JP2015108310A - スクロール式流体機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、対向するスクロールのラップ部間の接触を回避しつつ、圧縮効率を向上させたスクロール式流体機械を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、「鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第1のスクロール部材と、前記第１のスクロール部材と対向する位置に配置され、鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第２のスクロール部材と、前記第１のスクロール部材または前記第２のスクロール部材の少なくともいずれか一方の前記鏡板の背面側に設けられた冷却フィンと、前記第１のスクロール部材または前記第２のスクロール部材の少なくともいずれか一方のラップ部に設けられた突起部を備え、前記突起部の先端と基端とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差を周方向の位置によって異ならせることを特徴とするスクロール式流体機械」を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スクロール式流体機械に関するものである。
本発明の技術分野における背景技術として、特許文献１、２がある。
特許文献１には、少なくとも一方のスクロールのラップ部の周面に複数本の突起を設けたスクロール式流体機械が記載されている。
特許文献２には、固定スクロールのラップ部の内周面または外周面の予め決められた角度範囲に薄肉部を形成したスクロール式流体機械が記載されている。
特開２００４−１３８０５６号公報 特開２００６−１７０１３号公報
特許文献１のスクロール式流体機械は、複数本の突起を設けて圧縮時の密閉性を高め、圧縮効率を向上させている。
ここで、スクロール式流体機械は運転時にスクロールに形成されたラップ部が圧縮熱により熱変形する。熱変形によるラップ部の変形はラップ部の背面側に設けられた冷却フィン等の影響により、周方向の位置によって不均一であり、対向するスクロールのラップ部間の隙間が大きくなる部分もあれば狭くなる部分もある。
そこで、例えば、特許文献２に記載されているように熱変形によって対向するスクロールのラップ部の隙間が小さくなる部分について薄肉部を形成することにより、運転時のラップ部間の接触を防止しつつ、圧縮効率を向上させていた。
しかし、運転時の熱膨張による影響を考慮してラップ部同士が接触しないようにすると、対向するスクロールのラップ部間の隙間が必要以上に大きくなり、特に運転開始時における圧縮流体の漏れが大きくなり、圧縮室の密閉性を高めることができず、圧縮効率を向上させることができなかった。
上記問題点に鑑み、本発明は、対向するスクロールのラップ部間の接触を回避しつつ、圧縮効率を向上させたスクロール式流体機械を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、「鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第1のスクロール部材と、前記第１のスクロール部材と対向する位置に配置され、鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第２のスクロール部材と、前記第１のスクロール部材または前記第２のスクロール部材の少なくともいずれか一方の前記鏡板の背面側に設けられた冷却フィンと、前記第１のスクロール部材または前記第２のスクロール部材の少なくともいずれか一方のラップ部に設けられた突起部を備え、前記突起部の先端と基端とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差を周方向の位置によって異ならせることを特徴とするスクロール式流体機械」を提供する。
本発明によれば、対向するスクロールのラップ部間の接触を回避しつつ、圧縮効率を向上させたスクロール式流体機械を提供することができる。
本発明の実施例１に係るスクロール式圧縮機の全体の断面図である。 本発明の実施例１に係るスクロール式圧縮機のラップ部の断面図である。 スクロール式圧縮機のラップ部補正を示す断面図である。 本発明の実施例１に係るスクロール式圧縮機のラップ部間の拡大図である。 本発明の実施例１に係るスクロール式圧縮機のラップ部間の拡大図である。 本発明の実施例２に係るスクロール式圧縮機のラップ部間の拡大図である。 本発明の実施例３に係るスクロール式圧縮機のラップ部間の拡大図である。 本発明の実施例４に係るスクロール式圧縮機のラップ部の断面図である。 本発明の実施例４に係るスクロール式圧縮機のスクロールの変形を示す図である。
