JP6873763B2 - スクリュー流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのスクリューロータと、このロータの歯部を収納して複数の作動室を形成するボアを有するケーシングとを備えたスクリュー流体機械に関する。

特許文献１は、スクリューロータとして、互いに噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、雄ロータ及び雌ロータを収納するケーシングとを備えたスクリュー圧縮機を開示する。ケーシングは、雄ロータの歯部及び雌ロータの歯部を収納して複数の作動室を形成するボアと、吸入過程の作動室に気体を吸入するための吸入流路と、吐出過程の作動室から圧縮気体を吐出するための吐出流路とを有している。作動室は、ロータ軸方向の一方側から他方側に移動しつつ、その容積が変化する。これにより、作動室は、気体を吸入する吸入過程と、気体を圧縮する圧縮過程と、圧縮気体を吐出する吐出過程を順次行うようになっている。

特開２０１１−７０４８号公報

上述したスクリュー圧縮機においては、互いに隣接する作動室の圧力差によって生じる力により、雄ロータ及び雌ロータが吐出流路とは反対側にたわんで、ボアの軸方向中間部の内壁と接触する可能性がある。さらに雄ロータ及び雌ロータの回転の影響により、ボアの周方向に沿って接触範囲が大きくなる可能性がある。かといって、それらの接触を回避するために、ボア全体の径寸法を大きくして、ロータとボアの内壁との隙間を大きくすれば、作動室からの空気漏れが多くなり、圧縮性能等が低下する。

本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、圧力に起因するロータのたわみによるロータとボアの内壁の接触を回避することを課題の一つとするものである。

上記課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。本発明は、上記課題を解決するための手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、少なくとも１つのスクリューロータと、前記ロータの歯部を収納して複数の作動室を形成するボア、吸入過程の作動室に気体を吸入するための吸入流路、及び吐出過程の作動室から圧縮気体を吐出するための吐出流路を有するケーシングと、前記ロータを回転可能に支持する吸入側軸受及び吐出側軸受と、を備えたスクリュー流体機械において、前記ボアは、前記ロータの数と同数の円筒形状部で構成されたボア本体と、前記ボア本体の軸方向中間部から吐出側端面にかけて、前記ボア本体の径方向断面が前記吐出流路とは反対側に拡大するように形成されたボア拡大部とを有し、前記ボア本体の軸方向中間部側に位置する前記ボア拡大部の端部が、前記ボア本体の軸方向に対して垂直な周方向に延在する。

本発明によれば、圧力に起因するロータのたわみによるロータとボアの内壁の接触を回避することができる。

なお、上記以外の課題、構成及び効果は、以下の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態におけるスクリュー圧縮機の軸方向断面図である。 図１中断面矢視II−IIによるスクリュー圧縮機の軸方向断面図であり、本発明の第１の実施形態におけるボア拡大部の構造を示す。 本発明の第１の実施形態におけるボアの斜視図である。 図３中断面矢視IV−IVによるボアの径方向断面図である。 図３中断面矢視Ｖ−Ｖによるボアの径方向断面図であり、本発明の第１の実施形態におけるボア拡大部の構造を示す。 本発明の第１の実施形態におけるボアの構造寸法を、雄ロータ及び雌ロータのたわみと共に示す概念図である。 本発明の第１の変形例におけるボア拡大部の構造を示すスクリュー圧縮機の軸方向断面図である。 本発明の第２の変形例におけるボア拡大部の構造を示すスクリュー圧縮機の軸方向断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるボア拡大部の構造を示すスクリュー圧縮機の軸方向断面図である。 本発明の第３の変形例におけるボア拡大部の構造を示すスクリュー圧縮機の軸方向断面図である。 本発明の第４の変形例におけるボア拡大部の構造を示すスクリュー圧縮機の軸方向断面図である。 本発明の第５の変形例におけるボア拡大部の構造を示すボアの径方向断面図である。

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。本発明は、圧縮機や膨張機といった流体機械に適用できるものであるが、本実施形態ではスクリュー圧縮機を例に説明する。

図１は、本実施形態におけるスクリュー圧縮機の軸方向断面図（ＸＹ断面図）である。図２は、図１中断面矢視II−IIによるスクリュー圧縮機の軸方向断面図（ＸＺ断面図）である。なお、図中のＸ方向は、雄ロータ１Ａ及び雌ロータ１Ｂの軸方向であり、Ｙ方向は、雄ロータ１Ａの軸心Ｏａと雌ロータ１Ｂの軸心Ｏｂを結ぶ方向であり、Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向である。

