JP4151996B2 - スクロール型圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にスクロール型圧縮機に係り、特に燃料電池用の空気圧縮機として使用するのに適したスクロール型圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開昭６０−３０４９３号公報に記載されているように、流体圧縮機の一種であるスクロール型圧縮機において、固定スクロールと可動スクロールの間に形成される作動室から圧縮された冷媒のような流体が低圧側へ洩れるのを防止するために、各スクロールの渦巻状の歯の先端面の溝の中に出没可能にチップシールを設けると共に、チップシールをスプリングのような付勢手段によって相手方の摺動面に押しつける構成が、以前からカーエアコン用のスクロール型圧縮機等において行われている。一般にチップシールが設けられたスクロール型圧縮機においては、チップシールの摺動による摩擦力やチップシールの摩耗を軽減するために、チップシールと相手方との摺動面に対して冷凍機油のような潤滑油を供給することが必要になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えばスクロール型圧縮機を使用している燃料電池のシステムのように、圧縮機から吐出される圧縮空気中に潤滑油が混入するのを避ける必要があるという理由から、チップシールに潤滑油を供給することができない場合がある。このように潤滑油を供給することができない場合のスクロール型圧縮機のチップシールにおいては、チップシールに加える押しつけ力と摺動速度との積として表されるチップシールの使用限界値が低くなる。従って、スクロール型圧縮機の体積効率を向上させようとしてチップシールの押しつけ力を増加させると、高回転域におけるチップシールの摩耗による耐久性の低下が問題になる。それと反対にチップシールの押しつけ力を減少させると、高回転域における耐久性は向上するものの、主として低回転域においてスクロール型圧縮機の体積効率が低下するという別の問題が生じる。
【０００４】
本発明は、従来技術における前述のような同時に解決することが難しい問題に対処して、チップシールを設けたスクロール型圧縮機において、チップシールに潤滑油を全く供給しないか、或いは潤滑油の供給量を少量に抑えた運転条件で、高回転域における十分な耐久性を保持しながら、運転範囲の全域にわたって高い体積効率を得ることができるような、改良されたスクロール型圧縮機を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のスクロール型圧縮機においては、可動スクロールと固定スクロールのうちの少なくとも一方の渦巻状の歯の端面上に形成された溝にチップシールが嵌入されており、溝とチップシールとの間に背圧室が形成されていて、その背圧室には、クランクシャフトの回転数が上がるのに応じて背圧室の圧力を下げ、回転数が下がるのに応じて背圧室の圧力を上げることにより制御する手段によって、変化する制御圧力が供給されている。従って、クランクシャフトの回転数が増大する高回転域においては背圧室の圧力が低下して、チップシールを相手方のスクロールの壁面に押しつける力が減少するように設定することが可能になるので、高回転域においてはチップシールの摩擦力とそれによって発生する摩耗が共に減少して、チップシールの耐久性が向上するだけでなく、チップシールに作用する摩擦力や摩耗があまり問題にならない低回転域においては、チップシールを相手方のスクロールの壁面に押しつける力が自動的に増大するので、チップシールのシール能力が向上して高い体積効率が得られる。
【０００６】
より具体的に、背圧室の圧力を、クランクシャフトの回転数が上がるのに応じて背圧室の圧力を下げ、回転数が下がるのに応じて背圧室の圧力を上げることにより制御する手段としては、圧縮された吐出圧の空気がある吐出室とチップシールの背圧室とを結ぶ流路に設けられて、吐出圧と遠心力の作用によって流路を開閉する手段を使用することができる。この手段は、具体的に、クランクシャフトの回転数の変化に応じて遠心力の大きさが変化する位置に設けられた弁を使用する。この場合は、弁に作用する遠心力とバネ及び吐出圧による力の釣合によって弁を開閉させるので、クランクシャフトの回転数の変化に応じて弁手段に作用する遠心力の大きさが変化し、それによって弁手段の開度が変化して、吐出圧が一定であっても背圧室に供給される制御圧力の大きさが変化する。その結果、前述のようにチップシールの摩擦力の大きさを運転状態に即して変化させることができる。
