JP3575201B2 - スクロール形流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮機、真空ポンプ、膨張機等に用いられるスクロール形流体機械に関するものであり、特に可動スクロールの鏡板に背圧力を加えることによって可動スクロールを固定スクロールに押付けるようにしたスクロール形流体機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のスクロール形流体機械は、たとえば、特開平５−２９６１６３号公報に開示されている。この公報にも開示されているが、スクロール形流体機械の動作中においては、可動スクロールに対して種々の力が作用している。具体的には、可動スクロールの鏡板の背面に加えられる軸方向に向く背圧力、固定スクロールおよび可動スクロールの渦巻体間に閉込められるガスによって作り出されるガス荷重、公転運動する可動スクロールによって作り出される遠心力等が存在する。
【０００３】
可動スクロールに対して作用する種々の力の位置関係により転覆モーメントが働き、そのため、可動スクロールの鏡板部等で片当たりが生じたり、可動スクロールが倒れて可動スクロールの軸受け部の負荷が増大したりする問題が生ずる。
【０００４】
特開平５−２９６１６３号公報に開示されたスクロール形流体機械においては、可動スクロールの鏡板の背面に偏心した円形のシールリングを設けることによって、可動スクロールに作用する転覆モーメントを低減しようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平５−２９６１６３号公報に開示されたような偏心シールリングを設けようとすれば、加工コストが増大する。また、偏心シールリングを設けても、転覆モーメントの低減は十分ではない。
【０００６】
図９は、スクロール形流体機械の動作中において、可動スクロールに対して作用する力がどのように変化するかを示している。縦軸は力の大きさを示し、横軸は公転運動する可動スクロールの回転角度を示している。
【０００７】
Ｆ_ｂｐは、可動スクロールの鏡板の背面に作用する軸方向に向く背圧力荷重であり、可動スクロールの回転角度にかかわらずほぼ一定の大きさとなっている。
【０００８】
固定スクロールの渦巻体と可動スクロールの渦巻体との間に閉込められるガスによって作り出されるガス荷重が、可動スクロールに作用する。Ｆ_ｐａは、そのようなガス荷重の軸方向成分であり、Ｆ_ｐｔはガス荷重の接線方向成分であり、Ｆ_ｐｒはガス荷重の半径方向成分である。ガス荷重は、両スクロールの渦巻体間に閉込められるガス圧によって変化する。とくに、ガス荷重軸方向成分Ｆ_ｐａは、吐出開始時において最大となり、吸込み完了時において最小となる。
【０００９】
Ｆ_ｉｒは、公転運動する可動スクロールに作用する遠心力荷重であり、動作中においてはほぼ一定の大きさである。
【００１０】
背圧力荷重Ｆ_ｂｐおよびガス荷重軸方向成分Ｆ_ｐａは可動スクロールの鏡板に対して軸方向に作用する。この両荷重の差圧はスラスト反力Ｆ_ａ として、可動スクロールの鏡板に作用する。
【００１１】
図９に示すように、スラスト反力Ｆ_ａ は、Ｆ_ｂｐからＦ_ｐａを差し引いた力の大きさ、すなわちＦ_ｂｐ−Ｆ_ｐａである。そのため、スラスト反力Ｆ_ａ の大きさは、スクロール形流体機械の吐出開始時に最も小さくなり、吸込み完了時に最も大きくなる。
【００１２】
上述のように、スラスト反力Ｆ_ａ は可動スクロールの回転角度に応じて変化する。モーメントの釣合いのために、スラスト反力Ｆ_ａ の作用点も、可動スクロールの回転角度に応じて変化する。スラスト反力Ｆ_ａ の大きさが小さいときには、可動スクロール中心からスラスト反力作用点までの距離は大きくなり、スラスト反力Ｆ_ａ の大きさが大きいときには可動スクロール中心からスラスト反力作用点までの距離は小さくなる。
