JP2013241886A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】低トルク変動と、吸入容積比の確保を両立させた圧縮機を提供する。
【解決手段】偏心軸により公転運動する旋回スクロールと、固定スクロールとを具備する圧縮機であって、旋回スクロールには、インボリュート曲線からなる渦巻状ラップが、複数枚同一平面状に設置され、各渦巻状ラップのインボリュート曲線は、渦巻状ラップの先端側から、偏心軸の軸心側の渦巻状ラップの巻き終わり部に向けて、伸開角が増大するように形成され、各渦巻状ラップの巻き終わり部の一方の外壁と他方の内壁は相互に滑らかな曲線で連結し、固定スクロールのラップ形状は、旋回スクロールの渦巻状ラップの公転運動に伴う軌跡の包絡線で構成されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機、特に、車両用空調装置に用いられる小型軽量な圧縮機に関する。

一般的に圧縮機に要求される要素として、体格の小型化、高性能（成績係数ＣＯＰ）、低騒音・低振動、高信頼性、低コストなどが求められている。特に、小型化には、重量が軽くなり車両燃費が良くなる点、重量が軽くなり騒音・振動が小さくなる（ユーザーの快適性ＵＰ）点、材料費の節減になる点、車両への搭載性が良くなる点などの様々な利点が挙げられる。また、電気自動車（ＥＶ）ではエンジンがなく、ユーザーが騒音・振動（ＮＶ）に、より敏感になるため、低騒音・低振動が求められている。

従来、車両用空調装置に用いられる圧縮機としてはレシプロ式圧縮機や、特許文献１のようなスクロール式圧縮機などがある。これらの圧縮機には、以下のような問題点がある。すなわち、小型化するためには高速運転し容量を小さくすることが行われているが、レシプロ式圧縮機においてはピストンが往復運動するため、高速運転時には騒音・振動が増大するという問題がある。また、スクロール式圧縮機の場合には、旋回運動でありかつ容積変化が緩やかであるため、トルク変動も小さく低騒音・低振動であるものの、圧縮部の断面積に占める吸入容積の割合（吸入容積比）が比較的小さく、負荷の大きな車両用空調装置などにおいては充分な吸入容積を確保する必要があって、小型化できないという問題があった。

特開平０４−１２４４８３号公報

本発明は、上記問題に鑑み、小型軽量な圧縮機であって、低トルク変動と、吸入容積比の確保を両立させた圧縮機を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ハウジング（７〜９）と、偏心軸（４’、４’’）を有するクランクシャフト（４）を回転駆動する駆動部（３）と、前記偏心軸（４’、４’’）により公転運動する旋回スクロール（５）と、前記ハウジング（７〜９）に固定された固定スクロール（６）とを具備する圧縮機であって、前記旋回スクロール（５）には、インボリュート曲線からなる渦巻状ラップが、複数枚同一平面状に設置され、前記各渦巻状ラップのインボリュート曲線は、前記渦巻状ラップの先端側（５１）から、前記偏心軸（４’、４’’）の軸心（Ｏ３）側の前記渦巻状ラップの巻き終わり部（５４）に向けて、伸開角が増大するように形成され、前記各渦巻状ラップの巻き終わり部の一方の外壁（５２）と他方の内壁（５３）は相互に滑らかな曲線で連結し、前記固定スクロール（６）のラップ形状（６０）は、前記旋回スクロール（５）の渦巻状ラップの公転運動に伴う軌跡の包絡線で構成された圧縮機である。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態の断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った圧縮機構の断面図である。 本発明の第１実施形態の作動説明図（旋回スクロールが時計回り）である。 本発明の第１実施形態の作動説明図（旋回スクロールが反時計回り）である。 本発明の第１実施形態と従来技術との圧縮室の必要径の比較を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態と従来技術との吸入容積比を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のトルク変動幅の説明図である。 本発明の第２実施形態の断面図である。 本発明の第２実施形態の断面図である。 本発明の第３実施形態の断面図である。 本発明の第３実施形態の部分説明図である。 本発明の第３実施形態の偏心軸４’’にかかるモーメントの説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。本発明の一実施形態として、車両用空調装置に用いられる圧縮機で説明するが、これに限定されるものではなく、車両用だけでなく、家庭用の空調装置に適用することもできる。また、一般的な産業用においても、本発明は実施できるものである。ここでは、クランクシャフトが電動モータで駆動される圧縮機として説明するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ベルト伝動で駆動するタイプであっても良い。

