JPH03100390A - セラミックス製スクリューローター及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックス製スクリューロータ−及びその
製造方法並びに圧縮または減圧装置に関する。

〔従来の技術〕

スクリュー型圧縮装置及び減圧装置は第１図乃至第３図
に示すように、オス、メス一対のネジ形状のローター１
，２により空気等のガスを圧縮あるいは減圧する構造と
なっている。このオス、メスローター１，２は、移動時
にある一定のギャップを保ちながらかみあい、非接触状
態でローターが回転し、空気等のガスを圧縮、減圧する
構造となっている。一方片側駆動方式では、接触状態で
ローターが回転し、空気等のガスを圧縮、減圧する構造
となっている。

一般に、スクリュー型圧縮機ではスクリューローターの
回転により、空気等のガスが圧縮されて発熱し、それに
伴ってスクリューローターが加熱される。したがって、
スクリューローターは温度の上昇に伴い熱膨張し、ロー
ター間のギャップが減少し、ついにはメス、オスのロー
ターが接触状態となり、接触が起きると焼き付きロック
現象が生じ、故障となる。そこで、スクリューローター
が加熱された状態でローター間のギャップを適正に保つ
ためには、室温状態でのローター間のギャップを熱膨張
分だけ広く設ける必要があるが、こうすると運転初期に
おいては過大なギャップのため圧縮効率が低くなる問題
があった。またギャップの調整にしてもスクリューロー
ターが加熱されたときの温度分布は均一ではないため、
ギャップの調整は容易ではなく、通常のスクリューロー
ター間のギャップを高温側に広くして対策しているが、
圧縮機の運転パターンが変わるとローターの温度分布も
微妙に変わるため、やはりギャップの微調整は困難であ
った。

また圧縮に伴いスクリューローターが加熱されると金属
の熱伝導性が良いために吸入側の空気等のガスが加熱さ
れ易く、このために効率の低下が問題であった。

さらに具体的に従来のスクリューローター材と問題点に
ついて述べる。従来は、構造用炭素鋼またはダクタイル
鋳鉄等の鋳鋼が一般に使用されていたが、これらの材料
の熱膨張係数は１２×１０−”Ｃ−”と大きいために室
温での組立時にローター間のギャップを大きく取る必要
があった。このようにローター間のギャップを大きく設
定すると始動時の性能が大きく低下する欠点があった。

また腐食性のガスや腐食性の液体を含むガスの場合、ロ
ーター表面が腐食されローター間のギャップが大きくな
り性能が低下したり、サビが付いて接触する問題があっ
た。

また１片側駆動力式では接触状態でスクリューローター
を回転させるために、摩耗が激しいという問題があった
。

またスクリュー型減圧機では、耐食性が不十分であると
き１片側駆動力式では摩耗が激しいという問題があった
。

従来この問題点を解決するために、鋳鋼にＮｉ等を添加
して熱膨張を小さくしたり、耐食性を改善するといった
工夫がなされている。しかし、従来の低熱膨張金属では
温度上昇によりキューリー点を超えると熱膨張が急激に
大きくなる問題があり、また耐食性にも鋳鋼系材料を用
いる限り自ずから限界があり、性能向上は困難であった
。

また従来の鋳鋼製のスクリューローターでは、密度が大
きいためにスクリュ一部が重く、また調性率が小さいた
めに、低速回転の領域で共振が発生し、高速化しずらい
という問題があった。

そこで、従来においても、ロータ軸部は鋼材で作られ、
ロータ歯部は窒化系のセラミックスで作られたスクリュ
ーローター（特開昭５８−１６０５８５号公報）や、金
属粉末等を加熱焼結して多孔質焼結体とし、その孔に油
を含浸させたスクリューローター（特開昭４８−２３０
８号公報）が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術は、熱膨張、耐腐食性、耐摩耗性、騒音の
点について配慮がされておらず、特に温度上昇や腐食に
よるローター間のギャップの変化が原因となったかじり
、効率低下、故障を生じるという問題があった。

