JP4440564B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関し、特にＲ４１０Ａや二酸化炭素（ＣＯ２）等の冷媒を使用する蒸気圧縮冷凍サイクルに適したスクロール圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のスクロール圧縮機は、圧縮空間での漏れ損失を低減して高い効率を得るために、旋回渦巻部品を固定渦巻部品に接触摺動させ、圧縮空間の密封を図るという構成が用いられることが多い。例えば、図５は特許文献１に記載された従来の構成例を示したものである。すなわち、従来のスクロール圧縮機では、旋回渦巻部品５の旋回渦巻羽根面と反対（背面）側の面に背圧室１２を設け、この背圧室１２を環状シール１１により内側領域１２ａと外側領域１２ｂに区画し、環状シール１１の内側領域１２ａには吐出圧力状態にある潤滑油を供給し、さらにこの潤滑油の一部を絞り部１３を経由して外側領域１２ｂに供給し、そして外側領域１２ｂの潤滑油を吸入空間９に供給することにより、外側領域１２ｂを吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄ間の中間圧力Ｐｍに設定し、旋回渦巻部品５の背面にスラスト力を印加することで、旋回渦巻部品５を固定渦巻部品４に接触摺動させる構成となっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８０２５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記構成において、起動時、潤滑油はまず環状シール１１の内側空間１２ａに供給され、その後外側空間１２ｂに供給されるが、その外側空間１２ｂの圧力が設定の中間圧力Ｐｍ（＝Ｐｓ＋△Ｐ）になるまで、両渦巻部品で形成される吸入空間９には供給されないことになる。起動時、吸入空間９へ潤滑油が供給されない時期に、冷媒ガスとともに多量の冷媒液が冷凍サイクルから吸入空間９に戻ってきた場合には、摺動面に残っていた潤滑油が冷媒液で洗い流されてしまい、その結果、固定渦巻部品４や旋回渦巻部品５が傷付いたり、焼付いたりするという問題が生じていた。
特に、冷媒が二酸化炭素（ＣＯ２）のような高い圧力の冷媒の場合には、旋回渦巻部品５を固定渦巻部品４に押し付けるスラスト力の絶対値が大きくなること、および設定背圧△Ｐ（＝Ｐｍ―Ｐｓ）の絶対値も大きくなるので、冷媒Ｒ４１０Ａの場合に比べてさらに給油遅れの時間が長くなることから、固定渦巻部品４や旋回渦巻部品５に、焼付きがさらに発生しやすいという問題が生じていた。
【０００５】
そこで本発明は、起動時の給油遅れを防止し、信頼性の高いスクロール圧縮機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明のスクロール圧縮機は、固定鏡板上に固定渦巻羽根を有する固定渦巻部品と、旋回鏡板上に旋回渦巻羽根を有する旋回渦巻部品とを噛み合わせて複数の圧縮空間を形成し、前記固定渦巻部品の外周部に吸入空間を形成し、前記旋回渦巻部品の前記旋回渦巻羽根面と反対側の面に背圧室を設け、前記背圧室を環状シールにより内側領域と外側領域に区画し、前記環状シールの前記内側領域に吐出圧力状態にある潤滑油を供給し、該潤滑油の一部を絞り部で減圧して前記外側領域に供給し、該外側領域の潤滑油を前記吸入空間に供給するとともに、前記外側領域を吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄ間の所定圧力Ｐｍに設定し、前記旋回渦巻部品の背面にスラスト力を印加することで、前記旋回渦巻部品を前記固定渦巻部品に接触させ、前記旋回渦巻部品の自転を自転拘束部品によって拘束し、前記旋回渦巻部品を旋回運動させることにより、前記圧縮空間を渦巻の中心に向かって容積を減少させながら移動させ、冷媒ガスを前記吸入空間から前記圧縮空間に吸い込んで圧縮し、前記吐出圧力Ｐｄと前記吸入圧力Ｐｓの圧力比（Ｐｄ／Ｐｓ）が２〜６の範囲とするスクロール圧縮機であって、前記旋回渦巻部品の前記旋回鏡板の直径Ｄと前記環状シールの外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）を、０．５より大きく設定したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスクロール圧縮機において、前記環状シールで区画された前記外側領域に印加される背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）を、当該背圧△Ｐと前記冷媒ガスの０℃における飽和蒸気圧Ｐ０との比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように設定したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスクロール圧縮機において、前記吸入空間に吸い込む前記冷媒ガスが、その乾き度が０．５以下の液冷媒を含む冷媒ガスであることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスクロール圧縮機において、前記冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態によるスクロール圧縮機は、旋回渦巻部品の旋回鏡板の直径Ｄと環状シールの外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）を、０．５より大きく設定したものである。本実施の形態によれば、比（ｄ／Ｄ）を０．５より大きく設定すると、運転条件により吐出圧力の大きさが変化しても、常にプラス（＋）のスラスト力が得られるので、環状シールの内側領域に作用する吐出圧力Ｐｄのみで旋回渦巻部品を固定渦巻部品に接触摺動させることが可能となる。