JP2008267140A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回スクロールのラップにおいて、その厚み方向で温度勾配が発生し、ラップの内周側と外周側で熱膨張に差が生じるため、ラップ先端部に隙間、もしくは接触が生じる。
【解決手段】旋回スクロール１３のラップ１３ｂに生じている厚み方向の温度勾配を考慮し、ラップ１３ｂの上面に、そのラップ厚み方向に段差３５を形成することで、ラップ１３ｂの先端部に過剰な隙間を持たせることなく、熱膨張による寸法変化を吸収することが可能となる。
【選択図】図３

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、冷凍空調機や冷凍機に用いられるスクロール圧縮機は、一般に、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロールおよ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、旋回スクロールを自転拘束機構による自転の拘束のもとに円軌道に沿って旋回させたとき、圧縮室が容積を変えながら移動することで吸入、圧縮、吐出を行うものである。作動流体は旋回スクロールの旋回運動に伴い徐々に圧縮され、中心部に向かうに従い次第に高圧高温状態となる。これにより旋回スクロールや固定スクロールも中心部では高温状態となり、その結果熱膨張が生じる。熱膨張が発生すると、旋回スクロールと固定スクロールで局所的に接触が起こり、入力増大、さらには焼付きに至る恐れがある。そこで旋回スクロールのラップ上面にスロープを形成し、熱膨張時の局所摺動を防止する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図６は特許文献１に記載された従来のスクロール圧縮機の旋回スクロールの断面図である。図６に示すように、旋回スクロール１１３のラップ上面１１３ｄには、運転中の温度分布を測定した結果をもとに、中心部である巻き始め部から外周部である巻き終わり部にかけて、徐々にハネ高さが高くなるようにスロープ形状が設けられている。これにより熱膨張による寸法変化を吸収し、局所摺動を防止することができる。
特開平７−１９７８９１号公報

前記従来の構成では、圧縮室が中心部に移動するとともに、その圧縮室を形成している旋回スクロールのラップ高さが徐々に低くなっていて、熱膨張による寸法変化を吸収している。しかしスクロール圧縮機では、一般的に旋回スクロールのラップの両側に圧縮室が形成される。２つの圧縮室は、それぞれ作動流体を閉じ込めてからの圧縮位相が異なり、各圧縮室の作動流体の温度も異なるため、ラップにはその厚み方向に温度勾配が発生している。すなわち、その一方の圧縮室にとっては最適なラップ高さになっていても、他方の圧縮室にとっては隙間になっていて、その結果、漏れ損失が増大する恐れがある。もしくは逆に熱膨張による寸法変化を吸収しきれず、局所摺動が依然として発生していて、摺動損失が増大することもある。どちらの場合であっても、ラップ高さがその厚み方向で一定であれば、性能を低下させてしまう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、旋回スクロールのラップに生じている厚み方向の温度勾配を考慮することで、過剰な隙間を持たせることなく、熱膨張による寸法変化を吸収することが可能となるため、高信頼性と同時に高効率を実現する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、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、自転拘束機構による規制により旋回スクロールが円軌道に沿って旋回することで、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、旋回スクロールのラップ上面で、ラップ厚み方向に段差を
形成したものである。

かかる構成によれば、旋回スクロールのラップに生じている厚み方向の温度勾配を考慮することで、過剰な隙間を持たせることなく、熱膨張による寸法変化を吸収することが可能となるため、高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

本発明のスクロール圧縮機は、旋回スクロールのラップに生じている厚み方向の温度勾配を考慮することで、過剰な隙間を持たせることなく、熱膨張による寸法変化を吸収することが可能となるため、高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

