JP2003184769A - スクリュー圧縮機及びスクリュー圧縮機用ロータの製作方法 - Google Patents

スクリュー圧縮機及びスクリュー圧縮機用ロータの製作方法

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JP2003184769A JP2001378010A JP2001378010A JP2003184769A JP 2003184769 A JP2003184769 A JP 2003184769A JP 2001378010 A JP2001378010 A JP 2001378010A JP 2001378010 A JP2001378010 A JP 2001378010A JP 2003184769 A JP2003184769 A JP 2003184769A
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毅士 肥田
Masayuki Urashin
昌幸 浦新
Shigekazu Nozawa
重和 野澤
Hiromoto Osumimoto
博基 大住元
Hirochika Kametani
裕敬 亀谷
Atsushi Watanabe
淳 渡邊
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Abstract

(57)【要約】 【課題】圧縮時の漏れを低減して圧縮機の性能向上を図
ると共に、ロータ歯面の信頼性も確保する。 【解決手段】モータ７により雌ロータ６ｆが駆動され、
この雌ロータにより雄ロータ６ｍが駆動される構成とす
る。また、雄ロータまたは雌ロータを、鋳鉄に表面硬化
処理を施した部材で構成するか、鋳鉄に焼き入れを含む
熱処理を施された部材で構成する。表面硬化処理として
は、浸硫窒化処理或いは窒化処理とする。鋳鉄に熱処理
を施す場合にはオーステンパー処理をする。

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及
びスクリュー圧縮機用ロータの製作方法に係り、特にタ
イミングギヤを持たない油冷式のスクリュー圧縮機にお
いて、ロータ歯面の信頼性を確保しながら圧縮機の性能
を向上するようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の油冷式のスクリュー圧縮機は、駆
動用モータの軸に雄ロータを直結またはカップリングで
結合し、雄ロータが駆動軸となって雌ロータを回転させ
るようにしたものが一般的である。また、雄雌ロータを
構成する為に、幾何学上雄ロータ歯数が雌ロータ歯数よ
りも少なくなっている。さらに、これらロータの素材に
は球状黒鉛鋳鉄などの鋳物を加工し使用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術では、雄ロータの回転数が固定されており、雌ロー
タの歯数が雄ロータの歯数より少ない為、雌ロータの周
速が遅くなり、相対的に漏れが増え、性能が低いという
問題があった。これに対し、雌ロータを駆動軸にすれ
ば、周速をあげることができ、漏れを低減することがで
きる。このような公知例としては特開平１１−６２８６
０号公報に記載されたものなどがある。
【０００４】しかし、鋳物をロータ材料として雌ロータ
で雄ロータを駆動する場合、雌ロータの駆動面の負荷に
対して強度が不足し、ピッチング、スコーリングなどの
歯面損傷が発生する問題があることがわかった。
【０００５】本発明の目的は、漏れを低減して圧縮機の
性能向上を図ることができ、しかもロータ歯面の信頼性
も確保できることのできるスクリュー圧縮機を得ること
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為、
本発明の第１の特徴は、互いに噛み合う少なくとも一対
の雄ロータと雌ロータ、これらのロータを支持する軸受
