JP2013256927A

JP2013256927A - スクリュ圧縮機

Info

Publication number: JP2013256927A
Application number: JP2012135038A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Ueda; 宏樹上田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-26
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: WO2013187181A1; CN104379935A; CN104379935B; JP5878432B2

Abstract

【課題】錘の軸方向衝突で振動エネルギーを消散させる、という方法とは別の方法でロータ軸の振れ回り振動の増大を抑制できる片持ち方式の電動機直結型スクリュ圧縮機に関する技術を提供すること。
【解決手段】スクリュロータ４と、スクリュロータ４の雄ロータ４ａと同軸で当該雄ロータ４ａに対して一体構造にされたロータ軸１１と、ロータ軸１１を回転させるモータ部８（モータ）と、ロータ軸１１のうちのスクリュロータ４とモータとの間の部分を支持することでモータを片持ち支持する軸受１４と、を備えるスクリュ圧縮機１である。ロータ軸１１のうちの軸受１４とモータの回転子５との間の部分の曲げ剛性が、切り欠き部１６により、ロータ軸１１の相互に直交する２つの直交方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向）で異ならせられている。
【選択図】図１

Description

本発明はスクリュ式の圧縮機に関する。

電動機直結構造のスクリュ圧縮機は、駆動ベルトを介する動力伝達方式のものよりエネルギー変換効率がよい。また、インバータを用いた回転数制御方式を採用するスクリュ圧縮機においては電動機直結構造のスクリュ圧縮機が主流となっている。コスト低減・メカロス削減の観点から、電動機直結構造のスクリュ圧縮機は、モータ軸の片側に軸受を設けない片持ち方式のスクリュ圧縮機とされることが多い。

ここで、片持ち方式の電動機直結型スクリュ圧縮機では、質量の大きなモータを片持ち支持するため、そのロータ軸の曲げ剛性を大きく取りにくい。このため、回転時の駆動系・モータの電磁力に起因した加振力による共振、回転軸固有の不安定現象、などにより、ロータ軸の振れ回り振動が大きくなりやすい、という問題が片持ち方式の電動機直結型スクリュ圧縮機にはある。

ロータ軸の振れ回り振動を低減する技術として、例えば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１では、モータ軸と同軸で当該モータ軸の端部に棒状部材を固定し、この棒状部材に環状の複数の錘を緩挿している。これにより、ロータ軸の振れ回り振動に対して、軸方向前後のストロークエンドと錘とを、および錘同士とを軸方向で衝突させて、振動エネルギーを消散させ、ロータ軸の振れ回り振動の増大を抑制している。

特開２０１１−１９６３６９号公報

特許文献１に記載の技術は、錘の軸方向衝突で振動エネルギーを消散させることでロータ軸の振れ回り振動の増大を抑制するものである。本発明者らは、このたび、ロータ軸の振れ回り振動をこれとは別の新たな方法で低減することを検討した。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、錘の軸方向衝突で振動エネルギーを消散させる、という方法とは別の方法でロータ軸の振れ回り振動の増大を抑制できる片持ち方式の電動機直結型スクリュ圧縮機に関する技術を提供することである。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、モータの回転子と固定子との間に作用する磁気吸引力に着目した。そして、ロータ軸のうちのスクリュロータとモータとの間の部分を支持する軸受とモータの回転子との間の部分の曲げ剛性を、ロータ軸の相互に直交する２つの直交方向で異ならせることにより、ロータ軸の振れ回りの軌道が楕円となり、これにより前記課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明は、スクリュロータと、前記スクリュロータの雄ロータと同軸で当該雄ロータに対して一体構造にされたロータ軸と、前記ロータ軸を回転させるモータと、前記ロータ軸のうちの前記スクリュロータと前記モータとの間の部分を支持することで前記モータを片持ち支持する軸受と、を備えるスクリュ圧縮機である。前記モータは、前記ロータ軸のモータ軸部分の外周に固定された回転子と、前記回転子の外側に配置された固定子と、を具備してなる。前記ロータ軸のうちの前記軸受と前記回転子との間の部分の曲げ剛性が、当該ロータ軸の相互に直交する２つの直交方向で異なっていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータ軸の振れ回りの軌道が楕円となる。これにより、モータの回転子と固定子との間に作用する磁気吸引力が連続的に一定の力として作用しにくくなり、その結果、ロータ軸の振れ回り振動の増大を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係るスクリュ圧縮機を示す図である。本発明の第２実施形態に係るスクリュ圧縮機を示す図である。本発明の第３実施形態に係るスクリュ圧縮機を示す図である。本発明の第４実施形態に係るスクリュ圧縮機を示す図である。本発明の第５実施形態に係るスクリュ圧縮機を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るスクリュ圧縮機１を示す側断面模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

