JP4643119B2 - スクリューマシン - Google Patents

Description

【０００１】
【背景技術】
一般的なスクリューマシンにおいては、平行でかつ部分的に重なり合うようロータハウジンジングに設けられた孔に、雄ロータおよび雌ロータがそれぞれ配置されており、これらは、ガスをトラップして圧縮するよう機能する。２つのロータを備えたものが最も一般的であるが、３つ以上のロータを対として協働させることも可能である。雄ロータおよび雌ロータのローブの形状、ローブおよびフルート部（縦溝部）の数は、それぞれ異なる。例えば、雌ロータには、６つのフルート部により離間された６つのローブを備え、これと協働する雄ロータに、５つのフルート部により離間された５つのローブを備えることが可能である。従って、ロータ間において、ローブとフルート部との間のそれぞれの相互作用が周期的に生じる。互いに協働する対のロータ間の相互作用は、滑り接触および転がり接触により生じるため、摩耗速度は様々な大きさになる。ロータは、対として協働するのみならず、ハウジングとも協働する。ロータにおけるローブとフルート部との間の接触は、全て、協働するロータ対の間で生じるため、製造公差および摩耗パターンに起因して、ローブとフルート部との間のシーリング／リークは、それぞれ異なるものとなる。製造コストを増大させて製造公差を非常に厳密なものに維持するとともに、潤滑油もしくは他の液体を導入してシーリングを行ったとしても、このことは生じる。
【０００２】
協働するスクリューロータ対の設計形状の大部分には、クリアランスを設ける必要がある。クリアランスの必要性は、多くの要因により生じる。このような要因としては、圧縮過程でガスが加熱されることによりロータが熱膨脹すること、圧縮過程で生じる圧力を受けてロータが撓むこと、支持用軸受構造における公差およびロータの製造公差によりロータ間の距離が小さくなることによって、ロータが互いに干渉する可能性があること、およびロータ形状の製造公差のみによっても干渉が起こる可能性があることが挙げられる。これらの要因に加えて、吸入側から吐出側にかけて圧力および温度が上昇することに起因して、圧力勾配および温度勾配が存在する。運転中、圧力勾配は、通常、一方向に生じ、流体の圧力によりロータが吸入側に付勢される。通常、ロータの各端部は軸受内に配置されており、これによって、これらのロータが径方向および軸方向に拘束されている。吐出側におけるロータ端部のクリアランスは、シーリング機能に対して重要なものであるが、流体の圧力が作用してこのクリアランスが増大する傾向がある。
【０００３】
ロータのある領域（接触領域）では、ロータ間のクリアランスが零に維持される。ロータにおいて接触領域を画定する部分は、必要なトルクがロータ間で伝達される領域である。ロータ間の荷重は、雄ロータにより駆動する場合と雌ロータにより駆動する場合とで異なる。雄ロータにより駆動する場合は、ロータ間の荷重は、圧縮機の全トルクの約１０％に相当するが、雌ロータにより駆動する場合は、ロータ間の荷重は圧縮機の全トルクの約９０％に相当する。このような領域は、一般的に、ロータのピッチ円近傍に設けられる。ピッチ円近傍は、これらのロータにおいて回転速度が等しい領域であり、これによって、転がり接触が生じるため、滑り接触が生じないことから摩耗が少ないためである。
【０００４】
ロータの干渉（seizure）による損傷を防止するために、スクリューコンプレッサの吐出側端部では、端部の動作クリアランスを大きく維持しなければならない。ロータの干渉は、ロータが熱膨張したり、圧縮過程での圧力の脈動によりロータと端部ケーシングとが断続的に接触することによって、生じる。
【０００５】
【発明の開示】
本発明の目的は、スクリューマシンにおけるリークを減少させることである。
【０００６】
本発明の他の目的は、リークを増大させることなく、機械加工の公差を緩めることである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、スクリューマシンにおいて油によるシーリングを行うことの必要性を低減させることである。
【０００８】
本発明の付加的な目的は、摩擦による動力損失を減少させるとともに、摩耗を防ぐことである。本発明によって、以上の目的および以下で明確に記載される他の目的を達成することができる。
【０００９】