【００１３】
図１０は、可動スクロール１とともにスラスト反力作用点の軌跡Ｌを示している。２は鏡板、３は渦巻体、４はオルダムキー溝である。図示するように、スラスト反力作用点は、動作中において、可動スクロール中心からの距離が刻々と変化する。吐出開始時、すなわちガス荷重軸方向成分Ｆ_ｐａが最大になるときにスラスト反力が最小となるため、スラスト反力の作用点が可動スクロール中心から最も遠ざかる。その際、スラスト反力作用点は可動スクロール１の鏡板中心２から外方に外れたところに位置する。鏡板外径が充分でないと、スラスト反力を受ける作用点が鏡板２上に位置しないようになるため、軸方向に作用する力のバランスが崩れ、可動スクロール１が傾いてしまう。図１０に示すような状態では、可動スクロールは、１回転中に一度、すなわち吐出開始時に傾いてしまうことになる。
【００１４】
この発明の目的は、特に製造コストを増大することなく、可動スクロールに対する転覆モーメントを低減することのできるスクロール形流体機械を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の前提となるスクロール形流体機械は、渦巻体を有する固定スクロールと、固定スクロールの渦巻体に摺接する渦巻体を鏡板上に有する可動スクロールとを備え、可動スクロールの鏡板の背面に軸方向に向く背圧力を加えることによって可動スクロールを固定スクロールに押付け、背圧力荷重と、両スクロールの渦巻体間に閉込められるガスによって作り出されるガス荷重の軸方向成分との差圧に釣り合うスラスト反力を可動スクロールの鏡板に作用させるようにするものである。
【００１６】
請求項１に記載のスクロール形流体機械は、吐出開始時にあるときの固定スクロール中心から可動スクロール中心を通る半直線をＸとし、可動スクロール中心を起点とし半直線Ｘに対して回転方向に９０°回転させた半直線をＹとし、半直線Ｘと半直線Ｙとによって囲まれた領域を第１領域、さらに９０°ずつ回転方向に回転させた領域を順に第２領域、第３領域、第４領域としたとき、吐出開始時に可動スクロール中心から最も遠ざかるようになるスラスト反力の作用点を受止める反力受止め部を可動スクロール鏡板の第２領域に設けたことを特徴とする。
【００１７】
本願発明者は、スラスト反力の作用点が可動スクロール中心から最も遠ざかる領域は、第２領域になることを見出した。したがって、請求項１に記載の発明においては、第２領域に設けられた反力受止め部が確実にスラスト反力の作用点を受止めるので、吐出開始時における可動スクロールの傾きを効果的に防止することができる。
【００１８】
請求項２に記載のスクロール形流体機械では、可動スクロール鏡板の主たる外径の中心位置を、可動スクロールの駆動軸中心に対して第２領域に偏心させることによって、反力受止め部を第２領域に設けている。この請求項２に記載の発明によれば、反力受止め部を形成するのに特別な加工を必要としないので、製造コストの増大を抑えることができる。さらに、可動スクロールの重量を増加させることはない。
【００１９】
請求項３に記載のスクロール形流体機械では、第２領域に位置する可動スクロール鏡板の外縁を半径方向外方に膨出させることによって、反力受止め部を第２領域に設けている。この請求項３に記載の発明によれば、膨出部が確実にスラスト反力の作用点を受止めるので、可動スクロールの転覆を効果的に防止することができる。
【００２０】
