JP5728083B2 - スクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部の制御方法に関する。

すでに知られているように、スクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部は、２つの噛み合うロータを有するハウジングを含み、これらロータのつる巻き部はロータ本体と称される。

すでに知られているように、これらのロータの一方は、複数のローブを有する雄ロータの形態に構成され、もう一方のロータは、複数の溝を有する雌ロータの形態に構成され、雄ロータの複数のローブはこれらの溝に公知の方法で噛み合う。

各ロータはシャフトを有し、各ロータは、アキシャル軸受とラジアル軸受とによってハウジング内に支持される。

通常、これらのロータの一方は、このロータのシャフト上の駆動歯車を介してモータにより駆動され、このロータはもう一方のロータを、両ロータのシャフト上の歯車によって形成された歯車伝動装置を介して、または別様に、駆動する。

スクリュー式コンプレッサ要素部のハウジングは、圧縮されるガスをスクリュー式コンプレッサの動作中に引き込むための入口（すなわち、コンプレッサ要素部の入口側）をこれらのロータの一端近くに有する。また、このスクリュー式コンプレッサ要素部は、圧縮されたガスを放出するための出口（すなわち、コンプレッサ要素部の「出口側」）をこれらロータの他端近くに有する。

公知のように、上記モータによってロータを駆動すると、圧縮される空気などのガスまたはガス混合物が両ロータの噛み合いによって上記入口から引き込まれ、次に２つのロータ間で圧縮され、最後にコンプレッサ要素部の出口側から特定の出口圧力で追い出される。

これにより、軸方向のガス力が両ロータに加わる。標準動作の状態にある間中、出口側のガス圧力が入口側のガス圧力より高いため、このガス力は出口側から入口側に向かう。始動時は、ガスが圧縮されておらず、入口側と出口側のガス圧力は殆ど等しいので、このガス力は存在しない。

スクリュー式コンプレッサ要素部の動作中、例えば駆動歯車の斜め、または螺旋状、の歯がある場合、および／または歯車伝動装置がロータ間に存在する場合などは、この歯車伝動装置の両歯車間のトルク伝達に起因する軸方向力により、両ロータは上記モータによって２つのロータの一方の駆動歯車に加えられる軸方向力をさらに受ける。

これにより、両ロータに作用する軸方向力は、スクリュー式コンプレッサの動作中、方向が可変であるため、始動中は、両歯車、より一般的には駆動部、によって加えられる力が優勢になりうるが、スクリュー式コンプレッサ要素部の標準動作中は、通常、ガス力の方が顕著となり、軸方向力の方向を決めるようになる。

これらの軸方向力の方向がこのように反転するため、ハウジング内の両ロータをできる限り静止させるために、これらの軸方向力を各方向に吸収できる必要がある。その目的は、一方では、ロータの先端面とハウジングの出口側の対応する先端面との間の軸方向の先端間隙が大きすぎることによって発生する望ましくない漏れ損失を回避するためであり、他方では、望ましくない摩擦および磨耗を招く両ロータの先端面の一方とハウジングとの間の接触を回避するためである。

先端面の間隙が一定に維持される応用例は、欧州特許出願公開第０．８６７．６２８号からも公知である。この間隙はセンサによって測定され、この間隙が設定された所望値から外れた場合は、ロータを一方向または他方向に移動させる複動式磁気アクチュエータによってロータを軸方向に移動させることができる。

このような応用例は、かなり複雑であり、かつ高価である。

ロータにかかる力を両方向に吸収可能な複動式アキシャル軸受、例えば四点接触軸受、を用いてロータを軸方向の所定位置に維持する他の応用例も公知である。

ただし、これらの複動式アキシャル軸受は、本質的に軸方向の遊びを有する。この結果、両ロータにかかる力が反転すると、両ロータは、軸受の変形を無視して、この遊びに等しい距離にわたって移動しうる。

コンプレッサ要素部の設計時、この点を考慮して、ロータとハウジングとの間の望ましくない接触を回避するために十分に大きな先端間隙を設ける必要があるが、これは、その後に漏れ損失の結果としての効率損失を意味することになる。

複動式軸受は、相対的に大きな機械損失と軸受内の潤滑剤が攪拌される結果としての攪拌損失とをさらに生じさせる。

他方、このような複動式軸受においては固有の一定の間隙が必要である。その理由は、この間隙が小さすぎると、三点接触の危険が高まるからである。これが望ましくない理由は、この場合、軸受内の滑りの危険を大幅に増大させるため、結果として過剰な潤滑剤を加える必要があるか、または、特に高速時の低荷重が回避されるように、コンプレッサの動作範囲を制限する必要があるからである。

このような相殺対策は、例えばベルギー国特許出願公開第１．０１３．２２１号に記載されているように、「平衡用ピストン」の形態で公知である。この場合は、軸方向力を当該ロータに加えることによってロータに作用するガス力の影響を打ち消し、ひいては主軸受にかかる荷重を軽減し、より小型の軸受を選択できるようにするために、油圧または空圧ピストンが用いられている。この平衡用ピストンによって加えられる力が出口圧力に比例するように、この平衡用ピストンはコンプレッサ要素部の出口に接続される。

１つの欠点は、このような平衡用ピストンのコストである。別の欠点は、駆動歯車および／またはロータ間の歯車伝動装置に発生する力とガス力とによる全荷重を主軸受が常に受けるので、このために主軸受を設計する必要があることである。

