特許 7096044 スクリューロータ及び流体機械本体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-27

(45)【発行日】2022-07-05

(54)【発明の名称】スクリューロータ及び流体機械本体

(51)【国際特許分類】

   F04C 18/16 20060101AFI20220628BHJP

   F04C 2/16 20060101ALI20220628BHJP

   F01C 1/16 20060101ALI20220628BHJP

【ＦＩ】

F04C18/16 B

F04C18/16 J

F04C2/16 A

F01C1/16 Z

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2018066557

(22)【出願日】2018-03-30

(65)【公開番号】P2019178614

(43)【公開日】2019-10-17

【審査請求日】2021-03-25

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】堀内 大嗣

【審査官】松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２１４３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１２７９９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５３６５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１２３３２７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｃ １８／１６

Ｆ０４Ｃ ２／１６

Ｆ０１Ｃ １／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周が、軸方向に所定長さ延伸する螺旋状の歯を有するスクリューロータであって、
前記スクリューロータの径方向断面が、
軸心方向に所定厚みをもって前記螺旋状の歯を構成するローブ部と
前記ローブ部の軸心方向内面から軸心側に向かって延在する中空部とを備え、
前記ローブ部が、前記スクリューロータの外周が高負荷となる側の前記所定厚みが、外周が低負荷となる側の前記所定厚みより厚いものであるスクリューロータ。

【請求項2】

請求項１に記載のスクリューロータであって、
前記低負荷となる側から前記高負荷となる側に向かって前記所定厚みが厚くなるものであるスクリューロータ。

【請求項3】

請求項１に記載のスクリューロータであって、
前記中空部が、軸芯方向の全てに渡って延在するものであるスクリューロータ。

【請求項4】

請求項１に記載のスクリューロータであって、
前記中空部の軸心に、該中空部の軸方向長さと概略一致する中実部を更に備え、
前記中実部の外周と前記ローブ部の歯底とが一体構成体として接続するものであり、
前記中空部が、ローブ部の軸心側内面と、前記中実部とに囲まれた空間となるものであるスクリューロータ。

【請求項5】

請求項１に記載のスクリューロータであって、
前記螺旋状の歯の軸方向両端部に、前記中空部と外部を連通する中空穴を更に備え、
前記中空穴を介して前記中空部に液体又は気体の媒体が流通可能とするものであるスクリューロータ。

【請求項6】

請求項１に記載のスクリューロータであって、
少なくとも前記螺旋状の歯の軸方向両端部と、前記軸方向に所定長さ延伸する前記ローブ部とが鋳造によって成型されたものであるスクリューロータ。

【請求項7】

請求項１に記載のスクリューロータであって、
少なくとも前記螺旋状の歯の軸方向両端部と、前記軸方向に所定長さ延伸する前記ローブ部とが、一体構成物として構成されたものであるスクリューロータ。

【請求項8】

請求項７に記載のスクリューロータであって、
三次元造形機によって、前記一体構成物として構成されるものであるスクリューロータ。

【請求項9】

外周が、軸方向に所定長さ延伸する螺旋状の歯を有するスクリューロータと、前記スクリューロータを収容するボア内壁を有するケーシングとを備える流体機械本体であって、
前記スクリューロータの径方向断面が、
軸心方向に所定厚みをもって前記螺旋状の歯を構成するローブ部と
前記ローブ部の軸心方向内面から軸心側に向かって延在する中空部とを備え、
前記ローブ部が、前記スクリューロータの外周が高負荷となる側の前記所定厚みが、外周が低負荷となる側の前記所定厚みより厚いものである流体機械本体。

【請求項10】

請求項９に記載の流体機械本体であって、
前記ローブ部の前記低負荷となる側から前記高負荷となる側に向かって前記所定厚みが厚くなるものである流体機械本体。

【請求項11】

請求項９に記載の流体機械本体であって、
前記中空部が、軸芯方向の全てに渡って延在するものである流体機械本体。

【請求項12】

請求項９に記載の流体機械本体であって、
前記中空部の軸心に、該中空部の軸方向長さと概略一致する中実部を更に備え、
前記中実部の外周と前記ローブ部の歯底とが一体構成体として接続するものであり、
前記中空部が、ローブ部の軸心側内面と、前記中実部とに囲まれた空間となるものである流体機械本体。

【請求項13】

請求項９に記載の流体機械本体であって、
前記螺旋状の歯の軸方向両端部に、前記中空部と外部を連通する中空穴を更に備え、
前記中空穴を介して前記中空部に液体又は気体の媒体が流通可能とするものである流体機械本体。

