JP4564971B2

JP4564971B2 - オイルフリースクリュー圧縮機

Info

Publication number: JP4564971B2
Application number: JP2007010951A
Authority: JP
Inventors: 仁西村; 昭鈴木
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP2007113588A

Description

本発明は、一対のスクリューロータを非接触で同期回転させるオイルフリースクリュー圧縮機に係り、特に高速モータで駆動するのに好適なオイルフリースクリュー圧縮機に関する。

従来のオイルフリースクリュー圧縮機は、例えば特開平６−３４６８８１号公報に記載のように、ベルトおよび歯車を用いて電動機の回転速度を増速して、スクリュー圧縮機本体を回転していた。また、特開平３−１５１５９２号公報には、スクリュー歯形が形成されたロータ軸に、ケーシング内に増側歯車が収納された増側歯車装置を、カップリングを介して接続する例が記載されている。

なお、スクリュー圧縮機ではロード、アンロード等の運転制御に加え、需要元の消費要求に応じて吸い込み絞り弁の開閉を制御する容量制御が実施されている。この容量制御の例として、特開昭５９−９３９８９号公報には圧縮機自体の圧力で動作するエアシリンダーの先端に、吸い込み絞り弁のバルブ板を取付け、このバルブ板を移動させることにより吸い込み空気量を２段階で調整している。
特開平６−３４６８８１号公報特開平３−１５１５９２号公報特開昭５９−９３９８９号公報

ところで、上記特開平６−３４６８８１号公報に記載の圧縮機は、増速歯車を収納する歯車ケースの他に、増速歯車を回転支持する軸受、増速歯車を取付ける回転軸、増速した動力を伝達するためのベルトやプーリ等、数多くの部品が必要になり、圧縮機のコスト高の一因になっている。また、この圧縮機ではスクリューロータを駆動する電動機も大型化しており、電動機を固定する架台を含めて圧縮機ユニット全体の小型化の点で不十分であった。

また、特開平３−１５１５９２号公報に記載の圧縮機では、ベルトで増速していないので、増速歯車における増速比が大になり、増速歯車を収納する歯車ケースが大型化している。そして、汎用圧縮機としてシリーズ化するときには種々の圧縮機本体と増速歯車装置との組合わせが必要であり、品揃えの点からもコスト高の要因となっていた。

さらに、特開昭５９−９３９８９号公報に記載の圧縮機では、ライン圧が変動するごとに吸込み絞り弁の操作空気をエアシリンダーに供給するため、エアシリンダーに三方電磁弁を接続し、この三方電磁弁によりエアシリンダーの操作空気の供給孔を切換えている。このように三方電磁弁を備える必要があり、高価になるとともに流量制御系の構成が複雑になっている。また、起動時のアンロードを解除するために、三方電磁弁を複数個必要とし、容量制御装置の構造が複雑になる。

以上のいずれの圧縮機においても、圧縮機を小型化することについて、ある程度の考慮はなされているものの、なお一層の小型化が望まれている。本発明の目的は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、圧縮機ユニットの構造を簡素化することにある。本発明の他の目的は、小型化して設置自由度の大きい圧縮機ユニットを実現することにある。本発明のさらに他の目的は、コストを低減した安価な圧縮機ユニットを実現することにある。本発明のさらに他の目的は、圧縮機本体側の構成部品と電動機側の構成部品を共通化して、信頼性の高い圧縮機ユニットを実現することにある。

