JP2000329079A - スクロール圧縮機のスクロール部材形状 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】旋回スクロールと固定スクロールとで構成され
たスクロール圧縮機に従来の階段ラップ構造を適用する
と最大密閉空間の容積が減少して小型軽量化が図れな
い、また圧縮室間のシールが必要とされる半回転間の段
差壁面間の隙間が拡大して内部漏れの増大から性能が低
下する、また旋回軸受に作用する荷重点と支持点間に距
離があり旋回スクロールの安定性が改善せず信頼性の向
上が図れないことやラップ形状が複雑で加工精度を低下
させるなどの課題があった。 【解決手段】非対称ラップ形状で構成した旋回スクロー
ルの渦巻き溝の外から１巻入った位置を１段高くして階
段溝３ｃを設けた内部に端板鏡板面より円筒中心が階段
溝内に入り込みまた溝段差壁面と渦巻き形状の中心から
設定される領域に軸心を有する旋回軸受を設けるととも
に前記階段溝３ｃと噛み合って圧縮室が形成できるよう
に固定スクロールの固定ラップも階段ラップ４ｃで構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作動流体として気
体を用いる冷凍空調用圧縮機や空気用圧縮機に利用され
る容積式のスクロール圧縮機に関し、特に圧縮室を構成
するスクロール部材形状に関する。

【０００２】

【従来の技術】端板に渦巻状のラップないしは渦巻状の
溝を設けた１対のスクロール部材を互いに噛み合わせて
圧縮室を構成するとともにこの噛み合わさったラップの
高さと溝の深さを中央に向けて段階的に浅くした階段付
きラップと溝を適用したスクロール部材形状の公知例と
して特許第１２９６４１３号がある。この公知例では１
対形成される圧縮室の容積および平面形状が互いに同一
となる対称ラップ形状と容積および平面形状が異なる非
対称ラップ形状に関する説明がされている。しかし、非
対称ラップ形状に適用する階段付きラップと溝形状につ
いての具体的説明がなく構成は不明である。

【０００３】具体的説明がされている対称ラップ形状に
適用されている階段付きのラップと溝を形成する段差壁
面は、２か所同時に形成される最大密閉空間の圧縮室内
中央にそれぞれ対称に２か所表れ、この位置より中央巻
き始めへ向かうラップ先端と溝底面を互いにラップ歯高
中央に近付けるように同じ幅だけ寄せて、圧縮室の軸方
向高さを段階的に中央に向けて均等に低くして容積を減
少させている。最大密閉空間形成時におよそ半周占めて
いるこの階段溝によりその容積は大幅に減少している。
このような段差壁面の軸１回転中の挙動を見ると、半周
は階段状のラップと溝の互いの段差壁面が最接近してシ
ールする区間であり、残りの半周は大きく離れて圧縮室
間で連通する区間となる。すはなち、吸入行程時はシー
ルされ圧縮行程時は２つの圧縮室は連通して合体する。
また旋回スクロールに設けた旋回軸受は端板から大きく
突き出ている。

【０００４】

【発明が解決しようとしている課題】圧縮機の小型軽量
化や効率向上を図ることは省資源化ひいては地球環境保
護の観点から社会的要請と言える。

【０００５】同一容量のスクロール圧縮機で小型軽量化
と効率向上を同時に達成する手段の一つに渦巻きを形成
するラップの歯高を高くして全体の径を小さくする方法
がある。これにより圧縮機の能力を決める最大密閉空間
の容積を同一とした場合にその圧縮室を内側に移動する
ことにより小型化が図られるとともに圧縮室間のシール
ライン長を短くしてシール部からの作動ガスの漏れを減
らすと同時に圧縮室の軸方向面積の減少に伴うスラスト
軸受に作用するガス圧縮荷重の軽減により効率向上が図
られる。

【０００６】単にラップの歯高を高くしただけではラッ
プ強度が低下するとともにガス圧縮荷重に伴う旋回軸受
の支点回りに旋回スクロールに作用する転覆モーメント
の増大により旋回スクロールのスラスト軸受平坦面に対
して傾斜して旋回する歳差運動が大きくなり信頼性が低
下するなどの課題が発生するので、これを避ける手段と
して実質的に歯高が低くできる階段付きラップとこれに
対応する階段付き溝が従来から提案されている。しか
し、従来技術では１対形成されたおよそ三日月状の最大
密閉空間内のほぼ中央に形成された階段付き溝により容
積が減少して小型軽量化につながらず、むしろ容量の確
保を図ると大型化する。しかも、旋回スクロールが自転
モーメントを受けて自転防止機構が有する周方向隙間の
範囲内で旋回軸受の軸心回りに回転することにより、２
か所の階段付きラップと溝間に生じる段差壁面間の隙間
の一方は減少し他方は拡大するので、この自転モーメン
トに基づく一方の隙間の拡大を防止するこは不可能とな
る。その為、段差壁面間で圧縮室間のシールを必要とす
る最大密閉空間形成前の軸が半回転する間でも段差壁面
の隙間が大きくなり圧縮室から吸い込み室への作動ガス
の漏れが生じて能力が大幅に低下する問題があった。

【０００７】さらには、圧縮室ラップ側壁面に作用する
ガス圧縮荷重の作用中心および旋回スクロールに作用す
る遠心力に係わる端板内部にあると想定される重心点と
旋回軸受の円筒状の両端面間中央との距離が殆ど短縮さ
れておらず旋回スクロールに作用する転覆モーメントは
ほとんど減少していないので、この状態でラップの歯高
を大きくすると旋回スクロールの歳差運動が不安定とな
り信頼性を低下させることになる。

【０００８】最低必要な１対の階段形状を適用した場
合、固定と旋回両スクロールともに階段付きラップと溝
がそれぞれに必要となり一様のラップ高さや溝深さとな
らないので加工性が低下して精度が悪くなる。また、階
段付きラップが付いた不連続となる側壁面や階段付き溝
のある不連続となる側壁面をカッターで加工する場合に
その精度が低下する問題があった。

