WO2018109939A1 - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

スクリューロータの逆回転時に、ゲートロータの歯部の先端部と、歯部の先端部が噛み合ったスクリュー溝を形成する吐出側の壁である吐出側壁部と、が対向する領域の少なくとも一部が、非接触構造となっている。

Description

スクリュー圧縮機

　本発明は、スクリュー圧縮機に関し、特にゲートロータの破損防止策に関するものである。

　従来より冷凍空調用などの圧縮機として用いられるシングルスクリュー圧縮機が知られている。例えば特許文献１のシングルスクリュー圧縮機は、外周部に複数のスクリュー溝を有するスクリューロータと、複数の歯部が放射状に配置された円板状の２枚のゲートロータとを備えている。スクリューロータは、圧縮機のケーシング内に設けられている円筒壁内に回転可能に配置されている。また、ゲートロータは、歯部が円筒壁を貫通してスクリュー溝と噛み合うように構成されている。２枚のゲートロータは、軸芯がスクリューロータの軸芯と直交し、スクリューロータを挟んで対称に設けられている。そして、円筒壁の内周面と、スクリュー溝と、ゲートロータの歯部とにより、円筒壁内に２つの圧縮室が形成されている。

　このシングルスクリュー圧縮機では、スクリューロータの回転に伴って、ゲートロータの歯部がスクリュー溝を移動し、圧縮室の容積が拡大後に縮小する動作を繰り返す。圧縮室の容積が拡大する間は、冷媒が圧縮室へ吸入され、圧縮室の容積が縮小を始めると吸入された冷媒が圧縮される。そして、圧縮室を構成するスクリュー溝が吐出口に連通すると、圧縮された高圧冷媒が吐出口を介して圧縮室から吐出される。

　運転中のシングルスクリュー圧縮機では、ゲートロータの歯部において周方向に対向する一対の側面のうち、歯部がスクリュー溝に噛み合った状態において吸込側に位置する吸込側側面と、スクリュー溝を構成する壁部とが接触しながらスクリューロータが回転する。一方、停止時においては冷媒の高低圧差によってスクリューロータが逆回転する。スクリューロータが逆回転すると、歯部の前記一対の側面のうち吐出側側面とスクリュー溝を構成する壁部とが接触しながらスクリューロータが回転する。この逆回転に起因してゲートロータに損傷または摩耗が生じるおそれがある。

　そこで、特許文献１のシングルスクリュー圧縮機では、停止時にエコノマイザーポートからスクリュー溝に冷媒ガスを注入して高低圧の差を小さくすることで、逆回転時間を抑制し、ゲートロータの損傷または摩耗を抑制するようにしている。

特開２０１３－１３６９５７号公報

　しかしながら、特許文献１の構造は、圧縮室へ冷媒ガスを導入するためのエコノマイザーポートを有することが前提であるため、エコノマイザーポートがない圧縮機には適用できなかった。

　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スクリューロータの逆回転時おけるゲートロータの損傷または摩耗を抑制することである。

　本発明に係るスクリュー圧縮機は、複数のスクリュー溝が外周面に形成され、一端が流体の吸込側となり他端が吐出側となるスクリューロータと、スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯部が外周部に形成されたゲートロータとを備え、スクリューロータの回転に伴ってゲートロータが回転して流体を圧縮するスクリュー圧縮機であって、スクリューロータの逆回転時に、歯部の先端部と、歯部の先端部が噛み合ったスクリュー溝を形成する吐出側の壁である吐出側壁部と、が対向する領域の少なくとも一部が、非接触構造となっているものである。

　本発明に係るスクリュー圧縮機によれば、逆回転時に、ゲートロータの歯部の先端部と、歯部の先端部が噛み合ったスクリュー溝を形成する吐出側壁部と、が対向する領域のうちの少なくとも一部が非接触構造となっているので、ゲートロータの損傷または摩耗を抑制できる。

