JP2018028305A - スクロール流体機械およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】傾斜部を有する壁体の歯先に設置されるチップシールの性能を効果的に発揮させることができるスクロール流体機械を提供する。【解決手段】向かい合う両端板間の対向面間距離が、外周側から内周側に向かって、連続的に減少する傾斜部が設けられている。傾斜部に対応する壁体3bの歯先に形成されたチップシール溝3dには、対向する歯底に接触して流体をシールするチップシール7が設けられている。スクロール3によって流体の圧縮を行わない停止時におけるチップシール7の傾斜高さLs’が、壁体3bの傾斜高さLsよりも小さい。【選択図】図8

Description

本発明は、スクロール流体機械およびその製造方法に関するものである。
一般に、端板上に渦巻状の壁体が設けられた固定スクロール部材と旋回スクロール部材とを噛み合わせ、公転旋回運動を行わせて流体を圧縮または膨張するスクロール流体機械が知られている。
このようなスクロール流体機械として、特許文献1に示すようないわゆる段付きスクロール圧縮機が知られている。この段付きスクロール圧縮機は、固定スクロールおよび旋回スクロールの渦巻状の壁体の歯先面および歯底面の渦巻き方向に沿う位置に各々段部が設けられ、各段部を境に壁体の外周側の高さが内周側の高さよりも高くされている。段付きスクロール圧縮機は、壁体の周方向だけでなく、高さ方向にも圧縮(三次元圧縮)されるため、段部を備えていない一般的なスクロール圧縮機(二次元圧縮)に比べ、押しのけ量を大きくし、圧縮機容量を増加することができる。
特開2015−55173号公報
しかし、段付きスクロール圧縮機は、段部における流体漏れが大きいという問題がある。また、段部の根元部分に応力が集中して強度が低下するという問題がある。
これに対して、発明者等は、壁体及び端板に設けられた段部に代えて連続的な傾斜部を設けることを検討している。また、壁体の歯先には、対向する歯底との隙間をシールするために、チップシールが設けられている。
しかし、壁体には傾斜部が形成されているため、チップシールをどのように設置すれば所望の性能を発揮できるのかについては未だ検討がなされていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、傾斜部を有する壁体の歯先に設置されるチップシールの性能を効果的に発揮させることができるスクロール流体機械およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のスクロール流体機械およびその製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるスクロール流体機械は、第1端板上に渦巻状の第1壁体が設けられた第1スクロール部材と、前記第1端板に向かい合うように配置された第2端板上に渦巻状の第2壁体が設けられ、該第2壁体が前記第1壁体と噛み合って相対的に公転旋回運動を行う第2スクロール部材とを備えたスクロール流体機械であって、向かい合う前記第1端板と前記第2端板との対向面間距離が、前記第1壁体及び前記第2壁体の外周側から内周側に向かって、連続的に減少する傾斜部が設けられ、前記傾斜部に対応する前記第1壁体及び前記第2壁体の歯先に形成された溝部には、対向する歯底に接触して流体をシールするチップシールが設けられ、両前記スクロール部材によって流体の圧縮を行わない停止時における前記チップシールの傾斜高さが、前記壁体の傾斜高さよりも小さいことを特徴とする。
第1端板と第2端板との対向面間距離が壁体の外周側から内周側に向かって連続的に減少する傾斜部が設けられているので、外周側から吸い込まれた流体は内周側に向かうにしたがい、壁体の渦巻形状に応じた圧縮室の減少によって圧縮されるだけでなく、端板間の対向面間距離の減少によって更に圧縮されることになる。
