JP2012533028A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

スクロール圧縮機は、それぞれのスクロール・プレート（４２、４８）とそれぞれのスクロール壁（４４、５０）とを有する２つのスクロール（４０、４６）を備える。スクロール壁は、スクロール同士が相対軌道運動したときに、ある体積（５２、５４）の気体がスクロール間に閉じ込められて入口（３１）から出口（３３）にポンプ輸送されるように噛み合っている。入口と出口との間の流路（５６）の第１の部分（６２）に沿ったスクロール・プレート間の閉じ込め体積の軸方向の大きさ（Ａ）は、流路の第２の部分（６４）に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ（Ｂ）より小さく、かつ第１の部分は、流路に沿って第２の部分より入口に近い。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクロール圧縮機に関する。

従来技術のスクロール圧縮機、すなわちポンプ１０が図５に示されており、これは、ハウジング１２と、同心シャフト部分１６と偏心シャフト部分１８とを有する駆動シャフト１４とを含む。シャフト１４は、その同心部分において、ハウジング１２に対して固定された軸受２０によって支持され、モータ２２によって駆動される。第２の軸受２４は、偏心シャフト部分１８上で軌道スクロール２６を支持しており、使用中、シャフトの回転が固定スクロール２８に対する軌道運動を軌道スクロール２６に伝えて、流体を圧縮機の入口３１と出口３３との間の流体流路３０に沿ってポンプ輸送するようになっている。
各スクロールは、ほぼ円形のベース・プレート２７、２９に対して垂直に延びるスクロール壁３２、３４を含む。軌道スクロール壁３２は、軌道スクロールの軌道運動中、固定スクロール壁３４と協働し又は噛み合う。スクロール同士の相対軌道運動が、ある体積の気体をスクロール間に閉じ込め、入口から出口に向けてポンプ輸送させる。
スクロール・ポンプは、ドライ・ポンプであり、従って、スクロール壁３２、３４間の間隙は、間隙を通る流体の浸出を最小にするように、製造又は調整中に、正確に設定されなければならない。一方のスクロールのスクロール壁の軸方向の端部と他方のスクロールのベース・プレートとの間の空間は、先端シール３６によってシールされている。

スクロール・ポンプの能力、すなわちポンプの排気速度は、スクロール間に閉じ込めることができる気体の体積によって決定される。ポンプの圧縮限界は、背漏れ（ｂａｃｋ ｌｅａｋａｇｅ）の量（シールの効力によって決まる）と、漏れをポンプ輸送で排除する働きをするポンプ輸送流量の関数である。スクロール・ポンプの流量が小さくなるにつれて、ポンプ輸送で排除することができる漏れの量も減少し、その結果、圧縮が低下する。

特定の要件を満たすためには、ポンプ輸送流量が低下しても圧縮が低下しないスクロール・ポンプを提供することが望ましい。

本発明は、改良されたスクロール圧縮機を提供する。
本発明は、それぞれのスクロール・プレートとそれぞれのスクロール壁とを有する２つのスクロールを備えたスクロール圧縮機を提供し、スクロール壁は、スクロール同士が相対軌道運動したときに、ある体積の気体がスクロール間に閉じ込められて入口から出口にポンプ輸送されるように噛み合っており、入口と出口との間の流路の第１の部分に沿ったスクロール・プレート間の閉じ込め体積の軸方向の大きさは、流路の第２の部分に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさより小さく、かつ第１の部分は、流路に沿って第２の部分より入口に近い。
本発明の他の好ましい及び／又は任意の態様は、添付の特許請求の範囲において定義される。

本発明を良く理解することができるように、例示としてのみ与えられる本発明の２つの実施形態を、添付の図面を参照してここで説明する。

スクロール・ポンプのスクロール壁の概略図を示す。 図１によるポンプの固定スクロールのスクロール・プレートの断面図である。 別のスクロール・ポンプのスクロール壁の概略図を示す。 図３によるポンプの固定スクロールのスクロール・プレートの断面図である。 従来技術のスクロール圧縮機の断面図を示す。

