JP2015522119A - スクロールコンプレッサ - Google Patents

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Abstract

【課題】大きいキャパシティを有するにも係わらず、従来技術の装置に付随する1つ以上の問題点を解消できるスクロールコンプレッサを提供することにある。【解決手段】本発明のスクロールコンプレッサ(10)はスクロールポンピング装置を有し、該スクロールポンピング装置は2つのスクロール(20、22)を備え、各スクロールが、内方スクロール壁面および外方スクロール壁面を備えたスクロール壁(28、34)を有し、前記内方および外方スクロール壁面が他方のスクロール壁のそれぞれ外方および内方スクロール壁面と協働して2対の協働面を形成し、該協働面は両スクロールの軌道運動時に、流体をスクロールポンピング装置の入口から出口へとポンピングし、スクロール壁は、入口と出口との間にそれぞれの複数のラップ(I、II、III、IV、V)を備え、少なくとも1つのラップの前記対の一方の協働スクロール壁面はほぼ円形である。【選択図】図2

Description

本発明は、スクロールコンプレッサに関する。
従来技術のスクロールコンプレッサすなわちスクロールポンプ100が図4に示されている。ポンプ100は、ポンプハウジング102と、偏心軸部分106を備えた駆動軸104とを有している。駆動軸104はモータ108により駆動され、偏心軸部分106は軌道スクロール110に連結されており、このため、駆動軸の回転中に、軌道運動を固定スクロール112に対する軌道スクロール110に伝達し、流体をコンプレッサのポンプ入口114とポンプ出口116との間の流路に沿ってポンピングする。
固定スクロール112は、ほぼ円形のベースプレート120に対して垂直に延びているスクロール壁118を有している。軌道スクロール110は、ほぼ円形のベースプレート126に対して垂直に延びているスクロール壁124を有している。軌道スクロール壁124は、軌道スクロール110の軌道運動中に固定スクロール壁118と協働すなわち噛合う。両スクロールの相対軌道運動により、両スクロール間に捕捉された一定体積のガスが入口から出口へとポンピングされる。
図5には、固定スクロール壁118および軌道スクロール壁124が示されている。固定スクロール壁118は内側スクロール壁面128および外側スクロール壁面130を有し、これらの内側および外側スクロール壁面128、130は、それぞれ、軌道スクロール壁124の外側および内側スクロール壁面132、134と協働する。この構成は、協働する2対のスクロール壁面128、132;130、134を形成し、これらの協働スクロール壁面は、両スクロールの相対軌道運動時に、流体を装置の入口136、137から出口138へとポンピングする。両スクロール壁118、124は、入口と出口との間に、それぞれの複数のラップI、II、III、IV、Vを有している。協働するスクロール壁面128、132;130、134は、入口136、137から出口138に至るインボリュートを形成する。
図5に示された特定スクロール装置は、2つの入口136、137を備えたいわゆるツインスタート構造であり、この例では両入口136、137は、異なる半径にあるが同じ周方向角度に位置している。2つの平行ポンピングチャネルが入口136、137から延び、約360°の後に単一のポンピングチャネルに収斂している。ツインスタート構造は、一般にキャパシティを増大させるために設けられる。
図6は、固定スクロール112をより詳細に示す図面である。固定スクロール112は環状フランジ140を有し、該環状フランジは、固定スクロール112をポンプハウジング102の残部(図示せず)に固定するための複数の貫通孔142を備えている。環状凹部144が、固定スクロールとポンプハウジングとの間をシールするO-リングを受入れる。環状凹部144は、フランジ140と環状隆起部146との間に位置している。固定スクロールの外方ラップVは、インボリュートまたはスパイラルである半径方向内方の協働面128を有している。軌道スクロール壁の外方ラップVは、固定スクロール壁のラップIVとラップVとの間に嵌合され、したがって、固定スクロールの外方ラップVは、協働する外側スクロール壁面を備えていない。
