JP2020153296A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入圧の広い範囲において、過剰背圧となる不都合を解消することができるスクロール圧縮機を提供する。【解決手段】可動スクロール２２の鏡板３１の背面に形成された背圧室３９と、吐出空間２７と背圧室３９を連通する背圧通路４３と、背圧通路４３に設けられたオリフィス４４と、可動スクロール２２の鏡板３１に形成され、背圧室３９と圧縮室３４を連通する圧力制御用の連通孔５１と、背圧室３９とメインハウジング６内の間に設けられた圧力調整弁４７を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、固定スクロールに対して可動スクロールを公転旋回運動させることにより、両スクロールのラップ間に形成された圧縮室で作動流体を圧縮するスクロール圧縮機に関する。

従来よりこの種スクロール圧縮機は、鏡板の表面に渦巻き状のラップを備えた固定スクロールと、鏡板の表面に渦巻き状のラップを備えた可動スクロールから成る圧縮機構を備え、各スクロールのラップを対向させてラップ間に圧縮室を形成し、モータにより固定スクロールに対して可動スクロールを公転旋回運動させることにより、圧縮室で作動流体（冷媒）を圧縮するように構成されている。

この場合、可動スクロールの鏡板の背面には、圧縮室からの圧縮反力に対向して可動スクロールを固定スクロールに押し付けるための背圧室が形成されている。従来では圧縮機構の吐出側（吐出空間）と背圧室を連通する背圧通路を形成し、この背圧通路にはオリフィス（減圧部）を配置することで、オリフィスで調整された後の吐出圧を背圧室に供給し、圧縮反力に打ち勝つ背圧荷重（背圧）を可動スクロールに付加するようにしていた（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

また、特許文献１では背圧室とハウジング（吸入圧領域）の間に圧力調整弁（リリーフ弁）を設け、背圧室の圧力（背圧）が最大値に上昇した場合に開いて、それ以上背圧が上昇しないようにしていた。この最大値はスクロール圧縮機が使用される空調装置の冷房運転での運転範囲で背圧が適正となる値に設定される。

更に、特許文献２では可動スクロールの鏡板に圧力制御用の連通孔を形成していた。この連通孔を形成することで、背圧通路から背圧室に流入したオイルを圧縮室に戻せると共に、例えば吸入圧が低い運転状態では、背圧室内の圧力（背圧）が過剰とならないように調整することができる。この連通孔は、暖房運転での運転範囲で背圧が適正となるように設定される。

特開２０１７−１６６３６６号公報 特許第５８５９４８０号公報

ここで、特許文献１のように背圧室と吸入圧領域の間に圧力調整弁を設けたシステムの構成図を図４に示し、特許文献２のように可動スクロールの鏡板に圧力制御用の連通孔を形成したシステムの構成図を図６に示す。尚、各図においてＰｓは吸入圧、Ｐｃは圧縮室の圧力、Ｐｄは吐出圧、Ｐｂは背圧室の圧力、即ち背圧である。また、図４にＰＣＶで示すのは前述した圧力調整弁である。

また、図５に示すグラフの縦軸は図４のシステムにおける実際の背圧Ｐｂａと必要な背圧Ｐｂｎの差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）、横軸は吐出圧Ｐｄであり、Ｌ１はそれ以上（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）が大きいと過剰背圧となる閾値である。更に、図７に示すグラフの縦軸は図６のシステムにおける実際の背圧Ｐｂａと必要な背圧Ｐｂｎの差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）、横軸は吐出圧Ｐｄであり、Ｌ１は同じくそれ以上（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）が大きいと過剰背圧となる閾値である。

図４の圧力調整弁を用いたシステムでは、背圧Ｐｂは吸入圧Ｐｓに依存することになる。そして、吸入圧Ｐｓが比較的高い運転状態では、圧縮室の圧力Ｐｃや吐出圧Ｐｄ、背圧Ｐｂも全体的に高くなるので、図５中にＬ４で示すように差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）は過剰背圧の閾値Ｌ１より低くなる。

