JP4402237B2 - スクロール型流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば冷凍装置や空気調和装置に使用されるスクロール型圧縮機等のスクロール型流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スクロール型圧縮機などのスクロール型流体機械においては、固定スクロール、旋回スクロール及び自転阻止機構を具備することでスクロール型圧縮機構を構成している。
このスクロール型圧縮機構において、一方の固定スクロールは、吸入管及び吐出管を接続したハウジング内に固定支持された不動のスクロールである。他方の旋回スクロールは、固定スクロールと上下または左右方向に噛み合わされた状態で配置され、自転阻止機構により自転を阻止されると共に、電動モータなどの駆動源と連結されて、固定スクロールに対し公転旋回運動を行うものである。この旋回スクロールは、固定スクロールと複数の接触点で接触して三日月状の圧縮室を形成し、同圧縮室が外周側より容積を減少させながら内側へ移動することにより、吸入・圧縮・吐出を同時に行うことができる。
【０００３】
また、上述した固定スクロール及び旋回スクロールにおいては、それぞれの端板に突設された渦巻体の先端面にチップシールと呼ばれるシール部材が嵌装されている。このチップシールは、相対的旋回運動を行う固定スクロール及び旋回スクロールの渦巻体先端面において、それぞれが相手側スクロールの端板接触面に密接して低圧側と高圧側との間をシールする機能を有している。
図７に従来の固定スクロールを示して簡単に説明する。図７の固定スクロールは渦巻体側から見た平面図であり、図中の符号９は固定スクロール、９ｂは固定側渦巻体、１３はチップシール、１４は吐出ポートである。固定側端板９ａから突設された固定側渦巻体９ｂの先端面９ｄには、シール溝を設けて渦巻き状のチップシール１３が嵌装されている。このチップシール１３は全長にわたって矩形の断面形状を有しており、図８に示すように、シール溝９ｅ内の空間部ＳＰに導入した圧縮流体の圧力を受けて、相手側（旋回スクロール側）の接触面（旋回側端板１１ａ）に対しシール面を密着させて摺動部のシールをするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のスクロール型流体機械においては、固定スクロール９側に嵌装されているチップシール１３の外周側巻き終わり（以下外周側端部と呼ぶ）位置に関して、以下に説明するような問題を有している。
すなわち、図９（ａ）に示すように、チップシール１３の外周側端部１３ａが旋回スクロール１１の旋回中において旋回側端板１１ａから外れる位置（実線表示部参照）にあると、換言すれば、外周側端部１３ａが旋回側端板１１ａの公転旋回運動によって描かれる旋回軌跡の外側に位置していると、流体圧力を受けてシール溝９ｅから押し出される部分を密着させて支えてもらう接触面がないため、図９（ｂ）に示すように、外周側端部１３ａが折れ曲がって破損する恐れがあった。
この対策として、図１０に示す他の従来例のように、固定スクロール９側に嵌装されるチップシール１３の外周側端部１３ａを旋回側端板１１ａが描く旋回軌跡より内側に配置することも可能であるが、チップシール１３が短くなったことによりシール性能が低下するため、その分圧縮性能面で不利になるという新たな問題が生じてくる。
【０００５】
そこで、本発明は、固定スクロールに嵌装されるチップシール、特に外周側端部における破損防止と良好な圧縮性能とを両立できるスクロール型流体機械の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため以下の手段を採用した。
