JP4830708B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジング内に収容された圧縮機構の動作によってガス圧縮を行う圧縮機に関し、例えばＣＯ₂を冷媒として用いる超臨界冷凍サイクルに適用して好適な圧縮機に関する。

一般に密閉型圧縮機１では、例えばスクロール型の圧縮機構部２に電動機部３が一体的に設けられ、これら圧縮機構部２及び電動機部３とが密閉容器であるハウジング４内に収容されている（図１を参照。）。この場合、圧縮機構部２の吸入室２１はハウジング４内の低温低圧雰囲気と連通するようになっており、圧縮機構部２の吐出室２２はハウジング４を形成する部材とは別の部材（リアプレート）２２ａから形成され、吐出室２２周りが低温低圧雰囲気となっている。このため、吸入冷媒ガスが吐出室２２内の圧縮された高温冷媒ガスからの熱影響を受けて加熱されてしまうために、圧縮時の体積効率の低下を招くという問題があった。

このために、特許文献１により公知の密閉型圧縮機では、図５に示すように吐出室２２の内壁面又は外壁面に断熱層２２ｂを形成している。即ち、この特許文献１では、吐出室２２内の圧縮された高温高圧冷媒ガスが吐出室２２を形成するリアプレート２２ａに吐出熱を伝導し、次いでリアプレート２２ａ周りの吸入空間内の吸入冷媒ガスに伝達する結果、吸入冷媒ガスが加熱され、吸入冷媒ガス密度が小さくなり、冷媒循環流量が低下し、圧縮体積効率が悪化するという考え方に基づいて、その問題解決を図ったものである。

特開２００５−１４６９５８号公報

しかしながら、上記特許文献１の断熱構造では、図５に示すように吐出室２２から吐出ポート５を結ぶ吐出管２３ａから圧縮された高温冷媒ガスの吐出熱がシェル２３（固定スクロールを形成する部品）へと熱伝導してしまい、シェル２３から吸入冷媒ガスを加熱するという問題がある。また、これを解決するには断熱部品を追加しなければならず、構造が複雑になるという問題もある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮された高温高圧冷媒ガスの吐出熱がシェル側から吸入冷媒ガスに熱伝達するのを防止して、冷媒の体積効率の悪化を低減し、圧縮性能を向上させることができる断熱構造を、部品点数を増やすことなく、構造を複雑化させることなく実現できる密閉型圧縮機を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の圧縮機を提供する。
請求項１に記載の圧縮機は、ハウジング１１０と、ハウジング内に配置された駆動軸２１１によって駆動され、流体を圧縮する圧縮機構部２００，４００と、ハウジングを圧縮機構部の近傍において駆動軸と直交する方向に貫通し、圧縮機構部によって圧縮された流体を、ハウジングの外部へ吐出する吐出管路２９０，４９０とを備えていて、圧縮機構部は、旋回スクロール２４０と、吐出室２５７を有する固定スクロール２５０とを備えていて、固定スクロールは、ハウジング内に配され、駆動軸２１１を回転可能に支持しているミドルハウジング２２０に固定されており、また吐出管路の一端は、ハウジングに接続され、他端は、吐出室と連通する連通穴２５６を介して固定スクロールに接続されており、また、固定スクロールの外周部とハウジングの内周面との間に隙間ｇが設けられており、さらに、吐出管路と圧縮機構部との間に断熱手段２９１，４９１を設けていて、固定スクロールの背面側に径方向に延びて形成された長溝２５８に、周囲に断熱手段である空間を設けた状態で吐出管路が配設されたものであり、これにより、吐出管路を流れる高温高圧の冷媒の吐出熱がシェル本体に熱伝導されるのを防止でき、その結果、吸入冷媒が加熱され、吸入冷媒温度が上昇して吸入冷媒ガス密度が小さくなり冷媒循環流量が低下し、圧縮体積効率が悪化するのを防止できる。
また、断熱手段を吐出管路の周囲に設けたものであり、これにより、圧縮機構部の吐出室２５７を小さくすることができ、圧縮機を小型化できる。更に、断熱手段として空間を利用しただけなので、断熱材を使用せず、製造の容易化が図れ、かつ低コスト化が可能となる。

請求項２の圧縮機は、吐出室をハウジング内に包含される別部材によって構成したものであり、これにより、圧縮機の小型化が可能となる。

請求項３の圧縮機は、駆動軸２１１を上下方向に配置し、吐出管路を吐出室の側部に連通したものであり、これにより、圧縮機の駆動軸方向の小型化が可能となる。

請求項４の圧縮機は、隙間ｇは、吐出管路の周囲の空間Ａに連通しており、この隙間及び空間Ａに圧縮機構部２００によって圧縮された流体よりも低圧の流体を導入したものであり、この場合、ハウジング内を低圧とする低圧ドームタイプ又は中間圧ドームタイプの密閉型圧縮機に適用することができる。

