JPH09310689A - スクロール型圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チップシールを有するスクロール型圧縮機に
おいて、運転条件に即応して、摩擦力や摩耗が最も少な
く、しかも高い体積効率が得られるように、チップシー
ルを押しつける力の大きさを自動的に調整する。 【解決手段】 吐出圧が吐出室４４から弁２１を経てチ
ップシール３１の背圧室を形成する溝３０へ導かれる。
弁２１にはクランクシャフト４の回転数に応じた大きさ
の遠心力が作用するから、バネ２２の付勢力等との関係
で、高回転域においては弁２１の開度が小さくなり、背
圧室へ供給される吐出圧が減圧されて、チップシール３
１を相手方の面に押しつける力が減少して、摩擦力が小
さくなり、摩耗も減少する。これに対して低回転域では
弁２１の開度が大きくなって、背圧室の圧力が高くな
り、チップシール３１を押しつける力が増大して高い体
積効率が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にスクロー
ル型圧縮機に係り、特に燃料電池用の空気圧縮機として
使用するのに適したスクロール型圧縮機に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】例えば、特開昭６０−３０４９３号公報
に記載されているように、流体圧縮機の一種であるスク
ロール型圧縮機において、固定スクロールと可動スクロ
ールの間に形成される作動室から圧縮された冷媒のよう
な流体が低圧側へ洩れるのを防止するために、各スクロ
ールの渦巻状の歯の先端面の溝の中に出没可能にチップ
シールを設けると共に、チップシールをスプリングのよ
うな付勢手段によって相手方の摺動面に押しつける構成
が、以前からカーエアコン用のスクロール型圧縮機等に
おいて行われている。一般にチップシールが設けられた
スクロール型圧縮機においては、チップシールの摺動に
よる摩擦力やチップシールの摩耗を軽減するために、チ
ップシールと相手方との摺動面に対して冷凍機油のよう
な潤滑油を供給することが必要になる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
スクロール型圧縮機を使用している燃料電池のシステム
のように、圧縮機から吐出される圧縮空気中に潤滑油が
混入するのを避ける必要があるという理由から、チップ
シールに潤滑油を供給することができない場合がある。
このように潤滑油を供給することができない場合のスク
ロール型圧縮機のチップシールにおいては、チップシー
ルに加える押しつけ力と摺動速度との積として表される
チップシールの使用限界値が低くなる。従って、スクロ
ール型圧縮機の体積効率を向上させようとしてチップシ
ールの押しつけ力を増加させると、高回転域におけるチ
ップシールの摩耗による耐久性の低下が問題になる。そ
れと反対にチップシールの押しつけ力を減少させると、
高回転域における耐久性は向上するものの、主として低
回転域においてスクロール型圧縮機の体積効率が低下す
るという別の問題が生じる。

【０００４】本発明は、従来技術における前述のような
同時に解決することが難しい問題に対処して、チップシ
ールを設けたスクロール型圧縮機において、チップシー
ルに潤滑油を全く供給しないか、或いは潤滑油の供給量
を少量に抑えた運転条件で、高回転域における十分な耐
久性を保持しながら、運転範囲の全域にわたって高い体
積効率を得ることができるような、改良されたスクロー
ル型圧縮機を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のスクロー
ル型圧縮機においては、可動スクロールと固定スクロー
ルのうちの少なくとも一方の渦巻状の歯の端面上に形成
された溝にチップシールが嵌入されており、溝とチップ
シールとの間に背圧室が形成されていて、その背圧室に
は、クランクシャフトの回転数の変化に応じて圧力を制
御する手段によって、変化する制御圧力が供給されてい
る。従って、クランクシャフトの回転数が増大する高回
転域においては背圧室の圧力が低下して、チップシール
を相手方のスクロールの壁面に押しつける力が減少する
ように設定することが可能になるので、高回転域におい
てはチップシールの摩擦力とそれによって発生する摩耗
が共に減少して、チップシールの耐久性が向上するだけ
でなく、チップシールに作用する摩擦力や摩耗があまり
問題にならない低回転域においては、チップシールを相
手方のスクロールの壁面に押しつける力が自動的に増大
するので、チップシールのシール能力が向上して高い体
積効率が得られる。

