JP4709400B2 - 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、空気調和装置や冷凍装置等に具備されるスクロール圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
スクロール圧縮機の設計上の圧縮比は、圧縮室の最小容積（壁体どうしのかみ合いが外れて圧縮室が消滅する直前の容積）に対する、圧縮室の最大容積（壁体どうしがかみ合って圧縮室が形成された時点の容積）の比であり、次式（I）で表される。
Ｖi＝｛Ａ(θsuc)・Ｌ｝／｛Ａ(θtop)・Ｌ｝＝Ａ(θsuc)／Ａ(θtop) … （I）
(I)式において、Ａ(θ)は旋回スクロールの旋回角θに応じて容積を変化させる圧縮室の旋回面に平行な断面積を表す関数、θsucは圧縮室が最大容積となるときの旋回スクロールの旋回角、θtopは圧縮室が最小容積となるときの旋回スクロールの旋回角、Ｌは壁体どうしのラップ（重なり）長である。
【０００４】
従来、スクロール圧縮機の圧縮比Ｖiの向上を図るには、両スクロールの壁体の巻き数を増やして最大容積時の圧縮室の断面積Ａ(θ)を大きくする手法が採られてきた。しかしながら、壁体の巻き数を増やす従来の手法ではスクロールの外形が拡大して圧縮機自体が大型化するため、大きさの制限が厳しい自動車用等の空気調和装置には採用し難いという問題点があった。
【０００５】
上記の問題点を解決すべく、特公昭60-17956号には、以下に示す技術が提案されている。
図９(a)に示したものは固定スクロール５０であり、端板５０ａと、端板５０ａの一側面に立設された渦巻き状の壁体５０ｂとを備えている。また、(b)に示したものは旋回スクロール５１である。旋回スクロール５１も、固定スクロール５０と同様に端板５１ａと、端板５１ａの一側面に立設された渦巻き状の壁体５１ｂとを備えている。
【０００６】
固定スクロール５０および旋回スクロール５１の端板５０ａ、５１ａの側面に、中心部側が高く外終端側が低い段差部５２，５２が形成されている。さらに、この端板５０ａ、５１ａの段差部５２、５２に対応して、両スクロール５０，５１が備える壁体５０ｂ，５１ｂの渦巻き状の上縁に中心部側が低く外終端側が高い段差部５３、５３が形成されている。
【０００７】
ここで、図１０(a)に示したものは旋回スクロールの平面図であり、図１０(a)におけるＩ−Ｉ断面図が同図(b)である。段差部５２より外周側における壁体高さ（ラップ長）をＨとおき、段差部５２の段差高さをＬとおく。また、段差部５２により内側のラップ長をＨ２とおく。
図１０(b)からわかるように、段差部５２よりも外終端側におけるラップ長Ｈは内側のラップ長Ｈ２より長く形成されている。このため、ラップ長が一様である場合と比較すると、段差部５２より外側のラップ長が長い分だけ圧縮室Ｐの最大容積が大きくなることがわかる。したがって、壁体の巻き数を増やさなくても、設計上の圧縮比Ｖiを向上させることが可能である。また、ラップ長が短いために応力的に優れている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにＶiを向上させると、以下のような問題が生ずる。図１１に示すように、Ｖiは大きいほど旋回角に応じて圧力が早く上昇する。また、段差部５２と５３との噛み合い部分からは、機械加工公差等により隙間が生じやすい。このため、段差高さＬが大きいと、その分冷媒の漏れ量が多くなってしまう。
すなわち、Ｖiを向上させるべくＬ／Ｈを大きくすると、理想上は効率が上昇しても、圧力の高さと段差高さＬの増大化が原因となり、現実には段差部５２，５３からの漏れ量が多くなってしまう。このため、却って圧縮効率が低下するという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、圧縮効率の向上を実現するスクロール圧縮機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、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たスクロール圧縮機において、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スクロールの端板には、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スクロールの壁体の上縁は、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き形状とされ、前記一方のスクロールにおいて、該スクロール端板に設けられた段差部よりも壁体の渦に沿って外側の前記壁体の高さをＨとおき、前記段差部の段差高さをＬとおくとき、Ｌ／Ｈ≦０．２であることを特徴とする。