上記目的を達成するための本発明の第1の特徴は、ケーシングに収納され互いに噛合う雄ロータおよび雌ロータと、これら雄ロータおよび雌ロータの吸込側を支持する吸込側軸受と、前記各ロータの吐出側を支持する吐出側軸受と、前記ケーシングと雄ロータと雌ロータとにより形成される圧縮室への油の浸入を防止する軸封装置とを有する圧縮機本体を備えたオイルフリースクリュー圧縮機において、前記圧縮機本体の下流側にこの圧縮機本体で圧縮された作動空気を冷却する空気冷却器を、この空気冷却器のさらに下流に逆止弁を、この逆止弁の上流側から分岐し放気クーラと放気弁とを有する放気管路をそれぞれ設け、前記圧縮機本体の起動時及びアンロード運転時には放気弁を開、ロード運転時には放気弁を閉とする放気弁の制御を行い、ロード時は需要元のライン側の空気の使用量の増減を圧力センサで検出し、前記圧縮機ユニットの出口の圧力が一定となるように前記圧縮機本体の回転数を制御することを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の第２の特徴は、上記のオイルフリースクリュー圧縮機において、ロード時において空気使用量が低下すると、前記圧縮機の回転数を低下させ、この状態で圧力センサが圧力上昇を検出すると、該圧縮機はアンロード運転状態にあると前記制御装置が判断し、該制御装置は放気弁を開く指令を出すことを特徴とする。

以上述べたように、本発明によれば下記の効果がある。
（１）増速ギヤやベルト等の増速装置が不要となり、オイルフリースクリュー圧縮機ユニットの小形軽量化および低コスト化が可能となる。
（２）吸込絞り弁や三方電磁弁等の容量制御装置が不要となり、オイルフリースクリュー圧縮機ユニットの構造の簡素化および低コスト化が可能となる。
（３）電動機系と圧縮機本体系との振動力学的構成を共通化して、従来から信頼性の高い回転系をこれら電動機系及び圧縮機本体系とに採用できるので、高速まで安定して回転可能なオイルフリースクリュー圧縮機ユニットを提供できる。
（４）電動機系と圧縮機本体系との部品の共通化を図ることにより、オイルフリースクリュー圧縮機の低コスト化及び信頼性の向上が可能になる。

本発明の一実施例を、図１ないし図４を用いて説明する。図１は、本発明に係る高速モータで駆動するオイルフリースクリュー圧縮機の上面図を断面で示した図、図２は正面図を断面で示した図、図３および図４はモータ軸の支持部の詳細を示す縦断面図である。圧縮機本体１は、互いに噛み合う一対の雄ロータ２と雌ロータの歯溝部がケーシング４に、駆動側が吸込側ケーシング５にそれぞれ収納されている。そして、雄ロータ２および雌ロータ３は、潤滑油が強制潤滑される吸込側軸受６および吐出側軸受７により回転可能に支持されている。なお、吸込側軸受６には円筒コロ軸受、吐出し側軸受７には円筒コロ軸受と組合わせアンギュラ玉軸受を用いている。

雄ロータ２および雌ロータ３の吐出側軸端には、一対のタイミングギヤ８、９が嵌合されており、雄ロータ２と雌ロータ３の歯溝部を同期回転させる。吸込側軸受６および吐出側軸受７と雄ロータ２および雌ロータ３の歯溝部との間には、軸封装置が設けられている。この軸封装置は、雄ロータ２および雌ロータ３の歯溝部とケーシング４とで形成される圧縮室から空気が漏れるのを極力低減するエアシール１０と、軸受部へ供給した潤滑油が圧縮室へ侵入するのを防止するビスコシールと呼ばれるネジシール１１とを備えている。

ケーシングの４の外周部には冷却ジャケット１２が設けられており、冷却水またはクーラント等の液冷媒が供給される。圧縮機本体１の内部で発生した熱の一部は、供給された冷却水または液冷媒と熱交換し、昇温して外部へ排出される。

高速モータ２１は、中央部にロータコア２６が取付けられたモータ軸２５と、このモータ軸の両端部近傍を回転可能に支持する負荷側軸受２９および反負荷側軸受３０とを備えている。また、ロータコア２６に対向して、ステータコイル２８が巻回されたステータコア２７がモータケーシング２３に保持されている。モータ軸２５を支持する負荷側軸受２９を保持し、モータケーシング２３と共にケーシングを構成する負荷側軸受カバー２２が負荷側軸端部に設けられている。同様に、モータ軸２５を支持する反負荷側軸受３０を保持し、モータケーシング２３と共にケーシングを構成する反負荷側軸受カバー２４が反負荷側軸端部に設けられている。なお、反負荷側軸受カバー２４にはステータコイル２８の口出線３１を取り出すための図示しない出口部が形成されている。

