JP4116830B2 - スクロール流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば窒素発生器や医療用の酸素濃縮器等で使用される圧縮機と真空ポンプを兼用しうるスクロール流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気中に含まれる窒素、酸素等の気体を常温で濃縮するには、膜分離方式や吸着剤を利用するＰＳＡ方式、並びに酸素吸着剤（ＣＭＳ）を利用する方式が、一般的に採用されている。
【０００３】
膜分離方式は、大気から取り入れた空気を圧縮機で加圧して中空子膜に送り込むと同時に、中空子膜の出口側あるいは途中に設けた真空ポンプによって、中空子膜を減圧するようになっている。
【０００４】
吸着剤を利用するＰＳＡ方式により、窒素吸着剤（例えばゼオライト）を利用して酸素濃縮を行うには、大気から取り入れた空気を、圧縮機で加圧して吸着塔に送り込み、吸着塔内を通過中の空気中の窒素を吸着させ、吸着塔の出口から、酸素富化空気を吐出させる。吸着塔内で窒素を吸着しなくなってきたら、吸着塔の上流と圧縮との間の通路を閉じて、下流を真空ポンプに連通させ、真空ポンプにより吸着塔内を減圧して、吸着されている窒素を脱着させ、排ガスとして空気中に還元させる。
【０００５】
酸素吸着剤を利用して酸素濃縮を行うには、大気から取り入れた空気を、圧縮機で加圧して吸着塔内に送り込み、吸着塔内を通過中の空気中の酸素を吸着させ、かつ吸着塔の出口からは、酸素が取り除かれた空気を吐出させ、排ガスとして空気中に還元させる。
【０００６】
吸着塔内で酸素を吸着しなくなってきたら、吸着塔の上流と圧縮機間の通路を閉じ、下流を真空ポンプに連通させ、真空ポンプにより吸着塔内を減圧して、吸着されている酸素を脱着させ、酸素富化空気を吐出させる。
【０００７】
上記したいずれの方式においても、圧縮機と真空ポンプとが必要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような場合、従来は、別体である圧縮機と真空ポンプとが設けられていたため、それらを設置するために広いスペースを必要とし、狭い場所での実施が困難であるとともに、搬送に不便であり、搬送コストの上昇を招く等の問題があった。
【０００９】
従来の技術が有する上記のような問題点を解決するために、本願出願人は、圧縮機と真空ポンプとの両機能を兼ね備え、狭いスペースでの使用を可能にするとともに、搬送を容易にしたスクロール流体機械について、特願２００１−２９００２６をもって特許出願している。
【００１０】
図３、図４は、このスクロール流体機械の概要を示し、その構成は次の如くである。
【００１１】
固定端板(１)の一側面に渦巻き状の固定ラップ(２)が立設された固定スクロール(３)と、駆動軸(４)に偏心旋回可能に設けられるとともに、前記固定スクロール(３)と対向する旋回端板(５)の一側面に、前記固定ラップ(２)との間で密閉圧縮室を形成するための渦巻き状の旋回ラップ(６)が立設された旋回スクロール(７)とを備え、前記圧縮室を、前記固定スクロール(３)または旋回スクロール(７)に設けられた環状隔壁(８)をもって、外周側圧縮室(Ａ)と、内周側圧縮室(Ｂ)とに画成し、該外周側圧縮室(Ａ)における外周側に外周側吸込口(９)を、同じく内周側に、前記外周側吸込口(９)から吸入された気体を圧縮して吐出する外周側吐出口(10)をそれぞれ設け、さらに前記内周側圧縮室(Ｂ)における外周側に内周側吸込口(11)を、同じく中心側に、該内周側吸込口(11)から吸入された気体を吐出する内周側吐出口(12)を、それぞれ設けてある。
【００１２】
旋回ラップ(６)の先端面には、固定端板(１)に適切に摺接するための公知のチップシール(6a)が、嵌合して設けられている。
【００１３】
旋回スクロール(７)の背面には、ベアリングプレート(13)が一体回転しうるようにして設けられ、ベアリングプレート(13)の背面中央部に設けた軸受筒(14)には、駆動軸(４)の先端の偏心軸部(4a)を枢支するベアリング(15)が嵌合されている。
【００１４】
使用に際し、外周側圧縮室(Ａ)を真空ポンプとして作動させ、かつ内周側圧縮室(Ｂ)を圧縮機として作動させることができる。
【００１５】
このようなスクロール流体機械においては、作動に伴い、外周側圧縮室(Ａ)内と内周側圧縮室(Ｂ)内の圧力に差が生じるので、旋回端板(５)の内周部は、その外周部に比して、固定端板(１)から離れる方向のより大きな推力を受ける。
【００１６】
そのため、旋回端板(５)は部分的に湾曲もしくは変形し、旋回ラップ(６)の先端のチップシール(6a)の固定端板(１)に対する接触圧力が、部分的に強弱変化したり、内周部の旋回ラップ(６)の先端のチップシール(6a)と、固定端板(１)との間に隙間を生じたりすることがある。
