WO2019073679A1 - スクリュー圧縮機およびその製造方法 - Google Patents

スクリュー圧縮機およびその製造方法 Download PDF

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rotor
screw
screw rotor
screw compressor
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English (en)
French (fr)
Inventor
正 藤枝
智弘 小松
土屋　豪
智夫 鈴木
西村　仁
Original Assignee
株式会社日立産機システム
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/14—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C18/16—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/04—Heating; Cooling; Heat insulation

Definitions

  • the present invention relates to a screw compressor and a method of manufacturing the same.
  • a screw compressor generally comprises a screw rotor and a casing forming a plurality of compression working chambers with the screw rotor.
  • the screw rotor has a male rotor and a female rotor that rotate in mesh with one another.
  • the screw compressor compresses a gas such as air by rotating the screw rotor in a noncontact manner while maintaining a minute gap between the male rotor and the female rotor and between the screw rotor and the casing.
  • the discharge air temperature rises to about 300-350 ° C. in a single stage machine and to about 160-250 ° C. in a double stage machine.
  • the shapes of the screw rotor and the casing are determined by predicting the clearances of the respective parts from the deformation at high temperature.
  • the gap between the parts the smaller the leakage from the high pressure side compression working chamber to the low pressure side compression working chamber, and the smaller the reduction in the compression performance.
  • the gap between each part is set to have a margin assuming the maximum temperature, and the value thereof is strictly managed.
  • the compression performance tends to vary depending on the processing accuracy of the parts.
  • the gap becomes excessive and the compression performance is lowered.
  • Patent Document 1 is an example of such prior art.
  • the cooling is performed from the outside of the compression working chamber, the cooling of the screw rotor which is not in contact with the casing is insufficient.
  • screw rotors are usually used by being joined to a shaft, the strength and rigidity of screw rotors are low, so that they are easily deformed when a force is applied at the time of joining, and these are joined with high accuracy without axial misalignment. It is difficult.
  • An object of the present invention is to provide a screw compressor which can sufficiently suppress the strength reduction of the screw rotor and the temperature rise thereof, and which can highly accurately join the screw rotor and the shaft without misalignment, and a method of manufacturing the same. I assume.
  • a screw compressor concerning the present invention is provided with a screw rotor and a rotor shaft which is a rotating shaft of the above-mentioned screw rotor.
  • the screw compressor also includes a casing that forms a plurality of compression working chambers with the screw rotor.
  • the screw rotor has an integral structure in which a hollow portion serving as a flow path of a cooling medium is formed at least inside a tooth portion of the screw rotor, and at least an axial center portion of the screw rotor is solid.
  • the rotor shaft has a hollow first shaft integrally formed with the screw rotor and a hollow second shaft joined to the first shaft.
  • the present invention it is possible to sufficiently suppress the strength reduction of the screw rotor and the temperature rise thereof, and to provide a screw compressor capable of joining the screw rotor and the shaft with high accuracy without any misalignment and a method of manufacturing the same. Can.
  • FIG. 2 is a radial cross-sectional view of the screw rotor taken along the line AA of FIG. 1; It is radial direction sectional drawing of the screw rotor which concerns on the modification which follows the AA of FIG.
  • It is a side view of a male rotor. It is a side view of a female rotor. It is a sectional view of a male rotor. It is a sectional view of a female rotor.
  • FIG. 1 is an axial sectional view in the case where a compressor main body 1 in a screw compressor 100 (see FIG. 8, the same applies hereinafter) according to an embodiment of the present invention is cut along a vertical plane including a central axis of a male rotor 22. is there.
  • the compressor body 1 has a screw rotor 21 and a casing 33 for housing the screw rotor 21.
  • the casing 33 forms a plurality of compression working chambers 61 with the screw rotor 21.
  • the screw rotor 21 has a male rotor 22 and a female rotor 23 (see FIG. 2, hereinafter the same) which rotate in mesh with one another, and these are used as a generic name of these.
  • the casing 33 is provided with a suction port 62 for sucking air into the compression operation chamber 61 and a discharge port 63 for discharging the compressed air generated in the compression operation chamber 61.
  • the pinion gear 3 is attached to the shaft end of the male rotor 22 on the air suction side, and the male rotor 22 and the female rotor 23 rotate by driving the pinion gear 3 with the motor 8 (see FIG. 8).
  • a timing gear 31 is attached to an axial end of the male rotor 22 on the air discharge side.
  • a timing gear (not shown) is attached to an axial end of the female rotor 23 on the air discharge side.
  • FIG. 2 is a radial cross-sectional view of the screw rotor 21 taken along line AA of FIG.
  • the male rotor 22 and the female rotor 23 respectively have, on the outer peripheral surface, twisted teeth which mesh with each other.
  • Hollow portions 37 and 38 are respectively formed in the male rotor 22 and the female rotor 23.
  • a passage 64 (see FIG. 5A) for introducing the cooling medium into the hollow portion 37 and a passage 66 for causing the cooling medium to flow out of the hollow portion 37 (see FIG. 5A). See) is provided.
  • a passage 65 (see FIG. 5B) for introducing the cooling medium into the hollow portion 38 and a passage 67 for causing the cooling medium to flow out of the hollow portion 38 (see FIG. 5B). See) is provided.
  • lubricating oil is used as the cooling medium.
  • the hollow portions 37 and 38 are formed at least in the inside of the teeth, along the external shape of the teeth as shown in FIG.
  • the hollow portions 37 and 38 are respectively formed on the outside of the solid portions 35 and 36 and function as a flow path of the cooling medium.
  • the solid portions 35 and 36 are each formed in a solid manner at least at the axial center of the male rotor 22 and the female rotor 23.
