(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周りに、螺旋状の歯先面部および該歯先面部の間に螺旋状の溝を形成する歯元面部を有するスクリュー歯を設け、互いに逆ねじの関係となる雌雄一対で使用され、前記スクリュー歯の歯先面部と歯元面部の間に、前記回転軸と直交する任意の横断面上で一定半径を有する所定角度範囲の円弧となるピッチ円周部を設けたスクリューロータにおいて、前記両ロータの各ネジ部をいずれも２条以上にし、前記ピッチ円周部を前記横断面上において少なくとも条数個設けかつ条数個のピッチ円周部を回転軸に対して対称に配置したことを特徴とするスクリューロータ。
【請求項２】
前記雌雄のスクリュー歯の噛合隙間のうちピッチ円周部間の隙間が、他の部分の隙間以下になるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ。
【請求項３】
リードが吸気側より小さくなるよう、互いにリードの異なる複数のスクリュー部を設けたもの、または排気側に近付くほどスクリュー歯間のピッチが無段階に徐々に狭くなっていく不等リードのスクリューロータとすることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリューロータ。
【請求項４】
前記ピッチ円周部が、前記歯先面部と前記歯元面部とのほぼ中間の半径位置に帯状に形成されたことを特徴とする請求項１、２または３に記載のスクリューロータ。
【請求項５】
前記スクリュー歯型をトロコロイド歯形又はエピトロコロイド歯形としたことを特徴とする請求項１、２、３または４に記載のスクリューロータ。
【請求項６】
請求項１、２、３、４又は５に記載のスクリューロータを使用し、吸気口および排気口を形成したハウジング内に、両ロータを非接触噛合状態で噛合うよう平行に収納して、該ハウジングと両ロータとの間に、前記スクリューロータの回転によって前記回転軸の軸方向に移送される複数の作業室を形成したことを特徴とするスクリュー機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリュー機械に適用されるスクリューロータ、および、それを用いたドライ式真空ポンプ等のスクリュー機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高速・長時間の連続運転ができるポンプや圧縮機として、ハウジング内に一対のスクリューロータを有する容積移送型スクリュー機械が知られている。
【０００３】この種のスクリュー機械、例えばドライ式真空ポンプとして使用されるスクリュー機械では、互いに逆ねじの関係にある雌雄のスクリューロータを平行配置するとともに両ロータを微小クリアランスを隔てて噛み合わせ、両ロータとこれらのロータを取り囲むハウジングとの間に、両ロータの噛合い部で仕切られた作業室を形成している。また、雌雄スクリューロータを同期回転させることで、雌雄スクリューロータをほぼ非接触状態としながら、その作業室の容積を吸気側で増大させ、排気側で減少させるようになっている。
【０００４】また、真空ポンプにおいては、一般に、その到達圧力と排気速度という２つの重要性能が高度に要求されるが、ドライ式真空ポンプのようなスクリュー機械では、平行配置される雌雄のスクリューロータの噛合い、並びに両ロータとハウジングの間のクリアランスがいずれの性能にも大きく影響する。したがって、このようなスクリュー機械では、雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスを極力小さくすることで、その性能の向上が図られている。
【０００５】なお、前記スクリュー機械には、リショルム型、角ねじ型（クインビー形（角形）の歯形を有するもの）、スパイラキシャル型（エピトロコイドとアルキメデス螺線で合成したスパイラキシャルスクリュー（spiraxial screw）歯形を有するもの）といった形式のものがありる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のスクリュー機械にあっては、雌雄のスクリューロータの条数を排気室の密閉のために一条にしているため、軸断面上でロータの重心が軸上に無く回転に対するバランスが悪いため、雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスが非常に小さい場合、両スクリューロータを大負荷で高速回転させると振動を生じ、ロータ同士あるいはロータとケーシングが頻繁に接触することとなった。そのため、ロータ間やロータとハウジング間の焼付きが発生した。これを避けるために必要以上に雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスを大きくしなければならなくなったり、回転数を大幅に制限したりしなければならないという問題があった。
【０００７】これを避けるためには、回転軸と直交する横断面においてその重心位置が回転中心から大きくずれないように偶力バランスをとるためにスクリューロータの端面に開口する鋳抜き穴等によって大きな空洞を形成する必要があり、製造工程が複雑になってしまうという問題も発生した。
