JP6581897B2 - スクリュ圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、スクリュ圧縮機に関する。
スクリュ圧縮機は、工場等での高圧エアーの供給源として使用されるものとしてよく知られている。効率的に圧縮空気を製造するために、スクリュ圧縮機は、増速機を介して駆動されることが多い。このようなスクリュ圧縮機は、モータと、ギア箱と、圧縮機本体とを備える。モータからの動力は、ギア箱内のギアを介して増速されて圧縮機本体に伝達される。伝達された動力により、圧縮機本体内の雌雄一対のスクリュロータが回転され、空気等の流体を圧縮する。
例えば、特許文献1には、概略矩形のギア箱と圧縮機本体(低圧段圧縮機本体および高圧段圧縮機本体)とが接続された2段型のスクリュ圧縮機が開示されている。
特開平9−126169号公報
特許文献1に記載のスクリュ圧縮機のように、概略矩形のギア箱に圧縮機本体を取り付けると、スクリュロータの回転に伴って取付部がギア箱の厚み方向に振動する。通常、該振動モードでは、ギア箱は圧縮機本体の回転数に対して高い固有振動数を有しているため、圧縮機本体とギア箱は共振しない。しかし、ギア箱の質量増大および剛性低下等の要因によって該振動モードの固有振動数が低下すると、圧縮機本体とギア箱が共振する可能性がある。共振が発生すると、スクリュ圧縮機の耐久性に悪影響を及ぼす。
本発明は、追加部品なくスクリュ圧縮機の振動を低減することを課題とする。
本発明は、スクリュロータと、前記スクリュロータを収容するロータケーシングと、前記ロータケーシングを収容し端部に第1フランジが設けられた本体ケーシングとを備える圧縮機本体と、ギアを介して前記スクリュロータを駆動する電動機と、前記本体ケーシングの前記第1フランジを取り付ける取付面を有し、前記ギアを収納する概略矩形のギア箱とを備え、前記ギア箱に前記圧縮機本体を取り付けた状態で、前記第1フランジの一部が前記取付面外に延出し、前記ロータケーシングの前記取付面への投影領域が前記取付面内に存在するスクリュ圧縮機を提供する。
この構成によれば、圧縮機本体の取付部がギア箱の厚み方向に振動する振動モードに対して、圧縮機本体の回転数よりも該振動モードの固有振動数を高くできるため、追加部品なく圧縮機本体とギア箱の共振を抑制して振動を低減できる。具体的には、第1フランジの一部を取付面外に延出させるようにギア箱の先端(上側)部分を除去してギア箱の先端部分の質量を小さくし、該振動モードの固有振動数を高めている。しかし、第1フランジの一部がギア箱の取付面外に延出する構成において、ギア箱の先端部分の質量を小さくするために延出量を大きくしすぎると、圧縮機本体とギア箱の接続部の剛性が低下して振動が増大する。そのため、取付面へのロータケーシングの投影領域が取付面内に存在するように延出量を制限し、圧縮機本体とギア箱の接続部の剛性を一定以上に維持している。特に、上記延出量の範囲では、第1フランジがギア箱と一体化するため、第1フランジの厚みを増加させたように剛性を高める効果が得られる。従って、本体ケーシング単体で剛性を高める必要が無くなる。ここで投影領域とは、取付面(延長面を含む)に対して垂直方向から投影した領域を示す。
前記圧縮機本体は、低圧段圧縮機本体と、前記低圧段圧縮機本体で圧縮したガスをさらに圧縮する高圧段圧縮機本体を備え、前記低圧段圧縮機本体の前記本体ケーシングの側壁の前記取付面への投影領域の一部が前記取付面外に存在することが好ましい。
低圧段圧縮機本体は高圧段圧縮機本体に比べて質量が大きいため、ギア箱において低圧段圧縮機本体の取付部の固有振動数は高圧段圧縮機本体の取付部の固有振動数よりも低い。そのため、低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体とでは、低圧段圧縮機本体の方が共振する可能性が高い。従って、低圧段圧縮機本体の取付部において、ギア箱の先端部分の質量を減少させて固有振動数を高めることは、共振を抑制して振動を低減するのに効果的である。また、本体ケーシングの側壁の取付面への投影領域の一部が取付面外に存在することで、ギア箱の先端部分の質量を小さくして該振動モードの固有振動数を高めることができる。
