JP4478506B2

JP4478506B2 - オイルフリースクロール圧縮機

Info

Publication number: JP4478506B2
Application number: JP2004150108A
Authority: JP
Inventors: 夏樹川端; 和明椎木
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: JP2005330899A

Description

本発明は、ベルトを介し電動機の動力が伝達されて駆動し、圧縮作動室内をオイルフリー状態で運転して空気を圧縮する圧縮機本体を備えたオイルフリースクロール圧縮機に関する。

近年、低騒音である利点から、略渦巻き状のラップを備えた旋回スクロール部材を、この旋回スクロール部材のラップに対応した略渦巻き状のラップを備えた固定スクロール部材に対し揺動させ、空気を圧縮する圧縮機本体（スクロール圧縮機）と、旋回スクロール部材を揺動させるための駆動力を発生するモータ（電動機）と、圧縮機本体による圧縮空気の圧力を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果に応じ、圧縮空気の圧力が所定値未満となった場合にモータを駆動するとともに所定値以上となった場合にモータを停止するモータ制御手段とを備えた空気圧縮機が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。例えば５５ｋＷ以下の中容量程度までの空気圧縮機においては、モータの動力を圧縮機本体に伝達する手段として、Ｖベルトが広く利用されている。

特開２００４−６０５５４号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記Ｖベルトは、初期のびとそれ以降の経年的なのびにより組立時の張力に対して運転時の張力が低下するが、その低下量にはかなりのバラツキがある。そのため、メンテナンスの一環としてＶベルトの張力の確認と張り直しを行わなければならないが、万一それを実施しない場合には、Ｖベルトのスリップが発生して動力伝達効率が低下し、圧縮機本体の吐出空気量が低下する。そして、さらにＶベルトの張力が低下すると、モータが駆動しているにも関わらず圧縮機本体が駆動しなくなり、圧縮機本体側のプーリに対しＶベルトのみがスリップ（空回り）する可能性がある。また、何らかの理由で圧縮機本体がロックされた場合にも、Ｖベルトが空回りする可能性がある。このような場合には、圧縮機本体側のプーリとＶベルトとの間で摩擦熱が発生し、Ｖベルトが切断するにまで至る恐れがある。

本発明の目的は、ベルトの空回り状態を検知し、ベルトの折損を防止することができるオイルフリースクロール圧縮機を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮作動室内をオイルフリー状態で運転して空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体にベルトを介し動力伝達する電動機とを備えたオイルフリースクロール圧縮機において、前記圧縮機本体の吐出側配管における逆止弁の上流側に設けられ、前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する吐出側圧力検出手段と、前記吐出側圧力検出手段の検出結果に基づき、検出された吐出圧力が大気圧であるときに前記圧縮機本体が停止状態にあると判断する圧縮機本体検出手段と、前記電動機が駆動状態にあるかどうかを検出する電動機検出手段と、前記ベルトのスリップ状態として、前記圧縮機本体が停止状態であると判断されかつ前記電動機が駆動状態であることが検出されたときに、前記電動機を停止させる停止手段とを備える。

本発明によれば、ベルトの空回り状態を検知し、ベルトの折損を防止することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１実施形態を図１〜図４により説明する。

図２は、本発明のオイルフリースクロール圧縮機の一実施形態の概略構造を表す縦断面図であり、図３は、本発明のオイルフリースクロール圧縮機の一実施形態を構成する圧縮機本体の詳細構造を表す水平断面図である。

