JPS6170194A - スクロ−ル流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、２つの渦巻状ラップによって密閉空間を形成
するスクロール流体機械に係り、特に吸入圧力が大気圧
以下で動作するスクロール形真空ポンプに関するもので
ある。

〔発明の背景〕

スクロール流体機械を真空ポンプとして利用する場合の
公知の実施例は、特開昭４８−５０１１に開示されてい
る。これは、オイルフリー形の真空ポンプを提供するも
のであって、スクロールラップ間に構成される作動室内
にオイルの混入を防止するため該作動室と外部空間とを
ベローズによって隔絶した構成となっている。そして旋
回スクロールの反ラツプ側空間はスクロール部材の強制
冷却手段が設けられていて実施例では大気圧程度の圧力
となっている。この従来例における問題点は真空ポンプ
用として作動したとき、仮に吐出圧力を大気圧としてみ
た場合、両スクロールラップ内の圧縮ガスによって両ス
クロール部材が離反するが如く作用するスラスト力より
も、Ｕ回スクロールの反ラツプ側空間の圧力による反ス
ラスト力が圧倒的に大きく、その結果一方（固定あるい
は、旋回側）のラップ先端が他方のラップ端板面に強く
当りながら運動することになる。しかもラップ先端の面
積は、鏡板部面積よりも十分小さいためその接触面圧が
大きくなりがちである。ここで摩擦あるいは摺動性能の
評価規準となる面圧Ｐと摺動速度Ｖの積について考えて
みると、一般にＰｖ値を大きくして運動させることは好
ましくなく、開示特許のようにラップ部分に油の混在し
ないオイルフリー状態ではさらにＰｖ値を十分に小さく
しなくてはならない、いずれにしてもスクロール流体機
械においてはラップ先端面に大きなスラスト力が作用す
るのは、長期にわたる適正ギャップの維持や、摺動に対
する信頼性の確保の面で基本的な問題点が残る。

さらに従来例における他の問題は、オイルフリー化のた
めと、高い真空度を得るための技術として作動流体の流
れる通路をベローズを用いて外部との隔絶を図っている
。このベローズは一端を旋回スクロールの鏡板面に固定
し、他端を同定ケーシングに固定した構成となっている
。かかる構成において旋回スクロールは文字通り一定半
径を保って旋回運動がなされる訳であるが、ベローズが
この運動を吸収しその機能を十分に発揮するには、非常
に長いベローズで雄なくてはならず、その結果、ポンプ
全体の形状も大きくなってしまう欠点があった。また高
い真空度を得るためには該部品そのものにもピンホール
等の欠陥があってはならない、しかし、ベローズは、固
定端近傍では、旋回運動に伴ってベローズ自身の遠心力
が作用する。

しかもこの運動は高速度で行われるため遠心力も大きく
なり、さらにくり返し荷重となるので、長期に渡って欠
陥の発生を抑制するのは困難であり、よって真空ポンプ
としての機能も短時間であり、実用的には不向きとなる
欠点を有している。

また、他の公知例としては、特開昭５３−１１９４１２
がある。この技術は、旋回スクロールの鏡板部に圧縮途
中のガス圧を旋回スクロール背部の空間に導入するため
の流路を設けたものである。そしてこの結果、旋回スク
ロール背部の空間には、吸入圧と吐出圧の中間の圧力が
作用し、この結果旋回スクロールは作動室のガス圧によ
る全スラスト力よりも背部のガス圧によるスラスト力妾
号令勝る鳶 ため、旋回スクロールは刹干ながらも固定スクロール側
に押し付けられている。これは、旋回スクロール運動の
安定性を確保するたｔ衰術であると考えられるが、この
技術は、作動室内のオイルフリー化には適用しがたいも
のがある。また、他の問題点として、旋回スクロール背
部の中間圧は、旋回鏡板部の裏面から外周部に抜け、遂
には吸入室に漏れることがあり、特に真空ポンプとして
の運転時にはこの漏れは防止することができず、真空度
は、低く、特にオイルフリーで運転するときは致命的欠
陥であり、約１．Ｔｏｒｒ以下の高い真空度を得ること
ができない基本的問題があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、スクロール流体機械を真空ポンプとし
て作用させたとき、スクロールラップの高さ方向のすき
まを常に適正に維持し、かつ旋回スクロール背面の空間
の圧力を吸入圧力、あるいはその近傍の圧力にし旋回ス
クロールと固定スクロールが強く接触し合わぬように構
成したこと。

