(57)【要約】【課題】旋回スクロール鏡板上の剛性の違いによりラップの熱変形が大きい範囲において、両スクロールラップのラップ壁面での強い接触を防止することにより、耐久性の向上、摺動損失の低減、騒音・振動レベルの低減を達成するスクロール型圧縮機を提供することにある【解決手段】ラップの熱変形が大きい範囲において、旋回ラップの外周壁あるいは該旋回ラップの外周壁に対応する固定ラップの内周壁の少なくとも一方に、ラップの熱変形に対する逃がし部が形成されることで、耐久性の向上、摺動損失の低減、騒音・振動レベルの低減を達成するスクロール型圧縮機を提供することができる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定スクロール鏡板上に渦巻状の固定ラップを形成した固定スクロールと、旋回スクロール鏡板上に渦巻状の旋回ラップを形成した旋回スクロールとが、互いに噛み合う状態で配設され、両スクロールラップ周壁間に圧縮室を形成し、該圧縮室の流体を圧縮するように構成され、前記旋回スクロール鏡板背面に環状に配設された複数の自転防止機構を有するスクロール型圧縮機において、
旋回スクロール背面側から見て、前記旋回スクロール鏡板中心から自転防止機構部の外周に接し前記旋回スクロール鏡板外周と交わる線分を引き、隣り合う該自転防止機構部に挟まれた該線分と前記旋回スクロール鏡板外周の円弧とに囲まれた第１領域の内、前記旋回ラップの外周壁あるいは該旋回ラップの外周壁に対応する前記固定ラップの内周壁の少なくとも一方の少なくとも一部に、ラップの熱変形に対する逃がし部が形成されていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
【請求項２】
前記逃がし部は、前記第１領域を略三等分するように、前記旋回スクロール鏡板中心から前記旋回スクロール鏡板半径方向に直線を引き、その略三等分した部分の内、前記第１領域の円弧の中点を含む第２領域の範囲において、前記旋回ラップの外周壁あるいは該旋回ラップの外周壁に対応する前記固定ラップの内周壁の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型圧縮機。
【請求項３】
前記逃がし部は、ラップの周壁に該周壁の高さ方向全体に渡って凹部を設けることで形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスクロール型圧縮機。
【請求項４】
前記凹部の逃がし量は、２０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のスクロール型圧縮機。
【請求項５】
前記スクロール型圧縮機は、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するものである請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のスクロール型圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば燃料電池の電極に圧縮気体を供給するためのスクロール型圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のスクロール型圧縮機としては、例えば特開平１１−２５７２５９号公報に示すような構成のものが知られている。
【０００３】
即ち、渦巻状のラップを有する旋回スクロールと、この旋回スクロールの旋回ラップが組み合わせられることにより圧縮室が形成される固定スクロールと、前記旋回ラップの外周部の前記固定スクロール側に設けた吸入口と、前記固定スクロールの中央部に設けた吐出口とを備えたスクロール型圧縮機において、吸入口近傍では固定スクロールラップは、吸入気体によってラップの外側を直接冷却されるためラップ自身が局部的に低温に保たれている。
【０００４】
