JP5596577B2 - スクロール式流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、例えば圧縮機として用られるスクロール式流体機械に関する。

一般にスクロール式流体機械は、流体の圧縮熱により固定スクロールおよび旋回スクロールのラップ部に変形が生じるため、旋回スクロールと固定スクロールのラップ部が接触し、摩耗や騒音発生による信頼性低下の原因となる。

特許文献１には高温となり変形の大きい冷却風下流側のラップ歯厚を薄くし、ラップ間の隙間を大きくすることで接触を防ぐスクロール式流体機械が開示されている。

特許文献２には固定スクロールの外周部にある旋回スクロールとの摺動面に内周側溝と外周側溝と連絡溝とを形成したスクロール圧縮機が開示されている。

特開２００３−９７４６２号公報 特開２００８−５１０３４号公報

特許文献１に開示されたスクロール式流体機械は、固定スクロールのフランジがケーシングに締結されているため固定スクロール鏡板は熱膨張により湾曲し、ラップが内側に倒れる。この変形はフランジと一体となる最外周側で最も大きいため、内周側と比較してラップ接触防止のための加工を大きくする必要がある。この加工は、圧縮機が最高使用圧力付近で連続運転された場合に達する最高温度での最大変形量で決定されるため、圧縮機起動直後や運転と停止を繰り返す断続運転など、ラップが想定される最高温度に達さない運転モードではラップ間の隙間が大きく、圧縮効率を維持することができない。

特許文献２に開示されたスクロール圧縮機は、固定スクロールの外周部にある旋回スクロールとの摺動面に形成された内周側溝、外周側溝、連絡溝の裏側には凸部が形成されていない。そのため、固定スクロール鏡板が熱膨張した場合にフランジ部において熱膨張による変形を吸収することができず、ラップが内側に倒れ、旋回スクロールのラップ部と接触が生じる。そのため、信頼性を確保するために、例えば、特許文献１のようにラップ接触防止のための加工をする必要があり、圧縮効率を維持することができない。

上記問題点に鑑み、本発明では、固定スクロールと旋回スクロールとのラップ部の隙間を大きくせずに両者のラップ部の接触を防止することにより圧縮効率を維持しつつ信頼性を向上させたスクロール式流体機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の観点における本発明は、ケーシングと、鏡板と、前記鏡板に設けられた渦巻状のラップ部と、前記ラップ部よりも外側に設けられ、前記ケーシングに取り付けられるフランジとを有する固定スクロールと、鏡板と、前記固定スクロールのラップ部との間に複数の圧縮室を形成し、前記鏡板に設けられ、渦巻状のラップ部とを有し、旋回可能に設けられた旋回スクロールとを備え、前記フランジに前記鏡板の熱膨張による変形を吸収する変形吸収部を設けたことを特徴とするスクロール式流体機械を提供する。

本発明によれば固定スクロールと旋回スクロールとのラップ部の隙間を大きくせずに両者のラップ部の接触を防止することにより圧縮効率を維持しつつ信頼性を向上させたスクロール式流体機械を提供することができる。

スクロール式流体機械の断面図 スクロール式流体機械の冷却風流れ図 本発明の実施例１に係る固定スクロールの正面図 本発明の実施例１に係る固定スクロールの背面図 凹陥溝を設けない場合の固定スクロールの熱変形を示す図 凸部を設けない場合の固定スクロールの熱変形を示す図 本発明の実施例１に係る固定スクロールの熱変形を示す図 本発明の実施例２に係る固定スクロールの断面図 フランジに傾斜部を設けない構造の固定スクロールの冷却風の流れを示す図 本発明の実施例２に係る発明による冷却風の流れを示す図 固定スクロールの周囲を流れる冷却風の速度の解析結果を示す図 本発明の実施例３に係る固定スクロールの背面図 本発明の実施例３に係る固定スクロールの背面図

以下、本発明の実施例による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、添付図面に従って詳細に説明する。

本発明の実施例１を図１−７を用いて説明する。

図１に本実施例におけるスクロール式流体機械の断面図を示す。図２に図１と別角度から見た本実施例におけるスクロール式流体機械の断面図を冷却風の流れとともに示す。図３に本実施例における鏡板３のラップ部４が設けられた面から見た固定スクロール２の図を示す。図４に本実施例における図３の裏側から見た固定スクロール２の図を示す。