本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機におけるスクリューロータのスクリュー溝とゲートロータの歯部との噛み合い部分を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の動作説明図である。 スクリューロータの正回転時における、スクリュー溝に対するゲートロータの歯部の位置の説明図である。 スクリューロータの逆回転時における、スクリュー溝に対するゲートロータの歯部の位置の説明図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の一部を拡大して示す概略拡大図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機の要部の概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機のスクリュー溝の溝底を展開した図である。 本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機の要部の概略断面図である。 本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機のスクリュー溝の溝底を展開した図である。

　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
　なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に示されている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
　本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機について、図１～図６を用いて説明する。なお、スクリュー圧縮機は冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍回路に接続される。

　図１は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の概略断面図である。図１において右側が吸込側、左側が吐出側である。図２は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機におけるスクリューロータのスクリュー溝とゲートロータの歯部との噛み合い部分を示す斜視図である。図２において右奥側が吸込側、左下側が吐出側である。また、図２において実線矢印はスクリュー軸の回転方向、白抜き矢印は吸込ガスが吸い込まれる様子を示している。

　本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１は、シングルスクリュー圧縮機であり、ここでは１つのスクリューロータ５に２つのゲートロータ７が噛み合わされたタイプのシングルスクリュー圧縮機の例で本実施の形態１を説明する。

　スクリュー圧縮機１は、図１に示すように、筒状のケーシング２と、ケーシング２内に収容されたモータ３と、モータ３に固定され、モータ３によって回転駆動されるスクリュー軸４と、スクリュー軸４に固定されたスクリューロータ５等とを備えている。スクリュー軸４のモータ３に固定されていない側の端部は、軸受６によって回転自在に支持されている。

　モータ３はケーシング２内に内接して固定されたステータ３ａと、ステータ３ａの内側に配置されたモータロータ３ｂとから構成されている。モータロータ３ｂはスクリューロータ５と同様にスクリュー軸４に固定されており、スクリューロータ５と同一軸線上に配置されている。

　スクリューロータ５は円柱状であり、外周部にはスクリューロータ５の一端から他端に向かって螺旋状に延びるスクリュー溝５ａが複数本形成されている。スクリューロータ５の一端側（図１の右側）は冷媒ガスの吸入側となり、他端側（図１の左側）は冷媒ガスの吐出側となる。ケーシング２内は低圧の冷媒ガスで満たされる吸込圧力空間と高圧の冷媒ガスで満たされる吐出圧力空間とに隔壁（図示せず）で隔てられており、スクリューロータ５の一端側が吸込圧力空間に連通し、他端側が吐出圧力空間に連通する。

　また、スクリューロータ５の側面には、スクリュー軸４に対して軸対称となるように２枚のゲートロータ７が配置されている。

　ゲートロータ７は円板状であり、外周面には周方向に沿って複数の歯部７ａが放射状に設けられ、ゲートロータサポート８によって支えられている。ゲートロータ７は、歯部７ａがスクリューロータ５のスクリュー溝５ａに噛み合うように配置されており、スクリュー溝５ａとゲートロータ７の歯部７ａとケーシング２の内周面とスライドバルブ９とによって囲まれた空間で圧縮室１０を形成している。圧縮室１０には、吸込圧力空間から吸入された冷媒ガスが満たされ、また、軸受６の潤滑および圧縮室１０のシールを行うための油が注入されている。

　また、ケーシング２の内周面とスクリューロータ５の間にはスライドバルブ９が配置されている。スライドバルブ９は、スクリューロータ５の外周面に沿って、スクリューロータ５のスクリュー軸４方向に摺動可能に設けられており、開口部９ａを有している。

　ケーシング２には、ケーシング２内に区画して形成された吐出室１１へ繋がる吐出口２ａ（後述の図３参照）が形成されている。そして、圧縮室１０内に満たされた高圧の冷媒ガスおよび油は、スライドバルブ９の開口部９ａを通過した後、吐出口２ａを介して吐出室１１に吐出される。

