JPH01257784A - 無給油式スクリュー流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、互いに噛合う雄、雌一対のロータをケーシン
グ内で回転させ、しかも、ケーシング内には潤滑油が供
給されない無給油式スクリュー流体機械に関し、特に、
無給油式スクリュー圧縮機。

無給油式スクリュー真空ポンプなどに好適な歯形形状の
ロータを有するスクリュー流体機械に関するものである
。

〔従来の技術〕

無給油式スクリュー流体機械は、一対の雄、雌ロータの
噛合い回転途中に、油が供給されないため、油分を全く
含まない空気を得ることができる。

このため、この無給油式スクリュー流体機械は、半導体
製造装置関連や、食品、バイオ関連に広く用いられてい
る。

このような無給油式スクリュー流体機械においては、ケ
ーシング内に配設されている雄、雌一対のロータは、ケ
ーシング外のロータ軸部に設けられた同期装置を用いて
、ロータ同志が互いに接触することなくほぼ一定の微小
間隙を保ち噛合って回転するようにしている。そして、
ロータ間の微小間隙によるシール性の低下を防止するた
めに、油冷式のロータ速度に対し数倍のロータ回転速度
で運転される。

このため、ロータは実動時に数百度以上となり、停止時
の常温におけるロータ形状に対する熱膨張変形も大きく
なるので、両ロータの熱膨張を考慮し、運転中は、両目
−タが干渉することのないようにする必要がある。特に
無給油式スクリュー圧縮機のロータにおいては、吸入部
側と吐出部側では温度分布が異なり熱膨張も異なるので
従来は、ロータを例えば機械加工や腐蝕法などによりロ
ータの軸方向に吐出部側奈細く吸入部側を太くしたテー
パ状に成形して両日−タの干渉を出来るだけ防止してい
る。

なお、この種の技術に関連するものとしては、例えば特
開昭５９−２０８０７７号公報がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のこのようなテーパロータの成形においては、吸入
部側と吐出部側の温度分布に基づく歯底半径の差だけ傾
けて加工するため、加工後の歯底の幅が吐出部側で大き
くなる。

このため無給油式スクリュー流体機械の運転時、ロータ
が歯底部で干渉髪生じ、ロータ同志の接触事故を発生さ
せることがある。

本発明の目的は、両ロータの吸入部側と吐出部側におけ
る温度分布を考慮し、両ロータの干渉を防止して効率向
上を図った無給油式スクリュー流体機械を得ることを目
的としたものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、雄、雌ロータ共に熱膨張後のロータ形状を
基本歯形とし、ロータ内部の温度分布を考慮してテーパ
ロータとするのに際し、吐出側と吸入側の温度の違いを
考慮して、少なくとも雄ロータあるいは雌ロータの一方
に、リードの異なる複リード歯形を導入することにより
達成される。

〔作用〕

ロータは、軸方向任意の断面で異なった歯形となり、吐
出端から吸入端に向って徐々に怪の大きくなるテーパ状
のロータであり、また、基本吸入端面歯形に対して突出
する部分がなく、ロータ運転中において、吐出端面側と
吸入端面側で温度分布が異なっても、雄ロータ及び雌ロ
ータは、ロータ同志が接触、噛合うことなく回転する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例として、無給油式スクリュー圧
縮機について図面に基づき説明する。

第１図は、大気圧状態の空気を吸込み、圧縮する単段無
給油式スクリュー圧縮機の全体構成図である。

防音カバー」内部には、圧縮機本体２．この圧縮機本体
２を駆動するためのモータ３．圧縮機本体２とモータ３
間に介在する増速機４．圧縮機本体２の吸入口側に設け
られたサクションフィルタ５と吸気ダクト６、圧縮機本
体２の吐出口側に設けられた放風プレクーラ７、逆止弁
８．アフタークーラ９等が配置されている。

そして、大気から吸入された空気は、吸気ダクト６、サ
クションフィルタ５を経て圧縮機本体２に流入し、ここ
で所定の圧力に昇圧された後、放風プレクーラ７、逆止
弁８．アフタークーラ９を経て、所定の温度に冷却され
吐出口１０がら吐出される。

