JP5758112B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、車載用の空気調和装置等を構成するスクロール型圧縮機に関する。

空気調和装置や冷凍装置に用いられるスクロール型圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロールとを備える。固定スクロール、旋回スクロールは、それぞれ円板状の端板の一面側に、渦巻状のラップ壁が一体的に形成されたものである。このような固定スクロールと旋回スクロールを、ラップ壁を噛み合わせた状態で対向させ、固定スクロールに対して旋回スクロールを電動機等により公転旋回運動させる。そして、双方のラップ壁の間に形成される圧縮室を外周側から内周側に移動させつつその容積を減少させることで、圧縮室内の冷媒ガスの圧縮を行う。

圧縮室で圧縮された冷媒ガスは、固定スクロールの端板に形成される吐出ポートを閉鎖している吐出弁を押し上げ、吐出ポートから固定スクロール上部の高圧室に吐出されるが、吐出ポートおよび圧縮室の圧力が高圧室の圧力よりも低くなると、高圧室の冷媒ガスが吐出ポートを経由して圧縮室へ逆流し、吐出弁が閉鎖される。この圧縮室への冷媒ガスの逆流により、吐出ポート内および圧縮室内に圧力脈動が発生し、スクロール型圧縮機本体を振動させ、騒音が生じることが問題となっていた。

この問題を解決するために、特許文献１に記載されたスクロール型圧縮機には、固定スクロールの吐出ポートから吐出弁に至る冷媒ガスの流路に、吐出弁の閉鎖時の圧力脈動を緩和するマフラ室を設けることが提案されている。具体的には、吐出弁を備えた高低圧セパレータ（吐出部材）を固定スクロール上部に固定スクロールに対面させて配置し、高低圧セパレータに固定スクロールの吐出ポートと連通する吐出ポートを設け、この高低圧セパレータの吐出ポートから吐出弁に至る冷媒ガスの流路に、吐出ポートに開口する圧力導入路を介したマフラ室を設けている（特許文献１、図８）。

特開平８−３１９９６３号公報

しかしながら、特許文献１の提案は、固定スクロールの他に高低圧セパレータという別部材を必要とする。また、特許文献１のマフラ室は、マフラ室よりも断面積の小さい圧力導入路のみが、冷媒ガスの流路である吐出ポートに向けて開口する形状であるため、加工が容易ではない。

そこで、本発明は、マフラ室を形成するのに別部材を必要とすることなく、かつマフラ室形成のための加工が容易で、長期にわたり安定的に圧縮機の低騒音化を実現できるスクロール型圧縮機を提供することを目的とする。

本発明者らは、スクロール型圧縮機における冷媒ガスの流路に臨むマフラ室について鋭意検討した。その結果、特許文献１のマフラ室は、新たな部材が必要であること、加工が困難であること、だけでなく、圧縮機内を循環する潤滑油が内部に溜まりやすい構造であることがわかった。つまり、特許文献１のマフラ室は、外部と連通するのが圧力導入路を介した冷媒ガスの流路のみである。したがって、いったんマフラ室に潤滑油が浸入すると、圧力導入路を逆戻りして前記流路に辿りつくのが容易ではない。マフラ室は圧力脈動を抑制するのに必要な特定の容積を有するように形成されるが、圧縮機を長期に渡り継続的に使用すると、マフラ室内に潤滑油が蓄積されマフラ室の容積が小さく変化することが想定される。そうすると、このマフラ室は圧力脈動を抑制する効果を失うことになる。

