(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスとしてヘリウムガスを用い、密閉容器内に、スクロール圧縮機部とこのスクロール圧縮機部を駆動する電動機部とを収納して配置し、前記スクロール圧縮機部は、円板状鏡板に渦巻状のラップを直立して設けた固定スクロールと円板状鏡板に渦巻状のラップを直立して設けた旋回スクロールとをこれらのラップを互いに内側にして噛み合わせ、前記旋回スクロールをクランク軸の偏心部に係合し、前記旋回スクロールを自転することなく前記固定スクロールに対し旋回運動させ、前記固定スクロールには中心部に開口する吐出口と外周部に開口する吸入口とを設け、前記旋回スクロールの旋回運動に伴って前記吸入口よりヘリウムガスを吸入し、前記両スクロールにて形成される圧縮室を中心に移動させ容積を減少してヘリウムガスを圧縮し、この圧縮されたヘリウムガスを前記吐出口より吐出するように構成し、前記ヘリウムガスを冷却するための油を導く油インジェクション管を前記密閉容器に貫通して前記固定スクロールの鏡板部に設けた油注入用ポートに接続してなる油注入機構部を備えたヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、
前記旋回スクロールの巻き終わり側のラップ外周面と前記固定スクロールのラップ内周面とに囲まれて形成される旋回外側圧縮室が最大吸入容積となるとき、前記旋回スクロールのラップ巻き終わり端部のラップ外周面と前記固定スクロールのラップ内周面とが第１の接点位置で接触し、前記旋回スクロールのラップ内周面と前記固定スクロールのラップ外周面とに囲まれて形成される旋回内側圧縮室が最大吸入容積となるとき、前記旋回スクロールのラップ巻き終わり端部のラップ内周面と前記固定スクロールのラップ外周面とが第２の接点位置で接触し、
前記固定スクロールの前記第１の接点位置の巻き角度は、前記固定スクロールの前記第２の接点位置の巻き角度に対して所定角度延長され、
前記固定スクロールの巻き始め部となる先端部の円弧半径よりも前記旋回スクロールの巻き始め部となる先端部の円弧半径を大きく設定すると共に、前記固定スクロールの巻き始め部となる先端部の前記円弧半径をＲｋ１とし、前記旋回スクロールの巻き始め部となる先端部の前記円弧半径をＲｓ１と表す場合、
Ｒｓ１／Ｒｋ１＝１．４〜１．６
の範囲となるように前記固定スクロールの巻き始め部及び前記旋回スクロールの巻き始め部のそれぞれの円弧半径を設定して、旋回外側圧縮室の吐出開始のタイミングと、旋回内側圧縮室の吐出開始のタイミングとを１／３πｒａｄから１／２πｒａｄずらすように構成し、それによって旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室における作動ガス及び油の吐出流動タイミング・位相をずらすようにした
ことを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
【請求項２】
請求項１において、前記旋回スクロールの内側曲線と前記固定スクロールの外側曲線とで形成する旋回内側圧縮室の最大密閉容積を形成するタイミング時となる吸い込み完了時において、前記油注入用ポートの開口部に対して前記旋回スクロールのラップ歯先部がほぼ中央位置に位置するように、前記固定スクロールの歯溝のほぼ中央位置に前記油注入用ポートを設けたことを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
【請求項３】
請求項１において、前記旋回外側圧縮室と前記旋回内側圧縮室の一方が最大容積になったとき、前記油注入用ポートの開口部が前記旋回外側圧縮室と前記旋回内側圧縮室の両方に連通するように、前記油注入用ポートを配置してなることを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウム用スクロール圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機は、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、密閉容器内に、圧縮機部と、この圧縮機部を駆動する電動機部を上下に収納するとともに、密閉容器を貫通する油インジェクション管を圧縮機部に接続して構成される。圧縮機部は、円板状鏡板に渦巻状のラップを直立する固定スクロールと旋回スクロールとをラップを互いに内側にして噛み合わせて圧縮室を形成し、この圧縮室を中心に移動させて容積を減少させることにより、圧縮したヘリウムガスを密閉容器内に吐出するようになっている。油インジェクション管を介して圧縮機部に供給された油は、ヘリウムガスを冷却するとともに、圧縮機部を構成するスクロールの摺動部分を潤滑する。この油はヘリウムガスとともに圧縮機部から吐出されて密閉容器の底部に貯留され、油注入機構により底部から外部に抜き出された後に冷却されて再び油インジェクション管より密閉容器内に戻され、圧縮機部に注入される。
【０００３】
このようにして構成されるヘリウム用密閉形スクロール圧縮機（以下、適宜、圧縮機と略す。）を冷凍システムに用いる例として、例えば、特開２００４―２３２４８１号公報（特許文献１）が開示されている。この冷凍システムには、圧縮機と冷凍機を２本の配管で接続して形成される冷凍回路と、圧縮機内の油を油注入機構により抜き出して冷却後、再び圧縮機に戻す油インジェクション回路が設けられている。ここで、冷凍回路の作動冷媒にはヘリウムガスが用いられる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４―２３２４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１を含む従来の圧縮機によれば、スクロール圧縮機において形成される対称な二つの圧縮室、つまり後述する旋回外側圧縮室と旋回内側圧縮室の吸い込み完了時において、容積が最大となる時期が同じに設定されていると共に、旋回外側圧縮室と旋回内側圧縮室の吐出時において、吐出開始タイミングが同じに設定されている。
