JPH0263117B2

JPH0263117B2 -

Info

Publication number: JPH0263117B2
Application number: JP58048183A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Morishita; Tsutomu Inaba; Toshuki Nakamura; Tadashi Kimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-03-22
Filing date: 1983-03-22
Publication date: 1990-12-27
Also published as: EP0126238B1; EP0126238A1; DE3479146D1; JPS59173587A; KR860001680Y1; US4585402A

Description

【発明の詳細な説明】この発明はスクロール形流体機株に関するもで
ある。

この発明の説明に入る前に、スクロール形流体
機械の原理について簡単に述べる。

第１図はスクロール形流体機械の一つの応用で
あるスクロール圧縮機の基本的な構成要素と圧縮
原理を示しており、第１図ａ，ｂ，ｃ，ｄ中、１
は固定スクロール、２は揺動スクロール、５は固
定スクロール１と揺動スクロール２との間隙から
なる圧縮室、６は吸入室、８は最内周に形成され
た吐出室である。また、ｏは固定スクロール１の
中心、o′は揺動スクロール上の定点である。固定
スクロール１および揺動スクロール２は、通常は
同一形状で巻方向が互に反対の渦巻を有し、これ
らの渦巻の形体はインボリユートあるいは円弧な
どを組合せたものであり、両渦巻間は圧縮室５が
形成される。

次に、動作について説明する。第１図におい
て、固定スクロール１は空間に対して静止してお
り、揺動スクロール２は固定スクロール１と図の
ように組合わされ、その姿勢を空間に対して変化
させないで、すなわち、自転運動をせずに、固定
スクロール１の中心ｏの回りを回転運動する揺動
運動を行い、第１図ａ，ｂ，ｃ，ｄの位置に示す
ように運動する。このような揺動スクロール２の
運動に伴い、圧縮室５は順次その容積を減じ、吸
入室６から圧縮室５に取込まれた流体、例えば気
体は固定スクロール１の中央部の吐出室８′に圧
縮されて吐出孔８から吐出される。

この間第１図Ｏ〜O′の距離は一定に保持され
ており、渦巻の間隔をｐ、厚みをｔで表わせば
（クランク半径）OO′＝ｐ／２−ｔとなつてる。Ｐは渦巻のピツチに相当している。

スクロール圧縮機の名前で知られる装置の概略
は以上のようである。

次に、従来例のスクロール圧縮機の具体的な構
成、動作を第２図および第３図により説明する。

第２図は、スクロール圧縮機を例えば冷凍また
は空調あるいは空気圧縮機に応用しようとする場
合の具体的な実施例であつて、フロンなどのガス
体の圧縮機として構成したものである。第２図に
おいて、１は固定スクロール、１ａは固定スクロ
ール１の台板であつて、後述するシエルの一部を
兼ねている。２は揺動スクロール、３は揺動スク
ロール２の台板、４は揺動スクロール軸、５は圧
縮室、６は圧縮室５の吸入室、７は吸入孔、８は
吐出孔、８′は吐出室、９は揺動スクロール２の
台板３背面を支承するスラスト軸受、１０は固定
スクロール１とボルトなどで固定された軸受支
え、１１は揺動スクロール１の自転を防止しこれ
を揺動させるためのオルダム継手、１２は揺動ス
クロール２の台板３と軸受支え１０の間に形成さ
れたオルダム室、１３は軸受支え１０にあけられ
てオルダム室１２と後述する電動機室を連絡する
返油孔、１４は揺動スクロール軸４すなわち揺動
スクロール２を揺動させるクランク軸、１５はク
ランク軸１４内に偏心してあけられた油孔、１６
はクランク軸１４に偏心して設けられて揺動スク
ロール軸４と嵌合する揺動軸受、１７はクランク
軸１４上部と嵌合する主軸受、１８はクランク軸
１４下部と嵌合する電動機側軸受、１９は電動機
ステータ、２０は電動機ロータ、２１は電動機ロ
ータ２０上部のクランク軸１４に固定された第１
バランサ、２２は電動機ロータ２０の下端に固定
された第２バランサ、２３は固定スクロール１、
軸支え１０、電動機ステータ１９、および電動機
側軸受１８を固定して圧縮機全体を密封するシエ
ル、２４はシエル２３底部の油溜された油、２５
は電動機ステータ１９および電動機ローク２０な
どを収容した電動機室である。