これにより、環状シールの外側領域に作用する圧力Ｐｍを、吸入圧力Ｐｓ又はＰｓに近い圧力に設定することができる。その結果、圧縮機の起動時に、環状シールの外側領域に供給された潤滑油はほぼ同時に吸入空間へと供給されることになり、潤滑油の供給遅れがなくなって、たとえ起動初期から冷媒液が吸入空間に吸い込まれても、摺動表面での焼付き現象が起こらなくなる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるスクロール圧縮機において、環状シールで区画された外側領域に印加される背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）を、当該背圧△Ｐと冷媒ガスの０℃における飽和蒸気圧ＰＯとの比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように設定したものである。環状シールの外側領域の圧力は、環状シールの内側領域から潤滑油が流れ込むことで上昇するが、その設定圧力Ｐｍが低いほど、即ち吸入圧力Ｐｓ又はＰｓに近い圧力であれば短時間にその値に到達する。そこで、本実施の形態によれば、使用する冷媒の０℃における飽和蒸気圧ＰＯ（一定値）を用いて、０．２≧△Ｐ／ＰＯ≧０、即ち、Ｐｓ＋０．２×ＰＯ≧Ｐｍ≧Ｐｓに規定する。このように外側領域の設定背圧を小さくすると、起動時に、短時間で環状シールの外側領域の圧力が設定値まで上昇し、その後すぐに潤滑油は吸入空間へと供給されることになる。すなわち潤滑油の吸入空間への供給遅れが小さくなって、たとえ起動初期から冷媒液が吸入空間に吸い込まれても、摺動表面での焼付き現象が起こらなくなる。
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスクロール圧縮機において、吸入空間に吸い込む冷媒が、その乾き度が０．５以下の液冷媒を含む冷媒ガスであっても、第１又は第２の実施の形態によれば、起動時に迅速なる潤滑油給油が可能になるので、スクロール圧縮機の信頼性を高めることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態によるスクロール圧縮機において、冷媒として二酸化炭素を用いるものである。本実施の形態によれば、冷媒にＣＯ２を用いた場合にその圧力が高いので、旋回渦巻部品が固定渦巻部品に押し付けられるスラスト力も大きくなり、その分摺動表面での焼付き現象が起こりやすくなるが、ＣＯ２外側領域の背圧△Ｐを小さく設定することにより、起動時、短時間に背圧が設定値まで上昇し、その後潤滑油が速やかに吸入空間に供給され、摺動部の焼付き現象を防止できる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の第１実施例によるスクロール圧縮機の縦断面図であり、圧縮対象は冷媒ガスである。
図１に示すように、本実施例のスクロール圧縮機は、密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸６の主軸受部材７と、この主軸受部材７上にボルト止めした固定渦巻部品４との間に、固定渦巻部品４と噛み合う旋回渦巻部品５を挟み込んでスクロール式の圧縮機構２を構成する。また、旋回渦巻部品５と主軸受部材７との間に旋回渦巻部品５の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転拘束部品１０を設けて、クランク軸６の上端にある偏心部にて旋回渦巻部品５を偏心駆動することにより、旋回渦巻部品５を円軌道運動させる。
これにより固定渦巻部品４の固定鏡板４ａ上に有する固定渦巻羽根４ｂと、旋回渦巻部品５の旋回鏡板５ａ上に有する旋回渦巻羽根５ｂとを噛み合わせて形成している圧縮空間８が、外周側から中央部に移動しながら小さくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入管１８および固定渦巻部品４の外周部の吸入空間９から冷媒ガスを吸入して圧縮し、所定圧力以上になった冷媒ガスを固定渦巻部品４の中央部の吐出口から密閉容器１内に吐出させることを繰り返す構成である。
【０００９】
クランク軸６の下端は密閉容器１の下端部の潤滑油溜まり１７に達しており、副軸受部材１５により支承され安定に回転する。この副軸受部材１５は、密閉容器１内に溶接や焼き嵌め固定された副軸受保持部材１４に取り付けられている。電動機３は主軸受部材７と副軸受部材１４との間に位置して、密閉容器１に溶接や焼き嵌めなどして固定された固定子３ａと、クランク軸６の途中の外まわりに一体に結合された回転子３ｂとで構成され、回転子３ａおよびクランク軸６が回転することにより、旋回渦巻部品５が円軌道運動する。
旋回渦巻部品５の背面部分には背圧室１２が設けてある。この背圧室１２内には主軸受部材７に設けた円環溝に環状シール１１を配置し、この環状シール１１により背圧室１２を２分割している。環状シール１１で分割した一方の内側領域１２aには、高圧の吐出圧力Ｐｄを作用させる。また、その外側領域１２ｂには、吸入圧力Ｐｓから吐出圧力Ｐｄまでの間の所定の中間圧力Ｐｍを作用させている。旋回渦巻部品５は、これら背圧室１２の圧力によりスラスト力が印加されて固定渦巻部品４に安定的に押し付けられ、漏れを低減するとともに安定して円軌道運動を行う構成である。
【００１０】
