JP6470000B2 - スクロール型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール型流体機械に関し、詳しくは、ラップの渦巻形状を代数螺旋で形成したスクロールユニットの軸方向におけるシール性を向上させたスクロール型流体機械に関する。

スクロール型流体機械は、底板に渦巻状のラップが立設された固定スクロールと可動スクロールを有し、互いに対向して噛み合わせた両スクロールのラップ間に密閉空間を形成するスクロールユニットを備え、自転阻止機構により可動スクロールの自転を阻止しつつ、可動スクロールを固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動させて密閉空間の容積を変化させて流体を圧縮又は膨張させる。

このようなスクロール型流体機械として、例えば特許文献１に記載されているものがある。このスクロール型流体機械は、可動スクロールと固定スクロールの各ラップの渦巻形状を代数螺旋で形成されている。ラップの渦巻形状を代数螺旋とすると、ラップの中央部から外周部に向かうに従ってラップの壁厚を徐々に減少させる（薄くさせる）ことができるため、スクロールユニットの小型軽量化を図ることができる。

特許第３２９１８４４号公報

ところで、スクロールユニットは、ユニット軸方向における流体の漏れを防止するため、互いのラップの上端面にチップシール溝を形成してチップシールを配置している。ラップの渦巻形状を通常のインボリュート曲線で形成した場合は、ラップの壁厚が一定となるので、チップシールを配置するラップ上端面のチップシール溝の螺旋形状を、ラップの中央部（巻き始め）から外周部（巻き終わり）まで同じ螺旋形状に形成して、流体の漏れを防止するのに十分な長さのチップシールを配置することが可能である。しかしながら、ラップの渦巻形状を代数螺旋で形成した場合、ラップの中央部（巻き始め）から外周部（巻き終わり）に向かうに従ってラップ壁厚が減少する（薄くなる）ので、ラップ外周部までチップシールを配置できず、ラップの渦巻形状をインボリュート曲線で形成した場合と比較してスクロールユニットの軸方向のシール性が損なわれる虞れがある。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、スクロールユニットの小型軽量化を図りつつ、ラップの渦巻形状を代数螺旋で形成したスクロールユニットの軸方向のシール性を向上させた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、本発明は、底板に渦巻状のラップが立設され、ラップの上端面に形成したチップシール溝にチップシールを配置した固定スクロール及び可動スクロールを、互いに対向させて互いのラップを噛み合わせ、自転が阻止された前記可動スクロールが前記固定スクロール材に接しつつ公転し、互いのラップ間に公転に伴って容積変化する密閉空間を形成するスクロールユニットを備え、前記両スクロールのラップの渦巻形状を、ラップの中央部から外周部へ向かうに従ってラップ壁厚が減少する代数螺旋で形成したスクロール型流体機械であって、前記両スクロールの少なくとも一方のスクロールにおけるラップ外周部の仕上げ加工終点近傍のラップ壁厚を、前記チップシールの配置が可能な最小壁厚としたことを特徴とする。

本発明のスクロール型流体機械によれば、スクロールのラップ渦巻形状を、ラップの中央部から外周部へ向かうに従ってラップ壁厚が減少する代数螺旋で形成したスクロールユニットにおいて、スクロールにおけるラップ外周部の仕上げ加工終点近傍のラップ壁厚を、チップシールの配置が可能な最小壁厚としたので、ラップ渦巻形状を代数螺旋で形成した場合でも、ラップの外周部までチップシールを確実に配置できる。従って、スクロールユニットを小型軽量化しつつラップを代数螺旋で形成したスクロールユニットの軸方向のシール性を向上できる。

本実施形態のスクロール型圧縮機の全体構成を示す断面図である。 ラップ側から見た固定スクロールの平面図である。 ラップ側から見た可動スクロールの平面図である。 スクロールユニットの説明図である。 ラップ上端面のチップシールの配置状態の説明図である。 図２の破線で囲まれたＸ部分の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明に係るスクロール型流体機械は、圧縮機或いは膨張機として使用することができるが、ここでは圧縮機の例で説明する。

図１〜図４は本実施形態のスクロール型圧縮機の構成を示しており、図１は全体構成を示す断面図、図２はラップ側から見た固定スクロールの平面図、図３はラップ側から見た可動スクロールの平面図、図４はスクロールユニットの説明図である。

