JP3635826B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスクロール圧縮機の吐出バイパスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低振動、低騒音特性を備えたスクロール圧縮機は、吸入室が圧縮空間を形成する渦巻きの外周部に有り、吐出口が渦巻きの中心部に設けられ、吸入完了時の容積と圧縮終了時の容積とで決まる圧縮比が一定であるという特徴を有する。したがって、吸入圧力と吐出圧力がほぼ一定の場合には、設定圧縮比を最適化することによって高効率化が実現できる。
【０００３】
このスクロール圧縮機を空調用冷媒圧縮機として使用し、可変速運転を行った場合や空調負荷変動が起こった場合には、冷媒の吸入圧力と吐出圧力が変化する。そして実際の圧縮比と設定圧縮比との間の差によって、不足圧縮や過圧縮運転現象が発生する。
【０００４】
不足圧縮時には、吐出室の高圧冷媒ガスが吐出口から圧縮室に間欠的に逆流し入力の増加を招き、過圧縮時には、必要動力以上の圧縮動力が発生し入力の増加を招く結果となる。過圧縮を低減する手段としてはバイパス穴を設けることが知られており、このようなバイパス穴を設けたスクロール圧縮機は特公平８−３０４７１号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のようにバイパス穴を設けたスクロール圧縮機で効率の最適化を図る場合、固定、旋回の両スクロールの噛み合わせによって形成される対称形の一対の圧縮空間において、等しい圧縮比でバイパス穴が吐出室と連通する必要がある。
【０００６】
ここで、積極的に圧縮開始時点での圧縮空間の容積を異ならせた場合ではなく、運転速度によっては圧縮開始時点での圧縮空間の容積が異なる場合においては、対称形の一対の圧縮空間においても圧縮行程中の圧力上昇に違いが見られる。バイパス穴を配置する場合、対称配置するのが一般的である。しかしながら対称配置とした場合、一対の圧縮空間において圧縮比が異なるポイントでバイパス穴が作動する現象が起こる。効率の最適化を図る場合、対称形の圧縮空間において等しい圧縮比でバイパスを作動させる必要がある。
【０００７】
特公平８−３０４７１号公報には効率の最適化のためのバイパス穴の位置について開示されているが、対称形の一対の圧縮空間におけるバイパス穴の位置関係については特に規定されていない。
【０００８】
本発明はスクロール圧縮機で対称形の一対の圧縮空間で非対称にバイパス穴を形成し、最適な圧縮比でバイパスを作動させ効率の最適化を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、圧縮が開始されようとする前記旋回スクロールラップ外方部に隙間を持たせる構成とし、吐出口の近傍の圧縮途中の圧縮室に開口し且つ他端が吐出室に通じる少なくとも一対以上のバイパス穴を鏡板に非対称配置する構成としたものである。
【００１０】
上記構成にすることにより、対称形の一対の圧縮空間で圧縮行程中の圧力上昇に違いが見られる場合でも、最適な圧縮比でバイパスを作動させることができ効率の最適化が図れる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記の課題を解決するための請求項１記載の発明は、圧縮が開始されようとする前記旋回スクロールラップ外方部に隙間を持たせる構成とし、吐出口に近傍の圧縮途中の圧縮室に開口し且つ他端が吐出室に通じる少なくとも一対以上のバイパス穴を鏡板に非対称配置する構成としたものである。
【００１２】
そしてこの構成によれば、運転圧縮比が設定圧縮比より大きい場合には、吐出口に開口直前の圧縮室内気体の吐出室への一部排出を促進させて吐出口から気体を排出する際の過圧縮を抑制して圧縮入力を低減することができる。
【００１３】
また運転圧縮比が設定圧縮比より小さい場合には、一対の圧縮室において、双方の圧縮室で最適な位置でバイパスを作動させることができ、圧縮途中気体を吐出室に一部排出して過圧縮を防止し、圧縮入力の低減と圧縮機破損を防止することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図２において、横置形スクロール圧縮機の部分縦断面を示す鉄製の密閉容器１の内部全体は吐出管（図示なし）に連通する高圧雰囲気となり、その中央部にモータ３、右部に圧縮部が配置され、モータ３の回転子３ａに固定された駆動軸４の一端を支承する圧縮部の本体フレーム５が密閉容器１に固定されており、その本体フレーム５に固定スクロール７が取り付けられている。