これら図２及び図３において、オイルフリースクロール圧縮機１は、その外郭及び骨格を形成する筐体２と、筐体２内のベース２ａ上に固定されこの種のものとして公知のモータ（電動機）３と、筐体２内の支持部材２ｂに固定され空気を圧縮する圧縮機本体４と、筐体２内に外気を誘引してモータ３及び圧縮機本体４等を空気冷却する冷却ファン５と、圧縮機本体４からの圧縮空気を適正温度まで冷却する熱交換器６と、この熱交換器６からの圧縮空気を適正湿度まで除湿するドライヤ７と、圧縮機本体４の吐出側に設けられ、圧縮機本体４の吐出圧力Ｐ_１を検出する吐出側圧力センサ８と、圧縮機本体４の吸込側に設けられ、圧縮機本体４の吸込圧力Ｐ_２を検出する吸込側圧力センサ９と、それら吐出側圧力センサ８及び吸込側圧力センサ９の検出結果に応じてモータ３を駆動制御する制御装置１０（後述の図１参照）とを備えている。

冷却ファン５は、その回転軸がモータ回転軸３ａの一方側（図２中左側）に連結され、モータ３の回転駆動とともに駆動するようになっている。そして、この冷却ファン５の駆動により、図２中矢印Ａで示すように、吸気口１１Ａから筐体２内に外気を流入させ、冷却ファン５及びダクト１２を介して排気口１３Ａから排出している。これにより、筐体２内のモータ３及び圧縮機本体４等が外気冷却されるようになっている。また、これと同時に、図２中矢印Ｂで示すように、吸気口１１Ｂからの外気を冷却ファン５を介してダクト１２内に設けた上記熱交換器６に流出させ、その後排気口１３Ａから排出している。これにより、熱交換器６は、圧縮機本体４からの圧縮空気を適正温度まで冷却するようになっている。

ドライヤ７は、圧縮機７ａと、凝縮器７ｂと、キャピラリ７ｃと、蒸発器７ｄとを備えたヒートポンプ式の冷凍サイクルであり、これにより熱交換器６からの圧縮空気を適正湿度まで除湿するようになっている。また、このとき、ドライヤ７には、凝縮器７ｂ及び蒸発器７ｄを空気冷却するファン７ｅが備えられており、図２中矢印Ｃで示すように排気口１３Ｂから排気している。

圧縮機本体４はＶプーリ１４を備えており、モータ３の回転駆動とともに、モータ３の回転軸３ａの他方側（図２中右側）に設けたＶプーリ１５及びこれらＶプーリ１４，１５に装架したＶベルト１６を介して回転動力が伝達されるようになっている。

圧縮機本体４は、例えば圧縮作動室内をオイルフリー状態（潤滑油のない状態）で運転する両歯式スクロール圧縮機であり、図３に示すように、略渦巻き状のラップ１７ａ，１７ｂを鏡板１７ｃの両側（図３中左・右側）側面に備えた旋回スクロール１７と、この旋回スクロール１７のラップ１７ａ，１７ｂに対応した（略噛合うような形状の）略渦巻き状のラップ１８ａ，１９ａを鏡板１８ｂ，１９ｂの内側（図３中１８ｂの右側、１９ｂの左側）側面にそれぞれ備えた固定スクロール１８，１９と、旋回スクロール部材１７の径方向外周部の一方側（図３中下側）及びその反対側（図３中上側）に接続されるクランク部２０ａ，２１ａをそれぞれ中央に備え、旋回スクロール部材１７を揺動させる主クランク軸２０及び補助クランク軸２１と、主クランク軸２０及び補助クランク軸２０の一方側（図３中左側）にそれぞれ設けた歯付きプーリ２２Ａ，２２Ｂと、これら歯付きプーリ２２Ａ，２２Ｂに掛け渡され主クランク軸２０及び補助クランク軸２１を同期回転させるためのタイミングベルト２３と、主クランク軸２０の一方側に設けた上記プーリ１４とを有する。