請求項５の圧縮機は、断熱手段として、前記空間に断熱材を充填したものであり、これにより、断熱効果を向上させることができます。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の圧縮機について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の圧縮機の縦断面図であり、図２は、その要部の断面図である。まず、第１実施形態の圧縮機１００の具体的な構成について説明する。本実施形態の圧縮機１００は、二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として圧縮後の圧力が臨界圧力を超えるような超臨界冷凍サイクルに好適に使用される。

圧縮機１００は、図１に示すように、第１実施形態ではスクロール型の圧縮機構部２００に電動機部３００が組み合わされていて、この電動機部３００によって圧縮機構部２００が作動される電動圧縮機である。圧縮機構部２００及び電動機部３００は、本体ケーシング１１１、上部ケーシング１１２及び下部ケーシング１１３からなる密閉容器であるハウジング１１０内に配設されている。

電動機部３００は、駆動軸であるシャフト２１１に固定される回転子３１０と、この回転子３１０の外周側で本体ケーシング１１１の内壁に焼ばめ、圧入等により固定された固定子３２０とから構成されている。電動機部３００には、図示しない外部電源から電力が供給されるようになっており、これにより回転子３１０が回転駆動され、それとともにシャフト２１１も回転駆動するようになっている。

圧縮機構部２００は、シャフト２１１を本体部として偏心クランク機構２１０が形成されていて、この偏心クランク機構２１０に連結される旋回スクロール２４０と、この旋回スクロール２４０に対して偏心した位置で対向して、回転方向に１８０度ずらして噛み合う固定スクロール２５０等から構成されている。なお、旋回スクロール２４０とこの旋回スクロール２４０に対向配置される固定スクロール２５０とでシェル本体を形成している。

偏心クランク機構２１０は、シャフト２１１の一端側（図１において下側）に形成された駆動ピン２１２に組み付けられるブッシュ２１３と、このブッシュ２１３の抜け止めを行うスナップリング２１４によって形成されている。

シャフト２１１は、一端側に外径が大きく形成される主受け部２１１ａを有しており、主受け部２１１ａにはシャフト２１１の軸心に対して偏心して駆動ピン２１２が一体で設けられている。本体ケーシング１１１内に設けられるミドルハウジング２２０には主軸受け２１５が固定されており、また開口部２３１を有するホルダ２３０には副軸受け２１６が固定されており、主軸受け２１５に主受け部２１１ａが対応し、また副軸受け２１６にはシャフト２１１の他端側が対応して、シャフト２１１が回転可能に支持されている。

ブッシュ２１３は、偏心穴２１３ａが設けられた円筒状の部材であり、この偏心穴２１３ａには駆動ピン２１２が回転可能に挿入され、駆動ピン２１２の先端部にＣ字状を成すスナップリング２１４が固定され、ブッシュ２１３の抜け止めが成されている。このようにブッシュ２１３は、シャフト２１１の軸心に対して偏心した形で装着されており、シャフト２１１の回転時に、シャフト２１１の軸心の周りを公転する。そして、ブッシュ２１３には、回転作動時における動的なアンバランスを相殺するためのバランサ２１７が圧入、かしめ、焼ばめ、溶接等によって固定されている。

偏心クランク機構２１０のブッシュ２１３には、旋回スクロール２４０が接続されている。旋回スクロール２４０は、円板状の端板部２４１の各平面（図１中の上下面）に渦巻き状の羽根部２４２及び円筒状のボス部２４３が設けられたものであり、ボス部２４３内には旋回スクロール軸受２４５が圧入されている。ブッシュ２１３は、旋回スクロール軸受２４５を介してボス部２４３に挿入されている。そして、旋回スクロール２４０は、ミドルハウジング２２０に固定されたスラスト軸受２４６によって、ブッシュ２１３を介した公転作動が可能となるように支持されている。また、スラスト軸受２４６は、圧縮作動時において旋回スクロール２４０に発生するスラスト荷重を受ける役割を果たす。
なお、端板部２４１の外周側には、自転防止穴２４４が設けられており、後述する固定スクロール２５０に設けられた自転防止ピン２５４が挿入され、旋回スクロール２４０の自転を防止している。

