JP2017089490A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】二条の渦巻状の壁体を有しかつ三次元的な圧縮を行う構造であっても圧縮室を形成して圧縮することが可能なスクロール圧縮機を提供する。【解決手段】端板の一側面に立設された渦巻状の第一壁体３および第二壁体４からなる二条の壁体を有する固定スクロールと、端板の一側面に立設された渦巻状の第三壁体１０および第四壁体１１からなる二条の壁体を有する旋回スクロールとを備え、流体を吸入して締め切る各壁体３，４，１０，１１の外周側の巻き終わり位置に対応する端板側の底部が外周側よりも中央側で高さが高くなる底部側段部４ｄ，１０ｄを有し、かつ、底部側段部４ｄ，１０ｄに噛み合う各壁体３，４，１０，１１の高さ方向における先端が外周側よりも中央側で低くなる壁体側段部３ｃ，１０ｃを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、二条の渦巻状の壁体を有するスクロール圧縮機に関するものである。

端板上に独立した渦巻状の壁体を２つ有する二条スクロール圧縮機が知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。二条スクロール圧縮機は、吸入容積を大きくとることができるという利点を有するが、そのために設計容積比（設計圧力比）が小さくなり、圧力比の大きい運転条件では効率が低下するという問題がある。
一方、特許文献３に示すように、渦巻状の壁体の途中で段部を設けて高さを変化させ、高さ方向の圧縮も加えた三次元的な圧縮を行うスクロール圧縮機が知られている。このような三次元的な圧縮を行うスクロール圧縮機は、渦巻状壁体の高さを変化させない二次元的な圧縮に比べて、設計容積比（設計圧力比）を大きくすることが可能である。

特開平３−６７０８２号公報 特開平８−２１０２６８号公報 特開２００２−３６４５６０号公報

しかし、上述の二条スクロール圧縮機に対して上述の三次元的な圧縮を行う構造を適用すると、圧縮室を形成することが困難となる。これは、一条スクロールでは、渦巻状壁体の内側と外側で１８０°の位相差を持ち、かつ渦巻状壁体の段部の軌跡円に対応した底部の段部形状が半円形（１８０°）で一致していたため、圧縮室が形成可能であったことに関連する。
一方、二条スクロールは、渦巻状壁体の内側と外側の位相差が９０°であるために、段部の軌跡円（１８０°）とは一致せず、圧縮室が形成困難になるという根本的問題が存在していた。なお、この点は、図８〜図１３を用いて後に説明する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、二条の渦巻状の壁体を有しかつ三次元的な圧縮を行う構造であっても圧縮室を形成して圧縮することが可能なスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるスクロール圧縮機は、端板の一側面に立設された渦巻状の第一壁体および第二壁体からなる二条の壁体を有し、定位置に固定された固定スクロールと、端板の一側面に立設された渦巻状の第三壁体および第四壁体からなる二条の壁体を有し、前記第一壁体及び前記第二壁体に対して前記第三壁体及び前記第四壁体が噛み合わされた状態で自転を阻止されつつ公転旋回運動可能に支持された旋回スクロールとを備え、前記第一壁体及び前記第二壁体は、互いの渦巻き中心を共通にして１８０°回転させた点対称位置に配置され、前記第三壁体及び前記第四壁体は、それぞれ、前記第一壁体及び前記第二壁体と同一形状とされ、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとは、互いに９０°の位相差をもって噛み合わされ、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールのそれぞれは、流体を吸入して締め切る各前記壁体の外周側の巻き終わり位置に対応する前記端板側の底部が外周側よりも中央側で高さが高くなる底部側段部を有し、かつ、該底部側段部に噛み合う各前記壁体の高さ方向における先端が外周側よりも中央側で低くなる壁体側段部を有することを特徴とする。

本発明者等は、鋭意検討した結果、９０°の位相差をもって噛み合わされた二条スクロールでは、流体を吸入して締め切る壁体の巻き終わり位置に対応する底部に底部側段部を設け、かつ、底部側段部に噛み合う位置に壁体側段部を設けると、吸入締め切り時に形成された圧縮室が開放されることなく全ての旋回角で圧縮室を維持しつつ圧縮できることを見出した。これにより、二条スクロールに対して壁体の高さ方向の圧縮を加えた三次元的な圧縮を実現することができ、吸入容積の増大だけでなく設計容積比（設計圧力比）も増大することができる。

