JP6246012B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール圧縮機に関する。

スクロール圧縮機は、固定スクロールと、旋回スクロールとを備えている。固定スクロールおよび旋回スクロールは、いずれも円板状の端板の一方の面側に、渦巻状のラップが設けられたものである。この固定スクロールと旋回スクロールとを、ラップ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公転旋回運動させる。そして、双方のスクロールの間に形成される圧縮空間の容積を旋回スクロールの旋回に伴って減少させることで、その空間内の流体（冷媒）の圧縮を行う。

スクロール圧縮機において、周方向のみならず高さ方向にも圧縮することで高圧縮比を得るために、ラップの高さを内周側では外周側よりも低くし、それに対応して、相手側の端板の内周側の部分を外周側よりも内面側に突出するように形成したものがある。この３Ｄスクロール（登録商標）と呼ばれるタイプのスクロール圧縮機では、ラップおよび端板の双方に段差が形成される。

一般に、固定スクロールおよび旋回スクロールの双方のラップの先端には、チップシールが渦巻きに沿って設けられる。チップシールは、ラップの先端に形成された溝に挿入されており、溝内に流入する冷媒圧力によって発生する差圧（背圧）により相手側のスクロールの端板に向けて浮上、接触することで相手側の端板との隙間を封止する。
３Ｄタイプのスクロール圧縮機でも、このチップシールが設けられている。特許文献１では、ラップの内周側からラップの外周側が立ち上がる段差の根元部にまで内周側チップシールを設け、段差の上側には外周側チップシールを設けるとともに、内周側チップシールと外周チップシールとの間にはＬ字状のチップシールを設けることにより、圧縮空間からの冷媒の漏れを防いでいる。

特開２００２−３０３２８１号公報

特許文献１において、内周側チップシールは比較的に高い背圧を受けるものの、外周側チップシールは受ける背圧が十分でないおそれがある。
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、外周側チップシールに十分な背圧を作用させることのできるスクロール圧縮機を提供すること目的とする。

かかる目的のもと、本発明のスクロール圧縮機は、一対のスクロールがいずれも、外周側から内周側にかけて一つ以上の段差部を経て順次高さが低くなる渦巻き状のラップと、相手側のラップの段差部に倣って立ち上がる一つ以上の段差側面が形成される端板と、段差部よりも内周側のラップに設けられ、内周側チップシールを収容する内周側シール溝と、段差部よりも外周側のラップに設けられ、外周側チップシールを収容する外周側シール溝と、を有し、内周側シール溝と外周側シール溝は、ラップの内部に形成される背圧導入通路を介して連通している、ことを特徴とする。

本発明のスクロール圧縮機は、内周側シール溝と外周側シール溝を背圧導入路により連通させているので、内周側シール溝から外周側シール溝に向けて圧力の高い冷媒を導入させることができる。したがって、外周側チップシールに高い背圧が作用するので、外周側チップシールを相手側端板に向けて確実に浮上させることができる。

本発明のスクロール圧縮機において、内周側シール溝に連なり、段差部を超えて外周側に向けて形成された窪みがラップに形成されるとともに、内周側チップシールの外周側の先端がこの窪みに挿入される場合には、背圧導入通路は、その一方端が、窪みを介して内周側シール溝に連通することが好ましい。
このように窪みを介して背圧導入通路を内周側シール溝に連通させれば、外周側シール溝からラップの高さ方向に沿って穿孔するだけで背圧導入通路を形成できるので、背圧導入孔を形成するのが容易である。

本発明の好ましいスクロール圧縮機において、内周側チップシールが外周側に向けて移動するのを規制する係止機構を備えることが好ましい。内周側チップシールが外周側に向けて移動してしまうことにより、背圧導入路を閉塞するのを防止するためである。
同様の目的のために、内周側チップシールが、外周側の先端に、内周側に向けて後退する切欠きを備えることもできる。

本発明によれば、背圧導入路を介して内周側シール溝から外周側シール溝に向けて圧力の高い冷媒を導入させるので、外周側チップシールに高い背圧が作用する結果、外周側チップシールを相手側端板に向けて確実に浮上させることができる。

第１実施形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。 旋回スクロールのラップを破断して固定スクロールおよび旋回スクロールのラップを示す図である。 固定スクロールおよび旋回スクロールの斜視図である。 固定スクロールのラップの先端領域の一部を示す断面図である。 固定スクロールのラップの段差部の近傍を示す斜視図である。 旋回スクロールの旋回に伴うラップの段差部の近傍の動作を示す図である。 第２実施形態を示し、（Ａ）は固定スクロールのラップの先端領域の一部を示す断面図であり、（Ｂ）は固定スクロールのラップの段差部の近傍を示す斜視図である。 第３実施形態を示し、（Ａ）〜（Ｃ）は固定スクロールのラップの先端領域の一部を示す断面図であり、（Ｄ）は固定スクロールのラップの段差部の近傍を示す平面図である。

