JP2016003645A - スクロール圧縮機および空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回スクロールを高速で旋回させた場合であっても優れた強度を有するスクロール圧縮機およびこのスクロール圧縮機を備えている空気調和機を提供する。
【解決手段】本発明のスクロール圧縮機１は、旋回スクロール１００と固定スクロール２００とを備え、これらの旋回スクロール１００および固定スクロール２００により作動ガスを圧縮するスクロール圧縮機であって、旋回スクロール１００が球状黒鉛鋳鉄で形成され、固定スクロール２００がねずみ鋳鉄で形成されていることを特徴とする。また、本発明の空気調和機は、上記スクロール圧縮機１を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍用や空調用などの冷凍サイクル等に使用されるスクロール圧縮機およびこのスクロール圧縮機を備えている空気調和機に関する。

スクロール圧縮機は、密閉容器内に固定スクロールと旋回スクロールとを備え、これらのスクロールをかみ合わせて旋回スクロールを旋回運動させることにより両スクロール間の密閉室内に導入された作動ガスを圧縮する。

従来、このようなスクロール圧縮機のスクロールは、固定スクロールおよび旋回スクロールの材料にねずみ鋳鉄を用いたものや、固定スクロールの材料にねずみ鋳鉄を用い、かつ旋回スクロールの材料に半溶融ダイキャスト法で形成した鋳鉄を用いたものなどが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−５２５６４号公報

近年、環境負荷低減のための材料使用量の削減などの観点から、スクロール圧縮機の小型化の要求が高まっている。スクロール圧縮機を小型化した場合、従来のスクロール圧縮機と同程度の圧縮能力を確保するためには、旋回スクロールおよび固定スクロールのラップ間に形成される密閉室の容量が小さくなる分、より高速で旋回スクロールを旋回運動させる必要がある。

しかしながら、旋回スクロールを高速で旋回させた場合、旋回スクロールの遠心力が増加するため、旋回スクロールやその軸受等に大きな負荷がかかり、これらの部材が破損するおそれがある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、旋回スクロールを高速で旋回させた場合であっても優れた強度を有するスクロール圧縮機およびこのスクロール圧縮機を備えている空気調和機を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた発明は、旋回スクロールと固定スクロールとを備え、これらの旋回スクロールおよび固定スクロールにより作動ガスを圧縮するスクロール圧縮機であって、上記旋回スクロールが球状黒鉛鋳鉄で形成され、上記固定スクロールがねずみ鋳鉄で形成されていることを特徴とするスクロール圧縮機である。

また、本発明は、当該スクロール圧縮機を備えている空気調和機である。

なお、本明細書において、「引張強さ」とは、ＪＩＳ Ｚ２２４１−２０１１に規定されている引張強さを意味する。また、本明細書において、「ブリネル硬さ（ＨＢ）」とは、ＪＩＳ Ｚ２２４３−２００８に規定されているブリネル硬さを意味する。

本発明は、旋回スクロールを高速で旋回させた場合であっても優れた強度を有するスクロール圧縮機およびこのスクロール圧縮機を備えている空気調和機を提供することができる。

本発明のスクロール圧縮機の一実施形態の要部を示す概略縦断面図である。 実施例および比較例の耐摩耗性の評価結果を示す図である。 本発明の空気調和機の冷凍サイクル系統図である。

＜スクロール圧縮機＞
本発明のスクロール圧縮機は、上述したように、旋回スクロールと固定スクロールとを備え、これらの旋回スクロールおよび固定スクロールにより作動ガスを圧縮するスクロール圧縮機であって、前記旋回スクロールが球状黒鉛鋳鉄で形成され、前記固定スクロールがねずみ鋳鉄で形成されていることを特徴とする。旋回スクロールは、ねずみ鋳鉄に比べて引張強さの大きい球状黒鉛鋳鉄で形成されているので、旋回スクロールを構成する台板やラップ等の強度を維持しつつ、これらの厚みを小さくして当該旋回スクロールの軽量化を図ることができる。その結果、本発明のスクロール圧縮機は、旋回スクロールの小型化に伴い旋回運動を高速化した場合であっても、遠心力の増加を抑制して優れた強度を有する。

