JP4504836B2

JP4504836B2 - スクリューロータの製造方法

Info

Publication number: JP4504836B2
Application number: JP2005047620A
Authority: JP
Inventors: 皇二和田; 達知西原; 優和青木
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2006233816A

Description

本発明は、スクリュー流体機械に用いられるスクリューロータに係わり、詳細には、螺旋状の歯を有する中空のスクリューロータの製造方法に関する。

スクリュー流体機械の一例であるスクリュー圧縮機は、回転軸が平行でかつ螺旋状の歯部が噛み合うようにそれぞれ回転する雄ロータ及び雌ロータと、これら雄ロータ及び雌ロータを収納するケーシングとを備えており、雄ロータ及び雌ロータの歯溝とケーシングの内壁とで被圧縮流体を圧縮する作動室が形成されている。そして、雄ロータ及び雌ロータ（以降、これらを総称してスクリューロータと称す）等が被圧縮流体の断熱圧縮により温度上昇して熱膨張するため、スクリューロータ同士の隙間及びスクリューロータとケーシングの隙間は、熱膨張のぶんだけ余裕をみて大きくし、運転中に各部材が接触して損傷するのを防止するようになっている。このとき、スクリューロータの上昇温度及びそれに伴う熱膨張は一様または一定でなく、最大熱膨張を考慮して隙間を大きくするので、圧縮機の性能が低下する要因となっていた。また、スクリューロータが中実構造である場合は、慣性モーメントが大きいため、大きな起動トルクが必要となって起動制御が困難になり、また例えば省エネを目的とした回転数制御も困難になる。

そこでこれに対応するため、中空部に冷却媒体を流通することが可能な中空構造のスクリューロータが提唱されている。中空構造のスクリューロータの一例としては、従来、噛み合い部及び底部を板材で一体成形した中空のロータ本体と、このロータ本体の底部の内周側に嵌入され例えばスポット溶接等で接合された中空のロータシャフトとを備えた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術におけるロータ本体の製造方法は、ロータ本体の外周側形状を持った分割金型を用い、この分割金型の内部に適度なプレス性（延性）を持ったパイプ状の素材を配置し、このパイプ状素材の内側から高圧流体で加圧し、これによってパイプ状素材を膨張させて金型に押圧し、上記噛み合い部及び底部を成形するようになっている。

特開平８−２８４８５６号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記ロータ本体の製造方法では、パイプ状素材を内側から加圧して膨張させ金型に押圧して成形するようになっており、パイプ状素材の谷部はほとんど延びず、噛み合い部の厚み寸法が歯元から歯先に向かうに従って徐々に薄くなるように成形する。このようなパイプ状素材の塑性変形方法では、比較的強度の小さい塑性材料を用いなければ容易に行えず、言い換えれば、スクリュー流体機械等に必要とされる高強度なパイプ状素材を塑性変形することは困難であった。

本発明の目的は、高強度なパイプ状素材でも容易に塑性加工することができ、生産性を向上することができるスクリューロータの製造方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、螺旋状の歯を有する中空のスクリューロータの製造方法において、軸方向に向かって軸廻りの回転角度が徐々に大きくなるねじれ回転機構を有する雌型を用い、この雌型内に配置したパイプ状素材の内部及び軸方向縮短側に圧力を加えることにより、前記パイプ状素材を縮短しかつ前記雌型のねじれ回転機構によって前記パイプ状素材をねじれ変形させながら前記螺旋状の歯を成形する。

本発明においては、軸方向に向かって軸廻りの回転角度が徐々に大きくなるねじれ回転機構を有する雌型を用いて、スクリューロータを製造する。詳細には、雌型内に配置したパイプ状素材の軸方向縮短側に圧力を加えると、パイプ状素材が縮短（座屈）し、また軸方向縮短側圧力の分力が回転力として働いて（さらに例えばパイプ状素材に加えた回転力により）雌型のねじれ回転機構が動作し、このねじれ回転機構によってパイプ状素材がねじれ変形する。また同時に、パイプ状素材の内部に例えば圧縮流体（高温・高圧水等）を流通すると、その内部圧力によってパイプ状素材が雌型に押圧され螺旋状の歯を成形する。このように本実施形態においては、ねじれ回転機構を有する雌型を用いることにより、パイプ状素材を縮短するとともにねじれ変形させながら螺旋状の歯を成形することができる。これにより、パイプ状素材の厚み寸法がほぼ均一となるように塑性加工することができ、高強度なパイプ状素材でも容易に塑性加工することができる。また、ニアネットシェイプに塑性加工することができるので、切削加工等の加工工数を低減し、コスト低減を図ることができる。したがって、スクリューロータの生産性を向上することができる。

