(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該圧縮機部を駆動する電動機部とを上下に収納して配置し、
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する固定スクロールと旋回スクロールとを該ラップを互いに内側にしてかみ合わせ、前記旋回スクロールを回転軸に連設する偏心機構に係合し、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、前記吸入口より前記ヘリウムガスを吸入し、前記旋回スクロールの旋回運動に伴って両スクロールにより形成される圧縮室を中心に移動させ、容積を減少して圧縮した前記ヘリウムガスを前記吐出口より吐出するようにしたヘリウム用密閉型スクロール圧縮機であって、
前記ヘリウムガスを冷却するための油を供給する油インジェクション管を、前記密閉容器を貫通して前記固定スクロールの円板状鏡板に設けた油注入用ポートに接続し、該油注入用ポートの開口部は、前記旋回スクロールのラップ歯先面に対向して開口せしめるとともに、前記油注入用ポートをラップ歯溝部に設けてなり、
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巻き終わり側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πｒａｄ延長され、前記旋回スクロールの第１の接点位置の巻き角度と前記旋回スクロールの第２の接点位置の巻き角度は、前記固定スクロールの前記第１の接点位置の巻き角度と一致し、
前記油注入用ポートの開口部は、前記固定スクロールのラップ歯溝の溝幅に対し中央部に設けるとともに、該油注入用ポートの開口部の孔径が対向する前記旋回スクロールのラップ幅よりも大きく設定されてなり、
前記外側圧縮室と前記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外側圧縮室と前記内側圧縮室の両方に連通するように、前記開口部を単数配置してなることを特徴とするヘリウム用密閉型スクロール圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウム用密閉型スクロール圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘリウム用密閉型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か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る。
【０００３】
このようにして構成されるヘリウム用密閉型スクロール圧縮機（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】
ところで、特許文献１を含む従来の圧縮機の構成によれば、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、つまり後述する外側圧縮室と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。
【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１１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】
図示するように、ＶｔｈｓとＶｔｈｋの吸い込み完了時はいずれもＣ点で回転角度が一致している。つまり、各圧縮室の容積は点線で表すように変化し、各圧縮室の容積の合計は実線で示すようにＣ点の容積の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。この問題を解決するため、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】
本発明は、圧縮機にヘリウムガスを供給する吸入配管ラインの圧力脈動を抑制することを第１の課題とする。
【００１１】
また、本発明は、圧縮機に戻された油が圧縮部の吸入室に滞留することによる圧縮機の性能低下を抑制することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため、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圧縮機部を駆動する電動機部とを上下に収納して配置し、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かみ合わせ、旋回スクロールを回転軸に連設する偏心機構に係合し、旋回スクロールを自転することなく固定スクロールに対し旋回運動させ、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、吸入口よりヘリウムガスを吸入し、旋回スクロールの旋回運動に伴って両スクロールにより形成される圧縮室を中心に移動させ、容積を減少して圧縮したヘリウムガスを吐出口より吐出するようにしたヘリウム用密閉型スクロール圧縮機であって、ヘリウムガスを冷却するための油を供給する油インジェクション管を、密閉容器を貫通して固定スクロールの円板状鏡板に設けた油注入用ポートに接続し、この油注入用ポートの開口部は、旋回スクロールのラップ歯先面に対向して開口せしめるとともに、油注入用ポートをラップ歯溝部に設けてなり、旋回スクロールの巻き終わり側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外側圧縮室が最大吸入容積となるとき、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、旋回スクロールの巻き終わり側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内側圧縮室が最大吸入容積となるとき、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、固定スクロールの第１の接点位置の巻き角度は、固定スクロールの第２の接点位置の巻き角度に対してπｒａｄ延長され、旋回スクロールの第１の接点位置の巻き角度と旋回スクロールの第２の接点位置の巻き角度は、固定スクロールの第１の接点位置の巻き角度と一致してなるものとする。
【００１３】
この構成によれば、外側圧縮室が最大容積となる回転位相と内側圧縮室が最大容積となる回転位相との回転位相が１８０度のずれを生じるため、吸い込み完了のタイミングが従来の１回から２回に増加される。これにより、ヘリウムガスの瞬時の吸入停止に伴う衝撃現象が緩和され、ガスの流れがなめらかになるため、吸入配管ライン等に生じる圧力脈動を抑制することができる。また、ヘリウムガスに同伴されてスクロール圧縮機部に導入される油や注入用ポートを介して導入される油においても、通流性が向上して圧力損失が低減されるため、円滑に圧縮室側に移送することができる。これにより、旋回スクロールの外周側に油が滞留することによる油撹拌損失を低減することができるため、圧縮機の性能低下を抑制することができる。
