JP2016176449A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒ガスと潤滑油との混合物からの油分離効率を向上させた圧縮機を提供する。【解決手段】密閉容器内に、固定部材と、可動部材とを備え、固定部材と可動部材とにより作動流体を圧縮する圧縮室が形成される圧縮機において、固定部材に設けられ、圧縮室で圧縮された作動流体を吐出する吐出口と、吐出口の下流に設けられる吐出空間と、圧縮された作動流体を吐出口から密閉容器の内壁面へ導くとともに、吐出口から内壁面までの間に流路面積が小さくなる誘導流路と、吐出空間から作動流体を排出する排出部と、誘導流路を通過した作動流体を旋回させて排出部まで導く流路壁と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機に関する。

本技術分野の背景技術として、台板に渦巻状のラップを立設した固定スクロールと、鏡板に渦巻状のラップを立設し固定スクロールと噛み合わされて圧縮室を形成する旋回スクロールと、圧縮室で圧縮した作動流体が吐出される吐出空間と、旋回スクロールまたは固定スクロールの少なくともいずれか一方の背面に設けられ旋回スクロールと固定スクロールの両部材の少なくとも一方を他方に押付けるための背圧室とを備えたスクロール圧縮機が知られている。

また、特許文献１には、密閉容器内に固定スクロールとフレームを備え、それらの間にモータによって駆動される回転軸により旋回駆動される旋回スクロールを備えた冷媒圧縮用のスクロール圧縮機において、フレームは、フレーム外周通路を有し、モータの固定子は、フレーム外周通路からの冷媒流に対向する固定子端面を有するとともに、回転軸を基準とした周方向に対してフレーム外周通路とは異なる位置に固定子外周通路を有する構成が記載されている。

特開２０１２−６７６７６号公報

固定スクロールと旋回スクロールで構成される冷媒圧縮部の吐出口から吐出された冷媒ガスと潤滑油との混合物は、固定スクロールと密閉容器内壁に囲まれる吐出空間に吐出されたのち、密閉容器内壁に衝突し、冷媒ガスと潤滑油との混合物から潤滑油の一部が分離される。しかし、吐出口から吐出直後の冷媒ガス中の潤滑油は、主として微小液滴状態で冷媒ガス中に存在していると考えられるが、従来構造では微小液滴状態の潤滑油の吐出空間内での油分離効率が低いという課題があった。

本発明の目的は、冷媒ガスと潤滑油との混合物からの油分離効率を向上させた圧縮機を提供することにある。

本発明は、密閉容器内に、固定部材と、可動部材とを備え、固定部材と可動部材とにより作動流体を圧縮する圧縮室が形成される圧縮機において、固定部材に設けられ、圧縮室で圧縮された作動流体を吐出する吐出口と、吐出口の下流に設けられる吐出空間と、圧縮された作動流体を吐出口から密閉容器の内壁面へ導くとともに、吐出口から内壁面までの間に流路面積が小さくなる誘導流路と、吐出空間から作動流体を排出する排出部と、誘導流路を通過した作動流体を旋回させて排出部まで導く流路壁と、を備える。

本発明によれば、稼働中の圧縮機において、冷媒ガスと潤滑油との混合物からの油分離効率を向上することができる。

実施例のスクロール圧縮機を示す縦断面図である。 図１のスクロール圧縮機における固定スクロールと旋回スクロールとの噛み合い状態を示す横断面図である。 図１のスクロール圧縮機の誘導流路の形状を示す横断面図である。 図３の誘導流路の周辺部にトラップ流路壁を設けた例を示す横断面図である。

本発明は、空調用や冷凍用などの冷凍サイクルに使用される冷媒圧縮機、或いは空気やその他のガスを圧縮するガス圧縮機として好適なスクロール圧縮機等に係り、特にオイルレートの低減を図るのに好適な圧縮機に関する。

