JP5197487B2 - 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７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、前記モータロータの支持部の軸径を太くする外側部材を前記雄ロータから延びた軸部に焼きバメ又は冷やしバメにより固着し、前記外側部材の前記雄ロータ側にフランジ部を設け、前記フランジ部と前記雄ロータとの間に前記雌ロータの前記モータロータ側への移動を許容するクリアランスを設け、前記雄ロータの歯底径より前記モータロータの支持部の軸径の方が大きくなるようにしている。

この構成によれば、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。

また、雌ロータがモータロータ側に移動しても雌ロータと外側部材との接触を防止できる。

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、前記雄ロータの前記モータロータ側の端面と、前記雌ロータの前記モータロータ側の端面との間に段差を設け、前記雄ロータの歯底径より前記モータロータの支持部の軸径の方が大きくなるようにしている。この構成によれば、雌ロータがモータロータ側に移動しても雌ロータとモータロータの支持部との接触を防止できる。

前記雄ロータの歯が６枚であり、かつ、前記雌ロータの歯が７枚であることが好ましい。この構成によれば、雄ロータの歯が５枚であり、かつ、雌ロータの歯が６枚である場合と比較して、歯底径を大きくすることができる。

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。

雄ロータの歯底径よりモータロータの支持部の軸径の方を大きくすることにより、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。

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。

外側部材のフランジ部と雄ロータとの間に雌ロータのモータロータ側への移動を許容するクリアランスを設けることにより、雌ロータがモータロータ側に移動しても雌ロータと外側部材との接触を防止できる。

雄ロータのモータロータ側の端面と、雌ロータのモータロータ側の端面との間に段差を設けることにより、雌ロータがモータロータ側に移動しても雌ロータとモータロータの支持部との接触を防止できる。

雄ロータの歯を６枚にし、かつ、雌ロータの歯を７枚にすることにより、雄ロータの歯が５枚であり、かつ、雌ロータの歯が６枚である場合と比較して、歯底径をより大きくすることができる。このようにすれば、モータロータの支持部の軸径をより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。

モータの巻線の材質をアルミニウムにすることにより、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。

本発明の参考例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。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 本発明の第１実施形態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。 本発明の第２実施形態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。 本発明の第３実施形態のスクリュ歯形を示す図。 図６（ａ）は５−６歯形の一例を示す図、図６（ｂ）は６−７歯形の一例を示す図。 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、本発明の参考例にかかるスクリュ圧縮機１０（以下、単に圧縮機という。）のスクリュロータ１１，１２及びモータロータ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、単に雄ロータという。）と雌スクリュロータ１２（以下、単に雌ロータという。）を備えている。図２に、雄ロータ１１及び雌ロータ１２の図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図を示す。雄ロータ１１は、５枚の歯１１ａを備えている。雌ロータ１２は、６枚の歯１２ａを備えている。雄ロータ１１の歯１１ａとその歯１１ａに隣接する歯１１ａの間の部分であって、回転軸の中心１１ｂに最も近い部分を歯底１１ｃと称する。中心１１ｂを中心とし、歯底１１ｃを通る円の直径を歯底径１１ｄとする。同様に、雌ロータ１２の歯１２ａとその歯１２ａに隣接する歯１２ａの間の部分であって、回転軸の中心１２ｂに最も近い部分を歯底１２ｃと称する。中心１２ｂを中心とし、歯底１２ｃを通る円の直径を歯底径１２ｄとする。

雌雄のスクリュロータ１１，１２には、両側へ延びるロータ軸１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが設けられている。ロータ軸１４ａ，１４ｃ，１４ｄは、それぞれ軸受１５ａ，１５ｃ，１５ｄにより支持されている。ロータ軸１４ｂの外周部分の外側には、外側部材１６が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、ロータ軸１４ｂとほぼ一致する長さである。外側部材１６は、雄ロータ１１側にフランジ部１６ａを備えている。ロータ軸１４ｂは、モータ１３の軸部１３ｂとなっている。軸部１３ｂの軸径はＤ２である。外側部材１６が固着されたロータ軸１４ｂ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は、外側部材１６のフランジ部１６ａよりもモータロータ１３ａ側の円筒部分１７ａで軸受１５ｂにより支持されている。モータ１３の支持部１７の円筒部分１７ａの外径はＤ３である。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１１ｅ，１２ｅ側には吐出部１８が設けられ、他方の端面１１ｆ，１２ｆ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。

