JP2007285147A - スクロール圧縮機 - Google Patents

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大輔 船越
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Abstract

【課題】高速運転域では機械損失の影響が大きく運転周波数を下げる必要があり、低速運転域では漏れ損失とモータ損失の影響が大きく運転周波数を上げる必要がある。圧縮機本体の大きさを変えずに、高速運転域では機械損失を減らすために吸入容積を大きくし、低速運転域では漏れ損失とモータ損失を減らすために吸入容積を小さくし、幅広い運転モードで効率よく運転することが可能なスクロール圧縮機を提供すること。
【解決手段】圧縮途中の流体を圧縮空間から吸入室に戻したり、閉じ込めたりすることで各運転条件に応じて最適な吸入容積に設定することが出来、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
【選択図】図2

Description

本発明は、空調機、冷凍機、ブロワ、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。
運転モードの多様化にともない、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が求められてきた。一般的に高速運転することにより、機械的な損失は増加する。また、逆に低速運転することにより、流体の漏れが増大し体積効率が悪化し、さらにモータの効率が悪化する傾向にある。吸入容積を大きくした場合、元の容積と同等能力を得ようとした時に運転周波数を下げることから、機械損失が減少し高速運転域の性能は良化するが、逆に低速運転域の性能は流体の漏れ損失とモータ損失増加により悪化する。また、吸入容積を小さくした場合、元の容積と同等能力を得ようとした時に運転周波数を上げることから、流体の漏れ損失とモータ損失の減少により低速運転域の性能は良化するが、逆に高速運転域の性能は機械的損失増加により悪化する。よって、圧縮機本体の大きさを変えずに、高速運転域では機械損失を減らすために吸入容積を大きくし、低速運転域では漏れ損失とモータ損失を減らすために吸入容積を小さくし、幅広い運転モードで効率よく運転することが可能なスクロール圧縮機が求められてきた。
図8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8に示すように、旋回スクロール羽根もしくは固定スクロール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、この延長羽根の内壁およびこれと対向する他の羽根の外壁の少なくとも一方を羽根の厚みが薄くなる方向に変位させた変位面とし、その変位面と対向する他の羽根の壁面との間は最も接近した時でも一定の隙間ができるように構成し、その隙間は低速運転時には延長羽根部分に存在する吸入冷媒を巻き終わり側に逃がすことが出来、且つ高速運転時には延長羽根部分に存在する吸入流体の大部分を巻き終わり側に逃がすことなく圧縮室側に閉じ込むことができ、擬似的に吸入流体の閉じ込み容積を変化させることから、幅広い運転モードに対応することが可能となった。
特開平11−82331号公報
しかしながら、前記従来の構成では、低速から高速の各運転条件において、羽根の厚みが薄くなる方向に変位させた変位面と対向する他の羽根壁面の間のわずかな隙間に、オイル潤滑されるが、同じ運転条件でもオイル量、粘度などに違いが生じた場合、各運転条件に応じて一定のシール性が得られず、閉じこめた吸入流体を巻き終わりに逃がす量がそれぞれの運転条件で一定に決めることができず、予測通りの容積が得られない可能性があるため、さらなる運転モードの多様化に対応することが必要である。
前記従来の課題を解決するために、圧縮空間と吸入室を連通させる通路を弁機構により開閉し、圧縮途中の流体を吸入室に戻したり、閉じ込めたりすることで、各運転条件に応じてほぼ予測通りの吸入閉じ込み容積に制御することができ、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率良く運転することを可能にし、さらなる運転モードの多様化に対応できる。
本発明のスクロール圧縮機は、吸入容積の可変により小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
第1の発明は、固定スクロールの一部をなす鏡板の一面に直立して形成された渦巻き状のインボリュートの固定スクロールラップ対して、旋回スクロールの一部をなすインボリュートのラップが支持円板上に直立するとともに、固定スクロールラップに類似した形状の旋回スクロールラップを互いに噛み合わせて、両スクロール間に渦巻き形の対称形の一対の圧縮空間を形成し、固定スクロールラップの中心部に吐出室に通じる吐出口を設け、固定スクロールラップの外側には吸入室を設け、自転阻止部材を介して旋回スクロールが固定スクロールに対し旋回運動を行うことによって、各圧縮空間が吸入側より吐出側に向けて連続移行する複数個の圧縮室に区画されて流体を圧縮すべく容積変化し、圧縮空間と吸入室を連通させる通路を持ち、通路と圧縮空間の間と通路と吸入室の間のそれぞれに弁機構を持ち、通路の途中に低圧と高圧を加えることで弁機構は開閉し、弁機構を開いて圧縮途中の流体を圧縮空間から吸入室に戻したり、弁機構を閉じて圧縮途中の流体を圧縮空間に閉じ込めたりすることで吸入閉じ込み容積を可変できることにより、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