主軸受にかかる荷重の方向が変化することを回避する１つの方法は、当該ロータの歯車上の力とは反対方向に、かつ当該ロータに加わるガス力と同じ方向に、軸方向の弾性力をロータに加えるばねを設けることである。

この軸方向の弾性力が十分に大きく、コンプレッサ要素部の始動時にロータの歯車上の力を十分に相殺できる場合は、ロータに加わる力の反転がないため、主軸受として単動式アキシャル軸受で十分でありうる。

上記ばねはハウジングと当該ロータとの間に取り付けられるため、静止したハウジングと回転するロータとの間に、軸方向の弾性力を伝達するための補助アキシャル軸受を導入する必要がある。

この補助軸受は、コストを増加させ、さらなる損失を招くという欠点を有する。

上記ばねは、コンプレッサ要素部の始動時に主軸受にかかる荷重の方向の反転を防止するが、標準動作中は、この同じばねが主軸受にかかる荷重を有害に増大させる。この理由は、ロータの歯車上の力がこのばねによって少なくとも部分的に打ち消されるため、結果として公称動作中、ばねがない状況と同じ程度までにはガス力を打ち消すことができなくなるからである。

本発明の目的は、上記および／または他の欠点の少なくとも１つに対する解決策を提供することである。

この目的のために、本発明は、スクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部の制御方法に関し、このコンプレッサ要素部は、２つの噛み合うつる巻きロータを内部に収容したハウジングを備え、各ロータはシャフトとその周面上のつる巻きロータ本体とを含み、各ロータのシャフトは、少なくとも１つのアキシャル軸受によってハウジング内に軸方向に支持され、このハウジングはガス用の入口を両ロータの一端に備え、ガス用の出口を両ロータの他端に備え、この一端および他端はそれぞれ入口側および出口側と称され、本方法は、追加の力をロータを介して少なくとも１つのアキシャル軸受に加えることができる追加の手段をコンプレッサ要素部に設けるステップを含み、これらの手段は少なくとも１つの磁石によって形成され、この磁石の磁力は、コンプレッサ要素部の少なくとも１つのロータに対して、および／またはこのロータの周囲に取り付けられた第２の軸受の外レースに対して、軸方向に作用可能であり、さらに上記１つ以上の磁石の作用は、コンプレッサ要素部の動作モードに応じてオンおよびオフへの切り替えが可能であり、本方法はプロセスＡとプロセスＢとを含み、
−プロセスＡは、コンプレッサ要素部の始動中に、上記第１の磁石が上記ロータに、出口側から入口側に向かう力を加えるように、この第１の磁石をオンに切り替え、コンプレッサ要素部の標準動作中にこの第１の磁石をオフに切り替える第１のステップを含み、
−プロセスＢは、コンプレッサ要素部の始動中は上記第２の磁石がオフに切り替えられたままにし、コンプレッサ要素部の標準動作中に、第２の磁石が、入口側から出口側に向かう力を加えるように、この第２の磁石をオンに切り替える第１のステップを含む、
ことを特徴とする。

本発明によるこのような方法は、構成に応じて、ロータに、ひいてはハウジング内でロータを支持するアキシャル軸受に、作用する特定の軸方向力を少なくとも部分的にまたは完全に相殺する、または過剰相殺さえ行う、ことが可能であり、アキシャル軸受の荷重をあらゆる状況において最適化できるという利点をもたらす。

特定の軸方向力を相殺する利点は、これにより、特定のアキシャル軸受を除外できる、または現代のスクリュー式コンプレッサ要素部に用いられている軸受より安価で、かつ生じる損失がより小さい、より小型の、またはより単純な、軸受に置換できる、ことである。

大量注油の必要性も減るので、結果として攪拌損失の低減がもたらされる。

相殺用ばねおよび平衡用ピストンなど、現在使用されている相殺手段を省略または単純化できるので、コストの大幅削減が可能になる。

さらなる利点は、追加の機械損失または抵抗トルクを生じさせない磁石によって力を相殺できることである。

本発明の別の利点は、例えば、大きな力の発生時に、補助アキシャル軸受の現在の限界、機械損失、および寿命限界により今日実際に実現可能な相殺力より大きな相殺力をロータにもたらすことができる点である。

これらのより大きな力の結果として、アキシャル主軸受は、より良好な条件で動作可能である。これにより、本発明は、例えば高速時など、今日実際に実現可能な条件とは異なるさまざまな条件下でこの主軸受、ひいては圧縮機、の動作を可能にする。

これにより、本発明は、特定の用途のためにより適したアキシャル主軸受、例えばより小型で安価な主軸受など、の選択も可能にする。

さらに、本発明は、高圧および低圧コンプレッサ要素部にも、さらには油潤滑型スクリュー式コンプレッサおよびオイルフリースクリュー式コンプレッサにおいても、適用可能である。これは、多くの建設者が本願明細書に記載されている本発明の解決策などの解決策に到達することを妨げる複雑さ、不利な環境、高レベルの力、限られた設置可能スペースにも拘らず可能である。

他の利点は、磁石を使用可能な、または他の相殺対策と組み合わされた、または組み合わされない、図面に基づく本発明によるスクリュー式コンプレッサ要素部のさまざまな変形例の説明から明らかになるであろう。

