JP4686593B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール圧縮機に係り、特に冷凍装置用、空調装置用及び空気、窒素等の気体圧縮用のスクロール圧縮機に好適なものである。

従来から、密閉容器の内部に固定スクロールと旋回スクロールとを有する圧縮機構部と、この旋回スクロールを旋回駆動させる電動機とを配置したスクロール圧縮機が知られている。このスクロール圧縮機において、旋回スクロールは、圧縮室の圧力により固定スクロールから離される向きの力を受け、固定スクロールと旋回スクロールとの間の冷媒漏れが増大するおそれがある。

そこで、低圧チャンバ形スクロール圧縮機において、固定スクロールと旋回スクロールとの間の冷媒の漏れを抑制するために、旋回スクロールの背面側にスラストリングを配置し、このスラストリングの背面側に設けたリング背圧室に圧縮過程の冷媒ガスを導入することにより、スラストリングを旋回スクロール側に押して旋回スクロールを固定スクロールに押し当てるようにすることが提案されている。その例として、例えば、特開２００８−３８７４９号公報（特許文献１）のスクロール圧縮機が挙げられる。

また、高圧チャンバ形スクロール圧縮機において、固定スクロールと旋回スクロールとの間の冷媒の漏れを抑制するために、旋回スクロールの背面側にスラストリングを配置し、このスラストリングの背面側に設けたリング背圧室に密閉容器内の吐出圧力の冷媒ガスを導入することにより、スラストリングを旋回スクロール側に押して旋回スクロールを固定スクロールに押し当てるようにすることが提案されている。その例として、例えば、特開２００７−１３８８２８号公報（特許文献２）のスクロール圧縮機が挙げられる。

特開２００８−３８７４９号公報 特開２００７−１３８８２８号公報

特許文献１、２のスクロール圧縮機において、全ての運転条件で旋回スクロールを固定スクロールに押付けて漏れを防止するためには、旋回スクロールの高速運転時に合わせてリング背圧室の圧力を高めに設定する必要がある。このため、旋回スクロールの押付力をそれほど必要としない低速運転時に、旋回スクロールの押付力が大きくなり、旋回スクロールと固定スクロールのラップ間の機械損失が増加する、という問題があった。

また、特許文献２のスクロール圧縮機では、高圧チャンバ形でなければスラストリング背面側のリング背圧室に吐出圧力の冷媒ガスを導入することができない、という制約がある。しかも、特許文献２のスクロール圧縮機では、密閉容器の内部空間の吐出圧力の冷媒ガスをリング背圧室に導入するため、運転が開始されてから密閉容器の内部空間の吐出圧力が上昇するまでに長時間を要することとなり、定常運転へ移行するまでの時間、すなわち運転立ち上がり時間が長くなる、という問題があった。

本発明の目的は、旋回スクロールと固定スクロールのラップ間の漏れ及び機械損失の低減を広い運転範囲で可能にすると共に、運転立ち上がり時間を短縮することができるスクロール圧縮機を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明では、密閉容器内に、固定スクロール及びこの固定スクロールへ向かって軸方向に移動可能な旋回スクロールを有する圧縮機構部と、前記旋回スクロールをクランク軸を介して駆動する電動機とを備え、前記旋回スクロールの背面側にスラストリングを設置し、前記スラストリングの背面側にリング背圧室を設け、前記密閉容器の内部空間に潤滑油を貯留する貯油部を設け、前記クランク軸の回転により前記貯油部の潤滑油を供給する給油手段を設けたスクロール圧縮機において、前記給油手段により供給される潤滑油を前記リング背圧室に導いて前記スラストリングを押圧するように構成したことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記密閉容器の内部空間は吸込圧力に保持されること。
（２）前記リング背圧室の圧力上昇を抑制する油圧制御弁を設けたこと。
（３）前記給油手段は、前記クランク軸によって回転される給油ポンプと、この給油ポンプ及び前記リング背圧室を連通する給油通路とを備えたこと。
（４）前記クランク軸はフレームに設けられた主軸受を介して軸支され、前記スラストリングはその反旋回スクロール側を前記フレームに設けられたリング溝内に収納して配置され、前記リング背圧室は前記スラストリングの背面側の前記リング溝内の空間で形成され、前記給油通路は、前記給油ポンプに連通されるように前記クランク軸に設けられた給油穴と、この給油穴と前記リング背圧室とを連通するように前記フレームに設けられた連通穴とで構成されていること。
（５）前記フレームに設けられた給油穴と前記密閉容器の内部空間とを連通する通路を設け、この通路内に前記リング背圧室の圧力上昇を抑制する油圧制御弁を設けたこと。

