JP2010127209A

JP2010127209A - スクロール型流体機械

Info

Publication number: JP2010127209A
Application number: JP2008303829A
Authority: JP
Inventors: Jiro Iizuka; 二郎飯塚
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP5065234B2

Abstract

【課題】渦巻体の耐久性向上、軽量化を達成可能なスクロール型流体機械を提供する。
【解決手段】内外壁面が渦巻曲線で形成された渦巻壁を有する固定渦巻体と、該固定渦巻体の渦巻壁に係合する渦巻曲線で形成された渦巻壁を有する可動渦巻体とを有し、少なくとも一方の渦巻体の渦巻壁の最内方に位置する中央端部の少なくとも一部が、壁横断面形状として、渦巻壁の外壁面に接する曲率半径Ｒｏの円弧と内壁面に接する曲率半径Ｒｉの円弧と両円弧に接続する曲率半径Ｒｍの円弧の３つの円弧を接続した形状に形成され、かつ、Ｒｏ＜Ｒｍ＜Ｒｉの関係を満足するスクロール型流体機械。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮機や膨張機をして使用可能なスクロール型流体機械に関し、とくに、耐久性向上、軽量化をはかったスクロール型流体機械の渦巻体の構造の改良に関する。

内外壁面が渦巻曲線で形成された渦巻壁を底板上に有し、中央部に連通孔を有する固定渦巻体と、該固定渦巻体の渦巻壁に係合し内外壁面が渦巻曲線で形成された渦巻壁を底板上に有し、両渦巻壁間に容積変化空間（流体ポケット）を形成し、旋回されることにより前記容積変化空間の容積を変化させる可動渦巻体とを備えたスクロール型流体機械はよく知られており、圧縮機や膨張機、さらにはポンプとして使用可能である。このようなスクロール型流体機械においては、軽量化が望まれるとともに、とくに、最も高い応力がかかる渦巻壁の中央端部における壁の強度、耐久性の向上が望まれ、この中央端部の形状や構造に各種の工夫を加えることが、従来から検討されている。

従来のスクロール型流体機械における渦巻壁の中央端部については、渦巻壁の外壁面に接続する曲率半径Ｒｏの円弧と内壁面に接続する曲率半径Ｒｉの円弧の双方を直線で接続した横断面形状を有するものが一般的である。また、これら曲率半径Ｒｏの円弧と曲率半径Ｒｉの円弧とを実質的に直接接続した形状も知られている（例えば、特許文献１）。
特許第３６９６９５５号公報

ところが、とくに、中央部に連通孔（圧縮機の場合は、吐出孔）を有する固定渦巻体においては、連通孔の存在により渦巻壁が支えを失う分強度が低下するので、一層の強度向上、耐久性向上の配慮が必要になる。

また、上記のような中央部に連通孔を有する固定渦巻体においては、連通孔に高温高圧の流体が流れるため、特に軽合金により形成されている固定渦巻体は、このような連通孔を持たない可動渦巻体よりも耐久性が低下しやすい。

そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、渦巻体の耐久性を向上しつつ、併せて軽量化も達成可能なスクロール型流体機械を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るスクロール型流体機械は、内外壁面が渦巻曲線で形成された渦巻壁を底板上に有し、中央部に連通孔を有する固定渦巻体と、該固定渦巻体の渦巻壁に係合し内外壁面が渦巻曲線で形成された渦巻壁を底板上に有し、両渦巻壁間に容積変化空間を形成し、旋回されることにより前記容積変化空間の容積を変化させる可動渦巻体とを備えたスクロール型流体機械において、少なくとも一方の渦巻体の渦巻壁の最内方に位置する中央端部の壁高さ方向の少なくとも一部が、壁横断面形状として、該渦巻壁の外壁面に接する曲率半径Ｒｏの円弧と内壁面に接する曲率半径Ｒｉの円弧の２つの円弧に接続する曲率半径Ｒｍの円弧を有する形状に形成され、かつ、Ｒｏ＜Ｒｍ＜Ｒｉの関係を満足していることを特徴とするものからなる。