本発明のスクロール型圧縮機は、スクロール型圧縮機の外殻を形成するハウジングと、ハウジング内に回転自在に支持され、偏心軸部が一体に形成された主軸と、主軸の偏心軸部に回転自在に連結された旋回スクロールと、旋回スクロールと対向することで冷媒を圧縮する圧縮室を形成し、かつ圧縮された冷媒を高圧室に向けて吐出する吐出ポートを端板に有する固定スクロールと、固定スクロールの端板に形成されたマフラ室と、を備えることを前提とする。
本発明のマフラ室は、固定スクロールの端板の上面に開口するとともに、吐出ポートに連通する。そして、このマフラ室は、共鳴部と、共鳴部と吐出ポートとを連通する経路部とを有し、マフラ室のサイズｆは、共鳴部の容積Ｖ、経路部の断面積Ｓと長さＬ、および冷媒中の音速ｃが、以下の式１を満たすように設定されることを特徴とする。
ｆ＝ｃ／２π・（Ｓ／Ｖ・Ｌ） ^１／２ ・・・式１
このマフラ室は、圧縮された冷媒が高圧室へ吐出するのを遮断する吐出弁により前記開口が閉鎖される。
このように、本発明のマフラ室は、固定スクロールの端板に形成されるので、特許文献１の高低圧室セパレータのような別部材を必要としないため、部品点数を削減できるとともに、別部材にマフラ室を形成した後に固定スクロールに取り付ける手間も省くことができ、製造コストの抑制につながる。
また、本発明のマフラ室は、固定スクロールの端板の上面が開口するように設けられ、吐出弁がその開口を閉鎖することにより形成されるため、圧縮された冷媒が吐出ポートから高圧室へ吐出される際には、吐出弁が押し上げられてマフラ室が高圧室に向けて開口する。したがって、マフラ室に潤滑油が浸入したとしても、圧縮された冷媒とともに吐出ポートおよび開口したマフラ室から高圧室へ向けて吐出されやすい。したがって、長期にわたって継続的に使用しても潤滑油がマフラ室の内部に溜まりにくく、マフラ室の容積が小さくなるのが抑制される。よって、本発明によると、圧力脈動を低減することにより、スクロール型圧縮機の騒音を長期にわたり安定的に低減することができる。
また、本発明のマフラ室は、固定スクロールの端板の上面に開口するように形成されるため、引用文献１に比べて、マフラ室を加工するのが容易である。
さらにまた、本発明によると、吐出ポートに連通してマフラ室が設けられるため、吐出ポートの径が実質的に拡大し圧力損失が低減される。

本発明では、複数のマフラ室を設けることもできる。マフラ室は、圧力脈動がピークを示す特定の周波数を減衰することで、圧力脈動による振動を抑えている。したがって、圧力脈動のピークが複数存在する場合には、各ピークに対応するように、仕様の異なる複数のマフラ室を設けることにより、各ピークに対応する圧力脈動の振動を低減することができる。

本発明のスクロール型圧縮機によると、マフラ室を形成するのに別部材を必要とすることがなく、かつ加工が容易で、長期にわたり安定的にスクロール型圧縮機の低騒音化を実現することができる。

第１実施形態におけるスクロール圧縮機の縦断面図である。 第１実施形態におけるスクロール圧縮機を示す図であり、（ａ）は部分拡大縦断面図、（ｂ）は固定スクロールの端板の部分拡大平面図である。 第２実施形態におけるスクロール圧縮機を示す図であり、（ａ）は部分拡大縦断面図、（ｂ）は固定スクロールの端板の部分拡大平面図である。 第３実施形態におけるスクロール圧縮機を示す図であり、（ａ）は部分拡大縦断面図、（ｂ）は固定スクロールの端板の部分拡大平面図である。 第４実施形態におけるスクロール圧縮機を示す図であり、（ａ）は部分拡大縦断面図、（ｂ）は固定スクロールの端板の部分拡大平面図である。 マフラ室が設けられていない圧縮機と、第１実施形態の圧縮機の脈動と、周波数の関係を示すグラフである。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて、本発明によるスクロール型圧縮機を詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１に示すように、第１実施形態におけるスクロール型の圧縮機１０は、圧縮機１０の外殻を形成するハウジング１１と、ハウジング１１の内部に固定された固定スクロール２０と、固定スクロール２０に対して公転旋回する旋回スクロール３０と、旋回スクロール３０を駆動する駆動部４０と、固定スクロール２０の上方に設けられた高圧室５０と、を備える。圧縮機１０は、外部から導入された冷媒ガスを圧縮して、高圧室５０を介して圧縮した冷媒ガスを外部に向けて吐出するものである。

駆動部４０は、旋回スクロール３０を公転旋回させる主軸４１と、主軸４１を回転可能に支持する上部軸受４２および下部軸受４３と、主軸４１を回転させる電動モータ４４と、を有する。電動モータ４４は、ハウジング１１内面に固定された固定子４４ａと、主軸４１の外周面に固定され、固定子４４ａと対向する回転子４４ｂとからなる。
主軸４１の上端には、主軸４１の中心軸から予め定められた寸法だけ偏心した位置に、偏心ピン４１ａ（偏心軸部）が形成されている。偏心ピン４１ａは、旋回スクロール３０の端板３１に設けられた円筒状の筒状壁３１ａに収容され、偏心ピン４１ａに旋回スクロール３０が回転自在に保持されている。
また、主軸４１には、ハウジング１１の底部のオイル溜まりから吸い上げた潤滑油を主軸４１の上端部に供給するための潤滑油流路（図示無し）が形成されている。

