JP2012246761A

JP2012246761A - スクロール圧縮機

Info

Publication number: JP2012246761A
Application number: JP2011116480A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Nakano; 泰典中野; Akikazu Shibata; 明和柴田; Satoshi Nakamura; 聡中村; Hiroyuki Imamura; 浩幸今村
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】本発明の目的は、吐出口から圧縮機構部への油の流入を防止し、信頼性の高い圧縮機を得ることである。
【解決手段】上記本発明の目的は、回転軸の回転によって、固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成される圧縮室の容積を減少させることで冷媒を圧縮し、吐出口から密閉容器の中に冷媒を吐出する高圧チャンバ型の横型スクロール圧縮機において、前記吐出口の軸心より上方に向けて冷媒を吐出するよう前記吐出口に配設された円筒状の構造体を有し、前記吐出口の軸心を延長した線が前記円筒状の構造体と交わるよう前記構造体の寸法と取り付け角度とを調整したことによって達成される。
【選択図】図３

Description

本発明は列車に搭載する空気調和機用横型スクロール圧縮機の信頼性に関する。

従来の横型スクロール圧縮機は、例えば特許文献１に示されている。図６に本従来技術での横型スクロール圧縮機の縦断面図を示す。この種の横型スクロール圧縮機は、密閉容器７００内に、冷媒を圧縮する圧縮機構部２と、回転軸３００を介して圧縮機構部２を駆動する駆動部３と、回転軸３００を回転自在に保持する軸受部５と、回転軸３００端部に設けられ、軸受部５へ給油する給油機構部４と、圧縮機内部に油を貯蔵する油溜り部７３０によって構成されている。給油機構部４は、油溜り部７３０に浸漬する給油管９０２を備えている。給油管９０２は、回転軸３００側基部付近に、圧縮機の傾斜に応じて給油管９０２の先端を屈曲させる可撓部９０３を有している。これにより、圧縮機の傾斜によって給油管９０２付近の油溜り部７３０の油面が下がった場合においても、給油管９０２はその傾斜に従い自重によって屈曲するので、給油管９０２の先端を、油溜り部７３０に浸漬させることができ、高い信頼性の圧縮機を得ることができる。

また横型スクロール圧縮機の油面の制御技術としては、例えば特許文献２が知られている。図７に本従来技術での横型スクロール圧縮機の縦断面図を示す。この種の横型スクロール圧縮機は、密閉容器７００内に、圧縮機構部２と、回転軸３００を介して圧縮機構部２を駆動する駆動部３と、回転軸３００を回転自在に保持する軸受部５と、回転軸３００端部に設けられ、軸受部５へ給油する給油機構部４と、圧縮機内部に油を貯蔵する油溜り部７３０と、圧縮機内を、駆動部３を有する電動機室２０と、給油機構部４を有するポンプ室３０とに仕切り、圧縮機運転中に電動機室２０とポンプ室３０とに差圧を生じさせる仕切板１０００によって構成されている。仕切板１０００は、上部に冷媒を通過させる上部開口部１００１と、下部に油を連通させる下部開口部１００２を有している。圧縮機は、水平に対し、圧縮機軸心が６°から１２°の角度となるように、給油機構部４側を下側にして傾けて配置されている。図８に圧縮機の傾斜の有無による、圧縮機運転時の油面高さ変化の模式図を示す。図８（ｂ）のように、ポンプ室３０側を下側にして傾けて圧縮機を配置することにより、図８（ａ）に示す、圧縮機を水平に配置した場合と比較し、下部開口部１００２付近の油面を高く保つことができる。これにより、図８（ａ）のように、冷媒が下部開口部１００２を通過することで生じる油の泡立ちを防止することができ、油の圧縮機外への排出を抑え、高い信頼性の圧縮機を得ることができる。

