JP4280367B2 - スクロール型流体機械 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汎用性に富んだスクロール型流体機械に属し、特に、燃料電池発電システムの圧縮機として適したスクロール型流体機械に属する。
【0002】
【従来の技術】
従来のスクロール型流体機械は、ハウジングと、クランクシャフト本体及び該クランクシャフト本体に偏心させて設けられたクランクピンを有し、前記ハウジング内で回転自在に支持されたクランクシャフトと、第1の板体及び該第1の板体の一面上に設けられた第1のうず巻体を有し、前記ハウジング内に固定された固定スクロール部材と、第2の板体及び該第2の板体の一面上に設けられ前記第1のうず巻体と噛み合う第2のうず巻体を有し、前記第2の板体の他面側で前記クランクピンに連結され、前記ハウジング内で旋回運動を行う可動スクロール部材と、該可動スクロール部材が旋回運動を行う際に、該可動スクロール部材の自転を阻止する回転阻止機構とを含んでいる。
【0003】
この従来のスクロール型流体機械は、一般に、住宅や車輛用の空調装置の圧縮機として用いられているが、近年、スクロール型流体機械を、空調装置の圧縮機以外の目的で使用することが検討されており、特に、燃料電池発電システム用の空気圧縮機として用いることが検討されている。
【0004】
従来のスクロール型流体機械を、燃料電池発電システムの空気圧縮機用等、汎用性に富むものとするには、作動部から吐出される流体の清浄化と作動部の高効率化が必要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のスクロール型流体機械においては、駆動・回転阻止部に対しては給油潤滑を行い、作動部への潤滑オイル混入を防止するためにオイルシール等でシールを行っているが、可動スクロール部材が旋回運動を行うために完全なシールは不可能であり、作動部への多少のオイル混入は避けられなかった。
【0006】
また、従来、作動部の高効率化のために、油冷、水冷、或いは空冷が行われることがあった。しかし、油冷の場合、強制潤滑のためのオイルポンプやオイルクーラー等が必要であり、構成が非常に複雑なものと成っており、コストアップは避けられなかった。水冷の場合も、油冷と同様に潤滑ポンプや冷却器等が必要であり、しかも圧縮機内に水通路を設ける必要があり、構成が非常に複雑なものと成っており、コストアップは避けられなかった。空冷の場合、クランクシャフトのハウジングから突出した部分にファンを取り付けて強制冷却を行うように成っているので、作動部を直接空冷することができず、冷却能力が十分でなかった。また、特に、可動スクロール部材は、旋回運動を行うので、可動スクロール部材に直接冷却風を吹き付けるような強制冷却は、不可能であった。
【0007】
それ故に、本発明の課題は、汎用性に富んだスクロール型流体機械を提供することにある。
【0008】
具体的には、第1に、作動部へのオイル等の異物の混入を防止することが可能なスクロール型流体機械を提供することにある。
【0009】
第2に、駆動・回転阻止部、及び作動部(特に可動スクロール部材)を簡単な構成で直接強制冷却することが可能なスクロール型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】
請求項1記載の発明によれば、ハウジングと、クランクシャフト本体及び該クランクシャフト本体に偏心させて設けられたクランクピンを有し、前記ハウジング内で回転自在に支持されたクランクシャフトと、第1の板体及び該第1の板体の一面上に設けられた第1のうず巻体を有し、前記ハウジング内に固定された固定スクロール部材と、第2の板体及び該第2の板体の一面上に設けられ前記第1のうず巻体と噛み合う第2のうず巻体を有し、前記第2の板体の他面側で前記クランクピンに連結され、前記ハウジング内で旋回運動を行う可動スクロール部材と、該可動スクロール部材が旋回運動を行う際に、該可動スクロール部材の自転を阻止する回転阻止機構とを含むスクロール型流体機械において、前記第2の板体の一面側に構成される作動部と前記第2の板体の他面側に構成される駆動・回転阻止部とを、前記第2の板体を境にして仕切る仕切り手段が、前記ハウジング内に設けられており、前記仕切り手段として、幅が同じで外径及び内径が少しづつ異なる複数枚のワッシャー状の薄板から成る仕切板が用いられ、該仕切板は、前記第2の板体の外周縁部に形成された切欠き上に配置されていることを特徴とするスクロール型流体機械が得られる。
