CN112513465B - 螺杆转子和螺杆流体机械本体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺杆转子和螺杆流体机械本体，其实现中空螺杆转子对于热、压力、锈等的性能提高。一种螺杆转子，其具备具有外周在轴向上延伸规定长度的螺旋状的齿槽的螺杆部，所述螺杆部的至少一部分径向截面由构成所述齿槽的外面部、轴心部、将所述外面部的轴心一侧与所述轴心部外径一侧连接的支持部、和由在旋转方向上邻接的所述支持部之间和所述齿根或齿顶的轴心侧内面形成的中空部的各截面构成；所述螺杆部的至少径向截面中，所述轴心部和所述支持部中的至少一方、和所述外面部作为由不同部件构成的一体结构物由连续地结合的截面构成。

Description

螺杆转子和螺杆流体机械本体

技术领域

本发明涉及螺杆转子和螺杆流体机械本体，涉及在螺杆转子中具有中空部的螺杆转子和螺杆流体机械本体。

背景技术

已知将吸入气体压缩而生成压缩气体的螺杆压缩机、对吸入液体进行加压输送的螺杆泵、和使流入的压缩气体膨胀而生成旋转力的螺杆膨胀机等螺杆型流体机械。

例如，如果是压缩机，作为容积型的螺杆压缩机，已知通过旋转的多个螺杆转子进行的齿槽的咬合而使压缩工作室的容积减小、喷出压缩气体的单螺杆压缩机、双螺杆压缩机、三(多)螺杆压缩机等(在单螺杆压缩机中有时也将阳转子或阴转子称为闸转子)。另外，螺杆压缩机中，已知对压缩工作室供给水和油等液体、将吸入气体压缩的供液式压缩机、和不供给液体地进行压缩的非供液式等各种形式。

作为螺杆转子的结构，以往，公开了在转子的内部具有中空部分的技术。例如，专利文献1中公开了以削减通过从外部切削和抛光而对螺杆转子齿槽进行加工的制造方法的复杂度和工时为目的，预先对于在内径面具有螺杆转子的外表面的螺旋形状的筒状的模具，插入由具有比该内径面的直径尺寸更小的外径、是内部中空的筒形状的凸瓣部件、和贯通该凸瓣部件的轴向中央的转子轴构成的加工前的部件，之后，经由在轴向上贯通转子轴的中心的轴孔和以其与凸瓣部件的中空部连通的方式在径向上贯通的贯通孔对中空部封入高压气体而将凸瓣部件外周压紧在模具内径面上，由此得到内部中空且外周成螺旋形状的螺杆转子的方法。

另外，专利文献2公开了为了使专利文献1中公开的中空的螺杆转子的质量进一步减少、而不具有贯通螺杆部分的轴部分的中空的螺杆转子。

另外，专利文献3公开了使多片钢板在轴向上叠层构成的具有中空部的螺杆转子。该文献中，公开了各钢板具有以轴心为中心向同一旋转方向旋转规定角度而成的形状，通过将其顺次叠层，而得到外形是螺旋状的螺杆转子。然后，通过对各钢板的与螺杆齿相当的部分的内侧进行冲切而得到具有开口部的钢板，将它们叠层时，该开口部形成螺旋状的中空部。

另外，专利文献4和专利文献5与专利文献1同样地，公开了通过对内部中空的筒状部件的内部施加流体压力而压在具有螺旋形状的内壁的模具上由此得到螺杆转子齿的螺旋形状部、之后、将在轴向上贯通中空的螺旋形状部的轴心的中空凸台插入的结构的螺杆转子。而且，通过采用中空凸台的外周与螺杆的中空部的齿(齿根的中空部一侧)接触固定的结构，确保具有中空部的螺杆转子的强度。

专利文献1：日本特开昭57-70985号公报

专利文献2：日本特开2006-214366号公报

专利文献3：日本特开平5-195701号公报

专利文献4：日本特开平8-261183号公报

专利文献5：日本特开平8-284856号公报

发明内容

螺杆型流体机械是压缩机的情况下，因气体的压缩作用而产生压缩热，从压缩机本体喷出的喷出压缩气体成为高温，是膨胀机的情况下，因气体的膨胀作用而产生膨胀热，从压缩机本体喷出的喷出膨胀气体成为低温。即，需要考虑伴随压缩和膨胀等在工作室中发生的压力变动的热。