部材、前記ロータを駆動するためのモータ、これらを収
納するためのケーシング部材を備えたスクリュー圧縮機
において、前記モータにより前記雌ロータを駆動すると
共に、この雌ロータにより前記雄ロータが駆動される構
成とし、前記雄ロータまたは雌ロータの少なくとも一方
を、鋳鉄に表面硬化処理を施した部材で構成したことに
ある。ここで、前記表面硬化処理としては浸硫窒化処
理、或いは窒化処理により行うと良い。
【０００７】本発明の第２の特徴は、上記表面硬化処理
に代えて、鋳鉄に焼き入れを含む熱処理を施された部材
で構成したことにある。ここで、前記熱処理はオーステ
ンパー処理にすると良い。
【０００８】本発明の第３の特徴は、雄ロータと、この
雄ロータと噛み合い且つ歯数が該雄ロータよりも多い雌
ロータ、これら雄雌ロータを支持する軸受部材、前記ロ
ータを駆動するためのモータ、これらを収納するための
ケーシング部材を備えたスクリュー圧縮機において、前
記モータにより前記雌ロータを駆動すると共に、この雌
ロータにより前記雄ロータが駆動される構成とし、前記
雄ロータ及び雌ロータは、鋳鉄を２００〜４５０℃の液
体に焼き入れ処理を施された部材としたことにある。
【０００９】ここで、前記熱処理用の液体は、２００〜
２７０℃に保持され且つ塩を含む塩浴にすると良い。特
に、前記鋳鉄を、無酸素雰囲気中で８００〜９００℃の
温度に加熱し、２００〜２７０℃の塩浴に高温焼き入れ
するとなお良い。
【００１０】本発明の第４の特徴は、歯数が雄ロータよ
りも多い雌ロータをモータで駆動し、該雌ロータで前記
雄ロータを駆動するスクリュー圧縮機のロータを製作す
る方法において、前記ロータを球状黒鉛鋳鉄で製作し、
このロータを加熱した後、２００〜４５０℃の塩浴で焼
き入れ処理し、その後前記塩浴中で２００〜４５０℃の
温度で５〜２４０分の間保持することにある。
【００１１】ここで、前記球状黒鉛鋳鉄で製作されたロ
ータを無酸素雰囲気中で８００〜９００℃の温度に上
げ、焼き入れ後２００〜２７０℃で５〜３０分保持し、
その後水洗いするようにするとなお良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を、図面に
基づいて説明する。図１，図２は本発明の一実施例を示
す油冷式のスクリュー圧縮機で、このスクリュー圧縮機
は互いに密封関係に接続されたケーシング１、吸入口８
を有するモータカバ２及び吐出ケーシング３を有し、更
に吐出口１４を有する吐出空間４を有している。ケーシ
ング１には駆動用モータ７が収納され、また円筒状ボア
５及びガスを円筒状ボア５に導入する吸入ポート（図示
せず）が形成されている。円筒状ボア５には、雄雌一対
のスクリューロータ６（雄ロータ６ｍ、雌ロータ６ｆ）
が互いに噛み合わせて収納され、ころ軸受１０，１１，
１２及び玉軸受１３により回転可能に支持されている。
雌ロータ６ｆの軸は駆動用モータ７に直結されている。
ころ軸受１２及び玉軸受１３は吐出ケーシング３に収納
され、この吐出ケーシング３には、円筒状ボア５と吐出
空間４を連通するガスの吐出通路(図示せず)が形成され
ている。吐出ケーシング３はボルト等の手段によりケー
シング１に固定されている。また、吐出ケーシング３の
一端側には、ころ軸受１２及び玉軸受１３を収納する軸
受室９を閉止するための遮蔽板１５が取り付けられてい
る。なお、前記ケーシング１及び吐出ケーシング３内に
はそれぞれ給油通路１７が形成されており、吐出空間４
の下部に設けられた油溜り１６と各軸受部を連通するよ
うに構成されている。
【００１３】次に、冷媒ガス及び油の流れを説明する。
モータカバ２に設けられた吸入口８から吸入された低温
・低圧の冷媒ガスは、駆動用モータ７とケーシング１の
間に設けられたガス通路（図示せず）、及びステータと
モータロータ間のエアギャップを通過してモータ７を冷
却し、その後ケーシング１に形成された吸入ポートから