以下、スクロール式流体機械の一例として、本発明の実施例１〜４に係るスクロール式圧縮機を図１〜７に基づき説明する。
以下、本発明の実施例１を図１〜５に従って詳細に説明する。
図１を用いて、本実施例に係るスクロール式圧縮機の全体構造について説明する。本実施例に係るスクロール式圧縮機は、鏡板１Ａに渦巻状のラップ部３が形成された旋回スクロール１と旋回スクロール１と対向する位置に設けれ、鏡板２Ａに渦巻状のラップ部４が形成された固定スクロール２とを備える。旋回スクロール１、固定スクロール２の（少なくともいずれか一方の）背面にはそれぞれ冷却フィン１Ｃ、２Ｃが設けられている。
図２を用いて、本実施例に係るスクロール式圧縮機の動作について説明する。旋回スクロール１の旋回運動により、固定スクロール２のラップ部４と旋回スクロール１のラップ部３との間に画成される圧縮室５が連続的に縮小される。これによって各圧縮室は、吸込ポート６から吸込んだ空気を順次圧縮しつつ、この圧縮空気を吐出ポート７から外部の空気タンク（図示せず）に向けて吐出する。
ここで、一般にスクロール式圧縮機は、図３に示すように固定スクロール２と旋回スクロール１のラップ部３、４に形成するラジアル方向の隙間δ（ラップ隙間と呼ぶ）を可能な限り小さくして、各圧縮室から圧縮空気が漏れるのを抑え、空気圧縮機としての効率等を高めるようにしている。一方、ラップ隙間δを小さくすると圧縮熱等の影響でラップが熱変形した場合に、ラップ部３、４が接触する可能性がある。そこで、ラップ隙間δをラップ部３、４が接触せず、圧縮効率を高めるように設定している。しかし、ラップ部３、４はスクロール式圧縮機の運転に伴い、圧縮熱によって変形するため、起動開始からの時間によって最適なラップ隙間δは変化するものである。そのため、ラップ部３、４が接触しないことを最優先に考えると、圧縮効率を向上させるのは困難であった。
そこで、本実施例では、図４に示すようにラップ側面に突起８を設け、ラップが接触した場合でも、突起部８の先端のみが接触し、ラップ側面全体が接触する（かじる）ことを防止している。これにより、圧縮空気の漏れ量を低減し、圧縮効率を向上させることができる。
一方で、突起部８の先端と対向するスクロールのラップ部３、４との隙間を極端に狭くしすぎると、突起部８だけでなく、ラップ部３、４全体が接触してしまう。そのため、突起部８の先端と対向するスクロールのラップ部３、４との隙間はある程度の大きさを取る必要がある。ここで、突起部８の先端と対向するスクロールのラップ部３、４との隙間についても、スクロール式圧縮機の運転に伴い、圧縮熱によって変形するため、起動開始からの時間によって最適な隙間は変化する。突起部８の先端と対向するスクロールのラップ部３、４との隙間だけを考慮した場合もラップ部３、４全体が接触させないことを前提として、圧縮効率を向上させるのは困難であった。
そこで、本実施例では、図４に示すように、突起部８の先端と対向するスクロールのラップ部３、４との隙間ではなく、突起部８の先端と基端９とにおけるラップ部の径方向の厚さの差ｈを周方向の位置によって異ならせる。即ち、突起部８の先端と基端９とにおいて、対向するスクロール３、４との間隔の差を周方向の位置によって異ならせている。
このとき、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分の突起部８先端と基端９とにおけるラップ部３、４の径方向の厚さの差ｈ１、ｈ２を、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分よりも小さく設定する（ｈ１＞ｈ２）。同様に、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分の突起部８先端と基端９とにおける対向するスクロール３、４との間隔の差も熱変形でラップ隙間が小さくなる部分よりも小さく設定する。
これにより、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分については、突起部８先端と基端９とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差および対向するスクロール３、４との間隔の差を大きくすることにより、突起部８先端を対向するスクロールのラップ部３、４に近づけてもラップ部全体が接触することを防止することができる。これにより、突起部８先端を対向するスクロールのラップ部３、４に近づけることが可能となり、圧縮空気の漏れ量を低減して、圧縮効率を向上させることが可能となる。一方で、熱変形でラップ隙間が大きくなる部分については、突起部８先端と基端９とにおけるラップ部の径方向の厚さの差を小さくすることにより、突起部８の基端部９での漏れを低減し、さらに圧縮効率を向上させることができる。
