JP6313178B2 - オイルフリースクリュ圧縮機及びその設計方法 - Google Patents

Description

この発明は、オイルフリースクリュ圧縮機に関する。

オイルフリースクリュ圧縮機では、無給油且つ非接触で回転可能な雄雌一対のスクリュロータによって空気が圧縮される。オイルフリースクリュ圧縮機では、ロータ室で作られた圧縮空気が回転軸を伝わって漏洩したり、回転軸を駆動するギアや回転軸を支持する軸受に供給された潤滑油がロータ室に流入したりすることがある。このことを防止するために、ロータ室と軸受との間には、軸封装置が配設されている。軸封装置は、ロータ室からの圧縮空気をシールするエアシール部と、軸受からの潤滑油をシールするオイルシール部と、を備える。

アンロード運転時にロータ室が負圧になった際に、軸受等に供給された潤滑油が、僅少ではあるものの、オイルシール部を通過してロータ室内に流入することがある。そこで、オイルシール部のロータ室側端部に形成された通気間隙と、ケーシングの大気側と、を連通する大気開放通路が設けられている。ロータ室が負圧になったとき、大気開放通路を通じて大気が通気間隙に導入されることによって、潤滑油がロータ室に流入するのを防止している。

上記のような軸封装置を備えるオイルフリースクリュ圧縮機は、例えば、特許文献１，２に開示されている。

特開２０１１−２５６８２８号公報 特開２００８−２５５７９６号公報

特許文献１に開示された無給油式スクリュ圧縮機では、エアシールとビスコシールとの間に形成されたシールボックス部又はシールボックスの連通孔が、ケーシングに形成された大気開放孔に連通している。これにより潤滑油がロータ室に流入するのを防止している。また、特許文献２に開示されたオイルフリーロータリ圧縮機では、オイルシール部とエアシール部とを隔てるようにバッファ空間が形成され、漏出した潤滑油がバッファ空間に一時的に貯留されることで潤滑油がロータ室に流入するのを防止している。すなわち、上記２つの特許文献は、大気開放孔や連通孔等から構成される大気開放通路による、ロータ室への潤滑油の流入防止技術を開示する。

しかしながら、上記２つの特許文献は、軸封装置及び大気開放通路をどのような構成にすれば、潤滑油の流入防止と圧縮性能とが両立できるかについて何らの開示も無い。

ところで、大気開放通路においては、通路が全長にわたって同じ開口断面積で開口していることはほとんど無く、通常、通路の一部が狭くなっている狭窄部が存在する。狭窄部の開口断面積が小さいほど、また狭窄部の長さが長いほど、より大きな圧力損失を生じて、潤滑油の流入防止効果が小さくなるという問題がある。

また、安全側で考えると、大気開放通路の開口断面積を大きくすることが好ましい。大気開放通路の開口断面積が大きくなると、回転軸の軸線方向長さが長くなるため、回転軸が撓み易くなる。回転軸の撓みによってエアシール部及びオイルシール部での各軸封能力が低下する。また、回転軸の撓みを考慮すると、雌雄のスクリュロータの隙間やスクリュロータとケーシングとの隙間が広がった構成になってしまう。当該構成は、圧縮機の圧縮性能に悪影響を及ぼす。このように、大気開放通路による潤滑油の流入防止と圧縮性能確保とは、トレードオフの関係にあるにもかかわらず、従来、この点について特段の考慮がなされていなかった。

したがって、この発明の解決すべき技術的課題は、潤滑油の流入防止と圧縮性能確保とを両立できる、オイルフリースクリュ圧縮機及びその設計方法を提供することである。

上記技術的課題を解決するために、この発明によれば、以下のオイルフリースクリュ圧縮機が提供される。

すなわち、
非接触で互いに噛み合う雄雌一対のスクリュロータと、
前記スクリュロータが収容されるロータ室を有するケーシングと、
前記スクリュロータの回転軸を支持する軸受と、
前記軸受側に配置されるオイルシール部と、前記ロータ室側に配置されるエアシール部とを有して前記回転軸を軸封する軸封装置と、
前記オイルシール部と前記エアシール部との間に位置するとともに前記回転軸の外周面と前記軸封装置の内周面との間に形成された通気間隙と、
前記ケーシングの大気側と前記通気間隙とを連通する大気開放通路と、を備えるオイルフリースクリュ圧縮機において、
前記大気開放通路において通路が最も狭くなっている最小狭窄部での実効開口断面積をＳh、実効狭窄長をＬhとし、
前記エアシール部における微小隙間での回転軸直交方向の軸封断面積をＳa、実効軸封長をＬaとし、
アンロード運転時での前記ロータ室における負圧の絶対値を|Ｐ2|とし、
アンロード運転時での前記オイルシール部の最小差圧をΔＰbとするとき、
（Ｌa／Ｓa^2.5）／（Ｌh／Ｓh^2.5）＞|Ｐ2|／ΔＰbとなるように前記最小狭窄部、前記エアシール部及び前記オイルシール部を設定してなることを特徴とする。

