JP4142418B2 - スクロール式流体機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば空気等の流体を圧縮するのに好適に用いられるスクロール式流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ケーシングの軸方向両側にそれぞれ固定スクロールと旋回スクロールとを設け、前記ケーシング内には前記各旋回スクロールを旋回駆動する電動機を備えてなる所謂ツインラップ型のスクロール式流体機械は知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３５６１９３号公報
【０００４】
この種の従来技術によるツインラップ型のスクロール式流体機械は、ケーシングの軸方向一側に設けた固定スクロールと旋回スクロールとにより低圧段の圧縮室を形成し、ケーシングの軸方向他側に設けた固定スクロールと旋回スクロールとにより高圧段の圧縮室を形成する構成としている。
【０００５】
そして、高圧段の固定スクロールは、その吸込側を低圧段の固定スクロールの吐出側に配管等を用いて接続し、前記低圧段の圧縮室から吐出される圧縮流体を高圧段の圧縮室でさらに圧縮することにより、流体の２段圧縮を行う構成としているものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術によるツインラップ型のスクロール式流体機械では、固定スクロールと旋回スクロールとの各ラップ部間に形成されるラジアルギャップを、可能な限り小さいギャップ寸法に設定できるように加工すると共に、低圧段と高圧段の両方においてギャップ寸法をほぼ同一の寸法に形成しているのが実状である。
【０００７】
しかし、渦巻形状をなす固定，旋回スクロールのラップ部は、各圧縮室内で流体を圧縮するときの圧縮熱等により、各ラップ部の内周側と外周側とで大きな温度差が生じ、このときの温度勾配によって熱変形が生じ易いものである。このため、ラップ部間のラジアルギャップを単に小さくするように加工したときには、熱変形の影響でラップ部が互いに接触、干渉する虞れがあり、スクロール式流体機械としての信頼性が低下する原因となる。
【０００８】
一方、ラップ部間の接触、干渉を避けるためにラジアルギャップを大きく形成した場合には、高圧段の圧縮室において圧縮流体がラップ部間のラジアルギャップを通じて漏洩し易くなり、スクロール式流体機械としての性能を向上することができないという問題がある。
【０００９】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、低圧段と高圧段とで各ラップ部間のラジアルギャップを互いに異ならしめることより、熱変形の影響を減じて流体の漏洩を抑えることができ、圧縮運転時等の性能を向上できるようにしたスクロール式流体機械を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、２つのスクロールのラップ部が重なり合って旋回運動する間に外部から吸込んだ流体を圧縮する低圧段圧縮部と、２つのスクロールのラップ部が重なり合って旋回運動する間に前記低圧段の圧縮部から吸込んだ流体を圧縮する高圧段圧縮部とを備えたスクロール式流体機械において、前記低圧段圧縮部のスクロールは、前記高圧段圧縮部のスクロールよりも前記ラップ部間のラジアルギャップを大きくする構成としたことを特徴としている。
【００１１】
このように、高圧段圧縮部のラップ部間に形成されるラジアルギャップを低圧段側のラジアルギャップよりも小さくする構成としたことにより、高圧段圧縮部の圧縮室からラジアルギャップを通じて流体が漏洩するのを小さく抑えることができる。また、低圧段圧縮部の圧縮室は、高圧段圧縮部に比して隣接する圧縮室間の圧力差が小さいので、高圧段に比して低圧段のラジアルギャップを大としても、流体の漏洩を十分に小さく抑えることができる。よって、高圧段圧縮部に比して低圧段圧縮部では機械加工を容易に行うことができ、トータルとしてコストを下げることができる。
【００１２】
また、請求項２の発明によると、高圧段圧縮部のスクロールは、低圧段圧縮部のスクロールよりもラップ部の歯高を小さくする構成としている。
【００１３】
この場合には、高圧段圧縮部のラップ部は歯高を小さくすることにより、ラップ部に熱変形が生じるのを抑えることができ、ラップ部間のラジアルギャップを小さくした場合においても、ラップ部同士の接触を抑えることができる。また、低圧段圧縮部のラップ部は、歯高を大きくすることにより熱変形し易くなるが、この場合にはラップ部間のラジアルギャップを大きくすることによって、ラップ部同士の接触を抑えることが可能である。
【００１４】
さらに、請求項３の発明は、軸方向に延びる筒状のケーシングと、該ケーシングの軸線上に位置して該ケーシングの両端側にそれぞれ設けられ、鏡板に渦巻状のラップ部が立設された低圧段，高圧段の固定スクロールと、該低圧段の固定スクロールと高圧段の固定スクロールとの間に位置して前記ケーシング内に設けられ、出力軸が前記ケーシングの軸線と同一の方向に配置された電動機と、前記低圧段，高圧段の固定スクロールと対面して該電動機の出力軸の両端側にそれぞれ設けられ、鏡板に前記低圧段，高圧段の固定スクロールのラップ部と重なり合って複数の圧縮室を形成するラップ部が立設された低圧段，高圧段の旋回スクロールとを備えたスクロール式流体機械に適用される。
【００１５】
そして、請求項３の発明が採用する構成の特徴は、前記高圧段の固定スクロールと旋回スクロールとは、前記低圧段の固定スクロールと旋回スクロールとの間の圧縮室から吐出される流体を、内部の圧縮室内でさらに高い圧力に圧縮する構成とし、前記低圧段の固定スクロールと旋回スクロールは、前記高圧段の固定スクロールと旋回スクロールよりも前記各ラップ部間のラジアルギャップを大きくする構成としたことにある。
【００１６】
このように、高圧段のラップ部間に形成されるラジアルギャップを、低圧段側のラジアルギャップよりも小さくする構成としたことにより、高圧段の圧縮室からラジアルギャップを通じて流体が漏洩するのを小さく抑えることができる。また、低圧段の圧縮室は、高圧段に比して隣接する圧縮室間の圧力差が小さいので、高圧段に比して低圧段のラジアルギャップを大としても、流体の漏洩を十分に小さく抑えることができる。よって、高圧段に比して低圧段では機械加工を容易に行うことができ、トータルとしてコストを下げることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態によるスクロール式流体機械を、ツインラップ型のスクロール式空気圧縮機を例に挙げ、添付図面の図１ないし図４に従って詳細に説明する。
【００１８】
図中、１はスクロール式空気圧縮機の外枠を形成する筒状のケーシングで、該ケーシング１は、軸線Ｏ1 −Ｏ1 を中心として略円筒状に形成されたケーシング本体２と、該ケーシング本体２の左，右両端側にそれぞれ固着して設けられた左，右の軸受取付体３Ａ，３Ｂとにより構成されている。
【００１９】
ここで、ケーシング本体２の左側に位置する軸受取付体３Ａは、後述の固定スクロール５Ａ、旋回スクロール２０Ａ等と共に低圧段圧縮部となる低圧スクロール部４Ａを構成するものである。また、ケーシング本体２の右側に位置する軸受取付体３Ｂは、後述の固定スクロール５Ｂ、旋回スクロール２０Ｂ等と共に高圧段圧縮部となる高圧スクロール部４Ａを構成している。
【００２０】
なお、低圧スクロール部４Ａと高圧スクロール部４Ｂとは、それぞれほぼ同一の構成要素を有しているので、以下の説明では、低圧段に符号「Ａ」を付し、高圧段には符号「Ｂ」を付して説明する。また、低圧段と高圧段とで説明が重複するのを避けるため、主に低圧スクロール部４Ａの構成要素について説明し、高圧スクロール部４Ｂの構成要素については、その説明を省略するものとする。
