JP5071355B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷暖房空調装置や冷蔵庫等の冷却装置、あるいはヒートポンプ式の給湯装置等に用いられるスクロール圧縮機に関するものである。

従来、冷凍空調機や冷凍機に用いられるスクロール圧縮機は、一般に、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロールおよ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拘束機構による自転の拘束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、吐出を行うものである。作動流体は旋回スクロールの旋回運動に伴い徐々に圧縮され、中心部に向かうに従い高圧状態となるため、旋回スクロールには固定スクロールから引き離される方向に離反力が働く。その結果、旋回スクロールと固定スクロールには隙間が生じるため、圧縮途中の漏れが発生し、性能悪化を引き起こしてしまう。この対策として、旋回スクロールの背面に中間圧力を印加させ、固定スクロールからの離反を防止する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図７は特許文献１に記載された従来のスクロール圧縮機の圧縮機構部の断面図である。図７において、旋回スクロール３の端板に設けられ、圧縮室１４側に開口する圧縮室側開口部２２ｃから背圧室１２に開口する背圧室側開口部２２ｂへ連通する連絡通路２２を備え、旋回スクロール３の旋回運動に伴い、圧縮室側開口部２２ｃが固定スクロール２の端板で開閉されることで連絡通路２２の連通及び閉塞が行われる。この連通及び閉塞の動作により、背圧室１２の圧力を所定の圧力（＝中間圧力）に維持している。
特開２００７−２７０６９７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、背圧室１２を圧縮室１４に間欠的に連通させることで所定の圧力（＝中間圧力）を維持しており、旋回スクロール３と固定スクロール２の
離反を防止している。しかしこの対策は異常運転を回避したにすぎず、組み立て時に設定されているラップ先端部とラップ側面部の隙間からの作動流体の漏れに関しては、別途対策が必要となる。特に吸入口に連通する第１の圧縮室においては、作動流体の閉じ込みが不十分となり、体積効率の低下を引き起こすという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、背圧室を所定の圧力に維持しつつ、吸入口に連通する第１の圧縮室にシールオイルを供給することで作動流体の閉じ込みを確実に行い、異常運転を防止すると同時に体積効率の低下を抑制するスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、鏡板から渦巻き状の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、前記旋回スクロールの背面にはオイルで満たされた高圧領域と背圧室を形成し、自転拘束機構による規制により前記旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、前記固定スクロールに形成された吸入口から作動流体を吸入し、前記圧縮室に閉じ込めた後、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機であって、前記高圧領域と前記背圧室を連通させる第１の経路と、前記背圧室と前記圧縮室を連通させる第２の経路を設け、前記第２の経路の一開口端が、前記吸入口に連通する第１の圧縮室と前記吸入口に連通しない第２の圧縮室に周期的に開口してなり、前記第２の経路の一開口端が圧縮室に開口する比率に関して、前記吸入口に連通しない第２の圧縮室への開口比率を、前記吸入口に連通する前記第１の圧縮室への開口比率より大きくし、前記第１の経路が、高圧領域と背圧室を間欠的に連通すると共に、前記第２の経路の一開口端が、吸入口に連通しない第２の圧縮室に開口しているときに、前記第１の経路が高圧領域と背圧室を連通させるものである。

かかる構成によれば、高圧領域と背圧室を連通させることで背圧室へオイルを供給し、さらに背圧室と吸入口に連通しない第２の圧縮室を連通させることで背圧室の圧力を維持しつつ、吸入口に連通する第１の圧縮室に連通させることで、その圧縮室に供給されたオイルが作動流体の閉じ込み時のシールオイルとして作用し、体積効率の低下を抑制することができる。すなわち異常運転を防止すると同時に、作動流体の閉じ込みを確実に行えるので、高効率で安定した性能を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

本発明のスクロール圧縮機は、高圧領域と背圧室を連通させ、背圧室を吸入口に連通する第１の圧縮室と吸入口に連通しない第２の圧縮室に周期的に開口することで、背圧室を所定の圧力に維持しつつ、吸入口に連通する圧縮室にシールオイルを供給できるため、作動流体の閉じ込みを確実に行うことができ、高効率で安定した性能を実現することができる。

