JPH0219317B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はコンプレツサ、モータまたはポンプと
して使用される単スクリユー・ゲートロータ型回
転流体機械の改良に関する。 我々の主な関心はコンプレツサ（例えば空気ま
たは冷媒蒸気ないしガスの圧縮用）として使用す
る場合の単スクリユー・多ゲートロータ型機械に
係わり、そして簡略化のため以下本明細書では圧
縮性流体が機械へ低圧流入ポートを介して供給さ
れ且つ機械から排出ポートを介し高圧で排出され
るような使用態様について言及する。しかしなが
ら本発明は機械を高圧で供給された流体から運動
エネルギーを発生させるのに使用（すなわちモー
タとして使用）するような別の運転態様にも同等
に適用し得ることに留意されたい。 本発明は具体的には、軸線を中心に回転可能な
スクリユーを具備し、このスクリユーはその回転
軸線に対し傾けて形成された表面溝およびこれら
の溝を相互に分離する役目をなし且つ周囲のケー
シングに密封係合するランドを有していてこれに
より少なくともケーシング内でのスクリユー回転
部分において各々の溝がケーシングと共にチヤン
バーを形成するようになし、またゲートロータを
具備し、このゲートロータは前記スクリユーの溝
と噛み合う複数の歯を有していて各々の歯はスク
リユーおよびロータが相互に噛み合いながら回転
する際に溝に対し引続き密封関係を維持し、溝で
形成され且つ一端がロータの歯で限定されたチヤ
ンバーの容積がスクリユーおよびロータが回転す
るにつれて１つの極値から他の極値へと変化する
ようになし、更にケーシングにスクリユー高圧端
に近接させて高圧ポートを設けてこのポートが各
チヤンバーにこれが最小容積状態またはそれに近
い状態のときに連通するようになすと共にスクリ
ユー低圧端側に低圧ポートを設けて該ポートが各
チヤンバーに連通するように構成された種類の回
転流体機械に係るものである。以上のような種類
の回転流体機械を本明細書においては以下単に
「前記の種類の回転流体機械」と略記することに
する。 前記の種類の回転流体機械は一般にスクリユー
に関し直径的に対向配置された２つのゲートロー
タを有し、各々のゲートロータに低圧ポートおよ
び高圧ポートを配設してある。 前記の種類の回転流体機械をコンプレツサとし
て使用する場合、被圧縮流体は低圧ポートから供
給される。相互に噛み合うスクリユーおよびロー
タ（１つまたは複数）の形状寸法ならびに高圧ポ
ート（１つまたは複数）の寸法は所望の容積比
（すなわち低圧ポートにおける圧力で流体が充填
され且つ低圧ポートとの連通が遮断された直後の
チヤンバー容積とこのチヤンバーが高圧ポートと
最初に連通するときのチヤンバー容積との比）が
得られるように選択されるが、多くの場合におい
ては相互に噛み合うスクリユーおよびロータの回
転速度を（容認できる程度に）変えることなしに
且つ設計容積比を大きく変えることなしに機械の
容量を変える（すなわち、単位時間当り所望容積
比まで圧縮されるガス容積を変える）ことの可能
なことが望ましい。 容積比の低下を許し且つ機械が固定圧力差のも
とで作動するならば、圧縮が非能率となつて部分
負荷における効率低下が生ずる。容積比の増大
は、ガスの過剰圧縮における出力損失に加えて更
に、発生圧力が高いほどそれに応じて大きな漏れ
損失が生ずるため、一層望ましくない。 この対策として、英国特許出願第34749／75号
（以下、「前記の英国特許出願」と略記）に、ケー
シングに各々のゲートロータの高圧側に近接させ
て容量調整弁を設けることが提案されている。こ
の調整弁はスクリユー溝に連通し且つスクリユー
高圧端を越えて延在する導路を有し、該導路はス
クリユー高圧端とは反対側に位置し且つケーシン
グ内部に形成された通路を介して低圧ポートと連
通する低圧端と、スクリユー高圧端の近傍に位置
し且つ高圧ポートと連通する高圧領域とを有し、
該導路内に移動可能な容量調整部材が設けられ、
該容量調整部材はそれの一方の制限位置において
は前記導路の低圧端を閉塞して低圧ポートとの連
通を遮断する一方、導路の高圧領域を開放して高
圧ポートと少なくとも間接的に連通させ、また他
方の制限位置においては前記導路の低圧端を開放
