JPS6047442B2

JPS6047442B2 - スクロ−ル機械

Info

Publication number: JPS6047442B2
Application number: JP10041680A
Authority: JP
Inventors: 達治湯浅
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1980-07-22
Filing date: 1980-07-22
Publication date: 1985-10-22
Also published as: JPS5726202A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、相対運動を行う一対又は複数対のスクロー
ル羽根により、気体を圧縮又は膨張せしめて移送するス
クロール機械に関するものてある。

スクロール機械においては、ケーシングに対して固定
された固定スクロール羽根と、この固定スクロール羽根
の中心のまわりに、偏心量ｅを以て、自転を行わずに公
転を行う回動スクロール羽根とを組み合わせ、両羽根の
相対運動により、両羽根の間に閉じ込められる気体の体
積を変化せしめて気体を圧縮又は膨張させて移送する。
機械の作動中にスクロール羽根の各部分はその両面に
作動気体の圧力を受けるが、外側の圧力に比べ、内側の
圧力は同一か又は大きくなつており、小さいことはない
。

一つのスクロール羽根の両面にかかる気体圧力を、その
スクロール羽根全体にわたつて合成すると、後述する如
くその合力はゼ川こならず、また、スクロール羽根の基
礎円の中心（以下単に「スクロール羽根の中心」と称す
る場合もある）も通らない。即ち、気体圧力の合力は、
スクロール羽根の中心に対して偏心した偏心力を与える
ことになる。スクロール羽根に変形や遊びがある場合に
は、この偏心力による気体圧力モーメントは、後述する
如く固定スクロール羽根と回動スクロール羽根との接触
点において、或る点では密着力が働くが、反対側の点で
は隙間を与える働きをし、この隙間より漏れを生じ、ス
クロール機械の効率を低下せしめる欠点があつた。従来
例として例えば特開昭５０−３２５１２号公報或いは特
開昭５２−５７５０７号公報に見られる如きものが挙げ
られるが、後述する如く、これらは何れも回動スクロー
ルの中心に対して半径方向の力を与えて遠心力対策或い
は摩耗対策を行うものであり、上記の気体圧力モーメン
トによる障害を除くことはできなかつた。

本発明は、上記の気体圧力による偏心力による気体圧力
のモーメントに対して、逆向きに作用する逆モーメント
を、回動可能に支承した定置スクロール羽根に与えるこ
とにより、従来のものの上記の欠点を除き、偏心力によ
る気体圧力モーメントを打ち消して、スクロール羽根の
接触点における悪影響を除き、気体の漏れを阻止し、効
率の低下を防ぐことがてきるスクロール機械を提供する
ことを目白勺とするものてある。

本発明は、インボリュート曲線による定置スクロール羽
根と、該定置スクロール羽根の中心のまわりに、偏心量
ｅを以て公転を行うが、自転は行わないインボリュート
曲線による回動スクロール羽根とより成るスクロールユ
ニットが一組又は複数組備えられているスクロール機械
において、前記スクロールユニットのうち少なくとも一
組のスクロールユニットの前記定置スクロール羽根が、
その基礎円の中心のまわりに回転可能に支えられ、スク
ロール機械の作動中に作動気体の圧力によつて前記定置
スクロール羽根が受ける気体圧力モーメントに対して逆
向きに作用する逆モーメントを前記定置スクロール羽根
に与える逆モーメント機構を備えたことを特徴とするス
クロール機械である。

本発明を実施例につき図面を用いて説明すれは、第１図
，第２図及ひ第３図において、定置スクロール羽根１は
、片側を定置スクロール板２に取り付けられている。

定置スクロール板２には軸３が設けられ、ケーシング４
に回転可能に支えられている。回動スクロール羽根５は
、片側を回動スクロール板６に取り付けられている。回
動スクロール板６には軸７が設けられ、駆動軸８から回
動機構９を経て回動運動が行われるようになつている。
本明細書において１回動運動ョとは、或る物体が或る固
定中心のまわりをまわる時、その物体の特定点は固定中
心のまわりに円運動の公転を行うが、その物体自体はそ
の特定点のまわりの自転を行わず、その物体の全ての点
が同じ円運動を行う運動（オービツトモーシヨン）を指
すものである。