【０００６】より具体的に、クランクシャフトの回転数
の変化に応じて圧力を制御する手段としては、請求項２
に記載されているように、圧縮された吐出圧の空気があ
る吐出室とチップシールの背圧室とを結ぶ流路に設けら
れて、遠心力の作用によって流路を開閉する手段を使用
することができる。この手段は、請求項３記載のもので
は更に具体的に、クランクシャフトの回転数の変化に応
じて遠心力の大きさが変化する位置に設けられた弁を使
用する。この場合は、弁に作用する遠心力とバネ及び吐
出圧による力の釣合によって弁を開閉させるので、クラ
ンクシャフトの回転数の変化に応じて弁手段に作用する
遠心力の大きさが変化し、それによって弁手段の開度が
変化して、吐出圧が一定であっても背圧室に供給される
制御圧力の大きさが変化する。その結果、前述のように
チップシールの摩擦力の大きさを運転状態に即して変化
させることができる。

【０００７】請求項４記載のスクロール型圧縮機におい
ては、クランクシャフトの回転数の変化に応じて圧力を
制御する手段として、吐出室とチップシールの背圧室と
を結ぶ流路の連通時間を制御する手段を使用する。つま
り、流路の有効径を絞るのではなく、連通している１回
当たりの時間の長さを変化させることによって背圧室へ
供給される吐出圧の減圧の程度を調整し、背圧室の圧力
を変化させて、チップシールを相手方に押しつける力の
大きさを変化させる。より具体的に、請求項５記載のも
のによれば、この手段として、クランクシャフトの回転
位置によってクランクシャフト内の流路に対して連通又
は遮断される扇形に加工された溝を用いる。高回転域に
おいては流路と溝が連通する１回当たりの時間が短くな
るので、空気の粘性によって通過する空気の量が減少
し、チップシールの背圧室の圧力が低下して、チップシ
ールを相手方の摺動面に押しつける力が小さくなる。こ
れと反対に低回転域では、チップシールの背圧室の圧力
が高くなってチップシールを押しつける力が大きくな
る。

【０００８】このようにして、いずれの場合であって
も、クランクシャフトの回転数の変化に応じてチップシ
ールの背圧室の圧力を自動的に調整して、摩擦力や摩耗
が最も少なく、且つ十分なシール性によって高い体積効
率が得られるように調整することが可能になる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１に示す本発明の第１の実施形
態としてのスクロール型圧縮機において、クランクシャ
フト４は軸受７，１４を介して回転自在にリアハウジン
グ２側に支持されている。バランサ１１およびバランサ
１２はクランクシャフト４と共に回転するようにシャフ
ト４に支持される。クランクシャフト４の中心線に対し
て平行に所定量だけ偏心している軸線を中心とするクラ
ンク部１５には、可動スクロール３が軸受け６を介して
回転自在に組み付けられている。可動スクロール３の端
板３ａの両側には渦巻状の歯（スクロール歯）３ｂ，３
ｃが形成されている。また、リアハウジング２とクラン
クシャフト４の間にはシャフトシール１３が配置され
て、圧縮された空気の漏洩を防止している。可動スクロ
ール３は、クランクシャフト４が回転するとクランク部
１５を公転中心として、クランクシャフト４の中心線と
クランク部１５の中心線の距離を半径とした円軌跡を描
く公転運動を行う。この時に可動スクロール３は、後に
説明する自転防止機構によってフロントハウジング１に
対する自転運動を規制される。即ち、可動スクロール３
は自転運動を伴わないシャフト４中心の公転運動のみを
行うように構成されている。

【００１０】フロントハウジング１とリアハウジング２
の半径方向の内壁面には、固定スクロールを構成する渦
巻状の歯１ａ及び２ａが軸方向に突出するように形成さ
れている。フロントハウジング１に形成される渦巻状の
歯１ａと、可動スクロール３に形成される渦巻状の歯３
ｂは、中心をずらせると共に位相を１８０°ずらせて相
互に噛み合うことによって、それらの間に複数個の作動
室群１６を構成する。また、同様に、リアハウジング２
に形成される渦巻状の歯２ａと可動スクロール３に形成
される渦巻状の歯３ｃとの間にも複数個の作動室群１７
が構成される。一体化されたフロントハウジング１及び
リアハウジング２の外周部には吸入室４３が形成される
と共に、中心部には吐出室４４が形成され、それぞれ所
定の位相において外周部及び中心部に近い作動室１６，
１７と連通し得る。