〔発明の櫃要〕

真空ポンプとして運転する場合、特に圧縮機の場合と異
ってスクロールラップ間に構成される作動室空間に生ず
るガス圧力に基づくスラスト力が小さくなる。このよう
な運転状態において旋回スクロールの背部に大気圧が作
用した場合、この圧力によって過大な反スラスト力が作
用し、ラップ先端面で大きな面圧となる。これを避ける
ために旋回スクロールの背部に外部の大気と隔絶した空
間を設け、かつこの空間と吸入室を実質的に連通させる
手段を請じて、この空間の圧力を減じてやることが必要
となる。この結果、作動室内のガス圧力によって！２回
スクロールは固定スクロールからはなれようとし、実際
に設計クリアランス例えば、一方のラップ先端面と他方
の鏡板面とのすきまは１０μｍ程度の大きさが保たれる
ことになる。

この結果、ラップ先端面は非接触となり作動室内に潤滑
油がなくても十分高速の運動をすることが可能となる。

一方、ラップ先端ギャップの漏れについては、圧縮機の
場合と異って、真空中では、気体分子の平均自由行程が
非常に長くなってくるため漏れ量は非常に小さく真空引
き性能に大きな影響がなくなることがわかった。

以」二のように構成することにより、市販されているオ
イルフリー真空ポンプの性能（１に空到達圧力）がよく
ても約数ＩＱＴｏｒｒであるのに比し、本発明では、オ
イルフリー状態で１０−”Ｔｏｒｒ台の高い真空度を得
ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従い説明する。

第１図は、本発明のスクロール形流体機械の圧縮原理を
表わすもので以下図１に従って説明する。

固定ケーシング１に機械的結合手段によって固定された
固定スクロールラップ２に、旋回スクロールラップ３が
位相を１８０度ずれて組み合わされる。この２つのラッ
プのうす巻き形状は、インボリュート曲線になっており
旋回スクロール３が駆動要素（図示せず）により旋回半
径Ｅで旋回運動する。このとき旋回スクロールラップ３
は、代表点ａが表わすように２εの円軌道に沿って運動
する。この結果、旋回スクロール３の運動による包絡線
は、固定スクロール２のうす巻き形状を表わすものとな
る。旋回スクロール３の静止状態において、Ｖ　１１　
Ｖｓ’　ｔ　Ｖｚ　＋　Ｖｚ′　というように同時に多
くの作動室が形成されている。旋回スクロール３の旋回
運動につれて作動ガスは、吸入口５から吸入室５′に導
入され、スクロールラップの外周から中心に向って体積
を減じながら移動する。そして圧縮されたガスは、吐出
ポート６から排出される。

第２図は、本発明の一実施例である。固定スクロール２
は、固定スクロール係止部材７に固定され吸入ポート５
と排出ポート６を有している。また固定スクロール係止
部材７と固定スクロール２との固着には、その間に吸入
室５′側と排出ポート６側とのガス漏れを防止するため
のシール部材１０を設けてあり、回転方向の位置決めに
はノックピン８が利用され、複数のボルト９により締結
されている。また排出ポート６の固定スクロール２の側
には、逆止弁１１が設けられている。固定スクロール係
止部材７は、締結要素１２によりフレーム１３に固定さ
れ、さらに締結要素１２′によりケーシング１４に固定
されている。これらの部材の固定部の間にもシール部材
１５が設けられている。旋回円板４は、駆動軸１６の偏
心軸１６ａ部に密封要素１８′を有するコロ軸受１７′
を介して装着されている。この旋回円板４には、回転方
向の位置決めをノックビン８′によりなされ、複数の締
結手段９′により固着された旋回スクロール３がある。

旋回円板４の外周部には、旋回部材３，４の自転を阻止
して旋回運動させるためのピンクランク１９が、複数配
置されている。このピンクランク１９は、密封形コロ軸
受２０を介して、固定スクロール係止部材７にも装着さ
れている。この軸受２０は、内部にグリースや固体潤滑
材が装填されている。また、旋回円板４の裏面には、わ
ずかな距離隔てて、フレーム１３が位置しており、シー
ル手段の能力をもった弾性体２１が、このフレーム１３
に装着され旋回円板４を支持している。この弾性体２１
は、第６図でも示すようにリング状のものであり、その
内部に弾性体自身のバネ力を補強する目的で金属製柔構
造体が設けられているもので、その表面は無潤滑摺動に
適した材料でかつシール能力を兼ねそなえた形状をして
いる。駆動軸１６は、ケーシング１４に設けられた軸受
１７，１７’　により軸受されており、旋回部材の遠心
力とのバランスを取るためバランスウェイト２２．２２
’　をそなえている、さらに、外気とのシールを行うた
めに軸封部材１８が設けられている。