旋回スクロール部材１７は、その揺動（旋回）運動に伴って、その略渦巻き状のラップ１７ａ，１７ｂと固定スクロール部材１８，１９の略渦巻き状のラップ１８ａ，１９ａとがそれぞれ噛合って圧縮作動室２４Ａ，２４Ｂを形成し、これら圧縮作動室２４Ａ，２４Ｂは径方向外周部から内周部に連続的に移動してその体積を減じるようになっている。また、旋回スクロール部材１７は、上記ラップ１７ａ，１７ｂと、上記鏡板部１７ｃと、鏡板部１７ｃの径方向中央に設けられ両側の圧縮作動室２４Ａ、２４Ｂを連通させる連通孔１７ｄと、鏡板部１７ｃ内を上下方向（図３中紙面に垂直方向）に連通して設けられ鏡板部１７ｃを冷却させるための複数の冷却空気用通路１７ｅとを備えている。

固定スクロール部材１８は、上記ラップ１８ａと、上記鏡板部１８ｂと、鏡板部１８ｂのラップ１８ａの径方向外周側に設けられ外部からのダスト侵入を防止する略円形状のダストラップ１８ｃと、このダストラップ１８ｃの径方向内側に設けられ連通する吸入口（図示せず）と、鏡板部１８ｂの径方向中央に設けられ圧縮作動室２４Ａ内の圧縮空気を吐出する吐出口１８ｄと、鏡板部１８ｂの外部側（図３中左側）側面に設けた放熱フィン１８ｅとを備えている。また、固定スクロール部材１９は、固定スクロール部材１８と同様、上記ラップ１９ａと、上記鏡板部１９ｂと、鏡板部１９ｂのラップ１９ａの径方向外周側に設けられ外部からのダスト侵入を防止する略円形状のダストラップ１９ｃと、このダストラップ１９ｃの径方向内側に設けられ連通する吸入口（図示せず）と、鏡板部１９ｂの径方向中央に設けられ圧縮作動室２４Ｂ内の圧縮空気を吐出する吐出口１９ｄと、鏡板部１９ｂの外部側（図３中右側）側面に設けた放熱フィン１９ｅとを備えている。

そして、これら固定スクロール部材１８，１９が平行に組み合わされボルト（図示せず）等で互いに締結されて、旋回スクロール部材１７を内包するハウジングを構成している。なお、固定スクロール部材１８，１９の上下面には冷却空気用通気口（図示せず）がそれぞれ設けられており、この通気口から上述した冷却空気がハウジング内（詳細には、固定スクロール部材１８，１９内のダストラップ１８ｃ，１９ｃの外周側及び旋回スクロール部材１７の冷却空気用通路１７ｅ等）に流入・流出して、ハウジング内を冷却するようになっている。

主クランク軸２０は、固定スクロール部材１８，１９にそれぞれ設けた転がり軸受２５Ａ，２６Ａにより回動可能に支持されている。また、主クランク軸２０には、旋回スクロール部材１７の旋回運動に伴う不釣り合いを相殺するためにバランスウエイト２７Ａ，２７Ｂが固定配置されている。補助クランク軸２１は、固定スクロール部材１８，１９にそれぞれ設けた転がり軸受２５Ｂ，２６Ｂにより回動可能に支持されている。また、補助クランク軸２１には、旋回スクロール部材１７の旋回運動に伴う不釣り合いを相殺するためにバランスウエイト２８Ａ，２８Ｂが固定配置されている。

主クランク軸２０のクランク部２０ａ及び補助クランク軸２１のクランク部２１ａはその軸線より同じ偏心量で偏心しており、旋回スクロール部材１７は、これらクランク部２０ａ，２１ａにおいて転がり軸受２９Ａ，２９Ｂを介して旋回運動可能に軸支されている。

吐出側圧力センサ８は、図示とは異なり、圧縮機本体４と熱交換器６との間に接続された空圧配管３１における逆止弁３２の上流側に設けられ、検出した吐出圧力Ｐ_１を制御装置１０に出力するようになっている。吸込側圧力センサ９は、圧縮機本体４の上記吸引口と吸気フィルタ３３との間に接続された空圧配管３４に設けられ、検出した吸込圧力Ｐ_２を制御装置１０に出力するようになっている。

