JP2002168184A - 無給油式スクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速回転に適した油ポンプを内蔵したにもかか
わらず、簡単な構造で、かつ小型軽量な無給油式スクリ
ュー圧縮機を提供する。 【解決手段】一対の雄ロータ２及び雌ロータ３を支える
軸受７,８と、モータ軸２３と連結した雌ロータ３の回
転を雄ロータ２に伝達する同期歯車９,１０とに油を供
給する油ポンプ６を、一対の雄ロータ２及び雌ロータ３
に対し同期歯車９,１０と反対側の雄ロータ２の駆動側
軸４１の端部に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無給油式スクリュ
ー圧縮機に係わり、特に、高速回転に適した油ポンプを
内蔵した無給油式スクリュー圧縮機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の無給油式スクリュー圧縮機は、汎
用誘導モータで駆動されるものが多く、この汎用誘導モ
ータは、回転速度が電源周波数に依存されるため、毎分
3000回転あるいは3600回転程度で回転するようになって
いる。一方、無給油式スクリュー圧縮機の回転速度は、
汎用誘導モータの回転の３〜８倍の回転が必要とされて
いる。よって、回転速度を増加させるために、圧縮機の
スクリューロータは、汎用誘導モータの回転を歯車等に
より構成した増速機を介して増速駆動されるようになっ
ている。

【０００３】したがって、無給油式スクリュー圧縮機
は、軸受や同期歯車を備えており、これらの潤滑冷却を
目的に油が供給されている。その供給手段としてトロコ
イド式などの油ポンプが設置されている。油ポンプは、
増速機の入力（低速）軸に付加した増速機取付け形や、
あるいは別置きポンプとして圧縮機に付属されている別
置き形がある。

【０００４】例えば、特開2000-97186号公報に開示され
ている無給油式スクリュー圧縮機は、増速機を使用せず
高速モータで直接駆動されるが、油ポンプは圧縮機本体
とは別に設けられている。また、特開平4-8889号公報に
開示されているスクリュー圧縮機は、スクリューロータ
の軸あるいはスクリュー歯の端面にねじ溝あるいは螺旋
溝を形成して油ポンプの作用を持たせている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開20
00-97186号公報に開示の無給油式スクリュー圧縮機は、
油ポンプと該油ポンプを駆動するモータとが別に必要
で、圧縮機全体として大きくなり、小型軽量化が難し
い。また、別設置モータやポンプ各部の軸受が必要で動
力損失も増してしまう。

【０００６】また、高速モータで駆動される無給油式ス
クリュー圧縮機の雄雌ロータは、最高回転速度が毎分20
000回転を超えることもあり、通常の歯車ポンプのよう
な容積式ポンプでは、振動騒音や信頼性の観点から直結
し同じ回転速度で駆動することは原理的に成立しない。
また、ポンプ駆動用に減速機等を設置すれば、やはり小
型軽量化に反することになる。

【０００７】また、無給油式スクリュー圧縮機は、吐き
出し温度が非常に高くなるため、ロータの熱変形も大き
い。ロータやロータ軸は軸方向に熱変形で伸び縮みす
る。さらに高速回転体であるため軸方向振動もある。し
たがって、ロータ軸の一部を油ポンプの軸に使用するに
は、このような熱変形や振動変位を吸収できる油ポンプ
であることが必要である。

【０００８】特開平4-8889号公報に開示のスクリュー圧
縮機の油ポンプは、スクリューロータの端面ギャップに
油を供給し、このギャップを経由するガスの内部漏れを
低減する目的で設けられている。したがって、給油手段
には軸シールを付属せず、給油経路は軸表面に沿って、
端面ギャップに向かうのみであり、軸受や同期歯車など
への給油は不可能である。

【０００９】また、設置位置が、ロータのスクリュー歯
部と高圧側軸受との間に限られる。したがって、圧縮機
全体の配置に関しては自由度が小さい。

【００１０】本発明の目的は、高速回転に適した油ポン
プを内蔵したにもかかわらず、簡単な構造で、かつ小型
軽量な無給油式スクリュー圧縮機を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における無給油式スクリュー圧縮機の特徴と
するところは、雄雌一対のロータを支える軸受部及びモ
ータ軸と連結した一方のロータの回転を他方のロータに
伝達する歯車部に油を供給する油ポンプを、雄雌一対の
ロータに対し歯車部と反対側の他方のロータの軸端部に
設けることにある。

