JP2007107441A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール圧縮機において、高圧力比運転時における圧縮機成績係数を向上すること。
【解決手段】スクロール圧縮機５０は、鏡板に直立して形成した渦巻状のラップを備えた旋回スクロール３及び固定スクロール４を有し、両スクロール３、４を互いに各々のラップを内側に向けて組み合わせて、旋回スクロール３のラップ外壁面側と固定スクロール４のラップ内壁面側とに各々のラップと鏡板とによって密閉空間を形成し、両スクロールの相対運動により中心方向に移動するに従い密閉空間の容積を減少するとともに両スクロールの外周側から吸入したガスを圧縮してスクロールの中央部に設けた吐出口から吐出する。そして、スクロール圧縮機５０は、行程容積が５〜２５ｃｍ^３の範囲で、圧縮室が吐出口に連通開始する際の最小密閉空間の平面面積と吐出口の開口面積との比が５．０〜８．０の範囲内にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、容積形流体機械の一種であるスクロール圧縮機に係わり、特に作動流体がＲ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ｂ、Ｒ４１０Ａ、炭化水素等の低温用冷媒を用いた冷凍機応用製品用スクロール圧縮機に好適なものである。

スクロール圧縮機の設定容積比は、行程容積と最小密閉空間の容積との比で表される。最小密閉空間の圧力よりも吐出圧力の高い状態の運転（高圧力比運転）の場合、設定容積比が大きい方がスクロール圧縮機の入力は小さくてすみ、スクロール圧縮機の図示効率は良くなる。

そこで、特開平７−２７０６５号公報（特許文献１）に記載されたスクロール圧縮機では、旋回スクロールラップ及び固定スクロールラップを構成する基本渦曲線に代数螺線を用いることが提案されている。これにより容積変化率の設定が可能となり、設定容積比を円のインボリュートで設計する場合に比べ大きくすることができるため、冷媒の不足圧縮による図示動力の低減による性能向上が図られる。

また、特開平１０−８９２６９号公報（特許文献２）に記載されたスクロール圧縮機では、一方のスクロールのラップ巻始め角に対応する点が他方のスクロールラップ内壁から離れるよりも遅れて前記第１の空間内のガスが前記副流路を経て吐出口へ流出するように構成することが提案されている。これにより、設定容積比を大きくすることが可能となり、高圧力比運転での図示効率の向上が図られる。

特開平７−２７０６５号公報 特開平１０−８９２６９号公報

上述した特許文献１及び特許文献２には設定容積比を大きくすることが開示されているが、吐出口より吐出される際の流路抵抗損失に関しては配慮されていない。設定容積比を大きくするために単に吐出口を小さくすると、吐出口の流路抵抗損失が図示効率の向上を上回ってしまい、圧縮機成績係数（ＣＯＰ）の低下をもたらしてしまう恐れがあった。

そこで、吐出口の流路抵抗損失について種々研究したところ、圧縮室が吐出口に連通開始する際の最小密閉空間の平面面積と吐出口の開口面積との比が圧縮機成績係数に大きく影響することが分かった。

なお、特許文献２では、設定容積比の拡大を図って吐出ガスの副流路の形成遅れを構成するために、吐出口形状を楕円、多角形等にすることが示されているが、吐出口形状が円形状の場合と比べて機械加工が複雑になるため、特に小型のスクロール圧縮機では加工費用が高くなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、高圧力比運転時における圧縮機成績係数を向上できるスクロール圧縮機を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、鏡板に直立して形成した渦巻状のラップを備えた旋回スクロール及び固定スクロールを有し、前記両スクロールを互いに前記各々のラップを内側に向けて組み合わせて、前記旋回スクロールのラップ外壁面側と前記固定スクロールのラップ内壁面側とに前記各々のラップと鏡板とによって密閉空間を形成し、前記両スクロールの相対運動により中心方向に移動するに従い前記密閉空間の容積を減少するとともに前記両スクロールの外周側から吸入したガスを圧縮してスクロールの中央部に設けた吐出口から吐出するスクロール圧縮機において、行程容積が５〜２５ｃｍ^３の範囲で、前記密閉空間が吐出口に連通開始する際の最小密閉空間の平面面積と吐出口の開口面積との比が５．０〜８．０の範囲内にある構成にしたことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記固定スクロール及び前記旋回スクロールは極座標形式で動径ｒ、偏角θ、代数螺線の係数ａ、代数螺線の指数ｋとした式ｒ＝ａ・θ^ｋで表される代数螺線曲線を用いた渦巻状のラップを備えていること。
（２）圧縮される作動流体としてＲ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ｂ、Ｒ４１０Ａ、炭化水素のうちの何れかひとつの低温用冷媒を用いたこと。
（３）前記吐出口は前記密閉空間への開口面積より吐出側の面積が大きくなるように拡大させたこと。