  • the solid portions 35 and 36 respectively have extension portions 39 and 40 that extend radially from the axial center side to the outer surface.
  • the extension portions 39 and 40 extend radially from the axial center side to the tooth bottom of the tooth portion. That is, solid parts 35 and 36 connect the tooth bases of the tooth parts.
  • the extension portions 39 and 40 can function as a heat sink that also serves as a reinforcement.
  • FIG. 3 is a radial cross-sectional view of the screw rotor 21 according to a modification, taken along the line AA of FIG.
  • the male rotor 22 and the female rotor 23 each have, on their outer peripheral surfaces, twisted teeth which mesh with each other.
  • the solid portions 35 and 36 may have extension portions 39 and 40 that extend radially from the axial center side to the tips of the teeth, respectively. That is, in this modification, solid parts 35 and 36 connect the tips of the teeth.
  • the cooling medium for cooling the inside of the male rotor 22 flows in from the nozzle 29 provided at the axial end of the air discharge side, and after cooling the male rotor 22 through the hollow portion 37 It flows out from the shaft end on the suction side. Further, a cooling medium for cooling the inside of the female rotor 23 flows in from a nozzle (not shown) provided at an axial end of the air discharge side, cools the female rotor 23 through the hollow portion 38, and then suctions the air. It flows out from the shaft end of the side.
  • the screw rotor 21 having the hollow portions 37 and 38 can be manufactured by applying a metal powder lamination molding method of forming a near net shape metal member by melting and solidifying fine particles.
  • a metal powder lamination molding method of forming a near net shape metal member by melting and solidifying fine particles.
  • a conventional method can be used.
  • a metal powder lamination molding method using an electron beam melting (EBM) method or a selective laser melting (SLM) method is suitably used.
  • FIG. 4A is a side view of the male rotor 22.
  • FIG. FIG. 4B is a side view of the female rotor 23.
  • 5A is a cross-sectional view of the male rotor 22.
  • FIG. FIG. 5B is a cross-sectional view of the female rotor 23.
  • the compressor main body 1 includes a rotor shaft 47 which is a rotation shaft of the screw rotor 21 (male rotor 22 and female rotor 23).
  • the rotor shaft 47 has hollow first shafts 41 and 43 (lubricant oil inflow side) and 42 and 44 (lubricant oil outflow side) integrally formed with the screw rotor 21.
  • integral formation refers to integrally forming a product having a plurality of portions without using secondary bonding such as mechanical bonding.
  • the cooling medium passes through the passages 64 and 65 (see FIGS. 5A and 5B) from the inside of the first shafts 41 and 43 on the lubricating oil inflow side of the rotor shaft 47, and the hollow portion 37 inside the tooth portion of the screw rotor 21 It flows into 38.
  • the cooling medium having flowed into the hollow portions 37 and 38 flows out of the first shafts 42 and 44 on the lubricating oil outflow side of the rotor shaft 47 through the passages 66 and 67 (see FIGS. 5A and 5B).
  • FIG. 6 is a side view showing a state in which the first shaft 41 and the second shaft 45 in the rotor shaft 47 are joined.
  • a hollow second shaft 45 is joined to a hollow first lubricating oil shaft 41 integrally formed with the male rotor 22.
  • illustration and description are abbreviate
  • FIG. 7 is a side view showing a modification in which the first shaft 41 and the second shaft 45 in the rotor shaft 47 are joined via the intermediate portion 46.
  • a hollow second shaft 45 is joined to a hollow first shaft 41 integrally formed with the male rotor 22 via a hollow intermediate portion 46.
  • the intermediate portion 46 is made of a material having a composition different from that of the first shaft 41 or the second shaft 45.
  • a free-cutting iron (Fe) -based alloy containing 0.1 weight percent or more of sulfur (S) is used for the first shaft 41 and the second shaft 45.
  • an iron-based alloy containing 0.01 weight percent or less of sulfur is used.
  • the intermediate portion 46 can be formed by, for example, DMD (Direct Melting Deposition) or the like that stacks powder while laser irradiation is performed on at least one end of the first shaft 41 and the second shaft 45.
  • the screw rotor 21 needs to adjust the alliance between the male rotor 22 and the female rotor 23 by cutting after formation by the metal powder additive manufacturing method. For this reason, the material of the screw rotor 21 needs to secure the machinability of the screw rotor 21 after the metal powder lamination molding. Therefore, although a material with low hardness is preferable as the material of the screw rotor 21 from the viewpoint of machinability, it is necessary to secure a predetermined hardness from the viewpoint of securing the function of the screw rotor 21. In order to solve such problems, a precipitation strengthened stainless steel can be suitably used as a material of the screw rotor 21.
  • the Invar alloy is a Fe-Ni based alloy and is characterized by containing at least one of Co, Mn, Cr and Mo.
  • the screw rotor 21 and the second shaft 45 of the rotor shaft 47 can be made of different materials.
  • the material of the screw rotor 21 exposed to a corrosive environment is made of high corrosion resistant two-phase stainless steel or the like, and the material of the second shaft 45 of the rotor shaft 47 is made of ordinary carbon steel. Can.
  • FIG. 8 is a view showing the overall configuration of the screw compressor 100. As shown in FIG.
  • the screw compressor 100 has a compressor body 1.
  • the internal configuration of the compressor body 1 is as described above.
  • the pinion gear 3 attached to the shaft end of the male rotor 22 meshes with the bull gear 4 attached to one side of the intermediate shaft 68 in the gear casing 2.
  • a pulley 5 is attached to the other end of the intermediate shaft 68, and a belt 7 is mounted on the pulley 5 as a transmitting body of driving force.
