JP4684671B2

JP4684671B2 - スクリューロータ

Info

Publication number: JP4684671B2
Application number: JP2005028540A
Authority: JP
Inventors: 雅之笠原; 達知西原; 文夫武田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP2006214366A

Description

本発明は、複数の螺旋状の歯を有し中空に形成されたスクリューロータに係わり、特に、例えば径方向中心部まで中空に形成されたスクリューロータに関する。

スクリュー流体機械の一例であるスクリュー圧縮機は、回転軸が平行でかつ螺旋状の歯部が噛み合うようにそれぞれ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するケーシングとを備えており、雄ロータ及び雌ロータの歯溝とケーシングの内壁とで被圧縮流体（例えば空気）を圧縮する圧縮作動室が形成されている。そして、雄ロータ及び雌ロータ（以降、これらを総称してスクリューロータと称す）等が被圧縮流体の断熱圧縮により温度上昇して熱膨張するため、スクリューロータ同士の隙間及びスクリューロータとケーシングの隙間は、熱膨張のぶんだけ余裕をみて大きくする必要が生じ、圧縮流体の漏れ量が大きくなって圧縮機の性能が低下する要因となっていた。

そこで従来、例えば、外周側の歯部（ねじ）及び中空部（空洞）を有する超塑性材料（例えばＺｎ−Ａｌ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｚｒ系合金、Ａｌ−Ｃａ−Ｚｎ系合金など）製ローブ部材と、前記ローブ部材の中空部に連通する貫通孔及び軸穴を有する高強度材料（例えば機械構造用炭素鋼、合金鋼、球状黒鉛鋳鉄など）製ロータ軸とを一体結合したスクリューロータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。そして、明確には示されていないが、例えば冷却媒体（軸受を潤滑冷却する潤滑油等）をロータ軸の軸穴及び貫通孔を介しローブ部材の中空部に流通して、スクリューロータを冷却するようになっている。これにより、スクリューロータの最大熱膨張が小さくなって上記隙間を小さくすることが可能となり、圧縮機の性能を向上するようになっている。

特開昭５７−７０９８５号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題があった。
例えば車載燃料電池用や産業用のスクリュー圧縮機では、圧縮機の軽量化及び可変速運転時における応答性の改善を目的として、スクリューロータの質量低減が要望されている。上記従来のスクリューロータでは、中空のローブ部材の径方向中心部にロータ軸を配置し、ロータ軸とローブ部材を一体結合した構造となっており、例えば中実構造とする場合に比べ質量低減が図られている。そして、さらに質量低減を図るためには、ロータ軸をローブ部材の径方向中心部に配置しないように、言い換えれば、スクリューロータを径方向中心部まで中空に形成する構造が考えられる。

ところが、スクリューロータを径方向中心部まで中空に形成するような場合、ロータ軸がないぶんだけ、回転時の遠心力により大きく外周側に変形する可能性がある。また、雄ロータ等における歯の頂を境とした前側歯面部及び後側歯面部は、径方向断面形状が非対称となるように形成されることが多く、回転時の遠心力による変形量にバラツキが生じて、後側歯面部側から前側歯面部側へ立ち上がるような変形を起こす可能性がある。そして、このような遠心力による変形の最大値及びバラツキを考慮して、スクリューロータ同士の隙間及びスクリューロータとケーシングの隙間を大きくする必要が生じ、圧縮流体の漏れ量が大きくなって圧縮機の性能が低下する可能性があった。

本発明の第１の目的は、回転時の遠心力による変形量のバラツキを抑えることができるスクリューロータを提供することにある。
本発明の第２の目的は、回転時の遠心力による変形を抑えることができるスクリューロータを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、第１の発明は、複数の螺旋状の歯を有し、中空に形成された中空部を有したスクリューロータにおいて、前記歯の頂点を境とした前側歯面部及び後側歯面部は、前記前側歯面部の径方向断面における弧長寸法を前記後側歯面部の径方向断面における弧長寸法よりも大きくして、径方向断面形状が非対称となるように形成され、前記前側歯面部の厚みを前記後側歯面部の厚みより小さくなるように形成し、前記歯の谷部における厚み寸法を、前記後側歯面部の厚み寸法より大きくなるように形成し、前記中空部の軸方向中央に、その垂直方向が軸方向に平行である補強板を設けたものである。
（２）また、第２の発明は、第１の発明において、前記中空部を形成したロータの端部に、それぞれ円筒状の軸部材を嵌合し固定したものである。