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、自転拘束機構による規制により旋回スクロールが円軌道に沿って旋回することで、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、旋回スクロールのラップ上面で、ラップ厚み方向に段差を形成したものである。そしてこの構成によれば、旋回スクロールのラップに生じている厚み方向の温度勾配を考慮することで、過剰な隙間を持たせることなく、熱膨張による寸法変化を吸収することが可能となるため、高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の本発明では、特に請求項１に記載の旋回スクロールのラップ上面で、内周側を外周側より低くした段差を形成したものである。そしてこの構成によれば、内周側に形成される圧縮室の方が、外周側に形成される圧縮室よりも温度が高くなるため、ラップの内周側の熱膨張が大きくなるが、十分にこれを吸収することができる。すなわちラップの厚み方向における局所摺動を回避することができ、高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項３に記載の本発明では、特に請求項１または２に記載の段差を、旋回スクロールのラップ高さの０．００１倍から０．０１倍の範囲で形成したものである。そしてこの構成によれば、過剰な隙間を持たせることなく、十分に熱膨張を吸収でき、高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項４に記載の本発明では、特に請求項１から３のいずれか１つに記載の段差のラップ厚み方向における低い側の形成幅を、旋回スクロールのラップ厚みの０．３倍から０．７倍の範囲で形成したものである。そしてこの構成によれば、内周側の熱膨張を十分に吸収することができると同時に、内周側に形成される圧縮室と外周側に形成される圧縮室間のシール性も確保でき、性能の低下を極力押さえることができる。すなわち高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項５に記載の本発明では、特に請求項１から４のいずれか１つに記載の旋回スクロールの少なくとも巻き終わり１周分を除いたラップ上面に段差を形成したものである。そしてこの構成によれば、作動流体の閉じ込み時において、内周側に形成される圧縮室と外周側に形成される圧縮室間のシール性を向上させることができる。すなわち、ラップ厚みを厚くできるため、体積効率の向上を図ることができ、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項６に記載の本発明では、特に請求項１から５のいずれか１つ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、特に旋回スクロールのラップに生じている厚み方向の温度勾配が大きくなるため、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、図３は旋回スクロールの断面図である。以下、スクロール圧縮機について、その動作、作用を説明する。

図１、図２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のラップ１３ｂの上面には、運転中の温度分布を測定した結果をもとに、中心部である巻き始め部から外周部である巻き終わり部にかけて、徐々にハネ高さが高くなるようにスロープ形状が設けられている。これにより熱膨張による寸法変化を吸収し、局所摺動を防止することができる。

また旋回スクロール１３の背面１３ｅには、主軸受部材１１に配置されている環状のシール部材７８があり、旋回運動を行いながらシール部材７８により、シール部材７８の内側領域である高圧領域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室２９とに仕切られている。この背面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の背面１３ｅの背圧室２９が、常に一定の圧力となるように制御する背圧調整機構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。高圧領域３０に供給されたオイル６の別の一部は、高圧領域３０に開口を有する給油経路５４を通って、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室２９に進入し、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、背圧室２９にて旋回スクロール１３の背圧を印加する。

背圧室２９は高圧領域３０の高圧側との間が環状のシール部材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、背圧調整機構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、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機構９による連絡路１０の凹部１０ａ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。

一般的にスクロール圧縮機では、旋回スクロール１３と固定スクロール１２が噛み合うことで圧縮室１５を形成するが、旋回スクロール１３のラップ１３ｂにおいて、その両側に２つの圧縮室（例えば１５ａ、１５ｂ）が形成されている。これら２つの圧縮室（１５ａ、１５ｂ）は、それぞれ作動流体を閉じ込めてからの圧縮位相が異なるため、各圧縮室の作動流体の温度も異なる。これにより、ラップ１３ｂにはその厚み方向に温度勾配が発生している。すなわち、その一方の圧縮室にとっては最適なラップ高さになっていても、他方の圧縮室にとっては隙間になっていて、その結果、漏れ損失が増大する恐れがある。もしくは逆に熱膨張による寸法変化を吸収しきれず、局所摺動が依然として発生していて、摺動損失が増大することもある。どちらの場合であっても、ラップ高さがその厚み方向で一定であれば、性能を低下させてしまう。

そこで図３に示すように、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のラップ１３ｂの上面に、そのラップ厚み方向に段差３５を形成している。これにより、旋回スクロール１３のラップ１３ｂに生じている厚み方向の温度勾配を考慮することで、過剰な隙間を持たせることなく、熱膨張による寸法変化吸収することが可能となるため、高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

