涡旋流体机械及顶封的制作方法

本发明涉及一种涡旋流体机械及顶封。

背景技术：

通常，已知有一种使在端板上设置有涡旋状的壁体的固定涡旋部件与回旋涡旋部件啮合以进行公转运动，从而将流体进行压缩或膨胀的涡旋流体机械。

作为这种涡旋流体机械，已知有一种专利文献1所示的所谓阶梯式涡旋压缩机。该阶梯式涡旋压缩机中，在沿固定涡旋及回旋涡旋的涡旋状的壁体的齿尖面及齿根面的涡旋方向的位置分别设置有阶梯部，以各阶梯部为界，壁体的外周侧的高度比内周侧的高度变高。阶梯式涡旋压缩机不仅沿壁体的周向被压缩，而且沿高度方向也被压缩(三维压缩)，因此与不具备阶梯部的一般的涡旋压缩机(二维压缩)相比，能够加大排放量并增加压缩机容量。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-55173号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

然而，阶梯式涡旋压缩机存在阶梯部的流体泄漏严重的问题。并且，存在应力集中于阶梯部的根部部分致使强度下降的问题。

针对此，发明人等对代替设置于壁体及端板的阶梯部而设置连续的倾斜部的情况进行了研究。

在壁体的前端即齿尖，用于容纳顶封件的槽部沿壁体的涡旋方向形成。顶封在涡旋压缩机运转时一边与和齿尖对置的齿根滑动一边接触，从而抑制流体泄漏。此时，顶封通过进入槽部的槽底侧的流体而被推压到齿根侧。

形成于与倾斜部相对应的壁体的齿尖的槽部的槽底呈在槽宽方向的中央最深的形状。其原因在于，利用具有与槽部的槽宽相等的直径的立铣刀等切削工具来对成为倾斜部的槽底进行加工时，形成以槽部的宽度方向的两侧部为切点的半圆弧的等高线。若如此在槽底形成最深的中央部，则槽底的中央部与顶封的底部之间的间隙成为流体泄漏的间隙，涡旋压缩机的性能有可能下降。

并且，形成于齿尖的槽部也根据壁体的倾斜部而向壁体高度方向倾斜，因此顶封的形状也沿壁体的高度方向变化。若对顶封赋予与倾斜部相应的变形，则有可能产生顶封劣化或折损等不良情况。

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种即使在壁体设置有连续的倾斜部的情况下，也能够有效地发挥设置于壁体的齿尖的顶封的功能来提高性能的涡旋流体机械及顶封。

用于解决技术课题的手段

为了解决上述课题，本发明的涡旋流体机械及顶封采用以下方案。

本发明的第1方式所涉及的涡旋流体机械，其具备：第1涡旋部件，在第1端板上设置有涡旋状的第1壁体；及第2涡旋部件，在与所述第1端板正对配置的第2端板上设置有涡旋状的第2壁体，该第2壁体与所述第1壁体啮合而相对地进行公转运动，该涡旋流体机械具备：正对的所述第1端板与所述第2端板的对置面间距离从所述第1壁体及所述第2壁体的外周侧向内周侧连续减少的倾斜部，在形成于与所述倾斜部相对应的所述第1壁体及所述第2壁体的齿尖的槽部设置有接触对置的齿根而密封流体的顶封，所述槽部的槽底呈槽宽方向的中央部最深的形状，所述顶封中面朝所述槽底的顶封底部的宽度方向的中央部比两侧部更突出。

由于设置有第1端板与第2端板的对置面间距离从壁体的外周侧向内周侧连续减少的倾斜部，因此随着从外周侧被吸入的流体流向内周侧，不仅因与壁体的涡旋形状相应的压缩室的减少而被压缩，还因端板间的对置面间距离的减少而进一步被压缩。

