JP3823573B2

JP3823573B2 - スクリュー流体機械

Info

Publication number: JP3823573B2
Application number: JP32906798A
Authority: JP
Inventors: 裕敬亀谷; 重和野沢; 昌幸浦新; 毅士肥田; 優和青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2018-11-19
Also published as: JP2000154792A; US6257855B1; BE1014896A5

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雄ロータと雌ロータの噛み合いにより作動ガスを圧縮するスクリュー流体機械に係り、特にスクリュー圧縮機およびスクリュー真空ポンプに好適なスクリュー流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
雌ロータと雄ロータが噛み合って回転する２軸形のスクリュー流体機械では、歯面分離振動と呼ばれる振動現象が発生する場合がある。この２軸型のスクリュー流体機械の設計に当たっては、通常、雄ロータを駆動側とする。雄ロータと雌ロータに形成されたスクリュー歯面同士が直接接触して、あるいはロータと同軸上に設けられた同期歯車が噛み合うことにより、雄ロータの駆動トルクが雌ロータに伝達され、雌ロータが駆動される。
【０００３】
ところで、ロータに形成された歯の形状やロータ歯面に作用する圧力条件によっては、雄ロータから雌ロータへの伝達トルクが一時的に負となり、トルクを伝達していた歯面同士が互いに乖離する歯面分離という現象が生じることがある。歯面分離が生じた後で、雄ロータから雌ロータに伝達される伝達トルクが正に復帰すると、一旦離れた歯面同士が衝突し合う。その結果、歯面分離と歯の衝突が繰り返され、大きな振動と騒音を発生する。
【０００４】
この歯面分離振動を解決するため、例えば、特開平５―１９５９７２号公報に記載のものでは、雄ロータから雌ロータへの伝達トルクが負にならない条件を求めて、その条件下でスクリュー圧縮機を運転することが提案されている。伝達トルクが負にならない条件は、歯形やロータ間の回転伝達誤差および各ロータの慣性モーメントで示される条件であり、これらの条件に基づいてロータ歯面にかかるガス圧力条件を求めている。
【０００５】
歯面分離振動を解決する他の例が、特開平２―２５２９９１号公報に開示されている。この公報に記載のものでは、雄ロータから雌ロータへ伝達される伝達トルクを、常にネガティブトルクとしている。そして、後進面での接触を維持することにより、歯面分離振動の発生を防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５-１９５９７２号公報に記載のものでは、歯面分離を生じない条件は提示されているものの、その具体的実現方法についての考慮が不十分である。つまり、歯面分離を生じないスクリュー圧縮機についての具体的構成が不明であるので、具体的にスクリュー圧縮機を実現することが困難である。一方、特開平２−２５２９９１号公報に記載のものは、ガスの圧力圧条件、例えば吸入圧力、吐出圧力や圧縮する気体の種類等について考慮されていないので、これらの条件が変化する一般のスクリュー流体機械では、必ずしも満足する結果が得られない。
【０００７】
本発明は上記従来技術の有する不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、各種条件下においても、スクリュー圧縮機において歯面分離振動の発生を防止することにある。本発明の他の目的は、広い運転条件下でスクリュー圧縮機を静粛に運転させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、外周にねじれた歯を有する雄ロータと、この雄ロータと噛合って作動ガスを圧縮する外周にねじれた歯を有する雌ロータと、これら両ロータを収納するケーシングとを備えたスクリュー流体機械において、前記雌ロータが前記雄ロータと接触または最接近する接触点が３箇所形成され後進面側の接触点が２個存在する雄ロータと雌ロータの相対位置関係にあり、当該接触点が前進面と後進面の両側に存在する限り、いかなる回転角度においても、雌ロータの前進面側の接触点半径ＲＬが、雌ロータの後進面側の回転中心に近い方の接触点半径ＲＴより常に小さくなるよう各ロータの歯形を定めたものである。