前述のように、或る用途ではスクロールポンプのキャパシティを増大させることが望まれており、図5に示した装置ではツインスタートを採用することによりキャパシティを増大させている。しかしながら、キャパシティを増大させるときはいつでも、圧縮を犠牲にするか、大型ポンプを必要とする。ツインスタートポンプでは、入口から出口まで漸次圧縮するのに、1つ少ないラップを利用でき、したがってツインスタートポンプは一般に圧縮が小さくなる。2つの入口チャネルが単一チャネルに収斂する移行部150(図5参照)は、該移行部でラップ同士を効率的にシールできないため、装置の効率を低下させる。したがって、ポンプの性能が低下される。
本発明の目的は、大きいキャパシティを有するにも係わらず、従来技術の装置に付随する1つ以上の問題点を解消できるスクロールコンプレッサを提供することにある。
本発明は、スクロールポンピング装置を備えたスクロールコンプレッサであって、スクロールポンピング装置が2つのスクロールを有し、各スクロールが、内方スクロール壁面および外方スクロール壁面を備えたスクロール壁を有し、前記内方および外方スクロール壁面が他方のスクロール壁のそれぞれ外方および内方スクロール壁面と協働して2対の協働面を形成し、該協働面は、両スクロールの軌道運動時に、流体をスクロールポンピング装置の入口から出口へとポンピングし、スクロール壁は、入口と出口との間にそれぞれの複数のラップを備え、少なくとも1つのラップの前記対の一方の協働スクロール壁面がほぼ円形であるスクロールコンプレッサを提供する。
また本発明は、スクロールポンピング装置を備えたスクロールコンプレッサであって、スクロールポンピング装置が2つのスクロールを有し、各スクロールが、内方スクロール壁面および外方スクロール壁面を備えたスクロール壁を有し、前記内方および外方スクロール壁面が他方のスクロール壁のそれぞれ外方および内方スクロール壁面と協働して2対の協働面を形成し、該協働面は、両スクロールの軌道運動時に、流体をスクロールポンピング装置の入口から出口へとポンピングし、スクロール壁は、入口と出口との間にそれぞれの複数のラップを備え、少なくとも1つのラップの前記対の一方の協働スクロール壁面が、角度に対する半径の変化率を有し、この変化率は他のラップの変化率より小さく、これにより、前記対の一方の圧縮比が他のラップの圧縮比より小さいスクロールコンプレッサを提供する。
本発明の他の好ましい態様および/またはオプショナルな態様は、特許請求の範囲の実施態様項に記載されている。
本発明がより良く理解されるように、単なる一例として示す一実施形態について添付図面を参照して以下に説明する。
スクロールポンプを概略的に示す図面である。 図1に示したポンプの第1スクロールポンピング装置を示す図面である。 図1に示したポンプの第2スクロールポンピング装置を示す図面である。 従来技術のスクロールポンプを示す図面である。 図4に示したポンプの従来技術のスクロールポンピング装置を示す図面である。 従来技術のポンプの固定スクロールをより詳細に示す図面である。
図1には、スクロールコンプレッサすなわちスクロールポンプ10が示されている。ポンプ10は、ポンプハウジング12と、偏心軸部分16を備えた駆動軸14とを有している。駆動軸14はモータ18により駆動され、偏心軸部分16は軌道スクロール20に連結されていて、使用中に、駆動軸の回転により固定スクロール22に対する軌道運動が軌道スクロール20に伝達され、コンプレッサ10のポンプ入口24とポンプ出口26との間の流体流路に沿って流体をポンピングする。
固定スクロール22は、ほぼ円形のベースプレート30に対して垂直に延びているスクロール壁28を有している。軌道スクロール20は、ほぼ円形のベースプレート36に対して垂直に延びているスクロール壁34を有している。軌道スクロール20の軌道運動中に、軌道スクロール壁34は固定スクロール壁28と協働すなわち噛合う。両スクロールの相対軌道運動により、一定体積のガスが両スクロール間に捕捉されて、入口24から出口26へとポンピングされる。
図2に示すように、固定スクロール壁28は内側スクロール壁面38および外側スクロール壁面40を有し、これらはそれぞれ、軌道スクロール壁34の外側スクロール壁面42および内側スクロール壁面44と協働して、2対の協働面38、42;40、44を形成する。両スクロール20、22の相対軌道運動時に、流体は、装置の入口46、48から出口50へとポンピングされる。両スクロール壁28、34は、入口と出口との間に、それぞれ複数のラップI、II、III、IV、Vを有している。少なくとも1つのラップの1対の協働するスクロール壁面38、42;40、44は円形である。