使用される１つ以上の磁石は、抵抗トルクを一切生じさせないために、または極めて限られた抵抗トルクのみを生じさせるように、そのＮＳ軸がロータの軸方向に平行に向いていることが好ましい。

この１つ以上の磁石の作用は、例えばコンプレッサ要素部の動作モードに応じて、例えば始動時または全荷重での標準動作時、あるいはモードをより低い荷重に切り替えたときに、オンおよびオフに切り替え可能であるため、その相殺効果を動作モードに、より具体的には動作モードに応じて生じる軸方向力に、適合させることができる。

したがって、本方法は、第２ステップをプロセスＡに含めることもできる。第２ステップでは、コンプレッサ要素部が部分荷重または全荷重からゼロ荷重に移行した場合に、または全荷重から部分荷重に移行した場合に、コンプレッサ要素部の動作中に上記第１の磁石をオンに切り替える。

さらに、本方法がプロセスＡとプロセスＢとを含む場合、プロセスＡの上記第２ステップは、コンプレッサ要素部が部分荷重または全荷重からゼロ荷重に移行した場合に、または全荷重から部分荷重に移行した場合に、上記第２の磁石のオフへの切り替えを含むこともできる。

これは、部分荷重およびゼロ荷重時にガス力をより良好に相殺できるという利点をもたらす。

これは、単純な方法で実現可能であり、例えば、上記１つ以上の磁石を電力供給のオンおよびオフへの切り替えが可能な定磁場または調整可能磁場を有する電磁石として構成することによって実現可能である。

本発明の特定の一態様によると、１つ以上の磁石によってロータに加えられる軸方向力は、加えられる磁力を軸受荷重、コンプレッサ要素部の速度、軸受温度、出口圧力、コンプレッサ要素部の両端間の圧力比、および／または入口圧力などのシステムパラメータに応じて制御する制御システムによって調整または制御されるので、軸受に加わる軸方向力は当該軸受の動作領域内に留まる。なお、この動作領域は、軸受の製造者によって速度に応じて軸方向に許容可能な力のグラフの形態で示される既知の事実である。

これにより、軸受、ひいてはコンプレッサ要素部、の動作領域を、望ましくない損傷を軸受に与える危険なしに、拡張できる。

本発明の特徴をより良く示す目的で、本発明によるスクリュー式コンプレッサの制御方法のいくつかの好適な応用例を添付図面を参照しながら以下に、制限のためではなく、一例として説明する。

本発明による一方法の適用に適したスクリュー式コンプレッサ要素部の側面図を示す。 図１の線ＩＩ−ＩＩによる断面を示す。 図２に四角枠Ｆ３で示した部分の構成を模式的に示す。 図３に似ているが、本発明による一代替方法の適用に適したコンプレッサ要素部の一変形例を示す図を示す。 図３に似ているが、本発明による一代替方法の適用に適したコンプレッサ要素部の別の変形例を示す図を示す。 図３に似ているが、本発明による一代替方法の適用に適したコンプレッサ要素部の別の変形例を示す図を示す。 図３に似ているが、本発明による一代替方法の適用に適したコンプレッサ要素部の別の変形例を示す図を示す。 図７にＦ８で示されている部分を拡大した一変形例を示す。 図７にＦ８で示されている部分を拡大した別の変形例を示す。 アキシャル軸受の動作領域の一般的なグラフを示す。 本発明による可能な一制御アルゴリズムを示す。 本発明による可能な別の制御アルゴリズムを示す。

図１および図２に示されている本発明によるコンプレッサ要素部１は、スクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部１であり、このコンプレッサ要素部１は２つの噛み合うロータ、すなわち雄ロータ３と雌ロータ４、を内部に収容したハウジング２を有し、これらロータは、シャフト５とその周面上のつる巻きロータ本体６または７とをそれぞれ含む。

ハウジング２は、圧縮されるガスを引き込むことができる入口８と、ロータ３および４の間で圧縮された後のガスを放出できる出口９とを有する。

この入口８と出口９とは、ロータ３および４のそれぞれの端部にあり、これら端部はコンプレッサ要素部１の入口側１０および出口側１１として示されている。

各ロータ３および４のシャフト５は、上記シャフト５の各端部のラジアル軸受１２によって、および上記出口側１１の単一のアキシャル軸受１３によって、ハウジング２内に支持され、この単一のアキシャル軸受１３は、主軸受またはアキシャル主軸受と呼ばれることが多い。

雄ロータ３の出口側１１の端部は、駆動歯車１４を有し、これによりモータまたは他の駆動装置（図示せず）によるロータ３の駆動が可能である。雌ロータ５の入口側１０の端部は、雄ロータ３の入口側１０の端部にある第２の同期歯車１６と対を成しうる第１の同期歯車１５を有し、これらの同期歯車１５および１６は雄ロータ３によって雌ロータ４を駆動するための歯車伝動装置１５−１６を共に形成し、この歯車伝動装置１５−１６は２つのロータ３−４が互いに接触しないことを保証する。

ただし、この最後の歯車伝動装置１５−１６が存在せず、ロータ本体６および７間の直接接触によって雄ロータ３が雌ロータ４を駆動する応用例も公知である。

本発明の上記応用例のためのコンプレッサ要素部１は、第１磁石１７の形態の追加手段を有する。この第１磁石１７は、この磁石１７によって当該ロータ３−４を介して追加の軸方向力をこのロータ３−４の主軸受１３に加えることができるようにするために、その磁力が動作中のコンプレッサ要素部１のロータ３−４に対して軸方向に作用するという事実によって定義される。

