JP4319409B2 - 水噴射式スクリュー圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、内部に二つのロータを有した圧縮室に境を接しているハウジングを備えた圧縮機エレメントと、該圧縮機エレメントを駆動するための電気モータとを有した水噴射式スクリュー圧縮機に関する。

水噴射式スクリュー圧縮機は、しばしば、油噴射式（給油式）や無給油式（オイルフリー）のスクリュー圧縮機よりも好まれて選択される。

油噴射式のスクリュー圧縮機においては、発生される空気は、実際には油分が無いわけではない。

潤滑液の噴射を行わない従来の無給油式スクリュー圧縮機に関しては、圧縮機部は油潤滑を行う歯車ケースによってモータに接続されている。ここで、ロータの回転速度は、より高いものとなっている。

そのような従来の無給油式のスクリュー圧縮機と対比して、水噴射式スクリュー圧縮機は、幾つかの長所を有している。まず第一に、１５バールにも達する吐出圧力が、２段又は３段のものに代わって１段で得られる。従って、圧縮機は、より安価に且つよりコンパクトに実現される。更に、より低い作業温度によって伝統的な無給油式のスクリュー圧縮機に係わるものよりもより簡単なクーラで十分であろう。更に、水噴射式スクリュー圧縮機は、騒音発生がより低く、効率がより高い。更に、何ら油やグリースが使用されていないので、何ら追加の保守が必要でなく、またその圧縮機は、廃棄の油やグリースが何にも無いので環境により優しい。

水噴射式スクリュー圧縮機に関しては、ロータを冷却し、シールし、潤滑するために水がロータに噴射され、それで雄形ロータが雌形ロータを直接駆動する。

本明細書では、「水」は必ずしも１００％純粋な水を意図していないことは明らかである。この水は、防錆手段及び／または凝固点降下手段等の添加剤を含有することができ得るものである。

水は、更に、雄形ロータ及び雌形ロータが軸端で内部で支承される滑り軸受を潤滑するために噴射される。

圧縮室では、空気が圧縮されて、吐出口を通って水と共に吐出される。空気−水の混合物は、次に容器／水分離器へ運ばれ、そこで水の大部分は分離される。水は容器内でその底部に収集され、また圧縮空気は頂部において運ばれ放出される。

水噴射式スクリュー圧縮機の速度範囲は、とりわけ水がより粘度が低く且つより熱容量が高いので、油噴射式スクリュー圧縮機の速度範囲よりも高くなっている。もし、水噴射式スクリュー圧縮機が電気モータによって直接駆動されなければならい場合、該モータは、油噴射式スクリュー圧縮機の場合よりもより速く作動しなければならないであろうし、このことで、モータの軸受やモータの冷却に問題を起こすことになろう。

本発明は、上述した問題を解消し且つ歯車ケース無しで直接駆動できるようにし、その結果として圧縮機がよりコンパクトでより安価になるようにした水噴射式スクリュー圧縮機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、雄形ロータ及び雌形ロータが内部に搭載されている圧縮室を境界しているハウジングを備えた圧縮機エレメントであって、該雄形ロータ及び雌形ロータは水で潤滑される滑り軸受によって軸端においてハウジング内に支承されているものである圧縮機エレメントと、ロータ軸を備えたロータを取り囲んでいるステーターを内側に担持したハウジングを有していて、圧縮機エレメントを駆動する電気モータと、圧縮室に接続した圧力導管と、圧力導管において水分離器にもなっている容器と、容器と圧縮室の間の水戻し管とを有した水噴射式スクリュー圧縮機から構成されていて、その特徴的構成は、一方のロータの軸端が、モータのロータ軸に直接結合されるか、又はロータ軸と一体品を成していて、上記ロータ軸が上記軸端の延長線に配置されていて、また更にモータのロータ軸が、少なくとも一つの水潤滑の滑り軸受によって支承されており、そして、モータハウジングには、水用の少なくとも一つのドレイン開口が設けられていることにある。