二条の渦巻状壁体を有しかつ三次元的な圧縮を行う構造であっても圧縮室を形成して圧縮することができる。これにより、吸入容積の増大だけでなく設計容積比（設計圧力比）も増大することができる。

本発明の一実施形態に係る固定スクロールを示した平面図である。 本発明の一実施形態に係る旋回スクロールを示した平面図である。 図１の固定スクロールと図２の旋回スクロールを噛み合わせた状態を示した平面図である。 図３の噛合い段部Ｂを拡大して示した模式図である。 図３の噛合い状態から９０°旋回させた状態を示した平面図である。 噛合い段部Ａと噛合い段部Ｂのシール可能範囲を示したタイミングチャートである。 図３に示した噛合い状態を旋回角度ごとに順次示した平面図である。 比較例１の噛合い状態を示した平面図である。 図８の噛合い段部Ａ’を拡大して示した模式図である。 図８の噛合い状態から９０°旋回させた状態を示した平面図である。 比較例２の噛合い状態を示した平面図である。 図１１の噛合い段部Ａ”を拡大して示した模式図である。 図１１の噛合い状態から９０°旋回させた状態を示した平面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態のスクロール圧縮機は、気体（流体）の圧縮を行うものであり特に限定されるものではないが、例えばエンジンに取り付けられる過給機の圧縮機として用いられる場合には燃焼用空気の圧縮を行い、蒸気圧縮式冷凍機の圧縮機として用いられる場合には冷媒の圧縮を行うものである。

図１には固定スクロール１、図２には旋回スクロール２が示されている。本実施形態では、固定スクロール１と旋回スクロール２の区別を容易にするため、固定スクロール１の壁体部分にはハッチングを施してある。両スクロール１，２は、アルミ合金や鉄系の金属製とされている。なお、図中には端板６，７の外形線が描かれていないが、一般的には壁体全体を取り囲む径よりも大きく形成された円形とされる。

固定スクロール１は、例えば圧縮機ハウジング等に対して相対移動しないように定位置に固定されている。図１に示すように、固定スクロール１は、端板６の一側面に立設された渦巻状の第一壁体３と第二壁体４とを備えている。
端板６の中央には、圧縮後の気体を外部へ吐出する吐出ポート５が形成されている。

第一壁体３は、吐出ポート５の外縁に隣接するとともに図１において略９時の位置を巻き始め３ａとし、反時計回りに渦巻き中心Ｏ１からの半径位置を漸次増大させながら渦巻状に延びている。第一壁体３の巻き終わり３ｂの位置は、巻き始め３ａから１周（３６０°）と１／４周を若干超えた図１において略５時の位置とされている。第一壁体３の内周面および外周面の形状は、例えばインボリュート曲線によって形成されている。ただし、第一壁体３の巻き始め３ａの部分は、種々の曲線を用いて形成されている。

第一壁体３の巻き終わり３ｂから中央側（図において時計回り）に９０°の位置には、壁体側段部３ｃが設けられている。壁体側段部３ｃは、高さ方向における先端（いわゆる歯先）が外周側よりも中央側で低くなる段差とされている。すなわち、巻き終わり３ｂから壁体側段部３ｃまでは一定の高さ（Ｈ１）とされ、この段部３ｃにて図１の紙面垂直方向に高さが減少するように変化し、段部３ｃから巻き始め３ａまでは一定の高さ（Ｈ２）とされている。したがって、端板６からの高さＨ１とＨ２との関係は、Ｈ１＞Ｈ２となる。壁体側段部３ｃは、図１のように平面視した場合に、第一壁体３の中央側に向かう巻き方向（図において時計回り方向）に向かって凸となる半円弧状の断面を有している。壁体側段部３ｃは、後述するように、旋回スクロール２の底部側段部１０ｄ（図２参照）に噛み合うようになっている。

