JP6441645B2 - スクロール流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール流体機械に関する。

スクロール流体機械は、らせん状のラップを有するスクロール体同士を相対的に運動させることにより、作動媒体を圧縮又は膨張させる。スクロール流体機械の一種であるスクロール膨張機は、一対のスクロール体によって形成される膨張室内において高圧の作動媒体を膨張させ、当該膨張時のエネルギを回転エネルギに変換する。このような分野の技術として、特許文献１に記載されたスクロール膨張機が知られている。

特開２０１１−２５２４３４号公報

スクロール流体機械は、回転軸の回転運動に加えて、一対のスクロール体同士における相対的な旋回運動を有する。例えば、特許文献１のスクロール流体機械は、相対的な旋回運動のための自転規制機構を備えている。旋回運動を許容する機構にあっては、回転運動を許容する機構（例えば、軸受）よりも構造が複雑であり、機械的に接触する箇所が多くなる傾向にある。従って、旋回運動時における力やモーメントの変動が発生し易くなるので良好な回転状態を維持し難かった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、良好な回転状態を維持可能なスクロール流体機械を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係るスクロール流体機械は、一対の駆動端板及び駆動端板から立設された駆動ラップを有し、第１の軸線を回転軸線とする駆動スクロール体と、従動端板及び従動端板から立設された従動ラップを有し、一対の駆動端板の間に配置されると共に第１の軸線に対して偏心した第２の軸線を回転軸線とする従動スクロール体と、従動スクロール体の両側に配置され、従動スクロール体に連結された一対のプレートを有し、第２の軸線を回転軸線とするベアリングプレートと、駆動スクロール体に取り付けられ、駆動端板からベアリングプレートに向かって突出する円筒状の駆動ピンと、ベアリングプレートに取り付けられ、駆動ピンの外径よりも大きい内径を有する円筒状のガイドリングと、を備え、駆動ピンは、第１の軸線を中心とした円周上において等間隔にｎ個（ｎ≧４）以上配置され、ガイドリングは、第２の軸線を中心とした円周上において、駆動ピンに対応するように等間隔にｍ個（ｍ＝ｎ≧４）以上配置されている。

上記スクロール流体機械では、駆動ピンが第１の軸線周りに公転している。この駆動ピンの一端は、ガイドリング内へ配置されているので、駆動ピンは、ガイドリングの内周面を押圧しながら第１の軸線周りに公転する。この公転に伴う力（以下「ピン入力」ともいう）は、常に、第１の軸線を中心とした円の接線方向を向く。そして、駆動ピンからガイドリングへは、ピン入力の垂直方向成分（以下「ガイドリングへの作用力」ともいう）が作用する。一方、ピン入力の方向は、駆動ピンの公転位置によって変化する。例えば、ピン入力の垂直方向成分が下向きである場合には、ガイドリングに力が作用する。これに対して、ピン入力の垂直方向成分が上向きである場合には、ガイドリングに力が作用しない。ここで、駆動ピン及びガイドリングは、等間隔に４個以上配置されている。そうすると、ガイドリングへの作用力が垂直下向きになる駆動ピン及びガイドリングの組み合わせが２個存在する。スクロール体同士の旋回運動において、駆動スクロール体は、少なくとも２組の駆動ピン及びガイドリングにより支持される。従って、本実施形態の一形態に係るスクロール流体機械によれば、駆動スクロール体の支持力の受け渡しが円滑になり、変動が抑制されるので、良好な回転状態を維持することができる。

駆動ピンの数（ｎ）及びガイドリングの数（ｍ）は、偶数であってもよい。駆動端板の中心を回転運動の基準として説明をする。駆動スクロール体から従動スクロール体へは、上記ガイドリングへの作用力の他に、第１の軸線からガイドリングへの作用力が入力される位置までの距離（以下「作用距離」ともいう）と、ガイドリングへの作用力の大きさとに基づくモーメントが作用する。駆動ピンは第１の軸線を中心とした円周上に配置されている。一方、駆動ピンが押圧するガイドリングは第２の軸線を中心とした円周上に配置されている。この配置によれば、モーメントは周期的に変化する。ここで、駆動ピン及びガイドリングの数が偶数であるので、ガイドリングへの作用力が垂直下向きになる領域に存在する連動機構の数は、公転角度によらず一定である。このため、モーメントの周期的変動が抑制される。従って、本発明の一形態に係るスクロール流体機械によれば、旋回運動時におけるモーメントの周期的変動が抑制されるので、より良好な回転状態を維持することができる。

駆動ピンの数（ｎ）及びガイドリングの数（ｍ）は、６（ｎ＝ｍ＝６）であってもよい。駆動ピン及びガイドリングの数が偶数であるため、旋回運動時におけるモーメントの周期的変動が抑制される。また、駆動ピン及びガイドリングの数が６である場合には、スクロール体同士の旋回運動において、駆動スクロール体は、常に２組以上の駆動ピン及びガイドリングにより支持される。従って、本発明の一形態に係るスクロール流体機械によれば、旋回運動時におけるモーメントの周期的変動及びガイドリングに作用する力の変動を好適に抑制可能であるので、より良好な回転状態を維持することができる。

