JP2008002423A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面でのシール性確保による高効率化と潤滑性向上による高信頼性化を実現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】旋回スクロール９の偏心方向において、旋回スクロールラップ支持円板９ｂの外周部９ｃと本体フレーム５の内周部５ａとで形成される隙間空間２８の断面形状をクランク角度とともに変化させることで、旋回スクロール９と固定スクロール６の摺動面２７へ積極的にオイルを供給し、高効率化と高信頼性化を実現することが可能である。
【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。

鏡板上に渦巻きラップを形成した固定スクロールと旋回スクロールをかみ合わせ複数の圧縮室を形成し、旋回スクロール背面に一定圧を印加することで固定スクロールラップ上面と旋回スクロール支持円板面とがスラスト摺動し、旋回スクロールに偏心部を有するクランクシャフトを連結させ、オルダムリングを用いて自転を防止し旋回運動をさせることで、中心に向かって容積を減少させながら圧縮を行っていくスクロール圧縮機において、各圧縮室には必ず微小な隙間が存在し、その隙間をオイルにて満たすことで他の圧縮室または吸入室、旋回スクロール背圧室との流体の流通を防止している。

しかし、昨今のインバーター制御化によって運転周波数や温度、圧力などの運転条件は様々に変化し、それに伴ってオイルによるシール性能が不十分な運転条件が発生する。シール性能が低下すると各圧縮室での流体の漏れが大きくなり体積効率の低下や再圧縮による圧縮効率の低下を引き起こす。

特に、低圧縮比の条件では旋回スクロールと固定スクロールとの間の押し付け力が低下し、旋回スクロールが固定スクロールから離れることで大幅な体積効率の低下が生じる。その対策として、特許文献１に開示されているように図７において背圧調整弁１０１によって旋回スクロール１０２の背圧室１０３を吸入圧力よりもやや高い圧力とすることで旋回スクロール１０２を固定スクロール１０４に強く押し付け、冷媒漏れを抑制している。
特許第２５７４５９９号公報

しかしながら、特許文献１に示すような従来の構成では、背圧室に供給されるオイルが少ない運転条件で旋回スクロールが固定スクロールから微小に離反した場合、圧縮室のガスが摺動面の微小隙間を介して背圧室へと漏れ込み、背圧室のガスの体積比率が増加する。その結果、摺動面のオイルによるシール性が低下し、圧縮室から背圧室へのガスの漏れ込みが更に増加する。これを繰り返すことで旋回スクロールの離反量が最大になり、体積効率が減少するという問題が発生しやすい。

また、旋回スクロールが離反しない場合でも、摺動面へ供給されるオイルの量が減少するため、摺動面の潤滑性が悪化し、最悪の場合焼き付きに至る可能性もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、旋回スクロールの偏心方向において、旋回スクロールラップ支持円板の外周部と旋回スクロールが収容される本体フレームの内周部とで形成される隙間空間の断面形状が旋回スクロールを駆動するクランク軸のクランク角度とともに変化することで、隙間空間での粘性ポンプ作用によって背圧室の底部に溜まったオイルを摺動面まで汲み上げ、摺動面の潤滑性とシール性を確保できる高効率で高信頼性のスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、請求項１記載のとおり、旋回スクロールの偏心方向において、旋回スクロールラップ支持円板の外周部と旋回
スクロールが収容される本体フレームの内周部とで形成される隙間空間の断面形状が、旋回スクロールを駆動するクランク軸のクランク角度とともに変化するものである。

従来の構成では旋回スクロールと固定スクロールの摺動面でのオイル保持量が減少して効率と信頼性の低下を招く可能性があったものが、本構成によれば、常に摺動面へ積極的にオイルを供給し、高効率化と高信頼性化を実現することが可能である。

本発明のスクロール圧縮機は、旋回スクロールと固定スクロールの摺動面のオイル保持量を増加させることにより高効率化と高信頼性化が可能である。

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固定スクロールラップに対して、旋回スクロールの一部をなす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するスクロール圧縮機であって、旋回スクロールの偏心方向において、旋回スクロールラップ支持円板の外周部と旋回スクロールが収容される本体フレームの内周部とで形成される隙間空間の断面形状が、旋回スクロールを駆動するクランク軸のクランク角度とともに変化することにより、隙間空間での粘性ポンプ作用によって背圧室の底部に溜まったオイルを摺動面まで汲み上げ、摺動面のオイル保持量を増加させて摺動面の潤滑性とシール性を確保できる。