後で詳述するように、空気配管の圧力損失に係る近似式を、大気開放通路の最小狭窄部及びエアシール部に適用するとともに、オイルシール部の最小差圧ΔＰbが、通気間隙における負圧の絶対値|Ｐ2|よりも大きくなるように、オイルフリースクリュ圧縮機が構成されている。それによって、通気間隙にある空気を軸受の方に押し出そうとするので、ロータ室への潤滑油の流入が防止される。また、大気開放通路の最適化によって圧縮性能を確保することができる。したがって、この発明によれば、潤滑油の流入防止と圧縮性能確保とを両立することができる。

この発明に係るオイルフリースクリュ圧縮機の概略構成を示す縦断面図である。 図１に示したオイルフリースクリュ圧縮機における軸封装置及びその周辺部を示す部分断面図である。 図２に示した軸封装置及びその周辺部を詳細に説明する部分断面図である。 大気開放通路を説明する模式図である。 エアシール部を説明する模式図である。 圧力損失を生じさせる部分での各種寸法と、通気間隙における負圧の絶対値と、オイルシール部の最小差圧との関係を模式的に説明する図である。

まず、この発明の一実施形態に係るオイルフリースクリュ圧縮機１の概略構成について、図１を参照しながら詳細に説明する。

オイルフリースクリュ圧縮機１では、雄雌咬合する一対のスクリュロータ１６が、ケーシング１２に形成されたロータ室１５内に収容されている。ケーシング１２は、例えば、ケーシング本体、吐出側ケーシング部及び吸込側ケーシング部によって構成することができる。

ケーシング１２は、ロータ室１５に圧縮対象の空気を供給する吸込口１７と、ロータ室１５内でスクリュロータ１６によって圧縮された圧縮空気を排出する吐出口１８とを、備えている。スクリュロータ１６の吐出側及び吸込側の各端部には、回転軸２１がそれぞれ設けられている。吐出側及び吸込側における回転軸２１の各端部には、駆動ギア２８及びタイミングギア２７が分かれて取り付けられている。図示しないモータの回転駆動力は、駆動ギア２８を介して一方のスクリュロータ１６に伝達され、一方のスクリュロータ１６に伝達された回転駆動力は、タイミングギア２７を介して他方のスクリュロータ１６に伝達される。一対のスクリュロータ１６が非接触状態で互いに噛み合って回転することにより、空気が吸込口１７から吸い込まれる。吸込口１７から吸い込まれた空気は、所定の圧力まで圧縮され、圧縮空気が吐出口１８から吐出される。

ケーシング１２の吐出側には、吐出側の軸封装置装填空間１０が形成されている。吐出側の軸封装置装填空間１０には、吐出側の回転軸２１を回転可能に支持する玉軸受（２列のアンギュラ玉軸受）１９及び軸受（ローラ軸受）２２と、吐出側の軸封装置２０とが装填される。ケーシング１２の吸込側においても、吸込側の軸封装置装填空間１０が形成されている。吸込側の軸封装置装填空間１０には、吸込側の回転軸２１を回転可能に支持する軸受（ローラ軸受）２２と、吸込側の軸封装置２０とが装填される。

ケーシング１２の外側（大気側）及び内周側をつないで大気に連通する大気開放孔２４ａが、ケーシング１２に設けられている。また、軸受１９，２２やタイミングギア２７に潤滑油を供給するためのオイル供給孔２６が、ケーシング１２に設けられている。

吐出側及び吸込側の軸封装置装填空間１０のそれぞれに装填される軸封装置２０は、ロータ室１５に関して、実質的に対称に構成されている。以下、図２及び３を参照しながら、吐出側の軸封装置２０及びその周辺部について詳細に説明する。

図２は、図１に示したオイルフリースクリュ圧縮機１での吐出側の軸封装置２０及びその周辺部を示す部分断面図である。

軸受２２側からロータ室１５側に向けて順に、軸受２２と、潤滑油をシールする第１軸封部３０と、圧縮空気をシールする第２軸封部４０とが、軸封装置装填空間１０に装填されている。軸封装置装填空間１０に装填された軸受２２での反ロータ室１５側の端部が、ストッパ２９によって規制されている。なお、第１軸封部３０及び第２軸封部４０が、後述する嵌合構造によって一体的に連結されることにより、軸封装置２０が構成される。

軸封装置２０が軸封装置装填空間１０に対して容易に着脱自在に組み付けられるように、軸封装置装填空間１０と軸封装置２０との間には、すき間ばめ（ＪＩＳ Ｂ ０４０１）よりも大きめのクリアランスが設けられている。大きめのクリアランスを設けると軸封能力が犠牲になるため、オイルシール３１とケーシング１２との間及びパッキンケース４１とケーシング１２との間には、それぞれ、Ｏリング３５，４６が配設されている。当然のことながら、Ｏリング３５，４６による軸封能力を発揮し得る範囲で、クリアランスの寸法が設定されている。好ましくは、Ｏリング３５，４６は、それぞれ、オイルシール３１の凹部（環状の溝）３４と、パッキンケース４１の凹部（環状の溝）４５と、に分かれて配設されている。オイルシール３１の凹部（環状の溝）３４と、パッキンケース４１の凹部（環状の溝）４５とは、それぞれ、オイルシール３１及びパッキンケース４１の外周面において周方向に沿って形成されている。オイルシール３１のＯリング３５とパッキンケース４１のＯリング４６とによって、ケーシング１２と第１軸封部３０及び第２軸封部４０との間での圧縮空気の漏洩をそれぞれ防止することができる。