【請求項14】

請求項９に記載の流体機械本体であって、
少なくとも前記螺旋状の歯の軸方向両端部と、前記軸方向に所定長さ延伸する前記ローブ部とが鋳造によって成型されたものである流体機械本体。

【請求項15】

請求項９に記載の流体機械本体であって、
少なくとも前記螺旋状の歯の軸方向両端部と、前記軸方向に所定長さ延伸する前記ローブ部とが、一体構成物として構成されたものである流体機械本体。

【請求項16】

請求項１５に記載の流体機械本体であって、
三次元造形機によって、前記一体構成物として構成されたものである流体機械本体。

【請求項17】

請求項９に記載の流体機械本体であって、
前記スクリューロータを１又は複数有し、少なくとも１の前記スクリューロータが前記中空部を備える流体機械本体。

【請求項18】

請求項９に記載の流体機械本体であって、
前記流体機械本体が、圧縮機本体、ポンプ装置本体又は膨張機本体である流体機械本体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はスクリューロータ及び流体機械本体に関し、スクリューの内部に中空部分を有するスクリューロータ及び流体機械本体に関する。

【背景技術】

【0002】

ガス圧縮機、ポンプ或いは膨張機といった流体機械として、スクリューロータを使用する流体機械が知られている。

【0003】

スクリューロータは、例えば、ツインスクリューロータであれば、雄雌ロータの歯溝が噛み合い、これらのロータを覆うケーシングボア壁面とで圧力作動空間を形成し、雄雌ロータの回転に伴って圧縮機、ポンプとして圧縮ガスや高圧液体を生成する。また、膨張機であれば、圧縮機やポンプとは逆であり、高圧ガスや液体を膨張作動室に流入させ、これらの膨張から雌雄ロータに回転力を生成する。。

【0004】

一般にスクリューロータは、中実である為質量が高い。圧縮や膨張の為の回転動力に対して慣性は動力ロスとなる。
このため特許文献１は、軽量化、慣性モーメントの低減を目的に、中空構造にしたスクリューロータがある。中空ロータは、質量が低減する分、動力ロスを削減できるなどの利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００６－２１４３６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ここで、スクリューロータは、圧縮機等の場合であれば、吸込み側と吐出し側で軸方向に圧力の高低が生ずるという特性を有する。膨張機であればこれの逆の特性がある。中空スクリューロータの場合、中空部分を大きくするほど軽量化メリットを発揮し、駆動ロスに寄与する。中空部分を大きくするためには歯溝の肉厚を可能な限り薄くすることで実現できるが、軸方向に一様に肉厚を小さくすると、圧縮作動室の高圧側でスクリューロータ表面にかかるガス荷重などの負荷によるスクリューロータの変形や破壊が生じる虞もある。即ち吸込み側と、吐出し側とではスクリューロータの表面にかかる圧力が異なる分、その強度を考慮する必要がある。
スクリューロータの質量を低減させつつ圧力や熱の影響を低減する技術が望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決する為に、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち外周が軸方向に所定長さ延伸する螺旋状の歯を有するスクリューロータであって、前記スクリューロータの径方向断面が、軸心方向に所定厚みをもって前記螺旋状の歯を構成するローブ部と前記ローブ部の軸心方向内面から軸心側に向かって延在する中空部とを備え、前記ローブ部が、前記スクリューロータの外周が高負荷となる側と、外周が低負荷となる側とで前記所定厚みが異なる構成である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、スクリューロータの質量を低減させつつ圧力や熱の影響を低減することができる。本発明の他の課題・構成・効果は、以下の記載から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明を適用した実施例１によるスクリューロータ（雄ロータ）の軸方向側面外観及び軸方向縦断面を模式的に示す図である。

【図2】実施例１のスクリューロータ（雄ロータ）の径方向断面を模式的に示す図である。

【図3】実施例１によるスクリューロータ（雌ロータ）の軸方向外観及び軸方向縦断面を模式的に示す図である。

【図4】実施例１のスクリューロータ（雌ロータ）の径方向断面を模式的に示す図である。

【図5】実施例１による圧縮機本体の軸方向断面を模式的に示す図である。

【図6】本発明を適用した実施例２によるスクリューロータ（雄ロータ）の軸方向縦断面を模式的に示す図である。

【図7】実施例２によるスクリューロータ（雄ロータ）の径方向断面を模式的に示す図である。

【図8】実施例２によるスクリューロータ（雌ロータ）の軸方向縦断面を模式的に示す図である。

【図9】実施例２によるスクリューロータ（雌ロータ）の径方向断面を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を用いて発明を実施するための形態について説明する。

