JP2000337279A

JP2000337279A - スクリュー流体機械

Info

Publication number: JP2000337279A
Application number: JP11147650A
Authority: JP
Inventors: Hirochika Kametani; 裕敬亀谷; Hidetomo Mori; 英智茂利; Shigekazu Nozawa; 重和野沢; Masayuki Urashin; 昌幸浦新; Masakazu Aoki; 優和青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-12-05

Abstract

(57)【要約】【課題】スクリュー流体機械において歯面分離振動を回
避し、広い運転範囲でスクリュー流体機械を静粛に運転
する。【解決手段】複数枚の歯を有する雄ロータと雌ロータを
噛合わせ、スクリュー流体機械は圧縮室内の作動ガスを
圧縮する。このスクリュー流体機械の雌ロータ２は、回
転方向20に順に後進面（点ａ〜点ｃ）及び前進面（点ｃ
〜点ｅ）が形成されている。前進面の歯形は、点ｄで曲
率が反転し、歯底点ｃから点ｄまでは次第に曲率が大き
くっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスクリュー圧縮機、
スクリュー真空ポンプなどのスクリュー流体機械に係
り、特に、騒音低減に好適なスクリュー流体機械に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】スクリュー流体機械の中で、２軸形のス
クリュー圧縮機では歯面分離振動と呼ばれる現象により
生じる騒音を防止することが重要な課題になっている。
この2軸型のスクリュー流体機械では、雄ロータを駆動
側とし、雌ロータと雄ロータのスクリュー歯面相互を接
触させ、雌ロータを駆動する。またこれとは別に、雄ロ
ータと雌ロータのそれぞれの軸端部に同期歯車を設け、
この同期歯車を噛み合わせてトルクを伝達するロータ非
接触形のスクリュー流体機械も多用されている。この場
合でも、通常の負荷を担う運転時には、トルク伝達する
歯面は相互に接触し続ける。

【０００３】ところで、ロータの歯形やロータ歯面に作
用する圧力条件によっては、一時的に雌ロータに作用す
るガストルクが負（ここでは、回転を促進する方向に作
用するのを負とする）となる状況が発生し、トルクを伝
達していた２つの歯面が相対的に反対方向に向かう状態
が発生する。そして、再び伝達トルクが正になると、一
旦離れた歯面どうしが衝突する。これを歯面分離と呼
び、この分離と衝突を繰り返した結果生じる大きな振動
と騒音を、歯面分離振動と呼ぶ。

【０００４】歯面分離が生じると、大振動や大騒音を引
き起こすので、これを防止する方法がいくつか提案され
ている。例えば、特開平５―１９５９７２号公報では、
雄ロータから雌ロータへの伝達トルクが負となるのを防
止するために、歯形やロータ間の回転伝達誤差、各ロー
タの慣性モーメントなどと、ロータ歯面にかかるガス圧
力間にある関係を定めている。歯面分離を防止する他の
例としては、特開平２―２５２９９１号公報に記載のよ
うに、雄ロータから雌ロータへの伝達トルクが常に負に
なるようにスクリューロータ歯面形状を定めている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平５―１９５
９７２号公報では、歯面分離しないための条件が定めら
れてはいる。しかしながら、この条件を満足する具体的
なロータ形状についての記載はなく、具体的にそのよう
なロータを構成できるか不明である。また、特開平２―
２５２９９１号公報では、吸入圧力、吐出圧力や圧縮す
る気体の種類などのガス圧条件が示されていないので、
ガス圧条件が変化する一般の用途では、すべての圧力条
件で歯面分離振動を回避できるか不明である。

【０００６】本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みな
されたものであり、その目的は、さまざまなガス圧条件
下においても歯面分離振動を発生しにくいスクリューロ
ータの歯形形状を提示することにある。また、広い運転
条件で静粛な運転が可能なスクリュー流体機械を提供す
ることも目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、ねじれた歯を有する雌ロータと、この雌ロータと噛
合うねじれた歯を有する雄ロータと、これら1対の雌ロ
ータと雄ロータとを収容するケーシングとをスクリュー
流体機械が備えるものである。そして、本発明の第1の
特徴は、雌ロータの軸直角断面における前進面の歯形形
状を、歯底から変曲点までの第1の範囲では曲率を連続
的に大きくし、変曲点の前後では曲率の正負の符号が逆
転し、変曲点から歯先までの第2の範囲では、曲率を第1
の範囲と逆の符号にしたものである。