【００１７】
また、旋回端板(５)の湾曲変形に伴い、旋回スクロール(７)の背面に設けられているベアリングプレート(13)も、変形もしくは変位し、その背面における駆動軸(４)の偏心軸部(4a)を枢支しているベアリング(15)の支持部である軸受筒(14)に、推力方向の過大な力や傾斜力を作用させ、ベアリング(15)の耐久性を低減させたり、過大な熱を発生させたりすることがある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上に例示したようなスクロール流体機械において、運転に伴う旋回端板の各部の湾曲もしくは変形を、可及的に小とすることを目的とするもので、その具体的手段は、次の如くである。
（１）ハウジングと、前記ハウジングに固定される固定スクロールと、前記固定スクロールに対向し、かつ前記ハウジング内に回転可能に設けられる駆動軸の偏心軸部に旋回可能に支持される旋回スクロールとを備え、互いに対向する前記固定スクロールと前記旋回スクロールのいずれかの端板の対向面に、固定ラップと旋回ラップを分断する環状隔壁を設けることにより、外周側圧縮室と内周側圧縮室を画成したスクロール流体機械において、前記ハウジングに、前記旋回スクロールの背面に気密的に摺接可能で、かつ前記駆動軸の偏心軸部を取り囲む遮気筒を設け、前記旋回スクロールの端板の背面の内周側に、前記遮気筒内にあって、前記旋回スクロールの端板を介して、前記内周側圧縮室における最終圧縮室に対向する背圧室を形成するとともに、前記旋回スクロールの端板のほぼ中心部に、前記最終圧縮室と前記背圧室とを連通する連通孔を設けることによって、前記最終圧縮室における圧縮気体の一部を、前記連通孔を通して前記背圧室に導入しうるようにする。
【００１９】
（２）前項において、前記旋回スクロールの端板の背面に、前記駆動軸の偏心軸部を枢支するベアリングが嵌合されるベアリングプレートを設け、前記ベアリンクプレートに前記連通孔を設ける。
【００２０】
（３）前項(１)項または(２)項において、前記背圧室内の背圧を調節するための調節弁つき抜気孔を、前記背圧室内に連通させる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態を簡略化して示す縦断側面図、図２は、図１におけるII−II線縦断面図で、それぞれ、図３および図４と対応する図である。
【００２２】
図１、図２における基本的な構成は、図３、図４に示すものと異なるところはないので、図３、図４におけると同様の部材には同様の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００２３】
旋回スクロール(７)を囲み、かつ固定スクロール(３)で開口部が閉じられたハウジング(16)の基壁(17)の前面には、図１に示すように、前記ベアリングプレート(13)およびそれと一体をなす軸受筒(14)、及び軸受筒 (14) をベアリング１５を介して支持する駆動軸 ( ４ ) の偏心軸部 (4a)を取り囲む遮気筒(18)が設けられ、遮気筒(18)の前端面は、旋回端板(５)の後面に、気密的に摺接している。
【００２４】
軸受筒(14)の後面は、ハウジング(16)の基壁(17)の前面中心部に設けた受支環(17a)の前面に、気密的に摺接している。
【００２５】
図示を省略したが、遮気筒(18)および受支環(17a)の前端面には、適宜のチップシールを設けておくのがよい。
【００２６】
かくして、旋回スクロール(７)の中心部の後面には、ハウジング(16)の基壁(17)と遮気筒(18)で囲まれる背圧室(Ｃ)が形成されている。図１に示すように、背圧室 ( Ｃ ) は、遮気筒 (18) 内にあって、旋回スクロール ( ７ ) の旋回端板 ( ５ ) を介して、内周側圧縮室 ( Ｂ ) における中心部の最終圧縮室に対向する。
【００２７】
ハウジング(16)の周壁(19)と旋回端板(５)の外周縁との間には、若干の間隙(20)が設けられている。
【００２８】
旋回端板(５)の背面に設けられたベアリングプレート(13)には、旋回端板(５)の前面側と、前記背圧室(Ｃ)とを連通する放射状の連通孔(21)が設けられている。
【００２９】
図１、図２に示す上記構成の本発明の実施形態においては、運転に伴い、旋回端板(５)の前面側における外周側圧縮室(Ａ)と内周側圧縮室(Ｂ)に圧力差が生じても、これらの圧力は、旋回端板(５)の外周の間隙(20)および連通孔(21)を経て、常に旋回端板(５)の背面の外周部および内周部の背圧室(Ｃ)内に作用するため、遮気筒(18)の内周部および外周部における旋回端板(５)の前後面の圧力は等しくなる。
【００３０】
