技术领域
[0001] 本
发明涉及压缩空气和制冷气体等气体的
螺杆压缩机，特别涉及在压缩过程中向装入有被压缩气体的工作室中注入油的方式的油冷式螺杆压缩机中的、适合于通过圆滑地将油排出后使
转子旋转并降低转矩来提高效率并实现高性能的齿形。
背景技术
[0002] 螺杆压缩机广泛应用为空气压源的空气压缩机和比较大规模的冷冻
空调循环用制冷
气体压缩机。其中，被称为该螺杆压缩机的心脏部的螺杆转子的几何形状，对于性能和振动噪声、可靠性具有大的影响。特别是被定义为转子的轴直
角截面的轮廓形状的齿形是重要的特性决定因素，历来被进行各种各样的研究，被提案、检验、实施有各种齿形。
[0003] 例如，在日本特开2009-243325号
公报(
专利文献1)中，公开有一种齿形，通过在齿形的特定
位置使用中心位于渐开曲线或
节圆上的圆弧等，来减小振动噪声，实现高性能。此外，在日本特开2007-146659号公报(专利文献2)中，公开有一种在阳转子的齿顶设置外周圆弧，减少来自阳齿顶与壳体的腔室面之间的
泄漏的方法。
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1：日本特开2009-243325号公报
[0007] 专利文献2：日本特开2007-146659号公报
发明内容
[0008] 发明要解决的问题
[0009] 专利文献1的目的在于减少内部泄漏、维持低噪声。此外，专利文献2的目的在于增加油的密封效果。
[0010] 但是，关于油冷式螺杆压缩机的能效提高的意义上的高性能化，根据螺杆压缩机的转子的齿形的最新研究成果可知，作为性能低的主因之一，与油的排出阻
力有关。关于这些齿形与油的排出阻力的关系，在专利文献1和2中未加说明。
[0011] 油冷式螺杆压缩机在被压缩气体的压缩过程中向工作室内注入油。该油具有3个功能。一是作为帮助通过阴阳转子间的
接触来进行的旋转传递的
润滑剂的功能，二是作为填充转子间的间隙，减少被压缩气体的内部泄漏的
密封剂的功能，三是作为因压缩而成为高温的被压缩气体的冷却剂的功能。油因为具有这些有用的方面所以被广泛使用，但其
密度、
粘度是被压缩气体的几百至几千倍。因此，在从小的截面积通过时，会产生比被压缩气体高出数量级的阻力。此处，成为油通过的最小截面积的流路是工作室即将消失之前的排出端口的开口部。
[0012] 还有一个重要的现象。螺杆压缩机的工作原理是通过使两个转子旋转而使工作室在轴向上移动。在工作室内混合存在被压缩气体和油，不过它们并非均匀地分布，而是密度大的油容易在后侧的角落积存。因此，在压缩完成而排出端口打开时，处于前侧的被压缩气体会先排出，而油容易剩到最后。
[0013] 在工作室即将消失之前，工作室中剩余的
流体的大部分为油，排出端口的开口面积变小，因此排出阻力变得非常大。虽然排出阻力大，但是工作室容积小，因此工作室内压会变高。该高压作用于转子的
齿面，成为使得用于驱动转子的转矩增加的原因。
[0014] 该现象按转子的
啮合周期，在每次工作室即将消失之前的时间产生，因此导致螺杆压缩机的驱动转矩的增加，在电动的情况下使
电动机的消耗电力增加。即，油的排出阻力会引起多余的
能量消耗，成为性能下降的原因之一。
[0015] 鉴于上述情况，本发明的油冷式螺杆压缩机的目的在于，通过减少油的排出阻力来降低转子的驱动阻力，提高能效即性能。
[0016] 用于解决问题的方式
