JP2005147024A - スクロール式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はスクロール式流体機械において、旋回スクロールを軸方向に移動させることなく、スクロール間の軸方向隙間を変更可能とすることを課題とする。
【解決手段】固定スクロール６のラップ部８先端の凹溝１２底部側１２Ａと鏡板７外表面とを連通する連通路１５、逆止弁１６、開閉弁１７、制御装置１８とからなる圧力変更手段を設ける。該圧力変更手段によりチップシール１４と凹溝１２間の圧力を開放または遮断することにより、チップシール１４を軸方向に移動させ、スクロール間の軸方向隙間を変更することにより圧縮室９内の残留圧縮空気を放出することができる。これにより、スクロール式流体機械としての信頼性、寿命を確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気圧縮機等に用いて好適なスクロール式流体機械に関する。

スクロール式流体機械として種々の構成のものが知られている。例えば特許文献１及び２に示されるスクロール式流体機械は、固定スクロールに対して旋回スクロールが旋回運動を行う間に吸込口から吸込んだ空気を圧縮室に封じ込め、該圧縮室を除々に縮小して圧力を高め、吐出口から吐出する構成となっている。

また、圧縮効率を高めるため、固定スクロールと旋回スクロールのラップ部歯先にチップシールを設け、該チップシールを定常運転時には圧縮室間の差圧を利用して浮上させるよう構成されている。このように、定常運転時は圧縮室内をしっかり遮断し圧縮効率を高めている。

さらに、起動時は圧縮機始動性を良くするため固定スクロールに対し旋回スクロールを軸方向に移動させて、各圧縮室間を連通させることにより、圧縮を殆ど行わないようにする構成が示されている。

特開平８−３０３３６８号公報

特開平６−６６２７０号公報

しかし、特許文献１および２に示されるものは、起動時、定常運転時の度に旋回スクロールを軸方向に移動させる構成としている。一般にスクロール式流体機械は、圧縮効率を高めるため固定スクロールと旋回スクロールとの径方向隙間を極微小に設定しているため、旋回スクロールの軸方向への度重なる移動に伴い旋回スクロールが径方向にずれると、固定スクロールと旋回スクロールのラップ部が接触し、破損してしまうという問題がある。よって、このような場合、径方向隙間を多少大きくとる必要があり、圧縮効率が低下するという問題があった。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、旋回スクロールを軸方向に移動させることなく、固定、旋回両スクロール間の軸方向隙間を変更可能なスクロール式流体機械を提供することにある。

上述した課題を解決するために本発明は、鏡板に渦巻状のラップ部が立設された一方のスクロールと、該一方のスクロールに対向して設けられ、該一方のスクロールのラップ部と重なり合って複数の圧縮室を画成する渦巻状のラップ部が鏡板に立設された他方のスクロールとを備え、該一方のスクロールと他方のスクロールとのラップ部のうち少なくとも一方のスクロールのラップ部には、該ラップ部の歯先に沿って延びる凹溝を形成し、該凹溝内には他方の前記鏡板に摺接するチップシールを装着してなるスクロール式流体機械において、前記一方のスクロールの前記凹溝の底部側と前記鏡板外表面とを連通する連通路を形成し、該連通路を介して前記チップシールと凹溝間の圧力を開放または遮断する圧力変更手段を設けたことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載のスクロール式流体機械において、前記一方のスクロールは固定スクロール、前記他方のスクロールは旋回スクロールとすることを特徴とする。

請求項１に記載の発明にあっては、チップシールと凹溝間の圧力を開放、または遮断することによりチップシールの位置を変化させ、両スクロール間の軸方向隙間を変更させることができるよう構成したので、スクロール自体を軸方向に移動させることにより生じるスクロールの径方向へのずれという問題がなく、アンロードまたは低圧縮運転が可能となり、高効率で信頼性の高いスクロール式流体機械とすることができる。

また、請求項２の発明にあっては、回転または旋回運動しない固定スクロールに圧力変更手段を設けたので、回転または旋回運動するスクロールに設けた場合と比して構成を簡易とすることができる。