旋回スクロール２４０の反シャフト側には、端板部２５１に渦巻き状の羽根部２５２が形成された固定スクロール２５０が設けられ、この固定スクロール２５０はミドルハウジング２２０に図示しないボルトによって固定されている。旋回スクロール２４０の羽根部２４２と固定スクロール２５０の羽根部２５２とは、シャフト２１１の長手方向に嵌合して三日月状の作動室（圧縮室）２５６を形成している。

固定スクロール２５０の反羽根部側には、凹部２５５が設けられ、更に中心部には吐出孔２５３が設けられている。固定スクロール２５０の凹部の開口側には、ハウジング１１０を形成する部材（各ケーシング１１１〜１１３）とは別の部材であるリヤプレート２６０が設けられ、図示しないガスケットが介在されてボルト２６２によって固定されている。
リヤプレート２６０の固定スクロール２５０側には、凹部２６１が設けられており、固定スクロール２５０とリヤプレート２６０の両凹部２５５，２６１によって、内部空間となる吐出室２５７が形成されている。そして、吐出孔２５３には、吐出室２５７側に開く吐出弁２７０及びこの吐出弁２７０の最大開度を規制するストッパ２７１が設けられ、ボルト２７２によって固定スクロール２５０に固定されている。
固定スクロール２５０に固定されるリヤプレート２６０と下部ケーシング１１３との間には空間１０１が形成されるようになっている。

ミドルハウジング２２０には冷媒通路２２１及び吸入室２２２が設けられており、主に電動機部３００が収容される空間は、冷媒通路２２１、ボス部２４３の外側部、スラスト軸受２４６を介して吸入室２２２に連通するようになっている。更に、図示しない固定スクロール２５０に設けられた通路によって、吸入室２２２と作動室２５６とが連通するようになっている。
加えて、固定スクロール２５０には、端板部２５１の板厚方向に貫通する連通穴２５９が設けられるか、又は固定スクロール２５０の外周部と本体ケーシング１１１の内周面との間に隙間ｇが設けられるようになっており、これらの連通穴２５９又は隙間ｇを介して吸入室２２２と吐出室２５７の周りの空間１０１とが連通するようになっている。従って、空間１０１が低温低圧冷媒ガス雰囲気となっている。

更に、上部ケーシング１１２には本体ケーシング１１１内に連通する吸入パイプ２８２が設けられ、また、本体ケーシング１１１の吐出ポートには、後述する吐出管路を介して吐出室２５７に連通する吐出パイプ２８２が設けられている。圧縮された高温高圧冷媒ガスは吐出パイプ２８２から図示されていないシステム側へ送られる。

次に、本発明の特徴である吐出管路の断熱構造（断熱手段）について説明する。シェル本体の一部をなす固定スクロール２５０の端板部２５１には、吐出室２５７と吐出パイプ２８２とを連通する吐出管路２９０が設けられている。固定スクロール２５０の端板部２５１には、反羽根部側に吐出管路２９０を配設するための径方向の長溝２５８が設けられており、また吐出室２５７を形成している端板部２５１の凹部２５５と長溝２５８と連通する径方向の連通穴２５６が設けられている。吐出管路２９０の一端は、この連通穴２５７に圧入等によって一体化されており、吐出管路２９０の他端は、吐出パイプ２８２に接続することで、吐出管路２９０は両端が固定される。吐出管路２９０の両固定端以外の中間部分は、主に長溝２５８内にその内壁面に接触しないように配設されている。このようにして、吐出管路２９０の外周に断熱手段であるシェル本体（固定スクロール２５０）に接しない部分２９１を設けている。

図２においては、吐出管路２９０の外周が固定スクロール２５０に接しない部分（断熱手段）２９１は、空間Ａとなっており、この空間Ａが吸入室２２２及び吐出室２５７周の空間１０１と連通して低温低圧冷媒ガス雰囲気となっている。なお空間Ａの代わりに樹脂材、発泡ポリスチレン等の熱伝導率の低い断熱材にしてもよい。その場合、空間Ａに断熱材を充填するようにしてもよいし、または単に吐出管路２９０の外周に断熱層を設けるようにしてもよい。

また、上記説明では、吐出管路２９０と吐出パイプ２８２とが別体で接続されているが、両者を一体化してもよい。また、吐出管路２９０と固定スクロール２５０とが圧入等により一体化されているとしているが、両者をＯリング等のシール材を用いて接合してもよく、更には、吐出管路２９０を固定スクロール２５０と一体成形により形成するようにしてもよい。

