JP2007198213A - 流体圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ルーツ式の流体圧縮機であって、ロータを駆動する軸の外周面におけるシール室内に残留する水分を、少なくすることができる流体圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】ルーツ式の圧縮機１０は、ロータ２２および２３を駆動する駆動軸２０および従動軸２１と、駆動軸２０および従動軸２１の外周面におけるシール室３２ａおよび３３ａとを備え、さらに、このシール室３２ａおよび３３ａと、作動室１８の吸入圧領域１８ｃとを連通する連通孔３５および３６を備える。シール室３２ａに溜まった水分は、連通孔３５および３６を経由して吸入圧領域１８ｃへと排出される。
【選択図】図３

Description

この発明は、流体圧縮機に関する。

流体圧縮機の一形式として、ルーツ式のものが公知である。これは、ハウジング内の作動室で相互に係合する一対のロータを備え、この一対のロータが同期して互いに逆方向に回転することにより、ガスを吸入口より吸入し、吐出口より吐出するものである。
このような流体圧縮機の例は、特許文献１に示される。

特開昭６１−１１２７９２号公報

この種の圧縮機が扱う流体に水分が含まれていると、作動室内の流体が軸の外周を伝わってシール室に浸入し、ロータを駆動する軸の外周面におけるシール室に水分が結露して残留しやすい。例えば、燃料電池に水素を供給する水素ポンプとして使用される圧縮機では、スタックにおいて生成された水分が流体に含まれることが多い。このような圧縮機が低温の環境に置かれると、圧縮機が停止している間に、水分がシール室において凍結し、氷となる。

上述のような従来の流体圧縮機では、圧縮機の起動時に、シール室に残留し凍結した氷が抵抗となり、これに打ち勝つために大きなモータトルクが必要になるという問題があった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、シール室内に残留する水分を少なくし、圧縮機の起動時に必要なモータトルクを低減することができる流体圧縮機を提供することを目的とする。

上述の問題点を解決するため、この発明に係る流体圧縮機は、外部と連通する吸入口および吐出口を有する作動室と、作動室の外部と内部とに延在され、互いに逆方向に回転する一対の軸と、作動室の内部に配置され、一対の軸によって駆動され、互いに係合しつつ回転する一対のロータと、一対の軸の外周面を取り巻いて設けられ、作動室の外部と内部とをシールするシール部材と、シール部材を収容する空間であるシール室とを備え、吸入口から作動室に流入する流体を、一対のロータの回転によって搬送し、吐出口から吐出する流体圧縮機において、作動室は、一対のロータの回転に応じて変動する吸入圧領域であって、吸入口と連通する領域である吸入圧領域を有し、流体圧縮機は、シール室と吸入圧領域とを連通する、吸入側の連通孔を有する。
この流体圧縮機においては、シール室と作動室の吸入圧領域とが連通孔によって連通するので、シール室に溜まった水分が連通孔を経由して吸入圧領域へと排出される。

作動室は、さらに、一対のロータの回転に応じて変動する吐出圧領域であって、吐出口と連通する領域である吐出圧領域を有し、流体圧縮機は、シール室と吐出圧領域とを連通する、吐出側の連通孔を有してもよい。
吸入側の連通孔および吐出側の連通孔は、それぞれ、一対のロータの回転に対応して、作動室に連通する期間と、作動室に連通しない期間とを有し、吸入側の連通孔が作動室に連通する期間と、吐出側の連通孔が作動室に連通する期間とは、互いに重ならないものであってもよい。
作動室は、ロータのそれぞれの回転軸方向の両端に対向する軸方向内面を有し、ロータのそれぞれの両端は、軸方向内面と対向する位置に、基部と、基部より軸方向内面に向かうにつれ、ロータの径方向内側に向かうように張り出した段差部とを有してもよい。
段差部は、縁部およびテーパ面からなり、縁部はテーパ面をもって基部たる平面部に接続されてもよい。
作動室は、ロータのそれぞれの回転軸方向の両端に対する軸方向内面を有し、軸方向内面には複数のくぼみが形成されてもよい。
軸方向内面の法線方向から見て、くぼみの径は段差部の幅よりも小さいものであってもよい。

この発明によれば、流体圧縮機は、シール室と作動室の吸入圧領域とを連通する連通孔を備えるので、シール室に溜まった水分を吸入圧領域へと排出し、シール室内に残留する水分を少なくし、圧縮機の起動時に必要なモータトルクを低減することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施形態の流体圧縮機は燃料電池のスタックへ水素ガスを供給するための水素ポンプであり、圧縮機の形式としては電動式のルーツ式圧縮機である。このルーツ型圧縮機が取り扱うガスは水素を含む。また、ガスにはスタック内の反応によって生じた水分が含まれる。