係る構成の本発明のスクロール圧縮機によれば、旋回スクロールと固定スクロールのラップ間の漏れ及び機械損失の低減を広い運転範囲で可能にすると共に、運転立ち上がり時間を短縮することができる。

以下、本発明の一実施形態のスクロール圧縮機について図１から図６を用いて説明する。図１は本実施形態のスクロール圧縮機の縦断面図、図２は図１のスクロール圧縮機の運転停止時におけるスラストリング部の拡大図、図３は図１のスクロール圧縮機の運転時におけるスラストリング部の拡大図、図４は図１のスラストリングの単体状態の縦断面図、図５は図１のスラストリングの単体状態の縦断面図、図６は図１のスクロール圧縮機の中間圧制御弁部の拡大図である。本実施形態のスクロール圧縮機５０は、冷凍装置用、空調装置用及び空気、窒素等の気体圧縮用のスクロール圧縮機として使用される。

スクロール圧縮機５０は、圧縮機構部２と電動機８とをクランク軸６で連結し、これらを密閉容器１内に収納して構成している。

密閉容器１は、縦長の円筒部１ａと、この円筒部１ａの上下面を塞ぐ蓋部１ｂ、１ｃとから構成されている。密閉容器１の内部空間は吸込圧力に保持される。密閉容器１の底部には、潤滑油を貯留する貯油部１０が形成されている。圧縮機構部２は密閉容器１内の上部に配置され、電動機８は密閉容器１内の下部に配置され、クランク軸６は密閉容器１内の中心部に垂直に配置されている。

圧縮機構部２は、固定スクロール３及び旋回スクロール４を備えて構成され、作動流体である冷媒ガスを圧縮する。

固定スクロール３は、台板３ａと、この台板３ａに立設されたスクロールラップ３ｂとを備えている。固定スクロール３の周縁部に吸込口３ｄを有し、固定スクロール３の中央部に吐出口３ｃを有している。固定スクロール３はフレーム９に固定ボルト３ｄにより固定されている。

旋回スクロール４は、台板４ａと、この台板４ａに立設されたスクロールラップ４ｂと、ボス部４ｃとを備えている。固定スクロール３と旋回スクロール４とは、それぞれのスクロールラップ３ｂと４ｂとが噛み合わされ、圧縮室２２が形成される。外部の冷凍サイクルの低圧の冷媒ガスは、吸込パイプ１１を通して密閉容器１内に吸い込まれ、吸込口３ｄを通して圧縮機構部２に吸い込まれ、圧縮室２２で圧縮される。

ボス部４ｃの内部には旋回軸受７が設置され、この旋回軸受７にはクランク軸６の偏心ピン部６ｂが挿入される。偏心ピン部６ｂが偏心回転することにより、旋回スクロール４が旋回運動される。

固定スクロール３の下側には、フレーム９が配置されている。このフレーム９は密閉容器１に固定されている。フレーム９と固定スクロール３との間には、旋回スクロール４が旋回可能に、且つ固定スクロールへ向かって軸方向に移動可能に配置されている。フレーム９の中央穴内には、主軸受６１、６２が設置されている。

フレーム９には、旋回スクロール４の背面側の中間圧室１８と密閉容器１の内部空間とを連通させる穴に中間圧制御弁２１が設けられている。中間圧制御弁２１により、中間圧室１８の圧力が吸入圧力と吐出圧力の中間の圧力（中間圧力）に保持される。旋回スクロール４の背面に構成される中間圧室１８は、旋回スクロール４とスラストリング３０とで囲まれた空間で形成されている。

