JP2008196390A - 容積変動型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】容積変動型流体機械の大型化を抑制しつつ吸入脈動を低減する。
【解決手段】容積変動型流体機械であるスクリュー式流体機械１０にはルーツ式流体機械３７が組み付けられている。ルーツ式流体機械３７のロータ３３の歯３５は、ヘリカル形状であり、ロータ３３によってポンプ室３１１内に区画された吸入空間Ｈ２の容積は、変動しない。スクリュー式流体機械１０のスクリューロータ２１，２２によってポンプ室２３１内に区画された吸入空間Ｈ１の容積は、変動する。ルーツ式流体機械３７の吐出口３６２とスクリュー式流体機械１０の吸入口２８１とは、導管３８によって連通されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、可動体を収容する収容室内で前記可動体が吸入動作を行なうことにより、前記収容室内の吸入空間に流体が吸入され、前記収容室内で前記可動体が吐出動作を行なうことにより、前記収容室から流体が吐出され、前記吸入空間が容積変動する容積変動型流体機械に関する。

特許文献１，２に開示のスクリュー式流体機械では、ハウジング内に収容された一対のロータが噛み合いながら回転することにより、ハウジングに形成された吸入口に連なるハウジング内の吸入空間に流体が吸入されてハウジング内から流体が吐出される。特許文献２のスクリュー式流体機械では、ハウジング内に吸入された流体がハウジング内で圧縮されながら吸入側から吐出側へ移送され、前記吸入空間が容積変動する。スクロール式圧縮機においても、同様の容積変動が生じる。スクリュー式流体機械、スクロール式圧縮機あるいはピストン式圧縮機といった容積変動型流体機械の吸入空間における容積変動は、吸入脈動を発生させる。容積変動型流体機械が大気から空気を吸入する場合には、吸入脈動が吸気騒音をもたらす。
特開平８−１４４９７７号公報 特開２００６−８３７８３号公報

吸気系側にマフラーやレゾネータを設ければ、吸気騒音を抑制することができるが、マフラーやレゾネータの体格が大きく、容積変動型流体機械全体が大型になってしまう。
本発明は、容積変動型流体機械の大型化を抑制しつつ吸入脈動を低減することを目的とする。

本発明は、可動体を収容する収容室内で前記可動体が吸入動作を行なうことにより、前記収容室内の吸入空間に流体が吸入され、前記収容室内で前記可動体が吐出動作を行なうことにより、前記収容室から流体が吐出され、前記吸入空間が容積変動する容積変動型流体機械を対象とし、請求項１の発明は、前記容積変動型流体機械の前記吸入空間へ流体を送り込むルーツ式流体機械が設けられており、前記ルーツ式流体機械におけるロータハウジング内で噛み合いながら回転する一組のロータの歯は、該ロータの回転軸線の軸線方向にて一方方向に進むにつれて前記回転軸線の周りにて一方方向に捩れてゆくヘリカル形状であることを特徴とする。

ヘリカル形状の歯を有するロータを用いたルーツ式流体機械では、噛み合う一対のロータの間にあってロータハウジングに形成された吸入口に連なる吸入空間における容積が変動しない。吸入空間における容積が変動しない構造では、吸入脈動が非常に小さい。容積変動型流体機械の吸入空間の容積変動によって生じる吸入脈動は、ヘリカル形状のロータを用いたルーツ式流体機械によってルーツ式流体機械の吸入系側への伝達を阻止される。従って、容積変動型流体機械にヘリカル形状のロータを用いたルーツ式流体機械を組み合わせた流体機械では、吸入脈動が実質的に低減される。

好適な例では、前記容積変動型流体機械は、一組の可動体を前記収容室内で噛み合わせながら回転させることにより、前記吸入空間に流体を吸入して前記ロータハウジング内から流体を吐出する。

好適な例では、前記容積変動型流体機械における一対の前記可動体の一方と、前記ルーツ式流体機械における一対のロータの一方とは、駆動軸に連結されており、前記容積変動型流体機械における一対の前記可動体の他方と、前記ルーツ式流体機械における前記一対のロータの他方とは、従動軸に連結されている。

