KR102149356B1 - 스크롤 유체 기계 - Google Patents

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미츠비시 쥬코 서멀 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

경사부를 갖는 치선과 치저에 적절하게 팁 클리어런스를 설정하고, 소망의 성능을 발휘할 수 있는 스크롤 유체 기계를 제공한다. 마주 보는 고정 스크롤의 단판(3a)과 선회 스크롤의 단판과의 대향면 간 거리가 외주 측으로부터 내주 측을 향하여 연속적으로 감소하는 경사부가 설치되어 있다. 선회 스크롤의 벽체(5b)의 치선과 이 치선에 대향하는 고정 스크롤의 단판(3a)의 치저 사이의 상온에 있어서의 팁 클리어런스가, 외주 측보다도 내주 측 쪽이 크게 되어 있다.

Description

스크롤 유체 기계
본 발명은 스크롤 유체 기계에 관한 것이다.
일반적으로, 단판(端板)(end plate) 상에 소용돌이 형상(渦卷狀)의 벽체가 설치된 고정 스크롤 부재(fixed scroll member)와 선회 스크롤 부재(rotating scroll member)를 맞물리게 하고, 공전 선회 운동(公轉旋回運動)을 행하게 하여 유체를 압축 또는 팽창하는 스크롤 유체 기계(scroll fluid machine)가 알려져 있다.
이러한 스크롤 유체 기계로서, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같은 소위 단 부착 스크롤 압축기(stepped scroll compressor)가 알려져 있다. 이런 단 부착 스크롤 압축기는, 고정 스크롤 및 선회 스크롤의 소용돌이 형상의 벽체의 치선면(齒先面) 및 치저면(齒底面)의 소용돌이 방향을 따르는 위치에 각각 단부(段部)가 설치되고, 각 단부를 경계로 벽체의 외주 측 높이가 내주 측 높이보다도 높게 되어 있다. 단 부착 스크롤 압축기는 벽체의 원주 방향뿐만 아니라 높이 방향으로도 압축(3차원 압축)되기 때문에, 단부를 구비하고 있지 않은 일반적인 스크롤 압축기(2차원 압축)에 비하여 가압량을 크게 하고, 압축기 용량을 증가시킬 수 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제2015-55173호
그러나 단 부착 스크롤 압축기는, 단부에 있어서의 유체 누설이 크다는 문제가 있다. 또한, 단부의 근원 부분(根元部分)에 응력이 집중하여 강도가 저하된다는 문제가 있다.
이에 대하여, 발명자 등은 벽체 및 단판에 설치된 단부 대신에 연속적인 경사부를 설치하는 것을 검토하고 있다.
그러나 경사부를 설치한 경우에, 벽체의 치선과 단판의 치저 사이의 팁 클리어런스(tip clearance)를 어떻게 설정하면 소망의 성능을 발휘할 수 있는지에 대하여 검토가 이루어지지 않고 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 경사부를 갖는 벽체의 치선과 단판의 치저에 적절하게 팁 클리어런스를 설정하여 소망의 성능을 발휘할 수 있는 스크롤 유체 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 스크롤 유체 기계는 이하의 수단을 채용한다.
즉, 본 발명의 제1 양태에 관한 스크롤 유체 기계는, 제1 단판 상에 소용돌이 형상의 제1 벽체가 설치된 제1 스크롤 부재와, 상기 제1 단판을 마주 보도록 배치된 제2 단판 상에 소용돌이 형상의 제2 벽체가 설치되고, 당해 제2 벽체가 상기 제1 벽체와 맞물려서 상대적으로 공전 선회 운동을 행하는 제2스크롤 부재를 구비한 스크롤 유체 기계로서, 마주 보는 상기 제1 단판과 상기 제2 단판과의 대향면 간 거리가 상기 제1 벽체 및 상기 제2 벽체의 외주 측부터 내주 측을 향하여 연속적으로 감소하는 경사부가 설치되고, 상기 벽체의 치선과 당해 치선에 대향하는 상기 단판의 치저 사이의 상온에 있어서의 팁 클리어런스가, 외주 측보다도 내주 측 쪽이 크게 되어 있다.
제1 단판과 제2 단판과의 대향면 간 거리가 벽체의 외주 측으로부터 내주 측을 향하여 연속적으로 감소하는 경사부가 설치되어 있기 때문에, 외주 측으로부터 흡입된 유체는 내주 측을 향함에 따라, 벽체의 소용돌이 형상에 따른 압축실의 감소에 의해 압축될 뿐만 아니라, 단판 사이의 대향면 간 거리의 감소에 의해 더욱더 압축되게 된다.
