JP5103430B2 - 多段スクロール昇圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば空気や冷媒を圧縮するのに用いて好適な多段スクロール昇圧装置に関する。

一般に、スクロール式の圧縮機は、ケーシングと、該ケーシングに固定され板体に渦巻状のラップが立設された固定スクロールと、該固定スクロールと対向して設けられ板体に該固定スクロールのラップと重なる渦巻状のラップが立設された旋回スクロールと、前記固定スクロールのラップと旋回スクロールのラップとの間に連続して形成され旋回スクロールが旋回する間に吸込口から吸込んだ流体を吐出口から吐出する圧縮室とにより構成されている。

また、高い圧力の流体を得る場合には、複数台の圧縮機を用い、前段の圧縮機の吐出口と次段のスクロール圧縮機の吸込口とを直列に接続して流体を複数段で昇圧する多段スクロール昇圧装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２６３６０４号公報

ところで、圧縮室内が高圧になる次段以降の圧縮機では、旋回スクロールの背面側が大気圧になっているから、圧縮室と旋回スクロールの背面側との圧力差が大きくなり、旋回スクロールの板体が変形を生じる虞がある。この場合には、板体の変形によって各ラップ間に隙間が形成され、この隙間から圧縮流体が漏れ出してしまため、圧縮効率が低下す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、圧縮室内の圧力によって旋回スクロールが変形するのを抑制し、圧縮効率を向上できるようにした多段スクロール昇圧装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１による多段スクロール昇圧装置は、複数台の圧縮機のうち前段の圧縮機の吐出口と次段の圧縮機の吸込口とを直列に接続し、前記前段の圧縮機の吐出口から吐出される圧縮流体を、前記次段の圧縮機に設けられた旋回スクロールの背面に位置する閉塞空間に導入し、前記前段の圧縮機で圧縮された圧縮流体を次段の圧縮機によって再び昇圧し次段の圧縮機の吐出口から吐出する構成としてなる。

本発明によれば、旋回スクロールの背面の閉塞空間に導入した圧縮流体により、圧縮室と旋回スクロールの背面側との圧力差を小さくできるから、旋回スクロールの変形を抑制することができ、圧縮漏れを防止して圧縮効率を向上することができる。

本発明の実施の形態に係る多段スクロール昇圧装置を示す縦断面図である。 図１中の第１段目のスクロール式の空気圧縮機を拡大して示す縦断面図である。 図２中の固定スクロールを示す要部拡大の縦断面図である。 図３に示す固定スクロールをラップ側からみた左側面図である。 図１中の第２段目のスクロール式の空気圧縮機を拡大して示す縦断面図である。 図５中の固定スクロールを示す要部拡大の縦断面図である。 図６に示す固定スクロールをラップ側からみた左側面図である。 図１中の第３段目のスクロール式の空気圧縮機を拡大して示す縦断面図である。 図８中の固定スクロールを示す要部拡大の縦断面図である。 図９に示す固定スクロールをラップ側からみた左側面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る多段スクロール昇圧装置として、例えば３台の圧縮機を用いて３段階で空気を圧縮した場合を例に挙げ、図１ないし図１０に従って詳細に説明する。

図１において、１は本実施の形態による多段スクロール昇圧装置を示している。この多段スクロール昇圧装置１は、空気等の流体を高い圧力まで昇圧するものである。そして、多段スクロール昇圧装置１は、後述の第１段圧縮機２、第２段圧縮機１４、第３段圧縮機２９、接続配管１１，２６等により構成されている。

２は前段となる第１段目のスクロール式の圧縮機（以下、第１段圧縮機２という）で、該第１段圧縮機２は、大気圧の空気を吸込み、圧縮して吐出するものである。また、第１段圧縮機２は、図２に示すように、後述のケーシング３、固定スクロール４、旋回スクロール５、圧縮室６、吸込口７、吐出口８等により構成されている。

３は第１段圧縮機２のケーシングで、該ケーシング３は、段付筒状に形成されている。また、ケーシング３は、その内部に後述の駆動軸９を回転可能に支持するものである。

４はケーシング３の開口側に固定して設けられた固定スクロールである。この固定スクロール４は、略円板状に形成された鏡板と呼ばれる板体４Ａと、該板体４Ａの表面に軸方向に立設された渦巻状のラップ４Ｂと、該ラップ４Ｂを取囲んで板体４Ａの外径側に設けられた筒状の支持部４Ｃと、前記板体４Ａの背面に立設された複数の冷却フィン４Ｄとによって大略構成されている。また、ラップ４Ｂは、図４に示すように、例えば最内径端を巻始め端４Ｂ1として、最外径端を巻終り端４Ｂ2としたときに、内径側の巻始め端４Ｂ1から外径側の巻終り端４Ｂ2まで３巻半程度の渦巻状に巻回されている。

ここで、ラップ４Ｂは、その巻始め端４Ｂ1の位置が、板体４Ａの中心に近い位置に設定されている。これにより、板体４Ａの中心側に後述の最終圧縮室６が形成される面積は、図４中に二点鎖線で示す如く、ほぼ円形状の範囲Ａ1であり、その範囲Ａ1の直径寸法は、後述する第２段圧縮機１４の固定スクロール１８の板体１８Ａの範囲Ａ2の直径寸法Ｄ2よりも小さな寸法Ｄ1となっている。

また、ラップ４Ｂは、図２、図３に示すように、高さ寸法Ｈ1をもって形成されている。このラップ４Ｂの高さ寸法Ｈ1は、後述する第２段圧縮機１４の各スクロール１８，１９のラップ１８Ｂ，１９Ｂの高さ寸法Ｈ2よりも大きな寸法となっている。