第２図は、第１図における圧縮機本体２の構造の一例を
示すものである。

圧縮機本体２は、一対の互いに噛合う雄ロータ２１と雌
ロータ２２、およびこれらを取り囲むケーシング２３か
ら構成されている。ケーシング２３は、吸込ケーシング
２３ａ、吐出ケーシング２３ｂおよびエンドカバ２３ｃ
がらなり、吐出ケーシング２３ｂに前記両ロータ２１，
２２を収納している。雄ロータ２１及び雌ロータ２２の
吸込側ロータ軸２１ａ及び２２ａは、吸込側端部に配置
された吸込ケーシング２３ａの軸貫通部に配置した軸封
装置２４ａ、２５ａに挿入されている。

これらの軸封装置２４ａ、２５ａは圧縮ガスのシールお
よび軸受よりの排油をシールする。さらに両ロータ２１
，２２はラジアル荷重を軸受２６ａ。

２７ａにより支承されている。

また、雉ロータ２１及び雌ロータ２２の吐出側ロータ軸
２１ｂ及び２２ｂは、吐出ケーシング２３ｂの軸貫通部
の配置した軸封装置２４ｂ。

２５ｂに挿入されている。これら軸封装置２４ｂ。

２５ｂは、圧縮ガスのシールおよび軸受よりの排油をシ
ールする。さらに両ロータ２１，２２は、ラジアル荷重
を軸受２６ｂ、２７ｂにより、スラスト荷重を軸受２８
および２９により、それぞれ支承されている。雄ロータ
２１と雌ロータ２２の吐出側軸端には、１対のタイミン
クギヤ３０゜３１が噛合状態で装着され、両ロータ２１
，２２同士が非接触状態で同期して回転するように配置
されている。またおすロータ１の吸込側軸１２ａの軸端
にはピニオン３２が装着され、図示されていないプルギ
ヤによって駆動される。駆動源よりピニオン３２に回転
力が伝達されると、一対の雄ロータ２１と雌ロータ２２
はタイミングギヤ３０゜３１によって微少間隙を保持し
なから、同期して回転する。その結果、吸込ガスは第１
図に示した吸込通路を経て、両ロータ２１．２２の歯形
にて形成された吸込空間に吸入され、両日−タ２１゜２
２の回転に伴ない歯形空間は順次縮少し、封入ガスは圧
縮され、第１図に示した吐出口１０から吐出される。

第３図は、第２図における雄ロータ２１及び雌ロータ２
２の基本ロータ歯形を説明する図である。

雄ロータ２１及び雌「】＝−夕′）、２は、数区間に分
割された曲線かＩＥ）なり、ノア８いＬ５二創成された
歯形であり、中心点０□０．を中底−１，；回転する、
これら中心点Ｏ□０．は、両目−タ２＋、２２のピッチ
円４］、、４２の交をＰを通る延畏線ヒにある。

雄ロータ′、）、１及び雌ロータ２２の分割された曲線
は次のように形成、Σれる。。

まず、雌ロータ７、２．と曲線Ａ　ｔ−Ｂ　　は、点Ｓ
を中心とず乙半径Ｒ１の円弧（こ形成さ扛、曲線Ｂ−Ｃ
は、後述する雉「１−タ２．１の円弧歯形（、；　−〇
で創成さｊしる曲線でＩｆ＞成され、曲線Ｃ−Ｄは、ピ
ッチ円４１．４２の交・コ？、Ｐを中心とする半径の円
弧に形成され、曲線））−■Σは、点（Ｊが焦点でＩ：
）　−Ｕを焦点距離とする放物線で形成され、曲線ＪＥ
　−Ａ２は、点Ｒを中心とする半径の円弧で形成さＡし
、曲線Δ２−Ａ１は、雌ＵＪ　−タ中心０．を中心とす
る円弧に形成さオ＋、ｒいる１、 また、雄ロータ２】の曲線ＦｉＧ　　は、雌ロータ２２
．の円弧歯形Δ】−Ｂ　で創成される曲線で形成され、
曲線Ｇ　　ＩＴは点゛ｒ゛を中心とする半径の円弧で形
成され、曲線Ｈ−４はピッチ円４１．４２の交点Ｐを中
心とする半径の円弧で形成され、曲線Ｔ　−Ｊは、雌ロ
ータ２２の放物線歯形Ｄ−Ｅで創成される曲線で形成さ
九、曲線Ｊ　−Ｆ　２は、雌ロータ２２の円弧歯形Ｅ　
−Ａ　２で創成される曲線で形成され、曲線Ｆ２−Ｆｌ
は、雄ロータ中心Ｏ１を中心とする半径の円弧で形成さ
れている。