両スクロール部材によって流体の圧縮を行わない停止時におけるチップシールの傾斜高さが、壁体の傾斜高さよりも小さく設定されている。これにより、チップシールは、停止時には、チップシールの外周側よりもチップシールの内周側の方が対向する歯底側に歯先から突出するように設置されることになる。チップシールの外周側よりも内周側が歯先から歯底側に突出しているので、チップシールが挿入された溝部内には、外周側よりも内周側の方に流体が入り込みやすくなる。そして、停止状態から動作が開始されて両スクロールによって流体の圧縮が行われると、圧縮された流体がチップシールの内周側の溝部に入り込み、チップシールの背面からチップシールを歯底へ向かって付勢する。したがって、動作時には流体圧力が高くなる内周側ほどチップシールが歯底に押し付けられるようになるので、シール性能を高くすることができ、スクロール流体機械の性能を向上させることができる。
なお、「傾斜高さ」とは、傾斜部の最外周端における高さと最内周端における高さとの差を意味する。
さらに、本発明のスクロール流体機械では、前記壁体の高さ方向における前記チップシールの高さは、前記壁体の傾斜高さと前記チップシールの傾斜高さとの差よりも大きいことを特徴とする。
壁体の高さ方向におけるチップシールの高さを、壁体の傾斜高さとチップシールの傾斜高さとの差よりも大きくしたので、チップシールが溝部から脱落して外れることがない。
さらに、本発明のスクロール流体機械では、前記チップシールは、弾性変形可能な材料とされていることを特徴とする。
チップシールを弾性変形可能な材料(例えば樹脂)とすることにより、弾性変形を利用して、停止時におけるチップシールの傾斜高さが、壁体の傾斜高さよりも小さくなるように溝部内に設置することができる。これにより、チップシールを高さ方向に傾斜した形状に成形する必要がないので、傾斜のない平坦なチップシールを製造することとすればチップシールの製造や検査が容易となる。
また、本発明のスクロール流体機械の製造方法は、第1端板上に渦巻状の第1壁体が設けられた第1スクロール部材と、前記第1端板に向かい合うように配置された第2端板上に渦巻状の第2壁体が設けられ、該第2壁体が前記第1壁体と噛み合って相対的に公転旋回運動を行う第2スクロール部材とを備え、向かい合う前記第1端板と前記第2端板との対向面間距離が、前記第1壁体及び前記第2壁体の外周側から内周側に向かって、連続的に減少する傾斜部が設けられ、前記傾斜部に対応する前記第1壁体及び前記第2壁体の歯先に形成された溝部には、対向する歯底に接触して流体をシールするチップシールが設けられたスクロール流体機械の製造方法であって、前記チップシールの傾斜高さが、前記壁体の傾斜高さよりも小さくなるように、前記溝部に対して前記チップシールを設置するチップシール設置工程と、前記チップシール設置工程の後に、前記第1スクロール部材と前記第2スクロール部材とを噛み合わせて設置するスクロール設置工程とを有することを特徴とする。
チップシールの傾斜高さが壁体の傾斜高さよりも小さくなるようにチップシールを設置した後に、両スクロール部材を噛み合わせて設置することとしたので、流体圧縮を行う前の停止状態において、チップシールの外周側よりも内周側が歯底側に突出した状態を容易に得ることができる。
両スクロール部材によって流体の圧縮を行わない停止時におけるチップシールの傾斜高さを、前記壁体の傾斜高さよりも小さくすることで、動作時には流体圧力が高くなる内周側ほどチップシールが歯底に押し付けられるようになるので、シール性能を高くすることができ、スクロール流体機械の性能を向上させることができる。
本発明の一実施形態にかかるスクロール圧縮機の固定スクロール及び旋回スクロールを示し、(a)は縦断面図、(b)は固定スクロールの壁体側から見た平面図である。 図1の旋回スクロールを示した斜視図である。 固定スクロールに設けた端板平坦部を示した平面図である。 固定スクロールに設けた壁体平坦部を示した平面図である。 渦巻き方向に伸ばして表示した壁体を示す模式図である。 図1(b)の符号Zの領域を拡大して示した部分拡大図である。 図6で示した部分のチップシール隙間を示し、(a)はチップシール隙間が相対的に小さい状態を示した側面図であり、(b)はチップシール隙間が相対的に大きい状態を示した側面図である。 無負荷状態における壁体の歯先に設けられたチップシールの設置位置を示した縦断面図である。 変形例を示し、(a)は段部を有していないスクロールとの組合せを示す縦断面図であり、(b)は段付きスクロールとの組合せを示した縦断面図である。