負荷側軸受２９としてはラジアル荷重を負担する円筒コロ軸受を、反負荷側軸受３０としてはラジアル荷重及びスラスト荷重の双方を負担可能な組合せアンギュラ玉軸受を用いる。これら各軸受のサイズを、例えば圧縮機本体側と同一にしている。また、負荷側軸受２９及び反負荷側軸受３０を、外周面でカバー２２、２４と嵌合させた後に、軸受押え３２、３３で固定している。この軸受押え３２、３３には、給油孔３４、３５が形成されている。

負荷側軸受２９とロータコア２６間、および反負荷側軸受３０とロータコア２６間には、ステータコイル側へ潤滑油が侵入するのを防止する軸封装置が設けられている。この軸封装置は、図３および図４に詳細を示すように、ビスコシール４１、４２と、このビスコシール４１、４２を押圧する波ばね４４と、止め輪４５を介してビスコシール４１、４２をカバー２２、２４に保持するシール押え４３とを備えている。ビスコシール４１、４２は内径側がモータ軸２５との間で微少な隙間を有している。さらにこのビスコシール４１、４２の内径側には、角ねじ状の溝部を有するねじシールが形成されている。また、モータケーシング２３の外周部には、高速モータで発生する熱を放熱するために、モータ側冷却ジャケット４７が設けられており、この冷却ジャケットには冷却水またはクーラント等の液冷媒が供給される。

負荷側軸受カバー２２の圧縮機本体側の端部には、モータ側フランジ４６が形成されており、ケーシング４に形成したフランジ１６とボルトで結合されている。モータ軸２５の負荷側軸端には駆動側ギヤ１９が嵌合されており、雄ロータ２の吸込側軸端には被駆動側ギヤ１８が嵌合されている。これら両歯車１８、１９の歯数は同一であり、増速比は１：１である。高速モータの口出線３１は、高周波インバータ２０に接続されている。

高周波インバータ２０へ通電すると、高速モータ２１側へ電力が供給される。その結果、モータ軸２５に発生した回転力が一対のギヤ１８、１９を介して雄ロータ２に伝達され、各ロータのロータ歯溝部の噛合いにより空気が圧縮される。

潤滑油は、図示しないオイルポンプから給油ノズル３６、３７を経由して給油孔３４、３５に導かれ、給油孔３４、３５から軸受内部へジェット噴射される。軸受を潤滑及び冷却した潤滑油は、排油孔３８、３９から機外に排出され、最終的に油溜め装置に回収される。潤滑油は、軸受を潤滑する際に軸受内輪と外輪の間を通過する。その後、軸受から排出された潤滑油はビスコシール４１、４２に流入するが、モータ軸２５が回転するとビスコシール内径側の溝部に圧力が発生し潤滑油をそれぞれの軸受側へ戻す。その結果、モータコイル２８側に油が侵入するのを防止できる。

高速モータ２１内のステータコア２７およびステータコイル２８は、鉄損や銅損等の電気的な損失により発熱する。この発熱により温度上昇したモータ２１と、モータケーシング２３に設けた冷却ジャケット４７へ冷却水等の液冷媒等を熱交換させることにより、モータ２１を冷却することができる。

オイルフリースクリュー圧縮機は、単段式で出力５５ｋＷクラス、吐出し圧力7kgf/cm²の場合には、雄ロータ径が約90mm、回転数が約20000rpmとなる。そして、駆動ギヤと被駆動ギヤとのギヤ比を１：１とすると、高速モータの極数が２極であれば、高周波インバータの設定周波数は約330Hzとなる。

