JP5388973B2 - スクリュロータ及びこのスクリュロータを備えた圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、スクリュロータ及びこのスクリュロータを備えた水潤滑式の圧縮機に関するものである。

一般に、圧縮機は、圧縮機本体内に設けられたロータ室に、互いに噛み合う一対のスクリュロータを備えていて、ロータ室の吸込側に供給された空気や冷媒などの気体をスクリュロータの間を通過させつつ吐出側に送ることで、気体の圧縮を可能としている。このような圧縮機には油潤滑式と潤滑油を用いないオイルフリー式とが知られており、近年はオイルを嫌う食品などの分野でオイルフリー式の圧縮機が用いられる傾向がある。

このようなオイルフリー式の圧縮機には、例えば特許文献１に示すように互いに噛み合うスクリュロータを２組備えたものや、特許文献２〜特許文献６に示すように水を用いて潤滑を行う水潤滑式の圧縮機が知られている。特に、これらの中でも後者の水潤滑式の圧縮機は装置の構造が簡単で済む利点から需要が高まる傾向にある。
この水潤滑式の圧縮機のスクリュロータは、金属製のシャフトの周囲に、シャフトの軸方向に沿って螺旋状に捩れたフライトを有するロータ本体を備えている。そして、このロータ本体は、水環境下で良好な耐食性を発揮できるように樹脂で形成されている。

特開２００９−２７５５１７号公報 特開平６−１２３２９３号公報 特開平６−１２３２９２号公報 特開平１−３０１９７６号公報 特開２００３−３１４４７５号公報 特開平５−２８８１７５号公報

ところで、特許文献２〜特許文献６の圧縮機ではロータ本体に硬質の樹脂が用いられているため、フライトの靱性は低く欠けや割れが発生しやすい。特に、スクリュロータの端部ではフライトが薄くなっている部分があるため、図３（ｂ）に示す如くこのように薄い部分で欠けや割れが頻発しやすいという問題が指摘されていた。
また、スクリュロータを製造する際には螺旋状に捩れたフライトに沿って仕上げ研磨を行う必要があり、仕上げ研磨中に研削装置の砥石がフライトが薄くなっている部分に接触する場合がある。また、圧縮機に組み込まれたスクリュロータをメンテナンスの際に取り外す際にも、圧縮機に対して挿脱されるスクリュロータの端部がロータ室の壁に触れる場合がある。このような場合にも、スクリュロータの端部、特にフライトが薄くなっている脆弱な部分で欠けや割れが起こりやすい。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ロータ本体の軸方向の両端部を保護して、欠けや割れの発生を防止することができるスクリュロータ及び水潤滑式の圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のスクリュロータ及び水潤滑式の圧縮機は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のスクリュロータは、水潤滑式の圧縮機に用いられると共に樹脂製のロータ本体を備えたスクリュロータであって、前記ロータ本体の軸方向の両端部のみに、当該ロータ本体の端部を保護する端部保護部材を、前記ロータ本体と一体に備えていることを特徴とするものである。

このようにすれば、ロータ本体の軸方向の両端部が端部保護部材で保護されるので、欠けや割れの発生を確実に防止することができる。
なお、前記端部保護部材としては、前記ロータ本体の端部と同一の断面形状を備えた板部材を用いることができる。このようにすれば、ロータ本体の端部を全面に亘って保護することができ、設けられた端部保護部材がスクリュロータ同士の噛み合いの邪魔になることもない。

また、前記端部保護部材としては、前記ロータ本体の端部において欠けが発生しやすい脆弱な部分と同一の断面形状を備えた部材を用いても良い。このようにすれば、特に欠けや割れが発生しやすい脆弱な部分を重点的に保護することができ、保護する部分が絞り込まれているため端部保護部材に例えばエンジニアリングプラスチックのように靱性などの性能に優れるものの高価である材料を用いることも可能となる。

なお、前記ロータ本体が軸方向に沿って螺旋状に捩れたフライトを備えている場合にあっては、前記フライトの軸方向の端面が前記脆弱な部分とされているのが好ましい。このようなフライトを備えるロータ本体は、軸方向の端部側に近づくに連れてフライトの厚みが薄く尖っていく傾向があるため、フライトの軸方向の端面を脆弱な部分としてこの脆弱な部分を保護することにより欠けや割れの発生を効率的に防止することが可能となる。

また、前記端部保護部材は前記ロータ本体の９０〜１１０％の線膨張係数を備えているのが好ましい。
このようにすれば、端部保護部材の線膨張係数とロータ本体の線膨張係数との差が小さくなり、圧縮機を使用した際にスクリュロータに熱が加わっても、また端部保護部材とロータ本体とを射出成形などで一体に成形する際にも、端部保護部材とロータ本体とが同じように熱膨張（収縮）して両者間に応力が発生し、この応力が原因で端部保護部材がロータ本体から剥がれることを抑制できる。

