JPH0739801B2 - スクロール流体装置用の同期・無負荷装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、たとえばポンプ、圧縮機、原動機およびエ
キスパンダーなどのスクロール流体装置に関するもので
ある。

発明の背景 スクロール流体装置という一般名称は、噛み合ったイン
ボリュート渦巻き巻き付け部を配置した周知の装置を指
すのに使用されている。この巻き付け部は、互いに対し
て軌道を描くように、曲線移動経路に沿って駆動され
て、この装置の入口部と出口部の間を半径方向に動く流
体移送室すなわち作動室を１つ以上形成する。かかるス
クロール装置は、装置構成、利用する駆動システム、ス
クロール巻き付け部とこの装置を通る流体との間で伝達
されるエネルギー特性に応じて、ポンプ、圧縮機、原動
機またはエキスパンダーとして用いられる。

スクロール装置と、その動作原理については以下の特許
に例をあげて十分に説明されている。すなわち、Niels
O.Youngに付与された米国特許第3,874,827号、Buschな
どに付与された米国特許第3,560,119号およびWeaverな
どに付与された米国特許第4,141,667号である。上記特
許の記載は、それらがスクロール流体装置の動作原理と
その代表的な構造配置を述べている限りにおいてこの明
細書で参考にされている。

同期回転（co−rotating）するスクロール巻き付け部を
利用するスクロール装置も一般的に知られている。この
スクロール装置は、軌道を描いて動く一つのスクロール
を巻き付け部とこれに対向する協動固定スクロール巻き
付け部とを用いたスクロール装置よりもすぐれている。
同期回転するスクロール流体装置においては、両スクロ
ールは、横方向に距離をおいた平行な軸の回りを回転す
るが、その回転運動は、オルダム継手と呼ばれる適切な
継手手段により、両者の相対的軌道運動に制限される。
オルダム継手は、あらゆるタイプのスクロール装置に使
用され、噛み合ったスクロール巻き付け部間の相対的回
転を防止する一方、巻き付け部が互いに相対的に軌道運
動できるようにしている。

同期回転するスクロール装置の利点は、単式の軌道運動
スクロール装置よりも高速度で作動し、装置の大きさを
最小にし、しかも作動効率を最大にするという点にあ
る。同期回転するスクロール流体装置の代表例は、Thel
enなどに付与された米国特許第4,178,143号に示されて
いる。この特許では従来のオルダム継手を、同期回転す
るスクロール間に使用して、両スクロールの回転関係を
一定に保ちながら、互いに他方にたいして相対的軌道運
動ができるようにしている。また、この特許にはトルク
を１方のスクロール巻き付け部に伝達する単一の駆動軸
が開示されているが、両スクロール巻き付け部を同時に
動かして回転させることも周知の事柄である。

巻き付け部の側面間のシール力を解除するような構成を
備えた従来型の同期回転スクロール流体装置が、Blain
に付与された米国特許第4,610,610号により開示されて
いる。また、同期回転するスクロール流体装置の作動中
に、両巻き付け部の軸間距離を調整するために、同装置
の一方の巻き付け部を他方の巻き付け部に対して運動さ
せることも、Thelenなどに付与された上記の米国特許第
4,178,143号により開示されている。さらに、スクロー
ル流体装置において、単一の軌道巻き付け部の軌道中心
を固定巻き付け部に対して横方向に運動させるという思
想を記述した典型的な従来技術が、McCulloughの米国特
許第3,994,635号に見られる。この特許には、軌道を描
くスクロール用の追従駆動装置に関する記載がある。

同期回転し軌道を描くスクロール流体装置では、典型的
な滑動リング型オルダム継手に問題が生じる。すなわ
ち、滑動リングは摩耗、振動および摩擦負荷による悪影
響を受ける。リングの滑動面どうしが摩擦するため通常
滑動が必要となる。またスクロール流体装置の高速運転
は、この型のオルダム継手の滑動面間に存在する妨害物
により制約を受けることがある。