【００１１】次に自転防止機構の構成について説明す
る。フロントハウジング１に保持された軸受け８，９に
よって、クランクシャフト４のクランク部１５と同量だ
け偏心した補助クランク部５ａを有する補助クランクシ
ャフト５の回転軸部５ｂが回転自在に支持されている。
補助クランクシャフト５はクランクシャフト４の周囲に
複数本配置されており、それぞれの補助クランク部５ａ
は軸受け１０を介して可動スクロール３を回転自在に支
持している。なお、本発明のスクロール型圧縮機に使用
される自転防止機構としては、上記のような機能が達成
されるものであれば他の形式のものを用いてもよい。

【００１２】次に本発明において特徴とする構成に対応
する構造部分について説明する。バランサ１１内に穿孔
して形成される圧力室２４の内部には、シャフト４の回
転軸部４ａに対して半径方向に伸縮可能なバネ２２が設
置されている。バネ２２は、シャフト４の回転に伴う遠
心力を受けるように回転軸部４ａから半径方向に離れた
位置に配設された弁２１を、弁止め板２３に向って押圧
している。弁２１は、弁止め板２３に形成された流路３
２と圧力室２４との連通、遮断を制御する。圧力室２４
は流路２５により圧力室２８と連通している。また、可
動スクロール３に設置された軸シール２６，２７によ
り、圧力室２８への吐出空気の侵入を防止する。圧力室
２８は可動スクロール３内に配置された流路２９を通じ
てスクロール歯３ｂ，３ｃの歯先端面に渦巻状に設けら
れた溝３０に連通している。溝３０には溝と同じ形状の
チップシール３１が嵌入されて、それらの間に背圧室を
形成しており、チップシール３１は溝３０内の背圧室の
圧力によってハウジング１，２の端面にそれぞれ押圧さ
れる。また、チップシール３１の押しつけ力を補うため
に、例えば渦巻状に形成された板バネ３３を溝３０の底
面とチップシール３１との間に配置している。

【００１３】上記実施形態の構成において、まず一般的
なスクロール型圧縮機としての作動を説明する。例え
ば、リアハウジング２に直結されたステータ１８と、そ
の中でクランクシャフト４と共に回転可能に支持された
ロータ１９と、クランクシャフト４の端部を軸受け１４
を介して支持するエンドキャップ４２とからなり、三相
交流の電力によって駆動される電動機部２０によりシャ
フト４が回転力を受ける結果、可動スクロール３は自転
防止機構の作用により自転を規制されながら公転運動を
行う。可動スクロール３の公転運動により吸入室４３か
ら作動室１６，１７内に吸入された空気は、作動室がス
クロールの中心に向って移動するのにつれて、徐々に圧
縮されて吐出室４４に吐出され、更に吐出口４５を通し
て排出される。

【００１４】次に、本発明の特徴に対応する部分の作用
について説明する。弁２１にはクランクシャフト４の回
転軸部４ａに対して図３（１）に示す様に、半径方向に
バネ２２による押しつけ力Ｆｓと、シャフトの回転数に
応じた遠心力Ｆｒと、流路３２内の圧力、すなわち吐出
室４４内にある圧縮された空気の吐出圧Ｐｄと、圧力室
２４内の圧力Ｐとの差圧に比例した力（Ｐｄ−Ｐ）・Ｓ
（但しＳは弁２１と弁止め板２３との接触面積）が、そ
れぞれ働いている。そして図３（２）に示す様に、 （Ｐｄ−Ｐ）・Ｓ＞Ｆｒ＋Ｆｓ の時は、弁２１は弁止め板２３から離れて、流路３２と
圧力室２４が連通し、圧力室２４内の圧力Ｐは上昇す
る。

