JPH07332267A

JPH07332267A - スクリュー圧縮機

Info

Publication number: JPH07332267A
Application number: JP12856994A
Authority: JP
Inventors: Hirochika Kametani; 裕敬亀谷; Kazuaki Shiiki; 和明椎木; Yuji Kamiya; 裕治紙屋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【構成】４枚歯の雄スクリューロータ１の端部に四角柱
部材１１が形成され、一体で回転する。吐出口から続く
流路８が四角柱部材１１の側面を通るが、四角柱部材１
１の周囲はシールされ気体は流路外と出入りしない。圧
縮機の運転により吐出口から流路８へ被圧縮気体が吐き
出されるが、スクリュー式の性質上、吐出圧脈動を伴
う。四角柱部材１１は図示の位置では流路を狭め、４５
度回転した位置では広めるので、回転すると噛合周波数
で流路抵抗を変動させる。吐出圧脈動と流路抵抗の変動
が互いに打ち消す作用をし、下流側には圧力脈動を伝え
ない。【効果】吐出圧脈動を低減し、下流側配管系の発生音と
吐出反力の加振を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスクリュー圧縮機本体の
吐出圧脈動を大幅に低減し、吐出圧脈動を原因として発
生している振動や騒音を小さくした、静かな圧縮機に好
適な構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】スクリュー圧縮機は回転型圧縮機の一種
であり、往復動の部分が無いため同容量のレシプロ式圧
縮機に比較して振動や騒音は小さい。この理由などによ
りスクリュー式圧縮機は近年汎用空気圧縮機の用途を中
心に普及してきた。しかし、社会状況の変化で使用者は
さらなる静音化の要求を強めている。

【０００３】スクリュー圧縮機の動作を詳細に観察する
と、作動室と呼ばれる圧縮空間の容積変化による断続的
な吸入，圧縮，吐出の繰返しが基本である。特に吐出動
作は高圧の気体が断続的に吐き出されるため、無視でき
ない振動原である。この原理を図４と図５を用いて説明
する。

【０００４】一つの作動室から吐き出される被圧縮気体
の量は図４中の破線で示すように、吐出開始時に多く、
スクリューロータの回転に伴って次第に減少し、通常の
設計では噛み合い周期よりもやや長い時間の後に吐出が
完了する。吐出動作は噛み合い周期ごとに次々と各作動
室から行われるので、吐出量は実線で示す鋸歯状に変化
する。吐出量の変化は吐出口下流に圧力変化をもたら
す。その変化量は被圧縮気体の慣性力や流路の抵抗や容
積などに依存するが、吐出量変化グラフの角を丸めた、
およそ図５の実線に示す変化となる。

【０００５】吐出圧脈動は配管を通して直接騒音となる
他に、圧縮機本体や下流側の被圧縮気体容器や熱交換器
を加振し、固体伝播音を発生させる。これらの音はスク
リュー圧縮機の騒音の主因となっている。また、周辺機
器が噛み合い周波数と近い固有振動数を持つ場合には、
共振してさらに大きな騒音を発生することもある。

【０００６】吐出圧脈動の低減を目的として、特開平4
−175488 号公報に吐出口（公知例文中では「吐出ポー
ト」と表現）直後に膨張空間と出口を直角方向に小さく
開ける方法が示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記公知例はパッシブ
フィルタ（受動的濾過装置）の一種であり、簡易に吐出
圧脈動を低減する方法として有効である。この方式は特
定の共鳴周波数を除けば、高い周波数ほど変動を低減す
る効果が大きい。また、膨張室の容積は大きい方が、出
口は小さい方が圧力変動を低減する効果が大きい。しか
し、圧縮機の構成上、大きな容積を圧縮機本体に併設す
ることは難しく、また、出口を小さくすることは圧力損
失を増やし、エネルギ効率を低下する懸念がある。その
ため、この方法では圧力変動の低減に限界がある。特に
スクリューロータの回転速度が遅い時には、最も低減す
べき噛み合い周波数の圧力変動の周波数も低く、圧力変
動の低減効果が活かされないという問題点があった。

