JP2005016379A

JP2005016379A - スクロール型流体機械

Info

Publication number: JP2005016379A
Application number: JP2003181007A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kamiya; 裕一神谷; Shigeru Kamiya; 茂神谷; Yoshiki Tada; 世史紀多田; Masafumi Inoue; 雅文井上
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】旋回スクロールに作用するスラスト荷重（圧縮反力）を緩和しながら、スクロール型流体機械の大型化及び重量増加を抑制する。
【解決手段】背圧室１９（モータ室３ａ）内の圧力を吸入圧より高く、かつ、吐出圧より低い中間圧とする。これにより、旋回スクロール６に作用するスラスト荷重（圧縮反力）を緩和しながら、スクロール型流体機械、つまり背圧室１９を構成するモータハウジング３の大型化及び重量増加を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定スクロール及び旋回スクロールを有し、固定スクロールに対して旋回スクロールを旋回させることにより両スクロールにて形成される作動室の体積を拡大縮小させて流体を吸入加圧するスクロール型流体機械に関するもので、蒸気圧縮式冷凍機の圧縮機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
スクロール型流体機械においては、流体を加圧（圧縮）する際に発生する加圧反力（圧縮反力）によって旋回スクロールに大きな軸方向力、即ち、スラスト荷重が発生する。
【０００３】
そこで、従来は、旋回スクロールの背面側、つまり旋回スクロールの端板部のうち作動室と反対側の面に吐出圧を導いて、この吐出圧にて旋回スクロールを固定スクロール側に押し付けて旋回スクロールに作用するスラスト荷重（圧縮反力）を相殺している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１７０５７１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば二酸化炭素等を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍機では、冷媒を約１０ＭＰａ以上まで加圧するので、仮に特許文献１に記載の発明をこの蒸気圧縮式冷凍機用の圧縮機に採用すると、当然ながら旋回スクロールの背面側、つまり旋回スクロールの背面側に吐出圧を作用させる背圧室を構成する部材にも１０ＭＰａ以上の高圧が作用する。
【０００６】
このため、背圧室を構成するハウジング部材の肉厚を厚くして、ハウジング部材の耐圧強度を高める必要があるので、スクロール型流体機械の大型化及び重量増加を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規なスクロール型流体機械を提供し、第２には、旋回スクロールに作用するスラスト荷重（圧縮反力）を緩和しながら、スクロール型流体機械の大型化及び重量増加を抑制することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、固定スクロール（８）及び旋回スクロール（６）を有し、固定スクロール（８）に対して旋回スクロール（６）を旋回させることにより両スクロール（６、８）にて形成される作動室（９）の体積を拡大縮小させて流体を吸入加圧するとともに、旋回スクロール（６）の端板部（６ａ）のうち作動室（９）と反対側の面に所定の圧力を作用させる背圧室（１９）を備えるスクロール型流体機械であって、背圧室（１９）内の圧力は、吸入圧より高く、かつ、吐出圧より低い中間圧となっていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、旋回スクロール（６）に作用するスラスト荷重（圧縮反力）を緩和しながら、スクロール型流体機械、つまり背圧室（１９）を構成する部材の大型化及び重量増加を抑制することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、端板部（６ａ）のうち背圧室（１９）側の面、及びこの面と対向する対向面のうち少なくとも一方には、旋回スクロール（６）の旋回中心を囲むような環状の溝（６ｅ）が設けられており、さらに、溝（６ｅ）には、背圧室（１９）を気密に密閉するシール手段（１１）が配設されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、吐出圧を減圧して背圧室（１９）に導くとともに、絞り開度が固定された固定絞り（３ｂ）を有することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、背圧室（１９）と吐出側との連通状態を調節することにより、背圧室（１９）内の圧力が中間圧となるようにする背圧制御弁（２０）を有することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、背圧室（１９）と吐出側とは、吐出側から背圧室（１９）側にのみ流体が流れることを許容する逆止弁（６ｆ）と、背圧室（１９）と吸入側との連通状態を調節することにより、背圧室（１９）内の圧力が中間圧となるようにする背圧制御弁（２０）を有することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項６に記載の発明では、中間圧は、吸入圧よりも０．５〜２．５ＭＰａだけ高い任意の圧力であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項７に記載の発明では、旋回スクロール（６）と一体的に回転する回転子（２ａ）を有する回転電機（２）を有することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項８に記載の発明では、外部駆動源の動力を旋回スクロール（６）に伝達する動力伝達部を有することを特徴とするものである。
【００１７】
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械にて冷媒を吸入圧縮する蒸気圧縮式冷凍機であって、高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上まで加圧することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項１０に記載の発明では、冷媒として二酸化炭素が用いられていることを特徴とするものである。
【００１９】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るスクロール型流体機器を二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍機用の圧縮機に適用したものである。
【００２１】
なお、蒸気圧縮式冷凍機とは、冷媒を低圧状態として低温側から吸熱して蒸発した気相冷媒を、圧縮機にて加圧圧縮して高温の冷媒として蒸発時に吸熱した熱を高温側に放熱するものであり、蒸気圧縮式冷凍機を構成する代表的な機器としては、圧縮機、高圧側熱交換器（放熱器）、低圧側熱交換器（蒸発器）及び減圧装置等がある。
【００２２】
以下、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係るスクロール型圧縮機について説明する。
【００２３】
シャフト１は、その軸方向一端側（図１では、下端側）に軸中心（回転中心）に対して所定量だけ偏心したクランク部１ａが形成されているとともに、モータ２の回転子（ロータ）２ａを固定子（ステータ）２ｂ内で回転可能に支持している。
【００２４】
なお、モータ２は、電力の供給を受けたときに回転子２ａを回転させるトルクを発生させる回転電機であり、本実施形態では、固定子２ｂに通電することにより回転子２ａを回転させてシャフト１を回転駆動させる。
【００２５】
モータハウジング３は、回転子２ａや固定子２ｂ等のモータ２を構成する機器を収納するもので、軸受４はシャフト１の軸方向一端側を回転可能に支持するラジアル転がり軸受であり、軸受５はシャフト１の軸方向一端側を回転可能に支持するラジアル転がり軸受である。
【００２６】
なお、ミドルハウジング１３は、回転子２ａや固定子２ｂ等のモータ２を構成するを収納するモータ室３ａと後述する旋回スクロール６や固定スクロール８等からなるスクロール型圧縮機構側とを区画する部材であり、軸受５はミドルハウジング１３に固定され、軸受４はモータハウジング３は固定されている。
【００２７】
次に、冷媒を吸入圧縮するスクロール型圧縮機構について述べる。
【００２８】
旋回スクロール６は、略円盤状の端板部６ａ、端板部６ａから固定スクロール８側に突出するように形成された渦巻き形の羽根部６ｂ、及び端板部６ａの背面側、つまり端板部６ａのうち羽根部６ｂと反対側に形成された円筒状のボス部６ｃ等から構成されたものである。
【００２９】