  • the belt 7 is also mounted on a pulley 6 attached to the shaft end of the motor 8 so that the power of the motor 8 is transmitted to the compressor body 1.
  • a suction throttle valve 10 is disposed on the air suction side of the compressor body 1 to adjust the amount of air sucked into the compressor body 1. After the foreign matter is removed by the suction filter 9, the air passes through the suction throttle valve 10, is sucked into the compressor body 1, compressed to a predetermined pressure, and discharged from the outlet of the compressor body 1.
  • the compressed air discharged from the compressor body 1 is cooled by a water-cooled precooler 11 provided on the downstream side of the compressor body 1, and then the water-cooled aftercooler 13 passes through the check valve 12. Led to The compressed air cooled by the aftercooler 13 is discharged from the compressed air outlet.
  • the air passage in the aftercooler 13 is configured by a U-shaped pipe, and the inlet and outlet thereof are configured by the integral cooler header 14.
  • lubricating oil is used to lubricate the sliding body and the like.
  • the route of this lubricating oil is as follows.
  • the lubricating oil stored in the oil reservoir provided at the lower part of the gear casing 2 is led to the oil cooler 15 by the oil pump 16 and cooled, and the oil filter 17 removes dust and the like.
  • the lubricating oil is supplied to the bearing portion of the compressor body 1, the timing gear, the pinion gear 3, and the bull gear 4 attached to the bearing portion of the intermediate shaft 68 in the gear casing 2 and the intermediate shaft 68. Thereafter, the lubricating oil returns to the oil reservoir of the gear casing 2 and circulates.
  • This lubricating oil flows from the nozzles attached to the compressor body 1 into the hollow portions 37 and 38 (see FIG. 2 etc.) formed inside the male rotor 22 and the female rotor 23, respectively, and used for cooling. Be done.
  • the lubricating oil which cools the male rotor 22 and the female rotor 23 flows out into the gear casing 2, and is stored in an oil reservoir in the gear casing 2 like the other lubricating oils, and circulated.
  • the lubricating oil flows from the air discharge side to the air suction side in the hollow portions 37 and 38 of the screw rotor 21.
  • the screw compressor 100 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, the function and effect of the screw compressor 100 will be described.
  • the screw compressor 100 includes a screw rotor 21 and a rotor shaft 47 which is a rotation shaft of the screw rotor 21.
  • the screw compressor 100 also includes a casing 33 that forms a plurality of compression working chambers 61 with the screw rotor 21.
  • the screw rotor 21 has an integral structure in which hollow portions 37 and 38 are formed in at least the tooth portion of the screw rotor 21 and at least a central axial portion of the screw rotor 21 is solid.
  • the rotor shaft 47 has a hollow first shaft 41 integrally formed with the screw rotor 21 and a hollow second shaft 45 joined to the first shaft 41. ing.
  • the screw rotor 21 is effectively cooled by the cooling medium flowing through the hollow portions 37 and 38 formed inside the teeth.
  • the screw rotor 21 since the screw rotor 21 has an integral structure in which the axial center portion is solid, sufficient strength can be secured. Therefore, the strength reduction of the screw rotor 21 and the temperature rise thereof can be suppressed. The thermal deformation of the screw rotor 21 can be suppressed by the improvement of the cooling performance. As a result, the gaps between the male rotor 22 and the female rotor 23 and the gaps between the screw rotor 21 and the casing 33 can be reduced, so that the compression performance can be improved.
  • the thermal deformation of the screw rotor 21 it is also possible to suppress the variation of the compression performance due to the variation of the processing accuracy of the tooth portion and the decrease of the compression performance due to the gap becoming excessive during the low load operation. It becomes possible. Furthermore, since the discharge air temperature can also be reduced, the cooling device in the screw compressor 100 can be reduced or eliminated, and the cost can be reduced and the entire screw compressor 100 can be made compact. In addition, since the axial center portion of the screw rotor 21 can be made solid and sufficient strength can be ensured, it is possible to suppress reduction in compression performance or contact due to deformation due to pressure or the like in the compression operation chamber 61, and unbalance in rotation. Can also be suppressed.
  • the first shaft 41 and the second shaft 45 have an intermediate hollow structure formed of a material having a composition different from that of the first shaft 41 or the second shaft 45. It is joined via the part 46.
  • the material of the first shaft 41 is higher in corrosion resistance than the material of the second shaft 45
  • the material in the intermediate portion 46 has an intermediate degree of corrosion resistance, so that the characteristics change sharply in the axial direction. Can be suppressed.
  • an iron-based alloy in which the material of the first shaft 41 or the second shaft 45 contains at least 0.1 weight percent of sulfur, and the material of the middle portion 46 contains at most 0.01 weight percent of sulfur It can be a base alloy.
  • a free-cutting iron-based alloy containing 0.1 weight percent or more of sulfur is applied to the first shaft 41 and the second shaft 45, sufficient bonding strength can be ensured even if the two are joined by friction welding. There is a risk of disappearing. This is because a very brittle sulfide is formed in the vicinity of the joint interface between the first shaft 41 and the second shaft 45.
  • the intermediate portion 46 which is an iron-based alloy containing 0.01 weight percent or less of sulfur, formation of sulfides in the vicinity of the bonding interface is suppressed, and sufficient bonding strength It can be secured.
  • At least the material of the screw rotor 21 is a precipitation strengthening type alloy.
  • precipitation hardening is not performed while the screw rotor 21 is formed, it has low hardness and is excellent in machinability, but by performing an aging treatment after cutting, the hardness becomes high and the function of the screw rotor 21 is secured. it can.
