JP6416685B2 - 圧縮機、スクリューロータ - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機及びスクリューロータに係り、吸込側と、吐出側とで外径が異なるテーパ形状の圧縮機及びスクリューロータに関する。

気体を圧縮する圧縮機としてスクリュー圧縮機が知られている。
スクリュー圧縮機は、気体を圧縮する圧縮室に油を噴射注入する給油式と、注入しない無給油式があり、さらに、無給油式には水を噴射注入する水噴射式と、注入しないドライ式がある。

ドライ式は油や水による圧縮空気の冷却がない断熱圧縮が行われるため、圧縮気体が高温となり、それとともに圧縮室を構成する圧縮機本体のロータやケーシングなども高温となる。また、ドライ式は油や水による潤滑効果や圧縮室からの圧縮気体の漏れを抑制するシール効果もないため、スクリュー部での直接接触駆動をせず、雌雄ロータ間やロータ・ケーシング間に微小な隙間を保った状態で高速で運転するようになっている。このため、ロータやケーシングは、運転時には熱変形により、雄雌ロータ間の隙間やロータ・ケーシング間隙間が組立時とは大きく異なり、隙間が過大となると漏れによる性能低下が又隙間が過小となると両ロータ間やロータ・ケーシング間での接触が生じて圧縮機の停止や圧縮機エアエンドの固渋が起こる可能性が増加するという問題がある。

このような問題を防止するために、運転時の熱変形を考慮して組立時のロータの寸法を設定、即ち組立時の隙間が大きくなるよう製作しているのが一般的である。

このような従来技術例として、特許文献１がある。特許文献１は、スクリューロータの形状を、運転時に温度が高くなる、即ち熱膨張量の大きい吐出側と、比較的に温度が低く熱膨張量の小さい吸込側とで径方向寸法の異なったテーパロータであって、吐出側と吸込側の断面歯形を目標とする相似に近い歯形とするために、前進面と後進面とで異なったリードを用いて、両断面の歯底における熱変形量の差分だけ外周側に移動した歯形とする複リード歯形を開示する。

特許文献１によれば、目標とする相似形状で大きさが異なる吐出側断面と吸込側断面の歯形に近い歯形形状のテーパロータを、歯面研削盤などを用いて、軸方向に沿って砥石の径方向引上量を一定にしながら加工するという通常の加工方法（以下、「引上げ加工」という。）により実現できるとしている。

特許第２６１９４６８号

しかしながら、特許文献１は、両断面の歯底における熱変形量の差分を引上量とすることから、実際にはその効果をそれほど期待することができない。即ち熱変形量は径寸法に概略比例した値となるのに対し、引上量は径方向寸法によらず一定量であるため、歯底における熱変形量差だけの引上量では、歯先に近い部分では本来望まれる相似形状の歯形に対し小さい歯形となる。したがって、ロータ間の隙間やロータ・ケーシング間の隙間も、本来望まれる相似形状の歯形によって形成される隙間より大きくなる。

また、特許文献１では、雄雌各ロータにおいて、複リードの量を、目標歯形と引上歯形の干渉部を削除する量としているが、この決め方では、雄雌ロータで干渉しない部分も削除することになり、必要以上に痩せた歯形となるという課題がある。
熱変形量をより精度よく考慮したスクリューロータ及び圧縮機が望まれる。

上記の課題を解決するために、例えば、請求項に記載の構成を適用する。即ち少なくとも一対の雌ロータ及び雄ロータを含むスクリューロータと、前記スクリューロータと共に圧縮室を形成する圧縮機本体ケーシングとを備える圧縮機であって、雄ロータ及び雌ロータが、吐出側と吸込側の端面で、吸込側の外径が吐出側の外径よりも大となるテーパ形状を有し、雄ロータと雌ロータ夫々のテーパ量が、各ロータの吐出側及び吸込側端面の歯底の熱変形量の差以上で有ると共に歯先の熱変形量の差以下であって、且つ夫々のテーパ量の和が、一方ロータの歯底の熱変形量の差と、他方ロータの歯先の熱変形量の差との和以下である構成である。

本発明によれば、雄雌ロータが互いに熱変形補償する歯形となり、圧縮作動室からの圧縮気体の漏れを低減することができる。
本発明の他の課題・構成・効果は、以下の記載から明らかになる。

