JP4760474B2 - スクリュー流体機械 - Google Patents

Description

本発明は二軸型のスクリュー流体機械に関し、特に内部漏洩を低減して高性能化したものに好適である。

従来、雌ロータ及び雄ロータ間の運転中の隙間を適正にするため、高温となる吐出側端において熱膨張が大きいので、ロータは吐出側端を吸入側に対して小さく形成し、運転時にロータ間の隙間がほぼ等しくすることが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

また、歯面分離によって生じる歯打ちによる騒音や振動を低減するため、ロータのリードを雌ロータ及び雄ロータで変え、吸入側端面では雄ロータと雌ロータを前進面側で接触させ、吐出側端面では後進面側で接触させることが知られ、例えば特許文献２に記載されている。

特開昭５７−１５９９８９号公報 特開平６−１５９２７１号公報

上記従来技術において、熱変形に合わせてロータの吐出側端を形成するものでは、端面近くの範囲で加工精度を確保することが難しく、つまり、ロータ端部付近では刃物（ホブや砥石）が噛み込み始めるので、加工反力による変形が他の部分とは異なるため、加工誤差が大きくなり、より高精度な加工法が必要とされる。同様に、リードを変えるものでは工具が切り込む側の端部付近でリード誤差が大きくなり、噛み合わせによる接触が起こりやすくなり、これを防止するためには、ロータ間の隙間を十分大きく設定しなければならず、漏洩が増して流体機械としての性能が低下する。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ロータ相互の接触を防止すると共に、ロータ間の隙間を小さく保ち、高性能を維持することにある。また、他の目的は、特に高精度な加工方法や加工機械を使用せず、高性能で高信頼性なものとすることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、一対の雌ロータ及び雄ロータが噛み合って回転することにより、作動室となる歯溝の容積が拡大縮小し、拡大中の前記作動室に外部より気体を吸入し、前記作動室の容積が縮小に転じることにより、内部に閉じ込めた気体を所定の圧力まで圧縮するスクリュー流体機械において、前記雌ロータのシール線及び雄ロータのシール線相互の間に形成される微小な隙間の大きさは、吸入側端面から所定範囲において、他の範囲によりも大きくされたものである。

本発明によれば、吸入側端近くの歯面のみ減肉するので、減肉した範囲でリード誤差が拡大して、ロータ相互の直接接触を防止し、かつ大部分の範囲においてはロータ間の隙間を小さく保つことができる。したがって、漏洩を少なくして高性能を維持することができる。

図１ないし図６を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図１は雌ロータ及び雄ロータの断面の一部分を示し、図２は雌ロータの側面図である。図３ならびに図４はロータのねじれを示す模式図である。図５はオイルフリースクリュー圧縮機本体を示す。図６はロータのリード誤差を測定した結果である。図７は１ピッチ分の長さの雌ロータ及び雄ロータ対と、その歯面上にシール線を示す。

スクリュー流体機械は圧縮機や膨張機，真空ポンプとして広く普及している。ねじ状の歯を持った雌雄のロータが噛み合って回転することにより、作動室となる歯溝の容積が拡大縮小する。圧縮の場合は、拡大中の作動室に外部より気体を吸入し、続いてほぼ最大容積で閉じた作動室の容積が縮小に転じることにより、内部に閉じ込めた気体を所定の圧力まで圧縮し、その後に作動室の一部を開口し、気体を下流へ吐出する。
雌雄２つのロータは軸直角断面上において歯形と呼ぶ輪郭形状を有し、軸方向に移動するに従って、その移動距離に比例して歯形を回転させ、包絡線となる外面がねじ状の歯面を成す。雌雄でねじれ方向が逆となり、ロータは互いに噛み合う。また、歯形断面形状は完全に均一でなく、熱変形補償等を目的に軸方向で少量の変化を伴うようにされることもある。