【００２１】
５Ａはケーシング１の軸受取付体３Ａ側に設けられた低圧段の固定スクロールを示し、該固定スクロール５Ａは、中心がケーシング１の軸線Ｏ1 −Ｏ1 と一致するように配設された略円板状の鏡板６Ａと、該鏡板６Ａの表面に立設された渦巻状のラップ部７Ａと、鏡板６Ａの外周側から該ラップ部７Ａを取囲むように軸方向に突出した筒部８Ａと、該筒部８Ａの外周側から径方向外向きに突出したフランジ部９Ａとにより構成されている。
【００２２】
そして、固定スクロール５Ａは、フランジ部９Ａの外周側が軸受取付体３Ａの開口側にボルト等を介して着脱可能に取付けられている。また、固定スクロール５Ａの鏡板６Ａには、例えば空気（外気）等の流体を後述の圧縮室２３Ａ内に吸込むための吸込口１０Ａが外周寄りの位置に設けられ、鏡板６Ａの中心側（軸線Ｏ1 −Ｏ1 上）には圧縮空気の吐出口１１Ａが設けられている。
【００２３】
１２は低圧段の固定スクロール５Ａと高圧段の固定スクロール５Ｂとの間に位置してケーシング本体２内に設けられた電動機で、該電動機１２は、ケーシング本体２の内周側に固定して設けられた筒状のステータ１３と、該ステータ１３の内周側に回転可能に配設された筒状のロータ１４等とにより構成されている。
【００２４】
ここで、電動機１２は、ステータ１３およびロータ１４の軸線がケーシング１の軸線Ｏ1 −Ｏ1 と同一軸線上に配置されている。そして、電動機１２は、ロータ１４を回転することにより後述の回転軸１５を軸線Ｏ1 −Ｏ1 の周囲で回転駆動するものである。
【００２５】
１５はケーシング１の左，右両側で軸受取付体３Ａ，３Ｂに回転軸受１６Ａ，１６Ｂを介して回転可能に設けられた段付筒状の回転軸で、該回転軸１５は、電動機１２のロータ１４内に圧入等の手段を用いて嵌合された中空軸体からなり、軸線Ｏ1 −Ｏ1 を中心としてロータ１４と一体に回転するものである。
【００２６】
そして、回転軸１５は、電動機１２のロータ１４内を軸方向に貫通して設けられ、後述の旋回軸１８と共に電動機１２の出力軸を構成している。また、回転軸１５の内周側は、ケーシング１等の軸線Ｏ1 −Ｏ1 に対して寸法δだけ偏心した段付きの偏心穴１７となっている。
【００２７】
１８は回転軸１５の偏心穴１７内に相対回転可能に設けられた旋回軸で、該旋回軸１８は、中実な段付きの軸体として形成され、ケーシング１等の軸線Ｏ1 −Ｏ1 に対して寸法δだけ偏心した偏心軸線Ｏ2 −Ｏ2 上に配置されている。そして、旋回軸１８は、回転軸１５の偏心穴１７内で旋回軸受１９Ａ，１９Ｂを用いて該回転軸１５に相対回転可能に支持され、回転軸１５と共に電動機１２の出力軸を構成している。
【００２８】
また、旋回軸１８の軸方向両端側は、回転軸１５のの偏心穴１７両端から軸方向に突出し、その突出端側には後述の旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂが左，右に離間して設けられている。そして、旋回軸１８は、回転軸１５の回転に追従して旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂに旋回運動を与えるものである。
【００２９】
２０Ａは固定スクロール５Ａと対面してケーシング１内に旋回可能に設けられた低圧段の旋回スクロールで、該低圧段の旋回スクロール２０Ａは、略円板状に形成された鏡板２１Ａと、該鏡板２１Ａの表面に立設された渦巻状のラップ部２２Ａとにより大略構成されている。また、高圧段の旋回スクロール２０Ｂも、略円板状に形成された鏡板２１Ｂと渦巻状のラップ部２２Ｂとにより大略構成されている。
【００３０】
ここで、低圧段，高圧段の旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂは、鏡板２１Ａ，２１Ｂの背面側中央部が旋回軸１８の両端側にそれぞれボルト等を用いて一体に固定され、電動機１２からの駆動力によって旋回軸１８と一緒に旋回動作を行うものである。また、旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂは、ラップ部２２Ａ，２２Ｂが固定スクロール５Ａ，５Ｂのラップ部７Ａ，７Ｂと所定角度（例えば１８０度）だけずらして重なり合うように配設されている。
【００３１】
そして、低圧段の固定スクロール５Ａと旋回スクロール２０Ａは、両者のラップ部７Ａ，２２Ａ間に外周側から内周側にわたって低圧段の圧縮室２３Ａ，２３Ａ，…をそれぞれ画成している。また、高圧段の固定スクロール５Ｂと旋回スクロール２０Ｂは、両者のラップ部７Ｂ，２２Ｂ間に外周側から内周側にわたって高圧段の圧縮室２３Ｂ，２３Ｂ，…をそれぞれ画成している。
【００３２】
しかし、低圧段の固定スクロール５Ａと旋回スクロール２０Ａは、図２に示す如くラップ部７Ａ，２２Ａが比較的大きい歯高Ｈa （軸方向長さ）を有し、ラップ部７Ａ，２２Ａ間のラジアルギャップＧa は、例えば０．０５〜０．０７ｍｍ程度の隙間（ギャップ寸法）に設定されている。
【００３３】
一方、高圧段の固定スクロール５Ｂと旋回スクロール２０Ｂは、図３に示す如くラップ部７Ｂ，２２Ｂが比較的小さい歯高Ｈb を有し、ラップ部７Ｂ，２２Ｂ間のラジアルギャップＧb は、例えば０．０３〜０．０４ｍｍ程度に設定されている。
【００３４】
そして、高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、その歯高Ｈb が低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａの歯高Ｈa よりも小さく（Ｈb ＜Ｈa ）形成され、ラジアルギャップＧa ，Ｇb については、低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａの方が高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂよりも大きく（Ｇa ＞Ｇb ）形成されている。
【００３５】
２４，２４は旋回スクロール２０Ａの自転を防止する自転防止機構としての補助クランクで、該各補助クランク２４は、低圧スクロール部４Ａ側に位置してケーシング１の軸受取付体３Ａと旋回スクロール２０Ａの鏡板２１Ａとの間に設けられている。また、高圧スクロール部４Ｂ側にもケーシング１の軸受取付体３Ｂと旋回スクロール２０Ｂの鏡板２１Ｂとの間に同様の補助クランク（図示せず）が設けられるものである。
【００３６】
２５は低圧スクロール部４Ａ側に設けた吸込フィルタで、該吸込フィルタ２５は、低圧段の固定スクロール５Ａの吸込口１０Ａに着脱可能に設けられ、吸込口１０Ａから圧縮室２３Ａ内に向けて吸込まれる外気（空気）等を清浄化すると共に、空気の吸込音等を低減化する消音器としても機能するものである。
【００３７】
２６は低圧段の圧縮室２３Ａと高圧段の圧縮室２３Ｂとを連通させる連通路としての配管で、該配管２６は、ケーシング１の外側に位置して低圧段の固定スクロール５Ａと高圧段の固定スクロール５Ｂとの間に設けられている。そして、配管２６は、一方の端部２６Ａが固定スクロール５Ａの吐出口１１Ａに接続され、他方の端部２６Ｂは、固定スクロール５Ｂの吸込口１０Ｂに接続されている。
【００３８】
本実施の形態によるツインラップ型のスクロール式空気圧縮機は、上述の如き構成を有するもので、次に、その作動について説明する。
【００３９】
まず、電動機１２のステータ１３側に通電してロータ１４を回転駆動すると、該ロータ１４と一体となった回転軸１５は、軸線Ｏ1 −Ｏ1 を中心としてロータ１４と一体に回転する。そして、回転軸１５の回転により、軸線Ｏ2 −Ｏ2 上に配置された旋回軸１８は、回転軸１５の偏心穴１７内で寸法δの旋回半径をもった旋回運動を行なう。