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。
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る圧縮機１は、図１に示すように、縦型のスクロール型で、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圧縮機構２とを備えている。この圧縮機１は、例えば空気調和機や冷凍機などを構成している。

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によって通電される。ロータ１６には、回転軸１７が一体に結合されている。

電動モータ１２を挟んで回転軸１７の両端側には、回転軸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に形成される内部空間１９０には、回転軸１７の上端に設けられる偏心ピン１７Ａが突出している。

スクロール圧縮機構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、円板状の固定端板２００と、固定端板２００の内面側に立設される渦巻状のラップ２１とを備えている。
旋回スクロール３０も、円板状の旋回端板３００と、旋回端板３００の内面側に立設される渦巻状のラップ３１とを備えている。

旋回スクロール３０の旋回端板３００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（図示を省略）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が回転軸１７の軸心に偏心して結合されるので、回転軸１７が回転すると、旋回スクロール３０は、回転軸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と回転軸１７との間には、自転を拘束するオルダムリング(図示を省略)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２１，３１は、図２に示すように、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２１，３１の渦巻きの中心部（最内周部）に対して点対称に圧縮空間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、圧縮空間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の圧縮が最大になる。

このスクロール圧縮機構２では、双方のスクロール２０，３０間に形成される圧縮空間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、図３に示すように、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めているとともに、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。

図２及び図３に示すように、固定スクロール２０の内周側ラップ２１Ａと外周側ラップ２１Ｂとの間には、段差部２１Ｃが形成されている。段差部２１Ｃでは、内周側ラップ２１Ａから外周側ラップ２１Ｂが立ち上がっている。その立ち上がりの基端部を根元部Ｒと称する。ラップ２１とラップ３１とが噛み合わせられると、根元部Ｒの上方に位置する外周側ラップ２１Ｂの外周始端部Ｓが外周底部３０Ｂの端部に対向する。
なお、ここでいう上下は、固定スクロール２０および旋回スクロール３０のいずれか一方を基準とする相対的な位置関係である。

旋回端板３００の外周底部３０Ｂと、それよりも内面側に突出した内周底部３０Ａとの間に形成される段差側面３０Ｃは、図２および図３に示すように、平面視して円弧状に窪んで形成されている。その段差側面３０Ｃに対して、固定スクロール２０には、旋回スクロール３０の旋回角度に応じて接触、離間する外周始端部Ｓが、平面視して円弧状に突出した形状に形成されている。

旋回スクロール３０のラップ３１においても、固定スクロール２０のラップ２１と同様に、内周側ラップ３１Ａと外周側ラップ３１Ｂとの間に段差部３１Ｃが形成されている。そして、根元部Ｒの上方に位置する外周側ラップ３１Ｂの外周始端部Ｓが固定端板２００の外周底部２０Ｂの端部に対向する。
また、固定端板２００の内周底部２０Ａと外周底部２０Ｂとの間に形成される段差側面２０Ｃも段差側面３０Ｃと同様に形成されており、その稜線部（図示せず）も面取りされている。

以下、上記のラップ２１およびラップ３１の先端に設けられるチップシール及びチップシールを収容するシール溝について説明する。
図２及び図３に示すように、固定スクロール２０のラップ２１には、その巻き始めの始端から段差部２１Ｃの根元部Ｒまで延びる内周側チップシール４１と、外周側ラップ２１Ｂの外周始端部Ｓから巻き終わりの手前まで延びる外周側チップシール４２とが設けられている。図４（Ａ）に示すように、内周側チップシール４１は内周側シール溝２３に収容され、外周側チップシール４２は外周側シール溝２４に収容されている。
一方、旋回スクロール３０のラップ３１にも、図３に示すように、巻き始めの始端から段差部３１Ｃの根元部Ｒまで延びる内周側チップシール５１と、外周側ラップ３１Ｂの外周始端部Ｓから巻き終わりの手前まで延びる外周側チップシール５２とが設けられている。図示を省略するが、固定スクロール２０と同様に、内周側チップシール５１は内周側シール溝に収容され、外周側チップシール５２は外周側シール溝に収容される。

