JP4995290B2 - スクロール圧縮機の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール圧縮機の製造方法に関し、特に二酸化炭素（ＣＯ2）等の超臨界域で冷媒を使用する蒸気圧縮式冷凍サイクルに適したスクロール圧縮機の製造方法に関するものである。

従来の一般的なスクロール圧縮機は、ケーシング内に、端板の一面側に渦巻状突起が形成された固定スクロールと、端板の一面側に渦巻状突起が設けられかつこの渦巻状突起が前記固定スクロールの前記渦巻状突起と組み合わされて渦巻状の圧縮室を形成する旋回スクロールとを備え、前記旋回スクロールの旋回に伴い、導入した作動ガスを前記圧縮室内で圧縮した後に吐出するものである。そして、前記圧縮室の大きな体積を確保するために、通常前記固定スクロールおよび前記旋回スクロールの各渦巻状突起の高さは各端板の厚さよりも大きく設定されている。

近年、環境保護の観点から、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、冷媒の脱フロン対策の１つとして、作動ガス（冷媒ガス）として二酸化炭素（ＣＯ２）を使用した冷凍サイクル（以下、ＣＯ２サイクル）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＣＯ２サイクルの作動は、フロンを使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルと同様である。すなわち、図５（ＣＯ２モリエル線図）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、圧縮機で気相状態のＣＯ２を圧縮し（Ａ−Ｂ）、この高温圧縮の気相状態のＣＯ２を放熱器（ガスクーラ）にて冷却する（Ｂ−Ｃ）。そして、減圧器により減圧して（Ｃ−Ｄ）、気液相状態となったＣＯ２を蒸発させて（Ｄ−Ａ）、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体を冷却する。

ＣＯ２の臨界温度は約３１°と従来の冷媒であるフロンの臨界点温度と比べて低いので、夏場等外気温の高いときには、放熱器側でのＣＯ２の温度がＣＯ２の臨界点温度よりも高くなってしまう。つまり、放熱器出口側においてＣＯ２は凝縮しない（線分ＢＣが飽和液線ＳＬと交差しない）。また、放熱器出口側（Ｃ点）の状態は、圧縮機の吐出圧力と放熱器出口側でのＣＯ２温度によって決定され、放熱器出口側でのＣＯ２温度は放熱器の放熱能力と外気温度（制御不可）とによって決定するので、放熱器出口での温度は、実質的には制御することができない。したがって、放熱器出口側（Ｃ点）の状態は、圧縮機の吐出圧力（放熱器出口側圧力）を制御することによって制御可能となる。つまり、夏場等外気温の高いときには、十分な冷却能力（エンタルピ差）を確保するためには、Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ｅで示されるように、放熱器出口側圧力を高くする必要がある。そのために、圧縮機の運転圧力を従来のフロンを用いた冷凍サイクルに比べて高くする必要がある。車両用空調装置を例にすると、前記圧縮機の運転圧力は従来のＲ１３４（フロン）では３ｋｇ／ｃｍ2程度であるのに対してＣＯ２では４０ｋｇ／ｃｍ2程度と高く、また運転停止圧力はＲ１３４（フロン）では１５ｋｇ／ｃｍ2程度であるのに対してＣＯ２では１００ｋｇ／ｃｍ2程度と高くなる。

特公平７−１８６０２号公報

ところで、上述のようにＣＯ２を作動ガスとした運転圧力の高いスクロール圧縮機では、固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板の厚さが各渦巻状突起の高さよりも小さいと、圧縮時に発生する荷重によって固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板が特に撓み変形しやすいため、圧縮室のシール性が低下し、結果的に、圧縮室からの作動ガスの漏れによる吐出量減少や漏れガスの再圧縮による吐出ガスの温度上昇等が起こり、圧縮機の性能低下は避けられない。

