WO2018083964A1 - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

固定スクロールと旋回スクロールとの軸方向のクリアランス調整を容易にする。 スクロール型圧縮機は、互いに噛み合わされる固定スクロール３２０及び旋回スクロールと、固定スクロール３２０及び旋回スクロールを収容するフロントハウジング２２０と、フロントハウジング２２０の開口端に接合されるリアハウジング２４０と、を備えている。そして、固定スクロール３２０は、フロントハウジング２２０に嵌合される底板３２２と、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０との接合面に挟持されるフランジ３２６と、を有する。また、固定スクロール３２０のフランジ３２６及びフロントハウジング２２０の少なくとも一方に、固定スクロール３２０の底板３２２の両面に作用する圧力差によって固定スクロール３２０が旋回スクロールに向けて軸方向に変位することを許容する凹部３２６Ａ又は２２０Ｅが形成されている。

Description

スクロール型流体機械

　本発明は、固定スクロール及び旋回スクロールにより区画される圧縮室の容積を変化させることで、流体を圧縮又は膨張させるスクロール型流体機械に関する。

　スクロール型流体機械の一例として、特開２００２−２０６４９１号公報（特許文献１）に記載されるような、開放型のスクロール型圧縮機が知られている。スクロール型圧縮機は、互いに噛み合わされる固定スクロール及び旋回スクロールを備え、旋回スクロールが固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動することで、固定スクロールと旋回スクロールとにより区画される圧縮室の容積を増減し、気体冷媒を圧縮して吐出する。
　また、開放型のスクロール型圧縮機では、旋回スクロールを公転旋回運動させる駆動軸がハウジングを貫通しているので、駆動軸とハウジングとの間は、メカニカルシールやリップシールなどでシールされている。この場合、シール部分に高圧を作用させることができないため、密閉型のスクロール型圧縮機のように、旋回スクロールに背圧を作用させて固定スクロールに押し付けることで、圧縮運転中に旋回スクロールが固定スクロールから離れることを抑制できない。そこで、各スクロール型圧縮機について、固定スクロールと旋回スクロールとの軸方向のクリアランスを測定し、例えば、旋回スクロールのスラスト力を受けるスラストプレートの厚みを変えて、そのクリアランスを調整していた。

特開２００２−２０６４９１号公報

　しかしながら、スクロール型圧縮機の信頼性及び機能性を保障するためには、固定スクロールと旋回スクロールとの軸方向のクリアランスを厳密に調整する必要があり、例えば、厚さが５μｍ又は１０μｍ単位で異なるスラストプレートを選定しなければならなかった。この場合、スラストプレートの管理が大変であるだけでなく、スクロール型圧縮機の生産性が低下してしまうおそれもあった。
　そこで、本発明は、固定スクロールと旋回スクロールとの軸方向のクリアランス調整を容易にすることができる、スクロール型流体機械を提供することを目的とする。

　このため、スクロール型流体機械は、互いに噛み合わされる固定スクロール及び旋回スクロールと、固定スクロール及び旋回スクロールを収容する第１のハウジングと、第１のハウジングの開口端に接合される第２のハウジングと、を備える。そして、固定スクロールは、第１のハウジングに嵌合される底板と、第１のハウジングと第２のハウジングとの接合面に挟持されるフランジと、を有する。また、固定スクロールのフランジ及び第１のハウジングの少なくとも一方に、固定スクロールの底板の両面に作用する圧力差によって固定スクロールが旋回スクロールに向けて軸方向に変位することを許容する凹部が形成されている。

　本発明によれば、固定スクロールと旋回スクロールとの軸方向のクリアランス調整を容易にすることができる。

スクロール型圧縮機の一例を示す断面図である。 固定スクロールが旋回スクロールに向けて軸方向に変位することを許容する工夫を説明する要部断面図である。 固定スクロールが変位し易くする工夫を説明する要部断面図である。 軸方向のクリアランスと体積効率との関係を示す関係図である。 軸方向のクリアランスと消費動力との関係を示す関係図である。