次に、本実施例のスクロール圧縮機の給油動作について、圧縮機構２の給油経路を説明する。副軸受保持部材１４には容積型のオイルポンプ１６が取り付けられている。このオイルポンプ１６は、クランク軸６の下端で駆動される。オイルポンプ１６によって潤滑油溜まり１７から吸い上げられた潤滑油は、クランク軸６を貫通している潤滑油供給穴６ａを通じて圧縮機構２の各摺動部に供給される。潤滑油供給穴６ａを通じてクランク軸６の上端に供給された潤滑油の大部分は、クランク軸６の偏心軸受部および主軸受部７ａを潤滑した後、主軸受部材７の下に流出し、最終的に潤滑油溜まり１７に戻る。一方、クランク軸６の上端に供給された潤滑油の一部は、旋回渦巻部品５の内部に設けられた通路と絞り部１３を経由して、そこで減圧されて環状シール１１の外側領域１２ｂに供給される。また、この外側領域１２ｂには自転拘束部品１０が配設されており、供給された潤滑油により潤滑が行われる。外側領域１２ｂに供給された潤滑油が溜まるにしたがい、この外側領域１２ｂの圧力は上昇するが、その圧力を一定に保つために、環状シール１１の外側領域１２ｂと吸入空間９の間に圧力調整機構２０が配置されている。外側領域１２ｂの圧力が設定された背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）より高くなると、圧力調整機構２０が作動して、外側領域１２ｂ内の潤滑油は吸入空間９に供給され、外側領域１２ｂの圧力はほぼ一定に保たれる。吸入空間９に供給された潤滑油は、圧縮空間８に入り、圧縮空間８内で冷媒ガスの漏れを防ぐシールの役割と、固定渦巻部品４と旋回渦巻部品５の摺動面を潤滑する役割を果している。
【００１１】
次に、図２、図３を用いて、第１実施例のスクロール圧縮機に関して、更に詳細説明する。第１実施例のスクロール圧縮機の構成は、図２で示す旋回渦巻部品５の旋回鏡板５aの直径Ｄと、環状シール１１の外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）の関係を、０．５より大きく設定している。また、図２に示すように環状シール１１は、旋回渦巻部品５の旋回渦巻羽根５ｂ面と反対側に、すなわち背圧室１２側に配置されている。
ところで、エアコン等の空調機又はヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルでは、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの圧力比Ｐｄ／Ｐｓは、運転条件に応じて２〜６程度の範囲で変化する。図３に、旋回渦巻部品５の背圧室１２における環状シール１１の内側領域１２ａにはＰｄが作用して外側領域１２ｂにはＰｓが作用するとした場合について、運転条件を変化させ、旋回渦巻部品５の旋回鏡板５aに作用する圧力バランスからスラスト力を計算し、そのスラスト力の直径比ｄ／Ｄに対する関係を示している。
【００１２】
図３に示す線図によれば、旋回渦巻部品５を固定渦巻部品４に接触摺動させるためには、圧力比Ｐｄ／Ｐｓが２〜６程度の範囲で変化するときスラスト力が常にプラス（＋）であれば良いので、環状シール１１の外径を旋回渦巻部品５の旋回鏡板５ａ直径の約０．５倍より大きく設定すれば良いことが判る。
すなわち、直径比ｄ／Ｄを０．５より大きく設定すると、吐出圧力の大きさに拘わらず常にプラス（＋）のスラスト力が得られるので、環状シール１１の内側領域１２ａに作用する吐出圧力Ｐｄのみで旋回渦巻部品５を固定渦巻部品４に接触摺動させることができる。これにより、環状シール１１の外側領域１２ｂに作用する中間圧力Ｐｍは、吸入圧力Ｐｓ又はＰｓに近い圧力に設定することが可能になるので、本第１実施例のスクロール圧縮機においては、背圧△Ｐが約ゼロに近い値でも作動するように圧力調整機構２０を設定している。
このような本実施例の圧縮機構２の構成により、起動時、環状シール１１の外側領域１２ｂに供給された潤滑油は、時間遅れがなく吸入空間９へと供給されることになる。したがって起動初期に多量の冷媒液が吸入空間９に吸い込まれ、その冷媒液が潤滑油を洗い流しても、すぐに新しい潤滑油が吸入空間９に供給されるので、摺動表面での焼付き現象が起こらなくなるという大きな効果が得られる。
【００１３】
（実施例２）
次に、本発明の第２実施例によるスクロール圧縮機について説明する。本第２実施例では、図１の第１実施例のスクロール圧縮機に示す環状シール１１の外側領域１２ｂに印加する背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）を、次のように設定して構成する。なお、第１実施例のスクロール圧縮機と同一機能を有する構成は同一番号を付して説明を省略する。
環状シール１１の外側領域１２ｂの圧力は、環状シール１１の内側領域１２ａから潤滑油が流れ込んで上昇するが、背圧の設定圧力が低いほど短時間にその値に到達する。そして、環状シール１１の外側領域１２ｂの圧力が設定背圧まで圧力が上昇した時点で、潤滑油は圧縮機構２の吸入空間９に供給されることとなる。従って、本実施例では、背圧△Ｐと使用する冷媒の０℃における飽和蒸気圧Ｐ０との比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように、固定渦巻部品４に埋め込まれた圧力調整機構２０により、背圧△Ｐの値を規定している。すなわち、このように外側領域１２ｂの設定背圧を小さく（０．２≧△Ｐ／ＰＯ≧０）規定することにより、起動時にはすぐに潤滑油は吸入空間９へと供給されることになる。すなわち潤滑油の吸入空間９への供給遅れが小さくなって、たとえ起動初期から冷媒液が吸入空間に吸い込まれても摺動表面での焼付き現象が起こらなくなるという効果が得られる。
【００１４】
図４は、ＣＯ２冷媒を使用したスクロール圧縮機において、起動時における吸入圧力Ｐｓ、吐出圧力Ｐｄと、環状シール１１の外側領域１２ｂの圧力（背圧△Ｐ）とについて、時間に対する変化を示したグラフである。すなわち、３台のＣＯ２スクロール圧縮機に関して、圧力調整機構２０の設定を変えることにより、それぞれ環状シール１１の外側領域１２ｂの圧力△Ｐを、例えば０．５MＰａ、１．０ＭＰａ、１．５MＰａの３種類異なる値に設定して、実験評価を実施した結果を示している。
背圧の時間変化を見ると、背圧が０．５ＭＰａに到達するには運転開始から約３０秒後であり、１．０ＭＰａに到達するには約４５秒後、１．５ＭＰａに到達するには約６０秒後となった。言い換えると、背圧△Ｐの設定が０．５ＭＰａの場合には運転開始から約３０秒後に吸入空間９に潤滑油が供給されるが、背圧△Ｐの設定が１．０ＭＰａの場合には運転開始から約４５秒経過しないと吸入空間９に潤滑油が供給されないことになる。
