JP4943987B2 - スクロール式流体機械 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば空気、冷媒等の圧縮機または真空ポンプ等として好適に用いられるスクロール式流体機械に関し、特に、回転軸の軸方向両側に2つ圧縮部を備えてなるツインラップ型のスクロール式流体機械に関する。
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回転源としての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)。
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部を構成し、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部を構成している。そして、低圧段の固定スクロールと旋回スクロールとの間には自転防止機構を設け、この自転防止機構によって低圧段の旋回スクロールと共に高圧段の旋回スクロールが自転するのを防止する構成としている。
特開2006−9776号公報
ところで、上述した従来技術では、2つの旋回スクロールのうち低圧段の旋回スクロール側に自転防止機構を設けているので、当該旋回スクロールが旋回駆動に伴う遠心力の作用で振れ回るように振動することはない。しかし、高圧段の旋回スクロール側には自転防止機構を設けていないため、高圧段の旋回スクロールは旋回駆動に伴う遠心力の作用等で振れ回るように振動することがある。
そして、高圧段の旋回スクロールが高圧段の固定スクロールに対して径方向に振動を繰返す(振れ回る)ように挙動すると、両者のラップ部間の径方向隙間が過度に縮小し、場合によってはラップ部同士、またはラップ部と鏡板とが接触、干渉することがあり、これにより装置の耐久性、寿命が低下する原因になるという問題がある。
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、例えば高圧段の旋回スクロールが旋回駆動時に振れ回るように振動するのを抑えることができ、装置としての耐久性、寿命を向上することが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。
上述した課題を解決するために、本発明は、筒状のケーシングと該ケーシングの長さ方向両側に設けられ鏡板の表面に渦巻状のラップ部がそれぞれ立設された第1,第2の固定スクロールとからなる固定側部材と、前記ケーシング内に回転可能に支持して設けられた中空軸体からなり回転源によって回転駆動される筒状回転体と、該筒状回転体の軸線に対し予め決められた寸法だけ偏心した状態で該筒状回転体内に挿通して設けられた偏心軸と、前記筒状回転体の軸方向両側に位置して該偏心軸と筒状回転体との間に設けられ該偏心軸を旋回可能に支持する第1,第2の旋回軸受と、前記第1,第2の固定スクロールと対面する位置で前記偏心軸の端部に固定して設けられ鏡板の表面に前記第1,第2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画成する渦巻状のラップ部が立設された第1,第2の旋回スクロールと、前記固定側部材と第1の旋回スクロールとの間に設けられ前記第1,第2の旋回スクロールが自転するのを防止する自転防止機構とを備えてなるスクロール式流体機械に適用される。
そして、請求項1の発明が採用する構成の特徴は、前記偏心軸の質量(M)は、前記第2の旋回スクロールの質量(m)以上となる質量(M ≧m)に形成し、前記第2の旋回スクロールは、前記偏心軸の軸端からラップ部の先端までの距離(La )が、前記偏心軸の軸方向における前記第1,第2の旋回軸受間の距離(Lb )の0.3倍以下となる関係(La ≦0.3×Lb )に設定する構成としたことにある。
また、請求項2の発明は、前記第1の旋回スクロールは第1の固定スクロールと共に低圧段の圧縮部を構成し、前記第2の旋回スクロールは第2の固定スクロールと共に高圧段の圧縮部を構成している。
