JP4789623B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室が容積を変えながら移動することで、吸入、圧縮、吐出を行うスクロール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固定スクロールと旋回スクロールを形成する両渦巻きラップが一定半径の円の伸開線であるインボリュート曲線によって形成されていることが多い。
また、固定スクロールの渦巻きラップ及び旋回スクロールの渦巻きラップが渦巻きラップの一部あるいは全体にわたり渦巻きの中心部から外側に向かって、渦巻きラップの厚みを変化させているものもある（例えば、特許文献１参照）。
また、非対称ラップ形状で構成した旋回スクロールの渦巻き溝の外から１巻き入った位置を１段高くして階段溝を設けた内部に鏡板面より円筒中心が階段溝内に入り込み、また溝段差壁面と渦巻き形状の中心から設定される領域に軸心を有する旋回軸受を設けるとともに、前記階段溝と噛み合って圧縮室が形成できるように固定スクロールの固定ラップも階段ラップで構成しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
図６は、特許文献１に記載された従来のスクロール圧縮機を示すものである。図６に示すように、一方のスクロール部材を他方のスクロール部材に旋回運動させることにより流体を膨張あるいは圧縮を行うスクロール流体機械において、例えば、スクロール部材２２の渦巻体２２ｂの形状が一部あるいは全体にわたり中心部から外側に向かって歯厚が大きくなる、あるいは小さくなるように構成されている。
特開平１１−２６４３８７号公報 特開２０００−３２９０７９号公報

しかしながら、固定スクロールと旋回スクロールを形成する両渦巻きラップが一定半径の円の伸開線であるインボリュート曲線によって形成されている前記従来の構成では、基礎円半径ａ、渦巻きの伸開角（巻き数）、渦巻きラップの厚さｔ及び高さｈを決定すると、渦巻き形状に対する自由度は限定され、行程容積や組み込み容積比が一義的に決定されるため、次のような問題を有していた。
すなわち、吸入圧力と吐出圧力の比が大きな条件で運転される冷凍用の圧縮機では、組み込み容積比を大きくしなければならないが、この組み込み容積比を大きくするためには、伸開角（巻き数）を大きくしなければならず、結果として外形が大きくなる。また、外形寸法や渦巻きラップの高さを一定として伸開角（巻き数）を大きくした場合には、渦巻きラップの厚さが小さくなり、強度が低下する、あるいは行程容積が減少するなどの制約を受けるという課題を有していた。
組み込み圧縮比や行程容積、渦巻きラップの厚さなどに対して設計自由度を増すことを目的とした公知例として、前記特許文献１に記載されたものがある。この公知例では、固定スクロールの渦巻きラップ及び旋回スクロールの渦巻きラップが渦巻きラップの一部あるいは全体にわたり、渦巻きの中心部から外側に向かって、渦巻きラップの厚みを変化させているので、外形を小さくしながらも組み込み容積比を確保し、中心部の強度を確保する構成が説明されている。
一方、固定スクロールの渦巻きラップを、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き終わり近くまで伸開させた、非対称ラップ形状にすれば、行程容積を大きくとることができるので渦巻きラップ高さ、あるいは外形寸法を小さくできる。また、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁側に形成される圧縮室が、作動流体を閉じ込める吸入過程において受熱損失と圧力損失を最小にすることができるので、スクロール圧縮機をコンパクトに形成するとともに、作動流体の吸入過程における損失を小さくすることができる。
しかしながら、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁側に形成される圧縮室内の作動流体と、旋回スクロールの渦巻きラップの内壁側に形成される圧縮室内の作動流体とは、圧力差をもったまま圧縮されることになるので、圧縮途中で圧縮室間の漏れ損失が発生するといった問題を有していた。
また、前記特許文献１の中には、非対称ラップ形状に関して、圧縮途中の漏れ損失低減について着目した具体的な説明はされていない。
一方、非対称ラップ形状に関して、圧縮途中の漏れ損失低減について着目し、コンパクトで高効率なスクロール圧縮機を提供することを目的とした公知例として、前記特許文献２に記載されたものがある。この公知例では、ラップ形状を階段状にすることによって、非対称ラップ形状でありながら、圧縮途中の漏れ損失低減を図る構成となっている。
しかしながら、ラップ形状を階段状に構成するため、階段部のラップ同士のシール性を確保することが難しく、また、生産工数が増してコストが増大するといった課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、非対称ラップ形状の圧縮途中の漏れ損失を低減させながら、コンパクトでシンプルなスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

