JP5410369B2 - スクリュ圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、スクリュ圧縮機、特に冷媒にアンモニアを採用したアンモニア用半密閉スクリュ圧縮機に関する。

特許文献１には、スクリュ圧縮機本体と、スクリュ圧縮機本体を駆動する別体のモータのそれぞれの軸部が、接続ケーシングにおいてカップリングを介して結合されたスクリュ圧縮機が開示されている。

スクリュ圧縮機本体とモータとがそれぞれ別体であるスクリュ圧縮機は、スクリュ圧縮機本体とモータとが一体化したスクリュ圧縮機と比較して製造コストが大幅に上昇し、かつ、スクリュ圧縮機全体が大きくなるという問題がある。

特許文献２及び特許文献３には、雄ロータと雌ロータとが咬合するスクリュ圧縮機の雄ロータとモータとを一体化し、製造コストを上昇させることなく、かつ、コンパクトな構成としたスクリュ圧縮機が開示されている。このスクリュ圧縮機は、図３に示すように、軸受１０１に支持された雄ロータ１０２のロータ軸１０３を延長し、ロータ軸１０３にスクリュロータ１０２を駆動するモータの回転子１０４を直結している。

このスクリュ圧縮機１００は、前記問題点を解消できるものの、モータの回転子１０４がオーバーハングしているため、その構造に起因して運転可能回転数の上限が決定されるという問題がある。

モータの回転子１０４がオーバーハングしている雄ロータ１０２はその両側で支持されている。従って、雄ロータ１０２を剛体とみなした場合、モータの回転子１０４は雄ロータ１０２のモータ側の端面１０５上の点を中心に１自由度系の横振動を発生させるものとみなすことができる。その固有振動数は、雄ロータ１０２のモータ側の軸受１０１の中心からモータの回転子１０４の重心までの距離Ｌとモータの回転子１０４の質量Ｍにより決定される。雄ロータ１０２のロータ軸１０３のばね定数Ｋは、Ｅをヤング率、Ｉを断面２次モーメントとすると、次式（１）で表される。

固有振動数ｆは、次式（２）で表される。

（１）及び（２）式より、次式（３）が表される。

ここで、円形断面の断面二次モーメントＩは、直径をｄとすると次式（４）で表される。

（４）式を（３）式に代入すると、次式（５）式が表される。

一方、オゾン層破壊及び地球温暖化を防止する観点から、ＨＣＦＣ冷媒やＨＦＣ冷媒のような人工的に作り出された冷媒ではなく、自然界に元々存在する物質で冷媒としての性質を備える自然冷媒が見直されている。この自然冷媒としては、オゾン破壊係数が零で、温暖化係数も低く、自然界に大量に存在するアンモニアがあるが、アンモニア冷媒は、銅に対する腐食性、毒性、可燃性を有している。

そのため、アンモニアを冷媒とする冷凍装置にスクリュ圧縮機を採用するには、アンモニア対策が必要となる。従来、この対策として、モータの巻線を銅からアルミニウムに変更したアンモニア用スクリュ圧縮機が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

モータ用巻線の材質としてアルミニウムを採用すると、従来の銅と比較して、電気伝導度は６１％となり、電気を通しにくくなる。そのため、従来の銅からなる巻線のモータと同一性能を備えるように、アルミニウムからなる巻線のモータを設計する場合、モータの巻線が多くなるためにモータを大きくする必要がある。そうすると、質量Ｍは大きくなる。また、モータケーシングはロータケーシングと一体となっているので、構造上、モータの回転子を大きくすると、距離Ｌは長くなる。その結果、（５）式から明らかなように、固有振動数ｆが低下する。低下する固有振動数ｆが使用回転数の範囲内に含まれる場合には、共振を回避するために運転可能回転数の上限の低下を余儀なくされる。そのため、所望の冷凍機性能を得ることができなくなるという問題が生じる。

特開２０００−８３３３９号公報 特開２００３−２７８６７３号公報 特開平１０−１４１２２６号公報

所望の冷凍機性能を得るためには、スクリュ圧縮機が高回転領域で運転できるようにする、すなわち、スクリュ圧縮機の固有振動数ｆを上昇させる必要がある。（５）式から、モータの回転子を支持する支持部材の材質を変更するよりも支持部材の軸径ｄを大きくする方が有効となる。

