JP2009264323A - ロータ、圧縮機およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に高精度なプロフィールを有するロータおよびそのロータを用いた圧縮機を提供する。
【解決手段】ロータの心金と、該心金の外側に概略最終形状で成形した樹脂とを含み、該樹脂の表面に機械仕上げを施す。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータ、圧縮機およびそれらの製造方法に関する。

従来、スクリュー圧縮機に用いられるらせん状ねじロータは、中実の金属素材を切削することによって製作されていた。しかし、切削において多量の材料を除去する必要があること、および切削時間が長時間に及ぶことが問題となっていた。

特許文献１には、丸棒状の金属軸の周囲にガラス繊維などで強化した複合樹脂を多数層モールドし、さらに、その外周部に薄い樹脂層を形成するねじロータの製造方法が開示されている。

特許文献２には、金属製軸の周囲に合成樹脂製のロータを形成したスクリューロータにおいて、軸とロータとの間の固着力を強固なものとし、温度変化により生じる固着部の集中応力の排除し、軸表面の錆を防止するため、合成樹脂材を被覆する軸部分にロータの軸方向移動を拘束する段差を設けるとともに、被覆軸部分の表面に螺旋溝または波形溝を施し、螺旋溝または波形溝の断面形状を、角のない滑らかな輪郭線により形成したスクリューロータが開示されている。

特許文献３には、軸とロータとの固着力保持のため、熱膨張率と樹脂製ロータが液状流体と接触した場合の寸法変化率とを考慮した数式によって螺旋溝の高さ寸法を設定した樹脂ロータ圧縮機が開示されている。

特表平０３−５０３６６７号公報 特開平０９−２６４２７６号公報 特開２００４−０３６５８５号公報

容積形圧縮機である水潤滑スクリュー圧縮機はロータ間に水を噴射することで、ロータ間、ロータとケーシングとの隙間などが水でシールされることから、水を噴射しないオイルフリースクリュー圧縮機に比べて漏れが少なく高性能である。

しかし、現状では樹脂ロータ全体を成形で製作し、表面のロータプロフィール（輪郭）を成形加工のまま使用すると、熱収縮によりロータの歯形に十分な形状精度が得られず、十分な性能は得られない。また、ローブ部を樹脂で成形する際、樹脂の肉厚を大きく、歯先部と歯底部とで厚さを不均一にすると成形時の気泡の発生や、熱収縮により樹脂部の成形精度（品質）が低下する。

また、金属軸を丸棒状にすると、ロータの回転に伴い、ローブ部の樹脂と金属軸との間で剥離を生じる危険性があり、金属の軸に面取りなど回り止めを施す必要がある。

また、ローブ部をガラス繊維などの強化材を充填した複合樹脂で成形し、ローブ部の外周のプロフィールを機械仕上げにより行うと、ガラス繊維が飛散して、機械加工の周囲へ悪影響が生じる。また、ガラス繊維の混入した樹脂の切削屑が多量に出るため、その処理が困難であり、ロータのプロフィール仕上げを行う機械の工具寿命も短くなるといった課題がある。

本発明の目的は、非常に高精度なプロフィールを有するロータおよびそのロータを用いた圧縮機を提供することにある。

本発明によるロータは、心金と、該心金の外側に概略最終形状で成形した樹脂とを含み、該樹脂の表面に機械仕上げの痕跡を有することを特徴とする。

本発明によれば、非常に高精度なプロフィールを有するロータが得られる。また、本発明によれば、機械加工による切削量を大幅に低減でき、加工時間を短縮できるとともに、切削屑の廃棄処分量を低減できる。さらに、本発明によれば、信頼性が高く、高精度で耐食性のあるロータを供給でき、このロータを用いた圧縮機を高性能化することができる。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

図１に本発明の実施例を示す。水潤滑スクリュー圧縮機１は、ケーシング４の中に一対の雄ロータ２と雌ロータ３とが噛み合った状態で収納され、スクリューロータを形成している。ロータ２、３の両端はそれぞれ、吸入側軸受６と吐出側軸受５とで回転支持されている。また、スクリューロータの吸入側端部には吸入管７に連通した吸入ポート（図示せず）があり、吸入ポートからロータ溝間に空気を吸い込み、ロータ２、３の回転に伴って空気を圧縮している。その後、圧縮した空気は吐出圧に達するロータ２、３の位置に設定されたケーシング４の吐出ポート（図示せず）から吐出される。また、シール作用、冷却作用および潤滑作用を得るため、ケーシング４に設けた給水穴１０から圧縮過程にあるロータ２、３に水が噴射される。

噴射された水は、ロータ２、３の溝、ケーシング４のボアおよびケーシング４の端面で形成される圧縮空間に供給されるため、通常、ロータ２、３とケーシング４との間に形成される隙間よりも大きな異物が混入するのを防止する必要がある。そのため、粒子径が１０μｍより大きい異物を除去するフィルタを設ける必要がある。

