(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスとしてのヘリウムガスを圧縮して吐出するスクロール圧縮機部と、該スクロール圧縮機部を駆動する電動機部とを密閉容器に収納し、
前記スクロール圧縮機部は、鏡板に渦巻状のラップが立設された固定スクロールと、該固定スクロールに対して旋回可能に前記電動機部の回転軸の偏心機構に係合され、前記固定スクロールのラップに噛み合って圧縮室を形成する渦巻状のラップが鏡板に立設された旋回スクロールとを備え、
前記固定スクロールは、鏡板の外周部に形成され前記圧縮室にヘリウムガスを吸引する吸入口と、鏡板の中央部に形成され前記圧縮室で圧縮されたヘリウムガスを吐出する吐出口とを有し、
前記旋回スクロールは、鏡板背面側に配設されたフレームとの間に背圧室を形成し、前記圧縮室から圧縮途中のヘリウムガスの一部を前記背圧室に導く細穴からなる複数の第1の中間圧穴が鏡板に形成されたものとし、
前記背圧室の中間圧力と前記密閉容器の圧力との差圧で前記密閉容器内の底部に溜まった油を吸い上げて前記回転軸側に供給するヘリウム用スクロール圧縮機において、
前記固定スクロール及び前記旋回スクロールは、下式に示すスクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが１．８〜２．３になるスクロール歯形形状を有すると共に、
前記旋回スクロールの鏡板には、前記圧縮室に開口させて鏡板内に形成された細穴と該細穴に連絡させて鏡板内に形成され該鏡板の外周部に開口された放射状横穴とからなる第２の中間圧穴が形成され、前記第１と第２の中間圧穴の細穴の前記圧縮室側の開口位置のスクロールラップ巻き角度を平均した値λｂｍが下式で定められる条件を満たすことを特徴とするヘリウム用スクロール圧縮機。
0003876335.tif 000004
【請求項２】
請求項1に記載のヘリウム用スクロール圧縮機において、運転圧力比が１．５〜５の範囲であることを特徴とするヘリウム用スクロール圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、超高真空分野のクライオポンプ装置用ヘリウム圧縮機等に使用される密閉形スクロール圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の密閉形スクロール圧縮機において、油による冷却、いわゆる油インジェクション方式（油注入方式）としては、例えば特開昭６１−１８７５８４号公報に開示されているように、吐出管の途中に油分離器を設け、この油分離器でガスから分離した油を圧縮機部へ注入するとともに、密閉容器内の油も圧縮機部へ注入するように構成したものがある。また、ヘリウム液化冷凍装置用圧縮機の例としては、特開平３−２７１５８３号公報に開示された油インジェクション方式のスクロール圧縮機がある。そして、上記従来技術のスクロール圧縮機では、スクロールラップの巻き数は２.７〜４前後と比較的大きく設定されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近、圧縮機をヘリウム用途に使用する場合、圧力比が１.５〜２など、これまでにない極端に低い圧力比域での運転ニーズが高まってきている。しかしながら、上記従来の圧縮機では、クライオポンプ装置用の圧縮機で圧力比が２.５〜７前後であり、極端に低い圧力比域では正常な運転が確保できない。すなわち、上記のように１.５〜２前後の低い圧力比条件の場合、従来の圧縮機では一般的に圧縮機の過圧縮動力損失が大きくなって、効率低下が顕著となるという問題が生じる。
【０００４】
また、従来の圧縮機では、圧縮室内部ガス圧力の増大により旋回スクロールの軸方向変位量が増大するため不安定な旋回運動となり、ラップ同士の接触によるかじりなどを引き起こす場合がある。ヘリウムガスを作動ガスとした場合、他の冷媒ガス（例えば、冷凍空調用のフロンガスなど）に比べてガスの比熱比が大きいため、内部圧縮動力も大きくなり、また吐出ガス温度が高くなるため、ヘリウムガスの冷却を強化する必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、極端に低い圧力比域でも効率低下することなく、かつ安定した運転が可能なヘリウム用スクロール圧縮機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、本発明のヘリウム用スクロール圧縮機は、作動ガスとしてのヘリウムガスを圧縮して吐出するスクロール圧縮機部と、