例如，非供液式螺杆压缩机的情况下，采用阳转子与阴转子具有狭小的间隙地非接触地咬合而将气体压缩的结构，因为与供液式不同、工作室内不存在与气体进行热交换的介质，所以具有压缩热与供液式相比温度更高(单级机中是约300～350℃、多级机中是约160～250℃程度)的倾向。压缩热会导致转子、和保存转子的压缩机本体箱体的热膨胀，所以从维护方面而言，优选避免各转子的齿因该热膨胀而接触。作为一例，存在压缩机箱体本体中具备冷却介质(水、冷却液、油等)的流路、或预先确保考虑了热膨胀的间隙的情况。进而，因为喷出的压缩气体也是高温的，所以一般而言，具备使其冷却的冷却器的情况也较多。

另外，即使是供液式螺杆压缩机的情况，虽然与非供液相比具有温度低的倾向，但也存在喷出压缩气体的温度是100℃～120℃程度的情况，为了压缩机本体的冷却而在压缩机本体箱体中具备冷却介质流通的流路、或具备喷出压缩气体的冷却器的情况也不少见。

上述各专利文献公开的中空转子有助于减少转子质量等，期待驱动能量减小、轻量化、材料成本降低等效果，但另一方面，与中空的转子相比存在热影响相对提高的风险。例如，中空转子存在强度相对降低、或热膨胀的影响提高、压缩气体的冷却性降低的风险。

这样的热影响是在膨胀机的情况下也存在的课题。例如，认为对工作室供给的高压气体温度高的情况下，需要考虑转子对于该热和压力的耐热性。相反，膨胀热温度低的情况下，需要考虑转子的热收缩。

要求在享受中空转子的优点的同时维持和提高螺杆型流体机械的性能的技术。

为了解决上述课题，例如采用权利要求书中记载的结构。即，一种螺杆转子，其具备具有外周在轴向上延伸规定长度的螺旋状的齿槽的螺杆部，所述螺杆部的至少一部分径向截面由构成所述齿槽的外面部、轴心部、将所述外面部的轴心一侧与所述轴心部外径一侧连接的支持部、和由在旋转方向上邻接的所述支持部之间和所述齿根或齿顶的轴心侧内面形成的中空部的各截面构成；所述螺杆部的至少径向截面中，所述轴心部和所述支持部中的至少一方、和所述外面部作为由不同部件构成的一体结构物由连续地结合的截面构成。

根据本发明，能够实现中空转子对于热、压力、锈等的性能提高。

本发明的其他课题、结构、效果将通过以下记载说明。

附图说明

图1是表示应用了本发明的实施方式的螺杆转子的结构的轴向侧面图。

图2是示意性地表示本实施方式的螺杆转子的径向截面的图。

图3是应用了本实施方式的螺杆转子的压缩机本体的轴向纵截面图。

图4是表示应用了本实施方式的螺杆转子的空气压缩机的结构的示意图。

具体实施方式

以下，对于本发明的具体实施方式，使用附图进行说明。

在图1中示意性地示出作为应用了本发明的实施例的螺杆转子的结构。图1(a)表示阳螺杆转子27的轴向侧面的外观，图1(b)表示阳螺杆转子27的轴向纵截面。另外，本实施例中，以阴阳转子成组的双螺杆转子的阳转子为例，但本发明对于阴转子也能够应用。

图1(a)中，阳螺杆转子27主要包括：由径向外周是螺旋形状的齿部100和槽部101和两个轴向的端部102a和102b构成的螺杆部105，和在该螺杆部105的轴向端部中央配置的轴部106。

齿部100和槽部101与后述的阴螺杆转子28的齿槽部接触或非接触地咬合(啮合)，由保存该阳螺杆转子27和阴螺杆转子的箱体本体33a的孔内壁形成压缩工作室。通过阳螺杆转子27和阴螺杆转子28旋转，使该压缩工作室的容积收缩，将从吸入侧吸入的气体作为压缩气体喷出。