【０００９】本発明の目的は、スクロール圧縮機の圧縮
室を構成するスクロール部材形状を一部変更することに
より、信頼性を確保した上で小型軽量化と効率向上を同
時達成できる冷凍空調用圧縮機及び空気用圧縮機を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、円形の端板上に一端が固定され他端が端板外側平坦
部の鏡板面に対して平行で同一高さの先端面を有し且つ
渦巻き状に伸びた壁の厚さを一定とする旋回ラップを設
けた旋回スクロールと円形等厚の円盤内に端面に平行で
深さと幅が一様な底面を有する渦巻き溝を設けた固定ス
クロールを互いに噛み合わせて形成される三日月状の内
外圧縮室の形が非対称となる非対称ラップ形状で構成す
る。

【００１１】上記旋回ラップ内外側壁と端板の平坦面か
ら形成されラップ歯厚に旋回スクロールの円軌道上の公
転運動の半径に等しい旋回半径の２倍を加えた値の幅を
有するコ字状の渦巻き溝に対して、旋回ラップ巻き終り
内側が終端となる位置からおよそ１巻き内側に入った場
所の渦巻き溝の底面を中央に向けて一段高くした溝段差
壁面３ｅを有する階段溝３ｃを設けるともに、旋回ラッ
プ側壁間をつなぐ溝段差壁面の平面形状を旋回半径と旋
回ラップ歯厚から決まる中央に向けて凸となる半円弧形
状または円弧と直線の組み合わせた形状とする。

【００１２】この１段高くなった階段溝３ｃ底面上に旋
回ラップの巻き始め部を設けるとともに階段溝底面内部
には、鏡板面の裏面側に開口する茶筒のような一端が閉
じた穴またはその穴の中に圧入した円筒で構成された旋
回軸受を設け、その軸受に相当する円筒の両端面の中央
で荷重の支持点に相当する位置と端板の鏡板面に相当す
る位置をおよそ一致させるかそれよりも階段溝底面側に
深く挿入して旋回軸受３ｆを構成する。

【００１３】さらに旋回スクロール溝段差壁面３ｅの半
円弧中心と渦巻き曲線の座標中心Ｏ_１を通る直線Ａから
溝段差壁面の円弧の凸方向に座標中心Ｏ_１からおよそ旋
回半径の半分以上の距離が離れた軸心を有する旋回軸受
３ｆで旋回スクロールの重心点を通り且つ旋回スクロー
ルの溝段差壁面の半円弧中心を通る前記直線Ａに直角に
引いた直線を境界線として溝段差壁面の反対側の境界線
を含む領域に軸心を有する旋回軸受３ｆを旋回スクロー
ルに設ける。

【００１４】上記固定スクロールは、圧縮室として利用
される渦巻き溝４ｄの巻き終り部の内壁側から中央に向
けて形成される渦巻き状の固定ラップ４ｂの巻き終りか
らおよそ１巻内側に入り前記旋回スクロールの渦巻き溝
に設けた溝段差壁面と噛み合う位置に半円弧形状のラッ
プ段差壁面４ｅを設けてその高さを内側に向けて一様に
低くするとともにそのラップ段差壁面から低い固定ラッ
プに沿って内側におよそ半周入った位置の固定ラップ内
側にラップ歯厚より同等以下の直径を有する吐出バイパ
ス孔を設けて構成される。

【００１５】さらに旋回及び固定スクロールのラップ先
端側の歯厚が根元より狭くなるようにラップ歯厚さを２
段階で形成し、その段付きの高さ位置はそれぞれ階段溝
底面及び階段ラップ先端の高さに合わせるとともに旋回
及び固定ラップ巻き終りから溝段差壁面とラップ段差壁
面までのラップ断面の左右にできる段付き部逃げ量を等
しくしてその値はおよそ歯厚の十分の一以下で形成する
ことにより、旋回及び固定ラップの加工精度を高めるこ
とができる。

【００１６】一方、旋回スクロールと固定スクロールと
の間に直接的または間接的に動きを規制する自転防止機
構を装着して相対的に自転の無い公転運動すなはち旋回
運動をさせる。例えば、シャフトを支えるフレームに固
定スクロールを固定させた構成においてはキー溝を有す
る旋回スクロールとこれに直交するキー溝を有するフレ
ームとの間にそれぞれのキー溝に隙間を設けて挿入され
るキーをリングの両面に設けたオルダムリングが装着さ
れる。

【００１７】また電動機等の動力を作動室を有するスク
ロール圧縮機に伝達するシャフトはフレームに設けた主
軸で支えられ一端に設けた主軸中心よりおよそ旋回半径
だけ偏心した旋回軸を旋回軸受に隙間を設けて挿入され
るとともにそのシャフト内部には軸方向に貫通し一端が
旋回軸端面に開口する給油孔が設けられている。また、
公知例として特許第３０３１２９７号に示されたいるよ
うに旋回軸受に挿入された旋回軸をシャフトと切り離し
て別体としてスライドブッシュを用いた可変クランク機
構を用いてもよい。