【０００８】そこで本発明は、スクリューロータ間の噛合隙間を小さくして性能向上を図り、これと併せて、長時間の高速連続運転であってもロータ間の焼付きを有効に防止できるスクリュー機械を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、回転軸の周りに、螺旋状の歯先面部および該歯先面部の間に螺旋状の溝を形成する歯元面部を有するスクリュー歯を設け、互いに逆ねじの関係となる雌雄一対で使用され、前記スクリュー歯の歯先面部と歯元面部の間に、前記回転軸と直交する任意の横断面上で一定半径を有する所定角度範囲の円弧となるピッチ円周部を設けたスクリューロータにおいて、前記両ロータの各ネジ部をいずれも２条以上にし、前記ピッチ円周部を前記横断面上において少なくとも条数個設けかつ条数個のピッチ円周部を回転軸に対して対称に配置した。
【００１０】
このような構成にすることにより、回転軸と直交する断面上において重心位置が回転中心から大きくはずれてしまうことはなく、ロータの全長にわたって、いずれの軸直角断面においてもその重心は回転中心軸付近にあることになり、極めて良好な回転バランスを得ることができる。従って、鋳抜き等による複雑な空洞を形成する必要がなくなり、製造コストの低減が可能となり、さらに回転軸を中心にバランスよく回転しているので雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスを極めて狭くすることができ、ポンプ内の密封度を向上することができ、排気側からの外気の逆流も抑制されより効率の良い真空ポンプを形成することができる。
また、両ロータが接触したときに、軸方向の接触点が増え、接触時に生じるロータの焼き付きをロータ全体に分散することができ、接触による力が分散されることにより、特定の場所のみの温度上昇によるロータの膨張接触を防止することができるようになり、雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスを狭くできる。
さらに、一定幅をもつピッチ円周部によってスクリューロータの噛合い部における所要のシール性能が発揮できると共に重心を回転中心に近づけることができ、バランスを良くすることができる。
【００１１】また、前記雌雄のスクリュー歯の噛合隙間のうちピッチ円周部間の隙間が、他の部分の隙間より小さくなるようにすることにより、スクリューロータが熱膨張したときには、同一半径のピッチ円周部同士が最初に当接して転がり接触することになり、両ロータの歯部が摺接してしまう従来機に比べ、焼付きが生じ難い。
【００１２】
リードが吸気側より小さくなるよう、互いにリードの異なる複数のスクリュー部を設けたもの、または排気側に近付くほどスクリュー歯間のピッチが無段階に徐々に狭くなっていく不等リードのスクリューロータとする。
このような構成にすることにより、両ロータが接触したときに、軸方向の接触点を増やすことができ接触時に生じるロータの焼き付きをロータ全体に分散することができ特定の場所のみの温度上昇によるロータの膨張接触を防止することができるようになり、雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスを極めて狭くできる。
【００１３】前記ピッチ円周部が、前記歯先面部と前記歯元面部とのほぼ中間の半径位置に帯状に形成されるようにすると、各ロータの歯形を共通化して加工を容易化することができるとともに、一定幅をもつピッチ円周部によってスクリューロータの噛合い部における所要のシール性能が発揮できる。
【００１４】前記スクリュー歯型をトロコロイド歯形又はエピトロコロイド歯形としたことを特徴とする。このような構成にすることにより、移送室の機密性を上げることができ、排気能力を向上することができる。
【００１５】本発明におけるスクリュー機械は、上記スクリューロータを互いに噛み合う雌雄のロータとし、吸気口および排気口を形成したハウジング内に、両ロータを非接触噛合状態で噛み合うよう平行に収納して、該ハウジングと両ロータとの間に、前記スクリューロータの回転によって前記回転軸の軸方向に移送される複数の作業室を形成したことを特徴とする。
【００１６】この発明では、スクリューロータが熱膨張したときには、一定半径のピッチ円周部同士が最初に当接して転がり接触することで焼付きが生じ難くなる。しかも、ロータ間の噛合い隙間自体はピッチ円周部間で狭くしておくことができるから、効率の向上が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図６は本発明の一実施形態に係るスクリューロータおよびスクリュー機械を示す図である。
【００１８】本実施形態のスクリュー機械は、本発明をドライ式真空ポンプに適用したものである。図１は本発明を実施したドライ式真空ポンプの要部正面断面図である。吸気口１１ａおよび排気口１１ｂを形成したハウジング１１と、このハウジング１１内に所定のクリアランス（微小隙間）をもって非接触噛合状態で互いに噛み合うよう平行に収納された雌雄のスクリューロータ２１、２２と、これらハウジング１１およびスクリューロータ２１、２２の間に介装された軸受２３ａ、２３ｂおよび軸穴封止用のシール部材２４ａ、２４ｂと、両ロータ２１、２２を逆方向に同期回転させるようスクリューロータ２１、２２に一体的に装着された同期歯車２５ａ、２５ｂおよびロータ２２の一端に連結されたモータ２６を有する駆動手段２７と、を具備している。
【００１９】雌側スクリューロータ２１と雄側スクリューロータ２２とは、ハウジング１１の内壁面１１ｉに対して所定のクリアランス、例えば５０ミクロンの隙間を隔てる外径寸法および軸方向長さを有しており、ハウジング１１と両スクリューロータ２１、２２との間には、スクリューロータ２１、２２の噛合部分で互いに仕切られ、かつスクリューロータ２１、２２の回転によって回転軸の軸方向に移送される複数の螺旋形状の作業室が形成されている。
