JP2008232041A - 多段圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】作動ガスとしてＣＯ_２を用い、かつ大容量化の可能な圧縮機を提供する。
【解決手段】密閉ハウジングと、密閉ハウジング内に設けられた複数の圧縮機構と、複数の圧縮機構を駆動する電動機と、を備え、複数の圧縮機構の少なくとも一つはスクロール圧縮機構であり、かつ超臨界状態を含むガスを作動ガスとする多段圧縮機であって、スクロール圧縮機構は、端板の一面側に渦巻状のラップが形成された固定スクロールと、端板１１７の一面側に渦巻状のラップ１１８が設けられかつラップ１１８が固定スクロールのラップと組み合わされて渦巻状の圧縮室を形成する旋回スクロール１１６とを備え、旋回スクロール１１６の旋回に伴い、導入した作動ガスを圧縮室内で圧縮するものであり、旋回スクロール１１６の端板１１７の厚さをＷorb、旋回スクロール１１６のラップ１１８の高さをＬとすると、Ｌ≧Ｗorbを満足する。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒ガス（作動ガス）として二酸化炭素（ＣＯ_２）を使用する蒸気圧縮式冷凍サイクルに適した多段圧縮機に関するものである。

近年、環境保護の観点から、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、冷媒の脱フロン対策の１つとして、作動ガスとしてＣＯ_２を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルが提案されている。
ここで、ＣＯ_２の臨界温度は約３１℃と従来の冷媒であるフロンの臨界点温度と比べて低いため、夏場のように外気温の高いときには、放熱器側でのＣＯ_２の温度がＣＯ_２の臨界点温度よりも高くなってしまう。つまり、放熱器出口側においてＣＯ_２は凝縮しない。また、放熱器出口側の状態は、圧縮機の吐出圧力と放熱器出口側でのＣＯ_２温度によって決定され、放熱器出口側でのＣＯ_２温度は放熱器の放熱能力と外気温度（制御不可）とによって決定されるので、放熱器出口での温度は、実質的には制御することができない。したがって、放熱器出口側の状態は、圧縮機の吐出圧力（放熱器出口側圧力）を制御することによって制御可能となる。つまり、夏場のように外気温の高いときには、十分な冷却能力（エンタルピ差）を確保するために、放熱器出口側圧力を高くする必要がある。そのために、ＣＯ_２を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、圧縮機の運転圧力を従来のフロンを用いた冷凍サイクルに比べて３〜５倍程度に高くする必要がある。

蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いられる圧縮機として、スクロール圧縮機が知られている。このスクロール圧縮機は、ケーシング内に、端板の一面側に渦巻状ラップが形成された固定スクロールと、端板の一面側に渦巻状ラップが設けられかつこの渦巻状ラップが固定スクロールの渦巻状ラップと組み合わされて渦巻状の圧縮室を形成する旋回スクロールとを備え、旋回スクロールの旋回に伴い、導入した作動ガスを圧縮室内で圧縮した後に吐出するものである。
このスクロール圧縮機において、作動ガスとして運転圧力の高いＣＯ_２を用いた場合、固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板の厚さが各渦巻状ラップの高さよりも薄いと、圧縮時に発生する荷重によって固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板が特に撓み変形しやすい。その結果、圧縮室のシール性が低下し、圧縮室からの作動ガスの漏れによる吐出量減少や漏れガスの再圧縮による吐出ガスの温度上昇等が起こり、圧縮機の性能低下が避けられない。

そこで特許文献１は、固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板の厚さＴ_１、Ｔ_２を、固定スクロールおよび旋回スクロールの各渦巻状ラップの高さＨ_１、Ｈ_２の０．９倍よりもそれぞれ大きくすることを提案している。特許文献１の提案によれば、固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板の厚さが、固定スクロールおよび旋回スクロールの各渦巻状ラップの高さの０．９倍よりもそれぞれ大きくなっているので、作動ガスとしてＣＯ_２を用いるスクロール圧縮機でも、圧縮時に発生する荷重によって固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板が変形しにくく、圧縮室のシール性が確保される。

