JP2677385B2 - スクロール流体機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、膨張機、圧縮機等に使用する給油式あるい
は無給油式スクロール流体機械に関するものであり、特
に、旋回スクロール部材と固定スクロール部材の材質が
異なったものである場合におけるスクロール部材の適正
な歯形形状に関するものである。

［従来の技術］ 従来、スクロール流体機械に関して、特開昭58−1334
91号及び実開昭62−171679号に記載のように、旋回・固
定両スクロール部材が同一もしくは同等の材質のもので
ある場合において、スクロール部材の圧力変形と温度変
形を考慮して両スクロール部材間の軸方向ギャップを調
整するスクロールラップ形状の決定方法と構造が提案さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、旋回・固定両スクロール部材の材質
が同一もしくは同等である場合に関するものであり、両
者が熱膨張係数の異なる材料で出来ている場合には、適
用できない。

すなわち、スクロール流体機械の周囲の雰囲気温度や
ガスの圧縮熱などにより、両スクロール部材の温度上昇
が生じるとき、両者の材料の熱膨張の度合いが異なる場
合には、旋回・固定両スクロール部材間の初期ギャップ
が縮小し、局部的なラップ間の接触に至り、圧縮機の性
能と信頼性の両面で不具合が生じる。例えばラップの接
触に伴い摩擦損失による性能低下が生じ、またラップ素
材の摩耗あるいはかじりなどが生じる。このような不具
合は、圧縮機がインバータ制御などで低速になるほど或
いは高速化するほど顕著になる。これは圧縮性能が低下
してスクロール部材全体の温度がより高くなるためであ
る。このようにインバータ制御用スクロール流体機械に
対しては、特に、両スクロール部材に材質の差がある場
合、上記の熱変形に伴う問題が大きくなる。

しかるに、前記従来技術は、両スクロール部材の材質
が異なる場合には適用できない。しかも前記従来技術
は、固定・旋回両スクロール部材間の軸方向ギャップの
調節法について開示しているが、熱膨張係数の異なるス
クロール部材間の変形で重要な問題となる径方向ギャッ
プの調節法については何ら開示していない。

本発明の目的は、旋回スクロール部材と固定スクロー
ル部材の材質が異なるスクロール流体機械において、運
転時の熱膨張による両スクロール部材の変形量の差に起
因する両者間の不所望な接触・衝突を避け、以て、性能
および信頼性の向上を図ることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、特許請求の範囲の各請求項記載の構成を
有するスクロール流体機械により達成される。

［作用］ 材質の異なる両スクロール部材間に、常温時に夫々の
請求項記載の径方向初期ギャップを与えることによっ
て、運転中における径方向ギャップはどのラップ巻き角
度においてもラップ同志の接触衝突を避け得るような実
質的に一様な極力小さいギャップとすることができる。

［実 施 例］ 最初に、スクロール流体機械の例として、冷媒にフロ
ンガスを使用する空調機用スクロール圧縮機について第
16図、第17図を参照して説明する。第16図は、スクロー
ル圧縮機の全体構造を示す。スクロール圧縮機は、圧縮
要素部である固定スクロール部材１と旋回スクロール部
材２、旋回スクロール部材２の自転を防止する部材３
（例えば、オルダムリングとオルダムキー等）、主軸
４、電動機５、フレーム６を有している。これら構成部
品は密閉容器７の内部に収納されている。このスクロー
ル圧縮機は、密閉容器７内が吐出圧力（高圧側圧力）に
ある高圧チャンバ方式の圧縮機である。

固定スクロール部材１は鏡板1aとそれに直立して設け
られた渦巻状のラップ1bとからなり、鏡板1a外周部でフ
レーム６に固定されている。旋回スクロール部材２は鏡
板2aとそれに直立して設けられた同様の形状の渦巻状の
ラップ2bとからなり、その鏡板2aにて固定スクロール部
材１の鏡板1a外周部とフレーム６との間で摺動自在に挟
持されている。両スクロール部材1,2のラップは第17図
の平面図で示す如く噛み合され、そのラップ間に圧縮室
を形成する。旋回スクロール部材２は、主軸４のクラン
ク部の偏心ピン4aに嵌合しており、主軸４が電動機５で
回転されると、旋回スクロール部材２は自転防止部材３
で自転を防止されつつ、クランク部の偏心ピン4aによっ
て、固定スクロール部材１に対して所定の旋回半径（偏
心ピン4aの偏心量で定まる）を以て旋回運動（公転運
動）を行う。