なお、本明細書において、「スクロール圧縮機」は、開放型スクロール圧縮機および密閉型スクロール圧縮機の両者を含む概念である。

上記球状黒鉛鋳鉄としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ５５０２−２００１に規定のＦＣＤ３５０−２２、ＦＣＤ３５０−２２Ｌ、ＦＣＤ４００−１８、ＦＣＤ４００−１８Ｌ、ＦＣＤ４００−１５、ＦＣＤ４５０−１０、ＦＣＤ５００−７、ＦＣＤ６００−３、ＦＣＤ７００−２、ＦＣＤ８００−２等が挙げられるが、本発明は、かかる例示にのみ限定されるものではない。

上記ねずみ鋳鉄としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ５５０１−１９９５に規定のＦＣ１００、ＦＣ１５０、ＦＣ２００、ＦＣ２５０、ＦＣ３００、ＦＣ３５０等が挙げられるが、本発明は、かかる例示にのみ限定されるものではない。

以下に、本発明のスクロール圧縮機を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明のスクロール圧縮機の一例である密閉型スクロール圧縮機の一実施形態の要部を示す概略縦断面図である。

図１に示されるように、本発明に係る密閉型スクロール圧縮機１は、圧縮機構部１１を有し、この圧縮機構部１１は回転軸３を介して図示していない電動機に連結されている。これら圧縮機構部１１、回転軸３および電動機は、密閉容器５内に格納されている。

圧縮機構部１１は、電動機を用いた回転軸３の回転により駆動されて作動ガスを圧縮する。この圧縮機構部１１は、旋回スクロール１００と固定スクロール２００とを備えている。

旋回スクロール１００は、台板１０１の板面に渦巻き状のラップ１０２が立設していると共に、ラップ１０２とは反対側（背面側）にボス部１０３が突設しており、このボス部１０３には旋回軸受１０４が設けられている。

固定スクロール２００は、台板２０１の板面に渦巻き状のラップ２０２が立設したものである。

台板１０１の背面側には自転防止継手１０５が配置されている。この自転防止継手１０５は、旋回スクロール１００を固定スクロール２００に対し自転することなく旋回運動させる自転防止機構としての継手であり、フレーム４に固定されている。

上述した旋回スクロール１００および固定スクロール２００は、ラップ１０２とラップ２０２とが互いに噛み合うように配置されている。

旋回スクロール１００および固定スクロール２００の外周側には吸入口２０３が設けられていると共に、旋回スクロール１００および固定スクロール２００の中心部には吐出口２０４が設けられている。

回転軸３は主軸受４１に軸支され、主軸受４１はフレーム４を介して密閉容器５に固定されている。また、回転軸３の電動機と反対側の端部にはクランプピン３１が取り付けられており、このクランプピン３１は、旋回軸受１０４に係合している。

作動ガスは、密閉型スクロール圧縮機１の内部に導入され、旋回スクロール１００と固定スクロール２００とにより圧縮されるガスである。

作動ガスとしては、例えば、冷凍サイクルにおいて熱を運ぶ気体状の冷媒、コンプレッサーに用いられる空気等が挙げられるが、本発明は、かかる例示にのみ限定されるものではない。

上記冷媒としては、例えば、Ｒ１１、Ｒ１２等のＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）系冷媒；Ｒ２２、Ｒ１２３等のＨＣＦＣ（ヒドロクロロフルオロカーボン）系冷媒；Ｒ３２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ等のＨＦＣ（ヒドロフルオロカーボン）系冷媒；Ｒ２９０、Ｒ７１７、Ｒ７４４等の非フルオロカーボン系冷媒などが挙げられる。

作動ガスとして冷媒を用いる場合、可燃性や毒性等に対する安全性の観点から、作動ガスは、ＨＦＣを含有するが好ましく、オゾン層破壊防止および地球温暖化防止の観点、並びに熱運搬能力向上による圧縮機の小型化等の観点から、Ｒ３２を含有することがより好ましい。なお、Ｒ３２は、密度が低いことに起因してスクロール圧縮機の密閉室から漏出し易い。したがって、Ｒ３２は、漏出防止の観点から、旋回運動の高速化が可能な本発明の密閉型スクロール圧縮機１の作動ガスに適している。

作動ガスがＲ３２を含有する場合、地球温暖化防止性能等を効果的に発現させる観点から、作動ガスは、Ｒ３２を７０質量％以上含有することが好ましく、Ｒ３２を９０質量％以上含有することがより好ましく、Ｒ３２を１００質量％含有（Ｒ３２単一の作動ガス）することが特に好ましい。