また、この起動試験を実施した結果、背圧を△Ｐ＝１．０ＭＰａ、および１．５ＭＰａに設定したスクロール圧縮機については、両者とも旋回渦巻部品５と固定渦巻部品４の摺動面、すなわち各鏡板４ａ、５ａに焼付き傷が発現したが、△Ｐ＝０．５ＭＰａに設定した圧縮機については、焼付きは生じなかった。
そして、冷媒がＣＯ２の場合には、０℃における飽和蒸発圧力ＰＯは３．５ＭＰａ（ａｂｓ）であり、設定背圧△Ｐ＝０．５ＭＰａの場合を考えると、△ＰとＰＯの比（△Ｐ／ＰＯ）は０．１４３となる。
【００１５】
これらの実験から、本第２実施例のスクロール圧縮機において、△Ｐ／ＰＯの値が０．２以下になるように△Ｐを設定することにより、起動時に迅速な吸入空間への潤滑油給油が可能になり、摺動傷の発生や焼付きを防止することができ、信頼性を高めることができると判明した。
なお、背圧△Ｐを小さく設定した場合（ＣＯ２冷媒を用いて△Ｐ＝０．５ＭＰａに設定した場合）も、定格運転条件などの各種の条件で安定して高い効率の運転を行うためには、前述の第１実施例で説明したように、環状シール１１の外径ｄの大きさを、旋回渦巻部品５の旋回鏡板５ａ直径Ｄの０．５以上に設定することが望ましい。
また、背圧△Ｐを小さく設定した場合であれば、多量の冷媒液を含む冷媒（すなわち乾き度が０．５以下の冷媒）が吸入空間９に吸い込まれても、旋回渦巻部品５と固定渦巻部品４の摺動面に焼付きが生じなかったことを確認している。
【００１６】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように本発明は、旋回渦巻部品の旋回鏡板の直径Ｄと環状シールの外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）を、０．５より大きく設定したものであり、これにより、環状シールの外側領域に作用する圧力Ｐｍを、吸入圧力Ｐｓ又はＰｓに近い圧力に設定すればよいことになり、その結果、圧縮機の起動時に、環状シールの外側領域に供給された潤滑油はほぼ同時に吸入空間へと供給されることになるので、潤滑油の供給遅れがなくなって、たとえ起動初期から冷媒液が吸入空間に吸い込まれても、摺動表面での焼付き現象が起こらなくなるという効果が得られる。
また、本発明は、環状シールの外側領域に印加される背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）と、０℃における冷媒ガスの飽和蒸気圧ＰＯとの比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように、背圧△Ｐを小さく設定したものであり、これによって、環状シールの外側領域の圧力は短時間にその設定値に到達し、圧縮機構の吸入空間にも潤滑油が速やかに供給されることとなり、すなわち潤滑油の吸入空間への供給遅れが小さくなる。そして、たとえば起動初期からその乾き度が０．５以下の冷媒が吸入空間に吸い込まれても摺動表面での焼付き現象が起こらなくなるという効果が得られる。
また、本発明は、吸入空間に吸い込む冷媒が、その乾き度が０．５以下の液冷媒を含む冷媒ガスであっても、第１又は第２の実施の形態によれば、起動時に迅速なる潤滑油給油が可能になるので、スクロール圧縮機の信頼性を高めることができる。さらに、冷媒にＣＯ２を用いた場合においては、ＣＯ２自体の圧力の絶対値が高いので、一般にその分摺動表面での焼付き現象が起こりやすくなるが、環状シールの外側領域の背圧△Ｐを小さく設定することにより、起動時、短時間に背圧が設定値まで上昇し、これによって潤滑油が速やかに吸入空間に供給されるので、摺動部の焼付き現象を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例のスクロール圧縮機を示す縦断面図
【図２】 図１に示すスクロール圧縮機の旋回渦巻部品及び環状シールを示す部分斜視図
【図３】 図１に示すスクロール圧縮機の直径比（ｄ／Ｄ）とスラスト力の関係を示す線図
【図４】 本発明の第２実施例のスクロール圧縮機に係わる起動後の時間と圧力変化を示す線図
【図５】 従来のスクロール圧縮機を示す縦断面図
【符号の説明】
１ 密閉容器
２ 圧縮機構
３ 電動機
４ 固定渦巻部品
４ａ 固定鏡板
４ｂ 固定渦巻羽根
５ 旋回渦巻部品
５ａ 旋回鏡板
５ｂ 旋回渦巻羽根
６ クランク軸
６ａ 潤滑油供給穴
７ 主軸受部材
７ａ 主軸受部
８ 圧縮空間
９ 吸入空間
１０ 自転拘束部品
１１ 環状シール
１２ 背圧室
１２ａ 内側領域
１２ｂ 外側領域
１３ 絞り部
１４ 副軸受保持部材
１５ 副軸受部材
１６ オイルポンプ
１７ 潤滑油溜まり
１８ 吸入管
１９ 吐出管
２０ 圧力調整機構
【発明の属する技術分野】
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に関し、特にＲ４１０Ａや二酸化炭素（ＣＯ２）等の冷媒を使用する蒸気圧縮冷凍サイクルに適したスクロール圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のスクロール圧縮機は、圧縮空間での漏れ損失を低減して高い効率を得るために、旋回渦巻部品を固定渦巻部品に接触摺動させ、圧縮空間の密封を図るという構成が用いられることが多い。例えば、図５は特許文献１に記載された従来の構成例を示したものである。