該スクロール圧縮機部を駆動する電動機部とを密閉容器に収納し、前記スクロール圧縮機部は、鏡板に渦巻状のラップが立設された固定スクロールと、該固定スクロールに対して旋回可能に前記電動機部の回転軸の偏心機構に係合され、前記固定スクロールのラップに噛み合って圧縮室を形成する渦巻状のラップが鏡板に立設された旋回スクロールとを備え、前記固定スクロールは、鏡板の外周部に形成され前記圧縮室にヘリウムガスを吸引する吸入口と、鏡板の中央部に形成され前記圧縮室で圧縮されたヘリウムガスを吐出する吐出口とを有し、前記旋回スクロールは、鏡板背面側に配設されたフレームとの間に背圧室を形成し、前記圧縮室から圧縮途中のヘリウムガスの一部を前記背圧室に導く細穴からなる複数の第1の中間圧穴が鏡板に形成されてなり、前記背圧室の中間圧力と前記密閉容器の圧力との差圧で前記密閉容器内の底部に溜まった油を吸い上げて前記回転軸側に供給するものとし、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールは、下式に示すスクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが１．８〜２．３になるスクロール歯形形状を有すると共に、前記旋回スクロールの鏡板には、前記圧縮室に開口させて鏡板内に形成された細穴と該細穴に連絡させて鏡板内に形成され該鏡板の外周部に開口された放射状横穴とからなる第２の中間圧穴が形成され、前記第１と第２の中間圧穴の細穴の前記圧縮室側の開口位置のスクロールラップ巻き角度を平均した値λｂｍが下式で定められる条件を満たすことを特徴とする。
0003876335.tif 000002
【０００７】
図１７は、Ｖｒを変化させた場合の全断熱効率の圧力比に対する変化を示したもので、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが１.８〜２.３のとき、全断熱効率は、従来機（例えばＶｒ＝２.７）に対して、圧力比で１０数％から２０数％向上している。特に、ヘリウムガスを使用したスクロール圧縮機は極端に低い圧力比での運転頻度が多いが、上記構成によれば、この極端に低い圧力比で全断熱効率が向上しており、高性能のスクロール圧縮機を得ることができる。また、各中間圧穴の位置を所定条件に従って決めることにより、中間圧力比を所期値（例えば１．５）に合わせることができるから、回転軸側の例えば主軸受に所要量の油を供給するための差圧を確保しつつ、スクロールラップ部の軸方向押し付け力を低減して摺動損失を軽減できる。
【０００８】
スクロールラップ部は鋳物素材で形成するとともに、スクロールラップ巻始め部及びスクロールラップ巻終わり部の少なくとも一方に段差を設けることができる。
【０００９】
また、設定容積比Ｖｒは２.１とすると良い。設定容積比Ｖｒを２.１とする理由は、図１７から分かるように、低圧力比域での性能向上効果がある一方、高圧力比域（Ｐｄ／Ｐｓ＝５前後）での性能低下が比較的小さいためである。
【００１０】
また、スクロールラップ部先端の肉厚をスクロールラップ部の平均的な厚さより厚くすると、スクロールラップの強度を向上させることができる。
【００１１】
また、固定スクロールを旋回スクロールの背面側に設けられたフレームに固定して、フレームと旋回スクロールの鏡板背面とで背圧室を形成する一方、ヘリウムガスを冷却するための油を、固定スクロールと旋回スクロールで形成される圧縮室に注入する油注入ポートを固定スクロールの鏡板に設けるとともに、圧縮室で圧縮途中のヘリウムガスの一部を背圧室に導く細穴を旋回スクロールの鏡板に形成し、かつ背圧室の圧力Ｐｂと吸入圧力Ｐｓとの比Ｐｂ／Ｐｓを約１.５に設定する。
【００１２】
また、本発明では、下限運転圧力比(Ｐｄ／Ｐｓ)ｍｉｎと設定中間圧力比(Ｐｂ／Ｐｓ）ｍとは、(Ｐｄ／Ｐｓ)ｍｉｎ ≒ (Ｐｂ／Ｐｓ)ｍ ＋ ０.２の関係を満たしている。
【００１３】
さらに、本発明は、ヘリウム冷凍装置に用いられ、圧縮機の運転圧力範囲として、吐出圧力と吸入圧力との比が約１.５〜５前後の運転圧力比条件の範囲であって、吸入圧力の上限値において運転圧力比の下限値に設定した運転範囲としたことを特徴とするものである。
【００１４】
