JP2011085040A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール圧縮機において、運転状態が変わる過渡時や起動直後に旋回スクロールへの過剰な背圧印加によりスラスト荷重の増大が発生するため、性能、信頼性低下を引き起こしてしまう。
【解決手段】高圧領域１１５と背圧室１１６を結ぶ連絡経路１１９と、背圧室１１６と圧縮室１１０を間欠的に連通させる間欠連通路１２０と、背圧室１１６の圧力が設定以上に上昇すると背圧室１１６と圧縮室１１０を連通させる減圧経路１２１を設けることで、運転状態が変わる過渡時や起動直後に旋回スクロール１０８への過剰な背圧の印加を防止することが可能となり、高性能、高信頼性を確保した圧縮機を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、業務用または家庭用の冷凍空調、もしくは給湯機など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、スクロール圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせて双方間に形成される圧縮室が容積を変えながら中心に向かうにつれて作動流体が圧縮され高圧状態となり、旋回スクロールには固定スクロールから引き離される方向に離反力が働くため、旋回スクロールと固定スクロールとの間に隙間が生じ、圧縮途中の漏れが発生する可能性がある。これを防止する対策として、旋回スクロールの背面に中間圧力を印加させ、固定スクロールからの離反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圧縮機構部の断面図である。旋回スクロール３の端板に設けられ、圧縮室１４側に開口する圧縮室側開口部２２ｃから背圧室１２に開口する背圧室側開口部２２ｂへ連通する連絡通路２２を備え、旋回スクロール３の旋回運動に伴い、圧縮室側開口部２２ｃが固定スクロール２の端板で開閉されることで連絡通路２２の連通及び閉塞が行われる。この連通及び閉塞の動作により、背圧室１２の圧力を所定の圧力（＝中間圧力）に維持している。

特開２００７−２７０６９７号公報

前記従来の構成では、運転状態が変わる過渡時や起動直後、吸入圧力の変化に対し、背圧室１２の圧力が追従できずに、結果として過剰な背圧が印加される傾向にある。これは、背圧室１２と圧縮室１４を結ぶ連絡通路２２が旋回スクロール３の旋回動作に伴い、間欠的に連通する構成となっているからであり、背圧を適正値に回復させるのに時間を要する。よって旋回スクロール３に過剰な背圧が印加された状態が継続し、スラスト荷重の増大により性能や信頼性を低下させる可能性がある。本発明は、前記従来の課題を解決するもので、運転状態が変わる過渡時や、起動直後の過剰な背圧印加を抑制することでスラスト荷重の増大を防止し、高効率と信頼性を両立させたスクロール圧縮機の提供を目的とする。

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と、固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせて双方間に形成される圧縮室と、旋回スクロールの反ラップ面側に高圧領域と背圧室を備えたスクロール圧縮機であって、高圧領域と背圧室を結ぶ連絡経路と、背圧室と圧縮室を間欠的に連通させる間欠連通路と、前記背圧室の圧力が設定以上に上昇すると背圧室と圧縮室を連通させる減圧経路を設けるものである。

これにより、運転状態が変わる過渡時や、起動直後に吸入圧力が一気に低下し、背圧室との差圧が大きくなる場合においても減圧経路が開口することにより、旋回スクロールへの過剰な背圧印加を抑制し、圧縮機の性能および、信頼性の低下を防止することができる。

本発明のスクロール圧縮機は、背圧室の圧力が設定以上に上昇すると背圧室と圧縮室を結ぶ減圧経路が連通し、背圧室の圧力を適正に保つことにより、旋回スクロールへの過剰な背圧印加を抑制できる。これにより、スラスト荷重を低減させることが可能となり、高効率、および信頼性を実現したスクロール圧縮機を提供できる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図 同スクロール圧縮機の圧縮機構部要部断面図 同スクロール圧縮機の固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせた状態の断面図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）それぞれ位相を９０度ずつずらした図 同スクロール圧縮機の減圧経路の要部断面図（ａ）減圧経路が遮断された状態の図（ｂ）減圧経路が開口した状態の図 本発明の実施の形態２におけるスクロール圧縮機の旋回スクロールと固定スクロールを噛み合わせた状態の断面図 従来のスクロール圧縮機の機構部要部断面図

請求項１に記載の本発明は、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と、固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせて双方間に形成される圧縮室と、旋回スクロールの反ラップ面側に高圧領域と背圧室を備えたスクロール圧縮機であって、高圧領域と背圧室を結ぶ連絡経路と、背圧室と圧縮室を間欠的に連通させる間欠連通路と、背圧室の圧力が設定以上に上昇すると背圧室と圧縮室を連通させる減圧経路を設けるものである。この構成によれば、運転状態が変わる過渡時や、起動直後に吸入圧力が一気に低下し、背圧室との差圧が大きくなる場合においても旋回スクロールへの過剰な背圧印加を抑制し、圧縮機の性能および、信頼性の低下を防止することができる。