次に、密閉型スクロール圧縮機１の動作機構について説明する。圧縮機構部１１おいて、電動機に連結した回転軸３の回転によりクランクピン３１が偏心回転したとき、旋回スクロール１００は自転防止継手１０５により固定スクロール２００に対し自転せずに旋回運動を行う。このとき、吸入口２０３から吸入された作動ガスは、ラップ１０２およびラップ２０２の外周側から、ラップ１０２とラップ２０２との間に形成された密閉室（圧縮室）内に導入される。

そして、作動ガスが導入された上記密閉室は、旋回スクロール１００の旋回運動に伴って該旋回スクロール１００の中央部側へその容積を減少させながら移動し、上記容積の減少により密閉室内の作動ガスが圧縮され、この圧縮された作動ガスは固定スクロール２００に設けられた吐出口２０４から吐出室２０５に吐出される。

旋回スクロール１００を形成する球状黒鉛鋳鉄の引張強さは６００Ｎ／ｍｍ^２以上７００Ｎ／ｍｍ^２未満であることが好ましい。球状黒鉛鋳鉄の引張強さの下限値を６００Ｎ／ｍｍ^２以上とすることで、旋回スクロール１００を構成する台板１０１、ラップ１０２、ボス部１０３等の強度を維持しつつ、これらの厚みを小さくすることができ、その結果、旋回スクロール１００の軽量化による遠心力の低減により旋回運動の高速化を図ることができる。また、引張強さの上限値を７００Ｎ／ｍｍ^２未満とすることで、加工性を向上させることができ、結果として製作コストを低減することができる。

ここで、旋回スクロール１００を構成する台板１０１、ラップ１０２等の厚みについて説明する。旋回スクロール１００を形成する材料を、従来から用いられているねずみ鋳鉄の一例としての上述したＦＣ２５０と比較すると、このＦＣ２５０の引張強さの下限値２５０Ｎ／ｍｍ^２に対し、例えば上記上限値に近い６９９Ｎ／ｍｍ^２の引張強さを有する球状黒鉛鋳鉄を採用した場合、台板１０１、ラップ１０２等の引張強さは約２．８倍となる。これは、台板１０１、ラップ１０２等の厚さをそれぞれ約０．３６倍に小さくしても、ＦＣ２５０を採用した場合と同程度の台板、ラップ等の強度を有していること意味する。

このように、ねずみ鋳鉄に対し引張強さの大きい球状黒鉛鋳鉄を使用することで旋回スクロール１００を構成する台板１０１、ラップ１０２等の強度を維持しつつ、これらの厚みを小さくすることができるので、旋回スクロール１００の軽量化を図ることができる。その結果、密閉型スクロール圧縮機１は、旋回スクロール１００の小型化に伴い旋回運動を高速化した場合であっても、遠心力の増加を抑制して優れた強度を有する。特に、強度増加による軽量化および加工性のバランスの観点から６００Ｎ／ｍｍ^２以上７００Ｎ／ｍｍ^２未満の球状黒鉛鋳鉄を使用することが望ましい。

上述した引張強さが６００Ｎ／ｍｍ^２以上７００Ｎ／ｍｍ^２未満の球状黒鉛鋳鉄としては、例えば、上述したＦＣＤ６００−３等が挙げられるが、本発明は、かかる例示にのみ限定されるものではない。

また、旋回スクロール１００を形成する球状黒鉛鋳鉄は、ブリネル硬さが１７０以上２７０未満であり、固定スクロール２００を形成するねずみ鋳鉄は、引張強さが２５０Ｎ／ｍｍ^２以上３００Ｎ／ｍｍ^２未満、かつブリネル硬さが２４１以下であることが好ましい。球状黒鉛鋳鉄のブリネル硬さ、並びにねずみ鋳鉄の引張強さおよびブリネル硬さを上記範囲とすることで、旋回スクロール１００と固定スクロール２００との接触に伴う耐摩耗性を向上することができ、その結果、摩耗に伴う圧縮性能の低下を抑制することができる。これは、旋回スクロール１００の材料である上記特定の球状黒鉛鋳鉄のブリネル硬さと固定スクロール２００の材料である上記特定のねずみ鋳鉄のブリネル硬さとを同程度の値とすることで、旋回スクロール１００と固定スクロール２００とが接触したときに摩耗し難くなるためである。

上記ブリネル硬さが１７０以上２７０未満である球状黒鉛鋳鉄としては、例えば、上述したＦＣＤ６００−３等が挙げられるが、本発明は、かかる例示にのみ限定されるものではない。