また、水の水素イオン濃度（ｐＨ）は７前後の中性とすることが望ましく、低温側は、凍結防止および機械損失低減のため、水温は１０℃以上とし、高温側は、ロータ２、３およびケーシング４の線膨張率の差から生じる隙間の増加を抑制し、樹脂の剛性低下を防止するため、６０℃以下で使用することが望ましい。ただし、循環水の殺菌のため、８５℃前後で３０分程度の運転を可能とする必要がある。

また、ロータ２、３は中圧仕様の吐出圧力１．３ＭＰａにおいて、ロータ２、３の歯の厚さが薄い雌ロータ３の歯のたわみを１０μｍ以下に抑制する剛性が必要である。

なお、給水穴１０は、図１においてロータ２、３上部に実線で記載しているが、実際には、ロータ２、３の圧縮側に面したケーシング４に設けてあり、図１のロータ２、３の下側に位置する。なお、雄・雌各ロータ２、３の軸受５、６の潤滑に関して、例えば吸入側をグリースによる潤滑とし、吐出側は、はねかけ用円板８によりオイルジャケット９に封入した油をはねかけて潤滑を行う。また、グリースまたははねかけで潤滑する軸受のロータ側端部にはシール部１４を設けてあり、吐出側軸受のシール部１４とロータ２、３の圧縮室との間にはパージ穴１６を設けてあり、軸受を潤滑した油がロータ２、３の圧縮室側へ混入するのを防止している。

つぎに、図２に耐食性を向上するために樹脂を用いた雄ロータ２の横断面図を示す。また、図３には雄ロータ２の中心軸を含む縦断面図を示す。

雄ロータ２は、概略ローブ形状をした芯金１５の外周に、ガラス繊維、カーボン粒子、セラミック粒子または金属粒子などで強化した、耐熱性の高いエンジニアリングプラスチックなどの複合樹脂１１を成形してある。複合樹脂１１を成形する際は、外形が仕上がり寸法よりも外表面樹脂１２の厚さだけ小さい寸法として概略ローブ形状となるように成形する。さらに、この複合樹脂１１の外側に、複合樹脂１１との相溶性を有する樹脂を用いて外表面樹脂１２を成形する。例えば、複合樹脂１１の基材として用いている樹脂などが望ましい。ここで、樹脂成形による雄ロータ２の概略ローブ形状を概略最終形状と呼ぶことにする。

そして、外表面樹脂１２のエンジニアリングプラスチック層を機械加工で概略最終形状から仕様の精度のロータプロフィール形状に仕上げている。ここで、仕様の精度は、１００μｍ以下、望ましくは５０μｍ以下、更に望ましくは２０μｍ以下である。

外周面のエンジニアリングプラスチックの成形工程においては、機械加工で切削する最小限の削り代を加えた寸法で概略最終形状に成形しておくことが望ましい。これにより、短時間で機械加工を完了することができ、切削屑の排出も低減できる。

本実施例では、心金１５を概略ローブ形状としたが、心金１５の形状は概略ローブ形状に限定されるものではなく、円筒形でもかまわない。円筒形の場合は、心金１５の表面に凹部または凸部を設けることにより、心金１５と樹脂１１との密着性を高め、樹脂１１の剥離を防止することが望ましい。

また、本実施例では、樹脂１１の外側を外表面樹脂１２で被覆しているが、樹脂１１を外表面に露出させた状態で機械加工を行い、仕様の精度のロータプロフィール形状に仕上げてもよい。これにより、製造工程を簡略化することができる。

外表面樹脂１２は、厚さ５ｍｍ以下として全周をほぼ均一な肉厚とすることが望ましい。外表面樹脂１２の内側に設ける、剛性や耐熱性の高い複合樹脂１１の比率を大きくすることにより、ロータ２、３の強度や信頼性を高めることができる。

図５は、スクリューロータ表面をシングルカッタによる機械加工で仕上げた場合に、加工後にロータ表面に残存する加工痕を示したものである。本図において、外表面樹脂１２表面の加工痕１０１は波線状の模様として示してある。これは、シングルカッタで加工する場合、断面形状が歯溝形状をしたシングルカッタを角速度ω_２で回転させながらロータの回転（角速度ω_１）に同期させ、シングルカッタを軸方向に速度ζで移動させて歯筋に沿って歯溝を加工するために生じる痕跡である。機械加工においては、シングルカッタだけでなく、ホブなどの切削機械を用いてもよい。

また、図４に雄ロータ２の心金１５とその外側に設ける複合樹脂との密着性をよくするために、雄ロータ２のローブ部の心金１５表面に多数の窪み１３を設けた実施例を示す。この上に、複合樹脂を成形すると、心金１５の周囲に充填された複合樹脂がこの窪み１３にも充填されることから密着性が向上する。本実施例では、心金１５に窪み１３を多数設けた場合を示したが、窪み１３は１か所だけでもよい。