【００２０】
スクリューロータ２１には、図２に示すように、回転軸Ｃ1の周りに、螺旋状のスクリュー歯２１１が設けられており、そのスクリュー歯２１１は、螺旋帯状の歯先面部２１１ａと、その歯先面部２１１ａの間に螺旋状の所定溝幅の溝を形成する歯元面部２１１ｃと、を有している。また、スクリュー歯２１１の歯先面部２１１ａと歯元面部２１１ｃの間には、ピッチ円周部２１１ｐと、このピッチ円周部２１１ｐより歯先面部２１１ａ側の歯先側傾斜面と、ピッチ円周部２１１ｐより歯元面部２１１ｃ側の歯元側傾斜面２１１ｅと、が設けられている。
【００２１】
一方、スクリューロータ２２には、スクリューロータ２１とは逆ねじの関係となるように、その回転軸Ｃ2の周りに、螺旋状のスクリュー歯２２１が設けられており、そのスクリュー歯２２１は、螺旋帯状の歯先面部２２１ａと、その歯先面部２２１ａの間に螺旋状の所定溝幅の溝を形成する歯元面部２２１ｃと、を有している。また、スクリュー歯２２１の歯先面部２２１ａと歯元面部２２１ｃの間には、ピッチ円周部２２１ｐと、このピッチ円周部２２１ｐより歯先面部２２１ａ側の歯先側傾斜面と、ピッチ円周部２２１ｐより歯元面部２２１ｃ側の歯元側傾斜面と、が設けられている。
【００２２】また、各スクリューロータ２１、２２の歯先面部２１１ａ、２２１ａとピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐの間の接続部は、各ロータ２１、２２の横断面上で滑らかにつながる、例えば円弧状の接続曲線となり、各スクリューロータ２１、２２のピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐと歯元面部２１１ｃ、２２１ｃの間の接続部は、各ロータ２１、２２の横断面上で滑らかにつながるよう前記接続曲線により求められた創生曲線となり、各スクリューロータ２１、２２の歯先面部２１１ａ、２２１ａと歯元面部２１１ｃ、２２１ｃの間の接続部は、各ロータ２１、２２の横断面上で、相手側スクリューロータ２２、２１の歯先（歯先面部２２１ａ、２１１ａの一側端部）が描くトロコイド曲線となるよう、それぞれの接続形状が設定されている。
【００２３】
図３は本件発明におけるスクリューロータの一実施例を示す軸直角歯型曲線図である。図３は２条の互いに噛み合ったロータであり、両ロータは、図中最も外側の点線で示した両ロータの歯先の回転円筒で形成される８字形断面形状のロータ室を有するケーシング内に収納されている。ロータの回転により切り欠き部３０３及び３０４により形成される空間３０５が吸気側から排気側に移送されることにより真空排気する。３０６、３０７、３０８、３０９、３１０及び３１１はピッチ円部である。図３のように２条の場合は切り欠き部３０３及び３０４の各々の回転軸に対して対角側の３０６及び３０９にピッチ円部を配置することによりバランスを良くすることができる。さらに３０８と３０７及び３１０と３１１の様に別に一対の回転軸に対して対角位置にピッチ円部を設けることにより、さらに重心を回転中心に近づけることができ、両スクリューロータが接触するポイントを増やすことができ、接触による力が分散される。
【００２４】図４に示すように、スクリューロータ２１、２２は、互いに雌雄が逆となる相手側ロータに噛み合うとき、雌雄のスクリュー歯２１１、２２１の噛合い隙間のうちピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐ間の隙間ｇ1（対向面間の隙間、例えば２０μm）が、他の噛合部分の隙間ｇ2、ｇ3、ｇ4（対向面間の隙間、例えば５０μm）等より小さくなるよう、ピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐの半径およびスクリュー歯形（各ロータ縦断面におけるスクリュー歯形状）が設定されている。
【００２５】上述のように構成された本実施形態のスクリュー機械では、通常の運転開始時又は運転中、雌雄のスクリューロータ２１、２２同士が微小クリアランスを隔てた非接触噛合状態で噛合う。このとき、雌雄のスクリュー歯２１１、２２１の噛合い隙間のうちピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐ間の隙間ｇ1が、他の各噛合部分の隙間ｇ2、ｇ3、ｇ4等より小さくなることから、ロータ２１、２２間の噛合い隙間がピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐ同士の間で狭くなるものの、スクリューロータ２１、２２が高速・長時間連続運転等によって熱膨張したときには、一定半径のピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐ同士が最初に当接して転がり接触することになり、両ロータ２１、２２の歯部２１１、２２１が摺接してしまう従来機に比べ、焼付きが生じ難い。また、接触した場合においても、軸垂直断面上においてピッチ円部の数を増やすことにより、ロータの接触によって発生する発熱を分散することができ、よって、ロータの部分的に大きくなる熱膨張も抑えることができ、雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスを極めて狭くできる。従って、従来のように、焼付き防止のために不必要にクリアランスを拡大し、ポンプ性能や圧縮機性能を犠牲にする、ということがなくなる。よって、高性能のスクリュー機械を提供することができる。