５はケーシング３内に旋回可能に設けられた旋回スクロールである。この旋回スクロール５は、固定スクロール４の板体４Ａと対向して配置された略円板状の板体５Ａと、該板体５Ａの表面となる歯底面に立設された渦巻状のラップ５Ｂと、前記板体５Ａの背面に立設された複数の冷却フィン５Ｃと、該各冷却フィン５Ｃの先端側に位置して取付けられたボスプレート５Ｄとによって大略構成されている。また、ボスプレート５Ｄの中央には筒状のボス部５Ｅが突設され、該ボス部５Ｅには、後述する駆動軸９のクランク部９Ａが回転可能に連結される。

ここで、旋回スクロール５のラップ５Ｂは、固定スクロール４のラップ４Ｂとほぼ同様に、例えば３巻半程度の渦巻状に形成されている。これにより、旋回スクロール５の板体５Ａの最終圧縮室６が形成される面積は、固定スクロール４の板体４Ａの最終圧縮室６が形成される面積と同等となっている。また、ラップ５Ｂは、固定スクロール４のラップ４Ｂと同様に、高さ寸法Ｈ1をもって形成されている。

そして、旋回スクロール５のラップ５Ｂは、固定スクロール４のラップ４Ｂと重なり合うように配置されている。これにより、各スクロール４，５のラップ４Ｂ，５Ｂ間には、後述する複数の圧縮室６が形成されている。

６は固定スクロール４のラップ４Ｂと旋回スクロール５のラップ５Ｂとの間に連続して形成される複数個の圧縮室を示している。これらの圧縮室６は、図２に示すように、最外径側では後述の吸込口７から空気を吸込み、外径側から内径側に向けて移動するときに、その容積を徐々に縮小する。そして、後述の吐出口８に連通した最内径側の最終圧縮室６では、圧縮した空気を該吐出口８から吐出する。

ここで、複数の圧縮室６で空気を圧縮したときには、圧縮熱、摩擦熱等によって各スクロール４，５の板体４Ａ，５Ａやラップ４Ｂ，５Ｂが温度上昇する。このときには、板体４Ａ，５Ａやラップ４Ｂ，５Ｂの熱を各冷却フィン４Ｄ，５Ｃから放出することにより、これらを冷却することができる。

７は固定スクロール４に設けられた例えば２個の吸込口で、該各吸込口７は、板体４Ａの外周側から支持部４Ｃにかけて開口し、最外径側の圧縮室６に連通している。そして、吸込口７は、吸込フィルタ７Ａを通じて最外径側の圧縮室６内に大気圧状態の空気を吸込ませるものである。

一方、８は固定スクロール４の板体４Ａの中央位置に設けられた吐出口で、該吐出口８は、最内径側（中心側）に位置する最終圧縮室６に連通している。これにより、吐出口８は、最終圧縮室６内の圧縮空気を後述する第１の接続配管１１等を介して次段となる第２段圧縮機１４に向け吐出するものである。

また、９はケーシング３内の中心位置に回転可能に支持された駆動軸である（図２参照）。この駆動軸９のケーシング３内の端部は、偏心したクランク部９Ａとなり、該クランク部９Ａは旋回スクロール５のボス部５Ｅに回転可能に連結されている。これにより、駆動軸９は、電動モータ（図示せず）等によって回転駆動されることにより、固定スクロール４に対して旋回スクロール５を旋回運動させるものである。

１０は旋回スクロール５のボスプレート５Ｄとケーシング３との間に設けられた例えば３個の補助クランク（１個のみ図示）で、該各補助クランク１０は、旋回スクロール５の自転を防止するものである。

１１は第１段圧縮機２と後述の第２段圧縮機１４とを接続する第１の接続配管である（図１参照）。この接続配管１１は、一端が固定スクロール４の板体４Ａの中心位置の吐出口８に接続され、他端が第２段圧縮機１４の導入口１７に接続されている。

１２は接続配管１１の途中に設けられたインタクーラで、該インタクーラ１２は、圧縮熱や摩擦熱によって温度上昇する圧縮空気を冷却することにより、冷えた圧縮空気を第２段圧縮機１４に向けて供給するものである。また、１３はインタクーラ１２に対面して設けられた冷却ファンで、該冷却ファン１３は、電動モータ（図示せず）等に回転駆動されることにより、インタクーラ１２に向け冷却風を供給するものである。

次に、第１段圧縮機２の次段となる第２段目のスクロール式の圧縮機１４の構成について説明する。

即ち、１４は第１段圧縮機２の次段して設けられた第２段目のスクロール式の圧縮機（以下、第２段圧縮機１４という）で、該第２段圧縮機１４は、第１段圧縮機２から吐出される圧縮空気を吸込み、再び圧縮することにより高圧な圧縮空気を吐出するものである。また、第２段圧縮機１４は、図５に示すように、後述のケーシング１５、閉塞空間１６、導入口１７、固定スクロール１８、旋回スクロール１９、圧縮室２０、吸込口２１、吐出口２２等により構成されている。

１５は第２段圧縮機１４のケーシングで、該ケーシング１５は、筒部１５Ａと底部１５Ｂとから有底筒状に形成され、開口側となる一側に後述の固定スクロール１８が気密に取付けられている。また、ケーシング１５は、固定スクロール１８との間で密閉容器を形成することができ、これにより、旋回スクロール１９の背面側に閉塞空間１６を形成することができる。

一方、ケーシング１５の内部には、底部側の支持部材１５Ｃと開口側の支持部材１５Ｄとが設けられ、該各支持部材１５Ｃ，１５Ｄは後述の駆動軸２３を支持するものである。また、各支持部材１５Ｃ，１５Ｄには複数の空気通路１５Ｃ1，１５Ｄ1が軸方向に貫通して設けられ、該各空気通路１５Ｃ1，１５Ｄ1は、導入口１７から導入した圧縮空気を吸込口２１に向けて流通させるものである。

