JP7308970B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機および冷凍機等に用いられるスクロール圧縮機に関するものである。

空気調和機および冷凍機等に用いられるスクロール圧縮機は、固定スクロールと揺動スクロールとを組み合わせて形成した圧縮室にて冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部を収容する容器とを備えた構成を有する。固定スクロールおよび揺動スクロールはそれぞれ、台板上に渦巻体が形成された構成を有し、渦巻体同士が噛み合わされて圧縮室を形成している。そして、揺動スクロールを揺動運動させることで、圧縮室が容積を縮小しながら移動し、圧縮室にて冷媒の吸入および圧縮が行われるようになっている。この種のスクロール圧縮機では、小型および低コスト化を図るため、容器の径を同じとしつつ、可能な限り圧縮室の吸入容積を大きくして、圧縮機能力を大きくすることを目的とした技術開発が重要となっている。容器の径を同じとしつつ圧縮室の吸入容積を大きくするには、渦巻体の渦巻形状を工夫することが必要である。

従来、スクロール圧縮機の渦巻形状を、所定の半径の真円を基礎円とするインボリュート曲線とし、渦巻体全体の輪郭を円形とした技術がある。これに対し、近年では渦巻体全体の輪郭を円形ではなく扁平形状とし、更に渦巻体の渦巻形状も扁平形状とした技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０－５４３８０号公報

特許文献１では渦巻体の輪郭および渦巻形状を扁平形状とすることが記載されているものの、渦巻形状の具体的な定義については記載されていない。渦巻体の渦巻形状については、上述したように所定の半径の真円を基礎円とするインボリュート曲線で定義した技術があるが、渦巻形状を扁平形状とする場合においても、渦巻体を製造する上で渦巻形状を具体的に定義することが必要である。

インボリュート曲線から成る渦巻体で構成される圧縮室の容積は、ほぼ線形で変化する。しかし、非線形で変化する圧縮室を構成できれば、吐出寸前の圧縮室容積と圧縮室の吸入容積との比率である組み込み容積比の設計自由度が高まる。非線形で変化する圧縮室を構成するには、渦巻体の渦巻形状を、扁平率の異なる複数の扁平形状を組み合わせた輪郭を有する形状とすることが考えられる。しかし、このような形状を式で定義できる先行技術は見当たらない。

本発明はこのような点を鑑みなされたもので、扁平率の異なる複数の扁平形状を組み合わせた輪郭を有する渦巻体の渦巻形状を式で定義することで、組み込み容積比の設計自由度を高めることが可能なスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

本発明に係るスクロール圧縮機は、固定台板に固定渦巻体が形成された固定スクロールと、揺動台板に揺動渦巻体が形成された揺動スクロールとを備え、固定渦巻体と揺動渦巻体とが噛み合うことで形成される圧縮室内で冷媒を圧縮するスクロール圧縮機において、固定渦巻体および揺動渦巻体のそれぞれの外側曲線および内側曲線のいずれか一方のみを、基礎円の伸開線である曲線であって、ｘ、ｙ座標系において伸開角θを用いて式（１）および式（２）で定義される曲線とし、式（１）および式（２）における基礎円の半径である基礎円半径ａ（θ）が、「伸開角θに対してπ［ｒａｄ］を１周期とした正弦波状または余弦波状に変化する関数」と「伸開角θに応じて値が切り替わる階段関数で表される係数」との積の項を有し、固定渦巻体および揺動渦巻体のいずれにおいても、外側曲線で特定される外向面と内側曲線で特定される内向面とでは、階段関数において値が切り替わる伸開角θがπ［ｒａｄ］ずれているものである。
ｘ＝ａ（θ）（ｃоｓθ＋θ・ｓｉｎθ） ・・・（１）
ｙ＝ａ（θ）（ｓｉｎθ－θ・ｃоｓθ） ・・・（２）

本発明によれば、渦巻体の渦巻形状を、ｘ、ｙ座標系において伸開角θを用いて式（１）および式（２）で定義し、また、式（１）および式（２）における基礎円半径ａ（θ）を、「伸開角θに対してπ［ｒａｄ］を１周期とした正弦波状または余弦波状に変化する関数」と「π［ｒａｄ］を１周期とした階段関数で表される係数」との積の項を有するものとした。また、外側曲線で特定される外向面と内側曲線で特定される内向面とでは、階段関数において値が切り替わる伸開角θがπ［ｒａｄ］ずれている構成とした。これにより、扁平率の異なる複数の扁平形状を組み合わせた輪郭を有する渦巻体の渦巻形状を、式で定義できる。その結果、組み込み容積比の設計自由度を高めることが可能なスクロール圧縮機を得ることができる。
ｘ＝ａ（θ）（ｃоｓθ＋θｓｉｎθ） ・・・（１）
ｙ＝ａ（θ）（ｓｉｎθ－θｃоｓθ） ・・・（２）

実施の形態１に係るスクロール圧縮機の全体構成の概略縦断面図である。 実施の形態１に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部の概略横断面図である。 実施の形態１に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部の固定渦巻体と揺動渦巻体の扁平形状の説明図である。 実施の形態１に係るスクロール圧縮機における揺動スクロールの１回転中の動作を示す圧縮工程図である。 実施の形態１に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部を構成する渦巻形状の製図方法の説明図である。 実施の形態１に係るスクロール圧縮機においてα＝１とした場合の渦巻形状を示す図である。 実施の形態１に係るスクロール圧縮機においてα＝０とした場合の渦巻形状を示す図である。 図６と図７とを重ねた状態を示す図である。 実施の形態１に係るスクロール圧縮機における渦巻体の渦巻形状を示す図である。 実施の形態１に係るスクロール圧縮機における渦巻体の渦巻形状の製図に用いる基礎円半径ａ（θ）に関する特性の一例を示す図である。 実施の形態２に係るスクロール圧縮機においてα（θ）を切り替える伸開角を変化させた場合の渦巻体の輪郭の変化の説明図である。 実施の形態３に係るスクロール圧縮機における渦巻体の外向面の基礎円半径ａ（θ）に関する特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機について図面等を参照しながら説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機の全体構成の概略縦断面図である。
本実施の形態１のスクロール圧縮機は、圧縮機構部８と、回転軸６を介して圧縮機構部８を駆動する電動機構部１１０と、その他の構成部品とを有し、これらが外郭を構成する密閉容器１００の内部に収納された構成を有している。密閉容器１００内において、圧縮機構部８は上方に配置されており、電動機構部１１０は圧縮機構部８よりも下方に配置されている。

