JP2008106740A - スクリュロータ - Google Patents

Abstract

【課題】金属製のシャフトの周囲に形成した樹脂製のロータに亀裂の発生しないスクリュロータを提供する。
【解決手段】周囲に樹脂製のロータ３ａ，３ｂを形成する金属製のシャフト２ａ，２ｂの表面に、螺旋状の面取り４ａ，４ｂを施し、好ましくは、シャフト２ａ，２ｂの表面にさらにサンドブラスト処理を施してもよく、シャフト２ａ，２ｂの表面に、予め樹脂を塗布してから、ロータ３ａ，３ｂをモールド成型してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属製のシャフトの周囲に樹脂製のロータを形成したスクリュロータに関する。

金属製のシャフトの周囲に樹脂製のロータを形成したスクリュロータにおいて、シャフトとロータとを強固に固着するために、特許文献１には、シャフトに螺旋状の溝を形成することが記載されている。しかしながら、シャフトに溝を形成することで、ロータの内面に段差ができ、角の部分に応力が集中して亀裂が発生するという問題がある。

そこで、特許文献２では、シャフトに断面が円弧状の溝を形成し、隣接する溝を角のない滑らかな山型の曲線で結んだスクリュロータが記載されている。

特許文献２のシャフト形状により、ロータの内面における応力集中を緩和することができるが、そのような角のない溝は、ねじ切り盤や複合旋盤のような通常の工作機械では形成することができず、手作業によって仕上げ加工する必要があり、時間とコストがかかるという問題があった。

また、特許文献２のシャフト形状は、螺旋溝を加工する際に、工具の逃げ場を必要とするため、螺旋溝を形成した部分の両側の径が細くなる。このため、シャフトの径が細くなる部分でロータに段差ができ、ロータ形成時や運転時の軸方向の応力によって、ロータに亀裂を生じさせる場合があった。

さらに、特許文献２のシャフト形状における螺旋溝の深さは、軸径の約１％程度にすべき旨が記載されているが、例えば、直径４０〜８０ｍｍのシャフトでは、溝の深さが僅か０．４〜０．８ｍｍと浅く、運転時の回転トルクやスラスト方向およびラジアル方向の加重、さらに、シャフトとロータの熱膨張率の違いによる剪断応力によって、螺旋溝がすぐに摩耗してしまうという問題がある。
特開平６−１２３２９２号公報 特許第３７０７３７８号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、金属製のシャフトの周囲に形成した樹脂製のロータに亀裂の発生しないスクリュロータを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によれば、金属製のシャフトの周囲に樹脂製のロータを形成したスクリュロータにおいて、前記シャフトは、表面に螺旋状の面取りが施されているものとする。

この構成によれば、面取り部分がキーの機能を果たすのでシャフトとロータとの固着力を高めることができ、形成時、加工時および運転時に作用する応力に抵抗できる。また、シャフトに面取りを施しただけであるので、ロータの内面に段差や凹凸がなく、応力集中が少ないので、亀裂や破断が生じ難い。さらに、このような面取りは、一般的な工作機械によって容易に加工することができる。

また、本発明のスクリュロータにおいて、前記シャフトは、表面にサンドブラスト処理が施されていてもよい。

この構成によれば、シャフトの樹脂に対する接着性を高めることができ、スクリュロータの耐久性を向上できる。

また、本発明のスクリュロータにおいて、前記シャフトの表面に、予め樹脂を塗布してから、前記ロータをモールド成型してなってもよい。

この構成によれば、金属との接着性のよい樹脂を塗布することで、ロータの接着強度を高めることができ、スクリュロータの耐久性を向上できる。

また、本発明のスクリュロータにおいて、前記面取りは、前記ロータの歯底部の直下に施されていてもよい。

この構成によれば、ロータが最も薄くなる歯底部におけるロータの厚みを増加させるのでスクリュロータの耐久性を向上できる。また、断面形状が一定になるので、設計や製造の効率がよく、製品の品質向上にも資する。

また、本発明のスクリュロータにおいて、前記ロータを形成する際に、前記シャフトに軸方向に引張荷重を与え、前記ロータが硬化してから前記引張荷重を除去してなってもよい。

この構成によれば、引張荷重を除去することによるシャフトの収縮によってロータに圧縮残留応力を付与することができ、ロータの引っ張り応力の集中を低減できるのでスクリュロータの耐久性を向上できる。

また、本発明のスクリュロータにおいて、前記ロータを形成する際に、前記シャフトを樹脂より高温にしておき、前記ロータが硬化してから前記シャフトを常温に戻してなってもよい。

この構成によれば、ロータの形成後にシャフトを収縮させてロータに圧縮残留応力を付与することができ、ロータの引っ張り応力の集中を低減できるのでスクリュロータの耐久性を向上できる。

