JP4750453B2 - スクロール圧縮機の階段型容量可変装置 - Google Patents

スクロール圧縮機の階段型容量可変装置 Download PDF

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Description

本発明は、スクロール圧縮機に関し、特に、圧縮機の容量可変幅を大きくして、消耗電力を最小化できるようにしたスクロール圧縮機の階段型容量可変装置に関する。
一般に、圧縮機は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換させ、その運動エネルギーにより冷媒ガスを圧縮する。圧縮機は、冷凍サイクルシステムを構成する核心要素であり、冷媒を圧縮する圧縮メカニズムによって、回転式圧縮機、スクロール圧縮機、往復動式圧縮機など、その種類が多様である。このような圧縮機を含む冷凍サイクルシステムは、冷蔵庫、エアコン、ショーケースなどに適用されている。
一般に、スクロール圧縮機は、駆動モータの駆動力が旋回スクロールに伝達され、該旋回スクロールが固定スクロールと係合されて旋回運動を行いながら、持続的にガスを吸入、圧縮して吐出させる。前記旋回スクロール及び固定スクロールには、インボリュート形状のラップがそれぞれ備えられ、前記固定スクロールのラップと前記旋回スクロールのラップとにより複数の圧縮ポケットが形成され、前記旋回スクロールの旋回運動により、これらの圧縮ポケットがガスの吐出される吐出孔側に移動しながらその容積が次第に減少しながらガスを圧縮する。
通常、前記複数の圧縮ポケットは、吐出ポートを中心に互いに対称をなすように一対形成され、その一対をなす二つの圧縮ポケットは、同一容積を有するように形成される。且つ、前記一対の圧縮ポケットが吸入側からガスが吸入されて吐出孔側に移動すると、該一対の圧縮ポケットに次いで、他の一対の圧縮ポケットが吸入側に形成され、このような過程が繰り返して行われる。
一方、前記圧縮ポケットにより圧縮される圧縮容量を大きくするための構造として、一対の圧縮ポケットの何れか一つの圧縮ポケットの容積を相対的に大きく構成した非対称のスクロール圧縮機が開発されている。
スクロール圧縮機において、駆動モータから発生する回転力が旋回スクロールに伝達される構造は、前記駆動モータに結合された回転軸の偏心部が、前記旋回スクロールの円板の下部に備えられたボス部に挿入されることにより、その回転軸の偏心部を通して旋回スクロールのボス部に伝達されるようになっている。しかしながら、このような構造においては、固定スクロールのラップと旋回スクロールのラップとにより形成された複数の圧縮ポケットの容積が大きく変化する場合、ガスが圧縮される各圧縮ポケットの位置と、駆動モータの回転力が伝達されるボス部及び偏心部の位置とが所定の距離をおいており、旋回スクロールの旋回運動が不安定になる。
また、スクロール圧縮機の圧縮容量を増加させるための構造として、図9及び図10に示すように、旋回スクロール10の円板11に所定の高さを有するラップ12が形成され、前記円板11の中央に位置するラップ12部分に所定の高さを有する容積減少用段差突起13が形成される。前記容積減少用段差突起13は、前記ラップ12の内側端部から360°に該当する部分までの内部に位置するように、所定の高さで形成される。また、前記円板11の下面に挿入孔14が形成され、該挿入孔14は、前記容積減少用段差突起13の内側まで形成される。且つ、前記挿入孔14には、前記回転軸20の偏心部21が挿入される。前記容積減少用段差突起13の断面は、前記回転軸20の偏心部21が挿入することができるように形成される。
このような構造においては、前記回転軸20の偏心部21が前記旋回スクロール10の容積減少用段差突起13の内側まで伸びるので、前記旋回スクロール10と係合される固定スクロール30のラップ31と前記旋回スクロールのラップ12とにより形成される圧縮ポケットPの位置と、回転力が伝達される前記回転軸20の偏心部21の位置とが重なり、圧縮比の大きい条件で前記旋回スクロール10の旋回運動が安定的に行われる。且つ、前記旋回スクロール10のラップ12の中央部分に容積減少用段差突起13が形成されるので、その吐出側の容積が減少して吐出されるガスの圧縮比が相対的に大きくなる。このような技術は、特開2000−329079に開示されている。