（ａ）は、従来技術例であり、雌雄のスクリューロータが噛み合った様を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）はそれら雌雄ロータを上方から観察した様を模式的に示す上面図である。 比較例としての従来方式の「歯底基準引上げ」による雌ロータの部分断面を示す。 比較例としての従来方式の「歯底基準引上げ」による雄ロータの部分断面を示す。 比較例としての従来方式の「歯底基準引上げ」による雌雄ロータが噛み合った場合の部分断面を示す。 本発明を適用した一実施例による雌ロータの「歯先基準引上げ」による部分断面を示す。 本発明を適用した一実施例による雄ロータの「歯先基準引上げ」による部分断面を示す。 本実施例による雌雄ロータの引上量を「歯先」又は「歯底」基準で引上げた場合の部分断面を示す。 本実施例による雌雄ロータの引上量を「歯先」又は「歯底」基準で引上げた場合の部分断面を示す。 本実施例による雌雄ロータの干渉部を削除する為の複リード加工の説明図である。

以下、図を用いて発明を実施するための形態について詳細に説明する。

まず、図１〜５を用いて、一般的なテーパロータの従来例について述べる。
図１（ａ）は、スクリュー圧縮機本体（「エアエンド」ともいう。）の雄ロータ１と雌ロータ２が噛合った状態を模式的に示した斜視図である。圧縮機本体では、雄ロータ１及び雌ロータ１と、これらの外周側に設置される圧縮機本体ケーシング（不図示）とで構成される歯溝空間を圧縮室（或いは圧縮作動室）と呼ぶ。ロータが駆動源により互いに内側に回転することで、圧縮室が吐出側端面方向に進んで狭められていき、上方側に設けられた吸込口３（図では位置のみを模式的に示している。）から吸い込んだ空気が次第に圧縮されるようになっている。吐出側まで移動形成された圧縮室内の圧縮空気が、ロータ端面と略対向する位置に形成された吐出ポート４（図では位置のみを模式的に点線で示している。）から吐き出されることで、所望の圧力の空気を得るようになっている。

図１（ｂ）に、上方から各ロータを観察した模式図を示す。雄ロータ１及び雌ロータ２共に吸込側の外径が大きく、吐出側に向かうにつれて外径が小となるテーパ形状となる（点線）。なお、図１（ｂ）は、説明の便宜上吸込側と吐出側の径差を大きく表わしているが、実際の径差は僅かである。径差を設けるのは温度の違いによって生じる熱膨張の違い程度の差であることから、例えば、ロータの外径を１００（ｍｍ）、ロータ材料の線膨張係数を１０^−５（１／Ｋ）とし、吐出側と吸込側の温度差を１００（Ｋ）とすると、外径部の膨張量の差は０．１（ｍｍ）程度である。

図２に、雌ロータ２の歯形の吸込側及び吐出し側における１溝分の部分断面を模式的に示す。同図において、雌ロータ２の「吐出側歯形」は、吐出側の熱膨張前の歯形(以下、「加工歯形」という。)を示す。また、雌ロータ２の「吸込側目標歯形」は、吸込側の熱膨張前の歯形を示す。「吸込側目標歯形」の形状は、「吐出側歯形」と概略相似形状であるが、外径は、運転時の熱膨張が少ない分だけ大となる。このように、吐出側で小さく、吸込側で大きい歯形とすることにより、運転時には吐出側、吸込側でほぼ同じ大きさの歯形とし、両ロータ間やロータ・ケーシング間の隙間を適正とするようになっている。なお、Ｏ２は回転軸心であり、「吸込側歯形円」、「吐出側歯形円」は、夫々「吸込側目標歯形」及び「吐出側歯形」の最外径部分の軌跡を示す。

ところで、テーパロータを実際に製作する上では、吐出、吸込両側の歯形を相似形状とすることは困難である。例えば、最も一般的な歯面研削盤を用いる場合、前進面、後進面を、一定の砥石引上量とそれぞれのリードを設定して送り加工することになる（その場合の歯形の一例を、同図において「引上歯形」として示す。）。本従来例では、「吐出側歯形」と、「吸込側目標歯形」との引上量ｈ２は、歯底の差を引上量としており、その結果、「引上歯形」の歯底径は、「吸込側目標歯形」の歯底径と一致しているが、歯先付近では「引上歯形」が「吸込側目標歯形」に対して小さくなるという現象が生ずる。このように、「吐出側歯形」と「吸込側目標歯形」の歯底の差を引上量とする方法は、「歯底基準引上げ」という。

図３に、雄ロータ１の歯形の吸込側及び吐出し側における１溝分の部分断面を模式的に示す。「吐出側歯形」は熱膨張前の吸込側の外径形状を示し、「吸込側目標歯形」は吸込側の熱膨張前外径形状を示す。なお、Ｏ１は、回転軸であり、「吸込側歯先円」、「吐出側歯先円」は、夫々「吸込側目標歯形」及び「吐出側歯形」の最外径部分の回転軌跡を示す。

