JP2000502423A - リリーフされたスラスト表面を有する渦形素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 固定渦形素子（１２）と旋回渦形素子（１４）とを有するスクロール・コンプレッサ（１０）が開示されている。各々の渦形素子は素子のラップから素子の周縁まで伸びる平面（１８、２４）を有する。各々の渦形素子の平坦面には、リリーフ・エリア（５６、６２）が形成され、渦形素子のセンターラインに向けて半径方向内側へ、接線方向のガスの力に対し逆に作用する中間圧力の実質的なピボット点を移動させる。この結果、摩擦力が減少するとともに、渦形要素の製作に必要な時間が短縮される。

Description

【発明の詳細な説明】 リリーフされたスラスト表面を有する渦形素子 発明の技術分野 本発明はコンプレッサに関し、特にスクロール・コンプレッサに関する。 発明の背景 スクロール・コンプレッサは、家庭用及び事務所用の空調システムにおいて広 範囲に使用されている。スクロール・コンプレッサは、普通は、固定渦形素子と 、固定渦形素子に対し相対的に旋回する旋回渦形素子とを有する。各々の渦形素 子は、インボリュート曲線に形成された渦形ラップを有する。渦形ラップは、他 方の渦形素子の渦形ラップと接触し、冷媒を圧縮する圧縮ポケットを形成する。 ポケットは、渦形ラップの外周から渦形素子の中心まで体積が減少し、冷媒を圧 縮する。圧縮された冷媒の高圧放出が渦形素子の中心で生じる。 渦形素子の各々は、精密な機械加工が施された平面又は床を有する。各々の渦 形素子のインボリュートラップの先端は、隣接する渦形素子の平面と密封を行う ように接触する。吸込み圧力と放出圧力との間の位置において圧縮ポケットの一 つに接続する中間圧力ポートが、旋回渦形素子と固定渦形素子とを適切な密閉係 合に押しやる ために、旋回渦形素子の後部チャンバーに設けられている。この中間圧力後部チ ャンバーによって提供される力は、渦形素子を引き離そうとする圧縮ポケット内 のガス力に打ち勝たなければならず、また冷媒が共働する渦形ラップの間あで圧 縮されるにつれて、冷媒の接線方向のガス力によって生じるピボット・モーメン トにも打ち勝たなければならない。 広範囲に亙る機械加工及び渦形の先端と渦形素子の平面間に必要な小さな公差 のために、適切にスクロール・コンプレッサを操作するために必要な密閉関係を 維持しながら、この界面の複雑さと費用を減少させる技術を開発する必要がある 。 発明の要約 本発明の一態様によれば、平面を有する渦形素子が提供される。渦形素子は、 また内側点から外側点まで伸びるインボリュート曲線を形成する渦形ラップを有 する。平面は外部点を超えて渦形素子の周縁まで伸びる。外部点と周縁間の平面 を通して、リリーフ領域が渦形素子に形成される。 本発明の別の態様によれば、平面部分がリリーフ領域から周縁まで伸びる。本 発明の別の態様によれば、リリーフ領域は周縁まで伸びる。 本発明の別の態様によれば、渦形素子は固定渦形素子であり、旋回渦形素子は 外部点とリリーフ領域間の固定 渦形素子の平面の一部を中心にした接線方向のガス力の効果を通して、固定渦形 素子に対して旋回する。 図面の簡単な説明 発明及びその利点のより完全な理解は、添付図面との関連で以下の詳細な説明 を読めば自明となるであろう。 図１は本発明の第１の実施形態を形成するスクロール・コンプレッサにおける 渦形素子の横断面図である。 図２はリリーフ・エリアを図示する固定渦形素子の平面図である。 図３は旋回渦形素子上で作用する力の力図である。 図４は接線方向のガス力によって作られるモーメントに対し逆方向に作用する 中間圧力チャンバー内の中間圧力の変化を図示するグラフである。 図５は圧力ポケットの圧力の増大を示す、圧縮サイクルにおける圧力対回転の グラフである。 図６は必要な半径対コンプレッサクランク角のグラフである。 発明の詳細な説明 以下図面を参照する。図において、同一符号は同様の又は対応する部材を示す 。図１には、スクロール・コンプレッサ１０が記載されている。スクロール・コ ンプレッサ１０は、家庭用、業務用その他の冷凍サイクルに使用する冷媒を圧縮 するのに使用可能なものである。スク ロール・コンプレッサ１０は、固定渦形要素１２と旋回渦形要素１４とを有する 。