圧縮機エレメントの軸が、その延長線に配置されたモータの軸と直接、別言すれば歯車伝動装置無しで、かくして１／１の速度伝達比で結合されるか、又は一体品を成すと言う事実によって、軸受が経済的に構成される長所を享受できる。

米国特許公報第Ａ−５，２２２，８７４号は、一方のロータの軸端が電気モータのロータ軸と統一体を成している油潤滑式スクリュー圧縮機について説明している。このロータ軸に接続されているロータは、その軸端で圧縮機エレメントのハウジング内の両端で支承されているが、しかし、モータのロータ軸は、それ自身では支承されていない。従って、特に圧縮機は、必ず垂直に搭載されなければならない。軸受も決して滑り軸受ではなく、ローラ軸受となっており、それで水潤滑を不可能にしている。油は、重力によってモータの頂部から小さな負圧が存在している圧縮機エレメントの吸入口側に向かって流れ落ちている。

ドイツ特許公報第Ａ−１９７ ４５ ６１６号は、真空ポンプについて説明している。特に、噴射式圧縮機エレメントや、容器や、戻し導管については説明がない。ポンプ部は、ただ２部品のロータだけを有しており、その端部は、電気モータのロータ軸と統一体を形成している。該ロータ軸は、ポンプ部のロータとは異なり、その両端部で支承されている。更にこの真空ポンプでは、軸受は決して滑り軸受ではなくて、ボール軸受となっている。潤滑剤として水の使用が可能であると述べているが、油が明らかに好まれており、ただ油冷却に関する例のみが説明されているに過ぎない。冷却剤は電気モータと接触するようになっており、それで水は適さない。

本発明によれば、モータのハウジングと圧縮機エレメントのハウジングも、好ましくは統一体を成すように一体化されている。

勿論、滑り軸受の潤滑のために使用される水は、モータのハウジングの内部空間内に入って、そこで短絡を起こすリスクがある。

これを回避するために、ある実施態様では、モータのロータ軸とそれに接続されている軸端とによって形成された統一体の周りのハウジングの内部空間は、自由端を滑り軸受に向けているリップシールによって、ロータの両側に配置された滑り軸受の各々の内側でシールされており、一方、モータのハウジングの内部空間は、少なくとも一本の導管によって圧力ブロックガス源に接続している。

米国特許公報第Ａ−５，２２２，８７４号に係る圧縮機では、軸の周りでは圧縮機エレメントのハウジングとモータハウジングの間で何らシーリングが行われていない。冷却剤は、モータのロータと接触するようになっており、その結果この理由でも決して水が冷却剤として使用できない。

ドイツ特許公報第Ａ−１９７ ４５ ６１６号にかかる真空ポンプでは、軸の周りでは２軸のシーリングが、ポンプ部のハウジングとモータのハウジングとの間で行われているが、しかし、モータのハウジングの内部空間は、圧力ブロックガス源に接続できない。シーリングは、軸の回転中にも軸に対して常に押圧している。

本発明によれば、シーリングはただ静止中に起きるだけであるが、しかし、軸の回転中にはブロックガスがモータのハウジングの内部空間に付加され、その結果としてリップシールは持ち上げられて、摩擦が最小化される。

本発明によれば、該ブロックガス源は、好ましくは圧力導管又は容器となっており、それでその場合、この圧力導管又は容器とモータの内部空間との間の導管には、水分離器と好ましくは更に制限器とが搭載される。

圧縮機が作動しているときには、リップシールは持ち上げられ、その結果としてこれらのリップシールの摩耗と摩滅が回避される。圧縮機が静止しているときには、リップシールは、モータの軸の周りでクランプ作用を行い、その結果シーリングが保証された状態を維持する。

別の実施態様では、ステーターとロータの巻き線は、例えばシリコン等の電気絶縁材で処理されており、またシールに代えて、一つ以上のドレイン導管が、水が噴射される滑り軸受の各々のロータ向き側に設けられており、その滑り軸受は、ロータの両側に配置されている。