図１に示すように、ルーツ式の流体圧縮機である圧縮機１０は、圧縮機１０の外殻であるハウジング１１を備えている。
ハウジング１１内には、電動モータ１９と、電動モータ１９により駆動され回転する駆動軸２０と、駆動軸２０に同期して回転する従動軸２１と、駆動軸２０の回転を従動軸２１に伝達する駆動側ギヤ２６および従動側ギヤ２７と、駆動軸２０に同軸に取り付けられて一体的に回転するロータ２２と、従動軸２１に同軸に取り付けられて一体的に回転するロータ２３と、駆動軸２０を軸支する第１ラジアル軸受２８および第２ラジアル軸受２９と、従動軸２１を軸支する第３ラジアル軸受３０と、駆動軸２０の外周に取り付けられるリップシールである軸シール部材３１および３２と、従動軸２１の外周に取り付けられるリップシールである軸シール部材３３とが収容されている。
ここで、駆動軸２０に関してロータ２２側を圧縮機１０の前面側とし、電動モータ１９側を圧縮機１０の後面側とする。

ハウジング１１は、軸方向に配置される４つのハウジング体を含む。すなわち、前面側から順に、モータハウジング体１２、ギヤハウジング体１３、中間ハウジング体１４、およびロータハウジング体１５である。
モータハウジング体１２とギヤハウジング体１３とが画定する空間がモータ室１６であり、ここに電動モータ１９が収容される。ギヤハウジング体１３と中間ハウジング体１４とが画定する空間がギヤ室１７であり、ここに駆動側ギヤ２６および従動側ギヤ２７が収容される。中間ハウジング体１４とロータハウジング体１５とが画定する空間が作動室１８であり、ここにロータ２２および２３が収容される。

駆動軸２０の後面側軸端は、図１に示すように、駆動側軸受としての上述の第１ラジアル軸受２８によりハウジング１１に軸支されている。
駆動軸２０は、中間ハウジング体１４に備えられた別の駆動側軸受としての上述の第２ラジアル軸受２９によりさらに軸支されている。駆動軸２０においてロータ２２と電動モータ１９との間に駆動側ギヤ２６が配置されている。

駆動軸２０の外周に接して、作動室１８からのガスの漏洩、あるいはギヤ室１７からの潤滑油の漏洩を防止するための、上述の軸シール部材３１および３２が備えられている。軸シール部材３１は、ギヤハウジング体１３においてモータ室１６とギヤ室１７との間に備えられ、これらの間の潤滑油の漏洩を防止する。軸シール部材３２は、中間ハウジング体１４においてギヤ室１７と作動室１８との間に備えられ、これらの間のガスの漏洩を防止する。
一方、従動軸２１は、ギヤ室１７から作動室１８に至るように、駆動軸２０に対して平行に配置されている。

従動軸２１のギヤ側（後面側）軸端には上述の従動側ギヤ２７が取り付けられている。従動側ギヤ２７と駆動側ギヤ２６が噛みあうことによって、駆動軸２０の回転が従動軸２１に伝達される。すなわち、駆動側ギヤ２６および従動側ギヤ２７は、従動軸２１を駆動軸２０の回転方向と反対方向へ同期回転させる機能を有する。

従動軸２１は、ロータ２３と従動側ギヤ２７との間に設けられた従動側軸受としての上述の第３ラジアル軸受３０により、中間ハウジング体１４に軸支されている。従動軸２１は第３ラジアル軸受３０のみにより軸支されることから、第３ラジアル軸受３０の転動体は複列式となっており、これにより従動側のロータ２３の振れ防止を図っている。

従動軸２１の外周に接して、上述の作動室１８からのガスの漏洩を防止するための軸シール部材３３が備えられている。軸シール部材３３は、ギヤ室１７と作動室１８との間に備えられ、これらの間のガスの漏洩を防止する。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面において、作動室１８およびその周辺の構成を示す図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
図２に示すように、作動室１８は前面から見て略眼鏡状の空間部となっている。作動室１８の上側、すなわち図１における紙面手前側の中央に吸入口２４が設けられ、作動室１８の下側、すなわち図１における紙面奥側の中央に吐出口２５が設けられている。

ロータ２２は、軸方向から見て繭状に形成されている。径方向において膨出する２つの膨出部２２ｂが、互いに反対方向に形成され、また、径方向において陥没する２つの陥没部２２ｃが、互いに反対方向に形成される。膨出部２２ｂと陥没部２２ｃとは、周方向において等間隔となるように配置される。
ロータ２２およびロータ２３は、それぞれが回転するにつれ、一方の膨出部が、他方の陥没部と係合するように配置される。図２では、ロータ２２の膨出部２２ｂが、ロータ２３の陥没部２３ｃと係合している。