形成于与倾斜部相对应的齿尖的槽部的槽底呈槽宽方向的中央最深的形状(例如圆弧形状)。其原因在于，利用具有与槽部的槽宽相等的直径的立铣刀等切削工具来对成为倾斜部的槽底进行加工时，形成以槽部的宽度方向的两侧部为切点的半圆弧的等高线。若如此在槽底形成最深的中央部，则槽底的中央部与顶封的底部之间的间隙有可能成为流体泄漏的间隙。因此，通过设为顶封底部的宽度方向的中央部比两侧部更突出的顶封来缩小槽底的宽度方向的中央部与顶封底部的宽度方向的中央部之间的间隙。由此，减少流体泄漏，从而能够有效地发挥顶封的功能来提高涡旋流体机械的性能。

此外，本发明的第1方式所涉及的涡旋流体机械中，将所述倾斜部的涡旋方向的斜率设为φ、所述槽部的槽宽设为tg时，所述顶封的所述中央部相对于两侧部的突出量δh为(tg/2)×tanφ。

若将倾斜部的涡旋方向的斜率设为中、所述槽部的槽宽设为tg，则槽部相对于中央部的两侧部的凹陷量成为(tg/2)×tanφ。将顶封的中央部的突出量δh设为与上述凹陷量相等的尺寸，由此能够尽可能地缩小顶封底部与槽底之间的间隙。

此外，本发明的第1方式所涉及的涡旋流体机械中，在所述第1壁体及所述第2壁体的最外周部和/或最内周部设置有高度不变的壁体平坦部，在所述第1端板及所述第2端板设置有与所述壁体平坦部相对应的端板平坦部，与所述端板平坦部相对应的所述槽部的槽底呈平坦面，与所述端板平坦部相对应的所述顶封的所述顶封底部呈平坦面。

与壁体平坦部相对应的槽底呈平坦面，因此将与端板平坦部相对应的顶封的底部也设为平坦面以与其相配。由此，缩小槽底与顶封底部之间的间隙，从而能够减少流体泄漏。

此外，本发明的第1方式所涉及的涡旋流体机械中，所述顶封在涡旋方向的规定位置上被分割。

在涡旋方向的规定位置上分割顶封，从而能够通过倾斜部灵活地使用沿高度方向变化的形状。由此，能够有效地发挥顶封的功能来提高涡旋流体机械的性能。

例如，在与倾斜部相对应的位置将顶封分割为多个，从而能够将各分割顶封的高度方向的变形量抑制得很小。该情况下，不对各分割顶封预先赋予沿高度方向变化的形状，而采用呈平坦状的所谓二维形状的顶封。

并且，具有壁体平坦部时，优选在壁体平坦部与倾斜部的连接位置分割顶封。由此，能够防止导致顶封在斜率急剧变化的位置折损。

并且，本发明的第2方式所涉及的顶封设置于形成在涡旋流体机械的涡旋状的壁体的齿尖的槽部，该顶封中，所述壁体具备高度沿涡旋方向连续变化的倾斜部，所述槽部的槽底呈宽度方向的中央部最深的形状，面朝所述槽底的所述顶封的底部的槽宽方向的中央部比两侧部更突出。

设为对顶封的底部赋予宽度方向的中央部比两侧部更突出的形状。由此，在呈槽底的槽宽方向的中央部最深的形状时，能够缩小顶封的底部与槽底之间的间隙。

并且，本发明的第3方式所涉及的顶封设置于形成在涡旋流体机械的涡旋状的壁体的齿尖的槽部，该顶封中，所述壁体具备高度沿涡旋方向连续变化的倾斜部，所述槽部的槽底呈宽度方向的中央部最深的形状，在涡旋方向的规定位置被分割。

通过在涡旋方向的规定位置分割顶封，能够将各分割顶封的变形量抑制得很小。

例如，为高度沿涡旋方向连续变化的壁体倾斜部，因此顶封也根据壁体的高度的变化而配置。该情况下，通过沿涡旋方向分割顶封，能够将各分割顶封的高度方向的变化量抑制得很小。