前記圧縮機本体は、前記ギア箱の振動に対する弱軸方向に対し、前記本体ケーシングの強軸方向が−45度から+45度の範囲内になるように前記ギア箱に配置されていることが好ましい。
ギア箱の弱軸に対して本体ケーシングの強軸を−45度から+45度の範囲内で重ね合わせるように配置することで、本体ケーシングとギア箱の一体構造としての剛性を効果的に高めることができる。ここで、強軸および弱軸は振動を考慮するべきギア箱の厚み方向に対して直行する方向に定義し、強軸は断面2次モーメントが最大となる主軸であり、弱軸は、断面2次モーメントが最小となる主軸である。このとき、強軸の方向が振動し易い方向に相当し、弱軸の方向が振動し難い方向に相当する。即ち、ギア箱の振動し易い方向に対して本体ケーシングの振動し難い方向を重ねて配置することによって一体構造の振動を低減できる。
前記ギア箱は、前記取付面内において長手方向に補剛リブが設けられていることが好ましい。
ギア箱の長手方向に補剛リブを設けることにより、該振動モードに対するギア箱の剛性を効果的に高めることができる。
前記ギア箱は、前記取付面内において長手方向に埋め込み型の油配管が設けられていることが好ましい。
この構成により、上記の補剛リブと同様に、埋め込み型の油配管を補剛に活用できる。また、油配管を利用して、圧縮機本体で必要とされる各所に潤滑および冷却用の油を供給できる。特に、埋め込み型であることで、組立時の配管作業が不要になり、配管の接続場所での油漏れも抑制できる。
前記ギア箱は、前記取付面内において上側の両角に前記圧縮機本体が接続されており、下側の両角にさらに第2フランジを有することが好ましい。
ギア箱の取付面に第2フランジを設けることで、該振動モードに対するギア箱の剛性をさらに向上できる。
前記ギア箱は、前記第2フランジにおいて別体の構造体と接続されていることが好ましい。
ギア箱をクーラーなどの構造体と接続することで、該振動モードに対するギア箱の剛性をさらに向上できる。クーラーなどの構造体は通常、剛性が極めて高く、構造体とギア箱を接続して一体化すると、構造体取付部分は振動の固定端となる。これは、ギア箱の根本(下側)部分から先端(上側)部分までの長さを短くすることに相当し、該振動モードの固有振動数を高めることができる。
本発明によれば、ギア箱が厚み方向に振動する振動モードに対して、圧縮機本体の回転数よりも該振動モードの固有振動数を高くできるため、圧縮機本体とギア箱の共振を抑制でき、追加部品なくスクリュ圧縮機の振動を低減できる。
本発明の第1実施形態に係るスクリュ圧縮機の平面図。 図1のスクリュ圧縮機の側面図。 図2のスクリュ圧縮機の断面模式図。 図1の低圧段圧縮機本体の本体ケーシングとロータケーシングの斜視図。 図1の高圧段圧縮機本体の本体ケーシングとロータケーシングの斜視図。 圧縮機本体とギア箱の位置関係を示す模式図。 従来の圧縮機本体とギア箱の位置関係を示す側面図。 本発明の圧縮機本体とギア箱の位置関係を示す側面図。 圧縮機本体とギア箱の強軸と弱軸の位置関係を示す模式図。 図1のギア箱の前板の内面を示す斜視図。 本発明の第2実施形態に係るスクリュ圧縮機の正面図。 図11のスクリュ圧縮機の側面図。 図11のスクリュ圧縮機の変形例を示す正面図。 図13のスクリュ圧縮機の側面図。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
(第1実施形態)
図1および図2に示すように、本実施形態のスクリュ圧縮機2は、圧縮機本体4と、モータ(電動機)8と、ギア箱10とを備える。ギア箱10は、床面に設置されており、モータ8と圧縮機本体4との間に配置されている。モータ8および圧縮機本体4はギア箱10に取り付けられている。モータ8は、支持部材12を介して床面に設置されている。圧縮機本体4はギア箱10によって支持されている。
