JP4877746B2

JP4877746B2 - スクリューロータの製造方法

Info

Publication number: JP4877746B2
Application number: JP2006080120A
Authority: JP
Inventors: 健介黒木; 達知西原; 皇二和田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007255280A

Description

本発明は、例えばスクリュー圧縮機等に用いられるスクリューロータの製造方法に関する。

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を圧縮する作動室が形成されている。そして、圧縮機運転時は被圧縮流体の断熱圧縮によっ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を熱膨張のぶんだけ余裕をみて大きくし、各部材が接触して損傷するのを防止するようになっている。このとき、スクリューロータの上昇温度及びそれに伴う熱膨張は一様または一定でなく、最大熱膨張を考慮して隙間を大きくするので、圧縮機の性能が低下する要因となっている。

また、例えばスクリューロータが中実構造である場合は、慣性モーメントが大きくなるため、大きな起動トルクが必要になって起動制御が困難となったり、省エネ等を目的とした回転数制御が困難となる。そこで、中空構造のスクリューロータとして、例えば、噛み合い部及び底部を有する中空のロータ本体と、このロータ本体の底部の内周側に嵌入され接合された中空のロータシャフトとを備えた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来技術では、ロータ本体及びロータシャフトの原材料には、いずれも適度なプレス性（延性）を持ったパイプ状素材が用いられている。詳細には、ロータ本体の外周側形状を持った分割金型（雌型）の内部にパイプ状素材を配置し、このパイプ状素材の内側から高圧流体で加圧し、これによってパイプ状素材を膨張させて金型に押圧し、上記ロータ本体（中間部品）の噛み合い部及び底部を成形している。また同様に、雌型の内部にパイプ状素材を配置し内側から高圧流体で加圧することにより、ロータシャフトの大径部とその両端側の小径部（スクリューロータの軸部に相当）を成形している。そして、ロータシャフトの大径部をロータ本体（中間部品）の底部の内周側に嵌入し、ロータシャフトの小径部の外周に側板部材をそれぞれ圧入している。その後、ロータ本体の底部とロータシャフトの大径部とを接合し、ロータ本体の軸方向一方側端部及び他方側端部の開口と側板部材とをそれぞれ接合している。

特開平８−２８４８５６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存在する。
すなわち、上記スクリューロータは、ロータ本体の内部にロータシャフトを貫通配置するような構造となっており、ロータ本体の中空部は二重構造となっている。そのため、例えばスクリューロータの熱膨張の抑制を目的として、ロータシャフトの中空部からロータ本体の中空部に冷却媒体（例えば潤滑油等）を流通させて冷却する場合、ロータシャフトを介しロータ本体を冷却することとなるため、ロータ本体の冷却効率がよいとは言えなかった。また、スクリューロータの重量低減の面においても改善の余地があった。

本発明の目的は、冷却効率が向上するとともに、重量低減を図ることができるスクリューロータの製造方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、パイプ状素材を成形して、複数の螺旋状の歯からなる歯部、前記歯部と相似形状の中空部、及び軸方向両側端部に前記中空部の断面となる歯形状の開口を有するロータ部材を製造するロータ部材製造工程を有するスクリューロータの製造方法において、前記ロータ部材製造工程は、複数条の螺旋状のねじ溝を有するねじ状型を前記パイプ状素材の内側に配置し、前記パイプ状素材の軸方向一方側端部を前記ねじ状型に固定し、ピッチが前記ねじ状型のねじ溝と同じ螺旋状の歯を有する成形工具を前記パイプ状素材の外側に配置し、前記パイプ状素材の軸方向他方側端部に前記パイプ状素材を軸方向に縮短させる力を加えつつ、前記パイプ状素材及び前記ねじ状型を一方向に回転させ、前記成形工具を反対方向に回転させながら前記パイプ状素材に近づく方向に移動させて前記パイプ状素材に押し付け、前記パイプ状素材の押し付けられた部分が縮短しながら前記成形工具の歯と前記ねじ状型のねじ溝の間に押し込まれることにより、前記パイプ状素材の軸方向一方側の部分の全周に亘って前記歯部の軸方向一方側の部分を成形し、その後、前記成形工具を前記パイプ状素材の軸方向他方側に移動させて、前記パイプ状素材の全周に亘って軸方向他方側に順次、前記歯部の軸方向他方側の部分を成形する。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記ロータ部材の軸方向両側端部における歯形状の開口にそれぞれ合わさるように形成して貫通孔を設けた一対の端面部材を製造する端面部材製造工程と、前記一対の端面部材を前記ロータ部材の軸方向両側端部にそれぞれ接合する端面部材接合工程と、前記端面部材の貫通孔を介し前記ロータ部材の中空部に連通する中空部をそれぞれ有する一対の円筒状の軸部材を、前記一対の端面部材の外側にそれぞれ接合する軸部材接合工程とを有する。

