JPH07243388A - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】スクリュ圧縮機本体の端部に、永久磁石の固定
子１６と固定子１５を対向させ、それらの間の磁力で噛
合周波数のトルク変動を発生する変動吸収機構１１を設
ける。固定子ハウジング２１は回転自在でアクチュエー
タ２４で駆動され、ブレーキ２５で静止される。 【効果】トルク変動吸収機構が発生する変動トルクはこ
の加振力に対して周波数と振幅が等しく逆位相なので相
殺する。したがって、振動や騒音が小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スクリュ圧縮機に係
り、特に、圧縮機本体内部での圧縮気体の圧力の大きさ
と分布の変化に起因するトルク変動を原因とする振動を
打ち消し、さらに外的要因によりトルク変動の大きさあ
るいは位相のずれが生じても、トルク変動に追従して振
動を打ち消すことが可能で、その結果、騒音が少ないス
クリュ圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】スクリュ圧縮機はレシプロ圧縮機に比較
して往復運動が無いため、振動や騒音が小さいことを特
徴としている。しかし詳細に観察すればスクリュ圧縮機
にも振動源は存在し、レシプロ圧縮機に比べ小さいとは
いえ振動や騒音が問題となる場合がある。特に近年は居
住環境向上の要望や、圧縮機を専用の別棟から人間の作
業場所と同じ建屋内への設置が増えているため、振動騒
音低減は大きな課題となっている。スクリュ圧縮機の振
動源の存在理由と性質については後述するが、圧縮機本
体からの振動はケーシング表面などから直接騒音として
放出されたり、あるいは架台や台座を固体伝播した上で
騒音となって周囲へ拡散される。また、一部は床や地盤
を伝播し、そのまま振動として害を及ぼすこともある。

【０００３】振動源の存在理由と性質について詳述す
る。スクリュロータを回転するには中に閉じ込めた気体
を圧縮するためにある値以上の駆動トルクを必要とす
る。十分なトルクをかけるとスクリュロータが回転し、
それに伴い中に閉じ込められた気体が圧縮されケーシン
グ内部の圧力分布が変化する。ケーシング内部の圧力分
布によって駆動トルクが決まるが、その値は刻々変化
し、１回転につき歯数分の回数だけ増減を繰り返す。こ
れは１回転につき歯数の回数だけスクリュロータの噛み
合い状態が同一となり、内部圧力分布が再現するからで
ある。周波数で表すと回転周波数に歯数を乗じた周波数
すなわち「噛み合い周波数」でトルク変動を繰り返すこ
とになる。したがって、電気工学における直流成分と交
流成分の分離のように、トルクの時間変化は周期性を持
ち、一定の正の値を持つ定常成分と噛み合い周波数の周
期で繰り返す変動成分に分離できる。定常成分が圧縮仕
事をしており、変動成分が振動源となっていると解釈す
ることができる。

【０００４】スクリュ圧縮機本体はその外部に設けられ
た電動機などによってトルクの定常成分を供給されて回
転する。従来技術では変動成分の供給が無く、残った変
動成分が加振力となってスクリュロータやケーシングに
作用し振動源となっていた。なお、電動機の供給するト
ルクにはトルクリップルと呼ばれる僅かなトルク変動成
分が含まれているが、圧縮機側のトルク変動に比較して
十分に小さいので共振などの特殊な状態でなければ無視
できる。

