JP2008008166A - スクロール式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール式流体機械は運転時の遠心力及びスラスト力の影響を受けて、固定スクロールと旋回スクロールが離反し、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面の接触破損、及び入力増加、騒音増大等の性能悪化を引き起こしていた。
【解決手段】補助クランク１１ａの偏心方向に作用する遠心力の１／４の強さの付勢力を付与するバネ９を用いた構成とすることにより、遠心力とスラスト力との作用によるスラスト隙間の変化を抑制することとなり、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面の接触破損、及び入力増加、騒音増大等の性能悪化を抑制することが可能となり、高信頼性および高効率を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば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し、特に、自転防止機構として補助クランクを設けるようにしたスクロール式流体機械に関する。

従来、この種のスクロール式流体機械には、旋回スクロールの自転を防止するためには補助クランク機構が広く使用されている。補助クランク機構の旋回スクロール側、固定フレーム側にはそれぞれ転がり軸受が使用され回転自在に軸支している。例えば図４に記載されているようなものがあった（特許文献１参照）。

旋回スクロールの鏡板が熱膨張した場合、補助クランクに設けた弾性部材によって、軸間距離の変化を吸収させて、補助クランクに径方向のへの大きな荷重が作用するのを防止して、補助クランクの折損事故を防止する。
特開平５−１５０３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、補助クランクの転がり軸受には、単列深溝型転がり軸受を使用している。この単列深溝型転がり軸受は構造上アキシアル隙間が大きくなっており、運転時に補助クランクの偏心方向に作用する遠心力と、圧縮室内の流体圧力によって固定フレーム側に向かって作用するスラスト力との合力が、旋回スクロール鏡板に固定フレーム側に作用すると、転がり軸受内輪はアキシアル隙間分固定フレーム側へ移動し、旋回スクロールラップ部上面は固定スクロール鏡板から離れ、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ部上面との間に設けた一定量のスラスト隙間は大きくなる。またこの時他の補助クランクの転がり軸受では補助クランクの偏心方向に作用する遠心力と、圧縮室内の流体圧力によって固定フレーム側に向かって作用するスラスト力との合力が、旋回スクロール鏡板に固定フレーム側に作用する影響を受けて、転がり軸受内輪が固定スクロール側にアキシアル隙間分離反するため、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ部上面との間に設けた一定量のスラスト隙間は小さくなる。この際、旋回スクロールは旋回スクロール転がり軸受を支点に離反を繰り返しながら公転することになり、これに伴う固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面の接触破損と、一定量設けたスラスト隙間の拡大に伴う流体の洩れからの流量低下が起こる可能性がある。このことにより固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面との間に設けるスラスト隙間を予め大きく設定することになる。スラスト隙間を大きく設定することは、固定スクロールラップ部と旋回スクロールラップ部との間で形成される複数の圧縮室からの洩れが多くなり、流量低下を招くこととなる。このため回転数をアップさせて流量を確保することになるが、回転数アップは更なる遠心力を増大させ、固定スクロール鏡板と旋回スクロールとを離反させる力が更に強く働くことになり、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面がより接触破損しやすくなる。また同時に回転数アップによる入力増加及び騒音増大といった性能低下も引き起こしていた。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、駆動軸と主軸転がり軸受の内輪の端面間に固定フレームに対して旋回スクロールと反対方向へ向かって補助クランクの偏心方向に作用する遠心力の１／３〜１／５の強さの付勢力を付与するバネを設けた構成としたものである。このように駆動軸と主軸転がり軸受の内輪の端面間に補助クランクの偏心方向に作用する遠心力の１／３〜１／５の強さの付勢力を付与するバネを用いたことによって、
補助クランクの転がり軸受内輪のアキシアル方向の移動量が小さくなり、固定スクロール鏡板と旋回スクロールのラップ上面との間に一定量設けたスラスト隙間の変化を小さくすることが可能となり、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面の接触破損、及び入力増加、騒音増大等の性能悪化を抑制することができる。

本発明のスクロール式流体機械は、遠心力とスラスト力との作用によるスラスト隙間の変化を抑制することにより、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面の接触破損、及び入力増加、騒音増大等の性能悪化を抑制することが可能となり、高信頼性および高効率を実現することができる。

第１の発明は、駆動軸と主軸転がり軸受の内輪の端面間に固定フレームに対して旋回スクロールと反対方向へ向かって補助クランクの偏心方向に作用する遠心力の１／３〜１／５の強さの付勢力を付与するバネを設けたものである。この時遠心力の１／３〜１／５以上、或いは同等の付勢力を付与するバネを用いると、各転がり軸受が受けるアキシアル荷重は大きくなり、起動時、及び運転時の駆動トルクが大きくなることから、入力悪化をもたらすことになる。また定格運転時の離反力に対向する必要付勢力が旋回スクロールと反対方向へ向かって補助クランクの偏心方向に作用する遠心力の１／３〜１／５相当であったことを踏まえ、バネの付勢力を遠心力の１／３〜１／５とする。