ところで、本実施例では、部品の共通化及び安定した高速回転を実現するために、圧縮機本体側と高速モータ側とを振動力学的にほぼ同じ構造としている。つまり、圧縮機本体と電動機とをそれらの回転軸の軸端に設けた歯車で接続しているが、この部分で分割した軸を考えると、モータ軸及び雌ロータ軸、雄ロータ軸の支持部構造は類似した構造になっている。具体的には、各軸を支持する軸受１３、３０は同一型番品であり、軸受６、７、２９は同一型番品である。さらに、ビスコシール１１、２４も同一形状である。また、軸受への給油方法も噴霧潤滑であり、モータの外周側及び圧縮機本体の外周側に冷却ジャケットを設けている点でも一致している。

なお、圧縮機本体は高速モータに増速比１：１、すなわち等速の歯車で接続されているから、高周波インバータで高速モータを圧縮機の仕様回転数まで上昇させれば、圧縮機の仕様回転数がそのまま得られる。したがって、本発明によれば増速装置が全て不要になる。高速モータは高回転数域で使用されるので、必要モータトルクが小さくなる。そのため、ステータコアやステータコイルを小形化できる。このように、高速モータに圧縮機本体を増速比１：１で接続すれば、圧縮機を駆動する駆動系全体の寸法を小さくでき、圧縮機ユニットの小形化および低コスト化が可能となる。

なお、本実施例では高速モータと圧縮機本体を１：１の増速比の歯車で接続しているが、増速比はこれに限るものではなく、増速比で２：１から減速比で１：２程度までであれば、モータの大きさや減速または増速に使用する歯車の大きさをそれ程大きくしなくて済むので本発明の効果は得られる。ただし、増速比が大きくなるとモータは小型化できるが、増速装置の大きさおよびこの増速装置に要する費用が大となり好ましくなく、一方、さらにモータ回転数を上昇させて減速装置を用いるのも考えられるが、モータの高速化が困難であり実用的ではない。また、本実施例では歯車を用いてモータ軸と雄ロータの回転軸を接続したが、ギヤカップリングやダイヤラムカップリングのような等速カップリング、またはスプラインとスプラインカップリングの組合せ等の等速継手手段であってもよいことは言うまでもない。

次に、本発明の他の実施例を図５により説明する。この図５に示した部品と上記実施例に示した部品とが同一の場合には、同一の符号を付している。本実施例が図１に示した実施例と異なる点は、圧縮機本体１の雄ロータ２の軸と、高速モータ２１のモータ軸とを一体に構成した点である。言い換えれば、雄ロータ軸と高速モータの回転軸とを連結した以外の、圧縮機本体１ａ及び高速モータ側の個々の部品は基本的に上気実施例と同一である。

モータケーシング２３aには、ステータコア２７およびステータコイル２８が取付けられている。雄歯形が中間に形成された雄ロータ２ａの吸込側軸部２ｂには、高速モータのロータコア２６が取付けられている。この雄ロータ２ａは、雄歯形部より軸端側を吐出側軸受７、１３で、ロータコア２６よりさらに端部側を反負荷側軸受３０aで回転自在に支持されている。雌ロータ３ａは、雄ロータ２ａと同様に吐出側を吐出側軸受７、１３で吸込み側を吸込み側軸受６ａで支持されている。ただし、上記実施例とは異なり吸込み側端部には歯車が取付けられていない。雄ロータおよび雌ロータの吸込み側軸受７、１３としては円筒ころ軸受及び組合わせアンギュラ軸受を、雌ロータ側の吸込側軸受６ａとしてはグリース潤滑のころ軸受６aを用いている。圧縮機本体及び拘束モータで発生する熱を放熱するための冷却構造として、ケーシング２の外周部及びモータケーシング２３の外周部にそれぞれ放熱フィン４８、４９が形成されている。

