JP2001271765A

JP2001271765A - スクロール式流体機械

Info

Publication number: JP2001271765A
Application number: JP2000090808A
Authority: JP
Inventors: Junichi Asai; 淳一浅井
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】圧縮機と膨張機を一体化した、コンパクト
で、組み立て容易なスクロール式流体機械を提供する。【解決手段】圧縮室側旋回スクロール１３ａと膨張室
側旋回スクロール１３ｂとを圧縮室２と膨張室３とを仕
切る旋回スクロール基板１３ｃに互いに背中合わせに一
体にして旋回スクロール１３を形成し、旋回スクロール
基板１３ｃで圧縮室２と膨張室３を隔離して、旋回スク
ロール１３を内蔵するモータ１で旋回駆動することによ
り、圧縮室２のガスを圧縮し、膨張室３のガスを膨張さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧縮機と膨張機
を組み合わせてなるスクロール式流体機械に関し、特
に、自動車用燃料電池への酸素の供給用や空気膨張冷房
装置に使用されるスクロール式流体機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気膨張冷房装置においては、図２に示
すように、大気圧の空気を圧縮機１０１により圧縮して
熱交換器１０２へ送って放熱し、この熱交換器１０２を
通過した空気を膨張機１０３により大気圧まで膨張させ
ることにより温度を下げて、例えば、自動車の車室内へ
送って空調する。

【０００３】圧縮機と膨張機の動力Ｗを空気の圧力Ｐと
体積Ｖの関係で表すと、図４のようになる。すなわち、
圧縮機１０１の吸入行程でＦからＡ、圧縮行程でＡから
Ｂ、吐出行程でＢからＥとなり、圧縮機の動力はＦＡＢ
Ｅで囲まれた面積になる。一方、膨張機は、圧縮空気を
ＥからＣで吸入し、膨張行程でＣからＤ、吐出行程でＤ
からＦとなり、ＥＣＤＦで囲まれた面積に等しい仕事を
することになる。よって、図２のように、圧縮機１０１
の駆動軸１０４を膨張機１０３の駆動軸に直結すれば、
外部から駆動軸１０４に加える動力は、図４のＡＢＣＤ
で囲まれた動力Ｗで済むことになり、省エネルギーとな
る。

【０００４】図３は、燃料電池への圧縮空気供給を説明
した図で、圧縮機１０１から送られる圧縮空気の酸素と
図示省略の水素発生装置から送られる水素とを燃料電池
スタック１０５で反応させて発電し、水を排出する。図
３の場合も、空気膨張冷房装置の場合と同様、使用済み
の空気を膨張機を通して膨張させ、その際の膨張仕事を
圧縮機の駆動に用いれば、図４のように、省エネルギー
となる。

【０００５】従来、上記の圧縮機１０１と膨張機１０３
とを同期運転するには、圧縮機１０１の駆動軸と膨張機
１０３の駆動軸とをカップリング等で接続していたの
で、駆動軸を圧縮機や膨張機の外部に突出させ、カップ
リング等で接続することになり、そのためのスペースを
必要とし、流体機械が大型化し、構造も複雑になってい
た。また、接続のための芯出し作業が必要で高い組み立
て精度を要し、製造コストの上昇を招いた。

【０００６】なお、駆動軸を圧縮機や膨張機の外部に突
出させない構造の流体機械として、特開平７−２２９４
８２号公報が開示されている。この流体機械は、内蔵型
モータの出力軸と一体の駆動スクロールと、この駆動ス
クロールに従動する、両面にスクロールを持ち、変心し
た中間スクロールと、この中間スクロールに従動する、
駆動スクロールと同心の従動スクロールとを有し、駆動
スクロールと中間スクロールとの間を圧縮室、従動スク
ロールと中間スクロールとの間を膨張室としたものであ
る。なお、特開平７−２２９４８２号公報には、変心し
た中間スクロールとその先の従動スクロールに、具体的
にどのようにして回転が伝えられるのかは、あまり明瞭
には説明されていない。

【０００７】また、この発明と構造が比較的類似した圧
縮機としては、特開平９−３１０６８９号公報がある。
この圧縮機は、内蔵型モータの変心出力軸により両面に
圧縮用旋回スクロールを備えた可動スクロールにより可
動スクロールの両側の圧縮室で並列にガスを圧縮する。
両側の圧縮室はガス流を二つに仕切ることなく、その吸
入室と吐出室とが共通である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述のカ
ップリング接続構造のスクロール式流体機械の問題点を
解決し、コンパクトで製造コストが低く、効率のよいス
クロール式流体機械を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、この発明は、所定量偏心した偏心軸を有する駆動
軸と、第１のフレームに配設した渦巻状の圧縮室側固定
スクロールと、上記圧縮室側固定スクロールと対向させ
て第２のフレームに配設した渦巻状の膨張室側固定スク
ロールと、上記圧縮室側固定スクロールの渦巻の隙間に
嵌め込まれた圧縮室側旋回スクロールおよび上記膨張室
側固定スクロールの渦巻の隙間に嵌め込まれた膨張室側
旋回スクロールを旋回スクロール基板の両面に互いに背
中合わせに一体に形成してなり、上記旋回スクロール基
板が上記第１のフレームと第２のフレームの間に形成さ
れる作動室を二つに仕切って上記圧縮室と膨張室とを形
成し、かつ、上記偏心軸に回動自在に取り付けられて、
上記駆動軸に対して偏心して旋回する旋回スクロールと
を具備し、また、上記駆動軸が第１のフレームまたは第
２のフレームに内蔵されたモータの出力軸となっている
ものである。