【００１８】上記構成に基づき形成される各圧縮室と階
段溝や階段ラップとの係わりについて次に説明する。旋
回ラップ巻き終り部外壁が固定スクロールの渦巻き溝外
壁面に最接近した時に旋回ラップ巻き終り部から１巻内
側に入った旋回ラップ外壁面側に外圧縮室の最大密閉空
間Ａが形成され、この時旋回ラップの内壁面側に形成さ
れる内圧縮室は吸入行程の半ばにあり、この状態から軸
が半回転進むと旋回ラップ内壁面が固定スクロール渦巻
き溝内壁面に最接近した状態となり旋回ラップ内壁面側
に最大密閉空間Ａの容積より小さな内圧縮室の最大密閉
空間Ｂが形成される。そして、旋回ラップ中央近傍の巻
き始め部内壁面が固定スクロールの渦巻き溝内壁面に最
接近した時の旋回ラップ外壁面側に外圧縮室の最小密閉
空間Ｃが形成され、また固定ラップと旋回ラップの巻き
始め角度が同じ場合には同時に旋回ラップ内壁面側に最
小密閉空間Ｃと同じ平面形状の内圧縮室の最小密閉空間
Ｄが形成される。この最大密閉空間Ａ内および最大密閉
空間Ｂ内には位置的に階段溝が存在しないか無いに等し
い存在であり、この階段溝によるそれら最大密閉空間の
容積の減少は無視できる。

【００１９】旋回スクロール溝段差壁面３ｅの半円弧部
外側が旋回ラップ内壁に接する位置に固定スクロールラ
ップ段差壁面４ｅ外側が接触または最接近した状態の外
圧縮室の容積をＶｃ、内圧縮室の容積をＶｄと置いた場
合に最大密閉空間Ａの容積Ｖａに対する比である圧縮比
Ｖｃ／Ｖａと最大密閉空間Ｂの容積Ｖｂに対する比であ
る圧縮比Ｖｄ／Ｖｂを等しくする旋回スクロールの階段
溝底面の高さとこれと噛み合う固定スクロールの階段ラ
ップの高さを設定する。

【００２０】上記発明の技術手段による働きは次のとお
りである。電動機から動力が駆動軸を介して旋回スクロ
ールに伝達され外圧縮室と内圧縮室へ交互に作動ガスが
流入して閉じ込んで密閉空間を形成した後、密閉空間す
なはち圧縮室の容積は軸の回転に伴い容積を減少させな
がら中心部に向けて移動することにより作動ガスを圧縮
し中央に設けた吐出孔から圧縮ガスを流出する。その途
中において、外圧縮室が最大密閉空間Ａを形成してから
軸がおよそ１回転する間は階段溝がなくて渦巻き溝深さ
一定の状態で圧縮が継続された後溝段差壁面と旋回ラッ
プとの内側境界部にラップ段差壁面と固定ラップの内側
境界部に接触または最接近した状態の内外圧縮室の容積
とそれぞれの最大密閉空間に対する容積の比である圧縮
比は等しいのでその内部圧力も等しくなる。この状態か
らさらの軸が回転すると最接近した溝段差壁面の内側境
界部とラップ段差壁面の内側境界部が次第に離れて隙間
が拡大し内外圧縮室が連通して１つの圧縮室として動作
するこの連通状態はさらに軸の半回転の間継続される。

【００２１】ガス圧縮に伴う接線方向力が旋回ラップの
基礎円中心Ｏ_１と旋回半径離れた固定ラップの基礎円中
心Ｏｃの中間点より基礎円中心Ｏ_１側に作用するが、溝
段差壁面半円弧形状のおよそ中央にラップ段差壁面が位
置した状態において、旋回軸受軸心が接線方向力より基
礎円中心Ｏｃ側に位置しているので、旋回スクロールを
駆動するシャフトの回転とは逆方向に回転させる自転モ
ーメントが作用して、溝段差壁面がラップ段差壁面側に
近付いて互いの段差壁面間の隙間を減少させて圧縮室間
のシール性を高める。

【００２２】旋回軸受に挿入する旋回軸をシャフトた固
定させた固定クランク機構を用いた場合に前記接線方向
力の代わりに旋回スクロールの回転に伴い発生する遠心
力を用いることによりその重心点と旋回軸受軸心の関係
から溝段差壁面がラップ段差壁面側に近付いてその間の
隙間を減少させる前記同様のシール性がある。

【００２３】さらには、旋回ラップの巻き始め側は自由
端の上にラップ歯厚前後に大きな差圧が作用するが階段
溝により実質的にラップの歯高さを低くしてラップ強度
を高めるとともにシャフト内に設けた給油孔から潤滑油
を旋回スクロールの旋回軸端部の階段溝底面内に供給し
て高温となる旋回スクロール中央部を冷却することによ
りスクロール部材の熱変形防止や圧縮ガスの冷却とそれ
による圧縮ガスの圧力を低下させる働きがある。

【００２４】また本発明は旋回スクロールと固定スクロ
ールの互いの渦巻き中心を偏心させて配置した構成で互
いに同期させて自転させる同期回転式スクロール圧縮機
や真空ポンプにも適用可能である。

【００２５】他の発明としての２階段式について次に説
明する。２階段式は旋回スクロールと固定スクロールそ
れぞれの溝段差壁面とラップ段差壁面を１対としてこれ
よりさらに中央に近い側に１対追加した２対から構成さ
れる。旋回スクロールに新たに追加する階段溝を旋回ラ
ップ中央近傍外壁の巻き始めとこれより旋回ラップが外
側に一巻出た位置の旋回ラップ内壁とを結ぶ中間に凸の
半円弧形状の溝段差壁面とそれより内側の床を一段高く
して２段目の階段溝底面を設けるとともに、この溝段差
壁面の包絡線を有するラップ段差壁面を固定スクロール
側に追加して設けて２階段式が構成される。そして２段
目の階段溝底面を旋回ラップ先端に合わせた高さにすれ
ば前記固有圧縮比を一層高められるし吐出行程時の内圧
縮室からの圧縮ガスの吐出通路が確保できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１な
いしは図１７を参照して説明する。