本発明によれば、高圧力比運転時における圧縮機成績係数を向上できるスクロール圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のスクロール圧縮機を、図１から図５を用いて説明する。

まず、本実施形態のスクロール圧縮機の全体構成に関して図１を参照しながら説明する。図１は本実施形態のスクロール圧縮機５０の縦断面図である。

本実施形態のスクロール圧縮機５０は、冷凍機応用製品用の横置き設置型のスクロール圧縮機の例である。このスクロール圧縮機５０は、作動流体として、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ｂ、Ｒ４１０Ａ、炭化水素等の低温用冷媒を用いている。

スクロール圧縮機５０は、密閉容器１の内部に、電動機２と、この電動機２により駆動される旋回スクロール３と非旋回スクロールである固定スクロール４との間で冷媒を圧縮するスクロール圧縮機構５とを配して構成されている。スクロール圧縮機構５は、旋回スクロール３を固定スクロール４に対して自転させずに旋回運動させるように、固定スクロール４と密閉容器１に固定された固定部材７との間で支持案内する自転規制部材としてのオルダムリング６を有している。

本実施形態では、横置き設置型のスクロール圧縮機５０であり、密閉容器１内の図面上の左部にスクロール圧縮機構５が配置され、密閉容器１内の右部に圧縮機構５を駆動する電動機２が配置され、最右部にはオイル溜め８に潤滑油が封入された構成となっている。このスクロール圧縮機５０は、潤滑油を潤滑対象部へ供給する給油機構を備えている。この給油機構は、潤滑対象部となる摺動部分である軸受や冷媒をシールしなくてはならないスクロール圧縮機構５へ、オイル溜め８の潤滑油を給油ピース９を通して吸い上げ、クランクシャフト１６の内部を貫通する油穴１０を介して供給するものである。

スクロール圧縮機構５において、固定スクロール４と旋回スクロール３のラップが噛み合っている。旋回スクロール３は、電動機２の回転に伴って、オルダムリング６を介し旋回駆動され、公転運動する。この旋回スクロール３の旋回運動によって、旋回スクロール３及び固定スクロール４の双方のラップ間にいくつか形成される圧縮室１１は、吸入口１２に通じるラップ外周側から吐出口１３に通じるラップ内周側に移動しながら容積を縮小して圧縮を行う。この圧縮室１１は密閉空間１７で構成される。冷媒は密閉容器１外に延びる吐出管１４から空調用の冷凍サイクル（図示せず）に供給された後、吸入管１５に戻されてサイクル内を循環する。以上の一連の動作を連続して実行し冷凍サイクルが成立する。

次に、このように構成されたスクロール圧縮機５０の圧縮動作に関して、図１及び図２を参照しながら説明する。図２は本実施形態のスクロール圧縮機５０の圧縮動作原理を説明する図である。

