スクロール式流体機械

本発明は、スクロール式流体機械に関するものである。

本発明の技術分野における背景技術として、特許文献1、2がある。

特許文献1には、少なくとも一方のスクロールのラップ部の周面に複数本の突起を設けたスクロール式流体機械が記載されている。

特許文献2には、固定スクロールのラップ部の内周面または外周面の予め決められた角度範囲に薄肉部を形成したスクロール式流体機械が記載されている。

特開2004−138056号公報

特開2006−17013号公報

特許文献1のスクロール式流体機械は、複数本の突起を設けて圧縮時の密閉性を高め、圧縮効率を向上させている。

ここで、スクロール式流体機械は運転時にスクロールに形成されたラップ部が圧縮熱により熱変形する。熱変形によるラップ部の変形はラップ部の背面側に設けられた冷却フィン等の影響により、周方向の位置によって不均一であり、対向するスクロールのラップ部間の隙間が大きくなる部分もあれば狭くなる部分もある。

そこで、例えば、特許文献2に記載されているように熱変形によって対向するスクロールのラップ部の隙間が小さくなる部分について薄肉部を形成することにより、運転時のラップ部間の接触を防止しつつ、圧縮効率を向上させていた。

しかし、運転時の熱膨張による影響を考慮してラップ部同士が接触しないようにすると、対向するスクロールのラップ部間の隙間が必要以上に大きくなり、特に運転開始時における圧縮流体の漏れが大きくなり、圧縮室の密閉性を高めることができず、圧縮効率を向上させることができなかった。

上記問題点に鑑み、本発明は、対向するスクロールのラップ部間の接触を回避しつつ、圧縮効率を向上させた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、本発明は、「鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第1のスクロール部材と、前記第1のスクロール部材と対向する位置に配置され、鏡板に渦巻状のラップ部が設けられた第2のスクロール部材と、前記第1のスクロール部材または前記第2のスクロール部材の少なくともいずれか一方の前記鏡板の背面側に設けられた冷却フィンと、前記第1のスクロール部材または前記第2のスクロール部材の少なくともいずれか一方のラップ部に設けられた突起部を備え、前記突起部の先端と基端とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差を周方向の位置によって異ならせることを特徴とするスクロール式流体機械」を提供する。

本発明によれば、対向するスクロールのラップ部間の接触を回避しつつ、圧縮効率を向上させたスクロール式流体機械を提供することができる。

本発明の実施例1に係るスクロール式圧縮機の全体の断面図である。

本発明の実施例1に係るスクロール式圧縮機のラップ部の断面図である。

スクロール式圧縮機のラップ部補正を示す断面図である。

本発明の実施例1に係るスクロール式圧縮機のラップ部間の拡大図である。

本発明の実施例1に係るスクロール式圧縮機のラップ部間の拡大図である。

本発明の実施例2に係るスクロール式圧縮機のラップ部間の拡大図である。

本発明の実施例3に係るスクロール式圧縮機のラップ部間の拡大図である。

本発明の実施例4に係るスクロール式圧縮機のラップ部の断面図である。

本発明の実施例4に係るスクロール式圧縮機のスクロールの変形を示す図である。

以下、スクロール式流体機械の一例として、本発明の実施例1〜4に係るスクロール式圧縮機を図1〜7に基づき説明する。

以下、本発明の実施例1を図1〜5に従って詳細に説明する。

図1を用いて、本実施例に係るスクロール式圧縮機の全体構造について説明する。本実施例に係るスクロール式圧縮機は、鏡板1Aに渦巻状のラップ部3が形成された旋回スクロール1と旋回スクロール1と対向する位置に設けれ、鏡板2Aに渦巻状のラップ部4が形成された固定スクロール2とを備える。旋回スクロール1、固定スクロール2の(少なくともいずれか一方の)背面にはそれぞれ冷却フィン1C、2Cが設けられている。

図2を用いて、本実施例に係るスクロール式圧縮機の動作について説明する。旋回スクロール1の旋回運動により、固定スクロール2のラップ部4と旋回スクロール1のラップ部3との間に画成される圧縮室5が連続的に縮小される。これによって各圧縮室は、吸込ポート6から吸込んだ空気を順次圧縮しつつ、この圧縮空気を吐出ポート7から外部の空気タンク(図示せず)に向けて吐出する。

