JP2005140037A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】近年、高差圧冷媒の使用が増えてきており、固定スクロールと主軸受部材の接合面のシール部のシール性低下に伴う漏れの増大で圧縮損失が増大し、スクロール圧縮機の性能が低下する傾向が多かった。
【解決手段】固定スクロール１２と主軸受部材１１の接合面１００にオイル溜まり溝１０１が主軸受部材１１のおおよそ全周わたって形成する。オイル溜まり溝１０１は単独の溝であっても良いし、複数の溝により形成されていても良い。本構成によりオイル溜まり溝１０１に滞留するオイル６により接合面１００のオイルシール性が高められ、圧縮損失の低減が図れ高効率なスクロール圧縮機を提供することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、業務用または家庭用、あるいは乗り物用の冷凍空調、あるいはヒートポンプ式の給湯システムなどに用いられるスクロール圧縮機に関するものである。

従来、この種のスクロール圧縮機は、固定スクロールと主軸受部材の接合面近傍に柔構造物を形成し、この柔構造物の弾性変形により固定スクロールと主軸受部材の接合面が面接合し、有効なシールを確保する構成を採っているものがあった（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来のスクロール圧縮機を示すものである。図６に示すように、固定スクロール２０１と主軸受部材（フレーム２０４）の接合面近傍に固定スクロール柔構造部２０１ｂが形成され、接合時の変形により接合面のシール性を向上させていた。
特開平５−１８７３６５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、固定スクロール２０１に固定スクロール柔構造部２０１ｂを構成する必要があり、作用を考慮すると、固定スクロール２０１の外周径方向から加工を施し固定スクロール柔構造部２０１ｂを構成しなければならなかった。本加工により加工工数が増大するのに加えて、固定スクロール２０１に加工の影響により歪が発生することも十分想定することができ、圧縮時の漏れ増大につながる可能性がある。

さらに、作動冷媒を高圧冷媒、例えば二酸化炭素等を用いた場合、接合時の柔構造部２０１ｂの変形に加え高差圧による構造物の圧力変形が非常に大きなものとなり、圧縮時の漏れ増大につながるスクロールラップの大幅変形を引き起こしてしまう可能性が考えられる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、比較的容易な加工で固定スクロールと主軸受部材の接合面のシール性を向上し、高圧の吐出ガスが前記接合面から中間圧が作用する背圧室へ流入するのを抑制し、ガス漏れによる圧縮機性能の低下を防止したスクロール圧縮機を提供することができる。さらに今後の適用が増加する二酸化炭素等の高圧冷媒使用時においても性能良好なスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、接合する主軸受部材の接合面と固定スクロールの接合面のどちらか一方の接合面にオイル溜まり溝を設けたものである。

これによって、接合時の歪や圧縮機運転時の圧力歪等により生じた微小隙間を通してオイル溜まり溝にはオイルが流入、滞留し、接合面でのオイルシール性が向上する。結果、高圧の吐出ガスが中間圧力の背圧室へ流入するのを抑制でき、圧縮損失を低減した高効率スクロール圧縮機を提供することができる。

また、オイル溜まり溝に積極的にオイルを流入させる構成とすることで、この効果はさらに高めることができる。

本発明のスクロール圧縮機は、比較的容易な加工で固定スクロールと主軸受部材の接合面のシール性を向上し、高圧冷媒使用時においても圧縮損失を低減することができることから、スクロール圧縮機の低コスト化、冷凍空調機器等の高効率化を実現することができる。

第１の発明は、接合する主軸受部材の接合面と固定スクロールの接合面のどちらか一方の接合面にオイル溜まり溝を設けることにより、主軸受部材と固定スクロールの接合時の歪や、圧縮機運転時の高圧吐出ガスと低圧の吸入圧力等の差圧に起因する微小隙間を通して、オイル溜まり溝にはある程度のオイルが流入する。溝として構成されているためオイルは滞留し、接合面ではオイルシール性が向上することにより、吐出ガスの高圧と背圧室の中間圧力との差圧によって発生するガスの流入を抑制することができ圧縮損失の低減を実現することができる。また、オイル溜まり溝自体の加工は比較的容易であり、加工工数の大幅な増加は見られない。