すなわち、従来のスクロール圧縮機では、旋回渦巻部品５の旋回渦巻羽根面と反対（背面）側の面に背圧室１２を設け、この背圧室１２を環状シール１１により内側領域１２ａと外側領域１２ｂに区画し、環状シール１１の内側領域１２ａには吐出圧力状態にある潤滑油を供給し、さらにこの潤滑油の一部を絞り部１３を経由して外側領域１２ｂに供給し、そして外側領域１２ｂの潤滑油を吸入空間９に供給することにより、外側領域１２ｂを吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄ間の中間圧力Ｐｍに設定し、旋回渦巻部品５の背面にスラスト力を印加することで、旋回渦巻部品５を固定渦巻部品４に接触摺動させる構成となっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８０２５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記構成において、起動時、潤滑油はまず環状シール１１の内側空間１２ａに供給され、その後外側空間１２ｂに供給されるが、その外側空間１２ｂの圧力が設定の中間圧力Ｐｍ（＝Ｐｓ＋△Ｐ）になるまで、両渦巻部品で形成される吸入空間９には供給されないことになる。起動時、吸入空間９へ潤滑油が供給されない時期に、冷媒ガスとともに多量の冷媒液が冷凍サイクルから吸入空間９に戻ってきた場合には、摺動面に残っていた潤滑油が冷媒液で洗い流されてしまい、その結果、固定渦巻部品４や旋回渦巻部品５が傷付いたり、焼付いたりするという問題が生じていた。
特に、冷媒が二酸化炭素（ＣＯ２）のような高い圧力の冷媒の場合には、旋回渦巻部品５を固定渦巻部品４に押し付けるスラスト力の絶対値が大きくなること、および設定背圧△Ｐ（＝Ｐｍ―Ｐｓ）の絶対値も大きくなるので、冷媒Ｒ４１０Ａの場合に比べてさらに給油遅れの時間が長くなることから、固定渦巻部品４や旋回渦巻部品５に、焼付きがさらに発生しやすいという問題が生じていた。
【０００５】
そこで本発明は、起動時の給油遅れを防止し、信頼性の高いスクロール圧縮機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明のスクロール圧縮機は、固定鏡板上に固定渦巻羽根を有する固定渦巻部品と、旋回鏡板上に旋回渦巻羽根を有する旋回渦巻部品とを噛み合わせて複数の圧縮空間を形成し、前記固定渦巻部品の外周部に吸入空間を形成し、前記旋回渦巻部品の前記旋回渦巻羽根面と反対側の面に背圧室を設け、前記背圧室を環状シールにより内側領域と外側領域に区画し、前記環状シールの前記内側領域に吐出圧力状態にある潤滑油を供給し、該潤滑油の一部を絞り部で減圧して前記外側領域に供給し、該外側領域の潤滑油を前記吸入空間に供給するとともに、前記外側領域を吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄ間の所定圧力Ｐｍに設定し、前記旋回渦巻部品の背面にスラスト力を印加することで、前記旋回渦巻部品を前記固定渦巻部品に接触させ、前記旋回渦巻部品の自転を自転拘束部品によって拘束し、前記旋回渦巻部品を旋回運動させることにより、前記圧縮空間を渦巻の中心に向かって容積を減少させながら移動させ、冷媒ガスを前記吸入空間から前記圧縮空間に吸い込んで圧縮し、前記吐出圧力Ｐｄと前記吸入圧力Ｐｓの圧力比（Ｐｄ／Ｐｓ）が２〜６の範囲とするスクロール圧縮機であって、前記旋回渦巻部品の前記旋回鏡板の直径Ｄと前記環状シールの外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）を、０．５より大きく設定したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスクロール圧縮機において、前記環状シールで区画された前記外側領域に印加される背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）を、当該背圧△Ｐと前記冷媒ガスの０℃における飽和蒸気圧Ｐ０との比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように設定したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスクロール圧縮機において、前記吸入空間に吸い込む前記冷媒ガスが、その乾き度が０．５以下の液冷媒を含む冷媒ガスであることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスクロール圧縮機において、前記冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態によるスクロール圧縮機は、旋回渦巻部品の旋回鏡板の直径Ｄと環状シールの外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）を、０．５より大きく設定したものである。本実施の形態によれば、比（ｄ／Ｄ）を０．５より大きく設定すると、運転条件により吐出圧力の大きさが変化しても、常にプラス（＋）のスラスト力が得られるので、環状シールの内側領域に作用する吐出圧力Ｐｄのみで旋回渦巻部品を固定渦巻部品に接触摺動させることが可能となる。これにより、環状シールの外側領域に作用する圧力Ｐｍを、吸入圧力Ｐｓ又はＰｓに近い圧力に設定することができる。その結果、圧縮機の起動時に、環状シールの外側領域に供給された潤滑油はほぼ同時に吸入空間へと供給されることになり、潤滑油の供給遅れがなくなって、たとえ起動初期から冷媒液が吸入空間に吸い込まれても、摺動表面での焼付き現象が起こらなくなる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるスクロール圧縮機において、環状シールで区画された外側領域に印加される背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）を、当該背圧△Ｐと冷媒ガスの０℃における飽和蒸気圧ＰＯとの比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように設定したものである。環状シールの外側領域の圧力は、環状シールの内側領域から潤滑油が流れ込むことで上昇するが、その設定圧力Ｐｍが低いほど、即ち吸入圧力Ｐｓ又はＰｓに近い圧力であれば短時間にその値に到達する。そこで、本実施の形態によれば、使用する冷媒の０℃における飽和蒸気圧ＰＯ（一定値）を用いて、０．２≧△Ｐ／ＰＯ≧０、即ち、Ｐｓ＋０．２×ＰＯ≧Ｐｍ≧Ｐｓに規定する。このように外側領域の設定背圧を小さくすると、起動時に、短時間で環状シールの外側領域の圧力が設定値まで上昇し、その後すぐに潤滑油は吸入空間へと供給されることになる。すなわち潤滑油の吸入空間への供給遅れが小さくなって、たとえ起動初期から冷媒液が吸入空間に吸い込まれても、摺動表面での焼付き現象が起こらなくなる。
