JP2006316636A - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 中心点に対して対称となる通常のスクロールの組合せをベースとして、吐出脈動の低減を可能とするスクロール型流体機械を提供する。
【解決手段】 固定スクロール１２０に対する可動スクロール１３０の旋回作動により、非圧縮性流体を昇圧吐出するスクロール型流体機械において、両スクロール１２０、１３０の巻き終わり位置θｅｎｄが、スクロール伸開角θで９００ｄｅｇ以上の位置となるようにする。また、両スクロール１２０、１３０の巻き始め位置θｓｔａｒｔは、巻き終わり位置θｅｎｄから−（５４０＋所定値α）ｄｅｇの位置となるようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えばランキンサイクル中の液冷媒を加熱器側に圧送する冷媒ポンプに用いて好適なスクロール型流体機械に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、固定スクロールの巻き数をＮとした時に、可動スクロールの巻き数をＮ−１として、固定スクロールの巻き始め端と、可動スクロールの巻き始め端とが揃えられたスクロール型流体機械（スクロールポンプ）が知られており、上記構成により、両スクロールによって形成される第１作動室と第２作動室とによる吐出工程および吸入工程のタイミングを１８０度ずらして、スクロールポンプ全体として吐出圧力の脈動を低減するようにしている。
特開平５−７９４６２号公報

しかしながら、上記スクロールポンプにおいては、両スクロールは中心点に対して非対称となるため、スクロールの径方向の一方側と他方側とで圧力バランスが取りづらく、可動スクロールの自転、公転作動が不安定となり、容積効率の悪化やスクロール同士の接触音の発生等を伴うおそれがある。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、中心点に対して対称となる通常のスクロールの組合せをベースとして、吐出脈動の低減を可能とするスクロール型流体機械を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、固定スクロール（１２０）に対する可動スクロール（１３０）の旋回作動により、非圧縮性流体を昇圧吐出するスクロール型流体機械において、両スクロール（１２０、１３０）の巻き終わり位置（θｅｎｄ）が、スクロール伸開角（θ）で９００ｄｅｇ以上の位置となるようにしたことを特徴としている。

本発明者らは、種々のテスト確認により非圧縮性流体を扱う流体機械における吐出脈動は、流体機械作動時の作動室（Ｖ）の容積変化率に相関するものであって、この容積変化率を小さくすることで吐出脈動を低減できることを見出した。よって、スクロール型の流体機械においては、スクロール伸開角（θ）を大きくする（９００ｄｅｇ以上とする）ことで容積変化率を小さくすることができ、吐出脈動を低減することができる。

請求項２に記載の発明では、両スクロール（１２０、１３０）の巻き始め位置（θｓｔａｒｔ）は、巻き終わり位置（θｅｎｄ）から−（５４０＋所定値α）ｄｅｇの位置となるようにしたことを特徴としている。

これにより、巻き始めの位置（θｓｔａｒｔ）を巻き終わり位置（θｅｎｄ）から−５４０ｄｅｇとすることで、両スクロール（１２０、１３０）間に作動室（Ｖ）を過不足なく形成することができる。ここで、実際のスクロール型流体機械の作動においては、両スクロール（１２０、１３０）間での流体の漏れが避けきれないことから、更に巻き始め位置（θｓｔａｒｔ）を所定値α分だけ過圧縮側にすることで、上記洩れ分を補うことができる。

そして所定値αは、求項３に記載の発明のように、５〜４０ｄｅｇとするのが良い。

請求項４に記載の発明では、非圧縮性流体は、可動スクロール（１３０）の外周側（１１１ａ）から流入し、固定スクロール（１２０）の中央部（１２１ａ）から昇圧吐出されることを特徴としている。

これにより、可動スクロール（１３０）を内部に収容する収容部材（１１１）と、可動スクロール（１３０）駆動用の駆動部材（１４０）との間をシールするシール部材（１４５）に対して、低圧雰囲気とすることができるので、シール部材（１４５）の信頼性を向上させることができる。