（３）上記（１）において、好ましくは、円筒部及び当該円筒部の端部で外周側に曲げた端面部からなる一対の軸部材を絞り加工によって成形し、前記一対の軸部材の端面部を、前記ロータ部材の両側端部における歯形状の開口にそれぞれ合わさるように形成する軸部材製造工程と、前記一対の軸部材の端面部を前記ロータ部材の軸方向両側端部に接合する軸部材接合工程とを有する。

本発明によれば、冷却効率が向上するとともに、重量低減を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態におけるスクリューロータの全体構造を表す斜視図であり、図２は、スクリューロータの構成を表す分解斜視図である。また、図３は、ロータ部材の構造を表す斜視図である。

これら図１〜図３において、スクリューロータ１は、スクリュー圧縮機等に用いられる雄ロータであり、外周側に形成された螺旋状の歯部２と、この歯部２と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３とを有するロータ部材４を備えている。このロータ部材４の成形方法を図４及び図５により説明する。

図４は、本実施形態におけるロータ部材４の成形方法を説明するための軸方向断面図であり、図５は、本実施形態におけるロータ部材４の成形方法を説明するための斜視図である。

これら図４及び図５において、ロータ部材４の原材料には、例えばステンレス製のパイプ状素材５が用いられる。パイプ状素材５の内側には、上記歯部２の内周側（言い換えれば、中空部３）を成形するためのねじ状型６が配置され、パイプ状素材５の外側には、歯部２の外周側を成形するための成形工具７が配置されている。

ねじ状型６は、例えば中実円柱構造であり、その外周側に歯部２の形状に対応した（言い換えれば、歯部２と略相似形状の）螺旋状のねじ溝６ａが形成されている。なお、ねじ状型６の外周側径寸法Ｄ_１は、パイプ状素材５の内周側径寸法Ｄ_２とほぼ同じになっている（実際には、パイプ状素材５にねじ状型６を挿入するための隙間ぶんだけ若干小さい）。

パイプ状素材５の軸方向一方側（図４及び図５中下側）端部は、図示しない固定手段（例えば固定リングの締着等）によってねじ状型６に固定されている。また、パイプ状素材５の軸方向他方側（図４及び図５中上側）端部は、図示しない圧力付与手段によって軸方向に縮短する力（矢印Ａで図示）が加えられている。

成形工具７は、パイプ状素材５を隔ててねじ状型６に噛み合いながら回転するねじ形状を有し、例えば１つの螺旋状の歯７ａが形成されている。また、成形工具７は、その軸方向寸法Ｌが比較的短くなっており、軸方向における歯山の数が多くとも２つとなっている。なお、成形工具７の歯７ａのピッチＰ_１は、成形する歯部２のピッチＰ_２と同じになっている。

また、図示しないが、成形工具７をパイプ状素材５の径方向（図４及び図５中左右方向）及び軸方向（図４及び図５中上下方向）に移動させる移動装置が設けられており、パイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２との距離が所定の距離Ｘとなるように移動したときに、成形工具７の螺旋状歯７ａとねじ状型６のねじ溝６ａの間にパイプ状素材５が押し込まれ、歯部２が成形されるようになっている。