轴部106配置在螺杆部105的轴向端部中央。轴部106接受来自后述的驱动源即电动机8的旋转动力，使螺杆转子旋转。

图1(b)中，阳螺杆转子27在其内部具备螺旋状的中空部110、贯通部111、和连通部112。

中空部110是沿着齿槽的形状在螺杆部105的大致全体中形成中空部分的空隙。本实施例中，设为中空部110对于每一个齿设置。贯通部111是在轴向上贯通轴部106的中心、将后述的流体输送至螺杆部105用的流路。连通部112是能够在中空部110的轴向的两个末端、和贯通部111中使流体流通的连通部分。

在图2中示意性地示出阳螺杆转子27和阴螺杆转子28的径向截面。以阳螺杆转子27为例，中空部110具有沿着齿部100和槽部101的螺旋形状地、在轴向上延伸的形状。槽部101的底部轴心一侧与从轴心部115起延伸的支持部113构成连续结构物。

齿部100和槽部101在轴向上具有规定的厚度，该厚度是在轴向上相等的厚度。由此，中空部的截面在轴向上直径相同(面积相同)。更具体而言，从齿部100的齿顶的轴心一侧内部到轴心部115的径向距离与其他齿槽的中空部相同。

从减少转子质量和提高冷却效率的方面看来优选使厚度变薄。但是，从对于相对于压力的应力和与其他转子或箱体孔的内壁的接触(包括咬合)的持久性的方面看来，确保强度是重要的。

于是，作为本实施例的特征之一，使包括齿部100和槽部101的凸瓣外面部(齿叶外面部)150、与包括支持部113和轴心部115的转子内部160由具有不同特性的部件构成。即，相对易于受到压缩应力和压缩热的影响的凸瓣外面部150使用与转子内部160相比、强度和耐热性更高的原料构成。例如，凸瓣外面部150采用铁，凸瓣内部采用铝。进而，在金属之间的组合以外，也可以是具有上述耐热性和硬度的关系的金属与树脂或树脂之间的组合或与合金的组合。

进而，也可以从防锈性的方面选择部件。例如，凸瓣外面部150存在因压缩工作室等内部空间中发生的泄漏而生锈的情况。从而，例如能够使其采用防锈性高的铝或树脂，使凸瓣内部160采用铁等。

这样，通过考虑耐热性、硬度、防锈性等地选择构成凸瓣外面部150和转子内部160的部件，能够在发挥中空转子的优点的同时实现其可靠性和性能的提高。

此处，进而，本实施例中，也具有凸瓣外面部150与凸瓣外面部160构成为连续的一体结构物的特征。对阳螺杆转子27、阴螺杆转子28通过使用三维成形机的叠层成形进行成形。作为叠层成形，能够应用光成形方式、粉末烧结叠层成形方式、喷墨方式、原料熔解叠层方式、石膏粉方式、片成形方式、膜转印成像叠层方式和金属光成形复合加工方式等。进而，关于叠层方向，可以使轴向成为水平方向、铅垂方向或倾斜方向。

上述叠层成形用的电子数据通过对用CAD或CG软件或者三维扫描仪生成的三维数据用CAM加工为NC数据而生成。通过对三维成形机或切削RP装置输入该数据而进行三维成形。另外，也可以用CAD/CAM软件根据三维数据直接生成NC数据。

另外，作为三维数据等的取得方法，也能够由制作三维数据或NC数据的数据提供者或者服务商经由互联网等通信线路用规定的文件格式发布，用户对于该数据下载至三维成形机或对其进行控制的计算机等或者用云服务进行访问，用三维成形机成形输出而制造。另外，也能够使用由数据提供者在非易失性的记录介质中记录三维数据或NC数据、并对使用者提供的方法。

根据上述方法，对于阳螺杆转子27(阴螺杆转子28也是同样的)，能够使原材料通过上述各种三维成形法，使凸瓣外面部150(齿部100和槽部101)、与转子内部160(支持部113和轴心部115)通过化学结合构成为连续一体的结构物。另外，可以不仅该螺杆部105成为连续一体结构物，也与端部102a、102b成为连续一体结构物。进而，也可以是使端部102a作为在轴向上不开口的平面与螺杆部105构成为连续一体结构物的结构。或者也可以是端部102a、102b和轴部106也同样构成为连续一体结构物。