【００１５】圧力Ｐが上昇して、 （Ｐｄ−Ｐ）・Ｓ＜Ｆｒ＋Ｆｓ となった時に、図３（１）に示す様に弁２１が弁止め板
２３に押し付けられ、流路３２と圧力室２４との間は遮
断される。つまり圧力室２４内の圧力Ｐは、 Ｐ＝Ｐｄ−（Ｆｒ＋Ｆｓ）／Ｓ となるように制御され、回転数が上がるに従って遠心力
Ｆｒが増加し、圧力Ｐは徐々に小さくなる。

【００１６】圧力室２４内において制御された圧力Ｐ
は、連通穴（流路）２５と、圧力室２８と、連通穴（流
路）２９とを通じて、可動スクロール３のスクロール歯
３ｂ，３ｃの歯先端面に形成された溝３０即ち背圧室内
に導かれ、バネ３３の押しつけ力と背圧の合力により、
図４に示す様に、チップシール３１をハウジングの壁面
に向って押圧する。

【００１７】上記のような制御を行った場合に、溝３０
内の背圧室においてチップシール３１に作用する押しつ
け圧力の、クランクシャフト４の回転数に対する変化の
一例を図５に従来例と対比して示す。従来は図５の破線
によって示すように、バネ等により一定圧力でチップシ
ール３１を押圧しており、最高使用回転数においてチッ
プシールの限界ＰＶ値を越えないように、チップシール
押しつけ圧力の値を設定していたため、低回転における
チップシールの押しつけ圧力を有効に設定することがで
きなかった。これに対して本発明では遠心力を利用して
弁２１を作動させることにより、シャフト４の回転数が
上昇するに従ってチップシール押しつけ圧力が小さくな
るように制御するので、高回転においてチップシール３
１の信頼性を損なうことがなく、また、低回転において
チップシール３１の隙間からの漏れを低減することが可
能になる。

【００１８】図６に本発明の第２の実施形態を示す。第
１の実施形態では圧力室２４内の制御された圧力が流路
２５、圧力室２８と、流路２９を通じて溝３０内の背圧
室に導かれ、それによって可動スクロール３に嵌入され
ているチップシール３１がハウジング１及び２の壁面に
押圧される構成とした。これに対して、第２の実施形態
では、圧力室２４内の制御された圧力は、バランサ１１
内に設けられた流路３４を通じて圧力室３７に導かれ
る。圧力室３７は、ハウジング２に設置された軸シール
３５，３６により吐出空気の進入及び漏洩を防止されて
いる。そして圧力室３７は、流路３８を通じハウジング
１，２のスクロール歯１ａ及び２ａの歯先端面に形成さ
れた溝３９に連通している。

【００１９】第２実施形態の構成においては第１の実施
形態と同様に、制御された圧力室２４内の圧力がハウジ
ング１，２に形成された固定スクロールの渦巻状の歯１
ａ，２ａの歯先端面に設けられる溝３９（背圧室）に導
かれ、溝３９に嵌入されたチップシールを可動スクロー
ル３の端面３ａに押しつけて、第１の実施形態の場合と
同様の効果を得ることができる。なお、第１実施形態と
第２実施形態を組み合わせて、可動スクロールと固定ス
クロールの双方の渦巻形の歯の先端面に、チップシール
を押圧する背圧室を設けてもよいことは言うまでもな
い。

【００２０】図７に本発明の第３の実施形態を示す。第
１の実施形態では弁２１の受ける遠心力を利用して溝３
０に導かれる圧力を制御する構成とした。これに対し
て、第３の実施形態では図８に示す様に、可動スクロー
ル３のボス部３ｄ内に扇状に溝４１を形成し、シャフト
４の回転位置によって流路４０に対して連通または遮断
される構成としている。溝４１は、流路２９を通じて、
可動スクロール３の渦巻状の歯３ｂ，３ｃの端面に形成
された溝３０に連通している。

【００２１】次に、上記のような構成を有する第３実施
形態の作用について説明する。溝４１内の圧力は流路４
０との連通時間によって制御される。流路４０に導かれ
た吐出圧が溝４１に伝わるとき、流路４０内の空気の慣
性および粘性により図９に示す様に、溝４１内の圧力上
昇には時間遅れが伴う。従って、流路４０と溝４１の連
通時間が長い低回転時には、流路４０内の吐出圧力は十
分に伝達されて溝４１内の圧力が高くなるが、回転数が
上昇して行くにつれて、溝４１と流路４０との連通時間
が徐々に短くなるので、伝達される圧力は低くなって行
く。溝４１に伝達された圧力は流路３９を通じて溝３０
に伝達され、回転数の増大に従ってチップシール３１の
押し付け圧力が徐々に低下するため、第１の実施形態の
場合と同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の全体構成を示す縦断面図であ
る。

