JP2013241915A

JP2013241915A - スクリュ圧縮装置

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Publication number: JP2013241915A
Application number: JP2012116650A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Kitano; 利樹北野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: BR102013012263B1; EP2667032A2; JP6006531B2; CN103423159A; BR102013012263A2; US20130315766A1; EP2667032B1; CN103423159B; EP2667032A3; US9121404B2

Abstract

【課題】容量調整可能なスクリュ圧縮装置において、バランスピストンによってガスの反力によるスラスト力を適切に相殺可能とする。
【解決手段】本発明のスクリュ圧縮装置は、ケーシング２内に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータ４を収容してなり、吸い込んだ気体を圧縮して吐出する圧縮機本体１と、スクリュロータ４の少なくとも一方の回転軸３となるロータ軸９を流体圧によって軸方向に押圧するバランスピストン１４と、圧縮機本体１の容量を調節するスライド弁８と、スライド弁８の開度から算出される圧縮機本体１の容量に応じて、バランスピストン１４に作用する流体の圧力を調節するバランス調節手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクリュ圧縮装置に関する。

スクリュ圧縮機では、圧縮したガスの反力がスクリュロータに対して、軸方向吸込側に作用する。このため、スクリュ圧縮機には、ロータ軸のスラスト荷重を受けるスラスト軸受が設けられる。スクリュ圧縮機の吐出圧が高くなると、ガスの反力によるスラスト力も大きくなるため、スラスト軸受の寿命が短くなるという問題が生じる。

このため、特許文献１及び２には、ロータ軸に接続したバランスピストンをシリンダ内に嵌装し、シリンダに供給した流体の圧力をバランスピストンに作用させ、ロータ軸を軸方向吐出側に押圧する技術が記載されている。特許文献１は、スクリュ圧縮機が吐出したガスの圧力によってバランスピストンを押圧する発明を開示しているが、スクリュ圧縮機の吸込圧力の変動により、ガスの反力によるスラスト力とバランスピストンが生じるスラスト力との間に差が生じる。

特許文献２は、油圧ポンプから供給される圧油によってバランスピストンを押圧する発明を開示しており、そこでは、給油流路にスクリュ圧縮機の吸込圧力及び吐出圧力に応じて開度調整される制御弁を設けて、バランスピストンに作用する圧油の圧力を調整することによって、バランスピストンにより発生するスラスト力の大きさを調節している。

しかしながら、ガスの反力によるスラスト力は、吸込圧力と吐出圧力とだけに依存して変化するものではない。例えば、スライド弁によってロータ室の開口位置を変化させることによって容量調節するスクリュ圧縮機では、吸込圧力及び吐出圧力が同じであっても、スライド弁の開度によってガスの反力によるスラスト力の大きさが変化する。

特開２００２−１６８１８５号公報特許第４０５０６５７号公報

前記問題点に鑑みて、容量調整可能なスクリュ圧縮装置において、バランスピストンにより発生するスラスト力と、ガスの反力によるスラスト力とを適切に相殺可能とすることを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によるスクリュ圧縮装置は、ケーシング内に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、吸い込んだ気体を圧縮して吐出する圧縮機本体と、前記スクリュロータの少なくとも一方の回転軸となるロータ軸を流体圧によって軸方向に押圧するバランスピストンと、前記圧縮機本体の容量（より詳しくは、圧縮機本体で圧縮する気体の量（圧縮風量））を調節するスライド弁等の容量調節手段と、例えばスライド弁の開度等によって示され得る前記圧縮機本体の容量に応じて、前記バランスピストンに作用する流体の圧力を調節するバランス調節手段とを有するものとする。

この構成によれば、ガスの反力によってスクリュロータに作用するスラスト力が圧縮機本体の容量調節により変化しても、圧縮機本体の容量に応じてバランスピストンを押圧する流体の圧力を変化させるので、バランスピストンが生じるスラスト力と、ガスの反力によるスラスト力とを適切に相殺することができる。

また、本発明のスクリュ圧縮機は、前記圧縮機本体が吸い込む気体の圧力を検出する吸込圧力計を有し、前記バランス調節手段は、前記吸込圧力計の検出値を加味して前記バランスピストンに作用する流体の圧力を調節してもよい。また、前記圧縮機本体が吐出した気体の圧力を検出する吐出圧力計を有し、前記バランス調節手段は、前記吐出圧力計の検出値を加味して前記バランスピストンに作用する流体の圧力を調節してもよい。

この構成によれば、吸込圧力や吐出圧力の変化によって生じるスクリュロータに作用するガスの反力によるスラスト力の変化に合わせて、バランスピストンが発生するスラスト力を調整できる。

