JP2008002287A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回スクロールがキー溝を中心として屈曲することで、旋回ラップ先端が固定スクロールの鏡板と激しく接触摺動し、損失増大を引き起こしてしまう。
【解決手段】キー溝１３ｆを結ぶ直線１３ｓと、旋回スクロール１３の鏡板１３ａに立設した旋回ラップ１３ｃの内外壁中心線１３ｔが最も多く交差するようにキー溝１３ｆを形成する。これにより、キー溝１３ｆに対し旋回ラップ１３ｃ自体がリブの役割を果たすため、高差圧条件においてキー溝１３ｆを中心とした旋回スクロール１３の屈曲を緩和することができ、高効率化及び高信頼性化を両立した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、冷暖房空調装置や冷蔵庫等の冷却装置、あるいはヒートポンプ式の給湯装置等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、スクロール圧縮機では、旋回スクロールまたは固定スクロールの各ラップについて、各位置におけるラップの温度分布を測定した結果をもとに、鏡板からラップ先端までの高さ寸法を調整していた。具体的には、組み立て状態において、旋回ラップの先端と固定スクロールの鏡板との間に最内周側で最も大きくなるようなスラスト方向隙間を形成したり、スラスト方向隙間を複数段階で変化するように形成したりしていた。また高圧冷媒を用いた場合には高差圧条件の運転となるため、上記内容に加え、旋回スクロールの鏡板の圧力変形も考慮しなければならない。そこで圧力変形に対する従来の方策を次に説明する。

図６、図７は、特許文献１に記載された従来のスクロール圧縮機の圧縮機構部断面図である。図６に示すように、旋回スクロール１００の鏡板１０１には外周から中心に向かってスロープ１５１が施されている。その結果、図７に示すように、固定ラップ２０２が噛み合ったとき、そのスラスト方向隙間３０１が中心に向かうにつれ、次第に大きくなっていく構成をとっている。実際の運転中では、旋回スクロール１００の反ラップ面１１１ｂには高圧と中間圧が印加され、その結果旋回スクロール１００の鏡板１０１は固定スクロール２００側へと反るように変形するが、上述したように旋回スクロール１００の鏡板１０１にはスロープ１５１が施されているため、圧力による変形が起こることで旋回スクロール１００の鏡板１０１が固定ラップ２０２の先端と均等に接触する。結果として、旋回スクロール１００の鏡板１０１と固定ラップ２０２の先端の片当たりやカジリを防止することができ、高信頼性及び高効率を実現することができる。
特開２００５−１４００７２号公報

前記従来の構成では、特に旋回スクロールの鏡板の厚みが中心部で小さくなっていることから、圧力による変形を考慮し、信頼性と効率の向上を図った。しかしながら、鏡板に設けられたキー溝の影響までは考慮されていない。そのため高差圧条件においては、旋回スクロールに設けられたキー溝を中心として旋回スクロールが屈曲してしまい、旋回ラップ先端が固定スクロールの鏡板や固定ラップと激しく接触摺動し、損失増大を引き起こすという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、旋回スクロールの鏡板に設けられたキー溝を考慮し、鏡板の圧力変形を抑制することで、旋回ラップと固定スクロールの鏡板もしくは固定ラップとの接触摺動を防止し、高効率と高信頼性の両立を実現したスクロール圧縮機の提供を目的とする。

鏡板から渦巻き状の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、旋回スクロールの鏡板の反ラップ面には自転拘束機構を配置するためのキー溝を設け、自転拘束機構がキー溝に嵌合することによって、旋回スクロールが円軌道に沿って旋回し、これにより圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、キー溝を結ぶ直線
と、旋回スクロールの鏡板に立設した旋回ラップの内外壁中心線が最も多く交差するように、キー溝を形成したものである。

かかる構成によれば、キー溝に対し旋回ラップ自体がリブの役割を果たすため、高差圧条件においてキー溝を中心とした旋回スクロールの屈曲を緩和することができる。また旋回ラップは鏡板に形成されているため、鏡板の屈曲が緩和することで、旋回ラップの倒れによる固定スクロール鏡板や固定ラップとの接触も防止できる。これにより損失の低減はもちろん、旋回ラップの破損や、さらには旋回スクロールの鏡板の破損も回避することができる。

