JP2008014288A

JP2008014288A - スクロール圧縮機

Info

Publication number: JP2008014288A
Application number: JP2006189137A
Authority: JP
Inventors: Masami Negishi; 正美根岸
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2008-01-24
Also published as: WO2008007612A1; EP2039936A1

Abstract

【課題】安価な構成にて過圧縮現象を防止するスクロール圧縮機を提供する。
【解決手段】固定スクロール(32)に対して旋回スクロール(52)を旋回運動させ、使用圧力の高い作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニット(30)を備え、このユニットは、旋回スクロールと固定スクロールとの噛み合いによって形成され、中央部で合流する以前の最小容積となる位置で２つの圧縮室の吸入容積に対する容積の比率が０．５以上に設定される圧縮室(74)と、固定スクロールの鏡板を貫通(34)し、上記容積の比率に相当する圧縮室に連通して作動流体を吐出させる単一の吐出孔(50)とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、スクロール圧縮機に係り、詳しくは、使用圧力の高い作動流体に用いられて好適なスクロール圧縮機に関する。

この種のスクロール圧縮機には作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニットを備えている。詳しくは、このユニットは固定スクロール及び旋回スクロールを備え、これら各スクロールは互いに噛み合うような渦巻きラップをそれぞれ有している。そして、旋回スクロールは自転することなく固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動する。これにより、各スクロールで形成される空間の容積が減少し、上記一連のプロセスが行われる。

ここで、圧縮機の可変速運転等が実施された場合には、作動流体の吸入圧力及び吐出圧力が変化して過圧縮現象が生じ得る。このため固定スクロールの鏡板には、吐出孔の他、複数の連通路を備えたスクロールユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。詳しくは、吐出孔は鏡板の略中心部分に穿設され、圧縮室と吐出室とを連通するのに対し、複数の連通路は吐出孔の近傍に穿設されており、圧縮途中の圧縮室と吐出室とを連通している。
特許第３６３５８２６号公報

ところで、近年、地球環境への配慮から、地球温暖化係数の小さな値を有する作動流体を用いた冷凍サイクルの開発が進められている。この種の作動流体の一例としては自然系のＣＯ_２（炭酸）ガスがある。また、冷凍サイクルのＣＯ_２ガス運転時の圧力は、外気条件等により変化する為、過圧縮による性能の低下があり、文献１がある。
この場合に、上述した従来の技術を用いると、複数の連通路の加工が必要になるし、また、これら連通路毎に弁装置も必要になるので、スクロールユニットの製造コストが高価になるとの問題がある。更に、上述した吐出孔には、幅広い運転圧縮比に対応すべく逆止弁が配設されているが、これもユニットのコスト高を招く要因になる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、安価な構成にて過圧縮現象を防止するスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく、請求項１記載のスクロール圧縮機は、固定スクロールに対して旋回スクロールを旋回運動させ、使用圧力の高い作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニットを備え、スクロールユニットは、旋回スクロールと固定スクロールとの噛み合いによって形成され、２つの圧縮室が中央部で合流する以前の最小容積となる位置で２つの圧縮室の吸入容積に対する容積の比率が０．５以上に設定される圧縮室と、固定スクロールの鏡板を貫通し、上記容積の比率に相当する圧縮室に連通して作動流体を吐出させる単一の吐出孔とを含むことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、固定スクロールは、鏡板に立設される渦巻きラップと、渦巻きラップの先端側に連なり、吐出孔の開口周縁を部分的に囲繞して上記圧縮室を形成させる容積比生成部とを有し、旋回スクロールは、旋回スクロールの鏡板に立設され、その先端側にて容積比生成部の形状に沿って移動して上記圧縮室を形成させる渦巻きラップを有することを特徴としている。

更に、請求項３記載の発明では、容積比生成部は、固定スクロールの渦巻きラップの先端側に連なり、吐出孔の開口周縁を部分的に囲繞する圧縮室対峙壁と、固定スクロールの渦巻きラップの先端側及び対峙壁に連なり、対峙壁の背面側に形成された空洞を囲むラップ外側壁とを有することを特徴としている。