すなわち、本発明に係るスクロール型流体機械においては、渦巻体の渦巻壁の最内方に位置する中央端部が、渦巻壁の外壁面に接する曲率半径Ｒｏの円弧と、渦巻壁の内壁面に接する曲率半径Ｒｉの円弧と、両円弧に接続する曲率半径Ｒｍの円弧の、３つの円弧の接続によって構成される。ただし、本発明は、これら３つの円弧を直接接続する構成はもちろんのこと、各円弧間を直線または曲線により滑らかに繋ぐ構成も包含する。このように３つの円弧の接続構成とすることにより、とくに後述の図３に明示されるように、渦巻体の渦巻壁の中央端部が補強されて渦巻壁の耐久性が向上され、併せて、渦巻壁先端に至るまでの渦巻壁の壁厚を低減することが可能になって、軽量化をはかることが可能になる。また、このような壁横断面形状は、壁高さ方向の少なくとも一部について採用すればよく、とくに壁高さが最も高い部位あるいはその近傍部位に対して採用すればよい。さらに、３つの円弧の接続構成により、渦巻壁にかかる応力を適切に緩和できるため、この部分の設計の自由度を増大させることも可能になる。

このような本発明に係るスクロール型流体機械においては、上記壁横断面形状における渦巻壁の外壁面の渦巻曲線が上記曲率半径Ｒｏの円弧に接続する点と、該渦巻壁の内壁面の渦巻曲線が上記曲率半径Ｒｉの円弧に接続する点の、渦巻曲線の渦巻座標の原点に対する位相角に関する位置が、点対称となるように（つまり、両接続点と渦巻座標の原点が一直線上に並ぶように）設定されていることが好ましい。

また、上記渦巻曲線としては、インボリュート曲線、アルキメデス曲線、代数螺旋曲線、またはこれらの２つ以上の組み合わせによる曲線のいずれも採用可能である。

また、上記渦巻壁の中央端部が、底板より遠のくにつれて断面積が減少する輪郭を持ち、底板から最も離れた部位において（つまり、渦巻壁の高さが高い部位において）、上記Ｒｏ＜Ｒｍ＜Ｒｉの関係を満足していることが好ましい。このような構成においては、必要に応じて渦巻壁の高さ方向根元側の壁厚さを、強度、耐久性向上のために増加させつつ、渦巻壁の高さが高い部位において本発明の目的を達成するための構成を採用することが可能になる。渦巻壁の壁厚さが変化する構造としては、段階状に変化する構成、連続的に変化する構成のいずれも採用可能である。

また、本発明に係る構成は、とくに、中央部に連通孔（圧縮機の場合には、吐出孔）を有する固定渦巻体に適用して好適なものである。このような固定渦巻体では、前述の如く、連通孔の存在により耐久性が低下しやすいので、本発明に係る構成がとくに有効となる。

この場合、上記固定渦巻体の中央部の連通孔の半径をＲｄとしたとき、該固定渦巻体の渦巻壁の中央端部の壁高さ方向の少なくとも一部が、Ｒｏ＜Ｒｄ＜Ｒｉの関係を満足していればよい。壁高さ方向の少なくとも一部が本発明の構成を有し、かつ、このような関係を満たすことにより、耐久性向上、軽量化の効果が得られる。

また、この場合、例えば次のような形態を採ることができる。すなわち、上記渦巻壁の中央端部が、底板より遠のくにつれて断面積が減少する輪郭を持ち、底板に最も近い部位の少なくとも一部が根元フィレットの外周輪郭を有し、該外周輪郭が、渦巻壁の外壁面に接する曲率半径Ｒｏ₂の円弧と内壁面に接する曲率半径Ｒｉ₂の円弧の２つの円弧に接続する曲率半径Ｒｍ₂の円弧を有する形状に形成され、かつ、Ｒｍ₂＜Ｒｄ＜Ｒｉ₂およびＲｍ₂＜Ｒｏ₂の関係を満足している形態とすることができる。この形態では、上述のような耐久性向上、軽量化の効果が、壁高さが高い部位、根元側部位の両方について効率よく得られる。

また、本発明においては、上記少なくとも一方の渦巻体が可動渦巻体からなる場合、該可動渦巻体の旋回半径をＲｏｂとし、該可動渦巻体の渦巻壁の根元フィレットの外周輪郭が、渦巻壁の外壁面に接する曲率半径Ｒｏ₂の円弧と内壁面に接する曲率半径Ｒｉ₂の円弧の２つの円弧に接続する曲率半径Ｒｍ₂の円弧を有する形状に形成されているとき、Ｒｏ＋Ｒｏｂ＜Ｒｉ₂、Ｒｏ₂＋Ｒｏｂ＜Ｒｉ、Ｒｍ₂＋Ｒｏｂ＜Ｒｍの関係を満足していることが好ましい。このような構成により、可動渦巻体の円滑な動作が確保されつつ、可動渦巻体側についても、上述のような耐久性向上、軽量化の効果が効率よく得られることになる。上記各関係において、不等記号を採用している理由は、右辺と左辺が等しければ可動渦巻体の渦巻壁と固定渦巻体の渦巻壁とがかじるおそれが生じるので、それを回避するためである。