스크롤 부재의 내주 측은, 외주 측에 비하여, 유체가 압축되어 있어 압축 열에 의한 온도 상승이 크고, 또한 외주 측보다도 방열하기 어렵기 때문에 온도가 높아진다. 따라서 운전 중에는, 내주 측은 외주 측보다도 열팽창이 커지고, 치선과 치저 사이의 팁 클리어런스가 작아진다. 그래서 상온에 있어서의 내주 측의 팁 클리어런스를 외주 측보다도 크게 했다. 이에 의해, 스크롤 유체 기계의 운전 시에 열팽창해도 내주 측으로부터 내주 측에 걸쳐서 소망의 팁 클리어런스로 설정할 수 있고, 치선과 치저와의 간섭을 피하면서 유체 누설을 가급적 작게 할 수 있다.
또한, 팁 클리어런스는 연속적으로 변화시켜도 좋고, 또는 기울기가 다른 복수의 선분(線分)을 접속하여 단계적으로 변화시켜도 좋다.
또한, 본 발명의 제1 양태에 관한 스크롤 유체 기계에서는, 상기 제1 벽체 및 상기 제2 벽체의 치선에 형성된 홈부에는, 대향하는 치저에 접촉하여 유체를 시일(seal)하는 팁 시일(tip seal)이 설치되고,
상기 홈부의 홈 깊이가 외주 측보다도 내주 측 쪽이 크게 되어 있다.
치선에는, 팁 시일을 설치하기 위한 홈부가 형성되어 있다. 팁 시일에 대해서도 내주 측 쪽이 외주 측보다도 온도 상승이 높아진다. 그러면, 팁 시일의 저면과 홈부의 저면 사이의 거리(팁 시일 뒤 틈새)는, 열팽창에 의해 외주 측보다도 내주 측 쪽이 작아진다. 팁 시일 뒤 틈새가 없어져서 팁 시일의 저면과 홈부의 저면이 접촉하면, 팁 시일이 대향하는 치저 측에 필요 이상으로 돌출하게 되어 스크롤 유체 기계의 성능 저하를 초래할 우려가 있다. 그래서 홈부의 홈 깊이를 외주 측보다도 내주 측 쪽이 커지도록 하여 열팽창에 따라 필요한 팁 시일 뒤 틈새를 확보하도록 했다. 이에 의해, 열팽창에 의해 팁 시일의 내주 측이 홈부의 저면에 과잉의 압력으로 접촉하는 것을 회피할 수 있어서 스크롤 유체 기계의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또한, 홈부의 홈 깊이는 연속적으로 변화시켜도 좋고, 또는 기울기가 다른 복수의 선분을 접속하여 단계적으로 변화시켜도 좋다.
또한, 본 발명의 제1 양태에 관한 스크롤 유체 기계에서는, 상기 제1 벽체 및 상기 제2 벽체의 최외주부 및/또는 최내주부에 설치된 높이가 변화하지 않는 벽체 평탄부와, 상기 제1 단판 및 상기 제2 단판에 설치되어 상기 벽체 평탄부에 대응한 단판 평탄부를 구비하고, 상기 벽체 평탄부와 상기 단판 평탄부 사이의 평탄부 팁 클리어런스는 소용돌이 방향으로 일정하게 되어 있다.
벽체의 치선이나 단판의 치저가 경사져 있으면 계측점의 설정이 어렵고 계측 정밀도를 올리는 것이 곤란해진다. 그래서 벽체 및 단판의 최외주부 및/또는 최내주부에 평탄부를 설치하고, 평탄부에 있어서의 팁 클리어런스를 소용돌이 방향으로 일정하게 하여 형상 측정을 정밀도 좋게 행하는 것으로 했다. 이에 의해, 스크롤 형상의 치수 관리나 팁 클리어런스 관리가 용이해진다.
또한, 최외주부 및 최내주부에 평탄부가 설치되어 있는 경우, 평탄부 팁 클리어런스는 열팽창을 고려하여 최외주 측보다도 최내주 측 쪽을 크게 하는 것이 바람직하다.
상온에 있어서의 내주 측의 팁 클리어런스를 외주 측보다도 크게 함으로써, 스크롤 유체 기계가 운전 시에 열팽창해도 치선과 치저와의 간섭을 피하면서 유체 누설을 가급적 작게 함으로써 소망의 성능의 스크롤 유체 기계를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 스크롤 압축기의 고정 스크롤 및 선회 스크롤을 나타내고, 도 1a는 종단면도, 도 1b는 고정 스크롤의 벽체 측에서 본 평면도이다.
