JPH03500914A - スクロール流体装置用の同期・無負荷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 スクロール流体装置用の同期・無負荷装置発明の分野 この発明は、たとえばポンプ、圧縮機、原動機およびエキスパンダーなどのスク ロール流体装置に関するものである。

発明の背景 スクロール流体装置という一般名称は、噛み合ったインボリュート渦巻き巻き付 は部を配置した周知の装置を指すのに使用されている。この巻き付は部は、互い に対して軌道を描くように、曲線移動経路に沿って駆動されて、この装置の入口 部と出口部の間を半径方向に動く流体移送室すなわち作動室を１つ以上形成する 。かかるスクロール装置は、装置構成、利用する駆動システム、スクロール巻き 付は部とこの装置を通る流体との間で伝達されるエネルギー特性に応じて、ポン プ、圧縮機、原動機またはエキスパンダーとして用いられる。

スクロール装置と、その動作原理については以下の特許に例をあげて十分に説明 されている。すなわち、Ｎ１ｅｌｓ　Ｏ，Ｙｏｕｎｇに付与された米国特許第３ ．８７４，８２７号、Ｂｕｓｃｈなどに付与された米国特許第３．５６０，１１ ９号およびＷｅａｖｅｒなどに付与された米国特許第４，１４１．６６７号であ る。上記特許の記載は、それらがスクロール流体装置の動作原理とその代表的な 構造配置を述べている限りにおいてこの明細書で参考にされている。

同期回転（ｃｏ−ｒｏｔａｔｉｎｇ）するスクロール巻き付は部を利用するスク ロール装置も一般的に知られている。このスクロール装置は、軌道を描いて動く 一つのスクロール巻き付は部とこれに対向する協動固定スクロール巻き付は部と を用いたスクロール装置よりもすぐれている。同期回転するスクロール流体装置 においては、両スクロールは、横方向に距離をおいた平行な軸の回りを回転する が、その回転運動は、オルダム継手と呼ばれる適切な継手手段により、両者の相 対的軌道運動に制限される。オルダム継手は、あらゆるタイプのスクロール装置 に使用され、噛み合ったスクロール巻き付は部間の相対的回転を防止する一方、 巻き付は部が互いに相対的に軌道運動できるようにしている。

同期回転するスクロール装置の利点は、単式の軌道運動スクロール装置よりも高 速度で作動し、装置の大きさを最小にし、しかも作動効率を最大にするという点 にある。同期回転するスクロール流体装置の代表例は、Ｔｈｅｌｅｎなどに付与 された米国特許第４，１７８，１４３号に示されている。この特許では従来のオ ルダム継手を、同期回転するスクロール間に使用して、両スクロールの回転関係 を一定に保ちながら、互いに他方にたいして相対的軌道運動ができるようにして いる。また、この特許にはトルクを１方のスクロール巻き付は部に伝達する単一 の駆動軸が開示されているが、両スクロール巻き付は部を同時に動がして回転さ せることも周知の事柄である。

巻き付は部の側面間のシール力を解除するような構成を備えた従来型の同期回転 スクロール流体装置が、Ｂｌａｊｎに付与された米国特許第４，６１０．６１０ 号により開示されている。また、同期回転するスクロール流体装置の作動中に、 両巻き付は部の軸間距離を調整するために、同装置の一方の巻き付は部を他方の 巻き付は部に対して運動させることも、Ｔｈｅｌｅｎなどに付与された上記の米 国特許第４．１７８，１４３号により開示されている。さらに、スクロール流体 装置において、単一の軌道巻き付は部の軌道中心を固定巻き付は部に対して横方 向に運動させるという思想を記述した典型的な従来技術が、ＭｃＣｕｌｌｏｕｇ ｈの米国特許第３，９９４，６３５号に見られる。この特許には、軌道を描くス クロール用の追従駆動装置に関する記載がある。