【0012】
請求項記載の発明によれば、前記薄板は、自己潤滑性を有する材料から成ることを特徴とする請求項記載のスクロール型流体機械が得られる。
【0013】
請求項記載の発明によれば、前記第2のうず巻体及び前記切欠きに摩擦低減のためのコーティングが施されていることを特徴とする請求項1又は2記載のスクロール型流体機械が得られる。
【0014】
請求項4記載の発明によれば、前記ハウジングに、前記駆動・回転阻止部に通じる入口穴と出口穴が設けられていることを特徴とする請求項1乃至の内のいずれか一つの請求項に記載のスクロール型流体機械が得られる。
【0015】
請求項記載の発明によれば、前記第2の板体の他面側に冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項記載のスクロール型流体機械が得られる。
【0016】
請求項記載の発明によれば、前記作動部から前記ハウジング外へ吐出された流体の一部を前記入口穴及び前記出口穴を通じて前記駆動・回転阻止部に流通させるようにしたことを特徴とする請求項4又は5記載のスクロール型流体機械が得られる。
【0017】
請求項記載の発明によれば、前記駆動・回転阻止部における潤滑が、グリースにより行われていることを特徴とする請求項1乃至の内のいずれか一つの請求項に記載のスクロール型流体機械が得られる。
【0018】
【作用】
本発明のスクロール型圧縮機の場合、仕切り手段により、第2の板体を境にして、ハウジング内が作動部と駆動・回転阻止部とに空間的に仕切られている。
【0019】
従って、作動部と駆動・回転阻止部とが互いに連通していないので、作動部へのオイル等の異物の混入を確実に防止でき、作動部からハウジング外へ吐出される流体の清浄化が可能となる。
【0020】
また、作動部と駆動・回転阻止部とが互いに連通していないので、駆動・回転阻止部へ流体を強制的に供給すれば、この流体が第2の板体に沿って流れるので、この流体により可動スクロール部材を効率良く冷却することが可能となり、作動部の高効率化が可能となる。
【0021】
以上の結果、汎用性に富むスクロール型流体機械を提供することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施形態に係るスクロール型圧縮機の縦断面図、図2は図1に示すスクロール型圧縮機の仕切板の正面図である。
【0023】
図1及び図2を参照して、このスクロール型圧縮機1は、ハウジング3と、クランクシャフト5と、固定スクロール部材7と、可動スクロール部材9と、回転阻止機構11と、仕切板13とを含んで構成されている。
【0024】
ハウジング3は、ハウジング本体31と、フロントハウジング32とで構成されている。
【0025】
ハウジング本体31は、略深皿状であり、一端が開口している。ハウジング本体31の側面には、吸入口31aが穿設され、ハウジング本体31の底面中央部には、吐出口31bが穿設され、更に、ハウジング本体31の底面中央部外側には、吐出ポート33がボルト34によって取り付けられている。また、ハウジング本体31の内底部には、複数の凹部31cが形成され、一部の凹部31cには、ボルト挿通孔31dが穿設されている。また、ハウジング本体31の開口側端部の外周面上には、筒状の結合部31eが等間隔に複数設けられており、各結合部31eには、雌ネジ31fが形成されている。更に、ハウジング本体31の外側底面には、吐出ポート33を中心にして放射状に広がる複数の冷却フィン31gが形成されている。
【0026】