并且，具有连接于壁体倾斜部的壁体平坦部时，优选在壁体平坦部与倾斜部的连接位置分割顶封。由此，能够防止导致顶封在斜率急剧变化的位置折损。

发明效果

通过设为顶封底部的宽度方向的中央部比两侧部更突出的顶封来缩小槽底的宽度方向的中央部与顶封底部的宽度方向的中央部之间的间隙，从而减少流体泄漏，由此能够有效地发挥顶封的功能来提高涡旋流体机械的性能。

并且，在涡旋方向的规定位置分割顶封，从而通过倾斜部灵活地适应沿高度方向变化的形状，由此能够有效地发挥顶封的功能来提高涡旋流体机械的性能。

附图说明

图1表示本发明的一实施方式所涉及的涡旋压缩机的固定涡旋及回旋涡旋，图1(a)为纵向剖视图，图1(b)为从固定涡旋的壁体侧观察的顶视图。

图2为表示图1的回旋涡旋的立体图。

图3为表示设置于固定涡旋的端板平坦部的顶视图。

图4为表示设置于固定涡旋的壁体平坦部的顶视图。

图5为表示沿涡旋方向展开示出的壁体的示意图。

图6为放大表示图1(b)的符号z的区域的局部放大图。

图7表示图6所示部分的顶封间隙，图7(a)为表示顶封间隙相对小的状态的侧视图，图7(b)为表示顶封间隙相对大的状态的侧视图。

图8为壁体倾斜部的齿尖周边的横向剖面图。

图9表示顶封的槽底形状，图9(a)为槽底的顶视图，图9(b)为表示槽底的中央部的深度的示意图。

图10表示顶封槽的加工方法，图10(a)为俯视观察壁体的齿尖的顶视图，图10(b)为侧视图。

图11为顶封的横向剖面图。

图12为壁体平坦部的齿尖周边的横向剖面图。

图13表示沿涡旋方向展开示出的壁体，为表示顶封的分割位置的示意图。

图14表示变形例，图14(a)为表示与不具有阶梯部的涡旋的组合的纵向剖视图，图14(b)为表示与阶梯式涡旋的组合的纵向剖视图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明所涉及的一实施方式进行说明。

图1中示出涡旋压缩机(涡旋流体机械)1的固定涡旋(第1涡旋部件)3及回旋涡旋(第2涡旋部件)5。涡旋压缩机1例如被用作空调等的压缩进行制冷循环的气体制冷剂(流体)的压缩机。

固定涡旋3及回旋涡旋5为铝合金制或铁制等金属制的压缩机构，其容纳于未图示的壳体内。固定涡旋3及回旋涡旋5从外周侧吸入被导入壳体内的流体，从固定涡旋3的中央的排出端口3c向外部排出压缩后的流体。

固定涡旋3固定于壳体，如图1(a)所示具备大致圆板形状的端板(第1端板)3a及直立设置于端板3a的一侧面上的涡旋状的壁体(第1壁体)3b。回旋涡旋5具备大致圆板形状的端板(第2端板)5a及直立设置于端板5a的一侧面上的涡旋状的壁体(第2壁体)5b。各壁体3b、5b的涡旋形状例如使用渐开曲线和阿基米德曲线来定义。

固定涡旋3与回旋涡旋5距其中心分离回旋半径ρ，将壁体3b、5b的相位错开180°而啮合，并以两个涡旋的壁体3b、5b的齿尖与齿根之间在常温下具有一点点高度方向的间隙(顶隙)的方式组装。由此，在两个涡旋3、5之间被其端板3a、5a和壁体3b、5b包围而形成的多对压缩室相对于涡旋中心对称而形成。回旋涡旋5通过未图示的奥海姆环(oldhamring)等防自转机构绕固定涡旋3进行公转运动。

如图1(a)所示，设置有正对的两端板3a、5a之间的对置面间距离l从涡旋状的壁体3b、5b的外周侧向内周侧连续减少的倾斜部。

如图2所示，在回旋涡旋5的壁体5b设置有高度从外周侧向内周侧连续减少的壁体倾斜部5b1。在该壁体倾斜部5b1的齿尖所对置的固定涡旋3的齿根面设置有根据壁体倾斜部5b1的倾斜而倾斜的端板倾斜部3a1(参考图1(a))。由这些壁体倾斜部5b1及端板倾斜部3a1而构成连续的倾斜部。同样，在固定涡旋3的壁体3b也设置有高度从外周侧向内周侧连续倾斜的壁体倾斜部3b1，与该壁体倾斜部3b1的齿尖对置的端板倾斜部5a1设置于回旋涡旋5的端板5a。

