JP3591101B2 - スクロール形流体機械 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として空調機や冷凍機の冷媒圧縮機に用いるスクロール形流体機械に関し、特にその容量制御のためのバイパス穴構造に係る。
【0002】
【従来の技術】
従来、特公平2−55636号公報等で知られているように、対称な一対のスクロール間に対称な二系統の流体作動室を画成しており、これら二系統の流体作動室にそれぞれ対応させてバイパス穴も二つ設けている。
【0003】
すなわち、図5に示すように、対称な一対のスクロールF,O間に、第1スクロールFの渦巻内面Faと第2スクロールOの渦巻外面Obとで画成する第1流体作動室Aと、第1スクロールFの渦巻外面Fbと第2スクロールOの渦巻内面Oaとで画成する第2流体作動室Bとを形成し、これら二系統の流体作動室A,Bに対応させてバイパス穴AH,BHをそれぞれ設けている。そして、これら二つのバイパス穴AH,BHをそれぞれバイパス弁により同一タイミングで開閉し、外周側の室A1〜3,B1〜3(点々の室)を低圧ポートL,Lにそれぞれ開くことにより、内周側の室A4〜6,B4〜6(点々及び斜線の室)からのみ仕事(圧縮機の場合は圧縮)を開始させ、容量を小さくした状態で高圧ポートHに作動流体を排出するようにしている(バツ印の領域)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上のものでは、二系統の流体作動室A,Bに対応させてバイパス穴AH,BHを二つ設けており、しかも、これら二つのバイパス穴AH,BHに対応させて、バイパス弁及び該バイパス弁を操作する操作圧機構もそれぞれ二組必要になり、全体として加工部分が多いと共に部品数も増え、製作性及び信頼性に欠ける問題がある。すなわち、対称な一対のスクロールF,Oを用い、対称な二系統の流体作動室A,Bを画成するものでは、図5中想像線で示すように、単一の大きめのバイパス穴CHを設けることとした場合、回転角がπ/2[rad]を中心にして0〜π[rad]の範囲内で、仕事を行うべき内周側の室B4が低圧ポートLに連通してしまうことになる。このため、このような単一のバイパス穴CHは設けることができず、二つのバイパス穴AH,BHを設けることとしているのであり、従って、加工部分及び部品数が多いのである。
【0005】
更に、二つのバイパス穴AH,BHを設けているため、これらの穴AH,BHを閉じるフルロード運転時、二つのバイパス穴AH,BHの周辺部から作動流体が漏れる恐れがあるため、性能のロスも大きい問題もある。
【0006】
加えて、流体作動室内に非圧縮性流体たる液冷媒や油が多量に混入した場合、二つのバイパス穴AH,BHを開くタイミングにずれが生じると、先に開作動したバイパス弁の操作圧室の容積減少により、開作動が遅れたバイパス弁の操作圧室の圧力が高まり、その開作動が一層遅れ、液逃がしがスムーズに行えない問題もある。
【0007】
本発明の主目的は、バイパス穴を二系統分まとめて共通のものにし、バイパス穴の数を減らして構成の簡易化を図ると共に、バイパス穴部分を介した漏れを低減でき、且つ、バイパス弁の作動タイミングのずれによる液逃しの遅れをも防止できるスクロール形流体機械を提供する点にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、上記主目的を達成するため、図1,図3,図4に示すように、二つの系統の流体作動室A,Bを画成する第1及び第2スクロール1,2を備え、第1スクロール1の渦巻内面と第2スクロール2の渦巻外面とで画成する第1流体作動室Aと第1スクロール1の渦巻外面と第2スクロール2の渦巻内面とで画成する第2流体作動室Bとが単一の低圧ポート3に対し開閉する関係に、第1スクロール1の渦巻巻終1eを延長していると共に、第1及び第2流体作動室A,Bを低圧ポート3に対して二系統共通に開く共通バイパス穴4を設けた。スクロール形流体機械の代表例であるスクロール形圧縮機では、流体作動室A,Bは圧縮室を構成するものであり、その作動流体には圧縮性流体たる冷媒ガス等が用いられる。第1スクロール1の渦巻巻終1eを延長しているから、第1スクロール1の渦巻体12と第2スクロール2の渦巻体22とは、いわゆる非対称渦巻を構成していることになる。尚、各渦巻体12,22は、通常、円の伸開線つまりインボリュート曲線に合致する形状としているが、渦巻中心部、特にその渦巻内面は、図1,3,4のものもそうであるように、一つ又は複数の円弧でトリムしたり、直線でトリムしている場合も多い。尚、共通バイパス穴4は、第1流体作動室Aと第2流体作動室Bとの二系統の室を共通に開くという意であって、単一の唯一の穴で構成される場合(図1)に限らず、複数の穴から構成される場合(図3,図4)も含むものである。