図３は、上記制御装置１０の詳細機能を周辺機器と併せて表すブロック図である。

この図３において、制御装置１０は、吐出側圧力センサ８及び吸込側圧力センサ９からの検出信号を入力する入力部３５と、制御処理プログラムを記憶する記憶部（ＲＯＭ）３６と、この記憶部３６に記憶されたプログラムに基づいて演算処理を行う制御部（ＣＰＵ）３７と、この制御部３７からの指令に応じて第１モータ制御リレー３８及び第２モータ制御リレー３９に制御信号を出力し、また第１モータ制御リレー３８の接点が開き状態であるか閉じ状態であるかを検出するモータ制御回路４０とを有する。モータ３は、直列に接続された第１モータ制御リレー３８及び第２モータ制御リレー３９（通常、接点が閉じ状態である）を介しバッテリ４１に接続されている。

制御装置１０は、まず第１の機能として、吐出側圧力センサ８からの検出信号に対し所定の演算処理を行って、生成した制御信号を第１モータ制御リレー３８に出力するようになっている。詳細には、吐出圧力Ｐ_１が所定値（使用最低圧力、例えば固定値として記憶部３６に設定記憶されているか、あるいは適宜の外部設定手段によりその都度固定値として設定記憶させてもよい）未満である場合には、第１モータ制御リレー３８の接点を閉じ状態とし、これによりモータ３が通電されて駆動する。そして、モータ３の駆動によって圧縮機本体４が駆動され、吐出圧力Ｐ_１が所定値（使用最高圧力、例えば固定値として記憶部３６に設定記憶されているか、あるいは適宜の外部設定手段によりその都度固定値として設定記憶させてもよい）以上となった場合には、第１モータ制御リレー３８の接点を開き状態とし、モータ３を停止させるようになっている。

また、制御装置１０は、第２の機能として、吸込側圧力センサ９からの検出信号に対し所定の演算処理を行って、生成した制御信号を警報装置（図示せず）に出力するようになっている。詳細には、吸込圧力Ｐ_２が規定値より小さくなった場合（言い換えれば、差圧が既定値より大きくなった場合）に、警報装置を駆動し、吸気フィルタ３３が目詰まりしたことを報知するようになっている。

さらに、本実施形態の大きな特徴として、制御装置１０は、圧力センサ８，９からの検出信号により圧縮機本体４が駆動状態であるか停止状態であるかを検出するようになっている。すなわち、圧縮機本体４の駆動状態では、吐出圧力Ｐ_１は大気圧（０．１０１３ＭＰａ程度）より大きく吸込圧力Ｐ_２は大気圧より小さくなり、圧縮機本体４の停止状態では、吐出圧力Ｐ_１及び吸込圧力Ｐ_２はほぼ大気圧である。また、制御装置１０は、モータ制御回路４０で第１モータ制御リレー３８の接点が開き状態であるか閉じ状態であるかを検出することで、モータ３が駆動状態であるか停止状態であるかを検出するようになっている。そして、圧縮機本体４が停止状態でありかつモータ３が駆動状態である場合には、第２モータ制御リレー３９の接点を開き状態として、モータ３を停止させるようになっている。このような制御装置１０の制御手順を図４により説明する。図４は、制御装置１０の上記制御に係わる制御処理内容を表すフローチャートである。

この図４において、まずステップ１００で、吐出側圧力センサ８からの検出信号により吐出圧力Ｐ_１が大気圧であるかどうかを判定する。吐出圧力Ｐ_１が大気圧である場合は、ステップ１００の判定が満たされ、ステップ１１０に移る。一方、吐出圧力Ｐ_１が大気圧でない場合は、ステップ１００の判定が満たされず、ステップ１２０に移る。ステップ１２０では、吸込側圧力センサ９からの検出信号により吸込圧力Ｐ_２が大気圧であるかどうかを判定する。吸込圧力Ｐ_２が大気圧でない場合は、ステップ１２０の判定が満たされず、ステップ１００に戻って、上記同様の手順を繰り返す。一方、吸込圧力Ｐ_２が大気圧である場合には、ステップ１２０の判定が満たされ、ステップ１１０に移る。