さらに、１７はケーシング１５に設けられた導入口である。この導入口１７は、後述する吸込口２１と離れた底部１５Ｂに位置して設けられ、第１の接続配管１１の他端が接続されている。

ここで、ケーシング１５内の閉塞空間１６は、旋回スクロール１９の背面側に位置しているから、この閉塞空間１６に第１段圧縮機２からの圧縮空気を導入することにより、旋回スクロール１９の板体１９Ａを挟んで位置する圧縮室２０と閉塞空間１６との圧力差を小さくすることができる。これにより、旋回スクロール１９の板体１９Ａの変形を防止することができる。しかも、導入口１７から吸込口２１に向けて空気を流通させることにより、電動モータ２５、旋回スクロール１９、軸受等を冷却することができる。

１８はケーシング１５の筒部１５Ａの開口側に固定して設けられた固定スクロールである。この固定スクロール１８は、略円板状に形成された板体１８Ａと、該板体１８Ａの表面に軸方向に立設された渦巻状のラップ１８Ｂと、該ラップ１８Ｂを取囲んで板体１８Ａの外径側に設けられた筒状の支持部１８Ｃと、前記板体１８Ａの裏面に立設された複数の冷却フィン１８Ｄとによって大略構成されている。また、ラップ１８Ｂは、図７に示すように、例えば最内径端を巻始め端１８Ｂ1として、最外径端を巻終り端１８Ｂ2としたときに、内径側の巻始め端１８Ｂ1から外径側の巻終り端１８Ｂ2まで２巻程度の渦巻状に巻回されている。

そして、ラップ１８Ｂの巻始め端１８Ｂ1の位置は、第１段圧縮機２の固定スクロール４のラップ４Ｂの巻始め端４Ｂ1よりも中心から遠い位置に設定されている。これにより、板体１８Ａの中心側に後述の最終圧縮室２０が形成される面積は、図７中に二点鎖線で示す如く、ほぼ円形状の範囲Ａ2となり、その範囲Ａ2の直径寸法は、第１段圧縮機２の固定スクロール４の板体４Ａの範囲Ａ1の直径寸法Ｄ1よりも大きな寸法Ｄ2となっている（Ｄ2＞Ｄ1）。

ここで、第２段圧縮機１４は、第１段圧縮機２から吐出された圧縮空気を再び圧縮するものであるから、最終圧縮室２０の温度が高くなり、この最終圧縮室２０を形成する板体１８Ａの中心側も高温になる。これに対し、最終圧縮室２０が形成される板体１８Ａの面積を規定する直径寸法Ｄ2は、第１段圧縮機２の直径寸法Ｄ1よりも大きな寸法に設定している。これにより、最も高温になる最終圧縮室２０は、板体１８Ａの広い範囲に形成できるから、板体１８Ａ、ラップ１８Ｂの熱を多くの冷却フィン１８Ｄに伝えて放熱量を増大させることができ、板体１８Ａやラップ１８Ｂの温度上昇を抑えて熱変形等を防止することができる。

また、ラップ１８Ｂは、図５、図６に示すように、高さ寸法Ｈ2をもって形成されている。このラップ１８Ｂの高さ寸法Ｈ2は、第１段圧縮機２の各スクロール４，５のラップ４Ｂ，５Ｂの高さ寸法Ｈ1よりも小さな寸法に設定されている（Ｈ2＜Ｈ1）。ここで、第２段圧縮機１４は、前述したように圧縮空気を再度圧縮するために、第１段圧縮機２よりも高い熱が発生し、また各圧縮室２０間の圧力差も大きくなる。

これに対し、第２段圧縮機１４では、固定スクロール１８のラップ１８Ｂの高さ寸法Ｈ2を第１段圧縮機２の各スクロール４，５のラップ４Ｂ，５Ｂの高さ寸法Ｈ1よりも小さくする。これにより、ラップ１８Ｂの根元部分の強度を高めることができ、変形やかじりによる損傷を防止することができる。

１９はケーシング１５内に旋回可能に設けられた旋回スクロールである。この旋回スクロール１９は、図５に示すように、固定スクロール１８の板体１８Ａと対向して配置された略円板状の板体１９Ａと、該板体１９Ａの表面に立設された渦巻状のラップ１９Ｂと、前記板体１９Ａの背面中央に突設された筒状のボス部１９Ｃとにより構成され、前記ボス部１９Ｃには、後述する駆動軸２３のクランク部２３Ａが回転可能に連結される。

ここで、ラップ１９Ｂは、固定スクロール１８のラップ１８Ｂとほぼ同様に、例えば２巻程度の渦巻状に形成されている。また、ラップ１９Ｂは、固定スクロール１８のラップ１８Ｂと同様に、高さ寸法Ｈ2をもって形成されている。これにより、板体１９Ａやラップ１９Ｂの温度上昇を抑えることができ、またラップ１９Ｂの根元部分の強度を高めることができる。

２０は固定スクロール１８のラップ１８Ｂと旋回スクロール１９のラップ１９Ｂとの間に連続して形成される複数個の圧縮室を示している（図５中に図示）。これらの圧縮室２０は、最外径側では後述の吸込口２１から空気を吸込み、外径側から内径側に向けて移動するときに、その容積を徐々に縮小する。そして、後述の吐出口２２に連通した最内径側の最終圧縮室２０では、圧縮した空気を該吐出口２２から吐出する。また、第２段圧縮機１４の各圧縮室２０は、第１段圧縮機２によって圧縮された空気を再び圧縮するものであるから、圧縮空気をさらに高い圧力まで圧縮することができる。