雄、雌スクリューロータの噛み合い歯面とケーシングに
より形成される圧縮室に吸入される。圧縮室に吸入され
た冷媒ガスは、モータ７に連結された雌ロータ６ｆの回
転と共に圧縮室に密閉され、この圧縮室の縮小により徐
々に圧縮され、高温・高圧の冷媒ガスとなり、吐出ケー
シング３に形成された吐出通路を通って、吐出空間４内
に吐出される。油とガスの混合体は吐出空間４に設けら
れている油分離手段（例えばメッシュデミスター）１７
により油とガスに分離され、油は油溜り１６に溜めら
れ、ガスは吐出口１４から吐出される。圧縮時に雄、雌
スクリューロータに作用する荷重のうち、ラジアル荷重
はころ軸受１０，１１，１２により支持され、またスラ
スト荷重は玉軸受１３により支持される。これらの軸受
の潤滑及び冷却用の油は、吐出空間４内下部に設けられ
ている高圧の油溜り１６から、各軸受部に連通する給油
通路１７を介して差圧により給油され、圧縮ガスと共に
吐出空間４へ吐出される。
【００１４】雄ロータ６ｍと雌ロータ６ｆの回転につい
て説明する。雄ロータの歯数をＺｍ、雌ロータの歯数を
Ｚｆとする。現在、スクリュー圧縮機の雄、雌ロータの
歯数（Ｚｍ、Ｚｆ）は（５、６）、（５、７）或いは
（４、６）のものが実用化されており、本実施例ではこ
れら歯形を構成することができる組み合わせなら何でも
良い。また、モータの回転数をω０とすると、このω０
は地域により異なる場合はあるものの、一つの地域にお
いては一定速である。従来のものでは一般に、雄ロータ
６ｍの軸をモータに直結し、雄ロータ６ｍで雌ロータ６
ｆを駆動するようにしていたが、この場合雄雌ロータそ
れぞれの回転速度は以下の通りとなる。 雄ロータ６ｍ回転速度＝モータ回転速度＝ω０ 雌ロータ６ｆ回転速度＝ω０Ｘ（Ｚｍ／Ｚｆ） 上述したように、Ｚｍ＜Ｚｆであるから、雌ロータの回
転速度はω０より小さくなる。
【００１５】一方、本実施例の如く雌ロータ６ｆの軸に
モータを直結し、雌ロータ６ｆで雄ロータ６ｍを駆動す
る場合、夫々の回転速度は下記の通りとなる。 雌ロータ６ｆ回転速度＝モータ回転速度＝ω０ 雄ロータ６ｍ回転速度＝ω０Ｘ（Ｚｆ／Ｚｍ）＞ω０ 上記に示す如く、雌ロータ６ｆで駆動した場合、雄ロー
タ６ｍで駆動した場合よりも雄雌ロータ６ｍ,６ｆの回
転速度を共に高くすることができ、これによって相対的
にロータとケーシング間の隙間からの漏れを低減するこ
とができるから、性能向上を図ることができる。
【００１６】さらに、雌ロータ６ｆで駆動することによ
り雄ロータ６ｍの回転速度も上がり、これによって圧縮
機からの吐出量も増加することができる。よって、同一
吐出量の圧縮機を製作する場合、雄ロータ駆動の場合よ
り小形化を図ることができる。
【００１７】次に、圧縮時、ロータに作用する力を説明
する。ロータには、圧縮ガスによる反力と、駆動軸で被
駆動軸を回転させるための伝達トルクに相当する荷重が
作用する。雄ロータ駆動の場合は、雄ロータから雌ロー
タへの伝達トルクは、モータから雄ロータへの伝達トル
クの１５％程度である。一方、雌ロータ駆動の場合に
は、雌ロータから雄ロータへの伝達トルクは逆にモータ
から雌ロータへの伝達トルクに対し８５％程度となる。
したがって、雌ロータ駆動の場合、ロータ間の伝達トル
クに相当する荷重が大きく働き、ロータ歯面に作用する
圧力（面圧）が過大となることがわかった。
【００１８】従来、ロータの素材としては球状黒鉛鋳鉄
がよく用いられているが、上記雌ロータ駆動の場合の面
圧は球状黒鉛鋳鉄の耐力を上回り、ピッチングやスコー
リングなどの歯面損傷を引き起こす原因となることがわ
かった。そこで、本実施例では、表面硬度を上げ過大な
面圧に耐えるようにするため、ロータの歯面に表面硬化
処理を施している。
【００１９】一般に表面硬化処理の層の深さは数十ミク
ロンであり、処理後の仕上げ加工は困難である。したが
って、予め、処理前の形状を、処理による寸法変化分補
正して製作しておく。また、表面硬化処理としては、寸