（２）上記目的を達成するために、また本発明は、螺旋状の歯を有する中空のスクリューロータの製造方法において、軸方向に向かって軸廻りの回転角度が徐々に大きくなるねじれ回転機構を有する雌型を用い、この雌型内に配置したパイプ状素材の内部及び軸方向縮短側に圧力を加えるとともに回転力を加えることにより、前記パイプ状素材を縮短しかつ前記雌型のねじれ回転機構によって前記パイプ状素材をねじれ変形させながら前記螺旋状の歯を成形する。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記雌型は、型容器と、この型容器内に軸方向に積層され、前記スクリューロータの歯の径方向断面と同じ形状の穴溝を有する複数の型板とを備えており、前記雌型のねじれ回転機構は、前記型容器に対する前記複数の型板の回転角度をそれぞれ制限する回転角度制限手段を設ける。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記回転角度制限手段は、前記型容器の内周側に軸方向に延設した突部と、この型容器の突部が遊嵌されるように前記複数の型板の外周側にそれぞれ形成した溝部とで構成する。

（５）上記（３）において、また好ましくは、前記回転角度制限手段は、前記複数の型板の外周側にそれぞれ設けた突部と、これら複数の型板の突部が遊嵌されるように前記型容器の内周側に形成した溝部とで構成する。

本発明によれば、パイプ状素材の厚み寸法がほぼ均一となるように塑性加工することができるため、高強度なパイプ状素材でも容易に塑性加工することができる。したがって、スクリューロータの生産性を向上することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態のスクリューロータの製造方法によって製造したスクリューロータの構造を表す軸方向断面図である。

この図１において、スクリューロータ１は、スクリュー圧縮機等に用いられる雄ロータであり、外周側に形成された螺旋状の歯部２と、この歯部２に略相似形状の中空部３と、歯部２の軸方向両端側（図１中上・下側）に形成された円筒状の軸部４Ａ，４Ｂとを有する。なお、軸部４Ａ，４Ｂの軸方向外側には、図示しない略円筒状の軸部材がそれぞれ接合される。

このような中空構造のスクリューロータ１は、例えば中空部２に冷却媒体を流通すると、スクリューロータ１の回転に伴って冷却媒体が螺旋状の中空部２に沿うように移動して効率よく冷却するので、スクリューロータ１の熱膨張を小さくするようになっている。その結果、スクリュー圧縮機の性能及び信頼性を向上するようになっている。また、中実構造のスクリューロータに比べ重量が低減されるので、慣性モーメントが小さくなり、起動トルクが低減して起動制御が向上するとともに回転数制御の応答性も向上するようになっている。

次に、本実施形態によるスクリューロータの製造方法について説明する。図２は、上記スクリューロータ１の製造に用いる雌型の全体構造を表す軸方向断面図で、パイプ状素材を塑性加工する前の状態を表し、図３は、雌型を構成する型板の詳細構造を表す斜視図であり、図４は、図２中矢印IV方向から見た矢視平面図である。また、図５は、雌型の全体構造を表す軸方向断面図で、パイプ状素材を塑性加工した後の状態を表し、図６は、図５中矢印VI方向から見た矢視平面図である。なお、図４及び図６においては、便宜上、パイプ状素材を図示せず、複数枚の型板のうち３枚の型板を代表して図示している。

これら図２〜図６において、例えばステンレス製のパイプ状素材５を塑性加工するための雌型６は、円筒状の型容器７と、この型容器７内に軸方向（図２及び図５中上下方向）に積層された複数の円盤状の型板８とを備えており、軸方向に向かうに従って（本実施形態では、図２及び図５中下方側に向かうに従って）型板８の軸廻りの回転角度が徐々に大きくなるねじれ回転機構９が設けられている。

型容器７は、例えば円筒状の側壁７ａと円盤状の底板７ｂとが一体形成されており、その底板７ｂの中心部には、パイプ状素材５を挿通可能な円形状の開口１０が形成されている。また、型容器７の側壁７ａの内周側には、径方向断面形状が同じで軸方向に延設した突部１１が形成されている。