第一壁体３の巻き終わり３ｂの位置における端板６側の底部には、底部側段部３ｄが設けられている。底部側段部３ｄは、外周側よりも中央側で高さが高くなる段差とされている。すなわち、第一壁体３の歯先から見ると、底部側段部３ｄの外周側では歯底が深く、底部側段部３ｄの中央側では歯底が浅くなっている。底部側段部３ｄは、図１のように平面視した場合に、中央側に向かう方向（図において時計回り方向）に向かって凸となる半円弧状の断面を有している。この半円弧は、巻き終わり３ｂの内壁の縁部３ｄ１と、この縁部３ｄ１に対して渦巻き中心Ｏ１側に位置する第二壁体４の外壁の接続点３ｄ２とに接するように設けられている。この底部側段部３ｄの半円弧の半径は、旋回スクロール２の旋回半径に相当する寸法となっている。底部側段部３ｄは、後述するように、旋回スクロール２の壁体側段部１１ｃ（図２参照）に噛み合うようになっている。

第二壁体４は、第一壁体３の渦巻き中心Ｏ１と同じ渦巻き中心を有し、第一壁体３を渦巻き中心Ｏ１回りに１８０°回転させた点対称位置に配置されている。したがって、第二壁体４は、巻き始め３ａの点対称位置に巻き始め４ａが位置し、第一壁体３と同様に、巻き終わり４ｂから９０°中央側の位置に壁体側段部４ｃと、巻き終わり４ｂの位置に底部側段部４ｄを有している。

旋回スクロール２は、固定スクロール１に対して噛み合わされた状態で自転を阻止されつつ公転旋回運動可能に支持されている。例えば、図示されていないが、壁体１０，１１が立設された旋回スクロール２の端板７の一側面とは反対側の面の中心位置に設けられたボスに対して、回転駆動するシャフトの端部に設けられたクランクピンが接続される。クランクピンはシャフトの中心軸線から所定量偏心されており、この偏心量が旋回スクロール２の旋回半径となる。シャフトの駆動源は、種々挙げられるが、スクロール圧縮機を過給機として用いる場合には排気タービンによって取り出された動力が用いられ、冷凍機の圧縮機として用いる場合には電動モータからの動力が用いられ、エンジン駆動車両のカーエアコンの場合にはエンジンからの動力が用いられる。

旋回スクロール２は、図２に示されているように、端板７の一側面に立設された渦巻状の第三壁体１０と第四壁体１１とを備えている。第三壁体１０と第四壁体１１は、固定スクロール１の第一壁体３と第二壁体４と同一形状とされている。ただし、図２に示した旋回スクロール２は、図１に示した固定スクロール１に対して時計回り方向に９０°回転させた状態で示してある。これは、固定スクロール１と旋回スクロール２とを噛み合わせた際の位置関係（図３参照）に対応させたものである。
したがって、第三壁体１０は、第一壁体３と同様に、巻き始め１０ａ、巻き終わり１０ｂ、壁体側段部１０ｃ及び底部側段部１０ｄを備えている。第四壁体１１も、第二壁体４と同様に、巻き始め１１ａ、巻き終わり１１ｂ、壁体側段部１１ｃ及び底部側段部１１ｄを備えている。また、第一壁体３と第二壁体４との位置関係と同様に、第四壁体１１は、第三壁体１０の渦巻き中心Ｏ２と同じ渦巻き中心を有し、第三壁体１０を渦巻き中心Ｏ２回りに１８０°回転させた点対称位置に配置されている。

図３には、図１の固定スクロール１と図２の旋回スクロール２とを噛み合わせた状態が示されている。すなわち、固定スクロール１と旋回スクロール２とが、互いに９０°の位相差をもって噛み合わされている。固定スクロール１に対して旋回スクロール２は、図３のように平面視した場合に時計回りに旋回する。
図３の状態は、固定スクロール１の第一壁体３の壁体側段部３ｃと旋回スクロール２の第三壁体１０の底部側段部１０ｄとが噛合い開始点Ａ１で噛み合ってシールを開始し、第三壁体１０の巻き終わり１０ｂにて気体を吸入して締め切った吸入締切時の状態を示している。すなわち、旋回スクロール２の底部側段部１０ｄが第三壁体１０の巻き終わり１０ｂに対応する位置に設けられているので、吸入締切時に、壁体側段部３ｃと底部側段部１０ｄとの噛み合い、閉じた圧縮空間を形成するようになっている。（以下、壁体側段部３ｃと底部側段部１０ｄとの噛合い部を「噛合い段部Ａ」という。）