　次に、本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１における運転動作について説明する。
　図３は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の動作説明図である。
　スクリュー圧縮機１においてモータ３を起動すると、スクリュー軸４が回転するのに伴ってスクリューロータ５が回転する。ここでの回転は正回転である。このスクリューロータ５の回転に伴ってゲートロータ７も回転し、圧縮室１０内では吸込行程、圧縮行程および吐出行程が繰り返される。ここでは、図３において網掛けを付した圧縮室１０に着目して圧縮動作を説明する。

　図３（ａ）は吸込行程における圧縮室１０の状態を示している。圧縮室１０が形成されているスクリュー溝５ａは、ゲートロータ７の歯部７ａと噛み合わされている。そして、スクリューロータ５がモータ３により駆動されて実線矢印の方向に回転すると、この歯部７ａがスクリュー溝５ａの終端へ向かって相対的に移動することで、ゲートロータ７は細白抜き矢印の方向に回転する。吸込行程の圧縮室１０は、最も拡大した容積を有し、ケーシング２の吸込側の空間と連通しており、低圧の冷媒ガスが満たされている。

　さらにスクリューロータ５が回転すると、その回転に連動してゲートロータ７の歯部７ａが順次吐出口２ａの方へ回転移動し、これにより図３（ｂ）のように圧縮室１０の容積が縮小し、圧縮室１０内の冷媒ガスが圧縮される。

　そして、引き続きスクリューロータ５が回転すると、図３（ｃ）に示すように、圧縮室１０が吐出口２ａに連通する。これにより、圧縮室内で圧縮された高圧の冷媒ガスが、図３においては図示していないスライドバルブ９の開口部９ａを介して吐出口２ａから吐出室１１へ吐出される。吐出室１１へ吐出された冷媒はスクリュー圧縮機１の外部へ吐出される。

　このようなスクリュー圧縮機１の運転中は、圧縮室１０内の圧力は（ａ）=>（ｂ）=>（ｃ）の順に次第に高くなり、（ｃ）では高圧となっている。そして、スクリュー圧縮機１の運転を停止すると、スクリューロータ５の低圧側と高圧側との圧力差によって上述したようにスクリューロータ５が逆回転する。スクリューロータ５が逆回転すると、圧縮室１０の中の圧力が吸込側の圧力よりも低くなり、本発明の改良を施さない従来の構成では、ゲートロータ７が損傷する。この現象について図４および図５を用いて改めて説明する。

　図４は、スクリューロータの正回転時における、スクリュー溝に対するゲートロータの歯部の位置の説明図である。図５は、スクリューロータの逆回転時における、スクリュー溝に対するゲートロータの歯部の位置の説明図である。図４および図５は共に、一つのスクリュー溝をそのスクリュー溝に噛み合ったゲートロータの歯部と共に展開して示している。図４の矢印はスクリューロータ５の正回転時の移動方向、図５の矢印はスクリューロータ５の逆回転時の移動方向を示している。また、図４および図５において右側が吸込側、左側が吐出側である。

　スクリュー圧縮機１の運転中、つまりスクリューロータ５が正回転している間、ゲートロータ７の歯部７ａは、図２および図４に示すように歯部７ａが噛み込んだスクリュー溝５ａを構成する２つの壁部５ｂのうち、吸込側の壁部である吸込側壁部５ｂｂに接触する。さらに具体的には、歯部７ａの吸込側側面７ｃが、吸込側壁部５ｂｂに接触する。吸込側側面７ｃとは、歯部７ａの周方向に対向する一対の側面のうち、歯部７ａがスクリュー溝５ａに噛み合った状態において吸込側の側面である。なお、以下では歯部７ａの周方向に対向する一対の側面のうち吐出側を吐出側側面７ｂという。また、２つの壁部５ｂのうち、吐出側の壁部を吐出側壁部５ｂａという。

　一方、スクリューロータ５が逆回転して圧縮室１０の中の圧力が吸込室の圧力よりも低くなると、ゲートロータ７には運転時と逆方向の押し付け力が作用し、図５に示すように歯部７ａの吐出側側面７ｂが吐出側壁部５ｂａに接触する。なお、図５において点線で示した部分は、歯部７ａの歯幅を根元部から先端部まで同一とした従来構成の歯部の形状を示しており、実線が本実施の形態１の歯部７ａを示している。