さらに、上記構成からなるスクロール形流体機械においては、非対称渦巻としたにも拘らず、各流体作動室A,Bと高圧ポート10との連通時に圧力衝撃が発生するのを防止するため、図1,3,4に示すように、高圧ポート10は、該高圧ポート10に臨む渦巻中心側の第1流体作動室Aが同第2流体作動室Bに先行して高圧ポート10に開く形状にした。高圧ポート10は、通常、スクロール1,2の中心部に開口する流体通路穴から成り、圧縮機の場合、吐出穴等と称される
【0009】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、非対称渦巻の典型例について所期の目的を達成するため、同図1,3,4に示すように、第1スクロール1の渦巻巻終1eと第2スクロール2の渦巻巻終2eとの間に、伸開角でπ[rad]以上の差を設けた。伸開角でπ[rad]以上の差を設けるということは、巻数でいうと、第1スクロール1の渦巻体12が、第2スクロール2の渦巻体22よりも半巻分以上長くなっていることを意味する。
【0010】
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の発明において、バイパス時に第1流体作動室A内での不必要な仕事を排除してロスを低減しながら、一つの部分容量制御値を実現するため、図1に示すように、共通バイパス穴4は、第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外方側接触点Eと、この接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点Jとを結ぶ第1スクロール1の渦巻内面側領域内において開口する単一穴から成るものとした。最外方側接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点Jとは、最外方側接触点Eからほぼ一巻分だけ内方に巻き戻した点を指す。
【0011】
請求項4記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の発明において、バイパス時に第1流体作動室A内での不必要な仕事を排除してロスを低減しながら、複数の部分容量制御値を実現するため、図3に示すように、共通バイパス穴4は、第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外方側接触点Eと、この接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点Jとを結ぶ第1スクロール1の渦巻内面側領域内において互いに変位して開口する複数個の穴41,42から成るものとした。図3のものでは、2つの穴41,42としたが、3つ以上の穴としてもよい。
【0012】
請求項5記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の発明において、バイパス時に第1流体作動室A内での不必要な仕事を排除してロスを低減しながら、複数の部分容量制御値、特に小容量の部分容量制御値をも実現するため、図4に示すように、共通バイパス穴4は、第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外方側接触点Eと、この接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点Jとを結ぶ第1スクロール1の渦巻内面側領域内において開口する穴41と、第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外周側接触点Eから伸開角で2π[rad]を越えて内方に巻戻した点K付近に開口する穴43とから成るものとした。図4のものでは、最外周側接触点Eから2π[rad]以下の位置(丁度2π[rad]の位置)に一つの穴41を、最外周側接触点Eから2π[rad]を越える位置に一つの穴43を設けたが、何れの範囲にも2つ以上の穴を設けてもよい。