一方、それより内側に存在する旋回スクロールラップは、圧縮熱によりラップ自身が高い温度に保たれている。このように高温になると、スクロールラップは全体的にスクロール鏡板半径方向に膨張するため、旋回スクロールの方が固定スクロールに比べラップの変形量は大きくなる。このため、吸入口近傍において旋回スクロールのラップ外周壁が固定スクロールのラップ内周壁に接触する可能性が高い。
【０００５】
この部分的熱膨張差を回避して両スクロールラップ壁面での接触を防止するため、前記固定スクロールの吸入口近傍に配設された両スクロールラップの少なくとも一方の厚さを薄くしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えば燃料電池の電極に圧縮気体を供給するようなスクロール型圧縮機では、大径円盤状の旋回スクロール鏡板が使われており、その背面には厚肉の有底円筒状の自転防止機構部が複数配設されている。この自転防止機構部が配設されている箇所では、自転防止機構部が配設されていない箇所と比べ、旋回スクロール鏡板の剛性が高い。
【０００７】
このように剛性の高い箇所では熱膨張によるラップの変形は抑えられるが、逆に自転防止機構部が配設されていない箇所では、自転防止機構部の配設されている箇所でラップの変形が抑えられた影響で、ラップの変形が大きくなってしまう。このため自転防止機構部が配設されていない箇所において、旋回スクロールのラップ外周壁が固定スクロールのラップ内周壁に強く接触する可能性が高い。つまり、ラップの変形箇所が前記従来技術のように吸入口近傍ではないので、前記従来技術である吸入口近傍に配設された両スクロールラップの少なくとも一方の厚さを薄くする方法では、両ラップの壁面での強い接触を防止することが難しく、接触による耐久性の低下、摺動損失の増大、騒音・振動レベルの増大等が懸念される。
【０００８】
本発明の目的は、旋回スクロール鏡板上の剛性の違いによりラップの熱変形の大きい箇所において、壁面での強い接触を防止することにより、耐久性の向上、摺動損失の低減、騒音・振動レベルの低減を達成するスクロール型圧縮機を提供することにある。
【０００９】
【発明を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載のスクロール型圧縮機は、旋回スクロール背面側から見て、前記旋回スクロール鏡板中心から前記自転防止機構部の外周に接し前記旋回スクロール鏡板外周と交わる線分を引き、該自転防止機構部に挟まれた該線分と前記旋回スクロール鏡板外周の円弧とに囲まれた第１領域の範囲の内、前記旋回ラップの外周壁あるいは該旋回ラップの外周壁に対応する前記固定ラップの内周壁の少なくとも一方の少なくとも一部に、ラップの熱変形に対する逃がし部が形成されている。この逃がし部により、両スクロールラップの熱変形による強い接触を防止することができ、耐久性を上げ、摺動損失を低減し、騒音・振動レベルを低減することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は請求項１において、前記第１領域を略三等分するように、前記旋回スクロール鏡板中心から前記旋回スクロール鏡板半径方向に直線を引き、その略三等分した部分の内、前記第１領域の円弧の中点を含む第２領域において、前記旋回ラップの外周壁あるいは該旋回ラップの外周壁に対応する前記固定ラップの内周壁の少なくとも一方に、ラップの熱変形に対する逃がし部が形成されていることを特徴とする。これは請求項１で示した逃がし部を設ける範囲の内、ラップ熱変形の最も大きい範囲に逃がし部を限定することであり、これによりラップの加工範囲を減らし、請求項１に記載の効果に加え、加工コストが低減できる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２において、前記逃がし部はラップの周壁に該周壁の高さ方向全体に渡って凹部を設けることで形成されていることを特徴とする。すなわち、請求項３に記載の発明により両スクロールラップのラップ壁面での強い接触を防止することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は請求項３において、前記凹部の逃がし量が２０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする。これは、両ラップの強い接触を確実に回避するための逃がし量の取り得る範囲について言及するものである。