法変化が比較的小さい、浸硫窒化処理、または低温での
窒化処理を施す。
【００２０】浸硫窒化処理では、窒化鉄層の外層に、軟
質の硫化鉄層が形成される。層厚さは処理時間や鋼種な
どに依存するが、硬質層も含め、５〜２５μmの範囲が
一般的である。浸硫窒化処理による寸法変化は層厚さよ
りも少なく、硫化鉄が介在した摩擦面は高荷重、或いは
高温下でも平滑状態を維持し焼き付かない。このよう
に、浸硫窒化処理することにより、最表面の硫化層が塑
性流動し、摩擦面同士の接触面を増大させて単位面積当
たりの負荷が軽減し、耐摩耗性、耐焼付性及び耐かじり
性を改善することができる。
【００２１】前記窒化処理も、表面硬化熱処理の一つ
で、鋳鉄の表面から窒素を拡散侵入させ鋳鉄の表面を硬
くする処理である。例えば、処理は電気炉で行い、アン
モニアガス（ＮＨ3）を電気炉に吹き込み、５００〜５
２０℃に熱せられるとガスの一部が窒素（Ｎ）と水素
（Ｈ）に解離し、そのなかの窒素が鉄の中の元素と結び
ついて硬い窒化物を作ることができる。窒化処理により
耐摩耗性に特に優れたロータを製作できる。また、窒化
処理は組織変化による膨張収縮がなく、窒化処理温度も
５００〜５２０℃という低温で処理することができ、こ
のためロータの曲がりや歪みが非常に少なく、焼き割れ
などの発生も防止できる。
【００２２】また、上記表面硬化処理の代わりに、熱処
理を施すことによっても高荷重で耐摩耗性にすぐれたロ
ータを製作することができる。この熱処理としては、オ
ーステンパー処理が最適である。オーステンパー処理
は、ロータを球状黒鉛鋳鉄で製作し、このロータを例え
ば無酸化雰囲気中で８００〜９００℃の温度に加熱した
後、２００〜４５０℃の塩浴で高温焼き入れ処理し、そ
の後前記塩浴中で２００〜４５０℃（好ましくは２００
〜２７０℃）の温度で５〜２４０分（硬度を向上させた
い場合５〜３０分、硬度を若干犠牲にしても引張強度も
向上させたい場合には３０〜９０分程度が好適である）
の間保持し、その後水洗い処理して製作する。オーステ
ンパー処理により、ロータの靭性、耐磨耗・耐衝撃性を
格段に向上させることができ、しかも熱処理による歪み
や寸法変化も少なくできる特徴がある。
【００２３】なお、熱処理による場合、材料の略中心ま
で処理することが可能なので、熱処理後に仕上げ加工を
することも可能となる。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、モータにより雌ロータ
を駆動すると共に、この雌ロータにより雄ロータが駆動
される構成とし、このロータを、鋳鉄に表面硬化処理を
施すか、焼き入れを含む熱処理を施すように構成したの
で、ロータ回転速度を上げ、漏れを低減して性能の向上
を図ることができると共に、ロータ歯面の信頼性も向上
でき、圧縮機の小形化も可能になる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すスクリュー圧縮機の縦断
面図。
【図２】図１のスクリュー圧縮機のＡ−Ａ線断面図。
【符号の説明】
１，２，３…ケーシング部材（１…ケーシング、２…モ
ータカバ、３…吐出ケーシング）、４…吐出空間、５…
円筒状ボア、６ｍ…雄ロータ、６ｆ…雌ロータ、 ７…
モータ、８…吸入口、９…軸受室、１０,１１,１２…こ
ろ軸受、１３…玉軸受、１４…吐出口、１５…遮蔽板、
１６…油溜り、１７…給油通路、１８…油分離手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野澤 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 大住元 博基 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 亀谷 裕敬 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 渡邊 淳 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 3H029 AA03 AA15 AB01 BB44 CC05 CC38

