JP6130748B2 - スクロール型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば室内用の空気調和装置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などの冷凍サイクル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通過して、ディスチャージカバーとハウジングとの間の高圧室に流入し、さらにハウジングに設けられる吐出管から冷媒回路に向けて吐出される。

固定スクロールに形成される吐出ポートは、スクロール型圧縮機の性能、あるいは、騒音に影響を与えることから、種々の提案がなされている。
例えば特許文献１には、スクロールの旋回運動で圧縮された流体の吐出による振動・騒音を抑制するために、吐出ポートに中空円筒状のカラーを嵌着させることが提案されている。当該カラーを設けることで、筒内圧力脈動の加振力を低減することができ、圧縮機騒音の増加を抑えられるとしている。

実開平４−８２３９１号公報

ところが、スクロール型圧縮機が発生させる振動・騒音は、広範な周波数領域にわたる。したがって、一つの騒音低減手段により全ての周波数領域の騒音を低減することは困難である。したがって、低減させたい周波数に応じた対策が必要であり、例えば、特許文献１においてカラーが設けられる吐出ポートは容積が限られているため、低周波数領域の騒音を低減するのは困難である。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、スクロール型圧縮機に生じる任意の周波数帯の騒音を低減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。

吐出ポートの長さ及び容積（以下、仕様と総称する）を変えることで、吐出ポートにおける共鳴周波数を変えることができる。しかし、スクロール型圧縮機の寸法の制約上から、吐出ポートの仕様をさほど大きく変えることができないため、共鳴周波数も変えることができない。
そこで、本発明では、固定スクロールに設けられる吐出ポートを上流ポート部と下流ポート部に区分し、下流ポート部の容積を大きくすることでマフラ（muffler）として機能させる。加えて、下流ボート部をあたかも複数の部屋に仕切ることにより、仕切りを設けない下流ボート部とは異なる共鳴周波数を実現することで、任意の周波数帯の減音を図る。ただし、下流ポート部を冷媒が無理なく通過するためには、仕切られた複数の部屋が、冷媒の通路として機能する必要がある。

すなわち本願発明のスクロール型圧縮機は、主軸の偏心軸部に回転自在に連結される旋回スクロールと、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、吐出ポートを覆うディスチャージカバーと、を備える。
本発明のスクロール型圧縮機は、吐出ポートが、冷媒の流入方向の上流側に設けられる上流ポート部と、冷媒の流入方向の下流側に設けられ、上流ポート部より容積の大きい下流ポート部と、からなる。しかも、下流ポート部は、その内部を外側領域と内側領域に仕切る仕切り壁と、外側領域と内側領域を冷媒が通過する冷媒通路と、を備えることを特徴とする。

本発明のスクロール型圧縮機は、吐出ポートの下流ポート部に仕切り壁を設けるが、この仕切り壁は長さ、高さ等の仕様を任意に設定。つまりチューニングできる。したがって、対象とするスクロール型圧縮機に対応して仕切り壁をチューニングすることで、任意の周波数帯の減音ができる。

一般に、下流ポート部も含めて、吐出ポートはその内部空間（キャビティ）が円形をなしている。これを前提とすると、仕切り壁は、横断面が円弧状であることが好ましい。下流ポート部を通過する冷媒の流れの乱れを小さくするためである。円弧状の仕切り壁は、下流ポート部の円周方向に沿って、単数又は複数を設けることができる。複数設ける場合には、相互に対象の位置に設けることが、冷媒の流れの乱れを小さくするために好ましい。

本発明において、仕切り壁を設ける手立ては任意であるが、ディスチャージカバーと一体的に形成することが好ましい。ディスチャージカバーは、旋回スクロール、固定スクロールと同様に、鋳造で製造されるが、鋳造により仕切り壁を一体的に形成すれば、仕切り壁を別途作製して固定するのに比べて、製造工数を省ける。仕切り壁は、剛性を高くするために、リブを介してディスチャージカバーに一体的に形成することが好ましい。

本発明によれば、スクロール型圧縮機に下流ボート部に仕切り壁を設けることにより、仕切り壁にチューニングを施すことで、任意の周波数帯の減音を図り、騒音を抑制する。

本実施形態におけるスクロール型圧縮機を示す縦断面図である。 （ａ）は図１の固定スクロールの吐出ポート近傍の部分拡大図、（ｂ）は（ａ）の吐出ポート近傍を模式的に示す斜視図である。 仕切り壁の種々の設置状態を説明するための横断面図である。 仕切り壁の剛性を向上する手立てを説明するための横断面図である。 本実施形態における減音の効果を示す図である。