【００１３】
請求項５に記載のスクロール型圧縮機は請求項１から請求項４のいずれかにおいて、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するスクロール型圧縮機であることを特徴とする。燃料電池用スクロール型圧縮機には、例えば車の冷凍空調用のスクロール型圧縮機に対して、大径円盤状の旋回スクロール鏡板が使われており、その背面には厚肉の有底円筒状の自転防止機構部が複数配設されている。従って、旋回スクロール鏡板上の剛性の違いが大きい、即ちラップの熱変形に及ぼす影響が大きく、請求項１から請求項４のいずれかに記載の発明の効果の内、耐久性の向上、摺動損失の低減、騒音・振動レベルの低減に対し、特に効果が表れる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を挙げ、本発明を具体的に説明する。
【００１５】
図１に本発明の一実施形態である燃料電池用スクロール型圧縮機の断面図を示す。該スクロール型圧縮機は、圧縮機構部と、クランク機構部と、駆動モータ部とからなり、燃料電池の酸素極に空気を圧送するものである。以下、具体的に述べる。
【００１６】
圧縮機構部は、固定スクロール１１と旋回スクロール１２とからなる。固定スクロール１１は、円盤状の固定スクロール鏡板１１ａと、この固定スクロール鏡板１１ａから立設した渦巻状の固定ラップ１１ｂと、固定ラップ最外壁１１ｃとからなる。そして、固定スクロール鏡板１１ａと固定ラップ最外壁１１ｃとによりフロントハウジングが形成され、該フロントハウジング側面には空気を吸入するための吸入口１３ａが設けられている。なお、固定スクロール鏡板１１ａの中央には、図示しない燃料電池の酸素極に配管等で結合される吐出口１３ｂが設けられている。
【００１７】
旋回スクロール１２は、円盤状の旋回スクロール鏡板１２ａと、この旋回スクロール鏡板１２ａから立設した渦巻状の旋回ラップ１２ｂとからなり、旋回スクロール鏡板１２ａの背面側中央には有底円筒状の軸受部１２ｃが設けられ、その外周側には３箇所に均等に配設された有底円筒状の自転防止機構部１２ｄが設けられている。
【００１８】
クランク機構部は、旋回スクロール１２に旋回運動（公転運動）を行わせる駆動クランク機構１４と、旋回スクロール１２の自転を防止する自転防止機構１５とからなる。駆動クランク機構１４は、前述の軸受部１２ｃと、モータ主軸１６のクランクピン１６ａと、クランクピン１６ａを支承するころ軸受１６ｂとで構成される。
【００１９】
モータ主軸１６は、ボールベアリング１６ｃによりフロント側が支承されており、後述するリアハウジング１９の中央にて、ボールベアリング２５により支承されると共にシール２６により密閉されている。なお、モータ主軸１６には、旋回スクロール１２の旋回時に生じる慣性モーメントを打ち消すために、バランスウエイト１６ｄが設けられており、振動の低減化を図っている。
【００２０】
また、自転防止機構１５は、前述の自転防止機構部１２ｄと、自転防止クランク軸１５ａのクランクピン１５ｂと、クランクピン１５ｂを支承するラジアルボールベアリング１５ｃで構成される。自転防止クランク軸１５ａのリア側は、複列のボールベアリング１５ｄにより支承されている。
【００２１】
このクランク機構部は、後述する駆動モータ部と共にセンターハウジング１７内に収納され、クランク機構部と駆動モータ部とはセンターハウジング１７の略中央に一体成形された支持フレーム１８により仕切られている。なお、前述のボールベアリング１６ｃとボールベアリング１５ｄとは、この支持フレーム１８に嵌入されている。
【００２２】
