KR910008211B1

KR910008211B1 - 스크롤형 유체기계

Info

Publication number: KR910008211B1
Application number: KR1019880014767A
Authority: KR
Inventors: 겐지 도오죠오; 시게루 마찌다; 겐지 모리
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1987-11-12
Filing date: 1988-11-10
Publication date: 1991-10-11
Also published as: DE3838382A1; KR890008459A; JPH02140483A; DE3838382C2; JP2723933B2; US4950135A

Abstract

내용 없음.

Description

스크롤형 유체기계

제1도는 본 발명의 스크롤형 유체기계의 일실시예의 측단면도.

제2도는 제1도의 실시예의 압전모터의 스테이터의 사시도.

제3도는 제1도에 있어서의 압전모터의 평면배치를 나타낸도.

제4도는 제1도에 나타낸 실시예의 동작설명도.

제5도는 본 발명의 다른 실시예의 측단면도.

제6도는 또 다른 실기예의 측단면도.

제7도는 본 발명의 또 다른 실시예의 측단면도.

제8도는 제7도에 있어서의 압전모터의 평면배치를 나타낸도.

제9도는 본 발명의 다른 실시예의 종단면도.

제10도는 제9도의 Ⅰ-Ⅰ 단면도.

제11도는 제9도의 Ⅱ-Ⅱ 단면도.

제12도는 제9도에 나타낸 실시예의 동작설명도.

제13a도∼b도는 그 실시예의 동작을 나타낸도

제14도는 대좌의 다른 실시예를 나타낸도.

제15도는 본 발명의 다른 실시예의 종단면도.

제16도는 본 발명의 또 다른 실시예의 작동기부를 나타낸도.

제17도는 발명의 또 다른 실시예의 작동기부를 나타낸도.

제18도는 그 레버의 일부의 사시도.

제19도는 본 발명의 또 다른 실시예의 측단면도.

제20도는 제19도에 나타낸 실시예의 동작 설명도.

제21도는 선회스크롤에 도입공을 설치한 실시예를 나타낸 측단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 고정스크롤 2a : 단판

2b : 스크롤램 3 : 선회스크롤

4 : 프레임 8 : 흡입구

14 : 토출구 20 : 작동기

20a : 압전소자 20b : 진동자

21 : 슬라이더 22 : 구동회로

24 : 드러스트받침 25 : 죄임구

26 : 압압판

본 발명은 기체 또는 액체의 이송, 승압에 이용되는 스크롤형 유체기계에 관한 것으로, 특히 소형이고 미소량의 유체를 취급하기에 적합한 스크롤형 유체기계에 관한 것이다.

스크롤형 유체기계는 잘아는 바와 같이 단판에 소용돌이 형상랩을 직립시킨 선회스크롤과 동일한 구성의 고정스크롤을 랩을 내측으로 하여 서로 맞물리고 선회스크롤을 고정스크롤에 대하여 자전하지 않고 선회시키도록 되어 있다.

종래의 스크롤형 유체기계에서는 USP 4, 522, 575, USP 4, 552, 518 등에 기재된 바와 같이 선회스크롤과 정지부재와의 사이에 울덤링 등의 자전방지부재를 배치하고, 크랭크축의 편심부와 선회스크롤을 계합하고 그 크랭크축을 선회모터로 회전시키므로서 선회스크롤을 자전시키는 일없이 선회운동시켜 유체의 이송압축 등을 행하는 구조로 되어 있었다.

이와 같은 종래의 스크롤형 유체기계에서는 울덤링 등의 자전방재부재가 필요하고, 또 모터의 회전운동을 선회운동으로 변환하기 위하여 크랭크축이 필요하고, 회전력을 얻기 위하여 용적이 크고 무거운 전동기를 사용하기 않으면 안되는등 소형, 경량화에 곤란이 있다. 또 크랭크축을 회전지지하기 위해서는 베어링에 오일을 사용하여 윤활시키지 않으면 안되는등 오일프리에 대한 곤란이 있었다. 또 전동기로부터 발하는 전자음(電磁音)이 진동, 소음의 큰 요인으로 되고 있었다.

또한 선회스크롤을 구동함에 있어서 종래 기술에서는 선회스크롤의 안전지지에 대하여 여러 가지 검토, 개량등이 행해지고 있으나, 선회스크롤은 대부분의 경우 그 중앙에 끼워맞추어지는 크랭크축에 의하여 선회구동되기 때문에 이때에 생기는 원심력 및 가스압력에 의해서도 모우멘트력을 받으므로 선회운동을 행하면 플러터운동(fluttering motion)도 유발된다. 그리고 선회스크롤의 외주부는 프레임과 고정스크롤에 의하여 센드위치 형상으로 지지되어 있으나 그 미소간극내에서 플러터링이 있기 때문에 진동, 소음원인이 되는 등의 문제가 있었다.

본 발명의 제1의 목적은 선회스크롤을 압전모터등으로 직접 구동하고 선회운동을 행하게 하여 울덤링 등의 특별한 자전방지기구를 사용하지 않고 소형, 경량인 스크롤형 유체기계를 제공하는데 있다. 제2의 목적은 오일 프리화가 용이한 스크롤형 유체기계를 제공하는데 있다. 제3의 목적은 선회스크롤의 운동을 안정화하여, 저진동, 저소음의 스크롤형 유체기계를 제공하는데 있다.

본 발명의 특징은 단판에 신개선(involuto) 또는 유사한 곡선으로 이루어진 소용돌이 형상의 랩을 직립시켜 형성한 고정스크롤과, 마찬가지로 단판과 이것에 직립한 소용돌이상의 랩으로 이루어진 선회스크롤을 서로 랩을 내측으로 하여 또 서로 단판를 평행으로 하여 맞물리고 고정스크롤을 그 주연부에서 프레임에 고정하여 선회스크롤을 운동가능하게 프레임에 대하여 지지하고 프레임에 설치한 복수의 압전모터 등의 움직임을 선회스크롤의 단판배면에 전달하도록 하고, 구동회로에 의하여 서로의 배치각에 대응한 위상차를 가지는 구동신호를 가하여 제어하므로서 선회스크롤을 자전시키지 않고 고정스크롤에 대하여 선회운동시키는데 있다.