そしてこの構成によれば、運転の際に旋回スクロール鏡板に補助クランクの偏心方向に作用する遠心力と、圧縮室内の流体圧力によって固定フレーム側に向かって作用するスラスト力との合力によって、補助クランクの転がり軸受のアキシアル隙間分だけ旋回スクロールが固定スクロールから離れようとする力を抑制することができる。これにより固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ部上面との間に一定量設けているスラスト隙間を規制することができ、固定スクロールラップ部と旋回スクロールラップ部との間で形成される複数の圧縮室からの流体の洩れ量を抑えることが可能となり、回転数をダウンさせても、必要流量が得れることができるため、入力増加や騒音増大を抑制することが可能となる。またスラスト隙間を規制することで、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面とが接触しにくくなるため、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面の接触破壊を抑制することができることから、高い信頼性と高性能を同時に確保することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明の固定フレームに設けられた補助クランク用転がり軸受に複列アンギュラー型転がり軸受を用いたものである。そしてこの構成によれば、運転によって補助クランクの偏心方向に作用する遠心力と、圧縮室内の流体圧力による固定フレーム側に向かって作用するスラスト力との合力が旋回スクロール鏡板に働いたとしても、複列アンギュラー型転がり軸受のアキシアル隙間が小さいことから、補助クランク軸の転がり軸受内輪の固定スクロール側への離反量も小さくできるため、旋回スクロールが離反を繰り返しながら公転したとしても、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面との接触を抑制することができる。また固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面との間に一定量設けているスラスト隙間も小さく設定することが可能となり、固定スクロールラップ部と旋回スクロールラップ部との間で形成される複数の圧縮室からの流体の洩れ量も少なくできるため、回転数をダウンさせても必要流量を得ることができる。これにより入力と騒音を低下させることが可能となるため、高い信頼性と高性能を同時に確保することができる。

第３の発明は、特に第１または、第２の発明の旋回スクロールに設けられた補助クランク用転がり軸受に複列アンギュラー型転がり軸受を用いたものである。そしてこの構成に
よれば、運転によって補助クランクの偏心方向に作用する遠心力と、圧縮室内の流体圧力による固定フレーム側に向かって作用するスラスト力が旋回スクロール鏡板に働いたとしても、複列アンギュラー型転がり軸受のアキシアル隙間が小さいことから、補助クランク軸の転がり軸受内輪の固定スクロール側への移動量も小さくなるため、旋回スクロールが離反を繰り返しながら公転したとしても、固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面との接触を抑制することができる。また固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ上面との間に一定量設けているスラスト隙間も小さく設定することが可能となり、固定スクロールラップ部と旋回スクロールラップ部との間で形成される複数の圧縮室からの洩れ量も少なくできるため、回転数をダウンさせても必要流量を得ることができる。これにより入力と騒音を低下させることが可能となるため、高い信頼性と高性能を同時に確保することができる。

以下、本発明実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるスクロール式流体機械の縦断面図を示すものである。図１に示されるように、モータケーシング１内に電動機２の固定子２ａが固定されており、駆動軸３に電動機２の回転子２ｂが固定されている。駆動軸３の先端はクランク状になり旋回スクロール４の鏡板中心に旋回スクロール転がり軸受５を介して回転可能に接合されている。また、駆動軸３は固定フレーム６の主軸転がり軸受７と電動機２を基準に固定フレーム６と反対側に位置する副転がり軸受け８により回転自在に支持されている。駆動軸３と主軸転がり軸受７の内輪の端面間には駆動軸３が固定フレーム６を基準に旋回スクロール４とは反対方向へ力が働くようにバネ９が設置されている。駆動軸３がバネ９を支持するのにはＣ形止め輪等が使用される。また駆動軸３と主軸転がり軸受７の内輪内周はある隙間を持っており軸方向へ自由に変位することが出来る。旋回スクロール４鏡板にはラップ部４ａが立設され、その旋回スクロール４に対向して固定フレーム６の他端側に設けられて鏡板にその旋回スクロールラップ部４ａとの間で複数の圧縮室を形成するラップ部１０ａが立設された固定スクロール１０がある。

また、旋回スクロール４の自転運動を防止するために旋回スクロール４と固定スクロール１０の間にクランク機構１１が設置されている。またこのクランク機構１１には少なくとも３個以上の補助クランク１１ａ（１個のみ図示）と旋回スクロール側および固定フレーム側に旋回スクロール側転がり軸受１３、固定フレーム側転がり軸受１２により回転自在に設置されている。固定フレーム６と固定スクロール１０の間にはリング状のスペーサ１４がボルト等で固定されている。