軸３の軸心１０と、軸７の軸心１１は、それぞれ定置ス
クロール羽根１の中心，及び回動スクロール羽根５の中
心と一致している。

定置スクロール羽根１及び回動スクロール羽根５の形状
は、インボリュート曲線であり、その中心は基礎円の中
心である。軸心１１は軸心１０と１１とを結ふ線（これ
をＸ−Ｘ″軸と称す）に平行な接線ＭＭ″或いは接線Ｎ
Ｎ″上にある。軸心１０の作用により回動スクロール羽
根５は軸心１１のまわりの自転は行わない。定置スクロ
ール羽根１と回動スクロール羽根５とが組み合わせられ
ている部分は、ケーシング４と回動スクロール板６とに
囲まれた作動室１２内に収容される。

作動室１２の外周には低圧側の低圧流路１３が設けられ
、低圧気体部又は大気に連通するようになつている。軸
３には軸心１０に沿つて高圧側の高圧流路１４が設けら
れ、高圧気体部に連通するようになつている。定置スク
ロール板２とケーシング４との間には加圧室１５が形成
されている。

定置スクロール板２には、軸３より放射状にベーン１６
が設けられ、ケーシング４には内方に向けて隔壁１７が
設けられ、加圧室１５の空間を四つの空間てある高圧室
１８，１９及び低圧室２０，２１に分けている。高圧室
１８，１９には高圧流路１４から連通路２２により高圧
気体が導かれ、低圧室２０，２１には、低圧流路１３か
ら連通路２３により低圧気体が導かれる。２４はバネで
、ベーンに、第３図において時計方向のトルクを与える
ようになつている。

次に作動につき説明する。

図示のスクロール機械を圧縮機として用いる場合につき
説明する。低圧流路１３を低圧気体源又は大気に接続し
、高圧流路１４を高圧気体容器に接続し、駆動軸８を駆
動して、軸心１１が、軸心１０のまわりを、第２図にお
いて反時計方向に公転するように回動スクロール羽根５
を回動せしめる。回動スクロール羽根５の回動につれて
、回動スクロール羽根５と定置スクロール羽根１との間
に囲まれた空間は次第にその体積を減じながら高圧流路
１４に向かつて収れんするので、外周にて作動室１２か
ら取り込まれた低圧の気体は次第に圧縮されて高圧流路
１４に吐出される。

この圧縮過程中の作動気体の圧力の作用についてみるに
、例えば、回動スクロール羽根５の公転５位相（軸心１
１の回転角）が第４図に示す如くθ＝４５度の場合（第
２図の状態でθ＝Ｏ度とする）について説明する。

定置スクロール羽根１と回動スクロール羽根５とは、点
Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤにて接触し、高圧室２１．５及ひ、中
圧室２６，２７が形成される。

接触点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、定置スクロール羽根５及ひ回
動スクロール羽根５のそれぞれの基礎円４１，４２に接
し、軸心１０と１１とを結ふ線（これをＸ−Ｘ″軸と称
す）に平行な接線ＭＭ″或い１は接線ＮＮ″上にある。

軸心１０を通りＸ−Ｘ″軸に直角な軸をＹ−Ｙ″と称す
。このような状態で定置スクロール羽根１の各部分が作
動気体から受ける力を見るに、ＥＢ間の部分においては
外面、内面とも高圧を受け平衡にし・ている。

しかし、ＢＦＡ部は内面は高圧、外面は中圧を受けるの
て平衡せす、圧力差による外向きの力が作用する。例え
はＢ点におけるこの圧力差力Ｆ８は図示の如くＭ点にお
ける接線ＭＭ″方向、Ａ点における圧力差力ＦＡはＭ２
における接線一Ｍ２Ｎ″の方向となる。この圧力差力を
ＢからＡまで定置スクロール羽根１に沿つて積分（基礎
円４１て見れは接点ＭからＭ２まて積分）すれば、Ｘ一
Ｘ″方向の成分はＢＦ間Ｃ構，間）とＦＡ間（Ｍｌ，Ｍ
２間）とて相殺してゼロとなり、Ｙ−Ｙ″方向の成分の
みか合成されて残る。この圧力差力の合力をＰ，とすれ
は、その方向はＹ−Ｙ″軸に平行て、その着力点は基礎
円４１に接するＹ一Ｙ″軸に平行な接線ＭＩ，Ｍｌ″上
のＦ点となる。同様に、鳩部は内面、外面とも中圧を受
けて平衡しているが、ＤＣ部は内面が中圧、外面が低圧
を受け、圧力差力が作用する。ＤＣ間につき積分した圧
力差力の合力を示せはＰ２となり、その方向はＹ−Ｙ″
軸、着力点は接線Ｍｌ，Ｍｌ゛上のＨ点となる。しかし
て、定置スクロール１に作用する圧力差力の総和の全圧
力差力ＰはＰ１とＰ２のベクトル和となるが、Ｐ１もＰ
２も同一の作用線Ｍｌ，Ｍ２″上にあるので、全圧力差
力Ｐも同じ作用線Ｍｌ，Ｍ２″上にある。