一方、圧縮機を備えた冷凍サイクルシステムが適用されたエアコンの場合、春夏秋冬という季節の変化によってエアコンの消耗電力を減少させるために、圧縮機の容量を変化させることが要求される。
圧縮機の容量を変化させるメカニズムとしては、圧縮機を構成する駆動モータの回転数を制御する方式、ガスをバイパスまたは漏洩させる方式、及びこれらを兼用した方式がある。
前記駆動モータの回転数を制御する方式は、容量可変幅が広く、性能が優れているという利点があるが、製作単価が高価であるという欠点がある。且つ、低い回転数では、給油問題を解決するための追加的な機構を必要とし、高い回転数では、摩擦部位の信頼性を確保する必要がある。
また、前記ガスをバイパスさせる方式は、製作単価を下げることができるという利点があるが、容量可変幅が狭いだけでなく、相対的に性能が低いという欠点がある。
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、製作単価が安価であるだけでなく、容量可変幅を大きくすることができるスクロール圧縮機の階段型容量可変装置を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明によるスクロール圧縮機の階段型容量可変装置は、ラップの外側端部から内側全体にわたって所定の高さの段差を有するように形成された容積減少用段差突起が備えられた旋回スクロールと、前記旋回スクロールの容積減少用段差突起に対応する領域に該当するラップの領域が段差形成された段差ラップが備えられて、前記旋回スクロールと係合されて外側圧縮ポケットと内側圧縮ポケットを形成し、前記旋回スクロールの容積減少用段差突起の外郭に対応する部位には、前記外側圧縮ポケットと前記内側圧縮ポケットにそれぞれ連通するように吸入口が形成され、前記外側圧縮ポケットと前記吸入口にそれぞれ連通するようにスライディング空間が形成される固定スクロールと、前記固定スクロールのスライディング空間に摺動自在に挿入され、前記外側圧縮ポケットと前記吸入口間を遮断して冷媒が前記外側圧縮ポケットから前記吸入口にバイパスされることを防止するか、又は前記外側圧縮ポケットと前記吸入口間を開放して冷媒を前記外側圧縮ポケットの中間から前記吸入口にバイパスするスライダーと、前記スライダーの後方に吐出圧を供給するように、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとにより圧縮されたガスが吐出される吐出側と前記スライディング空間とを連結する連結管と、前記連結管の中間に装着され、前記スライダーが前記外側圧縮ポケットと前記吸入口間を開閉するように、圧縮機の運転モードに応じて前記連結管を開閉する開閉弁と、を含むことを特徴とする。
本発明によるスクロール圧縮機の階段型容量可変装置においては、スクロール圧縮機の100%運転時には圧縮比を大きくし、可変容量運転時には圧縮比を小さくすることにより、スクロール圧縮機の全体的な容量可変幅が大きくなり、消費電力を大幅に減らすことができるという効果がある。
また、機械的な構造で容量を変化させることにより、相対的に製作単価が安価になり、価格競争力を高めることができるという効果がある。
以下、添付の図面を参照して、本発明によるスクロール圧縮機の階段型容量可変装置の好ましい実施形態を説明する。
図1及び図2は、本発明による階段型容量可変装置を備えたスクロール圧縮機の圧縮機構部を示す縦断面図及び横断面図である。
図1及び図2に示すように、本発明によるスクロール圧縮機の圧縮機構部は次のようである。
所定の形状を有する密閉容器100の内部に装着されるメインフレーム200と所定の間隔をおいて、前記密閉容器100の内部に固定スクロール300が装着され、前記固定スクロール300と旋回運動自在に係合されるように、前記固定スクロール300とメインフレーム200との間に旋回スクロール400が位置する。また、駆動モータと結合された回転軸500が前記メインフレーム200に貫通挿入されて、前記旋回スクロール400に結合される。
