螺旋转子 【技术领域】
本发明涉及使用在螺旋压缩机或真空泵以及其它螺旋泵等螺旋流体机械中的螺旋转子，特别涉及该螺旋转子的齿形。
背景技术
近年来，为了提高螺旋压缩机或真空泵的性能，关于螺旋转子的齿形进行了许多的研究、开发，该螺旋转子的齿形也发展为包含复杂曲线组合的多种齿形。
这种螺旋转子的齿形，例如在日本实开昭63-14884号公报中揭示的螺旋转子10，其如图10(A)所示，将螺旋转子的在轴线方向上的截面的齿形做成方形，形成有平坦的齿顶面13及齿底面17，并且从齿顶面13的轴线方向的两角部14、15至齿底面地两端部24、25的齿侧面18、19与轴线正交。
如上所述，在截面呈方形的齿形的日本实开昭63-14884号公报所揭示的螺旋转子10中，将齿顶以面(齿顶面13)形成，所以缸筒内面与该齿顶面13之间进行的密封则成为面封闭，密闭性高，因此，能适当地防止在一作用空间被压缩的流体从缸筒内壁与螺旋转子10的齿顶面的间隙漏出至位于低压侧的另一作用空间，能提高压缩效率。
另一方面，如此形成的螺旋转子10，如图10(B)所示，螺旋转子的轴直角截面的齿形，具有构成齿顶面13的轮廓的齿顶面曲线13’、构成齿底面17的轮廓的齿底面曲线17’、及连结所述齿顶面曲线与所述齿底面曲线之间用来构成齿侧面18的轮廓的齿侧面线18’，且使所述齿侧面线18’形成向螺旋转子的外周方向延伸的直线状，并且将所述齿顶面曲线13’与所述齿侧面线18’之间形成的角部14形成大致直角状。
如果具有这种齿形的2个螺旋转子10a、10b同步旋转，则当2个螺旋转子10a、10b的齿啮合时，角部14便与形成于另一螺旋转子的齿侧线18’干涉。因此，对螺旋转子的角部14做出切口，来防止这种干涉(参照图10(C))。
但是，两螺旋转子10a、10b，例如在图10(B)所示的啮合状态时，如图10(B)中虚线所示，如果该角部14在形成有切口的状态，作用空间的密封性则降低，通过螺旋转子10a、10b的啮合而本来独立的室即作用空间A和作用空间B，由于该切口而连通使被压缩的流体漏出至位于低压侧的作用空间。因此，这种螺旋转子存在压缩效率降低的问题。
为了解决这种问题，有一种日本特公昭64-8193号公报所揭示的螺旋转子，能防止齿的干涉并发挥良好的密封性(参照图11)。
在该螺旋转子中，如图11(B)所示，螺旋转子的轴直角截面的齿侧面曲线18’的形状由与该螺旋转啮合的另一螺旋转子的连接齿顶面曲线13’和齿侧面曲线18’的角部14的一点所画的余摆线所形成，能获得大致完全的密封。
日本特公昭64-8193号公报所揭示的螺旋转子，在理论上能获得大致完全的密封，但是如果想在该构成的螺旋转子中确保完全的密封性，角部14必须形成锐利的刃状(edge状)。
但是，将角部14加工成锐利的刃状，现实上很困难，例如通过切削加工制造这种螺旋转子时，则在角部14会产生大量的毛刺，为了去除该毛刺而进行角部的倒角等，则由于该倒角，将毛边与角部14的刃状一起削掉，所以与设置上述切口时一样使作用空间的密封性降低。
并且，为了将角部14形成锐利的形状，必须用具有锐利形状的工具来对该角部14所啮合的另一螺旋转子所形成的齿底面17的端部24进行加工，该工具的锐利形状的部分容易形成缺口，即使是微小的缺口或磨损，也无法正确地进行转子的切削，必须经常进行更换或重新刃磨等。
并且，在日本特许第2904719号公报揭示有一种螺旋转子，将螺旋转子的轴直角截面的角部形成圆弧，同时提高密封性。
该螺旋转子，通过圆弧来形成2个螺旋转子的角部14、14，形成该圆弧的角部14形成与该螺旋转子啮合的另一螺旋转子的齿侧面的齿侧面曲线。