そして、この全圧力差力Ｐは定置スクロール１の軸心１
０から、基礎円４１の半径ａだけ偏つている偏心力であ
るので、定置スクロール１に対しては、Ｍ＝Ｐａなる反時計方向のモーメント（これを気体圧力モーメン
トと称す）を与えることになる。

この、ａだけ偏心した全圧力差力Ｐの作用を分解すれば
、囚軸心１０に、Ｙ−Ｙ″軸方向に作用する気体圧力
中心力Ｐ″（大きさはＰ″＝Ｐ）と、（Ｂ）反時計方向
に作用するＭ＝Ｐ″ａ（＝Ｐａ）なる気体圧力モーメン
トと、になる。

ここで、この中心力Ｐ″と気体圧力モーメントＭの影響
についてみるに、中心力Ｐ″はＹ−Ｙ″軸の方向、即ち
接触点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける接線方向に作用するので
、定置スクロール羽根１が中心力Ｐ″により変形しても
接線方向の変形てあり、接触状態にはあまり影響がない
。

しかしながら気体圧力モーメントＭが作用すると、定置
スクロール羽根１は反時計方向に回転しその結果接触点
Ａ，Ｃにおいては強く圧着されるが、その反対側の接触
点Ｂ，Ｃにおいては隙間を生ずる。

従来のものにおいては、このような、気体圧力モーメン
トに基づく接触点の隙間に対する対策がなされていない
ので、この隙間により流体が漏洩１し、効率の低下を招
く欠点があつた。

例えは、特開昭５０−３２５１？公報の第２２図、第３
１図に示された例においては、本願第４図で説明すれば
、回動スクロール羽根５の軸心１１に、遠心力に対抗す
るため、Ｘ−Ｘ″軸方向の、７１１からＸに向かう向き
の力を与えようとするものてあり、回動スクロール羽根
５には中心力しか作用せずモーメントは作用しない。

従つて気体圧力モーメントを相殺することはできない。
また、別の従来として特開昭５２−５７５０７号公報Ｏ
の第７図、第９図に示された例においては本願第４図て
説明すれば、回動スクロール羽根５の軸心１１に、摩耗
に追従するために、１１からＮに向かう向き、方向の力
を与えるようにしたものてあり、回動スクロール羽根５
には中心力しか作用せずモーメントは作用しない。

従つて気体圧力モーメントを相殺することはてきない。
以上の如く、気体圧力モーメントにより生ずる隙間発生
という従来の欠点を除くことが本発明の解決すべき問題
点である。

本発明は、この問題点を解決するために定置スクロール
羽根に、この偏心力による気体圧力モーメントに対して
逆向きに作用する逆モーメントを与えて相殺することに
より、従来のものの欠点を除いて、この隙間の発生を防
いて効率の低下を防ぐものである。

第１，２，３図において、加圧室１５においては、高圧
室１８，１９には高圧が導かれ、低圧室２０，２１には
低圧が導かれ、さらにバネ２４の作用も伴ない、ベーン
１６は時計方向のモーメントを与える。

従つて定置スクロール羽根１は時計方向のモーメント、
即ち、気体圧力モーメントと逆向きの逆モーメントを、
ベーン１６を介して受けることになる。前記の偏心力の
方向は、回動スクロール羽根５の公転位相により変化す
る（軸心１０より軸心１１に達する動径にほぼ直角）が
、気体圧力モーメントの向きは常に反時計方向であるの
で、ベーン１６を介して与えられる逆モーメントは気体
圧力モーメントに対して常に逆向きになる。