１つのスクロール・ポンプの一般的な配置は、図５との関連で上述されており、簡潔化のために説明は繰り返さない。図１から図４は、図５に示されるポンプから改造されたスクロール・ポンプの態様を示す。
図１及び図２を参照すると、スクロール圧縮機は、固定スクロール・プレート４２と固定スクロール壁４４とを有する固定スクロール４０と、軌道スクロール・プレート４８と軌道スクロール壁５０とを有する軌道スクロール４６とを備える。スクロール壁４４、５０は、噛み合っており、スクロール同士が相対軌道運動すると、体積５２の気体がスクロール間に閉じ込められ、かつ入口３１から出口３３にポンプ輸送されるようになっている。第２の体積５４の気体は、軌道スクロールのスクロール壁のもう一方の側でスクロール間に閉じ込められ、流路に沿って入口から出口にポンプ輸送される。入口３１のところの二つの矢印は、流体が軌道スクロールの両側で、出口に向かってポンプ輸送されることを示す。体積５２、５４は、ほぼ三日月形であり、軸方向から見た場合の図１に示されるように、入口から出口に向かってサイズが小さくなっており、圧縮を達成する。

図５に示されるスクロール・ポンプと比べて、図１及び図２によるスクロール・ポンプのポンプ輸送流量は小さくされている。この点に関しては、第１の巻き（すなわち入口から延びる最初の３６０°）の体積流量は、ポンプ輸送流量の条件を満たすように選択され、一方、残りの巻きの流量は、圧縮要件に応じて選択される。様々なポンプ輸送用途において異なるポンプ輸送流量が要求されることが多いので、図１及び図２を参照して説明されるポンプは、示されるように、既存のレイアウト及び部品を維持し、かつ圧縮を損なわずに、小さいポンプ輸送流量に合致するように、容易に改造することができる。ポンプが特別にポンプ性能を小さくするように設計され、それにも関わらず顧客がポンプ輸送流量の範囲に対する要求を高めることは通常は予想されないが、本発明は、様々なポンプ輸送流量及び良好な圧縮をもたらすとともに、多数のポンプ・レイアウト及び設計を必要としない、広範囲のポンプを提供することを可能にする。

図２は、固定スクロール・プレート４２の断面図を示し、その切断線は、入口と出口との間のインボリュートに対応し、かつ固定スクロール壁の連続する巻きの間のほぼ中間に延びる。別の言い方をすれば、固定スクロールによって形成されるインボリュート・チャネルは、図２においては、入口３１を図の左側に、出口３３を右側にして、巻きを延ばされている。軌道スクロール・プレート４８の位置は、破線で示されている。スクロール壁４４、５０は、単純化のため図示されていない。固定スクロール・チャネルの平面図も示されている。

図２に示されるように、スクロール同士の相対軌道運動により、体積５２、５４がスクロール間に閉じ込められ、入口３１から出口３３に延びる流路５６に沿ってポンプ輸送される。体積５２、５４の軸方向の大きさすなわち深さは、スクロール・プレートの対向する面５８、６０によって定められる。流路の第１の部分６２は、流路に沿った第２の部分より入口に近く、第１の部分に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさは、第２の部分に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさより小さい。流路５６の第１の部分６２に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ａ」は、流路の第２の部分６４に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ｂ」とは異なる。従って、流路５６の異なる部分において閉じ込め体積の適切な軸方向の大きさを選択することによって、ポンプの体積流量を変更することが可能である。

軸方向の大きさすなわち深さの変化を形成するために、固定スクロールのスクロール・プレートは、流路５６の第１及び第２の部分間に軸方向段６６を含み、これにより軸方向段のところで閉じ込め体積の軸方向の大きさを増減する。代替的に又は付加的に、軸方向段は、軌道スクロール・プレート４８内に形成することができる。

