JPH06101670A - 無給油式スクリュー圧縮機のロータ成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロータ間の間隙を最小にして無給油式スクリ
ュー圧縮機の性能を向上可能とする。 【構成】 あらかじめ、それぞれ単体で形成された一対
のロータをタイミングギヤを有する無給油式スクリュー
圧縮機に組み付け、上記一対のロータを、軸受にて中心
距離を保持されると共にタイミングギヤで回転方向のバ
ックラッシを拘束された状態で同期回転させて負荷運転
したとき、吐出気体の圧力上昇にともなって軟質材料に
て形成された上記他方のロータが熱膨張して、その表面
の皮膜が上記一方の研削材料にて形成されたロータ表面
の皮膜に接触すると、該接触部分を上記一方のロータ表
面の皮膜が研削して創成加工するとともに、上記一対の
ロータ間の最小間隙を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、無給油式スクリュー圧
縮機のロータ成形方法に係り、とくに、ロータ間の間隙
を最小にしてスクリュー圧縮機の性能を向上するのに好
適な無給油式スクリュー圧縮機のロータ成形方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】無給油式スクリュー圧縮機においては、
互いに噛む合う１対のロータ間にシールを行なうための
油を一切使用しないので、ロータ間やロータとロータケ
ーシングとの間およびロータの吐出側端面と吐出側カバ
ーとの間の間隙などから圧縮された気体が吸込側に逆流
してスクリュー圧縮機の性能に悪影響を及ぼしている。
とくに、一対のロータ間の間隙は、圧縮室と吸入室とを
形成する歯溝のしきり部となるため、両室内の空気の圧
力差が大きくなると歯溝のしきり部からの洩れ量が大き
くなって、スクリュー圧縮機の性能に与える影響が最も
大きくなることが知られている。また、近年無給油式ス
クリュー圧縮機においては、小形化が進んでいるが、小
形機の場合、大形機と比較して、吐出風量の減少に対す
る上記に述べたような圧縮機内部の気体洩れの減少がと
もなわない。そのため、ロータ間の間隙を最小に抑え、
気体が、圧縮側から吸入側へと逆流するのを減少する努
力がなされている。さらに、たとえば、大気圧から７気
圧程度まで気体を圧縮する場合には、従来単段の無給油
式スクリュー圧縮機が多く使用されている。ところが、
この場合には、吐出する気体温度が３００℃を超えるた
め、気体温度により、ロータのローブ部分が熱膨張して
変形するので、ロータのローブ部分について、熱膨張を
配慮した歯形を使用する必要がある。

【０００３】そこで、従来は、たとえば、特公昭６１−
４７９９２号公報に記載され、その要部（第１２図）を
図５に示すように、常温時に互いに間隙なしで噛み合う
一対のロータ歯形を基本歯形とし、一方の雄ロータにつ
いて、あらかじめ設定した最高温度時における熱膨張を
配慮した第１ロータ歯形を求める。ついで、一対のロー
タがバックラッシュ量や、一対のロータ同志が互いに噛
合いの過程で接触しないために必要な理想的を間隙を配
慮した第２ロータ歯形を求める。ついで、熱膨張により
変形した該雄ロータの第２ロータ歯形によって創成され
る噛み合う相手の雌ロータの第３歯形を求める。つい
で、該第３ロータ歯形を常温に戻すことによって収縮し
たときの第４ロータ歯形を求め、該雌ロータの第４ロー
タ歯形と、雄ロータの上記基本歯形に基いて、常温時に
ロータ歯形を製作する方法が発明されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】無給油スクリュー圧縮
機においては、ロータの周速度が６０乃至１００ｍ／ｓ
と非常に高速度で使用される。そのため、万一、設計値
の予測が正確でないとロータの接触による重大なロータ
損傷が発生する可能性がある。また与えられた仕様範囲
以外の温度条件たとえば、何らかの理由で、吸入圧力が
設定圧力よりも低く、かつ吐出圧力が設定圧力よりも高
くなったため、圧縮比が設定値より大きくなった場合に
は、これにともなって空気温度も設定値よりも上昇し、
ロータ損傷が発生するおそれがある。さらに、ロータの
温度予測以外にも、つぎに述べる理由によって運転中の
両ロータ間の間隙を左右する。

【０００５】（１）ロータの温度は、回転軸の軸方向に
対し、直角な断面上にも温度分布が発生する。しかる
に、上記の温度分布をすべて正確に把握し、三次元的に
ねじれたロータの熱膨張量を正確に予測することは実際
問題として困難である。

