JP5166803B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、渦巻き状ラップの先端面とボトム面とにそれぞれ段部を備え、該段部よりも渦巻き状ラップの外周側においてラップ高さが内周側のラップ高さよりも高くされ、渦巻き状ラップの周方向および高さ方向に三次元圧縮が可能な構成としたスクロール圧縮機に関するものである。

スクロール部材の外径を大きくすることなく、圧縮機容量を増加することができるスクロール圧縮機として、一対の固定スクロール部材および旋回スクロール部材の渦巻き状ラップの先端面とボトム面とにそれぞれ段部を備え、該段部よりも渦巻き状ラップの外周側においてラップ高さを内周側のラップ高さよりも高くし、渦巻き状ラップの周方向および高さ方向に三次元圧縮ができる構成としたスクロール圧縮機が提案されている。この圧縮機は、渦巻き状ラップの周方向だけでなく、ラップの高さ方向にも圧縮が可能なため、コンベンショナルタイプのスクロール圧縮機（二次元圧縮）に比べて、押しのけ量を大きくし、圧縮機容量を増加することができる。従って、同容量の圧縮機で比較すると、小型コンパクト化、軽量化が可能になる等の特長を有する。

上記のスクロール圧縮機においては、渦巻き状ラップに設けられる段部の根元部に対して渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる応力がかかることになる。この根元部に対する応力の集中を緩和するために、段部の根元部に微小なコーナーＲ等により構成されるリブを設けたものが特許文献１に記載されている。また、上記した段部におけるチップシールの切れ目部分に微小高さの段差面を設け、チップシールの切れ目部分におけるチップ隙間からのガス漏れを低減するようにしたものが特許文献２に記載されている。

特開２００２−５０４６号公報（段落［００２９］〜［００３０］及び図４） 特開２００６−３４２７７６号公報（段落［００２１］〜［００２４］及び図１）

三次元圧縮が可能な上記構成のスクロール圧縮機にあっては、渦巻き状ラップに設ける段部の高さを高くするほど、押しのけ量を増大することが可能となり、その特長を活かすことができる。しかしながら、一方では、段部の高さを高くすると、その根元部にかかる圧力差ΔＰによる応力が大きくなるため、渦巻き状ラップの強度が課題となってくる。特に、吸入圧力が高い運転条件下では、渦巻き状ラップの高さが高い渦巻き方向の外周側で圧力差ΔＰによる応力が大きくなり、その応力が段部の根元部に集中することから、上記特許文献１に示されたようなリブではラップ強度が不足するおそれがある。

また、特許文献２に記載されている段差面は、チップ隙間を埋めるためのもので、その高さは精々数十μｍ程度と微小であることから、これによって段部の根元部にかかる応力に対抗するだけの強度アップは望むべくもなかった。
以上の状況から、三次元圧縮可能なスクロール圧縮機では、その特長を十分に活かせるように、段部高さを高くして、押しのけ量を大きくしながら、ラップ強度を必要かつ十分に確保できるような対策の出現が望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、渦巻き状ラップの段部高さを十分に高くしつつ、ラップ強度を必要かつ十分に確保することができ、しかもラップ加工が容易にできる三次元圧縮可能なスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるスクロール圧縮機は、端板上に渦巻き状ラップを立設して構成される一対の固定スクロール部材および旋回スクロール部材の前記渦巻き状ラップの先端面とボトム面とにそれぞれ段部を備え、該段部よりも前記渦巻き状ラップの外周側において渦巻き状ラップ高さを内周側の渦巻き状ラップ高さよりも高くし、前記渦巻き状ラップの周方向および高さ方向に三次元圧縮が可能な構成としたスクロール圧縮機において、前記渦巻き状ラップの先端面とボトム面とに設けられる段部を複数段の段部により構成するとともに、各段部は、それぞれの段部の根元応力が略等しくなるように高さおよび段部間距離が設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、渦巻き状ラップの先端面とボトム面とに設けられる段部を複数段の段部により構成し、各段部の高さおよび段部間距離をそれぞれの段部の根元応力が略等しくなるように設定しているため、ラップ高さが高くなる渦巻き状ラップの外周側において、段部根元部に作用する渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる応力を複数段の段部に対して略均等に分散し、各段部の根元部に作用する応力を半減することができる。これにより、段部高さを十分に高くしながら、上記圧力差ΔＰによる応力の集中を回避し、必要なラップ強度を確保することができる。従って、外径を大きくすることなく、押しのけ量を大きくし、圧縮機容量を増加することができるという三次元圧縮可能なスクロール圧縮機の特長を十分活かすことができる。また、段部を複数段で構成するだけのため、その加工が特に複雑化することはなく、渦巻き状ラップの先端面とボトム面とに段部を備えた従来のスクロール部材の加工の延長上で複数段の段部を容易に加工することができる。

