JP6948455B2 - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Description

本発明はスクリュー圧縮機に関する。

オイルフリースクリュー圧縮機要素において、漏洩を最小にして圧縮空気発生量を最大にするために２つのロータを高速で駆動することが知られている。雄又は雌ロータのいずれかの第１のロータが駆動され、第１のロータは２つの所謂同期歯車によって第２のロータを駆動する。

多くの場合、第１のロータは、ギヤボックスによって駆動される。従来の誘導電動機を１５００ｒｐｍで使用する場合、オイルフリースクリュー圧縮機要素を駆動するのに必要な高速を実現するために伝達比の大きなギヤボックスが必要である。伝達比の大きなギヤボックスは大型で高価であり、相当のエネルギー損失が生じる。

また、電動機がオイルフリースクリュー圧縮機要素を直接駆動する所謂直接駆動方式を利用することも可能である。この場合、高価な電動機制御システムが必要であり、電動機を高速に制御するために必要な高周波スイッチングに関連する損失が相当大きくなる。

従って、オイルフリースクリュー圧縮機要素を駆動するために小型ギヤボックスを備えた高速電動機を使用することがより安価でエネルギー効率が良い。

しかしながら、大型ギヤボックスを用いる従来の解決策に比べて、小型ギヤボックスを用いる高速電動機を使用すると振動問題を生じる傾向がある。大型ギヤボックスを用いると、ギヤボックスの大きなブルギヤは慣性が大きいので、例えばオイルフリースクリュー圧縮機要素で生じてギヤボックスを通して伝わる振動を阻止することができる。

小型ギヤボックスを備えた高速電動機を使用する場合の振動を防ぐための解決策はすでに知られており、たわみ継手が使用される。これにより、電動機と第１のロータとの間の位置合わせを容易にするだけでなく、振動減衰を可能にすることが可能になる。
しかしながら、これらの公知の装置にはいくつかの欠点がある。

１つの欠点は、たわみ継手は追加費用がかかり、その結果としてギヤボックスのサイズも大きくなる。
さらに、たわみ継手は、可撓性材料が経時的に劣化するので摩損及び断裂する傾向があり、可撓性ギヤボックスは定期的に交換する必要がある。

さらに、たわみ継手の減衰性は多くのエネルギーを吸収するのでギヤボックスのエネルギー効率が低くなる。

米国特許第３,３７１,５４９号明細書には、熱可塑性材料で作られた歯車が説明されており、歯車は、リムがハブに対して偏心して配置され得るように変形可能である。このような歯車は振動に対応できるが、スクリュー圧縮機などの高速用途に適応されるには非常に弱い。

米国特許第４,１７４,６４３号明細書には、ハブとリムとの間にブラケットを備えた歯車が説明されており、ブラケットの間の空間は吸音材で満たされており、ブラケットの共鳴に由来する音を吸収するようになっている。

米国特許第３,３７１,５４９号明細書 米国特許第４,１７４,６４３号明細書

本発明の目的は、高速電動機を備えたオイルフリースクリュー圧縮機用のギヤボックス、及び振動問題に関してより堅牢な小型ギヤボックスを提供することで、上記及び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。

本発明の対象は、第１及び第２のロータを備えるスクリュー圧縮機であり、各ロータは、同期歯車を備えており、さらにスクリュー圧縮機は、電動機と、第１又は第２のロータを駆動するための１又は２以上の駆動歯車とを備え、同期歯車又は駆動歯車のうちの少なくとも１つは、歯車メッシュを支持するリムと対応する歯車ハブとの間にスポークを備える。

１つの利点は、歯車のうちの少なくとも１つがスポークを備えることで、ギヤボックスをより堅固にすることができる。
スポークを有する歯車を使用することで、歯車は、捩りに対してより可撓性になり、振動、特に捩り振動の伝達を効果的に防止する。

これは、軸と捩り振動との間に強結合が存在するヘリカル歯を有する歯車を使用する場合に特に重要である。
本発明によるスポークを有する歯車を電動機に取り付けることで、電動機及び圧縮機のロータ上の軸方向並びに捩り振動を低減することができる。

ヘリカル歯を有する歯車は、良好な稼働挙動を示すと共に、軸方向の力を伝達することができこれは軸受の軸方向荷重を改善することができることを意味するので、ストレートカット歯を有する歯車よりも好まれる場合が多い。

