(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機構部と該圧縮機構部を駆動する駆動部とを備え、前記圧縮機構部が互いに噛合する固定スクロールと旋回スクロールとを有し、前記駆動部が前記圧縮機構部と前記駆動部に一体的に形成されたシャフトを介して前記旋回スクロールを前記固定スクロールに対し旋回運動させることにより吸入された空気を圧縮する空気供給装置であって、
前記シャフトを回転自在に支持する軸受、前記旋回スクロールを回転自在に支持する軸受、及び前記旋回スクロールを旋回動作させる自転拘束部材を回転自在に支持する軸受にグリスを封入するとともに、前記旋回スクロールを支持する軸受の転動体の高圧側及び低圧側に第１のシール材及び第２のシール材をそれぞれ取り付け、前記第１のシール材の内端部及び外端部を高圧側から低圧側に向かって折曲して前記軸受の内輪及び外輪に接触させるとともに、前記第２のシール材の外端部を低圧側から高圧側に折曲して前記外輪に接触させる一方、前記第２のシール材の内端部を高圧側から低圧側に折曲して前記内輪に接触させるようにしたことを特徴とする空気供給装置。
【請求項２】
前記シール材として、アクリルゴム、テフロンゴム及びフッ素ゴムのいずれかを使用するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の空気供給装置。
【請求項３】
前記自転拘束部材がクランクピンを有し、該クランクピンの軸受挿入部の表面に軸心に平行に延びる溝を形成したことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の空気供給装置。
【請求項４】
前記自転拘束部材を支持する軸受が圧入される嵌合凹部の内面に前記自転拘束部材の軸心に平行に延びる溝を形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項５】
前記溝の幅及び深さを０.１ｍｍ〜１.０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする請求項３あるいは４に記載の空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばエンジンのスーパーチャージャーや燃料電池のエアコンプレッサとして利用される空気供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に流体機械は、オイルを用いて機械摺動部の潤滑を行い、焼き付きや異常摩耗の発生を防止している。そのため、吐出される流体には少なからずオイルが混入しており、このオイルを完全に分離することは極めて困難である。そこで、軸受などの摺動部にはグリスの封入されたボールベアリング等の軸受を用い、軸受内部で潤滑が完結するようにして、クリーンな流体の供給を行うようにしたものも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、グリスの封入された軸受は流体機械に限らず、自動車や医療機器など様々な分野で一般的に使用されている。このようなグリス封入軸受は、両側にシール材を備えており、大気中の粉塵や水分がグリスに混入するのを防止する役割を果たしている。また、グリス封入軸受は、単に回転運動を支承するだけであれば、内部に封入されたグリスが軸受外部へと漏れ出すことはない。
【０００４】
【特許文献１】実開昭６２−５９７８８号公報（第９−１０頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、固定スクロールに対し旋回スクロールが旋回運動を行うことで流体を圧縮するスクロール型流体機械の場合、旋回スクロールはある一定の半径で旋回運動を行うため、旋回スクロールに取付けられた軸受自体に遠心力が働く。そのため、内部に封入されたグリスがシール材の端面からにじみ出て、外部へ飛散するといった現象が発生する。
【０００６】
さらに、圧縮機内部に位置する軸受には、その両端に圧力差が発生するものもあり、グリス漏れを助長する場合もある。グリス漏れが発生すると、軸受自体の信頼性が低下するだけでなく、吐出流体にグリスが含まれる可能性もある。