特開２０００−３５２３８７号公報

特許文献１の提案は、作動ガスとしてＣＯ_２を用いるスクロール圧縮機の実用化に寄与する。ところが、特許文献１の提案、つまり固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板の厚さＴ_１、Ｔ_２を、固定スクロールおよび旋回スクロールの各渦巻状ラップの高さＨ_１、Ｈ_２の０．９倍よりもそれぞれ大きくすることは、渦巻状ラップの高さを低くすることを前提としている。したがって、特許文献１の提案は比較的容量の小さい圧縮機に適用が限られる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、作動ガスとして超臨界状態を含むガス、典型的にはＣＯ_２を用い、かつ大容量化の可能な圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも一つのスクロール圧縮機を含む多段圧縮機について、作動ガスを、超臨界状態を含むガス、典型的にはＣＯ_２とすることにより前記課題を解決するものである。すなわち、本発明は、スクロール圧縮機を単独で用いて低圧から高圧まで圧縮するのではなく、例えば、２つの圧縮機構を設け、一方で低圧から中間圧までの圧縮を担い、他方で中間圧から高圧までの圧縮を担うようにする。そうすることにより、一つの圧縮機構における差圧を小さくすることができるため、当該圧縮機構としてスクロール圧縮機構を用いた場合には、渦巻状ラップの高さを高くしても、固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板の変形が抑制され、圧縮室のシール性を確保することができる。
すなわち本発明は、密閉ハウジングと、密閉ハウジング内に設けられた複数の圧縮機構と、複数の圧縮機構を駆動する電動機と、を備え、複数の圧縮機構の少なくとも一つはスクロール圧縮機構であり、かつ超臨界状態を含むガスを作動ガスとする多段圧縮機であって、スクロール圧縮機構は、端板の一面側に渦巻状ラップが形成された固定スクロールと、端板の一面側に渦巻状ラップが設けられかつこの渦巻状ラップが固定スクロールの渦巻状ラップと組み合わされて渦巻状の圧縮室を形成する旋回スクロールとを備え、旋回スクロールの旋回に伴い、導入した作動ガスを圧縮室内で圧縮するものであり、旋回スクロールの端板の厚さをＷorb、旋回スクロールの渦巻状ラップの高さをＬとすると、Ｌ≧Ｗorbを満足することを特徴とする。

本発明の多段圧縮機において、固定スクロールの端板の厚さをＷfixとすると、Ｗfix≧Ｌ≧Ｗorbを満足することが好ましい。この条件は、固定スクロールの端板の変形防止に寄与する。
また本発明の多段圧縮機において、旋回スクロールの渦巻状ラップの厚さをＴrとすると、２≦Ｌ／Ｔr≦７を満足することが好ましい。これにより、押しのけ量を確保しつつ、旋回スクロールの渦巻状ラップの強度を確保する。
さらに本発明の多段圧縮機において、旋回スクロールの端板の外径をＤout、旋回スクロールにおける渦巻状ラップの外径をＤwrap、旋回スクロール背面の支持部の内径をＤｂとすると、Ｄwrap／Ｄout＜０．７であり、かつＤb＜Ｄwrapを満足することが好ましい。このように規定することにより、旋回スクロールの端板の変形をより低減することができる。

本発明によれば、複数の圧縮機構の少なくとも一つをスクロール圧縮機構とし、かつ作動ガスをＣＯ_２とする多段圧縮機において、スクロール圧縮機構の旋回スクロールの端板の厚さをＷorb、旋回スクロールの渦巻状ラップの高さをＬとすると、Ｌ≧Ｗorbを満足する。このことは、旋回スクロール（固定スクロール）の渦巻状ラップの高さを高くできることを意味し、ＣＯ_２を作動ガスとする圧縮機の大容量化を可能とする。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における多段圧縮機の構成を示す縦断面図である。
図１において、密閉ハウジング１００内の一方端側にロ−リングピストン型圧縮機構１０１が、また他方端側にスクロ−ル型圧縮機構１０２が配設されている。ロ−リングピストン型圧縮機構１０１とスクロ−ル型圧縮機構１０２の間には、両者の圧縮機構１０１，１０２を駆動するモ−タ１０３（電動機）が配設されている。以下、より詳細に説明する。

密閉ハウジング１００は、上下方向に沿って延びる円筒形に構成されている。この密閉ハウジング１００内には、上部側には、スクロ−ル型圧縮機構１０２が収容されている。スクロ−ル型圧縮機構１０２の下方には、モ−タ１０３（電動機）が収容されている。また、これらスクロ−ル型圧縮機構１０２、モ−タ１０３間には、回転シャフト１１０が配設されている。このモ−タ１０３は、密閉ハウジング１００の内周部に圧入されて支持されたステ−タ１０３ａと、このステ−タ１０３ａの内側に配置されたロ−タ１０３ｂとを備えている。そして、ロ−タ１０３ｂは回転シャフト１１０に同軸上に固定され、その回転が回転シャフト１１０から出力される。