【０００６】
これら二つの圧縮室の吸入容積と旋回スクロールを旋回させるクランク軸の回転角との関係を図１６に示す。ここで、Ｖｔｈｓは旋回スクロールのラップ外周面と固定スクロールのラップ内周面とに囲まれて形成される旋回外側圧縮室の吸入容積を示し、Ｖｔｈｋは、旋回スクロールのラップ内周面と固定スクロールのラップ外周面とに囲まれて形成される旋回内側圧縮室の吸入容積を示す。
【０００７】
図１６に示すように、吸入容積Ｖｔｈｓの旋回外側圧縮室と吸入容積Ｖｔｈｋの旋回内側圧縮室の吸い込み完了時は、いずれもＣ点であり、その回転角度が一致している。つまり、各圧縮室の容積Ｖｔｈｓ、Ｖｔｈｋは点線で表すように変化し、各圧縮室の容積の合計Ｖｔｈｓ＋Ｖｔｈｋは実線で示すようにＣ点の容積Ｖｔｈｓ、Ｖｔｈｋの２倍のＤ点となる。そのため、吸入ラインにおいてヘリウムガスの吸入が一時停止し、ヘリウムガスと油の流動が瞬間的に停止されることに伴う衝撃現象により、大きな圧力変動が発生することになる。また、冷凍機側の膨張行程時におけるディスプレーサ部の往復運動によっても、吸入圧力の変動が助長されることがある。
【０００８】
このように、吸入圧力に大きな変動が生じると、圧縮機部に吸入ガスが直接流れ込む構成においては、圧縮トルクに大きな変動が生じ、オルダム機構部等の異常振動の発生と圧縮機の寿命低下を招くため、信頼性に悪影響を与えるおそれがある。この間題を解決するため、従来、冷凍機の冷媒出側と圧縮機の入側を接続する吸入配管ラインには、吸入圧力の変動を低減・抑制する機能を備えたサージタンク等が設置されている。しかしながら、このような設備を備えることにより、冷凍システムとしてのユニット全体の容積、重量は大きくなるため、製造コストの面で不利になる。
【０００９】
一方、従来の冷凍システムでは、圧縮機から吐出された高圧ガスは、ガス冷却器に導かれて油分が分離され、この分離された油は、吸入配管ラインへ導かれ、ヘリウムガスとともに圧縮機に供給される。このような場合、圧縮機に戻された油は、圧縮部の吸入室に溜まり易く、この油が旋回スクロールラップの外周部の旋回運動において撹拌損失を招き、圧縮機の性能を低下させるという問題がある。
【００１０】
また、旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室の内部圧力とクランク軸の回転角との関係を図１７に示す。ここで、Ｐｉｓは旋回外側圧縮室の内部圧力を示し、Ｐｉｋは旋回内側圧縮室の内部圧力を示す。
【００１１】
図１７に示すように、旋回外側圧縮室の内部圧力Ｐｉｓは一点鎖線で表すように変化し、旋回内側圧縮室の内部圧力Ｐｉｋは実線で示すように変化する。旋回外側圧縮室と旋回内側圧縮室の吐出開始タイミングは、何れもＥ点であり、その回転角度が一致している。これにより、吐出開始時における吐出通路の狭小化と多量の油流動とによる圧力損失の増加、吐出圧力脈動の増加、及び流動抵抗損失動力が大幅に増加するという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、吸入配管ラインの圧力脈動の抑制及び吸入室における油撹拌損失の低減を図ると共に、吐出通路における圧力損失の低減、吐出圧力脈動の抑制及び流動抵抗損失動力の低減を図ることができるヘリウム用密閉形スクロール圧縮機を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述の目的を達成するために、本発明では、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、密閉容器内に、スクロール圧縮機部とこのスクロール圧縮機部を駆動する電動機部とを収納して配置し、前記スクロール圧縮機部は、円板状鏡板に渦巻状のラップを直立して設けた固定スクロールと円板状鏡板に渦巻状のラップを直立して設けた旋回スクロールとをこれらのラップを互いに内側にして噛み合わせ、前記旋回スクロールをクランク軸の偏心部に係合し、前記旋回スクロールを自転することなく前記固定スクロールに対し旋回運動させ、前記固定スクロールには中心部に開口する吐出口と外周部に開口する吸入口とを設け、前記旋回スクロールの旋回運動に伴って前記吸入口よりヘリウムガスを吸入し、前記両スクロールにて形成される圧縮室を中心に移動させ容積を減少してヘリウムガスを圧縮し、この圧縮されたヘリウムガスを前記吐出口より吐出するように構成し、前記ヘリウムガスを冷却するための油を導く油インジェクション管を前記密閉容器に貫通して前記固定スクロールの鏡板部に設けた油注入用ポートに接続してなる油注入機構部を備えたヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、前記旋回スクロールの巻き終わり側のラップ外周面と前記固定スクロールのラップ内周面とに囲まれて形成される旋回外側圧縮室が最大吸入容積となるとき、前記旋回スクロールのラップ巻き終わり端部のラップ外周面と前記固定スクロールのラップ内周面とが第１の接点位置で接触し、前記旋回スクロールのラップ内周面と前記固定スクロールのラップ外周面とに囲まれて形成される旋回内側圧縮室が最大吸入容積となるとき、前記旋回スクロールのラップ巻き終わり端部のラップ内周面と前記固定スクロールのラップ外周面とが第２の接点位置で接触し、前記固定スクロ一ルの前記第１の接点位置の巻き角度は、前記固定スクロールの前記第２の接点位置の巻き角度に対して所定角度延長され、前記固定スクロールの巻き始め部となる先端部の円弧半径よりも前記旋回スクロールの巻き始め部となる先端部の円弧半径を大きく設定すると共に、前記固定スクロールの巻き始め部となる先端部の前記円弧半径をＲｋ１とし、前記旋回スクロールの巻き始め部となる先端部の前記円弧半径をＲｓ１と表す場合、