密閉容器１００内には更に、電動機構部１１０を挟んで対向するようにフレーム７とサブフレーム９とが収納されている。フレーム７は、電動機構部１１０の上側に配置されて電動機構部１１０と圧縮機構部８との間に位置しており、サブフレーム９は、電動機構部１１０の下側に位置している。フレーム７は、焼嵌めまたは溶接等によって密閉容器１００の内周面に固着されている。また、サブフレーム９はサブフレームホルダ９ａを介して焼嵌めまたは溶接等によって密閉容器１００の内周面に固着されている。

サブフレーム９の下方には容積型ポンプを含むポンプ要素１１１が取り付けられている。ポンプ要素１１１は、密閉容器１００の底部の油溜め部１００ａに溜められた冷凍機油を圧縮機構部８の後述の主軸受７ａ等の摺動部に供給する。ポンプ要素１１１は、上端面で回転軸６を軸方向に支承している。

密閉容器１００には、冷媒を吸入するための吸入管１０１と、冷媒を吐出するための吐出管１０２とが設けられている。

圧縮機構部８は、吸入管１０１から吸入した冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を密閉容器１００内の上方に形成されている後述の第３空間７３に排出する機能を有している。圧縮機構部８は、固定スクロール１と揺動スクロール２とを備えている。

固定スクロール１はフレーム７を介して密閉容器１００に固定されている。揺動スクロール２は固定スクロール１の下側に配置されて回転軸６の後述の偏心軸部６ａに揺動自在に支持されている。

固定スクロール１は、固定台板１ａと、固定台板１ａの一方の面に形成された渦巻状突起である固定渦巻体１ｂとを備えている。揺動スクロール２は、揺動台板２ａと、揺動台板２ａの一方の面に形成された渦巻状突起である揺動渦巻体２ｂとを備えている。固定スクロール１および揺動スクロール２は、固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂとを逆位相で噛み合わせた対称渦巻形状の状態で密閉容器１００内に配置されている。そして、固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂとの間には、回転軸６の回転に伴い、半径方向外側から内側へ向かうにしたがって容積が縮小する圧縮室７０が形成されている。

固定スクロール１の固定台板１ａには、圧縮室７０で圧縮された冷媒が吐出される吐出口１ｃと、一対の過圧縮リリーフポート１ｄとが形成されている。固定台板１ａにおいて揺動スクロール２とは反対側の面には、吐出口１ｃを開閉する吐出バルブ１０ａと、一対の過圧縮リリーフポート１ｄを開閉する過圧縮リリーフバルブ１０ｂとが設けられている。

フレーム７は固定スクロール１を固定配置し、揺動スクロール２に作用するスラスト力を軸方向に支持するスラスト面を有する。また、フレーム７には、吸入管１０１から吸入された冷媒を圧縮機構部８内に導く導入流路７ｃが貫通形成されている。

また、フレーム７上には、揺動スクロール２の旋回運動中の自転を防止するためのオルダムリング１４が配置されている。オルダムリング１４のキー部１４ａは、揺動スクロール２の揺動台板２ａの下側に配置されている。

電動機構部１１０は回転軸６に回転駆動力を供給するものであり、電動機固定子１１０ａと電動機回転子１１０ｂとを備えている。電動機固定子１１０ａは、外部から電力を得るために、フレーム７と電動機固定子１１０ａとの間に存在するガラス端子（図示せず）にリード線（図示せず）で接続されている。電動機固定子１１０ａは回転軸６に焼嵌め等によって固定されている。また、スクロール圧縮機の回転系全体のバランシングを行うため、回転軸６には第１バランスウェイト６０が固定され、電動機固定子１１０ａには第２バランスウェイト６１が固定されている。

回転軸６は、上部の偏心軸部６ａと、中間部の主軸部６ｂと、下部の副軸部６ｃとで構成されている。偏心軸部６ａは、回転軸６の軸心に対して偏心している。偏心軸部６ａは、バランスウェイト付スライダー５と揺動軸受２ｃとを介して揺動スクロール２に嵌合しており、回転軸６の回転により揺動スクロール２が揺動運動するようになっている。主軸部６ｂは、フレーム７に設けられた円筒状のボス部７ｂの内周に配置された主軸受７ａにスリーブ１３を介して嵌合しており、冷凍機油による油膜を介して主軸受７ａに対して摺動する。主軸受７ａは、銅鉛合金等の滑り軸受に使用される軸受材料を圧入する等してボス部７ｂ内に固定されている。

サブフレーム９の上部には玉軸受からなる副軸受１０を備え、副軸受１０は、電動機構部１１０の下部で回転軸６を半径方向に軸支する。なお、副軸受１０は玉軸受以外の別の軸受構成によって軸支しても良い。副軸部６ｃは副軸受１０と嵌合され、冷凍機油による油膜を介して副軸受１０に対して摺動する。主軸部６ｂおよび副軸部６ｃの軸心は、回転軸６の軸心と一致している。

