JP2004011605A - スクロール型圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】過大圧縮の防止を少ない部品点数で達成可能なスクロール型圧縮機を提供すること。
【解決手段】スクロール型圧縮機において、圧縮途中にある複数の中間圧縮室26A,26Bから延びる連通路(24e,24f,24d,24g,34)は、その途中(チャンバ24d)において合流して吐出ポート20cに到達されている。連通路において、合流点(チャンバ24d)と吐出ポート20cとの間には、中間圧縮室26A,26Bの圧力が吐出ポート20cの圧力よりも高い場合に開放される開閉弁35が配設されている。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクロール型圧縮機に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、スクロール型圧縮機の過大圧縮に起因した、動力損失や振動・騒音を防止する技術として、例えば、特開平7−158570号公報に開示されたものが存在する。この公報の技術においては、圧縮途中にある複数の中間圧縮室が、それぞれ専用の連通路を介して吐出ポートに接続されている。そして、各連通路には、中間圧縮室の圧力が吐出ポートの圧力より高い場合に開放される開閉弁がそれぞれ配置されている。従って、吐出ポートの圧力が低い時には、開閉弁が開放されて中間圧縮室が吐出ポートに直接接続(短絡)されるため、スクロールの中心側に圧縮室が到達するまでガス圧縮が継続されてしまう過大圧縮を防止することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記公報の技術においては、各中間圧縮室に対応して複数の開閉弁が備えられている。このため、スクロール型圧縮機の部品点数が増加する問題を生じていた。また、開閉弁が複数存在すると、各開閉弁間での開放タイミングのずれ等に起因して圧力脈動が発生し、異音・振動を生じるおそれがあった。
【0004】
本発明の目的は、過大圧縮の防止を少ない部品点数で達成可能なスクロール型圧縮機を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1の発明のスクロール型圧縮機では、圧縮途中にある複数の中間圧縮室がそれぞれ連通路を介して吐出ポートに接続されている。連通路には、中間圧縮室の圧力が吐出ポートの圧力よりも高い場合に開放される開閉弁が配設されている。従って、例えば、吐出ポートの圧力が低い時には、開閉弁が開放されて中間圧縮室が吐出ポートに直接接続(短絡)されるため、スクロールの中心側に圧縮室が到達するまでガス圧縮が継続されてしまう過大圧縮を防止することができる。
【0006】
さて、本発明においては、前記各中間圧縮室から延びる連通路が、その途中において合流して吐出ポートに到達されている。そして、前記開閉弁は、連通路において合流点を含むこの合流点と吐出ポートとの間に配設されている。つまり、複数の中間圧縮室と吐出ポートとの間が、一つの開閉弁で開閉可能となっている。従って、過大圧縮の防止を少ない部品点数で達成することが可能となる。また、開閉弁の数が一つとなることで、例えば複数の開閉弁を備える場合に問題となる、各開閉弁間の開放タイミングのずれに起因した振動騒音の発生を防止することができる。
【0007】
請求項2の発明は請求項1において、前記ハウジング内には、冷却液の供給を受ける冷却室が、固定基板を介して圧縮室に隣接して設けられている。従って、冷却室の低温冷却液と、圧縮室の圧縮中のガスとが固定基板を介して熱交換されることとなり、ガスの温度上昇を抑制してスクロール型圧縮機の仕事量を小さくすることができる。
【0008】
請求項3の発明は請求項1又は2において、前記開閉弁は、固定スクロール部材と可動スクロール部材とで囲まれた空間内に配置されている。従って、例えば、基板の背面等、前記空間の外部に開閉弁を設けた場合に比較して、スクロール部材の小型化つまりスクロール型圧縮機の小型化が容易になる。
【0009】
