JPH06159269A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】渦巻の溝幅が一定でない曲線（例えば代数螺
線）を渦巻体に持つスクロール圧縮機において、エンド
ミルの径を最小溝幅以下公転直径以上として加工を行
い、巻始め部にクリアランスボリュームを設ける。この
クリアランスボリュームの大きさは、渦巻体間に入り込
んでくる液体の容積とほぼ同じとする。 【効果】圧縮室内に液体の油が入り込んだとしても、液
圧縮と言った現象が起こらない。従って、過圧縮損失
や、過大な圧力が発生して渦巻体を破損させたり、大き
な騒音が発生することがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷蔵庫，ルームエアコ
ン等に用いられる容積形圧縮機の一種であるスクロール
圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスクロール圧縮機の例を図１４な
いし図１８で説明する。図１４は従来のインボリュート
渦巻体のかみあわせ平面図、図１５は図１４の渦巻体の
要部かみあわせ図、図１６は従来のインボリュート曲線
でクリアランスボリュームを零とする渦巻体要部の説明
図、図１７は図１５の渦巻体の要部かみあわせ図、図１
８は従来の逃げを設ける例を示す渦巻体要部の斜視図で
ある。

【０００３】従来の一般的なスクロール圧縮機は、固定
側渦巻体１ｂおよび公転側渦巻体２ｂにインボリュート
曲線を用いた場合であり、渦巻溝幅および渦巻体の厚さ
が一定である。図１４の作動図に示されるように、公転
スクロール２ｂが（１），（２），（３），（４），
（１）のように自転することなく公転運動を繰り返すこ
とにより、外側から供給された流体を両渦巻体により囲
まれた容積部Ｖ１，Ｖ２に閉じ込み、その容積を減少し
て流体を圧縮し、吐出ポート４より両渦巻体外部に吐出
する。このとき、図１５に要部の拡大図として示すよう
に、図１５（１）は図１４（３）に対応し、二つの渦巻
体１ｂ，２ｂの二つの当接点５２，５２′間に形成され
た小室５３は、さらに公転すると図１５（２）のように
なり、ここで小室５３の容積は最小となり、更に公転が
進むと二つの渦巻体は離れ、当接点５２，５２′はなく
なり、二つの渦巻体１，２間で形成されていた小室５３
はおのおの渦巻体外側に形成されている小室Ｖ１，Ｖ２
に連通する。このため、図１５（２）で表される小室５
３の最小容積中の高圧流体は、吐出ポート４より外部に
吐出されることなく、再度容積部Ｖ１，Ｖ２に連通され
てしまい、このトップクリアランスボリューム（すきま
容積）の流体に対してなされた圧縮機の仕事はそのまま
損失となる。このように、通常インボリュート曲線を渦
巻体の曲線に用いると、クリアランスボリュームが形成
される。

【０００４】このようなクリアランスボリュームがある
と圧縮機の効率が低下するため、クリアランスボリュー
ムをなくすことが望ましい。インボリュート曲線でクリ
アランスボリュームをなくすように設計する場合は、図
１６のように両渦巻体をそれぞれ外側曲線と、内方に円
弧Ｒ１を有する内側曲線と、両曲線を接続する円弧Ｒ２
とで形成するなどすれば、図１７（１）〜（５）の要部
拡大図のようにクリアランスボリュームが零となること
が知られている。

【０００５】しかし、クリアランスボリュームを全く零
にすると、公転側の渦巻体で吐出ポートを塞ぎ、吐出圧
力損失が生じるため、特開昭62−107283号公報などのよ
うに、図１８の要部斜視図に示す渦巻体の内方円弧部付
近に軸方向に延びるわずかな段付き逃げ部Ｎなどを設
け、吐出通路を確保することが知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術で
は、渦巻体にインボリュート曲線を用いた場合について
しか示されておらず、渦巻の溝幅が変化する曲線を用い
て、クリアランスボリュームを零にできる場合について
は示されていない。