同期回転し軌道を描くスクロール流体装置では、典型的な滑動リング型オルダム 継手に問題が生じる。すなわち、滑動リングは摩耗、振動および摩擦負荷による 悪影響を受ける。リングの滑動面どうしが摩擦するため通常潤滑が必要となる。

またスクロール流体装置の高速運転は、この型のオルダム継手の滑動面間に存在 する妨害物により制約を受けることがある。

発明の簡単な要約 この発明は、スクロール流体装置の独特な同期装置を提供するものであり、この 装置においては従来の滑動リング機素は取り除かれ、スクロール巻きつき部の支 持板に取り付けられ互いに噛み合った歯と溝により回転防止機能が働く。この歯 と溝は端板に固定されるので、支持板と共に動き、スクロール巻き付は部間の相 対軌道運動に適応しながら、巻き付は部間の相対的回転を防止する。

この発明の場合、同期装置は、円周方向に間隔をおいて位置する環状に配列した 歯からなる。これらの歯は、一方の巻き付は部の支持板に取り付けられかつその 支持板から軸方向に延びて、他方の巻きつき部の支持板に取り付けられた軸方向 に延びる溝と噛み合って、この溝と協動する。これらの溝は、これらの溝に対す る歯側壁の最大軌道偏位量に適応するような幅を有し、また歯と溝が噛み合って いるとき、一方の巻き付は部の他方の巻き付は部に対する相対的な角変位を防止 するとともに、一方の巻き付は部の軌道運動を他方の巻き付は部に適合させるよ うに配置されている。

歯と溝は、溝の幅が、同期回転するスクロール流体装置の作動中に、歯の軌道運 動に正しく実質的に適合するという条件が維持される限りにおいて、必要に応じ ていくつ設けてもよい。代表例における溝の幅は、スクロール巻き付は部の軌道 半径の３倍であり、一方、歯の幅は、軌道半径に等しい。スクロール巻き付は部 と溝内の歯が適切に噛み合うと、スクロール巻き付は部どうしの相対回転は生じ ないが、巻き付は部どうしは完全に相対的軌道運動を行なう。

一方のスクロール巻き付は部が他方の巻き付は部に対して横方向運動ができるよ うにするには、たとえば、一方のスクロール巻き付は部が軌道中心間距離もしく は回転軸間距離を狭める方向に移動することができるように、一方のスクロール 巻き付は部の支持軸の軸受を調節可能に支持すればよい。このように構成された 圧縮機もしくはポンプのようなスクロール流体装置は、スクロール巻き付は部を 互いに離して、それらの間のシールカを解除することにより、始動時においても もしくは液体のスラグがある場合でも負荷を取り去ることができる。この発明に よる同期カップリング装置は、一方のスクロール巻き付は部が他方の巻き付は部 に対して横方向に運動する横方向運動に通応し、従来技術で通常使用される滑動 リング型同期装置を必要としない。

図面の簡単な説明 この発明の好適な実施例を概略的に示す添付図はそれぞれ次のものを表わしてい る。

第１図は、この発明を実施する同期回転スクロール流体装置のほぼ長手方向の断 面図である。

第２図は、第１図の線２−２に沿った図である。

第２図は、この発明に従う同期装置の噛み合った歯と溝の詳細図である。

第３図は、第１図の右側から見た端面図である。

第４図は、この発明のもう一つの実施例を示したものである。

また、第５図は、第４図の右側から見た側面図である。

好適な実施例の詳細な説明 添付図面に示されるように、第１回と第２図は、スクロール流体装置１０を概略 的に示したものである。この装置１０は、閉じ込められた流体の流体室すなわち 作動室を形成する一対の噛み合ったインボリュート渦巻き巻き付は部１２．１４ を備えている。またこの装置１０は、インボリュート中心１６．１８を備え、こ れら中心１６．１８は一方のスクロール巻き付は部の他方の巻き付は部に対する 軌道偏位を決定する軌道半径に等しい距離だけ互いに離されている。巻き付は部 １２．１４は、巻き付は部支持板２０．２２により支持されている。巻き付は部 支持板２０は、スピンドルすなわち軸２１により回転可能に支持され、また巻き 付は部支持板２２は、軸２３により支持されている。これらの巻き付は部支持板 は、それらの軸方向関係を保ちながら、固定構造部材に対して回転するように取 り付けられている。この型のスクロール装置の構成とその動作原理は、スクロー ル流体装置の分野では周知のものである。