図１および図２に示されている例において、両ロータ３−４は、このような第１の磁石１７、より具体的にはその南北の軸線１８がロータ３−４の軸方向Ｘ−Ｘ’に平行であり、ロータ３−４の軸方向Ｘ−Ｘ’に対して直角にシャフト５に固定的に取り付けられた円板１９に係合可能な電磁石、を有する。

好ましくは、第１の磁石１７は、当該ロータ３−４のシャフト５を中心とし、磁石１７の作用をオンまたはオフに切り替えるためにその電力供給をオンおよびオフに切り替えることが可能な環状磁石である。この場合、第１の磁石１７は、オンに切り替わると、一定の磁場を発生させる単純な電磁石１７である。

図３には、図２にＦ３で示されている雄ロータ３の枠で囲まれた部分が模式的に示されている。この図では、簡略化のために、２つのロータ３−４間の歯車伝動装置１５−１６とラジアル軸受とが省かれている。図３の対応する部分は、図２と同じように参照符号が付与されている。

図３は、この場合はアキシャル主軸受１３が単動式軸受であることを示している。換言すると、アキシャル主軸受１３は、軸方向力を単一方向にのみ吸収できる軸受１３、この場合はコンプレッサ要素部１の出口側１１から入口側１０に、より具体的には図面の左から右に、向かってロータに加わる軸方向力を吸収できるように取り付けられた軸受１３、である。すなわち、この軸受１３は、ロータ３に対して反対方向に加わる軸方向力を吸収できない。

コンプレッサ要素部１の動作は以下のとおり単純である。

コンプレッサ要素部１を始動すると、ロータ３は外部からの駆動によって上記駆動歯車１４を介して駆動される。

図示の例では、駆動歯車１４は斜めの歯を備えているので、外部からの駆動の結果として、この例では矢印Ａで示されているように、入口側１０から出口側１１に向かう軸方向力が駆動歯車１４に、ひいてはロータ３に、加わる。

同時に、始動時、本方法のプロセスＡの第１ステップにおいて、第１の磁石１７が励起される。図３に示されているように、第１の磁石１７は、オンに切り替えられたときに、コンプレッサ要素部の出口側１１から入口側１０に、より具体的には図３に矢印Ｂで示されているように図３の左から右に、換言すると駆動歯車１４を介してロータ３に加えられる力とは反対方向に、向かう力をロータ３に加えるように、向けられている。

始動時は、ロータ３に作用する他の力は一切存在しないので、ロータ３の位置は、アキシャル軸受に加わる力の作用によって決まる。

第１の磁石１７によってロータ３に加えられる軸方向力は、駆動歯車１４に発生する軸方向力より大きい必要がある。これはすべて、コンプレッサ要素部１の始動時に、駆動歯車１４がロータ３を出口側１１に引っ張ること、ひいては出口側１１のロータ３の先端面とハウジング２との間に発生しうる望ましくない接触、を防ぐためである。

コンプレッサ要素部１がさらに駆動されると、入口８から引き込まれたガスがロータ３−４間で圧縮され、出口９から放出される。これにより、圧縮されたガスは、図３に矢印Ｃで示されているように、コンプレッサ要素部１の出口側１１から入口側１０に向かう力をロータ３に加える。

このようにして、第１の磁石１７によって加えられる力にガス力が加わる。これにより、標準動作におけるこれらのガス力は、駆動歯車１４に加わる力、または駆動歯車１４および／またはロータ３−４間の歯車伝動装置の何れかの歯車１５−１６に加わる力、より大きく、かつ向きが反対である。

標準動作中、その後、ロータ３の先端面が引っ張られて出口側１１のハウジングに接触する危険なしに、第１の磁石１７をオフに切り替えることができる。

この実施形態の一利点は、ロータ３を支持するアキシャル軸受として相対的に小型で安価なアキシャル軸受１３で済むため、結果として機械損失と軸受１３を通る潤滑剤の流れによる攪拌損失とが低いことである。

さらに、ロータ３に加わる力が常に同じ方向に向かうため、ロータ３の先端部とハウジング２との間の先端間隙が相対的に一定に維持され、この間隙は軸受１３内の内部弾性変形によってのみ影響を受ける。

必要であれば、本方法のプロセスＡの第２ステップによると、コンプレッサ要素部１の荷重がその標準動作点から、例えば全荷重から部分荷重へ、またはゼロ荷重へ、または部分荷重からゼロ荷重へ、低下したときに、第１の磁石１７をオンに切り替えることができる。

これにより、始動中の荷重の低減の結果としてガス力Ｃが低下することにより駆動力Ａが優勢になり、ロータ３が引っ張られて出口側１１のハウジング２の先端面に接触する危険を防ぐことができる。

ゼロ荷重においては、軸受が常に十分な荷重を受けるため、滑りが防止されるという利点がある。

上記第１の磁石１７を永久磁石にできることは明らかである。これにより、ロータ３または円板１９までの距離を可変に調整可能にするための制御または調整が可能になるため、磁石１７をロータ３に対して軸方向に移動でき、空隙２０の幅の調整が可能になる。