雄ロータ１の場合も、「吸込側目標歯形」を目標として、砥石の引上げとリードを設定して送り加工をするが、図のように引上量ｈ１を歯底基準とすると、雌ロータ２の場合と同様に、「引上歯形」は「吸込側目標歯形」に対して歯先付近で小さくなるという現象が生ずる。

図４に、雄雌両ロータの歯形の吸込側及び吐出側における１溝分の部分断面を模式的に示す。同図は、図２と図３の「引上歯形」を組み合わせた様を示しており、雌ロータ２の歯底部と、雄ロータ１の歯先部とが、軸心Ｏ１、Ｏ２の結線上に同時に位置する時、即ち両者が最も噛み合った状態を示す。この時、雌ロータ２の歯底と、雄ロータ１の歯先付近とでロータ間隙間が大きくなっている。このように、「歯底基準引上げ」の歯形どうしを組み合わせると、特に歯先付近で噛合った状態となる部分のすきまが大となり、それに伴って圧縮ガスの漏れ量が大きくなり、望ましい圧力が得られないという課題が生ずる。

以上の課題を踏まえ、図５〜図９を用いて、本発明を適用した一実施例による雄ロータ１０及び雌ロータ２０について説明する。本実施例では、雌雄ロータの引上量を、「歯先」における吐出側歯形と、吸込側目標歯形と径差を基準（以下、「歯先基準引上げ」という。）とすることを特徴の一つとする。

図５に、雌ロータ２０の吸込側及び吐出側における１溝分の部分断面を模式的に示す。上述の従来例における雌ロータ２（図２）とは異なり、「吸込側目標歯形」に対し歯底部の径が大きく、歯先部の径は同等となっており、全体的には「吸込側目標歯形」より大きい歯形形状となる。即ち本実施例は、引上量を歯底部の差分であるｈ２から、歯先の差分Ｘ２として「歯先基準引上げ」による研磨を行ったものであり、ｈ２＜Ｘ２の関係となる。

歯先を基準に引上量を規定するのは、ロータ歯は、ロータ芯側に比して、ロータ外径側程が肉薄であるというスクリューロータの形状的な特性や、駆動源等の他の部材に接続・接触するロータシャフト寄りの芯側は、熱伝導の面で放熱効果が比較的高いという機械的な特性から、歯先側の熱膨張率が芯側よりも大となる為であり、その分駆動時における歯底部及び歯先におけるロータ間の隙間を、より狭くするのに好適で有る為である。

図６に、雄ロータ１０の吸込側及び吐出側における１溝分の部分断面を模式的に示す。雌ロータ２０と同様に、引上量Ｘ１は、ｈ１＜Ｘ１として「歯先基準引上げ」によって研磨加工したものである。歯底部の径は「吸込側目標歯形」に対して大きく、歯先部の径は同等となっており、全体的には「吸込側目標歯形」より大となる。

このように、「歯先基準引上げ」によってロータの外径は大となることから、両ロータ間が噛み合った状態ではロータ間の隙間は「歯底基準引上げ」の場合よりも小となると言える。
ここで、引上量が必要以上に大となれば一方の歯先が他方の歯底と接触することから、引上量は各ロータの熱変形量を考慮する必要がある。即ち両ロータの引上量の和が、一方ロータの歯底の熱変形量の差と、他方ロータの歯先の熱変形量の差との和以下であるのが好ましい。このような関係を満たす例を以下に述べる。

図７に、雄ロータ１０を「歯底基準引上量（ｈ２）」、雌ロータ２０を「歯先基準引上量（Ｘ２）」で引き上げた場合に両ロータを組み合わせた時の１溝分の部分断面を模式的に示す。同図は、特に前進面部分について示しているが、両ロータを歯底基準引上量ｈ１、ｈ２としたときよりも（図４）雌ロータ２０の歯底部と、雄ロータ１０の歯先部とが噛み合う付近のロータ間隙間を小さくすることができる。そして、雄ロータ１０の引上量ｈ２は、より径が小である歯底部の熱膨張率を考慮した熱変形量であり又雌ロータ２０の引上量Ｘ２は、より径が大である歯先部の熱膨張率を考慮した熱変形量であることから、歯底部と歯先部の径差による熱変形量を、雌雄ロータで補完し合うこととなる。これにより、圧縮ガスの漏れ量が小さくなり、性能の向上が実現できる。

図８は、図７とは逆に、雄ロータ１０を「歯先基準引上量（Ｘ１）」とし、雌ロータ２０を「歯底基準引上量（ｈ２）」とした場合の１溝分の部分断面を模式的に示す。この場合でも、雌ロータの歯底と、雄ロータ歯先部とがかみ合う付近のロータ間すきまを小さくすることができる。