上述の如く、請求項1の発明によれば、偏心軸の質量(M)を第2の旋回スクロールの質量(m)に対し、これ以上となる質量(M ≧m)に形成し、前記第2の旋回スクロールは、前記偏心軸の軸端からラップ部の先端までの距離(La )が、前記偏心軸の軸方向における前記第1,第2の旋回軸受間の距離(Lb )に対して0.3倍以下となる関係(La ≦0.3×Lb )に設定する構成としているので、第2の旋回スクロールを第1の旋回スクロールと共に旋回駆動するときに、偏心軸が大きく撓むように変形するのを防止でき、第2の旋回スクロールが遠心力の作用で振れ回るように振動するのも抑えることができる。
この結果、第2の旋回スクロールの振れ回り(径方向の振動)を小さくでき、第2の固定スクロールと旋回スクロールとの間で両者のラップ部間の径方向隙間を小さくしても、ラップ部同士、またはラップ部と鏡板とが接触、干渉するのを防止することができる。これにより、装置の耐久性、寿命を向上できると共に、圧縮時の流体損失を低減でき、効率の向上化等を図ることができる。また、旋回スクロールの振れ回りを小さくすることにより、偏心軸を支持する旋回軸受に余分な負荷が掛かるのを防止し、旋回軸受の信頼性を向上できると共に、偏心軸の撓みによる旋回軸受への片当たり等をなくし、軸受の長寿命化も図ることができる。
また、請求項2の発明によれば、第2の旋回スクロールが第2の固定スクロールと共に高圧段の圧縮部を構成しているので、高圧段の旋回スクロールが固定スクロールに対して径方向に振動するように振れ回るのを抑えることができ、高圧段の圧縮部側でラップ部同士、またはラップ部と鏡板とが接触、干渉するのを防止することができる。
以下、本発明の実施の形態によるスクロール式流体機械として、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5に従って詳細に説明する。
図中、1はスクロール式空気圧縮機の外枠を構成する筒状のケーシングで、該ケーシング1は、図1に示す如く軸線O1 −O1 に沿って軸方向に延び、後述の固定スクロール7A,7Bと共に固定側部材を構成するものである。そして、ケーシング1は、軸線O1 −O1 を中心とした略円筒体からなる筒形ケース2と、該筒形ケース2の左,右両側に取付けられた側部ケース3A,3Bとにより構成されている。
この場合、筒形ケース2の軸方向一側(図1中の右側)に位置する第1の側部ケース3Aは、例えばボルト等の締結手段を用いて筒形ケース2の軸方向一側(右側)に着脱可能に固定して取付けられ、内周側に後述の回転軸受20Aが設けられた環状部4Aと、該環状部4Aの外周側から筒状をなして軸方向に延設された筒状部5Aとにより構成されている。
一方、筒形ケース2の軸方向他側(図1中の左側)に位置する第2の側部ケース3Bは、例えばボルト等の手段を用いて筒形ケース2の軸方向他側(左側)に着脱可能に固定して取付けられ、内周側に後述の回転軸受20Bが設けられた環状部4Bと、該環状部4Bの外周側から筒状をなして軸方向に延設された筒状部5Bとにより構成されている。
そして、第1,第2の側部ケース3A,3Bには、筒状部5A,5Bの先端側に後述する第1,第2の固定スクロール7A,7Bが一体または別体で固定して設けられている。また、側部ケース3A,3Bと固定スクロール7A,7Bとの間には、後述の冷却ファン31A,31Bと第1,第2の旋回スクロール24A,24Bとが収容されるものである。
ここで、ケーシング1の一側(右側)に位置する第1の側部ケース3Aは、第1の固定スクロール7A、第1の旋回スクロール24A等と共に低圧段の圧縮部である低圧スクロール部6Aを構成している。また、ケーシング1の他側(左側)に位置する第2の側部ケース3Bは、第2の固定スクロール7B、第2の旋回スクロール24B等と共に高圧段の圧縮部である高圧スクロール部6Bを構成するものである。
なお、本実施の形態にあっては、低圧スクロール部6Aと高圧スクロール部6Bとが同一の構成要素を有しているので、以下の説明では、低圧スクロール部6Aの構成要素に符号「A」を付し、高圧スクロール部6Bの構成要素には符号「B」を付して説明する。また、低圧スクロール部6Aと高圧スクロール部6B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6Aの構成要素について説明し、高圧スクロール部6Bの構成要素については、その説明を省略するものとする。
