JP2006009640A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】近年の冷凍空調機器の高効率化に伴い、スクロール圧縮機が低圧縮比で運転されることが多くなってきており、このような運転条件下で旋回スクロールが固定スクロールから引き離され、転覆しながら運転される場合が多く、また、固定スクロールと旋回スクロールとの摺動面での信頼性が低下することがあった。
【解決手段】背圧空間２９の圧力を、圧縮室１５の吸入室の圧力に対して、０．５〜２．０ＭＰａに設定することにより、冷媒に二酸化炭素を用いたヒートポンプ給湯システムなどでは、システムの特性上非常に低い圧縮比でスクロール圧縮機が運転される場合でも、旋回スクロール１３が固定スクロール１２から引き離されることを防止でき、高効率なスクロール圧縮機を実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷暖房、あるいは冷蔵庫等の冷却装置あるいは、あるいは乗り物用の冷凍空調、ヒートポンプ式の給湯装置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、旋回スクロールに、旋回スクロールの背面に形成される背圧室と旋回スクロールと固定スクロールで形成される圧縮室の途中を連通する孔を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、図３のように、固定スクロール３に、旋回スクロール４の背面の背圧室１５と圧縮室の吸入室１６を連通する連通路２１、２２を設け、その連通路内に弁装置１４を備えたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開昭５３−１１９４１２号公報 特開平１０−１１０６８９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、特許文献１の場合、背圧室がある一定の圧縮室と連通しているため、背圧室の圧力は、吸入室の圧力に対し一定の圧力比だけでしか制御できない。このため、ルームエアコンやヒートポンプ式給湯機の定格運転で効率を重視して、背圧室と圧縮室の圧力比を決定してしまうと、低圧縮比の運転条件においては、吸入室の圧力が高くなるため、それに比して背圧室の圧力も高くなり、旋回スクロールが固定スクロールに必要以上に押し付けられ、摺動損失が増大し、性能が悪化してしまう。また、旋回スクロールと固定スクロールのスラスト面にかじりや異常摩耗を引き起こしてしまい、圧縮機の信頼性が損なわれてしまう。特に、二酸化炭素冷媒を使用する場合、圧力が通常のＨＦＣ冷媒の約３倍となるため、顕著になる。

また、特許文献２の場合、背圧室の圧力を吸入室の圧力に対してある一定の圧力差を設けるように弁装置を備えてはいるが、背圧室の圧力値に対する指針は書かれておらず、特に、二酸化炭素を用いたヒートポンプ給湯システムなどでは、システムの特性上非常に低い圧縮比でスクロール圧縮機が運転される場合があり、そのような使用条件下においては、背圧室の設定圧力によっては、旋回スクロールが固定スクロールより転覆してしまい、また、背圧室の圧力を上げすぎると、旋回スクロールの背圧力が過大となりスラスト摺動部での摺動損失が増大してしまう。

そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、旋回スクロールの背面の圧力を適正な圧力に保持し、旋回スクロールが固定スクロールより転覆せず、旋回スクロールと固定スクロールにおけるスラスト面の高信頼性および低摺動損失を両立する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、二酸化炭素を冷媒とし、旋回スクロールの背面に形成される背圧室の圧力を圧縮室における吸入室の圧力に対して、０．５〜２．０ＭＰａと一定の圧力差にしたものである。

これによって、低圧縮比においても旋回スクロールが固定スクロールより転覆せず、かつ旋回スクロール固定スクロールのスラスト面における高信頼性および低摺動損失を両立
するスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

本発明のスクロール圧縮機は、低圧縮比運転下では圧縮効率向上、高圧縮比運転下では機械効率向上および信頼性向上を実現することがき、冷凍空調機器の高効率化および高信頼性化を実現することができる。

第１の発明は、二酸化炭素を冷媒とし、旋回スクロールの背面に形成される背圧空間の圧力を圧縮室における吸入室の圧力に対して、０．５〜２．０ＭＰａと一定の圧力差にしたものである。これによって、低圧縮比運転条件においては、背圧空間の圧力を圧縮室の吸入室の圧力に対して０．５ＭＰａ以上とすることにより、旋回スクロールが固定スクロールより転覆せず、高圧縮機効率を実現でき、高圧縮比運転条件では、背圧空間の圧力を圧縮室の吸入室の圧力に対して２．０ＭＰａ以下にすることにより、旋回スクロールと固定スクロールのスラスト面の高信頼性と低摺動損失を確保できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、固定スクロールにおいて、旋回スクロールの背面に形成される背圧空間と固定スクロールおよび旋回スクロールを噛み合わせて双方向に形成される圧縮室における吸入室とを連通させる連通路を設け、かつ、連通路内に通路を開閉する弁装置を備えたものである。これにより、運転条件を問わず、旋回スクロール背面の背圧空間の圧力を圧縮室の吸入室に対して一定の圧力に確保できる。