【００１２】具体的には本発明は次に掲げる圧縮機を提
供する。

【００１３】本発明は、モータと、該モータと連結し回
転する雄雌一対のロータと、前記雄雌一対のロータに対
し前記モータと反対側に配置され前記雄雌一対のロータ
のうち前記モータのモータ軸と連結した一方のロータの
回転を他方のロータに伝達する歯車部と、該歯車部及び
前記両ロータを支える軸受部に油を供給する油ポンプ
と、前記雄雌一対のロータ、歯車部、軸受部及び油ポン
プを収納するケーシングとを有する無給油式スクリュー
圧縮機において、前記油ポンプを、前記雄雌一対のロー
タに対し前記歯車部と反対側の前記他方のロータの軸端
部に設けることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機
を提供する。

【００１４】好ましくは、前記油ポンプは、前記他方の
ロータのロータ軸の回転によって前記油を昇圧する非接
触式ビスコポンプと、前記昇圧した油をシールする非接
触式軸封装置とを有する。

【００１５】好ましくは、前記非接触式ビスコポンプ
は、ねじ溝を有するビスコポンプである。

【００１６】好ましくは、前記非接触式軸封装置は、フ
ローティングタイプのスリーブシール、あるいは、溝の
ねじれ方向が前記ビスコポンプのねじ溝のねじれ方向と
逆に形成したねじ溝を有するビスコシールである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例に係
る無給油式スクリュー圧縮機を、図を用いて説明する。

【００１８】本発明の第一の実施の形態例を、図１〜図
４を用いて説明する。図１は、本発明の第一の実施の形
態例に係る無給油式スクリュー圧縮機の構成を示し、油
ポンプを内蔵し、高速モータで駆動される無給油式スク
リュー圧縮機の水平断面を示す。図２は、図１の無給油
式スクリュー圧縮機に内蔵された油ポンプの垂直断面を
示し、図３は、図２の油ポンプの流量・差圧特性の説明
図であり、図４は、図３の油ポンプの流量・差圧特性を
示す図である。

【００１９】図１に示すように、圧縮機本体１は、平行
な二軸の回りを互いにかみ合って回転する雄ロータ２と
雌ロータ３と、両ロータの歯溝部を収納し、ガスの低圧
口と高圧口（いずれも図示せず）を有したケーシング４
と、両ロータの駆動側軸を収納した低圧側ケーシング５
などより構成される。

【００２０】図１において両ロータの歯部を基準に左方
向を低圧側、右方向を高圧側と称する。雄ロータ２と雌
ロータ３の軸部は、低圧側軸受７と高圧側軸受８とによ
り回転自在に支持されている。なお、本無給油式スクリ
ュー圧縮機機が圧縮するガスは、気体一般を対象とする
ものの、適用例として、最も広く用いられる空気を想定
して、以下説明する。

【００２１】雄ロータ２と雌ロータ３との高圧側軸端に
は、一対の同期歯車９、１０が固定されており２つのロ
ータを同期回転させる。２つのロータの歯は噛み合って
はいるが、その間には微少なすきまが確保され、厳密に
は非接触状態にある。したがって、駆動トルクは一方の
ロータ、すなわち雌ロータ３から同期歯車９、１０の噛
み合いを経由して他方のロータ、すなわち雄ロータ２に
伝達される。

【００２２】軸受や歯車へは潤滑と冷却を目的に給油す
る必要がある。一方、無給油式圧縮機は、油混入のない
清浄な圧縮空気を供給することを任務としており、クリ
ュー歯の歯溝に形成される圧縮室への油の侵入は許され
ない。そこで、低圧側軸受７と雄ロータ２及び雌ロータ
３の歯溝部との間、および高圧側軸受８と雄ロータ２及
び雌ロータ３の歯溝部との間には、非接触式軸封装置を
設けている。これらの非接触式軸封装置は、圧縮ガスシ
ール１１と油きり１２とにより構成される。