このように構成されたスクロール圧縮機の動作
を説明する。電動機ステータ１９に通電すると、
電動機ロータ２０はトルクを発生してクランク軸
１４と共に回転する。クランク軸１４が回転を始
めると、クランク軸１４に偏心して設けた揺動軸
受１６に嵌合されている揺動スクロール軸４に回
転力が伝えられ、揺動スクロール２はオルダム継
手１１にガイドされて揺動運動を行い、第１図
ａ，ｂ，ｃ，ｄに示す上述したような圧縮作用を
行う。

気体は、吸入孔７から揺動スクロール２外周部
の吸入室６に吸入されて圧縮室５内に取込まれ、
クランク軸１４の回転と共に順次内側に送込まれ
て固定スクロールの中央部に設けた吐出孔８から
吐出される。なお、クランク軸１４の回転に伴う
揺動スクロール２の揺動運動は圧縮機全体に不釣
合力による振動を引起そうとするが、第１バラン
サ２１と第２バランサ２２で静的および動的にク
ランク軸１４回りの釣合をとることができ、異常
な振動を生ずることなく、圧縮機を運転できる。

また、第３図は第２図の部分詳細図である。第
３図ａはガス圧縮が行われず揺動スクロール軸４
が揺動スクロール２と台板３などの遠心力のみに
より揺動軸受１６方向へ押付けられた状態の揺動
スクロール軸４、クランク軸１４および渦巻の一
部の軸方向断面図であり、第３図ｂは第３図ａの
部分横断面図である。これらの図において、o₁は
主軸受１７の軸心、o₂はクランク軸１４の軸心
（回転中心）o₃は揺動軸受１６の軸心、o₄は揺動
スクロール軸４の軸心（中心）、Fcは揺動スクロ
ール２と台板３などの主として遠心力（半径方向
負荷）、ｒは揺動軸受１６のクランク軸１４に対
する偏心量、d₁は揺動軸受１６の軸受隙間、d₂は
主軸受１７の軸受隙間、Ｂは固定スクロール１の
渦巻間の溝幅、Ｄは揺動スクロール２の実際の揺
動幅、t₁は揺動スクロール２の渦巻の板厚、ｃお
よびc₁は固定スクロール１および揺動スクロール
２の渦巻間に形成される半径方向隙間であり、一
般にはｃ＝c₁である。

