JP4365807B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置や冷凍装置等に適用されるスクロール圧縮機に関する。

スクロール圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロールとを渦巻き状の壁体どうしを組み合わせて配置し、固定スクロールに対し旋回スクロールを公転旋回運動させることで壁体間に形成される圧縮室の容積を漸次減少させて該圧縮室内の流体の圧縮を行うものである。このようなスクロール圧縮機においては、圧縮機自体を大型化することなく圧縮比を高めて圧縮能力の向上が可能となるため、スクロール部材に段付形状を採用したものが実用化されている。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００３−３５２８５号公報

ところで、上述したスクロール部材においては、旋回スクロールの旋回動作を許容するため、旋回スクロール側の歯先に設けたチップシールと固定スクロール側の歯底との間及び固定スクロール側の歯先に設けたチップシールと旋回スクロール側の歯底との間にチップシール隙間と呼ばれる微小な隙間が形成されている。このチップシール隙間は、スクロール圧縮機の運転時に熱影響を受けることを考慮し、スクロール部材の段付部を境にして異なる値に設定されている。すなわち、圧縮ガスの出口側に近く熱膨張の大きい段付部内側となる内周部チップシール隙間δi が、圧縮ガスの吸入側に近く熱膨張の小さい段付部外側となる外周部チップシール隙間δo よりも大きな寸法（δo ＜δi ）に設定されている。
そして、上述した内周部チップシール隙間δi と外周部チップシール隙間δo との間には、内周部チップシール隙間δi 側の段付部に隣接する位置に、チップシールを設けることができないチップシール切れ目部分が存在する。このチップシール切れ目部分は、歯先の先端が内周部チップシール隙間δi を形成するチップシール上端と略同一面とされる。

このようなチップシール切れ目部分の隙間は、チップシールがなく、しかも外周部チップシール隙間δo より大きな隙間寸法となるので、段付部において圧縮ガスが高圧側から低圧側へ漏出する流路開口となり、従って、この漏出がスクロール部材に段付形状を採用しているスクロール圧縮機の圧縮効率を低下させる原因の一つとなっている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上述したチップシール切れ目部分が内周部チップシール隙間δi に設定された領域では圧縮ガスの出口側から最も遠い位置にあるため、その分熱影響による熱膨張も小さくなることに着目し、段付部における高圧側から低圧側への漏れを低減して圧縮効率をより一層向上させることを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るスクロール圧縮機は、端板の一側面に立設された渦巻き状の壁体を有する固定スクロールと、端板の一側面に立設された渦巻き状の壁体を有し、前記各壁体どうしを噛み合わせて自転を阻止されつつ公転旋回運動可能に支持された旋回スクロールとを備え、前記固定スクロールと旋回スクロールの少なくともいずれか一方の端板には、前記一側面に、その高さが壁体の渦に沿ってその中心部側で高く外終端側で低くなるよう形成された段差部が設けられ、前記固定スクロールと旋回スクロールのいずれか他方の壁体の上縁は、前記端板の段差部に対応し、複数の部位に分割されかつ該部位の高さが渦の中心部側で低く外終端側で高くなる段付形状とされ、前記段差部の外周部チップシール隙間δo と内周部チップシール隙間δi との関係がδo ＜δi であるスクロール圧縮機において、
前記外周部チップシール隙間δo と前記内周部チップシール隙間δi との間に存在するチップシール切れ目部分の段差チップ隙間δをδo ≦δ＜δi
となるように設定したことを特徴とするものである。

このようなスクロール圧縮機によれば、外周部チップシール隙間δo と内周部チップシール隙間δi との間に存在するチップシール切れ目部分の段部チップシール隙間δがδo ≦δ＜δi となるように設定されている。このため、チップシールのない切れ目部分においては、段差チップ隙間δが小さくなって漏出流路の開口面積を狭め、高圧側から低圧側への圧縮ガス漏れ量を低減することができる。このような段差チップ隙間δは、歯先側及び歯底側の少なくとも一方の対向面に微小な段差を形成して隙間を狭めればよい。

請求項１に記載のスクロール圧縮機において、前記スクロ−ル圧縮機を縦型とした場合の前記段差チップ隙間δは、前記固定スクロールの歯先に生じる段差チップ隙間δf と前記旋回スクロールの歯先に生じる段差チップ隙間δr とを比較して重力方向上側に位置する一方の段差チップ隙間が小さく設定されていることが好ましく、これにより、重力方向下側に溜まりやすい潤滑油のシール作用により、比較的広くなる重力方向下側でも段差チップ隙間のシール性を確保できる。