【００２７】図１は本発明の一実施例を示したスクロー
ル圧縮機の圧縮機構部１のみの縦断面図である。図２〜
５はそれぞれ図１のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−
Ｃ断面図及びＤ−Ｄ断面図を表す。作動ガスの圧力を保
持する密閉容器２内に固定されているフレーム７にボル
ト固定された厚肉円盤状の板に渦巻き溝４ｄを設けた固
定スクロール４と円形の端板上に渦巻き状の旋回ラップ
３ｂを設けその裏面に円筒状の旋回軸受３ｆと自転防止
機構用のキー溝３ｇを２か所設けた旋回スクロール３と
の組み合せで、渦巻き溝４ｄと旋回ラップ３ｂを互いに
噛み合わせることにより複数の圧縮室を形成している。
図１には示されていない電動機の動力はフレーム７に設
けた主軸受７ａで支えられたシャフト９を介してその一
端に設けた軸心がシャフト９中心よりおよそ旋回半径偏
心した旋回軸部９ｂを図３に示すように旋回スクロール
３の旋回軸受３ｆに挿入することにより伝達される。図
１と図５に示すようにフレームと旋回スクロールの間に
は図６に示すような矩形断面のリングの片面に１８０°
対向して旋回側キー８ａを２個設けその裏面にも９０°
位相をずらして同様の２個のフレーム側キー９ｂが設け
られたオルダムリング９が装着されている。オルダムリ
ング９に設けた２対のキーはそれぞれ旋回スクロールに
設けた２か所のキー溝と９０°位相がずれた位置に設け
たフレーム側に２か所のキー溝に摺動可能にして挿入さ
れて自転防止機構が構成されている。

【００２８】図１及び図２に示すようにフレーム７に乗
る固定スクロール座面からの渦巻き溝４ｄ底面の深さは
一様にして、その中央近傍に圧縮ガスを流出させる吐出
孔４ｈを巻き終り側外周部には吸入通路４ｉを設けると
ともに固定ラップ４ｂ巻き始めからおよそ２．５πラジ
アン外に出たラップ内壁近傍に吐出バイパス孔４ｊが設
けられている。また、図２に示した旋回スクロール３の
位置では旋回ラップ３ｂ外壁巻き終り部が固定スクロー
ル内壁巻終り部に最接近して外圧縮室となる旋回ラップ
外壁側に最大密閉空間５０を形成しているが、内圧縮室
となる旋回ラップ内壁側は吸入行程途中でありおよそ半
回転進行した状態を示している。

【００２９】旋回スクロール渦巻き溝を一段高くした階
段溝３ｃを上から見た図１のＢ−Ｂ断面図である図３に
旋回スクロールの渦巻き溝に設けた溝段差壁面３ｅの半
円弧形状の一部が見える。この階段溝３ｃに対応する固
定スクロールに設けた階段ラップ４ｃのラップ段差壁面
４ｅはラップ断面を表す斜線に隠れて見辛いがラップ歯
厚を直径とする半円弧を点線で示している。これら溝段
差壁面３ｅとラップ段差壁面４ｅの形状は図１のＣ−Ｃ
断面である図４に明瞭に示してあるように、ラップ段差
壁面４ｅのラップ歯厚を直径とする半円弧形状に対し
て、溝段差壁面３ｅは旋回半径の２倍にラップ歯厚を加
えた値すなはち溝幅を直径とし旋回ラップの内壁と外壁
に接する半円弧形状をしている。これら溝段差壁面とラ
ップ段差壁面の半円弧形状は互いに包絡線となる関係に
ある。その関係を具体的に示した図１５の（ａ）の場合
はラップ段差壁面４ｅの曲率ｒ_１に対して、溝段差壁面
３ｅの曲率ｒ_２はｒ_１に旋回半径を加えた値に等しく、
また（ｂ）のラップ段差壁面２１ｅを直線で形成した場
合は溝側段差壁面２０ｅの形状は中央にラップ歯厚の直
線を有し両側に旋回半径と同じ円弧を設けた形状とな
る。また図１のＣ−Ｃ断面である図４に示すように、周
囲をインボリュート曲線で代表される渦巻き曲線と溝段
差壁面３ｅで囲こった旋回スクロールの階段溝３ｃ底面
内部には茶筒ような一端を閉じ他端を端板３ａ裏面に開
口する穴に円筒状の旋回軸受３ｆが圧入され、その旋回
軸受にシャフト９の端部である旋回軸９ｂが隙間を設け
て挿入されている。旋回軸受への負荷が小さい場合はこ
の円筒状の旋回軸受３ｆを省略しても良い。そして、シ
ャフト９内を貫通し一端は図示されてない油溜めないし
は給油ポンプ部に開口し他端は旋回軸内を通り端面に開
口する給油孔９ｃを設けて、階段溝３ｃ内部に潤滑油を
導入する構成としている。

【００３０】図７ないしは図９を用いて旋回スクロール
の構成をさらに詳しく説明する。

【００３１】図７に示すようにおよそ円形等厚の端板３
ａ上にインボリュート曲線から形成された等厚の旋回ラ
ップ３ｂが巻き始め点▲Ｐ▼から巻き終り点▲Ｑ▼まで
およそ２巻強の長さで設けられ、端板の鏡板面３ｄから
旋回ラップ３ｂ先端までの高さは巻き始め点▲Ｐ▼から
巻き終り点▲Ｑ▼全域で等しく、点▲Ｑ▼の内側から始
まり中心部向けて形成される旋回ラップの内壁と外壁で
囲まれるコの字断面の渦巻き溝のおよそ１巻入った位置
に溝幅を直径とする内側に凸な半円弧形状をした溝段差
壁面３ｅを設けて鏡板面に対する旋回ラップ先端高さの
半分以上の高さで中央に向けて一段高くした階段溝３ｃ
が設けられている。