7Aはケーシング1の側部ケース3Aの筒状部5Aに設けられた低圧段の固定スクロールで、該固定スクロール7Aは、図1に示す如く略円板状に形成され、その中心がケーシング1の軸線O1 −O1 と一致するように配設された鏡板8Aと、該鏡板8Aの表面に立設された渦巻状のラップ部9Aと、鏡板8Aの外周側から該ラップ部9Aを取囲むように軸方向に突出した筒部10Aと、該筒部10Aから径方向外向きに突出し、側部ケース3Aの筒状部5Aにボルト等を用いて着脱可能に取付けられたフランジ部11Aとにより構成されている。
ここで、鏡板8Aの外周側には、例えば空気等の流体を吸込む吸込口12Aが図1中に示す如く設けられ、鏡板8Aの中心側には圧縮空気の吐出口13Aが設けられている。また、鏡板8Aの裏面には、複数の冷却フィン14Aが立設されている。
なお、図1に示す側部ケース3Bの筒状部5B側に設けられた第2(高圧段)の固定スクロール7Bについても、低圧段の固定スクロール7Aとほぼ同様に、鏡板8B、ラップ部9B、筒部10B、フランジ部11B等により構成され、鏡板8Bには、吸込口12B(図1中に点線で図示)と吐出口13Bとが設けられている。また、鏡板8Bの背面側には、冷却風の流れ方向に沿って垂直方向に延びる複数の冷却フィン14Bが立設されている。
15はケーシング1の筒形ケース2内に設けられた回転源としての電動モータで、該電動モータ15は、図1に示す如く、低圧段の固定スクロール7Aと高圧段の固定スクロール7Bとの間に配置され、筒形ケース2の内周側に固定された筒状のステータ16と、該ステータ16の内周側に回転可能に配設された筒状のロータ17等とにより構成されている。そして、電動モータ15は、外部から給電されることにより、後述の筒状回転体18を軸線O1 −O1 を中心として回転駆動するものである。
18はケーシング1に回転可能に設けられた筒状回転体で、該筒状回転体18は、図1に示す如く後述の回転軸19と左,右の偏心筒体21A,21Bとにより構成されている。そして、これらの偏心筒体21A,21Bは、軸線O1 −O1 を中心として回転軸19と一体に回転駆動されるものである。
19は筒状回転体18の主要部となる回転軸で、該回転軸19は、例えば段付円筒状の中空軸体からなり、軸方向の中間部位が電動モータ15のロータ17内に嵌着されている。そして、回転軸19は、電動モータ15により軸線O1 −O1 を中心としてロータ17と一体に回転駆動されるものである。
20Aは側部ケース3Aの環状部4A内に設けられた右側(第1)の回転軸受で、該回転軸受20Aは、例えば図1に示すように玉軸受等により構成され、環状部4A内で回転軸19を回転可能に支持するものである。そして、回転軸受20Aは、その外輪側が環状部4Aの内周側に固定して設けられ、内輪側は回転軸19の外周側に固定して取付けられている。この場合、側部ケース3Bの環状部4B側に設けられる左側(第2)の回転軸受20Bについても、第1の回転軸受20Aと同様の構成を有するものである。
21Aは回転軸19の軸方向一側に設けられた右側(第1)の偏心筒体で、該偏心筒体21Aは、回転軸19の外周側に嵌合して設けられ、回転軸受20Aの内輪側を抜止め状態に保持している。そして、偏心筒体21Aは、ケーシング1の軸線O1 −O1 を中心として回転軸19と一体に回転駆動されるものである。
ここで、偏心筒体21Aの内周側には、後述する旋回軸受23Aの外輪側が固定して設けられている。そして、旋回軸受23Aは、回転軸19等の軸線O1 −O1 に対して寸法εだけ偏心した偏心軸線O2 −O2 上に配置されている。また、回転軸19の軸方向他側に設けられる左側(第2)の偏心筒体21Bについても、第1の偏心筒体21Aと同様の構成を有するものである。
22は筒状回転体18の内周側に隙間をもって挿通された偏心軸で、該偏心軸22は、例えば捩り剛性等が高い段付円柱状の軸体(強度部材)により大きな重量(質量M)をもって形成されている。そして、偏心軸22の質量Mは、後述する旋回スクロール24Bの質量mに対し、下記の数1の関係を満たすように形成されている。
Figure 0004943987
この場合、偏心軸22は、例えば軸径がφ30mm程度で、縦弾性係数が210GPa程度の鉄系材料を用いて形成される。また、偏心軸22の両端側は、回転軸19から軸方向に突出する小径円柱状のクランク部22A,22Bとなっている。そして、これらのクランク部22A,22Bには、後述する旋回スクロール24A,24Bのボス部27A,27Bが固定して設けられる。