図２および図３に示すように、中間ハウジング体１４には、作動室１８と、軸シール部材３２を収容するシール室３２ａとを連通する連通孔３５が設けられる。また、これと同様の構造を有し、作動室１８と、軸シール部材３３を収容するシール室３３ａとを連通する連通孔３６も設けられる。
駆動軸２０と連通孔３５との距離、および、従動軸２１と連通孔３６との距離は等しい。また、この距離は、駆動軸２０と膨出部２２ｂの最外端との距離よりも小さく、駆動軸２０と陥没部２２ｃとの距離よりも大きい。すなわち、ロータ２２の回転位置に応じて、連通孔３５がロータ２２によって塞がれるタイミングと、ロータ２２によっては塞がれず露出して、作動室１８とシール室３２ａとを連通するタイミングとがある。このように、連通孔３５は、ロータ２２の回転に対応して、作動室１８に連通する期間と、作動室１８に連通しない期間とを有する。ロータ２３と連通孔３６との関係も同様である。

連通孔３５は、駆動軸２０の上方に位置する。すなわち、図２において、駆動軸２０から従動軸２１を見た方向を基準として時計回りに９０°回転した方向に位置する。また、連通孔３６は、従動軸２１の上方に位置する。すなわち、図２において、従動軸２１から駆動軸２０を見た方向を基準として反時計回りに９０°回転した方向に位置する。

連通孔３５および３６は、ロータ２２および２３の位置によって、作動室１８を介して吸入口２４と連通する期間があるが、吐出口２５とは連通しない。すなわち、連通孔３５および３６は、吸入側の連通孔であり、作動室１８の吸入圧領域１８ｃと連通するが、吐出圧領域１８ｄとは連通しない。
なお、実際には、ロータ２２および２３と作動室１８の軸方向内面１８ａとの間にはクリアランス２２ｆおよび２３ｆが設けられているが、このクリアランス２２ｆおよび２３ｆの幅は、連通孔３５および３６の径と比較して無視できるほど小さいものとする。

次に、実施の形態１に係る圧縮機１０の動作について説明する。
電動モータ１９により駆動軸２０が回転すると、駆動側ギヤ２６が従動側ギヤ２７を介して従動軸２１にその回転を伝達する。これによって従動軸２１は駆動軸２０とは反対方向へ、駆動軸２０と同期して回転する。駆動軸２０と従動軸２１とが互いに異なる方向へ回転することにより、作動室１８におけるロータ２２および２３が互いに反対方向へ回転する。図２において、ロータ２２は矢印Ｂの方向に、ロータ２３は矢印Ｃの方向に回転する。こうして、ロータ２２および２３の回転により吸入口２４からガスが矢印Ｄの方向に作動室１８へ吸入されるとともに、作動室１８内のガスが矢印Ｅの方向に吐出口２５から吐出される。

連通孔３５および３６は、ロータ２２および２３の回転位置に応じてそれぞれ作動室１８と連通する。作動室１８内の吸入口２４側、すなわち吸入圧領域１８ｃにおけるガスの圧力は比較的低い。また、シール室３２ａおよび３３ａにおいては、吐出圧領域１８ｄからクリアランス２２ｆおよび２３ｆと、駆動軸２０および従動軸２１と中間体ハウジング１４との間のクリアランスとをそれぞれ介して漏出したガスが流れる。すなわち、シール室３２ａおよび３３ａにおけるガスの圧力は、吸入圧領域１８ｃにおけるガスの圧力より高い。そのため、吐出圧領域１８ｄからシール室３２ａおよび３３ａに漏出したガスは吸入圧領域１８ｃへと流れる。このようなガスの流れによって水分も搬送されるので、シール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分は吸入圧領域１８ｃへと排出される。

このように、実施の形態１に係る圧縮機１０によれば、吐出圧領域１８ｄから漏出したガスがシール室３２ａおよび３３ａから吸入圧領域１８ｃへと流れるので、その流れによってシール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分が搬送され、吸入圧領域１８ｃへと排出される。これによって、シール室３２ａおよび３３ａ内に存在する水分が減少するので、低温環境で圧縮機１０が停止した場合であっても、シール室３２ａおよび３３ａ内に残留して凍結し、起動時の抵抗となる水分は少ない。
このため、比較的小さいトルクで圧縮機１０を起動することが可能となる。したがって、電動モータ１９に必要とされるモータトルクを下げることができる。また、これによって、電動モータ１９を小型化し、これに伴って圧縮機１０を小型化することができる。また、従来技術のように、水分がシール室３２ａ、３３ａに残留して凍結した氷の剥離時に、氷が軸シール部材３２、３３を損傷するおそれがなくなる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１として図２に示される圧縮機１０において、吐出圧領域１８ｄにも連通孔を設けるものである。以下、図４を用いて実施の形態２における構成を説明する。
図４に示すように、作動室１８と、軸シール部材３２を収容するシール室３２ａとを連通する連通孔として、実施の形態１の連通孔３５に加え、さらに同様の連通孔３７が設けられる。また、同様に、作動室１８と、軸シール部材３３を収容するシール室３３ａとを連通する連通孔として、実施の形態１の連通孔３６に加え、さらに同様の連通孔３８が設けられる。
駆動軸２０と連通孔３５および連通孔３６との距離、ならびに、従動軸２１と連通孔３７および連通孔３８との距離は、すべて等しい。