固定スクロール２０は、円板状の端板２１に、渦巻き状で所定の高さを有したラップ壁２２が一体的に形成されている。旋回スクロール３０は、固定スクロール２０に対向する端板３１に、固定スクロール２０のラップ壁２２に対向して噛み合う渦巻き状のラップ壁３２が一体的に形成されている。
このようにして、固定スクロール２０と旋回スクロール３０は、ラップ壁２２とラップ壁３２を互いに組み合わされている。これにより、固定スクロール２０と旋回スクロール３０との間には、渦巻きの中心に対してほぼ対称な複数の圧縮室６０が形成される。圧縮室６０は、旋回スクロール３０が公転旋回すると、それらの容積が次第に減少するようになっている。なお、旋回スクロール３０は、オルダムリング等の自転防止機構（図示無し）によって自転が防止されている。

固定スクロール２０の端板２１のほぼ中心部には、圧縮室６０と連通し、圧縮室６０で圧縮された冷媒ガスを高圧室５０に吐出するための吐出ポート２３が形成されている。また、端板２１の上面２６には、吐出ポート２３の開口部２４を閉じるための吐出弁２５が設けられている。吐出弁２５は、細長い弾性板で形成され、長手方向に一端部２５ａと他端部２５ｂとを有する。一端部２５ａは、ボルトＢで固定スクロール２０の上面２６に固定され、他端部２５ｂは、吐出ポート２３の開口部２４を開閉可能に変位する。

図２（ｂ）に示すように、固定スクロール２０の端板２１には、吐出ポート２３に連通し、端板２１の上面２６に向けて開口した空隙が設けられている。この空隙は、共鳴部２７ａと、共鳴部２７ａと吐出ポート２３とを連通する経路部２７ｂと、からなる。この空隙は、吐出弁２５が吐出ポート２３の開口部２４を閉じることにより密閉空間となり、高圧室５０から吐出ポート２３内および圧縮室６０内に冷媒ガスが逆流することで生じる圧力脈動を低減するマフラ室２７を形成する。

マフラ室２７のサイズは、圧力脈動の振動で問題となっている周波数をあらかじめ特定し、その特定された周波数の振動を減衰するように調整される。つまり、マフラ室２７のサイズを、共鳴部２７ａの容積Ｖ、経路部２７ｂの断面積Ｓと長さＬ、および冷媒ガス中の音速ｃが、以下の（式１）を満たすように設定することで、吐出ポート２３内および圧縮室６０内に発生した圧力脈動のうち、あらかじめ特定された範囲の周波数を効果的に減衰させ、圧力脈動の振動を低減する。
f＝ｃ／２π・（Ｓ／Ｖ・Ｌ）^１／２…（式１）

このように構成された圧縮機１０では、電動モータ４４を作動させて主軸４１を回転させると、旋回スクロール３０が主軸４１の中心に対して偏心した寸法を半径として、固定スクロール２０に対して公転旋回する。これにより、冷媒ガスが固定スクロール２０、旋回スクロール３０の外周側から圧縮室６０内に導入される。そして、旋回スクロール３０が固定スクロール２０に対して公転旋回運動することにより圧縮室６０の容積が減少し、圧縮室６０内に導入された冷媒ガスが圧縮される。

圧縮された冷媒ガスの圧力が高圧室５０の圧力よりも高いとき、冷媒ガスは吐出弁２５を押し上げ、吐出ポート２３を通り開口部２４から高圧室５０に吐出される。これに対して、吐出ポート２３内や圧縮室６０内の圧力が高圧室５０の圧力よりも低くなると、吐出弁２５が吐出ポート２３の開口部２４を閉じるのに伴って、高圧室５０から冷媒ガスが吐出ポート２３を通り圧縮室６０内に逆流する。このとき、吐出ポート２３内や圧縮室６０内に発生した圧力脈動は、マフラ室２７が圧力脈動の一定範囲の周波数を減衰することにより、低減される。

第１実施形態において、厚さを１２．５ｍｍ、吐出ポート２３の半径を７．５ｍｍとした端板２１に、表１に示すサイズのマフラ室２７を設けた圧縮機１０の圧力脈動（吐出ポート２３および圧縮室６０）を図６に示す。なお、このマフラ室２７のサイズは、上述の（式１）を満たす。比較として、マフラ室を備えない圧縮機の圧力脈動も図６に示す。
図６に示す通り、マフラ室２７を設けることにより、マフラ室を備えない圧縮機の圧力脈動のピーク（１）およびピーク（２）のうち、約１ｋＨｚの周波数近傍にあるピーク（１）で示される脈動が低減されることがわかった。

