JPS6147992B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、スクリユー圧縮機や膨脹機などスク
リユー形流体機械のスクリユーロータ歯形の製作
方法に係るもので、特に、同期装置を用いてロー
タ歯形同志が互いに接触することなく、ほぼ一定
の微小間隙を保つて回転する乾式のスクリユー圧
縮機に好適なロータ歯形の製作方法に関するもの
である。

〔従来の技術〕

一般にスクリユー圧縮機などから吐出されるガ
ス中に油分の混在が望ましくない用途に用いられ
る無給油式のスクリユー圧縮機などにおいては、
一対のスクリユーロータ間の回転伝達は、各々の
ロータの作動室外の軸部に設けられた同期装置を
介して行われ、このときロータ歯形同志は互いに
接触することなく、噛合つて回転する。この種の
スクリユー圧縮機のスクリユーロータは、実働時
にロータ歯形の歯部が高温（例えば１段形圧縮機
においては、圧力比８のとき、吐出ガス温度が約
300℃となり、ロータ歯形の温度は約200℃とな
る。）になるため、停止時の常温におけるロータ
歯形の歯部の形状と比較すると大幅に変形する。
このため、両ロータ歯形の形状の設計に際して
は、両ロータ歯形間およびロータ歯形とケーシン
グ間において、実働時に両ロータ歯形が接触する
ことなく、かつ最小の間隙にあるようにロータ歯
形の寸法を考慮して設計する必要がある。

従来の両ロータ歯形間の間隙の与え方として
は、例えば雄ロータの常温時のロータ歯形を基本
歯形とし、実働時の熱膨脹による変形量を考慮し
て常温時の雌ロータの歯形の法線方向に一定量の
間隙が与えられているスクリユーロータ歯形が実
用化されている。

また、前記とは異なる両ロータ歯形間の間隙の
与え方としては、互いに噛合うロータ歯形間の相
対すべり運動が小さい領域においては、わずかな
間隙を与え、それ以外のロータ歯形間には、充分
大きな間隙を与えるようにしたものが特公昭45―
20061号などにより開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら従来のロータ歯形の設計において
は、両ロータ歯形間およびロータ歯形とケーシン
グ間の間隙を一義的に決定しており、何んら理論
的に根拠のない間隙がロータ歯形に与えられてい
るため、ロータ歯形間の間隙の過大による性能効
率の低下や最悪の場合にはロータ歯形同志の接触
事故に発展する恐れがあり信頼性が低下するなど
の問題点を有している。

すなわち、前者の一定量の間隙を与える方法で
は、熱膨脹による変形が歯形形状によつて異なる
ため、ロータ歯形の熱膨脹量および実働時のロー
タ歯形間の間隙量を詳細に検討した結果決められ
た最適な間隙の与え方とは言えない。

また、後者のロータ歯形間において間隙の大き
さを変えて与える方法においても、第１４図に示
すように常温時の間隙（図示実線）に対して実働
時の間隙（図示点線）をロータ歯形間の全域にわ
たつて一定の微小間隙に保持することは困難であ
る。

本発明の目的は、実働的に雌ロータと雄ロータ
の噛合うロータ歯形間の全域にわたつてほぼ一定
の微小間隙を保持するようにして性能効率の向上
および信頼性の向上を図るようにしたスクリユー
形流体機械のロータ歯形の製作方法を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は常温時に
互いに間隙なしに噛合う一対のロータ歯形を基本
歯形とする雌ロータおよび雄ロータを備えたスク
リユー形流体機械のロータ歯形の製作方法におい
て、前記基本歯形の一方のロータ歯形を常温時か
ら実働時までの温度上昇に応じて変形させ、この
ロータ歯形をもとにして創成され、かつこのロー
タ歯形と接触することなくほぼ一定の微小間隙を
介して回転するロータ歯形を他方の実働時のロー
タ歯形として、このロータ歯形を常温までの熱収
縮に応じて変形させることにより常温時の他方の
ロータ歯形とし、前記常温時の一方のロータ歯形
と常温時の他方のロータ歯形を製作時に形成する
ことにより達成される。