気体圧力モーメントの大きさは、高圧、中圧、低圧の圧
力差に応じて変化するが、逆モーメントも高圧、低圧の
差圧に応じて変化するのでベーン１６の面積を適宜選択
することにより、作動工程中ほぼ気体圧力モーメントに
対抗せしめることができる。しかして、この逆モーメン
トを、気体圧力モーメントに僅か打ち勝つように選べば
、回動スクロール羽根５に対して定置スクロール羽根１
を僅か回転せしめて、押し付けて接触力を与え、接触点
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて隙間が生するのを阻止すこるこ
とができ、効率の低下を防ぐことができる。逆モーメン
トは、ベーン１６の圧力差のみによつて、又はバネ２４
のみによつて発生させてもよい。バネ２４はコイル状の
バネ、うずまきバネなどを用いることができる。バネ２
４は、ケーシン４グ４より外側の軸３の部に装着しても
よい。第５図は別の実施例て、定置及ひ回動スクロール
羽根を組み合わせたスクロールユニットを二組、一つの
ケーシング４内に、流体的に直列に並べて収容したもの
である。一般にスクロール羽根間に閉じ込められた容積
室の容積変化比（膨張比又は圧縮比）は、渦巻内端径，
渦巻外端径，偏心量，渦巻ピッチなどで決５定され、一
般に膨張比あるいは圧縮比を大きくとるためには、渦巻
外端径を他に比して大きく設計せねばならない。

渦巻外端径を大きくすると、側板あるいはケーシングな
どに働らく軸方向の力が大きくなり、こθれに対するバ
ランス方法や強度を考慮するために、機械の重量は膨張
比（または圧縮比）が小さい場合に比し、いちじるしく
大きくなる。

これを防ぐために本実施例においては、膨張比又は圧縮
比が３〜４程度以上のものに適するよう５２段のスクロ
ールユニットを直列に配備している。

このとき、各段の偏心量を厳しくしておけば、構造的に
はさして複雑にはならない。

また、渦巻内端径および外端径も、各段とも同じ程度に
設計ノした方がコンパクトな設計ができる。本実施例は
必ずしもこれらの設計条件が各段一致していなくてよい
のてあるが、説明の都合上、１段目と２段目のスクロー
ルは、羽根高さ以外は同一般計である場合について述べ
るものとする。また、低圧側の段では容積室が大きく、
高圧側の段では容積室が小さく設計されねばならないが
、上記のように渦巻曲線を各段ともほＳ゛厳しい設計を
するときには、スクロール羽根高さは、低圧側段ではい
ちじるしく高く設計されなければならない。

このとき、低圧側段において、側板の両面にスクロール
羽根を設けたダブル形を使用すれは、その高さは半減さ
れ、低圧側羽根強度の低下を避けることができる。以下
、膨張機として使用する場合の例につき説明する。

高圧段の構成は、前述の実施例とほぼ類似しているが、
定置スクロール羽根１を支える軸３は、ケーシング４を
貫通せす、シール２８に支えられ、定置スクロール羽根
１を軸心１０のまわりに回転可能に支えている。また、
高圧流路１４は、軸心１０を含ます、ケーシング４、加
圧室１５、定置スクロール板２を貫通して第１段（高圧
段）のスクロールユニットの内部に連通している。さら
に回動スクロール板６は、軸心１０に対しｅなれる時の
容積室の大きさを■，圧力をＰｓ，高圧段スクロールユ
ニットから吐出される時の容積室の大きさを■Ｍ，圧力
Ｐ．．，低圧段スクロールユニットに吸い込まれる時の
容積室の大きさをＶ″．（圧力はＰｍ）、低圧段スクロ
ールユニットから吐出される時の容積室の大きさを■Ｄ
，圧力をＰｄとする。前述の如く、定置スクロール羽根
１，１Ａ，１Ｂ及び回動スクロール羽根５，５Ａ，５Ｂ
は、高圧段，低圧段とも、高さの他は同じ寸法にしてあ
るので、次の関係が成り立つ。

しかるに、であるから、となり従つてなる関係がある。

ここに、膨張機ては、Ｐｓ＞Ｐｄてあり、圧縮機におい
ては、Ｐｓ＜Ｐｄとなるる（Ｐ５は吸込側、Ｐｄは吐出
側圧力）が、膨張機の場合につき説明する。

高圧段における吸い込み、吐き出しの差圧ΔＰ５は、
−となり、低圧段における吸
い込み、吐き出しの差圧ΔＰｄは、となる。

ΔＰｓとΔＰｄとの大小関係を見るに、故に即ち、高圧
段（１段目）の差圧の方か低圧段（２段目）の差圧より
大きくなる。

圧縮機においては吸込側（１段目）と吐出側（２段目）
とは入れ替るが、やはり高圧段（２段目）の差圧の方が
低圧段（１段目）の差圧より大きくなる。例えば、膨張
機において、Ｐ９＝９ｋｇｆ／Ｃｄ，となり、その差は
著しい。