【０００６】（２）ロータの温度は、その軸方向にも連
続的に温度分布が発生しており、吐出側と吸入側では１
００乃至２００℃位の温度差がある。そのため、ロータ
の歯部にもテーパ計状を与えて成形するが、これは吐出
側で決めた歯形を擬似点に平行移動した歯形である。理
想的には、ロータの軸方向全長について各断面上の温度
分布を把握し、歯形設計を行ない、これを連続的に接続
した歯形であるべきである。しかしこのような歯形成形
は、ホブ盤や歯面研削およびシングルインデックスカッ
タのように、一つの固有の歯形に合せて成形されたカッ
タによりロータを成形する方法では達成することができ
ない。

【０００７】（３）ロータのみならず、ロータケーシン
グにも機械加工誤差は存在する。また、ケーシングにも
吸入側と吐出側で異なる温度分布が存在する。そのた
め、運転中のロータ軸間距離は変化し、ロータ間の隙間
にも影響を与えるが、これを予測することは実際問題と
して極めて困難である。

【０００８】（４）ロータを支持する軸受にも、ロータ
との間に間隙が存在し、実際の運転時における温度によ
って軸間距離が変化する。

【０００９】（５）一対のロータが回転しつつ気体の圧
縮を行なうので、ロータには撓みが発生する。該撓み
は、三次元的に分布するため、これを配慮して歯形を設
計することは実際問題として非常に複雑で容易に設計す
ることができない。

【００１０】（６）上記以外にも、スクリュー圧縮機個
々の製作上のばらつきや、運転条件のばらつきにより、
極小の間隙を個々のスクリュー圧縮機について与えるこ
とは極めて困難である。

【００１１】本発明の目的は、上記従来技術の問題を解
決し、ロータ間の間隙を最小にして性能を向上可能とす
る無給油式スクリュー圧縮機のロータ成形方法を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、あらかじめ、単体で形成された一対のロータをタイ
ミングギヤを有する無給油式スクリュー圧縮機に組み付
け、上記一対のロータを、軸受にて中心距離を保持され
ると共に上記タイミングギヤにて回転方向のバックラッ
シを拘束された状態で同期回転させて負荷運転を行ない
つつ、上記一方のロータ表面に研削材料にて形成された
皮膜により、上記他方のロータの表面を創成仕上げ加工
し、上記他方のロータの歯形および上記一対のロータ間
の最小間隙を成形するものである。

【００１３】また、上記他方のロータ表面は、軟質金属
もしくは固体皮膜潤滑剤のいずれか一方の皮膜で構成さ
れたものである。

【００１４】また、上記一方のロータは，そのピッチ円
径を、その歯底径よりも小さく形成され、かつ上記他方
のロータは、そのピッチ円径を、その歯先径よりも大き
く形成され、上記一対のロータが互いに噛み合って回転
したとき、ころがり接触しないものである。

【００１５】

【作用】本発明は、一対のロータについて、あらかじ
め、設定した最高温度時における熱膨張および間隙を配
慮した歯形を求め、該歯形を常温に戻し、収縮した歯形
を求める。しかるのち、求めた歯形に基いて研削盤など
によって加工する。ついで、上記一対のロータを、タイ
ミングギヤを有する無給油式スクリュー圧縮機に組付
け、軸受によって中心距離を保持すると共に上記タイミ
ングギヤにより回転方向のバックラッシを拘束された状
態で同期回転させて、圧縮機が負荷運転したとき、吐出
気体の圧力上昇にともなって両ロータ表面の皮膜の熱膨
張や、あらかじめ計算では求めることができない製作上
の理由、たとえば、一対のロータの撓み、一対のロータ
と軸受との間隙およびロータケーシングの内壁面の形状
の誤差などによって、他方のロータ表面や、ロータケー
シングの内壁面が、一方のロータ表面に接触すると、一
方のロータ表面に研削材料にて形成された皮膜は、他方
のロータの表面あるいは皮膜およびロータケーシングの
内壁面を順次研削して所定の形状に創成加工する。しか
も、一方のロータ表面の皮膜による研削は、気体が所定
圧力に達し、かつ一対のロータが最高温度に達したとき
に接触する部分がなくなる迄続けられる。また、一対の
ロータは、上記タイミングギヤにより同期回転されてい
るので、一方のロータ表面の皮膜によって他方のロータ
表面の研削が終了したとき、同時に一対のロータ間に
は、最小の間隙が同時に形成される。また、タイミング
ギヤの存在により組立状態でのバックラッシ（あそび）
以上に研削が進行しない。したがって、本発明は、あら
かじめ、一対のロータをそれぞれ単独に加工したのち、
タイミングギヤを有する無給油式スクリュー圧縮機に組
み付け、該圧縮機の負荷運転時に、一方のロータ表面の
皮膜で他方のロータ表面を創成加工するとともに、一対
のロータ間の最小間隙を形成するので、あらかじめ、計
算などによって求めることのできなかったロータ歯形お
よび一対のロータ間の最小間隙を容易に、かつ正確に成
形することができ、これによって圧縮機の性能を向上す
ることができる。