铸造成型中，例如螺杆部150的外周能够通过模具成型，但模芯的配置非常复杂，进而明显难以或者不能除去模芯，可以认为使该各部连续一体地成形是非常困难的。

另外，例如，如开头的专利文献所公开地，通过铸造或切削使阳螺杆转子27(阴螺杆转子27也同样地)成为分割结构、之后进行焊接或粘合的情况下，工作量因焊接和粘合部分的抛光等而增加。另外，难以使该部分的结合状态变得均一，也留有强度上的课题。

本实施例对于螺旋形状这样难以进行立体成型的螺杆转子，实现可以提供能够实现确保强度和提高冷却性、并且能够通过减少质量而高效率地利用动能的中空体这样显著的效果。

特别是，在使螺杆部105的轴向全体成为同一部件的组合以外，也能够在轴向上变更部件的组合。例如，喷出侧与吸入侧相比更大地受到热和压力的影响。从而，也能够仅使螺杆部105的凸瓣外面部150喷出侧由对它们耐性高的材料构成，其他凸瓣外面部150由与转子内部160相同的材料构成等。这样，本实施例即使在轴向上延伸的螺杆部105的径向截面的至少一部分凸瓣外面部150与转子内部160的材质和特性不同的情况下，也可以发挥其效果。

在图3中示意性地示出应用了阳螺杆转子27和阴螺杆转子的压缩机本体1的轴向纵截面图。另外，在图4中示意性地示出具备压缩机本体1的压缩机50的结构。

压缩机本体1具备阳转子27、阴转子28、收纳该转子27、28并形成多个压缩工作室的箱体本体33a、保存轴部106的喷出侧箱体33b和吸入侧箱体33c。

箱体本体33a具备将空气吸入至压缩工作室用的吸入口、和将压缩工作室中生成的压缩空气喷出用的喷出口。是在阳螺杆转子27的吸入侧的轴端部连接小齿轮3，对其用作为驱动源的电动机8进行驱动，由此阳螺杆转子27、阴螺杆转子28旋转。在各转子27、28的喷出侧的轴端部连接正时齿轮31、32，由此阳螺杆转子27的旋转传递至阴螺杆转子28，同步地旋转的结构。压缩工作室因旋转而在向喷出侧移动的同时减少容积而将空气压缩。

图4中，与阳螺杆转子27的轴端部连接的小齿轮3与在齿轮箱2内的中间轴的一方安装的大齿轮4咬合。在中间轴的另一方安装了滑轮5，在滑轮5上架设了传动带7作为驱动力的传递体。传动带7也在电动机8的轴端上安装的滑轮6上架设，电动机8的动力被传递至压缩机本体1。另外，作为驱动机构的其他结构，除了滑轮6和传动带7的组合以外也可以是齿轮和链，也可以是将转子轴与电动机8的输出轴直接连接的结构。

在压缩机本体1的吸入侧，配置调整被吸入该压缩机本体1的空气量的吸入节流阀10。空气被吸入过滤器9除去异物，通过吸入节流阀10被吸入压缩机本体1中，被压缩至规定压力并从压缩机本体出口喷出。从压缩机本体1喷出的压缩空气通过在其下游设置的水冷式的前冷却器11进行冷却之后，经由止回阀12，被导向水冷式的后冷却器13。用后冷却器13进行冷却之后的压缩空气从压缩空气出口喷出。此处，后冷却器13内的空气通路由U字管构成，其出入口由一体型的冷却器集流管14构成。

