JP2016014369A - スクリュー圧縮機およびそのロータの研削仕上げ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
漏れ損失の少ないスクリュー圧縮機を提供する。
【解決手段】
対となる雄ロータと雌ロータを備えるスクリュー圧縮機であって、前記雄ロータと雌ロータとは、吐出側端面よりも中央部側に入った位置において、前記吐出側端面よりも大きい、噛み合いの隙間（加工変形の逃げ部）を有することを特徴とする。そして、吐出側端面近傍において、前記雄ロータと前記雌ロータのリードを一致させ、前記雄ロータと前記雌ロータとの噛み合いの隙間を小さくし、また、吐出側端面と吸入側端面の間の中央部において、前記雄ロータと前記雌ロータのリードを一致させ、前記噛み合いの隙間を小さくする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、スクリュー圧縮機に関する。

圧縮機の１つのタイプとして、らせん状の溝部を有する雌ロータと雄ロータとを組み合わせ、雌雄ロータが回転するにつれて溝部の体積を縮めていき流体を圧縮するスクリュー圧縮機がある。

スクリュー圧縮機の一例として、特公昭５９−１１４２２号公報（特許文献１）には、「スクリューコンプレッサーのロータとして必要な軸直角断面形状と、軸線に対して所定の捩れ角とを有する雌雄一対のロータを組合せて回転させることにより、目的流体を圧縮するようにしたスクリューコンプレッサーのロータの研削仕上げ加工方法において、直交するＸ、Ｙ軸を含む平面上のＹ軸上に、ドレッシング装置、砥石、ロータ素材を配置し、Ｘ、Ｙ軸を含む平面上で、Ｘ、Ｙ軸いずれの方向にも移動可能で、かつその平面に垂直なＺ軸を中心に、該平面内で旋回可能に支持された上記ドレッシング装置のダイヤモンド刃の先端に、上記ロータの歯形形状および上記砥石の外径寸法に対応した砥石の所要断面形状を得るに必要な運動軌跡をＮ−Ｃ制御して描かせることにより、また、上記運動軌跡を、砥石、外径の変化に基づく上記所要断面形状の変化量が製品ロータとしての加工精度の許容範囲内にある間は一定に保ち、許容範囲を越える毎に新たな運動軌跡に更新することにより、上記Ｙ軸を含む水平面内にあり、Ｙ軸と直交する軸心を有する回転軸に支持され、かつ中心が上記軸心とＹ軸との交点と一致せる上記円盤状の砥石にそれを回転させて上記制御されたダイヤモンド刃の先端の運動軌跡に相応する形状を付与すると共に、上記ドレッシング装置および砥石とを、Ｙ軸を中心にロータの捩れ角に対応した角度だけ傾斜させて、上記ロータ素材および砥石とを回転させると共に、上記ロータ素材あるいは砥石のいずれか一方、または双方を、上記ロータ素材の軸線に沿い平行移動させて研削するようにしたことを特徴とするスクリューコンプレッサーのローターの研削仕上げ加工方法。」と記載されている（請求項１参照）。

特公昭５９−０１１４２２号公報

前記特許文献１には、砥石を用いてスクリュー圧縮機のロータを高精度に加工する研削仕上げ加工方法が記載されている。しかし、特許文献１の方法で加工されたロータの溝部は軸両端付近で加工精度が低下する。これは、砥石がロータ素材を加工する際に接触する加工領域が、ロータ軸方向に幅を持って分布しており、ロータ溝部の軸両端付近では研削力が変化し、ロータ、治具、工作機械、砥石等の変形量が変化するためである。

このようなロータを用いたスクリュー圧縮機では、雌ロータと雄ロータの噛み合わせに誤差が生じ、作動流体が漏れ、効率が低下する。特に、ロータ溝部の吐出側端部はスクリュー圧縮機を運転する際に高圧となる部分であり、吐出側端部の加工精度が低いと漏れによる損失が大きい。