第１軸封部３０は、オイルシール部３２を有する非接触のオイルシール３１である。オイルシール部３２は、例えば、オイルシール３１の内周面に螺旋状の溝が形成されたビスコシール３２である。ビスコシール３２は、回転軸２１の回転で、ビスコシール３２の内周面と回転軸２１の外周面との間にある空気の粘性によってポンプ作用を生じる。ビスコシール３２のポンプ作用で潤滑油が軸受２２の方に押しやられることによって、ロータ室１５方向への潤滑油の流出が防止される。なお、ビスコシール３２の螺旋状の溝は、図２，３では省略されているが、図４に図示されている。ビスコシール３２の螺旋状の溝が、オイルシール３１の内周面に形成されるため、オイルシール３１は切削のしやすい金属材料からできている。

オイルシール３１のロータ室１５側の端部３６には、ロータ室１５側に向けて突出する円筒形状の外周面を有する嵌合凸端部３３が形成されている。嵌合凸端部３３は、後述するパッキンケース４１の嵌合凹端部４４に対して、締まりばめ（ＪＩＳ Ｂ ０４０１）又は中間ばめ（ＪＩＳ Ｂ ０４０１）によって嵌合するように構成されている。オイルシール３１及びパッキンケース４１は、嵌合構造によって一体的に連結されている。嵌合凹端部４４と嵌合凸端部３３との隙間が、非常に小さくて実質的には無いように構成されているので、当該隙間からの圧縮空気の漏洩が防止される。

第２軸封部４０は、軸受２２側に配置された第１エアシール４０Ａと、ロータ室１５側に配置された第２エアシール４０Ｂと、を備える。

第１エアシール４０Ａは、パッキンケース４１と、非接触のシールリング４２と、弾性体４３と、から構成されている。パッキンケース４１のロータ室１５側の端部には、径方向内側に突出した突出部４９が形成されている。オイルシール３１の端部３６とパッキンケース４１の突出部４９との間の空間には、円筒形状のシールリング収容空間４８が形成されている。シールリング収容空間４８には、弾性体４３と、該弾性体４３によって回転軸２１の軸線方向（本実施形態においては軸受２２の方向）に付勢されて支持されるシールリング４２とが、収容されている。シールリング４２は、その内径が回転軸２１の外径よりも僅かに大きいように寸法構成されている。そして、シールリング４２は、例えば、回転軸２１と同じ材質（例えばステンレス鋼）を母材にして、母材の表面に摩擦係数の小さい皮膜をコーティングしたものを用いることができる。弾性体４３は、金属製の弾性部材（例えば、波形ばね、波形ワッシャ又は圧縮コイルばね等）である。

弾性体４３によって弾性的に支持されたシールリング４２は、回転軸２１が撓んだ場合でも、径方向に移動することができる。シールリング４２の内周面と、回転軸２１の外周面との間には、第２軸封部４０の第１エアシール部６１が形成される。第１エアシール部６１は、微小隙間Ｇａ（図３，５に図示）を有する。そして、圧縮空気が第１エアシール部６１の微小隙間Ｇａを通過しようとするときに大きな圧力損失が生じることによって、圧縮空気の漏洩を抑制することができる。

第１エアシール４０Ａのロータ室１５側には、第２エアシール４０Ｂが配置されている。第２エアシール４０Ｂは、非接触のシールリング５２と弾性体５３とから構成されている。ケーシング１２における軸封装置装填空間１０のロータ室１５側の端部には、ガスシール収容空間５８が形成されている。ガスシール収容空間５８には、弾性体４３と、該弾性体５３によって回転軸２１の軸線方向（本実施形態においては軸受２２の方向）に付勢されて支持されるシールリング５２とが、収容されている。ガスシール収容空間５８は、第１エアシール４０Ａよりも小さな内径寸法を有する円筒形状をしている。

シールリング５２も径方向に移動することができ、シールリング５２の内周面と、回転軸２１の外周面との間には、第２エアシール部６２が形成される。第２エアシール部６２も、微小隙間Ｇａを有する。そして、圧縮空気が第２エアシール部６２の微小隙間Ｇａを通過しようとするときに大きな圧力損失が生じることによって、圧縮空気の漏洩を抑制することができる。

第２軸封部４０が第１エアシール４０Ａに加えて第２エアシール４０Ｂを備えることにより、第２軸封部４０の軸封能力が向上する。第１エアシール４０Ａ及び第２エアシール４０Ｂにおいて、シールリング４２，５２及び弾性体４３，５３をそれぞれ共有化することによって、低コスト化を図ることができる。

次に、図３，４を参照しながら、大気開放通路２４を説明する。

ケーシング１２における、Ｏリング３５に対応する位置とＯリング４６に対応する位置との間であって、オイルシール３１に対面する部分には、大気開放孔２４ａが形成されている。大気開放孔２４ａは、ケーシング１２を貫通して、軸封装置装填空間１０とケーシング１２の外側（大気側）とを連通する。