上記ねずみ鋳鉄としては、例えば、上述したＦＣ２５０等が挙げられるが、本発明は、かかる例示にのみ限定されるものではない。

ここで、耐摩耗性について説明する。耐摩耗性の評価に用いた本発明の実施例および比較例の固定スクロール用材料および旋回スクロール用材料の組み合わせを表１に示す。なお、表１中の「種類」は、ねずみ鋳鉄の場合、ＪＩＳ Ｇ５５０１−１９９５に規定の種類の記号を表し、球状黒鉛鋳鉄の場合、ＪＩＳ Ｇ５５０２−２００１に規定の種類の記号を表している。

耐摩耗性は、比較例１の摩耗量に対する各実施例の摩耗量の比（以下、「摩耗量比」ともいう）を算出し、この摩耗量比を指標として評価した。なお、上記摩耗量は、旋回スクロールの材料（種類）を用いて作製した円板状試験片の板面に、固定スクロールの材料（種類）を用いて作成した中空円筒状試験片の軸方向の端面を接触させ、荷重３．０Ｎ／ｍｍ^２、円板状試験片の速度１．８ｍ／ｓ、接触時間１，２００分の条件下で滑り摩耗試験を実施し、試験前後において測定された中空円筒状試験片の軸方向の長さの変化量を意味している。

耐摩耗性の評価結果を図２に示す。図２に示すように、実施例１および２では、それぞれ球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４００およびＦＣＤ５００を使用することで、比較例１に対し引張強さを向上させることができる一方で耐摩耗性は低下している。これは、材料を変更したことで旋回スクロール１００と固定スクロール２００とでブリネル硬さが異なる値となったことに起因する。
したがって、ねずみ鋳鉄ＦＣ２５０と近いブリネル硬さを有するＦＣＤ６００を使用した実施例３の摩耗量比は０．３であった。つまり、実施例３で用いた固定スクロールと旋回スクロールの材料（種類）の組み合わせでは、旋回スクロール１００側の引張強さの向上およびブリネル硬さを同程度としたことにより、比較例１に比べて耐摩耗性が向上していることが分かる。

したがって、本発明に係る密閉型スクロール圧縮機１において、強度向上および耐摩耗性向上の観点から、旋回スクロール１００を形成する球状黒鉛鋳鉄は、引張強さが６００Ｎ／ｍｍ^２以上７００Ｎ／ｍｍ^２未満、かつブリネル硬さが１７０以上２７０未満であり、固定スクロール２００を形成するねずみ鋳鉄は、引張強さが２５０Ｎ／ｍｍ^２以上３００Ｎ／ｍｍ^２未満、かつブリネル硬さが２４１以下であることがより好ましい。このような密閉型スクロール圧縮機１としては、例えば、旋回スクロール１００を形成する球状黒鉛鋳鉄がＪＩＳ Ｇ５５０２−２００１に規定のＦＣＤ６００−３であり、固定スクロール２００を形成するねずみ鋳鉄がＪＩＳ Ｇ５５０１−１９９５に規定のＦＣ２５０である圧縮機等が挙げられる。

＜空気調和機＞
本発明の空気調和機は、上述した当該スクロール圧縮機を備えている。上記空気調和機が当該スクロール圧縮機を備えているので、本発明の空気調和機は、旋回スクロールを高速で旋回させた場合であっても優れた強度を有する。

以下に、本発明の空気調和機の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本明細書では、冷媒としての作動ガスを「ガス冷媒」、液体状の冷媒を「液冷媒」、気液混合状の冷媒を「ガス液混合冷媒」とも称し、単に「冷媒」と表記するときは、ガス冷媒、液冷媒、ガス液混合冷媒のいずれかを問わない。

図３は、本発明の空気調和機の冷凍サイクル系統図である。図３に示されるように、本発明の空気調和機６は、室外機７と、室内機８とを備え、これらはガス配管９１および液配管９２により互いに接続されている。

室外機７は、密閉型スクロール圧縮機１と、四方弁７１と、室外熱交換器７２と、室外膨張弁７３とを備え、それぞれが配管により接続されている。

密閉型スクロール圧縮機１は、低温低圧の作動ガスを高温高圧の作動ガスに圧縮して吐出する。なお、図３の密閉型スクロール圧縮機１は、図１の密閉型スクロール圧縮機１と同様であるため、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

