JP2009144683A - オイルフリースクリュー圧縮機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オイルフリースクリュー圧縮機において、ケーシング熱変形を低減してロータとケーシング間の隙間を適切に保って性能及び信頼性を確保するとともに、圧縮作動室内での錆びの発生を防止し、加えて放射音を低減する。
【解決手段】ケーシング１は、そのロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部１ａと、前記内側部１ａの外側及び前記軸受およびシールの収納部となる外側部１ｂとで構成され、前記内側部１ａをセラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で、前記外形部１ｂを金属材料もしくは樹脂で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮室内部への給油を行なわないオイルフリースクリュー圧縮及びその製造方法に係り、更に詳しくは、熱変形による信頼性および性能低下の防止、不錆化、軽量化等を可能とするオイルフリースクリュー圧縮及びその製造方法に関するものである。

オイルフリースクリュー圧縮機は、圧縮作動室に潤滑油等を給油しない状態で運転する圧縮機であり、一般に、螺旋状の歯を備え噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、これら雄ロータ及び雌ロータを収納して圧縮作動室を形成するとともに、圧縮作動室に空気を吸入する吸入ポート及び圧縮作動室から圧縮空気を吐出する吐出ポートが形成されたケーシングと、雄ロータ及び雌ロータを回転可能に支持する吸入側及び吐出側の軸受と、これら吸入側及び吐出側の軸受を潤滑するグリース又は潤滑油が圧縮作動室に侵入しないようにそれぞれ設けたオイルシール等のシール部材とを備えている。

オイルフリースクリュー圧縮機では、圧縮作動室に給油をしないため、圧縮作動室を構成するロータ及びケーシングは、高温空気にさらされ、ロータ及びケーシング自身も高温となり、ロータとケーシングとの間のクリアランスに維持されず、圧縮性能等の性能を低下させることがある。

この点を改善するために、例えば、ロータの外周面及びケーシングの内面に、硬化層を形成するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開平３−１７９１９０号公報

前述したオイルフリースクリュー圧縮機においては、吐出圧縮空気に油分を含まない圧縮機であるので、産業用空気源として広く用いられているとともに、ロータ及びケーシングは、更に高温空気にさらされるという環境になっている。

高温によるロータ及びケーシングの熱変形量低減のために、ケーシングにジャケットを設けた液冷方式が用いられているが、熱交換による放熱量に限界があるため、ケーシング高温部の大きな熱変形は依然として存在しているのが現状である。

また、オイルフリースクリュー圧縮機を、車載用燃料電池に空気を供給する圧縮機として使用する場合、軽量化のためにケーシングをアルミ合金で製作する場合がほとんどであるが、アルミ合金の線膨張係数が大きいため、熱変形が大きく、そのため、特に性能の低下が大きくなり、これを防止することも大きな課題となっている。

また、上記のようなジャケット冷却を行なうにあたっては、水その他の冷却液の循環系統を設ける必要があり、圧縮機本体にジャケットを設ける必要があるとともに、冷却液を循環するためのポンプや配管、冷却液を冷やすクーラ、さらにはそれらを制御する機器等が必要となり、圧縮機全体のシステムが複雑となる。

更に、錆びの問題に対しては、ロータにコーティングを施すことにより防錆効果を得ているが、ケーシングに対しては、コーティング面が空洞内面であり、またロータのような回転対象でないため、ロータに比して一様な塗付が難しい。また、コーティングに要する工程も増加するため実施しがたいという問題がある。また、コーティングは運転に伴い剥れ落ちる可能性もあり、確実な防錆効果が期待できない。

また、騒音については、脈動の周波数と配管系の固有周波数との共鳴を避けたり、吐出配管にサイレンサを設けるなどして吐出空気の脈動低減を図ることにより低騒音化を図ってはいるが、ケーシングからの振動に基づく放射音についてはこれらの方法では抑えることができず、課題となっている。例えば、燃料電池自動車は、モータで駆動されるため、エンジン自動車に比べて騒音が低いため、燃料電池自動車に適用する場合、圧縮機の騒音が目立つようになるから、圧縮機の低騒音化が望まれている。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、圧縮機の性能及び信頼性の確保が可能で、発錆の防止を可能にすることができるオイルフリースクリュー圧縮機及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、螺旋状の歯を備え噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、前記雄ロータ及び雌ロータを収納して圧縮作動室を形成するケーシングと、前記雄ロータ及び雌ロータを回転可能に支持する軸受と、前記軸受を潤滑する潤滑油やグリース等及びこれらが前記圧縮作動室に侵入しないように設けたシールなどを備えたオイルフリースクリュー圧縮機において、前記ケーシングは、そのロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部と、前記内側部分の外側及び前記軸受およびシールの収納部となる外側部とで構成され、前記内側部をセラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で、前記外形部を金属材料もしくは樹脂で構成したことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、請求項１に記載のオイルフリースクリュー圧縮機において、前記ケーシングにおけるセラミックの内側部は、金属の外側部を鋳包むことにより前記外側部に結合したことを特徴とする。