第３の発明は、特に第２の発明において、弁装置が、圧縮室における吸入室の圧力と前記背圧空間の圧力とに一定の圧力差を持たせるためのスプリングおよび、ボールの両部材を支え、吐出圧力側と連通路とをシールするシール部材とから構成されたものである。これにより、スプリングの力により、旋回スクロールの背面の背圧空間の圧力を圧縮室の吸入室の圧力に対して一定の圧力差に設定することができる。

第４の発明は、特に第３の発明において、スプリングの線径をφ０．３ｍｍ〜０．７ｍｍとしたものである。これにより、旋回スクロールの背面の背圧空間の圧力を圧縮室の吸入室の圧力に対して、０．５〜２．０ＭＰａに安定的に設定することができる。

第５の発明は、特に第４の発明において、スプリングの両端面に平面となる研磨処理を施したものである。これにより、背圧空間と吸入室とを遮断するボールとスプリングおよび吐出圧力側と連通路とをシールするシール部材とスプリングの密着性が向上でき、背圧空間の圧力を安定化できる。

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の実施の形態に係わる縦型のスクロール圧縮機の縦断面図の一例である。また、図２は、図１に図示されている背圧制御弁（弁装置）９の拡大断面図である。

図１に示すように、密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸４の主軸受部材１１と、この主軸受部材１１上にボルト止めした固定スクロール１２との間に、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３を挟み込んでスクロール式の圧縮機構２を構成し、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に旋回スクロール１３の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転規制機構１４を設
けて、クランク軸４の上端にある主軸部４ａにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより旋回スクロール１３を円軌道運動させ、これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している圧縮室１５が外周側から中央部に移動しながら小さくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６および固定スクロール１２の外周部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して圧縮していき、所定圧以上になった冷媒ガスは固定スクロール１２の中央部の吐出口１８からリード弁１９を押し開いて密閉容器１内に吐出させることを繰り返す。

旋回スクロール１３の背面部分には、主軸受部材１１に配置されている摺動仕切り環７８があり、旋回運動を行いながら摺動仕切り環７８により、摺動仕切り環７８の内側領域である高圧部と、外側領域である高圧と低圧の中間圧に設定された背圧空間２９に仕切られている。この背面の圧力付加により旋回スクロール１３は固定スクロール１２に安定的に押しつけられ、漏れを低減するとともに安定して円軌道運動を行うことができる。

さらに、固定スクロール１２には、本発明に係わる旋回スクロール１３の背面の背圧空間２９の圧力を制御する背圧調整弁（弁装置）９を備えている。この背圧調整弁は、図２に示すように、背圧空間２９と圧縮室１５の吸入室を連通および遮断するボール８０と、背圧空間２９の圧力を圧縮室１５の吸入室の圧力に対して一定の圧力差に制御するスプリング８１と、スプリング８１とボール８０を支持し、吐出圧力から遮断するシール部材８２から構成されている。この場合、シール部材８２は、固定スクロール１２に対して圧入されているが、これに限られることではない。

この背圧調整弁９の動作について、潤滑油の流れに従って説明する。

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を通じて背圧空間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。

背圧空間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。背圧空間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は背圧空間２９の高圧側との間が環状仕切り環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、背圧空間２９の圧力が圧縮室１５の吸入室の圧力とスプリング８１の弾性力の和より越えると、背圧調整機構９のボール８０が押し上げられ、背圧空間２９と吸入室が連通し、圧縮室１５の吸入室に戻され進入する。

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入、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。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。