また旋回スクロール１３のラップ１３ｂに対し、内周側に形成される圧縮室１５ａの方が、外周側に形成される圧縮室１５ｂよりも温度が高くなるため、ラップ１３ｂの内周側の熱膨張が大きい。そこでラップ１３ｂの上面で、内周側を外周側より低くした段差３５を形成する。これによりラップ１３ｂの厚み方向における局所摺動を回避することができ、高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

また段差３５を、ラップ１３ｂの高さＨの０．００１倍から０．０１倍の範囲で形成することで、過剰な隙間を持たせることなく、十分に熱膨張を吸収でき、高信頼性と同時に高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態における性能特性図である。図４において、横軸は段差３５の低い側の形成比率で、縦軸は圧縮機効率を示す。段差３５のラップ厚み方向における低い側の形成幅を、旋回スクロールのラップ厚みＷの０．３倍から０．７倍の範囲で形成することで、内周側の熱膨張を十分に吸収することができると同時に、内周側に形成
される圧縮室１５ａと外周側に形成される圧縮室１５ｂの間のシール性も確保でき、性能の低下を極力押さえることができる。形成比率が小さい場合、ラップ１３ｂの熱膨張により局所摺動が発生し、摺動損失が増大するため、圧縮機効率は低下傾向を示す。また形成比率が大きい場合、内周側に形成される圧縮室１５ａと外周側に形成される圧縮室１５ｂの間のシール性が保たれなくなり、漏れ損失が増大するため、圧縮機効率は低下傾向を示す。以上のことから、高信頼性と高効率を実現するには、上記範囲で段差３５を形成する必要がある。またさらに望ましくは、ラップ厚みＷの０．４倍から０．６倍の範囲で段差３５を形成することで、これによりさらに高効率を実現したスクロール圧縮機を提供することができる。

（実施の形態３）
図５は本発明の第３の実施の形態における旋回スクロール１３の平面図である。ラップ１３ｂによって内周側と外周側に圧縮室１５ａ、１５ｂが形成されるが、冷媒ガスを閉じ込んだ後の圧縮初期段階では、冷媒ガスの温度上昇は緩やかであり、ラップ１３ｂの厚み方向に発生する温度勾配は小さい。これに対し、圧縮室１５が中心部に向かうにつれ、温度上昇が急速となり、ラップ１３ｂの厚み方向に発生する温度勾配が大きくなる。そこで旋回スクロール１３の少なくとも巻き終わり１周分を除いたラップ１３ｂの上面に、段差３５を形成する。これにより作動流体の閉じ込み時において、内周側に形成される圧縮室１５ａと外周側に形成される圧縮室１５ｂの間のシール性を向上させることができる。すなわち、ラップ１３ｂを厚くできるため、体積効率の向上を図ることができ、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

最後に、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合、特に旋回スクロール１３のラップ１３ｂに生じている厚み方向の温度勾配が大きくなるため、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、旋回スクロールのラップに生じている厚み方向の温度勾配を考慮することで、過剰な隙間を持たせることなく、熱膨張による寸法変化を吸収することが可能となるため、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断面図 本発明の実施の形態２における性能特性図 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平面図 従来のスクロール圧縮機の旋回スクロールの断面図

符号の説明

１２ 固定スクロール
１２ｂ ラップ
１３ 旋回スクロール
１３ｂ ラップ
１４ 自転拘束機構
１５ 圧縮室
３５ 段差
Ｈ ラップ高さ
Ｗ ラップ厚み

Claims (6)

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、自転拘束機構による規制により前記旋回スクロールが円軌道に沿って旋回することで、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、前記旋回スクロールのラップ上面で、ラップ厚み方向に段差を形成してなるスクロール圧縮機。
2. 前記旋回スクロールのラップ上面で、内周側を外周側より低くした段差を形成してなる請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記段差を、前記旋回スクロールのラップ高さの０．００１倍から０．０１倍の範囲で形成してなる請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記段差のラップ厚み方向における低い側の形成幅を、前記旋回スクロールのラップ厚みの０．３倍から０．７倍の範囲で形成してなる請求項１から３のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記旋回スクロールの少なくとも巻き終わり１周分を除いたラップ上面に、前記段差を形成してなる請求項１から４のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
6. 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５のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。