[0017] 为了解决上述问题，本发明列举一例为：一种油冷式螺杆压缩机，其包括：螺杆转子，其具有绕平行的两个轴以相互啮合的方式旋转且分别具有扭转的齿的一对阳转子和阴转子，在上述阳转子的与轴垂直的截面，上述阳转子的齿的大部分位于以上述阳转子的轴为中心的阳节圆的外侧，在上述阴转子的与轴垂直的截面，上述阴转子的齿的大部分位于以上述阴转子的轴为中心的阴节圆的内侧；和壳体，其具有用于收纳上述一对阳转子和阴转子的由一部分重叠且长度相同的2个圆筒孔构成的腔室，并且该腔室的端面为隔着间隙与上述一对阳转子和阴转子的端面平行地相对的腔室端面，在上述壳体设置有注油口，上述注油口与由啮合的上述一对阳转子和阴转子的
齿槽和收纳它们的上述腔室围成的工作室的至少1处连通，并且在上述腔室端面设置有作为将与被压缩气体一起注入的油排出的排出端口的开口部，上述螺杆转子的与轴垂直的截面上的表示该螺杆转子的轮廓形状的齿形曲线，在上述阳转子的为最大半径的区间具有有限的长度，该最大半径的区间为圆弧，其中心与上述阳转子齿形的中心一致，在上述阴转子的为最小半径的区间具有有限的长度，该最小半径的区间为圆弧，其中心与上述阴转子齿形的中心一致，上述阳转子的作为有限区间的圆弧的开度角与上述阴转子的作为有限区间的圆弧的开度角之比等于上述阴转子的齿数与上述阳转子的齿数之比，上述排出端口的排出侧腔室端面上的轮廓形状为，以将作为上述一对阳转子和阴转子的轴的各自的旋转中心连结起来的线段上上述阳转子的齿顶通过的位置为基点，从该基点向上述阳转子侧延伸的轮廓线位于使与上述基点对峙的上述阳转子的齿顶逆向旋转时的轨迹线上或者相比该轨迹线靠近上述阳转子齿形的中心，从上述基点向上述阴转子侧延伸的轮廓线位于使上述阴转子的齿底逆向旋转时的轨迹线上或者相比该轨迹线靠近上述阴转子齿形的中心。
[0018] 发明的效果
[0019] 根据本发明，能够提供通过减小油的排出阻力来降低驱动转子的转矩从而提高能效的油冷式螺杆压缩机。
附图说明
[0020] 图1是本
实施例的油冷式螺杆压缩机的转子的齿形以及排出端口的轮廓图。
[0021] 图2是本实施例的油冷式螺杆压缩机的转子的与轴成直角的截面图。
[0022] 图3是表示在本实施例的转子间形成的
密封线和工作室的透视侧面图。
[0023] 图4是表示本实施例的即将完成排出之前的工作室的排出端面图。
[0024] 图5是表示基于专利文献1的即将完成排出之前的工作室的排出端面图。
[0025] 图6是本实施例的按时间移动的工作室的截面示意图。
[0026] 图7是基于专利文献1的按时间移动的工作室的截面示意图。
具体实施方式
[0027] 实施例
[0028] 使用图1～图6对本发明的一个实施例进行说明。图1是阴阳转子的齿形的放大图，图2是压缩机的截面图。由图2可知，在本实施例中，阳转子1的齿数Zm为4个，阴转子2的齿数Zf为6个。
[0029] 油冷式螺杆压缩机包括：螺杆转子，其具有绕平行的两个轴相互啮合地旋转，分别具有扭转的齿的一对阳转子1和阴转子2，在阳转子1的与轴垂直的截面，阳转子1的齿的大部分位于以阳转子1的轴为中心的阳节圆的外侧，在阴转子2的与轴垂直的截面，阴转子2的齿的大部分位于以阴转子2的轴为中心的阴节圆的内侧；和壳体3，其具有用于收纳一对转子的由一部分重叠且长度相同的2个圆筒孔构成的腔室4，并且该腔室4的端面为隔着微小间隙与一对转子的端面平行地面对的腔室端面，在壳体3设置有注油口7，其与由啮合的一对转子的齿槽和收纳它们的腔室4围成的工作室的至少1处连通，并且在腔室端面设置有将与被压缩气体一起注入的油排出的排出端口。此处，阳节圆和阴节圆是指，将连结阳转子的旋转中心与阴转子的旋转中心的线段按阳转子的齿数与阴转子的齿数之比内分，将由此得到的点称为