２１は旋回スクロール１９に設けられた吸込口で、該吸込口２１は、板体１９Ａの外周側を切欠くように形成され、最外径側の圧縮室２０と閉塞空間１６とを連通している。そして、吸込口２１は、第１段圧縮機２から導入口１７を介して閉塞空間１６に流入する圧縮空気を、最外径側の圧縮室２０内に吸込ませるものである。

一方、２２は固定スクロール１８の板体１８Ａの中央位置に設けられた吐出口で、該吐出口２２は、最内径側（中心側）に位置する最終圧縮室２０に連通している。これにより、吐出口２２は、最終圧縮室２０内の圧縮空気を後述する第２の接続配管２６等を介して次段となる第３段圧縮機２９に向け吐出するものである。

また、２３はケーシング１５内に回転可能に支持された駆動軸である（図５参照）。この駆動軸２３のケーシング３内の端部は、偏心したクランク部２３Ａとなり、旋回スクロール１９のボス部１９Ｃに回転可能に連結されている。これにより、駆動軸２３は、後述の電動モータ２５によって回転駆動されることにより、固定スクロール１８に対して旋回スクロール１９を旋回運動させることができる。

２４は旋回スクロール１９の板体１９Ａとケーシング１５の支持部材１５Ｄとの間に設けられた例えば３個の補助クランク（２個のみ図示）で、該各補助クランク２４は、旋回スクロール１９の自転を防止するものである。

２５はケーシング１５内に位置して各支持部材１５Ｃ，１５Ｄ間に設けられた電動モータである。この電動モータ２５は、駆動軸２３を回転駆動し、固定スクロール１８に対して旋回スクロール１９を旋回動作させるものである。そして、電動モータ２５は、ケーシング１５の筒部１５Ａ内に固定された固定子２５Ａと、該固定子２５Ａ内に回転可能に設けられ駆動軸２３に取付けられた回転子２５Ｂとにより大略構成されている。

また、固定子２５Ａの外周側には、軸方向に貫通して空気通路２５Ｃが形成され、該空気通路２５Ｃは、導入口１７から吸込口２１に向けて流通する圧縮空気の通り道となっている。これにより、空気通路２５Ｃを通る圧縮空気によって電動モータ２５を冷却することができる。

２６は第２段圧縮機１４の吐出口２２と後述する第３段圧縮機２９の導入口３２とを接続する第２の接続配管である（図１参照）。また、２７は第２の接続配管２６の途中に設けられたインタクーラ、２８は該インタクーラ２７に対面して設けられた冷却ファンをそれぞれ示している。

次に、第２段圧縮機１４の次段となる第３段目のスクロール式の圧縮機２９の構成について説明する。

即ち、２９は第２段圧縮機１４の次段して設けられた第３段目のスクロール式の圧縮機（以下、第３段圧縮機２９という）で、該第３段圧縮機２９は、第２段圧縮機１４から吐出される圧縮空気を吸込み再び圧縮することにより、さらに高圧な圧縮空気を吐出するものである。また、第３段圧縮機２９は、図８に示すように、後述のケーシング３０、閉塞空間３１、導入口３２、固定スクロール３３、旋回スクロール３４、圧縮室３５、吸込口３６、吐出口３７等により構成されている。

３０は第３段圧縮機２９のケーシングを示し、該ケーシング３０は、固定スクロール３３との間で密閉容器を形成するものである。また、ケーシング３０は、前述した第２段圧縮機１４のケーシング１５とほぼ同様に、筒部３０Ａ、底部３０Ｂ、各支持部材３０Ｃ，３０Ｄにより形成され、各支持部材３０Ｃ，３０Ｄには空気通路３０Ｃ1，３０Ｄ1がそれぞれ設けられている。また、ケーシング３０は、旋回スクロール３４の背面側に閉塞空間３１を形成している。さらに、ケーシング３０の底部３０Ｂには導入口３２が設けられ、該導入口３２には第２の接続配管２６の他端が接続されている。

ここで、ケーシング３０内の閉塞空間３１は、旋回スクロール３４の背面側に位置しているから、この閉塞空間３１に第２段圧縮機１４からの圧縮空気を導入することにより、旋回スクロール３４の板体３４Ａを挟んで位置する圧縮室３５と閉塞空間３１との圧力差を小さくして、この板体３４Ａの変形を防止することができる。しかも、導入口３２から吸込口３６に向けて空気を流通させることにより、電動モータ４０、旋回スクロール３４、軸受等を冷却することができる。

３３はケーシング３０の筒部３０Ａの開口側に固定して設けられた固定スクロールである。この固定スクロール３３は、板体３３Ａ、ラップ３３Ｂ、支持部３３Ｃ、複数の冷却フィン３３Ｄにより大略構成されている。また、ラップ３３Ｂは、図１０に示すように、例えば最内径端を巻始め端３３Ｂ1として、最外径端を巻終り端３３Ｂ2としたときに、内径側の巻始め端３３Ｂ1から外径側の巻終り端３３Ｂ2まで１巻半程度の渦巻状に巻回されている。

そして、ラップ３３Ｂの巻始め端３３Ｂ1の位置は、第２段圧縮機１４の固定スクロール１８のラップ１８Ｂの巻始め端１８Ｂ1よりも中心から遠い位置に設定されている。これにより、板体３３Ａの中心側に後述の最終圧縮室３５が形成される面積は、図１０中に二点鎖線で示す如く、ほぼ円形状の範囲Ａ3となり、その範囲Ａ3の直径寸法は、第２段圧縮機１４の固定スクロール１８の板体１８Ａの範囲Ａ2の直径寸法Ｄ2よりも大きな寸法Ｄ3となっている（Ｄ3＞Ｄ2）。