【００１１】
そして、いずれの特徴においても、雄ロータの歯数は５枚であり、雌ロータの歯数は６枚であるか、吸込圧力が定常運転状態で大気圧より低いことが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
スクリュー流体機械において、雄ロータと雌ロータを噛み合わせて回転すると、両ロータの歯面相互が接触する点や僅かな隙間を残し接近する点が現れ、回転とともに発生、移動、消滅を繰り返す。接近する点も歯形設計上は接触点と同一に取り扱える。そこで、この点を接触点に準じて接近点と呼び、接触点及び接近点を総称して最接近点と名付ける。接近点では両ロータの軸直角断面上での歯面間隙間が空間的に極小値をとる。隙間があるため、接近点は幾何学的に厳密な１点でなく、雌雄ロータそれぞれの歯面での２点となるが、スクリュー流体機械としての基本性能を満足する場合には、隙間が小さいので、本質的に１点として取り扱うことが可能である。実際のロータにおいて、接近点と接触点とが同一点にならないのは、ロータの加工誤差や熱変形、ガス荷重変形のために、ロータ間に隙間を必要とするためである。接触点も接近点も機構学的な噛み合い条件である「接触点（接近点）の共通法線はピッチ点を通る。」を満足する。なお、接近点は基準角度からある程度離れると、接触点に遷移する場合もあるが、幾何学的には差異ない。
【００１３】
上記の前提に立って、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。図１は、本発明のスクリュー流体機械の第１の実施例に関する図であり、雌ロータと雄ロータの噛み合いの様子を示す軸直角断面図である。
【００１４】
スクリュー流体機械は、例えばスクリュー圧縮機やスクリュー真空ポンプである。雄ロータ１と雌ロータ２が、噛み合った状態で図示しないケーシングに収納されている。雄ロータ１及び雌ロータ２のいずれもが、外周側に軸方向にねじられた歯を有している。両ロータの歯数は、雄ロータが５枚、雌ロータが６枚の場合が代表的である。そして、各ロータ１、２の中心軸回りに、回転方向４の方向へ同期回転する。
【００１５】
任意の軸直角断面において、両ロータを噛み合ったまま各々の回転中心で回転させ、雄ロータの最外周部に位置する最大半径となる点（以下、歯先点と称す）と前記雌ロータの歯底に位置する最小半径となる点（以下、歯底点と称す）が最接近する回転角度を以下に示すように、基準角度とする。
【００１６】
両ロータの周方向位置である回転角度に応じて、両ロータ１、２は、歯面上の１〜３個所で接触する。なお、現実には歯の損傷を避けるため等の理由で、雄ロータの歯及び雌ロータの歯が接触しないで、微少な隙間をもって接近している場合もある。以下の記載においては説明の煩雑さを避けるため、雄ロータと雌ロータが隙間が無く接触する場合について説明する。雌ロータと雄ロータが隙間をもって接近するロータの場合には、現実の接近点を接触点として取り扱えば、本発明をそのまま適用できることは、上述した通りである。
【００１７】
雄ロータ１と雌ロータ２の相対位置が図１に示す回転角度になると、接触点は３個所になる。この接触点は、前進面側に１個所５、後進面側に２個所６、７ある。なお、前進(Leading)面とは、雄ロータにおいては最大半径となる歯先点１１から回転方向に歯底までの区間であり、雌ロータにおいては最小半径となる歯底点１２から回転方向４に歯先１４までの区間である。また、後進(Trailing)面とは、雄ロータにおいては歯先点１１から反回転方向へ歯底までの区間であり、雌ロータにおいては歯底点１２から歯先１６までの区間である。雄ロータ１と雌ロータ２とは、夫々の前進面同士および夫々の後進面同士が接触する。なお、雄ロータ１の歯底と雌ロータ２の歯先とは、回転軸心を中心とする円弧上に位置しており、互いに接触する。
