JP6339340B2 - スクロール型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、固定スクロールと、前記固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動される可動スクロールとを有するスクロール型流体機械に関する。

特許文献１には、可動スクロールの基端壁に立設された渦巻部の終端部を基端壁の周縁から内側へ引き込んで離し、固定スクロール側の固定部位には可動スクロールの周縁部の摺接対象となる摺接段差を環状に設け、摺接段差の内周半径R2は可動スクロールの基端壁の半径R1と公転半径r0との差より大きく、同基端壁の半径R1と公転半径r0との和より小さく設定し、可動スクロールの基端壁の周縁部と摺接段差との間には可動スクロールの公転に伴って互いの一部のみが重なり合う摺接関係を設定した、スクロール型圧縮機が開示されている。

実公平６−４３５１１号公報

ところで、可動スクロールにおいて、底板中心、ラップの基礎円中心、底板に設けた軸受部の中心が全て一致するように構成した場合、可動スクロールの旋回運動が高い安定性を有し、静音性の高いスクロール型流体機械となる。
しかし、上記構成のスクロール型流体機械では、可動スクロールが旋回運動する空間が径方向に大きくなり、係る空間を確保するために、可動スクロールを収容するハウジングの外径が大きくなり、スクロール型流体機械が大型化してしまう。

これに対し、可動スクロールのラップの基礎円中心を、底板中心及び軸受部の中心からオフセットさせることで、可動スクロール（底板）の径を小さくでき、これにより、ハウジングの外径を小さくする（スクロール型流体機械を小型化する）ことが可能となる。
但し、可動スクロールのラップの基礎円中心が軸受部の中心からオフセットしていると、可動スクロールの旋回運動が不安定になり、ノイズが大きくなってしまう。

そこで、本発明は、静音性と小型化とを両立させることができる、スクロール型流体機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るスクロール型流体機械は、可動スクロールのスクロールラップの基礎円中心と、可動スクロールのスクロールラップが立設される底板に形成される軸受部の中心とを一致させ、前記基礎円中心及び前記軸受部の中心に対して前記底板の中心をオフセットさせると共に、スクロールラップを収容するラップハウジングの中心軸と、前記可動スクロールの底板を収容する底板ハウジングの中心軸とをオフセットさせ、かつ、前記ラップハウジングの内径を前記底板ハウジングの内径よりも小さくした。

本発明に係るスクロール型流体機械によれば、基礎円中心及び軸受部の中心が一致していることで、旋回運動を安定化できる一方、底板の中心と軸受部の中心とをオフセットさせることで、底板の中心と基礎円中心とが一致する場合に比べて、底板の径を小さくすることができ、更に、ラップハウジングの中心軸と底板ハウジングの中心軸とをオフセットさせ、かつ、ラップハウジングの内径を底板ハウジングの内径よりも小さくしたので、ハウジングの外径を可及的に小さくすることが可能となり、静音性と小型化とを両立させることができる。

本発明の実施形態におけるスクロール型圧縮機の断面図である。 本発明の実施形態におけるスクロール型圧縮機の断面図である。 本発明の実施形態におけるスクロール型圧縮機の外観斜視図である。 本発明の実施形態におけるスクロール型圧縮機での基礎円中心と底板の中心との相関を示す図である。 本発明の実施形態におけるメインハウジングの構造及び寸法関係を説明するための図である。 本発明の実施形態における可動スクロールラップの重心とベアリング中心とのずれ量と、オフセットの有無との相関を示す図である。 本発明の実施形態における対称スクロールと非対称スクロールとを例示する図である。 本発明の実施形態における非対称スクロールの位相角と可動スクロールラップの重心との相関を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明に係るスクロール型流体機械の一例としてのスクロール型圧縮機を示す断面図である。
この図１に示すスクロール型圧縮機１は、例えば、車両エアコン用として用いられる圧縮機であり、固定スクロールラップ２を固定側底板３上に立設した固定スクロール４と、固定スクロールラップ２と係合する可動スクロールラップ５を可動側底板６上に立設した可動スクロール７とを有する。

可動スクロール７は、自身が自転を阻止された状態で固定スクロール４の軸心周りに公転旋回運動されることにより、両スクロールラップ２，５間に形成される流体ポケットを中央部に向けて移動させ、その容積を縮めて圧縮動作を行う。
両スクロールラップ２，５は、例えば、円のインボリュート曲線で形成されている。
固定スクロール４は、図示省略した締結ボルトによって、メインハウジング８に連結固定されている。