本発明の一形態に係るスクロール流体機械によれば、良好な回転状態を維持することができる。

図１は、本発明の一形態に係るスクロール膨張機の断面図である。 図２は、図１のII−II線に沿った断面において、駆動ピン及びガイドリングの配置を示す正面図である。 図３は、駆動ピン及びガイドリングを拡大して示す断面図である。 図４（ａ）〜図４（ｆ）は、実施形態に係るスクロール膨張機におけるピン入力、ガイドリングへの作用力及び分力を示す概念図である。 図５（ａ）はガイドリングへの作用力を示すグラフであり、図５（ｂ）は入力モーメントを示すグラフであり、図５（ｃ）は分力を示すグラフであり、図５（ｄ）は分力モーメントを示すグラフである。 図６（ａ）は変形例１に係るスクロール膨張機のガイドリングへの作用力を示すグラフであり、図６（ｂ）は変形例１に係るスクロール膨張機の入力モーメントを示すグラフであり、図６（ｃ）は変形例１に係るスクロール膨張機の分力を示すグラフであり、図６（ｄ）は変形例１に係るスクロール膨張機の分力モーメントを示すグラフである。 図７（ａ）は変形例２に係るスクロール膨張機の入力モーメントを示すグラフであり、図７（ｂ）は変形例２に係るスクロール膨張機の分力モーメントを示すグラフである。 図８（ａ）は比較例に係るスクロール膨張機のガイドリングへの作用力を示すグラフであり、図８（ｂ）は比較例に係るスクロール膨張機の入力モーメントを示すグラフであり、図８（ｃ）は比較例に係るスクロール膨張機の分力を示すグラフであり、図８（ｄ）は比較例に係るスクロール膨張機の分力モーメントを示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、スクロール膨張機１を有する発電システム１００は、スクロール膨張機１を動力源として発電機１０１を駆動するシステムである。スクロール膨張機１には、作動媒体供給部１０２から作動媒体として蒸気Ｖが供給される。この蒸気Ｖには、例えば、水蒸気や、ランキンサイクルに用いられる冷媒が挙げられる。スクロール膨張機１は、供給された蒸気Ｖをその内部において膨張させ、膨張時に生じるエネルギを回転エネルギに変換する。そして、スクロール膨張機１は、駆動軸を介して回転エネルギを発電機１０１へ伝達する。膨張後の蒸気Ｖは、スクロール膨張機１の外部へ排出される。排出される蒸気Ｖの温度は、供給される蒸気Ｖの温度よりも低い。すなわち、スクロール膨張機１は、供給時における蒸気Ｖの温度と、排出時における蒸気Ｖの温度との温度差に対応するエネルギを回転エネルギとして取り出す機械である。

スクロール膨張機１は、主要な構成部品として、ハウジング２と、入力駆動軸３と、出力駆動軸４と、駆動スクロール体６と、従動スクロール体７と、ベアリングプレート８と、連動機構９と、を備える。

ハウジング２は、一対のケース１１，１２を有し、その内部に駆動スクロール体６、従動スクロール体７、ベアリングプレート８及び連動機構９を収容する収容空間Ｓ１を形成する。ケース１１は、入力駆動軸３が挿通される軸穴１１ａを有する。軸穴１１ａは、その中心軸線が第１の軸線Ａ１を規定する。ケース１１には、入力駆動軸３を回転支持する駆動軸受１１ｂと、ベアリングプレート８を回転支持する従動軸受１１ｃと、が配置されている。駆動軸受１１ｂの中心軸線は、第１の軸線Ａ１と一致する。一方、従動軸受１１ｃの中心軸線は、第２の軸線Ａ２と一致する。第２の軸線Ａ２は、第１の軸線Ａ１に対して距離ｔだけ偏心した軸線であり、従動軸受１１ｃが嵌め込まれる軸受保持部１１ｆの中心軸線が第２の軸線Ａ２を規定する。ケース１１の開口端１１ｄには、作動媒体供給部１０２とのインターフェースとしてのキャップ１３が取り付けられている。また、第１の軸線Ａ１の方向において、駆動軸受１１ｂと開口端１１ｄとの間には、オイルシール１４が配置されている。ケース１２は、ケース１１と略同様の構造を有する。すなわち、ケース１２は、軸穴１１ａを有し、駆動軸受１１ｂ及び従動軸受１１ｃが配置されている。また、ケース１２には、膨張後の蒸気Ｖを排出する排出口１１ｅが形成されている。

入力駆動軸３は、ケース１１の軸穴１１ａに挿通されている。従って、入力駆動軸３の回転軸線は、第１の軸線Ａ１と一致する。入力駆動軸３の一端は、駆動スクロール体６に取り付けられている。入力駆動軸３には、蒸気Ｖを導入するための作動媒体導入穴３ａが形成されている。作動媒体導入穴３ａは、入力駆動軸３の一端から他端まで貫通している。出力駆動軸４は、ケース１２の軸穴１１ａに挿通されている。従って、出力駆動軸４の回転軸線は、第１の軸線Ａ１と一致する。出力駆動軸４の一端は、駆動スクロール体６に取り付けられている。また、出力駆動軸４の他端は、発電機１０１に連結されている。

駆動スクロール体６は、収容空間Ｓ１内において第１の軸線Ａ１周りに回転可能に収容されている。駆動スクロール体６は、円盤状をなす一対の駆動端板１６と、駆動ラップ１７とを有する。一対の駆動端板１６は、駆動端板１６の外周縁部１６ｃにおいて互いに連結されている。一方の駆動端板１６には、外表面１６ａに入力駆動軸３が取り付けられると共に、蒸気Ｖを導入するための作動媒体導入穴１６ｂが形成されている。作動媒体導入穴１６ｂは、入力駆動軸３の作動媒体導入穴３ａと連通している。また、他方の駆動端板１６の外表面１６ａには、出力駆動軸４が取り付けられている。駆動端板１６の内表面１６ｄには、らせん状或いは渦巻き状の形状をなす駆動ラップ１７が立設されている。すなわち、駆動ラップ１７は一対の駆動端板１６の間に配置されている。上述した入力駆動軸３及び出力駆動軸４は、駆動スクロール体６を介して一体化され、これら入力駆動軸３、出力駆動軸４及び駆動スクロール体６は、第１の軸線Ａ１周りに一体となって回転する。