特開平１１−１８２４２９号公報特開平７−２０８３５７号公報

従来の横型スクロール圧縮機では、圧縮機構部吐出口への油の浸入については考慮されていなかった。列車搭載用横型圧縮機のように、圧縮機停止時に、列車の傾斜，加減速により圧縮機内部に油面の傾斜が生じる場合においては、圧縮機構部吐出口から圧縮機構部内の圧縮室へ油が浸入し、圧縮機の起動時に、その油の圧縮により過大な荷重が生じ、渦巻体への負荷が大きくなるため、圧縮機が許容できる傾斜角度に制限が設けられていた。また特許文献２のように圧縮機を傾斜させた場合、本構造の圧縮機を空気調和機に搭載するためには、空気調和機の高さ方向により大きな空間が必要となり、一般に高さの制約のある列車の天井に設置されることの多い空気調和機の小型化が困難であった。

本発明の目的は、吐出口から圧縮機構部への油の流入を防止し、信頼性の高い圧縮機を得ることである。

上記本発明の目的は、
回転軸の回転によって、固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成される圧縮室の容積を減少させることで冷媒を圧縮し、吐出口から密閉容器の中に冷媒を吐出する高圧チャンバ型の横型スクロール圧縮機において、
前記吐出口の軸心より上方に向けて冷媒を吐出するよう前記吐出口に配設された円筒状の構造体を有し、
前記吐出口の軸心を延長した線が前記円筒状の構造体と交わるよう前記構造体の寸法と取り付け角度とを調整した
ことによって達成される。

従来の圧縮機に対し、圧縮室内へ油が浸入しにくくすることができ、圧縮機の信頼性を高めることができる。

構造体が固定スクロール吐出口にボルトによって固定される場合の、スクロール圧縮機の縦断面図を示す。固定スクロール吐出口にボルトによって固定される場合の、構造体２０００の構成図を示す。構造体パイプ部が直管の場合の列車傾斜及び加減速時の吐出室内油面の拡大縦断面図を示す。列車傾斜及び加減速時の吐出室内の模式図を示す。吐出口軸心を、回転軸軸心に対し上方に向けて設置した場合の、スクロール圧縮機の縦断面図を示す。従来の横型スクロール圧縮機の縦断面図を示す。従来の横型スクロール圧縮機の縦断面図を示す。従来技術での圧縮機の傾斜の有無による、圧縮機運転時の油面高さの模式図を示す。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

本発明の実施例の圧縮機を、図１〜図５を用いて説明する。図１は本発明実施例のスクロール圧縮機の縦断面図、図２は固定スクロール吐出口に取付けられる構造体の構成図である。図１及び図２は、その構造体２０００のパイプ部２００１が直管で、かつ固定スクロール１００にボルト２００４によって固定されている場合について示している。図３は列車傾斜及び加減速時の吐出室内油面の拡大縦断面図、図４は列車傾斜時及び加減速時の吐出室内の模式図である。

スクロール圧縮機１は、圧縮機構部２と駆動部３と給油機構部４と回転軸３００とを密閉容器７００内に収納して構成されている。本実施例では、図１右から、圧縮機構部２，駆動部３，給油機構部４の順に配設されており、回転軸３００を介して圧縮機構部２，駆動部３及び給油機構部４が連結されている横型スクロール圧縮機である。

圧縮機構部２は、固定スクロール１００と旋回スクロール２００とフレーム４００とを基本要素として構成されている。フレーム４００は密閉容器７００に固定され、転がり軸受４０１を配設する部材を構成している。固定スクロール１００は、台板１０１とスクロール渦巻体１０２と吸入口１０３と吐出口１０４とを基本要素として構成され、フレーム４００にボルト４０５により固定されている。スクロール渦巻体１０２は、台板１０１の一側に垂直に立設されている。旋回スクロール２００は、台板２０１とスクロール渦巻体２０２と旋回スクロール軸受部２０３と、旋回スクロール軸受部２０３に配設されたすべり軸受２１０とを基本要素として構成されている。スクロール渦巻体２０２は、台板２０１の一側に垂直に立設されている。旋回スクロール軸受部２０３は、台板２０１の他側（反渦巻体側）に垂直に突出して形成されている。