上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明のスクロール型流体機械をランキンサイクル１０内の液冷媒（本発明における非圧縮性流体に対応）を圧送する冷媒ポンプ１００に適用したものとしている。以下、図１〜図４を用いて冷媒ポンプ１００の基本構成について説明する。尚、図１はランキンサイクル１０を示す模式図、図２は冷媒ポンプ１００を示す断面図、図３は図２のＡ−Ａ部を示す断面図、図４はインボリュート曲線における伸開角θを示す説明図である。

ランキンサイクル１０は、図１に示すように、冷媒ポンプ１００、加熱器１１、膨張機１２、凝縮器１３が環状に接続されたものであり、冷媒ポンプ１００から加熱器１１に液冷媒を送り、例えば車両用内燃機関（エンジン）の廃熱によって液冷媒を加熱して過熱蒸気冷媒として膨張機１２に流入させ、膨張機１２において過熱蒸気冷媒の膨張によって得られる機械的エネルギーを回収するものである。尚、凝縮器１３は膨張機１２から流出される過熱蒸気冷媒の熱を外部に放出（放熱）することで過熱蒸気冷媒を凝縮液化して、液冷媒を冷媒ポンプ１００に戻す放熱器である。

本実施形態における冷媒ポンプ１００は、図２に示すように、固定スクロール１２０および可動スクロール１３０が用いられたものであって、可動スクロール１３０が図示しない外部モータによって駆動される電動式のスクロール型冷媒ポンプとしている。

固定スクロール１２０は、フロントハウジング１１１とリアハウジング１１２とに挟まれて固定されており、板状の基板部１２１および基板部１２１から後述する可動スクロール１３０側に突出した渦巻状のスクロール部（歯部）１２２を有して構成されている。基板部１２１の中心部には吐出ポート１２１ａが穿設されており、この吐出ポート１２１ａはリアハウジング１１２と基板部１２１との間に形成される吐出室１１２ａに連通している。尚、リアハウジング１１２の中央部には吐出室１１２ａと連通するように吐出孔１１２ｂが穿設されており、この吐出孔１１２ｂは加熱器１１の流入側に接続されるようになっている。

一方、可動スクロール１３０は、上記スクロール部１２２に接触して噛み合う渦巻状のスクロール部（歯部）１３２、およびこのスクロール部１３２が形成された基板部１３１を有して構成されており、両スクロール部１２２、１３２が接触した状態で可動スクロール１３０が旋回することにより、両スクロール１２０、１３０により形成される作動室Ｖの位置が外周側から中心側に移動するようになっている。尚、中心側となる作動室Ｖは、吐出ポート１２１ａに連通するようになっている。また、フロントハウジング１１１の側壁には、可動スクロール１３０の外周側に連通する吸入ポート１１１ａが穿設されており、この吸入ポート１１１ａは凝縮器１３の流出側に接続されるようになっている。

ポンプ軸１４０は、フロントハウジング１１１に固定されたメイン軸受け１４３によって回転可能に支持されて、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心して設けられた偏心部１４１を有するクランクシャフトとなっている。この偏心部１４１には、偏心部１４１に対して揺動可能に装着されたブッシング１４１ａが設けられており（従動クランク機構）、このブッシング１４１ａが軸受け１４４を介して可動スクロール１３０の反スクロール部側に連結されている。また、ポンプ軸１４０の反偏心部側は、図示しない外部モータからの駆動力が伝達される小径の駆動側部１４２となっており、軸シール１４５によってフロントハウジング１１１との間がシールされている。尚、軸シール１４５は、フロントハウジング１１１内において、吸入ポート１１１ａから流入される低圧冷媒（昇圧前の冷媒）の雰囲気に晒される形となっている。

フロントハウジング１１１と可動スクロール１３０の基板部１３１との間には、自転防止ピン１５０が設けられている。自転防止ピン１５０は、ポンプ軸１４０が１回転する間に可動スクロール１３０の自転を防止しつつ、可動スクロール１３０をポンプ軸１４０の回転中心周りに公転旋回させるものである。

