JP2006266165A - スクロール圧縮機及びそれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
冷媒として二酸化炭素を用いた場合でも高効率で高信頼性のスクロール圧縮機及びそれを用いた冷凍サイクル装置を供給することにある。
【解決手段】
インボリュートラップと同等の旋回半径、ラップ厚さ、巻き角、最大密閉容積を有するスクロールラップにおいて、インボリュートラップよりも高いラップ高さを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スクロール圧縮機及びそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。

従来、スクロール圧縮機には、特許文献１に記載されるようにラップ渦曲線として円のインボリュート曲線が用いられていた。二酸化炭素を冷媒に用いたスクロール膨張機においても、特許文献２に記載されるようにラップにはインボリュート曲線により形成されたインボリュートラップが用いられていた。また、特許文献３では、代数螺線をスクロールラップ形状として用いている。

特開昭56−20701号公報 特開2001-107881公報 特開平5−223071号公報

二酸化炭素冷媒のように従来のフロン系冷媒に比べて作動圧力が大きく、ガス密度が大きい冷媒を用いる冷凍サイクル装置では、低圧側圧力と高圧側圧力の圧力比が小さくなる。

上記従来技術によると、例えば二酸化炭素冷媒を作動流体とするスクロールラップの仕様は、二酸化炭素冷媒のガス密度が大きいので圧縮機の押除容積（最大密閉空間）を小さくする必要がある。この場合のラップ高さは極端に低いラップとなる。これにより、スクロールラップのラップ先端からの冷媒ガスの内部洩れが支配的となり、圧縮効率が低いという問題があった。

また、必要な圧力比に対応する容積比が小さいため、スクロールラップの巻き角が小さくなる。これにより、圧縮工程が短くなり、吸込完了から吐出開始までの時間が短くなる。このことは、圧縮工程が長いために圧縮トルク変動が小さいというスクロール圧縮機の特徴を損なうことにつながる。更に、各圧縮室間の差圧が増加するため、冷媒ガスの内部洩れが増加し、圧縮効率の低下にもつながる。

また、圧縮機の運転条件により、吸込ガスとともに液冷媒が戻ってくる湿り圧縮となった場合には、吸込完了からの液冷媒へのガス化のための時間、およびガス化、膨張により圧縮室内圧力の上昇に対する過圧縮防止機構の作動のための時間が短くなることにより、液冷媒の噛み込みや急激な圧力上昇が起きやすく、スクロールラップの破損や圧力上昇による摺動部のかじりや摩耗が起こり、湿り圧縮時の信頼に性多大な影響を及ぼす。上記従来技術においては、これらの問題に対して考慮されていなかった。

本発明の目的は、上記のような二酸化炭素冷媒の物性に対応するために発生する問題に対し、スクロールラップの形状を適正化することで、効率の低下、振動の増大、ラップ破損および摩耗損傷を防止し、高性能で高信頼性のスクロール圧縮機を提供することにある。

上記目的はラップの高さが上記インボリュートラップよりも高いラップ高さを備えることによって達成される。そのための方法の一つとして、ラップ渦曲線として代数螺線を用いることにより、インボリュートラップと同一の旋回半径、ラップ厚さ、巻き角、最大密閉容積を有するラップにおいて、インボリュートラップでのラップ高さより高いラップ高さを実現できる。

本発明では、二酸化炭素冷媒を用いた場合でも、スクロールラップの形状を適正化することで、効率の低下、振動の増大、ラップ破損および摩耗損傷を防止し、高性能で高信頼性のスクロール圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の構成等を図に示す実施形態によって詳細に説明する。図１は圧縮機の縦断面図、図２は図１のC-C縦断面図、図３は旋回スクロール１の平面図である。

図1乃至図３において、旋回スクロール1は旋回スクロールラップ１aと端板１ｂとから構成され、固定スクロール２は固定スクロールラップ２aと端板２ｂとから構成されている。スクロールラップは代数螺線をラップ基本曲線として形成されており、両スクロール1、２を互いに噛み合わせて旋回スクロールの巻き終り側ラップの外側で形成される圧縮室Ａとその内側で形成される圧縮室Ｂとの大きさが異なり、軸の回転に対して位相が約１８０°ずれて形成される非対称スクロール形状である。