本発明においては、スクリューロータにおける歯の頂を境とした前側歯面部及び後側歯面部は、それら径方向断面形状が非対称で、それぞれ厚み寸法が径方向断面における弧長寸法に反比例する。詳細には例えば、径方向断面における弧長寸法が比較的長い前側歯面部は厚み寸法を比較的小さくし、径方向断面における弧長寸法が比較的短い後側歯面部は厚み寸法を比較的大きくする。これにより、前側歯面部及び後側歯面部は径方向断面における断面積すなわち質量がほぼ等しくなり、スクリューロータ回転時の遠心力による前側歯面部及び後側歯面部の変形量のバラツキを抑えることができる。したがって、スクリューロータ同士の隙間等をほぼ均等にして小さくすることができ、スクリュー流体機械の性能を向上させることができる。

本発明においては、例えばスクリューロータを径方向中心部を含めて中空に形成するような場合、歯の谷部の厚み寸法を歯面部（例えば前側歯面部及び後側歯面部）の厚み寸法より大きくする。これにより、遠心力が大きく作用する外周側に位置する歯面部の厚み寸法を小さくするとともに、遠心力が小さく作用する内周側に位置する歯の谷部の厚み寸法を大きくしてスクリューロータ全体の変形強度を高め、遠心力による変形を抑えることができる。したがって、スクリューロータ同士の隙間及びスクリューロータとケーシングの隙間を小さくすることができ、スクリュー流体機械の性能を向上させることができる。

本発明によれば、歯の頂を境とした前側歯面部及び後側歯面部の厚み寸法をそれぞれ径方向断面における弧長寸法に反比例するように形成することにより、スクリューロータ回転時の遠心力による前側歯面部及び後側歯面部の変形量のバラツキを抑えることができる。また本発明によれば、歯の谷部の厚み寸法を歯面部の厚み寸法より大きくなるように形成することにより、スクリューロータ回転時の遠心力による変形を抑えることができる。したがって、スクリューロータ同士の隙間及びスクリューロータとケーシングの隙間を小さくすることができ、スクリュー流体機械の性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１実施形態を図１〜図５により説明する。
図２は、本実施形態によるスクリューロータの適用対象であるスクリュー圧縮機の全体構造を表す軸方向断面図である。

この図２において、スクリュー圧縮機１は、回転軸が平行でかつ螺旋状の歯が噛み合うようにそれぞれ回転する雄ロータ２及び雌ロータ３（これらを総称してスクリューロータと称す）と、これら雄ロータ２及び雌ロータ３を収納して複数の圧縮作動室（図示せず）を形成するケーシング４とを備えている。ケーシング４には、雄ロータ２及び雌ロータ３を収納する略円筒状ボア５と、前記圧縮作動室に被圧縮流体（例えば空気等）を吸入するための吸入口６と、前記圧縮作動室で生成した圧縮流体を吐出するための吐出口（図示せず）とが設けられている。

雄ロータ２及び雌ロータ３は、吸入側（図２中右側）に設けた例えばラジアル荷重を負担する円筒ころ軸受７と、吐出側（図２中左側）に設けた例えばラジアル荷重及びアキシャル荷重の双方を負担する組合アンギュラ玉軸受８により回動可能に支持されている。円筒ころ軸受７の前記圧縮作動室側（図２中左側）には潤滑油用シール９が設けられ、組合アンギュラ玉軸受８の前記圧縮作動室側（図２中右側）には潤滑油用シール１０及び圧縮流体用シール１１が設けられており、軸受７，８を潤滑冷却する潤滑油が前記圧縮作動室に流入しないようになっている。

また、雄ロータ２及び雌ロータ３の吐出側端部には一対のタイミングギヤ１２Ａ，１２Ｂが嵌合されている。そして、雌ロータ３の吐出側端部に連結された回動機（図示せず）により回転動力が伝達されると、雄ロータ２及び雌ロータ３は回転駆動するようになっている。このとき、上記圧縮作動室は、雄ロータ２及び雌ロータ３の軸方向（吸入側から吐出側、図２中右側から左側）に移動しながら、その容積が増加されて吸入口６から被圧縮流体を吸入し、容積が減少されて圧縮するようになっている。

上記雄ロータ２は、上記雌ロータ３に比べ、中空にできる体積が大きく質量低減効果を大きく得ることができる。そのため、本実施形態によるスクリューロータは、雄ロータ２を例にとって詳細を説明する。図３は、雄ロータ２の全体構造を表す斜視図であり、図４は、雄ロータ２の詳細構造を表す軸方向断面図であり、図１は、雄ロータ２の詳細構造を表す径方向断面図である。