型板８の中心部には、上記スクリューロータ１の歯部２の径方向断面外周側形状と同じ形状の穴溝１２が形成されている。そして、軸方向に積層された複数の型板８の回転位置を互いにずらすことにより、それら複数の穴溝１２の全体形状が上記スクリューロータ１の歯部２の外周側形状とほぼ同じにすることが可能となっている。また、型板８の板厚は、上記した複数の穴溝１２の全体形状が滑らかとなるように、かつ型板８自体の強度を十分確保できるように設計した厚み寸法となっている。なお、複数の型板８の穴溝１２中心と型容器７の底板７ｂの開口１０中心は、同じ軸線上に配置されている。

また、複数の型板８の外周側には、軸方向に向かうに従って周方向の溝幅寸法が徐々に大きくなる溝部１３が形成されている。詳細には、図４に示すように、型板８の溝部１３Ａの溝幅寸法＜その下側の型板８の溝部１３Ｂの溝幅寸法＜さらに下側の型板８の溝部１３Ｃの溝幅寸法…となっている。そして、全ての型板８の溝部１３に型容器７の突部１１が遊嵌されており、溝部１３の溝幅寸法に応じて、型板８の回転角度がそれぞれ制限されるようになっている。これにより、軸方向に向かうに従って型板８の軸廻りの回転角度が徐々に大きくなる上記ねじれ回転機構９が設けられている。

そして、図４に示すように、全ての型板８の溝部１３（図４中１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのみを図示）の周方向一方側（図４中左廻り側）側壁と型容器７の突部１１の周方向一方側（図４中左廻り側）側壁が当接した状態では、全ての型板８の穴溝１２（図４中１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのみを図示）が揃うようになっている。また、図５に示すように、全ての型板８の溝部１３（図５中１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのみを図示）の周方向他方側（図５中右廻り側）側壁と型容器７の突部１１の周方向他方側（図５中右廻り側）側壁が当接した状態では、溝部１３の溝幅寸法に応じた回転角度で複数の型板８がそれぞれ回転しており、型板８の穴溝１２（図５中１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのみを図示）の全体形状が上記スクリューロータ１の歯部２の外周側形状とほぼ同じになるようになっている。

なお、上記において、型容器７の突部１１と複数の型板８の溝部１３は、特許請求の範囲記載の型容器に対する複数の型板の回転角度をそれぞれ制限する回転角度制限手段を構成する。

そして、本実施形態によるスクリューロータ１の製造方法は、まず前述の図２及び図４に示すように、型容器７内に積層された全ての型板８の穴溝１２を揃えた状態で、それら型板８の穴溝１２及び型容器７の開口１０に例えばステンレス製のパイプ状素材５を挿通する。次に、このパイプ状素材５の軸方向一方側（図２中下側）端部を固定し、パイプ状素材５の軸方向他方側（図２中上側）端部から軸方向縮短側（図２中下側）に圧力を加えると、パイプ状素材５が縮短（座屈）し、また軸方向縮短側圧力の分力が回転力として働いて雌型６のねじれ回転機構９が動作し（詳細には、軸方向縮短側圧力を加えた側から型板８が回転可能な角度まで回転する）、このねじれ回転機構９によってパイプ状素材５がねじれ変形する。また同時に、パイプ状素材５の内部に例えば圧縮流体（高圧・高温水等）を流通すると、その内部圧力によってパイプ状素材５が型板８の穴溝１２に押圧され螺旋状の歯部２を成形する（前述の図５及び図６参照）。

このように本実施形態においては、ねじれ回転機構９を有する雌型６を用いることにより、パイプ状素材５を縮短するとともにねじれ変形させながら螺旋状の歯部２を成形することができる。これにより、パイプ状素材５の厚み寸法がほぼ均一となるように塑性加工することができ、ステンレス製等の高強度なパイプ状素材５でも容易に塑性加工することができる。また、ニアネットシェイプに塑性加工することができるので、切削加工等の加工工数を低減し、コスト低減を図ることができる。したがって、スクリューロータ１の生産性を向上することができる。