本実施例におけるスクロール巻き付は部支持板２０、、．２２は、インボリュー ト中心１６．１８を通って延びる平行な回転軸の回りを共に同期回転できるよう にそれぞれ取り付けられている。原動機２４．２４ａのような適切な動力源によ り、巻き付は部支持板２２．２０をそれぞれ駆動し、互いに平行でしかもインボ リュート中心１６．１８と同心である回転軸の回りを回転させる。本実施例には ２つの原動機が示されているが、公知の作動源に従って原動機を一つだけ用いて 一方のスクロール巻き付は部支持板を駆動しながら、他方のスクロール巻き付は 部支持板を、噛み合ったスクロール巻き付は部もしくは同期装置連結部を介して 駆動することもできることは言うまでもない。

両スクロール巻き付は部がそのそれぞれの回転軸の回りを同期回転すると、両ス クロール巻き付は部は回転しながら互いに他方に対して相対的な軌道運動を行う 、ということは明白である。その場合、軌道半径は、両スクロール巻き付は部の 回転軸と両スクロール巻き付は部のそれぞれ支持板とに対応するインボリュート 中心１６．１８間の距離に等しい。

巻き付は部支持板２０．２２は、軸２１と２３に係合する適当な軸受２６と２８ によりそれぞれの回転軸の回りを回転するように支持されている。

この軸受は、スクロール流体装置の作動条件に適するものであればどのような形 状のものでもよい。

ただし、支持軸受の一つ２６は、巻き付は部支持板２０が、他方の巻き付は部支 持板２２に対してほぼ次のような方向に運動できるように配置されている。その 方向とは、インボリュート中心１６．１８を、インボリュート中心間の隔りを減 少する方向につなぐ線にほぼ沿った方向である。この点については、以下で詳細 に説明する。

第１図と第２図において示すスクロール流体装置は、通常、回転スクロール巻き 付は部を囲繞するガス状流体媒体内で、高速作動する。そのため、この装置が圧 縮機として作動するときには、流体の取入れは巻き付は部の周辺で行なわれるか ら、適当な入口部３０と３２を設けると、装置の運転中、巻き付は部間の吸排室 （ｐｕｍｐｉｎｇ　ｃｈａｍｂｅｒｓ）中に取入れ流体を十分供給することがで きる。圧縮機として機能するとき、この装置の出口領域は、両巻き付は部の間の 中央領域３４にある。また出口部３６は、この圧縮機の作動中に流体がスクロー ル装置により吸排されるように設けられている。

勿論この技術分野においてよく知られているように、図示したスクロール流体装 置は、出口部３６にある加圧流体を領域３４に導入して、はぼ入口部３０および スクロール巻き付は部の周辺領域に向かう方向に膨張させるようにすると、エキ スパンダーとして作動させることができる。ただし、この詳細説明においては、 図示したスクロール流体装置は、圧縮機として機能するように構成されたものと 仮定している。

この発明の同期装置の構成は、巻き付は部支持板２０に取り付けられ、この支持 板２０から対向する巻き付は部支持板２２へ向けて延びる軸方向に突出した歯３ ８を環状に配列したものからなる。

これらの歯は、対向する巻き付は部支持板２２に設けられた軸方向に延びる溝４ ０と噛み合い、溝４０のそれぞれは、歯３８の軌道運動に適応する幅を有してい る。例えば、軌道半径が０．６ｃｍであり、歯側壁面３８ａ、３８ｂが０．６ｃ ｍの幅で離れていると仮定すると、溝側壁面４０ａ、４０ｂ間の幅は１．８ｃｍ となる（軌道半径の３倍）。すなわち溝４０は、歯３８の最大軌道偏位量に正確 に適合するので、第２図に示すように、巻き付は部２０．２２間の相対回転は歯 ３８と溝４０の相互係合により効果的に防止される。