図3に併せて示すように、圧縮機本体4は、2段型であり、低圧段圧縮機本体5と、高圧段圧縮機本体6とを備える。低圧段圧縮機本体5および高圧段圧縮機本体6は、本体ケーシング5a,6aをそれぞれ備える。本体ケーシング5a,6aの端部には、本体ケーシング5a,6aの一部として第1フランジ5b,6bが設けられている。圧縮機本体4は、第1フランジ5b,6bを介してギア箱10とボルト止めによって接続されている。
本体ケーシング5a,6a内には、雌雄一対のスクリュロータ5c,5d,6c,6dがロータケーシング5e,6eに収容された状態でそれぞれ配置されている。スクリュロータ5c,5d,6c,6dは、それぞれの中心を貫通して延びる回転軸5f,5g,6f,6gと一体化されている。回転軸5f,5g,6f,6gは、軸受5h〜5k,6h〜6kによって回転可能にそれぞれ軸支されている。回転軸5f,5g,6f,6gの一端はタイミングギア5l,6lが取り付けられている。タイミングギア5l,6lを介して、雄ロータ5c,6cおよび雌ロータ5d,6dは、直接接触することなく回転
可能である。雌ロータ5d,6dの回転軸5g,6gの他端はギア箱10の前板10aに設けられた穴部を通してギア箱10内に延びている。雄ロータ5c,6cの回転軸5f,6fの他端には、ピニオンギア10g,10hが取り付けられている。
ギア箱10は、前板10a、後板10b、2つの側板10c,10c、底板10d、および天板10eで閉じられた箱である。前板10aおよび後板10bは概略矩形であり、すなわちギア箱10は正面視において概略矩形である。ギア箱10を概略矩形とすることで、円形で圧縮機本体4と接続する場合と比較して、ギア箱10を小型化でき、コストも削減できる。ギア箱10内には、ブルギア10fおよびピニオンギア10g,10hが収容されている。ギア箱10内において、ピニオンギア10g,10hは、モータ回転軸8aの端部に取り付けられたブルギア10fと噛合している。モータ回転軸8aは、ギア箱10の後板10bに設けられた穴部を通してギア箱10内まで延びている。モータ回転軸8aは、回転可能に軸支されている。なお、本実施形態では、前板10aの外面が圧縮機本体4の取付面Sとなっている。
図4および図5に示すように、低圧段圧縮機本体5および高圧段圧縮機本体6は、ロータケーシング5e,6eを収容する本体ケーシング5a,6aを備える。本体ケーシング5a,6aの端部には、ギア箱10に取り付けるための第1フランジ5b,6bが設けられている。第1フランジ5b,6bは、側壁5m,6mと同程度の厚みであり、本体ケーシング5a,6aの側壁5m,6mから径方向外側に延びている。低圧段圧縮機本体5および高圧段圧縮機本体6は、吸気口5n,6nからロータケーシング5e,6e内にガスを吸気し、スクリュロータ5c,5d,6c,6d(図3参照)によりガスを圧縮し、吐出口5o、6oから本体ケーシング5a,6a外へ吐出する。低圧段圧縮機本体5の吐出口5oおよび高圧段圧縮機本体6の吸気口6nは、図示しない配管により流体的に接続されている。低圧段圧縮機本体5で吸気されて圧縮されたガスは、高圧段圧縮機本体6に供給され、さらに圧縮された後に吐出される。
図6を参照して、ギア箱10に対する圧縮機本体4の取り付け配置について説明する。圧縮機本体4(低圧段圧縮機本体5および高圧段圧縮機本体6)は、正面視においてギア箱10の上側の両角付近に取り付けられている。ギア箱10に圧縮機本体4を取り付けた状態では、第1フランジ5b,6bの一部が上方へ取付面S外に延出している(斜線領域A1)。取付面Sへのロータケーシング5e,6eの投影領域は、取付面S内に存在している(斜線領域A2)。ここで投影領域とは、取付面S(延長面を含む)に対して垂直方向から投影した領域を示す。
圧縮機本体4の振動は、スクリュロータ5c,5d,6c,6dの回転数に応じた周波数で発生する。省エネのために回転数をインバーター制御する場合、負荷に応じて回転数が変化したとき、ギア箱10の固有振動数と一致して共振を起こし、振動を増大させることがある。図1および図2示す取付配置では、圧縮機本体4の取付部においてギア箱10の厚み方向に振動する振動モードが励起されやすい。そのため、該振動モードの共振を抑制して振動を低減することが必要である。該振動モードの共振を抑制するためには、ギア箱10の固有振動数を圧縮機本体4の回転数よりも高めればよい。
