(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸、本体ボディ、スクリュー、及びピニオンギヤーを含むシングルスクリューコンプレッサであって、前記スクリューの溝と前記ピニオンギヤーの歯は、両方とも非等幅歯であり、左半分歯の幅は右半分歯の幅より大きいことが非等幅歯と定義され、左右半分歯の境界線は右側の母線に平行し、かつピニオンギヤーの回動中心を通ることを特徴とするシングルスクリューコンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエネルギーを節約できるシングルスクリューコンプレッサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シングルスクリューコンプレッサは１９６０年の発明以来、改善によりいろいろな型に更新され、それに関する技術が熟している。振動及び騒音が小さく且つ信頼性が高いという特長が知られている。シングルスクリューコンプレッサは既に、空気コンプレッサ、加工コンプレッサ、エアコンプレッサ、及び熱ポンプ等の各業種に使用されている。
【０００３】
シングルスクリューコンプレッサにおけるスクリュー及びピニオンギヤーは両方ともＣ型（円柱型）とＰ型（平面型）とを有し、これにより図２に示したＣＣ、ＣＰ、ＰＣ、ＰＰの四つの型のシングルスクリューコンプレッサを構成する。中でもＣＰ型が最も広い範囲で使用され、生産量も最も多くなっている。
【０００４】
従来のＣＰ型のシングルスクリューコンプレッサは、その構造を図１に示しており、１本のスクリュー１と、二つのピニオンギヤー２と、本体６とを備えるものである。通常、スクリューのスレッドは６で、ピニオンギヤーの歯数は１１である。圧縮比が大きいほどスクリューのスレッドが多くなる。
【０００５】
図３はスクリューとピニオンギヤーとの噛み合い状態の局部断面図である。ピニオンギヤーの歯の回転中心線を中心とする左右両側の母線８と回転中心線との距離が等距離であるとする。即ち、左半分の歯と右半分の歯は、その幅が互いに同じである。
【０００６】
図４では、ピニオンギヤーの歯Ａは既にスクリューの溝に入り、溝を閉合（closing）して、吸気工程が完了状態にあり、この時点のピニオンギヤーの歯Ｂは、空気の圧縮途中の状態にあって、この場合に気体の圧力はまだ低いが、ピニオンギヤーの歯Ｃは気体を高圧力へ圧縮して、まもなく排気工程を開始する。この様なコンプレッサは他の種のコンプレッサと比べて、省エネルギー化できない欠点があり、吐出量が少ない場合には適していない。
【０００７】
ＣＰ型のシングルスクリューコンプレッサについては、ほかのパラメーターが変わらない条件で、ピニオンギヤーの直径を適度に大きくすれば、エネルギー容積比（specific energy requirement）を下げることができ、旦つ吐出量を増加することもできる。しかし、ピニオンギヤーの直径を大きくすると共にスクリューの溝を深くしなければならないので、それに伴い歯溝の容積やコンプレッサの吐出量が増大する。
【０００８】
吐出量を変えないためには、スクリューの直径を小さくする必要がある。このため、スクリュー円周の速度が低くなり、潤滑油によるスクリューと本体ボディとの間の粘性せん断損失が小さくなる。また、スクリューの直径が小さくなると共にスクリューの漏れ通路が減少し、コンプレッサの容積効率が高まることにより省エネルギー化を実現できる。しかし、従来の技術ではピニオンギヤーの直径を大きくすることが制限されている。
【０００９】