（スクリュ圧縮機の構成）
図１に示すように、スクリュ圧縮機１は、スクリュ本体部２とモータ部８（モータ）とを具備してなる電動機直結構造のスクリュ圧縮機である。

（スクリュ本体部）
スクリュ本体部２は、雌雄一対のスクリュロータ４と、スクリュロータ４の雄ロータ４ａと同軸で雄ロータ４ａに対して一体構造にされたスクリュ軸３と、スクリュロータ４およびスクリュ軸３を収容するスクリュケーシング１２と、を有する。スクリュ軸３は、軸受１４および軸受１５で両持ち支持されている。

スクリュロータ４の雄ロータ４ａとスクリュ軸３とは、１本の鋼材からの削り出し加工などで製作される。なお、雄ロータ４ａとスクリュ軸３とをそれぞれ別に製作したのち剛結（一体に連結）してもよい。

また、スクリュ軸３と後述するモータ部８（モータ）のモータ軸７も１本の鋼材からの削り出し加工などで製作されて一体構造となっている。相互に一体構造にされたスクリュ軸３とモータ軸７とで回転するロータ軸１１を構成する。なお、スクリュ軸３とモータ軸７とをそれぞれ別に製作したのち剛結（一体に連結）してもよい。剛結（一体構造化）の方法としては、フランジ連結・ギアカップリング連結・キー（およびキー溝）を用いた連結・焼きばめなどがある。スクリュ軸３とモータ軸７とは同軸である。このロータ軸１１は、スクリュロータの雄ロータと同軸で当該雄ロータに対して一体構造にされた本発明におけるロータ軸の一例である。

（モータ部）
モータ部８（モータ）は、ロータ軸１１を回転させるための駆動源であって、当該ロータ軸１１のモータ軸７部分の外周に固定された回転子５と、回転子５の外側に配置された固定子６と、回転子５および固定子６を収容するモータケーシング１３と、を有する。

回転子５の端面にはリング状のエンド部材１０が固定されている。エンド部材１０はモータ軸７と同軸にされる。モータ軸７の端面にはモータ軸７と同軸でボルト９が固定されている。エンド部材１０の中心に形成された孔にボルト９が挿入され、エンド部材１０は当該ボルト９などにより固定される。

モータ軸７（モータ）は、スクリュロータ４側の軸受１４（および軸受１５）で片持ち支持されている。

（ロータ軸に設けられた切り欠き部）
軸受１４は、ロータ軸１１のうちのスクリュロータ４（雄ロータ４ａ）とモータ部８（モータ）との間の部分を支持する軸受である。この軸受１４とモータの回転子５との間のロータ軸１１部分には、軸方向から見て三日月形状をした切り欠き部１６が設けられている。