このとき、圧縮機構部は圧縮機構部を駆動する電動機の上側に位置し、背圧室内部のオイルは重力によって下側に貯留している必要があるが、逆に圧縮機構部が電動機の下側に位置する場合でも、本体フレームと旋回スクロール背面との間のスラスト軸受にオイルが汲み上げられることによって、スラスト軸受の潤滑性とシール性を確保することも可能である。

第２の発明は、特に、第１の発明のスクロール圧縮機において、旋回スクロールラップ支持円板の外周部と本体フレームの内周部の両方またはいずれか一方にらせん状の凹部を設けることにより、旋回スクロールラップ支持円板の外周部と本体フレームの内周部とで形成される隙間空間の断面において、クランク角の変化とともに凹部が常に摺動面に向かって移動し、オイルを摺動面まで汲み上げて摺動面のオイル保持量を増加させることが可能である。

なお、旋回スクロールラップ支持円板の外周部での凹部の占める割合が５０％以上の場合でも同様の効果がある。

また、凹部を設ける方法としては切削や研磨、転造等があり、新たに部品を追加することなく容易に凹部を設けることができるため、生産性が高い。

第３の発明は、特に、第１の発明のスクロール圧縮機において、旋回スクロールラップ支持円板の外周部と本体フレームの内周部の両方またはいずれか一方にらせん状の凸部を設けることにより、第２の発明と同様に、オイルを摺動面まで汲み上げて摺動面のオイル保持量を増加させることが可能である。

なお、凸部を設ける方法としては新たな別の部品を旋回スクロールラップ支持円板の外周部や本体フレームの内周部に巻き付けて固定する等の方法が必要であり、生産性の低下を招きやすいが、切削加工等では不可能な形状も実現することができ、より効率的にオイルを汲み上げることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のスクロール圧縮機において、旋回スクロールラップ支持円板の外径と本体フレームの内径の両方またはいずれか一方が周方向および軸方向に変化することで、旋回スクロールラップ支持円板の外周部と本体フレームの内周部とで形成される隙間空間の断面において、クランク角の変化とともに旋回スクロールラップ支持円板の外周部と本体フレームの内周部との相対距離および相対角度が変動し、スクイズ効果によってオイルを摺動面まで汲み上げて摺動面のオイル保持量を増加させることが可能である。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明のスクロール圧縮機において、冷媒に対して相溶性状を有するオイルを用いることで、圧縮機から冷凍サイクル中へ飛び出したオイルが圧縮機へ戻りやすくなり、オイル量不足による信頼性の低下を防止することができるという利点がある。

一方で、高圧の状態で冷媒が溶け込んだオイルが背圧室内で減圧発泡し、背圧室のガス比率が増加してしまうという欠点も同時に有するが、粘性ポンプ作用によって摺動面の潤滑性は確保されるため摺動面の信頼性の低下を招くこともない。

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、本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図である。

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、その中央部に電動機３、上部に圧縮機構が配置され、電動機３の回転子３ａに固定されたクランク軸４の一端を支承する圧縮機構の本体フレーム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。

クランク軸４に設けられた主軸方向の油通路７は、その一端が給油ポンプ装置８に通じ、他端が最終的に旋回スクロール９の偏心軸受１０に通じている。固定スクロール６と噛み合って圧縮室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９ａと偏心軸受１０とを直立させたラップ支持円板９ｂ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。

クランク軸４の主軸から偏心してクランク軸４の上端部に配置された偏心軸１４は、旋回スクロール９の偏心軸受１０と係合摺動すべく構成されている。旋回スクロール９のラップ支持円板９ｂと本体フレーム５に設けられたスラスト軸受１５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９ｂには偏心軸受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オイルはクランク軸４の油通路７を通り旋回
スクロール９の偏心軸受１０と偏心軸１４との間に形成された軸方向の内部空間１９へ導かれ、一方は旋回スクロール９のラップ支持円板９ｂの背面に設けられた絞り部２０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に押さえつける機能を持った背圧調整弁２１、オイル供給通路２１ａを通って吸入室１３へと導かれる。もう一方は偏心軸受１０、背面室１７、主軸受２２を通り圧縮機構外部へ排出される。

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。

クランク軸４の下端は密閉容器１内に溶接や焼き嵌めして固定された副軸受け２４により軸受けされ、安定に回転することができる。副軸受け２４はジャーナル軸受け構成となっており、給油ポンプ装置８によって吸い上げられたオイルの一部が副軸受け２４へと供給される。