図6に示す構成によれば、ギア箱10の厚み方向に振動する振動モードに対して、圧縮機本体4の回転数よりも該振動モードの固有振動数を高くできる。そのため、追加部品なく圧縮機本体4とギア箱10の共振を抑制して振動を低減できる。これを詳細に説明するために、図7および図8を参照して本発明と従来発明の違いを確認する。なお、図7および図8では、モータ8の図示を省略している。
図7および図8に示す両者の違いは、圧縮機本体4のギア箱10への取り付け位置である。図7に示す従来のスクリュ圧縮機2では、第1フランジ5bは、ギア箱10の取付面S内に収まっている。しかし、図8に示す本実施形態のスクリュ圧縮機2では、ギア箱10の先端部が除去され(破線斜線部)、第1フランジ5bの一部が取付面S外へ延出している。
図7および図8に示す配置について、圧縮機本体4が取り付けられたギア箱10を、先端に質量体を有する片持ち梁で近似して考えると、該振動モードの固有振動数ωは、以下の式(1)で表すことができる。
Figure 0006581897
ω:固有振動数
m:圧縮機本体(質量体)の質量
M:ギア箱(梁)の質量
E:ギア箱(梁)のヤング率
L:ギア箱(梁)の長さ
I:ギア箱(梁)の断面二次モーメント
片持ち梁の場合、剛性への寄与が大きいのは固定端部分であり、固定端から離れるほど寄与は小さくなる。即ち、先端側は最も剛性への寄与が低い。これに対し、質量は先端側の寄与が高く、固定端側の寄与が低い。そのため、剛性を低下させずに質量を小さくして固有振動数ωを高めるためには、剛性への寄与が小さい先端側の質量を小さくすることが有効である。また、梁の長さは短い方が良いが、スクリュ圧縮機2では、モータ8およびギア10f〜10hなどの駆動系の位置が制約されていることが多く、圧縮機本体4の設置位置を変更できないため、梁(ギア箱10)の長さLは大きく変更できない。従って、ギア箱10の先端を除去してギア箱10の質量Mを質量M1から質量M2に低減することが効果的である。これにより、剛性をほとんど低下させること無く、先端側の質量を効果的に低減できる。式(1)との対応では、ヤング率Eおよび断面二次モーメントIを大きく変更することなくギア箱10の質量Mを小さくできるため、固有振動数ωを高めることができる。
本実施形態の具体的な構成では、第1フランジ5bの一部を取付面S外に延出させるようにギア箱10の先端(上側)部分を除去し、ギア箱10の先端部分の質量を小さくし、該振動モードの固有振動数を高めている。しかし、第1フランジ5bの一部がギア箱10の取付面S外に延出する構成において、ギア箱10の先端部分の質量を小さくするために延出量を大きくしすぎると、圧縮機本体4とギア箱10の接続部の剛性が低下して振動が増大する。そのため、本実施形態ではロータケーシング5e,6eの取付面Sへの投影領域が取付面S内に存在するように延出量を制限し、圧縮機本体4とギア箱10の接続部の剛性を一定以上に維持している。特に、上記延出量の範囲では圧縮機本体4の本体ケーシング5a,6aの第1フランジ5bがギア箱10と一体化するため、第1フランジ6bの厚みを増加させたように剛性を高める効果が得られる。従って、本体ケーシング5a,6a単体で剛性を高める必要が無くなる。
また、図6に示すように、本実施形態では、低圧段圧縮機本体5の本体ケーシング5aの側壁5m(図4参照)は、取付面Sへの投影領域の一部が取付面S外に存在する(斜線領域A3)。
低圧段圧縮機本体5は高圧段圧縮機本体6に比べて質量が大きいため、ギア箱10において低圧段圧縮機本体5の取付部の固有振動数は高圧段圧縮機本体6の取付部の固有振動数よりも低い。そのため、低圧段圧縮機本体5と高圧段圧縮機本体6とでは、低圧段圧縮機本体5の方が共振する可能性が高い。従って、低圧段圧縮機本体5の取付部において、ギア箱10の先端部分の質量を減少させて固有振動数を高めることは、共振を抑制して振動を低減するのに効果的である。また、本体ケーシング5aの側壁5mの取付面Sへの投影領域の一部が取付面外に存在することで(斜線領域A3)、さらにギア箱10の先端部分の質量を小さくして該振動モードの固有振動数を高めることができる。
