JP2008133763A - スクリュー流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】作動室の残存容積が生じないようにしつつ、作動室の容量を増大させて性能を向上させるか、或いはロータとともに機械全体の小型化を図ることができるスクリュー流体機械を提供する。
【解決手段】回転軸が平行で互いに噛み合いながら回転する雄ロータ１及び雌ロータ２を有するスクリュー流体機械において、雌ロータ２の軸直角断面における径方向最内の歯底点７から径方向最外の外周点１０までの前進面側の歯形曲線は、歯底点７を通るピッチ点１５中心の円弧１６の外側に位置するように、その大部分を楕円弧状に形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スクリュー流体機械に係わり、詳しくは、回転軸が平行で互いに噛み合いながら回転する雄ロータ及び雌ロータを有するスクリュー流体機械に関する。

スクリュー流体機械の代表的なものとしてはスクリュー圧縮機（他には、真空ポンプや膨張機等）があり、空気圧源としての空気圧縮機や、比較的大規模な冷凍空調サイクル用の冷媒圧縮機等に用いられている。このスクリュー圧縮機は、回転軸が平行で互いに噛み合いながら回転する雄雌一対のスクリューロータと、これらスクリューロータを収納して作動室を形成するケーシングとを有する。そして、スクリューロータの回転に伴い、作動室は容積が縮小されつつ軸方向に移動し、作動室内の気体を圧縮して吐出ポートより吐出するようになっている。

スクリューロータの幾何形状は、性能や振動騒音、信頼性等に大きく影響する。特に、スクリューロータの軸直角断面における輪郭として定義される歯形曲線は、重要な特性決定因子であり、様々な形状が提案されている。その一例として、雌ロータの軸直角断面における前進面側の歯形曲線（前進面フランク）において、雌ロータの回転中心及び歯底点を結ぶ直線上に焦点を持つ放物線部（前進面第１フランク）を有する形状が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特公昭６３−４３５９７号公報

スクリュー流体機械においては、スクリューロータの軸直角断面における作動室の断面積を同じとしながら外径寸法を小さくすれば、ロータとともに機械全体の小型化を図ることが可能である。或いは、スクリューロータの外径寸法を同じとしながら作動室の断面積を拡大すれば、作動室の容量を増大させて性能を向上させることが可能である。そのためには、雌ロータの歯溝を深くするか、若しくは歯溝の幅を広げる方法が考えられる。雌ロータの歯溝の幅を広げる方法は、雌ロータと噛み合う雄ロータの歯溝の幅を狭くすることになるので、雌ロータの歯溝及び雄ロータの歯溝の面積増減が相殺し、作動室の断面積の増加量は限定される。一方、雌ロータの歯溝を深くする方法は、雄ロータとの噛み合いの幾何条件を満足するとともに歯の干渉や歯の強度不足が顕在化しない範囲であれば（すなわち、歯溝の幅を必要以上に広げなければ）、有効な方法である。

そこで、上述した従来技術における雌ロータの歯溝を必要以上に広げないようにしつつ深くする方法が考えられる。しかしながら、この場合、雌ロータの前進面側歯形曲線の放物線部は、歯底点を通るピッチ点中心円弧の内側にはみだす部分が生じるようになる。このような雌ロータの歯形と雄ロータの歯形との噛み合いによって形成される吐出過程の作動室は、その吐出過程が完了する前に吐出ポートが閉じ、残存容積が生じる。そして、残存容積を有する作動室は、吐出ポートに開口しない状態で容積が縮小し消滅するため、内圧が急上昇する。作動室の内圧急上昇は、スクリューロータの噛み合い毎に断続的なガストルク並びに軸受荷重の増大を招き、無駄な動力消費や加振力を発生させるので、好ましくない。特に、作動室に油を注入して圧縮する油冷式のスクリュー圧縮機においては、作動室の残存容積に非圧縮性の油が満たされやすく、その悪影響は顕著となる。