請求項１または請求項２に記載のスクロール圧縮機においては、前記段差チップ隙間δが、表面処理膜または箔の貼り付けにより形成された段差により設定されたものが好ましい。この場合、４フッ化エチレン樹脂やアルマイト等の表面処理膜が好適であり、また、アルミ箔等の箔が好適である。なお、このような表面処理膜や箔による段差は、歯先側及び歯底側のいずれに形成してもよい。

請求項１または２に記載のスクロール圧縮機において、前記段差チップ隙間δの角部に面取加工、Ｒ加工またはテーパ加工を施すことが好ましく、これにより、組立時や運転時等に角部が破損するのを防止できる。

上述した本発明によれば、外周部チップシール隙間δo と内周部チップシール隙間δi との間に存在するチップシール切れ目部分の段差チップ隙間δがδo
≦δ＜δi となるように設定されているので、チップシールのない切れ目部分においては、段差チップ隙間δが従来より小さくなる。このため、圧縮ガスが高圧側から低圧側へ流出する流路開口の断面積を小さくして圧縮ガス漏れ量を低減できるので、スクロール部材に段付形状を採用しているスクロール圧縮機の圧縮効率が向上するという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係るスクロール圧縮機の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２はスクロール圧縮機の構成例を示す断面図であり、図中の符号１は密閉状態のハウジング、２はハウジング１内を高圧室ＨＲと低圧室ＬＲとに分離するディスチャージカバー、５はフレーム、６は吸入管、７は吐出管、８はモータ、９は回転シャフト、１０は自転阻止機構である。そして、符号１２は固定スクロール、１３は固定スクロール１２に噛み合う旋回スクロールである。

固定スクロール１２は、図３（ａ）に示すように、端板１２ａの一側面に渦巻き状の壁体１２ｂが立設された構成となっている。旋回スクロール１３は、図３（ｂ）に示すように、固定スクロール１２と同様に端板１３ａの一側面に渦巻き状の壁体１３ｂが立設された構成となっており、特に壁体１３ｂは固定スクロール１２側の壁体１２ｂと実質的に同一形状をなしている。旋回スクロール１３は固定スクロール１２に対して相互に公転旋回半径だけ偏心しかつ１８０度だけ位相をずらした状態で、壁体１２ｂ，１３ｂどうしを噛み合わせて組み付けられている。
この場合、旋回スクロール１３は、モータ８で駆動される回転シャフト９の上端に設けられて旋回運動する偏心ピン９ａ及び自転阻止機構１０の作用により、固定スクロール１２に対して公転旋回運動を行うようになっている。一方、固定スクロール１２は、ハウジング１に固定されており、端板１２ａの背面中央には圧縮された流体の吐出ポート１１が設けられている。

固定スクロール１２の端板１２ａには、壁体１２ｂが立設された一側面に、壁体１２ｂの渦方向に沿って中心部側で高く外終端側で低くなるよう形成された段差部４２を備えている。旋回スクロール１３側の端板１３ａも固定スクロール１２の端板１２ａと同様に、壁体１３ｂが立設された一側面に、壁体１３ｂの渦方向に沿って中心部側で高く外終端側で低くなるよう形成された段差部４３を備えている。各段差部４２，４３は、それぞれ壁体１２ｂ、壁体１３ｂの渦巻中心を基準として、たとえば各壁体１２ｂ、１３ｂの外終端（吸入側）から内終端（吐出側）へπ(rad) 進んだ位置に設けられている。

端板１２ａの底面は、段差部４２が形成されていることにより、中心部よりに設けられた底の浅い底面１２ｆと外終端よりに設けられた底の深い底面１２ｇとの２つの部位に分けられている。隣り合う底面１２ｆ，１２ｇ間には、段差部４２を構成し、前記底面１２ｆ，１２ｇを繋いで垂直に切り立つ連結壁面１２ｈが存在している。
端板１３ａの底面も上述した端板１２ａと同様に、段差部４３が形成されていることにより、中心部よりに設けられた底の浅い底面１３ｆと外終端よりに設けられた底の深い底面１３ｇとの２つの部位に分けられている。隣り合う底面１３ｆ，１３ｇ間には、段差部４３を構成し、前記底面１３ｆ，１３ｇを繋いで垂直に切り立つ連結壁面１３ｈが存在している。