【００１１】
前述のように、Ｌ／Ｈを大きくすると漏れ量が大きくなるために圧縮効率は低下する。図１２は、本発明者等が得た圧縮効率とＬ／Ｈとの関係を示したグラフである。この図からわかるように、Ｌ／Ｈが０．２以下であれば、圧縮効率の低下を抑えることができ、かつ、応力的にも優れたスクロールとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るスクロール圧縮機の実施形態を図１ないし図８に示して説明する。
図１は、本発明の一実施形態として示した背圧型のスクロール圧縮機の構成を示している。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。
【００１３】
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。図２に示すように、固定スクロール１２は端板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、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゜だけ位相をずらした状態で、壁体１２ｂ，１３ｂどうしをかみ合わせて組み付けられている。
このような背圧型のスクロール型流体機械では、固定スクロール１２がボルト等によりフレーム５に完全に固定されておらず、規制された範囲内において可動である。
【００１４】
旋回スクロール１３の背面側には円筒状のボスＡが形成され、ボスＡには、モータ４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が挿入されている。これにより、旋回スクロール１３は固定スクロール１２に対して旋回運動されるとともに、自転阻止機構１０の作用によりその自転が阻止されている。
一方、固定スクロール１２は、ハウジング１に固定されたフレーム５に対して支持バネ（弾性体）１１を介して浮上自在に支持されているとともに旋回スクロール１３側に押しつけられている。端板３ａの背面中央には圧縮された流体の吐出ポート１５が設けられている。また、吐出ポート１５の周囲には、固定スクロール１２の端板１２ａの背面より突出する円筒フランジ１６が設けられ、該円筒フランジ１６はディスチャージカバー２側の円筒フランジ１７に嵌合している。これらの円筒フランジ１６，１７が嵌合する部分には、高圧室ＨＲと低圧室ＬＲとを分離し、固定スクロール１２の背面に高い圧力（背圧）をかけて押し下げる必要があるため、シール部材１８によるシール構造が採用されている。このシール部材１５は、Ｕ字形の断面形状を有している。この場合の高圧室ＨＲは、固定スクロール１２の背面に高圧の吐出圧力を作用させる背圧室としても機能している。
【００１５】
図２に示すように、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。
図３に示すように、旋回スクロール１３側の端板１３ａも端板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。
【００１６】
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。
【００１７】
旋回スクロール１３の平面図を図４(a)に示し、そのII-II断面図を同図(b)に示した。なお、以下においては旋回スクロール１３についてのみ説明するが、固定スクロール１２についても同様の構成となっている。
図４に示すように、旋回スクロール１３の壁体１３ｂの歯丈は、段差部４３よりも壁体１３ｂの渦に沿って外側においては、Ｈとされており、段差部４３よりも内側においては、Ｈ２とされている。また、段差部４３の段差高さ、すなわち、連結壁面１３ｈの高さはＬとされている。
ここで、Ｈ、Ｌは、以下の範囲に定められる。
図１２は、Ｌ／Ｈと圧縮効率との関係を解析により得た図である。図からわかるように、Ｌ／Ｈが大きすぎると、冷媒が段差部４３を通過して漏れる量が増え、圧縮効率が低下する。このため、本例においては、Ｌ／Ｈ≦０．２の範囲を満たすように設定されている。
【００１８】
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き形状となっている。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き形状となっている。