　以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
　なお、スクロール型流体機械としては、圧縮機又は膨張機のどちらでも使用することができるが、ここではスクロール型圧縮機を例として説明する。
　図１は、スクロール型圧縮機の一例を示す。
　スクロール型圧縮機１００は、例えば、車両用空調機器の冷媒回路に組み込まれ、冷媒回路の低圧側から吸入した気体冷媒（流体）を圧縮して吐出する。スクロール型圧縮機１００は、ハウジング２００と、低圧の気体冷媒を圧縮する圧縮機構３００と、圧縮機構３００に外部から駆動力を伝達する駆動力伝達機構４００と、を備えている。ここで、冷媒としては、例えば、ＨＦＣ冷媒Ｒ３２、Ｒ４１０Ａなどを使用することができる。
　ハウジング２００は、分離可能な、圧縮機構３００及び駆動力伝達機構４００を収容するフロントハウジング２２０と、フロントハウジング２２０の開口端に接合され、圧縮機構３００により圧縮された気体冷媒の吐出室Ｈ１を形成するリアハウジング２４０と、を含んで構成されている。
　フロントハウジング２２０の外周面は、リアハウジング２４０との接合面から離れるにつれて、その外径が４段階に縮径する段付円柱形状に形成されている。ここで、円柱形状とは、見た目で円柱形状であると認識できる程度でよく、例えば、その外周面に補強用のリブ、取付用のボスなどがあってもよい（形状については以下同様）。また、フロントハウジング２２０の内周面は、リアハウジング２４０との接合面から離れるにつれて、その外径が４段階に縮径する段付円柱形状に形成されている。従って、フロントハウジング２２０は、その外周面と内周面とが相似形となっており、その全体について略同一の外殻厚さを有する、４段階に縮径する円筒形状に形成されている。さらに、フロントハウジング２２０の周壁には、冷媒回路の低圧側から圧縮機構３００の外周へと気体冷媒を吸入する、図示しない吸入ポートが形成されている。
　以下の説明においては、説明の便宜上、フロントハウジング２２０の段付円柱形状の内周面について、その大径側から小径側にかけて、第１内周面２２０Ａ~第４内周面２２０Ｄと称することとする。なお、フロントハウジング２２０が、第１のハウジングの一例として挙げられる。
　リアハウジング２４０は、フロントハウジング２２０との接合面から離れるにつれて、その中心部が外方へと膨出する半球形状をなしている。従って、リアハウジング２４０は、所定容積を有する内部空間を形成し、これが吐出室Ｈ１として機能する。また、リアハウジング２４０の周壁には、吐出室Ｈ１から冷媒回路の高圧側へと圧縮冷媒を吐出する、図示しない吐出ポートが形成されている。なお、リアハウジング２４０が、第２のハウジングの一例として挙げられる。
　フロントハウジング２２０及びリアハウジング２４０は、フロントハウジング２２０の大径側の開口端とリアハウジング２４０の開口端とを接合させた状態で、例えば、締結具としての複数のボルト５００を介して分離可能に締結されている。このため、フロントハウジング２２０の外周面の離間した複数位置には、その大径側から小径側へと向かって軸方向に沿って延びる、ボルト５００の軸部が螺合するボス部２２２が夫々形成されている。一方、リアハウジング２４０の外周面の離間した複数位置であって、フロントハウジング２２０のボス部２２２に対応した位置には、その開口端から膨出方向へと向かって軸方向に沿って延びる、ボルト５００の軸部が貫通するボス部２４２が夫々形成されている。従って、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０とを接合させた状態で、リアハウジング２４０の外方からボス部２４２へとボルト５００の軸部を挿入し、その軸部をフロントハウジング２２０のボス部２２２に螺合することで、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０とが一体化されたハウジング２００が構成される。
　圧縮機構３００は、フロントハウジング２２０の第１の内周面２２０Ａにより区画される円柱形状の空間に配設される。圧縮機構３００は、具体的には、フロントハウジング２２０の大径側の開口を閉塞するように配設される固定スクロール３２０と、固定スクロール３２０と第１内周面２２０Ａ及び第２内周面２２０Ｂの段部との間に配設される旋回スクロール３４０と、を含んで構成されている。