【0013】
請求項6記載の発明は、請求項3〜5何れか一記載の発明において、第2流体作動室B内での不必要な仕事も排除してロスを一層低減すると共に、共通バイパス穴4の開口面積を極力大きくして、該共通バイパス穴4を介した各流体作動室A,Bと低圧ポート3との連通を抵抗少なくスムーズなものとするため、図1,3,4に示すように、共通バイパス穴4は、第1スクロール1の渦巻体の相対向する内外面間に股がる距離の開口幅をもつ構成にした。第1スクロール1の渦巻体の相対向する内外面間に股がる距離とは、渦巻体を構成するインボリュートの基礎円の半径をr、渦巻体の厚みをtとした場合、2πr−tの長さとなる。
【0014】
請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、共通バイパス穴4を簡易に形成するため、同図1,3,4に示すように、共通バイパス穴4は円形穴である構成にした。円形穴とは、共通バイパス穴4の開口横断面が円であることを意味する。
【0015】
請求項8記載の発明は、請求項1〜請求項7何れか一記載の発明において、共通バイパス穴4部分での容積ロスを極小にするため、図2に示すように、共通バイパス穴4を低圧ポート3に対して開閉するバイパス弁5に、共通バイパス穴4に突入して該バイパス穴4によるデッドボリュームを小さくする突入部51を設けている構成にした。共通バイパス穴4によるデッドボリュームとは、主としてバイパス弁5の着座面55と共通バイパス穴4の流体作動室側の開口端面との落差によって生じる無駄容積をいう。
【0017】
請求項記載の発明は、請求項1〜何れか一記載の発明において、最もポピュラーな仕様で所期の目的を達成するため、図1〜4に示すように、第1スクロール1が非公転スクロール、第2スクロール2が公転スクロールである構成にした。非公転スクロールは、静止部材に固定するいわゆる固定スクロールが代表的であるが、静止部材に対し軸方向の移動のみは許容したスクロールも含むものである。又、公転スクロールは、自転が阻止された状態で所定の旋回半径で公転するスクロールを意味し、可動スクロール、旋回スクロール等と称されることもある。
【0018】
【発明の作用効果】
請求項1記載の発明では、図1,3,4に示すように、第1スクロール1の渦巻巻終1eを延長し、該第1スクロール1の渦巻体12と第2スクロール2の渦巻体22とをいわゆる非対称渦巻としたから、これらスクロール1,2間に画成する第1及び第2流体作動室A,Bの二系統の室を、仕事を行うべき渦巻内方側の室を低圧ポート3に連通させることなく、共通バイパス穴4により低圧ポート3に良好に開くことができる。こうして、二系統分の流体作動室A,Bをまとめて低圧ポート3に開く共通バイパス穴4を設けたことにより、穴加工数を減らせるし、バイパス穴開閉用のバイパス弁やその操作圧機構の数も減らせ、構成の簡易化を図ることができる。又、バイパス穴の数が減るため、バイパス穴部分を介した漏れを低減でき、信頼性を向上することもできる。更に、バイパス穴の開閉タイミングのずれによる液逃しの遅れも無くすることができ、良好な液逃がしを確保できてスクロール部分の破損事故等を防止することができる。
さらに、同図1,3,4に示すような非対称渦巻としたもので、渦巻中心部に円形の高圧ポートを設けることとした場合に起こる弊害を低減せんとするものである。つまり、第1流体作動室Aが高圧ポートに連通するまでに要する回転角が第2流体作動室B側に対して大きくなり過ぎ、高圧ポートとの連通時に圧力衝撃が発生するという弊害を低減するものである。すなわち、このものでは、高圧ポート10は、該高圧ポート10に臨む渦巻中心側の第1流体作動室A8が同第2流体作動室B7に先行して高圧ポート10に開く形状にしているから、第1流体作動室A側の過大な閉込みを解消でき、高圧ポート10への連通時の圧力衝撃を緩和できるのである。
【0019】