このような本発明に係るスクロール型流体機械は、圧縮機、膨張機のいずれにも適用でき、さらにはポンプにも適用可能である。また、このような本発明に係るスクロール型流体機械は、とくに、小型軽量化、高耐久性、長期間にわたる安定した運転状態の維持等が要求される車両搭載用の流体機械、例えば、車両用空調装置の圧縮機として好適なものである。

このように、本発明に係るスクロール型流体機械によれば、設計自由度を増加させつつ、渦巻壁中央端部の強度、耐久性の向上（応力緩和）が可能になり、併せて、渦巻体、ひいては流体機械全体の軽量化も可能となる。ちなみに、本発明に一設計例では、従来形状に比べ、軽量化を達成しつつ最大応力を約１７％低減することができた。この結果、高価な材料を使わなくても十分に耐久性を確保できるようになり、コスト低減に繋げることが可能になった。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明に係るスクロール型流体機械は、圧縮機にも膨張機にも適用できるが、以下の実施形態は、とくに圧縮機に本発明を適用した場合について説明する。

図１は、本発明の一実施態様に係るスクロール型流体機械としてのスクロール型圧縮機を示している。図１において、スクロール型圧縮機１は、固定渦巻壁２を固定渦巻側底板３上に立設した固定渦巻体４と、固定渦巻壁２と係合する可動渦巻壁５を可動渦巻側底板６上に有し、両渦巻壁２、５間に容積変化空間としての流体ポケット７を形成し、自身が自転を阻止された状態で旋回されることにより流体ポケット７を中央部に向けて移動させ、その容積を縮めて圧縮動作を行う可動渦巻体８とを備えている。本実施態様では、固定渦巻体４は締結ボルト９によってメインハウジング１０に連結固定されている。固定渦巻体４の径方向中央部には、連通孔としての吐出孔１１が設けられており、吐出孔１１を通して吐出された圧縮流体は、メインハウジング１０内に形成された吐出室１２から、吐出ポート１３を介して外部回路へと送出されるようになっている。図示を省略した吸入ポートからは、吸入室１４に被圧縮流体が吸入され、固定渦巻体４と可動渦巻体８による圧縮動作に供される。

可動渦巻体８は、クランクシャフト部１５を有する主軸１６によって旋回駆動される。主軸１６は、フロントハウジング１７内を挿通されており、外部駆動源としての例えば車両のエンジン（図示略）からベルト等を介してプーリ１８に伝達され、そこから電磁クラッチ１９を介して伝達される駆動力によって回転駆動される。クランクシャフト部１５における大径部２０から突設された偏心ピン２１が偏心回転ローラ２２内に相対回転自在に嵌挿されており、偏心回転ローラ２２は、ベアリング２３を介して、可動渦巻体８の背面側に配置されている。主軸１６のクランクシャフト部１５の回転により、偏心ピン２１、偏心回転ローラ２２を介して可動渦巻体８が旋回される。なお、図１における２４は、バランスウエイト、２５は、可動渦巻体８の自転阻止のためのボールカップリングを、それぞれ示している。

このような構成を有するスクロール型圧縮機１において、渦巻体に本発明が適用されるが、以下に、とくに固定渦巻体４に本発明を適用した場合について、図２、図３を参照しながら説明する。

図２、図３は、半径Ｒｇのインボリュート基礎円３１に基づき描かれるインボリュート曲線を渦巻曲線として形成される外壁面３２と内壁面３３とを有する、底板３上に形成された固定渦巻体４の渦巻壁２の渦巻壁最内方に位置する中央端部近傍部位を示している。底板３の中央部には、半径Ｒｄの貫通孔からなる吐出孔１１が設けられている。固定渦巻体４の渦巻壁２の中央端部の壁高さ方向の少なくとも一部が、本実施態様では、底板３から最も離れた渦巻壁２の頂部における形状（壁横断面形状）が、渦巻壁２の外壁面３２に接する曲率半径Ｒｏの円弧３４と、内壁面３３に接する曲率半径Ｒｉの円弧３５の２つの円弧３４、３５の双方に接続する曲率半径Ｒｍの円弧３６を有する形状に形成されている。そして、これら曲率半径Ｒｏ、Ｒｍ、Ｒｉは、Ｒｏ＜Ｒｍ＜Ｒｉの関係を満足するように設定されている。