도 2는 도 1의 선회 스크롤을 나타내는 사시도이다.
도 3은 고정 스크롤에 설치한 단판 평탄부를 나타낸 평면도이다.
도 4는 고정 스크롤에 설치한 벽체 평탄부를 나타낸 평면도이다.
도 5는 소용돌이 방향으로 연장하여 표시한 벽체를 나타내는 모식도이다.
도 6은 도 1b의 부호(Z)의 영역을 확대하여 나타낸 부분 확대도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 부분의 팁 시일 틈새를 나타내며, 도 7a는 팁 시일 틈새가 상대적으로 작은 상태를 나타낸 측면도이며, 도 7b는 팁 시일 틈새가 상대적으로 큰 상태를 나타낸 측면도이다.
도 8은 소용돌이 방향으로 연장하여 표시한 치저 및 치선을 나타낸 모식도이다.
도 9는 도 8에 숫자로 나타낸 각 위치를 선회 스크롤 상에 표시한 평면도이다.
도 10은 선회각(旋回角)에 대한 팁 클리어런스를 나타낸 그래프이다.
도 11은 변형예를 나타내며, 도 11a는 단부를 갖고 있지 않은 스크롤과의 조합을 나타내는 종단면도이고, 도 11b는 단 부착 스크롤과의 조합을 나타낸 종단면도이다.
[제1 실시형태]
이하에, 본 발명에 관한 제1 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에는, 스크롤 압축기(스크롤 유체 기계)(1)의 고정 스크롤(제1 스크롤 부재)(3)과 선회 스크롤(제2 스크롤 부재)(5)이 나타나 있다. 스크롤 압축기(1)는, 예를 들어 공조기 등의 냉동 사이클을 행하는 가스 냉매(유체)를 압축하는 압축기로서 이용된다.
고정 스크롤(3) 및 선회 스크롤(5)은 알루미늄 합금제나 철제 등의 금속제 압축 기구로 되고, 도시하지 않은 하우징 안에 수용되어 있다. 고정 스크롤(3) 및 선회 스크롤(5)은 하우징 안에 인도된 유체를 외주 측으로부터 흡입하여 고정 스크롤(3)의 중앙 토출 포트(3c)로부터 외부로 압축 후의 유체를 토출한다.
고정 스크롤(3)은 하우징에 고정되어 있고, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 대략 원판 형상의 단판(제1 단판)(3a)과 단판(3a)의 일 측면 상에 입설(立設)된 소용돌이 형상의 벽체(제1 벽체)(3b)를 구비하고 있다. 선회 스크롤(5)은, 대략 원판 형상의 단판(제2 단판)(5a)과, 단판(5a)의 제1 측면 상에 입설된 소용돌이 형상의 벽체(제2 벽체)(5b)를 구비하고 있다. 각 벽체(3b, 5b)의 소용돌이 형상은, 예를 들어 인벌류트 곡선(involute curve)이나 아르키메데스 곡선(Archimedes curve)을 이용하여 정의되어 있다.
고정 스크롤(3)과 선회 스크롤(5)은, 그 중심을 선회 반경(ρ)만큼 이격시켜, 벽체(3b, 5b)의 위상을 180° 어긋나게 맞물리고, 양 스크롤의 벽체(3b, 5b)의 치선과 치저 사이에 상온에서 근소한 높이 방향의 클리어런스(팁 클리어런스)를 갖도록 조립되어 있다. 이에 의해, 양 스크롤(3, 5) 사이에, 그 단판(3a, 5a)과 벽체(3b, 5b)에 의해 둘러싸여 형성되는 복수 쌍의 압축실이 스크롤 중심에 대하여 대칭으로 형성된다. 선회 스크롤(5)은 도시하지 않은 올드햄 링(Oldham ring) 등의 자전 방지 기구(自轉防止機構)에 의해 고정 스크롤(3)의 주위를 공전 선회 운동한다.
도 1a에 나타내는 바와 같이, 마주 보는 양단 판(3a, 5a) 사이의 대향면 간 거리(L)가 소용돌이 형상의 벽체(3b, 5b)의 외주 측으로부터 내주 측을 향하여 연속적으로 감소하는 경사부가 설치되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 선회 스크롤(5)의 벽체(5b)에는, 외주 측으로부터 내주 측을 향하여 높이가 연속적으로 감소하는 벽체 경사부(5b1)가 설치되어 있다. 이 벽체 경사부(5b1)의 치선이 대향하는 고정 스크롤(3)의 치저면에는, 벽체 경사부(5b1)의 경사에 따라 경사지는 단판 경사부(3a1)(도 1a 참조)가 설치되어 있다. 이들 벽체 경사부(5b1) 및 단판 경사부(3a1)에 의해 연속적인 경사부가 구성되어 있다. 마찬가지로, 고정 스크롤(3)의 벽체(3b)에도 높이가 외주 측으로부터 내주 측을 향하여 연속적으로 경사지는 벽체 경사부(3b1)가 설치되고, 이 벽체 경사부(3b1)의 치선에 대향하는 단판 경사부(5a1)가 선회 스크롤(5)의 단판(5a)에 설치되어 있다.