本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、旋回スクロールの端板の変形を抑えて、圧縮室からの作動ガスの漏れを防止したスクロール圧縮機の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機の設計方法は、以下の手段を採
用する。
すなわち、本発明にかかるスクロール圧縮機の設計方法は、ケーシング内に、端板の一面側に渦巻状突起が形成された固定スクロールと、端板の一面側に渦巻状突起が設けられ、この渦巻状突起が前記固定スクロールの前記渦巻状突起と組み合わされて渦巻状の圧縮室を形成する旋回スクロールとを備え、前記旋回スクロールの旋回に伴い、前記ケーシング内に導入した作動ガスを前記圧縮室内で圧縮した後に吐出するとともに、前記作動ガスを二酸化炭素とした蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いられるスクロール圧縮機の製造方法において、前記旋回スクロールの端板の厚さＴ２を、前記旋回スクロールにかかる理論動力と作動ガス漏れによる損失動力に基づき決定されるパラメータを加味して前記旋回スクロールの渦巻状突起の高さＨ２の０．９倍よりも大きい範囲で設定することを特徴とする。

本発明のスクロール圧縮機の設計方法では、旋回スクロールの端板の厚さが、旋回スクロールの渦巻状突起の高さの０．９倍よりも大きくなっているので、特に作動ガスを二酸化炭素とした蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いられる運転圧力の高いスクロール圧縮機でも、圧縮時に発生する荷重によって旋回スクロールの端板が変形しにくく、圧縮室のシール性が低下しない。
また、本発明のスクロール圧縮機の設計方法においては、前記旋回スクロールの端板の厚さＴ２を、前記旋回スクロールの渦巻状突起の高さＨ２に対し、Ｔ２＜３Ｈ２の範囲で設定することが小型化のために好ましい。また、作動ガスとして二酸化炭素を使用した冷凍サイクルに使用される、運転圧力が高いスクロール圧縮機に適用することが効果的である。また、前記固定スクロールまたは前記旋回スクロールの材質として、それぞれアルミ系材料または鋳鉄系材料の何れかを選択することができる。

本発明によると、以下に記載するような効果を奏する。
本発明のスクロール圧縮機の設計方法によると、前記旋回スクロールの端板の厚さＴ２が、該端板厚さに対する指示効率を加味して前記旋回スクロールの渦巻状突起の高さＨ２の０．９倍よりも大きくされている。従って、ガスを二酸化炭素とした蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いられる運転圧力の高いスクロール圧縮機でも、圧縮時に発生する荷重によって旋回スクロールの端板が変形しにくく、圧縮室のシール性が低下しない。結果的に、圧縮室からの作動ガスの漏れによる吐出量減少や漏れガスの再圧縮による吐出ガスの温度上昇等の不具合が起こらず、圧縮機の性能が向上する。

本発明に係るスクロール圧縮機の製造方法の一実施形態によって製造されたスクロール圧縮機の縦断面図である。 （ａ）は旋回スクロールの正面図、（ｂ）は（ａ）を下方から見た図で、（ ｃ）および（ｄ）は旋回スクロールの他の形態を示す図である。 固定スクロールおよび旋回スクロールの端板の厚さＴ1（Ｔ２）と指示効率 ηiとの関係を示す実験結果である。 蒸気圧縮式冷凍サイクルを示す模式図である。 ＣＯ２のモリエル線図である。