さらに、本発明のスクロール圧縮機は、上記の本発明のスクロール圧縮機において、前記複数段の段部の渦巻き方向内方側の高段側段部の高さをＬ１、前記高段側段部とその渦巻き方向外方側の低段側段部との間の段部間距離をＨ、前記高段側段部および前記低段側段部の応力をσとし、その応力σが略等しい範囲を、σｍａｘ／σｍｉｎ≦１．５としたとき、段部間距離Ｈは、Ｈ≧２Ｌ１を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、高段側段部の高さをＬ１、段部間距離をＨ、複数段の段部の各段部に作用する応力をσとし、その応力σが略等しい範囲、すなわち該応力σの最小値σｍｉｎと最大値σｍａｘとの比をσｍａｘ／σｍｉｎ≦１．５としたとき、段部間距離Ｈを、Ｈ≧２Ｌ１に設定すれば、応力場の影響を小さくすることができる。つまり、段部間距離Ｈが十分に大きい場合、それぞれの段部は独立した段部として扱うことができる。一般的に独立した段差部での応力は高さの２乗に比例する。しかし、Ｈが小さい場合、上部段部の応力分布が下部段部にも影響を与え、下部段部の応力は単独で見積もった場合に比べ大きくなる。この特性を示したものが図６であり、段部間距離Ｈは応力影響域に対しての感度と云える。切欠きによる応力集中が近接している場合、その応力場が互いに影響することは学術上明らかであり、スクロール部材において、渦巻き状ラップの段部を複数段の段部により構成したとき、段部間距離Ｈが各段部の根元に作用する応力に影響を及ぼすことは明白である。この段部間距離Ｈを十分離した場合の応力をσ∞とすれば、σ∞／σは、応力低減効果（σ∞／σ＝１が最大効果）を示すことになる。ここで、段部間距離Ｈを大きくした場合の応力σは、Ｈ／Ｌ１＝５程度で頭打ち（σ∞／σ≒１）となり、Ｈ／Ｌ１＜２で応力低減効果が急激に小さくなる（図６参照）。このため、Ｈ≧２Ｌ１とすれば、渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる応力を複数段の段部に略均等に分散し、各段部の根元部に作用する応力を低減した上で応力場の影響を小さくすることができる。これによって、段部高さを十分に高くしながら、上記圧力差ΔＰによる応力の集中を回避し、必要なラップ強度を確保することができる。

さらに、本発明のスクロール圧縮機は、上記の本発明のスクロール圧縮機において、前記段部よりも内方側の渦巻き状ラップの内周側ボトム面からのラップ高さをＬ、前記複数段の段部で構成される前記段部の高さをＬｒ、前記複数段の段部の渦巻き方向内方側の高段側段部とその外方側の低段側段部との間の段部間距離をＨとし、前記複数段の段部のそれぞれの高さを略等しくしたとき、段部間距離Ｈは、Ｈ≧α（Ｌ＋Ｌｒ）、ただし、α≧０．５を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、段部よりも内方側の渦巻き状ラップの内周側ボトム面からのラップ高さをＬ、複数段の段部により構成される段部の高さをＬｒ、段部間距離をＨとしたとき、段部間距離Ｈを、Ｈ≧α（Ｌ＋Ｌｒ）、ただし、α≧０．５に設定すれば、複数段の段部の各段部に作用する根元応力を略等しくした上で、複数段の段部のそれぞれの高さを略等しくすることができる。つまり、複数段の段部により構成される段部の高さＬｒは、常に段部よりも内方側の渦巻き状ラップのラップ高さＬよりも小さくされる。何故なら、ＬｒがＬよりも大きい場合、固定および旋回スクロール部材で構成される圧縮室の高さが０となるので、スクロール圧縮機が成立しなくなる。このため、極限的に、Ｌｒ＝Ｌを考えると、α＝０．５の場合、Ｈ≧Ｌの関係となる。また、Ｌ１をＬｒ／２に設定した場合、Ｈ≧２Ｌ１からＨ≧Ｌｒ＝Ｌとなるため、複雑な応力計算をすることなく、段部間距離Ｈをこの範囲に設定すれば、応力場の干渉を軽減することが可能となる。ここで、高段側段部の高さＬ１と低段側段部の高さＬ２とを等しく（Ｌ１＝Ｌ２）とした場合のαは、図７に示されるように、Ｌ１／Ｌ２と、Ｈ／Ｌ＋Ｌｒとの関係から、０．５以上となる。このため、Ｈ≧α（Ｌ＋Ｌｒ）、ただし、α≧０．５とすれば、複数段の段部のそれぞれの高さを略等しくしても、渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる応力を複数段の段部に略均等に分散し、各段部の根元部に作用する応力を低減することができる。これによって、段部高さを十分に高くしながら、上記圧力差ΔＰによる応力の集中を回避し、必要なラップ強度を確保することができる。