ここで、第３段圧縮機２９は、第２段圧縮機１４から吐出された圧縮空気を再び圧縮するものであるから、最終圧縮室３５の温度が第２段圧縮機１４よりも高くなり、この最終圧縮室３５を形成する板体３３Ａの中心側もさらに高温になる。これに対し、最終圧縮室３５が形成される板体３３Ａの面積を規定する直径寸法Ｄ3は、第２段圧縮機１４の直径寸法Ｄ2よりも大きな寸法に設定している。

これにより、最も高温になる最終圧縮室３５は、板体３３Ａの広い範囲に形成できるから、板体３３Ａ、ラップ３３Ｂの熱を多くの冷却フィン３３Ｄに伝えて放熱量を増大させることができ、板体３３Ａやラップ３３Ｂの温度上昇を抑えて熱変形等を防止することができる。

また、ラップ３３Ｂは、図８、図９に示すように、高さ寸法Ｈ3をもって形成されている。このラップ３３Ｂの高さ寸法Ｈ3は、第２段圧縮機１４の各スクロール１８，１９のラップ１８Ｂ，１９Ｂの高さ寸法Ｈ2よりも小さな寸法に設定されている（Ｈ3＜Ｈ2）。ここで、第３段圧縮機２９は、前述したように圧縮空気を再度圧縮するために、第２段圧縮機１４よりも高い熱が発生し、また各圧縮室３５間の圧力差も大きくなる。

これに対し、第３段圧縮機２９では、固定スクロール３３のラップ３３Ｂの高さ寸法Ｈ3を第２段圧縮機１４の各スクロール１８，１９のラップ１８Ｂ，１９Ｂの高さ寸法Ｈ2よりも小さくする。これにより、ラップ３３Ｂの根元部分の強度をさらに高めることができ、変形やかじりによる損傷を防止することができる。

３４はケーシング３０内に旋回可能に設けられた旋回スクロールである。この旋回スクロール３４は、図８に示すように、板体３４Ａ、ラップ３４Ｂ、ボス部３４Ｃからなり、前記ボス部３４Ｃには、後述する駆動軸３８のクランク部３８Ａが回転可能に連結される。ここで、ラップ３４Ｂは、固定スクロール３３のラップ３３Ｂとほぼ同様に、例えば１巻半程度の渦巻状に形成されている。また、ラップ３４Ｂは、固定スクロール３３のラップ３３Ｂと同様に、高さ寸法Ｈ3をもって形成されている。これにより、板体３４Ａやラップ３４Ｂの温度上昇を抑えることができ、またラップ３４Ｂの根元部分の強度を高めることができる。

３５は固定スクロール３３のラップ３３Ｂと旋回スクロール３４のラップ３４Ｂとの間に連続して形成される複数個の圧縮室を示している（図８中に図示）。これらの圧縮室３５は、最外径側では後述の吸込口３６から空気を吸込み、外径側から内径側に向けて移動するときに、その容積を徐々に縮小する。そして、後述の吐出口３７に連通した最内径側の最終圧縮室３５では、圧縮した空気を該吐出口３７から吐出する。また、第３段圧縮機２９の各圧縮室３５は、第２段圧縮機１４によって圧縮された空気を再び圧縮するものであるから、圧縮空気をさらに高い圧力まで圧縮することができる。

３６は旋回スクロール３４に設けられた吸込口で、該吸込口３６は、板体３４Ａの外周側を切欠くように形成されている。そして、吸込口３６は、第２段圧縮機１４から導入口３２を介して閉塞空間３１に流入する圧縮空気を、最外径側の圧縮室３５内に吸込ませるものである。

一方、３７は固定スクロール３３の板体３３Ａの中央位置に設けられた吐出口で、該吐出口３７は、最内径側の最終圧縮室３５に連通している。これにより、吐出口３７は、最終圧縮室３５内の圧縮空気を後述の吐出配管４１等を介して外部の空気タンク（図示せず）に向け吐出するものである。

３８はケーシング３０内に回転可能に支持された駆動軸で（図８参照）、該駆動軸３８のクランク部３８Ａは、旋回スクロール３４のボス部３４Ｃに回転可能に連結されている。また、３９は旋回スクロール３４の板体３４Ａとケーシング３０の支持部材３０Ｄとの間に設けられた例えば３個の補助クランク（２個のみ図示）で、該各補助クランク３９は、旋回スクロール３４の自転を防止するものである。

４０はケーシング３０内に位置して各支持部材３０Ｃ，３０Ｄ間に設けられた電動モータである。この電動モータ４０は、駆動軸３８を回転駆動し、固定スクロール３３に対して旋回スクロール３４を旋回動作させるものである。そして、電動モータ４０は、固定子４０Ａと回転子４０Ｂとからなり、該固定子４０Ａの外周側には圧縮空気が流通する空気通路４０Ｃが形成されている。

４１は第３段圧縮機２９に接続して設けられた吐出配管で、該吐出配管４１は、一端が固定スクロール３３の板体３３Ａの中心位置の吐出口３７に接続され、他端が圧縮空気を貯える外部の空気タンク（図示せず）に接続されている。

本実施の形態による多段スクロール昇圧装置１は、上述のような構成を有するもので、次に、この多段スクロール昇圧装置１の動作について説明する。

まず、第１段圧縮機２では、電動モータによって駆動軸９を回転駆動し、旋回スクロール５を旋回駆動する。このときには、固定スクロール４のラップ４Ｂと旋回スクロール５のラップ５Ｂとの間に形成される複数の圧縮室６が、外径側から内径側に向けて移動しつつ連続的に縮小し、空気を圧縮する。これにより、吸込口７から吸込んだ空気は、各圧縮室６で順次圧縮しつつ、最も高圧な最終圧縮室６から吐出口８を介して第１の接続配管１１に吐出する。