【００１６】また、上記他方のロータ表面は、軟質金属
もしくは固体皮膜潤滑剤のいずれか一方の皮膜で被覆さ
れているので、一方のロータ表面の皮膜に接触しても、
かじりや焼付きなどの現象の発生を防止することができ
る。

【００１７】また、上記一方のロータは、そのピッチ円
径を、その歯底径よりも小さく形成され、かつ上記他方
のロータは、そのピッチ円径を、その歯先径よりも大き
く形成され、上記両ロータが互いに噛み合って回転した
とき、ころがり接触しないように構成されているので、
上記一方のロータの皮膜に接触した上記他方のロータの
皮膜を所定の形状により正確に成形することができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を示す図１乃至図４
について説明する。

【００１９】図４は、本発明を適用した無給油式スクリ
ュー圧縮機を示す断面図である。同図に示すように、互
いに噛合う雄ロータ１および雌ロータ２は、それぞれ両
端部を軸受５によって回転自在に支持され、かつ軸封装
置８によって、上記軸受５を潤滑した油が、ロータケー
シング６および上記両ロータ１，２によって形成される
圧縮室Ｃ内に侵入するのを防止している。また、上記圧
縮室Ｃ内には、たとえば油を噴射して上記一対のロータ
１，２などを冷却することは行なわれていない。さら
に、上記雄ロータ１は、その一方先端部に駆動ピニオン
３を固定し、その他方先端部および上記雌ロータ２の他
方先端部に１対のタイミングギヤ４を固定している。し
たがって、上記駆動ピニオン３を駆動すると、上記一対
のタイミングギヤによって一対のロータ１，２が同期回
転して一点鎖線に示す吸入口Ａから吸入された空気を圧
縮して鎖線にて示す吐出口Ｂから吐出する。このとき、
上記一対のロータ１，２間には、冷却用の油を給入して
いないので、これら一対のロータ１，２の表面は高温空
気にさらされ、温度上昇するとともに、熱膨張して歯形
が変形する。そこで本発明は、上記一対のロータ１，２
の歯形および間隙をそれぞれつぎのようにして成形して
いる。図１は、前記図４の一対のロータ１，２の歯形部
分の一実施例を示す拡大断面図である。同図に示すよう
に、一方の雄ロータ１は，炭素鋼やステンレス鋼のよう
に高強度を有する材料にて素地を形成し、その表面に
は、厚さを均一に形成可能で、かつ高硬度を有する無電
解ニッケルメッキにて皮膜１０を形成している。また、
該皮膜１０中には、炭化けい素や酸化アルミナのように
極めて高硬度の粒子１１を上記メッキの作成工程のさ
い、メッキ素材中に分散させている。他方の雌ロータ２
も上記雄ロータ１と同種の材料にて素地を形成し、その
表面には、上記雄ロータ１の皮膜１０よりも軟質な材料
にて皮膜１２を形成している。該皮膜１２は、上記雄ロ
ータ１の皮膜１０と同様に無電解ニッケルメッキを施し
たのち、熱処理などで軟かくするか、または銅メッキな
どにて軟質金属をメッキしている。ついで、あらかじ
め、設定した最高温度時における歯形の熱膨張および一
対のロータ１，２間の間隙を考慮した歯形を求め、しか
るのち、上記一対のロータ１，２を常温に戻し、収縮し
た歯形を求め、該歯形になるように、それぞれ研削盤な
どにて研削加工する。この場合、とくに上記他方の雌ロ
ータ２の歯形は、後述するように、上記一対のロータ
１，２を圧縮機に組み付け、上記タイミングギヤ４によ
り同期回転して負荷運転したとき、上記一方の雄ロータ
１によって創成加工されるような形状であれば良く、従
来のように正確度を必要としない。また、上記一対のロ
ータ１，２は、圧縮機に組み付けたさい、間隙が所定の
間隙よりも小さい値たとえば、１０〜２０μｍ程度に形
成している。ついで、上記一対のロータ１，２を前記図
４に示すように、圧縮機に組み付け、上記タイミングギ
ヤ４によって回転方向のバックラッシを拘束しながら、
互いに異なる回転速度Ｖｍ，Ｖｆで回転し、当初吐出口
を大気に解放して無負荷運転を行なったのち、負荷運転
に切換えて吐出圧力を上昇させて行くと、該他方のロー
タ２は、温度上昇にともなって熱膨張するとともに、上
記一対のロータ１，２の表面が相対すべりを発生する。
これによって、僅かづつ上記雌ロータ２の皮膜１２の前
進面、後進面を問わず、上記雄ロータ１に接触すると、
該接触部分は、上記雄ロータ１の皮膜１０によって削ら
れて行く。またこのとき、ロータケーシング６が上記雄
ロータ１に接触すると、該接触部分は上記雄ロータ１の
皮膜１０によって削られる。この吐出空気の温度上昇、
圧力上昇にともなう一対のロータ１，２の熱膨張による
変形および上記雄ロータ１による創成加工のプロセス
は、あらかじめの設定された一対のロータ１，２の最高
温度にある一定のマージンを加えた値まで継続して行な
われ、最終的に全歯面、軸方向全断面で、個々の上記ロ
ータ１，２が最小間隙を保持するような最適な歯形にな
るまで創成加工が行なわれる。このようにして、創成加
工が終了したとき、圧縮機の運転を停止し、上記一対の
ロータ１，２を常温に戻す。