さらに、第３の発明は、第２の発明において、前記ケーシングにおける内側部と前記外側部とは、嵌合により結合したことを特徴とする。

また、第４の発明は、第２又は第３の発明において、前記ケーシングにおける内側部は、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で、前記外形部は、鋳鉄であることを特徴とする。

さらに、第５の発明は、第２又は第３の発明において、前記ケーシングにおける内側部は、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で、前記外形部は、アルミまたはアルミ合金であることを特徴とする。

また、第６の発明は、第４又は第５の発明において、前記ケーシングにおける内側部のセラミック材料は、窒化ケイ素セラミックであることを特徴とする。

さらに、第７の発明は、螺旋状の歯を備え噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、前記雄ロータ及び雌ロータを収納して圧縮作動室を形成するケーシングと、前記雄ロータ及び雌ロータを回転可能に支持する軸受と、前記軸受を潤滑する潤滑油やグリース等及びこれらが前記圧縮作動室に侵入しないように設けたシールなどを備えたオイルフリースクリュー圧縮機の製造方法において、前記ケーシングは、そのロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部を、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で成形し、この内側部の外周に、金属材料もしくは樹脂を鋳包むことにより、前記内側部の外周に外周部を形成したことを特徴とする。

また、第８の発明は、螺旋状の歯を備え噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、前記雄ロータ及び雌ロータを収納して圧縮作動室を形成するケーシングと、前記雄ロータ及び雌ロータを回転可能に支持する軸受と、前記軸受を潤滑する潤滑油やグリース等及びこれらが前記圧縮作動室に侵入しないように設けたシールなどを備えたオイルフリースクリュー圧縮機の製造方法において、前記ケーシングは、そのロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部を、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で成形し、その外側部を金属材料もしくは樹脂で成形し、前記内側部を前記外側部内に嵌合により結合して形成したことを特徴とする。

本発明のオイルフリースクリュー圧縮機によれば、ケーシングを、ロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部と、前記内側部分の外側及び前記軸受およびシールの収納部となる外側部とで構成し、前記内側部をセラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で、前記外形部を金属材料もしくは樹脂で構成したので、ケーシングの熱膨張による変形を抑えることができ、運転時におけるロータとケーシング間の隙間を適切に保つことが可能となる。その結果、圧縮機の性能及び信頼性の確保が可能となる。また、オイルフリースクリュー圧縮機における問題である圧縮作動室内に発生する錆びを防止することができ、またケーシング放射音をも低減することができる。

本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の製造方法によれば、記ケーシングは、ロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部を、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で成形し、内側部の外周に、金属材料もしくは樹脂を鋳包むことにより、内側部の外周に外周部を形成し、また、内側部を外側部内に嵌合により結合して形成し製作することができるので、軸受やシール収納部などの部分については機械加工の容易性を保ったままで高温部の大きな熱変形を防止できる。その結果、ロータとケーシングとの隙間を適切に保つことができ、性能及び信頼性の低下を防止することができ、また、オイルフリースクリュー圧縮機における問題である圧縮作動室内に発生する錆びを防止することができ、またケーシング放射音をも低減することができる。

以下、本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の実施の形態を図面を用いて説明する。 図１乃至図４は、本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を示すもので、図１は、本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態の縦断面図、図２は、図１に示す本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を構成するケーシングの内側部を吸込側から見た斜視図、図３は図１に示す本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を構成するケーシングの内側部を反転して吐出側から見た斜視図、図４は、本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を構成するケーシングの内側部及び外側部に用いる材料の特性を示す特性図である。
図１において、オイルフリースクリュー圧縮機は、ケーシング１と、このケーシング１内に収納した雌雄一対のスクリューロータ２，３と、ロータ２，３を支える軸受４，５と、駆動力を伝達するギヤ６と、さらには軸受４，５を潤滑する潤滑油やグリースを圧縮空気側に洩れ出ないようにするシール７，８などから構成されている。

ケーシング１は、圧縮作動室を形成し、ロータ２，３に対向する内側部分（以下内側部という）１ａと、内側部１ａの外側及び軸受４，５およびシール７，８の収納部となる外形部（以下外側部という）１ｂとで構成されている。