本実施形態の無給油式の（詳細には、作動室内に油を供給しない）スクリュー圧縮機は、スクリューロータとして、互いに噛み合うように回転する雄ロータ１Ａ及び雌ロータ１Ｂと、雄ロータ１Ａ及び雌ロータ１Ｂを収納するケーシング２とを備えている。

雄ロータ１Ａは、複数の螺旋状の歯が形成された歯部と、歯部の軸方向一方側（吸入側）に接続された吸入側軸部と、歯部の軸方向他方側（吐出側）に接続された吐出側軸部とを有している。雄ロータ１Ａの吸入側軸部は吸入側軸受３Ａで回転可能に支持され、雄ロータ１Ａの吐出側軸部は吐出側軸受４Ａで回転可能に支持されている。

同様に、雌ロータ１Ｂは、複数の螺旋状の歯が形成された歯部と、歯部の軸方向一方側（吸入側）に接続された吸入側軸部と、歯部の軸方向他方側（吐出側）に接続された吐出側軸部とを有している。雌ロータ１Ｂの吸入側軸部は吸入側軸受３Ｂで回転可能に支持され、雌ロータ１Ｂの吐出側軸部は吐出側軸受４Ｂで回転可能に支持されている。

雄ロータ１Ａの吸入側軸部は、図示しないモータの回転軸に連結されている。雄ロータ１Ａの吐出側軸部及び雌ロータ１Ｂの吐出側軸部は、タイミングギヤ５Ａ，５Ｂが設けられている。そして、モータの駆動によって雄ロータ１Ａが回転し、雄ロータ１Ａの回転力がタイミングギヤ５Ａ，５Ｂを介し伝達されて、雌ロータ１Ｂが同期回転するようになっている。

ケーシング２は、メインケーシング６と、メインケーシング６の軸方向一方側（吸入側）に連結された吸入側ケーシング７と、メインケーシング６の軸方向他方側（吐出側）に連結されたギヤケーシング８で構成されている。吸入側軸受３Ａ，３Ｂは、吸入側ケーシング７に配置され、吐出側軸受４Ａ，４Ｂは、メインケーシング６に配置され、タイミングギヤ５Ａ，５Ｂは、ギヤケーシング８に配置されている。なお、後述するメインケーシング６のボアと軸受の間には軸封装置９が設けられている。

メインケーシング６は、雄ロータ１Ａの歯部及び雌ロータ１Ｂの歯部を収納してそれらの歯溝に複数の作動室を形成するボア１０を有している。作動室は、雄ロータ１Ａ及び雌ロータ１Ｂの回転に伴い、ロータ軸方向の一方側から他方側に移動しつつ、その容積が変化する。これにより、作動室は、気体（例えば空気）を吸入する吸入過程と、気体を圧縮する圧縮過程と、圧縮気体（例えば圧縮空気）を吐出する吐出過程を順次行うようになっている。吸入過程の作動室に気体を吸入するための吸入流路１１は、メインケーシング６及び吸入側ケーシング７に形成されている。吐出過程の作動室から吐出ポート１２（開口）を介し圧縮気体を吐出するための吐出流路１３は、メインケーシング６に形成されている。

次に、本実施形態の要部であるボア１０の構造を説明する。

図３は、本実施形態におけるボア１０の斜視図である（但し、便宜上、ボア本体とボア拡大部を区別するために、ボア拡大部をハッチングして示す）。図４は、図３中断面矢視IV−IVによるボア１０の径方向断面図であり、図５は、図３中断面矢視Ｖ−Ｖによるボア１０の径方向断面図である。なお、図３〜図５においては、便宜上、メインケーシング６のボア１０以外の部分の図示を簡略化し、吐出ポート１２の位置も示す。

ボア１０は、ロータ１Ａ，１Ｂの歯部と共に複数の作動室を形成するボア本体１４と、ボア本体１４の軸方向中間部から吸入側端面にかけて、ボア本体１４の径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に拡大するように形成されたボア拡大部１５とを有している。

ボア本体１４は、ロータ１Ａ，１Ｂの数と同数である２つの円筒形状部１６Ａ，１６Ｂで構成されている。詳しく説明すると、ボア本体１４は、雄ロータ１Ａの歯部を収納する半径ｒａの円筒形状部１６Ａと、雌ロータ１Ｂの歯部を収納する半径ｒｂの円筒形状部１６Ｂを有し、円筒形状部１６Ａ，１６Ｂが互いに部分的に重なるように連接して構成されている。なお、本実施形態では、円筒形状部１６Ａの軸心は雄ロータ１Ａの軸心Ｏａと同心であり、円筒形状部１６Ｂの軸心は雌ロータ１Ｂの軸心Ｏｂと同心である。

