JP6086659B2

JP6086659B2 - スクロール膨張機

Info

Publication number: JP6086659B2
Application number: JP2012112572A
Authority: JP
Inventors: 厚宇波; 藤岡　完; 完藤岡
Original assignee: Anest Iwata Corp
Current assignee: Anest Iwata Corp
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: CN203239398U; JP2013238188A

Description

本発明は、固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせて膨張室を形成し、その膨張室の容積変化により、吸入、膨張、吐出を行うスクロール膨張機に関し、特にシール機構に関するものである。

近年、省エネ志向が浸透し、再生可能エネルギー特別措置法が成立するなど、小型発電のニーズと市場は広がりつつある。一方、太陽光発電や風力発電は、未だ費用対効果が向上していない。他方、７５〜１５０℃の高温水や蒸気を熱源に用い、低沸点の作動媒体を介して小型発電機を駆動させるバイナリー発電システムが開発されている。このような動きの中で、スクロール膨張機は、トルク変動が少ないことから、小型発電システムに好適な装置として注目されている。

一般に、スクロール流体機械は、端板の内面に渦巻状のラップ部が立設された固定スクロールと、該固定スクロールに対向して設けられ、端板の内面に該固定スクロールのラップ部との間で複数の圧縮室を画成するように渦巻状のラップ部が立設された旋回スクロールとによって構成されている。また、旋回スクロールおよび固定スクロールのラップ部には該ラップ部の先端に沿って渦巻状に延びる凹溝が設けられると共に、該凹溝内には相手方の内面に摺接するシール部材が装着されている。（特許文献１参照）

ところで、固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成される各圧縮室はその容積がシール部材の外周端側から内周端側に向けて漸次小さくなり、これらの圧縮室内に密閉した空気は、内周端側ほど高圧に圧縮されているため、シール部材は内周端側ほど強い力で先端面へ押付けられた状態で摺接することになり、その結果、内周端側が早期に摩耗しやすいという問題があった。

このように構成されたスクロール流体機械では、渦巻状のラップ部の先端と端板との間をシールするシール部材の耐摩耗性を高めるために種々の対策がなされている。

例えば、特許文献２に記載されたスクロール流体機械は、シール部材を外周端側から内周端側に向けてその硬度が漸次高くなるように形成するとともに耐熱限界温度も漸次高くなるように形成している。このように構成したことにより、圧縮工程で高温になるシール部材の中央部の耐摩耗性を確実に高めることができ、その寿命を延ばすことができる。

しかしながら、スクロール流体機械が膨張機の場合、固定スクロールの中央部に導入された高圧の作動媒体が、例えば、高圧水蒸気である場合、高圧水蒸気はガスポケットに供給され、作動媒体の圧力によって旋回スクロールを旋回させるので、膨張工程での作動媒体の液化により、シール部材の外周端側の摩耗が促進される傾向がある。そのため、特許文献２に記載のシール部材をスクロール膨張機に適用することは困難であった。

また、特許文献３に記載されたスクロール流体機械は、組立時における軸方向隙間を容易に設定でき、しかも運転時におけるスクロール部材中央部の熱膨張による不具合を解消したシール部材を開示している。具体的には、シール溝の外周端側が溝深さ寸法よりも大きいシール部材を配置し、シール溝の内周端側が溝深さよりも小さいシール部材を配置することを特徴とするものである。
すなわち、特許文献３の発明では圧縮工程によりスクロール部材の中央部が熱膨張するため、予めシール部材の内周端側の寸法を小さくすることで対応しているが、スクロール膨張機での適用は検討されていない。

特開平３−１１１０１号公報特開平９−３２７５７号公報実公平３−５４７号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、シール部材の耐久性を改善したスクロール膨張機の提供を目的とする。

本発明に係るスクロール膨張機では、上記課題を解決するため、固定端板の内面に渦巻状のラップ部が立設された固定スクロールと、該固定スクロールに対向して設けられ、旋回端板の内面に該固定スクロールのラップ部との間で複数の膨張室を画成するように渦巻状のラップ部が立設された旋回スクロールとを備え、各ラップ部には、該ラップ部の先端に沿って内周端側から外周端側に向けて延びる凹溝を形成するとともに、該凹溝内には相手方の内面に摺接するシール部材を装着し、前記膨張室内に流入した作動媒体の膨張により、該旋回スクロールを回転させるスクロール膨張機において、前記凹溝は、内周端側から外周端側に向けてその深さが段階的に増すように段差が設けられているとともに、前記各シール部材は、渦巻状の凹溝に沿って内周端側から外周端側に向けてその厚さが段階的に増すように形成した点に技術的な特徴がある。