請求項１に記載のチップシールは、閉空間を形成し吸入管及び吐出管を接続したハウジングと、該ハウジング内に固定支持された固定スクロールと、該固定スクロールと噛み合わされ、同固定スクロールに対し自転を阻止されて公転旋回運動を行う旋回スクロールと、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールの端板に突設された渦巻体の先端面に嵌装されそれぞれが相手側スクロールの接触面に密接して低圧側と高圧側との間をシールするチップシールと、前記旋回スクロールの駆動手段とを具備し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとが複数の接触点で接触して三日月状の圧縮室を形成し、該圧縮室が外周側より容積を減少させながら内側へ移動して吸入・圧縮・吐出を同時に行い、さらに前記固定スクロールの端板外径が前記旋回スクロールの端板外径より大なるスクロール型流体機械であって、前記固定スクロールの端板外形より小径となる前記旋回スクロールの端板が前記公転旋回運動を行い、軸方向から見て、前記公転旋回運動時に前記旋回スクロールの端板と前記固定スクロールの端板とが前記固定スクロールの端板外形の内側で、常に重複する領域の外周端を旋回軌跡とし、前記固定スクロール側のチップシールを、その外周側端部が前記旋回軌跡の外側で、かつ、前記旋回軌跡の近傍に位置するよう取り付けたことを特徴とするものである。
【０００７】
このようなスクロール型流体機械によれば、チップシールの外周側端部が浮き上がらない範囲で最大限までシール可能領域を長く伸ばすことができるので、チップシールの破損を防止して圧縮性能を向上させることができる。
この場合、前記チップシールの外周側端部は、渦巻き形状を形成している内周線の終端点が、少なくとも前記旋回軌跡の線を中心に前記チップシール幅で規定される帯状領域の範囲内にあることが好ましく、これにより、外周側端部の浮き上がりを防止する相手側接触面のない外周側端部の長さは、旋回軌跡から短いものとなって浮き上がりにくくなる。
また、前記チップシールの外周側端部は、前記旋回軌跡より大きいほぼ相似の曲面形状部を備えていることが好ましく、これにより、浮き上がりを防止する相手側接触面のない外周側端部の長さは、旋回軌跡からほぼ一定の短いものとなって浮き上がりにくくなる。
【０００８】
請求項４に記載のスクロール型流体機械は、空間を形成し吸入管及び吐出管を接続したハウジングと、該ハウジング内に固定支持された固定スクロールと、該固定スクロールと噛み合わされ、同固定スクロールに対し自転を阻止されて公転旋回運動を行う旋回スクロールと、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールの端板に突設された渦巻体の先端面に嵌装されそれぞれが相手側スクロールの接触面に密接して低圧側と高圧側との間をシールするチップシールと、前記旋回スクロールの駆動手段とを具備し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとが複数の接触点で接触して三日月状の圧縮室を形成し、該圧縮室が外周側より容積を減少させながら内側へ移動して吸入・圧縮・吐出を同時に行うスクロール型流体機械であって、前記固定スクロール側のチップシールが、その外周側端部のシール面に自然状態で相手側接触面から遠のくように成形された傾斜部を備えていることを特徴とするものである。
【０００９】
このようなスクロール型流体機械によれば、流体圧力を受けた傾斜部が浮き上がって内周側端部から外周側端部までほぼ同一のシール面を形成するので、チップシールの全長にわたって破損の恐れがなく、しかも、シール長さを延長できる分だけシール性を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスクロール型流体機械の一実施形態として、図５にスクロール型圧縮機を示して説明する。
図示のスクロール型圧縮機１は密閉型と呼ばれているものである。このスクロール圧縮機１は、有底筒形状のハウジング２と、該ハウジング２内部の上部にフレーム３で支持されたスクロール型圧縮機構４と、該スクロール型圧縮機構４の下方、すなわちハウジング２内部の下部にフレーム３で支持して配設された駆動手段のモータ５とを備え、該モータ５の回転シャフト６が、スクロール型圧縮機構４の下部に連結されている。
【００１１】
前記ハウジング２は、筒部２ａの下端及び上端が底部２ｂ及び蓋部２ｃでそれぞれ閉塞状態とされ、筒部２ａには吸入管７が内部と貫通状態に接続されるとともに、蓋部２ｃには吐出管８が内部に突出状態に接続された閉空間を形成している。
