JPWO2017104326A1

JPWO2017104326A1 - スクリュー圧縮機

Info

Publication number: JPWO2017104326A1
Application number: JP2017556425A
Authority: JP
Inventors: 美奈子金田; 紘太郎千葉; 土屋　豪; 豪土屋; 正彦高野
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-10-04
Also published as: WO2017104326A1

Abstract

本発明では、雄ロータと雌ロータの隙間を縮小することで、圧縮空気の漏洩低減することを目的とする。本目的を達成するため、スクリューロータと、スクリューロータを収納するケーシングと、を有し、スクリューロータは、相手のロータと噛み合うことで相手のロータを駆動する噛合面と、相手のロータと噛み合わず駆動に寄与しない非噛合面とを有し、非噛合面には、非噛合面によって形成される隙間を埋めるようにコーティング層が形成されることを特徴とするスクリュー圧縮機を有する。

Description

本発明は、スクリュー圧縮機に関するものである。

スクリュー圧縮機には、例えば一対のロータが互いにかみ合って駆動する直接駆動式のスクリュー圧縮機があるが、らせん状のローブにより互いに噛み合って回転する雄雌一対のロータと、一対のロータを収納するための円筒状の空間を持つケーシングと、一対のロータを各々回転自在に指示するための吸入軸受と吐出軸受によって構成される。一対のロータのうち雄ロータは、モータに接続されている。圧縮機が運転を開始すると、モータに接続されている雄ロータは回転運動を始める。雄ロータとローブで互いに噛み合っている雌ロータは、雄ロータの回転する力を受けて回転運動を始める。雄ロータと雌ロータが回転運動をすると、２つのロータのローブによって形成される作動室の容積は縮小する。作動室の容積の縮小に伴い、作動室内部の流体は圧縮される。

ロータは以下に記載する理由から、あらかじめ雄ロータと雌ロータの間に隙間を設けている。１つめの理由として、作動室内部の流体が圧縮される過程で加熱されると、ロータが熱膨張する。ロータの熱膨張により、雄ロータと雌ロータが接触し焼付かないようにするために、雄ロータと雌ロータの間にはあらかじめ隙間を空けて加工する必要がある。また２つめの理由として、ロータの製造公差により雄ロータと雌ロータの間隙が小さくなる可能性がある。そのためロータ同士が接触し焼付かないようにするために、雄ロータと雌ロータの間にあらかじめ隙間を空けて加工する必要がある。

しかし雄ロータと雌ロータの間に隙間を設けると、圧縮され高圧になった流体が、雄ロータと雌ロータの間隙を通って、圧力の低い吸入側の作動室へ漏洩する。圧縮空気が高圧側の作動室から低圧側の作動室へ漏洩すると、圧縮機効率が低下してしまう。雄ロータと雌ロータの隙間から流体の漏洩を防ぐ方法として、従来の技術にはロータ全体にコーティングを施し、雄ロータと雌ロータの隙間の大きさを縮小したものがある。（例えば、特許文献１参照）

特表2005-515067号

特許文献１は雄ロータと雌ロータがタイミングギアを介して回転駆動する、ギア駆動圧縮機に関する発明である。特許文献１はロータ表面のコーティングにより、雄ロータと雌ロータの隙間や、ケーシングと雄ロータや雌ロータの隙間を小さくし、圧縮空気の漏洩を防ぐことを目的にしている。特許文献１の構造は、ロータとケーシングの少なくとも１つの表面にコーティングを施している。特許文献１は、最初にコーティングを不均一に余分な厚さを持つように施し、部材を組み付ける前にほぼ均一な所定の厚さになるようレべリングする段階を含んだコーティング方法について記載している。

本発明で対象としている直接駆動式のスクリュー圧縮機において、モータに接続された雄ロータと雌ロータが噛み合う面には、高い面圧がかかる。そのため特許文献１を直接駆動式のロータに適用すると、高い面圧のかかる面に塗布したコーティングは摩耗してしまう。コーティングの摩耗により、雄ロータと雌ロータの噛み合う面の隙間は変わらないが、噛み合っていない面の隙間は拡大する。雄ロータと雌ロータの隙間の拡大により、圧縮された高圧の流体は、雄ロータと雌ロータの隙間を通って低圧側の作動室へ漏洩する。圧縮空気の漏洩は、圧縮機効率の低下に繋がる。もし高い面圧により摩耗しないコーティング材があったとしても、コーティング材には耐圧性や耐摩耗性などの高機能性が必要となる。高機能性のコーティングを塗布するため、加工コストは増大する。

そこで、本発明では、ロータの噛み合っていない面によって形成される隙間を縮小することで、圧縮空気の漏洩低減することを目的とする。

前述の目的を達成するため、例えば、スクリューロータと、スクリューロータを収納するケーシングと、を有し、スクリューロータは、相手のロータと噛み合うことで相手のロータを駆動する噛合面と、相手のロータと噛み合わず駆動に寄与しない非噛合面とを有し、非噛合面には、非噛合面によって形成される隙間を埋めるようにコーティング層が形成されることを特徴とするスクリュー圧縮機。