フロントハウジング32は、更に、プレート状部321と、漏斗状部322とで構成されている。プレート状部321は、円板状であり、その中心部には、グリースを封入したボールベアリング35が設けられている。また、プレート状部321の下端部には、入口穴321aが穿設され、プレート状部321の上端部には、出口穴321bが穿設されている。入口穴321aと出口穴321bは、プレート状部321の中心を通る一直線上に並んでいる。即ち、入口穴321aと出口穴321bとは、プレート状部321の径方向で、互いに最も離れるように成っている。また、プレート状部321の周縁部の可動スクロール部材9側には、軸受収容凹部321cが等間隔に複数形成されている。プレート状部321の外周面には、筒状の結合部321dが、ハウジング本体31の結合部31eに対向するように、等間隔に複数設けられており、各結合部321dには、ボルト挿通孔321eが穿設されている。漏斗状部322は、漏斗状を呈し、中心部には、グリースを封入したボールベアリング36が配置されている。この漏斗状部322は、ボルト37によって、プレート状部321に固定されている。
【0027】
以上の構成を有するフロントハウジング32は、ボルト挿通孔321eを挿通し、雌ネジ31fに螺合したボルト38によって、ハウジング本体31に固定され、このハウジング本体31の開口端を閉塞している。
【0028】
クランクシャフト5は、クランクシャフト本体51と、ディスクロータ部52と、クランクピン53とを有している。クランクシャフト本体51は、シャフト状であり、フロントハウジング32に設けられたボールベアリング35,36によって、フロントハウジング32内で回転自在に支持され、その先端部は、フロントハウジング32から突出している。このクランクシャフト本体51には、カウンターウェイト54が取り付けられており、このカウンターウェイト54は、プレート状部321と漏斗状部322との間に構成された空間41内で旋回するように成っている。ディスクロータ部52は、円板状であり、クランクシャフト本体51の一端にこれと同軸に設けられている。クランクピン53は、ピン状であり、ディスクロータ部52の中心から偏心させてディスクロータ部52に取り付けられている。
【0029】
固定スクロール部材7は、第1の板体71と、第1のうず巻体72とを有している。第1の板体71は、円板状である。この第1の板体71の中心部には、吐出孔71aが穿設されている。また、第1の板体71の周縁部には、ハウジング本体31に設けられた複数の凹部31cにそれぞれ嵌入する複数の凸部71bが形成されている。一部の凸部71bには、ハウジング本体31のボルト挿通孔31dを挿通したボルト73に螺合する雌ネジ71cが形成されている。このように、固定スクロール部材7の凸部71bを、ハウジング本体31の凹部31c内に嵌入した上で、ボルト73を凸部71bの雌ネジ71cに螺合することにより、固定スクロール部材7は、正確に位置決めされると共にハウジング3内に固定される。第1のうず巻体72は、インボリュート曲線に従ってうず巻いており、第1の板体71の一面上に形成されている。
【0030】
可動スクロール部材9は、第2の板体91と、第2のうず巻体92と、ボス部93と、冷却フィン94とを有している。第2の板体91は、円板状である。第2の板体91の一面側(固定スクロール部材7側)の周縁部には、環状の切欠き91aが形成されている。この切欠き91aには、摩擦低減のためのコーティングが施されている。また、第2の板体91の他面側(フロントハウジング32側)の周縁部には、軸受収容凹部91bが、軸受収容凹部321cに対応させて、等間隔に複数形成されている。第2のうず巻体92は、第1のうず巻体72と同じインボリュート曲線に従ってうず巻いており、第2の板体91の一面上に形成されている。この第2のうず巻体92には、摩擦低減のためのコーティングが施されている。ボス部93は、円筒状であり、第2の板体91の他面側中心部に形成されている。このボス部93内には、グリースを封入したボールベアリング95を介在させて、クランクシャフト5のクランクピン53が挿入されている。これにより、クランクシャフト5と可動スクロール部材9とが連結され、クランクシャフト5が回転すると、可動スクロール部材9はハウジング3内でクランクシャフト本体51の軸線を中心にして旋回するように成っている。冷却フィン94は、第2の板体91の他面側で、ボス部93を中心にして放射状に広がるように、第2の板体91に設けられている。
