JP7005728B2

JP7005728B2 - スクロール式流体機械

Info

Publication number: JP7005728B2
Application number: JP2020188399A
Authority: JP
Inventors: 史紀加藤; 克史肥田野; 孝典江見
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-01-24
Anticipated expiration: 2036-08-03
Also published as: JP2021036154A

Description

本発明はスクロール式流体機械に関する。

スクロール式流体機械の一つである例えばスクロール圧縮機等の圧縮機においては、省スペース性の顧客要求が高い。

本技術分野の背景技術として、特開２００２－３７１９７７号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、固定スクロールと旋回スクロールとの間に、該旋回スクロールの自転を阻止した公転運動に伴って外周側から内周側に向けて容積が順次縮小する渦巻き状の圧縮動作室を区画形成し、この圧縮動作室の容積の縮小に伴って流入気体を圧縮しつつ移送するようにしたスクロール型流体機械において、主軸の一端に設けられる旋回軸受と、前記主軸の他端に設けられるモータ側軸受と、前記旋回軸受と前記モータ側軸受との間に設けられる主軸受とを備え、前記旋回軸受を、その少なくとも一部が前記旋回スクロールの鏡板よりも固定スクロール側に位置するように配置したスクロール型流体機械が開示されている。

特開２００２－３７１９７７号公報

特許文献１は、モータとスクロール圧縮機本体を直動式にし、スクロール圧縮機本体の軸受位置を圧縮室側に配置することで軸方向の小型化を行っているが、このような構造のモータ直動式スクロール圧縮機では、モータの径方向寸法が本体の径方向寸法の半分程度しかないのでモータ部の冷却面積が少なく、また冷却フィンも形成されていないので、放熱について一切考慮されておらず、モータが発熱するような高負荷での使用が不可能となる場合がある。このように小型化を図るため圧縮機本体ユニット及びモータユニットの各部の冷却面積が減少すると温度が上昇してしまい製品として成立しないので、それぞれの放熱を考慮する必要がある。

そこで本発明は、圧縮機本体ユニット及びモータユニットの放熱が不均衡になることなく、軸長を短縮し、小型化をはかることが可能な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、本発明は、その一例を挙げるならば、スクロール式流体機械であって、鏡板にラップが形成された固定スクロールと、前記固定スクロールの前記ラップに対向してラップが鏡板に形成された旋回スクロールと、前記固定スクロールと前記旋回スクロールを収容する本体ケーシングとを有する本体ユニットと、前記本体ユニットに接続され、前記本体ユニットを駆動する駆動軸と、前記駆動軸と一体に回転するロータと、前記ロータに回転力を付与するステータと、前記駆動軸と前記ロータと前記ステータとを収容するモータケーシングを有するモータユニットとを備え、前記ロータと前記ステータとが軸方向に対向するものであり、前記モータケーシングが、径方向外側に冷却フィンを有するものであり、前記固定スクロールと前記旋回スクロールのそれぞれにが、前記鏡板の前記ラップが形成された面と反対側の面に冷却フィンを有するものであり、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールの発熱量をＱｃ、前記ステータの発熱量をＱｓとしたとき、Ｑｃ／４≦Ｑｓ≦Ｑｃを満たし、前記固定スクロールの前記鏡板の径方向寸法をα、前記冷却フィンを含む前記モータケーシングの径方向寸法をＤｍとしたとき、α＝Ｄｍ且つ該冷却フィンの先端が、前記固定スクロールに形成された前記ラップの最外周面よりも径方向外側に位置するものである。

本発明によれば、本体ユニットとモータユニットの放熱を不均衡にすることなく、軸長を短縮することが可能なスクロール式流体機械を提供できる。

実施例におけるモータ直動式スクロール圧縮機の外観斜視図である。実施例におけるモータ直動式スクロール圧縮機の正面図である。実施例におけるモータ直動式スクロール圧縮機の断面図である。実施例におけるモータ直動式スクロール圧縮機の冷却風導風部材を取り外した状態の正面図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

本実施例について、図１、図２、図３、図４を用いて説明する。なお、本実施例は、スクロール式流体機械の一つであるモータ直動式スクロール圧縮機を例に説明する。

図１は、本実施例におけるモータ直動式スクロール圧縮機１の外観斜視図である。図１において、モータ直動式スクロール圧縮機１は、主に、本体ユニットとそれを駆動するモータユニットで構成されている。本体ユニットは、本体ケーシング１５と、後述する固定スクロール７と、固定スクロール７と対向して設けられ旋回運動する旋回スクロール６とを有し、流体を膨張または圧縮する。モータユニットは、本体ユニットに接続され、本体ユニットを駆動する駆動軸である後述するシャフト３とモータケーシング１１と、モータケーシング１１の外周部にモータケーシング冷却フィン１２を有している。また、後述する冷却ファン８による冷却風をガイドし、後述する旋回スクロール６及び固定スクロール７を冷却するための冷却風導風部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄを設けている。