このように、本発明によれば、バランス調節手段が、圧縮機本体の容量応じてバランスピストンに作用する流体の圧力を調節するので、ガスの反力によるスラスト力が圧縮機本体の容量に応じて変化しても、バランスピストンにより発生するスラスト力と、ガスの反力によるスラスト力とを適切に相殺することができる。

本発明の第１実施形態に係るスクリュ圧縮装置の概略構成図である。本発明の第２実施形態に係るスクリュ圧縮装置の概略構成図である。本発明の第３実施形態に係るスクリュ圧縮装置の概略構成図である。本発明の第４実施形態に係るスクリュ圧縮装置の概略構成図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。先ず、図１に、本発明の第１実施形態に係るスクリュ圧縮装置の構成を簡略化して示す。本実施形態のスクリュ圧縮装置は、圧縮機本体１と、後述する付属機器とからなる。

圧縮機本体１は、ケーシング２に形成したロータ室３内に雌雄一対のスクリュロータ４を収容してなる。スクリュロータ４は、ロータ室３内の空間を区分して複数の圧縮空間を形成し、回転に伴って圧縮空間の大きさを変化させる。圧縮機本体１は、このスクリュロータ４の回転によって、ロータ室３に連通する吸込流路５を介して圧縮空間にガスを吸い込み、吸い込んだガスを圧縮し、圧縮したガスをロータ室３に連通する吐出流路６を介して吐出する。

ロータ室３の吐出流路６に対する開口位置は、流体シリンダ７により駆動されるスライド弁（容量調節手段）８の位置（開度）によって決定される。具体的には、スライド弁８の開度が小さいほど、ロータ室３の吐出流路６に対する開口が小さくなり、吐出流路６に連通する瞬間の圧縮空間の容積が小さくなる。このため、スライド弁８の開度が小さくなると圧縮機本体１の機械的な圧縮比は大きくなり、スライド弁８の開度が大きくなると圧縮機本体１の機械的な圧縮比は小さくなる。

スクリュロータ４の回転軸であるロータ軸９が、ラジアル軸受１０，１１及びスラスト軸受１２，１３によって支持され、スクリュロータ４は回転可能に構成されている。また、ケーシング２には、雌雄一対のスクリュロータ４のうちの一方のスクリュロータ４（通常は雄のスクリュロータ）の軸に一体に取り付けた円盤状のバランスピストン１４が嵌装される円筒形のバランスシリンダ１５が形成されている。ロータ軸９は、バランスシリンダ１５を貫通して延伸し、不図示のモータに接続される。バランスシリンダ１５内の、バランスピストン１４よりもスクリュロータ４側の空間（高圧室１５ａ）には、給油流路１６を介して、圧油が供給される。給油流路１６には、バランスシリンダ１５に供給される圧油の圧力Ｐｂを検出する給油圧力検出器１７と、給油圧力検出器１７の上流に開度調節可能な制御弁１８とが設けられている。バランスピストン１４の高圧側に面する部分とは反対側のバランスシリンダ１５内のもう一方の空間（低圧室１５ｂ）（すなわち、本実施形態においては、バランスシリンダ１５内の、バランスピストン１４よりもスクリュロータ４から遠い側の空間）は、低圧連通流路１９を介して、ロータ室３内の吸込流路５に近い低圧の圧縮空間に連通している。

また、本実施形態の圧縮装置は、給油圧力検出器１７の検出値が圧力設定値になるように、例えば公知のＰＩＤ制御によって制御弁１８の開度を調節する弁調節器２０と、スライド弁８の開度を特定するために流体シリンダ７のピストンの位置を検出するポジショナ２１と、ポジショナ２１の検出値に基づいて、弁調節器２０の圧力設定値を設定する制御装置２２とを有する（バランス調整手段）。

バランスシリンダ１５の高圧室１５ａに供給された圧油は、バランスピストン１４の外周とバランスシリンダ１５の内壁との隙間を通って低圧室１５ｂに漏出し、低圧連通流路１９を介してロータ室３に供給され、スクリュロータ４の潤滑等にも用いられる。高圧室１５ａの内圧は、弁調節器２０によって調節される制御弁１８の作用により、前記圧力設定値と略等しい圧力に維持される。一方、低圧室１５ｂの内圧は、低圧連通流路１９を介して連通するロータ室３内の低圧の圧縮空間の圧力と等しい圧力となる。高圧室１５ａの内圧と低圧室１５ｂの内圧との差は、油がバランスピストン１４とバランスシリンダ１５との隙間を通過する際の損失圧力である。