従って、請求項１記載の本発明のスクロール圧縮機によれば、スクロールユニットは圧縮室を有し、この圧縮室の容積は、２室が１室に合流される直前では容積比０．５以上に設定されている。よって、使用圧力の高い作動流体を用いた場合にも圧縮機の運転圧縮比が小さくなり、過圧縮現象が防止可能となる。
また、このスクロールユニットは、単一の吐出孔を介して作動流体を吐出させるので、従来の如く固定スクロールに対する複数の連通路の加工や、これら各連通路を開閉させる弁がいずれも不要になる。この結果、スクロールユニットの製造コストの低廉化が達成される。

また、請求項２記載の発明によれば、固定スクロールは、上述した所望の容積比に相当する圧縮室を形成させる容積比生成部を有し、旋回スクロールは、容積比生成部の形状に沿って移動して上記容積比に相当する圧縮室を形成させる渦巻きラップを有している。これにより、現有のスクロールユニットを構成するプロファイルの改良によって過圧縮現象が防止可能となり、スクロールユニットの性能を維持しつつ、その製造コストの低廉化が確実に達成可能となる。

更に、請求項３記載の発明によれば、容積比生成部は、圧縮室対峙壁によって上記容積比に相当する圧縮室を形成させる一方、対峙壁及びラップ外側壁で囲まれた内部には空洞部分を有するので、固定スクロールの軽量化が達成可能となる。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施例に係るスクロール圧縮機を示す。この圧縮機１は冷凍空調装置やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれている。当該回路は、作動流体の一例であるＣＯ_２冷媒（以下、冷媒と称する）が循環する経路を備え、圧縮機１は経路から冷媒を吸入し、圧縮して経路に向けて供出する。

この圧縮機１はハウジング２を備えており、ハウジング２の胴部４は、その上側及び下側が上蓋６及び下蓋８によってそれぞれ気密に嵌合されており、胴部４の内部が密閉されている。
胴部４内には電動モータ１０が収容され、このモータ１０内には回転軸１２が配置されており、回転軸１２はモータ１０への通電によって駆動される。また、回転軸１２の上端側は軸受１６を介して上フレーム１４に回転自在に支持されている。この上フレーム１４は胴部４に固定されている。一方、回転軸１２の下端側は軸受２０を介して下フレーム１８に回転自在に支持されており、この下フレーム１８もまた胴部４に固定されている。また、回転軸１２の下端側にはオイルポンプ２２が装着され、オイルポンプ２２は下蓋８に貯留された潤滑油を吸引する。この潤滑油は回転軸１２の油路２４を経て回転軸１２の上端からモータ１０やスクロールユニット３０の各摺動部分に供給される。

このスクロールユニット３０は胴部４内においてモータ１０の上方に配置され、冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施する。
詳しくは、スクロールユニット３０は、旋回スクロール５２及び固定スクロール３２から構成されており、旋回スクロール５２は鏡板５４を備え、この鏡板５４には固定スクロール３２の鏡板３４に向けて延びたインボリュート（伸開線）による渦巻きラップ５６が一体的に形成されている。これに対し、固定スクロール３２の鏡板３４にも鏡板５４に向けて延びるインボリュートによる渦巻きラップ３６が一体的に形成されている。なお、インボリュートはインボリュート基礎円に対する接線の端部分を結んだ軌跡である。そして、これら渦巻きラップ３６，５６が互いに協働して後述する圧縮室を形成し、この圧縮室は固定スクロール３２に対する旋回スクロール５２の旋回運動により、渦巻きラップ３６，５６の径方向外周側から中心に向けて移動し、この際、その容積が減少される。

上述した旋回スクロール５２に旋回運動を付与するため、鏡板５４の下面側にはボス６６が形成され、このボス６６が軸受２８を介して偏心軸２６に回転自在に支持されている。この偏心軸２６は回転軸１２の上端側に一体的に形成されている。なお、この旋回スクロール５２の自転は自転阻止ピン６８により阻止されている。
一方、固定スクロール３２は上フレーム１４に固定されており、鏡板３４が上記圧縮室側と吐出室８０側とを仕切っている。また、鏡板３４の中心から若干偏心した位置には、上記圧縮室側に連通する単一の吐出孔５０がこの鏡板３４を貫通して穿設されており（図２）、この吐出孔５０は吐出弁８２により開閉される。

ところで、本実施例のスクロールユニット３０ではＣＯ_２冷媒を用いるにあたり、ユニット３０の吸入容積に対する圧縮室の容積の比率（設定容積比Ｖ／Ｖｃ）が０．５以上に設定されている。これは、近年商品化されたＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機に最適なものとして発明されたものであり、より詳しくは、この圧縮室は、渦巻きラップ５６と渦巻きラップ３６との噛み合いによって形成され、その容積比Ｖ／Ｖｃとは、圧縮室の容積とユニット３０における冷媒の取り込み容積との比率に該当する。そして、本実施例の圧縮室の容積は、図３に示されるように、冷媒の吐出時には吸入容積の０．５に設定されており、中央部の位置に単一の吐出孔５０が穿設されている。