以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のスクロール型圧縮機１は、ハウジング１０内に、電動モータ１２と、電動モータ１２により駆動されるスクロール型圧縮機構２とを備えている。このスクロール型圧縮機１は、Ｒ４１０Ｃ、Ｒ４０７Ｃなどの冷媒を圧縮して例えば空気調和機や冷凍機などの冷媒回路に供給する。以下、スクロール型圧縮機１の構成を説明する。

ハウジング１０は、上端が開放された有底円筒状のハウジング本体１０１と、ハウジング本体１０１の上端の開口を覆うハウジングトップ１０２とを備えている。
ハウジング本体１０１の側面には、図示しないアキュムレータからハウジング本体１０１内に冷媒を導入する吸入管１３が設けられている。
ハウジングトップ１０２には、スクロール型圧縮機構２によって圧縮された冷媒を吐出する吐出管１４が設けられている。ハウジング１０の内部は、ディスチャージカバー２５によって低圧室１０Ａと高圧室１０Ｂとに仕切られている。

電動モータ１２は、ステータ１５と、ロータ１６とを備えている。
ステータ１５には、ハウジング本体１０１の側面に取り付けられた図示しない電源ユニットを介して電力が供給されることで、磁界を発生する巻き線が設けられている。ロータ１６は、永久磁石とヨークを主要素として備え、さらに主軸１７が中心に一体に結合されている。

電動モータ１２を挟んで主軸１７の両端側には、主軸１７を回転可能に支持する上部軸受１８および下部軸受１９が設けられている。
上部軸受１８に形成される収容空間１９０には、主軸１７の上端に設けられる偏心ピン１７Ａが突出し、収容されている。

スクロール型圧縮機構２は、固定スクロール２０と、固定スクロール２０に対して公転旋回運動する旋回スクロール３０とを備えている。
固定スクロール２０は、固定端板２１と、固定端板２１の一方の面から立設する渦巻状のラップ２２と、を備えている。固定スクロール２０は、また、固定端板２１に吐出ポート２３を備えている。
吐出ポート２３は、図２に示すように、いずれも開口形状（キャビティ）が円形の上流ポート部２３Ａと、上流ポート部２３Ａに連通し、上流ポート部２３Ａよりも容積の大きい下流ポート部２３Ｂとからなる。上流ポート部２３Ａは冷媒の流れる向きＡの上流側に配置され、下流ポート部２３Ｂが下流側に配置される。向きＡの下流側に位置する下流ポート部２３Ｂの開口面積を大きくすることで、当該部分における冷媒の圧力損失を低減できる。なお、図２（ｂ）は、固定端板２１について、ディスチャージカバー２５を取り除いた状態における下流ポート部２３Ｂの周囲近傍のみを示している。後述する図３も同様である。
上流ポート部２３Ａは、上流側が固定スクロール２０と旋回スクロール３０の間に形成される圧縮室ＰＲに連通する。また、下流ポート部２３Ｂは、下流側が、固定スクロール２０の上方を覆うディスチャージカバー２５の吐出ポート２７に連通している。

下流ポート部２３Ｂには、仕切り壁４０が設けられている。仕切り壁４０は、各々が円弧状の横断面をなしている同じ形状及び同じ寸法の仕切り壁４０ａ，４０ｂからなる。
仕切り壁４０は、下流ポート部２３Ｂを外側領域ＯＡと内側領域ＩＡに仕切り、下流ポート部２３Ｂの固有周波数を変化させる。仕切り壁４０ａ，４０ｂは、下流ポート部２３Ｂの中心Ｃを中心として、対称の位置に配置されている。仕切り壁４０を対称の位置に配置することにより、下流ポート部２３Ｂにおける冷媒の流れの乱れを小さくすることができる。仕切り壁４０ａ，４０ｂの周方向の端部Ｅ，Ｅの間には隙間Ｇが設けられている。この隙間Ｇは、仕切り壁４０ａ，４０ｂの高さ方向の全域に亘って設けられるとともに、外側領域ＯＡと内側領域ＩＡを径方向に連通させる。下流ポート部２３Ｂに流入した冷媒は、外側領域ＯＡ、隙間Ｇ及び内側領域ＩＡに連なる冷媒通路を通って、ディスチャージカバー２５の吐出ポート２７に流入する。
仕切り壁４０は、ディスチャージカバー２５と一体的に形成され、その先端が固定端板２１の表面に接するように設けられている。
仕切り壁４０を設けることによる作用・効果については後述する。