压缩机50中，为了对滑动体等进行润滑而使用润滑油作为冷却介质。该润滑油的通路如下所述。在齿轮箱2的下部设置的蓄油部中贮存的润滑油被油泵16导向油冷却器11进行冷却，用油过滤器17除去废物等之后，对压缩机本体1的轴承部、正时齿轮31、32、小齿轮3、以及齿轮箱2内的中间轴的轴承部和在中间轴上安装的大齿轮4供给，之后向齿轮箱2的蓄油部返回循环。是使该润滑油从压缩机本体1中安装的阳螺杆转子喷嘴29(阴螺杆转子喷嘴30经由各转子27、28的贯通部111和连通部112流入中空部110中，用于冷却。对转子27、28进行冷却之后，通过小齿轮3，与其他润滑油同样地贮存在齿轮箱2内的蓄油部中，进行循环的结构。另外，通过使该润滑油从温度高的喷出侧向吸入侧流入，能够获得更高的冷却性能，但也可以使其从吸入侧向喷出侧流入。

这样，根据本实施例，阳螺杆转子27和阴螺杆转子28与特性相应地使构成转子的部件采用不同部件的组合，由此能够在减少转子质量的同时提高强度、耐热性、防锈性等，能够确保旋转能量的削减效果和耐久性。

进而，通过使冷却介质在中空部11中流通，能够减少螺杆转子的温度上升。该冷却性能的提高抑制阳螺杆转子27、阴螺杆转子28的热变形，所以能够缩小螺杆转子之间和螺杆转子与箱体本体33a的孔内壁的间隙，因此能够提高压缩性能。

另外，通过抑制螺杆转子的热变形，也能够减少齿部的加工精度的误差和在压缩机低负载运转时产生的压缩性能的误差。进而，因为也能够降低喷出空气温度，所以因压缩机内的冷却机器的缩小或取消，能够实现成本降低和压缩机全体的紧凑化。

另外，通过用三维成形机使各螺杆转子27、28成型，能够实现使螺旋状的中空部110、连通部112、端部102a、102b等复杂的结构由具有部分不同的特性的部件9构成。

以上，对于本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述各种例子，能够在不脱离其主旨的范围中进行各种变更或置换。例如，上述例子中，采用了使构成压缩机本体1的全部螺杆转子成为中空状、两个转子都是凸瓣外面部150与凸瓣160使用不同部件成形的结构，但也可以仅使某一个螺杆转子成为中空状和不同部件的组合。

另外，即使阴阳各螺杆转子是中空状的情况下，也能够使各自的部件的组合并不相同，应用不同的组合。

另外，上述实施例中，将阳螺杆转子27的齿设为5片，将阴螺杆转子28的齿设为6片，但齿的数量能够与使用相应地任意变更。

另外，上述例子中，以压缩机本体1是1个的压缩机为例，但也可以是其由2个以上构成的多级结构的压缩机。例如，由低压级压缩机本体和高压级压缩机本体构成的2级压缩机的情况下，也可以是对低压级和高压级的各转子的全部或一部分应用上述由具有不同特性的部件构成的中空转子的结构。高压级压缩机本体的吸入侧与低压级压缩机本体的吸入侧相比是更高温、高压的。进而，生锈的风险因中间泄漏而提高。于是，通过对高压级压缩机本体的螺杆转子的凸瓣外面部150应用强度、耐热性、防锈性更高的材料，能够应用与各级的课题相应的可靠性高的中空转子。

另外，上述实施例中作为流体机械以空气压缩机为例，但例如也能够应用于使用螺杆转子的膨胀机、和使用螺杆转子和旋转叶片的泵装置(液体流体压送机)。另外，作为压缩机不限定于将空气压缩的，也可以是将其他气体压缩的压缩机。另外，以无油螺杆压缩机为例，但对压缩工作室供给的液体不仅可以是油，也可以是水或其他液体。另外，本发明也能够应用于供液式螺杆压缩机。

另外，上述实施例中，作为驱动源使用电动机进行了说明，但例如也可以是内燃机或其他生成旋转力的装置。特别是，将本发明用于膨胀机的情况下，也可以采用代替电动机地具备发电机或将电动机用作电动发电机的结构。