この場合、モータの区画室ではある規定の量の湿度が許容されている。湿気のある空気は、モータの内部空間内に入り込んだり、その内部に吹き込まれたりして、モータの冷却と効率を改善する。

この実施態様は、より少ない部品が必要とされるだけで、かくして設計がより簡単になると言う長所を有している。リップシールは最早必要が無く、その結果その保守も省かれ、またモータの覆いには最早冷却通路を設ける必要がない。

モータのロータ軸の水が噴射される滑り軸受は、好ましくは導管によって水源に接続されており、該水源は、特に水戻し管によって、具体的にはそこの上記容器／水分離器によって形成されている。

モータのロータ軸の滑り軸受の水潤滑によって、優れた軸受構造ばかりではなく、更に確実な冷却が実現されることになるが、しかし、好ましくは圧縮機には、ステーターを冷却する特別の冷却手段が設けられる。

ある実施態様では、これらの冷却手段は、特に少なくとも一つ通路を有しており、該通路は、ハウジングを貫通して設けられていて、水源に、具体的には容器／水分離器を有した上記水戻し管に接続されている。

従って、何ら追加の水源は必要が無い。

ハウジング内の通路は、外部水源が利用可能であればそのような水源にも接続され得るものである。この場合、ハウジングの素材に対する必要条件の厳格さが緩くなる。水は何ら圧縮室や軸受に入らないので、水が完全に小粒物を含まない状態にする必要はない。

上記の冷却手段は、モータのハウジングに用意された冷却羽根を有することもできる。

以下に、何ら限定的な特徴を含んでいない例として、本発明の特徴をより良く示す発明について本発明に係る水噴射式スクリュー圧縮機の参考例及び好適な実施形態を添付図面を参照にして説明する。

図１に参考例として示されている水噴射式スクリュー圧縮機１は、実質的に、水が噴射される圧縮機エレメント２と、電気モータ３と、圧縮機エレメント２に接続した圧力導管４と、更に圧力導管４において水分離器を形成している容器５と、容器５と圧縮機エレメント２との間の水戻し管６とから構成されている。

圧縮機エレメント２は、実質的に、圧縮室８が配置されているハウジング７と、該ハウジング７の内部に配置された二つの互いに係合したスクリュー形状のロータ、即ち雄形ロータ９及び雌形ロータ１０とから構成されている。

ハウジング７には、図示されていない吸入口管が接続されている空気吸入口１１と、圧力導管４が接続している空気吐出口１２とが設けられている。

両方のロータ９、１０には、水で潤滑される滑り軸受１７によってハウジング７内で支承された軸端１３、１４；１５、１６が各々設けられている。

モータ３は、実質的にハウジング１８から構成され、該ハウジング１８の内側には、ロータ軸２２を有したロータ２１が内側に配置されている閉鎖された内部空間２０に境を接しているステーター１９が取り付けられている。

モータ３は、圧縮機エレメント２に直接接続されている。このことは、モータ３のロータ軸２２が、例えば円錐形凹みに填まってそこにピンによって保持される円錐形端部によって、雄形ロータ９の軸端１３に直接取り付けられていることを意味している。理論的には、ロータ軸２２と軸端１３とは一体品を形成できるが、しかし、このことは、圧縮機を構成する上で実現性に乏しい。

軸端１３とロータ軸２２とは互いに接続されたり、又は一体品を形成したりするので、ロータ軸２２の軸受は省くことができる。

図示例では、ロータ軸２２は、圧縮機エレメント２から一番離れたその端部において、ハウジング１８に、即ち水潤滑の滑り軸受２３によって支承されている。このことで、回転する部品全体の安定性を高めるが、更にモータ３が相対的に重い場合もそうであり、また金属軸の周りにファイバーで補強された合成材、所謂複合材で造られた本体を備えたロータ９、１０が使用できるようにしている。そのようなロータによって、軸端１３を備えたロータ９における軸の曲げ抗力はより低くなっている。