【０００５】トルク変動による振動を防止しようという
試みは既にいくつかの方法が知られている。例えば特開
昭54−94109 号公報では、軸端に設けたピストン（この
公報中の用語では回転部材）にかかる圧力を利用し、ス
クリュロータを軸方向に押しつけ、軸方向振動を低減す
ることが述べられている。また、特開昭58−200093号公
報では振動減衰器（この公報中の用語では制振部材）に
よって、振動系の減衰係数を増し、軸方向振動を低減す
ることが述べられている。一方、回転方向の制振に関し
ては、特開昭56−75993 号公報でスクリュロータ自身を
磁化することによって雄雌スクリュロータ相互間の回転
方向の歯面分離振動（この公報中の用語では歯面ばな
れ）を防止することが述べられている。軸方向と回転方
向の両者を同時に制振する方法は特開昭54−62515 号公
報で左右対象に構成する方法が示されている。トルク変
動を積極的に解消する方法は特開昭60−60286 号公報に
示されている。これはローリングピストン形圧縮機を駆
動するのに必要なトルクを変動成分をも含めてモータで
発生させて余剰トルクや不足トルクを無くし、回転変動
を防止する方法であり、「トルク制御」の名称で実用化
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開昭54−94109 号公
報や特開昭58−200093号公報で述べられている技術は振
動を抑制する効果はあるものの、加振力そのものは依然
残っており、振動低減効果が不十分である。特開昭56−
75993 号公報は雄雌スクリュロータ間の相互的な回転振
動に関しての効果は期待できるが、雄雌がそろって振動
する場合には制振効果が期待できない。また、スクリュ
ロータに用いられる材質は歯形を高精度に加工する観点
から選択されるので、通常は残留磁気が弱く本公報のよ
うな強い磁力を持ったスクリュロータを実現することは
難しい。特開昭54−62515 号公報による方法は制振効果
は十分に期待できるが、構造が複雑となり、設計や制御
が難しいなどの問題がある。特開昭60−60286 号公報に
よる技術は効果が大きいが、制御装置や電力素子の制限
から比較的低速域でのみ可能である。本公報が適用され
ているローリングピストン形圧縮機に比較して回転数の
高いスクリュ圧縮機では実用化に無理がある。また、専
用の制御装置を必要とするなど高価になる問題点があ
る。

【０００７】圧縮機の構造によって、吸入圧力，吐出圧
力，ロータ回転速度などの使用条件により、トルク変動
の振幅と位相が変化することがある。したがって、その
場合にはある定格条件でのトルク変動の悪影響を防止す
るのみでは不十分であり、変化するトルク変動に追従し
振動低減効果を接続する必要がある。

【０００８】本発明の目的は、簡単な構造で内部圧力分
布の変化で発生するトルク変動や軸方向の加振力を相殺
し振動や騒音の少ないスクリュ圧縮機を実現し、かつ、
吸入圧力や吐出圧力などの圧縮機の使用条件が変化しト
ルク変動の振幅や位相に変化が生じても、対応可能なト
ルク変動吸収機構を備えたスクリュ圧縦機を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに以下の手段を用いる。

【００１０】雄雌一対のスクリュロータのうちの少なく
とも一方の軸上にトルク変動吸収機構を備える。トルク
変動吸収機構は各々の中心が同軸上にある永久磁石の回
転子と固定子からなる。固定子，固定子の永久磁石の相
互間に働く吸引力あるいは反発力により、正負のトルク
を発生する。トルクの大きさは、固定子に対する回転子
の回転角度で定まり周期性を持たせる。スクリュロータ
軸に前記回転子を、ケーシングに前記固定子を固定す
る。トルク変動の周期は回転子を固定した側のスクリュ
ロータの噛み合い周期に一致させる。さらにトルク変動
の振幅と位相はスクリュロータの持つトルク変動を打ち
消すのに最適な値を選ぶ。

【００１１】ここで、最適な値とは、前述したように圧
縮機の使用条件により変化するため、一定しない。最適
値の変化に対応するため固定子は次に述べる手段によ
り、発生するトルクの位相や大きさを変化させる。トル
ク変動の位相が変化する場合には、固定子の回転軸に対
する固定角度に可変機構を設け、状態に応じて、固定子
を少しの角度だけ回転させ、トルク変動を相殺する所定
の角度で固定する。固定子の回転角度はトルク変動の１
周期である「３６０°／トルク変動吸収機構を備えたス
クリュロータの歯数」以下である。また、発生するトル
ク変動の大きさが変化する場合には固定子の発生する磁
力を加減する。磁力を加減する手段は固定子の永久磁石
を分割構造にし、それらの相対位置を変えることによ
り、互いの磁力を相乗あるいは相殺させるなどの方法が
ある。固定子の磁石を径方向に移動できる構造とし、固
定する径で固定子回転し間隔を調整し、トルク変動の振
幅を変える方法もある。