スクロール型圧縮機１は、中心軸方向に対向配置される固定スクロール２と可動スクロール３とを有するスクロールユニット４を備えている。固定スクロール２は、図２に示すように、底板２ａ上に渦巻状のラップ２ｂが一体に立設されている。可動スクロール３も、図３に示すように、同様に底板３ａ上に渦巻状のラップ３ｂが一体に立設されている。

両スクロール２、３は、両ラップ２ｂ、３ｂを噛み合わせ、固定スクロール２のラップ２ｂの上端面が可動スクロール３の底板３ａに接触し、可動スクロール３のラップ３ｂの上端面が底板２ａに接触するように配設される。両ラップ２ｂ、３ｂの上端面には、チップシール溝２ｃ，３ｃ（図５に示す）が形成されてチップシール４０，４１が嵌め込まれている。

また、両スクロール２、３は、図４に示すように、両ラップ２ｂ、３ｂの周方向の角度が互いにずれた状態で、両ラップ２ｂ、３ｂの側壁が互いに部分的に接触するように配設されている。これにより、両ラップ２ｂ、３ｂ間に三日月状の密閉空間である流体ポケット５が形成される。尚、図４中の破線は、可動スクロール３の底板３ａの外縁部を示している。

可動スクロール３は、駆動機構と後述する自転阻止機構３０により、固定スクロール２の中心軸回りに公転運動され、自転が阻止される。これにより、両ラップ２ｂ、３ｂ間に形成される流体ポケット５が、両ラップ２ｂ、３ｂの外周部から中央部へ向かって移動されることにより、流体ポケット５の容積が縮小方向に変化する。従って、ラップ２ｂ、３ｂの外周部側から流体ポケット５内に取込まれた流体（例えば冷媒ガス）が圧縮される。

尚、膨張機の場合には、流体ポケット５が逆にラップ２ｂ、３ｂの中央部から外周部へ向かって移動されることにより、流体ポケット５の容積が増大方向に変化し、ラップ２ｂ、３ｂの中央部側から流体ポケット５内に取込まれた流体が膨張される。

スクロール型圧縮機１のハウジングは、スクロールユニット４を内包するセンターハウジング６と、その前側に配置されるフロントハウジング７と、後側に配置されるリアハウジング８とから構成されている。

センターハウジング６は、本実施形態では、固定スクロール２の底板２ａと一体にスクロールユニット４の筐体部（外殻シェル）として形成されている。但し、固定スクロール２とセンターハウジング６とを別部材として、センターハウジング６内に固定スクロール２を収納固定する構造としてもよい。センターハウジング６は、リア側が底板２ａにより閉止され、フロント側が開口している。

フロントハウジング７は、センターハウジング６の開口部側にボルト（図示せず）により締結される。フロントハウジング７は、可動スクロール３をスラスト方向に支持すると共に、可動スクロール３の駆動機構を収納している。

フロントハウジング７は、その内部に、フロントハウジング７の外壁に形成される吸入ポート（図示せず）に接続する上記流体の吸入室９が形成されている。

フロントハウジング７及びセンターハウジング６には、圧縮機中心軸と平行な方向に延在して、フロントハウジング７側の吸入室９からセンターハウジング６側のスクロールユニット４の両ラップ２ｂ、３ｂの外周部付近へ、上記流体を案内する流体通路空間１０が形成されている。

リアハウジング８は、センターハウジング６における固定スクロール２の底板２ａ側にボルト（図示せず）により締結され、底板２ａ背面との間に上記流体の吐出室１１を形成している。固定スクロール２の底板２ａの中央部には、圧縮流体の吐出孔１２が形成され、吐出孔１２には一方向弁１３が付設されている。吐出孔１２は、一方向弁１３を介して吐出室１１に接続される。吐出室１１は、リアハウジング８の外壁に形成される吐出ポート（図示せず）に接続している。

上記流体は、吸入ポートからフロントハウジング７内の吸入室９に導入され、フロントハウジング７及びセンターハウジング６の流体通路空間１０を経由して、スクロールユニット４の外周部側からラップ２ｂ，３ｂの接触により形成される流体ポケット５内に取込まれ、圧縮に供される。圧縮された流体は、固定スクロール２の底板２ａの中央部に穿設された吐出孔１２から、リアハウジング８内の吐出室１１に吐出され、そこから吐出ポートを介して外部に導出される。