【実施例1】

【0011】

本発明を適用した実施例１のスクリューロータ及びこれを用いた圧縮機本体及び圧縮機について、図１～図１０を用いて説明する。

【0012】

図１（ａ）に、中空スクリューロータの雄ロータ１の軸方向側面の外観を、図１（ｂ）に軸方向縦断面を模式的に示す。雄ロータ１は、外周に螺旋状のローブ部２（以下、「歯」という場合もある。）を備え、このローブ部２の軸方向両端にロータ軸部を備える。

【0013】

ローブ部２の軸心側は、ローブ部２の螺旋形状に沿った内空間である中空部４となっている。即ちチュ空部４は、ローブ部２の軸心側内面から全ての軸心方向に向かって延在する。また、ロータ軸部３は、軸方向に貫通する中空穴５を有し、中空穴５は中空部４と連通する。外部から中空穴５を介して中空部４に、例えば冷却等の為の液媒体（油・水・クーラント等）や気化媒体を流通させることができるようになっている。

【0014】

図２（ａ）に、図１（ａ）のＡ-Ａ線による雄ロータ１の径方向断面、図２（ｂ）に図１（ａ）のＢ-Ｂ線による雄ロータ１の径方向断面を示す。本実施例の特徴の一つとして、ローブ部２の外表面と軸心方向に対向する中空部４の内表面までの厚みであるローブ部肉厚７は、高負荷側にあたる端で厚く、軸方向で対になる低負荷側にあたる端に向かうに従い薄くなるようになっている。即ち軸方向でローブ部肉厚７の厚みが異なる。本実施例では、低負荷側から高負荷側に向かうにつれて徐々にローブ部肉厚７が厚くなる（螺旋）テーパ形状とするが、高圧側に向うＮ（１以上の自然数）段の階段状にローブ部肉厚７を厚くするようにしてもよい。

【0015】

図３（ａ）に、中空スクリューロータの雌ロータ６の軸方向側面の外観を、図３（ｂ）に軸方向縦断面を模式的に示す。雌ロータ６は、雄ロータ１と同様に、外周に螺旋状のローブ部２を備え、このローブ部２の軸方向両端にロータ軸部３を備える。
ローブ部２の軸心側は、ローブ部２の螺旋形状に沿った内空間である中空部４となっている。また、ロータ軸部３は、軸方向に貫通する中空穴５を有し、中空穴５は中空部４と連通する。外部から中空穴５を介して中空部４に、例えば冷却等の為の液媒体（油・水・クーラント等）や気化媒体を流通させることができるようになっている。

【0016】

図４（ａ）に、図３（ａ）のＣ-Ｃ線による雌ロータ６の径方向断面、図４（ｂ）に図３（ａ）のＤ-Ｄ線による雌ロータ６の径方向断面を示す。本実施例の特徴の一つとして、雌ロータ６のローブ部２の外表面と軸心方向に対向する中空部４の内表面までの厚みであるローブ部肉厚７は、雄ロータ１と同様に、高負荷側にあたる端で厚く、軸方向で対になる低負荷側にあたる端に向かうに従い薄くなるようになっている。即ち軸方向でローブ部肉厚７の厚みが異なる。本実施例では、低負荷側から高負荷側に向かうにすれて徐々にローブ部肉厚７が厚くなる（螺旋）テーパ形状とするが、高圧側に向かってＮ（１以上の自然数）段の階段状にローブ部肉厚７を厚くするようにしてもよい。

【0017】

これにより、中空スクリューロータの質量軽減に伴った熱や高負荷への応力を確保することができる。特に、本実施例はローブ部２の外周表面の形状には手を加える必要がないのも利点である。即ちローブ部２の外周表面は、シングルスクリューロータ、ツインスクリューロータ、マルチスクリューロータの区別なく、圧縮作用に大きな影響（圧縮漏れ等）を与える部分であるため、表面側でとり得る形状には制限がある。本実施例は、軸心側に形状的特徴を備えるため、圧縮性能を確保したまま熱や負荷への対抗手段になるという効果がある。