【００４０】
これにより、旋回軸１８の両端側に設けた旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂは、固定スクロール５Ａ，５Ｂに対して寸法δの旋回半径をもった旋回動作を行う。このため、低圧スクロール部４Ａ側では固定スクロール５Ａの外周側に設けた吸込口１０Ａから吸込フィルタ２５を介して外気を吸込みつつ、この空気を各圧縮室２３Ａ内で順次圧縮する。
【００４１】
そして、低圧段の固定スクロール５Ａと旋回スクロール２０Ａとの間の圧縮室２３Ａ内で、例えば０．３ＭＰａ程度の圧力まで圧縮された圧縮空気は、固定スクロール５Ａの中心部に設けた吐出口１１Ａから配管２６内に向け吐出される。また、高圧スクロール部４Ｂ側では固定スクロール５Ｂの吸込口１０Ｂに、このときの圧縮空気が配管２６を通じて供給される。
【００４２】
そして、高圧段の固定スクロール５Ｂと旋回スクロール２０Ｂとの間では、このときの圧縮空気を各圧縮室２３Ｂ内でさらに圧縮し、例えば１．０ＭＰａ程度の圧力まで圧縮された圧縮空気が、固定スクロール５Ｂの中心部に設けた吐出口１１Ｂから外部に向けて吐出され、例えば空気タンク（図示せず）等に貯留される。
【００４３】
ここで、低圧段の圧縮室２３Ａが容積Ｖa を有し、高圧段の圧縮室２３Ｂが容積Ｖb を有している場合を例に挙げると、圧縮室２３Ａ，２３Ｂ内で発生する圧縮空気の圧力Ｐa ，Ｐb は、所謂ボイルの法則により温度一定の条件で、
【００４４】
【数１】
Ｐa ×Ｖa ＝Ｐb ×Ｖb
なる関係を満たすものである。
【００４５】
このため、例えば高圧段の圧力Ｐb が低圧段の圧力Ｐa の約３倍（Ｐb ≒３×Ｐa ）のときには、前記数１の式から高圧段の容積Ｖb を、低圧段の容積Ｖa の約１／３（Ｖb ≒Ｖa ／３）に小さくする必要が生じる。
【００４６】
そして、これらの容積Ｖa ，Ｖb の関係は、低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａと高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂの歯高Ｈa ，Ｈb の関係にほぼ対応している。これにより、高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、その歯高Ｈb を低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａの歯高Ｈa よりも小さく（Ｈb ＜Ｈa ）なるように形成するものである。
【００４７】
しかし、渦巻形状をなすこれらのラップ部７Ａ，７Ｂ，２２Ａ，２２Ｂには、の内周側と外周側とで大きな温度差が生じ、このときの温度勾配によって熱変形が生じ易い。そして、このような熱変形は、歯高Ｈb が小さい高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂよりも歯高Ｈa が大きい低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａの方でより大きな変形が生じる。
【００４８】
また、これらのラップ部７Ａ，２２Ａ（７Ｂ，２２Ｂ）は、そのラジアルギャップＧa （Ｇb ）を可能な限り小さくすれば、圧縮室２３Ａ（２３Ｂ）からの漏れ量を小さく抑えることができ、圧縮性能は向上する。しかし、ラジアルギャップＧa ，Ｇb を小さくすると、ラップ部７Ａ，７Ｂ，２２Ａ，２２Ｂの加工が高度になって複雑化し、製作時の作業性が低下する原因となる。
【００４９】
そこで、本実施の形態にあっては、ラップ部７Ａ，２２Ａの歯高Ｈa が大となる低圧段では、ラップ部７Ａ，２２Ａ間のラジアルギャップＧa を大きくし、歯高Ｈb が小さくなる高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、ラジアルギャップＧb を小さく（Ｇb ＜Ｇa ）形成する構成としている。
【００５０】
このため、歯高Ｈa の大きい低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａは、その間のラジアルギャップＧa を大きく確保することにより、ラップ部７Ａ，２２Ａの熱変形をある程度は許容することができ、圧縮運転時にラップ部７Ａ，２２Ａが互いに接触、干渉する等の不具合をなくすことができる。
【００５１】
一方、高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、歯高Ｈb が小さいために熱変形を小さく抑えることができる。このため、高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、ラジアルギャップＧb を十分に小さく形成することが可能となり、これによって圧縮空気の漏れ量を減らして高圧段における圧縮性能を向上することができる。
【００５２】
この場合、低圧段の圧縮室２３Ａと高圧段の圧縮室２３Ｂを比較すると、吸込んだ空気を吐出するまでの圧縮比は両者でほぼ等しい関係にある。しかし、高圧段の圧縮室２３Ｂは、前述した数１による容積Ｖb が低圧段の容積Ｖa よりも小さいために、ラップ部７Ｂ，２２Ｂ間に形成される各圧縮室２３Ｂ間の圧力上昇率が高くなって、圧縮空気の漏れ量は相対的に増加し易い。
【００５３】
これに対し、低圧段の圧縮室２３Ａは、その容積Ｖa が高圧段の容積Ｖb よりも大きく、ラップ部７Ａ，２２Ａ間に形成される各圧縮室２３Ａ間の圧力上昇率は低いために、ラップ部７Ａ，２２Ａ間のラジアルギャップＧa をある程度小さくしておけば、圧縮空気の漏れ量を十分に低減することができる。
【００５４】
また、このようなラジアルギャップと圧縮機の全断熱効率（例えば、電動機１２の軸動力と圧縮空気による理論断熱動力との比率）の関係を試作品を用いて確認すると、図４に示す特性線２７，２８が得られた。
【００５５】
この場合、実線で示す特性線２７は、高圧段のラジアルギャップＧb を例えば０．０３ｍｍに固定した状態で、低圧段のラジアルギャップＧa を０．０３〜０．０７ｍｍに変化させた場合の特性である。また、図４中に一点鎖線で示す特性線２８は、低圧段のラジアルギャップＧa を例えば０．０３ｍｍに固定した状態で、高圧段のラジアルギャップＧa を０．０３〜０．０７ｍｍに変化させた場合の特性である。
【００５６】
そして、低圧段，高圧段のラジアルギャップＧa ，Ｇb を共に０．０３ｍｍに設定した場合、当該圧縮機の全断熱効率を、例えば６６％程度の効率η1 として確保でき、低圧段のラジアルギャップＧa を０．０３〜０．０７ｍｍに変化させた場合にも、図４中に実線で示す特性線２７の如く効率η2 （例えば、５９％）以上に保つことができる。
【００５７】
しかし、高圧段のラジアルギャップＧb を０．０３〜０．０７ｍｍに変化させた場合は、図４中に一点鎖線で示す特性線２８の如くラジアルギャップＧb を大きくするに従って、全断熱効率が効率η2 よりも低下し、圧縮機としての性能が悪くなる。
【００５８】
従って、本実施の形態によれば、歯高Ｈa が大となる低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａは、ラジアルギャップＧa を大きくし、歯高Ｈb が小となる高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、ラジアルギャップＧb を小さく形成することにより、高圧段でのシール性を確保でき、圧縮空気の漏れを低減できると共に、低圧段ではラップ部７Ａ，２２Ａの熱変形を許容し得る程度のラジアルギャップＧa を確保することができる。