【０００７】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、軸受からのグリス漏れがほとんどなく、軸受の寿命及び信頼性を向上させることができるとともに、クリーンな吐出空気を供給することができる空気供給装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機構部と該圧縮機構部を駆動する駆動部とを備え、前記圧縮機構部が互いに噛合する固定スクロールと旋回スクロールとを有し、前記駆動部が前記圧縮機構部と前記駆動部に一体的に形成されたシャフトを介して前記旋回スクロールを前記固定スクロールに対し旋回運動させることにより吸入された空気を圧縮する空気供給装置であって、前記シャフトを回転自在に支持する軸受、前記旋回スクロールを回転自在に支持する軸受、及び前記旋回スクロールを旋回動作させる自転拘束部材を回転自在に支持する軸受にグリスを封入するとともに、前記旋回スクロールを支持する軸受の転動体の高圧側及び低圧側に第１のシール材及び第２のシール材をそれぞれ取り付け、前記第１のシール材の内端部及び外端部を高圧側から低圧側に向かって折曲して前記軸受の内輪及び外輪に接触させるとともに、前記第２のシール材の外端部を低圧側から高圧側に折曲して前記外輪に接触させる一方、前記第２のシール材の内端部を高圧側から低圧側に折曲して前記内輪に接触させるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、前記シール材として、アクリルゴム、テフロンゴム及びフッ素ゴムのいずれかを使用するのがよい。
【００１１】
また、前記自転拘束部材がクランクピンを有し、該クランクピンの軸受挿入部の表面に軸心に平行に延びる溝を形成したり、あるいは、前記自転拘束部材を支持する軸受が圧入される嵌合凹部の内面に前記自転拘束部材の軸心に平行に延びる溝を形成するようにしてもよい。
【００１２】
また、前記溝の幅及び深さを０.１ｍｍ〜１.０ｍｍの範囲に設定するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明によれば、空気供給装置に用いられる軸受を、グリス封入タイプとしたので、摺動部の潤滑にオイルを用いる必要がなく、吐出空気にオイルミストが含まれることもないので、クリーンな吐出空気を供給することができる。また、旋回スクロールが一定の半径で旋回運動を行い、軸受内部のグリスに遠心力が働いたとしても、軸受の内輪及び外輪がシール材により確実にシールされているため、グリスの飛散を防止することができ、軸受の寿命及び信頼性を向上させることができる。
【００１４】
さらに、旋回スクロールを支持する軸受のシール材の内端を高圧側から低圧側に向かって折曲し、該内端折曲部を内輪に接触させるようにすると、圧縮された高圧空気が旋回スクロールの中心部を経て吸入室へ漏れるのを２重に防止することができる。また、低圧側については、運転時に軸受内部で温度及び圧力が上昇し、内部から外部へグリスが漏れ出すのを防止することができる。
【００１５】
また、シール材として、アクリルゴム、テフロンゴム及びフッ素ゴムのいずれかを使用すると、熱による硬化が少なく、高速運転が可能となり、空気供給量の増大を図ることができる。加えて、グリスの漏れ量をさらに抑えることができる。
【００１６】
また、自転拘束部材に設けられたクランクピンの軸受挿入部の表面に軸心に平行に延びる溝を形成したり、あるいは、旋回スクロールもしくはケーシングに形成され、自転拘束部材を支持する軸受が圧入される嵌合凹部の内面に自転拘束部材の軸心に平行に延びる溝を形成すると、この溝が旋回スクロールに自転拘束部材を組み付ける際の空気の逃がし経路となって、嵌合時に密閉空間が生じることがなく、自転拘束部材の容易な組付けが可能となる。
【００１７】
また、溝の幅及び深さを０.１ｍｍ〜１.０ｍｍの範囲に設定すると、運転時の荷重によりクランクピンの軸受挿入部あるいはその嵌合凹部が変形することがないばかりでなく、空気の逃がし溝としての機能を十分に達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明にかかる空気供給装置の軸心に沿った断面図であり、空気供給装置の全体構成を示している。
【００１９】
図１に示されるように、本発明にかかる空気供給装置は、駆動部（モータ部）１０と圧縮機構部２０と吐出ケーシング部５０から構成されている。
【００２０】
駆動部１０は、円筒状のモータフレーム１１と、このモータフレーム１１内面に固定されるステータ１２と、モータシャフト４１に固定されてステータ１２内で回転するロータ１３と、モータフレーム１１の一端側端面を封止するモータ軸受プレート１４とから構成される。モータ軸受プレート１４は、プレートの中心部に第１の軸受７１を備え、この第１の軸受７１によってモータシャフト４１の一端側端部を回転自在に保持している。
【００２１】
