JPH0874764A - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】雄スクリューロータ１の吐出側端面に、後進面
１２から切欠き１１を設け、その形状と大きさを歯ごと
に不規則とする。切欠き１１は前進面１４に連通せず、
ある程度の幅１５を残しておく。 【効果】作動室の開口に先立ち切欠きを通じて作動室と
吐出流路が連通し、開口までに内外圧力差を緩和し、開
口時の圧力波の発生を抑える。また、連通開始の時期を
不規則にしたことで、噛み合い周波数であった吐出動作
の間隔を不規則化し、吐出管や構造体の共振を防止す
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
噛み合い周波数の吐出圧脈動や加振力のピーク値を低減
し、それらを原因として発生す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、往復運動する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、スクリュー歯の溝とボアによって囲まれる作動室と
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、他のものより大きな
振動原であることがわかっている。

【０００４】吐出動作に起因する振動騒音源は、吐出配
管を経て下流に伝播する圧力脈動，スクリューロータの
歯面に作用する気体圧力の大きさと分布の変動によって
発生するトルク変動，被圧縮気体の吐出の反力の変動な
ど多岐にわたる。そして各々が複数の伝播経路を経て騒
音として外部に放出される。例えば、圧力変動は配管壁
面を通過して直接騒音となるほか、配管や下流の圧力容
器を加振したり、時には共鳴して大きな音を出すことが
ある。また、トルク変動は圧縮機本体のみならず、駆動
源であるモータをも加振し、その振動はベース部材など
を固体伝播し、圧縮機全体を覆うパッケージ表面で騒音
となり周囲に拡散する。

【０００５】このように、吐出動作に起因する振動や騒
音源と伝播経路は複雑多岐であるが、原因が吐出動作に
集約されるため、すべての加振周波数は吐出が行われる
周波数とその高次に一致する。この周波数はロータの回
転周波数を歯数倍したもので、噛み合い周波数と呼ばれ
ている。

【０００６】噛み合い周波数の振動騒音を低減する方法
として、原因別にいくつかの方法が提案されている。例
えば、吐出圧脈動の低減を目的として特開平2−191890
号公報に吐出口（公知例文中では「吐出開口部」と表
現）を略テーパ状とする方法が記されている。本公知例
では被圧縮気体の吐出動作の開始、すなわち、作動室の
吐出口に対する開口を徐々に行い、吐出開始時の圧力の
衝撃を緩和することによって低騒音化を図ることが述べ
られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記公知例の手段によ
り吐出脈動の低減は期待できるが、騒音を根絶するには
至らず、使用者の要求に対して騒音低減効果が常に十分
である保証はない。また、上記公知例は吐出脈動の低減
を目的としており、他の吐出動作に起因する加振力の緩
和は別な手段によらねばならず、トルク変動や吐出反力
の加振による振動には低減効果がない。この理由から、
スクリュー圧縮機の振動低減に対して従来の技術では効
果が不十分である場合もある。

【０００８】本発明の目的は、加振源や振動騒音の伝播
経路にかかわらず、吐出動作に起因する噛み合い周波数
の振動や騒音すべてに低減効果があり、他の振動騒音低
減手段とも同時に適用することが可能であるスクリュー
ロータの構造を実現し、より静かな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
めに以下の手段を用いる。スクリュー圧縮機の雌雄二つ
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
ロータの吐出側端面に切欠きを設ける。この切欠きはス
クリュー歯の歯底より外側に各歯ごとに形成し、スクリ
ュー歯の後進面から回転進行方向に掘り込まれるが、前
進面に連通しない。なお、切欠きは一般には歯が厚い雄
スクリューロータに設ける方が大きな効果が期待でき
る。

【００１０】また、一本のスクリューロータの端面上の
各歯に切欠きを設けるが、各々の切欠きの寸法あるいは
形状を統一せず、不規則とすることにより振動騒音の低
減効果を大きく期待できる。不規則にするパラメータ
は、作動室と吐出流路が連通する時期を左右する周方向
の長さ，流路抵抗を左右する切り込みの軸方向の深さや
径方向の幅などである。