在如此形成的螺旋转子中，在两转子间不会产生干涉，并且提高了作用空间的密封性。
但是，由于将角部14如上述形成圆弧，因此，当在缸筒内壁的棱线33部分使两转子的角部对峙时，则形成较大的气孔(参照图12)，通过该气孔使邻接的各作用空间连通，所以存在压缩的流体漏出至位于低压侧的作用空间而降低压缩效率的问题。
并且，这种压缩流体的泄漏，并非仅发生于齿顶面13与齿侧面18之间所形成的角部14，也发生于齿顶面13与缸筒内壁31间之间隙。
在齿顶面13与缸筒内壁31间设有使螺旋转子旋转所必要的最低限度之间隙，并考虑螺旋转子的热膨胀量来设定缸筒内径，由此，即使在螺旋流体机械的运转中，齿顶面13与缸筒内壁31也不接触。但是，螺旋转子的齿顶面13相对于旋转轴心并非产生均等的热膨胀量，所以根据热膨胀量最大的部位来设定缸筒内径，因此在热膨胀量最大的部位以外的部分，齿顶面13与缸筒内壁31之间隙大，通过此部分之间隙容易产生流体的泄漏，如果能提供也能适宜地防止在该部分的泄漏的螺旋转子，则能进一步提高真空泵等螺旋流体机械的作业效率。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能解决上述现有技术的缺点的螺旋转子，其齿形能使两螺旋转子的齿间不干涉，密封性良好，加工比较容易，并且能使所产生的气孔小至实用上可忽视的程度。
为了达到上述目的，本发明的螺旋转子，用于使一对螺旋转子10a、10b以螺旋方向相反的方式啮合旋转来吸入且排出流体的螺旋机械，其特征在于：
所述一对螺旋转子10(10a、10b)的各轴直角截面的齿形，具备：构成齿顶面13轮廓的齿顶面曲线13’，由以螺旋转子10(10a、10b)的旋转轴心O为中心的规定半径(r1)的圆弧所构成；构成齿底面17轮廓的齿底面曲线17’，由与齿顶面曲线13’同心并且半径小于所述齿顶面曲线13’的半径(r2)的圆弧所构成；及构成齿侧面18、19轮廓的2条齿侧面曲线18’、19’，形成于所述齿顶面曲线13’与齿底面曲线17’的之间，
将所述齿顶面曲线13’的两端与2条齿侧面曲线18’、19’的之间所形成的角部14、15中的一角部14，通过连结齿顶面曲线13’的一端A与齿侧面曲线18’的一端G间的曲线A-G来形成，
将连结所述齿顶面曲线13’的一端A与所述齿侧面曲线18’的一端G间的曲线A-G，形成从所述齿顶面曲线13’的一端A朝向所述角部14的突出方向曲率半径逐渐减小的形状，并且将从该角部14连到所述齿底面曲线17’的所述齿侧面曲线18’，形成另一螺旋转子的所述角部14、15中的一角部14所形成的曲线。
并且，本发明的其它螺旋转子10(10a、10b)，其特征在于：代替所述角部14的结构，或与所述角部14的结构一起，将至少一个、优选为两个螺旋转子10(10a、10b)的所述齿顶面曲线13’，形成于以螺旋转子10(10a、10b)的旋转轴心为中心的90°至180°的范围。
所述角部14、15中的一角部14的轴直角截面形状，能由作为椭圆、抛物线、双曲线的二次曲线来构成(权利要求4)，在椭圆的情况下，可以由其一部分来形成该角部14。
另外，该角部14、15中的一角部14的轴直角截面形状，也可以由将朝向该角部14的突出方向曲率半径逐渐减小的二次曲线上的多个点连结而成的、近似于该二次曲线的曲线来形成。
【附图说明】
图1是具备本发明的螺旋转子的真空泵的截面俯视图。
图2是图1的正截面图。
图3是图2的III-III线截面图。
图4是螺旋转子的主要部分截面主视图。
图5是螺旋转子的轴直角截面图。
图6是螺旋转子的角部的放大图。
