(57)【要約】【課題】旋回スクロールをアルミニウム化しても、その円滑な旋回運動を保証し、もって安定して高性能を発揮するスクロール式流体機械を提供する。【解決手段】アルミニウム系材料から形成された旋回スクロール２と固定スクロール５との間に形成される三日月状の流体室Ｓを、ケーシング１に軸着したクランク軸８の偏心軸部８ａに軸受２０を介して支持された旋回スクロール２の旋回運動に応じて容積変化させ、流体室Ｓに取込んだ気体を圧縮または膨張させるスクロール式流体機械であって、前記軸受２０が、旋回スクロール２のディスク３に一体に設けた筒状ボス部２１内に収納保持されるものにおいて、前記旋回スクロール２の筒状ボス部２１の周りをオーステナイト系ステンレス鋼からなる拘束リング２７により拘束して、筒状ボス部２１の拡張を抑制し、また、前記ディスク３の中心部３ｃの板厚を薄くして、ディスク３の全体の熱変形を抑制する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム系材料からなる旋回スクロールと固定スクロールとを備え、前記両スクロールの間に形成される三日月状の流体室を、クランク軸の偏心軸部に軸受を介して支持された旋回スクロールの旋回運動に応じて容積変化させ、該流体室に取込んだ気体を圧縮または膨張させるスクロール式流体機械であって、前記軸受が、前記旋回スクロールのディスクに一体に設けた筒状ボス部内に収納保持されるものにおいて、前記旋回スクロールの筒状ボス部の周りを、アルミニウム系材料よりも線膨張係数の小さい材料からなる拘束リングにより拘束したことを特徴とするスクロール式流体機械。
【請求項２】
拘束リングが、ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１に記載のスクロール式流体機械。
【請求項３】
流体室に取込まれる気体が高圧ガスであり、該ガスの膨張により発生した動力がクランク軸を介して出力されることを特徴とする請求項１または２に記載のスクロール式流体機械。
【請求項４】
高圧ガスが、自動車エンジンの排気ガスであることを特徴とする請求項３に記載のスクロール式流体機械。
【請求項５】
アルミニウム系材料からなる旋回スクロールと固定スクロールとを備え、前記両スクロールの間に形成される三日月状の流体室を、複数のクランク軸の偏心軸部に軸受を介して支持された旋回スクロールの旋回運動に応じて容積変化させ、該流体室に取込んだ気体を圧縮または膨張させるスクロール式流体機械であって、前記各クランク軸に対する前記旋回スクロールの支持部が、該旋回スクロールのディスクの外周部に等配して設定されるものにおいて、前記旋回スクロールのディスクの中心部の板厚を、周辺部の板厚よりも薄くしたことを特徴とするスクロール式流体機械。
【請求項６】
流体室に取込まれる気体が高圧ガスであり、該ガスの膨張により発生した動力が複数のクランク軸の１つを介して出力されることを特徴とする請求項５に記載のスクロール式流体機械。
【請求項７】
高圧ガスが、自動車のエンジンの排気ガスであることを特徴とする請求項６に記載のスクロール式流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機、膨張機、原動機等として用いられるスクロール式流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スクロール式流体機械は、旋回スクロールと固定スクロールとの間に形成される三日月状の流体室を、クランク軸の偏心軸部に軸受を介して支持された旋回スクロールの旋回運動に応じて容積変化させ、該流体室に取込んだ気体を圧縮または膨張させるもので、圧縮機として用いられる場合は、外周から吸入した気体が中心部から吐出され、膨張機として用いられる場合は、中心部から吸入した気体が外周から吐出されるようになる。
また、最近では、上記流体室に高圧ガスを導入し、該高圧ガスの膨張により旋回スクロールを旋回させて　動力を発生させる原動機としての利用も推し進められており、例えば、特許文献１には、前記動力を他の圧縮機の補助に用いる技術が、本発明者等による特願２００１−１０２９５８号（未公知）には、自動車エンジンの排気ガスを導入して発生させた動力を発電に用いる技術がそれぞれ開示されている。
【０００３】