固定渦形要素は、渦形ラップ（Scroll wrap）１６を有する。渦形ラップ１６ は、平坦面１８の床部１８Ａから延び、渦形ラップ外面２０と渦形ラップ内面２ １とを定めている。平坦面１８は、床部１８Ａと同心の環状部１８Ｂとからなる 。環状部１８Ｂは、床部１８Ａから、渦形要素１２の軸１２３に沿って、間隔を もって配置されている。旋回渦形要素は、平坦面２４から延びる渦形ラップ２２ を定めている。渦形ラップ２２は、渦形ラップ内面２６と渦形ラップ外面２７と を定めている。 よく知られているように、固定渦形要素１２は、固定された状態でコンプレッ サに保持されている。一方、旋回渦形要素１４は、オルダム継手のようなメカニ ズムにより、固定渦形要素に対して相対的に回転できないようにされているとと もに、旋回半径の円内を旋回させられる。渦形ラップ１６及び２２の各々は、シ ール用先端部２８を有する。この先端部２８は、その間を密封するのに十分な力 で平坦面１８又は２４に接触している。図２にもっともよく見られるように、固 定渦形要素１２のシール用先端部２８は、平坦面１８の環状部分１８Ｂに没入し ている。したがって、環状部１８Ｂは、固定渦形要素１２のシール用先端部２８ の一部と言える。同様に、渦形ラップの面２０、２１、２６及び２７は、接触線 において互いに接触する。接触線は、旋回渦形要素１４が 複数の圧縮ポケットを形成するために固定渦形要素１２に対し相対的に旋回する とコンスタントに変化する。圧縮ポケットは、渦形要素の外縁３０及び３２から 渦形要素の中央に向けて体積が減少する。通常、中央のもっとも圧縮された位置 で冷媒を排出するために、排出口がセンターラインの近傍に形成されている。 次に、図３を用いて、旋回渦形要素１４に作用する力について説明する。 旋回渦形要素１４は、後面３４を有する。後面３４からは、円筒状のベアリン グ要素３６が延びている。ベアリング要素３６は、スクロール・コンプレッサの クランク・シャフト（不図示）の中にはまっている。クランク・シャフトは、通 常、電動モータにより回転させられ、旋回渦形要素１４を旋回させる。クランク ・シャフトは、ベアリング中心点４４を介して作用するベアリング力Ｆ_o/Sによ り旋回渦形を駆動する。 スクロール・コンプレッサの筐体は、旋回渦形要素１４の後面３４に面する一 部分となっている。後面３４とスクロール・コンプレッサ筐体の対向する面との 間には２つのシール４５及び４７があり、環状の中間圧力チャンバー３８を規定 している。圧力チャンバー３８は、中間圧力ポート４０を介して圧縮ポケットの うちの一つに接続されている。圧縮ポケットは、渦形要素１２及び１４の渦形ラ ップの間に形成されている。中間圧力ポート４０は、後面３４と平坦面２４との 間に延びている。チ ャンバー３８の中で加圧されたガスは、力Ｆ_ipを発生させる。力Ｆ_ipは、旋回渦 形要素１４の軸１２５に沿って作用し、渦形ラップのシール用先端部と平坦面１ ８及び２４との接触を密封状態に維持する。 スクロール・コンプレッサが渦形要素の渦形ラップ間の冷媒を圧縮するように 作動させられると、圧縮されたガスは、接線方向のガス力Ｆ_tgを生む。ガス力Ｆ_tg は、一部がベアリング力Ｆ_O/Sとバランスするが、距離Ｚ₁を介しても作用する 。ここで距離Ｚ₁は、ガスの接線方向の力の有効ベクトルと旋回渦形要素１４の ベアリング中心点４４との間のモーメントの腕をあらわしている。ガスの接線方 向の力は、点４４回りのモーメントを発生させる。このモーメントは、渦形要素 １４を傾け、渦形要素のシール用先端部２８を渦形要素の平坦なシール面１８及 び２４から引き離すように作用する。また、渦形要素の間で圧縮されたガスによ り軸方向の力Ｆ_agも発生する。力Ｆ_agは、渦形要素を軸１２３及び１２５に沿っ て引き離すように作用する。（軸１２３及び１２５は、スクロール・コンパリゾ ン（scroll comparison）の通常操作では平行を維持する。ただし、軸１２５は 、軸１２３の回りをコンプレッサの旋回半径で旋回する。）このモーメント及び 軸方向の力は、中間圧力チャンバー３８の中で加圧され、後面３４に矢印４２で 示すように作用し、力Ｆ_ipを形成する冷媒から逆方向の作用を受ける。モーメン トに抵抗する力は、先端部のスラスト力Ｆ_ttで ある。