無給油式スクリュー圧縮機においては、ロータ同志の接
触は許されず、接触現象を生ずると、異音を発したり、
焼き付きを生じる。しかし、ロータ間ギャップを大きく
取ると、圧縮空気の逆流や漏れを生じ性能が低下するの
で、必要最小限のギャップにする必要がある。上記のロ
ータプロフィルは、理論的に求められた互いに創成され
たギャップのないプロフィルである。

また、ロータは、圧縮機吐出側で３００℃前後の温度に
、吸入側で１００℃前後の温度をさらされる。ロータが
このような高温にさらされると、両ロータ２１，２２は
熱膨張を生じ、干渉を生じてしまう。

そこで、この熱膨張を考慮する際に、熱膨張後のプロフ
ィル形状を基本歯形とする雄ロータ及び雌ロータとし、
これら基本歯形とする雉ロータ及び雌ロータが熱収縮し
たときの形状を求めるようにしている。

そして、この形状になるように、加工誤差やタイミング
ギヤのバックラッシュを考慮して、ロータワークやロー
タカッタなどにより機械加工により両ロータを減肉させ
、目標のロータを得る。

無給油式スクリュー圧縮機においては、前述したように
そのロータ温度は、吸入側と吐出側では異なり、約２０
０度もの差がある。したがって、熱膨張量も異なり、い
わば、両者は独立の歯形形状をしている。ところが１機
械加工からみると、吸入端面の歯形形状と吐出端面の歯
形形状は直線状に傾けて加工するテーバ形状にせざるを
得ないため、本発明では、ロータ歯形前、後進面のねじ
れ角の異なる複リート歯形としている。

次に第４図、第５図により雌ロータの複リード決定手順
について説明する。

第４図は、基本歯形５２．、常温時の吐出端面歯形５３
及び常温時の吸入端面歯形５４の形状Ｘ軸４５、Ｙ輔４
６−ヒで示す。吸入端面歯形５４と吐出端面歯形５３と
を基本歯形５２に対して比較すると、吸入側の温度は倶
、く、吐出側の温度は高いため、吸入側の熱収縮（：Ｉ
小さく、吐出側の熱収縮は大きくなり、吐出端面歯形：
）Ｈ（のほうが吸入端ｔｎｌ歯形５４より小さくなって
い乙、、［，７たがって、吐出端面歯形５３を軸方向に
ねし−）でロータを製作すると、運転中は、吸入端面側
において、吐出端面歯形５３と吸入端面歯形５４の差へ
Ｐ分だけロータ間ギャップが拡がり、性能低下を招く。

ここで吸入端面歯形５４と吐出端面歯形５３上の対応す
る任意の点を全て直線状に結び付けることは、前述の両
歯形が、いわば独立であることと、機械加工時の直線性
の制約から考えて、不可能である。