このように構成した本実施例では、先の実施例と比べて雄ロータ側の吸込側軸受及び軸封装置、高速モータ側の負荷側軸受及び軸封装置、高速モータの動力を伝達するギヤが不要となり、圧縮機本体を含めた駆動系装置の小形化および低コスト化が可能となる。なお、本実施例では雄ロータの軸をモータ軸と共用しているが、雌ロータの軸をモータ軸と共用してもよいことは言うまでもない。

次に、上記何れかの実施例に記載された圧縮本体及び電動機が一体に形成されたオイルフリースクリュー圧縮機をパッケージ内に配置する様子を、図６および図７を用いて説明する。圧縮機本体と高速モータとを一体化した後に、この一体化組品を冷却器を兼ねる本体架台５１の上部に配置している。本体架台５１を区切って、２つの部屋を形成する。第１室５１aは圧縮空気の冷却器を収納する部屋であり、空気を１次冷却するプレクーラ５２、空気を２次冷却するアフタークーラ５３およびアンロード時の放気空気を冷却する放風クーラ５４を収納している。第２室５１bは、油溜めとして用いる部屋であり、潤滑油を冷却するオイルクーラ５５が収納されている。

プレクーラ５２、アフタークーラ５３および放風クーラ５４はU字形の冷却管を備えており、管外側に冷却水が通水されている。一方、オイルクーラ５５もU字形の冷却管を備えており、管外側に潤滑油が導かれる。本体架台の第１室５１aの側面には、逆止弁５６が取付けられたヘッダ５７aが設けられており、第２室５１bの側面には冷却水出入口を有する冷却水ヘッダ５７bが設けられている。圧縮機本体１とプレクーラ５２とを吐出配管５８で接続し、高速モータ２１の排油口３５、３６とオイルクーラ５５とを排油配管５９、６０で連結する。なお、圧縮機本体１の吸込み側には吸込みフィルタ９０が取付けられており、吐出側には放気弁９１が介在した放気配管９３が取付けられている。放気配管の先端部には、放気サイレンサ８３が取付けられている。そして、これら本体架台５１、圧縮機本体１、高速モータ２１、吸込み及び出口配管系が筐体９５の中に収納されてパッケージ型のオイルフリースクリュー圧縮機を構成している。

圧縮機本体と高速モータを一体にして組立て、この一体組品をプレクーラやアフタークーラ等を収納する本体架台の真上に配置することにより、一体組品と各クーラ間を接続する配管の長さを短くすることができる、さらに、本体架台の長手方向寸法を上記一体組品の長手方向寸法と同程度とすることにより、圧縮機パッケージ内の無駄なスペースを減らし、圧縮機ユニットを小形軽量にすることができる。

次に、図１または図５に示した実施例に記載のオイルフリースクリュー圧縮機を、インバータを用いて回転数制御する場合について、図８を用いて説明する。従来のオイルフリー圧縮機では、圧縮機本体の吸込側にアンローダ組品を配置していた。このアンローダ組品は、エアシリンダー、吸込絞り弁、放気弁およびアンローダボディ等を有している。

一方、本発明においては、圧縮機の吸込側に容量制御装置を設けず、吸込フィルター９０を直接配置している。また吐出配管５８により、圧縮機本体１、高温の圧縮空気を１次冷却するプレクーラ５２、逆止弁５６、高温の圧縮空気を２次冷却するアフタークーラ５３を順に接続している。そして、逆止弁５６の１次側でかつプレクーラの２次側に、放気配管９３を配設し、放気配管９３に放気電磁弁９１を設けている。放気弁９１の動作は、圧縮機の運転状態や圧縮機本体の回転数に応じて変化させる。この動作状態を表１に示す。

なお、ここでは圧縮機本体の最高使用回転数を２００００rpmとし、その半分の１００００rpmをアンロード時回転数、すなわち下限の回転数としている。

起動時に圧縮機本体は、図示しない制御装置により最高回転数まで加速される。このとき、放気弁９１を開くと圧縮空気が放気されて、さらに吐出圧力が下がり、インバータ側の負荷を軽くすることができる。ロード時には、需要元のライン側の空気の使用量の増減を圧力センサ９２が検出し、この圧力センサ９２が検出する圧縮機ユニット出口の圧力が一定となる様に、インバータが圧縮機本体の回転数を制御し、これにより吐出空気量が制御される。