ケーシング１２の内周側には、内周環状空間２４ｇの少なくとも一部を構成する内周環状溝２４ｂが、大気開放孔２４ａの内側端部と重なるように形成されている。内周環状溝２４ｂは、ケーシング１２の内周面において周方向に沿って形成された環状の溝である。内周環状溝２４ｂは、例えば、回転軸２１の軸線方向に沿って切断した部分断面において、略半円形状をしている。回転軸２１の軸線方向における内周環状溝２４ｂの両端部には、それぞれ、テーパー状拡張部２４ｃが形成されている。各テーパー状拡張部２４ｃは、回転軸２１の軸線方向における内周環状溝２４ｂの両端部を、Ｃ面又はＲ面に面取りすることによって形成される。各テーパー状拡張部２４ｃにおいては、ロータ室１５側及び軸受２２側の各端部が先細に張り出している。内周環状溝２４ｂと、ロータ室１５側及び軸受２２側のテーパー状拡張部２４ｃとによって、ケーシング１２側の内周環状空間２４ｇが構成されている。大気開放孔２４ａが、ケーシング１２側の内周環状空間２４ｇに連通している。大気開放孔２４ａとケーシング１２側の内周環状空間２４ｇとが、ケーシング側大気開放通路２４ｍを構成する。

他方、軸封装置２０のオイルシール３１には、オイルシール３１を径方向に貫通する連通孔３１ａが少なくとも１つ（通常、複数個）形成されている。当該連通孔３１ａは、形状を限定しないが、例えば連通孔３１ａの長さ直交方向の開口断面が円形である丸穴である。この発明を限定しない連通孔３１ａは、例えば、４つが９０度の角度で等しく配置されている。オイルシール３１の外周側には、外周環状空間３１ｂが形成されている。外周環状空間３１ｂは、内周環状溝２４ｂに臨むように軸封装置２０の外周面において周方向に沿って形成された環状の溝である。外周環状空間３１ｂは、形状を限定しないが、例えば回転軸２１の軸線方向に沿って切断した部分断面において、矩形形状をしている。回転軸２１の軸線方向における外周環状空間３１ｂの開口部の幅は、連通孔３１ａの開口径以上である。

各連通孔３１ａは、軸封装置２０に形成された外周環状空間３１ｂに連通している。連通孔３１ａと外周環状空間３１ｂとによって、軸封装置側大気開放通路３１ｍが構成されている。軸封装置側大気開放通路３１ｍは、ケーシング１２に形成された内周環状空間２４ｇを介して、大気開放孔２４ａに連通している。したがって、軸封装置２０側の連通孔３１ａ及び外周環状空間３１ｂと、ケーシング１２側の内周環状空間２４ｇ及び大気開放孔２４ａとは、大気に連通していて、大気開放通路２４を構成する。このように、大気開放通路２４は、ケーシング側大気開放通路２４ｍと軸封装置側大気開放通路３１ｍとによって構成されている。なお、上記構成では、ケーシング１２側の内周環状空間２４ｇと軸封装置２０側の外周環状空間３１ｂとによって、軸封装置２０を周方向で取り囲む空間（特許請求の範囲に記載の「環状空間」に対応）２５が構成されている。

ケーシング１２が鋳物で製造される場合、鋳物による公差が考慮される。その場合、図３に示すように、回転軸２１の軸線方向において、内周環状溝２４ｂと両側のテーパー状拡張部２４ｃとを足し合わせた幅（すなわち内周環状空間２４ｇの開口部の幅）は、外周環状空間３１ｂの開口部の幅に対して大きめの所定のサイズに寸法構成される。ケーシング１２を鋳物で製造したときに、設計範囲の公差が発生しても、回転軸２１の軸線方向において、外周環状空間３１ｂが内周環状溝２４ｂと両側のテーパー状拡張部２４ｃとに必ず重なり合って、回転軸２１の軸線方向のズレを吸収することができる。ケーシング１２が鋳物で製造される場合、大気開放孔２４ａは鋳抜き穴を用いることができるが、機械加工によって形成することもできる。

第１軸封部３０のビスコシール３２と第２軸封部４０のシールリング４２との間の回転軸２１の軸線方向の間隙には、エアシール部６０の回転軸直交方向の軸封断面積よりも流路断面積の広い通気間隙５０が配設されている。各連通孔３１ａが通気間隙５０に連通しているので、通気間隙５０は、大気開放された大気開放通路２４と連通している。したがって、通気間隙５０は、大気開放通路２４を通じて大気開放される。

図３に示すように、エアシール部６０は、第１実効軸封長Ｌａ１を有する第１エアシール部６１と、第２実効軸封長Ｌａ２を有する第２エアシール部６２と、によって構成されている。そして、エアシール部６０での実効軸封長Ｌａは、Ｌａ１＋Ｌａ２である。なお、後述するように、ビスコシール３２は、アンロード運転時において、最小差圧ΔＰbを発生する。