另外，本实施方式中所说的倾斜部中的连续性的含义并不限定于平滑地连接的倾斜，也包括加工时不可避免地产生的小阶梯部连接成台阶状而倾斜部总体呈连续倾斜的情况。但是，不包括如阶梯式涡旋的大阶梯部。

在壁体倾斜部3b1、5b1和/或端板倾斜部3a1、5a1实施有涂覆。作为涂覆例如可举出磷酸锰处理和镀镍磷等。

如图2所示，在回旋涡旋5的壁体5b的最内周侧与最外周侧分别设置有高度恒定的壁体平坦部5b2、5b3。这些壁体平坦部5b2、5b3绕回旋涡旋5的中心02(参考图1(a))遍及180°的区域设置。在壁体平坦部5b2、5b3与壁体倾斜部5b1连接的位置分别设置有成为弯曲部的壁体倾斜连接部5b4、5b5。

在回旋涡旋5的端板5a的齿根同样也设置有高度恒定的端板平坦部5a2、5a3。在这些端板平坦部5a2、5a3也绕回旋涡旋5的中心遍及180°的区域设置。在端板平坦部5a2、5a3与端板倾斜部5a1连接的位置分别设置有成为弯曲部的端板倾斜连接部5a4、5a5。

如图3及图4中阴影所示，在固定涡旋3与回旋涡旋5同样设置有端板平坦部3a2、3a3、壁体平坦部3b2、3b3、端板倾斜连接部3a4、3a5及壁体倾斜连接部3b4、3b5。

图5中示出沿涡旋方向展开示出的壁体3b、5b。如该图所示，最内周侧的壁体平坦部3b2、5b2遍及距离d2设置，最外周侧的壁体平坦部3b3、5b3遍及距离d3设置。距离d2及距离d3分别为相当于绕各涡旋3、5的中心01、02呈180°的区域的长度。最内周侧的壁体平坦部3b2、5b2与最外周侧的壁体平坦部3b3、563之间，壁体倾斜部3b1、5b1遍及距离d1设置。若将最内周侧的壁体平坦部3b2、5b2与最外周侧的壁体平坦部3b3、5b3的高低差设为h，则壁体倾斜部3b1、5b1的斜率φ为下式。

φ＝tan^-1(h/d1)……(1)

如此，倾斜部中的斜率中相对于涡旋状的壁体3b、5b所延伸的周向恒定。

图6中示出图1(b)中用符号z表示的区域的放大图。如图6所示，在固定涡旋3的壁体3b的齿尖设置有顶封7。顶封7为树脂制，接触对置的回旋涡旋5的端板5a的齿根而将流体进行密封。顶封7容纳于在壁体3b的齿尖遍及周向而形成的顶封槽3d内。压缩流体进入该顶封槽3d内，从背面挤压顶封7而向齿根侧挤出，从而接触对置的齿根。另外，在回旋涡旋5的壁体5b的齿尖也同样设置有顶封。

如图7所示，壁体3b的高度方向上的顶封7的高度hc在周向上恒定。

若两个涡旋3、5相对地进行公转运动，则齿尖与齿根的位置相对地错开相当于回旋直径(回旋半径ρ×2)的量。由于该齿尖与齿根的错位，在倾斜部，齿尖与齿根之间的顶隙发生变化。例如图7(a)中示出的顶隙t小，图7(b)中示出的顶隙t大。关于顶封7，该顶隙t即使因回旋运动发生变化，也通过压缩流体从背面挤压到端板5a的齿根侧，因此能够进行跟踪密封。