이와 같은 본 발명의 스크롤형 유체기계는 첫째로 압전모터 등에 의하여 직접 선회스크롤을 구동하도록 구성하였기 때문에 울덤링 등의 자전방지기구가 불필요하여 종래의 전동모터를 사용한 스크로형 유체기계에 비교하여 평편형(偏平刑)으로 설계할 수가 있어 대폭적인 소형, 경량화를 달성할 수가 있다. 둘빼로 암전모터 등을 접촉진동부를 가지고 있으나, 무윤활로 동작할 수 있으므로 윤활유가 불필요한 완전오일프리의 스크롤 유체기계를 제공할 수가 있다. 또 베어링등 섭동부분을 극단적으로 적제할 수가 있으므로 신뢰성이 높아진다. 또 압전모터의 재료에는 세라믹등이 사용되므로 내식성을 가지고 있어 본 발명의 스크롤 유체기계는 반도체 제조장치 등의 진공펌프로서도 유효하게 이용할 수가 있다. 셋째로 압전모터등 자신으로 선회스크롤을 지지하고, 그 드러스트력을 받으며, 또 간극이 없이 운동의 안내도 할 수가 있으므로 랩간의 간극의 변동도 없고 선회스크롤의 구동중에 가스에 의하여 생기는 모우멘트 하중이 작용해도 선회스크롤의 플러터운동 등의 불안정한 운동상황의 발생은 방지되어 선회스크롤의 플리터를 방지할 수가 있어, 저진동화 및 고효율화를 달성할 수가 있다. 또한 압전모터는 전력을 가해도 전자 소음도 발생하지 않으며 베어링이 불필요하게 되므로 기계전체를 대폭적으로 저소음화할 수가 있다.

이하 본 발명의 일실시예를 제1도 내지 제4도에 따라 설명한다.

고정스크롤(2)은 경판(2a)과 이것에 직립하여 신개선 곡선과 원호의 조합으로 형성되는 스크롤랩(2b)으로 구성되어 있다. 또 그 고정스크롤(2)은 그 외주부에 기체의 흡입구(8)를 또 중앙부에는 기체의 토출구(14)를 가지고 있다. 고정스크롤(2)은 외주부의 프랜지부에서 프레임(4)(정지부재)에 고정되어 있다. 또 선회스크롤(3)은 랩형상이 대략 고정스크롤(2)의 랩(2b)과 동일한 랩(3b)을 가지며, 이 랩(3b)은 단판(3a)에 직립되어 있다. 선회스크롤(3)은 고정스크롤(2)과 맞물리고 프레임(4)에 고정된 복수개의 압전모터의 작동기(actuate)(20)와 고정스크롤(2)에 설치된 드러스트 베어링에 의하여 센드위치되어 위치결정되어 있다. 작동기(20)는 선회스크롤(3)에 고정된 슬라이더(21)에 접촉하고 있고, 작동기(20)와 슬라이더(21)에 의하여 압전모터가 구성된다. 스크롤랩(2b, 3b)은 맞물린 상태에서 서로의 최대 수평간격이 선회스크롤의 선회반경을 ε라할 때 정확히 2ε에 대략 같아지도록 형성되어 있다. 압전모터의 작동기(20)는 도선에 의하여 구동회로(22)에 접속되어 있다. 압전모터의 작동기(20)와 선회스크롤(3)에 고정된 슬라이더(21)는 내섭동재료로 형성된 드러스트베어링(24)에 의하여 선회스크롤(3)의 단판을 거쳐 서로 강하게 접촉하고 있다.

압전모터의 작동기(20)는 본 실시예에서는 제2도에 나타낸 바와 같이 중심 반경이 선회스크롤(3)의 선회반경(ε)에 거의 같은 반경을 가지는 링형상의 것으로 되어 있고, 선회스크롤(3)의 단판이면에 대향하는 프레임(4)의 면에 동일형상의 것이 복수개 배치되어 있다. 즉 제3도에 나타낸 바와 같이 그 작동기(20)의 배치는 프레임(4)의 중앙부에 1개 그리고 외주부에 동일 원주상에 복수개 정열되어 있다. 작동기(20)는 제2도에 나타낸 바와 같이 압전소자(20a)와 흠이있는 진동차(20b)로 구성된다.

제4a도에 나타낸 바와 같이 압전소자(20)는 흠이있는 진동자(20b)의 이면에 분할되어 접착된 판상압전소자(1a, 1b)로 이루어지고 판상압전소자(1a, 1b, 1e, 1f)등은 반전증폭기(5a, 6a, 5b, 6b) 등을 거쳐 구동전압을 공급하도록 되어 있다. 도많았중 A, B로 표시한 도선에는 구동회로(22)에 의하여 제4b도에 나타낸 바와 같이 90°의 위상차를 가지는 교류전방을 인가하면 상기 압전소자 (1a, 1b)등이 각각 90°씩 위상차를 가지는 신축운동을 행하여 상기 흠이진 진동자(20b)에 화살표(7a)로 나타낸 방향의 굴곡진행파를 발생시킨다. 따라서 압전소자(20a)에 초음파 영역의 90°위상차를 가지는 고주파 전압을 인가하면 진동자(20b)에 미소진폭의 진행파가 발생하고 선회스크롤(3)에 고정된 슬라이더(21)와의 접촉점를 순차 이동하여 접촉구동시켜 선회스크롤(3)을 제4a도, c도에 나타낸 바와 같이 진행파가 진행하는 방향과 동일방향으로 구동시킨다. 각 작동기(20)의 구동을 합성한 결과 선회스크롤(3)이 선회구동된다.