第2の発明は、高速運転時には弁機構を閉じて通路を連通させないように制御し、低速運転時には弁機構を開いて通路を連通させるように制御することにより、元々の吸入閉じ込み容積を大きくした場合、高速運転域では元の容積と同等能力を得ようとした時に運転周波数を下げることから機械損失の減少により性能が向上し、かつ低速運転域では見かけ上の容積が実際より小さくなるため、同等能力を得ようとした時に運転周波数を下げる量を抑える、もしくは大きくすることが可能となり、漏れ損失とモータ損失の抑制により性能を維持もしくは向上が可能となり、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
第3の発明は、弁機構が通路と圧縮空間の間と通路と吸入室の間にそれぞれ通路側を太くした段差を設け、段差部に駆動可能な板を備え、板を段差部に押さえつけることで通路と圧縮空間と吸入室を連通させないようにできる構成とし、弁機構を閉じる時には通路側から高圧を加えて板を段差部に押し付けてシールし、弁機構を開く時には通路側から低圧を加えることにより板が段差部から離れて、隙間から圧縮途中の流体が圧縮空間から吸入室に流れることができ、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
第4の発明は、通路側から板をバネによって軽く押さえつけることで、高速運転に切り替えた時にシールするまでの反応が早くなり、かつ高圧とバネ力で押さえつけるためにシール性が向上し、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
第5の発明は、弁機構が通路と圧縮空間の間と通路と吸入室の間にそれぞれ通路側を太くしたテーパーを設け、テーパー部に駆動可能な鋼球を備え、鋼球をテーパー部に押さえつけることで通路と圧縮空間と吸入室を連通させないようにできる構成とし、弁機構を閉じる時には通路側から高圧を加えて鋼球をテーパー部に押し付けてシールし、弁機構を開く時には通路側から低圧を加えることにより鋼球がテーパー部から離れて、隙間から圧縮途中の流体が圧縮空間から吸入室に流れることができ、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
第6の発明は、通路側から鋼球をバネによって軽く押さえつけることで、高速運転に切り替えた時にシールするまでの反応が早くなり、かつ高圧とバネ力で押さえつけるためにシール性が向上し、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る
第7の発明は、通路を閉じる時に吐出された高圧ガスを弁機構に加えてシールすることで、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
第8の発明は、通路を閉じる時に圧縮機内部の高圧オイルを弁機構に加えてシールすることで、高速運転時にオイルによりシール性が向上し、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態におけるスクロール圧縮機の縦断面図を示すものである。
図1において、鉄製の密閉容器1の内部全体は吐出管2に連通する高圧雰囲気となり、その中央部にモータ3、上部に圧縮部が配置され、モータ3の回転子3aに固定されたクランクシャフト4の一端を支承する圧縮部の本体フレーム5が密閉容器1に固定されており、その本体フレーム5に固定スクロール6が取り付けられている。
クランクシャフト4に設けられた主軸方向の油穴7は、その一端が給油ポンプ装置8に通じ高圧オイル28の中に浸かっており、他端が最終的に旋回スクロール9の旋回軸受10に通じている。固定スクロール6と噛み合って圧縮空間11を形成する旋回スクロール9は、渦巻き状の旋回スクロールラップ9bと旋回軸受10とを直立させたラップ支持円板9aとからなり、固定スクロール6と本体フレーム5との間に配置されている。
固定スクロール6は、鏡板6aと渦巻き状の固定スクロールラップ6bとからなり、固定スクロールラップ6bの中央部に吐出口12、外周部に吸入室13が配置されている。
クランクシャフト4の主軸部4aから偏心してクランクシャフト4の上端部に配置された旋回軸部4bは、旋回スクロール9の旋回軸受10と係合摺動し、クランクシャフト4の下端部に配置された副軸部4cは密閉容器1内に溶接や焼き嵌めして固定された副軸受19により軸支され、主軸部4a、旋回軸部4b、副軸部4cの三点で支持された構成をしている。旋回スクロール9のラップ支持円板9aと本体フレーム5に設けられた第1のスラスト軸受15aとの間は、油膜形成可能な微小隙間が設けられている。ラップ支持円板9aには旋回軸受10とほぼ同心の環状シール部材16が遊合状態で装着されており、その環状シール部材16はその内側の背面室17と外側の背圧室18とを仕切っている。