請求項4の発明は請求項1〜3のいずれかにおいて、前記開閉弁は可動スクロール部材に配設されている。ここで、例えば、固定スクロール部材に開閉弁を配設する場合、開閉弁の配置スペース等を考慮すると、固定基板が厚くなりがちとなる。特に、請求項2の発明においては、固定基板が厚くなると冷却室と圧縮室との間の熱交換効率が悪化してしまう。しかし、可動スクロール部材に開閉弁を配設した本発明においては、固定基板を薄くすることが可能となり、特に請求項2と組み合わせれば、熱交換効率を向上させる上で好適となる。
【0010】
請求項5の発明は請求項4において、前記可動スクロール部材の可動基板において可動渦巻壁側の中央部にはボス部が突設されている。ボス部の挿入部内には、可動スクロール部材を支持するための偏心軸が挿入されている。挿入部における偏心軸の挿入側と反対側は、ボス部を構成する底壁によって閉塞されている。前記開閉弁は、固定基板と対向する底壁の外面に配設されている。
【0011】
前述のように、偏心軸を可動基板から固定基板側へ飛び出すように配置することで、この偏心軸の飛び出し分だけ圧縮機を軸線方向へ小型化することができる。ここで、一般的に、偏心軸を可動基板から固定基板側へ飛び出させる構成においては、可動スクロール部材の必要十分な支持と渦巻壁の高さとの関係上、ボス部の底壁と、固定基板との間の領域がデッドスペースとなりがちである。従って、この領域に空間を確保し、そして固定基板と対向する底壁の外面に開閉弁を配設することはデッドスペースの有効利用となり、開閉弁を備えることでのスクロール型圧縮機の大型化を防止することができる。
【0012】
請求項6の発明は請求項1〜5のいずれかにおいて、前記連通路は、ハウジング内に設けられたチャンバ(言い換えれば大きな空間)において合流されている。従って、各中間圧縮室から延びる通路のチャンバに対するアプローチ、及び吐出ポートから延びる通路のチャンバに対するアプローチの自由度が高く、例えば、チャンバ(大きな空間)を設けることなく連通路を合流させる場合と比較して、連通路の取り回しのための設計が容易となる。
【0013】
請求項7の発明は請求項6において、前記連通路の好適(形成容易)な態様について言及するものである。すなわち、前記チャンバは、可動基板の背面とこの背面に接合固定されたカバーとによって囲まれて形成されている。各中間圧縮室とチャンバとは、可動基板に貫通形成された連通孔によってそれぞれ接続されている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を電気自動車の燃料電池用の電動スクロール型圧縮機において具体化した一実施形態について説明する。なお、図1の左方を電動スクロール型圧縮機の前方とし右方を後方とする。
【0015】
図1に示すように、電動スクロール型圧縮機(以下単に圧縮機とする)は、電気自動車の燃料電池FCに供給されるガスを圧縮するためのものであり、特に、本実施形態においては、燃料電池FCに供給されるエアの圧縮のために用いられている。この圧縮機は、例えば電気自動車の走行速度が高くなれば燃料電池FCに対する単位時間当たりのエア供給量を多くするように、逆に電気自動車の走行速度が低くなれば燃料電池FCへのエア供給量を少なくするように回転速度が制御される。また、信号待ち等の電気自動車の走行停止状態においても、その他の電装品(例えば空調装置用の電動冷媒圧縮機)の稼働のために、圧縮機は低い回転速度でアイドリング運転される。
【0016】
次に、前記圧縮機の構成について詳述する。
前記圧縮機のハウジングは、アルミニウム又はアルミニウム合金よりなる圧縮機構側ハウジング11の後端に、同じくアルミニウム又はアルミニウム合金よりなるモータ側ハウジング12が接合されてなる。ハウジング内には、回転軸13が回転可能に支持されている。モータ側ハウジング12内において回転軸13上には、電動モータMを構成するロータ14が一体回転可能に固定されている。モータ側ハウジング12の内周面には、電動モータMを構成するステータ16が、ロータ14を取り囲むようにして固定配置されている。
【0017】
前記圧縮機構側ハウジング11は、固定スクロール部材20と、この固定スクロール部材20の前端に接合固定された前側ハウジング部材21と、固定スクロール部材20の後端に接合固定された後側ハウジング部材22とで構成されている。固定スクロール部材20は、固定基板20aの後面に固定渦巻壁20bが立設されてなる。