そこで、本発明は、漏れ損失の少ないスクリュー圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、本発明のスクリュー圧縮機の一例を挙げるならば、対となる雄ロータと雌ロータを備えるスクリュー圧縮機であって、前記雄ロータと前記雌ロータとは、吐出側端面よりも中央部側に入った位置において、前記吐出側端面よりも大きい、噛み合いの隙間を有することを特徴とする。

本発明のスクリュー圧縮機において、前記雄ロータおよび前記雌ロータは、吐出側端面近傍において、前記雄ロータと前記雌ロータのリードを一致させ、前記雄ロータと前記雌ロータとの噛み合いの隙間を小さくし、前記吐出側端面よりも中央部側に入った位置において、前記噛み合いの隙間を、前記吐出側端面よりも、大きくするのが好ましい。

また、本発明のスクリュー圧縮機において、吐出側端面と吸入側端面の間の中央部において、前記雄ロータと前記雌ロータのリードを一致させ、前記雄ロータと前記雌ロータとの噛み合いの隙間を小さくするのが好ましい。

また、本発明のスクリュー圧縮機において、前記雄ロータおよび前記雌ロータの、前記吐出側端面よりも中央部側に入った位置における前記吐出側端面よりも大きい噛み合いの隙間は、吐出しポートが開く瞬間の噛合い部の位置よりも吸入側に位置するのが好ましい。

本発明のスクリュー圧縮機の他の一例を挙げれば、対となる雄ロータと雌ロータを備えるスクリュー圧縮機であって、前記雄ロータおよび前記雌ロータの吐出側端部付近を、リード補正により高精度化し、圧縮流体の漏れを低減したことを特徴とするものである。

本発明のロータの研削仕上げ加工方法の一例を挙げるならば、スクリュー圧縮機のロータの研削仕上げ加工方法であって、傾斜した砥石をロータ軸方向に平行移動させると共に、前記ロータを回転させることで所定のロータ溝形状を加工する場合に、前記ロータの吐出側端面近傍を加工する際、研削力により溝の歯形断面形状が変形する量に応じて、理論値に補正量を加えて加工し、変形の影響を打ち消すことを特徴とするものである。

また、本発明のロータの研削仕上げ加工方法は、前記ロータの吐出側端面近傍を加工する際、研削力により溝の歯形断面形状が回転する量に応じて、ロータ回転軸を理論値に補正量を加えて回転させ、ねじれ変形の影響を打ち消すことが好ましい。

本発明によれば、雌ロータと雄ロータとの吐出側の隙間（加工変形の逃げ部）を、吐出側端面よりも中央部側に配置することにより、漏れ損失の少ないスクリュー圧縮機を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

スクリュー圧縮機のロータ溝部加工装置の一例を示す図である。 ロータ溝部を加工する際の、砥石の位置と研削力について説明する図である。 雌雄ロータの噛み合わせを各ロータのリードに沿って表した模式図である。 スクリュー圧縮機の圧縮工程を説明する図である。 本発明の雌雄ロータの噛み合わせを各ロータのリードに沿って表した模式図である。 ロータの研削仕上げ加工方法について説明する図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は、スクリュー圧縮機のロータを研削仕上げ加工する装置の例であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。ロータ１は工作機械２に両側からセンター２１を介して固定される。また、工作機械２はロータ１に固定された回し金２２と工作機械２の回転軸に固定された回し板２３を連結し、ロータ１を回転させる。砥石３はロータ１の中心軸に対し傾斜しており、この傾斜角においてロータ溝１１の溝形状を加工できる砥石形状にドレスされている。なお、たわみを抑制するため、振れ止め２４を用いてロータ溝１１付近を固定することが望ましい。
ロータ仕上げ加工では、傾斜した砥石３をロータ軸方向に平行移動させると共に、ロータ１を回転させることで所定のロータ溝形状を加工する。