以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1には、スクロール圧縮機(スクロール流体機械)1の固定スクロール(第1スクロール部材)3と旋回スクロール(第2スクロール部材)5が示されている。スクロール圧縮機1は、例えば空調機等の冷凍サイクルを行うガス冷媒(流体)を圧縮する圧縮機として用いられる。
固定スクロール3及び旋回スクロール5は、アルミ合金製や鉄製等の金属製の圧縮機構とされ、図示しないハウジング内に収容されている。固定スクロール3及び旋回スクロール5は、ハウジング内に導かれた流体を外周側から吸い込み、固定スクロール3の中央の吐出ポート3cから外部へと圧縮後の流体を吐出する。
固定スクロール3は、ハウジングに固定されており、図1(a)に示されているように、略円板形状の端板(第1端板)3aと、端板3aの一側面上に立設された渦巻状の壁体(第1壁体)3bとを備えている。旋回スクロール5は、略円板形状の端板(第2端板)5aと、端板5aの一側面上に立設された渦巻状の壁体(第2壁体)5bとを備えている。各壁体3b,5bの渦巻形状は、例えば、インボリュート曲線やアルキメデス曲線を用いて定義されている。
固定スクロール3と旋回スクロール5は、その中心を旋回半径ρだけ離し、壁体3b,5bの位相を180°ずらして噛み合わされ、両スクロールの壁体3b、5bの歯先と歯底間に常温で僅かな高さ方向のクリアランス(チップクリアランス)を有するように組み付けられている。これにより、両スクロール3,5間に、その端板3a,5aと壁体3b、5bとにより囲まれて形成される複数対の圧縮室がスクロール中心に対して対称に形成される。旋回スクロール5は、図示しないオルダムリング等の自転防止機構によって固定スクロール3の周りを公転旋回運動する。
図1(a)に示すように、向かい合う両端板3a,5a間の対向面間距離Lが、渦巻状の壁体3b,5bの外周側から内周側に向かって、連続的に減少する傾斜部が設けられている。
図2に示すように、旋回スクロール5の壁体5bには、外周側から内周側に向かって高さが連続的に減少する壁体傾斜部5b1が設けられている。この壁体傾斜部5b1の歯先が対向する固定スクロール3の歯底面には、壁体傾斜部5b1の傾斜に応じて傾斜する端板傾斜部3a1(図1(a)参照)が設けられている。これら壁体傾斜部5b1及び端板傾斜部3a1によって、連続的な傾斜部が構成されている。同様に、固定スクロール3の壁体3bにも高さが外周側から内周側に向かって連続的に傾斜する壁体傾斜部3b1が設けられ、この壁体傾斜部3b1の歯先に対向する端板傾斜部5a1が旋回スクロール5の端板5aに設けられている。
なお、本実施形態でいう傾斜部における連続的という意味は、滑らかに接続された傾斜に限定されるものではなく、加工時に不可避的に生じるような小さな段差が階段状に接続されており、傾斜部を全体としてみれば連続的に傾斜しているものも含まれる。ただし、いわゆる段付きスクロールのような大きな段差は含まれない。
壁体傾斜部3b1,5b1及び/又は端板傾斜部3a1,5a1には、コーティングが施されている。コーティングとしては、例えば、リン酸マンガン処理やニッケルリンめっき等が挙げられる。
図2に示されているように、旋回スクロール5の壁体5bの最内周側と最外周側には、それぞれ、高さが一定とされた壁体平坦部5b2,5b3が設けられている。これら壁体平坦部5b2,5b3は、旋回スクロール5の中心O2(図1(a)参照)まわりに180°の領域にわたって設けられている。壁体平坦部5b2,5b3と壁体傾斜部5b1とが接続される位置には、それぞれ、屈曲部となる壁体傾斜接続部5b4,5b5が設けられている。