示されるように、ポンプ輸送流量を小さくするが、ポンプの圧縮を維持することが望まれる場合には、流路の第１の部分６２の方が第２の部分６４より入口３１に近いので、第１の部分６２に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ａ」は、第２の部分６４に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ｂ」より小さくなるように選択される。従って、ポンプ輸送チャネルの軸方向の大きさ（すなわち深さ）及び体積流量は、この例においては１つの離散的な段６６によって変化し、入口においてより小さく、出口に向かって大きくなる。第２の部分６４に沿ったより深いチャネルは、ポンプが従来技術と比べて圧縮を維持することを可能にし、これにより流量が小さくされても圧縮が低下しないポンプが提供される。

流路５６の第３の部分６８に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ｃ」は、第１の部分６２と第２の部分６４の少なくとも一方に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ａ」又は「Ｂ」とは異なるものとすることができる。図１及び図２に示されるように、第２の部分６４は、流路に沿った第１の部分６２と第３の部分６８との間にあり、第２の部分に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ｂ」は、第１の部分及び第２の部分に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさより小さい。この方式では、第１の部分６２がポンプ輸送速度（又は流量）を低減し、第２の部分６４が圧縮を維持し、深さが浅くされた第３の部分６８が動力消費を低減する。深さの変化を形成するために、固定スクロールのスクロール・プレートは、流路５６の第３の部分と第２の部分との間に軸方向段７０を含み、これにより軸方向段のところで閉じ込め体積の軸方向の大きさを変化させる。代替的に又は付加的に、軸方向段は、軌道スクロール・プレート４８内に形成することができる。

チャネルの深さの段階的な変化それ自体が、圧縮の損失を少し生じさせることに留意されたい。従って、図１に示される例において、第２の部分の深さは、こうした損失を補償するのに十分ものとすべきである。

図１に示されるように、固定スクロール・プレート４２内の軸方向段６６、７０と一致するのが、軌道スクロール壁５０内のそれぞれの軸方向段７２、７４である。この点に関して、固定スクロール・チャネルの深さが増減する位置において、軌道スクロール壁の高さが、相応して増減される。軌道スクロールの各々の離散的な部分が、固定スクロールに対して軌道運動を行う。従って、固定スクロール・プレート内の段は、軌道スクロール壁がその軌道運動中、固定スクロール・プレートの面を横切って弧を描くように動き、それらの間の間隙が軌道運動の間中、比較的小さく保持されるように、弧状であり、好ましくは円形である。好ましくは、図示されるように、軌道スクロール壁内の段もまた、間隙が軌道運動の間中、最小に維持されるように弧状であり、好ましくは円形である。こうすることで、スクロール壁は、段のところでの漏れが最小になるような形状とされる。

第２のスクロール・ポンプのスクロールは、図３及び図４を参照して説明される。図１及び図２との関連で用いられているのと同様の参照符号を用いて、図３及び図４を参照して説明されるスクロール圧縮機の同様の特徴を表す。第２のスクロール・ポンプのスクロールは、１つ又はそれ以上の入口を通ってポンプに入る流体に対して相違するポンプ輸送が適用される、多重開始部（ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｒｔ）配置を定める。例えば、スクロールの半径方向外側部分にある入口３１とスクロールの半径方向内側部分にある出口３３との間の途中の位置に入口を設けることができる。こうした更なる入口は、入口３１と出口３３との間の圧力でポンプ輸送を行うための、中間の又は昇圧用（ブースタ)の入口を提供することができる。

図３に示されるように、固定スクロール７６は、入口３１から延びる２つのチャネル８２、８４を形成するように配置された、固定スクロール壁７８と固定スクロール・プレート８０とを含む。チャネルは、出口３３まで延びる単一チャネル８６を形成するように収束し、これにより入口と出口との間に多重開始部流路が設けられる。すなわち、流路の第１の部分（第１の軸方向の大きさ、すなわち深さを有する）は、チャネル８２、８４に沿って延び、流路の第２の部分（第２の軸方向の大きさ、すなわち深さを有する）は、単一チャネル８６に沿って延びる。

