JP2006022657A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】押除容積小で、高差圧冷媒の為、漏れ損失が大きい。特に小能力時には低速運転での漏れ損失が大きくＣＯＰが悪い。これを改善する。
【解決手段】渦巻き状の基本羽根が鏡板上に立ち上がった固定スクロールと、前記とほぼ同じ渦巻き状の基本羽根が鏡板上に立ち上がった旋回スクロールとを噛み合わせて、双方間に複数の圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転させずに固定スクロールに対して速度可変に円軌道運動させるようにするとともに、前記基本羽根どうしは低速運転にて規定の圧縮比を満足する渦巻き長さを有し、この延長羽根の少なくとも一方に羽根の高さを低くさせ、段差を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は主として冷凍空調装置や給湯機等に使用されるスクロール圧縮機に関するものである。

冷凍空調用の電動圧縮機としては、圧縮部がレシプロ式のもの、ロータリー式のもの、スクロール式のものがある。中でもスクロール圧縮機は高効率、低騒音、低振動という特徴を活かして広く実用化されてきた。

その基本構造はよく知られているように、渦巻き状の羽根が鏡板上に立ち上がった固定スクロールと、前記とほぼ同じ渦巻き状の羽根が鏡板上に立ち上がった旋回スクロールとを噛み合わせて、双方間に複数の圧縮室を形成している。旋回スクロールを自転させずに固定スクロールに対して円軌道運動させるとき、圧縮室は鏡板の外周側の開放部で冷媒を吸入した後、鏡板の中心部側に移動しながら閉じるとともに次第に容積を小さくして冷媒を圧縮し最終的に吐出する。

近時では、小型化と運転モードの多様化がますます望まれる中、冷凍空調給湯の圧縮比は通常１．８〜３．５程度に設定されるのを、効率上から低圧縮比側で設計される傾向になっている。

一方、吐出冷媒量の増大を図り、吸入冷媒が圧縮熱により加熱されて体積効率が低下するのを防止するものがある（例えば特許文献１参照）。

このものは、固定スクロール羽根の巻き終わり端部の内側壁面を、旋回スクロール羽根の巻き終わり端部近くに延長するとともに、固定スクロール羽根の巻き終わり端部に対向する旋回スクロール羽根の対向部から巻き終わり部における外側壁面を、巻き終わり端部に向かって連続点に内側面に向かって変位させる一方、固定スクロールの延長部における内側壁面を、旋回スクロールの巻き終わり部における外側壁面の円軌道運動に伴う包絡線で形成している。

このものでは、固定スクロール羽根の延長された部分の内側壁面と、旋回スクロールの外側壁面との間に外側作動空間が余分に形成されて、その分だけ圧縮室の吸入空間が増大するので、冷媒の吐出量を増大させられる。また、冷媒は吸入口から直接圧縮室に吸入されて圧縮熱が伝わっている壁面と接触せず、加熱されないので、熱膨張により体積効率が低下することはない。
特開平５−２０２８７１号公報

ところで、運転モードの多様化は、スクロール圧縮機もインバータ制御などによって速度可変に運転することも必要となっている。可変速運転によれば、同一のスクロール圧縮機で見掛け上は大容量での大能力運転から小容量での小能力運転まで幅広い運転状態が得られる。

しかし、このような可変速運転をする場合、高速運転によっても体積効率の大幅な向上は見られず、効率の向上は望めない特許文献１に記載された従来のものでも、包絡線部分が全て圧縮室として作用し、冷媒の吐出量は増大するが、図３（ｃ）に示すように運転速
度にかかわらず圧縮に必要な動力が増加し、効率を大きく向上することはできない。また、特に省エネルギー効果の高い小能力運転時には、さらに運転速度を低下させる必要が生じ、冷媒漏れの増大によって効率が著しく低下する。

本発明の目的は、可変速により小能力から大能力の広い範囲にわたって効率よく運転することができるスクロール圧縮機を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１記載のスクロール圧縮機は、渦巻き状の基本羽根が鏡板上に立ち上がった固定スクロールと、前記とほぼ同じ渦巻き状の基本羽根が鏡板上に立ち上がった旋回スクロールとを噛み合わせて、双方間に複数の圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転させずに固定スクロールに対して速度可変に円軌道運動させるようにするとともに、前記基本羽根どうしは低速運転にて規定の圧縮比を満足する渦巻き長さを有し、この延長羽根の少なくとも一方に羽根の高さを低くさせ、段差を設けたことを特徴とするものである。

