JP3766214B2 - スクロール式流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、気体からなる作動流体に圧力エネルギ−を加えるか与えられる容積式の流体機械であって、特に圧縮機、膨張機さらには真空ポンプ等に利用されるスクロール式流体機械に関する。
【０００２】
【従来技術】
偏心軸を有して動力を伝達するシャフトと自転防止機構から旋回運動をする旋回スクロールとシャフトを支持するハウジング等に固定された固定スクロールで構成されるスクロール式流体機械で、壁面がスクロールラップにより形成されて大きさが異なる２つの圧縮室の最大密閉空間が１８０°位相がずれて形成される非対称スクロールに関する公知例として特公昭６２−２９６０１号公報が挙げられる。そして、スクロール部材の巻き始め中央の形状がインボリュ−ト曲線とそれに接続される２つの円弧で形成された公知例として特公平７−３５７９１号公報と特公平７−３９８０３号公報が挙げられる。
【０００３】
これらの公知例では非対称スクロールとなるインボリュ−ト曲線で形成されるラップ形状と巻き始め中央部のインボリュ−ト曲線と接続される円弧形状との関連付けさらには最大密閉空間と最小密閉空間との係わりが明確にされていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとしている課題として、インボリュ−ト曲線外周部の巻き終わり側に、固定スクロールのラップと旋回スクロールのラップとの間で１対形成される密閉空間において、流体機械としての能力から設定される２つの最大密閉空間の容積は非対称スクロールの場合では大きさが異なることと、それに対して巻き始め側に形成されるそれぞれの最小密閉空間の容積を決める場合に流体機械の性能、信頼性さらには大きさ等を総合的に評価した最適化が行われていないことにあった。
【０００５】
前記旋回スクロールラップの外壁側に形成される外側圧縮室の設計的な最小密閉空間の容積は通常当該流体機械の運転条件から設定されるが、旋回スクロールラップの内壁側に形成される内側圧縮室の最小密閉空間の容積も同様に設定されているために、ラップ間の干渉の防止や吐出行程時の流路を確保するために複雑な加工を用いたり、小さな先端のラップ巻き始め形状から強度を低下させたり、また流体機械の径寸法を大きくしていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記従来例の課題を解決するために、本発明では非対称スクロール形状において、旋回スクロールラップの外壁側にインボリュ−ト曲線から形成される最大密閉空間の容積Ｖｓｍｏとその空間が軸の回転に伴い中心に移動して形成される最小密閉空間の容積Ｖｄｍｏとの比Ｖｓｍｏ／Ｖｄｍｏがおよそ運転条件等から与えられる設計的な固有圧縮比Ｖｒｏとなるが、上記Ｖｓｍｏに対して１８０°位相がずれて旋回スクロールラップの内壁側にインボリュ−ト曲線から形成される最大密閉空間の容積Ｖｓｍｉと、やはりその空間が軸の回転に伴い中心に移動して形成される最小密閉空間の容積Ｖｄｍｉとの比Ｖｓｍｉ／ＶｄｍｉをＶｒｉと置いた時に、ＶｒｏとＶｒｉの比ＲＶｒを最大密閉空間の容積の比Ｖｓｍｏ／Ｖｓｍｉに対して±１０％の範囲に設定する。
【０００７】