本発明によれば、シャフトを螺旋状に面取りするので、加工が容易でありながら、耐久性が高いスクリュロータを提供できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明の１つの実施形態の圧縮機用スクリュロータの断面を示す。本実施形態のスクリュロータは、雌雄一対をなす、雄ロータ１ａおよび雌ロータ１ｂからなり、それぞれ、ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｆ２製のシャフト２ａ，２ｂの周囲に、樹脂製のロータ３ａ，３ｂを成型してなる。

ロータ３ａ，３ｂは、モールド（金型）中にシャフト２ａ，２ｂを配置し、モールド内に例えばエポキシ樹脂を注入して、モールドを例えば１５０℃に加熱することで、樹脂を硬化させて成型する。この樹脂には、高い強度、弾性率、寸法安定性が必要とされるため、適用する樹脂にはシリカ粒子やガラス繊維などの強化材を含んだ樹脂、（例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂）が好ましい。

本実施形態の雄ロータ１ａのシャフト２ａは、直径７６ｍｍであり、ロータ３ａは、外径１５４．４ｍｍ、長さ２４８．６ｍｍ、左ねじれの５枚歯である。一方、雌ロータ１ｂのシャフト２ｂは、直径５４ｍｍであり、ロータ３ｂは、外径１３２．２ｍｍ、長さ２４３．６ｍｍ、右ねじれの６枚歯である。

さらに、図２および図３に示すように、シャフト２ａ，２ｂには、それぞれ、ロータ３ａ，３ｂの歯底部の直下に延伸するように、螺旋状に面取り４ａ，４ｂが施してある。図４に、代表してその詳細を示す雌ロータ１ｂのように、面取り４ａ，４ｂは、それぞれ、シャフト２ａ，２ｂを深さ１，５ｍｍ（軸径の２％および１．１％）平坦に切除してなる。面取り４ａはロータ３ａの歯数に合わせて５条、面取り４ｂは６条形成されている。

このような面取り４ａ，４ｂは、例えば、複合旋盤において、シャフト２ａ，２ｂに直交するように平フライスを当てて切削することで容易に形成することができる。

このように形成した雄ロータ１ａおよび雌ロータ１ｂは、面取り４ａ，４ｂがキーの役割を果たすので、シャフト２ａ，２ｂとロータ３ａ，３ｂとの固着力が高く、高いトルクに耐えることができる。

また、面取り４ａ，４ｂがシャフト２ａ，２ｂの外周面との間に形成する角は、非常に鈍いものであり、ロータ３ａ，３ｂの内面に段差を形成することもなく、応力集中が僅かであり、ロータ３ａ，３ｂに亀裂を生じさせにくい。

また、本実施形態のシャフト２ａ，２ｂの表面に、サンドブラスト処理を施してから、同様にロータ３ａ，３ｂを形成することで、シャフト２ａ，２ｂとロータ３ａ，３ｂとの固着力をより高めることができる。

また、本実施形態のシャフト２ａ，２ｂの表面に金属との接着性のよい樹脂を塗布し、その後、ロータ３ａ，３ｂをモールド内に配置して、樹脂を注入後、加熱硬化させることによりロータ３ａ，３ｂを形成することが好ましい。これにより、シャフト２ａ，２ｂの表面に塗布した金属との接着性のよい樹脂も共に硬化して、シャフト２ａ，２ｂとロータ３ａ，３ｂとの固着力を高め、ロータ３ａ，３ｂがシャフト２ａ，２ｂから剥離し難くなる。

金属との接着性の良い樹脂としてエポキシ樹脂がある。特に好ましいエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（bisphenol A epoxy resin）の他、ウレタン変性エポキシ樹脂（urethane modified epoxy resin）、ゴム変性エポキシ樹脂（rubber modified epoxy resin）などを挙げることができる。また、それらの硬化剤として、ポリアミドポリアミン（polyamide polyamine）、脂環族ポリアミン（alicyclic polyamine）、脂肪族ポリアミン（aliphatic polyamine）、芳香族ポリアミン（aromatic polyamine）、酸無水物（acid anhydride）、および、それらの変性物や混合物などを挙げることができる。

ロータ３ａ，３ｂは、エポキシ樹脂と比べて金属との接着性の劣るウレタン樹脂等で成型することも考えられるが、その場合には、シャフト２ａ，２ｂの表面に予め金属との接着性のよい樹脂を塗布してから、ロータ３ａ，３ｂをモールド成型することがより効果的である。

また、本実施形態のシャフト２ａ，２ｂに引っ張り応力を与えた状態で、その周囲にロータ３ａ，３ｂを樹脂成型し、ロータ３ａ，３ｂが硬化した後に、シャフト２ａ，２ｂの引っ張り応力を除去することで、シャフト２ａ，２ｂの収縮によって、平常時のロータ３ａ，３ｂに圧縮応力を付与することができる。