【0018】
前記回転軸13の前端部には、この回転軸13の軸線に対して偏心した位置に偏心軸17が設けられている。偏心軸17には、可動スクロール部材24が、固定スクロール部材20と対向するようにベアリング25を介して支持されている。可動スクロール部材24は、円板状をなす基板24aの前面に、固定スクロール部材20へ向かって可動渦巻壁24bが立設されてなる。
【0019】
前記固定スクロール部材20と可動スクロール部材24とは、渦巻壁20b,24bを以って互いに噛み合わされているとともに、各渦巻壁20b,24bの先端面が相手のスクロール部材20,24の基板20a,24aに当接されている。従って、固定スクロール部材20の固定基板20a及び固定渦巻壁20b、可動スクロール部材24の可動基板24a及び可動渦巻壁24bは、複数の圧縮室26を区画形成する。
【0020】
前記可動基板24aにおいて可動渦巻壁24b側の中央部には、偏心軸17用のボス部24jが突設されている。ボス部24j内には、偏心軸17が挿入される挿入部としての挿入凹部24hが形成されている。挿入凹部24hにおける偏心軸17の挿入側(右側)と反対側(左側)は、ボス部24jを構成する底壁24kによって閉塞されている。このように、偏心軸17を、可動基板24aから固定基板20a側へ飛び出すように配置することで、この偏心軸17の飛び出し分だけ、圧縮機を回転軸13の軸線方向へ小型化することができる。
【0021】
前記固定スクロール部材20において固定基板20aの中心部には、吐出ポート20cが形成されている。吐出ポート20cは、前側ハウジング部材21に形成された圧縮機の吐出口21aと、両スクロール部材20,24間の中心部を構成する中心室34とを連通する。吐出ポート20c内にはエアフィルタ30が配置されている。
【0022】
前記可動スクロール部材24の可動基板24aと、それに対向する後側ハウジング部材22の内壁面との間には、旋回軸27とベアリング28,29とからなる周知の構造の自転阻止機構31が配設されている。
【0023】
前記電動モータMによって回転軸13が回転駆動されると、可動スクロール部材24が偏心軸17を介して固定スクロール部材20の軸心の周りで公転される。このとき、可動スクロール部材24は、自転阻止機構によって自転が阻止されて、公転運動のみが許容される。この可動スクロール部材24の公転運動により、圧縮室26が両スクロール部材20,24の渦巻壁20b、24bの外周側から中心側へ容積を減少しつつ移動されることで、圧縮室26内に取り込まれたエアの圧縮が行われる。圧縮済みのエアは、中心側に到達した圧縮室26から、中心室34及び吐出ポート20c並びに吐出口21aを介して燃料電池FC(圧縮機外部)へと送り出される。
【0024】
前記固定スクロール部材20と前側ハウジング部材21との間には、両部材20,21の接合によって冷却室32が形成されている。従って、冷却室32は、固定スクロール部材20の固定基板20aを介して圧縮室26に隣接されている。冷却室32内において固定スクロール部材20の固定基板20aには、冷却フィン33が取り付けられている。冷却室32には、圧縮機外部の図示しない熱交換器からの低温冷却水(冷却液)が供給される。冷却室32の低温冷却水と圧縮室26の圧縮中のエアとを熱交換させることで、エアの温度上昇を抑制して圧縮機の仕事量を小さくすることができる。
【0025】
次に、前記圧縮機の過大圧縮を防止するための構成について詳述する。
前記圧縮機は、電気自動車の走行速度が高くなれば、電動モータMの回転速度が高められて、単位時間当たりのエアの吐出量が多くなる。圧縮機から吐出されるエアの量が多くなれば、吐出ポート20c内の圧力が上昇し、例えば、電気自動車が常用速度域で走行される場合に対応した電動モータMの常用回転速度(例えば、5000rpm)では、130kPa程度となる。
【0026】
逆に、前記圧縮機は、電気自動車の走行速度が低くなれば、電動モータMの回転速度が低められて、単位時間当たりのエアの吐出量が少なくなる。圧縮機から吐出されるエアの量が少なくなれば、吐出ポート20c内の圧力が低下し、例えば、電気自動車の走行停止状態に対応した電動モータMのアイドリング回転速度(例えば、1000rpm)では、50〜60kPa程度となる。