フレーム９の上面には、リング背圧室２０を形成するためのリング溝９ａが設けられると共に、スラストリング３０が配設されている。スラストリング３０はその上面が旋回スクロール４の背面に当接するように配置されている。スラストリング３０はその反旋回スクロール側をリング溝９ａ内に収納して配置されており、これによりスラストリング３０の背面側のリング溝９ａ内の空間がリング背圧室２０として形成される。

フレーム９には、リング背圧室２０の圧力上昇を抑制する油圧制御弁４０が設けられている。

オルダムリング５は、旋回スクロール４とフレーム９との間に配置され、旋回スクロール４が旋回運動する際の自転を防止する。

電動機８は、ロータ８ａ、ステータ８ｂを備えて構成され、クランク軸６を介して圧縮機構部２を駆動する。電動機８は圧縮機構部２のフレーム９とクランク軸６の下部を軸支する副軸受１６との間に位置されている。ロータ８ａはクランク軸６の中央部に固定されている。ステータ８ｂは、ロータ８ａの周囲に配置され、密閉容器１に固定されている。

クランク軸６は、主軸部６ａ及び偏心ピン部６ｂを備えて構成され、圧縮機構部２と電動機８とを連結すると共に、各摺動部に潤滑油を供給する給油穴を有している。

主軸部６ａは、電動機８及びフレーム９を上下に貫通して延びており、主軸受６１、６２及び副軸受１６に支持されると共に、ロータ８ａを固着している。主軸部６ａ及び偏心ピン部６ｂの中央部には、給油穴１７が上下に貫通するように設けられている。主軸部６ｓには、この給油穴１７から主軸受６１、６２、副軸受１６ａにそれぞれ延びる給油穴６３、６４、６５が設けられている。

偏心ピン部６ｂは、フレーム９より上方に突出する主軸部６ａの上端部から上方に延びるように設けられている。この偏心ピン部６ｂは、上述したように、旋回軸受７内に挿入され、旋回スクロール４を旋回駆動する。

電動機８より下方へ突出する主軸部６ａの下部は、副軸受部１６により支持されている。従って、主軸部６ａの上部が主軸受６１、６２で支持され、主軸部６ａの下部が副軸受部１６により軸支されることとなり、クランク軸６は安定して回転することができる。

副軸受部１６は、主軸部６ａを軸支する副軸受１６ａと、この副軸受１６ａを保持する副軸受ケース１６ｂと、この副軸受ケース１６ｂを支持する副軸受支持部材１６ｃとからなっている。副軸受支持部材１６ｃは密閉容器１に固定されている。

クランク軸６の下端部には給油ポンプ部１４が設置されている。この給油ポンプ部１４は給油ポンプ１４ａとポンプケース１４ｂとからなっている。給油ポンプ部１４は、副軸受ケース１６ｂに支持され、貯油部１０に貯留される潤滑油の中に浸漬されている。

スクロール圧縮機が起動され、電動機８が運転されて旋回スクロール４が回転されると、吸い込み管１１から冷凍サイクル中の冷媒ガスが吸い込まれ、固定スクロール３と旋回スクロール４とから構成される圧縮機構部２の圧縮室４により冷媒ガスは圧縮される。低温、低圧の吸込冷媒ガスは、高温、高圧の圧縮冷媒ガスとなって、吐出カバー２４内に吐出された後に、吐出管１２から外部の冷凍サイクル中に吐出される。