一般に、スクロールポンプの協働するスクロール壁面はインボリュートまたはスパイラルである。流体が出口26に近づくにつれてポンプが流体を圧縮するので、協働する各対の壁面により捕捉される流体の体積は縮小する。従来技術に関連して前述したように、ポンピングキャパシティすなわちポンピングできる流体の量を増大させるための多くの試みがなされてきた。これらの試みはキャパシティを増大させるが、圧縮の低下または逆漏洩(バックリーク)の増大等の欠点を有する。本発明では、1対のスクロール壁面がインボリュートではなく、実質的に円形である。
アルキメデススパイラルおよび大きい角度のインボリュートの場合には、従来技術のポンプの幾何学的形状は、角度の変化に対する半径の変化率がほぼ一定である。アルキメデススパイラル(r=aθ)の場合、rが半径、θがスパイラルの中心の回りの角度であるとすると、dr/dθ=a(一定)となる。インボリュートの場合、dr/dθは一定ではなく、最初の1/2ターンについては大きく変化し、次に1つの値になる傾向を有する。換言すれば、角度が大きくなるにつれて、dr/dθはリーズナブルな定数になる。円形の場合には、dr/dθ=0である。すなわち、dr/dθは一定である。
本発明では、少なくとも1つのラップI、II、III、IV、Vでのスクロール壁面38、42;40、44の少なくとも1つの対についてのdr/dθは、スパイラルが円形経路に近づくようにかつ上記定義の幾何学的スパイラルまたはインボリュートから遠のくように小さくなる。すなわち、dr/dθが、スパイラルについて「a」に等しくかつ円形について0ならば、本発明の実施形態については、dr/dθは、「a」と0との間の値、好ましくは0に近い値に等しくなる。したがって、本発明の利益はdr/dθを小さくすることにより、したがって両スクロール壁面間に捕捉される体積を増大させることにより達成できるが、その最も好ましい例ではスクロール壁面は円形である。したがって、小さいdr/dθはポンピングキャパシティを増大させかつ圧縮を低下させる。円形またはほぼ円形のスクロール壁面は、ラップI、II、III、IV、Vのいずれか1つ、または2以上のラップ、または全てのラップに設けることができ、全てのラップに設けた例を図3に関連してより詳細に後述する。
図2に示した第1例では、外方ラップVの固定スクロール壁28は唯一の協働面40を有し、他方の面41はポンピングされる体積(流体)とは無関係である。協働面40は円形である。外方ラップVの軌道スクロール壁34は2つの協働面43、45を有し、両協働面とも円形である。外側面43は固定スクロール壁28の内側面40と協働し、一方、内側面45は固定スクロール壁のラップIVの外側面47と協働する。この例のポンプの半径方向内方の他の壁面はインボリュートである。円形面とインボリュート面との間の移行部は、ラップIVの固定スクロール壁により形成される。このスクロール壁は、第1部分49と第2部分51との間で半径方向厚さが増大しており、これにより円形の外側面47およびインボリュートの内側面53を形成している。
図6に示すように、一般に、固定スクロールケーシング140、144、146、148はほぼ円形であり、このため、固定スクロールは小さい全体的体積およびフットプリントを有する。しかしながら、固定スクロール壁118の内側スクロール壁面128はスパイラルである。したがって、従来技術の図5に示すように、円形152と固定スクロールの外方ラップVとの間の領域が喪失されており、流体をポンピングするのに有効に利用できない。この喪失ポンピング領域がスクロールのポンピング体積内に移されることは、図2に示す本発明の実施形態の優れた特徴である。この点に関し説明すると、ポンピング体積に関係しない円形とスパイラルとの間の移行部を設ける代わりに、ポンピング体積内に移行部が移されるのである。したがって、図示のように、固定スクロール壁28の内側スクロール面40は円形であり、円形面とスパイラル面との間の移行部は固定スクロールのラップIVに生じる。したがって、ポンプの全体積またはフットポイントを増大させることなく、ポンプのポンピングキャパシティが増大される。
