JP2011169251A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】運転時の圧力及び温度による変形を抑えながら、吐出口内の容積を小さくすることが困難であった。
【解決手段】主軸受部材１１と固定スクロール１２をボルト６０で固定し、固定スクロール１２の反圧縮室側に支持板６２を配置して、支持板６２と固定スクロール１２をボルト６１で固定すると共に、支持板６２と固定スクロール１２を固定するボルト６１の位置を、主軸受部材１１と固定スクロール１２を固定するボルト６０の位置よりも内側に構成することによって、運転時に発生する固定スクロール１２の圧力変形及び熱変形をコントロールすることができるので、片当りによる異常磨耗や、圧縮途中の漏れを効果的に抑制した高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。
【選択図】図２

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、この種のスクロール圧縮機は、固定スクロールの圧縮室とは反対側に掘り込み部を設けて、その掘り込み部に吐出口とリード弁を設けることによって、生産工数を増大させることなく、吐出口内の冷媒が圧縮室へと再膨張することによる効率低下を防ぐ方法がある。この構成においては、特に高負荷・高圧縮比運転時の吐出口内の冷媒が圧縮室へと再膨張することによる効率低下を防ぐことができる。

更に、図９に示すような、固定スクロールの圧縮室と反対側の鏡板面に溝を設けたものがある。これによって、運転時に発生する固定スクロールの圧力変形を防止することができる。固定スクロールの圧力変形を防止することができれば、旋回スクロールと固定スクロールのラップ先端の隙間をコントロールしやすくなり、結果、片当りによる異常磨耗や、圧縮途中の漏れを効果的に抑制することができる。つまり、高負荷・高圧縮比運転時においても、冷媒の再膨張によることによる効率低下を防ぎながら、固定スクロールの変形も小さくして高効率を実現することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−４６２０５号公報

しかしながら、運転時に発生する固定スクロールの変形は圧力だけではなく、鏡板内の温度差による熱変形が存在するために、圧力変形だけを防止する構成では、片当りによる異常磨耗や、圧縮途中の漏れを効果的に抑制することができない。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、運転時に発生する固定スクロールの圧力変形及び熱変形をコントロールすることができるので、高効率な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、旋回スクロールを偏心駆動させるクランク軸を回転自在に支持する主軸受部材と固定スクロールをボルトで固定し、固定スクロールの反圧縮室側に支持板を配置して、支持板と固定スクロールをボルトで固定すると共に、支持板と固定スクロールを固定するボルトの位置を、主軸受部材と固定スクロールを固定するボルトの位置よりも内側に構成したものである。これによって、吐出口内の冷媒が圧縮室へと再膨張することによる効率低下を防ぎながら、運転時に発生する固定スクロールの圧力変形及び熱変形をコントロールすることができるので、片当りによる異常磨耗や、圧縮途中の漏れを効果的に抑制した高効率な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、特に二酸化炭素冷媒を用いた場合に、高効率を実現することができる。

本発明の実施の形態におけるスクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の断面図 （ａ），（ｂ）本発明の実施の形態における固定スクロール及び主軸受部材の変形モードを示した図 本発明の実施の形態における固定スクロール及び主軸受部材の圧力変形を示した図 本発明の実施の形態における固定スクロール及び主軸受部材の温度変形を示した図 本発明の実施の形態における固定スクロールの構成による変形の特性を示した図 従来のスクロール圧縮機における固定スクロールの鏡板に掘り込みを設けた圧縮機構部の断面図 本発明の実施の形態における固定スクロールの鏡板に支持板を設けた圧縮機構部の断面図 従来のスクロール圧縮機の固定スクロールの背面斜視図