スクロール式空気圧縮機のケーシング１は、筒状に形成されると共に、その内部に後述の駆動軸１５を回転可能に支持している。

ケーシング１の開口側に設けられた固定スクロール２は、図１に示すように、軸線Ｏ−Ｏを中心として略円板状に形成された鏡板３と、該鏡板３の表面となる歯底面に軸方向に立設された渦巻状のラップ部４と、該ラップ部４を取囲んで鏡板３の外径側に設けられた筒状の外周壁部５と、鏡板３の背面に突設された複数の冷却フィン６とによって大略構成されている。

ここで、ラップ部４は、例えば最内径端を巻始め端として、最外径端を巻終り端としたときに、内径側から外径側に向けて例えば３巻前，後の渦巻状に巻回されている。そして、ラップ部４の歯先面は、相手方となる旋回スクロール８の鏡板９の歯底面から一定の軸方向寸法だけ離間している。

また、ラップ部４の歯先面には、ラップ部４の巻回方向に沿ってシール溝４Ａが設けられ、該シール溝４Ａ内には、旋回スクロール８の鏡板９に摺接するシール部材としてのチップシール７が設けられている。さらに、外周壁部５は、略円形状をなして固定スクロール２の端面に開口している。そして、外周壁部５は、旋回スクロール８のラップ部１０との干渉を避けるため、ラップ部１０の外径側に配置されている。

ケーシング１内に旋回可能に設けられた旋回スクロール８は、固定スクロール２の鏡板３と対向して配置された略円板状の鏡板９と、該鏡板９の表面となる歯底面に立設された渦巻状のラップ部１０と、鏡板９の背面に突設された複数の冷却フィン１１と、該冷却フィン１１の先端側に位置して固定された背面プレート１２とによって大略構成されている。

ここで、ラップ部１０は、固定スクロール２のラップ部４とほぼ同様に、例えば３巻前後の渦巻状をなしている。そして、ラップ部１０の歯先面は、相手方となる固定スクロール２の鏡板３の歯底面から一定の軸方向寸法だけ離間している。また、ラップ部１０の歯先面には、ラップ部１０の巻回方向に沿ってシール溝１０Ａが設けられ、該シール溝１０Ａ内には、固定スクロール２の鏡板３に摺接するシール部材としてのチップシール１３が設けられている。

また、背面プレート１２の中央側には、旋回軸受等を介して駆動軸１５のクランク部１５Ａと回転可能に連結される筒状のボス部１４が一体形成されている。このとき、駆動軸１５の一端側には、ケーシング１の外部に位置してプーリ１５Ｂが設けられ、このプーリ１５Ｂは、例えば駆動源としての電動モータの出力側にベルト（いずれも図示せず）等を介して連結されている。これにより、駆動軸１５は、電動モータ等によって回転駆動し、固定スクロール２に対して旋回スクロール８を旋回運動させるものである。

また、プーリ１５Ｂにはボルト等を用いて冷却ファン１６が取付けられ、該冷却ファン１６は、ファンケーシング１７内で冷却風を発生させる。これにより、図２に示すように冷却ファン１６は、冷却風をファンケーシング１７内のダクト等に沿ってケーシング１の内部や各スクロール２，８の背面側に送風し、ケーシング１、固定スクロール２、旋回スクロール８等を冷却する。

さらに、背面プレート１２の外径側とケーシング１との間には、旋回スクロール８の自転を防止する例えば３個の補助クランク１８（１個のみ図示）が設けられている。

固定スクロール２と旋回スクロール８との間に設けられた複数の圧縮室１９は、ラップ部４，１０の間に位置して外径側から内径側にわたって順次形成され、チップシール７，１３によって気密に保持されている。そして、各圧縮室１９は、旋回スクロール８が順方向に旋回運動するときに、ラップ部４，１０の外径側から内径側に向けて移動しつつ、これらの間で連続的に縮小される。