ここで、吐出ガスは、吐出カバー２４を介して、直接吐出管１２から吐出されるので、密閉容器１の内部空間である冷凍機貯油部１０内の圧力は、吸い込み圧力と同じ圧力の低圧となっている。このような、密閉容器１内が吸込圧力となるようないわゆる低圧チャンバタイプを採用する場合としては、可燃性ガスを作動流体とする場合があげられる。例えば、プロパンやブタン等の炭化水素系流体がそれに該当する。これは、安全性の観点から、スクロール圧縮機５０を含む冷凍サイクル全体に封入される作動流体量を低減するためであり、貯油部１０の圧力低下で潤滑油に溶け込む作動流体が低減できる。また、二酸化炭素のような高圧域で用いられる作動流体の場合にも、密閉容器１の安全性から低圧チャンバタイプが使われる。

一方、中間圧力室１８内は、吸い込み圧と吐出圧とのほぼ中間の圧力（中間圧力）になっている。

なお、圧縮機構部２での、過圧縮を抑制するため、または、液圧縮を回避するため、固定スクロール３の歯底にはバイパス弁２３及び吐出穴が設けられている。

また、スクロール圧縮機５０を起動すると、クランク軸６の回転に伴って給油ポンプ１４ａが回転される。これによって、密閉容器１の底部にある貯油部１０の蓄えられた潤滑油は、ポンプケース１４ｂに設けられた潤滑油吸込口から容積式又は遠心式の給油ポンプ１４ａによって吸入され、クランク軸６の軸内に設けられた給油穴１７を通って、旋回スクロール４のボス部４ｃ内に供給される。その後、潤滑油は、旋回軸受７の隙間を通って、中間圧力室１８に給油される。中間圧力室１８が設定値以上の圧力になると、中間圧制御弁２１が開き、中間圧室１８内の潤滑油を密閉容器１の内部空間に流出させて油溜り１０に戻すことにより中間圧力室１８の圧力を所定圧力以下に維持する。

中間圧制御弁２１は、図６に示すように、中間圧力室１８と密閉容器１の内部空間とを結ぶ通路内に、圧縮された弁ばね２１ａ、弁体２１ｂ、貫通穴を有する弁ストッパー２１ｃを備えて構成されている。中間圧力室１８の圧力は、給油ポンプ部１４の油圧により上昇されるので、中間圧制御弁２１により所定圧力以下に制御される。

一方、リング背圧室２０へは、給油ポンプ部１４から給油穴１７及び連通穴１９を通して潤滑油が供給される。連通穴１９は、給油穴１７とリング背圧室２０とを連通するように、フレーム９に設けられている。スラストリング３０の背面に形成されるリング背圧室２０に導入された油圧によりスラストリング３０は押上げられる。ここで、給油穴１７とフレーム９に設けられた連通穴１９とを連通するために、クランク軸６には半径方向に横穴４１があけられている。フレーム９に設けられた連通穴１９は、流体損失を低減するため、給油穴１７及び横穴４１と略同等の穴面積となっている。クランク軸６の回転により貯油部１０の潤滑油をリング背圧室２０に供給する給油手段は、給油ポンプ部１４、クランク軸６の給油穴１７、横穴４１、フレーム９の連通穴１９で構成される。

スラストリング３０は、旋回スクロール４の台板４ａの背面を支持し、リング背圧室２０の油圧を受けて、旋回スクロール４を固定スクロール３側に押付ける。

スクロール圧縮機５０の運転停止時には、リング背圧室２０に油圧が生じないため、図２に示すように、スラストリング３０はフレーム９に設けられたリング溝９ａ内に深く入り、旋回スクロール４と固定スクロール３とは離脱している。スクロール圧縮機５０の運転時には、リング背圧室２０に油圧が生じるため、図３に示すように、スラストリング３０の背面に形成されたリング背圧室２０内の圧力が上昇し、旋回スクロール４が固定スクロール３に押付けられる。

フレーム９に設けられた連通穴１９には、油圧制御弁４０が取り付けられており、リング背圧室２０を所定圧力以下に制御している。

スラストリング３０の内周縁及び外周縁には、図４に示すように、それぞれシール部材であるＯリング３１ａ、３１ｂが設けられ、このＯリング３１ａ、３１ｂを介して、スラストリング３０とフレーム９のリング溝との気密性が確保されている。