ここで、偏心軸22は、筒状回転体18の偏心筒体21A,21B内に後述の旋回軸受23A,23Bを介して相対回転可能に取付けられ、回転軸19等の軸線O1 −O1 に対して寸法εだけ偏心した偏心軸線O2 −O2 上に配置されている。そして、偏心軸22は、筒状回転体18(回転軸19)が回転するときに、旋回スクロール24A,24Bと一緒に旋回運動するものである。
23Aは筒状回転体18の偏心筒体21A内で偏心軸22を回転可能に支持する右側(第1)の旋回軸受で、該旋回軸受23Aは、例えばローラ軸受、ニードル軸受等のころ軸受を用いて構成されている。これにより、旋回軸受23Aは、例えば玉軸受を用いた場合よりも径方向寸法を小さくし、小型化して形成できるものである。
また、偏心軸22の軸方向他側に設けられる左側(第2)の旋回軸受23Bについても、第1の旋回軸受23Aと同様に構成されている。そして、偏心軸22の軸方向における第1,第2の旋回軸受23A,23B間の距離は、図4に示す如く距離Lb に設定されている。
24Aは固定スクロール7Aと対面して側部ケース3A内に旋回可能に設けられた第1(低圧段)の旋回スクロールで、該旋回スクロール24Aは、図1に示す如く略円板状に形成された鏡板25Aと、該鏡板25Aの表面に立設された渦巻状のラップ部26Aと、鏡板25Aの裏面に立設された筒状のボス部27Aとにより大略構成されている。また、鏡板25Aの裏面には、複数の冷却フィン28Aが立設されている。
ここで、固定スクロール7Bと対面して側部ケース3B内に旋回可能に設けられる第2(高圧段)の旋回スクロール24Bについても、第1の旋回スクロール24Aとほぼ同様に構成され、鏡板25B、ラップ部26B、ボス部27Bおよび冷却フィン28B等を有している。
そして、第1,第2の旋回スクロール24A,24Bは、そのラップ部26A,26Bが固定スクロール7A,7Bのラップ部9A,9Bと所定の角度(例えば、180度)だけずらして重なり合うように配設される。これにより、低圧スクロール部6A側では、ラップ部9A,26A間に複数の圧縮室29Aが画成される。また、高圧スクロール部6B側では、ラップ部9B,26B間に複数の圧縮室29Bが画成されるものである。
この場合、旋回スクロール24A,24Bのボス部27A,27Bは、偏心軸22のクランク部22A,22Bにそれぞれボルト、廻止めキー(図示せず)等を用いて一体に固定されている。そして、旋回スクロール24A,24Bは、電動モータ15により筒状回転体18、偏心軸22および旋回軸受23A,23B等を介して駆動され、偏心量(寸法ε)に対応する一定の旋回半径をもって旋回運動を行う。これにより、各圧縮室29A,29B内では、後述の如く空気を順次圧縮するものである。
また、第2(高圧段)の旋回スクロール24Bは、前記数1式の関係を満たすようにアルミニウム系の材料を用いて形成される。そして、高圧段の旋回スクロール24Bは、図4に示すように偏心軸22の軸端からラップ部26Bの先端までの距離La が、前記第1,第2の旋回軸受23A,23B間の距離Lb に対して、例えば0.3倍以下となる関係に後述する理由によりに設定されている。
Figure 0004943987
30は低圧段の固定スクロール7Aと旋回スクロール24Aとの間に設けられた自転防止機構としての補助クランクで、該補助クランク30は、固定スクロール7Aの周方向に離間して複数個(例えば3個)設けられ、電動モータ15により旋回スクロール24A,24Bを旋回駆動するときに、これらの旋回スクロール24A,24Bが自転するのを防止するものである。
また、補助クランク30は、スラスト荷重受承手段を構成し、前記圧縮室29A,29B内に発生する圧縮空気の圧力差等で偏心軸22、旋回スクロール24A,24Bに発生する軸方向のスラスト荷重を受承する機能も有している。このため、回転軸19の内側で偏心軸22が軸線O2 −O2 に沿って軸方向に変位することはなく、固定スクロール7A,7Bと旋回スクロール24A,24Bとの間のスラスト方向ギャップも、補助クランク30によってほぼ一定に保持されるものである。