ボア拡大部１５は、拡大部１７Ａ，１７Ｂで構成されている。拡大部１７Ａは、円筒形状部１６Ａの軸方向中間部から吸入側端面にかけて（詳細には、吸入側端面から軸方向距離ｈ１の範囲で）、円筒形状部１６Ａの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側（本実施形態ではＺ方向）に移動量ｄ１（固定値）だけ移動することで生じ、円筒形状部１６Ａの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に拡大するように形成されている。なお、円筒形状部１６Ａの軸方向中間部側に位置する拡大部１７Ａの端部（端面）は、円筒形状部１６Ｂの軸方向に対して垂直な周方向に延在している。

拡大部１７Ｂは、円筒形状部１６Ｂの軸方向中間部から吸入側端面にかけて（詳細には、吸入側端面から軸方向距離ｈ２の範囲で）、円筒形状部１６Ｂの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側（本実施形態ではＺ方向）に移動量ｄ２だけ移動することで生じ、円筒形状部１６Ｂの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に拡大するように形成されている。なお、円筒形状部１６Ｂの軸方向中間部側に位置する拡大部１７Ｂの端部（端面）は、円筒形状部１６Ｂの軸方向に対して垂直な周方向に延在している。

次に、本実施形態の作用効果を、図６（ａ）及び図６（ｂ）を用いて説明する。図６（ａ）は、本実施形態のボア１０の構造寸法を、雄ロータ１Ａのたわみ曲線と共に示す概念図である。図６（ｂ）は、本実施形態のボア１０の構造寸法を、雌ロータ１Ｂのたわみ曲線と共に示す概念図である。

上述したスクリュー圧縮機においては、互いに隣接する作動室の圧力差によって生じる力Ｆ（図２参照）により、図６（ａ）のたわみ曲線で示すように、雄ロータ１Ａが吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側にたわむ。そのため、ボア拡大部１５（詳細には、拡大部１７Ａ）を設けない場合は、雄ロータ１Ａがボア本体１４（詳細には、半径ｒａの円筒形状部１６Ａ）の軸方向中間部の内壁と接触する可能性がある。それらの接触を回避するために、円筒形状部１６Ａの半径ｒａを大きくして、雄ロータ１Ａとボアの内壁との隙間を大きくすることが考えられるものの、この場合、作動室からの空気漏れが多くなり、圧縮性能が低下する。

同様に、図６（ｂ）のたわみ曲線で示すように、雌ロータ１Ｂが吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側にたわむ。そのため、ボア拡大部１５（詳細には、拡大部１７Ｂ）を設けない場合は、雌ロータ１Ｂがボア本体１４（詳細には、半径ｒｂの円筒形状部１６Ｂ）の軸方向中間部の内壁と接触する可能性がある。それらの接触を回避するために、円筒形状部１６Ｂの半径ｒｂを大きくして、雌ロータ１Ｂとボアの内壁との隙間を大きくすることが考えられるものの、この場合、作動室からの空気漏れが多くなり、圧縮性能が低下する。

本実施形態においては、ボア拡大部１５（詳細には、拡大部１７Ａ，１７Ｂ）を設けることにより、ロータ１Ａ，１Ｂのたわみによるロータ１Ａ，１Ｂとボアの内壁の接触を回避することができる。特に、ボア本体１４の軸方向中央側に位置するボア拡大部１５の端部（詳細には、拡大部１７Ａ，１７Ｂの端部）が、ボア本体１４の軸方向に対して垂直な周方向に延在することから、ロータ１Ａ，１Ｂの回転による影響も考慮して、ロータ１Ａ，１Ｂとボアの内壁の接触を回避することができる。また、円筒形状部１６Ａ，１６Ｂの半径を大きくして、ロータ１Ａ，１Ｂとボアの内壁との隙間を大きくする場合と比べ、作動室からの空気漏れが少なくなり、圧縮性能の低下を抑えることができる。