第１の本発明のスクロール圧縮機は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室が容積を変えながら移動することで、吸入、圧縮、吐出を行うスクロール圧縮機において、前記固定スクロールの渦巻きラップの外壁曲線と、前記旋回スクロールの渦巻きラップの内壁曲線とを、基礎円半径をａとするインボリュート曲線で形成し、かつ、前記固定スクロールの渦巻きラップの内壁曲線と、前記旋回スクロールの渦巻きラップの外壁曲線とを、基礎円半径をｂとするインボリュート曲線で形成し、前記基礎円半径ａと前記基礎円半径ｂの比であるａ／ｂの値が、１．０を超え１．５未満である構成にし、かつ、前記固定スクロールの渦巻きラップの内壁曲線が終了する伸開角θａと、前記旋回スクロールの渦巻きラップの内壁曲線が終了する伸開角θｂとが、θｂ＜θａ＜θｂ＋πの関係を満たす構成にしたことを特徴とする。
第２の本発明は、第１の発明において、前記基礎円半径ａの中心位置と前記基礎円半径ｂの中心位置を一致させたことを特徴とする。
第３の本発明は、第１の発明において、前記基礎円半径ａの中心位置と前記基礎円半径ｂの中心位置との間に距離を設けたことを特徴とする。
第４の本発明は、第１から第３の発明において、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたことを特徴とする。

本発明によれば、ａ／ｂの値を１．０を超える値にすることによって、旋回スクロールの渦巻きラップの内壁側に形成される圧縮室は、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁側に形成される圧縮室に比べて、速く圧縮され、圧縮途中の漏れ損失を低減させることができる。また、ａ／ｂの値を１．５未満にすることによって、両渦巻きラップの厚みが極端に薄くなることがないので、渦巻きラップの強度を保つことができる。

本発明の第１の実施の形態によるスクロール圧縮機は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室が容積を変えながら移動することで、吸入、圧縮、吐出を行うスクロール圧縮機において、固定スクロールの渦巻きラップの外壁曲線と、旋回スクロールの渦巻きラップの内壁曲線とを、基礎円半径をａとするインボリュート曲線で形成し、かつ、固定スクロールの渦巻きラップの内壁曲線と、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁曲線とを、基礎円半径をｂとするインボリュート曲線で形成し、基礎円半径ａと基礎円半径ｂの比であるａ／ｂの値が、１．０を超え１．５未満である構成にし、かつ、固定スクロールの渦巻きラップの内壁曲線が終了する伸開角θａと、旋回スクロールの渦巻きラップの内壁曲線が終了する伸開角θｂとが、θｂ＜θａ＜θｂ＋πの関係を満たす構成にしたものである。本実施の形態によれば、ａ／ｂの値を１．０を超える値にすることによって、旋回スクロールの渦巻きラップの内壁側に形成される圧縮室は、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁側に形成される圧縮室に比べて、速く圧縮され、圧縮途中の漏れ損失を低減させることができる。また、ａ／ｂの値を１．５未満にすることによって、両渦巻きラップの厚みが極端に薄くなることがないので、渦巻きラップの強度を保つことができる。また、吸入過程における受熱損失の影響と、圧縮過程における圧縮室間の漏れ損失バランスを鑑みた最適設計が可能となる。
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、基礎円半径ａの中心位置と基礎円半径ｂの中心位置を一致させたものである。本実施の形態によれば、渦巻きラップ加工の生産工数を少なくすることができるので、圧縮途中の漏れ損失を低減させるとともに、より低コスト化することができる。
本発明の第３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、基礎円半径ａの中心位置と基礎円半径ｂの中心位置との間に距離を設けたものである。本実施の形態によれば、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁側に形成される圧縮室に比べて、旋回スクロールの渦巻きラップの内壁側に形成される圧縮室を速く圧縮させて漏れ損失を低減させながら、スクロールの渦巻きラップ厚さを変更することができるので、渦巻きラップの強度を任意に調整することができる。
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、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたものである。本実施の形態によれば、圧力変形を小さくしてカジリや異常磨耗を効果的に防ぎながら、圧縮室間の漏れ損失をより効果的に小さくすることができる。

（実施例１）
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施例によって本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の第１の実施例におけるスクロール圧縮機の断面図である。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４の主軸受部材１１と、この主軸受部材１１上にボルト止めした固定スクロール１２との間に、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３を挟み込んでスクロール式の圧縮機構２を構成し、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に旋回スクロール１３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規制機構１４を設けて、クランク軸４の上端にある主軸部４ａにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより旋回スクロール１３を円軌道運動させ、これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している圧縮室１５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外に通じた吸入パイプ１６および固定スクロール１２の外周部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して圧縮していき、所定圧以上になった冷媒ガスは固定スクロール１２の中央部の吐出口１８からリード弁１９を押し開いて密閉容器１内に吐出させることを繰り返す。