また、図示しないが、ねじ状型６を回転駆動する回転装置が設けられており、この回転装置によってねじ状型６及びパイプ状素材５が軸心Ｍ_１廻りに図４及び図５中矢印Ｂ方向に回転するようになっている。また、図示しないが、成形工具７を回転駆動する回転装置（図示せず）が設けられており、これによって成形工具７が軸心Ｍ_２廻りに図４及び図５中矢印Ｃ方向（上述したパイプ状素材５及びねじ状型６の回転方向とは反対方向）に回転するようになっている。このとき、パイプ状素材５及びねじ状型６の回転と成形工具７の回転とは同期するように制御されており、パイプ状素材５を隔ててねじ状型６と成形工具７が互いに噛み合いながら回転するようになっている。なお、本実施形態では、パイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２とが平行配置されている。

そして、本実施形態におけるロータ部材４の成形手順は、まず、パイプ状素材５の軸方向他方側端部から軸方向に縮短する力を加えつつ、パイプ状素材５及びねじ状型６をともに軸心Ｍ_１廻りに一方向に回転させ、成形工具７を軸心Ｍ_２廻りにその反対方向（図中矢印Ｃ方向）に回転させる。そして、パイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２との距離が所定の距離Ｘとなるまで、成形工具７をパイプ状素材５に近づく方向（図４及び図５中左方向）に移動させると、成形工具７の螺旋状歯７ａによって押し付けられたパイプ状素材５の軸方向一方側の一部分が縮短（座屈）しつつ、成形工具７の螺旋状歯７ａとねじ状型６のねじ溝６ａの間に押し込まれる。その結果、パイプ状素材５の軸方向一方側の一部分は、全周に亘って螺旋状の歯部２が形成される（図５参照）。その後、成形工具７を軸方向他方側（図４及び図５中上側）に移動させ、パイプ状素材５の軸方向他方側に向かって順次、全周に亘って歯部２を形成する。

前述の図１〜図３に戻り、上述のようにして成形されたロータ部材４は、軸方向両側（図１〜図３中左下・右上側）端部に中空部３の断面となる歯形状（図１〜図３では５枚歯の形状）の開口８Ａ，８Ｂ（但し８Ａのみ図示）がそれぞれ形成される。そして、本実施形態では、ロータ部材４の軸方向両側端部における歯形状の開口８Ａ，８Ｂにそれぞれ合わさるようにかつ中央に貫通孔９Ａ，９Ｂをそれぞれ有するように、例えばプレス機等で平板を打ち抜いて端面部材１０Ａ，１０Ｂを成形し、それら端面部材１０Ａ，１０Ｂをロータ部材４の軸方向両側端部にそれぞれ高密度溶接（例えば電子ビーム溶接、レーザビーム溶接、光ビーム溶接等）で接合している。また、端面部材１０Ａの貫通孔９Ａ及び端面部材１０Ｂの貫通孔９Ｂを介しロータ部材４の中空部３に連通する中空部１１Ａ，１１Ｂをそれぞれ有する円筒状の軸部材１２Ａ，１２Ｂを、端面部材１０Ａ，１０Ｂの外側にそれぞれ高密度溶接で接合している。

このように構成された本実施形態のスクリューロータ１においては、軸部材１２Ａの中空部１１Ａ及び軸部材１２Ｂの中空部１１Ｂからロータ部材４の中空部３に冷却媒体（例えば潤滑油等）を流通させて冷却することができる。このとき、例えば従来技術のようにロータ部材の中空部を二重構造とする場合とは異なり、ロータ部材４の中空部３に部材を設けないため、スクリュロータ１の歯部２を効率よく冷却することができる。特に、ロータ部材４の中空部３を歯部２と相似形状にする（すなわち螺旋状の内壁とする）ことにより、スクリューロータ１の回転に伴って螺旋状の内壁に沿うような冷却媒体の流れが発生し、より大きな冷却効果を得ることができる。その結果、スクリューロータ１の温度上昇による熱膨張を抑えることができ、スクリューロータ同士（すなわち雄ロータ及び雌ロータ）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可能となり、圧縮機の性能を向上させることができる。また、ロータ部材４の中空部３に部材を設けないぶんだけ、スクリューロータ１の重量が低減することができる。その結果、動力が低減して省エネ効果を得ることができ、また慣性モーメントが低減してインバータによる回転数制御等の応答性を向上させることができる。