給油ポンプ装置8によって吸い上げられた潤滑油はクランクシャフト4の油穴7を通り旋回スクロール9の旋回軸受10と旋回軸部14との間に形成された軸方向の内部空間20へ導かれ、一方は旋回スクロール9のラップ支持円板9aの背面に設けられた絞り部21を経由して固定スクロール6と本体フレーム5とによって囲まれて形成される背圧室18へと通じ、旋回スクロール9を固定スクロールラップ6b外周部の第2のスラスト軸受15bに押さえつける機能を持った背圧調整弁22、オイル供給通路22aを通って吸入室13へと導かれる。もう一方は旋回軸受10、背面室17、主軸受14を通り圧縮部外部へ排出される。
吐出口12の出口側を開閉する逆止弁装置23が固定スクロール6の鏡板6aの平面上に取り付けられており、その逆止弁装置23は薄鋼板製のリード弁23aと弁押さえ23bとからなる。
圧縮空間11と吸入室13を連通させる通路24を持ち、通路24と圧縮空間11の間と通路24と吸入室13の間のそれぞれに弁機構26を持ち、通路の途中に低圧と高圧を
加えることで弁機構26は開閉し、弁機構26を開いて圧縮途中の流体を圧縮空間11から吸入室13に戻したり、弁機構26を閉じて圧縮途中の流体を圧縮空間11に閉じ込めたりすることができ吸入閉じ込み容積が可変できる構成をしている。
図2は図1における固定スクロール6と旋回スクロール9と通路24と弁機構26などの圧縮機構部周辺の拡大断面図である。
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。
まず、運転モードの多様化にともない、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が求められてきた。高速運転域では機械的な損失は増加し、低速運転域では流体の漏れ損失の増大による体積効率の悪化とモータ損失の増大による効率の悪化の傾向がある。吸入容積を大きくした場合、元の容積と同等能力を得るために運転周波数を下げることから、機械損失の減少により高速運転域の性能は良化する。逆に低速運転域の性能は流体の漏れ損失とモーター損失の増加により悪化する。また、吸入容積を小さくした場合、元の容積と同等能力を得るために運転周波数を上げることから,流体の漏れ損失とモータ損失の減少により低速運転域の性能は良化するが、逆に高速運転域の性能は機械的損失増加により悪化する。よって、高速運転域では吸入容積を大きくし、さらに低速運転域では吸入容積を小さくすることで小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
そこで、高速運転時には弁機構26を閉じて通路24と圧縮空間11と吸入室13を連通させないように制御し、低速運転時には弁機構26を開いて通路24と圧縮空間11と吸入室13を連通させるように制御することにより、元々の吸入閉じ込み容積を大きくした場合、高速運転域では元の容積と同等能力を得ようとした時に運転周波数を下げることから機械損失の減少により性能が向上し、かつ低速運転域では見かけ上の容積が実際より小さくなるため、同等能力を得ようとした時に運転周波数を下げる量を抑える、もしくは大きくすることが可能となり、漏れ損失とモーター損失の抑制により性能を維持もしくは向上が可能となり、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
また、図3に示すように、弁機構26は通路24と圧縮空間11の間と通路24と吸入室13の間にそれぞれ通路24側を太くした段差29aを設け、段差29a部に駆動可能な板26aを備え、板26aを段差29a部に押さえつけることで通路24と圧縮空間11と吸入室13を連通させないようにできる構成とし、弁機構26を閉じる時には通路24側から高圧を加えて板を段差29a部に押し付けてシールし、弁機構26を開く時には通路24側から低圧を加えることにより板26aが段差29a部から離れて、隙間から圧縮途中の流体が圧縮空間11から吸入室13に流れるようにし、吸入閉じ込み容積が可変できる。板26aと段差29aは面接触であるためシール性が向上し、弁機構26を閉じている時の通路24と圧縮空間11と吸入室13の間の流体の漏れが減り小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
また、図4に示すように、通路24側から板26aをバネ27によって軽く押さえつけることで、高速運転に切り替えた時にシールするまでの反応が早くなり、かつ高圧とバネ力で押さえつけるためにシール性が向上し、弁機構26を閉じている時の通路24と圧縮空間11と吸入室13の間の流体の漏れが減り、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