さらにまた、本発明は、運転圧力比１.５〜２前後の低い圧力比範囲だけを対象にして高性能化を目指すため、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが１.８〜２.０のスクロール歯形形状を有する互に噛み合わされた固定スクロール及び旋回スクロールを備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明に係るスクロール圧縮機の旋回スクロールの先端部形状を示している。ここで図２及び図３は、スクロール圧縮機の量産性、生産性を向上させるため、設定容積比Ｖｒが例えば約２.７の空調用スクロールラップ部をヘリウム用スクロールラップ部に流用した例である。空調用スクロールラップ部は一般に鋳物素材で形成されており、この例では、スクロールラップ巻始め部の一部を残した段差形状のスクロールラップ部を鋳物素材で形成し、ヘリウム用として適正なスクロールラップ形状としている。
【００１６】
上述したように、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが１.８〜２.３であれば、スクロール圧縮機は、極端に低い圧力比域でも効率低下することなく、かつ安定した運転が可能となる。図１〜図３に示した旋回スクロールは、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが２.１のスクロール歯形形状を有している。また、この旋回スクロールと噛み合う固定スクロールも、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが２.１のスクロール歯形形状を有している。
【００１７】
Ｖｒは下式で表される。
【数４】
0003876335.tif 000003
ここで、λｌ：ラップ巻き終り角度（インボリュート伸開角）
λｓ：ラップ巻き始め角度（インボリュート伸開角）
π：円周率
α：旋回半径εｔｈとスクロールラップの基礎円半径ａの比(=εｔｈ/a)
【００１８】
図１において、６５はインボリュート曲線で、ａ点が始点（λｓ＝２.５３ｒａｄ）である。ｄ点とｃ点を結ぶ曲線６７は内側円弧曲線（中心は点Ｏ２で半径ｒ３）で、先端部のｃ点はなめらかな円弧曲線６６（中心は点Ｏ１で半径ｒ１）によってａ点に結ばれている。円弧曲線６６で囲まれた部分はラップの中央先端部６ｐである。ｄ点より外側の曲線６８もインボリュート曲線である。図中、破線部は、空調用スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが例えば約２.７のスクロール歯形形状を示している。このスクロール歯形形状は、その先端部のｂ点とｃ点がめらかな円弧曲線６９（半径ｒ２）によって結ばれている。また、内側円弧曲線６７の半径ｒ３は、歯溝寸法（図４のＤｔ寸法）の半分の値である。なお、Ｄｔは次式で与えられる。
Ｄｔ ＝ ２×εｔｈ ＋ｔ        ………………（３）
【００１９】
例えば、Ｄｔ＝１７.５ｍｍとなり、ｒ３＝８.７５ｍｍとなる。一方、ｒ１＝２.４３ｍｍとラップ先端部の円弧直径は４.８６ｍｍとなり、その値はラップ厚さ（たとえば、ｔ＝４.５ｍｍ）より大きい値に設定できる効果がある。このように、ラップ先端部の肉厚はラップ６ｂの平均的な厚さｔより大きく設定されている（図８に示す固定スクロール５のラップ５ｂの場合も同じ）。このため、巻始め部の位置を図１のｂ点からａ点へと移すことによって、ラップ先端部の厚さが大きくなり（ｒ２の２倍→ｒ１の２倍に）、ガス圧荷重による応力集中が緩和されて、ラップ強度を向上させることができる。
【００２０】
また、図２及び図３において、６ｋはスクロールラップ巻始め側の空調用ラップ先端部であった部位を、ラップ根元部のみ残して上部がカットされた段差部である。この段差部６ｋの高さＬ１は例えば１ｍｍ位である。段差部６ｋを除いて中央先端部６ｐは図１の場合と同じ構成である。
【００２１】
このような構成においても、中央先端部６ｐの加工精度が緩和化されることにより、加工性（生産性）の向上、及び中央先端部６ｐのラップ強度の向上を図ることができる。
【００２２】
図４は旋回スクロールの平面図、図５はその縦断面図である。図４及び図５の旋回スクロールは、その先端部が図１又は図２〜図３に示したスクロール歯形形状に形成されている。図４に示すように、旋回スクロール６は円板状の鏡板６ａを有し、鏡板６ａ上に渦巻き状のラップ６ｂが形成されている。ｆ点及びｇ点がラップ巻き終り部の点である。角度にして、例えば、インボリュート伸開角λｌ＝１９.３ｒａｄとなる。なお、Ｖｒ＝２.１仕様のラップ巻き始め角度はλｓ＝２.５３ｒａｄであり、一方、Ｖｒ＝２.７の場合は図１において、ｂ点の位置のλｓ＝１ｒａｄとなる。Ｖｒ＝２.７の場合のラップ中央部先端の外側曲線と内側曲線をなめらかに結んだ円弧曲線６９の半径はｒ２＝０.３ｍｍ〜０.５ｍｍ位となる。