これら図３、図４、及び図１において、雄ロータ２は、例えば３つの螺旋状の歯１３を有するものであり、外周側に形成された螺旋状の歯部１４と、この歯部１４と略相似形状にかつ径方向中心部を含めて中空に形成された中空部１５と、この中空部１５の軸方向中央に設けられ、その垂線方向が軸方向に平行である補強板１６とを備えたねじ部材１７を備えている。このねじ部材１７の軸方向一方側（図１中左側）端部１８Ａ及び他方側（図１中右側）端部１８Ｂには開口１９Ａ，１９Ｂが形成され、これら開口１９ａ，１９Ｂに略円筒状の軸部材（シャフト）２０Ａ，２０Ｂの端部が嵌合され、例えば高密度溶接（電子ビーム溶接、レーザビーム溶接、光ビーム溶接等）で接合されている。なお、ねじ部材１７及び軸部材２０Ａ，２０Ｂは、それぞれ鋳物により製作されている。

このようにねじ部材１７の径方向中心部に軸部材が配置されないように、言い換えれば雄ロータ２が径方向中心部まで中空に形成されるので、雄ロータ２の質量低減が十分に図られている。

雄ロータ２の歯部１４は、歯の頂２１を境とした前側（回転方向側）歯面部２２及び後側（回転方向とは反対側）歯面部２３と、歯の谷部２４とで構成されており、前側歯面部２２及び後側歯面部２３は、それら径方向断面形状が非対称となるように形成されている。詳細には、前側歯面部２２の径方向断面形状は、雄ロータ２周方向に対し比較的ねかせるような形状であり、径方向断面における弧長寸法Ｌ_１が比較的大きくなっている。また、後側歯面部２３の径方向断面形状は、雄ロータ２周方向に対し比較的たたせるような形状であり、径方向断面における弧長寸法Ｌ_２が比較的小さくなっている。そして、本実施形態の大きな特徴として、前側歯面部２２の厚み寸法ｄ_１が弧長寸法Ｌ_１に反比例して比較的小さく、後側歯面部２３の厚み寸法ｄ_２が弧長寸法Ｌ_２に反比例して比較的大きくなるように形成されている。なお、本実施形態における前側歯面部２２の厚み寸法ｄ_１及び後側歯面部２３の厚み寸法ｄ_２は、それぞれ全面に亘ってほぼ一定値としている。

次に、本実施形態のスクリュー圧縮機１の動作を説明する。
スクリュー圧縮機１の運転時、回動機の回転動力が伝達されると、雄ロータ２及び雌ロータ３が回転駆動する。これら雄ロータ２及び雌ロータ３の噛合回転に伴って、圧縮作動室は雄ロータ２及び雌ロータ３の軸方向（吸込側から吐出側）に移動しながら、その容積が増加されて吸入口６から被圧縮流体を吸入し、容積が減少されて圧縮する。

このような動作における本実施形態の作用効果を、比較例を用いて説明する。図５（ａ）は、比較例による雄ロータ２’の回転時の変形を簡略化して表す径方向断面図であり、図５（ｂ）は、本実施形態による上記雄ロータ２の回転時の変形を簡略化して表す径方向断面図である。なお、これら図５（ａ）及び図５（ｂ）において、前側歯面部及び後側歯面部の変形位置を二点鎖線で示す。

図５（ａ）に示す比較例の雄ロータ２’では、前側歯面部２２’の厚み寸法ｄ_１’及び後側歯面部２３’の厚み寸法ｄ_２’が等しくなるように形成する。これにより、弧長寸法Ｌ_１が比較的大きい前側歯面部２２’は、弧長寸法Ｌ_２が比較的小さい後側歯面部２３’に比べ、径方向断面における断面積すなわち質量が大きくなってしまう。そのため、雄ロータ２’回転時の遠心力による前側歯面部２２’の変形量（変位幅）が後側歯面部２３’の変形量より大きくなり、後側歯面部側２２’から前側歯面部側２３’へ立ち上がるような変形が生じる。

これに対し、図５（ｂ）に示す本実施形態の雄ロータ２では、前側歯面部２２の厚み寸法ｄ_１及び後側歯面部２３の厚み寸法ｄ_２がそれぞれ径方向断面における弧長寸法Ｌ_１，Ｌ_２に反比例するように形成する。これにより、前側歯面部２２及び後側歯面部２３は、径方向断面における断面積すなわち質量がほぼ等しくなり、雄ロータ２’回転時の遠心力による変形量のバラツキを抑えることができる。したがって、雄ロータ２と雌ロータ３の隙間等をほぼ均等にして小さくすることができ、圧縮流体の漏れ量が小さくなってスクリュー圧縮機１の性能を向上させることができる。また、雄ロータ２と雌ロータ３等の接触や衝突を防止することができる。