前記旋回スクロール400は、図3及び図4に示すように、所定の厚さ及び面積を有する円板部410の上面に、所定の厚さ及び高さを有するインボリュート曲線形状の旋回ラップ420が形成され、該旋回ラップ420の外側端部R1から内側端部R2までの全領域にわたって、所定の高さを有する容積減少用段差突起430が形成され、前記円板部410の下面には、所定の深さを有する挿入孔440が形成される。
前記容積減少用段差突起430は、前記円板部410の上面から所定の高さだけ持ち上り段を付けることが好ましく、前記容積減少用段差突起430の高さhは、前記旋回ラップ420の高さHより低い。前記容積減少用段差突起430は、前記旋回ラップ420の外側端部R1と該外側端部R1の側部に位置する旋回ラップ420の外面部分から始まり、その始まる部分は曲面をなすことが好ましい。且つ、前記容積減少用段差突起430は、別の部品により形成されて、前記旋回ラップ420の内部に結合されることもできる。前記挿入孔440は、前記容積減少用段差突起430の内部にまで形成され、前記挿入孔440には、前記回転軸500の片側に形成された偏心部510が挿入される。
前記固定スクロール300は、図5及び図6に示すように、所定の形状を有する本体部310の下面に、所定の厚さ及び高さを有するインボリュート曲線形状の固定ラップ320が形成され、前記本体部310の中央には、吐出孔330が形成される。前記固定ラップ320は、前記旋回スクロール400の円板部410の上面と接面する前記本体部310の当接面340に所定の深さを有する螺旋溝350が形成されることにより突設される。前記螺旋溝350が始まる部分(螺旋溝350の最外側端部)から突出した固定ラップ320が始まり、その突出した固定ラップ320が始まる以前まで内壁351のみが形成される。
また、前記固定ラップ320は、前記旋回スクロール400の容積減少用段差突起430と対面する領域に該当する部分が他の部分と段差を有するように形成された段差ラップ321と、通常の高さを有する通常ラップ322とからなる。前記段差ラップ321の段差の高さは、前記旋回ラップ420の高さHから容積減少用段差突起430の高さhを引いた高さに形成される。且つ、前記本体部310の一箇所に、ガスが吸入される吸入口360が形成される。前記吸入口360は、前記固定ラップ320が始まる部分に形成され、前記本体部310の側面と下面にわたって形成される。
前記旋回スクロール400は、その旋回ラップ420が前記固定スクロール300の固定ラップ320と係合されるように、前記メインフレーム200と固定スクロール300との間に挿入される。このとき、前記固定スクロール300の段差ラップ321の端面は、前記旋回スクロール400の容積減少用段差突起430の面に当接し、前記固定スクロール300の当接面340は、前記旋回スクロール400の円板部410の上面に当接する。
前記旋回スクロール400の旋回運動時、前記旋回ラップ420と前記固定ラップ320とにより、複数の圧縮ポケットが形成される。
前記旋回スクロール400の外側に位置する旋回ラップ420部分と該外側に位置する旋回ラップ420部分の外面と対面する前記固定スクロール300の内壁351または固定ラップ320の内壁とにより形成される圧縮ポケットと、該圧縮ポケットにガスが流入する吸入口360側とを連通する連通流路370が形成される。
また、前記吸入口360側と圧縮ポケットとが連通または遮断されるように、前記連通流路370を開閉する開閉手段が備えられる。
前記旋回スクロール400とメインフレーム200との間に、前記旋回スクロール400の自転を防止するオルダムリング600が結合され、前記固定スクロール300の上面に、該固定スクロール300の吐出孔330を開閉する吐出弁組立体700が装着される。
前記密閉容器100は、一方の側にガスが吸入される吸入管120が結合され、別の側にガスが吐出される吐出管110が結合される。