第１の発明は、鏡板から渦巻き状の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、前記旋回スクロールの背面にはオイルで満たされた高圧領域と背圧室を形成し、自転拘束機構による規制により前記旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、前記固定スクロールに形成された吸入口から作動流体を吸入し、前記圧縮室に閉じ込めた後、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機であって、前記高圧領域と前記背圧室を連通させる第１の経路と、前記背圧室と前記圧縮室を連通させる第２の経路を設け、前記第２の経路の一開口端が、前記吸入口に連通する第１の圧縮室と前記吸入口に連通しない第２の圧縮室に周期的に開口してなり、前記第２の経路の一開口
端が圧縮室に開口する比率に関して、前記吸入口に連通しない第２の圧縮室への開口比率を、前記吸入口に連通する前記第１の圧縮室への開口比率より大きくし、前記第１の経路が、高圧領域と背圧室を間欠的に連通すると共に、前記第２の経路の一開口端が、吸入口に連通しない第２の圧縮室に開口しているときに、前記第１の経路が高圧領域と背圧室を連通させたものである。

この構成によれば、背圧室の圧力は第２の経路が連通する圧縮室の圧力で決定するため、吸入口に連通しない第２の圧縮室への開口比率を大きくすることで背圧室を所定の圧力に維持することが可能となる。

また、第２の経路が背圧室と圧縮室を連通しない場合が１回転中に存在しても、第１の経路を間欠的に連通させることで、過剰な背圧を防止することができる。また高圧領域から背圧室へのオイル供給量を連通時間でコントロールできるため、細孔等の絞りの必要性もなく、異物噛み込みや閉塞の課題も解消でき、高信頼性を実現することができる。

更に、この構成によれば、吸入口に連通しない第２の圧縮室に開口している際に、背圧室にオイルを供給することになるので、圧縮室から背圧室への作動流体の逆流を防止できる。また一方で、背圧室は高圧領域からオイルが供給されている間は、必ず圧縮室に開口していることになるため、背圧室にオイルが溜まりこむこともなく、背圧が異常上昇する恐れもない。すなわち、性能低下を防止すると同時に過剰な背圧の印加も防止できるため、高効率かつ高信頼性を実現することができる。

第２の発明は、第１の発明の旋回スクロールのラップ内壁側に形成される圧縮室の吸入容積と、前記旋回スクロールのラップ外壁側に形成される圧縮室の吸入容積が異なるものである。

この構成によれば、旋回スクロールのラップ内壁側に形成される圧縮室とラップ外壁側に形成される圧縮室は作動流体を閉じ込めるタイミングが異なるため、それら２つの圧縮室には圧力差が生じた状態で圧縮が進む。この圧力差による圧縮室間の漏れに対し、第２の経路を経て供給されたオイルがシールオイルとして作用し、より効果的に漏れ損失の低減を図ることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明の第２の経路の一開口端が、前記旋回スクロールのラップ内壁側に形成される圧縮室で、かつ前記吸入口に連通する第１の圧縮室に開口したものである。

この構成によれば、旋回スクロールのラップ内壁側に形成される圧縮室は、作動流体の閉じ込み時に作動流体の流れと反対の向きに旋回スクロールのラップが動くため、第２の経路を経て供給されたオイルが作動流体の閉じ込み時のシールオイルとしてより効果的に作用し、体積効率の低下を抑制することができる。

第４の発明は、第１から３のいずれか１つの発明の第２の経路の一開口端を、前記旋回スクロールの鏡板で、前記旋回スクロールのラップ壁面から固定スクロールのラップ厚み以上離れたところに設けたものである。

この構成によれば、旋回スクロールの鏡板に形成された開口端が、固定スクロールのラップ上面を横断して吸入口に連通する第１の圧縮室と吸入口に連通しない第２の圧縮室に開口するため、第２の経路の構成が簡単であり、しかも加工が容易である。

第５の発明は、第１から４のいずれか１つの発明の作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸
化炭素としたものである。

そしてこの場合、特に動作圧力が高いため、安定した背圧を印加すると同時に、作動流体の閉じ込み時にはシールオイルが不可欠となる。すなわち本発明の効果が顕著に現れ、高効率かつ高信頼性を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図、図２は図１の圧縮機構部の要部拡大縦断面図、図３は同スクロール圧縮機の圧縮機構部横断面図である。