本発明によると、スクリューロータにおける一部分もしくは複数の部分、および／またはハウジングの孔の内側表面に、コーティングが施される。
【００１０】
本発明の一形態によると、ハウジングおよびもう一方のロータと公称的に接触するロータ先端部に、低摩擦・耐摩耗性材料が施される。ロータは、対として互いに協働するのみならず、ハウジングとも協働する。機械加工の公差を厳密なものとすることにより、このような、ロータ間の相互作用およびロータとハウジングとの相互作用によるリークを緩和することができるが、公差を厳密にすることに加えてもしくはこの代わりに、他の方法を用いることも可能である。好適な低摩擦・耐摩耗性コーティングの例としては、耐摩耗性に優れかつ摩擦係数の小さいダイアモンド状炭素の多層コーティング、窒化チタンおよび他の単一の材料の単一層窒化物コーティング、炭化物およびセラミックのコーティングが挙げられる。
【００１１】
本発明の他の形態によると、適合性を有するコーティングを、ハウジングの孔の内側面、および／またはロータの溝部に施すことが可能である。好適な適合性コーティングの例としては、リン酸鉄コーティング、リン酸マグネシウムコーティング、ニッケルポリマアマルガム（nickel polymer amalgams）、および荷重が加えられた場合に弾性的に変形する他の材料が挙げられる。ハウジングの孔の内側表面および／またはロータの溝部に適合性コーティングを施すことによって、製造公差を緩めながら、リークを軽減させるとともに、油によるシーリングの必要性を低減させることができる。
【００１２】
コーティングもしくは他の同様な処理が施された低摩擦・耐摩耗性の表面は、処理されていない面よりも、滑り接触が起こり易い。さらに、このように処理することによって、滑り接触に対する、表面の耐性を向上することができるという相乗効果も得られる。本発明の更なる形態によると、このことによって、接触領域をピッチ円から離れた部分に設けることができ、これによって、接触荷重をさらに減少させることができるため、処理後のロータの接触領域を移動させた場合でも、ロータが摩耗する可能性を低減させることができる。周知のように、接触領域をロータのピッチ円近傍に配置することは、通常行われることであるが、これは、ほぼ完全な転がり接触が行われるようにするためである。
【００１３】
接触領域の位置は、設計事項であるため、ピッチ円から離れた部分もしくは希望する部分に設けることができる。接触領域をピッチ円から離れた部分に設けることによって、ロータ間の荷重を減少させることができる。このことは、雌ロータ駆動の場合には特に重要である。接触領域がピッチ円から離れるほど、真の転がり接触ではなく滑り接触がより多く生じる。各ピッチ円が雄ロータのルート円および雌ロータの先端円に対応する場合、ブローホール領域（blow hole area）（かみ合うロータ先端部およびスクリューマシンの隣接する孔の間の突部の先端により画定されたリーク領域）が０に減少し得るのみである。このことによって、伝達角度、接触圧力、雄ロータのルート半径の機械加工の可能性、および発生する滑りの量の間でのトレードオフに応じて、接触領域をピッチ円から離れた部分に設けることが必要となる。
【００１４】
このように、端部の動作クリアランスを大きくすると、高圧力領域から低圧力領域へのリークが増大する。本発明の更なる形態によると、摩擦係数の小さい耐摩耗性コーティングをロータの端面もしくは端部ケーシングの面に施すか、もしくはロータ端部と端部ケーシングとの間にコーティングされた部材を挿入することによって、端部の動作クリアランスを５０％以上減少させることができる。吐出側端部におけるリークが減少するため、圧縮機の性能が改善される。
【００１５】
【発明を実施するための最良の形態】
図１には、スクリューマシン１０（例えばスクリューコンプレッサ）が示されており、このスクリューマシン１０は、部分的に重複する孔１２−１，１２−２を備えたロータハウジングつまりケーシング１２を有する。孔１２−１内には、ピッチ円Ｐ_Fを有する雌ロータ１４が配置されており、孔１２−２内には、ピッチ円Ｐ_Mを有する雄ロータ１６が配置されている。点Ａ，Ｂで示されている平行な軸線は、図１の面に垂直であるとともに、雌ロータ１４のピッチ円Ｐ_Fの半径Ｒ_Fと雄ロータ１６のピッチ円Ｐ_Mの半径Ｒ_Mとの合計値に等しい距離だけ互いに離間されている。