旋回スクロール5の端板5aの歯底についても同様に、高さが一定とされた端板平坦部5a2,5a3が設けられている。これら端板平坦部5a2,5a3についても、旋回スクロール5の中心まわりに180°の領域にわたって設けられている。端板平坦部5a2,5a3と端板傾斜部5a1とが接続される位置には、それぞれ、屈曲部となる端板傾斜接続部5a4,5a5が設けられている。
図3及び図4にハッチングにて示すように、固定スクロール3についても、旋回スクロール5と同様に、端板平坦部3a2,3a3、壁体平坦部3b2,3b3、端板傾斜接続部3a4,3a5及び壁体傾斜接続部3b4,3b5が設けられている。
図5には、渦巻き方向に伸ばして表示した壁体3b,5bが示されている。同図に示されているように、最内周側の壁体平坦部3b2,5b2が距離D2にわたって設けられ、最外周側の壁体平坦部3b3,5b3が距離D3にわたって設けられている。距離D2及び距離D3は、それぞれ、各スクロール3,5の中心O1,O2まわりに180°とされた領域に相当する長さとなっている。最内周側の壁体平坦部3b2,5b2と最外周側の壁体平坦部3b3,5b3との間に、壁体傾斜部3b1,5b1が距離D2にわたって設けられている。最内周側の壁体平坦部3b2,5b2と最外周側の壁体平坦部3b3,5b3との高低差をhとすると、壁体傾斜部3b1,5b1の傾きφは下式とされる。
φ=tan(h/D1) ・・・(1)
このように、傾斜部における傾きφは、渦巻状の壁体3b,5bが延在する周方向に対して一定とされている。
図6には、図1(b)の符号Zで示した領域の拡大図が示されている。図6に示されているように、固定スクロール3の壁体3bの歯先には、チップシール7が設けられている。チップシール7は弾性変形可能な樹脂製とされており、対向する旋回スクロール5の端板5aの歯底に接触して流体をシールする。チップシール7は、壁体3bの歯先に周方向にわたって形成されたチップシール溝(溝部)3d内に収容されている。
図7に示すように、壁体3bの高さ方向におけるチップシール7の高さHcは、渦巻き方向に一定とされている。また、チップシール溝3dの深さも、渦巻き方向に一定とされている。
両スクロール3,5が相対的に公転旋回運動を行うと、旋回直径(旋回半径ρ×2)分だけ歯先と歯底の位置が相対的にずれる。この歯先と歯底の位置ずれに起因して、傾斜部では、歯先と歯底との間のチップクリアランスが変化する。例えば、図7(a)ではチップクリアランスTが小さく、図7(b)ではチップクリアランスTが大きいことを示している。チップクリアランスTが旋回運動によって変化しても、チップシール溝3dに入り込んだ圧縮流体がチップシール7の背面から端板5aの歯底側にチップシール7を押圧することで、追従してシールできるようになっている。
なお、旋回スクロール5の壁体5bの歯先に対しても、同様にチップシールが設けられている。
図8には、固定スクロール3に対してチップシール7を設置した状態が示されている。同図に示した状態は、圧縮室に圧縮流体による圧力がかかっていない無負荷状態、すなわちスクロール圧縮機の停止状態である。またスクロール圧縮機1の製造時にあっては、固定スクロール3を旋回スクロール5に対して噛み合わせてスクロール圧縮機1の本体に組み付ける前の状態に相当する。
チップシール7の傾斜高さLs’は、壁体3bの傾斜高さLsよりも小さく設定されている。ここで、チップシール7の傾斜高さLs’とは、壁体3bの外周側の壁体傾斜接続部3b5(図5参照)に対応する位置のチップシール7の高さと、内周側の壁体傾斜接続部3b4(図5参照)に対応する位置のチップシール7の高さとの差である。壁体3bの傾斜高さLsとは、外周側の壁体傾斜接続部3b5における高さと、内周側の壁体傾斜接続部3b4における高さとの差である。