単一の円形ラップでは圧縮を達成できないことは理解されよう。なぜならば、互いに協働するスクロール壁面同士の間の捕捉体積は、円形表面に沿うポンピングによっては縮小されないからである。しかしながら、円形スクロール壁面は、同じ半径のスパイラル面より大きい体積を捕捉できる特有性を有するためキャパシティが増大され、したがって、より大きいキャパシティを達成できる。更に、外方のスクロールラップの両協働面が円形である場合には、ポンプの以前に使用されていない領域がポンピング体積に移される。
再び図2を参照して説明すると、ラップI〜ラップIIIはインボリュート、ラップVは円形およびラップIVは円形とスパイラルとの間の移行部である。図示の例では、ラップIVの固定スクロール壁は、円形の外側スクロール壁面47と、スパイラルの内側スクロール壁面53とを有している。移行部は必然的に比較的厚いスクロール壁となり、したがって移行部は、静止する固定スクロールに設けるのが有利である。なぜならば、厚い軌道スクロール壁は、ポンプの可動コンポーネンツの重量を増大させてしまうからである。或いは、移行部を軌道スクロールに設けることもでき、この場合には、軌道スクロールを中空にして、軌道運動中に運動させるべき質量を低減させる。この点に関して説明すると、軌道スクロールの外方ラップVは、その外側スクロール壁面を円形とし、その内側スクロール壁面をスパイラルとすることができる。この構成では、スクロール壁の外方ラップの協働する両面のみが円形となる。換言すれば、最外方のポンピングチャネルのみが円形となる。
円形ポンピング面とスパイラルポンピング面との間の移行部は、軌道スクロールのいずれかのラップに設けるか、固定スクロールのいずれかのラップに設けることもできる(但し、固定スクロールの外方ラップを除く)ことに留意されたい。
図2に示すスクロールポンピング装置への入口24は、それぞれのポンピングチャネル50、52への入口46、48に細分割される。従来技術に関連して前述したように、ポンピングキャパシティを増大させるため、一般に、2スタート構造またはマルチスタート構造がしばしば使用されている。図示の例は、異なる半径方向位置にある2つの入口46、48を有しているが、他の例では、同じ半径方向位置で異なる周方向位置に入口を設けることもできる。本発明はこれらの全ての例を含むものである。
図5に参照番号150で示すようにポンピングチャネルが収斂する構成のマルチスタート構造には1つの問題が存在する。より詳細には、多チャネルと単一チャネルとの間の収斂箇所ではスクロール壁が連続しておらず、したがって、逆漏洩を防止するチップシールにギャップが生じる。したがって、逆漏洩が増大するため、ポンピング効率が低下する。
本発明の実施形態では、ポンピングチャネル50、52は参照番号54で示す位置で収斂し、チップシールが不連続になるため、この収斂はポンピング効率を幾分低下させる原因となる。しかしながら、円形ポンピングチャネル50により得られる大きいポンピングキャパシティは、収斂箇所54での逆漏洩を、少なくとも部分的に、好ましくは完全に補償する。この点に関し、ポンピングチャネル50は、軌道スクロール壁34の外方ラップVの両側に形成された2対の協働面を有している。したがって、本発明の実施形態は、効率低下を受けないマルチスタートスクロールポンピング装置を提供できる。
図2にはマルチスタート装置が示されているが、本発明はシングルスタートポンピング装置にも等しく適用できる。すなわち、固定スクロール壁が、(シングルスタート装置にけるように)両連続ラップの間に1つのポンピングチャネルを形成するか、収斂するスクロール壁の両連続ラップの間に2つ以上のポンピングチャネルを形成する。
他の構成では、マルチスタートスクロール装置またはシングルスタートスクロール装置が、1つ以上の円形ポンピングチャネルおよび1つ以上のインボリュートポンピングチャネルを有し、円形ポンピングチャネルがインボリュートポンピングチャネルより深くなっている。従来技術のポンプでの深いチャネルから浅いチャネルへの移行部は、チップシールが不連続であるので、しばしば非効率の原因となっていた。しかしながら、本発明のこの例では、深いポンピングチャネルの円形の性質が、移行部で引き起こされる逆漏洩を補償する。