また、高圧室１５ａの内圧と低圧室１５ｂの内圧との差は、バランスピストン１４をロータ軸９の軸方向であって高圧室１５ａから低圧室１５ｂに向かう方向に押圧する力となる。これにより、スクリュロータ４は、バランスピストン１４によって引っ張られて軸方向吐出側に押圧される。制御装置２２は、このバランスピストン１４による押圧力が、スクリュロータ４が圧縮しているガスの反力と均衡するように、圧力設定値、つまり、高圧室１５ａの内圧を調節する。

ここで、スライド弁８の開度をＬ（％）、圧縮機本体１の容量をＸ（％）とすると、容量Ｘは、スライド弁８の開度Ｌの関数として、Ｘ＝ｆ（Ｌ）のように表すことができる。さらに、圧縮しているガスの反力によりスクリュロータ４を吸込側に押圧するスラスト力をＹ（Ｎ）とすると、スラスト力Ｙは、容量Ｘの関数として、Ｙ＝ｇ（Ｘ）のように表すことができる。したがって、スラスト力Ｙは、スライド弁の開度をＬによって算出することができる。尚、圧縮機本体１の容量と、圧縮機本体１の負荷との間には相関がある。例えば、圧縮機本体１の容量、ひいては圧縮風量が大きくなれば、圧縮機本体１の負荷も大きくなる。

よって、制御装置２２は、バランスピストン１４に作用する圧油の押圧力（高圧室１５ａと低圧室１５ｂの差圧にバランスピストン１４の面積を乗じたもの）とが均衡するように、弁調節器２０の圧力設定値を逐次再設定する。

このとき、ガス圧によるスラスト力Ｙとバランスピストン１４の押圧力とが完全に一致している必要はなく、それらの差分がスラスト軸受１２，１３の許容範囲内であればよい。したがって、スライド弁８の開度Ｌを複数の範囲に区分して、それぞれの区分に１ずつ圧力設定値を割り当てた参照テーブルを制御装置２２に記憶させておき、スライド弁８の開度から簡単に圧力設定値を特定できるようにしてもよい。

続いて、図２に、本発明の第２実施形態に係る圧縮装置の構成を示す。尚、以降の実施形態の説明において、先に説明した実施形態に係る構成と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態の圧縮装置は、圧縮機本体１が吸い込むガスの圧力Ｐｓを検出する吸込圧力検出器２３と、圧縮機本体１が吐出したガスの圧力Ｐｄを検出する吐出圧力検出器２４とを備え、制御装置２２は、スライド弁８の開度に加えて、吸込圧力検出器２３の検出値及び吐出圧力検出器２４の検出値を加味して、弁調節器２０の圧力設定値を算出する。

圧縮機本体１の容量Ｘ（ひいては圧縮機本体１の負荷）は、圧縮機本体１が吸い込むガスの圧力、及び、圧縮機本体１が吐出するガスの圧力によっても変動する。容量Ｘは、スライド弁８の開度Ｌの関数ｆ（Ｌ）と、圧縮機本体１の吸込圧力Ｐｓの関数ｈ（Ｐｓ）と、圧縮機本体１の吐出圧力Ｐｄの関数ｌ（Ｐｄ）とを掛け合わせたものとして、Ｘ＝ｆ（Ｌ）・ｈ（Ｐｓ）・ｌ（Ｐｄ）のように表すことができる。よって、ガスの反力によるスラスト力は、スライド弁８の開度Ｌと圧縮機本体１の吸込圧力Ｐｓ及び吐出圧力Ｐｄとにより算出でき、これを相殺するために必要な給油圧力Ｐｂの圧力設定値も容易に定められる。また、上記式から明らかであるように、吸込圧力Ｐｓが一定である場合には吸込圧力検出器２３を省略でき、吐出圧力Ｐｄが一定である場合には吐出圧力検出器２４を省略できる。つまり、先に説明した第１実施形態は、本実施形態の吸込圧力検出器２３と吐出圧力検出器２４とを省略したものと考えることもできる。

尚、この圧縮機本体１に採用されているような、いわゆるスクリュ圧縮機では、圧縮機本体１の吸込圧力Ｐｓ、もしくは圧縮機本体１の吐出圧力Ｐｄが一定値となるよう制御されることが多い。そのような場合には、ガスの反力によるスラスト力を、圧縮機本体１の吸込圧力Ｐｓもしくは圧縮機本体１の吐出圧力Ｐｄの一方を検出して、その検出値とスライド弁８の開度Ｌとによって、算出しても良い。

さらに、図３に、本発明の第３実施形態に係る圧縮装置の構成を示す。本実施形態の圧縮装置は、圧縮機本体１が吸い込むガスの流量を検出する吸込流量検出器２５と、制御弁１８の前後における圧油の差圧を検出する弁差圧検出器２６とを有する。

