JP2011089499A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】過圧縮時、バイパス穴から高圧の冷媒を逃せば良いが、冷媒がバイパス穴を通過する際にはバイパス穴の断面積に反比例した吐出圧損という損失を生じる。本発明は、過圧縮領域の圧縮効率を高めることを目的とする。
【解決手段】渦巻中心に対して対となる２つの圧縮室であって、前記吐出口に最も近い２つの圧縮室にそれぞれ設けられた２つの前記リリース弁装置を備え、各リリース弁装置は、互いに渦巻中心に対して非対称に配置され、前記２つの圧縮室が前記吐出口に連通する直前の状態の前記２つの圧縮室と、前記２つの圧縮室がその状態から１８０度前進した状態で前記吐出口に連通している前記２つの圧縮室と、の双方の状態の圧縮室で、前記各リリース弁装置のうち少なくとも一方が前記吐出口に連通する位置に配設されたスクロール圧縮機。
【選択図】 図２

Description

本発明は冷凍空調機器等に用いられるスクロール圧縮機に関するものである。

低振動、低騒音特性を備えたスクロール圧縮機は、吸入室が圧縮空間を形成するラップの外周部にあり、吐出口がラップの中心部に設けられ、吸入容積と最終圧縮室容積とで決定する容積比が一定である。特に、吸入圧力と吐出圧力とで定まる圧縮比の変動が少ない場合は、それに合わせた容積比を設定することによって、吐出弁装置を必要とせず、高効率な圧縮ができる。往復動圧縮機や回転式圧縮機では、吐出弁装置を必要とする。

このスクロール圧縮機を冷凍空調機器用冷媒圧縮機として使用する場合は、可変速運転や空調負荷の変動によって冷媒の吸入圧力と吐出圧力が変化する。そして、実際の圧縮比と設定圧縮比との間の差によって、不足圧縮や過圧縮運転が生じる。

不足圧縮時には、吐出室の高圧冷媒ガスが吐出口から圧縮室に間欠的に逆流し、圧縮入力の増加を招く。また、過圧縮時には、圧縮途中に吐出圧力より大きな圧力となる圧縮室があるため、その分だけ余計な運転トルクが必要となり、圧縮入力の増加を招く。

そのため、吸入室にも吐出室にも間欠的に通じない常時密閉空間となる圧縮室を有する圧縮空間では、当該圧縮室から吐出室に通じる対称位置に配置されたバイパス穴を設け、バイパス穴の出口側に吐出室への流体流出のみを許容するバイパス弁装置を設けて過圧縮を防止する手段が知られている。例えば特許文献１である。なお、ここでいう対称とは、渦巻中心に対して点対称という意味である。

特開平９−１７０５７４号公報

過圧縮時、バイパス穴から高圧の冷媒を逃せば良いが、冷媒がバイパス穴を通過する際にはバイパス穴の断面積に反比例した吐出圧損という損失を生じる。この吐出圧損を減じようとバイパス穴を大きくしてしまうと、後述の残留ガスの問題が生じる。あるいは吐出圧損を減じようとして吐出口を大きくしようとすると渦巻の巻き数が小さくなってしまい、所望の圧力を得られなくなる。

また、非対称スクロールラップでは、対となる旋回スクロール内線側圧縮室と外線側圧縮室の容積変化が異なることから、バイパス穴を対称配置にした場合、圧縮室に常時バイパス穴を連通させようとすると、旋回スクロールのラップ最外周部分と固定スクロール内周壁とで吸込み完了時に形成される非対称ラップ特有の圧縮室に余計にバイパス穴を設置する必要が生じる。

本発明は、過圧縮領域の圧縮効率を高めることを目的とする。また、本発明は、不足圧縮領域も過圧縮領域も、つまり、全運転圧縮比領域を通した全体の圧縮効率を高めることを目的とする。

本発明の目的は、
旋回スクロールと固定スクロールの各ラップによって圧縮室を形成して、吐出口から圧縮された冷媒を吐出するとともに、前記圧縮室の圧力が高くなり過ぎないように前記圧縮室から圧力を逃がすためのリリース弁装置を備えたスクロール圧縮機において、
渦巻中心に対して対となる２つの圧縮室であって、前記吐出口に最も近い２つの圧縮室にそれぞれ設けられた２つの前記リリース弁装置を備え、
各リリース弁装置は、互いに渦巻中心に対して非対称に配置され、前記２つの圧縮室が前記吐出口に連通する直前の状態の前記２つの圧縮室と、前記２つの圧縮室がその状態から１８０度前進した状態で前記吐出口に連通している前記２つの圧縮室と、の双方の状態の圧縮室で、前記各リリース弁装置のうち少なくとも一方が前記吐出口に連通する位置に配設されたスクロール圧縮機
により達成される。