本発明の第１の目的は、作動室の残存容積が生じないようにしつつ、作動室の容量を増大して性能を向上させることができるスクリュー流体機械を提供することにある。

本発明の第２の目的は、作動室の残存容積が生じないようにしつつ、ロータとともに機械全体の小型化を図ることができるスクリュー流体機械を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、回転軸が平行で互いに噛み合いながら回転する雄ロータ及び雌ロータを有する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径方向最内の歯底点から径方向最外の外周点までの前進面側の歯形曲線は、前記歯底点を通るピッチ点中心円弧の外側に位置するように、その大部分を楕円弧状に形成する。

本発明においては、雌ロータの前進面側歯形曲線は、その大部分を楕円弧状に形成し、歯底点を通るピッチ点中心円弧の外側に位置するように形成する。このような雌ロータの歯形と雄ロータの歯形との噛み合いによって形成された吐出過程の作動室は、その吐出過程が完了したときに吐出ポートが閉じるように、すなわち残存容積が生じないようにすることができる。その結果、無駄な動力消費や加振力を発生させないようにすることができる。また、例えば歯底点を通るピッチ点中心円弧の外側に位置するように放物線状に形成する場合と比べ、雌ロータの歯溝を必要以上に広げないようにしつつ深くすることができる。その結果、ロータの外径寸法を同じとしながら作動室の断面積を拡大し、作動室の容量を増大させて性能を向上させることができる。或いは、ロータの作動室の断面積（言い換えれば作動室の容量）を同じとしながら外径寸法を小さくし、ロータとともに機械全体の小型化を図ることができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記前進面側歯形曲線は、前記歯底点を始点とした楕円弧部を有し、この楕円弧部は、半短軸が前記雌ロータの回転中心及び前記歯底点を結ぶ直線上にあり、かつ半短径が前記雌ロータの歯元のたけ以上である。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記楕円弧部の終点が前記雌ロータのピッチ円の内側に位置し、この楕円弧部の終点を変曲点として滑らかに接続され前記外周点まで形成された曲線部を有し、この曲線部より前記楕円弧部が長い。

本発明によれば、作動室の残存容積が生じないようにしつつ、作動室の容量を増大させて性能を向上させることができる。或いは、作動室の残存容積が生じないようにしつつ、ロータとともに機械全体の小型化を図ることができる。

以下、本発明のスクリュー流体機械の一実施形態としてのスクリュー圧縮機を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態によるスクリュー圧縮機の構造を表す径方向断面図であり、図２は、雄ロータ及び雌ロータの噛み合いを表す部分拡大径方向断面図である。図３は、本実施形態における雌ロータ側の作動室を説明するための透視側面図である。なお、図２中黒丸で示した点は、雄ロータ及び雌ロータの理論上の接触点であるが、この理論上の接触点は、熱変形や加工誤差を吸収するために隙間を与える必要があるので、実際には接触駆動する領域を除き接触しない場合が多い。

これら図１〜図３において、スクリュー圧縮機は、回転軸が平行で互いに噛み合いながら回転する雄ロータ１及び雌ロータ２と、これら雄ロータ１及び雌ロータ２を収納して複数の作動室３を形成するケーシング４とを備えている。そして、雄ロータ１及び雌ロータ２の回転に伴い、作動室３は軸方向（図３中右方向）に移動しつつ容積が縮小されて気体を圧縮し、この圧縮気体をケーシング４の吐出側端面５に形成された吐出ポート（開口部）６より吐出するようになっている。

吐出過程の作動室３’（図３参照）は、軸方向に移動しつつ、吐出端面５に面する断面形状が縮小するようになっている。そして、本実施形態の特徴の一つでもあるが、図２に示すように雌ロータ２の歯底点７が雄ロータ１の歯先点に接して雄ロータ１の回転中心８に向けられたとき、作動室３’は雌ロータ２の歯底点１０の一点まで縮小して消滅し（図３に示す作動室３”の状態となり）、吐出過程が完了するようになっている。