【００２３】これにより、圧縮室への油の侵入が防止で
き、また、逆に圧縮室から油ポンプ６へのガスの流入を
阻止することができる。

【００２４】冷却促進を目的にケーシング４の外周には
フィン１３を設ける。

【００２５】高速モータ２１は、ロータコア２２が固定
されたモータ軸２３と、モータ軸２３を回転自在に支持
するため、モータケーシング２７に設けられた負荷側軸
受２４とカバー２８に設けられた反負荷側軸受２５とを
備えている。

【００２６】これらの軸受には潤滑油が強制給油され、
負荷側軸受２４、反負荷側軸受２５とロータコア２２と
の間には非接触式油きり２９が設けられている。また、
ロータコア２２に対向した位置にステータコア２６がモ
ータケーシング２７に固定され、モータケーシング２７
には冷却ジャケット３０が設けられ、冷却水またはクー
ラント液などが供給される。

【００２７】雌ロータ３とモータ軸２３の軸端には軸用
スプラインと穴用スプラインが設けられ、互いにかみ合
ってスプラインカップリング３１を構成している。

【００２８】雄ロータ２の駆動側軸４１の低圧側に形成
されたスペースに、給油手段である油ポンプ６を駆動側
軸４１に設ける。油ポンプ６は駆動側軸４１の回転によ
って潤滑油を昇圧する機能を備えている。

【００２９】油ポンプ６は、雄ロータ２の駆動側軸４１
の熱変形や振動変位を吸収し、また、圧縮室への油の侵
入を阻止すると共に、軸受や同期歯車９、１０に十分な
給油量を確保する能力を有している。

【００３０】図２は、油ポンプ６の構造を示す。雄ロー
タ２の駆動側軸４１にはスリーブ４２が固定され、円筒
ころ軸受７の内輪を軸方向に固定している。ポンプケー
シング４３は、ボルト（図示せず）によってケーシング
の一部を形成する低圧側ケーシング５に固定され、円筒
ころ軸受７の外輪を軸方向に押している。

【００３１】ポンプケーシング４３には、スリーブ４２
と同心にビスコポンプ４４がはめ込まれ、ポンプカバー
４６をボルト（図示せず）によってポンプケーシング４
３に締め付けることにより、軸方向に固定される。

【００３２】ビスコポンプ４４によって昇圧された油
が、はめ合い部を通って漏れないようにＯリング４７が
設けられている。

【００３３】ビスコポンプ４４によって昇圧された油の
軸封装置は、フローティングタイプのスリーブシール５
４、ばね装置５５とから構成される。

【００３４】フローティングタイプのスリーブシール５
４は、ばね装置５５によって軸方向にポンプケーシング
４３の端面５６に押付けられ、また、スリーブシール５
４はスリーブ４２とは狭いすきまを介して対向してい
る。

【００３５】ポンプカバー４６には油吸込み管４９がね
じこまれ、ビスコポンプ４４のランタンリング部５０で
集められた昇圧油は油吐出し管５１より冷却器（図示せ
ず）へと導かれ、そこから各軸受、同期歯車９、１０及
びスプラインカップリング３１各部に供給され、これら
を潤滑する。

【００３６】油吸込み管４９は、油ポンプ６の下に設け
られた油だまり６１へ、吸込み油ストレーナ（図示せ
ず）を介して接続される。

【００３７】ビスコポンプ４４には、破線で示す方向に
矩形ねじがそれらの内周に設けられており、スリーブ４
２の外周とは狭いすきまを介して対向し、ねじ溝ポンプ
を形成している。また、ポンプケーシング４３には排油
室５２、排油通路５３が設けられ、軸受７の排油は排油
室５２、排油通路５３を経由して速やかに排油される。

【００３８】次に、本実施の形態例の動作について、説
明する。

【００３９】高速モータ２１は、起動後、油ポンプ６の
吸込み管４９及びポンプ内の空気を追出すため、予め定
められた回転速度まで速やかに昇速され、油ポンプ６の
吐出し通路に設けられた油圧センサ（図示せず）が昇圧
を確認した後、所定の回転速度に制御される。その後の
高速モータ２１の制御は、圧縮機の吐出し空気圧力を一
定の保ちたい場合は、吐出し空気圧力センサの出力に応
じて回転数制御を行い、吐出し空気圧力と吐出し空気風
量の両方を関連づけて制御したい場合は、予め設定され
マイコンなどに記憶された回転数と吐出し空気圧力との
関係に従って目標吐出し圧力を変化させながら回転数制
御を行う。