图8中示出从与壁体倾斜部3b1的涡旋方向正交的切割面观察的齿尖周边的横向剖面图。换言之，图8为图5所示的内周侧的壁体倾斜连接部364至外周侧的壁体倾斜连接部3b5为止之间的壁体倾斜部3b1中沿与纸面垂直方向切割的齿尖周边的横向剖面图。另外，回旋涡旋5的齿尖及顶封7也呈相同的结构。

如图8所示，形成于壁体3b的前端的顶封槽3d内容纳有顶封7。顶封7的底部(下表面)7a呈宽度方向的中央部7a1比两侧部7a2更向槽底3d1侧(下方)突出的圆弧形状。顶封7的前端面(上表面)7b呈平坦面。由此，顶封7的截面呈柱状形状。呈这种柱状形状的顶封7的横截面遍及整个壁体倾斜部3b1而形成。

顶封槽3d的槽底3d1呈宽度方向的中央部3d2最深的形状。槽底3d1的中央部3d2从槽底3d1的两侧部3d3深进凹陷量δh。

这种顶封槽3d的槽底3d1的形状因如图9所示的等高线ct的形成而产生。等高线ct呈以顶封槽3d的槽宽tg为直径，并向壁体倾斜部3b1的高度增大方向(该图中为左侧)凸起的半圆弧。即，等高线ct的半径成为tg/2。

由9(b)可知，壁体倾斜部3b1的斜率为φ(参考图5)，因此从槽底3d1的中央部3d2的两侧部3d3凹陷的凹陷量δh以下式表示。

δh＝(tg/2)×tanφ……(2)

如图10所示，如图9(a)所示的槽底3d1的形状可利用立铣刀10进行加工来获得。立铣刀10的直径de与槽宽tg相等。利用立铣刀10沿提高斜率的方向以1道工序进行顶封槽3d的加工。以立铣刀10的旋转轴线与贯穿固定涡旋3的中心01(参考图1(a))的轴线平行的方式进行加工。由此，形成成为如图9(a)所示的半圆弧的等高线ct。

如图11所示，顶封7的底部7a呈与槽底3d1的形状大致一致的半径r的圆弧形状。即，底部7a呈贯穿从两侧部7a2突出凹陷量δh的中央部7a1和两侧部7a2的半径r的圆弧形状。

如图12所示，壁体平坦部3b2、3b3中，顶封槽3d的槽底3d1平坦。其原因在于，壁体平坦部3b2、3b3中不向壁体倾斜部3b1那样倾斜，因此通过立铣刀10的加工而形成平坦面。因此，顶封7的底部7a也平坦。

上述涡旋压缩机1如下进行动作。

通过未图示的电动马达等的驱动源，回旋涡旋5绕固定涡旋3进行公转运动。由此，从各涡旋3、5的外周侧吸入流体，向被各壁体3b、5b及各端板3a、5a包围的压缩室吸收流体。压缩室内的流体随着从外周侧向内周侧移动而依次被压缩，最终从形成于固定涡旋3的排出端3c排出压缩流体。流体被压缩时，在由端板倾斜部3a1、5a1及壁体倾斜部3b1、5b1形成的倾斜部，也沿壁体3b、5b的高度方向被压缩而进行三维压缩。

根据本实施方式，起到以下作用效果。

设为顶封7的底部7a的宽度方向的中央部7a1比两侧部7a2更突出的顶封7，从而缩小槽底3d1的宽度方向的中央部3d2与顶封7的底部7a的宽度方向的中央部7a1之间的间隙。由此，减少流体泄漏，从而能够有效地发挥顶封7的功能来提高涡旋压缩机1的性能。

将壁体倾斜部3b1的涡旋方向的斜率设为φ、顶封槽3d的槽宽设为tg时，顶封槽3d的中央部3d2相对于两侧部3d3的凹陷量δh成为(tg/2)×tanφ。与此对应地，将顶封7的中央部7a1的突出量设为与凹陷量δh相等的尺寸。由此，能够尽可能地缩小顶封7的底部7a与槽底3d1之间的间隙。尤其，为了模仿槽底3d1的形状而设成了柱状形状的顶封7，因此能够进一步缩小间隙。