【００１４】
この場合において、油注入用ポートの開口部は、固定スクロールのラップ歯溝の溝幅に対し中央部に設けるとともに、該油注入用ポートの開口部の孔径が対向する旋回スクロールのラップ幅よりも大きくなるように設定する。これにより、油注入ポートは旋回スクロールの回転位相に関係なく、常に開放された状態となるため、スクロール圧縮機部には、油が連続流となってなめらかに流入する。
【００１５】
更に、外側圧縮室と内側圧縮室の一方が最大容積になったとき、油注入用ポートの開口部が外側圧縮室と内側圧縮室の両方に連通するように、該開口部を単数配置するようにする。これにより、外側圧縮室と内側圧縮室におけるガス冷却機能とシール機能の両面をほぼ均等に機能させることができ、加えて、油の通流性の向上により油の滞留を抑制し、油撹拌損失による圧縮機の性能低下を一層抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、圧縮機にヘリウムガスを供給する吸入配管ラインに生じる圧力脈動を抑制するとともに、圧縮機に戻された油が圧縮部の吸入室に滞留することによる圧縮機の性能低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態のヘリウム用密閉型スクロール圧縮機を図１から図９を参照して説明する。
【００１８】
図８は本発明の一実施形態のヘリウム用密閉型スクロール圧縮機を備えた冷凍装置の全体構成図、図９は本発明の一実施形態のヘリウム用スクロール圧縮機の外観を示す斜視図である。
【００１９】
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型スクロール圧縮機１００（以下、適宜、圧縮機１００と略す。）と、冷凍機１１０を備えて構成される。ヘリウム用スクロール圧縮機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、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。
【００２０】
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、圧縮機内の底部に溜まる潤滑油と連通する油取出管３０と、圧縮機１００の圧縮室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。
【００２１】
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。
【００２２】
密閉容器１の底部に溜められた潤滑油は、密閉容器１内の圧力差によって油取り出し管３０内を上昇し、配管２２０を介して油冷却器２００に導かれ、ここで冷却された後、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、図示しない油注入用ポート２２を経て圧縮機１００内に戻される。
【００２３】
一方、圧縮機１００から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に流入し、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。ここで油を程度分離したヘリウムガスは、配管３３０を介して油吸着器１７０に流入し、さらに油の残分を分離した後、配管１３０に介して冷凍機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す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、さらに直接、吸入配管３４０を通り、常温の吸入ガスとして圧縮機１００に戻される。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。
【００２４】
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。
【００２５】
図９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はキャスター部の寸法を示す。
【００２６】
次に、図１から図７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１と図２は、圧縮機１のスクロール圧縮機部における固定スクロールの平面図と縦断面図、図３と図４は、圧縮機のスクロール圧縮機部における旋回スクロールの平面図と縦断面図、図５と図６は、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図、図７は、圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。
【００２７】
まず、図７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、縦型の密閉容器１の中にスクロール圧縮機部４と、その下方に電動機となるモータ部３が収納されている。密閉容器１は、上蓋２ａと筒状の胴部２ｂと底部２ｃ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を互いに噛み合せることで、密閉空間となる圧縮室８を形成している。
【００２８】
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。旋回スクロール６も円板状の鏡板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、モータ部３に直結している。
【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おり、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と連通し、モータ室１ｂは密閉容器１の胴部２ｂを貫通する吐出管２０と連通している。
【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の上部空間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、モータステータ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とが連通している。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６０℃〜７０℃の比較的低温なインジェクション油によるモータへの直接冷却可能となる。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、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を与えている。