ところで、この種のスクロール式流体機械において、その旋回スクロールは、一般にはそのディスクの中央部の一箇所でクランク軸に軸受を介して支持される構造となっているが、最近は、機械全体の小型化、薄肉化を図るため、クランク軸を複数設け、旋回スクロールのディスクの外周部の複数箇所を各クランク軸に軸受を介して支持させるようにした、いわゆる外周駆動型の流体機械も実用化されている（例えば、特許文献２、特許文献３等参照）。
また、最近の軽量化に対する要求の高まりにより、旋回スクロール、固定スクロールをアルミニウム系材料から形成することも多く行われている（前記特許文献２および３、特許文献４等参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２６６９８０号公報
【特許文献２】
特開平８−１２８３９５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２５７２５９号公報
【特許文献４】
特開２０００−３０４１４９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、従来のスクロール式流体機械によれば、クランク軸に旋回スクロールを支持させるための軸受部構造として、旋回スクロールのディスクに一体に設けた筒状ボス部内に軸受を収納保持した構造を採用することが多く、旋回スクロールとして線膨張係数の大きいアルミニウム系材料を用いた場合は、温度上昇により前記筒状ボス部が拡張して軸受との隙間（嵌合隙間）が増加し、この隙間増加により旋回スクロールの旋回運動が不安定となって、大きな振動、騒音が発生し、あるいはガス漏れが発生する問題があった。また、旋回スクロールの旋回運動が不安定となることから、旋回スクロールと固定スクロールとの相互間で渦巻状羽根同士が干渉し、効率が低下する、という問題もあった。
さらに、上記した複数のクランク軸により旋回スクロールの複数箇所を支持する外周駆動型のスクロール式流体機械において、その旋回スクロールとしてアルミニウム系材料を用いた場合は、旋回スクロールのディスク熱変形（熱膨張、反り）により、各クランク軸に対する軸受部間の距離（軸間距離）が変化して軸受部にかかる負荷が増大したり、あるいは旋回スクロールと固定スクロールとの相互間で渦巻状羽根同士の干渉が起こり、上記同様に旋回スクロールの旋回運動が不安定になる、という問題があった。なお、例えば、上記特許文献３に記載された発明においては、軸受の周りに弾性部材を配置して前記軸間距離の変化を吸収するようにしている（その公報段落［００１８］）が、このような対策では、旋回スクロールのディスクの反りに起因する渦巻状羽根同士の干渉を防ぐことはできず、根本的な対策には至らない。
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、旋回スクロールをアルミニウム化しても、その円滑な旋回運動を保証できるようにし、もって安定して高性能を発揮するスクロール式流体機械を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、第１の発明は、アルミニウム系材料からなる旋回スクロールと固定スクロールとを備え、前記両スクロールの間に形成される三日月状の流体室を、クランク軸の偏心軸部に軸受を介して支持された旋回スクロールの旋回運動に応じて容積変化させ、該流体室に取込んだ気体を圧縮または膨張させるスクロール式流体機械であって、前記軸受が、前記旋回スクロールのディスクに一体に設けた筒状ボス部内に収納保持されるものにおいて、前記旋回スクロールの筒状ボス部の周りを、アルミニウム系材料よりも線膨張係数の小さい材料からなる拘束リングにより拘束したことを特徴とする。
本第１の発明において、上記クランク軸に対する旋回スクロールの支持箇所は任意であり、その中央部の一箇所であっても、その外周部の複数箇所であってもよい。
本第１の発明においては、アルミニウム系材料からなる旋回スクロールの筒状ボス部の周りを、アルミニウム系材料よりも線膨張係数の小さい材料からなる拘束リングにより拘束したことにより、該筒状ボス部の熱による拡張が抑えられる。この場合、前記拘束リングの材料は、アルミニウム系材料よりも線膨張係数が小さければ、特にその材種は問わないが、耐熱性、耐食性に富むステンレス鋼を選択するのが望ましい。