【００２３】
また、旋回スクロール６の鏡板６ａには細穴６ｅ，６ｆが設けられている。これらの細穴６ｅ，６ｆは、圧縮途中のガスの一部を圧縮室から、旋回スクロール背面の背圧室に導くためのものである。すなわち、圧縮機全体構造として図１２に示すように、固定スクロール５はフレーム１１に固定され、さらに固定スクロール５には旋回スクロール６が噛み合わされている。そして、圧縮途中のガスの一部が、固定スクロール５と旋回スクロール６で形成された圧縮室８から細穴６ｅ，６ｆを介して、旋回スクロール６の鏡板６ａとフレーム１１で形成された背圧室７７に導入される。図中、６ｃは鏡板６ａの反ラップ面側に設けられたボス部で、このボス部６ｃには旋回軸受３２（図１２参照）が嵌合される。
【００２４】
このような細穴６ｅ，６ｆを設けておけば、背圧室７７の圧力が低くなるので、スクロールラップ部の軸方向押付け力が低減されて、摺動損失が軽減でき、低い圧力比条件における圧縮機の性能を向上させることができる。
【００２５】
なお、図４において、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが１.８〜２.３となるよう、ラップ６ｂのスクロール歯形形状を設定しておけば、細穴６ｅ，６ｆが無くても本発明の目的は達成できる。
【００２６】
図６は、旋回スクロール６の鏡板６ａに、細穴６ｅ，６ｆに加えて、放射状横穴６ｙと、これにつながる細穴６ｎを設けた例である。図７は、その放射状横穴６ｙと細穴６ｎが設けられた部分の詳細構造を示している。
【００２７】
このような放射状横穴６ｙ及び細穴６ｎを設けておけば、鏡板６ａの外周部に溜まった油を放射状横穴６ｙ及び細穴６ｎを介して積極的に圧縮室８側に排除することができ、鏡板６ａの外周部での油攪拌損失を低減することができる。図中、破線の矢印は油の流れを示している。
【００２８】
また、本実施の形態は、細穴６ｅ，６ｆ，６ｎの３個により、背圧室７７の圧力（Ｐｂ）を圧力比にしてＰｂ／Ｐｓ＝約１.５前後に設定しており、前述と同様の効果を達成できる。例えば、下限の運転圧力比１.７を確保するため、背圧室７７の圧力を圧力比にして約１.５前後に設定するのは、旋回軸受３２及び主軸受２６（図１２参照）への給油量を確保するための差圧（＝Ｐｄ−Ｐｂ）をある一定値以上にするためである。すなわち、次の関係をほぼ満たす圧縮機構造としている。
（Ｐｄ／Ｐｓ）ｍｉｎ≒（Ｐｂ／Ｐｓ）ｍ＋０.２    ………………（４）
ここで（Ｐｄ／Ｐｓ）ｍｉｎ：下限運転圧力比
（Ｐｂ／Ｐｓ）ｍ    ：設定中間圧力比
【００２９】
設定中間圧力比は、細穴６ｅ，６ｆ及び６ｎの位置（インボリュート角度）の関数として与えられる。上記３つの具体的な穴位置は、スクロールラップ角度（インボリュート伸開角）にして、λｂ１＝１０.８ｒａｄ（細穴６ｅ，６ｆの位置）、λｂ２＝１１.５ｒａｄ（細穴６ｎの位置）となり、これら３つの平均がラップ角度λｂｍ＝１１.０３ｒａｄとなる。この値が、前記巻終わり角度λｌ＝１９.３ｒａｄとの関係から、ヘリウム用途では、（Ｐｂ／Ｐｓ）ｍ ＝１.５を設定することとなる。上記（４）式中の０.２の値は、実用的には、０.１５〜０.２５の範囲まで適用可能である。従来機の設定中間圧力比は、（Ｐｂ／Ｐｓ）ｍ＝２.２から２.５前後であった。すなわち、λｂｍ／λｌ＝０.５５〜０.６０の関係となるように、中間圧穴手段の平均のラップ角度λｂｍを設定する。従来機の場合は、λｂｍ／λｌ＝０.４５前後となり、穴位置が吐出圧力側に近くなるため、設定中間圧力比が高くなる。このため、従来機では中間圧（背圧室の）圧力が高くなり、旋回スクロール６から固定スクロール５への軸方向押し付け力が顕著に増大する。上記のＶｒ２.１のスクロールラップ構造とすることにより、圧縮室内部ガス圧力の増大（過圧縮圧力の増大）が解消され、旋回スクロール６の軸方向変位量が小さくなり、安定した旋回運動となる。その結果、ラップ同士の接触によるかじり現象を防止でき、ヘリウム圧縮機の信頼性が向上する。
【００３０】
なお、図６において、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが１.８〜２.３となるよう、ラップ６ｂのスクロール歯形形状を設定しておけば、細穴６ｅ，６ｆが無くても本発明の目的は達成できる。
【００３１】