【０００８】上記問題点に鑑み、本発明の目的はエネル
ギ損失を小さく抑え、圧縮機本体の容積を大きく拡大す
ること無く、スクリュー圧縮機本体の発生する噛み合い
周波数の吐出圧脈動を十分に低減することを可能とし、
振動と騒音の少ないスクリュー圧縮機を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
めに本発明は以下の手段を用いる。すなわち、二つのス
クリューロータのうち少なくとも一方のスクリューロー
タの軸の端部に多角柱形状の部材を形成する。この多角
柱形状部材の軸直角断面形状はこれを形成したスクリュ
ーロータのスクリュー歯の数と同数の辺を持つ正多角形
である。ただし、厳密に正多角形である必要は無く、角
に若干の面取や丸みを持っていても良く、あるいは辺の
一部に若干の凹凸があっても差し支えない。また、多角
柱の軸方向全体に緩いテーパをつけ多角錘形状とするな
ど、断面に変化を持たせたものであってもよい。この多
角柱形状部材の中心軸はこれを形成したスクリューロー
タの回転軸に一致し、一体のものであっても、あるいは
別部材の固定によるものであってもよい。

【００１０】一方、圧縮室端に開けられた吐出口から続
く吐出流路は、ケーシングに内蔵したまま、あるいは、
一旦、外部配管を経由した後に、スクリュロータの軸端
へ伸び、前記多角柱形状部材の側面を通過した後に圧縮
機本体から外部に出る。流路は多角柱形状部材に接する
部分以外に分岐や開口部は無い。多角柱形状部材に接す
る部分でも、多角柱形状部材の動きうる円柱状領域が流
路から側方に張り出すのみで、被圧縮気体の流路内外の
出入りは防止する。

【００１１】多角柱形状部材の側面を通過する時の流路
断面の輪郭の一部は多角柱形状部材の側面が担い、輪郭
の他の部分はケーシングに形成された流路の壁面とな
る。

【００１２】多角柱形状部材のスクリューロータ軸端へ
の固定で、スクリュー歯と多角柱の相対角度は特定の値
が選ばれる。その角度により位相が調整され、吐出量が
多い時に流路抵抗が大きく、逆に吐出量が少ない時に流
路抵抗が小さくなる。また、被圧縮気体の流速が速い時
やスクリューロータの回転速度が速い時には、圧力伝播
に要する時間も無視できないので圧力の伝播速度を考慮
して位相が調整される。

【００１３】

【作用】スクリュー圧縮機の運転により、スクリューロ
ータが回転し、その端部に固定された多角柱形状部材も
一体となって回転する。この時、被圧縮気体の通過する
流路の断面積は多角柱の回転によって変化する。多角柱
の一つの側面が流路に平行となる瞬間には流路断面積は
最大となる。また、その状態から多角柱が（360／スク
リューロータの歯数）／２度だけ回転した時には、多角
柱の軸と平行をなす辺の一つが流路中に張り出し、流路
の最小断面の輪郭の一辺を成し、流路断面積は最小とな
る。流路断面積はこれらの最大値と最小値の間で正弦波
的に変化するので、流路抵抗はおよそその面積に反比例
して増減する。その周波数は多角柱形状部材の側面の数
がスクリューロータの歯数に等しいことから、スクリュ
ー歯の噛み合い周波数に一致する。また、位相について
も吐出圧が高い時に流路抵抗が大きくなる。

【００１４】スクリュー圧縮機の特性として、先に述べ
た理由により吐出直後に噛み合い周波数の圧力脈動が発
生する。しかし、この流路を通過することにより、圧力
脈動は大幅に低減される。その作用は以下のとおりであ
る。吐出量が多く、吐出圧が高くなる瞬間には、流路抵
抗が大きくなり、その下流の流量は抑制される。一方、
吐出量が少なく、吐出圧が低くなる瞬間には、流路抵抗
が小さくなり、その下流への流れが促進される。以上の
働きが交互に継続することにより、この流路の下流では
吐出量の変動が低減され、同時に圧力変動も小さくな
る。