また、第２図から分るように、インボリュートの中心１６．１８が同心であるな ら、各歯３８は、谷溝４０のそれぞれの中心にあることになる。そして、スクロ ール側面が互いに接すると、インボリュート中心１６と１８は軌道半径まで互い に離されるので、対向する歯３８の少くとも２つの側面は、溝４０の少くとも２ つの対向側面に接近して接触し、両スクロール巻き付は部の相対回転をいずれの 方向に対しても防止する。しかしながら、各溝４０内の各歯３８の軌道運動は、 第２図に明示するように、溝が歯に対して横方向に変位していたとしても問題な く生じうる。

スクロール巻き付は部の側面間クリアランスは、いずれのスクロール流体装置に 対してもスクロール側面間の摩擦を調節し、またスクロール流体装置の耐用年数 を増加させるように、予め決定しておくのが一般的である。さらに、潤滑を施さ なくとも動作するスクロール流体装置、たとえば高速ガス圧縮機においては、ス クロール側面間のクリアランスを小さ目に保持して、摩擦や摩耗を防止しなけれ ばならない。スクロール側面間のクリアランスは、スクロール巻き付は部間の軌 道半径を調節すれば維持できる。

また、この発明による同期装置の場合も同様に、歯の壁と溝の壁の間の摩耗を避 けるために、小さいクリアランスで作動させることができる。クリアランスが小 さいならば、特に高い作動速度でも、同期装置は両スクロールの相対回転を生じ させることなく、両スクロールを適切な位相関係に効果的に保持する。他方、イ ンボリュートスクロール巻き付は部を側面対側面接触させることが望ましい場合 には、同期装置の作動中に歯の側壁が溝の側壁と接触する直前にスクロール巻き 付は部が互いに接触するように、同期装置を構成する必要がある。この発明によ る同期装置を用いたスクロール流体装置の実施例においては、いずれの場合でも 、歯と溝の特定の接点およびスクロール巻き付は部の側面間クリアランスは、特 定のスクロール流体装置に関する設計パラメータに従って調整される。いずれの 場合も、溝側壁間の間隔は歯の軌道偏位量に適応するものでなければならない。

ただしこの発明に従って構成されたスクロール流体装置の設計バラメークの範囲 内で、クリアランスをわずかに調節することができる。

図示したこの発明の実施例は、通常、圧縮性流体を吸込みまた排出するが、スク ロール装置を閉塞や損傷することなく非圧縮性流体の吸込みも時には許容するス クロール流体装置である。たとえば冷凍装置の場合、液体冷媒のスラグが、圧縮 機として働くスクロールポンプに侵入することがある。この液体は非圧縮性であ り、そのため、スクロール巻き付は部が液体のスラグを受け入れることができる ように互いに離されていないならば、ポンプが故障するか、あるいはスクロール 装置が損傷を受けるであろう。この発明は、一方の巻き付は部支持板（この場合 、支持板２０）用の軸受支持手段と組合せて、溝４０と協動する同期装置の歯３ ８を利用している。このため、支持板２０および巻き付は部１２は、はぼインボ リュート中心１６と１８をつなぐ線に沿って、両インボリュート中心間の距離を 減少する方向に移動することができ、これにより両巻き付は部間の軌道半径を減 少させる。第１図の調節可能軸受支持部を第３回に示す。第３図では、巻き付は 部支持板２０用の軸受支持部２６には、滑動部４２が備えられている。この滑動 部４２は、インボリュート中心１６．１８間の距離が特定のスクロール装置につ いて所要の軌道半径に維持されるように、スプリング手段４４により調節式止め 金具４６に対して押圧されている。調節式止め金具４６は簡略図示するために軸 受支持部４８に係合するねじ付き部材として示されている。この支持部４８は、 軸受滑動部４２をインボリュート中心１６．１８を接続する線に沿った方向に直 線移動できるように支持している。軸受支持部４８は、滑動部４２がたとえば支 持部４８内の溝５０によりスプリング４４に向かって移動できるように滑動部４ ２を支持している。好ましいのは、支持部４８とトランク５０が、滑動部４２と 軸受２６の運動を、インボリュート中心１６．１８の間の軌道半径に相当する最 大距離りに制限することである。中心１６と１８が互いに重なると、両スクロー ル巻き付は部の回転により排出が行われないことは容易に見てとれる。この最大 距離を超えて巻き付は部が運動すると、また別の機械的および作動上の問題を生 じることになる。したがって、一方のスクロール巻き付は部の他方の巻き付は部 に対する運動は、軌道半径がゼロになる点を超えないのが好ましい。