駆動軸を共有する構成は、容積変動型流体機械にルーツ式流体機械を組み合わせた流体機械全体の大型化抑制に有利である。
好適な例では、前記容積変動型流体機械は、前記収容室内で流体を圧縮する。

好適な例では、収容室内で流体を圧縮する前記容積変動型流体機械は、前記収容室内で噛み合わせながら回転する一組のスクリューロータを備えたスクリュー式流体機械である。

本発明は、容積変動型流体機械の大型化を抑制しつつ吸入脈動を低減することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明をスクリュー式流体機械に具体化した第１の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１に示すように、フロントハウジング１１の後端には隔壁１２が連結されており、隔壁１２には電動モータＭがギヤハウジング１３を介して連結されている。フロントハウジング１１、隔壁１２、ギヤハウジング１３及び電動モータＭのハウジングＭ１は、スクリュー式流体機械１０のハウジングを構成する。

隔壁１２には軸孔１２１が貫設されており、フロントハウジング１１の端壁１４には軸孔１４１が貫設されている。フロントハウジング１１の端壁１４と隔壁１２とには電動モータＭの回転軸１５が軸孔１２１，１４１に嵌め込まれたラジアルベアリング１６，１７を介して回転可能に支持されている。同様に、隔壁１２には軸孔１２２が貫設されており、フロントハウジング１１の端壁１４には軸孔１４２が貫設されている。軸孔１２２，１４２には回転軸１８が挿通されている。フロントハウジング１１の端壁１４と隔壁１２とには回転軸１８が軸孔１２２，１４２に嵌め込まれたラジアルベアリング１９，２０を介して回転可能に支持されている。回転軸１５，１８は互いに平行に配置されている。２９，３０は、リップシール型の軸封装置である。

回転軸１５にはスクリューロータ２１が固定されており、回転軸１８にはスクリューロータ２２が固定されている。可動体としてのスクリューロータ２１，２２は、僅かの隙間を保って互いに噛合した状態でポンプ室２３１に収容されている。フロントハウジング１１及び隔壁１２は、収容室としてのポンプ室２３１を形成するロータハウジング２３を構成する。

スクリューロータ２１，２２の螺旋歯２４，２５の幅Ｗ１，Ｗ２は、フロントハウジング１１の端壁１４側から隔壁１２側に向かうにつれて、徐々に小さくなってゆく。スクリューロータ２１の螺旋歯２４のスクリューピッチｐ１は、フロントハウジング１１の端壁１４側から隔壁１２側に向かうにつれて、徐々に小さくなってゆき、スクリューロータ２２の螺旋歯２５のスクリューピッチｐ２は、フロントハウジング１１の端壁１４側から隔壁１２側に向かうにつれて、徐々に小さくなってゆく。フロントハウジング１１の周壁２８と螺旋歯２４，２５との間、及びスクリューロータ２１，２２間には僅かなクリアランスが設けられている。

図２（ａ）に示すように、フロントハウジング１１の周壁２８には吸入口２８１がスクリューロータ２２の一端側（スクリューピッチｐ２が最大となる側）に対応するように設けられており、周壁２８には吐出口２８２がスクリューロータ２２の他端側（スクリューピッチｐ２が最小となる側）に対応するように設けられている。図２（ｂ）に示すように、スクリューロータ２１，２２は、吸入口２８１に連通する吸入空間Ｈ１をポンプ室２３１内に区画する。吸入空間Ｈ１の容積は、スクリューロータ２１，２２の回転に伴って変動する。スクリュー式流体機械１０は、吸入空間Ｈ１が容積変動する容積変動型流体機械である。