追加の円板１９がロータ上になくてもよいことも明らかである。一変形例によると、磁石１７は、ロータ３またはその一部、すなわち、ロータ３−４のシャフト５またはロータ本体６−７または歯車１４−１５−１６、またはシャフト５の周囲に取り付けられてこのシャフト５に軸方向に固定されたフランジ、および／またはこのロータの周囲に取り付けられた第２の軸受の外レースなど、に直接作用することも可能である。

他方、磁石１７をロータ３に、例えば上記円板１９に、組み込むか取り付けうることも排除されない。この場合、磁石１７は、ハウジング２の一部に対して、ロータ内に封入されるか、またはロータに取り付けられる。

円板１９が軸方向に主軸受１３に近いほど、制御がより安定し、熱的副作用が低くなることが慣例的に知られている。

図４は、図３の実施形態とは異なるコンプレッサ要素部１の一変形例を示す。この変形例においては、いわゆる第２磁石２１、より具体的には電磁石、がロータ３の円板１９のもう一方の側に追加されている。この第２磁石は、動作中、図４に矢印Ｄで示されているように、図３の磁石１７に対して反対方向の力、換言すると入口側１０から出口側１１に向かう力Ｄ、を加えることができるという事実によって定義される。

この場合の用途および動作は前の実施形態のものと同じになる。これにより、この場合も、プロセスＡの第１ステップによると、第１の磁石１７は、始動中、オンに切り替えられ、標準動作に達すると、オフに再び切り替えられる。他方、本方法のプロセスＢの第１ステップによると、第２の磁石２１はオンおよびオフが逆に切り替えられる、すなわち始動時にオフに切り替えられるか、またはオフに切り替えられたままになり、標準動作時にオンに切り替えられる。

この結果、標準動作中、ロータ３に加わる軸方向のガス力は第２の磁石２１の影響により少なくとも部分的に相殺されるので、主軸受１３はより低い軸方向力を吸収するだけでよいため、主軸受１３としてより小型の、結果として損失がより低い、アキシャル主軸受１３を選択できる。

この場合も、必要であれば、コンプレッサ要素部１の荷重が下がったときに、プロセスＡの第２ステップにより第１の磁石１７をオンに切り替え、および／またはプロセスＢの第２ステップにより磁石２１をオフに切り替えることができる。

第１および第２の磁石という呼称は、所定位置にある磁石の数を規定するものではなく、その磁石が加える磁力の方向に応じて磁石の種類を規定していることは明らかである。

図５は、本発明による別の応用例を示す。この応用例において、駆動歯車１４は異なる歯を有する。これにより、この場合は、この駆動歯車１４を介して、または一般には他の何れかの駆動装置を介して、ロータ３に伝達される軸方向力は、図３および図４の状況とは反対方向になり、この場合は、図５に矢印Ａ’で示されているように、出口側１１から入口側１０に向かう。

さらに、コンプレッサ要素部１は単一の第２の磁石２１のみを有する。磁石２１は、図３の場合と正に同じように、動作中、駆動歯車１４によってロータ３に加えられる力とは反対方向の力をロータ３に加える。この力は、この場合、図５に矢印Ｄで示されているように入口側１０から出口側１１に向かう。

この磁石は、始動時にオフに切り替えられるか、またはオフに切り替えられたままになり、コンプレッサ要素部１の標準動作時に、ガス力Ｃを相殺するために、オンに切り替えられる。

この場合も、より小型のアキシャル主軸受１３を選択できる。

この場合、本方法は、プロセスＢのみを含み、プロセスＡは適用されない。

コンプレッサ要素部１の荷重が下がった場合、必要であれば、第２ステップにおいて、この磁石をオフに切り替えることができる。

本発明によるコンプレッサ要素部１の別の実施形態が図６に示されている。この実施形態においては、追加の軸受２２がロータ３の入口側１０に存在する。この場合、この軸受２２は、必ずではないが、内レース２４と外レース２５との間に複数の転動要素２３を有する複動式軸受である。内レース２４はロータ３のシャフト５に固定され、外レース２５はハウジング２内で軸方向に移動可能であり、外レース２５とハウジング２との間には、図６に矢印Ｅで示されているように出口側１１から入口側１０に向かう軸方向力を軸受２２を介してロータ３に加えるばね２６が存在する。

この場合は、第２の磁石２１がさらに存在する。第２の磁石２１は、動作中、図６に矢印Ｄで示されている方向の、すなわちばね２６によってロータ３に加えられる力とは反対方向の、軸方向力をロータ３に加えることができる。

この場合、始動時、ばね２６は、駆動歯車１４からの力の発生により出口側１１のロータ３の先端が引っ張られてハウジング２に接触することを防止する。

ただし、標準動作中は、駆動歯車１４が発生させる力に対してガス力の方が優勢になる。このため、軸方向の弾性力はアキシャル主軸受１３に対して追加の荷重になる。ばね２６のこの追加の荷重は、第２の磁石２１をオンに切り替えることによって相殺可能である。これは、その後、弾性力を少なくとも部分的に相殺するか、または過剰に相殺するので、弾性力が除去されるばかりでなく、ガス力の一部も相殺される。