さらに、本発明のスクロール圧縮機は、上述のいずれかの本発明のスクロール圧縮機において、前記渦巻き状ラップの先端面に設けられる前記複数段の段部の根元部にそれぞれリブを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、渦巻き状ラップの先端面に設けられる複数段の段部の根元部にそれぞれリブを設けているため、各段部の根元部における応力の集中をリブにより緩和することができる。従って、複数段の段部を備えた渦巻き状ラップの強度を一段と高めることができる。

さらに、本発明のスクロール圧縮機は、上記の本発明のスクロール圧縮機において、前記リブを設けた前記固定スクロール部材または旋回スクロール部材に噛み合う相手方のスクロール部材の前記ボトム面側に、前記リブとの干渉を回避する面取りまたは控えを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、リブを設けたスクロール部材に噛み合う相手方のスクロール部材のボトム面側に、リブとの干渉を回避する面取りまたは控えを設けているため、応力の集中を緩和するリブに対する干渉を回避して固定スクロール部材周りに旋回スクロール部材を円滑に公転旋回駆動することができる。これにより、各段部の根元部に対して応力の集中を緩和するためのリブの設置を可能とし、複数段の段部を備えた渦巻き状ラップの強度を一段と高めることができる。

本発明によると、段部高さを十分に高くしながら、渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる応力の集中を回避し、必要なラップ強度を確保することができるため、外径を大きくすることなく、押しのけ量を大きくし、圧縮機容量を増加することができるという三次元圧縮可能なスクロール圧縮機の特長を十分活かすことができる。また、段部を複数段で構成するだけのため、その加工が特に複雑化することはなく、従来の渦巻き状ラップの先端面とボトム面とに段部を備えたスクロール部材の加工の延長上で段部を容易に加工することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図６を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態にかかる密閉型スクロール圧縮機の部分縦断面図が示されている。密閉型スクロール圧縮機１は、内部がディスチャージカバー３により低圧室（吸入室）４側と高圧室（吐出室）５側とに仕切られた密閉ハウジング２を備えている。低圧室４には、冷媒回路側から低圧冷媒ガスを吸入する吸入管６が接続され、高圧室５には、圧縮された高圧冷媒ガスを冷媒回路側に吐出する吐出管７が接続されている。

密閉ハウジング２内の下方部には、ステータ８とロータ９とからなる電動モータ１０が固定設置され、そのロータ９には、クランク軸１１が一体に結合されている。クランク軸１１は、密閉ハウジング２内に固定設置された上部軸受１２および下部軸受１３により回転自在に支持され、電動モータ１０により回転駆動されるようになっている。上部軸受１２には、一対の固定スクロール部材１５と旋回スクロール部材１６とを組み合わせて構成されるスクロール圧縮機構１４が組み込まれている。固定スクロール部材１５は、吐出ポート１５Ｃを有する端板１５Ａと、端板１５Ａから立設された渦巻き状ラップ１５Ｂとから構成され、旋回スクロール部材１６は、背面にボス部１６Ｃを有する端板１６Ａと、端板１６Ａから立設された渦巻き状ラップ１６Ｂとから構成されている。