【００１１】

【作用】上記手段によるスクリュー圧縮機は以下のよう
に作用する。

【００１２】従来技術によるスクリュー圧縮機は、図４
に示すように、歯の後進面５１にほぼ形状を合わせた吐
出口の縁５２を、回転５６によってスクリューロータの
後進面５１が通過し、後進面５１の後側に形成された作
動室５３と吐出流路５４の連通が開口、すなわち、吐出
開始である。作動室５３の内圧は圧縮作用で次第に上昇
するが、開口時に吐出口下流の吐出流路の圧力と等しく
なっていることが望ましい。圧縮機の使用状況によって
は、この状態にならず、開口と同時に圧力差のある二つ
の室が連通するため、急激な吐出５５あるいは逆流が発
生し、大きな吐出脈動や騒音の原因となる。

【００１３】これに対し、本発明によるスクリュー圧縮
機では後進面が吐出口の縁を通過するよりも前に切欠き
部を通じて作動室と吐出流路が連通する。連通する流路
断面積は狭く、ある程度の流路抵抗があるため、連通直
後に流路の両側にある程度の圧力差があっても急激な被
圧縮気体の出入りは防止され、圧力変動による騒音の発
生は低減される。後進面が吐出口の縁を通過し本格的に
開口する時には、徐々に被圧縮気体が出入りし、作動室
内圧が吐出流路圧力とほぼ等しくなっている。したがっ
て、開口に伴う圧力波が発生せず、配管系の振動騒音が
低減される。

【００１４】さらに、切欠きの寸法形状が各歯で異なっ
ているために、噛み合い周波数の圧力変動や加振力が緩
和される。なぜなら、切欠きによる作動室と吐出流路の
連通が始まる回転角度が各歯、すなわち、各作動室によ
って異なり、圧力あるいは加振力が噛み合い周期で作用
していたものの周期性が崩れるためである。歯数と歯幅
が有限であるため、完全に周期性を無くし、噛み合い周
波数成分の圧力変動や加振力を完全に根絶することはで
きないが、ピーク値は十分に低減される。

【００１５】本発明は単独でも、あるいは他の振動騒音
低減手段と組み合わせて実施することも可能である。他
の手段と組み合わせた場合には、振動低減や静音化に対
して相乗効果が期待できる。

【００１６】

【実施例】以下、図１ないし図３ならびに図５を用い
て、本発明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は本実施例の吐出端面を軸方
向から見た図である。図２は本実施例のスクリュー圧縮
機本体の断面図である。図３は本実施例の吐出口付近の
円周に沿った断面図である。図５は周波数軸でみた加振
力の低減効果を示すグラフである。

【００１７】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、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４の空間に収納される。両スクリ
ューロータ１，２は軸受９によって両端を回転自在に支
持される。ケーシング３には吸入流路７と吐出流路８が
開けられ、各々ボア４に吸入口５、吐出口６を介して連
通している。雄スクリューロータ１の一方の軸はケーシ
ング３の外まで延長され、外部から駆動される動力入力
軸１０となる。

【００１８】雄スクリューロータ１の吐出側端面には切
り込み１１が付けられる。切り込み１１は後進面１２か
ら回転方向１３に向かって施されるが、前進面１４には
連通せず、ある程度の幅１５は残してある。切り込み１
１は他の歯にも付けるが、その大きさや形状は各々異な
り、不規則にする。例えば、周方向長さ１６，径方向の
幅１７，軸方向の深さ１８が重要なパラメータとなる。
また、切り込みを付けない歯があってもよい。

【００１９】吐出ポート６の輪郭形状は重要な意味を持
ち、吐出開始の開口を左右する開始縁２１，２２と吐出
を完了する雌側終端２４が特に重要である。従来のスク
リュー圧縮機では破線で示すように雄側にも終端２３を
持つものもあったが、本実施例では雄側終端２３を持た
ず、実線で示す輪郭とする。開始縁２１，２２それぞれ
対面するスクリューロータの後進面に沿った形状にする
が、先に掲げた公知例などに示されるように、意図的に
後進面形状とずらす場合もある。

【００２０】図示した瞬間のスクリューロータの回転角
度においては歯溝とボア４に囲まれた作動室１９，２０
が開口直前の位置にある。図１に示した二つの作動室１
９，２０は図２に示すように吸入方向に進んだ位置で一
体化しており、一つのＶ字形の作動室を形成している。