또한, 본 실시형태에서 말하는 경사부에 있어서의 연속적이라는 의미는, 매끄럽게 접속된 경사에 한정되는 것은 아니며, 가공 시에 불가피하게 발생하는 바와 같은 작은 단차(段差)가 계단상으로 접속되어 있고, 경사부를 전체로서 보면 연속적으로 경사져 있는 것도 포함된다. 단, 소위 단 부착 스크롤과 같은 큰 단차는 포함되지 않는다.
벽체 경사부(3b1, 5b1) 및/또는 단판 경사부(3a1, 5a1)에는, 코팅이 실시되어 있다. 코팅으로서는, 예를 들어 인산 망간 처리나 니켈 인 도금 등을 들 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 선회 스크롤(5)의 벽체(5b)의 최내주 측과 최외주 측에는, 각각 높이가 일정하게 된 벽체 평탄부(5b2, 5b3)가 설치되어 있다. 이들 벽체 평탄부(5b2, 5b3)는 선회 스크롤(5)의 중심(O2)(도 1a 참조) 주위에 180°의 영역에 걸쳐서 설치되어 있다. 벽체 평탄부(5b2, 5b3)와 벽체 경사부(5b1)가 접속되는 위치에는, 각각 굴곡부로 되는 벽체 경사 접속부(5b4, 5b5)가 설치되어 있다.
선회 스크롤(5)의 단판(5a)의 치저에 대해서도 마찬가지로, 높이가 일정하게 된 단판 평탄부(5a2, 5a3)가 설치되어 있다. 이들 단판 평탄부(5a2, 5a3)에 대해서도, 선회 스크롤(5)의 중심 주위에 180°의 영역에 걸쳐서 설치되어 있다. 단판 평탄부(5a2, 5a3)와 단판 경사부(5a1)가 접속되는 위치에는, 각각 굴곡부로 되는 단판 경사 접속부(5a4, 5a5)가 설치되어 있다.
도 3 및 도 4에 해칭으로 나타내는 바와 같이, 고정 스크롤(3)에 대해서도 선회 스크롤(5)과 마찬가지로, 단판 평탄부(3a2, 3a3), 벽체 평탄부(3b2, 3b3), 단판 경사 접속부(3a4, 3a5) 및 벽체 경사 접속부(3b4, 3b5)가 설치되어 있다.
도 5에는, 소용돌이 방향으로 연장하여 표시한 벽체(3b, 5b)가 나타나 있다. 동(同) 도면에 나타낸 바와 같이, 최내주 측의 벽체 평탄부(3b2, 5b2)가 거리(D2)에 걸쳐서 설치되고, 최외주 측의 벽체 평탄부(3b3, 5b3)가 거리(D3)에 걸쳐서 설치되어 있다. 거리(D2) 및 거리(D3)는 각각 각 스크롤(3), 스크롤(5)의 중심(O1, O2) 주위에 180°로 된 영역에 상당하는 길이로 되어 있다. 최내주 측의 벽체 평탄부(3b2, 5b2)와 최외주 측의 벽체 평탄부(3b3, 5b3) 사이에, 벽체 경사부(3b1, 5b1)가 거리(D2)에 걸쳐서 설치되어 있다. 최내주 측의 벽체 평탄부(3b2, 5b2)와 최외주 측의 벽체 평탄부(3b3, 5b3)와의 고저차를 h로 하면, 벽체 경사부(3b1, 5b1)의 기울기(φ)는 아래 식으로 된다.
φ=tan-1(h/D1) ……… (1)
도 6에는, 도 1b의 부호(Z)로 나타난 영역의 확대도가 나타나 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 고정 스크롤(3)의 벽체(3b)의 치선에는, 팁 시일(7)이 설치되어 있다. 팁 시일(7)은 수지제로 되어 있고, 대향하는 선회 스크롤(5)의 단판(5a)의 치저에 접촉하여 유체를 시일한다. 팁 시일(7)은 벽체(3b)의 치선에 원주 방향에 걸쳐서 형성된 팁 시일 홈(3d) 안에 수용되어 있다. 이 팁 시일 홈(3d) 안에 압축 유체가 들어가고, 팁 시일(7)을 배면으로부터 가압하여 치저 측에 압출함으로써 대향하는 치저에 접촉시키도록 되어 있다. 또한, 선회 스크롤(5)의 벽체(5b)의 치선에 대해서도, 마찬가지로 팁 시일이 설치되어 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 벽체(3b)의 높이 방향에 있어서의 팁 시일(7)의 높이(Hc)는 원주 방향으로 일정하게 되어 있다.