また、ロータ歯部に窒化系のセラミックスを用いたもの
は、対をなすオスローターとメスローターとが不用意に
接触した場合にかじりが発生する恐れがあった。金属粉
末等から形成した多孔質焼結体に油を含浸させたものは
、前記かじりの恐れを低減できるが、その孔の構造が不
明確であり、長時間にわたって、油を含浸させた効果が
得られるかは不明確なものであった。

本発明の目的は、ローター間のギャップを小さく調整す
ることが容易で、このために効率が良く、また耐摩耗性
、耐腐蝕性、高速回転性、低騒音に優れ、長期間にわた
ってかじりの発生の恐れを少なく維持することのできる
セラミックス製スクリューローター及びその製造方法並
びにそれを備えた圧縮又は減圧装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明に係るセラミックスロー
ターは、表面から内部を連通ずる長尺なオープンボアの
割合が５〜２０％の多孔質セラミックス焼結体より成る
と共に前記孔に潤滑剤が含浸されているものである。こ
こで、多孔質セラミックス焼結体の熱膨張係数は５　Ｘ
　１０””／℃以下であり、その密度は５ｇ／ｃｍ３以
下であるものがよい。

また、本発明に係るセラミックス製スクリューローター
の製造方法は、金属Ｓｉ粉末と、炭化物、窒化物、酸窒
化物、酸化物、ホウ化物の少なくとも一種以上の無機化
合物の粉末とを含む混合物からスクリューロータの成形
体を製造する工程と、前記成形体をＮ２中で焼成して前
記金属Ｓｉと該Ｎ２とを反応させてオープンボアの割合
が５〜２０％の多孔質のＳｉ、Ｎ４結合セラミックスと
する工程と、を含むものである。ここで、金属Ｓｉ粉末
は６０〜９０ｗｔ％、無機化合物は１０〜４０％の混合
物とし、Ｎ２中での焼成は１０００〜１４００℃で行な
うのがよい。

また、本発明に係る圧縮又は減圧装置は、オスローター
とメスローターとがギャップを介して並設され、非接触
状態で前記両ローターが回転することによりガスを圧縮
または減圧する圧縮又は減圧装置において、前記オスロ
ーター及びメスローターが前記のセラミックス製のスク
リューローターであるものである。ここで、オスロータ
ーとメスローターとはそのギャップが全長にわたって室
温時に一定に形成されているものがよい。また、前記装
置において、両ローターを軸支する軸受部と、両ロータ
ーを内部に収納するケーシング部が前記セラミックス製
スクリューローターと同一材料で形成されているもので
ある。

〔作用〕 本発明に係るセラミックス製スクリューロータは、長尺
なオープンボアに油滑剤が含浸されているので、長期間
にわたって表面の潤滑性及びシール性が確実に維持され
、かじりの発生の恐れが低減される。

本発明に係る製造方法によれば、金属Ｓｉ粉末とＮ２と
を反応させてＳｉ□Ｎ４の多孔質焼結体とすることによ
り、前記オープンボアを容易に形成できる。

本発明に係る圧縮又は減圧装置は、前記セラミックス製
スクリューローターを備えることにより。

長期間にわたって装置の高効率化及び低騒音化を図れる
。

〔実施例〕

先ず本発明の詳細な説明する。第４図にセラミックスか
ら成るスクリューローターのオープンボアの気孔率と圧
縮効率及び摩耗量の関係を示す。

試験条件は後述する実施例１の部分で説明する。

これより、気孔率が２０％を越えると圧縮効率が低下し
、摩耗量が急激に多くなっていることが判る。また、気
孔率が５％より少ないと摩耗量が急激に多くなっている
。この理由は、適当な気孔量を有することにより、この
オープンボアが保油効果をもたらし、ローター表面に油
膜を形成するためにシール性が向上するとともに、スク
リューローター同士が接触しても潤滑効果により長期間
にわたってかじりが発生せず、耐摩耗性に優れるためで
ある。気孔率が２０％より多くなると油のリークが生じ
易くなるために効率が低下し、粒子間の機械的強度が低
下するために摩耗量が多くなる。