【００２０】したがって、本実施例では、あらかじめの
単体で成形された一対のロータ１，２を圧縮機に組み付
け、軸受にて中心距離を保持され、かつ、回転方向のバ
ックラッシをタイミングギヤで拘束された状態で回転さ
せながら雄ロータ１にて雌ロータ２を創成加工するとと
もに、最小の間隙を形成するもので、従来のように実機
で負荷運転した状態をあらかじめ想定して上記両ロータ
の歯形および間隙を正確に計算し、計算結果に基いて歯
形を単体で創成加工する場合に比較して、容易にかつ正
確に上記両ロータ１，２の歯形および最小間隙に加工す
ることができる。また、個々の圧縮機の構成部品の精度
にマッチした最適の間隙を創出することができる。

【００２１】つぎに、本発明の第２実施例である一対の
ロータの拡大断面図を示す図２について説明する。図２
に示すように、本実施例では、雌ロータ２Ａ表面に無電
解ニッケルメッキにて形成された皮膜１２Ａ中に、窒化
ホウ素や、二硫化モリブデンなどの粒子１４Ａを分散さ
せた場合である。この場合には、接触による創成加工は
二段階となる。すなわち、雄ロータ１が軽度で接触する
ときには、表面の低摩擦係数粒子の剪断により雌ロータ
２表面は創成加工されない。つぎに重度で接触するとき
には、雄ロータ１の高硬度粒子１１が、雌ロータ２表面
の軟質メッキ層１２Ａを必要な部分だけ削り落とすとい
う二段階となる。このようにすることによって、通常、
鋳鉄で形成されることの多いロータケシング６内壁との
接触においても、かじりや、焼付きなどの現象の発生を
防止することができる。もちろん、雄ロータ１側の外周
では、高硬度粒子１１の存在により、ケーシング６内壁
との干渉部は創成加工されることになり、かじりや、焼
付きなどの発生を防止することができる。なお、上記雌
ロータ２の表面を無電解ニッケルメッキ層の代りに二硫
化モリブデンなどの固体皮膜潤滑剤の皮膜にしても、同
様な効果を有するが、長期間の耐久性を必要とする場合
には、図２に示す実施例が有利である。