図１に示すように、回転軸１８は、隔壁１２を貫通してギヤハウジング１３内に突出しており、ギヤハウジング１３内の回転軸１５，１８には歯車２６，２７が互いに噛合した状態で止着されている。電動モータＭが駆動されると、回転軸１５は、矢印Ｒ１の方向に回転し、スクリューロータ２１が回転軸１５と一体的に矢印Ｒ１の方向に回転する。回転軸１８は、歯車２６，２７を介して電動モータＭから駆動力を得ている。回転軸１８は、矢印Ｒ２で示すように回転軸１５とは逆方向に回転し、スクリューロータ２２が回転軸１８と一体的に矢印Ｒ２の方向に回転する。

フロントハウジング１１の端壁１４にはロータハウジング３１が連結されており、回転軸１５，１８は、フロントハウジング１１の端壁１４を貫通してロータハウジング３１内に突入している。ロータハウジング３１内の回転軸１５にはロータ３２が固定されており、回転軸１８にはロータ３３が固定されている。ロータ３２，３３は、僅かの隙間を保って互いに噛合した状態でポンプ室３１１に収容されている。ロータハウジング３１及びフロントハウジング１１の端壁１４は、ポンプ室３１１を形成する。

図３に示すように、ロータ３２，３３は、回転軸１５，１８の半径方向へ突出する３つの歯３４，３５を有する。ロータ３２の３つの歯３４は、回転軸１５の回転軸線１５１を中心とした１２０°の等角度間隔で配設されており、ロータ３２は、回転軸線１５１を中心とした１２０°の回転対称形状をしている。同様に、ロータ３３の３つの歯３５は、回転軸１８の回転軸線１８１を中心とした１２０°の等角度間隔で配設されており、ロータ３３は、回転軸線１８１を中心とした１２０°の回転対称形状をしている。

図４（ａ）に示すように、歯３４は、ロータ３２の回転軸線（つまり、回転軸１５の回転軸線１５１）を中心にして右回りにヘリカルに捩られたヘリカル形状に形成されている。図４（ｂ）に示すように、歯３５は、ロータ３３の回転軸線（つまり、回転軸１８の回転軸線１８１）を中心にして左回りにヘリカルに捩られたヘリカル形状に形成されている。つまり、ロータ３２，３３の歯３４，３５は、回転軸線１５１，１８１の軸線方向にて一方方向に進むにつれて回転軸線１５１，１８１の周りにて一方方向に捩れてゆくヘリカル形状に形成されている。

図３に示すように、ロータハウジング３１の周壁３６には吸入口３６１及び吐出口３６２がポンプ室３１１に連通するように形成されている。ロータ３２，３３は、吸入口３６１に連通する吸入空間Ｈ２をポンプ室３１１内に区画する。回転軸１５，１８、ロータハウジング３１及びロータ３２，３３は、ルーツ式流体機械３７を構成する。

容積変動型流体機械であるスクリュー式流体機械１０における一対のスクリューロータ２１，２２の一方のスクリューロータ２１と、ルーツ式流体機械３７における一対のロータ３２，３３の一方のロータ３２とは、駆動軸としての回転軸１５に連結されている。又、スクリュー式流体機械１０における一対のスクリューロータ２１，２２の他方のスクリューロータ２２と、ルーツ式流体機械３７における一対のロータ３２，３３の他方のロータ３３とは、従動軸としての回転軸１８に連結されている。

ルーツ式流体機械３７の吐出口３６２とスクリュー式流体機械１０の吸入口２８１とは、導管３８によって連通されている。電動モータＭが作動すると、回転軸１５が矢印Ｒ１の方向に回転すると共に、回転軸１８が矢印Ｒ２の方向へ回転し、スクリューロータ２１，２２及びロータ３２，３３が回転軸１５，１８と一体的に回転する。ロータ３２，３３の回転に伴い、吸入口３６１から流体（本実施形態では空気）が吸入空間Ｈ２へ吸入される。吸入空間Ｈ２へ吸入された空気は、吐出口３６２側へ移行し、吐出口３６２側へ移行した空気は、吐出口３６２から導管３８へ吐出される。