空気調和機６は、四方弁７１を切り替えることで、冷媒の流れが変化し、冷房運転と暖房運転とが切り替わる。室外熱交換器７２は、屋外の空気と冷媒との間で熱交換を行う。室外膨張弁７３は、冷媒を減圧して低温にする。

室内機８は、室内熱交換器８１と、室内膨張弁８２とを備えている。室内熱交換器８１は、冷媒と室内の空気との間で熱交換を行う。室内膨張弁８２は、冷媒を減圧する。

次に、本発明の空気調和機６の動作について、冷房運転を例にとって説明する。なお、図３における矢印は、空気調和機の冷房運転における冷媒の流れを示している。

冷房運転において、四方弁７１は、実線で示すように、密閉型スクロール圧縮機１の吐出側と室外熱交換器７２とを連通させ、密閉型スクロール圧縮機１の吸入側とガス配管９１とを連通させる。

密閉型スクロール圧縮機１から吐出される高温高圧の作動ガスは、四方弁７１を通過し、室外熱交換器７２側に流れる。室外熱交換器７２に流入したガス冷媒は、図示していない室外ファンにより供給される外気と熱交換して凝縮され、液冷媒となる。この液冷媒は、全開状態の室外膨張弁７３および液配管９２を通過して、室内機８に流入する。室内機８に流入した液冷媒は、室内膨張弁８２により減圧されて、低温低圧のガス液混合冷媒となる。この低温低圧のガス液混合媒は、室内熱交換器８１に流入して、図示していない室内ファンにより供給される室内の空気と熱交換されて蒸発し、ガス冷媒となる。この際、室内の空気は、ガス液混合冷媒の蒸発潜熱により冷却され、冷風が部屋内に送られる。その後、室内機８から流出したガス冷媒は、ガス配管９１を通過し、室外機７に戻される。

室外機７に戻されたガス冷媒は、四方弁７１を通過し、密閉型スクロール圧縮機１に吸入され、再度密閉型スクロール圧縮機１で圧縮されることにより、一連の冷凍サイクルが形成される。

なお、本発明は、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

例えば、図１においては、スクロール圧縮機の一例として密閉型スクロール圧縮機１について説明したが、本発明のスクロール圧縮機は、密閉型スクロール圧縮機に限定されるものではなく、開放型スクロール圧縮機であってもよい。

また、図３においては、密閉型スクロール圧縮機１を備えている空気調和機６について説明したが、本発明の空気調和機は、密閉型スクロール圧縮機に限定されるものではなく、開放型スクロール圧縮機を採用することもできる。

また、上述した空気調和機６の説明においては、冷房運転するときの冷凍サイクルの例について説明したが、本発明の空気調和機は、暖房運転するときの冷凍サイクルに適用することもできる。

また、図３においては、室内機８の数が１台である空気調和機６について説明したが、室外機７の性能の上限以内であれば、ガス配管９１および液配管９２に対して複数台の室内機を並列に接続した空気調和機であってもよい。また、図３においては、室外機７の数が１台である空気調和機６について説明したが、ガス配管９１および液配管９２に対して複数台の室外機を並列に接続した空気調和機であってもよい。

１ 密閉型スクロール圧縮機
１１ 圧縮機構部
１００ 旋回スクロール
１０１ 台板
１０２ ラップ
１０３ ボス部
２００ 固定スクロール
２０１ 台板
２０２ ラップ
３ 回転軸
４ フレーム
５ 密閉容器
６ 空気調和機
７ 室外機
８ 室内機

Claims (5)

1. 旋回スクロールと固定スクロールとを備え、これらの旋回スクロールおよび固定スクロールにより作動ガスを圧縮するスクロール圧縮機であって、
   前記旋回スクロールが球状黒鉛鋳鉄で形成され、前記固定スクロールがねずみ鋳鉄で形成されていることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 球状黒鉛鋳鉄の引張強さが６００Ｎ／ｍｍ^２以上７００Ｎ／ｍｍ^２未満である請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 球状黒鉛鋳鉄は、ブリネル硬さが１７０以上２７０未満であり、ねずみ鋳鉄は、引張強さが２５０Ｎ／ｍｍ^２以上３００Ｎ／ｍｍ^２未満、かつブリネル硬さが２４１以下である請求項２に記載のスクロール圧縮機。
4. 作動ガスがＲ３２を７０質量％以上含有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機を備えている空気調和機。

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