図３に示される旋回スクロールと同等の旋回半径、ラップ厚さ、巻き角、最大密閉容積を有し、従来技術である円のインボリュート曲線をラップ基本曲線として構成した場合の旋回スクロールの平面図を図４に示す。代数螺旋にてスクロールラップを構成することにより、 同等の旋回半径、ラップ厚さ、巻き角、最大密閉容積を有しながら、ラップ高さを高くすることができる。 本実施形態では図３に示すように、図４のインボリュートラップのラップ高さHに対し、１．２８Hとなり、約１．３倍高いラップが実現できる。

次にスクロール圧縮機の構造を説明する。旋回スクロール１は背面に旋回軸受１ｃを設け、フレーム５の主軸受５aにより支持されたクランクシャフト６の偏心部6aが挿入されている。また、旋回スクロール１とフレーム５との間にはオルダムリング７が配置されており、旋回スクロール１は前記オルダムリング７により自転運動が拘束され、旋回運動を行なう。

固定スクロール２は中央近くに吐出ポート８が開口している。また、固定スクロールラップ２aの内側曲線の巻き終りは旋回スクロールラップ１aの巻き終り付近まで約１８０°延長している。そのため、両スクロール1、２を組み合わせて圧縮室を形成するとき、旋回スクロールラップ１aの外側曲線と固定スクロールラップ２aの内側曲線によって閉じ込められて形成される圧縮室Ａと、旋回スクロールラップ１aの内側曲線と固定スクロールラップ２aの外側曲線によって閉じ込められて形成される圧縮室Ｂは大きさが異なり、クランクシャフトの回転に対して位相が約１８０°ずれて形成される。

差圧制御機構９aは、背圧値を制御するための機構であり、この差圧制御機構により、固定スクロール２、旋回スクロール１およびフレーム５からなる背圧室９内の圧力を制御し、旋回スクロール１を固定スクロール２に押し付けている。この差圧制御機構９aの圧力入口側は背圧室９に、圧力出口側は圧縮室Ａに連通している。

モータ１０はロータ１０aとステータ１０ｂからなり、フレーム5の下部でロータ１０aはクランクシャフト６に取り付けられている。モータ１０の下部には軸受支持板１１があり、軸受支持板１１に取り付けられた副軸受１２が主軸受とともに前記クランクシャフト６を支持している。

吸込みパイプ１３は冷媒ガスなどの作動流体を取り入れるためのもので、固定スクロール２に連通している。また、吐出パイプ１４は圧縮した作動流体を圧縮機外へ吐出するためのものである。密閉ケース１５は旋回スクロール１、固定スクロール２、モータ１０を密閉して収納している。

次に動作を説明する。モータ１０を回転開始させることにより、クランクシャフト６が回転し旋回スクロール部材１が旋回運動を始める。この動作により、両スクロールラップ１a、２aが噛み合い、圧縮室Ａ、Ｂを形成する。

冷媒ガスなどの作動流体は吸込みパイプ１３から流入し、圧縮室Ａ、Ｂにて圧縮される。圧縮室Ａ、Ｂはクランクシャフトの回転に従い、中央方向に容積を減少しながら圧縮動作を行い、前記吐出ポート８から密閉ケース１５内に吐出され、最終的には前記吐出パイプ１４を通って圧縮機外へ吐出される。

背圧室９の圧力は主軸受５a等を潤滑した油に含まれるガスによって上昇し、差圧制御機構９aによって吸込圧力に対して一定の圧力差となるように制御される。この圧力は吸込み圧と吐出圧の中間の圧力となり、旋回スクロール１を固定スクロール２に押し付ける。この押し付けにより、旋回スクロール端版１bは固定スクロール２に密着し、内部漏れの少ない圧縮を行なう。