【０００８】本発明の第2の特徴は、雌ロータの軸直角
断面における前進面を、歯底から変曲点までの第1の範
囲と、変曲点から歯先までの第2の範囲に分けたとき
に、変曲点の前後で曲率の正負の符号を逆転させ、第1
の範囲では歯形の曲率分布が総じて増加するようにした
ものである。

【０００９】また本発明の第3の特徴は、雌ロータの軸
直角断面における前進面を、歯底から変曲点までの第1
の範囲と、変曲点から歯先までの第2の範囲に分けたと
きに、変曲点の前後で曲率の正負の符号を逆転させ、第
1の範囲では歯形の曲率分布を単調増加させるものであ
る。

【００１０】そして第2、第3の特徴において、第1の範
囲の歯形の曲率分布は、少なくとも1個の不連続点を含
む；第1の範囲の歯形の曲率分布は、曲率一定の範囲を
有するものであってもよい。

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施例
を図１〜図８を用いて説明する。図１は、本発明に係る
スクリュー圧縮機の一実施例の断面模式図である。図２
は、図１中に示した雌ロータの部分拡大断面図である。
図３は、図２に示した雌ロータの歯形形状を説明する図
であり、前進面の曲率のグラフである。図４は、従来の
歯形の吐出端付近における噛合いを説明する図である。
図５は、図２に示した雌ロータを用いたときの吐出端付
近における噛合いを説明する図である。図６と図７は、
従来歯形の雌ロータの歯形形状を説明する図であり、前
進面の曲率のグラフである。なお、本実施例において
は、スクリュー流体機械で最も一般的なスクリュー圧縮
機を取り扱っているが、スクリュー式の真空ポンプや膨
張機などであっても、本発明を適用できることは言うま
でもない。

【００１３】図１において、軸方向にねじれた歯を有
し、互いに噛合う雄ロータ１および雌ロータ２は、ケー
シング３内部に回転自在に収容されている。作動ガス
は、これら両ロータ１、２の歯溝に形成される圧縮室４
に閉じ込められ、雌雄両ロータ１、２が回転方向２０、
２１に回転することにより圧縮される。

【００１４】図２に雌ロータ２の歯形を示す。機構学に
おける噛み合いの条件から、雌ロ−タの後述する前進面
歯形と雌雄両ロータの歯数と雌雄両ロータの中心距離が
定まれば、この雌ロータと噛合う雄ロ−タの前進面の歯
形形状は、一意に定められる。また、雌雄両ロ−タの後
述する後進面形状は、ブロ−ホ−ルを小さくできる形状
に定められる。この歯形創生については、「スクリュー
圧縮機のロータ歯形に関する研究」田村ほか３名、日本
機械学会論文集Ｃ編６２巻５９７号３５７頁、
１９９６年に詳しい。

【００１５】最小半径方向位置である歯底の点ｃを基準
にとり、この歯底の点ｃを含み、最大半径方向位置にあ
る歯先の点aから歯先の点eまでの区間を1個の歯形とす
る。点ｃから回転方向にある側、すなわち点ｃ〜点ｄ〜
点ｅの区間を前進面と呼ぶ。一方、点ｃから反回転方向
にある側、すなわち点ａ〜点ｃの区間を後進面と呼ぶ。

【００１６】図３に、図２に示した雌ロータの歯形の曲
率分布を示す。縦軸は、前進面ｃ〜ｄ〜ｅにおける歯形
曲線の曲率κであり、横軸は歯形曲線に沿った長さであ
る。ここで、点ｄは変曲点である。歯底点ｃから変曲点
ｄまでの区間では、曲率κが増加し続けるように歯形曲
線を形成する。この歯形の曲線は、楕円、指数曲線、相
手歯形による創成線、あるいはそれら複数の線の連結
等、何れであってもよい。つまり、雌ロータの歯形にお
いては、図３に示した曲率κが単調に増加するものであ
ればよく、曲率の増加率も一定である必要は無い。

【００１７】変曲点ｄから先では、歯形曲線の曲率κの
符号は反転する。これを図２上で示すと、点ｃから点ｄ
を結ぶ歯形曲線の範囲では、歯形曲線よりも右側に曲率
中心があるのに対し、点ｄから点eを結ぶ歯形曲線の範
囲では、歯形曲線よりも左側に曲率中心がある。つま
り、点ｄにおいて曲率中心が切り替わり、曲率の符号が
負のままで歯先点ｅに至っている。雄ロータ歯形の前進
面は、この雌ロータ歯形の前進面との噛み合い条件か
ら、幾何計算で一義的に求められる。