旋回スクロ−ル巻き始めの２円弧で形成される球根形状部の内壁側の円弧の半径Ｒｍ２から旋回半径を引いた値におよそ等しく又はそれより数十ミクロン小さくした値を、固定スクロール巻き始めの２円弧で形成される球根形状部の先端側の円弧の半径Ｒｆ１とする。
【０００８】
この旋回スクロールと固定スクロールとの互いの球根形状部の関係より、内側圧縮室の最小密閉空間の容積Ｖｄｍｉがインボリュ−ト曲線のみで形成された後さらに軸が回転してその容積が中心側に移動して小さくなっても密閉状態が保持されているので空間内の作動ガスは圧縮され、その最大密閉空間の容積との比が前記設計的な固有圧縮比Ｖｒｏにおよそ等しくなった後旋回スクロール側に設けた圧縮室と中心部の吐出空間に連通する通路から圧縮ガスが流出する。
【０００９】
本発明の目的は旋回スクロールのラップの内壁側と外壁側に形成される２つの最大密閉空間が、互いに大きさが異なり軸１回転中に１８０°位相がずれる非対称スクロ−ル形状において、中央巻き始めの球根形状部を、干渉がなくインボリュ−ト部の厚さより厚くして切り欠き部を設けることにより強度とともに流路を確保できるようにインボリュ−ト曲線と２円弧の接続から形成して、内側と外側の圧縮室に対する固有圧縮比を実質的に同一にして、流体機械の効率や耐久性及び大きさに対する最適形状を得ることを目的とする。
【００１０】
【作用】
前記の如く構成されたスクロール式流体機械は、旋回スクロールラップの巻き終り側前後でおよそ１８０°位相がずれて形成される２つの最大密閉空間へは作動ガスが交互に流入するので、ガスの速度変動が少ない。
【００１１】
最大密閉空間とインボリュ−ト曲線のみから形成される最小密閉空間との比で表される設計的な固有圧縮比は、旋回スクロールラップ外壁側の外側圧縮室に対してラップ内壁側の内側圧縮室では小さく設定されているが、固定スクロール先端Ｒ部で微小隙間にてシールされており、内側圧縮室の実質の固有圧縮比が大きくなって、外側圧縮室と同等になるので、圧縮不足損失が減少するのと、２つある圧縮室からの吐出行程のタイミングがずれるためガスの速度変動が減少する。
【００１２】
内側圧縮室の設計的な固有圧縮比を小さくすることにより、ラップ中央部の空間が十分に取れて吐出流路を確保した上で球根形状部が大きくできるので、性能的にも信頼性的にもさらに加工的にも球根形状部の最適化が図れる。
【００１３】
【実施例】
本発明のスクロール式流体機械に用いる作動流体として気体を対象に説明を進めるが、旋回スクロールの巻き数を１．５巻き以下にすれば液体についても適用は可能である。
【００１４】
スクロール式流体機械の圧縮機構部の代表例を図１に示す。圧縮機構部は基本的に厚板に数巻きの渦巻き状の溝を設けた固定スクロール２と円形板上の前記固定スクロール２と同程度の渦巻き状の突起を設けた旋回スクロール１を互いに噛み合わせて構成される。
【００１５】
この渦巻き状の溝ないしは突起の壁面形状は図２に示す基礎円の伸開線である内外２本のインボリュ−ト曲線から形成される。図中記号のＸとＹは座標軸、Ｏは原点を表し、Ｗａは基礎円半径を、Ｗｔはラップ歯厚を、そしてλはＸ軸からのＢ点までの巻き角を表す。従って、基礎円上のＢ点から引いた伸開線上のＣ点までの距離ＬはＷａ×λとして求められる。ラップ間で囲まれる圧縮室の容積はこのＬの関係式を基に得られることになる。
【００１６】