固定スクロール４の径方向中央部には、吐出孔１１が設けられており、吐出孔１１を通して吐出された圧縮流体は、メインハウジング８内に形成された吐出室１２から、吐出ポート１３を介して外部回路へと送出される。
メインハウジング８の外周に、前記吐出ポート１３と並設される吸入ポート１０からは、吸入室１４に被圧縮流体が吸入され、固定スクロール４と可動スクロール７による圧縮動作に供される。

可動スクロール７は、クランク部１５を有する主軸１６によって旋回駆動される。
主軸１６は、フロントハウジング１７内を挿通されており、外部駆動源としての例えば車両のエンジン（図示略）から伝達される駆動力によって回転駆動される。
クランク部１５における大径部２０から突設された偏心ピン２１が偏心回転ローラ２２内に相対回転自在に嵌挿されており、偏心回転ローラ２２は、ベアリング２３を介して、可動スクロール７の背面側に配置されている。

可動スクロール７の可動側底板６には、前記ベアリング２３が嵌合される有底筒状の軸受部６ａが形成されている。
そして、主軸１６のクランク部１５の回転により、偏心回転ローラ２２を介して可動スクロール７が旋回される。
更に、スクロール型圧縮機１は、バランスウエイト２４、及び、可動スクロール７の自転阻止のためのボールカップリング２５を備えている。

上記スクロール型圧縮機１の可動スクロール７において、可動スクロールラップ５の基礎円中心と、可動側底板６の軸受部６ａ（ベアリング２３）の中心とが一致する一方、可動スクロールラップ５の基礎円中心（及び軸受部６ａの中心）に対して、円盤状の可動側底板６の中心がずれて形成されている。
即ち、可動側底板６の中心を、可動スクロールラップ５の基礎円中心から可動スクロールラップ５の終端部５ｂ（外周側端部、巻き終わり端部）に向かう方向に偏心させてある。

上記のように、可動スクロールラップ５の基礎円中心と、可動側底板６の中心とをオフセットさせることで、可動スクロールラップ５の基礎円中心と、可動側底板６の中心とが一致する場合に比べて可動側底板６の径を小さくできる。

図４は、オフセットの有無による、底板の径の違いを説明するための図である。
可動スクロールラップ５の基礎円中心Ｋ１と、可動側底板６の中心Ｋ２とを一致させる場合（オフセット無しの場合）、圧縮開始時において、可動スクロールラップ５の終端部５ｂ内側に密閉空間を形成させるように可動側底板６の径を設定すると、終端部５ｂと基礎円中心Ｋ１を挟んで対向する側では、可動側底板６の中心から最も外側の可動スクロールラップ５までの距離が終端部５ｂに比べて短いので、可動側底板６の周縁部が駄肉部となってしまう。ここで、基礎円中心Ｋ１から可動スクロールラップ５の終端部５ｂまでの距離をａとすると、可動側底板６の半径はａとなる。

これに対し、可動側底板６の中心Ｋ２を基礎円中心Ｋ１から可動スクロールラップ５の終端部５ｂに向かう方向に偏心させた場合（オフセット有りの場合）、可動側底板６の中心Ｋ２が可動スクロールラップ５の終端部５ｂに近づく分だけ可動側底板６の半径を小さくできる。換言すれば、可動側底板６の半径は、前記距離ａよりもオフセット分だけ短くなり、可動側底板６は、可動スクロールラップ５の終端部５ｂ方向に向けて縮小され、駄肉部分が小さくなる。

尚、基礎円中心Ｋ１からの可動側底板６の中心Ｋ２のオフセット量は、旋回半径Ｒ０の半分を上限とする。
同様に、固定側底板３の中心Ｊ２を、固定スクロールラップ２の基礎円中心Ｊ１から固定スクロールラップ２の終端部に向かう方向に偏心させることで、固定スクロールラップ２の終端部と基礎円中心を挟んで対向する側での駄肉部分を小さくして、固定側底板３の径を小さくできる。

更に、図５に示すように、メインハウジング８は、固定スクロールラップ２及び可動スクロールラップ５を収容するラップハウジング８１と、可動側底板６を収容する底板ハウジング８２とからなり、ラップハウジング８１の中心軸と底板ハウジング８２の中心軸とを基礎円中心Ｋ１のオフセット方向にオフセットさせ、かつ、ラップハウジング８１の外径Ｄ１（内径ｄ１）を底板ハウジング８２の外径Ｄ２（内径ｄ２）よりも小さくしてある。
換言すれば、ラップハウジング８１の中心軸と底板ハウジング８２の中心軸とをオフセットさせることで、ラップハウジング８１を、固定スクロールラップ２を収容するのに十分な最小限の内径に形成し、底板ハウジング８２を、可動側底板６を収容するのに十分な最小限の内径に形成することができるようにしてある。