内側部１ａの部品単体を、それぞれ吸込側及び吐出側から見た具体的な形状を図２及び図３にそれぞれ示す。この例では、内側部１ａは、厚さ５ｍｍ前後の殻状の構造で、吸込側端部は全面が開いた構造に成っており、この端部には吸込ケーシング９が設けられている。また、吐出側端部は吐出ポート１０及び軸孔１１の部分が開いた構造となっている。この実施の形態においては、内側部１ａ部品の材料としてアルミナセラミックを、また、外形部１ｂの材料としては一般的な金属として鋳鉄を用いている。

次に、上述した本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を構成するケーシングの製造方法の一例を説明する。
内側部１ａは、セラミックであり、焼結によって製作する。その内筒面及び底面は精度がよく滑らかな面であることが要求されるので、研削及び研磨によって仕上げる。研削及び研磨は、内側部１ａの部品が単体の段階で行なう。また、Ｄポート１０部分についても単体の段階であれば、焼結及び研削、研磨により比較的容易に製作することができる。

外側部１ｂは、鋳造によって製作するが、鋳造時に内側部１ａを鋳包むことによって結合する。両者を結合した後、内側部１ａの内筒面を基準として外側部１ｂの軸受収納部及びシール収納部等を機械加工により仕上げる。このような製造方法により、切削加工の難しいセラミックを含むケーシングの製作を比較的容易に行なうことができる。

本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を構成するケーシングの内側部１ａ及び外側部１ｂに用いる材料の諸特性の概値の特性図を、図４に示す。この図４には、内側部１ａの材料として用いるセラミックとしては、アルミナセラミック、窒化ケイ素セラミックを、外側部１ｂの材料としては鋳鉄、アルミ合金について記しており、上述の実施の形態においては、内側部１ａの材料と外側部１ｂとの材料の組み合わせを、セラミック材料と鉄の組合せとしたが、図４に示すようにセラミックの密度は、鉄に較べて１／３程度であるとともに、その弾性率が鋳鉄の２〜３倍と高いので、この組み合わせによれば、ケーシング１の撓み変形も少なくすることができる。

また、上述の実施の形態においては、内側部１ａの材料と外側部１ｂとの材料の組み合わせを、セラミック材料と鉄の組合せとしたが、セラミックとして窒化ケイ素を用いれば、図４からもわかるように、また窒化ケイ素は、耐衝撃性が高いため、熱変形がより小さくかつ振動などによるロータとケーシングとの衝突に対して耐衝撃性の高いケーシングの製作が可能となる。

更に、圧縮作動室を構成する内側部１ａをセラミックとすることにより、オイルフリースクリュー圧縮機で問題となる錆びの発生を防止することができる。

上述した本発明の実施の形態によれば、ケーシングの熱膨張による変形を抑えることができ、運転時におけるロータとケーシング間の隙間を適切に保つことが可能となる。その結果、圧縮機の性能及び信頼性の確保が可能となる。また、オイルフリースクリュー圧縮機における問題である圧縮作動室内に発生する錆びを防止することができ、またケーシング放射音を低減することができる。

次に、上述した本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の他の実施の形態、及びそのケーシングの製造方法の他の例を説明する。
この実施の形態においては、ケーシング１を構成する内側部１ａの材料にセラミックを用い、外側部１ｂの材料にアルミ合金を用いる。内側部１ａ及び外側部１ｂの構成は、図２及び図３に示すものと同様であるので、その詳細な説明を省略するが、外側部１ｂは線膨張係数の大きいアルミ合金であるため、内側部１ａを外側部１ｂに嵌合させることにより、両者を結合している。

内側部１ａの外面は焼結体であるため、研磨をしない状態では表面が粗いが、両者の嵌合時に外側部１ｂを加熱して嵌合すれば、外側部１ｂの内径が十分大きくなり嵌合可能となる。

この実施の形態によれば、図４に示すように、外側部１ｂのアルミ合金材料に較べて、内側部１ａのセラミック材料は、熱変形が１／５程度と少なく、アルミ合金ケーシングにおける大きな問題である大きな性能低下を防止することができると共に、前述した実施の形態と同様な効果をえることができる。

次に、上述した本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の更に他の実施の形態及びそのケーシングの製造方法の更に他の例を説明する。
この実施の形態においては、内側部１ａの材料として、金属とセラミックの複合材料を用いる場合の例を示す。内側部１ａ及び外側部１ｂの構成は、図２及び図３に示すものと同様であるので、その詳細な説明を省略する。

内側部１ａの材料として用いる金属とセラミックの複合材料は、金属と同レベルの熱伝導性を有し、さらに熱膨張係数が小さいという特徴があるので、内側部品１ａとして用いることにより、ケーシング１を一様で小さい熱変形にとどめることができ、ロータとケーシングとの隙間を適切に保つことができ、性能及び信頼性の確保が可能となる。