力Ｆ_ttは、Ｆ_tt＝Ｆ_ip−Ｆ_agという計算から得られる。この力Ｆ_ttは、図 １に見られるように、半径Ｒで定義されるモーメントの腕を介して、旋回渦形要 素１４の平坦面２４が固定渦形要素１２の平坦面１８上でピボットするところに 作用する。平坦面１８及び２４が渦形要素の外縁３０及び３２まで又はその近傍 まで拡張している従来のスクロール・コンプレッサでは、ピボットは、その縁の 近くとなる。 種々の力は、動的なものである。例えば、チャンバー３８内の中間圧力は、図 ４に示すように、旋回渦形要素１４の一旋回毎に変化する。旋回渦形要素１４が 固定渦形要素１２に対し相対的に旋回すると、特定の圧縮ポケットがポート４０ の上を移動する。旋回渦形要素１４がその旋回運動を継続すると、圧縮ポケット の体積が減少し、ポート４０の半径方向内側へ移動して最大圧力位置４６にくる までポケット及びチャンバー３８の両方の圧力が増大する。次の圧縮ポケットは 、低い中間圧力のときにポート４０の上で開く。これにより、チャンバー３８内 の圧力は、最低圧力４８に急激に下がり、新しいサイクルが始まる。最大圧力及 び最低圧力の間の差は、旋回渦形要素１４の一旋回毎に生じる。同様に、それを 介して中間圧力チャンバー３８が接線方向のガス運動に抵抗するように作用する スクロール・コンプレッサーの半径Ｒは、図６のライン５０に示すように、旋回 渦形要素が回転すると変化する。図６で三角印を結ぶライン５２ は、理想的な必要半径Ｒを度で示したクランク角度に対しプロットをしたもので ある。理想的な必要半径Ｒとは、傾くことを防ぐのにそのクランク角で得られる 中間の力のために必要なものをいう。ガスの接線方向の力自体変化し、図６のラ イン５２に示されるように種々の傾斜モーメントの原因となる。四角形のデータ ポイントで示されるライン５０は、実際のスクロール・コンプレッサ１０で得ら れる半径を現している。上記半径は、任意の瞬間に、与えられたクランク角でピ ボット位置を形成するポイント６６と、後述するリリーフ・エリア５６及び６２ を形成することで作られるスクロール・コンプレッサのセンターラインとの間に 定義されている。リリーフ・エリアを有さない従来のスクロール・コンプレッサ では、半径Ｒは、図６に示される直線５３となる。直線５３は、従来のスクロー ル・コンプレッサの半径が比較的一定であり、固定渦形要素の外縁と旋回渦形要 素の外縁との間の接触ラインに形成されることを現している。従来のスクロール ・コンプレッサでは、傾くことを防止するために、半径は、必要な半径５２のも っとも高い半径を超えていなければならない。しかし、必要な半径５２は、完全 な３６０゜のサイクルの間に最も高い必要半径から相当に減少することから、必 要半径と従来のスクロール・コンプレッサの一定の半径との間の任意のクランク 角における差は、釣り合いの力が、傾けようとする力に単に逆に作用するのに必 要とされる力を相当に越えるコンデ ィションを表している。このようなコンディションは、不必要な摩擦損失の原因 となる。本発明では、リリーフ・エリア５６及び６２で規定される有効半径ライ ン５０を得ることを図っている。ライン５０は、必要な半径ライン５２の輪郭の 実用上可能な限り近くを追従するものである。 図５は、圧縮ポケットが半径方向内側へ移動し、圧縮ポケット内のガスが渦形 要素で圧縮されるにつれ、ガスの圧力が増大することを示している。ポケットが 渦形要素の外縁の近くで、渦形要素の間に最初に形成されたときには、冷媒ガス は、低い吸引圧力Ｐ１にある。圧力は、旋回渦形要素１４が旋回し、ポケットが 渦形要素のセンターラインに向けて半径方向内側へ移動するとともに増大する。 点５４で、スクロール・ポケットは、はじめて排出ポートに排出することを開始 し、排出圧力Ｐ２でコンプレッサの高圧側に排出することを開始する。排出ポー トは、圧力を一定に維持したまま、旋回渦形要素の一回転の間、圧縮ボリューム に対して開かれている。一般的なスクロール・コンプレッサにおいて旋回するス クロール・コンプレッサ１４は、圧縮ポケットが吸引側から排出側へ移動するま でに２と１／２回転する。図５は、大体においてガス圧力の排出圧力Ｐ２（排出 圧力Ｐ２は、スクロール・コンプレッサの固有のデザインに依存する）までの増 大を示すことから、中間ポケット内の圧力は、実際の排出圧力を越えることがで きる。