即ち、可動スクロールラップ５の基礎円中心と、可動側底板６の中心とをオフセットさせる構成において、ラップハウジング８１の中心軸と底板ハウジング８２の中心軸とを一致させると、ラップハウジング８１の外径Ｄ１（内径ｄ１）又は底板ハウジング８２の外径Ｄ２（内径ｄ２）を余分に大きくする必要が生じるが、ラップハウジング８１の中心軸と底板ハウジング８２の中心軸とを、基礎円中心のオフセットに対応させてオフセットさせることで、ラップハウジング８１及び底板ハウジング８２の径を可及的に小さくすることができる。

尚、本実施形態では、底板ハウジング８２が、取り付けボルト用の貫通孔８３が開口される取り付け用フランジ部８４を一体的に形成するが、係る構造に限定されるものでないことは明らかであり、底板ハウジング８２の外周を、外径Ｄ２で略一様な形状とすることができる。
また、本実施形態では、ラップハウジング８１の可動スクロールラップ５を囲む内周面に、可動スクロールラップ５の旋回運動に伴って可動スクロールラップ５の終端部５ｂが最外側に位置するときに、可動スクロールラップ５の終端部５ｂの移動空間を構成する凹陥部８ａを形成してあり、ラップハウジング８１の外周には、前記凹陥部８ａに対応する部分で外側に盛り上がる凸部（突出部）８ｂが形成される。即ち、凹陥部８ａの部分でも他と同じ肉厚とするために、凹陥部８ａの部分を外方に向けて突出させてある。
上記のように、凹陥部８ａ及び凸部８ｂによってラップハウジング８１の中空部の一部を拡大させるようにすれば、ラップハウジング８１の外径をなるべく小さくしつつ、可動スクロールラップ５が旋回運動する空間容積を確保することができる。

また、可動スクロールラップ５の基礎円中心と、可動側底板６の軸受部６ａ（ベアリング２３）の中心とが一致するから、可動スクロール７の旋回運動が安定し、ノイズを低減できる。
即ち、可動スクロール７の重心と、可動側底板６の軸受部６ａ（ベアリング２３）の中心とのずれが大きいと、可動スクロール７に自転モーメントが生じ、可動スクロール７の旋回運動が不安定になる。

ここで、可動スクロールラップ５の基礎円中心と、可動側底板６の軸受部６ａ（ベアリング２３）の中心を一致させ、これらに対して可動側底板６の中心をオフセットさせるようにした場合（図６（Ｂ）参照）、可動スクロールラップ５の基礎円中心、可動側底板６の軸受部６ａ（ベアリング２３）の中心、及び、可動側底板６の中心を全て一致させるようにした場合（図６（Ａ）参照）に比べて、可動スクロール７の重心を、可動側底板６の軸受部６ａ（ベアリング２３）の中心に近づけることが可能となり、自転モーメントを減らして可動スクロール７の旋回運動をより安定化させることができる。
上記のように、可動スクロールラップ５の基礎円中心と、可動側底板６の軸受部６ａ（ベアリング２３）の中心とを一致させる一方で、可動スクロールラップ５の基礎円中心Ｋ１（及び軸受部６ａの中心）と可動側底板６の中心Ｋ２とをオフセットさせることで、静音性と小型化とを高い次元で両立させることができる。

ところで、スクロールラップとしては、図７（Ａ）に示すように、可動スクロールラップ５の巻き角と固定スクロールラップ２の巻き角とが略同じである対称スクロールを用いることができる他、図７（Ｂ）に示すように、可動スクロールラップ５の巻き角と固定スクロールラップ２の巻き角とに差がある非対称スクロールを用いることができる。
図７（Ｂ）に示す非対称スクロールラップでは、可動スクロールラップ５の巻き始め位置５ａと、固定スクロールラップ２の巻き始め位置２ａとが対称的に１８０deg異なる一方、可動スクロールラップ５の巻き終わり位置（終端部５ｂ）と、固定スクロールラップ２の巻き終わり位置２ｂとを略同位相とし、固定スクロールラップ２を１８０deg多く巻いてある。