本発明によれば、過圧縮領域の圧縮効率を高めることができる。また、本発明によれば、全運転圧縮比領域を通した全体の圧縮効率を高めることができる。

本実施形態の縦型スクロール圧縮機の断面図。 図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図。 図２における圧縮空間が１８０度前進した時の断面図。 図２における圧縮空間の順次変化を示した断面図。 リリース弁装置の配置図。 固定スクロールへのリテーナ、リリース弁装置の配置図。 圧縮室の容積変化と圧力変化状態を示す特性図。 吐出空間と吐出圧損の関係を示す特性図。

以下、本発明の一実施形態に関して、図１〜図３を参照しながら説明する。

図１は縦型スクロール圧縮機の断面図である。主な構成として、冷媒として弗化炭素水素系冷媒群のうち少なくとも１種または２種以上を混合した混合冷媒を使用するもので、密閉容器１の内部に、電動機２と、この電動機２により駆動される旋回スクロール１３と固定スクロール１４との間で当該混合冷媒を圧縮するスクロール圧縮機構３とを配し、旋回スクロール１３を固定スクロール１４に対して自転させずに旋回運動させるように固定スクロール１４と固定部材１６との間で支持案内する自転規制部材としてのオルダムリング１５を有している。

圧縮機構３は固定スクロール１３と旋回スクロール１４を噛み合わせて構成されている。旋回スクロール１４は、クランクシャフト８を介して電動機２の回転を受け、オルダムリング１５に規制されながら旋回駆動される。この一連の動作により、吸込みパイプ１７より吸い込まれた冷媒ガスは圧縮されて、吐出口７から吐出圧力空間２７であるチャンバ内に吐出され、チャンバ内の冷媒は吐出パイプ１８より密閉容器１外部へ吐出される。

固定スクロール１４の鏡板部には、吐出口７の出口に吐出弁装置を配置していない。これがあれば、圧縮された冷媒の圧力が吐出空間、すなわち吐出室の圧力よりも大きくならないと冷媒を吐出できないので、不足圧縮は起こらない。しかし、流路に障害物を置くことにもなるので、吐出圧損を低減するという観点からすると吐出弁装置を配設することは好ましくない。従って、吐出弁装置は配設せず、吐出口７の出口を吐出室に直接連通させている。

吐出された冷媒は、冷凍サイクル内を循環して吸込みパイプ１７から再び密閉容器１内部へ吸込まれてくる。密閉容器１は、円筒状のケース６に蓋チャンバ４と底チャンバ５が上下に溶接されて構成されている。

図１に示す鉄製の密閉容器１の内部全体、つまり吐出室は吐出パイプ１８に連通する高圧雰囲気となる、いわゆる高圧チャンバタイプの圧縮機である。電動機３の回転とともに固定スクロール１４中央の吐出口７より密閉容器１上部へ冷媒ガスが吐出される。固定スクロール１４と噛み合って圧縮室を形成する旋回スクロール１３は、渦巻状の旋回スクロールラップ１１Ｓと旋回軸とを直立させたラップ支持円盤９（図示せず）とから成る。固定スクロール１４は、鏡板１０と渦巻状の固定スクロールラップ１１Ｆとから成り、固定スクロールラップ１１Ｆの中央部に吐出口７、外周部に吸込口１２が配置されている。

２６はリリース弁装置であって、圧縮室の圧力が高くなり過ぎないように圧縮室から圧力を逃がすためのものである。

図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面を示した図である。５０ａは第１圧縮室、５１ａは第２圧縮室、５１ｂは第３圧縮室であり、リリース流路は外径側から順に、２２は第１リリース流路、２３は第２リリース流路、２４は第３リリース流路、２５は第４リリース流路である。

リリース弁装置２６は、圧縮途中の圧縮室に少なくとも１つ以上のリリース流路が配設されるように４つ以上設けられている。過圧縮を防止し、圧縮比が大きい運転状態での圧縮効率の向上を図るためである。

図２は、吐出口７と間欠的に連通する第２圧縮室５１ａ，第３圧縮室５１ｂが、吐出口７と開通する直前の圧縮空間の状態を示している。リリース流路２８（図５参照）は圧縮室への開口部が旋回スクロールラップ１１Ｓの幅、つまり歯先よりも小さく設定してあり、対となる第２圧縮室５１ａ、第３圧縮室５１ｂに対応して第３リリース流路２４、第４リリース流路２５が配置されている。