【０００８】
このようにして、いずれの場合であっても、吐出圧及びクランクシャフトの回転数の変化に応じてチップシールの背圧室の圧力を自動的に調整して、摩擦力や摩耗が最も少なく、且つ十分なシール性によって高い体積効率が得られるように調整することが可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の第１の実施形態としてのスクロール型圧縮機において、クランクシャフト４は軸受７，１４を介して回転自在にリアハウジング２側に支持されている。バランサ１１およびバランサ１２はクランクシャフト４と共に回転するようにシャフト４に支持される。クランクシャフト４の中心線に対して平行に所定量だけ偏心している軸線を中心とするクランク部１５には、可動スクロール３が軸受け６を介して回転自在に組み付けられている。可動スクロール３の端板３ａの両側には渦巻状の歯（スクロール歯）３ｂ，３ｃが形成されている。また、リアハウジング２とクランクシャフト４の間にはシャフトシール１３が配置されて、圧縮された空気の漏洩を防止している。可動スクロール３は、クランクシャフト４が回転するとクランク部１５を公転中心として、クランクシャフト４の中心線とクランク部１５の中心線の距離を半径とした円軌跡を描く公転運動を行う。この時に可動スクロール３は、後に説明する自転防止機構によってフロントハウジング１に対する自転運動を規制される。即ち、可動スクロール３は自転運動を伴わないシャフト４中心の公転運動のみを行うように構成されている。
【００１０】
フロントハウジング１とリアハウジング２の半径方向の内壁面には、固定スクロールを構成する渦巻状の歯１ａ及び２ａが軸方向に突出するように形成されている。フロントハウジング１に形成される渦巻状の歯１ａと、可動スクロール３に形成される渦巻状の歯３ｂは、中心をずらせると共に位相を１８０°ずらせて相互に噛み合うことによって、それらの間に複数個の作動室群１６を構成する。また、同様に、リアハウジング２に形成される渦巻状の歯２ａと可動スクロール３に形成される渦巻状の歯３ｃとの間にも複数個の作動室群１７が構成される。一体化されたフロントハウジング１及びリアハウジング２の外周部には吸入室４３が形成されると共に、中心部には吐出室４４が形成され、それぞれ所定の位相において外周部及び中心部に近い作動室１６，１７と連通し得る。
【００１１】
次に自転防止機構の構成について説明する。フロントハウジング１に保持された軸受け８，９によって、クランクシャフト４のクランク部１５と同量だけ偏心した補助クランク部５ａを有する補助クランクシャフト５の回転軸部５ｂが回転自在に支持されている。補助クランクシャフト５はクランクシャフト４の周囲に複数本配置されており、それぞれの補助クランク部５ａは軸受け１０を介して可動スクロール３を回転自在に支持している。
なお、本発明のスクロール型圧縮機に使用される自転防止機構としては、上記のような機能が達成されるものであれば他の形式のものを用いてもよい。
【００１２】
次に本発明において特徴とする構成に対応する構造部分について説明する。バランサ１１内に穿孔して形成される圧力室２４の内部には、シャフト４の回転軸部４ａに対して半径方向に伸縮可能なバネ２２が設置されている。バネ２２は、シャフト４の回転に伴う遠心力を受けるように回転軸部４ａから半径方向に離れた位置に配設された弁２１を、弁止め板２３に向って押圧している。弁２１は、弁止め板２３に形成された流路３２と圧力室２４との連通、遮断を制御する。圧力室２４は流路２５により圧力室２８と連通している。また、可動スクロール３に設置された軸シール２６，２７により、圧力室２８への吐出空気の侵入を防止する。圧力室２８は可動スクロール３内に配置された流路２９を通じてスクロール歯３ｂ，３ｃの歯先端面に渦巻状に設けられた溝３０に連通している。溝３０には溝と同じ形状のチップシール３１が嵌入されて、それらの間に背圧室を形成しており、チップシール３１は溝３０内の背圧室の圧力によってハウジング１，２の端面にそれぞれ押圧される。また、チップシール３１の押しつけ力を補うために、例えば渦巻状に形成された板バネ３３を溝３０の底面とチップシール３１との間に配置している。
【００１３】