そこで、本発明は、スクリュ圧縮機において、コンパクトな構造であって、かつ、コストダウンを実現するとともに、モータの固有振動数を上昇させ、高回転領域での運転を実現することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明のスクリュ圧縮機は、雌雄咬合するスクリュロータの雄ロータにモータのモータロータをオーバーハングさせた構造のスクリュ圧縮機において、前記雄ロータのロータ軸と連続するモータのモータロータの軸部の外周部分に外側部材を設け、前記外側部材は、前記雄ロータのロータ軸側の端部に、前記モータロータより前記雄ロータ側に延長されるとともに前記ロータ軸の外径および前記モータロータの内径よりも大径に形成されたフランジ部を備え、前記雄ロータのロータ軸の前記モータの軸部と連続する端部に当該ロータ軸の軸径を当該軸部より大きくして形成された段差部を設け、前記外側部材のフランジ部を前記段差部に当接させるように、前記外側部材を前記モータの軸部に締結部材により締結し、前記雄ロータのロータ軸、または、前記モータの軸部の外周の前記外側部材を軸受により支持するようにした。

この構成によれば、外側部材をモータロータの軸部の外周部分に設けることによりモータロータの軸部の軸径を大きくすることができ、雄ロータにオーバーハングさせた構造のモータロータの固有振動数を上昇させることができる。

この構成によれば、外側部材のフランジ部を雄ロータのロータ軸の段差部に当接させて締結部材によりモータの軸部に対して強固に締結することができる。また、フランジ部の端部と段差部との当接によって、オーバーハングさせた構造のモータの軸部の撓みが抑制され、モータロータの固有振動数の上昇を確実なものとすることができる。

前記モータの巻線がアルミニウムからなっていることが好ましい。この構成によれば、アルミニウム以外からなる巻線に対して腐食性を有するガスを圧縮しても、アルミニウムの耐食性により、アルミニウムからなる巻線の腐食を防止できる。

本発明によれば、雄ロータのロータ軸と連続するモータのモータロータの軸部の外周部分に外側部材を設け、雄ロータのロータ軸、または、モータの軸部の外側部材を軸受により支持することにより、雄ロータにオーバーハングさせた構造のモータロータの固有振動数を上昇させることができる。これにより、雄ロータにモータロータをオーバーハングさせたコンパクトな構造でありながらコストダウンを実現するとともに、モータの固有振動数を上昇させ、高回転領域での運転を実現することができる。

本発明にかかるスクリュ圧縮機のスクリュロータ及びモータロータを示す模式図。 本発明にかかるスクリュ圧縮機のスクリュロータ及びモータロータの変形例を示す模式図。 モータロータのスクリュロータ軸方向に対する横振動を示す図。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。

図１は、本発明にかかるスクリュ圧縮機１０（以下、単に圧縮機１０とする。）のスクリュロータ１１，１２及びモータ１３のモータロータ１３ａの模式図である。

圧縮機１０は、咬合する雄スクリュロータ１１（以下、単に雄ロータ１１とする。）と雌スクリュロータ１２（以下、単に雌ロータ１２とする。）を備えている。雄ロータ１１は、複数の歯（図示せず）を備えており、歯とその歯に隣接する歯の間に歯底１１ａを有している。歯底１１ａは、回転軸の軸心に最も近い部分である。

雄ロータ１１には、両側へ延びるロータ軸１４ａ，１４ｂが設けられている。雌ロータ１２には、両側へ延びるロータ軸１４ｃ，１４ｄが設けられている。そして、雄ロータ１１のロータ軸１４ｂは、後述するモータ１３の軸部１３ｂと一体的に構成されている。雄ロータ１１のロータ軸１４ｂは、モータ１３の軸部１３ｂと連続する端部に、段差部１４ｅが設けられている。ロータ軸１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、それぞれ軸受１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄにより支持されている。

モータ１３は、モータロータ１３ａとモータロータ１３ａの周囲に配置されたモータステータ（図示せず）を備えている。モータ１３のモータステータの巻線はアルミニウムからなっている。モータロータ１３ａは、外側部材（スリーブ）１６を有する軸部１３ｂを備えている。外側部材１６は、軸部１３ｂの外周部分の外側に、焼きバメ又は冷やしバメにより固着されている。外側部材１６は、後述するモータロータ１３ａの支持部１７の軸径を太くするためのものである。外側部材１６は、雄ロータ１１のロータ軸１４ｂ側の端部に、フランジ部１６ａを備えている。

また、フランジ部１６ａの雄ロータ１１とは反対側の外側部材１６の端部１６ｃには、押さえ板２０がその端部１６ｃに当接するように配設されている。そして、押さえ板２０は、モータ１３の軸部１３ｂにボルト２１によって締結されている。押さえ板２０およびボルト２１は、締結部材２２を構成している。押さえ板２０をボルト２１により軸部１３ｂへ締結することによって、フランジ部１６ａの雄ロータ１１側の端部１６ｂと雄ロータ１１のロータ軸１４ｂの段差部１４ｅとが強固に当接するようになっている。