제1도에 나타낸 바와 같이 압전모터는 모두 동일한 구동회로(22)로부터 구동되므로 모두 동일주기로 링형상의 작동기(20)에 진행파가 발생하여 선회스크롤(3)의 원활한 선회운동이 행해진다. 또한 선회스크롤(3)은 드러스트베어링(24)과 압전모터에 의하여 확실하게 사이에 기워져 지지되고 있으므로 플러터가 전혀없는 선회운동을 행할 수가 있다. 또 이들의 압전모터는 선회스크롤(3)에 선회운오을 부여함과 동이세 그 자전을 저지하고 있다. 또한 이 압전모터는 진동자(20b)에 초음파 영역의 고주파전압을 인가하여 구동하기 때문에 별명[초음파모터]라고도 일반적으로 불리워지고 있다

이상과 같은 구성하에서 전원(p)으로부터 구동회로(22)에 전력이 공급되면 압전모터가 구동되고, 이에따라 선회스크롤(3)은 그 랩(3b)이 고정스크롤(2)의 랩(2b)에 충접(衝接)하는 일없이 선회운동이 행해진다. 이 운동에 따라 기체는 흡입구(8)로부터 흡입되어 랩간(2b, 3b)의 압축작동실내에서 기체가 압축되어 토출구(14)로부터 배출된다. 또 압전모터를 역전시키는 것도 가능하고, 이 역전 동작에서는 토출구(14)가 흡입구가 되고, 흡입구(8)가 토출구가 된다. 이들 일련의 동작은 섭동부 등에 오일윤활을 행하지 아니해도 실행이 가능하여 완전히 기름기가 없는 깨끗한 스크롤형 유체기계를 제공할 수 있다.

또한 상기 실시예에 있어서 압전모터는 프레임(4)과 선회스크롤과의 사이에 설치하는 대신 고정스크롤의 단판외주부와 선회스크롤의 경판 외주부와의 사이에 설치해도 좋다. 이 경우에는 드러스트베어링(24)은 프레임(4)에 설치한다.

다른 실시예를 제5도에 나타낸다. 본 실시예는 선회스크롤(3)의 단판부(3a)의 외주부의 상하양면에 상기와 동일한 압전모터를 배설한 것이다. 작동기(20, 21)는 단판(3a)의 상하 양단면 모두에도 동일 원주상에 복수개분포 배치되어 있고, 또 단판(3a)의 하면중앙부에는 압축작동실 내부의 가스압력 등에 의한 단판의 변형을 방지하는 것도 겸하여 프레임(4)과의 사이에 하나의 압전모터를 배치하고 있다. 선회스크롤(3)을 구동하기 위하여 배치한 모든 이들 압전모터는 그 작동기(20)가 모두 선회스크롤의 선회반경에 거의 동등한 동일 중심반경을 가지는 링형상 압전모터이다. 단판(3a)의 상면에 배설한 압전모터는 고정스크롤(2)의 설치한 압압판(26)과 죄임기구(25)에 의하여 선회스크롤(3)에 밀어붙혀져 있다. 그 결과 단판(3a)의 하면에 배설한 압전모터도 선회스크롤(3)을 거쳐 강하게 압압되고 있다. 단판(3a)의 상하의 압전모터는 각각 구동회로(22, 22')에 의하여 구동되나, 단판(3a)의 하면의 압전모터와 상면의 압전모터는 회전방향이 반대로 되어 있기 때문에 선회스크롤(3)에는 제1도의 실시예에 비하면 약 2배의 회전력을 작용시킬 수가 있다. 또한 본 실시예에서는 제1도의 드러스트베어링(24)을 없앤 구조로 되어 있기 때문에 그 드러스트베어링(24)에서 발생하고 있던 섭동부가 없고, 또한 드러스트력 자신을 압전모터가 받도록 되어 있으므로 선회스크롤(3)을 안정된 자세 그대로 구동할 수가 있다. 기타의 효과로서, 선회스크롤에 섭동부가 없기 때문에 기기로서의 기계적 손실이 대단히 적어진다.

제6도에 링형상의 압전모터를 사용한 다른 실시예를 나타낸다. 21a는 작동기(20)의 외경보다 큰 치수로 슬라이더의 지름방향의 움직임을 규제하는 가이더부착의 슬라이더이고, 선회스크롤(3)의 선회반경(ε)과 같은 거리만큼 링형상의 압전모터의 중심축으로부터 편심된 핀을 가지고 있다. 21b는 상기핀과 끼워맞추어지는 구멍을 가지고 선회스크롤(3)에 설치한 요(凹)부내에서 회전가능하게 설치된 슬라이더이고, 기타의 구성은 제1도와 완전동일하다. 작동기(20)에 구동회로(22)로부터 고주파의 교류전압이 공급되면 작동기(20)가 구동되어 슬라이더(21a)를 회전시킨다. 이 회전에 따라 편심된 핀을 거쳐 슬라이더(21b)가 따라 움직여 선회스크롤(3)을 자전시키는 일 없이 선회운동시킨다. 이 운동에 따라 기체는 흡입구(8)로 흡입되어 랩(2b, 3b)의 압축작동실내에서 기체가 압출되어 토출구(14)로부터 배출된다.