また、渦巻壁２の上記壁横断面形状における渦巻壁２の外壁面３２の渦巻曲線が曲率半径Ｒｏの円弧３４に接続する点３７と、該渦巻壁２の内壁面３３の渦巻曲線が曲率半径Ｒｉの円弧３５に接続する点３８の、渦巻曲線の渦巻座標の原点３９に対する位相角に関する位置が、点対称となるように（つまり、両接続点３７、３８と渦巻座標の原点３９が一直線上に並ぶように）設定されている。

また、本実施態様では、渦巻壁２は高さ方向に段階的に厚さが変更されており、渦巻壁２の中央端部が、底板３より遠のくにつれて断面積が減少する輪郭を持つ。底板３に最も近い部位、つまり、渦巻壁２の底板３へと接続する根元側には、フィレット４０が形成されており、このフィレット４０の外周輪郭は、渦巻壁２の外壁面３２に接する曲率半径Ｒｏ₂の円弧４１と、渦巻壁２の内壁面３３に接する曲率半径Ｒｉ₂の円弧４２の２つの円弧４１、４２に接続する曲率半径Ｒｍ₂の円弧４３を有する形状に形成されている。そして、これら曲率半径Ｒｍ₂、Ｒｉ₂、Ｒｏ₂および吐出孔１１の半径Ｒｄは、Ｒｍ₂＜Ｒｄ＜Ｒｉ₂およびＲｍ₂＜Ｒｏ₂の関係を満足するように設定されている。

図示は省略するが、可動渦巻体８についても、上記と同様の渦巻壁５の中央端部の形状や、前述したような旋回半径Ｒｏｂとの関係を満足するように設定することができる。

このように構成された本実施態様に係るスクロール型圧縮機１においては、渦巻壁２の中央端部が、曲率半径Ｒｏの円弧３４と、曲率半径Ｒｉの円弧３５と、両円弧３４、３５間の曲率半径Ｒｍの円弧３６の３つの円弧３４、３５、３６の接続構造によって形成されており、かつ、これらがＲｏ＜Ｒｍ＜Ｒｉの特定の関係を満足するように設定されているので、図３に破線で表示した従来形状との比較を明示するように、渦巻壁２の中央端部が、図３のＡ部のように補強され、耐久性が向上される（強度向上部位Ａ）。また、図３にＢ部として示すように、渦巻壁２の中央端部の壁厚を部分的に低減することが可能になり（軽量化部位Ｂ）、壁を薄くした分、渦巻壁２の重量を低減可能となり、固定渦巻体４全体として、ひいてはスクロール型圧縮機１全体として、軽量化が可能となる。さらに、このように渦巻壁２の薄肉化が可能になり、渦巻壁２の補強による応力緩和が可能になる結果、スペース上、目標とする応力値をクリアするための強度上の設計に関して自由度が増すことにもなる。さらにまた、渦巻壁２の補強による応力緩和が可能になる結果、固定渦巻体４形成のために敢えて高価な材料を使用する必要がなくなって、安価な通常の材料の使用が可能になり、製造コストの低減をはかることが可能となる。

このような効果は、可動渦巻体８側についても本発明を適用することにより、一層高められる。

本発明に係るスクロール型流体機械は、圧縮機、膨張機のいずれにも、さらにはポンプにも適用でき、とくに、車両搭載用の流体機械、例えば車両用空調装置に用いられる圧縮機として好適なものである。

本発明の一実施態様に係るスクロール型流体機械としてのスクロール型圧縮機の縦断面図である。図１の圧縮機の固定渦巻体の拡大部分斜視図である。図２の固定渦巻体の平面図である。

符号の説明

１スクロール型流体機械としてのスクロール型圧縮機
２固定渦巻壁
３固定渦巻側底板
４固定渦巻体
５可動渦巻壁
６可動渦巻側底板
７流体ポケット
８可動渦巻体
９締結ボルト
１０メインハウジング
１１連通孔としての吐出孔
１２吐出室
１３吐出ポート
１４吸入室
１５クランクシャフト部
１６主軸
１７フロントハウジング
１８プーリ
１９電磁クラッチ
２０大径部
２１偏心ピン
２２偏心回転ローラ
２３ベアリング
２４バランスウエイト
２５ボールカップリング
３１インボリュート基礎円
３２外壁面
３３内壁面
３４曲率半径Ｒｏの円弧
３５曲率半径Ｒｉの円弧
３６曲率半径Ｒｍの円弧
３７、３８接続点
３９渦巻座標の原点
４０フィレット
４１曲率半径Ｒｏ₂の円弧
４２曲率半径Ｒｉ₂の円弧
４３曲率半径Ｒｍ₂の円弧
Ａ強度向上部位
Ｂ軽量化部位