連通孔３７は、駆動軸２０の、従動軸２１側斜め下方に位置する。すなわち、図４において、駆動軸２０から連通孔３５を見た方向を基準として反時計回りに１３５°回転した方向に位置する。また、連通孔３８は、従動軸２１の、駆動軸２０側斜め下方に位置する。すなわち、図４において、従動軸２１から連通孔３６を見た方向を基準として時計回りに１３５°回転した方向に位置する。
連通孔３７および３８は、ロータ２２および２３の位置によって、作動室１８を介して吐出口２５と連通する期間があるが、吸入口２４とは連通しない。すなわち、連通孔３７および３８は、吐出側の連通孔として、作動室１８の吐出圧領域１８ｄと連通する。

このような方向の配置により、ロータ２２および２３の回転位置にかかわらず、連通孔３５〜３８のうち作動室１８と連通するものは最大で１つとなる。以下、これについて説明する。
図４におけるロータ２２および２３の位置を、０°の位置とする。ここからロータ２２は矢印Ｂの方向に、ロータ２３は矢印Ｃの方向にそれぞれ回転する。図４に示される０°の位置では、連通孔３５のみが露出して作動室１８と連通するが、連通孔３６〜３８はロータ２２または２３によって塞がれ、作動室１８とは連通しない。
ロータ２２および２３が回転すると、まず連通孔３５がロータ２２によって塞がれる。この時点で連通孔３５〜３８はすべて塞がれている。さらにロータ２２および２３が回転すると連通孔３７が露出する。４５°の位置においてはこの連通孔３７が露出しているが、連通孔３５、３６、および３８は塞がれたままである。
さらにロータ２２および２３が回転すると、ロータ２２によって連通孔３７が塞がれ、その後連通孔３６が露出する。９０°の位置においては連通孔３６のみが露出している。
以下、同様にして、順に、連通孔３６が塞がれ、連通孔３８が露出し（１３５°の位置）、連通孔３８が塞がれ、連通孔３５が露出する（１８０°の位置）。１８０°の位置において、ロータ２２および２３は、図４に示される０°の位置と同じ形の配置となる。

次に、実施の形態２に係る圧縮機の動作について説明する。
連通孔３５〜３８は、ロータ２２および２３の回転位置に応じてそれぞれ作動室１８と連通する。作動室１８内の吐出口２５側、すなわち吐出圧領域１８ｄにおけるガスの圧力は比較的高いので、吐出側の連通孔３７あるいは３８が連通している間は、ガスが作動室１８からシール室３２ａあるいは３３ａへと流れ込む。また、作動室１８内の吸入口２４側、すなわち吸入圧領域１８ｃにおけるガスの圧力は比較的低いので、吸入側の連通孔３５あるいは３６が連通している間は、ガスがシール室３２ａあるいは３３ａから作動室１８へと流れ出す。
このように、ロータ２２および２３が回転するにつれて、ガスの一部が作動室１８の吐出圧領域１８ｄからシール室３２ａおよび３３ａを経由して吸入圧領域１８ｃへと逆流する。このガスによって水分も搬送されるので、シール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分は吸入圧領域１８ｃへと積極的に排出される。

このように、実施の形態２に係る圧縮機によれば、作動室１８の吐出圧領域１８ｄから、シール室３２ａおよび３３ａを経由して吸入圧領域１８ｃへとガスの一部が流れるので、その流れによってシール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分が搬送され、吸入圧領域１８ｃへと排出される。これによって、シール室３２ａおよび３３ａ内に存在する水分が減少するので、低温環境で圧縮機が停止した場合であっても、シール室３２ａおよび３３ａ内に残留して凍結し、起動時の抵抗となる水分は少ない。
このため、比較的小さいトルクで圧縮機を起動することが可能となる。したがって、電動モータ１９に必要とされるモータトルクを下げることができる。また、これによって、電動モータ１９および圧縮機を小型化することができる。また、従来技術のように、水分がシール室３２ａ、３３ａに残留して凍結した氷の剥離時に、氷が軸シール部材３２、３３を損傷するおそれがなくなる。

また、吸入側の連通孔である連通孔３５または３６と、吐出側の連通孔である連通孔３７または３８とは、同時に作動室１８と連通することがないので、ガスが継続的に吐出圧領域１８ｄからシール室３２ａおよび３３ａを経由して吸入圧領域１８ｃへと漏れ続ける期間がない。よって、上記のように水分を排出する効果を有しつつ、ガスの逆流を最小限にとどめることができる。このため、圧縮機の圧縮効率を維持することができる。

上述の実施の形態１および２において、連通孔３５〜３８の位置、大きさ、形状、および数が変更されてもよい。ただし、過剰な逆流を防止するために、同一のシール室に連通する吸入側の連通孔と吐出側の連通孔とが同時には露出しないようなものとすることが好ましい。
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１として図２に示される圧縮機１０において、ロータ２２および２３の形状を変更するものである。以下、図５および図６を用いて実施の形態３における構成を説明する。
図５は、図１におけるロータ２２および２３周辺に相当する部分の拡大図を示し、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線における断面図を示す。