そして、第１段圧縮機２から吐出された第１段階の圧縮空気は、インタクーラ１２によって冷却されつつ第１の接続配管１１を介して第２段圧縮機１４に供給される。

次に、第２段圧縮機１４では、電動モータ２５によって駆動軸２３を回転駆動し、旋回スクロール１９を旋回駆動する。このときには、固定スクロール１８のラップ１８Ｂと旋回スクロール１９のラップ１９Ｂとの間に形成される複数の圧縮室２０が空気を圧縮する。これにより、吸込口２１から吸込んだ空気は、各圧縮室２０で順次圧縮しつつ、最も高圧な最終圧縮室２０から吐出口２２を介して第２の接続配管２６に吐出する。

このときに、第２段圧縮機１４は、図５中の矢示の如く、導入口１７から閉塞空間１６内に圧縮空気が導入されると、この圧縮空気は、ケーシング１５の支持部材１５Ｃの空気通路１５Ｃ1、電動モータ２５の空気通路２５Ｃ、支持部材１５Ｄの空気通路１５Ｄ1を通って旋回スクロール１９の背面側に流通するから、旋回スクロール１９の板体１９Ａを挟んで位置する圧縮室２０と閉塞空間１６との圧力差が小さくなる。これにより、旋回スクロール１９の板体１９Ａが各圧縮室２０の圧力によって変形するのを防止することができる。

しかも、閉塞空間１６に圧縮空気を導入する導入口１７は、吸込口２１から離れたケーシング１５の底部１５Ｂに配設している。これにより、導入口１７から導入した圧縮空気を電動モータ２５、旋回スクロール１９、軸受等に沿わせて流通することができ、これらの部材を冷却することができる。

また、第２段圧縮機１４は、第１段圧縮機２から吐出された圧縮空気を再び圧縮しているから、圧縮熱によって各圧縮室２０の温度が高くなる。特に、最も高圧となる中心側の最終圧縮室２０で温度が高くなり、これに応じて最終圧縮室２０を形成する板体１８Ａの中心側も高温になってしまう。

これに対し、第２段圧縮機１４は、最終圧縮室２０が形成される板体１８Ａの面積が大きくなるように、最終圧縮室２０の範囲Ａ2の直径寸法Ｄ2を、第１段圧縮機２の直径寸法Ｄ1よりも大きな寸法としている。これにより、最も高温になる最終圧縮室２０は、板体１８Ａの広い範囲に形成できるから、板体１８Ａ、ラップ１８Ｂの熱は、多くの冷却フィン１８Ｄから効率よく放出することができ、板体１８Ａ、ラップ１８Ｂ等を積極的に冷却することができる。同様に、旋回スクロール１９でも、最終圧縮室２０が形成される板体１９Ａの面積を大きくしているから、閉塞空間１６を流れる圧縮空気によって板体１９Ａ、ラップ１９Ｂ等を冷却することができる。

さらに、各スクロール１８，１９のラップ１８Ｂ，１９Ｂは、第１段圧縮機２の各スクロール４，５のラップ４Ｂ，５Ｂの高さ寸法Ｈ1よりも小さな高さ寸法Ｈ2をもって形成している。これにより、温度変化、圧力差等によってラップ１８Ｂ，１９Ｂに負荷が作用した場合でも、ラップ１８Ｂ，１９Ｂの根元部分の強度を高めることができ、変形やかじりによる損傷を防止することができる。

次に、第３段圧縮機２９では、電動モータ４０によって駆動軸３８を回転駆動し、旋回スクロール３４を旋回駆動する。このときには、固定スクロール３３のラップ３３Ｂと旋回スクロール３４のラップ３４Ｂとの間に形成される複数の圧縮室３５が空気を圧縮する。これにより、吸込口３６から吸込んだ空気は、各圧縮室３５で順次圧縮しつつ、最も高圧な最終圧縮室３５から吐出口３７を介して吐出配管４１に吐出し、外部の空気タンクに向けて供給する。

このときには、第３段圧縮機２９においても、第２段圧縮機１４とほぼ同様に、閉塞空間３１に第２段圧縮機１４からの圧縮空気を導入しているから、圧縮室３５と閉塞空間３１との圧力差を小さくでき、旋回スクロール３４の板体３４Ａが各圧縮室３５の圧力によって変形するのを防止することができる。また、導入口３２から導入した圧縮空気を、ケーシング３０の支持部材３０Ｃの空気通路３０Ｃ1、電動モータ４０の空気通路４０Ｃ、支持部材３０Ｄの空気通路３０Ｄ1を介して吸込口３６に向けて流通させているから、この圧縮空気によって電動モータ４０、旋回スクロール３４、軸受等を冷却することができる。

また、第３段圧縮機２９では、最終圧縮室３５が形成される固定スクロール３３の板体３３Ａの面積が大きくなるように、最終圧縮室３５の範囲Ａ3の直径寸法Ｄ3を、第２段圧縮機１４の直径寸法Ｄ2よりも大きな寸法としている。これにより、最終圧縮室３５が第２段圧縮機１４よりもさらに高温になる場合でも、板体３３Ａ、ラップ３３Ｂ等を積極的に冷却することができる。同様に、旋回スクロール３４でも、最終圧縮室３５が形成される板体３４Ａの面積を大きくしているから、閉塞空間３１を流れる圧縮空気によって板体３４Ａ、ラップ３４Ｂ等を冷却することができる。