【００１８】
前進面側の接触点５における雌ロータ２の半径をＲＬ、このＲＬから雌ロータ２の歯底半径を差し引いた残りの長さをＬとする。同様に、後進面側の２つの接触点のなかで、雌ロータ２の半径が小さい方の接触点６における雌ロータ２の半径をＲＴ、このＲＴから雌ロータ２の歯底半径を差し引いた残りの長さをＴとする。前進面側の接触点５と後進面側の接触点６で区切られ、雌ロータと雄ロータに挟まれた三日月形の領域を作動室８と呼ぶ。この作動室８は、圧縮される作動ガスで満たされている。作動室８の圧力は、ロータの軸方向端部である吐出端面近傍が最も高い。
【００１９】
本実施例においては、接触点が前進面と後進面の両側に存在する限り、いかなる回転角度においても、Ｌ≦Ｔになるようにする。すなわち、ＲＬ≦ＲＴとなるように歯形を形成する。図１の回転角度では、この設定になっている。
【００２０】
従来のスクリュー流体機械においては、図２に示すように、雄ロータと雌ロータの相対回転位置によっては、Ｌ＞ＴすなわちＲＬ＞ＲＴとなることがあった。前進面と後進面における接触点の位置がこのような関係になると、雌ロータに負のガストルクが発生し歯面分離振動を発生しやすい。ここで、ガストルクとはロータ周囲の気体の圧力がロータ歯面に作用し発生するトルクであり、ロータの回転を妨げる方向を正とする。
【００２１】
作動室８においては、雄ロータ１及び雌ロータ２の輪郭部に内圧が作用する。この内圧の回転方向への投影成分が、雄ロータ１及び雌ロータ２のトルク変動の一因になる。この投影成分は、図１で示したＬ、Ｔで示される部分に作用する内圧の回転方向成分と等価である。つまり、雌ロータへは回転方向にＬ相当の負のトルクが作用し、逆回転方向にＴ相当の正のトルクが作用する。
【００２２】
従来のスクリュー流体機械では、両ロータに形成される歯形がＬ＞Ｔとなる断面が、軸方向にあった。この断面では、雌ロータ２は作動室８内のガスの圧力によって負のガストルクを受ける。この従来のスクリュー流体機械でも、もちろん、軸方向にロータの歯がねじれていること、および、作動室８が形成された部分以外の歯面にもある程度のガス圧力が作用すること等の理由で、軸方向全断面を合計した総合トルクが必ずしも負になるとは限らない。
【００２３】
しかしながら、スクリュー圧縮機において吸入弁を絞った場合等には、吸入圧力が低くなる。そして、吐出圧力が高くなり、ある回転角度で瞬間的に雌ロータに作用するガストルクが負になることが生じた。この場合、雌ロータは雄ロータから伝達される伝達トルクよりも大きいガストルクで回転駆動されてしまい、雄ロータから雌ロータへは伝達トルクが伝達されない。
【００２４】
また、雄ロータ１と雌ロータ２の前進面同士が離れているところでは、雌ロータは雄ロータより先行回転し、両ロータの後進面同士が衝突する。さらに回転が進み、雌ロータに付加されるガストルクが正に戻ると、後進面の接触から正規の前進面接触に戻る。その結果、再び雄ロータと雌ロータの歯面同士が衝突する。その後このような現象が繰り返され、歯面分離振動が発生する。
【００２５】
これに対して、本実施例では、雄ロータ１と雌ロータ２の歯の相対位置がどの位置、つまりどの回転角度であっても、Ｌ≦Ｔとなるようにしている。そのため、軸方向のすべての断面において、負のガストルクを発生しない。したがって、圧力条件がどのように変化しても、雌ロータに作用する総合トルクを常に正とすることができ、歯面分離振動を防止できる。このため、広い運転範囲でスクリュー流体機械を静粛に運転できる。
【００２６】
本発明の他の実施例を、図３〜図１０を用いて説明する。図３〜図７は、雄ロータと雌ロータの噛み合いを説明する図であり、ケーシング内に両ロータが収納された様子を軸直角断面で示した図である。図８〜図１０は、雌ロータの半径が接触点の変化に従って変化する様子を説明するグラフである。
【００２７】