【0018】

ここで、上記雄ロータ１及び雌ロータ６は、例えば、軸方向又は径方向で分割構成とし、鋳造した分割パーツを溶接、圧着或いはボルト等で固定することによって製造することができるが、より複雑な構成の場合や、分割構成による強度不足を補うには、３次元造形機を用いた積層造形等を使用するのも好ましい。即ちローブ部２或いはローブ部２とロータ軸部３を連続した一体構成物として３次元造形する。これによりローブ部肉厚７の厚みや形状をより複雑かつ精度よく造形できるとともにロータが化学結合により連続した一体構成物となることから強度も確保することができる。

【0019】

積層造形としては、光造形方式、粉末焼結積層造形方式、インクジェット方式、原料溶解積層方式、石膏パウダー方式、シート成形方式、フィルム転写イメージ積層方式及び金属光造形複合加工方式等が適用できる。また、スクリューロータの素材は、樹脂や金属であってもよい。更に、積層方向は軸を水平方向、鉛直方向又は斜め方向でもよい。

【0020】

上記積層造形用の電子データは、ＣＡＤやＣＧソフトウェア又は３次元スキャナで生成した３次元データをＣＡＭによってＮＣデータに加工することで生成される。該データを３次元造形機又は切削ＲＰ装置に入力することで三次元造形が行われる。なお、ＣＡＤ／ＣＡＭソフトウェアによって、３次元データから直接ＮＣデータを生成してもよい。

【0021】

また、３次元データ等の取得方法としては、３次元データ又はＮＣデータを作成したデータ提供者やサービサーが、インターネット等の通信線を介して所定のファイル形式で配信可能とし、ユーザが当該データを３次元造形機やそれを制御するコンピュータ等にダウンロード又はクラウド型サービスとしてアクセスし、３次元造形機で成形出力することで製造することもできる。なお、データ提供者が３次元データやＮＣデータを不揮発性の記録媒体に記録して、使用者に提供する方法も可能である。

【0022】

次いで、上記雄ロータ１及び雌ロータ６を備える圧縮機本体８について説明する。
図５に、スクリュー圧縮機本体８の構成を模式的に示す。図５（ａ）は、上面から観察した場合の断面透過図であり、図５（ｂ）は、側面から観察した軸方向断面図である。

【0023】

スクリュー圧縮機本体８は、圧縮機本体ケーシング９内にロータを収容するロータ室１０に互いに平行に噛み合う雄ロータ１と雌ロータ６を収容する。雄ロータ１のロータ軸部３の吸込み側軸端に取り付けられたピニオンギヤ１１がモータの回転を伝えることで雄ロータ１が回転する。雄ロータ１および雌ロータ６の吐出し側軸端に取り付けられたタイミングギヤ１２Ａ、１２Ｂにより、雄ロータ１の回転が雌ロータ６に伝わり、雌ロータ６が回転する構造になっている。

【0024】

スクリュー圧縮機に吸い込まれたガスは、吸入流路１３から吸い込まれたガス（例えば、空気）は、吸入ポート１４から、ロータ室に入る。雄ロータ１と、雌ロータ６とが噛み合い、そのロータの回転により、ロータ室１０のボア壁面とで形成される圧縮作動空間が、その容積を減少させながら、吸込み側から吐出し側に移動して圧縮ガスを生成する。圧縮ガスは、吐出ポート１５を通り吐出流路１６から吐き出される。

【0025】

本実施例では、軸方向でローブ部肉厚７が軸方向で異なり、スクリューロータ外表面にかかるガス荷重による負荷が小さい吸込み側では、ローブ部肉厚７を吐出し側と比べて小さくし、ガス荷重による負荷に対して必要最低限の強度を確保できる肉厚とすることができる。したがって、できるだけスクリューロータの強度を保ちながら、ローブ部２の中空部分を大きくすることができる。また、軽量化により駆動ロスが低減するため動力低減の効果を大きくすることができる。

【実施例2】

【0026】

次いで、本発明の実施例２について図面を用いて説明する。なお、実施例１と共通する部材は同一符号を用い、詳細な説明を省略する場合がある。

【0027】

図６に、実施例２による雄ロータ１の軸方向縦断面を模式的に示す。また、図７は、雄ロータ１の径方向断面を模式的に示し、図７（ａ）は、図６のＡ－Ａ線による径方向断面図であり、図７（ｂ）は、図６のＢ－Ｂ線による径方向断面図である。