以上の構成において、旋回スクロール３．固定スクロー
ル２は、その材料として複合高分子材料、あるいはエン
ジニアリングプラスチックが適用されており、無潤滑摺
動に対して十分な実用的信頼性が図られている。これら
の材料として代表例を、現時点における商品名で記述す
ると、サスティール、ベスペル、ヨドフロン、ライドン
ＰＰＳ、エコノール、エフセライド２等がある。これら
の材料は、一般に金属に比し熱膨張係数が大きいので実
施例では、径方向の伸びに対処するため、旋回円板４、
及び固定スクロール係＋）部材７の材料には、アルミニ
ウムなどの非鉄金属を適用しである。

上記したスクロール材料とＡｆｌ材の熱膨張差は小さい
ため旋回スクロール３と固定スクロール２の組立時のラ
ップ間等のギャップは、運転時においても大きな変化は
なく良好な状態が維持されている。

かかる構成で作用について説明する。駆動要素（図示せ
ず）で駆動軸１６が駆動されると旋回円板４は、駆動軸
の偏心量を半径として自転を阻止されながら旋回運動を
する。これにつれ、旋回スクロール３も同様な運動をす
る。この結果、吸入ポート５の気体は、順次スクロール
ラップ間にとり込まれ、中心部に設けられた吐出ポート
６に逆＋ｔユ弁１１を押し上げて排出される。

旋回スクロールの背部の空間と吸入差とは、旋回スクロ
ールの弾性支持部材により一応仕切られているが、一般
のいわゆるスラストフェースシールをここに採用したと
しても、旋回運動という特殊運動条件下でしかも無潤滑
摺動状態では、長期に渡ってシール能力を維持すること
はできない。

そして、旋回スクロールの運動につれて真空になった吸
入室と、組立時に大気を封入した旋回スクロール背部の
空間とは、運転初期においては圧力差が生じるが、この
圧力のアンバランスにより旋回スクロールは一時的に固
定スクロール側に押し付けられるが、支持部材２１と、
旋回円板４との間に微小すきまが生じ、結果、吸入室５
と連通し旋回スクロール背部の空間の圧力が下がる。こ
の圧力の低下につれてラップ間のガス圧に伴うスラスト
力が背部に作用するスラスト力に打勝ちある一定の低い
圧力を保持しながら実質的に密閉空間を形成する。この
ような状態においては、スラスト力は、バランスした状
態となっており、ラップ先端面に力は作用しなくなるた
め、オイルフリー状態で十分曳行な状態で真空ポンプと
して動作できる。

そして、ガスの圧縮時には、熱が発生するが、スクロー
ル部材の回りをＡＱ化することにより熱放散証が大きく
、かなり冷却される。しかし残された熱により部材は熱
膨張するが軸方向の伸びに対しては、偏心部１６ａと軸
受１７’との間で移動可能なことにしたこと、さらに弾
性体２１による弾性支持にしたことにより、旋回部材は
、軸方向に移動可能になっているため、熱膨張による過
大面圧を防ぐことができる。また、この熱膨張によりス
クロールラップ間のギャップは、実質上はとんどなくな
るため、ラップ間のもれが微小となり、吸入口４におけ
る圧力を尚一層低くすることが可能になる。さらには、
無潤滑摺動材料や、密封形ベアリングを用いたことによ
り作動ガス中には油分はなくなり、油を用いた真空ポン
プにおける大きな問題である上流側の真空槽（図示せず
）油汚染を防止することができ、クリーンな真空排気を
行うことができる。

第３図は、他の実施例を示すものである。第２図に示す
実施例と構造的に異なる点は旋回スクロール３と旋回円
板４を貫らぬいて、吸入室５と旋回スクロール背部の空
間とを連通させる流路を設けたことである。この実施例
によれば、組立時にあった背部空間の大気は、旋回運動
に伴って吸入室５吸い出され、吸入室５と常に同じ圧力
に維持される。この結果、作動室の圧力によりわずかで
はあるが固定スクロール２から離れようとするスラスト
力が作用し、ランプ先端面に力が作用しなくなる。これ
によりスクロール部材２，３は、運転初期から、一方の
ラップ先端面が他方の鏡板面に当接することなく運転さ
れるので、オイルフリー下においても長期にわたってス
クロール真空ポンプの主要部品であるラップの信頼性を
確保することができる。また、実施態様でさらに異なる
点は、ピンクランク１９ａの位置と形状である。その他
の部品は、第２図と同じ配置であり、第３図は第２図を
元にした部分断面図である。この実施例では、旋回スク
ロール自転防止用ピンクランクは、フレーム１３と、旋
回円板４の間に配設したものであり、材料も前述したエ
ンシアリングプラスチックスを使用したもので、無潤滑
摺動用スベリ軸受を構成している。２１は、スラストフ
ェースシールを兼ねた旋回スクロールの弾性支持体であ
る。この場合も、旋回スクロール部材（３及び４の一体
品）は、軸方向に移動可能な配置となっている。ピンク
ランク１９の無潤滑摺動用スベリ軸受化構造は、第２図
の実施例においても適用することができる。これは、吸
入室５が一般の圧縮機と異なって真空圧となっているた
め、ガス圧縮に伴って生じる力が小さいため前記したよ
うに厳選されたエンジニアリングプラスチックスの使用
が可能となる。また、駆動軸１６の偏心部分１６’の軸
受１７ａも無潤滑摺動材を配設しである。このような無
潤滑摺動用スベリ軸受の適用によって。