本発明の旋回スクロール１の平面形状を図３に示す。円板上に一体にして設けられた渦巻き状突起であるラップ１ｂの形状は、巻き終り終端部１ｃの外側Ａ点及び内側Ｂ点を起点とする２本のインボリュ−ト曲線から構成されるラップが内側の中央に向かっておよそ２巻きと半周強巻かれている。中央部ではＡ点から入ったインボリュ−ト曲線とＢ点から入ったインボリュ−ト曲線とを２つの円弧で接続した球根形状部１ｅを形成している。中央の＋マークは座標の原点を、その原点を囲む小さな円は基礎円１ａを表す。
【００１７】
図３の中央部巻き始め球根形状部１ｅを拡大してＸＹ座標軸を記入した図を図４に示す。ラップ１ｂ外側のインボリュ−ト曲線の始点をＭａで、内側のインボリュ−ト曲線の始点をＭｃで表し、中心Ｏｍ１が伸開線上にある点Ｍａから始まる先端の円弧半径をＲｍ１と置き、中心Ｏｍ２が伸開線上にある点Ｍｃから始まる内側の円弧半径をＲｍ２と置き、その２つの円弧の接続点をＭｂとする。
【００１８】
この時、インボリュ−ト曲線の式から得られる中心Ｏｍ１の座標と中心Ｏｍ２の座標間距離を円弧半径Ｒｍ１とＲｍ２との和に等しいとする関係式を用いて球根形状部１ｅが得られる。一方、点Ｍｃから数十度軸を回転した点Ｍｄから先端に向けて切り欠き部１ｆが設けられている。また、図４から明らかなように、Ｏｍ１とＭａを結ぶ線分とＯｍ２とＭｃを結ぶ線分は互いに平行ではなく、点Ｍａの巻き角をλｓｏで表し、点Ｍｃの巻き角をλｓｉで表すとλｓｉ＜λｓｏ＋πの関係が成立する。ないしは、Ｏｍ２とＯｍ１を結ぶ線分とＯｍ１とＭａを結ぶ線分の成す角度である半径Ｒｍ１の円弧範囲の角度をθｍ１で表し、Ｏｍ２とＯｍ１を結ぶ線分とＯｍ２とＭｃを結ぶ線分の成す角度である円弧Ｒｍ２の範囲の角度をθｍ２で表すと、θｍ１はθｍ２よりも大きくなる。
【００１９】
本発明の固定スクロール２の平面形状を図５に示す。厚板内に堀り込んだインボリュ−ト曲線から構成される渦巻き状溝は、半円弧状の溝終端部２ｃから中央に向かっておよそ２巻き半巻かれ、インボリュ−ト曲線から構成されるラップ２ｂは中央に向かっておよそ２巻き巻かれている。
【００２０】
さらには、圧縮室への作動ガスの吸入口２ｈが巻き終り部の溝に連通して設けられ、圧縮室からの作動ガスの吐出孔２ｇが中央部の溝に連通して設けられている。旋回スクロールと同様、中央の＋マ−クは座標の原点を、その原点を囲む小さな円は基礎円２ａを表す。
【００２１】
図５の中央部巻き始め球根形状部２ｅを拡大しＸＹ座標軸を記入して図６に示す。渦巻き状溝外壁のインボリュ−ト曲線の始点をＦｃで、内壁のインボリュ−ト曲線の始点をＦａで表し、中心Ｏｆ１が伸開線上にある点Ｆａから始まる先端の円弧半径をＲｆ１と置き、中心Ｏｆ２が伸開線上にある点Ｆｃから始まる内側の円弧半径をＲｆ２と置き、その２つの円弧の接続点をＦｂとする。そして、３つの点ＦｃとＯｆ２とＦｂのなす角度すなはち半径Ｒｆ２の円弧範囲の角度θｆ２は、旋回スクロールの前記θｍ１よりも小さく形成する。この関係は、後述する点Ｆｃと点Ｆｅの関係から示される。
【００２２】
この時、インボリュ−ト曲線の式から得られる中心Ｏｆ１の座標と中心Ｏｆ２の座標間距離を円弧半径Ｒｆ１とＲｆ２との和に等しいとする関係式を用いて、球根形状部２ｅが得られる。外壁の点Ｆｃの手前に設けた点Ｆｅに関しては図９で説明する。一方、図６に示されているように、点Ｆｃから数十度先端に向けて回転した半径Ｒｆ２の円弧内から始まる点から先端側の半径Ｒｆ１円弧の中央近傍の点Ｆｄに向けて切り欠き部２ｆが設けられている。