上記実施形態の構成において、まず一般的なスクロール型圧縮機としての作動を説明する。例えば、リアハウジング２に直結されたステータ１８と、その中でクランクシャフト４と共に回転可能に支持されたロータ１９と、クランクシャフト４の端部を軸受け１４を介して支持するエンドキャップ４２とからなり、三相交流の電力によって駆動される電動機部２０によりシャフト４が回転力を受ける結果、可動スクロール３は自転防止機構の作用により自転を規制されながら公転運動を行う。可動スクロール３の公転運動により吸入室４３から作動室１６，１７内に吸入された空気は、作動室がスクロールの中心に向って移動するのにつれて、徐々に圧縮されて吐出室４４に吐出され、更に吐出口４５を通して排出される。
【００１４】
次に、本発明の特徴に対応する部分の作用について説明する。弁２１にはクランクシャフト４の回転軸部４ａに対して図３（１）に示す様に、半径方向にバネ２２による押しつけ力Ｆｓと、シャフトの回転数に応じた遠心力Ｆｒと、流路３２内の圧力、すなわち吐出室４４内にある圧縮された空気の吐出圧Ｐｄと、圧力室２４内の圧力Ｐとの差圧に比例した力（Ｐｄ−Ｐ）・Ｓ（但しＳは弁２１と弁止め板２３との接触面積）が、それぞれ働いている。そして図３（２）に示す様に、
（Ｐｄ−Ｐ）・Ｓ＞Ｆｒ＋Ｆｓ
の時は、弁２１は弁止め板２３から離れて、流路３２と圧力室２４が連通し、圧力室２４内の圧力Ｐは上昇する。
【００１５】
圧力Ｐが上昇して、
（Ｐｄ−Ｐ）・Ｓ＜Ｆｒ＋Ｆｓ
となった時に、図３（１）に示す様に弁２１が弁止め板２３に押し付けられ、流路３２と圧力室２４との間は遮断される。つまり圧力室２４内の圧力Ｐは、
Ｐ＝Ｐｄ−（Ｆｒ＋Ｆｓ）／Ｓ
となるように制御され、回転数が上がるに従って遠心力Ｆｒが増加し、圧力Ｐは徐々に小さくなる。
【００１６】
圧力室２４内において制御された圧力Ｐは、連通穴（流路）２５と、圧力室２８と、連通穴（流路）２９とを通じて、可動スクロール３のスクロール歯３ｂ，３ｃの歯先端面に形成された溝３０即ち背圧室内に導かれ、バネ３３の押しつけ力と背圧の合力により、図４に示す様に、チップシール３１をハウジングの壁面に向って押圧する。
【００１７】
上記のような制御を行った場合に、溝３０内の背圧室においてチップシール３１に作用する押しつけ圧力の、クランクシャフト４の回転数に対する変化の一例を図５に従来例と対比して示す。従来は図５の破線によって示すように、バネ等により一定圧力でチップシール３１を押圧しており、最高使用回転数においてチップシールの限界ＰＶ値を越えないように、チップシール押しつけ圧力の値を設定していたため、低回転におけるチップシールの押しつけ圧力を有効に設定することができなかった。これに対して本発明では遠心力を利用して弁２１を作動させることにより、シャフト４の回転数が上昇するに従ってチップシール押しつけ圧力が小さくなるように制御するので、高回転においてチップシール３１の信頼性を損なうことがなく、また、低回転においてチップシール３１の隙間からの漏れを低減することが可能になる。
【００１８】
図６に本発明の第２の実施形態を示す。第１の実施形態では圧力室２４内の制御された圧力が流路２５、圧力室２８と、流路２９を通じて溝３０内の背圧室に導かれ、それによって可動スクロール３に嵌入されているチップシール３１がハウジング１及び２の壁面に押圧される構成とした。これに対して、第２の実施形態では、圧力室２４内の制御された圧力は、バランサ１１内に設けられた流路３４を通じて圧力室３７に導かれる。圧力室３７は、ハウジング２に設置された軸シール３５，３６により吐出空気の進入及び漏洩を防止されている。そして圧力室３７は、流路３８を通じハウジング１，２のスクロール歯１ａ及び２ａの歯先端面に形成された溝３９に連通している。
【００１９】
第２実施形態の構成においては第１の実施形態と同様に、制御された圧力室２４内の圧力がハウジング１，２に形成された固定スクロールの渦巻状の歯１ａ，２ａの歯先端面に設けられる溝３９（背圧室）に導かれ、溝３９に嵌入されたチップシールを可動スクロール３の端面３ａに押しつけて、第１の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。なお、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせて、可動スクロールと固定スクロールの双方の渦巻形の歯の先端面に、チップシールを押圧する背圧室を設けてもよいことは言うまでもない。