本発明は、固定部材と、可動部材と、これらを収納した密閉容器と、を備え、固定部材と可動部材との間には、作動流体の圧縮室が形成され、固定部材には、圧縮室で圧縮された作動流体が吐出される吐出口が設けられ、密閉容器の内部には、吐出口の下流側に位置する吐出空間が設けられた圧縮機において、吐出口の下流側には、開口部が設けられた誘導流路を設け、これにより吐出口から吐出される作動流体がその流路断面積の拡大を制限された状態で密閉容器の内壁面に衝突する構成とし、作動流体が圧縮機の外部に供給される際に通過する吐出空間からの排出部は、吐出空間に作動流体の旋回流が発生するように配置する。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

図１は、スクロール圧縮機の縦断面図である。

本図において、スクロール圧縮機１は、固定スクロール７（固定スクロール部材）、旋回スクロール８（旋回スクロール部材）、モータ部１６（１６ａ：回転子、１６ｂ：固定子）、シャフト１０（回転軸）等をケース９（密閉容器）に収納した構成を有する。ケース９は、円筒形状である。

本図に示すように、固定スクロール７は、円板状の台板７ａと、この台板７ａの片面に渦巻状に立設されたラップ７ｂと、台板７ａの外周側に位置しラップ７ｂの先端面と連続する鏡板面７ｅを有しラップ７ｂを囲む筒状の支持部７ｄと、を含む。なお、ラップ７ｂは「歯」に見立てられるため、ラップ７ｂの先端面は、歯先と呼ばれ、ラップ７ｂが立設された台板７ａの表面は、ラップ７ｂの間にあるため、歯底７ｃと呼ばれる。

また、支持部７ｄが旋回スクロール８の鏡板８ａと接する面は、固定スクロール７の鏡板面７ｅとなっている。固定スクロール７は、その支持部７ｄがボルトなどによりフレーム１７に固定され、固定スクロール７と一体となったフレーム１７は溶接などの固定手段によりケース９に固定されている。

旋回スクロール８は、固定スクロール７に対向して配置され、固定スクロール７のラップ７ｂと旋回スクロールのラップ８ｂとが噛み合わされて、フレーム１７内に旋回可能に設けられている。旋回スクロール８は、円板状の鏡板８ａと、この鏡板８ａの表面である歯底８ｃから立設された渦巻状のラップ８ｂと、鏡板８ａの背面中央に設けられたボス部８ｄと、を有する。また、鏡板８ａの外周部の固定スクロール７と接する表面は、旋回スクロール８の鏡板面８ｅとなっている。

ケース９は、上キャップ９ａ及び下キャップ９ｂにより密閉されている。以下では、ケース９、上キャップ９ａ及び下キャップ９ｂを合わせて「密閉容器」と呼ぶことがある。密閉容器は、円筒形状であることが望ましい。

ケース９の内部には、固定スクロール７と旋回スクロール８とで構成されたスクロール部、モータ部１６（１６ａ：回転子、１６ｂ：固定子）および潤滑油などが収納されている。モータ部１６の回転子１６ａと一体に固定されたシャフト１０（回転軸）は、フレーム１７に主軸受５を介して回転自在に支持され、固定スクロール７の中心軸線と同軸となっている。

シャフト１０の先端には、クランク部１０ａが設けられている。このクランク部１０ａは、旋回スクロール８の背面に設けられたボス部８ｄに挿入されている。旋回スクロール８は、シャフト１０の回転に伴い、旋回可能に構成されている。クランク部１０ａとボス部８ｄとの間には、旋回軸受１１が挟まれている。旋回スクロール８の中心軸線は、固定スクロール７の中心軸線に対して所定距離だけ偏心した状態となる。また、旋回スクロール８のラップ８ｂは、固定スクロール７のラップ７ｂに周方向に所定角度だけずらして重ね合わされている。さらに、旋回スクロール８を固定スクロール７に対して自転しないように拘束しながら相対的に旋回運動させるためのオルダムリング１２が旋回スクロール８とフレーム１７との間に組み合わされている。

図２は、固定スクロール７と旋回スクロール８との噛み合い状態を示す平面図である。

本図に示すように、ラップ７ｂ，８ｂ間には、三日月状の複数の圧縮室１３（１３ａ，１３ｂ）が形成されている。旋回スクロール８を旋回運動させると、各圧縮室は、中央部に移動するに従い、連続的に容積が縮小される。即ち、旋回スクロールラップ８ｂの内線側および外線側に、それぞれ旋回内線側圧縮室１３ａおよび旋回外線側圧縮室１３ｂが形成される。符号２０は、吸込室であり、流体を吸入している途中の空間である。この吸込室２０は、旋回スクロール８の旋回運動の位相が進んで、流体の閉じ込みを完了した時点から圧縮室１３となる。