以下に、本発明にかかる実施形態によって製造されたスクロール圧縮機について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係るスクロール圧縮機の製造方法によって製造されたスクロール圧縮機について、図１を用いて説明する。
先ず、本発明のスクロール圧縮機を備えたＣＯ２サイクルについて、図４を参照して説明する。このＣＯ２サイクルＳは、例えば車両用空調装置に適用したものであり、１は、気相状態のＣＯ２を圧縮するスクロール圧縮機である。スクロール圧縮機１は、図示しない駆動源（例えば、エンジン等）から駆動力を得て駆動される。１ａは、スクロール圧縮機１で圧縮されたＣＯ２を外気等との間で熱交換して冷却させる放熱器（ガスクーラ）であり、１ｃは、放熱器１ａ出口側でのＣＯ２温度に応じて放熱器１ａ出口側圧力を制御する圧力制御弁である。ＣＯ２は、この圧力制御弁１ｂおよび絞り１ｃにより減圧されて低温低圧の気液２相状態のＣＯ２となる。１ｄは、車室内の空気冷却手段をなす蒸発器（吸熱器）で、気液２相状態のＣＯ２は蒸発器１ｄ内で気化（蒸発）する際に、車室内空気から蒸発潜熱を奪って車室内空気を冷却する。１ｅは、気相状態のＣＯ２を一時的に蓄えるアキュームレータである。そして、スクロール圧縮機１、放熱器１ａ、圧力制御弁１ｂ、絞り１ｃ、蒸発器１ｄおよびアキュームレータ１ｅは、それぞれ配管１ｆによって接続されて閉回路を形成している。

次に、スクロール圧縮機１の製造方法の一実施形態によって製造されたスクロール圧縮機について、図１を参照して説明する。スクロール圧縮機１のハウジング１Ａ（ケーシング）は、カップ状のケース本体２と、これにボルト３により締結されたフロントケース４（クランクケース）とから構成されている。クランクシャフト５は、フロントケース４を貫通し、メイン軸受６およびサブ軸受７を介してフロントケース４に回転自在に支持されている。クランクシャフト５には、図示しない車両エンジンの回転が、公知の電磁クラッチ３２を介して伝動されるようになっている。なお、符号３２ａ，３２ｂは、それぞれ電磁クラッチ３２のコイルおよびプーリを示している。

ハウジング１Ａの内部には、固定スクロール８および旋回スクロール９が配設されている。固定スクロール８および旋回スクロール９は例えばアルミ系材料または鋳鉄系材料で形成されている。固定スクロール８は、端板１０とその内面に立設された渦巻状突起（ラップ）１１とを備え、この端板１０の背面には、リング状の背圧ブロック１３が固定手段としての複数本のボルト１２により分解可能に固定されている。背圧ブロック１３の内周面および外周面には、Ｏリング１４ａ，１４ｂがそれぞれ埋設されており、これらＯリング１４ａ，１４ｂは、ケース本体２の内周面に密接し、ケース本体２内の低圧室１５（吸入室）より後述する高圧室（吐出チャンバ）１６が隔離されている。この高圧室１６は、背圧ブロック１３の小径内空間１３ａと、小径内空間１３ａに連続して形成された大径内空間１３ｂと、固定スクロール８の端板１０の背面に大径内空間１３ｂと連続するように形成された凹部１０ａとから構成されている。固定スクロール８の端板１０には、吐出ポート３４（トップクリアランス）が穿設されており、この吐出ポート３４を開閉するための吐出弁３５が前記凹部１０ａに取り付けられている。

旋回スクロール９は、端板１７とその内面に立設された渦巻状突起（ラップ）１８とを備え、この渦巻状突起１８は、上記固定スクロール８の渦巻状突起１１と実質的に同一の形状を有している。本実施形態の特徴としては、固定スクロール８の端板１０の厚さＴ１は、その渦巻状突起１１の高さＨ１の０．９倍よりも大きく、具体的にはＨ１の１．７倍程度となっている。これと同様に、旋回スクロール９の端板１７の厚さＴ２（＝Ｔ１）は、その渦巻状突起１８の高さＨ２（＝Ｈ１）の０．９倍よりも大きく、具体的にはＨ２の１．７倍程度となっている。