〔作用〕

本発明のロータ歯形の製作方法は、常温時に互
いに間隙なしに噛合う一対のロータ歯形を基本歯
形とし、これら基本歯形のロータ歯形をもとに常
温時から実働時までの温度上昇による熱変形を考
慮して製作時のロータ歯形を形成する。それによ
つて実働時に雌ロータと雄ロータの噛合うロータ
歯形間の全域にわたつてほぼ一定の微小間隙を保
持することができるので、多量の流体洩れや歯形
同志の接触事故を発生させることがない。

〔実施例〕

以下本発明のロータ歯形の製作方法における一
実施例を図面により説明する。

第１図においては、１は雌ロータ、２は雌ロー
タ１と互いに噛合う雄ロータで、これら両ロータ
１，２は、中心点３，４を回転中心としてケーシ
ング（図示せず）内で矢印方向に回転することに
より圧縮機の機能を満すようになつている。５，
６は両ロータ１，２のピツチ円を示す。ここで、
雌ロータの基本歯形を７、雄ロータの基本歯形を
８とすると、これら両ロータ１，２の基本歯形
７，８は、常温（ロータ歯形の製作時の温度で20
℃程度）状態で互いに間隙なしに噛合うロータ歯
形であり、本発明においては、この基本歯形７，
８の個々の形状の詳細には何んら制約されない。

第２図〜第４図は本発明を実施するに際しての
手順を示したもので、本発明の実施例においては
雄ロータ２を基準とし、雄ロータ２に基本歯形８
を与えた場合について説明する。

第２図〜第３図において、９は雄ロータの基本
歯形８がロータ１，２の実働による熱膨脹によつ
て変形したロータ歯形を示すもので、（このロー
タ歯形を第１のロータ歯形と称する）この変形し
た第１のロータ歯形９は予めロータ内部の温度を
測定して得られた温度分布を基にして有限要素法
などの手法により計算によつて求める。１０は雄
ロータ２のロータ歯形９によつて創成される雌ロ
ータ１のロータ歯形（このロータ歯形を第２のロ
ータ歯形と称する）で、この第２のロータ歯形１
０は前記熱膨脹により変形したロータ歯形９から
求める。

次にロータ歯形１０を各部の熱収縮に応じて実
働時から常温状態に戻すことにより、雌ロータ１
の常温状態におけるロータ歯形１１が求められ
る。（このロータ歯形を第３のロータ歯形と称す
る）このときにも前記と同様に雌ロータ１のロー
タ内部の温度分布から有限要素法などの手法によ
り常温状態におけるロータ歯形１１を求めればよ
い。

上記の手順により、前記基本歯形８のロータ歯
形と第３ロータ歯形１１を常温時におけるロータ
歯形、すなわち、製作時に形成されるロータ歯形
とする。

ここで、前記手順の具体例として最も簡単な例
について説明する。

先ず、仮定条件として、実働時の両ロータの軸
直角断面における内、外部間および軸方向の温度
が均一に分布しているものとし、温度上昇による
ロータの熱膨脹は、ロータの中心からロータ歯形
上の任意の点までの距離に対応して半径方向に膨
脹するものとする。

第４図において、雄ロータ２の基本歯形８上の
任意の点１２の法線は１２―１３となる。この点
１２は温度上昇により半径方向に膨脹して点１４
に移動する。このとき、点１４の法線１４―１５
は前記法線１２―１３に対して平行に移動し、こ
の点１４は温度上昇によつて変形したロータ歯形
９上に存在する。

以下前記と同様に基本歯形８の各点の熱膨脹量
を計算してロータ歯形９を求める。

次に、熱膨脹により変形した雄ロータ２のロー
タ歯形９によつて創成される雌ロータ１のロータ
歯形１０を求めるには、第５図に示す如く前記点
１５がピツチ点上にあるとき、点１４で創成され
る相手のロータ歯形上の点１６が求められる。こ
の点１６はロータ歯形１０上に存在する。