点Ａで示される軸線は、雌ロータ１４の回転軸線であり、雌ロータ１４の先端円Ｔ_Fの直径とほぼ等しい直径を有する孔１２−１のほぼ中心にある。同様に、点Ｂで示される軸線は、雄ロータ１６の回転軸線であり、雄ロータ１６の先端円Ｔ_Mの直径とほぼ等しい直径を有する孔１２−２のほぼ中心にある。クリアランスおよび撓みを補償するために、通常、ロータの中心線と孔の中心線とは、非常に僅かな距離だけ離間されている。動作クリアランスを無視すると、孔１２−１において孔１２−２との重複部分に亘る延長部は、雄ロータ１６のルート円Ｒ_MRとの接点で線Ａ−Ｂと交わる。同様に、孔１２−２において孔１２−１との重複部分に亘る延長部は、雌ロータ１４のルート円Ｒ_FRとの接点で線Ａ−Ｂと交わり、この共通の点は、雌ロータ１４に対してはＦ₁とし、雄ロータ１６に対してはＭ₁とされている。
【００１６】
図示されている実施例によると、雌ロータ１４は、６つのランド部つまり先端部１４−１を備えており、これらは、６つの溝部つまりフルート部１４−２により離間されている。これに対して、雌ロータ１６は、５つのランド部つまり先端部１６−１を備えており、これらは、５つの溝部つまりフルート部（縦溝部）１６−２により離間されている。従って、ロータ１６の回転速度は、ロータ１４の回転速度の６／５つまり１２０％である。雌ロータ１４および雄ロータ１６のどちらを原動機（図示せず）に連結して駆動ロータとして動作させることも可能である。雌ロータおよび雄ロータのランド部の数および溝部の数を、別の組み合わせにすることも可能である。
【００１７】
ここで、図２および図３を参照すると、ロータ１４は、シャフト部１４−３を備えており、シャフト部１４−３とロータ１４との間には、ショルダ部１４−４が設けられている。ロータ１４のシャフト部１４−３は、１つもしくは複数の軸受３０によって、流出側のケーシングつまり吐出側ケーシング１３内で支持されている。同様に、ロータ１６は、シャフト部１６−３を備えており、シャフト部１６−３とロータ部１６との間には、ショルダ部１６−４が設けられている。ロータ１６のシャフト部１６−３は、１つもしくは複数の軸受３１によって、吐出側ケーシング１３内で支持されている。ロータ１４，１６の、吸入側のシャフト部１４−５，１６−５は、それぞれ、ころ軸受３２，３３によって、ロータハウジング１２内で支持されている。
【００１８】
冷媒用圧縮機としての運転中、雄ロータ１６が駆動ロータであると仮定すると、雄ロータ１６により係合する雌ロータ１４が回転させられることによって、雌ロータ１４の回転が起動される。孔１２−１，１２−２内にそれぞれ配置されたロータ１６，１４が回転しながら互いに協働して、冷媒ガスを吸入側インレット１８を介してロータ１６，１４の溝部内に導く。ロータ１６，１４は、互いに係合して、ガスをトラップして圧縮し、圧縮された高温のガスを吐出ポート１９へと移送する。トラップされたガスが可動のロータ１４，１６に作用することによって、吐出側の端部１４−４，１６−４が吐出側ケーシングの面１３−１から離れて、リーク経路が発生／増大する傾向がある。ロータ１４，１６が吐出側ケーシングの面１３−１から離れることによって、ロータ１４，１６のショルダ部１４−６，１６−６が、それぞれ、ロータケーシングの面１２−３に近づくかもしくは係合する。ロータのショルダ部１４−４，１６−４と吐出側ケーシングの面１３−１との間のリーク経路のみならず、ロータ１４，１６間の線接触部分、およびランド部１４−１，１６ー１の先端と各孔１２−１，１２−２との間においてもリークが生じる。シーリングのための油を用いることによって、このようなランド部／線接触部におけるリークを減少させることができるが、このような油を用いた場合、粘性抵抗による損失が移動している部材間に生じるとともに、この油を吐出ガスから除去することが必要となる。
【００１９】
上述したように、接触領域は、位置によって画定されるのではなく、クリアランスが０となることによって画定される。図４には、本発明の一形態での接触領域の位置を示すために、図１が拡大して示されている。接触領域は、雌ロータ１４の先端部１４−１の領域にあるピッチ円Ｐ_Fの内側と、雄ロータ１６のルート部１６−２の領域にあるピッチ円Ｐ_Mの外側と、に生じる。
【００２０】