駆動モータ部は、センターハウジング１７と、リアハウジング１９と、支持フレーム１８とに区画された駆動モータ２０とにより構成される。まず、駆動モータ２０は、該駆動モータ２０の中央を貫通するモータ主軸１６と、このモータ主軸１６に嵌入されたロータ２１と、更にその外周側に設けられ、コイル２３が巻回されたステータ２２とからなるインダクションモータである。従って、駆動モータ２０は、図示しないインバータにより回転数等が制御され得る。駆動モータ２０の後端では、リアハウジング１９がセンターハウジング１７にボルト固定され、それらの間で駆動モータ２０を収納するモータ室が形成される。更に、この駆動モータ２０を覆うセンターハウジング１７には、ステータ２２の位置に合わせてウォータジャケット２４が設けられており、駆動モータ２０が冷却水により冷却されるようになっている。
【００２３】
駆動モータ２０に電力が供給されると、モータ主軸１６が回転し、駆動クランク機構１４を介して旋回スクロール１２が固定スクロール１１と噛み合いつつ旋回する。そして、吸入口１３ａから固定スクロール１１と旋回スクロール１２との間に形成された圧縮室１３ｃに空気が吸入され、旋回スクロール１２の旋回と共にこの吸入空気が圧縮され、吐出口１３ｂから吐出されて、燃料電池の酸素極に圧縮空気が供給される。
【００２４】
図２（ａ）は旋回ラップ１２ｂの平面図である。また図２（ｂ）は旋回ラップ１２ｂにおける逃がし部としての凹部３２の拡大図である。
【００２５】
スクロール型圧縮機において運転時は、旋回スクロール鏡板１２ａの中心Ｏに近づく程流体の温度、圧力ともに高くなるため、旋回ラップ１２ｂは旋回スクロール鏡板１２ａの半径方向へ膨張する。
【００２６】
しかし、旋回スクロール鏡板１２ａ背面に厚肉の自転防止機構部１２ｄが配設されると旋回スクロール鏡板１２ａ上に剛性の違いが生じる。つまり、自転防止機構部１２ｄが配設された箇所は、自転防止機構部１２ｄが配設されていない箇所に比べ、剛性が高くなる。剛性が高いとラップの熱変形が抑えられるが、逆に自転防止機構部１２ｄが配設されていない箇所では自転防止機構部１２ｄの配設されている箇所でラップの熱変形が抑えられた分、ラップの熱変形が大きくなってしまう。
【００２７】
図２（ａ）における斜線部は、旋回スクロール鏡板１２ａ上の剛性の違いによる影響で、旋回ラップの熱変形が最も大きくなる範囲を示している。具体的に説明すると、該斜線部は、旋回スクロール鏡板１２ａ中心Ｏから自転防止機構部１２ｄに接し旋回スクロール鏡板１２ａの外周と交わる線分（ＯＡ、ＯＢ、…ＯＦ）を引き、該線分と該旋回スクロール鏡板１２ａ外周とに囲まれ、隣り合う自転防止機構部１２ｄに挟まれた第１領域（扇形ＯＡＢ、ＯＣＤ、ＯＥＦ）を作り、更に該第１領域を略三等分するように、旋回スクロール鏡板１２ａ中心Ｏから旋回スクロール鏡板１２ａの半径方向に線分（ＯＡ´、ＯＢ´、…ＯＦ´）を引き、その略三等分した部分の内、自転防止機構部１２ｄに挟まれた円弧（ＡＢ、ＣＤ、ＥＦ）の中点を含む第２領域（扇形ＯＡ´Ｂ´、ＯＣ´Ｄ´、ＯＥ´Ｆ´）部位である。
【００２８】
即ち、図２（ａ）において、該斜線部（第２領域）に含まれているラップ部位３１（丸印で囲まれた部位）の外周壁が本発明でいう逃がし部であり、図２（ｂ）に該逃がし部としての凹部３２の拡大図を示す。
【００２９】
凹部３２の逃がし量Ｌは、取り得る範囲としておよそ２０μｍ以上１００μｍ以下と求められる。これは、２０μｍを下回ると両スクロールラップの壁面での強い接触を防止できず、１００μｍを超えると一旦圧縮された流体が逃がし部から低圧の圧縮室に漏れ圧縮機の圧縮効率が下がってしまうからである。
【００３０】
また、摩耗の形態を見ると、ラップの高さ方向全体に渡って摩耗していた。そのため、逃がし部としての凹部３２はラップの高さ方向全体に渡って逃がすこととした。
【００３１】
図３（ａ）は固定ラップ鏡板の背面、つまりフロント側から見た固定ラップ１１ｂの平面図である。また、図３（ｂ）は固定ラップ１１ｂにおける逃がし部としての凹部４２の拡大図である。
【００３２】