スクリュロータの運転時に、ロータ３ａ，３ｂの内側には、引っ張り応力が作用して亀裂の発生が促されるが、ロータ３ａ，３ｂに予め圧縮応力を付与しておくことで、実質的に作用する引っ張り応力を緩和して、亀裂の発生を抑制することができる。

また、そのような圧縮応力は、シャフト２ａ，２ｂを加熱して熱膨張させた状態でモールド内に配置し、その周囲に樹脂を充填してロータ３ａ，３ｂを成型し、ロータ３ａ，３ｂが硬化してからシャフト２ａ，２ｂを冷却することでも付与できる。

上記実施形態に基づいて、以下のスクリュロータを実験例および比較例として制作し、その強度を試験した。

（実験例１）
上記雄ロータ１ａおよび雌ロータ１ｂを実験例１として製作した。

（実験例２）
シャフト２ａ，２ｂの表面にサンドブラスト処理を施してから、ロータ３ａ，３ｂをモールド成型したものを実験例２とした。

（実験例３）
シャフト２ａ，２ｂの表面に金属との接着性のよい樹脂を塗布した後、ロータ３ａ，３ｂをモールド成型したものを実験例３とした。ここで使用した樹脂は、アラルダイドＡＷ１０６とＨＶ９５３Ｕと（ナガセケムテック社製エポキシ樹脂および硬化剤）を１００：６０の重量比で均等に混合したものである。

（実験例４）
シャフト２ａ，２ｂに約１０ｋｇｆ／ｍｍ^２の引っ張り加重を作用させた状態でロータ３ａ，３ｂをモールド成型したものを実験例４とした。

（実験例５）
シャフト２ａ，２ｂを３００℃に加熱してモールド内に配置し、ロータ３ａ，３ｂを成型したものを実験例５とした。尚、ロータ３ａ，３ｂの硬化に要する時間は約１時間程度であり、ロータ３ａ，３ｂの樹脂が硬化したときのシャフト２ａ，２ｂの温度は約２００℃であった。

（比較例１）
さらに、シャフト２ａ，２ｂと同径のシャフトに、特許文献１に記載されているような螺旋溝を形成して周囲にロータ３ａ，３ｂを成型したものを比較例１とした。

（比較例２）
シャフト２ａ，２ｂと同径のシャフトに、特許文献２に記載されているような断面が滑らかな曲線で接続された螺旋溝を形成して周囲にロータ３ａ，３ｂを成型したものを比較例２とした。

以上の実験例および比較例をそれぞれ製作したが、比較例１は、ロータ３ａ，３ｂが硬化した段階で、早くも、ロータ３ａ，３ｂの表面に亀裂が生じていた。

残る実験例１から５および比較例２については、圧縮機に組み込んで１ヶ月間運転した後に、再度外観を確認したところ、比較例２のロータ３ａ，３ｂには、両端の切削刃の逃げのための段差の上部に亀裂が発生していた。

実験例１から５には、損傷が確認されなかったので、再度圧縮機に組み込んで合計６ヶ月間の運転を行ったが、その後でも、損傷は確認されず、圧縮機の性能の低下も見られなかった。

そこで、実験例１から５には、破断に至るまでの大きなトルクを加えて、破断トルクを測定し、次のような結果を得た。

通常、スクリュロータ１ａ，１ｂに加わるトルクは、最大でも１００ｋｇｆ・ｍ程度であるので、上記破断トルクは、各実験例が十分な耐力を備えていることを示す。

また、実験例２から５は、実験例１よりも破断トルクが向上しており、それぞれ、実験例１に追加した生産手順が、スクリュロータ１ａ，１ｂの耐力向上に寄与することが確認された。

本発明の一実施形態のスクリュロータの断面図。 図１の雄ロータのシャフトの平面図。 図１の雌ロータのシャフトの平面図。 図３の雌ロータのシャフトの部分拡大断面図。

符号の説明

１ａ 雄ロータ
１ｂ 雌ロータ
２ａ，２ｂ シャフト
３ａ，３ｂ ロータ
４ａ，４ｂ 面取り

Claims (6)

1. 金属製のシャフトの周囲に樹脂製のロータを形成したスクリュロータにおいて、
   前記シャフトは、表面に螺旋状の面取りが施されていることを特徴とするスクリュロータ。
2. 前記シャフトは、表面にサンドブラスト処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュロータ。
3. 前記シャフトの表面に、予め樹脂を塗布してから、前記ロータをモールド成型してなることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュロータ。
4. 前記面取りは、前記ロータの歯底部の直下に施されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスクリュロータ。
5. 前記ロータを形成する際に、前記シャフトに軸方向に引張荷重を与え、前記ロータが硬化してから前記引張荷重を除去してなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスクリュロータ。
6. 前記ロータを形成する際に、前記シャフトを樹脂より高温にしておき、前記ロータが硬化してから前記シャフトを常温に戻してなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のスクリュロータ。

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