さらに、図５に示すように、突起部８先端と基端９とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差ｈを、熱変形によって生じるラップ隙間に応じて多段階に変える（ｈ１＞ｈ２＞ｈ３）ことで、よりラビリンス基端部側での漏れを低減できる。
以上より、本実施例によれば、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分の突起部８先端と基端９とにおけるラップ部の径方向の厚さの差および対向するスクロール３、４との間隔の差を、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分よりも小さく設定することで、ラップ部全体が接触することを防止しつつ、圧縮空気の漏れ量を低減して、圧縮効率を向上させることができる。
本発明の実施例２について、図６を用いて説明する。実施例１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施例では、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分についてラップ部３、４の側面１０には突起部を設けず、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分のみに突起部を設けた。即ち、実施例１で、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分について突起部８先端と基端９とにおけるラップ部３、４の径方向の厚さの差ｈ２を０とした。同様に、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分について突起部８先端と基端９とにおける対向するスクロール３、４との間隔の差も０とした。これにより、実施例１と比較して、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分について、突起部８の基端部９での漏れを低減し、さらに圧縮効率を向上させることができる。
本発明の実施例３について、図７を用いて説明する。実施例１、２と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施例では、ラップ部３、４の側面に設けられた複数の突起部８をラップ部３、４の側面形状が多角形状となるようにつないだ。
突起部８（多角形状突起部１１）の寸法は、突起部先端と基端１２とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差ｈを周方向の位置によって異ならせる。即ち、突起部先端と基端１２とにおける対向するスクロール３、４との間隔の差を周方向の位置によって異ならせる。具体的には、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分の多角形状突起部１１先端と基端１２とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差ｈ１、ｈ２を、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分よりも小さく設定する。これにより、熱変形でラップ隙間が拡がる部分における、多角形状突起基端部側１２での漏れを低減することができる。
本実施例によれば、実施例１、２に比較して、容易な加工でラップ部３、４を形成でき、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分について、突起部８の基端部９での漏れを低減し、さらに圧縮効率を向上させることができる。
本発明の実施例４について、図８、９を用いて説明する。実施例１〜３と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
固定スクロール２の鏡板２Ａには、その背面側にそれぞれ一方向（図２中のＸ−Ｘ線）に互いに平行になって延びる複数の冷却フィン２Ｃ、２Ｃ、・・・を設け、これらの冷却フィン２Ｃに沿って冷却風を流通させることにより鏡板２Ａを背面側から冷やし、圧縮熱等の影響で渦巻状のラップ部４が変形するのを低減している。
ここで、このような固定スクロール２は、鏡板２Ａの背面側に設けた各冷却フィン２Ｃが図７中のＸ−Ｘ線に沿って互いに平行に延びているので、固定スクロール２全体の剛性は、冷却フィン２Ｃが延びるＸ−Ｘ線の方向で高く、これと垂直なＹ−Ｙ線の方向では剛性が低くなる傾向がある。
