JP4385917B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置等に用いられるスクロール圧縮機の高効率化の技術に係わ
り、吐出圧力が高圧となる、例えば二酸化炭素（以下、ＣＯ２）を冷媒として用いる圧縮機に関するものである。

従来、この種のスクロール圧縮機は、旋回鏡板上に旋回羽根を有した旋回渦巻き羽根部材と固定鏡板上に固定羽根を有した固定渦巻き羽根部材を互いに噛み合わせて対接されており、旋回渦巻き羽根部材を固定渦巻き羽部材に対して旋回駆動させることにより旋回羽根と固定羽根との間に形成される圧縮室が、中心部に向って体積を減少させながら冷媒ガスの圧縮を行う。

したがって、旋回鏡板と固定羽根先端との隙間および固定鏡板と旋回羽根先端との隙間は冷媒ガスの洩れの観点からは限りなくゼロに近いほうが望ましい。また、旋回渦巻き羽根部材の円滑な旋回運動の観点からは、ある程度の隙間が設けられているほうが望ましい。

これらの相反する要求を満たすために、従来から旋回渦巻き羽根部材と固定渦巻き羽根部材に対して様々な改良がなされており、代表的な改良方法として２つの手法を挙げることが出来る。

その１つとしては、例えば、特許文献１に開示されるスクロール圧縮機が挙げられる。ここで、特許文献１に開示される旋回渦巻き羽根部材と固定渦巻き羽根部材の構造について説明する。旋回渦巻き羽根部材は冷媒ガスの圧縮作用に伴い固定渦巻き羽根部材から離間する方向に移動しようとするが、旋回渦巻き羽根部材の旋回鏡板背面側に吸入圧力より高い圧力を作用させて固定渦巻き羽根部材側に押し付けられる。このときの圧力で旋回鏡板の中央部が固定渦巻き羽根部材側に変形するため旋回羽根先端の隙間は周囲よりも大きく設定されている。

また、特許文献２に開示されるスクロール圧縮機では中心付近の圧縮室が周辺に比べ高温となることから羽根が熱膨張したときに羽根先端が相手方の鏡板底面に当接するだけの隙間を設け、周辺部の羽根先端には先端シール部材を設けて構成されている。
特開昭６３−６５１８７号公報 特開平５−１４９２６８号公報

しかしながら、従来のスクロール圧縮機の給油構成では、高圧側と低圧側との差圧が大きくなると、旋回渦巻羽根部材に働く高圧空間の圧力による変形が大きくなり、特に、冷凍サイクル装置等に使用しているＨＦＣ（フッ素化合物）冷媒等を、例えばＣＯ２の冷媒に代えた場合は吐出圧力がＣＯ２の超臨界圧力に相当する１５メガパスカル位の非常な高圧となり、高圧側と低圧側との差圧がＨＦＣ冷媒の約３倍から５倍と大きくなるため、旋回渦巻き羽根部材の変形が過大になるため運転中に旋回羽根の先端と固定渦巻き羽根部材の接触が過大とならないように隙間を予め大きく設定することが必要となる。一方、冷凍サイクルの運転条件が軽負荷（高低圧の圧力差が小さい）の場合には旋回渦巻き部材の変形量が小さいため、旋回羽根の先端と固定渦巻羽根部材との隙間が大きくなり羽根先端から圧縮冷媒が洩れだし圧縮機の効率低下を発生させてしまう。また、旋回羽根先端に先端シール材を設けた場合でも軽負荷の場合には同様に旋回渦巻き羽根部材の変形量が小さいため旋回羽根先端の隙間が大きくなり、その結果旋回羽根の先端に設けられた先端シール部材の溝からの飛出しが大きくなることから先端シール部材の背面と溝との隙間が大きくなってしまう。その結果、その隙間を通して高圧ガスが羽根巻き終り部に洩れだし圧縮機の効率低下を発生させてしまう。

本発明の目的は、ＣＯ２のような高圧冷媒を使用した場合に軽負荷運転から高負荷運転までの広範囲な運転条件に対して、高効率な運転ができるスクロール圧縮機を提供することにある。