次に、上記構成よりなる本実施形態の圧縮機の作動及びその作用効果について説明する。電動機部３００に電力が供給されると回転子３１０が回転駆動し、シャフト２１１がそれに伴い回転し、ブッシュ２１３は、偏心量をもってシャフト２１１のまわりを公転する。そして、ブッシュ２１３と共に旋回スクロール２４０が公転し、冷媒は吸入パイプ２８１から電動機部３００、冷媒通路２２１、吸入室２２２を通って作動室２５６に流入し、高温高圧に（臨界点を超えて）圧縮され、更に吐出孔２５３、吐出弁２７０を経て、吐出室２５７に吐出され、吐出室２５７から更に吐出管路２９０を通って吐出パイプ２８２から図示されないシステム系へと流出される。

この圧縮機１００では、吸入パイプ２８１から吸入される冷媒は、吸入室２２２から連通穴２５８又は隙間ｇを介して空間１０１にも至り、ハウジング１１０内は吸入冷媒（低温低圧冷媒）の雰囲気となる。これがいわゆる低圧ドーム型圧縮機であり、圧縮された冷媒の圧力を固定スクロール２５０、リヤプレート２６０で受けることになり、ハウジング１１０としては高耐圧性を不要とし、軽量、低コストにすることができる。

本実施形態では、吐出管路２９０の外周に断熱手段として空間又は断熱材によってシェル本体に接しない部分２９１を設けることで吐出管路２９０を断熱構造にして、高温高圧冷媒の吐出熱がシェル本体によって熱伝導して吸入冷媒（低圧低温冷媒）を加熱することを抑制することができるので、吸入冷媒の温度上昇を防止し、冷媒の密度低下による圧縮時の体積効率の低下を抑制して高効率な圧縮が可能となる。なお、本発明では圧縮機の単体性能が、２〜３％向上することを確認している。
また従来技術では、吐出室周りに断熱材を設けて断熱するため、シェル本体の中心部と外周部の温度分布が大きく、熱変形も大きかったが、本実施形態では、吐出室周りを断熱する構造になっていないので、このような問題を避けることができる。更に、接しない部分を空間によって設ける場合は、断熱材を必要とせず、部品点数の増加を防止できる。また、現状のシェル本体（固定スクロール）を削って空間を設けているので、省スペースで吐出冷媒を吐出ポートまで送ることができる。また、固定スクロールの側面に対応するハウジング側面に吐出パイプが設けられることにより、圧縮機の高さ寸法が増大することがない。

図３は、本発明の第２実施形態の圧縮機の縦断面図であり、図４は、その要部拡大断面図である。第１実施形態では、圧縮機構部２００が旋回スクロール２４０と固定スクロール２５０とからなるスクロール型の圧縮機構部であったが、第２実施形態では、この圧縮機構部２００としてローリングピストン形の２つの作動室（圧縮室）が２段に配置されているロータリー式の２段圧縮機構部４００となっている。その他の構成は基本的に第１実施形態と同様である。

ロータリー式の２段圧縮機構部４００は、図において上方から、フロントプレート４１０、第１シリンダ４２０、中間プレート４３０、第２シリンダ４４０及びリアプレート４５０の４つのプレート部材が重ね合わせられた状態でハウジング１１０内に焼ばめ、圧入等によって固着されている。第１、第２シリンダ４２０，４４０内には、シャフト２１１に偏心して組み付けられた第１ローラ４２１及び第２ローラ４４１がそれぞれ配置されていて、偏心したシャフト２１１が回転により、この円筒形の第１、第２ローラ４２１，４４１がそれぞれのシリンダ４２０，４４０の内壁に密接して回転する。一方、高圧側と低圧側とを仕切る、図示されないベーンは、各々のシリンダ４２０，４４０に形成された溝の中でバネと冷媒ガスの圧力とによって、それぞれのローラ４２１，４４１に往復運動をする。偏心したローラ４２１，４４１が回転すると冷媒ガスは、吸入口と連通した片側の作動室４２２，４４２に吸い込まれ、同時に吐出口と連通した反対側の作動室４２２，４４２で圧縮され、吐出弁を押し上げて吐出口より排出されるようになっている。

１段目の圧縮を行う第１シリンダ４２０に対応するハウジング１１０の側面には吸入パイプ２８１が設けられ、この吸入パイプ２８１から吸入冷媒ガスが、図示されない第１シリンダ４２０の吸入路を通って、作動室４２２内に導入され、第１ローラ４２１の回転により圧縮されて、フロントプレート４１０に設けられた第１吐出口４１１より、電動機部３００が収容された空間３０１内に中間圧冷媒ガスの状態で吐出される。なお、第１吐出口４１１には第１吐出弁４１２が配置されている。