なお、前記ロータ本体の線膨張係数は、１．０×１０^-5〜４．０×１０^-5／℃とされているのが好ましく、前記ロータ本体は母材であるエポキシ樹脂にシリカを配合して形成されているのが好ましい。また、前記端部保護部材は、ガラス繊維強化樹脂またはカーボン繊維強化樹脂で形成されているのが好ましい。なお、ＳＵＳ６３０を用いたシャフトの線膨張係数であれば、１．０×１０^-5／℃程度となる。

例えば、ロータ本体の線膨張係数を１．０×１０^-5〜４．０×１０^-5／℃とすれば、シリカを配合したエポキシ樹脂などの汎用的な樹脂を用いてロータ本体を容易に形成することができる。また、端部保護部材はガラス繊維強化樹脂またはカーボン繊維強化樹脂などの汎用的な材料で容易に形成することも可能となる。
なお、上述のスクリュロータを備えた水潤滑式の圧縮機では、スクリュロータの製造時やメンテナンス時に欠けや割れが発生することがないので、圧縮機の製造コストやランニングコストを下げることができ、圧縮機の利便性を高めることが可能となる。

本発明のスクリュロータ及び水潤滑式の圧縮機によれば、ロータ本体の軸方向の両端部を保護して、欠けや割れの発生を防止することができる。

本発明のスクリュロータが組み込まれた圧縮機の正面図である。 第１実施形態のスクリュロータの斜視図である。 （ａ）は本発明のスクリュロータの端部を側方から見た図であり、（ｂ）は（ａ）従来のスクリュロータの端部を側方から見た図である。 本発明のスクリュロータの製造方法を示す図である。 第２実施形態のスクリュロータの斜視図である。

「第１実施形態」
以下、本発明に係るスクリュロータ１及び圧縮機２の第１実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。まず、本発明のスクリュロータ１を備えた圧縮機２について説明する。
図１に示すように、圧縮機２は、内部が空洞とされた圧縮機本体３を備えている。この空洞とされた圧縮機本体３の内部はロータ室（図示略）とされており、このロータ室内の上下方向の中途側にはスクリュロータ１、１が水平方向に距離をあけて左右一対設けられている。この圧縮機２は、水を潤滑剤として互いに噛み合うスクリュロータ１により空気などの被圧縮気体を圧縮する水潤滑式のものであり、一般的な圧縮機のように潤滑剤として用いられるオイルを使用することがないため食品や医薬の分野などに好ましくは用いられている。

圧縮機本体３の内部には図示しないモータなどの駆動部が設けられており、一対のスクリュロータ１、１はそれぞれの外周面同士が互いに噛み合うように配備されている。そして、これらのスクリュロータ１、１は、互いに異方向に回転することで噛み合い部分を通じて吸込側（ロータ室の上側）の被圧縮気体を吐出側（ロータ室の下側）に向かって圧縮しつつ送り出す構成とされている。

圧縮機本体３の上部にはロータ室に被圧縮気体を供給する供給配管４が設けられており、圧縮機本体３の下部にはロータ室で圧縮された圧縮気体を圧縮機２の外側に送り出す送出配管５が設けられている。
図２に示すように、スクリュロータ１は、水平方向に沿った軸心回りに円柱状に形成された金属製のシャフト６と、このシャフト６の周囲を囲むように配備されたロータ本体７とを備えている。

シャフト６はステンレスなどの金属で円筒（円柱）状に形成されている。シャフト６の外周面にはその一部を平坦に切り欠いた回り止め部８が形成されており、この回り止め部８によりシャフト６に対するロータ本体７の回転を規制できるようになっている。
ロータ本体７は、シャフト６の周囲に形成された筒体であり、水潤滑の環境で腐食することがないようにエポキシ樹脂などの熱硬化性の硬質樹脂で形成されている。ロータ本体７は、外周面に軸心回りに螺旋状に捩れたフライト９が軸心回りに等間隔をあけて６箇所に亘って径外側に向かって突出状に備えていて、軸垂直方向に歯車状の断面を備えている。

ところで、上述のロータ本体７には、水潤滑での耐食性を確保するために、また運転中の温度上昇でスクリュロータ１間のクリアランス変化が起きないように、線膨張係数を低くすることが求められる。それゆえ、ロータ本体７を形成する硬質樹脂には、母材である樹脂中にシリカなどの充てん材（フィラー）が６０％程度配合されている。
ところが、このようにして線膨張係数を低くしたロータ本体７は硬質である反面靱性に劣る傾向がある。特に、螺旋状に捩れたフライト９ではスクリュロータ１の端部に近づくほど図３（ｂ）に示すようにフライト９の先端（両端）が尖って薄くなり、尖って薄くなった脆弱な部分１１で欠けや割れが頻発しやすいという問題がある。