スクロ−ル式圧縮機構１０２は、全体が鋳鉄や炭素鋼などの鉄系材料で構成された固定スクロ−ル１１１と、これに噛合う鉄系材料製の旋回スクロ−ル１１６とを備えている。
固定スクロ−ル１１１は、端板１１２と、端板１１２の内面に立設された渦巻状のラップ１１３と、ラップ１１３を取り囲むように立設した周壁１１４とを備えている。また、端板１1２の中央部には吐出ポ−ト１１５が設けてある。
旋回スクロ−ル１１６は、端板１１７と、端板１１７の内面に立設された渦巻状のラップ１１８を備えている。端板１１７の背面（外面）中央部には、筒状のボス部１１９が突設してある。
そして、固定スクロ−ル１１１と旋回スクロ−ル１１６とは、ラップ１１３，１１８同士が、１８０度（所定角度）、ずらして相互に噛み合うように組み合わせられ、端板１１２，１１７部分で囲まれたラップ１１３，１１８間に、圧縮工程を成立させるための三日月状の複数個の密閉空間ＳＡが形成される。

固定スクロ−ル１１１と旋回スクロ−ル１１６は、ケ−シング状のフレ−ム１２０上に、固定スクロ−ル１１１を上側、旋回スクロ−ル１１６を下側に配設されている。
旋回スクロール１１６の端板１１７の背面は、フレーム１２０の上面に形成してある水平な受面１２１にて摺動自在に受け止められている。

回転シャフト１１０の上端は、フレーム１２０を貫通して、旋回スクロール１１６の端板１１７中央に向かって延びている。この回転シャフト１１０の上端部は、フレーム１２０の貫通部分に設けてある軸受１２２にて回転自在に支持されている。この回転シャフト１１０の上端には、回転シャフト１１０の軸心からずれた偏心した位置に偏心ピン１２３が突設してある。
この偏心ピン１２３がボス部１１９に摺動自在に嵌挿されている。こうした偏心ピン１２３とボス部１１９との結合で構成される駆動系により、旋回スクロール１１６は、回転シャフト１１０が回転すると、固定スクロ−ル１１１の軸心回りを旋回するようになっている。

また固定スクロ−ル１１１の周壁１１４とこれに対向する旋回スクロール１１６の端板１１７との間には、旋回スクロール１１６の旋回運動を許容するが同旋回スクロール１１６の自転を阻止する自転阻止機構、例えばオルダムリング（図示せず）が介装されている。このオルダムリングおよび偏心ピン１２３によって得られる旋回スクロール１１６の旋回公転運動に伴い、密閉空間ＳＡの容積は、次第に減少するようになっている。つまり、作動ガスは、この密閉空間ＳＡを利用して、圧縮させることができるようになっている。

また固定スクロール１１１の端板１１２の上面には、端板１１２の軸心を中心とした大小２つの円筒状のフランジ１２４，１２５が上方に向かって突き出ている。フランジ１２４，１２５の上部にはカバ−１２６が配設されており、フランジ１２４，１２５との間に、吐出キャビティ１２７が形成される。吐出キャビティ１２７は、吐出ポート１１５に連通しており、また、密閉ハウンジ１００の上部壁に接続してある吐出管１２９と連通していて、吐出キャビティ１２７内に吐出された吐出ガスを密閉ハウジング１００外へ吐出できるようにしてある。吐出ポ−ト１１５には、逆流防止用の逆止弁１２８が設けられている。

ロ−リングピストン型圧縮機構１０１は、シリンダ１３０の両側にシリンダ１３０を挟むように主軸受体１３１および副軸受体１３２を備えており、シリンダ１３０に形成されている円形の空間を利用して、主軸受体１３１および副軸受体１３２に挟まれる部分にシリンダ室１３３を形成する。この円形のシリンダ室１３３内にロータ１３４およびシリンダ室１３３を吸込側と吐出側とに仕切るブレ−ド（図示しない）が配設されている。そして、上記ロータ１３４は、偏心カム部１３５を介し、モ−タ１０３の出力軸となる回転シャフト１１０の一方の端部に連結され、モ−タ１０３で発生する駆動力によって、ロータ１３４をシリンダ室１３３内において偏心回転させるようにしてある。

モ−タ１０３を励磁すると、モ−タ１０３の回転力が、回転シャフト１１０を通じて、それぞれロ−リングピストン型圧縮機構１０１とスクロ−ル型圧縮機構１０２に伝達される。
ロ−リングピストン型圧縮機構１０１では、回転シャフト１１０からの回転力を受けて、ロータ１３４は、偏心カム部１３５の偏心動に従って、シリンダ室１３３内を偏心回転する。これにより、作動ガスは、吸込管１３６およびシリンダ室１３３の吸入ポ−ト（図示しない）を通して、シリンダ室１３３内へ吸い込まれ、シリンダ室１３３で圧縮された後、吐出ポ−ト（図示しない）から、一旦、密閉ハウジング１００内に吐出される。ここでの圧縮工程によって、ガスは低圧から中間圧にまで圧縮される（低段圧縮）。