そこで、吸入端面の歯形形状と、吐出端面の歯形形状を
適当に操作することによって、出来るだけ、似せた形に
することを考える。次に２この点について第５図にて説
明する。吐出端面歯形５３を先ずＸ軸４５に沿ってΔＰ
だけ平行移動させ歯形５５を得る。しかし２、この平行
移動された歯形５５をそのまま吸入端面の歯形形状とし
て説明すると、前進面側の部分（この例では縦軸４５の
左側の部分）５５Ａ及び後進面側の部分（この例では縦
軸４５の右側の部分）５５Ｂは、本来の吸入端面歯形５
４よりも突出しているため相手の雄ロータ（図示せず）
と干渉してしまう。そこでこの平行移動した吐出端歯形
５５の前進面の部分５５Ａｋ本来の吸入面歯形５４と最
初に接するまでロータ中心Ｏ１を中心として反時計方向
に回転させ新たな歯形５６を得る。また同様に、後進面
の部分５５Ｂを本来の吸入端面歯形５４と最初に接する
までロータ中心○！を中心として時計方向に回転させ新
たな歯形５７を得る。この結果、前進面と後進面で各々
−個ずつ本来の吸入端面歯形５４と接点５８．５９を持
つ歯形形状が得られる。この歯形は、以−ヒの手順から
、時計方向あるいは反時計方向に後進面側あるいは前進
面側の歯形を回転させた分だしづ、耐進面と後進面では
リードのことなる歯形が得ら才しることになる。これが
複リードによって得ら才した雌ロータの吸入端面歯形で
ある。

次に、吐出端面歯形５３とこの吐出端面側歯形５３を移
動して求めた吸入端面歯形５４の各対応する点を直線で
結ぶ。

このようにして得られた歯形は、歯底において前述の差
ΔＰの分だけテーパ状になり、また、ロータ縦軸４５に
対して前進面側と後進面側における歯形では、リードの
異なる歯形となる。

このような雌ロータ２２の加工は、雌ロータ基材を加工
機械の芯に対し、前述の差ΔＰだけ傾けて取付け、縦軸
に対して前進面側及び後進面側の歯形は、例えば歯形研
削盤にて加工することによって得られる。

雄ロータ歯形の複リード決定手順も前述の雌ロータ歯形
の場合も同じようにして行う。

次に第６図、第７図により雄ロータ歯形の複リード決定
手順について説明する。

第６図は、基本歯形５１．常温時の吐出端面歯形６３及
び吸入端面歯形６４の形状をＸ軸４５゜Ｙ軸４６−ヒで
示す。この場合、雄ロータは歯底を縦軸４５にもってく
るように考える必要がある。

なお、八Ｐは吐出端面歯形６３と吸入端面歯形６４との
縦軸方向の差である。

次に第７図により、ロータの複リード決定手順について
説明する。

まず、吐出端面歯形６３を縦軸４５に沿って前述の差Δ
Ｐだけ平行移動させ歯形６５を得る。

しかし、この平行移動された歯形６５をそのまま吸入端
面の歯形形状として使用すると、前進面側の部分（この
例では縦軸４５の左側の部分）６５Ａ及び後進面側の部
分（この例では縦軸４５の右側の部分）６５Ｂは、本来
の吸入端面歯形６４よりも突出しているため相手の雌ロ
ータ（図示せず）と干渉してしまう。そこで、この平行
移動した吐出端面歯形６５の前進面の部分６５Ａを、本
来の吸入端面歯形６４と最初に接するまでロータ中心○
、を中心として反時計方向に回転させ、新たな歯形６６
を得る。

また、同様に後進面の部分６５Ｂを、本来の吸入端面歯
形６４と最初に接するまで、ロータ中心Ｏ０を中心とし
て時計方向に回転させ、新たな歯形６７を得る。

この結果、前進面と後進面で各々−個ずつ本来の吸入端
面歯形６４と接点６８．６９を持つ歯形が得られる。こ
の歯形は、以上の手順から、時計方向あるいは反時計方
向に後進面側あるいは前進面側の歯形を回転させた分だ
け前進面と後進面ではリードの異なる歯形が得られるこ
とになる。