一方、暖房運転時に吸入圧Ｐｓが比較的低い運転状態では、圧縮室の圧力Ｐｃや吐出圧Ｐｄ、背圧Ｐｂは全体的に低くなるが、圧力調整弁が前述した冷房運転時の背圧Ｐｂの最大値でしか働かないため、図５中にＬ５で示すように差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）は過剰背圧の閾値Ｌ１より高くなり、可動スクロールが固定スクロールに過剰に押し付けられて、消費電力が増大する。

また、図６の圧力制御用の連通孔を用いたシステムでは、暖房運転時の吸入圧Ｐｓが比較的低い運転状態に合わせて連通孔の位置が設計されるため、吸入圧Ｐｓが比較的低い運転状態では、連通孔が機能して背圧Ｐｂが制御され、図７中にＬ６で示すように差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）は過剰背圧の閾値Ｌ１より低くなる。

しかしながら、特に二酸化炭素を冷媒（作動流体）として使用する場合には、圧縮機構の吸入側（外側）と吐出側（中心側）で圧縮室の圧力Ｐｃの差が大きくなるため、吸入圧Ｐｓが比較的高い運転状態では、オリフィスを介して供給される背圧Ｐｂがより高くなってしまい、図７中にＬ７で示すように差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）は過剰背圧の閾値Ｌ１より高くなり、可動スクロールが固定スクロールに過剰に押し付けられて、消費電力が増大するという問題があった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、吸入圧の広い範囲において、過剰背圧となる不都合を解消することができるスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、各鏡板の各表面にそれぞれ渦巻き状のラップが対向して形成された固定スクロール及び可動スクロールから成る圧縮機構を備え、可動スクロールを固定スクロールに対して公転旋回運動させることにより、両スクロールの各ラップ間に形成された圧縮室で作動流体を圧縮するものであって、可動スクロールの鏡板の背面に形成された背圧室と、圧縮機構の吐出側と背圧室を連通する背圧通路と、この背圧通路に設けられた減圧部と、可動スクロールの鏡板に形成され、背圧室と圧縮室を連通する圧力制御用の連通孔と、背圧室と吸入圧領域の間に設けられた圧力調整弁を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明のスクロール圧縮機は、上記発明において圧力調整弁は、背圧室の圧力が所定の最大値に上昇した場合に、当該背圧室と吸入圧領域を連通することを特徴とする。

請求項３の発明のスクロール圧縮機は、上記各発明において作動流体として二酸化炭素を使用することを特徴とする。

本発明によれば、各鏡板の各表面にそれぞれ渦巻き状のラップが対向して形成された固定スクロール及び可動スクロールから成る圧縮機構を備え、可動スクロールを固定スクロールに対して公転旋回運動させることにより、両スクロールの各ラップ間に形成された圧縮室で作動流体を圧縮するスクロール圧縮機において、可動スクロールの鏡板の背面に形成された背圧室と、圧縮機構の吐出側と背圧室を連通する背圧通路と、この背圧通路に設けられた減圧部と、可動スクロールの鏡板に形成され、背圧室と圧縮室を連通する圧力制御用の連通孔と、背圧室と吸入圧領域の間に設けられた圧力調整弁を設けたので、常には連通孔にて背圧室の圧力を適切に制御しながら、吸入圧が高い運転状態となって背圧室の圧力が最大値に上昇した場合には、圧力調整弁により背圧室と吸入圧領域を連通することができるようになる。

これにより、低い吸入圧の運転状態から高い吸入圧での運転状態に渡って、可動スクロールに過剰な背圧（背圧室の圧力）がかかる不都合を解消し、運転範囲の拡大を図ることができるようになる。これは特に作動流体として二酸化炭素を使用した場合に極めて効果的となる。