そして、旋回スクロール６は、ボス部６ｃに圧入固定されている軸受１６を介してクランク部１ａに回転可能に連結されており、自転防止ピン７は旋回スクロール６がクランク部１ａを中心に回転（自転）することを規制する自転防止機構を構成するものである。
【００３０】
このため、シャフト１が回転すると、旋回スクロール６は、シャフト１が１回転する間にクランク部１ａに対して１回転しながら、クランク部１ａの偏心量を旋回半径としてシャフト１の回転と共に旋回（公転）運動する。
【００３１】
固定スクロール８は旋回スクロール６と略同様な構造を有しており、具体的には、円盤状の端板部８ａ、及び端板部８ａから旋回スクロール６側に突出して旋回スクロール６の羽根部６ｂと接触して作動室９を構成する渦巻き形の羽根部８ｂ等からなるものである。
【００３２】
そして、旋回スクロール６の旋回とともに、両スクロール６、８にて形成される作動室９が外径側から中心側に移動しながらその体積が拡大縮小していき、気相冷媒等が吸入加圧される。
【００３３】
なお、固定スクロール８の外周側円筒部は、吸入室１４を構成するとともに、スクロール型圧縮機構のハウジングを兼ねている。
【００３４】
また、吸入ポート８ｄは、吸入室１４に気相冷媒等の加圧対象流体を導入するもので、吐出孔８ｃは、端板部８ａの略中央部に位置する作動室９と吐出室１５とを連通させるものである。
【００３５】
なお、吐出室１５は作動室９から吐出される流体の脈動等を平滑化するためのバッファタンクであり、吐出室１５内に吐出された高圧冷媒（加圧流体）は、リアハウジング１８に設けられた吐出ポート１８ａから放熱器や凝縮器等の高圧側熱交換器に供給される。
【００３６】
なお、吐出弁１７は、吐出室１５内の高圧冷媒が吐出孔８ｃを経由して作動室９内に逆流することを防止する逆止弁である。
【００３７】
バランサ１０は、旋回スクロール６の旋回に伴ってシャフト１に作用する偏心力を相殺する錘であり、本実施形態に係るバランサ１０は、旋回スクロール６をクランク部１ａに対して僅かに変位可能として両羽根部６ｂ、８ｂの接触圧力を高める従動クランク機構を構成するブッシングを兼ねている。
【００３８】
また、旋回スクロール６の端板部６ａの背面側、つまりモータ室３ａ側には背圧室１９が形成されており、この背圧室１９は、ミドルハウジング１３に取り付けられた軸受け５とクランク部１ａとの隙間を介してモータ室３ａと連通している。そこで、以下、モータ室３ａも含めて背圧室１９と呼ぶ。
【００３９】
また、背圧導入孔３ｂは、図示しない外部配管又は内部通路を経由して導かれた吐出側の高圧冷媒を減圧して背圧室１９に供給するもので、この背圧導入孔３ｂにより背圧室１９内の圧力（背圧）は、吸入圧より高く、かつ、吐出圧より低い中間圧となるように調圧されている。
【００４０】
なお、背圧室１９と吸入側とは、背圧導入孔３ｂより大きな圧力損失を発生させる絞りを介して常に連通している。
【００４１】
また、端板部６ａのミドルハウジング１３側の面には、旋回スクロール６の旋回中心を囲むような円環状の溝６ｅは設けられており、この溝６ｅには、長方形又は正方形等の矩形断面を有するシールリング１１が装着されている。
【００４２】
そして、シールリング１１がミドルハウジング１３に摺接することにより、背圧室１９内の中間圧冷媒が、ミドルハウジング１３と旋回クロール６の端板部６ａとの隙間から吸入室１４側に漏洩することが防止され、背圧室１９の圧力が中間圧に維持される。
【００４３】
つまり、シールリング１１は、背圧室１９内の冷媒圧力を受けて僅かに拡径して円環状の溝６ｅの外周面に押し付けられるとともに、溝６ｅ内に作用する冷媒圧力によって軸方向に僅かに浮上してミドルハウジング１３の表面に押し付けられるので、ミドルハウジング１３と端板部６ａとの隙間が確実に密閉され、背圧室１９内の冷媒が吸入室１４へ漏れ出すのを防止することが出来る。
【００４４】
なお、シールリング１１の材質は、合成樹脂又はゴム、金属、その他無機材料である。
【００４５】
因みに、本実施形態では、溝６ｅ及びシールリング１１がそれぞれ１個づつ設けられているが、必要に応じてこれらを同心円状に複数個配置してもよいことは言うまでもない。
【００４６】
次に、本実施形態に係るスクロール型圧縮機の概略作動を述べる。
【００４７】
モータ２に通電されてシャフト１が回転すると、旋回スクロール６が固定スクロール８に対して旋回して外周側に設けられた吸入室１４から外周側の作動室９に気相冷媒が取り込まれる。
【００４８】
そして、外周側の作動室９が密閉状態となると、旋回スクロール６の旋回と共に作動室９が外周側から中心側に移動しながら体積が縮小して気相冷媒を加圧圧縮する。
【００４９】