低温、低圧の冷媒ガスは、吸入管８から導びかれ、固
定スクロール部材１内の吸入孔15に至る。この冷媒ガス
は、旋回スクロール部材２の自転を防止された公転運動
により、両スクロール部材間の形成される圧縮室が漸次
縮小してスクロール中央部に移動するのに伴って圧力を
高められて固定スクロール部材１の中央の吐出孔16より
吐出チャンバー12に吐出される。吐出された高温高圧の
冷媒ガスは、密閉容器７内の下部室31に連通路30を通っ
て入り、更に吐出管９を介して外部へ導びかれる。

され、このようなスクロール圧縮機に関して、固定・
旋回両スクロール部材の材質の熱膨張係数が異なる場合
における両スクロール部材間のギャップの調整に係る本
発明につい以下説明する。

先ず、両スクロール部材のラップ間の径方向ギャップ
の調整について説明する。

固定スクロール部材のラップ（以下、単に固定スクロ
ールラップということもある）に対して旋回スクロール
部材のラップ（同様に旋回スクロールラップということ
もある）が理想的に密着して旋回運動をするための条件
として次の関係がある。

２πａ−t_K′＝２・ε_th＋t_s′ ……（１） ここで π：円周率 a:両スクロール部材のラップの基礎円半径 t_K′：固定スクロールラップの厚さ（理論値） ε_th:旋回スクロール部材の旋回半径（理論旋回半径） t_s′：旋回スクロールラップの厚さ（理論値） したがって、ε_thは次式で与えられる。

従来、両スクロールラップ同志の接触を避けるため
（３）式の如くε_thに対してΔεだけ小さい旋回半径ε
を設定している。

このΔεは、スクロールラップの径方向歯形精度（加
工誤差）等を考慮して決めている。

本発明では、両スクロール部材の熱膨張係数の差異に
よる熱変形の差異を考慮して、実際の固定スクロール部
材のラップ歯厚と旋回スクロール部材のラップ歯厚の合
計を、理論的なラップ歯厚の合計より微小寸法だけ小さ
くする。この微小寸法分を旋回スクロール部材のラップ
歯厚、あるいは固定スクロール部材のラップ歯厚のいず
れで調整してもよく、或いは両方で調整してもよい。理
論的な両スクロール部材のラップ歯厚の合計値をt_thと
し、実際のラップ歯厚の合計値をt_Oと表示すると、上記
の微小寸法Δｔは次式で表わせる。

ここで t_K:実際の固定スクロールラップ厚さ t_S:実際の旋回スクロールラップ厚さ 前記（３）式と（４）式から、次式が得られる。

すなわち 本発明では（５′）式のようにεを設定する。

上記Δｔが熱変形の補正項となる。Δεは従来と同様
に加工精度を考慮して定める。

第１図に熱変形にともなう径方向における固定スクロ
ール部材１および旋回スクロール部材２の変形の様子を
表す模式的断面図を示す。1bは固定スクロールラップ、
2bは旋回スクロールラップである。第１図中のδ_１ない
しδ_４は、常温時から運転時の温度に上昇したときの熱
膨張による径方向でラップの側面の変化を示している。
旋回スクロール部材の旋回運動で互に最も近づいたとき
の固定スクロールラップの内側面と旋回スクロールラッ
プの外側面の間に形成されるギャップδ_rpは、運転時の
ラップ同志の接触を避けるためには、常温時において次
式を満たす必要がある。

一方、旋回スクロール部材の旋回運動で互に最も近づ
いたときの固定スクロールラップの外側面と旋回スクロ
ールラップの内側面との間に形成されるギャップδ
_rqは、運転時のラップ同志の接触を避けるためには、常
温時において次式を満たす必要がある。

ここで、 α：栓膨張係数（温度Ｔの関数である） ΔT:組立時（常温時）と運転時との温度差 ε_th:旋回半径（理論値） r:径方向位置 R₁:スクロール部材の任意のラップ部の中心位置での径
方向寸法 t:ラップ歯厚 また添字S,K,Cは夫々，旋回スクロール部材，固定ス
クロール部材，主軸クランク部に関するものであること
を示す。

上式に示すように、δ_１ないしδ_４は温度Ｔと径方向
位置R₁の関数となる。従って、本発明では上記熱変形量
を考慮して常温時におけるスクロールラップの曲線を設
定するものである。すなわち本発明の固定スクロールラ
ップの内側面と外側面の両曲線は組立時において次式で
与えられる。