节点(
齿轮啮合节点)P，将以从阳转子的旋转中心至节点P的距离为半径的圆称为阳节圆，将以从阴转子的旋转中心至节点P的距离为半径的圆称为阴节圆。
[0030] 阳转子1与阴转子2在各个圆筒孔中啮合并旋转。阳转子1与阴转子2的啮合部分在几何学上以理论上间隙为0的方式设计齿形，而且以能够容许热
变形和气压变形、振动和加工误差的方式设定适当的间隙，与之相应地减少厚度来制作。本发明的本质与间隙的设定方法并不直接相关，因此间隙的存在虽然加以考察，但是在本实施例中说明的齿形为几何设计上的齿形，按间隙为0进行说明。因而，即使在文中称为“接触”在实际上的齿形间也多为存在微小的间隙的情况。
[0031] 关于设置螺杆压缩机的朝向，还考虑与图2所示的朝向不同，令两个转子(阳转子1和阴转子2)为纵向、令旋
转轴为铅垂方向，或将阴阳的轴上下配置或者将阴阳换位、上下颠倒的方法。但是，如在本实施例中比较多地实施的那样，按如图1及图2所示那样设置阴阳转子的情况进行说明。此外，转子的扭转方向也可以逆向。因而，本实施例中使用的上下的朝向和转子的旋转方向是遵循本实施例的配置而非遵循普遍的情况的方向。
[0032] 在图1中，着眼于阳转子1的齿形与阴转子2的齿形的1个齿，以阴影表示其范围。阳转子1顺
时针旋转，阴转子2逆时针旋转。在图1中阳转子1的后齿
顶点11与阴转子2的后齿底点21接触，以此时的两个转子的旋转角度为基准即旋转角度为0度。在阳转子1的齿形曲线中，该后齿顶点11的旋转半径最大，保持该最大半径地到达前齿顶点12。因而，该后齿顶点11与前齿顶点12之间的区间成为称为
齿顶圆的圆弧，其中心与阳转子的旋转中心13一致。
在本实施例中，令该齿顶弧的开度角θm＝6度。同样，在阴转子2的齿形曲线中，后齿底点21的旋转半径最小，保持该最小半径地到达前齿底点22。因而，这些后齿底点21与前齿底点22之间的区间成为称为齿底圆的圆弧，其中心与阴转子的旋转中心23一致。令该齿底弧的开度角θf＝4度。
[0033] 通过使得这些阴阳转子的开度角和齿数满足以下的式(1)，实现阴阳的连续的啮合。
[0034] θm︰θf＝Zf︰Zm……(1)
[0035] 相比阳转子1的后齿顶点11位于后侧(齿形的前后是指相对于旋转方向的前后)的曲线不是本发明的本质的内容，因此直接使用专利文献1的齿形的后进面。相比前齿顶点12位于前侧的曲线也直接使用专利文献1的前进面。不过，在使阳转子1的齿形自基准逆向旋转6度而使旋转角成为负6度，前齿顶点12处于连结阴阳转子的旋转中心23、13的线段上时，成为从前齿顶点12在前侧连接专利文献1的前进面的曲线的形状。由此，在前齿顶点12能够形成圆滑而连续的齿形。
[0036] 相比阴转子2的后齿底点21位于后方的曲线也直接使用专利文献1的阴的后进面的齿形曲线，相比前齿底点22位于前侧的曲线也直接使用专利文献1的阴的前进面的齿形曲线。关于前侧，与阳转子1同样，在使阴转子自基准逆向旋转4度而使前齿底点22处于位于连结阴阳转子的旋转中心23、13的线上的位置时，成为从前齿底点22在前侧连接专利文献1的前进面的曲线的形状。
[0037] 现有的阴转子的齿形除专利文献2的齿形以外由在齿的两端靠近齿顶的部分成为凸的曲线、被该两端的曲线夹着的中央附近成为凹形的曲线构成。与此相对，作为本实施例的阴转子2的齿形的特征，列举处于齿形的中央附近的齿底圆的区间21～22成为凸形，因此其两侧成为凹形，成为其更外侧的两个端部成为凸形的例子。