これにより、各圧縮室１９のうち最外径側に位置する圧縮室１９Ａには、後述する吸込口２０から外部の空気が吸込まれ、この空気は最内径側に位置する圧縮室１９Ｂに達するまでに圧縮されて圧縮空気となる。そして、この圧縮空気は吐出口２２から吐出され、外部の貯留タンク（図示せず）に貯えられる。

固定スクロール２の外径側に設けられた吸込口２０は、鏡板３の外径側から外周壁部５にかけて開口し、最外径側に位置する圧縮室１９Ａに連通している。また、吸込口２０は、固定スクロール２の鏡板３のうち旋回スクロール８のラップ部１０の外径側に位置して、チップシール１３が摺接しない範囲（非摺動領域）に開口している。そして、吸込口２０は、例えば大気圧の空気を吸込フィルタ２１を通じて最外径側に位置する圧縮室１９Ａ内に吸込むものである。

なお、吸込口２０は、加圧された空気を吸込む構成としてもよい。この場合、吸込フィルタ２１を取外して、加圧空気が供給される配管に吸込口２０を接続する構成としてもよい。

固定スクロール２の鏡板３の内径側（中心側）に設けられた吐出口２２は、最内径側に位置する圧縮室１９Ｂに連通し、この圧縮室１９Ｂ内の圧縮空気を外部に吐出させるものである。

ラップ部４より外周側に位置するフランジ２４は、固定スクロール２をケーシング１に固定するものである。

旋回スクロール８の鏡板９と対面する固定スクロール２の端面に設けられたフェイスシール溝２５は、外周壁部５の外径側に位置し、外周壁部５を取囲む円環状に形成されている。また、フェイスシール溝２５内には円環状のフェイスシール２６が取付けられている。そして、フェイスシール２６は、固定スクロール２の端面と旋回スクロール８の鏡板９との間を気密にシールし、これらの間から外周壁部５内に吸込んだ空気が漏れるのを防止している。

固定スクロール２のフランジ２４の旋回スクロール８に対向する面に設けられた凹陥溝２７は、ケーシング１の取り付けられる部分よりも内側に設けられている。凸部２８は、凹陥溝２７の裏側に設けられている。凹陥溝２７と凸部２８とで鏡板３の熱膨張による変形を吸収する変形吸収部が形成され、ラップ部４の最外周部が内周側に倒れる変形を防止することができる。

本実施例によるスクロール式空気圧縮機は上述したような構成を有するもので、次に、このスクロール式空気圧縮機の動作について説明する。

まず、電動モータ等の駆動源（図示せず）により駆動軸１５を回転駆動すると、旋回スクロール８は、自転防止機構によって自転が防止された状態で、駆動軸１５の軸線Ｏ−Ｏを中心として旋回運動を行ない、固定スクロール２のラップ部４と旋回スクロール８のラップ部１０間に画成される圧縮室１９は連続的に縮小する。これにより、固定スクロール２の吸込口２０から吸込んだ空気は各圧縮室１９で順次圧縮しつつ、固定スクロール２の吐出口２２から圧縮空気として外部のタンク（図示せず）に向け吐出することができる。

図５、６、７を用いて、圧縮運転によって発生する熱による固定スクロール２の変形について説明する。図５−７は、鏡板３を上、ラップ部４を下にして固定スクロール２を見たときの断面図である。を図５は凹陥溝２７、凸部２８をフランジ２４に設けない場合の固定スクロール２の熱変形を示す図である。図６は凹陥溝２７をフランジ２４に設け、凸部２８をフランジ２４に設けない場合の固定スクロール２の熱変形を示す図である。図７は、本実施例における固定スクロール２の熱変形を示す図である。