多重の開始部は、図３に示されるように（並列に）同期させることができ、その場合、チャネルは、より少ないチャネルを形成するように収束させることができる。典型的には、２つ又はそれ以上のチャネルを収束させて、１つのチャネルを形成することができる。図３において、チャネル８２、８４は、チャネルの軸方向の大きさ、すなわち深さが増大する位置８８において収束して、チャネル８６を形成する。従って、チャネル８２、８４に沿ったスクロール間の閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ａ」は、単一チャネル８６に沿った閉じ込め体積の軸方向の大きさ「Ｂ」より小さい。

図４は、図２と類似した図を示す。固定スクロール・プレート７６の断面が示されおり、その切断線は、入口３１と出口３３との間の多重開始部インボリュートに対応し、かつ固定スクロール壁の連続する巻きの間のほぼ中間に延びる。単純化のために、チャネル８２、８４は、図４においては１つの区画で示されているが、チャネル８２、８４は分離していることが認識されよう。固定スクロール・チャネルの平面図も示されている。

段付き壁９０及び多重開始部配置は、シールされていない領域をポンプの機構内に生じさせる。しかしながら、チャネルの収束部８８と段付き部分９０とは、ポンプ内のほぼ同じ位置に置かれ、従って、漏れによる効率損失は、単一のシールされていない領域の場合と同じである。従って、効率損失は最小にされる。別の言い方をすれば、多重開始部配置は、図３に示されるように収束部においてスクロール壁が途切れるので、効率の損失を引き起こす。段付き壁９０も非効率性を少し生じさせるが、チャネル８６に沿ったポンプ輸送チャネルの深さが大きくなることで、多重開始部配置に起因する効率損失が補償される。

多重開始部配置と段付き壁との組合せにより、入口を下流の深さ「Ｂ」より深くすることなく、１より大きい任意の圧縮比を設計する機会が提供される。浅い入口を多重開始部配置に付加することで、チャネルが収束するところでのポンプ効率が改善される。例えば、圧縮比１．７は、圧縮比２．０より効率的である。

図３を参照すると、軌道スクロールの軌道スクロール壁は、それぞれのチャネル８２、９４内に配置された２つのほぼ平行な円形区画９４、９６と、固定スクロールの単一チャネル８６内に配置された単一のインボリュート壁区画９８とを含む。
説明されたスクロール圧縮機における漏れを低減するために、スクロール壁は、その軸方向の端部に、対向するスクロール・プレートに対してシールするそれぞれのシールを有する。

図１から図４に示されるように、流路に沿った第１の部分６２；８２、８４、第２の部分６４；８６又は第３の部分６８は、１つ又は複数の流路の少なくとも３６０°にわたって延びる。例えば、図１を参照すると、三日月形状のポケットは、３６０°未満しか延びていないので、従って、第１の部分は、ポケットが入口３１と段付き部分６６の両方に対して同時に開放しないように、少なくとも３６０°にわたって延びる。

スクロール圧縮機は、典型的には流体をポンプ輸送するために動作するが、その代わりに、スクロール圧縮機は、加圧された流体を用いて軌道スクロールを固定スクロールに対して回転させる場合には、電気エネルギーを発生させるための発電機として動作することができる。本発明は、ポンプ輸送及びエネルギー発生のためのスクロール圧縮機の使用を包含することが意図される。

１０：スクロール圧縮機又はポンプ
３０、５６：流路
３１：入口
３３：出口
２６、４６：軌道スクロール
２７、４８：軌道スクロール・プレート
２８、４０、７６：固定スクロール
２９、４２、８０：固定スクロール・プレート
３２、５０、９４、９６、９８：軌道スクロール壁
３４、４４、７８：固定スクロール壁
３６：先端シール
５２、５４：（閉じ込め）体積
６２、８２、８４：流路の第１の部分
６４、８６：流路の第２の部分
６６、７０、７２、７４、９０：軸方向段
６８：流路の第３の部分
８８：収束部
Ａ、Ｂ：軸方向の大きさ