スクロール型圧縮機において旋回スクロール１２は公転運動を行うため、逃がし部の範囲を定めるための前記第２領域自身が公転運動を行っており、固定ラップ１１ｂにて逃がし部を設ける範囲は前記第２領域から定めることができない。しかし、固定ラップ１１ｂと旋回ラップ１２ｂとが接触する箇所は一対一で対応しているため、旋回ラップ１２ｂ上で逃がし部の範囲が定まれば、一義的に固定ラップ１１ｂ上でも逃がし部の範囲が定まる。すなわち、固定ラップ１１ｂに逃がし部を設ける箇所は、旋回ラップ１２ｂに逃がし部を設ける箇所に対応した箇所、つまり図３（ａ）にて丸印４１で囲まれた箇所の内周壁である。
【００３３】
固定ラップ１１ｂにおける逃がし部としての凹部４２の拡大図を図３（ｂ）に示す。固定ラップ１１ｂにおける凹部４２の逃がし量Ｌは上記旋回ラップ１２ｂにおける逃がし部と同様２０μｍ以上１００μｍ以下を取り得る範囲とし、ラップの高さ方向全体に渡って逃がすこととした。
【００３４】
上述した本実施形態のスクロール型圧縮機によれば、両ラップ壁面の強い接触を防ぐことにより、耐久性が上がり、摺動損失及び音・振動レベルは低減され、またラップの熱変形の最も大きい範囲のみを逃がすことにより逃がし加工のコストを最低限に抑えることが可能である。
【００３５】
なお、本発明の前記実施形態は、例えば以下のような各別形態にして変更実施することも可能である。
【００３６】
・上述の実施形態では逃がし部の範囲を第２領域の範囲に限定しているが、第１領域の範囲の少なくとも一部に逃がし部としての凹部を設けてもよい。この形態でも耐久性の向上、摺動損失及び音・振動レベルの低減の効果がある。
【００３７】
・上述の実施形態では逃がし部としての凹部は、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）のような形状をとっているが、図２（ｃ）あるいは図３（ｃ）のように凹部の周方向端部が丸みをおびた形状であってもよい。
【００３８】
・上述の実施形態では本発明を旋回ラップ１２ｂまたは固定ラップ１１ｂの一方に適用した場合について例示したが、旋回ラップ１２ｂと固定ラップ１１ｂの両方に逃がし部を設けてもよく、その場合、旋回ラップ１２ｂ側の逃がし部の逃がし量と、固定ラップ１１ｂ側の逃がし部の逃がし量との和が２０μｍ以上１００μｍ以下になるようにする。
【００３９】
・上述の実施形態は燃料電池用スクロール型圧縮機について例示したが、旋回スクロール背面に自転防止機構をもつ冷凍空調用のスクロール型冷媒圧縮機に適用してもよい。
【００４０】
・上述の実施形態では自転防止機構は三箇所設けられているが、四箇所以上であっても本発明を適用できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、両スクロールラップの熱変形による強い接触を防止することができるため、耐久性の向上、摺動損失の低減、騒音・振動レベルの低減を達成するスクロール型圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池用スクロール型圧縮機を示す断面図。
【図２】（ａ）　本発明の一実施形態である旋回ラップの平面図。
（ｂ）　本発明の一実施形態である旋回ラップの逃がし部拡大斜視図。
（ｃ）　本発明の別形態である旋回ラップの逃がし部拡大斜視図。
【図３】（ａ）本発明の一実施形態である固定ラップの平面図。
（ｂ）　本発明の一実施形態である固定ラップの逃がし部拡大斜視図。
（ｃ）　本発明の別形態である固定ラップの逃がし部拡大斜視図。
【符号の説明】
１１…固定スクロール、１１ａ…固定スクロール鏡板、１１ｂ…固定ラップ、１１ｃ…固定ラップ最外壁、１２…旋回スクロール、１２ａ…旋回スクロール鏡板、１２ｂ…旋回ラップ、１２ｄ…自転防止機構部、１５…自転防止機構、３１…旋回ラップの逃がし部、３２…旋回ラップの逃がし部としての凹部、４１…固定ラップの逃がし部、４２…固定ラップの逃がし部としての凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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