  • the lubricating oil as the cooling medium is led to the oil cooler 15 by the oil pump 16 and is cooled.
  • the temperature rise of the screw rotor 21 can be suppressed more effectively.
  • the cooling medium flows from the air discharge side to the air suction side in the hollow portions 37 and 38 of the screw rotor 21.
  • the cooling medium flows from the high temperature side to the low side of the screw rotor 21, higher cooling performance can be obtained.
  • At least the screw rotor 21 and the first shafts 41 and 43 are formed by a metal powder lamination molding method. Thereby, the screw rotor 21 having a complicated shape having the hollow portions 37 and 38 can be manufactured.
  • the first shaft 41 and the second shaft 45 are joined by a friction welding method.
  • the first shaft 41 and the second shaft 45 can be joined with high accuracy and high strength.
  • lubricating oil is used as a cooling medium in the above-mentioned embodiment, it is not limited to this, and fluids, such as water, coolant, and air, may be used.
  • the lubricating oil as the cooling medium is configured to be cooled by the oil cooler 15.
  • the present invention may include at least one of water for cooling a cooling medium, a liquid-cooled cooler with a coolant or the like, and an air-cooled cooler.
  • the oil-free screw compressor 100 in which the oil is not fed into the compression working chamber 61 is shown as an example.
  • the present invention is also applicable to the case where a screw rotor having the same configuration as that of the above-described embodiment is used in a screw type of oil supply type or water lubrication type.
  • screw compressor 100 was a single stage was shown as an example in above-mentioned embodiment, it may be multiple stages.

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Abstract

スクリュー圧縮機は、スクリューロータ（２１）と、スクリューロータ（２１）の回転軸であるロータシャフト（４７）とを備えている。また、スクリュー圧縮機は、スクリューロータ（２１）との間で複数の圧縮作動室を形成するケーシングを備えている。スクリューロータ（２１）は、該スクリューロータ（２１）の少なくとも歯部内部に中空部が形成されているとともに、スクリューロータ（２１）の少なくとも軸中心部が中実である一体構造を成している。ロータシャフト（４７）は、スクリューロータ（２１）と一体形成された中空構造の第１シャフト（４１）と、第１シャフト（４１）に接合された中空構造の第２シャフト（４５）とを有している。これにより、スクリューロータの強度低下、およびその温度上昇を十分に抑制できるとともに、スクリューロータとシャフトとを軸ずれ無しに高精度に接合可能にする。

Description

スクリュー圧縮機およびその製造方法
　本発明は、スクリュー圧縮機およびその製造方法に関する。
　スクリュー圧縮機は、一般に、スクリューロータと、このスクリューロータとの間で複数の圧縮作動室を形成するケーシングとを備えている。スクリューロータは、互いに噛み合って回転する雄ロータと雌ロータとを有している。スクリュー圧縮機は、スクリューロータを、雄ロータと雌ロータとの間、およびスクリューロータとケーシングとの間に微小な隙間を保った状態で、非接触で回転させることによって、空気等の気体を圧縮する。
　空気の圧縮過程において、吐出空気温度は、単段機で約３００～３５０℃、ニ段機で約１６０～２５０℃まで上昇する。このように温度上昇した圧縮空気によって、スクリューロータとケーシングとは、温度が上昇し熱変形する。このため、スクリュー圧縮機においては、高温時の変形から各部の隙間を予測することで、スクリューロータおよびケーシングの形状が決定されている。