詳言すると、旋回端板(５)の前面における外周側圧縮室(Ａ)は、間隙(20)を経て、旋回端板(５)の後側において、ハウジング(16)の周壁(19)、同じく基壁(17)、および遮気筒(18)で囲まれる空間と連通しており、かつ旋回端板(５)の前面における内周側圧縮室(Ｂ)は、旋回端板(５)の後側において、旋回端板(５)と遮気筒(18)とハウジング(16)の基壁(17)とで囲まれる背圧室(Ｃ)と連通している。
【００３１】
従って、仮りに旋回端板(５)の前側面における内周側圧縮室(Ｂ)の圧力が異常に大となっても、この圧力は旋回端板(５)の後面にも作用することとなり、旋回端板(５)が軸線方向に妄りに撓んだり湾曲したりするのが防止される。
【００３２】
なお、図１に仮想線で示すように、ハウジング(16)の適所に、遮気筒(18)の内側空間と外部とを連通する適宜の抜気孔(22)および調節弁(23)を設け、必要に応じて調節弁(23)により遮気筒(18)の内周部の圧力を適宜逃がすことにより、旋回スクロール(７)を枢支するベアリング(15)その他の部分の推力を調節することができる。
【００３３】
このような抜気孔(22)および調節弁(23)を、遮気筒(18)の外周の空間部に設けることもある。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１、２記載の発明：−
運転に伴って旋回端板の内周部に作用する推力は低減され、旋回端板の内周部が撓んだり変形したりするのが防止され、かつ旋回スクロールを駆動するための駆動軸の軸受部に過大な負荷がかかるのが防止されるので、過大な抵抗や発熱なく、長期に亘って安定よく運転することができる。
もし、旋回端板に作用する推力を受けさせるために、バックアップとして弾性体やばね等を設けると、回転抵抗は大となるとともに、運転に伴い、弾性体は、劣化したり破損もしくは欠損したりして、各部に不具合を及ぼし、かつ弾性体における分離した微粉子が被処理流体に混入して、各部に悪影響を及ぼすことがある。
【００３６】
請求項３記載の発明：−
旋回スクロールの後側の背圧室の圧力を逃がして調節することにより、固定、旋回両スクロールの相互間隙およびラップの先端面の接触圧力を、好ましい値に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す縦断側面図である。
【図２】図１におけるII−II線縦断面図である。
【図３】圧縮機と真空ポンプを兼用しうる従来のスクロール流体機械を例示する縦断側面図である。
【図４】図３におけるIV−IV線縦断面図である。
【符号の説明】
(１)固定端板
(２)固定ラップ
(３)固定スクロール
(４)駆動軸
(4a)偏心軸部
(５)旋回端板
(６)旋回ラップ
(6a)チップシール
(７)旋回スクロール
(８)環状隔壁
(９)外周側吸込口
(10)外周側吐出口
(11)内周側吸込口
(12)内周側吐出口
(13)ベアリングプレート
(14)軸受筒
(15)ベアリング
(16)ハウジング
(17)基壁
(17a)受支環
(18)遮気筒
(19)周壁
(20)間隙
(21)連通孔
(22)抜気孔
(23)調節弁
(Ａ)外周側圧縮室
(Ｂ)内周側圧縮室
(Ｃ)背圧室

Claims (3)

1. ハウジングと、前記ハウジングに固定される固定スクロールと、前記固定スクロールに対向し、かつ前記ハウジング内に回転可能に設けられる駆動軸の偏心軸部に旋回可能に支持される旋回スクロールとを備え、互いに対向する前記固定スクロールと前記旋回スクロールのいずれかの端板の対向面に、固定ラップと旋回ラップを分断する環状隔壁を設けることにより、外周側圧縮室と内周側圧縮室を画成したスクロール流体機械において、
   前記ハウジングに、前記旋回スクロールの背面に気密的に摺接可能で、かつ前記駆動軸の偏心軸部を取り囲む遮気筒を設け、前記旋回スクロールの端板の背面の内周側に、前記遮気筒内にあって、前記旋回スクロールの端板を介して、前記内周側圧縮室における最終圧縮室に対向する背圧室を形成するとともに、前記旋回スクロールの端板のほぼ中心部に、前記最終圧縮室と前記背圧室とを連通する連通孔を設けることによって、前記最終圧縮室における圧縮気体の一部を、前記連通孔を通して前記背圧室に導入しうるようしたことを特徴とするスクロール流体機械。
2. 前記旋回スクロールの端板の背面に、前記駆動軸の偏心軸部を枢支するベアリングが嵌合されるベアリングプレートを設け、前記ベアリンクプレートに前記連通孔を設けたことを特徴とする請求項１記載のスクロール流体機械。
3. 前記背圧室内の背圧を調節するための調節弁つき抜気孔を、前記背圧室内に連通させたことを特徴とする請求項１または２記載のスクロール流体機械。

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