他のスクロールポンピング装置では、1つ以上の円形ポンピングチャネルおよび1つ以上のインボリュートポンピングチャネルが設けられ、円形ポンピングチャネルとインボリュートポンピングチャネルとの間の流れ交差部が、スクロール装置から過大圧力を解放する吹出し弁と流れ連通している。前記流れ交差部は、吹出し弁が高キャパシティ領域と低キャパシティ領域との間の移行部に配置されかつ実質的に過大圧力での運転が行われるときは、吹出し弁に適した位置に設けられる。
図3には、更に別のスクロール装置が示されている。固定スクロール22は、ほぼ円形の4つの区分セクションを備えたスクロール壁60を有している。軌道スクロール20は、ほぼ円形の4つの区分セクションを備えたスクロール壁62を有している。軌道スクロール壁62は、軌道スクロール20の軌道運動中に、固定スクロール壁60と協働すなわち噛合う。両スクロール20、22の相対軌道運動により、両スクロールの間に捕捉された一定体積のガスが入口64から出口66へとポンピングされる。
図3に示すように、固定スクロール壁60および軌道スクロール壁62の各々は4つのラップI、II、III、IVを有し、この例ではこれらのラップは4つの円形壁セクションで形成されている。連続ラップの固定スクロール壁セクションは、これらの間に4つの円形ポンピングチャネル68、70、72、74を形成している。例えば、ラップIIIおよびラップIVの固定スクロール壁セクションは、ポンピングチャネル68を形成している。軌道スクロール壁の4つのセクションが、それぞれのポンピングチャネル内に位置している。
外方ポンピングチャネル68に関し、ラップIIIおよびラップIVの固定スクロール壁セクションは、それぞれ、外側スクロール壁面76および内側スクロール壁面78を形成している。ラップIVの軌道スクロール壁セクションは、内側スクロール壁面80および外側スクロール壁面82を形成し、これらはそれぞれ外側固定スクロール壁面76および内側固定スクロール壁面78と協働して、ポンピングチャネル68内に2対の協働面76、80;78、82を形成する。両スクロールの相対軌道運動時に、外方ポンピングチャネル68内の流体は両対の協働面の間で捕捉され、チャネル入口84からチャネル出口86へとポンピングされる。
各ポンピングチャネルは360°より小さい角度(実質的に360°より小さく、例えば約350°)に亘って延びており、このため、ポンピングチャネルは不完全な円形を形成する。各ポンピングチャネルの端部は1つ以上の壁閉塞部88、90により閉じられており、これによりポンピングチャネル内の出口から入口を分離している。閉塞部88、90は弧状であり、このため、軌道スクロール壁セクションの一端が、軌道運動中に閉塞部の面を横切って払拭(スイープ)する。この構成により、軌道スクロール壁によって流体を効率的に捕捉することができる。
各チャネルの出口86は、ダクト(矢印92で示す)を介して、次の内方ポンピングチャネルの入口84に連結されている。チャネル68内に捕捉された流体は、チャネル70に入るダクト92に沿って強制的に送られ、以下同様に、流体は最内方のチャネル74の出口を通ってポンピング装置の出口66まで強制的に送られる。流体が1つのチャネルから次のチャネルにポンピングされると、捕捉される体積が徐々に小さくなるので圧縮される。したがって、全てのポンピングチャネルおよび協働面が円形であっても圧縮が行われる。
円形の壁プロファイルは、設計、製造および検査が容易である。この簡単なプロファイルは、より良い公差の達成を可能にする。全てのラップを円形にすることにより、全段間の過大圧縮を防止でき、このためポンピング効率を最高にできる。
図2のポンピング装置では、外方のポンピングチャネルが円形で、残りのポンピングチャネルがスパイラルである。この構成によりデッドスペースが減少され、したがってキャパシティが増大される。円形のポンピングチャネルは、圧縮することなく大きいキャパシティを達成する。図3のポンピング装置では、全てのポンピングチャネルが円形である。本発明はまた、1つ、2つまたは3つのラップすなわちポンピングチャネルが円形であるこれらの2つの例におけるあらゆる構成を含むものである。したがって、本発明は、1対のみの協働スクロール壁面が円形であるか、少なくともほぼ円形である構成、および全ての協働面が円形で、これらに全ての可能性を有する構成をカバーする。
マルチスタートポンプでは、最初のスタートでの1つのポンピングチャネルを円形にするか、2つ以上のスタートでの複数のポンピングチャネルを円形にするか、全てのスタートでの全てのポンピングチャネルを円形にすることができる。