コンプレッサ要素部１の荷重が下がった場合、本発明による方法は、第２の磁石２１をオフに切り替えることができる。

図示されていない本発明の応用例のためのコンプレッサ要素部の一変形例によると、図６に示されている軸受２２は、上記の第２の軸受としての機能を同時に果たす。これにより、磁石２１はこの軸受２２の外レースに作用する。あるいは、２つの独立した軸受を使用することも可能である。この場合、一方の軸受には磁石２１が作用し、もう一方の軸受にはばね２６が作用する。

別の実施形態が図７に示されている。この場合、弾性力と磁石によって発生した力とは、図６の状況とは反対方向に向かう。

この場合は、始動時、第１の磁石１７をオンに切り替えることによってばね２６の軸方向力は相殺されるか、または過剰にさえ相殺されるため、ロータ３は、駆動歯車１４の力に抗して、ハウジング２の先端面から出口側１１に引っ張られる。

コンプレッサ要素部１がさらに駆動されたときに、第１の磁石１７をオフに切り替えることができる。その後、ばね２６は、主軸受１３の荷重を一定の力で軽減する。これは、標準動作中、磁力が一切存在しないにも拘らず、主軸受１３の荷重が依然として大幅に軽減されるという利点をもたらす。

コンプレッサ要素部１の荷重が下がった場合は、第１の磁石１７をオンに切り替えることができる。

図８は、磁石１７、より具体的には電磁石、の一変形例を示す。この場合、磁石１７のＵ字形ヨーク２７間の空隙２０は、直角に向いた円板１９に対して平行ではなく、ロータ３の軸方向に対して斜めに延在している。このために、ヨーク２７のアームの自由端２８は傾斜しており、これらの傾斜した端部２８の反対側には同じように傾斜したリブ２９が円板１９上に存在する。

この利点は、この場合、空隙２０の幅の変動がロータ３の軸方向の移動より小さいことである。

上記の傾斜部分２８−２９はラビリンスシール３０をさらに有する。したがって、この場合、磁石１７は、ロータ３とハウジング２との間を密閉する役割も果たす。

図９は、磁石１７の一変形例を示す。この場合、空隙２０は、軸方向Ｘ−Ｘ’に平行である。

本発明の特定の一態様によると、磁石１７−２１を使用可能である。この場合、ロータ３に対する磁石１７−２１の作用は、図８に模式的に示されているように、動作条件に応じて制御システム３１によって調整または制御可能である。磁石１７−２１は、軸受１３の荷重がアキシャル軸受１３の製造者によって課せられた軸受１３の動作領域内に常に留まるように、追加の軸方向力をロータ３に加える。

図１０は、あるアキシャル軸受１３に関して、軸受１３に対して許容される軸方向力が速度に応じて決まる動作領域を示すグラフの一例を示す。この動作領域は低い方の限界曲線「最小」と高い方の限界曲線「最大」とによって挟まれ、高い方の限界曲線は、許容される限界応力に応じて決まる。

低い方の限界曲線「最小」は、接触角の差が最大値を超える時点を示す。この最大値は、軸受１３の運動学による。より低い荷重においては、すなわち「最小」曲線より下では、滑りが軸受１３内に発生するため、磨耗が発生する可能性があり、機械損失が増大する。

ロータ３に加わる力を磁石１７、２１によって制御するための制御アルゴリズムの一例が図１１に模式的に示されている。この図の第１ステップ（ａ）において、ロータ３によって軸受１３に加えられる軸方向力がコンプレッサの特性Ｆ＝ｆ（ｎ，ｐ）に基づき求められる。これは、出口圧力ｐおよび回転速度ｎの測定値に基づき求められる。第２ステップ（ｂ）において、測定された回転速度に基づき図１０のグラフから、許容される最大の軸方向力が求められる。その後、ステップ（ｃ）において、この２つの値が互いに比較される。差がある場合は、その差を無くすために、ステップ（ｄ）において磁石１７、２１を通る電流Ｉが調整される。

そうすることによって、軸受１３の動作領域から外れることなく常に軸受１３に最大まで荷重をかけられるので、軸受１３に常に最適に荷重がかかる。この結果、軸方向力の最大限度を決して超えないように過剰な安全裕度を有する過剰寸法の軸受１３を選択する必要がなくなる。

図１１に示されている技術的管理図は、ある所望値を目標とした継続的制御に関することは明らかである。

適用可能な一代替制御が図１２に示されている。この制御には、図１１の制御とは異なるオン・オフ制御が適用される。図１２の場合、最大許容軸方向力Ｆｍａｘと最小許容力Ｆｍｉｎとは図１０のグラフから求められる。コンプレッサ特性Ｆ＝ｆ（ｎ，ｐ）により求められた軸方向力ＦがＦｍａｘより大きい場合は、磁石１７、２１を通る電流Ｉがオンに切り替えられる。コンプレッサ特性Ｆ＝ｆ（ｎ，ｐ）により求められた軸方向力ＦがＦｍｉｎ未満の場合は、磁石１７、２１を通る電流Ｉはオフに切り替えられる。

本発明は、一例として説明され図面に示されている本発明による一方法の応用例に限定されるものでは決してなく、本発明による一方法は、本発明の範囲から逸脱することなくあらゆる種類の変形例において実現可能である。

Claims (26)

1. スクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部の制御方法であって、前記コンプレッサ要素部（１）は、２つの噛み合うつる巻きロータ（３−４）を内部に収容したハウジング（２）を有し、各ロータ（３−４）はシャフト（５）とその周面上のつる巻きロータ本体（６、７）とを含み、各ロータ（３−４）の前記シャフト（５）は少なくとも１つのアキシャル軸受（１３および／または２２）によって前記ハウジング（２）内で軸方向（Ｘ−Ｘ’）に支持され、前記ハウジング（２）はガス用の入口（８）を前記ロータ（３−４）の一端に有し、ガス用の出口（９）を前記ロータ（３−４）の他端に有し、前記一端および他端は入口側（１０）および出口側（１１）とそれぞれ称される、スクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部の制御方法において、前記方法は、前記ロータ（３、４）を介して少なくとも１つのアキシャル軸受（１３および／または２２）に追加の力を加えることができる追加の手段を前記コンプレッサ要素部（１）に設けるステップを含み、これらの手段は少なくとも１つの磁石（１７、２１）によって形成され、前記磁石（１７、２１）の磁力は、前記コンプレッサ要素部（１）の少なくとも１つのロータ（３−４）に対して、および／または前記ロータの周囲に取り付けられた第２の軸受の外レースに対して、軸方向に作用可能であり、前記１つ以上の磁石の作用は、前記コンプレッサ要素部の動作モードに応じてオンおよびオフへの切り替えが可能であり、本方法はプロセスＡおよび／またはプロセスＢを含み、
   −プロセスＡは、前記コンプレッサ要素部（１）の始動中に前記第１の磁石（１７）が前記ロータ（３）に、前記出口側（１１）から前記入口側（１０）に向かう力を加えるように、前記第１の磁石（１７）をオンに切り替え、前記コンプレッサ要素部（１）の標準動作中に前記第１の磁石（１７）をオフに切り替える第１ステップを含み、
   −プロセスＢは、前記コンプレッサ要素部（１）の始動中は前記第２の磁石（２１）をオフに切り替えられたままにし、前記コンプレッサ要素部（１）の標準動作中に、前記第２の磁石（２１）が、前記入口側（１０）から前記出口側（１１）に向かう力を加えるように、前記第２の磁石（２１）をオンに切り替える第１ステップを含む、
   ことを特徴とする方法。
2. プロセスＡは、前記コンプレッサ要素部（１）が動作中のとき、前記コンプレッサ要素部（１）が部分荷重または全荷重からゼロ荷重に移行した場合に、または全荷重から部分荷重に移行した場合に、前記第１の磁石（１７）をオンに切り替える第２のステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. プロセスＡおよびプロセスＢを含み、プロセスＡの前記第２ステップは、前記コンプレッサ要素部（１）が部分荷重または全荷重からゼロ荷重に移行した場合に、または全荷重から部分荷重に移行した場合に、前記第２の磁石（２１）をオフに切り替えることをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 第１および／または第２の磁石の少なくとも一方（１７および／または２１）のＮＳ軸が前記ロータ（３−４）の軸方向（Ｘ−Ｘ’）に平行に向いていることを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載の方法。
5. 動作中、第１および／または第２の磁石の少なくとも一方（１７および／または２１）が一定の磁場を生じさせることを特徴とする、請求項１乃至４の何れかに記載の方法。
6. 第１および／または第２の磁石の少なくとも一方（１７および／または２１）が使用され、動作中に前記ロータ（３−４）に加えられるその軸方向力を調整または制御可能であることを特徴とする、請求項１乃至５の何れかに記載の方法。
7. 第１または第２の磁石の少なくとも一方（１７および／または２１）に電磁石が用いられることを特徴とする、請求項１乃至６の何れかに記載の方法。
8. 前記ロータに加えられる前記軸方向力を調整または制御するために前記磁石をオンまたはオフに切り替えるために、前記ロータ（３、４）に対して移動可能な磁石が第１および／または第２の磁石の少なくとも一方（１７および／または２１）に用いられることを特徴とする、請求項１乃至７の何れかに記載の方法。
9. 前記ロータ（３、４）と第１および／または第２の磁石の少なくとも一方（１７および／または２１）との間に空隙（２０）が存在し、この空隙（２０）が前記ロータ（３、４）の軸方向に対して斜めに延在することを特徴とする、請求項１乃至８の何れかに記載の方法。
10. 主軸受と称される単一のアキシャル軸受（１３）によって少なくとも１つのロータ（３、４）が軸方向に支持されることを特徴とする、請求項１乃至９の何れかに記載の方法。
11. 前記主軸受は単動式アキシャル軸受（１３）、換言すると１つの軸方向への前記軸方向力、すなわち、前記出口側（１１）から前記入口側（１０）に、またはこの反対方向に、向かう力、のみを吸収可能な軸受（１３）、であることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記出口側（１１）から前記入口側（１０）に向かって軸方向に前記ロータ（３、４）にかかる力のみを吸収可能な種類の単動式アキシャル主軸受（１３）が用いられることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 少なくとも一方のロータ（３−４）がモータによる外部駆動用の駆動歯車（１４）を有し、両ロータ（３、４）は、必要であれば、歯車伝動装置（１５、１６）の追加の同期歯車（１５、１６）を前記２つのロータ（３、４）間に有し、一方のロータ（３、４）に作用する前記１つ以上の磁石（１７および／または２１）の磁場は、動作中、前記磁石（１７および／または２１）が前記駆動歯車（１４）を介して前記コンプレッサ要素部（１）を駆動した結果として前記当該ロータ（３、４）の前記歯車（１４、１５、１６）に発生する前記軸方向力の方向とは反対方向に向いた力を加えるように、向けられることを特徴とする、請求項１乃至１２の何れかに記載の方法。