前記開閉手段は、前記連通流路370と連通して所定の内部空間を有するように形成されるスライディング空間373と、ガスが吐出される吐出管110と前記スライディング空間373とを連結する連結管130と、該連結管130に装着されて該連結管130を開閉する開閉弁140と、前記スライディング空間373に摺動自在に挿入され、吐出側の圧力と圧縮ポケット内の圧力との差により摺動して、前記連通流路370を開閉するスライダー150とを含む。
また、前記連結管130は、前記スライディング空間373と、中間圧力が作用する部分に位置するように前記固定スクロール300に貫通形成された貫通孔(図示せず)とを連結するように結合されることができる。
前記連通流路370は、前記固定スクロール300の本体部310に形成されることが好ましい。
前記連通流路370は、前記固定スクロール300の本体部310の外周面に、前記螺旋溝350と連通するように形成された第1貫通孔371と、該第1貫通孔371の側部に、前記吸入口360側と連通するように形成された第2貫通孔372と、前記第1貫通孔371の内壁に形成された段差面374とからなる。
前記スライダー150は、前記第1貫通孔371の断面と対応する断面及び所定の長さを有するように形成され、その外面に段差面151が形成される。前記スライダー150の長さは、前記第1貫通孔371の長さより短い。前記スライダー150は、前記第1貫通孔371に挿入され、前記スライダー150の段差面151が前記第1貫通孔371の段差面374に係止される。前記スライダー150の段差面151が前記第1貫通孔371の段差面374に係止されることによって、前記スライダー150の端面が前記螺旋溝350の内壁351に突出しなくなる。また、前記スライダー150が前記第1貫通孔371に挿入された状態で、前記本体部310の外周面に前記第1貫通孔371を閉塞するようにカバー380が結合される。前記カバー380に貫通孔381が形成され、該貫通孔381は、前記連結管130と連結される。前記スライダー150が前記カバー380側に移動する時、前記吸入口360と螺旋溝350の内部とが連通し、前記スライダー150が前記螺旋溝350側に移動する時、前記吸入口360と螺旋溝350とが遮断される。
前記第1貫通孔371の片側が前記スライディング空間373をなす。
前記固定ラップ320と前記旋回ラップ420とにより形成される一対の圧縮ポケットは、容積が互いに異なる非対称形状としてもよいし、容積が互いに同一の対称形状としてもよい。
未説明の符号160は高低圧分離板である。
以下、本発明によるスクロール圧縮機の階段型容量可変装置の作用効果を説明する。
まず、本発明によるスクロール圧縮機の圧縮機構部の作動は、前述したように、電動機構部の回転力が回転軸500に伝達され、該回転軸500の偏心部510を通して旋回スクロール400に伝達されて、該旋回スクロール400が固定スクロール300と係合されて前記回転軸500の中心を基準に旋回運動するようになっている。
このような過程で、スクロール圧縮機を100%容量で運転する場合、前記開閉手段を利用して、吸入口360と螺旋溝350の内部とを連通する連通流路370を遮断する。
このような状態で、前記旋回スクロール400が旋回運動を行うと、図7に示すように、前記旋回スクロール400の旋回ラップ420が前記固定スクロール300の固定ラップ320と係合されて旋回運動を行うことにより、前記旋回ラップ420の最外側の外壁と、該旋回ラップ420の外壁に対面する前記固定スクロール300の内壁351とにより、第1外側圧縮ポケットP1が形成されると共に、その内部に吸入口360を通して流入したガスが充填される。このとき、前記第1外側圧縮ポケットP1は、前記旋回スクロール400の容積減少用段差突起430領域に位置していない状態である。
そして、前記旋回スクロール400がさらに旋回運動を行うと、前記第1外側圧縮ポケットP1が吐出孔330側に移動しながら容積が減少すると共に、前記旋回ラップ420の最外側の内壁と前記固定ラップ320の最外側の外壁とにより、第1内側圧縮ポケットP2が形成される。前記第1内側圧縮ポケットP2の内部に、吸入口360を通して流入したガスが充填される。このとき、前記第1外側圧縮ポケットP1は、前記旋回スクロール400の容積減少用段差突起430領域に位置するようになり、容積の変化が大きくなる。また、前記第1内側圧縮ポケットP2は、前記旋回スクロール400の容積減少用段差突起430領域に位置するようになる。