Claims (14)

1. それぞれのスクロール・プレートとそれぞれのスクロール壁とを有する２つのスクロールを備えたスクロール圧縮機であって、前記スクロール壁は、前記スクロール同士が相対軌道運動したときに、ある体積の気体が前記スクロール間に閉じ込められて入口から出口にポンプ輸送されるように噛み合っており、前記入口と前記出口との間の流路の第１の部分に沿った前記スクロール・プレート間の前記閉じ込め体積の軸方向の大きさが、前記流路の第２の部分に沿った前記閉じ込め体積の軸方向の大きさより小さく、かつ前記第１の部分が、前記流路に沿って前記第２の部分より前記入口に近いことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記流路の前記第１の部分が、前記入口のところにあり、これにより前記圧縮機のポンプ輸送流量が低減されることを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記流路の第３の部分に沿った前記閉じ込め体積の軸方向の大きさが、前記第１の部分と前記第２の部分の少なくとも一方に沿った前記閉じ込め体積の軸方向の大きさとは異なることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
4. 前記第２の部分が、前記流路に沿った前記第１の部分と前記第３の部分との間にあり、該第２の部分に沿った前記閉じ込め体積の軸方向の大きさが、該第１の部分及び該第３の部分に沿った前記閉じ込め体積の軸方向の大きさより小さいことを特徴とする請求項３に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記スクロールの少なくとも一方の前記スクロール・プレートが、前記流路の前記部分間に軸方向段を含み、これにより前記軸方向段において前記閉じ込め体積の軸方向の大きさが増減されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
6. 前記スクロールの一方の前記スクロール・プレート内の前記又は各々の軸方向段が、前記スクロールの他方の前記スクロール壁内の軸方向段と一致することを特徴とする請求項５に記載のスクロール圧縮機。
7. 前記スクロール・プレート及び前記一致するスクロール壁の前記軸方向段は、前記スクロール同士の相対軌道運動の際のそれらの間の間隙を減らすために、弧状であることを特徴とする請求項６に記載のスクロール圧縮機。
8. 前記スクロールの一方が固定され、前記スクロールの他方が、前記固定スクロールに対して軌道運動するように配置され、前記又は各々の軸方向段が、該固定スクロールの前記スクロール・プレート内に形成されることを特徴とする請求項６〜請求項７のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
9. 前記固定スクロールの前記スクロール壁及び前記スクロール・プレートが、前記入口から又はそれぞれの入口から延びる２つのチャネルを形成し、前記２つのチャネルが、前記出口まで延びる単一チャネルを形成するように収束し、これにより前記入口と前記出口との間に多重開始部流路が設けられることを特徴とする請求項８に記載のスクロール圧縮機。
10. 前記流路の前記第１の部分が、前記２つのチャネルに沿って延び、前記流路の前記第２の部分が、前記単一チャネルに沿って延びることを特徴とする請求項９に記載のスクロール圧縮機。
11. 前記２つのチャネルに沿った前記スクロール間の前記閉じ込め体積の軸方向の大きさが、前記単一チャネルに沿った前記閉じ込め体積の軸方向の大きさより小さいことを特徴とする請求項１０に記載のスクロール圧縮機。
12. 前記ある体積の気体が、前記軌道スクロールの前記スクロール壁の両側で前記スクロール間に閉じ込められて前記入口から前記出口にポンプ輸送され、前記それぞれの体積の気体が、前記入口と前記出口との間のそれぞれの流路に沿ってポンプ輸送されることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
13. 前記スクロール壁が、その軸方向の端部において、前記対向するスクロール・プレートに対してシールするそれぞれのシールを有することを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
14. 前記第１、第２又は第３の部分が、前記流路の少なくとも３６０°にわたって延びることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれかに記載のスクロール圧縮機。

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