図５に示されるように、フランジ２４には凹陥溝２７、凸部２８を設けなかった場合、固定スクロール２の鏡板３は、熱膨張により図５の右方向へ変形する。一方鏡板３の熱膨張に対して固定スクロール２のフランジ２４がケーシング１に固定されているため、変形は抑制されて鏡板３とフランジ２４とで突っ張りを起こし鏡板３は図５に示すように湾曲してラップ４が内側に倒れる。この変形はフランジ２４と一体となる最外周側で最も大きくなる。この変形による固定スクール２のラップ４と旋回スクロール８のラップ１０との接触を防止するために、例えば、特許文献１に示されるように、歯厚を熱変形量分薄くする加工を行い、ラップ８，１０間に適正な隙間を設けることで対応している。この隙間の大きさは、圧縮機が最高使用圧力付近で連続運転された場合に達する最高温度での最大変形量で決定されるため、冷間からの圧縮機起動直後や運転と停止を繰り返す断続運転など、ラップ４、１０が想定される最高温度に達さない運転モードではラップ４、１０間の隙間が大きくなり、圧縮効率を悪化させる原因となっていた。

ここで、図６に示されるようにフランジ２４に凹陥溝のみを設け、凸部を設けなかった場合、フランジ２４の剛性が高く、熱膨張による固定スクロール２の変形を吸収することができない。また、剛性を低くするために凹陥溝を深く形成した場合、凹陥溝の部分が旋回スクロール８に向けて（図６の下方向に向けて）反るように変形するため、フランジ２４の突っ張りを逃がすことができず、ラップ４が内側に倒れることを防止することができない。

そこで、本実施例では、図７に示すように固定スクロール２のフランジ２４に凹陥溝２７を設け、さらに凹陥溝２７に対向する部分に凸部２８を設けた。フランジ２４の凹陥溝２７は旋回スクロール８と対向する面に設けられ、フランジ２４の凹陥溝２７が設けられた部分の裏側はフランジ２４の外縁部よりも旋回スクロール８と反対側に突出している。凹陥溝２７と凸部２８とで構成される部分が旋回スクロール８と反対側に向けて（図７の上方向に向けて）反るように変形することで、鏡板３の熱膨張による変形とフランジ２４とでの突っ張りを逃がして鏡板３の湾曲を軽減し、ラップ４が内側に倒れることを防止することができる。これにより、前述のラップ接触防止のための加工を小さくすることができ、前述のラップ４、１０が最高温度に達さない運転モードでもラップ間の隙間を最小限に維持することが可能となり圧縮機の性能向上が可能である。

なお、図４に示すように、凹陥溝２７、凸部２８は、フランジ２４の全周にわたって設けずに、固定スクロール２の中心から冷却フィン６が延びる方向と交わる所定の角度範囲内に設けた。冷却フィン６が延びる方向よりも冷却フィン６が延びる方向と垂直方向において鏡板３の剛性が高くなる。従って、冷却フィン６が延びる方向における熱膨張は冷却フィン６が延びる方向と垂直方向における熱膨張よりも大きくなる。このため、図４に示すように特に熱膨張が大きくなる固定スクロール２の中心から冷却フィン６が延びる方向と交わる所定の角度範囲内にのみ凹陥溝２７、凸部２８を設けることにより、少ない加工で熱膨張による影響を抑制できる。

本発明の実施例２を図８−１１を用いて説明する。本実施例の特徴は、実施例１の凸部２８を鏡板３の端部とフランジ２４とを滑らかに繋ぐ傾斜部２３としたことで、後述の通り固定スクロール２背面の冷却風が渦を発生することなく流れることで冷却効率を改善したことである。

図８は、鏡板３を上、ラップ部４を下にして本実施例における固定スクロール２を見たときの断面図である。本実施例では図８に示すように鏡板３の熱膨張による変形を吸収する変形吸収部を鏡板３の端部とフランジ２４とを滑らかに繋ぐ傾斜部２３と凹陥溝２７とで形成した。なお、凹陥溝２７の溝底も傾斜部２３にならい傾斜している。これにより、鏡板３が横方向に熱膨張しても、傾斜部２３の横方向における剛性が低くなっているため、実施例１と同様に鏡板３の熱膨張による変形とフランジ２４とでの突っ張りを逃がして鏡板３の湾曲を軽減し、ラップ４が内側に倒れることを防止することができる。

さらに、本実施例では冷却ファン１６によって発生し、ファンケーシング１７内のダクト等に沿って固定スクロール背面に到達した冷却風は、図１０に示すように鏡板３の背面部とフランジ部２４を滑らかに結ぶ傾斜部２３に沿って流れる。従って、本実施例では実施例１の効果に加え、図１０にしめすように傾斜部２３を設けない構造にて生じる渦による阻害なく、また固定スクロール２の鏡板３付近を流れることが可能となり、効率のよい冷却を行うことができる。