フロントプレート４１０、第１シリンダ４２０、中間プレート４３０、第２シリンダ４４０及びリヤプレート４５０には、電動機部３００が収容された空間３０１と圧縮機構部４００側の空間（図においてリヤプレート４５０の下方）４０１とを連通する連通路４６０が形成されている。したがって、１段圧縮されて空間３０１に排出された中間圧冷媒ガスは、連通路４６０を通って空間４０１へと送られる。

リヤプレート４５０には、第２吸入口４５１及び吐出室４５２とが設けられて、空間４０１内の中間圧冷媒ガスは第２吸入口４５１を通って２段目の圧縮を行う第２シリンダ４４０の作動室４４２内に導入される。第２ローラ４４１の回転により吸入冷媒ガスは圧縮されて高温高圧冷媒ガスとなって吐出室４５２内に吐出される。なお、吐出室４５２内に第２吐出弁４５３が設置されている。

吐出室４５２内の高温高圧冷媒ガスは、吐出管路４９０を介して吐出パイプ２８２から図示しないシステム系に流出する。吐出管路４９０の断熱構造は、基本的に第１実施形態の吐出管路２９０の断熱構造と同じである。ただ、第２実施形態では、吐出室４５２の周りが中間圧冷媒ガスの雰囲気とされており吐出管路４９０の外周に断熱手段としてシェル本体である第２シリンダ４４０と接しない部分４９１を空間Ａとしている場合、この空間Ａを吐出室４５２周りの空間４０１と連通するようにしている。従って、第２実施形態では空間Ａは中間圧冷媒ガスの雰囲気である。なお、第２実施形態でも、断熱手段である接しない部分４９１を熱伝導率の低い部材によって形成するようにしてもよい。

なお、本発明においては圧縮機として密閉型圧縮機が好適であり、その場合、圧縮機構部としては、上記したスクロール型又はロータリー型の圧縮機構部が好適ではあるが、他の往復動型等の圧縮機構部を適宜利用可能である。

本発明の第１実施形態の圧縮機の縦断面図である。 図１の圧縮機の要部断面図である。 本発明の第２実施形態の圧縮機の縦断面図である。 図３の圧縮機の要部断面図である。 従来の密閉型圧縮機の要部断面図である。

符号の説明

１００ 圧縮機
１１０ 密閉容器（ハウジング）
２００ 圧縮機構部（スクロール型）
２４０ 旋回スクロール
２５０ 固定スクロール（シェル本体の一部）
２５６ 作動室
２５７，４５２ 吐出室
２５８ 長溝
２６０ リヤプレート
２９０，４９０ 吐出管路
２９１，４９１ 接しない部分（断熱手段）（空間、断熱材）
３００ 電動機部
４００ 圧縮機構部（ロータリー式２段圧縮型）
４１０ フロントプレート
４２０ 第１シリンダ（１段目）
４３０ 中間プレート
４４０ 第２シリンダ（２段目）（シェル本体の一部）
４５０ リヤプレート

Claims (5)

1. ハウジングと、
   前記ハウジング内に配置された駆動軸によって駆動され、流体を圧縮する圧縮機構部と、
   前記ハウジングを前記圧縮機構部の近傍において前記駆動軸と直交する方向に貫通し、前記圧縮機構部によって圧縮された流体を、前記ハウジングの外部へ吐出する吐出管路と、
   を備える圧縮機において、
   前記圧縮機構部は、旋回スクロールと、吐出室を有する固定スクロールと備えていて、前記固定スクロールは、前記ハウジング内に配され、駆動軸を回転可能に支持しているミドルハウジングに固定されており、また
   前記吐出管路の一端は、前記ハウジングに接続され、他端は、前記吐出室と連通する連通穴を介して前記固定スクロールに接続されており、また
   前記固定スクロールの外周部と前記ハウジングの内周面との間に隙間ｇが設けられており、かつ
   前記吐出管路と前記圧縮機構部との間に断熱手段を設けていて、前記固定スクロールの背面側に径方向に延びて形成された長溝に、周囲に前記断熱手段である空間を設けた状態で前記吐出管路が配設されていることを特徴とする圧縮機。
2. 前記圧縮機構部の吐出室は、前記ハウジング内に包含される別部材によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記駆動軸が上下方向に配置されており、
   前記吐出管路は、前記吐出室の側部に連通していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記隙間ｇは、前記吐出管路の周囲の前記空間に連通しており、前記隙間及び前記空間には、前記圧縮機構部によって圧縮された流体よりも低圧の流体が導かれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機。
5. 前記断熱手段として、前記空間に断熱材を充填することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機。

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