（第１実施形態）
図１、２に示すように、本発明の第１実施形態は、インボリュート曲線からなる渦巻状ラップ５−１〜５−３が、３枚の場合の３気筒の実施形態である。図５に第１実施形態と従来技術のスクロール式圧縮機が明示されている。従来のスクロール式では、インボリュート曲線の基礎円側（これを先端側又は巻き始め側という）が中央にあるが、図２に示すように、第１実施形態では中央から離れた位置に、インボリュート曲線の先端側５１が設置されており、渦巻状ラップの巻き終わり部５４が、中央側にあって、従来技術とは逆になっている。

３枚の渦巻状ラップ５−１〜５−３のそれぞれにおいて、渦巻状ラップの先端側５１（インボリュート曲線の開始）から、偏心軸４’の軸心Ｏ３側の渦巻状ラップの巻き終わり部５４（インボリュート曲線の終了）に向けて、伸開角が増大するように形成されている。渦巻状ラップの先端側５１において、インボリュート曲線の伸開角は、外側ラップ（ラップの外壁５２）の場合は概ね１００°程度から増大させて、巻き終わり部５４で３００°程度にすると、トルク変動などに効果的である。内側ラップ（ラップの内壁５３）の場合は外側よりも２００°程度進ませた伸開角の範囲になる。なお、先端側５１においては、伸開角は１００°程度より小さくても実施可能であり、巻き終わり部５４は３００°以下であっても良い。各渦巻状ラップの巻き終わり部５４においては、一方のラップの外壁５２と他方のラップの内壁５３は、相互に滑らかな曲線で連結している。この曲線は通常インボリュート曲線のほか、円弧や楕円曲線などを使用するが、任意の曲線を使用しても良い。一方、渦巻状ラップの先端側５１から最先端までの外壁や内壁の曲線は、強度を考慮して厚みを持たせたり、適宜の曲線を使用して形成する。円弧や楕円曲線などを使用すると良い。

インボリュート曲線からなる渦巻状ラップ５−１〜５−３は、通常、ラップの中央の連結した線を基準のインボリュート曲線として形成する。ラップ厚さを一定にすれば、内壁５３と外壁５２もインボリュート曲線となる。固定スクロール６のラップ形状６０は、旋回スクロール５の渦巻状ラップの公転運動に伴う軌跡の包絡線で構成される。固定スクロール６と旋回スクロール５とで圧縮機構２を構成する。

以下、図１〜４を参照して、本発明の第１実施形態を詳説する。これは圧縮室Ｃ（内側室Ｃｉ、外側室Ｃｏ）を３つ有し、クランクシャフト４が電動モータ３で駆動する圧縮機の実施形態である。圧縮機１内には、圧縮機構２と電動モータ３が収納されている。クランクシャフト４には、一体に偏心軸４’が形成されている。偏心軸４’の軸心Ｏ３は、クランクシャフト４の軸心Ｏ１回りに、公転運動を行う。クランクシャフト４が時計回りに回転すると、旋回スクロール５が、各圧縮室Ｃの渦巻状ラップ５−１〜５−３（以下、ラップを歯ともいう）の内側で形成される内側室Ｃｉが、回転につれ大きくなる方向（図３参照）に公転運動する。