本発明を適用した一実施形態のスクロール圧縮機の断面図である。 図１のスクロール圧縮機のシステム構成図である。 図１のスクロール圧縮機の場合の実際の背圧と必要な背圧の差、吐出圧、及び、吸入圧の関係を示す図である。 圧力調整弁を設けたスクロール圧縮機のシステム構成図である。 図４のスクロール圧縮機の場合の実際の背圧と必要な背圧の差、吐出圧、及び、吸入圧の関係を示す図である。 圧力制御用の孔を可動スクロールに形成したスクロール圧縮機のシステム構成図である。 図６のスクロール圧縮機の場合の実際の背圧と必要な背圧の差、吐出圧、及び、吸入圧の関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明を適用した一実施例のスクロール圧縮機１の断面図である。実施例のスクロール圧縮機１は、例えば車両用空気調和装置の冷媒回路に使用され、車両用空気調和装置の作動流体としての二酸化炭素冷媒を吸入し、圧縮して吐出するものであり、電動モータ２と、この電動モータ２を運転するためのインバータ３と、電動モータ２によって駆動される圧縮機構４とを備えた所謂インバータ一体型のスクロール圧縮機である。二酸化炭素を冷媒として用いる場合、冷媒回路の高圧側は超臨界状態となる。

実施例のスクロール圧縮機１は、電動モータ２及びインバータ３をその内側に収容するメインハウジング６と、圧縮機構４をその内側に収容する圧縮機構ハウジング７と、インバータカバー８と、圧縮機構カバー９を備えている。そして、これらメインハウジング６と、圧縮機構ハウジング７と、インバータカバー８と、圧縮機構カバー９は何れも金属製（実施例ではアルミニウム製）であり、それらが一体的に接合されてスクロール圧縮機１のハウジング１１が構成されている。

メインハウジング６は、筒状の周壁部６Ａと仕切壁部６Ｂとから構成されている。この仕切壁部６Ｂは、メインハウジング６内を、電動モータ２を収容するモータ収容部１２とインバータ３を収容するインバータ収容部１３とに仕切る隔壁である。このインバータ収容部１３は一端面が開口しており、この開口はインバータ３が収容された後、インバータカバー８によって閉塞される。

モータ収容部１２も他端面が開口しており、この開口は電動モータ２が収容された後、圧縮機構ハウジング７によって閉塞される。仕切壁部６Ｂには電動モータ２の回転軸１４の一端部（圧縮機構４とは反対側の端部）を支持するための支持部１６が突設されている。

圧縮機構ハウジング７は、メインハウジング６とは反対側が開口しており、この開口は圧縮機構４が収容された後、圧縮機構カバー９によって閉塞される。圧縮機構ハウジング７は、筒状の周壁部７Ａと、その一端側（メインハウジング６側）のフレーム部７Ｂとから構成され、これら周壁部７Ａとフレーム部７Ｂで区画される空間内に圧縮機構４が収容される。フレーム部７Ｂはメインハウジング６内と圧縮機構ハウジング７内を仕切る隔壁を成す。

また、フレーム部７Ｂには電動モータ２の回転軸１４の他端部（圧縮機構４側の端部）を挿通する貫通孔１７が開設されており、この貫通孔１７の圧縮機構４側には、回転軸１４の他端部を支持する軸受部材としてのフロントベアリング１８が嵌合されている。また、１９は貫通孔１７部分にて回転軸１４の外周面と圧縮機構ハウジング７内とをシールするシール材である。

電動モータ２は、コイル３５が巻装されたステータ２５と、ロータ３０から構成されている。そして、例えば車両のバッテリ（図示せず）からの直流電流がインバータ３により三相交流電流に変換され、電動モータ２のコイル３５に給電されることで、ロータ３０が回転駆動されるよう構成されている。