ここで、一般にスクロール式圧縮機は、図3に示すように固定スクロール2と旋回スクロール1のラップ部3、4に形成するラジアル方向の隙間δ(ラップ隙間と呼ぶ)を可能な限り小さくして、各圧縮室から圧縮空気が漏れるのを抑え、空気圧縮機としての効率等を高めるようにしている。一方、ラップ隙間δを小さくすると圧縮熱等の影響でラップが熱変形した場合に、ラップ部3、4が接触する可能性がある。そこで、ラップ隙間δをラップ部3、4が接触せず、圧縮効率を高めるように設定している。しかし、ラップ部3、4はスクロール式圧縮機の運転に伴い、圧縮熱によって変形するため、起動開始からの時間によって最適なラップ隙間δは変化するものである。そのため、ラップ部3、4が接触しないことを最優先に考えると、圧縮効率を向上させるのは困難であった。

そこで、本実施例では、図4に示すようにラップ側面に突起8を設け、ラップが接触した場合でも、突起部8の先端のみが接触し、ラップ側面全体が接触する(かじる)ことを防止している。これにより、圧縮空気の漏れ量を低減し、圧縮効率を向上させることができる。

一方で、突起部8の先端と対向するスクロールのラップ部3、4との隙間を極端に狭くしすぎると、突起部8だけでなく、ラップ部3、4全体が接触してしまう。そのため、突起部8の先端と対向するスクロールのラップ部3、4との隙間はある程度の大きさを取る必要がある。ここで、突起部8の先端と対向するスクロールのラップ部3、4との隙間についても、スクロール式圧縮機の運転に伴い、圧縮熱によって変形するため、起動開始からの時間によって最適な隙間は変化する。突起部8の先端と対向するスクロールのラップ部3、4との隙間だけを考慮した場合もラップ部3、4全体が接触させないことを前提として、圧縮効率を向上させるのは困難であった。

そこで、本実施例では、図4に示すように、突起部8の先端と対向するスクロールのラップ部3、4との隙間ではなく、突起部8の先端と基端9とにおけるラップ部の径方向の厚さの差hを周方向の位置によって異ならせる。即ち、突起部8の先端と基端9とにおいて、対向するスクロール3、4との間隔の差を周方向の位置によって異ならせている。

このとき、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分の突起部8先端と基端9とにおけるラップ部3、4の径方向の厚さの差h1、h2を、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分よりも小さく設定する(h1>h2)。同様に、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分の突起部8先端と基端9とにおける対向するスクロール3、4との間隔の差も熱変形でラップ隙間が小さくなる部分よりも小さく設定する。

これにより、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分については、突起部8先端と基端9とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差および対向するスクロール3、4との間隔の差を大きくすることにより、突起部8先端を対向するスクロールのラップ部3、4に近づけてもラップ部全体が接触することを防止することができる。これにより、突起部8先端を対向するスクロールのラップ部3、4に近づけることが可能となり、圧縮空気の漏れ量を低減して、圧縮効率を向上させることが可能となる。一方で、熱変形でラップ隙間が大きくなる部分については、突起部8先端と基端9とにおけるラップ部の径方向の厚さの差を小さくすることにより、突起部8の基端部9での漏れを低減し、さらに圧縮効率を向上させることができる。

さらに、図5に示すように、突起部8先端と基端9とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差hを、熱変形によって生じるラップ隙間に応じて多段階に変える(h1>h2>h3)ことで、よりラビリンス基端部側での漏れを低減できる。

以上より、本実施例によれば、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分の突起部8先端と基端9とにおけるラップ部の径方向の厚さの差および対向するスクロール3、4との間隔の差を、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分よりも小さく設定することで、ラップ部全体が接触することを防止しつつ、圧縮空気の漏れ量を低減して、圧縮効率を向上させることができる。

本発明の実施例2について、図6を用いて説明する。実施例1と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施例では、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分についてラップ部3、4の側面10には突起部を設けず、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分のみに突起部を設けた。即ち、実施例1で、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分について突起部8先端と基端9とにおけるラップ部3、4の径方向の厚さの差h2を0とした。同様に、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分について突起部8先端と基端9とにおける対向するスクロール3、4との間隔の差も0とした。これにより、実施例1と比較して、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分について、突起部8の基端部9での漏れを低減し、さらに圧縮効率を向上させることができる。

本発明の実施例3について、図7を用いて説明する。実施例1、2と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施例では、ラップ部3、4の側面に設けられた複数の突起部8をラップ部3、4の側面形状が多角形状となるようにつないだ。

突起部8(多角形状突起部11)の寸法は、突起部先端と基端12とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差hを周方向の位置によって異ならせる。即ち、突起部先端と基端12とにおける対向するスクロール3、4との間隔の差を周方向の位置によって異ならせる。具体的には、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分の多角形状突起部11先端と基端12とにおける前記ラップ部の径方向の厚さの差h1、h2を、熱変形でラップ隙間が小さくなる部分よりも小さく設定する。これにより、熱変形でラップ隙間が拡がる部分における、多角形状突起基端部側12での漏れを低減することができる。