請求項２に記載の本発明は、特に、請求項１に記載の減圧経路の構成であって、該減圧経路内に背圧室と圧縮室を遮断するシール部材と、シール部材を一定荷重で背圧室方向に印加するバネを組み合わせた背圧弁を有し、シール部材がバネを押し返し圧縮室方向に移動することで減圧経路が連通状態となるものである。この構成によれば、背圧室の圧力が設定値以下である場合は、減圧経路を完全に遮断して背圧の安定を保つことができる。また、バネを用いることで一定荷重で減圧経路の開閉が可能となり、減圧の追従性が向上することから、高効率、高信頼性を実現できる。

請求項３に記載の本発明は、特に、請求項１または２に記載のスクロール圧縮機において、減圧経路の一開口端を圧縮室が作動流体を閉じこむ前の空間に開口するものである。この構成によれば、減圧経路がデッドボリューム化するのを回避する構成となり、再膨張損失を抑制できる。また吸入空間に連通する圧縮室では体積効率の低下を防止し、圧縮機の高効率化を実現させることが可能となる。

請求項４に記載の本発明は、特に、請求項１から３のうちいずれか一項に記載のスクロール圧縮機において、減圧経路は圧縮機の通常運転範囲を超えた異常運転の範囲で作動するように設定するものである。この構成によれば、通常運転を超えた高圧力運転状態になった場合においても背圧室の圧力を適正に調整することが可能となり、圧縮機の信頼性を向上できる。

請求項５に記載の本発明は、特に、請求項１から４のうちいずれか一項に記載のスクロール圧縮機において、減圧経路の一開口端が常時背圧室に臨むよう設定するものである。
この構成によれば、吸入圧力の急激な変化に対しても減圧の追従性がさらに向上するため、旋回スクロールへの過剰な背圧の印加を抑制でき、高効率、高信頼性を実現することが可能となる。

請求項６に記載の本発明は、特に、請求項５に記載の減圧経路を固定スクロールに設け、減圧経路の一開口端と連通するように固定スクロールの摺動面に円環状溝を設けるものである。この構成によれば、請求項５の効果に加え、該円環状溝に中間圧を引きこむことで、スラスト荷重の低減、粘性損失の低減が可能となる。

請求項７に記載の本発明は、特に、請求項６に記載の円環状溝の外径を、旋回スクロールの鏡板外径から該旋回スクロールの旋回直径を差し引いた値よりも大きく設定するものである。この構成によれば、旋回スクロールがどの位置に存在していても円環状溝の一部分が常時背圧室側に面するため、減圧経路の作動をより迅速に行なうことが可能となる。

請求項８に記載の本発明は、特に、請求項１から７のうちいずれか一項に記載のスクロール圧縮機の作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とするものである。この構成によれば、動作圧力が高い高圧冷媒使用時においても背圧を安定させることが可能となる。

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、本発明の実施の形態１におけ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断面図、図３はスクロール圧縮機の固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせた状態の断面図で、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ位相を９０度ずつずらした図である。図４は減圧経路の要部断面図で、（ａ）は減圧経路が遮断された状態、（ｂ）は減圧経路が開口した状態である。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に示すように本発明のスクロール圧縮機は、密閉容器１０１と、その内部に圧縮機構１０２、モータ部１０３、貯油部１０４を備えて構成されている。図２を用いて圧縮機構１１０の詳細を説明すると、密閉容器１０１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したシャフト１０５の主軸受部材１０６と、この主軸受部材１０６上にボルト止めした固定スクロール１０７の間に、固定スクロール１０７と噛み合う旋回スクロール１０８を挟み込んでスクロール式の圧縮機構１０２を構成している。旋回スクロール１０８と主軸受部材１０６との間には、旋回スクロール１０８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１０９を設け、シャフト１０５の上端にある偏心軸部１０５ａにて旋回スクロール１０８を偏心駆動することにより、旋回スクロール１０８を円軌道運動させる。

これにより固定スクロール１０７と旋回スクロール１０８との間に形成している圧縮室１１０が、外周側から中央部に向かって容積を縮めながら移動することを利用して、密閉容器１０１外に通じた吸入パイプ１１１及び固定スクロール１０７の外周部の吸入口１１２から作動流体を吸入して、圧縮室１１０に閉じ込んだのち圧縮を行う。所定の圧力に到達した作動流体は、固定スクロール１０７の中央部の吐出口１１３からリード弁１１４を押し開いて、密閉容器１０１内に吐出される。