ステップ１１０では、モータ制御回路４０で第１モータ制御リレー３８の接点が閉じ状態であるかどうかを判断し、これによりモータ３が駆動状態であるかどうかを判定する。モータ３が停止状態である（言い換えれば、第１モータ制御リレー３８の接点が開き状態である）場合は、ステップ１１０の判定が満たされず、ステップ１００に戻って上記同様の手順を繰り返す。一方、モータ３が駆動状態である（言い換えれば、第１モータ制御リレー３８の接点が閉じ状態である）場合は、ステップ１１０の判定が満たされ、ステップ１３０に移る。

ステップ１３０では、モータ制御回路４０から第２モータ制御リレー３９に制御信号を出力し接点を開き状態として、モータ３を停止させる。その後、ステップ１００に戻って、上記同様の手順を繰り返す。

次に、本実施形態の動作及び作用効果を説明する。

上記本発明のオイルフリースクロール圧縮機１において、例えば工場空気源等に使用する場合には、モータ３を駆動し、プーリ１４，１５及びＶベルト１６を介して回転動力を伝達して、圧縮機本体４の主クランク軸２０を回転駆動させる。この主クランク軸２０の回転開始と同時に、歯付きプーリ２２Ａ，２２Ｂ及びタイミングベルト２３を介して回転動力を伝達して、補助クランク軸２１が回転する。そして、これら主クランク軸２０及び補助クランク軸２１を同期回転させることにより、旋回スクロール部材１７は、自転運動を阻止された状態で、主クランク軸２０のクランク部２０ａの偏心量（＝補助クランク軸２１のクランク部２１ａの偏心量）に等しい半径の旋回運動をする。この旋回スクロール部材１７の旋回運動に伴って、吸入口から空気を流入し、流入した空気を圧縮作動室２４Ａ，２４Ｂ内でその容積を中心側に向かって減じながら所定の圧力まで圧縮して吐出口１８ｄ，１９ｄから吐出する。そして、圧縮機本体４からの圧縮空気は、熱交換器６で適正温度まで冷却し、ドライヤ７で適正湿度まで除湿して、オイルフリースクロール圧縮機１から圧送する。

このようなオイルフリースクロール圧縮機１の動作において、Ｖベルト１６の経年的なのびにより張力が低下することがあり、その場合にはモータ３が駆動しているにも関わらず圧縮機本体４が駆動しなくなり、圧縮機本体４のプーリ１４に対しＶベルト１６のみがスリップ（空回り）する可能性がある。

そこで本実施形態においては、制御装置１０は、前述の図４のステップ１００において、吐出側圧力センサ８からの検出信号により吐出圧力Ｐ_１が大気圧であるか、あるいはステップ１２０において吸込側圧力センサ９からの検出信号により吸込圧力Ｐ_２が大気圧であるかを判定することにより、圧縮機本体４が停止状態であるかどうかを検出する。またステップ１１０において、第１モータ制御リレー３８の接点が閉じ状態であるかどうかを判断することにより、モータ３が駆動状態であるかどうかを判定する。そして、圧縮機本体４が停止状態でありかつモータ３が駆動状態であるときに、すなわち圧縮機本体４のプーリ１４に対しＶベルト１６が空回りしたときに、ステップ１３０において、第２モータ制御リレー３９に制御信号を出力し接点を開き状態として、モータ３を停止させる。これにより、Ｖベルト１６の空回り状態を検知し、Ｖベルト１６の折損を防止することができる。