31Aは筒状回転体18の軸方向一側に設けられた第1の冷却ファンで、該冷却ファン31Aは、例えば遠心ファン等からなり、図1に示す如く偏心筒体21Aの外周側に嵌合して設けられている。そして、冷却ファン31Aは、軸線O1 −O1 を中心として偏心筒体21Aと一体に回転され、径方向外側に向けた冷却風を発生させるものである。
また、筒状回転体18の軸方向他側には、第2の冷却ファン31Bが設けられている。そして、該冷却ファン31Bは、第1の冷却ファン31Aと同様に構成され、偏心筒体21Bと一体に回転することにより、径方向外側に向けた冷却風を発生させるものである。この場合、冷却ファン31A,31Bは、ケーシング1内で側部ケース3A,3B内に収容され、電動モータ15と旋回スクロール24A,24Bとの間に配置されている。
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。
まず、電動モータ15に外部から給電を行うと、そのロータ17により筒状回転体18(回転軸19)が軸線O1 −O1 を中心として回転駆動される。これにより、筒状回転体18内に設けた偏心軸22が左,右の旋回軸受23A,23B、補助クランク30等を介して旋回運動を行い、その両端側に連結された旋回スクロール24A,24Bも、固定スクロール7A,7Bに対して寸法εの旋回半径をもった旋回運動を行う。
この結果、低圧スクロール部6A側では、固定スクロール7Aの外周側に設けた吸込口12Aから吸込サイレンサ(図示せず)等を介して空気を吸込みつつ、この空気を各圧縮室29A内で順次圧縮する。そして、低圧段の圧縮室29A内で圧縮された中間圧の圧縮空気は、固定スクロール7Aの吐出口13Aから空気導管(図示せず)等を介して高圧スクロール部6Bへと吐出される。
また、高圧スクロール部6Bは、低圧スクロール部6Aで圧縮された中間圧の圧縮空気が前記空気導管等を介して固定スクロール7Bの吸込口12Bに供給されると、この圧縮空気を各圧縮室29B内でさらに圧縮し、高圧の圧縮空気を吐出口13Bから外部の空気タンク(図示せず)等に向けて吐出するものである。
ところで、このようなツインラップ型のスクロール式空気圧縮機では、2つの旋回スクロール24A,24Bのうち低圧段の旋回スクロール24A側に自転防止機構としての補助クランク30を設けているので、低圧段の旋回スクロール24Aが旋回駆動に伴う遠心力の作用で振れ回るように振動することはない。しかし、高圧段の旋回スクロール24B側には自転防止機構を設けていないため、高圧段の旋回スクロール24Bは、旋回駆動に伴う遠心力の作用等で振れ回るように振動することがある。
そして、高圧段の旋回スクロール24Bが高圧段の固定スクロール7Bに対して径方向に振動を繰返す(振れ回る)ように挙動すると、両者のラップ部9B,26B間の径方向隙間が過剰に縮小し、場合によってはラップ部9B,26B同士、またはラップ部9B,26Bと鏡板8B,25Bとが接触、干渉することがある。
そこで、本発明者等は、高圧段の旋回スクロール24Bが旋回駆動時に振れ回るのを抑えるための研究、実験を鋭意に重ねた結果、偏心軸22の質量Mに対する高圧段の旋回スクロール24Bの質量mの関係と、偏心軸22の軸端からラップ部26Bの先端までの距離La に対する旋回軸受23A,23B間の距離Lb の関係とが、前述の如き振れ回りの挙動に大きな影響を与えているとの知見を得た。
即ち、偏心軸22の質量Mを所定の重量(例えば、M=1.5kg)に保った状態で、高圧段の旋回スクロール24Bの質量mを順次変えた場合の旋回駆動時における特性(ラップ部先端の撓み特性)は、図2に示す特性線32,33,34,35に沿った関係となることが確認された。この場合、特性線32は、偏心軸22の軸端からラップ部26Bの先端までの距離La と旋回軸受23A,23B間の距離Lb との比率β(La /Lb )を、例えばβ=0.14とし、La =0.14×Lb となる関係に設定した場合を示している。
また、図2中の特性線33は、距離La と距離Lb との比率β(La /Lb )を、例えばβ=0.30に設定し、La =0.30×Lb なる関係とした場合を示している。一方、特性線34は、距離La と距離Lb との比率β(La /Lb )を、例えばβ=0.36とし、La =0.36×Lb なる関係に設定した場合を示し、特性線35は、距離La と距離Lb との比率β(La /Lb )を、例えば0.43とし、La =0.43×Lb なる関係に設定した場合を示している。