図８は固定スクロール５の平面図、図９はその縦断面図である。固定スクロール５は、旋回スクロール６の場合と同様、その先端部が図１〜図３に示したようなスクロール歯形形状に形成されている。固定スクロール５は円板状の鏡板５ａを有し、鏡板５ａ上に渦巻き状のラップ５ｂが形成されている。また、鏡板５ａには油インジェクション用ポート２２が設けられている。この油インジェクション用ポート２２は、１個にて両方の圧縮室８へ冷却油を注入できるもので、ラップ溝中心位置に設けられている。その穴径ｄ0は、ラップ厚さｔより大きい値に設定され、油インジェクション時の油撃現象を防止している。また、鏡板５ａのほぼ中央部には吐出口１０が、外周部には吸入口１５ａ，１５ｂがそれぞれ設けられている。
【００３２】
図６〜図９に示したスクロールラップ形状は、圧縮機の行程容積（最大密閉空間の大きさ）として、Ｖｔｈ＝１６０ｃｍ３の例である。また、ラップ高さのみを変えて、Ｖｔｈ＝１８０ｃｍ３に設定できる。なお、これらの大形のスクロール歯形形状の固定スクロール５及び旋回スクロール６を備え、冷却用油インジェクション機構手段、及び該油インジェクション機構手段に油を供給するための油出口配管部を容器底部に備えた圧縮機構造については、図１２にて説明する。
【００３３】
図１０及び図１１は、本発明の作用効果を示した説明図である。図１０において、本発明の運転範囲はＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ａの内側領域となる。従来機の運転範囲はＧ−Ｈ−Ｉ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇの内側領域と狭い圧力範囲である。本発明では、運転範囲Ａ−Ｂ−Ｊ−Ｋ−Ｅ−Ｆ−Ａの内側領域と設定してもよい。ラインＣ−Ｄは、圧力比７位の条件であり、一方、ラインＪ−Ｋは、圧力比５位の条件となる。図１０では吐出圧力Ｐｄに上限値を設定している。吐出圧力Ｐｄの上限値は、主にモータ出力の制限による。モータの出力の最大値として定格出力の１９０％前後の値を限界値としている。この限界値から吐出圧力に上限値（例えば、Ｐｄ＝２.５〜２.８ＭＰａＧ）を設定している。
【００３４】
図１１に示すように、ヘリウム成績係数は、本発明の構成とすることにより、吸入圧力Ｐｓが高いほどまた、運転圧力比が低いほど向上する特質を備える。すなわち、低圧力比条件でかつ高吸入圧力条件の運転を実現できるヘリウム冷凍装置用のスクロール圧縮機の運転範囲及び運転方法としている。図１１により、本発明では、上記運転範囲とすることにより、ヘリウム成績係数が従来機に対して約２００％近くと大幅に向上していることを示す。これは、Ｖｒ２.１による内部圧縮動力の低減効果の他に、従来機の設定中間圧力比に対して本発明では低い（Ｐｂ／Ｐｓ）ｍ 値を設定しているので、旋回スクロール６側から固定スクロール５側への相対的なスラスト方向の押しつけ力が軽減され、機械損失の低下効果と相まって、さらに、性能向上を図ることができる作用効果が得られるためである。その効率改善効果は、図１７に示すように、低圧力比運転時での全断熱効率ηadoの改善効果は、Ｖｒ＝２.１用のヘリウム用スクロール圧縮機の場合、Ｖｒ＝２.７に比べて、ηadoの差（Δηado）が数％から１０％改善できることが実験的に確認できているためである。なお、ヘリウム成績係数とは、次式で定義した値である。
Ｅ＝ＱＮ／Ｗｉ          ………………………（５）
ここで、 Ｅ：ヘリウム成績係数（Ｎｍ３／ｈ／ｋＷ）
ＱＮ：０℃、１気圧に換算したヘリウムガス流量（Ｎｍ３／ｈ）
Ｗｉ：モータ入力（ｋＷ）
【００３５】
次に、本発明に係るスクリュー圧縮機の全体構成について説明する。
図１２は、横形構造における注油式密閉形スクロール圧縮機の縦断面図である。図１２に示すように、作動ガスがヘリウムガスであり、該作動ヘリウムガスを冷却するための油インジェクション管３１が密閉容器１のＳキャップ１ａを貫通して設けられている。そして、油インジェクション管３１は、固定スクロール５の鏡板部５ａに設けられた油インジェクション用ポート２２に接続され、この油インジェクション用ポート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。密閉容器１内の吸入配管１７ａ側にはスクロール圧縮機部２５０が、反対側には電動機部３が収納されている。そして密閉容器１内は、吐出室２ａと、フレーム１１を挟んで電動機室２ｄとに区画されている。スクロール圧縮機部２５０は、固定スクロール５と旋回スクロール６が互いに噛み合って圧縮室（密閉空間）８を形成している。
【００３６】