吐出ポート６は、作動室３’の 吐出過程が完了するまで作動室３’に連通する開口形状となっている。また、吐出端面５の上方側（詳細には、雄ロータ１の回転中心８及び雌ロータ２の回転中心９を結ぶ直線より上方側）は、吸入過程の作動室が面する時間割合が多い。そのため、吐出ポート６は、吸入過程の作動室に連通しないように、吐出端面５の下方側（詳細には、雄ロータ１の回転中心８及び雌ロータ２の回転中心９を結ぶ直線より下方側）に配置されている。

本実施形態の大きな特徴として、図２に示す雌ロータ２の軸直角断面における径方向最内の歯底点７から径方向最外の外周点１０までの前進面側（運転時の回転方向側）の歯形曲線は、歯底点７を始点として雌ロータ２のピッチ円１１の内側に位置する終点１２まで形成された楕円弧部１３と、この楕円弧部１３に接続され外周点１０まで形成された曲線部１４とで構成されており、歯底点７を通るピッチ点１５中心の円弧１６の外側に位置するようになっている。なお、楕円弧部１３は凹曲線で形成され、曲線部１４は楕円弧部１３の終点１２を変曲点として滑らかに接続された凸曲線で形成されており、楕円弧部１３は曲線部１４より長くなっている。

楕円弧部１３は、例えば、半短軸が歯底点７及びピッチ点１５を結ぶ線分であり（言い換えれば、雌ロータ２の回転中心９及びピッチ点１５を結ぶ直線上にあり）、半短径が歯底点７とピッチ点１５との間の距離（雌ロータ２の歯元のたけ）である。また、楕円弧部１３の形状は、雌ロータ２の回転中心９を原点とするＸ−Ｙ軸の直角座標系において、回転中心９からピッチ点１５（言い換えれば、楕円弧の中心点）までの距離をＸ１としたとき、下記の式（１）で表される。

Ｘ＝Ｘ１−Ｒｘcosｔ，Ｙ＝Ｒｙsinｔ・・・（１）
Ｒｘ：半短径，Ｒｙ：半長径，ｔ：媒介変数

なお、雌ロータ２の軸直角断面における後進面側の歯形曲線は、ブローホールが小さくなるように定められている。また、雄ロータ１の軸直角断面における歯形曲線は、雌ロータ２との噛み合いの条件を満たすように幾何的に創成されて１つに定められる。

以上のように構成された本実施形態の作用効果を、比較例を用いて説明する。図４及び図５は、第１の比較例による雄ロータ１Ａ及び雌ロータ２Ａの噛み合いを表す部分拡大径方向断面図であり、図中黒丸で示した点は雄ロータ１Ａ及び雌ロータ２Ａの理論上の接触点である。また、図６は、第１の比較例による雌ロータ側の作動室３Ａを説明するための透視側面図である。これら図４〜図６において、上記本発明の一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

第１の比較例では、雌ロータ２Ａの前進面側歯形曲線は、歯底点７から雌ロータ２Ａのピッチ円１１の内側に位置する終点１７までの放物線部１８と、この放物線１８の終点１７を変曲点として滑らかに接続され外周点１０まで形成された曲線部１９とで構成されている。そして、雌ロータ２Ａの歯溝を必要以上に広げないようにしつつ深くした場合（すなわち、雌ロータ２Ａの歯元のたけを大きくした場合）において、前進面側歯形曲線の放物線部１８は、歯底点７を通るピッチ点１５中心の円弧１６（図４及び図５中図示せず）の内側にはみだす部分が生じる。このような雌ロータ２Ａの歯形と雄ロータ１Ａの歯形との噛み合いによって形成された吐出過程の作動室３Ａ’は、その吐出過程が完了する前に吐出ポート６が閉じてしまい（図４及び図６に示す作動室３Ａ”の状態で）、残存容積が生じる。そして、残存容積を有する作動室３Ａ”は、吐出ポート６に開口しない状態で容積が縮小し消滅するため、内圧が急上昇する（図５参照）。作動室の内圧急上昇は、スクリューロータの噛み合い毎に断続的なガストルク並びに軸受荷重の増大を招き、無駄な動力消費や加振力を発生させるので、好ましくない。特に、作動室に油を注入して圧縮する油冷式のスクリュー圧縮機においては、作動室の残存容積に非圧縮性の油が満たされやすく、その悪影響は顕著となる。