実際の圧縮が行われる圧縮室は、図３、４に見られるように、旋回スクロール５の公転運動の回転方向によって、内側室Ｃｉ、外側室Ｃｏで行われる。内側室Ｃｉ、外側室Ｃｏとは、概ね歯の内外で分けると、図４の場合の圧縮室が内側室Ｃｉ、図３の場合の圧縮室が外側室Ｃｏである。図３の外側室Ｃｏは、図３（６）の圧縮終了時には、吐出口６４（図４では吸入口として機能）に収束する。また、図４の内側室Ｃｉは、図４（６）の圧縮終了時には、吐出口６１（図３では吸入口として機能）に収束する。

クランクシャフト４を駆動すると、低圧冷媒が吸入管７１から吸入室６３を通り固定スクロール６の吸入口６１へ流入する。クランクシャフト４の回転により旋回スクロール５が固定スクロール６の内壁６０に沿って公転運動を行うことで１２０°位相がずれた圧縮室（図３では、３箇所の外側室Ｃｏ）の流体を順次圧縮する。圧縮された冷媒は、吐出口６４から吐出室１９内に吐出する。高圧冷媒は吐出室１９から吐出管７２へ吐出し、冷凍機回路を循環する。

クランクシャフト４の駆動は、第１実施形態の場合には、電動モータ３で行われる。モータハウジング８には、ステータ３−１が固定され、ロータ３−２はクランクシャフト４に固定されている。ハウジングは、ミドルハウジング７、モータハウジング８、リアハウジング９、カバー８’で密閉容器を形成している。なお、良く知られているような円筒容器にミドルハウジング７を嵌め込み固定した密閉容器としても良い。クランクシャフト４は、それぞれの端部が、カバー８’とミドルハウジング７とで軸受支持されている。ミドルハウジング７は、スラストプレート７’とで構成され、スラストプレート７’が、背圧のもとで旋回スクロール５を支承している。１０は、バランサーである。

クランクシャフト４（軸心Ｏ１）には、鍔部を挟んで偏心軸４’（軸心Ｏ３）が一体に形成されており、偏心軸４’は旋回スクロール５のボス部に挿入され、旋回スクロール５を公転運動させる。旋回スクロール５と、旋回スクロール５の背面のスラストプレート７’の間、又は、旋回スクロール５と固定スクロール６の間に、旋回スクロール５の自転を規制する自転防止機構が設けられている。旋回スクロール５の自転を防止するための機構（例えば、ピン−リング機構やオルダムリング機構）を設けることにより、旋回スクロール５の旋回時の歯による固定スクロール６の摺動損失を低減し、圧縮機の効率を向上させることができる。また、旋回スクロール５の自転を規制することにより、旋回スクロール５を安定して旋回させることが可能となり、圧縮機の信頼性が向上する。

旋回スクロール５の背面には、密閉された空間を設け、この空間の圧力を吐出圧と吸入圧の間の圧力に調整可能にする背圧機構１１が設けられている。背圧機構１１は、吐出室１９に連通している。この空間内の圧力を吐出圧と吸入圧の間の圧力に任意に調整する背圧制御機構（絞りなど）を設けることにより、旋回スクロール５をスラストプレート７’に押付ける場合には旋回スクロール５に働くスラスト荷重を低減してスラスト荷重を低減して圧縮機の効率を向上することができる。また、旋回スクロール５を固定スクロール６側に押付ける場合には、歯先の漏れを低減して圧縮機の効率を向上することが可能となる。

吐出口６４（３箇所）には、それぞれリードバルブが設けられている。リードバルブの代わりに、後述する逆流防止装置により、吸入口と吐出口において逆流防止機能が切替えられるように構成しても良い。