従動スクロール体７は、収容空間Ｓ１内において第２の軸線Ａ２周りに回転可能に収容されている。従動スクロール体７は、円盤状をなす従動端板１８と、らせん状或いは渦巻き状の形状をなす従動ラップ１９とを有する。従動端板１８は、駆動スクロール体６の駆動端板１６の間に配置され、ベアリングプレート８に対して連結されている。従動端板１８の両面には、駆動端板１６に向かう方向に従動ラップ１９が立設されている。これら、駆動端板１６、従動端板１８、駆動ラップ１７及び従動ラップ１９は、蒸気Ｖを膨張させるらせん状或いは渦巻き状の膨張室Ｓ２を形成する。

ベアリングプレート８は、従動スクロール体７を第２の軸線Ａ２周りに回転可能に保持する。ベアリングプレート８は略円盤状を呈する一対のプレート２１を有し、それぞれのプレート２１は、第１の軸線Ａ１（又は第２の軸線Ａ２）の方向において駆動端板１６とケース１１との間にそれぞれ配置されている。すなわち、ベアリングプレート８は、駆動スクロール体６及び従動スクロール体７を挟むように配置されている。一対のプレート２１は、その外周縁部において、従動端板１８の外周縁部に対して連結されている。プレート２１は、第２の軸線Ａ２を回転中心軸とする回転軸部２１ａを有する。回転軸部２１ａは、ケース１１と対向するプレート２１の表面側に形成され、従動軸受１１ｃに嵌合している。従って、ベアリングプレート８と、ベアリングプレート８に連結された従動スクロール体７とは、第２の軸線Ａ２周りに回転する。

連動機構９は、駆動スクロール体６と従動スクロール体７とを連動して互いに同期回転させる。連動機構９は、駆動スクロール体６に取り付けられた駆動ピン２２と、ベアリングプレート８に取り付けられたガイドリング２３とを有する。従って、スクロール膨張機１における駆動ピン２２の数は４個（ｎ＝４）であり、ガイドリング２３の数も４個（ｍ＝４）である。図２に示されるように、スクロール膨張機１は、４個の連動機構９を有する。連動機構９は、第１の軸線Ａ１周りの円周方向に沿って９０度間隔に配置されている。入力駆動軸３側に配置された連動機構９と、出力駆動軸４側に配置された連動機構９とは、第１の軸線Ａ１と平行な仮想軸線上に配置されている。

図３に示されるように、駆動ピン２２の一端側は、駆動スクロール体６の駆動端板１６に取り付けられている。また、駆動ピン２２の他端側は、ガイドリング２３内に配置されている。駆動ピン２２は、第１の軸線Ａ１の方向に沿って延在する円柱状のピン部２４と、駆動ピン２２の一端側に形成されたフランジ部２６とを有する。ピン部２４とフランジ部２６とは一体に形成され、金属材料（例えば、ＳＵＳ３０３材）からなる。ピン部２４の一端は、駆動端板１６の凹部に嵌め込まれている。フランジ部２６は、駆動端板１６の外表面１６ａに対して例えばボルトにより固定されている。ピン部２４の他端側は、ガイドリング２３内に配置されている。

ピン部２４の他端側における外周面２２ｓは、ガイドリング２３の内周面２３ａと接触する。この外周面２２ｓには、硬質膜２７が形成されている。硬質膜２７は、ダイヤモンドライクカーボンであり、主に炭化水素或いは炭素の同位体からなるアモルファス（非晶質）である。硬質膜２７は、例えば、１μｍ〜５μｍの膜厚を呈する。ダイヤモンドライクカーボン（Diamond‐Like Carbon：ＤＬＣ）からなる硬質膜２７は、駆動ピン２２におけるガイドリング２３との接触部分に対して潤滑性、耐摩耗性を付与する。硬質膜２７は、主成分である炭化水素或いは炭素の同位体の他に、添加材としてその他の成分を含んでいてもよい。硬質膜２７の形成には、例えば、プラズマＣＤＶ法又はＰＶＤ法が用いられる。

更に、駆動ピン２２には、凝縮液供給穴２２ａが形成されている。凝縮液供給穴２２ａは、蒸気Ｖ或いは凝縮液をガイドリング２３の内部に導いてガイドリング２３と駆動ピン２２との間に凝縮液を供給する。ここで、蒸気Ｖが水蒸気である場合には、凝縮液は水である。凝縮液供給穴２２ａは、ピン部２４の一端面から他端面に至る貫通孔である。凝縮液供給穴２２ａは、駆動端板１６に嵌め込まれたピン部２４の一端側において、駆動端板１６に形成された凝縮液供給穴１６ｅに連通している。従って、膨張室Ｓ２とガイドリング２３の内部とは、凝縮液供給穴１６ｅ及び凝縮液供給穴２２ａを介して繋がっており、膨張室Ｓ２内の蒸気Ｖ或いは凝縮液がガイドリング２３の内部に導入される。ガイドリング２３内には、膨張後の蒸気Ｖを導入することが好ましい。従って、駆動端板１６の凝縮液供給穴１６ｅは、駆動スクロール体６の最外周の駆動ラップ１７ａと当該駆動ラップ１７ａに隣接する駆動ラップ１７ｂとの間の空間Ｓ２ａと連通する位置に設けるとよい。また、凝縮液供給穴１６ｅと連通する凝縮液供給穴２２ａを有する駆動ピン２２も、駆動端板１６における同様の位置に取り付けるとよい。具体的には、凝縮液供給穴１６ｅの軸線が駆動ラップ１７ａ，１７ｂの間に配置されるように、駆動ピン２２を駆動端板１６に取り付ける。