本実施形態では、予め分かっている圧油の供給源の圧力から、弁差圧検出器２６が検出した差圧を差し引いた圧力が、バランスシリンダ１５の高圧室１５ａに供給される油の圧力である。圧力を検出する機器の測定レンジと分解能を考慮すると、高圧室１５ａに供給すべき油の圧力が大きい場合には、制御弁１８の前後の差圧から、高圧室１５ａの圧力を算出する方が、実際に使用する範囲内での実効的な分解能が高くなる場合がある。このため、本実施形態のように、制御弁１８の前後の差圧が設定値になるように制御弁１８の開度調節を行うことも有り得る。

また、本実施形態では、吸込流量検出器２５の検出値、つまり、圧縮機本体１が吸い込むガスの流量から圧縮機本体１の容量Ｘを算出し、高圧室１５ａに供給すべき油の圧力、ひいては、弁差圧検出器２６が検出すべき制御弁１８の前後の差圧を決定するようになっている。圧縮機本体１の容量Ｘは、圧縮機本体１の前後におけるガスのエンタルピーの差に、ガスの質量流量を乗じた値として算出することもできる。よって、本実施形態のように、吸込流量検出器２５の検出値に基づいて、弁調節器２０の設定値を決定してもよい。尚、吸込圧力や吐出圧力が変動する場合には、第２実施形態と同様に、吸込圧力検出器２３や吐出圧力検出器２４を追加して、吸込流量検出器２５の検出値から導出された容量Ｘを補正してもよい。

さらに、図４に、本発明の第４実施形態に係る圧縮装置の構成を示す。本実施形態の圧縮装置において、圧縮機本体１から吐出されたガスの流量を検出する吐出流量検出器２７と、給油流路１６の制御弁１８の下流側の圧力と低圧連通路１９の圧力との差圧を検出するピストン差圧検出器２８とを有する。

第３実施形態の説明から明らかなように、本実施形態の吐出流量検出器２７が検出する圧縮機本体１から吐出されたガスの流量によっても圧縮機本体１の容量Ｘを算出できる。また、本実施形態では、バランスピストン１４がスクリュロータ４を押圧する力に比例するバランスピストン１４の両側の差圧を、ピストン差圧検出器２８によって直接検出することで、演算の誤差を低減している。

尚、上述の各実施形態において、制御弁１８を通過する油の流量、つまり、バランスシリンダ１５の高圧室１５ａから低圧室１５ｂに流出する油の流量が少なすぎると、制御弁１８の開度によって高圧室１５ａの圧力を調節することが困難である。よって、制御弁１８を通過する油の流量を確保するため、バランスピストン１４に油の流路となる貫通孔を設けたり、制御弁１８の下流側の給油流路１６と低圧連通路１９とをオリフィス等を介して接続するバイパス流路を設けたりしてもよい。

また、バランスピストン１４に作用させる流体は、圧縮機本体１が吐出したガス等、他の流体であってもよい。

１…圧縮機本体
２…ケーシング
３…ロータ室
４…スクリュロータ
５…吸込流路
６…吐出流路
７…流体シリンダ
８…スライド弁
９…ロータ軸
１０，１１…ラジアル軸受
１２，１３…スラスト軸受
１４…バランスピストン
１５…バランスシリンダ
１６…給油流路
１７…給油圧力検出器
１８…制御弁
１９…低圧連通流路
２０…弁調節器
２１…ポジショナ
２２…制御装置
２３…吸込圧力検出器
２４…吐出圧力検出器
２５…吸込流量検出器
２６…弁差圧検出器
２７…吐出流量検出器
２８…ピストン差圧検出器

Claims

ケーシング内に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、吸い込んだ気体を圧縮して吐出する圧縮機本体と、
前記スクリュロータの少なくとも一方の回転軸となるロータ軸を流体圧によって軸方向に押圧するバランスピストンと、
前記圧縮機本体の容量を調節する容量調節手段と、
前記圧縮機本体の容量に応じて、前記バランスピストンに作用する流体の圧力を調節するバランス調節手段とを有することを特徴とする圧縮装置。
前記容量調節手段は、スライド弁であり、前記バランス調節手段は、前記スライド弁の開度に応じて前記バランスピストンに作用する流体の圧力を調節することを特徴とする請求項１に記載の圧縮装置。
前記圧縮機本体が吸い込む気体の圧力を検出する吸込圧力計を有し、前記バランス調節手段は、前記吸込圧力計の検出値を加味して前記バランスピストンに作用する流体の圧力を調節することを特徴とする請求項２に記載の圧縮装置。
前記圧縮機本体が吐出した気体の圧力を検出する吐出圧力計を有し、前記バランス調節手段は、前記吐出圧力計の検出値を加味して前記バランスピストンに作用する流体の圧力を調節することを特徴とする請求項２または３に記載の圧縮装置。