また気孔率が５％より少ないと保油効果や潤滑効果が十
分でないので一部かじりが発生し、摩耗量が多くなるこ
とが判った。したがって本発明において、スクリューロ
ーターを気孔率５〜２０％のオープンボアを持つセラミ
ックス焼結体とすることにより、圧縮効率及び耐摩耗性
が優れた圧縮装置又は減圧装置が得られる。

またこのオープンボアにフラン樹脂などの固体潤滑剤や
樹脂、油などを含浸することによっても耐摩耗性に優れ
、焼き付きが生じず、摩擦係数が小さくできる。

また、該セラミックスは、低熱膨張金属のようにキュー
リー点が存在しないために高温下で急激に熱膨張係数が
高くなることがなく、ローター間の適正ギャップを保つ
のに好都合である。

次に、本発明のセラミックス製スクリューローターと従
来の金属製スクリューローターの温度と熱膨張係数の関
係を第５図に示す。これより、本発明品は熱膨張係数が
小さく温度が上昇してもその値はほとんど変化しないこ
とが判る。それに対して、従来の低熱膨張合金は約３０
０℃程度でキューリー点があり熱膨張が急激に大きくな
り、焼き付きの原因となる。

本発明において、無機化合物としては、炭化物。

窒化物、酸窒化物、酸化物、ホウ化物の少なくとも一種
以上、特にｓ　ｉＣ，Ｓｉ３Ｎ４．５ｉ２Ｎ２０、Ｓ　
ｉ　Ｏ２，５ｉＡＩＯＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣ１ＺｒＯ２、
Ｚ　ｒ　Ｂ２．　Ｔ　ｉ　Ｃ，Ｔ　ｉ　Ｏ，、ＴｉＮ、
ＴｉＢ、、Ｃｒ、Ｃ，、Ｃｒ、Ｎ、ＷＣ，ＶＮ。

Ａ１．Ｏ，、ＡＩＮ、Ｂｅ０１ＵＣ，ＢＮ、ＴａＮ。

Ｔ　ａ　Ｃ、Ｃｅ　Ｃｚの少なくとも一種以上から成る
ものがよい。

次に、スクリューローターが回転すると遠心力により振
れが生じるために共振及び騒音が必ず発生する。第６図
にスクリューローターの密度と共振発生回転数及び騒音
の測定結果を示す、試験条件は後述する実施例５の部分
で説明する。これにより、密度５ｇ／ａｊ以下とするこ
とにより、共振発生回転数が大きくでき、また騒音が低
下できることが判る。したがって、スクリューローター
を密度５ｇ／ｃｍ３以下の該セラミックスとすることに
より高剛性、軽量化が可能となり、これにより共振点を
高めることができるので、高速回転可能となの高効率化
、低騒音化が可能である。密度５ｇ／ｄ以下のセラミッ
クス製スクリューローターとすることにより、従来の鰻
鋼製スクリューローターに比較して１／２から１／３の
軽量化が計れ、さらに剛性率も大きいために共振点を高
速領域に高めることができ、高速回転性に優れた高効率
。

低騒音の圧縮装置、減圧装置が得られる。

次に、第７図にスクリューローターの熱膨張係数と圧縮
効率及び摩耗量の関係を示す。試験条件は後述する実施
例１の部分で説明する。これより、熱膨張係数５　Ｘ　
１０−６／℃以下とすることにより圧縮効率が向上し、
摩耗量が極少化できることが判る。これは熱膨張係数が
５　Ｘ　１０−’／℃より大きくなると、運転に伴い温
度が上昇しスクリューローターの接触により摩耗が生じ
、圧縮効率が低下するためである。従来の技術では、こ
の接触による摩耗を防止するためにローター間のギャッ
プを大きくする方法が取られていた。そのために圧縮効
率が必然的に低下する。したがって、スクリューロータ
ーを熱膨張係数５　Ｘ　１０−”／’Ｃ以下とすること
により、従来の金属に比較してローター間のギャップを
極めて小さくでき、始動時から効率の高い圧縮装置、減
圧装置が得られる。