ガイドリング２３は、駆動スクロール体６と対面するプレート２１の内表面２１ｂに取り付けられている。ガイドリング２３は、自己潤滑性を有する高分子樹脂材料としてポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）からなる。なお、ガイドリング２３は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）であってもよい。ガイドリング２３は、円筒状の形状を呈し、リング部２８と、リング部２８の一端側に形成されたフランジ部２９とを有する。リング部２８は、プレート２１に形成された凹部に嵌め込まれている。フランジ部２６は、プレート２１に対してボルト固定されている。リング部２８は、駆動ピン２２が配置されるガイド穴２３ｂを有する。ガイド穴２３ｂは、内周面２３ａによって画成されている。ガイド穴２３ｂの内径は、駆動ピン２２におけるピン部２４の外径よりも大きい。リング部２８の内周面２３ａには、駆動ピン２２が接触している。この構成は、駆動ピン２２の中心軸線に対してガイドリング２３の中心軸線を偏心させることにより実現されている。この偏心量は、第１の軸線Ａ１に対する第２の軸線Ａ２の偏心量（距離ｔ：図１参照）と同じである。

図１に示されるように、上記構成を有するスクロール膨張機１には、作動媒体供給部１０２から蒸気Ｖがキャップ１３を介して供給される。蒸気Ｖは、キャップ１３の貫通穴１３ａ及び入力駆動軸３の作動媒体導入穴３ａを介して膨張室Ｓ２へ導入される。膨張室Ｓ２へ導入された蒸気Ｖは、駆動ラップ１７及び従動ラップ１９により形成される空間において膨張しつつ、膨張室Ｓ２の中心から外周へ向かって移動する。膨張室Ｓ２からハウジング２内に排出された蒸気Ｖは、排出口１１ｅから排気される。この膨張により、駆動スクロール体６と従動スクロール体７との間において旋回運動が生じる。この旋回運動は、ハウジング２から見ると、第１の軸線Ａ１周りにおける駆動スクロール体６の回転運動と、第２の軸線Ａ２周りにおける従動スクロール体７の回転運動と、に見える。従って、駆動スクロール体６に取り付けられた出力駆動軸４が第１の軸線Ａ１周りに回転する。この出力駆動軸４の回転運動は、発電機１０１に伝達される。

このスクロール膨張機１は、駆動ピン２２とガイドリング２３とにより、駆動スクロール体６と従動スクロール体７との間において、相対的な自転運動を規制しつつ、相対的な公転運動を行わせる。この原理に基づくスクロール膨張機１は、シンプルで構成要素が少ないので、製造コストを低減することができる。そして、駆動ピン２２とガイドリング２３とは、駆動ピン２２の外周面２２ｓがガイドリング２３の内周面２３ａに当接して、内周面２３ａ又は外周面２２ｓの接線方向に滑ることにより、駆動スクロール体６と従動スクロール体７との間において公転運動を許容する。従って、転動体を含む軸受を用いることなく、駆動スクロール体６と従動スクロール体７との相対的な運動を規定することが可能である。従って、機械的なエネルギロスの増大を抑制することができる。さらに、駆動ピン２２の外周面２２ｓにはダイヤモンドライクカーボンを含む硬質膜２７が形成され、ガイドリング２３はポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる。これら硬質膜２７と、ポリエーテルエーテルケトン樹脂との接触状態によれば、良好な滑り状態が得られる。従って、長期間に亘って低摩耗で安定した旋回動作を実現することができる。さらに、駆動ピン２２とガイドリング２３との間に凝縮液が存在する場合には、駆動ピン２２とガイドリング２３との摩擦係数が低減されるので、機械的なエネルギロスが更に低減される。従って、スクロール膨張機１によれば、良好な回転状態を維持することができる。

また、駆動ピン２２は、蒸気Ｖが凝縮して形成された凝縮液を駆動ピン２２とガイドリング２３との間に供給する凝縮液供給穴２２ａを有する。この凝縮液供給穴２２ａによれば、膨張室Ｓ２における蒸気Ｖの膨張圧によって、蒸気Ｖが駆動ピン２２の先端側の開口に向かって蒸気Ｖ又は凝縮液が強制的に供給されるので、駆動ピン２２とガイドリング２３との間に凝縮液を強制的に供給することが可能になる。従って、駆動ピン２２とガイドリング２３との潤滑状態が良好になるので、駆動スクロール体６と従動スクロール体７との相対的な回転運動に伴う機械的なエネルギロスを低減することができる。そして、安定した凝縮液の供給によれば、必要動力及び動作音を低減することもできる。要するに、スクロール膨張機１では、蒸気化されたガスが膨張によって凝縮され、その凝縮液を潤滑剤として利用している。

続いて、本実施形態に係るスクロール膨張機１の動作について詳細に説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は、連動機構９Ａ〜９Ｄが公転する様子を示す模式図である。ここで、特定の連動機構９Ａに注目する。図４（ａ）に示されるように、連動機構９Ａの駆動ピン２２は、第１の軸線Ａ１を中心とした仮想円Ｃ１における接線方向に駆動される。この駆動ピン２２の公転に伴う力は、以下の説明において「ピン入力Ｆ１」と呼ぶことにする。

図４（ｂ）に示されるように、連動機構９Ａが反時計回りに３０°だけ公転したとする。このときの公転角度αは３０°である。この場合も、ピン入力Ｆ１の方向は、仮想円Ｃ１における接線方向である。また、ピン入力Ｆ１の大きさも図４（ａ）におけるピン入力Ｆ１と同じである。連動機構９Ａの位置がどの位置にあるかによらず、ピン入力Ｆ１の方向は、仮想円Ｃ１における接線方向であり、ピン入力Ｆ１の大きさも図４（ａ）におけるピン入力Ｆ１と同じになる。一方、図４（ｂ）の状態では、ピン入力Ｆ１の垂直方向成分はガイドリング２３の内周面２３ａに向かう方向であるので、駆動ピン２２はガイドリング２３に押圧される。このピン入力Ｆ１の垂直方向成分は、以下の説明において「ガイドリングへの作用力Ｆ２」と呼ぶことにする。