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスクロール圧縮機において、吸入空間に吸い込む冷媒が、その乾き度が０．５以下の液冷媒を含む冷媒ガスであっても、第１又は第２の実施の形態によれば、起動時に迅速なる潤滑油給油が可能になるので、スクロール圧縮機の信頼性を高めることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態によるスクロール圧縮機において、冷媒として二酸化炭素を用いるものである。本実施の形態によれば、冷媒にＣＯ２を用いた場合にその圧力が高いので、旋回渦巻部品が固定渦巻部品に押し付けられるスラスト力も大きくなり、その分摺動表面での焼付き現象が起こりやすくなるが、ＣＯ２外側領域の背圧△Ｐを小さく設定することにより、起動時、短時間に背圧が設定値まで上昇し、その後潤滑油が速やかに吸入空間に供給され、摺動部の焼付き現象を防止できる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の第１実施例によるスクロール圧縮機の縦断面図であり、圧縮対象は冷媒ガスである。
図１に示すように、本実施例のスクロール圧縮機は、密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸６の主軸受部材７と、この主軸受部材７上にボルト止めした固定渦巻部品４との間に、固定渦巻部品４と噛み合う旋回渦巻部品５を挟み込んでスクロール式の圧縮機構２を構成する。また、旋回渦巻部品５と主軸受部材７との間に旋回渦巻部品５の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転拘束部品１０を設けて、クランク軸６の上端にある偏心部にて旋回渦巻部品５を偏心駆動することにより、旋回渦巻部品５を円軌道運動させる。
これにより固定渦巻部品４の固定鏡板４ａ上に有する固定渦巻羽根４ｂと、旋回渦巻部品５の旋回鏡板５ａ上に有する旋回渦巻羽根５ｂとを噛み合わせて形成している圧縮空間８が、外周側から中央部に移動しながら小さくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入管１８および固定渦巻部品４の外周部の吸入空間９から冷媒ガスを吸入して圧縮し、所定圧力以上になった冷媒ガスを固定渦巻部品４の中央部の吐出口から密閉容器１内に吐出させることを繰り返す構成である。
【０００９】
クランク軸６の下端は密閉容器１の下端部の潤滑油溜まり１７に達しており、副軸受部材１５により支承され安定に回転する。この副軸受部材１５は、密閉容器１内に溶接や焼き嵌め固定された副軸受保持部材１４に取り付けられている。電動機３は主軸受部材７と副軸受部材１４との間に位置して、密閉容器１に溶接や焼き嵌めなどして固定された固定子３ａと、クランク軸６の途中の外まわりに一体に結合された回転子３ｂとで構成され、回転子３ａおよびクランク軸６が回転することにより、旋回渦巻部品５が円軌道運動する。
旋回渦巻部品５の背面部分には背圧室１２が設けてある。この背圧室１２内には主軸受部材７に設けた円環溝に環状シール１１を配置し、この環状シール１１により背圧室１２を２分割している。環状シール１１で分割した一方の内側領域１２aには、高圧の吐出圧力Ｐｄを作用させる。また、その外側領域１２ｂには、吸入圧力Ｐｓから吐出圧力Ｐｄまでの間の所定の中間圧力Ｐｍを作用させている。旋回渦巻部品５は、これら背圧室１２の圧力によりスラスト力が印加されて固定渦巻部品４に安定的に押し付けられ、漏れを低減するとともに安定して円軌道運動を行う構成である。
【００１０】
次に、本実施例のスクロール圧縮機の給油動作について、圧縮機構２の給油経路を説明する。副軸受保持部材１４には容積型のオイルポンプ１６が取り付けられている。このオイルポンプ１６は、クランク軸６の下端で駆動される。オイルポンプ１６によって潤滑油溜まり１７から吸い上げられた潤滑油は、クランク軸６を貫通している潤滑油供給穴６ａを通じて圧縮機構２の各摺動部に供給される。潤滑油供給穴６ａを通じてクランク軸６の上端に供給された潤滑油の大部分は、クランク軸６の偏心軸受部および主軸受部７ａを潤滑した後、主軸受部材７の下に流出し、最終的に潤滑油溜まり１７に戻る。一方、クランク軸６の上端に供給された潤滑油の一部は、旋回渦巻部品５の内部に設けられた通路と絞り部１３を経由して、そこで減圧されて環状シール１１の外側領域１２ｂに供給される。また、この外側領域１２ｂには自転拘束部品１０が配設されており、供給された潤滑油により潤滑が行われる。外側領域１２ｂに供給された潤滑油が溜まるにしたがい、この外側領域１２ｂの圧力は上昇するが、その圧力を一定に保つために、環状シール１１の外側領域１２ｂと吸入空間９の間に圧力調整機構２０が配置されている。外側領域１２ｂの圧力が設定された背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）より高くなると、圧力調整機構２０が作動して、外側領域１２ｂ内の潤滑油は吸入空間９に供給され、外側領域１２ｂの圧力はほぼ一定に保たれる。吸入空間９に供給された潤滑油は、圧縮空間８に入り、圧縮空間８内で冷媒ガスの漏れを防ぐシールの役割と、固定渦巻部品４と旋回渦巻部品５の摺動面を潤滑する役割を果している。
【００１１】