吸込口１４は、固定スクロール７に設けられている。この吸込口１４は、吸込室２０と連通するように台板７ａの外周側に穿設されている。また、吐出口１５は、最内周側の圧縮室１３と連通するように固定スクロール７の台板７ａの渦巻中心付近に穿設されている。

モータ部１６によりシャフト１０を回転駆動すると、シャフト１０のクランク部１０ａから旋回軸受１１を介して旋回スクロール８に伝えられ、旋回スクロール８は、固定スクロール７の中心軸線を中心に、所定距離の旋回半径をもって旋回運動する。この旋回運動時に旋回スクロール８が自転しないように、オルダムリング１２によって拘束される。

旋回スクロール８の旋回運動によって、各ラップ７ｂ，８ｂの間にできる圧縮室１３は、中央に連続的に移動し、その移動に従って圧縮室１３の容積が連続的に縮小する。これにより、吸込口１４から吸込まれた流体（例えば、冷凍サイクルを循環する冷媒ガス）を各圧縮室１３内で順次圧縮し、圧縮された流体は吐出口１５からケース上部の吐出空間５４に吐出される。吐出された流体は、吐出空間５４からフレーム７の外周側に単数または複数本設けられたフレーム外周通路１７ａを通り、ケース９内のモータ室５２に入り、吐出パイプ６から圧縮機の外部、例えば冷凍サイクルに供給される。ここで、フレーム外周通路１７ａの入り口は、吐出空間５４からの排出部であり、台板７ａの上面に設けてある。

なお、スクロール圧縮機以外の圧縮機においては、固定スクロール部材に対応する固定部材と、旋回スクロール部材に対応する可動部材と、を用い、これらの間に作動流体の圧縮室が形成される。

図１に示すように、潤滑油は、ケース９の底部に貯留されている。シャフト１０の下端には、容積型または遠心式の給油ポンプ２１を設けている。シャフトの回転により給油ポンプ２１も作動させ、潤滑油を給油ポンプケース２２に設けた潤滑油吸込口２５から吸入して、給油ポンプ２１の吐出口２８から吐出する。吐出された潤滑油は、シャフトに設けた貫通穴３を通って上部へ供給される。潤滑油の一部は、シャフト１０に設けた横穴２４を通って副軸受２３を潤滑し、ケース底部の油溜り５３に戻る。その他大部分の潤滑油は、貫通穴３を通ってシャフト１０のクランク１０ａ上部に達し、クランク１０ａに設けた油溝５７を通って旋回軸受１１を潤滑する。そして、旋回軸受１１の下部に設けた主軸受５を潤滑した後、排油穴２６ａおよび排油パイプ２６ｂを通ってケース底部の油溜まり５３へ戻る。

ここで、油溝５７、旋回軸受１１で形成される空間と、主軸受５を収める空間（フレーム１７、シャフト１０、フレームシール５６、旋回スクロール８のボス部８ｄに設けられたつば形状の旋回ボス部材３４、シール部材３２で形成された空間）とをあわせて、第１の空間３３と呼ぶことにする。この第１の空間３３は、吐出圧力に近い圧力を有する空間である。主軸受５および旋回軸受１１の潤滑のために第１の空間３３に流入した潤滑油の大部分は、排油穴２６ａおよび排油パイプ２６ｂを通ってケース底部へ戻るが、一部の潤滑油は、オルダムリング１２の潤滑、及び固定スクロール７と旋回スクロール８との摺動部の潤滑に使われる。シールに必要な最低限の量の潤滑油が、シール部材３２の上端面と旋回ボス部材３４との端面間の後述の油漏出手段を介して背圧室１８に入る。背圧室１８は、第２の空間と呼ぶことにする。