上記の固定スクロール部材１５と旋回スクロール部材１６とは、各々の中心を旋回半径分だけ離すとともに、渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの位相を１８０度ずらして噛み合わせることにより組み込まれる。これによって、両スクロール部材１５，１６間に、端板１５Ａ，１６Ａおよび渦巻き状ラップ１５，１６Ｂにより限界される一対の圧縮室１７，１７が、スクロール中心に対して対称に形成される。固定スクロール部材１５は、上部軸受１２にボルト等により固定設置され、旋回スクロール部材１６は、端板１６Ａの背面に設けられているボス部１６Ｃに、クランク軸１１の一端側に設けられているクランクピン１１Ａがドライブブッシュ１８を介して連結され、クランク軸１１の回転によって旋回駆動されるようになっている。

また、旋回スクロール部材１６は、上部軸受１２に形成されているスラスト面１２Ａに端板１６Ａの背面が支持されている。そして、このスラスト面１２Ａと端板１６Ａの背面との間には、ピンリング機構あるいはオルダムリング機構等により構成される自転阻止機構１９が介装され、旋回スクロール部材１６は、自転阻止機構１９により、自転を阻止されながら固定スクロール部材１５の周りを公転旋回駆動されるように構成されている。

上記のスクロール圧縮機１は、吸入管６を介して密閉ハウジング２内の低圧室４内に吸入した低圧冷媒ガスを、スクロール圧縮機構１４の一対の圧縮室１７，１７内に吸い込んで高温高圧状態に圧縮するよう動作する。スクロール圧縮機構１４は、モータ１０の駆動によりクランク軸１１が回転され、クランクピン１１Ａに連結されている旋回スクロール部材１６が、自転阻止機構１９により自転を阻止されながら固定スクロール部材１５の周りを公転旋回運動することによって圧縮作用を行う。この圧縮作用により、圧縮室１７はその容積を減少しながら中心側に移動し、高温高圧状態に圧縮した冷媒ガスを吐出ポート１５Ｃから高圧室５内に吐き出し、吐出管７より外部へと吐出する。

上記スクロール圧縮機において、固定スクロール部材１５および旋回スクロール部材１６は、それぞれ渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの先端面とボトム面との渦巻き方向に沿う所定位置に、それぞれ段部が設けられた構成とされている。以下に、旋回スクロール部材１６を例にその具体的構成について説明する。なお、固定スクロール部材１５は、旋回スクロール部材１６とは端板１５Ａの外形形状が多少異なるものの、渦巻き状ラップ１５Ｂの先端面とボトム面、および段部の構成等については旋回スクロール部材１６と対称につき、説明は省略する。

図２および図３に示されるように、旋回スクロール部材１６において、渦巻き状ラップ１６Ｂの先端面１６Ｄとボトム面１６Ｅとの渦巻き方向に沿う所定位置に、それぞれ段部１６Ｆ，１６Ｇが設けられている。この段部１６Ｆ，１６Ｇを境に、ラップ先端面１６Ｄにおいては、旋回スクロール部材１６の中心軸線Ｌ方向に外周側の先端面１６Ｈが高くされ、内周側の先端面１６Ｉが低くされている。また、ボトム面１６Ｅにおいては、中心軸線Ｌ方向に外周側のボトム面１６Ｊが低くされ、内周側のボトム面１６Ｋが高くされている。これによって、渦巻き状ラップ１６Ｂは、その段部よりも外周側におけるラップ高さが内周側のラップ高さよりも高くされる。

固定スクロール部材１５の渦巻き状ラップ１５Ｂも上記した旋回スクロール部材１６の渦巻き状ラップ１６Ｂと同一構成とされる。そして、かかる構成を有する固定スクロール部材１５と旋回スクロール部材１６とを噛み合わせることにより形成される一対の圧縮室１７は、中心軸線Ｌ方向高さが渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの外周側において内周側の高さよりも高くされる。これによって、渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの周方向およびラップ高さ方向に圧縮ができる三次元圧縮が可能なスクロール圧縮機構１４が構成されることになる。