以下、本発明の第１の実施の形態に係るスクロール圧縮機について、その動作、作用を説明する。

図１、図２に示すように、本実施の形態のスクロール圧縮機は、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拘束機構１４を設けて、クランク軸４の上端にある偏心軸部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。

旋回スクロール１３のラップ上面１３ｂには、運転中の温度分布を測定した結果をもとに、中心部である巻き始め部から外周部である巻き終わり部にかけて、徐々にハネ高さが高くなるようにスロープ形状が設けられている。これにより熱膨張による寸法変化を吸収し、局所摺動を防止することができる。

また旋回スクロール１３の背面１３ｅには、高圧領域３０と、高圧と低圧の中間圧に設定された背圧室２９が形成されている。この背面１３ｅの圧力付加により旋回スクロール１３は固定スクロール１２に安定的に押し付けられ、漏れを低減するとともに安定して円軌道運動を行うことができる。

圧縮機運転中は、クランク軸４の下端にはポンプ２５が設けられ、スクロール圧縮機と同時に駆動される。これによりポンプ２５は密閉容器１の底部に設けられたオイル溜め２０にあるオイル６を吸い上げてクランク軸４内を通縦しているオイル供給穴２６を通じて圧縮機構２に供給する。このときの供給圧は、スクロール圧縮機の吐出圧力とほぼ同等であり、旋回スクロール１３に対する背圧源ともなる。

圧縮機構２に供給されたオイル６の一部は、供給圧や自重によって、逃げ場を求めるようにして偏心軸部４ａと旋回スクロール１３との嵌合部、クランク軸４と主軸受部材１１との間の軸受部６６に進入してそれぞれの部分を潤滑した後落下し、オイル溜め２０へ戻る。高圧領域３０に供給されたオイル６の別の一部は、高圧領域３０に開口する第１の経
路５４を通って、旋回スクロール１３の外周部まわりにあって自転拘束機構１４が位置している背圧室２９に進入し、スラスト摺動部および自転拘束機構１４の摺動部を潤滑するのに併せ、背圧室２９にて旋回スクロール１３の背圧を印加する。

旋回スクロール１３には、一方の開口端５５ａが背圧室２９に開口する第２の経路５５が形成されている。もう一方の開口端５５ｂは吸入口１７に連通する第１の圧縮室１５ａと吸入室１７に連通しない第２の圧縮室１５ｂに周期的に開口しており、これにより第１の経路５４を通って背圧室２９に進入したオイル６は、第２の経路５５を通って第１の圧縮室１５ａもしくは第２の圧縮室１５ｂへと導かれる。第１の圧縮室１５ａに連通させることで、第１の圧縮室１５ａに供給されたオイル６が作動流体の閉じ込み時のシールオイルとして作用し、体積効率の低下を抑制する。また第２の圧縮室１５ｂに連通させることで背圧室２９の圧力を維持し、旋回スクロール１３と固定スクロール１２の離反を防止している。その結果、異常運転を防止すると同時に、作動流体の閉じ込みを確実に行えるので、高効率で安定した性能を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。なお吸入口１７に連通する第１の圧縮室１５ａと吸入口１７に連通しない第２の圧縮室１５ｂに関しては図３に示す。

また第２の経路５５の一開口端５５ｂが圧縮室に開口する比率に関して、吸入口１７に連通しない第２の圧縮室１５ｂへの開口比率を、吸入口１７に連通する第１の圧縮室１５ａへの開口比率より大きくするのが好ましい。背圧室２９の圧力は第２の経路５５が連通する圧縮室１５の圧力で決定する。すなわち背圧室２９が第１の圧縮室１５ａと連通する比率が大きいと、背圧室２９は第１の圧縮室１５ａの圧力に近づくため、吸入圧力に近い状態となってしまう。この場合、旋回スクロール１３の背面１３ｅには十分な押し付け力が作用せず、旋回スクロール１３が固定スクロール１２から離反する恐れがある。これに対し、第１の圧縮室１５ａへの連通よりも第２の圧縮室１５ｂへの連通を長くすることで、背圧室２９の圧力は第２の圧縮室１５ｂの圧力に近づく。すなわち背圧室２９を所定の圧力に維持することが可能となり、十分な押し付け力を旋回スクロール１３の背面１３ｅに作用させることができる。