油を使用しない圧縮機の場合は、油によりシーリングすることができないため、ロータの先端部をロータハウジングの孔１２−１，１２−２に可能な限り近づけて、リークを小さくする必要がある。しかし、ロータとハウジングとが接触すると、ロータ先端部とハウジングとの間の摩擦による摩耗および動力損失が増大する。ロータが潤滑される場合でも、油によりシーリングされた部分にリークが発生する可能性があり、さらに、この油を冷媒から除去することが必要となる。このことは、油が冷凍システムを循環してその熱伝達効率が減少することを回避し、かつ圧縮機の潤滑に要する油を残すためである。
【００２１】
本発明の一形態によると、ロータ１４，１６の先端部つまりランド部１４−１，１６−１に、低摩擦・耐摩耗性コーティングがそれぞれ施される。１つの好適な低摩擦・耐摩耗性コーティングとして、本願と同時に譲渡された米国特許第５，６７２，０５４号に開示されているようにロータリーコンプレッサのベーンの先端面に局部的に用いられるタイプの低摩擦のダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）コーティングが挙げられる。このようなＤＬＣコーティングは、油および冷媒を新たに組み合わせて用いる場合の潤滑の困難性を解決するものとして機能する。ＤＬＣコーティングは、平滑性（lubricous）および耐摩耗性に優れ、つまり、これについて開示している米国特許第５，６７２，０５４号に記載されているように、硬い材料（炭化タングステン）と無定形炭素とが交互に積層されたものである。
【００２２】
他の好適な低摩擦・耐摩耗性コーティングとしては、窒化チタンおよび他の単一材料からなる単一層の窒化物コーティング、炭化物（carbide）およびセラミックのコーティング、が挙げられる。これらは、耐摩耗性に優れ、かつ摩擦係数が小さいものである。各ロータのランド部の先端部もしくは溝部に低摩擦・耐摩耗性コーティングを施すことによって、幾つかの利点を得ることができる。まず第１に、油を減少させるかもしくは全く用いずにロータを動作させても、過度な摩耗や摩擦が生じない。第２に、ロータがロータの孔とある程度接触しても許容することができるため、機械加工の公差を緩めることができる。第３に、ロータの先端部つまりランド部１４−１，１６−１とロータ孔１２−１，１２−２との間の動作クリアランスがそれぞれ減少し得るため、ロータとロータ孔との間を油でシーリングすることの必要性が減少するかもしくは無くなる。
【００２３】
雌ロータ１４上の接触領域は、先端部近傍に生じるため、単一のＤＬＣコーティングによって、雌ロータの必要な領域を両方とも覆うことができる。ロータの形状に依存して、これらの領域は、互いに接近しているかもしくは重なり合っているためである。図４に示されているように、雌ロータ上に単一のＤＬＣコーティング４０を施すことは、製造を容易にする点で好ましい。コーティング４０の部分４０−１は、接触領域に対応し、部分４０−２は、先端部つまりランド部１４−２において孔１２−１に最も近づく部分に対応する。雄ロータ１６上の対応するＤＬＣコーティングは、より大きく離間されており、ロータ先端部に施されたコーティング６０およびルート部近傍に施されたコーティング６０が接触領域に対応するようになっている。ロータ先端部と同様に、ロータ端部における動作クリアランスもまた、リーク経路となる。本発明の更なる形態によると、ロータの吐出側端面、吐出側ケーシング１３の対向する面もしくはロータと吐出側ケーシングとの間に配置されている被覆された挿入部材に、ＤＬＣコーティングを施して、動作クリアランス、ひいてはリーク経路を減少させることができる。ここで図５を参照すると、ＤＬＣコーティングが、ロータ１４，１６の吐出側端部に施されている。具体的には、雌ロータ１４の吐出側端部に、ＤＬＣコーティング４２が施され、雄ロータ１６の吐出側端部に、ＤＬＣコーティング６２が施されている。ＤＬＣコーティング４２，６２によって、吐出側ケーシング１３−１との接触をある程度許容できるようになるため、端部の動作クリアランスを小さくしてリーク経路を減少させることができる。ここで図６を参照すると、図５の実施例のようにロータ１４，１６の端部にではなく、ケーシングの面１３−１に、ＤＬＣコーティング８２が施されている。図７の実施例では、ロータ１４，１６の端部とケーシング面１３−１との間に、別個の部材９０が配置されている。部材９０は、孔１２−１，１２−２の断面に合致するため、回転が不可能となり、従って、部材９０とロータ１４，１６の吐出側端部との間に相対移動が生じる。従って、ロータ１４，１６に対向する、部材９０の面には、ＤＬＣコーティング９２を施す必要がある。図５〜図７の実施例によると、ＤＬＣコーティングがロータ１４，１６の端部と面１３−１との間に施され、これによって、ロータとケーシングとが接触した場合に、ＤＬＣコーティングの平滑性によって、これらの摩耗が防止されるようになっており、これによって、端部の運転クリアランスを小さくしてリーク経路を減少させることが可能となっている。