さらに、本実施形態においては、上記の段部１６Ｆ，１６Ｇを複数段の段部によって構成している。つまり、渦巻き状ラップ１６Ｂの先端面１６Ｄとボトム面１６Ｅとに設けられる段部１６Ｆ，１６Ｇの根元部分にそれぞれ高段側段部１６Ｌ，１６Ｍを設けることにより、段部１６Ｆ，１６Ｇを渦巻き方向内方側の高段側段部１６Ｌ，１６Ｍと、その渦巻き方向外方側に位置する低段側段部をなす段部１６Ｆ，１６Ｇとの複数段（２段）の段部により構成している。そして、これらの複数段の段部を構成する高段側段部１６Ｌ，１６Ｍの高さＬ１と、低段側段部をなす段部１６Ｆ，１６Ｇの高さＬ２およびその段部間距離Ｈとを、それぞれの段部１６Ｌ，１６Ｍおよび１６Ｆ，１６Ｇに作用する根元応力が略等しくなるように設定している。

ここで、高段側段部１６Ｌ，１６Ｍおよび低段側段部をなす段部１６Ｆ，１６Ｇに作用する渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる根元応力σを略等しくした上で、応力場の影響を小さくするには、高段側段部１６Ｌ，１６Ｍおよび低段側段部をなす段部１６Ｆ，１６Ｇの高さを以下のように設定する必要がある。具体的には、図４に示されるように、高段側段部１６Ｌの高さをＬ１、低段側段部をなす段部１６Ｆの高さをＬ２、複数段の段部で構成される段部の高さをＬｒ（Ｌｒ＝Ｌ１＋Ｌ２）、高段側段部１６Ｌと低段側段部をなす段部１６Ｆとの間の段部間距離をＨ、各段部１６Ｆ，１６Ｌに作用する根元応力をσとし、その応力σが略等しい範囲を、σｍａｘ／σｍｉｎ≦１．５としたとき、段部間距離Ｈを、Ｈ≧２Ｌ１を満たすように設定すればよい。この場合に、高段側段部１６Ｌの高さＬ１と低段側段部をなす段部１６Ｆの高さＬ２とを等しくする必要はなく、高段側段部１６Ｌの高さＬ１を、低段側段部をなす段部１６Ｆの高さＬ２よりも低くしてもよい。

なお、上記段部間距離Ｈが十分に大きい場合は、それぞれの段部１６Ｆ，１６Ｌは独立した段部として扱うことができる。一般的に独立した段差部での応力は高さの２乗に比例する。しかし、Ｈが小さい場合は、高段側段部１６Ｌの応力分布が低段側段部１６Ｆにも影響を与え、低段側段部１６Ｆの応力は単独で見積もった場合に比べ大きくなる。この特性を示したものが図６であり、段部間距離Ｈは応力影響域に対しての感度と云える。切欠きによる応力集中が近接している場合、その応力場が互いに影響することは学術上明らかであり、旋回スクロール部材１６において、渦巻き状ラップ１６Ｂの段部を複数段の段部１６Ｆ，１６Ｌにより構成したとき、段部間距離Ｈが各段部１６Ｆ，１６Ｌの根元に作用する応力に影響を及ぼすことは明白である。

つまり、高段側段部１６Ｌの高さＬ１および段部間距離Ｈをパラメータとして、各段部１６Ｆ，１６Ｌに作用する根元応力σを解析すると、図６に示されるように、Ｈ／Ｌ１＜２において応力低減効果（σ∞／σ１）が急激に低下することが解る。なお、図６において、σ∞は段部間距離Ｈを十分に離した場合の応力、σ１は高段側段部１６Ｌの応力（＝σ２）、σ２は低段側段部をなす段部１６Ｆの応力（＝σ１）であり、σ∞／σ１は応力低減効果を示し、σ∞／σ１＝１が最大効果を示すことになる。また、段部間距離Ｈを大きくした場合の応力は、Ｈ／Ｌ１＝５程度で頭打ちとなり、低下しなくなる。このときの応力値をσ∞としており、応力値σ∞に応力値σ１を近づけることが応力低減効果となる。