例えば、図３（ｂ）に示す脆弱な部分１１を露出状態で備えるスクリュロータ（従来のスクリュロータ）を圧縮機からメンテナンスなどで取り外す際には、スクリュロータのいずれかの端部がロータ室の壁に誤って接触してしまうと欠けや割れの原因となる。
また、スクリュロータ（従来のスクリュロータ）を製造する場合にあっても、成形後のフライト９の表面を砥石などを備えた研削装置を用いて仕上げ研磨する際に欠けや割れが頻発する。というのも、この仕上げ研磨は、螺旋状に捩れたフライト９に沿って研削装置の砥石を移動させながら行われるため、誤ってフライト９の脆弱な部分１１に砥石が接触したり当たったりすると、そのときの衝撃で脆弱な部分１１に欠けや割れが発生してしまうからである。

そこで、本発明のスクリュロータ１は、ロータ本体７の軸方向の両端部に、このロータ本体７の両端部を保護する端部保護部材１０をロータ本体７と一体に設けて、ロータ本体７の両端部に直接砥石などが接触しないようにして欠けや割れから両端部を保護できるようになっているのである。
図２に示すように、第１実施形態の端部保護部材１０は、ロータ本体７より靱性が高い、言い換えればロータ本体７に比べて欠けや割れが発生し難い材料から板状に形成されている。

また、端部保護部材１０は、運転時の温度上昇によりロータ本体７と同じように熱膨張（収縮）するように、言い換えればロータ本体７との間に応力（熱応力）が発生しないようにロータ本体７とほぼ同じ線膨張係数を有する材料で形成されている。具体的には、端部保護部材１０は、ロータ本体７の線膨張係数の９０〜１１０％、好ましくは９５〜１０５％の線膨張係数を備えた材料で形成されている。

上述の靱性や線膨張係数を満足する材料としては、ガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）やカーボン繊維強化樹脂（ＣＲＰ）が挙げられ、本発明の端部保護部材１０はこれらの強化樹脂から形成されている。
また、端部保護部材１０は、ロータ本体７の端部と同一の断面形状を備えた板部材であり、ロータ本体７の端部と同様に軸垂直方向に歯車状の断面を備えていてロータ本体７の端部を全面に亘って保護することができるようになっている。このようにすれば、取り付けられた端部保護部材１０がスクリュロータ１同士の噛み合いの邪魔になることがない。

具体的には、端部保護部材１０の厚みは、材質によって変化するものの、例えばガラス繊維強化樹脂の場合であれば１〜１０ｍｍ、より好ましくは２〜５ｍｍとされるのが良い。
上述した端部保護部材１０をロータ本体７の両端部に一体に取り付ける方法としては、様々な方法を採用できる。

例えば、予め所定の形状や厚みに成形された端部保護部材１０を、接着剤などを用いてロータ本体７の両端部に貼り付ける方法がある。この方法は、ロータ本体７を構成する樹脂がエポキシ樹脂である場合には、ロータ本体７となじみやすいエポキシ系の接着剤を用いて高い接着力を確保することができるという利点がある。
また、端部保護部材１０を、ロータ本体７の成形に合わせて端部保護部材１０を一体とすることでロータ本体７の端部に対して取り付けることもできる。

図４（ａ）に示すように、内部がロータ本体７の外形に合わせて空洞とされた金型１２内に、予めガラス繊維強化樹脂などで形成された端部保護部材１０が両端側に来るように、また金属製のシャフト６が金型１２の内部を軸方向に貫通するように配備する。そして、図４（ｂ）に示すように、金型１２内にロータ本体７を構成するエポキシ樹脂などの熱硬化性の硬質樹脂を硬化剤と一緒に流し入れる。そして、硬化が促進するように金型１２を所定時間に亘って加熱等し続けると、樹脂の硬化が完了する。硬質樹脂の硬化によりロータ本体７の成形が完了すると、成形完了と同時に端部保護部材１０とシャフト６とがロータ本体７に対して強固に接着される。

その後、金型１２から成形品を取り出し、取り出された成形品に対して研削装置を用いて図４（ｃ）に示すように端部保護部材１０を接着させた状態でロータ本体７の仕上げ研磨を行う。そうすると、仕上げ研磨時に欠けや割れが発生することがなく、ロータ本体７の成形に合わせて端部保護部材１０がロータ本体７に一体に取り付けられた図４（ｄ）に示すスクリュロータ１を得ることができる。

このようにロータ本体７の端部を全面に亘って保護する端部保護部材１０を設ければ、仕上げ研磨中に研削装置の砥石がロータ本体７の端部に直接当たっても、端部保護部材１０によりロータ本体７の端部に加えられる衝撃が大幅に緩和される。その結果、図３（ａ）に示すようにスクリュロータ１の製造時に欠けや割れが発生し難くなり、スクリュロータ１の製造コストを低く抑えることが可能となる。

