JP4190721B2 - 無給油式スクリュー圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無給油式スクリュー圧縮機に係わり、特に、高速回転に適した油ポンプを内蔵した無給油式スクリュー圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無給油式スクリュー圧縮機は、汎用誘導モータで駆動されるものが多く、この汎用誘導モータは、回転速度が電源周波数に依存されるため、毎分3000回転あるいは3600回転程度で回転するようになっている。一方、無給油式スクリュー圧縮機の回転速度は、汎用誘導モータの回転の３〜８倍の回転が必要とされている。よって、回転速度を増加させるために、圧縮機のスクリューロータは、汎用誘導モータの回転を歯車等により構成した増速機を介して増速駆動されるようになっている。
【０００３】
したがって、無給油式スクリュー圧縮機は、軸受や同期歯車を備えており、これらの潤滑冷却を目的に油が供給されている。その供給手段としてトロコイド式などの油ポンプが設置されている。油ポンプは、増速機の入力（低速）軸に付加した増速機取付け形や、あるいは別置きポンプとして圧縮機に付属されている別置き形がある。
【０００４】
例えば、特開2000-97186号公報に開示されている無給油式スクリュー圧縮機は、増速機を使用せず高速モータで直接駆動されるが、油ポンプは圧縮機本体とは別に設けられている。また、特開平4-8889号公報に開示されているスクリュー圧縮機は、スクリューロータの軸あるいはスクリュー歯の端面にねじ溝あるいは螺旋溝を形成して油ポンプの作用を持たせている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開2000-97186号公報に開示の無給油式スクリュー圧縮機は、油ポンプと該油ポンプを駆動するモータとが別に必要で、圧縮機全体として大きくなり、小型軽量化が難しい。また、別設置モータやポンプ各部の軸受が必要で動力損失も増してしまう。
【０００６】
また、高速モータで駆動される無給油式スクリュー圧縮機の雄雌ロータは、最高回転速度が毎分20000回転を超えることもあり、通常の歯車ポンプのような容積式ポンプでは、振動騒音や信頼性の観点から直結し同じ回転速度で駆動することは原理的に成立しない。また、ポンプ駆動用に減速機等を設置すれば、やはり小型軽量化に反することになる。
【０００７】
また、無給油式スクリュー圧縮機は、吐き出し温度が非常に高くなるため、ロータの熱変形も大きい。ロータやロータ軸は軸方向に熱変形で伸び縮みする。さらに高速回転体であるため軸方向振動もある。したがって、ロータ軸の一部を油ポンプの軸に使用するには、このような熱変形や振動変位を吸収できる油ポンプであることが必要である。
【０００８】
特開平4-8889号公報に開示のスクリュー圧縮機の油ポンプは、スクリューロータの端面ギャップに油を供給し、このギャップを経由するガスの内部漏れを低減する目的で設けられている。したがって、給油手段には軸シールを付属せず、給油経路は軸表面に沿って、端面ギャップに向かうのみであり、軸受や同期歯車などへの給油は不可能である。
【０００９】
また、設置位置が、ロータのスクリュー歯部と高圧側軸受との間に限られる。したがって、圧縮機全体の配置に関しては自由度が小さい。
【００１０】
本発明の目的は、高速回転に適した油ポンプを内蔵したにもかかわらず、簡単な構造で、かつ小型軽量な無給油式スクリュー圧縮機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における無給油式スクリュー圧縮機は、モータと、該モータと連結し回転する雄雌一対のロータと、前記雄雌一対のロータに対し前記モータと反対側に配置され前記雄雌一対のロータのうち前記モータのモータ軸と連結した一方のロータの回転を他方のロータに伝達する歯車部と、該歯車部及び前記両ロータを支える軸受部に油を供給する油ポンプと、前記雄雌一対のロータ、歯車部、軸受部及び油ポンプを収納するケーシングとを有すものであって、前記雄雌一対のロータと前記歯車部は、前記雄雌一対のロータで圧縮するガスの低圧口と高圧口を有する高圧側ケーシングに収納され、前記雄雌一対のロータの駆動側軸は低圧側のケーシングに収納され、前記油ポンプを、前記雄雌一対のロータに対し前記歯車部と反対側の前記他方のロータの軸端部に設け、前記油ポンプは、前記他方のロータのロータ軸の回転によって前記油を昇圧する非接触式ビスコポンプと、前記昇圧した油をシールする非接触式軸封装置とを有することを特徴としている。
【００１６】