そして、図2に示す特性線32の場合には、高圧段の旋回スクロール24Bの質量mを偏心軸22の質量Mに対し、例えば質量比(M/m)を0.5以上とする限り、高圧段の旋回スクロール24Bにおけるラップ部26Bの先端での撓み量δは、許容撓み量A(例えば、−45μm≦ A ≦ 45μm)の範囲内に収まることが確認された。
また、特性線33の場合は、偏心軸22と旋回スクロール24Bとの質量比(M/m)を、例えば0.9以上とする限り、旋回スクロール24Bのラップ部26Bは先端での撓み量δが、許容撓み量Aの範囲内に収まることが確認された。
一方、前述した距離の比率β(La /Lb )を、例えば0.36に設定した特性線34の場合は、偏心軸22と旋回スクロール24Bとの質量比(M/m)を、例えば1.5以上としない限り、旋回スクロール24Bのラップ部26Bは先端での撓み量δが、許容撓み量Aの範囲よりも大きくなることが確認された。
また、距離の比率β(La /Lb )を、0.43に設定した特性線35の場合は、質量比(M/m)を、例えば2.1以上としない限り、旋回スクロール24Bのラップ部26Bは先端での撓み量δが、許容撓み量Aの範囲よりも大きくなることが確認された。
次に、高圧段の旋回スクロール24Bの質量mを所定の質量(例えば、m=1.5kg)に保った状態で、偏心軸22の質量Mを順次変えた場合の特性は、図3に示す特性線36,37,38,39に沿った関係となることが確認された。この場合、特性線36は、前述した距離La と距離Lb との比率β(La /Lb )を、例えば0.14とし、La =0.14×Lb となる関係に設定した場合を示している。
また、図3中の特性線37は、距離La と距離Lb との比率β(La /Lb )を、例えば0.30に設定し、La =0.30×Lb なる関係とした場合を示している。一方、特性線38は、距離の比率β(La /Lb )を例えば0.36とし、La =0.36×Lb なる関係に設定した場合を示し、特性線39は、距離の比率β(La /Lb )を、例えば0.43とし、La =0.43×Lb なる関係に設定した場合を示している。
そして、図3に示す特性線36の場合には、高圧段の旋回スクロール24Bの質量mと偏心軸22の質量Mとの質量比(M/m)を、例えば0.7以上とする限り、旋回スクロール24Bのラップ部26Bは、その先端での撓み量δが許容撓み量Aの範囲内に収まることが確認された。また、特性線37の場合は、偏心軸22と旋回スクロール24Bとの質量比(M/m)を、例えば0.9〜1.0以上とする限り、旋回スクロール24Bのラップ部26Bは先端での撓み量δが、許容撓み量Aの範囲内に収まることが確認された。
一方、前述した距離の比率β(La /Lb )を、例えば0.36に設定した特性線38の場合は、偏心軸22と旋回スクロール24Bとの質量比(M/m)を、例えば1.2以上としない限り、旋回スクロール24Bのラップ部26Bは先端での撓み量δが、許容撓み量Aの範囲よりも大きくなることが確認された。また、距離の比率β(La /Lb )を、0.43に設定した特性線39の場合は、質量比(M/m)を、例えば1.47以上としない限り、旋回スクロール24Bのラップ部26Bは先端での撓み量δが、許容撓み量Aの範囲よりも大きくなることが確認された。
かくして、本実施の形態によれば、偏心軸22の質量Mを高圧段の旋回スクロール24Bの質量mに対して前記数1式を満たす関係(M ≧m)に形成し、高圧段の旋回スクロール24Bは、偏心軸22の軸端からラップ部26Bの先端までの距離La が、偏心軸22の軸方向における旋回軸受23A,23B間の距離Lb に対して、前記数2式に示すように0.3倍以下となる関係(La ≦0.3×Lb )に設定する構成としている。
これにより、高圧段の旋回スクロール24Bを低圧段の旋回スクロール24Aと共に旋回駆動するときに、偏心軸22が大きく撓むように変形するのを防止でき、高圧段の旋回スクロール24Bが遠心力の作用で振れ回るように振動するのも抑えることができ、ラップ部26Bの先端での撓み量δを、例えば許容撓み量A(図2、図3参照)の範囲内に収めることができる。