シール部材３２は、フレーム１７に設けられた円環溝３１に波状バネ（図示せず）と共に挿入されており、吐出圧力となっている第１の空間３３と、吸込圧力と吐出圧力との間の圧力となっている背圧室１８とを仕切っている。油漏出手段は、例えば旋回ボス部材３４に設けられた複数の穴３０とシール部材３２とで構成される。複数の穴３０は、旋回スクロール８の旋回運動に伴い、シール部材３２を跨いだ円運動を行い、第１の空間３３と背圧室１８との間を移動する。これにより、第１の空間３３の潤滑油を穴３０に溜め、背圧室１８へ間欠的に移送することにより、必要最小限の油を背圧室１８に導くことができる。複数の穴３０の代わりにスリットなどを設けて背圧室への油漏出手段としても良い。

背圧室１８に入った潤滑油は、背圧が高くなると、背圧室１８と圧縮室１３とを連通する背圧孔３５を通って圧縮室１３へ入り、その後、吐出口１５から吐出空間５４へ吐出され、一部は、例えば冷媒ガスと共に吐出パイプ６から冷凍サイクルへ吐出され、残りはケース９内で冷媒ガスと分離されてケース底の油溜り５３に貯留される。ケース９内において冷媒ガスから潤滑油を分離する割合（分離率）が向上すれば、吐出パイプ６から冷凍サイクルへ吐出される潤滑油を低減することができる。

次に、上述のスクロール圧縮機１における冷媒ガスと潤滑油との分離の詳細について説明する。

スクロール圧縮機１においては、ケース９内に流入する潤滑油は、主として背圧室１８を経由し、固定スクロール７と旋回スクロール８との摺動部の潤滑およびシールを行い、圧縮室１３に入った後、吐出口１５から吐出空間５４へ冷媒ガスと共に吐出される。吐出される冷媒ガス中の潤滑油は、主として微小液滴状態で冷媒ガス中に分散して存在している。

冷媒ガスからの潤滑油の分離は、主として上キャップ９ａの内壁面に冷媒ガス及び潤滑油が衝突する際に、慣性効果により潤滑油が壁面へ衝突付着することで分離される。壁面へ衝突付着した潤滑油は、壁面に沿って重力方向に流下し、最終的にケース底の油溜り５３に貯留される。

冷媒ガス中に含まれる潤滑油の壁面への付着率を高めるためには、潤滑油の液滴の慣性エネルギを大きくすることが有効である。慣性エネルギが大きいと、冷媒ガスが壁面に衝突し、流れ方向が変化する際に、潤滑油が冷媒ガスの流れに追従しきれずに壁面へ衝突する割合が高まる。慣性エネルギが小さい場合は、潤滑油は冷媒ガスの流れに追従しやすくなり、壁面への衝突割合は低下する。慣性エネルギを高めるためには、潤滑油の液滴の運動速度を上げることが有効である。ある冷媒ガス流量においては、流路断面積が小さいほうが冷媒ガス流速および冷媒ガス流れに追従して移動する潤滑油の液滴の運動速度を上げることができる。ノズルから空間中へガス噴流が吐出する場合を考えると、ガス噴流は、ノズル出口から距離が大きくなるに従い、拡散により流速が低下するため、ノズル出口と壁面との距離が近いほど、衝突するガスの流速を大きく取ることができる。

本実施例では、吐出空間５４において、吐出口１５の後流側に、吐出口１５と一体または別体で形成された誘導流路６０を設け、誘導流路６０は回転軸方向から見て半径方向に冷媒流が吐出されるようにケース９内壁面に向け流路が形成されている。誘導流路６０の半径方向の出口は、吐出空間５４に開口した開口部６０ａである。開口部６０ａからケース９内壁面までの距離は、吐出口１５出口とケース９内壁面との距離以下となるような位置に設置される。これにより、冷媒ガス噴流の拡散の影響を低減し、従来構造より冷媒ガスのケース９内壁面への衝突速度が上がり、潤滑油の壁面への付着量が増え分離効率が高まり、吐出パイプ６から冷凍サイクルへ吐出される潤滑油を低減することができる。