　固定スクロール３２０は、フロントハウジング２２０の第１内周面２２０Ａの開口端に嵌合される円盤形状の底板３２２と、底板３２２の一面から旋回スクロール３４０に向かって延びる、インボリュート曲線のラップ（渦巻き形状の羽根）３２４と、第１内周面２２０Ａの開口側において底板３２２の外周面から半径外方へと延び、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０との接合面に挟持される、薄板円環形状のフランジ３２６と、を有している。フランジ３２６の外縁端は、フロントハウジング２２０の大径側の開口端の外形に倣った形状に形成され、その板面の複数の所定箇所に、ボルト５００の軸部が貫通可能な貫通孔が夫々形成されている。従って、固定スクロール３２０は、そのフランジ３２６を介して、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０との接合面に挟持され、フロントハウジング２２０の大径側の開口を閉塞すると共に、リアハウジング２４０と協働して吐出室Ｈ１を区画する。
　旋回スクロール３４０は、第１内周面２２０Ａ及び第２内周面２２０Ｂの段部側に配設される円盤形状の底板３４２と、底板３４２の一面から固定スクロール３２０に向かって延びる、インボリュート曲線のラップ３４４と、を有している。底板３４２は、固定スクロール３２０の底板３２２より小さい外径をなし、その他面が、第１内周面２２０Ａ及び第２内周面２２０Ｂの段部にスラスト力を伝達するように、薄板円環形状のスラストプレート５１０を介して段部に当接されている。
　そして、固定スクロール３２０及び旋回スクロール３４０は、ラップ３２４及び３４４の周方向の角度が互いにずれた状態で、ラップ３２４及び３４４の側壁が互いに部分的に接触するように噛み合わされる。このとき、固定スクロール３２０のラップ３２４の先端部には、旋回スクロール３４０の底板３４２とのシール性を確保する、図示しないシールチップが埋設されている。一方、旋回スクロール３４０のラップ３４４の先端部には、固定スクロール３２０の底板３２２とのシール性を確保する、図示しないシールチップが埋設されている。従って、圧縮機構３００では、固定スクロール３２０と旋回スクロール３４０との間に、三日月形状の密閉空間、即ち、気体冷媒を圧縮する圧縮室Ｈ２が区画される。
　固定スクロール３２０の底板３２２の中心部には、圧縮室Ｈ２により圧縮された気体冷媒を吐出室Ｈ１へと吐出する吐出孔３２２Ａが形成されている。底板３２２の他面には、圧縮室Ｈ２から吐出室Ｈ１への気体冷媒の流れを許容する一方、吐出室Ｈ１から圧縮室Ｈ２への気体冷媒の流れを阻止する、例えば、リードバルブからなる一方向弁３２８が取り付けられている。
　固定スクロール３２０の底板３２２の外周面には、その全長に亘って凹溝３２２Ｂが形成され、フロントハウジング２２０とのシールを確保するＯリング３２２Ｃが嵌め込まれている。また、リアハウジング２４０の開口端面には、その全周に亘って凹溝２４０Ａが形成され、フロントハウジング２２０とのシールを確保するＯリング２４０Ｂが嵌め込まれている。
　駆動力伝達機構４００は、駆動軸４１０と、クランク４２０と、偏心ブッシュ４３０と、バランサウェイト４４０と、電磁クラッチ４５０と、プーリ４６０と、を含んで構成されている。
　駆動軸４１０は、小径部４１０Ａ及び大径部４１０Ｂを有する段付形状をなし、その小径部４１０Ａの先端部がフロントハウジング２２０の小径側端部から外部に突出するように、フロントハウジング２２０に回転自由に収容される。具体的には、駆動軸４１０の小径部４１０Ａ及び大径部４１０Ｂは、夫々、第４内周面２２０Ｄの開口側端部及び第３内周面２２０Ｃに対して、ボールベアリング５２０及びローラベアリング５３０を介して回転自由に軸支されている。駆動軸４１０の小径部４１０Ａであって、ボールベアリング５２０と大径部４１０Ｂとの間に位置する部位は、例えば、メカニカルシールやリップシールなどのシール部材５４０によって、フロントハウジング２２０の第４内周面２２０Ｄとのシール性が確保されている。
　駆動軸４１０の大径部４１０Ｂの端面には、その軸心から偏心した位置に、ここから圧縮機構３００に向かって突出する円柱形状のクランク４２０が形成されている。クランク４２０の外周面には、クランク４２０が相対回転可能に嵌合する嵌合孔が偏心状態で形成された、円柱形状の外形を有する偏心ブッシュ４３０が取り付けられている。偏心ブッシュ４３０の外周面は、旋回スクロール３４０の底板３４２の他面からフロントハウジング２２０の小径側へと延びる、円環形状のボス部３４２Ａの内周面に取り付けられたローラベアリング５５０を介して回転自由に支持されている。