理論上は幾何的に雌ロータ及び雄ロータの歯面は、図７に示すようなシール線７と８が一致するように線接触し、その線が作動室間を区切る輪郭の一部を成す。しかし、滑らかに回転させるため、実際のシール線上に相当する領域に微小な隙間を与え、ロータ相互は直接接触しないように設計される。隙間の設定は、理論上の歯形に対して歯を痩せさせる等の方法で実現している。したがって、実際の作動室は完全に閉じた空間とはならず、シール線上に微小な隙間が存在する。
隙間は、理想的には区切られるべき高圧の作動室と低圧の作動室を連通し、内部漏洩をもたらすため、流体機械の性能を向上させるうえでは漏洩となり、好ましくない存在である。したがって、ロータの歯面はできるだけ高精度に加工し、この隙間を必要最小限にする。

一方、スクリューロータの加工精度について、次に述べる傾向がある。スクリューロータの歯を切削や研削等で機械加工する場合は、ロータのねじれた歯溝に沿って工具が移動しながら素材の表面を削り取ることで目的の形状を得る。したがって、通常はロータの一方の端面から他方の端面に向かって順に加工することになる。加工中には、工具と素材に加工反力が加わることによる弾性変形と、加工発熱による熱変形を伴うため、素材と工具の両者は、静止時に比較して僅かに変形する。この変形は加工誤差の原因となるが、予め変形を補正して加工すれば歯面精度への影響は小さくできる。
しかし、加工を始めるロータの端部付近においては、加工反力が安定せず、熱変形も加工が連続する部分とは異なり変形の補正が極めて難しい。したがって、ロータの端面近くにおける加工精度向上は他の部分と比較して難しい。

図５を参照してオイルフリースクリュー流体機械を代表して空気圧縮機の構造を説明する。スクリュー式の真空ポンプやスクリュー式の膨張機も基本的な構造はほぼ同様である。
ねじれた歯を有する雄ロータ１と雌ロータ２は、ケーシング３に収納され、互いに噛み合い回転する。ロータの歯溝は、ケーシング３内面と相手ロータに塞がれて、複数の作動室を形成する。そのうちのひとつの作動室４は図２中にハッチングで示した部分の空間である。

ロータ対１，２の回転により作動室は軸方向に移動しながら内部容積を拡大縮小する。容積拡大中の作動室は、吸入口（図５でロータの裏側にあるため図示せず）と連通し、外部から大気を吸入する。容積がほぼ最大の時に吸入口との連通が閉じられ、その後の容積縮小に伴って閉じ込めた空気を所定の圧力まで圧縮する。作動室は吐出口（図５でロータの手前側にあるため図示せず）と連通し、圧縮された空気を送り出す。
雄ロータ１の軸の一端がケーシング３外部に露出し、ここから回転動力を入力する。雌ロータ２及び雄ロータ１の軸上には同期歯車５，６を固定しており、これらが噛み合って雄ロータ１から雌ロータ２に回転動力を伝達する。同期歯車５，６のバックラッシに対し、それを囲むようにロータ対１，２のバックラッシは大きく設定するため、雌ロータ２及び雄ロータ１の歯面は互いに直接接触はしない。
オイルフリースクリュー圧縮機においては、油冷式スクリュー圧縮機のようにロータ表面に給油しないため、通常は金属製であるロータ表面が相対速度大で互いに接触するとロータ歯面を著しく損傷する。その損傷を防止するため、また接触摩擦の無いスムースな回転を維持する目的でロータ間のシール線上に微小な隙間を設けている。

雌ロータ２及び雄ロータ１は直接接触しないものの、図７に示すように、噛み合わせた時に１０〜１００μｍ程度の微小な隙間を挟んで接近するシール線と呼ぶ領域がある。このシール線がその両側の作動室を区切る境界となっている。したがって、作動室は完全に仕切られた空間ではなく、隣接した作動室などとの間に微小な隙間が存在する。この隙間は圧縮中の空気がより低い圧力の作動室に漏洩する内部漏洩流路となるため、過大であると圧縮機の性能を低下させる。反面、ロータ歯面間の接触は極力回避すべきであり、ロータ間隙間を接触可能性が無い程度で最小といえる適正値に維持することが必要とされる。