【００１２】

【作用】本発明では、上記の手段が以下のように作用
し、振動騒音を低減する。

【００１３】トルク変動吸収機構は圧縮機の運転によっ
てスクリュロータに生じるトルク変動と同等の振幅で逆
位相のトルクをスクリュロータに与える。言い替える
と、スクリュロータの必要とするトルクの内の一定成分
は従来どおり電動機で供給し、変動成分はトルク変動吸
収機構により供給することになる。すると、スクリュロ
ータの持つトルク変動とトルク変動吸収機構の持つトル
ク変動が互いに打ち消しあい、全体としてはトルク変動
が目立たなくなる。したがって、一定トルクで電動機が
スクリュ圧縮機本体を回しても、加振力が現われず、そ
れを起因とする振動や騒音の発生を防止できる。

【００１４】圧縮機の使用条件によって、スクリュロー
タに生じるトルク変動の位相や大きさが変化する場合に
は、トルク変動吸収機構の発生するトルクもそれに合わ
せて追従させ、振動抑制を維持する。トルク変動の位相
と大きさは圧縮機の使用条件でおよそ定まっている。そ
こで、予め起こりうる使用条件において発生するトルク
変動の位相や大きさを記憶しておき、圧縮機の状態を感
知して加えるトルク変動を決定する方法がある。また、
圧縦機の発生する振動を常に監視し、その値が大きくな
らないようにフィードバックし、加えるトルク変動の位
相や大きさを自動制御する方法もある。

【００１５】

【実施例】以下、図１ないし図３を用いて、本発明の第
１の実施例を説明する。

【００１６】図１は本発明によるスクリュ圧縮機本体の
側面断面図である。図２は本発明によるスクリュ圧縮機
に付与されるトルク変動吸収機構の軸直角の断面図であ
る。雄スクリュロータ１と雌スクリュロータ２は互いに
噛み合い、ケーシング３に収納されている。ケーシング
３内部に構成され一部が重複する二つの円筒状穴からな
るボア５の壁面はスクリュロータ１，２とは微小なすき
まをはさんで接触しない。本実施例においてスクリュ歯
の歯数は雄が４、雌が６である。ケーシング３は分割構
造でメインケーシング３ａ，吸収側ケーシング３ｂ，吐
出側ケーシング３ｃよりなる。各スクリュロータは軸受
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにより軸支される。このうち軸
受４ａ，４ｃはアンギュラ玉軸受を含む組合わせ軸受で
圧縮気体の圧力による吐出側から吸入側へのスラスト力
を受けている。ボア５の吸入側端部には吸入口７が設け
られ、外部とボアを貫通している。同様に、ケーシング
３内部のボアの吐出側端部には吐出口８が設けられ、外
部とボアを貫通している。吸入口７と吐出口８のボア端
面への開口形状はスクリュロータの歯形と圧縮比から最
適な形となっている。雄ロータ軸の吸入口側端部１３ａ
にはプーリ９と軸シール８が備えられる。プーリ９は外
部に設けられた電動機（図示せず）の出力軸とベルトを
介して接続される。

【００１７】本件の吐出側外端部にはエンドプレート１
２を介してトルク変動吸収機構１１が設けられる。吸収
機構ケーシング１４の円筒状内面におよそ円筒形状の固
定子ハウジング２１が回転自在に備えられる。固定子ハ
ウジング２１の外周にウォームホイール２２が歯切りさ
れ、ウォーム２３と噛み合う。ウォーム２３はアクチュ
エータ２４の出力軸に直結し、アクチュエータ２４は吸
収機構ケーシング１４に固定される。吸収機構ケーシン
グ１４にはさらにブレーキ２５が備えられ、アクチュェ
ータ２４の非動作時に固定子ハウジング２１が吸収機構
ケーシング１４に固定できる。固定子ハウジング２１の
内面には固定子１６が備えられ、それと対向して同心で
回転子１５が雄ロータ軸の吐出側１３ｂに固定される。
回転子１５と固定子１６の間にはすきまがあり、その間
隔は異物の噛み込みや熱膨張による接触を防止し、同時
に目標とするトルク変動を発生するに都合の良い大きさ
になっている。回転子１５も固定子１６も永久磁石でそ
れぞれ８個ずつの小片からなり、Ｓ，Ｎ交互に向きを変
えて接着剤で固定されている。永久磁石の磁性強度は後
で述べるように、圧縮機本体のトルク変動と等しいトル
ク変動を発生させる値とする。