Ｒｓ１／Ｒｋ１＝１．４〜１．６
の範囲となるように前記固定スクロールの巻き始め部及び前記旋回スクロールの巻き始め部のそれぞれの円弧半径を設定して、旋回外側圧縮室の吐出開始のタイミングと、旋回内側圧縮室の吐出開始のタイミングとを１／３πｒａｄから１／２πｒａｄずらすように構成し、それによって旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室における作動ガス及び油の吐出流動タイミング・位相をずらすようにしたことにある。
【００１４】
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記旋回スクロールの内側曲線と前記固定スクロールの外側曲線とで形成する旋回内側圧縮室の最大密閉容積を形成するタイミング時となる吸い込み完了時において、前記油注入用ポートの開口部に対して前記旋回スクロールのラップ歯先部がほぼ中央位置に位置するように、前記固定スクロールの歯溝のほぼ中央位置に前記油注入用ポートを設けたこと。
（２）前記旋回外側圧縮室と前記旋回内側圧縮室の一方が最大容積になったとき、前記油
注入用ポートの開口部が前記旋回外側圧縮室と前記旋回内側圧縮室の両方に連通するよう
に、前記油注入用ポートを配置してなること。
【発明の効果】
【００１５】
係る本発明のヘリウム用密閉形スクロール圧縮機によれば、吸入配管ラインの圧力脈動の抑制及び吸入室における油撹拌損失の低減を図ると共に、吐出通路における圧力損失の低減、吐出圧力脈動の抑制及び流動抵抗損失動力の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態のヘリウム用密閉形スクロール圧縮機を図１から図１５を参照して説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施形態のヘリウム用密閉形スクロール圧縮機を備えた冷凍装置の全体構成図、図２は図１の圧縮機ユニットの外観を示す斜視図である。
【００１８】
本実施形態の冷凍装置３００は、縦型タイプのヘリウム用密閉形スクロール圧縮機１００（以下、適宜、圧縮機１００と略す。）と、冷凍機１１０とを備えて構成される。圧縮機１００と冷凍機１１０とは、配管１２０、１３０を介して接続されることにより、作動冷媒を循環させる冷凍サイクル１４０を構成する。冷凍サイクル１４０には、ガス冷却器１５０、油分離器１６０、油吸着器１７０が配設されている。また、油分離器１６０から油吸着器１７０及び冷凍機１１０をバイパスして圧縮機１００に油を戻す配管１８０が設けられている。このような冷凍サイクル１４０の作動冷媒としてはヘリウムガスが用いられる。
【００１９】
一方、圧縮機１００には、圧縮機１００内の潤滑油を外部に抜き出して冷却し、再び圧縮機１００に戻して循環させる油インジェクション回路１９０が設けられている。油インジェクション回路１９０には、油冷却器２００、油流量調整弁２１０を備え、これらを配管２２０、２３０で接続することにより構成される。この油インジェクション回路１９０は、圧縮機１００内の底部に溜まる潤滑油２３（図３参照）と連通する油取出管３０と、圧縮機１００の圧縮室８（図３参照）に連通する油インジェクション管３１との間に接続されている。
【００２０】
冷凍装置３００を構成する上述した機器は、図１の一点鎖線で示す圧縮機ユニット２４０内に収納されている。これらの機器は、圧縮機ユニット２４０内で図１に示すように配置して収納されている。なお、図中の実線はヘリウムガスの流れ方向、点線は油の流れ方向を表している。
【００２１】
密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２３は、密閉容器１内の圧力差によって油取り出し管３０から外部に取り出され、配管２２０を介して油冷却器２００に導かれ、ここで外部空気により冷却された後、油流量調整弁２１０、配管２３０を経て油インジェクション管３１に至るという油配管経路を構成する。油インジェクション管３１内の油は、油注入用ポート２２（図３参照）を経て圧縮機１００内に戻される。
【００２２】
一方、圧縮機１００から吐出管２０を通して吐出されたヘリウムガスは、配管３１０を介してガス冷却器１５０に流入され、ここで冷却された後、配管３２０を介して油分離器１６０に導かれる。ここで油をある程度分離されたヘリウムガスは、配管３３０を介して油吸着器１７０に流入され、さらに油の残分を分離した後、配管１３０を介して冷凍機１１０に導入される。冷凍機１１０に導入されたヘリウムガスは、その内部で断熱膨張されることにより冷熱源を発生する。冷凍機１１０から吐出されたヘリウムガスは、配管１２０、吸入配管３４０を通り、常温の吸入ガスとして圧縮機１００に直接戻される。ここで、吸入配管３４０には、配管１８０が接続されており、油分離器１６０で分離された油が戻されるようになっている。
【００２３】
本実施形態の冷凍装置３００は、吸入配管系を挟んで圧縮機側と冷凍機側で発生する大きな圧力脈動を吸収し、これを大幅に低減することを可能とするものである。また、従来、例えば、吸入配管３４０上に設置していたサージタンクを必要とせず、冷凍機１１０と圧縮機１００との間を直接、配管で接続することを可能とするものである。