請求項４に記載のスクロール形流体機械では、膨出部分にオルダムキー溝が形成されている。オルダムキー溝は、公転運動する可動スクロールが自転しないようにするために、この種のスクロール形流体機械においては必ず形成されるものである。請求項４に記載の発明では、必ず必要となるオルダムキー溝の位置を第２領域にし、膨出部分と兼用することによって、スラスト反力を受止めるようにしている。このようにすれば、製造コストの増大を防止することができる。
【００２１】
請求項５に記載のスクロール形流体機械においては、膨出部分の厚みを、他の部分に比べて薄くしている。膨出部分を形成することによってその部分の重みが負荷されることになるが、請求項５に記載の発明のように、その厚みを小さくすれば、重量の増加を防ぐことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、固定スクロール１０の渦巻体１１と、可動スクロール１２の渦巻体１３とが噛合っている状態を示す断面図である。可動スクロール１２は、鏡板１４と、駆動軸の偏心ピンを受入れるピン受け筒部１５とを備える。
【００２３】
可動スクロール１２の鏡板１４の背面にはシール部材１６および１７が配置されており、この両シール部材間に背圧室１８が形成される。両スクロールの渦巻体間に形成される中間圧力はガス通路１９を経由して背圧室１８に導かれる。
【００２４】
背圧室１８によって形成される背圧力Ｆ_ｂｐは、可動スクロール１２を固定スクロール１０に向かって軸方向に押付ける。また、両スクロールの渦巻体間に閉込められるガスによって作り出されるガス荷重の軸方向成分Ｆ_ｐａは、可動スクロール１２を、固定スクロール１０から軸方向に遠ざけるように作用する。図９を用いて説明したように、背圧力荷重Ｆ_ｂｐはガス荷重軸方向成分Ｆ_ｐａよりもかなり大きいため、可動スクロール１２は間隔ｄだけ浮上がる。可動スクロール１２の鏡板１４の外周部分は固定スクロール１０に押付けられ、そのため鏡板１４に対してスラスト反力Ｆ_ａ が背圧力とは逆方向に作用する。Ｆ_ａ ＝Ｆ_ｂｐ−Ｆ_ｐａである。
【００２５】
図２および図３は、可動スクロール１２に作用する種々の力を図解的に示している。図２は可動スクロールを上方から見た図であり、図３は可動スクロールを側方から見た図である。
【００２６】
可動スクロールに作用する力の関係をまとめると、以下の表１のようになる。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１に示された各力について、図２および図３を用いて詳しく説明する。可動スクロールは固定スクロールの中心Ｏ_ｆｓのまわりを回転する。可動スクロールの中心をＯ_ｏｓとし、その回転の半径をＲ_ｏｒとする。回転方向は、図２において反時計方向である。固定スクロール中心Ｏ_ｆｓから可動スクロール中心Ｏ_ｏｓを通る方向をｒ軸とし、可動スクロール中心Ｏ_ｏｓを通る接線の方向をｔ軸とする。また、可動スクロール中心Ｏ_ｏｓを通って紙面に対して垂直方向に延びる軸をａ軸とする。
【００２９】
ガス荷重Ｆ_ｐａ、Ｆ_ｐｔ、Ｆ_ｐｒは、固定スクロール中心Ｏ_ｆｓと可動スクロール中心Ｏ_ｏｓとの間の中点に作用する。ガス荷重軸方向成分Ｆ_ｐａは軸方向に沿って下向きに作用する。ａ軸に沿って下向きの方向を負とすると、表１に示すようにガス荷重のａ軸成分は−Ｆ_ｐａとなる。その作用点座標は、ｒ軸で見ると−Ｒ_ｏｒ／２である。
【００３０】
ガス荷重接線方向成分Ｆ_ｐｔのａ軸方向の作用点は、渦巻体の高さの中央の位置である。したがって、図３に示すようにａ軸方向の作用点の座標はｈ_ｐ となる。ｔ軸方向で見ると負であるので、力の成分は−Ｆ_ｐｔとなる。
【００３１】
ガス荷重半径方向成分Ｆ_ｐｒは、ｒ軸方向に見たとき負であるので、力の成分は−Ｆ_ｐｒとなる。Ｆ_ｐｒのａ軸方向の作用点座標はｈ_ｐ である。