ここで、密閉容器１００内の空間を以下の様に定義する。密閉容器１００の内部空間のうち、フレーム７より電動機回転子１１０ｂ側の空間を第１空間７１とする。また、フレーム７の内壁と固定台板１ａとにより囲まれた空間を第２空間７２とする。また、固定台板１ａより吐出管１０２側の空間を第３空間７３とする。第２空間７２のうち、固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂとが組み合わされた構造体部分の外側を、吸入空間７２ａという。吸入空間７２ａには、圧縮室７０で圧縮される前の冷媒が導入流路７ｃから導入される。

図２は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部の概略横断面図である。
本実施の形態１において揺動台板２ａの外形形状は扁平形状である。よって、揺動台板２ａ上に形成された揺動渦巻体２ｂの渦巻形状もまた扁平形状とすることで、揺動台板２ａ上のスペースを有効に使用でき、スペース効率を高めることができる。固定台板１ａについても同様であり、固定台板１ａの外形形状と固定渦巻体１ｂの渦巻形状とを扁平形状とする。このようにスペース効率を高めることで、密閉容器１００の大きさを同じとしたままで圧縮室７０の容積の拡大を図ることができ、圧縮機能力を向上することが可能となる。逆に見れば、同じ圧縮機能力を確保するにあたり、密閉容器１００の小型化が可能となる。なお、扁平形状とは、長円形状および楕円形状も含むものであり、要するに真円よりも平べったい形状全般を指すものとする。

以下において、固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂとを区別せず、両方を指すときは、「渦巻体」と総称する。台板についても同様で、固定台板１ａと揺動台板２ａとを区別せず、両方を指すときは、「台板」と総称する。

図３は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部の固定渦巻体と揺動渦巻体の扁平形状の説明図である。
本実施の形態１は、渦巻体の渦巻形状の外向面を、伸開角度によって扁平率の異なる扁平形状としている。内向面も同様に、伸開角度によって扁平率の異なる扁平形状としている。なお、扁平率とは、横径Ｄ１と縦径Ｄ２との比Ｄ１／Ｄ２である。

図３において、固定渦巻体１ｂの外向面１ｂａおよび内向面１ｂｂのそれぞれは、渦巻形状の巻き終わりから巻き始めまでにかけて、大小２つの扁平率の渦巻形状で構成されている。図３において、太線が扁平率の大きい渦巻形状、細線が扁平率の小さい渦巻形状を示している。

＜固定スクロール１＞
（固定渦巻体１ｂの外向面１ｂａ）
点Ｆｏ１～点Ｆｏ２の区画：扁平率大
点Ｆｏ２～点Ｆｏ３の区画：扁平率小
（固定渦巻体１ｂの内向面１ｂｂ）
点Ｆｉ１～点Ｆｉ２の区画：扁平率大
点Ｆｉ２～点Ｆｉ３の区画：扁平率小

＜揺動スクロール２＞
揺動スクロール２でも同様であり、以下のように、外向面２ｂａおよび内向面２ｂｂのそれぞれは、渦巻形状の巻き終わりから巻き始めまでにかけて、大小２つの扁平率の渦巻形状で構成されている。

（揺動渦巻体２ｂの外向面２ｂａ）
点Ｏｏ１～点Ｏｏ２の区画：扁平率大
点Ｏｏ２～点Ｏｏ３の区画：扁平率小
（揺動渦巻体２ｂの内向面２ｂｂ）
点Ｏｉ１～点Ｏｉ２の区画：扁平率大
点Ｏｉ２～点Ｏｉ３の区画：扁平率小

固定スクロール１および揺動スクロール２のいずれにおいても、外向面と内向面とで扁平率が切り替わる伸開角度がπ［ｒａｄ］だけずれている。すなわち、固定スクロール１では、点Ｆｉ２と点Ｆｏ２との伸開角度差がπ［ｒａｄ］であり、揺動スクロール２では、Ｏｉ２と点Ｏｏ２との伸開角度差がπ［ｒａｄ］である。このようにπだけずれている理由、および以上のように構成される渦巻形状の詳細については、また改めて説明する。

次に、スクロール圧縮機の動作について説明する。

図４は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機における揺動スクロールの１回転中の動作を示す圧縮工程図である。図４（ａ）は揺動スクロール２の回転位相が０［ｒａｄ］（２π［ｒａｄ］）の場合の渦巻体の位置を示している。図４（ｂ）は揺動スクロール２の回転位相がπ／２［ｒａｄ］の場合の渦巻体の位置を示している。図４（ｃ）は揺動スクロール２の回転位相がπ［ｒａｄ］の場合の渦巻体の位置を示している。図４（ｄ）は揺動スクロール２の回転位相が３π／２［ｒａｄ］の場合の渦巻体の位置を示している。

電動機構部１１０の電動機固定子１１０ａに通電されると、電動機回転子１１０ｂが回転力を受けて回転する。それに伴い、電動機回転子１１０ｂに固定された回転軸６が回転する。回転軸６の回転運動は、偏心軸部６ａを介して揺動スクロール２に伝達される。揺動スクロール２の揺動渦巻体２ｂは、オルダムリング１４によって自転が規制されながら揺動半径で揺動運動する。なお、揺動半径とは、主軸部６ｂに対する偏心軸部６ａの偏心量である。

電動機構部１１０の駆動に伴い、外部の冷凍サイクルから吸入管１０１を介して、冷媒が密閉容器１００内の第１空間７１に流入する。第１空間７１に流入した低圧冷媒は、フレーム７内に設置された導入流路７ｃを通って吸入空間７２ａに流入する。吸入空間７２ａに流入した低圧冷媒は、圧縮機構部８の揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂの相対的な揺動動作に伴って圧縮室７０へと吸い込まれる。圧縮室７０に吸い込まれた冷媒は、図４に示すように揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂの相対的な動作に伴う圧縮室７０の幾何学的な容積変化によって低圧から高圧へと昇圧される。そして、高圧となった冷媒は、固定スクロール１の吐出口１ｃを通過し、吐出バルブ１０ａを押し開けて第３空間７３に排出され、吐出管１０２から高圧冷媒として圧縮機外部へと吐出される。図１の矢印がこの冷媒の流れを示している。