次に、図２、図３を用いて、第１実施例のスクロール圧縮機に関して、更に詳細説明する。第１実施例のスクロール圧縮機の構成は、図２で示す旋回渦巻部品５の旋回鏡板５aの直径Ｄと、環状シール１１の外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）の関係を、０．５より大きく設定している。また、図２に示すように環状シール１１は、旋回渦巻部品５の旋回渦巻羽根５ｂ面と反対側に、すなわち背圧室１２側に配置されている。
ところで、エアコン等の空調機又はヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルでは、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの圧力比Ｐｄ／Ｐｓは、運転条件に応じて２〜６程度の範囲で変化する。図３に、旋回渦巻部品５の背圧室１２における環状シール１１の内側領域１２ａにはＰｄが作用して外側領域１２ｂにはＰｓが作用するとした場合について、運転条件を変化させ、旋回渦巻部品５の旋回鏡板５aに作用する圧力バランスからスラスト力を計算し、そのスラスト力の直径比ｄ／Ｄに対する関係を示している。
【００１２】
図３に示す線図によれば、旋回渦巻部品５を固定渦巻部品４に接触摺動させるためには、圧力比Ｐｄ／Ｐｓが２〜６程度の範囲で変化するときスラスト力が常にプラス（＋）であれば良いので、環状シール１１の外径を旋回渦巻部品５の旋回鏡板５ａ直径の約０．５倍より大きく設定すれば良いことが判る。
すなわち、直径比ｄ／Ｄを０．５より大きく設定すると、吐出圧力の大きさに拘わらず常にプラス（＋）のスラスト力が得られるので、環状シール１１の内側領域１２ａに作用する吐出圧力Ｐｄのみで旋回渦巻部品５を固定渦巻部品４に接触摺動させることができる。これにより、環状シール１１の外側領域１２ｂに作用する中間圧力Ｐｍは、吸入圧力Ｐｓ又はＰｓに近い圧力に設定することが可能になるので、本第１実施例のスクロール圧縮機においては、背圧△Ｐが約ゼロに近い値でも作動するように圧力調整機構２０を設定している。
このような本実施例の圧縮機構２の構成により、起動時、環状シール１１の外側領域１２ｂに供給された潤滑油は、時間遅れがなく吸入空間９へと供給されることになる。したがって起動初期に多量の冷媒液が吸入空間９に吸い込まれ、その冷媒液が潤滑油を洗い流しても、すぐに新しい潤滑油が吸入空間９に供給されるので、摺動表面での焼付き現象が起こらなくなるという大きな効果が得られる。
【００１３】
（実施例２）
次に、本発明の第２実施例によるスクロール圧縮機について説明する。本第２実施例では、図１の第１実施例のスクロール圧縮機に示す環状シール１１の外側領域１２ｂに印加する背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）を、次のように設定して構成する。なお、第１実施例のスクロール圧縮機と同一機能を有する構成は同一番号を付して説明を省略する。
環状シール１１の外側領域１２ｂの圧力は、環状シール１１の内側領域１２ａから潤滑油が流れ込んで上昇するが、背圧の設定圧力が低いほど短時間にその値に到達する。そして、環状シール１１の外側領域１２ｂの圧力が設定背圧まで圧力が上昇した時点で、潤滑油は圧縮機構２の吸入空間９に供給されることとなる。従って、本実施例では、背圧△Ｐと使用する冷媒の０℃における飽和蒸気圧Ｐ０との比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように、固定渦巻部品４に埋め込まれた圧力調整機構２０により、背圧△Ｐの値を規定している。すなわち、このように外側領域１２ｂの設定背圧を小さく（０．２≧△Ｐ／ＰＯ≧０）規定することにより、起動時にはすぐに潤滑油は吸入空間９へと供給されることになる。すなわち潤滑油の吸入空間９への供給遅れが小さくなって、たとえ起動初期から冷媒液が吸入空間に吸い込まれても摺動表面での焼付き現象が起こらなくなるという効果が得られる。
【００１４】
図４は、ＣＯ２冷媒を使用したスクロール圧縮機において、起動時における吸入圧力Ｐｓ、吐出圧力Ｐｄと、環状シール１１の外側領域１２ｂの圧力（背圧△Ｐ）とについて、時間に対する変化を示したグラフである。すなわち、３台のＣＯ２スクロール圧縮機に関して、圧力調整機構２０の設定を変えることにより、それぞれ環状シール１１の外側領域１２ｂの圧力△Ｐを、例えば０．５MＰａ、１．０ＭＰａ、１．５MＰａの３種類異なる値に設定して、実験評価を実施した結果を示している。
背圧の時間変化を見ると、背圧が０．５ＭＰａに到達するには運転開始から約３０秒後であり、１．０ＭＰａに到達するには約４５秒後、１．５ＭＰａに到達するには約６０秒後となった。言い換えると、背圧△Ｐの設定が０．５ＭＰａの場合には運転開始から約３０秒後に吸入空間９に潤滑油が供給されるが、背圧△Ｐの設定が１．０ＭＰａの場合には運転開始から約４５秒経過しないと吸入空間９に潤滑油が供給されないことになる。
また、この起動試験を実施した結果、背圧を△Ｐ＝１．０ＭＰａ、および１．５ＭＰａに設定したスクロール圧縮機については、両者とも旋回渦巻部品５と固定渦巻部品４の摺動面、すなわち各鏡板４ａ、５ａに焼付き傷が発現したが、△Ｐ＝０．５ＭＰａに設定した圧縮機については、焼付きは生じなかった。
そして、冷媒がＣＯ２の場合には、０℃における飽和蒸発圧力ＰＯは３．５ＭＰａ（ａｂｓ）であり、設定背圧△Ｐ＝０．５ＭＰａの場合を考えると、△ＰとＰＯの比（△Ｐ／ＰＯ）は０．１４３となる。
【００１５】
これらの実験から、本第２実施例のスクロール圧縮機において、△Ｐ／ＰＯの値が０．２以下になるように△Ｐを設定することにより、起動時に迅速な吸入空間への潤滑油給油が可能になり、摺動傷の発生や焼付きを防止することができ、信頼性を高めることができると判明した。
なお、背圧△Ｐを小さく設定した場合（ＣＯ２冷媒を用いて△Ｐ＝０．５ＭＰａに設定した場合）も、定格運転条件などの各種の条件で安定して高い効率の運転を行うためには、前述の第１実施例で説明したように、環状シール１１の外径ｄの大きさを、旋回渦巻部品５の旋回鏡板５ａ直径Ｄの０．５以上に設定することが望ましい。