なお、上記一実施形態においては、パイプ状素材５の内部及び軸方向縮短側に圧力を加えた場合を例にとって説明したが、これに加えて、例えばパイプ状素材５（又は型板８）に回転力を加えてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、回転角度制限手段は、型容器７の内周側に設けられ、径方向断面形状が同じで軸方向に延設した突部１１と、この型容器７の突部１１が遊嵌されるように複数の型板８の外周側にそれぞれ形成され、軸方向に向かうに従って周方向の溝幅寸法が徐々に大きくなる溝部１３とで構成した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば型容器７の突部１１’は径方向断面形状が軸方向に向かって徐々に小さくなるように設け、複数の型板８の溝部１３’は周方向の溝幅寸法が同じとなるようにそれぞれ形成してもよい。このような場合においても、上記したねじれ回転機構を設けることができ、上記一実施形態同様の効果を得ることができる。また、例えば複数の型板８の外周側にそれぞれ突部を設け、これら突部が遊嵌されるように型容器７の内周側に溝部を形成することにより、上記ねじれ回転機構を設けてもよい。このような場合も、上記一実施形態同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、スクリューロータとしてスクリュー圧縮機の雄ロータを例にとって説明したが、これに限らず、例えばスクリュー圧縮機の雌ロータ、スクリューポンプのロータ、ルーツブロワのねじれロータ、ウォームギヤ等に適用してもよいことは言うまでもない。

本発明のスクリューロータの製造方法の一実施形態によって製造したスクリューロータの構造を表す軸方向断面図である。本発明のスクリューロータの製造方法の一実施形態における雌型の全体構造を表す軸方向断面図であり、パイプ状素材を塑性加工する前の状態を表す。本発明のスクリューロータの製造方法の一実施形態における雌型を構成する型板の詳細構造を表す斜視図である。図２中矢印IV方向から見た雌型の矢視平面図である。本発明のスクリューロータの製造方法の一実施形態における雌型の全体構造を表す軸方向断面図であり、パイプ状素材を塑性加工した後の状態を表す。図５中矢印VI方向から見た雌型の矢視平面図である。

符号の説明

１スクリューロータ
２歯部
３中空部
５パイプ状素材
６雌型
７型容器
８型板
９ねじれ回転機構
１１突部
１２穴溝（回転角度制限手段）
１３溝部（回転角度制限手段）

Claims

螺旋状の歯を有する中空のスクリューロータの製造方法において、
軸方向に向かって軸廻りの回転角度が徐々に大きくなるねじれ回転機構を有する雌型を用い、この雌型内に配置したパイプ状素材の内部及び軸方向縮短側に圧力を加えることにより、前記パイプ状素材を縮短しかつ前記雌型のねじれ回転機構によって前記パイプ状素材をねじれ変形させながら前記螺旋状の歯を成形することを特徴とするスクリューロータの製造方法。
螺旋状の歯を有する中空のスクリューロータの製造方法において、
軸方向に向かって軸廻りの回転角度が徐々に大きくなるねじれ回転機構を有する雌型を用い、この雌型内に配置したパイプ状素材の内部及び軸方向縮短側に圧力を加えるとともに回転力を加えることにより、前記パイプ状素材を縮短しかつ前記雌型のねじれ回転機構によって前記パイプ状素材をねじれ変形させながら前記螺旋状の歯を成形することを特徴とするスクリューロータの製造方法。
請求項１又は２記載のスクリューロータの製造方法において、前記雌型は、型容器と、この型容器内に軸方向に積層され、前記スクリューロータの歯の径方向断面と同じ形状の穴溝を有する複数の型板とを備えており、前記雌型のねじれ回転機構は、前記型容器に対する前記複数の型板の回転角度をそれぞれ制限する回転角度制限手段を設けたことを特徴とするスクリューロータの製造方法。
請求項３記載のスクリューロータの製造方法において、前記回転角度制限手段は、前記型容器の内周側に軸方向に延設した突部と、この型容器の突部が遊嵌されるように前記複数の型板の外周側にそれぞれ形成した溝部とで構成したことを特徴とするスクリューロータの製造方法。
請求項３記載のスクリューロータの製造方法において、前記回転角度制限手段は、前記複数の型板の外周側にそれぞれ設けた突部と、これら複数の型板の突部が遊嵌されるように前記型容器の内周側に形成した溝部とで構成したことを特徴とするスクリューロータの製造方法。