【００１６】
駆動軸４に設けられた主軸方向の油穴１２は、その一端が給油ポンプ装置（図示なし）に通じ、他端が最終的に主軸受８に通じている。固定スクロール７と噛み合って圧縮室２を形成する旋回スクロール１３は、渦巻き状の旋回スクロールラップ１３ａと旋回軸１３ｃとを直立させたラップ支持円盤１３ｂとから成り、固定スクロール７と本体フレーム５との間に配置されている。
【００１７】
固定スクロール７は、鏡板７ａと渦巻き状の固定スクロールラップ７ｂとから成り、固定スクロールラップ７ａの中央部に吐出口３０、外周部に吸入室３１が配置されている。吸入室３１は比較的容積を小さくとっているため、低速運転時には吸入室として作用するが、運転速度が上がってきた場合は漏れが少なくなり、結果的には圧縮室として作用する。吐出口３０は、隣接する吐出口３２を介してモータ３が配置された高圧空間に通じている。吸入室３１は、密閉容器１の端壁を貫通する吸入管３３に通じている。
【００１８】
駆動軸４の主軸から偏芯して駆動軸４の右端穴部に配置された旋回軸受１４は、旋回スクロール１３の旋回軸１３ｃと係合摺動すべく構成されている。旋回スクロール１３のラップ支持円板１３ｂと本体フレーム５に設けられたスラスト軸受１９との間は、油膜形成可能な微小隙間が設けられている。ラップ支持円板１３ｂには旋回軸１３ｃとほぼ同芯の環状シール部材１８が遊合状態で装着されており、その環状シール部材１８はその内側の背面室Ａ２０と外側とを仕切っている。
【００１９】
背面室Ａ２０は、隣接する主軸受８に通じる一方、旋回軸受１４の摺動面を介して駆動軸４の油穴１２にも通じている。旋回軸受１４の底部の油室１５と、ラップ支持円板１３ｂの外周部空間の背面室Ｃ１６との間は、ラップ支持円板１３ｂに設けられた油通路２１を介して通じている。油通路２１は、その他端に絞り部２２を有している。
【００２０】
背面室Ｃ１６と吸入室３１との間は、ラップ支持円板１３ｂと摺接する鏡板７ａの表面に設けられた油溝５０（図２参照）を介して連通している。吐出口３０の出口側を開閉する逆止弁装置３５が固定スクロール７の鏡板７ａの平面上に取り付けられており、その逆止弁装置３５は薄鋼板製のリード弁３５ａと弁押え３５ｂとから成る。
【００２１】
鏡板７ａの中央部には、吐出口３０と間欠的に連通する第２圧縮室２ｂと吐出室３２とに開口し、且つ、第２圧縮室２ｂへの開口部が旋回スクロールラップ１３ａの幅よりも小さい二対の第１バイパス穴３９ａ，第２バイパス穴３９ｂが旋回スクロールラップ１３ａの壁面に沿って圧縮進行方向に追従する形態で順次非称配置されており、第１バイパス穴３９ａ，第２バイパス穴３９ｂの出口側を開閉するバイパス弁装置４０が鏡板７ａ上に配置されている。
【００２２】
図１は図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面を示した図で、吐出口３０と間欠的に連通する第２圧縮室２ｂが吐出口３０と開通する直前の圧縮空間の状態を示す。第１バイパス穴３９ａ，第２バイパス穴３９ｂは旋回スクロールラップ１３ａによって、その一部を遮閉されることのない位置に非対称配置されている。
【００２３】
図３は、横軸に圧縮機運転速度を、縦軸に圧力と圧縮比を表し、空調装置運転時の圧縮機運転速度と吸入圧力，吐出圧力，圧縮比の関係を示す実負荷特性を示す図である。
【００２４】
図４は、横軸に圧縮室の容積変化を、縦軸に圧縮室の圧力変化を表したスクロール圧縮機のＰ−Ｖ線図である。
【００２５】
以上のスクロール圧縮機の構成において、モータ３によって駆動軸４が回転駆動すると本体フレーム５のスラスト軸受１９に支持された旋回スクロール１３が旋回運動をし、圧縮機に接続した冷凍サイクルから潤滑油を含んだ吸入冷媒ガスが、吸入管３３を経由して吸入室３１に流入し、旋回スクロール１３と固定スクロール７との間に形成された圧縮室２へと圧縮移送され、中央部の吐出口３０，吐出室３２を経てモータ３を冷却しながら吐出管（図示なし）から圧縮機外部に排出される。
【００２６】