第１の発明は、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所定の旋回半径で旋回することで、圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動することで、作動流体の吸入、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、旋回スクロールを偏心駆動させるクランク軸を回転自在に支持する主軸受部材と固定スクロールをボルトで固定し、固定スクロールの反圧縮室側に支持板を配置して、支持板と固定スクロールをボルトで固定すると共に、支持板と固定スクロールを固定するボルトの位置を主軸受部材と固定スクロールを固定するボルトの位置よりも内側に構成することによって、運転時に発生する固定スクロールの圧力変形及び熱変形をコントロールすることができるので、片当りによる異常磨耗や圧縮途中の漏れを効果的に抑制した高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の支持板をリング状に構成し、リング状の支持板の内側に吐出口とリード弁を構成することによって、吐出口内の冷媒が圧縮室へと再膨張することによる効率低下を防ぐことができるので、より高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の支持板の厚さを固定スクロールの鏡板厚さよりも厚くすることによって、運転時に発生する固定スクロールの圧力変形及び熱変形をより小さくすることができるので、片当りによる異常磨耗や圧縮途中の漏れを効果的に抑制したより高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

第４の発明は、特に第２または第３の発明の支持板の固定スクロールと接する面との反対面にマフラーを配置して、吐出口からマフラーと支持板で囲まれた空間内を通過した後に圧縮機の外へ吐出される流路を形成し、マフラーを平らな板で構成することによって、より簡便な構造でリード弁の動作音を低減させることができる。

第５の発明は、特に第１〜５のいずれか１つの発明の作動流体としての冷媒を二酸化炭素とすることによって、圧縮途中の差圧が大きい場合でも冷媒漏れをより効果的に防ぐことが出来る。

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におけるスクロール圧縮機の縦断面図である。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６０によって締結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部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及び固定スクロール１２の外周部の吸入室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を押し開いて吐出させることを繰り返す。

また旋回スクロール１３の背面には、高圧領域３０と、高圧と低圧の中間圧に設定された背圧室２９が形成されている。この背面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。

クランク軸４の下端にはポンプ２５が設けられ、圧縮機運転中は圧縮機構部２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、オイルフィルタ等で異物を除去した後、クランク軸４内を通縦しているオイル供給穴２６を通じて圧縮機構部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。

また、固定スクロール１２の圧縮室１５と反対側の鏡板背面に支持板６２がボルト６１によって締結されている。支持板６２はリング状になっており、リング状に形成された支持板６２の内側に吐出口１８とリード弁１９が構成されている。また支持板６２の固定スクロール１２との締結面と反対側にマフラー６３が設けられ、ボルト６１によって支持板６２と共に固定されている。吐出口１８からリード弁１９を押し開いて吐出された冷媒ガスは、支持板６２とマフラー６３と固定スクロール１２に囲まれた空間に一旦吐出された後、主軸受部材１１内に形成された通路を通って圧縮機下部へと導入され、密閉容器１外へと吐出される。

図２は圧縮機構部の断面図である。固定スクロール１２と支持板６２とを固定するボルト６１の位置を固定スクロール１２と主軸受部材１１とを固定するボルト６０の位置よりも吐出口１８に近い内側に構成している。

図３（ａ）、図３（ｂ）は運転時に発生する固定スクロール及び主軸受部材の変形モードを示した図である。図３（ａ）の固定スクロール１２の中心部分が下に変形する場合をマイナスの変形、図３（ｂ）の固定スクロール１２の中心部が上に変形する場合をプラスの変形とする。圧縮機運転時は、圧縮室１５の圧力が上昇することによって固定スクロール１２及び主軸受部材１２に発生する圧力変形の他に、圧縮室１５の圧力が上昇するに伴って冷媒ガスの温度が上昇することによる温度変形も同時に考慮する必要がある。

図４は固定スクロール及び主軸受部材の圧力変形を示した図であり、図４（ａ）は変形モードを示す断面斜視図、図４（ｂ）は中心部から変形方向の位置における変形量を示す特性図、図４（ｃ）は各位置の圧力境界条件を示す図である。図４（ａ）は変形モードを誇張した図であり、図４（ｂ）は固定スクロール１２の鏡板背面の変形量を中心から外周に向かってトレースしたグラフを示している。図４（ｃ）は固定スクロール１２及び主軸受部材１１表面に作用する圧力分布を示している。この圧力分布によって固定スクロール１２はマイナスの変形となる。