そして、前記旋回スクロール400がさらに旋回運動を行うと、前記第1外側圧縮ポケットP1及び第1内側圧縮ポケットP2が前記固定スクロール300の中央部分に移動しながら容積が変化し、これらの第1外側圧縮ポケットP1及び第1内側圧縮ポケットP2で圧縮されたガスは、吐出孔330を通して密閉容器100の高圧空間内に吐出される。このような過程が繰り返されながらガスが圧縮され、前記密閉容器100の高圧空間に吐出された高温高圧状態のガスは、吐出管110を通して外部に流出する。
前記吸入が完了した第1外側圧縮ポケットP1が吐出孔330側に移動する過程で、前記旋回スクロール400の容積減少用段差突起430を経ながら大きな容積の減少が発生するので、圧縮比が非常に大きくなる。
一方、前記スクロール圧縮機を可変容量で運転する場合、前記開閉手段を利用して、吸入口360と螺旋溝350の内部とを連結する連通流路370を開放する。
このような状態で、前記旋回スクロール400が旋回運動を行うと、図8に示すように、前記旋回スクロール400の旋回ラップ420が前記固定スクロール300の固定ラップ320と係合されて旋回運動を行うことにより、前記旋回ラップ420の最外側の外壁と、該旋回ラップ420の外壁に対面する前記固定スクロール300の内壁351とにより、第1外側圧縮ポケットP1が形成される。前記第1外側圧縮ポケットP1の内部に、吸入口360を通して流入したガスが充填される。しかしながら、開閉手段により連通流路370が開放されることによって、前記第1外側圧縮ポケットP1と吸入口360とが連通されて、前記第1外側圧縮ポケットP1の内部が前記吸入口360と同じ圧力状態となる。このとき、前記第1外側圧縮ポケットP1は、前記旋回スクロール400の容積減少用段差突起430領域に位置していない状態である。
そして、前記旋回スクロール400がさらに旋回運動を行うと、前記第1外側圧縮ポケットP1が吐出孔330側に移動しながら容積が減少すると共に、前記旋回ラップ420の最外側の内壁と前記固定ラップ320の最外側の外壁とにより、第1内側圧縮ポケットP2が形成され、該第1内側圧縮ポケットP2の内部に、吸入口360を通して流入したガスが充填される。且つ、前記第1内側圧縮ポケットP2は、前記旋回スクロール400の容積減少用段差突起430領域の一部分に位置し、このとき、その内部は、まだ前記吸入口360側と連通しており、吸入口360の圧力と同じ状態である。
そして、前記旋回スクロール400がさらに旋回運動を行うと、前記第1外側圧縮ポケットP1が吐出孔330側に移動しながら連通流路370の位置以後から圧縮が進行し、且つ、前記第1内側圧縮ポケットP2が前記固定スクロール300の中央部分に移動しながら容積が変化して圧縮が進行する。このように、前記第1外側圧縮ポケットP1及び第1内側圧縮ポケットP2の容積が減少しながら圧縮されたガスは、前記吐出孔330を通して前記密閉容器100の内部に吐出される。
一方、前記開閉手段の作動は次の通りである。前記開閉弁140が連結管130を開放する場合、吐出側の圧力がスライダー150に作用して、スライダー150が固定スクロール300の内側に移動しながら連通流路370を遮断する。且つ、前記開閉弁140が連結管130を閉鎖すると、第1外側圧縮ポケットP1の圧力が大きくなり、前記スライダー150が固定スクロール300の縁部側に移動しながら連通流路370を開放して、第1外側圧縮ポケットP1と吸入口360側とを連通させる。
このように、スクロール圧縮機を100%容量で運転する場合、旋回スクロール400の旋回ラップ420の内部全体にわたって容積減少用段差突起430が形成されるので、吸入側に位置するときの圧縮ポケットの容積と、該圧縮ポケットが移動して容積減少用段差突起430に位置するときの圧縮ポケットの容積との差が大きくなり、且つ、持続的に前記容積減少用段差突起430の領域を経ながら吐出孔330に吐出されるので、圧縮比が非常に大きくなる。
また、スクロール圧縮機を可変容量で運転する場合、吸入側に位置するときは、圧縮ポケットが吸入口360側と連通して圧縮が進行せず、該圧縮ポケットが移動して容積減少用段差突起430領域からは圧縮が進行するので、圧縮比が非常に小さくなる。