一般に、開口部６０ａは、作動流体が密閉容器の中心軸から離れる方向に向かうように設けられていることが望ましい。

図１においては、誘導流路６０は、回転軸を基準としてほぼ半径方向に作動流体を流し、開口部６０ａから当該半径方向に作動流体を流出させるように構成されている。この場合、流出した作動流体は、ケース９又は上キャップ９ａの内壁面に衝突した後、吐出空間５４に広がる。回転軸を基準として開口部６０ａから１８０°回転した位置にフレーム外周通路１７ａの入り口（吐出空間からの排出部）を設ければ、広がった作動流体が開口部６０ａから最も遠い位置まで旋回することになるため望ましい。

なお、本発明の誘導流路６０及びその開口部６０ａは、図１の例に限定されるものではなく、上キャップ９ａの頂部に向けた構成（回転軸の中心軸方向に向けた構成、すなわち台板７ａの表面を基準として仰角９０°）としてもよいし、当該仰角を９０℃未満として上キャップ９ａの内壁面に作動流体を衝突させる構成としてもよい。いずれの場合も、開口部６０ａとフレーム外周通路１７ａの入り口（吐出空間からの排出部）との距離を可能な限り大きくするように位置関係を調整するにより、作動流体を旋回させて潤滑油の分離効率を高めることができる。

この場合に、誘導流路６０の半径方向流路断面積（開口部６０ａにおける流路断面積）は、壁面衝突位置での冷媒ガス流速が従来形状と比較して高速となる範囲で、吐出口１５の出口断面積と同等もしくは大きくなるように設けることができる。

さらに、誘導流路６０による圧力損失の影響が小さく、油分離効率の向上効果が優位な場合は、誘導流路６０の半径方向流路断面積は、吐出口１５の出口断面積以下となるように設置してもよい。これにより、冷媒ガス流速を更に加速することができ、潤滑油の壁面への付着量が増え、分離効率が高まり、吐出パイプ６から冷凍サイクルへ吐出される潤滑油を低減することができる。

一般に、誘導流路の開口部の流路断面積は、吐出口の流路断面積以下であることが望ましい。

なお、誘導流路６０は、本実施例で示すように、吐出口１５を覆うようなカバー状で供されても良いし、固定スクロール台板７ａからケース９内壁面まで立設されるような壁面で構成されても良い。

上記の構成により、吐出口から吐出される潤滑油を含む作動流体（冷媒等）がその流路断面積の拡大を制限された状態で密閉容器の内壁面に衝突するようになる。

誘導流路６０は、例えば、薄板状の金属板をプレス加工し流路壁面を形成することができる。固定方法として、固定スクロールの台板７ａに、溶接又はねじにより固定することで取り付けても良い。ただし、加工方法および固定方法はこれに限定されるものではなく、他の方法を用いて実施してもよい。

図３は、回転軸方向から見た固定スクロール７上面および誘導流路６０の断面を示したものである。

図３では、誘導流路６０の周方向の開口部６０ｂを、回転軸方向から見て一方向側のみに開口するように設けている。これにより、吐出空間５４内に回転軸方向から見ていずれかの周方向の流れが形成されるとともに、流れが一方向に限定されることで、誘導流路６０の周方向の開口部６０ｂからフレーム外周通路１７ａに至る流路長を大きくすることができる。これにより、潤滑油の沈降による分離が促進される。

また、誘導流路６０の開口部６０ａ（図１）が、回転軸方向から見て、フレーム外周通路１７ａから周方向に最も遠い位置に設置されており、これにより誘導流路６０の周方向の開口部６０ｂからフレーム外周通路１７ａに至る流路長を最大化することができる。これにより、潤滑油の沈降による分離が更に促進される。

図３に示すように、誘導流路６０の開口部６０ｂは、吐出空間からの排出部に対向していない。

また、誘導流路６０の流路断面積は、吐出口１５の近くに比べ、ケース９の近くに向かうほど狭くなっている。これにより、開口部６０ｂから流出する作動流体の流速を高め、旋回流に含まれる潤滑油の分離を促進することができる。

図３に示すように、フレーム外周通路１７ａの入り口（吐出空間からの排出部）は、誘導流路６０の開口部６０ｂからの角度で、誘導流路６０の開口部６０ｂから流出した作動流体の旋回方向に２７０°以上の位置に設置することが望ましい。言い換えると、誘導流路６０の開口部６０ｂは、発生した旋回流が密閉容器の中心軸の周りに２７０°以上移動した後、吐出空間からの排出部に流入するように配置されていることが望ましい。