図２はモータ直動式スクロール圧縮機１の正面図を示し、図３は図２のＦ－Ｆ位置から見た断面図である。また、図４は冷却風導風部材を取り外した状態の正面図であり、固定スクロール冷却フィン１３の構造図を示している。

図３において、モータ直動式スクロール圧縮機１は、シャフト３とロータ４とステータ５がモータの役割を担っており、ステータ５に電流を流すことでロータ４と、ロータ４と一体となったシャフト３が回転をする。シャフト３の一端は旋回スクロール６を駆動する駆動軸である偏芯部を有しており、この偏芯部に旋回スクロール６を組付けている。また、旋回スクロール６に対向し、固定スクロール７を組付けており、シャフト３の回転により、固定スクロール７に対し、旋回スクロール６が旋回運動を行う。旋回スクロール６と固定スクロール７の鏡板には渦巻き状のラップが設けられており上述の旋回運動を行うことで流体を圧縮する。電流が流れるため発熱するステータ５や、流体を圧縮するため発熱する旋回スクロール６及び固定スクロール７を冷却するために、シャフトの偏芯部の他端に冷却ファン８を設けている。冷却風を矢印９のように流し旋回スクロール６及び固定スクロール７を冷却するための冷却風導風部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄを設けている。すなわち、本体ユニット側から冷却ファン８に向けて流れる冷却風でモータユニットの外周面を冷却し、また、冷却ファン８から本体ユニット側に向けて流れる冷却風でモータユニットの外周面を冷却する。

冷却効率向上のため、ステータ５を保持するモータケーシング１１の外周部、及び、固定スクロール７及び旋回スクロール６に、図１に示すモータケーシング冷却フィン１２、図３に示す、固定スクロール冷却フィン１３、旋回スクロール冷却フィン１４を設けている。

なお、旋回スクロール６に対して駆動軸を支持する旋回軸受は、旋回スクロール６の鏡板よりもモータユニット側に配置されている。これにより、軸方向寸法を低減するために鏡板内に旋回軸受が入り込んだ形状に比べて、同じ径の旋回スクロール６及び固定スクロール７であっても、圧縮室を削減することなく圧縮量を確保できる。

また、ロータ４とステータ５とは軸方向に対向するように構成されている。これにより軸方向寸法を低減することができる。

また、本体ユニットとモータユニットは、本体ケーシング１５とモータケーシング１１との間で締結部材により着脱可能に締結されている。

また、モータケーシング１１の径方向寸法を軸方向寸法よりも長くすることで、軸方向寸法を低減すると同時に冷却面積を確保できる。

ここで、発熱体である旋回スクロール６、固定スクロール７、ステータ５の冷却部を円筒に近似した場合、固定スクロール７と旋回スクロール６のラップと冷却フィン１３、１４で構成している点線で示す領域Ａの有効冷却面積をＳ_Ａとし、ステータ５とモータケーシング１１のステータ５との嵌合部のみで構成している点線で示す領域Ｂの有効冷却面積をＳ_Ｂとすると、Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂは、式（１）、（２）で近似できる。

Ｓ_Ａ＝固定、旋回スクロール鏡板面積＋固定、旋回スクロール円筒側面積
＝２π×（α／２）^２＋２π（α／２）×ｌｃ
＝πα^２／２＋παｌｃ・・・（１）
Ｓ_Ｂ＝モータケーシングステータ部円筒側面積
＝πＤｍｌｓ・・・（２）
ここで、α：固定スクロール冷却フィン１３の冷却風に対する水平方向寸法（固定スク
ロールの鏡板の径方向寸法）、
ｌｃ：旋回スクロール冷却フィン１４端面から固定スクロール冷却フィン１３端面まで
の距離、
Ｄｍ：モータケーシング径方向寸法（冷却フィン含む）、
ｌｓ：ステータ軸方向寸法、である。

また、モータ直動式スクロール圧縮機は、一般的に、圧縮機本体の効率よりもモータの効率が高い。投入電力から効率分を差し引いた分が損失分となり、それぞれの損失分がそれぞれの発熱量に比例するので、圧縮機本体の発熱量はモータの発熱量よりも大きくなる。ここで本実施例のモータ直動式スクロール圧縮機においては、固定スクロール及び旋回スクロールの発熱量Ｑｃはモータの入力に対して１０～４０％、ステータの発熱量Ｑｓはモータの入力に対して約１０％のため、ＱｓとＱｃの関係は式（３）の関係となる。
Ｑｃ／４≦Ｑｓ≦Ｑｃ・・・（３）

本体ユニットとモータユニットとの放熱が不均衡にならないように、Ｓ_ＡとＳ_Ｂの関係は、式（３）に対応した面積を設ける必要があるため、式（４）の関係となる。
ＳＡ／４≦ＳＢ≦ＳＡ・・・（４）