フレーム１１の中央部には円筒コロ軸受からなる主軸受２６が設けられ、この主軸受２６に回転軸８２が支承されている。回転軸８２の先端には偏心軸８２ａが設けられ、この偏心軸８２ａは旋回スクロール６のボス部６ｃに嵌合されている。また、フレーム１１には固定スクロール５が複数本のボルトによって固定され、旋回スクロール６は、オルダムリングおよびオルダムキーよりなるオルダム機構１４によってフレーム１１に支承されている。そして、回転軸８２が回転すると、旋回スクロール６は、固定スクロール５に対して自転することなく旋回運動を行う。
【００３７】
回転軸８２には圧縮機部２５０の反対側に電動機軸８２ｂが一体的に設けられ、回転軸８２と電動機部３とが直結されている。固定スクロール５の吸入口１５（１５ａ，１５ｂ）には密閉容器１を貫通して吸入管１７（１７ａ，１７ｂ）が接続され、吐出口１０が開口している吐出室２ａは通路１８ａ，１８ｂを介して電動機室２ｄと連通している。この電動機室２ｄは密閉容器中央部のケ−シング部１ｂを貫通する吐出管１９に連通している。また電動機室２ｄは、電動機ステータ３ａとフレーム１１の側壁との間の隙間２０、及び電動機ステータ３ａと電動機ロータ３ｂとの隙間（図示省略）を介して連通している。なお、吸入管１７ａ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２１ａが設けられている。また吸入管１７内には、逆止弁２２２が設けられ、この逆止弁２２２は圧縮機停止時の回転軸８２の逆転を防止するためと、密閉容器１内の潤滑油が低圧側に流出するのを防止するためのものである。
【００３８】
また、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２５０とフレーム１１で囲まれた背圧室７７が形成され、この背圧室７７には、上述したように鏡板６ａに穿設した細穴６ｅ，６ｆを介して、吸入圧力と吐出圧力の中間の圧力Ｐｂ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力を付与している。密閉容器１の底部には潤滑油２４が溜められており、この潤滑油２４は密閉容器１内の高圧圧力と背圧室７７の中間圧力Ｐｂとの差圧により、油吸上管９６ｄへ吸上げられる。油吸上管９６ｄへ吸上げられた潤滑油２４は、電動機軸８２ｂ内及び回転軸８２内を流れ、旋回軸受３２、主軸受２６及び補助軸受２７へ給油される。主軸受２６及び旋回軸受３２へ給油された油は、背圧室７７を経て細穴６ｅ，６ｆ（図６参照）を介して圧縮室８へ注入されて圧縮ガスと混合された後、吐出ガスと共に吐出室２ａへ吐出される。
【００３９】
上記構成によれば、主軸受２６への給油差圧が確保されるため、主軸受２６の冷却作用が促進され、ヘリウム圧縮機の性能向上に伴う軸受荷重の低減効果との相乗作用によって、主軸受２６の寿命を大幅に延長させることができる。また、主軸受２６への給油が確実となり、圧縮機の信頼性が更に大幅に向上させることができる。
【００４０】
密閉容器１の底部には、この底部の潤滑油２４を器外へ取出す油取り出し管３０が設けられている。また密閉容器１のＳキャップ部１ａには、スクロール圧縮機部２５０の圧縮途中の圧縮室８へ油を注入する油インジェクション管３１が設けられている。
【００４１】
上記構成のスクロール圧縮機において、電動機ロータ３ｂが回転して回転軸８２ｂが回転すると、偏心軸８２ａが偏心回転し、旋回スクロール６は回転することなく旋回運動を行う。この旋回運動により、圧縮室８は次第に中心に移動して容積が減少する。作動ガスは吸入管１７から吸入口１５（１５ａ，１５ｂ：図８参照）を経て吸入室５ｆへ入るとともに、軸受（旋回軸受３２や主軸受２６など）を潤滑した油が旋回スクロール鏡板６ａ外周部のフレーム室１１ｆから、旋回スクロール鏡板６ａ外周部と固定スクロール鏡板５ａ面との微少隙間から吸入室５ｆへ流入して前記作動ガスに混入する。前記軸受を潤滑した油と、油インジェクション用ポート２２から注入された油とを含んだ作動ガスは、圧縮室８で圧縮されて吐出口１０から吐出室２ａへ吐出され、一部の油は、吐出室２ａでガス中から分離され、ガスは通路１８ａ，１８ｂを通って電動機室２ｄへ流入する。図中、実線の矢印は作動ガスの流れを、破線の矢印は油の流れをそれぞれ示している。
【００４２】
狭い通路１８ａ，１８ｂから広い空間の電動機室２ｄに流入した作動ガスと油は、その流速が急激に低下し、かつ流れ方向が変更されるため、ガス中に含まれる油の大部分が分離され、作動ガスは吐出管１９内へ流出し、油は下方に落ちて密閉容器１底部に留まる。
【００４３】
図１３図は図１２のＸ−Ｘ矢視図である。吐出室２ａでガス中から分離されて下方に溜まった油は、油通路１１ｇ，１１ｋを通って電動機室２ｄ側に送り込まれる。