作動室１８の軸方向内面１８ａには、実施の形態１と同様の連通孔３５および３６が設けられている。
ロータ２２’は、その軸方向の両端側それぞれにおいて、基部たる平面部２２ｄと、この平面部２２ｄからロータ２２’の軸方向に、軸方向内面１８ａに向けて突出する段差部である縁部２２ａを有する。縁部２２ａおよび平面部２２ｄは、それぞれ、軸方向内面１８ａと平行である。
縁部２２ａは、端面の縁に沿って、ロータ２２’の径方向に一定の幅をもって形成される。縁部２２ａの、径方向外側の面は、ロータ２２’の軸に平行な面によるロータ２２’の断面が、常に直線となるように構成される。

縁部２２ａは、その径方向内側にテーパ面２２ｅを備え、このテーパ面２２ｅをもって平面部２２ｄと接続する。テーパ面２２ｅの傾きは、軸方向内面１８ａに向かうにつれ、ロータ２２’の径方向内側に向かう向きである。すなわち、縁部２２ａは、ロータ２２’の径方向内側において、鋭角をもって軸方向内面１８ａに対する。このように、ロータ２２’は、軸方向内面１８ａと対向する位置に、軸方向内面１８ａに近づくにつれ軸方向内側に張り出した縁部２２ａを有する。
縁部２２ａと軸方向内面１８ａとの間にはクリアランス２２ｆが設けられる。すなわち、縁部２２ａと軸方向内面１８ａとはわずかに離間して配置される。

ロータ２３’も、ロータ２２’と同一の形状に形成され、縁部２３ａ、膨出部２３ｂ、陥没部２３ｃ、平面部２３ｄ、テーパ面２３ｅを同様に備える。また、クリアランス２３ｆが同様に設けられる。

圧縮機１０’の内部を流通するガスには水分が含まれているので、圧縮機１０’の起動時において低温である場合、ロータ２２’あるいはロータ２３’と軸方向内面１８ａとの間に水分が凍結していることがある。
図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図であり、圧縮機１０’の起動時において、氷片４０が縁部２２ａと軸方向内面１８ａとに接して固着している状態を示す図である。ここで、圧縮機１０’が起動してロータ２２’に回転しようとする力が加わり、これによって縁部２２ａには、図７においてロータ２２’の径方向内側、すなわち矢印Ａ側に向かおうとする力の成分が働くとする。
縁部２２ａのテーパ面２２ｅは、鋭角をもって軸方向内面１８ａに対している。このため、テーパ面２２ｅは、比較的小さい力で氷片４０を軸方向内面１８ａから剥離させ、ロータ２２’を起動させる。
なお、ここで、氷片４０が比較的小さい力で剥離できるのは、縁部２２ａが矢印Ａ方向に移動すると、テーパ面２２ｅは、氷片４０を矢印Ａ方向に押すとともに、氷片４０を軸方向内面１８ａから剥離させる方向にも押すからである。テーパ面２２ｅの先端は、氷片４０を軸方向内面１８ａから削り取る、すなわち氷片４０を軸方向内面１８ａから掬うことにより、ロータ２２’および２３’を始動させやすくする。

このように、実施の形態３に係る圧縮機１０’によれば、実施の形態１と同様に、シール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分が吸入圧領域１８ｃへと排出されるので、シール室３２ａおよび３３ａ内に残留して凍結し、起動時の抵抗となる水分は少ない。

また、実施の形態３に係る圧縮機１０’では、シール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分が作動室１８内に排出されるので、従来の圧縮機に比較して作動室１８内に存在する水分の量が多くなる。このため、圧縮機１０’の起動時に、ロータ２２’および２３’と軸方向内面１８ａとの間に凍結する水分も多くなり、これを剥離させるために、大きなモータトルクが必要になる可能性がある。
しかしながら、実施の形態３に係る圧縮機１０’では、ロータ２２’の縁部２２ａが鋭角をもって作動室１８の軸方向内面１８ａに対する。また、ロータ２３’も同様である。このため、圧縮機１０’の起動時に、ロータ２２’およびロータ２３’と作動室１８の軸方向内面１８ａとの間に大量の氷が付着している場合であっても、その氷をくさび効果で容易に剥ぎ取ることができるので、比較的小さいトルクで起動することが可能となる。したがって、圧縮機１０’によれば、起動時においてロータ２２’および２３’と軸方向内面１８ａとの間に凍結した氷を剥離させるために、電動モータ１９に必要とされるモータトルクを、小さいままとすることができる。また、これによって、電動モータ１９の肥大化を回避し、これに伴って圧縮機１０’の肥大化を回避することができる。また、従来技術のように、水分がシール室３２ａ、３３ａに残留して凍結した氷の剥離時に、氷が軸シール部材３２、３３を損傷するおそれがなくなる。

