し、断面Ｔ４から断面Ｔ５へ移るときに曲線的に上昇する。断面Ｔ５から断面Ｔ６へ、さらに断面Ｔ７へ移るときに直線的に下降し、断面Ｔ７と断面Ｔ８の間では高さが変化しない。断面Ｔ８から断面Ｔ９へ移るときに直線的に下降し、断面Ｔ９と断面Ｔ１０の間では高さが変化しない。なお、変化の大きさが違うものの、旋回流路１７の上面の内縁２４の位置変化も概略同様である。

このように断面Ｔ２やＴ５の凹部形状を旋回気流方向にそった曲面とし、それより下流の断面Ｔ７−Ｔ８間を水平とするのは、旋回流路１７の夫々の位置に対する気流密度を考慮しての工夫といえる。断面Ｔ２のように、旋回気流の流入直後の場合、圧縮空気の密度も高く、上下左右方向に広がろうとする成分も強いが、所定距離旋回したＴ７付近では、下方への拡散もあり、Ｔ２付近よりは比較的密度が低下する。拡散成分の強い部分では、摩擦ロスや乱流発生をより抑制する理由から曲面形状とし、拡散成分の比較的弱まった部分では、平面構造として加工性の良さを優先するようになっている。
なお、全ての凹部形状を曲面にしても、三角や台形形状にしても効果を得ることができる。

このように、給油式スクリュー圧縮機は、旋回流路１７の上面における流入通路１８の出口直後の領域に凹部が形成されるので、流入通路１８の出口直後の圧縮空気が下方向だけでなく上方向にも拡がることができ、下向きの速度成分を抑制することができる。特に、旋回流路１７では、遠心力の作用によって旋回中の圧縮空気は、外壁部１６側の密度が高くなるので、流入通路１８の出口直後の領域における旋回流路１７の上面の外縁２３を凹部形状とすることで、旋回流の下向きの速度成分の増加を効果的に抑制することが可能となる。したがって、圧縮空気の旋回距離の減少を抑えることができ、気液分離性能を向上できる。

図４及び図５で示すように、旋回流路１７の上面は、全体としては断面Ｔ１からＴ１０に向かうにつれて、下方に傾斜する傾向に構成しつつ、途中部分部分で上方向への凹部を複数有する形状となっている。このように概略波状の形状とすることで、更に、旋回中に作用する下向き成分を抑制する効果を期待することができる。即ち図５の断面Ｔ２〜Ｔ５において、Ｔ２の凹部上面を通過した旋回気流に対して、Ｔ３に進むに従って下向き成分が徐々に増加し、Ｔ４で最大となる。しかしながら、Ｔ４を通過して下向きの付勢力がついた旋回気流に対して、Ｔ５上面凹部側の空気密度が低くなり、Ｔ５上面側への引張力が働き再度、旋回気流に対する下向き成分が抑制されるためである。

なお、本実施形態においては、メインケーシング６における旋回流路１７の上面は、雌ロータ５を収容するボア１２に沿った形状で形成されることにより、流入通路１８の出口直後の領域で、流路幅全体が圧縮空気の流れ方向に沿って凹となるように形成された場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば旋回流路１７における圧縮空気の流れが反対回りとなるように流入通路１８が配置されているか、若しくは雄ロータ４と雌ロータ５の配置が反対であれば、メインケーシング６における旋回流路１７の上面は、雄ロータ４を収容するボア１１に沿った形状で形成されてもよい。また、メインケーシング６における旋回流路１７の上面は、流入通路１８の出口直後の領域で、流路幅全体が圧縮空気の流れ方向に沿って凹となるように形成されるのであれば、ボア１１又は１２に沿った形状で形成されなくともよい。

また、本実施形態においては、メインケーシング６における旋回流路１７の上面は、流入通路１８の出口直後の領域で圧縮空気が１／６周程度旋回する範囲で、流路幅全体が圧縮空気の流れ方向に沿って凹となるように形成された場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、流入通路１８の出口直後の領域で圧縮空気が１／３周旋回する範囲内で、流路幅全体が圧縮空気の流れ方向に沿って凹となるように形成されればよく、この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、雄ロータ４及び雌ロータ５は、水平方向に並べて配置した場合を例にとって説明したが、これに限られず、上下方向に並べて配置してもよい。同様に、本実施形態では、給油式スクリュー圧縮機を例としたが、本発明は、遠心分離機構を利用する液供給式圧縮機に適用することができるものである。特に、本実施形態では、メインケーシング６の底面がボア形状等である場合との関係で好適な例を説明したが、本発明は、メインケーシング６底面が平面構成である場合であって、それに対して凹部形状を設けることも、圧縮機本体１と遠心分離機構２が一体構成でなく別体構成である場合であっても適用できるものである。