図9を参照して、ギア箱10に圧縮機本体4を取り付ける角度について説明する。図9は、正面視において取付角度を維持した状態で圧縮機本体4をギア箱10から分解した図である。圧縮機本体4は、ギア箱10の振動に対する弱軸方向Dwに対し、本体ケーシング5a,6aの強軸方向dsが−45度から+45度の範囲内になるようにギア箱10に配置されることが好ましい。さらに好ましくは、図9に示すように本体ケーシング5a,6aの強軸方向dsとギア箱10の弱軸方向Dwを完全に一致させるような位置関係で固定する方がよい。ここで、強軸Ds,dsおよび弱軸Dw,dwは振動を考慮するべきギア箱10の厚み方向に対して直行する方向に定義されている。強軸Ds,dsは断面2次モーメントが最大となる主軸であり、弱軸Dw,dwは断面2次モーメントが最小となる主軸である。このとき、強軸Ds,dsの方向が振動し易い方向に相当し、弱軸Dw,dwの方向が振動し難い方向に相当する。
ギア箱10の弱軸方向Dwに対して本体ケーシング5a,6aの強軸方向dsを−45度から+45度の範囲内で重ね合わせるように配置することで、本体ケーシング5a,6aとギア箱10の一体構造としての剛性を効果的に高めることができる。即ち、ギア箱10の振動し易い方向に対して本体ケーシング5a,6aの振動し難い方向を重ねて配置することによって一体構造の振動を低減できる。
図10を参照して、ギア箱10の前板10aの内面形状について説明する。ギア箱10の前板10aは、概略矩形であり、上側の両角付近に低圧段圧縮機本体5および高圧段圧縮機本体6を取り付けるための2つの円形の取付穴10j,10kが設けられている。ギア箱10の内面には、取付面S内において長手方向(上下方向)に補剛リブ10lが設けられている。補剛リブ10lは、前板10aの内面において凸形状を有し、上下方向にはギア箱10の前板10aの下端から取付穴10jまで延び、左右方向には取付穴10jの範囲内で設けられている。特に、ギア箱10が矩形の場合、長手方向の剛性が相対的に低く、長手方向に補剛リブ10lを設けて補強するのが剛性を高めるためには有効であり、該振動モードに対するギア箱10の剛性を効果的に高めることができる。剛性をさらに高めるために、補剛リブ10lは、前板10aと後板10bを接続していてもよい。
また、ギア箱10の前板10aには、取付面S内において長手方向に埋め込み型の油配管10mが設けられている。ギア箱10内において、ブルギア10fとピニオンギア10g,10hの噛合部分またはスクリュロータ5c,5d,6c,6dの回転軸5f,5g,6f,6gおよびモータ回転軸8aを支持する軸受5h〜5k,6h〜6kには潤滑用の油を供給することが必要である。
この構成により、上記の補剛リブ10lと同様に、埋め込み型の油配管10mを補剛に活用できる。また、油配管10mを利用して、圧縮機本体4で必要とされる各所に潤滑用の油を供給できる。特に、埋め込み型であることで、組立時の配管作業が不要になり、配管の接続場所での油漏れも抑制できる。
(第2実施形態)
図11および図12に示す第2実施形態のスクリュ圧縮機2では、ギア箱10の取付面Sに第2フランジ10nが設けられている。本実施形態は、この点を除いて図1および図2の第1実施形態と実質的に同様である。従って、第1実施形態で示した構成と同様の部分については説明を省略する。
ギア箱10は、取付面S内において上側の両角に圧縮機本体4(低圧段圧縮機本体5および高圧段圧縮機本体6)が接続されており、下側の両角に第2フランジ10nを有する。第2フランジ10nは、正面視において矩形であり、前板10aの板厚程度の厚みである。第2フランジ10nは、前板10aの取付面Sにおいて左右方向にギア箱10から離れるように外側へ延びている。ギア箱10の取付面Sに第2フランジ10nを設けることで、前板10aの厚みが増し、該振動モードに対するギア箱10の剛性をさらに向上できる。