　そして、逆回転時においてスクリューロータ５にゲートロータ７の歯部７ａが噛み込んでいるときは、歯部７ａの吐出側側面７ｂが、吐出側壁部５ｂａに接触する。ここで、歯部７ａの吐出側側面７ｂの先端部７０は、逆回転中、吐出側壁部５ｂａに常に接触する。

　ここで、正回転から逆回転に切り替わった際に吐出口２ａに連通しているスクリュー溝５ａに噛み合っている歯部７ａに着目して考える。図２の状態において、吐出口２ａに連通している歯部７ａは、歯部７ａの吐出側側面７ｂの内、中央部から根元部は吐出側壁部５ｂａに接触せず、先端部７０のみが接触している。そして、この状態から逆回転して当該歯部７ａがスクリュー溝５ａとの噛み合いが外れるまで、歯部７ａの吐出側側面７ｂのうちの先端部７０が吐出側壁部５ｂａに常に接触した状態となる。

　このように、歯部７ａの吐出側側面７ｂの先端部７０は、吐出側側面７ｂの中央部および根元部よりも逆回転時に吐出側壁部５ｂａと接触している時間が長いため、損傷または摩耗が生じ易い。

　また、図４および図５に示すように、ゲートロータ７の歯部７ａは、歯部７ａの表面７ｄと吸込側側面７ｃとの成す角度が鈍角なのに対し、表面７ｄと吐出側側面７ｂとの成す角度が鋭角となっており、つまり歯部７ａの吐出側の厚みが薄くなっている。なお、ゲートロータ７の歯部７ａにおいて表面７ｄと吐出側側面７ｂとの角度が鋭角となっているのは、歯部７ａの吐出側全体ではなく吐出側の先端部であって、その他の部分は鈍角となっている。このように歯部７ａの吐出側の先端部の厚みが薄くなっていることも、歯部７ａが損傷しやすい一因である。なお、歯部７ａの上記角度が場所によって鋭角と鈍角とに異ならせて形成されているのは、スクリュー溝５ａの吐出側壁部５ｂに対する接線角が吐出側程、垂直に近づくためである。

　そこで、本実施の形態１では、ゲートロータ７の損傷を未然に回避するため以下の構造を採用している。

　図６は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の一部を拡大して示す概略拡大図である。
　本実施の形態１では、図６に示すように、歯部７ａの先端部において吐出側壁部５ｂａと間に隙間１２を設けている。すなわち、歯部７ａの吐出側側面７ｂの先端部７ｂａの位置がその他の部分よりも吸込側に位置して、歯部７ａの先端部の歯幅がその他の部分の歯幅よりも短い構成となっている。さらに具体的には、歯部７ａは、図５に点線で示した従来の歯部７ａの吐出側側面７ｂと先端面７ｅとで形成される角部を切り欠いた形状となっている。このように、歯部７ａがスクリュー溝５ａに噛み合った状態において、歯部７ａの吐出側側面７ｂの先端部７ｂａと吐出側壁部５ｂａとが接触しない非接触構造としている。

　ゲートロータ７の各歯部７ａのそれぞれにおいて、隙間１２は一律であり、好適な隙間寸法として例えば２０μｍ～７０μｍに設定される。この隙間１２は歯部７ａがスクリュー溝５ａに噛み込んでいる間、常に形成されている。

　このように構成したことで、逆回転時には、図５に示したように歯部７ａがスクリューロータ５の吐出側壁部５ｂａ側に寄って吐出側壁部５ｂａに接触するものの、接触するのは歯部７ａの中央部から根元部であり、先端部は接触しない動作となる。よって、歯部７ａの先端部の損傷を抑制できる。