本発明のスクロール圧縮機は、高差圧条件における旋回スクロールの圧力変形を抑制することで、旋回ラップと固定スクロールの鏡板もしくは固定ラップとの接触を回避することができ、冷凍空調機器の高効率化及び高信頼性化を実現することができる。

請求項１に記載の本発明では、鏡板から渦巻き状の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、旋回スクロールの鏡板の反ラップ面には自転拘束機構を配置するためのキー溝を設け、自転拘束機構がキー溝に嵌合することによって、旋回スクロールが円軌道に沿って旋回し、これにより圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、キー溝を結ぶ直線と、旋回スクロールの鏡板に立設した旋回ラップの内外壁中心線が最も多く交差するようにキー溝を形成したものである。そしてこの構成によれば、キー溝に対し旋回ラップ自体がリブの役割を果たすため、高差圧条件においてキー溝を中心とした旋回スクロールの屈曲を緩和することができる。また旋回ラップは鏡板に形成されているため、鏡板の屈曲が緩和することで、旋回ラップ先端と固定スクロールの鏡板や固定ラップとの接触も防止できる。これにより損失の低減はもちろん、旋回ラップの破損や、さらには旋回スクロールの鏡板の破損も回避することができるので、高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

請求項２に記載の本発明では、特に請求項１に記載のキー溝を旋回スクロールの鏡板の外周側に設け、キー溝を結ぶ直線と旋回ラップの巻き終わり部を交差するようにしたものである。そしてこの構成によれば、鏡板外周側に旋回ラップを配設することで、ラップによるリブ効果が増大する。すなわち旋回スクロールの屈曲を最小限に抑えることができるので、高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

請求項３に記載の本発明では、特に請求項１または２に記載の旋回ラップの厚みを、旋回ラップの高さの０．１倍以上１．０倍以下としたものである。そしてこの構成によれば、旋回ラップによるリブ効果は十分に確保できる。ラップの高さに対し厚みが小さすぎる場合には、リブ効果が不十分なだけでなく、ラップ自体の強度が低下するので、ラップ破損を起こしかねない。逆にラップの高さに対し厚みが大きすぎる場合には、構造設計が困難になるだけでなく、固定スクロールの鏡板と噛み合う面積が多くなり、摺動損失が増大する恐れがある。各ラップ高さにあわせて厚みを選定する必要はあるが、上記範囲内で選定することで、高リブ効果と低損失の両立を図ることができる。これにより高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

請求項４に記載の本発明では、特に請求項１から３に記載の旋回スクロールの鏡板の厚みを、旋回ラップの高さの２．５倍以上３．０倍以下としたものである。そしてこの構成によれば、鏡板自体の強度が十分に確保できる。鏡板の厚みが小さすぎる場合には、圧力変形を受けやすく、鏡板の屈曲量も増大する。逆に鏡板の厚みが大きすぎる場合には、旋
回スクロールの重量が増大し、慣性力が大きくなってしまい、結果として損失の増大を引き起こす。圧縮機の全体サイズに合わせて鏡板を選定する必要はあるが、上記範囲内で選定することで、高強度と低損失の両立を図ることができる。これにより高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

請求項５に記載の本発明では、特に請求項１から４に記載のスクロール圧縮機において、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたものである。そしてこの場合、特に高低圧の差が大きくなり、旋回スクロールの反ラップ面に加わる荷重も増大するので、本発明の効果が顕著に現れ、高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

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スクロール圧縮機の縦断面図、図２は図１の圧縮機構部の要部拡大断面図である。図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。

図１に示すように、本発明のスクロール圧縮機は、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拘束機構１４を設けて、クランク軸４の上端にある偏心軸部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の反ラップ面１３ｅ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３０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とに仕切られている。この反ラップ面１３ｅ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、旋回スクロール１３の反ラップ面１３ｅの背圧空間２９が、常に一定の圧力となるように制御する背圧調整弁９を備えている。

圧縮機運転中は、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を通じて圧縮機構２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力とほぼ同等であり、旋回スクロール１３に対する背圧源ともなる。これにより、旋回スクロール１３は固定スクロール１２から離れたり片当たり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。