ここで、 r_KiV:固定スクロールラップ内側面の曲線の基準となる
インボリュート曲線で与えられる径方向位置 r_KOV:固定スクロールラップ外側面の曲線の基準となる
インボリュート曲線で与えられる径方向位置 同様に、本発明の旋回スクロールラップの外側面と内
側面の両曲線は常温時において次式で与えられる。

ここで、 r_SiV:旋回スクロールラップ内側面の曲線の基準となる
インボリュート曲線で与えられる径方向位置 r_SOV:旋回スクロールラップ外側面の曲線の基準となる
インボリュート曲線で与えられる径方向位置 以上の式から、熱変形の補正量Δｔは次式で表現でき
る。

Δｔ＝δ_１＋δ_２＋δ_３＋δ_４ ……（10） すなわち、上記式（８）、（９）でもって常温時にお
けるスクロールラップの内側面および外側面の曲線を設
定し、ラップ歯厚t_S、t_Kを調整することにより、運転時
のスクロールラップ同志の径方向の接触は回避できる。

上記のδ_１ないしδ_４はR₁の滑らかな連続関数とする
のが理論的であるが、実際的にはR₁のステップ状関数で
代用してもよい。

以上の径方向ギャップの調整について、別な表現をす
ると、次のとおりとなる。すなわち本発明は、常温時に
おける固定スクロール部材のラップ歯厚と旋回スクロー
ル部材のラップ歯厚の合計を、理論的歯厚の合計より微
小寸法分小さくし、その小さくする度合いをラップの半
径の位置ｒ及び常温時と運転時のラップ温度差ΔＴの関
係としたことを特徴とするスクロール形流体機械であ
る。そのスクロールラップの常温時での形は次の様な式
で表わすことができる。今、上記の微小寸法分を旋回ス
クロール部材のラップ歯厚のみで調整する場合を例にと
れば、固定スクロールラップ内側面の曲線（インボリュ
ート曲線）は、次の式で表わされる。

これに対して旋回スクロール部材のラップ外側面の曲
線は次式で与えられる。

一方、旋回スクロール部材のラップ内側面の曲線は次
式で与えられる。

ここで、 λ：一般的なスクロールラップ巻き角度 r:形方向距離 f₁（r,Δｔ）、f₂（r,Δｔ）：ラップ歯厚調整のための
函数 なお、上記説明は、前記微小寸法分の調整を旋回スク
ロールラップの歯厚のみで行う場合を例にとったが、こ
れは固定スクロールラップの歯厚の調整で行なってもよ
く、又は、その両者で行なうこともできる。

第２図は、固定・旋回両スクロール部材の径方向の熱
変形に伴うギャップの変化を表わす説明図である。或る
基本長さＬがあるとすると両スクロール部材の熱膨張係
数の差異のために生ずる変形量の差ΔＬは次式で与えら
れる。

ΔＬ＝Ｌ×（α_Ｓ−α_Ｋ）×ΔＴ ……（14） ここで、ΔＴは組立時（常温時）と運転中での温度差
（℃）である。この変形量ΔＬに見合う寸法分を初期ギ
ャップ（組立時すなわち常温時のギャップ）として与え
られるよう、本発明ではラップ歯厚を互いに調整して設
定するものである。第２図に示すように、ΔＴの温度上
昇が生じたとき、α_Ｓ＞α_Ｋの場合、径方向についてΔ
L₁の相対的な熱変形量があり、このため固定スクロール
ラップの内側面22と旋回スクロールラップの外側面42と
のギャップδ_rpは狭くなる傾向となるが、一方、固定ス
クロールラップの外側面23と旋回スクロールラップの内
側面43とのギャップδ_rqは開く傾向となる。（このギャ
ップδ_rp,δ_rqは、夫々、旋回スクロール部材の旋回運
動によって両スクロール部材のラップが互に最も接近し
たときのものを指すことは云うまでもない。） このため、径方向ギャップの調整法として、例えば、
旋回スクロールラップの外側面と対向する径方向ギャッ
プδ_rpの初期ギャップを大きくするようラップ歯厚を調
整するとともに、他方、旋回スクロールラップの内側面
と対向する径方向ギャップδ_rqの初期ギャップは極小に
なるように両スクロール部材のラップ歯厚を調整する。
その具体的な方法を第３図を用いて説明する。