また、この容積比Ｖ／Ｖｃは、圧縮機１の運転圧縮比は約２．０以上に対応するものである。
そして、このスクロールユニット３０では、容積比Ｖ／Ｖｃを達成すべく現有のスクロールプロファイルを改良している。つまり、渦巻きラップ３６及び渦巻きラップ５６自体は鏡板３４の中心部分にて互いに接近するとの一般的なインボリュートの伸開角で構成され、略２πの位置にある。しかしながら、本実施例では、上述した容積比Ｖ／Ｖｃになる状態（クランク角度）にて冷媒が吐出されるように、固定スクロール３２の渦巻きラップ３６の先端側には容積比生成部を備えるとともに、旋回スクロール５２の渦巻きラップ５６の先端側には渦巻きラップ５６のインボリュートの巻き始め位置が決定されている。

具体的には、図２にも示されるように、固定スクロール３２の渦巻きラップ３６には容積比生成部、本実施例では、鏡板３４の略中央部分の空間を埋める中央空間埋め部３８が鏡板３４に立設されている。
より詳しくは、この空間埋め部３８は、圧縮室対峙壁４０及びラップ外側壁４２から構成され、この対峙壁４０はその一端がラップ内側壁４４の先端側に連なり、対峙壁４０の他端側が吐出孔５０に向けて延出されている。そして、当該他端側は吐出孔５０の開口周縁（同図の右側）を囲繞し、次いで、吐出孔５０から離間する方向に延出されており、この対峙壁４０の他端はラップ外側壁４２の先端側に連なっている。

一方、旋回スクロール５２の渦巻きラップ５６は巻き始め後退部５８を備えており（図４）、旋回スクロール５２の旋回時には上述した対峙壁４０の形状に沿って移動する。このように、対峙壁４０と巻き始め後退部５８とが相俟って容積比Ｖ／Ｖｃに相当する圧縮室７４が形成され、圧縮室７４には１つの吐出孔５０のみが連通する。
上述した圧縮機１によれば、回転軸１２の回転に伴い、旋回スクロール５２が自転することなく旋回運動する。このような旋回スクロール５２の旋回運動は、吸入管８４を介して胴部４内に取り込んだ冷媒を、スクロールユニット３０の外周側からその内部に向けて吸入させる。

次に、図４に示されるように、クランク角０°の場合には、巻き始め後退部５８が対峙壁４０に近付き、２つの圧縮室、詳しくは、渦巻きラップ５６の外側に位置する圧縮室７０と渦巻きラップ５６の内側に位置する圧縮室７２とが略対称形をなし、巻き始め後退部５８を挟んで完全に分離されており、これら圧縮室７０，７２の容積比Ｖ／Ｖｃはいずれも０．５を超えている。

続いてクランク角９０°に進むと、巻き始め後退部５８が吐出孔５０に最も近付くことになり、更に、クランク角が１８０°に進むと、巻き始め後退部５８が対峙壁４０から離間し、２つの圧縮室７０及び圧縮室７２の冷媒は合流して１つの圧縮室７４内に集合される。そして、巻き始め後退部５８が対峙壁４０に向けて再び近付くと、圧縮室７４の容積が縮小され、クランク角１８０°からクランク角２７０°に移行する間にて、圧縮室７４の容積が吸入容積の０．５倍以下の範囲内の大きさになる（図３）。この結果、運転圧縮比が約２．０以上の値に相当する吐出圧力が生成され、高圧の圧縮冷媒は圧縮室７４から吐出孔５０を経て吐出室８０内に吐出される。そして、この吐出室８０内の圧縮冷媒はハウジング２内を循環し、その後、上蓋６に接続された吐出管８６を介して送出される。

以上のように、本実施例の圧縮機１によれば、スクロールユニット３０が圧縮室７４を有し、ＣＯ_２冷媒の吐出時における圧縮室７４の容積は、２室が１室に合流される直前では容積比０．５以上に設定されている。よって、夏期の低い圧縮比から厳冬期の高い圧縮比の運転条件においても、中央部に設置される１つの吐出孔で過圧縮現象が防止可能となる。