圧縮機構部２０は、メカシャフト４２によって動作する旋回スクロール２１と、旋回スクロール２１との間で圧縮空間２６を形成する固定スクロール２２と、旋回スクロール２１を旋回動作させる自転拘束部材２３とから構成される。旋回スクロール２１には、鏡板上に所定の高さで立設された旋回スクロールラップ２１Ａが、固定スクロール２２には、鏡板上に所定の高さで立設された固定スクロールラップ２２Ａが設けられており、旋回スクロールラップ２１Ａと固定スクロールラップ２２Ａとは、互いに噛合するように配置されている。
【００２２】
なお、旋回スクロールラップ２１Ａの側面と固定スクロールラップ２２Ａの側面とは、互いに接触しないように隙間を設けている。また、旋回スクロールラップ２１Ａの先端面と固定スクロールラップ２２Ａの先端面には、それぞれチップシール２１Ｂ，２２Ｂが設けられている。したがって、旋回スクロールラップ２１Ａの先端部と固定スクロール２２とはチップシール２１Ｂを介して接触し、固定スクロールラップ２２Ａの先端部と旋回スクロール２１とは、チップシール２２Ｂを介して接触する。
【００２３】
メカケーシング３１は、モータフレーム１１の他端側端面と圧縮機構部２０の一端側端面とを封止する円盤状の仕切板３１Ａと、圧縮機構部２０の外周部を覆う円筒部材３１Ｂによって構成される。仕切板３１Ａの中心部には貫通穴３３を有し、この貫通穴３３には第２の軸受７２が設けられている。モータシャフト４１の他端側端部は、この第２の軸受７２によって回転自在に保持されている。円筒部材３１Ｂには、圧縮機構部２０に空気を導入する吸入口２４が形成されている。
【００２４】
吐出ケーシング５１は、円盤状のプレート５１Ａと、プレート５１Ａの外周端に連続する円筒部材５１Ｂとによって構成されており、プレート５１Ａの中心部には第３の軸受７３が設けられている。また、メカシャフト４２の他端側端部には、アダプタ４８が取り付けられており、アダプタ４８は、その中心とモータシャフト４１の回転中心を合わせた状態で第３の軸受７３によって回転自在に保持されている。また、プレート５１Ａには、圧縮機構部２０で圧縮された空気を導出する吐出口２５が形成されている。
【００２５】
自転拘束部材２３は、メカシャフト４２を中心とする旋回スクロール２１の回転を拘束しており、旋回スクロール２１は、モータシャフト４１を中心とする旋回動作のみを行う。具体的には、自転拘束部材２３は、メカケーシング３１と旋回スクロール２１との間に配置されるクランクピン２３Ａによって構成され、クランクピン２３Ａは、それぞれの軸端にクランクピン２３Ａを回転自在に保持する軸受２３Ｂ，２３Ｃを備えている。軸受２３Ｂ，２３Ｃとしては、グリスが封入されたボールベアリングが好ましい。クランクピン２３Ａは、仕切板３１Ａと旋回スクロール２１との間に複数（例えば、三つ以上）設けられ、各クランクピン２３Ａは、メカシャフト４２から等しい距離で、それぞれ等間隔に設けられている。
【００２６】
シャフト４０は、一体的に形成されたモータシャフト４１とメカシャフト４２とにより構成されており、一端側を第１の軸受７１によって、中間位置を第２の軸受７２によって、他端側をアダプタ４８を介して第３の軸受７３によって回転自在に保持されている。さらに、第１の軸受７１と第２の軸受７２によってモータシャフト４１が保持され、第２の軸受７２と第３の軸受７３によってメカシャフト４２が保持されているため、モータシャフト４１もメカシャフト４２も両端支持の構成となっている。メカシャフト４２は、クランク部においてモータシャフト４１に対して偏心して設けられている。
【００２７】
メカシャフト４２には、ベアリング等の軸受７４，７５が設けられており、旋回スクロール２１は、この２つの軸受７４，７５によって回転自在に保持されている。また、軸受７４は旋回スクロールラップ２１Ａの付け根側に、軸受７５は旋回スクロールラップ２１Ａの先端側に配置されている。
【００２８】
さらに、メカシャフト４２には予圧ばね４４が設けられており、予圧ばね４４は、バランスウェイト４７と軸受７５との間に、圧縮負荷が加えられた状態で配設される。したがって、予圧ばね４４は、軸受７５の内輪側部材を駆動部１０側に押圧し、軸受７５の内輪側部材が駆動部１０側に押圧されることで、その押圧力は、ボールを介して軸受７５の外輪側部材に伝わり、結果として旋回スクロール２１を駆動部１０側に押圧する。旋回スクロール２１に加わる押圧力は、クランクピン２３Ａが受けることになり、低速運転時における旋回スクロール２１の転覆を押さえ、振動を抑制する。
【００２９】
また、メカシャフト４２にはシャフトシール４５が設けられており、シャフトシール４５は、軸受７４と軸受７５との間の位置で、軸受７５に隣接して設けられている。シャフトシール４５は、圧縮空気が軸受７４に漏れるのを防止するためのものである。
【００３０】