【００３２】さらに図７のＡ−Ａ断面である図８に示さ
れているように、旋回スクロール階段溝３ｃ底面裏面側
に設けられた旋回軸受３ｆの円筒状の両端面のほぼ中央
が鏡板面３ｄの水平位置に相当するかないしはそれより
も階段溝３ｃ底面側に位置するように茶筒状の穴に深く
圧入されている。また旋回軸受３ｆ軸心と旋回ラップの
渦巻き形状の中心すなはちインボリュート曲線の基礎円
中心との相対的な位置関係を図７の中央部詳細を示した
図９から説明する。インボリュート曲線の基礎円中心Ｏ
_１と溝段差壁面３ｅの半円弧中心Ｏ_２を結ぶ線をＸ軸と
し、そのＸ軸に直角で基礎円中心Ｏ_１を通る線をＹ軸と
するとともにＹ軸より右側のＸ座標を正としＸ軸より上
方のＹ座標を正とした場合、旋回軸受の軸心ＯｂをＹ軸
座標の正方向に旋回半径の半分以上基礎円中心Ｏ_１から
離し、Ｘ軸座標は０前後から正方向の位置に設ける。こ
れにより、旋回スクロール３に作用するガス圧縮荷重に
伴う旋回軸回りの自転モーメントは図７の状態では反時
計回りに作用することになる。さらには、図９に示した
旋回スクロールの重心Ｏｇ位置に対して旋回軸受中心Ｏ
ｂをＸ軸の負方向すなはちＸｇ＜０とする位置にするこ
とにより、遠心力に伴う反時計回り自転モーメントを旋
回スクロールに作用させることができる。

【００３３】半円弧形状の溝段差壁面３ｅから内側に入
った階段溝３ｃ底面を含む空間を圧縮室として利用する
ために、溝段差壁面３ｅの半円弧内側に接する旋回ラッ
プ外壁の巻き角λａより内側に巻き始め角λｓの点▲Ｐ
▼を設ける。この巻き角の差λａ−λｓは正の値をとる
が、この適性な値は冷凍空調用圧縮機に適用する場合は
π／２から３π／２の間に設定するのが良い。また、旋
回スクロール３の自転防止機構には図６に示したオルダ
ムリング８が用いられているが、その他特許第３０１６
１１３号の公知例に見られるピンクランク機構や特許第
１２９６４１３号の公知例に見られるボールカップリン
グを用いても目的は達成できる。さらに、図７に示した
旋回ラップ巻き終り点▲Ｑ▼近傍の自由端の強度を高め
る手段として、図示はされていないが、当該端部と端板
をつなぐ固定された三角形状か階段状のリブを設けても
良い。

【００３４】図１０ないしは図１２を用いて固定スクロ
ールの構成をさらに詳しく説明する。

【００３５】図１０の固定スクロール４の平面図に示さ
れているように、ボルト穴を設けたフレーム７の座面か
らの高さを等しくした渦巻き溝４ｄの中央近傍には吐出
孔４ｈが設けられ巻き終り側外周部には吸入通路４ｉが
設けられている。固定スクロール４の渦巻き溝４ｄ間を
仕切る壁として形成される固定ラップ４ｂ外壁のインボ
リュート曲線の巻き始めを点▲Ｒ▼で示し、固定ラップ
外壁の後半およそ１巻分は座面と一体となって消え内壁
のみで形成されたインボリュート曲線の巻き終り位置の
点すなはち渦巻き溝４ｄ外壁インボリュート曲線の巻き
終り位置の点を▲Ｓ▼で示している。この点▲Ｓ▼に図
７の旋回ラップ３ｂ巻き終り点▲Ｑ▼が最接近した時最
大密閉空間５０が形成される。渦巻き溝４ｄ巻き終りの
内壁を形成する固定端となる固定ラップ巻き終り部から
内側におよそ１巻入った位置または固定ラップ内壁に相
当する点▲Ｓ▼からラップ巻き終りからおよそ２巻入っ
た位置に固定ラップ歯厚を直径とする半円弧形状をした
ラップ段差壁面４ｅを有する階段ラップ４ｃを設けて、
図１０のＡ−Ａ断面である図１１に示すようにラップ段
差壁面から巻き始めまでの内側のラップ高さを一段低く
構成している。

【００３６】また、図１０の部分拡大をした図１２に示
すように、ラップ段差壁面４ｅから固定ラップ内壁に沿
ってπ／２ないしは３π／２ラジアン外側に移動した位
置に渦巻き溝４ｄ底面から裏面側に貫通する吐出バイパ
ス孔４ｊを１個ないしは複数個設ける。すなはち、吐出
バイパス孔４ｊの中心位置の巻き角λｂラジアンはラッ
プ段差壁面４ｅ円弧中心位置の巻き角λｋラジアンに対
して下記式を満足する範囲に設定する。 λｋ＋π／２≦λｂ≦λｋ＋３π／２ 但し、固定ラップ外壁に沿って吐出バイパス孔を１個な
いしは複数設けることも可能であり、この場合の穴位置
はさらにπラジアン内側とする。

【００３７】以上の如く構成されたスクロール圧縮機の
働きについて以下説明する。

【００３８】図１３に表す（ａ）〜（ｄ）の４枚の図は
本発明に基づくスクロール圧縮機のシャフト９を９０度
ピッチで回転させて圧縮室の状態を示した動作原理図を
表している。また図１４の上下の図はこのシャフト９の
軸回転角に対応して変化する圧縮室の容積と圧力を表
し、容積軸は最大密閉空間５０の容積を１００％とする
容積比率で表され、圧力軸は作動ガスの吸入圧力から吐
出圧力の圧力範囲で表されている。