一方、図９に示す傾斜部２３を設けない構造では冷却ファン１６によって発生され、ファンケーシング１７内のダクト等に沿って固定スクロール背面に到達した冷却風は、鏡板３の背面部とフランジ２４との段差部によって生じる渦により流れを阻害されると同時に、固定スクロール２の鏡板３から離れた部分を流れるため、効率のよい冷却を行うことができない。

図１１にファンケーシング１７および固定スクロール２に同条件の冷却風を流入させた場合における、固定スクロール２の周囲の冷却風の流速に関する２次元モデルを示す。図１１では、色が薄くなるほど冷却風の流速が速く、色が濃くなるほど冷却風の流速が遅くなっている。傾斜部２３を設けない構造の固定スクロール２を図１１の上に、鏡板３の背面部とフランジ２４との段差部に滑らかな傾斜部２３を設けた固定スクロール２を図１１の下に示す。

傾斜部２３を設けない構造の固定スクロール２では、鏡板３の背面部とフランジ２４との段差部に渦が発生し、図１１の上の図からわかるようにまた鏡板３から離れた部分の流速が速くなっているが、鏡板３付近の流速は速くなっていない。一方で鏡板３の背面部とフランジ２４との段差部に滑らかな傾斜部２３を設けた場合は、図１１の下の図からわかるよう冷却風は傾斜部２３に沿って流れ、鏡板３付近の流速が傾斜部２３を設けない構造の場合よりも速くなっている。

そのため本実施例においては、圧縮運転によって発生する熱による固定スクロール２の変形が小さくなり、鏡板３とフランジ２４とで突っ張りが減少することから前述のラップ接触防止のための加工をさらに小さくすることができるため、前述のラップ４、１０が想定される最高温度に達さない運転モードでも圧縮機の性能向上が可能である。

また、図４に示すとおり、本実施例でも実施例１と同様に、凹陥溝２７、凸部２８、傾斜部２３は、フランジ２４の全周にわたって設けずに、固定スクロール２の中心から冷却フィン６が延びる方向と交わる所定の角度範囲内に設けた。これにより、固定スクロール２の鏡板３の背面部の冷却風は、複数の冷却フィン６の間を沿って流れるため、効率よく固定スクロール２の鏡板３の背面部に冷却風を流通させることができる。また、傾斜部２３をフランジ２４の全周にわたって設けずに一部に設けるようにしたため、製品の重量の増加を抑制することができる。

本発明の実施例３を図１２−１３を用いて説明する。本実施例の特徴は、図１２に示すように前述の凹陥部２７と裏側の凸部２８もしくは傾斜部２３を、冷却風の流入側のフランジ２４と、その反対側に位置するフランジの両方に設けたことで、実施例１および実施例２で説明した効果をより大きく得られるようにしたことである。

また図１３に示すように凹陥溝２７と裏側の凸部２８もしくは傾斜部２３を、冷却を最も行いたい一部のみに傾斜部２３を設けることで前述の冷却風流れの改善を熱変形防止が必要となる部分にのみ行うことができ、簡易な構成で前述の運転モードでの圧縮機の性能向上が可能である。

また、傾斜部２３を別部材にて構成することで、同じ固定スクロールを使用する違う出力の製品では別部材にて構成する傾斜部２３の数量の変更や、傾斜そのものを変更することも可能であり、効果的に熱変形を防止することができる。さらに、傾斜２３を別部材例えば固定スクロールより比重が軽い樹脂材料等にて構成することで、前述の効果を得るとともに、製品の重量増を防ぐことも可能である。

前記各実施例では、スクロール式流体機械としてスクロール式空気圧縮機に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、真空ポンプ等の他のスクロール式流体機械に適用してもよい。また、スクロール式流体機械を備えたタンク一体型パッケージ圧縮機や窒素ガス発生装置といったシステムに適用してもよい。

これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、実施例１乃至３を組み合わせることにより本発明を実施してもよい。