上記構成において、前記シール部材の厚さを、内周端側から外周端側へと段階的に増していくように形成しても良い。

上記構成において、前記シール部材の厚さを、内周端側から外周端側へと連続的に増していくように形成しても良い。

また、上記構成において、前記シール部材を、段差をつけて厚さを変える方法でも良い。（図３参照）

さらに、上記構成において、前記シール部材を、厚さが異なるものを用意して組み合わせて使用しても良い。（図４参照）

本発明に係るスクロール膨張機では、上記構成を採用したことにより、以下のような効果が得られる。
（１）ラップ部の内周端側から外周端側に向けて凹溝の深さを漸増させるとともに、この凹溝に装着するシール部材をその厚さが漸次増すように形成したことにより、高圧の作動媒体が膨張室内に導入され、シール部材の外周端側に高圧が作用し、相手方スクロールの端板に強く摺接するような場合でも、シール部材の耐摩耗性を確実に高めることができる。
（２）シール部材の寿命が延びることにより、スクロール膨張機は長時間に亘って安定した性能を得ることができる。

本発明に係るスクロール膨張機の一部縦断側面図である。本発明に係るスクロール膨張機の固定スクロールの一例を示した縦断側面図である。本発明に係るスクロール膨張機で使用するシール部材の一例と固定スクロールを示した斜視図である。本発明に係るスクロール膨張機で使用する他のシール部材と固定スクロールを示した斜視図である。

以下、図面に示した実施例により、本発明に係るスクロール膨張機の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、本発明の技術思想内での種々の変更実施はもちろん可能である。

本発明に係るスクロール膨張機の全体を図１に基づいて説明する。図１において、スクロール膨張機１は、固定スクロール２と旋回スクロール３とを備え、それらが対向配置されている。固定スクロール２は、固定端板４および固定端板４からスクロール膨張機１の軸方向ａに向けて立設された渦巻状のラップ部５とを備えている。旋回スクロール３は、旋回端板６および旋回端板６から軸方向ａに向けて立設された渦巻状のラップ部７とを備えている。これらのラップ部５とラップ部７とは、渦巻の複数の個所で直線で接触し、固定端板４、旋回端板６、ラップ部５およびラップ部７とにより複数の膨張室ｅが形成される。複数の膨張室ｅはラップ部５、７の両側で渦巻の外周側に向かって形成される。

旋回スクロール３の中心軸８は、クランク軸９に対して偏心した位置に取り付けられ、これによりクランク軸９に対して偏心した状態で公転運動を行う。旋回スクロール３は、自転防止機構１０に連結されることにより、自転が防止されている。旋回スクロール３を囲むようにハウジング１１が設けられる。クランク軸９は、一端側で転がり軸受１１にハウジング１１を介して回転自在に支持される一方、他端側が発電機１３に接続されている。

固定スクロール２の中心部に設けられた導入孔１４から供給される高圧の作動媒体ｗが供給され、作動媒体ｗが膨張室ｅに流入すると、作動媒体ｗの膨張力によって旋回スクロール３が押し動かされて公転運動を行う。その結果、膨張室ｅの容積が増大し、それに伴って作動媒体ｗが断熱膨張する。断熱膨張した作動媒体ｗは、最終的に固定スクロール２の外周部に設けられた流出孔１５から外部に流出する。旋回スクロール３の公転運動は、クランク軸９を介して回転トルクとして取り出され、その力で発電機１３を回転させ、発電を行う。

図２は、上記スクロール膨張機の構成部材である、固定スクロールの要部（凹溝）を説明するための一部縦断側面図である。なお、旋回スクロール側における凹溝も同様であるので、図示および説明を省略する。固定スクロール２は、固定端板４の内面４ａに渦巻状のラップ部５が立設されるとともに、その先端に渦巻の内周端側から外周端側に向けてその深さが段階的（図３、図４）、または連続的（図示を省略）に増す凹溝５ａが形成されている。この場合、凹溝５ａは横断面が四角形状をなしている。そして、該凹溝５ａには後述するシール部材１６または１８が装着され、これに対向する旋回スクロール（図示を省略）の旋回端板の内面との間をシールするようになっている。