【0027】
ここで、前記圧縮機は、電動モータMが常用回転速度で回転する状態で圧縮効率が高くなるように、各渦巻壁20b,24bの巻き数や形状等が設定されている。従って、この状態から電気自動車の走行速度が低下して電動モータMの回転速度が常用回転速度を下回れば、圧縮機(後述する過大圧縮の防止構成を有しない圧縮機)は過大圧縮の傾向となり、この過大圧縮の傾向は例えばアイドリング状態において最も顕著となる。特に、電気自動車は、その走行停止状態では、大きな騒音源の一つである走行用モータ(図示しない)も停止されており、圧縮機の過大圧縮に起因した騒音が目立ってしまう問題がある。
【0028】
よって、本実施形態の圧縮機には、電動モータMのアイドリング状態での過大圧縮を防止すべく、次のような構成が備えられている。
すなわち、前記可動スクロール部材24の可動基板24aにおいて、可動渦巻壁24bの立設側ではない背面(後面)には、環状のカバー24cが偏心軸17を取り囲むようにして接合固定されている。このカバー24cと可動基板24aとの接合により、両者24c,24a間に囲まれてチャンバ24dが形成されている。
【0029】
前記可動スクロール部材24には、チャンバ24dと、エア圧縮の途中にある二つの圧縮室26(以下、中間圧縮室26A,26Bとする)とを個別に連通する二つの連通孔24e,24fが、可動基板24aに貫通形成されている。可動スクロール部材24においてボス部24j内には、チャンバ24dと中心室34とを連通する一つの連通孔24gが設けられている。連通孔24gは、ボス部24jにおいて、固定クロール部材20の固定基板20aと対向する底壁24kの外面24mで、中心室34に対して開口されている。
【0030】
前記中心室34内において、ボス部24jの底壁24kには、その外面24mにおける連通孔24gの開口に対応して、リード弁よりなる開閉弁35が配設されている。つまり、開閉弁35は、中心室34内において、可動スクロール部材24の旋回によっても固定スクロール部材20の固定渦巻壁20bに干渉されることのない、ボス部24jの底壁24kと固定スクロール部材20の固定基板20aとの間に配設されている。開閉弁35は、チャンバ24dの圧力つまり中間圧縮室26A,26Bの圧力が、中心室34の圧力つまり吐出ポート20cの圧力より高い場合に開放されるようになっている。
【0031】
本実施形態では、前記連通孔24e,24f、チャンバ24d、連通孔24g、及び、中心室34によって、中間圧縮室26A,26Bと吐出ポート20cとを連通する連通路が構成されている。つまり、各中間圧縮室26A,26Bからそれぞれ延びる連通路(連通孔24e,24f)は、その途中(チャンバ24d)において合流して一つの連通路(連通孔24g、中心室34)となって、吐出ポート20cに到達されている。
【0032】
さて、前記中間圧縮室26A、26Bは、例えば、70kPa程度にエアが昇圧される圧縮途中の圧縮室26に設定されている。従って、電動モータMが、例えば、常用回転速度からアイドリング状態に移行して吐出ポート20c内の圧力が50〜60kPaに低下されると、開閉弁35が開放されて中間圧縮室26A,26Bが吐出ポート20cに直接接続(短絡)される。よって、スクロールの中心側に圧縮室26が到達するまで、言い換えれば圧縮室26内の圧力が吐出ポート20cの圧力(50〜60kPa)よりも遙かに高い圧力(130kPa)に上昇するまでエア圧縮が継続される、圧縮機の過大圧縮を防止することができる。
【0033】
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
(1)各中間圧縮室26A,26Bから延びる連通路が、その途中において合流して吐出ポート20cに到達されている。開閉弁35は、連通路において合流点(チャンバ24d)と吐出ポート20cとの間に配設されている。つまり、本実施形態の過大圧縮防止構成は、複数の中間圧縮室26A,26Bと吐出ポート20cとの間が、一つの開閉弁35で開閉可能となっている。従って、過大圧縮の防止を少ない部品点数で達成することが可能となる。また、開閉弁の数が一つとなることで、例えば複数の開閉弁を備える場合に問題となる、各開閉弁間の開放タイミングのずれに起因した振動騒音の発生を防止することができる。