実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１における作動室１８の軸方向内面１８ａの形状を、図８および図９に示す形状としたものである。
図８は、図１におけるロータ２２および２３周辺に相当する部分の拡大図を示し、図９は図８のＩＸ−ＩＸ線における断面図を示す。
以下、図８および図９を用いて実施の形態４に係る圧縮機１１０を説明する。

作動室１８の軸方向内面１８ａには、実施の形態１と同様の連通孔３５および３６が設けられている。
駆動軸１２０および従動軸１２１に、それぞれロータ１２２および１２３が取り付けられ、ロータ１２２および１２３は作動室１１８内に配置されている。ロータ１２２および１２３の形状は、それぞれの軸方向両端面を除いて実施の形態１と同様である。

作動室１１８は、ロータ１２２および１２３の軸方向の両端において、軸に垂直な平面状の軸方向内面１１８ａを有する。ロータ１２２および１２３は、軸方向の両端において、軸方向内面と平行な平面状の端面１２２ａおよび１２３ａを有する。端面１２２ａおよび１２３ａと、作動室１１８の軸方向内面１１８ａとの間にはクリアランス１２２ｆおよび１２３ｆが設けられる。すなわち、端面１２２ａおよび１２３ａと軸方向内面１１８ａとはわずかに離間して配置される。

作動室１１８の軸方向内面１１８ａには、半楕円体状のくぼみである複数のディンプル１１８ｂが形成される。ディンプル１１８ｂは、軸方向から見て円形である。また、ディンプル１１８ｂは、軸に平行な断面において半楕円状であり、その中央部が最も深くなっている。

図１０は、圧縮機１１０の起動時において、水分が端面１２２ａと軸方向内面１１８ａとの間で凍結して氷片１４０となった状態を示す図である。氷片はその一部がディンプル１１８ｂ内に入り込み、別の一部がクリアランス１２２ｆ内に存在する。氷片１４０は端面１２２ａと端面１４０ａをもって接する。端面１４０ａの面積をＳａとする。
ここで、氷片１４０はその一部がディンプル１１８ｂ内に入り込んでいるので、その分だけクリアランス１２２ｆ内の体積が減少し、それに応じて面積Ｓａが小さくなっている。

図１１は、ディンプル１１８ｂによる面積Ｓａの減少を説明するための比較例である。この比較例では、軸方向内面１１８ａが平面状であり、ディンプル１１８ｂは形成されていない。
図１１の氷片１４０’は、図１０の氷片１４０と同一の体積を有する。ここで、氷片１４０’はその全体がクリアランス１２２’ｆ内に存在するので、端面１４０’ａの面積Ｓｂは比較的大きくなる。すなわち、図１１の面積Ｓｂは図１０の面積Ｓａよりも大きい。
なお、図１０および図１１における面積の減少に関する説明は、ロータ１２３の端面１２３ａについても同様である。

次に、実施の形態４に係る圧縮機１１０の動作について説明する。
なお、圧縮機１１０が起動した後の動作については、上述の実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

圧縮機１１０の起動時において、ロータ１２２に回転しようとする力が加わると、その反作用として氷片１４０から、ロータ１２２にはその回転を止めようとする抵抗力が加わる。ここで、回転しようとする力が抵抗力に打ち勝って、ロータ１２２の端面１２２ａと氷片１４０の端面１４０ａとが剥離し、ロータ１２２が回転をはじめる。こうして圧縮機１１０が起動する。ここで、上述のように氷片１４０の端面１４０ａが有する面積Ｓａは面積Ｓｂに比べて小さいので、ロータ１２２が回転しようとする力はこれに応じて比較的小さいものであれば十分である。ロータ１２３についても同様である。

このように、実施の形態４に係る圧縮機１１０によれば、実施の形態１と同様に、シール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分が吸入圧領域１１８ｃへと排出されるので、シール室３２ａおよび３３ａ内に残留して凍結し、起動時の抵抗となる水分は少ない。

また、実施の形態４に係る圧縮機１１０では、シール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分が作動室１１８内に排出されるので、従来の圧縮機に比較して作動室１１８内に存在する水分の量が多くなる。このため、圧縮機１１０の起動時に、ロータ１２２および１２３と軸方向内面１１８ａとの間に凍結する水分も多くなり、これを剥離させるために、大きなモータトルクが必要になる可能性がある。
しかしながら、実施の形態４に係る圧縮機１１０においては、作動室１１８の軸方向内面１１８ａと、ロータ１２２および１２３の端面１２２ａおよび１２３ａとの間に付着する氷片１４０は、その一部がディンプル１１８ｂの内部に入り込む。このため、ロータ１２２および１２３の端面１２２ａおよび１２３ａと接する氷片１４０の端面１４０ａは、その面積Ｓａが比較的小さくなる。
したがって、圧縮機１１０によれば、起動時においてロータ１２２および１２３と軸方向内面１１８ａとの間に凍結した氷を、端面１４０ａにおいて剥離させるためのモータトルクを、小さいままとすることができる。また、これによって、電動モータの肥大化を回避し、これに伴って圧縮機１１０の肥大化を回避することができる。また、従来技術のように、水分がシール室３２ａ、３３ａに残留して凍結した氷の剥離時に、氷が軸シール部材３２、３３を損傷するおそれがなくなる。