图7是表示齿顶面的轴线方向横截宽度与齿顶面曲线的形成长度的关系的说明图。
图8是表示本发明的螺旋转子的加工方法的概略说明图。
图9是表示本发明的螺旋转子的加工方法的概略说明图。
图10是表示现有的螺旋转子，(A)是轴线方向截面图，(B)是表示角部的干涉状态的轴直角方向截面图，(C)是表示设置用于防止干涉的切口的状态的轴直角方向截面图。
图11是表示现有的其它螺旋转子，(A)是轴线方向截面图，(B)是轴正交方向截面的角部的放大图。
图12是形成于现有的螺旋转子的气孔的说明图。
图中：13’：齿顶面曲线；14：角部；15：角部；17’：齿底面曲线；18’：齿侧面曲线；19’：齿侧面曲线；24：端部；25：端部。
【具体实施方式】
下面，参照附图说明本发明的实施方式。并且，在以下所示的实施方式中，表示将本发明的螺旋转子10使用于真空泵的示例，但是本发明的螺旋转子10不仅能作为真空泵1用的螺旋转子，而且也能适用于螺旋压缩机或其它螺旋泵等各种螺旋流体机械。
(真空泵的整体构成)
在图1中，1是具备本发明螺旋转子10(10a、10b)的真空泵的一构成例，该真空泵1将2个上述的螺旋转子10(10a、10b)收容在外壳30内并可以旋转。
在该外壳30的内部形成收容2个相互呈啮合状态的螺旋转子10a、10b的缸筒31，并且通过轴承32将各螺旋转子10a、10b的转子轴11支承成可以旋转。
螺旋转子10a、10b中，在驱动侧转子10a的转子轴11直接连结电动机或发动机、及其它驱动源(在本实施方式中为电动机40)的输出轴41，或通过增速机、其它动力传递机构连结该输出轴41。
在本实施方式中，将马达40的输出轴41直接和该驱动侧转子10a的转子轴11连结，随着电动机40的旋转而使驱动侧转子10a旋转，并且通过该驱动侧转子10a的旋转来使啮合于此的被动侧转子10b旋转。
该驱动侧转子10a与被动侧转子10b的同步旋转，通过设置于各螺旋转子10a、10b的转子轴11的定时齿轮12的啮合来进行，使两螺旋转子10a、10b以微少间隔啮合所构成。
在形成有所述缸筒31的外壳30的外壁，形成分别连通到缸筒31内的空间的位于螺旋转子10a、10b的一端侧的用于导入流体的导入口42；及位于另一端侧的用于排出流体的排出口43，当旋转上述驱动侧螺旋转子10a时，通过该定时齿轮12的啮合使被动侧螺旋转子10b向相反方向旋转，流体通过上述导入口42导入由螺旋转子10a、10b的啮合所形成的作用空间内，该所导入的流体在螺旋转子10a、10b间所形成的作用空间内向螺旋转子10a、10b的另一端侧输送时，体积收缩，在被压缩后，从上述排出口43排出。
收容螺旋转子10(10a、10b)的缸筒31，如图3所示呈截面大致8字形，能将2个螺旋转子10a、10b以啮合状态收容，并在构成收容驱动侧转子10a的室的内壁与构成收容被动侧转子10b的室的内壁的界线位置形成有棱线33。
并且，在图1～图3所示的实施方式，图示了将具有相同齿形的2个螺旋转子以螺旋方向相反的啮合状态下收容于缸筒内的情况，但是该螺旋转子10(10a、10b)的齿形形状也可以是各螺旋转子10a、10b不同的形状，只要在啮合的状态能旋转，其形状并不限于图示的例子。
另外，同样在图示的例子中，虽然图示了在各螺旋转子10a、10b仅形成1条螺旋的示例，但是各螺旋转子10a、10b也可以形成2条或多于2条螺旋的多条转子，或使各螺旋转子10a、10b的条数不同。
(螺旋转子)
在如上所述构成的真空泵1中所使用的本发明的螺旋转子10，如图4所示，螺旋状螺旋齿形以导程角α形成。