　また、駆動軸４１０の大径部４１０Ｂの端面には、その軸心に対してクランク４２０の形成位置とは反対側の偏心した位置に、大径部４１０Ｂの内部に向かって延びる円形孔４１０Ｃが形成されている。大径部４１０Ｂに対面する偏心ブッシュ４３０の端面には、その軸心に対して偏心した位置から大径部４１０Ｂに向かって延びる、円柱形状のピン４３０Ａが形成されている。そして、偏心ブッシュ４３０のピン４３０Ａは、駆動軸４１０の円形孔４１０Ｃに内接しつつその軸周りに公転旋回運動するように嵌合されている。従って、旋回スクロール３４０は、その自転が阻止された状態で、固定スクロール３２０の軸心周りを公転旋回運動する。さらに、旋回スクロール３４０のボス部３４２Ａの半径外方には、旋回スクロール３４０の公転旋回運動に起因する振動を抑制するために、その重量などに応じたバランサウェイト４４０が取り付けられている。
　駆動軸４１０の先端部は、フロントハウジング２２０の小径側の外周面に遊転可能に取り付けられた電磁クラッチ４５０を介して、外部からの動力によって回転するプーリ４６０に連結されている。従って、電磁クラッチ４５０を作動させると、プーリ４６０と駆動軸４１０とが連結され、プーリ４６０の回転力によって駆動軸４１０が回転する。一方、電磁クラッチ４５０の作動を停止させると、プーリ４６０と駆動軸４１０との連結が解除され、駆動軸４１０の回転が停止する。このように、電磁クラッチ４５０を適宜制御することで、スクロール型圧縮機１００の作動を制御することができる。
　次に、スクロール型圧縮機１００の作用について説明する。
　外部からの動力によって駆動軸４１０が回転すると、その回転力がクランク４２０及び偏心ブッシュ４３０を介して旋回スクロール３４０に伝達され、旋回スクロール３４０を固定スクロール３２０の軸心周りに公転旋回運動させる。このとき、偏心ブッシュ４３０のピン４３０Ａが駆動軸４１０の円形孔４１０Ｃに内接しつつ嵌合しているので、旋回スクロール３４０の自転が阻止される。その結果、圧縮機構３００の圧縮室Ｈ２の容積が増減し、フロントハウジング２２０の吸入ポートから内部空間へと吸入された低圧の気体冷媒は、圧縮室Ｈ２で圧縮されつつ中心部へと導かれる。圧縮機構３００の中心部へと導かれた気体冷媒は、固定スクロール３２０の底板３２２に形成された吐出孔３２２Ａ及び一方向弁３２８を介して吐出室Ｈ１へと吐出される。吐出室Ｈ１へと吐出された気体冷媒は、リアハウジング２４０の吐出ポートを介して、冷媒回路の高圧側へと吐出される。
　スクロール型圧縮機１００の運転中には、固定スクロール３２０の底板３２２には、吐出室Ｈ１の圧力と圧縮室Ｈ２の圧力とが作用する。圧縮室Ｈ２の圧力はその容積に応じて変化するので平均圧力を考慮すると、吐出室Ｈ１の圧力は圧縮室Ｈ２の平均圧力より高いことは容易に理解されよう。この場合、固定スクロール３２０の底板３２２には、その両面の圧力差によって、旋回スクロール３４０に向かう力が作用する。固定スクロール３２０の底板３２２は、十分な強度を確保するためある程度の厚さを有しているため、その変形量が極めて小さく無視できる。しかし、固定スクロール３２０は、薄板形状のフランジ３２６を介して、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０との接合面に挟持されているため、底板３２２に作用する力によってフランジ３２６が弾性変形し、旋回スクロール３４０に向かって変位しようとする。
　このとき、固定スクロール３２０のフランジ３２６は、フロントハウジング２２０の大径側の端面と全面的に接触しているため、フランジ３２６とフロントハウジング２２０とが干渉し、旋回スクロール３４０に向かって変位することが抑制されてしまう。そこで、図２に示すように、フランジ３２６及びフロントハウジング２２０の大径側端面の少なくとも一方に、固定スクロール３２０の底板３２２の両面に作用する圧力差によって、固定スクロール３２０が旋回スクロール３４０に向けて軸方向に変位することを許容する凹部３２６Ａ及び２２０Ｅを形成する。
　なお、図示の例では、フロントハウジング２２０と固定スクロール３２０のフランジ３２６との間には、固定スクロール３２０と旋回スクロール３４０との軸方向のクリアランスを調整する、薄板円環形状のシム５６０が取り付けられているが、これは必ずしも取り付けなくてもよい。この場合には、従来技術と同様に、スラストプレート５１０の厚さを適宜選定することで、固定スクロール３２０と旋回スクロール３４０との軸方向のクリアランスを調整することができる。