旋回スクロール３０も、円板状の旋回端板３１と、旋回端板３１の一方の面から立設する渦巻状のラップ３２とを備えている。
旋回スクロール３０の旋回端板３１の背面には、ボス３４が設けられているとともに、そのボス３４に軸受を介してドライブブッシュ３６が組み付けられている。ドライブブッシュ３６の内側には偏心ピン１７Ａが嵌められている。これにより、旋回スクロール３０が主軸１７の軸心に偏心して結合されるので、主軸１７が回転すると、旋回スクロール３０は、主軸１７の軸心からの偏心距離を旋回半径として回転（公転）する。
なお、旋回スクロール３０が、公転しつつも自転はしないよう、旋回スクロール３０と主軸１７との間には、自転を拘束する図示しないオルダムリングが設けられている。

互いに所定量だけ偏心し、１８０度位相をずらして噛み合わせられるラップ２２，３２は、旋回スクロール３０の回転角に応じて複数箇所で互いに接触する。すると、ラップ２２，３２の渦巻きの中心部（最内周部）に対して点対称に圧縮室ＰＲが形成されるとともに、旋回スクロール３０の旋回に伴って、圧縮室はその容積を減少させながら次第に内周側に移動される。そして、渦巻きの中心部で冷媒が最大に圧縮される。図１の圧縮室ＰＲはこの部分を示している。

このスクロール型圧縮機構２では、双方のスクロール２０，３０間に形成される圧縮室ＰＲの容積を渦巻きの途中でラップの高さ方向にも減少させている。そのために、固定スクロール２０および旋回スクロール３０の双方において、ラップの高さを外周側よりも内周側で低くするとともに、その段差状のラップに対向する相手側の端板を外周側よりも内周側で、端板内面側に突出するようにしている。

以上の構成を備えるスクロール型圧縮機１を起動するには、電動モータ１２を励磁するとともに、吸入管１３を通じてハウジング１０内に冷媒を導入する。
電動モータ１２が励磁されると主軸１７が回転し、それに伴って旋回スクロール３０が固定スクロール２０に対して公転旋回運動する。すると、旋回スクロール３０と固定スクロール２０との間の圧縮室ＰＲで冷媒が圧縮されるとともに、吸入管１３からハウジング１０内の低圧室１０Ａに導入された冷媒が旋回スクロール３０と固定スクロール２０との間に吸い込まれる。そして、圧縮室ＰＲ内で圧縮された冷媒は、固定端板２１の吐出ポート２３、ディスチャージカバー２５の吐出ポート２７を順次通過して高圧室１０Ｂに吐出され、さらに吐出管１４から外部へと吐出される。こうして、冷媒の吸入、圧縮、および吐出が連続して行われる。

［作用・効果］
次に、下流ポート部２３Ｂに仕切り壁４０を設けることによる作用・効果を説明する。
固定スクロール２０、および、旋回スクロール３０で圧縮された冷媒は、圧縮室ＰＲから上流ポート部２３Ａへ吐出し、上流ポート部２３Ａおよび下流ポート部２３Ｂを順次通過する。下流ポート部２３Ｂを通過した冷媒は、吐出ポート２７から高圧室１０Ｂに吐出される。
この経路で高圧室１０Ｂに吐出される冷媒は、各吐出ポートに対応する周波数で共鳴を生じさせる。共鳴が生じると、吐出ポートの振幅が急激に増大されるため、騒音が大きくなる。
そこで、本実施形態では、下流ポート部２３Ｂに仕切り壁４０を設けることで、下流ポート部２３Ｂの内部空間を外側領域ＯＡと内側領域ＩＡに仕切る。そうすることで、仕切り壁４０を設けない場合と、下流ポート部２３Ｂ内の固有振動数を変化させる。このように固有振動数を変化させることで、任意の周波数帯の減音を図ることができる。