潤滑油を含んだ吐出冷媒ガスは、吐出室３２から吐出管（図示なし）までの通路途中で分離され、油溜１１に収集する。吐出圧力が作用する潤滑油は、駆動軸４の一端に連結された給油ポンプ装置（図示なし）により、駆動軸４の油穴１２を経由して油室１５に送られ、その大部分が旋回軸受１４と主軸受８の摺動面を経由して油溜１１に帰還する一方、残りの潤滑油が旋回スクロール１３に設けられた油通路２１を経由して最終的に背面室Ｃ１６に流入する。
【００２７】
油通路２１を流れる潤滑油は、その入口部の絞り部Ａ２２で一次減圧され、吸入室３１に通じている背面室Ｃ１６に流入する。圧縮室２の冷媒ガス圧力は、駆動軸４の主軸方向に旋回スクロール１３を固定スクロール７から離反させようと作用する。一方、旋回スクロール１３のラップ支持円板１３ｂが吐出圧力の作用する背面室Ａ２０（環状シール部材１８で囲まれた内側部分）からの背圧を受けている。
【００２８】
したがって、旋回スクロール１３を固定スクロール７から離反させようとする力と背圧力とが相殺される。その結果、旋回スクロール１３の離反力よりも背圧力が大きい場合には、ラップ支持円板１３ｂは固定スクロール７の鏡板７ａに支持され、反対の場合にはスラスト軸受１９に支持される。
【００２９】
上述のいずれの場合にもラップ支持円板１３ｂとその摺動面の間は微小隙間が保持されて、その摺動面に供給された潤滑油によって油膜形成されており、その摺動抵抗が軽減されている。旋回スクロール１３のラップ支持円板１３ｂが固定スクロール７の鏡板７ａまたはスラスト軸受１９のいずれに支持される場合でも、圧縮室２の隙間は微小で、背面室Ｃ１６，吸入室３１を順次経て圧縮室２に流入した潤滑油の油膜で密封されている。
【００３０】
一方、スクロール圧縮機は圧縮比が一定なことから、圧縮機冷時始動初期には多量の冷媒液が吸入管３３を介して冷凍サイクルから帰還し、圧縮室２に流入して液圧縮が生じることが有り、圧縮室２が異常圧力上昇して吐出室３２の圧力より高くなる。吐出口３０と間欠的に連通する第２圧縮室２ｂ（図２参照）で液圧縮が生じた場合には、鏡板７ａに設けた第１バイパス穴３９ａ，第２バイパス穴３９ｂの出口側を閉塞するバイパス弁４０が開き冷媒を吐出室３２に流出させ、圧縮室圧力を降下させる。バイパス弁４０が開通作動するのは、圧縮室２で液圧縮が生じる場合に限らない。
【００３１】
すなわち、図３に示す如く、通常の冷凍サイクル運転における吸入圧力は、圧縮機が低速〜高速運転に変化するのに追従して低下する。一方、吐出圧力は上昇して、圧縮比が上昇するのが一般的である。
【００３２】
したがって、バイパス弁４０が設置されない場合の圧縮機低速運転時などの圧縮比は、定格負荷運転状態で設定された圧縮比よりも小さくなって図４の斜線部分で示す如く過圧縮状態となる。
【００３３】
このような場合には上述と同様に、第１バイパス穴３９ａ，第２バイパス穴３９ｂの出口側を閉塞するバイパス弁４０のリード部４０ｂが開いて冷媒を吐出室３２に流出させ、２点鎖線９９で示す如く、圧縮室圧力が途中降下して圧縮負荷が軽減する。
【００３４】
吸入室３１は比較的容積を小さくとっているため、低速運転時には吸入室として作用するが、運転速度が上がってきた場合は漏れが少なくなり、結果的には圧縮室として作用する。そのため過圧縮が起こりうる運転速度で比較的速度が高い場合、対称位置に配置された圧縮室２（圧縮室Ａ，圧縮室Ｂ）の各圧力は互いに相違する（図４参照）。したがって圧縮室２（圧縮室Ａ，圧縮室Ｂ）で等しい圧縮比でバイパスを作動させようとした場合、バイパス穴は対称配置ではなく非対称配置となる（図１参照）。等しい圧縮比でバイパスを作動させなかった場合、圧縮室２（圧縮室Ａ，圧縮室Ｂ）の間で圧力差が生じる。この圧縮室２（圧縮室Ａ，圧縮室Ｂ）の圧力差は旋回スクロール１３に自転力を与えて旋回スクロール１３の自転阻止部材（図示なし）に回転力を与えることになる。
【００３５】
しかし、バイパス弁４０が等しい圧縮比で開通して圧縮負荷軽減する場合には、圧縮室２（圧縮室Ａ，圧縮室Ｂ）の圧力が吐出室３２を介して圧縮行程途中で瞬時に均圧されて、圧縮室圧力差が小さくなる。
【００３６】
一方、圧縮機高速運転時は吸入室３１の圧力が低下、吐出室３２の圧力が上昇する結果、実際の冷凍サイクル運転圧縮比がスクロール圧縮機設定圧縮比よりも大きい圧縮状態（圧縮不足状態）となって、第２圧縮室２ｂの容積が拡大する過程で、しかも逆止弁装置３５が吐出口３０を閉塞するまでの間に吐出室３２の冷媒ガスが吐出口３０を介して第２圧縮室２ｂに間欠的に逆流する。