導管３８内の空気は、スクリューロータ２１，２２の回転によって吸入空間Ｈ１へ吸入される。吸入空間Ｈ１へ吸入された空気は、圧縮されながら吸入口２８１側から吐出口２８２側へ移行し、吐出口２８２側へ移行した空気は、吐出口２８２から吐出される。スクリューロータ２１，２２の回転は、吸入空間Ｈ１に空気を吸入する吸入動作であり、且つポンプ室２３１から空気を吐出する吐出動作である。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）スクリュー式流体機械１０のロータハウジング２３の内部で圧縮が行われるスクリュー式流体機械１０では、その吸入空間Ｈ１の容積は変動し、この容積変動によって吸入脈動が生じる。容積変動型流体機械であるスクリュー式流体機械１０の吸入空間Ｈ１の容積変動によって生じる吸入脈動は、導管３８を経由してルーツ式流体機械３７の吐出口３６２側へ波及する。しかし、この吸入脈動がルーツ式流体機械３７のロータ３２，３３間や、ロータ３２，３３とロータハウジング３１との間を通過することはない。つまり、ルーツ式流体機械３７は、スクリュー式流体機械１０によって生じた吸入脈動をルーツ式流体機械３７の吸入系（吸入口３６１）側への波及を遮断する。

又、ヘリカル形状のロータ３２，３３を用いたルーツ式流体機械３７では、噛み合う一対のロータ３２，３３の間にあってロータハウジング３１に形成された吸入口３６１に連なる吸入空間Ｈ２における容積が変動しない。吸入空間Ｈ２における容積が変動しない構造では、吸入脈動が非常に小さい。

従って、容積変動型流体機械であるスクリュー式流体機械１０にヘリカル形状のロータ３２，３３を用いたルーツ式流体機械３７を組み合わせた流体機械では、ルーツ式流体機械３７の吸入系へ波及する吸入脈動が非常に小さい。

（２）ルーツ式流体機械３７を用いた本実施形態の容積変動型流体機械は、体格が大きいマフラーやレゾネータを用いる場合に比べ、小型にできる。
（３）スクリュー式流体機械１０は、小型にも関わらず、高い効率で高圧・大流量の圧縮流体を吐出できるという特徴を有する。このようなスクリュー式流体機械１０にルーツ式流体機械３７を組み付けた流体機械は、吸入脈動を抑制しつつ小型・高効率を達成できるという優れた効果を奏する。

（４）スクリュー式流体機械１０のスクリューロータ２１の駆動軸とルーツ式流体機械３７のロータ３２の駆動軸として回転軸１５を共有すると共に、スクリュー式流体機械１０のスクリューロータ２２の駆動軸とルーツ式流体機械３７のロータ３３の駆動軸として回転軸１８を共有する構成は、スクリュー式流体機械１０にルーツ式流体機械３７を組み合わせた流体機械全体の大型化抑制に有利である。

次に、スクロール式流体機械に本発明を具体化した図５の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。
スクロール式流体機械３９を構成する可動スクロール４０は、スクロール式流体機械３９を構成する固定スクロール４４内の収容室４４１に旋回可能に収容されている。可動体としての可動スクロール４０は、電動モータ４１の駆動軸４２の回転によって旋回し、吸入口４３に連通する吸入空間Ｈ３が容積変動する。又、可動スクロール４０と固定スクロール４４との係合によって圧縮室４５が形成され、可動スクロール４０の旋回に伴って圧縮室４５は、スクロール式流体機械３９の内周側へ移動すると共に、容積減少し、吸入空間Ｈ３を介して取り込んだ空気を徐々に圧縮する。可動スクロール４０の旋回は、吸入空間Ｈ３に空気を吸入する吸入動作であり、且つ収容室４４１から空気を吐出する吐出動作である。

電動モータ４１のハウジング４１１にはルーツ式流体機械３７Ａが組み付けられている。ルーツ式流体機械３７Ａは、ロータハウジング３１Ａ内のポンプ室３１１に収容されたロータ３２，３３を備えており、ロータ３２，３３は、回転軸４６，４７に止着されている。回転軸４６は、ラジアルベアリング４８，４９を介して隔壁５２とロータハウジング３１Ａとに回転可能に支持されており、回転軸４７は、ラジアルベアリング５０，５１を介して隔壁５２とロータハウジング３１Ａとに回転可能に支持されている。回転軸４６は、隔壁５２に連結されたギヤハウジング５３を貫通して電動モータ４１のハウジング４１１内に突入しており、駆動軸４２が回転軸４６に連結されている。