양 스크롤(3, 5)이 상대적으로 공전 선회 운동을 행하면, 선회 직경(선회 반경(ρ)×2)분만큼 치선과 치저의 위치가 상대적으로 어긋난다. 이 치선과 치저의 위치 어긋남에 기인하여, 경사부에서는, 치선과 치저 사이의 팁 클리어런스가 변화한다. 예를 들어, 도 7a에서는 팁 클리어런스(T)가 작고, 도 7b에서는 팁 클리어런스(T)가 큰 것을 나타내고 있다. 팁 시일(7)은, 이 팁 클리어런스(T)가 선회 운동에 의해 변화해도 배면으로부터 압축 유체에 의해 단판(5a)의 치저 측에 가압되기 때문에, 추종하여 시일할 수 있도록 되어 있다.
본 실시형태에서는, 도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 상온에 있어서, 내주 측의 팁 클리어런스가 외주 측보다도 커지도록 설정되어 있다. 여기서, 상온이란, 스크롤 압축기(1)를 제조할 때에 양 스크롤(3, 5)을 조립 시의 환경 온도를 의미하고, 예를 들어 10℃ 이상 40℃ 이하를 의미한다.
도 8은 도 5처럼 소용돌이 방향으로 연장하여 표시한 것이며, 상측에 고정 스크롤(3)의 단판(3a)의 치선 부분을 나타내고, 하측에 선회 스크롤(5)의 벽체(5b)의 치선 부분을 나타내고 있다. 도 8의 치저의 위치(a1∼a10)는 각각 도 9의 위치(a1∼a10)에 대응하고, 도 8의 치선의 위치(b1∼b10)는 각각 도 9의 위치(b1∼b10)에 대응하고 있다.
도 9는 선회 스크롤(5)의 형상을 기본적으로 표시하고 있으며, 치저에, 동일한 인벌루트 연장 개방각(伸開角)의 각도 위치에 있어서의 고정 스크롤의 위치(a1∼a10)가 나타나 있다. 또한, 고정 스크롤(3)과 선회 스크롤(5)은 중심 주위에 180° 위상을 어긋나서 맞물리기 때문에, 맞물린 때는 a1∼a10의 각각과 b1∼b10의 각각과의 위치가 일치하도록 된다.
도 8에 있어서, 고정 스크롤(3)의 치저의 위치(a1)는 외주 측에 있어서의 단판 경사 접속부(3a5)를 나타내고, 위치(a10)는 내주 측에 있어서의 단판 경사 접속부(3a4)를 나타낸다. 따라서 위치(a1)보다도 외주 측(좌측)은 외주 측의 벽체 평탄부(3a3)로 되고, 위치(a10)보다도 내주 측(우측)은 벽체 평탄부(3a2)로 되며, 위치(a1)와 위치(a10) 사이가 단판 경사부(3a1)로 된다. 단판 경사부(3a1)의 기울기(φ1)는 일정하게 되어 있다.
또한, 선(S1)은 외주 측의 단판 평탄부(3a3)의 높이가 일정하게 된 선이다.
선회 스크롤(5)의 치선의 위치(b1)는 외주 측에 있어서의 벽체 경사 접속부(5b5)를 나타내고, 위치(b10)는 내주 측에 있어서의 벽체 경사 접속부(5b4)를 나타낸다. 따라서 위치(b1)보다도 외주 측(좌측)은 외주 측의 단판 평탄부(5b3)로 되고, 위치(b10)보다도 내주 측(우측)은 단판 평탄부(5b2)로 되며, 위치(b1)와 위치(b10) 사이가 벽체 경사부(5b1)로 된다.
위치(b1)로부터 위치(b5)까지의 벽체 경사부(5b1)의 기울기(φ1)는 단판 경사부(3a1)의 기울기(φ1)와 동일한 기울기로 되어 있고, 위치(b5)로부터 위치(b10)까지의 벽체 경사부(5b1)의 기울기(φ2)는 기울기(φ1)보다도 큰 기울기로 되어 있다.