ロータの噛み合っていない面によって形成される隙間を縮小することで、圧縮空気の漏洩低減することができる。

実施例１に係るスクリューロータの径方向断面図である。スクリュー圧縮機の全体構造を示す軸方向断面図である。スクリュー圧縮機の全体構造を示す側面から見た断面図である。ある角度におけるロータの径方向断面図である。雄ロータと雌ロータが図４から所定の角度回転し、互いに噛み合った状態におけるロータの径方向断面図である。実施例２にかかるロータの径方向断面図である。

以下、本発明を実施する上で好適な実施の例について図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の内容が下記具体的態様に限定されるものではない。本発明は、下記態様を含めて種々の態様に変形することが無論可能である。

以下、実施例１を図１から図５を用いて詳細に説明する。図１は実施例１に係るロータの径方向断面図、図２は本発明のロータの適用対象であるスクリュー圧縮機の全体構造を示す軸方向断面図、図３は図２を側面から見た軸方向断面図である。

スクリュー圧縮機１は回転軸が平行で、かつらせん状の歯が噛み合うように各々回転する雄ロータ３および雌ロータ２と、雄ロータ３と雌ロータ２を収納して複数の圧縮作動室１２を形成するケーシング４を備えている。ケーシング４には雄ロータ３と雌ロータ２を収納するための略円筒状のボア２１と、圧縮作動室１２に流体を吸入するための吸入口１３と、圧縮された流体を吐出作動室の外へ吐出するための吐出口１４が設けられている。ケーシング４の内部において雄ロータ３と雌ロータ２は、それぞれラジアル軸受１５によって回転可能に支持されている。雄ロータ３の軸９には、モータ（図示せず）が接続されている。圧縮機の稼働により、モータに接続されている雄ロータ３が回転運動を始める。雄ロータ３の回転に伴い、雄ロータ３とローブにより噛み合っている雌ロータ２も回転運動を始める。雄雌ロータが回転を始めると、ケーシング４設けられた吸入口１３から圧縮室作動室１２内部へ気体が吸入される。２つのロータのローブによって形成される圧縮作動室１２の容積は、ロータの回転とともに吸入口１３側から吐出口１４側に移動しながら縮小する。圧縮作動室１２の容積縮小により、吸入口から流入した気体は圧縮されながら吐出側に移動していく。ロータの回転角度が所定の角度に達すると、圧縮された流体はケーシング４に設けられた吐出口１４を通り圧縮作動室１２の外へ吐出される。

圧縮作動室１２の外へ吐出された圧縮流体は、吐出経路１０を通ってスクリュー圧縮機１の外へ吐出される。ここで雄ロータ３及び雌ロータ２が回転するときの様子を図４、図５を用いて詳細に説明する。図４はある回転角度における雄ロータ３と雌ロータ２を図示したものである。図５は図４からある所定の角度、雄ロータ３と雌ロータ２が回転し、雄ロータと雌ロータが噛み合った状態を図示したものである。

図４から分かるように、ある角度における雄ロータ３と雌ロータ２は、互いに噛みあう面と噛みあわない面とを有している。この状態からある所定の角度雄ロータ３および雌ロータ２が回転すると、雄ロータ３と雌ロータ２は噛合面１６によって互いに噛合っている。ここで噛合面とは雄ロータ３及び雌ロータ２が互いに相手のロータと噛合い、モータに接続されていない雌ロータ２の駆動に寄与する面のことである。相手ロータと噛み合わず、雌ロータ２の駆動に寄与しない面を非噛合面と呼ぶ。雄ロータ３は噛合面１６によって、雌ロータ２を駆動している。このように、雄ロータ３と雌ロータ２は定常状態において噛合面および非噛合面を有している。

図５の状態において、雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータ２の非噛合面１７は非接触の状態にある。雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータ２の非噛合面１７の間には、間隙１９が存在する。間隙１９は、圧縮された高圧流体が存在する圧縮作動室と、まだ圧縮されていない流体が存在する圧縮作動室との間に存在する。そのため圧縮された流体は、間隙１９を通って低圧側の圧縮作動室へ漏洩してしまう。しかし本実施形態によれば、隙間１９を埋めるようなコーティング層が形成されている。一方で、噛合面１６にはこのようなコーティング層は形成されていない。これにより、噛合面同士にコーティングが施されている場合に、上記発明が解決しようとする課題で述べたようなことが生じることを防とともに、間隙１９を小さくすることができる。

なお、当該コーティング層は、雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータ２の非噛合面１７の少なくとも一方に形成されていればよい。

非噛合面１７、１８の表面には、例えばグラファイト、二硫化モリブデン、ＰＴＦＥ、フッ化黒鉛、窒化ホウ素などのすくなくとも一つが施されることで、表面が摩耗し滑らかになりやすい状態になっている。また、運転停止前や運転開始直後などの非定常運転時に、雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータ２の非噛合面１７が接触しても焼付かない。また、たとえ運転中に雄ロータ３と雌ロータ２の温度上昇により熱膨張が生じ、雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータの非噛合面１７が接触したとしても焼付かない。ロータ同士の焼付きが生じないため、雄ロータ３の非噛合面１８と、雌ロータ２の非噛合面１７の間隙１９をあらかじめ小さく加工することができる。