なお、ロータに必要な特性としては、（１）成形性が良好、（２）成形収縮率が小さい、（３）吸水性が低い、（４）耐クリープ性が良い、（５）耐溶剤性が高い、（６）耐摩耗性が高い、（７）線膨張係数がケーシングなどの金属材に近い（ガラス繊維などの強化材を混合してもよい）、（８）耐熱性が高い、（９）コストが低い、などがある。これらに適合する樹脂として、ポリスルフォンやポリエーテルイミドなどのエンジニアリングプラスチックが挙げられる。

このほか、ポリアセタール、ポリイミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート，ポリフェニレンスルフィド，ポリエーテルエーテルケトン，ポリイミド樹脂，フッ素樹脂、ポリアミドイミド，ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックも使用可能である。

実施例においては、心金１５が概略ローブ形状をしているため、回転によりロータ２、３にトルクが発生しても樹脂部１１が心金１５から剥離することを防止できる。また、歯厚が比較的薄くなる雌ロータ３においても樹脂１１の歯部に金属が入り込んでいるため、歯部の剛性をあげることができ、歯の撓みを防止できる。さらに、ガラス繊維などの強化材を充填した複合樹脂とで形成する樹脂部１１も概略ローブ形状とすることで複合樹脂部の厚さを均一に、かつ可能な範囲で薄くできるため、成形時に発生する気泡や、ひけ等による成形品質の低下を防止できる。

また、本発明によれば、外周のロータプロフィールを機械仕上げすることで、十分に高精度なプロフィールを有するロータ２が得られる。さらに、本発明によれば、複合樹脂１１のローブ部形状を概略ローブ形状として成形することで外周部の機械加工による切削量を大幅に低減できるため、加工時間を短縮でき、切削屑の廃棄処分量を低減できる。

また、本発明によれば、外周部を内部の複合樹脂１１と相溶性を有する樹脂１２とを用いて成形し、外周部のロータプロフィールを機械仕上げすることで、機械加工が容易となり、機械工具の寿命を延ばすことができる。

また、本発明によれば、心金１５に直接樹脂を薄く成形する場合に比べて、心金１５と樹脂１１との剥離、損傷を防止できる。さらに、本発明によれば、信頼性が高く、高精度な耐食性のある樹脂ロータを供給できることから圧縮機の高性能化が可能となる。

本発明による実施例を示す水潤滑圧縮機の構造の水平方向断面図である。 本発明による実施例を示す雄ロータの軸に直交する断面図である。 本発明による実施例を示す雄ロータの中心軸を含む断面図である。 本発明による実施例を示す雄ロータ芯金の外観図である。 本発明による実施例を示す雄ロータの樹脂表面を機械加工した後の外観斜視図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…雄ロータ、３…雌ロータ、４…ケーシング、５…吐出側軸受、６…吸入側軸受、７…吸入管、８…はねかけ用円板、９…オイルジャケット、１０…給水穴、１１…複合樹脂、１２…外表面樹脂、１３…窪み、１４…シール部、１５…芯金、１６…パージ穴。

Claims (17)

1. 心金と、該心金の外側に最終形状に成形した樹脂とを含み、該樹脂の表面に機械仕上げの痕跡を有することを特徴とするロータ。
2. 前記樹脂の表面に機械仕上げの痕跡が波線状であることを特徴とする請求項１記載のロータ。
3. 前記心金の外側に複数の樹脂層を設け、最も外側の外表面樹脂に機械仕上げの痕跡を有することを特徴とする請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記心金の形状が概略ローブ形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロータ。
5. 前記樹脂がエンジニアリングプラスチックであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のロータ。
6. 前記樹脂が耐熱性の高い複合樹脂であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のロータ。
7. 前記複合樹脂が、ガラス繊維、セラミック粒子、炭素繊維または金属粒子を混合した樹脂であることを特徴とする請求項６記載のロータ。
8. 前記外表面樹脂が、その内側の樹脂と相溶性を有することを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載のロータ。
9. 前記心金の表面に窪みを設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のロータ。
10. 前記外表面樹脂の厚さを５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項３〜９のいずれかに記載のロータ。
11. 前記外表面樹脂がほぼ均一な肉厚を有することを特徴とする請求項１０記載のロータ。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のロータを設けたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
13. 請求項１〜１１のいずれかに記載のロータを複数設け、該ロータ間に水を噴射することを特徴とする水潤滑スクリュー圧縮機。
14. 心金の外側に樹脂で概略最終形状を成形する工程と、該樹脂の表面に機械仕上げを施す工程とを含むことを特徴とするロータの製造方法。
15. 心金の外側に複数の樹脂層を設ける工程と、最も外側の外表面樹脂に機械仕上げを施す工程とを含むことを特徴とするロータの製造方法。
16. 前記機械仕上げに、シングルカッタまたはホブを用いることを特徴とする請求項１４または１５に記載のロータの製造方法。
17. ロータの心金の外側に樹脂で概略最終形状を成形する工程と、該樹脂の表面に機械仕上げを施す工程とを含むことを特徴とする圧縮機の製造方法。

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