[0038] 使排出端口6的轮廓线形状符合齿形。该轮廓线的内侧为作为排出端口在排出侧腔室端面开口形成的开口部。由将阳转子的旋转中心13与阴转子的旋转中心23连结起来的线段分为作为旋转方向和逆向旋转方向的上半区域和下半区域，排出端口6在下半区域开口形成。在两个转子处于基准位置0度时，阳的后齿顶点11与阴的后齿底点21接触，以与该接触点对峙的位置为排出端口6的轮廓线的基点。另外，“对峙”是指处于隔着转子端面与腔室端面之间的间隙而接近的位置，在图1、图2中，后齿顶点11、后齿底点21与基点三者看起来重叠于同一点。
[0039] 从基点向右侧延伸的轮廓线与使阳转子1从基准位置进行逆向旋转时后齿顶点11行进的轨迹一致。或者为自该轨迹稍稍例如阳转子半径的3％以内、移向阳转子的旋转中心13的线。同样，基点左侧为使阴转子2从基准位置进行逆向旋转时后齿底点21行进的轨迹或者自该轨迹稍稍例如阴转子半径的3％以内、靠近阴转子的旋转中心23。因而，在基点的正下方，左右的线相接近，其宽度为加工排出端口6的端
铣刀等工具的宽度左右。
[0040] 无论是现有的齿形还是本实施例的齿形，均在使三维立体的阳转子1与阴转子2啮合时两个转子沿1个连续的线接触。将该线称为密封线，呈三维弯曲形状，具有区划在转子的上侧形成的工作室与在下侧形成的工作室的作用。该密封线因为在两个转子之间形成所以本不能看见，不过在图3表示从图2的右侧看时，透视位于跟前侧的阳转子而示意地表示阴转子的透视侧面图。在阳转子1的表面描绘密封线30。另外，在图3看见的壳体3的截面并不是1个平面，而以使得本发明的原理和特征容易理解的方式权宜地将多个截面连接起来地表示。
[0041] 螺杆压缩机的工作室31～37与阴阳两个转子的齿槽逐个连通，利用作为壳体内面的腔室4堵塞外周以及端面地形成。当使转子旋转时，工作室沿轴向从吸入侧的端部向排出侧的端部平行移动。通过平行移动，工作室内容积逐渐变小，因此内部的被压缩气体被压缩。在升压至规定的压力后与在排出侧的腔室端开口形成的贯通穴的排出端口6连通，将被压缩气体然后将油排出至腔室外。当工作室的后端到达排出端时，内部容积成为0，排出结束。工作室的后端附近的形状由转子的齿形决定。本实施例的转子的工作室为上半区域先消失、下半区域剩到最后的形状。
[0042] 密封线30的形状由齿形决定，不过本实施例的密封线中具有特征的是工作室后端的形状。密封线30呈弯曲形状，延伸至向右下方伸长的密封线下的部分41成为边界，具有区划左右工作室(例如工作室35和36)的作用。即，延伸至密封线下的部分41在从转子侧面透视工作室的轮廓时成为相对于上半区域、下半区域延伸至吸入侧的形状。在区划成的各个工作室的后端(在图3中为左端)，如由圆圈示出的那样形成有密封线的台阶43。该台阶43正是本发明的齿形所要形成的。
[0043] 台阶的右侧为前齿顶点12与前齿底点22接触的位置，此时前进面的固定的范围同时接触，因此在图3中成为自接触点向上垂直地延伸的密封线变得垂直的部分44。当从此处继续啮合时，阳的齿顶弧上的1点与阴的齿底弧上的1点继续接触，这在图3中成为形成台阶的密封线变得
水平的部分45。由于转子的齿扭转，所以在相同的轴直角截面因转子旋转而产生的截面形状以沿轴向向左移动后的截面呈现。当旋转继续进行或者在图3中以左侧的截面观看时，成为后齿顶点11与后齿底点21接触的位置。此时，在后进面侧的范围内阴阳转子同时接触，在图3中形成工作室的后端的垂直的线46。