以下、本発明の実施の形態によるスクロール式流体機械を、図１乃至図５に従って詳細に説明する。また、本発明の実施の形態では、スクロール式流体機械としてスクロール式空気圧縮機、特に固定スクロールと旋回スクロールとの組み合わせからなるスクロール式空気圧縮機を例に挙げて説明する。

図１に示すスクロール式空気圧縮機１００は、空気を圧縮する圧縮部１と、該圧縮部１を駆動する駆動部２より大略構成されている。駆動部２は、モーターケーシング２Ａとその内部に設けられた電動モータＭからなり、該モータＭの駆動軸Ｊは、モーターケーシング２Ａの図中右端から回転軸受Ｔを貫通し、圧縮部１に接続されている。また、駆動部２の下側部には油槽Ｙが設けられ、該油槽Ｙ内の油は、モータＭの駆動に伴い駆動部２内の潤滑が必要な箇所に供給されるように構成されている。

さらに、駆動部２の図中左側には駆動軸Ｊと連結され回動する冷却ファンＦが設けられ、これにより発生する冷却風を効率よく圧縮部１および駆動部２に供給するため、圧縮部１および駆動部２をダクトＤにより覆う構成としている。

次に、圧縮部１の構成について、詳述する。

３は、駆動軸Ｊの駆動により旋回運動する旋回スクロールで、該旋回スクロール３は円板状に形成された鏡板４と、該鏡板４の表面に立設された渦巻状のラップ部５とによって大略構成されている。また、旋回スクロール３の鏡板４には、その背面中央に位置して駆動軸Ｊの軸線とは異なり偏心した位置にあるボス部Ｂが突設され、該ボス部Ｂは、旋回軸受Ｓを介して駆動軸ＪのクランクＫに回転可能に取付けられている。

また、旋回スクロール３とモーターケーシング２Ａの右端との間には前記ボス部Ｂを中心に取囲むように３つの補助クランク（図示せず）が設けられ、該補助クランクは旋回スクロール３が自転するのを防止している。

６はモーターケーシング２Ａの右端に固定的に設けられた固定スクロールで、該固定スクロール６は、円板状に形成され中心が駆動軸Ｊの軸線と一致するように配設された鏡板７と、該鏡板７の表面に立設された渦巻状のラップ部８と、前記鏡板７の外周側からラップ部８を取囲むように軸方向に突出した筒部６Ａと、該筒部６Ａの開口端外周から径方向外側に突出してモーターケーシング２Ａの右端に当接して取付け部となるフランジ部６Ｂとにより構成されている。また、固定スクロール６の鏡板７の背面側には、上、下方向に延びる複数の放熱フィン７Ａ、７Ａ、・・・が立設されている。

固定スクロール６のラップ部８に対し旋回スクロール３のラップ部５は例えば１８０度だけずらして重なり合うように配設され、両者のラップ部５、８間には複数の圧縮室９、９・・・が画成される。そして、スクロール式空気圧縮機の運転時には、固定スクロール６の外周側に設けた吸込口（図示せず）から外周側の圧縮室９内に空気を吸込みつつ、この空気を旋回スクロール３が駆動軸Ｊによって旋回運動する間に各圧縮室９内で順次圧縮し、最後に中心側の圧縮室９から固定スクロール６の中心に設けた吐出口１０を介して外部に圧縮空気を吐出する。

また、旋回スクロール３および固定スクロール６には、図２、図３に示すようにそのラップ部５、８の歯先に沿って延びる凹溝１１、１２が形成され、該凹溝１１、１２内には後述するチップシール１３、１４が嵌入されている。

ここで、凹溝１１、１２、チップシール１３、１４、および凹溝１２の底面１２Ａ、右側面１２Ｃとからなる底部側と鏡板７の外表面とを連通する連通路１５、逆止弁１６、開閉弁１７、制御装置１８とからなる圧力変更手段について説明する。但し、凹溝１１、１２およびチップシール１３、１４は旋回スクロール３、固定スクロール６どちらにも同様の構成のものを採用しているので、本発明の実施の形態では、圧力変更手段を有する固定スクロール６の側のみについて図２、図３を用いて説明する。