10 スクロールコンプレッサ(スクロールポンプ)
20 軌道スクロール
22 固定スクロール
24 ポンプ入口
26 ポンプ出口
28、60 固定スクロール壁
34、62 軌道スクロール壁
68、70、72、74 円形ポンピングチャネル
84 チャネル入口
86 チャネル出口
88、90 壁閉塞部
92 ダクト

Claims (10)

  1. スクロールポンピング装置を備えたスクロールコンプレッサにおいて、2つのスクロールを有し、各スクロールが、内方スクロール壁面および外方スクロール壁面を備えたスクロール壁を有し、前記内方および外方スクロール壁面が他方のスクロール壁のそれぞれ外方および内方スクロール壁面と協働して2対の協働面を形成し、該協働面は、両スクロールの軌道運動時に、流体をスクロールポンピング装置の入口から出口へとポンピングし、スクロール壁は、入口と出口との間にそれぞれの複数のラップを備え、少なくとも1つのラップの前記対の一方の協働スクロール壁面がほぼ円形であることを特徴とするスクロールコンプレッサ。
  2. 前記スクロール壁は入口に隣接する外方ラップを有し、外方ラップの前記一方の対の協働スクロール壁面が円形であることを特徴とする請求項1記載のスクロールコンプレッサ。
  3. 前記スクロールは、固定スクロール壁と、該固定スクロール壁に対して移動でき、流体を入口から出口にポンピングする軌道スクロール壁とを有し、固定スクロール壁の外方ラップの半径方向内方の協働スクロール壁面および軌道スクロール壁の外方ラップの半径方向外方の協働スクロール壁面は円形であることを特徴とする請求項2記載のスクロールコンプレッサ。
  4. 1つのスクロール壁が、半径方向内方のインボリュートの協働面と、半径方向外方の円形の協働面とを有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のスクロールコンプレッサ。
  5. 前記固定スクロール壁は、この連続する両ラップの間に1つ以上のポンピングチャネルを形成していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載のスクロールコンプレッサ。
  6. 前記スクロール装置が複数の入口を有し、流体が前記入口を通り、それぞれのポンピングチャネルに沿ってポンピングされ、外方のポンピングチャネルが円形であることを特徴とする請求項5記載のスクロールコンプレッサ。
  7. 1つ以上の前記それぞれのポンピングチャネルが円形でありかつ単一のインボリュートポンピングチャネルを形成すべく収斂していることを特徴とする請求項5または6記載のスクロールコンプレッサ。
  8. 前記スクロール装置は1つ以上の円形ポンピングチャネルおよび1つ以上のインボリュートポンピングチャネルを有し、円形ポンピングチャネルはインボリュートポンピングチャネルより深いことを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項記載のスクロールコンプレッサ。
  9. 前記スクロール装置は1つ以上の円形ポンピングチャネルおよび1つ以上のインボリュートポンピングチャネルを有し、円形ポンピングチャネルとインボリュートポンピングチャネルとの間の流れ交差部は、スクロール装置から過大圧力を解放する吹出し弁と流れ連通していることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載のスクロールコンプレッサ。
  10. スクロールポンピング装置を備えたスクロールコンプレッサにおいて、2つのスクロールを有し、各スクロールが、内方スクロール壁面および外方スクロール壁面を備えたスクロール壁を有し、前記内方および外方スクロール壁面が他方のスクロール壁のそれぞれ外方および内方スクロール壁面と協働して2対の協働面を形成し、該協働面は、両スクロールの軌道運動時に、流体をスクロールポンピング装置の入口から出口へとポンピングし、スクロール壁は、入口と出口との間にそれぞれの複数のラップを備え、少なくとも1つのラップの前記対の一方の協働スクロール壁面が、角度に対する半径の変化率を有し、この変化率は他のラップの変化率より小さく、これにより、前記対の一方の圧縮比が他のラップの圧縮比より小さいことを特徴とするスクロールコンプレッサ。
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