本发明的螺旋转子，如图4所示，在其轴线方向的截面，齿侧面18、19的一方18相对线Y形成稍向图4左侧塌陷的弯曲形状，线Y形成于与螺旋转子的轴线X正交的方向，因此，位于齿顶面13与齿侧面18的连结位置的角部14、15的一角部14，在螺旋转子10的轴线方向的截面稍成锐角，与形成该锐角的角部14连续的齿侧面18从齿底面17向外周方向倾斜成突出状。
并且，另一角部15在螺旋转子10的轴线方向的截面稍成钝角，与该角部15连续的齿侧面19形成向齿底面17倾斜的倾斜面。
如此形成的螺旋转子10的轴直角截面的齿形，如图5所示，由下列3条曲线大致画出其形状：由以螺旋转子的轴心O为中心的半径r1的圆弧所构成的齿顶面曲线13’、由以螺旋转子的轴心O为中心且以比齿顶面曲线的圆弧小的半径r2的圆弧所构成的齿底面曲线17’、及形成于这2个曲线之间的齿侧面曲线18’、19’。
在齿顶面曲线13’的两端与齿侧面曲线18’、19’之间所形成的上述角部14、15中，成锐角的角部14，如图6实线所示，通过从齿顶面曲线13’的一端A连结齿侧面曲线18’的一端G的曲线A-G来形成。
形成该角部14的轴直角截面形状的曲线A-G，形成为从齿顶面曲线13’的端部A朝向角部14的突出方向曲率半径逐渐减小的形状，例如由满足该条件的二次曲线来形成，在本实施方式，是通过椭圆的一部分所构成的曲线A-G来形成角部14的截面形状，该椭圆的长轴一端为该曲线中曲率半径最小的顶部F’。
另外，由该曲线A-G所构成的角部14的形状，不限于上述的椭圆，只要是从齿顶面曲线13’的一端A朝向角部14的突出方向曲率半径逐渐减小的形状的曲线，任何形状均可。在上述的示例中是二次曲线，具体而言，是椭圆的一部分，但是该角部14的形状，只要是从齿顶面曲线13’的端部A朝向角部14的突出方向曲率半径逐渐减小的形状，则未必如二次曲线以顶部F’为中心形成对称的形状。并且，在上述的二次曲线的示例，除椭圆以外，例如也可以以抛物线、双曲线等所获得的曲线或以其一部分来构成。
构成角部14的曲线，不必要是正确的椭圆或其它的二次曲线，例如也可以取该二次曲线上的多个任意点，通过圆滑地连结该点间的曲线来连结而形成连续的近似二次曲线的曲线等，其形状并不限于实施方式的情况。
由于将角部14形成从齿顶面曲线13’的端部A朝向角部14的突出方向曲率半径逐渐减小的曲线，特别地由这种二次曲线形成，所以在螺旋转子10热膨胀时，角部14不易接触缸筒31的内壁，其结果，能使齿顶面13与缸筒31内壁间之间隙δt尽量狭窄。
并且，相比角部14的轴直角截面形状为圆弧状的现有螺旋转子10，本发明能使形成的气孔尽量小。
通过将上述的角部14形成朝向突出方向曲率半径逐渐减小的轴直角截面形状，便能使齿顶面13与缸筒31内壁间之间隙狭窄，就这点参照图5及图6来说明，此种螺旋转子10，考虑了运转时由于所发生的流体的压缩热而使螺旋转子热膨胀的问题，所以在螺旋转子10的齿顶面13与缸筒31的内壁间设置考虑了该热膨胀所产生的螺旋转子10的热膨胀量之间隙δt(参照图6)。
但是，设置于该齿顶面13与缸筒31内壁间之间隙δt，该间隙δt取得越宽，齿顶面13与缸筒31内壁间的密封性则越低，所以优选该间隙δt尽量狭窄。
在真空泵运转时，作用空间内的流体由于压缩作用而发热，通过螺旋转子所画成的作用空间的表面被该流体加热，使螺旋转子热膨胀。此时在螺旋转子中热膨胀量最大的部位是面向作用空间且位于离旋转轴心最远处的角部14，但是为了将构成该角部14的曲线A-G形成朝向突出方向曲率半径逐渐减小的形状，所以形成从齿顶面曲线13’的一端A向前端方向渐渐地离开缸筒31内壁的形状。所以，由此在最易受到热膨胀的影响的角部14，除间隙δt外还存在间隙δt’。