【0031】
以上の構成を有する可動スクロール部材9は、第2のうず巻体92を第1のうず巻体72に対して位相を180°ずらして、固定スクロール部材7に噛み合される。これにより、ハウジング3の内周面と第1及び第2のうず巻体72,92との間に取込空間42が構成されると共に、第1のうず巻体72と第2のうず巻体92との間に複数対の流体ポケット43が構成される。これら対の流体ポケット43は、可動スクロール部材9が円軌道運動を行うと、第1及び第2のうず巻体72,92の外側端部から中心部へとその容積を縮小させながら移動して、流体ポケット43内の空気を圧縮し、最終的に対の流体ポケット43は一つになり、この流体ポケット43内の空気は、吐出孔71a、吐出口31b及び吐出ポート33を通じて、ハウジング3外へ吐出されるように成っている。
【0032】
回転阻止機構11は、プレート状部321と第2の板体91との間に等間隔に複数備えられ、可動スクロール部材9が旋回する際に、可動スクロール部材9の自転を阻止して、可動スクロール部材9が一方向を向いたまま旋回をするように、即ち、可動スクロール部材9が円軌道運動を行うようにしている。各回転阻止機構11は、第1のボールベアリング111と、第2のボールベアリング112と、第1のピン113と、ロータ114と、第2のピン115とから成る。第1のボールベアリング111は、グリースを封入したものであり、フロントハウジング32の軸受収容凹部321c内に収容され、保持されている。第2のボールベアリング112は、グリースを封入したものであり、可動スクロール部材9の軸受収容凹部91b内に収容され、保持されている。第1のピン113は、第1のボールベアリング111によって回動自在に保持されている。ロータ114は、第1のピン113に同軸に設けられ、第1のピン113と共に回転する。第2のピン115は、ロータ114の中心から偏心させて、ロータ114に設けられ、ロータ114を中心にして旋回する。第2のピン115のロータ114に対する偏心量は、クランクピン53のクランクシャフト本体51に対する偏心量に等しい。第2のピン115は、第2のボールベアリング112によって回動自在に保持されている。
【0033】
仕切板13は、仕切り手段の一例であり、第1乃至第3の薄板131,132,133から成る。第1乃至第3の薄板131,132,133は、それぞれ、ワッシャ状であり、自己潤滑性を有する材料から成っている。第1乃至第3の薄板131,132,133の幅(外径と内径の差)は、皆同じであるが、外径と内径は、これらの間で少しづつ異なっている。具体的には、第2の薄板132の内径は、第1の薄板131の内径よりも大きく、第1の薄板131の外径よりも小さく、また、第2の薄板132の外径は、第3の薄板133の内径よりも大きく、第3の薄板133の外径よりも小さい。これら第1乃至第3の薄板131,132,133は、重ねられ、第2の板体91の切欠き91a上に配置されており、第1の薄板131の内周面は切欠き91aに密着し、第3の薄板133の外周面はハウジング本体31の内周面に密着している。この仕切板13と第2の板体91により、ハウジング3内は、仕切板13と第2の板体91を境にして、機能的且つ空間的に、大きく2つに分けられる。一つは、第2の板体91の一面側に構成される作動部Aであり、もう一つは、第2の板体91の他面側に構成される駆動・回転阻止部Bである。本実施形態は圧縮機であるので、作動部Aは、圧縮部と成っている。この圧縮部Aでは、固定スクロール部材7と可動スクロール部材9により、空気の圧縮が行われる。駆動・回転阻止部Bでは、可動スクロール部材9の駆動と回転阻止が行われる。可動スクロール部材9の駆動は、クランクシャフト5により行われ、可動スクロール部材9の回転阻止は、回転阻止機構11により行われる。
【0034】
以上のように、ハウジング3内は、仕切板13と第2の板体91によって、圧縮部Aと駆動・回転阻止部Bとに仕切られているので、駆動・回転阻止部B内の異物が圧縮部A内の空気に混入することを防止でき、このため、圧縮部A内で圧縮された空気を清浄に保つことができる。また、ハウジング3内が、仕切板13と第2の板体91によって、圧縮部Aと駆動・回転阻止部Bとに仕切られているので、駆動・回転阻止部Bに空気を強制的に供給することにより、圧縮部A、特に可動スクロール部材9の強制空冷が可能と成っている。
