JP2010077847A - スクロール流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、不足圧縮状態でもスクロール流体機械の効率を向上させることができ、かつ、油上り量を低減して冷凍サイクルでの効率低下を抑制したスクロール流体機械を提供することを課題とする。
【解決手段】
本発明に係るスクロール流体機械は、それぞれの端板に渦巻状ラップを立設した固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合せて形成された作動部と、前記固定スクロールの吐出口に配設された渦流形流体ダイオードと、を備える。固定スクロールの吐出口に渦流形の流体ダイオードを配置したので、運転圧力比が設定圧縮比よりも大きい圧縮不足状態において吐出口から圧縮室への高圧ガスの逆流を十分に抑制して動力損失を大幅に低減できるとともに、潤滑油が吐出空間に吐出される前に渦流形の流体ダイオードにより油滴を成長させておくので吐出空間での油分離をより効率的に促進し、油上り量を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクロール流体機械に係り、例えば、冷媒などの圧縮性気体または液体を取扱うスクロール圧縮機，スクロール真空ポンプ，スクロール送風機などのスクロール流体機械に関する。

このスクロール流体機械は、密閉ケーシング内に、それぞれの端板に渦巻状ラップを立設した固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合せて圧縮室を形成する圧縮部を有する。ここで、旋回スクロールは、自転防止機構により、固定スクロールに対し旋回運動をする。また、密閉ケーシング内に、ステータ及びロータからなる電動機と、ロータを貫通してそのロータの回転力を圧縮部に伝達するシャフトを有する。固定スクロールに設置した吸込口から圧縮室へ流入したガスは、シャフトの回転運動に伴い、圧縮室の容積が徐々に小さくなり、ガスを圧縮して、固定スクロールに設置した吐出口から密閉ケーシング内の吐出空間へ吐出される。なお、圧縮室の密閉性を保持するために、圧縮室へ油が供給され、この油もまた、ガスとともに圧縮され、吐出口から吐出される。吐出された油は、密閉ケーシング内でガスと分離されるが、油の一部が分離できずに、スクロール流体機械と配管接続された冷凍サイクルへと送られる。このスクロール流体機械から冷凍サイクルへ吐出される油量を、吐出されるガス量との比を用いて油上り量と定義している。油上り量の増大は、冷凍サイクルでの熱交換を阻害したり、配管内での圧力損失を増大させ、冷凍サイクルの効率を悪化させる要因となる。

スクロール流体機械では、スクロールの諸元により決定される一定値の設定圧縮比をもつ。運転圧力比（吐出圧／吸入圧）が設定圧縮比よりも大きいと、圧縮不足の状態となり、吐出口から圧縮室へ高圧ガスが逆流し、動力が増大する。圧縮不足状態での圧縮室への高圧ガス逆流防止として、吐出弁を設置するものがある。しかし、吐出弁では、逆流を容易に防止することができるが、弁体から発生する騒音や振動が非常に大きく、快適性や信頼性を悪化させる。一方、運転圧力比（吐出圧／吸入圧）が設定圧縮比よりも小さい過圧縮の状態では、吐出弁自体において圧力損失が生じ、効率を悪化させる。

そこで、固定スクロールの吐出口流路の途中を急縮小及び急拡大させ、流路抵抗を上流側より下流側で大きくさせた流体ダイオード（これを一般に、ノズル形の流体ダイオードという。）により、吐出口から圧縮室への高圧ガスの逆流を抑制させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６３−１７９２号公報

特許文献１では、固定スクロールの吐出口流路の途中を急縮小及び急拡大させ、流路抵抗を上流側より下流側で大きくさせたノズル形の流体ダイオードにより、圧縮不足状態において吐出口から圧縮室への高圧ガス逆流を抑制しているが、ノズル形の流体ダイオードでは、上流側と下流側との流路抵抗比を大きくすることができず、最大でも４倍程度が限界である。そのため、逆流抑制効果は低く、スクロール流体機械の効率低下を十分に抑えることができない。また、ノズル形の流体ダイオードでは、圧縮部でガスと混合された油がそのまま吐出口から吐出され、冷凍サイクルの効率を低下させる油上り量を抑制することができない。

本発明は、不足圧縮状態でもスクロール流体機械の効率を向上させることができ、かつ、油上り量を低減して冷凍サイクルでの効率低下を抑制したスクロール流体機械を提供することを課題とする。

本発明に係るスクロール流体機械は、それぞれの端板に渦巻状ラップを立設した固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合せて形成された作動部と、前記固定スクロールの吐出口に配設された渦流形流体ダイオードと、を備える。