ギヤハウジング５３内には歯車２６，２７が収容されている。歯車２６は、ギヤハウジング５３内で回転軸４６に止着されており、歯車２７は、ギヤハウジング５３内で歯車２６に噛合した状態で回転軸４７に止着されている。電動モータ４１が駆動されると、駆動軸４２及び回転軸４６は、矢印Ｒ１の方向に回転し、ロータ３２が駆動軸４２及び回転軸４６と一体的に回転軸線４６１の周りに矢印Ｒ１の方向に回転する。回転軸４７は、歯車２６，２７を介して電動モータ４１から駆動力を得ている。回転軸４７は、矢印Ｒ２で示すように回転軸４６とは逆方向に回転し、ロータ３３が回転軸４７と一体的に回転軸線４７１の周りに矢印Ｒ２の方向に回転する。

ロータ３２，３３の回転に伴ってルーツ式流体機械３７Ａの吐出口３６２から吐出された空気は、導管３８を介してスクロール式流体機械３９の吸入口４３へ送られて吸入空間Ｈ３及び圧縮室４５へ吸入される。圧縮室４５内の空気は、圧縮室４５の容積減少に伴って圧縮され、吐出口５４から吐出弁５５を押し退けて吐出室５６へ吐出される。吸入空間Ｈ３が容積変動するスクロール式流体機械３９では、吸入脈動が生じるが、この吸入脈動は、ルーツ式流体機械３７Ａの存在によって、ルーツ式流体機械３７Ａの吸入系側への波及を遮断される。

次に、ベーン式流体機械に本発明を具体化した図６の第３の実施形態を説明する。第２の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。
図６（ａ）に示すように、互いに接合されたフロントハウジング５７及びリヤハウジング５８内には楕円の貫通孔をもつシリンダ５９が収容固定されている。シリンダ５９の両端開口をフロントサイドプレート６０とリヤサイドプレート６１とで挟み込むことにより横断面が楕円形状のロータ室６２が形成されている。両サイドプレート６０，６１に形成された軸孔６３，６４には駆動軸６５が回転自在に支持されており、駆動軸６５には横断面形状が円形のロータ６６がロータ室６２内に収容されるように固定されている。図６（ｂ）に示すように、ロータ６６には複数のベーン溝６７が形成され、各ベーン溝６７にはベーン６８がロータ６６の外周面から出入り可能に保持されている。ロータ６６は、収容室としてのロータ室６２に収容された可動体である。

図６（ａ）に示すように、リヤハウジング５８とリヤサイドプレート６１との間には油分離室７０が形成されており、油分離室７０には吐出室７２が連通されている。油分離室７０は、分離した油をその下部に貯えられる構造となっている。油分離室７０内の油は、吐出室７２内の圧力によって、ベーン溝６７に供給され、この供給油圧によってベーン６８の先端がシリンダ５９の内周面に押し付けられるようになっている。その結果、隣り合う２枚のベーン６８、ロータ６６の外周面、シリンダ５９の内周面及び両サイドプレート６０，６１の内端面によって囲まれる複数の圧縮室６９、及び吸入通路７３に連通する吸入空間Ｈ４がロータ室６２に区画形成される。圧縮室６９は、所定の回転角位置において吐出口７１を介して吐出室７２と連通される。

駆動軸６５及びロータ６６は一体的に回転し、ロータ６６が回転することにより、吸入通路７３内の空気が吸入空間Ｈ４内へ吸入されると共に、さらなるロータ６６の回転により、２枚のベーン６８間に圧縮室６９を区画形成し、圧縮室６９が容積変動を起こして圧縮仕事が行われる。圧縮室６９で圧縮された空気は、吐出口７１から吐出弁７５を押し退けて吐出室７２へ吐出される。ロータ６６の回転は、吸入空間Ｈ４に空気を吸入する吸入動作であり、且つロータ室６２から空気を吐出する吐出動作である。