【００１０】このモータを内蔵したスクロール式流体機
械においては、圧縮室を膨張室とモータとの中間に配設
し、スクロールの渦巻きの向きを圧縮室のガスが外周か
ら中心に向けて圧縮するようにして、圧縮室により圧縮
されたガスの少なくとも一部がモータおよびその軸受の
隙間を通過するようにすると、圧縮ガスを利用して、モ
ータ、軸受の冷却も行え、また、オイルを含んだガスを
圧縮する場合には、軸受の潤滑にも有効である。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、以下、
図面を参照して説明する。

【００１２】図１は、この発明の一実施の形態を示すス
クロール式流体機械の縦断面図である。図１において、
１は、スクロール式流体機械の駆動用のモータ、２は圧
縮室、３は膨張室、４は、第１のフレーム、５は、モー
タ１を囲って第１のフレーム４内に内蔵するモータカバ
ー、６は、第１のフレーム４の前方に形成される作動室
７を塞ぐ第２のフレームである。上記モータ１は、上記
第１のフレーム４に内蔵され、モータ１のステータ１ａ
が第１のフレーム４に固定され、ロータ１ｂはモータ１
の出力軸８に固定されている。

【００１３】この出力軸８は、ロータ１ｂの前後で、第
１のフレーム４に取り付けられた主軸受９、モータカバ
ー５に取り付けられた副軸受１０により回転自在に保持
されていて、後に説明する流体機械の駆動軸となってい
る。

【００１４】上記出力軸８の作動室７側先端部は、偏心
量ｅだけ偏心した偏心軸８ａとなっている。

【００１５】上記圧縮室２の第１のフレーム４の前面に
は、渦巻状の圧縮室側固定スクロール１１が、また、上
記膨張室３の第２のフレーム６の内側には、渦巻状の膨
張室側固定スクロール１２が配設されている。上記圧縮
室側固定スクロール１１と膨張室側固定スクロール１２
とは、互いに対向させてある。

【００１６】更に、圧縮室２には、上記圧縮室側固定ス
クロール１１の渦巻の隙間に嵌め込まれた圧縮室側旋回
スクロール１３ａが、また、膨張室３には、膨張室側固
定スクロール１２の渦巻の隙間に嵌め込まれた膨張室側
旋回スクロール１３ｂがあって、これらの圧縮室側旋回
スクロール１３ａ、膨張室側旋回スクロール１３ｂは、
旋回スクロール基板１３ｃの両面に互いに背中合わせに
一体に形成されて、旋回スクロール１３を構成してい
る。

【００１７】上記旋回スクロール１３は、上記偏心軸８
ａに軸受１４を介して回動自在に取り付けられ、上記偏
心軸８ａにより、公転運動をするようになっている。ま
た、旋回スクロール１３は、図示しない自転防止機構に
より、公転のみを許容され自転しないようになってい
る。

【００１８】そして、上記旋回スクロール基板１３ｃ
は、第１のフレーム４と第２のフレーム６の間に形成さ
れた上記作動室７を二つに仕切って上記圧縮室２と膨張
室３とを形成しており、この旋回スクロール基板１３ｃ
は、旋回スクロール１３の旋回中、この実施の形態で
は、常に第２のフレーム６の端面６ａとの接触を維持し
て、圧縮室２と膨張室３と間のシールを保っている。

【００１９】上記固定スクロール１１、１２と旋回スク
ロール１３のスクロールの形状は通常用いられているも
のである。すなわち、固定スクロール１１、１２の溝に
嵌め込まれた旋回スクロール１３の圧縮室側旋回スクロ
ール１３ａ、膨張室側旋回スクロール１３ｂの壁を部分
的に圧縮室側固定スクロール１１、膨張室側固定スクロ
ール１２の壁に接触させ、接触部分と接触部分との間に
閉じ込められるガスを、旋回スクロール１３の旋回につ
れて接触部分が移動することにより、圧縮したり、膨張
させたりする点は、従来のものと同様である。