そして、上述のような従来のスクロール圧縮機
では、揺動スクロール２の実際の揺動幅Ｄは次の
ようになる。

Ｄ＝２（ｒ＋d₁／２＋d₂／２）t₁ ＝2r＋t₁＋d₁＋d₂ ……(1) したがつて、固定スクロール１と揺動スクロー
ル２の渦巻間の半径方向隙間Ｃは、Ｃ＝（Ｂ−Ｄ）／２＝｛Ｂ−（2r＋t₁＋d₁＋d₂）｝／２＝｛（Ｂ−2r−t₁）−（d₁＋d₂）｝／２ ……(2) となる。従来のスクロール圧縮機では、上記(2)式
の（Ｂ−2r−t₁）が（d₁＋d₂）より大きくなるよ
うに設定しており、このため、固定スクロール１
と揺動スクロール２の渦巻間には常に半径方向隙
間Ｃが形成されている。しかし、第４図に示すよ
うに、一般的な運転状態では、揺動スクロール軸
４に対して主として遠心力Fcの他にこれと直角
方向のガス圧縮負加Fgが作用するために、これ
らの合力Ｆは第４図に示す方向に作用することに
なり、揺動スクロール軸４は合力Ｆの方向へ押付
けられる。したがつて、このような状態での固定
スクロール１と揺動スクロール２の渦巻間の半径
方向隙間C′は遠心力Fcのみが作用する場合の半
径方向隙間Ｃよりさらに大きくなる。このよう
に、渦巻間の半径方向隙間ＣあるいはC′が存在す
ると、スクロール圧縮機の運転中に固定スクロー
ル１と揺動スクロール２の渦巻の接触は起り得
ず、したがつて渦巻の側面が摩耗するという問題
はないが、圧縮室５の半径方向隙間のシールを行
いにくく、上記半径方向隙間ＣあるいはC′を通じ
て圧縮室５のガスが吸入側へ漏れしまうことが多
かつた。圧縮室５内部のガスが下流側へ漏れる
と、最終的に吐出孔８から吐出されるガス量が減
少きて体積効率が低下し、また漏れたガスを再度
圧縮することになり、電動機の入力が増加し、成
績係数が低下するとう欠点があつた。

また、上述の欠点を解消するために上記(2)式の
（Ｂ−2r−ｔ）より（d₁＋d₂）を大きく設定する
という手段も半径方向隙間のシール方法として有
効であるが、実際の溝幅Ｂ、偏心量ｒおよび板厚
t₁には加工精度のばらつきがあるため上記（Ｂ−
2r−ｔ）の値は各々のばらつきを加算したばらつ
きを示し、従つてどのようなクランク軸回転位置
においても常に（Ｂ−2r−t₁）より（d₁＋d₂）を
大きくするには軸受隙間d₁およびd₂を充分大きく
設定する必要がある。しかるに、一般に軸受隙間
はその本来の目的である潤滑機能を充分果たすた
めには最適な値があり、必要以上に軸受隙間を大
きくすると潤滑機能を損うことになる。従つて上
記溝幅Ｂ、偏心量ｒおよび板厚t₁の加工精度を非
常に高くする必要があつた。さらに、固定スクロ
ール１の中心₀と主軸受１７の軸心o₁が何らかの
理由でずれた場合、第３図ａに示す隙間ｃとc₁は
等しくなくなり、極端な場合いずれか一方のみが
大きくなつてしまい、上記の隙間d₁，d₂ではこの
隙間ｃおよびc₁を常にｏすることができないこと
になる。

従つて主軸受１７の軸心o₁に対する固定スクロ
ール１の組立精度も充分高く設定しなければなら
なかつた。

このような欠点を解決した従来例の著名なもの
は特開昭56−129791に見られ、揺動スクロールの
遠心力に平衡するバランスウエイトを設けた上で
圧縮負荷の分力を利用して半続方向密封を実現し
ていた。

しかし、これは揺動スクロールの遠心力に対す
る平衡おもりを設ける必要があり、揺動スクロー
ルの背部にそのためのスペースが必要となり、ス
ラスト軸受の配置等に困難を生ずる場合があつ
た。

この発明は上記のような欠点を解消するために
なされためもので、揺動スクロールを揺動するク
ランク機構して、クランク軸を有し、このクラン
ク軸に対して回動し得る偏心リングを介して揺動
スクロール軸を揺動させ、クランク軸の回転中心
と偏心リングの回動中心との間であつてこれら両
中心を結ぶ直線上に揺動スクロール軸の中心を配
置した状態において、クランク軸の回転中心と揺
動スクロール軸の中心との距離がクランク半径に
等しくなるクランク機構を備えたことにより、従
来のように揺動スクロールに係合する平衡おもり
やバネを設けなくても、半径方向（主として揺動
スクロールの回転に伴う遠心力）に影響されるこ
とが少ないもので、揺動スクロール２の実際の揺
動幅Ｄが変化できスクロール形流体機械の半径方
向密封を実現でき、結果的に体積効率および成積
係数を向上させたスクロール形流体機械を提供す
ることを目的としている。