또한, 선(S2)은 외주 측의 벽체 평탄부(5b3)의 높이가 일정하게 된 선이다. S3은 위치(b5)로부터 내주 측(우측)을 향하여 외삽(外揷)된 선, 즉 기울기(φ1)로 된 선이다.
기울기를 변화시키는 위치(b5)는 적당히 설정할 수 있지만, 운전 시에 있어서의 내주 측과 외주 측의 열팽창 차이를 고려하여 설정된다.
이와 같이, 벽체 경사부(5b1)의 기울기를 위치(b5)에서 변화시키고, 위치(b5)보다도 내주 측의 기울기를 크게 함으로써, 경사부에 있어서의 팁 클리어런스(T)(도 7 참조)가 외주 측보다도 내주 측 쪽을 커지도록 설정되어 있다.
한편, 단판 평탄부(3a2, 3a3)와 벽체 평탄부(5b2, 5b3) 사이의 평탄부에 있어서의 팁 클리어런스(T)는 소용돌이 방향으로 일정하게 되어 있다. 단, 외주 측의 평탄부(3a3, 5b3)에 있어서의 팁 클리어런스(T)는 상술한 바와 같이 경사부의 기울기를 내주 측 정도로 크게 했기 때문에, 내주 측의 평탄부(3a2, 5b2)에 있어서의 팁 클리어런스(T)보다도 크게 설정되어 있다.
도 10에는, 선회 스크롤(5)의 선회각(θ)에 대한 팁 클리어런스(T)가 나타나 있다.
동 도면에 나타낸 바와 같이, 외주 측의 평탄부(3a3, 5b3) 및 내주 측의 평탄부(3a2, 5b2)에 있어서의 팁 클리어런스(T)는 선회각(θ)에 따르지 않고 일정하게 되어 있고, 외주 측의 평탄부(3a3, 5b3)보다도 내주 측의 평탄부(3a2, 5b2) 쪽이 팁 클리어런스(T)가 큰 것을 알 수 있다.
한편, 위치(a1, b1)보다도 조금만 경사부에 들어간 위치의 외주 측 경사부에 있어서의 팁 클리어런스(T) 및 위치(a10, b10)보다도 조금만 경사부에 들어간 내주 측 경사부에 있어서의 팁 클리어런스 양은 선회각(θ)에 따라 정현 곡선(sine curve)을 그리도록 변화한다. 이는, 도 7을 이용하여 설명한 바와 같이, 경사부에서는 선회각(θ)에 따라 경사부가 가까워지거나 멀어지거나 하기 때문이다. 또한, 도 10으로부터, 내주 측 경사부에 있어서의 팁 클리어런스(T)가 외주 측 경사부에 있어서의 팁 클리어런스보다도 큰 것을 알 수 있다.
상술한 고정 스크롤(3)의 단판(3a)의 치저와 선회 스크롤(5)의 벽체(5b)의 치선 사이의 팁 클리어런스(T)에 관한 관계는 선회 스크롤(5)의 단판(5a)의 치저와 고정 스크롤(3)의 벽체(3b)의 치선과의 관계에 대해서도 마찬가지로 설정되어 있다.
팁 시일 홈(3d)의 홈 깊이(3d1)(도 7 참조)에 대해서도, 상술한 팁 클리어런스(T)와 마찬가지로, 내주 측 쪽이 외주 측 쪽보다도 깊게 설정되어 있다. 이에 의해, 상온 시에는, 팁 시일(7)의 높이(Hc)가 소용돌이 방향으로 일정하게 되어 있기 때문에, 팁 시일(7)의 저면(하면)과 팁 시일 홈(3d)의 저면 사이의 거리인 팁 시일 뒤 틈새(3d2)(도 7 참조)가 내주 측으로 갈수록 커져 있다.
또한, 선회 스크롤(5)의 벽체(5b)의 치선에 설치한 팁 시일 홈에 대해서도, 마찬가지의 홈 깊이가 설정되어 있다.
상술한 스크롤 압축기(1)는 이하와 같이 동작한다.
도시하지 않은 전동 모터 등의 구동원에 의해 선회 스크롤(5)이 고정 스크롤(3) 주위로 공전 선회 운동을 행한다. 이에 의해, 각 스크롤(3, 5)의 외주 측으로부터 유체를 흡입하고, 각 벽체(3b, 5b) 및 각 단판(3a, 5a)에 의해 둘러싸인 압축실에 유체를 취입한다. 압축실 안의 유체는 외주 측으로부터 내주 측으로 이동함에 따라 순차 압축되고, 최종적으로 고정 스크롤(3)에 형성된 토출 포트(3c)로부터 압축 유체가 토출된다. 유체가 압축될 때에, 단판 경사부(3a1, 5a1) 및 벽체 경사부(3b1, 5b1)에 의해 형성된 경사부에서는 벽체(3b, 5b)의 높이 방향으로도 압축되어, 3차원 압축이 행해진다.