請求項2記載の発明では、同図1,3,4に示すように、第1スクロール1の渦巻巻終1eと第2スクロール2の渦巻巻終2eとの間に、伸開角でπ[rad]以上の差を設けているから、第1流体作動室Aが低圧ポート3に対して閉切られる回転角(0[rad])と、第2流体作動室Bが低圧ポート3に対して閉切られる回転角(π[rad])との間にπ[rad]の位相差ができる。図1,3,4のものでは、各渦巻巻終1e,2e間に丁度π[rad]の差を設けているが、第1スクロール1の渦巻巻終1eを更に延長させてπ[rad]以上の差としても、この関係は同じである。こうして、各系統の流体作動室A,Bの圧力関係が約半回転分の位相差をもつことになる非対称渦巻の典型例について、共通バイパス穴4により二系統の流体作動室A,Bを低圧ポート3に開閉でき、所期の目的を達成することができる。
【0020】
請求項3記載の発明では、図1に示すように、共通バイパス穴4は、第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外方側接触点Eと、この接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点Jとを結ぶ第1スクロール1の渦巻内面側領域内において開口し、同図のように、その領域の内方側リミットである点Jに開口した場合(最も厳しい条件下)にも、第1流体作動室A1が低圧ポート3に対して閉切られた直後(図1(a))から該作動室A1は共通バイパス穴4を介して吸入ポート3に連通されることになるため、バイパス時、第1流体作動室A内で不必要に仕事をするのを排除でき、ロスを低減できる。そして、このような領域内に開口した単一の共通バイパス穴4により、一つの部分容量制御値を実現することができる。
【0021】
請求項4記載の発明では、図3に示すように、共通バイパス穴4を構成する複数個の穴41,42は、第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外方側接触点Eと、この接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点Jとを結ぶ第1スクロール1の渦巻内面側領域内において開口しているため、請求項3と同様、バイパス時に第1流体作動室A内での不必要な仕事を排除でき、ロスを低減できる。そして、渦巻外方側の穴42のみを低圧ポート3に開くことにより、図3中、点々と斜線を付した部分から仕事を行わせることができ、渦巻内方側の穴41を低圧ポート3に開いた場合(図1と等しい)とは、減じる容量は小さく実仕事容量は大きい容量制御値を得ることができる。こうして、複数の穴41,42を設けたことにより、複数の部分容量制御値を得ることができる。
【0022】
請求項5記載の発明では、図4に示すように、共通バイパス穴4を構成する少なくとも一の穴41は、第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外方側接触点Eと、この接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点Jとを結ぶ第1スクロール1の渦巻内面側領域内において開口しているため、請求項3と同様、バイパス時に第1流体作動室A内での不必要な仕事を排除でき、ロスを低減できる。そして、最外方側接触点Eから内方に伸開角で2π[rad]を越えた点Kに開口した渦巻内方側の穴43を、最外方側接触点Eから内方に伸開角で2π[rad]以下の領域に開口した渦巻外方側の穴41と共に低圧ポート3に開くことにより、図4中、点々と斜線を付した部分から仕事を行わせることができ、渦巻外方側の穴41のみを低圧ポート3に開いた場合(図1と等しい)とは、減じる容量は大きく実仕事容量は小さい容量制御値を得ることができる。こうして、複数の穴41,43を設けたことにより、複数の部分容量制御値を得ることができ、特に小容量の部分容量制御値をも実現することができる。
【0023】
請求項6記載の発明では、図1,3,4に示すように、共通バイパス穴4の全部(図1)又は一部(図2.3)は、第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外方側接触点Eと、この接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点Jとを結ぶ第1スクロール1の渦巻内面側領域内において開口しており、しかも、第1スクロール1の渦巻体の相対向する内外面間に股がる距離の開口幅をもつため、図1のように、その領域の内方側リミットである点Jに開口した場合(最も厳しい条件下)にも、第2流体作動室B1が低圧ポート3に対して閉切られた直後(図1(c))から該作動室B1は共通バイパス穴4を介して吸入ポート3に連通されることになるため、バイパス時、第2流体作動室B内においても不必要に仕事をするのを排除でき、ロスを一層低減できる。それと共に、共通バイパス穴4は、第1スクロール1の渦巻体の相対向する内外面間に股がる距離の開口幅をもち、その開口面積を極力大きくしているため、該共通バイパス穴4を介した流体作動室A,Bと低圧ポート3との連通を抵抗少なくスムーズなものとできる。