【００１５】流路抵抗の変動により流量を制御するにあ
たり、被圧縮気体を、一旦、蓄えておく容積が必要とな
る。しかし、吐出流路の断面積が十分に広く、長さも極
端に短くなければ、流路自体の容積で十分対処可能であ
る。

【００１６】流量や圧力の変動が大幅に低減されるの
で、圧縮機本体下流に連なる配管系，油分離器，熱交換
器などが加振されにくくなり、それらの発生騒音が低減
する。また、圧縮機本体からの被圧縮気体の吐出時の反
力の変動が圧縮機本体を加振していたが、それも大きく
低減するので、圧縮機本体の発生騒音も低減する。

【００１７】

【実施例】以下、図１ないし図６を用いて、本発明の第
１の実施例であるスクリュー式空気圧縮機の構成と動作
を説明する。図１は本実施例のスクリュー圧縮機の吐出
側軸端の正面図、図２は同じく断面図、図３は断面図で
ある。なお、これらの図は第３角法により投影された関
係にある。また、図４はスクリュー圧縮機の吐出量変化
のグラフであリ、図５はスクリュー圧縮機の吐出圧脈動
のグラフである。図６は動作を説明するための軸端付近
の説明図である。

【００１８】雄スクリューロータ１と雌スクリューロー
タ２は噛み合って、メインケーシング３内部に開けられ
た一部を共有する各々のボア空間に収納される。雄スク
リューロータの歯数は４枚、雌スクリューロータの歯数
は６枚である。両スクリューロータの吐出側端は吐出側
ケーシング４で塞がれ、同時に吐出側ケーシング４は軸
受５によって両スクリューロータ１，２を回転自在に支
持する。軸受５は組み合わせ軸受でラジアル方向とスラ
スト方向の両荷重を受ける。吐出側ケーシング４にはま
た、両スクリューロータ１，２のスクリュー歯端面と対
向した位置に吐出口７が開けられ、そこから軸端方向へ
吐出流路８が伸ばされる。

【００１９】雄スクリューロータ１の軸部６の端には四
角柱１１が固定される。四角柱１１の軸直角断面は雄ス
クリューロータ１の歯数４枚に合わせて正方形とし、少
量の面取りを施す。もしも雄スクリューロータ１の歯数
が５枚の場合には５角柱を用いる。また、四角柱１１の
根元は円板１２が形成され、その外周は僅かなすきまを
残して端ケーシング１３に開けられた穴に嵌合し、すき
まからの空気と潤滑油の出入りはシールされる。端ケー
シング１３は吐出側ケーシング４に固定され、雌スクリ
ューロータ２の軸端部を塞ぐとともに、変動抵抗流路１
５の側面の一部となる。また、端ケーシング１３の内部
に吐出流路８を延伸し、変動抵抗流路１５に導く。

【００２０】端ケーシング１３に固定される流路カバー
１４は変動抵抗流路１５となる溝を持つ。そして、四角
柱１１の断面の正方形の対角線長さよりも僅かに大きい
直径を持ち、中心が四角柱１１に一致し、一部を変動抵
抗流路１５に張り出し空間を共有する円柱状空間である
切欠き部１６が四角柱１１を収納する形で設けられる。
流路カバー１４の端部の変動抵抗流路１５の下流端には
圧縮空気を外部へ送り出す空気出口１７を設ける。

【００２１】本実施例の動作を説明する。スクリューロ
ータの回転により、両スクリューロータ１，２の歯溝と
メインケーシング３内のボア面，吐出側ケーシング４の
端面に囲まれた作動室が吸入側から吐出側へ移送されな
がら、内容積を縮小する。内部に閉じ込めた空気は圧縮
され、十分圧縮された時に作動室は吐出口７と連通し、
空気を吐出流路８へ吐き出す。吐出しながら作動室は縮
小し、容積０となって消滅し、一連の圧縮と吐出の動作
が終了する。吐出中の吐出速度（単位時間当たりの吐出
量）は一定とはならず、幾何的には図４に破線で示した
ように、開口直後には大きく、次第に減少する。吐出動
作は作動室が開口するたびにつぎつぎと行われるので、
圧縮機としての吐出速度は図４の実線で示すような鋸歯
状の変化を示す。スクリューロータの噛み合い状態は各
歯の噛み合いごとに再現されるため、作動室の開口はス
クリュロータの噛み合い周波数すなわちスクリューロー
タの回転周波数に歯数を乗じた値となる。