【００４４】
図１４は、本発明に係る注油式密閉形スクロール圧縮機をヘリウム冷凍装置に用いた例を示している。図１２に示したように、密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２４は、密閉容器１内の圧力（吐出圧力Ｐｄ）と圧縮室８の圧力（吐出圧力以下の圧力）との差圧によって油取り出し管３０の流入部３０ａから該油取り出し管３０内に流入していく。油取り出し管３０内へ流入した油は図１４の外部油配管５１を通って油ストレーナ５６及び油冷却器３３へ至り、ここで適宜冷却された後、油インジェクション管５３，３１および油インジェクション用ポート２２（図１２参照）を経て圧縮室８へ注入される。２５３は、油流量調節弁である。
【００４５】
このようにして圧縮室８へ注入された油は、圧縮室８内において作動ガスの冷却およ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２ａへ吐出され、前述と同様に電動機室２ｄで作動ガスから分離して密閉容器１の底部に溜まる。なお、各軸受３２，２６，２７への給油は、密閉容器１内の圧力と背圧室７７内の圧力（中間圧力）Ｐｂとの差圧により、油吸上管９６ｄ、回転軸８２内の油通路を介して行われる。
【００４６】
図１４において、圧縮機１００から吐出されたヘリウムガスは油分離器７０で油を分離した後、ガス冷却器５０で冷却される。次にヘリウムガスはヘリウム冷凍機８０で断熱膨張された後、再び配管３４０，３００から吸入ガスとして圧縮機１００に戻る。一方、圧縮機１００底部の油は油出口配管５１から出て、油冷却器３３で冷却される。次に油は油流量調節弁２５３で減圧された後、油インジェクション管３１を介して、圧縮途中の圧縮室８に注入され、ヘリウムガスを冷却する。
【００４７】
図１５は、図１４をＹ方向から見た矢視図である。また図１６は、図１４をＺ方向から見た矢視図である。図中、１０１は圧縮機の脚部、４５は運転中の油面を管理するために設けた油面計である。また、５７は電源端子部である。
【００４８】
次に、図１７は設定容積比Ｖｒを変化させた場合の全断熱効率の圧力比に対する変化を示した図である。図１７において、例えば、圧力比１.６で高性能を実現するため、Ｖｒ＝１.９の低圧力比対応専用設計とした場合には、圧力比１.５〜５.０または圧力比１.５〜５.５の広い範囲で、性能変化が小さく高性能を維持していることがわかる。このため、スクロールラップ形状として、ラップ部の設定容積比Ｖｒが１.８〜２.０のスクロール歯形形状を有する構造でも良い。これは、低い設定容積比のスクロールラップ形状としても、ヘリウム用スクロール圧縮機としての効率特性が、高圧力比条件においても高性能を維持できるという実験結果から得られたことによる。低圧力比専用のラップ形状となるＶｒ＝１.９の場合、圧力比として、例えば、Ｐｄ／Ｐｓ＝７〜８以上となると、設計圧力比（Ｐｄ／Ｐｓ）ｄｅｓ＝Ｖｒ１.６６＝２.９に対して大きく外れた圧力比となるため、トルク変動が大きくなり、圧縮機自体の振動が増加するという弊害が生じる。このため、運転圧力比に上限値を設けている。
【００４９】
図１８及び図１９は、本発明の他の実施形態を示しており、図１８は旋回スクロール８６の平面図、図１９はその縦断面図である。図１８、図１９ともに、設定容積比Ｖｒが約２.７前後の空調用スクロールラップ部をヘリウム用スクロールラップ部に流用したもので、スクロールラップ部は鋳物素材で形成されている。そして本実施の形態では、スクロールラップ巻終わり部は一部を残して上部がカットされ、段差部９３が設けられている。これによって、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが１.８ 〜２.３に設定され、ヘリウム用途に適正なスクロールラップ形状としている。
【００５０】
スクロールラップ巻始め部の先端部５ｐにおいては、ｂ点はインボリュート曲線の始点で、このｂ点の位置のλｓは、例えば１.４５ｒａｄとなる。そして、仮想点となるｆ点及びｇ点のラップ巻き終り部の点はｊ点、ｋ点に移行して、角度にして、インボリュート伸開角λｌは、例えば１６.３ｒａｄとなる。ラップ巻き終り部の先端部の外側曲線と内側曲線をなめらかな円弧曲線９７で結ばれている。また、ラップ巻終わり部の段差部９３は、図１９に示すように、歯底面からＬ２だけ高く形成されている。なお、図中、８６ａは旋回スクロールの鏡板、８６ｂはラップである。
【００５１】