固定スクロール２は、図８、９に示すようにフランジ部１８が旋回スクロール１を外側から収納するケーシング（図示略）に固定される。そのため、例えば圧縮室５内に発生する圧縮空気の圧力、圧縮熱等の影響によって図９に示すように冷却フィン２Ｃが形成された背面側に湾曲するように変形する。
このため、例えば圧縮室５内に発生する圧縮空気の圧力、圧縮熱等の影響によって固定スクロール２のラップ部４が変形するときに、例えば図８中に示す矢印Ｆ1、Ｆ1方向については径方向内側に向けて縮径される。このとき、固定スクロール２のラップ部４の歯先側と径方向外側で対向する旋回スクロール２のラップ部３の歯元側との間の隙間は大きくなる。
このような変形となる固定スクロール２に対して、固定スクロール２のラップ部４の外周面と旋回スクロール１のラップ部の内周面の少なくとも一方に形成された突起部８の先端と基端とにおける径方向の厚さの差および対向するスクロール３、４との間隔の差を、冷却フィン２Ｃが延びる方向（矢印Ｆ２、Ｆ２方向）を含む（９０度未満の）所定角度範囲内に形成された突起部１６と基端部１７の差よりも冷却フィン２Ｃが延びる方向と垂直方向（矢印Ｆ１、Ｆ１方向）を含む（９０度未満の）所定角度範囲内に形成された突起部１４と基端部１５との差を小さく設定する。
逆に矢印Ｆ２、Ｆ２方向では、固定スクロール２の鏡板２Ａは拡径される。このとき、固定スクロール２のラップ部４の歯先側と径方向内側で対向する旋回スクロール１のラップ部３の歯元側との間の隙間は大きくなる。
このような変形となる固定スクロール２に対して、固定スクロール２のラップ部４の内周面と旋回スクロール１のラップ部の内周面の少なくとも一方に形成された突起部８の先端と基端とにおける径方向の厚さの差および対向するスクロール３、４との間隔の差を、冷却フィン２Ｃが延びる方向と垂直方向（矢印Ｆ１、Ｆ１方向）を含む（９０度未満の）所定角度範囲内に形成された突起部１４と基端部１５との差よりも冷却フィン２Ｃが延びる方向（矢印Ｆ２、Ｆ２方向）を含む（９０度未満の）所定角度範囲内に形成された突起部１６と基端部１７との差を小さく設定する。
本実施例によれば、冷却フィン２Ｃが延びる向きに対応して旋回スクロール１のラップ部３と固定スクロール２のラップ部４との隙間が大きくなるか小さくなるかを予めより正確に考慮した上でより、ラップ部全体が接触することを防止しつつ、圧縮空気の漏れ量を低減して、圧縮効率を向上させることができる。
実施例１〜４の形態では、スクロール式流体機械を空気圧縮機として用いる場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、真空ポンプ等を含めて他のスクロール式流体機械に適用してもよいものである。
１ 旋回スクロール
２ 固定スクロール
３ 旋回スクロールラップ部
４ 固定スクロールラップ部
５ 圧縮室
６ 吸込ポート
７ 吐出ポート
８ 突起部
９ 突起部の基端部
１０ ラップ部の側面
１１ 多角形状突起
１２ 多角形状突起の基端部
１３ ラップ部径方向外側の側面
１４ Ｆ１−Ｆ１方向に形成された突起部
１５ Ｆ１−Ｆ１方向に形成された突起部の基端部
１６ Ｆ２−Ｆ２方向に形成された突起部
１７ Ｆ２−Ｆ２方向に形成された突起部の基端部
１８ フランジ部

Claims (16)

  1. 鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第1のスクロール部材と、
    前記第１のスクロール部材と対向する位置に配置され、
    鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第２のスクロール部材と、
    前記第１のスクロール部材または前記第２のスクロール部材の少なくともいずれか一方の前記鏡板の背面側に設けられた冷却フィンと、
    前記第１のスクロール部材または前記第２のスクロール部材の少なくともいずれか一方のラップ部に設けられた突起部を備え、
    前記突起部の先端と基端とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差を周方向の位置によって異ならせることを特徴とするスクロール式流体機械。
  2. 前記第１のスクロール部材および前記第２のスクロール部材の熱膨張時に対向するスクロール部材との間隔が広がる部分に形成された前記突起部について先端と基端とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差を小さく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。