このような構成では、固定スクロールおよび旋回スクロールの各基本羽根は、低速運転時に規定の圧縮比が得られるように設計され、これら基本羽根の少なくとも一方に設けられる延長羽根は渦巻き状でありながら、これと対向する他の羽根との少なくとも一方に羽根の高さを低くさせ、段差設けた渦巻き面によって、段差部の隙間から外部に開放されていて低速運転時は吸入冷媒を逃がしやすく圧縮室への閉じ込み機能を発揮しないので、冷媒の過給はない。従って、前記基本羽根部分だけが有効に働いて、設計通りの閉じ込み容積による運転が高効率に達成される。一方、運転速度が増大するにつれて前記延長羽根部のこれが対向する他の羽根部分との間での冷媒の閉じ込み性が高まっていき、圧縮行程は低速運転時に対する高速度合に応じた過給がなされて実際の冷媒吐出量が増加していく上、互いの渦巻き面どうしが対向した延長羽根により拡大した圧縮領域を経過すると、前記低速運転時の基本羽根により設計閉じ込み容積で圧縮されるのとほぼ同等の変化を行うため、圧縮動力の増加が小さく、低速運転から高速運転までの広い範囲にわたって高い効率が得られる。しかも、どの運転速度域でもそれに見合った高効率な運転が安定して達成される。

この場合、基本羽根が形成する圧縮室を基準よりは小さく設計して、その分だけ基準運転速度よりも高速運転することにより、冷媒の漏れ損失を低減でき高効率が実現できる。また、高速運転時には、延長羽根により大能力、高効率が実現できる。従って、小能力から大能力の広い範囲で高効率が実現する。

請求項２記載のスクロール圧縮機は、前記請求項１記載のスクロール圧縮機で、羽根巻き終わり段差高さを、羽根高さの１５％〜２５％にすることにより羽根形状を最適化させることが出来ることを特徴としている。

請求項３記載のスクロール圧縮機は、前記請求項１記載のスクロール圧縮機で、羽根巻き終わり段差長さを展開角で５°〜８°にすることにより羽根形状を最適化させることが出来ることを特徴としている。

請求項４記載のスクロール圧縮機は、請求項１〜３記載のスクロール圧縮機において、さらに、チップシールを使用していない圧縮機であることを特徴としている。

請求項５記載のスクロール圧縮機は、請求項１〜４記載のスクロール圧縮機において、冷媒が二酸化炭素であることを特徴としている。

請求項１の発明のスクロール圧縮機によれば、固定スクロールおよび旋回スクロールの基本羽根の少なくとも一方に設けられる延長羽根は渦巻き状でありながら、低速運転時は吸入冷媒を逃がしやすく圧縮室への閉じ込み機能を発揮しないので、冷媒の過給はなく、基本羽根部分だけが有効に働いて、設計通りの閉じ込みによる運転が高効率に達成される。一方、運転速度が増大するにつれて前記延長羽根部のこれが対向する他の羽根部分との間での冷媒の閉じ込み性が高まっていき、圧縮行程は低速運転時に対する高速度合に応じた過給がなされて実際の冷媒吐出量が増加していく上、互いの渦巻き面どうしが対向した延長羽根により拡大した圧縮領域を経過すると、前記低速運転時の基本羽根により設計閉じ込み容積で圧縮されるのとほぼ同等の変化を行うため、圧縮動力の増加が小さく、低速運転から高速運転までの広い範囲にわたって高い効率が得られる。しかも、どの運転速度域でもそれに見合った高効率な運転が安定して達成される。

この場合、基本羽根が形成する圧縮室を基準よりは小さく設計して、その分だけ基準運転速度よりも高速運転することにより、冷媒の漏れ損失を低減でき高効率が実現できる。また、高速運転時には、延長羽根により大能力、高効率が実現できる。従って、小能力から大能力の広い範囲で高効率が実現する。

請求項２の発明のスクロール圧縮機によれば、前記請求項１の羽根巻き終わり部の段差高さは、全羽根高さの１５％〜２５％であることで、最適な効果を得ることが出来る。

請求項３の発明のスクロール圧縮機によれば、請求項１、２の発明のような構成において延長羽根部の段差長さを、展開角で５°〜８°であること最適な効果を得ることが出来る。