一方、本発明の他の実施形態として、前記容積減少用段差突起430を固定スクロール300に形成し、旋回ラップ420に前記容積減少用段差突起430に対応する段差ラップを形成して構成することができる。
本発明による階段型容量可変装置を備えたスクロール圧縮機の圧縮機構部を示す縦断面図である。 図1のスクロール圧縮機の圧縮機構部を示す横断面図である。 図1のスクロール圧縮機の圧縮機構部を構成する旋回スクロールの平面図である。 図1のスクロール圧縮機の圧縮機構部を構成する旋回スクロールの斜視図である。 図1のスクロール圧縮機の圧縮機構部を構成する固定スクロールの平面図である。 図1のスクロール圧縮機の圧縮機構部を構成する固定スクロールの斜視図である。 本発明によるスクロール圧縮機の階段型容量可変装置の作動状態を順次示す平面図である。 本発明によるスクロール圧縮機の階段型容量可変装置の作動状態を順次示す平面図である。 従来のスクロール圧縮機の圧縮機構部を示す縦断面図である。 図9のスクロール圧縮機の旋回スクロールを示す横断面図である。
符号の説明
130 連結管
140 開閉弁
150 スライダー
300 固定スクロール
320 固定ラップ
360 吸入口
370 連通流路
373 スライディング空間
400 旋回スクロール
420 旋回ラップ
430 容積減少用段差突起

Claims (5)

  1. ラップの外側端部から内側全体にわたって所定の高さの段差を有するように形成された容積減少用段差突起が備えられた旋回スクロールと、
    前記旋回スクロールの容積減少用段差突起に対応する領域に該当するラップの領域が段差形成された段差ラップが備えられて、前記旋回スクロールと係合されて外側圧縮ポケットと内側圧縮ポケットを形成し、前記旋回スクロールの容積減少用段差突起の外郭に対応する部位には、前記外側圧縮ポケットと前記内側圧縮ポケットにそれぞれ連通するように吸入口が形成され、前記外側圧縮ポケットと前記吸入口にそれぞれ連通するようにスライディング空間が形成される固定スクロールと、
    前記固定スクロールのスライディング空間に摺動自在に挿入され、前記外側圧縮ポケットと前記吸入口間を遮断して冷媒が前記外側圧縮ポケットから前記吸入口にバイパスされることを防止するか、又は前記外側圧縮ポケットと前記吸入口間を開放して冷媒を前記外側圧縮ポケットの中間から前記吸入口にバイパスするスライダーと、
    前記スライダーの後方に吐出圧を供給するように、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとにより圧縮されたガスが吐出される吐出側と前記スライディング空間とを連結する連結管と、
    前記連結管の中間に装着され、前記スライダーが前記外側圧縮ポケットと前記吸入口間を開閉するように、圧縮機の運転モードに応じて前記連結管を開閉する開閉弁と、
    を含むことを特徴とするスクロール圧縮機の階段型容量可変装置。
  2. 前記容積減少用段差突起の始まる部分は、曲面をなすことを特徴とする請求項1に記載のスクロール圧縮機の階段型容量可変装置。
  3. 前記旋回スクロールのラップの高さは、前記容積減少用段差突起の高さより高いことを特徴とする請求項1に記載のスクロール圧縮機の階段型容量可変装置。
  4. 前記固定スクロールのラップと前記旋回スクロールのラップとにより形成される一対の圧縮ポケットが、容積が互いに異なる非対称形状であることを特徴とする請求項1に記載のスクロール圧縮機の階段型容量可変装置。
  5. 前記スライディング空間の圧縮ポケット側端部には第1貫通孔が形成され、
    前記第1貫通孔の周辺には段差面が形成され、
    前記スライディング空間の段差面に対応する前記スライダーの端部には、前記スライディング空間の段差面に係止されて前記スライダーが前記外側圧縮ポケットに突出することを制限するように、段差面が形成されることを特徴とする請求項1に記載のスクロール圧縮機の階段型容量可変装置。
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