また、メインハウジング６には、図示しない吸入ポートが形成されており、吸入ポートから吸入された冷媒は、メインハウジング６内を通過した後、圧縮機構ハウジング７内の圧縮機構４の外側の後述する吸入部３７に吸入される。これにより、電動モータ２は吸入冷媒により冷却される。また、圧縮機構４にて圧縮された冷媒は、当該圧縮機構４の吐出側としての後述する吐出空間２７から圧縮機構カバー９に形成された図示しない吐出ポートより吐出される構成とされている。

圧縮機構４は、固定スクロール２１と可動スクロール２２から構成されている。固定スクロール２１は、円盤状の鏡板２３と、この鏡板２３の表面（一方の面）に立設されたインボリュート状、又は、これに近似した曲線から成る渦巻き状のラップ２４を一体に備えており、このラップ２４が立設された鏡板２３の表面をフレーム部７Ｂ側として圧縮機構ハウジング７に固定されている。固定スクロール２１の鏡板２３の中央には吐出孔２６が形成されており、この吐出孔２６は圧縮機構カバー９内の吐出空間２７に連通している。２８は吐出孔２６の鏡板２３の背面（他方の面）側の開口に設けられた吐出バルブである。

可動スクロール２２は、固定スクロール２１に対して公転旋回運動するスクロールであり、円盤状の鏡板３１と、この鏡板３１の表面（一方の面）に立設されたインボリュート状、又は、これに近似した曲線から成る渦巻き状のラップ３２と、鏡板３１の背面（他方の面）の中央に突出形成されたボス部３３を一体に備えている。この可動スクロール２２は、ラップ３２の突出方向を固定スクロール２１側としてラップ３２が固定スクロール２１のラップ２４に対向し、相互に向かい合って噛み合うように配置され、各ラップ２４、３２間に圧縮室３４を形成する。

即ち、可動スクロール２２のラップ３２は、固定スクロール２１のラップ２４と対向し、ラップ３２の先端が鏡板２３の表面に接し、ラップ２４の先端が鏡板３１の表面に接するように噛み合う。回転軸１４の他端部、即ち、可動スクロール２２側の端部には、当該回転軸１４の軸心から偏心した位置にて突出する円柱状の駆動突起４８が設けられている。そして、この駆動突起４８には、これも円柱状の偏心ブッシュ３６が取り付けられ、回転軸１４の他端部において当該回転軸１４の軸心から偏心して設けられている。

この場合、偏心ブッシュ３６は当該偏心ブッシュ３６の軸心から偏心した位置にて駆動突起４８に取り付けられ、この偏心ブッシュ３６は可動スクロール２２のボス部３３に嵌合されている。そして、電動モータ２のロータ３０と共に回転軸１４が回転されると、可動スクロール２２は自転すること無く、固定スクロール２１に対して公転旋回運動するように構成されている。尚、４９はフロントベアリング１８より可動スクロール２２側の回転軸１４の外周面に取り付けられたバランスウエイトである。

可動スクロール２２は固定スクロール２１に対して偏心して公転旋回するため、各ラップ２４、３２の偏心方向と接触位置は回転しながら移動し、外側の前述した吸入部３７から冷媒を吸入した圧縮室３４は、内側に向かって移動しながら次第に縮小していく。これにより冷媒は圧縮されていき、最終的に中央の吐出孔２６から吐出バルブ２８を経て吐出空間２７に吐出される。

図１において３８は円環状のスラストプレートである。このスラストプレート３８は、可動スクロール２２の鏡板３１の背面側に形成された背圧室３９と、圧縮機構ハウジング７内の圧縮機構４の外側の吸入圧領域としての吸入部３７とを区画するためのものであり、ボス部３３の外側に位置してフレーム部７Ｂと可動スクロール２２の間に介設されている。４１は可動スクロール２２の鏡板３１の背面に取り付けられてスラストプレート３８に当接するシール材であり、このシール材４１とスラストプレート３８により背圧室３９と吸入部３７とが区画される。