ところで、アンロード運転時では、ロータ室１５内が負圧になる。当該負圧は、回転軸２１の外周面と軸封装置２０の内周面との間に形成される間隙を通じて、軸受２２における潤滑油をロータ室１５内に引き寄せる働きをする。これに対して、大気開放された大気開放通路２４及び通気間隙５０を配設することによって、軸受２２における潤滑油がロータ室１５内に流入することを防止しようとしている。しかしながら、アンロード運転時に大気開放通路２４で生じる圧力損失によって、現実的には、通気間隙５０での圧力は大気圧にはならない。

大気開放通路２４の開口断面積を大きくすると、大気開放孔２４ａ等の形成や加工が容易になるとともに圧力損失が小さくなるので、通気間隙５０での圧力を大気圧に近づけることができ、潤滑油がロータ室１５に流入することを防止できる。したがって、潤滑油の流入防止という観点からは、大気開放通路２４の開口断面積をできるだけ大きくすることが好ましい。

その反面、大気開放通路２４の開口断面積を大きくすると、回転軸２１の軸線方向の長さが長くなるため、回転軸２１が撓み易くなる。回転軸２１の撓みによって、エアシール部６０やビスコシール３２での軸封能力が低下する。また、回転軸２１の撓みを考慮して、雌雄のスクリュロータ１６の隙間やスクリュロータ１６とケーシング１２との隙間を広げる必要がある。ところが、隙間が広げられると、オイルフリースクリュ圧縮機１の圧縮性能に悪影響を及ぼすという問題がある。このように、潤滑油の流入防止と圧縮性能確保とは、トレードオフの関係にあるにもかかわらず、従来、この点について特段の考慮がなされていなかった。そこで、この発明では、潤滑油の流入防止と圧縮性能確保とを両立できる、オイルフリースクリュ圧縮機１及びその設計方法を提供しようとするものである。

図３乃至６を参照しながら、潤滑油の流入防止と圧縮性能確保とを両立できる、オイルフリースクリュ圧縮機１の設計方法を説明する。

アンロード運転時での通気間隙５０及びロータ室１５における負圧（大気圧を基準圧（０Ｐa）として表示した圧力）を、それぞれ、Ｐ1，Ｐ2とする。また、Ｐ1，Ｐ2の絶対値をそれぞれ、|Ｐ1|，|Ｐ2|とする。エアシール部６０及び大気開放通路２４で生じる圧力損失を、それぞれ、ΔＰa，ΔＰhとする。
そのとき、|Ｐ1|，|Ｐ2|，ΔＰa，ΔＰhの間には、以下の関係がある。
|Ｐ1|＝ΔＰh
|Ｐ2|＝ΔＰh＋ΔＰa
Ｐ1をＰ2，ΔＰh，ΔＰaを用いて表現すると、次式が得られる。
|Ｐ1|＝|Ｐ2|・(ΔＰh＋ΔＰa)^-1・ΔＰh
ΔＰa≫ΔＰhであるので、
|Ｐ1|≒|Ｐ2|・(ΔＰa)^-1・ΔＰh （１）

一般に、空気配管の圧力損失ΔＰは、以下の（２）式で表される。
ΔＰ＝ｆ・Ｌ・ｄ^-1・ρ・Ｕ² （２）
ここで、ｆは管摩擦係数、Ｌは管路長、ｄは相当直径、ρは空気の密度、Ｕは空気の流速である。

エアシール部６０及び大気開放通路２４における空気の密度Ｕ及び管摩擦係数ｆのそれぞれが等しいとすると、圧力損失ΔＰが、（３）式に示すように、管路長Ｌに比例し、相当直径ｄに反比例し、空気の流速Ｕの２乗に比例する。
ΔＰ∝Ｌ・ｄ^-1・Ｕ² （３）

空気の流速Ｕが相当直径ｄの２乗に反比例し、管路断面積Ｓが相当直径ｄの２乗に比例する。このことから、（３）式における圧力損失ΔＰは、（４）式に示した近似式で表される。
ΔＰ∝Ｌ・ｄ^-1・ｄ^-４＝Ｌ・Ｓ^-2.5 （４）
（４）式から、圧力損失ΔＰは、管路長Ｌに比例し、管路断面積Ｓの２．５乗に反比例する。

（４）式に示した関係をエアシール部６０での圧力損失ΔＰaと大気開放通路２４での圧力損失ΔＰhとにそれぞれ適用すると、圧力損失ΔＰa，ΔＰhのそれぞれが、（５）式，（６）式に示した近似式で表される。
ΔＰa∝Ｌa・Ｓa^-2.5 （５）
ΔＰh∝Ｌh・Ｓh^-2.5 （６）

（５）式及び（６）式において、Ｌa，Ｌhは、それぞれ、エアシール部６０での実効軸封長，大気開放通路２４において通路が最も狭くなっている最小狭窄部２４ｄでの実効狭窄長である。また、Ｓa，Ｓhは、それぞれ、エアシール部６０における微小隙間Ｇａでの回転軸直交方向の軸封断面積，大気開放通路２４の最小狭窄部２４ｄでの実効開口断面積である。なお、最小狭窄部２４ｄというのは、大気開放通路２４において通路の開口が狭くなった部分や広くなった部分がある中で、通路の開口が最も狭くなっていることによって大気開放通路２４における圧力損失が最大となる部分である。そして、最小狭窄部２４ｄでの実効狭窄長及び実効開口断面積というのは、最小狭窄部２４ｄにおいて、最大の圧力損失に実質的に関与する部分についての狭窄長及び開口断面積を指している。