上記構成の空気供給装置において、クリーンな空気が必要とされる場合、摺動部の潤滑が最大の課題となる。オイルを用いると潤滑に関しては良好であるが、吐出空気にオイルミストが含まれてしまい、これを除去するフィルターが必要となる。さらに、オイルが次第に排出されるため、定期的な給油を行わなければならない。
【００３１】
そこで、本発明にかかる空気供給装置においては、第１の軸受７１、第２の軸受７２、第３の軸受７３、軸受７４，７５及び軸受２３Ｂ，２３Ｃとして内部にグリスを封入したベアリングを採用している。このようなベアリングを採用することで、摺動部はベアリング内部のみとなり、それをグリスによって潤滑を行っているので、クリーンな空気の供給が可能となる。
【００３２】
以下、軸受としてボールベアリングを用いた場合につき説明する。
図２は旋回スクロール２１の軸心に沿った断面図を示しており、同図に示されるように、旋回スクロール２１には、メカシャフト４２に保持される２つのベアリング７４，７５と、自転拘束部材２３を構成する複数のベアリング２３Ｂが設けられている。
【００３３】
図３は上記ベアリング７４，７５，２３Ｂの一つをベアリング８０として取り出したもので、図３を参照して、ベアリング８０の内部構造を説明する。
【００３４】
ベアリング８０にはグリスが封入されているが、運転時にはこのグリスに遠心力が働き、ベアリング８０の外部に漏れ出そうとする。特に、ベアリング８０の転動体８４の両側に取付けられたシール材８１とベアリング８０の内輪８２あるいは外輪８３との間に隙間がある場合には、グリスが外部に飛散してしまい、ベアリング寿命を縮める原因となってしまう。
【００３５】
そこで本発明においては、ベアリング８０に取付けられたシール材８１が、ベアリング８０の軸心に沿って略Ｌ字状の断面形状を有し、このシール材８１の内端部及び外端部をそれぞれベアリング８０の内輪８２及び外輪８３に接触させるようにしている。シール材８１がベアリング８０の内輪８２及び外輪８３に接触していると、内部のグリスに遠心力が働いても、ベアリング８０の内部と外部が隙間なく仕切られているため、グリスの漏洩が防止される。
【００３６】
本発明にかかる空気供給装置においては、図１の全体構成からも分かるように、旋回スクロール２１の先端部には圧縮された高圧空気が存在し、鏡板部には大気圧の吸入空気が存在する。高圧空気は吐出ケーシング部５０へと流れ、吐出口２５を経て外部に吐出される。一方で高圧空気は、旋回スクロール２１の中心部を通って先端部から鏡板部へ流れ込もうとする。これを防止するため、旋回スクロール２１の中心内部にシャフトシール４５を設け、高圧空気の漏れを防止している。しかしながら、シャフトシール４５を用いた場合、シャフトシール４５とメカシャフト４２の接触が強力なため、余分な動力が必要となってしまう。
【００３７】
そこで本発明においては、図４に示されるように、ベアリング８０のシール材として、高圧側には外圧用８１Ａのシール材を、低圧側には内圧用８１Ｂのシール材を採用することもできる。
【００３８】
さらに詳述すると、高圧空気と面するシール材８１Ａは、内端部及び外端部に低圧側に向かって折曲した折曲部を有し、雰囲気圧力が高くなるほど内端折曲部の先端をベアリング内輪８２により密接に接触させるようにしている。また、低圧空気と面するシール材８１Ｂは、内端部が外端部とは逆に低圧側に向かって折曲した折曲部を有し、ベアリング８０の内部圧力が上昇するほど内端折曲部の先端をベアリング内輪８２により密接に接触させるようにしている。この構成によりシャフトシール４５の役割を果たすことができるため、図１に示されるシャフトシール４５を削除して余分な動力を削減でき、高効率を図ることができる。また、圧力が高くなるにつれシール性が向上するため、ベアリング内部のグリスの漏れも大幅に低減できる。
【００３９】
しかしながら、シール性を向上させるため、シール材８１を積極的に内輪８２に接触させると、当然発熱が起こり、シール材８１の寿命を低下させることとなる。シール材８１は温度により硬化するため、耐熱温度の高いゴムを選定することが重要となる。そこで、シール材８１のゴム材質としては、アクリルゴム、テフロンゴムあるいはフッ素ゴムを使用するのが好ましい。耐熱温度的には、アクリルゴム、テフロンゴム、フッ素ゴムの順で高くなるが、これらの選定基準としては最高回転数を一つの目安とするのが良い。
【００４０】