なお、上記一実施形態においては、吐出側圧力検出手段として吐出側圧力センサ８を設けた構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば圧力センサ８に代えて圧力スイッチを設けてもよい。また、吐出側圧力センサ８等の吐出側圧力検出手段さえ設ければ、吸込側圧力センサ９を設けない構成としてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、モータ３を停止させる停止手段として、第２モータ制御リレー３９の接点を開き状態とすることでモータ３を停止させるような構成を例にとって説明したが、これに限られず、例えば第２モータ制御リレー３９を設けず、第１モータ制御リレー３８の接点を開き状態とすることでモータ３を停止させるような構成としてもよいことは言うまでもない。

本発明の第２実施形態を図５により説明する。

本実施形態は、圧縮機本体検出手段として、圧縮機本体４における稼動部の位置変化を検出する変位検出手段を設けた実施形態である。

図５は、本実施形態によるベルト駆動型空気圧縮機を構成する圧縮機本体の詳細構造を表す縦断面図である。なお、この図５において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態による圧縮機本体４’においては、旋回スクロール部材１７の主クランク軸２０側（図５中下側）端部の位置変化（距離）を検出する位置センサ４２を固定スクロール部材１８に設ける。この位置センサ４２は、旋回スクロール部材１７の旋回運動に伴って周期的に変化する旋回スクロール部材１７の主クランク軸側端部までの距離を検出し、その検出信号を上記制御装置１０に出力する。制御装置１０は、位置センサ４１からの検出信号により旋回スクロール部材１７が旋回運動を行っているかどうかを判断し、これにより圧縮機本体４が駆動状態であるか停止状態であるかを判定する。そして、上記一実施形態同様、圧縮機本体４が停止状態にありかつモータ３が駆動状態にあることを検出したときには、上記第２モータ制御リレー３９に制御信号を出力し接点を開き状態として、モータ３を停止させる。

以上のように構成された本実施形態においても、上記一実施形態同様、ベルトの空回り状態を検知し、ベルトの折損を防止することができる。

なお、上記第２実施形態においては、変位検出手段としての位置センサ４２は、旋回スクロール部材１７の端部との距離を検出するような構成を例にとって説明したが、これに限れられない。すなわち、例えばバランスウェイト２７Ａ，２７Ｂ（又は２８Ａ，２８Ｂ）との距離を検出したり、また例えば主クランク軸２０又は補助クランク軸２１の外周部に平坦部を設け、回転運動に伴い変化する外周部との距離等を検出してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明のオイルフリースクロール圧縮機の第１実施形態を構成する制御装置の詳細機能を周辺機器と併せて表すブロック図である。本発明のオイルフリースクロール圧縮機の第１実施形態の概略構造を表す縦断面図である。本発明のオイルフリースクロール圧縮機の第１実施形態を構成する圧縮機本体の詳細構造を表す水平断面図である。本発明のオイルフリースクロール圧縮機の第１実施形態を構成する制御装置の制御処理内容を表すフローチャートである。本発明のオイルフリースクロール圧縮機の第２実施形態を構成する制御装置の制御処理内容を表すフローチャートである。

符号の説明

１オイルフリースクロール圧縮機
３モータ（電動機）
４圧縮機本体
８吐出側圧力センサ
９吸込側圧力センサ
１０制御装置
１６Ｖベルト
３８第１モータ制御リレー
３９第２モータ制御リレー
４２位置センサ

Claims

圧縮作動室内をオイルフリー状態で運転して空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体にベルトを介し動力伝達する電動機とを備えたオイルフリースクロール圧縮機において、
前記圧縮機本体の吐出側配管における逆止弁の上流側に設けられ、前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する吐出側圧力検出手段と、
前記吐出側圧力検出手段の検出結果に基づき、検出された吐出圧力が大気圧であるときに前記圧縮機本体が停止状態にあると判断する圧縮機本体検出手段と、
前記電動機が駆動状態にあるかどうかを検出する電動機検出手段と、
前記ベルトのスリップ状態として、前記圧縮機本体が停止状態であると判断されかつ前記電動機が駆動状態であることが検出されたときに、前記電動機を停止させる停止手段とを備えることを特徴とするオイルフリースクロール圧縮機。