本実施の形態１では、上述したように揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂの輪郭を扁平形状としており、渦巻形状も扁平形状としている。このように、渦巻体の渦巻形状を扁平形状とした圧縮機構部８において、図４に示すように一定の揺動半径で揺動渦巻体２ｂを動作させた場合においても、揺動渦巻体２ｂと固定渦巻体１ｂとは、互いに対向する対向面同士が接触しながら動作する。すなわち、圧縮機構部８は、揺動渦巻体２ｂの外向面２ｂａと固定渦巻体１ｂの内向面１ｂｂとが接触すると共に、揺動渦巻体２ｂの内向面２ｂｂと固定渦巻体１ｂの外向面１ｂａとが接触しながら動作する。

このように、揺動渦巻体２ｂと固定渦巻体１ｂとが互いに接触する構成とするために、固定スクロール１および揺動スクロール２のいずれにおいても、外向面と内向面とで扁平率が切り替わる伸開角度を、π［ｒａｄ］だけずれた構成としている。扁平率が切り替わる点の関係が内向面と外向面とでπずれることによって、固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂとで互いに対向する対向面同士が、同じ扁平率で形成される曲面となり、揺動スクロール２の揺動運動に際して互いに接触することになる。

そして、本実施の形態１は、扁平率の異なる複数の扁平形状を組み合わせた輪郭を有する渦巻体の渦巻形状を式で定義している。渦巻形状は、渦巻体の外向面を特定する外側曲線と、渦巻体の内向面を特定する内側曲線と、によって決まる。渦巻体の渦巻形状を式で定義するにあたり、具体的には、渦巻体の外側曲線および内側曲線のいずれか一方のみを、基礎円の伸開線である曲線であって、ｘ、ｙ座標系において伸開角θを用いて以下の式（１）および式（２）で定義される曲線とする。

式（１）および（２）におけるａ（θ）は基礎円の半径である。ａ（θ）は、以下の式（３）に示すように、「伸開角θに対してπ［ｒａｄ］を１周期とした正弦波状または余弦波状に変化する関数」と「伸開角θに応じて値が切り替わる階段関数α（θ）で表される係数α」との積の項を有する関数式で与えられる。係数αは、扁平の度合いを示す係数である。このように、扁平率の異なる複数の扁平形状を組み合わせた輪郭を有する渦巻体の渦巻形状を、式で定義できる。なお、本実施の形態１において、基礎円半径ａ（θ）は、一例として、式（３）とする。

式（３）において、ａ_０は基準となる基礎円半径（以下、基準半径という）である。また、式（３）において、伸開角θに応じて値が切り替わる階段関数α（θ）とは、伸開角θに対してグラフが階段状になる実関数のことであり、任意の伸開角θで値が切り替わる指示関数が存在し、それらの線型結合で表される関数である。本実施の形態１では、外向面のαは、伸開角θがπ［ｒａｄ］以上ではα１とし、π［ｒａｄ］未満ではα２とする。αの値がα１とα２とに切り替わる伸開角θが、扁平率が切り替わる伸開角に相当する。

また、式（３）において、Ｎは１以上の自然数である。ξは定数［ｒａｄ］である。

式（３）において、係数αを変更することで、渦巻体の輪郭の扁平率を任意に設定することが可能になる。具体的には、αの値が大きくなるに連れ、渦巻体の輪郭の扁平率が大きくなり、上下方向に押しつぶされて左右方向に広がった平べったい形状となる。本実施の形態１の渦巻体の渦巻形状は、係数αがα１である扁平形状と、係数αがα２である扁平形状との２つを組み合わせた形状となる。以下では、α１＝０．１、α＝０とした例で説明を行う。

図３において、太線で示した扁平率大の部分が、α１＝０．１とした部分に該当し、細線で示した扁平率小の部分が、α２＝０とした部分に相当する。そして、扁平率大の部分と扁平率小の部分とが切り替わる伸開角が、外向面ではπ、内向面では、上述したように外向面からπずれるため２πとなっている。すなわち、図３に示した渦巻形状は、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂのいずれにおいても、外向面は伸開角θがπ以上の範囲で扁平率大、π未満の範囲で扁平率小の扁平形状を有する。また、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂのいずれにおいても、内向面は、伸開角θが２π以上の範囲で扁平率大、２π未満の範囲で扁平率小の扁平形状を有する。また、図３では、Ｎの値を１、ξの値を０としている。

次に、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂのそれぞれの渦巻形状の製図方法について説明する。固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂの製図方法は同じであるため、以下、固定渦巻体１ｂを代表して説明する。

渦巻形状は、上述したように渦巻体の外向面を特定する外側曲線と渦巻体の内向面を特定する内側曲線とによって決まる。ここでは、外側曲線を式（１）および式（２）で定義される曲線とした場合の渦巻形状の製図方法について説明する。

図５は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部を構成する渦巻形状の製図方法の説明図である。図５において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の手順に製図をする。図６は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機においてα＝０．１とした場合の渦巻形状を示す図である。図６において、実線は「式で定義される曲線」であり、点線は「包絡線」である。

まず、図５（ａ）に示す通り、基礎円の伸開線３０を描く。α（θ）は、伸開角θに応じて値が切り替わる関数であるが、ここではいずれの伸開角でもα（θ）＝０．１とした伸開線３０を描く。以下、いずれの伸開角でもα（θ）を０．１とする場合には、α＝０．１と表記する。ここで描かれた伸開線３０が外側曲線となる。