図６から明らかな通り、Ｈ／Ｌ１＜２では、応力低減効果が急激に小さくなる。このことは、高段側段部１６Ｌの応力σ１が急激に大きくなっていることを意味し、高段側段部１６Ｌおよび低段側段部をなす段部１６Ｆに作用する根元応力σを略等しくするには、段部間距離Ｈを、Ｈ≧２Ｌ１を満たすように設定すればよいことが解る。この場合、高段側段部１６Ｌの高さＬ１と低段側段部１６Ｆの高さＬ２とを、同じ高さ（Ｌ１＝Ｌ２）に設定する必要はなく、高段側段部１６Ｌの高さＬ１を低段側段部１６Ｆの高さＬ２よりも低くすることにより、設計上あるいは加工上の自由度を確保することができる。

また、段部１６Ｆ，１６Ｇを複数段の段部により構成するに当たって、図５に示されるように、高段側段部１６Ｌおよび低段側段部をなす段部１６Ｆの根元部に、それぞれ応力の集中を緩和するためのリブ（例えば、微小なコーナーＲにより構成）１６Ｎを設けるとともに、このリブ１６Ｎを設けた固定スクロール部材１５または旋回スクロール部材１６に噛み合う相手方のスクロール部材のボトム面１５Ｅ側に、リブ１６Ｎとの干渉を回避する面取り１５Ｐまたは控えを設けた構成としている。
なお、固定スクロール部材１５側に設けられる段部についても、旋回スクロール部材１６側の段部と同様に、複数段の段部により構成されることはもちろんである。

以上説明の構成により、本実施形態のスクロール圧縮機によれば、以下の作用効果を奏する。なお、以下の説明では、固定スクロール部材１５側の対応する部分（図示省略）の符号を便宜上（ ）内に示している。
本実施形態においては、固定スクロール部材１５および旋回スクロール部材１６の渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの先端面１６Ｄ（１５Ｄ）とボトム面１６Ｅ（１５Ｅ）とに設けられる段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）を、複数段の高段側段部１６Ｌ，１６Ｍ（１５Ｌ，１５Ｍ）および低段側段部をなす段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）により構成しており、これら高段側段部１６Ｌ，１６Ｍ（１５Ｌ，１５Ｍ）および低段側段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）の高さをそれぞれの段部の根元応力が略等しくなる高さに設定している。これによって、渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂのラップ高さが高くなる渦巻き方向の外周側において、その段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）に作用する渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる応力を、高段側段部１６Ｌ，１６Ｍ（１５Ｌ，１５Ｍ）と低段側段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）とにそれぞれ略均等に分散し、各段部の根元部に作用する応力を略半分に低減することができる。

このため、渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの渦巻き方向に設けられる段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）をその高さを十分に高くし、渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの外周側ラップ高さを高くしながら、段部根元部に作用する渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる応力の集中を回避し、必要なラップ強度を確保することができる。従って、スクロール部材１５，１６の外径を大きくすることなく（渦巻き状ラップの巻き数を増やすことなく）、押しのけ量を大きくし、圧縮機容量を増加することができるという三次元圧縮可能なスクロール圧縮機の特長を十分に活かすことができる。

また、固定スクロール部材１５および旋回スクロール部材１６の各渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂに設けられる段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）を複数段の段部で構成するだけのため、その加工が特に複雑化することはなく、渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの先端面１６Ｄ（１５Ｄ）とボトム面１６Ｅ（１５Ｅ）とに単段の段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）を備えた従来のスクロール部材の加工の延長上で複数段の段部を容易に加工することができる。

さらに、複数段の高段側段部１６Ｌ，１６Ｍ（１５Ｌ，１５Ｍ）および低段側段部をなす段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）の高さを、それぞれの段部の根元応力が略等しくなる高さに設定するに当って、Ｈ≧２Ｌ１の関係を満たせば、応力場の影響を小さくすることができる。このため、高段側段部１６Ｌ，１６Ｍ（１５Ｌ，１５Ｍ）の高さＬ１と低段側段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）の高さＬ２とを同じ高さに設定する必要はなく、高段側段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）の高さＬ１を低段側段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）の高さＬ２よりも低くすることが可能である等、設計上あるいは加工上の自由度を増すことができる。