好ましくは、前記非接触式軸封装置は、フローティングタイプのスリーブシール、あるいは、溝のねじれ方向が前記ビスコポンプのねじ溝のねじれ方向と逆に形成したねじ溝を有するビスコシールであることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例に係る無給油式スクリュー圧縮機を、図を用いて説明する。
【００１８】
本発明の第一の実施の形態例を、図１〜図４を用いて説明する。図１は、本発明の第一の実施の形態例に係る無給油式スクリュー圧縮機の構成を示し、油ポンプを内蔵し、高速モータで駆動される無給油式スクリュー圧縮機の水平断面を示す。図２は、図１の無給油式スクリュー圧縮機に内蔵された油ポンプの垂直断面を示し、図３は、図２の油ポンプの流量・差圧特性の説明図であり、図４は、図３の油ポンプの流量・差圧特性を示す図である。
【００１９】
図１に示すように、圧縮機本体１は、平行な二軸の回りを互いにかみ合って回転する雄ロータ２と雌ロータ３と、両ロータの歯溝部を収納し、ガスの低圧口と高圧口（いずれも図示せず）を有したケーシング４と、両ロータの駆動側軸を収納した低圧側ケーシング５などより構成される。
【００２０】
図１において両ロータの歯部を基準に左方向を低圧側、右方向を高圧側と称する。雄ロータ２と雌ロータ３の軸部は、低圧側軸受７と高圧側軸受８とにより回転自在に支持されている。なお、本無給油式スクリュー圧縮機機が圧縮するガスは、気体一般を対象とするものの、適用例として、最も広く用いられる空気を想定して、以下説明する。
【００２１】
雄ロータ２と雌ロータ３との高圧側軸端には、一対の同期歯車９、１０が固定されており２つのロータを同期回転させる。２つのロータの歯は噛み合ってはいるが、その間には微少なすきまが確保され、厳密には非接触状態にある。したがって、駆動トルクは一方のロータ、すなわち雌ロータ３から同期歯車９、１０の噛み合いを経由して他方のロータ、すなわち雄ロータ２に伝達される。
【００２２】
軸受や歯車へは潤滑と冷却を目的に給油する必要がある。一方、無給油式圧縮機は、油混入のない清浄な圧縮空気を供給することを任務としており、クリュー歯の歯溝に形成される圧縮室への油の侵入は許されない。そこで、低圧側軸受７と雄ロータ２及び雌ロータ３の歯溝部との間、および高圧側軸受８と雄ロータ２及び雌ロータ３の歯溝部との間には、非接触式軸封装置を設けている。これらの非接触式軸封装置は、圧縮ガスシール１１と油きり１２とにより構成される。
【００２３】
これにより、圧縮室への油の侵入が防止でき、また、逆に圧縮室から油ポンプ６へのガスの流入を阻止することができる。
【００２４】
冷却促進を目的にケーシング４の外周にはフィン１３を設ける。
【００２５】
高速モータ２１は、ロータコア２２が固定されたモータ軸２３と、モータ軸２３を回転自在に支持するため、モータケーシング２７に設けられた負荷側軸受２４とカバー２８に設けられた反負荷側軸受２５とを備えている。
【００２６】
これらの軸受には潤滑油が強制給油され、負荷側軸受２４、反負荷側軸受２５とロータコア２２との間には非接触式油きり２９が設けられている。また、ロータコア２２に対向した位置にステータコア２６がモータケーシング２７に固定され、モータケーシング２７には冷却ジャケット３０が設けられ、冷却水またはクーラント液などが供給される。
【００２７】
雌ロータ３とモータ軸２３の軸端には軸用スプラインと穴用スプラインが設けられ、互いにかみ合ってスプラインカップリング３１を構成している。
【００２８】
雄ロータ２の駆動側軸４１の低圧側に形成されたスペースに、給油手段である油ポンプ６を駆動側軸４１に設ける。油ポンプ６は駆動側軸４１の回転によって潤滑油を昇圧する機能を備えている。
【００２９】
油ポンプ６は、雄ロータ２の駆動側軸４１の熱変形や振動変位を吸収し、また、圧縮室への油の侵入を阻止すると共に、軸受や同期歯車９、１０に十分な給油量を確保する能力を有している。
【００３０】
図２は、油ポンプ６の構造を示す。雄ロータ２の駆動側軸４１にはスリーブ４２が固定され、円筒ころ軸受７の内輪を軸方向に固定している。ポンプケーシング４３は、ボルト（図示せず）によってケーシングの一部を形成する低圧側ケーシング５に固定され、円筒ころ軸受７の外輪を軸方向に押している。
【００３１】
ポンプケーシング４３には、スリーブ４２と同心にビスコポンプ４４がはめ込まれ、ポンプカバー４６をボルト（図示せず）によってポンプケーシング４３に締め付けることにより、軸方向に固定される。
【００３２】
ビスコポンプ４４によって昇圧された油が、はめ合い部を通って漏れないようにＯリング４７が設けられている。
【００３３】