【0035】
また、本実施形態の場合、駆動・回転阻止部Bにおける潤滑は、上述の説明から明らかなように、グリース潤滑であり、しかも、仕切板13で圧縮部Aと駆動・回転阻止部Bが仕切られているので、グリースの圧縮部Aへの浸入の危険性は、殆ど無い。更に、本実施形態では、駆動・回転阻止部Bにおいて、強制空冷を行うように成っているので、この強制空冷により、グリースの劣化を長期に亙って防止でき、この結果、グリースの圧縮部Aへの浸入の危険性を更に低減することができる。
【0036】
図3は図1に示すスクロール型圧縮機を用いた燃料電池発電装置の第1の例の全体構成図である。図3を参照して、この燃料電池発電装置は、図1に示すスクロール型圧縮機1と、このスクロール型圧縮機1を駆動する電動機201と、エアタンク202と、燃料電池203と、改質器204と、第1の調整バルブ205と、第2の調整バルブ206とを含んで構成されている。
【0037】
この燃料電池発電装置の場合、スクロール型圧縮機1の吐出ポート33から吐出され、エアタンク202に一時蓄えられた圧縮空気の一部を、バイパス路207を通じて、スクロール型圧縮機1の入口穴321aから駆動・回転阻止部B内に強制的に供給して、圧縮部A及び駆動・回転阻止部Bの強制空冷を行い、その後、出口穴321bから排出するように成っている。
【0038】
図4は図1に示すスクロール型圧縮機を用いた燃料電池発電装置の第2の例の全体構成図である。図4を参照して、この燃料電池発電装置は、図3に示す燃料電池発電装置と略同構成であるので、図3に示す燃料電池発電装置と構成の同じ部分或いは同様の部分については、図3に示す燃料電池発電装置と同じ参照番号を付し、その説明を省略し、構成の異なる部分についてのみ説明する。この燃料電池発電装置の場合、スクロール型圧縮機1とエアタンク202とを接続するパイプからバイバス路208が枝別れしており、このバイパス路208を通じて、スクロール型圧縮機1の吐出ポート33から突出された圧縮空気の一部を、入口穴321aから駆動・回転阻止部B内に強制的に供給するように成っている。
【0039】
図5は図1に示すスクロール型圧縮機を用いた燃料電池発電装置の第3の例の全体構成図である。図5を参照して、この燃料電池発電装置は、図3に示す燃料電池発電装置と略同構成であるので、図3に示す燃料電池発電装置と構成の同じ部分或いは同様の部分については、図3に示す燃料電池発電装置と同じ参照番号を付し、その説明を省略し、構成の異なる部分についてのみ説明する。この燃料電池発電装置の場合、エアタンク202が廃されており、スクロール型圧縮機1が、直接、燃料電池203に接続されており、このスクロール型圧縮機1と燃料電池203とを接続するパイプからバイバス路209が枝別れしており、このバイパス路209を通じて、スクロール型圧縮機1の吐出ポート33から突出された圧縮空気の一部を、入口穴321aから駆動・回転阻止部B内に強制的に供給するように成っている。
【0040】
尚、上述の実施形態は、本発明をスクロール型圧縮機に適用したものであるが、本発明はスクロール型圧縮機に限らず、圧縮サイクルの逆サイクルとなるスクロール型膨張機にも適用することが可能である。
【0041】
また、上述の実施形態では、仕切り手段として、仕切板13を用いたが、仕切り手段としてはこれに限らず、色々考えられ、例えば、弾性を有する幕状のものを用いても良い。
【0042】
また、本実施形態では、可動スクロール部材9側のみ強制冷却を行うようにしたが、固定スクロール部材側においても強制冷却は可能であり、例えば、固定スクロール部材の第1の板体とハウジングの内底面との間に空間を構成し、この空間に流体を強制的に供給すれば、固定スクロール部材の強制冷却を行うことができる。
【0043】
【発明の効果】
本発明のスクロール型流体機械は、仕切り手段により、作動部と駆動・回転阻止部とを仕切ったので、駆動・回転阻止部から作動部への異物の浸入を確実に防止することができる。