【００３２】
遠心力Ｆ_ｉｒは、可動スクロール中心Ｏ_ｏｓに作用する。ｒ軸方向に見たとき正であるので力の成分はＦ_ｉｒである。ａ軸方向に見たとき、遠心力Ｆ_ｉｒの作用点は、可動スクロールの重心位置となるので、ａ軸の座標はｈ_ｉ である。
【００３３】
ｒ軸方向の力の成分で見たとき、ガス荷重半径方向成分Ｆ_ｐｒよりも遠心力荷重Ｆ_ｉｒの方がかなり大きい。このことは図９からも明らかである。そのため、その力の差に対応するピン軸反力が、駆動軸の偏心ピンを受入れるピン受け筒部１５に作用する。ピン軸反力のｒ軸成分Ｒ_ｒ は遠心力Ｆ_ｉｒと逆向きであるため、−Ｒ_ｒ となる。
【００３４】
ｔ軸方向の力の成分を見ると、ガス荷重接線方向成分Ｆ_ｐｔと同じ力の大きさで、逆向きのピン軸反力ｔ軸成分Ｒ_ｔ がピン受け筒部１５に作用する。ピン軸反力ｔ軸成分は、ガス荷重接線方向成分Ｆ_ｐｔと逆向きであるため、ｔ軸成分はＲ_ｔ となる。ピン軸反力Ｒ_ｒ 、Ｒ_ｔ の作用点は、図２においては可動スクロール中心Ｏ_ｏｓであり、図３に示したａ軸方向においては、ピン受け筒部１５の高さの約２分の１の位置である。したがって、ａ軸の作用点座標は、−ｈ_ｒ となる。
【００３５】
背圧力Ｆ_ｂｐは固定スクロール中心Ｏ_ｆｓを通って上方に作用する。したがって、ａ軸に沿う力の成分は、Ｆ_ｂｐであり、作用点座標は−Ｒ_ｏｒである。
【００３６】
ａ軸方向の力の成分を見たとき、下向きのガス荷重軸方向成分Ｆ_ｐａよりも上向きの背圧力荷重Ｆ_ｂｐの方がかなり大きい。このことは、図９からも明らかである。そのため、ａ軸方向の力の釣合いをとるために、背圧力荷重Ｆ_ｂｐとガス荷重軸方向成分Ｆ_ｐａとの力の差に対応するスラスト反力Ｆ_ａ が、背圧力荷重Ｆ_ｂｐとは逆向きに作用する。この作用点座標を、ｒ軸に見たときＡ_ｒ とし、ｔ軸に見たときＡ_ｔ とする。ａ軸方向にみたとき、スラスト反力の作用点は、鏡板１４の上面であるので、ｈ_ｓ である。
【００３７】
次に、スラスト反力Ｆ_ａ の作用点がどこに位置するのかについて検討してみる。そのために、モーメントの釣合いを考える。
【００３８】
まず、ｒ軸まわりのモーメントの釣合いを考えてみる。正のモーメントはＦ_ａ ・Ａ_ｔ である。一方、ｒ軸まわりの負のモーメントは、Ｒ_ｔ ・ｈ_ｒ およびＦ_ｐｔ・ｈ_ｐ である。
【００３９】
次にｔ軸まわりのモーメントについて考えてみる。ｔ軸まわりの正のモーメントは、Ｆ_ａ ・Ａ_ｒ である。また、Ｆ_ｂｐ・Ｒ_ｏｒ、Ｒ_ｒ ・ｈ_ｒ 、Ｆ_ｉｒ・ｈ_ｉ もｔ軸まわりの正のモーメントとなる。一方、Ｆ_ｐｒ・ｈ_ｐ およびＦ_ｐａ・Ｒ_ｏｒ／２がｔ軸まわりの負のモーメントとなる。
【００４０】
上述したモーメントの釣合いを整理すると、次のようになる。
【００４１】
【数１】

【００４２】
図４を参照して、吐出開始時にあるときの固定スクロール中心Ｏ_ｆｓから可動スクロール中心Ｏ_ｏｓを通る半直線をＸとし、可動スクロール中心Ｏ_ｏｓを起点とし半直線Ｘに対して回転方向に９０°回転させた半直線をＹとし、半直線Ｘと半直線Ｙとによって囲まれた領域を第１領域、さらに９０°ずつ回転方向に回転させた領域を順に第２領域、第３領域、第４領域とする。
【００４３】
上述の式（１）を満足するためには、Ｆ_ａ ・Ａ_ｔ は必ず正でなければならない。Ｆ_ａ は正であるので、Ａ_ｔ も正でなければならない。ということは、Ｆ_ａ の作用点は、必ず第１領域または第２領域に存在しなければならない。
【００４４】