また、金属とセラミックの複合材料は、振動吸収性にも優れ、オイルフリースクリュー圧縮機で特に大きい騒音のうちケーシングからの放射音を低減することができる。このため、車載用燃料電池に空気を供給する圧縮機として使用する場合に好適である。

次に、次に、上述した本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の更に他の実施の形態及びそのケーシングの製造方法の更に他の例を図５を用いて説明する。
この実施の形態は、圧縮機のケーシングを一体で鋳造する。材料としては鋳鉄を用い、ケーシングの高温となる部分にはセラミック強化剤を加えた鋳物湯を供給して鋳造する。オイルフリースクリュー圧縮機においては、図５の点ハッチングを施した吐出部分１２が圧縮機運転時にケーシングが高温となる部分であり、熱変形が大きくなる部分である。このような高温部に部分的に強化剤が供給されるよう調整をすることにより、軸受やシール収納部などの部分については機械加工の容易性を保ったままでかつ高温部の大きな熱変形を防止し、その結果、ロータとケーシングとの隙間を適切に保つことができ、性能及び信頼性の確保が可能となる。

本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態の縦断面図である。 図１に示す本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を構成するケーシングの内側部を吸込側から見た斜視図である。 図１に示す本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を構成するケーシングの内側部を反転して吐出側から見た斜視図である。 本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の一実施の形態を構成するケーシングの内側部及び外側部に用いる材料の特性を示す特性図である。 本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の他の実施の形態を一部断面にて示す斜視図である。

符号の説明

１ ケーシング
１ａ 内側部
１ｂ 外側部
２ スクリューロータ
３ スクリューロータ
４ 軸受
５ 軸受
６ ギヤ
７ シール
８ シール
９ 吸込側ケーシング
１０ 吐出ポート

Claims (8)

1. 螺旋状の歯を備え噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、前記雄ロータ及び雌ロータを収納して圧縮作動室を形成するケーシングと、前記雄ロータ及び雌ロータを回転可能に支持する軸受と、前記軸受を潤滑する潤滑油やグリース等及びこれらが前記圧縮作動室に侵入しないように設けたシールなどを備えたオイルフリースクリュー圧縮機において、
   前記ケーシングは、そのロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部と、前記内側部分の外側及び前記軸受およびシールの収納部となる外側部とで構成され、前記内側部をセラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で、前記外形部を金属材料もしくは樹脂で構成したことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
2. 請求項１に記載のオイルフリースクリュー圧縮機において、
   前記ケーシングにおけるセラミックの内側部は、金属の外側部を鋳包むことにより前記外側部に結合したことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
3. 請求項１に記載のオイルフリースクリュー圧縮機において、
   前記ケーシングにおける内側部と前記外側部とは、嵌合により結合したことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
4. 請求項２又は３に記載のオイルフリースクリュー圧縮機において、
   前記ケーシングにおける内側部は、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で、前記外形部は、鋳鉄であることを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
5. 請求項２又は３に記載のオイルフリースクリュー圧縮機において、
   前記ケーシングにおける内側部は、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で、前記外形部は、アルミまたはアルミ合金であることを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
6. 請求項４又は５に記載のオイルフリースクリュー圧縮機において、
   前記ケーシングにおける内側部のセラミック材料は、窒化ケイ素セラミックであることを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
7. 螺旋状の歯を備え噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、前記雄ロータ及び雌ロータを収納して圧縮作動室を形成するケーシングと、前記雄ロータ及び雌ロータを回転可能に支持する軸受と、前記軸受を潤滑する潤滑油やグリース等及びこれらが前記圧縮作動室に侵入しないように設けたシールなどを備えたオイルフリースクリュー圧縮機の製造方法において、
   前記ケーシングは、そのロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部を、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で成形し、
   この内側部の外周に、金属材料もしくは樹脂を鋳包むことにより、前記内側部の外周に外周部を形成したことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機の製造方法。
8. 螺旋状の歯を備え噛み合うように回転する雄ロータ及び雌ロータと、前記雄ロータ及び雌ロータを収納して圧縮作動室を形成するケーシングと、前記雄ロータ及び雌ロータを回転可能に支持する軸受と、前記軸受を潤滑する潤滑油やグリース等及びこれらが前記圧縮作動室に侵入しないように設けたシールなどを備えたオイルフリースクリュー圧縮機の製造方法において、
   前記ケーシングは、そのロータを収納して圧縮作動室を形成する内側部を、セラミック材料もしくは金属およびセラミックの複合材料で成形し、その外側部を金属材料もしくは樹脂で成形し、前記内側部を前記外側部内に嵌合により結合して形成したことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機の製造方法。

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