図２は、本実施例のスクロール圧縮機における圧縮機構部の断面図である。固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの外壁曲線と、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの内壁曲線とを、基礎円半径をａとするインボリュート曲線で形成し、固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの内壁曲線と、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの外壁曲線とを、基礎円半径をｂとするインボリュート曲線で形成する。そして、基礎円半径ａと前記基礎円半径ｂの比であるａ／ｂの値を、１．０を超える値にすることにより、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの内壁側に形成される圧縮室１５ｂは、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの外壁側に形成される圧縮室１５ａに比べて、速く圧縮することとなる。

図３は、本実施例のスクロール圧縮機における旋回角（クランク軸４の回転角）に対する圧縮室の容積変化を示す図である。実線で示しているものは、本実施例のスクロール圧縮機（ａ／ｂ＞１．０）の容積変化であり、点線で示しているものは、従来の非対称スクロール圧縮機（ａ／ｂ＝１．０）の容積変化である。図３で、同じ旋回角の時の圧縮室１５ｂと圧縮室１５ａの容積比の差は、圧縮室１５ｂと圧縮室１５ａとの差圧に比例する。つまり、同一旋回角での容積比の差が小さいほど、圧縮室１５内部でも漏れが少ないということになる。従来の非対称スクロール圧縮機と本発明を比較すると、容積比の差が小さくなっており、圧縮室１５内部での漏れを小さくできることが分かる。
ただし、基礎円半径ａと前記基礎円半径ｂの比であるａ／ｂの値を１．５以上の値にすると、両渦巻きラップの厚み変化が極端となり、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの巻き終わり部や固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの巻き始め部の、その厚みが薄くなりすぎるために、強度が低下する。圧縮機の信頼性を確保するためには、ａ／ｂの値を１．５未満の値にする必要がある。

以上のように、本実施例のスクロール圧縮機においては、固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの外壁曲線と、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの内壁曲線とを、基礎円半径をａとするインボリュート曲線で形成し、かつ、固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの内壁曲線と、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの外壁曲線とを、基礎円半径をｂとするインボリュート曲線で形成し、基礎円半径ａと前記基礎円半径ｂの比であるａ／ｂの値を、１．０を超える値にすることにより、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの内壁側に形成される圧縮室１５ｂは、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの外壁側に形成される圧縮室１５ａに比べて、速く圧縮されることとなり、圧縮途中の漏れ損失を低減させることができる。
また、ａ／ｂの値を１．５未満の値にすることによって、両渦巻きラップの厚みを極端に薄くなることがないので、渦巻きラップの強度を保つことができる。

なお、本実施例のスクロール圧縮機においては、基礎円半径ａの中心位置と基礎円半径ｂの中心位置を一致させる構成としている。この構成により、渦巻きラップ加工の生産工数を少なくすることができるので、圧縮途中の漏れ損失を低減させるとともに、より低コスト化することができる。
ところで、スクロール圧縮機において、固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの厚さが、中心部から外側に向かって大きくなり、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの厚さが、中心部から外側に向かって小さくなるように構成（図示せず）することによっても、本実施例と同様に、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの内壁側に形成される圧縮室１５ｂは、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの外壁側に形成される圧縮室１５ａに比べて、速く圧縮されることとなり、圧縮途中の漏れ損失を低減させることができる。
また、上述したこれらのスクロール圧縮機において、その渦巻きラップを構成する曲線は、インボリュート曲線に限ったものではなく、アルキメデス曲線や、円の伸開角によって半径が変化するようなインボリュート曲線等であってもよい。

（実施例２）
図４は、本発明の第２の実施例におけるスクロール圧縮機の伸開角θａを、θｂ＜θａ＜θｂ＋πの範囲で変化させたときの、旋回角に対する圧縮室の容積変化を示す図である。図４において、固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの内壁曲線が終了する伸開角θａと、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの内壁曲線が終了する伸開角θｂとを、θｂ＜θａ＜θｂ＋πの範囲で変化させたときの、クランク軸４の回転角（旋回角）に対する圧縮室１５の容積変化の様子を示している。
ここで、固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの内壁曲線の基礎円中心を原点とする座標系Ｘを設けて、ある任意の方向を伸開角：θ＝０と定義する。その方向から、半時計回り方向を伸開角の正方向とする。更に、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの外壁曲線の基礎円中心を原点として、座標系Ｘを１８０°回転させた座標系Ｙを設ける。以下、本実施例での伸開角は、固定スクロール１２の渦巻きラップ１２ｂの曲線の場合は座標系Ｘ、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの曲線の場合は座標系Ｙでの角度を示している。
図４を見て分かるように、伸開角θｂを変化させても、同一旋回角での容積比の差を小さくすることができる。つまり、作動流体（冷媒）の特性に合わせて、吸入過程における受熱損失の影響と、圧縮過程における圧縮室１５の漏れ損失のバランスを鑑みた最適設計が可能となる。例えば、冷媒密度が高く差圧の大きい冷媒では、吸入過程における受熱損失よりも、圧縮過程における圧縮室間の漏れ損失の影響の方が大きいと考えられるので、伸開角θａを伸開角θｂに近づけた構成にしたり、冷媒密度が低く差圧の小さい冷媒では、反対に伸開角θａを伸開角θｂ＋πに近づけた構成にしたりすることができる。