尚、４２はフレーム部７Ｂのスラストプレート３８側の面に取り付けられてスラストプレート３８の外周部に当接し、フレーム部７Ｂとスラストプレート３８間をシールするシール材である。

また、図１において、４３は圧縮機構カバー９から圧縮機構ハウジング７に渡って形成された背圧通路であり、この背圧通路４３内には減圧部としてのオリフィス４４が取り付けられている。背圧通路４３は圧縮機構カバー９内の吐出空間２７（圧縮機構４の吐出側）内と背圧室３９とを連通しており、これにより、図１中矢印で示す如く背圧室３９にオリフィス４４で減圧調整された吐出圧の主にオイルが供給されるように構成されている。

この背圧室３９内の圧力（背圧）により、可動スクロール２２を固定スクロール２１に押し付ける背圧荷重が生じる。この背圧荷重により、圧縮機構４の圧縮室３４からの圧縮反力に抗して可動スクロール２２が固定スクロール２１に押し付けられ、ラップ２４、３２と鏡板３１、２３との接触が維持され、圧縮室３４で冷媒を圧縮可能となる。

一方、回転軸１４内には軸方向に渡るオイル通路４６が形成されており、このオイル通路４６内には、支持部１６側に位置して圧力調整弁（リリーフ弁）４７が設けられている。オイル通路４６は背圧室３９とメインハウジング６内（吸入圧領域）とを連通しており、背圧通路４３から背圧室３９内に流入したオイルは、オイル通路４６内に流入してメインハウジング６内に流出する。また、圧力調整弁４７は背圧室３９とメインハウジング６（吸入圧領域）との間に設けられ、背圧室３９内の圧力（背圧）が所定の最大値に上昇した場合に開放し、それ以上背圧が上昇しないように機能する。この最大値は、車両用空気調和装置の冷房運転での運転範囲で運転可能となるように設定されている。

更に、可動スクロール２２の鏡板３１には、連通孔５１が削設されている。この連通孔５１は可動スクロール２２の鏡板３１の背面側の背圧室３９と、鏡板３１の表面側の圧縮室３４とを連通する圧力制御用の孔である。連通孔５１は、比較的低い吸入圧の運転状態では、背圧室３９内の圧力（背圧）を圧縮室３４に逃がして背圧が過剰とならないように作用する。また、背圧室３９内のオイルもこのとき圧縮室３４に戻される。これは実施例の如く背圧通路４３で吐出空間２７の圧力をオリフィス４４で減圧して背圧室３９に印加する際に極めて有効なものとなる。また、連通孔５１の位置は、車両用空気調和装置の暖房運転の条件で適正な背圧が加わるように設定されている。

次に、図２及び図３を参照しながら、図１のスクロール圧縮機１の圧力調整弁４７と連通孔５１の機能について説明する。図２は図１のスクロール圧縮機１のシステム構成図であり、この図においてＰｓは吸入部３７（メインハウジング６内）の吸入圧、Ｐｃは圧縮室３４の圧力、Ｐｄは吐出空間２７の吐出圧、Ｐｂは背圧室３９の圧力、即ち背圧である。また、図２にＰＣＶで示すのは圧力調整弁４７であり、５１は前述した連通孔である。

また、図３に示すグラフの縦軸は図２のシステムにおける実際の背圧Ｐｂａと必要な背圧Ｐｂｎの差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）、横軸は吐出圧Ｐｄであり、Ｌ１は前述同様にそれ以上（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）が大きいと過剰背圧となる閾値である。

図１のスクロール圧縮機１の場合、連通孔５１の位置は暖房運転時の吸入圧Ｐｓが比較的低い運転状態に合わせて設計されている。従って、吸入圧Ｐｓが比較的低い運転状態では、連通孔５１が機能して背圧Ｐｂが制御され、図３中にＬ２で示すように差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）は過剰背圧の閾値Ｌ１より十分低い領域で制御される。