一方、スクロ−ル型圧縮機構１０２では、回転シャフト１１０からの回転力を受けて、偏心ピン１２３は偏心回転する。これにより、旋回スクロ−ル１１６は、固定スクロ−ル１１１に対して公転旋回運動される。すると、ラップ１１３とラップ１１８との間に形成される三日月状の密閉空間ＳＡは、容積が小さくなる側に変化する。そのために、密閉ハウジング１００内の作動ガスは、フレ−ム１２０および固定スクロ−ル１１１の周壁に設けた通路１３７を通じて、密閉空間ＳＡに吸込まれ、密閉空間ＳＡの容積変化（減）にて圧縮される。
そして、所定に圧縮を終えた作動ガスは、固定スクロ−ル１１１の中央部に設けた吐出ポ−ト１１５、逆止弁１２８、吐出キャビティ１２７、吐出管１２９を通じて、密閉ハウジング１００外へ吐出されていく。ここでの圧縮工程によって、作動ガスは中間圧から高圧にまで圧縮される（高段圧縮）。

さて、本実施の形態における二段圧縮機は、スクロール型圧縮機構１０２に特徴がある。この特徴について、以下説明する。
図２は、旋回スクロ−ル１１６の断面を模式的に示す図である。
図２において、旋回スクロール１１６の端板１１７の厚さをＷorb、旋回スクロール１１６のラップ１１８の高さ（＝固定スクロール１１１のラップ１１３の高さ）をＬとすると、旋回スクロ−ル１１６はＬ≧Ｗorbの条件を満足する。Ｌ≧Ｗorbであることは、ラップ１１８の高さを高くできることを意味し、したがって、本実施の形態による二段圧縮機は、大容量化を達成することができる。このように、スクロール型圧縮機構１０２において、Ｌ≧Ｗorbの条件を満足できるのは、ロ−リングピストン型圧縮機構１０１とスクロール型圧縮機構１０２による二段圧縮機としたことによる。また、Ｌ≧Ｗorbは、旋回スクロール１１６の端板１１７の厚さを薄くできることをも意味する。端板１１７の厚さを薄くできるので、旋回スクロ−ル１１６軽量化を可能とし、ひいてはスクロール型圧縮機構１０２の高効率化に寄与する。

図３は、固定スクロール１１１及び旋回スクロ−ル１１６が組み合された状態を模式的に示す図である。
図３において、固定スクロール１１１の端板１１２の厚さをＷfixとすると、固定スクロール１１１、旋回スクロ−ル１１６は、Ｗfix≧Ｌ≧Ｗorbの条件を満足する。固定スクロール１１１は、背面に吐出圧（高圧）が作用する。したがって、固定スクロール１１１は、図中、下側が凸となるように変形しようとする。ところが、固定スクロール１１１は、Ｗfix≧Ｌ≧Ｗorbの条件を満足する、つまり、固定スクロール１１１の端板１１２の厚さが厚く設定されているため、スクロール型圧縮機構１０２は、大容量化の利益を享受しつつ、端板１１２の変形が抑制され、ひいては作動ガスの漏れを低減することができる。

図２において、旋回スクロ−ル１１６のラップ１１８の厚さをＴｒとすると、旋回スクロ−ル１１６は、２≦Ｌ／Ｔr≦７を満足する。Ｌ／Ｔrは、ラップ１１８の強度を示す指標といえるが、Ｌ／Ｔrが２未満では、押しのけ量が不足する。一方、Ｌ／Ｔｒが７を超えると、ラップ１１８の強度が不足する。つまり、２≦Ｌ／Ｔr≦７を満足することにより、押しのけ量を確保しつつ、ラップ１１８の強度をも確保することができる。Ｌ／Ｔrは、より好ましくは３≦Ｌ／Ｔr≦６、さらに好ましくは３．５≦Ｌ／Ｔr≦５．５である。