実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態３のように段差部を有するロータと、実施の形態４のようにディンプルを有する作動室の軸方向内面とを組み合わせたものである。すなわち、実施の形態３において図５および図６に示される、ロータ２２’および２３’周辺を、図１２および図１３に示す構成としたものである。すなわち、図１３は図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図である。以下、図１２および図１３を用いて実施の形態５に係る圧縮機２１０を説明する。

作動室１８の軸方向内面１８ａには、実施の形態１と同様の連通孔３５および３６が設けられている。
駆動軸２２０および従動軸２２１に、それぞれロータ２２２および２２３が取り付けられ、ロータ２２２および２２３は作動室２１８内に配置されている。

ロータ２２２および２２３の形状は、図５および図６に示される実施の形態３のロータ２２’および２３’と同様である。すなわち、ロータ２２２および２２３は、それぞれ、縁部２２２ａおよび２２３ａ、平面部２２２ｄおよび２２３ｄ、テーパ面２２２ｅおよび２２３ｅを同様に備える。また、クリアランス２２２ｆおよび２２３ｆが同様に設けられる。
また、作動室２１８の軸方向内面２１８ａの形状は、図８および図９に示される実施の形態４と同様である。すなわち、軸方向内面２１８ａには、軸方向のくぼみである、複数のディンプル２１８ｂが形成される。

ロータ２２２および２２３の回転軸方向、すなわち軸方向内面２１８ａの法線方向から見て、ディンプル２１８ｂの直径Ｌａは、縁部２２２ａおよび２２３ａの幅Ｌｂよりも小さい。このため、たとえば軸方向から見て、ディンプル２１８ｂと縁部２２２ａとが重なる場合、ディンプル２１８ｂは、その全体が縁部２２２ａに含まれるか、一部がロータ２２２の径方向内側にはみ出すか、または、一部がロータ２２２の径方向外側にはみ出すか、のいずれかである。すなわち、同一のディンプル２１８ｂが、縁部２２２ａの内側および外側に同時にはみ出す位置関係とはならない。

このように、実施の形態５に係る圧縮機２１０によれば、実施の形態１と同様に、シール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分が吸入圧領域２１８ｃへと排出されるので、シール室３２ａおよび３３ａ内に残留して凍結し、起動時の抵抗となる水分は少ない。

また、実施の形態５に係る圧縮機２１０では、シール室３２ａおよび３３ａに溜まった水分が作動室２１８内に排出されるので、従来の圧縮機に比較して作動室２１８内に存在する水分の量が多くなる。このため、圧縮機２１０の起動時に、ロータ２２２および２２３と軸方向内面２１８ａとの間に凍結する水分も多くなり、これを剥離させるために、大きなモータトルクが必要になる可能性がある。
しかしながら、実施の形態５に係る圧縮機２１０は、実施の形態３と同様にして、縁部２２２ａのテーパ面２２２ｅが氷片（図示せず）を軸方向内面２１８ａから剥離させることができる。また、実施の形態４と同様にして、氷片が縁部２２２ａと接する端面の面積を比較的小さくすることができる。
このため、比較的小さいトルクで圧縮機２１０を起動することが可能となる。したがって、電動モータに必要とされるモータトルクを小さいままとすることができる。また、これによって、電動モータの肥大化を回避し、これに伴って圧縮機２１０の肥大化を回避することができる。また、従来技術のように、水分がシール室３２ａ、３３ａに残留して凍結した氷の剥離時に、氷が軸シール部材３２、３３を損傷するおそれがなくなる。

また、実施の形態５に係る圧縮機２１０では、軸方向からみて、ディンプル２１８ｂの直径Ｌａは、縁部２２２ａおよび２２３ａの幅Ｌｂよりも小さいので、どの位置においても縁部２２２ａおよび２２３ａと軸方向内面２１８ａとの間には必ず幅の狭いクリアランス２２２ｆおよび２２３ｆが存在する。すなわち、縁部２２２ａの両側および縁部２２３ａの両側の空間が、ディンプル２１８ｂを介して直接連通することがない。このため、ガスがディンプル２１８ｂを通って漏れることがなく、結果として作動室２１８内の吐出口２２５側から吸入口２２４側への漏れを低減することができる。

なお、実施の形態４および５においては、ディンプル１１８ｂおよび２１８ｂを軸方向から見た形状は円形であるが、これは円形でなくともよい。たとえば長円形や多角形であってもよい。その場合、その径が最大となる方向における径が、縁部２２２ａおよび２２３ａの幅Ｌｂよりも小さいものであればよい。
また、軸に平行な断面において、ディンプル１１８ｂおよび２１８ｂの表面は半楕円状であるが、これは円弧状であってもよく、また、矩形等、直線を含む形状であってもよい。