また、複数段の高段側段部１６Ｌ，１６Ｍ（１５Ｌ，１５Ｍ）および低段側段部である段部１６Ｆ，１６Ｇ（１５Ｆ，１５Ｇ）の根元部にそれぞれリブ１６Ｎ（１５Ｎ）を設けているため、各段部の根元部における応力の集中をリブ１６Ｎ（１５Ｎ）により緩和することができる。これによって、段部を備えた渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの強度を一段と高めることができる。さらには、リブ１６Ｎ（１５Ｎ）を設けたスクロール部材に噛み合う相手方のスクロール部材のボトム面１５Ｅ（１６Ｅ）側に、リブ１６Ｎ（１５Ｎ）との干渉を回避する面取り１５Ｐ（１６Ｐ）または控えを設けているため、応力の集中を緩和するためのリブ１６Ｎ（１５Ｎ）に干渉することなく、固定スクロール部材１５周りに旋回スクロール部材１６を円滑に公転旋回運動させることができる。従って、上記各段部の根元部に対して応力集中を緩和するためのリブ１６Ｎ（１５Ｎ）の設置を可能とし、段部を備えた渦巻き状ラップ１５Ｂ，１６Ｂの強度を一段と高めることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図４および図７を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、複数段の段部の高さを略同一に設定している点が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、複数段の段部を構成する高段側段部１６Ｌ，１６Ｍおよび低段側段部をなす段部１６Ｆ，１６Ｇの高さを、それぞれの段部の根元応力が略等しくなる高さに設定するに当り、各段部の高さを略同一とするものである。

本実施形態においては、図４に示される高段側段部１６Ｌの高さＬ１と低段側段部をなす段部１６Ｆの高さＬ２とが、同じ高さ、すなわちＬ１＝Ｌ２とされる。この場合、複数段の段部で構成される段部の高さをＬｒ（Ｌｒ＝Ｌ１＋Ｌ２）、高段側段部１６Ｌと低段側段部をなす段部１６Ｆとの間の段部間距離をＨ、渦巻き状ラップ１６Ｂの内周側のボトム面１６Ｋから先端面１６Ｉまでの高さ（渦巻き状ラップ１６Ｂの段部より内周側のラップ高さ）をＬとしたとき、段部間距離Ｈを、Ｈ≧α（Ｌ＋Ｌｒ）、ただし、α≧０．５を満たすように設定すればよい。言い換えると、段部間距離Ｈは、渦巻き状ラップ１６Ｂの内周側のボトム面１６Ｋから渦巻き状ラップ１６Ｂの外周側の先端面１６Ｈまでの高さの半分以上の寸法を確保すればよいことになる。

つまり、複数段の段部１６Ｆ，１６Ｌにより構成される段部の高さＬｒは、常に段部１６Ｌよりも内方側の渦巻き状ラップ１６Ｂのラップ高さＬよりも小さくされる。何故ならＬｒがＬよりも大きい場合は、固定および旋回スクロール部材１５，１６で構成される圧縮室１７の高さが０となるので、スクロール圧縮機が成立しなくなる。このため、極限的に、Ｌｒ＝Ｌを考えると、α＝０．５の場合、Ｈ≧Ｌの関係となる。また、高段側段部１６Ｌの高さＬ１をＬｒ／２に設定した場合、Ｈ≧２Ｌ１からＨ≧Ｌｒ＝Ｌとなるため、複雑な応力計算をすることなく、段部間距離Ｈをこの範囲に設定すれば、応力場の干渉を軽減することが可能となる。

ここで、図７は、複数段の段部を構成する高段側段部１６Ｌ，１６Ｍおよび低段側段部をなす段部１６Ｆ，１６Ｇの高さを、それぞれの段部の根元応力が等応力となるように設定した場合におけるＬ１／Ｌ２と、Ｈ／Ｌ＋Ｌｒとの関係を示したものである。この図７から明らかなように、高段側段部の高さＬ１と、低段側段部の高さＬ２とを等しくした場合、すなわちＬ１／Ｌ２＝１（Ｌ１＝Ｌ２）とした場合におけるαは、０．５以上であることが解る。