　この各部の隙間が微小になればなるほど、高圧側の圧縮作動室から低圧側の圧縮作動室への漏れが低減するため、圧縮性能の低下は小さくなる。しかし、熱変形によって隙間が無くなり接触が生じるおそれがあるため、各部の隙間は、最高温度を想定して裕度を持つように設定されるとともに、その値が厳しく管理されている。ただし、この各部の隙間は非常に微小なため、部品の加工精度によっては、圧縮性能のバラツキが発生し易い。また、低負荷時など使用状況によって圧縮空気の温度が低い場合には、隙間が過大となり、圧縮性能が低下してしまう。
特開２００２－１３０１７２号公報 特開２００６－２９９８１５号公報
　前記した問題に対して、従来技術は、ケーシングにおける圧縮作動室の外部をジャケット構造とし、冷却媒体（水、油、空気）を用いて圧縮機本体の発熱を低減している。このような従来技術の例として特許文献１がある。
　しかし、この場合、圧縮作動室の外部から冷却が行われるため、ケーシングと非接触であるスクリューロータの冷却は不十分であった。
　また、他の従来技術として、パイプ状素材に軸方向に縮短する力を加えつつ、パイプ状素材の内側に配置され歯部の形状に対応したねじ状型と外側に配置され歯部を成形するための成形工具とで絞り加工する技術がある。これにより、パイプ状素材に歯部が成形され、冷却のために冷却媒体を流入させる経路として、スクリューロータの内部に中空部が形成される。このような従来技術の例として特許文献２がある。
　しかし、この場合、中空部が必要以上に大きいため、スクリューロータは、強度が低下する結果、圧縮作動室内の圧力等により変形してしまい、圧縮性能の低下や接触を引き起こす可能性がある。また、スクリューロータを薄肉化し中空構造とすることで、スクリューロータの回転がアンバランスになり易い。さらに、スクリューロータは、通常、シャフトに接合されて使用されるが、スクリューロータの強度や剛性が低いために接合時に力が加わると変形が生じ易く、これらを軸ずれ無しに高精度に接合することが困難である。
　本発明は、スクリューロータの強度低下、およびその温度上昇を十分に抑制できるとともに、スクリューロータとシャフトとを軸ずれ無しに高精度に接合可能なスクリュー圧縮機およびその製造方法を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するために、本発明に係るスクリュー圧縮機は、スクリューロータと、前記スクリューロータの回転軸であるロータシャフトとを備えている。また、スクリュー圧縮機は、前記スクリューロータとの間で複数の圧縮作動室を形成するケーシングを備えている。前記スクリューロータは、該スクリューロータの少なくとも歯部内部に冷却媒体の流路となる中空部が形成されているとともに、前記スクリューロータの少なくとも軸中心部が中実である一体構造を成している。前記ロータシャフトは、前記スクリューロータと一体形成された中空構造の第１シャフトと、前記第１シャフトに接合された中空構造の第２シャフトとを有している。
　本発明によれば、スクリューロータの強度低下、およびその温度上昇を十分に抑制できるとともに、スクリューロータとシャフトとを軸ずれ無しに高精度に接合可能なスクリュー圧縮機およびその製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るスクリュー圧縮機における圧縮機本体を雄ロータの中心軸を含む鉛直面で切断した場合の軸方向断面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿うスクリューロータの径方向断面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿う変形例に係るスクリューロータの径方向断面図である。 雄ロータの側面図である。 雌ロータの側面図である。 雄ロータの断面図である。 雌ロータの断面図である。 ロータシャフトにおける第１シャフトと第２シャフトとが接合された状態を示す側面図である。 ロータシャフトにおける第１シャフトと第２シャフトとが中間部を介して接合された変形例を示す側面図である。 スクリュー圧縮機の全体構成を示す図である。
　本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
　なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。
　図1は、本発明の一実施形態に係るスクリュー圧縮機１００（図８参照、以下同様）における圧縮機本体１を雄ロータ２２の中心軸を含む鉛直面で切断した場合の軸方向断面図である。
　図１に示すように、圧縮機本体１は、スクリューロータ２１と、スクリューロータ２１を収納するケーシング３３とを有している。ケーシング３３は、スクリューロータ２１との間で複数の圧縮作動室６１を形成する。スクリューロータ２１は、互いに噛み合って回転する雄ロータ２２と雌ロータ２３（図２参照、以下同様）とを有しており、これらの総称として使用する。
　ケーシング３３には、圧縮作動室６１に空気を吸い込むための吸込口６２と、圧縮作動室６１で生成した圧縮空気を吐き出すための吐出口６３とが設けられている。雄ロータ２２の空気吸込側の軸端部にはピニオンギヤ３が取り付けてあり、これを電動機８（図８参照）で駆動することで、雄ロータ２２および雌ロータ２３が回転する。雄ロータ２２の空気吐出側の軸端部にはタイミングギヤ３１が取り付けられている。また、雌ロータ２３の空気吐出側の軸端部にもタイミングギヤ（図示せず）が取り付けられている。これらのタイミングギヤが噛み合うことによって、雄ロータ２２の回転が雌ロータ２３に伝わり、雄ロータ２２と雌ロータ２３とは同期して回転する構造になっている。このとき、圧縮作動室６１は空気吐出側に移動しながら容積を減少し、圧縮作動室６１内の空気が圧縮されるようになっている。
　次に、本実施形態の特徴の一つである雄ロータ２２および雌ロータ２３の構成について説明する。
　図２は、図１のＡ－Ａ線に沿うスクリューロータ２１の径方向断面図である。図２に示すように、雄ロータ２２および雌ロータ２３は、互いに噛み合うねじれた歯部を外周面にそれぞれ有している。雄ロータ２２および雌ロータ２３の内部には、中空部３７，３８がそれぞれ形成されている。雄ロータ２２の空気吐出側および空気吸込側の軸端部には、中空部３７に冷却媒体を流入させる通路６４（図５Ａ参照）、および中空部３７から冷却媒体を流出させる通路６６（図５Ａ参照）がそれぞれ設けられている。雌ロータ２３の空気吐出側および空気吸込側の軸端部には、中空部３８に冷却媒体を流入させる通路６５（図５Ｂ参照）、および中空部３８から冷却媒体を流出させる通路６７（図５Ｂ参照）がそれぞれ設けられている。冷却媒体として、ここでは、潤滑油が用いられている。