して低圧ポートと連通させるように構成されてい
る。導路の低圧端はスクリユーの低圧端と高圧端
の中間点に配置するのが適当である。 ここで、上記の「容量調整部材の一方の制限位
置、つまり導路の低圧端を閉塞して低圧ポートと
の連通を遮断する一方、且つ導路の高圧領域を開
放して高圧ポートと少なくとも間接的に連通させ
る位置」とは、「全負荷（100％容量）状態」を意
味する。また、上記の「容量調整部材の他方の制
限位置、つまり導路の低圧端を開放して低圧ポー
トと連通させる位置」とは、「部分負荷（０％よ
り大きく100％より小さい容量）状態またはゼロ
負荷（０％容量）状態」」を意味する。 前記の英国特許出願に開示されている容量調整
弁を使用すると、容量を100％から25％まで連続
的に変える機能を有し且つこの調整範囲全体を通
じ減小された容積比変化しか生じないような機械
を実現できる。 しかし前記英国特許出願に開示の構成を使用す
る場合、その減少された容積比変化でさえも過大
である。また特に、複数のゲートロータと従つて
は複数の容量調整弁とを具備する機械の場合、前
記の英国特許出願に開示の構成では複数の容量調
整弁を全部一緒に制御するため、部分負荷運転時
の効率が悪いという問題がある。 本発明は、前記英国特許出願に開示の構成の回
転流体機械であつて且つ複数のゲートロータと従
つては複数の容量調整弁を具備する機械におい
て、更に小さな容積比変化しか伴わずに大きな容
量低減を可能とし、しかも効率の良い改良構造を
実現することを目的とする。 本発明は、このような機械において、１つの容
量調整弁の容量調整部材を他の１つまたは複数の
容量調整弁の容量調整部材と独立させて作動可能
な制御装置を設け、該制御装置が容量調整部材の
少なくとも１つを、それの前記他方の制限位置
が、対応する導路の低圧端が開放され且つ高圧ポ
ートからは遮断される位置となるように設定可能
に構成したものである。 ここで、上記の「対応する導路の低圧端が開放
され且つ高圧ポートからは遮断される位置」と
は、「部分負荷位置」」を意味する。つまり、複数
の容量調整部材のうち少なくとも１つは、全負荷
位置と部分負荷位置の間の範囲で制御可能なよう
に構成されている。 容量制御装置に１つの容量調整弁を他の容量調
整弁と独立させて作動させることのできる機能を
持たせたことにより、容量調整弁を別個に設定
し、かつこれらの弁に設定した異なる容量の組合
わせとして機械全体の百分率容量低減を得ること
ができる。すなわち、例えば、２ロータ機械の全
体の50％容量は、一方の容量調整弁をゼロ負荷状
態（０％容量）となし、且つ他方の容量調整弁を
全負荷状態（100％容量）とすることによつて得
られる。また機械全体の75％容量は、一方を半負
荷状態（50％容量）となし、且つ他方の容量調整
弁を全負荷状態（100％容量）とすることによつ
て得られる。 制御装置は１つまたは複数の調整弁の無段階調
節を行ない得るが、多くの冷凍設備においてはス
テツプ状除荷が事実上容認されるので、各調整弁
は極限位置と１つまたは複数の中間位置間のステ
ツプ状制御で一般に十分であり且つこれが制御装
置の簡素化を可能とする。 一般に、異なる調整弁からの出力は互いに隔離
することが必要であり、これは適当な調整弁の設
計によるか、あるいはまた各調整弁の排出ポート
に連通している高圧排出路に逆止弁を設けること
によつて可能である。 以下、本発明につき添付図面を参照し実施例に
もとずいて詳述する。 第１図から第４図を参照するに、スクリユー１
は全体として円筒状外表面を有し、また複数のら
せん状に傾いた溝２がランド３の間において形成
されており、そしてこのランド３の半径方向外表
面が実はスクリユー１の円筒形を形成している。
スクリユー１は２つのゲートロータ４および５と
噛み合つている。これらのゲートロータにはそれ
ぞれ溝２に嵌合する複数の歯（図示せず）を設け
てあり、スクリユー１がそれを取巻くケーシング
（第４図に示す）内の円筒状空室内で回転すると、
隣り合うランド３とケーシングとゲートロータ４
または５の対応する歯とで規定された溝２の容積
は、この溝が低圧流入ポート６から流入するガス
と連通しているときの最大値から溝２内の圧縮ガ
スが高圧排出ポート７へ最初に排出されるときの