前記スクロール型圧縮機構４は、フレーム３に固定された固定スクロール９と、フレーム３と固定スクロール９との間にスラスト軸受１０を介して公転旋回運動が可能に支持された旋回スクロール１１と、該旋回スクロール１１の外面に設けられ旋回スクロール１１の公転旋回運動を許容しながらその自転を阻止する周知のオルダムリンク等よりなる自転阻止機構１２とを備えている。
【００１２】
前記固定スクロール９は、固定側端板９ａと、該固定側端板９ａの内面に立設された渦巻き状の固定側渦巻体９ｂと、固定側端板９ａの周縁部に形成された円筒状の周壁部９ｃとを備え、該固定側渦巻体９ｂの先端面９ｄには、弾性を有するチップシール１３が嵌装されている。このチップシール１３にはカーボンを含む耐熱耐摩耗性樹脂の成型品が好適であり、たとえばポリフェニレンサルファイト樹脂などを採用している。
前記固定側端板９ａには、その中央部に吐出ポート１４が上下に貫通状態に形成されるとともに、その上面には吐出ポート１４を開閉する吐出弁１５が設けられている。
【００１３】
また、前記周壁部９ｃの上端には、キャビティ蓋部１６が機密状態に固定されて、内部に吐出キャビティ１７が形成されている。
キャビティ蓋部１６には、吐出管８の開口端が貫通状態に固定され、吐出管８と吐出キャビティ１７とが接続されている。
また、周壁部９ｃには、固定側端板９ａ内面側とハウジング２側とを連通する吸入通路１８が形成され、該吸入通路１８は、固定スクロール９と旋回スクロール１１との間に形成される吸入室１９に接続される。
【００１４】
前記旋回スクロール１１は、前記固定側端板９ａに対向状態に配された旋回側端板１１ａと、該旋回側端板１１ａの内面に立設された固定側渦巻体９ｂと噛み合わされた渦巻き状の旋回側渦巻体１１ｂとを備え、該旋回側渦巻体１１ｂの先端面にはＰＰＳ製などのチップシール１３が嵌装されている。
前記旋回側端板１１ａには、その外面に円筒形状のボス２０が軸線を同じくして立設され、該ボス２０の内部には、ブッシュ２１が旋回軸受２２を介して回転可能に嵌装されている。
また、該ブッシュ２１には、その内部に軸線から偏心した貫通孔２１ａが形成されている。
【００１５】
固定スクロール９と旋回スクロール１１とは、互いに所定の距離だけ偏心した状態で、固定側渦巻体９ｂと旋回側渦巻体１１ｂとの互いの側面が複数個所で線接触するように１８０度の位相差をもって噛み合わされている。また、この状態で、固定側渦巻体９ｂ及び旋回側渦巻体１１ｂのチップシール１３がそれぞれ旋回側端板１１ａ及び固定側端板９ａの内面に密接して、図６に示すように、固定側渦巻体９ｂと旋回側渦巻体１１ｂの中心に対して点対称の位置関係となる複数個所に密閉空間となる圧縮室Ｐが形成される。
なお、旋回スクロール１１は、周知のオルダムリンク２３を備えた自転阻止機構１２によって、フレーム３及び同フレーム３に固定された固定スクロール９に対して、自転が阻止された状態で公転旋回運動可能に配されている。
【００１６】
前記モータ５の回転シャフト６は、フレーム３の内周面に配された上部軸受２４及び下部軸受２５に軸支され、軸線から所定量偏心された偏心ピン２６が上端に突出状態に設けられている。
偏心ピン２６は、ブッシュ２１の貫通孔２１ａに挿入され、ブッシュ２１を回転可能に支持している。さらに、偏心ピン２６の下部には、旋回スクロール１１及びフレーム３との間に形成された室２７内にバランスウエイト２８が固定されている。
【００１７】
偏心ピン２６及び回転シャフト６には、これらを上下に貫通する油通路２９が形成されるとともに、回転シャフト６の下端には潤滑油ポンプ３０が設けられており、油通路２９の下端に接続されている。
また、ハウジング２の底部２ｂには、潤滑油３１が貯留されており、該潤滑油３１内に回転シャフト６の下端が配されている。
さらに、フレーム３には、室２７とフレーム３下部とを連通する排油孔３ｂと、フレーム３外周部に配されフレーム３上部と下部とを連通する通路３ｃとが形成されている。
【００１８】
次に、上記構成のスクロール圧縮機１におけるガス（流体）の圧縮方法について説明する。