【００３９】図１３（ａ）は旋回ラップ３ｂの巻き終り
部外壁となる図７の点▲Ｑ▼が固定スクロール渦巻き溝
４ｄ内壁の図１０に示す点▲Ｓ▼に最接近して旋回ラッ
プ外壁側に形成される外圧縮室の最大密閉空間５０が形
成される。その状態の圧縮室の容積と圧力は図１４の軸
回転角θ_０の縦軸の値に示されるそれぞれ容積軸Ａ点の
１００％及び圧力軸Ｐ点の吸入圧力Ｐｓとなる。この状
態から軸回転角が１８０°進んだ図１３（ｃ）では旋回
ラップ３ｂの巻き終り部内壁が渦巻き溝４ｄ外壁に最接
近して旋回ラップ内壁側に内圧縮室の最大密閉空間６０
が形成され、その圧縮室の状態は図１４の軸回転角θ_１
の縦軸の値に示され、容積の場合はＡ点より容積が減少
するＢ点となり、圧力の場合はＱ点の吸入圧力Ｐｓとな
る。この最大密閉空間６０を形成した三日月状の圧縮室
の互いのラップ側壁部が最接近した中央に近い側の最内
部では旋回スクロール溝段差壁面３ｅの半円弧形状の旋
回ラップ内壁に接する位置と固定スクロールラップ段差
壁面４ｅの半円弧形状が外壁に接する位置で最接近して
いる。

【００４０】さらに図１３（ｃ）から軸回転角が進み
（ｄ）を経て（ａ）に至半回転する区間はラップ段差壁
面４ｅ上を溝段差壁面３ｅが最接近または接触した状態
で移動する。その際旋回スクロール３に作用するガス圧
縮荷重ないしは遠心力の作用方向と旋回軸受３ｆの軸中
心位置との関係から生じる図面上から見た左回転の自転
モーメントは、旋回スクロールの２か所のキー溝３ｇに
挿入される旋回側キー８ａを有するオルダムリング８を
介してフレーム側キー８ｂで受け止められるため、この
自転モーメントによる旋回スクロールの旋回軸中心回り
の回転角は２対ある旋回側及びフレーム側キーの側壁隙
間ないしは溝段差壁面３ｅとラップ段差壁面４ｅ間の隙
間で決まる。この回転角をオルダムリング８を介するキ
ー側壁隙間で設定した場合には当該溝段差壁面とラップ
段差壁面間は微小隙間を保持しながら段差壁面間を移動
することになり固定ラップ４ｂを跨ぐ圧縮室間のシール
が可能となる。

【００４１】さらにシャフトが回転し再び図１３（ａ）
に戻った状態では外圧縮室と内圧縮室はそれぞれ図中の
圧縮室５４と圧縮室６２が示すように中に移動してとも
に容積を減少させている。しかしその容積を比較すると
互いの三日月状の溝底面の面積は等しいが、圧縮室５４
の溝底面は最大密閉空間５０と同じ一様な深さである
が、他方圧縮室６２の場合はその三日月状の溝底面の中
央近傍から中央に向けて階段溝３ｃがあり圧縮室の深さ
が巻き終り側ラップ歯高の半分以下と浅くなっているの
で圧縮室５４より容積は大幅に減少する。この状態は図
１４の軸回転角θ_２に相当し、圧縮室５４の容積はＣ点
で表され圧縮室６２の容積はそれより減少したＤ点で表
され、これら容積とそれぞれの最大密閉空間の容積との
比率を表す内外圧縮室それぞれの容積比はこの軸回転角
で等しくなるように構成されているので、互いの圧力は
Ｒ点で示されるように等しくなる。すなはち図１４の容
積の記号に対応させて外圧縮室の最大密閉空間５０の容
積をＶａと置き圧縮室５４の容積をＶｃ置くとともに、
内圧縮室の最大密閉空間６０の容積をＶｂと置き圧縮室
６２の容積をＶｄ置くと、次式が成立するように階段溝
３ｃ及び階段ラップ４ｃが構成されている。 Ｖａ／Ｖｃ＝Ｖｂ／Ｖｄ この階段溝や階段ラップの高さで変化するのはＶｄのみ
であり、その高さは上式を満足させる条件から求められ
る。

【００４２】さらに図１３（ａ）から軸回転角が進み
（ｂ）を経て（ｃ）に至半回転する区間、すなはち溝段
差壁面３ｅとラップ段差壁面４ｅとの間の隙間が（ａ）
のおよそ０状態から次第に離れて隙間が拡大し（ｂ）で
およそ旋回半径の２倍に相当する最大値を示した後減少
に転じて（ｃ）で０状態となる半回転の間は外圧縮室５
５と内圧縮室６３は連通状態となり互いの圧縮室が合体
して１つの圧縮室として振る舞う。当該圧縮室の圧力が
吐出圧力よりも上昇した場合には外圧縮室５５に連通す
る吐出バイパス孔４ｊから内圧縮室６３も含めた作動ガ
スが吐出室に流出する。この状態は図１４の軸回転角θ
_２からθ_３の間に相当し、容積軸のＣ点とＤ点の容積が
合体して１つの圧縮室となるためこの圧縮室の圧力は１
つとなってＲ点からＴ点への推移した後図１３（ｄ）に
示すように吐出行程に入る。軸回転角θ_３のＥ点とＦ点
の圧縮室はそれぞれ図１３（ｃ）の圧縮室５６と圧縮室
６４に相当しその容積をＶｅ及びＶｆと置くと、固有圧
縮比は次式で表される。 （Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｖｅ＋Ｖｆ） この内分母を構成する容積ＶｅとＶｆは階段溝を設ける
と減少するので、少ない渦巻きの巻き数で大きな固有圧
縮比を得ることが可能となる。

【００４３】以上示した如く階段溝３ｃと階段ラップ４
ｃを１対設けて階段付きスクロール部材形状を構成する
ことにより巻き始めラップの強度が高められて高いラッ
プ歯高を可能にしてスクロール部材の細径化を図ると同
時に階段溝３ｃ底面内に旋回軸受４ｆを挿入して旋回ス
クロールに作用する径方向のガス圧縮荷重や遠心力の作
用点との距離を縮めることにより旋回軸受を支点とした
旋回スクロールを回転させる転覆モーメントを大幅に減
少させることができる。また、スクロール部材の細径化
により旋回スクロールのラップ先端や渦巻き溝底面に作
用するガス圧縮に伴うスラスト荷重を減少させて機械的
損失動力を軽減させることもできる。