본 실시형태에 의하면, 이하의 작용 효과를 나타낸다.
각 스크롤(3, 5)의 내주 측은, 외주 측에 비하여, 유체가 압축되어 있어 압축 열에 의한 온도 상승이 크고, 또한 외주 측보다도 방열하기 어렵기 때문에 온도가 높아진다. 따라서 운전 중에는, 내주 측은 외주 측보다도 열팽창이 커지고, 치선과 치저 사이의 팁 클리어런스(T)가 작아진다. 따라서 상온에 있어서의 내주 측의 팁 클리어런스(T)를 외주 측보다도 크게 했다. 이에 의해, 스크롤 압축기(1)가 운전 시에 열팽창해도 내주 측으로부터 내주 측에 걸쳐서 소망의 팁 클리어런스(T)로 설정할 수 있고, 치선과 치저와의 간섭을 피하면서 유체 누설을 가급적 작게 할 수 있다.
팁 시일(7)에 대해서도 내주 측 쪽이 외주 측보다도 온도 상승이 높아진다. 그러면, 팁 시일(7)의 저면과 팁 시일 홈(3d)의 저면 사이의 팁 시일 뒤 틈새(3d2)는, 팁 시일(7)의 열팽창에 의해 외주 측보다도 내주 측 쪽이 작아진다. 특히, 금속제로 된 스크롤(3, 5)보다도 선 열 팽창 계수가 큰 수지제로 된 팁 시일(7)을 이용하는 경우에, 팁 시일 뒤 틈새(3d2)의 감소가 현저해진다.
팁 시일 뒤 틈새(3d2)가 없어져서 팁 시일(7)의 저면과 홈부의 저면이 접촉하면, 팁 시일(7)이 대향하는 치저 측으로 필요 이상으로 돌출하게 되어 스크롤 압축기(1)의 성능 저하를 초래할 우려가 있다. 그래서 팁 시일 홈(3d)의 홈 깊이(3d1)를 외주 측보다도 내주 측 쪽이 커지도록 하고, 열팽창에 따라 필요한 팁 시일 뒤 틈새(3d2)를 확보하도록 했다. 이에 의해, 열팽창에 의해 팁 시일(7)의 내주 측이 팁 시일 홈(3d)의 저면에 과잉의 압력으로 접촉하는 것을 회피할 수 있어서 스크롤 압축기(1)의 성능 저하를 억제할 수 있다.
벽체(3b, 5b)의 치선이나 단판(3a, 5a)의 치저가 경사져 있으면 계측점의 설정이 어려워서 계측 정밀도를 올리는 것이 곤란해진다. 그래서 벽체(3b, 5b) 및 단판(3a, 5a)의 최외주부 및 최내주부에 평탄부(3a2, 3a3, 5b2, 5b3)를 설치하고, 평탄부에 있어서의 팁 클리어런스(T)를 일정하게 하여 형상 측정을 정밀도 좋게 행하는 것으로 했다. 이에 의해, 스크롤 형상의 치수 관리나 팁 클리어런스 관리가 용이해진다.
또한, 상기 실시형태에서는, 도 8을 이용하여 설명한 바와 같이, 선회 스크롤(5)의 벽체(5b)의 치선의 경사를 변화시켜 팁 클리어런스(T)를 조정하는 것으로 했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 고정 스크롤(3)의 단판(3a)의 치저의 경사를 변화시켜도 좋고, 치선과 치저 양쪽을 변화시켜도 좋다. 이는, 선회 스크롤(5)의 단판(5a)과 고정 스크롤(3)의 벽체(3b)와의 관계에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 선회 스크롤(5)의 벽체(5b)의 치선의 경사를 2단계로 변화시키는 것으로 했지만, 3단계 이상으로 변화시켜도 좋고, 또한 경사부의 변화를 마련하지 않고 마주 보는 치선의 경사부 기울기와 치저의 경사부 기울기를 다르도록 하고, 내주 측의 팁 클리어런스를 외주 측보다도 크게 설정해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 단판 경사부(3a1, 5a1) 및 벽체 경사부(3b1, 5b1)를 양 스크롤(3, 5)에 설치하는 것으로 했지만, 어느 한쪽에 설치해도 좋다.