これが、複リードによって得られた雄ロータの吸入端面
歯形である。

この雄ロータの加工方法も前述の雌ロータの加工と同様
に加工する。

上記のようにして、雄ロータ及び雌ロータにおける吸入
側と吐出側の温度分布が異なっていても、干渉しないロ
ータを製作することができる。

以上説明した雄ロータ及び雌ロータの複リード形成は、
各ロータの前進面側及び後進面側共に行っているが、こ
の複リードは雄ロータ又は雌ロータの一方だけに行って
も従来にくらべ性能向上することは占うまでもない。

次に、本発明を実施した雄ロータ歯形と雌ロータ歯形の
軸直角ギャップ及び従来例における雄ロータ歯形と雌ロ
ータ歯形の軸直角ギャップを第８図〜第１０図に示す。

これらの図で、横軸はコンタクトポイントで、ＦＯ，Ｆ
ｉ、Ｇ、Ｈ，■、Ｊ、及びＦ２は第３図における雄ロー
タ２１の各点を表わし、ＡＯ。

Ａｌ、Ｂ、Ｃ，Ｉ）、Ｅ及びＡ２は、第３図における雌
ロータ２２の各点を表わす。例えば、Ｆｌ・Ａ１あるい
はＧ・Ｂと記しである点は、ロータが回転したとき、雄
ロータ２１の点Ｆ１あるいは点Ｇが、雌ロータ２２の点
Ａ１あるいは点Ｂと各々接触噛合いを行う点を意味して
いる。

また、縦軸はギャップを表わし、マイナスはロータが互
いに接触することを意味している。

図中、各特性線は、雄ロータ２１．雌ロータ２２共に運
転中のロータ地肌間ギャップを示し、ロータ運転中温度
は、吐出端面で３００℃、吸入端面で１００℃である。

そして、特性線Ｓはロー夕の吸入端面における軸直角ギ
ャップを示し、特性線りはロータの吐出端面における軸
直角ギャップを示し、特性線Ｍはロータの中間部におけ
る軸直角ギャップを示している。

第８図は雄ロータ２１の前進面及び後進面、雌ロータ２
２の前進面及び後進面のいずれにも複リード処置をした
構造のもの、第９図は、雄ロータ２１、雌ロータ２２の
いずれにも複リード処置をしていない構造即ち、前述の
差ΔＰ分だけ平行移動をして吸入端面歯形とした場合の
もの、第１０図は雄ロータ２２の前進面及び後進面共に
複リード処置を行い、雄ロータ２１は前進面だけに複リ
ード処置を行った場合のものである。これらの図でもわ
かるように、複リード処置した場合には、ギャップがマ
イナス、即ち雄ロータ２１と雌ロータ２２が互いに接触
することがない。