図４（ｃ）に示されるように、連動機構９Ａが図４（ｂ）の状態から更に反時計回りに６０°だけ公転したとする。そうすると、連動機構９Ａは、初期位置から９０°だけ公転した位置にある。このときの公転角度αは９０°である。図４（ｃ）の状態では、仮想円Ｃ１における接線方向が垂直方向と一致する。従って、ガイドリングへの作用力Ｆ２は、ピン入力Ｆ１の大きさと等しくなる。

図４（ｄ）に示されるように、連動機構９Ａが図４（ｃ）の状態から更に反時計回りに６０°公転したとする。そうすると、連動機構９Ａは、初期位置から１５０°だけ公転した位置にある。このときの公転角度αは１５０°である。図４（ｄ）の状態では、ピン入力Ｆ１の垂直方向成分がガイドリングへの作用力Ｆ２としてガイドリング２３に作用する。このときのガイドリングへの作用力Ｆ２は、図４（ｃ）におけるガイドリングへの作用力Ｆ２よりも小さい。

図４（ｅ）に示されるように、連動機構９Ａが図４（ｄ）の状態から更に反時計回りに３０°公転したとする。そうすると、連動機構９Ａは、初期位置から１８０°だけ公転した位置にある。図４（ｅ）の状態では、ピン入力Ｆ１の方向が水平になる。従って、垂直方向成分がゼロになるので、ガイドリングへの作用力Ｆ２はゼロである。

図４（ｆ）に示されるように、連動機構９Ａが図４（ｅ）の状態から更に反時計回りに３０°公転したとする。そうすると、連動機構９Ａは、初期位置から２１０°だけ公転した位置にある。このときの公転角度αは２１０°である。図４（ｆ）の状態では、ピン入力Ｆ１の垂直方向成分Ｆ２は、鉛直上向きである。従って、駆動ピン２２がガイドリング２３に押し付けられることはない。図４（ｆ）における状態は、連動機構９Ａが再び図４（ａ）の位置に戻るまで継続する。

上述したピン入力Ｆ１について、図５を参照しつつ説明する。図５（ａ）は、公転角度αと、ガイドリングへの作用力Ｆ２との関係を示す。縦軸は、力の大きさを示す。グラフＧ５ａは、連動機構９Ａにおけるガイドリングへの作用力Ｆ２の変化を示す。グラフＧ５ａに注目すると、公転角度αが０°である場合のガイドリングへの作用力Ｆ２の大きさはゼロであり、公転角度αが９０°に近づくにつれて大きくなり、公転角度αが９０°の時に最大値になる。その後、公転角度αが９０°から１８０°までの間にガイドリングへの作用力Ｆ２の大きさが小さくなり、公転角度αが１８０°のときにゼロになる。以後、公転角度αが１８０°から３６０°の間では、ガイドリングへの作用力Ｆ２はマイナスになる。

グラフＧ５ｂは、連動機構９Ｂ（図４参照）におけるガイドリングへの作用力Ｆ２の変化を示す。連動機構９Ｂは、連動機構９Ａに対して９０°離間した位置に配置されているので、ガイドリングへの作用力Ｆ２の変化もグラフＧ５ａに対して９０°だけ位相がずれる。グラフＧ５ｃは、連動機構９Ｃ（図４参照）におけるガイドリングへの作用力Ｆ２の変化を示す。連動機構９Ｃは、連動機構９Ａに対して１８０°離間した位置に配置されているので、ガイドリングへの作用力Ｆ２の変化もグラフＧ５ａに対して１８０°だけ位相がずれる。グラフＧ５ｄは、連動機構９Ｄ（図４参照）におけるガイドリングへの作用力Ｆ２の変化を示す。連動機構９Ｄは、連動機構９Ａに対して２７０°離間した位置に配置されているので、ガイドリングへの作用力Ｆ２の変化もグラフＧ５ａに対して２７０°だけ位相がずれる。なお、グラフＧ５ｅは、ガイドリングへの作用力Ｆ２を足し合わせた合計作用力を示す。

図５（ａ）に示されるように、本実施形態のスクロール膨張機１では、連動機構９Ａの公転角度αを基準として、０°、９０°、１８０°及び２７０°である場合除き、連動機構９Ａ〜９Ｄのうちの少なくとも２個において、ガイドリングへの作用力Ｆ２が発生している。換言すると、駆動スクロール体６及び従動スクロール体７の間の旋回運動において、駆動スクロール体６は、少なくとも２組の駆動ピン２２及びガイドリング２３により支持されるともいえる。

スクロール膨張機１では、駆動ピン２２が第１の軸線Ａ１周りに公転している。この駆動ピン２２の一端は、ガイドリング２３内へ配置されているので、駆動ピン２２は、ガイドリング２３の内周面２３ａを押圧しながら第１の軸線Ａ１周りに公転する。この公転に伴う力は、常に、第１の軸線Ａ１を中心とした円の接線方向を向く。ガイドリング２３が設けられたプレート２１の回転に伴い、駆動ピン２２からガイドリング２３へ作用する力の方向は変化する。このガイドリング２３へ作用する力は、ピン入力Ｆ１の垂直方向成分であることもある。一方、ピン入力Ｆ１の方向は、駆動ピン２２の公転位置によって変化する。例えば、ピン入力Ｆ１の垂直方向成分が下向きである場合には、ガイドリング２３に力が作用する。これに対して、ピン入力の垂直方向成分が上向きである場合には、ガイドリング２３に力が作用しない。ここで、駆動ピン２２及びガイドリング２３は、９０°間隔で４個配置されている。そうすると、ガイドリングへの作用力Ｆ２が垂直下向きになる駆動ピン２２及びガイドリング２３の組み合わせが少なくとも２個存在する。駆動スクロール体６及び従動スクロール体７の旋回運動において、駆動スクロール体６は、少なくとも２組の駆動ピン２２及びガイドリング２３により支持される。従って、本実施形態の一形態に係るスクロール膨張機１によれば、駆動スクロール体６の支持力の受け渡しが円滑になり、変動が抑制されるので、良好な回転状態を維持することができる。