また、雄ロータ２は、径方向中心部まで中空に形成して質量低減を十分に図りつつも、中空部１５にその垂線方向が軸方向に平行な補強板１６を設ける。これにより、補強板１６を設けない場合に比べ雄ロータ２全体の変形強度を高めることができ、回転時の遠心力による変形を抑えることができる。

なお、上記第１の実施形態においては、前側歯面部２２の厚み寸法ｄ_１及び後側歯面部２３の厚み寸法ｄ_２をそれぞれ全面に亘ってほぼ一定値と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、例えば前側歯面部及び後側歯面部は、それら径方向断面における断面積が等しくなるように、かつそれぞれ厚み寸法が歯の頂に向かって徐々に小さくなるように形成してもよい。このような場合においても、上記実施形態同様の効果を得ることができる。

本発明の第２実施形態を図６により説明する。本実施形態は、上記歯の谷部２４の厚み寸法が大きくなるように形成した実施形態である。

図６は、本実施形態による雄ロータの詳細構造を表す軸方向断面図である。この図６において、上記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。

本実施形態における雄ロータ２５では、例えば上記補強板１６を設けない構造とするものの、歯の谷部２４の厚み寸法ｄ_３が歯面部２６（上記前側歯面部２２及び後側歯面部２３の総称）の厚み寸法ｄ_４より大きくなるように形成する。

以上のように構成された本実施形態においては、遠心力が大きく作用する外周側に位置する歯面部２６の厚み寸法ｄ_４を小さくするとともに、遠心力が小さく作用する内周側に位置する歯の谷部２４の厚み寸法ｄ_３を大きくして雄ロータ２５全体の変形強度を高め、回転時の遠心力による変形を抑えることができる。したがって、雄ロータ２５と雌ロータ３の隙間及び雄ロータ２５とケーシング４の隙間を小さくすることができ、圧縮流体の漏れ量が小さくなってスクリュー圧縮機１の性能を向上させることができる。また、雄ロータ２５と雌ロータ３、または雄ロータ２５とケーシング４の接触や衝突を防止することができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態は同時に適用してもよく、このような場合も、上述した効果を得ることができる。また、雄ロータ２，２５に限られず、雌ロータ３に適用してもよいことは言うまでもない。

本発明のスクリューロータの第１実施形態の詳細構造を表す径方向断面図である。本発明のスクリューロータの適用対象であるスクリュー圧縮機の全体構造を表す軸方向断面図である。本発明のスクリューロータの第１の実施形態の全体構造を表す斜視図である。本発明のスクリューロータの第１の実施形態の詳細構造を表す軸方向断面図である。本発明のスクリューロータの比較例及び第１の実施形態における回転時の変形をそれぞれ表す径方向断面図である。本発明のスクリューロータの第２の実施形態の詳細構造を表す軸方向断面図である。

符号の説明

２雄ロータ
３雌ロータ
１３歯
２１歯の頂
２２前側歯面部
２３後側歯面部
２４歯の谷部
２５雄ロータ
２６歯面部
ｄ_１前側歯面部の厚み寸法
ｄ_２後側歯面部の厚み寸法
ｄ_３歯の谷部の厚み寸法
ｄ_４歯面部の厚み寸法
Ｌ_１前側歯面部の径方向断面における弧長寸法
Ｌ_２後側歯面部の径方向断面における弧長寸法

Claims

複数の螺旋状の歯を有し、中空に形成された中空部を有したスクリューロータにおいて、
前記歯の頂点を境とした前側歯面部及び後側歯面部は、前記前側歯面部の径方向断面における弧長寸法を前記後側歯面部の径方向断面における弧長寸法よりも大きくして、径方向断面形状が非対称となるように形成され、
前記前側歯面部の厚みを前記後側歯面部の厚みより小さくなるように形成し、
前記歯の谷部における厚み寸法を、前記後側歯面部の厚み寸法より大きくなるように形成し、
前記中空部の軸方向中央に、その垂直方向が軸方向に平行である補強板を設けた
ことを特徴とするスクリューロータ。
請求項１に記載のスクリューロータにおいて、
前記中空部を形成したロータの端部に、それぞれ円筒状の軸部材を嵌合し固定した
ことを特徴とするスクリューロータ。