さらに、各スクロール３３，３４のラップ３３Ｂ，３４Ｂは、第２段圧縮機１４の各スクロール１８，１９のラップ１８Ｂ，１９Ｂの高さ寸法Ｈ2よりも小さな高さ寸法Ｈ3をもって形成している。これにより、温度変化、圧力差等がさらに大きくなった場合でも、ラップ３３Ｂ，３４Ｂの強度を高めて変形やかじりによる損傷を防止することができる。

かくして、本実施の形態によれば、第１段圧縮機２の吐出口８から吐出される圧縮空気を、第２段圧縮機１４の旋回スクロール１９の背面に位置する閉塞空間１６に導入している。また、第２段圧縮機１４の吐出口２２から吐出される圧縮空気を、第３段圧縮機２９の旋回スクロール３４の背面に位置する閉塞空間３１に導入している。従って、旋回スクロール１９，３４の背面側の圧力を高めることができ、圧縮室２０，３５と閉塞空間１６，３１との圧力差を小さくすることができる。

この結果、旋回スクロール１９，３４の板体１９Ａ，３４Ａの変形を抑えることができ、各ラップ部１８Ｂ，１９Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂの変形やかじりを防止して、圧縮効率や信頼性を向上することができる。

また、第１段圧縮機２の次段となる第２段圧縮機１４で高圧な最終圧縮室２０が形成される固定スクロール１８の板体１８Ａの面積（直径寸法Ｄ2）を、前記第１段圧縮機２で最終圧縮室６が形成される板体４Ａの面積（直径寸法Ｄ1）よりも大きくする構成としている。これにより、最も高温になる最終圧縮室２０は、板体１８Ａの広い範囲に形成できるから、板体１８Ａ、ラップ１８Ｂの熱は、多くの冷却フィン１８Ｄから効率よく放出することができ、板体１８Ａ、ラップ１８Ｂ等を積極的に冷却することができる。同様に、旋回スクロール１９でも、最終圧縮室２０が形成される板体１９Ａの面積を大きくすることにより、閉塞空間１６を流れる圧縮空気によって板体１９Ａ、ラップ１９Ｂ等を冷却することができる。

一方、第２段圧縮機１４の次段となる第３段圧縮機２９においても、高圧な最終圧縮室３５が形成される固定スクロール３３の板体３３Ａの面積（直径寸法Ｄ3）を、前記第２段圧縮機１４で最終圧縮室２０が形成される板体１８Ａの面積（直径寸法Ｄ2）よりも大きくしている。これにより、第３段圧縮機２９による固定スクロール３３の板体３３Ａ、ラップ３３Ｂ等を積極的に冷却することができる。同様に、旋回スクロール３４の板体３４Ａ、ラップ３４Ｂ等を冷却することができる。

また、第２段圧縮機１４の各スクロール１８，１９のラップ１８Ｂ，１９Ｂの高さ寸法Ｈ2は、第１段圧縮機２の各スクロール４，５のラップ４Ｂ，５Ｂの高さ寸法Ｈ1よりも小さな寸法に設定している。また、第３段圧縮機２９の各スクロール３３，３４のラップ３３Ｂ，３４Ｂの高さ寸法Ｈ3は、第２段圧縮機１４の各スクロール１８，１９のラップ１８Ｂ，１９Ｂの高さ寸法Ｈ2よりも小さな寸法に設定している。これにより、ラップ１８Ｂ，１９Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂの根元部分の強度を高めることができるから、温度変化、圧力差等によってラップ１８Ｂ，１９Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂに負荷が作用した場合でも、変形やかじりによる損傷を防止することができる。

さらに、第２段圧縮機１４のケーシング１５には、第１段圧縮機２から吐出された圧縮空気を閉塞空間１６に導入する導入口１７を設けているから、導入口１７から導入した圧縮空気によって電動モータ２５、旋回スクロール１９、軸受等を冷却することができる。また、第３段圧縮機２９のケーシング３０においても、導入口３２から導入した圧縮空気によって電動モータ４０、旋回スクロール３４、軸受等を冷却することができる。

なお、実施の形態では、第１段圧縮機２の次段となる第２段圧縮機１４で高圧な最終圧縮室２０が形成される固定スクロール１８の板体１８Ａの面積（直径寸法Ｄ2）を、第１段圧縮機２で最終圧縮室６が形成される板体４Ａの面積（直径寸法Ｄ1）よりも大きくする構成としている（Ｄ2＞Ｄ1）。また、第２段圧縮機１４の次段となる第３段圧縮機２９で高圧な最終圧縮室３５が形成される固定スクロール３３の板体３３Ａの面積（直径寸法Ｄ3）を、第２段圧縮機１４で最終圧縮室２０が形成される板体１８Ａの面積（直径寸法Ｄ2）よりも大きくする構成としている（Ｄ3＞Ｄ2）大きくしている。このように、実施の形態では、第１段圧縮機２の圧縮室６の温度よりも第２段圧縮機１４の圧縮室２０の温度が高くなり、第２段圧縮機１４の圧縮室２０の温度よりも第３段圧縮機２９の圧縮室３５の温度が高くなると想定して面積の大きさを決定している（Ｄ3＞Ｄ2＞Ｄ1）。

しかし、本発明はこれに限らず、例えば第２段圧縮機で高圧な最終圧縮室が形成される固定スクロールの板体の面積を、第１段圧縮機で最終圧縮室が形成される板体の面積以下に設定してもよい。または、第３段圧縮機で高圧な最終圧縮室が形成される固定スクロールの板体の面積を、第２段圧縮機で最終圧縮室が形成される板体の面積以下に設定してもよい。即ち、最終圧縮室が形成される板体の面積を求めるための直径寸法Ｄ1，Ｄ2，Ｄ3の関係は、Ｄ2＞Ｄ1、Ｄ3＞Ｄ2、Ｄ3＞Ｄ1の関係のうち少なくとも１つを満たすものであればよいものである。