なお、図７、図８に示す例では、一方を「歯底基準引上量（ｈ）」で、他方を「歯先基準引上量（Ｘ）」としたが、その他に、例えば両ロータの引上量を、それぞれの「歯底基準引上量（ｈ）」と「歯先基準引上量（Ｘ）」の中間の引上量としてもよい。

他方、一方ロータを「歯底基準引上げ」、他方ロータを「歯先基準引上げ」としても、図７及び図８に斜線で示すように、雄ロータ１０と、雌ロータ２０との歯形が干渉する部分（以下、「干渉部Ｔ」という。）が生じる場合がある。このような場合については、どちらか一方又は両方のロータについて、複リード加工により(熱変形や設定する隙間を含めた)干渉部Ｔを削除する必要が生じる。

図９を用いて、複リード加工により干渉部Ｔを削除する方法と、その結果形成された複リード歯形について説明する。同図は雌ロータ２０及び雄ロータ１０の前進面について示したものである。図中の引上歯形は図５に示した「歯先基準引上げ」による歯形であり、斜線は干渉部Ｔである。干渉部Ｔを削除するため、前進面のリードを基本のリード値に対して小さく、即ち吐出側と吸込側の巻角を大きくする。この巻角の増加分を図中の複リード回転角として示す。このリード値の変更により、「引上歯形」は、複リード歯形のように回転した形状に加工され、雄ロータ１０との干渉部が削除される。図中に示す「歯底基準引上げ」歯形と比して「歯底基準引上げ」よりも大きく、雄雌両ロータが干渉しない歯形を実現することができる。

このような複リード加工について、上述した図７及び図８を用いて更に説明する。
先に記したように、図７は、雌ロータ２０の引上量を「歯先基準引上量（Ｘ２）」、雄ロータ１０の引上量を「歯底基準引上量（ｈ１）とした場合の、両ロータを組も合わせたロータ間隙間及び干渉部Ｔを示したものである。また、図８は、図７とは引上量が逆の場合を示したものである。

図７及び図８を比較すると、歯先部及び歯底部のロータ間隙間は同じ程度であるが、干渉部Ｔの大きさに差がある。これは、雄ロータ１０と、雌ロータ２０とを同じ引上量だけ引上げた場合、雌ロータ２０の方が歯の枚数が多く、１溝分にわたって引上方向と径方向が近くなっているため、雄ロータ１０の場合より「吸込目標歯形」に近い歯形となっているからである。干渉部Ｔが大きくなると、複リードによって削除する回転角の値が大きくなり、小さくする必要のない部分まで削除して痩せてしまう。したがって、雌ロータ２０の引上量を雄ロータ１０の引上量にくらべて大きくした図７の方法が好ましいとも言える。

１…雄ロータ、２…雌ロータ、１０…雄ロータ、２０…雌ロータ、ｈ１・ｈ２…歯底基準引上量、Ｘ１・Ｘ２…歯先基準引上量、Ｔ…干渉部

Claims (4)

1. 少なくとも一対の雌ロータ及び雄ロータを含むスクリューロータと、前記スクリューロータと共に圧縮室を形成する圧縮機本体ケーシングとを備える圧縮機であって、
   雄ロータ及び雌ロータが、
   吐出側と吸込側の端面で、吸込側の外径が吐出側の外径よりも大となるテーパ形状を有し、
   雄ロータと雌ロータ夫々のテーパ量が、各ロータの吐出側及び吸込側端面の歯底の熱変形量の差以上で有ると共に歯先の熱変形量の差以下であって、且つ夫々のテーパ量の和が、一方ロータの歯底の熱変形量の差と、他方ロータの歯先の熱変形量の差との和以下である圧縮機。
2. 請求項１に記載の圧縮機であって、雄ロータ及び雌ロータの回転時に干渉する部分が、複リード加工により削除されたものである圧縮機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の圧縮機であって、
   雌ロータのテーパ量が、雄ロータのテーパ量より大である圧縮機。
4. 少なくとも一対の雌ロータ及び雄ロータを含み、両ロータの回転による噛み合いによってガス圧縮するスクリューロータであって、
   雄ロータ及び雌ロータが、
   吐出側と吸込側の端面で、吸込側の外径が吐出側の外径よりも大となるテーパ形状を有し、
   雄ロータと雌ロータ夫々のテーパ量が、各ロータの吐出側及び吸込側端面の歯底の熱変形量の差以上で有ると共に歯先の熱変形量の差以下であって、且つ夫々のテーパ量の和が、一方ロータの歯底の熱変形量の差と、他方ロータの歯先の熱変形量の差との和以下であるスクリューロータ。

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