このため、高段側段部１６Ｌおよび低段側段部をなす段部１６Ｆのそれぞれの高さを略等しくしても、段部間距離Ｈを、Ｈ≧α（Ｌ＋Ｌｒ）、ただし、α≧０．５とすれば、複数段の段部を構成する高段側段部１６Ｌおよび低段側段部である段部１６Ｆの各段部に作用する応力を略等しくでき、渦巻き状ラップ両面にかかる圧力差ΔＰによる応力を複数段の段部、すなわち高段側段部１６Ｌと低段側段部をなす段部１６Ｆとに略均等に分散し、各段部の根元部に作用する応力を低減することができる。これによって、段部１６Ｆ，１６Ｇの高さを十分に高くしながら、上記圧力差ΔＰによる応力の集中を回避し、必要なラップ強度を確保することができる。また、本実施形態において、各段部の根元部にリブ１６Ｐを設けるとともに、対応するスクロール部材のボトム面１６Ｅ側に、リブ１６Ｎとの干渉を回避する面取り１６Ｐまたは控えを設けてもよいことはもちろんである。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、モータを内蔵した密閉型スクロール圧縮機の例により本発明を説明したが、本発明は、モータを内蔵せず外部駆動源により駆動される開放型スクロール圧縮機にも適用できることはもちろんである。

本発明の第１実施形態にかかるスクロール圧縮機の部分縦断面図である。 図１に示すスクロール圧縮機の旋回スクロール部材の平面図である。 図２に示すスクロール圧縮機の旋回スクロール部材の縦断面図である。 図２に示すスクロール圧縮機の旋回スクロール部材の渦巻き状ラップに設けられる段部部分の展開斜視図である。 図２に示すスクロール圧縮機の旋回スクロール部材の渦巻き状ラップに設けられる段部部分の噛み合い状態図である。 本発明の第１実施形態にかかるスクロール圧縮機において、Ｈ／Ｌ１と応力低減効果との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかるスクロール圧縮機において、Ｈ／（Ｌ＋Ｌｒ）とＬ１／Ｌ２との関係を示すグラフである。

１ 密閉型スクロール圧縮機
１５ 固定スクロール部材
１５Ａ 端板
１５Ｂ 渦巻き状ラップ
１５Ｅ ボトム面
１５Ｐ 面取り
１６ 旋回スクロール部材
１６Ａ 端板
１６Ｂ 渦巻き状ラップ
１６Ｄ，１６Ｈ，１６Ｉ 先端面
１６Ｅ，１６Ｊ，１６Ｋ ボトム面
１６Ｆ，１６Ｇ 段部（低段側段部をなす段部）
１６Ｌ，１６Ｍ 高段側段部
１６Ｎ リブ

Claims (5)

1. 端板上に渦巻き状ラップを立設して構成される一対の固定スクロール部材および旋回スクロール部材の前記渦巻き状ラップの先端面とボトム面とにそれぞれ段部を備え、該段部よりも前記渦巻き状ラップの外周側において渦巻き状ラップ高さを内周側の渦巻き状ラップ高さよりも高くし、前記渦巻き状ラップの周方向および高さ方向に三次元圧縮が可能な構成としたスクロール圧縮機において、
   前記渦巻き状ラップの先端面とボトム面とに設けられる段部を複数段の段部により構成するとともに、各段部は、それぞれの段部の根元応力が略等しくなるように高さおよび段部間距離が設定されていることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記複数段の段部の渦巻き方向内方側の高段側段部の高さをＬ１、前記高段側段部とその渦巻き方向外方側の低段側段部との間の段部間距離をＨ、前記高段側段部および前記低段側段部の応力をσとし、その応力σが略等しい範囲を、σｍａｘ／σｍｉｎ≦１．５としたとき、段部間距離Ｈは、
   Ｈ≧２Ｌ１、
   を満たす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. 前記段部よりも内方側の渦巻き状ラップの内周側ボトム面からのラップ高さをＬ、前記複数段の段部で構成される前記段部の高さをＬｒ、前記複数段の段部の渦巻き方向内方側の高段側段部とその外方側の低段側段部との間の段部間距離をＨとし、前記複数段の段部のそれぞれの高さを略等しくしたとき、段部間距離Ｈは、
   Ｈ≧α（Ｌ＋Ｌｒ）、ただし、α≧０．５
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記渦巻き状ラップの先端面に設けられる前記複数段の段部の根元部にそれぞれリブを設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
5. 前記リブを設けた前記固定スクロール部材または旋回スクロール部材に噛み合う相手方のスクロール部材の前記ボトム面側に、前記リブとの干渉を回避する面取りまたは控えを設けたことを特徴とする請求項４に記載のスクロール圧縮機。

Images