　固定スクロール３２０のフランジ３２６に形成された凹部３２６Ａは、固定スクロール３２０が旋回スクロール３４０に向けて軸方向に変位しようとするときに、フロントハウジング２２０の大径側の内周端部との干渉を避ける形状、具体的には、フロントハウジング２２０の大径側の内周端部を臨む環状の凹溝として形成される。この凹溝の断面形状は、例えば、固定スクロール３２０が変位するとき、フロントハウジング２２０の大径側の内周端部との位置関係を考慮して決定することができる。このようにすれば、固定スクロール３２０のフランジ３２６は、凹部３２６Ａの形成部位の強度が低下するため、ここを始点として弾性変形し、また、凹部３２６Ａによってフロントハウジング２２０の大径側の内周端部との干渉が避けられ、旋回スクロール３４０に向かって変位し易くなる。
　フロントハウジング２２０の大径側端面に形成された凹部２２０Ｅは、固定スクロール３２０が旋回スクロール３４０に向けて軸方向に変位しようとするときに、フランジ３２６の基端部との干渉を避ける形状、具体的には、フロントハウジング２２０の大径側の内周端部に位置する環状の凹溝又は面取りとして形成される。この凹溝又は面取りの形状は、例えば、固定スクロール３２０が変位するとき、そのフランジ３２６の基端部の軌跡を考慮して決定することができる。このようにすれば、凹部２２０Ｅによって固定スクロール３２０のフランジ３２６との干渉が避けられ、旋回スクロール３４０に向かって変位し易くなる。
　従って、固定スクロール３２０と旋回スクロール３４０との軸方向のクリアランスを多めに調整しておき、固定スクロール３２０の底板３２２に作用する力を利用して、これを旋回スクロール３４０に向けて変位させることで、クリアランスを容易に調整することができる。このとき、クリアランスが多めに調整されているが、固定スクロール３２０が旋回スクロール３４０に向けて変位するため、旋回スクロール３４０が固定スクロール３２０から離れることが抑制される。また、クリアランスを多めに調整しておくことで、旋回スクロール３４０が固定スクロール３２０に過度な力で押し付けられることがなく、旋回スクロール３４０を公転旋回運動させる動力を低減することもできる。
　固定スクロール３２０を旋回スクロール３４０に向けて更に変位し易くするために、図３に示すように、フロントハウジング２２０のボス部２２２のうち、ボルト５００の先端部側の少なくとも一部を肉薄に形成することもできる。このようにすれば、ボス部２２２の強度が低下することから、固定スクロール３２０の底板３２２に作用する力によってボス部２２２がボルト５００と共に変形し、固定スクロール３２０の変位量を大きくすることができる。従って、固定スクロール３２０と旋回スクロール３４０との軸方向クリアランスの調整幅が大きくなり、例えば、スラストプレート５１０又はシム５６０の厚さの調整間隔を大きくすることができる。
　本実施形態に係るスクロール型圧縮機１００の効果を確認するために、初期状態の軸方向のクリアランスと体積効率及び消費動力との関係を調べた。その結果、軸方向のクリアランスと体積効率との関係は、図４に示すようになった。この関係を参照すると、従来技術では、軸方向のクリアランスが４０μｍを超えると体積効率が急激に低下するが、本実施形態では、軸方向のクリアランスが１００μｍまで体積効率の低下が緩やかであることが把握できる。
　また、軸方向のクリアランスと消費動力との関係は、図５のようになった。この関係を参照すると、従来技術では、軸方向のクリアランスが大きくなるにつれて消費動力が小さくなるが、本実施形態では、軸方向のクリアランスが４０~１３０μｍの範囲で略一定であることが把握できる。
　従って、本実施形態に係るスクロール型圧縮機１００では、初期状態のクリアランスが４０~１００μｍであれば略一定の性能を発揮できることが理解されよう。よって、初期状態のクリアランスの調整範囲が従来技術と比較して拡大し、固定スクロール３２０と旋回スクロール３４０との軸方向のクリアランス調整を容易にすることができる。また、クリアランス調整用のスラストプレート５１０又はシム５６０の種類を少なくすることができるため、その管理を容易にすることもできる。
　以上、本発明を実施するための実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、下記に一例を列挙するように、技術的思想に基づいて種々の変形及び変化が可能である。
　スクロール型圧縮機１００のハウジング２００は、フロントハウジング２２０及びリアハウジング２４０からなる構成に限らず、例えば、フロントハウジング、センターハウジング及びリアハウジングからなる構成とすることもできる。また、駆動力伝達機構４００は、上述した構成に限らず、周知の構成とすることもできる。