発明の簡単な要約 この発明は、スクロール流体装置の独特な同期装置を提
供するものであり、この装置においては従来の滑動リン
グ機素は取り除かれ、スクロール巻きつき部の支持板に
取り付けられ互いに噛み合った歯と溝により回転防止機
能が働く。この歯と溝は端板に固定されるので、支持板
と共に動き、スクロール巻き付け部間の相対軌道運動に
適応しながら、巻き付け部間の相対的回転を防止する。

この発明の場合、同期装置は、円周方向に間隔をおいて
位置する環状に配列した歯からなる。これらの歯は、一
方の巻き付け部の支持板に取り付けられかつその支持板
から軸方向に延びて、他方の巻きつき部の支持板に取り
付けられた軸方向に延びる溝と噛み合って、この溝と協
動する。これらの溝は、これらの溝に対する歯側壁の最
大軌道偏位量に適応するような幅を有し、また歯と溝が
噛み合っているとき、一方の巻き付け部の他方の巻き付
け部に対する相対的な角変位を防止するとともに、一方
の巻き付け部の軌道運動を他方の巻き付け部に適合させ
るように配置されている。

歯と溝は、溝の幅が、同期回転するスクロール流体装置
の作動中に、歯の軌道運動に正しく実質的に適合すると
いう条件が維持される限りにおいて、必要に応じていく
つ設けてもよい。代表例における溝の幅は、スクロール
巻き付け部の軌道半径の３倍であり、一方の歯の幅は、
軌道半径に等しい。スクロール巻き付け部と溝内の歯が
適切に噛み合うと、スクロール巻き付け部どうしの相対
回転は生じないが、巻き付け部どうしは完全に相対的軌
道運動を行なう。

一方のスクロール巻き付け部が他方の巻き付け部に対し
て横方向運動ができるようにするには、たとえば、一方
のスクロール巻き付け部が軌道中心間距離もしくは回転
軸間距離を狭める方向に移動することができるように、
一方のスクロール巻き付け部の支持軸の軸受を調節可能
に支持すればよい。このように構成された圧縮機もしく
はポンプのようなスクロール流体装置は、スクロール巻
き付け部を互いに離して、それらの間のシール力を解除
することにより、始動時においてももしくは液体のスラ
グがある場合でも負荷を取り去ることができる。この発
明による同期カップリング装置は、一方のスクロール巻
き付け部が他方の巻き付け部に対して横方向に運動する
横方向運動に適応し、従来技術で通常使用される滑動リ
ング型同期装置を必要としない。

図面の簡単な説明 この発明の好適な実施例を概略的に示す添付図はそれぞ
れ次のものを表わしている。

第１図は、この発明を実施する同期回転スクロール流体
装置のほぼ長手方向の断面図である。

第２図は、第１図の線２−２に沿った図である。

第２図は、この発明に従う同期装置の噛み合った歯と溝
の詳細図である。

第３図は、第１図の右側から見た端面図である。

第４図は、この発明のもう一つの実施例を示したもので
ある。

また、第５図は、第４図の右側から見た側面図である。

好適な実施例の詳細な説明 添付図面に示されるように、第１図と第２図は、スクロ
ール流体装置10を概略的に示したものである。この装置
10は、閉じ込められた流体の流体室すなわち作動室を形
成する一対の噛み合ったインボリュート渦巻き巻き付け
部12、14を備えている。またこの装置10は、インボリュ
ート中心16、18を備え、これら中心16、18は一方のスク
ロール巻き付け部の他方の巻き付け部に対する軌道偏位
を決定する軌道半径に等しい距離だけ互いに離されてい
る。巻き付け部12、14は、巻き付け部支持板20、22によ
り支持されている。巻き付け部支持板20は、スピンドル
すなわち軸21により回転可能に支持され、また巻き付け
部支持板22は、軸23により支持されている。これらの巻
き付け部支持板は、それらの軸方向関係を保ちながら、
固定構造部材に対して回転するように取り付けられてい
る。この型のスクロール装置の構成とその動作原理は、
スクロール流体装置の分野では周知のものである。