１ ケーシング
２ 固定スクロール
３，９ 鏡板
４，１０ ラップ部
５ 外周壁部
６，１１ 冷却フィン
７，１３ チップシール
８ 旋回スクロール
１２ 背面プレート
１４ ボス
１５ 駆動軸
１６ 冷却ファン
１７ ファンケーシング
１８ 補助クランク
１９ 圧縮室
２０ 吸込口
２１ 吸込フィルタ
２２ 吐出口
２３ 固定スクロール傾斜部
２４ フランジ
２５ フェイスシール溝
２６ フェイスシール
２７ 凹溝部
２８ 固定スクロール凸部

Claims (14)

1. ケーシングと、
   鏡板と、前記鏡板に設けられた渦巻状のラップ部と、前記ラップ部よりも外側に設けられ、前記ケーシングに取り付けられるフランジとを有する固定スクロールと、
   鏡板と、前記固定スクロールのラップ部との間に複数の圧縮室を形成し、前記鏡板に設けられた渦巻状のラップ部とを有し、旋回可能に設けられた旋回スクロールとを備え、
   前記フランジに前記鏡板の熱膨張による変形を吸収する変形吸収部を設けたことを特徴とするスクロール式流体機械。
2. 前記変形吸収部は前記フランジの前記旋回スクロールに対向する面に設けられた凹陥溝と、前記凹陥溝の裏側に設けられた凸部とにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のスクロール式流体機械。
3. 前記固定スクロールおよび前記旋回スクロールを冷却する冷却ファンを備えることを特徴とする請求項１に記載のスクロール式流体機械。
4. 前記変形吸収部は鏡板の端部と前記フランジとを繋ぐ傾斜部と前記フランジの前記旋回スクロールに対向する面に設けられた凹陥溝とにより形成されることを特徴とする請求項３に記載のスクロール式流体機械。
5. 冷却風の流入側のフランジと、その反対側に位置するフランジの両方に前記傾斜部を設けたことを特徴とする請求項４に記載のスクロール式流体機械。
6. 前記固定スクロールの前記鏡板の背面に複数の冷却フィンを設けることを特徴とする請求項４に記載のスクロール式流体機械。
7. 前記固定スクロールの中心を囲む円環状の範囲のうち、前記冷却フィンと交差する一部の角度範囲内に前記傾斜部を形成することを特徴とする請求項６に記載のスクロール式流体機械。
8. ケーシングと、
   前記ケーシングに取り付けられるフランジを有する固定スクロールと、
   前記固定スクロールと対向して旋回可能に設けられた旋回スクロールとを備え、
   固定スクロールの前記フランジの前記旋回スクロールに対向する面に凹陥溝を設け、前記凹陥溝の裏側は前記フランジの外縁部よりも前記旋回スクロールと反対側に突出していることを特徴とするスクロール式流体機械。
9. 前記凹陥溝は前記フランジの前記ケーシングと取り付けられる部分よりも内側に設けられることを特徴とする請求項８に記載のスクロール式流体機械。
10. ケーシングと、
    前記ケーシングに取り付けられるフランジを有する固定スクロールと、
    前記固定スクロールと対向して旋回可能に設けられた旋回スクロールとを備え、
    固定スクロールの前記フランジの前記旋回スクロールに対向する面に凹陥溝を設け、前記フランジの前記旋回スクロールに対向する面の裏側を傾斜部としたことを特徴とするスクロール式流体機械。
11. 前記固定スクロールおよび前記旋回スクロールを冷却する冷却ファンを備えることを特徴とする請求項１０に記載のスクロール式流体機械。
12. 冷却風の流入側のフランジと、その反対側に位置するフランジの両方に前記傾斜部を設けたことを特徴とする請求項１１に記載のスクロール式流体機械。
13. 前記固定スクロールの前記旋回スクロールと対向する面と反対側の面に複数の冷却フィンを設けることを特徴とする請求項１１に記載のスクロール式流体機械。
14. 前記固定スクロールの中心を囲む円環状の範囲のうち、前記冷却フィンと交差する一部の角度範囲内に前記傾斜部を形成することを特徴とする請求項１３に記載のスクロール式流体機械。
    
    

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