【００２０】圧縮室２では、旋回スクロール１３の旋回
により、この実施の形態では、外周から中心に向けてガ
スを圧縮しながら送っていくような向きに渦巻を設けた
から、圧縮室２の外周に圧縮室吸入口１５を設け、ま
た、圧縮室２の中心に駆動軸８に設けた連通孔１６の一
端を開口させ、他端を圧縮室吐出孔１７に開口させてあ
る。

【００２１】圧縮室２の圧縮されたガスの一部は、駆動
軸８の外周隙間１８から主軸受９側へ漏れる。モータ１
を囲う第１のフレーム４とモータカバー５とは内部を密
閉しているから、漏れたガスは、ステータ１ａとロータ
１ｂとの隙間、副軸受１０を通過して圧縮室吐出孔１７
で合流する。この間、圧縮されたガスは、モータ１、軸
受９、１０を冷却する。

【００２２】膨張室３では、旋回スクロール１３の旋回
により、この実施の形態では、中心から外周に向けてガ
スを膨張させながら送っていくような向きに渦巻を設け
たから、膨張室３の外周に膨張室吐出孔１９を設け、ま
た、膨張室３の中心に膨張室吸入口２０を設けてある。

【００２３】モータ１に通電してそのロータ１ｂ、駆動
軸８を回転すると、圧縮室２では、圧縮室吸入口１５か
らガスを吸入して圧縮し、圧縮されたガスは、連通孔１
６、一部は軸受９、１０、モータ１の隙間を通って圧縮
室吐出孔１７から外部へ送られて使用される。同時に、
膨張室３では、高圧ガスを膨張室吸入口２０から吸入し
て膨張させ、その膨張仕事量だけモータ１の動力を軽減
して（図４参照）、膨張室吐出孔１９へ送る。

【００２４】この発明のスクロール式流体機械は、上述
の実施の形態の他、モータを第２のフレーム側に設け
て、モータ、膨張室、圧縮室の順に配設することもでき
る。スクロールの渦巻きの向きを変えれば、圧縮室の吸
入口と吐出口を逆にしたり、膨張室の吸入口と吐出口を
逆にしたりすることもできる。

【００２５】また、モータを内蔵とせず、駆動軸を外部
に突出させて、外部からスクロール式流体機械を回転駆
動するようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
スクロール式流体機械は、旋回スクロール基板の両面に
圧縮室側旋回スクロールと膨張室側旋回スクロールを一
体に形成してなる旋回スクロールを旋回させて、圧縮室
のガスを圧縮し、同時に、膨張室のガスを膨張させるよ
うにしたから、カップリング等による接続構造と比べ
て、コンパクトにまとまり、芯出しの必要がないから製
造コストが低く、しかも、両旋回スクロール間の寸法精
度と剛性が高くて、効率よく膨張室側のガスの膨張仕事
を回収できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示す縦断面図。

【図２】エアサイクル空調を説明する説明図。

【図３】燃料電池への酸素の圧縮供給を説明する説明
図。

【図４】圧縮・膨張行程における仕事量を説明する説明
図。

【符号の説明】

１モータ２圧縮室３膨張室４第１のフレーム６第２のフレーム７作動室８出力軸（駆動軸）１１圧縮室側固定スクロール１２膨張室側固定スクロール１３旋回スクロール１３ａ圧縮室側旋回スクロール１３ｂ膨張室側旋回スクロール１３ｃ旋回スクロール基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定量偏心した偏心軸を有する駆動軸
と、第１のフレームに配設した渦巻状の圧縮室側固定スクロ
ールと、上記圧縮室側固定スクロールと対向させて第２のフレー
ムに配設した渦巻状の膨張室側固定スクロールと、上記圧縮室側固定スクロールの渦巻の隙間に嵌め込まれ
た圧縮室側旋回スクロールおよび上記膨張室側固定スク
ロールの渦巻の隙間に嵌め込まれた膨張室側旋回スクロ
ールを旋回スクロール基板の両面に互いに背中合わせに
一体に形成してなり、上記旋回スクロール基板が上記第
１のフレームと第２のフレームの間に形成される作動室
を二つに仕切って上記圧縮室と膨張室とを形成し、か
つ、上記偏心軸に回動自在に取り付けられて、上記駆動
軸に対して偏心して旋回する旋回スクロールとを具備す
ることを特徴とするスクロール式流体機械。
【請求項２】上記駆動軸が第１のフレームまたは第２
のフレームに内蔵されたモータの出力軸であることを特
徴とする請求項１記載のスクロール式流体機械。
【請求項３】モータが第１のフレームに内蔵され、圧
縮室のガスが外周から中心に向けて圧縮されるようにな
っており、圧縮室により圧縮されたガスの少なくとも一
部がモータおよびその軸受の隙間を通過するようになっ
ていることを特徴とする請求項２記載のスクロール式流
体機械。