【００１９】
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とが存在している。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
なお、本例の固定スクロール１２の壁体１２ｂ及び旋回スクロール１３の壁体１３ｂの上縁には、チップシールが設けられておらず、壁体１２ｂ、１３ｂの端面が端板１２ａ、１３ａに押圧されることにより後述の圧縮室Ｃの密閉が行われる。
【００２２】
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が底の浅い底面１２ｆに当接し、高位の上縁１３ｄが底の深い底面１２ｇに当接する。同時に、低位の上縁１２ｃが底の浅い底面１３ｆに当接し、高位の上縁１２ｄが底の深い底面１３ｇに当接する。これにより、両スクロール間には向かい合う端板１２ａ，１３ａと壁体１２ｂ，１３ｂとに区画されて圧縮室Ｃが形成される。
【００２３】
圧縮室Ｃは旋回スクロール１３の公転旋回運動に伴い外終端から中心部に向けて移動するが、連結縁１２ｅは、壁体１２ｂ，１３ｂの当接点が連結縁１２ｅよりも外終端寄りに存在する間は壁体１２を挟んで隣接する圧縮室Ｃ（一方は密閉状態にない）間で流体の漏れが生じないように連結壁面１３ｈに摺接し、壁体１２ｂ，１３ｂの当接点が連結縁１２ｅよりも外終端寄りに存在しない間は壁体１２を挟んで隣接する圧縮室Ｃ（共に密閉状態にある）間で均圧を図るべく連結壁面１３ｈには摺接しないようになっている。
【００２４】
連結縁１３ｅも同様に、壁体１２ｂ，１３ｂの当接点が連結縁１３ｅよりも外終端寄りに存在する間は壁体１３を挟んで隣接する圧縮室Ｃ（一方は密閉状態にない）間で流体の漏れが生じないように連結壁面１２ｈに摺接し、壁体１２ｂ，１３ｂの当接点が連結縁１３ｅよりも外終端寄りに存在しない間は壁体１３を挟んで隣接する圧縮室Ｃ（共に密閉状態にある）間で均圧を図るべく連結壁面１２ｈには摺接しないようになっている。なお、連結縁１２ｅと連結壁面１３ｈ、および連結縁１３ｅと連結壁面１２ｈの摺接は、旋回スクロール１３が１／２回転する間で同期して起こる。
【００２５】
上記のように構成されたスクロール圧縮機の駆動時における流体圧縮の過程を図５ないし図８に示して順に説明する。
図５に示す状態では、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２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、直後に離間する。
【００２６】
図５の状態から旋回スクロール１３がπ／２だけ旋回し図６に示す状態に至る過程では、圧縮室Ｃが密閉状態を保ちながら中心部に向けて進行し、漸次容積を減少させて流体を圧縮し、圧縮室Ｃに先行する圧縮室Ｃ０も密閉状態を保ちながら中心部に向けて進行し、漸次容積を減少させて引き続き流体を圧縮する。この過程において、連結縁１２ｅと連結壁面１３ｈ、連結縁１３ｅと連結壁面１２ｈそれぞれの摺接が解消され、隣接する二つの圧縮室Ｃが均圧される。
【００２７】
図６の状態から旋回スクロール１３がπ／２だけ旋回し図７に示す状態に至る過程では、圧縮室Ｃが密閉状態を保ちながら中心部に向けて進行し、漸次容積を減少させてさらに流体を圧縮し、圧縮室Ｃ０も密閉状態を保ちながら中心部に向けて進行し、漸次容積を減少させて引き続き流体を圧縮する。この過程においては連結縁１２ｅは連結壁面１３ｈに、連結縁１３ｅは連結壁面１２ｈにそれぞれに摺接を開始する。
【００２８】
図７に示す状態では、外終端に近い壁体１２ｂの内側面とその内方に位置する壁体１３ｂの外側面との間には後に圧縮室となる開放空間Ｃ１が形成され、同じく外終端に近い壁体１３ｂの内側面とその内方に位置する壁体１２ｂの外側面との間にも後に圧縮室となる開放空間Ｃ１が形成され、開放空間Ｃ１には低圧室ＬＲから低圧の流体が流入する。
【００２９】
図７の状態から旋回スクロール１３がπ／２だけ旋回し図８に示す状態に至る過程では、開放空間Ｃ１が大きさを拡大しながらスクロール圧縮機構の中心部に向けて進行し、開放空間Ｃ１に先行する圧縮室Ｃも中心部に向けて進行し、漸次容積を減少させて流体を圧縮する。
【００３０】
図８の状態から旋回スクロール１３がさらにπ／２だけ旋回し再び図５に示す状態に至る過程では、空間Ｃ１がさらに大きさを拡大しながらスクロール圧縮機構の中心部に向けて進行し、空間Ｃ１に先行する圧縮室Ｃも密閉状態を保ちながら中心部に向けて進行し、漸次容積を減少させて流体を圧縮する。そして、図５の状態に至ると、図８に示す圧縮室Ｃが図５に示す圧縮室Ｃ０に相当し、図８に示す空間Ｃ１が図５に示す圧縮室Ｃに相当することとなる。