이 압전모터는 상기한 바와 같이 드러스트베어링을 겸하도록 혹은 선회스크롤(3)의 양측에 설치하도록 구성할 수 있다. 압전모터를 본 발명의 같이 적용하므로서 스크롤 유체기계를 평편형으로 설계할 수가 있어서 종래의 전동모터를 사용한 스크롤형 유체기계에 비교하여 충분히 소형경량화를 달성할 수가 있다. 또 베어링등 섭동부분을 극단적으로 적게할 수가 있기 때문에 신뢰성이 높아진다. 또 압전모터는 접촉진동부를 가지고 있으나 무윤활로 작동되므로 윤활유가 불필요한 완전 오일프리의 스크롤 유체기계를 제공할 수가 있다. 또 압전모터 자신으로 선회스크롤을 지지하고, 그 드러스트력을 받고, 또 간극이 없이 운동의 안내도 할 수가 있으므로 랩 사이의 간극의 변동도 없고, 선회스크롤의 구동중에 가스에 의하여 생기는 모우멘트 하중의 작용해도 선회스크롤의 플러터운동등의 불안정한 운동상황의 발생은 방지되어 선회스크롤의 플러팅도 억제할 수가 있어 저진동화 및 고효율화를 달성할 수가 있다.

또 압전모터는 전력을 가해도 자기를 띠지않기 때문에 자기가 없는 스크롤형 유체기계를 제공할 수 있다. 그리고 전자소음도 발생하지 않고 베어링이 불필요해지므로 기계전체를 대폭적으로 저소음하할 수가 있다. 또 압전모터는 선회스크롤에 선회운동을 가함과 동시에 그 자전을 저지하는 기능도 수행할 수가 있다. 또 압전모터의 재료에는 세라믹등이 사용되므로 내석성을 가지고 있어 본 발명의 스크롤 유체기계는 반도체 제조장치 등의 진공펌프로서도 유효하게 이용할 수가 있다. 또 다른 실시예를 제7도 및 제8도에 의하여 설명한다.

본 실시예는 링형상 압전모터 대신에 선형압전모터(작동기)(20)와 슬라이더(21)로 됨)를 선회스크롤(3)의 단판(3a)의 이면에 4개 배설한 것이다. 대향하는 2개의 선형 압전모터의 중심선은 서로 직교하도록 되어있고, 예를들면 X축에 배치한 2개의 선형 압전모터와 Y축에 배치한 다른 2개의 선형 압전모터는 각각 다른 구동회로(22a, 22b)에 의하여 구동되도록 되어 있다.

선형 압전모터의 작동기(20)는 압전소자와 진동자로 형성되고 프레임(4)에 고정되어 있다. 한편 슬라이더(21)는 선회스크롤(3)에 고정되어 있다. 구동회로에의하여 전력이 공급되면 각각의 선형압전모터는 X축방향 및 Y축방향으로 선회스크롤(3)을 변위시키도록 작용하나, X축과 Y축에 배치한 선형압전모터는 서로 위상이 90°어긋나 있고 X방향 변위와 Y방향변위 혹은 속도의 합성결과로서 선회스크롤(3)은 자전없이 일정반경으로 선회운동이 행해지게 된다.

또한, 상기 실시예에 있어서, 선형 압전모터는 프레임(4)과 선회스크롤과의 사이에 설치하는 대신에 고정스크롤의 단판외주부와 선회스크롤의 단판외주부와의 사이에 설치해도 좋다. 이 경우는 드러스트베어링(24)은 프레임(4)에 설치한다. 혹은 제5도에 나타낸 바와 같이 선형압전모터를 선회스크롤의 단판외주부의 양측에 설치해도 좋다.

본 발명의 압전형 선형작동기를 적용한 다른 실시예를 제9도 내지 제13도를 사용하여 설명한다.

제8도는 본 실시예에 의한 스크롤 유체기계의 전체구조를 나타낸 종단면도, 제10도는 제9도의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도, 제11도는 제9도의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다. 또한 작동기를 구동하기 위한 구동회로(22)는 생략하여 나타내고 있다. 원판형상의 단판(2a)에 신개선 곡선 혹은 이것에 유사한 곡선으로된 소용돌이 형상의 스크롤랩(2b)을 직립시켜 형성한 고정스크롤(2)과 마찬가지로 단판(3a)과 이것에 직립한 소용돌이 형상의 스크롤랩(3b)으로 이루어진 선회스크롤(3)과는 서로 스크롤랩(2b, 3b)을 내측으로 향하여 맞물려 제9도에 나타낸 바와 같이 조합되어 있다. 고정스크롤(2)은 외주부에서 프레임(4)에 결합고정되고, 선회스크롤(3)은 그 단판(3a)의 배면 외주부가 프레임(4)에 설치된 드러스트시이트(27)와 접하여 배면방향으로의 이동이 제한되어 있다. 선회스크롤(3)의 배면에 위치하는 프레임(4)에는 고정스크롤(2)의 중심을 중심으로 하여 방사상으로 압전소자로 이루어진 선형작동기(28)가 복수개 배치되어 있다. 이 압전형 선형작동기를 예를들면 세라믹제의 얇은 압전소자의 다수를 적층 첨착(

)하여 봉상(棒狀)으로 한 것이다. 이들 압전형 선형작동기는 각각 그 일단은 프레임(4)의 중심부에 설알리한 시이트(30)에 고정되고 타단은 선회스크롤(3)의 배면외주부에 설치된 시이트(3c)의 내측면에 베어링시이트(29)를 거쳐 접촉하고 있다. 이들의 방사상으로 설치된 압전선형 작동기(28)의 상호간의 배치각(α₁)에 동등한 위상차를 가진 교류전압에 의하여 이 작동기(28)를 각각 구동한다.