圧縮機構にて圧縮されたガスは圧縮機構外周部付近に設けられた下向きガス流路２５を通り、図示された点線矢印のごとく回転子３ａ上部へと導かれる。ここで主軸受け２２などを潤滑後排出されたオイルと合流し、回転子３ａ内部に設けられた回転子通路３ｂを介して回転子３ａ下部へと到達後、ガスとオイルの混合流が遠心力によって固定子３ｃ下部コイルエンドに衝突し、気液分離される。気液分離後のガスは固定子３ｃ外周に設けられた固定子通路３ｄを介して電動機３上部へと導かれ、圧縮機構に設けられた図示されていない上向きガス流路を通って圧縮機構上側空間へ到達後、吐出管２から密閉容器１外部へと吐出される。

図２は図１における旋回スクロール９の側面図で、ラップ支持円板９ｂの外周部９ｃにリード溝２６を設けている。

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。

図１において、吸入圧力よりもやや高めに設定された背圧室１８内部の圧力と吐出圧力に維持された背面室１７内部の圧力とによる軸方向上向きの力は、圧縮室１１の圧力による軸方向下向きの力よりも常に大きくなるように設計され、旋回スクロール９が固定スクロール６から離反することによる体積効率および圧縮効率の低下を防止している。

しかしながら、背圧室１８に供給されるオイルが少ない運転条件で旋回スクロール９が固定スクロール６から微小に離反した場合、旋回スクロールラップ支持円盤９ｂと固定スクロールラップ６ｂの上面との摺動面２７の微小隙間を介して圧縮室１１のガスが背圧室１８へと漏れ込み、背圧室１８のガスの体積比率が増加する。

その結果、摺動面２７のオイルによるシール性が低下し、圧縮室１１から背圧室１８へのガスの漏れ込みが更に増加する。この悪循環を繰り返すことで旋回スクロール９の離反量が最大になり、体積効率が減少するという問題が発生しやすい。

また、旋回スクロール９が離反しない場合でも、摺動面２７へ供給されるオイルの量が減少するため、摺動面２７の潤滑性が悪化し、最悪の場合焼き付きに至る可能性もある。そこで、旋回スクロールラップ支持円盤９ｂの外周部９ｃに設けられたリード溝２６によって、背圧室１８の底部に溜まったオイルを摺動面２７まで汲み上げ、摺動面２７の潤滑性とシール性を確保することが可能である。

このとき、旋回スクロール９の偏心方向において、旋回スクロールラップ支持円板９ｂの外周部９ｃと本体フレーム５の内周部５ａとで形成される隙間が最も小さくなる隙間空間２８の断面形状は、クランク軸４のクランク角度の進行とともに図３のように変化する。

あるクランク角度で（ａ）のようにリード溝２６の断面が旋回スクロールラップ支持円板外周部９ｃの下端にあるものが、クランク角度の進行とともに（ｂ）のように中段まで移動し、さらに（ｃ）のように上端へと達してリード溝２６内部のオイルを摺動面２７まで汲み上げている。旋回スクロールラップ支持円板外周部９ｃに設けられた複数個のリード溝２６毎にこれらの（ａ）から（ｃ）のサイクルを繰り返す。

したがって、リード溝２６の幅や深さ、角度等を適正に設計することによって粘性ポンプ作用を最大限に発揮することができ、摺動面２７のシール性向上による高効率化と潤滑性向上による高信頼性化を実現可能である。

なお、旋回スクロールラップ支持円板外周部９ｃにリード溝２６等の凹部を設ける場合は切削加工等によって容易に対応可能であるが、粘性ポンプ効果をより一層引き出すために加工が困難な形状にせざるを得ない場合、旋回スクロールラップ支持円板外周部９ｃに別の部品からなる凸部を接続する必要がある。

この場合、部品点数は増加するものの、摺動面２７へのオイル汲み上げ効果は非常に大きくなり、高効率化と高信頼性化をさらに高めることが可能である。

なお、冷凍サイクルから圧縮機へのオイル戻り量を増加させて圧縮機の信頼性を向上させるために冷媒と相溶性を持つオイルを用いる必要がある場合、冷媒が溶け込んだ高圧のオイルが低圧の背圧室１８に達するときに減圧発泡して背圧室１８内部の冷媒ガスの比率が増加してしまう。

