JP2017015000A - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】生産コストを低減しながら、スクロールユニットの運転時において、冷媒の圧縮室からの冷媒漏洩を抑制し、スクロールユニットにおける焼き付きやかじりといった摩擦ロスの低減を可能とした、安価で且つ高性能なスクロール型流体機械を提供する。
【解決手段】可動スクロール（１２）は、可動スクロールのラップ（２０）の最外周端部（５０）から最内周端部（４８）にかけて、ラップ先端面（５２）に等しい段差高さ（Ｈ１）で階段状に低く配された複数の先端段差部（５４）と、可動スクロールの基板（１４）の基面（１６）に等しい段差高さ（Ｈ２）で階段状に低く配された複数の基面段差部（５６）とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、スクロール型流体機械に関し、詳しくは、二酸化炭素冷媒を使用したヒートポンプ式給湯機に用いる密閉型スクロール圧縮機として好適なスクロール型流体機械に関する。

この種のスクロール型流体機械である密閉型スクロール圧縮機は、ハウジング内で固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回運動することにより、冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニットを備えている。
詳しくは、可動及び固定スクロールの基板の基面には、それぞれ渦巻き状のラップが立設され、可動及び固定スクロールを噛み合わせることにより、これら可動ラップ及び固定ラップが協働して圧縮室を形成し、この圧縮室がスクロールユニットの径方向中央部に移動しながら容積を減少することにより上記一連のプロセスが実施される。

そして、例えば特許文献１には、スクロールユニットの運転停止時に、可動及び固定スクロールを噛み合わせたときの可動スクロールのラップ先端面と固定スクロールの基面との隙間と、可動スクロールの基面と固定スクロールのラップ先端面との隙間との差を可動及び固定スクロールにおける熱膨張率の差に応じて設定したスクロール型流体機械が開示されている。
この流体機械では、上記各隙間の差を設定することにより、スクロールユニットの運転停止時に、可動及び固定スクロール間のラップ先端面とそれと対向する基面とを非接触とし、可動及び固定スクロールの基板の可動側及び固定側ラップの外周側の基面（基準面）同士を安定的に接触させながら圧縮機を運転することができるため、圧縮機内における冷媒ガスの内部漏れを抑制することができる。

特開平７−１９１８７号公報

上記従来技術では、上記各隙間の差を熱膨張率の差に応じて変更するには上記各隙間自体を段階的に変更する必要がある。そのためには、基面及びラップ先端面に高さの異なる段差部を階段状に形成しなければならず、更にこの加工にはμｍオーダーの加工精度が要求されることから、加工作業が煩雑となり、スクロールユニット、ひいては圧縮機の生産コストが増大するおそれがある。

また、上記従来技術では、上記各隙間の差を設定することにより、スクロールユニットの初期運転時において、スクロールユニット全体から圧縮機内への冷媒ガスの内部漏れは抑制されるが、圧縮室からの冷媒ガスの漏洩については格別な配慮がなされていない。具体的には、スクロールユニットの運転時に圧縮室の気密性を確保するためには、特に圧縮機の作動流体として超高圧で作動し分子量が比較的小さな二酸化炭素冷媒を用いた場合、可動ラップを固定スクロールの基面にある程度の高い面圧で摺動させながら、同時にスクロールユニットにおける焼き付きやかじりといった摩擦ロスを低減する必要がある。

また、上記従来技術では、上記各隙間の差が３μｍより大きく設定されることから、二酸化炭素冷媒ガスが圧縮室から漏洩し易く、スクロールユニットの運転時における圧縮効率を著しく損なうおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、生産コストを低減しながら、スクロールユニットの運転時において冷媒の圧縮室からの冷媒漏洩を抑制し、スクロールユニットにおける焼き付きやかじりといった摩擦ロスの低減を可能とした、安価で且つ高性能なスクロール型流体機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、本発明のスクロール型流体機械は、基板の基面に渦巻き状のラップが対をなしてそれぞれ立設された固定及び可動スクロールを備え、固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回運動することにより、ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、該圧縮室がラップの最外周端部から最内周端部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロール型流体機械であって、可動スクロールは、可動スクロールのラップの最外周端部から最内周端部にかけて、ラップ先端面に等しい段差高さで段階的に低位置に配された複数の先端段差部と、可動スクロールの基板の基面に等しい段差高さで段階的に低位置に配された複数の基面段差部とを有する（請求項１）。

好ましくは、作動流体は二酸化炭素冷媒であって、先端段差部及び基面段差部の段差高さは３μｍ未満である（請求項２）。
好ましくは、先端段差部の段差高さと基面段差部の段差高さとは等しい（請求項３）。
好ましくは、ラップ先端面の先端段差部による総段差高さは、基面の基面段差部による総段差高さよりも大きい（請求項４）。