以上のように構成されたスクロール式流体機械について、以下その動作、作用を説明する。

図示しない電源部から入力された電流を得て、電動機２は固定子２ａと回転子２ｂ間の磁気作用により回転トルクを得て回転運動する。回転子２ｂと一体的に構成された駆動軸３によって回転可能に支持されることで、圧縮機構部に回転力を伝達可能とする。回転力を得た回転子２ｂの回転にともない、まず、駆動軸３が回転するとクランク機構１１により自転防止されながら旋回スクロール４が公転し、旋回スクロールラップ部４ａと固定スクロールラップ部１０ａに囲まれた空間が圧縮され固定スクロール１０に設けられた吐出口１５より圧縮流体が吐出される。旋回スクロール４は圧縮室内の圧力により固定フレーム６側に向かってスラスト力がかかるが、転がり軸受１２、１３，補助クランク１１ａにより支持される。しかしながら停止時はこのスラスト力が発生しないし、圧縮室内の圧力が低い場合のスラスト力は小さい。また、バネ９により駆動軸３が固定フレーム６を基準
に旋回スクロール４とは反対方向へ力が働くため、旋回スクロール転がり軸受５を介して旋回スクロール４が固定フレーム６側に押し付けられることにより、停止時にもスラスト力が発生すると共に、スラスト力が低い場合でも一定以上のスラスト力を維持することが出来る。このスラスト力により補助クランク１１ａの転がり軸受１２，１３に適切な予圧を与えることが出来ると共に、旋回スクロール転がり軸受５と主軸転がり軸受７にも予圧を与えることが出来、起動時と圧縮室内の圧力が低い時の旋回スクロール４の安定性や温度変化に伴う軸方向への各部品の変位にも予圧を一定に保つことが出来る。

本発明の実施の形態１は図のように駆動軸３と主軸転がり軸受７の内輪の端面間に設けたバネ９の付勢力を補助クランク１１ａの偏心方向に作用する遠心力の１／３〜１／５の強さに構成にしたものである。運転時には補助クランク１１ａの偏心方向に作用する遠心力と、旋回スクロール鏡板に圧縮室内の流体圧力によって固定フレーム６側に向かって作用するスラスト力とによって、補助クランク機構１１の転がり軸受１２，１３では離反の影響を受けて、転がり軸受１２，１３内輪が固定スクロール１０側に移動するため、固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面との間に設けた一定量のスラスト隙間は小さくなる。この際、旋回スクロール４は転がり軸受５を支点に離反を繰り返しながら公転することになる。

しかし、この構成にすることにより、補助クランク１１ａの偏心方向に作用する遠心力の１／３〜１／５の付勢力のバネ９で駆動軸３を介して固定フレーム６を基準に旋回スクロール４を固定フレーム６側へ押し付けているため、これに伴って補助クランク１１ａの転がり軸受１２，１３内輪も固定フレーム６側へアキシアル隙間分だけ移動することになる。この状態にて固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面との間に一定量のスラスト隙間を設けているため、運転時に旋回スクロール４鏡板に圧縮室内の流体圧力によって固定フレーム６側に向かって働くスラスト力が作用したとしても、補助クランク１１ａの転がり軸受１２，１３内輪が固定フレーム６側に更に移動することはないため、旋回スクロールラップ部４ａ上面の固定スクロール１０鏡板からの離反を抑制することができる。よって固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面との間に設けた一定量のスラスト隙間の変化量を抑制できるため、固定スクロールラップ部１０ａと旋回スクロールラップ部４ａとの間で形成される複数の圧縮室からの洩れ量を抑えることが可能となり、回転数をダウンさせても、必要流量が得れることから、入力増大や騒音増大を抑制することができる。また旋回スクロール４の離反も小さくできるため、固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ上面４ａの接触破壊を抑制することができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態におけるスクロール式流体機械の要部断面図を示す。図のように補助クランク１１ａの固定フレーム６側の転がり軸受１２に複列アンギュラー転がり軸受を用いた構成にしている。運転時には補助クランク１１ａの偏心方向に作用する遠心力と、旋回スクロール４鏡板に圧縮室内の流体圧力によって固定フレーム６側に向かって作用するスラスト力との合力によって、補助クランク機構１１の転がり軸受１２，１３では離反の影響を受けて、内輪が固定スクロール１０側に移動するため、固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面との間に設けた一定量のスラスト隙間は小さくなる。この際、旋回スクロール４は転がり軸受５を支点に離反しながら公転を繰り返すことになる。