【００２４】
図２において、圧縮機ユニット２４０は、横幅Ｌ１、奥行きＬ２、高さＬ３の外形寸法を有する略直方形の筐体で形成され、その筐体の底部にはキャスター４１０が設けられ、移動可能になっている。また、内部に設けられる冷却用ファンの通風のために、前面や側面などに通風口（ルーバ部）４００が設けられている。この圧縮機ユニット２４０の外形寸法は、サージタンクが設置不要のため３寸法が縮小可能になっている。なお、Ｌ４はキャスター部の高さ寸法を示す。
【００２５】
次に、図３から図１５を参照して圧縮機ユニット２４０の主要部となる圧縮機１００の構成について詳細に説明する。図３は図１の圧縮機の全体構成を示す縦断面図、図４は図３の固定スクロールの平面図、図５は図４の固定スクロールの縦断面図、図６は図３の旋回スクロールの平面図、図７は図６の旋回スクロールの縦断面図、図８は図３の固定スクロールと旋回スクロールを組み合わせた状態を示す平面断面図、図９は図８に対して旋回スクロールをさらに回転させたときの平面断面図、図１０は本実施形態における旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室の吸入容積とクランク軸回転角と関係を説明する図である。
【００２６】
まず、図３を用いて圧縮機１００の全体構成について説明する。圧縮機１００は、縦長の密閉容器１の中に、スクロール圧縮機部４と電動機となるモータ部３とを上下に配置して収納している。密閉容器１は、上蓋２ａと筒状の胴部２ｂと底部２ｃとを組み合わせて構成される。スクロール圧縮機部４は、固定スクロール５と旋回スクロール６とを互いに噛み合わせることで、密閉空間となる圧縮室８を形成している。
【００２７】
固定スクロール５は、円板状の鏡板５ａと、これに直立したインボリュート曲線あるいはこれに近似の曲線に形成されたラップ５ｂとからなり、その中心部に吐出口１０、外周部に吸入口１５を備えている。この吸入口１５は、吸入管１７に連通される第１の吸入口１５ａと、この吸入口５ａに連通される第２の吸入口１５ｂとからなっている。
【００２８】
旋回スクロール６は、円板状の鏡板６ａと、これに直立し、固定スクロールのラップ５ｂと同一形状に形成されたラップ６ｂと、鏡板６ａの反ラップ面に形成されたボス部６ｃとからなっている。フレーム７は中央部に主軸受４０を形成し、その主軸受４０にクランク軸１４が支承され、クランク軸先端の偏心軸１４ａは、ボス部６ｃに旋回運動が可能なように挿入されている。
【００２９】
固定スクロール５はフレーム７に複数本のボルトによって固定されている。旋回スクロール６はオルダムリング及びオルダムキーよりなるオルダム機構３８によってフレーム７に支承され、固定スクロール５に対して自転しないで旋回運動をするように形成されている。クランク軸１４にはモータ軸１４ｂが一体に連設され、このモータ軸１４ｂがモータ部３に直結されている。
【００３０】
ヘリウムガスを冷却する油を供給する油インジェクション管３１は、密閉容器１の上蓋２ａを貫通して固定スクロール５の鏡板部５ａに設けた油注入用ポート２２に接続されており、この油注入用ポート２２の開口部は、旋回スクロール６のラップ６ｂの歯先面に対向して開口している。ヘリウムガスを密閉容器１内に吸入する吸入配管１７は、密閉容器１の上蓋２ａを貫通して固定スクロール５の吸入口１５に接続されている。油インジェクション管３１と吸入配管１７はいずれもエルボ構造を有している。吸入配管１７の先端部１７ｃは、銅配管挿入可能な拡管部となり、ロー付け接続が可能になっている。
【００３１】
密閉容器１内は、固定スクロール５の吐出口１０が開口する吐出室１ａとモータ室１ｂとがフレーム７によって上下に区画して形成されている。吐出室１ａは固定スクロール５及びフレーム７の外縁部の第一通路１８ａ、１８ｂを介してモータ室１ｂと連通され、モータ室１ｂは密閉容器１の胴部２ｂを貫通する吐出管２０と連通されている。
【００３２】
吐出管２０は第１流路１８ａ、１８ｂの位置に対してほぼ反対側の位置に設置されている。モータ室１ｂは、ステータ３ａの上部空聞１ｂ１とステータ３ａの下部空間１ｂ２とに区分され、この空間１ｂ１、１ｂ２を連通するように、ステータ３ａと胴部２ｂの内壁面２ｍとの間に油とガスの流路部となる通路２５ｂ、２５ｃが形成されている。また、モータエアーギャップの隙間２５ｇも通路となり、この隙間２５ｇを介して上部空間１ｂ１と下部空間１ｂ２とが連通されている。なお、旋回スクロール６の旋回運動に伴い生じる遠心力を相殺するために、バランスウェイト９ａと副バランスウェイト９ｂとがクランク軸１４とロータ３ｂとに設けられている。
【００３３】
このような容器内部の空間１ｂ１、１ｂ２のガスと油の混合体の流れによって、例えば６０Ｃ〜７０℃の比較的低温なインジェクション油によるモータ部３への直接冷却が可能となる。ガス中の油は、上部空間１ｂ１において、ガスから分離されて下方の第二通路２５ｂを介して周囲部材３ｈ、３ｇ、２ｂ、７、１４を冷却しながら流下する。空調用途や冷凍用途のスクロール圧縮機では、このような油インジェクション構造を有しないため、油による冷却効果は得られない。なお、吸入管１７と固定スクロール５との間には高圧部と低圧部とをシールするＯリング５３が設けられている。
【００３４】
旋回スクロール６の鏡板６ａの背面には、スクロール圧縮機部４とフレーム７で囲まれた空間３６（以下、中間圧室３６という。）が形成されている。この中間圧室３６には旋回スクロール６の鏡板６ａを貫通する中間圧穴６ｄを介して吸入圧力と吐出圧力の中間の圧力が導入され、旋回スクロール６を固定スクロール５に押付ける軸方向の付与力が与えられる。