これに対し本実施形態においては、雌ロータ２の前進面側歯形曲線は、その大部分を楕円弧状に形成し、歯底点７を通るピッチ点１５中心の円弧１６の外側に位置するように形成する。このような雌ロータ２の歯形と雄ロータ１の歯形との噛み合いによって形成された吐出過程の作動室３’は、吐出過程が完了したときに吐出ポート６が閉じるように（図２に示す状態、図３に示す作動室３”の状態に）、すなわち残存容積が生じないようにすることができる。その結果、無駄な動力消費や加振力を発生させないようにすることができる。また、例えば歯底点７を通るピッチ点１５中心の円弧１６の外側に位置するように放物線状に形成する場合と比べ、雌ロータ２Ａの歯溝を必要以上に広げないようにしつつ深くすることができる。その結果、ロータの外径寸法を同じとしながら作動室の断面積を拡大し、作動室の容量を増大させて性能を向上させることができる。或いは、ロータの作動室の断面積（言い換えれば作動室の容量）を同じとしながら外径寸法を小さくし、ロータとともに機械全体の小型化を図ることができる。

したがって本実施形態においては、作動室の残存容積が生じないようにしつつ、作動室の容量を増大させて性能を向上させるか、或いはロータとともに機械全体の小型化を図ることができる。また、前進面側歯形曲線の楕円弧部１３の形状を表す上記式（１）が単純なため、工具の製作や精度管理を容易に行うことができる。

また、例えば前進面側歯形曲線の大部分を円弧状に形成する場合（第２の比較例）と比べ、下記の特性を向上させることができる。

（１）雌ロータのガストルク
図７は、前進面側歯形曲線の楕円弧部１３の半短径及Ｒｘ及び半長径Ｒｙをパラメータとして計算した、雌ロータ２に作用するガストルク（但し、ガストルクは一般に一つの噛み合いを周期として変動するので平均値）を一例として表す特性図である。この図４においては、計算条件として、雄ロータ１の直径１２５ｍｍ、雌ロータ２の直径１００ｍｍ、雄ロータ１の回転中心８と雌ロータ２の回転中心９との間の距離９１．７ｍｍ、雄ロータ１及び雌ロータ２の軸方向長さ１７５ｍｍ、吸入圧力１００ｋＰａ（絶対圧）、吐出圧力８００ｋＰａ（絶対圧）と仮定している。

この図７に示すＡ群（半短径Ｒｘ＜半長径Ｒｙの条件を満たすもの）が本実施形態の楕円弧部１３に相当し、Ｂ群（半短径Ｒｘ＝半長径Ｒｙの条件を満たすもの）が第２の比較例の円弧部（図示せず）に相当するものである。雌ロータ２のガストルクは、半短径Ｒｘが小さいほど、半長径Ｒｙが大きいほど大きくなる。雌ロータ２のガストルクは、設計の裁量で正負のいずれかを選択するものの、絶対値が小さくなるのを避ける必要がある。ガストルクの絶対値が小さいと、１回転あるいは１つの噛み合いの過程でガストルクが正負を往復し、慣性力等が加わって雄ロータ１及び雌ロータ２の歯面が離脱と衝突を繰り返す現象に至ることがあり、このような場合には振動騒音が増大し歯面が損傷する恐れがあるからである。したがって、雌ロータ２のガストルクはある程度大きくすることが好ましく、図７に示す範囲では半短径Ｒｘ＝２１ｍｍ、半長径Ｒｙ＝３０ｍｍと設定したときに、雌ロータ２のガストルクを最も大きくすることができ、その値（＋４．７Ｎ・ｍ）はＢ群における値のいずれよりも大きくすることができる。

（２）シール線の長さ
図８は、前進面側歯形曲線の楕円弧部分１３の半短径Ｒｘ及び半長径Ｒｙをパラメータとして計算した、前進面側のシール線の長さ（歯底点７から隣接する歯溝の始点２０（前述の図２参照）までの歯形曲線に対応する立体歯面上での長さ）を一例として表す特性図である。この図８においては、前述の図７と同じ計算条件を仮定している。