각각의 선형작동기(28)는 스크롤랩을 구비한 단판(3b)에 평행인 면내에서 각각 방사상 배치의 중심으로부터 반경방향으로 ε=ε₀sin (ωt+α₁)인 함수로 표시되는 변위를 발생한다. 각 선형작동기에 상기의 변위를 가하면 제12도에 도시한 바와 같이 각 베어링시이트(29)와 시이트(29)와의 접촉점(t₂, t₃, t₅, t₈)이 다른 접촉점(S₁, S₄, S₆, S₇)으로 이동하고 시이트 3C가 3c'로 이동하여 선회스크롤(3)이 구동된다. 따라서 선회스크롤(3)은 이들의 작동기에 의하여 구동되어 제13a도∼b도에 나타낸 바와 같이 선회스크롤(3)상의 각점이 ε₀을 반경으로 하는 원을 그리는 선회운동을 한다. 즉, 선회스크롤(3)은 고정스크롤(2)에 대하여 자전하지 않고 반경 ε₀의 선회운동을 한다. 이 때문에 양스크롤의 랩과 단판에 의하여 형성되는 밀폐공간은 선회스크롤(3)이 시계방향으로 선회운동을 하면 양스크롤(2, 3)의 중심을 향하여 이동하면서 체적이 감소되어 간다. 따라서 고정스크롤(2)의 중심에 설치된 포오트(14)를 토출구로 하고, 고정스크롤(2)의 외주부에 설치된 포오트(8)를 흡입구로 하면 이 장치는 스크롤압축기로서 동작한다. 이 장치가 작동하고 있는 상태에서는 고정스크롤(2)과 선회스크롤(3)을 떨어지게 하려는 힘이 밀폐공간내에 존재하는 유체압에 의하여 양스크롤(2, 3)간에 발생한다. 따라서 이대로는 양스크롤(2, 3)은 서로 떨어져버려 정상적인 유체의 압축, 이송동작을 행할 수가 없다. 이것을 방지하기 위하여 선회스크롤(3)의 배면 외주부를 프레임(4)에 설치한 드러스트시이트(27)에 의하여 지지하여 배면방향으로의 이동을 제한하고 있다.

압전작동기(28)와 선회스크롤의 단판(3a)의 배면의 시이트(3c)와의 사이에 설치된 베어링시이트(29)는 상기 시이트면(3c)과 접촉하고 원주방향으로의 그들의 상대적 미소슬라이딩(미끄러짐)을 허용하여 선회스크롤(3)의 상기 선회운동을 가능하게 한다.

제14도에 베어링시이트(29)의 다른 예를 타나낸다. 이 베어링시이트(29)는 주연방향으로 유연한 구조로 되어 있어 미동이 가능하다. 즉, 이 베어링시이트(29)는 선회스크롤(3)의 주연부의 시이트(3c)의 내측면에 요동가능하게 게지된 시이트판(29d)에 일단을 연결한 판스프링(29a)과 선형작동기(28)의 단부에 일단을 연결한 판스프링(29b)을 서로 타단(29c)에서 결합한 것이다. 이 때문에 이 베어링시이트(29)와 선회스크롤(3)과는 미끄러짐을 발생하지 않고 이 유연구조부에서 작동기(28)와 선회스크롤(3)과의 원주방향의 상대이동을 흡수하여 선회스크롤의 선회운동을 행할 수가 있다. 이 유연구조부는 압전작동기(28)에 의한 힘을 선회스크롤(3)에 전달하나 선회스크롤(3)의 자전을 구속하는 데에는 충분한 강도를 가지고 자전방지 기능을 수행할 수 있으므로 별도로 특별히 자전방지부재를 필요로 하지 않는다.

다음에 제15도에 의하여 다른 실시예를 나타낸다. 압전소자를 사용한 선형작동기에서는 소자자체에서 얻어지는 변위는 작기 때문에 선회스크롤의 선회반경을 크게하기위해서는 선형작동기의 변위를 확대하여 선회스크롤에 전달하는 기구를 구비할 필요가 있다.

본 실시예에서는 선회스크롤(3)의 배면에 대향하여 직각방향으로 고정스크롤(2)의 중심으로부터 동일한 거리의 원주상에 배치된 압전선형 작동기(28)와, 중심부가 보울조인트(31) 등을 거쳐 요동자유롭게 프레임(4)의 중앙시이트(30)에 결합된 레버(32)와 핀(35)에 의하여 회전자유롭게 정지부재(34)에 결합되고, 일단을 레버(32)에 회전자유롭게 연결되고 타단은 베어링시이트(29)를 거쳐 선회스크롤(30의 단판(3a)외주부의 시이트(3c)의 내면에 접하는 레버(33)를 구비하고 있고 압전선형작동기(28)의 단부와 레버(32)와는 회전이 자유롭게 계합되어 있다.

상기한 실시예와 마찬가지로 압전작동기(28)의 상호간의 배치각과 동일한 위상차를 가진 교류전압에 의하여 압전작동기(28)를 구동하면 지렛대의 원리에 의하여 그 작동기의 변위가 확대되어 비교적 큰 선회반경으로 선회스크롤을 자전없이 선회운동할 수가 있다.

제16도, 제17도에 다른 확대기구를 가지는 두 개의 실시예를 나타낸다. 제16도에 있어서는 고정스크롤중심으로부터 등거리의 원주상에 직각방향으로 배치한 복수의 압전선형작동기(28)(도면에서는 그 하나를 나타냄)는 프레임(4)의 중앙시이트(38)에 판스프링 관절(38)에서 결합된 레버(36)에 계합되고 레버(36)의 단부는 프레임(4)에 판스프링 관절(39)에서 결합된 레버(37)와의 일단과 계합하고 레버(37)의 타단은 선회스크롤(3)의 절연시이트의 내측면에 끼워맞추어져 있다.

선회스크롤(3)이 주연부는 프레임(4)에 설치한 드러스트시이트(27)에서 받쳐지고 있다. 레버(37)는 제18도에 나타낸 바와 같이 판스프링관절(40)을 가지므로 선회스크롤의 선회운동을 방해하지 않는다. 제17도는 2단계의 레버에 의한 확대기구를 가지는 제16도 대신, 1단계 레버만에 의한 확대기구를 가지는 실시예이고 마찬가지로 판스프링관절을 구비하고 있다. 이들 실시예에서는 판 등에 의한 조인트를 가지는 확대기구에 비하여 덜거덕거림이 없는 것이 특징이고, 더욱 정밀도가 좋은 선회운동을 선회스크롤에 부여할 수가 있다. 또 선회스크롤(3)과 계합하는 레버(37)는 제18도에 나타낸 바와 같이 판스프링(40)으로 원주방향으로의 미동이 가능하므로 선회스크롤(3)과 직접 감합되어도 선회스크롤(3)의 선회운동을 행하게 할 수가 있다. 또 선회스크롤 자체에 대해서는 충분한 강도를 가지고 자전방지 기능을 동시에 갖게 할 수가 있다.