【００５９】
これにより、低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａと高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂとにそれぞれ適正なラジアルギャップＧa ，Ｇb を形成して製作、加工時の作業性を向上することができ、所謂ツインラップ型のスクロール式空気圧縮機としての性能、信頼性を十分に高めることができる。
【００６０】
また、低圧スクロール部４Ａと高圧スクロール部４Ｂとは、前述した数１の関係を満たすように設計することにより、電動機１２の出力軸となる回転軸１５および旋回軸１８等に左，右両側（低圧段と高圧段）からアンバランスな荷重が付加されるのを防止でき、電動機１２の負荷等を低減できると共に、耐久性、寿命等を確実に延ばすことができる。
【００６１】
なお、前記実施の形態では、低圧段のラジアルギャップＧa を０．０５〜０．０７ｍｍ程度の隙間とし、高圧段のラジアルギャップＧb を０．０３〜０．０４ｍｍ程度の隙間に形成するものとして説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、ツインラップ型のスクロール式流体機械の機種等に応じてラジアルギャップを適宜に設定すればよく、要は低圧段のラジアルギャップＧa を高圧段のラジアルギャップＧb よりも大きく形成すればよいものである。
【００６２】
また、前記実施の形態では、２段のスクロール式多段空気圧縮機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３段または４段以上の多段圧縮機にも適用可能である。そして、この場合は、最も圧力が高い高圧段圧縮部に比してより圧力が低い圧縮部のラジアルギャップを徐々に大きくする構成とすればよいものである。
【００６３】
また、例えば特開平７−１０３１５１号公報に記載の如く、旋回スクロールの両面にラップ部を有するスクロールで多段スクロールであるスクロール圧縮機に適用してもよい。また、例えば特開昭５４−５９６０８号公報に記載の如く、前段圧縮部と後段圧縮部との間に中間経路を備えた多段スクロール式流体機械において、後段圧縮部に比して前段圧縮部のラジアルギャップを大とする構成としてもよい。
【００６４】
さらに、一般的なスクロール圧縮機（固定スクロールと旋回スクロール、電動機）を２台用いて２段（多段）のスクロール圧縮機を構成する場合においても、前述の場合と同様に後段圧縮部に比して前段圧縮部のラジアルギャップを大とする構成としてもよい。また、この場合において、一般的なスクロール圧縮機のみならず、例えば特開昭６３−８００８９号公報、特開平３−１４５５８８号公報等に記載された全系回転式スクロール圧縮機に適用してもよい。そして、これらの場合においても、前述した実施の形態によるツインラップ型のスクロール式圧縮機とほぼ同様の作用効果を得ることができるものである。
【００６５】
また、前記実施の形態では、スクロール式流体機械としてスクロール式空気圧縮機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、例えば真空ポンプ、冷媒圧縮機等にも広く適用できるものである。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１に記載の発明によれば、低圧段圧縮部のスクロールは、高圧段圧縮部のスクロールよりもラップ部間のラジアルギャップを大きくする構成としているので、高圧段圧縮部はラップ部間のラジアルギャップを小さくでき、高圧段圧縮部の圧縮室からラジアルギャップを通じて流体が漏洩するのを小さく抑えることができる。また、低圧段圧縮部の圧縮室は、高圧段圧縮部に比して隣接する圧縮室間の圧力差が小さいので、高圧段に比して低圧段のラジアルギャップを大としても、流体の漏洩を十分に小さく抑えることができる。よって、高圧段圧縮部に比して低圧段圧縮部では機械加工を容易に行うことができ、トータルとしてコストを下げることができる。
【００６７】
また、請求項２に記載の発明によると、高圧段圧縮部のスクロールは、低圧段圧縮部のスクロールよりもラップ部の歯高を小さくする構成としているので、高圧段側ではラップ部の歯高を小さくすることにより、ラップ部に熱変形が生じるのを抑えることができ、ラップ部間のラジアルギャップを小さくした場合においても、ラップ部同士の接触を抑えることができる。また、低圧段圧縮部のラップ部は、歯高を大きくすることにより熱変形し易くなるが、この場合にはラップ部間のラジアルギャップを大きくすることによって、ラップ部同士の接触を抑えることができる。
【００６８】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、高圧段のラップ部間に形成されるラジアルギャップを低圧段側のラジアルギャップよりも小さくする構成としているので、高圧段の圧縮室からラジアルギャップを通じて流体が漏洩するのを小さく抑えることができる。また、低圧段の圧縮室は、高圧段に比して隣接する圧縮室間の圧力差が小さいので、高圧段に比して低圧段のラジアルギャップを大としても、流体の漏洩を十分に小さく抑えることができる。よって、高圧段に比して低圧段では機械加工を容易に行うことができ、トータルとしてコストを下げることができる。従って、低圧段のラップ部と高圧段のラップ部とにそれぞれ適正なラジアルギャップを形成して製作、加工時の作業性等を向上できると共に、所謂ツインラップ型のスクロール式流体機械としての性能、信頼性を十分に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるスクロール式空気圧縮機を示す縦断面図である。
【図２】図１中の低圧スクロール部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図１中の高圧スクロール部を拡大して示す縦断面図である。
【図４】ラジアルギャップと全断熱効率との関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
１ ケーシング
４Ａ 低圧スクロール部（低圧段圧縮部）
４Ｂ 高圧スクロール部（高圧段圧縮部）
５Ａ 低圧段の固定スクロール
５Ｂ 高圧段の固定スクロール
６Ａ，６Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ 鏡板
７Ａ，７Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ ラップ部
１２ 電動機
１３ ステータ
１４ ロータ
１５ 回転軸（出力軸）
１８ 旋回軸（出力軸）
２０Ａ 低圧段の旋回スクロール
２０Ｂ 高圧段の旋回スクロール
２３Ａ，２３Ｂ 圧縮室
２４ 補助クランク
２５ 吸込フィルタ
２６ 配管（連通路）
Ｇa ，Ｇb ラジアルギャップ
Ｈa ，Ｈb 歯高
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば空気等の流体を圧縮するのに好適に用いられるスクロール式流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ケーシングの軸方向両側にそれぞれ固定スクロールと旋回スクロールとを設け、前記ケーシング内には前記各旋回スクロールを旋回駆動する電動機を備えてなる所謂ツインラップ型のスクロール式流体機械は知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３５６１９３号公報
【０００４】