雄ロータ１１のロータ軸１４ｂと一体化し外側部材１６が固着された軸部１３ｂは、モータ１３の支持部１７を構成している。モータ１３の支持部１７の先端側にモータロータ１３ａが直結されている。圧縮機１０は、雄ロータ１１にモータロータ１３ａをオーバーハングさせ、雄ロータ１１とモータ１３とが一体化した構造である。モータ１３の巻線は、アンモニアに対して耐食性を備えるアルミニウムからなっている。スクリュロータ１１，１２の一方の端面１１ｂ，１２ａ側には吐出部１８が設けられ、他方の端面１１ｃ，１２ｂ側には吸込部１９が設けられている。圧縮機１０の駆動部であるモータ１３のモーターケーシング（図示せず）は、これと一体的に結合された圧縮機ケーシング（図示せず）とともに半密閉構造を形成している。

圧縮機１０は、図示しないモータケーシングに設けられたモータステータから発生する磁界とモータロータ１３ａとの相互作用により回転力を得て雄ロータ１１が駆動され、これによって雌ロータ１２が従動される。圧縮機１０は、吸込部１９を通じて、外部からスクリュロータ１１，１２の図示しない圧縮空間にアンモニアガスを吸い込む。雌雄のスクリュロータ１１，１２が咬合することにより、前記圧縮空間でアンモニアガスが圧縮され、スクリュロータ１１，１２の吐出部１８から圧縮したアンモニアガスが吐出される。

雄ロータ１１のロータ軸１４ｂと連続するモータ１３のモータロータ１３ａの軸部１３ｂの外周部分に外側部材１６を設けることによりモータロータ１３ａの軸部１３ｂの軸径を大きくすることができ、軸径を大きくした雄ロータ１１のロータ軸１４ｂを軸受１５ｂにより支持することにより、雄ロータ１１にオーバーハングさせた構造のモータロータ１３ａの固有振動数を上昇させることができる。これにより、雄ロータ１１にモータロータ１３ａをオーバーハングさせたコンパクトな構造でありながらコストダウンを実現するとともに、モータ１３の固有振動数を上昇させ、高回転領域での運転を実現することができる。

また、既存の装置に対して僅かな設計変更を行うことにより、雄ロータ１１にオーバーハングさせた構造のモータロータ１３ａの固有振動数を上昇させることができる。

また、外側部材１６のフランジ部１６ａを雄ロータ１１のロータ軸１４ｂの段差部１４ｅに当接させるように、外側部材１６をモータ１３の軸部１３ｂに締結部材２２により締結することにより、外側部材１６を、締結部材２２によりモータ１３の軸部１３ｂに対して強固に締結することができる。また、フランジ部１６ａの端部１６ｂと段差部１４ｅとの当接によって、オーバーハングさせた構造のモータ１３の軸部１３ｂの撓みが抑制され、モータロータ１３ａの固有振動数の上昇を確実なものとすることができる。

モータ１３の巻線がアルミニウムからなっているので、アルミニウム以外からなる巻線に対して腐食性を有するガスを圧縮しても、アルミニウムの耐食性により、モータ１３の巻線の腐食を防止できる。

本発明は実施形態のものに限定されず、種々の変形が可能である。例えば、図２に示すように、軸受１５ｂは、雄ロータ１１のロータ軸１４ｂを支持せずにモータ１３の軸部１３ｂの外周の外側部材１６を支持するようにしてもよい。

１０ スクリュ圧縮機
１１ 雄スクリュロータ
１１ａ 歯底
１１ｂ，１１ｃ 端面
１２ 雌スクリュロータ
１２ａ，１２ｂ 端面
１３ モータ
１３ａ モータロータ
１３ｂ 軸部
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ ロータ軸
１４ｅ 段差部
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ 軸受
１６ 外側部材
１６ａ フランジ部
１６ｂ 端部
１６ｃ 端部
１７ 支持部
１８ 吐出部
１９ 吸込部
２０ 押さえ板
２１ ボルト
２２ 締結部材

Claims (2)

1. 雌雄咬合するスクリュロータの雄ロータにモータのモータロータをオーバーハングさせた構造のスクリュ圧縮機において、
   前記雄ロータのロータ軸と連続するモータのモータロータの軸部の外周部分に外側部材を設け、
   前記外側部材は、前記雄ロータのロータ軸側の端部に、前記モータロータより前記雄ロータ側に延長されるとともに前記ロータ軸の外径および前記モータロータの内径よりも大径に形成されたフランジ部を備え、
   前記雄ロータのロータ軸の前記モータの軸部と連続する端部に当該ロータ軸の軸径を当該軸部より大きくして形成された段差部を設け、
   前記外側部材のフランジ部を前記段差部に当接させるように、前記外側部材を前記モータの軸部に締結部材により締結し、
   前記雄ロータのロータ軸、または、前記モータの軸部の外周の前記外側部材を軸受により支持したことを特徴とするスクリュ圧縮機。
2. 前記モータの巻線がアルミニウムからなっていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ圧縮機。

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