次に、図５（ｂ）～図５（ｄ）の手順で内側曲線を描く。すなわち、まず図５（ｂ）に示す通り、手順（ａ）で描いた伸開線３０を基礎円中心Ｏに対してπ［ｒａｄ］回転させた曲線３１を描く。ここでは内側曲線を作成するため、曲線３１のうち曲線３０よりも外側に位置する曲線部分（図５（ｂ）において点線部分）は、これ以降の製図手順では使用されない。

次に、図５（ｃ）に示す通り、手順（ｂ）で描いた曲線３１上に中心を有する、半径が揺動スクロール２の揺動半径と等しい円３２、を複数描く。

次に、図５（ｄ）に示す通り、手順（ｃ）で描いた円群の外側包絡線３３を描く。この手順（ｄ）で描いた曲線３３が内側曲線となる。

以上により、手順（ａ）で描いた曲線３０、言い換えれば「式（１）および式（２）で定義される曲線３０」が、α＝０．１の場合における、固定渦巻体１ｂの外側曲線となる。また、手順（ｄ）で描いた曲線３３、言い換えれば、「式（１）および式（２）で定義される曲線３０」に対応する「包絡線３３」が、α＝０．１の場合における、固定渦巻体１ｂの内側曲線となる。以下では、「式（１）および式（２）で定義される曲線３０」を「式で定義される曲線」といい、「式（１）および式（２）で定義される曲線３０」に対応する「包絡線３３」を、単に「包絡線」という。

以上の製図により、α＝０．１の場合における、「「式で定義される曲線」で特定される外向面」と、「「包絡線」で特定される内向面」とが決定する。図６には、「「式で定義される曲線」で特定される外向面」を実線で示し、「「包絡線」で特定される内向面」を点線で示している。

同様にして、α＝０として、図５（ａ）～図５（ｄ）の手順で製図する。製図したものが次の図７である。

図７は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機においてα＝０とした場合の渦巻形状を示す図である。図７において、実線は「式で定義される曲線」であり、点線は「包絡線」である。
図７には、α＝０の場合における、「「式で定義される曲線」で特定される外向面」と、「「包絡線」で特定される内向面」とが示されている。

図８は、図６と図７とを重ねた状態を示す図である。図９は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機における渦巻体の渦巻形状を示す図である。図８および図９において、太さに関わらず、実線は「式で定義される曲線」であり、点線は「包絡線」である。また、図８および図９において、実線であるか点線であるかに関わらず、太線がα＝０．１の場合の渦巻形状、細線がα＝０の場合の渦巻形状を示している。
ここでは、外側曲線を「式で定義される曲線」としたため、外側曲線で特定される固定渦巻体１ｂの外向面は、いずれの伸開角範囲においても、図８に示された複数曲線のうち、実線で描かれた「式で定義される曲線」を選択して形成される。

具体的には、外向面のα（θ）は、上述したように伸開角θがπ［ｒａｄ］以上ではα＝０．１であり、π［ｒａｄ］未満ではα＝０である。したがって、固定渦巻体１ｂの外向面は、図８において実線で示された複数の「式で定義される曲線」のうち、伸開角θがπ［ｒａｄ］以上では、太実線で描かれた、α＝０．１に対応する曲線が選択されて形成される。また、固定渦巻体１ｂの外向面は、図８において実線で示された複数の「式で定義される曲線」のうち、伸開角θがπ［ｒａｄ］未満では、細実線で描かれた、α＝０に対応する曲線が選択されて形成される。

一方、内側曲線で特定される固定渦巻体１ｂの内向面は、いずれの伸開角範囲においても、図８において点線で示された複数曲線のうち、点線で描かれた「包絡線」を選択して形成される。

具体的には、内向面では、上述したように扁平率大の部分と扁平率小の部分とが切り替わる伸開角が外向面からπずれる。このため、固定渦巻体１ｂの内向面は、図８に示された複数の「包絡線」のうち、伸開角θが２π［ｒａｄ］以上では、太点線で描かれた、α＝０．１に対応する曲線が選択されて形成される。また、固定渦巻体１ｂの内向面は、図８に示された複数の「包絡線」のうち、２π［ｒａｄ］未満では、細点線で描かれた、α＝０に対応する曲線が選択されて形成される。

以上のようにして選択された各曲線により、図９に示すように固定渦巻体１ｂの渦巻形状が決まる。

揺動渦巻体２ｂに関しては、前述の固定渦巻体１ｂと同様の手順を踏むものとし、固定渦巻体１ｂと肉厚が等しい仕様においては固定渦巻体１ｂの形状をπ［ｒａｄ］回転させた形状となる。

なお、ここでは、外側曲線を式（１）および式（２）で定義される曲線とした場合の渦巻形状の製図方法について説明したが、内側曲線を式（１）および式（２）で定義される曲線とした場合の渦巻形状の製図方法も基本的に同様である。内側曲線を式（１）および式（２）で定義される曲線とした場合は、外側曲線を以下のようにして描けばよい。まず、図５（ａ）の手順を行う。次に、図５（ｂ）の手順を行う。この際、曲線３０のうち曲線３１よりも外側に位置する曲線部分を、これ以降の製図手順で使用しない。そして、曲線３１上に中心を有する、半径が揺動スクロール２の揺動半径と等しい円３２、を複数描く。この円群の内側包絡線が外側曲線となる。

図１０は、実施の形態１に係るスクロール圧縮機における渦巻体の渦巻形状の製図に用いる基礎円半径ａ（θ）に関する特性の一例を示す図である。図１０の縦軸は、基準半径ａ_０に対する基礎円半径ａ（θ）の比率を示している。図１０の横軸は、伸開角θ［ｒａｄ］を示している。また、図１０の（ａ）は、外向面の基礎円半径ａ（θ）の特性を示し、図１０の（ｂ）は、内向面の基礎円半径ａ（θ）の特性を示している。