前記従来の課題を解決するために、固定羽根と固定鏡板とを有する固定渦巻き羽根部材と、旋回羽根と旋回鏡板とを有し当該旋回羽根と前記固定羽根とを噛み合わせて形成した圧縮室に冷媒ガスを吸入し旋回運動によって吐出圧力まで圧縮する旋回渦巻き羽根部材と、前記旋回渦巻き羽根部材の前記旋回羽根面と反対側に設けられた主軸受部材と、前記主軸受部材の中央内部に位置し前記吐出圧力の下で潤滑油を溜める高圧空間と、前記主軸受部材の外周内部に位置させた中間圧空間と、前記高圧空間と前記中間圧空間とを区画する環状シール部材とを備え、前記旋回渦巻き羽根部材を前記固定渦巻き羽根部材に押し付けるとともに、旋回羽根の巻き始め部先端に渦巻状の先端シール部材を設け、前記旋回渦巻き羽根部材の旋回運動に伴って旋回運動する先端シール部材の存在範囲が、常に前記高圧空間に対応する部分の中にあるようにしたものである。

これによって、軽負荷運転により旋回渦巻き部材の圧力差による変形量が少ない場合においても先端シール部材は巻き始め部のみに設けてあるため、高圧ガスが先端シール部材の背面隙間を通して吸入工程までもれこむことが無いため高効率な運転ができる。

本発明の効果はＣＯ２のような高圧冷媒を使用した場合に軽負荷運転から高負荷運転までの広範囲な運転条件に対して、高効率な運転ができる。

第１の発明は、固定羽根と固定鏡板とを有する固定渦巻き羽根部材と、旋回羽根と旋回鏡板とを有しこの旋回羽根と前記固定羽根とを噛み合わせて形成した圧縮室に冷媒ガスを吸入し旋回運動によって吐出圧力まで圧縮する旋回渦巻き羽根部材と、前記旋回渦巻き羽根部材の前記旋回羽根面と反対側に設けられた主軸受部材と、前記主軸受部材の中央内部に位置し前記吐出圧力の下で潤滑油を溜める高圧空間と、前記主軸受部材の外周内部に位置させた中間圧空間と、前記高圧空間と前記中間圧空間とを区画する環状シール部材とを備え、前記旋回羽根の巻き始め部先端に、旋回運動中常に旋回渦巻き羽根部材背面の高圧空間に対応する部分に存在するように、先端シール部材を設けたことにより、軽負荷運転により旋回渦巻き部材の圧力差による変形量が少ない場合においても先端シール部材は巻き始め部のみに設けてあるため、高圧ガスが先端シール部材の背面隙間を通して吸入工程までもれこむことが無くいため高効率な運転ができ、更に運転状況の変化に伴う旋回渦巻き羽根部材の変形量の変化が最も大きくなる部分にだけ先端シール部材が設けてあるため余分な材料投入がなく、また先端シール部材を収納する溝加工の部位が少なくなるため安価である。

第２の発明は、旋回渦巻き羽根部材で、先端シール部材を設けた部分の羽根高さを他の部分より低く構成したことにより、高負荷運転時の旋回渦巻き羽根部材の変形量が大きくなった場合でも先端シール部材を収納する溝を有する旋回羽根先端と固定羽根部材の固定鏡板底面が当接することが無いため信頼性が高いスクロール圧縮機が提供できる。

第３の発明は、旋回渦巻き羽根部材の材料を加工性の高いアルミ合金で構成したことにより、先端シール部材を収納する溝の加工が安価である。

第４の発明は、冷媒ガスとして二酸化炭素を用いたことにより、高圧冷媒特有の運転状
況により旋回渦巻き羽根部材の変形量が大きく変化する場合にはより効果が顕著となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるスクロール圧縮機５０の断面図を示すものである。

また、図２は固定渦巻き羽根部材１０と旋回渦巻き羽根部材１１の噛み合わせ部の要部拡大図を示すものである。

図１において、密閉容器１内に、圧縮機構部２とこれを駆動する電動機３が上下に配置されている。電動機３は前記密閉容器１の内側に焼き嵌めや溶接などして固定された固定子４と、この固定子４の内側に回転自在に位置する回転子５とからなり、この回転子５には駆動軸６が貫通状態で結合されている。この駆動軸６の上向きとなっている一端は上記圧縮機構部２の一部を構成する固定部材としての主軸受部材７に固定された軸受８により回転自在に支持されている。駆動軸６の軸受８により支持されている側の先端には駆動軸６に対して偏心運動を行うクランク軸９が備えられている。