図３は図２における旋回スクロールラップがクランクシャフト８の回転角で１８０度前進した時の圧縮空間の状態を示す。この状態において、吐出口７と第２圧縮室５１ａ、第３圧縮室５１ｂは全て連通している（６０）。このとき、第２圧縮室５１ａ，第３圧縮室５１ｂは閉じきられた空間ではないため最早圧縮室とは呼べないが、便宜的に圧縮室と呼んだ。また、この空間に第４リリース流路２５も連通しており、図３は第４リリース流路２５が閉口する直前の状態を表している。

つまり、第３リリース流路２４，第４リリース流路２５、つまりこれらに対応する各リリース弁装置は、渦巻中心に対して対となる２つの圧縮室であって、吐出口７に最も近い２つの圧縮室（５１ａ，５１ｂ）にそれぞれ設けられ、渦巻中心に対して非対称に配置されている。そして、各リリース弁装置は、２つの圧縮室（５１ａ，５１ｂ）が吐出口７に連通する直前の状態の２つの圧縮室（５１ａ，５１ｂ）と、２つの圧縮室がその状態から１８０度前進した状態で吐出口７に連通している２つの圧縮室（６０）と、の双方の状態の圧縮室で、各リリース弁装置のうち少なくとも一方が吐出口７に連通する位置に配設されている。そして、この構成によれば、過圧縮時には吐出口７に加えてリリース流路２４，２５からの排出が可能になり、渦巻数を小さくすることなく吐出口を拡大する効果が得られる。つまり、吐出圧損を減じることができる。

図４は図２および図３における第３リリース流路２４，第４リリース流路２５が旋回スクロールラップ１１Sの旋回移動に伴って順次開閉されていく状態を示す図で、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ａ）→（ｂ）→ の順に旋回スクロールラップ１１Ｓの回転角が前進する。なお、（ｂ）は図２の状態である（ａ）と図３の状態である（ｃ）との中間の状態を示しており、（ｄ）は図３の状態である（ｃ）と図２の状態である（ａ）との中間の状態を示している。

（ａ）の次の瞬間、第３リリース流路２４は吐出口７に連通する。そして回転角が前進して（ｂ）になる少し前に第３圧縮室５１ｂが吐出口７に連通する。このとき第４リリース流路２５は吐出口７に連通している。その後、第３リリース流路２４と吐出口７との連通が断たれて（ｂ）となる。

（ｂ）から（ｃ）へと回転角が前進している間、第４リリース流路２５は吐出口７に連通している。（ｃ）の次の瞬間、第４リリース流路２５と吐出口７との連通が断たれる。そして（ｄ）へと回転角が前進していくが、吐出口７と連通するリリース流路は無い。その後、更に回転角が進んで（ａ）の状態になると、その次の瞬間、第３リリース流路２４は吐出口７に連通する。以下、同じ状況が繰り返される。

この構成により、図２，図３の区間において、吐出口７と連通する圧縮室に対して、常に第３リリース流路２４，第４リリース流路２５が開路する状態となっている。つまり、図８で示すように吐出口７に開口している体積、つまり吐出圧となっている空間が大きい場合にはリリース流路が機能することになる。逆に、吐出圧となっている空間が小さい場合にはリリース流路は機能しない。

次にリリース弁装置２６に関して、図５を参照しながら説明する。図５は図１のリリース弁装置２６の閉路状態での拡大断面図である。リリース弁装置２６は、圧縮室内の圧力が吐出圧力以上になったとき、圧縮室から吐出圧力空間２７に吐出するためのものであり、スクロール圧縮機構３の部分に形成される複数の圧縮室に対応して固定スクロール１４の複数箇所に設置されている。このリリース弁装置２６は通常は閉路されていて、吸込口１２からガス冷媒もしくは液冷媒、ミスト状の潤滑油などが作動流体として圧縮室に吸入される等して、旋回スクロール１３の旋回運動によってそれら作動流体が圧縮される過程で圧縮室内の圧力が吐出圧力以上になったときに、リリース弁装置２６は開路して、圧縮室と密閉容器１内の吐出圧力空間２７とを連通する。