第３図において、70は半径をａとするインボリュート
基礎円である。71,72は、夫々、旋回スクロールラップ
の外側面および内側面の基準となる理想的なインボリュ
ート曲線を表わしている。本発明の構成では、実際の旋
回スクロールラップの外側面の曲線71aを曲線71に対し
てより内側となるように、また、その内側面の曲線72a
を曲線72に対してより内側となるように常温時のラップ
歯形を創成する。このため、常温時において、旋回スク
ロールラップ外側面の曲線71aは次式で与えられる。

一方、旋回スクロールラップ内側面の曲線72aは第３
図の場合次式で与えられる。

X_S＝ａ［cosλ_Ｓ＋（λ_Ｓ−t_S/a−β_２）sinλ_Ｓ］ Y_S＝ａ［sinλ_Ｓ−（λ_Ｓ−t_S/a−β_２）cosλ_Ｓ］ ……（16） ここで λ_S:旋回スクロールラップ巻き角度 （rad） （インボリュート伸開角） β₁,β₂:歯厚調整のための位相差パラメータ（rad） X_S,Y_S:旋回スクロール部材の固定直交座標系での座標。

ここで、β_１とβ_２はラップ巻き角度λ_Ｓの関数とす
る。すなわち、 あるいは、特別の場合は β_１＝β_２＝β_２（λ_Ｓ） ……（18） とすることができる。（15）式から（18）で表わされる
常温時のスクロールラップ曲線は、インボリュート曲線
にはならず、これに似た曲線となる。

他方、常温時の固定スクロールラップの外側面および
内側面の曲線は、旋回スクロールラップの基準曲線71と
72と基本的に同じ形で位相が180度ずれたものとして形
成する。すなわち次式で与えられたインボリュート曲線
とする。つまり、固定スクロール部材のラップ外側面の
曲線は、 またラップ内側面の曲線は、 ここで X_K,Y_K:固定スクロール部材の固定直交座標系での座標、 a:基礎円板径（mm） λ_K:固定スクロールラップ巻き角度（rad） （インボリュート伸開角） 上記位相差（−t_K/a）の値は一定であり、固定スクロ
ール部材のラップ歯厚t_Kは一定となる。これに対して、
前記の如く旋回スクロール部材のラップ歯厚を（15）式
ないし（18）式に従って調整して、両スクロール部材の
ラップ同志の径方向ギャップを調整するのである。上記
式で示したところから判るように、両スクロール部材の
ラップ歯厚の和の理論値と実際値との差Δｔは次の関係
がある。

Δｔ＝Δｔ（β₁,β_２） ……（21） 上記の説明では、ラップ歯厚調整のための位相差パラ
メータβ₁,β_２を旋回スクロールラップの曲線のみに組
み入れるものとして説明したが、これは固定スクロール
ラップの曲線に組み入れてもよく、又は両者に組み入れ
てもよい。

このように歯厚調整パラメータβ₁,β_２を旋回スクロ
ール部材あるいは固定スクロール部材またはその両者の
ラップ曲線に組み入れることによって、熱変形に伴う両
スクロールラップの噛合い上の不具合な点を解決するこ
とができる。

第４図は、以上説明した考え方に基づく歯厚調整用パ
ラメータβ₁,β_２の設定例である。図に示すように、β
_１＞β_２とし、λ_Ｓに対して徐々に大きくするようにし
ている。ここでβ_1e,β_2eはラップ巻き終り点でのβ₁,
β_２を意味する。第４図に示したようなβ_１とβ_２の設
定により、常温時においては径方向ギャップδ_rpとδ_rq
は第５図のようになり、λ_Ｓに対してδ_rpは右上りの曲
線（直線）になるように、他方、δ_rqは右下がりの曲線
（直線）となるように設定される。

第６図は、常温時において、固定スクロールラップ内
側面22の曲線とこれに対向する旋回スクロールラップ外
側面42の曲線71aとの径方向すきまδ_rpの分布例を示
す。旋回スクロール部材のラップ歯厚の調整により、δ
_rpの分布として、ラップ巻き角度の大きさに対して比例
して大きくなるようなδrpを設定する。一方、第７図
は、固定スクロールラップ外側面23の曲線とこれと対向
する旋回スクロールラップ内側面43の曲線72aとで形成
される径方向すきまδ_rqの分布例を示し、上記すきまδ
_rpと較べるとδ_rp＞δ_rqの関係がある。理想的にはδ_rq
≒０とする方が、性能面では好ましい。