【００４４】以上で示した旋回ラップ側壁面の形状は図
８の旋回スクロールの断面から判るように、旋回ラップ
３ｂ固定端から先端まで一本の直線で形成されている。
これに加工性を高めるように旋回ラップ３０ｂ側壁面に
ラップ段差壁面３０ｅを加えて構成したのが図１６に示
す旋回スクロール３０である。ラップ段差壁面３０ｅは
図１６のＡ−Ａ断面である図１７に示すように、階段溝
３０ｆ底面と同じ高さのラップ段差壁面３０ｅが旋回ラ
ップ３０ｂの溝段差壁面３０ｈから巻き終りまでの内外
側壁面に設けられている。また内外壁面にラップ段差壁
面３０ｅを有する旋回ラップ３０ｂ断面中央の縦軸に対
する形状は対称で、固定端側の下段ラップ３０ｄと先端
側の上段ラップ３０ｅとの断面厚さすなはち歯厚の差は
数十ミクロンから数百ミクロンの範囲で設けた旋回スク
ロールとこれに噛み合うような同様のラップ段差壁面を
設けた渦巻き形状を有する固定スクロールも含めてスク
ロール圧縮機が構成される。

【００４５】次に前記発明の１対の階段溝及び階段ラッ
プに加えて巻き始め近傍にさらに階段溝及び階段ラップ
を設けて２対とした旋回スクロールの他の実施例を図１
８とそのＡ−Ａ断面である図１９に示す。それら図に示
す第一段差壁面４０ｆの半円弧形状と第一階段溝４０ｄ
の高さｈ_１は前記発明の図７に示す旋回スクロールと同
等とし、さらに一段高くして中央に近付けた第二段差壁
面４０ｇの形状は第一段差壁面４０ｆの半円弧形状と同
じでその円弧の内側と渦巻き部が接する点をおよそ旋回
ラップ外壁の巻き始め位置に合わせる。そして第二階段
溝４０ｅ底面の高さｈ_２はおよそ０近くに設定する。ｈ
_２＝０とすることにより、前記発明で示した固有圧縮比
を一層高めることができる上に吐出行程時に内圧縮室か
らの圧縮ガスの流出通路の確保が容易となる。これと噛
み合う固定スクロールの固定ラップも２段階で低くした
階段ラップが必要となることは前記発明から容易に類推
できる。

【００４６】上記発明は２個で１組のスクロール部材の
一方を固定し他方を円軌道上の公転運動をさせるように
構成されているが、この円軌道上の公転運動は相対的に
与えられれば良いので、２個のスクロール部材が偏心し
て共に自転する共回り式スクロール圧縮機にも本発明は
適用可能である。従って、階段ラップを適用した旋回ス
クロールと階段溝を適用した固定スクロールの組み合わ
せも可能となるが、その場合は階段溝内での旋回軸受の
挿入はできない。さらに、ラップ先端へのチップシール
の装着も当然可能である。また本発明は圧縮機を対象と
した実施例を示したが、真空ポンプや膨張機等その他の
スクロール流体機械への適用も可能である。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、渦巻き曲線を構成する
ラップ巻き終り側のラップの強度を確保した上で従来よ
りも歯高を高くすることが可能となりスクロール部材の
細径化及び旋回スクロールの階段状の渦巻き溝内に旋回
軸受を挿入することによる小型軽量化が図れると同時に
この渦巻き部の細径化によりラップ先端部の渦巻き線に
沿った長さが短くなることと圧力が大きく上昇する中央
近傍の階段状のラップ側壁高さが低く圧縮室間のシール
長が短くできることさらには旋回スクロールに作用する
自転モーメントを利用した溝及びラップ段差壁面間のシ
ール機構により内部漏れが低減して効率向上が図れる効
果がある。

【００４８】またガス圧縮荷重や遠心力に基づく旋回軸
受荷重の作用点と支持点を等しくするか近付けて旋回ス
クロールに作用する旋回軸受回りの転覆モーメントを大
幅に軽減することにより、旋回スクロールの歳差運動に
対する安定性が高められる上にこの転覆モーメントを支
える荷重の軽減による効率向上効果と旋回軸受と旋回軸
間の相対的な傾きが減って旋回軸受の耐久性が高まり信
頼性向上が図れる効果がある。

【００４９】さらに過圧縮を防止する吐出バイパス孔は
溝とラップ段差壁面に隣接する内外圧縮室間が連通した
状態のいずれか一方の圧縮室に設ければよく、その設置
の箇所が減って生産性が向上する効果がある。その上固
定ラップの巻き始め側も階段状とした２階段式では固有
圧縮比がさらに大きく出来るのと内圧縮室に対する吐出
通路が十分に確保できる効果があるので、冷蔵庫や真空
ポンプなど高圧縮比が要求される流体機械に適用するこ
とにより、より一層の小型化の効果と旋回スクロールの
歳差運動に対する安定性に係わる効率向上および信頼性
向上が図られる効果がある。