【００２０】
図７に本発明の第３の実施形態を示す。第１の実施形態では弁２１の受ける遠心力を利用して溝３０に導かれる圧力を制御する構成とした。これに対して、第３の実施形態では図８に示す様に、可動スクロール３のボス部３ｄ内に扇状に溝４１を形成し、シャフト４の回転位置によって流路４０に対して連通または遮断される構成としている。溝４１は、流路２９を通じて、可動スクロール３の渦巻状の歯３ｂ，３ｃの端面に形成された溝３０に連通している。
【００２１】
次に、上記のような構成を有する第３実施形態の作用について説明する。溝４１内の圧力は流路４０との連通時間によって制御される。流路４０に導かれた吐出圧が溝４１に伝わるとき、流路４０内の空気の慣性および粘性により図９に示す様に、溝４１内の圧力上昇には時間遅れが伴う。従って、流路４０と溝４１の連通時間が長い低回転時には、流路４０内の吐出圧力は十分に伝達されて溝４１内の圧力が高くなるが、回転数が上昇して行くにつれて、溝４１と流路４０との連通時間が徐々に短くなるので、伝達される圧力は低くなって行く。溝４１に伝達された圧力は流路３９を通じて溝３０に伝達され、回転数の増大に従ってチップシール３１の押し付け圧力が徐々に低下するため、第１の実施形態の場合と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】弁の構成を示すための図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】（１）及び（２）は、第１実施形態の異なる作動状態を示すＡ−Ａ断面における一部拡大断面図である。
【図４】チップシール部の拡大断面図である。
【図５】第１実施形態の効果を説明する線図である。
【図６】第２実施形態の全体構成を示す縦断面図である。
【図７】第３実施形態の全体構成を示す縦断面図である。
【図８】（１）及び（２）は、第３実施形態の異なる作動状態を示す図７のＢ−Ｂ断面における一部拡大断面図である。
【図９】第３実施形態における溝内の圧力変化を示す線図である。
【符号の説明】
１，２…ハウジング
１ａ，２ａ…渦巻状の歯（固定スクロール）
３…可動スクロール
３ａ…端板
３ｂ，３ｃ…渦巻状の歯
４…クランクシャフト
１１，１２…バランサ
１５…クランク部
１６，１７…作動室群
２０…電動機部
２１…弁
２２…バネ
２３…弁止め板
２４，２８…圧力室
３０…溝（背圧室）
３１…チップシール
３３…板ばね
３７…圧力室
３９…溝（背圧室）
４１…扇状の溝
４３…吸入室
４４…吐出室

Claims (1)

1. 吸入室と吐出室を形成するハウジングと、前記ハウジングの内壁面上に形成された渦巻状の歯からなる固定スクロールと、可動の端板上に形成された渦巻状の歯からなり、前記固定スクロールに対して中心及び位相をずらして噛み合うように組み込まれた可動スクロールと、噛み合った前記固定スクロールと前記可動スクロールとの間に形成される複数の作動室と、前記ハウジングに回転自在に支持されると共に、軸心に対して所定量偏心したクランク部を備えていて、それによって前記可動スクロールに公転運動を与えるクランクシャフトと、前記可動スクロールの公転のみを許容すると共に自転を阻止する自転防止機構と、前記可動スクロール及び前記固定スクロールのうちの少なくとも一方の渦巻状の歯の端面上に形成された溝に嵌入されたチップシールと、前記チップシールと前記渦巻状の歯の端面上に形成された溝によって形成される背圧室と、前記背圧室の圧力を、前記クランクシャフトの回転数が上がるのに応じて背圧室の圧力を下げ、回転数が下がるのに応じて背圧室の圧力を上げることにより制御する手段を有しており、
   前記背圧室の圧力を、前記クランクシャフトの回転数が上がるのに応じて背圧室の圧力を下げ、回転数が下がるのに応じて背圧室の圧力を上げることにより制御する手段として、前記吐出室と前記背圧室とを結ぶ流路の開閉を吐出圧及び遠心力により制御する手段を有し、また前記吐出室と前記背圧室とを結ぶ流路の開閉を吐出圧及び遠心力により制御する手段として、前記クランクシャフトの回転数に応じた大きさの遠心力を受ける位置に配設され、遠心力とバネ及び吐出空気の押圧力の力の釣合により開閉する弁を有することを特徴とするスクロール型圧縮機。

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