好ましくは、可動スクロールは、アルミニウム合金、マグネシウム合金、及び鋳鉄の何れかよりなる（請求項５）。

本発明のスクロール型流体機械によれば、先端段差部は最外周端部から最内周端部にかけてラップ先端面に等しい段差高さで複数配され、基面段差部も最内周端部にかけて基面に等しい段差高さで複数配される。従って、段差高さ及び段差高さがそれぞれ段階的に異なる段差高さとなる場合に比して、先端段差部及び基面段差部を高精度且つ効率的に加工することができるため、可動スクロール、ひいてはスクロールユニットの生産コストを低減しながら、スクロールユニット２における焼き付きやかじりといった摩擦ロスの低減を可能とした、安価で且つ高性能なスクロール圧縮機を提供することができる（請求項１）。

特に作動流体が二酸化炭素冷媒である場合、先端段差部及び基面段差部の段差高さを３μｍ未満に設定することにより、スクロールユニットの運転時において、二酸化炭素冷媒ガスが圧縮室から漏洩するのを効果的に抑制することができるため、スクロールユニットの圧縮効率を効果的に高めることができる（請求項２）。

また、先端段差部及び基面段差部の段差高さが等しいことにより、先端段差部及び基面段差部の段差高さが異なる場合に比して、先端段差部及び基面段差部を更に効率的に加工することができるため、可動スクロール、ひいてはスクロールユニットの更なる生産コストの低減を実現することができる（請求項３）。
また、ラップ先端面の先端段差部による総段差高さを基面の基面段差部による総段差高さよりも大きくすることにより、作動流体に二酸化炭素冷媒を用いた場合、可動ラップを固定スクロールの基面にある程度の高い面圧で摺動させながら、同時にスクロールユニットにおける焼き付きやかじりといった摩擦ロスを効果的に低減することができる（請求項４）。

また、先端段差部及び基板段差部の段差高さと、先端段差部及び基板段差部の総段差高さとを線膨張係数やヤング率など材質の特性に応じて調整することで、可動スクロールにアルミニウム合金、マグネシウム合金、及び鋳鉄の何れかの材料を用いることができ、これより安価なスクロール型流体機械を実現することができる（請求項５）。

本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。 図１の可動スクロールを可動ラップ側から見た平面図である。 図２の可動ラップの最内周端部を拡大して示した断面図である。 図２の一点鎖線Ａに沿った可動ラップの渦巻状断面を水平展開した図である。 図２の二点鎖線Ｂに沿った基板の渦巻状断面を水平展開した図である。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るスクロール型流体機械の一例として、密閉型のスクロール圧縮機１の縦断面図を示す。圧縮機１のスクロールユニット２は、トップ、センター、ボトムの各シェルから構成された密閉容器４内に収容され、回転軸６を介して電動モータ８により駆動される。

圧縮機１は、冷凍空調装置やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれ、この冷凍回路は作動流体の一例である二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒（以下、冷媒という）が循環する経路を備え、圧縮機１は経路から冷媒を吸入し、圧縮して経路に向けて吐出する。この際、スクロールユニット２は冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施している。

詳しくは、スクロールユニット２は可動スクロール１０及び固定スクロール１２から構成されている。可動スクロール１０はアルミニウム合金から形成され、基板１４を備え、この基板１４において固定スクロール１２に対する摺動面をなす基面１６には、固定スクロール１２の基板１８に向けて延びる渦巻き状の可動ラップ２０が立設されている。一方、固定スクロール１２の基板１８において可動スクロール１０に対する摺動面をなす基面２２には、可動スクロール１０の基板１４に向けて延びる渦巻き状の固定ラップ２４が立設されている。

そして、これら可動及び固定ラップ２０，２４が互いに対向し噛み合った状態で協働することにより、固定スクロール１２の基板１８の径方向外周部に接続された冷媒の吸入ポート２６から冷媒を吸入して圧縮室２８が形成される。可動スクロール１０が固定スクロール１２に対して公転旋回運動することにより、圧縮室２８は可動及び固定ラップ２０，２４の最外周端部から最内周端部に向けて移動しながらその容積が減少され、圧縮室２８内の冷媒が高圧にされる。

可動スクロール１０に公転旋回運動を付与するため、可動スクロール１０の基板１４の基面１６とは反対側の背面３０にはボス３２が形成され、ボス３２は軸受を介して回転軸６の上端側に一体形成される偏心軸３４に回転自在に支持され、可動スクロール１０の自転は背面３０側に配された自転阻止機構３６により阻止されている。
一方、固定スクロール１２は密閉容器４の内側に固定されるフレーム３８に支持、固定されており、固定スクロール１２の径方向中央部には圧縮室２８に連通可能な吐出孔４０が穿設されている。