また、圧縮された冷媒ガスが吐出弁２５を押し上げて吐出ポート２３から高圧室５０へ吐出されているときは、経路部２７ｂおよび共鳴部２７ａが端板２１の上方に開口している。そのため、吐出ポート２３から吐出される冷媒ガスに混入した潤滑油が経路部２７ｂおよび共鳴部２７ａの内部に溜まりにくく、共鳴部２７ａの容積Ｖに変化が生じにくい。したがって、圧縮機１０を長期にわたり継続的に使用しても、圧力脈動を低減するというマフラ室２７の特性が失われることがなく、安定的に圧縮機１０本体の低騒音化を実現することができる。
また、マフラ室２７は、固定スクロール２０の端板２１に形成されるので、部品点数が増えることがないとともに、別部材にマフラ室を形成した後に固定スクロールに取り付ける手間も省くことができる。
さらに、マフラ室２７は、固定スクロール２０の端板２１の上面２６に開口するように形成されるため、加工するのが容易である。
さらにまた、本発明によると、吐出ポート２３に連通してマフラ室２７が設けられるため、吐出ポート２３の径が実質的に拡大し圧力損失が低減される。

＜第２実施形態＞
図３に示すように、第２実施形態の圧縮機１２は、マフラ室２７の他にマフラ室２７２をさらに設けたこと以外は、第１実施形態と同様に構成されている。したがって、図３において、図１と同符号は図１と同じ構成部分を示している。
マフラ室２７２は、マフラ室２７とサイズ（仕様）及び形成位置が異なること以外は、マフラ室２７と同様に構成されている。つまり、マフラ室２７２は、固定スクロール２０の端板２１の上面２６に開口し、共鳴部２７２ａと、共鳴部２７２ａと吐出ポート２３とを連通する経路部２７２ｂとからなる空隙により形成される。このマフラ室２７２は、吐出弁２５により上面２６が開閉される。
吐出ポート２３内および圧縮室６０内に生じる圧力脈動が複数のピークを有する場合、それぞれのピークの振動を減衰できるようにサイズが設定された複数のマフラ室を設けることが有効であることは既に述べたとおりである。例えば、圧縮機１２に第１実施形態のマフラ室２７を設けることで、図６に示すピーク（１）近傍の周波数帯域を減衰させ、さらにマフラ室２７２のサイズをピーク（２）近傍の周波数帯域を減衰できるように設定する。そうすることで、２つの高周波数帯の圧力脈動を低減し、圧縮機１２のさらなる低騒音化を実現することが可能となる。
例えば、ピーク（２）が３ｋＨｚ近傍の周波数帯域であるとすれば、マフラ室２７２を（式１）を満たす表２のサイズに設定すればよい。

また、第１実施形態と同様に、圧縮された冷媒ガスが吐出される際に吐出弁２５が押し上げられマフラ室２７、２７２の共鳴部２７ａ、２７２ａの上方が開口するため、吐出ポート２３の開口部２４がさらに拡大し圧力損失がさらに低減される。さらに、潤滑油がマフラ室２７、２７２に溜まりにくいという効果が損なわれることもない。

＜第３実施形態＞
図４に示すように、第３実施形態の圧縮機１３は、マフラ室２７３の経路部２７３ｂを、吐出ポート２３から分岐するように設けたこと以外は、第１実施形態と同様に構成されている。したがって、図４において、図１と同符号は図１と同じ構成部分を示している。
第３実施形態のマフラ室２７３は、固定スクロール２０の端板２１の上面２６に開口するように設けられた共鳴部２７３ａ（共鳴部容積＝Ｖ３）と、共鳴部２７３ａと連通し、吐出ポート２３から分岐した経路部２７３ｂ（経路部長さ＝Ｌ３）とを備える。このマフラ室２７３は、吐出弁２５により共鳴部２７３ａが開閉される。マフラ室２７３を、第１実施形態のマフラ室２７や第２実施形態のマフラ室２７２と同様に特定の範囲の周波数を減衰できるよう（式１）を満たすサイズに設定することで、吐出ポート２３内および圧縮室６０内に生じる圧力脈動を低減することができる。
また、第１実施形態および第２実施形態と同様に、圧縮された冷媒ガスが高圧室５０に吐出される際に吐出弁２５が押し上げられマフラ室２７３の共鳴部２７３ａが高圧室５０に向けて開口するため、潤滑油がマフラ室２７３に溜まりにくいという効果を得ることができる。
なお、第３実施形態のマフラ室２７３は、経路部２７ｂ、２７２ｂのように上面２６が共鳴部２７ａ、２７ｂと同様に端板２１の上面２６に開口しているわけではないが、共鳴部２７３ａが端板２１の上面２６に開口しているため、マフラ室２７３の加工容易性は保たれる。