従来はローター温度上昇によるローター間ギャップの拡
大を防止するため、ローター内部に空洞を設けて冷却剤
を流すなどの冷却手段を設けることも成されていたが、
本発明においては、スクリューローターを低熱膨張のセ
ラミックスとすることにより、無冷却構造の圧縮装置ま
たは減圧装置とすることが可能である。これにより、装
置全体の構造が単純化され軽量化できる。

本発明において、金属Ｓｉ粉末６０〜９０ｗｔ％と、炭
化物、窒化物、酸窒化物、酸化物、ホウ化物の少なくと
も一種以上の無機化合物１０〜４０％の混合物の粉末か
ら成る成形体をＮ２中で１０００〜１４００℃で焼成す
ることにより窒化して構成された多孔質のＳｉ、Ｎ４結
合セラミックスである。これにより、焼結時の寸法変化
率が１％以内、小さいものでは０．１％以内でセラミッ
クス焼結体を得ることができ、複雑形状のスクリューロ
ーターを殆ど加工することなく製造可能である６特に、
金属Ｓｉ粉末とＳｉＣ粉末から成る成形体を窒化して多
孔質のＳｉ３Ｎ４結合ＳｉＣセラミックスを形成するの
がよい。該成形体を窒化して得られるＳｉ、Ｎ４結合Ｓ
ｉＣセラミックスでスクリューローターを製造すること
により、焼結時の寸法変化率が０．１％以内で焼結体を
得ることができ、複雑形状のスクリューローターを殆ど
加工することなく製造可能である。ＳｉＣは熱膨張係数
が小さく、耐腐食性、熱伝導性、耐摩耗性に優れ、Ｓｉ
３Ｎ、は熱膨張係数が小さく、耐腐食性に優れるセラミ
ックスであり腐食性ガス、液体を扱う半導体装置関係、
食品産業、医用産業などのスクーンルームシステムへの
応用が可能である。

特に、そのセラミックスがＳｉＣ粒子及び／又はウィス
カをＳｉ、Ｎ４粒子及びウィスカで互いに固結させたセ
ラミックス焼結体とすることが好ましい。これにより、
気孔率５〜２０％、気孔径１００μｍ以下の開気孔を持
つ焼結体が得られる。

本発明において、　Ｓ　ｘ　Ｃ，Ｓ　ｘ３Ｎ４及びオー
プンボアで構成されたセラミックス焼結体に含まれるＳ
ｉＣは金属Ｓｉ粉末から生成したＳｉ□Ｎ４などの粒子
またはウィスカより大きい方が耐摩耗性、耐熱ｗｆ撃性
に優れており、特に、耐熱ｍｌ性は複合セラミックスで
あるため同じ気孔率を持つ他のセラミックスに比較して
優れている。

本発明において、炭化物、窒化物、酸窒化物、酸化物、
ホウ化物粒子の平均粒径は１００μｍ以下、炭化物、窒
化物、酸窒化物、酸化物、ホウ化物ウィスカの平均アス
ペクトは２００以下、平均長さ２００μｍ以下とするの
が好ましい。なぜなら、それ以外では原料の混合が菫し
く、分散が不均一になり機械的強度が低下するためであ
る。

本発明において、第８図に示すようにオスロータ１及び
メスロータ２の軸部４、軸受部３．ケーシング部５を該
セラミックスとした圧縮装置または減圧装置とすること
により、腐食性の気体。代休の使用を可能にすることが
できる。特にオープンボアを有するセラミックスを用い
て、その孔中に油、樹脂等を含浸することにより耐摩耗
性、耐摺動性に優れた圧縮装置または減圧装置が得られ
る。第８図に示す軸部４とスクリュ一部６，７を別々の
セラミックスで作製し、接合することも可能である０例
えば、軸部４をサイアロン、スクリュ一部６，７をＳｉ
３Ｎ４結合ＳｉＣセラミックスとする。接合には、使用
温度、使用雰囲気により従来から知られている各種接合
法が適用できる。