이상 어느 실시예에 있어서도 압전작동기를 구동하는 교류전압의 주파수를 변화시키므로서 선회스크롤의 선회운동의 속도를 또 각 압전작동기에 가해지는 교류전압의 위상차의 정, 부를 변화시키므로서 선회운동의 방향을 변화시킬 수가 있다. 또 선회스크롤의 구동기구부에 큰 상대속도를 가지는 섭동부가 없기 때문에 윤활유를 사용하지 않고 선회스크롤을 지지하는 시이트면(27)에 자기 윤활재 등을 사용하므로서 오일프리화를 도모할 수가 있다. 이와 같이 소형 경량이고 높은 효율을 얻고, 회전의 방향 및 속도를 용이하게 변화할 수가 있고 오알프리화에 적합한 스크롤 유체기계를 얻을 수가 있다.

이상의 실시예에서는 압전소자로 이루어지고 선형 작동기를 사용한 예에 대하여 설명했으나 선형솔레노이드등 기타의 선형작동기를 사용해도 동일한 작용을 얻을 수가 있다.

본 발명에 의하면 압전소자등으로 이루어진 선형작동기의 직선방향의 변위를 선회스크롤의 선회운동으로 변환하고, 이것을 고정스크롤부재와 조합하므로서 유체의 압축, 이송을 행할 수가 있으므로 소형 경량화, 높은 효율, 고속회전을 도모하고 회전의 방향 및 속도제어가 용이하고 오일프리화에 적합한 스크롤 유체기계를 제공할 수 있다. 또 드러스트시이트에서 드러스트력을 받고 또 간극이 없이 운동의 안내도 할 수 있으므로 랩간의 간극의 변동도 없고 선회스크롤의 구동중에 가스에 의하여 생기는 모우멘트 하중이 작용해도 선회스크롤의 플러터운동 등의 불안정한 운동상황의 발생은 방지되어 선회스크롤의 플러팅도 방지할 수 있어 저진동화 및 고효율화를 달성할 수가 있다. 그리고 전자소음도 발생하지 않으며 베어링이 불필요하게 되므로 기계전체를 대폭적으로 저소음화할 수가 있다.

또 다른 실시예를 제19도에 따라 설명한다.

본 실시예는 2개의 압전소자(42, 43)을 사향체(斜向體)형상으로 형성하고, 그 정상부에 구동단부(44)를 설치한 작동기를 선회스크롤(3)의 단판(3a)의 이면에 복수개 배치하고 제어기(53, 54)에 의하여 압전소자(42, 43)에 각각 화살표(47, 48)의 방향으로 변위를 부여하고 구동단부(44)를 거쳐 선회스크롤(3)에 선회운동을 발생시켜 고정스크롤의 랩(2b)과 선회스크롤의 랩(3b)과의 사이에서 압축동작을 행하게 하는 것이다.

이하에 제19도의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.

고정스크롤(2)은 단판(2a)과 소용돌이 형상으로 형성된 랩(2b)으로 이루어지고 프레임(4)에 고정되어 있다. 단판(2a)에 유로(8, 14)가 설치되어 있다. 한편 선회스크롤(3)도 고정스크롤의 랩(2b)과 기본적으로 동일 형상의 소용돌이 형상의 랩(3b)과 단판(3a)으로 이루어져 있다. 그리고 고정스크롤(2)과 선회스크롤(3)은 서로 맞물려 압축작동실을 형성하고 있다. 선회스크롤(3)이 단판(3a)의 이면에는 선회스크롤(3)의 구동을 위하여 작동기(49~52)가 설치하고 있다. 이들의 작동기(49∼52)는 동일구성을 가지며, 예를들면 작동기(49)는 상기한 바와 같이 사향체형상으로 형성한 2개의 압전소자(42, 43), 구동단부(44), 유연기구부(41)로 이루어진다. 압전소자(42, 43)는 예를들면, 리탄산지르콘산염[P^b(Zr·Ti)θ₃] (통상 PZT)을 사용하고 저전압으로 큰 변위를 얻는 적층구조를 이루고 있다.

구동단부(44)는 내마모성재료로 이루어져 있어 한쪽면을 선회스크롤(3)의 단판부(3a)에 압압 접촉하고 있다. 압전소자(42, 43)와 구동단부(40)의 사이에는 유연기구부(41)가 설치되어 있고 압전소자(42, 43)의 변위방향(화살표)(47, 48)으로만 힘을 강하게 전달할 수가 있고 화살표(47, 48)과 직각방향으로는 힘에 대하여 유연하게 되도록 되어 있다. 압전소자(42, 43)의 저면을 45°로 형성한 베이스(45)에 고정되어 있다. 베이스(45)와 유연기구(41)와의 사이에는 탄성부재(46)를 설치하여 압전소자(42, 43)에 항상 압축력이 작용하도록 되어 있다. 고정스크롤 단판(2a)의 외주부에는 선회스크롤 단판(3a)에 대향하여 단성부재(27)를 배설하여 구동단부(44)에 압축력이 작용하도록 하고 있다. 탄성부재(55)는 다시 그 부위에서 좌우의 공간을 격리하는 시일요소의 기능도 가지고 있다. 선회스크롤(3)에 일정반경의 선회운동을 부여하기 위하여 상기와 같이 구성한 구동장치(49)와 동일한 50을 X축방향에 다시 설치하고 Y축방향에도 동일한 구동장치(51, 52) 2개를 배치하고 있다. 그리고 각각에 조립된 압전소자(42, 43)의 구동은 발진기, 증폭기, 위상변환기, 전원으로 이루어진 제어기(53 및 54)에 의하여 행해진다. X축방향으로 배치한 한쌍의 구동장치(49, 50)는 제어기(53)에 의하여 또 Y축방향으로 배치한 한쌍의 구동장치(51, 52)는 제어기(54)에 의하여 구동된다. 제어기(53, 54)는 X축, Y축방향을 각각 제어하기 위하여 항상 서로 위상보상을 행하고 있다.