オイルシール部３２の最小差圧ΔＰbが、通気間隙５０における負圧の絶対値|Ｐ1|よりも大きいならば、通気間隙５０にある空気が、オイルシール部３２の最小差圧ΔＰbによって軸受２２の方に押し出される。したがって、以下の（７）式が満たされるとき、ロータ室１５への潤滑油の流入が防止される。なお、オイルシール部３２の最小差圧ΔＰbは、アンロード運転時でのあらゆる状況を考慮したときに、オイルシール部３２において生じる差圧のうちの最も小さい差圧を指している。
ΔＰb＞|Ｐ1| （７）

上記の（１）式，（５）式及び（６）式を用いて（７）式を変形すると、（８）式のようになる。
ΔＰb＞|Ｐ2|・(Ｌa・Ｓa^-2.5)^-1・(Ｌh・Ｓh^-2.5) （８）

（８）式を整理すると、（９）式が得られる。
（Ｌa／Ｓa^2.5）／（Ｌh／Ｓh^2.5）＞|Ｐ2|／ΔＰb （９）

エアシール部６０での実効軸封長Ｌa，軸封断面積Ｓa、大気開放通路２４での実効狭窄長Ｌh，実効開口断面積Ｓh、ロータ室１５における負圧の絶対値|Ｐ2|及びオイルシール部３２の最小差圧ΔＰbが、（９）式を満たすように構成されるとき、ロータ室１５への潤滑油の流入が防止される。また、大気開放通路２４における開口断面積の最適化によって、圧縮性能を確保することもできる。したがって、（９）式に従ってオイルフリースクリュ圧縮機１を構成することにより、大気開放通路２４による潤滑油の流入防止と圧縮性能確保とを両立することができる。

図５に示したエアシール部６０は、第１実効軸封長Ｌａ１を有する第１エアシール部６１と、第２実効軸封長Ｌａ２を有する第２エアシール部６２と、によって構成されているので、エアシール部６０での実効軸封長Ｌａは、Ｌａ１＋Ｌａ２である。エアシール部６０における微小隙間Ｇａでの回転軸直交方向の軸封断面積は、Ｓaである。

図４に示した大気開放通路２４では、ケーシング１２側の大気開放孔２４ａが、開口断面積Ｓh1の大気開放孔狭窄部２４ｄ1を有するので、ケーシング１２側の大気開放孔２４ａによる実効開口断面積ＳhがＳh1になる。軸封装置２０側の連通孔３１ａのうちi番目の連通孔３１ａが、開口断面積Ｓh2iの連通孔狭窄部２４ｄ2を有している。連通孔３１ａは、開口断面積Ｓh2iの連通孔狭窄部２４ｄ2をｎ（ｎは１以上の自然数）個有して、ｎ個の連通孔３１ａによる総開口断面積Ｓh2がＳh21＋Ｓh22＋・・・＋Ｓh2(n-1)＋Ｓh2nになる。したがって、軸封装置２０側のｎ個の連通孔３１ａによる実効開口断面積Ｓhが、次の関係を満たす。

開口断面積Ｓh1の大気開放孔狭窄部２４ｄ1及び総開口断面積Ｓh2の連通孔狭窄部２４ｄ2において、実効開口断面積Ｓhが最小となる方が、主たる圧力損失を生じる最小狭窄部２４ｄとなる。すなわち、実効開口断面積Ｓhを次のように示すことができる。

なお、内周環状溝２４ｂ及び外周環状空間３１ｂにおける環状の流路の断面積は、それぞれ、大気開放孔２４ａの開口断面積及び連通孔３１ａの総開口断面積よりも十分に大きく構成されているので、それらが最小狭窄部２４ｄになることはない。

最小狭窄部２４ｄがケーシング側大気開放通路２４ｍの大気開放孔２４ａにある場合、大気開放通路２４での実効開口断面積ＳhがＳh1になり、実効狭窄長ＬhがＬh1になる。最小狭窄部２４ｄが軸封装置側大気開放通路３１ｍの連通孔３１ａとなる場合、大気開放通路２４での実効開口断面積ＳhがＳh2になり、実効狭窄長ＬhがＬh2になる。このように、大気開放通路２４において、最小狭窄部２４ｄがケーシング１２側の大気開放孔２４ａ又は軸封装置２０側の連通孔３１ａのいずれに存在するかに応じて、大気開放通路２４での実効開口断面積Ｓh，実効狭窄長Ｌhが変動する。したがって、大気開放通路２４の構成に即して、実効開口断面積Ｓh，実効狭窄長Ｌhを適切に寸法構成することができる。

図６は、圧力損失を生じさせる部分での各種寸法（Ｌa，Ｓa，Ｌh，Ｓh）と、通気間隙５０における負圧の絶対値|Ｐ1|と、オイルシール部３２の最小差圧ΔＰbとの関係を模式的に示している。図６では、（Ｌa／Ｓa^2.5）／（Ｌh／Ｓh^2.5）を横軸に、通気間隙５０における負圧の絶対値|Ｐ1|を縦軸にしてプロットしている。図６に示した設計曲線Ｑは、双曲線形状をしている。オイルシール部３２の最小差圧ΔＰbを示す一点鎖線の横線が、交点Ｂ（Ｂｘ，Ｂｙ）で設計曲線Ｑと交わっている。