【0024】
請求項7記載の発明では、同図1,3,4に示すように、円形穴で構成する共通バイパス穴4により、第1スクロール1の渦巻体の相対向する内外面間に股がる距離の開口幅をもつ構成を穴加工のみにより簡易に実現することができる。
【0025】
請求項8記載の発明では、図2に示すように、共通バイパス穴4をバイパス弁5で閉じた状態では、バイパス弁5に設けた突入部51が共通バイパス穴4に突入し、該バイパス穴4によるデッドボリュームは小さくされる。このため、共通バイパス穴4を閉じる運転時、無駄容積は小さく、性能の向上が図れる。
【0027】
請求項記載の発明では、図1〜4に示すように、非公転スクロールたる第1スクロール1と公転スクロールたる第2スクロール2とをもつ最もポピュラーな仕様で所期の目的を達成することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
図2に示すスクロール形流体機械は、冷凍機や空調機の冷媒圧縮機に用いるものであり、密閉ケーシング90の内部上部に、鏡板11にインボリュート曲線に合致する渦巻体12を突設した非公転スクロールたる第1スクロール1と、同じく鏡板(図示せず)にインボリュート曲線に合致する渦巻体22を突設した公転スクロールたる第2スクロール2を配設している。渦巻体12,22間には、第1及び第2流体作動室A,Bを画成しており、吸入管で構成する低圧ライン101からケーシング90の下部空間に開放した低圧ガスを、渦巻外周部の単一の低圧ポート3から各作動室A,B内に取り込み、圧縮後の高圧ガスを第1スクロール1の中心部に開口する吐出穴たる高圧ポート10から吐出ドーム91を経て、吐出管で構成する高圧ライン102に取り出すようにしている。高圧ポート10の開口部には、吐出弁92を、その弁バネ93及び弁押え94と共に付設している。
【0029】
図1に示すように、第1スクロール1の渦巻巻終1eは、第2スクロール2の渦巻巻終2eよりも伸開角でπ[rad]だけ長くしている。第1スクロール1に対する第2スクロール2の最外方側接触点Eと、この接触点Eから伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点J付近に、第1及び第2流体作動室A,Bを低圧ポート3に対し二系統共通に開く共通バイパス穴4を設けている。共通バイパス穴4は、第1スクロール1の渦巻体12の相対向する内外面間に股がる距離の直径をもつ円形穴である。高圧ポート10は、渦巻中心側の第1流体作動室A8が同第2流体作動室B7に先行して該高圧ポート10に開く形状にしている。尚、図1は、図2のX,X線で破断した平断面図である。
【0030】
図2に示すように、共通バイパス穴4に連続させて円形穴からなる弁穴50を設けており、この弁穴50の側方部に低圧ポート3に連通するバイパス通路30を設けている。弁穴50には、共通バイパス穴4を開閉する段付き円柱形のバイパス弁5を摺動自由に内装している。バイパス弁5の先端部には、共通バイパス穴4に突入して該バイパス穴4によるデッドボリュームを小さくする小円柱から成る突入部51を設けている。バイパス弁5の段付部57には、コイルスプリングから成るバイアスバネ7を係止させている。バイパス弁5の操作圧室6は、蓋体60により吐出ドーム91と区画しており、内部に、電磁弁から成る開閉手段9により低圧ライン101と高圧ライン102とに選択的に連通する操作圧ライン8を継手管81を介して接続している。尚、103は高低圧ラインの短絡を防止するキャピラリーチューブ等の減圧手段である。
【0031】