１２は固定スクロール６のラップ部８の歯先８Ａ側に形成された凹溝を示し、該凹溝１２はラップ部８の幅方向中間部に位置して横断面が略コ字状をなすように形成されている。その底面１２Ａおよび左、右の側面１２Ｂ、１２Ｃはラップ部８の渦巻形状に沿ってその巻始め端から巻終わり端まで延びている。そして、該凹溝１２内にはチップシール１４が装着され、相手方となる旋回スクロール３の鏡板４との間をシールするようになっている。

１４は固定スクロール６のラップ部８の凹溝１２内に装着されたチップシールを示し、該チップシール１４は耐磨耗性や摺動性に優れた弾性樹脂材料、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等を用いて形成される。また、チップシール１４は横断面が四角形状をなす長尺のチップシールとして形成され、凹溝１２の長手方向に沿って渦巻状に伸長する。

チップシール１４は、凹溝１２の底面１２Ａと向かい合う受圧面としての下側面１４Ａと、該下側面１４Ａと上下方向で対向し鏡板４に摺接する上側面１４Ｂと、凹溝１２の側面１２Ｂ、１２Ｃに対面し渦巻状をなすチップシール１４の径方向内側、外側に位置する内側面１４Ｃ、外側面１４Ｄとから構成されている。そして、該チップシール１４は凹溝１２の底面１２Ａ、内側面１２Ｂ、外側面１２Ｃとわずかな隙間をもって挿入され、凹溝１２の底面１２Ａ上から相手方となる旋回スクロール３の鏡板４に向けて浮上可能となっている。

１４Ｅ、１４Ｅ、・・・はチップシール１４の下側面１４Ａに一体形成された底面側リップ部を示し、該各底面側リップ部１４Ｅは図２に示す如くチップシール１４の下側面１４Ａに、その長さ方向に沿って一定間隔の切込みをそれぞれ斜めに入れることにより、薄肉のリップ部として形成され、その先端側は自由端となっている。そして、該底面側リップ部１４Ｅはチップシール１４の最内周端から最外周端に亘るチップシール１４の全長にそれぞれ一定間隔をもって配設され、その先端側が凹溝１２の底面１２Ａとチップシール１４との間をシールし、チップシール１４が浮上した際にも高圧側（内側）から低圧側（外側）へ向けて凹溝１２を伝わり、圧縮空気が漏れることを防止している。

１４Ｆ、１４Ｆ、・・・はチップシール１４の内側面１４Ｄに一体形成された側面リップ部で、該側面リップ部１４Ｆは図２に示すようにチップシール１４の内側面１４Ｄに、その長さ方向に沿って一定間隔の切込みをそれぞれ斜めに入れることにより、薄肉のリップ部として形成され、その先端側は自由端となっている。

そして、該側面リップ部１４Ｆは、その先端側が凹溝１２の側面１２Ｃに弾性的に接触することにより、凹溝１２の側面１２Ｃとチップシール１４との間をシールする構成となっている。

１５は歯底面穴１５Ａ、ラップ部連通路１５Ｂとから構成される連通路で、該連通路１５は、チップシール１４の下側面１４Ａと凹溝１２の底面１２Ａとの間の圧力を鏡板７の外表面、本発明の実施の形態では背面を介して圧縮室９外に放出する構成となっている。１５Ａ、１５Ａ、・・・は、連通路１５の一端側の凹溝１２の底面１２Ａに設けられた歯底面穴を示し、該歯底面穴１５Ａは凹溝１２の底面１２Ａに、径方向一直線となるよう設けられている。歯底面穴１５Ａを径方向一直線に配したことにより、後述する逆止弁１６の機構を簡略化、小型化することができ、それにより鏡板７背面に形成される放熱フィン７Ａを形成することができる充分な面積を確保することができる。
１５Ｂ、１５Ｂ、・・・は前記歯底面穴１５Ａからドリル等で鏡板７背面側に抜けるよう設けられたラップ部連通路を示し、該ラップ部連通路の鏡板７背面側には定常運転時に圧縮室９内の圧縮空気の流通が無いよう逆止弁１６が設けられている。また、該逆止弁１６には集合配管１７Ａが接続され、該集合配管１７ＡはダクトＤ内に延びるよう配設され、その先端には開閉弁１７が設けられている。