そしてさらに、吐出孔８ｃに連通する作動室９内の圧力が吐出室１５内の圧力より高くなると、吐出弁１７が開いて加圧圧縮された冷媒が吐出室１５内に吐出される。
【００５０】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５１】
本実施形態では、背圧室１９内の圧力が中間圧に設定されているので、旋回スクロール６に作用するスラスト荷重（圧縮反力）を緩和しながら、スクロール型圧縮機、つまり背圧室１９を構成する壁部材であるモータハウジング３の大型化及び重量増加を抑制することができる。
【００５２】
なお、発明者の試作検討によると、高圧側が冷媒の臨界圧力より高くなる超臨界蒸気圧縮式冷凍機においては、中間圧、つまり目標背圧圧力として、吸入室１４内の圧力、つまり吸入圧力よりも若干高い圧力、すなわち０．５〜２．５ＭＰａだけ高い任意の圧力とすることが好適であるとの結論を得ている。
【００５３】
ところで、特許文献１に記載の発明では、温度の高い吐出冷媒が背圧室１９（モータ室３ａ）に導入されていたのに対して、本実施形態では、中間圧まで減圧しているので、本実施形態では、特許文献１に記載の発明より低い温度の冷媒をモータ室３ａに供給することができ、モータ２や軸受４、５を十分に冷却できる。
【００５４】
また、近年、モータの高効率化に伴いモータの損失による発熱が僅かなので、本実施形態のごとく、減圧された僅かな流量の冷媒量であっても、モータ２や軸受４、５を十分に冷却することができるとともに、冷媒に混合された冷凍機油により軸受４、５を十分に潤滑できる。
【００５５】
（第２実施形態）
第１実施形態では、シールリング１１を収容するための溝６ｅを旋回スクロール６の端板部６ａに設けたが、本実施形態は、図２に示すように、溝６ｅを廃止してミドルハウジング１３の側に環状の溝６ｅを設けたものである。
【００５６】
つまり本実施形態では、ミドルハウジング１３に形成された溝６ｅにシールリング１１が装着され、そのシールリング１１が旋回スクロール６の端板部６ａに形成された平面に摺動接触することにより背圧室１９の気密性が保持される。
【００５７】
（第３実施形態）
第１、２実施形態では、吐出側冷媒圧力を固定絞りをなす背圧導入孔３ｂを経由して背圧室１９に導いたが、本実施形態では、図３に示すように、背圧制御弁２０にて背圧室１９と吐出側との連通状態を調節することにより、背圧室１９内の圧力が前記中間圧となるようにするものである。
【００５８】
具体的には、背圧制御弁２０は、背圧室１９の流体の圧力が目標背圧圧力以下になったときに、吐出ポート１８ａから延びる配管途中より吐出側の高圧冷媒を背圧室１９に導入することによって背圧室１９の圧力を目標背圧圧力まで上昇させるように作動するものである。
【００５９】
なお、図３では、吐出ポート１８ａから延びる配管途中から高圧を背圧室１９に導いているが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、作動室９や吐出室１５等の吐出側から高圧を導入してもよい。
【００６０】
（第４実施形態）
第３実施形態では、吐出側の高圧冷媒を調圧して背圧室１９に導入することにより背圧室１９内の圧力を中間圧としたが、本実施形態は、図４に示すように、旋回スクロール６の端板部６ａに作動室９内の高圧冷媒を背圧室１９に導入する圧力導入孔６ｄ、及び背圧室１９側から作動室９側に冷媒が流れることを防止するリード弁状の逆止弁６ｆを設けるとともに、背圧制御弁２０にて背圧室１９と吸入側との連通状態を調節することにより、背圧室１９内の圧力が中間圧となるようにするが付ものである。
【００６１】
すなわち、逆止弁６ｆは、吐出室１５内の圧力が背圧室１９内の圧力よりも高くなっときに開き、逆に、吐出室１５内の圧力が背圧室１９内の圧力よりも低くなったときには閉じる。
【００６２】
また、背圧制御弁２０は、背圧室１９の流体の圧力が目標背圧圧力を超えたとき、背圧室１９の流体を吸入ポート１８ｄから延びる配管途中に導入することによって背圧室１９の圧力を目標背圧圧力まで低下させるように作動する。このため、背圧室１９圧力は、略目標背圧圧力に維持される。
【００６３】
なお、本実施形態では、吸入ポート１８ｄから延びる配管途中に背圧室１９の圧力を排出したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば目標背圧圧力より低い圧力を有する作動室９や吸入室１４等に排出してもよい。