【0044】
また、本発明のスクロール型流体機械は、仕切り手段により、作動部と駆動・回転阻止部とを仕切ったので、駆動・回転阻止部において強制冷却化を容易に行うことができる。
【0045】
以上のように本発明のスクロール型流体機械は、作動部への異物の浸入を確実に防止でき、しかも強制冷却化が容易であるので、汎用性に富んでおり、特に燃料電池発電システムの圧縮機として非常に適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るスクロール型圧縮機の縦断面図である。
【図2】図1に示すスクロール型圧縮機の仕切板の正面図である。
【図3】図1に示すスクロール型圧縮機を用いた燃料電池発電装置の第1の例の全体構成図である。
【図4】図1に示すスクロール型圧縮機を用いた燃料電池発電装置の第2の例の全体構成図である。
【図5】図1に示すスクロール型圧縮機を用いた燃料電池発電装置の第3の例の全体構成図である。
【符号の説明】
1 スクロール型圧縮機(スクロール型流体機械)
3 ハウジング
31 ハウジング本体
32 フロントハウジング
321a 入口穴
321b 出口穴
5 クランクシャフト
51 クランクシャフト本体
52 ディスクロータ部
53 クランクピン
7 固定スクロール部材
71 第1の板体
72 第1のうず巻体
9 可動スクロール部材
91 第2の板体
91a 切欠き
92 第2のうず巻体
94 冷却フィン
11 回転阻止機構
13 仕切板
131 第1の薄板
132 第2の薄板
133 第3の薄板
A 圧縮部(作動部)
B 駆動・回転阻止部

Claims (7)

  1. ハウジングと、クランクシャフト本体及び該クランクシャフト本体に偏心させて設けられたクランクピンを有し、前記ハウジング内で回転自在に支持されたクランクシャフトと、第1の板体及び該第1の板体の一面上に設けられた第1のうず巻体を有し、前記ハウジング内に固定された固定スクロール部材と、第2の板体及び該第2の板体の一面上に設けられ前記第1のうず巻体と噛み合う第2のうず巻体を有し、前記第2の板体の他面側で前記クランクピンに連結され、前記ハウジング内で旋回運動を行う可動スクロール部材と、該可動スクロール部材が旋回運動を行う際に、該可動スクロール部材の自転を阻止する回転阻止機構とを含むスクロール型流体機械において、前記第2の板体の一面側に構成される作動部と前記第2の板体の他面側に構成される駆動・回転阻止部とを、前記第2の板体を境にして仕切る仕切り手段が、前記ハウジング内に設けられており、前記仕切り手段として、幅が同じで外径及び内径が少しづつ異なる複数枚のワッシャー状の薄板から成る仕切板が用いられ、該仕切板は、前記第2の板体の外周縁部に形成された切欠き上に配置されていることを特徴とするスクロール型流体機械。
  2. 前記薄板は、自己潤滑性を有する材料から成ることを特徴とする請求項記載のスクロール型流体機械。
  3. 前記第2のうず巻体及び前記切欠きに摩擦低減のためのコーティングが施されていることを特徴とする請求項1又は2記載のスクロール型流体機械。
  4. 前記ハウジングに、前記駆動・回転阻止部に通じる入口穴と出口穴が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3の内のいずれか一つの請求項に記載のスクロール型流体機械。
  5. 前記第2の板体の他面側に冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項記載のスクロール型流体機械。
  6. 前記作動部から前記ハウジング外へ吐出された流体の一部を前記入口穴及び前記出口穴を通じて前記駆動・回転阻止部に流通させるようにしたことを特徴とする請求項4又は5記載のスクロール型流体機械。
  7. 前記駆動・回転阻止部における潤滑が、グリースにより行われていることを特徴とする請求項1乃至6の内のいずれか一つの請求項に記載のスクロール型流体機械。
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