また、固定スクロール１２側の壁体１２ｂは、旋回スクロール１３の段差部４３に対応し、その渦巻き状の上縁が２つの部位に分割され、かつ渦の中心部側で低く外終端側で高い段付形状となっている。旋回スクロール１３側の壁体１３ｂも壁体１２ｂと同様に、固定スクロール１２の段差部４２に対応し、渦巻き状の上縁が２つの部位に分割され、かつ渦の中心部側で低く外終端側で高い段付形状となっている。
具体的には、壁体１２ｂの上縁は、中心部寄りに設けられた低位の上縁１２ｃと外終端寄りに設けられた高位の上縁１２ｄとの２つの部位に分けられ、隣り合う上縁１２ｃ，１２ｄ間には、両者を繋いで旋回面に垂直な連結縁１２ｅが存在している。壁体１３ｂの上縁も上述した壁体１２ｂと同様に、中心部寄りに設けられた低位の上縁１３ｃと外終端寄りに設けられた高位の上縁１３ｄとの２つの部位に分けられ、隣り合う上縁１３ｃ，１３ｄ間には、両者を繋いで旋回面に垂直な連結縁１３ｅが存在している。

連結縁１２ｅは、壁体１２ｂを旋回スクロール１３の方向から見ると壁体１２ｂの内外両側面に滑らかに連続し壁体１２ｂの肉厚に等しい直径を有する半円形をなしており、連結縁１３ｅも連結縁１２ｅと同様に、壁体１３ｂの内外両側面に滑らかに連続し壁体１３ｂの肉厚に等しい直径を有する半円形をなしている。
また、連結壁面１２ｈは、端板１２ａを旋回軸方向から見ると旋回スクロールの旋回に伴って連結縁１３ｅが描く包絡線に一致する円弧をなしており、連結壁面１３ｈも連結壁面１２ｈと同様に、連結縁１２ｅが描く包絡線に一致する円弧をなしている。

固定スクロール１２の壁体１２ｂには、上縁１２ｃ，１２ｄに連結縁１２ｅの近傍で二つに分断されたチップシール１４ａ，１４ｂが設けられている。同様に、旋回スクロール１３の壁体１３ｂには、上縁１３ｃ，１３ｄに連結縁１３ｅの近傍で二つに分断されたチップシール１５ａ，１５ｂが設けられている。これらのチップシールは、旋回スクロール１２と固定スクロール１３との間において、上縁（歯先）と底面（歯底）との間に形成されるチップシール隙間をシールして圧縮したガス流体の漏れを最小限に抑えるものである。
すなわち、固定スクロール１２に旋回スクロール１３を組み付けると、低位の上縁１３ｃに設けたチップシール１５ｂが底の浅い底面１２ｆに当接し、高位の上縁１３ｄに設けたチップシール１５ａが底の深い底面１２ｇに当接することとなる。同時に、低位の上縁１２ｃに設けたチップシール１４ａが底の浅い底面１３ｆに当接し、高位の上縁１２ｄに設けたチップシール１４ｂが底の深い底面１３ｇに当接することとなる。この結果、両スクロール１２，１３間には、互いに向かい合う端板１２ａ，１３ａと壁体１２ｂ，１３ｂとに区画されて圧縮室Ｃが形成される。なお、図３においては、固定スクロール１２の段付形状を示すため、固定スクロール１２の上下を逆にして図示されている。

図４は、固定スクロール１２と旋回スクロール１３とが組み合わされて圧縮室Ｃを形成し、圧縮を開始する状態を示している。この圧縮開始状態では、壁体１２ｂの外終端が壁体１３ｂの外側面に当接するとともに、壁体１３ｂの外終端が壁体１２ｂの外側面に当接し、端板１２ａ，１３ａ、壁体１２ｂ，１３ｂ間に圧縮する流体が封入され、スクロール圧縮機構の中心を挟んで正対した位置に、最大容積の圧縮室Ｃが二つ形成される。この時点では、連結縁１２ｅと連結壁面１３ｈ、連結縁１３ｅと連結壁面１２ｈは摺接しているが、旋回スクロール１２の旋回動作により直後に離間する。

また、上述した固定スクロール１２及び旋回スクロール１３を組み合わせた状態において、段差部４２の近傍は、図１に示すように、熱影響を受ける前の室温で以下に説明するような隙間が形成されている。ない、以下では段差部４２の構成を説明するが、段差部４３についても同様の構成が採用可能である。
図のように、固定スクロール１２の底の深い底面１２ｇと上縁１３ｄに取付けられたチップシール１５ａとの間には、高さδo の外周部チップシール隙間２１が形成され、底の浅い底面１２ｆと上縁１３ｃに取付けられたチップシール１５ｂとの間には、高さδi の内周部チップシール隙間２２が形成されており、外周部チップシール隙間２１及び内周部チップシール隙間２２の高さ（隙間量）は、
δo ＜δiとなるように設定されている。