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】互いに噛み合う少なくとも一対の雄ロータ
    と雌ロータ、これらのロータを支持する軸受部材、前記
    ロータを駆動するためのモータ、これらを収納するため
    のケーシング部材を備えたスクリュー圧縮機において、 前記モータにより前記雌ロータを駆動すると共に、この
    雌ロータにより前記雄ロータが駆動される構成とし、 前記雄ロータまたは雌ロータの少なくとも一方を、鋳鉄
    に表面硬化処理を施した部材で構成したことを特徴とす
    るスクリュー圧縮機。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記表面硬化処理は浸
    硫窒化処理であることを特徴とするスクリュー圧縮機。
  3. 【請求項３】請求項１において、前記表面硬化処理は窒
    化処理であることを特徴とするスクリュー圧縮機。
  4. 【請求項４】互いに噛み合う少なくとも一対の雄ロータ
    と雌ロータ、これらのロータを支持する軸受部材、前記
    ロータを駆動するためのモータ、これらを収納するため
    のケーシング部材を備えたスクリュー圧縮機において、 前記モータにより前記雌ロータを駆動すると共に、この
    雌ロータにより前記雄ロータが駆動される構成とし、 前記雄ロータまたは雌ロータの少なくとも一方が、鋳鉄
    に焼き入れを含む熱処理を施された部材で構成されてい
    ることを特徴とするスクリュー圧縮機。
  5. 【請求項５】請求項４において、前記熱処理はオーステ
    ンパー処理であることを特徴とするスクリュー圧縮機。
  6. 【請求項６】雄ロータと、この雄ロータと噛み合い且つ
    歯数が該雄ロータよりも多い雌ロータ、これら雄雌ロー
    タを支持する軸受部材、前記ロータを駆動するためのモ
    ータ、これらを収納するためのケーシング部材を備えた
    スクリュー圧縮機において、 前記モータにより前記雌ロータを駆動すると共に、この
    雌ロータにより前記雄ロータが駆動される構成とし、 前記雄ロータ及び雌ロータは、鋳鉄を２００〜４５０℃
    の液体に焼き入れ処理を施された部材であることを特徴
    とするスクリュー圧縮機。
  7. 【請求項７】請求項６において、前記熱処理用の液体
    は、２００〜２７０℃に保持され且つ塩を含む塩浴であ
    ることを特徴とするスクリュー圧縮機。
  8. 【請求項８】請求項７において、前記鋳鉄は、無酸化雰
    囲気中で８００〜９００℃の温度に加熱され、２００〜
    ２７０℃の塩浴に高温焼き入れされたものであることを
    特徴とするスクリュー圧縮機。
  9. 【請求項９】歯数が雄ロータよりも多い雌ロータをモー
    タで駆動し、該雌ロータで前記雄ロータを駆動するスク
    リュー圧縮機のロータを製作する方法において、 前記ロータを球状黒鉛鋳鉄で製作し、このロータを加熱
    した後、２００〜４５０℃の塩浴で焼き入れ処理し、そ
    の後前記塩浴中で２００〜４５０℃の温度で５〜２４０
    分の間保持することを特徴とするスクリュー圧縮機用ロ
    ータの製作方法。
  10. 【請求項１０】請求項９において、前記球状黒鉛鋳鉄で
    製作されたロータを無酸化雰囲気中で８００〜９００℃
    の温度に上げ、焼き入れ後２００〜２７０℃で５〜３０
    分保持し、その後水洗いすることを特徴とするスクリュ
    ー圧縮機用ロータの製作方法。
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