本実施例におけるスクロール巻き付け部支持板20、22
は、インボリュート中心16、18を通って延びる平行な回
転軸の回りを共に同期回転できるようにそれぞれ取り付
けられている。原動機24,24aのような適切な動力源によ
り、巻き付け部支持板22、20をそれぞれ駆動し、互いに
平行でしかもインボリュート中心16、18の同心である回
転軸の回りを回転させる。本実施例には２つの原動機が
示されているが、公知の作動原に従って原動機を一つだ
け用いて一方のスクロール巻き付け部支持板を駆動しな
がら、他方のスクロール巻き付け部支持板を、噛み合っ
たスクロール巻き付け部もしくは同期装置連結部を介し
て駆動することもできることは言うまでもない。両スク
ロール巻き付け部がそのそれぞれの回転軸の回りを同期
回転すると、両スクロール巻き付け部は回転しながら互
いに他方に対して相対的な軌道運動を行う、ということ
は明白である。その場合、軌道半径は、両スクロール巻
き付け部の回転軸と両スクロール巻き付け部のそれぞれ
支持板とに対応するインボリュート中心16、18間の距離
に等しい。

巻き付け部支持板20、22は、軸21と23に係合する適当な
軸受26と28によりそれぞれの回転軸の回りを回転するよ
うに支持されている。この軸受は、スクロール流体装置
の作動条件に適するものであればどのような形状のもの
でもよい。ただし、支持軸受の一つ26は、巻き付け部支
持板20が、他方の巻き付け部支持板22に対してほぼ次の
ような方向に運動できるように配置されている。その方
向とは、インボリュート中心16、18を、インボリュート
中心間の隔りを減少する方向につなぐ線にほぼ沿った方
向である。この点については、以下で詳細に説明する。

第１図と第２図において示すスクロール流体装置は、通
常、回転スクロール巻き付け部を囲繞するガス状流体媒
体内で、高速作動する。そのため、この装置が圧縮機と
して作動するときには、流体の取入れは巻き付け部の周
辺で行なわれるから、適当な入口部30と32を設けると、
装置の運転中、巻き付け部間の吸排室（pumping chambe
rs）中に取入れ流体を十分供給することができる。圧縮
機として機能するとき、この装置の出口領域は、両巻き
付け部の間の中央領域34にある。また出口部36は、この
圧縮機の作動中に流体がスクロール装置により吸排され
るように設けられている。

勿論この技術分野においてよく知られているように、図
示したスクロール流体装置は、出口部36にある加圧流体
を領域34に導入して、ほぼ入口部30およびスクロール巻
き付け部の周辺領域に向かう方向に膨脹させるようにす
ると、エキスパンダーとして作動させることができる。
ただし、この詳細説明においては、図示したスクロール
流体装置は、圧縮機として機能するように構成されたも
のと仮定している。

この発明の同期装置の構成は、巻き付け部支持板20に取
り付けられ、この支持板20から対向する巻き付け部支持
板22へ向けて延びる軸方向に突出した歯38を環状に配列
したものからなる。これらの歯は、対向する巻き付け部
支持板22に設けられた軸方向に延びる溝40と噛み合い、
溝40のそれぞれは、歯38の軌道運動に適応する幅を有し
ている。例えば、軌道半径が0.6cmであり、歯側壁面38
a、38bが0.6cmの幅で離れていると仮定すると、溝側壁
面40a,40b間の幅は1.8cmとなる（軌道半径の３倍）。す
なわち溝40は、歯38の最大軌道偏位量に正確に適合する
ので、第２図に示すように、巻き付け部20、22間の相対
回転は歯38と溝40の相互係合により効果的に防止され
る。