【００３５】
ガスと分離された油は、潤滑油２３として密閉容器１の底部に溜められ、密閉容器１内の高圧圧力と中間圧室３６の中間圧力との差庄により、油吸上管２７へ吸い上げられた後、クランク軸１４内の中央穴１３を上昇し、旋回軸受３２、横穴５１を介して副軸受け３９、主軸受４０へ給油される。主軸受４０、旋回軸受３２へ給油された潤滑油２３は、中間圧室３６、中間圧穴６ｄを通じてスクロールラップで形成される圧縮室８へ注入され、ここで圧縮ガスと混合され、次いでヘリウムガスと共に吐出室１ａへ吐出される。密閉容器１の底部には、潤滑油２３を器外へ取り出す油取り出し管３０が設けられている。なお、密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２３の油面上にはフォーミング防止用油板４７が設けられ、圧縮機１００の起動時に発生する潤滑油２３のフォーミング現象を防止するようになっている。
【００３６】
密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２３は、密閉容器１内の圧力（吐出圧力と同じ圧力）と圧縮室８の圧力（吐出圧力よりも低い圧力）との差圧により油取り出し管３０の流入部３０ａから油取り出し管３０内に流入する。そして、潤滑油２３は冷却器２００にて適宜冷却された後、油インジエクション管３１及び油注入用ポート２２を経て圧縮室８へ注入される。
【００３７】
このようにして圧縮室８へ注入された油は、圧縮室８内においてヘリウムガスの冷却作用及びスクロールラップ先端部等の摺動部を潤滑する役目を果す。そして、この油は作動ガスと共に圧縮された後、吐出口１０より吐出室１ａへ吐出され、下方のモータ室１ｂへと移動する。
【００３８】
次に、図４及び図５を用いて固定スクロール５の構成について説明する。固定スクロール５は、上述したように、円板状の鏡板５ａと、これに直立したラップ５ｂとからなり、その中心部に吐出口１０、外周部に吸入口１５（１５ａ、１５ｂ）を備えている。ラップ５ｂは、ラップ終端部の点５８、５９までそれぞれインボリュート曲線のラップ外周面５６２、ラップ内周面５６１を形成し、吸入室５ｆにおいて吸入口１５と接続されている。Ｏｋは座標中心点であり、Ｘｋ，Ｙｋは座標軸を表している。
【００３９】
点５３と５４は、旋回スクロール６のラップ終端部がラップ外周面５６２及びラップ内周面５６１にそれぞれ接触して圧縮室８を形成する際の接点位置となる。ラップ始端部（最内周部）の点５１と点５２は、円弧半径Ｒｋ１により滑らかに接続されている。また内側曲線５６１のラップ始端部側の点５５は、点５２と凹部形状の円弧半径Ｒｋ２により滑らかに接続されている。５ｋ、５ｐ、５ｒは、鏡板５ａ面に設けた潤滑のためのリング状油溝である。
【００４０】
固定スクロール５は、圧縮機本体の冷却及びヘリウムガスの断熱圧縮時の発生熱の温度低下のために、冷却用の油インジェクション構造を備えている。本構造の油注入用ポート２２は、単一のポートとしてラップ歯溝部の溝幅に対してほぼ中央の位置に設けられている。油注入用ポート２２のポート穴径ｄｏは、ラップ５ｂのラップ厚さをｔとしたとき、ｄｏ＞ｔに設定される。実用的な寸法関係としては、無次元値ｄｏ／ｔを１．５＜ｄｏ／ｔ≦２．５の範囲に設定するとともに、ポート穴径ｄｏがラップの溝幅Ｄｔに対して０．４５〜０．７０の範囲となる、この構造は、油注入用ポート２２より油を供給する油インジェクション時における油撃現象を防止するとともに、ヘリウムガスの供給配管系における配管振動の低減・応力低下を可能とし、騒音低減・圧縮機本体の振動低下を可能とする。なお、固定スクロール５のラップ５ｂの歯溝寸法（図４のＤｔ寸法）は次の式（１）で与えられる。
【００４１】
【数１】
0005279324.tif 000002
油注入用ポート２２の位置となる点５ｓは、点５３と点５４の中間位置の点５ｊに対して巻き角度にして、約（１．５〜１．８）×πｒａｄ分の内側の位置に設定する。この位置に設定することにより、旋回外側圧縮室８ａ及び旋回内側圧縮室８ｂに油インジェクションを注入することができ、これにより油加熱作用を低減し、圧縮機全体の体積効率を向上させることができる。
【００４２】
次に、図６及び図７を用いて旋回スクロール６の構成について説明する。旋回スクロール６は、上述したように、円板状の鏡板６ａと、これに直立したラップ６ｂとからなり、ラップ終端部６ｋの点６４、点６５までそれぞれインボリュート曲線のラップ内周面６６２とラップ外周面６６１を形成している。点６４と点６５は円弧半径Ｒｓ３にて滑らかに接続されている。ラップ始端部６ｎの点６１と点６２及び点６３とは、円弧半径Ｒｓ１の凸部形状と円弧半径Ｒｓ２の凹部形状とで滑らかに接続されている。なお、Ｏｓは座標中心点であり、Ｘｓ，Ｙｓは座標軸である。
【００４３】
このようにして構成される旋回スクロール６が旋回を始めると、旋回スクロール６と固定スクロール５との接触点が中心部に向かって移動する。このとき、図８及び図９に示すように、旋回スクロール６のラップ終端部６ｋのラップ外周面６６１と固定スクロール５のラップ内周面５６１とで囲まれる空間には旋回外側圧縮室８ａが形成され、旋回スクロール６のラップ内周面６６２と固定スクロール５のラップ外周面５６２とで囲まれる空間には旋回内側圧縮室８ｂが形成される。旋回外側圧縮室８ａ、旋回内側圧縮室８ｂは、中心部に向かって順次容積を縮小して移動し、その結果、吸入口１５から吸い込まれた低圧のヘリウムガスが圧縮されて吐出口１０から密閉容器１内の空間１ａに吐出される。
【００４４】