噛合い開始点Ａ１にて仕切られた圧縮空間Ｓ１は、さらに中央部側に３６０°進んだ噛合い位置Ｃ１までの間にわたって形成されている。そうすると、圧縮空間Ｓ１内には、固定スクロール１の第二壁体４の底部側段部４ｄと旋回スクロール２の第三壁体１０の壁体側段部１０ｃとが噛み合う噛合い段部Ｂが存在することになる。第三壁体１０の壁体側段部１０ｃと底部側段部１０ｄとは、渦巻き中心Ｏ２（図２参照）周りに９０°の角度で設置されていることから明らかなように、噛合い段部Ｂは、噛合い段部Ａに対して渦巻き中心Ｏ１，Ｏ２周りに９０°の角度で設けられている。この結果、旋回スクロール２は図３において時計回りに旋回することから、噛合い段部Ｂは、噛合い段部Ａよりも９０°進んだ位相となり、図４に示すように、シール開始点Ｂ１とシール終了点Ｂ２との間でかつシール開始点Ｂ１から９０°進んだ中間位置Ｂ３にて噛合いが達成されている。さらに、底部側段部４ｄに対して壁体側段部１０ｃが噛合いを維持しながらシール終了点Ｂ２まで相対移動するので、図３の状態から９０°の旋回角にわたって噛合い段部Ｂでの漏れのない噛合いが実行される。

図５には、図３から９０°だけ旋回角が進んだ状態が示されている。同図から分かるように、噛合い段部Ｂでは、壁体側段部１０ｃがシール終了点Ｂ２（図４参照）に位置している。このタイミング以降では、圧縮空間Ｓ１は噛合い段部Ｂを通過することになるので、噛合い段部Ｂにて噛合いが外れて漏れが発生しても圧縮空間Ｓ１に影響を及ぼすことはない。圧縮空間Ｓ１は、さらに圧縮が進んで中央部へと移動させられるが、すでに噛合い段部Ａ及び噛合い段部Ｂを通過していることから、噛合い段部Ａ，Ｂによる漏れの発生のおそれは無く、吐出ポート５に到るまで圧縮が継続される。

図６には、噛合い段部Ａ，Ｂによってシールされる範囲を示したタイミングチャートである。同図において、横軸は旋回角度を示す。
噛合い段部Ａと噛合い段部Ｂとの設置角は、上述した通り渦巻き中心Ｏ１，Ｏ２周りに９０°とされている。そして、噛合い段部Ａのシール可能範囲は、半円形（１８０°）の横断面を有する底部側段部１０ｄに対して壁体側段部３ｃが噛み合う角度範囲なので、１８０°となる。同様に、噛合い段部Ｂのシール可能範囲は、半円形（１８０°）の横断面を有する底部側段部４ｄに対して壁体側段部１０ｃが噛み合う角度範囲なので、１８０°となる。
そうすると、吸入締切角に到達したときは、噛合い段部Ａでのシールが終了しているが、圧縮空間Ｓ１を形成する噛合い開始点Ａ１（図３参照）は噛合い段部Ａを通過した直後であり、噛合い段部Ａでのシール状態には影響を受けない。その後の９０°の旋回角の間は、噛合い段部Ｂのシールが継続しているので圧縮空間Ｓ１は漏れなく維持される。そして、圧縮空間Ｓ１の噛合い位置が噛合い段部Ｂの設置角を通過した後は、上述の通り、圧縮空間Ｓ１の領域には噛合い段部は存在しないので、漏れの無い圧縮が継続される。

図３から図６では、特定の圧縮空間Ｓ１の状態について説明したが、固定スクロール１の壁体３，４と旋回スクロール２の壁体１０，１１は同一形状なので、他の圧縮空間についても同様となる。
したがって、図７に示すように、固定スクロール１と旋回スクロール２とは、吸入締切時から気体の漏れが発生することなく順次圧縮できるようになっている。同図では、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｆ）→（ｇ）→（ｈ）→（ａ）の順に圧縮が行われる。図３に示した状態が図７（ｅ）に対応し、図５に示した状態が図７（ｇ）に対応する。