最小値まで減小させられる。 以上のような単スクリユー・２ゲートロータ型
コンプレツサは十分周知であるからその作用につ
いての詳細な説明は省略する。 第１図の最下方に示すスクリユー１の端部は溝
を切つてない狭い円筒状高圧端部領域８を有し、
この領域は円筒ケーシングによつて密接的に包囲
されている。このことは個々の溝が実質的に線９
のところで終端となつており、各々のゲートロー
タの歯は個々の歯が線９を含むスクリユー１の回
転軸線に直角な平面を通過するときにスクリユー
１との接触を終了することを意味する。すなわち
線９はスクリユーの高圧端を表わす。 以上に説明したコンプレツサの容量制御を可能
とするためにケーシングに導路１０を形成してあ
る。この導路はスクリユー１の回転軸線に平行に
配置され、且つ低圧流入ポート６と高圧排出ポー
ト７（これは凹部１９を含む）との（圧力方向
の）中間位置にある低圧端１１から線９を越え
て、すなわちスクリユー１の高圧端を越え、更に
円筒状領域８を完全に越えて延びている。 導路１０の低圧端１１はケーシングの内部に形
成された通路（図示せず）を介して低圧ポート６
に連通しており、また導路１０は高圧ポート７の
近傍の領域（高圧領域）において高圧ポート７に
連通している。 導路１０内には容量調整部材１２を摺動可能に
配設してあり、この調整部材１２の一端面１３は
導路１０の低圧端１１との流体密封的接触が可能
である。調整部材１２は凹部１９を有しており、
この凹部は一方側はスクリユー１の円筒状領域８
に最も近接した領域におけるランド３の形状と一
致するよう選んだ弓形の端面１４によつて限定さ
れ、また反対側は凹部１９と低圧領域２３との間
のガス漏れを阻止する役目をする部分２２によつ
て限定されている。 調整部材１２を移動させて容量を変え且つそれ
と同時に低下容量比を補償するために或る事を行
う方法は前記の英国特許出願に十分に開示されて
おり、そのうち本願発明を理解する上で必要な事
項を要約すれば以下の如くである。すなわち、端
面１３はそれが端部１１から遠ざかる方向へ移動
するほどに圧縮の開始を遅らせ、そして端面１４
は排出ポート寸法の同時減小をもたらして溝内の
圧縮流体が溝から排出される時機を遅らせるので
ある。そして、第１図に示すように調整部材１２
の端面１３が導路１０の低圧端１１に密封接触し
ている位置では、導路１０と低圧ポート６との連
通が遮断され、100％容量が得られる。これが調
整部材１２の全負荷状態である。一方、第１図に
点線で示すように調整部材１２の端面１３が導路
１０の低圧端１１から離れると、導路１０の低圧
端１１の近傍の領域が低圧ポート６とが連通し、
容量は低減する。これが部分負荷状態である。更
に、第２図に示すように調整部材１２の端面１３
が高圧ポート７を越えた位置にあるときは、高圧
ポート６が導路１０を介して低圧ポート７と連通
することから、容量は０％となる。これがゼロ負
荷状態である。 容量調整部材の駆動には種々の従来の機構を利
用することができる。前記の英国特許出願におい
ては調整部材が共に関連させられていて全部一緒
に無段階的にあるいは予め決められた制御位置間
を移動させられる。 これに対して本発明においては、制御装置によ
り複数の容量調整部材をそれぞれ独立して作動さ
せることにより性能改善を実現することができ
る。すなわち、仮に２ゲートロータ型機械（作用
的には並列な２台のコンプレツサである）の一方
側を隔離して０％容量で運転したとすると、機械
全体ではそれの定格容量の50％が得られ、そのと
きの効率はほぼ全負荷値の場合と等しく且つ容積
比もまた全負荷値の場合と同じである。これに対
し２台のコンプレツサをそれぞれ50％にて並列運
転した場合の効率は全負荷時の効率より約20％ほ
ど悪化する。この改善は、２つのコンプレツサの
うちの一方を完全に停止することによりそれの損
失、特に部分負荷時に非常に大きくなる漏れ損失
の大部分を排除できることにもとづくものであ
る。 前述した調整部材１２の構成で上記の作用を達
成する簡単な方法は、最初に一方側（サイドＡ）
の調整部材１２を移動させてこの側の排出容積
を、他方側（サイドＢ）の調整部材１２の移動を
開始する前に完全にゼロ（零）まで減らすことで
ある。 サイドＡの排出路中にチエツクバルブまたは逆