【００２１】本実施例の動作を説明する。スクリューロ
ータ１，２の回転１３にともなって、作動室が次々に吐
出方向に移送され、吐出ポート６に連通し内部に閉じ込
められた空気を吐出流路８に送り出す。図１や図３に示
す瞬間において、スクリューロータ１，２の回転角度で
は作動室１９，２０は吐出口６に対して開口していな
い。しかし、切り込み１１があるために、ここを通じて
僅かに連通しており、若干の流れ２５が可能である。

【００２２】連通している状態は本格的に開口している
状態に比較して流路断面積が小さく流路抵抗が大きいた
め、急激な吐出あるいは逆流は発生せず、徐々に流れが
おこる。作動室１９内部の圧力が吐出流路８内圧よりも
高く、いわゆる過圧縮している時は切り込み１１を通じ
て吐出を早めることで、無駄な過圧縮を低減し、同時に
開口時までに内外圧力差を縮小する。逆に作動室１９内
部の圧力が吐出流路８内圧よりも低く、圧縮不足の時に
は僅かな逆流を許容し、開口開始時の内外圧力差を縮小
する。開口時に内外圧力差が無ければ、急激な吐出や逆
流、それに伴う圧力波は発生しにくい。したがって、切
り込み１１があることによって、吐出圧変動も小さくな
り、それによって発生する振動や騒音も低減される。

【００２３】吐出圧変動が以上の作用により低減された
としても、噛み合い周波数成分の吐出圧変動はある程度
残る。その理由は単位時間当たりの吐出量、すなわち、
吐出流量の変動による。作動室１９から吐出流路８への
被圧縮気体の吐出流量はおよそ幾何学的に定まり、開口
直後に多く、次第に減少して作動室が消滅するのと同時
に吐出流量０となり、吐出が完了する。各作動室が次々
と吐出するため、吐出流量は複数の作動室からの吐出の
合計となることもあるが、変動は残る。吐出流量に変動
があると、吐出流路８を下流へ向かって流れる被圧縮気
体の持つ慣性により、吐出流路８内部に圧力変動が生じ
る。例えば、吐出流量が増大しつつある瞬間には先行し
て流れる遅い空気に進路を阻害され、圧力は上昇する。
また、吐出流量が減少しつつある瞬間には先行する速い
空気に引っ張られ、圧力が低下する。以上のように吐出
圧変動は避けがたく、その基本周波数は吐出動作が作動
室の開口の毎に発生するため、噛み合い周波数に一致す
る。

【００２４】本実施例では、噛み合い周波数の吐出圧変
動を小さく抑え、同時にその反力として発生する振動や
トルク変動も低減される。その理由は以下の通りであ
る。すなわち、各作動室は開口前に切欠き１１を経由し
吐出流路８と連通する。連通開始時期は各作動室によっ
て異なり、切欠きの円周方向の長さ１６に左右される。
長さ１６が長ければ、開口よりもその分だけ早く連通
し、短ければ影響が小さく連通開始と開口に時間差は少
ない。したがって、連通開始は等しい時間間隔で発生せ
ず、ある程度ランダムなものとなり、噛み合い周期で繰
り返す現象では無くなる。

【００２５】切り込みの幅１７や深さ１８は流路抵抗に
影響し、連通路を通じての空気の流量に変化を持たせ、
繰返しの規則性を崩す助けをする。特に、後進面１２近
くの切り込み１１の厚さ１８を大きくとると、流路抵抗
が小さくなり連通流路として働くよりも開口時期を早め
る働きをするので、開口時期を不等間隔にする効果を持
つ。

【００２６】以上のように、従来は吐出動作は噛み合い
周期での繰り返しであったが、本発明により、連通開始
やそれに続く開口を不等間隔にし、空気吐出量の回転角
度による流量変化のパターンも一様でないものとなる。
これを図５に示すように周波数的に見てみる。従来は圧
力変動やトルク変動、ケーシングへの加振力すべてが噛
み合い周波数を基本周波数とし、鋭いピークを持つ加振
源あるいは音源であった。本発明により、噛み合い周波
数成分の山のピークが低くなり、裾野が広いなだらかな
形状となる。また、回転周波数成分はやや大きくなる
が、それでも噛み合い周波数成分よりは小さく、周波数
的にも低いので、スクリュー圧縮機の構造では比較的共
振しにくい。

【００２７】噛み合い周波数の大きなピークが丸められ
ることにより、発生する振動や騒音も小さくなり、同時
に音質も改善される。構造体に共振があった場合なども
ピーク値の低減に比例して振幅が低減する。