（実施例３）
図５は、本発明の第３の実施例におけるスクロール圧縮機の渦巻きラップ形状を示す平面図である。図５において、基礎円半径ａの中心位置と基礎円半径ｂの中心位置との間に距離を設けることにより、旋回スクロール１３の巻きラップ１３ｂ外壁側に形成される圧縮室１５ａに比べて、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの内壁側に形成される圧縮室１５ｂを速く圧縮する特徴を維持しながら、渦巻きラップ厚さを変更することができるので、渦巻きラップの強度を任意に調整することができる。

（実施例４）
本発明の第４の実施例におけるスクロール圧縮機は、冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とする構成（図示せず）である。高圧冷媒では、圧縮過程での圧縮室１５の間の差圧が大きいので、漏れ損失をより効果的に小さくすることができる。また、高圧冷媒の場合は、旋回スクロール１３が圧力差によって大きく変形し、カジリや異常磨耗を引き起こすが、本実施例のスクロール圧縮機においては、旋回スクロール１３の渦巻きラップ１３ｂの中心部の厚さを大きくすることができるので、圧力変形を抑えて、カジリや異常磨耗を効果的に防ぐことができる。
本発明のスクロール圧縮機は、非対称ラップ形状のスクロール圧縮機において、コンパクトかつシンプルな構造で、圧縮途中の漏れ損失を低減させることができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、圧縮途中の漏れ損失を低減させながら、コンパクトに構成することが可能となるので、作動流体を冷媒と限ることなく、空気スクロール圧縮機、オイルフリー圧縮機、スクロール型膨張機等のスクロール流体機械の用途にも適用できる。

本発明の第１の実施例におけるスクロール圧縮機の断面図 本実施例のスクロール圧縮機における圧縮機構部の断面図 本実施例のスクロール圧縮機における旋回角に対する圧縮室の容積変化を示す図 本発明の第２の実施例におけるスクロール圧縮機の伸開角θａを、θｂ＜θａ＜θｂ＋πの範囲で変化させたときの、旋回角に対する圧縮室の容積変化を示す図 本発明の第３の実施例におけるスクロール圧縮機の渦巻きラップ形状を示す平面図 従来のスクロール圧縮機の渦巻体形状を示す平面図

１ 密閉容器
４ クランク軸
４ａ 主軸部
１１主軸受部材
１２ 固定スクロール
１３ 旋回スクロール
１３ｂ 渦巻きラップ
１４ 自転規制機構
１５ 圧縮室
１６ 吸入パイプ
１７ 吸入口
１８ 吐出口
１９ リード弁

Claims (4)

1. 鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室が容積を変えながら移動することで、吸入、圧縮、吐出を行うスクロール圧縮機において、
   前記固定スクロールの渦巻きラップの外壁曲線と、前記旋回スクロールの渦巻きラップの内壁曲線とを、基礎円半径をａとするインボリュート曲線で形成し、かつ、
   前記固定スクロールの渦巻きラップの内壁曲線と、前記旋回スクロールの渦巻きラップの外壁曲線とを、基礎円半径をｂとするインボリュート曲線で形成し、
   前記基礎円半径ａと前記基礎円半径ｂの比であるａ／ｂの値が、１．０を超え１．５未満である構成にし、かつ、前記固定スクロールの渦巻きラップの内壁曲線が終了する伸開角θａと、前記旋回スクロールの渦巻きラップの内壁曲線が終了する伸開角θｂとが、θｂ＜θａ＜θｂ＋πの関係を満たす構成にしたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記基礎円半径ａの中心位置と前記基礎円半径ｂの中心位置を一致させ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。
3. 前記基礎円半径ａの中心位置と前記基礎円半径ｂの中心位置との間に距離を設け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。
4. 冷媒を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした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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