スクリューコンプレッサーは、昇降頻度の過程で音が大きいのですが、周波数が安定すると音が小さくなるのはなぜでしょうか。

はじめに

工業生産において、スクリューコンプレッサーは安定した圧縮空気の供給に広く用いられています。多くの操業担当者は、コンプレッサーが周波数の昇降調整を行う際に騒音が顕著に増大し、周波数が安定すると再び音量が大幅に低下することを確認しています。この現象は、通常、装置が動的調整過程で物理的および電磁的な特性の変化を伴うために生じます。

電磁ノイズとインバータの特性

インバータ式スクリューコンプレッサーの核心的な駆動部品は、インバータモーターである。周波数の上昇・下降に伴い、インバータは出力周波数および電圧を頻繁に調整する必要がある。この際、インバータが送出するパルス幅変調波には大きな高調波成分が含まれるため、モーター内部の電磁力波が急激に変化し、結果として顕著な電磁ノイズが発生する。

周波数が設定値に達して安定すると、インバータの出力波形は比較的平滑になり、高調波成分が低減するため、モーターの電磁ノイズも同時に減少します。これは、可変周波数駆動装置が動的制御を行う際によく見られる物理現象です。

機械的共鳴と臨界回転数

空気圧縮機の本体ロータ、電動機ロータおよび駆動部品には、それぞれ固有振動数が存在する。周波数を上昇・下降させる際には、電動機の回転速度は連続的に変化する。回転速度が装置の特定の臨界回転数を通過するとき、回転部品の励振周波数と装置の固有振動数が一致し、機械的共振が生じやすくなる。

• 共鳴の表現特定の回転数帯域において、機器の振動が激化し、明瞭な低音の轟音や金属摩擦音を伴う。
• 安定後の変化回転数が臨界領域を越えて目標周波数に安定すると、励振周波数が固有周波数から離れ、共振現象は消失し、それに伴って機械騒音も正常な状態に戻る。

気流の脈動と空力騒音

スクリューコンプレッサーは、昇降速時に吐出量およびシステム圧力が動的に変化します。このような激しい運転条件の変動により、コンプレッサー内部および配管系統内の気流状態は極めて不安定になります。

気流の渦と脈動周波数変化の段階では、気体の流速および圧力分布が不均一となり、圧縮室や油・ガス分離器、排気配管内において強い渦流や気流の脈動が生じやすく、大きな空力騒音を引き起こします。周波数が安定すると、気流は再び滑らかな層流または安定した乱流状態に戻り、それに伴って気流騒音は自然と大幅に低減されます。

潤滑・冷却システムの動的応答

周波数の昇降過程では、主電動機の回転速度の変化が直接、潤滑油ポンプおよび冷却ファンの回転速度の変化を引き起こします。油圧の一時的な変動、配管内における潤滑油の流速の急激な変化、さらに冷却ファンの羽根が空気を切り裂く周波数の変化などにより、短時間に追加の流体騘音や機械動作音が発生します。システムが新たな平衡状態に達すると、これらの付随する騒音は消え去ります。

最適化および日常保守のための提案

周波数の上昇・下降過程における騒音を低減し、機器の寿命を延長するため、以下の対策を講じることを推奨します。

• インバータのパラメータを最適化する：インバータの加減速時間を適切に設定し、回転数の変化を急激にしないようにすることで、臨界回転数領域へのスムーズな遷移を実現します。
• 定期的な締め付けと潤滑：アンカーボルト、モーターおよび本体の接続部品の締め付け状態を定期的に点検し、潤滑系統の油路が円滑に流れるよう確保することで、機械的摩擦による異常振動を低減します。
• 配管支持の点検排気配管および冷却配管の支持を確実にし、必要に応じて防振パッドを追加して、気流の脈動による二次共振の発生を防止してください。