このことで、圧縮機エレメント２を水平に設置できるようにしている。ところで、適当な水潤滑の滑り軸受によって、圧縮機エレメント２は、更に、図示されているような水平設置に代えて垂直にも設置され得る。

水で潤滑される滑り軸受１７、２３には、枝管２５によって水戻し管６に接続している水噴射点２４が設けられており、該水戻し管６は、容器５の底部側を、圧縮室８の内部に開放していて圧縮室８内に水の噴射を行う幾つかの水噴射点２６に接続している。

該水戻し管６はハウジング１８を貫通して延びており、結局ハウジング１８には幾つかの互いに接続された通路２７が設けられることになる。

入口２８によって、これらの通路２７は容器５に接続されていて、またそれらは、出口２９によって噴射点２６に接続すると共に枝管２５によって噴射点２４に接続している。容器５と入口２８の間において水戻し管６には、連続してクーラ３０と水フィルター３１とが設けられている。

枝管（２５）は、変形例において外部水源に接続し得るものである。

電気モータ３の内部に水が侵入するのを防止するために特別の対策が取られている。

つまり、内部空間２０に水が侵入するのを防止するために、軸端１３とロータ軸２２とによって形成された共通軸は、ハウジング１８の両端部において、例えばＰＴＦＥ等のリップシール３２によって囲まれており、該リップシール３２は、ハウジング１８に取り付けられていて、その自由端を内部空間２０から離れる方向に向けている。

内部空間２０は、二つの入口３３とそれに接続された導管３４とによって容器５の頂部側に接続されており、それら導管は共通導管３５に統合している。共通導管３５には、水分離器３６と制限器（絞り弁）３７とが設けられている。

リップシール３２とそれに向かい合って配置された滑り軸受１７との間の空間３８には、滑り軸受１７の漏れた空気と水のためのドレイン導管３９が接続されており、該ドレイン導管３９は圧縮室８内に入口側で開放している。

通常の運転では、モータ３は圧縮機エレメント２の雄形ロータ９を直接駆動する。雄形ロータ９と係合している雌形ロータ１０は、その際に反対方向にそれと共に回転する。それによって、空気は空気吸入口１１を経て圧縮室８に向かって吸入され、圧縮される。ロータ９、１０を潤滑して冷却するために水噴射点２６を介して噴射される水と、導管３９を介して滑り軸受１７から生じる水と共に、圧縮された空気は、空気吐出口１２を通って圧縮室８から放出される。

この圧縮空気と潤滑水の混合物は、圧力導管４を介して容器５に向かって押圧され、そこで水の大部分が分離され、分離された水は水戻し管６によって圧縮室８に戻し供給される。

この水は通路２７を貫流し、それによってハウジング１８を冷却し、また同じくステーター１９も冷却する。

この水や、又は外部水源からの水の一部分は、枝管２５を通って滑り軸受１７と滑り軸受２３に向かって流れ、それでそれら軸受が潤滑され、冷却される。

導管３４、３５を介して圧力ブロック空気が内部空間２０内に供給される。

容器５からの圧力空気が内部空間２０内に搬入されると、内部空間２０は若干過圧状態に置かれ、その結果としてリップシール３２が幾分持ち上げられることになり、軸２２が始動して回転すると、更にまた水が潤滑に使用されると、ロータ軸２２の共同接触リングに対するこれらのリップシール３２の摩耗と摩滅が無くなる。

圧縮機が静止し、容器５内部の圧力と、かくして更に内部空間２０内の圧力とが殆ど大気圧力まで低下すると、リップシール３２は最早持ち上げられずに軸端１３とロータ軸２２の組合せ体に対して載った状態になる。

これらのリップシール３２は、かくして従来のリップシールに対して逆方式でそれらが作用すると言う事実から、逆リップシールと呼ばれている。これらの従来のリップシールは、この軸に対して軸の回転中にも載っかっており、またしばしば静止中よりも更により強くそれにもたれ掛かることになり、それで、もし潤滑剤として油が使用されずに水が使用されれば、過度の摩耗を起こすことになろう。