止弁を設けてこの側をサイドＢに生ずる排出圧か
ら隔離する。これが機械のサイドＡに係る漏れ損
失を減少させる。 調整部材１２の移動距離に応じて、溝チヤンバ
ーの残余部分２′およびポートとチエツクバルブ
との間の排出路の容積によつて形成されたチヤン
バー内に或る圧縮が生ずる。この圧縮は溝チヤン
バーの最終部分がスクリユー高圧端において消滅
する直前の当該部分の容積減小によるものであ
り、リセツトされた溝が排出ポート７に露呈され
たときにこのガスの後続の再膨張が生ずる。 溝チヤンバーの残余部分２′に生ずる圧力上昇
は第２図に示した遮断位置における溝チヤンバー
容積およびポートとチエツクバルブとの間の排出
路中の容積に依存する。圧力上昇およびそれによ
つて生ずる損失はこの最小溝チヤンバー容積を減
少させることないしは排出路の容積を増大させる
ことによつて極小化し得る。最小溝チヤンバー容
積は調整部材の移動距離が大きいほど、すなわち
遮断点が第２図において更に下方へ移動すれば小
さくなる。 次に、調整部材調整の具体例について、表１を
参照して説明する。

【表】

【表】 表１の例は、サイドＡおよびサイドＢの両方
をそれぞれ100％と20％の２位置制御とすること
により、全体として100％、60％、20％の３段階
の調整が得られる。 表１の例は、サイドＡを100％と50％の２位
置制御とし、サイドＢを100％と０％の２位置制
御とすることにより、全体として100％、75％、
50％、25％の４段階の調整が得られる。 表１の例は、サイドＡを100〜50％の連続
（無段階）制御可能となし、サイドＢを100％と30
％の２位置制御とすることにより、全体として
100〜75％の連続制御と、65〜40％の連続制御が
得られる。 上記表１の例は、サイドＡを100〜20％の連
続制御可能となし、サイドＢを100％と０％の２
位置制御とすることにより、全体として100〜60
％の連続制御と、50〜10％の連続制御が得られ
る。 以上の例から明らかなように、本発明において
は、複数の調整部材を互いに独立させて個別に制
御可能であり、かつ個々の調整部材の位置を連続
的（無段階的）あるいは段階的（ステツプ状）に
制御可能であり、また複数の調整部材のうち少な
くとも１つをそれの容量低減位置が部分負荷状態
であるように制御可能であり、種々の組み合わせ
が可能である。 無段階的容量低減のための作動および制御は本
発明の場合は前記の英国特許出願に開示の複数の
調整部材を一緒に移動させる機械の場合よりも複
雑であるが、ステツプ状除荷が容認されれば簡素
化は容易に可能である。 例えば、表１の例の如くサイドＡを100％負
荷およびゼロ負荷だけで運転し、そしてサイドＢ
を100％負荷および50％負荷だけで運転させる場
合を考える。この場合は２つの調整部材１２のそ
れぞれ独立した移動により、サイドＢだけの場合
（75％）、サイドＡだけの場合（50％）、両方の場
合（25％）というように３段階の除荷が可能であ
る。その利点は以下の如くである。 (1) より簡単な駆動装置制御。 (2) 調整部材１２の移動距離を小さくできる。何
故なら、低圧端１１の位置および形状ならびに
従つてこれと合致する端面１３を具体的にサイ
ドＡではゼロ負荷状態に合わせて、且つサイド
Ｂでは50％位置へだけ移動できるように設計す
ることができるからである。 (3) サイドＢにおける調整弁を具体的に50％負荷
状態において容積比に良好な妥協を与えるごと
く設計することができ、これにより３段階の除
荷の全段において容積比を最適値に近い値に維
持できる。 上述した利点(2)に関し、第３図は調整弁の変形
例を示しており、この例では端部１１および端面
１３に符号１１′，１３′で示すように角度を付け
てある。仮に50％容量を達成するためには調整部
材１２の端面１３を点Ｘまで移動する必要がある
とすると、通常の端面１３を用いると移動距離が
d₁となるのに対し、傾斜端面１３′を用いた場合
は移動距離がd₂で済む。 尚、以上の説明は円筒状外形のスクリユーおよ
び偏平なゲートロータについてなされたが、本発
明はこれらに限定されるものではなく、円錐形あ
るいは他の形状のスクリユー、ならびに例えば円
筒上に歯を配列したような他の型のゲートロータ