＜第４実施形態＞
図５に示すように、第４実施形態の圧縮機１４は、第３実施形態のマフラ室２７３の他にさらにマフラ室２７４を設けたこと以外は、第３実施形態と同様に構成されている。したがって、図４において、図３と同符号は図３と同じ構成部分を示している。
マフラ室２７４は、第３実施形態のマフラ室２７３とサイズが異なること以外は、マフラ室２７３と同様に構成されている。つまり、マフラ室２７４は、固定スクロール２０の端板２１の上面２６に開口するように設けられた共鳴部２７４ａ（共鳴部容積＝Ｖ４）と、共鳴部２７４ａと連通し、吐出ポート２３から分岐した経路部２７４ｂ（経路部長さ＝Ｌ４）とを備える。このマフラ室２７３は、吐出弁２５により共鳴部２７４ａが開閉される。
第２実施形態と同様に、サイズの異なるマフラ室２７３、２７４を設けることで、複数のピークを有する圧力脈動を減衰することができるので、圧力脈動の振動をさらに低減し、圧縮機１４のさらなる低騒音化を実現することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態のものに限定されるものではない。
例えば、マフラ室は、圧力脈動のピークの数に対応する数だけ設けることができる。
さらに、マフラ室２７の経路部２７ｂと共鳴部２７ａとがともに端板２１の上面２６に開口しているマフラ室２７と、共鳴部２７３ａのみが端板２１の上面２６に開口しているマフラ室２７３とを同時に設けることもできる。

これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０，１２，１３，１４…圧縮機、
１１…ハウジング、
２０…固定スクロール、２１…端板、２２…ラップ壁、２３…吐出ポート、２４…開口部、２５…吐出弁、２６…上面、２７，２７２，２７３，２７４…マフラ室、２７ａ，２７２ａ，２７３ａ，２７４ａ…共鳴部、２７ｂ，２７２ｂ，２７３ｂ，２７４ｂ…経路部、
３０…旋回スクロール、３１…端板、３１ａ…筒状壁、３２…ラップ壁、
４０…駆動部、４１…主軸、４１ａ…偏心ピン、４２…上部軸受、４３…下部軸受、４４…電動モータ、４４ａ…固定子、４４ｂ…回転子
５０…高圧室
６０…圧縮室

Claims (4)

1. スクロール型圧縮機の外殻を形成するハウジングと、
   前記ハウジング内に回転自在に支持され、偏心軸部が一体に形成された主軸と、
   前記主軸の前記偏心軸部に回転自在に連結される旋回スクロールと、
   前記旋回スクロールと対向することで冷媒を圧縮する圧縮室を形成し、かつ圧縮された前記冷媒を高圧室に向けて吐出する吐出ポートを端板に有する固定スクロールと、
   前記固定スクロールの前記端板に形成されるマフラ室と、を備え、
   前記マフラ室は、前記固定スクロールの前記端板の上面に開口するとともに、前記吐出ポートに連通し、かつ、
   前記マフラ室は、共鳴部と、前記共鳴部と前記吐出ポートとを連通する経路部とを有し、前記マフラ室のサイズｆは、前記共鳴部の容積Ｖ、前記経路部の断面積Ｓと長さＬ、および前記冷媒中の音速ｃが、以下の式１を満たすように設定されることを特徴とするスクロール型圧縮機。
   ｆ＝ｃ／２π・（Ｓ／Ｖ・Ｌ） ^１／２ ・・・式１
2. 仕様の異なる前記マフラ室が複数設けられた請求項１に記載のスクロール型圧縮機。
3. 前記マフラ室は、前記高圧室から前記吐出ポート内および前記圧縮室内に前記冷媒ガスが逆流することで生じる圧力脈動を低減する、請求項１または請求項２に記載のスクロール型圧縮機。
4. 前記スクロール型圧縮機は、車載用の空気調和装置を構成する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスクロール型圧縮機。

Images