フロントハウジング７は、センターハウジング６の開口部側にボルト（図示せず）により締結される外周部の内側に、可動スクロール３の底板３ａ背面と対向し可動スクロール３からのスラスト力を、スラストプレート１４を介して受けるスラスト受け部１５を有する。

フロントハウジング７は、また、中央部に可動スクロール３の駆動機構の中核をなす駆動軸２０を回転自在に支承している。駆動軸２０の一端部側はフロントハウジング７外に突出しており、ここに電磁クラッチ２１を介してプーリ２２が取付けられている。従って、プーリ２２から電磁クラッチ２１を介して入力される回転駆動力により、駆動軸２０が回転駆動される。駆動軸２０の他端部側は、クランク機構を介して可動スクロール３に連結されている。

前記クランク機構は、本実施形態では、可動スクロール３の底板３ａ背面に突出形成された円筒状のボス部２３と、駆動軸２０の端部に設けたクランク２４に偏心状態で取付けた偏心ブッシュ２５と、を含んで構成され、前記偏心ブッシュ２５は前記ボス部２３の内部に軸受２６を介して嵌合している。尚、偏心ブッシュ２５には、可動スクロール３の動作時の遠心力に対向するバランサウエイト２７が取付けられる。

自転阻止機構３０は、可動スクロール３の底板３ａ背面（フロントハウジング７のスラスト受け部１５に対向する）に形成された円形穴３１と、フロントハウジング７のスラスト受け部１５側に突設されてスラストプレート１４を貫通して前記円形穴３１に係合するピン３２とで構成される自転阻止部３３を、可動スクロール３の底板３ａ背面の外周縁近傍の周方向に沿って等間隔に複数（例えば４個）配置して構成されている。尚、自転阻止部３３は、少なくとも３個以上あれば、可動スクロール３は自転をすることなく固定スクロール２の軸心周りに公転旋回運動することができる。

かかる構成のスクロール型圧縮機１の動作について簡単に説明する。
外部からの回転駆動力によりプーリ２２が回転すると、電磁クラッチ２１を介して駆動軸２０が回転し、クランク機構を介して可動スクロール３が、自転阻止機構３０により自転が阻止されつつ固定スクロール２の軸心周りに公転旋回運動する。可動スクロール３の公転旋回運動により、流体（冷媒ガス）が吸入ポートから吸入室９及び流体通路空間１０を経由してスクロールユニット４のラップ２ｂ、３ｂ間の流体ポケット５内に取込まれ、流体ポケット５の容積の縮小変化によって圧縮された流体は、固定スクロール２中央部の吐出孔１２から吐出室１１に吐出される。吐出室１１に吐出された流体は、吐出ポートを介して外部に導出される。

次に、本実施形態のスクロールユニット４の固定スクロール２及び可動スクロール３について詳述する。
図２に示す固定スクロール２は、前述したように、底板２ａ上に渦巻状のラップ２ｂが一体に立設され、ラップ２ｂの上端面に、略コ字形のチップシール溝２ｃ（図５に示す）が形成されてチップシール４０が嵌め込まれている。また、底板２ａの中央部に圧縮流体の吐出孔１２が形成されている。前記ラップ２ｂの渦巻形状は、ラップ２ｂの中央部から外周部へ向かうに従って図５に示すラップ壁厚Ａが減少する（薄くなる）よう代数螺旋で形成されている。固定スクロール２は、鋳造後にエンドミル等によりラップ２ｂの仕上げ加工を行い、図２の破線で囲んだＸ部分を拡大した図６に示す仕上げ加工終点におけるラップ壁厚Ａを、チップシール４０の配置が可能な最小壁厚Ａ_sとなるように形成している。ここで、チップシール４０の配置が可能な最小壁厚Ａ_sとは、ラップ２ｂ上端面にチップシール４０を配置するためには図５に示すラップ２ｂ上端面端部からチップシール溝２ｃまでの壁厚Ｂ１，Ｂ２（Ｂ１はラップ２ｂ外壁からチップシール溝２ｃまでの壁厚、Ｂ２はラップ２ｂ内壁からチップシール溝２ｃまでの壁厚）がある程度必要であり、側壁厚さＢ１，Ｂ２の必要最小限の厚さＢ１_s，Ｂ２_sにチップシールの幅ｃ（一定）を加えた厚さである。ここで、Ｂ１_s＝Ｂ２_sとなるので、最小壁厚Ａ_sは、Ａ_s＝２×Ｂ１_s（又はＢ２_s）＋ｃとなる。更に、固定スクロール２のチップシール溝２ｃの螺旋形状（チップシール溝２ｃのプロファイル）を、ラップ２ｂの中央部からラップ２ｂの外周部の仕上げ加工終点近傍まではラップ２ｂの中央部より外壁側寄りに外壁に沿ってラップ２ｂ外壁からチップシール溝２ｃまでの距離（図５の壁厚Ｂ１）が一定となるよう形成し、仕上げ加工終点近傍からチップシール溝２ｃ終端まではラップ２ｂの中央部より内壁側寄りに内壁に沿ってラップ２ｂ内壁からチップシール溝２ｃまでの距離（図５の壁厚Ｂ２）が一定となる形成してある。即ち、図６に示す仕上げ加工終点近傍の前後で、チップシールの配置形態を切替えている。