電動機２が駆動されることにより、クランクシャフト１６が回転されると、オルダムリング６の働きで旋回スクロール３が固定スクロール４に対して旋回運動を行い、両スクロール３、４で形成される圧縮室１１が中心に移動するに従ってその容積を減少する。すなわち、固定スクロール４に対して旋回スクロール３は、その姿勢を変化させないで、図３にクランク角φ＝０°、９０°、１８０°、２７０°として示したように固定スクロール４の中心のまわりに公転運動（所定のクランク半径εで旋回運動）を行う。このとき、これら両スクロール３、４により形成される三日月状の圧縮室１１である密閉空間１７の容積が減少され、吸入口１２より密閉空間１７内に吸い込まれた作動流体を圧縮して吐出口１３から密閉容器１内へ排出する。密閉容器１内へ吐出された流体は、吐出管１４より外部へ吐出される。また、圧縮機構部で圧縮作用を行うと両スクロール３、４を離そうとする力が作用するが、旋回スクロール３背面には吸入圧力より高く、吐出圧力より低い中間の圧力が作用しているので、その中間圧力により旋回スクロール３は固定スクロール４へ押し付けられる。

そして、旋回スクロール３及び固定スクロール４は、極座標形式で同径ｒ、偏角θ、代数螺線の係数ａ、代数螺線の指数ｋとしたとき、次の式（１）で表される代数螺線を基本渦曲線とし、巻き始め部の渦巻壁厚さをより厚くするために、巻き始め部側に代数螺線の係数ａまたは代数螺線の指数ｋの値が大きくなるようにしている。

ｒ＝ａ・θ^ｋ （１）
このように修正した基本渦曲線の包絡線により旋回スクロール３及び固定スクロール４の各々の内側曲線及び外側曲線を構成している。これにより、旋回スクロール３及び固定スクロール４の渦巻壁の厚みはともに渦巻の巻き始めから巻き終わりにかけて連続的に変化させることができ、内部の流体の圧力が最も高圧になる渦巻体の中央部が厚く、低圧になる巻き終わり部では薄くすることができる。

なお、巻き始め部側の偏角θの所定区間だけ代数螺線の係数ａまたは代数螺線の指数ｋの値が大きくなるようにし、これ以外の区間で代数螺線の係数ａまたは代数螺線の指数ｋの値が一定となるようにしてもよい。

次に、図３から図５を参照しながら、密閉空間１７が吐出口に連通開始する際の最小密閉空間１８、１９の平面面積と吐出口の開口面積との比に基づく圧縮機性能に関して説明する。図３は本実施形態のスクロール圧縮機５０におけるスクロールラップ付近の詳細図、図４は比較例のスクロール圧縮機５０におけるスクロールラップ付近の詳細図、図５は本実施形態及び比較例を含むスクロール圧縮機５０の圧縮機成績係数の特性図である。

図３は最小密閉空間１８、１９の平面面積と吐出口１３の開口面積との比が５．８である本実施形態の一例を示すものである。なお、最小密閉空間１８、１９の平面面積とは、最小密閉空間１８、１９を鏡板の面に投影した場合の面積であり、吐出口１３の開口面積とは、吐出口１３が鏡板に開口する部分における鏡板の面に投影した場合の面積である。具体的には、前の密閉空間１７が吐出口１３との連通が終了した時点と次の密閉空間１７が吐出口１３に連通開始する際の最小密閉空間投影面積と吐出口投影面積の比を５．８とするような円形状の吐出口としている。すなわち、スクロールラップが一対の最小密閉空間１８、１９を形成した後、旋回運動によって圧縮されたガスは最小密閉空間投影面積と吐出口投影面積の比が５．８となる吐出口１３及び吐出口１３の輪郭線が第１の空間１８側へ入り込んで形成される流路を通して吐出口１３へ流出する。また、本実施形態の吐出口１３は円形状をしているので、吐出口形状を楕円、多角形等にする従来例と比較してその吐出口１３の製作が極めて容易である。

図４は最小密閉空間１８、１９の平面面積と吐出口１３の開口面積との比が３．７である比較例を示すものである。この比較例の場合、本実施形態の比が５．８の時と比較して、連通開始のタイミングが早まるため、両スクロールラップ３、４にて形成される最小密閉空間１８、１９は大きくなり、それに伴って設定容積比は小さくなり、高圧力比運転では不足圧縮による図示動力の増大による性能の低下をもたらしてしまう。一方で、吐出口径を大きくすることができるため、吐出される際の流路損失抵抗を減少させ、性能を向上させる効果がある。