参考例では、雄ロータ１１の歯底径１１ｄの大きさＤ１、軸部１３ｂの軸径Ｄ２、及びモータ１３の支持部１７における円筒部分１７ａの外径Ｄ３の間に、Ｄ２＜Ｄ１＜Ｄ３の関係が成り立つようにしている。すなわち、雄ロータ１１の歯底径１１ｄよりモータロータ１３ａの支持部１７の軸径の方が大きくなるようにしている。

雄ロータ１１の歯底径１１ｄよりモータロータ１３ａの支持部１７の軸径の方を大きくすることにより、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１０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。

図３は第１実施形態の圧縮機１０のスクリュロータ１１，１２及びモータロータ１３ａの模式図である。本実施形態において、参考例と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。

モータロータ１３ａの支持部１７を構成する外側部材１６のフランジ部１６ａと雄ロータ１１との間に雌ロータ１２のモータロータ１３ａ側への移動を許容するクリアランス２１が設けられている。クリアランス２１により、雌ロータ１２がモータロータ１３ａ側に移動しても雌ロータ１２の端面１２ｆがモータ１３の支持部１７と接触しないようになっている。クリアランス２１は、外側部材１６の雄ロータ１１側の端面からフランジ部１６ａまで軸方向に同一外径Ｄ４が連続して形成されている。なお、外側部材１６のクリアランス２１の軸方向における隙間は、雄ロータ１１のモータ１３と反対側のスラスト軸受１５ａの軸方向の隙間あるいは雌ロータ１２の熱膨張の量により決定される。軸方向におけるクリアランス２１の量は大略０．０５〜０．１ｍｍ程度である。本実施形態において、雄ロータ１１の歯底径１１ｄの大きさＤ１、軸部１３ｂの軸径Ｄ２、モータ１３の支持部１７における円筒部分１７ａの外径Ｄ３、及びクリアランス２１を形成する外側部材１６の外径Ｄ４の間の関係は、Ｄ２＜Ｄ４＜Ｄ１＜Ｄ３である。

このように、外側部材１６のフランジ部１６ａと雄ロータ１１との間に雌ロータ１２のモータロータ１３ａ側への移動を許容するクリアランス２１を設けることにより、雌ロータ１２がモータロータ１３ａ側に移動しても雌ロータ１２とモータロータ１３ａの支持部１７との接触を防止できる。

図４は第２実施形態の圧縮機１０のスクリュロータ１１，１２及びモータロータ１３ａの模式図である。本実施形態において、参考例と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。

雄ロータ１１及び雌ロータ１２は、雄ロータ１１のモータロータ１３ａ側の端面１１ｆと、雌ロータ１２のモータロータ１３ａ側の端面１２ｆとの間に段差２２を有するように設けられている。すなわち、雌ロータ１２は咬合する雄ロータ１１にオーバーハングされたモータ１３の支持部１７に対して、クリアランスを有する。軸方向における前記クリアランスの量は大略０．０５〜０．１ｍｍ程度である。

このように、雄ロータ１１のモータロータ１３ａ側の端面１１ｆと、雌ロータ１２のモータロータ１３ａ側の端面１２ｆとの間に段差２２を有するように設けることにより、雌ロータ１２がモータロータ１３ａ側に移動しても雌ロータ１２とモータロータ１３ａの支持部１７との接触を防止できる。

図５は、第３実施形態の圧縮機１０の雄ロータ１１及び雌ロータ１２のスクリュ歯形の断面図を示す。本実施形態において、参考例と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、第１および第２実施形態の５枚の歯を備えた雄ロータ１１及び６枚の歯を備えた雌ロータ１２を、６枚の歯１１ａを備えた雄ロータ１１及び７枚の歯１２ａを備えた雌ロータ１２に変更し、５枚の歯を備えた雄ロータの外径と６枚の歯を備えた雄ロータの外径が同一となるように設計されたものである。