図8のようにチップシール7を設置するには、外力が加わらない状態において傾斜高さLs’がゼロとされた平坦なチップシール7を用意する。そして、チップシール7の弾性変形を利用して、チップシール溝3d内に設置する(チップシール設置工程)。チップシール7の外周面及び/又は内周面がチップシール溝3dの壁部に接触して摩擦力が発生することで、チップシール溝3dに対するチップシール7の相対位置が固定される。したがって、固定スクロール3を組付けて設置する時(スクロール設置工程時)に固定スクロール3を傾けたり逆さにしたりしても、チップシール溝3dに対するチップシール7の相対位置が大きくずれることはない。ただし、チップシール7の外周面及び/又は内周面とチップシール溝3dの壁部との間の摩擦力は、スクロール圧縮機1の運転時に流体がチップシール溝3dに入り込み、チップシール7の背面に回り込んだ場合に、流体圧力によって対向する歯底方向(チップシール溝3dからチップシール7が出る方向)に移動することを許容する程度の摩擦力とされている。
チップシールの高さHcは、壁体3bの傾斜高さLsとチップシール7の傾斜高さLs’との差よりも大きくされている。すなわち、下式を満たすようにチップシール7の高さHcが決定されている。
Ls−Ls’≦Hc ・・・(2)
また、旋回スクロール5の壁体5bの歯先に対しても、図8と同様にチップシール7の傾斜高さLs’が設定されている。
上述したスクロール圧縮機1は、以下のように動作する。
図示しない電動モータ等の駆動源によって、旋回スクロール5が固定スクロール3回りに公転旋回運動を行う。これにより、各スクロール3,5の外周側から流体を吸い込み、各壁体3b,5b及び各端板3a,5aによって囲まれた圧縮室に流体を取り込む。圧縮室内の流体は外周側から内周側に移動するに従い順次圧縮され、最終的に固定スクロール3に形成された吐出ポート3cから圧縮流体が吐出される。流体が圧縮される際に、端板傾斜部3a1,5a1及び壁体傾斜部3b1,5b1によって形成された傾斜部では壁体3b,5bの高さ方向にも圧縮されて、三次元圧縮が行われる。
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
両スクロール3,5によって流体の圧縮を行わない停止時におけるチップシール7の傾斜高さLs’が、壁体3b、5bの傾斜高さよりも小さく設定されている。これにより、停止時には、チップシール7の外周側よりもチップシール7の内周側の方が歯先から歯底側に突出するように設置されることになる(図8参照)。チップシール7の外周側よりも内周側が歯底側に突出しているので、チップシール7が挿入されたチップシール溝3d内には、外周側よりも内周側の方に流体が入り込みやすくなる。そして、停止状態から動作が開始されて両スクロール3,5によって流体の圧縮が行われると、圧縮された流体がチップシール7の内周側のチップシール溝3dに入り込み、チップシール7の背面からチップシール7を歯底へ向かって付勢する。したがって、動作時には流体圧力が高くなる内周側ほどチップシール7が歯底に押し付けられるようになるので、シール性能を高くすることができ、スクロール圧縮機1の性能を向上させることができる。
チップシールの高さHcを、壁体3b,5bの傾斜高さLsとチップシール7の傾斜高さLs’との差よりも大きくした(式(2)参照)ので、チップシール7がチップシール溝3dから脱落して外れることを防止できる。
チップシール7を弾性変形可能な樹脂等の材料とすることにより、弾性変形を利用してチップシール7を設置することができる。すなわち、停止時におけるチップシール7の傾斜高さLs’が、壁体3b,5bの傾斜高さLsよりも小さくなるように、チップシール7を弾性変形させてチップシール溝3d内に設置することができる。これにより、チップシール7を高さ方向に傾斜した形状に成形する必要がないので、外力が加わらない状態において傾斜のない平坦なチップシール7を製造することとすれば、チップシール7の製造や検査が容易となる。
なお、上記の実施形態では、端板傾斜部3a1,5a1及び壁体傾斜部3b1,5b1を両スクロール3,5に設けることとしたが、いずれか一方に設けても良い。
具体的には、図9(a)に示すように、一方の壁体(例えば旋回スクロール5)に壁体傾斜部5b1を設け、他方の端板3aに端板傾斜部3a1を設けた場合には、他方の壁体と一方の端板5aは平坦としても良い。
また、図9(b)に示すように、従来の段付き形状と組み合わせた形状、すなわち、固定スクロール3の端板3aに端板傾斜部3a1を設ける一方で、旋回スクロール5の端板5aに段部が設けられた形状と組み合わせても良い。