このロータ歯形１０からロータ歯形１１に変換
するには、ロータ歯形８からロータ歯形９に変換
した逆の手順に行なえばよい。

このように、基本歯形８に熱膨脹を考慮した一
方の第１ロータ歯形９により他方の第２ロータ歯
形１０を創成するようにしたので、実働時には後
述するように雌ロータ１、雄ロータ２の噛合う歯
形間の全域にわたつてほぼ一定の最小の間隙を保
持することができるため、実働時における乾式の
スクリユーロータにおいて特に大幅な性能効率の
向上が図れる。

すなわち、第１３図の点線で示す如く実働時に
おける間隙は、15μｍ程度の微小量であり、この
微小間隙は雌ロータ１および雄ロータ２の噛合う
歯形間の全域にわたつてほぼ一定に保持される。
このとき、図示実線で示すように常温時の一対の
ロータ歯形間には、最大量で約110μｍ、最小量
で約20μｍの間隙を与えるようにしている。尚、
上記の間隙量は、使用条件やロータ寸法やロータ
法などによつて大きく変化する。ちなみに、上記
の間隙量は温度条件が常温（20℃）、実働時温度
（200℃）、ロータ寸法が外径φ90mmの場合であ
る。

第６図は前記実施例の手順とは異なる他の実施
例を示すもので、第６図において第１図〜第５図
と同一符号のものは同一部分を示す。

第６図において、前記雌ロータ１、雄ロータ２
間の回転伝達は、両ロータ１，２の作動室の外部
に設けられた同期装置、例えば同期歯車（図示せ
ず）を介して行なわれる。また、この実施例にお
いても前記実施例と同様に雄ロータ２を基準と
し、雄ロータ２に基本歯形８を与えるようにして
おり、この基本歯形８は常温状態で基本歯形７と
互いに間隙なしに噛合うロータ歯形である。

１７は前記雌ロータ１の第２のロータ歯形１０
から同期歯車のバツクラツシユ量（10〜25μｍ）
やロータ１，２同志が噛合いの過程で接触しない
ために必要な最小の間隙量を減じたロータ歯形
（このロータ歯形を第３のロータ歯形と称する）
を示すものである。１８は前記第３のロータ歯形
１７を常温状態に戻すことにより得られるロータ
歯形で（このロータ歯形を第４のロータ歯形と称
する）、この第４のロータ歯形１８は前記と同様
に雌ロータ１のロータ内部の温度分布から有限要
素法などの手法により求められる。

上記の手順により、前記基本歯形８のロータ歯
形と第４ロータ歯形１８を製作時に形成されるロ
ータ歯形とする。

次に前記第３のロータ歯形１７の求め方を第７
図により説明する。

第７図において、雌ロータ１のピツチ円５上の
同期歯車のバツクラツシユ量とロータ１，２間の
必要最小間隙量の和をCo、前記熱膨脹により変
形したロータ歯形１０上の任意の点１９における
動径の長さ３―１９をＲ、動径と点１９に立てた
歯形の法線とのなす角をα、中心点３からピツチ
円５までの半径をRpとすると、前記ロータ歯形
１０上の任意の点１９は、バツクラツシユ量など
を考慮したとき点２０になる。このときの点１９
―２０の距離をＣとした場合、この距離Ｃは次式
で表わされる。

Ｃ＝Ｒ／Ｒｐ・Co・sinα この式により熱膨脹で変形した第２のロータ歯
形１０からバツクラツシユ量などを考慮した第３
のロータ歯形１７が求められる。

次に、第３のロータ歯形１７から第４のロータ
歯形１８に変換するには、前記ロータ歯形８から
ロータ歯形９に変換した逆の手順で行なえばよ
い。

このように、バツクラツシユ量を考慮する理由
は、同期装置として同期歯車などを用いた場合、
実働時の最適な噛合いを得るために、同期歯車に
存在するバツクラツシユ量を考慮する必要が生じ
るからである。