研削加工においては、研削による力である研削力が発生し、砥石３、ロータ１、センター２１、回し金２２、回し板２３、振れ止め２４、工作機械２の構造の一部が変形しながら加工することになる。研削力が一定であれば変形量も一定であるため、高精度な加工が可能であるが、研削力が変化すると変形量も変化するため、加工誤差が大きくなる。

図２は、ロータ１のロータ溝部１１を加工する際に砥石３の位置と研削力について説明する図である。図２（ａ）はロータ溝部１１の中央部を加工する場合の図であり、溝部１１は砥石３の両側面で研削される。一般に砥石３の形状は左右対称ではないため、研削力の釣り合いはどちらかに偏るが、溝部１１の中央部を研削している間は研削代が一定であるため、研削力も一定となる。

一方、図２（ｂ）は、溝部１１の端部近傍を加工する場合の図である。砥石３はロータ１の軸に対して傾斜しているため、研削の初めにおいては砥石３の片側のみ研削され、次に反対の面も研削され始めるが、研削代は初めに研削が始まる面の側が大きく、研削力もこちらの面側が大きい。したがって、加工が進むにつれ研削代が増え、砥石３の片面における研削力が増えると同時に、反対側の側面での研削力も増えていくため、加工が十分に進み、両側面の研削代が一定になるまでは両側面を合成した研削力が変化する。また、ロータ溝１１の反対側の端面で砥石３が抜けていく場合にも同様に研削力が変化する。

したがって、ロータ溝１１の両端面近傍では研削力が変化し、加工精度が低下する。例えば、ロータ軸方向の変形によるリード精度の低下やロータ軸回りの回転変形による断面形状精度およびリード精度の低下などが考えられる。また、研削力は砥石３の形状により異なるため、歯形形状の異なる雄ロータと雌ロータでは変形量も異なり、歯形形状誤差やリード誤差の傾向は雌雄ロータ間で異なる。

図３は、雌雄ロータの噛み合わせを各ロータのリード（ねじれ）に沿って表した模式図である。図３（ａ）は、回転角θと軸方向位置Ｚを説明する図である。回転角θはロータ溝１１の吸入側端面における断面上の点Ｐに対し、ある軸方向位置Ｚにおける断面上の点Ｐに相当する点ＱがＸＹ平面上で回転した角度を示す。図３（ｂ）〜（ｄ）は回転角θと軸方向位置Ｚの関係を平面上にプロットしたグラフであり、ロータ溝部１１のリードが一定である場合は直線状のグラフとなる。

図３（ｂ）は、雄ロータと雌ロータのリードが一致する場合であり、雄ロータのリード形状を表す線１２と雌ロータのリード形状を表す線１３は同一の形状をしており、線１２と線１３を隙間なく密着させることができる。このとき、雌雄ロータの噛み合い部における隙間はゼロに近くなる。実際には加工誤差等により雌雄ロータのリードは端面において不一致となるため、端面近傍において隙間や干渉が発生する。

図３（ｃ）は、雄ロータと雌ロータの噛み合い時に端面近傍に隙間１４が発生する場合のグラフである。端面近傍に隙間１４がある場合、端面近傍では作動流体の漏れが発生するが、中央部は隙間なく一致させることができ、作動流体の漏れを抑制できる。端面近傍の隙間１４は、図２（ｂ）で説明したとおり、溝の加工時に不可避的に生じる隙間であり、砥石とスクリューロータの歯型によって決まるものである。

図３（ｄ）は、雄ロータと雌ロータの噛み合い時に点線１３１に示すように端面近傍で干渉が発生する場合のグラフである。干渉が発生する場合、実際には実線１３で示すように端面で雄ロータと雌ロータが一致する位置に移動させることになる。このため、中央部の広い範囲に隙間１４１が生じ、作動流体の漏れが非常に大きくなる。この場合、端部が干渉しないように追加工し、隙間１４を設け、図３（ｃ）と同様に中央付近においてリードを一致させる必要がある。