ここで、逆止弁１６について図４、５を用いて詳述する。逆止弁１６は、逆止弁ケーシング１６Ａと弁板１６Ｂ、ボルト１６Ｃから大略構成され、固定スクロール６の鏡板７の背面中央に弁板１６Ｂを挟むように逆止弁ケーシング１６Ａを配設し、固定スクロール６の背面にボルト１６Ｃで固定している。また、逆止弁ケーシング１６Ａには吐出口１０を貫通する箇所及び集合配管１７Ａが接続される箇所に図示せぬＯリング等を用いてシールする構成となっている。

次に、弁機構としての逆止弁１６、開閉弁１７、制御装置１８の構成について説明する。

１６は、圧縮室９内の圧縮空気が逆止弁ケーシング１６Ａ内の圧力より高いときのみ、圧縮室９から逆止弁ケーシング１６Ａへの流出を許すよう構成された逆止弁で、該逆止弁１６はラップ部連通路１５Ｂの鏡板７背面と同一平面上にあるラップ部連通路穴１５Ｂ１を弁板１６Ｂの弁部１６Ｂ１により定常運転時は塞ぐよう構成されている。

１７は、ダクトＤ内の前記集合配管１５Ｄに設けられ、ケーシング１５Ｃ１内の圧縮空気を放出または遮断する開閉弁で、該開閉弁１７は、制御装置１８からの信号により開閉し、連通路１５内の圧力を保持、または大気開放するよう構成されている。１８は、スクロール式空気圧縮機の運転開始、停止の信号を受信し、開閉弁１７に開閉信号を出力する制御装置を示す。

本発明の実施の形態によるスクロール式空気圧縮機は上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

まず、圧縮空気生成時のスクロール空気圧縮機の作動について説明する。電動モータＭにより駆動軸Ｊを回転させ、旋回スクロール３を旋回運動させると、固定スクロール６のラップ部８と旋回スクロール３のラップ部５との間に画成された圧縮室９、９、・・・が連続的に縮小する。これにより、固定スクロール６の図示せぬ吸込口から吸込んだ外気を各圧縮室９で順次圧縮しつつ、この圧縮空気を固定スクロール６の吐出口１０から外部の空気タンク（図示せず）等に貯留させる。

次にチップシール１４の作動について説明する。圧縮運転が開始されると、ラップ部８の凹溝１２内には高圧側の圧縮室９から圧縮空気の一部が侵入し、固定スクロール６側のチップシール１４は、受圧面となる下側面１４Ａでこの圧縮空気の圧力を受圧することにより、旋回スクロール３の鏡板４に摺接するように、凹溝１２内から浮上（フローティング）し、ラップ部８を介して隣合う各圧縮室９間を気密にシールする。また、旋回スクロール３側のチップシール１３についても同様である。

そして、チップシール１４に形成した各底面側リップ部１４Ｅと側面リップ部１４Ｆは、圧縮空気の圧力の高い中心部から圧力の低い外周側に向けて凹溝１２内に侵入した圧縮空気により拡開する。各底面側リップ部１４Ｅと側面リップ部１４Ｆの先端側が凹溝１２の底面１２Ａと側面１２Ｃにそれぞれ摺接することによって、凹溝１２の底面１２Ａ、側面１２Ｃとチップシール１４との間に周方向に連通して形成される隙間を遮断し、この隙間を伝って高圧側の圧縮室９から低圧側の圧縮室９に向け圧縮空気が外周側へと漏れるのを防止する。