圧縮機の内部漏れは旋回スクロール１のスクロールラップ１aの先端と固定スクロール２の端板２bの間、および固定スクロール２のスクロールラップ２aの先端と旋回スクロール１の端板１bの間のラップ先端シール部や、 旋回スクロール１のスクロールラップ１aの外側側面と固定スクロール２のスクロールラップ２aの内側側面の間、および固定スクロール２のスクロールラップ２aの外側側面と旋回スクロール１のスクロールラップ１aの内側側面の間のラップ側面シール部において発生する。この内、ラップ側面シール部は凹面と凸面の接触部であり、接触長さが比較的大きいのに対し、ラップ先端シール部は平面接触であり、かつシール面積が小さいことから、内部漏れはラップ先端シール部でより多くなり、全体の漏れ量に対し支配的となる。

そのため、二酸化炭素を冷媒とするスクロール圧縮機では、相対的にラップ先端での漏れが多くなり、効率が低くなる原因となるが、本実施例のスクロールラップではインボリュートラップに比べ、ラップ高さを高くすることができるため、内部漏れが少なく、効率の高い圧縮を実現できる。

次に本発明のスクロール圧縮機をヒートポンプ式給湯機に適用した実施例における冷凍サイクル構成図を図５に示す。

スクロール圧縮機１で圧縮された冷媒ガスは、吐出パイプ１３から熱交換器１６に流入して、水通路１７内の水と熱交換する。その後、膨張弁１８で減圧され蒸発器１９で吸熱、ガス化された後、吸入パイプ１４を経てスクロール圧縮機１に吸入される。ここで蒸発器１９と圧縮機の間にはレシーバタンクあるいはアキュムレータはない。通常、蒸発器からの戻りガスは蒸発温度に対し過熱されているが、低外気温時の運転開始直後などは蒸発器内の冷媒が過熱されずに液冷媒として戻ることがある。このような場合には液冷媒が圧縮機に戻ることになるが、図５に示したヒートポンプ式給湯機は本実施例のスクロール圧縮機２０を搭載しているので、スクロールラップ高さを高くし、効率の低下を防止しても、ラップ巻き角が小さくならないので、圧縮工程を長く保つことができ、液圧縮に対する信頼性の高く、低振動で低騒音のヒートポンプ式給湯機が得られる。

本発明に係るスクロール圧縮機の縦断面図、 図１のC−C断面図、 本発明の旋回スクロールの平面図、 従来の技術による旋回スクロールの平面図、 本発明のスクロール圧縮機をヒートポンプ式給湯機に適用した場合の冷凍サイクル構成図。

符号の説明

１…旋回スクロ−ル、２…固定スクロ−ル、５…フレーム、６…クランクシャフト、８…吐出ポート、１０…モータ、１３…吸込みパイプ、１４…吐出パイプ、１５…密閉ケース。１６…熱交換器、１７…水通路、１８…膨張弁、１９…蒸発器、２０…圧縮機。

Claims (4)

1. 密閉容器内に、スクロールラップを有する固定スクロールと、前記固定スクロールとかみ合い圧縮室を形成するスクロールラップを有する旋回スクロールとを備え、前記スクロールラップの旋回半径、ラップ厚さ、巻き角および前記旋回スクロールと前記固定スクロールのスクロールラップ間に設けられる最大密閉容積が、円のインボリュート曲線に基づいて設けられるインボリュートラップの旋回半径、ラップ厚さ、巻き角および最大密閉容積と等しい前記スクロールラップであって、そのラップの高さが前記インボリュートラップよりも高いラップ高さを備えたラップを有するスクロール圧縮機。
2. 請求項１において、代数螺線にて形成したラップを有するスクロール圧縮機。
3. 請求項１若しくは２において、冷媒として二酸化炭素を用いたスクロール圧縮機。
4. 請求項１乃至３に記載のスクロール圧縮機を備え、蒸発器からの戻り冷媒が直接圧縮機に吸入される、二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクル装置。
   

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