この種の従来技術によるツインラップ型のスクロール式流体機械は、ケーシングの軸方向一側に設けた固定スクロールと旋回スクロールとにより低圧段の圧縮室を形成し、ケーシングの軸方向他側に設けた固定スクロールと旋回スクロールとにより高圧段の圧縮室を形成する構成としている。
【０００５】
そして、高圧段の固定スクロールは、その吸込側を低圧段の固定スクロールの吐出側に配管等を用いて接続し、前記低圧段の圧縮室から吐出される圧縮流体を高圧段の圧縮室でさらに圧縮することにより、流体の２段圧縮を行う構成としているものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術によるツインラップ型のスクロール式流体機械では、固定スクロールと旋回スクロールとの各ラップ部間に形成されるラジアルギャップを、可能な限り小さいギャップ寸法に設定できるように加工すると共に、低圧段と高圧段の両方においてギャップ寸法をほぼ同一の寸法に形成しているのが実状である。
【０００７】
しかし、渦巻形状をなす固定，旋回スクロールのラップ部は、各圧縮室内で流体を圧縮するときの圧縮熱等により、各ラップ部の内周側と外周側とで大きな温度差が生じ、このときの温度勾配によって熱変形が生じ易いものである。このため、ラップ部間のラジアルギャップを単に小さくするように加工したときには、熱変形の影響でラップ部が互いに接触、干渉する虞れがあり、スクロール式流体機械としての信頼性が低下する原因となる。
【０００８】
一方、ラップ部間の接触、干渉を避けるためにラジアルギャップを大きく形成した場合には、高圧段の圧縮室において圧縮流体がラップ部間のラジアルギャップを通じて漏洩し易くなり、スクロール式流体機械としての性能を向上することができないという問題がある。
【０００９】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、低圧段と高圧段とで各ラップ部間のラジアルギャップを互いに異ならしめることより、熱変形の影響を減じて流体の漏洩を抑えることができ、圧縮運転時等の性能を向上できるようにしたスクロール式流体機械を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、２つのスクロールのラップ部が重なり合って旋回運動する間に外部から吸込んだ流体を圧縮する低圧段圧縮部と、２つのスクロールのラップ部が重なり合って旋回運動する間に前記低圧段の圧縮部から吸込んだ流体を圧縮する高圧段圧縮部とを備えたスクロール式流体機械において、前記低圧段圧縮部のスクロールは、前記高圧段圧縮部のスクロールよりも前記ラップ部間のラジアルギャップを大きくする構成としたことを特徴としている。
【００１１】
このように、高圧段圧縮部のラップ部間に形成されるラジアルギャップを低圧段側のラジアルギャップよりも小さくする構成としたことにより、高圧段圧縮部の圧縮室からラジアルギャップを通じて流体が漏洩するのを小さく抑えることができる。また、低圧段圧縮部の圧縮室は、高圧段圧縮部に比して隣接する圧縮室間の圧力差が小さいので、高圧段に比して低圧段のラジアルギャップを大としても、流体の漏洩を十分に小さく抑えることができる。よって、高圧段圧縮部に比して低圧段圧縮部では機械加工を容易に行うことができ、トータルとしてコストを下げることができる。
【００１２】
また、請求項２の発明によると、高圧段圧縮部のスクロールは、低圧段圧縮部のスクロールよりもラップ部の歯高を小さくする構成としている。
【００１３】
この場合には、高圧段圧縮部のラップ部は歯高を小さくすることにより、ラップ部に熱変形が生じるのを抑えることができ、ラップ部間のラジアルギャップを小さくした場合においても、ラップ部同士の接触を抑えることができる。また、低圧段圧縮部のラップ部は、歯高を大きくすることにより熱変形し易くなるが、この場合にはラップ部間のラジアルギャップを大きくすることによって、ラップ部同士の接触を抑えることが可能である。
【００１４】
さらに、請求項３の発明は、軸方向に延びる筒状のケーシングと、該ケーシングの軸線上に位置して該ケーシングの両端側にそれぞれ設けられ、鏡板に渦巻状のラップ部が立設された低圧段，高圧段の固定スクロールと、該低圧段の固定スクロールと高圧段の固定スクロールとの間に位置して前記ケーシング内に設けられ、出力軸が前記ケーシングの軸線と同一の方向に配置された電動機と、前記低圧段，高圧段の固定スクロールと対面して該電動機の出力軸の両端側にそれぞれ設けられ、鏡板に前記低圧段，高圧段の固定スクロールのラップ部と重なり合って複数の圧縮室を形成するラップ部が立設された低圧段，高圧段の旋回スクロールとを備えたスクロール式流体機械に適用される。
【００１５】
そして、請求項３の発明が採用する構成の特徴は、前記高圧段の固定スクロールと旋回スクロールとは、前記低圧段の固定スクロールと旋回スクロールとの間の圧縮室から吐出される流体を、内部の圧縮室内でさらに高い圧力に圧縮する構成とし、前記低圧段の固定スクロールと旋回スクロールは、前記高圧段の固定スクロールと旋回スクロールよりも前記各ラップ部間のラジアルギャップを大きくする構成としたことにある。
【００１６】
このように、高圧段のラップ部間に形成されるラジアルギャップを、低圧段側のラジアルギャップよりも小さくする構成としたことにより、高圧段の圧縮室からラジアルギャップを通じて流体が漏洩するのを小さく抑えることができる。また、低圧段の圧縮室は、高圧段に比して隣接する圧縮室間の圧力差が小さいので、高圧段に比して低圧段のラジアルギャップを大としても、流体の漏洩を十分に小さく抑えることができる。よって、高圧段に比して低圧段では機械加工を容易に行うことができ、トータルとしてコストを下げることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態によるスクロール式流体機械を、ツインラップ型のスクロール式空気圧縮機を例に挙げ、添付図面の図１ないし図４に従って詳細に説明する。
【００１８】
図中、１はスクロール式空気圧縮機の外枠を形成する筒状のケーシングで、該ケーシング１は、軸線Ｏ1 −Ｏ1 を中心として略円筒状に形成されたケーシング本体２と、該ケーシング本体２の左，右両端側にそれぞれ固着して設けられた左，右の軸受取付体３Ａ，３Ｂとにより構成されている。
【００１９】
ここで、ケーシング本体２の左側に位置する軸受取付体３Ａは、後述の固定スクロール５Ａ、旋回スクロール２０Ａ等と共に低圧段圧縮部となる低圧スクロール部４Ａを構成するものである。また、ケーシング本体２の右側に位置する軸受取付体３Ｂは、後述の固定スクロール５Ｂ、旋回スクロール２０Ｂ等と共に高圧段圧縮部となる高圧スクロール部４Ａを構成している。
【００２０】
なお、低圧スクロール部４Ａと高圧スクロール部４Ｂとは、それぞれほぼ同一の構成要素を有しているので、以下の説明では、低圧段に符号「Ａ」を付し、高圧段には符号「Ｂ」を付して説明する。また、低圧段と高圧段とで説明が重複するのを避けるため、主に低圧スクロール部４Ａの構成要素について説明し、高圧スクロール部４Ｂの構成要素については、その説明を省略するものとする。
【００２１】
５Ａはケーシング１の軸受取付体３Ａ側に設けられた低圧段の固定スクロールを示し、該固定スクロール５Ａは、中心がケーシング１の軸線Ｏ1 −Ｏ1 と一致するように配設された略円板状の鏡板６Ａと、該鏡板６Ａの表面に立設された渦巻状のラップ部７Ａと、鏡板６Ａの外周側から該ラップ部７Ａを取囲むように軸方向に突出した筒部８Ａと、該筒部８Ａの外周側から径方向外向きに突出したフランジ部９Ａとにより構成されている。
【００２２】
そして、固定スクロール５Ａは、フランジ部９Ａの外周側が軸受取付体３Ａの開口側にボルト等を介して着脱可能に取付けられている。また、固定スクロール５Ａの鏡板６Ａには、例えば空気（外気）等の流体を後述の圧縮室２３Ａ内に吸込むための吸込口１０Ａが外周寄りの位置に設けられ、鏡板６Ａの中心側（軸線Ｏ1 −Ｏ1 上）には圧縮空気の吐出口１１Ａが設けられている。