なお、第６図、第７図で、波打った曲線として描いた
のは加工誤差を示すためである。

第８図は、ラップ厚さの他の分布例を示し、固定スク
ロールラップ厚さt_Kはラップ巻き角度λ_Ｋに対して一様
に設定され、一方、旋回スクロールラップ厚さt_Sは、ラ
ップ巻角度λ_Ｓに対してステップ状に変化するととも
に、ラップ巻き角度λ_Ｓに対して右下がりの特性となる
よう設定される。

具体的な数値をあげて以下説明する。固定スクロール
部材は鋳鉄性で、その栓膨張係数α_Ｋは α_Ｋ≒1.2×10^-5/℃ であり、他方、旋回スクロール部材はアルミ合金製で、
その線膨張係数α_Ｓは α_Ｓ≒2.3×10^-5/℃ であるとする。（アルミ合金を使用するのは旋回運動に
伴う遠心力を小さくするためである。）旋回スクロール
部材の鏡板2aの外径（ラップ終端部）をD_Sで表わしたと
きD_S＝150mmとし、温度上昇ΔＴ≒100℃とすると、この
ときの栓膨張係数の差による熱変形の差ΔＬは ΔＬ≒D_S/2×（α_Ｓ−α_Ｋ）×ΔＴ ≒82.5μｍ ……（22） したがって、この場合は、ラップ終端部のδ_rpをδ_rp
（ｅ）で表わすとδ_rp（ｅ）はΔＬの値とほぼ等しく、
次のとおりとなる。

δ_rp（ｅ）≒ΔＬ≒82.5μｍ ……（23） そこで、第８図の場合を考える。同図においてラップ
厚さt_Sをラップ巻き角度λ_Ｓに対して２π（rad）の周
期でステップ状に変えているのは、径方向の寸法は２π
の周期で変化するためである。よって、第８図のラップ
歯厚t_Sのステップ状の段差Δt_Sは、ラップの巻き数Ｎ＝
３の場合は、Δt_S＝ΔL/N≒30μｍとなる。他方、第４
図の場合には、ラップ終端部の位相差パラメータβ₁e,
β₂eは基礎円半径ａ＝2.5mmのとき次の値となる。

β₁e≒β₂e≒ΔL/a≒0.033rad≒２度 ……（24） すなわち、第４図に示す位相差パラメータβ₁,β_２が
０から２度前後まで変化する。上記はΔＴ＝100℃前後
の場合について説明したが、ΔＴ＝200℃の場合には（2
4）式の結果は数度ということになる。

このように、径方向ギャップの調整法として、旋回ス
クロールラップの外側面での初期ギャップと旋回スクロ
ールラップの内側面での初期ギャップとを互に熱変形量
に対応して異ならしめるという本発明の特徴をα_Ｓ＞α
_Ｋの場合に具現する１つの具体的実施態様は、常温時に
旋回スクロールラップの外側面がそのインボリュート基
準曲線に対して位相角にて約２度内側になるように、一
方、固定スクロールラップの外側面がそのインボリュー
ト基準曲線に対して約２度外側になるように、位相差パ
ラメータβ₁,β_２を設定することである。

次に、軸方向ギャップ（両スクロール部材のラップ歯
洗面とラップ溝底面との間のギャップ）の初期ギャップ
の設定について、第９図にその例を示す。この図は、常
温時の固定スクロール部材のラップ溝深さH_Kと旋回スク
ロール部材のラップの高さH_Sをスクロールラップの巻き
角度（インボリュート曲線を用いた場合には、インボリ
ュート伸開角を表わす）λ_Ｓとの関係で表示したもので
ある。図中のλｅはスクロールラップの巻終り角度であ
り、（λｅ−２π）はラップ終端部から１巻き内側の位
置におけるラップ巻き角度である。この図の場合、H_Kと
H_Sの差ΔＨ（＝H_K−H_S）はλ_Ｓに対して一様にしてあ
り、このΔＨが軸方向初期ギャップであって、これは或
る程度、熱膨張による変形（伸び）を考慮して設定す
る。H_S＝35mmとして、このΔＨを概算すると ΔＨ＝H_S・（α_Ｓ−α_Ｋ）・ΔＴ ≒35×1.1×10^-5×100≒38.5μｍ ……（27） 但し、ΔT,α_S,α_Ｋの数値は前記のそれと同じとする。