符号说明

1……压缩机本体，2……齿轮箱，3……小齿轮，4……大齿轮，6……滑轮，7……传动带，8……电动机，9……吸入过滤器，10……吸入节流阀，11……前冷却器(precooler)，12……止回阀，13……后冷却器(after cooler)，14……后冷却器集流管(after coolerheader)，15……油冷却器，16……油泵，17……油过滤器，27……阳螺杆转子，28……阴螺杆转子，29……阳螺杆转子喷嘴，30……阴螺杆转子喷嘴，31……阳螺杆转子正时齿轮，32……阴螺杆转子正时齿轮，33a……箱体本体，33b……喷出侧箱体，33c……吸入侧箱体，50……螺杆压缩机，100……齿部，101……槽部，102a、102b……端部，105……螺杆部，106……轴部，110……中空部，111……贯通部，112……连通部，113……支持部，115……轴心部，150……凸瓣外面部(齿叶外面部)，160……转子内部。

Claims (16)

1.一种螺杆转子，其具备具有外周在轴向上延伸规定长度的螺旋状的齿槽的螺杆部和在该螺杆部的轴向端部中央配置的轴部，其特征在于：

所述螺杆部的至少一部分径向截面由

构成所述齿槽的外面部，

轴心部，

将所述外面部的轴心一侧与所述轴心部的外径一侧连接的支持部，和

由在旋转方向上邻接的所述支持部之间和齿根或齿顶的轴心侧内面形成的中空部的各截面构成；

所述螺杆部的至少径向截面中，

所述轴心部和所述支持部中的至少一方、和所述外面部作为由不同部件构成的一体结构物由连续地结合的截面构成，

构成所述外面部的部件的硬度，比构成所述轴心部和所述支持部中的至少一方的部件的硬度更高。

2.如权利要求1所述的螺杆转子，其特征在于：

分别构成所述轴心部和所述支持部中的至少一方、和所述外面部的所述不同部件的耐热性或热膨胀率中的至少一方不同。

3.如权利要求2所述的螺杆转子，其特征在于：

构成所述外面部的部件的耐热性或热膨胀率，比构成所述轴心部和所述支持部中的至少一方的部件的耐热性或热膨胀率更高。

4.如权利要求1所述的螺杆转子，其特征在于：

分别构成所述轴心部和所述支持部中的至少一方、和所述外面部的所述不同部件的防锈性不同。

5.如权利要求4所述的螺杆转子，其特征在于：

构成所述外面部的部件的防锈性，比构成所述轴心部和所述支持部中的至少一方的部件的防锈性更高。

6.如权利要求1所述的螺杆转子，其特征在于：

所述螺杆转子是阳转子。

7.如权利要求1所述的螺杆转子，其特征在于：

所述螺杆转子是阴转子。

8.如权利要求1所述的螺杆转子，其特征在于：

所述螺杆转子由相互咬合的至少1个阳转子和至少1个阴转子的组构成。

9.如权利要求1所述的螺杆转子，其特征在于：

所述螺杆部的所述轴心部、所述支持部、和所述外面部通过三维成形而成为一体结构物。

10.如权利要求1所述的螺杆转子，其特征在于：

具备所述螺杆部的轴向的端部；

所述螺杆部和所述端部通过三维成形而成为一体结构物。

11.如权利要求1所述的螺杆转子，其特征在于：

具备所述螺杆部的轴向的端部、和在与该端部和所述螺杆部相反方向的轴向上延伸的轴部，所述螺杆部、所述端部和所述轴部通过三维成形而成为一体结构物。

12.一种螺杆流体机械本体，其包括权利要求1～11中任一项所述的螺杆转子和该螺杆转子的箱体。

13.如权利要求12所述的螺杆流体机械本体，其特征在于：

所述螺杆转子由至少1个阳转子或阴转子、与咬合的其他转子的组构成。

14.如权利要求12所述的螺杆流体机械本体，其特征在于：

所述螺杆部的所述轴心部、所述支持部、和所述外面部通过三维成形而成为一体结构物。

15.如权利要求12所述的螺杆流体机械本体，其特征在于：

所述螺杆流体机械本体是气体压缩机本体、膨胀机本体或液体流体压送机本体。

16.如权利要求12所述的螺杆流体机械本体，其特征在于：

所述螺杆流体机械本体是气体压缩机本体；

所述气体压缩机本体是供液式或非供液式的。

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