固定スクロール１００と旋回スクロール２００とを噛み合わせて構成した圧縮室１３０は、旋回スクロール２００が旋回運動することによりその容積が減少する圧縮動作が行われる。この圧縮動作では、旋回スクロール２００の旋回運動に伴って、作動流体が吸入管７１１及び吸入口１０３を経由して圧縮室１３０へ吸込まれ、吸込まれた作動流体が圧縮行程を経て固定スクロール１００の吐出口１０４から密閉容器７００内に吐出され、さらに吐出管７０１を経由して密閉容器７００から吐出される。これによって、密閉容器７００内の空間は吐出圧力に保たれる。この圧縮機はいわゆる高圧チャンバ型である。

密閉容器７００は、フタキャップ７１０及びソコキャップ７２０を有している。フタキャップ７１０及びソコキャップ７２０は密閉容器の中央筒部に対して外側に被せるように嵌合され、その嵌合端部が溶接トーチにより、図中斜め下方及び斜め上方から加熱されて溶着される。密閉容器７００内は、圧縮機構部２及び仕切板１０００によって図１右から吐出室１０，電動機室２０，ポンプ室３０に仕切られる。

旋回スクロール２００を旋回駆動する駆動部３は、ステータ６０１及びロータ６０２からなる電動機６００と、回転軸３００と、旋回スクロール２００の自転防止機構の主要部品であるオルダム継手５００と、フレーム４００と、転がり軸受４０１，８０３と、旋回スクロール軸受部２０３と、旋回スクロール軸受部２０３に配設されたすべり軸受２１０とを基本要素として構成されている。

電動機６００は、回転軸３００を介して圧縮機構部２を駆動する回転駆動手段を構成するものであり、ステータ６０１とロータ６０２を基本要素として構成されている。ステータ６０１は密閉容器７００に取付けられている。ステータ６０１の外周面は密閉容器７００の内周面にほぼ密着して形成されている。

回転軸３００は、主軸部３０２とクランクピン３０１と副軸受支持部３０３とを一体に備えて構成されている。主軸部３０２と副軸受支持部３０３とは、同一軸心に形成され、主軸部分を構成している。さらに、回転軸３００の下端部には、給油機構部４に回転軸の回転を伝えるポンプ継手３０４が圧入されている。転がり軸受４０１，８０３は回転軸３００の主軸部３０２及び副軸受支持部３０３を回転自在に支持する回転軸支持部を構成する。旋回スクロール軸受部２０３は、その内径にすべり軸受２１０が圧入され、回転軸３００のクランクピン３０１を回転軸方向であるスラスト方向に移動可能かつ回転自在に支持するように、旋回スクロール２００に備えられている。

転がり軸受４０１は電動機６００の図中右側に配置され、副軸受部８００の主要部を構成する転がり軸受（副軸受）８０３は電動機６００の図中左側に配置されている。転がり軸受４０１，８０３は、電動機６００の両側で主軸部分を支持する主軸用軸受を構成する。

転がり軸受８０３は副軸受部８００の主要部を構成するものである。密閉容器７００に固定された下フレーム８０１にハウジング８０２がボルト８０５を介して固定されている。ハウジング８０２に転がり軸受８０３が図中右側から挿入され、その右側からさらにハウジングカバー８０４が取付けられている。

圧縮機構部２は、電動機６００に連結した回転軸３００の回転によりクランクピン３０１が偏心回転すると、旋回スクロール２００がオルダム継手５００の自転防止機構により固定スクロール１００に対し自転せずに旋回運動を行い、ガスを吸入管７１１及び吸入口１０３を介してスクロール渦巻体１０２及び２０２で形成される圧縮室１３０に吸入する。旋回スクロール２００の旋回運動により、圧縮室１３０は中央部へ移動しながら容積を減少してガスを圧縮し、圧縮ガスを吐出口１０４より吐出室１０に吐出する。吐出室１０に吐出されたガスは、圧縮機構部２及び電動機６００の周囲を循環したのち吐出管７０１から圧縮機外へ放出される。