【００２２】吐出口７直後の容積が無限大であれば、吐
出量に変化があっても、吐出圧力に影響しない。しか
し、実際の装置では吐出直後の容積を大きくとることは
困難であり、また、下流の流路抵抗や空気の慣性も無視
することはできない。その結果、吐出流路８内部では図
４で示した吐出量変化によって図５に実線で示す圧力脈
動が発生し、下流に伝播していく。

【００２３】雄スクリューロータ１の回転に伴って、四
角柱１１も回転する。それにより、変動抵抗流路１５の
最小断面積が変化する。図６（ａ）に示すように四角柱
１１の側面の一つが流路壁１８と平行をなす瞬間には回
転中心を通る断面積が最も大きくなる。一方、四角柱１
１がその位置から４５度だけ回転すると、図６（ｂ）に
示すように四角柱１１の側面の辺の一つが流路に張出
し、断面積を最も小さくする。四角柱１１が回転する
と、断面積はこれら最大最小の間で正弦波的に増減す
る。流路抵抗は近似的にはおよそ断面積に反比例するの
で、流路抵抗も正弦波的に変化する。その周期は四角柱
であることから、１回転につき４回、すなわちスクリュ
ーロータの噛み合いに一致する。

【００２４】吐出流路８内の圧力変動と変動抵抗流路１
５の流路抵抗の変化はどちらも噛み合い周波数で同期し
互いに打ち消しあう。例えば吐出流路８内の圧力が高い
時には、流路抵抗が大きくなり、流量が制限される。逆
に圧力が低い時には流路抵抗が小さくなり、流量が促進
される。このように下流の吐出量が制御される結果、流
量が一定に近づき、それに伴って吐出圧変動の下流への
伝播も大幅に低減される。

【００２５】圧力変動の相殺を確実に実現するために
は、変動の振幅と位相を合わせる必要がある。振幅は四
角柱１１の大きさと流路断面積で調整し、位相は四角柱
１１のスクリューロータ歯に対する固定角度で調整でき
る。

【００２６】本実施例により、下流への圧力脈動を低減
し、配管系から管外に放出される騒音が低減される。ま
た同時に、下流側に接続された熱交換器や油分離器に噛
合周波数やその倍数の固有振動数を持つ場合であって
も、共振や共鳴の振動や騒音が小さくなる。吐出による
反力の変動成分が低減されたことにより、圧縮機本体の
振動や騒音も低減される。以上、複数の騒音源が低減さ
れるのに加えて、振動低減により固体伝播による圧縮機
パッケージの発生音も低減されることから、圧縮機全体
としての騒音は大幅に低減される。

【００２７】本実施例で、雄スクリューロータの歯数を
４枚としたので、多角柱部材も正方形断面の四角柱を採
用した。四角柱は同サイズの五角柱や六角柱に比較し
て、回転による流路断面積変化量を多くすることがで
き、本発明による構造を実施する上で設計の自由度が大
きい。

【００２８】また、吐出流路８内部では吐出圧力は制御
される上流側のため、脈動は大きく、従来に比較して本
発明は、かえって圧力変動は増加される方向に働く。し
たがって、吐出流路８の管壁が十分剛で無いと振動騒音
源となる可能性がある。本実施例では、流路が十分に強
固な各ケーシング内部に形成されており、脈動音の漏洩
やガス圧による流路壁の振動は極めて発生しにくい。こ
のため、本実施例は振動騒音の発生が少ない構造であ
る。

【００２９】以下、図７を用いて、本発明の第２の実施
例であるスクリュー式空気圧縮機の構成と動作を説明す
る。図７は本実施例のスクリュー圧縮機の吐出側軸端の
断面図である。なお、第１の実施例と共通する構造，作
用，効果などについては説明を省略する。