ここで、本実施形態では、仕切り壁４０の長さＬを、減音したい音の波長λの１／２に設定することによって、任意の周波数帯を減音することができる。
任意の周波数の音を減音する原理は以下の通りである。
一般に、音速度ｃ、周波数ｆ、および波長λの間には、以下の（式１）の関係が成り立つ。
ｃ［ｍ／ｓ］＝ｆ［Ｈｚ］×λ［ｍ］ （式１）
（ｃ：音速、ｆ：周波数、λ：波長）
減音したい周波数ｆを決定すれば、式（１）から波長λを算出できる。そして、算出した波長λの１／２を、仕切り壁４０の長さＬと設定する。
なお、仕切り壁４０の長さＬを長くするほど、低周波数の音を減音でき、反対に、仕切り壁４０の長さを短くするほど、高周波数の音を減音できる傾向がある。もっとも、長さＬだけでなく、仕切り壁４０の高さＴも、仕切り壁４０のチューニングの対象となる。

本実施形態の効果を確認するために、仕切り壁４０を設けた圧縮機と仕切り壁４０を設けない圧縮機の双方について、周波数と減音量の関係を調べた。その結果を図５に示す。縦軸は減音量を示し、値が大きい方が減音された量が多いことを示している。
図５に示すように、例えば、１．６ｋＨｚの周波数帯において、仕切り壁４０を設けることで、約２５ｄＢの減音ができることが判った。同様に、仕切り壁４０を設けることで、４．０〜５．０ｋＨｚの周波数帯においても、減音を促進できることが判った。
以上の結果から、下流ポート部２３Ｂに仕切り壁４０を設けることにより、騒音の原因となる１．６ｋＨｚ、４．１ｋＨｚに対応する音を減音できることが確認された。

［仕切り壁の形態例］
以上では、２つの同形状及び同寸法の仕切り壁４０ａ，４０ｂを対称に設ける施例を示したが、本発明はこれに限定されず、仕切り壁４０の形成パターンに種々の変更を加えることができる。図３を参照して、いくつかの例を示す。
例えば、仕切り壁４０ａ，４０ｂの一方の隙間Ｇの部分を繋げて、図３（ａ）に示すようにＣ字状の仕切り壁４０とすることができる。このように、仕切り壁４０の弧の長さＬを長くすることにより、より低周波数の音を減音できる。
また、図３（ｂ）に示すように、仕切り壁４０（４０ａ，４０ｂ）の対称の中心Ｃ’を、下流ポート部２３Ｂの中心Ｃから、偏心した位置に設けることもできる。
また、図３（ｃ）に示すように、弧の長さの異なる仕切り壁４０ａ，４０ｂを用いることができる。そうすることで、異なる領域の周波数の音をそれぞれ減音することができる。この場合、図３（ｃ）に示すように、中心Ｃから仕切り壁４０ａ，４０ｂまでの距離を相違させることができる。
また、図３（ｄ）に示すように、仕切り壁４０を３つ以上（図３（ｄ）では３つ）に区分して設けることもできる。仕切り壁４０を多数設けることで、減音効果を増大させることができる。
また、図３（ｅ）に示すように、仕切り壁４０ａ，４０ｃ、４０ｂ，４０ｄを径方向に間隔をあけ、２重に設けることもできる。この場合も、下流ポート部２３Ｂは複数の領域に仕切られる。つまり、各々の仕切り壁４０ａ〜４０ｄについて、径方向の内側の領域と外側の領域に仕切られる。
全体としての仕切り壁４０の弧の長さＬを長くし、減音効果を増大させたい場合に有効である。なお、２重に限らず、仕切り壁４０を３重以上に設けることもできる。
さらに、図３（ｆ）に示すように、仕切り壁４０を渦巻状にすることもできる。渦巻き状の仕切り壁４０は、下流ポート部２３Ｂを、仕切り壁４０により径方向に取り囲まれる内側の領域と、仕切り壁４０の最外周の外側の領域に仕切る。
仕切り壁４０を渦巻き状とすることによっても、仕切り壁４０の長さＬを長くできるため、より低周波数の音を減音するのに有効である。
なお、上流ポート部２３Ａから流入した冷媒は、仕切り壁４０に沿って渦巻状に流れつつ下流ポート部２３Ｂを通過し、吐出ポート２７に吐出される。
なお、図３（ａ）〜（ｆ）に示される形態を適宜組み合わせることもできる。
また、横断面が円弧状（又は、楕円弧状）に限らず、例えば、直線状、あるいは、コの字状等の種々の形態の仕切り壁４０を用いることもできる。さらに、複数、例えば２つの仕切り壁４０ａ，４０ｂを設ける場合には、非対称の位置に設けることもできる。要は、減音したい周波数帯に合せて仕切り壁をチューニングする限り、仕切り壁の形態は問われない。