このように、実働時の熱膨脹した雌ロータ、雄
ロータに同期歯車のバツクラツシユ量などを考慮
するようにしたので、実働時における両ロータ歯
形同志の接触防止を図ることができるため、スク
リユー圧縮機の信頼性が向上する。勿論、許容で
きる範囲内の最小のバツクラツシユ量を与えるこ
とにより性能向上を図ることができる。

第８図、第９図、第１１図および第１２図は前
記実施例の手順とは異なるさらに他の実施例を示
すもので、第８図、第９図、第１１図および第１
２図において、第１図〜第７図と同一符号のもの
は同一部分を示す。

第１２図に示すフローチヤートによつてこの実
施例の手順を説明する。

この実施例においても、常温時のロータ歯形と
して雄ロータに基本歯形８を用いる。

まず、基本歯形８が実働時にある温度上昇する
ものと仮定し、この温度上昇によつて生じる熱膨
脹後のロータ歯形（このロータ歯形を第１のロー
タ歯形９と称する。）を求める。次に同期歯車の
バツクラツシユ量やロータ同志が噛合いの程度で
接触しないために必要な間隙量などを考慮した間
隙量を仮定し、この間隙量を前記第１ロータ歯形
９に加えたロータ歯形（このロータ歯形を第２の
ロータ歯形２１と称する）を求める。この第２ロ
ータ歯形２１から噛合う相手の雌ロータ１のロー
タ歯形（このロータ歯形を第３のロータ歯形２２
と称する）を求める。すなわち、雄ロータ２の第
２ロータ歯形２１に創成により得られる雌ロータ
１の第３ロータ歯形２２を求める。最後にこの第
３ロータ歯形２２を常温状態に戻すことにより得
られるロータ歯形（このロータ歯形を第４のロー
タ歯形２３と称する）を求める。

上記の手順により、基本歯形８と第４ロータ歯
形２３を常温の製作時に形成されるロータ歯形と
する。

このように雌ロータ１および雄ロータ２の歯形
を常温時（製作時）に形成することにより、スク
リユー圧縮機の実働状態においては、雌ロータ１
と雄ロータ２との間隙が同期歯車のバツクラツシ
ユやロータ同志が接触しないため必要な最小の間
隙のみになるので、ガスなどの漏洩を極端に減少
できるため、スクリユー圧縮機の大幅な効率向上
が図れる。

また、ロータやケーシングとの間隙もロータの
熱変形量が明確になるため、最小間隙に設定でき
る。

尚、本発明の前記実施例においては、実働時に
おける軸方向の温度分布を一定にしているが、作
動流体、圧力条件などの実働条件によつてはロー
タの軸方向にかなりの温度勾配が存在する。この
ため、低温の吸込側における温度分布と高温の吐
出側における温度分布を考慮した場合、ロータ歯
形を外周側が吸込側から吐出側に向うに従つて減
少するテーパ状に形成する。

すなわち、第１０図に示す如く、吸込側（図示
Ａ）の一端から吐出側（図示Ｂ）の他端に向うに
従つて先細りになるようなテーパを形成する。

（図示Ｂ）また、このテーパは雌ロータ１、雄
ロータ２のいずれか一方又は両ロータにつけるこ
とも可能である。

尚、本発明の実施例においては、雄ロータ歯形
を基準とし、雄ロータ２に基本歯形８を与えた場
合について説明しているが勿論、雌ロータ歯形を
基準とし、雌ロータ１に基本歯形７を与えるよう
にしても同様の効果を奏する。

また、本発明の実施例においては、常温時、互
いに間隙なしに噛合う歯形を基本歯形としている
が、常温時以外（常温時以上で実働時以下の温
度）の温度で互いに間隙なしに噛合う一対のロー
タ歯形を基本歯形としても構わない。