固定スクロール８とフロントケース４との間には、リング状の板ばね２０ａが配置されており、この板ばね２０ａは、複数のボルト２１ｂを介して、周方向に交互に固定スクロール８およびフロントケース４に締結されている。これにより、固定スクロール８は、その軸方向においてのみ板ばね２０ａの最大撓み量だけ、移動を許容されている（フロート構造）。なお、リング状の板ばね２０ａおよびボルト２０ｂにより、固定スクロール支持装置２０が構成されている。前記背圧ブロック１３の背面突出部とハウジング１Ａとの間には、隙間ｃが設けられていることにより、この背圧ブロック１３は前記軸方向に可動となっている。固定スクロール８と旋回スクロール９とは、相互に公転旋回半径だけ偏心し、かつ、１８０°だけ位相をずらせて図示のように噛み合わされ、渦巻状突起１１の先端に埋設されたチップシール（不図示）は、端板１７の内面に密接し、渦巻状突起１８の先端に埋設されたチップシール（不図示）は、端板１０の内面に密接し、また、渦巻状突起１１，１８の側面に互いに複数箇所で密接する。これにより、渦巻状の中心に対してほぼ点対称をなす複数の密閉空間２１ａ，２１ｂが限界される。固定スクロール８と旋回スクロール９との間には、旋回スクロール９の自転を阻止して公転を許容する自転防止リング２７（オルダム接手）が設けられている。

端板１７の外面中央部に形成された円筒状のボス２２の内部には、ドライブブッシュ２３がラジアル軸受を兼ねる旋回軸受２４（ドライブ軸受）を介して回動自在に収容され、このドライブブッシュ２３に穿設された貫通孔２５内には、クランクシャフト５の内端に突設された偏心軸２６が回動自在に嵌合されている。また、端板１７の外面の外周縁とフロントケース４との間には、旋回スクロール９を支持するためのスラスト玉軸受１９が配置されている。

クランクシャフト５の外周には、軸封装置としての公知のメカニカルシール２８（シャフトシール）が配置されており、このメニカルシール２８は、フロントケース４に固定されたシートリング２８ａと、クランクシャフト５と共に回転する従動リング２８ｂとを備え、この従動リング２８ｂは、付勢部材２８ｃによりシートリング２８ａに圧接されていることにより、クランクシャフト５の回転に伴いシートリング２８ａに対して摺動する。

本実施形態のスクロール圧縮機の製造方法によって製造されたスクロール圧縮機１の他の特徴としては、図２（ａ），（ｂ）に示すように、旋回スクロール９の端板１７の背面側に、複数（例えば６つ）の補強用のリブ５０が放射状に形成されている。各リブ５０は、端板１７の背面に、所定半径を超える外周に摺動面を残して突出して設けられている。このように、旋回スクロール９は複数のリブ５０を備えていることにより、端板１７の厚さが本来の厚さすなわち渦巻状突起１８の高さよりも小さい場合でも、本来と同様な剛性となる。なお、リブの形態は図２（ａ），（ｂ）に限らず、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、リブ５２を、端板１７の背面に、所定半径を超える外周に摺動面を残して凹部５１を複数を設けることにより放射状に形成してもよい。すなわち、このリブ５２は端板１７内に形成されている。旋回スクロール９と同様に、固定スクロール８にも補強用のリブが放射状に形成されている。

次に、上記スクロール圧縮機１の動作について説明する。電磁クラッチ３２のコイル３２ａに通電して、車両エンジンの回転をクランクシャフト５に伝動させると、クランクシャフト５の回転は、偏心軸２６、貫通孔２５、ドライブブッシュ２３、旋回軸受２４、ボス２２からなる旋回駆動機構を介して旋回スクロール９が駆動され、旋回スクロール９は、自転防止リング２７によってその自転を阻止されながら公転旋回半径を半径とする円軌道上を公転旋回運動する。

旋回スクロール９が公転旋回運動すると、双方の渦巻状突起１１，１８の線接触部が次第に渦巻の中心方向に移動し、この結果、密閉空間２１ａ，２１ｂ（圧縮室）が容積を減少しながら、渦巻の中心方向へ移動する。これに伴って吸入口（不図示）を通って吸入室１５へ流入した作動ガス（矢印Ａ参照）が、双方の渦巻状突起１１，１８との外終端開口部から密閉空間２１ａ内に取り込まれ、圧縮されながら中心部２１ｃに至り、ここから固定スクロール８の端板１０に穿設された吐出ポート３４を通り、吐出弁３５を押開いて高圧室１６へ吐出され、さらに吐出口３８から流出される。このように、旋回スクロール９の旋回により、吸入室１５より導入した流体を前記密閉空間２１ａ，２１ｂ内で圧縮し、この圧縮ガスを吐出する。