スポークを用いて歯車の可撓性を調節することで、駆動系の共鳴に関するモード形を調節することができる。このようにして、節点を捩り振動が他の自由度（軸方向及び／又は横方向）をおそらく引き起こすことができる場所に動かすことができる。従って、スポークを有する歯車の位置は（捩り、軸方向、及び場合によっては横方向運動の間の関連）、典型的には捩り振動の腹（ａｎｔｉｎｏｄｅ）となり得る。その結果、歯車上に捩り回転が存在せず、捩り振動によって軸方向及び横方向運動が引き起こされない。

可撓性継手を取り除くことで、剛性のある駆動系は、異なる軸上に配置された構成要素の様々な許容誤差、特に歯車自体の寸法に非常に敏感になる。歯車のスポークを用いて駆動系の剛性を低下させることで、この敏感度は大きく低下して、これらの許容誤差によって引き起こされた誘発振動が大幅に低下することになる。

本発明の好ましい特徴によれば、最大直径の同期歯車又は駆動歯車は、歯車メッシュを支持するリムと対応する歯車ハブとの間にスポークを備える。
これは、最大で最も重い歯車は、非常に軽量に作ること、従って大量の材料を節約することができるだけでなく、最大の歯車（一般に振動に最良に適用できる）が、スポークを設けることで、振動に適用するのにさらにいっそう効果的になるという利点を有する。

本発明の特徴をより良く示すことを意図して、以下、添付図面を参照して、非限定的に、本発明のスクリュー圧縮機のいくつかの好ましい実施形態を例示的に説明する。

本発明のスクリュー圧縮機を概略的に示す。 図１の圧縮機装置の駆動歯車を示す。 図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩの断面を示す。 図１の変形例を概略的に示す。 図２の変形例を概略的に示す。

図１は、本発明の圧縮機要素２を備えたスクリュー圧縮機１を概略的に示す。圧縮機要素２は、ハウジング３を備え、ハウジング内には、２つのロータ４、５が軸６、７の軸受を用いて取り付けられている。これらのロータ４、５は所謂スクリューロータ、すなわち雄スクリューロータ４及び雌スクリューロータ５であり、相互に協調的に回転するローブ（ｌｏｂｅ）８を備える。

例えば、雄スクリューロータ４は５つのローブ８、雌スクリューロータ５は３つのローブ８を有する。

もちろん、ロータ４、５が異なる数のローブ８を有すること、又はスクリュー圧縮機１が２以上の当該圧縮機要素を備えることが可能である。

ロータ５のうちの１つの軸７の一端７ａには、第１の駆動歯車９が設けられており、これは第２の駆動歯車１０と係合でき、この第２の駆動歯車１０は、電動機１２の軸１１上に取り付けられている。この場合、第１の駆動歯車９は、雌スクリューロータ５上に取り付けられるが、雄スクリューロータ４上に取り付けることも可能である。

電動機１２は高速電動機であり、少なくとも３０００ｒｐｍの回転速度に達することができる。

この高速に起因して、電動機１２上の第２の駆動歯車１０は、例えば最大１５００ｒｐｍの回転速度の電動機１２の場合よりも小径とすることができる。さらに、結果的に、２つの駆動歯車９、１０の間の伝達比が最大６であることを保証することが可能である。

さらに、雌スクリューロータ５の軸７の他端７ｂ及び雄スクリューロータ４の軸６の対応する端部６ｂには所謂、同期歯車１３、１４が取り付けられている。

図１に明瞭に示すように、電動機１２と雌スクリューロータ５との間には弾性継手は存在しない。

電動機１２と雌スクリューロータ５との間の伝達は、駆動歯車９、１０によって完全に保証される。

全体として、スクリュー圧縮機１は、４つの歯車、すなわち２つの駆動歯車９、１０及び２つの同期歯車１３、１４を備える。

一般的に、この駆動歯車９及び１０は、関連のリム１６上にヘリカル歯１５を備える。しかし、ストレートカット歯を備えた実施形態も可能である。

一般的に、この同期歯車１３及び１４は、関連のリム１６上にストレートカット歯を備える。また、同期歯車に関してはヘリカル歯を備えた実施形態も可能である。

一般的に、これらのヘリカル歯の所謂らせん角度は、２０から３５度の値であるが、本発明はこの範囲に限定されない。

図２及び図３に示すように、この駆動歯車９、１０の一方はスポーク１７を備え、これは歯車メッシュ１５を支持するリム１６と駆動歯車９、１０の歯車ハブ１８との間に取り付けられる。

この場合、電動機１２に取り付けられた第２の駆動歯車１０がこのようなスポーク１７を備える。当然、他の又は複数の別の歯車９、１３、１４がこのスポーク１７を備えることは除外されない。