以上のように、本実施形態では、二条スクロールとされたスクロール圧縮機の場合、吸入締切位置となる壁体３，４，１０，１１の巻き終わり３ｂ，４ｂ，１０ｂ，１１ｂに対応する位置に底部側段部３ｄ，４ｄ，１０ｄ，１１ｄを設けて、吸入締切時の噛合い段部Ａを吸入締切後に通過するように圧縮空間Ｓ１を形成するようにした。これにより、圧縮空間Ｓ１から気体が漏れることなく圧縮できるようになる。

これに対して、以下に示す比較例１及び比較例２では、本実施形態と異なる位置に噛合い段部を設けているので、気体を有効に圧縮することができない。

＜比較例１＞
図８は、第３壁部１０の底部側段部１０ｄ’が第３壁部１０の巻き終わり１０ｂに設けられておらず、巻き終わり１０ｂから中央側に９０°以上進んだ位置にある場合、すなわち、噛合い段部Ａ’が吸入締切位置から中央側に９０°以上進んだ位置にある場合である。このような場合、図８に示すように第３壁部１０の巻き終わり１０ｂにおいて吸入締切を行っても、噛合い段部Ａ’ではシール可能な角度範囲を過ぎた位置となりシールが行われていない。具体的には、図９に示されているように、噛合い段部Ａ’では、シール開始点Ａ１からシール終了点Ａ２までの角度範囲を過ぎた位置に壁体側段部３ｃ’が位置しているので、隙間Ｇから気体が漏れる。このため、図８にて矢印Ｆ１で示すように、噛合い段部Ａ’の隙間から気体が圧縮空間Ｓ１’から漏れて隣の部屋へと流れ込み、この隣の部屋は吸入吸込が完了していないため、矢印Ｆ２で示すように、外部へと気体が漏れ出てしまう。
一方、圧縮空間Ｓ１’に位置するもう一つの噛合い段部Ｂ’でも、シールが達成されていないので、さらに内側の圧縮空間Ｓ２’に連通することになり、矢印Ｆ３で示すように、圧縮空間Ｓ２’から圧縮空間Ｓ１’への漏れ流れが形成される。
このように、図８のように第三壁体１０の巻き終わり１０ｂで吸入締切を行ったとしても、噛合い段部Ａ’及び噛合い段部Ｂ’から漏れ流れが生じ、気体を圧縮することができない。
図１０には、図８の状態からさらに９０°旋回が進んだ状態が示されている。同図から分かるように、噛合い段部Ｂ’ではシールが達成されているものの、噛合い段部Ａ’では依然としてシールが達成されていないので漏れ流れが発生する。

＜比較例２＞
比較例２は、比較例１よりも噛合い段部Ａ”が吸入締切位置側に位置しており、吸入締切位置（巻き終わり１０ｂ）から９０°以下の範囲に位置している場合である。
このような場合、図１１に示すように第３壁部１０の巻き終わり１０ｂにおいて吸入締切を行っても、噛合い段部Ａ”ではシール可能な角度範囲に到達する前の位置となりシールが行われていない。具体的には、図１２に示されているように、噛合い段部Ａ”では、シール開始点Ａ１からシール終了点Ａ２までの角度範囲に到達する前の位置に壁体側段部３ｃ”が位置しているので、隙間Ｇから気体が漏れる。なお、符号１０ｄ”は、底部側段部を示す。このため、図１１にて矢印Ｆ４で示すように、噛合い段部Ａ”の隙間から気体が圧縮空間Ｓ１”から漏れて隣の部屋へと流れ込み、この隣の部屋は吸入吸込が完了していないため、矢印Ｆ５で示すように、外部へと気体が漏れ出てしまう。
一方、圧縮空間Ｓ１”に位置するもう一つの噛合い段部Ｂ”では、シールが達成されており、噛合い段部Ｂ”では漏れ流れは生じていない。
このように、図１１のように巻き終わり１０ｂで吸入締切を行ったとしても、噛合い段部Ａ”から漏れ流れが生じ、気体を圧縮することができない。これは、実質的には、噛合い段部Ａ”がシール開始点Ａ１（図１２等参照）に位置するまで吸入を締め切っても密閉した圧縮空間を形成することができないことを意味する。したがって、例えば図３に示した本実施形態のように、吸入締切時にシール開始点Ａ１にて噛み合うように噛合い段部Ａを位置させること、すなわち、壁体の巻き終わりに底部側段部を設けて噛合い段部Ａを構成することが吸入締切時に密閉した圧縮空間を形成するための必須条件となる。
なお、図１３には、図１１の状態からさらに９０°旋回が進んだ状態が示されている。同図から分かるように、噛合い段部Ｂ”ではシールが達成されているものの、噛合い段部Ａ”を通過した後に密閉した圧縮空間Ｓ１”を形成することになるので、吸入容積の増大を図ることができない。