14. 少なくとも一方のロータ（３、４）に円板（１９）が設けられ、前記円板（１９）に対して前記１つ以上の磁石（１７−２１）が作用可能であり、前記円板（１９）は、前記当該ロータ（３、４）の前記主軸受（１３）に対して前記軸方向（Ｘ−Ｘ’）にできる限り近付けられることを特徴とする、請求項１０乃至１３の何れか１項に記載の方法。
15. 前記ロータ（３）に軸方向力を加えるばねが前記コンプレッサ要素部（１）内に存在しないことを特徴とする、請求項１乃至１４の何れかに記載の方法。
16. 前記単一のアキシャル主軸受（１３）とは別に、２つのレース（２４−２５）を有する第２のアキシャル軸受（２２）が存在し、前記２つのレース（２４−２５）の間に複数の転動要素（２３）が存在し、一方のレース（２４）は前記ロータ（３）に軸方向に固定され、他方のレース（２５）は前記ハウジング（２）内で軸方向に移動可能であり、軸方向力を加えるためのばね（２６）が前記ハウジング（２）と前記可動レース（２５）との間に設けられることを特徴とする、請求項１１乃至１４の何れか１項に記載の方法。
17. 前記磁石（１７−２１）の少なくとも１つ以上は、前記ばね（２６）が前記第２のアキシャル軸受（２２）の前記可動レース（２５）に加える前記軸方向力とは反対方向の軸方向力を加え、前記１つ以上の磁石（１７−２１）のこの軸方向力は、前記第２の軸受（２２）の前記可動レース（２５）に加わる前記軸方向の弾性力と同じ程度の大きさか、またはこれより大きいことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ばね（２６）は、前記出口側（１１）から前記入口側（１０）に向かう軸方向力を前記第２のアキシャル軸受（２２）の前記可動レース（２５）に加え、前記コンプレッサ要素部（１）の始動時、１つ以上の磁石（２１）の作用はオフに切り替えられ、標準動作中は、前記ばね（２６）の前記軸方向力を相殺または過剰相殺するために、前記作用がオンに切り替えられることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
19. 前記ばね（２６）は、前記入口側（１０）から前記出口側（１１）に向かう軸方向力を前記第２のアキシャル軸受（２２）の前記可動レース（２５）に加え、前記コンプレッサ要素部（１）の始動時、前記ばね（２６）の前記軸方向力を過剰相殺するために、少なくとも１つの磁石（１７）の作用がオンに切り替えられ、公称動作中は前記作用がオフに切り替えられることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
20. １つ以上の磁石（１７および／または２１）によって前記ロータ（３、４）に加えられる前記軸方向力を調整可能または制御可能な制御システム（３１）が存在し、前記制御システム（３１）は、軸受（１３、２２）に対する前記軸方向力が前記当該軸受（１３、２２）の前記動作領域内に留まるように、前記加えられる磁力をシステムパラメータに応じて制御し、この動作領域は前記コンプレッサ要素部の速度（ｎ）に応じて許容される力（Ｆ）として公知の事実であることを特徴とする、請求項１乃至１９の何れかに記載の方法。
21. 前記軸方向力を調整または制御するために用いられる前記システムパラメータは、軸受荷重、前記コンプレッサ要素部（１）の速度（ｎ）、軸受温度、出口圧力、前記コンプレッサ要素部（１）の両端間の圧力比、および／または前記コンプレッサ要素部（１）の入口圧力で構成されることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
22. 前記制御システム（３１）は、前記磁石（１７、２１）によって前記ロータ（３）に加えられる前記力を制御するための制御アルゴリズムを使用し、第１ステップ（ａ）において、前記ロータ（３）によって前記軸受（１３）に加えられる前記軸方向力は、前記コンプレッサ要素部（１）の前記既知のコンプレッサ特性に基づいて求められ、これは、前記出口圧力（ｐ）および前記回転速度（ｎ）の測定値に基づいており、第２ステップ（ｂ）において、前記当該軸受（１３、２２）の前記動作領域の前記最大許容軸方向力は、前記測定された回転速度に基づき求められ、次のステップ（ｃ）において、前記２つの値が互いに比較されて前記２つの値の間の差が求められ、最後のステップ（ｄ）において、前記差を無くすために、前記磁石（１７、２１）を通る前記電流（Ｉ）が調整されることを特徴とする、請求項２０または２１に記載の方法。
23. オイルフリースクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部（１）に適用されることを特徴とする、請求項１乃至２２の何れかに記載の方法。
24. 低圧スクリュー式コンプレッサのコンプレッサ要素部（１）に適用されることを特徴とする、請求項１乃至２３の何れかに記載の方法。
25. ガスシール機能を有するシール（２８）を含む少なくとも１つの磁石（１７−２１）が前記ロータ（３、４）と前記ハウジング（２）との間に用いられることを特徴とする、請求項１乃至２４の何れかに記載の方法。
26. 前記第２のアキシャル軸受（２２）のために複動式軸受が用いられることを特徴とする、請求項１６乃至１９の何れか１項に記載の方法。

Images