また、前記コーティングが施された非噛合面同士の摩耗は、前記噛合面同士の摩耗よりも摩耗しやすくなっている。これにより、噛合面同士が摩耗することなく非噛合面同士が摩耗することが出来、非噛合面同士の摩耗によって、例えば余分なコーティング層があった場合にはこれらが削られ適切な間隙１９を形成することが出来る。

間隙１９を小さくすると、高圧側から低圧側の空間への圧縮流体の漏洩量が低減される。圧縮流体の漏洩を低下することにより圧縮機効率を向上することができる。また、圧縮機の定常運転時において雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータの非噛合面１７が接触しないため、長時間の運転により間隙１９の面積が増大しない。間隙１９の面積が運転によって増大しないため、圧縮機の運転により圧縮空気の漏洩量が増加することがなく、長期間にわたり安定した圧縮機性能を維持できる。またコーティングを施す雄ロータ３の非噛合面１８の表面粗さを高精度に仕上げる必要がないため、加工時間を短縮することができる。また、圧縮空気の漏洩を低減することで圧縮機効率は向上する。圧縮機の運転時間によらずロータ間の隙間が変わらないため、安定した圧縮機性能を長期間にわたり維持できる。なお、定常運転時に高い面圧のかからない非噛合面１８または非噛合面１７のみにコーティングをした場合、低摩擦性などの高機能性のコーティングを使用する必要がなく、加工コストを抑えられる。

次に、実施例２に係る密閉形圧縮機の構造について図６を用いて説明する。

図６は実施例２にかかるスクリューロータの断面図である。本実施例において、例えば非噛合面１７の表面にはコーティング５が施されているため、運転停止前や運転開始直後などの非定常運転時に、雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータ２の非噛合面１７が接触しても焼付かない。たとえ運転中に雄ロータ３と雌ロータ２の温度上昇により熱膨張が生じ、雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータの非噛合面１７が接触したとしても焼付かない。ロータ同士の焼付きが生じないため、雄ロータ３の非噛合面１８と、雌ロータ２の非噛合面１７の間隙１９を小さく設定できる。間隙１９を小さくすると、圧縮流体の漏洩量が低減できる。圧縮流体の漏洩を低下することにより圧縮機効率は向上する。また、圧縮機の定常運転時において雄ロータ３の非噛合面１８と雌ロータの非噛合面１７は接触しない。そのためコーティングの摩耗が生じにくく、長時間の運転により間隙１９の面積が増大しない。

間隙１９の面積が運転によって増大しないため、圧縮機の運転によらず長期間にわたって安定した圧縮機性能を維持できる。また定常運転時に高い面圧のかからない雌ロータ２の非噛合面１７のみのコーティングであるため、低摩擦性などの高機能性のコーティングを使用する必要がなく、加工コストを抑えられる。またコーティングを施す雌ロータ２の非噛合面１７の表面粗さを高精度に仕上げる必要がないため、加工時間を短縮することができる。

また、雌ロータ２の非噛合面１７と雌ロータの噛合面２０の摩耗のしやすさが異なっているため、実施例１で説明したように適切な間隙１９を得ることが出来る。

なお、上記の各実施例では、空気を圧縮するスクリュー型空気圧縮機を例に本発明を説明したが、本発明は、空気に限らず、気体を圧縮するスクリュー圧縮機全般に用いることができる。また、雌雄一対のスクリューロータを備えるスクリュー圧縮機について説明したが、本発明は、トリロータのスクリュー圧縮機にも用いることができる。

１…スクリュー圧縮機、２…雌ロータ、３…雄ロータ、４…ケーシング、５…コーティング、６…吐出カバー、９…雄ロータの軸、１０…吐出経路、１２…圧縮作動室、１３…吸入口、１４…吐出口、１５…ラジアル軸受、１６…噛合面、１７…雌ロータの非噛合面、１８…雄ロータの非噛合面、１９…間隙、２０…雌ロータの噛合面

Claims

スクリューロータと、
前記スクリューロータを収納するケーシングと、を有し、
前記スクリューロータは、相手のロータと噛み合うことで相手のロータを駆動する噛合面と、相手のロータと噛み合わず駆動に寄与しない非噛合面とを有し、前記非噛合面には、前記非噛合面によって形成される隙間を埋めるようにコーティング層が形成されることを特徴とするスクリュー圧縮機。
前記スクリューロータが回転する場合における、前記コーティングが施された前記非噛合面同士の摩耗のしやすさは、前記噛合面同士の摩耗のしやすさよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
前記噛合面には、コーティング層が形成されないことを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュー圧縮機。
前記コーティングには、グラファイト、二硫化モリブデン、PTFE、フッ化黒鉛、窒化ホウ素の少なくとも一つが用いられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスクリュー圧縮機。