【０００７】
また、上記課題を解決するための第２の発明は、アルミニウム系材料からなる旋回スクロールと固定スクロールとを備え、前記両スクロールの間に形成される三日月状の流体室を、複数のクランク軸の偏心軸部に軸受を介して支持された旋回スクロールの旋回運動に応じて容積変化させ、該流体室に取込んだ気体を圧縮または膨張させるスクロール式流体機械であって、前記各クランク軸に対する前記旋回スクロールの支持部が、該旋回スクロールのディスクの外周部に等配して設定されるものにおいて、前記旋回スクロールのディスクの中心部の板厚を、周辺部の板厚よりも薄くしたことを特徴とする。
本第２の発明において、上記クランク軸の数すなわち旋回スクロールの支持箇所の数は任意であり、２箇所であっても３箇所以上であってもよい。
本第２の発明においては、アルミニウム系材料からなる旋回スクロールのディスクの熱変形が、板厚の薄い中心部に集中するので、旋回スクロールの軸間距離の変化並びに反りが抑制される。
【０００８】
上記２つの発明の使用形態は任意であり、圧縮機および膨張機としての使用はもちろん、原動機としても使用できる。原動機としてする場合は、流体室に取込まれる気体が高圧ガスとなり、該ガスの膨張により発生した動力がクランク軸を介して出力される構造となる。この場合、前記高圧ガスとして、自動車エンジンの排気ガスを用いることができ、これによりエンジンの排気エネルギを有効に回収することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１および２は、本発明の一つの実施の形態としてのスクロール式流体機械の構造を示したものである。これらの図において、１はケーシング、２は、ディスク３上に渦巻状の羽根４を設けたアルミニウム合金製の旋回スクロール、５は、同じくディスク６上に渦巻状の羽根７を設けたアルミニウム合金製の固定スクロール、８は、旋回スクロール２を旋回可能に支持する複数（ここでは、３つ）のクランク軸であり、クランク軸８は、ケーシング１に軸受９を介して回動可能に取付けられている。
【００１０】
ケーシング１は、基板１０と、この基板１０にボルト１１により固定された有底筒状のケース本体１２と、このケース本体１２の底部に設けられた開口１３を覆う蓋体１４とからなる分割構造となっており、ここでは、その蓋体１４が前記固定スクロール５のディスク６として共用されている。
本実施の形態としてのスクロール式流体機械は、エンジンの排気エネルギを回収する補助原動機として構成されており、上記固定スクロール５のディスク６として共用されるケーシング１の蓋体１４には、エンジンからの排気ガスを導入するための吸入口１５が、ケーシング１のケース本体１２の周面には仕事を終えた排気ガスを排出するための吐出口１６がそれぞれ設けられている。
【００１１】
上記旋回スクロール２のディスク３は、ここでは図３および４に示すように、その全体が正三角形状をなしており、そのディスク３の正三角形状の頂部に相当する３箇所が前記クランク軸８の偏心軸部８ａに一対の軸受２０を介して結合されている。より詳しくは、前記正三角形状をなすディスク３の頂部には、板面から一方向に起立する筒状ボス部２１が一体に設けられており、前記一対の軸受２０は、この筒状ボス部２１内に収納されている。また、前記ディスク３の各頂部には、図２によく示されるように、筒状ボス部２１内に貫通する貫通孔２２が形成されており、この貫通孔２２の周辺は、前記軸受２０の一端を着座させる環状受座２３として提供されている。一方、筒状ボス部２１の先端側の開口端部内には、サークリップ２４を係止するための環状溝２５が形成されている。一対の軸受２０は、前記環状受座２３に一端を着座させるまで筒状ボス部２１内に嵌入され、この状態で、その他端をスペーサ２６を介して前記サークリップ１４に当接させて、位置固定されている。なお、筒状ボス部２１と軸受２０との嵌合隙間（クリアランス）は、わずかとなっている。
【００１２】