因此，在该间隙δt’，如果能补偿角部14的向外周方向的热膨胀量的增加量，齿顶面13与缸筒31内壁间之间隙δt，则将齿顶面曲线13’的一端A的变形量当作最大值即可，其结果，齿顶面13与缸筒31内壁间之间隙δt能尽量狭窄。
对此，如在现有技术所介绍的，在将角部14的轴直角截面形状作成圆弧时，如果想确保与本发明的螺旋转子10的角部14的突出长度相当的突出长度，则如图6中虚线所示，齿顶面曲线13’的端部必须进一步延长至角部14的前端侧的位置A’。并且，在齿顶面13与缸筒31内壁间应形成之间隙δt，则须考虑在此A’的向外周方向的热膨胀量来决定。
但是，角部14的位于突出方向前端侧的端部A’位于比曲线A-G更外周方向，与上述的点A相比，靠近作用空间且易受到作用空间的热影响，所以在热膨胀量大的部分，以该端部A’的变形量为基准所决定之间隙δt必然变宽。因此，缸筒31的内径也变大，端部A’以外的齿顶面13与缸筒31内壁之间隙变大，容易产生流体通过此间隙的泄漏。
另一方面，与本发明的螺旋转子10同样，如果将齿顶面曲线13’的端部当作图6中的点A，则在该点A通过与齿顶面曲线13’接连、且与齿侧面曲线18’接连的圆弧(图6中的一点划线)来形成角部14，角部14的切口则变得极大，使啮合的螺旋转子10a、10b的角部14、14间所形成的气孔变大，结果，成为不实用的螺旋转子。
如此，本发明的螺旋转子10，能使齿顶面13与缸筒31内壁间之间隙δt尽量狭窄，由此能提高该部分的密封性，但是为了提高齿顶面13与缸筒31内壁间的密封性，合适的作法是替代上述构成或与上述构成一起，使齿顶面曲线13’以螺旋转子10的旋转轴心为中心形成相对整个外周(360°)的90°至180°的齿形。
假设将以最外周为半径r1的螺旋转子10所形成的齿形的齿顶面13展开于平面上的状态，该齿顶面13则能用具有以导程角α倾斜的斜边的直角三角形△、及形成在与该斜边平行的直线间的带状部分来表示。
此处，将上述的带状部分绕于圆筒上时，如果由上述直角三角形的斜边所形成的螺旋线的导程为R，该导程R，则由下式表示。
R＝2πr1tanα
并且，在转子的轴直角截面从90°至180°的范围所出现的齿顶面曲线13’的长度，则在
2πr1/4≤齿顶面曲线的长度≤2πr1/2
的范围，螺旋转子10的轴线方向的齿顶面13的横截宽度R’，则在
πr1tanα/2≤R’≤πr1tanα
的范围，即，齿顶面13的轴线方向的横截宽度R’则为导程R的1/4至1/2的长度。
如此，在转子的轴直角截面，由于构成齿顶面13的齿顶面曲线为在90°至180°的范围出现的形状的齿形，所以能将齿顶面13的宽度相对导程长度确保为一定的宽度，提高齿顶面13与缸筒内壁间的密封性。
即，在轴直角截面所出现的齿顶面曲线13’为以螺旋转子10的旋转轴心为中心在整个圆周(360°)的90°以下时，齿顶面13的转子轴线方向的横截宽度R’则为导程R的1/4以下的长度，齿顶面13的宽度狭窄，不能充分发挥齿顶面13与缸筒内壁间的密封性，但是如上述将齿顶面曲线13’在90°至180°的范围形成，便能提高该部分的密封性，并且在与上述角部14的形状组合时，能使齿顶面13与缸筒31内壁间之间隙δt尽量狭窄，同时，使用该螺旋转子10的螺旋流体机械的作业效率将会大幅提高。
在图6中，连结曲线A-G与齿底面曲线17’的齿侧面曲线18’(图6中的曲线G-H)，表示轴直角方向截面的齿侧面18的轮廓，该齿侧面曲线18’在两转子同步旋转时，形成由曲线A-G所形成的曲线，曲线A-G构成与该螺旋转子啮合的上述形状的另一螺旋转子的角部14。