ここで、旋回外側圧縮室８ａの吸入容積と旋回内側圧縮室８ｂの吸入容積は、交互に増減する関係、つまり、一方が増大すると他方が減少するように変化する。
【００４５】
旋回外側圧縮室８ａにて設定される設定容積比Ｖｒｓは、下記式（２）により定義される。ここで、設定容積比Ｖｒｓとは、旋回外側圧縮室８ａの最大吸込容積となる行程容積Ｖｔｈｓを圧縮室８の吐出行程直前の旋回外側圧縮室８ａ側の最内室の容積Ｖｄ１で除した値を意味する。
【００４６】
【数２】
0005279324.tif 000003
【００４７】
【数３】
0005279324.tif 000004
【００４８】
ここで、ラップの巻き角度について説明する。この巻き角度とは巻き終わり角度又は巻き始め角度をいう。
【００４９】
旋回スクロール６においては、点６４、点６５のラップ巻き終わり角度が、いずれも１９．２４ｒａｄであり、点６１、点６３のラップ巻き始め角度は、それぞれ１．５ｒａｄ、約４．６ｒａｄとなる。これに対し、固定スクロール５においては、固定スクロール５のラップの内側曲線５６１を外側曲線５６２に対して、巻き角度として所定角度のπｒａｄ分、延長させた構成となっている。固定スクロール５の点５１、５３は、旋回スクロール６の点６３、６４とそれぞれ相対的に同一位置となる。また、旋回外側圧縮室８ａの設定容積比Ｖｒｓと旋回内側圧縮室８ｂの設定容積比Ｖｒｋとをほぼ同等に設定している。具体的には、Ｖｒｋ＝Ｖｒｓ＝２．３〜２．６の比較的低圧力比運転条件に適した設定容積比としている。これは、ヘリウム用圧縮機の運転条件が低い圧力比領域（圧力比＝２〜２．８前後）の運転条件が多いというヘリウム固有な運転条件によるものである。
【００５０】
図６に示すように、ラップ終端部の位置６ｋが、ラップ巻き終わり角度λ１ｓとλ１ｋとなり、ラップ始端部６ｎの位置が上記のラップ巻き始め角度λＳＳとλＳｋとなる。歯溝寸法（図６のＤｔ寸法）は固定スクロールラップと同様に次の式（４）で与えられる。
【００５１】
【数４】
0005279324.tif 000005
前記のＤｔ寸法とＲｓ２寸法またはＲｋ２寸法とは、ほぼ、Ｄｔ＝Ｒｓ２×２．０またはＤｔ＝Ｒｋ２×２．０の関係となっている。
【００５２】
ここで、旋回外側圧縮室８ａの吸入容積が最大となるときの状態と、旋回内側圧縮室８ｂの吸入容積が最大となるときの状態について、図８、図９を用いて説明する。図８に示すように、旋回外側圧縮室８ａの吸入容積が最大となるときには、旋回スクロール６の終端部のラップ外周面６６１が固定スクロール５のラップ内周面５６１と接触し、このとき点６５と点５４は接触する。これに対し、図９に示すように、旋回内側圧縮室８ｂの吸入容積が最大となるときには、旋回スクロール６の終端部のラップ内周面６６２が固定スクロール５のラップ外周面５６２と接触し、このとき点６４と点５３は接触する。
【００５３】
すなわち、本実施形態では、固定スクロール５において、旋回スクロール６の終端部との接点位置となる点５３、５４の巻き角度（巻き終わり角度）を、点５３の巻き角度に対して点５４の巻き角度をπｒａｄ延長させるスクロールラップの形状を形成している。
【００５４】
図１０に、本実施形態における旋回外側圧縮室８ａと旋回内側圧縮室８ｂの吸入容積とクランク軸の回転角との関係を示す。本実施形態のスクロールラップの形状によれば、旋回外側圧縮室８ａの吸入容積が最大となる吸い込み完了のタイミングはＢ点であり、旋回内側圧縮室８ｂの吸入容積が最大となる吸い込み完了のタイミングはＡ点となる。このため、両圧縮室８が最大容積となるタイミングは１８０度の回転位相差を生じることになり、吸い込み完了のタイミングは、クランク軸１４の１回転中で２回となる。
【００５５】
これに対し、従来のスクロールラップの形状によれば、図１６に示すように、吸い込み完了のタイミングがクランク軸１４の１回転中で１回となる。すなわち、旋回外側圧縮室８ａと旋回内側圧縮室８ｂの吸入容積がＣ点で同時に最大となり、両圧縮室８の吸入容積を合計するとＣ点の約２倍となるＤ点まで増加する。
【００５６】
したがって、本実施形態によれば、吸い込み完了のタイミングを従来の１回から２回に倍増できるため、吸い込み工程時のヘリウムガスと油の流動を連続流とすることができ、吸入配管１２０、３４０の間のガス圧力が圧縮機の吸入完了瞬時に閉止されることに伴う衝撃現象を緩和することができ、加えて、冷凍機１１０側で発生していた圧力脈動を吸収できるようになる。これらによって、オルダム機構部等の異常振動の発生や圧縮機の寿命低下を防止でき、信頼性の向上を図ることができる。
【００５７】
加えて、本実施形態によれば．従来、圧縮機ユニットに配置されていたサージタンクを排除することができるため、冷凍機１１０と圧縮機１００との間を直接配管接続することができ、圧縮機のユニット配管を簡素化できるというヘリウム圧縮機ユニット２４０の固有の効果を得ることができる。また、ヘリウム圧縮機ユニット２４０全体としての軽量化、低コスト化を実現できる。
【００５８】
また、図６及び図７に示すように、旋回スクロール６において、鏡板部６ａを軸方向に貫通する単一の中間圧穴６ｄと、鏡板部６ａ内に軸中心方向に設けた放射状の横穴６ｈとこれに連通してラップ方向に開口する軸方向の排油穴６ｆとからなる単一の排油機構とを備え、中間圧穴６ｄと排油穴６ｆの開口部を外側曲線６６１に沿った位置に配置している。
【００５９】
本実施形態では、圧縮室８ａ、８ｂが圧力的にπｒａｄずれた構成のために、中間圧穴６ｄと排油穴６ｆを旋回スクロール６の内側曲線６６２に沿った位置に配置していない。内側曲線６６２に沿った位置に配置すると、更にπｒａｄ内側の位置となるように、中間圧穴６ｄ、排油穴６ｆを旋回軸受け方向に配置しなければならず、穴加工が難しくなるという加工上の弊害が生じるためである。中間圧穴６ｄ、排油穴６ｆの位置は、実用的には、おおよそ次の式（５）〜（７）の位置となる。