本発明によれば、不足圧縮状態でもスクロール流体機械の効率を向上させることができ、かつ、油上り量を低減して冷凍サイクルでの効率低下を抑制したスクロール流体機械を提供することができる。

本発明に係るスクロール流体機械は、それぞれの端板に渦巻状ラップを立設した固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合せて形成された作動部と、前記固定スクロールの吐出口に配設された渦流形流体ダイオードと、を備える。このようなスクロール流体機械は、不足圧縮状態でもスクロール流体機械の効率を向上させることができ、かつ、油上り量を低減して冷凍サイクルでの効率の低下を抑制することができる。以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

本発明に係るスクロール流体機械の第１の実施例について、図１及び図２を用いて説明する。本実施例においては、スクロール流体機械としてスクロール圧縮機１００を例に用いて説明する。

まず、スクロール圧縮機１００の全体構造に関して図１を用いて説明する。図１はスクロール圧縮機１００の断面図である。スクロール圧縮機１００は、圧縮動作を行う作動機構としての圧縮機構と電動機を含めた駆動機構とを密閉容器１内に収納する。

圧縮機構は、固定スクロール２と、旋回スクロール３と、フレーム４とを基本要素としている。固定スクロール２と旋回スクロール３とは噛み合わされて圧縮室を形成する圧縮部２０を構成している。作動機構として、圧縮室は作動室を構成し、圧縮部２０は作動部を構成する。

固定スクロール２は、端板２ａと、この端板２ａに立設された渦巻状のラップ２ｂとを基本構成部分としている。この端板２ａの外周部には吸込口２ｃが形成されている。吸込口２ｃには吸込パイプ１６が接続されている。端板２ａの中央部には吐出口２ｄが形成されている。吐出口２ｄには渦流形の流体ダイオード１４が設置される。この渦流形の流体ダイオードの入口は吐出口２ｄに開口されており、出口は密閉容器１内の吐出空間１７の一部を形成する上部空間に開口されている。吐出空間１７から圧縮機外部に作動流体を導く吐出パイプ１８が密閉容器１を貫通して設けられている。

旋回スクロール３は、端板３ａと、この端板３ａに立設された渦巻状のラップ３ｂと、端板３ａの背面側に立設されたボス筒３ｃとを基本構成部分としている。ボス筒３ｃ内には旋回軸受３ｄが設けられている。

フレーム４は密閉容器１に溶接等で固定されている。固定スクロール２はフレーム４にボルト等で固定されている。旋回スクロール３は固定スクロール２とフレーム４との間に旋回可能に配置される。フレーム４は、端板３ａの背面側に、運転時に吐出圧力と吸込圧力との中間圧力となる背圧室１３を形成する。旋回スクロール３は、運転時の背圧室１３の中間圧力により固定スクロール２側に押し付けられ、圧縮室のシール性が高められる。

旋回スクロール３を旋回駆動させる駆動機構は、回転駆動手段の一例としての電動機２１と、シャフト７と、旋回スクロール３の自転防止機構の主要部品であるオルダムリング８と、シャフト７の上部を回転自在に係合する主軸受９と、シャフト７の偏心部とを回転軸方向に移動可能に且つ回転自在に係合する旋回軸受３ｄと、シャフト７の下部を回転自在に係合する副軸受１１とを基本要素としている。シャフト７の摺動部は、シャフト７の主軸受９，旋回軸受３ｄ及び副軸受１１などに対する部分が相当する。

電動機２１は誘導電動機で構成され、環状のステータ５と、環状のロータ６とからなる。ステータ５は焼嵌め等により密閉容器１に固着されている。ロータ６はステータ５内に回転可能に配置されている。ロータ６の上下端面には、旋回スクロール３の運動に伴って生じる不釣り合い力を相殺し、圧縮機の振動を低く保つための平衡部品であるバランスウェイト１２が設置されている。

電動機２１と圧縮部２０とは、密閉容器１の長手方向に並んで配置され、シャフト７によって連携されている。フレーム４は電動機２１と圧縮部２０との間に配置されている。

シャフト７は、電動機２１のロータ６を貫通して設置され、そのロータ６の回転力を圧縮部２０に伝達する円筒部材であり、鋳物で形成されている。シャフト７の上部は主軸受９により回転自在に軸支され、シャフト７の中間部はロータ６の中心部を貫通し、シャフト７の下部は副軸受１１に回転自在に軸支される。副軸受１１はシャフト７の安定な回転を確保するために設けられている。