非対称スクロールを採用することで、固定スクロールラップ２の巻き数を増やして圧縮機の容積を増加させることができる。
また、図７（Ｂ）に示した例では、非対称スクロールにおける可動スクロールラップ５と固定スクロールラップ２との相対位相（以下、位相角という）を１８０degとしたが、係る位相角の設定によって、可動スクロール７の重心と、可動側底板６の軸受部６ａ（ベアリング２３）の中心とのずれをより縮小させ、可動スクロール７の旋回運動の安定性を向上させることが可能である。

図８は、位相角度の変化に対する、可動スクロール７の重心位置の変化及び重心位置とベアリング２３の中心とのずれの変化の一例を示す。
尚、位相角度の変化に対する、可動スクロール７の重心位置の変化は、図７（Ａ）に示すＸ軸方向とＹ軸方向とに分けて記載してある。また、図８に示す特性は、スクロールのパラメータが変化することで変化する場合がある。

図８に示すように、非対称スクロールの位相角を変化させることで、可動スクロール７の重心位置が変化し、係る重心位置の変化に伴って、重心位置とベアリング２３の中心とのずれ量が変化する。
従って、非対称スクロールの位相角の選定によって、容積の増加を図りつつ、重心位置とベアリング２３の中心とのずれ量の縮小し、可動スクロール７の旋回運動の安定性を向上させることができる。

図８に示す例では、位相角を７０deg付近としたときに、重心位置とベアリング２３の中心とのずれ量が最小になり、可動スクロール７の旋回運動の安定性が最も高くなる。
ここで、重心位置とベアリング２３の中心とのずれ量が最小になる位相角は、スクロールのパラメータによって変化する可能性があり、また、非対称スクロールによって容積を増加させる要求があることを考慮すると、容積を増加させつつ重心バランスが十分に図れる位相角として、５０deg〜１４０degの範囲内の位相角を選定することが好ましい。

以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
例えば、可動スクロールラップの基礎円中心と、可動側底板の軸受部（ベアリング）の中心とが一致し、可動スクロールラップの基礎円中心（及び軸受部の中心）に対して、可動側底板の中心がずれて形成されるスクロール型流体機械を、上記のスクロール型圧縮機１の他、スクロール型膨張機とすることができる。

また、吐出ポート１３、吸入ポート１０をメインハウジング８の外周に並設する構成に限定されず、例えば、吸入ポート１０を主軸１６の軸方向に沿って設ける構成とすることができる。
また、ラップ曲線としては、インボリュート曲線の他、アルキメデス曲線、代数螺旋曲線、又は、これらの２つ以上の組み合わせとすることができる。

１…スクロール型圧縮機、２…固定スクロールラップ、３…固定側底板、４…固定スクロール、５…可動スクロールラップ、６…可動側底板、６ａ…軸受部、７…可動スクロール、８…メインハウジング、２３…ベアリング、８１…ラップハウジング、８２…底板ハウジング

Claims (7)

1. 固定スクロールと、前記固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動される可動スクロールとを有するスクロール型流体機械であって、
   前記可動スクロールのスクロールラップの基礎円中心と、前記可動スクロールのスクロールラップが立設される底板に形成される軸受部の中心とを一致させ、前記基礎円中心及び前記軸受部の中心に対して前記底板の中心をオフセットさせると共に、
   スクロールラップを収容するラップハウジングの中心軸と、前記可動スクロールの底板を収容する底板ハウジングの中心軸とをオフセットさせ、かつ、前記ラップハウジングの内径を前記底板ハウジングの内径よりも小さくした、スクロール型流体機械。
2. 前記可動スクロールのスクロールラップの終端部に対応する径方向において、前記ラップハウジングの外周の一部が径方向の外側に向けて突出する突出部を有する、請求項１記載のスクロール型流体機械。
3. 前記ラップハウジングの内周面に、前記可動スクロールのスクロールラップの終端部の移動空間を構成する凹陥部を形成した、請求項１記載のスクロール型流体機械。
4. 前記凹陥部に対応する前記ラップハウジングの外周面が、径方向の外側に向けて突出する突出部を形成する、請求項３記載のスクロール型流体機械。
5. 位相角を５０deg〜１４０degとする非対称スクロールである、請求項１から４のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。
6. 位相角を略７０degとする非対称スクロールである、請求項１から４のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。
7. 流体を圧縮する圧縮機である、請求項１から６のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。