図２及び３は、第２の駆動歯車１０が、この場合は歯車ハブ１８からリム１６に延びる８本のスポーク１７を備えることを明示する。このように、スポーク１７の数及びロータ４、５のローブ８の数の最大公約数は１である。

本発明に必須ではないが、実施例のスポーク１７は、ビーム形であり一定断面積を有する。

各スポーク１７の間の空間１９の表面は、歯車１０の軸２０に沿って見ると、すなわち図２で見られるように、スポーク１７の表面よりも好ましくは３倍より大きく、より好ましくは４倍より大きく、この場合は５倍よりも大きい。

十分な空間１９を残すことで、歯車１０の低剛性の又は柔軟性のある比較的「弱い」構造が得られるので、歯車１０の弾性変形性が高くなる。

空間１９の表面に加えて、スポーク１７の厚さは、剛性が低くなるように歯車の幅に比べて低減される。

図３に示すように、この場合、各スポーク１７の間の空間１９は、制振材２１で満たされている。

この制振材２１は、例えば、ゴム系とすること、又はより一般的にはゴムが結合剤として使用される複合材とすることができる。

合成材料、樹脂又は金属メッシュは、制振材２１として使用することもできる。

図示の実施例において、各スポーク１７の間の全ての空間１９が制振材２１で満たされているが、これは必須ではない。例えば、１又は２以上の空間１９は空とすること、又は空間１９は、交互に制振材２１で満たすこと及び空とすることができる。

制振材の目的は、減衰値を大きくして共鳴が生じた場合の追加振動をさらに低減することにある。

スクリュー圧縮機１がスポーク１７を有する複数の歯車９、１０、１３、１４を備える場合、好ましくは歯車９、１０、１３、１４の少なくとも１つがスポーク１７を有する場合、各ポーク１７の間の空間１９のうちの少なくとも１つは、制振材２１で満たされる。制振材２１は、歯車９、１０、１３、１４によって、好ましくは充填空間１９によっても異なることができことに留意されたい。

制振材２１に加えて、各スポーク１７の間の空間１９は図示の実施例ではカバーされている。これは図３に明示されており、図示の実施例において、制振材２１を空間１９の中に保持するために、この空間はプラスチックシート２２又はカバーで覆われている。

このシート２２又はカバーは、ねじ又は類似品を用いて又はクリックｃｌｉｃｋ）結合によってしっかりとクリック止めすることで、各スポーク１７の間に固定することができる。

各スポーク１７の間の空間１９だけをカバーして、言うならば空の部屋が形成されるように制振材２１で満たさないこともできる。

また、制振材２１と同じく、各スポーク１７の間の空間１９の一部（全てではない）をカバーすることも可能である。

空の空間１９をカバーする利点は、スポーク１７を有する歯車１０が回転している場合に、関連の損失（所謂「ワインディングロス」）を伴う不要な旋回（ｓｗｉｒｌ）が生成されない。

好ましくは、スポーク１７を有する歯車１０は、所定材料の一体品で作られている。
スポーク１７を有する歯車１０が作られる材料は、例えば、鋼又は鋳鉄とすることができるが、これは本発明では必須ではない。

スクリュー圧縮機１の動作は非常に単純で以下に示す通りである。
公知の方法で、電動機１２は、スクリュー圧縮機１のロータ４、５を駆動することができ、電動機１２の軸の回転は、第２の駆動歯車１０を介して雌スクリューロータ５の軸７上の第１の駆動歯車９に伝達される。

このロータ５の回転は、対応する同期歯車１３並びに同期歯車１４を回転させることになり、雄スクリューロータ４も回転することになる。

このスクリュー圧縮機１の動作の間に、ガスはロータ４、５によって圧縮され、これによって圧縮機要素２内で振動が発生する。

脆弱化した第２の駆動歯車１０は、一方で自由度の間で連結解除されることによって、他方で場合によって導入された減衰性によってこの振動を低減することができ、例えばギヤボックスを伝わることができる不要な振動が電動機１２に損傷を与えることが防止され、又はスクリューロータ４、５自体の軸方向及び／又は横方向運動が引き起こされない。

図４は、図１の変形例を示し、この場合、スクリュー圧縮機１は、ロータ５を駆動するために唯一の第２の駆動歯車１０のみを備える。この場合、同期歯車１３、１４は、図１に比べてロータ４、５の反対側に取り付けられているので、一方の同期歯車１３は駆動歯車９としても機能する。