図５に示すように、スクリューが同時に二つのピニオンギヤーと噛み合っているので、ピニオンギヤー２（ピニオンギヤーの取り付けるベース７も含む）がスクリューの一つの歯溝に入るスペースはその歯溝の半円部分しかない、即ち、≦180°である。ベースの剛性を保証するため、または取り付けやすくするためには、スクリュー断面におけるピニオンギヤーとピニオンギヤーベースとの角度θ1が決まった後に一つ歯溝が占める最大角度θ2は、θ2＝180°−θ1となる。図３において、θ3はピニオンギヤーの最大回転角度である。ピニオンギヤーの歯が歯溝を閉合する溝から脱出するまでのθ３とθ2の関係は、θ3＝θ2×Ｚ1／Ｚ2である。ここで、Ｚ1はスクリューのスレッド、Ｚ2はピニオンギヤーの歯の本数である。図３は、従来の技術条件においてθ3が最大値になる際にピニオンギヤー直径の最大限度になるものを示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すエアコンプレッサ運転状態から次のことが分かる。高圧段階で気体の圧縮工程及び排気工程はスクリュー軸の中心から離れる位置で実行され、圧縮されたエアにより生じたスクリュー軸中心に対するモーメントと、そのモーメントに抵抗するスクリューの必要な仕事が大きいため、コンプレッサが消費するエネルギーが大きい。
【００１１】
それ故に本発明の課題は、省エネルギー効果を持つシングルスクリューコンプレッサを提供することにある。
【００１２】
本発明の他の課題は、主軸、本体ボディ、スクリュー、及びピニオンギヤーより構成され、吐出量が大きい、エネルギー比高い、体積小さい及びベースの剛性良い且つ使用寿命長い等の特長をもつシングルスクリューコンプレッサを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するため手段】
本発明によれば、主軸、本体ボディ、スクリュー、及びピニオンギヤーを含むシングルスクリューコンプレッサであって、前記スクリューの溝と前記ピニオンギヤーの歯は、両方とも非等幅歯であり、左半分歯の幅は右半分歯の幅より大きいことが非等幅歯と定義され、左右半分歯の境界線は右側の母線に平行し、かつピニオンギヤーの回動中心を通ることを特徴とするシングルスクリューコンプレッサが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明のコンプレッサをさらに詳細に説明する。
【００１７】
１．非等幅歯の場合
図６は本発明に係るシングルスクリューコンプレッサのピニオンギヤーの歯型及び最大直径を示す。図６から明らかなように、左半分歯と右半分歯との境界線９は右側の母線８に平行し、かつピニオンギヤー２の回動中心１１を通る。従来の等幅歯と区別するため、ピニオンギヤーの左半分歯の幅が右半分歯の幅より大きいものをここでは非等幅歯と呼ぶ。スクリューの溝もそれに対応する非等幅歯である。
【００１８】
比較しやすいために、ほかのパラメーターが全く同じ場合における従来に使われたピニオンギヤーの歯の形状と非等幅歯の形伏とをそれぞれ図７に示す実線と両点線で表す。図７から分かるように、この２種のピニオンギヤーの最大回転角度が互いに同じである場合、非等幅歯ピニオンギヤーの直径は従来のピニオンギヤーの直径よりΔｄ2だけ大きくなり、スクリュー外形を円柱とすると、Δｄ2は下記の式で計算される。
【００１９】
△ｄ２＝２｛［（ｂ／２−Ｂ１）ｔｇθ４＋｛（ｄ２／２）２−（ｂ／２）２｝１／２］２＋Ｂ１２｝１／２−ｄ２
前記スクリュー外形が変化された時には、非等幅歯ピニオンギヤーを採用することによりピニオンギヤーの直径を増大できるが、ピニオンギヤーの直径増量に対する数学式を直す、または描くことによってピニオンギヤーの直径が求められる。
【００２０】
従来のものと比べて、非等幅歯技術は以下の特徴を有している。
【００２１】
（１）吐出量を大きくし、且つエネルギー比を高めることができる。市販の３０ｋｗのシングルスクリューエアコン用コンプレッサに前記非等幅歯を採用したピニオンギヤーの直径を大きくした結果、吐出量を２０％、エネルギー比を５％向上させることができる。
【００２２】
（２）エネルギー比を高めると共にコンプレッサの体積や重量を減らすことが可能である。また、ピニオンギヤーの直径を増大すると共に吐出量の増大もできる。吐出量が変わらないとすれば、スクリュー直径を小さくする必要がある。従って、エネルギー比を高めると共にコンプレッサの体積や重量を減らすことができる。
【００２３】