図１０には、図３と同様に式（３）のα（θ）の値をα１＝０．１およびα２＝０とし、Ｎの値を１、ξの値を０とした場合の、伸開角θに対する基礎円半径ａ（θ）の変化を示している。図１０に示す基礎円半径ａ（θ）の波形において、外向面と内向面とのａ（θ）／ａ_０の差分が大きい程、渦巻体の肉厚が厚くなることを示す。よって、５π／４において、渦巻体の肉厚が厚くなる。また、基礎円半径ａ（θ）の波形において、１．０を超える方のピークがある伸開角の方向に、渦巻体が引き延ばされた形状となる。よって、図１０の例では、外向面においては、伸開角が５π／４、７π／４、９π／４において１．０を超える方のピークがくる。また、内向面においては、伸開角が７π／４、９π／４において、１．０を超える方のピークがくる。このため、図１０の特性を有する渦巻体は、図３に示すように横方向に引き延ばされた形状となる。

以上説明したように、本実施の形態１では、渦巻体の渦巻形状を、伸開角θを用いて上記式（１）および式（２）で定義した。そして、式（１）および式（２）における基礎円半径ａ（θ）が、「伸開角θに対してπ［ｒａｄ］を１周期とした正弦波状または余弦波状に変化する関数」と「伸開角θに応じて値が切り替わる階段関数α（θ）で表される係数α」との積の項を有する。そして、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂのいずれにおいても、外側曲線で特定される外向面と内側曲線で特定される内向面とでは、階段関数において値が切り替わる伸開角が、π［ｒａｄ］ずれている。これにより、扁平率の異なる複数の扁平形状を組み合わせた輪郭を有する渦巻体の渦巻形状を、式で定義できる。

ところで、渦巻体の巻き数を少なく設定した場合、揺動半径を大きく設定できるため、限られた設置スペースに対し、より大きな吸入容積を確保することが可能となる。しかし、従来のインボリュート曲線から成る渦巻体では、圧縮室の容積は、ほぼ線形で変化するため、吸入容積を大きく確保すると組み込み容積比が小さくなる。したがって、圧縮比が大きい運転条件の場合、圧縮室圧力が高圧に到達する前に圧縮室７０が最内室と連通し、最内室の高圧が逆流して再膨張することによる損失が増大する課題がある。このように、従来のインボリュート曲線から成る渦巻体で構成される圧縮室の容積は、ほぼ線形で変化するため、吸入容積と組み込み容積比とを両立して確保することが難しい。

これに対し、本実施の形態１では、非線形で容積が変化する圧縮室を構成できるため、吸入容積と組み込み容積比とを両立して確保することが可能である。すなわち、本実施の形態１では、α（θ）が、伸開角θに応じて値が切り替わる関数であり、αが複数の値を取る。このようなα（θ）を用いて特定される渦巻体により形成される圧縮室７０は、非線形で変化する圧縮室となる。したがって、本実施の形態１では、組み込み容積比の設計自由度を高めることができる。このため、より大きな吸入容積を確保するために、巻き終わり側である外側の圧縮室容積を大きく確保しつつ、巻始め側である内側の圧縮室容積を小さくすることで、組み込み容積比を大きく設定できる渦巻体を構成できる。このように組み込み容積比を大きく設定するには、巻き終わり側の伸開角範囲のα値を、巻始め側の伸開角範囲のα値よりも大きい値とし、巻き終わり側の扁平率を大きくすればよい。

また、本実施の形態１では、基礎円半径ａ（θ）を式（３）とすることで、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂの輪郭を任意に設定することができる。

また、図３において、固定渦巻体１ｂを用いて説明すると、外向面１ｂａと内向面１ｂｂとでαが異なる値を取る部分、具体的には図３においてクロスのハッチングで示した部分は、外向面１ｂａではα＝０．１、内向面１ｂｂではα＝０である。このように、外向面１ｂａと内向面１ｂｂとでαが異なる値を取る部分では、歯厚が一様ではなく変化する。具体的には、外向面１ｂａのα値を内向面１ｂｂのα値に比べて大きく設定した場合、外向面１ｂａと内向面１ｂｂとの両方で、αの値を同じとした場合に比べて歯厚を厚くできる。歯厚を厚くできることにより、以下の効果が得られる。

過圧縮リリーフポート１ｄは、圧縮比の小さい運転条件において、圧縮室内部のガス冷媒を、圧縮過程の途中で軸方向に排出するために設けられている。このようにガス冷媒を圧縮過程の途中で排出することで、圧縮室７０内部での過剰圧縮による損失を低減できる。過圧縮リリーフポート１ｄは、圧縮室７０間の漏れを抑制するために、隣り合う圧縮室７０の両方に同時に連通しないように形成する必要がある。このため、過圧縮リリーフポート１ｄのポート径は、渦巻体の歯厚よりも小さく設定する必要がある。一方で、圧縮過程のガス冷媒を効率良く排出するためには、ポート径を大きく設定することが効果的である。

本実施の形態１の渦巻体の渦巻形状では、上述したように、αの設定次第で任意の伸開角における歯厚を厚くできる。このため、揺動渦巻体２ｂの歯厚が大きくなる部分の、揺動スクロール２の揺動運動に伴う移動軌跡領域内に過圧縮リリーフポート１ｄを設置することで、以下の効果が得られる。すなわち、ポート径を揺動渦巻体２ｂの歯厚の範囲内で大きく設定しつつ、隣り合う圧縮室７０間が、過圧縮リリーフポート１ｄによって連通することを防止できる。これにより、圧縮比の小さい運転条件においてガス冷媒を効率的に排出でき、冷媒の過剰圧縮を抑制できる。その結果、冷媒の過剰圧縮による無駄な電力消費を低減できる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、上記式（３）におけるα（θ）をα１またはα２に切り替える伸開角を変化させた場合の渦巻体の輪郭の変化について説明する。以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる構成を中心に説明するものとし、実施の形態２で説明されない構成は実施の形態１と同様である。