モータ５を駆動することにより、回転シャフト６の回転が偏心ピン２６、ブッシュ２１、旋回軸受２２及びボス２０を介して旋回スクロール１１に伝達されるとともに、旋回スクロール１１が自転阻止機構１２によって自転が阻止された状態で固定スクロール９に対して公転旋回運動を行う。
このとき、ガスは、吸入管７からハウジング２内に供給されるとともにモータ５を冷却し、さらに通路３ｃ、吸入通路１８及び吸入室１９を経て圧縮室Ｐへと供給される。
【００１９】
そして、圧縮室Ｐ内のガスは、旋回スクロール１１の上記公転旋回運動による圧縮室Ｐの容積縮小に伴い、圧縮されながら中央部に移送される。このようにして、さらに圧縮されたガスは、吐出ポート１４から吐出弁１５を押し開けて吐出キャビティ１７内に排出され、該吐出キャビティ１７から吐出管８によって外部へと排出される。
【００２０】
また、底部２ｂに貯留された潤滑油３１は、潤滑油ポンプ３０によって吸い上げられるとともに油通路２９内を通って偏心ピン２６先端から出され、偏心ピン２６、ブッシュ２１、旋回軸受２２、スラスト軸受１０、下部軸受２５及び自転阻止機構１２等を潤滑する。この後、潤滑油３１は、室２７から排油孔３ｂを介してハウジング２の底部２ｂに戻されて貯留される。
【００２１】
上述した構成のスクロール型圧縮機１に対して、本発明では、固定スクロール９側のチップシール１３を、その外周側端部が旋回スクロール１１の端板外周端により形成される旋回軌跡の外側に位置するように取り付けてある。
これを図１に示す第１の実施形態に基づいて詳細に説明すると、固定側渦巻体９ｂの先端面９ｄに取り付けられたチップシール１３は、その外周側端部１３ａが旋回スクロール１１の旋回側端板１１ａより外側にあり、しかも同旋回側端板１１ａに比較的近い位置となるよう取り付けられている。換言すれば、固定スクロール９に取り付けられるチップシール１３の外周側端部１３ａは、固定スクロール９に対して旋回運動する旋回側端板１１ａの外周端により形成される旋回軌跡の外側でしかもその近傍に位置するよう取り付けられている。
なお、チップシール１３の外周側端部１３ａとは、吐出ポート１４に近い内側端部を始点とする渦巻き形状の外側終点付近のことである。
【００２２】
上述したような構成とすれば、固定スクロール９側のチップシール１３が圧縮流体により旋回側端板１１ａの接触面方向に押されても、接触面となる旋回側端板１１ａが存在しない外周側端部１３ａ（図１における実線表示部分）が短くなるため、チップシール１３自体の剛性によりほとんど浮き上がらなくてすむようになる。このため、運転中にチップシール１３の外周側端部１３ａが浮き上がって折れ曲がるといった不具合を解消できる。また、チップシール１３の外周側端部１３ａが旋回側端板１１ａの旋回軌跡より内側に位置している従来例（図１０参照）と比較した場合、外周側端部１３ａが旋回軌跡の外側近傍まで伸びた分だけシール可能領域を延長することができる。なお、外周端板１３ａの飛び出し長さＬは、設計にもよるが、チップシール幅Ｈ程度以内であれば折れ曲がりは防止できる。
この結果、チップシール１３の折曲破損を防止してシール性能を向上させることができるので、スクロール型圧縮機の圧縮性能、耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【００２３】
ところで、上述した固定スクロール９側のチップシール１３において、外周側端部１３ａを旋回軌跡より外側へ伸ばすほどシール可能領域は延長され、シール性を向上させる面では有利になる。しかし、旋回軌跡の外側へ長くしすぎると、こんどは外周側端部１３ａの浮き上がりによる折曲破損が問題になる。
そこで、本発明では、図２に示すように、チップシール１３の渦巻き形状を形成している内周線ＩＲの終端点Ｐｅが、少なくとも旋回側端板１１ａの旋回軌跡線を中心に、チップシール幅Ｈ程度の幅で規定される帯状領域Ａの範囲内に位置するようにしてある。このようにすれば、旋回軌跡より外側の長さが短くてすみ、しかも、内周線ＩＲにおいては終端点Ｐｅまで旋回側端板１１ａの接触面に密着するので、チップシール１３の軸線Ｃ方向で全く接触面が存在しないフリー長さＬは極めて短いものとなる。また、チップシール１３の内周線ＩＲ及び外周線ＯＲに沿う両側面はシール溝内の壁面に密接しているので、浮き上がりは軸線Ｃの方向で生じやすく、従って、フリー長さＬが短いことは浮き上がりの防止に有利である。そして、チップシール１３のシール機能は内周線ＩＲの終端点Ｐｅまで有効になるので、シール可能領域も長くとれる。