【００２６】また、スクリューロータ２１、２２は、２条以上に構成されていることにより、重心位置の回転中心Ｃ1、Ｃ2からのオフセットが極めて小さくなるから、リード数を整数にして重心位置を回転中心軸上に位置させることと相俟って、偶力バランスをとるための鋳抜き等による複雑な空洞を形成する必要がなくなり、簡単な浅い凹部を形成する程度に加工工数を減らすことができる。
【００２７】また、ピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐが、歯先面部２１１ａ、２２１ａと歯元面部２１１ｃ、２２１ｃとのほぼ中間の半径位置に帯状に形成されているので、ロータ２１、２２の歯形を共通化して加工の容易化を図ることができるとともに、一定幅をもつピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐによってスクリューロータ２１、２２の噛合い部（隣接作業室間）における所要のシール性能が発揮されることになる。
【００２８】なお、上述の実施形態においては、各スクリューロータをねじのリードが吸気側から排気側まで等しいものとして説明したが、例えば圧縮側のリードが吸気側より小さくなるよう、互いにリードの異なる複数のスクリュー部を設けたもの、あるいは、排気側に近付くほどスクリュー歯間のピッチが無段階に徐々に狭くなっていくようなものであってもよい。すなわち、不等リードのスクリューロータとすることもできる。
【００２９】
図５は本件発明のスクリュー歯形を３条にした時の軸垂直断面図である。図５において４０６及び４０７は３条の互いに噛合ったロータであり、両ロータは、図中最も外側の点線で示した両ロータの歯先の回転円筒で形成される８字形断面形状のロータ室を有するケーシング内に収納されている。ロータの回転により切り欠き部４０１及び４０２により形成される空間４０３が吸気側から排気側に移送されることにより真空排気する。４０４、４０５、４１０及び４１１はピッチ円部である。３条の場合でも切り欠き部４０１及び４０２の各々に対して各辺の４０４及び４０５にピッチ円部を配置することによりバランスを良くすることができる。さらに別に一組のピッチ円部４１０及び４１１を設けることにより、さらに重心を回転中心に近づけることができ、両スクリューロータが接触するポイントを増やすことができ、接触による力が分散される。従ってロータの接触によって発生する発熱を分散することができ、よって、ロータの部分的に大きくなる熱膨張も抑えることができ、雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスを極めて狭くできる。
【００３０】また、本実施例の歯形はトロコロイド歯形又はエピトロコロイド歯形とすることにより前記両スクリューロータとハウジングで形成される排気位相空間の気密性を上げることができる
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、スクリューを２条以上にすることにより、連続・高速運転時にスクリューロータのバランスを良くし、また熱膨張したとき等に、一定半径のピッチ円周部同士を最初に当接させて転がり接触させ、両ロータの歯部が摺接することにより焼付きが生じるのを防止することができる。さらにこのピッチ円周部を複数設けることにより、さらなる焼付きが生じるのを防止することができ、排気性能を犠牲にしても焼付き防止のためにスクリューロータの噛合い隙間を大きく設定しなければならないという従来の問題を解消することができる。また、歯形をトロコロイド歯形又はエピトロコロイド歯形にすることにより両スクリューで形成される位相空間の気密性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスクリュー機械の概略の内部構造を示す要部正面断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る雌雄のスクリューロータの噛合状態を示す正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る雌雄のスクリューロータの噛合隙間の設定状態を示す模式断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る雌雄のスクリューロータの噛合状態を示す正面図である。
【符号の説明】
１１    ハウジング
１１ａ    吸気口
１１ｂ    排気口
２１    雌側スクリューロータ
２２    雄側スクリューロータ
２５ａ、２５ｂ    同期歯車
２６    モータ
１２１、１２２        スクリューロータ
１２１ｈ1、１２１ｈ2、１２２ｈ1、１２２ｈ2    凹部
２１１、２２１    スクリュー歯
２１１ａ、２２１ａ    歯先面部
２１１ｃ、２２１ｃ    歯元面部
２１１ｄ、２２１ｄ    歯先側傾斜面
２１１ｅ、２２１ｅ    歯元側傾斜面
２１１ｐ、２２１ｐ    ピッチ円周部
【図１】
0003979489.tif 000002
【図２】
0003979489.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003979489.tif 000005
【図５】
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