以上の通り、本実施形態のスクロール圧縮機によれば、以下の作用効果を奏する。
９０°の位相差をもって噛み合わされた二条スクロールでは、流体を吸入して締め切る壁体３，４，１０，１１の巻き終わり位置に対応する底部に底部側段部３ｄ，４ｄ，１０ｄ，１１ｄを設け、かつ、底部側段部３ｄ，４ｄ，１０ｄ，１１ｄに噛み合う位置に壁体側段部３ｃ，４ｃ，１０ｃ，１１ｃを設けると、吸入締め切り時に形成された圧縮室Ｓ１が開放されることなく全ての旋回角で圧縮室を維持しつつ圧縮できる。これにより、二条スクロールに対して壁体３，４，１０，１１の高さ方向の圧縮を加えた三次元的な圧縮を実現することができ、吸入容積の増大だけでなく設計容積比（設計圧力比）も増大することができる。

なお、本実施形態では、壁体３，４，１０，１１の巻数は（１＋１／４）周を若干超えたものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、巻数は（１＋１／４）周より短くても良く、また長くても良い。

１ 固定スクロール
２ 旋回スクロール
３ 第一壁体
３ａ 巻き始め
３ｂ 巻き終わり
３ｃ 壁体側段部
３ｄ 底部側段部
４ 第二壁体
４ａ 巻き始め
４ｂ 巻き終わり
４ｃ 壁体側段部
４ｄ 底部側段部
５ 吐出ポート
６ 端板（固定スクロール）
７ 端板（旋回スクロール）
１０ 第三壁体
１０ａ 巻き始め
１０ｂ 巻き終わり
１０ｃ 壁体側段部
１０ｄ 底部側段部
１１ 第四壁体
１１ａ 巻き始め
１１ｂ 巻き終わり
１１ｃ 壁体側段部
１１ｄ 底部側段部
Ｏ１ 渦巻き中心（固定スクロール）
Ｏ２ 渦巻き中心（旋回スクロール）

Claims (1)

1. 端板の一側面に立設された渦巻状の第一壁体および第二壁体からなる二条の壁体を有し、定位置に固定された固定スクロールと、
   端板の一側面に立設された渦巻状の第三壁体および第四壁体からなる二条の壁体を有し、前記第一壁体及び前記第二壁体に対して前記第三壁体及び前記第四壁体が噛み合わされた状態で自転を阻止されつつ公転旋回運動可能に支持された旋回スクロールと、
   を備え、
   前記第一壁体及び前記第二壁体は、互いの渦巻き中心を共通にして１８０°回転させた点対称位置に配置され、
   前記第三壁体及び前記第四壁体は、それぞれ、前記第一壁体及び前記第二壁体と同一形状とされ、
   前記固定スクロールと前記旋回スクロールとは、互いに９０°の位相差をもって噛み合わされ、
   前記固定スクロール及び前記旋回スクロールのそれぞれは、流体を吸入して締め切る各前記壁体の外周側の巻き終わり位置に対応する前記端板側の底部が外周側よりも中央側で高さが高くなる底部側段部を有し、かつ、該底部側段部に噛み合う各前記壁体の高さ方向における先端が外周側よりも中央側で低くなる壁体側段部を有することを特徴とするスクロール圧縮機。

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