―実施の形態１の効果―
　実施の形態１によれば、ゲートロータ７の歯部７ａの先端部において吐出側壁部５ｂａと間に隙間１２を設けたので、逆回転時における、ゲートロータ７の歯部７ａの先端部の損傷および摩耗を抑制できる。このように隙間１２を設けたことで、逆回転時に、歯部７ａにおいて吐出側壁部５ｂａと接触する部分は、歯部７ａの中央部から根元部となる。歯部７ａの中央部から根元部は、歯部７ａの吸込側側面７ｃと表面７ｄとの角度が、先端部のように鋭角ではなく鈍角となって強度が高い部分である。よって、この点からも、ゲートロータ７の損傷を抑制でき、性能の経年低下を抑制できる。

　また、このようにゲートロータ７の損傷を抑制するにあたり、複雑な制御機構や部品を設ける必要がなく、単に隙間１２を設けるだけで良いため、構成部品を増やすことなく容易にゲートロータ７の損傷抑制を実現できる。また、隙間１２を設けるにあたっては、歯部７ａの先端部の形状を、歯幅が根元部から先端部まで同一としたあった従来構成の歯部の先端形状を変更するだけでよいので、既存の製品に対しても容易に適用できる。

実施の形態２．
　上記実施の形態１では、歯部７ａの先端部と吐出側壁部５ｂａと間に隙間を形成するための構成として、歯部７ａの吐出側側面７ｂの先端部７ｂａの位置が吸込側に寄ることで、歯部７ａの先端側の歯幅が、歯部７ａの根元側の歯幅よりも短い構成とした。これに対し、実施の形態２は、歯部７ａの先端部と吐出側壁部５ｂａと間に隙間を形成するための構成として、実施の形態１とは別の形態を説明するものである。以下、実施の形態１との差異点を中心に説明するものとし、本実施の形態２で説明されていない構成は実施の形態１と同様である。

　図７は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機の要部の概略断面図である。図８は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機のスクリュー溝の溝底を展開した図である。
　実施の形態２では、逆回転時に吐出側壁部５ｂａにおいて歯部７ａの先端部と対向する領域５ｃが、その他の領域よりも吐出側に位置して歯部７ａの先端部と吐出側壁部５ｂａとの間に隙間１３が形成されている。図８において二点鎖線は、吐出側壁部５ｂａにおいて隙間１３を形成していないその他の領域の吐出側壁部５ｂａの位置を示している。

　領域５ｃは、吐出側壁部５ｂａのうち溝底から歯部７ａの厚みに相当し、且つスクリュー溝５ａの溝方向（図８の矢印方向）に延びた領域である。隙間１３の溝方向の長さは、少なくとも、逆回転時に歯部７ａがスクリュー溝５ａに噛み合った状態から噛み合いが外れるまでの間に歯部７ａがスクリュー溝５ａを移動する長さを有する。この隙間１３は、歯部７ａがスクリュー溝５ａに噛み込んでいる間、常に形成される。

―実施の形態２の効果―
　実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
　上記実施の形態２では、隙間１３がスクリュー溝５ａの溝方向に延びて形成されていた。本実施の形態３は隙間１３の溝方向の長さを実施の形態２よりも短くすると共に、その位置を限定したものである。以下、実施の形態２との差異点を中心に説明するものとし、本実施の形態３で説明されていない構成は実施の形態２と同様である。

　図９は、本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機の要部の概略断面図である。図１０は、本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機のスクリュー溝の溝底を展開した図である。
　実施の形態３は、逆回転時に吐出側壁部５ｂａにおいて歯部７ａの先端部と対向する領域、つまり溝方向（図１０の矢印方向）に延びる領域のうちの一部が、その他の領域よりも吐出側に位置して溝幅が吐出側に広がって大きくなっている。一部とは、具体的には、溝方向（図１０の矢印方向）に延びる領域のうち、逆回転時にスクリューロータ５の回転方向の先端側となる端部領域であって、つまり吐出口２ａ（図２参照）に連通する領域である。