以下この発明の一実施例をスクロール圧縮機の
場合について図面と共に説明する。第５図〜第７
図において、２６はクランク軸１４に所定量だけ
偏心して設けられた偏心穴、２７は第６図に示す
ように偏心穴２６に嵌入されたいわゆる軸受材で
できた偏心リングで、クランク軸１４に対して回
動可能である。２８は偏心リングにその回動中心
o₅と所定量だけ偏心して設けられた揺動軸受で、
この軸受に、第７図のように揺動スクロール軸４
が嵌入されている。第５図ａで、o₁は主軸受１７
の軸心（中心）であるが、クランク軸１４の回転
中心o₂と近似している。o₄は揺動軸受２８あるい
は揺動スクロール軸４の中心、o₅は偏心リング２
７の回動中心あるいは偏心穴２６の中心、Ｒは
o₁，o₂とo₄の距離、すなわちクラン半径に相当す
る長さ又は揺動スクロール軸の偏心量、ｅはo₄と
o₅の距離である。

なお第５図ａ，ｂにおいて主軸受１７とクラン
ク軸１４の間、偏心穴２６と偏心リング２７の
間、および揺動軸受２８と揺動スクロール軸４の
間には各々軸受隙間が存在するが、特に必要ない
ので図示は省略する。又上記クランク半径Ｒは正
確には、各々の軸受隙間の１／２が加わるが、微小であるので無視する。

偏心リング２７はo₅の回りに回動自在であつ
て、その回動は偏心穴２６によつてガイドされて
いる。偏心リング２７のo₅の回りの回動により、
o₂〜o₄（＝Ｒ）の距離は増大し得るようになつて
いる。

この実施例のようにこの発明は、クランク軸１
４に対して偏心リング２７が回動することにより
揺動する揺動スクロール軸４を設け、クランク軸
１４の回転中心o₂と偏心リング２７の回動中心o₅
との間であつてこれら両中心o₂，o₅を結ぶ直線上
に揺動スクロール軸４の中心o₄を配置した状態に
おいて、クランク軸１４の回動中心o₂と揺動スク
ロール軸４の中心o₄との距離がクランク半径に等
しくなるクランク機構を備えている。すなわち、
クランク軸１４の回転中心o₂と揺動スクロール軸
４の中心o₄と偏心リング２７の回動中心o₅がこの
順序に一直線上に配置したときに、クランク軸１
４の回転中心o₂と揺動スクロール軸４の中心o₄と
の距離o₂o⁴が実質的にクランク半径に等しくなる
ように構成されている。このような構成のものに
おいて、スクロール圧縮機を運転すると、第１図
に示されるような原理で圧縮を行ない、第７図に
示された揺動スクロール軸４から偏心リング２７
に運転を伴なう負荷が伝達され、その負荷状態
は、第８図に示す。圧縮に伴う負荷は２つの成分
を有し、その１つは半径方向負荷（主として遠心
力）Fc、他の１つは、これと直角方向のガス圧
縮負荷Fgである。これらの力の作用状態は第８
図に示しており、揺動スクロール軸４の中心o₄に
作用している。

偏心リング２７の回動中心はo₅であるから、ガ
ス圧縮負荷Fgはo₅のまわりにモーメントを発生
し、偏心リング２７はo₅のまわりに回転しようと
する。偏心リング２７がo₅のまわりに回転すると
クランク半径に相当する長さo₂o₄の距離は増大す
ることは幾何学的関係より容易に理解される。ク
ランク半径に相当するo₂o₄の距離が増大すれば、
第８図に示された固定スクロール１の歯と揺動ス
クロール２の歯の微小な隙間εは小さくなり、つ
いにはε＝ｏとなる。通常εは10μmの数倍程度
である。

スクロール歯の形状として、円のインボリユー
トを用いれば、第８図に示された渦巻体の半径方
向隙間が最小となる位置は、インボリユート基礎
円半径ａの距離だけFcの作用線から離れ、Fcに
平行な直線上に数点ならんでいる。