電磁クラッチ３２のコイル３２ａへの通電を解除して、クランクシャフト５への回転力の伝動を絶つと、スクロール圧縮機１の運転は停止される。そして、電磁クラッチ３２のコイル３２ａへ再び通電すると、スクロール圧縮機１は再起動される。

上記構成のスクロール圧縮機１では、固定スクロール８および旋回スクロール９の各端板１０，１７の厚さＴ１（Ｔ２）が各渦巻状突起１１，１８の高さＨ１（Ｈ２）の０．９倍よりも相対的に大きくなっているので、特に運転圧力の高いスクロール圧縮機でも、圧縮時に発生する荷重によって固定スクロール８および旋回スクロール９の各端板１０，１７が変形しにくく、圧縮室２０のシール性が低下しない。結果的に、圧縮室２０からの作動ガスの漏れによる吐出量減少や漏れガスの再圧縮による吐出ガスの温度上昇等の不具合が起こらず、圧縮機の性能が向上する。

図３は、Ｈ１（Ｈ２）が一定のときの、Ｔ１（Ｔ２）と指示効率ηiとの関係を示す実験結果であり、Ｔ１が０．９Ｈ１以下であると指示効率ηiの低下が著しいため、本実施形態では、Ｔ１を０．９Ｈ１より大きく設定したものである。これと同様に、Ｔ２を０．９Ｈ２より大きく設定した。なお、指示効率ηiとは、理論動力と、理論動力および指示損失動力（作動ガスの漏れにより損失動力）の和との比をいう。

特に車両用空調装置に使用されるスクロール圧縮機は、小型化を要求されるため、固定スクロールおよび旋回スクロールの各端板の全高（厚さ寸法）には制限がある。そこで、Ｔ1（Ｔ２）＜３Ｈ１（Ｈ２）とすることが好ましい。

Ｓ ＣＯ２サイクル
１ スクロール圧縮機
１Ａ ハウジング
１ａ 放熱器
１ｂ 圧力制御弁
１ｃ 絞り
１ｄ 蒸発器
１ｅ アキュームレータ
８ 固定スクロール
９ 旋回スクロール
１０，１７ 端板
１１，１８ 渦巻状突起

Claims (3)

1. ケーシング内に、端板の一面側に渦巻状突起が形成された固定スクロールと、
   端板の一面側に渦巻状突起が設けられ、この渦巻状突起が前記固定スクロールの前記渦巻状突起と組み合わされて渦巻状の圧縮室を形成する旋回スクロールとを備え、
   前記旋回スクロールの旋回に伴い、前記ケーシング内に導入した作動ガスを前記圧縮室内で圧縮した後に吐出するとともに、前記作動ガスを二酸化炭素とした蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いられるスクロール圧縮機の製造方法において、
   前記旋回スクロールの端板の厚さＴ２を、前記旋回スクロールにかかる理論動力と作動ガス漏れによる損失動力に基づき決定されるパラメータを加味して前記旋回スクロールの渦巻状突起の高さＨ２の０．９倍よりも大きい範囲で設定することを特徴とするスクロール圧縮機の設計方法。
2. 前記旋回スクロールの端板の厚さＴ２を、前記旋回スクロールの渦巻状突起の高さＨ２
   に対し、Ｔ２＜３Ｈ２の範囲で設定する請求項１に記載のスクロール圧縮機の設計方法。
3. 前記固定スクロールまたは前記旋回スクロールの材質として、それぞれアルミ系材料または鋳鉄系材料の何れかを選択する請求項１または２に記載のスクロール圧縮機の設計方法。

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