図３に示す可動スクロール３は、前述したように、同じく底板３ａ上に渦巻状のラップ３ｂが一体に立設され、ラップ３ｂの上端面に、略コ字形のチップシール溝３ｃ（図５に示す）が形成されてチップシール４１が嵌め込まれている。前記ラップ３ｂの渦巻形状は、固定スクロール２のラップ２ｂと同様で、ラップ３ｂの中央部から外周部へ向かうに従ってラップ壁厚が減少する（薄くなる）よう代数螺旋で形成されている。可動スクロール３も、同様に鋳造後にエンドミル等によりラップ３ｂの仕上げ加工を行い、仕上げ加工終点におけるラップ３ｂの壁厚が少なくともチップシール４１が配置可能な最小壁厚以上となるよう形成している。また、可動スクロール３のチップシール溝３ｃの螺旋形状（チップシール溝２ｃのプロファイル）も、固定スクロール２と同様で、ラップ３ｂの中央部からラップ３ｂの外周部の仕上げ加工終点近傍まではラップ３ｂの中央部より外壁側寄りに外壁に沿ってラップ３ｂ外壁からチップシール溝３ｃまでの距離（図５の壁厚Ｂ１）が一定となるよう形成し、仕上げ加工終点近傍からチップシール溝３ｃ終端まではラップ３ｂの中央部より内壁側寄りに内壁に沿ってラップ３ｂ内壁からチップシール溝３ｃまでの距離（図５の壁厚Ｂ２）が一定となる形成してあり、仕上げ加工終点近傍の前後で、チップシールの配置形態を切替えている。尚、可動スクロール３のチップシール溝３ｃの螺旋形状は、ラップ３ｂの中央部からチップシール溝３ｃ終端まで切替えることなく、ラップ３ｂ内壁からチップシール溝２ｃまでの距離が一定となるよう形成してもよい。

かかる構成のスクロール型圧縮機によれば、ラップ形状が代数螺旋の固定及び可動両スクロール２，３の仕上げ加工終点におけるラップ壁厚Ａを、チップシール４０，４１の配置が可能な最小壁厚Ａ_sとなるように形成したので、代数螺旋のラップ２ｂ，３ｂの外周部まで確実にチップシール４０，４１を配置できる。従って、固定及び可動両スクロール２，３の小型軽量化ができ、延いてはスクロールユニット４の小型軽量化ができると共に、スクロールユニット４の軸方向のシール性を高めることができる。

また、固定スクロール２のラップ２ｂ上端面に配置するチップシール４０を、ラップ２ｂ中央部（巻き始め）からラップ２ｂ外周部（巻き終わり）の仕上げ加工終点近傍まではラップ２ｂの中央部より外壁側寄りに外壁に沿って配置したので、吐出孔１２の入口部が複雑な形状になっているラップ２ｂ中央部において、ラップ２ｂの内壁側寄りにチップシール４１を配置する場合と比較して、チップシール４１の巻き始めをよりラップ２ｂ中央部まで延ばして配置することができ、スクロールユニット４中央部におけるユニット軸方向のシール性が向上して流体の内部漏れを抑制できる。また、仕上げ加工終点近傍以降は、チップシール溝２ｃの螺旋形状を切替えて、仕上げ加工終点近傍からチップシール４１の終端部まではラップ２ｂの中央部より内壁側寄りに内壁に沿ってチップシール４０を配置するようにしたので、仕上げ加工終点近傍以降もチップシール溝２ｃの螺旋形状を切替えずにそのままラップ２ｂの中央部より外壁側寄りにチップシール４１を配置する場合と比較して、図４の破線で示す可動スクロール３の底板３ａ外縁部からはみだし難く、はみださない範囲でチップシール４０の巻き終わりを長く伸ばすことができ、スクロールユニット４の外周部におけるユニット軸方向のシール性が向上して流体の内部漏れも抑制できる。従って、スクロールユニット４の軸方向における流体の漏れを抑制でき、ラップの渦巻形状を代数螺旋で形成したスクロール型圧縮機の運転効率を向上できる。