そして、回転軸６の回転に伴って可動スクロール１０が自転することなく公転旋回運動することにより、吸入ポート２６を介してスクロールユニット２に吸入された冷媒がスクロールユニット２の径方向中央部に向けて移動されながら圧縮された後に吐出孔４０から吐出され、吐出孔４０から吐出された冷媒は密閉容器４内を循環した後、密閉容器４のトップシェル内に形成された吐出室４２に吐出され、吐出室４２に連通された吐出ポート４４を介して圧縮機１の外部へ送出される。

ところで、図２の可動スクロール１０の可動ラップ２０側から見た縦断面図に示されるように、可動ラップ２０の最外周端部５０から最内周端部４８にかけて、ラップ先端面５２には階段状に複数の先端段差部５４が配されている。一方、可動スクロール１０の基板１４の基面１６には階段状に複数の基面段差部５６が配されている。先端段差部５４及び基面段差部５６の数及び加工位置は、可動及び固定ラップ２０、２４が互いに対向し噛み合った状態で協働するとき、可動スクロール１０の可動ラップ２０のラップ先端面５２と、可動スクロール１０の基板１４の基面１６とに摩耗を生じさせる３つの要因を考慮して、予め設定されている。

詳しくは、可動スクロール１０の背面３０とフレーム３８との間には、吸入ポート２６から吸入冷媒が流入し、冷媒の背圧室５８が形成される。背圧室５８は、フレーム３８に固定されたシールリング６０によって偏心軸３４側の中央部と自転阻止機構３６側の外周部とに区画される。シールリング６０を境界とした背圧室５８の中央部には、冷媒の吐出圧が作用する高圧室５８ａが形成される。

一方、シールリング６０を境界とした背圧室５８の外周部には、吸入ポート２６から吸入された冷媒よりも僅かに昇圧された冷媒の中圧室５８ｂが形成される。この背圧室５８の圧力によって可動スクロール１０が固定スクロール１２側に押圧されるため、この押圧力の大きさを第１の要因として考慮する。
また、圧縮室２８の形成に伴い圧縮された圧縮冷媒によって可動スクロール１０が高圧室５８ａから圧縮室２８側に押圧されるため、圧縮室２８における冷媒の圧縮力の大きさを第２の要因として考慮する。

また、圧縮機１の運転中にスクロールユニット２が曝される温度に伴って、可動及び固定スクロール１０、１２が回転軸６の軸線方向に膨張するため、可動及び固定スクロール１０、１２の材質に基づく線膨張率を第３の要因として考慮する。なお、可動ラップ２０の最内周端部４８は最外周端部５０よりも高温となるため、最内周端部４８と最外周端部５０との温度差も考慮する。

そして、これら３つの要因を考慮し、可動ラップ２０の最内周端部４８から最外周端部５０に亘ってスクロールユニット２に発生し得る応力を均一にするべく、可動ラップ２０に複数の先端段差部５４及び複数の基面段差部５６を図２に示すラップ方向に不等な位置に形成している。
また、先端段差部５４及び基面段差部５６は、同一の切削加工機（図示しない）によりラップ先端面５２及び基面１６を切削加工することにより形成され、この切削加工の加工具の形状によって、基面段差部５６は可動ラップ２０の周方向において最外周端部５０に向けて凸となる略半円形状の境界を有して形成されている。

図３の可動ラップ２０の最内周端部４８を拡大して示した断面図に示されるように、可動ラップ２０の幅Ｗ及び高さＨは可動ラップ２０の各部位で等しい寸法を有して形成され、これよりラップ先端面５２は可動スクロール１０において最外周端部５０側から最内周端部４８にかけて徐々に低い位置に位置づけられることから、可動ラップ２０は全体的に最内周端部４８、即ち径方向中央部が凹となる形状をなして形成される。

図４は、図２に示す一点鎖線Ａに沿った可動ラップ２０の渦巻状断面を水平展開した図であり、この図から明らかなように、先端段差部５４は最外周端部５０から最内周端部４８にかけて、ラップ先端面５２に等しい段差高さＨ１で階段状に徐々に低くなるように、段階的に低位置に配置されている。
一方、図５は、図２に示す二点鎖線Ｂに沿った基板１４の渦巻状断面を水平展開した図であり、この図から明らかなように、基面段差部５６は最外周端部５０から最内周端部４８にかけて、基面１６に等しい段差高さＨ２で階段状に徐々に低くなるように、段階的に低位置に配置され、先端段差部５４の段差高さＨ１及び基面段差部５６の段差高さＨ２は、何れも１μｍの高さに設定されている。