作動中、原動機２４．２４ａによりインボリュート巻き付は部１２．１４は同期 回転するので、巻き付は部の周辺領域間で室１５に閉じ込められた流体は、中央 領域３４に向けて送られ、出口部３６から外に排出される。噛み合った歯３８と 溝４０は、その所要の回転関係を維持しながら、巻き付は部支持板２０の支持板 ２２に対する横方向の並進運動に適応する。

巻き付は部側面に沿って巻き付は部を離そうとする力が、噛み合ったスクロール 巻き付は部１２．１４間に生じると（このような力は、たとえば室１５内に非圧 縮性流体が吸込まれたときに生じるが）、両巻き付は部のこの分離に、軸受滑動 部４２は適応する。つまり、滑動部４２は、巻き付は部１２およびその支持板２ ０がインボリュート中心１６．１８間の軌道半径を狭める方向に、スプリング４ ４の押圧力に抗して移動できるようにする。スプリング４４は、両巻き付は部を 、その正規の位置に戻そうとする。その正規位置で、所要の軌道半径が再度設定 され、そして両巻き付は部は互に係合するか、あるいはスクロール流体装置の所 要の作動パラメータによって決まる最小クリアランスまで相互接近する。

第２図から解るように、巻き付は部１２０巻き付は部１４に対する横方向並進運 動により、インボリュート中心１６．１８を結ぶ線に平行に、歯３８はすべて右 へ直線的に並進する。これにより同期装置に若干のゆるみが生じ、所要の軌道半 径がスクロール巻き付は部１２．１４間に再度設定されるまで、両巻き付は部が ある限界内で少しの間相対回転する。歯３８と溝４０の数を適切に選ぶことによ り、このゆるみは、特定のスクロール流体装置に関してできるだけ小さくするこ とができる。

第２図に示す歯３８と溝４０の数は、単に図解用にすぎず、実際に実施する場合 においては、スクロール巻き付は部１２．１４間の位相関係を一層正確に維持す るためにはるかに多くの歯と溝が設けられている、ことに注意をうながしておき たい。

第４図と第５図に示される代替実施例では、同じ符号で同様の構造部材を示して いる。巻き付け部支持板２０は、スプリング５６の押圧力に抗してピボット軸５ ４の回りを回転しうる弓状の支持アーム５２により、インボリュートの中心１６ ．１８を接続する線にほぼ沿った方向に移動できるように取り付けられている。

支持アーム５２は、ピボット軸６０を介して構造部材を支持板５８で固定するた めに取付けられている。本実施例に従うと、支持板２０の支持板２２に対する運 動は、直線状ではなく弓状であるが、インボリュート中心１６のインボリュート 中心１８に対する運動は、実質的には両インボリュート中心を接続する線に沿っ て生じる。この運動が本来の経路からそれたとしても、同期装置の歯３８と溝４ ０が流体装置の作動中に機械的妨害を生じることなくその運動に適応する限り何 ら問題ではない。