しかし、この構成にすることにより、運転時の補助クランク１１ａの偏心方向に作用する遠心力と、旋回スクロール４鏡板に圧縮室内の流体圧力によって固定フレーム６側に向かって働くスラスト力との合力が作用したとしても、補助クランク１１の転がり軸受１２内輪の固定スクロール１０側への移動量も小さいため、旋回スクロール４が離反しながら公転を行なったとしても、固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面と
の接触を抑制することができる。これにより固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面との間に一定量設けているスラスト隙間も小さく設定することが可能となる。よって固定スクロールラップ部１０ａと旋回スクロールラップ部４ａとの間で形成される複数の圧縮室からの洩れ量も少なくできるため、回転数をダウンさせても必要流量を得られることから、入力増加や騒音増大を抑制することができる。また旋回スクロール４の離反量も小さくできるため、固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面の接触破壊を抑制することができる。

（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態におけるスクロール式流体機械の縦断面図を示すものである。図のように補助クランク１１ａの旋回スクロール側転がり軸受１３に複列アンギュラー転がり軸受を用いた構成にしている。このことにより、実施の形態２同様、運転時の補助クランク１１ａの偏心方向に作用する遠心力と、旋回スクロール４鏡板に圧縮室内の流体圧力によって固定フレーム６側に向かって働くスラスト力の合力が作用したとしても、補助クランク１１の転がり軸受１２内輪の固定スクロール１０側への移動量も小さいため、旋回スクロール４が離反しながら公転を行なったとしても、固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面との接触を抑制することができる。これにより固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面との間に一定量設けているスラスト隙間も小さく設定することが可能となる。よって固定スクロールラップ部１０ａと旋回スクロールラップ部４ａとの間で形成される複数の圧縮室からの洩れ量も少なくできるため、回転数をダウンさせても必要流量を得られることから、入力増加や騒音増大を抑制することができる。また旋回スクロール４の離反量も小さくできるため、固定スクロール１０鏡板と旋回スクロールラップ部４ａ上面の接触破壊を抑制することができる。

以上のように本発明にかかるスクロール式流体機械は、補助クランクの偏心方向に作用する遠心力の１／３〜１／５の強さの付勢力を与えるバネを設けた構成にすることにより、運転時に旋回スクロールが離反することで発生する固定スクロール鏡板と旋回スクロールラップ部上面との間に一定量設けたスラスト隙間の変化を抑制することができ、高い信頼性と高性能を同時に確保することが可能となることから、流体送風機、空気圧縮の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール式流体機械の縦断面図 本発明の実施の形態２におけるスクロール式流体機械の要部断面図 本発明の実施の形態３におけるスクロール式流体機械の要部断面図 従来のスクロール式流体機械の要部断面図

符号の説明

１ モータケーシング
２ 電動機
２ａ 固定子
２ｂ 回転子
３ 駆動軸
４ 旋回スクロール
４ａ 旋回スクロールラップ部
５ 旋回スクロール転がり軸受
６ 固定フレーム
７ 主軸転がり軸受
８ 副軸転がり軸受
９ バネ
１０ 固定スクロール
１０ａ 固定スクロールラップ部
１１ クランク機構
１１ａ 補助クランク
１２ 旋回スクロール側転がり軸受
１３ 固定フレーム側転がり軸受
１４ スペーサ
１５ 吐出口

Claims (3)

1. 固定フレームとその固定フレームの中心部に転がり軸受を介して回転可能に設けられ、先端がクランク部となった駆動軸と前記固定フレーム内に位置してその駆動軸のクランク部に鏡板に設けられた軸受を介して旋回可能に設けられた前記鏡板にラップ部が立設された旋回スクロールと、その旋回スクロールに対向して前記固定フレームの他端側に設けられて鏡板にその旋回スクロールのラップ部との間で複数の圧縮室を形成するラップが立設された固定スクロールと、前記旋回スクロールの自転運動を防止するために前記旋回スクロールと前記固定フレームとの間に設けられた補助クランク機構とを備え、前記駆動軸に前記固定フレームに対して旋回スクロールと反対方向へ向かって付勢力を付与するように前記駆動軸と前記転がり軸受けの内輪の端面間にバネを設けたスクロール式流体機械において、前記駆動軸と前記転がり軸受けの内輪の端面間に設けたバネの付勢力を前記補助クランクの偏心方向に作用する遠心力の１／３〜１／５の強さにしたことを特徴とするスクロール式流体機械。
2. 前記固定フレームに設けられた補助クランク用転がり軸受に複列アンギュラー型転がり軸受けを用いた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。
3. 前記旋回スクロールに設けられた補助クランク用転がり軸受に複列アンギュラー型転がり軸受けを用いたことを特徴とする請求項１〜２に記載のスクロール式流体機械。

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