本発明において、スクリューローターの表面をコーティ
ングすることも可能であり、特に多孔質のセラミックス
からなるスクリューローターの表面に樹脂や金属などを
コーティングすることにより、クツション材の役割を果
たす効果がある。特にドライスクリューローターの場合
には有効であ机 （実施例１） 平均粒径０．９μｍの金属Ｓｉ粉末６０重量部と平均粒
径１６μｍのα−３ｉＣ粉末４０重量部をメタノールと
一緒にポットミルで混合、乾燥した後、ポリエチレン系
ワックスを９重量部添加して、１５０℃で加圧ニーダを
用いて５時間混練した。そして混合物を粉砕し、１５０
”ｌ：、１０００ｋｇ／Ｃｉの条件でスクリューロータ
ーの形状をした金型で成形した。成形体のワックス分を
除去した後、窒素ガス中１３８０℃まで段階的に長時間
がけて加熱処理し、焼結体を得た。この時の成形体から
焼結体への寸法変化率は０．１５％と小さく寸法精度に
優れたものが得られた。焼結体のオープンボアの気孔率
は１０％、気孔径２０μｍ以下であった。このセラミッ
クスによりオス、メスのスクリューローターを作製し、
従来の鋳鉄製ローターを用いた場合との圧縮効率の比較
を行った。

各々のローターを用いて吐出圧カフ　ｋｇ／ｃｍ３、吸
入流１ｋ　１０００　ｇ　／　ｈのスクリュー型圧縮機
を第９図のシステムのように構成して圧縮効率を比較し
た。その結果、従来の圧縮機では圧縮効率が６７％であ
ったが、本発明による圧縮機の圧縮効率は７２％と極め
て高効率であり、しかもそれを長期間にわたって維持で
きるものであった。

本実施例では、スクリューローター間のギャップを従来
の１／４にすることができたので、圧縮効率を大巾に向
上させることができた。

（実施例２） Ｓｉ粉末８０ｗｔ％とＴｉＮ粉末２０ｗｔ％から製造さ
れるＳｉ３Ｎ４結合ＴｉＮセラミックス（熱膨張係数３
　、２　Ｘ　１０−６／℃−１、気孔率１２％、密度３
．７ｇ／ｃｄ）によりオス、メスのスクリューローター
を作製し、従来の鋳鉄製ローターを用いた場合との圧縮
効率の比較を行った。各々のローターを用いて吐出圧カ
フｋｇ／ｃｍ３、吸込流量１０００　ｒｒｒ　／　ｈの
スクリュー型圧縮機を構成して圧縮効率を比較した。そ
の結果、従来の圧縮機では圧縮効率が６７％であったが
、本発明による圧縮機の圧縮効率は７２％と極めて高効
率であった。

本実施例でもスクリューローター間のギャップを従来の
１／４にすることができたので、圧縮効率を大巾に向上
させることができる。

（実施例３） 実施例１で得られたスクリューロータと従来の鋳鉄製ロ
ーターを用いた場合の、塩酸ミストを含むガスの減圧装
置に適用し、比較した。その結果、従来の鋳鋼製ロータ
ーは腐食されていたが、本発明のスクリューローターは
腐食されておらず良好であった。これにより信頼性を大
きく向上させることができた。

（実施例４） 実施例２で得られたスクリューローターのオープンボア
に油を含浸した。そして従来の鋳鉄製ローターを用いた
場合の片側駆動方式によりスクリュー型圧縮機を構成し
て比較した。その結果、従来の鋳鉄製ローターは駆動に
伴う摩耗が激しく、場合によってはかじりが発生した。

それに対して本発明品は、気孔部に含浸された油が潤滑
効果をもたらすために摩耗が生じず、ドライの状態でも
良好であった。これにより信頼性を大きく向上させるこ
とができた。