다음에 본 실시예의 동작에 대하여 설명한다. 압전소자(42, 43)에 적절한 위상차를 가지는 교류전압을 인가하면 제20도에 나타낸 바와 같이 압전소자(42, 43)는 각각 변위방향(47, 48)으로 변위(a)로 신축하고 유연기구부(41)가 평행링크기구의 역할을 하여 각각의 미소변위를 간섭하지 않고 선단에 전달하여 구동단부(44)와 선회스크롤(3)과의 접촉점(t₁)을 S₁으로 이동시키므로서 구동단부(44)는 선회스크롤(3)을 화살표(57)로 나타낸 방향으로 변위시킨다. 그리고 구동단부(44)가 타원궤적을 그리므로서 밀어붙여진 선회스크롤(3)을 1방향으로 접촉구동하게 된다. 선회스크롤(3)에 대하여 45°방향으로 배치한 압전소자(42, 43)에 교류전압을 작용시키면 전압의 크기에 따라 타원궤적을 발생한다. 그리고 각각의 최대진폭을 a라 하면 그 조합에 의하여 생기는 접촉면 방향의 변위를 2a에 가까워지는 큰 변위로 할 수가 있다.

이 변위를 X축 Y축에 대하여 공동(共動)하도록 제어하고(90°의 위상보상), 이에 의하여 선회스크롤(3)은 자전없이 일정반경의 선회운동을 하고 고정스크롤과 함께 압축동작을 행할 수가 있다. 압축동작을 행할 때 탄성부재(46)는 드러스트력을 발생함과 동시에 시일기능도 가지고 있으므로 작동실내의 가스를 외부에 누설시키지 않으며, 이 때문에 여러 가지의 가스에 대해서도 유효한 압축기를 제공할 수가 있다. 또 작동중 압전소자에는 압축력이 작용하고 있으므로 인장력에 약간 특성을 가지는 압전체의 내구성이 대폭적으로 향상하고, 나아가서는 기계의 신뢰성이 대폭적으로 향상된다.

본 발명의 스크롤형 유체기계는 압전모터에 의하여 직접 선회스크롤을 구동하도록 구성하였기 때문에 스크롤유체기계를 평편형으로 설계할 수가 있어 종래의 전동모터를 사용한 스크롤형 유체기계에 비교하여 충분히 소형, 경량화를 달성할 수가 있다. 또 압전모터 자신으로 선회스크롤을 지지하고 그 드러스트력를 받으며 또 간극이 없이 운동의 안내도 할 수가 있으므로 랩간의 간극변동도 없고 선회스크롤의 구동중에 가스에 의하여 생기는 모우멘트 하중이 작용해도 선회스크롤의 플러터운동등의 불안정한 운동상황의 발생은 방지되어 선회스크롤의 플러터링도 억제할 수가 있고 저진동화 및 고효율화를 달성할 수가 있다. 또한 베어링등 섭동부분을 극단적으로 적게할 수가 있으므로 신뢰성이 높아진다. 또 압전모터는 접촉진동부를 가지고 있으나 무윤활로 작동되므로 윤활유가 불필요한 완전오일프리의 스크롤 유체기계를 제할 수가 있다. 또 전자소음도 발생하지 않으며 베어링이 불필요하게 되므로 기계전체를 대폭적으로 저소음화할 수가 있다. 또 압전모터는 선회스크롤에 선회운동을 가함과 동시에 그 자전을 저지하는 기능도 수행할 수가 있다. 또한 압전모터의 재료로서는 세라믹 등이 사용되므로 내구성을 가지고 있어 본 발명의 스크롤 유체기계는 반도체 제조장치 등의 진공펌프로서도 유효하게 이용할 수가 있다.

제21도는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 선회스크롤(3)에는 압축도중의 유체를 선회스크롤(3)의 배면과 프레임(4)으로 형성되는 공간에 도입하기 위한 도입공(56)이 설치되어 있다. 기타의 구성은 제1도에 나타낸 실시예와 동일한 것으로 도시하고 있으나 본 발명에 나타낸 다른 실시예에도 적용할 수가 있다.

이 구성에서는 흡입압력과 토출압력의 중간적인 압력이 상기 공간에 인도되고 압축실과의 압차에 의하여 선회스크롤(3)을 고정스크롤(2)에 향하여 압압한다. 이 때문에 상기 도입공(56)의 위치를 적절하게 선정하면 고정스크롤(3)의 단판(3a)에 과대한 하중이 작용하는 일이 없고 압전모터 혹은 드러스트베어링에 작용하는 드러스트력을 경감할 수 있다. 기타의 동작은 상기한 것과 동일하므로 생략한다.