【０００７】また逃げは吐出工程がスムーズになるよう
に通路を確保するようになっているのみで、冷凍・空調
用圧縮機のような通常冷媒ガスを圧縮する場合、渦巻体
間の摺動部を潤滑したり密封性を向上するために潤滑油
も一緒に用いられる。このような場合は逃げの大きさが
十分でなく、気体と一緒に液体の潤滑油を、さらに運転
条件によっては液体状態で圧縮機内に戻った液冷媒を圧
縮する場合があり、著しい吐出圧力損失の増大，渦巻体
の損傷，騒音の発生といった問題が発生する。

【０００８】さらに、逃げの加工は別工程にて行ってお
り、製作上の煩雑さを要している。

【０００９】本発明の目的は、渦巻体にインボリュート
曲線以外を用いた場合や、吐出圧力損失が問題とならな
い逃げ容積の設定，逃げの加工が簡便なスクロール圧縮
機を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、渦巻の溝幅が変化する曲線を渦巻体の曲線に用
い、渦巻体の巻始め部にクリアランスボリュームを設け
る。クリアランスボリュームの大きさは、渦巻体間に入
り込んでくる液体の容積とほぼ同じとする。また、渦巻
体の加工に用いるエンドミルの径を公転直径以上，渦巻
体の最小溝幅以下として加工を行う。

【００１１】

【作用】潤滑油，液冷媒を圧縮しようとしても、液体の
容積分のクリアランスボリュームを形成してあるため、
いわゆる液圧縮と言った現象は起こらない。従って、過
大な圧力が発生して、大きな吐出圧力損失，渦巻体の破
損，大きな騒音を生じることがない。

【００１２】加工時のエンドミルの径を公転直径以上と
すれば、エンドミルの移動範囲を調整するだけで、渦巻
き体の加工と同時にクリアランスボリュームを設けるこ
とができる。またエンドミルの径を渦巻体の溝幅の最小
値以下とすれば、１本の刃物で渦巻体の仕上げ加工がで
きるため精度良く加工できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図１２に
よって説明する。図１は本発明における１実施例の渦巻
体の平面図、図２は図１の渦巻体の加工方法の説明図、
図３は本発明における他の実施例の渦巻体の平面図、図
４は本発明の１応用例を示す圧縮機の縦断面図、図５は
本発明の１実施例のスクロール圧縮機構部の縦断面図、
図６は図５のＩ−Ｉ断面を表す渦巻部の平面図、図７は
代数螺線を用いたときの渦巻体の１例の平面図、図８は
代数螺線を用いたときの渦巻体の説明図、図９は図７の
渦巻体の要部かみあわせ図、図１０は代数螺線を用いた
他の１構成例の渦巻体平面図、図１１は図１０の渦巻体
の要部かみあわせ図、図１２は指数ｋを変えたときの代
数螺線を用いた渦巻体平面図、図１３は本発明のスクロ
ール圧縮機を冷凍サイクルに応用した１実施例である。

【００１４】図５は本発明の１実施例を示すスクロール
圧縮機の圧縮要素部の縦断面図、図６は図５のＩ−Ｉ断
面を表す渦巻部平面図である。固定スクロール部材１
は、端板１ａと、これに直立している渦巻体１ｂとか
ら、また公転スクロール部材２も同様に、端板２ａと、
渦巻体２ｂとさらに背面に突出したピン部２ｃからな
る。両スクロール部材１，２は渦巻体１ｂ，２ｂを互い
に内側にしてかみ合い、渦巻体がそれぞれ接して密閉容
積部Ｖ１，Ｖ２等を形成する。

【００１５】固定スクロール部材１の端板１ａの中心部
に吐出ポート４が、外周部には吸入ポート３が設けられ
ている。フレーム５は固定スクロール部材１の端板外周
部にボルト（図示せず）によって固定されている。クラ
ンク軸６はフレーム５に設けられた軸受部７により支持
される。クランク軸６にはバランスウエイト９，頭部に
は軸心Ｏｓから公転半径εだけ偏心した位置を中心にボ
ス孔１０が形成されている。このボス孔１０に旋回スク
ロールピン部２ｃがはめ込まれている。公転スクロール
部材２の自転防止としては、オルダムリング１２を用い
ている。