また、スクロール膨張機１では、駆動ピン２２とガイドリング２３との滑りによって公転運動を許容している。駆動ピン２２とガイドリング２３を有する連動機構９においては、個々の部品が有する寸法誤差や、組み立て時において生じ得る組立て誤差に起因する複数の連動機構９間における僅かながたつきが生じることもあり得る。この駆動ピン２２は硬質膜２７を有し、この硬質膜２７が樹脂製のガイドリング２３の内周面２３ａに接触している。このような構成によれば、駆動ピン２２とガイドリング２３との摩擦によって、ガイドリング２３の内周面が摩耗する。従って、連動機構９間における僅かながたつきが解消され、駆動スクロール体６と従動スクロール体７の間の旋回運動を一層滑らかにすることができる。

図５（ｂ）は、公転角度αと入力モーメントとの関係を示す。入力モーメントとは、第１の軸線Ａ１からガイドリングへの作用力Ｆ２が入力される位置までの距離（作用距離）と、ガイドリングへの作用力Ｆ２の大きさとに基づく。換言すると、作用距離は、駆動ピン２２が設置されている駆動端板１６の中心からの距離であるとも言える。駆動ピン２２は仮想円Ｃ１上に配置されている。一方、ガイドリング２３は第２の軸線Ａ２を中心とした仮想円Ｃ２に配置されている。このような配置によれば、入力モーメントは周期的に変化する。例えば、グラフＧ５ｆは連動機構９Ａの入力モーメントを示す。また、グラフＧ５ｇ〜Ｇ５ｉは、それぞれ連動機構９Ｂ〜９Ｄの入力モーメントを示す。また、グラフＧ５ｊは、入力モーメントを足し合わせた合計入力モーメントを示す。ここで、駆動ピン２２及びガイドリング２３の数が偶数であるので、ガイドリングへの作用力Ｆ２が垂直下向きになる領域に存在する連動機構９の数は、公転角度αによらず一定（２個）である。この配置によれば、グラフＧ５ｊに示されるように、作用距離が周期的に変化することによる入力モーメントの周期的変動が抑制される。従って、合計入力モーメントは、公転角度αによらず一定である。

なお、厳密に言えば、作用距離は、一回転する間において周期的に変化する。駆動スクロール体６及び従動スクロール体７の間における位置関係や力関係は、選択した基準によって見かけの変化が異なる。例えば、図４〜図８は、駆動ピン２２が設置されている駆動端板１６の中心（即ち第１の軸線Ａ１）を回転運動の基準とした図である。一方、ガイドリング２３が設置されているプレート２１の中心（即ち第２の軸線Ａ２）を回転運動の基準とした場合には、図４〜図８とは異なる様子を示す。

ところで、図４（ｂ）等に示されるように、ピン入力Ｆ１は、垂直方向成分であるガイドリングへの作用力Ｆ２と、水平方向成分である分力Ｆ３とに分解できる。駆動ラップ１７と従動ラップ１９との間に隙間が存在しない（いわゆるリークゼロ）という条件下において、駆動スクロール体６と従動スクロール体７とが互いに旋回している場合には、駆動ピン２２とガイドリング２３との接点に対して分力Ｆ３は水平成分となるため考慮する必要はない。駆動ラップ１７と従動ラップ１９との間に隙間が存在しないとした条件は、理想的な条件である。実環境に近い状態では、駆動ラップ１７と従動ラップ１９との間に隙間が存在する。この場合には、分力Ｆ３は水平成分とはならないため考慮する必要がある。

図５（ｃ）は、公転角度αと分力Ｆ３との関係を示す。グラフＧ５ｋは連動機構９Ａの分力Ｆ３を示す。また、グラフＧ５ｍ〜Ｇ５ｏは、それぞれ連動機構９Ｂ〜９Ｄの分力Ｆ３を示す。それぞれのグラフＧ５ｋ〜Ｇ５ｎの間における位相差は、連動機構９Ａ〜９Ｄの配置角度に対応している。また、グラフＧ５ｐは、分力Ｆ３を足し合わせた合計分力を示す。例えば、グラフＧ５ｋに示されるように、公転角度αがゼロ（α＝０）であるとき、分力Ｆ３はピン入力Ｆ１と大きさが一致する。公転角度αが９０°（α＝９０°）であるとき、分力Ｆ３の大きさはゼロである。公転角度αが１８０°（α＝１８０°）であるとき、分力Ｆ３はピン入力Ｆ１と大きさが一致する。このときの分力Ｆ３の方向は、公転角度αがゼロ（α＝０°）のときの方向とは逆である。

図５（ｄ）は、公転角度αと分力Ｆ３に基づく分力モーメントとの関係を示す。分力モーメントとは、第１の軸線Ａ１から分力Ｆ３が入力される位置までの距離と、分力Ｆ３の大きさとに基づく。グラフＧ５ｇは連動機構９Ａの分力モーメントを示す。また、グラフＧ５ｒ〜Ｇ５ｔは、それぞれ連動機構９Ｂ〜連動機構９Ｄの分力モーメントを示す。それぞれのグラフＧ５ｇ〜グラフＧ５ｔの間における位相差は、連動機構９Ａ〜９Ｄの配置角度に対応している。また、グラフＧ５ｕは、分力モーメントを足し合わせた合計分力モーメントを示す。グラフＧ５ｕに示されるように、入力モーメント（図５（ｂ）のグラフＧ５ｊ）と同様に、合計分力モーメントも、公転角度αによらず一定である。従って、分力Ｆ３を考慮すべき条件下においても、４個（偶数個）の連動機構９Ａ〜９Ｄを有するスクロール膨張機１によれば、合計分力モーメントの変動が抑制され、良好な回転状態を維持することができる。