差圧が小さいときはスクロール羽根間の洩れは少ないの
で、多少隙間を有する構造とした方が機械損失がなく効
率がよくなるが、差圧が大きいときには洩れによる容積
損失が大であり、効率が悪くなる。

これを防ぐため、本実施例においては、その高圧段のス
クロールユニットにおいて、前述の実施例と同様、定置
スクロール羽根１を回動可能となし、ベーン１６などに
よる逆モーメント機構を用いて、気体圧力モーメントに
対抗せしめ、羽根の接触をはかつている。低圧段のスク
ロールユニットにおいては定置スクロール羽根１Ａ，１
Ｂは固定としてある。なお図面上、気体の流れを矢印て
示してあるが、圧縮機として用いる場合は逆向きとなる
。

本発明により、作動気体の気体圧力モーメントに基づく
羽根間の隙間を小となし、作動気体の漏洩を抑制し、効
率の低下を防止することができるスクロール機械を提供
することができ、実用上極めて大なる効果を有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に関するものて、第１図は第２図
のＩ−１線縦断面図、第２図及び第３図は第１図のそれ
ぞれ■−■線及び■−■線横断面図、第４図はθ＝４５
度におけるスクロール羽根の配置図。第５図は別の実施例の縦断面図てある。１，１Ａ，１Ｂ
・・・・・・定置スクロール羽根、２，２Ａ，２Ｂ・・
・・・定置スクロール板、３・・・・・・軸、４・・・
・ケーシング、５，５Ａ，５Ｂ・・・・・・回動スクロ
ール羽根、６，６Ａ・・・・・・回動スクロール板、７
・・・・・・軸、８・・・・・・駆動軸、９・・・・・
・回動機構、１０・・軸心、１１・・・・・・軸心、１
２，１２Ａ・・・・・・作動室、１３・・・・・・低圧
流路、１４・・・・・・高圧流路、１５・・加圧室、１
６・・・・・・ベーン、１７・・・・・・隔室、１８・
・・・・高圧室、１９・・・・・・高圧室、２０・・・
・・・低圧室、２１・・・・・・低圧室、２２・・・・
・連通路、２３・・・・・連通路、２４・・・・・・バ
ネ、２５・・・・・・高圧室、２６・・・・・・中圧室
、２７・・・・中圧室、２８・・・・・ウール、２９・
・・・・偏心軸、３０・・・・・・軸受、３１・・・・
・・軸、３２・・・軸受、３３・・・・・・スラスト軸
受、３４・・・・・・スラスト軸受、３５・・・・中間
室、３６・・・・・流路、３７・・・中間圧流路、３８
・・・・・・軸受、３９・・・・・・軸受、４０・・・
・出力軸、４１，４２・・・・・基礎円。

Claims

【特許請求の範囲】１インボリュート曲線による定置スクロール羽根と、
該定置スクロール羽根の中心のまわりに、偏心量ｅを以
て公転を行うが、自転は行わないインボリュート曲線に
よる回動スクロール羽根とより成るスクロールユニット
が一組又は複数組備えられているスクロール機械におい
て、前記スクロールユニットのうち少なくとも一組のス
クロールユニットの前記定置スクロール羽根が、その基
礎円の中心のまわりに回転可能に支えられ、スクロール
機械の作動中に作動気体の圧力によつて前記定置スクロ
ール羽根が受ける気体圧力モーメントに対して逆向きに
作用する逆モーメントを前記定置スクロール羽根に与え
る逆モーメント機構を備えたことを特徴とするスクロー
ル機械。２前記定置スクロール羽根が、放射状のベーンを有し
、該ベーンの両側に、高圧側及び低圧側の作動気体をそ
れぞれ導き、その差圧によつて前記定置スクロール羽根
に前記逆モーメントを与えるように前記逆モーメント機
構が構成されている特許請求の範囲第１項記載のスクロ
ール機械。３前記逆モーメント機構が、バネにより前記定置スク
ロール羽根に前記逆モーメントを与える機構である特許
請求の範囲第１項又は第２項記載のスクロール機械。４前記スクロールユニットが複数組備えられ、前記逆
モーメント機構が高圧段側のスクロールユニットに設け
られている特許請求の範囲第１項記載のスクロール機械
。