【００２３】
旋回スクロール１と固定スクロール２の渦巻き部を噛み合わせて、図３のＡ点を図５の終端部２ｃの外壁にほとんど接触させると同時に、図７に示すように、このＡ点から巻き角度で２πだけ中に入ってらラップ１ｂ外壁とラップ２ｂ内壁とをほとんど接触させた点Ｅにより旋回スクロール１と固定スクロール２との間に形成される外側圧縮室の最大密閉空間４の容積をＶｓｍｏと置く。
【００２４】
図７の状態から旋回スクロール１を半回転すなはち１８０°回転させた図８に示すように、点Ｇと点Ｈをほとんど接触させて旋回スクロールと固定スクロールとの間に形成される内側圧縮室の最大密閉空間５の容積をＶｓｍｉと置く。
【００２５】
図７の状態から旋回スクロールがさらに１回転半強旋回させた図９に示すように、旋回スクロールラップ１ｂ内壁と固定スクロールラップ２ｂ外壁の２箇所の１巻き違う接点Ｋと接点Ｊとの間のインボリュ−ト曲線で囲まれた外側圧縮室に対する最小密閉空間６が形成されている。内側の接点Ｋは図６に示した固定スクロール溝内壁のインボリュ−ト曲線部の点Ｆｅと一致する。図６に示したこの点Ｆｅよりさらに内側に入った点Ｆｃまではインボリュ−ト曲線で形成されている。図９の状態では、吐出孔２ｇは最小密閉空間６に連通する直前の状態にある。この最小密閉空間６の容積をＶｄｍｏと置く。
【００２６】
図８から旋回スクロールをさらに１回転強旋回させた図１０に示すように、旋回スクロールラップ１ｂ外壁と固定スクロールラップ２ｂ内壁の２箇所の１巻き違う接点Ｐと接点Ｑとの間のインボリュ−ト曲線で囲まれて内側圧縮室に対する最小密閉空間７が形成されている。図では吐出孔２ｇは最小密閉空間７に連通しない状態にある。この最小密閉空間７の容積をＶｄｍｉと置く。
【００２７】
外側圧縮室の最大密閉空間４と最小密閉空間６の容積の比Ｖｓｍｏ／ＶｄｍｏをＶｒｏと置き、内側圧縮室のその容積の比Ｖｓｍｉ／ＶｄｍｉをＶｒｉと置くと、Ｖｒｏは運転条件等から与えられる設計的な固有圧縮比におよそ等しくなるが、ＶｒｉはＶｒｏより小さく、その比ＲＶｒ＝Ｖｒｏ／Ｖｒｉは最大密閉空間の容積の比Ｖｓｍｏ／Ｖｓｍｉにおよそ等しいか、その値の±１０％の範囲に入るのが良い。
【００２８】
図９から旋回スクロールがさらに旋回すると、中心に向けて移動した外側圧縮室の最小密閉空間６に吐出孔２ｇが連通して隙間が生じ、圧縮室内の作動ガスがこの隙間から吐出されることになる。
【００２９】
一方、内側圧縮室の最小密閉空間７の場合、図１０から旋回スクロールが数十度旋回した状態を拡大した図１１に示すように、固定スクロールの球根形状部２ｅ先端と旋回スクロールの球根形状部１ｅ内壁Ｒ部との間にほとんど接触状態にあって、接点Ｔと接点Ｓで囲まれた最小密閉空間８を形成することになる。この点Ｓは、旋回スクロール及び固定スクロールそれぞれの球根形状部に設けた切り欠き部１ｆと２ｆの開始点である図４の点Ｍｄ及び図６の点Ｆｄに一致する。この実質的な最小密閉空間８としての容積をＶｄｍｉｅと置く。
【００３０】
この図１１に対する内側圧縮室の容積比Ｖｓｍｉ／Ｖｄｍｉｅは、図１０に対する容積比Ｖｒｉより大きく、図９に対する外側圧縮室の容積比Ｖｒｏとおよそ同等に設定される。