また第１の経路５４により、高圧領域３０と背圧室２９を間欠的に連通させるのが好ましい。これにより第２の経路５５が背圧室２９と第１の圧縮室１５ａもしくは第２の圧縮室１５ｂを連通しない場合、すなわち背圧室２９が閉空間となる場合が１回転中に存在しても、第１の経路５４を間欠的に連通させることで背圧室２９への過剰なオイル供給が防止され、その結果過剰な背圧印加を防止することができる。また高圧領域３０から背圧室２９へのオイル供給量を連通時間でコントロールできるため、細孔等の絞りの必要性もなく、異物噛み込みや閉塞の課題も解消でき、高信頼性を実現することができる。

また第２の経路５５の一開口端５５ｂが、吸入口１７に連通しない第２の圧縮室１５ｂに開口しているときに、第１の経路５４によって高圧領域３０と背圧室２９を連通させるのが好ましい。背圧室２９のオイル６は第２の経路５５を介して、吸入口１７に連通する第１の圧縮室１５ａと吸入口に連通しない第２の圧縮室１５ｂへと供給される。当然のことながら、第２の圧縮室１５ｂの方が第１の圧縮室１５ａより圧力が高いため、仮に第２の経路５５が第２の圧縮室１５ｂに開口した時、背圧室２９の圧力が第２の圧縮室１５ｂの圧力より低いと、第２の圧縮室１５ｂから背圧室２９へと作動流体が逆流してしまい、性能低下を引き起こすことになる。そこで第２の圧縮室１５ｂに開口する際には高圧領域３０と背圧室２９を連通させ、背圧室２９の圧力が高くなるようにオイル６を供給することで第２の圧縮室１５ｂからの作動流体の逆流を防止する。また一方で、背圧室２９は高圧領域３０からオイル６が供給されている間は、必ず第２の圧縮室１５ｂに開口していることになるため、背圧室２９にオイル６が溜まりこむこともなく、背圧が異常上昇する恐れもない。すなわち、性能低下を防止すると同時に過剰な背圧の印加も防止できるため、
高効率かつ高信頼性を実現することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部横断面図、図５は同スクロール圧縮機の圧縮室の圧力上昇特性図である。

図４に示すように、本実施の形態のスクロール圧縮機では、旋回スクロール１３のラップ内壁１３ｉ側に形成される圧縮室１５ｉの吸入容積Ｖｉと、旋回スクロール１３のラップ外壁１３ｏ側で形成される圧縮室１５ｏの吸入容積Ｖｏが異なることを特徴とする。図５に示すように、吸入容積ＶｉとＶｏが異なるということは、圧縮室１５ｉと圧縮室１５ｏが作動流体を閉じ込めるタイミングが異なるということであり、早く作動流体を閉じ込めた圧縮室１５ｉ（もしくは１５ｏ）の方が先に圧縮が進み、遅れて作動流体を閉じ込めた圧縮室１５ｏ（もしくは１５ｉ）はそのあとを追うように圧縮が進む。すなわち２つの圧縮室１５ｉ、１５ｏには圧力差が生じた状態で圧縮が進んでいく。この圧力差による２つの圧縮室１５ｉ、１５ｏの間の漏れに対し、第２の経路５５を経て圧縮室１５ｉ、１５ｏ供給されたオイル６がシールオイルとして作用し、より効果的に漏れ損失の低減を図ることができる。

また第２の経路５５の一開口端５５ｂを、旋回スクロール１３のラップ内壁１３ｉ側に形成される圧縮室で、かつ吸入口１７に連通する第１の圧縮室１５ａｉに開口させるのが好ましい。旋回スクロール１３のラップ内壁１３ｉ側に形成される圧縮室１５ｉは、作動流体の閉じ込み時に作動流体の流れと反対の向きに旋回スクロール１３のラップ１３ａが動くため、作動流体の閉じ込み行程において漏れを促進させる傾向がある。そこで第２の経路５５を経て第１の圧縮室１５ａｉに積極的にオイル６を供給することで、供給されたオイル６が作動流体の閉じ込み時のシールオイルとして効果的に作用するので、体積効率の低下を抑制することができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部横断面図である。