【００１８】ここで、図４に示した従来歯形を用いて、
負のトルクの発生要因について説明する。図４は、ロー
タの軸直角断面図である。雄ロータ１と雌ロータ２は噛
みあっており、各ロータの中心を回転中心として雌ロー
タ２は回転方向２０に、雄ロータ１は逆方向に同期回転
する。雄雌両ロータは、回転角度位置が変化するにつ
れ、１ないし３個所で接触する。ところで、実際のロー
タでは加工誤差や熱変形による干渉を防止するために、
理論的には接触する点を接触させずに微少なすきまを設
けることがある。これを接近点と呼ぶ。以下の記載にお
いては、説明の煩雑さを避けて、接近点も接触点として
取り扱う。

【００１９】図４に示す回転角度位置においては、接触
点が３個所形成される。すなわち、前進面側に１個所
５、後進面側に２個所６、７形成される。雌ロータ２に
おける接触点の回転半径を雌半径と呼ぶ。前進面側の接
触点５の雌半径をＲＬ、この雌半径から雌ロータ歯底の
半径を引いた残りをＬとする。後進面側の２つの接触点
のうち、雌半径の小さい接触点６の雌半径をＲＴ、この
雌半径から雌ロータ歯底半径を引いた残りをＴとする。
前進面側の接触点５と後進面側の接触点６で区切られ、
雄ロータ１と雌ロータ２に挟まれた三日月形の領域は、
圧縮室のひとつである。そして、特にこの位置にある圧
縮室を、高圧圧縮室８と呼ぶ。

【００２０】従来の歯形においては、図４に示す回転角
度位置の前後で、Ｌ＞Ｔ、すなわち、ＲＬ＞ＲＴの関係
となっていた。前進面及び後進面の接触点の位置がこの
関係にあると、雌ロータに負のガストルクが発生し、歯
面分離振動を発生するおそれがある。これは、以下に理
由による。なお、ガストルクとはロータ周囲の気体の圧
力がロータ歯面に作用し発生するトルクであり、ロータ
の回転を妨げる方向が正である。

【００２１】高圧圧縮室８の内圧は、雄ロータ１と雌ロ
ータ２の圧縮室の輪郭を形成する部分に作用する。これ
は、圧縮室の輪郭を回転方向に投影して形成される線分
Ｌ、Ｔに作用する圧力と等価である。つまり、雌ロータ
には回転方向にＬに比例した負のトルクが作用し、逆回
転方向にＴに比例した正のトルクが作用する。従来歯形
では、Ｌ＞Ｔなので、雌ロータ２は高圧圧縮室８内のガ
ス圧力により、負のガストルクを受ける。

【００２２】ところで、図２の奥行き方向に、雄ロータ
1及び雌ロータ2の歯はねじれている。また、高圧圧縮室
８を形成する歯以外の歯によっても圧縮室は形成され
る。したがって、スクリュー圧縮機のガストルクを求め
る場合には、全ての圧縮室について、軸方向一端部から
他端部まで、積分する必要がある。これを言い換える
と、図4に示されたような特定の断面で負のガストルク
が作用するといっても、すべての断面を合計した総合ト
ルクが必ず負になるとは限らない。しかし、スライド弁
付圧縮機において容量制御している場合や空気圧縮機に
おいて吸入絞り制御している場合などには、吸入圧力が
低くて吐出圧力が高くなり、雄雌両ロータが特定の回転
角度位置になると、瞬間的に雌ロータ２に負のガストル
クが作用する。

【００２３】負のガストルクが作用すると、雌ロータ２
は雄ロータ１からの伝達トルクによってではなく、ガス
トルクによって自ら回転しはじめる。そして、雌ロータ
と雄ロータ間の伝達トルクが零になる。このとき、雄ロ
ータと雌ロータとは接触しなくなり、雌ロータは雄ロー
タから離れていく。雌ロータの雄ロータからの分離が進
行すると、雌ロータ２は雄ロータ１より先行して回転
し、ついにはお互いの後進面で衝突する。回転が進み、
圧縮室の位置関係が変化して、雌ロータ２へのガストル
クが正に戻ると、後進面同士の接触から正規の前進面同
士の接触に戻る。その結果、再び歯面間が衝突する。こ
のような現象を繰り返して、歯面分離振動が発生する。