本実施の形態においては、スクロール圧縮部のスラストガス圧荷重（スラスト負荷力）が図４の場合に比べて、大きく低減できるという効果がある。
【００５２】
なお、上記のような段差部は、スクロールラップ巻始め側とスクロールラップ巻終わり側の双方に設けることもできる。
【００５３】
上記各実施の形態によれば、以下の作用効果が期待できる。
（１）下限の運転圧力比を従来の運転範囲より拡大でき、高吸入圧力、低圧力比条件で運転可能となり、大幅な省エネルギーを達成することができる。また、性能向上に伴うモータ入力Ｗｉの低減による軸受荷重の低減により、軸受の寿命も大きく改善できる。
（２）スクロール圧縮機の信頼性が大幅に向上するとともに、運転圧力比範囲が従来機に対して拡大でき、スクロール圧縮機の使い勝手がよくなる。
（３）圧縮機を小型軽量化できる。また、差圧給油構造をとる軸受部には、低圧圧力比条件においても給油が確実となり、その分、軸受部の焼付き事故を防止できる。
【００５４】
なお、以上の説明では横形のヘリウム用スクロール圧縮機を例にしてきたが、本発明は、主にスクロールラップ形状に係る内容であり、縦形のヘリウム用スクロール圧縮機に対しても適用が可能であり、本発明の対象範囲内にある。
【００５５】
以上説明したように、本発明によれば、極端に低い圧力比域でも、効率低下することなく安定した運転が可能なヘリウム用スクロール圧縮機を実現できる。
【００５６】
また、使用運転圧力範囲の拡大、さらに高吸入圧力条件の運転確保により、ヘリウムガス循環量が増加し、ヘリウム用スクロール圧縮機としての容量増加などの要求を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスクロール圧縮機の旋回スクロールのラップ先端部を示した図である。
【図２】旋回スクロールのラップ先端部の変形例を示した図である。
【図３】図３に示したラップ先端部の斜視図である。
【図４】細穴が設けられた旋回スクロールの平面図である。
【図５】図４に示した旋回スクロールの縦断面図である。
【図６】細穴に加えて、放射状横穴が設けられた旋回スクロールの平面図である。
【図７】図６に示した旋回スクロールの部分縦断面図である。
【図８】固定スクロールの平面図である。
【図９】固定スクロールの縦断面図である。
【図１０】吸入圧力と吐出圧力との関係によって本発明の作用効果を説明した図である。
【図１１】圧力比とヘリウム成績係数との関係によって本発明の作用効果を説明した図である。
【図１２】注油式密閉形スクロール圧縮機の縦断面図である。
【図１３】図１２のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図１４】図１２の注油式密閉形スクロール圧縮機を設置したヘリウム冷凍装置の概略構成図である。
【図１５】図１４をＹ方向から見た矢視図である。
【図１６】図１４をＺ方向から見た矢視図である。
【図１７】設定容積比Ｖｒを変化させた場合の、圧力比と全断熱効率との関係を示した図である。
【図１８】他の実施の形態による旋回スクロールの平面図である。
【図１９】図１８に示した旋回スクロールの縦断面図である。
【符号の説明】
１  密閉容器
２ａ  吐出室
２ｄ  電動機室
３  電動機部
３ａ  電動機ステータ
３ｂ  電動機ロータ
５  固定スクロール
５ａ  固定スクロールの鏡板
５ｂ  ラップ
５ｆ  吸入室
６  旋回スクロール
６ａ  旋回スクロールの鏡板
６ｂ  ラップ
６ｃ  ボス部
６ｅ，６ｆ，６ｎ  細穴
６ｐ  旋回スクロールの中央先端部
６ｙ  放射状横穴
８  圧縮室
９  バランスウエイト
１０  吐出口
１１  フレーム
１１ｇ  フレームの油通路
１４  オルダム機構
１５  吸入口
１７  吸入管
１８ａ，１８ｂ  通路
１９  吐出管
２０  隙間
２２  油インジェクション用ポート
２４  潤滑油
２６  主軸受
２７  補助軸受
３０  油取り出し管
３１  油インジェクション管
３２  旋回軸受
３３  油冷却器
５０  ガス冷却器
５１  油配管
５６  油ストレーナ
６５，６８  インボリュート曲線
６６，６７  円弧曲線
７０  油分離器
８０  冷凍機
８２  回転軸
８２ａ  偏心軸
８２ｂ  電動機軸
９６ｄ  油吸上管
２２２  逆止弁
２５０  スクロール圧縮機部
３１０  油戻り管
３００，３４０  吸入配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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