図４は、回転軸方向から見た固定スクロール７上面および誘導流路６０の断面およびトラップ流路６１の断面を示したものである。

本実施例では、誘導流路６０の下流側の吐出空間５４において、同心円状またはらせん状またはそれに類する曲線状のトラップ流路壁６１を備えている。トラップ流路壁６１により吐出空間５４内の旋回流れの誘導を促進するとともに、潤滑油を含む冷媒ガス流れが壁面と接する面積を大きくすることで壁面への潤滑油の付着が増え、潤滑油の分離が促進される。なお、トラップ流路壁６１は、金網や多孔壁などの冷媒ガス流れを部分的に透過するような部材で構成されていてもよい。

また、トラップ流路壁６１を誘導流路６０の半径方向端面として用いて、ケース９内壁面ではなくトラップ流路壁６１に冷媒ガス流れが衝突するように構成してもよい。

１：スクロール圧縮機、３：貫通穴、５：主軸受、６：吐出パイプ、７：固定スクロール、７ａ：台板、７ｂ：ラップ、７ｃ：歯底、７ｄ：支持部、７ｅ：鏡板面、８：旋回スクロール、８ａ：鏡板、８ｂ：ラップ、８ｃ：歯底、８ｄ：ボス部、８ｅ：鏡板面、９：ケース、９ａ：上キャップ、９ｂ：下キャップ、１０：シャフト、１０ａ：クランク部、１１：旋回軸受、１２：オルダムリング、１３：圧縮室、１３ａ：旋回内線側圧縮室、１３ｂ：旋回外線側圧縮室、１４：吸込口、１５：吐出口、１６：モータ部、１６ａ：回転子、１６ｂ：固定子、１７：フレーム、１７ａ：フレーム外周通路、１８：背圧室、２０：吸込室、２１：給油ポンプ、２３：副軸受、３０：穴、３２：シール部材、３３：第１の空間、３４：旋回ボス部材、３５：背圧孔、５２：モータ室、５３：油溜り、５４：吐出空間、５６：フレームシール、６０：誘導流路、６０ａ：開口部、６０ｂ：周方向の開口部、６１：トラップ流路壁。

Claims (10)

1. 密閉容器内に、固定部材と、可動部材とを備え、前記固定部材と前記可動部材とにより作動流体を圧縮する圧縮室が形成される圧縮機において、
   前記固定部材に設けられ、前記圧縮室で圧縮された作動流体を吐出する吐出口と、
   前記吐出口の下流に設けられる吐出空間と、
   圧縮された作動流体を前記吐出口から前記密閉容器の内壁面へ導くとともに、前記吐出口から前記内壁面までの間に流路面積が小さくなる誘導流路と、
   前記吐出空間から作動流体を排出する排出部と、
   前記誘導流路を通過した作動流体を旋回させて前記排出部まで導く流路壁と、を備える圧縮機。
2. 前記密閉容器は、円筒形状である、請求項１記載の圧縮機。
3. 前記吐出空間は、前記密閉容器の一方の端部と前記固定部材との間に設けられている、請求項２記載の圧縮機。
4. 前記開口部は、前記作動流体が前記密閉容器の中心軸から離れる方向に向かうように設けられている、請求項２又は３に記載の圧縮機。
5. 前記誘導流路の前記開口部の流路断面積は、前記吐出口の流路断面積以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮機。
6. 前記誘導流路の前記開口部は、前記排出部に対向していない、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧縮機。
7. 前記誘導流路の開口部は、発生した前記旋回流が前記密閉容器の中心軸の周りに２７０°以上移動した後、前記排出部に流入するように配置されている、請求項６記載の圧縮機。
8. 前記吐出空間には、前記旋回流が通過する流路を形成するトラップ流路壁が設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧縮機。
9. 前記トラップ流路壁は、曲線状である、請求項８記載の圧縮機。
10. 前記固定部材は、固定スクロールであり、
    前記可動部材は、旋回スクロールであり、
    これらがスクロール圧縮機を構成する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧縮機。

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