図４は、スクリュー圧縮機の圧縮工程を説明する図の例である。スクリュー圧縮機では、雌雄ロータの噛み合い部１１４と雌雄ロータとケーシングの接触線から構成されるシールライン１１３で囲われた部分が圧縮室となる。シールライン１１３はロータの回転に伴いケーシング吐出側端面に向かって軸方向に平行移動するが、吐出側端面は移動しないため、噛合い部１１４が吐出側に近づくほど、圧縮室の容積は減少し、作動流体の圧力が高まる。

隙間１４があると雌雄ロータの噛み合い部１１４が破れ、圧縮室に隙間が発生し、作動流体の漏れが発生する。雌雄ロータの噛み合い接触部１１４が吐出側にあるほど作動流体が高圧となるため、吐出側端面付近の隙間１４をより低圧な吸入側に移動させることで作動流体の漏れを抑制できる。このような雄ロータおよび雌ロータを有するスクリュー圧縮機とすることで漏れ損失を低減することができる。特に作動流体の圧力は吐出しポートが開くまで増加するため、隙間１４は吐出しポートが開くときの噛合い部１１４の位置より吸入側にあることが望ましい。

図５は、回転角θと軸方向位置Ｚの関係を平面上にプロットしたグラフである。吐出側の端面近傍において、雄ロータと雌ロータのリードを一致させ、雄ロータと雌ロータとの噛み合いの隙間を小さくする。そして、吐出側端面よりも中央部側に入った位置において、噛み合いの隙間（加工変形の逃げ部）１４を、吐出側端面よりも、大きくする。また、吐出側端面と吸入側端面の間の中央部において、雄ロータと雌ロータのリードを一致させ、前記雄ロータと前記雌ロータの噛み合いの隙間を小さくする。隙間１４をより低圧な吸入側に移動することで、作動流体の漏れを抑制することができる。

次に、吐出端面側にある隙間１４をより低圧な吸入側に移動させるためのロータ１の研削仕上げ加工方法について説明する。上記の通り、研削仕上げ加工においては研削力により変形が発生し、加工精度を悪化させる。そこで、変形量を打ち消すように工作機械２を制御することで、端部付近の加工精度を向上させる。
例えば研削仕上げ加工においてロータ１が研削力により軸回りにねじれる場合を考える。図６（ａ）は、ロータ仕上げ加工における加工領域１１１を説明する図である。加工領域１１１は研削仕上げ加工のある時点でのロータ溝部１１と砥石３の干渉部であり、この加工領域１１１が除去される。

図６（ｂ）は、ロータ溝部１１の吐出側近傍の断面１５における断面図である。点線は変形前の歯型断面形状であり、実線は研削力により変形した後の歯型断面形状１１２である。研削力によりロータ１がねじられると断面１５上では溝の歯型断面形状１１２が回転する。ここで、歯型断面１１２が回転する量に応じてロータ回転軸を理論値に補正量を加えて回転させ、ねじれ変形の影響を打ち消すことで断面１５における加工精度を向上させることができる。なお、変形の影響を打ち消す場合の回転軸の補正量は、回転変形量と等しくなくとも良い。例えば、補正による研削力の変化を考慮して、回転変形量より大きくまたは少なく設定することが望ましい。

一方、図６（ｃ）は、加工領域１１１と交差しロータ軸に垂直な断面１６における断面図である。ただし、断面１５と断面１６は一致しないものとする。このとき、断面１６における回転変形量と断面１５における回転変形量は一般には異なるため、断面１５に対し設定された補正量では、断面１６における変形の影響を打ち消すことができない。このため、断面１６においては削り過ぎ１１３あるいは削り残しが発生する。

断面１５と断面１６の距離が離れるほど回転変形量の差は大きくなるため、断面１５近傍では加工精度が高く、断面１５から離れるほど加工精度は低くなる。このため、吐出側端面近傍では加工誤差が小さくなり、加工誤差が大きく隙間１４ができる部分を溝部１１の中央側へ移動させることができる。なお、断面１５は吐出側端面と一致しても良いが、隙間１４をより中央側へ移動させるため、吐出側端面近傍かつ中央寄りに設定することが望ましい。