［剛性向上の例］
次に、仕切り壁４０は、吐出ポート２３を通過する冷媒から受ける圧力に対抗できる剛性を備えることが必要である。なお、ここで言う剛性は、専らディスチャージカバー２５との接合部分に関するものである。
そこで本実施形態は、図４（ａ）に示すように、仕切り壁４０ａ，４０ｂの端部Ｅ，Ｅに、径方向の外側に向けて張り出すリブ４１を設けることができる。リブ４１を設けることで、仕切り壁４０ａ，４０ｂは、内側領域ＩＡから径方向の外側に向けた冷媒の圧力に対する剛性が向上する。リブ４１は、仕切り壁４０と同じ高さを有し、かつ、高さ方向に均等な幅を有しているものとするが、剛性向上の効果が得られるのであれば、これに限定されない。
リブ４１は、剛性向上の機能を有するのに加えて、絞りを形成する機能をも有する。つまり、リブ４１を設けることで、内側領域ＩＡから外側領域ＯＡに向けた冷媒の出入口４４が絞られるので、減音する効果が増大する。

リブ４１に加え、図４（ｂ）に示すように、端部Ｅ，Ｅの間の任意の位置、例えば中間位置にリブ４２を設けることもできる。そうすることで、仕切り壁４０の剛性のさらなる向上が図られるとともに、リブ４１とリブ４２の間には長さが１／２Ｌの仕切り壁５０が形成されることで、高周波域の音も減音できる。

剛性向上のために、図４（ｃ）に示すように、横断面が波型の仕切り壁４３を適用することもできる。仕切り壁４３は、波型の山および谷に対応する部分が、リブ４１と同様の作用を発揮し、しかも、この部分が複数あるため、仕切り壁４３はより高い剛性をもつ。

以上、実施形態について説明したが、上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施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。
例えば、仕切り壁４０は、下流ポート部２３Ｂを外側領域ＯＡと内側領域ＩＡに仕切れるのであれば、ディスチャージカバー２５と一体に形成するのに限定されない。例えば、固定端板２１と一体に形成することもできるし、固定端板２１及びディスチャージカバー２５とは別体として作製し、適宜の手段で下流ポート部２３Ｂの所定位置に固定してもよい。

さらに、仕切り壁４０の先端は必ずしも固定端板２１に接している必要はなく、仕切り壁による減音の効果が得られる限り、固定端板２１から仕切り壁４０の先端が離れていてもよい。

１ スクロール型圧縮機
２ スクロール型圧縮機構
１０ ハウジング
１０Ａ 低圧室
１０Ｂ 高圧室
１２ 電動モータ
１３ 吸入管
１４ 吐出管
１５ ステータ
１６ ロータ
１７ 主軸
１７Ａ 偏心ピン
１８ 下部軸受
１９ 上部軸受
２０ 固定スクロール
２１ 固定端板
２２，３２ ラップ
２３ 吐出ポート
２３Ａ 上流ポート部
２３Ｂ 下流ポート部
２５ ディスチャージカバー
２７ 吐出ポート
３０ 旋回スクロール
３１ 旋回端板
３４ ボス
３６ ドライブブッシュ
４０，４０ａ〜４０ｄ，４３ 仕切り壁
４１，４２ リブ
４４ 出入口
１０１ ハウジング本体
１０２ ハウジングトップ
１９０ 収容空間
Ａ 向き
ＯＡ 外側領域
ＩＡ 内側領域
Ｃ，Ｃ’ 中心
Ｇ 隙間
ＰＲ 圧縮室

Claims (3)

1. 主軸の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、
   前記吐出ポートを覆うディスチャージカバーと、
   を備え、
   前記吐出ポートは、
   前記冷媒の流入方向の上流側に設けられる上流ポート部と、前記冷媒の前記流入方向の下流側に設けられ、上流ポート部より容積の大きい下流ポート部と、からなり、
   前記下流ポート部は、
   その内部を外側領域と内側領域に仕切る仕切り壁と、
   複数の前記外側領域と前記内側領域を前記冷媒が通過する冷媒通路と、を備える
   ことを特徴とするスクロール型圧縮機。
2. 前記下流ポート部は、キャビティが円形をなしており、
   横断面が円弧状の前記仕切り壁が、前記下流ポート部の円周方向に沿って、単数又は複数設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール型圧縮機。
3. 前記仕切り壁は、
   前記ディスチャージカバーにリブを介して一体的に形成される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型圧縮機。

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