また、第２図から分るように、インボリュートの中心1
6、18が同心であるなら、各歯38は、各溝40のそれぞれ
の中心にあることになる。そして、スクロール側面が互
いに接すると、インボリュート中心16と18は軌道半径ま
で互いに離されるので、対向する歯38の少くとも２つの
側面は、溝40の少くとも２つの対向側面に接近して接触
し、両スクロール巻き付け部の相対回転をいずれの方向
に対しても防止する。しかしながら、各溝40内の各歯38
の軌道運動は、第２図に明示するように、溝が歯に対し
て横方向に変位していたとしても問題なく生じうる。

スクロール巻き付け部の側面間クリアランスは、いずれ
のスクロール流体装置に対してもスクロール側面間の摩
擦を調節し、またスクロール流体装置の耐用年数を増加
させるように、予め決定しておくのが一般的である。さ
らに、潤滑を施さなくとも動作するスクロール流体装
置、たとえば高速ガス圧縮機においては、スクロール側
面間のクリアランスを小さ目に保持して、摩擦や摩耗を
防止しなければならない。スクロール側面間のクリアラ
ンスは、スクロール巻き付け部間の軌道半径を調節すれ
ば維持できる。

また、この発明による同期装置の場合も同様に、歯の壁
と溝の壁の間の摩耗を避けるために、小さいクリアラン
スで作動させることができる。クリアランスが小さいな
らば、特に高い作動速度でも、同期装置は両スクロール
の相対回転を生じさせることなく、両スクロールを適切
な位相関係に効果的に保持する。他方、インボリュート
スクロール巻き付け部を側面対側面接触させることが望
ましい場合には、同期装置の作動中に歯の側壁が溝の側
壁と接触する直前にスクロール巻き付け部が互いに接触
するように、同期装置を構成する必要がある。この発明
による同期装置を用いたスクロール流体装置の実施例に
おいては、いずれの場合でも、歯と溝の特定の接点およ
びスクロール巻き付け部の側面間クリアランスは、特定
のスクロール流体装置に関する設計パラメータに従って
調整される。いずれの場合も、溝側壁間の間隔は歯の軌
道偏位量に適応するものでなければならない。ただしこ
の発明に従って構成されたスクロール流体装置の設計パ
ラメータの範囲内で、クリアランスをわずかに調節する
ことができる。

図示したこの発明の実施例は、通常、圧縮性流体を吸込
みまた排出するが、スクロール装置を閉塞や損傷するこ
となく非圧縮性流体の吸込みも時には許容するスクロー
ル流体装置である。たとえば冷凍装置の場合、液体冷媒
のスラグが、圧縮機として働くスクロールポンプに侵入
することがある。この液体は非圧縮性であり、そのた
め、スクロール巻き付け部が液体のスラグを受け入れる
ことができるように互いに離されていないならば、ポン
プが故障するか、あるいはスクロール装置が損傷を受け
るであろう。この発明は、一方の巻き付け部支持板（こ
の場合、支持板20）用の軸受支持手段と組合せて、溝40
と協動する同期装置の歯38を利用している。このため、
支持板20および巻き付け部12は、ほぼインボリュート中
心16と18をつなぐ線に沿って、両インボリュート中心間
の距離を減少する方向に移動することができ、これによ
り両巻き付け部間の軌道半径を減少させる。第１図の調
節可能軸受支持部を第３図に示す。第３図では、巻き付
け部支持板20用の軸受支持部26には、滑動部42が備えら
れている。この滑動部42は、インボリュート中心16、18
間の距離が特定のスクロール装置について所要の軌道半
径に維持されるように、スプリング手段44により調節式
止め金具46に対して押圧されている。調節式止め金具46
は簡略図示するために軸受支持部48に係合するねじ付き
部材として示されている。この支持部48は、軸受滑動部
42をインボリュート中心16、18を接続する線に沿った方
向に直線移動できるように支持している。軸受支持部48
は、滑動部42がたとえば支持部48内の溝50によりスプリ
ング44に向かって移動できるように滑動部42を支持して
いる。好ましいのは、支持部48とトラック50が、滑動部
42と軸受26の運動を、インボリュート中心16、18の間の
軌道半径に相当する最大距離Ｄに制限することである。
中心16と18が互いに重なると、両スクロール巻き付け部
の回転により排出が行われないことは容易に見てとれ
る。この最大距離を超えて巻き付け部が運動すると、ま
た別の機械的および作動上の問題を生じることになる。
したがって、一方のスクロール巻き付け部の他方の巻き
付け部に対する運動は、軌道半径がゼロになる点を超え
ないのが好ましい。