【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の中間圧力との差圧により、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の圧縮室８へ注入されると、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（吐出圧力よりも低圧）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、油インジェクション管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１ｂ１へと移動する。
【００３８】
次に、図１，２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６８，６９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。０ｋは座標中心点であり、Ｘｋ，Ｙｋは座標軸を表している。
【００３９】
点６３と６４は、旋回スクロール６のラップ終端部が、ラップ外周面５６２，ラップ内周面５６１と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６１と点６２は、円弧半径Ｒ１によりなめらかに接続されている。また内側曲線５６１のラップ始端部の点６５は、点６２と凹部形状の円弧半径Ｒ２によりなめ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、歯溝寸法（図３のＤｔ寸法）は次式で与えられる。
【００４１】
【数１】
0005055110.tif 000002
油注入用ポート２２の位置となる点６ｓは、点６３と点６４の中間位置の点６ｊ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、二つの対称な圧縮室８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３，４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５４，点５５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５４と点５５は円弧半径Ｒ３にてなめらかに接続されている。ラップ始端部６ｎの点５１と点５２及び点５３は、円弧半径Ｒ１の凸部形状と円弧半径Ｒ２の凹部形状がなめらかに接続されている。なお、０ｓ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５，６に示すように、旋回スクロール６のラップ終端部６ｎのラップ外周面６６１と固定スクロール５のラップ内周面６６２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内の空間に吐き出される。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。
【００４４】
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。
【００４５】
【数２】
0005055110.tif 000003
一方、旋回内側圧縮室８ｂにて設定される設定容積比Ｖｒｋは、下記式により定義される。ここで、設定容積比Ｖｒｋとは、旋回内側圧縮室８ｂの最大吸込容積となる行程容積Ｖｔｈｋを圧縮室の吐出行程直前の旋回内側圧縮室８ｂ側の最内室の容積Ｖｄ１で除した値を意味する。
【００４６】
【数３】
0005055110.tif 000004
旋回外側圧縮室８ａと旋回内側圧縮室８ｂの行程容積は、その幾何学的形状により、Ｖｔｈｓ＞Ｖｔｈｋの関係となる。なお、旋回スクロール６の６ｍは、固定スクロール５側の吐出穴１０と同等の大きさになる凹部の溝形状である。
【００４７】
次に、ラップの巻き角度の具体例を説明する。ここで、巻き角度とは巻き終わり角度又は巻き始め角度をいう。旋回スクロール６においては、点５４，点５５のラップ巻き終り角度が、いずれも１９．２４ｒａｄであり、点５１，点５３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、点６３，点６４のラップ巻き終り角度が、それぞれ１６．１ｒａｄ、１９．２４ｒａｄとなり、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６１，６３は、旋回スクロール６の点５３，５４とそれぞれ相対的に同一位置となる。なお、上述した設定容積比の例では、Ｖｒｋが２．５に対して、Ｖｒｓが３．０となり、旋回外側圧縮室８ａの方が、旋回内側圧縮室８ｂよりも約２０％大きくすることができるため、運転圧力比として、高圧力比側での圧縮性能の向上を図ることができる。
【００４８】
図３に示すように、ラップ終端部の位置６ｋが、ラップ巻き終り角度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３のＤｔ寸法）は固定スクロールラップと同様に次式で与えられる。
【００４９】
【数４】
0005055110.tif 000005
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５，図６を用いて説明する。図５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５６２と接触し、このとき点５５と点６４は接触する。これに対し、図６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５６１と接触し、このとき点５４と点６３は接触する。
【００５０】
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６３，６４の巻き角度（巻き終わり角度）を、点６３の巻き角度に対して点６４の巻き角度をπｒａｄ延長させるとともに、旋回スクロール６において、点５４，５５の巻き角度（巻き終わり角度）を固定スクロール５の点６４の巻き角度と一致させるように、スクロールラップの形状を形成している。
【００５１】
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。
【００５２】
これに対し、従来のスクロールラップの形状によれば、例えば、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６３と点６４の巻き角度が一致しているため、図１１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。