【0028】

実施例２は、中空スクリューロータのローブ部２の外周形状は実施例１と同様であるが、螺旋状の歯部の外形に沿った形状の中空部１７と、ローブ部２の径方向中心部から歯部の歯底部に繋がる中実部１８を備える点が実施例１と異なる。即ち実施例２の雄ロータ１は、中空部分の中央に中実部１８を備え、これがローブ部２の軸心側の歯底と一体構造体となる点を特徴の一つとする。即ち中空部１７は、ローブ部２の軸心側の内面から軸心に向かって延在し、歯底軸心側と中実部１８の外周によって囲まれた空間として構成される。かかる構成によってローブ部２の補強を効果がある。

【0029】

図７に示すように、図７（ａ）の高負荷側のローブ部２におけるローブ部肉厚７は、図７（ｂ）低負荷側のローブ部２におけるローブ部肉厚７と異なり厚い。実施例２も実施例１と同様に熱や高負荷の影響を受ける高圧側のローブ部肉厚を厚くすることで、これらに対する応力を確保することができる。

【0030】

図８は、実施例２の雌ロータ６の軸方向縦断面を模式的に示す。また、図９は、雌ロータ６の径方向断面を模式的に示し、図９（ａ）は、図８のＣ－Ｃ線による径方向断面図であり、図９（ｂ）は、図８のＤ－Ｄ線による径方向断面図である。

【0031】

実施例２の雌ロータ６は、螺旋状の歯部の外形に沿った形状の中空部１７と、ローブ部２の径方向中心部から歯部の歯底部に繋がる中実部１８を備える点が実施例１と異なる。即ち実施例２の雌ロータ６は、中空部分の中央に中実部１８を備え、これがローブ部２の軸心側の歯底と一体構造体となる点を特徴の一つとする。かかる構成によって、ローブ部２の補強をする。

【0032】

そして、図９に示すように、図９（ａ）の高負荷側のローブ部２におけるローブ部肉厚７は、図９（ｂ）低負荷側のローブ部２におけるローブ部肉厚７と異なり厚い。実施例２も実施例１と同様に、熱や高負荷の影響を受ける高圧側のローブ部肉厚を厚くすることで、これらに対する応力を確保することができる。

【0033】

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記種々の例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更や置換が可能である。例えば、上記例では、スクリュー圧縮機本体８を構成する全てのスクリューロータを中空状としたが、いずれか１のスクリューロータのみを中空状としてもよい（他方は中実）。また、実施例１の雄雌ロータと、実施例２の雄雌ロータの組み合わせを各々組み合わせることもできる。

【0034】

また、上記実施例は雄雌スクリューロータを例としたが、シングルスクリュー圧縮機本体のロータや、マルチスクリュー圧縮機本体のロータにも適用できる。マルチである場合には、全て或いは少なくとも１つのロータに上記各実施例のロータを適用してもよい。

【0035】

また、上記実施例では、雄ロータ１の歯が５枚、雌ロータ６の歯が６枚としたが、仕様に応じて歯の数は任意に変更可能である。

【0036】

また、圧縮機としては空気を圧縮するものに限定されず、他の気体を圧縮する圧縮機であってもよい。また、各実施例では、無給油式スクリュー圧縮機本体用のロータを例としたが、圧縮作動室に供給する液体は油のみならず水や他の液体であってもよい。また、給油式スクリュー圧縮機本体にも本発明は適用することができる。更に、２以上の圧縮機本体からなる複数段構成（高圧段圧縮機本体と、低圧段圧縮機本体とからなる多段構成等）であってもよい。
また、上記各実施例では流体機械として空気圧縮機を例としたが、例えば、膨張機やポンプ装置に適用することも可能である。膨張機に適用する場合は、圧縮気体が流入する側が高負荷であり、膨張した気体を吐き出す側が低圧である。気体の流れ方向と、ローブ部肉厚７の関係が逆となる。

【0037】

また、上記実施例では、駆動源として電動機を用いて説明したが、例えば、内燃機関や他の回転力を生成する装置であってもよい。特に、本発明を膨張機に利用する場合、電動機に代えて発電機を備える或いは電動機を電動発電機として利用する構成としてもよい。

【符号の説明】

【0038】

１…雄ロータ、２…ローブ部、３…ロータ軸部 ４…中空部、５…中空穴、６…雌ロータ、７…ローブ部肉厚、８…スクリュー圧縮機本体、９…圧縮機本体ケーシング、１０…ロータ室、１１…ピニオンギヤ、１２Ａ…タイミングギヤ、１２Ｂ…タイミングギヤ、１３…吸入流路、１４…吸入ポート、１５…吐出ポート、１６…吐出流路、１７…中空部、１８…中実部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】