通过使齿侧面曲线18’成为构成旋转的螺旋转子的角部14的曲线A-G所形成的曲线，在一方的螺旋转子的角部14与另一方的螺旋转子的齿侧面18间将作用空间密封时，由于在构成一方螺旋转子的角部14的曲线A-G的任一位置、与另一方转子的齿侧面曲线18’的任一位置间的作用空间被密封，所以密封性良好。
(制造方法)
以上的螺旋转子，作为一例如图8及图9所示是通过旋转的刀具来切削加工。在此切削加工中，刀具旋转轴3的轴心4对应具有规定的螺旋角的齿槽的形成方向即齿形的导程角α，相对工件的旋转轴心7倾斜角度α，将单铣刀与间隔件2一起安装于该刀具旋转轴3。
单铣刀的刀具旋转中心Oc，在刀具旋转轴3设置长度L的间隔件2，所以相对未设置间隔件2而安装时的刀具旋转中心Oc’，向图中右方仅偏位L。因此，刀具旋转中心的移动方向的延长线，则设定成通过向工件的旋转轴心7的下方偏离规定距离的位置。
下面，说明利用旋转中心Oc偏位后的刀具来制造螺旋转子的方法，首先，将沿刀具旋转轴3向右方偏位的单铣刀，向与工件6的旋转轴心7正交的方向、向工件6侧移动与切削量对应的距离。然后，通过刀具旋转轴3使单铣刀旋转。此时工件6在工件轴9的旋转轴心7上且比单铣刀更左侧的加工开始位置待机。
然后，使工件6以其旋转轴心7为中心边旋转边沿旋转轴心从图中左侧向右侧移动。
当工件抵达加工终止位置时，使单铣刀暂时离开工件，使工件沿工件轴9向左侧返回至加工开始位置。
接下来，使单铣刀向与工件6的旋转轴心7正交的方向、向工件侧移动与切削量对应的距离，然后通过刀具旋转轴使单铣刀旋转。
然后，使工件6以其旋转轴心7为中心边旋转边沿其旋转轴心7从图中左侧向右侧移动。
当工件6抵达加工终止位置时，使单铣刀暂时离开工件6，使工件6沿工件轴9向左侧返回至加工开始位置。
反复进行以上动作至能获得所希望的齿形为止，来加工螺旋齿形的齿槽。
如上所述，使用旋转中心Oc偏位的刀具，由此即便使单铣刀以对应切削量的方式向工件侧移动，在刀具的旋转中心的移动方向的延长线上并未配置工件的旋转轴心，所以能加工齿侧面18、19倾斜的螺旋转子的齿槽，并且不会使刀具的旋转轴心相对水平方向倾斜。但是，本发明的螺旋转子10并不限于上述方法的加工，也可以使用使刀具的旋转轴心相对水平方向不倾斜的已知的加工装置来制造。
另外，由于螺旋转子具有规定的导程角α，如果将上述的刀具切削角部14的部分形成规定半径的圆弧状，则能容易形成在轴直角方向的截面上螺旋转子10的角部14的形状呈朝向角部14的突出方向曲率半径逐渐减小的椭圆形状。
并且，使切削角部的部分的形状为圆弧的切削刃的制造或重新刃磨的作业较容易，并且呈圆弧状的切削工具比起成锐角的切削工具，较不易产生缺口或磨损而能延长寿命，能较长时间正确地进行转子的切削。另外，由于使切削角部的部分的形状为圆弧的切削刃，其角部不会产生切削所造成的毛刺，故不须进行去除毛刺的作业，继而不会因毛刺去除作业削掉角部而使作用空间的密封性降低。
依据以上所说明的本发明的构成，具备本发明齿形的螺旋转子能获得螺旋转子间的完全的密封线，并且，能使气孔尽量小。其结果，能提供提高密封性的螺旋转子。
并且，能使齿顶面与缸筒内壁间之间隙尽量狭窄，同时相对螺旋转子的整个圆周的90°至180°形成轴直角截面上出现的齿顶面曲线，所以能提高齿顶面与缸筒内壁间的密封性。
另外，通过使切削工具的相关部位形成圆弧状，可以极容易地形成这种用于提高密封性的角部的形状，并且与切削工具的相关部位形成锐利形状的情形相比，寿命较长，在切削工具变钝或加工精度不能确保而须更换工具之前，也能加工许多的螺旋转子，减少工具更换作业的次数。