本実施例によれば、実施例1、2に比較して、容易な加工でラップ部3、4を形成でき、熱変形によりラップ隙間が大きくなる部分について、突起部8の基端部9での漏れを低減し、さらに圧縮効率を向上させることができる。

本発明の実施例4について、図8、9を用いて説明する。実施例1〜3と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

固定スクロール2の鏡板2Aには、その背面側にそれぞれ一方向(図2中のX−X線)に互いに平行になって延びる複数の冷却フィン2C、2C、・・・を設け、これらの冷却フィン2Cに沿って冷却風を流通させることにより鏡板2Aを背面側から冷やし、圧縮熱等の影響で渦巻状のラップ部4が変形するのを低減している。

ここで、このような固定スクロール2は、鏡板2Aの背面側に設けた各冷却フィン2Cが図7中のX−X線に沿って互いに平行に延びているので、固定スクロール2全体の剛性は、冷却フィン2Cが延びるX−X線の方向で高く、これと垂直なY−Y線の方向では剛性が低くなる傾向がある。

固定スクロール2は、図8、9に示すようにフランジ部18が旋回スクロール1を外側から収納するケーシング(図示略)に固定される。そのため、例えば圧縮室5内に発生する圧縮空気の圧力、圧縮熱等の影響によって図9に示すように冷却フィン2Cが形成された背面側に湾曲するように変形する。

このため、例えば圧縮室5内に発生する圧縮空気の圧力、圧縮熱等の影響によって固定スクロール2のラップ部4が変形するときに、例えば図8中に示す矢印F1、F1方向については径方向内側に向けて縮径される。このとき、固定スクロール2のラップ部4の歯先側と径方向外側で対向する旋回スクロール2のラップ部3の歯元側との間の隙間は大きくなる。

このような変形となる固定スクロール2に対して、固定スクロール2のラップ部4の外周面と旋回スクロール1のラップ部の内周面の少なくとも一方に形成された突起部8の先端と基端とにおける径方向の厚さの差および対向するスクロール3、4との間隔の差を、冷却フィン2Cが延びる方向(矢印F2、F2方向)を含む(90度未満の)所定角度範囲内に形成された突起部16と基端部17の差よりも冷却フィン2Cが延びる方向と垂直方向(矢印F1、F1方向)を含む(90度未満の)所定角度範囲内に形成された突起部14と基端部15との差を小さく設定する。

逆に矢印F2、F2方向では、固定スクロール2の鏡板2Aは拡径される。このとき、固定スクロール2のラップ部4の歯先側と径方向内側で対向する旋回スクロール1のラップ部3の歯元側との間の隙間は大きくなる。

このような変形となる固定スクロール2に対して、固定スクロール2のラップ部4の内周面と旋回スクロール1のラップ部の内周面の少なくとも一方に形成された突起部8の先端と基端とにおける径方向の厚さの差および対向するスクロール3、4との間隔の差を、冷却フィン2Cが延びる方向と垂直方向(矢印F1、F1方向)を含む(90度未満の)所定角度範囲内に形成された突起部14と基端部15との差よりも冷却フィン2Cが延びる方向(矢印F2、F2方向)を含む(90度未満の)所定角度範囲内に形成された突起部16と基端部17との差を小さく設定する。

本実施例によれば、冷却フィン2Cが延びる向きに対応して旋回スクロール1のラップ部3と固定スクロール2のラップ部4との隙間が大きくなるか小さくなるかを予めより正確に考慮した上でより、ラップ部全体が接触することを防止しつつ、圧縮空気の漏れ量を低減して、圧縮効率を向上させることができる。

実施例1〜4の形態では、スクロール式流体機械を空気圧縮機として用いる場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、真空ポンプ等を含めて他のスクロール式流体機械に適用してもよいものである。

1 旋回スクロール 2 固定スクロール 3 旋回スクロールラップ部 4 固定スクロールラップ部 5 圧縮室 6 吸込ポート 7 吐出ポート 8 突起部 9 突起部の基端部 10 ラップ部の側面 11 多角形状突起 12 多角形状突起の基端部 13 ラップ部径方向外側の側面 14 F1−F1方向に形成された突起部 15 F1−F1方向に形成された突起部の基端部 16 F2−F2方向に形成された突起部 17 F2−F2方向に形成された突起部の基端部 18 フランジ部