上記式（３）において、α（θ）を切り替える伸開角を変化させた場合の渦巻体の形状について次の図１１に記す。

図１１は、実施の形態２に係るスクロール圧縮機においてα（θ）を切り替える伸開角を変化させた場合の渦巻体の輪郭の変化の説明図である。図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）において、α（θ）の値は、いずれもα１＝０．１、α２＝０とし、Ｎ＝１、ξ＝０とした。また、図１１において、太線がα＝０．１の部分、細線がα＝０の部分である。

図１１（ａ）は、図３と同じである。図１１（ａ）においてαを０．１とした領域と、αを０とした領域とは、以下の通りである。
（α＝０．１）
点Ｆｏ１～点Ｆｏ２、点Ｆｉ１～点Ｆｉ２
点Ｏｏ１～点Ｏｏ２、点Ｏｉ１～点Ｏｉ２
（α＝０）
点Ｆｏ２～点Ｆｏ３、点Ｆｉ２～点Ｆｉ３
点Ｏｏ２～点Ｏｏ３、点Ｏｉ２～点Ｏｉ３

つまり、外向面については、αが、巻き始め側では０、巻き終わり側では０．１となっており、伸開角θがπで切り替わっている。また、内向面についても同様に、αが、巻き始め側では０、巻き終わり側では０．１であるが、０から０．１に切り替わる伸開角が、外向面に対してπだけずれており、伸開角θが２πでαが０から０．１に切り替わっている。

図１１（ｂ）において、αを０．１とした領域と、αを０とした領域とは、以下の通りである。
（α＝０．１）
点Ｆｏ１～点Ｆｏ２、点Ｆｏ３～点Ｆｏ４、点Ｆｉ２～点Ｆｉ３
点Ｏｏ１～点Ｏｏ２、点Ｏｏ３～点Ｏｏ４、点Ｏｉ２～点Ｏｉ３
（α＝０）
点Ｆｏ２～点Ｆｏ３、点Ｆｉ１～点Ｆｉ２、点Ｆｉ３～点Ｆｉ４
点Ｏｉ１～点Ｏｏ２、点Ｏｏ２～点Ｏｏ３、点Ｏｉ３～点Ｏｉ４

つまり、外向面については、αが、巻き始め側から巻き終わり側にかけて、０．１、０、０．１となっている。具体的には、伸開角が、１π、４πでαが切り替わっている。また、内向面についても同様に、αが、巻き始め側から巻き終わり側にかけて、０、０．１、０となっている。また、上記図１１（ａ）では、伸開角の巻き始めから巻き終わりまでの間にαが切り替わる点が１箇所であったが、図１１（ｂ）では、αが切り替わる点が複数（ここでは２箇所）となっている。

図１１（ｃ）において、αを０．１とした領域と、αを０とした領域とは、以下の通りである。
（α＝０．１）
点Ｆｏ１～点Ｆｏ２、点Ｆｏ３～点Ｆｏ４、点Ｆｉ１～点Ｆｉ２、点Ｆｉ３～点Ｆｉ４
点Ｏｏ１～点Ｏｏ２、点Ｏｏ３～点Ｏｏ４、点Ｏｉ１～点Ｏｉ２、点Ｏｉ３～点Ｏｉ４
（α＝０）
点Ｆｏ２～点Ｆｏ３、点Ｆｉ２～点Ｆｉ３
点Ｏｏ２～点Ｏｏ３、点Ｏｉ２～点Ｏｉ３

つまり、外向面については、αが、巻き始め側から巻き終わり側にかけて、０．１、０、０．１となっている。具体的には、伸開角が、３π、４πでαが切り替わっている。また、内向面についても同様に、αが、巻き始め側から巻き終わり側にかけて、０．１、０、０．１となっているが、０．１と０とに切り替わる伸開角が外向面と内向面とではπだけずれている。図１１（ｃ）においても図１１（ｂ）と同様にして、伸開角の巻き始めから巻き終わりまでの間にαが切り替わる点が複数（ここでは２箇所）となっている。また、図１１（ｃ）は、αが切り替わる点である、点Ｆｏ２、点Ｆｏ３、点Ｆｉ２、点Ｆｉ３、点Ｏｏ２、点Ｏｏ３、点Ｏｉ２、点Ｏｉ３のそれぞれの伸開角が、図１１（ｂ）とは異なっている。これにより、歯厚が大きくなる伸開角と歯厚が小さくなる伸開角とが、図１１（ｂ）と図１１（ｃ）とでは異なっている。

このように、α（θ）を切り替える伸開角を変化させることで、図１１（ａ）～（ｃ）に示すように、渦巻体の歯厚および扁平率を任意に設定することが可能となる。なお、ここではαが０．１と０との２つの値を取る例を説明したが、更に複数の値を取ってもよい。

また、図１１から明らかなように、例えば図１１（ａ）において、α１とα２の値によって、点Ｆｏ１～点Ｆｏ２、点Ｆｉ１～点Ｆｉ２、点Ｏｏ１～点Ｏｏ２、点Ｏｉ１～点Ｏｉ２の領域と、点Ｆｏ２～点Ｆｏ３、点Ｆｉ２～点Ｆｉ３、点Ｏｏ２～点Ｏｏ３、点Ｏｉ２～点Ｏｉ３の領域のそれぞれの扁平形状の扁平率を、それぞれ独立して設定することができる。

また、ξを変更した場合は、扁平方向が変化する。例えば、ξが０の場合には左右方向に延びた扁平形状となり、ξがπ／４の場合には、右上から左下に延びた扁平形状となり、ξが３π／４の場合には、左上から右下に延びた扁平形状となる。