なお、第１の実施形態において、ボア拡大部１５は、軸方向位置にかかわらず、断面形状が同じである場合（言い換えれば、上述した移動量ｄ１，ｄ２を固定した場合）を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば図７で示す第１の変形例のように、ボア本体１４の軸方向中間部から吸入側端面に向かうに従って、ボア拡大部１５Ａの断面形状が段階的に大きくなってもよい（言い換えれば、移動量ｄ１，ｄ２を段階的に大きくしてもよい）。あるいは、例えば図８で示す第２の変形例のように、ボア本体１４の軸方向中間部から吸入側端面に向かうに従って、ボア拡大部１５Ｂの断面形状が連続的に大きくなってもよい（言い換えれば、移動量ｄ１，ｄ２を連続的に大きくしてもよい）。これらの変形例においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第２の実施形態を、図９を用いて説明する。なお、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明し、第１の実施形態と同じ部分の説明や図示を省略する。

図９は、本実施形態におけるボア拡大部の構造を示すスクリュー圧縮機の軸方向断面図（ＸＺ断面図）である。

本実施形態のメインケーシング６のボア１０は、ボア本体１４と、ボア本体１４の軸方向中間部から吐出側端面にかけて、ボア本体１４の径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に拡大するように形成されたボア拡大部１８とを有している。

ボア拡大部１８は、拡大部１９Ａ，１９Ｂで構成されている。拡大部１９Ａは、円筒形状部１６Ａの軸方向中間部から吐出側端面にかけて、円筒形状部１６Ａの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側（本実施形態ではＺ方向）に移動することで生じ、円筒形状部１６Ａの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に拡大するように形成されている（第１の実施形態の図５参照）。なお、円筒形状部１６Ａの軸方向中間部側に位置する拡大部１９Ａの端部（端面）は、円筒形状部１６Ａの軸方向に対して垂直な周方向に延在している。

図示しないものの、同様に、拡大部１９Ｂは、円筒形状部１６Ｂの軸方向中間部から吐出側端面にかけて、円筒形状部１６Ｂの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側（本実施形態ではＺ方向）に移動することで生じ、円筒形状部１６Ａの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に拡大するように形成されている。なお、円筒形状部１６Ｂの軸方向中間部側に位置する拡大部１９Ｂの端部（端面）は、円筒形状部１６Ｂの軸方向に対して垂直な周方向に延在している。

このような本実施形態においては、ボア拡大部１８（詳細には、拡大部１９Ａ，１９Ｂ）を設けることにより、ロータ１Ａ，１Ｂのたわみによるロータ１Ａ，１Ｂとボアの内壁の接触を回避することができる。特に、ボア本体１４の軸方向中央側に位置するボア拡大部１８の端部（詳細には、拡大部１９Ａ，１９Ｂの端部）が、ボア本体１４の軸方向に対して垂直な周方向に延在することから、ロータ１Ａ，１Ｂの回転による影響も考慮して、ロータ１Ａ，１Ｂとボアの内壁の接触を回避することができる。また、円筒形状部１６Ａ，１６Ｂの半径を大きくして、ロータ１Ａ，１Ｂとボアの内壁との隙間を大きくする場合と比べ、作動室からの空気漏れが少なくなり、圧縮性能の低下を抑えることができる。

なお、第２の実施形態において、ボア拡大部１８は、軸方向位置にかかわらず、断面形状が同じである場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば図１０で示す第３の変形例のように、ボア本体１４の軸方向中間部から吐出側端面に向かうに従って、ボア拡大部１８Ａの断面形状が段階的に大きくなってもよい。あるいは、例えば図１１で示す第４の変形例のように、ボア本体１４の軸方向中間部から吐出側端面に向かうに従って、ボア拡大部１８Ｂの断面形状が連続的に大きくなってもよい。これらの変形例においても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第１及び第２の実施形態並びに変形例において、拡大部１７Ａ，１７Ｂ（又は１９Ａ，１９Ｂ）は、円筒形状部１６Ａ，１６Ｂの径方向断面が共通のＺ方向に移動することで生じ、円筒形状部１６Ａ，１６Ｂの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に拡大するように形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。図１２で示す第５の変形例のように、拡大部１７Ａ，１７Ｂ（又は１９Ａ，１９Ｂ）は、円筒形状部１６Ａ，１６Ｂの径方向断面が別々の方向（詳細には、Ｚ方向よりも吐出ポート１２及び吐出流路１３から遠ざかる方向）に移動することで生じ、円筒形状部１６Ａ，１６Ｂの径方向断面が吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に拡大するように形成されてもよい。