【００２４】これに対して、本実施例によれば、図5に
示すように、前進面側の接触点９の雌半径ＲＬを小さく
することができる。これは、以下の理由による。後進面
歯形は、上述したように後進面側の接触点６の雌半径Ｒ
Ｔで決定される。これに対し、前進面側の接触点５の雌
半径ＲＬは、歯形を適宜に選択することにより変化させ
ることができる。したがって長さＬを小さくでき、どの
回転角度位置においてもＬ≦Ｔの関係を維持できる。も
し、どの回転角度位置においてもＬ≦Ｔであれば、すべ
ての回転角度あるいは断面において、負のガストルクを
発生し難い。したがって、いかなる圧力条件であって
も、雌ロータ２に作用するスクリュー流体機械全体のト
ルクである総合トルクは常に正になり、歯面分離振動を
発生しない。この結果、広い運転範囲でスクリュー流体
機械を静粛に運転できる。

【００２５】ところで、上記実施例においては、雌ロー
タの曲率を歯底から歯先に向けて連続的に大きくし、変
曲点で曲率の符号を反転させ、そのままの曲率で歯先外
周に至るようにしている。そして、変曲点の位置を、歯
底点よりも歯先点に近くしている。本発明はこれに限る
ものでないことは言うまでもない。たとえば、雌ロータ
の前進面の曲率カーブにおいて、曲率が一定の区間や曲
率の不連続点を含んでもよい。この場合、曲率の値が総
じて次第に大きくなり、変曲点に至って曲率の符号が反
転し、歯先に至る歯形とすることが望ましい。なお、総
じての意味は、歯底から変曲点までの範囲の曲率を縦軸
に、歯底から歯形に沿った長さを横軸に選んだグラフに
おいて、グラフ上に等間隔にとった点列の最小２乗法近
似直線の傾きが正となることである。そして、曲率が減
少する区間が歯底から変曲点までの間の区間で、区間全
長の１０％以下のものである。

【００２６】このように歯形曲率を定めた上記各実施例
においては、前進面側の接触点５の雌半径ＲＬを小さく
できる。すなわち、噛み合い終了時である図１に示す回
転角度位置においては、前進面側の接触点５と後進面側
の接触点６は一致し、点９となる。その角度位置から逆
回転させると、点９は２点に分離し、図５に示す位置関
係になる。図５において、ＬやＲＬを小さくするために
は接触点５の位置を雌ロータ中心から離れぬようにし、
また、歯底点ｃから接触点５までは直線に近い曲線とす
ることが望ましい。つまり、歯底点ｃから接触点５まで
は、曲率を小さくすればよい（第1条件）。

【００２７】一方、歯形の占める角度は３６０度／歯数
である。上記各実施例では、雌ロータ２の歯数を６枚と
しているので、１枚の歯を６０度以下で形成する必要が
ある。そのため、雌ロータの前進面において、曲率が大
きくなるところが必ず出現する（第2条件）。また、雌
ロータの歯先の点間の距離が狭くなる。

【００２８】このように歯形に求められる曲率は、第1
条件と第2条件で相反している。しかしながら、上記各
実施例では、以下のようにして、この問題を解決してい
る。つまり、歯底点ｃに近い範囲ではＲＬを左右する影
響が大きいので、第１条件を優先して、曲率を小さくし
ている。これにより、ＲＬが小さくなる。歯底点ｃから
離れるにしたがい、曲率を大きくして、変曲点ｄで最大
とする。これにより、雌ロータの歯先の点間の距離を小
さくできる。変曲点ｄから先は、歯形干渉を避ける等の
理由により曲率が反転し、歯先点ｅに至っている。本実
施例によれば、歯形を形成する歯面曲線の曲率分布から
歯形を求めているので、歯面分離振動を防止したスクリ
ューロータを容易に得られる。

【００２９】本発明の他の実施例を、図８に示す。本実
施例が上記実施例と異なる点は、雌ロータの前進面曲率
分布に不連続点を含むことにある。雌ロータの前進面の
歯形曲率κは、歯底点ｃから変曲点ｄまでの区間に、不
連続点１１や曲率一定区間１２を含んでいる。この不連
続点や曲率一定区間があるにもかかわらず、歯底点ｃか
ら変曲点ｄまでの区間では、総じて曲率κが次第に大き
くなっている。不連続点１１や曲率一定区間１２は複数
存在してもよい。また、歯底点ｃから変曲点ｄの近傍ま
で曲率一定区間１２であっても、総じて曲率κが増加す
ればよい。なお、不連続点１１や曲率一定区間１２が存
在しても、その量が小さいと、見かけ上は上記第1の実
施例の歯形とほぼ同一の歯形になる。しかしながら、精
密測定器を用いて形状測定すれば、その相違は明らかで
ある。