【0034】
(2)開閉弁35は、固定スクロール部材20と可動スクロール部材24とで囲まれた空間内に配置されている。従って、例えば、基板の背面等、前記空間の外部に開閉弁を設けた場合に比較して、スクロール部材の小型化つまり圧縮機の小型化が容易になる。
【0035】
(3)開閉弁35は可動スクロール部材24に配設されている。ここで、例えば、固定スクロール部材に開閉弁を配設する場合、開閉弁の配置スペース等を考慮すると、固定基板が厚くなりがちとなる。特に、固定基板に冷却室を隣接させる構成では、固定基板が厚くなると冷却室と圧縮室との間の熱交換効率が悪化してしまう。しかし、可動スクロール部材24に開閉弁35を配設した本実施形態においては、固定基板20aを薄くすることが可能となり、熱交換効率を向上させる上で好適となる。
【0036】
(4)可動スクロール部材24を支持する偏心軸17は、可動基板24aから固定基板20a側へ飛び出すように配置されている。従って、この偏心軸17の飛び出し分だけ圧縮機を軸線方向へ小型化することができる。ここで、一般的に、偏心軸が可動基板から固定基板側へ飛び出す構成においては、可動スクロール部材の必要十分な支持と渦巻壁の高さとの関係上、偏心軸のボス部の底壁と、固定基板との間の領域がデッドスペースとなりがちである。従って、この領域に空間を確保し、そして固定基板20aと対向する底壁24kの外面24mに開閉弁35を配設する本実施形態においては、デッドスペースを有効利用することとなり、開閉弁を備えることでの圧縮機の大型化を防止することができる。
【0037】
(5)前記連通路は、圧縮機のハウジング内に設けられたチャンバ24d(言い換えれば大きな空間)において合流されている。従って、各中間圧縮室26A,26Bから延びる通路(24e,24f)のチャンバ24dに対するアプローチ、及び吐出ポート20cから延びる通路(34,24g)のチャンバ24dに対するアプローチの自由度が高くなる。これによれば、例えば、チャンバ(大きな空間)を設けることなく連通路を合流させる場合と比較して、連通路の取り回しのための設計が容易となる。
【0038】
(6)チャンバ24dは、可動基板24aの背面にカバー24cを接合固定する簡単な構造によって形成されている。また、各中間圧縮室26A,26Bは、可動基板24aに連通孔24e,24fを貫通形成する簡単な加工でチャンバ24dに連通されている。このような構成は、圧縮機に対する連通路の形成を容易とする。
【0039】
(7)チャンバ24dは、可動基板24aの背面において自転阻止機構31及びボス部24jを避けた状態で配置されている。これによれば、例えば可動基板の内部に中間圧縮室と中心室とを連通する通路を形成した形態に比べて、可動基板を薄くすることができる。また、チャンバ24dは、自転阻止機構31を収めるために確保された可動基板24aとこれに対向する後側ハウジング部材22の後壁との間のスペースを利用して設けられている。従って、チャンバ24dの設置に伴う圧縮機の軸線方向への大型化を抑制できる。
【0040】
(8)チャンバ24d、及び、連通孔24e,24f,24gは、固定スクロール部材20にではなく、可動スクロール部材24に設けられている。従って、冷却室を固定基板20aを介して圧縮室26に隣接させることが可能となり、熱交換効率を向上させる上で好適となる。
【0041】
なお、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で例えば以下の態様でも実施できる。○上記実施形態においては、開閉弁35としてリード弁を採用したが、例えば、ボール弁やフロート弁など、リード弁以外の開閉弁35を採用してもよい。図2は、開閉弁35にボール弁を採用した場合を示しており、この開閉弁35は、連通孔24gを開閉する弁体としてのボール40と、ボール40を閉弁方向に付勢するバネ41とからなっている。
【0042】
○上記実施形態において開閉弁35は、その前後に作用する圧力差を自身で感知しそして動作される、所謂内部自律弁であった。これを変更し、開閉弁35として電磁弁を用いる。中間圧縮室26A,26Bの圧力を検知する圧力センサ、及び吐出ポート20cの圧力を検知する圧力センサを備える。そして、圧力センサからの検出値に基づいて連通路を開閉するように、電磁弁を外部制御すること。