しかして、上記一対の軸受２０を収納保持する旋回スクロール２の筒状ボス部２１は、その周りが拘束リング２７により拘束されている。拘束リング２７は、ここでは、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）からなっており、前記筒状ボス部２１に圧入固定されている。オーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数はアルミニウムの線膨張係数に比べて１／３程度となっており、この拘束リング２７により筒状ボス部２１の熱膨張（拡張）が抑えれるようになっている。なお、この拘束リング２７の肉厚（板厚）は、筒状ボス部２１の強度（板厚）に応じて適宜の厚さとするが、これについては後に詳述する。
【００１３】
上記旋回スクロール２のディスク３はまた、図５によく示されるように、前記渦巻状の羽根４を設けた一般部３ａに対し、前記筒状ボス部２１を設けた頂部を含む外周部３ｂを厚くする一方で、中心部３ｃの板厚を薄くしている。ここで、一般部３ａおよび外周部３ｂの板厚は、従来のアルミニウム合金製旋回スクロールと同等であり、一例として前記一般部３ａの板厚ｔ１は３ｍｍに、前記外周部３ｂの板厚ｔ２は６ｍｍにそれぞれ設定されている。これに対し、前記中心部３ｃの板厚ｔ３は、一例として１ｍｍ程度となっており、前記一般部３ａよりもかなり薄くなっている。
【００１４】
以下、本実施の形態としてのスクロール式流体機械（原動機）の作用を説明する。
本実施の形態において、吸入口１５からケーシング１内に導入されたエンジンの排気ガスは、旋回スクロール２の羽根４と固定スクロール５の羽根７との間に形成される三日月状の流体室Ｓに取込まれて膨張する。すると、前記流体室Ｓは、その容積を拡大しながら中心部から外周側へ移行し、これに応じて旋回スクロール２が旋回運動をし、膨張した排気ガスはケーシング１の外周の吐出口１６からエンジンの排気管（図示略）へと排出される。一方、旋回スクロール２の旋回運動により３つのクランク軸８が回転して動力が発生し、この動力は、クランク軸８の１つから、例えば発電機へ出力される。
【００１５】
上記作動中、エンジンからの高温の排気ガスにより、アルミニウム合金製の旋回スクロール２が大きく膨張し熱変形を起こそうとする。しかし、クランク軸８に旋回スクロール２を支持させる軸受部を構成する各筒状ボス部２１の周りが、ステンレス鋼製の拘束リング２７により拘束されているので、該筒状ボス部２１の拡張が抑えられ、これにより、筒状ボス部２１とその内部の一対の軸受２０との間の嵌合隙間は、ほぼ初期嵌合隙間を維持する。また、旋回スクロール２のディスク３の熱変形が、板厚の薄い中心部３ｃに集中するので、ディスク３の全体的な熱変形（膨張および反り）が抑えられ、これにより、クランク軸８に旋回スクロール２を支持させるための軸受部間の距離すなわち軸間距離がほとんど変化せず、しかも、旋回スクロール２と固定スクロール５との相互間で渦巻状羽根４、７同士が干渉することもない。この結果、旋回スクロール２は円滑に旋回運動を繰返し、振動騒音が低く抑えられると共に、効率が向上する。
【００１６】
ここで、上記旋回スクロール２の筒状ボス部２１とその内部の軸受２０との間に生じる隙間を抑えるための軸受部の構造設計をＣＡＥを用いて検討したところ、図６および表１に示す結果が得られた。なお、図６および表１には、旋回スクロール２の素材であるアルミニウム合金を単にＡｌ、拘束リング２７の素材であるオーステナイト系ステンレス鋼を単にＳＵＳとして表記している。
図６は、ＡｌとＳＵＳとの合成線膨張係数αからＳＵＳの線膨張係数α´を差し引いた値をΔαとして、このΔαに及ぼす前記拘束リング２７の板厚（ＳＵＳ板厚ｔＳ）と前記筒状ボス部２１の板厚（Ａｌ板厚ｔＡ）との影響を、２０〜２００℃の範囲でみたものである。この場合、前記Δαは筒状ボス部２１と軸受２０との間に形成される隙間と相関し、このΔαが小さいほど、前記隙間が小さくなることを意味している。図６に示す結果より、Δαとして表される筒状ボス部２１と軸受２０との間の隙間は、ＳＵＳ板厚ｔＳおよびＡｌ板厚ｔＡが薄くなるほど、小さくなることが明らかである。なお、同図中、ラインＡはＡｌの２０〜２００℃における線膨張係数（９．７×１０−６／℃）を、ラインＳはＳＵＳの２０〜２００℃における線膨張係数（２．９×１０−６／℃）を表しており、ＳＵＳの線膨張係数のラインＳに近づくほど、初期嵌合隙間が維持されるようになる。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１は、ＡｌとＳＵＳとを、前記図６に示された各プロット点に相当する組合せとして、２０〜２００℃の範囲で温度変化させた場合に、Ａｌ、ＳＵＳのそれぞれに発生する主応力と主応力発生歪とを演算した結果を示したものである。