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスクロール圧縮機の一部である圧縮機
構部の断面図

【図２】図１のＡ−Ａ断面図

【図３】図１のＢ−Ｂ断面図

【図４】図１のＣ−Ｃ断面図

【図５】図１のＤ−Ｄ断面図

【図６】自転防止機構としてのオルダムリングの外観図

【図７】本発明の旋回スクロールの平面図

【図８】図７のＡ−Ａ断面図

【図９】旋回スクロールの中央部のみを示す部分拡大図

【図１０】本発明の固定スクロールの平面図

【図１１】図１０のＡ−Ａ断面図

【図１２】固定スクロールの中央部のみを示す部分拡大
図

【図１３】本発明に基づく圧縮室の動作原理図

【図１４】本発明に基づく軸回転角に対する圧縮室の容
積と圧力の変化図

【図１５】階段状溝と階段状ラップそれぞれの段差壁面
の組み合わせ形状

【図１６】ラップ側壁段差を設けた旋回スクロールの平
面図

【図１７】図１６のＡ−Ａ断面図

【図１８】他の発明に基づく旋回スクロールの平面図

【図１９】図１８のＡ−Ａ断面図

【符号の説明】

３は旋回スクロール、３ｂは旋回ラップ、３ｃは階段
溝、３ｅは溝段差壁面 ３ｆは旋回軸受、４は固定スクロール、４ｃは階段ラッ
プ ４ｅはラップ段差 壁面、８はオルダムリング、９はシ
ャフト ９ｂは旋回軸部、２０は他の溝段差壁面形状を適用した
旋回スクロール ２１は他のラップ段差壁面形状を適用した固定スクロー
ル ３０は階段溝と同じ高さのラップ側壁段差を設けた旋回
スクロール ３０ｃは上段ラップ、３０ｄは下段ラップ、３０ｅはラ
ップ側壁段差 ３０ｆは階段溝、３０ｈは溝段差壁面 ４０は他の発明の階段溝を２か所設けた旋回スクロー
ル、４０ｄは第一階段溝 ４０ｅは第二階段溝、４０ｆは第一段差壁面、４０ｇは
第二段差壁面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円形の端板上に一端が固定され他端が端板
   の鏡板面に対して平行で同一高さを有する渦巻き状の旋
   回ラップを形成した旋回スクロールとおよそ円形等厚の
   円盤内に端面に平行で深さと幅が一様な底面を有する渦
   巻き溝を設けた固定スクロールを互いに噛み合わせて形
   成される圧縮室で旋回ラップの巻き終りラップ外壁も圧
   縮室として利用する非対称ラップ形状で形成され、旋回
   スクロール端板の鏡板面の裏面側のおよそ中央に開口す
   る茶筒状の穴で構成される旋回軸受を設けその穴の閉じ
   た側の壁を隔てた側に設けた旋回ラップも圧縮室として
   利用する旋回スクロールを自転防止機構を用いて円軌道
   上を公転運動させるスクロール圧縮機において、 （１）旋回スクロールの旋回ラップ３ｂ内外側壁と端板
   の平坦面から形成され旋回ラップ歯厚に旋回スクロール
   の円軌道上の公転運動を決める旋回半径の２倍を加えた
   値の幅を有するコ字状の渦巻き溝に対して、旋回ラップ
   巻き終り内側が終端となる渦巻き溝位置からおよそ１巻
   き内側に入った場所の渦巻き溝の底面の高さを鏡板面基
   準の旋回ラップ高さのおよそ半分前後以上の高さを有し
   て中央に向けて一段高くした溝段差壁面３ｅを有する階
   段溝３ｃを設けるともに、旋回ラップ側壁間につながる
   溝段差壁面の平面形状を旋回半径と旋回ラップ歯厚から
   決まる中央に向けて凸となる半円弧形状または円弧と直
   線の組み合わせた形状とした旋回スクロール。 （２）固定スクロール４の渦巻き溝４ｄ間を仕切る壁と
   して形成される固定ラップ４ｂの渦巻き溝巻き終り内壁
   を形成する固定端となる固定ラップ巻き終り部から内側
   におよそ１巻入った位置に旋回スクロールの溝段差壁面
   ３ｅの包絡線として形成されるラップ段差壁面４ｅを設
   けてここから中央部の巻き始め位置まで伸びる固定ラッ
   プの高さを旋回スクロール３の階段溝ｃの高さに合わせ
   て一段低く構成した固定スクロール。 以上で構成されたことを特徴とするスクロール圧縮機の
   スクロール部材形状。
2. 【請求項２】（１）旋回スクロール３に設けた階段溝３
   ｃ底面の内部に茶筒のような一端が閉じ他端が鏡板面の
   裏面側に開口する穴またはその穴の中に圧入した円筒状
   の旋回軸受３ｆの横荷重の支持点に相当する円筒状の両
   端面中央を端板３ａの鏡板面に相当する位置前後におよ
   そ一致させるかそれよりも階段溝３ｃ底面側に近付けて
   構成された旋回軸受。 （２）旋回スクロール３に設けた溝段差壁面３ｅの半円
   弧中心と渦巻き曲線の座標中心Ｏ_１を通る直線Ａから溝
   段差壁面３ｅの半円弧の凸方向に座標中心Ｏ_１からおよ
   そ旋回半径の半分前後以上の距離を離した軸心を有する
   旋回軸受。 （３）旋回スクロール３の重心点を通り且つ旋回スクロ
   ールの溝段差壁面３ｅの半円弧中心を通る前記直線Ａに
   直角に引いた直線を境界線として溝段差壁面３ｅの境界
   線を含む反対側の領域に軸心を設けた旋回軸受。 以上で構成されたことを特徴とする請求項１のスクロー
   ル圧縮機のスクロール部材形状。
3. 【請求項３】請求項１のスクロール圧縮機のスクロール
   部材形状において、旋回スクロールの階段溝３ｃを第一
   段溝４０ｄと置いた場合に，この第一段溝底面の上に追
   加した旋回ラップ４０ｂ外壁のおよそ巻き始め位置とこ
   れより旋回ラップが一巻外側に出た旋回ラップ内壁とを
   結ぶ内側に凸な半円弧形状の第二段差壁面４０ｅを設け
   た第二段溝４０ｇを形成することにより２対の階段溝か
   ら構成される旋回スクロール及びこの旋回スクロールと
   噛み合うように固定ラップの２か所にラップ段差壁面と
   階段ラップを設けた固定スクロールとで構成されたこと
   を特徴とするスクロール圧縮機のスクロール部材形状。