【００２３】
１２は低圧段の固定スクロール５Ａと高圧段の固定スクロール５Ｂとの間に位置してケーシング本体２内に設けられた電動機で、該電動機１２は、ケーシング本体２の内周側に固定して設けられた筒状のステータ１３と、該ステータ１３の内周側に回転可能に配設された筒状のロータ１４等とにより構成されている。
【００２４】
ここで、電動機１２は、ステータ１３およびロータ１４の軸線がケーシング１の軸線Ｏ1 −Ｏ1 と同一軸線上に配置されている。そして、電動機１２は、ロータ１４を回転することにより後述の回転軸１５を軸線Ｏ1 −Ｏ1 の周囲で回転駆動するものである。
【００２５】
１５はケーシング１の左，右両側で軸受取付体３Ａ，３Ｂに回転軸受１６Ａ，１６Ｂを介して回転可能に設けられた段付筒状の回転軸で、該回転軸１５は、電動機１２のロータ１４内に圧入等の手段を用いて嵌合された中空軸体からなり、軸線Ｏ1 −Ｏ1 を中心としてロータ１４と一体に回転するものである。
【００２６】
そして、回転軸１５は、電動機１２のロータ１４内を軸方向に貫通して設けられ、後述の旋回軸１８と共に電動機１２の出力軸を構成している。また、回転軸１５の内周側は、ケーシング１等の軸線Ｏ1 −Ｏ1 に対して寸法δだけ偏心した段付きの偏心穴１７となっている。
【００２７】
１８は回転軸１５の偏心穴１７内に相対回転可能に設けられた旋回軸で、該旋回軸１８は、中実な段付きの軸体として形成され、ケーシング１等の軸線Ｏ1 −Ｏ1 に対して寸法δだけ偏心した偏心軸線Ｏ2 −Ｏ2 上に配置されている。そして、旋回軸１８は、回転軸１５の偏心穴１７内で旋回軸受１９Ａ，１９Ｂを用いて該回転軸１５に相対回転可能に支持され、回転軸１５と共に電動機１２の出力軸を構成している。
【００２８】
また、旋回軸１８の軸方向両端側は、回転軸１５のの偏心穴１７両端から軸方向に突出し、その突出端側には後述の旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂが左，右に離間して設けられている。そして、旋回軸１８は、回転軸１５の回転に追従して旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂに旋回運動を与えるものである。
【００２９】
２０Ａは固定スクロール５Ａと対面してケーシング１内に旋回可能に設けられた低圧段の旋回スクロールで、該低圧段の旋回スクロール２０Ａは、略円板状に形成された鏡板２１Ａと、該鏡板２１Ａの表面に立設された渦巻状のラップ部２２Ａとにより大略構成されている。また、高圧段の旋回スクロール２０Ｂも、略円板状に形成された鏡板２１Ｂと渦巻状のラップ部２２Ｂとにより大略構成されている。
【００３０】
ここで、低圧段，高圧段の旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂは、鏡板２１Ａ，２１Ｂの背面側中央部が旋回軸１８の両端側にそれぞれボルト等を用いて一体に固定され、電動機１２からの駆動力によって旋回軸１８と一緒に旋回動作を行うものである。また、旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂは、ラップ部２２Ａ，２２Ｂが固定スクロール５Ａ，５Ｂのラップ部７Ａ，７Ｂと所定角度（例えば１８０度）だけずらして重なり合うように配設されている。
【００３１】
そして、低圧段の固定スクロール５Ａと旋回スクロール２０Ａは、両者のラップ部７Ａ，２２Ａ間に外周側から内周側にわたって低圧段の圧縮室２３Ａ，２３Ａ，…をそれぞれ画成している。また、高圧段の固定スクロール５Ｂと旋回スクロール２０Ｂは、両者のラップ部７Ｂ，２２Ｂ間に外周側から内周側にわたって高圧段の圧縮室２３Ｂ，２３Ｂ，…をそれぞれ画成している。
【００３２】
しかし、低圧段の固定スクロール５Ａと旋回スクロール２０Ａは、図２に示す如くラップ部７Ａ，２２Ａが比較的大きい歯高Ｈa （軸方向長さ）を有し、ラップ部７Ａ，２２Ａ間のラジアルギャップＧa は、例えば０．０５〜０．０７ｍｍ程度の隙間（ギャップ寸法）に設定されている。
【００３３】
一方、高圧段の固定スクロール５Ｂと旋回スクロール２０Ｂは、図３に示す如くラップ部７Ｂ，２２Ｂが比較的小さい歯高Ｈb を有し、ラップ部７Ｂ，２２Ｂ間のラジアルギャップＧb は、例えば０．０３〜０．０４ｍｍ程度に設定されている。
【００３４】
そして、高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、その歯高Ｈb が低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａの歯高Ｈa よりも小さく（Ｈb ＜Ｈa ）形成され、ラジアルギャップＧa ，Ｇb については、低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａの方が高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂよりも大きく（Ｇa ＞Ｇb ）形成されている。
【００３５】
２４，２４は旋回スクロール２０Ａの自転を防止する自転防止機構としての補助クランクで、該各補助クランク２４は、低圧スクロール部４Ａ側に位置してケーシング１の軸受取付体３Ａと旋回スクロール２０Ａの鏡板２１Ａとの間に設けられている。また、高圧スクロール部４Ｂ側にもケーシング１の軸受取付体３Ｂと旋回スクロール２０Ｂの鏡板２１Ｂとの間に同様の補助クランク（図示せず）が設けられるものである。
【００３６】
２５は低圧スクロール部４Ａ側に設けた吸込フィルタで、該吸込フィルタ２５は、低圧段の固定スクロール５Ａの吸込口１０Ａに着脱可能に設けられ、吸込口１０Ａから圧縮室２３Ａ内に向けて吸込まれる外気（空気）等を清浄化すると共に、空気の吸込音等を低減化する消音器としても機能するものである。
【００３７】
２６は低圧段の圧縮室２３Ａと高圧段の圧縮室２３Ｂとを連通させる連通路としての配管で、該配管２６は、ケーシング１の外側に位置して低圧段の固定スクロール５Ａと高圧段の固定スクロール５Ｂとの間に設けられている。そして、配管２６は、一方の端部２６Ａが固定スクロール５Ａの吐出口１１Ａに接続され、他方の端部２６Ｂは、固定スクロール５Ｂの吸込口１０Ｂに接続されている。
【００３８】
本実施の形態によるツインラップ型のスクロール式空気圧縮機は、上述の如き構成を有するもので、次に、その作動について説明する。
【００３９】
まず、電動機１２のステータ１３側に通電してロータ１４を回転駆動すると、該ロータ１４と一体となった回転軸１５は、軸線Ｏ1 −Ｏ1 を中心としてロータ１４と一体に回転する。そして、回転軸１５の回転により、軸線Ｏ2 −Ｏ2 上に配置された旋回軸１８は、回転軸１５の偏心穴１７内で寸法δの旋回半径をもった旋回運動を行なう。
【００４０】
これにより、旋回軸１８の両端側に設けた旋回スクロール２０Ａ，２０Ｂは、固定スクロール５Ａ，５Ｂに対して寸法δの旋回半径をもった旋回動作を行う。このため、低圧スクロール部４Ａ側では固定スクロール５Ａの外周側に設けた吸込口１０Ａから吸込フィルタ２５を介して外気を吸込みつつ、この空気を各圧縮室２３Ａ内で順次圧縮する。
【００４１】
そして、低圧段の固定スクロール５Ａと旋回スクロール２０Ａとの間の圧縮室２３Ａ内で、例えば０．３ＭＰａ程度の圧力まで圧縮された圧縮空気は、固定スクロール５Ａの中心部に設けた吐出口１１Ａから配管２６内に向け吐出される。また、高圧スクロール部４Ｂ側では固定スクロール５Ｂの吸込口１０Ｂに、このときの圧縮空気が配管２６を通じて供給される。