さらに、高圧と低圧の差圧により構成要素に大きな圧力変形が生じても、オイル溝に滞留したオイルによりシール性は確保され圧縮損失の低減が可能である。

第２の発明は、特に第１の発明で、オイル溜まり溝が接合面で略閉空間となっている構成としたもので、接合面の微小隙間から流入し、滞留したオイルが逃げにくく、運転、停止を繰り返し行った場合においても、適切なオイルシールを確保することが可能である。

第３の発明は、特に第１の発明で、オイル溜まり溝と背圧室とを連通するオイル溜まり溝連通路を設けた構成としたもので、背圧室内に滞留する中間圧力が作用するオイルを積極的にオイル溜まり溝に導く構成としたものである。本構成により、オイル溝には常時オイルが滞留することとなり、接合面でのオイルシール効果を高められ、さらに圧縮損失を低減することができる。

第４の発明は、特に第３の発明で、背圧室への開口方向が、主軸受部材の中心方向より旋回スクロールの反旋回方向に角度を持って配置された構成としたものである。本構成により、旋回スクロールが背圧室内で旋回する際の旋回運動によるオイルポンピング作用で、オイル溝に強制的にオイルが供給されることなり、第３の発明の効果をさらに高めることができる。

第５の発明は、特に第１〜４のいずれか１つの発明で、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることを特徴とするスクロール圧縮機であって、高圧の吐出圧力と背圧室の中間圧力との差圧が非常に増大する傾向にあるスクロール圧縮機においても、圧縮損失の増加を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるスクロール圧縮機の要部である主軸受部材１１の平面図を示すものである。

図１において、固定スクロールと主軸受部材１１の接合面１００にオイル溜まり溝１０１が形成されている。オイル溜まり溝１０１は主軸受部材１１のおおよそ全周わたって形
成されており、単独の溝であっても良いし、複数の溝により形成されていても良い。また、オイル溜まり溝１０１は加工によって形成されても良いし、加工対象が鋳物等の場合には、素材の段階で鋳抜きにより形成されていれば、加工工数の増加等コストアップにつながることも抑えることができる。実施の形態１においてはオイル溜まり溝１０１は主軸受部材１１に形成しているが、固定スクロールに形成しても効果としては同等のものが得られる。

以上のように構成されたスクロール圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態におけるスクロール圧縮機の要部拡大縦断面図を示すものであり、図５は、本発明の第１の実施の形態におけるスクロール圧縮機の縦断面図である。本実施の形態のスクロール圧縮機は図１、図２、図５に示すように、鏡板１２ａ、１３ａからラップ１２ｂ、１３ｂが立ち上がる固定スクロール１２および旋回スクロール１３を噛み合わせて双方間に圧縮室１５を形成し、旋回スクロール１３を自転規制機構１４による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室１５が容積を変えながら移動することで吸入、圧縮、吐出を行う。このとき、旋回スクロール１３はその背面の背圧室２９から、特に外周部に所定の背圧が印加されて、固定スクロール１２から離れて転覆するようなことなく、前記吸入、圧縮、吐出を安定に行うように構成されている。

圧縮室１５は図示の場合、複数形成され固定スクロール１２、旋回スクロール１３の外周側から中央に移動しながら容積が小さくなり、固定スクロール１２の外周部に設けられている吸入口１７から冷媒を吸入して中央に移動しながら次第に圧縮し、固定スクロール１２の中央部に設けられた吐出口１８を通じて密閉容器１内に吐出された後、外部吐出口３９を通して密閉容器１外に吐出される。

吐出口１８にはリード弁１９が設けられ、圧縮される冷媒が所定の圧力以上になる都度開いて吐出させることにより冷媒の吐出圧を保証している。

背圧は、冷凍空調機や冷凍機にスクロール圧縮機を用いる場合の一例として、旋回スクロール１３の中央部背面に設けた背圧室２９に供給する潤滑用のオイル６の供給圧によって印加するようにしている。しかしながら本発明はこれに限られることはない。スクロール圧縮機の用途や動作形式などの違いによって他の背圧流体を用いることができる。