　この領域に隙間１３を設けることで、逆回転時に吐出口２ａに連通する領域においてはスクリューロータ５とゲートロータ７との接触、つまりスクリューロータ５の吐出側壁部５ｂａとゲートロータ７の吐出側側面７ｂとの接触が無くなる。よって、ゲートロータ７の先端部がスクリューロータ５の吐出側壁部５ｂａと接触する時間が短くなるため、ゲートロータ７の破損抑制効果を充分に得ることができる。

　また、隙間１３を設ける領域を、スクリュー溝５ａのうち吐出口２ａに連通する領域に絞ることで、隙間１３の溝方向の長さが実施の形態２よりも短くなる。このように、隙間１３の溝方向の長さが短くなることで、正回転時、つまり通常運転時における隙間１３からの冷媒漏れを抑制できる。このため、実施の形態３は、実施の形態１および実施の形態２より通常運転時の性能が向上する。

―実施の形態３の効果―
　実施の形態３によれば、実施の形態２と同様の効果が得られると共に、隙間１３の位置を、実施の形態２に比べて歯部７ａの破損抑制に効果的な箇所、すなわち吐出口２ａに連通する領域に絞ったので、以下の効果が得られる。すなわち、通常運転時における隙間１３からの冷媒漏れを実施の形態１および実施の形態２に比べて抑制できる。このため、実施の形態３は、実施の形態１および実施の形態２より通常運転時の性能が向上する。

　１　スクリュー圧縮機、２　ケーシング、２ａ　吐出口、３　モータ、３ａ　ステータ、３ｂ　モータロータ、４　スクリュー軸、５　スクリューロータ、５ａ　スクリュー溝、５ｂ　壁部、５ｂａ　吐出側壁部、５ｂｂ　吸込側壁部、５ｃ　領域、６　軸受、７　ゲートロータ、７ａ　歯部、７ｂ　吐出側側面、７ｂａ　先端部、７ｃ　吸込側側面、７ｄ　表面、７ｅ　先端面、８　ゲートロータサポート、９　スライドバルブ、９ａ　開口部、１０　圧縮室、１１　吐出室、１２　隙間、１３　隙間、７０　先端部。

Claims (5)

1. 　複数のスクリュー溝が外周面に形成され、一端が流体の吸込側となり他端が吐出側となるスクリューロータと、前記スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯部が外周部に形成されたゲートロータとを備え、前記スクリューロータの回転に伴って前記ゲートロータが回転して前記流体を圧縮するスクリュー圧縮機であって、
   　前記スクリューロータの逆回転時に、前記歯部の先端部と、前記歯部の先端部が噛み合った前記スクリュー溝を形成する吐出側の壁である吐出側壁部と、が対向する領域の少なくとも一部が、非接触構造となっているスクリュー圧縮機。
2. 　前記歯部の先端部と前記吐出側壁部との間に隙間を有し、前記非接触構造が構成されている請求項１記載のスクリュー圧縮機。
3. 　前記歯部において周方向に対向する一対の側面のうち、前記歯部が前記スクリュー溝に噛み合わさった状態で吐出側となる吐出側側面の先端部が、前記先端部以外の部分よりも吸込側に位置しており、前記歯部の先端部の歯幅が、その他の部分よりも短くなっている請求項１または請求項２記載のスクリュー圧縮機。
4. 　逆回転時に前記吐出側壁部において前記歯部の先端部と対向する領域が、その他の領域よりも吐出側に位置して前記スクリュー溝の溝幅が吐出側に広がり、前記歯部の先端部と前記吐出側壁部との間に前記隙間が形成されている請求項１または請求項２記載のスクリュー圧縮機。
5. 　圧縮された前記流体を吐出する吐出口が形成されたケーシングを備え、
   　逆回転時に前記吐出側壁部において前記歯部の先端部と対向する領域のうち、逆回転時の前記スクリューロータの回転方向の先端側であって前記吐出口に連通する領域、がその他の領域よりも吐出側に位置して前記スクリュー溝の溝幅が吐出側に広がり、前記歯部の先端部と前記吐出側壁部との間に前記隙間が形成されている請求項１または請求項２記載のスクリュー圧縮機。

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