また、図5に示すように弁機構26は通路24と圧縮空間11の間と通路24と吸入室13の間にそれぞれ通路24側を太くしたテーパー29bを設け、テーパー29b部に駆
動可能な鋼球26bを備え、鋼球26bをテーパー29b部に押さえつけることで通路24と圧縮空間11と吸入室13を連通させないようにできる構成とし、弁機構26を閉じる時には通路24側から高圧を加えて鋼球26bをテーパー29b部に押し付けてシールし、弁機構26を開く時には通路24側から低圧を加えることにより鋼球26bがテーパー29b部から離れて、隙間から圧縮途中の流体が圧縮空間11から吸入室13に流れるようにし、吸入閉じ込み容積が可変できる。鋼球26bとテーパー29bは線接触であるためシールする時とシールしない時の反応時間が短くなり、さらに小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
また、図6に示すように、通路24側から鋼球26bをバネ27によって軽く押さえつけることで、高速運転に切り替えた時にシールするまでの反応が早くなり、かつ高圧とバネ力で押さえつけるためにシール性が向上し、弁機構26を閉じている時の通路24と圧縮空間11と吸入室13の間の流体の漏れが減り、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
また、図7に示すように、弁機構26において板26aを一つにし、バネ27で押さえつけ、通路24を一つにし、第一通路24aと第二通路24bを斜め穴にすることで、板26aと通路24の部品コストを削減することが出来、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
また、図8に示すように、固定スクロール6とピース30の二つの部品で弁機構26を構成し、板26aを一つにし、バネ27で押さえつけ、通路24を一つにし、第一通路24aと第二通路24bを縦穴にすることで、板26aと通路24の部品コストと斜め穴の加工コストの削減が可能となり、さらに第一通路24aと第二通路24bの構成位置の設計自由度が広がり、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
また、図9に示すように吐出管2から出た高圧ガスを通路24側から板26aもしくは鋼球26bに加えることで、吐出された直後のガスであるため圧力が非常に高くさらにシール性が向上し、弁機構26を閉じている時の通路24と圧縮空間11と吸入室13の間の流体の漏れが減り、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
また、図10に示すように、密閉容器1の下部に溜まった高圧オイル28を通路24側から板26aもしくは鋼球26bに加えることで、高圧とオイルによりさらにシール性が向上し、弁機構26を閉じている時の通路24と圧縮空間11と吸入室13の間の流体の漏れが減り、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが出来る。
以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、圧縮途中の流体を圧縮空間から吸入室に戻したり、閉じ込めたりすることで各運転条件に応じて最適な吸入容積に設定することが出来、小能力から大能力の広い範囲に渡って効率よく運転することが可能となり、HFC系冷媒やHCFC系冷媒を用いたエアーコンディショナー用圧縮機などの用途に適用できる。
本発明の実施の形態における弁機構に高圧ガスを加えてバイパスを閉じる構成の縦型スクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態における弁機構に高圧ガスを加えてバイパスを閉じる構成の縦型スクロール圧縮機の圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における弁機構に板を用いた縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における弁機構に板とバネを用いた縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における弁機構に鋼球を用いた縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における弁機構に鋼球とバネを用いた縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における弁機構を一つにした縦型スクロール圧縮機の圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における弁機構を一つにした縦型スクロール圧縮機の圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における弁機構に吐出された高圧ガスを加えてバイパスを閉じる構成の縦型スクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態における弁機構に高圧オイルを加えてバイパスを閉じる構成の縦型スクロール圧縮機の縦断面図 従来例の縦型スクロール圧縮機の90度置きの旋回の動作状態を示す平面図