１…圧縮機本体、２…遠心分離機構（気液分離機構）、３…濾過分離機構、４…雄ロータ、５…雌ロータ、６…メインケーシング、７…吐出側ケーシング、１１，１２…ボア、１４…吐出室、１５…内壁部、１６…外壁部、１７…旋回流路、１８…流入通路、２３…外縁、２４…内縁

Claims (6)

1. 圧縮室に液体を注入して作動ガスを圧縮する液供給式圧縮機であって、
   圧縮ロータを収容するとともに、前記圧縮室を形成するメインケーシングを有する圧縮機本体と、
   中心軸が略鉛直方向で且つ二重円筒状となるように配置された内壁部及び該内壁部より長い外壁部と、
   前記内壁部と前記外壁部間の上方壁部に形成され、前記圧縮機本体から吐き出された圧縮ガスを旋回させて、該圧縮ガスに含まれる液体を分離する旋回流路と、
   前記外壁部の下側に、前記旋回流路で分離した液体を溜める液体貯留部とを有し、
   前記旋回流路の入口直後の上面が、前記圧縮ガスの流れ方向に沿って高さが上昇して下降する凹部形状を有し、
   前記旋回流路の入口直後の上面よりも旋回気流下流の上面が、前記圧縮ガスの流れ方向に沿って高さが上昇して下降する凹部形状を更に少なくとも１つ有し、
   前記旋回気流下流の上面に形成された少なくとも１つの凹部形状の頭頂部が、前記入口直後の上面に形成された凹部形状の頭頂部よりも、前記液体貯留部からの高さが低いものである液供給式圧縮機。
2. 請求項１に記載の液供給式圧縮機であって、
   前記旋回流路の凹部形状が、旋回気流の流れ方向に曲面形状となるものである液供給式圧縮機。
3. 請求項１又は２に記載の液供給式圧縮機であって、
   前記ロータが、雄ロータ及び雌ロータが平行且つ水平に配置されるスクリューロータであり、
   前記メインケーシングの底面が、該雌雄スクリューロータの形状に沿ったボア外面と、前記内壁部及び外壁部の上端部とそれぞれ接続する基部とから形成されて前記内壁部、外壁部と一体に構成され、
   前記旋回流路が、前記内壁部及び外壁部間の上方壁部と、前記基部と、前記メインケーシングの底面とで形成されるものである液供給式圧縮機。
4. 液供給式の圧縮機本体から吐き出された気液混合の圧縮ガスから液体を分離する気液分離器であって、
   中心軸が略鉛直方向で且つ二重円筒状に配置された内壁部及び該内壁部よりも鉛直方向に長い外壁部と、
   前記内壁部及び前記外壁部の上端部それぞれと接続された天板部と、
   前記内壁部と前記外壁部間の上方壁部及び前記天板部によって側面及び上面が形成され、前記圧縮ガスを旋回させて、該圧縮ガスに含まれる液体を分離する旋回流路と、
   前記旋回流路と連通し、圧縮ガスを該旋回流路に導く入口部と、
   前記内壁部内側と連通して、前記旋回流路を通過後の圧縮ガスを吐き出す吐出口と、
   前記外壁部の下側に設けられ、分離された液体の貯留部が形成される基板部とを有し、
   前記入口部直後の前記旋回流路の上面が、前記圧縮ガスの流れ方向に沿って高さが上昇して下降する凹部形状を有し、
   前記旋回流路の入口部直後の上面よりも旋回気流下流の上面が、前記圧縮ガスの流れ方向に沿って高さが上昇して下降する凹部形状を更に少なくとも１つ有し、
   前記旋回気流下流の上面に形成された少なくとも１つの凹部形状の頭頂部が、前記入口部直後の上面に形成された凹部形状の頭頂部よりも、前記基板部からの高さが低いものである気液分離器。
5. 請求項４に記載の気液分離器であって、
   前記凹部形状が、曲面形状である気液分離器。
6. 請求項４又は５に記載の気液分離器であって、
   前記天板部は、前記圧縮機本体のケーシング底面である気液分離器。

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