【００５３】
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。
【００５４】
更に、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はクランク軸１４の１回転に対して２度のタイミングで流出することになるため、吐出過程の流れに伴う圧力損失を大幅に低減することができる。特に軸受け潤滑用油及びインジェクション油は、その全量が吐出口１０を通るため、従来機に対して吐出圧力損失を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。
【００５５】
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全体としての軽量化、低コスト化を実現できる。
【００５６】
次に、本発明を適用した他の実施形態について説明する。なお、上記の実施形態と共通する部分については説明を省略し、異なる構成について説明する。
【００５７】
本実施形態では、図３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。
【００５８】
本実施形態では、圧縮室８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、おおよそ次式の位置となる。
【００５９】
【数５】
0005055110.tif 000006
中間圧穴６ｄの旋回外側圧縮室８ａに開口する開口部は、旋回スクロール６のラップ外周部の吸入室５ｆに間欠的に連通する連通角度をΔλｄ（１.０〜１．５）ｒａｄとし、更に、排油穴６ｆは、０．５ｒａｄ分、吸入室５ｆに間欠的に連通するようにする。これにより、横穴６ｈと排油穴６ｆとからなる排油機構は、旋回スクロール６の外周部に溜まった油を圧力差により圧縮室８側に逃がし、その外周部での油撹拌動力を低減することができるため、圧縮機のモータの消費電力を軽減することができる。
【００６０】
すなわち、ヘリウムガスは油の中に溶け込まないため、ヘリウム用密閉型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、ヘリウムガスを含まない冷凍・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、ヘリウム用密閉型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、本実施形態の排油機構は必須の構成となる。
【００６１】
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。
【００６２】
また、本実施形態では、図５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５５と点６４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６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５４と点６３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。
【００６３】
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。
【００６４】
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５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６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も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型スクロール圧縮機の固有の効果がある。
【００６５】
また、吐出口１０より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から、通流性の向上に伴い、圧力損失を低減することができる。特に上述したように、軸受け潤滑用油及びインジェクション油の全油量が吐出口１０を通過するため、従来機に対して圧力損失を約１／４に低減できるというヘリウム用密閉型スクロール圧縮機の固有の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態のヘリウム用密閉型スクロール圧縮機における固定スクロールの平面図である。
【図２】図１の固定スクロールの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態のヘリウム用密閉型スクロール圧縮機における旋回スクロールの平面図である。
【図４】図３の旋回スクロールの断面図である。
【図５】本発明の一実施形態のヘリウム用密閉型スクロール圧縮機の旋回スクロールと固定スクロールを組み合わせた状態を示す平面図である。
【図６】図５に対して旋回スクロールを１８０度回転させたときの平面図である。
【図７】本発明の一実施形態のヘリウム用密閉型スクロール圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。
【図８】本発明の一実施形態のヘリウム用密閉型スクロール圧縮機を含む冷凍装置の構成図である。
【図９】図８のヘリウム用密閉型スクロール圧縮機の外観の斜視図である。
【図１０】本発明における旋回外側圧縮室と旋回内側圧縮室の吸入容積とクランク軸の回転角との関係を説明する図である。
【図１１】従来技術における旋回外側圧縮室と旋回内側圧縮室の吸入容積とクランク軸の回転角との関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  密閉容器
３  モータ部
４  スクロール圧縮機部
５  固定スクロール
６  旋回スクロール
６ｄ  中間圧穴
６ｆ  排油穴
８  圧縮室
８ａ  旋回外側圧縮室
８ｂ  旋回内側圧縮室
１０  吐出口
１５  吸入口
２２  油注入用ポート
３１  油インジェクション管
【図１】
0005055110.tif 000007
【図２】
0005055110.tif 000008
【図３】
0005055110.tif 000009
【図４】
0005055110.tif 000010
【図５】
0005055110.tif 000011
【図６】
0005055110.tif 000012
【図７】
0005055110.tif 000013
【図８】
0005055110.tif 000014
【図９】
0005055110.tif 000015
【図１０】
0005055110.tif 000016
【図１１】
0005055110.tif 000017