シール線上の隙間の影響はロータの吐出側の端部付近ほど大きい。なぜなら、吸入側端付近においては、この隙間を挟んで対峙する作動室の内圧差が小さく内部漏洩量は比較的少ない。それに対し、吐出側端付近では、対峙する作動室内圧が各々吸入圧力と吐出圧力であるため差圧が大きく、同じ隙間の大きさでも内部漏洩が多くなり性能低下への影響が大きくなる。
シール線上の隙間を適正にするためには、歯面を高精度に加工する必要がある。通常は歯面を切削や研削で加工するため、加工による反力が工具やロータ素材（ワーク）に作用し弾性変形する。また、加工による発熱もあり、工具やロータ素材が熱変形を起こす。これら弾性変形と熱変形は歯面の精度を低下させる要因になるが、端部付近を除いては、比較的に剛性も高く、ほぼ十分な精度まで補正することができるのが現状である。つまり、ロータの歯溝は一方の端から他方の端に向かって順に切削あるいは研削で加工するのが一般的であり、加工を開始する一方の端においては上述した加工反力や熱変形が安定せず、補正が非常に難しい。したがって、ロータの一方の端部付近においては、他の部分よりも精度を向上するのが難しく、特にリード誤差として具現化されることが多い。

本例においては、ロータの加工は吸入側から吐出側に向かって工具を進める。したがって、リード精度は吸入側端近くで低下しがちとなる。そこで、図２に示すようにロータ全長の吸入側端に近い範囲において、雌ロータ及び雄ロータいずれかの歯面を減肉している。減肉する範囲はロータ全長に対して１／１０〜１／４程度が望ましい。また、工具とロータ素材（ワーク）の接触の関係から、減肉する範囲は厳密に軸直角断面で区切られるものではなく、図２に示すように歯面の位置により軸方向に前後するもので良い。
歯面上で減肉する部分を図１に示す歯形で説明する。雄ロータの前進面１１，雄ロータの後進面１２，雌ロータの前進面１３，雌ロータの後進面１４の少なくとも一箇所を減肉する。減肉する部分と減肉量については、ロータ加工方法によって異なる精度やリード誤差の傾向に合わせて選択する。例えば、雌ロータの前進面１３と後進面１４に５０〜100μｍ程度の減肉を施している。

減肉の方法は、歯面に直交する方向に一律に減肉する方法や、加工する工具の切り込む深さを深くする方法でも良いが、回転方向に減肉すれば、歯形の形状誤差に比較してリード誤差が大きくなる場合に良い。つまり、雌ロータ及び雄ロータの少なくともいずれかで、前進面ならびに後進面の少なくとも一方は、所定範囲において、歯面の割り出し角度を他の範囲に比較して歯面が痩せる方向に修正する。例えば、雌ロータの各歯溝を加工する際に、図２に示した吸入側端に近い範囲にある前進面は回転方向に若干進めた回転角度で加工し、後進面は若干遅らせた回転角度で加工する。
これをつるまき線に沿って示すと図３のように吸入側端に近い範囲において、前進面
１３ａは回転方向に角度位相を進ませ、後進面１４ｂは遅らせることになる。吸入側端に近い範囲における減肉量を一律にせず、図４に示すように、吸入側端部を最大とし、吐出端に近づくにつれて徐々に減少するように減肉量を分布させることが望ましい。

以上、工具がロータ素材に切り込み始めることによる弾性変形と熱変形の不安定さがリード誤差の低下をもたらすが、それを吸入側とし、吸入側端とその近くの範囲で雌ロータの歯面を回転方向に減肉したので、リード誤差により雌雄いずれかあるいは両者の歯面が僅かにずれたとしても、接触に至りロータ歯面が損傷したり、摩擦により回転が阻害されたり、する障害が無くなる。また、ロータ歯面を減肉した範囲が吸入側端に近い範囲のみとしているので、ロータ間の隙間増加による性能低下は最小限に抑えられる。よって、性能向上と高信頼性を維持したスクリュー圧縮機が実現できる。

本例によれば、雄ロータの歯形を変更することなく、また雌ロータの歯形変更も回転方向に僅かに位相をずらすだけなので、新たな工具の製作が不要であり、実施が容易で加工コストを低減することができる。