ところで、図1及び図2に示したものでは、共通バイパス穴4を単一穴で構成し、一つの部分容量制御値(全容量時100%に対し約60%の容量値)を得るようにしたが、図3に示すように、最外方側接触点Eから内方に伸開角で2π[rad]巻戻した点の穴41と、同じく3π/2[rad]巻戻した点の穴42との2つの穴で構成してもよく、この場合には、渦巻外方側の穴42のみを開ける約70%の容量値をも得ることができる。又、図4に示すように、最外方側接触点Eから内方に伸開角で2π[rad]巻戻した点の穴41と、同じく5π/2[rad]巻戻した点の穴43との2つの穴で構成してもよく、この場合には、全ての41,43を開ける約50%の容量値をも得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す渦巻部分の平断面図。
【図2】同要部縦断面図。
【図3】同第2実施形態を示す渦巻部分の平断面図。
【図4】同第3実施形態を示す渦巻部分の平断面図。
【図5】従来例の渦巻部分の平断面図。
【符号の説明】
1;第1スクロール、2;第2スクロール、3;低圧ポート、4;共通バイパス穴、5;バイパス弁、51;突入部、10;高圧ポート、A;第1流体作動室、B;第2流体作動室

Claims (9)

  1. 二つの系統の流体作動室(A,B)を画成する第1及び第2スクロール(1,2)を備え、第1スクロール(1)の渦巻内面と第2スクロール(2)の渦巻外面とで画成する第1流体作動室(A)と第1スクロール(1)の渦巻外面と第2スクロール(2)の渦巻内面とで画成する第2流体作動室(B)とが単一の低圧ポート(3)に対し開閉する関係に、第1スクロール(1)の渦巻巻終(1e)を延長していると共に、第1及び第2流体作動室(A,B)を低圧ポート(3)に対して二系統共通に開く共通バイパス穴(4)を設け
    前記第1及び第2スクロール(1,2)の中心部に設けられ吐出穴を構成する高圧ポート(10)は、該高圧ポート(10)に臨む渦巻中心側の第1流体作動室(A)が同第2流体作動室(B)に先行して前記高圧ポート(10)に開く形状にしていることを特徴とするスクロール形流体機械。
  2. 第1スクロール(1)の渦巻巻終(1e)と第2スクロール(2)の渦巻巻終(2e)との間に、伸開角でπ[rad]以上の差を設けている請求項1記載のスクロール形流体機械。
  3. 共通バイパス穴(4)は、第1スクロール(1)に対する第2スクロール(2)の最外方側接触点(E)と、この接触点(E)から伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点(J)とを結ぶ第1スクロール(1)の渦巻内面側領域内において開口する単一穴から成る請求項1又は請求項2記載のスクロール形流体機械。
  4. 共通バイパス穴(4)は、第1スクロール(1)に対する第2スクロール(2)の最外方側接触点(E)と、この接触点(E)から伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点(J)とを結ぶ第1スクロール(1)の渦巻内面側領域内において互いに変位して開口する複数個の穴(41,42)から成る請求項1又は請求項2記載のスクロール形流体機械。
  5. 共通バイパス穴(4)は、第1スクロール(1)に対する第2スクロール(2)の最外方側接触点(E)と、この接触点(E)から伸開角で2π[rad]内方に巻戻した点(J)とを結ぶ第1スクロール(1)の渦巻内面側領域内において開口する穴(41)と、第1スクロール(1)に対する第2スクロール(2)の最外周側接触点(E)から伸開角で2π[rad]を越えて内方に巻戻した点(K)付近に開口する穴(43)とから成る請求項1又は請求項2記載のスクロール形流体機械。
  6. 共通バイパス穴(4)は、第1スクロール(1)の渦巻体の相対向する内外面間に股がる距離の開口幅をもつ請求項3〜5何れか一記載のスクロール形流体機械。
  7. 共通バイパス穴(4)は円形穴である請求項6記載のスクロール形流体機械。
  8. 共通バイパス穴(4)を低圧ポート(3)に対して開閉するバイパス弁(5)に、共通バイパス穴(4)に突入して該バイパス穴(4)によるデッドボリュームを小さくする突入部(51)を設けている請求項1〜請求項7何れか一記載のスクロール形流体機械。
  9. 第1スクロール(1)が非公転スクロール、第2スクロール(2)が公転スクロールである請求項1〜何れか一記載のスクロール形流体機械。
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