そして、段差部４２が設けられていることにより、外周部チップシール隙間２１と内周部チップシール隙間２２との間には、チップシール１５ａ，１５ｂを設けることのできないチップシール切れ目部分の段差チップ隙間２３が存在する。この段差チップ隙間２３の高さ（隙間量）δについては、熱影響が比較的少ないことから、δo ≦δ＜δi となるように設定されている。
すなわち、段差チップ隙間２３は、運転時の熱膨張を考慮して外周部チップシール隙間２１より大きな隙間高さに設定された内周部チップシール隙間２２において、吐出ポート１１から最も遠く外周部チップシール隙間２１に隣接した位置にある。このため、内周部チップシール隙間２２では最も熱膨張が小さくなるため、その隙間高さを外周部チップシール隙間２２の高さδo に近づけるか同等まで小さく設定して漏出流路となる開口面積を狭め、高圧側から低圧側へ漏れる圧縮流体量の低減を優先した寸法設定が可能となる。

このような寸法設定の段差チップ隙間２３は、チップシール１５ｂのない切れ目部分に対し、上縁１３ｃより高い段差面２４を形成することにより達成される。なお、図中の想像線が従来の上縁形状を示している。このような段差面２４は、たとえば旋回スクロール１３を切削加工する際に、上縁１３ｃから連結縁１４ｅを介して上縁１３ｄに至る段差の途中に新たな段差を追加すればよい。なお、図示の例では、旋回スクロール１３側に段差部２４を設けて段差チップ隙間２３を狭めているが、固定スクロール１２側の底面に段差面を形成したり、あるいは、両方に段差面を形成することも可能である。
この結果、段付形状のスクロール圧縮機構においては、段差チップ隙間２３の高さδが小さくなるので、圧縮時に段差部４２の隙間から漏出する圧縮ガス漏れ量を低減して圧縮効率を向上させることができる。

ところで、上述した段差面２４については、固定スクロール１２と旋回スクロール１３とを噛み合わせる組立時や運転時等において、干渉により内周側の角部が破損することが懸念される。そこで、このような破損を防止するため、段差面２４の角部をなくす加工を施すことが好ましい。具体的には、段差チップ隙間２３を形成している段差面２４の角部に面取加工、Ｒ加工またはテーパ加工を施すことが好ましい。
図５（ａ）に示した第１変形例は、段差面２４の角部を直線的に除去する面取加工を施して面取部２４ｃを形成したものであるが、曲面に除去するＲ加工を採用してもよい。また、図５（ｂ）に示した第２変形例は、段差面２４の角部に面取加工より長い部分的な傾斜面を形成するテーパ加工を施したものである。さらに、図５（ｃ）に示した第３変形例は、段差面２４の角部全体を傾斜面とするテーパ加工を施したものである。

このうち、図５（ｂ），（ｃ）に示したテーパ加工により段差部２４の角部をなくす構成を採用すると、テーパ加工により形成された傾斜面２４ａが形成されるため、旋回スクロール１２の旋回動作前半においては、段差チップ隙間２３が徐々に狭められる。このため、固定スクロール１２の底面１２ｆと旋回スクロール１２のチップシール１５ｂとの間では、くさび作用により潤滑油を掻き取るようにして段差チップ隙間２３の連続縁１３ｅ側へ集めることができる。従って、段差チップ隙間２３に潤滑油リッチの状態を形成して良好な潤滑性が得られるので、隙間高さδをより小さく設定して圧縮効率を向上させることが可能となる。

ところで、上述した実施形態及び変形例では、切削加工により段差面２４を形成するものとしたが、この段差面２４の高さは微小寸法（たとえば、数十μｍ程度）となるので、表面処理膜または箔の貼り付けを採用してもよい。
図６に示す第４変形例では、固定スクロール１２の底面１２ｆに形成した段差面２５により高さδの段差チップ隙間２３が形成されている。この場合の段差面２５は、たとえば部分的な表面処理により形成された４フッ化エチレン樹脂やアルマイト等の表面処理膜、あるいは、アルミ箔等の箔を部分的に貼り付けたものである。なお、このような表面処理膜や箔による段差面２５は、歯先側及び歯底側のいずれに形成してもよい。