本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、α１およびα２の値によって、各扁平形状のそれぞれの扁平率および歯厚を任意に設定することが可能となる。よって、過圧縮リリーフポート１ｄの設置スペースに合わせてα１およびα２を設定することで、過圧縮リリーフポート径を大きく設定できる。あるいは、過剰な強度を有することで吸入容積を圧迫している歯厚を縮小することで、吸入容積の拡大および組み込み容積比の拡大を実現することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、基礎円半径ａ（θ）の他の関数式について説明する。以下、実施の形態３が実施の形態１と異なる構成を中心に説明するものとし、実施の形態３で説明されない構成は実施の形態１と同様である。

図１２は、実施の形態３に係るスクロール圧縮機における渦巻体の外向面の基礎円半径ａ（θ）に関する特性を示す図である。図１２（ａ）～図１２（ｄ）は、順に、基礎円半径ａ（θ）の関数式を、上記実施の形態１で示した式（３）と、以下の式（４）～式（６）とした場合に対応している。図１２の縦軸は、基準半径ａ_０に対する基礎円半径ａ（θ）の比率を示している。図１２の横軸は、伸開角θ［ｒａｄ］を示している。また、図１２の（ａ）～（ｄ）のいずれも、α１＝０．１、α２＝０、Ｎ＝１、ξ＝０としている。

基礎円半径ａ（θ）には、実施の形態１で示した式（３）の他に、式（４）～式（６）を用いることができる。基礎円半径ａ（θ）を式（３）～式（６）のように変更することで、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂの輪郭を任意に設定することが可能となる。

実施の形態１～実施の形態３においては、密閉容器１００の内部が低圧冷媒で満たされる低圧シェル型のスクロール圧縮機について示したが、密閉容器１００の内部が高圧冷媒で満たされる高圧シェル型のスクロール圧縮機とした場合でも、同様の効果が得られる。

１ 固定スクロール、１ａ 固定台板、１ｂ 固定渦巻体、１ｂａ 外向面、１ｂｂ 内向面、１ｃ 吐出口、１ｄ 過圧縮リリーフポート、２ 揺動スクロール、２ａ 揺動台板、２ｂ 揺動渦巻体、２ｂａ 外向面、２ｂｂ 内向面、２ｃ 揺動軸受、５ バランスウェイト付スライダー、６ 回転軸、６ａ 偏心軸部、６ｂ 主軸部、６ｃ 副軸部、７ フレーム、７ａ 主軸受、７ｂ ボス部、７ｃ 導入流路、８ 圧縮機構部、９ サブフレーム、９ａ サブフレームホルダ、１０ 副軸受、１０ａ 吐出バルブ、１０ｂ 過圧縮リリーフバルブ、１３ スリーブ、１４ オルダムリング、１４ａ キー部、３０ 伸開線、３２ 円、３３ 外側包絡線（曲線）、６０ 第１バランスウェイト、６１ 第２バランスウェイト、７０ 圧縮室、７１ 第１空間、７２ 第２空間、７２ａ 吸入空間、７３ 第３空間、１００ 密閉容器、１００ａ 油溜め部、１０１ 吸入管、１０２ 吐出管、１１０ 電動機構部、１１０ａ 電動機固定子、１１０ｂ 電動機回転子、１１１ ポンプ要素。

Claims (4)

1. 固定台板に固定渦巻体が形成された固定スクロールと、揺動台板に揺動渦巻体が形成された揺動スクロールとを備え、前記固定渦巻体と前記揺動渦巻体とが噛み合うことで形成される圧縮室内で冷媒を圧縮するスクロール圧縮機において、
   前記固定渦巻体および前記揺動渦巻体のそれぞれの外側曲線および内側曲線のいずれか一方のみを、基礎円の伸開線である曲線であって、ｘ、ｙ座標系において伸開角θを用いて式（１）および式（２）で定義される曲線とし、
   前記式（１）および前記式（２）における前記基礎円の半径である基礎円半径ａ（θ）が、「伸開角θに対してπ［ｒａｄ］を１周期とした正弦波状または余弦波状に変化する関数」と「伸開角θに応じて値が切り替わる階段関数で表される係数」との積の項を有し、
   前記固定渦巻体および前記揺動渦巻体のいずれにおいても、前記外側曲線で特定される外向面と前記内側曲線で特定される内向面とでは、前記階段関数において前記値が切り替わる前記伸開角θがπ［ｒａｄ］ずれているスクロール圧縮機。
   

   

   
2. 前記基礎円半径ａ（θ）が、式（３）～式（６）のいずれかの式で与えられる請求項１記載のスクロール圧縮機。
   ここで、ａ_０は、基準となる基礎円半径であり、α（θ）は前記階段関数であり、Ｎは１以上の自然数であり、ξは定数［ｒａｄ］である。
   

   

   

   

   
3. 前記式（１）および前記式（２）で定義された曲線が前記外側曲線であるとき、前記固定渦巻体および前記揺動渦巻体のそれぞれの前記内側曲線は、前記外側曲線を前記基礎円の中心を基準としてπ［ｒａｄ］回転させた曲線上に中心を有する、半径が前記揺動スクロールの揺動半径と等しい円群の外側包絡線であり、
   前記式（１）および前記式（２）で定義された曲線が前記内側曲線であるとき、前記固定渦巻体および前記揺動渦巻体のそれぞれの前記外側曲線は、前記内側曲線を前記基礎円の中心を基準としてπ［ｒａｄ］回転させた曲線上に中心を有する、半径が前記揺動スクロールの前記揺動半径と等しい円群の内側包絡線とする請求項１または請求項２記載のスクロール圧縮機。
4. 前記揺動台板は、外形形状が扁平形状である請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。

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