リップシール３２を通って滑り軸受１７に向かって漏れる空気は、水と共に滑り軸受１７からドレイン導管３９を通って圧縮室８に向かって運ばれる。

制限器３７は、ブロック空気が導管３５の内部で膨張するために用意されており、それで、ブロック空気の相対湿度を低下させるようにしている。モータ３の内部の温度は、常に相対的に高いので、相対湿度は更に低下されることになり、その結果空気中に残っている水蒸気は液化することはない。

ここで説明した参考例では、色々な滑り軸受１７、２３及びロータ９、１０を潤滑する水は、ステーター１９を覆って流れるが、ステーター１９は、別の水回路によっても冷却され得るものである。

本発明の技術的範囲内において、内部空間２０に供給されるブロック空気は、ここで説明されている参考例におけるように圧縮機エレメント２自身から生じる代わりに外部空気源から発生することも可能である。

図２にかかる実施形態は、ステーター１９を冷却する上記手段の通路２７が、図２で４１によって概略示されている外部冷却水源に導管４０によって接続されていて、且つハウジング１８が底に一つ以上ドレイン開口４２を設けている点で上述した参考例とは実質的に異なっている。

外部水源４１からの水が、内部水源に代わってハウジング１８を冷却し、かくしてステーター１９を冷却するのに使用され、これが圧縮機エレメント２を潤滑するために使用される回路を成していると言う事実は、この水が上記回路の水よりも酸素含有量がより少なく、より大変冷たく、純度に関する必要条件がより緩いと言った長所を有している。

電気モータ３は、加圧状態にあって且つ水噴射式の圧縮機エレメント２に隣接して配置されているので、電気モータ３内に水が入るのを防止する対策が予め取られているが、図２にかかる実施形態は、モータ３にさらに水抵抗性を持たせる特別の対策が取られている。

従って、ステーター１９とロータ２１の巻き線は、湿気に対して、例えばシリコン等の電気絶縁材で処理されている。

ドレイン開口４２は、所謂「フローティング弁」４３内に放出するようにしている。そのような弁は、内部に水が収集される容器と、その内部の液体が所定のレベルに達すると容器の出口を開放するフロートとを有している。

外部水源４１からの冷却水は、クーラ３０における冷却媒体として使用される。

例えばシリコン等の絶縁材によって、ある一定の量の湿度が内部空間２０に許されている。

偶然に内部空間２０に入った水は、一つ以上の上記ドレイン開口４２を介して運び出される。

上記参考例及び実施形態では、モータ３と圧縮機エレメント２との間には何ら歯車伝動装置が無く、またハウジング７、１８は統合されていて統一体を成している。合計でたったの三つの軸受が、ロータ軸２２とロータ９の軸端１３、１４とに必要とされているだけである。結果的に、その統一体は相対的にコンパクトで安価となっている。

モータ３の高速度回転によって発生された熱は、冷却のための上記手段によって運び出される。

本発明は、例として説明し且つ図に示した実施形態に決して限定されるものでは無く、反対にそのような水噴射式スクリュー圧縮機は、本発明の技術的範囲を逸脱しない限り異なった形態と寸法で実現され得るものである。

本発明に係る水噴射式スクリュー圧縮機の参考例を概略的に示している。 図１と同様な図であるが、本発明に係る水噴射式スクリュー圧縮機の実施形態を概略的に示している。

１ 水噴射式スクリュー圧縮機
２ 圧縮機エレメント
３ 電気モータ
４ 圧力導管
５ 容器
６ 水戻し管
７ ハウジング
８ 圧縮室
９ 雄形ロータ
１０ 雌形ロータ
１１ 空気吸入口
１２ 空気吐出口
１３，１４，１５，１６ 軸端
１７ 滑り軸受
１８ ハウジング
１９ ステーター
２０ 内部空間
２１ ロータ
２２ ロータ軸
２３ 滑り軸受
２４ 水噴射点
２５ 枝管
２６ 水噴射点
２７ 通路
２８ 入口
２９ 出口
３０ クーラ
３１ 水フィルター
３２ リップシール
３３ 入口
３４ 導管
３５ 共通導管
３６ 水分離器３６
３７ 制限器（絞り弁）
３８ 空間
３９ ドレイン導管
４０ 導管
４１ 外部冷却水源
４２ ドレイン開口
４３ フローティング弁