ここで、旋回スクロール２１に設けたベアリングのシールを全て接触タイプとした場合、自転拘束部材２３の組付けが困難となる。すなわち、図１に示されるように、自転拘束部材２３を構成するベアリング２３Ｂは、旋回スクロール２１の鏡板背面に形成された凹部、及びそれに対応して仕切板３１Ａに形成された凹部に圧入されて嵌合しているため、ベアリング背面には外部と連通する部位が存在しない。しかしながら、本発明にかかる空気供給装置に接触タイプのベアリングを用いると、クランクピン２３Ａを嵌合させるに際し、内部に空気が閉じ込められてしまうため、空気の逃がし口が必要となってくる。
【００４１】
そこで本発明においては、図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、閉じ込められた空気を逃がす経路として、クランクピン２３Ａのベアリング挿入部であるシャフトの表面に軸心に平行に延びる溝２３Ｌを形成している。この構成により、クランクピン２３Ａのシャフトをベアリングに挿入するに際し、閉じ込められた空気は、溝２３Ｌを経て送り出されるので、自転拘束部材２３の組付けが容易となる。また、常に外気と連通して均圧化されているため、運転・停止により温度変化が発生した場合でも、ベアリング２３Ｂとクランクピン２３Ａによって閉じ込められた空気の圧力変動は抑制される。
【００４２】
クランクピン２３Ａのシャフト（ベアリング挿入部）に空気逃がし溝２３Ｌを形成する代わりに、図６に示されるように、ベアリング２３Ｂが圧入される旋回スクロール鏡板の嵌合凹部２１Ｈの内面もしくはケーシング３１（仕切板３１Ａ）の嵌合凹部の内面に、クランクピン２３Ａのシャフト軸心に平行に延びる溝２１Ｌを形成するようにしてもよい。この構成により、閉じ込められた空気は、溝２１Ｌを経て送り出されるので、自転拘束部材２３の組付けが容易となる。
【００４３】
また、空気の逃がし溝２１Ｌ及び２３Ｌについては、その幅及び深さを０.１ｍｍ〜１.０ｍｍの範囲に設定するのが好ましい。溝形状を大きくしすぎる（溝の幅あるいは深さが１．０ｍｍを超える）と、空気の経路としては良いが、クランクピン２３Ａあるいは旋回スクロール嵌合部２１Ｈあるいはケーシング嵌合部の強度が低下し、運転時の荷重に耐えられなくなる可能性がある。逆に、溝形状を小さくしすぎる（溝の幅あるいは深さを０．１ｍｍ未満に設定する）と、空気の逃がし溝をして十分な機能を果たせない可能性がある。したがって、空気の逃がし溝２１Ｌ及び２３Ｌの幅及び深さを上記範囲に設定することにより、クランクピン２３Ａあるいは旋回スクロール嵌合部２１Ｈあるいはケーシング嵌合部の強度と空気の逃がし溝としての機能を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかる空気供給装置の軸心に沿った断面図
【図２】図１の空気供給装置に設けられた旋回スクロールの軸心に沿った断面図
【図３】図１の空気供給装置に設けられた複数の軸受の一つの軸心に沿った断面図
【図４】図３の軸受の変形例の軸心に沿った断面図
【図５Ａ】図１の空気供給装置に設けられた自転拘束部材を構成するクランクピンの正面図
【図５Ｂ】図５Ａのクランクピンの側面図
【図６】図２の旋回スクロールの背面図
【符号の説明】
【００４５】
１０  駆動部、  １１  モータフレーム、  １２  ステータ、  １３  ロータ、
１４  モータ軸受プレート、  ２０  圧縮機構部、  ２１  旋回スクロール、
２１Ａ  旋回スクロールラップ、  ２１Ｂ  チップシール、  ２１Ｌ  溝、
２１Ｈ  嵌合凹部、  ２２  固定スクロール、  ２２Ａ  固定スクロールラップ、
２２Ｂ  チップシール、  ２３  自転拘束部材、  ２３Ａ  クランクピン、
２３Ｂ，２３Ｃ  軸受、  ２３Ｌ  溝、  ２４  吸入口、  ２５  吐出口、  ２６  圧縮空間、
３１  メカケーシング、  ３１Ａ  仕切板、  ３１Ｂ  円筒部材、  ３３  貫通穴、
４０  シャフト、  ４１  モータシャフト、  ４２  メカシャフト、
４４  予圧ばね、  ４５  シャフトシール、  ４７  バランスウェイト、
４８  アダプタ、  ５０  吐出ケーシング部、  ５１  吐出ケーシング、
５１Ａ  プレート、  ５１Ｂ  円筒部材、  ７１  第１の軸受、  ７２  第２の軸受、
７３  第３の軸受、  ７４，７５  軸受、  ８０  ベアリング、
８１，８１Ａ，８１Ｂ  シール材、  ８２  内輪、  ８３  外輪、  ８４  転動体。
【図１】
0004647489.tif 000002
【図２】
0004647489.tif 000003
【図３】
0004647489.tif 000004
【図４】
0004647489.tif 000005
【図５Ａ】
0004647489.tif 000006
【図５Ｂ】
0004647489.tif 000007
【図６】
0004647489.tif 000008