ロード状態において空気使用量が低下すると、圧縮機回転数を制御装置が低下させる。空気使用量がどんどん低下すると、圧縮機の回転数は下限側１００００rpmに達する。この状態において、さらに圧力センサ９２が圧力上昇を検出すると、圧縮機はアンロード運転常態にあると制御装置が判断し、制御装置が放気弁９１を開く指令を出す。放気弁９１を開いて圧縮空気を放気したときには、圧縮機の運転回転数は下限値になっており、吐出圧力も低く、圧縮機の動力も小さい。なお、本実施例では放気弁９１に、圧力センサー９２の検出圧力で電気的に開閉できる電磁弁を用いたが、本発明はそれに限るものではない。

以上の様に構成した本実施例では、インバータと放気弁を組合わせたので、従来用いられているアンローダ装置が不要となる。

本発明に係るオイルフリースクリュー圧縮機の一実施例を示す図であり、上面から見た縦断面図。図１に示したオイルフリースクリュー圧縮機の正面から見た縦断面図。図１に示したオイルフリースクリュー圧縮機の負荷側軸受部近傍の詳細縦断面図。図１に示したオイルフリースクリュー圧縮機の反負荷側軸受部近傍の詳細縦断面図。本発明に係るオイルフリースクリュー圧縮機の他の実施例の上面から見た縦断面図。本発明に係るオイルフリースクリュー圧縮機をパッケージ化したときの正面図。図６に示した実施例の側面図であり、一部を断面で示した図。本発明に係るオイルフリースクリュー圧縮機の圧縮空気の系統図。

符号の説明

１…圧縮機本体、２…雄ロータ、３…雌ロータ、４…ケーシング、６、７…軸受、１１…ビスコシール、１２…冷却ジャケット、１８…被駆動側歯車、１９…駆動側歯車、２０…高周波インバータ、２１…高速モータ、２３…モータケーシング、２５…モータ軸、２６…ロータコア、２７…ステータコア、２９…負荷側軸受、３０…反負荷側軸受、４１、４２…ビスコシール、４７…冷却ジャケット、５１…本体架台、５２…プレクーラ、５３…アフタークーラ、５４…放風クーラ、５５…オイルクーラ、９０…吸込みフィルタ、９１…放気弁、９２…圧力センサ、９３…放気配管。

Claims

ケーシングに収納され互いに噛合う雄ロータおよび雌ロータと、これら雄ロータおよび雌ロータの吸込側を支持する吸込側軸受と、前記各ロータの吐出側を支持する吐出側軸受と、前記ケーシングと雄ロータと雌ロータとにより形成される圧縮室への油の浸入を防止する軸封装置とを有する圧縮機本体を備えたオイルフリースクリュー圧縮機において、
前記圧縮機本体の下流側にこの圧縮機本体で圧縮された作動空気を冷却する空気冷却器を、この空気冷却器のさらに下流に逆止弁を、この逆止弁の上流側から分岐し放気クーラと放気弁とを有する放気管路をそれぞれ設け、
前記圧縮機本体の起動時及びアンロード運転時には放気弁を開、ロード運転時には放気弁を閉とする放気弁の制御を行い、
ロード時は需要元のライン側の空気の使用量の増減を圧力センサで検出し、前記圧縮機ユニットの出口の圧力が一定となるように前記圧縮機本体の回転数を制御することを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
請求項１記載のオイルフリースクリュー圧縮機において、
ロード時において空気使用量が低下すると、前記圧縮機の回転数を低下させ、この状態で圧力センサが圧力上昇を検出すると、該圧縮機はアンロード運転状態にあると前記制御装置が判断し、該制御装置は放気弁を開く指令を出すことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。