また、スクロ−ル圧縮機を縦型とした場合、段差チップ隙間２３の高さδは、固定スクロール１２の歯先に生じる段差チップ隙間の高さδf と、旋回スクロール１３の歯先に生じる段差チップ隙間の高さδr とを比較した場合、重力（上下）方向上側に位置する一方の段差チップ隙間２３を小さく設定することが好ましい。通常は旋回スクロール１３の歯先に生じる高さδr
の段差チップ隙間２３が重力方向上側に位置するので、段差チップ隙間２３の高さδは、δr ＜δf となるように設定すればよい。
この結果、重力方向下側に溜まりやすい潤滑油のシール作用により、比較的広く設定された重力方向下側の段差チップ隙間２３のシール性を確保しやすくなる。

このように、高さδo の外周部チップシール隙間２１と高さδi の内周部チップシール隙間２２との間に存在するチップシール切れ目部分においては、段差チップ隙間２３の高さδが、δo ≦δ＜δi となるように設定されているので、段差チップ隙間２３の高さδが従来よりも小さくなる。このため、圧縮ガスが高圧側から低圧側へ流出する漏れ流路の断面積を小さくして圧縮ガス漏れ量を低減できるので、スクロール部材に段付形状を採用しているスクロール圧縮機においては、漏れ量の低減により圧縮効率が向上するという顕著な効果を得ることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るスクロール圧縮機の一実施形態として、段付部の構成例を拡大して示す要部の側面図である。 本発明に係るスクロール圧縮機の構成例を示す部分断面図である。 本発明に係るスクロール圧縮機について、（ａ）は固定スクロールを上下逆向きにして構成例を示す斜視図、（ｂ）は旋回スクロールの構成例を示す斜視図である。 固定スクロールと旋回スクロールとが組み合わされて圧縮室を形成し、圧縮を開始する状態を示す断面図である。 本発明に係る段付部の変形例を拡大して示す要部の拡大図で、（ａ）は第１変形例を示す図、（ｂ）は第２変形例を示す図、（ｃ）は第３変形例を示す図である。 本発明に係る段付部の第４変形例を示す要部の拡大図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ ディスチャージカバー
１１ 吐出ポート
１２ 固定スクロール
１２ａ，１３ａ 端板
１２ｂ，１３ｂ 壁体
１２ｃ，１２ｄ，１３ｃ，１３ｄ 上縁（歯先）
１２ｅ，１３ｅ 連結縁
１２ｆ，１２ｇ，１３ｆ，１３ｇ 底面（歯底）
１２ｈ，１３ｈ 連結壁面
１３ 旋回スクロール
１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ チップシール
２１ 外周部チップシール隙間
２２ 内周部チップシール隙間
２３ 段差チップ隙間
２４，２５ 段差面
２４ａ 傾斜面
４２，４３ 段差部
Ｃ 圧縮室

Claims (4)

1. 端板の一側面に立設された渦巻き状の壁体を有する固定スクロールと、端板の一側面に立設された渦巻き状の壁体を有し、前記各壁体どうしを噛み合わせて自転を阻止されつつ公転旋回運動可能に支持された旋回スクロールとを備え、前記固定スクロールと旋回スクロールの少なくともいずれか一方の端板には、前記一側面に、その高さが壁体の渦に沿ってその中心部側で高く外終端側で低くなるよう形成された段差部が設けられ、前記固定スクロールと旋回スクロールのいずれか他方の壁体の上縁は、前記端板の段差部に対応し、複数の部位に分割されかつ該部位の高さが渦の中心部側で低く外終端側で高くなる段付形状とされ、前記段差部の外周部チップシール隙間δo と内周部チップシール隙間δi との関係がδo ＜δi であるスクロール圧縮機において、
   前記外周部チップシール隙間δo と前記内周部チップシール隙間δi との間に存在するチップシール切れ目部分の段差チップ隙間δをδo ≦δ＜δi
   となるように設定したことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 請求項１に記載のスクロール圧縮機において、
   前記スクロ−ル圧縮機を縦型とした場合の前記段差チップ隙間δは、前記固定スクロールの歯先に生じる段差チップ隙間δf と前記旋回スクロールの歯先に生じる段差チップ隙間δr とを比較して重力方向上側に位置する一方の段差チップ隙間が小さく設定されていることを特徴とするスクロール圧縮機。
3. 請求項１または請求項２に記載のスクロール圧縮機において、
   前記段差チップ隙間δは、表面処理膜または箔の貼り付けにより形成された段差により設定されたことを特徴とするスクロール圧縮機。
4. 請求項１または２に記載のスクロール圧縮機において、
   前記段差チップ隙間δの角部に面取加工、Ｒ加工またはテーパ加工を施したことを特徴とするスクロール圧縮機。

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