(57)【要約】【課題】スクロール流体機械の低能力化と性能の両立。【解決手段】旋回スクロール１３のラップ１３ｃ側の鏡板１３ａ面を、中心部と、中心部に比べて一段低い段差部１３ｅとで構成し、中心部に旋回スクロール１３のラップ１３ｃ部を構成したものである。これによって、固定スクロール１２と旋回スクロール１３が密着する面積を小さくすることが出来るので、スクロール流体機械の吸入容積を小さくしても、摺動損失の相対的な割合の増加を防ぎ、高効率なスクロール流体機械が得られることとなる。【選択図】図２
2007032292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室又は膨張室を形成し、前記旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室又は膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、吐出を行う圧縮機構部又は膨張機構部を備えたスクロール流体機械において、前記旋回スクロールのラップ側の鏡板面を、中心部と、中心部に比べて一段低い段差部とで構成し、前記中心部に前記旋回スクロールのラップ部を構成したことを特徴とするスクロール流体機械。
【請求項２】
前記スクロール流体機械が圧縮機である場合には、前記旋回スクロールの反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、前記鏡板背面中心部に吐出圧力に保たれた潤滑油を供給し、前記鏡板背面外周部には吐出圧力よりも低く吸入圧力よりも高い圧力に保たれた潤滑油を供給し、また、前記スクロール流体機械が膨張機である場合には、前記旋回スクロールの反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、前記鏡板背面中心部に吸入圧力に保たれた潤滑油を供給し、前記鏡板背面外周部には吸入圧力よりも低く吐出圧力よりも高い圧力に保たれた潤滑油を供給した、スクロール流体機械において、前記鏡板背面の前記シール部材に囲まれた中心部の面積が、前記鏡板のラップ側の中心部の面積より小さくしたことを特徴とする請求項１記載のスクロール流体機械。
【請求項３】
前記旋回スクロールの鏡板のラップ側の前記中心部が、前記鏡板外径と同心の円で構成されたことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のスクロール流体機械。
【請求項４】
前記旋回スクロールの鏡板のラップ側の前記中心部が、前記鏡板外径の中心から偏心させた円で構成されたことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のスクロール流体機械。
【請求項５】
作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスクロール流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室又は膨張室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室又は膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、吐出を行うスクロール流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のスクロール流体機械は、両スクロール部材相互の鏡板とラップ端部との接触面の気密を保持するための外力を、旋回運動する方のスクロール部材の鏡板背面に対し作用させる背圧付与手段を有し、背圧付与手段は、鏡板背面の中央部分に高い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段と、同じく外周部分に低い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段とで構成され、スクロール流体機械が圧縮機である場合における高い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段による高いレベルの外力は、吐出圧又は吐出圧に近いガス圧又は油圧であり、同じく低い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段による低い圧力レベルの外力は、自己が圧縮過程で発生する中間圧力のガス圧であり、スクロール流体機械が膨張機である場合における高い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段による高いレベルの外力は、膨張機に供給される最高圧力のガス圧又は油圧であり、同じく低い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段による低い圧力レベルの外力は、自己が膨張過程で発生する中間圧力のガス圧である。この構成によれば、装置内の異なる圧力レベルの２つのガス圧又はガス圧と油圧を併用することによって、安定した軸方向密封を達成できるので、漏れを防いで高効率なスクロール流体機械を提供することができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−７８７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、作動流体が冷媒であって、単位体積当りの冷凍能力が大きくて密度が大きい場合においては、スクロール流体機械の吸入容積を小さくする必要がある。このとき、ラップ高さを低くして吸入容積を小さくすると、固定スクロールと旋回スクロールが密着する面積が広く、スクロール流体機械の損失に占める摺動損失の相対的な割合が増大し、性能を低下させるといった問題を有していた。
【０００４】
また、旋回スクロールの鏡板を小さくして、ラップ高さを低くしないで吸入容積を小さくすることも考えられるが、自転拘束機構や軸受等も同時に小さくしなければならず、自転拘束機構の加工工数が増大したり、軸受の負荷耐力が低下して信頼性に問題が生じたりしていた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スクロール流体機械の吸入容積を小さくしても、高効率なスクロール流体機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール流体機械は、旋回スクロールのラップ側の鏡板面を、中心部と、中心部に比べて一段低い外周部とで構成し、中心部に旋回スクロールのラップ部を構成したものである。
【０００７】