すなわち、この場合、数十μｍの軸方向初期ギャップ
を設定する。

さらに、スクロール圧縮機の吸入行程にかかるラップ
巻き角度の範囲でも軸方向初期ギャップΔＨ及び径方向
初期ギャップδ_rpを設定する場合を考えるに、吸入行程
にかかる範囲での初期ギャップΔＨ及びラップ歯厚の和
の理論値との差Δｔの最大値を無次元値で表示すると、
今の例では ΔＨ^＊（＝ΔH/H_S）≒1.1×10^-3 ……（28） Δｔ^＊（＝Δt/D_S）≒1.1×10^-3 ……（29） ここで、 ΔＨ^＊：無次元歯高差 Δｔ^＊：無次元歯厚の和の差 D_S:旋回スクロール部材の鏡板外径 H_S:旋回スクロールラップ高さ 上記無次元値は冷凍空調用スクロール圧縮機での場合
であり、無給油式など吐出ガス温度が200〜300℃となる
ような雰囲気条件では次式の範囲となる。

ΔＨ^＊≒Δｔ^＊≒（２〜４）×10^-3 ……（30） 以上これまでの説明では、ラップ歯厚の合計を基準に
して径方向ギャップの調整を行う方法について述べてき
たが、他の方法として、固定スクロールラップ歯溝寸法
W_K（第17図中に示す寸法）とこれに噛み合う旋回スクロ
ールラップ厚さt_Sとの和（W_K＋t_S）を基準にして径方向
ギャップを決めることもできる。すなわち理論的な（W_K
＋t_S）の値に較べて常温時における実際の（W_K＋t_S）の
値を微小寸法分だけ小さくし、この小さくする度合とし
て例えばラップ歯溝寸法W_Kの変化分をスクロール部材の
熱変形に合わせて調整することによっても径方向ギャッ
プδ_rp,δ_rqの初期ギャップを設定することができる。

従来のスクロール圧縮機では、径方向ギャップの調整
は（３）式のΔ_εで決められていたが、これでは径方向
ギャップはスクロールラップの巻き角度λに対して
δ_rp,δ_rqの初期ギャップがともに一様な値となり、熱
変形量に応じた適切な径方向ギャップの分布にならな
い。これに対し、本発明では前述のように径方向ギャッ
プδ_rp,δ_rqの初期ギャップの分布を設定するので、熱
変形量に応じた適切な対応が可能となる。

第10図は以上説明した本発明に基づく両スクロール部
材1,2のラップの常温時での組み合わせた様子を示す横
断面図である。この図中のδ_rpとδ_rqが径方向での初期
ギャップを示す。固定スクロールラップ1bの外側曲線23
と内側曲線22はインボリュート曲線である。一方、旋回
スクロールラップ2bの外側曲線42は、（12）式で表わさ
れるようなスクロール曲線であり、内側曲線43は（13）
式で表わされたスクロール曲線となっている。図に示す
ように、径方向の初期ギャップδ_rp,δ_rqは、δ_rq≒０
に、また、δ_rp＞δ_rqになるように設定してある。な
お、ここでは固定スクロールラップをインボリュート曲
線とし、旋回スクロールラップを凝似インボリュート曲
線とした例について開示した、固定スクロールラップを
凝似インボリュート曲線、旋回スクロールラップをイン
ボリュート曲線で形成したラップの組み合わせとしても
よい。

以上これまでの説明は、旋回スクロール部材および固
定スクロール部材の温度分布が一様な場合について述べ
たが、次に、両スクロール部材において温度分布が一様
でない場合について述べる。

第11図は密閉形スクロール圧縮機の運動時での固定ス
クロール部材の温度分布を示したものである。横軸に固
定スクロール部材１の鏡板1aの中心からの距離をとり、
縦軸に温度にとってある。この場合図示のグラフは固定
スクロール部材のラップ溝底面（第11図の1c）とラップ
歯先面（同1d）の近傍位置における温度計測結果であ
る。このように、スクロール部材は位置によって温度が
異なり、それに応じて熱変形量も変わることが示唆され
る。従って、この事を考慮して初期ギャップの調整する
ことが好ましいことになる。

このような初期ギャップの１つの調整法は、第12図に
示すように、常温時における固定スクロール部材１のラ
ップ溝深さH_Kと旋回スクロール部材２のラップ高さH_Sの
差（H_K−H_S）である軸方向の初期ギャップを、運転時に
おける熱変形を考慮して、ラップの位置によりδa₁,δa
₂,δa₃の如く異ならしめることであり、また同様に、径
方向の初期ギャップをラップの位置によりδ_r1,δ_r2,δ
_r3の如く異ならしめることである。上記の軸方向初期ギ
ャープは概ね十数μｍないし数十μｍの範囲で設定され
よう。