作動中、原動機24、24aによりインボリュート巻き付け
部12、14は同期回転するので、巻き付け部の周辺領域間
で室15に閉じ込められた流体は、中央領域34に向けて送
られ、出口部36から外に排出される。噛み合った歯38と
溝40は、その所要の回転関係を維持しながら、巻き付け
部支持板20の支持板22に対する横方向の並進運動に適応
する。

巻き付け部側面に沿って巻き付け部を離そうとする力
が、噛み合ったスクロール巻き付け部12、14間に生じる
と（このような力は、たとえば室15内に非圧縮性流体が
吸込まれたときに生じるが）、両巻き付け部のこの分離
に、軸受滑動部42は適応する。つまり、滑動部42は、巻
き付け部12およびその支持板20がインボリュート中心1
6、18間の軌道半径を狭める方向に、スプリング44の押
圧力に抗して移動できるようにする。スプリング44は、
両巻き付け部を、その正規の位置に戻そうとする。その
正規位置で、所要の軌道半径が再度設定され、そして両
巻き付け部は互に係合するか、あるいはスクロール流体
装置の所要の作動パラメータによって決まる最小クリア
ランスまで相互接近する。

第２図から解るように、巻き付け部12の巻き付け部14に
対する横方向並進運動により、インボリュート中心16、
18を結ぶ線に平行に、歯38はすべて右へ直線的に並進す
る。これにより同期装置に若干のゆるみが生じ、所要の
軌道半径がスクロール巻き付け部12、14間に再度設定さ
れるまで、両巻き付け部がある限界内で少しの間相対回
転する。歯38と溝40の数を適切に選ぶことにより、この
ゆるみは、特定のスクロール流体装置に関してできるだ
け小さくすることができる。

第２図に示す歯38と溝40の数は、単に図解用にすぎず、
実際に実施する場合においては、スクロール巻き付け部
12、14間の位相関係を一層正確に維持するためにはるか
に多くの歯と溝が設けられている、ことに注意をうなが
しておきたい。

第４図と第５図に示される代替実施例では、同じ符号で
同様の構造部材を示している。巻き付け部支持板20は、
スプリング56の押圧力に抗してピボット軸54の回りを回
転しうる弓状の支持アーム52により、インボリュートの
中心16、18を接続する線にほぼ沿った方向に移動できる
ように取り付けられている。支持アーム52は、ピボット
軸60を介して構造部材を支持板58で固定するために取付
けられている。本実施例に従うと、支持板20の支持板22
に対する運動は、直線状ではなく弓状であるが、インボ
リュート中心16のインボリュート中心18に対する運動
は、実質的には両インボリュート中心を接続する様に沿
って生じる。この運動が本来の経路からそれたとして
も、同期装置の歯38と溝40が流体装置の作動中に機械的
妨害を生じることなくその運動に適応する限り何ら問題
ではない。