【図２】弁の構成を示すための図１におけるＡ−Ａ断面
図である。

【図３】（１）及び（２）は、第１実施形態の異なる作
動状態を示すＡ−Ａ断面における一部拡大断面図であ
る。

【図４】チップシール部の拡大断面図である。

【図５】第１実施形態の効果を説明する線図である。

【図６】第２実施形態の全体構成を示す縦断面図であ
る。

【図７】第３実施形態の全体構成を示す縦断面図であ
る。

【図８】（１）及び（２）は、第３実施形態の異なる作
動状態を示す図７のＢ−Ｂ断面における一部拡大断面図
である。

【図９】第３実施形態における溝内の圧力変化を示す線
図である。

【符号の説明】

１，２…ハウジング １ａ，２ａ…渦巻状の歯（固定スクロール） ３…可動スクロール ３ａ…端板 ３ｂ，３ｃ…渦巻状の歯 ４…クランクシャフト １１，１２…バランサ １５…クランク部 １６，１７…作動室群 ２０…電動機部 ２１…弁 ２２…バネ ２３…弁止め板 ２４，２８…圧力室 ３０…溝（背圧室） ３１…チップシール ３３…板ばね ３７…圧力室 ３９…溝（背圧室） ４１…扇状の溝 ４３…吸入室 ４４…吐出室

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸入室と吐出室を形成するハウジング
   と、前記ハウジングの内壁面上に形成された渦巻状の歯
   からなる固定スクロールと、可動の端板上に形成された
   渦巻状の歯からなり、前記固定スクロールに対して中心
   及び位相をずらして噛み合うように組み込まれた可動ス
   クロールと、噛み合った前記固定スクロールと前記可動
   スクロールとの間に形成される複数の作動室と、前記ハ
   ウジングに回転自在に支持されると共に、軸心に対して
   所定量偏心したクランク部を備えていて、それによって
   前記可動スクロールに公転運動を与えるクランクシャフ
   トと、前記可動スクロールの公転のみを許容すると共に
   自転を阻止する自転防止機構と、前記可動スクロール及
   び前記固定スクロールのうちの少なくとも一方の渦巻状
   の歯の端面上に形成された溝に嵌入されたチップシール
   と、前記チップシールと前記渦巻状の歯の端面上に形成
   された溝によって形成される背圧室と、前記背圧室の圧
   力を、前記クランクシャフトの回転数の変化に応じて制
   御する手段を有することを特徴とするスクロール型圧縮
   機。
2. 【請求項２】 前記背圧室の圧力を前記クランクシャフ
   トの回転数の変化に応じて制御する手段として、前記吐
   出室と前記背圧室とを結ぶ流路の開閉を遠心力により制
   御する手段を有することを特徴とする請求項１記載のス
   クロール型圧縮機。
3. 【請求項３】 前記吐出室と前記背圧室とを結ぶ流路の
   開閉を遠心力により制御する手段として、前記クランク
   シャフトの回転数に応じた大きさの遠心力を受ける位置
   に配設され、遠心力とバネ及び吐出空気の押圧力の力の
   釣合により開閉する弁を有することを特徴とする請求項
   ２記載のスクロール型圧縮機。
4. 【請求項４】 前記背圧室の圧力を前記クランクシャフ
   トの回転数の変化に応じて制御する手段として、前記吐
   出室と前記背圧室とを結ぶ流路の連通時間を制御する手
   段を有することを特徴とする請求項１記載のスクロール
   型圧縮機。
5. 【請求項５】 前記吐出室と前記背圧室とを結ぶ流路の
   連通時間を制御する手段として、前記クランクシャフト
   内に設けられた流路と、前記クランクシャフトの回転位
   置により前記流路と連通または遮断する扇状に加工され
   た溝を用いることを特徴とする請求項４記載のスクロー
   ル型圧縮機。