【００４０】図３及び図４を用いて、油ポンプ６の流量
・差圧特性を説明する。図３において、ポンプ中心より
油だまり６１の油面６２までの距離をHとし、油面６２
及び排油室５２の空気圧力をPa（ほぼ大気圧）、ビスコ
ポンプ４４の吸込み室６３の圧力をPs、ポンプの吐出し
圧力をPdとし、ビスコポンプ４４を流れる油流量をQ
ｐ、スリーブシール５４を流れる油流量をQｓ、吐出し
油流量をQとすると、Q=Qp+Qsである。

【００４１】図４のΔPをPd−Paとし、γを油の比重と
すると、ビスコポンプ４４のΔP〜Qｐ特性は直線ACで表
せる。A点は最大流量Qpmの点であり、C点はポンプの封
止圧力ΔPpmよりγHを引いた圧力の点である。また、ス
リーブシール５４のΔP〜Qs特性は直線ODで表わされ
る。太線AEは油ポンプ６のΔP〜Q特性を示し、ポンプの
吐出し油流量はビスコポンプ４４の吐出し油流量からス
リーブシール５４からの漏れ量を引いたものであり、E
点ではポンプの吐出し油流量はゼロとなる。

【００４２】駆動側軸４１の回転速度が下がると、回転
速度の比に比例して図４を原点Oに向かって縮小した特
性となり、油の温度が上がって粘度が低下すると、ほぼ
粘度に比例して図４の縦方向を縮小した特性となる。

【００４３】本実施の形態例において、油ポンプ６にね
じ溝を有するビスコポンプ４４を用い、非接触軸封とし
てフローティングタイプのスリーブシール５４を用いて
いるので、変位を各部材が吸収し、雄ロータ２に軸方向
振動及び軸方向の熱変形があっても、その影響を排除し
た油ポンプを実現できる。フローティングタイプのスリ
ーブシール５４は、駆動側軸４１との間のすきまを小さ
くでき、スリーブシール５４からの油漏れを少なくでき
る効果もある。

【００４４】さらに、ねじ溝ポンプの吸込み口を軸端側
に設けたので、空気が作動中に漏れ込んでくることがな
く、安定なポンプ作用を行うことができる。

【００４５】次に、図５及び図６を用いて、本発明の第
二の実施の形態例を説明する。なお、第１の実施の形態
例に共通する事項は説明を省略する。図５は、本発明の
第二の実施の形態例に係る無給油式スクリュー圧縮機に
内蔵された油ポンプの垂直断面を示し、図６は、図５の
油ポンプの流量・差圧特性を示す図である。

【００４６】図５において、図２と同じ部品には同じ符
号を付けて示す。第一の実施の形態例におけるフローテ
ィングタイプのスリーブシールに代えてビスコシール４
５を用いたのが本実施の形態例の特徴である。

【００４７】ビスコシール４５の背面をシールするＯリ
ング４８を設けている。また、ビスコシール４５に設け
たねじ溝のねじれ方向はビスコポンプ４４のねじ溝のね
じれ方向と逆にしておく。両ねじ溝とも、スリーブ４２
の外周とは狭いすきまを介して対向し、ねじ溝ポンプ及
びねじ溝シールを形成している。

【００４８】図６を用いて、油ポンプ６の流量・差圧特
性を説明する。記号は図３と同じ記号を使用している。
ビスコポンプ４４のΔP〜Qｐ特性は直線ACでほぼ表せ、
ビスコシール４５のΔP〜Qs特性は折れ線OFGで表せる。
F点はビスコシール４５の封止圧力ΔPsmの点であり、OF
間はQs=0である。直線GFはビスコシール４５の最大流量
Qsmを表すK点とF点を結ぶ直線の延長線である。太線AHJ
は油ポンプ６のΔP〜Q特性を示し、AH間はビスコシール
４５よりの漏れがないため、ポンプの吐出し油流量はビ
スコポンプ４４の油流量に等しい。HJ間はビスコシール
４５よりの漏れが発生し、J点ではポンプの吐出し油流
量はゼロとなる。