上述の実施の形態３〜５において、連通孔に関する構成は実施の形態１と同様であり、吸入側の連通孔３５および３６のみが形成されているが、これは実施の形態１と同様でなくともよい。たとえば、実施の形態２と同様であってもよい。すなわち、実施の形態３〜５において、吸入側の連通孔３５および３６に加え、吐出側の連通孔３７および３８が形成されてもよい。例えば、図１４は実施の形態５において、吐出側の連通孔３７および３８が形成されたものである。

この発明の実施の形態１に係る圧縮機１０の構成を示す図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 この発明の実施の形態２に係る圧縮機の、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図に相当する図である。 この発明の実施の形態３に係る圧縮機１０’の、ロータ２２’および２３’周辺の拡大図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。 図５の圧縮機１０’の起動時における氷片４０の状態を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る圧縮機１１０の、ロータ１２２および１２３周辺の拡大図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線における断面図である。 図８および図９の圧縮機１１０の起動時における氷片１４０の状態を示す図である。 図８および図９のディンプル１１８ｂの作用を説明するための比較例を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る圧縮機２１０の、ロータ２２２および２２３周辺の拡大図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図である。 図１３において、吐出側の連通孔３７および３８が形成された状態を示す図である。

符号の説明

１０、１１０、２１０ 圧縮機（流体圧縮機）、１８ｃ、１１８ｃ、２１８ｃ 吸入領域、１１８ｂ、２１８ｂ ディンプル（くぼみ）、１８、１１８、２１８ 作動室、１８ａ、１１８ａ、２１８ａ 軸方向内面、１８ｄ、２１８ｄ 吐出圧領域、２０、１２０、２２０ 駆動軸（軸）、２１、１２１、２２１ 従動軸（軸）、２２、２３、１２２、１２３、２２２、２２３ ロータ、２２ａ、２３ａ、２２２ａ、２２３ａ 縁部（段差部）、２２ｄ、２３ｄ、２２２ｄ、２２３ｄ 基部（平面部）、２４、２２４ 吸入口、２５、２２５ 吐出口、３１〜３３ 軸シール部材（シール部材）、３２ａ、３３ａ シール室、３５、３６ 連通孔（吸入側の連通孔）３７、３８ 連通孔（吐出側の連通孔）、Ｌａ ディンプルの直径（くぼみの径）、Ｌｂ 縁部の幅（段差部の幅）。

Claims (7)

1. 外部と連通する吸入口および吐出口を有する作動室と、
   前記作動室の外部と内部とに延在され、互いに逆方向に回転する一対の軸と、
   前記作動室の内部に配置され、前記一対の軸によって駆動され、互いに係合しつつ回転する一対のロータと、
   前記一対の軸の外周面を取り巻いて設けられ、前記作動室の外部と内部とをシールするシール部材と、
   前記シール部材を収容する空間であるシール室と
   を備え、
   前記吸入口から前記作動室に流入する流体を、前記一対のロータの回転によって搬送し、前記吐出口から吐出する
   流体圧縮機において、
   前記作動室は、前記一対のロータの前記回転に応じて変動する吸入圧領域であって、前記吸入口と連通する領域である吸入圧領域を有し、
   前記流体圧縮機は、前記シール室と前記吸入圧領域とを連通する、吸入側の連通孔を有する
   流体圧縮機。
2. 前記作動室は、さらに、前記一対のロータの前記回転に応じて変動する吐出圧領域であって、前記吐出口と連通する領域である吐出圧領域を有し、
   前記流体圧縮機は、前記シール室と前記吐出圧領域とを連通する、吐出側の連通孔を有する
   請求項１に記載の流体圧縮機。
3. 前記吸入側の連通孔および前記吐出側の連通孔は、それぞれ、前記一対のロータの前記回転に対応して、前記作動室に連通する期間と、前記作動室に連通しない期間とを有し、
   前記吸入側の連通孔が前記作動室に連通する期間と、前記吐出側の連通孔が前記作動室に連通する期間とは、互いに重ならない
   請求項２に記載の流体圧縮機。
4. 前記作動室は、前記ロータのそれぞれの回転軸方向の両端に対向する軸方向内面を有し、
   前記ロータのそれぞれの両端は、前記軸方向内面と対向する位置に、基部と、前記基部より前記軸方向内面に向かうにつれ、前記ロータの径方向内側に向かうように張り出した段差部とを有する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
5. 前記段差部は、縁部およびテーパ面からなり、前記縁部は前記テーパ面をもって前記基部たる平面部に接続されることを特徴とする請求項４に記載の流体圧縮機。
6. 前記作動室は、前記ロータのそれぞれの回転軸方向の両端に対する軸方向内面を有し、
   前記軸方向内面には複数のくぼみが形成される
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
7. 前記軸方向内面の法線方向から見て、前記くぼみの径は前記段差部の幅よりも小さい、請求項６に記載の流体圧縮機。

Images