ここで、比較例に係るスクロール膨張機の動作を示しつつ、本実施形態に係るスクロール膨張機１の効果について更に説明する。比較例に係るスクロール膨張機は、３個の連動機構９を備える点で、本実施形態に係るスクロール膨張機１と相違する。比較例に係るスクロール膨張機では、連動機構９が第１の軸線Ａ１周りの円周方向に沿って１２０度間隔に配置されている。なお、比較例のスクロール膨張機におけるその他の構成、及び、連動機構９単体の構成は、本実施形態に係るスクロール膨張機１と同じである。以下、４個の連動機構９を有するスクロール膨張機１と、３個の連動機構９を有するスクロール膨張機との動作上の相違点に注目して説明する。

図８（ａ）は、比較例のスクロール膨張機における公転角度αと、ガイドリングへの作用力Ｆ２との関係を示す。グラフＧ８ａ，Ｇ８ｂ，Ｇ８ｃは、３個の連動機構９のそれぞれに対応する。また、グラフＧ８ｄは、合計作用力を示す。ここで、公転角度αが６０°〜１２０°である角度領域Ｌでは、グラフＧ８ａに対応する連動機構９のみにおいてガイドリングへの作用力Ｆ２が発生している。

すなわち、３個の連動機構９を有するスクロール膨張機は、駆動スクロール体６が１組の駆動ピン２２及びガイドリング２３により支持される期間を有する。一方、４個の連動機構９を有するスクロール膨張機１は、少なくとも２個の連動機構９によって支持されている。すなわち、４個の連動機構９を有するスクロール膨張機１は、少なくとも２組の駆動ピン２２及びガイドリング２３により支持されている。従って、駆動スクロール体６の支持力の受け渡しが円滑になり、良好な回転状態を維持できることがわかる。また、比較例の合計作用力（図８（ａ）のグラフＧ８ｄ）と、本実施形態の合計作用力（図５（ａ）のグラフＧ５ｅ）と、を比較すると、全体的に本実施形態の合計作用力が大きい。これは、１個あたりの連動機構９において、比較例の構成よりも本実施形態の構成における負荷が低減することを示している。従って、本実施形態のスクロール膨張機１によれば、連動機構９の設計自由度を向上させることができる。

図８（ｂ）は、比較例のスクロール膨張機における公転角度αと、入力モーメントとの関係を示す。グラフＧ８ｅ，Ｇ８ｆ，Ｇ８ｇは、３個の連動機構９のそれぞれに対応する。また、グラフＧ８ｈは、合計入力モーメントを示す。ここで、合計入力モーメント（グラフＧ８ｈ）に注目する。比較例の合計入力モーメントは、公転角度αによって変動している。一方、本実施形態の合計入力モーメント（図５（ｂ）のグラフＧ５ｊ）は、公転角度αによらず一定である。従って、本実施形態のスクロール膨張機１によれば、公転角度αによる合計入力モーメントの変動が抑制されるので、良好な回転状態を維持することができることがわかる

図８（ｃ）は、比較例のスクロール膨張機における公転角度αと、分力Ｆ３との関係を示す。図８（ｄ）は、比較例のスクロール膨張機における公転角度αと、分力Ｆ３に基づく分力モーメントとの関係を示す。図８（ｃ）のグラフＧ８ｉ，Ｇ８ｊ，Ｇ８ｋ及び図８（ｄ）のグラフＧ８ｎ，Ｇ８ｏ，Ｇ８ｐは、３個の連動機構９のそれぞれに対応する。図８（ｃ）のグラフＧ８ｍ及び図８（ｄ）のグラフＧ８ｑは、合計分力モーメントを示す。ここで、合計分力モーメント（図８（ｄ）のグラフＧ８ｑ）に注目する。比較例の合計分力モーメントは、公転角度αによって変動している。これは、比較例のスクロール膨張機における連動機構９の数が奇数であるため、ガイドリング２３を押圧する駆動ピン２２の数が、一回転する間に１本又は２本というように変化するためであると考えられる。一方、本実施形態の合計分力モーメント（図５（ｄ）のグラフＧ５ｕ）は、公転角度αによらず一定である。従って、本実施形態のスクロール膨張機１によれば、公転角度αによる合計分力モーメントの変動が抑制されるので、良好な回転状態を維持することができることがわかる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。

＜変形例１＞
例えば、スクロール膨張機は、駆動ピン２２及びガイドリング２３からなる連動機構９を５個備えていてもよい。この場合、連動機構９は、第１の軸線Ａ１を中心として７２°間隔で配置される。図６（ａ）は、５個の連動機構９を備えたスクロール膨張機（以下、「変形例１のスクロール膨張機」ともいう）における、公転角度αとガイドリングへの作用力Ｆ２との関係を示す。グラフＧ６ａ〜Ｇ６ｅのそれぞれは、５個の連動機構９に対応している。グラフＧ６ｆは、合計作用力を示す。各連動機構９に対応するガイドリングへの作用力Ｆ２（グラフＧ６ａ〜Ｇ６ｅ）に注目すると、公転角度αが０°から３６０°までの間において、少なくとも２個の連動機構９により支持されていることがわかる。例えば、公転角度αが９０°のときには、グラフＧ６ａに対応する連動機構９と、グラフＧ６ｂに対応する連動機構９と、グラフＧ６ｅに対応する連動機構９と、の３個の連動機構９により支持されている。従って、いずれの公転角度αにおいても、２個又は３個の連動機構９が支持に関与しており、支持に関与する連動機構９が瞬間的に１個になる場合は存在しない。従って、より良好な回転状態を維持することができることがわかる。また、合計作用力（図６（ａ）のグラフＧ６ｆ）に注目すると、上記実施形態の合計作用力（図５（ａ）のグラフＧ５ｅ）と比較して、全体的に大きくなっている。従って、１個あたりの連動機構における、負荷を更に低減することができる。