　中空部３７，３８は、少なくとも歯部内部に、図２に示すような歯部の外形に沿った形状に形成されている。中空部３７，３８は、中実部３５，３６の外側にそれぞれ形成されており、冷却媒体の流路として機能する。中実部３５，３６は、雄ロータ２２および雌ロータ２３の少なくとも軸中心部に中実にそれぞれ形成されている。中実部３５，３６は、軸中心側から外表面まで放射状に延伸する延伸部３９，４０をそれぞれ有している。ここでは、延伸部３９，４０は、軸中心側から歯部の歯底まで放射状に延伸している。すなわち、中実部３５，３６は、歯部の歯底同士を繋いでいる。延伸部３９，４０は、補強を兼ねたヒートシンクとして機能し得る。
　図３は、図１のＡ－Ａ線に沿う変形例に係るスクリューロータ２１の径方向断面図である。図３に示すように、雄ロータ２２および雌ロータ２３は、互いに噛み合うねじれた歯部を外周面にそれぞれ有している。中実部３５，３６は、軸中心側から歯部の歯先まで放射状に延伸する延伸部３９，４０をそれぞれ有していてもよい。すなわち、この変形例では、中実部３５，３６は、歯部の歯先同士を繋いでいる。
　図１に示すように、雄ロータ２２内部を冷却する冷却媒体は、空気吐出側の軸端部に設けられたノズル２９から流入し、中空部３７を通って雄ロータ２２を冷却した後、空気吸込側の軸端部から流出する構成となっている。また、雌ロータ２３内部を冷却する冷却媒体は、空気吐出側の軸端部に設けられたノズル（図示せず）から流入し、中空部３８を通って雌ロータ２３を冷却した後、空気吸込側の軸端部から流出する構成となっている。
　中空部３７，３８を有するスクリューロータ２１は、微細粒子の溶融・凝固によりニアネットシェイプの金属部材を造形する金属粉末積層造形法の適用により作製することができる。使用する積層造形法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば電子ビーム溶融（Electron Beam Melting：EBM）法や選択的レーザ溶融（Selective Laser Melting：SLM）法を用いた金属粉末積層造形法が好適に利用される。
　図４Ａは、雄ロータ２２の側面図である。図４Ｂは、雌ロータ２３の側面図である。図５Ａは、雄ロータ２２の断面図である。図５Ｂは、雌ロータ２３の断面図である。
　図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、圧縮機本体１は、スクリューロータ２１（雄ロータ２２および雌ロータ２３）の回転軸であるロータシャフト４７を備えている。ロータシャフト４７は、スクリューロータ２１と一体形成された中空構造の第１シャフト４１，４３（潤滑油流入側）、４２，４４（潤滑油流出側）を有している。ここで、一体形成とは、複数の部分を有する製品を機械的接合等の二次的接合を用いないで一体で形成することをいう。冷却媒体は、ロータシャフト４７の潤滑油流入側の第１シャフト４１，４３の内部から、通路６４，６５（図５Ａ、図５Ｂ参照）を経て、スクリューロータ２１の歯部内部の中空部３７，３８へ流入する。中空部３７，３８へ流入した冷却媒体は、通路６６，６７（図５Ａ、図５Ｂ参照）を経て、ロータシャフト４７の潤滑油流出側の第１シャフト４２，４４の内部から流出する。
　図６は、ロータシャフト４７における第１シャフト４１と第２シャフト４５とが接合された状態を示す側面図である。
　図６に示すように、雄ロータ２２と一体形成された中空構造の潤滑油流入側の第１シャフト４１に、中空構造の第２シャフト４５が接合されている。なお、雌ロータ２３の場合も同様であるので、ここでは図示および説明を省略する。ロータシャフト４７における第１シャフト４１と第２シャフト４５との接合法として、金属同士を相対的に高速回転させ、摩擦熱により、溶融させることなく接合する摩擦圧接法を適用することができる。
　図７は、ロータシャフト４７における第１シャフト４１と第２シャフト４５とが中間部４６を介して接合された変形例を示す側面図である。
　図７に示すように、雄ロータ２２と一体形成された中空構造の流入側の第１シャフト４１に、中空構造の第２シャフト４５が、中空構造の中間部４６を介して接合されている。この場合、中間部４６は、第１シャフト４１あるいは第２シャフト４５とは異なる組成の材料からなる。ここでは、第１シャフト４１と第２シャフト４５とに、硫黄（Ｓ）を０．１重量パーセント以上含有した快削性の鉄（Ｆｅ）基合金が使用されている。また、中間部４６に、０．０１重量パーセント以下の硫黄を含有した鉄基合金が使用されている。中間部４６は、例えば第１シャフト４１および第２シャフト４５の少なくとも一方の端部にレーザ照射しながら粉末を積層するＤＭＤ（Direct Melting Deposition）等により形成され得る。
　スクリューロータ２１は、金属粉末積層造形法による形成後、切削によって雄ロータ２２と雌ロータ２３との間のアライアンスを調整する必要がある。このため、スクリューロータ２１の材質は、金属粉末積層造形後のスクリューロータ２１の切削性を担保する必要がある。したがって、スクリューロータ２１の材質としては、切削性の観点からは低硬度の材質が好ましいが、スクリューロータ２１の機能を確保する観点からは所定の硬度を担保する必要がある。このような課題を解決するために、スクリューロータ２１の材質として、析出強化型のステンレス鋼が好適に使用され得る。
　また、スクリューロータ２１の材質を低熱膨張合金、いわゆるインバー合金とすることにより、スクリューロータ２１の熱膨張にともなう熱変形を大幅に低減することができる。インバー合金は、Ｆｅ－Ｎｉ系合金であり、少なくともＣｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏのいずれかを含有することを特徴とする。
　また、スクリューロータ２１とロータシャフト４７の第２シャフト４５とを異なる材質にすることも可能である。例えば、腐食環境に曝されるスクリューロータ２１の材質を高耐食性の２相ステンレス鋼等にし、ロータシャフト４７の第２シャフト４５の材質を通常の炭素鋼にするなど適宜、色々な材料を組み合わせることができる。