【００３１】
図１２は従来の方法で形成した球根形状部である。旋回スクロール側及び固定スクロール側いずれの球根形状部もラップ間干渉や強度的、加工上も問題が生じる可能性がある。
【００３２】
以上の如く構成されたスクロール流体機械の働きについて以下説明する。軸１回転中に形成される大きさの異なる２つの最大密閉空間４と最大密閉空間５は、形成されるタイミングが１８０°ずれるので、吸入行程時に作動流体は吸入口から交互にそれぞれの圧縮室に流入する。そして、それぞれの圧縮室は旋回運動に伴い中央に移動しながら容積を減少させて実質的な最小密閉空間の形成位置まで作動流体を圧縮室内にて圧縮されることになる。しかも、内外圧縮室の固有圧縮比は実質的に同じなので、圧縮室内の圧力上昇度合いもおよそ同じになる。
【００３３】
最小密閉空間形成後軸が回転して吐出行程に移行するが、圧縮室に吐出孔が直ちに開口するとともに球根形状部に設けた流出面積を十分に確保した切り欠き部からも直ちに作動流体が流出する。
【００３４】
さらには、球根形状部の前後には運転条件によっては相当に大きな差圧が作用する場合があるが、球根形状部の中央部はインボリュ−ト曲線で形成されるラップ部の厚さより厚くなっており、破損する心配はない。
【００３５】
【発明の効果】
前記の如く構成されたスクロール式流体機械は、軸１回転中に形成される大きさの異なる２つの最大密閉空間４と最大密閉空間５は、形成されるタイミングが１８０°ずれるので、吸入行程時吸入口２ｈ内の作動流体の流れは平準化された脈動の少ない状態となる。
【００３６】
一方、吐出行程時も実質的な最小密閉空間６と８の形成タイミングが異なるので、吐出孔２ｇ内の作動流体の流れは平準化されると同時に、圧縮室から吐出孔に至る球根形状部周囲も抵抗の少ない流れとなり、抵抗に伴う不要な圧力上昇がなくなり、効率が向上する効果がある。さらに、吸入及び吐出通路内の圧力脈動が減少して振動騒音が低減する効果がある。
【００３７】
また、内側圧縮室の設計上の固有圧縮比Ｖｒｉが小さく出来るので、旋回スクロール及び固定スクロールそれぞれの球根形状部を太くして高い強度を確保出来るとともにラップ応力が最も高くなる球根形状部先端付根の強度を確保した上で切り欠き部を設けることにより吐出行程時の作動流体の流出抵抗を大幅に低減できることができて効率向上と耐久性を高める効果がある。
【００３８】
さらには、球根形状部の最適化は数式による幾何学的アプロ−チから設定でき、コンピュータ処理を可能として多種多様なパラメータサーベイや圧縮室圧力の計算を行うシミュレータへの取り組みも容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スクロール式流体機械の圧縮機構部の断面図である。
【図２】 伸開線によるインボリュ−ト曲線作成図である。
【図３】 本発明の旋回スクロール平面図である。
【図４】 図３の巻き始め中央部の拡大図である。
【図５】 本発明の固定スクロール平面図である。
【図６】 図５の巻き始め中央部の拡大図である。
【図７】 外側圧縮室の最大密閉空間形成図である。
【図８】 内側圧縮室の最大密閉空間形成図である。
【図９】 外側圧縮室の最小密閉空間形成図である。
【図１０】 内側圧縮室の設計的最小密閉空間形成図である。
【図１１】 図１０から旋回スクロールを数十度回転させた中央部の拡大図である。