次に、第１実施形態の作動について、図３、４を参照して説明する。まず、旋回スクロールが時計回りの場合の図３について、１気筒分を説明する。図３の（１）のクランク角θ＝０°の場合は、吸入が完了して、外側室Ｃｏにおいて圧縮が開始する位置である。圧縮は、（１）〜（６）のクランク角θ＝０°〜２２５°に亘って外側室Ｃｏにおいて進行し、吐出口６４から吐出室１９に送り出される。その後、吸入工程が（７）〜（１）において継続して、再度同じサイクルが繰り返される。内側室Ｃｉにおいては、クランク軸の回転につれ拡張しているので吸入工程が進行して、（６）のクランク角θ＝２２５°以降、２つの内側室Ｃｉが連通して、外側室Ｃｏに移行する。１２０°ずれて、３気筒で同様な圧縮が進行する。

次に、旋回スクロールが反時計回りの場合の図４について、１気筒分を説明する。図４の場合の作動では、図１において、６４が吸入口であり、６１が吐出口となる。７２は、吸入管、７１は吐出管、１９が吸入室、６３が吐出室となる。リード弁は６１側に設置されている。クランク角θは、反時計回りに計測する。図４の左下の（８）のクランク角θ＝３１５°過ぎた辺りから、吸入が完了して、内側室Ｃｉにおいて圧縮が開始する。圧縮は、（１）〜（６）のクランク角θ＝０°〜２２５°に亘って内側室Ｃｉにおいて進行し、吐出口６１から吐出室６３に送り出される。その後、吸入工程が継続し、再度同じサイクルが繰り返される。外側室Ｃｏにおいては、クランク軸の回転につれ拡張しているので吸入工程が進行する。１２０°ずれて、３気筒で同様な圧縮が進行する。

このように、電動モータ３の切り替え等によって、クランクシャフトの回転方向を正転（図３の時計回りに回転）、逆転した場合（図４の反時計回りに回転）の双方とも、本実施形態の圧縮機は圧縮可能であるため、暖房と冷房を同一のシステムで行う空調用ヒートポンプシステムの圧縮機として有用である（通常のヒートポンプシステムにおける冷媒回路の方向切替回路が不要となる）。なお、正逆転する場合は、吸入口と吐出口が逆となるため、吐出弁を取り外して弁無しにするか、回転方向によって逆流防止機能を切り替える逆流防止装置が、必要となる。このような装置としては、例えばポペット弁を吸入孔と吐出孔の両方に配置し、それぞれの座受け部に電磁石を配置し、弁を鉄材で構成した装置などが考えられる。電動モータの回転方向によって、通電するポペット弁を切り替えることによって、吸入口や吐出口での逆流防止機能を切り替えることが可能となる。

従来、冷房と暖房を一つのシステムで行うことには、家電のルームエアコンのように複雑な配管となることが大きな課題となっていた。今後、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）などのカーエアコンは、システム性能（成績係数ＣＯＰ）の良いヒートポンプシステムにして、暖房を行っていくことが予想されている。本実施形態では、冷房と暖房の切り替えを、圧縮機の圧縮方向の切り替えだけで行うことができるので、ヒートポンプシステムを極めてシンプルなものにして小型化することができる。

本実施形態によると、インボリュート曲線の曲率差の大きな範囲で吸入室を構成し、かつ多気筒化できるため、図５のように従来のスクロール型圧縮機に比べて吸入断面積を同等とした場合に、径で２８％、さらに軸長が同等とすれば体格で３３％小さくすることができる。また、同一の径に占める吸入容積の比を、図６のように比較すると、吸入容積比としてはスクロール型圧縮機の２６％に比べて、本実施形態では３９％に増大する。
本実施形態の方が体格において小さいため、同一体格で比較すると、本実施形態の吸入容積を１とすると、従来技術の吸入容積は０．６７となる。したがって、吸入容積を同等とすると、従来技術では回転数を１．５倍にしなければならない。このことから、従来技術では騒音・振動が２倍程度悪化すると考えられ、本実施形態では、騒音・振動においても従来技術に比して効果が認められる。クランクシャフト４の駆動を電動モータで行ういわゆる電動圧縮機に適用すると、特に、小型軽量のニーズが高い電気自動車用の空調システム用の圧縮機として有用である。なお、ベルト駆動の圧縮機として用いた場合も、エンジンコンパートメント内の小型化に貢献することができるため、本発明は有用である。