なお、ここでは例としてロータ１について回転軸回りのねじれ変形が発生する場合を挙げたが、研削仕上げ加工における変形はねじれに限らず、例えばロータ１の軸方向、切込み方向の変形などが考えられる。また、砥石３が変形することも考えられる。これらの場合も同様に工作機械の送り軸や切込み方向軸、砥石割り出し軸などの各軸を制御して変形を打ち消すことで上記と同様に隙間１４をロータ溝部１１の端部から中央側に移動させることができる。

このスクリュー圧縮機のロータの研削仕上げ加工方法により、雄ロータおよび雌ロータの吐出側端部付近を、リード補正により高精度化し、圧縮流体の漏れを低減することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ スクリューロータ
２ 工作機械
３ 砥石
１１ スクリューロータ歯溝部
１１１ 加工領域
１１２ 歯型断面形状
１１３ シールライン
１１４ 雌雄ロータの噛み合い部
１２ 雄ロータのリード形状を示す線
１３ 雌ロータのリード形状を示す線
１４ 隙間（加工変形の逃げ部）
１５ 吐出側近傍の断面
１６ ロータ軸に垂直な断面
２１ センター
２２ 回し金
２３ 回し板
２４ 振れ止め

Claims (7)

1. 対となる雄ロータと雌ロータを備えるスクリュー圧縮機であって、
   前記雄ロータと前記雌ロータとは、
   吐出側端面よりも中央部側に入った位置において、前記吐出側端面よりも大きい、噛み合いの隙間を有することを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 請求項１に記載のスクリュー圧縮機において、
   前記雄ロータおよび前記雌ロータは、
   吐出側端面近傍において、前記雄ロータと前記雌ロータのリードを一致させ、前記雄ロータと前記雌ロータとの噛み合いの隙間を小さくし、
   前記吐出側端面よりも中央部側に入った位置において、前記噛み合いの隙間を、前記吐出側端面よりも、大きくしたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
3. 請求項１または請求項２に記載のスクリュー圧縮機において、
   吐出側端面と吸入側端面の間の中央部において、前記雄ロータと前記雌ロータのリードを一致させ、前記雄ロータと前記雌ロータとの噛み合いの隙間を小さくしたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
4. 請求項１〜請求項３の何れか1つに記載のスクリュー圧縮機において、
   前記雄ロータおよび前記雌ロータの、前記吐出側端面よりも中央部側に入った位置における前記吐出側端面よりも大きい噛み合いの隙間は、吐出しポートが開く瞬間の噛合い部の位置よりも吸入側に位置することを特徴とするスクリュー圧縮機。
5. 対となる雄ロータと雌ロータを備えるスクリュー圧縮機であって、
   前記雄ロータおよび前記雌ロータの吐出側端部付近を、リード補正により高精度化し、圧縮流体の漏れを低減したことを特徴とするスクリュー圧縮機。
6. スクリュー圧縮機のロータの研削仕上げ加工方法であって、
   傾斜した砥石をロータ軸方向に平行移動させると共に、前記ロータを回転させることで所定のロータ溝形状を加工する場合に、
   前記ロータの吐出側端面近傍を加工する際、研削力により溝の歯形断面形状が変形する量に応じて、理論値に補正量を加えて加工し、変形の影響を打ち消すことを特徴とするロータの研削仕上げ加工方法。
7. 請求項６に記載のロータの研削仕上げ加工方法において、
   前記ロータの吐出側端面近傍を加工する際、研削力により溝の歯形断面形状が回転する量に応じて、ロータ回転軸を理論値に補正量を加えて回転させ、ねじれ変形の影響を打ち消すことを特徴とするロータの研削仕上げ加工方法。

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