【００３７】
この逆流冷媒ガスは第２圧縮室２ｂで再圧縮されて過圧縮状態となる。この場合も上述と同様に、第１バイパス穴３９ａ，第２バイパス穴３９ｂを通してバイパス弁装置４０を開通させ、過圧縮冷媒ガスが吐出室３２に部分排出されて圧縮室圧力を降下させる。
【００３８】
なお、第１バイパス穴３９ａを通じバイパス弁装置４０が開くことによって、第２バイパス穴３９ｂから吐出室３２への冷媒ガス排出タイミングが早くなり、圧縮室圧力降下が速くなり、過圧縮損失が少なくなる。
【００３９】
また、第１バイパス穴３９ａと第２バイパス穴３９ｂとが適切な間隔を有して配置されているので、第１バイパス穴３９ａと第２バイパス穴３９ｂが旋回スクロールラップ１３ａによって同時に閉塞される時間を短くすることができ、バイパス作用の有効性を長くしている。
【００４０】
すなわち、第１バイパス穴３９ａ，第２バイパス穴３９ｂからのバイパス作用を継続することによって、第２圧縮室２ｂが吐出口３２に開通した時の第２圧縮室２ｂの圧力変化が小さくなり、吐出室３２への流出音，逆止弁装置３２からの発生音および吐出脈動が小さくなる。
【００４１】
【発明の効果】
上記実施例から明らかなように、請求項１記載の発明は、一対の圧縮空間の圧縮開始時の容積が運転速度によっては異なる構成で、吐出口の近傍の圧縮途中の圧縮室に開口し且つ他端が吐出口に通じる少なくとも一対以上のバイパス穴を鏡板に非対称配置したもので、この構成によれば、例えば回転数が低い場合には圧縮開始時の圧縮室容積を小さくでき、その分必要能力に応じて回転数を上げることができ、逆に回転数が高い場合には、圧縮開始時の圧縮室容積を大きくでき、必要能力に応じて回転数を下げることができる。したがって比較的効率の高い点での運転が可能となる。
【００４２】
さらに運転圧縮比が設定圧縮比より大きい場合には、吐出口に開口直前の圧縮室内気体の吐出室への一部排出を促進させて吐出口から気体を排出する際の過圧縮を抑制して圧縮入力を低減することができる。
【００４３】
また運転圧縮比が設定圧縮比より小さい場合には、一対の圧縮室において、双方の圧縮室で最適な位置でバイパスを作動させることができ、圧縮途中気体を吐出室に一部排出して過圧縮を防止し、圧縮入力の低減と圧縮機破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を示すスクロール圧縮機の一実施例の断面図
【図２】同要部縦断面図
【図３】同圧縮機運転速度と圧力の関係を示す特性図
【図４】同圧縮室の容積変化と圧力変化状態を示す特性図
【符号の説明】
１ 密閉容器
２ 圧縮室
２ａ 第１圧縮室
２ｂ 第２圧縮室
３ モータ
３ａ 回転子
４ 駆動軸
５ 本体フレーム
７ 固定スクロール
７ａ 鏡板
７ｂ 固定スクロールラップ
８ 主軸受
１３ 旋回スクロール
１３ａ 旋回スクロールラップ

Claims (1)

1. 固定スクロールの一部をなす鏡板の一面に直立して形成された渦巻き状の固定スクロールラップに対して、旋回スクロールの一部をなすラップ支持円板状に直立するとともに、前記固定スクロールラップに類似した形状の旋回スクロールラップを互いに噛み合わせて、両スクロール間に渦巻き形の対を成す圧縮空間を形成し、前記固定スクロールラップの中心部に吐出室に通じる吐出口を設け、前記固定スクロールラップの外側には吸入室を設け、自転阻止部材を介して前記旋回スクロールが前記固定スクロールに対し公転運動を行うことによって、前記各圧縮空間が吸入側より吐出側に向けて連続移行する複数個の圧縮室に区画されて流体を圧縮すべく容積変化するスクロール圧縮機構を形成し、圧縮が開始されようとする前記旋回スクロールラップ外方部と吸入室を形成する固定スクロール内壁との間に隙間を持たせる構成とし、前記固定スクロール鏡板には、吐出口近傍の圧縮途中の圧縮室に開口するとともに、他端が前記吐出室に通じる少なくとも一対以上のバイパス穴を、前記対をなすバイパス穴同士が同一の圧縮比で作動すべく、対をなす旋回スクロール公転中心に対して対称形の圧縮空間のうち旋回スクロールラップ外壁側に形成された圧縮空間が先にバイパス穴に連通する様に、旋回スクロール公転中心に対して非対称に配置したスクロール圧縮機。

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