さらに、トルク変動については、多気筒化したことにより、図７（イ、ロ、ハは各気筒のトルク変動）に示すように、従来のスクロール型圧縮機と平均値も変動幅も同等にすることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態の場合には、旋回スクロール５の渦巻状ラップが、３枚の場合であったが、図８に示すように、第２実施形態においては、旋回スクロール５の渦巻状ラップが、２枚の場合で２気筒とした場合である。配置を工夫して、図９のように渦巻状ラップが、２枚の場合を並列させても良い。本実施形態においても、第１実施形態の場合と同様な効果が得られる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、図１０、１１に示すように、クランクシャフト４の偏心軸４’’（軸心Ｏ３）を、シャフト本体とは別体で構成した実施形態である。偏心軸４’’には、シャフト本体に打ち込んだ従動ピン４１と同軸、かつほぼ同径の孔４１’が設けられている。この偏心軸４’’に従動ピン４１を挿入して、従動ピン４１中心Ｏ２回りに、回転可能に構成したものである。その他は、第１実施形態と同じである。この時、偏心軸４’’（旋回スクロール５）に働く慣性力や圧縮反力などの合力Ｆを適宜考慮して、従動ピン４１中心Ｏ２の位置を設定する。そして、旋回スクロール５の歯側面（外壁５２）が、固定スクロール６の歯側面（ラップ形状６０）を押付ける方向に、偏心軸４’’にモーメントＭが働くようにする。図１２においては、合力Ｆによって生じる、従動ピン４１中心Ｏ２の回りのモーメントＭが、偏心軸４’’を介して、旋回スクロール５の歯側面が、固定スクロール６の歯側面を押付けるようにしている。これにより、歯側面の漏れが低減し、圧縮機の効率を向上させることができる。

３ 駆動部、電動モータ
４ クランクシャフト
５ 旋回スクロール
６ 固定スクロール

Claims (5)

1. ハウジング（７〜９）と、偏心軸（４’、４’’）を有するクランクシャフト（４）を回転駆動する駆動部（３）と、前記偏心軸（４’、４’’）により公転運動する旋回スクロール（５）と、前記ハウジング（７〜９）に固定された固定スクロール（６）とを具備する圧縮機であって、
   前記旋回スクロール（５）には、インボリュート曲線からなる渦巻状ラップが、複数枚同一平面状に設置され、
   前記各渦巻状ラップのインボリュート曲線は、前記渦巻状ラップの先端側（５１）から、前記偏心軸（４’、４’’）の軸心（Ｏ３）側の前記渦巻状ラップの巻き終わり部（５４）に向けて、伸開角が増大するように形成され、前記各渦巻状ラップの巻き終わり部の一方の外壁（５２）と他方の内壁（５３）は相互に滑らかな曲線で連結し、
   前記固定スクロール（６）のラップ形状（６０）は、前記旋回スクロール（５）の渦巻状ラップの公転運動に伴う軌跡の包絡線で構成された圧縮機。
2. 前記駆動部（３）が電動モータであり、前記旋回スクロール（５）の旋回方向を正転、逆転可能にして流体を圧縮することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記旋回スクロール（５）の背面に密閉された空間を設けるとともに、この空間の圧力を、吐出圧と吸入圧の間の中間圧力に調整する背圧機構（１１）を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記クランクシャフト（４）の偏心軸（４’’）を、シャフト本体とは別体で構成し、該シャフト本体に従動ピン（４１）を設け、該従動ピン（４１）を、前記偏心軸（４’’）が前記従動ピン（４１）中心（Ｏ２）回りに回転可能になるように、前記偏心軸（４’’）に挿入したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機。
5. 前記旋回スクロール（５）の前記渦巻状ラップが、２枚又は３枚、同一平面状に設置されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧縮機。

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