　次に、スクリューロータ２１（雄ロータ２２および雌ロータ２３）内部の中空部３７，３８に流入させる冷却媒体を例えば潤滑油とした場合の例について説明する。
　図８は、スクリュー圧縮機１００の全体構成を示す図である。
　図８に示すように、スクリュー圧縮機１００は圧縮機本体１を有する。この圧縮機本体１の内部の構成については先に説明した通りである。雄ロータ２２の軸端部に取り付けたピニオンギヤ３は、ギヤケーシング２内において中間軸６８の一方の側に取り付けたブルギヤ４と噛合する。中間軸６８の他方の端部には、プーリ５が取り付けられており、このプーリ５には、駆動力の伝達体としてベルト７が装架されている。ベルト７は、電動機８の軸端に取り付けたプーリ６にも装架されており、電動機８の動力が圧縮機本体１に伝達されるようになっている。
　なお、スクリューロータ２１の駆動機構の他の構成としては、プーリ５，６およびベルト７の組合せの代わりに、ギアおよびチェーンの組合せが採用されてもよい。あるいは、雄ロータ２２の軸と電動機８の出力軸とを直結する構成が採用されてもよい。
　圧縮機本体１の空気吸込側には、この圧縮機本体１に吸い込まれる空気量を調整する吸込絞り弁１０が配設されている。空気は、吸込フィルタ９によって異物が除去された後、吸込絞り弁１０を通過して圧縮機本体１に吸い込まれ、所定の圧力まで圧縮されて圧縮機本体１の出口より吐き出される。
　圧縮機本体１から吐き出された圧縮空気は、圧縮機本体１の下流側に設けられた水冷式のプレクーラ１１によって冷却をされた後、逆止弁１２を経由して、水冷式のアフタークーラ１３に導かれる。アフタークーラ１３で冷却された圧縮空気は、圧縮空気出口より吐き出される。ここで、アフタークーラ１３内の空気通路はＵ字管で構成されており、その出入口は一体型のクーラヘッダ１４で構成されている。
　スクリュー圧縮機１００では、摺動体等を潤滑するために潤滑油を使用している。この潤滑油の経路は以下の通りである。ギヤケーシング２の下部に設けられた油溜りに貯留された潤滑油は、オイルポンプ１６によってオイルクーラ１５に導かれて冷却され、オイルフィルタ１７でゴミ等が除去される。この潤滑油は、圧縮機本体１の軸受部、タイミングギヤ、ピニオンギヤ３、さらに、ギヤケーシング２内の中間軸６８の軸受部や中間軸６８に取り付けられたブルギヤ４へ供給される。その後、潤滑油は、ギヤケーシング２の油溜りへ戻り、循環する。
　この潤滑油が、圧縮機本体１に取り付けられたノズルから、雄ロータ２２および雌ロータ２３の内部にそれぞれ形成された中空部３７，３８（図２等参照）へ流入して、冷却用に使用される。雄ロータ２２および雌ロータ２３を冷却した潤滑油は、ギヤケーシング２内に流出し、その他の潤滑油と同様にギヤケーシング２内の油溜りに貯蔵されて、循環する構成となっている。この潤滑油は、ここでは、スクリューロータ２１の中空部３７，３８内を空気吐出側から空気吸込側へ流れる。
　本実施形態に係るスクリュー圧縮機１００は、基本的に以上のように構成されるものであり、次に、スクリュー圧縮機１００の作用効果について説明する。
　図１、図２に示すように、スクリュー圧縮機１００は、スクリューロータ２１と、スクリューロータ２１の回転軸であるロータシャフト４７とを備えている。また、スクリュー圧縮機１００は、スクリューロータ２１との間で複数の圧縮作動室６１を形成するケーシング３３を備えている。スクリューロータ２１は、該スクリューロータ２１の少なくとも歯部内部に中空部３７，３８が形成されているとともに、スクリューロータ２１の少なくとも軸中心部が中実である一体構造を成している。また、図６に示すように、ロータシャフト４７は、スクリューロータ２１と一体形成された中空構造の第１シャフト４１と、第１シャフト４１に接合された中空構造の第２シャフト４５とを有している。
　この構成では、スクリューロータ２１は、歯部内部に形成された中空部３７，３８を流れる冷却媒体によって効果的に冷却される。また、スクリューロータ２１は、軸中心部が中実である一体構造を成しているため、十分な強度を確保できる。したがって、スクリューロータ２１の強度低下、およびその温度上昇を抑制することができる。
　この冷却性能の向上によって、スクリューロータ２１の熱変形を抑制することができる。これにより、雄ロータ２２と雌ロータ２３との間、およびスクリューロータ２１とケーシング３３との間の隙間を縮小できるため、圧縮性能を向上させることができる。加えて、スクリューロータ２１の熱変形が抑制されることで、歯部の加工精度のバラツキによる圧縮性能のバラツキや、低負荷運転時に隙間が過大となることによる圧縮性能の低下を抑制することも可能となる。さらに、吐出空気温度も低減できることから、スクリュー圧縮機１００における冷却機器の縮小または廃止が可能となり、コスト低減とスクリュー圧縮機１００全体のコンパクト化を図ることができる。
　また、スクリューロータ２１の軸中心部を中実にして十分な強度を確保できるため、圧縮作動室６１内の圧力等による変形によって圧縮性能の低下や接触が生じることを抑制でき、回転のアンバランスも抑制できる。
　さらに、スクリューロータ２１の強度が十分に確保されることによって、スクリューロータ２１と一体形成された第１シャフト４１と、第２シャフト４５との接合時に力が加わる場合でも変形が生じ難い。したがって、これらを軸ずれ無しに高精度に接合することが可能となる。
　すなわち、本実施形態では、スクリューロータ２１の強度低下、およびその温度上昇を十分に抑制できるとともに、スクリューロータ２１とシャフトとを軸ずれ無しに高精度に接合可能なスクリュー圧縮機およびその製造方法を提供できる。
　また、図７に示すように、本実施形態の変形例では、第１シャフト４１と第２シャフト４５とが、第１シャフト４１あるいは第２シャフト４５とは異なる組成の材料からなる中空構造の中間部４６を介して接合されている。この構成では、第１シャフト４１と第２シャフト４５との接合時や接合後の特性を調整することが可能となる。例えば、第１シャフト４１の材料が第２シャフト４５の材料よりも耐食性が高い場合に、中間部４６の材料をそれらの中間程度の耐食性とすることで、軸方向において特性が急激に変化することを抑制できる。