バランスウエイト４０７は、主軸用軸受である転がり軸受４０１より電動機側（反クランクピン側）に位置して回転軸３００に設けられている。

給油機構部４はポンプ室３０に設けられ、給油ポンプ９００，ポンプケース９０１，給油管９０２によって構成される。給油ポンプ９００としてはトロコイド型ポンプが用いられる。給油ポンプ９００とポンプケース９０１はシール性を高めるため、パッキンによって密閉されることが望ましい。回転軸３００が回転されると、給油ポンプ９００により油溜り部７３０の油が給油管９０２を介してポンプケース９０１に吸い上げられ、回転軸内の油通路３１１より各軸受に給油される。

仕切板１０００は密閉容器７００及び下フレーム８０１に固定され、この仕切板１０００には、圧縮された冷媒ガスを通す上部連通路（図８における１００１）と、油が通過する下部連通路（図８における１００２）と、が設けられている。上部連絡通路の面積は、下フレーム８０１に設けられたガス通路の面積よりも小さく構成される。

これにより、圧縮機運転中は、電動機室２０内とポンプ室３０内に差圧が生じ、ポンプ室３０内の圧力が電動機室２０内の圧力よりも低くなるため、ポンプ室３０内油溜り部７３０の油面が電動機室２０内の油面よりも高く保たれる。これにより、給油機構部４給油管９０２からの給油の確実性を高めている。なお、図１は圧縮機停止時の図として表されており、油面は一定となっている。

固定スクロール１００の吐出口１０４に設置された構造体２０００は、台板１０１へのボルト２００４での締結または吐出口１０４への圧入によって固定スクロール１００に固定される。ボルト２００４によって構造体２０００を固定スクロール１００に固定する場合、構造体２０００は台座部２００２，パイプ部２００１，ボルト２００４で構成される。

図２（ｂ）にボルトで構造体２０００を固定する場合の構造体２０００の構成を示す。台座部２００２は、図２（ａ）に示すようにボルト穴の他に内部に貫通穴を有し、貫通穴部が吐出口１０４外縁を完全に包含するようボルト２００４によって固定スクロール１００に固定される。固定スクロール１００と台座部２００２のシール性を高める目的で、台板１０１と台座部２００２との間にパッキン２００３を設置することが望ましい。台座部２００２とパイプ部２００１は、ロー付けまたは絞り加工等での一体化によって、パイプ部２００１の一端が台座部２００２の穴部を完全に包含するよう接続される。

圧入によって構造体２０００を固定スクロール１００に固定する場合、構造体２０００はパイプ部２００１及び圧入部２００５で構成される。

ここで、パイプ部２００１の満たす条件について説明する。パイプ部２００１は、円筒パイプであり、両端の開口部以外に開口部を持たない。パイプ部２００１は、圧縮室１３０から吐出される冷媒ガスの流れの妨げとならないよう、内径の断面積が吐出口１０４の断面積よりも大きいことが望ましい。またパイプ部２００１内部に油が溜まらないよう、パイプ部２００１の軸心の、吐出口１０４の軸心に対する角度は、パイプ部２００１の固定スクロール固定部側から開口部側に向かって単調増加するものとする。

図１に、パイプ部２００１を直管とし、ボルトで固定スクロール１００に固定した場合のスクロール圧縮機の縦断面図を示す。吐出口１０４より吐出された冷媒ガスを上方に向けて吐出するために、パイプ部２００１は少なくとも、吐出口１０４の軸心よりも上方に開口する。即ち構造体２０００は、パイプ部２００１の円筒部側面の下弦が吐出口１０４の軸心の延長線と交わるように構成される。