上記背圧を保証するため、固定スクロール１２と旋回スクロール１３のスラスト面には必要最低限のシール長が確保されている。

上記構成によると、スクロール圧縮機が前記吸入、圧縮、吐出を行う際には常に、背圧室２９は接合面１００を介して高圧の吐出圧力雰囲気と接していることになる。この接合面１００のシール性が低下した場合には、背圧室２９へ高温高圧の冷媒ガス２７が流入することなり、圧縮機の圧縮効率が大幅に低下する結果となる。本実施の形態においては固定スクロール１２と主軸受部材１１の接合面１００にオイル溜まり溝１０１が形成されているため、主軸受部材１１と固定スクロール１２の接合時の歪や、圧縮機運転時の高圧吐出ガスと低圧の吸入圧力等の差圧に起因する微小隙間を通して、オイル溜まり溝１０１にはある程度のオイルが流入する。溝として構成されているためオイルは滞留し、接合面ではオイルシール性が向上することにより、吐出ガスの高圧と背圧室２９の中間圧力との差圧によって発生するガスの流入を抑制することができ圧縮損失の低減を実現することができる。

以下で、本実施の形態におけるその他の構成、作用について説明する。

固定スクロール１２に設けられた前記背圧側と圧縮室１５の低圧側との間を繋ぐ連絡路１０の途中に、背圧側が所定の中間圧を越えたときに前記低圧側に逃がす背圧調整機構９を有し、連通路１０は凹部１０５にて背圧側に開口している。これにより、連絡路１０は背圧側に対して凹部１０５を介し常時通じるので、背圧調整機構９による背圧の調整が中断しないし、背圧流体は所定より高圧になる都度圧縮室１５の低圧側に逃がされるので、背圧流体がオイル６であると圧縮室１５まわりの摺動部の潤滑とシールに役立ち、スクロール圧縮機の性能が向上しかつ安定する。

本実施の形態の図示するスクロール圧縮機はさらに、冷凍サイクル機器と接続されて密閉容器１内に設けたいわゆる密閉型スクロール圧縮機の場合の一例であり、主としてメンテナンスフリーな使用がなされる。また、縦向きに設置される場合を示しているが、横向きに設置される場合もある。

スクロール圧縮機は図５に示すように密閉容器１内の上部に設けられ、クランク軸４の上向きな一端部を支持する主軸受部材１１によって固定されている。主軸受部材１１は密閉容器１の内周に焼き嵌めや溶接によって取り付けられ、これに固定スクロール１２がボルト止めなどして固定されている。旋回スクロール１３は主軸受部材１１と固定スクロール１２との間に挟み込まれて固定スクロール１２と噛み合い、相互間に圧縮室１５を形成している。旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間にオルダムリングが自転規制機構１４として設けられ、主軸受部材１１との間で旋回スクロール１３の自転を拘束する。しかし、自転規制機構１４は既に知られまた以降提供される他の形式の部材や機構を採用することができる。

密閉容器１内には電動機３も設けられ、スクロール圧縮機を駆動するようにしている。電動機３は密閉容器１の内周に焼き嵌めや溶接などして固定された固定子３ａと、固定子３ａの内側に位置する回転子３ｂとを備え、回転子３ｂはクランク軸４に固定されている。クランク軸４はその固定子３ａを固定した部分の下方に伸びた他端を密閉容器１の内周に溶接などして固定された副軸受部材２１により軸受されている。

クランク軸４の上向きの一端にある偏心した偏心軸部４ａが旋回スクロール１３に嵌合しており、クランク軸４が電動機３により駆動されると、自転規制機構１４と協働して、旋回スクロール１３を所定の円軌道に沿って旋回させる。

クランク軸４の下向きの他端にはポンプ２５が設けられ、スクロール圧縮機と同時に駆動される。これによりポンプ２５は密閉容器１の底部に設けられたオイル溜め２０にあるオイル６を吸い上げてクランク軸４内を通縦しているオイル供給穴２６を通じて背圧室２９に供給する。このときの供給圧は、スクロール圧縮機の吐出圧とほぼ同等であり、旋回スクロール１３の外周に対する背圧源ともする。これにより、旋回スクロール１３は前記圧縮によっても固定スクロール１２から離れたり転覆したりするようなことはなく、所定の圧縮機能を安定して発揮する。