　さらに、例えば、第１シャフト４１あるいは第２シャフト４５の材料が硫黄を０．１重量パーセント以上含有した鉄基合金とされ、中間部４６の材料が０．０１重量パーセント以下の硫黄を含有した鉄基合金とされ得る。仮に第１シャフト４１と第２シャフト４５とに硫黄を０．１重量パーセント以上含有した快削性の鉄基合金を適用した場合、両者を摩擦圧接で接合しても十分な接合強度を担保できなくなるおそれがある。これは、第１シャフト４１と第２シャフト４５との接合界面近傍に非常に脆い硫化物が形成されるためである。この場合、両者を０．０１重量パーセント以下の硫黄を含有した鉄基合金である中間部４６を介して接合することで、接合界面近傍における硫化物の形成を抑制して、十分な接合強度を確保することができる。
　また、本実施形態では、少なくともスクリューロータ２１の材質が析出強化型の合金である。この場合、スクリューロータ２１を造形したままでは析出強化されていないため、低硬度であり、切削性に優れる一方で、切削後に時効処理を施すことにより、高硬度化してスクリューロータ２１の機能を確保できる。
　また、図８に示すように、本実施形態では、冷却媒体としての潤滑油は、オイルポンプ１６によってオイルクーラ１５に導かれて冷却される。この構成では、スクリューロータ２１の温度上昇をより効果的に抑制することができる。
　また、図１に示すように、本実施形態では、冷却媒体はスクリューロータ２１の中空部３７，３８内を空気吐出側から空気吸込側へ流れる。このように、冷却媒体をスクリューロータ２１における温度の高い側から低い側へ流すことで、より高い冷却性能が得ることができる。
　また、本実施形態では、少なくともスクリューロータ２１および第１シャフト４１，４３は、金属粉末積層造形法により形成される。これにより、中空部３７，３８を有する複雑な形状のスクリューロータ２１を作製することができる。
　また、本実施形態では、第１シャフト４１と第２シャフト４５とは摩擦圧接法により接合される。これにより、第１シャフト４１と第２シャフト４５とを高精度かつ高強度に接合することができる。また、摩擦圧接の際には、雄ロータ２２と第２シャフト４５の中心軸を高精度に合わせる必要があるが、ロータシャフト４７の第１シャフト４１を軸合わせの基準にすることができる。
　以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　例えば、前記した実施形態では、冷却媒体として、潤滑油が用いられているが、これに限定されず、水、クーラント、空気等の流体が用いられてもよい。
　また、前記した実施形態では、冷却媒体としての潤滑油は、オイルクーラ１５によって冷却されるように構成されている。ただし、本発明は、冷却媒体を冷却する水、クーラント等による液冷式のクーラ、および空冷式のクーラの少なくともいずれか1つを含んでいればよい。
　また、前記した実施形態では、圧縮作動室６１内への給油を行わない無給油式のスクリュー圧縮機１００が例として示されている。ただし、本発明は、前記した実施形態と同様な構成を持つスクリューロータを給油式や水潤滑式のスクリュー圧縮機で使用する場合にも適用可能である。
　また、前記した実施形態では、スクリュー圧縮機１００は単段である場合を例として示したが、複数段であってもよい。
　また、前記した実施形態では、圧縮対象は空気である場合を例として示したが、例えば窒素等の他の気体であってもよい。
　１　　　圧縮機本体
　１５　　オイルクーラ
　２１　　スクリューロータ
　２２　　雄ロータ
　２３　　雌ロータ
　３３　　ケーシング
　３５，３６　中実部
　３７，３８　中空部
　３９，４０　延伸部
　４１，４３　第１シャフト
　４２，４４　第１シャフト
　４５　　第２シャフト
　４６　　中間部
　４７　　ロータシャフト
　６１　　圧縮作動室
　１００　スクリュー圧縮機

Claims (8)

  1. 　スクリューロータと、
    　前記スクリューロータの回転軸であるロータシャフトと、
    　前記スクリューロータとの間で複数の圧縮作動室を形成するケーシングとを備え、
    　前記スクリューロータは、該スクリューロータの少なくとも歯部内部に冷却媒体の流路となる中空部が形成されているとともに、前記スクリューロータの少なくとも軸中心部が中実である一体構造を成しており、
    　前記ロータシャフトは、前記スクリューロータと一体形成された中空構造の第１シャフトと、前記第１シャフトに接合された中空構造の第２シャフトとを有していることを特徴とするスクリュー圧縮機。
  2. 　前記第１シャフトと前記第２シャフトとが、前記第１シャフトあるいは前記第２シャフトとは異なる組成の材料からなる中空構造の中間部を介して接合されていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
  3. 　前記第１シャフトあるいは前記第２シャフトの材料が硫黄を０．１重量パーセント以上含有した鉄基合金であり、前記中間部の材料が０．０１重量パーセント以下の硫黄を含有した鉄基合金であることを特徴とする請求項２に記載のスクリュー圧縮機。
  4. 　少なくとも前記スクリューロータの材質が析出強化型の合金であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
  5. 　前記冷却媒体を冷却する液冷式のクーラおよび空冷式のクーラの少なくともいずれか1つを含むことを特徴とする請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
  6. 　前記冷却媒体は前記スクリューロータの中空部内を空気吐出側から空気吸込側へ流れることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
  7. 　請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機を製造する方法であって、
    　少なくとも前記スクリューロータおよび前記第１シャフトを金属粉末積層造形法により形成することを特徴とするスクリュー圧縮機の製造方法。
  8. 　請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機を製造する方法であって、
    　前記第１シャフトと前記第２シャフトとを摩擦圧接法により接合することを特徴とするスクリュー圧縮機の製造方法。
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