[0044] 密封线30的上侧为处于吸入过程中的工作室31～33，因为内部容积逐渐扩大，所以自在壳体3开口形成的吸入端口5流入的被压缩气体在此处被吸入。在密封线30的下侧排列的是处于压缩过程和排出过程中的工作室34～37。这些工作室的容积逐渐缩小。
[0045] 工作室是两个转子的齿槽(阳转子是在齿与相邻齿之间形成的空间，阴转子由于齿是凹形，所以是被齿围成的空间)逐个连通成为V形的空间。工作室的外侧由壳体3的腔室4的内面、端面堵塞，转子1、2间被密封线30堵塞，因此形成闭合的空间。如上所述，在两个转子间及转子与腔室之间存在用于使转子圆滑地旋转的微小的间隙，因此虽然存在被压缩气体和油的微少的内部泄漏，但是与本实施例的本质的内容没有直接关系。
[0046] 当使两个转子1、2保持啮合的状态旋转时，如理发店的旋转筒那样，工作室31～37在右方向上从吸入侧端向排出侧端移动。在图3中，压缩刚开始后的工作室34成为完成吸入、从吸入端口5的轮廓发生位置偏离而闭合的空间，正开始压缩。从注油口7向此处注入油。处于压缩过程中的工作室35的内部容积变得比工作室34小，为内压增加了的位置。排出刚开始后的工作室36的内压进一步上升，与排出端口6连通，正开始排出被压缩气体。处于排出过程中的工作室37继续进行排出，自排出端口6排出在该工作室37完成了压缩的被压缩气体和油。
[0047] 注入到工作室34的油在密度远大于被压缩气体的
基础上以比工作室的移动速度慢的速度被注入，所以容易积存在工作室的后端。因而，油以在各工作室的后端被转子刮取的方式移动。在排出过程中也一样，相对于排出端口6移动的工作室即使开口，最初排出被压缩气体的比例也高，大部分的油在最后的阶段排出。
[0048] 在排出过程的最终阶段，排出端口的开口面积变小，因此容易产生排出阻力变大的问题。对于其详细情况使用图4进行说明。图4是将图3的排出端附近放大表示的图，以从右侧看图3的方式描绘。本来存在处于跟前侧、堵塞转子端面的壳体的腔室端面，不过透视该端面地进行图示，并图示作为腔室端面的开口部的排出端口6的轮廓线。因而，也可以认为该轮廓线的内侧成为通向壳体3外的孔，这以外的部分隔着微小的间隙堵塞转子端面。
[0049] 图1至图4表示的排出端口6的轮廓线相比连结两个转子的旋转中心13、23的线段，不向旋转方向的上方突出，仅在下半区域形成。这是为了防止如下情况：线段以上的区域由于吸入过程的工作室的端面通过，所以如果开口则会有已经被压缩的高压气体逆流进入吸入侧。基于相同的理由，在线段以下的区域也为了堵塞吸入过程的工作室32的端面而存在如舌头那样的形状突出的舌形突出部9。
[0050] 此外，图5是为了进行比较而描绘的与专利文献1的螺杆压缩机的图4相同的部分的图。
[0051] 进一步，图6是示意地表示按时间移动的工作室的情形和随之排出被压缩气体以及油的情形的截面图。
[0052] 使用图6按时间说明排出过程的最终阶段。一般而言，油冷式螺杆压缩机在压缩机中形成混合装入有被压缩气体和油的工作室。通过该工作室容积缩小而进行压缩，完成规定的升压后，排出端口打开，排出被压缩气体和油。工作室的容积持续缩小成为0而消失，排出端口的开口面积也逐渐缩小。如图6(a)所示，处于排出过程中的工作室37向右方向移动并使内部容积缩小，同时从排出端口继续排出被压缩气体。此时，被注入工作室内的油8比被压缩气体密度大，因此在移动的工作室内容易在后端积存。