設計曲線Ｑは、|Ｐ1|がＢｙよりも大きな値を有する部分を太い点線Ｑａで、|Ｐ1|がＢｙよりも小さな値を有する部分を太い実線Ｑｂでそれぞれ示している。|Ｐ1|がＢｙよりも大きな値を有する場合、通気間隙５０における負圧の絶対値|Ｐ1|がオイルシール部３２の最小差圧ΔＰbよりも大きくなるため、潤滑油が流入する恐れがある。|Ｐ1|がＢｙよりも小さな値を有する場合、通気間隙５０における負圧の絶対値|Ｐ1|がオイルシール部３２の最小差圧ΔＰbよりも小さくなるため、潤滑油の流入を効果的に防止することができる。したがって、|Ｐ1|がＢｙよりも小さな値を有するように、すなわち、（Ｌa／Ｓa^2.5）／（Ｌh／Ｓh^2.5）がＢｘよりも大きな値を有するように構成することにより、潤滑油の流入を効果的に防止することができる。

なお、上記実施形態では、吐出側の軸封装置２０を説明したが、吸込側の軸封装置２０についてもこの発明を適用することができる。軸封装置２０における第２軸封部４０の構造は、上記実施形態に限定されるものではない。第２軸封部４０におけるエアシール部の個数やシールリングの向きは、適宜に変更することができる。第２軸封部４０としては、シールリング４２，５２の代わりに、ラビリンスシール等の公知のシール部材を用いることもできる。第１軸封部３０のオイルシール部３２として、所謂ビスコシール３２を例示したが、ラビリンスシール等の公知のシール構造を用いることができる。

また、上記実施形態では、オイルシール３１及びパッキンケース４１は、それぞれ、単一の部材で構成されているが、組付け時に一体的な構成となるものであれば、それぞれ、回転軸２１の軸線方向に分割された２以上の部材で構成されてもよい。また、オイルシール３１は、オイルシール部３２と、オイルシール部３２を保持する本体部と、から構成されてもよい。また、回転軸２１の表面は、母材そのものであっても、母材表面に各種皮膜等が設けられていてもよい。また、この発明における回転軸２１は、回転軸２１が単独で用いられる態様と、図示しないスリーブが回転軸２１の外周面側に固定された態様とを含む。

さらに、上記実施形態では、ケーシング１２側の内周環状空間２４ｇ及び軸封装置２０側の外周環状空間３１ｂの両方によって、環状空間２５が構成されている。しかしながら、内周環状空間２４ｇ又は外周環状空間３１ｂのいずれか一方によって、環状空間２５が構成される態様であってもよい。

以上の説明から明らかなように、この発明に係るオイルフリースクリュ圧縮機１では、空気配管の圧力損失に係る近似式を、大気開放通路２４の最小狭窄部２４ｄ及びエアシール部６０に適用している。それとともに、オイルシール部３２の最小差圧ΔＰbが、通気間隙５０における負圧の絶対値|Ｐ1|よりも大きくなるように構成されている。それにより、通気間隙５０にある空気を軸受２２の方に押し出そうとするので、ロータ室１５への潤滑油の流入が防止される。また、大気開放通路２４の開口断面積の最適化によって、圧縮性能を確保することもできる。したがって、オイルフリースクリュ圧縮機１において、潤滑油の流入防止と圧縮性能確保とを両立することができる。

この発明は、上記特徴に加えて次のような特徴を備えることができる。

すなわち、大気開放通路２４が、ケーシング１２に形成された大気開放孔２４ａと、軸封装置２０に形成された少なくとも１つの連通孔３１ａと、を有し、軸封装置２０を周方向で取り囲む環状空間２５が、ケーシングの内周側と軸封装置の外周側との両方、又はいずれか一方によって構成されて、環状空間２５を介して、大気開放孔２４ａ及び少なくとも１つの連通孔３１ａが連通し、最小狭窄部２４ｄは、大気開放孔２４ａの開口断面積Ｓh1と少なくとも１つの連通孔３１ａの総開口断面積Ｓh2とのうちの小さい方である。当該構成によれば、最小狭窄部２４ｄがケーシング１２側の大気開放孔２４ａ又は軸封装置２０側の連通孔３１ａのいずれに存在するかに応じて、大気開放通路２４での実効開口断面積Ｓh，実効狭窄長Ｌhが変動する。したがって、大気開放通路２４の構成に即して、実効開口断面積Ｓh，実効狭窄長Ｌhを適切に寸法構成することができる。