【００２４】
図８には、４０として示されているが、コーティング４０，４２，６０，６１，８２，９２の通常の断面が拡大して詳細に示されている。ＤＬＣコーティング４０は、硬い二層構造４０’および平滑性を有する二層構造４０’’からなる。二層構造の厚さは、１〜２０ｎｍであり、好ましくは、５〜１０ｎｍである。
【００２５】
本発明の更なる形態によると、適合性を有する（conformable）コーティング（摩耗性を有するコーティングもしくは圧力により変形し得る（extrudable）コーティング）を、ロータ１４，１６および／または孔１２−１，１２−２に施すことができる。ロータ全体および孔全体にコーティングを施すことが可能であるが、図９に示されるようにロータのフルート部つまり溝部１４−２，１６−２にそれぞれ局部的にコーティングを施しても、ロータ間の相互作用に関する効果はほぼ全て得られる。接触領域にはクリアランスが存在しないため、この部分の機械加工を厳密に行う必要があるが、ロータのローブ形状の残りの部分における相互作用に対しては、公差を緩めることができる。さらに、孔１２−１，１２−２の適合性コーティングは、実際の運転中にロータ１４，１６の撓みに適合し得るため、シーリング機能が維持される。図４および図９に示されているように、雌ロータの溝部に適合性コーティング４４を施し、雄ロータの溝部に適合性コーティング６４を施すことができる。さらに、孔１２−１，１２−２に、適合性コーティング８４を施すことができる。
【００２６】
様々な塑性変形可能なコーティングを用いることができ、例えば、リン酸鉄、リン酸マグネシウム、ニッケルポリマアマルガム（Nickel polymer amalgams）、ニッケル・亜鉛合金、ポリエステルを含むアルミニウム・シリコン合金、ポリメタクリル酸メチルを含むアルミニウム・シリコン合金を用いることができる。さらに、本発明のスクリューマシンの表面処理を行うために、一般的な被覆技術、例えば、溶射、物理蒸着（ＰＶＤ）もしくは化学蒸着（ＣＶＤ）を用いることができ、また、好適な湿式堆積技術（aqueous deposition）であればいかなるものも用いることができる。
【００２７】
２つのロータを有するスクリューマシンに関して本発明が図示および記載されたが、３つ以上のロータを有するスクリューマシンにも本発明を適用できる。従って、本発明は、付随の請求の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スクリューマシンの横断面図。
【図２】 図１のスクリューマシンの部分断面図。
【図３】 図１のスクリューマシンの吐出側端部の一部分を示す拡大図。
【図４】 本発明の様々なコーティングを例示する、図１の拡大図。
【図５】 ロータ端部に施されたＤＬＣコーティングを示す部分断面図。
【図６】 吐出側ケーシングに施されたＤＬＣコーティングを示す部分断面図。
【図７】 ＤＬＣコーティングが施されたディスクを示す部分断面図。
【図８】 ＤＬＣコーティングを示す拡大図。
【図９】 図１のロータ対の軸方向部分を示す斜視図。

Claims (2)

1. 平行でかつ一部が重なり合う一対の孔を有するロータハウジングを備えたスクリューマシンであって、前記孔の内部に配置されているとともに互いにかみ合う、協働するロータの対を備えており、各ロータが、径方向外側の先端部と、これらの間に設けられかつ径方向内側のルート部と、を有するらせん状ローブを備えたものにおいて、荷重が加えられた場合に弾性的に変形する材料からなる適合性コーティングが前記ロータの前記ローブの前記ルート部に施されるとともに、
   前記ロータの前記ローブの前記先端部には、硬い層と平滑性を有する層とが交互に重ねられたダイアモンド状炭素コーティングを備えた耐摩耗性コーティングが施されていることを特徴とするスクリューマシン。
2. 前記孔には、さらに前記適合性コーティングが施されていることを特徴とする請求項１記載のスクリューマシン。

Images