この明細書中に説明したこの発明の図示実施例は単に例解的な意味しか持たず、 この発明はこれら実施例の構成に限定されるものではない、と理解すべきである 。むしろ、この発明の範囲は、添付の請求の範囲の全範囲によって限定されるは ずのものである。特にこの発明は、同期回転するスクロール流体装置に関連させ て記載されたが、こ軌道を描くように動かされる軌道運動スクロール装置に使用 できることに注意する必要がある。またこの発明は、高速のガス流体圧縮機に関 連させて説明したが、同期装置は、同期装置の歯の側面が溝の側面と実際に係合 するか否かによって潤滑を施すかあるいは施さないようにすればどのような環境 においても動作することができる。

寸 国際調査報告 国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．互いに噛み合い軸方向に延びる少くとも一対のインポリュート渦巻き巻き付 け部と、各巻き付け部に固定されてその各巻き付け部を支持する巻き付け部支持 手段と、前記巻き付け部支持手段を取り付ける取り付け手段と、同期装置手段と を組み合わせて備え、 前記渦巻き巻き付け部はインポリュートの中心を有し、また、前記渦巻き巻き付 け部間に少なくとも一つの室を形成し、前記室は一方の巻き付け部が他方の巻き 付け部に対して軌道中心を中心に曲線路に沿って並進して軌道を描く場合に入口 部と出口部との間を半径方向に運動し、 前記取付け手段は前記巻き付け部が軌道半径の回りに互いに他方に対して軌道運 動できるように前記巻き付け部支持手段を取り付けており、前記同期装置手段は 一方の巻き付け部が他方の巻き付け部に対して軌道を描いて運動したとしても一 方の巻き付け部が他方の巻き付け部に対して相対的に回転するのを妨げるように 配されており、また前記同期装置は前記インポリュートの中心を結ぶ線にほぼ沿 って延びる方向に一方の巻き付け部が他方の巻き付け部に対して回転できるよう に配されており、 前記巻付け部支持手段は一方の巻き付け部が他方の巻き付け部支持手段に対して 、前記巻き付け部のインポリュート中心を結ぶ線にほぼ沿った方向に動きうるよ うに配されており、また、前記一方の巻き付け部支持手段は通常、インポリュー ト中心間の距離が本スクロール流体装置の所定の軌道半径に一致するように配さ れており、前記同期装置手段は一方の巻き付け部支持手段に取り付けられ軸方向 に延びる歯と他方の巻き付け部支持手段に取り付けられ軸方向に延びる溝とから 成り、前記歯と前記溝は互いに噛み合っていることを特徴とするスクロール流体 装置。
2. ２．前記各歯の両側面は歯の幅だけ離れており、前記各溝の両側面は溝の幅だけ 離れており、前記溝の幅は歯側面の最大軌道偏位量に対応し、前記歯側面と溝側 面は、協働してスクロール支持手段の相対回転を防止するとともに、スクロール 支持手段の相対軌道運動に適応することを特徴とする請求の範囲第１項記載のス クロール流体装置。
3. ３．前記インポリュート中心が予め設定した軌道半径に相当する距離だけ通常離 れるように、前記一方の巻き付け部支持手段に押圧力を加える押圧手段を備えて おり、前記押圧手段は、この押圧手段の押圧力に抗して、噛み合った巻き付け部 を軌道半径を減少する方向に離すのに十分な力が前記噛み合った巻き付け部間に 生じると、前記一方の巻き付け部支持手段が前記他方の巻き付け部支持手段に対 して相対軌道運動しうるように配置されていることを特徴とする請求の範囲第１ 項もしくは第２項に記載のスクロール流体装置。
4. ４．前記スクロール巻き付け部が互いに同期回転するように取り付けられている ことを特徴とする請求の範囲第１項、第２項もしくは第３項に記載のスクロール 流体装置。
5. ５．前記スクロール巻き付け部のインポリュート中心間の最大離間距離を制限す る調節式止め金具手段を備えていることを特徴とする請求の範囲第３項記載のス クロール流体装置。