より油気のないクリーンな真空排気に適する真空ポンプ
を提供することが可能である。

第４図は、さらにまた他の実施例を示したものである。

この図面は、スクロール形圧縮機の基本構成を示す部分
断面図である。第２図、および第３図の実施例との差異
は、自転防止部材２５゜２６と、主軸受１７にある。す
なわち第１４図の実施例ではオルダムリング２５とオル
ダムキー２６を用いたオルダム方式による自転＋１７Ｉ
＋）：を採用し、特にオルダムキー２６を無潤滑摺動材
として適用できる前記エンジニアリングプラスチックス
により構成したものである。さらに、主軸受１７ｂおよ
び旋回軸受１７ａも同様のエンジニアリングプラスチッ
クを配設したものである。スクロール部材２，３はもち
ろん第２図に示す実施例と同じ材料で構成しであるが、
一体構造としたものである。

そして、旋回スクロール背部の空間２８と吸入室５′と
は流路２４により連通されている。このように構成され
た真空ポンプにおいても、流路２４の効果により運転初
期から背部の空間２８の圧力は吸入圧力と実質的に等し
くなり、その結果旋回スクロール３には、オイルフリー
真空ポンプとして適切なスラスト力が作用する。このス
ラスト力は、前述したように作動室内のガス圧によるも
のにほかならない。また、旋回スクロール３は弾性支持
部材２１により支持されているがこの作用については第
２図の実施例に述べられているのでここでは省略する。

又、本構成では、背部空間２８と吸入室５′とを連通さ
せる手段として鏡板外周部で表裏両面に門形の放射状流
＠２４’　。

２４′を設ける方法がある。前者の流路２４との差は単
なる設計変更にすぎないが旋回スクロール３に働くスラ
スト力の適正維持の機能としては、たいして変わるもの
はない。

本実施例でも、完全に無潤滑でクリーンな真空排気をす
ることができ、かつ吸入圧力の十分低い真空を提供する
ことができる。

第５図は、さらに他の実施例を示すものである。

この実施例では、吸入室５′と旋回スクロール背部の空
間２８とを連通させる流路２７が弾性支持部材２１の配
設しである位置より外側でフレーム１３に設けられたも
のである。この流路２７が設けられているフレームの吸
入室側は、わずかながらも凹形状をしており、かつその
部位に流路２７は開口している。よって、この流路２７
は旋回スクロール３の背面によっていかなる場合でも閉
ざされることなく、背部の空間２８と吸入室５′との圧
力をバランスさせる機能を発揮することができる。この
場合の作用は第３図以下の実ｔｊＩｉ例ど実質的に同じ
ものとなっている。

第６図は、スラストフェースシール２】を示す部分図で
ある。シール部材２１ａと、特に弾性機能を持たせるた
めの弾性体である。シール部材２１ａは、実際にはリン
グ状となっており、テフロンを主体とした複合高分子材
料により形成したものである。シールは、図中上下の面
が機能する。

弾性体２２ｂは、金属製のコイル状の構成となっている
。これを用いることにより、旋回円板４の裏面でシール
を兼ねて測子のスラスト荷重を受けることができる。

さて、以上の実施例ではスクロールラップの表面あるい
は、素材そのものにエンシアリングプラスチックを適用
した場合についてのべたものであるが、他の実施例とし
てスクロールラップの材質として非鉄金属で比重の小さ
いものも適用することができる。これには、無潤滑で摺
動しても摺動部の信頼性を保てる高シリコン含有のＡＱ
材が適している。

一ヒ述した幾つかの実施例のスクロールラップは、旋回
スクロール３と固定スクロール２とも同一の構成のもの
を使用してもよく、さらに異種構成の組み合わせでもよ
い。すなわち、固定スクロールにＡＱ＋テフロンコーテ
ィングを適用し、旋回スクロールにサスティールを適用
する組み合等が自由に選択できる。