【００６０】
【数５】
0005279324.tif 000006
【００６１】
すなわち、ヘリウムガスは油の中に溶け込まないため、ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機においては、例えば、油の粘度は約２０ｃＳｔであるのに対し、ヘリウムガスを用いない冷凍・空調用のスクロール圧縮機においては、作動ガスが油の中に溶け込み希釈されるため、例えば、油粘度が約１０ｃＳｔまで低下する。そして、旋回スクロール６の外周部において油撹拌動力の大きさは油粘度に比例して大きくなるため、圧縮機１００の油撹拌動力は、本実施形態の排油機構がない場合、約２倍の撹拌損失動力を生じることになる。したがって、ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機においては、このような大きな油撹拌動力を低減するために、本実施形態の排油機構が必要である。
【００６２】
このように排油穴６ｆが吸入室５ｆと間欠的に連通するようになると、吸入室５ｆは最も低い吸入圧力であるため、旋回スクロール６の外周部の圧力（中間圧力）と吸入室５ｆの圧力との差圧により、旋回スクロール６の外周部に溜まった油を圧縮室８側に逃がしやすくなり、油撹拌動力の低減が容易になる。
【００６３】
また、本実施形態では、図８に示すように、旋回スクロール６のラップ終端部の外周面が固定スクロールの内周面と接して点６５と点５４が重なったときに、旋回スクロール６のラップ歯先部が油注入用ポート２２の開口部のほぼ中央に位置するように設定している。更に、クランク軸が１８０度回転し、図９に示すように、旋回スクロール６のラップ終端部の内周面が固定スクロールの外周面と接して点６４と点５３が重なったときに、図８と同様、旋回スクロール６のラップ歯先部が油注入用ポート２２の開口部のほぼ中央に位置するように設定している。
【００６４】
このような位置関係とすることにより、旋回外側圧縮室８ａと旋回内側圧縮室８ｂに対してガス冷却機能とシール機能の両方をほぼ均等に機能させるとともに、両圧縮室８の圧縮効率を同等に向上させることができる。
【００６５】
また、油注入用ポート２２の開口部は、吸入完了寸前までに旋回スクロール６のラップ外周側の吸入室５ｆと間欠的に連通し、クランク軸１４の１回転中に吸い込み工程が１８０度の位相を変えて２回行われる。すなわち、中間圧穴６ｄと排油穴６ｆは、図８の状態では下流側に位置する油注入用ポート２２と圧縮室８を介して連通していないが、図９の状態になると、旋回外側圧縮室８ａを介して連通する。そして、油注入用ポート２２は中間圧穴６ｄ及び排油穴６ｆと間欠的に連通する位置に配置されている。これにより、圧縮室８に溜まった油の起動初期時における油圧縮を未然に防止する機能を持たせることができる。また、吸入室５ｆにて油溜まりを効果的に排出できるため、吸入室５ｆでの油撹拌損失の低減作用が得られるというヘリウム用密閉形スクロール圧縮機の固有の効果がある。
【００６６】
次に、ラップの巻き始め部となる先端部の円弧半径について、図１１から図１５を参照しながら説明する。図１１は図８における吐出穴の周辺部の拡大図、図１２は図１１に対して圧縮工程が進んだ状態における吐出穴の周辺部の拡大図、図１３は図１２に対してさらに圧縮工程が進んだ状態における吐出穴の周辺部の拡大図、図１４は図１３に対してさらに圧縮工程及び吐出が進んだ状態における吐出穴の周辺部の拡大図、図１５は本実施形態における旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室の作動室内圧力とクランク軸回転角と関係を説明する図である。
【００６７】
固定スクロール５の巻き始め部となる先端部の円弧半径Ｒｋ１よりも旋回スクロール６の巻き始め部となる先端部の円弧半径Ｒｓ１を大きく設定している。具体的には、Ｒｋ１＝１．２〜１．５ｍｍの範囲に設定し、一方、Ｒｓ１＝１．８〜２．２ｍｍの範囲に設定することにより、Ｒｓ１＞Ｒｋ１の関係としている。また、円弧半径Ｒｓ１と円弧半径Ｒｋ１とは、おおよそＲｓ１／Ｒｋ１＝１．４〜１．６の比率範囲となるようにしている。これにより、旋回外側圧縮室８ａ及び旋回内側圧縮室８ｂにおける作動ガス及び油の吐出流動タイミング・位相をずらすことができる。
【００６８】
すなわち、旋回外側圧縮室８ａ及び旋回内側圧縮室８ｂは図１１から図１４に示すように圧縮工程及び吐出行程が行われる。図１１は、吐出穴１０に連通された吐出工程の旋回外側圧縮室８８ａ及び旋回内側圧縮室８８ｂと、接点７８、７９による圧縮工程の旋回外側圧縮室８ａ及び旋回内側圧縮室８ｂとが形成された状態である。図１１に対して圧縮行程が進むと、図１２に示すように、旋回スクロール６の点６１が旋回外側圧縮室８ａの接点１１０を形成すると共に、固定スクロール５の点５１が旋回内側圧縮室８ｂの接点１１２を形成する。図１２に対してさらに圧縮行程が進むと、図１３に示すように、旋回外側圧縮室８ａが最内室８ｄ側と隙間Ｌｄ１を介してつながり、吐出行程の旋回外側圧縮室８８ａになるが、固定スクロール５の点５１が旋回外側圧縮室８ｂが接点１１３を形成しており、最内室８ｄ側とはつながっていない。これは、両スクロール５、６の先端部の円弧半径Ｒｓ１、Ｒｋ１の差によるものである。図１３に対してさらに吐出行程及び圧縮行程が進むと、旋回外側圧縮室８８ａ及び旋回内側圧縮室８８ｂが最内室８ｄ側と隙間Ｌｄ２、Ｌｄ３を介して完全につながるようになり、両圧縮室８８ａ、８８ｂが同時に吐出行程になる。
【００６９】