【００４９】駆動側軸４１の回転速度が下がると、回転
速度の比に比例して図６を原点Oに向かって縮小した特
性となり、油の温度が上がって粘度が低下すると、ほぼ
粘度に比例して図６の縦方向を縮小した特性となる。ビ
スコポンプ４４の矩形ねじ部の最適化に関しては、文献
（ASME Journal of Tribology、 Vol。 112、 April199
0、 p409-414）に詳しい。

【００５０】本実施の形態例では、非接触軸封としてビ
スコシール４５を用いており、その封止圧力まで油の漏
れが生じないという効果がある。

【００５１】本発明の本実施の形態例では、油ポンプ
は、雄ロータの駆動側の軸端に設けられているが、無給
油式スクリュー圧縮機では、雄ロータ或いは雌ロータの
どちらかの軸端近傍に空いたスペースができるので、そ
こに設置すればよい。

【００５２】また、高速モータとして高周波モータを使
用したが、電気自動車などに用いられている永久磁石式
同期モータなどモータの種類は問わない。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、油ポンプを、雄ロータ
或いは雌ロータのどちらかの軸端近傍にできたスペース
に配置し、かつロータの軸端部に設けることができる。
この結果、圧縮機全体のスペースファクタが良くなり、
かつ構造が簡単になり、無給油式スクリュー圧縮機の軽
量小形化を図ることができる。

【００５４】また、油ポンプをロータ軸に直結して設け
ることができるので、動力損失を少なくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態例に係る無給油式ス
クリュー圧縮機の水平断面図である。

【図２】図１の無給油式スクリュー圧縮機に内蔵された
油ポンプの垂直断面である。

【図３】図２の油ポンプの流量・差圧特性の説明図であ
る。

【図４】図３の油ポンプの流量・差圧特性を示す図であ
る。

【図５】本発明の第二の実施の形態例に係る無給油式ス
クリュー圧縮機に内蔵された油ポンプの垂直断面であ
る。

【図６】図５の油ポンプの流量・差圧特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…圧縮機本体、２…雄ロータ、３…雌ロータ、４…ケ
ーシング、５…低圧側ケーシング、６…油ポンプ、９,
１０…同期歯車、２１…高速モータ、４１…駆動側軸、
４２…スリーブ、４３…ポンプケーシング、４４…ビス
コポンプ、４５…ビスコシール、４６…ポンプカバー、
４９…油吸込み管、５１…油吐出し管、５４…スリーブ
シール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 昭 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所産業機器グループ内 Ｆターム(参考） 3H029 AA03 AA15 AA24 AB03 BB06 BB32 CC16 CC36 CC58

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータと、該モータと連結し回転する雄雌
   一対のロータと、前記雄雌一対のロータに対し前記モー
   タと反対側に配置され前記雄雌一対のロータのうち前記
   モータのモータ軸と連結した一方のロータの回転を他方
   のロータに伝達する歯車部と、該歯車部及び前記両ロー
   タを支える軸受部に油を供給する油ポンプと、前記雄雌
   一対のロータ、歯車部、軸受部及び油ポンプを収納する
   ケーシングとを有する無給油式スクリュー圧縮機におい
   て、 前記油ポンプを、前記雄雌一対のロータに対し前記歯車
   部と反対側の前記他方のロータの軸端部に設けることを
   特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
2. 【請求項２】請求項１において、前記油ポンプは、前記
   他方のロータのロータ軸の回転によって前記油を昇圧す
   る非接触式ビスコポンプと、前記昇圧した油をシールす
   る非接触式軸封装置とを有することを特徴とする無給油
   式スクリュー圧縮機。
3. 【請求項３】請求項２において、前記非接触式ビスコポ
   ンプは、ねじ溝を有するビスコポンプであることを特徴
   とする無給油式スクリュー圧縮機。
4. 【請求項４】請求項２において、前記非接触式軸封装置
   は、フローティングタイプのスリーブシール、あるい
   は、溝のねじれ方向が前記ビスコポンプのねじ溝のねじ
   れ方向と逆に形成したねじ溝を有するビスコシールであ
   ることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。