Claims

단판과 단판에 직립한 소용돌이 상의 랩으로 각각 구성된 고정스크롤 및 선회스크롤을 서로 랩을 내측으로 하여 조합하고 선회스크롤을 자전시키지 않고 선회운동시키므로서 양스크롤의 랩에 의하여 형성되는 밀폐공간의 용적을 점차 변화시켜 유체의 이송을 행하는 스크롤형 유체기계에 있어서, 전압인가에 의하여 신축 가능한 복수의 작동기를 선회스크롤에 근접시켜 배치하고, 그 작동기의 신축운동에 의하여 상기 작동기와 선회스크롤과의 접촉점을 이동시켜 선회스크롤을 직접 선회시키는 것을 특징으로 하는 스크롤형 유체기계.
단판과 단판에 직립한 소용돌이상의 랩으로 각각 구성된 고정스크롤 및 선회스크롤을 서로 랩을 내측으로 하여 조합하고 선회스크롤을 자전시키지 않고 선회운동 시키므로서 양스크롤의 랩에 의하여 형성되는 밀폐공간의 용적을 점차 변화시켜 유체의 이송을 행하는 스크롤형 유체기계에 있어서, 전압인가에 의하여 신축 가능한 복수의 작동기를 선회스크롤에 근접시켜 배치하고, 각 작동기에 의하여 각각 특정방향으로 선회스크롤을 구동시켜 그 합성속도를 제어하여 선회스크롤을 선회운동시키는 것을 특징으로 하는 스크롤형 유체기계.
제1항에 있어서, 상기 작동기가 압전소자를 이용한 압전모터인 스크롤형 유체기계.
제3항에 있어서, 상기 압전모터가 링형상 압전모터이고 그 압전모터와 슬라이드하는 슬라이더를 선회스크롤에 설치하고 있는 스크롤형 유체기계.
제4항에 있어서, 상기 링형상 압전모터를 프레임의 중앙부와 외주부의 동일원주상에 복수개 배열하고 고주파 교류전압으로 구동하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 유체기계.
제4항에 있어서, 상기 링형상 압전모터의 중심반경이 선회스크롤의 선회반경과 대략 동일한 것을 특징으로 하는 스크롤형 유체기계.
제4항에 있어서, 슬라이더가 상기 링형상 압전모터의 중심축에 대하여 선회반경만큼 편심된 핀부를 가지고 그 압전모터와 슬라이드 하는 슬라이더와, 그 핀부와 감합하는 구멍을 가지고 선회스크롤에 설치한 요부내에서 회전가능하게 설치된 슬라이더로 이루어진 스크롤형 유체기계.
제3항에 있어서, 압전모터가 선형 압전모터인 스크롤형 유체기계.
제3항에 있어서, 압전모터가 2개의 압전소자를 사향체(斜向體)형상으로 형성하고 그 정상부에 구동단부를 설치한 스크롤형 유체기계.
제8항에 있어서, 상기 선형압전모터가 고정스크롤의 중심축을 통하고 직교하는 방향으로 배치되고 이들의 합성속도가 선회운동 속도가 되는 것을 특징으로 하는 스크롤형 유체기계.
제3항에 있어서, 선회스크롤의 고정스크롤과 대항하는 측, 또는 그 반대측, 또는 그 양측에 압전모터를 배설한 스크롤형 유체기계.
제8항에 있어서, 선회스크롤의 고정스크롤과 대향하는 측, 또는 그 반대측, 또는 그 양측에 압전모터를 배설한 스크롤형 유체기계.
단판에 신개선 또는 유사한 곡선으로 이루어진 소용돌이 형상의 랩을 직립시켜 형성한 고정스크롤과, 동일하게 단판과 이에 직립한 소용돌이 형상의 랩으로 이루어진 선회스크롤을 서로 랩을 내측으로 하여 또 서로 단판을 평행으로 하여 맞물리고 선회스크롤을 자전시키지 않고 선회운동시키고 양스크롤의 랩에 의하여 형성되는 밀폐공간의 용적을 점차 변화시켜 유체의 이송을 행하는 스크롤형 유체기계에 있어서, 고정스크롤을 그 주연부에서 정지부재에 고정하고 선회스크롤을 단판과 평행인 면내에서 운동 가능하게 정지부재에 대하여 지지하고 선회스크롤의 배면측에 있어서 정지부재에 복수개의 선형작동기를 설치하고 이들 각 선형작동기에 의하여 고정스크롤의 중심축선으로부터 복수의 반경방향으로 생기는 변위를 선회스크롤의 단판 배면 주연부에 전달하도록 하고 이들 선형작동기를 상기 복수의 반경방향의 상호의 배치각과 동등한 위상차를 가지는 교류전압으로 구동하므로서, 선회스크롤을 자전시키지 않고 고정스크롤에 대하여 선회운동시키는 것을 특징으로 하는 스크롤형 유체기계.
제13항에 있어서, 상기 각 선형작동기에 의하여 복수의 반경방향으로 생기는 변위는 신축방향이 그 복수의 반경방향에 있도록 배치된 각 선형 작동기의 변위에 의하여 가해지는 스크롤형 유체기계.
제13항에 있어서, 상기 각 선형 작동기에 의하여 상기 복수의 반경방향으로 생기는 변위는 각 선형작동기의 변위를 변위 확대기구에 의하여 확대된 변위에 의하여 가해지는 스크롤형 유체기계.
제13항에 있어서, 상기 각 선형 작동기는 압전소자를 적층하여 형성된 봉형상체로 이루어진 스크롤형 유체기계.
제14항에 있어서, 상기 각 선형작동기는 압전소자를 적층하여 형성된 봉형상체로 이루어진 스크롤형 유체기계.
제15항에 있어서, 상기 각 선형작동기는 압전소자를 적층하여 형성된 봉형상체로 이루어진 스크롤형 유체기계.
제1항에 있어서, 상기 선회스크롤의 흡입압력과 토출압력의 중간인 압축행정 도중이 되는 위치에 상기 선회스크롤의 배면과 압축실측을 연통하는 도압공을 설치한 스크롤형 유체기계.
제13항에 있어서, 상기 선회스크롤의 흡입압력과 토출압력의 중간인 압축행정 도중이 되는 위치에 상기 선회스크롤의 배면과 압축실측을 연통하는 도압공을 설치한 스크롤형 유체기계.