ロータ軸１１の軸方向において所定長さ設けられた切り欠き部１６は、ロータ軸１１のうちの軸受１４とモータの回転子５との間の部分の曲げ剛性を、当該ロータ軸１１の相互に直交する２つの直交方向で異ならせるためのものである。ロータ軸１１の相互に直交する２つの直交方向とは、例えば、図１（ｂ）に示したｘ軸方向、ｙ軸方向のことをいう。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、切り欠き部１６は、円形断面のロータ軸１１の外周面に１８０°の位相差で２箇所設けられている。２箇所の切り欠き部１６の形状・寸法は同じとされている。これら切り欠き部１６により、ロータ軸１１の断面が軸直交方向で非対称となり、軸受１４とモータの回転子５との間の部分のｙ軸方向の曲げ剛性は、ｘ軸方向の曲げ剛性よりも小さくなる。すなわち、ｘ軸方向とｙ軸方向とで曲げ剛性が異なるようになる。

（数値解析結果）
前記したように、本実施形態では、軸受１４とモータの回転子５との間のロータ軸１１部分の断面を軸直交方向で非対称とすることで、当該部分の曲げ剛性を軸の２つの直交方向（図１（ｂ）に示すｘ軸方向、ｙ軸方向）で異ならせている。こうすることで、ロータ軸１１のこれら２つの直交方向の固有振動数を変えて、共振周波数をずらす。一例として、モータ容量：７．５ｋＷの電動機を搭載したモータ軸片持ち方式の電動機直結型スクリュ圧縮機において、軸受１４とモータの回転子５との間のロータ軸１１部分の軸直交方向の曲げ剛性を異ならせたことによるロータ軸１１の振れ回り振動の安定性について解析した。解析結果を表１に示す。表１より、軸受１４とモータの回転子５との間のロータ軸１１部分の軸直交方向の曲げ剛性を異ならせることで、ロータ軸１１の振れ回り振動の増大を抑制できることがわかる。

（作用効果）
本実施形態のスクリュ圧縮機１では、ロータ軸１１のうちの軸受１４とモータの回転子５との間の部分に切り欠き部１６を設けることで、ロータ軸１１の相互に直交する２つの直交方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向）で当該部分の曲げ剛性を異ならせている。これにより、ロータ軸１１の軸直交方向の共振周波数がずれ、ロータ軸１１（片持ちのモータ軸７部分）の振れ回りの軌道が楕円となる。これにより、モータの回転子５と固定子６との間に作用する磁気吸引力が連続的に一定の力として相互に作用しにくくなり、その結果、ロータ軸１１の振れ回り振動の増大を抑制することができる。

ここで、モータ容量・ロータ軸のサイズなどから得られる振れ回り振動の増大を抑制できる剛性比を満たしていれば、切り欠き部１６は、ロータ軸１１のうちの軸受１４とモータの回転子５との間のどの部分に設けられていてもよい（後述する他の実施形態においても同様）。切り欠き部１６の形状・寸法についても適宜決定される。ロータ軸１１のうちの軸受１４とモータの回転子５との間の部分の端から端まで切り欠き部１６が設けられていてもよいし、一部に切り欠き部１６が設けられていてもよい。

なお、例えば、回転子５の内側部分のロータ軸１１（モータ軸７部分）、軸受１４と軸受１５との間の部分のロータ軸１１（スクリュ軸３部分）に、切り欠き部１６を設けても、ロータ軸１１（片持ちのモータ軸７部分）の振れ回りの軌道は円形のままであり、楕円とはならない。すなわち、ロータ軸１１の振れ回り振動の増大を抑制することはできない。

本実施形態では、ロータ軸１１の外周面に１８０°の位相差で２箇所の切り欠き部１６を設けている。これにより、ロータ軸１１の回転時の不釣り合い力（アンバランス力）を生じにくくすることができている。なお、回転時の不釣り合い力が影響しない場合、切り欠き部１６は両側ではなく片側のみでもよい。また、切り欠き部１６の数は２つに限られることはない。

ロータ軸１１に切り欠き部１６を設ける方法は、軸直交方向で曲げ剛性が異なる当該ロータ軸１１を製作し易いというメリットがある。また、既存のスクリュ圧縮機に適用し易いというメリットもある。

（第２実施形態）
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るスクリュ圧縮機１０２を示す側断面模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図２において、第１実施形態のスクリュ圧縮機１と同様の部材については同一の符号を付している。