これによって、スクロール流体機械の吸入容積を小さくしても、摺動損失の相対的な割合の増加を防ぎ、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のスクロール流体機械は、特に高圧・低圧縮比冷媒である二酸化炭素冷媒を用いた場合に、高効率化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、旋回スクロールのラップ側の鏡板面を、中心部と、中心部に比べて一段低い段差部とで構成し、中心部に旋回スクロールのラップ部を構成したものである。これによって、固定スクロールと旋回スクロールが密着する面積を小さくすることができるので、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００１０】
第２の発明は、スクロール流体機械が圧縮機である場合には、旋回スクロールの反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、鏡板背面中心部に吐出圧力に保たれた潤滑油を供給し、鏡板背面外周部には吐出圧力よりも低く吸入圧力よりも高い圧力に保たれた潤滑油を供給し、また、スクロール流体機械が膨張機である場合には、旋回スクロールの反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、鏡板背面中心部に吸入圧力に保たれた潤滑油を供給し、鏡板背面外周部には吸入圧力よりも低く吐出圧力よりも高い圧力に保たれた潤滑油を供給した、スクロール流体機械において、鏡板背面の前記シール部材に囲まれた中心部の面積が、前記鏡板のラップ側の中心部の面積より小さくしたものである。これによって、旋回スクロールが固定スクロールに対して過大な力で押付けられることがないので、摺動損失を低減させたより効率の高いスクロール流体機械を提供することができる。
【００１１】
第３の発明は、旋回スクロールの鏡板のラップ側の中心部が、鏡板外径と同心の円で構成されたものである。これによって、加工工数の増加を最小にしながらも、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００１２】
第４の発明は、旋回スクロールの鏡板のラップ側の中心部が、鏡板外径の中心から偏心させた円で構成されたものである。これによって、回転角度に応じて旋回スクロールが固定スクロールから離反しようとする力が変化するが、離反しようとする力が大きくなる方に、鏡板背面中心部の圧力が高い部分を構成することが可能となるために、鏡板背面の最大押付け力を小さくしても安定した軸方向密封を達成できるので、スラスト部の摺動損失を低減しながら漏れを防いで高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１〜第４の発明の、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたものである。これによって、高圧なため旋回スクロールと固定スクロールがより強い力で押付けられるが、摺動損失を低減させたより効率の高いスクロール流体機械を提供することができる。
【００１４】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械（膨張機）の断面図を示す。密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸４の主軸部４ａを軸支する主軸受部材１１と、この主軸受部材１１上にボルト止めした固定スクロール１２との間に、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３を挟み込んでスクロール式の膨張機構部を構成し、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に旋回スクロール１３の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転規制機構１４を設けている。
【００１６】
上記構成において、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ｂにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより旋回スクロール１３を円軌道運動させ、これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している膨張室１５が中央部から外周側に移動しながら大きくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６および固定スクロール１２の中央部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して膨張していき、所定圧以下になった冷媒ガスは固定スクロール１２の外周側の吐出口１８から密閉容器１外に吐出させることを繰り返す。
【００１７】
またクランク軸４の他端側は副軸受部材２１によって支持され、クランク軸４の他端側の先端には容積型ポンプ２５を備えている。潤滑油６は、潤滑油溜り２０から容積型ポンプ２５はクランク軸４の軸方向の中心に設けられた給油経路（図示せず）を経て、主軸受部１１ａ、偏心軸受部１１ｂを潤滑および冷却した後、潤滑油戻し孔２６を経て、再循環を行う。一方、偏心軸受部１１ｂに到達した潤滑油６の一部は、旋回スクロール１３の内部に設けられた絞り通路２８より減圧されて背圧室２９に供給される。なお、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材５を配置している。シール部材５は偏心軸受部１１ｂに到達した潤滑油６の圧力と背圧室２９の圧力とを仕切る役割を持っている。
【００１８】
背圧室２９に供給された潤滑油６が溜まるに従い、背圧室２９の圧力が上昇するが、その圧力を一定に保つために、背圧調整機構９が構成されており、背圧室２９の圧力が設定された圧力より高くなると背圧調整機構９が作動して背圧室２９の潤滑油６は冷媒とともに密閉容器１外へと吐出される。
【００１９】
図２は、本発明の第１の実施の形態におけるスクロール流体機械（膨張機）の旋回スクロールの斜視図である。図２において、特に、単位体積当りの冷凍能力が大きくて密度が大きい場合においては、スクロール流体機械の吸入容積を小さくする必要があるが、旋回スクロール１３のラップ１３ｃ側の鏡板１３ａ面を、中心部と、中心部に比べて一段低い段差部１３ｅとで構成し、中心部に旋回スクロール１３のラップ部１３ｃを構成することによって、スクロール流体機械のラップ１３ｃ高さを低くすることなく、吸入容積を小さくすることが可能となる。これによって、固定スクロール１２と旋回スクロール１３が密着する面積を、ラップ１３ｃ高さを低くした場合に比べて小さくすることができるので、摺動する面積を縮小することができ、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。また、自転拘束機構１４や軸受等は小さくする必要がないので、自転拘束機構１４の加工工数の増大を防ぎ、軸受の負荷耐力を低下させることもないので、高い信頼性のスクロール流体機械を実現することができる。