ビスコポンプ４４によって昇圧された油の軸封装置は、フローティングタイプのスリーブシール５４、ばね装置５５とから構成される。
【００３４】
フローティングタイプのスリーブシール５４は、ばね装置５５によって軸方向にポンプケーシング４３の端面５６に押付けられ、また、スリーブシール５４はスリーブ４２とは狭いすきまを介して対向している。
【００３５】
ポンプカバー４６には油吸込み管４９がねじこまれ、ビスコポンプ４４のランタンリング部５０で集められた昇圧油は油吐出し管５１より冷却器（図示せず）へと導かれ、そこから各軸受、同期歯車９、１０及びスプラインカップリング３１各部に供給され、これらを潤滑する。
【００３６】
油吸込み管４９は、図３に示すように油ポンプ６の下に設けられた油だまり６１へ、吸込み油ストレーナ（図示せず）を介して接続される。
【００３７】
ビスコポンプ４４には、破線で示す方向に矩形ねじがそれらの内周に設けられており、スリーブ４２の外周とは狭いすきまを介して対向し、ねじ溝ポンプを形成している。また、ポンプケーシング４３には排油室５２、排油通路５３が設けられ、軸受７の排油は排油室５２、排油通路５３を経由して速やかに排油される。
【００３８】
次に、本実施の形態例の動作について、説明する。
【００３９】
高速モータ２１は、起動後、油ポンプ６の吸込み管４９及びポンプ内の空気を追出すため、予め定められた回転速度まで速やかに昇速され、油ポンプ６の吐出し通路に設けられた油圧センサ（図示せず）が昇圧を確認した後、所定の回転速度に制御される。
その後の高速モータ２１の制御は、圧縮機の吐出し空気圧力を一定の保ちたい場合は、吐出し空気圧力センサの出力に応じて回転数制御を行い、吐出し空気圧力と吐出し空気風量の両方を関連づけて制御したい場合は、予め設定されマイコンなどに記憶された回転数と吐出し空気圧力との関係に従って目標吐出し圧力を変化させながら回転数制御を行う。
【００４０】
図３及び図４を用いて、油ポンプ６の流量・差圧特性を説明する。図３において、ポンプ中心より油だまり６１の油面６２までの距離をHとし、油面６２及び排油室５２の空気圧力をPa（ほぼ大気圧）、ビスコポンプ４４の吸込み室６３の圧力をPs、ポンプの吐出し圧力をPdとし、ビスコポンプ４４を流れる油流量をQｐ、スリーブシール５４を流れる油流量をQｓ、吐出し油流量をQとすると、Q=Qp+Qsである。
【００４１】
図４のΔPをPd−Paとし、γを油の比重とすると、ビスコポンプ４４のΔP〜Qｐ特性は直線ACで表せる。A点は最大流量Qpmの点であり、C点はポンプの封止圧力ΔPpmよりγHを引いた圧力の点である。また、スリーブシール５４のΔP〜Qs特性は直線ODで表わされる。太線AEは油ポンプ６のΔP〜Q特性を示し、ポンプの吐出し油流量はビスコポンプ４４の吐出し油流量からスリーブシール５４からの漏れ量を引いたものであり、E点ではポンプの吐出し油流量はゼロとなる。
【００４２】
駆動側軸４１の回転速度が下がると、回転速度の比に比例して図４を原点Oに向かって縮小した特性となり、油の温度が上がって粘度が低下すると、ほぼ粘度に比例して図４の縦方向を縮小した特性となる。
【００４３】
本実施の形態例において、油ポンプ６にねじ溝を有するビスコポンプ４４を用い、非接触軸封としてフローティングタイプのスリーブシール５４を用いているので、変位を各部材が吸収し、雄ロータ２に軸方向振動及び軸方向の熱変形があっても、その影響を排除した油ポンプを実現できる。フローティングタイプのスリーブシール５４は、駆動側軸４１との間のすきまを小さくでき、スリーブシール５４からの油漏れを少なくできる効果もある。
【００４４】
さらに、ねじ溝ポンプの吸込み口を軸端側に設けたので、空気が作動中に漏れ込んでくることがなく、安定なポンプ作用を行うことができる。
【００４５】
次に、図５及び図６を用いて、本発明の第二の実施の形態例を説明する。なお、第１の実施の形態例に共通する事項は説明を省略する。図５は、本発明の第二の実施の形態例に係る無給油式スクリュー圧縮機に内蔵された油ポンプの垂直断面を示し、図６は、図５の油ポンプの流量・差圧特性を示す図である。
【００４６】
図５において、図２と同じ部品には同じ符号を付けて示す。第一の実施の形態例におけるフローティングタイプのスリーブシールに代えてビスコシール４５を用いたのが本実施の形態例の特徴である。
【００４７】
ビスコシール４５の背面をシールするＯリング４８を設けている。また、ビスコシール４５に設けたねじ溝のねじれ方向はビスコポンプ４４のねじ溝のねじれ方向と逆にしておく。両ねじ溝とも、スリーブ４２の外周とは狭いすきまを介して対向し、ねじ溝ポンプ及びねじ溝シールを形成している。
【００４８】