第９図には、偏心リング２７が、ガス圧縮負荷
Fgのために小角△θだけ回転した状態が示され
ておりこの状態では、固定スクロール１の歯と揺
動スクロール２の歯は接触している。△θの小回
転より揺動スクロール軸４の中心はo₄からo₄′に
小移動しo₂o₄′＞o²o⁴となつている。第９図で分
るようにFgが、偏心リング２７の回動中心o₅の
まわりに発生するモーメントにより、クランク半
径に相当する長さo₂o₄がo₂o₄′（実際のクランク半
径）まで増大して、固定スクロール１の歯１１に
揺動スクロール２の歯が接触するのである。

第９図の状態ではo₅のまわりのモーメントの釣
合より Fg・ｅ≒Ｆ・ａ（∵△θは小）したがつて揺動スクロール２と固定スクロール１
との接触力ｆはｆ＝ｅ／ａ・Fg で与えられる。第９図から理解されるようにFc
もo₅のまわりにモーメントを発生し得るが、△θ
が小がある場合は無視できる。△θが小さいた
め、ほとんど第８図のような状態で揺動スクロー
ル２と固定スクロール１とが接触することが可能
である。

したがつて接触力ｆは遠心力Fcにほとんど関
係なくなりガス圧縮負荷Fgだけの関数となる。
一方スクロール圧縮機の回転数が増加すると遠心
力Fcが増加するが、ガス圧縮負荷Fgは変化せず
圧縮条件に依存しているだけであるので、スクロ
ール圧縮機の回転数の可変に対して、接触力ｆを
ほとんど一定に保つことができる。

このようにスクロール圧縮機の運転中に発生す
る遠心力に対して直角方向に作用する力（例えば
ガス圧縮負荷Fg）を利用して（遠心力にほとん
ど影響されずに）揺動スクロール２と固定スクロ
ール１との半径方向隙間を密封している。従つて
圧縮室５からのガスの漏れが減少するため体積効
率が増加し、しかも漏れたガスを再度圧縮するこ
とによる電動機入力の増加も減少するため、成績
係数も大巾に向上する。クランク半径が変化でき
るので、一般的な加工および組立のばらつきをカ
バーするには充分な大きさを得ることができ、従
つて溝幅Ｂ、偏心穴の偏心量、板厚ｔ等の加工精
度は高くなくてよく、また固定スクロール１の組
立精度も高くする必要がない。

また前述したように偏心リング２７を軸受部材
としたことにより、偏心穴２６の内径および揺動
軸受２８の内径に軸受メタル等を使用する必要が
なく、構造が極めて簡単である。

数値的例として、クランク半径に相当する長さ
o₂o₄が５mmで、ｅ＝１mmの場合実際のクランク半
径o₂o₄′はo₂o₄よりε大きくなり、εは50μm程度
である。しかし組立を簡単にするためにクランク
半径に相当する長さo₂o₄を例えば５mmより0.1mm
程度小さくすることは実際上効果のあることで、
その場合、遠心力の影響はすこし現われるが実質
上問題ない。

以上の実施例では、偏心リング２７は偏心穴２
６に嵌合しているが、第１０図に示すように、ク
ランク軸１４に偏心して設けた偏心突起２９に偏
心リング２７の偏心孔３０を嵌合させ、この偏心
リング２７の外周３１に揺動スクロール２の軸４
における軸穴３２を嵌合されてもよい。さらに第
１１図に示すように、クランク軸１４に偏心して
設けた軸３３に回動可能に偏心リング２７を嵌合
させ、偏心リング２７に設けた揺動軸受２８に揺
動スクロール軸４を嵌合させてもよい。第１０
図、第１１図のいずれの場合でも、クランク軸１
４回転中心o₂と揺動スクロール軸４の中心o₄と偏
心リング２７の回動中心o₅がこの順序に一直線上
に配置したときに、クランク軸１４の回転中心o₂
と揺動スクロール軸４の中心o₄との距離o₂o₄が実
質的にクランク半径に等しくなるように構成され
ている。