図４は、旋回スクロール１１６をフレーム１２０で支持した状態を模式的に示している。図４において、旋回スクロール１１６の端板１１７の外径をＤout、旋回スクロール１１６におけるラップ１１８の外径をＤwrap、旋回スクロール１１６背面の支持部の内径をＤｂとすると、旋回スクロ−ル１１６は、Ｄwrap／Ｄout＜０．７であり、かつＤb＜Ｄwrap、すなわちＤb＜Ｄwrap＜０．７Ｄoutを満足する。Ｄwrap／Ｄout＜０．７とすることは、ラップ１１８が形成される面積を小さくすることを意味し、これにより、旋回スクロ−ル１１６におけるスラスト荷重の作用面積を小さくできる。このスラスト荷重の低減により、旋回スクロ−ル１１６の端板１１７の変形量をさらに低減することができる。一方で、端板１１７の外周部（ラップ１１８が形成されていない部分）の面積を確保することで、より広い面積で荷重を支持することができる。これにより、スラスト面圧の低減が可能となる。本実施の形態のように、作動ガスをＣＯ_２とする場合に、特に有効である。また、Ｄb＜Ｄwrapとすることにより、スラスト荷重の支持点を旋回スクロ−ル１１６の中心部へ寄せることにより、端板１１７の変形のさらなる低減が可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、少なくとも一つのスクロール型圧縮機構を備えた多段圧縮機に広く適用することができる。例えば、スクロール型圧縮機構を二段備えた圧縮機、スクロール型圧縮機構を低圧側に備え、ロ−リングピストン型圧縮機構を高圧側に備えた圧縮機に適用することができる。
また、本発明は、低圧ハウジング、高圧ハウジング、中間圧ハウジングのいずれに適用することができる。
さらに、本発明は、旋回背圧構造をもつスクロール型圧縮機構について適用することもできる。旋回背圧構造は、旋回スクロールの背面に背圧室を設け、背圧室に吸入圧よりも高い圧力（中間圧又は吐出圧）のガスを導入し、旋回スクロールを固定スクロール側に押し付けるものである。この旋回背圧構造をもつスクロール型圧縮機構は、背圧室に導入するガス圧を適切に制御することで、スラストガス力を幅広い範囲で低減（キャンセル）できる。そのために、スラストガス力による端板の変形量が減少し、端板の厚さを薄くできる。したがって、端板の厚さを相対的に薄くしようとする本発明を、旋回背圧構造をもつスクロール型圧縮機構に適用することは好適である。

本実施の形態における二段圧縮機を示す断面図である。 旋回スクロ−ルの断面を模式的に示す図である。 固定スクロール及び旋回スクロ−ルの断面を模式的に示す図である。 旋回スクロールをフレームで支持した状態を模式的に示す図である。

符号の説明

１００…密閉ハウジング、１０１…ローリングピストン型圧縮機構、１０２…スクロ−ル型圧縮機構、１０３…モータ、１１１…固定スクロ−ル、１１２…端板、１１３…ラップ、１１６…旋回スクロ−ル、１１７…端板、１１８…ラップ、ＳＡ…密封空間

Claims (5)

1. 密閉ハウジングと、
   前記密閉ハウジング内に設けられた複数の圧縮機構と、
   複数の前記圧縮機構を駆動する電動機と、を備え、
   複数の前記圧縮機構の少なくとも一つはスクロール圧縮機構であり、かつ超臨界状態を含むガスを作動ガスとする多段圧縮機であって、
   前記スクロール圧縮機構は、
   端板の一面側に渦巻状ラップが形成された固定スクロールと、端板の一面側に渦巻状ラップが設けられかつこの渦巻状ラップが前記固定スクロールの前記渦巻状ラップと組み合わされて渦巻状の圧縮室を形成する旋回スクロールとを備え、前記旋回スクロールの旋回に伴い、導入した前記作動ガスを前記圧縮室内で圧縮するものであり、
   前記旋回スクロールの前記端板の厚さをＷorb、前記旋回スクロールの前記渦巻状ラップの高さをＬとすると、
   Ｌ≧Ｗorbを満足することを特徴とする多段圧縮機。
2. 前記固定スクロールの前記端板の厚さをＷfixとすると、
   Ｗfix≧Ｌ≧Ｗorbを満足することを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
3. 前記旋回スクロールの前記渦巻状ラップの厚さをＴrとすると、
   ２≦Ｌ／Ｔr≦７を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の多段圧縮機。
4. 前記旋回スクロールの前記端板の外径をＤout、
   前記旋回スクロールにおける前記渦巻状ラップの外径をＤwrap、
   前記旋回スクロール背面の支持部の内径をＤｂとすると、
   Ｄwrap／Ｄout＜０．７であり、かつＤb＜Ｄwrapを満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多段圧縮機。
5. 前記作動ガスが二酸化炭素（ＣＯ_２）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多段圧縮機。

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