その後圧縮を続けることにより、圧縮室Ｃは最小容積となり、流体は圧縮室Ｃから吐出される。
【００３１】
吐出した流体は、高圧室ＨＲに導入される。そして固定スクロール１２が高圧の背圧を受けて旋回スクロール１３側に押し付けられ、また、シール部材１５においては、高圧の流体がＵ字部の内側に導入されることにより差圧で拡幅され、シール面が円筒フランジ１６，１７の垂直面に向けて押圧されることにより高圧室ＨＲと低圧室ＬＲのシールが行われる。
【００３２】
以上説明したように、本例のスクロール圧縮機においては、以下の効果を得ることができる。
段差よりも外周側の壁体高さＨおよび段差高さＬの値がＬ／Ｈ≦０．２の範囲で設定されているため、冷媒の漏れによる損失を抑えて良好な圧縮効率にて圧縮を行うことができる。
【００３３】
また、上記スクロール圧縮機においては、圧縮室の容積変化が旋回面に平行な断面積の減少のみによって引き起こされるのではなく、旋回軸方向の幅の減少と断面積の減少とによって相乗的に引き起こされる。
したがって、壁体１２ｂ，１３ｂを段付き形状とし、スクロール圧縮機構の外終端寄りと中心部寄りとで壁体１２ｂ，１３ｂのラップ長を変化させ、圧縮室Ｃの最大容積を大きくしたり最小容積を小さくしたりすることで、壁体どうしのラップ長が一定である従来のスクロール圧縮機に比べて圧縮比を向上させることができるとともに、応力的に優れたスクロール圧縮機とすることができる。
【００３４】
なお、上記実施形態として背圧式のスクロール圧縮機を示したが、本発明はこの例に限定されるものではなく、段付きスクロールであればいかなるものにも適用可能である。
また、ラップ強度（応力）を考慮してＨおよびＬの値を設定してもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスクロール圧縮機においては、スクロール端板に設けられた段差部よりも壁体の渦に沿って外側の前記壁体の高さをＨとおき、前記段差部の段差高さをＬとおくとき、Ｌ／Ｈ≦０．２であることにより、冷媒の漏れを抑え、良好な圧縮効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態として示したスクロール圧縮機の全体構成を示す断面図である。
【図２】 同スクロール圧縮機に用いられる固定スクロールの斜視図である。
【図３】 同スクロール圧縮機に用いられる旋回スクロールの斜視図である。
【図４】 同スクロール圧縮機の旋回スクロールであり、(a)は平面図、(b)は側断面図である。
【図５】 同スクロール圧縮機の駆動時における流体圧縮の過程を示す図である。
【図６】 同スクロール圧縮機の駆動時における流体圧縮の過程を示す図である。
【図７】 同スクロール圧縮機の駆動時における流体圧縮の過程を示す図である。
【図８】 同スクロール圧縮機の駆動時における流体圧縮の過程を示す図である。
【図９】 従来のスクロール圧縮機に用いられる固定スクロール及び旋回スクロールの斜視図である。
【図１０】 従来のスクロール圧縮機において、旋回スクロールの側断面を示す図である。
【図１１】 旋回角と圧縮室の圧力との関係を、異なるＶiにて示した図である。
【図１２】 Ｌ／Ｈと圧縮効率との関係を示した図である。
【符号の説明】
１２ 固定スクロール
１２ａ 端板
１２ｂ 壁体
１３ 旋回スクロール
１３ａ 端板
１３ｂ 壁体
４２ 段差部
４３ 段差部

Claims (1)

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たスクロール圧縮機において、
   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スクロールの端板には、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スクロールの壁体の上縁は、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き形状とされ、
   前記一方のスクロールにおいて、該スクロール端板に設けられた段差部よりも壁体の渦に沿って外側の前記壁体の高さをＨとおき、前記段差部の段差高さをＬとおくとき、
   Ｌ／Ｈ≦０．２
   であることを特徴とするスクロール圧縮機。

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