  3. 前記第１のスクロール部材および前記第２のスクロール部材の熱膨張時に対向するスクロール部材との間隔が広がる部分には突起部を設けない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。
  4. 前記第１のスクロール部材および前記第２のスクロール部材の熱膨張時に対向するスクロール部材との間隔が広がる部分を多角形状に形成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。
  5. 前記ラップ部の外周面に形成された前記突起部の先端と基端とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差は、前記冷却フィンが延びる方向を含む所定角度範囲内に形成された前記突起部よりも前記冷却フィンが延びる方向と垂直方向を含む所定角度範囲内に形成された前記突起部のほうが小さいことを特徴とする請求項２に記載のスクロール式流体機械
  6. 前記ラップ部の内周面に形成された前記突起部の先端と基端とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差は、前記冷却フィンが延びる方向と垂直方向を含む所定角度範囲内に形成された前記突起部よりも前記冷却フィンが延びる方向を含む所定角度範囲内に形成された前記突起部のほうが小さいことを特徴とする請求項２に記載のスクロール式流体機械。
  7. 前記冷却フィンが延びる方向と垂直方向を含む所定角度範囲内について前記ラップ部の外周面には突起部を設けないことを特徴とする請求項５に記載のスクロール式流体機械。
  8. 前記冷却フィンが延びる方向を含む所定角度範囲内について前記ラップ部の内周面には突起部を設けないことを特徴とする請求項６に記載のスクロール式流体機械。
  9. 鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第1のスクロール部材と、
    前記第１のスクロール部材と対向する位置に配置され、
    鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第２のスクロール部材と、
    前記第１のスクロール部材または前記第２のスクロール部材の少なくともいずれか一方の前記鏡板の背面側に設けられた冷却フィンと、
    前記第１のスクロール部材または前記第２のスクロール部材の少なくともいずれか一方のラップ部に設けられた突起部を備え、
    前記突起部の先端と基端とにおける対向するスクロールとの間隔の差を周方向の位置によって異ならせることを特徴とするスクロール式流体機械。
  10. 前記第１のスクロール部材および前記第２のスクロール部材の熱膨張時に対向するスクロール部材との間隔が広がる部分に形成された前記突起部について先端と基端とにおける対向するスクロールとの間隔の差を小さくすることを特徴とする請求項９に記載のスクロール式流体機械。
  11. 前記第１のスクロール部材および前記第２のスクロール部材の熱膨張時に対向するスクロール部材との間隔が広がる部分には突起部を設けないことを特徴とする請求項９に記載のスクロール式流体機械。
  12. 前記第１のスクロール部材および前記第２のスクロール部材の熱膨張時に対向するスクロール部材との間隔が広がる部分を多角形状に形成することを特徴とする請求項９に記載のスクロール式流体機械。
  13. 前記ラップ部の外周面に形成された前記突起部の先端と基端とにおける対向するスクロールとの間隔の差は、前記冷却フィンが延びる方向を含む所定角度範囲内に形成された前記突起部よりも前記冷却フィンが延びる方向と垂直方向を含む所定角度範囲内に形成された前記突起部のほうが小さいことを特徴とする請求項１０に記載のスクロール式流体機械
  14. 前記ラップ部の内周面に形成された前記突起部の先端と基端とにおける対向するスクロールとの間隔の差は、前記冷却フィンが延びる方向と垂直方向を含む所定角度範囲内に形成された前記突起部よりも前記冷却フィンが延びる方向を含む所定角度範囲内に形成された前記突起部のほうが小さいことを特徴とする請求項１０に記載のスクロール式流体機械。
  15. 前記冷却フィンが延びる方向と垂直方向を含む所定角度範囲内について前記ラップ部の外周面には突起部を設けないことを特徴とする請求項１３に記載のスクロール式流体機械。
  16. 前記冷却フィンが延びる方向を含む所定角度範囲内について前記ラップ部の内周面には突起部を設けないことを特徴とする請求項１４に記載のスクロール式流体機械。
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