本実施形態では、旋回外側圧縮室８ａの内部圧力Ｐｉｓ及び旋回内側圧縮室８ｂの内部圧力Ｐｉｋは、クランク軸１４の回転角に対して図１５に示すように変化する。この図１５から明らかなように、旋回外側圧縮室８ａの圧力Ｐｉｓの変化において、吐出開始のタイミングはＧ点であり、旋回内側圧縮室８ｂの吐出開始のタイミングはＨ点となり、その位相差Δｄ１が生ずる。このΔｄ１の値は、実用的には、１／３πｒａｄから１／２πｒａｄが好ましい。一方、従来技術では図１７に示すように、旋回外側圧縮室と旋回外側圧縮室の吐出開始のタイミングはＥ点で同時となる。このため、本実施形態では、吐出開始のタイミングが従来技術に対して１回から２回へと倍増する。これによって、従来技術で発生していた圧力損失ΔＰｉｋ、ΔＰｉｓは、図１５に示す圧力損失ΔＰｉｋ、ΔＰｉｓのように大きく低減できる。
【００７０】
このように、吐出口１０から流出するヘリウムガスと軸受け潤滑用油及びインジェクション油の大量の油とがクランク軸１４の１回転において２度のタイミングで流出することとなり、吐出通路の確保と相まって吐出過程時での流れに伴う圧力損失の大幅な低減効果が得られる。特に、前記したように軸受け潤滑用油及びインジェクションされた全油量が吐出穴１０を通るものであり、従来機に対して吐出圧力損失を約１／４に低減できるというヘリウム圧縮機固有の効果を得ることができる。さらに、吐出圧力脈動幅の低減効果とともに、吐出圧力損失の大幅な低減効果、圧縮機入力の低下及び性能向上の効果が得られるというヘリウム圧縮機固有の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施形態のヘリウム用密閉形スクロール圧縮機を備えた冷凍装置の全体構成図である。
【図２】図１の圧縮機ユニットの外観を示す斜視図である。
【図３】図１の圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。
【図４】図３の固定スクロールの平面図である。
【図５】図４の固定スクロールの縦断面図である。
【図６】図３の旋回スクロールの平面図である。
【図７】図６の旋回スクロールの縦断面図である。
【図８】図３の固定スクロールと旋回スクロールを組み合わせた状態を示す平面断面図である。
【図９】図８に対して旋回スクロールをさらに回転させたときの平面断面図である。
【図１０】本実施形態における旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室の吸入容積とクランク軸回転角と関係を説明する図である。
【図１１】図８における吐出穴の周辺部の拡大図である。
【図１２】図１１に対して圧縮工程が進んだ状態における吐出穴の周辺部の拡大図である。
【図１３】図１２に対してさらに圧縮工程が進んだ状態における吐出穴の周辺部の拡大図である。
【図１４】図１３に対してさらに圧縮工程及び吐出が進んだ状態における吐出穴の周辺部の拡大図である。
【図１５】本実施形態における旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室の作動室内圧力とクランク軸回転角と関係を説明する図である。
【図１６】従来技術における旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室の吸入容積とクランク軸回転角と関係を説明する図である。
【図１７】従来技術における旋回外側圧縮室及び旋回内側圧縮室の作動室内圧力とクランク軸回転角と関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…密閉容器、１ａ…吐出室、１ｂ、１ｂ１、１ｂ２…モータ室、２ｂ…ケーシング部、３…モータ部、５…固定スクロール、５ａ…鏡板、５ｂ…ラップ、５ｆ…吸入室、６…旋回スクロール、６ａ…鏡板、６ｂ…ラップ、６ｎ…ラップ始端部、７…フレーム、８…圧縮室、８ａ…旋回外側圧縮室、８ｂ…旋回内側圧縮室、１０…吐出口、１４…クランク軸、１４ａ…偏心軸、１５、１５ａ、１５ｂ…吸入口、１７…吸入管、２０…吐出管、２２…油注入ポート、２３…潤滑油、３０…油取り出し管、３１…油インジェクション管、３２…旋回軸受、３９…補助軸受け、４０…主軸受、５６１…固定スクロールのラップ内周面、５６２…固定スクロールのラップ外周面、Ｒｋ１…固定スクロールラップ始端部の円弧半径、Ｒｓ１…旋回スクロールラップ始端部の円弧半径、Ｖｒｓ…旋回外側圧縮室の設定容積比、Ｖｔｈｓ…旋回外側圧縮室の最大吸込容積となる行程容積、Ｖｒｋ…旋回内側圧縮室の設定容積比、Ｖｔｈｋ…旋回内側圧縮室の最大吸込容積となる行程容積。
【図１】
0005279324.tif 000007
【図２】
0005279324.tif 000008
【図３】
0005279324.tif 000009
【図４】
0005279324.tif 000010
【図５】
0005279324.tif 000011
【図６】
0005279324.tif 000012
【図７】
0005279324.tif 000013
【図８】
0005279324.tif 000014
【図９】
0005279324.tif 000015
【図１０】
0005279324.tif 000016
【図１１】
0005279324.tif 000017
【図１２】
0005279324.tif 000018
【図１３】
0005279324.tif 000019
【図１４】
0005279324.tif 000020
【図１５】
0005279324.tif 000021
【図１６】
0005279324.tif 000022
【図１７】
0005279324.tif 000023