第１実施形態のスクリュ圧縮機１と、本実施形態のスクリュ圧縮機１０２との相違点は、本実施形態のスクリュ圧縮機１０２では、２つの切り欠き部１６が、ロータ軸１１よりも剛性（曲げ剛性）の低い素材１７でそれぞれ埋められていることである。これにより、ロータ軸１１のうちの軸受１４と回転子５との間の部分は、端から端まで断面円形となる。ロータ軸１１は鋼材からなるので、素材１７は例えば樹脂系材料である。

（作用効果）
本実施形態によると、ロータ軸１１のうちの軸受１４と回転子５との間の部分を断面円形に保てるので、例えば、当該部分にリング状部品を取り付けやすい。また、当該部分にリング状部品を強固に取り付けることができる。結果として、リング状部品に起因するロータ軸１１の回転時の不釣り合い力（アンバランス力）を生じにくくすることができる。

なお、素材１７に起因する回転時の不釣り合い力が影響しない場合、素材１７は両側ではなく片側のみでもよい。

（第３実施形態）
図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るスクリュ圧縮機１０３を示す側断面模式図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図３において、第１実施形態のスクリュ圧縮機１と同様の部材については同一の符号を付している。

第１実施形態のスクリュ圧縮機１と、本実施形態のスクリュ圧縮機１０３との相違点は、本実施形態のスクリュ圧縮機１０３では、ロータ軸１１のうちの軸受１４と回転子５との間の部分に、切り欠き部１６ではなく貫通孔１８を設けていることである。貫通孔１８を設けることで、ロータ軸１１の相互に直交する２つの直交方向で当該部分の曲げ剛性を異ならせている。

（作用効果）
本実施形態によっても第１実施形態と同様に、ロータ軸１１（片持ちのモータ軸７部分）の振れ回りの軌道が楕円となり、モータの回転子５と固定子６との間に作用する磁気吸引力が連続的に一定の力として相互に作用しにくくなる。その結果、ロータ軸１１の振れ回り振動の増大を抑制することができる。

また、ロータ軸１１に貫通孔１８を設ける方法は、軸直交方向で曲げ剛性が異なる当該ロータ軸１１を製作し易いというメリットがある。また、既存のスクリュ圧縮機に適用し易いというメリットもある。

さらに、本実施形態では、ロータ軸１１の軸方向断面における中心Ｏを、ロータ軸１１の軸方向に対して直交する向きで貫通する孔１８とされているので、ロータ軸１１の回転時の不釣り合い力（アンバランス力）を生じにくくすることができている。

なお、ロータ軸１１を貫通する孔ではなく有底の穴としてもよい。また、貫通孔１８は１本だけではなく複数本設けられていてもよい。また、貫通孔１８・有底の穴を、ロータ軸１１よりも剛性の低い素材１７で埋めてもよい。さらには、ロータ軸１１の軸方向に対する貫通孔１８の角度は本実施形態のものに限られるものではない。

（第４実施形態）
図４（ａ）は、本発明の第４実施形態に係るスクリュ圧縮機１０４を示す側断面模式図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図４において、第１実施形態のスクリュ圧縮機１と同様の部材については同一の符号を付している。

第１実施形態のスクリュ圧縮機１と、本実施形態のスクリュ圧縮機１０４との相違点は、本実施形態のスクリュ圧縮機１０４では、ロータ軸１１のうちの軸受１４と回転子５との間の部分に切り欠き部１６を設けるのではなく、当該部分の断面を楕円としていることである（楕円形状部１９として図４に示している）。こうすることで、ロータ軸１１の相互に直交する２つの直交方向で当該部分の曲げ剛性を異ならせている。楕円形状部１９は、ロータ軸１１の軸方向において所定長さ設けられている。

なお、ロータ軸１１のうちの軸受１４とモータの回転子５との間の部分の端から端まで楕円形状部１９とされていてもよいし、一部分のみが楕円形状部１９とされていてもよい。また、楕円形状部１９を設けたことにより生じる凹部を、図２（ｂ）と同じように、ロータ軸１１よりも剛性の低い素材１７で埋めてもよい。