尚、本実施形態では、固定及び可動両スクロール２，３の仕上げ加工終点のラップ壁厚をチップシールの配置可能な最小壁厚Ａ_sとしたが、固定及び可動両スクロール２，３の一方だけ、仕上げ加工終点のラップ壁厚をチップシールの配置可能な最小壁厚Ａ_sとしてもよい。

また、本実施形態では、固定スクロール２のラップ２ｂ上端面に配置するチップシール４０を、ラップ２ｂ中央部（巻き始め）からラップ２ｂ外周部（巻き終わり）の仕上げ加工終点近傍まではラップ２ｂの中央部より外壁側寄りに外壁に沿って配置したが、ラップ２ｂ上端面の略中央部に配置するようにしてもよい。

１ スクロール型圧縮機
２ 固定スクロール
２ａ 底板
２ｂ ラップ（固定スクロール側）
２ｃ チップシール溝（固定スクロール側）
３ 可動スクロール
３ａ 底板
３ｂ ラップ（可動スクロール側）
３ｃ チップシール溝（可動スクロール側）
４ スクロールユニット
５ 流体ポケット（密閉空間）
２０ 駆動軸
２３ ボス部
２４ クランク
２５ 偏心ブッシュ
３０ 自転阻止機構
４０，４１ チップシール

Claims (3)

1. 底板に渦巻状のラップが立設され、ラップの上端面に形成したチップシール溝にチップシールを配置した固定スクロール及び可動スクロールを、互いに対向させて互いのラップを噛み合わせ、自転が阻止された前記可動スクロールが前記固定スクロール材に接しつつ公転し、互いのラップ間に公転に伴って容積変化する密閉空間を形成するスクロールユニットを備え、前記両スクロールのラップの渦巻形状を、ラップの中央部から外周部へ向かうに従ってラップ壁厚が減少する代数螺旋で形成したスクロール型流体機械であって、
   前記両スクロールの少なくとも一方のスクロールにおけるラップ外周部の仕上げ加工終点近傍のラップ壁厚を、前記チップシールの配置が可能な最小壁厚とし、
   前記両スクロールのうちの少なくとも固定スクロールの前記チップシール溝の螺旋形状を、ラップ中央部からラップ外周部の仕上げ加工終点近傍まではラップ上端面の中央部よりラップ外壁側寄りとなるように、前記仕上げ加工終点近傍からチップシール溝終端まではラップ上端面の中央部よりラップ内壁側寄りとなるように、前記仕上げ加工終点近傍で切替える、スクロール型流体機械。
2. 底板に渦巻状のラップが立設され、ラップの上端面に形成したチップシール溝にチップシールを配置した固定スクロール及び可動スクロールを、互いに対向させて互いのラップを噛み合わせ、自転が阻止された前記可動スクロールが前記固定スクロール材に接しつつ公転し、互いのラップ間に公転に伴って容積変化する密閉空間を形成するスクロールユニットを備え、前記両スクロールのラップの渦巻形状を、ラップの中央部から外周部へ向かうに従ってラップ壁厚が減少する代数螺旋で形成したスクロール型流体機械であって、
   前記両スクロールの少なくとも一方のスクロールにおけるラップ外周部の仕上げ加工終点近傍のラップ壁厚を、前記チップシールの配置が可能な最小壁厚とし、
   前記両スクロールのうちの少なくとも固定スクロールの前記チップシール溝の螺旋形状を、ラップ中央部からラップ外周部の仕上げ加工終点近傍まではラップ上端面の略中央部となるように、前記仕上げ加工終点近傍からチップシール溝終端まではラップ上端面の中央部よりラップ内壁側寄りとなるように、前記仕上げ加工終点近傍で切替える、スクロール型流体機械。
3. 前記両スクロールのラップ外周部の仕上げ加工終点近傍のラップ壁厚を、前記チップシールの配置が可能な最小壁厚とした請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。