次に、式（２）に記載されている（Ｆ_ｂｐ・Ｒ_ｏｒ＋Ｒ_ｒ ・ｈ_ｒ ＋Ｆ_ｉｒ・ｈ_ｉ ）と（Ｆ_ｐｒ・ｈ_ｐ ＋Ｆ_ｐａ・Ｒ_ｏｒ／２）の大きさを比較してみる。図９を参照して、Ｆ_ｂｐはＦ_ｐａよりもかなり大きい。また、Ｒ_ｏｒはＲ_ｏｒ／２よりも大きいため、Ｆ_ｂｐ・Ｒ_ｏｒ≫Ｆ_ｐａ・Ｒ_ｏｒ／２の関係となる。
【００４５】
図９から、Ｆ_ｉｒはＦ_ｐｒよりもかなり大きいことがあきらかである。一方、ｈ_ｉ とｈ_ｐ とはそれほど大きさに差はない。したがって、Ｆ_ｉｒ・ｈ_ｉ ＞Ｆ_ｐｒ・ｈ_ｐ の関係が成り立つ。さらに、Ｒ_ｒ ・ｈ_ｒ が正成分として作用するので、確実に以下の関係式が成り立つ。
【００４６】
【数２】

式（３）の関係でなおかつ式（２）の条件を満足するためには、Ｆ_ａ ・Ａ_ｒ は負でなければならない。Ｆ_ａ は正の力成分であるので、Ａ_ｒ は負である。
【００４７】
以上のモーメントの釣合いから考えると、Ａ_ｔ は正であり、Ａ_ｒ は負である。そのような領域は、第２領域である。
【００４８】
以上のことから、スラスト反力の作用点は、必ず第２領域に位置することになる。その作用点は吐出開始時に最大となる。言換えれば、吐出開始時に可動スクロール中心Ｏ_ｏｓから最も遠ざかるようになるスラスト反力Ｆ_ａ の作用点は、必ず第２領域に位置する。そこでこの発明では、そのようなスラスト反力Ｆ_ａ の作用点を受止める反力受止め部を可動スクロール鏡板の第２領域に設ける。
【００４９】
図５に示した実施例では、可動スクロール１２の鏡板１４の主たる外径の中心位置Ｃを、可動スクロールの駆動軸中心Ｏ_ｏｓに対して第２領域に偏心させている。したがって、オルダムキー溝２１を除いて、可動スクロール中心Ｏ_ｏｓから鏡板１４の外縁に至るまでの距離は、第２領域において最大となる。スラスト反力の作用点の軌跡Ｌから明らかなように、吐出開始時にスラスト反力の作用点が可動スクロール中心Ｏ_ｏｓから最も遠ざかる。その際、大きな面積を占めるようになった第２領域の鏡板が反力受止め部２０となってスラスト反力を受止める。こうして、可動スクロールの転覆を防止できる。
【００５０】
図６は、この発明に従った他の実施例を示している。この実施例では、第２領域に位置する可動スクロール鏡板１４の外縁を半径方向外方に膨出させることによって、スラスト反力を受止める反力受止め部２０を形成している。膨出部２２は反力受止め部２０を形成するために設けられたものであるが、可動スクロールのバランサとして作用させるようにしてもよい。
【００５１】
図７は、この発明のさらに他の実施例を図示している。この実施例では、反力受止め部を形成するための膨出部２２の厚みを小さくすることによって、重量の増加を防いでいる。
【００５２】
図８は、この発明に従ったさらに他の実施例を図示している。図８では、オルダムキー溝２１を適正な場所に位置させることによって、オルダムキー溝２１に反力受止め部２０を形成するようにしている。この実施例では、オルダムキー溝２１の位置を適正に選ぶだけでよいので、製造コストおよび重量の増加を防ぐことができる。
【００５３】
以上図示しかつ説明した実施例はこの発明を例示的に示したものにすぎない。したがって、この発明の均等の範囲内において、種々の修正や変形が可能である。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、吐出開始時に可動スクロール中心から最も遠ざかるようになるスラスト反力の作用点を受止める反力受止め部を可動スクロール鏡板の第２領域に設けたので、可動スクロールの転覆モーメントを確実に低減することができる。
【００５５】
請求項２に記載の発明によれば、可動スクロール鏡板の主たる外径の中心位置を可動スクロールの駆動軸中心に対して偏心させることによって反力受止め部を形成するものであるので、製造コストの増加を防ぐことができる。