一方、圧縮機構部２は、固定鏡板１０ａからうず巻き状の固定羽根１０ｂが立ち上がった固定渦巻き羽根部材１０と旋回鏡板１１ａからうず巻き状の旋回羽根１１ｂが立ち上がった旋回渦巻き羽根部材１１とを向かい合わせに噛み合わせて双方間に複数の圧縮室３２を形成し、固定渦巻き羽根部材１０を前記主軸受部材７に固定するとともに、これらの間に旋回渦巻き羽根部材１１を挟み込んで主軸受部品７により自転防止機構１２を介しバックアップしている。旋回羽根１１ｂの巻き始め部の先端には固定鏡板１０ａと旋回羽根１１ｂの隙間をシールするための先端シール部材１１ｃが設けられている。このシール部材１１ｃは旋回羽根１１ｂの先端に設けられた溝１１ｄに冷媒ガスの圧力で浮上できるように適当な隙間を持って挿入されている。

また、旋回鏡板１１ａの旋回羽根１１ｂとは反対側の背面に対向する前記主軸受部品７には環状シール部材７ａが設けられてあり、その内側には吐出圧とほぼ同等の圧力となる潤滑油溜まり２３が設けられている。

この状態で、旋回渦巻き羽根部材１１の自転を自転防止機構１２により防止しておいて、クランク軸９により旋回渦巻き羽根部材１１をこの旋回渦巻き羽根部材１１に接合した旋回軸受１３を介して円軌道に沿った旋回運動のみをさせる。これによって、圧縮室３２は容積を減少させながら例えば周辺部から旋回羽根１１ｂと固定羽根１０ｂの中心に向かって移動されながら、固定渦巻き羽根部材１０の周辺部に設けた吸入孔１４から冷媒ガス等を吸入し、圧縮する。圧縮した冷媒ガス等は固定渦巻き羽根部材１０の中心部にある吐出孔１５を通り、密閉容器１内の空間１６に吐出される。密閉容器１内に吐出された冷媒ガスは電動機３の細部を通ってこれを冷却した後、吐出管１７を経て密閉容器１外に吐出され冷凍サイクル（図示せず）に供給される。この冷凍サイクルを経た冷媒ガスは吸入管１８を経て吸入孔１４に戻され、以降繰り返し利用される。

また、駆動軸６の下向きとなる他端側は密閉容器１内に焼き嵌めや溶接などして固定された副軸受部材３６に設けられた副軸受１９によって回転自在に支持されており、駆動軸６の他端側の先端には容積型のポンプ２０を用いた潤滑機構３７を備えている。この潤滑機構３７は、ポンプ２０により潤滑油貯留部２１から潤滑油を吸入して駆動軸６の中心に軸方向に設けられた給油通路２２を通じクランク軸９の上部に位置する旋回渦巻き羽根部
材１１の中央部背面に位置する潤滑油溜まり２３に供給する。この潤滑油溜まり２３への潤滑油の供給圧は圧縮機構部２の吐出圧とほぼ同等に設定され、圧縮機構部２が冷媒ガスを圧縮するときに旋回渦巻き羽根部材１１が固定渦巻き羽根部材１０から離れるのを防止するための背圧を与える。

ここで、この背圧はＣＯ２のような高圧冷媒では、従来の冷媒よりも圧縮機の各種運転状況（高負荷運転から軽負荷運転までの範囲）に応じて背圧の変化量の変動幅が大きくなるため、この背圧による旋回鏡板１１ａの変形量の変動幅も大きくなってしまう。通常、旋回渦巻き羽根部材１１の旋回羽根１１ｂの先端は信頼性確保の目的で、圧縮機の高負荷運転においても固定渦巻き羽根部材１０の固定鏡板１０ｂと当接しないように必要最低限の隙間をあらかじめ設けている。したがって、高負荷運転時には旋回羽根１１ｂの先端に設けられた先端シール部材１１ｃは溝１１ｄからの飛び出しは少なくなり先端シール部材１１ｃの背面と溝１１ｄの底面との隙間１１ｅが小さいため冷媒ガスの漏れ量も少ない。一方、軽負荷運転時は旋回鏡板１１ａの背圧による変化量は少ないため旋回羽根１１ｂと固定鏡板１０ｂの隙間は大きくなってしまう。その隙間をなくすために先端シール部材１１ｃは溝１１ｄからの飛び出しが大きくなるが、先端シール部材１１ｃは旋回羽根１１ｂの巻き始め部先端で旋回渦巻き羽根部材背面の高圧空間に対応する部分にのみに設けられてあるため、先端シール部材１１ｃの背面と溝１１ｄの底面との隙間を通じて吸入工程へ冷媒ガスが漏れこむことを防止でき、さらに運転状況の変化に伴う旋回鏡板１１ａの変形量の変動が最も大きくなる部分にだけ設けてあるため余分な材料投入がなく、また先端シール部材を収納する溝加工の部位が少なくなるため安価である。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における旋回渦巻き羽根部材１１の縦断面図である。