これに対して、複リード処置をしない場合には、ロータ
回転甲信個所かでギャップがマイナス、即ち、雄ロータ
２１と雌ロータ２２が互いに接触。

噛合うことになる。

なお、第１０図に示すように、この複リード処置は、雄
ロータ２１あるいは雌ロータ２２のいずれず一方だけに
行っても十分である。まだ、雉ロータ２１の前進面側あ
るいは後進面側だけに複リード処置を行った場合には雌
ロータ２２の後進面側あるいは前進面側だけに複リード
処置を行っても同じような作用、効果を得ることができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、無給油式スクリ
ュー流体機械の効率を向上することができ、また、騒音
、振動の少ない機械を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の無給油式スクリュー流体機械の一実施
例の全体構成図、第２図は第１図における圧縮機本体の
一例を説明する縦断面図、第３図は第２図における雄ロ
ータと雌ロータの基本ロータ歯形を説明する図、第４図
〜第７図はロータの複リード決定手順を説明する図、第
８図〜第１０図は本発明と従来例とにおけるロータ間の
軸直角ギャップを説明する図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ケーシング内に、互いに噛合う雄、雌一対のロータ
   を備える無給油式スクリュー流体機械であつて、 前記雄ロータ及び雌ロータは、吐出端面側が吸入端面側
   に対して径が小さい、ロータであり、前記雄ロータ及び
   雌ロータのうち少なくとも一方のロータは、その前進面
   と後進面とでねじり角の異なる複リード歯形を有するこ
   と、 を特徴とする無給油式スクリュー流体機械。 ２、ケーシング内に、互いに噛合う雄、雌一対のロータ
   を備える無給油式スクリュー流体機械であつて、 前記雄ロータ及び雌ロータは、吐出端面側が吸入端面側
   に対して径が小さいロータであり、前記雄ロータと雌ロ
   ータは、雄ロータの前進面と、これに対向する雌ロータ
   の後進面、又は雄ロータの後進面とこれに対向する雌ロ
   ータの前進面でねじり角の異なる複リード歯形を有する
   こと、 を特徴とする無給油式スクリュー流体機械。 ３、互いに噛合う雄、雌一対のスクリューロータであつ
   て、 前記雌ロータは、吐出端面側が吸入端面側に対して径の
   小さいロータであり、 前記雌ロータの吐出端面歯形及び吸入端面歯形は、熱膨
   張時のロータ歯形を基本形状としてこの基本形状から求
   めた常温時の歯形形状を基準とし、前記吐出端面歯形は
   この基準となる歯形とし、 前記吸入端面歯形は、前記吐出端面歯形をロータ半径方
   向の外方に前記吸入端面歯形形状との差分ΔＰだけ平行
   移動し、この平行移動により形成される歯形のうち前進
   面側の部分を常温時の吸入側歯形と最初に接するまで、
   ロータの中心を中心として反時計方向に回転させ、及び
   ／又は前記平行移動により形成される歯形のうち後進面
   側の部分を、常温時の吸入側歯形と最初に接するまでロ
   ータの中心を中心として時計方向に回転させて形成した
   ものとし、 これら吐出端面歯形と吸入端面歯形とを、対応する点を
   結ぶことにより前進面と後進面でねじり角の異なる複リ
   ード歯形を有する雌ロータを形成したこと、 を特徴とするスクリューロータ。 ４、互いに噛合う雄、雌一対のスクリューロータであつ
   て、 前記雄ロータは、吐出端面側が吸入端面側に対して径の
   小さいータであり、 前記雄ロータの吐出端面歯形及び吸入端面歯形は、熱膨
   張時のロータ歯形を基本形状とし、この基本形状から求
   めた常温時の歯形形状を基準とし、 前記吐出端面歯形は、この基準となる歯形とし、 前記吸入端面歯形は、前記吐出端面歯形をロータの半径
   方向の外方に前記吸入端面歯形形状との差分ΔＰだけ平
   行移動し、この平行移動により形成される歯形のうち前
   進面側の部分を常温時の吸入側歯形と最初に接するまで
   ロータの中心を中心として反時計方向に回転させ及び／
   又は、前記平行移動により形成される歯形のうち後進面
   側の部分を、常温時の吸入側歯形と最初に接するまでロ
   ータの中心を中心として時計方向に回転させて形成した
   ものとし、 これら吐出端面歯形と吸入端面歯形とを、対応する点を
   結ぶことにより、前進面と後進面でねじり角の異なる複
   リード歯形を有する雄ロータを形成したこと、 を特徴とするスクリューロータ。 ５、ケーシング内に、互いに噛合う雄、雌一対のロータ
   を備え、このケーシングに吸入口及び吐出口を有する圧
   縮機本体と、 この圧縮機本体のロータを駆動するための駆動源と、こ
   の圧縮機本体の吐出口側に配設され、吐出される気体を
   予冷却するためのプレクーラと、 このプレクーラの気体出口側に配設され、前記プレクー
   ラからの気体を冷却するためのアフタークーラと、 前記プレクーラとアフタークーラの間に配設され、気体
   の逆流を予防するための逆止弁と、を備え、 前記圧縮機本体の雄ロータ及び雌ロータは、吐出端面側
   が吸入端面側に対して径が小さいロータであり、 前記雄ロータ及び雌ロータのうち少なくとも一方のロー
   タは、その前進面と後進面とでねじり角の異なる複リー
   ド歯形を有しているものであること、 を特徴とする無給油式スクリュー流体機械。