在排出继续进行(b)的状态下，处于排出过程中的工作室37的内部几乎只有油8。虽然油8的粘性比被压缩气体的粘性大，但是能够充分确保排出端口6的开口面积。此外，虽然工作室的上半部分并不直接在排出端口开口，但是在流至下侧之后几乎没有阻碍地排出。其理由为上半部分的进深方向尺寸非常变得小，容积上微小。进一步，在(c)的状态下工作室的整个区域面对排出端口6，没有阻碍地被排出。即，在本实施例中，工作室的上半区域先消失，仅排出积存在下半区域的油即可，因此能够降低排出阻力。
[0053] 图4是从看端面方向图6(c)的状态时的图。处于排出过程中的工作室37呈非常薄的新月形，整个区域处于排出端口6的轮廓线的内侧，明显对排出没有妨碍。之后，处于排出过程中的工作室37停留在排出端口6的轮廓线的内侧直至消失，因此圆滑地排出至最后的油为止。
[0054] 为了进行比较，使用图7说明现有例中的相同的排出的最终阶段。在图7(a)的状态下油8同样容易积存于处于排出过程中的工作室39的后端。不过，后端的形状不同，最后端突出至包含阴阳转子1、2的中心线的面的上方。因此，当成为排出继续进行(b)的状态时，在上方还残留有一定程度的油，因为排出端口6只有下半部分，所以相对于应该排出的油的量、开口面积小，因此排出阻力变大，油的压力急剧上升。进一步，当成为(c)的状态时，其影响进一步扩大。
[0055] 图5是从转子的端面方向看图7(c)的状态时的图。处于排出过程中的工作室39为横向窄而纵向长的新月形，因此残留其中的油的量也比图4多。尽管如此，在排出端口6开口的部分也仅有处于排出过程中的工作室39的下方部分，因此排出阻力大。即，在现有的工作室中，工作室上下同时消失，因此上半部分中的油先向下移动后再通过排出端口排出。
[0056] 这样，在现有的齿形中，虽然排出阻力大于本实施例，但是由于工作室容积可靠地减少，所以处于其中的油的压力必然急剧上升。该压力作用于转子齿面，引起用于驱动转子的转矩的上升。油的压力发挥作用的面积虽然小，但是压力高，因此能量损失超过测量误差和能够无视的程度。
[0057] 与此相对，根据本实施例，使得临消失前的工作室仅在连结阴阳齿形的中心的线的下半部分的区域存在，相对于工作室容积的开口面积大。由此，油的排出变得圆滑，能够防止即将消失之前的工作室的内压的急剧上升。因而，能够降低驱动转子的转矩，能够降低使转子旋转的
发动机的消耗电力和电动机的
燃料消耗，因此能够实现能效高、节能性优异的油冷式螺杆压缩机。
[0058] 另外，在轮廓线的形状中，关于此处未定义的范围，与作为本发明的本质内容的“工作室将消失前的油的圆滑的排出”无关。
[0059] 以上对实施例进行了说明，不过本发明并不限定于上述的实施例，而包括各种各样的变形例。例如，上述的实施例为了将本发明说明得容易明白而进行了详细的说明，但是并不一定限定于包括所说明的所有结构。
[0060] 附图标记的说明
[0061] 1：阳转子，2：阴转子，3：壳体，4：腔室，5：吸入端口，6：排出端口，7：注油口，8：油，9：舌形突出部，11：阳转子的后齿顶点，12：阳转子的前齿顶点，13：阳转子的旋转中心，21：
阴转子的后齿底点，22：阴转子的前齿底点，23：阴转子的旋转中心，30：密封线，31～37：工作室，39：现有例中的处于排出过程中的工作室，41：延伸至密封线的下方的部分，43：密封线的台阶，44：密封线为垂直的部分，45：密封线为水平的部分，46：工作室的后端的垂直线。