また旋回スクロール１０８の背面１０８ａには、高圧領域１１５と、高圧と低圧の中間圧に設定された背圧室１１６が形成されている。この背面１０８ａの圧力付加により旋回スクロール１０８は固定スクロール１０７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。

シャフト１０５の下端にはポンプ１１７が設けられ、圧縮機運転中は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１１７は密閉容器１０１の底部に設けられた貯油部１０４にあるオイル１１８を吸い上げて、オイルフィルタ等で異物を除去した後、シャフト１０５内を通縦しているオイル供給穴１０５ｔを通じて圧縮機構１０２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１０８に対する背圧源ともなる。これにより、旋回スクロール１０８は固定スクロール１０７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１１８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１０５ａと旋回スクロール１０８との嵌合部、シャフト１０５と主軸受部材１０６との間の軸受部１０６ａに進入してそれぞれの部分を潤滑した後落下し、貯油部１０４へ戻る。高圧領域１１５に供給されたオイル１１８の別の一部は、旋回スクロール１０８に形成され、かつ高圧領域１１５に一開口端を有する連絡経路１１９を通って、自転拘束機構１０９が位置している背圧室１１６に進入し、スラスト摺動部及び自転拘束機構１０９の摺動部を潤滑するのに併せ、背圧室１１６にて旋回スクロール１０８の背圧を印加する。

また旋回スクロール１０８には、背圧室１１６に一開口端を有する間欠連通路１２０が形成されており、旋回スクロール１０８の旋回運動に伴って、背圧室１１６と圧縮室１１０を間欠的に連通させる。図３は固定スクロール１０７に旋回スクロール１０８を噛み合わせた状態であり、位相を９０度ずつずらした図である。例えば図３に示す構成の場合、間欠連通路の圧縮室側開口端１２０ｂを、固定スクロール１０７のラップ溝底面に形成された凹部１０７ａに周期的に開口させることで、間欠連通を実現させている。図３の（ｂ）の状態で圧縮室側開口端１２０ｂが凹部１０７ａに開口しており、この状態では間欠連通路１２０を通って背圧室１１６から圧縮室１１０へとオイルが供給される。これに対し（ａ），（ｃ），（ｄ）では、圧縮室側開口端１２０ｂが凹部１０７ａに開口していないため、背圧室１１６から圧縮室１１０へとオイルが供給されることはない。以上のことから、連絡経路１１９を通って背圧室１１６に進入したオイル１１８は、間欠連通路１２０を通って圧縮室１１０へと導かれ、圧縮時のシール性向上や潤滑性向上の役割を果たす。

上記の説明のとおり、背圧室１１６と圧縮室１１０とを結ぶ間欠連通路１２０は、旋回スクロール１０８の旋回運動に伴い、間欠的に連通する構成となっているため、圧縮機の起動直後や運転状態が変わる過渡時に起こる吸入圧力の変化に対し、背圧室１１６の圧力が追従できず、過剰な背圧の印加から適正値に回復させるのに時間を要する。これによりスラスト荷重が増大し、性能悪化や信頼性悪化を引き起こすという課題を有する。

そこで本実施の形態のスクロール圧縮機では、固定スクロール１０７に減圧経路１２１を設ける。減圧経路１２１内に設置されたシール部材である鋼球１２２は、図４（ａ）に示す通り、通常はバネ１２３によって背圧室開口部１２１ａの方向に一定荷重で印加され減圧経路１２１を遮断しているが、背圧室１１６に設定以上の圧力が印加された場合、図４（ｂ）のように、バネ１２３を縮める方向に押し戻し、減圧経路１２１を開口する。減圧経路１２１が開口することで背圧室１１６の圧力はオイル１１８とともに圧縮室１１０へ移り、背圧室１１６の圧力は任意の値まで下げられる。背圧室１１６の圧力が設定値以下になると鋼球１２２はバネ１２３によって背圧室側開口部１２１ａ方向に印加され、再び減圧経路１２１を遮断する。これにより、背圧室１１６の圧力の上昇が抑制できる。結果として、旋回スクロール１０８への過剰な背圧が防止でき、安定した背圧の印加と同時にスラスト荷重の軽減を図ることが可能となるので、高効率かつ高信頼性を実現するスク
ロール圧縮機を提供することができる。

また、減圧経路１２１の一開口端を圧縮室１１０が作動流体を閉じこむ前の空間とする。作動流体を閉じ込んだ後の圧縮室１１０に一開口端を設けた場合、圧縮室１１０から減圧経路１２１内に圧縮途中の作動流体が入り、デッドボリュームとなるおそれがあるため、再膨張損失による性能悪化、また吸入に連通する圧縮室のケースでは体積効率の低下による性能悪化の可能性がある。これに対し、作動流体が閉じ込む前に開口する場合、圧縮室が閉じこむ前の空間の圧力は吸入圧力であるため、減圧経路１２１はデッドボリューム化することがない。よって再膨張損失の防止、また体積効率の低下を防止できることから、より高効率化を実現できる。