（３）吐出量が少ないシングルスクリューコンプレッサの技術発展の促進もできる。シングルスクリューコンプレッサの吐出量が小さくなればなるほどエネルギー消費率が悪化するので、他の機種と競争できない。シングルスクリューエアコン用のコンプレッサに使われている最も小さいモータのパーワは３０ｋｗであるが、前記非等幅歯技術を採用するならばモータのパーワが１５ｋｗであるシングルスクリューエアコン用のコンプレッサを作製できる。
【００２４】
（４）ピニオンギヤーを取り付けるベースの剛性を向上させ、ピニオンギヤーの使用寿命も長くなる。ピニオンギヤーの直径が同じ場合は、非等幅歯ピニオンギヤーのθ3が小さくなり、θ１が大きくなる。このため、べースの高さ及び剛性を増大できると共にピニオンギヤーの使用寿命が長くなる。ピニオンギヤーの直径を大きくする場合は、ピニオンギヤー側面の噛み合い面積が大きくなるにしたがい、ピニオンギヤーの寿命が長くなる。換言すると、ピニオンギヤーの直径を大きくすることができ、同時に剛性を向上させることもできる。
【００２５】
“非等幅歯”と従来のものとの区別は母線の位置を変更することのみによって、ギヤーの左右半分の歯の幅を変更することである。ピニオンギヤーの噛み合い面（側面）はスクリュー歯の共役曲面であり、このギヤー歯の面とスクリュー溝の加工は切削工具の位置を移動するだけで加工できる。
【００２６】
２．閉合角度の増大
図１６に示す角度θ5は閉合角度である。この時点のピニオンギヤーはスクリュー溝に入ったところで、溝を閉合している。従来のものでは、その閉合角度が約60°である。図１６は、θ３が変わらない場合に、θ５よりΔθ分を増やすと、ピニオンギヤーの直径をΔｄ2だけ大きくすることができることを表している。従って、省エネルギー化または叶出量の増大化が可能であり、従来のもの全てに比較し利点を有している。なお、θ5＋Δθの最適値は60°<（θ5＋Δθ）≦66°である。
【００２７】
３．変直径スクリュー
前述したように、従来のＣＰ型コンプレッサにおいて、高圧段階の圧縮と排気はスクリュー軸中心から離れる位置において実行されるので、エネルギー消費が大きい。本発明はこの欠点を無くすために、スクリュー高圧部の直径を小さくし、スクリュー軸の中心に近い位置において高圧段階の圧縮及び排気の工程を実行させる。これによって省エネルギー化を達成できる。
【００２８】
図８〜図ｌ３には、様々な実施の形態を例として示す。図９は、スクリュー高圧部の外形は円錐状面で、低圧部の外形は円柱状面である構造を示し、図８は、スクリュー高圧部と低圧部の外形は全て円錐状面になっている構造を示した。
【００２９】
図８の構造は省エネルギーの立場から考えるとあまり良い構造ではないと考えられる。この場合には、気体の低圧部における圧縮工程はスクリュー軸中心から遠く離れた側で実行されることによりエネルギーの消費が大きく、高圧部における圧縮工程はスクリュー軸中心に近い側で実行されるので、エネルギーの消費が小さい。高圧部の圧力が低圧部よりかなり高いので、エネルギーの増大よりも低減のほうが大きくなり、したがってエネルギー消費総量は低減する。
【００３０】
圧縮比を大きくすればするほどエネルギーの消費が小さくなる。通常で最も使われている排気圧力が０．７Ｍpaのシングルスクリュー空気コンプレッサを例にすると、動力計算により明かなように、非等幅歯を使用する場合は、スクリューの半錐角度を２０°としたときには従来のＣＰ型のものに比べ約８％のエネルギーを節約でき、スクリューの半錐角度を２５°としたときには約１０％のエネルギーを節約できる。但し、半錐角度が大きすぎると、それに対するエネルギーの節約効果がなくなり、スクリューが軸方向に受ける力もまたコンプレッサの体積も著しく増大する。このため、半錐角度が４５°を超えないことが望ましい。従来のＰＰ型シングルスクリューコンプレッサと比べ、約９０°の半錐角度では軸方向の力が小さいので、従来のＰＰ型のように２本スクリューをペアで使用する必要がない。
【００３１】
図１４にはスクリューの高圧部の外形を直径が小さい円柱状面に変更し、また、両円柱状面の間に比較的大きい半円錐角を持つ一部円錐面を有するものを示した。