スラストリング３０の上面には、図５に示すように、半径方向に油溝３２が設けられており、スラストリング３０と旋回スクロール４の台板面の潤滑を保ち、中間圧室１８と外周室３３の圧力を同一に保っている。外周室３３に供給された潤滑油は、圧縮機構部２に吸い込まれる冷媒とともに、圧縮機構部２内に供給され、各スクロール３、４間の潤滑を実行する。

本実施形態では、圧縮容器１内に、固定スクロール３および旋回スクロール４を有した圧縮機構部２と、旋回スクロール４を旋回駆動する電動機８とを備え、旋回スクロール４を固定スクロール３に向けて軸方向に移動自在に支持し、旋回スクロール４の背面にスラストリング３０を設け、スラストリング３０を介して、旋回スクロール４を固定スクロール３に押付ける機能を備え、スラストリング３０のリング背圧室２０に給油ポンプ１４ａからの油圧を導入し、スラストリング３０を介して、旋回スクロール４を押圧する構成とされている。これにより、従来では中間圧力が立ち上がるまで定常運転へと移行できなかったが、本実施形態では、中間圧力が立ち上がる以前であっても、スラストリング３０の背圧のリング背圧室２０の圧力が立ち上がればよく、スラストリング３０で旋回スクロール４を固定スクロール３側に起動直後から移動させることが可能となる。従って、より短時間で定常運転へと移行することができ、運転立ち上がり時間を短縮することができる。

また、リング背圧室２０の圧力は、中間圧室１８の圧力より高圧となる。即ち、中間圧室１８の圧力は、潤滑油が旋回スクロール４の旋回軸受７のクリアランスを通過する際の圧力損失により低下するのに対して、旋回軸受７へ給油するクランク軸６の給油穴１７と同等の面積の連通穴１９を介してリング背圧室２０の圧力を上昇することにより、リング背圧室２０への給油経路における圧力損失の低減が少ないためである。また、潤滑油が旋回軸受７のクリアランスを通過することによる圧力損失分を低減できるため、給油ポンプ部１４をその分だけ小型化でき、入力を減少できる。

また、スクロールラップ間の漏れを低減するために、旋回スクロール４の端板上面及び旋回摺動面や歯先面にリン酸マンガン皮膜等でできたなじみ層を付着させることが考えられる。この場合には、なじみ運転を実施するが、中間圧室１８の中間圧力による旋回スクロール４への押圧力に、リング背圧室２０の圧力による旋回スクロール４への押圧力が加わることになるため、なじみ運転に要する時間を短縮できる。

また、給油ポンプ部１４で昇圧される潤滑油でスラストリング３０の背圧を生成するので、低速運転時の背圧は低下し、高速運転時の背圧は増加し、これによって、それぞれの運転時に適した背圧とすることが可能である。そして、スラストリング３０の背圧であるリング背圧室２０の圧力が異常上昇した場合は、フレーム９の連通穴１９に設けられた油圧制御弁４０により、リング背圧室２０の圧力を所定圧力以下に制御している。油圧制御弁４０は、図２及び図３に示すように、圧力調整バルブ２１と同様に、弁ばね、弁体、貫通穴を有する弁ストッパーを備えた構成となっている。

また、従来の高圧チャンバ形スクロール圧縮機において、スラストリングの背圧に吐出圧を使用する場合は、吐出圧が大きい場合に、スラストリングの背圧を制限するため、スラストリングに挟持制御手段を必要とした。この挟持制御手段としては、スラストリングに旋回スクロールの端板厚みと同じ高さの突起部を設ける構成としているが、寸法管理が困難である課題があった。本実施形態では、スラストリング３０の背圧を給油ポンプ部１４による油圧で制御すると共に、油圧制御弁４０を設けてスラストリング３０の背圧を制御するようにしているため、スラストリング３０に対する挟持制御手段を必要としない。また、スラストリング３０と旋回スクロール４との寸法管理を必要とせず組み立てが容易である。