シール部材は、耐摩耗性や摺動性に優れた材料により形成されている。その素材としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、フッ素ゴム、シリコンゴム等があげられる。また、ＰＴＦＥをベース（基材）に充填材として二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、グラファイト、鉄粉、青銅粉等を少量加えたものがあげられる。

図１に示したように、固定スクロール２および旋回スクロール４の各ラップ部先端面に設けられたシール部材は、それぞれ相手側スクロールの端板に摺接し、固定スクロール２と旋回スクロール４のラップ部同士が軸方向ａに向けて直線で接触する。これによって、複数の膨張室ｅは、ラップ部５、７に沿ってケーシング１７の中心から外周側に向かって形成される。

（実施形態１）
図３は、本発明に係るスクロール膨張機で使用するシール部材１６と固定スクロール２の装着前の状態を示した斜視図である。
図３において、固定スクロール２を囲むケーシング１７は筒状に形成されている。ケーシング１７の内部に、円板状の固定端板４が、スクロール膨張機の軸方向ａと直角方向に固設されている。固定端板４は、軸方向ａに向けて、渦巻状のラップ部５が立設されている。この場合、シール部材１６は、固定スクロール２の凹溝５ａの深さに対応して渦巻の内周端側から外周端側へと厚さが段階的に増すように段差１６ａ、１６ｂ、１６ｃを設けた構成である。なお、このようなシール部材１６を使用する場合、固定スクロール２の凹溝５ａも同様に段差が形成されている。

（実施形態２）
図４は、本発明に係るスクロール膨張機の別の実施例を示したもので、実施形態１と同様にシール部材１８と固定スクロール２の装着の状態を示した斜視図である。この場合、シール部材１８は、内周端側から外周端側へと厚さ（凹溝の深さに相当）が段階的に増すように形成された構成であり、異なる厚さのシール部材をその厚さ順に突き合わせた状態で接合したものである。

（実施形態３）
シール部材は、内周端側から外周端側へと厚さが連続的に増すように構成しても良い。（図示省略）

各実施例に係るスクロール膨張機は、上述の如き構成を有するもので、旋回スクロールとの関係などその基本構成、基本動作については従来技術のものと格別差異はない。
また、実施形態は、固定スクロールと旋回スクロールとを用いた例であるが、本発明は、互いに対向した２つのスクロール体がいずれも回転する両回転型のスクロール膨張機に適用してもよい。

本発明のスクロール膨張機によれば、膨張工程におけるその作動媒体の液化に対するシール部材の耐摩耗性を向上させることができる。

１：スクロール膨張機
２：固定スクロール
３：旋回スクロール
４：固定端板
４ａ：内面
５：ラップ部
５ａ：凹溝
６：旋回端板
７：ラップ部
８：中心軸
９：クランク軸
１０：自転防止機構
１１：ハウジング
１２：転がり軸受
１３：発電機
１４：導入孔
１５：流出孔
１６：シール部材
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：段差
１７：ケーシング
１８：シール部材

Claims

固定端板の内面に渦巻状のラップ部が立設された固定スクロールと、該固定スクロールに対向して設けられ、旋回端板の内面に該固定スクロールのラップ部との間で複数の膨張室を画成するように渦巻状のラップ部が立設された旋回スクロールとを備え、各ラップ部には、該ラップ部の先端に沿って内周端側から外周端側に向けて延びる凹溝を形成するとともに、該凹溝内には相手方の内面に摺接するシール部材を装着し、前記膨張室内に流入した作動媒体の膨張により、該旋回スクロールを回転させるスクロール膨張機において、前記各凹溝は内周端側から外周端側に向けてその深さが段階的に増すように段差が設けられているとともに、前記各シール部材は、渦巻状の凹溝に沿って内周端側から外周端側に向けてその厚さが段階的に増すように形成したことを特徴とするスクロール膨張機。
前記シール部材が、内周端側から外周端側に向けて段階的にその厚みを増すように段差を設けた形状であることを特徴とする請求項１に記載のスクロール膨張機。