【図１２】 図１１を従来の方法で作図した中央部の拡大図である。
【符号の説明】
１ 旋回スクロール
２ 固定スクロール
１ｂ、２ｂ ラップ
１ｄ、２ｄ 先端円弧部
１ｅ、２ｅ 球根形状部
１ｆ、２ｆ 切り欠き部
２ｇ 吐出孔
２ｈ 吸入口
４ 外側圧縮室の最大密閉空間
５ 内側圧縮室の最大密閉空間
６ 外側圧縮室の最小密閉空間
７ 内側圧縮室の設計的最小密閉空間
８ 内側圧縮室の実質的最小密閉空間

Claims (3)

1. 厚板に渦巻き状溝を設けてインボリュ−ト曲線からなるラップを設けた固定スクロールと円板上にインボリュ−ト曲線からなる渦巻き状突起のラップを設けた旋回スクロールを互いに噛み合わせて旋回スクロールの巻き終り側ラップの外壁側で形成される最大密閉空間４とその内壁側で形成される最大密閉空間５との大きさが異なり軸の回転に対して位相が１８０°ずれて形成される非対称スクロ−ル形状で、旋回スクロール及び固定スクロール中央部の巻き始め形状をラップ外壁のインボリュ−ト曲線とラップ内壁のインボリュ−ト曲線を２つの円弧で接続するとともに当該２つの円弧の半径の和と互いの中心間距離を等しくさせた球根形状部から形成されるスクロール式流体機械において、
   （１）旋回スクロールのラップの外壁側にインボリュ−ト曲線で形成される最小密閉空間６の容積Ｖｄｍｏと旋回スクロールのラップの内壁側にインボリュ−ト曲線から形成される最小密閉空間７の容積Ｖｄｍｉの比であるＶｄｍｏ／Ｖｄｍｉを前記最大密閉空間４と最大密閉空間５の比に対して±１０％の範囲に設定する。
   （２）旋回スクロール巻き始めの円弧半径Ｒｍ１の中心Ｏｍ１とラップ外壁側のインボリュ−ト曲線の始点Ｍａを結ぶ線分と巻き始め内壁側の円弧半径Ｒｍ２の中心Ｏｍ２とラップ内側のインボリュ−ト曲線の始点Ｍｃを結ぶ線分は互いに平行ではなく、点Ｍａの巻き角λｓｏにπラジアンを加えた値よりも点Ｍｃの巻き角λｓｉを小さく設定する。
   （３）固定スクロール巻き始め球根形状部の先端の円弧半径Ｒｆ１に旋回半径を加えた値を、旋回スクロール巻き始め球根形状部の内壁側の円弧半径Ｒｍ２に等しくする。
   以上からスクロールのラップ形状を構成したことを特徴とするスクロ−ル式流体機械。
2. インボリュ−ト曲線で囲まれた外側圧縮室の最小密閉空間６を形成する内側の接点となる固定スクロ−ルの内壁の点Ｆｅよりもインボリュ−ト曲線の始点を内側の点Ｆｃまで延長して、固定スクロ−ル巻き始め内側の円弧半径Ｒｆ２の範囲の角度θｆ２を旋回スクロール巻き始め先端の円弧半径Ｒｍ１の範囲の角度θｍ１より小さく形成した固定スクロ−ルの巻き始め形状から構成されたことを特徴とする請求項１のスクロ−ル式流体機械。
3. 旋回スクロ−ルの中央部巻き始めに設けた球根形状部１ｅの半径Ｒｍ２内側円弧部内の点Ｍｄから半径Ｒｍ１先端円弧部に抜ける切り欠き部１ｆを設け、同時に固定スクロ−ルの中央部巻き始めに設けた球根形状部２ｅの半径Ｒｆ１先端円弧部のおよそ中央近傍の点Ｆｄから半径Ｒｆ２内側円弧部のおよそ中央近傍に抜ける切り欠き部２ｆを設けて圧縮室からの作動ガスの吐出通路を構成したことを特徴とする請求項１ないしは請求項２のスクロ−ル式流体機械。

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