即ち、本実施の形態にあっては、上記数1式、数2式の関係を満たすように偏心軸22、旋回スクロール24B等を形成することにより、ラップ部26Bの先端側における撓み量δ1を、図4に示すように小さく(例えば、δ1 ≦5〜10μm)することができ、高圧段の旋回スクロール24Bが旋回駆動時に振れ回るように振動するのを抑えることができる。
一方、図5に示す比較例では、高圧段の旋回スクロール24Bの質量mを偏心軸22の質量Mよりも重くした場合(M < m)であり、この場合に、高圧段の旋回スクロール24Bは、質量mが過大になるために旋回駆動時の遠心力が大きくなる。このため、ラップ部26Bの先端側における撓み量δ2 が図5に示す如く大きくなり(δ2 > δ1)、高圧段の旋回スクロール24Bが旋回駆動時に振れ回るように振動してしまう。
従って、本実施の形態によれば、偏心軸22、旋回スクロール24B等を上述した数1式、数2式の関係を満たすように形成することにより、例えば高圧段の旋回スクロール24Bが旋回駆動時に振れ回るように振動するのを抑えることができ、装置としての耐久性、寿命を向上することができる。
そして、高圧段における旋回スクロール24Bの振れ回り(径方向の振動)を小さくできるため、固定スクロール7Bと旋回スクロール24Bとの間で両者のラップ部9B,26B間の径方向隙間を小さくしても、ラップ部9B,26B同士、またはラップ部9B,26Bと鏡板8B,25Bとが接触、干渉するのを防止することができる。
これにより、ツインラップ型のスクロール式流体機械としての耐久性、寿命を向上できると共に、圧縮時の流体損失を低減でき、効率の向上化等を図ることができる。また、旋回スクロール24Bの振れ回りを小さくすることにより、偏心軸22を支持する旋回軸受23A,23Bに余分な負荷が掛かるのを防止でき、旋回軸受23A,23Bの信頼性を向上できると共に、偏心軸22の撓みによる旋回軸受23A,23Bへの片当たり等をなくし、軸受の長寿命化も図ることができる。
また、前述した図2、図3に示す特性線32〜39からも明らかな如く、偏心軸22と旋回スクロール24Bとの質量比(M/m)が、例えば2〜3以上となるように、偏心軸22の質量Mを大きくして剛性を高めるようにすれば、ラップ部26Bの先端における撓み量δを、前記許容撓み量Aの範囲内に収めることができる。しかし、偏心軸22の質量Mを大きくすれば、全体の重量が増加し、装置の小型、軽量化を図る上での阻害要因となる。
また、高圧段の旋回スクロール24Bを軽量化し質量mを小さくすることにより、質量比(M/m)が例えば2〜3以上となるようすれば、ラップ部26Bの先端における撓み量δを、前記許容撓み量Aの範囲内に収めることができる。しかし、この場合には旋回スクロール24Bを過度に軽量化すると、ラップ部26B等の緒元の変更が必要となり、本来の性能、寿命を確保するのが難しくなる虞れもある。
そこで、本実施の形態によれば、偏心軸22の質量Mを高圧段の旋回スクロール24Bの質量mに対して前記数1式を満たす関係(M ≧m)に形成するだけでなく、高圧段の旋回スクロール24Bは、偏心軸22の軸端からラップ部26Bの先端までの距離La が、旋回軸受23A,23B間の距離Lb に対して前記数2式に示すように0.3倍以下となる関係(La ≦0.3×Lb )に設定する構成としたものである。
これにより、偏心軸22の質量Mを前記数1式(M ≧m)を満たす範囲で、旋回スクロール24Bの質量mに近付けるように偏心軸22を軽量化した場合でも、偏心軸22の軸端からラップ部26Bの先端までの距離La を旋回軸受23A,23B間の距離Lb に対し、前記数2式に示す関係(La ≦0.3×Lb )に設定することにより、旋回スクロール24Bの振れ回りを抑えることができ、装置としての信頼性、寿命を向上することができる。しかも、偏心軸22の質量Mを可能な限り小さくして、装置の小型、軽量化を図ることができる。
なお、前記実施の形態では、筒状回転体18を構成する回転軸19と左,右の偏心筒体21A,21Bとを別部材として形成した場合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、例えば筒状回転体18の回転軸19と左,右の偏心筒体21A,21Bとを同一の部材によって形成する構成としてもよい。