〔発明の効果〕

以１１のように、本発明によれば、旋回スクロール３ま
たは旋回円板４の背部に設けた空間２８の圧力を吸入圧
力に応じて低い圧力に保持することができ、この結果旋
回スクロール３を背部から固定スクロール２側に押すス
ラスト力が無くなり、圧縮作動室内のガス力により旋回
スクロール３は、固定スクロール２から離れようとする
スラスト力が動くため、スクロールラップ先端面にはほ
とんど力が作用しなくなる。このためラップ先端の摺動
面圧が非常に小さくなり、オイルフリー下の条件のもと
で一定Ｐｖ値以下におさえようとすると摺動速度が大き
くとれ、よって高速運転が可能となるので、真空到達度
が一段と高くなる。また、作動室（吸入通路５も含む）
や、これと連通ずる空間例えば２８は、ベローズを用い
ないシール手段１５や１８によって外気と隔絶されてい
るため。

旋回スクロール２の運動によらず、長期に渡り高いシー
ル性を確保することができ、かつ長期に渡って高い真空
を与える機能を有している。さらには、他の効果として
従来例と比較し非常に部品点数が少なく、単純な構成で
、しかも同等以上の高真空を得ることが可能である。そ
して、シール要素（１５や１８）は全て固定部品として
使用されているのでシール機能についても十分な信頼性
を確保することができる。又ラップ同志は、はとんど非
接触式の組み合せ構造となっているために、作動室内に
油のない条件下でもスクロールラップを傷めず長期的に
スクロールラップ間のクリアランスを適正に保つことが
できるので、真空ポンプの性能や機能も低下することな
く運転が可能である。他の効果として、従来のｒＪｊｍ
点である中間圧付与方式、すなわち圧縮中のガスが循環
して吸入して戻るという現象を生じないように構成しで
あるので、運転時には、吸入圧は０．０ＩＴｏｒｒ程度
の高い真空度を得ることができる。そして、さらに他の
効果として本実施例を超高真空排気系に利用したときに
見ることができる。超高真空排気系では、粗引きポンプ
として従来油弐ロータリポンプが用いられている。しか
しこのポンプの採用の場合には、全んどの場合上流側に
オイルミストトラップ等の部品を設ける必要があった。

しかし本発明の技術を適用した真空ポンプは、到達真空
度も油弐ロータリポンプと同等のレベルにあるため従来
油式ポンプに代ることができるのでオイルミストラップ
等が不用になり、排気システムとして簡略化されるなど
大きな効果が表われる。

また、現在市販のオイルフリー真空ポンプの真空到達度
が数１０Ｔｏｒｒ程度までしかなく、超高真空あるいは
高真空排気系に採用されていないのが現状である、今回
到達真空度が高く、それらの排気システムに利用できる
真空ポンプを提供できるのではかり知れない多くの効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、スクロールラップの組み合せを表わす平面図
、第２図は、実施例を示す正断面図、第３図は、他の実
施例を示す部分断面図、第４図は。 他の実施例の要部を示す断面図、第５図は、他の実施例
を示す断面図、第６図は、スラストフェースシールを表
わす斜視図である。 ２・・・固定スクロール、３・・・旋回スクロール、５
・・・吸入室、７・・・固定スクロール係止部材、１３
・・・フレーム、１４・・・ケーシング、１６・・・駆
動軸、１７・・・軸受、１９・・・自転防止部品、２１
・・・スラストフェースシール部品、２５．２６・・・
オルダムリング第　２　図 ′：Ａ　３　図 ＾ 箇　４　口 第　５　図 １’ｌ　　　　　／ｊ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．端板とこれに直立してインボリユート曲線等によつ
   て形成されたスクロールラツプを互いにかみ合わせ、一
   方を固定し他方は自転を阻止しながら旋回運動を行なわ
   せることにより、両スクロールラツプによつて形成され
   る密閉空間を逐次減小して作動気体を圧縮させるスクロ
   ール流体機械において、旋回スクロール端板の反ラツプ
   側空間をケーシング部，フレーム部及び軸部に設けたシ
   ール手段により外部の大気圧空間から隔絶し、該空間の
   圧力を大気圧より低く、吸入圧力以上にしたことを特徴
   とするスクロール流体機械。
2. ２．特許請求の範囲第１項記載のスクロール流体機械に
   おいて、真空ポンプの吸入室あるいは吸入通路と背圧室
   とを絞り部を設けて連通したことを特徴とするスクロー
   ル流体機械。