Claims

内外壁面が渦巻曲線で形成された渦巻壁を底板上に有し、中央部に連通孔を有する固定渦巻体と、該固定渦巻体の渦巻壁に係合し内外壁面が渦巻曲線で形成された渦巻壁を底板上に有し、両渦巻壁間に容積変化空間を形成し、旋回されることにより前記容積変化空間の容積を変化させる可動渦巻体とを備えたスクロール型流体機械において、少なくとも一方の渦巻体の渦巻壁の最内方に位置する中央端部の壁高さ方向の少なくとも一部が、壁横断面形状として、該渦巻壁の外壁面に接する曲率半径Ｒｏの円弧と内壁面に接する曲率半径Ｒｉの円弧の２つの円弧に接続する曲率半径Ｒｍの円弧を有する形状に形成され、かつ、Ｒｏ＜Ｒｍ＜Ｒｉの関係を満足していることを特徴とするスクロール型流体機械。
前記壁横断面形状における渦巻壁の外壁面の渦巻曲線が前記曲率半径Ｒｏの円弧に接続する点と、該渦巻壁の内壁面の渦巻曲線が前記曲率半径Ｒｉの円弧に接続する点の、渦巻曲線の渦巻座標の原点に対する位相角に関する位置が、点対称となるように設定されている、請求項１に記載のスクロール型流体機械。
前記渦巻曲線は、インボリュート曲線、アルキメデス曲線、代数螺旋曲線、またはこれらの２つ以上の組み合わせによる曲線のいずれかからなる、請求項１または２に記載のスクロール型流体機械。
前記渦巻壁の中央端部が、底板より遠のくにつれて断面積が減少する輪郭を持ち、底板から最も離れた部位において前記Ｒｏ＜Ｒｍ＜Ｒｉの関係を満足している、請求項１〜３のいずれかに記載のスクロール型流体機械。
前記少なくとも一方の渦巻体が固定渦巻体からなる、請求項１〜４のいずれかに記載のスクロール型流体機械。
圧縮機。
前記固定渦巻体の中央部の連通孔の半径をＲｄとしたとき、該固定渦巻体の渦巻壁の中央端部の壁高さ方向の少なくとも一部が、Ｒｏ＜Ｒｄ＜Ｒｉの関係を満足している、請求項５に記載のスクロール型流体機械。
前記渦巻壁の中央端部が、底板より遠のくにつれて断面積が減少する輪郭を持ち、底板に最も近い部位の少なくとも一部が根元フィレットの外周輪郭を有し、該外周輪郭が、渦巻壁の外壁面に接する曲率半径Ｒｏ₂の円弧と内壁面に接する曲率半径Ｒｉ₂の円弧の２つの円弧に接続する曲率半径Ｒｍ₂の円弧を有する形状に形成され、かつ、Ｒｍ₂＜Ｒｄ＜Ｒｉ₂およびＲｍ₂＜Ｒｏ₂の関係を満足している、請求項６に記載のスクロール型流体機械。
前記少なくとも一方の渦巻体が可動渦巻体からなり、該可動渦巻体の旋回半径をＲｏｂとし、該可動渦巻体の渦巻壁の根元フィレットの外周輪郭が、渦巻壁の外壁面に接する曲率半径Ｒｏ₂の円弧と内壁面に接する曲率半径Ｒｉ₂の円弧の２つの円弧に接続する曲率半径Ｒｍ₂の円弧を有する形状に形成されているとき、Ｒｏ＋Ｒｏｂ＜Ｒｉ₂、Ｒｏ₂＋Ｒｏｂ＜Ｒｉ、Ｒｍ₂＋Ｒｏｂ＜Ｒｍの関係を満足している、請求項１〜７のいずれかに記載のスクロール型流体機械。
圧縮機からなる、請求項１〜８のいずれかに記載のスクロール型流体機械。
膨張機からなる、請求項１〜８のいずれかに記載のスクロール型流体機械。
車両搭載用の流体機械からなる、請求項１〜１０のいずれかに記載のスクロール型流体機械。