図６に示すように、本実施の形態のスクロール圧縮機では、第２の経路５５の一開口端５５ｂを、旋回スクロール１３の鏡板１３ｆで、旋回スクロール１３のラップ壁面１３ｇから固定スクロール１２のラップ１２ａの厚み以上離れたところに設けることを特徴とする。この場合、第２の経路５５の開口端５５ｂは、図４に示す固定スクロール１２のラップ上面１２ｂを横断して吸入口１７に連通する第１の圧縮室１５ａと吸入口１７に連通しない第２の圧縮室１５ｂに開口することになるため、第２の経路５５の構成が単純であり、しかも加工が容易である。

最後に作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合、特に動作圧力が高いため、変動が少なく、安定した背圧が求められる。また作動流体の閉じ込み時にもシールオイルが不可欠となるため、本発明の効果が顕著に現れ、高効率かつ高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、高圧領域と背圧室を連通させ、背圧室を吸入口に連通する第１の圧縮室と吸入口に連通しない第２の圧縮室に周期的に開口することで、背圧室を所定の圧力に維持しつつ、吸入口に連通する第１の圧縮室にシールオイルを供給できるため、作動流体を冷媒と限ることなく、空気スクロール圧縮機、真空ポンプ、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。

本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の要部拡大縦断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部横断面図 本発明の実施の形態２におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部横断面図 本発明の実施の形態２におけるスクロール圧縮機の圧縮室の圧力上昇特性図 本発明の実施の形態３におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部横断面図 従来のスクロール圧縮機の圧縮機構部の縦断面図

１２ 固定スクロール
１２ａ ラップ
１３ 旋回スクロール
１３ａ ラップ
１３ｅ 背面
１３ｆ 鏡面
１３ｇ ラップ壁面
１３ｉ ラップ内壁
１３ｏ ラップ外壁
１４ 自転拘束機構
１５ 圧縮室
１５ａ 吸入口と連通する第１の圧縮室
１５ｂ 吸入口と連通しない第２の圧縮室
１７ 吸入口
２９ 背圧室
３０ 高圧領域
５４ 第１の経路
５５ 第２の経路
５５ａ 背圧室側開口端
５５ｂ 圧縮室側開口端

Claims (5)

1. 鏡板から渦巻き状の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、前記旋回スクロールの背面にはオイルで満たされた高圧領域と背圧室を形成し、自転拘束機構による規制により前記旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、前記固定スクロールに形成された吸入口から作動流体を吸入し、前記圧縮室に閉じ込めた後、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機であって、
   前記高圧領域と前記背圧室を連通させる第１の経路と、前記背圧室と前記圧縮室を連通させる第２の経路を設け、前記第２の経路の一開口端が、前記吸入口に連通する第１の圧縮室と前記吸入口に連通しない第２の圧縮室に周期的に開口してなり、
   前記第２の経路の一開口端が圧縮室に開口する比率に関して、前記吸入口に連通しない第２の圧縮室への開口比率を、前記吸入口に連通する前記第１の圧縮室への開口比率より
   大きくし、
   前記第１の経路が、高圧領域と背圧室を間欠的に連通すると共に、
   前記第２の経路の一開口端が、吸入口に連通しない第２の圧縮室に開口しているときに、前記第１の経路が高圧領域と背圧室を連通せしめることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記旋回スクロールのラップ内壁側に形成される圧縮室の吸入容積と、前記旋回スクロールのラップ外壁側に形成される圧縮室の吸入容積が異な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。
3. 前記第２の経路の一開口端が、前記旋回スクロールのラップ内壁側に形成される圧縮室で、かつ前記吸入口に連通する第１の圧縮室に開口してなることを特徴とする請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記第２の経路の一開口端を、前記旋回スクロールの鏡板で、前記旋回スクロールのラップ壁面から固定スクロールのラップ厚み以上離れたところに設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。