次に、スクロール式空気圧縮機が停止するときの作動について説明する。ここでまず、スクロール式空気圧縮機が停止したときの問題点を挙げる。スクロール式空気圧縮機は停止した直後、圧縮室９中心部の残存圧力により逆回転し、図示せぬ吸込口より異音が発生する。また、逆回転している間にスクロール式空気圧縮機の運転が再開されると、過大な慣性力がかかり、電動モータＭの負担が大となるという問題点がある。そこで、本発明の実施の形態では、圧力変更手段によりチップシール１４を凹溝１２内で軸方向に移動させることによりスクロール空気圧縮機が停止した際の圧縮室９内部の残存圧力を圧縮室９外部に放出し、このような逆回転を防止するものである。

以下、圧力変更手段としての連通路１５、開閉弁１７、制御装置１８を用いてチップシール１４を移動させ、圧縮室９内の残存圧縮空気をダクトＤ内、つまりは大気に開放する作動について説明する。

圧縮運転を停止すると、停止信号が制御装置１８に伝達され、該制御装置１８は開閉弁１７を閉から開の状態に切り替え、連通路１５の一端を大気開放する。チップシール１４は、圧縮運転停止直後、凹溝１２内で圧縮室９間の差圧により浮上した状態であるが、開閉弁１７を開状態とすると、逆止弁ケーシング１６Ａ内の圧力が大気圧になるため、チップシール１４下側面１４Ａと凹溝１２間の圧力、つまりは圧縮室９内の圧縮空気をラップ部連通路１５Ｂを介して放出しようとする。そのため、弁板１６Ｂのラップ部連通路穴１５Ｂ１と対向する各弁部１６Ｂはたわみ、圧縮室９内の圧縮空気を放出する。その後、チップシール１４に形成した底面側リップ部１４Ｅと側面側リップ部１４Ｆと凹溝１２間の圧力差が除々に無くなり、チップシール１４の上側面１４Ｂと鏡板４との間に隙間ができるようになるまで、チップシール１４は移動する。チップシール１４の上側面１４Ｂと旋回スクロール３の鏡板４との間に隙間ができると、圧力の高い内周側の圧縮室９と圧力の低い外周側の圧縮室９とが連通し、圧縮室９内の圧力は次第に大気に近い圧力になる。

その後、圧縮運転を開始すると、開始信号が制御装置１８に伝達され、該制御装置１８は開閉弁１７を開から閉の状態に切り替える。これにより、圧縮運転が開始されると、ラップ部８の凹溝１２内には高圧側の圧縮室９から圧縮空気の一部が侵入し、チップシール１４は受圧面となる下側面１４Ａでこの圧縮空気の圧力を受圧することにより、旋回スクロール３の鏡板４に摺接するように凹溝１２内から浮上し、ラップ部８を介して隣合う各圧縮室９間を気密にシールする。

また、逆止弁ケーシング１６Ａ内の圧力は、最内周側の圧縮室９と同圧になるため、各弁部１６Ｂ１はラップ部連通路穴１５Ｂ１と密着することにより、逆止弁ケーシング１６Ａを介して圧縮室９間を圧縮空気が移動することを防止することができる。

かくして、本発明の実施の形態によれば、従来のように旋回スクロールを軸方向に移動させて軸方向隙間を変更する構成ではなく、チップシール１４を軸方向に移動させて軸方向隙間を変更する構成としたので、旋回スクロールを軸方向に移動させることにより生じる径方向のずれという問題を生じることなく、アンロードまたは低圧縮運転が可能となり、高効率で信頼性の高い、長寿命なスクロール式空気圧縮機とすることができる。

また、本発明の実施の形態では、回転または旋回運動しない固定スクロール６側に圧力変更手段としての連通路１５、弁機構（逆止弁１６、開閉弁１７、制御装置１８）を構成したので、構成を簡素化することができ、スクロール式空気圧縮機を大型化させることなく構成することができる。