オルダムリング８はフレーム４内に設置されている。オルダムリング８に形成した直交する２組のキー部分の１組がフレーム４に構成したキー溝を滑動し、残りの１組が旋回スクロール端板の背面側に構成したキー溝を滑動する。

主軸受９はフレーム４の中心部に内蔵されている。副軸受１１は副軸受部材１０の中心部に内蔵されている。副軸受部材１０は、電動機２１の反圧縮部側の油面近傍に配置され、密閉容器１に溶接等により固着されている。

なお、密閉容器１内の下部空間には、潤滑油１５が溜められている。シャフト７の下端が潤滑油１５に浸されている。

ここで、スクロール圧縮機１００の基本動作について説明する。ステータ５が発生する回転磁界によりロータ６の回転力が与えられ、このロータ６の回転に伴い、ロータ６に固定されたシャフト７が回転動作を行う。旋回スクロール３は、回転軸方向で移動可能に且つ回転自在にシャフト７の偏心部と係合しており、シャフト７の回転運動はオルダムリング８などの自転防止機構により旋回スクロール３の旋回運動へと変換される。固定スクロール２と旋回スクロール３を噛み合せて構成した圧縮室の容積は、旋回スクロール３が旋回運動することにより減少する。圧縮動作では、旋回スクロール３の旋回運動に伴って、冷媒などの作動流体が吸込パイプ１６，吸込口２ｃを経由して圧縮室へと吸込まれる。吸込まれた作動流体は、圧縮室での圧縮行程を経て固定スクロールの吐出口２ｄと連通し、渦流形の流体ダイオード１４と吐出空間１７とを経由し、最終的に吐出パイプ１８から圧縮機外部へ吐出される。

密閉容器１内の下部空間に溜められた潤滑油１５は、吐出空間１７での吐出圧力と背圧室１３での中間圧力との差圧や、シャフト７の回転動作に伴う遠心力により、旋回軸受３ｄと主軸受９を潤滑したあと、背圧室１３へ供給される。その後、背圧室１３内の潤滑油１５は、圧縮部２０へ供給され、作動流体とともに固定スクロールの吐出口２ｄから吐出され、渦流形の流体ダイオード１４と吐出空間１７で油分離される。分離された潤滑油１５は、密閉容器１内の下部空間に貯油され、油分離できなかった一部の潤滑油１５のみが、吐出パイプ１８から冷凍サイクルなどの圧縮機外部へ吐出される。

図２を用いて、渦流形の流体ダイオード１４について詳細に説明する。図２は、本実施例に係るスクロール圧縮機に設置された渦流形の流体ダイオードの上断面図である。

上述したように、固定スクロール２の吐出口２ｄに、渦流形の流体ダイオード１４が配置される。この渦流形の流体ダイオード１４の入口は吐出口２ｄに開口しており、出口は密閉容器１内の吐出空間１７に開口している。作動流体は、圧縮室での圧縮行程を経て固定スクロールの吐出口２ｄから吐出され、渦流形の流体ダイオード１４の渦室１９へと導かれる。作動流体が吐出口２ｄから吐出空間１７に向かって上流から下流へと順流に移送される場合、図３（ａ）に示すように、作動流体は渦を生じないで、吐出口２ｄからあふれるようにして、接線方向の出口から流出する。

一方、不足圧縮状態で、吐出空間１７での吐出圧力よりも圧縮室での圧力が低く、作動流体が吐出空間１７から吐出口２ｄに向かって下流から上流へ逆流する場合、作動流体は、渦流形の流体ダイオード１４における接線方向の出口から渦室１９で渦を描きながら、吐出口２ｄへと流入しようとする。しかし、図３（ｂ）に示すように、逆流時における作動流体の流路長さは、順流時に比較して、渦を描く分、長くなり、流路抵抗が大きくなる。そのため、渦流形の流体ダイオード１４により、逆流の十分な抑制効果が得られる。なお、この渦流形の流体ダイオード１４による流路抵抗比（逆流時の流路抵抗／順流時の流路抵抗）は、１０倍以上となる。