第13図は、常温時の旋回スクロール部材のラップ歯厚
を軸方向において変化させた実例である。スクロール圧
縮機の吸入室1f（第４図参照）の所はラップの歯先と歯
根元との間には数十度の軸方向温度差があり、その部分
の熱変形量が局部的ではあるが変わってくる。このた
め、第13図では固定スクロールランプ1bあるいは旋回ス
クロールラップ2bの軸方向温度差による熱膨張の差を考
慮して、常温時において旋回スロール部材のラップ歯先
部では歯厚を大きく、根元部では小さくするようにラッ
プ歯厚をテーパ状に設定している。この軸方向のラップ
歯厚変更は数μｍ程度であるが、これにより熱変形の影
響をより最小限に抑えることができる。旋回スクロール
部材の代りに、固定スクロール部材のラップ歯厚を同様
にテーパ状にしてもよい。

第14図は、第13図の実施例において、さらに径方向位
置に依ってランプ溝深さH_Sを変更させた実施例である。
軸方向ギャップの初期値（組立時）スクロール部材の中
央部にいたるほど大きく設定するように、スクロールラ
ップ1bの溝深さをh₀＜h₁＜h₂と徐々にあるいはステップ
状に変化させている。そのギャップの模様を第15図に示
す。この場合、旋回スクロール部材２のラップ高さH_Sを
一定に保持し、一方、固定スクロール部材１のラップ溝
深さH_Kを図のようにステップ状に設定する。スクロール
ラップ巻き角度の（λｅ−２π）≦λ_Ｓ≦λｅの範囲で
は軸方向の初期ギャップを前記（28）式に示した無次元
歯高差ΔＨ^＊の範囲になるようH_K及びH_S寸法を定めてい
る。一方、λ_Ｓ≦（λｅ−２π）の範囲ではΔＨ^＊寸法
のほかに、居部的な温度差による熱変形および圧力変形
等を考慮して第15図のようなギャップの分布となるよう
ラップ溝深さH_Kとラップ高さH_Sを設定する。概ねスクロ
ールラップ中央部の軸方向ギャップは無次元値でΔH_d ^＊
≒（２〜３）×ΔＨ^＊の範囲が適正である。なお、ラッ
プの歯の高さ（溝深さ）の調整を歯底面1c、2mで行なっ
ているのは、加工が容易なことと歯先面が加工の基準面
となるための理由による。

なお、第13図、第14図に示したラップ厚さのテーパ状
の変化模様及び溝深さh₁,h₂は数十ミクロンオーダで変
化しているものであるが、説明を容易にするため誇張し
て図示してある。また、ラップ厚さを軸方向にテーパ状
に変化させる代りに、ラップ厚さを軸方向にステップ状
に変化させた実施例も可能である。

以上説明した実施例では作動ガスとしてフロンガスを
使用するスクロール圧縮機について記載したが、断熱圧
縮指数の高い空気用スクロール圧縮機ならびにヘリウム
用スクロール圧縮機、さらにはスクロールラップ間に油
に供給がなされない無給油式スクロール圧縮機において
は、温度による変形が更に顕著であり、本発明の有効性
がさらに発揮できる。

なおラップ歯厚の調整に際しては、強度的に余裕のあ
る材料を用いたスクロール部材ではラップ歯厚を薄くす
る方に決める方法を採用することが可能であり、逆に、
Al材など強度的に弱い材料を用いたスクロール部材では
ラップ歯厚を厚くする方に決める方法も可能であり、い
ずれにしても本発明の意図する作用・効果が得られる。
なお、組立時での初期ギャップを比較的大きく設定して
いるので、圧縮機の起動から安定した運転条件に入いる
までの間はギャップがある程度存在し、そのことがガス
流量を抑えて軽い負荷になる効果をも有し、過渡時での
負荷軽減が図れる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、温度によるスク
ロール部材の変形に起因する両スクロール部材同士の強
い当たりを回避することができる。従って、摩擦損失が
低下し、圧縮機性能が向上する。更に、スクロールラッ
プ自身の摩耗を軽くし、摩耗粉の発生を極力抑えること
ができるので、圧縮機全体として信頼性が大幅に向上す
る。