そして、例えば冷房運転で吸入圧Ｐｓが比較的高い運転状態となると、二酸化炭素を冷媒として使用している関係上、圧縮機構４の吸入側（外側）と吐出側（中心側）で圧縮室３４の圧力Ｐｃの差が大きくなる。そのため、オリフィス４４を介して供給される背圧Ｐｂも高くなるが、背圧Ｐｂが最大値に上昇した場合、圧力調整弁４７が開放してそれ以上背圧Ｐｂが上昇しないようにする。これにより、吸入圧Ｐｓが比較的高い運転状態においても、図３中にＬ３で示すように差（Ｐｂａ−Ｐｂｎ）が過剰背圧の閾値Ｌ１以上に上がることは無くなる。

以上詳述した如く、本発明では可動スクロール２２の鏡板３１の背面に形成された背圧室３９と吐出空間２７を連通する背圧通路４３オリフィス４４を設け、吐出圧を減圧調整して背圧室３９に供給するスクロール圧縮機１において、可動スクロール２２の鏡板３１に、背圧室３９と圧縮室３４を連通する圧力制御用の連通孔５１を形成し、背圧室３９とメインハウジング６内（吸入圧領域）の間に圧力調整弁４７を設けたので、常には連通孔５１にて背圧室３９の圧力を適切に制御しながら、吸入圧が高い運転状態となって背圧室３９の圧力（背圧）が最大値に上昇した場合には、圧力調整弁４７により背圧室３９とメインハウジング６内（吸入圧領域）を連通することができるようになる。

これにより、低い吸入圧の運転状態から高い吸入圧での運転状態に渡って、可動スクロール２２に過剰な背圧（背圧室の圧力）がかかる不都合を解消し、運転範囲の拡大を図ることができるようになる。これは特に実施例の如く冷媒（作動流体）として二酸化炭素を使用した場合に極めて有効である。

尚、実施例では車両用空気調和装置の冷媒回路に使用されるスクロール圧縮機に本発明を適用したが、それに限らず、各種冷凍装置の冷媒回路で使用されるスクロール圧縮機に本発明は有効である。また、実施例では所謂インバータ一体型のスクロール圧縮機に本発明を適用したが、それに限らず、インバータを一体に備えない通常のスクロール圧縮機にも適用可能である。

１ スクロール圧縮機
４ 圧縮機構
６ メインハウジング
７ 圧縮機構ハウジング
９ 圧縮機構カバー
１１ ハウジング
１４ 回転軸
２１ 固定スクロール
２２ 可動スクロール
２３、３１ 鏡板
２４、３２ ラップ
２７ 吐出空間（吐出側）
３４ 圧縮室
３９ 背圧室
４３ 背圧通路
４４ オリフィス（減圧部）
４６ オイル通路
４７ 圧力調整弁
５１ 連通孔

Claims (3)

1. 各鏡板の各表面にそれぞれ渦巻き状のラップが対向して形成された固定スクロール及び可動スクロールから成る圧縮機構を備え、前記可動スクロールを前記固定スクロールに対して公転旋回運動させることにより、両スクロールの前記各ラップ間に形成された圧縮室で作動流体を圧縮するスクロール圧縮機において、
   前記可動スクロールの鏡板の背面に形成された背圧室と、
   前記圧縮機構の吐出側と前記背圧室を連通する背圧通路と、
   該背圧通路に設けられた減圧部と、
   前記可動スクロールの鏡板に形成され、前記背圧室と前記圧縮室を連通する圧力制御用の連通孔と、
   前記背圧室と吸入圧領域の間に設けられた圧力調整弁を備えたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記圧力調整弁は、前記背圧室の圧力が所定の最大値に上昇した場合に、当該背圧室と前記吸入圧領域を連通することを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記作動流体として二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスクロール圧縮機。

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