なお、内周線ＩＲの終端点Ｐｅが旋回軌跡より内側（図１参照）に位置するようにすれば、フリー長さＬはさらに短くなるか全くなくなる方向に変化するため、浮き上がりを防止するという点では有利になるが、有効なシール長さを得るという点ではやや不利になる。
【００２４】
図３は上述した第１の実施形態の変形例を示しており、この場合のチップシール１３は、外周側端部１３ａが旋回側端板１１ａの旋回軌跡とほぼ相似の曲面形状部１３ｂを備えている。すなわち、曲面形状部１３ｂは旋回側端板１１ａの描く旋回軌跡より大きい相似形Ｓの一部と一致またはほぼ一致している。このようにすれば、旋回軌跡より外側のシール最大長さＬ１は、ほぼ一定でしかも短いものとなるので、さらに浮き上がりが生じにくくなる。
なお、内周線ＩＲの終端点Ｐｅは、図示のように旋回軌跡上であってもよいし、あるいは、旋回軌跡を中心としてチップシール幅Ｈ程度で規定される帯状領域Ａ内にあってもよい。
【００２５】
続いて、本発明の第２の実施形態を図４に示して説明する。この実施形態においては、固定スクロール９側のチップシール４０が、その外周側端部４１のシール面４２に、自然状態で相手側接触面から遠のくように成形された傾斜部４３を備えている。
なお、（ａ）はチップシール４０の外周側端部４１を示す側面図、（ｂ）は運転時の状態を示す要部断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図であり、図中の符号９ｂは固定側渦巻体、９ｄは先端面、９ｅはシール溝、１１ａは旋回側端板、ＳＰは空間部を示している。
【００２６】
この傾斜部４３は、旋回側端板１１ａの旋回軌跡から外側の領域に設けられ、シール溝９ｅ内に作用する流体圧力（白抜矢印参照）を背面４４に受けて想像線で示すように変形する。この結果、スクロール型圧縮機の運転中は、傾斜部４３が変形してシール面４２とほぼ同一平面を形成するようになるので、旋回軌跡の外側に長く設けても必要以上に折れ曲がって破損するのを防止できる。
すなわち、チップシール４０の外周側端部４１については、流体圧力による変形を予め予測した形状に成形しておき、圧力を受けた状態でシール面４２以上に折曲して破損するのを防止している。このような構成としても、チップシール４０の折曲破損を防止してシール性能を向上させることができる。
【００２７】
なお、上述した本発明は、実施形態として図面に基づいて説明した密閉縦型のスクロール型圧縮機の他にも、開放型や横型のスクロール型圧縮機及びスクロール型流体機械にも適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
上述した本発明のスクロール型流体機械によれば、固定スクロール側のチップシールにおいて、コストをほとんど増加することなく外周側端部の折曲破損を防止しかつシール性能を向上させることができるので、スクロール型流体機械における圧縮性能、耐久性及び信頼性の向上に大きな効果を奏する。また、圧縮性能の向上は消費動力の低減にも貢献するため、省エネルギの面でも有利になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るスクロール型流体機械の一実施形態を示す図で、第１実施形態の要部を旋回スクロールの端板側から見て示す図である。
【図２】 図１における好適な実施例を示す要部拡大図である。
【図３】 第１の実施形態の変形例を示す要部拡大図である。
【図４】 本発明の第２実施形態を示す図で、（ａ）はチップシールの外周側端部を示す側面図、（ｂ）は（ａ）に示したチップシールの運転時における状態を示す要部断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】 スクロール型流体機械の一例としてスクロール型圧縮機の構成を示す断面図である。
【図６】 固定側渦巻体及び旋回側渦巻体の関係を示す説明図である。