背圧室２９に供給されたオイル６の一部は、前記供給圧や自重によって、逃げ場を求めるようにして偏心軸部４ａと旋回スクロール１３の嵌合部、クランク軸４と主軸受部材１１との間の軸受部６６に進入してそれぞれの部分を潤滑した後落下し、オイル溜め２０へ戻る。背圧室２９に供給されたオイル６の別の一部は通路５４を通って固定スクロール１２と旋回スクロール１３との噛み合せによる摺動部と、旋回スクロール１３の外周部まわりにあって自転規制機構１４が位置している環状空間８とに分岐して進入し、前記噛み合せによる摺動部および自転規制機構１４の摺動部を潤滑するのに併せ、環状空間８にて旋回スクロール１３の背圧を印加する。

環状空間８に進入するオイル６は絞り５７での絞り作用によって前記背圧と圧縮室１５の低圧側との圧力の中間となる中圧に設定される。環状空間８は背圧室２９の高圧側との間が環状仕切帯７８によってシールされていて、進入してくるオイルが充満するにつれて圧力を増し所定の圧力を越えると、背圧調整機構９が作用して圧縮室１５の低圧側に戻され進入する。このオイル６の進入は所定の周期で繰り返され、この繰り返しのタイミングは前記吸収、圧縮、吐出の繰り返しサイクル、絞り５７による減圧設定と背圧調整機構９での圧力設定との関係、の組み合わせによって決まり、固定スクロール１２と旋回スクロール１３との噛み合せによる摺動部への意図的な潤滑となる。この意図的な潤滑は前記したように連絡路１０の凹部１０５への開口によって常時保証される。吸入口１７へと供給されたオイル６は旋回スクロール１３の旋回運動とともに圧縮室１５へと移動し、圧縮室１５間の漏れ防止に役立っている。

圧縮機構２から吐出される冷媒は圧縮機構２上にボルト止めなどされたマフラー７７内に入って後、圧縮機構連通路３２を通じてスクロール圧縮機構２の下に回り、電動機３の回転子３ｂ部を通って旋回しながら電動機３の下に至り、オイル６を遠心分離して振り落としオイル溜め２０に戻す。オイル６を分離した冷媒は電動機３の固定子３ａを通って電動機３上に達した後、圧縮機構連通路４３を通じてマフラー７７上に至り外部吐出口３９から密閉容器１外に吐出され冷凍サイクルに供給される。冷凍サイクルを経た冷媒は密閉容器１の吸入パイプ１６に戻り吸入口１７から圧縮室１５に吸入され、以降同じ動作を繰り返す。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態の説明を行う。第２の実施の形態は第１の実施の形態におけるオイル溜まり溝１０１が接合面１００で略閉空間となっている構成としたものである。固定スクロール１２と主軸受部材１１の接合面１００には、接合時の歪や密閉容器１との固定時の歪を回避するためにテーパ状の加工等が施されている場合もある。このような場合、接合面１００には微少隙間ではなくある程度の隙間が確保され、オイル溜まり溝１０１にオイル６が滞留しても隙間が大きいためオイルシール効果が低下する可能性がある。しかしながらオイル溜まり溝１０１が接合面１００で略閉空間で構成された場合は、微小隙間から流入したオイル６は滞留した状態で維持され、適度なオイルシール効果を発揮することができる。また一度オイル溜まり溝１０１に流入したオイル６は逃げにくく、運転、停止を繰り返し行った場合においても、適度なオイルシール効果を確保することが可能である。

（実施の形態３）
図３を用いて、本発明の第３の実施の形態の説明を行う。図３に示すように、オイル溜まり溝１０１にはオイル溜まり溝１０１と背圧室２９とを連通するオイル溜まり溝連通路１０２を設けた構成としている。本構成により背圧室２９内に滞留する中間圧力が作用するオイル６を積極的にオイル溜まり溝１０１に導くことが可能となり、オイル溜まり溝６には常時オイル６が滞留し接合面１００でのオイルシール効果をさらに高めることが出来る。よって圧縮損失はさらに低減することができ、高効率なスクロール圧縮機を提供可能である。