【００６４】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、スクロール型圧縮機構はモータ２のみによって駆動されるものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばエンジン等の外部駆動源の動力を旋回スクロール６に伝達する電磁クラッチ等の動力伝達部をシャフト１に設けてもよい。
【００６５】
また、上述の実施形態では、冷媒を二酸化炭素として、高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上まで加圧したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば冷媒をフロンとして高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力未満としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスクロール型流体機械の断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るスクロール型流体機械の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係るスクロール型流体機械の断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係るスクロール型流体機械の断面図である。
【符号の説明】
１…シャフト、２…モータ、３…モータハウジング、６…旋回スクロール、
８…固定スクロール、

Claims

固定スクロール（８）及び旋回スクロール（６）を有し、前記固定スクロール（８）に対して前記旋回スクロール（６）を旋回させることにより前記両スクロール（６、８）にて形成される作動室（９）の体積を拡大縮小させて流体を吸入加圧するとともに、
前記旋回スクロール（６）の端板部（６ａ）のうち前記作動室（９）と反対側の面に所定の圧力を作用させる背圧室（１９）を備えるスクロール型流体機械であって、
前記背圧室（１９）内の圧力は、吸入圧より高く、かつ、吐出圧より低い中間圧となっていることを特徴とするスクロール型流体機械。
前記端板部（６ａ）のうち前記背圧室（１９）側の面、及びこの面と対向する対向面のうち少なくとも一方には、前記旋回スクロール（６）の旋回中心を囲むような環状の溝（６ｅ）が設けられており、
さらに、前記溝（６ｅ）には、前記背圧室（１９）を気密に密閉するシール手段（１１）が配設されていることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
前記吐出圧を減圧して前記背圧室（１９）に導くとともに、絞り開度が固定された固定絞り（３ｂ）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。
前記背圧室（１９）と吐出側との連通状態を調節することにより、前記背圧室（１９）内の圧力が前記中間圧となるようにする背圧制御弁（２０）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。
前記背圧室（１９）と吐出側とは、前記吐出側から前記背圧室（１９）側にのみ流体が流れることを許容する逆止弁（６ｆ）と、
前記背圧室（１９）と吸入側との連通状態を調節することにより、前記背圧室（１９）内の圧力が前記中間圧となるようにする背圧制御弁（２０）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。
前記中間圧は、前記吸入圧よりも０．５〜２．５ＭＰａだけ高い任意の圧力であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。
前記旋回スクロール（６）と一体的に回転する回転子（２ａ）を有する回転電機（２）を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。
外部駆動源の動力を前記旋回スクロール（６）に伝達する動力伝達部を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。
請求項１ないし８のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械にて冷媒を吸入圧縮する蒸気圧縮式冷凍機であって、
高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上まで加圧することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
冷媒として二酸化炭素が用いられていることを特徴とする請求項９に記載の蒸気圧縮式冷凍機。