Claims (12)

1. 雄形ロータ（９）及び雌形ロータ（１０）が内部に搭載されている圧縮室（８）を境界しているハウジング（７）を備えた圧縮機エレメント（２）であって、該雄形ロータ（９）及び雌形ロータ（１０）は水で潤滑される滑り軸受（１７）によって軸端（１３、１４；１５、１６）においてハウジング（７）内に支承されているものである圧縮機エレメントと、ロータ軸（２２）を備えたロータ（２１）を取り囲んでいるステーター（１９）を内側に担持したハウジング（１８）を有していて、上記圧縮機エレメント（２）を駆動する電気モータ（３）と、圧縮室（８）に接続した圧力導管（４）と、圧力導管（４）において水分離器にもなっている容器（５）と、容器（５）と圧縮室（８）との間の水戻し管（６）とを有した水噴射式スクリュー圧縮機であって、一方のロータ（９）の軸端（１３）が、モータ（３）のロータ軸（２２）に直接結合されるか、又はロータ軸（２２）と一体品を成していて、上記ロータ軸が上記軸端の延長線に配置されていて、また更にモータ（３）のロータ軸（２２）が、少なくとも一つの水潤滑の滑り軸受（２３）によって支承されており、そして、モータ（３）のハウジング（１８）には、水用の少なくとも一つのドレイン開口（４２）が設けられていることを特徴とする水噴射式スクリュー圧縮機。
2. モータ（３）のロータ軸（２２）は、圧縮機エレメント（２）に対して遠い方のその端部において一つの滑り軸受（２３）で支承されていることを特徴とする請求項１に記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
3. モータ（３）のハウジング（１８）と圧縮機エレメント（２）のハウジング（７）は、統一体を形成するように統合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
4. モータ（３）のロータ軸（２２）とそれに接続されている軸端（１３）とによって形成された統一体の周りのハウジング（１８）の内部空間（２０）は、自由端を滑り軸受（１７、２３）に向けているリップシール（３２）によって、ロータ（２１）の両側に配置された滑り軸受（１７、２３）の各々の内側でシールされており、モータ（３）のハウジング（１８）の内部空間（２０）は、少なくとも一本の導管（３４、３５）によって圧力ブロックガス源（４、５）に接続していることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
5. 前記圧力ブロックガス源（４、５）は、圧力導管（４）又は容器（５）であり、該圧力導管（４）又は容器（５）とモータ（３）のハウジング（１８）の内部空間（２０）との間に、水分離器（３６）と、好ましくは更に制限器（３７）とが搭載されていることを特徴とする請求項４に記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
6. モータ（３）のステーター（１９）及びロータ（２１）の巻き線は、例えばシリコン等の電気絶縁材で処理されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一つに記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
7. モータ（３）のロータ軸（２２）の水潤滑の滑り軸受（２３）は、導管（２５）によって水源に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一つに記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
8. モータ（３）のロータ軸（２２）の水潤滑の滑り軸受（２３）は、導管（２５）によって水戻し管（６）に、特に水戻し管に在る容器（５）に接続していることを特徴とする請求項７に記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
9. ステーター（１９）を冷却するための付加的な冷却手段（６、２７；４０、２７）が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一つに記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
10. ステーター（１９）を冷却するための冷却手段（６、２７；４０、２７）は、モータ（３）のハウジング（１８）を貫通して設けられ且つ水源（４、５；４１）に接続されている少なくとも一つ通路（２７）を有していることを特徴とする請求項９に記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
11. 通路（２７）は、水戻し管（６）又は容器（５）に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の水噴射式スクリュー圧縮機。
12. 通路（２７）は、外部の冷却水源（４１）に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の水噴射式スクリュー圧縮機。

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