にも同等に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による単スクリユー・２ロータ
型流体機械の一部の略示図であつて容量調整部材
の１つを全負荷状態にて示す図、第２図は第１図
の容量調整部材をゼロ負荷状態にて示す図、第３
図は第１図の機械に使用する容量調整部材の変形
例を示す図、第４図は第１図の機械の部分断面図
であつてスクリユーおよびゲートロータならびに
容量調整部材用の２つの導路を示す図である。 図において、１はスクリユー、２は溝、３はラ
ンド、４，５はゲートロータ、６は低圧ポート
（流入ポート）、７は高圧ポート（排出ポート）、
１０は導路、１２は容量調整部材、を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸線を中心に回転可能なスクリユーを具備
   し、該スクリユーはその回転軸線に対し傾けて形
   成された表面溝およびこれらの溝を相互に分離す
   る役目をなし且つ周囲のケーシングに密封係合す
   るランドを有していてこれにより少なくともケー
   シング内でのスクリユー回転部分において各々の
   溝がケーシングと共にチヤンバーを形成するよう
   になし、また少なくとも２つのゲートロータを具
   備し、各ゲートロータは前記スクリユーの溝と噛
   み合う複数の歯を有していて各々の歯は前記スク
   リユーおよびロータが相互に噛み合いながら回転
   する際に溝に対し引続き密封関係を維持し、溝で
   形成され且つ一端がロータの歯で限定されたチヤ
   ンバーの容積が前記スクリユーおよびロータが回
   転するにつれて１つの極値から他の極値へと変化
   するようになし、更にケーシングにスクリユー高
   圧端に近接させて高圧ポートを設けて該ポートが
   各チヤンバーにこれが最小容積状態またはそれに
   近い状態のときに連通するようになすと共にスク
   リユー低圧端側に低圧ポートを設けて該ポートが
   各チヤンバーに連通するようになし、更にまたケ
   ーシングに各々のゲートロータの高圧側に近接さ
   せて容量調整弁を設け、各調整弁はスクリユー溝
   に連通し且つスクリユー高圧端を越えて延在する
   導路を有し、該導路はスクリユー高圧端とは反対
   側に位置し且つケーシング内部に形成された通路
   を介して低圧ポートと連通する低圧端と、スクリ
   ユー高圧端の近傍に位置し且つ高圧ポートと連通
   する高圧領域とを有し、該導路内に移動可能な容
   量調整部材が設けられ、該容量調整部材はそれの
   一方の制限位置においては前記導路の低圧端を閉
   塞して低圧ポートとの連通を遮断する一方、導路
   の高圧領域を開放して高圧ポートと少なくとも間
   接的に連通させ、また他方の制限位置においては
   前記導路の低圧端を開放して低圧ポートと連通さ
   せるように構成された回転流体機械において、 １つの容量調整弁の容量調整部材を他の１つま
   たは複数の容量調整弁の容量調整部材と独立させ
   て作動可能な制御装置が設けられ、 該制御装置は、容量調整部材の少なくとも１つ
   を、それの前記他方の制限位置が、対応する導路
   の低圧端が開放され且つ高圧ポートからは遮断さ
   れる位置となるように設定可能に構成されたこと
   を特徴とする回転流体機械。 ２ 前記制御装置が前記複数の容量調整弁の容量
   調整部材のうちの少なくとも１つの調整部材の無
   段階的調節を行なうようにした特許請求の範囲第
   １項に記載の回転流体機械。 ３ 前記制御装置が前記複数の容量調整弁の容量
   調整部材のうちの少なくとも１つの調整部材のス
   テツプ状調節を行なうようにした特許請求の範囲
   第１項に記載の回転流体機械。 ４ 少なくとも１つの容量調整弁の容量調整部材
   が前記他方の制限位置においてスクリユー高圧端
   を越えて延在することにより、対応する導路の低
   圧端が少なくとも間接的に高圧ポートと連通する
   ようにした特許請求の範囲第１項に記載の回転流
   体機械。 ５ 前記容量調整部材の他方の制限位置が互いに
   相違する特許請求の範囲第１項に記載の回転流体
   機械。