【００４２】
そして、高圧段の固定スクロール５Ｂと旋回スクロール２０Ｂとの間では、このときの圧縮空気を各圧縮室２３Ｂ内でさらに圧縮し、例えば１．０ＭＰａ程度の圧力まで圧縮された圧縮空気が、固定スクロール５Ｂの中心部に設けた吐出口１１Ｂから外部に向けて吐出され、例えば空気タンク（図示せず）等に貯留される。
【００４３】
ここで、低圧段の圧縮室２３Ａが容積Ｖa を有し、高圧段の圧縮室２３Ｂが容積Ｖb を有している場合を例に挙げると、圧縮室２３Ａ，２３Ｂ内で発生する圧縮空気の圧力Ｐa ，Ｐb は、所謂ボイルの法則により温度一定の条件で、
【００４４】
【数１】
Ｐa ×Ｖa ＝Ｐb ×Ｖb
なる関係を満たすものである。
【００４５】
このため、例えば高圧段の圧力Ｐb が低圧段の圧力Ｐa の約３倍（Ｐb ≒３×Ｐa ）のときには、前記数１の式から高圧段の容積Ｖb を、低圧段の容積Ｖa の約１／３（Ｖb ≒Ｖa ／３）に小さくする必要が生じる。
【００４６】
そして、これらの容積Ｖa ，Ｖb の関係は、低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａと高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂの歯高Ｈa ，Ｈb の関係にほぼ対応している。これにより、高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、その歯高Ｈb を低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａの歯高Ｈa よりも小さく（Ｈb ＜Ｈa ）なるように形成するものである。
【００４７】
しかし、渦巻形状をなすこれらのラップ部７Ａ，７Ｂ，２２Ａ，２２Ｂには、の内周側と外周側とで大きな温度差が生じ、このときの温度勾配によって熱変形が生じ易い。そして、このような熱変形は、歯高Ｈb が小さい高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂよりも歯高Ｈa が大きい低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａの方でより大きな変形が生じる。
【００４８】
また、これらのラップ部７Ａ，２２Ａ（７Ｂ，２２Ｂ）は、そのラジアルギャップＧa （Ｇb ）を可能な限り小さくすれば、圧縮室２３Ａ（２３Ｂ）からの漏れ量を小さく抑えることができ、圧縮性能は向上する。しかし、ラジアルギャップＧa ，Ｇb を小さくすると、ラップ部７Ａ，７Ｂ，２２Ａ，２２Ｂの加工が高度になって複雑化し、製作時の作業性が低下する原因となる。
【００４９】
そこで、本実施の形態にあっては、ラップ部７Ａ，２２Ａの歯高Ｈa が大となる低圧段では、ラップ部７Ａ，２２Ａ間のラジアルギャップＧa を大きくし、歯高Ｈb が小さくなる高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、ラジアルギャップＧb を小さく（Ｇb ＜Ｇa ）形成する構成としている。
【００５０】
このため、歯高Ｈa の大きい低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａは、その間のラジアルギャップＧa を大きく確保することにより、ラップ部７Ａ，２２Ａの熱変形をある程度は許容することができ、圧縮運転時にラップ部７Ａ，２２Ａが互いに接触、干渉する等の不具合をなくすことができる。
【００５１】
一方、高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、歯高Ｈb が小さいために熱変形を小さく抑えることができる。このため、高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、ラジアルギャップＧb を十分に小さく形成することが可能となり、これによって圧縮空気の漏れ量を減らして高圧段における圧縮性能を向上することができる。
【００５２】
この場合、低圧段の圧縮室２３Ａと高圧段の圧縮室２３Ｂを比較すると、吸込んだ空気を吐出するまでの圧縮比は両者でほぼ等しい関係にある。しかし、高圧段の圧縮室２３Ｂは、前述した数１による容積Ｖb が低圧段の容積Ｖa よりも小さいために、ラップ部７Ｂ，２２Ｂ間に形成される各圧縮室２３Ｂ間の圧力上昇率が高くなって、圧縮空気の漏れ量は相対的に増加し易い。
【００５３】
これに対し、低圧段の圧縮室２３Ａは、その容積Ｖa が高圧段の容積Ｖb よりも大きく、ラップ部７Ａ，２２Ａ間に形成される各圧縮室２３Ａ間の圧力上昇率は低いために、ラップ部７Ａ，２２Ａ間のラジアルギャップＧa をある程度小さくしておけば、圧縮空気の漏れ量を十分に低減することができる。
【００５４】
また、このようなラジアルギャップと圧縮機の全断熱効率（例えば、電動機１２の軸動力と圧縮空気による理論断熱動力との比率）の関係を試作品を用いて確認すると、図４に示す特性線２７，２８が得られた。
【００５５】
この場合、実線で示す特性線２７は、高圧段のラジアルギャップＧb を例えば０．０３ｍｍに固定した状態で、低圧段のラジアルギャップＧa を０．０３〜０．０７ｍｍに変化させた場合の特性である。また、図４中に一点鎖線で示す特性線２８は、低圧段のラジアルギャップＧa を例えば０．０３ｍｍに固定した状態で、高圧段のラジアルギャップＧa を０．０３〜０．０７ｍｍに変化させた場合の特性である。
【００５６】
そして、低圧段，高圧段のラジアルギャップＧa ，Ｇb を共に０．０３ｍｍに設定した場合、当該圧縮機の全断熱効率を、例えば６６％程度の効率η1 として確保でき、低圧段のラジアルギャップＧa を０．０３〜０．０７ｍｍに変化させた場合にも、図４中に実線で示す特性線２７の如く効率η2 （例えば、５９％）以上に保つことができる。
【００５７】
しかし、高圧段のラジアルギャップＧb を０．０３〜０．０７ｍｍに変化させた場合は、図４中に一点鎖線で示す特性線２８の如くラジアルギャップＧb を大きくするに従って、全断熱効率が効率η2 よりも低下し、圧縮機としての性能が悪くなる。
【００５８】
従って、本実施の形態によれば、歯高Ｈa が大となる低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａは、ラジアルギャップＧa を大きくし、歯高Ｈb が小となる高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂは、ラジアルギャップＧb を小さく形成することにより、高圧段でのシール性を確保でき、圧縮空気の漏れを低減できると共に、低圧段ではラップ部７Ａ，２２Ａの熱変形を許容し得る程度のラジアルギャップＧa を確保することができる。
【００５９】
これにより、低圧段のラップ部７Ａ，２２Ａと高圧段のラップ部７Ｂ，２２Ｂとにそれぞれ適正なラジアルギャップＧa ，Ｇb を形成して製作、加工時の作業性を向上することができ、所謂ツインラップ型のスクロール式空気圧縮機としての性能、信頼性を十分に高めることができる。
【００６０】
また、低圧スクロール部４Ａと高圧スクロール部４Ｂとは、前述した数１の関係を満たすように設計することにより、電動機１２の出力軸となる回転軸１５および旋回軸１８等に左，右両側（低圧段と高圧段）からアンバランスな荷重が付加されるのを防止でき、電動機１２の負荷等を低減できると共に、耐久性、寿命等を確実に延ばすことができる。
【００６１】