そして、本実施形態では両スクロール１２０、１３０のスクロール部１２２、１３２の形状に特徴を持たせており、その詳細について以下説明する。両スクロール部１２２、１３２は、図３、図４に示すように、基礎円上の一点を起点Ｋとするインボリュート曲線から成るものであって、基礎円の中心Ｏに対して点対称となるように同一形状で配置されている。各スクロール部１２１、１３１は同一の形状であるので、可動スクロール１３０側のスクロール部１３２を代表として更に説明する。

まず、インボリュート曲線の大きさ（任意の位置Ｎにおける大きさ）は、インボリュート曲線の起点Ｋと基礎円の中心Ｏとを結ぶ線分を原線ＯＫとした時に、任意の位置Ｎから基礎円へ引かれる接線（伸開線）の接点Ｓおよび中心Ｏを結ぶ線分ＯＳと、上記原線ＯＫとの成す角度、即ち伸開角θで表される。

上記基礎円の起点Ｋ（伸開角θ＝０ｄｅｇの位置）から形成が開始されるインボリュート曲線の終点は、伸開角θｅｎｄとして９００ｄｅｇ以上となる位置としている。このインボリュート曲線の終点位置をスクロール部１３２としての巻き終わり位置（伸開角θｅｎｄの位置）としている。そして、スクロール部１３２としての巻き始めの位置（伸開角θｓｔａｒｔの位置）を、所定の昇圧分（ここでは１．４〜１．８ＭＰａ）を確保するために、巻き終わり位置から起点Ｋ側に（５４０＋α）ｄｅｇ戻った位置（伸開角θｓｔａｒｔ＝伸開角θｅｎｄ−（５４０＋α））としている。上記αは作動室Ｖにおけるポンプ過圧縮範囲を形成するものであって、５〜４０ｄｅｇとしている。スクロール部１３２としては、略１．５巻きのスクロールとなる。

次に、上記構成による冷媒ポンプ１００の作動およびその作用効果について説明する。凝縮器１３から流出される液冷媒は、冷媒ポンプ１００の吸入ポート１１１ａから作動室Ｖに流入する。作動室Ｖに流入した液冷媒は、可動スクロール１３０の公転旋回によって、順次外周側から中心側に送られ昇圧されて、吐出ポート１２１ａ、吐出室１１２ａを経て吐出孔１１２ｂから吐出されて、加熱器１１に至る。

ここで、従来このようなポンプにおいては、冷媒吐出時に脈動が生じ（吐出脈動）、騒音の原因となっていた。本実施形態においては、両スクロール部１２２、１３２の伸開角θを大きくする（９００ｄｅｇ以上とする）ことで、作動室Ｖの容積変化率を小さくして、吐出脈動の低減を可能としている。これは、本発明者らが得た以下の知見によるものである。

即ち、図５に示すように、従来技術における種々のポンプ（プランジャ型、スクロール型等のポンプ）における吐出脈動幅に対するシステム騒音への影響を把握したところ、吐出脈動幅が大きいほど、聴感上不快感を感じるようになったが、吐出脈動幅が０．３ＭＰａ以下であればほぼ問題にならないことが解った。

また、この吐出脈動幅とポンプ作動室（Ｖ）の容積変化率（ｃｃ／ｄｅｇ：シャフトが１ｄｅｇ回転したときの容積変化量）について相関関係を調査した結果、吐出脈動幅の増加に対して、ポンプ作動室の容積変化率も１次直線的に増加していくことが解った。そこで、吐出脈動幅の小さなポンプを設計するためには、仮に吐出脈動幅０．６ＭＰａ時の容積変化率を１とした場合に、容積変化率が約０．５程度以下となるようにすれば良いことをつきとめた。

本実施形態のスクロール型冷媒ポンプ１００において、この容積変化率を小さくするためには、各種計算や作図等から検討した結果、スクロール部１２２、１３２の巻き終わり位置を決める伸開角θｅｎｄに注目して設計することが最も有効であることを導きだした。つまり、図６に示すように、スクロール部１２２、１３２の伸開角θを大きくするほど、容積変化率は小さくなることが解り、伸開角θが約９００ｄｅｇで容積効率は０．５となり、伸開角θを９００ｄｅｇ以上確保すれば良いということになる。