【００１６】電動機等によりクランク軸６を回転させる
と、スクロール部材２は固定スクロール部材１に対して
姿勢を変えずに（見かけ上自転しない）公転運動する。
このとき、両渦巻は互いに接触を保ちながら接点が内周
側に移動する。この結果、密閉容積部Ｖ１，Ｖ２は徐々
に中心に向かって、容積を減少する。よって、吸入ポー
ト３から流入し閉じ込められた流体は圧縮され、吐出ポ
ート４から吐出される。ここで、公転スクロールを回転
させようとする接線方向の流体力（クランク軸回転に必
要なトルク）は、圧縮が進むにつれて徐々に増加する。
スクロール圧縮機の場合、渦巻体の巻数により、レシプ
ロ形やロータリ形圧縮機に比べ、吸い込みから吐出まで
の時間を長くでき、しかも連続的に圧縮するため、公転
スクロールを駆動するトルクの変動幅を小さくできる。
このことから、スクロール形は、他の形式に比べ振動が
小さいというメリットがある。

【００１７】渦巻体の渦曲線には、溝幅，渦巻体の厚さ
が一定とならない曲線を用いている。この場合は渦曲線
に代数螺線と包絡線を用いている。代数螺線は極座標
（動径ｒ，偏角θ）表示にて、ａ，ｋを係数（これらは
θの関数などとしてもよい）として次式で表される。

【００１８】

【数１】

【００１９】代数螺線，包絡線の選び方は色々あるが渦
巻体の一例を図７に示す。図８は渦巻体の説明図であ
り、図９は渦巻体のかみあわせ要部図である。渦巻体の
外側曲線Ｃｏ（Ａ，実線）を代数螺線とする。渦巻体の
内側曲線には、外側曲線を180度回転させた曲線（Ｂ，
１点鎖線）を半径εで公転運動させたときにできる二つ
の包絡線のうち、外側の方（Ｃ，破線）を選ぶ。この様
にすることにより公転及び固定スクロールの渦巻体の形
状を実質的に同一（固定スクロールは公転スクロールを
１８０度回転させたもの）とすることができる。なお、
インボリュート曲線のように基礎円上からでなく、代数
螺線は中心原点から渦巻が開始するため、高圧力比運転
となる冷凍用のスクロール圧縮機の渦巻体の曲線として
も適している。

【００２０】渦巻体の加工は、通常、エンドミルにてＮ
Ｃフライス加工している。本実施例の場合、公転直径と
同じカッター径を用いて、渦曲線Ｂ、および曲線Ｃを１
８０度回転させた曲線Ｄ上を移動させ、このとき、渦巻
体の始まりの点Ｐを原点Ｏを中心とする公転半径の半分
の円周上となるようにエンドミルの移動範囲を決めれ
ば、図９（１）〜（４）のかみあわせ要部拡大図のよう
にカッター径の円弧部と巻始め先端Ｐとが互いに接触
し、中心部５３の容積が零となるまで接触を保ち続け
る。このように１本のエンドミル加工で、容易にクリア
ランスボリュームを零にすることができる。ここでは、
渦巻体の外側曲線に代数螺線を選んだが、逆に図１０の
ように内側曲線Ｃｉに選ぶこともできる。この場合は先
程とちょうど逆のように構成・加工すれば良い。巻始め
部については、直線部Ｌの加工を適宜に行うことによ
り、図１１（１）〜（４）のかみあわせ図のように、最
後に直線部同士が接してクリアランスボリュームは零と
なり、その後Ｖ１，Ｖ２が連通するようにすることがで
きる。この場合、先程の図９のように巻始めの先端Ｐが
シャープエッジとならず、また渦巻体の厚みを厚く形成
しやすいというメリットもある。