このように供給されたオイル６の一部は、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との嵌合部、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。高圧部３０に供給されたオイル６の別の一部は、高圧部３０に開口を有する通路５４を通って、固定スクロール１２の鏡板１２ａと旋回スクロール１３の旋回ラップ１３ｃとの摺動部と、旋回スクロール１３の外周部まわりにあって自転拘束機構１４が位置している背圧空間２９とに分岐して進入し、スラスト摺動部および自転拘束機構１４の摺動部を潤滑するのに併せ、背圧空間２９にて旋回スクロール１３の背圧を印加する。

背圧空間２９に進入するオイル６は、絞り５７での絞り作用によって高圧部３０と圧縮室１５の低圧側との圧力の中間となる中間圧に設定される。背圧空間２９は高圧部３０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、所定の圧力を超えると、背圧調整弁９が作用して、圧縮室１５の吸入部分に戻され進入する。

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吸入、圧縮、吐出の繰り返しサイクルと、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との摺動部への意図的な潤滑となる。この意図的な潤滑は前記したように背圧調整弁９による連絡路１０の凹部１０５への開口によって常時保証される。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。

本実施の形態のスクロール圧縮機では、旋回スクロール１３の反ラップ面１３ｅには自転拘束機構１４が嵌合するキー溝１３ｆが中心軸上に２本形成されている。図３は旋回スクロール１３の平面図である。キー溝１３ｆを鏡板１３ａの反ラップ面１３ｅに掘り込むことで鏡板１３ａの強度が低下し、運転時にはキー溝１３ｆを結んだ直線１３ｓを中心として屈曲が発生する。屈曲が発生すると、鏡板１３ａに立設した旋回ラップ１３ｃが、固定スクロール１２の鏡板１２ａもしくは固定ラップ１２ｃと接触する恐れがあり、接触による損失増大やラップの破損を引き起こしかねない。そこでキー溝１３ｆを結ぶ直線１３ｓと、旋回スクロール１３の鏡板１３ａに立設した旋回ラップ１３ｃの内外壁中心線１３ｔが最も多く交差するようにキー溝１３ｆを形成する。これにより、キー溝１３ｆに対し旋回ラップ１３ｃ自体がリブの役割を果たすため、高差圧条件においてキー溝１３ｆを中心とした旋回スクロール１３の屈曲を緩和することができる。また鏡板の屈曲が緩和することで、旋回ラップ１３ｃ先端と固定スクロール１２の鏡板１２ａもしくは固定ラップ１２ｃとの接触も防止できる。これにより損失の低減はもちろん、旋回ラップ１３ｃの破損や、さらには旋回スクロール１３の鏡板１３ａの破損も回避することができるので、高効率化及び高信頼性化を両立した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）
図４は本実施の形態２における旋回スクロール１３の平面図である。図４において図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。旋回ラップ１３ｃの内外壁中心線１３ｔと、キー溝１３ｆを結んだ直線１３ｓが最も多く交差する位置関係は無数に存在する。この場合には旋回ラップ１３ｃの巻き終わり部を直線１３ｓと交差するように構成するのが望ましい。鏡板１３ａの外周側に旋回ラップ１３ｃを配設することにより、ラップによるリブ効果が増大する。特にキー溝１３ｆの反対側に旋回ラップ１３ｃが配設された場合には、絶大な効果を発揮する。しかし、旋回ラップ１３ｃの内外壁中心線１３ｔとキー溝１３ｆを結んだ直線１３ｓがただ交差しているだけでは効果が現れない場合があり、少なくともキー溝１３ｆの巾をまたぐように旋回ラップ１３ｃを配置しなければならない。旋回ラップ１３ｃとキー溝１３ｆの位置関係としては、キー溝１３ｆを越えてか
ら、キー溝１３ｆの溝巾程度だけさらに旋回ラップ１３ｃを残した状態が望ましい。以上のことより、旋回スクロールの屈曲を最小限に抑えることができるので、高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。なお、本実施の形態ではキー溝１３ｆが鏡板１３ａの中心線上に２本ある場合を例として説明したが、これに限ったものではない。