【００１８】図示は省略するが、圧縮機の使用条件を感
知するためのセンサ類も備える。信選サの種類として
は、吸入，吐出圧力を測定する圧力センサやスクリュロ
ータの回転速度センサなどがある。また、センサの出力
を整理，演算，判断し、その結果を出力としてアクチュ
エータ２４に駆動信号を送る制御装置も備える。

【００１９】次にトルク変動吸収機構の特性を図３を用
いて説明する。図３はトルク変動吸収機構の回転子位置
と発生トルクの関係を図示したものである。回転子の矢
印方向への回転によって発生トルクは正弦波状に変化す
る。回転弊の位置が（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）と
推移した時にそれぞれの位置で発生するトルクのグラフ
中での位置を線で結んだ。（ｄ）の次は再び（ａ）の状
態になり順に繰り返す。（ａ）の位置に回転子がある
時、各永久磁石は同極同士が接近しているので互いに反
発するが、回転方向に対してはポテンシャルの高い不安
定な位置ながら中立となりトルクを発生しない。（ｂ）
の位置では回転方向の先に異極の磁石があり引き寄せら
れ、回転の反対方向に同極の磁石があり反発するので、
その合力は回転を進ませる正のトルクとなる。（ｃ）の
位置では異極どうしの磁石が面しており、安定で中立と
なりトルクは発生しない。（ｄ）の位置では（ｂ）と逆
の関係にあり、合力は回転を阻害する負のトルクとな
る。このように回転子が回転するにつれ、かかるトルク
が正負交互に繰返し正弦波状に変化する。そして、その
周期は固定子も回転子も８個ずつあることから回転子１
回転につき４周期のトルク変動がある。

【００２０】本実施例のスクリュ圧縮機は以下のように
動作する。

【００２１】電動機からベルトを介して回転がプーリ９
に入力される。雄スクリュロータ１が回転するとそれと
噛み合っている雌スクリュロータ２も回転する。スクリ
ュロータどうしは接触回転するのでボア５内部は連続的
に給油される。両スクリュロータの回転に従って、各々
のスクリュロータの歯溝とボア内壁とに囲まれた作動室
と呼ぶ空間が図１で向かって右から左へ移動しながら容
積を縮小する。吸入口７から作動室に入った気体は閉じ
込められて移送されながら圧縮され吐出口８から外へ出
る。作動室内部の気体圧力は圧縮に伴い次第に上昇する
が、同時に作動室の位置や形状も変わる。したがって、
気体の圧力によって発生するスクリュロータに作用する
力、ならびにその反作用としてボア面に作用する力は回
転の進行に従って、変化する。その変化は作動室の形状
が同一となる度に同様に繰り返すので、噛み合い周波数
を基本周波数に持つ加振力として働く。本実施例におい
ては雄スクリュロータの歯数が４なので噛み合い周波数
は雄スクリュロータ回転周波数の４倍となり、雄スクリ
ュロータ１回転につき４周期の振動が発生する。この加
振力はトルク変動や軸方向加振力となって、従来のスク
リュ圧縮機ではスクリュロータやケーシングを振動させ
騒音源となっていたものである。

【００２２】本実施例によるスクリュ圧縮機は、トルク
変動にトルク変動吸収機構の発生するトルク変動を加え
てトルクの変動成分を相殺する。両者は周波数が雄スク
リュロータ回転数の４倍で等しく、さらに、トルク変動
吸収機構の発生する変動トルクの振幅は圧縮に伴う変動
トルクと等しい。この結果、加振力となる力の変動は外
部に出ず、振動や騒音の発生が小さい。なお、トルク変
動は雄ロータ軸のスクリュ部と回転子１５の間の軸無分
１３ｂ，固定子１６の固定子ハウジング２１や吸収機構
ケーシング１４や吐出側ケーシング３ｃの内部応力やそ
れら相互間には現われるが、これらの部材は十分な強度
を持つので振動は小さく、問題になる量ではない。