구체적으로는, 도 11a에 나타내는 바와 같이, 한쪽의 벽체(예를 들어, 선회 스크롤(5))에 벽체 경사부(5b1)를 설치하고, 다른 쪽의 단판(3a)에 단판 경사부(3a1)를 설치하는 경우에는, 다른 쪽의 벽체와 한쪽의 단판(5a)은 평탄하게 해도 좋다.
또한, 도 11b에 나타내는 바와 같이, 종래의 단 부착 형상과 조합한 형상, 즉 고정 스크롤(3)의 단판(3a)에 단판 경사부(3a1)를 설치하는 한편, 선회 스크롤(5)의 단판(5a)에 단부가 설치된 형상으로 조합해도 좋다.
상기 실시형태에서는 벽체 평탄부(3b2, 3b3, 5b2, 5b3) 및 단판 평탄부(3a2, 3a3, 5a2, 5a3)를 설치하는 것으로 했지만, 내주 측 및/또는 외주 측의 평탄부를 생략하여 경사부를 벽체(3b, 5b)의 전체로 연장하여 설치하도록 해도 좋다.
상기 실시형태에서는 스크롤 압축기로서 설명했지만, 팽창기로서 이용하는 스크롤 팽창기에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.
1: 스크롤 압축기(스크롤 유체 기계)
3: 고정 스크롤(제1 스크롤 부재)
3a: 단판(제1 단판)
3a1: 단판 경사부
3a2: 단판 평탄부(내주 측)
3a3: 단판 평탄부(외주 측)
3a4: 단판 경사 접속부(내주 측)
3a5: 단판 경사 접속부(외주 측)
3b: 벽체(제1 벽체)
3b1: 벽체 경사부
3b2: 벽체 평탄부(내주 측)
3b3: 벽체 평탄부(외주 측)
3b4: 벽체 경사 접속부(내주 측)
3b5: 벽체 경사 접속부(외주 측)
3c: 토출 포트
3d: 팁 시일 홈
3d1: 홈 깊이
3d2: 팁 시일 뒤 틈새
5: 선회 스크롤(제2 스크롤 부재)
5a: 단판(제2 단판)
5a1: 단판 경사부
5a2: 단판 평탄부(내주 측)
5a3: 단판 평탄부(외주 측)
5b: 벽체(제2 벽체)
5b1: 벽체 경사부
5b2: 벽체 평탄부(내주 측)
5b3: 벽체 평탄부(외주 측)
5b4: 벽체 경사 접속부(내주 측)
5b5: 벽체 경사 접속부(외주 측)
7: 팁 시일
Hc: 팁 시일의 높이
L: 대향면 간 거리
T: 팁 클리어런스
φ, φ1, φ2: 기울기

Claims (3)

  1. 제1 단판 상에 소용돌이 형상의 제1 벽체가 설치된 제1 스크롤 부재와,
    상기 제1 단판을 마주 보도록 배치된 제2 단판 상에 소용돌이 형상의 제2 벽체가 설치되고, 상기 제2 벽체가 상기 제1 벽체와 맞물려서 상대적으로 공전 선회 운동을 하는 제2스크롤 부재
    를 구비한 스크롤 유체 기계로서,
    마주 보는 상기 제1 단판과 상기 제2 단판과의 대향면 간 거리가 상기 제1 벽체 및 상기 제2 벽체의 외주 측으로부터 내주 측을 향하여 연속적으로 감소되는 경사부가 설치되고,
    상기 벽체의 치선과 상기 치선에 대향하는 상기 단판의 치저 사이의 상온에 있어서의 팁 클리어런스가, 외주 측보다도 내주 측 쪽이 크게 되고,
    상기 경사부는, 상기 제1 벽체 및 상기 제2 벽체에 설치된 벽체 경사부와, 상기 제1 단판 및 상기 제2 단판에 설치된 단판 경사부를 구비하고,
    상기 벽체 경사부에 접속됨과 함께, 상기 제1 벽체 및 상기 제2 벽체의 최외주부 및/또는 최내주부에 설치된 높이가 변화하지 않는 벽체 평탄부와,
    상기 단판 경사부에 접속됨과 함께, 상기 제1 단판 및 상기 제2 단판에 설치되어 상기 벽체 평탄부에 대응한 단판 평탄부
    를 구비하고,
    상기 벽체 평탄부와 상기 단판 평탄부 사이의 평탄부 팁 클리어런스는 소용돌이 방향으로 일정하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 유체 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 벽체 및 상기 제2 벽체의 치선에 형성된 홈부에는, 대향하는 치저에 접촉하여 유체를 시일하는 팁 시일이 설치되고,
    상기 홈부의 홈 깊이가 외주 측보다도 내주 측 쪽이 크게 되어 있는 스크롤 유체 기계.
  3. 삭제
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