【００２１】また代数螺線の特徴は、数１で、例えば指
数ｋをｋ＜１.０ の定数にすることにより、図１２
（１）〜（３）の比較に示すように、渦巻体の厚みを中
心部では厚く外周部では薄くといった、中心部の圧力差
の大きいところで必要な渦巻体の強度確保・流体の内部
漏れ低減に効果のある渦巻体を構成できる。また、１回
転中の行程容積（Ｖ１，Ｖ２の最大値の和）が同じ場
合、インボリュート曲線よりも渦巻体全体の外形寸法を
小型化できるといったメリットのある渦巻体を構成で
き、特に冷蔵庫，エアコン用といった用途のスクロール
圧縮機に適する。

【００２２】ここで、渦巻体の外側曲線に代数螺線を用
いた図７の渦巻体の加工を、渦巻体の最も狭い溝幅Ｅと
同一のカッター径のエンドミルを用いて加工した本発明
の１実施例の渦巻体を図１に示す。ここで、渦巻体の最
も狭い溝幅のエンドミルカッターを用いるのは、１本の
カッターで渦巻体の加工を行うためである。すなわち、
性能の確保（圧縮室の漏れ低減）のため、渦巻体はミク
ロンオーダの加工精度が要求され、エンドミルの取替え
などを極力なくす必要があり、また取替えの段取りもな
くすことができるといった製作上のメリットがある。図
２は図１の渦巻体を形成するためのエンドミルの移動経
路を示し、渦巻体を加工するエンドミルの径の直径で公
転させたときにできる包絡線（１点鎖線）上を移動させ
ればよい。巻始め部はエンドミルのカッター径Ｅの円弧
部が残るため、クリアランスボリュームが零となるとき
と比べて斜線部を削り落すことになる。これにより、渦
巻体の加工と同時に、巻始め部にクリアランスボリュー
ムが設けられることになる。ここでは１本のエンドミル
で渦巻体のすべてを加工できる最大径として渦巻体の最
も狭い溝幅Ｅとしたが、カッター径を公転スクロールの
公転直径２εより大きな適当な値を選ぶことにより、前
述同様にクリアランスボリュームを渦巻体の加工と同時
に設けることができ、その大きさも調整することができ
る。このとき、公転直径より太いエンドミルカッターを
用いることにより、切削加工のスピードの向上，精度向
上が図れる。また、渦巻体の溝の深溝化が可能となる。
すなわち、エンドミルにて加工可能な溝深さは、エンド
ミルの剛性の問題からカッター径の２〜３倍程度が限度
であり、特に容量の小さな冷蔵庫用のようなスクロール
圧縮機を設計する場合、公転半径は数mmに設定されるこ
とが考えられ、エンドミルカッター径を公転直径に合わ
せた場合、溝深さは１０mm前後に規制される。インボリ
ュート曲線の渦巻体を加工するのと同様に、溝幅と同じ
直径までのエンドミルを使用可能となることにより、高
さ寸法を大きくとれ渦巻体の直径寸法を抑えた設計が容
易となる。

【００２３】同様に渦巻体の内側曲線に代数螺線を用い
た図１０の渦巻体の加工を、渦巻体の最も狭い溝幅Ｅと
同一のカッター径のエンドミルを用いて加工した本発明
の他の１実施例の渦巻体を図３に示す。この場合も、巻
始め部に斜線部に示すクリアランスボリュームを形成す
る。

【００２４】なお、本加工を行う渦巻体は、公転，固定
の両方，あるいはどちらか一方だけとしてもよい。図６
は、図１の実施例の渦巻体を公転及び固定の両方のスク
ロールに用いた例である。