【００２３】スクリュ圧縮機の使用条件によっては、吸
入圧力や吐出圧力が変わり、それに伴い、ボア５やスク
リュロータ１，２に作用する圧力分布も変化する。その
結果、スクリュロータの入力軸に発生するトルク変動の
位相や振幅も変化する。したがって、ある使用条件で有
効に使用するトルク変動吸収機構であっても、圧縮機の
使用条件が変化してしまうと、トルク変動の相殺が機能
しなくなるばかりか、かえって増大させてしまう懸念も
ある。

【００２４】本実施例は、発生する振幅の位相が圧縮機
の使用条件の変化で動く場合についての追従が次に述べ
る作用によって可能である。通常はブレーキ２５によっ
て固定子ハウジング２１は吸収機構ケーシング１４に固
定される。圧縮機の使用条件に変化があり、発生するト
ルク変動の位相がずれる時にはブレーキ２５が開放さ
れ、アクチュエータ２４が作動し、ウォーム２３とウォ
ームホイール２２の噛み合いを介して、固定子ハウジン
グ２１が回転される。所定の角度だけ回転すると、回転
を停止し、再びブレーキ２５によって固定する。回転す
べき所定の角度は圧縮機の使用条件（例えば、吸入圧
力，吐出圧力，スクリュロータの回転速度）をセンサで
感知し、そのデータから制御装置に予め記憶されている
トルク変動の相殺に最適の固定角度が出力される。

【００２５】本実施例によれば、スクリュ圧縮機本体の
吐出側端部にトルク変動吸収機構を付加するだけでよ
く、従来のスクリュ圧縮機の設計を大きく変更せずに振
動騒音の低減が可能である。よって、使用中のスクリュ
圧縮機を短時間で改良し振動低減を図る場合や、トルク
変動吸収機構をオプションとしてユーザの希望に応じ
て、搭載，非搭載が決定される場合に、対応が容易であ
る。

【００２６】また、固定子ハウジングの駆動が専用のア
クチュエータによるため、動きが確実で信頼性の高いシ
ステムとすることができる。

【００２７】本実施例において、回転伝達機構にウォー
ムギアを用いたが、他のリング機構や直接駆動方式を採
用しても機能に変化は無い。ブレーキについても粘性の
高いダンパを用いても同様の効果を期待できる。その動
きは振動といえる高い周波数に対しては反力を与え、位
相変化への追従のゆっくりした動きに対しては自由であ
るためで、固定や解除の動作が必要なブレーキが不用と
なり構造が単純化できる。

【００２８】圧縮機の吐出ポートに吐出タイミングを可
変とするためのスライドバルブが備えられている機種の
場合には、固定子ハウジングを回転する専用のアクチュ
エータを持たずとも、スライドバルブ駆動用のピストン
の動きを流用し、固定子ハウジングを回転することも可
能である。

【００２９】本実施例では圧縮機の使用条件をセンサ類
で感知し、制御装置にてあらかじめ求めておいた所定の
固定子ハウジング角度を指令しているが、次の手段を用
いてもよい。圧縮機のケーシングあるいはその関連部材
に振動センサを備えておき、制御装置で常に振動を監視
する。振動がある定められた値を超えた場合には固定子
ハウジングの固定角度を若干動かして、より振動の小さ
くなる角度を探索する。以上の動作を繰り返すことによ
り、トルク変動の位相の変化に追従が可能である。ま
た、経年変化や使用環境の違いで、製造時のトルク変動
の性質に差異が生じたとしても、対応が可能である。

【００３０】以下、図４ならびに図５を用いて、本発明
の第２の実施例を説明する。なお、本実施例において第
１の実施例と共通する項目については説明を省略する。
図４は第２の実施例によるスクリュ圧縮機本体の側面断
面図である。図５は部材の一部が動作した状態を示す部
分断面図である。