よって、式（１）、（２）、（４）より下記、式（５）が導かれる。
α^２／８＋αｌｃ／４≦Ｄｍｌｓ≦α^２／２＋αｌｃ・・・（５）

ここで、αとＤｍの関係について説明する。α＞Ｄｍの場合、冷却風経路が複雑もしくは経路長さを長くしなければならなくなるため、冷却風の圧力損失が増大し風量が低下し旋回スクロール、固定スクロールの冷却が悪化してしまう。また、Ｄｍを小さくするため、ｌｓが大きくなり全体の軸方向寸法Ｌが大きくなってしまう。一方で、α＜Ｄｍの場合、モータケーシング１１に冷却風が流れづらくなるため、モータ冷却が悪化する。また、モータケーシングが大きくなるため、これを避けるような冷却風導風部材の構造にしなければならず、結果として冷却風導風部材が複雑形状となり、圧力損失が増大し冷却風量が減少してしまう。以上の理由からαとＤｍの関係は、式（６）の関係とした。
α＝Ｄｍ・・・（６）

式（６）の近似が成立するため、モータケーシングの冷却フィンの先端は少なくとも固定スクロールに形成されたラップの最外周面よりも外側にある。

式（６）を用いると、式（５）は式（７）となる。
α／８＋ｌｃ／４≦ｌｓ≦α／２＋ｌｃ …（７）

よって、本実施例では式（７）を満たすように、α、ｌｃ、ｌｓを設定することで、本体ユニットとモータユニットの放熱を均等にでき、軸長を短縮することが可能なモータ直動式スクロール圧縮機を提供できる。よって、モータ直動式スクロール圧縮機の小型化と温度低減が同時に図れ、顧客メリットが生じる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例はスクロール圧縮機について説明したが、圧縮機以外の例えばブロアやポンプ等でもよく、いわゆるスクロール式流体機械でよい。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１：モータ直動式スクロール圧縮機、３：シャフト、４：ロータ、５：ステータ、６：旋回スクロール、７：固定スクロール、８：冷却ファン、９：冷却風流れ方向、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：冷却風導風部材、１１：モータケーシング、１２：モータケーシング冷却フィン、１３：固定スクロール冷却フィン、１４：旋回スクロール冷却フィン、１５：本体ケーシング、α：冷却フィンを含む冷却風流れと水平方向の寸法、ｌｃ：固定スクロール冷却フィン端面から旋回スクロール冷却フィン端面までの距離、Ｄｍ：モータケーシング径方向寸法(冷却フィン含む)、ｌｓ：ステータ軸方向寸法、Ｌ：モータ直動式スクロール圧縮機軸方向寸法

Claims

鏡板にラップが形成された固定スクロールと、
前記固定スクロールの前記ラップに対向してラップが鏡板に形成された旋回スクロールと、
前記固定スクロールと前記旋回スクロールを収容する本体ケーシングとを有する本体ユニットと、
前記本体ユニットに接続され、前記本体ユニットを駆動する駆動軸と、前記駆動軸と一体に回転するロータと、前記ロータに回転力を付与するステータと、前記駆動軸と前記ロータと前記ステータとを収容するモータケーシングを有するモータユニットとを備え、
前記ロータと前記ステータとが前記駆動軸方向に対向するものであり、
前記モータケーシングが、径方向外側に冷却フィンを有するものであり、
前記固定スクロールと前記旋回スクロールのそれぞれが、前記鏡板の前記ラップが形成された面と反対側の面にスクロール冷却フィンを有するものであり、
前記固定スクロール及び前記旋回スクロールの発熱量をＱｃ、前記ステータの発熱量をＱｓとしたとき、Ｑｃ／４≦Ｑｓ≦Ｑｃを満たし、
前記固定スクロールの前記鏡板の径方向寸法をα、前記冷却フィンを含む前記モータケーシングの径方向寸法をＤｍとしたとき、α＝Ｄｍ、且つ、前記冷却フィンの先端が前記固定スクロールに形成された前記ラップの最外周面よりも径方向外側に位置することを特徴とするスクロール式流体機械。
前記旋回スクロールに対して前記駆動軸を支持する旋回軸受が、前記旋回スクロールの鏡板よりも前記モータユニット側に位置す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。
前記駆動軸の前記本体ユニットと反対側の端部に冷却ファンが位置す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。
前記本体ユニット側から前記冷却ファンに向けて流れる冷却風で前記モータユニットの外周面を冷却す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。
前記冷却ファンから前記本体ユニット側に向けて流れる冷却風で前記モータユニットの外周面を冷却す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。
前記本体ユニットと前記モータユニットが、前記本体ケーシングと前記モータケーシングとの間で締結部材で着脱可能に締結されてい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。
前記モータケーシングの径方向寸法が、軸方向寸法よりも長い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。