また、第１及び第２の実施形態並びに変形例においては、円筒形状部１６Ａの軸心が雄ロータ１Ａの軸心Ｏａと同心であり、円筒形状部１６Ｂの軸心が雌ロータ１Ｂの軸心Ｏｂと同心である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、円筒形状部１６Ａの軸心が雄ロータ１Ａの軸心Ｏａに対して吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に偏心し、円筒形状部１６Ｂの軸心が雌ロータ１Ｂの軸心Ｏｂに対して吐出ポート１２及び吐出流路１３とは反対側に偏心してもよい。

また、本発明の適用対象として、無給油式のスクリュー圧縮機（すなわち、ロータとボアの内壁の間の隙間寸法が圧縮性能に及ぼす影響が大きいもの）を例にとって説明したが、これに限られず、給油式又は給水式の（詳細には、作動室内に油又は水を供給する）スクリュー圧縮機に適用してもよい。更には、スクリュー圧縮機における吐出側を吸入側とし、吸入側を吐出側として圧縮気体が作動室に流入することでスクリューロータを回転させる膨張機に適用することもできる。

また、本発明の適用対象として、互いに噛み合うように回転する２つのスクリューロータ（詳細には、複数の螺旋状の歯が形成された歯部を有するロータ）を備えたスクリュー圧縮機である場合を例にとって説明したが、これに限られず、少なくとも１つのスクリューロータを備えていればよい。すなわち、例えば、互いに噛み合うように回転する１つのスクリューロータ及び２つのゲートロータを備えたスクリュー圧縮機、又は、互いに噛み合うように回転する３つのスクリューロータを備えたスクリュー圧縮機に適用してもよい。

１Ａ…雄ロータ、１Ｂ…雌ロータ、２…ケーシング、３Ａ，３Ｂ…吸入側軸受、４Ａ，４Ｂ…吐出側軸受、１０…ボア、１１…吸入流路、１２…吐出ポート、１３…吐出流路、１４…ボア本体、１５，１５Ａ，１５Ｂ…ボア拡大部、１６Ａ，１６Ｂ…円筒形状部、１７Ａ，１７Ｂ…拡大部、１８，１８Ａ，１８Ｂ…ボア拡大部、１９Ａ，１９Ｂ…拡大部

Claims (3)

1. 少なくとも１つのスクリューロータと、
   前記ロータの歯部を収納して複数の作動室を形成するボア、吸入過程の作動室に気体を吸入するための吸入流路、及び吐出過程の作動室から圧縮気体を吐出するための吐出流路を有するケーシングと、
   前記ロータを回転可能に支持する吸入側軸受及び吐出側軸受と、を備えたスクリュー流体機械において、
   前記ボアは、
   前記ロータの歯部と共に前記複数の作動室を形成するボア本体と、
   前記ボア本体の軸方向中間部から吐出側端面にかけて、前記ボア本体の径方向断面が前記吐出流路とは反対側に拡大するように形成されたボア拡大部とを有し、
   前記ボア本体の軸方向中間部側に位置する前記ボア拡大部の端部が、前記ボア本体の軸方向に対して垂直な周方向に延在することを特徴とするスクリュー流体機械。
2. 請求項１に記載のスクリュー流体機械において、
   前記スクリューロータとして、互いに噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータを備え、
   前記ボア本体は、前記雄ロータの歯部を収納する第１の円筒形状部と前記雌ロータの歯部を収納する第２の円筒形状部が部分的に重なるように連接して構成されており、
   前記ボア拡大部は、
   前記第１の円筒形状部の軸方向中間部から吐出側端面にかけて、前記第１の円筒形状部の径方向断面が前記吐出流路とは反対側に移動することで生じ、前記第１の円筒形状部の径方向断面が前記吐出流路とは反対側に拡大するように形成された第１の拡大部と、
   前記第２の円筒形状部の軸方向中間部から吐出側端面にかけて、前記第２の円筒形状部の径方向断面が前記吐出流路とは反対側に移動することで生じ、前記第２の円筒形状部の径方向断面が前記吐出流路とは反対側に拡大するように形成された第２の拡大部とで構成されており、
   前記第１の円筒形状部の軸方向中間部側に位置する前記第１の拡大部の端部が、前記第１の円筒形状部の軸方向に対して垂直な周方向に延在し、
   前記第２の円筒形状部の軸方向中間部側に位置する前記第２の拡大部の端部が、前記第２の円筒形状部の軸方向に対して垂直な周方向に延在することを特徴とするスクリュー流体機械。
3. 請求項１又は２に記載のスクリュー流体機械において、前記スクリュー流体機械がスクリュー圧縮機であることを特徴とするスクリュー流体機械。

Images