なお、前記実施の形態では、低圧段のラジアルギャップＧa を０．０５〜０．０７ｍｍ程度の隙間とし、高圧段のラジアルギャップＧb を０．０３〜０．０４ｍｍ程度の隙間に形成するものとして説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、ツインラップ型のスクロール式流体機械の機種等に応じてラジアルギャップを適宜に設定すればよく、要は低圧段のラジアルギャップＧa を高圧段のラジアルギャップＧb よりも大きく形成すればよいものである。
【００６２】
また、前記実施の形態では、２段のスクロール式多段空気圧縮機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３段または４段以上の多段圧縮機にも適用可能である。そして、この場合は、最も圧力が高い高圧段圧縮部に比してより圧力が低い圧縮部のラジアルギャップを徐々に大きくする構成とすればよいものである。
【００６３】
また、例えば特開平７−１０３１５１号公報に記載の如く、旋回スクロールの両面にラップ部を有するスクロールで多段スクロールであるスクロール圧縮機に適用してもよい。また、例えば特開昭５４−５９６０８号公報に記載の如く、前段圧縮部と後段圧縮部との間に中間経路を備えた多段スクロール式流体機械において、後段圧縮部に比して前段圧縮部のラジアルギャップを大とする構成としてもよい。
【００６４】
さらに、一般的なスクロール圧縮機（固定スクロールと旋回スクロール、電動機）を２台用いて２段（多段）のスクロール圧縮機を構成する場合においても、前述の場合と同様に後段圧縮部に比して前段圧縮部のラジアルギャップを大とする構成としてもよい。また、この場合において、一般的なスクロール圧縮機のみならず、例えば特開昭６３−８００８９号公報、特開平３−１４５５８８号公報等に記載された全系回転式スクロール圧縮機に適用してもよい。そして、これらの場合においても、前述した実施の形態によるツインラップ型のスクロール式圧縮機とほぼ同様の作用効果を得ることができるものである。
【００６５】
また、前記実施の形態では、スクロール式流体機械としてスクロール式空気圧縮機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、例えば真空ポンプ、冷媒圧縮機等にも広く適用できるものである。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１に記載の発明によれば、低圧段圧縮部のスクロールは、高圧段圧縮部のスクロールよりもラップ部間のラジアルギャップを大きくする構成としているので、高圧段圧縮部はラップ部間のラジアルギャップを小さくでき、高圧段圧縮部の圧縮室からラジアルギャップを通じて流体が漏洩するのを小さく抑えることができる。また、低圧段圧縮部の圧縮室は、高圧段圧縮部に比して隣接する圧縮室間の圧力差が小さいので、高圧段に比して低圧段のラジアルギャップを大としても、流体の漏洩を十分に小さく抑えることができる。よって、高圧段圧縮部に比して低圧段圧縮部では機械加工を容易に行うことができ、トータルとしてコストを下げることができる。
【００６７】
また、請求項２に記載の発明によると、高圧段圧縮部のスクロールは、低圧段圧縮部のスクロールよりもラップ部の歯高を小さくする構成としているので、高圧段側ではラップ部の歯高を小さくすることにより、ラップ部に熱変形が生じるのを抑えることができ、ラップ部間のラジアルギャップを小さくした場合においても、ラップ部同士の接触を抑えることができる。また、低圧段圧縮部のラップ部は、歯高を大きくすることにより熱変形し易くなるが、この場合にはラップ部間のラジアルギャップを大きくすることによって、ラップ部同士の接触を抑えることができる。
【００６８】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、高圧段のラップ部間に形成されるラジアルギャップを低圧段側のラジアルギャップよりも小さくする構成としているので、高圧段の圧縮室からラジアルギャップを通じて流体が漏洩するのを小さく抑えることができる。また、低圧段の圧縮室は、高圧段に比して隣接する圧縮室間の圧力差が小さいので、高圧段に比して低圧段のラジアルギャップを大としても、流体の漏洩を十分に小さく抑えることができる。よって、高圧段に比して低圧段では機械加工を容易に行うことができ、トータルとしてコストを下げることができる。従って、低圧段のラップ部と高圧段のラップ部とにそれぞれ適正なラジアルギャップを形成して製作、加工時の作業性等を向上できると共に、所謂ツインラップ型のスクロール式流体機械としての性能、信頼性を十分に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるスクロール式空気圧縮機を示す縦断面図である。
【図２】図１中の低圧スクロール部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図１中の高圧スクロール部を拡大して示す縦断面図である。
【図４】ラジアルギャップと全断熱効率との関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
１ ケーシング
４Ａ 低圧スクロール部（低圧段圧縮部）
４Ｂ 高圧スクロール部（高圧段圧縮部）
５Ａ 低圧段の固定スクロール
５Ｂ 高圧段の固定スクロール
６Ａ，６Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ 鏡板
７Ａ，７Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ ラップ部
１２ 電動機
１３ ステータ
１４ ロータ
１５ 回転軸（出力軸）
１８ 旋回軸（出力軸）
２０Ａ 低圧段の旋回スクロール
２０Ｂ 高圧段の旋回スクロール
２３Ａ，２３Ｂ 圧縮室
２４ 補助クランク
２５ 吸込フィルタ
２６ 配管（連通路）
Ｇa ，Ｇb ラジアルギャップ
Ｈa ，Ｈb 歯高
Claims (3)
- ２つのスクロールのラップ部が重なり合って旋回運動する間に外部から吸込んだ流体を圧縮する低圧段圧縮部と、
２つのスクロールのラップ部が重なり合って旋回運動する間に前記低圧段の圧縮部から吸込んだ流体を圧縮する高圧段圧縮部とを備えたスクロール式流体機械において、
前記低圧段圧縮部のスクロールは、前記高圧段圧縮部のスクロールよりも前記ラップ部間のラジアルギャップを大きくする構成としたことを特徴とするスクロール式流体機械。 - 前記高圧段圧縮部のスクロールは、前記低圧段圧縮部のスクロールよりも前記ラップ部の歯高を小さくする構成としてなる請求項１に記載のスクロール式流体機械。
- 軸方向に延びる筒状のケーシングと、
該ケーシングの軸線上に位置して該ケーシングの両端側にそれぞれ設けられ、鏡板に渦巻状のラップ部が立設された低圧段，高圧段の固定スクロールと、
該低圧段の固定スクロールと高圧段の固定スクロールとの間に位置して前記ケーシング内に設けられ、出力軸が前記ケーシングの軸線と同一の方向に配置された電動機と、
前記低圧段，高圧段の固定スクロールと対面して該電動機の出力軸の両端側にそれぞれ設けられ、鏡板に前記低圧段，高圧段の固定スクロールのラップ部と重なり合って複数の圧縮室を形成するラップ部が立設された低圧段，高圧段の旋回スクロールとを備えたスクロール式流体機械において、
前記高圧段の固定スクロールと旋回スクロールとは、前記低圧段の固定スクロールと旋回スクロールとの間の圧縮室から吐出される流体を、内部の圧縮室内でさらに高い圧力に圧縮する構成とし、
前記低圧段の固定スクロールと旋回スクロールは、前記高圧段の固定スクロールと旋回スクロールよりも前記各ラップ部間のラジアルギャップを大きくする構成としたことを特徴とするスクロール式流体機械。
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