表１に、図３及び図４における最小密閉空間投影面積と吐出口投影面積との比による図示効率・流路損失抵抗・圧縮機成績係数の理論値と測定結果、及びその他の比よる図示効率・流路損失抵抗・圧縮機成績係数の理論値の計算結果を示す。測定値は運転圧力比が９．５の場合であり、本発明で想定されている設定容積比が不足している条件に該当する。

この結果では、最小密閉空間投影面積と吐出口投影面積の比が３．７の際と比べて、５．８での設定容積比の改善分は吐出口での流路損失抵抗の増加分を上回ったため、性能を向上させる効果があった。その他の比による計算結果を含めて圧縮機成績係数をグラフに纏めると、図５の通りとなる。

この図５から明らかなように、最小密閉空間投影面積と吐出口投影面積との比が５．０〜８．０の範囲で、圧縮機成績係数が格段に向上することが分かった。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６を用いて説明する。図６は本発明の第２実施形態のスクロール圧縮機の吐出口付近の拡大図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態では、吐出口１３が密閉空間１７への開口面積より吐出側の面積が大きくなるように拡大させたたものであり、小径部１３ａと大径部１３ｂとよりなっている。このように、吐出口１３の途中を拡大させることにより、流路損失抵抗を減少させることができ、より一層、圧縮機成績係数を向上することができる。

本発明の第１実施形態のスクロール圧縮機の断面図である。 第１実施形態の圧縮動作原理を示すための平面図である。 本発明の第１実施形態におけるスクロールラップの吐出口付近の詳細正面図である。 比較例におけるスクロールラップの吐出口付近の詳細正面図である。 スクロール圧縮機の圧縮機性能を示す図である。 本発明の第２実施形態のスクロール圧縮機におけるスクロールラップの吐出口付近の詳細断面図である。

符号の説明

１…密閉容器、２…電動機、２ａ…回転子、２ｂ…固定子、３…旋回スクロール、４…固定スクロール、５…圧縮機構、６…オルダムリング、７…固定部材、８…オイル溜め、９…給油ピース、１０…油穴、１１…圧縮室、１２…吸込口、１３…吐出口、１４…吐出管、１５…吸込管、１６…クランクシャフト、１７…密閉空間、１８…最小密閉空間、１９…最小密閉空間。

Claims (4)

1. 鏡板に直立して形成した渦巻状のラップを備えた旋回スクロール及び固定スクロールを有し、前記両スクロールを互いに前記各々のラップを内側に向けて組み合わせて、前記旋回スクロールのラップ外壁面側と前記固定スクロールのラップ内壁面側とに前記各々のラップと鏡板とによって密閉空間を形成し、前記両スクロールの相対運動により中心方向に移動するに従い前記密閉空間の容積を減少するとともに前記両スクロールの外周側から吸入したガスを圧縮してスクロールの中央部に設けた吐出口から吐出するスクロール圧縮機において、
   行程容積が５〜２５ｃｍ^３の範囲で、前記密閉空間が吐出口に連通開始する際の最小密閉空間の平面面積と吐出口の開口面積との比が５．０〜８．０の範囲内にある
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 請求項１に記載のスクロール圧縮機において、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールは極座標形式で動径ｒ、偏角θ、代数螺線の係数ａ、代数螺線の指数ｋとした式ｒ＝ａ・θ^ｋで表される代数螺線曲線を用いた渦巻状のラップを備えていることを特徴とするスクロール圧縮機。
3. 請求項１または２に記載のスクロール圧縮機において、圧縮される作動流体としてＲ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ｂ、Ｒ４１０Ａ、炭化水素のうちの何れかひとつの低温用冷媒を用いたことを特徴とするスクロール圧縮機。
4. 請求項１から３の何れかに記載のスクロール圧縮機において、前記吐出口は前記密閉空間への開口面積より吐出側の面積が大きくなるように拡大させたことを特徴とするスクロール圧縮機。
   

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