【００３０】流路カバー１４に四角柱１１の回転軸を中
心とした円柱状の切取り部を設け、そこに調整カバー３
１を嵌合する。切取り部は変動抵抗流路１５を二分する
直径を持つ。調整カバー３１の外形は円柱形状で、流路
カバーに対して、９０度以下のある角度だけ回転できる
構造である。調整カバー３１には可変角度流路３２が開
けられ、その流路の両端はそれぞれ二分された変動抵抗
流路１５に接続し、連続した一本の流路を形成する。流
路の接続部は十分にシールされ圧縮空気の漏洩は防止さ
れる。可変角度流路３２の中間部には四角柱１１の対角
線長さよりも僅かに大きい直径を持ち、中心の一致した
円柱状空間の切欠き部３３が四角柱１１を収納する形で
設けられる。

【００３１】圧縮機の運転条件、例えば、吸入圧力，吐
出圧力，スクリューロータの回転速度が変化したとして
も、吐出圧脈動の周波数は噛合周波数に一致し、変化し
ない。しかし、位相については吐出空気の流速や流量が
変化するために若干変化することがある。特に吐出量を
制限するために吸入絞り制御を行う時には、作動室が吐
出口に開いた瞬間は作動室内圧が低く一時的な逆流の後
に吐出動作に移るため、位相が遅れる現象が起こる。

【００３２】本実施例では調整カバー３１の流路カバー
１４に対する角度を変えることにより、流路抵抗変化の
位相を変え、吐出圧脈動の位相の進みや遅れに追従する
ことができる。例えば、雄スクリューロータ１と四角柱
の回転方向を図７に向かって反時計方向と仮定する。調
整カバー３１を図７に示すように最も時計回りに設定し
た時には、流路抵抗変動は早まり中心位置より位相は進
む。逆に調整カバーを反時計回り方向に設定すると、流
路抵抗変動の位相は遅らせることができる。

【００３３】本実施例によれば、流路抵抗変動の位相を
自由に動かすことが可能である。そのため、吐出圧脈動
の位相が動いても、追従し、常に最適の位相で吐出圧脈
動を相殺することができる。よって、圧縮機の運転条件
にかかわらず、常に振動騒音の少ない圧縮機を実現する
ことができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、エネルギ損失を小さく
抑え、圧縮機本体の容積を大きく拡大すること無く、ス
クリュー圧縮機本体の発生する噛み合い周波数の吐出圧
脈動を十分に低減することが可能である。その結果、振
動と騒音の少ないスクリュー圧縮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の実施例の吐出側軸端の正面図。

【図２】本発明の第１の実施例の吐出側軸端の断面図。

【図３】本発明の第１の実施例の吐出側軸端の断面図。

【図４】スクリュー圧縮機の吐出量変化のグラフ。

【図５】スクリュー圧縮機の吐出圧脈動のグラフ。

【図６】本発明の第１の実施例の動作を示す説明図。

【図７】本発明の第２の実施例の吐出側軸端の正面図。

【符号の説明】

１…雄スクリューロータ、２…雌スクリューロータ、４
…吐出側ケーシング、８…吐出流路、１１……四角柱、
１２……円板、１３……端ケーシング、１４……流路カ
バー、１５……変動抵抗流路、１６……切欠き部、１７
……気体出口。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】雌雄二つのスクリューロータを備え、それ
らが互いに噛み合いながら回転することにより被圧縮気
体を吸入，圧縮，吐出する機能を有するスクリュー圧縮
機において、スクリューロータの噛み合い周期に一致し
て流路抵抗が増減し、その増減は吐出量が多い時には抵
抗が増加し、吐出量が少ない時には抵抗が減少する位相
とした流路を備え、作動室から吐出された被圧縮気体を
前記流路に通過させることにより、吐出直後に比較して
前記流路通過後の圧力脈動の噛み合い周波数成分を減少
させたことを特徴とさせるスクリュー圧縮機。