この明細書中に説明したこの発明の図示実施例は単に例
解的な意味しか持たず、この発明はこれら実施例の構成
に限定されるものではない、と理解すべきである。むし
ろ、この発明の範囲は、添付の請求の範囲の全範囲によ
って限定されるはずのものである。特にこの発明は、同
期回転するスクロール流体装置に関連させて記載された
が、この発明による同期装置はまたスクロール巻き付け
部の一方が対向するスクロール巻き付け部に対し軌道を
描くように動かされる軌道運動スクロール装置に使用で
きることに注意する必要がある。またこの発明は、高速
ガス流体圧縮機に関連させて説明したが、同期装置は、
同期装置の歯の側面が溝の側面と実際に係合するか否か
によって潤滑を施すかあるいは施さないようにすればど
のような環境においても動作することができる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに噛み合い軸方向に延びる少くとも一
   対のインボリュート渦巻き巻き付け部と、各巻き付け部
   に固定されてその各巻き付け部を支持する巻き付け部支
   持手段と、前記巻き付け部支持手段を取り付ける取り付
   け手段と、同期装置手段とを組み合わせて備え、 前記渦巻き巻き付け部はインボリュートの中心を有し、
   また、前記渦巻き巻き付け部間に少なくとも一つの室を
   形成し、前記室は一方の巻き付け部が他方の巻き付け部
   に対して軌道中心を中心に曲線路に沿って並進して軌道
   を描く場合に入口部と出口部との間を半径方向に運動
   し、 前記取付け手段は前記巻き付け部が軌道半径の回りに互
   いに他方に対して軌道運動できるように前記巻き付け部
   支持手段を取り付けており、 前記同期装置手段は一方の巻き付け部が他方の巻き付け
   部に対して軌道を描いて運動したとしても一方の巻き付
   け部が他方の巻き付け部に対して相対的に回転するのを
   妨げるように配されており、また前記同期装置は前記イ
   ンボリュートの中心を結ぶ線にほぼ沿って延びる方向に
   一方の巻き付け部が他方の巻き付け部に対して回転でき
   るように配されており、 前記巻付け部支持手段は一方の巻き付け部が他方の巻き
   付け部支持手段に対して、前記巻き付け部のインボリュ
   ート中心を結ぶ線にほぼ沿った方向に動きうるように配
   されており、また、前記一方の巻き付け部支持手段は通
   常、インボリュート中心間の距離が本スクロール流体装
   置の所定の軌道半径に一致するように配されており、 前記同期装置手段は一方の巻き付け部支持手段に取り付
   けられ軸方向に延びる歯と他方の巻き付け部支持手段に
   取り付けられ軸方向に延びる溝とから成り、前記歯と前
   記溝は互いに噛み合っていることを特徴とするスクロー
   ル流体装置。
2. 【請求項２】前記各歯の両側面は歯の幅だけ離れてお
   り、前記各溝の両側面は溝の幅だけ離れており、前記溝
   の幅は歯側面の最大軌道偏位量に対応し、前記歯側面と
   溝側面は、協働してスクロール支持手段の相対回転を防
   止するとともに、スクロール支持手段の相対軌道運動に
   適応することを特徴とする請求の範囲第１項記載のスク
   ロール流体装置。
3. 【請求項３】前記インボリュート中心が予め設定した軌
   道半径に相当する距離だけ通常離れるように、前記一方
   の巻き付け部支持手段に押圧力を加える押圧手段を備え
   ており、前記押圧手段は、この押圧手段の押圧力に抗し
   て、噛み合った巻き付け部を軌道半径を減少する方向に
   離すのに十分な力が前記噛み合った巻き付け部間に生じ
   ると、前記一方の巻き付け部支持手段が前記他方の巻き
   付け部支持手段に対して相対軌道運動しうるように配置
   されていることを特徴とする請求の範囲第１項もしくは
   第２項に記載のスクロール流体装置。
4. 【請求項４】前記スクロール巻き付け部が互いに同期回
   転するように取り付けられていることを特徴とする請求
   の範囲第１項、第２項もしくは第３項に記載のスクロー
   ル流体装置。
5. 【請求項５】前記スクロール巻き付け部のインボリュー
   ト中心間の最大離間距離を制限する調節式止め金具手段
   を備えていることを特徴とする請求の範囲第３項記載の
   スクロール流体装置。