【0043】
○前記連通路や開閉弁(35等)は、可動スクロール部材24に設けられていなくてもよい。中間圧縮室と吐出ポートとを連通する連通路等を、固定スクロール部材に設けてもよい。
【0044】
○燃料電池用の電動スクロール型圧縮機の圧縮対象となるガスは、エアに限定されるものではなく、燃料電池FCの燃料となる水素であってもよい。
○燃料電池用に限らず、例えば車両空調装置用の冷媒圧縮機において本発明を具体化してもよい。
【0045】
上記実施形態から把握できる技術的思想について記載すると、請求項1〜7のいずれかに記載のスクロール型圧縮機は、電気自動車の燃料電池用であって、燃料電池に供給されるガスの圧縮を行うためのものである。
【0046】
【発明の効果】
上記構成の本発明によれば、過大圧縮の防止を少ない部品点数で達成可能なスクロール型圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】スクロール型圧縮機の概要を示す模式断面図。
【図2】別例の開閉弁を示す模式断面図。
【符号の説明】
11…スクロール型圧縮機のハウジングを構成する圧縮機構側ハウジング、12…同じくモータ側ハウジング、17…偏心軸、20…固定スクロール部材、20a…固定基板、20b…固定渦巻壁、20c…吐出ポート、24…可動スクロール部材、24a…可動基板、24b…可動渦巻壁、24c…カバー、24d…連通路の合流点としてのチャンバ、24e,24f,24g…連通路を構成する連通孔、24j…ボス部、24k…底壁、24m…外面、26…圧縮室、26A,26B…中間圧縮室、32…冷却室、34…連通路を構成する中心室、35…開閉弁。

Claims (7)

  1. ハウジング内に、固定基板及び固定渦巻壁からなる固定スクロール部材と、可動基板及び可動渦巻壁からなる可動スクロール部材とを、それらの渦巻壁において互いに噛み合わせた状態で配設して、両スクロール部材間に圧縮室を形成し、可動スクロール部材を固定スクロール部材に対して旋回させることで、圧縮室が容積を減少しつつ渦巻壁の中心側へ移動することでガスの圧縮を行うスクロール型圧縮機であって、
    前記固定基板及び可動基板の一方の中心部には、圧縮済みの冷媒ガスを圧縮機外部へと導き出すための吐出ポートが設けられ、圧縮途中にある複数の中間圧縮室はそれぞれ連通路を介して吐出ポートに接続されており、この連通路には中間圧縮室の圧力が吐出ポートの圧力よりも高い場合に開放される開閉弁が配設されてなるスクロール型圧縮機において、
    前記各中間圧縮室から延びる連通路はその途中において合流して吐出ポートに到達されており、前記開閉弁は、連通路において合流点を含むこの合流点と吐出ポートとの間に配設されていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
  2. 前記ハウジング内には、冷却液の供給を受ける冷却室が、固定基板を介して圧縮室に隣接して設けられている請求項1に記載のスクロール型圧縮機。
  3. 前記開閉弁は、固定スクロール部材と可動スクロール部材とで囲まれた空間内に配置されている請求項1又は2に記載のスクロール型圧縮機。
  4. 前記開閉弁は可動スクロール部材に配設されている請求項1〜3のいずれかに記載のスクロール型圧縮機。
  5. 前記可動スクロール部材の可動基板において可動渦巻壁側の中央部にはボス部が突設され、ボス部の挿入部内には可動スクロール部材を支持するための偏心軸が挿入され、挿入部における偏心軸の挿入側と反対側は、ボス部を構成する底壁によって閉塞されており、前記開閉弁は、固定基板と対向する底壁の外面に配設されている請求項4に記載のスクロール型圧縮機。
  6. 前記連通路は、ハウジング内に設けられたチャンバにおいて合流されている請求項1〜5のいずれかに記載のスクロール型圧縮機。
  7. 前記チャンバは、可動基板の背面とこの背面に接合固定されたカバーとによって囲まれて形成されており、各中間圧縮室とチャンバとは、可動基板に貫通形成された連通孔によってそれぞれ接続されている請求項6に記載のスクロール型圧縮機。
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