また、圧縮室９内の残存圧縮空気を比較的短時間で放出することができるため、逆回転による異音や再起動する際、電動モータに過大な負担が掛かる状態を低減させることができ、超簡潔運転にも対応可能なスクロール式空気圧縮機とすることができる。

尚、本発明の実施の形態では、図１に示すスクロール式空気圧縮機の構成について簡略して説明したが、同構成のスクロール式空気圧縮機の詳細な構成、動作については、先に出願した特開２００２−２７６５７１号に開示されている。

また、本発明の実施の形態では、駆動部のみを油潤滑するスクロール式空気圧縮機を示し説明したが、これに限らず圧縮部も油潤滑する油式のスクロール式空気圧縮機やオイルフリーのスクロール式空気圧縮機に適用してもよい。

また、本発明の実施の形態では、スクロール式空気圧縮機を示し説明したが、これに限らず冷媒圧縮機等に適用してもよい。

また、本発明の実施の形態では、固定スクロールと旋回スクロールとからなる一般的なスクロール式空気圧縮機を示し説明したが、これに限らず、例えば特開平７−１０３１５１号公報に記載の如く、旋回スクロールの両面にラップ部を有するスクロール式流体機械に適用してもよい。また、例えば特開昭５４−５９６０８号公報に記載の如く、前段圧縮部と後段圧縮部との間に中間経路を備えた多段スクロール式流体機械に適用してもよい。さらに、例えば特開昭６３−８００８９号公報、特開平３−１４５５８８号公報等に記載された全系回転式スクロール式流体機械に適用してもよい。

また、本発明の実施の形態では、歯底面穴１５Ａを圧縮室毎に形成されるよう設けたが、それに限らず、中心部のみ等にのみ設けてもよい。さらに、凹溝１２の底面１２Ａに歯底面穴１５Ａを設けたがそれに限らず、底部側、例えば凹溝１２の底面１２Ａと側面１２Ｃにかかえるように歯底面穴を設けてもよい。

また、本発明の実施の形態では、連通路１５の一端をダクト内に開放するよう構成したがこれに限らず、例えば、固定スクロール６の鏡板７内に集合配管１５Ｃを構成し、固定スクロール６の筒部６Ａを介して大気に開放してもよい。

また、本発明の実施の形態では、圧縮室内の圧力値を低減させるために大気に開放したがこれに限らず、さらに短時間で圧縮室９内の圧力値を低減させる場合には、真空ポンプ等用いてもよい。

本発明の実施の形態によるスクロール式空気圧縮機の横断面図である。 図１中の固定スクロールラップ部、チップシールを示す斜視図である。 図１中の固定スクロールラップ部先端を拡大した断面図である。 固定スクロールの背面の一部を示す図である。 弁板１５Ｃ２を示す図である。

符号の説明

３ 旋回スクロール
６ 固定スクロール
４、７ 鏡板
５、８ ラップ部
９ 圧縮室
１１、１２ 凹溝
１３、１４ チップシール
１５ 連通路
１６ 逆止弁
１７ 開閉弁
１８ 制御装置

Claims (2)

1. 鏡板に渦巻状のラップ部が立設された一方のスクロールと、
   該一方のスクロールに対向して設けられ、該一方のスクロールのラップ部と重なり合って複数の圧縮室を画成する渦巻状のラップ部が鏡板に立設された他方のスクロールとを備え、
   該一方のスクロールと他方のスクロールとのラップ部のうち少なくとも一方のスクロールのラップ部には、該ラップ部の歯先に沿って延びる凹溝を形成し、該凹溝内には他方の前記鏡板に摺接するチップシールを装着してなるスクロール式流体機械において、
   前記一方のスクロールの前記凹溝の底部側と前記鏡板外表面とを連通する連通路を形成し、
   該連通路を介して前記チップシールと凹溝間の圧力を開放または遮断する圧力変更手段を設けたことを特徴とするスクロール式流体機械。
2. 前記一方のスクロールは固定スクロール、前記他方のスクロールは旋回スクロールとすることを特徴とする請求項１に記載のスクロール式流体機械。
   

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