オイルシール部３２がビスコシールである。当該構成によれば、ビスコシール３２の螺旋状の溝によって、潤滑油がロータ室１５に流入することが防止される。

１ オイルフリースクリュ圧縮機
１０ 軸封装置装填空間
１２ ケーシング
１５ ロータ室
１６ スクリュロータ
１７ 吸込口
１８ 吐出口
２０ 軸封装置
２１ 回転軸
２２ 軸受
２４ 大気開放通路
２４ａ 大気開放孔
２４ｂ 内周環状溝
２４ｃ テーパー状拡張部
２４ｄ 最小狭窄部
２４ｄ1 大気開放孔狭窄部
２４ｄ2 連通孔狭窄部
２４ｇ 内周環状空間
２４ｍ ケーシング側大気開放通路
２５ 環状空間
２６ オイル供給孔
３０ 第１軸封部
３１ オイルシール
３１ａ 連通孔
３１ｂ 外周環状空間
３１ｍ 軸封装置側大気開放通路
３２ ビスコシール（オイルシール部）
４０ 第２軸封部
４０Ａ 第１エアシール
４０Ｂ 第２エアシール
４１ パッキンケース
４２，５２ シールリング
４８，５８ シールリング収容空間
５０ 通気間隙
６０ エアシール部
６１ 第１エアシール部
６２ 第２エアシール部
Ｇａ 微小隙間

Claims (4)

1. 非接触で互いに噛み合う雄雌一対のスクリュロータと、
   前記スクリュロータが収容されるロータ室を有するケーシングと、
   前記スクリュロータの回転軸を支持する軸受と、
   前記軸受側に配置されるオイルシール部と、前記ロータ室側に配置されるエアシール部とを有して前記回転軸を軸封する軸封装置と、
   前記オイルシール部と前記エアシール部との間に位置するとともに前記回転軸の外周面と前記軸封装置の内周面との間に形成された通気間隙と、
   前記ケーシングの大気側と前記通気間隙とを連通し、前記ケーシングに形成された１つの大気開放孔と、前記軸封装置に形成された少なくとも１つの連通孔とを有する大気開放通路と、を備え、
   前記軸封装置を周方向で取り囲む環状空間が、前記ケーシングの内周側と前記軸封装置の外周側との両方、又はいずれか一方によって構成されて、該環状空間を介して、前記１つの大気開放孔及び前記少なくとも１つの連通孔が連通し、
   前記最小狭窄部は、前記大気開放孔の開口断面積と前記少なくとも１つの連通孔の総開口断面積とのうちの小さい方であり、
   前記大気開放通路において通路が最も狭くなっている最小狭窄部での実効開口断面積をＳh、実効狭窄長をＬhとし、
   前記エアシール部における微小隙間での回転軸直交方向の軸封断面積をＳa、実効軸封長をＬaとし、
   アンロード運転時での前記ロータ室における負圧の絶対値を|Ｐ2|とし、
   アンロード運転時での前記オイルシール部の最小差圧をΔＰbとするとき、
   （Ｌa／Ｓa^2.5）／（Ｌh／Ｓh^2.5）＞|Ｐ2|／ΔＰbとなるように前記最小狭窄部、前記エアシール部及び前記オイルシール部を設定してなる、オイルフリースクリュ圧縮機。
   
2. 請求項１に記載のオイルフリースクリュ圧縮機において、前記オイルシール部がビスコシールである、オイルフリースクリュ圧縮機。
   
3. 非接触で互いに噛み合う雄雌一対のスクリュロータと、
   前記スクリュロータが収容されるロータ室を有するケーシングと、
   前記スクリュロータの回転軸を支持する軸受と、
   前記軸受側に配置されるオイルシール部と、前記ロータ室側に配置されるエアシール部とを有して前記回転軸を軸封する軸封装置と、
   前記オイルシール部と前記エアシール部との間に位置するとともに前記回転軸の外周面と前記軸封装置の内周面との間に形成された通気間隙と、
   前記ケーシングの大気側と前記通気間隙とを連通し、前記ケーシングに形成された１つの大気開放孔と、前記軸封装置に形成された少なくとも１つの連通孔とを有する大気開放通路と、を備え、
   前記軸封装置を周方向で取り囲む環状空間を、前記ケーシングの内周側と前記軸封装置の外周側との両方、又はいずれか一方によって構成し、該環状空間を介して、前記１つの大気開放孔及び前記少なくとも１つの連通孔を連通し、
   前記最小狭窄部は、前記大気開放孔の開口断面積と前記少なくとも１つの連通孔の総開口断面積とのうちの小さい方とし、
   前記大気開放通路において通路が最も狭くなっている最小狭窄部での実効開口断面積をＳh、実効狭窄長をＬhとし、
   前記エアシール部における微小隙間での回転軸直交方向の軸封断面積をＳa、実効軸封長をＬaとし、
   アンロード運転時での前記ロータ室における負圧の絶対値を|Ｐ2|とし、
   アンロード運転時での前記オイルシール部の最小差圧をΔＰbとするとき、
   （Ｌa／Ｓa^2.5）／（Ｌh／Ｓh^2.5）＞|Ｐ2|／ΔＰbとなるように前記最小狭窄部、前記エアシール部及び前記オイルシール部を設定する、オイルフリースクリュ圧縮機の設計方法。
   
4. 請求項３に記載のオイルフリースクリュ圧縮機の設計方法において、前記オイルシール部がビスコシールである、オイルフリースクリュ圧縮機の設計方法。

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