この図８に示すＡ群が本実施形態の楕円弧部１３に相当し、Ｂ群が第２の比較例の円弧部に相当するものである。前進面側のシール線の長さは、半短径Ｒｘによる変化は比較的小さいものの、半長径Ｒｙによる変化は比較的大きくなる。シール線の長さは、圧縮機の内部漏洩を低減する意味で短い方が好ましく、図８に示す範囲では半短径Ｒｘ＝２１ｍｍ、半長径Ｒｙ＝３０ｍｍと設定したときに、最も小さくすることができ、その値（４６．３ｍｍ）はＢ群における値のいずれよりも小さくすることができる。

なお、上記一実施形態においては、雌ロータ２の前進面側歯形曲線の楕円弧部１３は、半短軸が歯底点７及びピッチ点１５を結ぶ線分であり、半短径が歯底点７とピッチ点１５との間の距離（言い換えれば、雌ロータ２の歯元のたけ）である場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば半短軸が雌ロータ２の回転中心９及び歯底点７を結ぶ直線上にあり、かつ半短径が雌ロータ２の歯元のたけより大きくなるように形成してもよい。また、例えば半短軸が歯底点７及びピッチ点１５を結ぶ直線に対し傾斜してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、雌ロータ２の前進面側歯形曲線は、歯底点７を通るピッチ点１５中心の円弧１６の外側に位置するように、１つの楕円弧部１３を有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば互いに滑らかに接続された複数の楕円弧部を有してもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、スクリュー流体機械の一つであるスクリュー圧縮機を例にとって説明したが、これに限られず、真空ポンプや膨張機等に適用してもよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態であるスクリュー圧縮機の構造を表す径方向断面図である。 本発明の一実施形態であるスクリュー圧縮機における雄ロータ及び雌ロータの噛み合いを表す部分拡大径方向断面図である。 本発明の一実施形態であるスクリュー圧縮機における雌ロータ側の作動室を説明するための透視側面図である。 第１の比較例のスクリュー圧縮機における雄ロータ及び雌ロータの噛み合いを表す部分拡大径方向断面図である。 第１の比較例のスクリュー圧縮機における雄ロータ及び雌ロータの噛み合いを表す部分拡大径方向断面図である。 第１の比較例のスクリュー圧縮機における雌ロータ側の作動室を説明するための側面図である。 雌ロータの前進面側歯形曲線の楕円弧部分の半短径及び半長径をパラメータとして計算した雌ロータのガストルクを一例として表す特性図である。 雌ロータの前進面側歯形曲線の楕円弧部分の半短径及び半長径をパラメータとして計算した前進面側のシール線の長さを一例として表す特性図である。

符号の説明

１ 雄ロータ
２ 雌ロータ
７ 歯底点
８ 回転中心
１０ 外周点
１１ ピッチ円
１２ 終点
１３ 楕円弧部
１４ 曲線部
１５ ピッチ点
１６ 円弧

Claims (3)

1. 回転軸が平行で互いに噛み合いながら回転する雄ロータ及び雌ロータを有する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径方向最内の歯底点から径方向最外の外周点までの前進面側の歯形曲線は、前記歯底点を通るピッチ点中心円弧の外側に位置するように、その大部分を楕円弧状に形成することを特徴とするスクリュー流体機械。
2. 請求項１記載のスクリュー流体機械において、前記前進面側歯形曲線は、前記歯底点を始点とした楕円弧部を有し、この楕円弧部は、半短軸が前記雌ロータの回転中心及び前記歯底点を結ぶ直線上にあり、かつ半短径が前記雌ロータの歯元のたけ以上であることを特徴とするスクリュー流体機械。
3. 請求項２記載のスクリュー流体機械において、前記楕円弧部の終点が前記雌ロータのピッチ円の内側に位置し、この楕円弧部の終点を変曲点として滑らかに接続され前記外周点まで形成された曲線部を有し、この曲線部より前記楕円弧部が長いことを特徴とするスクリュー流体機械。

Images