請求項４の発明のスクロール圧縮機によれば、請求項１〜３の発明のいずれか１つに加え、さらに、チップシールがないことで、コスト削減が可能である。

請求項５の発明のスクロール圧縮機によれば、請求項１〜４の発明のいずれか１つに加え、さらに、冷媒がＣＯ２ことを特徴とするスクロール圧縮機である。前記ＣＯ２冷媒での圧縮機では、押除容積小で、高差圧冷媒の為、漏れ損失が大きい。特に小能力時には低速運転での漏れ損失が大きくＣＯＰが悪い。という傾向があり、これを改善するために、請求項１〜４の発明は有効である。

以下、本発明の幾つかの実施の形態について幾つかの実施例とともに図を参照しながら説明する。

本実施の形態は縦型でスクロール式の圧縮機構を内蔵した冷凍サイクル用の密閉型圧縮機の場合の一例であり、圧縮対象は冷媒ガスである。しかし、本発明はこれに限られることはなく、ロータリ式の圧縮機構など各種の圧縮機構、それを駆動する電動機とともに密閉容器内に内蔵したガス一般を対象として圧縮し、圧縮機構が密閉容器内を上下に仕切り、その下部に電動機を収容する密閉型圧縮機であればその全般に適用して有効であり、本発明の範疇に属する。

本実施の形態の密閉型圧縮機は図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、前記固定スクロール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、前記旋回スクロール１３と前記主軸受部材１１との間に前記旋回スクロール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、前記クランク軸４の上端にある主
軸部４ａにて前記旋回スクロール１３を偏心駆動することにより前記旋回スクロール１３を円軌道運動させ、これにより前記固定スクロール１２と前記旋回スクロール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および前記固定スクロール１２の外周部の吸入口１７から冷媒ガス２７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前記固定スクロール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。

前記クランク軸４の下端は前記密閉容器１の下端部のオイル溜め２０に達して、前記密閉容器１内に溶接や焼き嵌めして固定された副軸受２１により軸受され、安定に回転することができる。電動機３は前記主軸受部材１１と前記副軸受２１との間に位置して、前記密閉容器１に溶接や焼き嵌めなどして固定された固定子３ａと、前記クランク軸４の途中の外まわりに一体に結合された回転子３ｂとで構成され、前記回転子３ｂの上下端面の外周部分にはピン２２により止め付けられたバランスウエイト２３、２４が設けられ、これにより前記回転子３ｂおよび前記クランク軸４が安定して回転し、前記旋回スクロール１３を安定して円軌道運動させることができる。

しかし、本発明はこのような縦置きのものに限定されず、タイプ横置きタイプのものなど種々な姿勢で用いられるものでもよいし、固定スクロール１２と旋回スクロール１３とを噛み合わせて圧縮室１５を形成し、低速運転から高速運転まで可変速に駆動されるものであれば、その支持構造や駆動構造、駆動の制御方式などは種々に選択されてよい。

本実施の形態のスクロール圧縮機が低速運転から高速運転まで速度可変に運転されるものであることに対応して、図４の羽根１００の基本羽根１００ａは低速駆動域にて規定の圧縮比を満足する渦巻き長さを有し、これら基本羽根１００ａにその巻き終わり位置からその渦巻き形状に沿ってさらに延ばした図５に斜線を施して示した渦巻き状の延長羽根１００ｂを設け、この延長羽根１００ｂの羽根の高さを低くさせ、図６に示すような段差１２０を設けてある。

これにより、固定スクロール１２および旋回スクロール１３の各基本羽根１００ａ、１１０ａは、低速運転時に規定の閉じ込み容積が得られるように設計され、これら基本羽根１００ａ、１１０ａの双方に設けられる延長羽根１００ｂは渦巻き状でありながら羽根の高さを低くさせ、段差を設けた渦巻き状の変位面１２０によって、大きな羽根先端隙間にて外部に開放されていて、低速運転時は圧縮室の容積変化速度が遅いことにより吸入冷媒を逃がしやすく圧縮室１５への閉じ込み機能を発揮しないので、冷媒の過給はない。従って、前記基本羽根１００だけが有効に働いて、設計通りの閉じ込み容積による運転が高効率に達成される。