以上説明したようにこの発明は、クランク軸を
有し、このクランク軸に対して偏心リングが回動
することにより揺動する揺動スクロール軸を設
け、クランク軸の回転中心と偏心リングの回動中
心との間であつてこれら両中心を結ぶ直線上に揺
動スクロール軸の中心を配置した状態において、
クランク軸の回転中心と揺動スクロール軸の中心
との距離がクランク半径に等しくなるクランク機
構を備えたので従来のように、揺動スクロールに
係合する平衡おもりやバネ等を設けなくとも、半
径方向力（主として揺動スクロールの回転に伴う
遠心力）に影響されることが少ないもので、平衡
おもりやバネ等の設置スペースが不要となつてス
ラスト軸受の配置等を簡単に行うことができると
共に、スクロール形流体機械の半径方向密封を実
現でき、結果的に体積効率および成績係数を向上
させたスクロール形流体機械が実現できる。

又半径方向力に影響されることが少ないため、
可変速度で運転されるスクロール形流体機械に特
に有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃ，ｄはスクロール圧縮機の互
いに異なつた作動位置を示す作動原理図、第２図
は従来のスクロール圧縮機を示す断面図、第３図
は第２図の部分拡大図、第４図は第３図と条件が
異なる場合の第２図の部分拡大図、第５図〜第７
図はこの発明の一実施例の主要部を表わすもので
第５図ａはクランク軸と揺動スクロール軸との嵌
合部の横断面図、第５図ｂはその縦断面図、第６
図はクランク軸と偏心リングとの分解斜視図、第
７図はクランク軸と揺動スクロール軸の分解斜視
図、第８図及び第９図はこの発明による半径方向
密封の動作を説明する図、第１０図及び第９図は
それぞれこの発明の他の実施例の主要部を示すも
ので、第１０図はクランク軸、偏心リング、揺動
スクロールの分解斜視図、第１１図はクランク
軸、偏心リングの斜視図である。図において、１は固定スクロール、２は揺動ス
クロール、４は揺動スクロール軸、１４はクラン
ク軸、２７は偏心リング、o₂はクランク軸の回転
中心、o₄は揺動スクロール軸の中心、o₅は偏心リ
ングの回動中心である。なお図中同一符号は同一
又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１第１渦巻を有する固定スクロール、第２渦巻
を有しこれを、固定スクロールの第１渦巻に組合
わせ、第１渦巻に対して第２渦巻を揺動させると
きに流入した流体の体積を変化させて排出させる
揺動スクロール、この揺動スクロールに第２渦巻
と反対側に設けられた揺動スクロール軸、クラン
ク軸を有し、このクランク軸に対して偏心リング
が回動することにより揺動する上記揺動スクロー
ル軸を設け、上記クランク軸の回転中心と上記偏
心リングの回動中心との間であつてこれら両中心
を結ぶ直線上に上記揺動スクロール軸の中心を配
置した状態において、上記クランク軸の回転中心
と上記揺動スクロール軸の中心との距離がクラン
ク半径に等しくなるクランク機構、及びこのクラ
ンク機構を支承する軸受を備えたスクロール形流
体機械。２クランク軸に偏心して設けた偏心穴に偏心リ
ングを回動可能に嵌合し、上記偏心リングに偏心
して設けた揺動軸受に揺動スクロール軸を嵌合さ
せた特許請求の範囲第１記載のスクロール形流体
機械。３偏心リング自体が軸受材で形成されている特
許請求の範囲第２項記載のスクロール形流体機
械。４クランク軸に偏心して設けた偏心突起が、偏
心リングに偏心して設けた偏心孔に嵌合され、上
記偏心リングの外周に揺動スクロール軸の軸穴を
嵌合させた特許請求の範囲第１項記載のスクロー
ル形流体機械。