図５は固定スクロール及び主軸受部材の温度変形を示した図であり、図５（ａ）は変形モードを示す断面斜視図、図５（ｂ）は中心部から変形方向の位置における変形量を示す特性図、図５（ｃ）は各位置の温度境界条件を示す図である。図５（ａ）は変形モードを誇張した図であり、図５（ｂ）は固定スクロール１２の鏡板背面の変形量を中心から外周に向かってトレースしたグラフを示している。図５（ｃ）は固定スクロール１２及び主軸受部材１１の内部の温度分布を示している。この温度分布によって、固定スクロール１２はプラスの変形となる。

つまり、圧力変形の影響が大きい場合にはマイナスの変形となり、旋回スクロール１３への片当りによる異常磨耗が予想される。また、温度変形の影響が大きい場合にはプラスの変形となり、旋回スクロール１３とのラップ先端隙間が拡大して圧縮途中の漏れが増大すると予想される。よって、運転時に発生する圧力変形と温度変形のバランスが重要である。

次に、固定スクロール１２と支持板６２を固定するボルト６１の位置を、固定スクロール１２と主軸受部材１１を固定するボルト６０の位置よりも内側に構成する理由について説明する。図６は固定スクロールの構成による変形の特性を示した図である。具体的には、固定スクロール１２の鏡板基準厚さ、固定スクロール１２の鏡板厚さを厚くした場合、固定スクロール１２の鏡板厚さを薄くした場合、固定スクロール１２の鏡板背面に掘り込みを設けた場合、本実施の形態における固定スクロール１２の鏡板背面に支持板６２を設けた場合について、運転時の変形及びデットボリュームについてまとめたものである。ここで、旋回スクロール１２の鏡板基準厚さとは、運転時の圧力変形と温度変形が丁度同じ大きさで上向きと下向きに作用して、運転時の変形が零となる厚さである。

固定スクロール１２の鏡板厚さを基準より厚くした場合、圧力変形は小さくなるのに対して、鏡板内部の温度差が大きくなるために温度変形は大きくなる。結果、運転時の変形は上向きとなる。

固定スクロール１２の鏡板厚さを基準より薄くした場合、鏡板内部の温度差が小さくなるために温度変形は小さくなるのに対して、鏡板の剛性が低下するために圧力変形は大きくなる。結果、運転時の変形は下向きとなる。

固定スクロール１２の鏡板背面に掘り込みを設けた場合、圧力変形は小さくなるが、温度変形に関しては鏡板厚さが厚い部分での鏡板内部の温度差が大きくなるために、温度変形はさほど小さくならない。結果、運転時の変形は上向きとなる。

一方本実施例については、圧力によって固定スクロール１２の鏡板が下向きに変形しようとするときにボルト６１によって支持板６２が下向きに引っ張られる。このとき、ボルト６１はボルト６０よりも内側に位置しているので、支持板６２の外周部分が支えとなって固定スクロール１２の鏡板が下向きに変形することを抑制する。一方、温度変形に関しては固定スクロール１２の鏡板の厚みが薄いために変形自体は小さく、また、支持板６２の温度変形は、支持板６２と固定スクロール１２の締結面ですべりが発生して上向きに変形することを抑制する。結果、運転時の変形は零となる。

次に固定スクロール１２の鏡板背面に掘り込みを設けた場合と本実施例における温度変形についての考察詳細を示す。図７（ａ）は固定スクロールの鏡板背面に掘り込みを設けた圧縮機構部の断面図、図７（ｂ）はその変形の模式図である。図８（ａ）は固定スクロールの鏡板背面に補強板を設けた圧縮機構部の断面図、図７（ｂ）はその変形の模式図である。固定スクロール１２の鏡板背面に掘り込みを設けた場合、固定スクロール１２の鏡板内の温度分布によって鏡板背面側が圧縮室側よりもよく伸びるので、ボルト６０によって位置拘束されると固定スクロール１２は上向きに変形する。一方で本実施例の場合、支持板６２内に温度分布が存在するが、ボルト６１によって位置拘束されるために固定スクロール１２と支持板６２との締結面ですべりが発生し、上向きの変形が抑制される。よって、固定スクロール１２の鏡板厚さを基準より厚くした場合と本実施例が運転時の変形をほぼ零とすることができるので、加工時に隙間をコントロールして運転時に圧縮途中の漏れを効果的に抑制することができる。