以上説明したように、本実施形態によれば、スラストリング３０の背面に給油ポンプ部１４による潤滑油を供給することにより、運転立ち上がり時間を短縮することができる。また、給油ポンプ部１４による潤滑油をスラストリング３０の背面に導入することにより、回転速度に合わせた背圧を設定することが可能となり、低速運転時のスクロールラップ歯先間の機械損失を低減することが可能となる。さらに、給油ポンプ部１４による潤滑油をフレーム９に設けた連通穴１９を介して、スラストリング３０の背面に導入することにより、旋回スクロール４の旋回軸受７の隙間を介してスラストリング３０の背面に潤滑油を導入する場合に比較して圧力損失を低減でき、給油ポンプ部１４の消費電力を低減することが可能となる。

本発明の一実施形態のスクロール圧縮機の縦断面図である。 図１のスクロール圧縮機の運転停止時におけるスラストリング部の拡大図である。 図１のスクロール圧縮機の運転時におけるスラストリング部の拡大図である。 図１のスラストリングの単体状態の縦断面図である。 図４のスラストリングの平面図である。 図１のスクロール圧縮機の中間圧制御弁部の拡大図である。

符号の説明

１…容器、２…圧縮機構部、３…固定スクロール、３ａ…台板、３ｂ…スクロールラップ、３ｃ…吐出穴、３ｄ…固定ボルト、４…旋回スクロール、４ａ…台板、４ｂ…スクロールラップ、４ｃ…ボス部、５…オルダムリング、６…クランク軸、６ａ…主軸部、６ｂ…偏心ピン部、７…旋回軸受、８…電動機、９…フレーム、９ａ…リング溝、１０…貯油部、１１…吸込管、１２…吐出管、１４…給油ポンプ部、１４ａ…給油ポンプ、１４ｂ…ポンプケース、１６…副軸受部、１６ａ…副軸受、１６ｂ…副軸受ケース、１６ｃ…副軸受支持部材、１７…給油穴、１８…中間圧室、１９…連通穴、２０…リング背圧室、２１…中間圧制御弁、２２…圧縮室、３０…スラストリング、４０…油圧制御弁、スクロール圧縮機５０。

Claims (6)

1. 密閉容器内に、固定スクロール及びこの固定スクロールへ向かって軸方向に移動可能な旋回スクロールを有する圧縮機構部と、前記旋回スクロールをクランク軸を介して駆動する電動機とを備え、
   前記旋回スクロールの背面側にスラストリングを設置し、
   前記スラストリングの背面側にリング背圧室を設け、
   前記密閉容器の内部空間に潤滑油を貯留する貯油部を設け、
   前記クランク軸の回転により前記貯油部の潤滑油を供給する給油手段を設けたスクロール圧縮機において、
   前記給油手段により供給される潤滑油を前記リング背圧室に導いて前記スラストリングを押圧するように構成したことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 請求項１において、前記密閉容器の内部空間は吸込圧力に保持され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２において、前記リング背圧室の圧力上昇を抑制する油圧制御弁を設けたことを特徴とするスクロール圧縮機。
4. 請求項２において、前記給油手段は、前記クランク軸によって回転される給油ポンプと、この給油ポンプ及び前記リング背圧室を連通する給油通路とを備えたことを特徴とするスクロール圧縮機。
5. 請求項４において、前記クランク軸はフレームに設けられた主軸受を介して軸支され、前記スラストリングはその反旋回スクロール側を前記フレームに設けられたリング溝内に収納して配置され、前記リング背圧室は前記スラストリングの背面側の前記リング溝内の空間で形成され、前記給油通路は、前記給油ポンプに連通されるように前記クランク軸に設けられた給油穴と、この給油穴と前記リング背圧室とを連通するように前記フレームに設けられた連通穴とで構成されていることを特徴とするスクロール圧縮機。
6. 請求項５において、前記フレームに設けられた給油穴と前記密閉容器の内部空間とを連通する通路を設け、この通路内に前記リング背圧室の圧力上昇を抑制する油圧制御弁を設けたことを特徴とするスクロール圧縮機。

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