（実施の形態３）
図５は本実施の形態３における旋回スクロール１３の断面図である。旋回ラップ１３ｃによるリブ効果を高めるために、旋回ラップ１３ｃの厚みＷは重要な要因となる。そこで旋回ラップ１３ｃの厚みＷは、旋回ラップ１３ｃの高さＨの０．１倍以上１．０倍以下とするのが望ましい。ラップの高さＨに対し厚みＷが小さすぎる場合には、リブ効果が不十分なだけでなく、ラップ自体の強度が低下するので、ラップ破損を起こしかねない。逆にラップの高さＨに対し厚みＷが大きすぎる場合には、構造設計が困難になるだけでなく、固定スクロール１２の鏡板１２ａと噛み合う面積が多くなり、摺動損失が増大する恐れがある。各ラップ高さＨにあわせて厚みＷを選定する必要はあるが、上記範囲内で選定することで、高いリブ効果と低損失の両立を図ることができる。これにより高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

（実施の形態４）
旋回スクロール１３の屈曲を防止する方法としては、鏡板１３ａの厚みＬを大きくする方法も有効である。図５を用いて説明すると、鏡板１３ａの厚みＬとしては、旋回ラップ１３ｃの高さＨの２．５倍以上３．０倍以下とするのが望ましい。この範囲で鏡板１３ａの厚みＬを構成するならば、鏡板１３ａの強度が十分に確保できる。鏡板１３ａの厚みＬが小さすぎる場合には、圧力変形を受けやすく、鏡板１３ａの屈曲量も増大する。逆に鏡板１３ａの厚みＬが大きすぎる場合には、旋回スクロール１３の重量が増大し、慣性力が大きくなってしまい、結果として損失の増大を引き起こす。圧縮機の全体サイズに合わせて鏡板１３ａを選定する必要はあるが、上記範囲内で選定することで、高強度と低損失の両立を図ることができる。これにより高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

また作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合、特に高低圧の差が大きくなり、旋回スクロール１３の反ラップ面１３ｅに加わる荷重も増大する。しかし本発明においては、上述したように旋回スクロール１３の圧力変形を抑制し、旋回ラップ１３ｃと固定スクロール１２の鏡板１２ａもしくは固定ラップ１２ｃとの接触を回避することができるので、高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、旋回スクロールの圧力変形を抑制することで、ラップや鏡板の破損も回避することができるので、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、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におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の要部拡大断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の旋回スクロールの平面図 本発明の実施の形態２におけるスクロール圧縮機の旋回スクロールの平面図 本発明の実施の形態３におけるスクロール圧縮機の旋回スクロールの断面図 従来のスクロール圧縮機の旋回スクロールの平面図 従来のスクロール圧縮機の圧縮機構部の断面図

符号の説明

１２ 固定スクロール
１２ａ 鏡板
１２ｃ 固定ラップ
１３ 旋回スクロール
１３ａ 鏡板
Ｌ 鏡板の厚み
１３ｃ 旋回ラップ
Ｗ 旋回ラップの厚み
Ｈ 旋回ラップの高さ
１３ｅ 反ラップ面
１３ｆ キー溝
１３ｓ キー溝を結んだ直線
１３ｔ 旋回ラップの内外壁中心線
１４ 自転拘束機構
１５ 圧縮室

Claims (5)

1. 鏡板から渦巻き状の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、前記旋回スクロールの鏡板の反ラップ面には自転拘束機構を配置するためのキー溝を設け、前記自転拘束機構が前記キー溝に嵌合することによって、前記旋回スクロールが円軌道に沿って旋回し、これにより前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、前記キー溝を結ぶ直線と、前記旋回スクロールの鏡板に立設した旋回ラップの内外壁中心線が最も多く交差するように、前記キー溝を形成してなるスクロール圧縮機。
2. 前記キー溝を前記旋回スクロールの鏡板の外周側に設け、前記キー溝を結ぶ直線と前記旋回ラップの巻き終わり部を交差するようにしてなる請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記旋回ラップの厚みを、前記旋回ラップの高さの０．１倍以上１．０倍以下としてなる請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記旋回スクロールの鏡板の厚みを、前記旋回ラップの高さの２．５倍以上３．０倍以下としてなる請求項１から３に記載のスクロール圧縮機。
5. 作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としてなる請求項１から４に記載のスクロール圧縮機。

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