リリース弁装置２６は、リリース流路２８，リリース弁２９，弁押圧体３０，リテーナ３１、及び弾性部３３を備える。ガイド部３２は、弁押圧体３０の移動をガイドする。このうちリリース流路２８，リリース弁２９，弁押圧体３０，弾性部３３は、圧縮室と吐出圧力空間２７とを連通するように固定スクロール１４の鏡板１０の部分に形成されている。リリース弁２９は円形状の薄鉄板から構成されるリリース流路２８を開閉し、圧縮室とガイド部との連通を遮断するためのものである。弁押圧体３０は、弾性部３３によって、リリース弁２９が閉じられる際に、弾性押圧力を付加するためのものであり、リリース弁２９とリテーナ３１との間に配置されている。弾性部３３はリリース弁２９に弾性押圧力を付加するのと同時に弁押圧体３０にも弾性押圧力を付加する。弁押圧体３０はこの力によって移動させられるが、リテーナ３１によって弁押圧体３０の移動は制限される。リテーナ３１は固定スクロール１４に固定されている。

弁押圧体３０は、リリース弁２９とリテーナとの間に配置されるので、弁押圧体３０を任意に固定スクロール鏡板に設置することにより、吐出口７に連通する直前の圧縮室体積に対してリリース流路２８の体積を小さく設定することが容易に行える。これにより、バイパス穴と比較した際に、不足圧縮時のリリース流路からの高圧冷媒ガスの逆流を低減することができる。

吐出口付近の高圧となる圧縮室にバイパス穴を設置するということは、圧縮途中のガスが圧縮室内のリリース流路に残留することになり、圧縮効率低下を招き易い。従って、バイパス穴設置の角度範囲を指定しただけでは、バイパス穴に残った残留ガスを根本的にゼロにすることができない。また、バイパス穴設置位置を指定しただけでは、バイパス穴流路体積、つまりリリース流路を小さく抑えることができるとは限らない。固定スクロール鏡板の厚さによってはバイパス穴を長くすることも可能であり、そうであれば、リリース流路を小さく抑えることができず、残留ガスの量が変動しうることから、必ずしも圧縮効率を高める効果が期待できない。

そこで、前記リリース弁装置を適用することにより、バイパス穴構造と比較して、リリース流路２８の体積を１／５以下に低減することが可能となった。このような小さな体積に抑えられるのは、弁押圧体３０などを含むリリース弁装置２６の構成による。これにより、リリース弁２９閉路時において、圧縮行程で残った流体の再膨張損失を許容範囲以下に抑えることができる。

また、リリース弁２９開路時においては、吐出口７に加えて圧縮流体を排出する流路となることから、吐出圧損を低下させることができる。

過圧縮領域においては、リリース流路の体積はほとんど効率向上と無関係であるが、以上の構成により、不足圧縮領域において圧縮効率を高めることができる。

図６は固定スクロール１４を蓋チャンバ４側から描いたもので、複数のリリース流路２８及び吐出口７に沿う形でリテーナ３１を設計する。

図７は、横軸に圧縮室の容積変化を、縦軸に圧縮室の圧力変化を表したスクロール圧縮機のＰ−Ｖ線図である。一点鎖線は理論断熱圧縮線図を示している。

特に、圧縮機低速運転時などの中間条件のときの圧力比は、定格負荷運転状態で設定された圧力比よりも小さくなって過圧縮状態となる。このような場合には、第３リリース流路２４、第４リリース流路２５を閉塞するリリース弁２９が開いて圧縮流体を吐出圧力空間２７に流出させ、圧縮室圧力の上昇が吐出圧までに制限され、圧縮負荷の増加を抑えることができる。

リリース弁２９閉塞時において、圧縮行程で残った流体の再膨張損失が無い理想的な状態では、圧縮室圧力の損失は吐出圧損が主な原因であり、その他は固定スクロールラップ１１Ｆと旋回スクロールラップ１１Ｓとの間の冷媒の漏れ込みが原因である。そして、図２，図３，図８で示したように、吐出口７に連通した各圧縮室６０において、吐出口７に開口している体積が大きい場合にリリース流路が機能できる位置であって、リリース流路２８が旋回スクロールラップ１１Ｓによって閉塞されない位置に各々リリース弁装置２６を配設し、これら２つのリリース弁装置２６を渦巻中心に対して非対称に設ける。