【００３０】本実施例によれば、歯形の曲率を連続して
増加させるためには、複雑な曲線を用いる必要が無い。
したがって、楕円や放物線など加工しやすい曲線を接続
して歯形を形成することができ、歯形の設計及び加工が
容易になる。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、スク
リュー流体機械において圧力条件が変化しても雌ロータ
に負のトルクが発生せず、歯面分離振動を防止できる。
したがって、スクリュー流体機械を広い圧力範囲で静粛
に運転できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスクリュー流体機械の一実施例の
断面模式図である。

【図２】図１に示した雌ロータの部分拡大図である。

【図３】本発明に係るスクリュー流体機械の一実施例に
おける前進面の曲率を示すグラフである。

【図４】歯面分離トルクの発生原理を説明する図であ
る。

【図５】歯面分離トルクを発生しない歯形の噛み合を説
明する図である。

【図６】従来の歯形の雌ロータの前進面の曲率を示すグ
ラフである。

【図７】従来の歯形の雌ロータの前進面の曲率を示すグ
ラフである。

【図８】本発明に係るスクリュー流体機械の他の実施例
における前進面の曲率を示すグラフである。

【符号の説明】

１…雄ロータ、２…雌ロータ、３…ケーシング、４…圧
縮室、５…前進面側接触点、６…後進面側接触点、７…
後進面側接触点、８…高圧圧縮室、９…噛合終了時の接
触点、１１…不連続点、１２…曲率一定区間、２０、２
１…回転方向、１００…スクリュー流体機械、ａ…後進
面側歯先点、ｃ…歯底点、ｄ…変曲点、ｅ…前進面側歯
先点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野沢重和静岡県清水市村松390番地株式会社日立空調システム清水生産本部内 (72)発明者浦新昌幸静岡県清水市村松390番地株式会社日立空調システム清水生産本部内 (72)発明者青木優和千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器グループ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ねじれた歯を有する雌ロータと、この雌ロ
ータと噛合うねじれた歯を有する雄ロータと、これら1
対の雌ロータと雄ロータとを収容するケーシングとを備
えたスクリュー流体機械において、前記雌ロータの軸直角断面における前進面の歯形形状
を、歯底から変曲点までの第1の範囲では曲率を連続的
に大きくし、変曲点の前後では曲率の正負の符号が逆転
し、変曲点から歯先までの第2の範囲では曲率が前記第1
の範囲と逆の符号であることを特徴とするスクリュー流
体機械。
【請求項２】ねじれた歯を有する雌ロータと、この雌ロ
ータと噛合うねじれた歯を有する雄ロータと、これら1
対の雌ロータと雄ロータとを収容するケーシングとを備
えたスクリュー流体機械において、前記雌ロータの軸直角断面における前進面を、歯底から
変曲点までの第1の範囲と、変曲点から歯先までの第2の
範囲に分けたときに、変曲点の前後で曲率の正負の符号
を逆転させ、前記第1の範囲では歯形の曲率分布が総じ
て増加することを特徴とするスクリュー流体機械。
【請求項３】ねじれた歯を有する雌ロータと、この雌ロ
ータと噛合うねじれた歯を有する雄ロータと、これら1
対の雌ロータと雄ロータとを収容するケーシングとを備
えたスクリュー流体機械において、前記雌ロータの軸直角断面における前進面を、歯底から
変曲点までの第1の範囲と、変曲点から歯先までの第2の
範囲に分けたときに、変曲点の前後で曲率の正負の符号
を逆転させ、前記第1の範囲では歯形の曲率分布が単調
増加することを特徴とするスクリュー流体機械。
【請求項４】前記第1の範囲の歯形の曲率分布は、少な
くとも1個の不連続点を含むことを特徴とする請求項2ま
たは3に記載のスクリュー流体機械。
【請求項５】前記第1の範囲の歯形の曲率分布は、曲率
一定の範囲を有することを特徴とする請求項2または3に
記載のスクリュー流体機械。