以上のように本実施例では、先端段差部５４は最外周端部５０から最内周端部４８にかけてラップ先端面５２に等しい段差高さＨ１で配され、基面段差部５６も最内周端部４８にかけて基面１６に等しい段差高さＨ２で配される。従って、段差高さＨ１及び段差高さＨ２がそれぞれ段階的に異なる段差高さとなる場合に比して、先端段差部５４及び基面段差部５６を高精度且つ効率的に加工することができるため、可動スクロール１０、ひいてはスクロールユニット２の生産コストを低減しながら、スクロールユニット２における焼き付きやかじりといった摩擦ロスの低減を可能とした、安価で且つ高性能なスクロール圧縮機１を提供することができる。

以上で本発明の一実施例についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施例では、先端段差部５４の段差高さＨ１及び基面段差部５６の段差高さＨ２は同じ１μｍに設定されているが、段差高さＨ１及び段差高さＨ２が異なっても良い。しかし、可動スクロール１０の加工性を更に高めるためには、先端段差部５４の段差高さＨ１及び基面段差部５６の段差高さＨ２を等しくするのが好ましい。

例えば、上記実施例では可動スクロール１０をアルミニウム合金から形成しているが、可動スクロール１０の材質はこれに限定されない。具体的には、可動スクロール１０をマグネシウム合金から形成しても良く、この場合には、アルミニウム合金に比して材質の線膨張係数が若干大きく、且つヤング率が小さくなる。このため、先端段差部５４の段差高さＨ１及び基面段差部５６の段差高さＨ２をアルミニウム合金の場合に比して若干大きく、例えば２μｍ程度に設定することが好ましい。

また、可動スクロール１０の材質を鋳鉄から形成しても良く、この場合には、アルミニウム合金に比して材質の線膨張係数は小さく、且つヤング率が大きくなる。このため、先端段差部５４及び基面段差部５６の個数をアルミニウム合金の場合に比して若干少なくすることが好ましい。

また、上記実施例では、先端段差部５４の段差高さＨ１及び基面段差部５６の段差高さＨ２は何れも１μｍに設定され、先端段差部５４及び基面段差部５６は図２に示す個数及び位置に形成されているが、この先端段差部５４及び基面段差部５６の数及び位置は上述した３つの要因を考慮した実験結果に基づいて設定されたものであり、図２の数及び位置に限定されない。ただし、段差高さＨ１及び段差高さＨ２は、二酸化炭素冷媒ガスの漏洩を抑制するために３μｍ未満の小さな高さであるのが好ましい。

また、作動流体に二酸化炭素冷媒を用いたスクロールユニット２の運転時の熱膨張によっても、可動ラップ２０を固定スクロール１２の基面２２にある程度の高い面圧で摺動させながら、同時にスクロールユニット２における焼き付きやかじりといった摩擦ロスを効果的に低減するには、段差高さＨ１及び段差高さＨ２を比較的小さな１μｍに設定し、ラップ先端面５２の先端段差部５４による総段差高さを基面１６の基面段差部５６による総段差高さよりも大きくするのがより好ましい。

１ スクロール圧縮機（スクロール型流体機械）
１０ 可動スクロール
１２ 固定スクロール
１４ 基板
１８ 基板
１６ 基面
２０ 可動ラップ（ラップ）
２２ 基面
２４ 固定ラップ（ラップ）
２８ 圧縮室
４８ 最内周端部
５０ 最外周端部
５２ ラップ先端面
５４ 先端段差部
５６ 基面段差部

Claims (5)

1. 基板の基面に渦巻き状のラップが対をなしてそれぞれ立設された固定及び可動スクロールを備え、前記固定スクロールに対し前記可動スクロールが公転旋回運動することにより、前記ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、該圧縮室が前記ラップの最外周端部から最内周端部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロール型流体機械であって、
   前記可動スクロールは、前記可動スクロールの前記ラップの前記最外周端部から前記最内周端部にかけて、ラップ先端面に等しい段差高さで階段状に低く配された複数の先端段差部と、前記可動スクロールの前記基板の前記基面に等しい段差高さで階段状に低く配された複数の基面段差部とを有することを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記作動流体は二酸化炭素冷媒であって、前記先端段差部及び前記基面段差部の段差高さは３μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記先端段差部の前記段差高さと前記基面段差部の前記段差高さとは等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。
4. 前記ラップ先端面の前記先端段差部による総段差高さは、前記基面の前記基面段差部による総段差高さよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のスクロール型流体機械。
5. 前記可動スクロールは、アルミニウム合金、マグネシウム合金、及び鋳鉄の何れかよりなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のスクロール型流体機械。

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