【００２２】つぎに、本発明の第３の実施例であるロー
タの歯形を示す図３について説明する。図３に示す実施
例は、熱膨張による接触によって雌ロータ２の創成加工
を円滑に行なうため、雄ロータ１のころがりピッチ円径
ｄPMを、雄ロータ１の歯底径ｄimより小さくし、同時に
雌ロータ2 のころがりピッチ円径ｄPFを雌ロータ２の歯
先径ｄofより大きくしている。これにより、各々ロータ
１，２の噛み合い回転時に、ころがり接触を行なう歯形
部分がなくなる。すなわち、相対すべり速度がすべての
部分に存在するため、雄ロータ１表面の高硬度粒子１１
（図示せず）が雌ロータ２表面に接触したさい、必らず
雌ロータ２表面が創成加工により仕上げられる。とく
に、無給油式スクリュー圧縮機において、圧縮効率を向
上するためには、両ロータ１，２間の間隙を小さくする
必要がある。ところが、実際の運転中での熱膨張状態の
歯形について、すべての断面を予測することは困難であ
る。そこで、一対のロータ１，２の接触を防止するため
に、ある程度の安全を見込み、効率を犠牲にして予測よ
り大きめの隙間を設定しているのが現状である。これに
対して、本実施例では、雄ロータ１が雌ロータ２と接触
した部分を創成加工し、かじり付きを起こぬように形成
しているため、両ロータ１，２間の空気の漏洩による損
失を最低にすることができ、信頼性を損なうことがな
い。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、あらかじめ、それぞれ
単体で形成された一対のロータをタイミングギヤを有す
る無給油式スクリュー圧縮機に組み付け、上記一対のロ
ータを軸受にて中心距離を保持されると共にタイミング
ギヤにて回転方向のバックラッシを拘束された状態で同
期回転させて負荷運転を行ないつつ、上記一方のロータ
表面に研削材料にて形成された皮膜により、上記他方の
ロータ表面を創成加工して、上記他方のロータ歯形およ
び上記一対のロータの最小間隙を成形するので、容易に
かつ正確に他方のロータの歯形および上記一対のロータ
の最小間隙を加工することができ、これによって、圧縮
機の性能を向上することができる。

【００２４】また、上記他方のロータ表面は、軟質金属
もしくは、団体皮膜潤滑剤のいずれか一方の皮膜にて被
覆されているので、上記他方のロータが上記一方のロー
タに接触しても、かじりや焼付きなどの現象の発生を防
止することができる。

【００２５】また、上記一方のロータは、そのピッチ円
径を、その歯底径より小さく形成され、かつ上記他方の
ロータは、そのピッチ円径を、その歯先径よりも大きく
形成され、上記一対のロータが互いに噛み合って回転し
たとき、ころがり接触しないように構成されているの
で、上記一方のロータの皮膜に接触した上記他方のロー
タの皮膜を所定の形状に正確に成形することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】無給油式スクリュー圧縮機の一対のロータの第
１実施例を示す拡大断面図

【図２】無給油式スクリュー圧縮機の一対のロータの第
２実施例を示す拡大断面図

【図３】無給油式スクリュー圧縮機の一対のロータの第
３実施例を示す拡大断面図

【図４】本発明を適用する無給油式スクリュー圧縮機を
示す断面図

【図５】従来のロータ歯形を求めるための手順を示す説
明図

【符号の説明】

１…雄ロータ、２…雌ロータ、３…駆動ピニオン、４…
タイミングギヤ、５…軸受、６…ロータケーシング、１
０…雄ロータの皮膜、１１…粒子、１２…雌ロータの皮
膜、１４Ａ…固体潤滑剤。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 あらかじめ、それぞれ単体で形成された
   一対のロータをタイミングギヤを有する無給油式スクリ
   ュー圧縮機に組み付け、上記一対のロータを、軸受にて
   中心距離を保持されると共に上記タイミングギヤにて回
   転方向のバックラッシを拘束された状態で同期回転させ
   て負荷運転を行ないつつ、上記一方のロータ表面に研削
   材料にて形成された皮膜により、上記他方のロータの表
   面を創成加工し、上記他方のロータの歯形および上記一
   対のロータ間の最小間隙を成形することを特徴とする無
   給油式スクリュー圧縮機のロータ成形方法。
2. 【請求項２】 上記他方のロータ表面は、軟質金属もし
   くは固体皮膜潤滑剤のいずれか一方で構成されたことを
   特徴とする請求項１記載の無給油式スクリュー圧縮機の
   ロータ成形方法。
3. 【請求項３】 上記一方のロータは、そのピッチ円径
   を、その歯底径よりも小さく形成され、かつ上記他方の
   ロータは、そのピッチ円径を、その歯先径よりも大きく
   形成され、上記一対のロータが互いに噛み合って回転し
   たとき、ころがり接触しないことを特徴とする請求項１
   記載の無給油式スクリュー圧縮機のロータ成形方法。