さらに、上述したように、吐出口２ｄから作動流体とともに吐出される潤滑油１５は、密閉容器内で作動流体と分離されるが、潤滑油１５の一部は分離できずに、スクロール流体機械と配管接続された冷凍サイクルへと送られ、油上り量を増大させる。油上り量の増大は、冷凍サイクルでの熱交換を阻害したり、配管内での圧力損失を増大させ、冷凍サイクルの効率を悪化させる。ここで、本実施例に係るスクロール圧縮機では、吐出口２ｄから作動流体とともに吐出される潤滑油１５は、吐出空間１７に吐出される前に、吐出口２ｄに配設された渦流形の流体ダイオード１４に流入する。渦流形の流体ダイオード１４に流入した潤滑油１５は、渦流形の流体ダイオード１４の渦室１９における遠心力により、図３（ａ）に示すように、渦室１９の内壁面と接触する。微細な油滴である潤滑油１５は、渦室１９の内壁面と衝突することにより、大きな油滴へと成長する。潤滑油１５は吐出空間１７での遠心分離作用により作動流体と分離されるが、吐出空間１７に吐出される前に、渦流形の流体ダイオード１４での上記作用により、潤滑油１５を大きな油滴に成長させるので、吐出空間１７での遠心分離作用がより効果的となり、作動流体からより効率的に潤滑油１５を分離することが可能となる。

以上、本実施例によれば、固定スクロールの吐出口に渦流形の流体ダイオードを配置したので、運転圧力比が設定圧縮比よりも大きい圧縮不足状態において吐出口から圧縮室への高圧ガスの逆流を十分に抑制して動力損失を大幅に低減できるとともに、潤滑油が吐出空間に吐出される前に渦流形の流体ダイオードにより油滴を成長させるので吐出空間での油分離をより効率的に促進し、油上り量を低減することができる。

本発明に係るスクロール流体機械の第２の実施例について、図３を用いて説明する。図３は本実施例に係るスクロール圧縮機に設置された渦流形の流体ダイオードの上断面図である。本実施例は、渦流形の流体ダイオードの構造が第１実施例と相違するが、その他の点については第１実施例と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

図３に示すように、本実施例においては、渦流形の流体ダイオード１４の渦室１９壁面（内壁）に突起を設ける。不足圧縮状態において、渦室１９の壁面に沿って設置された複数の突起により、吐出空間１７から渦室１９へ逆流する作動流体は、突起物に捕捉され、小さな渦を発生させながら、吐出口２ｄへと流入しようとする。そのため、渦室１９に突起物がない場合に比較して、流路抵抗が大きくなり、その流路抵抗比（逆流時の流路抵抗／順流時の流路抵抗）は、さらに大きくできる。さらに、順流時においては、渦室１９の壁面に沿って設置された複数の突起により、潤滑油１５が渦室１９の壁面や突起により、より効果的に油滴の成長を促進することができる。

以上、本実施例によれば、固定スクロールの吐出口に渦流形の流体ダイオードを配置したので、運転圧力比が設定圧縮比よりも大きい圧縮不足状態において吐出口から圧縮室への高圧ガスの逆流を十分に抑制して動力損失を大幅に低減できるとともに、潤滑油が吐出空間に吐出される前に渦流形の流体ダイオードにより油滴を成長させるので吐出空間での油分離を効率的に促進し、油上り量を低減することができる。

さらに、渦流形の流体ダイオード１４の渦室１９壁面（内壁）に突起を設けたので、吐出口から圧縮室への高圧ガスの逆流をより効果的に抑制してより動力損失を低減できるとともに、油分離をより効果的に促進し油上り量をさらに低減することができる。

スクロール圧縮機の断面図。 第１の実施例における渦流形の流体ダイオードの上断面図。 第２の実施例における渦流形の流体ダイオードの上断面図。

符号の説明

１ 密閉容器
２ 固定スクロール
２ａ，３ａ 端板
２ｂ，３ｂ ラップ
２ｃ 吸込口
２ｄ 吐出口
３ 旋回スクロール
３ｃ ボス筒
３ｄ 旋回軸受
４ フレーム
５ ステータ
６ ロータ
７ シャフト
８ オルダムリング
９ 主軸受
１０ 副軸受部材
１１ 副軸受
１２ バランスウェイト
１３ 背圧室
１４ 渦流形の流体ダイオード
１５ 潤滑油
１６ 吸込パイプ
１７ 吐出空間
１８ 吐出パイプ
１９ 渦室
２０ 圧縮部
２１ 電動機
１００ スクロール圧縮機

Claims (3)

1. それぞれの端板に渦巻状ラップを立設した固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合せて形成された作動部と、前記固定スクロールの吐出口に配設された渦流形流体ダイオードと、を備えたスクロール流体機械。
2. 請求項１において、前記渦流形流体ダイオードの渦室内壁に突起を形成したスクロール流体機械。
3. 請求項１又は２において、前記渦流形流体ダイオードの出口が前記作動部を収納する密閉容器内に形成された吐出空間に開口するスクロール流体機械。

Images