このように、相溶性のオイルを用いたときには背圧室１８の上部に位置する摺動面２７でのオイル保持量が減少しやすく信頼性の低下を招きやすいため、本構成が非常に効果的である。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における旋回スクロール９の正面図と側面図であり、旋回スクロールラップ支持円板９ｂの外周部９ｃには長辺と短辺を持つ三角溝２９が複数個設けられている。

図５は、本体フレーム５の断面図であり、旋回スクロール９が収容される内部空間の内周部５ａはテーパ状になっている。

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。

これらの旋回スクロール９と本体フレーム５が組み合わされて旋回運動するとき、旋回スクロール９の偏心方向において、旋回スクロールラップ支持円板９ｂの外周部９ｃと本体フレーム５の内周部５ａとで形成される隙間が最も小さくなる隙間空間２８の断面形状は、クランク軸４のクランク角度の進行とともに図６のように変化する。

旋回スクロールラップ支持円板外周部９ｃの半径ｒは三角溝２９の形状によって（ａ）から（ｃ）のように徐々に大きくなる。本体フレーム内周部５ａはテーパ状となっているため、スクイズ効果によって摺動面２７へとオイルが汲み上げられる。

したがって、実施の形態１と同様、摺動面２７のシール性向上による高効率化と潤滑性向上による高信頼性化を実現可能である。

また、本実施例は旋回スクロールラップ支持円板外周部９ｃの軸方向断面形状が変化することがないため、三角溝２９を鋳抜きや鍛造等によって容易に形成することができる。

なお、本実施例では旋回スクロールラップ支持円板９ｂの半径ｒを変化させ、本体フレーム内周部５ａをテーパ状としているが、逆に本体フレーム内周部５ａの半径を変化させ、旋回スクロールラップ支持円板外周部９ｃをテーパ状としても同様の効果が得られるし、旋回スクロールラップ支持円板９ｂまたは本体フレーム内周部５ａのいずれかに半径が変化するような三角溝２９とテーパを同時に設けてもよい。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、旋回スクロールの偏心方向において、旋回スクロールラップ支持円板の外周部と旋回スクロールが収容される本体フレームの内周部とで形成される隙間空間の断面形状が、旋回スクロールを駆動するクランク軸のクランク角度とともに変化することにより、隙間空間での粘性ポンプ作用によって背圧室の底部に溜まったオイルを摺動面まで汲み上げ、摺動面のオイル保持量を増加させて摺動面の潤滑性とシール性を確保可能であり、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のほかに、自然冷媒ＣＯ₂を用いたエアーコンディショナーやヒートポンプ式給湯機などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における縦型スクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態１における旋回スクロール側面図 本発明の実施の形態１における隙間空間断面図 本発明の実施の形態２における旋回スクロール正面図と側面図 本発明の実施の形態２における本体フレーム断面図 本発明の実施の形態２における隙間空間断面図 従来の圧縮機構部の拡大断面図

符号の説明

４ クランク軸
５ 本体フレーム
５ａ 内周部
６ 固定スクロール
６ａ 鏡板
６ｂ 固定スクロールラップ
９ 旋回スクロール
９ａ 旋回スクロールラップ
９ｂ ラップ支持円板
９ｃ 外周部
１１ 圧縮室
１２ 吐出口
１３ 吸入室
２６ リード溝
２８ 隙間空間

Claims (5)

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固定スクロールラップに対して、旋回スクロールの一部をなす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するスクロール圧縮機であって、
   前記旋回スクロールの偏心方向において、前記旋回スクロールラップ支持円板の外周部と前記旋回スクロールが収容される本体フレームの内周部とで形成される隙間空間の断面形状が、前記旋回スクロールを駆動するクランク軸のクランク角度とともに変化することを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 旋回スクロールラップ支持円板の外周部と本体フレームの内周部の両方またはいずれか一方にらせん状の凹部が設けられている請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. 旋回スクロールラップ支持円板の外周部と本体フレームの内周部の両方またはいずれか一方にらせん状の凸部が設けられている請求項１記載のスクロール圧縮機。
4. 旋回スクロールラップ支持円板の外径と本体フレームの内径の両方またはいずれか一方が周方向および軸方向に変化する請求項１〜３いずれかに記載のスクロール圧縮機。
5. 潤滑油が冷媒に対して相溶性状を有する請求項１〜４いずれかに記載のスクロール圧縮機。

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