設計の一例を示す。図６（ａ）は、雄ロータ１１ｇが５枚の歯１１ｈを備え、雌ロータ１２ｇが６枚の歯１２ｈを備えた５−６歯形を示す。図６（ｂ）は、雄ロータ１１ｊが６枚の歯１１ｋを備え、雌ロータ１２ｊが７枚の歯１２ｋを備えた６−７歯形を示す。５−６歯形と６−７歯形の雄ロータ１１ｇ，１１ｊは、外径がφ１２１．５９８で同一である。５−６歯形の雄ロータ１１ｇの歯底径１１ｍがφ７５．８２４であるのに対して、６−７歯形の雄ロータ１１ｊの歯底径１１ｎは、φ８１．１６である。５−６歯形の雌ロータ１２ｇの外径がφ１０４．１７６であるのに対して、６−７歯形の雌ロータ１２ｊの外径は、φ１０６．１６２である。５−６歯形の雌ロータ１２ｇの歯底径１２ｍがφ５８．４０２であるのに対して、６−７歯形の雌ロータ１２ｊの歯底径１２ｎは、φ６５．７２４である。

雄ロータ１１ｊの歯１１ｋを６枚にし、かつ、雌ロータの歯１２ｋを７枚にすることにより、雄ロータ１１ｇの歯１１ｈが５枚であり、かつ、雌ロータ１２ｇの歯１２ｈが６枚である場合と比較して、歯底径１１ｍ、１２ｍをより大きくすることができる。このようにすれば、モータロータ１３ａの支持部１７の軸径をより大きくすることができ、雄ロータ１１ｇ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。モータ１３の支持部１７における円筒部分１７ａの外径Ｄ３を大きくするために、雄ロータ１１の歯底径１１ｄ，１１ｎの大きさＤ１を大きくすることは有効である。５−６歯形と比較して６−７歯形の方が歯底径１１ｄ，１１ｎの大きさＤ１を大きくできる。

１０ スクリュ圧縮機
１１，１１ｇ，１１ｊ 雄スクリュロータ
１１ａ，１１ｈ，１１ｋ 歯
１１ｂ 中心
１１ｃ 歯底
１１ｄ，１１ｍ，１１ｎ 歯底径
１１ｅ，１１ｆ 端面
１２，１２ｇ，１２ｊ 雌スクリュロータ
１２ａ，１２ｈ，１２ｋ 歯
１２ｂ 中心
１２ｃ 歯底
１２ｄ，１２ｍ，１２ｎ 歯底径
１２ｅ，１２ｆ 端面
１３モータ
１３ａ モータロータ
１３ｂ 軸部
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ ロータ軸
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ 軸受
１６ 外側部材
１６ａ フランジ部
１７ 支持部
１７ａ 円筒部分
１８ 吐出部
１９ 吸込部
２１ クリアランス
２２ 段差

Claims (5)

1. 雌雄咬合するスクリュロータの雄ロータに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、
   前記モータロータの支持部の軸径を太くする外側部材を前記雄ロータから延びた軸部に焼きバメ又は冷やしバメにより固着し、
   前記外側部材の前記雄ロータ側にフランジ部を設け、前記フランジ部と前記雄ロータとの間に前記雌ロータの前記モータロータ側への移動を許容するクリアランスを設け、
   前記雄ロータの歯底径より前記モータロータの支持部の軸径の方が大きいことを特徴とするスクリュ圧縮機。
2. 雌雄咬合するスクリュロータの雄ロータに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、
   前記雄ロータの前記モータロータ側の端面と、前記雌ロータの前記モータロータ側の端面との間に段差を設け、
   前記雄ロータの歯底径より前記モータロータの支持部の軸径の方が大きいことを特徴とするスクリュ圧縮機。
3. 前記雄ロータの歯が６枚であり、かつ、前記雌ロータの歯が７枚であることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュ圧縮機。
4. 前記モータロータの支持部の軸径を太くする外側部材を前記雄ロータから延びた軸部に焼きバメ又は冷やしバメにより固着したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のスクリュ圧縮機。
5. 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乃至請求項４のいずれか１項に記載のスクリュ圧縮機。

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