壁体平坦部3b2、3b3中的顶封槽3d的槽底3d1呈平坦面，因此为了与之相配，将与壁体平坦部3b2、3b3相对应的顶封7的底部7a也设为平坦面。由此，缩小槽底3d1与顶封7的底部7a之间的间隙，从而能够减少流体泄漏。

另外，本实施方式中，对顶封7从内周侧至外周侧连续相连的结构进行了说明，但也可以在涡旋方向的规定位置进行分割。

例如，如图13所示，可以在与壁体倾斜部3b1、5b1相对应的规定的分割位置dv1将顶封7分割为多个。另外，分割位置并不限于1处，也可以是多处。分割位置优选等间隔设置。

如此将与壁体倾斜部3b1、5b1相对应的位置的顶封7分隔为多个，从而能够将各分割顶封的高度方向(符号h方向)的变形量抑制得很小。该情况下，不对各分割顶封预先赋予沿高度方向变化的形状，而采用呈平坦状的所谓二维形状的顶封。

并且，也可以利用壁体平坦部3b2、3b3、5b2、5b3与壁体倾斜部3b1、5b1相连接的壁体倾斜连接部3b4、3b5、5b4、5b5将顶封7进行分割。由此，能够防止顶封在斜率急剧变化的位置折损。

并且，本实施方式中，将端板倾斜部3a1、5a1及壁体倾斜部3b1、5b1设置在了两个涡旋3、5，但也可以设置于其中任一个上。

具体而言，如图14(a)所示，在一个壁体(例如回旋涡旋5)设置壁体倾斜部5b1，在另一个端板3a设置端板倾斜部3a1的情况下，另一个壁体与一个端板5a可以为平坦。

并且，如图14(b)所示，也可以是与以往的阶梯式形状组合的形状即与在固定涡旋3的端板3a设置端板倾斜部3a1，另外在回旋涡旋5的端板5a设置有阶梯部的形状进行组合。

本实施方式中，设置了壁体平坦部3b2、3b3、5b2、5b3及端板平坦部3a2、3a3、5a2、5a3，但也可以省略内周侧和/或外周侧的平坦部而将倾斜部延长至整个壁体3b、5b来设置。

本实施方式中，作为涡旋压缩机进行了说明，但在用作膨胀机的涡旋膨胀机中也能够应用本发明。

符号说明

1-涡旋压缩机(涡旋流体机械)，3-固定涡旋(第1涡旋部件)，3a-端板(第1端板)，3a1-端板倾斜部，3a2-端板平坦部(内周侧)，3a3-端板平坦部(外周侧)，3a4-端板倾斜连接部(内周侧)，3a5-端板倾斜连接部(外周侧)，3b-壁体(第1壁体)，3b1-壁体倾斜部，3b2-壁体平坦部(内周侧)，3b3-壁体平坦部(外周侧)，3b4-壁体倾斜连接部(内周侧)，3b5-壁体倾斜连接部(外周侧)，3c-排出端口，3d-顶封槽，3d1-槽底，3d2-中央部，3d3-侧部，5-回旋涡旋(第2涡旋部件)，5a-端板(第2端板)，5a1-端板倾斜部，5a2-端板平坦部(内周侧)，5a3-端板平坦部(外周侧)，5a4-端板倾斜连接部(内周侧)，5a5-端板倾斜连接部(外周侧)，5b-壁体(第2壁体)，5b1-壁体倾斜部，5b2-壁体平坦部(内周侧)，5b3-壁体平坦部(外周侧)，5b4-壁体倾斜连接部(内周侧)，5b5-壁体倾斜连接部(外周侧)，7-顶封，7a-底部，7a1-中央部，7a2-侧部，7b-前端面，10-立铣刀，ct-等高线，dv1-(顶封的)分割位置，de-立铣刀直径，l-对置面间距离，t-顶隙，tg-(顶封槽的)槽宽，φ-斜率，δh-凹陷量。