（第５実施形態）
図５（ａ）は、本発明の第５実施形態に係るスクリュ圧縮機１０５を示す側断面模式図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。図５において、第１実施形態のスクリュ圧縮機１と同様の部材については同一の符号を付している。

第１実施形態のスクリュ圧縮機１と、本実施形態のスクリュ圧縮機１０５との相違点は、本実施形態のスクリュ圧縮機１０５では、ロータ軸１１のうちの軸受１４と回転子５との間の部分に切り欠き部１６を設けるのではなく、当該部分の断面を長方形としていることである（長方形状部２０として図５に示している）。こうすることで、ロータ軸１１の相互に直交する２つの直交方向で当該部分の曲げ剛性を異ならせている。長方形状部２０は、ロータ軸１１の軸方向において所定長さ設けられている。

なお、ロータ軸１１のうちの軸受１４とモータの回転子５との間の部分の端から端まで長方形状部２０とされていてもよいし、一部分のみが長方形状部２０とされていてもよい。また、長方形状部２０を設けたことにより生じる凹部を、図２（ｂ）と同じように、ロータ軸１１よりも剛性の低い素材１７で埋めてもよい。
また、所要の剛性の異方性を満たせば、ロータ軸１１のうちの軸受１４と回転子５との間の部分の断面を台形もしくは複数の直線で構成される非対称断面としてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：スクリュ圧縮機
２：スクリュ本体部
３：スクリュ軸
４：スクリュロータ
４ａ：雄ロータ
５：回転子
６：固定子
７：モータ軸
８：モータ部（モータ）
９：ボルト
１０：エンド部材
１１：ロータ軸
１２：スクリュケーシング
１３：モータケーシング
１４、１５：軸受
１６：切り欠き部

Claims

スクリュロータと、
前記スクリュロータの雄ロータと同軸で当該雄ロータに対して一体構造にされたロータ軸と、
前記ロータ軸を回転させるモータと、
前記ロータ軸の、前記スクリュロータと前記モータとの間の部分を支持することで、前記モータを片持ち支持する軸受と、
を備え、
前記モータは、
前記ロータ軸のモータ軸部分の外周に固定された回転子と、
前記回転子の外側に配置された固定子と、
を具備してなり、
前記ロータ軸の、前記軸受と前記回転子との間の部分の曲げ剛性が、当該ロータ軸の相互に直交する２つの直交方向で異なることを特徴とする、スクリュ圧縮機。
請求項１に記載のスクリュ圧縮機において、
前記ロータ軸の、前記軸受と前記回転子との間の部分に切り欠き部が設けられていることで、前記ロータ軸の相互に直交する２つの直交方向で前記曲げ剛性が異なることを特徴とする、スクリュ圧縮機。
請求項２に記載のスクリュ圧縮機において、
前記切り欠き部が、前記ロータ軸よりも剛性の低い素材で埋められていることを特徴とする、スクリュ圧縮機。
請求項１に記載のスクリュ圧縮機において、
前記ロータ軸の、前記軸受と前記回転子との間の部分に貫通孔または有底の穴が設けられていることで、前記ロータ軸の相互に直交する２つの直交方向で前記曲げ剛性が異なることを特徴とする、スクリュ圧縮機。
請求項１に記載のスクリュ圧縮機において、
前記ロータ軸の、前記軸受と前記回転子との間の部分の断面が楕円とされていることで、前記ロータ軸の相互に直交する２つの直交方向で前記曲げ剛性が異なることを特徴とする、スクリュ圧縮機。
請求項１に記載のスクリュ圧縮機において、
前記ロータ軸の、前記軸受と前記回転子との間の部分の断面が長方形とされていることで、前記ロータ軸の相互に直交する２つの直交方向で前記曲げ剛性が異なることを特徴とする、スクリュ圧縮機。