また減圧経路１２１の作動範囲を異常運転範囲とする。例えば、通常運転範囲を超えた時に作動させることで、背圧の過剰な印加を防止し圧縮機の破損を防止することが可能となる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るスクロール圧縮機の旋回スクロール１０８と固定スクロール１０７を噛み合わせた状態での断面図である。図５において図１〜４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図５に示すように、本実施の形態のスクロール圧縮機は、減圧経路１２１を固定スクロール１０７に設け、減圧経路１２１の背圧室側開口部１２１ａと背圧室１１６が連通するように固定スクロール１０７のスラスト面に円環溝１２４を設ける。円環溝１２４内は中間圧力となるため、運転時固定スクロール１０７と旋回スクロール１０８のスラスト荷重を低減し、かつ粘性損失も低減することが可能となり、高効率、高信頼性を実現することができる。

また、固定スクロール１０７に設けた円環溝１２４の外径直径１２４ｗを、旋回スクロール１０８の鏡板直径１０８ｗから、旋回スクロール１０８の旋回直径１０８ｄを差し引いた値よりも大きく構成する。これにより、旋回スクロール１０８の位置にかかわらず、円環溝１２４は常時背圧室１１６に臨むことから減圧時の追従性がさらに向上し、吸入圧力が急激に変化する場合においても迅速な減圧が可能となる。

また、作動流体を高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合、特に動作圧力が高いため、変動が少なく安定した背圧が求められる。すなわち本発明の効果が顕著に現れ、高効率かつ高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、背圧室の圧力が設定値以上に上昇した場合、減圧弁を作動させることで過剰な背圧の印加を防止し、スラスト荷重の低減が可能となり、高効率、高信頼性のスクロール圧縮機を実現することができるため、空気調和装置や冷蔵庫等の冷凍機器の他、ヒートポンプ式給湯装置や乾燥機等の用途にも適用できる。

１０１ 密閉容器
１０２ 圧縮機構
１０３ モータ部
１０４ 貯油部
１０５ シャフト
１０５ａ 偏心軸部
１０５ｔ オイル供給穴
１０６ 主軸軸受部材
１０６ａ 軸受部
１０７ 固定スクロール
１０７ａ 凹部
１０８ 旋回スクロール
１０８ａ 背面
１０８ｄ 旋回直径
１０８ｗ 鏡板直径
１０９ 自動拘束機構
１１０ 圧縮室
１１１ 吸入パイプ
１１２ 吸入口
１１３ 吐出口
１１４ リード弁
１１５ 高圧領域
１１６ 背圧室
１１７ ポンプ
１１８ オイル
１１９ 連絡通路
１２０ 間欠連通路
１２０ｂ 圧縮室側開口端
１２１ 減圧経路
１２１ａ 背圧室側開口部
１２２ 鋼球
１２３ バネ
１２４ 円環状溝
１２４ｗ 外径直径

Claims (8)

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と、前記固定スクロールと前記旋回スクロールを噛み合わせて双方間に形成される圧縮室と、前記旋回スクロールの反ラップ面側に高圧領域と背圧室を備えたスクロール圧縮機であって、前記高圧領域と前記背圧室を結ぶ連絡経路と、前記背圧室と前記圧縮室を間欠的に連通させる間欠連通路と、前記背圧室の圧力が設定以上に上昇すると前記背圧室と前記圧縮室を連通させる減圧経路を設けてなるスクロール圧縮機。
2. 前記減圧経路の構成であって、該減圧経路内に前記背圧室と前記圧縮室を遮断するシール部材と、前記シール部材を一定荷重で前記背圧室方向に印加するバネを組み合わせた背圧弁を有し、前記シール部材が前記バネを押し返し前記圧縮室方向に移動することで前記減圧経路が連通状態となる請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記減圧経路の一開口端を前記圧縮室が作動流体を閉じこむ前の空間に開口してなる請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記減圧経路は圧縮機の通常運転範囲を超えた異常運転の範囲で作動するよう設定してなる請求項１から３に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記減圧経路の一開口端が常時前記背圧室に臨むよう設定してなる請求項１から４に記載のスクロール圧縮機。
6. 前記減圧経路を固定スクロールに設け、前記減圧経路の一開口端と連通するように前記固定スクロールの摺動面に円環状溝を設けてなる請求項５に記載のスクロール圧縮機。
7. 前記円環状溝の外径は、前記旋回スクロールの鏡板外径から該旋回スクロールの旋回直径を差し引いた値よりも大きく設定してなる請求項６に記載のスクロール圧縮機。
8. 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７のうちいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。