【図７】 従来例として固定スクロールを渦巻体側から見て示す平面図である。
【図８】 固定スクロールに取り付けられたチップシールが旋回スクロール側の端板と接触している状況を示す要部断面図である。
【図９】 従来例として、固定スクロールに取り付けられたチップシールの外周側端部を旋回スクロール側の端板側から見て示す図である。
【図１０】 他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１ スクロール型圧縮機
２ ハウジング
３ フレーム
４ スクロール型圧縮機構
５ モータ（駆動手段）
６ 回転シャフト
７ 吸入管
８ 吐出管
９ 固定スクロール
９ａ 固定側端板
９ｂ 固定側渦巻体
９ｄ 先端面
９ｅ シール溝
１１ 旋回スクロール
１１ａ 旋回側端板
１１ｂ 旋回側渦巻体
１２ 自転阻止機構
１３，４０ チップシール
１３ａ，４１ 外周側端部
４２ シール面
４３ 傾斜部
４４ 背面

Claims (4)

1. 閉空間を形成し吸入管及び吐出管を接続したハウジングと、該ハウジング内に固定支持された固定スクロールと、該固定スクロールと噛み合わされ、同固定スクロールに対し自転を阻止されて公転旋回運動を行う旋回スクロールと、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールの端板に突設された渦巻体の先端面に嵌装されそれぞれが相手側スクロールの接触面に密接して低圧側と高圧側との間をシールするチップシールと、前記旋回スクロールの駆動手段とを具備し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとが複数の接触点で接触して三日月状の圧縮室を形成し、該圧縮室が外周側より容積を減少させながら内側へ移動して吸入・圧縮・吐出を同時に行い、さらに前記固定スクロールの端板外径が前記旋回スクロールの端板外径より大なるスクロール型流体機械であって、
   前記固定スクロールの端板外形より小径となる前記旋回スクロールの端板が前記公転旋回運動を行い、軸方向から見て、前記公転旋回運動時に前記旋回スクロールの端板と前記固定スクロールの端板とが前記固定スクロールの端板外形の内側で、常に重複する領域の外周端を旋回軌跡とし、
   前記固定スクロール側のチップシールを、その外周側端部が前記旋回軌跡の外側で、かつ、前記旋回軌跡の近傍に位置するよう取り付けたことを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記チップシールの外周側端部は、渦巻き形状を形成している内周線の終端点が、少なくとも前記旋回軌跡の線を中心に前記チップシール幅で規定される帯状領域の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記チップシールの外周側端部は、前記旋回軌跡より大きいほぼ相似の曲面形状部を備えていることを特徴とする請求項１または２記載のスクロール型流体機械。
4. 空間を形成し吸入管及び吐出管を接続したハウジングと、該ハウジング内に固定支持された固定スクロールと、該固定スクロールと噛み合わされ、同固定スクロールに対し自転を阻止されて公転旋回運動を行う旋回スクロールと、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールの端板に突設された渦巻体の先端面に嵌装されそれぞれが相手側スクロールの接触面に密接して低圧側と高圧側との間をシールするチップシールと、前記旋回スクロールの駆動手段とを具備し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとが複数の接触点で接触して三日月状の圧縮室を形成し、該圧縮室が外周側より容積を減少させながら内側へ移動して吸入・圧縮・吐出を同時に行うスクロール型流体機械であって、
   前記固定スクロール側のチップシールが、その外周側端部のシール面に自然状態で相手側接触面から遠のくように成形された傾斜部を備えていることを特徴とするスクロール型流体機械。

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