別の表現をすれば、第３リリース流路２４，第４リリース流路２５、つまりこれらに対応する各リリース弁装置は、渦巻中心に対して対となる２つの圧縮室であって、吐出口７に最も近い２つの圧縮室（５１ａ，５１ｂ）にそれぞれ設けられ、渦巻中心に対して非対称に配置されている。そして、各リリース弁装置は、２つの圧縮室（５１ａ，５１ｂ）が吐出口７に連通する直前の状態の２つの圧縮室（５１ａ，５１ｂ）と、２つの圧縮室がその状態から１８０度前進した状態で吐出口７に連通している２つの圧縮室（６０）と、の双方の状態の圧縮室で、各リリース弁装置のうち少なくとも一方が吐出口７に連通する位置に配設されている。

これにより、過圧縮領域においては、吐出口７に加えてリリース流路２８からの排出効果も得ることができ、吐出圧損の低減が期待できる。さらに、リリース弁装置の適用により、圧縮行程で残った再膨張損失を低減することができ、高圧冷媒ガスの圧縮室への漏れを抑制する効果が期待できることから理想とする断熱圧縮に近づけることができる。従って、図７で示す外側の圧縮線Ａをより理論断熱圧縮線に近い圧縮線Ｂに近づけることができる。ここで、非対称に設けることとしたのは、対となる圧縮室の最大密閉空間が異なる場合、つまり、いわゆる非対称ラップ型の圧縮機構を持つスクロール圧縮機の場合に、吐出口７に連通するリリース流路２８を効果的に設定できるようにしたためである。

以上の構成により、圧縮過程での再膨張損失を低減することができ、吐出圧損を低減することができることから、過圧縮領域での圧縮効率を高めることができる。従って、上記構成と合わせて、全運転圧縮比領域を通した全体の圧縮効率を高めることができる。

１ 密閉容器
２ 電動機
３ 圧縮機構
４ 蓋チャンバ
５ 底チャンバ
６ ケース
７ 吐出口
８ クランクシャフト
９ ラップ支持円盤
１０ 鏡板
１１Ｆ 固定スクロールラップ
１１Ｓ 旋回スクロールラップ
１２ 吸込口
１３ 旋回スクロール
１４ 固定スクロール
１５ オルダムリング
１６ 固定部材
１７ 吸込パイプ
１８ 吐出パイプ
５０ａ 第１圧縮室
５１ａ 第２圧縮室
５１ｂ 第３圧縮室
２２ 第１リリース流路
２３ 第２リリース流路
２４ 第３リリース流路
２５ 第４リリース流路
２６ リリース弁装置
２７ 吐出圧力空間
２８ リリース流路
２９ リリース弁
３０ 弁押圧体
３１ リテーナ
３２ ガイド部
３３ 弾性部
６０ 吐出口に連通した各圧縮室

Claims (5)

1. 旋回スクロールと固定スクロールの各ラップによって圧縮室を形成して、吐出口から圧縮された冷媒を吐出するとともに、前記圧縮室の圧力が高くなり過ぎないように前記圧縮室から圧力を逃がすためのリリース弁装置を備えたスクロール圧縮機において、
   渦巻中心に対して対となる２つの圧縮室であって、前記吐出口に最も近い２つの圧縮室にそれぞれ設けられた２つの前記リリース弁装置を備え、
   各リリース弁装置は、互いに渦巻中心に対して非対称に配置され、前記２つの圧縮室が前記吐出口に連通する直前の状態の前記２つの圧縮室と、前記２つの圧縮室がその状態から１８０度前進した状態で前記吐出口に連通している前記２つの圧縮室と、の双方の状態の圧縮室で、前記各リリース弁装置のうち少なくとも一方が前記吐出口に連通する位置に配設されたスクロール圧縮機。
2. 請求項１において、
   前記リリース弁装置は、リリース流路とこれより体積の大きなガイド部とが形成された前記固定スクロール内に設けられ、
   前記ガイド部で、その移動がガイドされる弁押圧体と、
   前記圧縮室と前記ガイド部との連通を遮断するリリース弁と、
   前記弁押圧体と前記リリース弁との間に配設され、弾性力を生じる弾性部と、
   前記弁押圧体の移動を制限するため前記固定スクロールに配設されたリテーナと
   を備えたことを特徴とするスクロール圧縮機。
3. 請求項１において、
   前記リリース弁装置は、少なくとも４つ設けられていることを特徴とするスクロール圧縮機。
4. 請求項１において、
   前記スクロール圧縮機の圧縮機構は、非対称ラップ型であることを特徴とするスクロール圧縮機。
5. 前記固定スクロール鏡板部には、前記吐出口の出口に、不足圧縮を回避するための吐出弁装置を配設せず、前記吐出口の出口と前記スクロール圧縮機の吐出室とを直接連通させたことを特徴とするスクロール圧縮機。

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