【００３１】永久磁石の固定子１６が接着された固定子
ハウジング３１は吸収機構ケーシング３３に回転方向に
は拘束され、軸方向には移動できる。固定子ハウジング
３１はアクチュエータ３２の出力軸に直結する。アクチ
ュエータ３２はソレノイドあるいは電動機にねじ機構を
負荷したものなど直線運動の駆動源であり、制御装置
（図示せず）の指令で動作する。

【００３２】圧縮機の性質によっては、使用条件により
トルク変動がほとんど発生しなくなることもある。その
場合には、制御装置の判断でアクチュエータ３２が固定
子ハウジング３１を引き寄せ、図５に示す状態となる。
固定子１５と固定子１６の空隙が大きくなり、磁力が弱
くなるため、トルク変動はほとんど発生しなくなる。

【００３３】以上の作用により、発生するトルク変動が
小さくなりトルク変動吸収機構の相殺用トルク変動がか
えって害となる場合には、相殺用トルク変動を無くし、
低振動状態を持続できる。

【００３４】本実施例において磁力を減らすために固定
子を軸方向に遠ざけたが、固定子を２分割構造にし、一
方を半ピッチだけ回転させて固定し内部で磁力を相殺す
る手段を用いても同様の効果がある。また、固定子の軸
方向移動量を加振することにより、軸方向の加振力を発
生させ、ガス圧変動によってスクリュロータにかかる軸
方向加振力と相殺させることも可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な構造で内部圧力
分布の変化で発生するトルク変動による加振力を相殺し
振動や騒音の少ないスクリュ圧縮機を実現することがで
きる。さらに、圧縮機の使用条件によって発生するトル
ク変動の位相や大きさが変化したとしても、トルク変動
の相殺を維持することが可能で、使用条件が変化しても
振動や騒音の少ないスクリュ圧縦機を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の断面図。

【図２】図１のスリュ圧縦機に付与されるトルク変動吸
収機構の断面図。

【図３】トルク変動吸収機構のトルク特性図。

【図４】本発明の第２の実施例の断面図。

【図５】本発明の第２の実施例の動作例の説明図。

【符号の説明】

１…雄スクリュロータ、２…雌スクリュロータ、３…ケ
ーシング、３ａ…メインケーシング、３ｂ…吸込側ケー
シング、３ｃ…吐出側ケーシング、４ａ，４ｂ，４ｃ，
４ｄ…軸受、５…ボア、７…吸込口、８…吐出口、９…
プーリ、１１…トルク変動吸収機構、１２…エンドプレ
ート、１３ａ…雄ロータ軸の吸入側、１３ｂ…雄ロータ
軸の吐出側、１４…吸収機構ケーシング、１５…回転
子、１６…固定子、２１…固定子ハウジング、２３…ウ
ォーム、２４…アクチュエータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに軸平行でかつねじり方向が逆をなす
   スクリュ歯を噛み合わせてなり同期回転する雄雌二つの
   スクリュロータと、前記二つのスクリュロータを微小す
   き間を介して収容するボアを有し、前記ボアの一方の端
   面に吸入口が、他方の端面に吐出口が形成されたケーシ
   ングを備えたスクリュ圧縮機において、 永久磁石を備えた回転子と固定子からなり、前記永久磁
   石相互の吸引力と反発力によって正負を交互に繰り返す
   トルク変動を回転角度に対し周期的に繰り返す機能を有
   するトルク変動機構を持ち、周期は前記二つのスクリュ
   ロータ相互間の噛み合い周期に一致し、前記トルク変動
   機構は雄雌の内の少なくとも一方のスクリュロータと同
   軸上に備え、スクリュロータ軸に前記回転子を固定し、
   前記ケーシングに前記固定子を備え、 前記固定子はスクリュロータ回転軸を回転中心とする固
   定角度，軸方向の固定位置もしくは磁力強度のうちの少
   なくとも一つを可変とする手段を設けたことを特徴とす
   るスクリュ圧縮機。