また、このスクロールユニット３０は、単一の吐出孔５０を介して冷媒を吐出させるので、従来の如く固定スクロールに対する複数の連通路の加工や、これら各連通路を開閉させる弁がいずれも不要になる。この結果、スクロールユニット３０の製造コストの低廉化が達成される。更に、当該複数の連通路が存在せず、従来に比して大径の吐出孔５０を鏡板３４に穿設可能となり、この場合には吐出孔における圧力損失が低減され、動力の低減化にも寄与する。

また、固定スクロール３２には、上述した所望の容積比に相当する圧縮室７４を形成させる空間埋め部３８を設け、旋回スクロール５２には、空間埋め部３８の対峙壁４０の形状に沿って移動して圧縮室７４を形成させる巻き始め後退部５８を設けている。これにより、現有のスクロールユニットを構成するプロファイルの改良によって過圧縮現象が防止可能となり、ユニット３０の性能を維持しつつ、その製造コストの低廉化が確実に達成可能となる。

更にまた、巻き始め後退部５８の構成により、１つの吐出孔５０、換言すれば、１つの吐出弁８２で済むので、従来に比して構成が簡易化され、スクロールユニット３０の信頼性の向上にも寄与する。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

例えば、上記実施例では空間埋め部３８が中実状に構成されているが、必ずしも当該形態に限定されるものではない。すなわち、図５に示された空間埋め部３８もまた、圧縮室対峙壁４０及びラップ外側壁４２から構成されているものの、巻き始め後退部５８に対峙する対峙壁４０の背面側とラップ外側壁４２との間には空洞４３が形成されている。この場合には、上述した作用効果の他、固定スクロール３２の軽量化も達成可能となる。

更に、上記実施例の他、各渦巻きラップの巻き始め角を約１０°から約４５°遅らせ、固定及び旋回側の双方の渦巻きラップに巻き始め後退部を設けても、上述した容積比Ｖ／Ｖｃを得ることが可能である。
また、本発明は、上記実施例の如く対称歯型スクロール圧縮機の他、渦巻きラップ５６の外側に位置する圧縮室７０と渦巻きラップ５６の内側に位置する圧縮室７２とが異なる形状をなす非対称歯型のスクロール圧縮機にも適用可能である。

本発明の一実施例に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。図１の固定スクロールの正面図である。図１のスクロールユニットにおいてＣＯ_２冷媒を用いた場合のＰ−Ｖ線図である。図１のスクロールユニットによる圧縮プロセスを説明する図である。他の実施例に係る固定スクロールの断面図である。

符号の説明

１スクロール圧縮機
３０スクロールユニット
３２固定スクロール
３４鏡板
３６渦巻きラップ
３８中央空間埋め部（容積比生成部）
４０圧縮室対峙壁
４２ラップ外側壁
４３空洞
５０吐出孔
５２旋回スクロール
５４鏡板
５６渦巻きラップ
５８巻き始め後退部
７４圧縮室

Claims

固定スクロールに対して旋回スクロールを旋回運動させ、使用圧力の高い作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニットを備え、
該スクロールユニットは、
前記旋回スクロールと前記固定スクロールとの噛み合いによって形成され、２つの圧縮室が中央部で合流する以前の最小容積となる位置で２つの圧縮室の吸入容積に対する容積の比率が０．５以上に設定される圧縮室と、
前記固定スクロールの鏡板を貫通し、前記容積の比率に相当する圧縮室に連通して前記作動流体を吐出させる単一の吐出孔とを含む
ことを特徴とするスクロール圧縮機。
前記固定スクロールは、前記鏡板に立設される渦巻きラップと、該渦巻きラップの先端側に連なり、前記吐出孔の開口周縁を部分的に囲繞して前記圧縮室を形成させる容積比生成部とを有し、
前記旋回スクロールは、該旋回スクロールの鏡板に立設され、その先端側にて前記容積比生成部の形状に沿って移動して前記圧縮室を形成させる渦巻きラップを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
前記容積比生成部は、前記固定スクロールの渦巻きラップの先端側に連なり、前記吐出孔の開口周縁を部分的に囲繞する圧縮室対峙壁と、前記固定スクロールの渦巻きラップの先端側及び前記対峙壁に連なり、該対峙壁の背面側に形成された空洞を囲むラップ外側壁とを有することを特徴とする請求項２に記載のスクロール圧縮機。