【００２０】
なお、旋回スクロール１３の鏡板１３ａのラップ側の中心部が、鏡板１３外径の中心から偏心させた円で構成することも可能である（図示せず）。以下、旋回スクロール１３の鏡板１３ａのラップ側の中心部が、鏡板１３外径の中心から偏心させた円で構成する意図について説明する。図３に旋回スクロールに働く力の力学モデルを示す。旋回スクロール１３は円盤形状の鏡板１３ａの上側に渦巻き（インボリュート）形状のラップ１３ｃを、下側にクランク軸４の偏心部のピンと勘合するボス部を有する。Xm-Ym-Zm座標系は、ボス部の中心軸上向きをZm軸とする運動座標系である。従って、力の釣合いを考える場合、慣性力を考慮する必要がある。  Fr，Ft，MG はラジアル方向のガス力とモーメントであり、それぞれ、半径方向ガス力、接線方向ガス力、およびガスモーメント、Fi ，Fwrap ，Fbase ，Foはスラスト方向のガス力であり、それぞれ、圧縮室５底面に働くガス力、ラップ先端に働くガス力、ラップ１３ｃよりも外側の鏡板１３ａに働くガス力、鏡板背面１３ｄに働くガス力である。O1，O2はオルダムリングと旋回スクロール１３の間に働く力、ｆ01、ｆ02はその摩擦力、Mm，ηmは転覆モーメントとその向き、Mxm、MymはそのXm，Ym軸
方向成分、Ft1，Ft2はスラスト軸受の拘束力、ft1，ft2はその摩擦力、lG ，lO ，lSは基準面（スラスト軸受面）から重心、オルダムリング、およびボス部の中心高さまでの距離、xr ，yrはX-Y-Z座標系における旋回スクロール１３重心の座標、ｍｓは旋回スクロール１３の質量である。
【００２１】
固定スクロール１２と旋回スクロール１３が離反して密着性が失われて、ラップ先端からの漏れが増大して性能が低下する現象は、これら力学モデルから計算された結果、スラスト軸受力Ft1，Ft2がマイナスになったときとなる。図４に回転角度とスラスト軸受力軸受力Ft1，Ft2を示す。図を見ても分かるように、回転角度に従って変化するスラスト軸受力が少なくともマイナスにならないように、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面１３の高圧部分の面積を増やす必要がある。図５に、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面１３の高圧部分の面積を増やしたときの、回転角度とスラスト軸受力軸受力Ft1，Ft2を示す。この場合、押付け力がより大きくなり、固定スクロール１２と旋回スクロール１３が離反して密着性が失われて、ラップ先端からの漏れが増大して性能が低下することはないが、反対に、押付け力が大きすぎる場合が発生し、結果として摺動損失が増大するという問題があった。
【００２２】
そこで、旋回スクロール１３の鏡板１３ａのラップ側の中心部が、鏡板１３外径の中心から偏心させた円で構成した場合の、回転角度とスラスト軸受力軸受力Ft1，Ft2を図６に示す。ここで、旋回スクロール１３を転覆させようとするモーメントMm を抑制する方向に旋回スクロール１３の鏡板１３ａのラップ側の中心部を偏心させたものとする。この場合、スラスト軸受力Ft1，Ft2が最小になる場所の力を大きくして、反対に、押付け力が大きすぎる場所では小さくすることができる。結果、固定スクロール１２と旋回スクロール１３が離反して密着性を確保して、ラップ先端からの漏れを防ぎながら、同時に、最大押付け力を小さくすることができるので、摺動損失が増大させることなく、高効率なすクロール流体機械を実現することができる。従来、この旋回スクロール１３を転覆させようとするモーメントMm を抑制する方法には、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板１３ａ背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材５を偏心させて配置して、最大押付け力を小さくしようとする方法があったが、この場合には自転拘束機構１４や軸受等の干渉によって自由に設計することが非常に困難であった。
【００２３】
なお、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることにより、高圧なため旋回スクロールと固定スクロールがより強い力で押付けられるが、摺動損失を効果的に低減させたより効率の高いスクロール流体機械を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上のように、本発明にかかるスクロール流体機械は、旋回スクロールの鏡板のラップの巻き終わり部より外周部を、中心部に比べて低く構成したものである。これによって、スクロール流体機械の吸入容積を小さくしても、摺動損失の相対的な割合の増加を防ぎ、高効率なスクロール流体機械を提供することができるので、作動流体を冷媒と限ることなく、空気、ヘリウムを作動流体とするスクロール膨張機や、スクロール流体機械の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械の断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械の旋回スクロールの斜視図
【図３】本発明の実施の形態１における旋回スクロールの力学モデル図
【図４】本発明の実施の形態１における回転角度とスラスト軸受力を示す特性図
【図５】本発明の実施の形態１における鏡板背面の高圧部分の面積を増やした時の回転角度とスラスト軸受力を示す特性図
【図６】本発明の実施の形態１における旋回スクロールの鏡板のラップ側の中心部が鏡板外径の中心から偏心させた円で構成した場合の回転角度とスラスト軸受力を示す特性図
【符号の説明】
【００２６】
２  圧縮機構
５  シール部材
６  潤滑油
１２  固定スクロール
１３  旋回スクロール
１３ａ  鏡板
１３ｂ  ラップ底面
１３ｃ  ラップ
１３ｄ  鏡板背面
１３ｅ  段差部
１４  自転規制機構
１５  膨張室
１７  吸入口
２９  背圧室
【図１】
2007032292.tif 000003
【図２】
2007032292.tif 000004
【図３】
2007032292.tif 000005
【図４】
2007032292.tif 000006
【図５】
2007032292.tif 000007
【図６】
2007032292.tif 000008