なお、本例による雌ロータのリードを常温で測定した場合の一例について図６を用いて説明する。
横軸にロータの軸方向位置を、縦軸にリード誤差をとり、リード誤差は歯面が太る方向を上、痩せる方向を下にして図６に示すグラフのような傾向となる。リード誤差は設計値に対する誤差よりも雌ロータ及び雄ロータの差異が重要であるため、必ずしも誤差が小さければ良いわけではない。また、吸入側に対して高温となる吐出側で歯形を微小に減肉しておく熱変形補償を施したロータの場合には、リード誤差は吸入側ほど歯面が太る右上がりのグラフとなる。吸入側端近くの減肉は、ロータ全長にわたるリード誤差全体の傾向から痩せる方向にあるため、グラフ上では下にずれて示される。

本発明の一実施形態による雌ロータ及び雄ロータの部分断面図。 一実施の形態による雌ロータの側面図。 一実施の形態によるロータのねじれを示す模式図。 一実施の形態によるロータのねじれを示す模式図。 一実施の形態によるオイルフリースクリュー圧縮機本体の断面図。 一実施の形態によるロータのリード誤差を測定したグラフ。 一実施の形態による雌ロータ及び雄ロータ対のシール線を示した斜視図。

符号の説明

１…雄ロータ、２…雌ロータ、３…ケーシング、４…作動室、７…雄ロータ歯面上のシール線、８…雌ロータ上のシール線、１１…雄ロータの前進面、１２…雄ロータの後進面、１３…雌ロータの前進面、１４…雌ロータの後進面。

Claims (8)

1. 一対の雌ロータ及び雄ロータが噛み合って回転することにより、作動室となる歯溝の容積が拡大縮小し、拡大中の前記作動室に外部より気体を吸入し、前記作動室の容積が縮小に転じることにより、内部に閉じ込めた気体を所定の圧力まで圧縮するスクリュー流体機械において、
   前記雌ロータのシール線及び雄ロータのシール線相互の間に形成される微小な隙間の大きさは、吸入側端面から所定範囲において、他の範囲によりも大きくされたことを特徴とするスクリュー流体機械。
2. 請求項１に記載のものにおいて、
   前記雌ロータ及び雄ロータの少なくともいずれかの歯面を前記所定範囲で減肉したことを特徴とするスクリュー流体機械。
3. 請求項１に記載のものにおいて、
   前記雌ロータ及び雄ロータの少なくともいずれかの歯面が前記所定範囲で減肉され、該減肉される範囲は前記雌ロータ及び雄ロータの全長に対して１／１０〜１／４とされたことを特徴とするスクリュー流体機械。
4. 請求項１に記載のものにおいて、
   前記雌ロータ及び雄ロータの少なくともいずれかで、前進面ならびに後進面の少なくとも一方は、前記所定範囲において、他の範囲よりも痩せる方向に歯面を減じたことを特徴とするスクリュー流体機械。
5. 請求項１に記載のものにおいて、
   前記雌ロータ及び雄ロータの少なくともいずれかで、前進面ならびに後進面の少なくとも一方は、前記所定範囲において、歯面の割り出し角度を他の範囲に比較して歯面が痩せる方向に修正したことを特徴とするスクリュー流体機械。
6. 請求項１に記載のものにおいて、
   前記雌ロータの各歯溝は、前記所定範囲で前進面は回転方向に進めた回転角度、後進面は遅らせた回転角度で加工されたことを特徴とするスクリュー流体機械。
7. 請求項１に記載のものにおいて、
   前記雌ロータ及び雄ロータの少なくともいずれかの歯面は、歯面を減肉する量を、前記所定範囲で吸入側端部を最大とし、吐出端に近づくにつれて徐々に少なくしたことを特徴とするスクリュー流体機械。
8. 請求項１に記載のものにおいて、
   前記雌ロータ及び雄ロータの少なくともいずれかの歯面は、吸入側から吐出側に向かって工具を進めることで加工されることを特徴とするスクリュー流体機械。

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