また、背圧△Ｐを小さく設定した場合であれば、多量の冷媒液を含む冷媒（すなわち乾き度が０．５以下の冷媒）が吸入空間９に吸い込まれても、旋回渦巻部品５と固定渦巻部品４の摺動面に焼付きが生じなかったことを確認している。
【００１６】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように本発明は、旋回渦巻部品の旋回鏡板の直径Ｄと環状シールの外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）を、０．５より大きく設定したものであり、これにより、環状シールの外側領域に作用する圧力Ｐｍを、吸入圧力Ｐｓ又はＰｓに近い圧力に設定すればよいことになり、その結果、圧縮機の起動時に、環状シールの外側領域に供給された潤滑油はほぼ同時に吸入空間へと供給されることになるので、潤滑油の供給遅れがなくなって、たとえ起動初期から冷媒液が吸入空間に吸い込まれても、摺動表面での焼付き現象が起こらなくなるという効果が得られる。
また、本発明は、環状シールの外側領域に印加される背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）と、０℃における冷媒ガスの飽和蒸気圧ＰＯとの比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように、背圧△Ｐを小さく設定したものであり、これによって、環状シールの外側領域の圧力は短時間にその設定値に到達し、圧縮機構の吸入空間にも潤滑油が速やかに供給されることとなり、すなわち潤滑油の吸入空間への供給遅れが小さくなる。そして、たとえば起動初期からその乾き度が０．５以下の冷媒が吸入空間に吸い込まれても摺動表面での焼付き現象が起こらなくなるという効果が得られる。
また、本発明は、吸入空間に吸い込む冷媒が、その乾き度が０．５以下の液冷媒を含む冷媒ガスであっても、第１又は第２の実施の形態によれば、起動時に迅速なる潤滑油給油が可能になるので、スクロール圧縮機の信頼性を高めることができる。さらに、冷媒にＣＯ２を用いた場合においては、ＣＯ２自体の圧力の絶対値が高いので、一般にその分摺動表面での焼付き現象が起こりやすくなるが、環状シールの外側領域の背圧△Ｐを小さく設定することにより、起動時、短時間に背圧が設定値まで上昇し、これによって潤滑油が速やかに吸入空間に供給されるので、摺動部の焼付き現象を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例のスクロール圧縮機を示す縦断面図
【図２】 図１に示すスクロール圧縮機の旋回渦巻部品及び環状シールを示す部分斜視図
【図３】 図１に示すスクロール圧縮機の直径比（ｄ／Ｄ）とスラスト力の関係を示す線図
【図４】 本発明の第２実施例のスクロール圧縮機に係わる起動後の時間と圧力変化を示す線図
【図５】 従来のスクロール圧縮機を示す縦断面図
【符号の説明】
１ 密閉容器
２ 圧縮機構
３ 電動機
４ 固定渦巻部品
４ａ 固定鏡板
４ｂ 固定渦巻羽根
５ 旋回渦巻部品
５ａ 旋回鏡板
５ｂ 旋回渦巻羽根
６ クランク軸
６ａ 潤滑油供給穴
７ 主軸受部材
７ａ 主軸受部
８ 圧縮空間
９ 吸入空間
１０ 自転拘束部品
１１ 環状シール
１２ 背圧室
１２ａ 内側領域
１２ｂ 外側領域
１３ 絞り部
１４ 副軸受保持部材
１５ 副軸受部材
１６ オイルポンプ
１７ 潤滑油溜まり
１８ 吸入管
１９ 吐出管
２０ 圧力調整機構
Claims (4)
- 固定鏡板上に固定渦巻羽根を有する固定渦巻部品と、旋回鏡板上に旋回渦巻羽根を有する旋回渦巻部品とを噛み合わせて複数の圧縮空間を形成し、前記固定渦巻部品の外周部に吸入空間を形成し、前記旋回渦巻部品の前記旋回渦巻羽根面と反対側の面に背圧室を設け、前記背圧室を環状シールにより内側領域と外側領域に区画し、前記環状シールの前記内側領域に吐出圧力状態にある潤滑油を供給し、該潤滑油の一部を絞り部で減圧して前記外側領域に供給し、該外側領域の潤滑油を前記吸入空間に供給するとともに、前記外側領域を吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄ間の所定圧力Ｐｍに設定し、前記旋回渦巻部品の背面にスラスト力を印加することで、前記旋回渦巻部品を前記固定渦巻部品に接触させ、前記旋回渦巻部品の自転を自転拘束部品によって拘束し、前記旋回渦巻部品を旋回運動させることにより、前記圧縮空間を渦巻の中心に向かって容積を減少させながら移動させ、冷媒ガスを前記吸入空間から前記圧縮空間に吸い込んで圧縮し、前記吐出圧力Ｐｄと前記吸入圧力Ｐｓの圧力比（Ｐｄ／Ｐｓ）を２〜６の範囲とするスクロール圧縮機であって、
前記旋回渦巻部品の前記旋回鏡板の直径Ｄと前記環状シールの外径ｄとの比（ｄ／Ｄ）を、０．５より大きく設定したことを特徴とするスクロール圧縮機。 - 前記環状シールで区画された前記外側領域に印加される背圧△Ｐ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）を、当該背圧△Ｐと前記冷媒ガスの０℃における飽和蒸気圧Ｐ０との比（△Ｐ／ＰＯ）が略一定値でかつ０．２以下になるように設定したことを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
- 前記吸入空間に吸い込む前記冷媒ガスが、その乾き度が０．５以下の液冷媒を含む冷媒ガスであ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。
- 前記冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
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