また本実施形態においては、ロータ部材４は、パイプ状素材５を縮短させながらねじ状型６及び成形工具７を用いて絞り加工して成形する。これにより、パイプ状素材５の厚み寸法がほとんど変化しないように絞り加工することができ、ステンレス製のように高強度なパイプ状素材５でも容易に塑性加工することができる。また、ロータ部材４の成形手順は、まずパイプ状素材５の軸方向一方側の一部分を全周に亘って歯部２を形成し、その後、パイプ状素材５の軸方向他方側に向かって順次、全周に亘って歯部２を形成する。このような成形手順により、パイプ状素材５の絞り加工を施す部分に軸方向に縮短する力が十分に作用させることができ、ステンレス製のように高強度なパイプ状素材５でも容易に塑性加工することができる。したがって、ロータ部材４の必要強度を確保することができる。

また本実施形態においては、ロータ部材４、端面部材１０Ａ，１０Ｂ、及び軸部材１２Ａ，１２Ｂを互いに高密度溶接で接合している。これにより、例えばアーク溶接等で接合する場合とは異なり、周方向に不均一となる溶接盛が形成されないため、周方向の重量バランスを確保することができる。したがって、スクリューロータ１の回転駆動時の不具合を防止し、性能及び信頼性を確保することができる。

本発明の他の実施形態を図６〜図８により説明する。本実施形態は、上記一実施形態における軸部材及び端面部材を絞り加工によって一体成形した実施形態である。

図６は、本実施形態によるスクリューロータの構成を表す分解斜視図である。また、図７及び図８は軸部材の構造を表す斜視図であり、図７は軸部材の端面部を加工する前の状態を示し、図８は軸部材の端面部を加工した後の状態を示す。なお、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。

本実施形態では、軸部材１３Ａは、円筒部１４Ａ（上記軸部材１２Ａに相当）と、この円筒部１４Ａの端部で外周側に曲げられた円環状の端面部１５Ａ（上記端面部材１０Ａに相当）とを絞り加工によって一体成形する。また同様に、軸部材１３Ｂは、円筒部１４Ｂ（上記軸部材１２Ｂに相当）と、この円筒部１４Ｂの端部で外周側に曲げられた端面部１５Ｂ（上記端面部材１０Ｂに相当）とを絞り加工によって一体成形する。

そして、軸部材１３Ａの端面部１５Ａ及び軸部材１３Ｂの端面部１５Ｂを、ロータ部材４の軸方向両側端部の開口８Ａ，８Ｂにそれぞれ合わさるように例えばプレス機等で加工し、ロータ部材の軸方向両側端部にそれぞれ高密度溶接で接合する。なお、軸部材１３Ａの端面部１５Ａ及び軸部材１３Ｂの端面部１５Ｂは、例えば絞り加工時における皺押さえ部である。

このように構成された本実施形態のスクリューロータ１’においても、上記一実施形態同様、軸部材１３Ａ，１３Ｂの中空部からロータ部材４の中空部３に冷却媒体（例えば潤滑油等）を流通させて冷却することができる。そして、上記一実施形態同様、ロータ部材４の中空部３に部材を設けないため、スクリュロータ１の歯部２を効率よく冷却することができる。また、上記一実施形態同様、ロータ部材４の中空部３に部材を設けないぶんだけ、重量低減を図ることができる。