（実施の形態４）
図４を用いて、本発明の第４の実施の形態の説明を行う。図４に示すように、第３の実施の形態におけるオイル溜まり溝連通路１０２を効果的に配置したものである。オイル溜まり溝連通路１０２の背圧室２９への開口方向が、主軸受部材１１の中心方向より旋回スクロール１３の反旋回方向に角度を持って配置されている。旋回スクロール１３は背圧室２９内でオイル６とともに旋回運動を行っている状態で本構成を採用した場合、旋回スクロール１３が背圧室２９内で旋回する際のオイル６の撹拌およびポンピング作用で、オイ
ル溜まり溝１０１に強制的にオイルが供給されることなる。結果、第３の実施の形態でのオイル溜まり溝１０１へのオイル６の供給効果に撹拌およびポンピング作用が加わり、より高い接合面１００でのオイルシール効果が得られる。

（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態のスクロール圧縮機は、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたものである（図示せず）。

冷媒が二酸化炭素である場合は、例えば高圧の吐出圧力が１１Ｍｐａ以上、背圧室２９の中間圧力として３ＭＰａ以下という運転状態が容易に発生し、接合面１００でのシール必要差圧として８ＭＰａ以上となる。また、圧縮機運転中の差圧による構成要素の非常に大きな変形を伴うことも想定される。このような使用環境下で高差圧をシールしようとした場合、オイル溜まり溝１０１にオイル６を滞留させ接合面１００でのオイルシール効果を高めることは非常に有効である。また、高差圧冷媒用の特殊設計も必要なく大きなコストアップも生じないため、高効率、低コストの高圧、高差圧冷媒用スクロール圧縮機を提供することができる。

以上のように、本発明に係るスクロール圧縮機は、比較的容易な加工で固定スクロールと主軸受部材の接合面のシール性を向上し、高圧冷媒使用時においても圧縮損失を低減することができることから、スクロール圧縮機の低コスト化、冷凍空調機器等の高効率化を実現することができ、将来使用される新たな代替冷媒、新冷媒、自然冷媒等への適応も期待できる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の要部である主軸受部材の平面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の要部拡大縦断面図 本発明の実施の形態３におけるスクロール圧縮機の要部である主軸受部材の平面図 本発明の実施の形態４におけるスクロール圧縮機の要部である主軸受部材の平面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図 従来のスクロール圧縮機の要部拡大縦断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 圧縮機構
３ 電動機
３ａ 固定子
３ｂ 回転子
４ クランク軸
６ オイル
９ 背圧調整機構
１１ 主軸受部材
１２ 固定スクロール
１２ａ 鏡板
１２ｂ ラップ
１３ 旋回スクロール
１３ａ 鏡板
１３ｂ ラップ
１７ 吸入口
２０ オイル溜め
２７ 冷媒ガス
２９ 背圧室
５７ 絞り
７８ 環状仕切帯
１００ 接合面
１０１ オイル溜まり溝
１０２ オイル溜まり溝連通路
２０１ 固定スクロール
２０１ｂ 固定スクロール柔構造物
２０４ フレーム

Claims (5)

1. 渦巻き状のラップを有する固定スクロールと鏡板および渦巻き状のラップを有する旋回スクロールとは、主軸受部材を介して互いにラップを内側にして噛み合うとともに、前記旋回スクロールは自転を阻止された状態で旋回運動し、前記旋回スクロールが旋回運動する際のスラスト力は、前記旋回スクロールの背圧室から吐出圧力と吸入圧力の中間圧力によって支持され、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとの間で形成された圧縮室で流体を圧縮し吐出させる圧縮機構を有し、前記圧縮機構と電動機を密閉容器内に収納し、前記密閉容器内は吐出圧力空間としたスクロール圧縮機において、接合する前記主軸受部材の接合面と前記固定スクロールの接合面のどちらか一方の接合面にオイル溜まり溝を設けたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. オイル溜まり溝が接合面で略閉空間となっている請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. オイル溜まり溝と背圧室とを連通するオイル溜まり連通路を設けた請求項１記載のスクロール圧縮機。
4. 背圧室への開口方向が、主軸受部材の中心方向より旋回スクロールの反旋回方向に配置された請求項３記載のスクロール圧縮機。
5. 作動冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
   

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