【００３２】
図１５に、それぞれ高、低圧部におけるピニオンギヤー歯の母線との交点Ａとピニオンギヤーの回転中心Ｏとを結ぶ直線と、低圧部におけるピニオンギヤー歯の母線ABとを互いに垂直にすることを示す。母線ABの長さはピニオンギヤーの寿命に関わり、母線ABが長いほどピニオンギヤーの寿命は長くなる。従って、スクリュー高圧部の直径を小さくした場合は、母線ABを長くするため、及び、なるべく多くのピニオンギヤーが同時に噛み合いできるために、角度θ５を適度に小さくしたほうが良い。
【００３３】
スクリュー溝の形状を維持して外形のみを改良したことにより、スクリューの加工またはコンプレッサに悪い影響を与えない。シングルスクリューコンプレッサの主な特長を維持しながら消費するエネルギーをかなり低減できる。
【００３４】
スクリュー外形の輪郭線は、直線９（図８と図９を参照）、曲線１０（図ｌＯと図１１を参照）、折れ線１１（図１２と図１３を参照）またはこれらの何らかの組み合わせである。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、省エネルギー効果を持つシングルスクリューコンプレッサを提供することができる。
【００３６】
さらに本発明によれば、主軸、本体ボディ、スクリュー、及びピニオンギヤーより構成され、吐出量が大きい、エネルギー比高い、体積小さい及びベースの剛性良い且つ使用寿命長い等の特長をもつシングルスクリューコンプレッサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＣＰ型シングルスクリューコンプレッサの断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、従来の四つの型のシングルスクリューコンプレッサの斜視図である。
【図３】図１に示したピニオンギヤーとスクリューとの噛み合い状態を示す拡大断面図である。
【図４】図１に示したコンプレッサにおける気体の圧縮段階での噛み合い状態を示す拡大断面図である。
【図５】本発明に係る２個のピニオンギヤーがスクリューに同時に噛み合った状態の断面図である。
【図６】本発明のシングルスクリューコンプレッサにおけるピニオンギヤーがスクリューに噛み合った状態の拡大断面図である。
【図７】本発明における非等幅歯と従来の等幅歯との比較図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るシングルスクリューコンプレッサの要部の説明図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るシングルスクリューコンプレッサの要部の説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係るシングルスクリューコンプレッサの要部の説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係るシングルスクリューコンプレッサの要部の説明図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態に係るシングルスクリューコンプレッサの要部の説明図である。
【図１３】本発明の第６の実施の形態に係るシングルスクリューコンプレッサの要部の説明図である。
【図１４】本発明の第７の実施の形態に係るシングルスクリューコンプレッサの要部の説明図である。
【図１５】線OAと低圧部の母線ABとの関係図である。
【図１６】図８〜図１４に係るコンプレッサの閉合角度と従来のコンプレッサの閉合角度との比較図である。
【符号の説明】
１  スクリュー
２  ピニオンギヤー
６  本体
８  母線
９  直線
１０  曲線
１１  折れ線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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