一方で、吐出口内の冷媒が圧縮室へと再膨張することによる効率低下を防ぐためには吐出口内の体積を減らす必要がある。図６を見ても分かるように、本実施例においては、運転時に発生する固定スクロールの圧力変形及び熱変形をほぼ零にしながら、吐出口内容積も同時に小さくすることができるので、片当りによる異常磨耗や圧縮途中の漏れを効果的に抑制した高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

なお、支持板６２をリング状に構成し、リング状の支持板６２の内側に吐出口とリード弁を構成しているが、リング状に限らず、支持板６２の内側に吐出口及びリード弁が構成できる形状であれば吐出口内の冷媒が圧縮室へと再膨張することによる効率低下を防ぐことができるので同等の効果を実現することができる。

なお、支持板６２の厚さを固定スクロール１２の鏡板厚さよりも厚くすることによって、運転時に発生する固定スクロールの圧力変形及び熱変形をより小さくすることができるので、片当りによる異常磨耗や圧縮途中の漏れを効果的に抑制したより高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

なお、支持板６２の固定スクロール１２と接する面との反対面にマフラー６３を配置して、吐出口からマフラー６３と支持板６２に囲まれた空間内を通過した後に圧縮機の外へ吐出される流路を形成し、マフラー６３を平らな板で構成することによって、より簡便な構造でリード弁の動作音を低減させることができる。

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、圧縮途中の差圧及び温度差が大きい場合でも、片当りによる異常磨耗や圧縮途中の漏れを効果的に抑制したより高効率な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、旋回スクロールを偏心駆動させるクランク軸を回転自在に支持する主軸受部材と固定スクロールをボルトで固定し、固定ス
クロールの反圧縮室側の鏡板背面に支持板を配置して、支持板と固定スクロールをボルトで固定すると共に、支持板と固定スクロールを固定するボルトの位置を、主軸受部材と固定スクロールを固定するボルトの位置よりも内側に構成したものである。これによって、吐出口内の冷媒が圧縮室へと再膨張することによる効率低下を防ぎながら、運転時に発生する固定スクロールの圧力変形及び熱変形をコントロールすることができるので、片当りによる異常磨耗や圧縮途中の漏れを効果的に抑制した高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。よって、作動流体を冷媒と限ることなく、空気、ヘリウムを作動流体とするスクロール圧縮機や膨張機も含むスクロール流体機械の用途にも適用できる。

４ クランク軸
１１ 主軸受部材
１２ 固定スクロール
１２ａ 鏡板
１２ｂ ラップ
１２ｃ ラップ溝底面
１２ｄ 凹部
１２ｅ 凹部
１３ 旋回スクロール
１４ 自転拘束機構
１５ 圧縮室
１８ 吐出口
１９ リード弁
２９ 背圧室
３０ 高圧領域
６０ ボルト（主軸受部材−固定スクロール間の締結）
６１ ボルト（固定スクロール−支持板間の締結）
６２ 支持板
６３ マフラー

Claims (5)

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所定の旋回半径で旋回させたときに、前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動することで、作動流体の吸入、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を偏心駆動させるクランク軸を回転自在に支持する主軸受部材と前記固定スクロールをボルトで固定し、前記固定スクロールの反圧縮室側である鏡板背面に支持板を配置して、前記支持板と前記固定スクロールをボルトで固定すると共に、前記支持板と前記固定スクロールを固定するボルトの位置を、前記主軸受部材と前記固定スクロールを固定するボルトの位置よりも内側に構成したことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記支持板をリング状に構成し、前記リング状の支持板の内側に吐出口とリード弁を構成したことを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記支持板の厚さを、前記固定スクロールの鏡板厚さよりも厚くしたことを特徴とする請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記支持板の前記固定スクロールと接する面との反対面にマフラーを配置して、前記吐出口から前記マフラーと前記支持板で囲まれた空間を通過した後に圧縮機の外へ吐出される流路を形成し、前記マフラーを平らな板で構成したことを特徴とする請求項２または３に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたことを特徴とする請求項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。