このように構成されているベーン式流体機械７４にはルーツ式流体機械３７Ａが組み付けられている。ルーツ式流体機械３７Ａの回転軸４６は、ベーン式流体機械７４の駆動軸６５に連結されており、駆動軸６５と回転軸４６とは、一体的に回転する。ルーツ式流体機械３７Ａの吐出口３６２から吐出される空気は、導管３８を介してベーン式流体機械７４の吸入通路７３へ送られる。

吸入空間Ｈ４が容積変動するベーン式流体機械７４では、吸入脈動が生じるが、この吸入脈動は、ルーツ式流体機械３７Ａの存在によって、ルーツ式流体機械３７Ａの吸入系側への波及を遮断される。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○第１の実施形態において、スクリュー式流体機械１０の電動モータＭとは別の電動モータでルーツ式流体機械３７を駆動するようにしてもよい。この場合、ルーツ式流体機械３７がスクリュー式流体機械１０に組み付けられていてもよいし、ルーツ式流体機械３７がスクリュー式流体機械１０から分離されていてもよい。

○ピストンによってシリンダボア内に区画される吸入空間の容積が変動するピストン式圧縮機に本発明を適用してもよい。
○４つ以上の歯、又は２つの歯を有するロータを備えたルーツ式流体機械を用いてもよい。

第１の実施形態を示す平断面図。 （ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図。（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 図２（ａ）のＣ−Ｃ線断面図。 （ａ），（ｂ）はロータの側面図。 第２の実施形態を示す平断面図。 第３の実施形態を示し、（ａ）は平断面図。（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ線断面図。

符号の説明

１０…容積変動型流体機械としてのスクリュー式流体機械。１５…駆動軸としての回転軸。１８…従動軸としての回転軸。１５１，１８１，４６１，４７１…回転軸線。２１，２２…スクリューロータ。２３１…収容室としてのポンプ室。４４１…収容室。３１，３１Ａ…ロータハウジング。３２，３３…ロータ。３４，３５…歯。３７，３７Ａ…ルーツ式流体機械。３９…スクロール型流体機械。４０…可動体としての可動スクロール。
６２…収容室としてのロータ室。６６…可動体としてのロータ。７４…ベーン式流体機械。Ｈ１，Ｈ３，Ｈ４…吸入空間。

Claims (5)

1. 可動体を収容する収容室内で前記可動体が吸入動作を行なうことにより、前記収容室内の吸入空間に流体が吸入され、前記収容室内で前記可動体が吐出動作を行なうことにより、前記収容室から流体が吐出され、前記吸入空間が容積変動する容積変動型流体機械において、
   前記容積変動型流体機械の前記吸入空間へ流体を送り込むルーツ式流体機械が設けられており、前記ルーツ式流体機械におけるロータハウジング内で噛み合いながら回転する一組のロータの歯は、該ロータの回転軸線の軸線方向にて一方方向に進むにつれて前記回転軸線の周りにて一方方向に捩れてゆくヘリカル形状である容積変動型流体機械。
2. 前記容積変動型流体機械は、一組の可動体を前記収容室内で噛み合わせながら回転させることにより、前記吸入空間に流体を吸入して前記ロータハウジング内から流体を吐出する請求項１に記載の容積変動型流体機械。
3. 前記容積変動型流体機械における一対の前記可動体の一方と、前記ルーツ式流体機械における一対のロータの一方とは、駆動軸に連結されており、前記容積変動型流体機械における一対の前記可動体の他方と、前記ルーツ式流体機械における前記一対のロータの他方とは、従動軸に連結されている請求項２に記載の容積変動型流体機械。
4. 前記容積変動型流体機械は、前記収容室内で流体を圧縮する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の容積変動型流体機械。
5. 前記容積変動型流体機械は、前記収容室内で噛み合わせながら回転する一組のスクリューロータを備えたスクリュー式流体機械である請求項４に記載の容積変動型流体機械。

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