このようなこと は、特に、例えば２．５のような高い圧力比用に設計されたコンプレッサを例え ば２．０のような低い圧力で使用した場合に起こりうる。このように、スクロー ル・コンプレッサの排出ポートへ向けて半径方向内側へ中間圧力ポート４０を移 動させることは、一般的に、中間チャンバーの圧力を増大させることに寄与する が、常にそうであるわけではない。中間ポートのドエル・タイムの大きな部分が 、ポケットが排出圧力に対し開いているインターバルの間に与えられ、排出圧力 が、排出ポートに開かれる直前の閉じたポケットによって達成された圧力より低 い場合には、平均中間圧力は、実際には低くなるであろう。 次に、図１及び２を用いて、本発明の重要な利点の一つについて説明する。渦 形要素１２及び１４の従来のデザインでは、一般に、平坦面１８及び２４を有し ていた。これら平坦面１８及び２４は、渦形要素のセンターラインと渦形要素の 外縁３０及び３２との間に広がっている。特に、平坦面１８の環状部分１８Ｂは 、 （ライン８６までの）その全体において精密な平坦面として形成されていた 。しかしながら、固定渦形要素１２は、環状リリーフ・エリア５６を有する。リ リーフ・エリア５６は、平坦面１８の部分５８と平坦面１８の外縁３０における 部分６０との間で半径方向に広がっている。同様に、旋回渦形要素１４の平坦面 ２４の全周に環状リリーフ・エリア６２が形成されている。リリーフ・エリア６ ２は、平 坦面２４の一部分６４から旋回渦形要素１４の外縁３２まで延びている。 次に、図２を用いて固定渦形要素１２の外縁３０について説明する。ライン８ ６は、従来のデザインにおける平坦面１８の精密機械加工部分の外縁を現してい る。ライン８６と外縁３０との間の環状部は、普通、渦形要素をコンプレッサに ボルト締めするためのボルト孔を備え、精密機械加工を施されない。ライン８８ は、旋盤加工中に渦形シール用先端部２８との干渉を防止するために必要とされ る旋盤の旋回圏を現している。したがって、本発明として可能な実施形態の一つ は、リリーフ・エリア５６をライン８６と８８との間の環状部として形成するこ とである。ライン９０は、渦形先端部２８との干渉を回避するための最大ポテン シャル・リリーフ・エリア限界を現している。本発明の他の実施形態では、リリ ーフ・エリア５６をライン８６とライン９０との間に造ることができる。ポイン ト９２は、作業インボリュートすなわち渦形ラップ１６の終わりを現している。 このデザインは、多くの利点を有する。従来、部分５８から外縁３０の近くの ライン８６までの平坦面１８の全体、及び、渦形ラップ２２から外縁３２までの 平坦面２４の全体は、非常に狭い公差で形成しなければならなかった。平坦面に 形成されたいかなるバンプ、ノッチ又はウェーブもスクロール・コンプレッサの 適正な作動を阻害していた。このような面の欠陥はスクロール・コン プレッサが作動するにつれ磨耗し平坦となるが、これは、スクロール・コンプレ ッサが最大効率では駆動しない比較的長い期間を生む。さらに、機械加工を行う ために渦形要素をクランピングする作業を含む、旋回渦形要素１４を形成するの に必要な作業の間では、旋回渦形要素１４の縁３２の近くに、隆起したカールが 度々発生していた。このカールもまた、スクロール・コンプレッサに対し、この カールが平坦面に磨耗するまで、非常に長いワーキング・イン・タイムを要求し た。 本発明のデザインでは、旋回渦形要素１４が、部分５８において固定渦形要素 １２に形成されたピボット・ポイント６６の回りをピボットする。これは、モー メント半径Ｒを従来のデザインから内側へ移動させる。リリーフ・エリア５６及 び６２により、ピボット・ポイント６６の位置が予想しやすくなり、また安定し た。これにより、スクロール・コンプレッサを最大効率を得るよう・により適切 に設計することが可能となった。唯一シーリングを必要とするのは、渦形要素の 先端部２８とその先端部が接触する平坦面１８及び２４の部分との間である。リ リーフ・エリアは、通常の作動の間に、ポイント６６を含む円の半径方向外側の 渦形要素間で接触がないよう十分に深いものである必要がある。