また、前記実施の形態では、ケーシング1の長さ方向両側に低圧段,高圧段の固定スクロール7A,7Bを設ける構成としたツインラップ型のスクロール式空気圧縮機を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば第1,第2の固定スクロールと第1,第2の旋回スクロールとにより、ケーシングの長さ方向両側でほぼ同等な圧力段となる2つの圧縮部を形成する構成としてもよいものである。
また、前記実施の形態では、低圧段の固定スクロール7Aと旋回スクロール24Aとの間に補助クランク30を設ける場合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、例えばオルダム継手またはボールカップリング等の自転防止機構を設ける構成としてもよい。
さらに、前記実施の形態では、スクロール式流体機械を空気圧縮機として用いる場合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、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、真空ポンプ等を含めて他のスクロール式流体機械に適用してもよいものである。
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。 偏心軸の質量を一定とし、旋回スクロールの質量を順次変えた場合の旋回駆動時におけるラップ部先端の撓み特性を示す特性線図である。 旋回スクロールの質量を一定とし、偏心軸の質量を順次変えた場合の旋回駆動時におけるラップ部先端の撓み特性を示す特性線図である。 図1中の偏心軸が高圧段の旋回スクロール部と共に撓み変形する状態を示す模式図である。 比較例による高圧段の旋回スクロール部と偏心軸との撓み変形状態を示す模式図である。
符号の説明
1 ケーシング
2 筒形ケース
3A,3B 側部ケース
6A 低圧スクロール部(低圧段の圧縮部)
6B 高圧スクロール部(高圧段の圧縮部)
7A,7B 固定スクロール
8A,8B,25A,25B 鏡板
9A,9B,26A,26B ラップ部
12A,12B 吸込口
13A,13B 吐出口
15 電動モータ(回転源)
18 筒状回転体
19 回転軸
20A,20B 回転軸受
21A,21B 偏心筒体
22 偏心軸
23A,23B 旋回軸受
24A,24B 旋回スクロール
29A,29B 圧縮室
30 補助クランク(自転防止機構)

Claims (2)

  1. 筒状のケーシングと該ケーシングの長さ方向両側に設けられ鏡板の表面に渦巻状のラップ部がそれぞれ立設された第1,第2の固定スクロールとからなる固定側部材と、
    前記ケーシング内に回転可能に支持して設けられた中空軸体からなり回転源によって回転駆動される筒状回転体と、
    該筒状回転体の軸線に対し予め決められた寸法だけ偏心した状態で該筒状回転体内に挿通して設けられた偏心軸と、
    前記筒状回転体の軸方向両側に位置して該偏心軸と筒状回転体との間に設けられ該偏心軸を旋回可能に支持する第1,第2の旋回軸受と、
    前記第1,第2の固定スクロールと対面する位置で前記偏心軸の端部に固定して設けられ鏡板の表面に前記第1,第2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画成する渦巻状のラップ部が立設された第1,第2の旋回スクロールと、
    前記固定側部材と第1の旋回スクロールとの間に設けられ前記第1,第2の旋回スクロールが自転するのを防止する自転防止機構とを備えてなるスクロール式流体機械において、
    前記偏心軸の質量(M)は、前記第2の旋回スクロールの質量(m)以上となる質量(M ≧m)に形成し、
    前記第2の旋回スクロールは、前記偏心軸の軸端からラップ部の先端までの距離(La )が、前記偏心軸の軸方向における前記第1,第2の旋回軸受間の距離(Lb )の0.3倍以下となる関係(La ≦0.3×Lb )に設定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。
  2. 前記第1の旋回スクロールは第1の固定スクロールと共に低圧段の圧縮部を構成し、前記第2の旋回スクロールは第2の固定スクロールと共に高圧段の圧縮部を構成してなる請求項1に記載のスクロール式流体機械。
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