（実施例５） 従来の鋳鉄製ローター（密度８．２ｇ１０Ｊ）を用いて
、吐出圧カフｇ／ｃｊ、吸込流量１０００　ｒｎ’／ｈ
の単段小型スクリュー型圧縮機を構成して共振が発生す
る回転数を検出した。その結果、２０゜０００ｒｐ１１
１で共振が発生した。次に、実施例１で得られたセラミ
ックス（密度３．４ｇ／ｃｄ）により同一形状のスクリ
ューローターを作製し、吐出圧カフ　ｋｇ／ｄ、吸込流
量１０００ｒｒｌ’／ｈの単段小型スクリュー型圧縮機
を構成して共振が発生する回転数を検出した。その結果
、４０．２０Ｏｒｐｍで共振が発生した。これより、本
発明品は高速回転性に優れており、高効率化が計れるこ
とが判った。

〔発明の効果〕

本発明に係るセラミックス製スクリューロータは、長尺
なオープンボアに油滑剤が含浸されているので、長期間
にわたって表面の潤滑性及びシール性が確実に維持され
、かじりの発生の恐れが低減される。

本発明に係る製造方法によれば、金属Ｓｉ粉末とＮ２と
を反応させてＳｉ、Ｎ４の多孔質焼結体とすることによ
り、前記オープンボアを容易に形成できる。

本発明に係る圧縮又は減圧装置は、前記セラミックス製
スクリューローターを備えることにより、長期間にわた
って装置の高効率化及び低騒音化を図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るオス、メスローターの側面図、第
２図は同平面図、第３図は第１図のｍ−■線断面図、第
４図はスクリューローターの気孔率と圧縮効率及び摩耗
量の関係を示す図、第５図は温度と熱膨張係数の関係を
示す図、第６図はスクリューローターの密度と共振発生
回転数及び騒音の関係を示す図、第７図は同熱膨張係数
と圧縮効率及び摩耗量の関係を示す図、第８図は圧縮又
は減圧装置の要部断面図、第９図はクリーンドライエア
ーを送るシステムの構成図である。 １・・・オスローター、２・・・メスローター、３・・
・軸、４・・・軸部、５・・・ケーシング、６，７・・
−スクリュ一部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面から内部を連通する長尺なオープンボアの割合
   が５〜２０％の多孔質セラミックス焼結体より成ると共
   に前記孔に潤滑剤が含浸されているセラミックス製スク
   リューローター。 ２、請求項１において、多孔質セラミックス焼結体の熱
   膨張係数は５×１０＾−＾６／℃以下であり、その密度
   は５ｇ／ｃｍ＾３以下であるセラミックス製スクリュー
   ローター。 ３、金属Ｓｉ粉末と、炭化物、窒化物、酸窒化物、酸化
   物、ホウ化物の少なくとも一種以上の無機化合物の粉末
   とを含む混合物からスクリューロータの成形体を製造す
   る工程と、前記成形体をＮ＿２中で焼成して前記金属Ｓ
   ｉと該Ｎ＿２とを反応させてオープンボアの割合が５〜
   ２０％の多孔質のＳｉ＿３Ｎ＿４結合セラミックスとす
   る工程と、を含むセラミックス製スクリューローターの
   製造方法。 ４、オスローターとメスローターとがギャップを介して
   並設され、非接触状態で前記両ローターが回転すること
   によりガスを圧縮または減圧する圧縮又は減圧装置にお
   いて、前記オスローター及びメスローターが請求項１又
   は２記載のセラミックス製スクリューローターであるこ
   とを特徴とする圧縮又は減圧装置。 ５、請求項４において、オスローターとメスローターと
   はそのギャップが全長にわたって室温時に一定に形成さ
   れている圧縮又は減圧装置。 ６、請求項４において、両ローターを軸支する軸受部と
   、両ローターを内部に収納するケーシング部が請求項１
   又は２記載のセラミックス製スクリューローターと同一
   材料で形成されている圧縮又は減圧装置。