雄ロータ１と雌ロータ２は噛み合わされてケーシング３に収納され、噛み合いながら同期回転する。図３の位置を基準点とし、回転角度を０度とする。すなわち、雄ロータ１の歯先点１１と雌ロータ２の歯底点１２が一致し、接触終了点２１となった回転角度が０度である。回転方向４に雄雌両ロータを回転させると、接触点は回転方向に移動するが、接触終了点２１以降ではこの歯同士が接触しなくなる。なお、回転角度０度においては、後進面にもう１点、接触点７が形成される。
【００２８】
雄ロータ１と雌ロータ２とを、運転時の回転方向４と逆方向に同期して回転させる。雌ロータと雄ロータの歯数比から、雄ロータを−９度（運転時の回転方向を正にとる）だけ回転させると、雌ロータは−７.５度回転する。この状態を図４に示す。図３に示された接触終了点２１は２つに分離し、前進面側の接触点５と後進面側の接触点６になる。接触点５と接触点６を境とし、両ロータ歯面に挟まれた細い領域が、高い圧力の作動室８となる。一方、接触点６と接触点７を境とし両ロータ歯面に囲まれた領域は、吸入工程の作動室８ａである。この作動室８ａは圧力が低く、トルクへの影響が小さい。
【００２９】
雄ロータ１及び雌ロータ２をさらに同じ方向に回転すると、図５の状態（雄ロータが−１８度、雌ロータが−１５度）を経て、図６の状態（雄ロータが−２７度、雌ロータが−２２.５度）になる。図６の状態では、後進面側の２つの接触点６、７が一致して、接触開始点２２になる。さらに回転を進めると、図７に示すように（雄ロータが−３６度、雌ロータが−３０度）、後進面での接触が終り、前進面側にのみ接触点５が形成される。
【００３０】
上記した回転の経過を横軸にとり、接触点５、６における雌ロータの半径の変化を示したのが、図９および図１０である。比較のために、従来歯形の場合を、図８に示す。これらの図において、横軸は雌ロータの回転角度であり、運転時と逆の回転方向を横軸の正方向にしている。したがって、原点が０で、右方向が負回転方向となる。前進面側の接触点５における雌ロータの半径ＲＬを実線で示し、後進面側の接触点の雌ロータの半径ＲＴを破線で示している。なお、この図９及び図１０では、雌ロータ２の直径を１００ｍｍとした。
【００３１】
回転角度０度の場合には、前進面及び後進面の接触点５、６の半径が歯底半径３０ｍｍに等しくなると、接触終了点２１に一致する。雌ロータが−２２.５度回転した位置では、後進面側の接触点６が接触開始点２２となる。そして、これより運転時と逆回転方向に進んだロータ角度では、雄ロータと雌ロータに形成された歯同士が接触しなくなる。そのため、回転角度が−２２.５度以下になると、ＲＴは存在しなくなる。なお本実施例では、この接触開始点２２が存在する回転角度を−２２.５度としているが、歯形や歯数により変化することは言うまでもない。
【００３２】
第１実施例の説明の際に述べたように、従来の歯形ではＲＴ＜ＲＬとなる軸方向断面が存在し、雌ロータに負のガストルクが発生する。その結果、歯面分離振動が発生していた。
【００３３】
しかしながら、上述の実施例の歯形を用いると、図９に示すように、どの回転角度においても、ＲＴ≦ＲＬの関係が満足される。そのため、雌ロータに負のガストルクを生じず、歯面分離振動が発生しない。
【００３４】
上記実施例で用いたと同じ歯形を有するスクリューロータにおいて、接触点における雌ロータの半径の変化を図１０に示す。基準角度０度を起点とし、接触開始点２２の角度（−２２.５度）までの間の任意の角度を終点とする積分範囲Ａを設定する。この積分範囲Ａにおいて、前進面側の接触点５における雌ロータ半径ＲＬと、後進面側の接触点６における雌ロータの半径ＲＴを積分し、その値をそれぞれＴＬ、ＴＴとする。これらの値は、図１０において、積分範囲Ａでの雌ロータの半径を示す線より下の面積で表される。この求められた面積が、ＴＬ≦ＴＴを満たす歯形を雄ロータ及び雌ロータ上に形成する。なお、このＴＬ≦ＴＴなる条件さえ満たされれば、部分的にＲＬ＞ＲＴとなる区間があってもかまわない。
【００３５】