【００２５】図４は本発明の他の１実施例を示すヘリウ
ム冷凍機の縦断面図である。本圧縮機は、駆動用電動機
１４を密閉容器１５内に圧縮機構部と一緒に収納した、
全密閉型のスクロール圧縮機である。密閉容器内には、
摺動部を潤滑するための冷凍機油１３が封入されてい
る。ヘリウム冷凍機は高圧力比で運転されるため、吐出
温度が高くなる。これを防止するため、積極的に、容器
１５から油１３を取り出し、熱交換器１６，ファン１７
で冷却し、絞り１８で流量を調節して、行程容積の２％
程度の多量な液体の油１３を圧縮途中（Ｉ）の密閉容積
部に噴射して、温度を下げることがある。このため、潤
滑油は冷媒ガスとともに渦巻中心まで圧縮されるので、
巻始めにクリアランスボリュームを設けることが当然必
要となる。また通常のエアコン用のようなスクロール圧
縮機の場合は、ヘリウム冷凍機のような油噴射機構は付
いておらず、また渦巻体間に入り込む油量は渦巻体間の
潤滑とシールのために行程容積に対して０.１％ 程度あ
れば必要十分で、実働状態では冷媒と油の分離能力の関
係から０.５〜１％ 前後の比率で冷媒とともに循環して
いる。このように設けるべきクリアランスボリューム
は、渦巻体間に閉じ込まれる液体の容積，すなわち、潤
滑油等の容積にあわせて設定すれば、液圧縮を起こさな
い。このような場合、代数螺線の渦曲線をスクロール渦
曲線に用いれば容易にクリアランスボリュームの調整が
容易なため、有用であるといえる。

【００２６】本発明のスクロール圧縮機１９を、熱交換
器１６ａ，１６ｂ，膨張機構２１よりなる冷凍サイクル
に適用した１応用例を図１３に示す。この例は、熱交換
器１６ａを室内に、熱交換器１６ｂを室外に設置して、
四方弁２０により循環させる冷媒の方向を実線の矢印方
向（室内冷房）および破線の矢印方向（室内暖房）に任
意に切り替え可能なルームエアコンに応用した例であ
る。このように、冷蔵庫，エアコンといった冷凍・空調
用のシステムに使用することにより、効率が高く、静粛
なシステムが得られる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、潤滑油や液冷媒が渦巻
体間に入り込んだとしても、入り込む液体の容積分のク
リアランスボリュームを形成してあるため、いわゆる、
液圧縮は起こらない。従って、吐出圧力損失や、過大な
圧力による渦巻体の破損，大きな騒音の発生を防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における１実施例の渦巻体の平面図。

【図２】図１の渦巻体の加工方法の説明図。

【図３】本発明における他の実施例の渦巻体の平面図。

【図４】本発明の１応用例を示す圧縮機の縦断面図。

【図５】本発明の１実施例のスクロール圧縮機構部の縦
断面図。

【図６】図５のＩ−Ｉ断面を表す渦巻部の平面図。

【図７】代数螺線を用いたときの渦巻体の１例の平面
図。

【図８】代数螺線を用いたときの渦巻体の説明図。

【図９】図７の渦巻体の要部かみあわせ説明図。

【図１０】代数螺線を用いた他の１構成例の渦巻体の平
面図。

【図１１】図１０の渦巻体の要部かみあわせ説明図。

【図１２】指数ｋを変えたときの代数螺線を用いた渦巻
体の平面図。

【図１３】本発明のスクロール圧縮機を冷凍サイクルに
応用した１実施例の説明図。

【図１４】従来のインボリュート渦巻体のかみあわせ平
面図。

【図１５】図１３の渦巻体の要部かみあわせの説明図。

【図１６】従来のインボリュート曲線でクリアランスボ
リュームを零とする渦巻体の要部の説明図。

【図１７】図１４の渦巻体の要部かみあわせ説明図。

【図１８】従来の逃げを設ける例を示す渦巻体要部の斜
視図。

【符号の説明】

１…固定スクロール、２…旋回スクロール、１ｂ，２ｂ
…渦巻体、３…吸入ポート、４…吐出ポート、５…フレ
ーム、６…クランク軸、１３…潤滑油、１４…電動機、
１５…密閉容器、１６…熱交換器、２１…膨張機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溝幅が一様でない渦巻体をもつ固定スクロ
   ール及び公転スクロールを互いにかみあわせ、公転スク
   ロールを前記固定スクロールに対して公転するようにし
   たスクロール圧縮機において、前記渦巻体の巻始め部に
   クリアランスボリュームを形成したことを特徴とするス
   クロール圧縮機。