旋回渦巻き羽根部材で、先端シール部材を設けた部分の羽根高さを他の部分よりΔｈの寸法だけ低くなるよう段差を設けている。この段差寸法は５ミクロンから２０ミクロンに設定するのが望ましい。このように段差を設けたことにより、高負荷運転時の旋回渦巻き羽根部材の変形量が大きくなった場合でも先端シール部材を収納する溝を有する旋回渦巻き羽根先端と固定渦巻き羽根部材の固定鏡板底面が当接することが無いため信頼性が高いスクロール圧縮機が提供できる。

（実施の形態４）
旋回渦巻き羽根部材の材料を加工性の高いアルミ合金で構成したことにより、先端シール部材を収納する溝の加工が安価できる。

（実施の形態５）
冷媒ガスとしてＣＯ２冷媒を用いたことにより、高圧冷媒特有の運転状況により旋回渦巻き羽根部材の変形量が大きく変動する場合には、よりその効果が顕著となる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、旋回渦巻き羽根部材を高圧ガスにて固定渦巻き羽根部材に押し付ける際に旋回鏡板の圧力変形が最も大きい巻き始め部先端で旋回渦巻き羽根部材背面の高圧空間に対応する部分にのみシール部材を設けたもので、圧縮機の各種運転状況（高負荷運転〜軽負荷運転）に対して冷媒ガスの漏れ量を少なくし、高効率な運転ができる。

また、このスクロール圧縮機は旋回渦巻き羽根を固定渦巻き羽根に押し付ける方式の圧縮機に限定するものではなく、固定渦巻き羽根部材を高圧ガスで旋回渦巻き羽根部材に押
し付ける方式のスクロール圧縮機にも利用可能である。

本発明の実施形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施形態１における旋回渦巻き羽根部材の要部拡大図 本発明の実施形態２における旋回渦巻き羽根部材の平面図 本発明の実施形態３における旋回渦巻き羽根部材の縦断面図

７ 主軸受部材
７ａ 環状シール部材
１０ 固定渦巻き羽根部材
１０ａ 固定鏡板
１０ｂ 固定羽根
１１ 旋回渦巻き羽根部材
１１ａ 旋回鏡板
１１ｂ 旋回羽根
１１ｃ 先端シール部材
３２ 圧縮室
５０ スクロール圧縮機

Claims (4)

1. 固定羽根と固定鏡板とを有する固定渦巻き羽根部材と、旋回羽根と旋回鏡板とを有し、この旋回羽根と前記固定羽根とを噛み合わせて形成した圧縮室に冷媒ガスを吸入し旋回運動によって吐出圧力まで圧縮する旋回渦巻き羽根部材と、前記旋回渦巻き羽根部材の前記旋回羽根面と反対側に設けられた主軸受部材と、この主軸受部材の中央内部に位置し前記吐出圧力の下で潤滑油を溜める高圧空間と、前記主軸受部材の外周内部に位置させた中間圧空間と、前記高圧空間と前記中間圧空間とを区画する環状シール部材とを備え、前記旋回渦巻き羽根部材を前記固定渦巻き羽根部材に押し付けるとともに、前記旋回羽根の巻き始め部先端に渦巻状の先端シール部材を設け、前記旋回渦巻き羽根部材の旋回運動に伴って旋回運動する先端シール部材の存在範囲が、常に前記高圧空間に対応する部分の中にあることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 旋回渦巻き羽根部材で、先端シール部材を設けた部分の羽根高さを他の部分より低く構成した請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. 旋回渦巻き羽根部材をアルミ合金で、固定渦巻き羽根部材を鋳鉄で構成した請求項１または請求項２記載のスクロール圧縮機。
4. 冷媒ガスとして二酸化炭素を用い、超臨界圧力まで圧縮することを特徴する請求項１乃至請求項３記載のスクロール圧縮機。

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