〔発明の効果〕

本発明は、常温時に互いに間隙なしに噛合う一
対のロータ歯形を基本歯形とし、これら基本歯形
の一方のロータ歯形を常温時から実働時までの温
度上昇に応じて変形させ、このロータ歯形をもと
にして創成され、かつこの歯形と接触することに
なくほぼ一定の微小間隙を介して回転するロータ
歯形を他方の実働時のロータ歯形とし、このロー
タ歯形を常温までの熱収縮に応じて変形させるこ
とにより常温時の他方のロータ歯形とし、前記常
温時の一方のロータ歯形と常温時の他方のロータ
歯形を製作時に形成するようにしたので、実働時
に一対の雌ロータおよび雄ロータが噛合うロータ
歯形間の全域にわたつてほぼ一定の微小間隙を保
持することができるため、スクリユー圧縮機など
流体機械の流体漏洩減少による大幅な性能効率の
向上が図れる。

また、両ロータ歯形同志の実働時における接触
事故なども防止できるため、信頼性の向上が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスクリユー形流体機械のロー
タ歯形の製作方法における基本歯形を説明するた
めの図、第２図〜第５図は本発明のスクリユー形
流体機械のロータ歯形の製作方法における一実施
例を示し、ロータ歯形を求めるための手順を説明
するための図、第６図および第７図は本発明方法
における他の実施例を示し、ロータ歯形を求める
ための手順を説明するための図、第８図、第９
図、第１１図および第１２図は本発明方法におけ
るさらに他の実施例を示し、ロータ歯形を求める
ための手順を説明するための図、第１０図は本発
明方法におけるさらに他の実施例を示す側面図、
第１３図および第１４図は本発明方法および従来
による雌ロータと雄ロータ間の実働時および常温
時における間隙量を説明するための図である。 １…雌ロータ、２…雄ロータ、７，８…基本歯
形。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 常温時に互いに間隙なしに噛合う一対のロー
   タ歯形を基本歯形とする雌ロータおよび雄ロータ
   を備えたスクリユー形流体機械のロータ歯形の製
   作方法において、前記基本歯形の一方のロータ歯
   形を常温時から実働時までの温度上昇に応じて変
   形させ、このロータ歯形をもとにして創成され、
   かつこのロータ歯形と接触することなくほぼ一定
   の微小間隙を介して回転するロータ歯形を他方の
   実働時のロータ歯形とし、このロータ歯形を常温
   までの熱収縮に応じて変形させることにより常温
   時の他方のロータ歯形とし、前記常温時の一方の
   ロータ歯形と常温時の他方のロータ歯形を製作時
   に形成するようにしたことを特徴とするスクリユ
   ー形流体機械のロータ歯形の製作方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のスクリユー形
   流体機械のロータ歯形の製作方法において、前記
   基本歯形の一方のロータ歯形に常温時から実働時
   までの熱膨脹に応じて変形させたロータ歯形を第
   １ロータ歯形とし、この第１ロータ歯形によつて
   他方のロータ歯形を創成して第２ロータ歯形と
   し、この第２ロータ歯形から同期装置のバツクラ
   ツシユを減じさせたロータ歯形を第３ロータ歯形
   とし、この第３ロータ歯形を実働時より常温時ま
   での熱収縮に応じて変形させたロータ歯形を第４
   ロータ歯形とし、前記常温時の一方のロータ歯形
   と常温時の第４ロータ歯形を製作時に形成するよ
   うにしたことを特徴とするスクリユー形流体機械
   のロータ歯形の製作方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載のスクリユー形
   流体機械のロータの歯形の製作方法において、前
   記基本歯形の一方のロータ歯形に常温時から実働
   時までの熱膨脹量を加えたロータ歯形を第１ロー
   タ歯形とする共に第１ロータ歯形に同期装置のバ
   ツクラツシユ量を加えたロータ歯形を第２ロータ
   歯形とし、この第２ロータ歯形によつて他方のロ
   ータ歯形を創成して第３ロータ歯形とし、この第
   ３ロータ歯形を実働時より常温時までの熱収縮に
   応じて変形させたロータ歯形を第４ロータ歯形と
   し、前記常温時の一方のロータ歯形と常温時の第
   ４ロータ歯形を製作時に形成するようにしたこと
   を特徴とするスクリユー形流体機械のロータ歯形
   の製作方法。