また、第１段圧縮機２の各スクロール４，５のラップ４Ｂ，５Ｂの高さ寸法Ｈ1と、第２段圧縮機１４の各スクロール１８，１９のラップ１８Ｂ，１９Ｂの高さ寸法Ｈ2と、第３段圧縮機２９の各スクロール３３，３４のラップ３３Ｂ，３４Ｂの高さ寸法Ｈ3との関係についても、Ｈ2＜Ｈ1、Ｈ3＜Ｈ2、Ｈ3＜Ｈ1の関係のうち少なくとも１つを満たすものであればよいものである。

また、実施の形態では、第１段圧縮機２を電動モータが別体となったスクロール式の空気圧縮機により構成した場合を例示している。しかし、本発明はこれに限らず、例えば駆動モータが一体に設けられたスクロール式の空気圧縮機により構成してもよい。

一方、第２段，第３段圧縮機１４，２９を電動モータ２５，４０が一体に設けられたスクロール式の空気圧縮機により構成した場合を例示したが、電動モータが別体となったスクロール式の空気圧縮機により構成してもよい。

さらに、実施の形態では、多段スクロール昇圧装置１を、流体として空気を圧縮する３台のスクロール式の圧縮機２，１４，２９により構成した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば多段スクロール昇圧装置を、２台または４台以上の圧縮機によって構成してもよい。また、冷媒等の流体を圧縮する圧縮機を用いる構成としてもよい。

以上の実施の形態で述べたように、請求項１の発明によれば、前段の圧縮機の吐出口から吐出される圧縮流体を、次段の圧縮機に設けられた旋回スクロールの背面に位置する閉塞空間に導入しているから、旋回スクロールの背面側の圧力を高めることができ、圧縮室と閉塞空間との圧力差を小さくすることができる。この結果、旋回スクロールの板体の変形を抑えることができ、各ラップ部の変形やかじりを防止して、圧縮効率や信頼性を向上することができる。

請求項２の発明によれば、最も高温になる最終圧縮室は、スクロールの板体の広い範囲に形成できるから、板体、ラップの熱を効率よく放出することができ、板体、ラップ等を積極的に冷却することができる。

請求項３の発明によれば、スクロールのラップの根元部分の強度を高めることができるから、温度変化、圧力差等によってラップに負荷が作用した場合でも、変形やかじりによる損傷を防止することができる。

請求項４の発明によれば、導入口から導入した圧縮空気を吸込口に向けて流通させることにより、ケーシング内の旋回スクロール、軸受等を冷却することができる。

１ 多段スクロール昇圧装置
２ 第１段目のスクロール式の圧縮機
３，１５，３０ ケーシング
４，１８，３３ 固定スクロール
４Ａ，５Ａ，１８Ａ，１９Ａ，３３Ａ，３４Ａ 板体
４Ｂ，５Ｂ，１８Ｂ，１９Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂ ラップ
５，１９，３４ 旋回スクロール
６，２０，３５ 圧縮室
７，２１，３６ 吸込口
８，２２，３７ 吐出口
１１ 第１の接続配管
１４ 第２段目のスクロール式の圧縮機
１６，３１ 閉塞空間
１７，３２ 導入口
２６ 第２の接続配管
２９ 第３段目のスクロール式の圧縮機
Ａ1，Ａ2，Ａ3 最終圧縮室が形成される面積の範囲
Ｄ1，Ｄ2，Ｄ3 最終圧縮室が形成される面積の範囲の直径寸法
Ｈ1，Ｈ2，Ｈ3 ラップ高さ寸法

Claims (4)

1. ケーシングと、該ケーシングに固定され板体に渦巻状のラップが立設された固定スクロールと、板体に該固定スクロールのラップと重なる渦巻状のラップが立設された旋回スクロールと、前記固定スクロールのラップと旋回スクロールのラップとの間に連続して形成され旋回スクロールが旋回する間に吸込口から吸込んだ流体を吐出口から吐出する圧縮室とを備えたスクロール式の圧縮機を複数台有し、
   前記複数台の圧縮機のうち前段の圧縮機の吐出口と次段の圧縮機の吸込口とを直列に接続し、
   前記前段の圧縮機の吐出口から吐出される圧縮流体を、前記次段の圧縮機に設けられた前記旋回スクロールの背面に位置する閉塞空間に導入し、
   前記前段の圧縮機で圧縮された圧縮流体を次段の圧縮機によって再び昇圧し次段の圧縮機の吐出口から吐出する構成としてなる多段スクロール昇圧装置。
2. 前記次段の圧縮機で最終圧縮室が形成される前記板体の面積は、前記前段の圧縮機で最終圧縮室が形成される板体の面積よりも大きくする構成としてなる請求項１に記載の多段スクロール昇圧装置。
3. 前記次段の圧縮機の固定スクロールと旋回スクロールのラップ高さ寸法は、前記前段の圧縮機の固定スクロールと旋回スクロールのラップ高さ寸法よりも小さな寸法に設定してなる請求項１または２に記載の多段スクロール昇圧装置。
4. 前記次段の圧縮機のケーシングは前記閉塞空間を形成するための密閉容器からなり、当該ケーシングには前記前段の圧縮機から吐出された圧縮流体を前記閉塞空間に導入する導入口を設け、該導入口から前記閉塞空間に導入された圧縮流体を再び圧縮して吐出する構成としてなる請求項１，２または３に記載の多段スクロール昇圧装置。

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