【００２８】本実施例は既存のスクリュー圧縮機のスク
リューロータのみを入れ替えるだけで実現することが可
能である。また、新規に製造する場合においても設計変
更する部分が少なく、改良に要する時間や費用を省くこ
とができる。

【００２９】本実施例はスクリュー圧縮機に関する他の
振動騒音低減手段とも兼用することができる。その場合
に相乗効果で、より低振動低騒音化することが期待でき
る。

【００３０】本実施例に関して注意しなければならない
点があり、それは次のとおりである。吐出端面におい
て、切り込み１１を経由し吐出中の作動室２７から吸入
中の作動室２８へ漏れ流路が形成されてしまう心配があ
る。その対策として、吐出口の雄側吐出端２３を無く
し、吐出流路８から吸入中の作動室２８への逆流を防止
することが不可欠となる。雄側吐出端２３無くとも吐出
動作に不具合は生ぜず、雌側吐出端２４により作動室消
滅まで開口し、行き場の無い被圧縮気体を生む、いわゆ
る、閉じ込み現象は発生しない。また、漏れ流路を極力
小さくするためには、切欠きの幅１７を小さくし、後進
面１２の歯底から離した形状とすることが有効である。

【００３１】本実施例では、一方のスクリューロータ１
で他方のスクリューロータ２を回転させる接触式スクリ
ュー圧縮機を取り上げた。しかし、スクリュー圧縮機に
は、各スクリューロータの回転軸延長上に設けた同期歯
車の回転伝達によってスクリュー歯どうしは接触しない
非接触式もあり、オイルフリー圧縮機等の用途に用いら
れている。本発明は非接触式においても有効であり、本
実施例と本質的に差の無い動作と効果が期待できる。ま
た、空気以外の冷媒やその他の気体を圧縮するものであ
ってもよい。

【００３２】また、本実施例では雄スクリューロータ１
に切り込み１１を設けたが、雌スクリューロータ２の端
面に設けることも可能である。しかし、雌スクリューロ
ータの歯は薄いため、切り込みの円周方向長さ１６が十
分にとれず、効果は大きく期待できない。

【００３３】回転するスクリューロータ１１に不規則な
切り込み１１を設けるため、回転バランスが崩れるが、
バランス孔を適宜開けることによって、バランシングが
可能である。その場合、バランス孔は切り込み部に重ね
て端面方向から開ける、切り込み部以外の部分に開ける
などし、切り込み部の輪郭上に開けることを防止すると
よい。

【００３４】

【発明の効果】吐出動作に起因する噛み合い周波数の振
動や騒音の発生個所や伝播経路は多岐にわたるが、本発
明はそれらすべてに低減効果があり、スクリュー圧縮機
の振動や騒音を低減することができる。

【００３５】また、本発明は他の振動や騒音の低減手段
とも兼用することが可能であり、振動騒音低減に関し、
相乗効果を期待することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるスクリュー圧縮機の吐出
端面の説明図。

【図２】本発明の実施例によるスクリュー圧縮機の断面
図。

【図３】本発明の実施例による雄スクリューロータの吐
出口付近の円周に沿った断面図。

【図４】従来例による雄スクリューロータの吐出口付近
の円周に沿った断面図。

【図５】周波数軸でみた加振力の大きさの従来例と実施
例の比較特性図。

【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、３
…メインケーシング、４…ボア、６…吐出口、１１…切
り込み、１２…後進面、１３…回転方向、１４…前進
面、１５…残存幅、１６…周方向長さ、１７…径方向の
幅、１９…雄側の作動室、２０…雌側の作動室、２１…
雄側の開始縁、２２…雌側の開始縁、２３…雄側の終
端、２４…雌側の終端、２７…吐出中の作動室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに軸に平行でかつねじり方向が逆をな
   すスクリュー歯を噛み合わせ同期回転する雄雌二つのス
   クリューロータと、前記二つのスクリューロータを微小
   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ー圧縮機において、 雌雄の少なくとも一方のスクリューロータについて、各
   スクリュー歯の吐出側端面に面し、各歯の前進面に連通
   せず、後進面から回転進行方向に掘り込まれた切欠きを
   設け、前記切欠きの寸法あるいは形状を、各歯によって
   不規則としたことを特徴とするスクリュー圧縮機。