もちろん、ポイ ント６６は、旋回渦形要素が固定渦形要素に対して相対的に旋回するにつれ、部 分５８の縁全体に沿って移動する。リリーフ・エリア５６が十分に深い場合には 、リリーフ ・エリア６２は、本発明の利益を実現するために必ずしも必要とはならない。渦 形先端部の半径方向外側におけて平坦面１８及び２４が大きな部分で接触しても 、これは、求められる密封作用に寄与しない。しかし、リリーフ・エリア５６及 び６２を有さない従来のデザインでは、これらの面１８及び２４は接触しており 、摩擦力を生じ、また、漏れ経路を造っていた。 本発明は半径Ｒを小さくするので、中間圧力の力は、モーメントの腕の縮小を 補償するように調整することができる。これを達成するために、中間圧力ポート ４０を位置６８から位置７０へ半径方向内側に移動させることができる。ここで 、位置６８は、リリーフ・エリア５６及び６２を有さないスクロール・コンプレ ッサの性能を最適化するために使用されたものである。位置７０では、中間圧力 ポート４０が、排出圧力に対しより敏感である圧縮ポケットとつながっている。 この結果、高い圧力比の条件下では、平均中間圧力がより高くなり、チャンバー ３８での平均圧力がより高くなる。より高い平均圧力は、高圧力比作動に必要な 補助的な力Ｆ_ipを生成する。 添付図面において本発明の１つの態様を図示し、詳細に説明してきたが、発明 は開示した態様に制限されず、発明の範囲及び精神から逸脱することなく、幾多 の配置転換、修正及び部品や成分の代用が可能であることが理解されるであろう 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒル、ジョー トッド アメリカ合衆国 71923 アーカンソー州 アルカデルフィア ドルイド ヒルズ 301 (72)発明者 フィールズ、ジーン マイクル アメリカ合衆国 71923 アーカンソー州 アルカデルフィア ノースリッジ ドラ イブ 2201

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．渦形要素が平坦面及び渦形ラップを有し、前記渦形ラップがその上にラップ 面を有し、前記ラップ面が前記渦形要素の内側位置から外側位置へ広がり； 前記平坦面が前記ラップ面の前記外側位置を越えて前記渦形要素の周囲の縁ま で広がっており； ラップ面の前記外側位置と前記周囲の縁との間で、前記平坦面の全周にわたっ て、前記渦形要素にリリーフ・エリアが形成されている ことを特徴とするスクロール・コンプレッサ用の渦形要素。 ２．前記平坦面の一部分は前記渦形ラップの外側位置から前記リリーフ・エリア まで広がり、前記リリーフ・エリアは前記周囲の縁まで広がっている ことを特徴とする請求項１に記載の渦形要素。 ３．前記平坦面の一部分が前記リリーフ・エリアから前記渦形要素の周囲の縁ま で広がる ことを特徴とする請求項１に記載の渦形要素。 ４．不動の渦形要素である ことを特徴とする請求項１に記載の渦形要素。 ５．旋回する渦形要素である ことを特徴とする請求項１に記載の渦形要素。 ６． 平坦面及び渦形ラップを有する固定渦形要素であって、 前記渦形ラップ上には前記平坦面の内側位置から外側位置へ広がるラップ面があ り、前記平坦面は、前記外側位置から前記固定渦形要素の周囲の縁まで延びてお り、前記外側位置と前記周囲の縁との間で、前記平坦面の全周にわたって、前記 渦形要素にリリーフ・エリアが形成されている固定渦形要素と、 平坦面及び渦形ラップを有する旋回渦形要素であって、前記渦形ラップ上には 前記平坦面の内側位置から外側位置へ広がるラップ面があり、前記平坦面は前記 外側位置を越えて前記旋回渦形要素の周囲の縁まで広がっており、前記外側位置 と前記旋回渦形要素の周囲の縁との間で、前記平坦面の全周にわたって、前記旋 回渦形要素にリリーフ・エリアが形成されている旋回渦形要素とを備え、 前記旋回渦形要素は、ガスの接線方向の力による傾けようとするモーメントに 対し逆方向に作用するように中間圧力にさらされている部分がある後面を有し、 前記旋回渦形要素は、前記固定渦形要素の外側位置と前記固定渦形要素のリリ ーフ・エリアとの間において前記固定渦形要素上に形成されたポイントの回りを 前記固定渦形要素に対し相対的に旋回する ことを特徴とするスクロール・コンプレッサ。