図６（ｂ）は、変形例１のスクロール膨張機における、公転角度αと入力モーメントとの関係を示す。図６（ｃ）は、変形例１のスクロール膨張機における、公転角度αと分力Ｆ３との関係を示す。図６（ｄ）は、変形例１のスクロール膨張機における、公転角度αと分力モーメントとの関係を示す。各図において、グラフＧ６ｈ〜Ｇ６ｍ、グラフＧ６ｏ〜Ｇ６ｓ、及びグラフＧ６ｕ〜Ｇ６ｙのそれぞれは、５個の連動機構９に対応している。また、図６（ｂ）のグラフＧ６ｎ、図６（ｃ）のグラフＧ６ｔ及び図６（ｄ）のグラフＧ６ｚは、５個の連動機構９のそれぞれにおける分力モーメントを足し合わせた合計分力モーメントを示す。合計入力モーメント（図６（ｂ）のグラフＧ６ｎ）及び合計分力モーメント（図６（ｄ）のグラフＧ６ｚ）に注目すると、公転角度αに対応して合計入力モーメント及び合計分力モーメントが周期的に変化していることがわかる。

＜変形例２＞
例えば、スクロール膨張機は、駆動ピン２２及びガイドリング２３からなる連動機構９を６個備えていてもよい。この場合、連動機構９は、第１の軸線Ａ１を中心として６０°間隔で配置される。図７（ａ）は、６個の連動機構９を備えたスクロール膨張機（以下、「変形例２のスクロール膨張機」ともいう）における、公転角度αと入力モーメントとの関係を示す。図７（ｂ）は、変形例２のスクロール膨張機における、公転角度αと分力モーメントとの関係を示す。各図において、グラフＧ７ａ〜Ｇ７ｆ及びグラフＧ７ｈ〜Ｇ７ｎのそれぞれは、６個の連動機構９に対応している。また、図７（ａ）のグラフＧ７ｇは、合計入力モーメントを示す。図６（ｂ）のグラフＧ７ｏは、合計分力モーメントを示す。合計入力モーメント（図７（ａ）のグラフＧ７ｇ）及び合計分力モーメント（図７（ｂ）のグラフＧ７ｏ）に注目すると、公転角度αによらず大きさが一定である。また、変形例２のスクロール膨張機は、変形例１のスクロール膨張機と同様に、公転角度αが０°から３６０°までの間において、少なくとも２個の連動機構９により支持されている。従って、いずれの公転角度αにおいても、２個又は３個の連動機構９が支持に関与しており、支持に関与する連動機構９が瞬間的に１個になる場合は存在しない。従って、より良好な回転状態を維持することができることがわかる。

＜変形例３＞
また、例えば、上記実施形態では、スクロール流体機械の具体例としてスクロール膨張機を例示した。本発明の一形態に係るスクロール流体機械は、スクロール膨張機に限定されることはなく、例えば、スクロール圧縮機やスクロール真空ポンプ等であってもよい。

１…スクロール膨張機、２…ハウジング、３…入力駆動軸、４…出力駆動軸、６…駆動スクロール体、７…従動スクロール体、８…ベアリングプレート、９…連動機構、１２…ケース、１３…キャップ、１４…オイルシール、１６…駆動端板、１７，１７ａ，１７ｂ…駆動ラップ、１８…従動端板、１９…従動ラップ、２１…プレート、２２…駆動ピン、２２ａ…凝縮液供給穴、２３…ガイドリング、２７…硬質膜、１００…発電システム、１０１…発電機、１０２…作動媒体供給部、Ａ１…第１の軸線、Ａ２…第２の軸線、Ｓ１…収容空間、Ｓ２…膨張室、Ｖ…蒸気、α…公転角度、Ｆ１…ピン入力、Ｆ２…ガイドリングへの作用力、Ｆ３…分力。

Claims (5)

1. 一対の駆動端板及び前記駆動端板から立設された駆動ラップを有し、第１の軸線を回転軸線とする駆動スクロール体と、
   従動端板及び前記従動端板から立設された従動ラップを有し、一対の前記駆動端板の間に配置されると共に前記第１の軸線に対して偏心した第２の軸線を回転軸線とする従動スクロール体と、
   前記従動スクロール体の両側に配置され、前記従動スクロール体に連結された一対のプレートを有し、前記第２の軸線を回転軸線とするベアリングプレートと、
   前記駆動スクロール体に取り付けられ、前記駆動端板から前記ベアリングプレートに向かって突出し、貫通穴を有する駆動ピンと、
   前記ベアリングプレートに取り付けられ、前記駆動ピンの外径よりも大きい内径を有する円筒状のガイドリングと、を備え、
   前記駆動ピンは、前記第１の軸線を中心とした円周上において等間隔にｎ個（ｎ≧４）以上配置され、
   前記ガイドリングは、前記第２の軸線を中心とした円周上において、前記駆動ピンに対応するように等間隔にｍ個（ｍ＝ｎ≧４）以上配置された、スクロール流体機械。
2. 前記貫通穴は、前記駆動ピンの一端面から他端面に至ると共に、前記ガイドリングの内部と前記駆動スクロール体及び前記従動スクロール体により形成される膨張室の内部とを繋ぐ、請求項１に記載のスクロール流体機械。
3. 前記駆動ピンは、外周面に硬質膜を有する、請求項１又は２に記載のスクロール流体機械。
4. 前記駆動ピンの数（ｎ）及び前記ガイドリングの数（ｍ）は、偶数である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスクロール流体機械。
5. 前記駆動ピンの数（ｎ）及び前記ガイドリングの数（ｍ）は、６（ｎ＝ｍ＝６）である、請求項４に記載のスクロール流体機械。

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