家庭用の冷凍空調機器などに用いられるスクロール圧縮機の場合、運転頻度が高い圧縮比として概ね１．５から４．０程度である場合が多く、運転速度可変タイプのスクロール圧縮機の多くはラップ１２ｂ、１３ｂなどにより決定される設計圧縮比として、おおよそ１．８から３．０程度に設定されていることが多い。業務用などの空調機器の場合はこの限りではなく、設計圧縮比としてはさらに大きくとられている場合もある。運転圧縮比が１．５から２．０程度の範囲で旋回スクロール１３が転覆する現象を抑制しようとした場合、旋回スクロール１３の背圧力を高める必要が生じる。よって、背圧空間２９の圧力は、圧縮室１５の吸入室の圧力に対して、０．５〜２．０ＭＰａに設定するのが好適である。０．５ＭＰａ以上にすることにより、特に冷媒に二酸化炭素を用いたヒートポンプ給湯システムなどでは、システムの特性上非常に低い圧縮比（おおよそ１．５以下）でスクロール圧縮機が運転される場合があり、そのような使用条件下においても旋回スクロール１３が固定スクロール１２から引き離されることを防止でき、高効率なスクロール圧縮機を実現することができる。また、２．０ＭＰａ以下にすることにより、ＣＯ２冷媒の高圧運転条件下においても、旋回スクロール１３と固定スクロール１２のスラスト面での信頼性を確保でき、また、摺動損失が過剰に増加することを防止でき、信頼性の高いスクロール圧縮機を実現することができる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態のスクロール圧縮機は、背圧調整弁９のスプリング８１の線径をφ０．３ｍｍ〜０．７ｍｍとした実施の形態１のスクロール圧縮機である（図示せず）。これにより、より省スペースで、旋回スクロール１３の背面の背圧空間２９の圧力を圧縮室１５の吸入室の圧力に対して、０．５〜２．０ＭＰａに安定的に設定することができる。また、スプリング８１に繰り返し荷重が加わっても、スプリング８１の弾性力が劣化することなく、高信頼性を実現することができる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態のスクロール圧縮機は、背圧調整弁９のスプリング８１の端面が平面となるように研磨処理をした実施の形態２のスクロール圧縮機である（図示せず）。

これにより、背圧空間２９と圧縮室１５の吸入室とを遮断するボール８０とスプリング８１および吐出圧力側と連通路とをシールするシール部材８２とスプリング８１の密着性が向上でき、スプリングが座屈することなく、背圧室の圧力を安定化できる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、低圧縮比運転下では圧縮効率向上、高圧縮比運転下では機械効率向上を実現することがき、作動流体を冷媒と限ることなく、空気スクロール圧縮機、真空ポンプ、オイルフリー圧縮機、スクロール型膨張機等のスクロール流体機械の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の断面図 本発明の実施の形態１における背圧調整弁（弁装置）の拡大図 従来のスクロール圧縮機の断面図

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
４ａ 偏心軸部
６ オイル
９ 背圧調整弁
１１ 主軸受部材
１１ａ 受け面
１１ｂ 外周部
１２ 固定スクロール
１２ａ 鏡板
１２ｂ ラップ
１２ｃ 溝
１３ 旋回スクロール
１３ａ 鏡板
１３ｂ ラップ
１４ 自転規制機構
１５ 圧縮室
１６ 吸入パイプ
１７ 吸入口
１８ 吐出口
１９ リード弁
２５ ポンプ
２９ 背圧空間
５４ 通路
５７ 絞り
７８ 摺動仕切り環
８０ ボール
８１ スプリング
８２ シール部材

Claims (5)

1. 鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転拘束機構による自転の拘束のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室が容積を変えながら移動することで、吸入、圧縮、吐出を行うスクロール圧縮機において、二酸化炭素を冷媒とし、前記旋回スクロールの背面に形成される背圧空間の圧力を前記圧縮室における吸入室の圧力に対して、０．５〜２．０ＭＰａと一定の圧力差にしたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 固定スクロールにおいて、旋回スクロールの背面に形成される背圧空間と前記固定スクロールおよび前記旋回スクロールを噛み合わせて双方向に形成される圧縮室における吸入室とを連通させる連通路を設け、かつ、前記連通路内に通路を開閉する弁装置を備えたことを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. 弁装置が、圧縮室における吸入室の圧力と背圧空間の圧力とに一定の圧力差を持たせるためのスプリングおよび、前記背圧空間と前記吸入室とを遮断するボールと、両部材を支え、吐出圧力側と連通路とをシールするシール部材とから構成されたことを特徴とする請求項２記載のスクロール圧縮機。
4. スプリングの線径をφ０．３ｍｍ〜０．７ｍｍとしたことを特徴とする請求項３記載のスクロール圧縮機。
5. スプリングの両端面に平面となる研磨処理を施したことを特徴とする請求項４記載のスクロール圧縮機。