なお、以上においては、スクリューロータ１，１’としてスクリュー圧縮機の雄ロータを例にとって説明したが、これに限らず、例えばスクリュー圧縮機の雌ロータ、スクリューポンプのロータ、ルーツブロワのねじれロータ等に適用してもよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態におけるスクリューロータの全体構造を表す斜視図である。本発明の一実施形態におけるスクリューロータの構成を表す分解斜視図である。本発明の一実施形態におけるスクリューロータを構成するロータ部材の構造を表す斜視図である。本発明の一実施形態におけるロータ部材の製造方法を説明するための軸方向断面図である。本発明の一実施形態におけるロータ部材の製造方法を説明するための斜視図である。本発明の他の実施形態におけるスクリューロータの構成を表す分解斜視図である。本発明の他の実施形態におけるスクリューロータを構成する軸部材の構造を表す斜視図であり、端面部を加工する前の状態を示す。本発明の他の実施形態におけるスクリューロータを構成する軸部材の構造を表す斜視図であり、端面部を加工した後の状態を示す。

符号の説明

１スクリューロータ
２歯部
３中空部
４ロータ部材
５パイプ状素材
６ねじ状型
７成形工具
８Ａ，８Ｂ開口
９Ａ，９Ｂ貫通孔
１０Ａ，１０Ｂ端面部材
１１Ａ，１１Ｂ中空部
１２Ａ，１２Ｂ軸部材
１３Ａ，１３Ｂ軸部材
１４Ａ，１４Ｂ円筒部
１５Ａ，１５Ｂ端面部

Claims

パイプ状素材を成形して、複数の螺旋状の歯からなる歯部、前記歯部と相似形状の中空部、及び軸方向両側端部に前記中空部の断面となる歯形状の開口を有するロータ部材を製造するロータ部材製造工程を有するスクリューロータの製造方法において、
前記ロータ部材製造工程は、
複数条の螺旋状のねじ溝を有するねじ状型を前記パイプ状素材の内側に配置し、前記パイプ状素材の軸方向一方側端部を前記ねじ状型に固定し、
ピッチが前記ねじ状型のねじ溝と同じ螺旋状の歯を有する成形工具を前記パイプ状素材の外側に配置し、
前記パイプ状素材の軸方向他方側端部に前記パイプ状素材を軸方向に縮短させる力を加えつつ、前記パイプ状素材及び前記ねじ状型を一方向に回転させ、前記成形工具を反対方向に回転させながら前記パイプ状素材に近づく方向に移動させて前記パイプ状素材に押し付け、前記パイプ状素材の押し付けられた部分が縮短しながら前記成形工具の歯と前記ねじ状型のねじ溝の間に押し込まれることにより、前記パイプ状素材の軸方向一方側の部分の全周に亘って前記歯部の軸方向一方側の部分を成形し、
その後、前記成形工具を前記パイプ状素材の軸方向他方側に移動させて、前記パイプ状素材の全周に亘って軸方向他方側に順次、前記歯部の軸方向他方側の部分を成形することを特徴とするスクリューロータの製造方法。
請求項１記載のスクリューロータの製造方法において、
前記ロータ部材の軸方向両側端部における歯形状の開口にそれぞれ合わさるように形成して貫通孔を設けた一対の端面部材を製造する端面部材製造工程と、
前記一対の端面部材を前記ロータ部材の軸方向両側端部にそれぞれ接合する端面部材接合工程と、
前記端面部材の貫通孔を介し前記ロータ部材の中空部に連通する中空部をそれぞれ有する一対の円筒状の軸部材を、前記一対の端面部材の外側にそれぞれ接合する軸部材接合工程とを有することを特徴とするスクリューロータの製造方法。
請求項１記載のスクリューロータの製造方法において、
円筒部及び当該円筒部の端部で外周側に曲げた端面部からなる一対の軸部材を絞り加工によって成形し、前記一対の軸部材の端面部を、前記ロータ部材の両側端部における歯形状の開口にそれぞれ合わさるように形成する軸部材製造工程と、
前記一対の軸部材の端面部を前記ロータ部材の軸方向両側端部に接合する軸部材接合工程とを有することを特徴とするスクリューロータの製造方法。