ロータの吐出端面付近においては、ロータの回転につれて、作動室８が、図６→図５→図４→図３の順序で縮小する。この吐出側端面では、作動室８は作動ガスの圧縮を完了し、機外へガスを吐出する。そして、図３の状態では、接触点が接触終了点２１に一致して、作動室８が消滅する。この吐出側端面に形成される作動室８は圧力が高いので、雌ロータに負のガストルクが発生する原因となりえる。雌ロータに作用するガストルクは、断面毎
に、ｋ・（ＲＴ−ＲＬ）で示される。ここで、ｋは定数である。各断面毎に求めた（ＲＴ−ＲＬ）を軸方向に積分すれば、総合ガストルクが求められる。
【００３６】
一例として、ロータの吐出端面におけるロータ回転角度が、図５に示す回転角度にある場合を考える。この吐出端面で形成された作動室８を吸入側まで辿って行けば、図４および図３に示す回転角度における作動室と同様の作動室が途中で得られる。このことから、図１０における積分範囲Ａは、図５に相当する雌ロータ回転角度−１５度から基準角度０度までであることがわかる。したがって、この範囲を積分範囲として（ＲＴ−ＲＬ）を積分する。この結果、作動室８による雌ロータ回転角度−１５度までの総合ガストルク（ＴＴ−ＴＬ）が得られた。
【００３７】
積分範囲Ａの起点を常に０度とし、終点を０度から接触開始点の角度までの間のいずれかの角度として、（ＲＴ−ＲＬ）を積分する。この終点の角度が何れの値であっても、Ｔ_L≦Ｔ_Tとなる歯形を求めれば、雌ロータに負のガストルクが発生せず、歯面分離振動を防止できる。本実施例によれば、第１実施例に比較して、歯形の分布をさらに自由に出来るので、歯形設計の自由度が増す。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、スクリュー圧縮機や真空ポンプ等のスクリュー流体機械において、雌ロータには負のガストルクが発生せず、この結果歯面分離振動を防止できるので、スクリュー流体機械を静粛に運転できる。特に、本発明によれば、吸入圧力が低くかつ吐出圧力が高い条件においても、スクリュー流体機械の雌ロータに負のガストルクが生じるのを防止でき、広い運転範囲で静粛な運転を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスクリュー流体機械に係る第１実施例のロータ部の詳細横断面図である。
【図２】歯面分離を説明する図である。
【図３】ロータの噛み合いを説明する図で、ロータ部の横断面図である。
【図４】ロータの噛み合いを説明する図で、ロータ部の横断面図である。
【図５】ロータの噛み合いを説明する図で、ロータ部の横断面図である。
【図６】ロータの噛み合いを説明する図で、ロータ部の横断面図である。
【図７】ロータの噛み合いを説明する図で、ロータ部の横断面図である。
【図８】従来のスクリューロータの歯形を説明する図である。
【図９】本発明のスクリュー流体機械に係る第１実施例において、ロータに形成される歯形を説明するグラフである。
【図１０】本発明のスクリュー流体機械に係る第２実施例において、ロータに形成される歯形を説明するグラフである。
【符号の説明】
１………雄ロータ、２………雌ロータ、
３………ケーシング、４………回転方向、
５………前進面側の接触点、６………後進面側の接触点、
７………後進面側の接触点、８………作動室、
９………ピッチ点、１０……雌ロータ中心、
１１……雄ロータの歯先点、１２……雌ロータの歯底点、
１４、１６……雌ロータの歯先、
２１……接触終了点、２２……接触開始点。

Claims

外周にねじれた歯を有する雄ロータと、この雄ロータと噛合って作動ガスを圧縮する外周にねじれた歯を有する雌ロータと、これら両ロータを収納するケーシングとを備えたスクリュー流体機械において、
前記雌ロータが前記雄ロータと接触または最接近する接触点が３箇所形成され後進面側の接触点が２個存在する雄ロータと雌ロータの相対位置関係にあり、当該接触点が前進面と後進面の両側に存在する限り、いかなる回転角度においても、雌ロータの前進面側の接触点半径ＲＬが、雌ロータの後進面側の回転中心に近い方の接触点半径ＲＴより常に小さくなるよう各ロータの歯形を定めたことを特徴とするスクリュー流体機械。