図６を用いて、油ポンプ６の流量・差圧特性を説明する。記号は図３と同じ記号を使用している。ビスコポンプ４４のΔP〜Qｐ特性は直線ACでほぼ表せ、ビスコシール４５のΔP〜Qs特性は折れ線OFGで表せる。F点はビスコシール４５の封止圧力ΔPsmの点であり、OF間はQs=0である。直線GFはビスコシール４５の最大流量Qsmを表すK点とF点を結ぶ直線の延長線である。太線AHJは油ポンプ６のΔP〜Q特性を示し、AH間はビスコシール４５よりの漏れがないため、ポンプの吐出し油流量はビスコポンプ４４の油流量に等しい。HJ間はビスコシール４５よりの漏れが発生し、J点ではポンプの吐出し油流量はゼロとなる。
【００４９】
駆動側軸４１の回転速度が下がると、回転速度の比に比例して図６を原点Oに向かって縮小した特性となり、油の温度が上がって粘度が低下すると、ほぼ粘度に比例して図６の縦方向を縮小した特性となる。ビスコポンプ４４の矩形ねじ部の最適化に関しては、文献（ASME Journal of Tribology、 Vol。 112、 April 1990、 p409-414）に詳しい。
【００５０】
本実施の形態例では、非接触軸封としてビスコシール４５を用いており、その封止圧力まで油の漏れが生じないという効果がある。
【００５１】
本発明の本実施の形態例では、油ポンプは、雄ロータの駆動側の軸端に設けられているが、無給油式スクリュー圧縮機では、雄ロータ或いは雌ロータのどちらかの軸端近傍に空いたスペースができるので、そこに設置すればよい。
【００５２】
また、高速モータとして高周波モータを使用したが、電気自動車などに用いられている永久磁石式同期モータなどモータの種類は問わない。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、油ポンプを、雄ロータ或いは雌ロータのどちらかの軸端近傍にできたスペースに配置し、かつロータの軸端部に設けることができる。この結果、圧縮機全体のスペースファクタが良くなり、かつ構造が簡単になり、無給油式スクリュー圧縮機の軽量小形化を図ることができる。
【００５４】
また、油ポンプをロータ軸に直結して設けることができるので、動力損失を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態例に係る無給油式スクリュー圧縮機の水平断面図である。
【図２】図１の無給油式スクリュー圧縮機に内蔵された油ポンプの垂直断面である。
【図３】図２の油ポンプの流量・差圧特性の説明図である。
【図４】図３の油ポンプの流量・差圧特性を示す図である。
【図５】本発明の第二の実施の形態例に係る無給油式スクリュー圧縮機に内蔵された油ポンプの垂直断面である。
【図６】図５の油ポンプの流量・差圧特性を示す図である。
【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、５…低圧側ケーシング、６…油ポンプ、９,１０…同期歯車、２１…高速モータ、４１…駆動側軸、４２…スリーブ、４３…ポンプケーシング、４４…ビスコポンプ、４５…ビスコシール、４６…ポンプカバー、４９…油吸込み管、５１…油吐出し管、５４…スリーブシール

Claims (2)

1. モータと、該モータと連結し回転する雄雌一対のロータと、前記雄雌一対のロータに対し前記モータと反対側に配置され前記雄雌一対のロータのうち前記モータのモータ軸と連結した一方のロータの回転を他方のロータに伝達する歯車部と、該歯車部及び前記両ロータを支える軸受部に油を供給する油ポンプと、前記雄雌一対のロータ、歯車部、軸受部及び油ポンプを収納するケーシングとを有する無給油式スクリュー圧縮機において、前記雄雌一対のロータと前記歯車部は、前記雄雌一対のロータで圧縮するガスの低圧口と高圧口を有する高圧側ケーシングに収納され、前記雄雌一対のロータの駆動側軸は低圧側のケーシングに収納され、前記油ポンプを、前記雄雌一対のロータに対し前記歯車部と反対側の前記他方のロータの軸端部に設け、前記油ポンプは、前記他方のロータのロータ軸の回転によって前記油を昇圧する非接触式ビスコポンプと、前記昇圧した油をシールする非接触式軸封装置とを有することを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
2. 請求項１において、前記非接触式軸封装置は、フローティングタイプのスリーブシール、あるいは、溝のねじれ方向が前記ビスコポンプのねじ溝のねじれ方向と逆に形成したねじ溝を有するビスコシールであることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。

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