本実施例で考える列車搭載用圧縮機では、列車の傾斜や加減速によって圧縮機内油面に傾きが生じる。この場合の、パイプ部２００１が満たす条件について、図３及び図４にて説明する。図３に、構造体パイプ部２００１が直管の場合の、列車傾斜及び加減速時の吐出室１０内油面の拡大縦断面図を示す。

図３のように、
水平面に対する列車の傾斜φ、
列車の加減速による水平面に対する油面の傾きΨとし、
フタキャップ７１０内壁と圧縮機軸心との交点と吐出口１０４端面との距離Ｄ、
パイプ部２００１の円筒部側面の下弦の両端間距離Ｌ、
パイプ部２００１の円筒部側面の下弦の両端間を結んだ直線が圧縮機構部２の軸心となす角度θ
とする。φ及びΨは時計回りを正とし、θは反時計回りを正とする。

このとき、図４（ｂ）のように列車の傾斜により吐出室１０内油面高さは図４（ａ）に比して最大Ｄtanφ上昇する。加えて列車の加減速により、図４（ｃ）のように吐出室１０内油面高さは最大Ｄtan（Ψ−φ）上昇する。これらを合わせて、列車の傾斜及び加減速により吐出室１０内の油面高さは最大Ｄ｛tanφ＋tan（Ψ−φ）｝上昇する。パイプ部２００１は吐出室１０内の最高油面よりも上部に開口するため、図４（ａ）のように、列車が水平かつ加減速していない場合の、油面と吐出口１０４下端との距離ｈとすると、パイプ部２００１はＬsinθ＋ｈ＞Ｄ｛tanφ＋tan（Ψ−φ）｝を満たしている必要がある。

次に油が最も吐出口１０４に侵入し易い場合、即ち吐出室１０内油面高さが最高となる場合に、Ｌ及びθの満たす条件について説明する。始めに列車が水平かつ加減速していない場合の、油面と吐出口１０４下端との距離ｈについて説明する。列車が水平かつ加減速していない場合において、吐出室１０内の油面は吐出口１０４より下部にあるため、ｈ≧０である。よって油面が吐出口１０４の下端と一致するｈ＝０が最も油が吐出口１０４に浸入し易い条件である。

次に列車の加減速による油面の傾きΨについて説明する。列車の加減速による油面の傾きは、慣性力によって生じる。列車の加減速度αとすると、油面には単位質量当たり、重力ｇに加え慣性力−αが働くため、油面は重力と慣性力の合成力に垂直になるよう傾く。これにより列車の加減速による油面の傾きΨは

で表される。列車の加減速度としては、現時点最大規模と考えられる路面電車の起動加減速度がα＝３.６ｍ／sec²であるため、この加減速度による油面の傾き２０°を本実施例で考慮するΨの最大値とする。次に列車の傾斜について説明する。列車の傾斜としては、現時点最大規模と考えられる登山鉄道の最大勾配が４８０‰であるため、この最大勾配による傾斜角２６°を本実施例で考慮するφの最大値とする。以上より吐出室１０内油面高さが最高となる場合の、Ｌ及びθの満たす条件は

つまり、

である。このとき、パイプ部２００１は、列車の傾斜角２６°以下かつ列車の加減速度が３.６ｍ／sec²以下の場合において、吐出室１０内の最高油面よりも上部に開口する。これにより油が吐出口１０４から圧縮室内に浸入することによって生じる渦巻体への負荷の増大を防ぎ、圧縮機の信頼性を向上する。また、圧縮機の許容傾斜角の上限を２６°まで拡大することができる。また、圧縮機を傾斜させて空気調和機に搭載した場合と比較し、高さ方向により小さい空間に圧縮機を収納でき、空気調和機を小型化することができる。