一方、運転速度が増大するにつれて前記延長羽根１００ｂ部のこれが対向する他の羽根部分との間での冷媒の閉じ込み性が高まっていき、圧縮行程は低速運転時に対する高速度合に応じた過給がなされて見掛け上の冷媒吐出量が増加していく上、互いの渦巻き面どうしが対向した延長羽根１００ｂにより拡大した圧縮領域を経過すると、前記低速運転時の基本羽根１００ａによる前記設計閉じ込み容積で圧縮されるのとほぼ同等の変化を行うため、圧縮動力の増加が小さく、低速運転から高速運転までの広い範囲にわたって高い効率が得られる。

本実施の形態１の１つの実施例を示せば、延長羽根の羽根の段差長さを、展開角で５°〜８°、段差高さは、全羽根高さの１５％〜２５％程度が好適である。

このようにした圧縮機構２の場合の、低速運転から高速運転に至る間の体積効率の変化
と、低速運転時と高速運転時との圧力−圧縮室容積の関係の違いにつき、本実施の形態１のような改良しない従来通りの構造の圧縮機を比較例として示せば、図２、図３（ａ）（ｂ）に示す通りであり、図３（ａ）で示す本実施の形態１の方が、図３（ｂ）で示す従来例よりも高速運転時に閉じ込み容積が増大し効率が向上している。

しかも、低速運転時には、基本羽根１００ａが形成する圧縮室１５を基準よりは小さく設計して、その分だけ基準運転速度よりも高速運転することにより、漏れ損失を低減でき高効率が実現できる。また、高速運転時には、延長羽根により大能力、高効率が実現できる。従って、小能力から大能力の広い範囲でさらなる高効率が実現する。

なお、本実施の形態１では、旋回スクロール１３の双方の基本羽根１００ａに延長羽根１００ｂを設けたが、どちらか固定スクロールにも同様の段差を設けても有効であり、また双方に設けることもできる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、圧縮動力の増加が小さく、低速運転から高速運転までの広い範囲にわたって高い効率を得ることが可能となるので、冷凍空調装置や給湯機等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１を示すスクロール圧縮機の全体の縦断面図 本発明の一実施の形態における改良前とのＣＯＰの差を比較して示した特性図 （ａ）実施の形態１の低速運転および高速運転での容積変化と圧力変化とを比較して示した特性図（ｂ）改良前の場合における低速運転および高速運転での容積変化と圧力変化とを比較して示した特性図（ｃ）従来例での低速運転および高速運転での容積変化と圧力変化とを比較して示した特性図 本発明一実施の形態における圧縮機構部断面図 図４のスクロール羽根を示す図 図５の羽根巻き終り部斜視図

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 主軸部
６ オイル
７ 給油機構
１１ 主軸受部材
１２ 固定スクロール
１３ 旋回スクロール
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
２０ オイル溜め
２１ 副軸受
２２ ピン
２３、２４ バランスウエイト
２５ ポンプ
２６ オイル供給穴
２７ 冷媒ガス
３１ 容器内吐出室
３２ 圧縮機構連通路
３３ 回転子上部室
３４ 連絡路
３５ 回転子下部室
３６ 回転子通路
３７ 固定子通路
３８ 固定子上部室
３９ 外部吐出パイプ
６６ 軸受部
１００ 羽根
１００ａ 基本羽根
１００ｂ 延長羽根
１２０ 段差

Claims (5)

1. 渦巻き状の基本羽根が鏡板上に立ち上がった固定スクロールと、前記とほぼ同じ渦巻き状の基本羽根が鏡板上に立ち上がった旋回スクロールとを噛み合わせて、双方間に複数の圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転させずに固定スクロールに対して速度可変に円軌道運動させるようにするとともに、前記基本羽根どうしは低速運転にて規定の圧縮比を満足する渦巻き長さを有し、これら各基本羽根の少なくとも一方にその巻き終わり位置からその渦巻き形状に沿ってさらに延ばした延長羽根を設け、この延長羽根の少なくとも一方に羽根の高さを低くさせ、段差を設けたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 延長羽根部の段差高さは、全羽根高さの１５％〜２５％であることを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. 延長羽根部の段差長さは、展開角で５°〜８°であることを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
4. チップシールがないことを特徴とする請求項１乃至３記載のスクロール圧縮機。
5. 冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至４記載のスクロール圧縮機。