また、メンテナンスの際に圧縮機２からスクリュロータ１を抜き出したり挿し込んだりする際にも、ロータ室の壁面がロータ本体７の端部に直接接触することがなくなり、メンテナンスが簡単に行えるようになってスクリュロータ１や圧縮機２の利便性も向上する。
「第２実施形態」
次に、本発明の第２実施形態を説明する。

図５に示すように、第２実施形態のスクリュロータ１は、端部保護部材１０としてロータ本体７の端部において欠けが発生しやすい脆弱な部分１１と同一の断面形状を備えた部材、言い換えればロータ本体７のフライト９と同一の断面形状を備えた部材を用いてロータ本体７の端部を保護するものである。
具体的には、第２実施形態のスクリュロータ１は軸心回りに６箇所のフライト９を備えており、これらの６箇所に亘って設けられるフライト９の先端（両端）は尖って薄くなっていて、このフライト９の両端部が脆弱な部分１１とされている。そして、第２実施形態の端部保護部材１０は、フライト９の両端部の断面形状に合わせて外周側に向かって凸状に湾曲した断面（板面）を備えた板部材をそれぞれのフライト９に対応して複数備えている。

第２実施形態の端部保護部材１０は、欠けや割れが発生しやすい脆弱な部分１１、言い換えればロータ本体７のフライト９だけを重点的に保護するものであり、第１実施形態の端部を全面に亘って保護するものに比べれば保護する部分を端部の一部に絞り込むことができる。そのため、端部保護部材１０を小さくすることが可能になり、例えばエンジニアリングプラスチックのような靱性などの性能に優れるものの高価な材料を用いることも可能となる。

なお、第２実施形態の端部保護部材１０をロータ本体７の端部に一体に取り付ける場合にも、第１実施形態で説明した金型１２内でロータ本体７の成形に合わせて端部保護部材１０をロータ本体７と一体成形する方法を用いることができる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。

例えば、上述した一対のスクリュロータ１、１は、互いに外周面同士が噛み合うようにフライト９の形状が雌型のものと雄型のものの２種類で構成されていて、互いのフライト形状は厳密には異なっている。上記実施形態では、端部保護部材１０が両端側に一体に設けられた雌型のスクリュロータを例に挙げて、本発明のスクリュロータ１及び圧縮機２を説明した。これは、一般に雌型のスクリュロータの方が雄型より欠けや割れが発生しやすい形状をしているためである。しかし、本発明のスクリュロータ１は、雄型のスクリュロータやこの雄型のスクリュロータを備える圧縮機にも適用することができる。

上記実施形態では歯数が６つのスクリュロータ１を例に挙げたが、スクリュロータ１の歯数は設計上６以外の数、例えば５〜７となる場合がある。本発明のスクリュロータ１がこのような歯数のスクリュロータを備える圧縮機にも適用できることはいうまでもない。

１ スクリュロータ
２ 圧縮機
３ 圧縮機本体
４ 供給配管
５ 送出配管
６ シャフト
７ ロータ本体
８ 回り止め部
９ フライト
１０ 端部保護部材
１１ 脆弱な部分
１２ 金型
１３ 研削装置の砥石

Claims (9)

1. 水潤滑式の圧縮機に用いられると共に樹脂製のロータ本体を備えたスクリュロータであって、
   前記ロータ本体の軸方向の両端部のみに、当該ロータ本体の端部を保護する端部保護部材を、前記ロータ本体と一体に備えていることを特徴とするスクリュロータ。
2. 前記端部保護部材は、前記ロータ本体の端部と同一の断面形状を備えた板部材であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュロータ。
3. 前記端部保護部材は、前記ロータ本体の端部において欠けが発生しやすい脆弱な部分と同一の断面形状を備えた部材であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュロータ。
4. 前記ロータ本体は、軸方向に沿って螺旋状に捩れたフライトを備えており、
   前記フライトの軸方向の端面が前記脆弱な部分とされていることを特徴とする請求項３に記載のスクリュロータ。
5. 前記端部保護部材は、前記ロータ本体の９０〜１１０％の線膨張係数を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスクリュロータ。
6. 前記ロータ本体の線膨張係数が１．０×１０^−５〜４．０×１０^−５／℃とされていることを特徴とする請求項５に記載のスクリュロータ。
7. 前記ロータ本体は、母材であるエポキシ樹脂にシリカを配合して形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスクリュロータ。
8. 前記端部保護部材は、ガラス繊維強化樹脂またはカーボン繊維強化樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のスクリュロータ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のスクリュロータを備えた圧縮機。