図13および図14を参照して、第2実施形態の変形例を説明する。本変形例では、ギア箱10は、第2フランジ10nにおいて別体のクーラー(構造体)14と接続されている。この構成によりギア箱10およびクーラー14を別々に支持する必要がなくなると共に、該振動モードに対するギア箱10の剛性をさらに向上できる。また、クーラー14は圧力容器であるため剛性が高く、ギア箱10に取り付けると、クーラー14の取付位置近傍の剛性は、それ以外の圧縮機本体4の取付位置近傍の剛性に比べると相対的に高くなる。その結果、クーラー14の取付部分が固定端となり、片持ち梁の軸長を短くしたように固有振動数を高める効果を得ることができる。
2 スクリュ圧縮機
4 圧縮機本体
5 低圧段圧縮機本体
5a 本体ケーシング
5b 第1フランジ
5c 雄ロータ(スクリュロータ)
5d 雌ロータ(スクリュロータ)
5e ロータケーシング
5f,5g 回転軸
5h,5i,5j,5k 軸受
5l タイミングギア
5m 側壁
5n 吸気口
5o 吐出口
6 高圧段圧縮機本体
6a 本体ケーシング
6b 第1フランジ
6c 雄ロータ(スクリュロータ)
6d 雌ロータ(スクリュロータ)
6e ロータケーシング
6f,6g 回転軸
6h,6i,6j,6k 軸受
6l タイミングギア
6m 側壁
6n 吸気口
6o 吐出口
8 モータ(電動機)
8a モータ回転軸
10 ギア箱
10a 前板
10b 後板
10c 側板
10d 底板
10e 天板
10f ブルギア
10g,10h ピニオンギア
10j,10k 取付穴
10l 補剛リブ
10m 油配管
10n 第2フランジ
12 支持部材
14 クーラー(構造体)

Claims (7)

  1. スクリュロータと、前記スクリュロータを収容するロータケーシングと、前記ロータケーシングを収容し端部に第1フランジが設けられた本体ケーシングとを備える圧縮機本体と、
    ギアを介して前記スクリュロータを駆動する電動機と、
    前記本体ケーシングの前記第1フランジを取り付ける取付面を有し、前記ギアを収納する概略矩形のギア箱とを備え、
    前記ギア箱に前記圧縮機本体を取り付けた状態で、前記第1フランジの一部が前記取付面外に延出し、前記ロータケーシングの前記取付面への投影領域が前記取付面内に存在する、スクリュ圧縮機。
  2. 前記圧縮機本体は、低圧段圧縮機本体と、前記低圧段圧縮機本体で圧縮したガスをさらに圧縮する高圧段圧縮機本体を備え、
    前記低圧段圧縮機本体の前記本体ケーシングの側壁の前記取付面への投影領域の一部が前記取付面外に存在する、請求項1に記載のスクリュ圧縮機。
  3. 前記ギア箱は、前記取付面内において上側の両角に前記圧縮機本体が接続されており、下側の両角にさらに第2フランジを有する、請求項2に記載のスクリュ圧縮機。
  4. 前記ギア箱は、前記第2フランジにおいて別体の構造体と接続されている、請求項3に記載のスクリュ圧縮機。
  5. 前記圧縮機本体は、前記ギア箱の振動に対する弱軸方向に対し、前記本体ケーシングの強軸方向が−45度から+45度の範囲内になるように前記ギア箱に配置されている、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のスクリュ圧縮機。
  6. 前記ギア箱は、前記取付面内の範囲における当該ギア箱の内面において長手方向に補剛リブが設けられている、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のスクリュ圧縮機。
  7. 前記ギア箱は、前記取付面内の範囲における当該ギア箱の内面を構成する前板において長手方向に埋め込み型の油配管が設けられている、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のスクリュ圧縮機。
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