上記の各実施形態では、壁体平坦部3b2,3b3,5b2,5b3および端板平坦部3a2,3a3,5a2,5a3を設けることとしたが、内周側及び/又は外周側の平坦部を省略して傾斜部を壁体3b,5bの全体に延長して設けるようにしてもよい。
上記の各実施形態では、スクロール圧縮機として説明したが、膨張機として用いるスクロール膨張機に対しても本発明を適用することができる。
1 スクロール圧縮機(スクロール流体機械)
3 固定スクロール(第1スクロール部材)
3a 端板(第1端板)
3a1 端板傾斜部
3a2 端板平坦部(内周側)
3a3 端板平坦部(外周側)
3a4 端板傾斜接続部(内周側)
3a5 端板傾斜接続部(外周側)
3b 壁体(第1壁体)
3b1 壁体傾斜部
3b2 壁体平坦部(内周側)
3b3 壁体平坦部(外周側)
3b4 壁体傾斜接続部(内周側)
3b5 壁体傾斜接続部(外周側)
3c 吐出ポート
3d チップシール溝(溝部)
5 旋回スクロール(第2スクロール部材)
5a 端板(第2端板)
5a1 端板傾斜部
5a2 端板平坦部(内周側)
5a3 端板平坦部(外周側)
5b 壁体(第2壁体)
5b1 壁体傾斜部
5b2 壁体平坦部(内周側)
5b3 壁体平坦部(外周側)
5b4 壁体傾斜接続部(内周側)
5b5 壁体傾斜接続部(外周側)
7 チップシール
Hc チップシールの高さ
L 対向面間距離
Ls 壁体の傾斜高さ
Ls’ チップシールの傾斜高さ
T チップクリアランス
φ 傾き

Claims (4)

  1. 第1端板上に渦巻状の第1壁体が設けられた第1スクロール部材と、
    前記第1端板に向かい合うように配置された第2端板上に渦巻状の第2壁体が設けられ、該第2壁体が前記第1壁体と噛み合って相対的に公転旋回運動を行う第2スクロール部材と、
    を備えたスクロール流体機械であって、
    向かい合う前記第1端板と前記第2端板との対向面間距離が、前記第1壁体及び前記第2壁体の外周側から内周側に向かって、連続的に減少する傾斜部が設けられ、
    前記傾斜部に対応する前記第1壁体及び前記第2壁体の歯先に形成された溝部には、対向する歯底に接触して流体をシールするチップシールが設けられ、
    両前記スクロール部材によって流体の圧縮を行わない停止時における前記チップシールの傾斜高さが、前記壁体の傾斜高さよりも小さいことを特徴とするスクロール流体機械。
  2. 前記壁体の高さ方向における前記チップシールの高さは、前記壁体の傾斜高さと前記チップシールの傾斜高さとの差よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のスクロール流体機械。
  3. 前記チップシールは、弾性変形可能な材料とされていることを特徴とする請求項1又は2に記載のスクロール流体機械。
  4. 第1端板上に渦巻状の第1壁体が設けられた第1スクロール部材と、
    前記第1端板に向かい合うように配置された第2端板上に渦巻状の第2壁体が設けられ、該第2壁体が前記第1壁体と噛み合って相対的に公転旋回運動を行う第2スクロール部材と、
    を備え、
    向かい合う前記第1端板と前記第2端板との対向面間距離が、前記第1壁体及び前記第2壁体の外周側から内周側に向かって、連続的に減少する傾斜部が設けられ、
    前記傾斜部に対応する前記第1壁体及び前記第2壁体の歯先に形成された溝部には、対向する歯底に接触して流体をシールするチップシールが設けられたスクロール流体機械の製造方法であって、
    前記チップシールの傾斜高さが、前記壁体の傾斜高さよりも小さくなるように、前記溝部に対して前記チップシールを設置するチップシール設置工程と、
    前記チップシール設置工程の後に、前記第1スクロール部材と前記第2スクロール部材とを噛み合わせて設置するスクロール設置工程と、
    を有することを特徴とするスクロール流体機械の製造方法。
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