図５に本実施例でのスクロール圧縮機の縦断面図を示す。スクロール圧縮機１は、圧縮機構部２と駆動部３と給油機構部４と回転軸３００とを密閉容器７００内に収納して構成されている。本実施例では、図５右から、固定スクロール１００と旋回スクロール２００とフレーム４００を基本構成とする圧縮機構部２，駆動部３，給油機構部４の順に配設され、回転軸３００を介して圧縮機構部２，駆動部３と給油機構部４が連結されている横型スクロール圧縮機である。密閉容器７００内は、圧縮機構部２によって図５右から、吐出室１０，電動機室２０に仕切られる。

旋回スクロール２００とともに圧縮室１３０を形成する固定スクロール１００は、台板１０１とスクロール渦巻体１０２と吸入口１０３と吐出口１０４とを基本要素として構成される。

吐出口１０４は、冷媒を回転軸３００の軸心方向より上方に向けて吐出するよう、吐出口１０４の軸心を、回転軸３００の軸心方向より上方に向けて設置される。この図５の吐出口１０４の加工は、例えば固定スクロールを刃具に対し、斜めに固定し加工することで実現可能である。

これにより、従来の構造に比べ、吐出口１０４の吐出室１０側の下端を高くすることができる。これにより、吐出室１０内の油が吐出口１０４から圧縮室１３０内へ浸入するのを抑制できる。よって渦巻体への負荷の増大を防止し、圧縮機の信頼性を向上する。

以上のとおりであり各実施例によれば、従来の圧縮機に対し、圧縮室内へ油が浸入しにくくすることができ、圧縮機の信頼性を高めることができる。また、圧縮機の許容傾斜角の上限を拡大することができる。また、圧縮機を傾斜させて空気調和機に搭載した場合に対して、高さ方向により小さい空間に圧縮機を収納でき、空気調和機を小型化することができる。

１スクロール圧縮機
２圧縮機構部
３駆動部
４給油機構部
５軸受部
１０吐出室
２０電動機室
３０ポンプ室
１００固定スクロール
１０１，２０１台板
１０２，２０２渦巻体
１０３吸入口
１０４吐出口
１３０圧縮室
２００旋回スクロール
２０３旋回スクロール軸受部
２１０すべり軸受
３００回転軸
３０１クランクピン
３０２主軸部
３０３副軸受支持部
３０４ポンプ継手
３１１油通路
４００フレーム
４０１転がり軸受
４０５，８０５，２００４ボルト
４０７バランスウエイト
５００オルダム継手
６００電動機
６０１ステータ
６０２ロータ
７００密閉容器
７０１吐出管
７１０フタキャップ
７１１吸入管
７２０ソコキャップ
７３０油溜り部
８００副軸受部
８０１下フレーム
８０２ハウジング
８０３転がり軸受（副軸受）
８０４ハウジングカバー
９００給油ポンプ
９０１ポンプケース
９０２給油管
９０３可撓部
１０００仕切板
１００１上部開口部
１００２下部開口部
２０００構造体
２００１パイプ部
２００２台座部
２００３パッキン
２００５圧入部

Claims

回転軸の回転によって、固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成される圧縮室の容積を減少させることで冷媒を圧縮し、吐出口から密閉容器の中に冷媒を吐出する高圧チャンバ型の横型スクロール圧縮機において、
前記吐出口の軸心より上方に向けて冷媒を吐出するよう前記吐出口に配設された円筒状の構造体を有し、
前記吐出口の軸心を延長した線が前記円筒状の構造体と交わるよう前記構造体の寸法と取り付け角度とを調整した
ことを特徴とする横型スクロール圧縮機。
請求項１において、
前記吐出口の軸心を延長した線が前記構造体の円筒部の下弦と交わる
ことを特徴とする横型スクロール圧縮機。
請求項２において、
前記円筒部の下弦の両端間距離をＬ、
前記円筒部の下弦の両端間を結んだ直線と前記回転軸の軸心とのなす角度をθ、
前記密閉容器を構成するフタキャップの内壁と前記軸心との交点と、前記吐出口の端面との距離をＤとし、
これらの関係が、

であることを特徴とする横型スクロール圧縮機。