また、固定スクロール部材及び旋回スクロール部材の
変形を考慮して、ラップ厚さ、ラップ深さ（ラップ高
さ）を決めるので、変形に大きく影響を与えるスクロー
ル部材の鏡板の厚さをある程度薄くすることができる。
従って、両スクロール部材の重量低減ないしより小形化
ができるので、加工性の向上もともなって原価を低減す
ることもできる。

本発明は給油式ならびに無給油式のスクロール形流体
機械へと適用範囲が広く、有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、スクロール部材の熱変形の模様を示
す説明図、第３図はラップ歯厚を調整するためのスクロ
ール曲線と基礎円との位置関係を示す説明図、第４図な
いし第７図は径方向初期ギャップの設定についての説明
図、第８図はステップ状に変化している径方向初期ギャ
ップの設定例を示す図、第９図は軸方向初期ギャップの
設定例を示す図、第10図は径方向初期ギャップを設定し
た固定・旋回両スクロールラップの組合せ状態を示す横
断面図、第11図は固定スクロール部材の温度分布を示す
図、第12図は、温度分布を考慮した初期ギャップをもつ
固定・旋回両スクロール部材の組合せ状態を示す縦断面
図、第13図，第14図はラップ歯厚を軸方向で変化させた
旋回スクロール部材の縦断面図、第15図は軸方向初期ギ
ャップの設定例の説明図、第16図は密閉形スクロール圧
縮機の全体縦断面図、第17図は固定・旋回両スクロール
部材の組合せ状態を示す平面図である。 1:固定スクロール部材 2:旋回スクロール部材 1b,2b:スクロール部材のラップ部 1a,2a:スクロール部材の鏡板部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−218381（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−252102（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−212683（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−171679（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円板状鏡板1a,2aに渦巻き状のラップ1b,2b
   を直立する固定スクロール部材１及び旋回スクロール部
   材２を、ラップを互いに内側にしてかみ合わせ、上記固
   定スクロール部材１とは材質の異なる旋回スクロール部
   材２とし、固定スクロール部材１に対して旋回スクロー
   ル部材２を自転なしに旋回運動させるように構成したス
   クロール流体機械において、運転時の両スクロール部材
   1,2の熱膨張による変形量の差に起因するラップ1b,2b同
   志の衝突を避けるように、常温時の固定スクロール部材
   １のラップ厚さt_Kと旋回スクロール部材２のラップ厚さ
   t_Sとの和を、両スクロール1,2の理論的ラップ厚さｔ
   _Ｋ′,t_Ｓ′の和より微少寸法だけ小さくし、その小さく
   する度合をラップ巻き角度λおよび常温時と運転時との
   ラップの温度差の関数とし、以て、両スクロール部材の
   径方向初期ギャップδ_rp,δ_rqを付与したことを特徴と
   するスクロール流体機械。
2. 【請求項２】円板状鏡板1a,2aに渦巻き状のラップ1b,2b
   を直立する固定スクロール部材１及び旋回スクロール部
   材２を、ラップを互いに内側にしてかみ合わせ、上記固
   定スクロール部材１とは材質の異なる旋回スクロール部
   材２とし、固定スクロール部材１に対して旋回スクロー
   ル部材２を自転なしに旋回運動させるように構成したス
   クロール流体機械において、運転時の両スクロール部材
   1,2の熱膨張による変形量の差に起因するラップ1b,2b同
   志の衝突を避けるように、常温時の旋回スクロール部材
   ２もしくは固定スクロール部材１または両者の１のラッ
   プの1b,2bの内側面または外側面のスクロール曲線が、
   スクロール部材に固定された直交座標軸に対する座標
   Ｘ、Ｙについて Ｘ＝ａ｛cosλ＋（λ−β）sinλ｝ Ｙ＝ａ｛sinλ−（λ−β）cosλ｝ （但し、ａは基礎円半径、βはラップ厚さ調整用位相差
   パラメータ、λはラップ巻き角度） なる関係式を満たし、上記位相差パラメータβがラップ
   巻き角度λの関数となっており、以て、両スクロール部
   材のラップ間にラップ巻き角度の関数としての径方向初
   期ギャップを付与したことを特徴とするスクロール流体
   機械。
3. 【請求項３】ラップ厚さ調整用位相差パラメータβがス
   クロールラップ巻き角度λに対して０から２度前後で変
   化しているスクロールラップ厚さを有することを特徴と
   する請求項２記載のスクロール流体機械。
4. 【請求項４】前記両スクロール部材のラップ間の径方向
   の初期ギャップがラップ巻き角度の連続関数またはステ
   ップ状関数である請求項１または２記載のスクロール流
   体機械。