符号の説明
1 密閉容器
2 吐出管
3 モータ
3a 回転子
3b 固定子
4 クランクシャフト
4a 主軸部
4b 旋回軸部
4c 副軸部
5 本体フレーム
6 固定スクロール
6a 鏡板
6b 固定スクロールラップ
7 油穴
8 給油ポンプ装置
9 旋回スクロール
9a 支持円板
9b 旋回スクロールラップ
10 旋回軸受
11 圧縮空間
12 吐出口
13 吸入室
14 主軸受
15a 第1のスラスト軸受
15b 第2のスラスト軸受
16 環状シール部材
17 背面室
18 背圧室
19 副軸受
20 内部空間
21 絞り部
22 背圧調整弁
22a オイル供給通路
23 逆止弁装置
23a リード弁
23b 弁押さえ
24 通路
24a 第一通路
24b 第二通路
26 弁機構
26a 板
26b 鋼球
27 バネ
28 高圧オイル
29a 段差
29b テーパー
30 ピース
120 固定スクロール
121 羽根
121a 基本羽根
121b 延長羽根
121b1 変位面
122 鏡板
130 旋回スクロール
130a 旋回軸
131 羽根
131a 基本羽根
131b 延長羽根
131b1 変位面
132 鏡板
140 吸入ポート
141、141a、141b、141b1 圧縮室
141c 閉じ込み部
142 自転防止旋回駆動機構
143 オルダムリング
145 吐出ポート
151 段差

Claims (8)

  1. 固定スクロールの一部をなす鏡板の一面に直立して形成された渦巻き状のインボリュートの固定スクロールラップ対して、旋回スクロールの一部をなすインボリュートのラップが支持円板上に直立するとともに、前記固定スクロールラップに類似した形状の旋回スクロールラップを互いに噛み合わせて、両スクロール間に渦巻き形の対称形の一対の圧縮空間を形成し、前記固定スクロールラップの中心部に吐出室に通じる吐出口を設け、前記固定スクロールラップの外側には吸入室を設け、自転阻止部材を介して前記旋回スクロールが前記固定スクロールに対し旋回運動を行うことによって、前記各圧縮空間が吸入側より吐出側に向けて連続移行する複数個の圧縮室に区画されて流体を圧縮すべく容積変化し、前記圧縮空間と前記吸入室を連通させる通路を持ち、前記通路と前記圧縮空間の間と前記通路と前記吸入室の間のそれぞれに弁機構を持ち、前記通路の途中に低圧と高圧を加えることで前記弁機構は開閉し、前記弁機構を開いて圧縮途中の流体を前記圧縮空間から前記吸入室に戻したり、前記弁機構を閉じて圧縮途中の流体を前記圧縮空間に閉じ込めたりすることができ吸入閉じ込み容積を可変できることを特徴とするスクロール圧縮機。
  2. 高速運転時には前記弁機構を閉じて前記通路と前記圧縮空間と前記吸入室を連通させないように制御し、低速運転時には前記弁機構を開いて前記通路と前記圧縮空間と前記吸入室を連通させるように制御することを特徴とする請求項1に記載のスクロール圧縮機。
  3. 前記弁機構は前記通路と前記圧縮空間の間と前記通路と前記吸入室の間にそれぞれ前記通路側を太くした段差を設け、前記段差部に駆動可能な板を備え、前記板を前記段差部に押さえつけることで前記通路と前記圧縮空間と前記吸入室を連通させないようにできる構成とし、前記弁機構を閉じる時には前記通路側から高圧を加えて前記板を前記段差部に押し付けてシールし、前記弁機構を開く時には前記通路側から低圧を加えることにより前記板が前記段差部から離れて隙間から圧縮途中の流体が前記圧縮空間から前記吸入室に流れることを特徴とする請求項1または2記載のスクロール圧縮機。
  4. 前記通路側から前記板をバネによって軽く押さえつけることを特徴とする請求項3記載のスクロール圧縮機。
  5. 前記弁機構は前記通路と前記圧縮空間の間と前記通路と前記吸入室の間にそれぞれ前記通路側を太くしたテーパーを設け、前記テーパー部に駆動可能な鋼球を備え、前記鋼球を前記テーパー部に押さえつけることで前記通路と前記圧縮空間と前記吸入室を連通させないようにできる構成とし、前記弁機構を閉じる時には前記通路側から高圧を加えて前記鋼球を前記テーパー部に押し付けてシールし、前記弁機構を開く時には前記通路側から低圧を加えることにより前記鋼球が前記テーパー部から離れて隙間から圧縮途中の流体が前記圧縮空間から前記吸入室に流れることを特徴とする請求項1または2記載のスクロール圧縮機。
  6. 前記通路側から前記鋼球をバネによって軽く押さえつけることを特徴とする請求項5記載のスクロール圧縮機。
  7. 前記弁機構を閉じる時に、吐出された高圧ガスを加えてシールすることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載のスクロール圧縮機。
  8. 前記弁機構を閉じる時に、圧縮機内部の高圧オイルを加えてシールすることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載のスクロール圧縮機。
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