表１に示す結果より、主応力発生歪の絶対値は、何れのケース共に、Ａｌの方がＳＵＳよりも大きくなっている。主応力発生歪の絶対値としては、前記旋回スクロール２の羽根４と固定スクロール５の羽根７との干渉を考慮すれば、１．０×１０−３以下に抑えるのが望ましいが、この目標歪１．０×１０−３に近い組合せとしては、ケースＢ−２がある。このケースＢ−２は、Ａｌ板厚ｔＡ＝５ｍｍ、ＳＵＳ板厚ｔＳ＝２ｍｍの組合せであり、これを上記図６に当てはめると、Δαは、４．５×１０−６／℃と十分に小さい値となっている。これより、筒状ボス部２１の強度を確保しながら，該筒状ボス部２１と軸受２０との間に発生する隙間をできるだけ小さくするには、板厚５ｍｍの筒状ボス部２１に対し、板厚２ｍｍの拘束リング２７を組合せるのが最適である、といえる。
【００１９】
次に、旋回スクロール２の熱変形（反り）に及ぼすディスクの板厚の影響を同じくＣＡＥを用いて検討した。図７は、この検討に用いた２つのモデルＡ、Ｂを示しており、モデルＡは、中心部を含む一般部３ａを均一な板厚３ｍｍとした従来のディスク３´を、モデルＢは、直径２５ｍｍ範囲の中心部３ｃの板厚を１ｍｍと薄くした本発明に係るディスク３をそれぞれ表している。なお、外周部３ｂの板厚は、両モデルで同じ板厚（６ｍｍ）となっている。また、中心部を含む一般部３ａの直径は、両モデルで同じ大きさ（８１ｍｍ）とした。
【００２０】
そして、各ディスク中心を中心とする直径６０ｍｍの円内に２３０℃の高温ガスを、図の上方から衝突させたと仮定し、各ディスク３´、３に発生する反り（点線で示す）を特定して、各モデルＡ、Ｂについて、その反りの極率半径Ｒを求めた。
各モデルＡ、Ｂに生じた反りの曲率半径Ｒは、図７の右側に付記しており、これより、本発明に係るディスク３は、従来のディスク３´に比べて曲率半径Ｒが著しく大きく、発生する反りが極めて小さいことが明らかとなった。これは、板厚の薄い中心部３ｃで反りが大きくなることで、外周部３ｂ付近の反りが緩和されたためと推定される。
【００２１】
【発明の効果】
以上、説明したように、第１の発明によれば、クランク軸に旋回スクロールを支持させるための軸受部を構成する筒状ボス部の拡張が拘束リングにより抑えられるので、旋回スクロールをアルミニウム系材料から形成してもその円滑な旋回運動が保証され、安定して高性能を発揮するスクロール式流体機械が実現する。また、第２の発明によれば、旋回スクロールの全体の熱変形が、板厚を薄くした中心部の変形により抑えられるので、旋回スクロールをアルミニウム系材料から形成してもその円滑な旋回運動が保証され、安定して高性能を発揮するスクロール式流体機械が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態としてのスクロール式流体機械の全体的構造を示す断面図である。
【図２】本スクロール式流体機械におけるクランク軸と旋回スクロールとの結合構造を示す断面図である。
【図３】本スクロール式流体機械で用いる旋回スクロールの構造を、羽根側を正面として示す平面図である。
【図４】本スクロール式流体機械で用いる旋回スクロールの構造を、羽根の反対側を正面として示す平面図である。
【図５】本スクロール式流体機械で用いる旋回スクロールの構造を示す側面図である。
【図６】旋回スクロールの筒状ボス部とその内部の軸受との間に生じる隙間を抑えるための軸受部の構造設計をＣＡＥを用いて検討した結果を示すグラフである。
【図７】旋回スクロールのディスクの熱変形に及ぼすディスクの板厚の影響をＣＡＥを用いて検討した結果を示す説明図である。
【符号の説明】
１　　ケーシング
２　　旋回スクロール
３　　旋回スクロールのディスク
３ｃ　ディスクの中心部
４　　旋回スクロールの羽根
５　　固定スクロール
６　　固定スクロールのディスク
７　　固定スクロールの羽根
８　　クランク軸
８ａ　クランク軸の偏心軸部
２０　軸受
２１　筒状ボス部
２７　拘束リング
Ｓ　　三日月状流体室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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