従って、図４のスクリュー圧縮機１は、３つの歯車１０、１３、１４だけを備えており、電動機１２と従動ロータ５との間の動力伝達は、第２の駆動歯車１０及び同期歯車１３によって保証される。

この場合、第２の駆動歯車１０は、同様に、例えば図２及び３の歯車１０などのスポーク１７を有する歯車１０である。
その他の点に関して、動作は、図１の圧縮機装置の動作と類似している。

図５は、図１の別の実施形態を示し、この場合、歯車１０は、歯車ハブ１８とリム１６との間に１２本のスポーク１７を備える。

各スポーク１７の間の空間１９は、充填されていないか又はカバーされていない。
換言すると歯車１０の各スポーク１７の間の空間１９は開放されている。

本発明は、実施例として記載されかつ図面に示された実施形態に限定されないが、本発明によるスクリュー圧縮機１は、本発明の範疇から逸脱することなく様々な形態及び寸法で実現することができる。

Claims (15)

1. 第１のロータ（４）及び第２のロータ（５）を備えるスクリュー圧縮機であって、前記ロータ（４、５）の各々は、同期歯車（１３、１４）を備え、前記スクリュー圧縮機（１）は、電動機（１２）と、前記第１のロータ（４）又は前記第２のロータ（５）を駆動するための１又は２の駆動歯車（９、１０）と、をさらに備え、
   前記同期歯車（１３、１４）又は前記駆動歯車（９、１０）のうちの少なくとも一方は、歯車メッシュ（１５）を支持するリム（１６）と対応する歯車ハブ（１８）との間にスポーク（１７）を備えている、
   前記各スポーク１７の間の空間１９が空の部屋が形成されるようにカバーされている、
   ことを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 前記スクリュー圧縮機（１）は、前記第１のロータ（４）又は前記第２のロータ（５）を駆動するための一つだけの駆動歯車（１０）を備える、
   請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
3. 最大直径を有する前記同期歯車（１３、１４）又は前記駆動歯車（９、１０）は、前記歯車メッシュ（１５）を支持する前記リム（１６）と対応する前記歯車ハブ（１８）との間に前記スポーク（１７）を備える、
   請求項１又は２に記載のスクリュー圧縮機。
4. 前記スポーク（１７）を有する前記駆動歯車（９、１０）又は前記同期歯車（１３、１４）のうちの少なくとも１つは、前記歯車（９、１０、１３、１４）の軸（２０）と所定角度をなす歯車メッシュ（１５）を備えたヘリカル歯車（９、１０、１３、１４）である、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。
5. 前記駆動歯車（９、１０）の一方は、前記電動機（１２）に取り付けられ、当該駆動歯車（９、１０）は、前記歯車メッシュ（１５）を支持する前記リム（１６）と対応する前記歯車ハブ（１８）との間に前記スポーク（１７）を備える、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。
6. 前記スポーク（１７）はビーム形でありかつ一定断面積を有する、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。
7. 前記スポーク（１７）の間の空間（１９）の表面は、前記歯車（９、１０、１３、１４）の前記軸（２０）に沿って見ると、前記スポーク１７の表面よりも３倍より大きい、
   請求項４に記載のスクリュー圧縮機。
8. 前記スポーク（１７）の間の空間（１９）の表面は、前記歯車（９、１０、１３、１４）の前記軸（２０）に沿って見ると、前記スポーク１７の表面よりも４倍より大きい、
   請求項４に記載のスクリュー圧縮機。
9. 前記スポーク（１７）の間の空間（１９）の表面は、前記歯車（９、１０、１３、１４）の前記軸（２０）に沿って見ると、前記スポーク１７の表面よりも５倍よりも大きい、
   請求項４に記載のスクリュー圧縮機。
10. 前記スポーク（１７）を有する前記歯車（９、１０、１３、１４）は、所定材料の一体品で作られている、
    請求項１ないし９のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。
11. 前記スポーク（１７）を有する前記歯車（９、１０、１３、１４）は、鋼又は鋳鉄で作られている、
    請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。
12. 前記電動機（１２）と前記第１のロータ及び第２のロータ（４、５）との間には弾性継手が存在しない、
    請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。
13. 前記電動機（１２）は、３０００ｒｐｍを超える回転速度に達することができる高速電動機である、
    請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。
14. 前記駆動歯車（９、１０）の伝達比は最大６である、
    請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。
15. 前記同期歯車（１３、１４）のうちの一方は、前記駆動歯車（９、１０）としても機能する、
    請求項１４に記載のスクリュー圧縮機。

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