【００５６】
請求項３に記載の発明によれば、可動スクロール鏡板の外縁を半径方向外方に膨出させることによって反力受止め部を形成しているので、スラスト反力の作用点を確実に受止めることができる。
【００５７】
請求項４に記載の発明によれば、オルダムキー溝を利用して反力受止め部を形成するものであるので、製造コストの増加を防ぐことができる。
【００５８】
請求項５に記載の発明によれば、膨出部分の厚みを小さくしているので、重量の増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固定スクロールと可動スクロールとが噛合っている状態を示す断面図である。
【図２】可動スクロールに作用する種々の力を上方から見た図である。
【図３】可動スクロールに作用する力を側方から見た図である。
【図４】可動スクロールを４つの領域に区分した図である。
【図５】この発明に従った実施例を示す図である。
【図６】この発明に従った他の実施例を示す図である。
【図７】この発明に従ったさらに他の実施例を示す図である。
【図８】この発明に従ったさらに他の実施例を示す図である。
【図９】可動スクロールに作用する種々の力と回転角度との関係を示す図である。
【図１０】従来の可動スクロールを示す図である。
【符号の説明】
１２ 可動スクロール
１３ 渦巻体
１４ 鏡板
２０ 反力受止め部
Ｌ スラスト反力作用点の軌跡
Ｃ 主たる外径の中心
Ｏ_ｏｓ 可動スクロール中心
２１ オルダムキー溝

Claims (5)

1. 渦巻体（１１）を有する固定スクロール（１０）と、前記固定スクロールの渦巻体に摺接する渦巻体（１３）を鏡板（１４）上に有する可動スクロール（１２）とを備え、前記可動スクロールの鏡板の背面に軸方向に向く背圧力（Ｆ_ｂｐ）を加えることによって可動スクロールを固定スクロールに押付け、前記背圧力荷重（Ｆ_ｂｐ）と、両スクロールの渦巻体間に閉込められるガスによって作り出されるガス荷重の軸方向成分（Ｆ_ｐａ）との差圧に釣り合うスラスト反力（Ｆ_ａ ）を可動スクロールの鏡板に作用させるようにしたスクロール形流体機械において、
   吐出開始時にあるときの固定スクロール中心（Ｏ_ｆｓ）から可動スクロール中心（Ｏ_ｏｓ）を通る半直線をＸとし、可動スクロール中心（Ｏ_ｏｓ）を起点とし前記半直線Ｘに対して回転方向に９０°回転させた半直線をＹとし、半直線Ｘと半直線Ｙとによって囲まれた領域を第１領域、さらに９０°ずつ回転方向に回転させた領域を順に第２領域、第３領域、第４領域としたとき、吐出開始時に可動スクロール中心（Ｏ_ｏｓ）から最も遠ざかるようになる前記スラスト反力（Ｆ_ａ ）の作用点（Ｌ_ｍａｘ ）を受止める反力受止め部（２０）を可動スクロール鏡板の第２領域に設けたことを特徴とする、スクロール形流体機械。
2. 前記可動スクロール鏡板（１４）の主たる外径の中心位置（Ｃ）を、可動スクロールの駆動軸中心（Ｏ_ｏｓ）に対して前記第２領域に偏心させることによって、前記反力受止め部（２０）を第２領域に設けた、請求項１に記載のスクロール形流体機械。
3. 前記第２領域に位置する可動スクロール鏡板の外縁を半径方向外方に膨出させることによって、前記反力受止め部（２０）を第２領域に設けた、請求項１に記載のスクロール形流体機械。
4. 前記膨出部分（２２）にオルダムキー溝（２１）が形成されている、請求項３に記載のスクロール形流体機械。
5. 前記膨出部分（２２）の厚みが、他の部分に比べて薄くされている、請求項３に記載のスクロール形流体機械。

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