　１００　スクロール型圧縮機（スクロール型流体機械）
　２００　ハウジング
　２２０　フロントハウジング（第１のハウジング）
　２２０Ｅ　凹部
　２２２　ボス部
　２４０　リアハウジング（第２のハウジング）
　３２０　固定スクロール
　３２２　底板
　３２６　フランジ
　３２６Ａ　凹部
　３４０　旋回スクロール
　５００　ボルト
　５６０　シム

Claims (5)

1. 　互いに噛み合わされる固定スクロール及び旋回スクロールと、
   　前記固定スクロール及び前記旋回スクロールを収容する第１のハウジングと、
   　前記第１のハウジングの開口端に接合される第２のハウジングと、
   　を備え、
   　前記固定スクロールは、前記第１のハウジングに嵌合される底板と、前記第１のハウジングと前記第２のハウジングとの接合面に挟持されるフランジと、を有し、
   　前記固定スクロールのフランジ及び前記第１のハウジングの少なくとも一方に、前記固定スクロールの底板の両面に作用する圧力差によって当該固定スクロールが前記旋回スクロールに向けて軸方向に変位することを許容する凹部が形成された、
   　スクロール型流体機械。
2. 　前記固定スクロールのフランジに形成された凹部は、前記第１のハウジングの内周端部を臨む環状の凹溝からなる、
   　請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 　前記第１のハウジングに形成された凹部は、当該第１のハウジングの内周端部に位置する環状の凹溝又は面取りからなる、
   　請求項１又は請求項２に記載のスクロール型流体機械。
4. 　前記第１のハウジングの外周面には、前記第２のハウジング側から、前記第１のハウジングと前記第２のハウジングとを締結するボルトの軸部が螺合するボス部が形成され、
   　前記ボス部のうち、前記ボルトの先端部側の少なくとも一部が肉薄に形成された、
   　請求項１~請求項３のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。
5. 　前記第１のハウジングと前記固定スクロールのフランジとの間に、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとの軸方向のクリアランスを調整するシムが挟み込まれた、
   　請求項１~請求項４のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。

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