以上のように、ランキンサイクル１０に用いる冷媒ポンプ１００として、基礎円の中心に対して対称となる通常のスクロールの組合せをベースとして、必要昇圧量（１．４〜１．８ＭＰａ）を確保しつつ、吐出脈動の低減を可能とし、静粛性の高いものにすることができる。

また、スクロール部１２２、１３２の巻き始め位置（伸開角θｓｔａｒｔ）を巻き終わり位置から（５４０＋α）ｄｅｇ戻った位置としている。巻き始め位置（伸開角θｓｔａｒｔ）を巻き終わり位置から５４０ｄｅｇ戻った位置とすることで、両スクロール１２０、１３０間に作動室Ｖを過不足なく形成することができる。ここで、実際の冷媒ポンプ１００の作動においては、両スクロール１２０、１３０間での流体の漏れが避けきれないことから、更に巻き始め位置（伸開角θｓｔａｒｔ）を所定値α分だけ過圧縮側にすることで、上記洩れ分を補うことができる。

また、液冷媒は可動スクロール１３０の外周側（吸入ポート１１１ａ）から流入し、固定スクロール１２０の中央部（吐出ポート１２１ａ）から昇圧吐出されるようにしているので、可動スクロール１３０を内部に収容するフロントハウジング１１１と、可動スクロール１３０駆動用のポンプ軸１４０（駆動側部１４２）との間をシールする軸シール１４５に対して、低圧雰囲気とすることができるので、軸シール１４５の信頼性を向上させることができる。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、液冷媒の吸入側を可動スクロール１３０の外周側、吐出側を固定スクロール１２０の中央部としたが、扱う流体が非圧縮流体であることから、ポンプ軸１４０の回転方向を逆にして使用しても良い。つまり、図２中の吐出ポート１２１ａを吸入ポートし、吸入ポート１１１ａを吐出ポートとしても同様な効果が得られる。

またポンプ軸１４０の駆動源は、外部モータに限らず、ポンプ軸１４０にプーリ等を取り付け、例えば車両用内燃機関（エンジン）を駆動源として駆動するようにしても良い。

また、本スクロール型流体機械は、ランキンサイクル１０内の液冷媒に限らず、他の非圧縮性流体を取り扱うものとして広く適用することができる。

ランキンサイクルを示す模式図である。 冷媒ポンプを示す断面図である。 図２のＡ−Ａ部を示す断面図である。 インボリュート曲線における伸開角θを示す説明図である。 吐出脈動幅に対する騒音レベル、および作動室の容積変化率を示すグラフである。 スクロール伸開角θに対する容積変化率を示すグラフである。

符号の説明

１００ 冷媒ポンプ（スクロール型流体機械）
１１１ａ 吸入ポート（外周側）
１２０ 固定スクロール
１２１ａ 吐出ポート（中央部）
１３０ 可動スクロール

Claims (4)

1. 固定スクロール（１２０）に対する可動スクロール（１３０）の旋回作動により、非圧縮性流体を昇圧吐出するスクロール型流体機械において、
   前記両スクロール（１２０、１３０）の巻き終わり位置（θｅｎｄ）が、スクロール伸開角（θ）で９００ｄｅｇ以上の位置となるようにしたことを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記両スクロール（１２０、１３０）の巻き始め位置（θｓｔａｒｔ）は、前記巻き終わり位置（θｅｎｄ）から−（５４０＋所定値α）ｄｅｇの位置となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記所定値αは、５〜４０ｄｅｇとしたことを特徴とする請求項２に記載のスクロール型流体機械。
4. 前記非圧縮性流体は、前記可動スクロール（１３０）の外周側（１１１ａ）から流入し、前記固定スクロール（１２０）の中央部（１２１ａ）から昇圧吐出されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。

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