シール溝２３，２４の一端部側の内壁とチップシール４１，４２との間には、空隙Ｇが形成されている。その空隙Ｇから圧縮冷媒が導入されることでチップシール４１，４２の表面側（図中、上方の面）の圧力が裏面側よりも負圧となるので、チップシール４１，４２は浮上する。そうすると、チップシール４１，４２と相手側の旋回スクロール３０の旋回端板３００との隙間が封止され、これによって圧縮空間が気密に保たれる。

図５にラップ２１の段差部２１Ｃを示すように、内周側チップシール４１は、根元部Ｒまで延びているとともに、外周側チップシール４２は、外周側ラップ２１Ｂの外周始端部Ｓまで延びている。差圧が生じていない状態では、チップシール４１，４２はシール溝２３，２４の内部に収まり、ラップの先端面２１Ｓからは突出しない。
チップシール４１，４２は、全体に亘り、外周側ラップ２１Ｂの先端面と平行に、平面状とされている。
チップシール４１，４２，５１，５２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂材料から作製されるのが好ましい。但し、鉄、アルミニウム等の金属材料からチップシールを形成することもできる。

本実施形態は、図４（Ａ）に示すように、内周側シール溝２３と外周側シール溝２４の間に背圧導入通路２６が設けられているところに特徴を有している。背圧導入通路２６は、内周側シール溝２３から延びる内周側通路２７と外周側シール溝２４から延びる外周側通路２８とからなり、内周側通路２７と外周側通路２８はその先端同士が連通している。したがって、背圧導入通路２６を介して、内周側シール溝２３から外周側シール溝２４に向けて圧縮された冷媒を流入させることができる。

以上のように構成される圧縮機１を起動するには、電動モータ１２を励磁して回転軸１７を回転させると、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。そうすると、旋回スクロール３０と固定スクロール２０との間の圧縮空間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、圧縮空間内で圧縮された冷媒は、ディスチャージカバー２５の吐出ポート２５１から高圧室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。

旋回スクロール３０が旋回するのに伴って、図６に示すように、外周側ラップ２１Ｂの外周始端部Ｓが、旋回半径の円軌道上またはほぼ円軌道上を変位すると、根元部Ｒは、旋回スクロール３０の段差側面３０Ｃに対して出入りを繰り返す。図６の（Ａ）および図４（Ａ）は、根元部Ｒが、内周底部３０Ａに対向する側から段差側面３０Ｃを越えたときの状態を示している。
その後、順次、図６の（Ｂ）、（Ｃ）に示すように変位する過程で、段差側面３０Ｃの内側に内周側ラップ２１Ａが最大に挿入されるのを経て、根元部Ｒは内周底部３０Ａ側に向けて戻り始める。
根元部Ｒが内周底部３０Ａ側に向けて後退すると、それに伴って内周側チップシール４１も内周底部３０Ａへと抜けていく。図６（Ｄ）のように外周始端部Ｓが段差側面３０Ｃのほぼ中央に接触するとき、内周側チップシール４１は、段差側面３０Ｃから脱した位置に戻る。

内周側チップシール４１は差圧によって内周底部３０Ａの表面にまで浮上するが、図４（Ａ）に示すように、内周側シール溝２３と内周側チップシール４１の間の空隙Ｇ及び背圧導入通路２６を介して、ガス冷媒が外周側シール溝２４の内部に流入する。このガス冷媒は比較的に高圧であるから、外周側シール溝２４に収容される外周側チップシール４２を浮上させる。
上記は、旋回スクロール３０のラップ３１についても同様である。
以上により、圧縮空間内の気密を安定して保つことができるので、圧縮機１の効率および信頼性を向上させることができる。

上記実施形態では、ラップ２１，３１の渦巻きの途上に１つだけ、段差部２１Ｃ，３１Ｃが設けられるとともに、その段差部２１Ｃ，３１Ｃの両側で端板２００，３００の底部高さが切り替わっていたが、ラップ２１，３１がいずれも２以上の段差部を有して階段状に形成されるとともに、相手側の端板の底部も階段状に形成されていてもよい。
また、背圧導入通路２６は、図４（Ｂ）に示すように形成することができる。図４（Ａ）のように内周側通路２７を内周側シール溝２３の底面に平行に形成すると、内周側通路２７を先行するドリルなどの工具を差し込み、かつ回転させるスペースが不足する恐れがある。これに対して、図４（Ｂ）に示すように、内周側通路２７を内周側シール溝２３の底面に対して傾斜させると、当該スペースを確保しやすい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図７を参照して説明する。
第２実施形態では、内周側チップシール４１を収容する内周側シール溝２３は、渦方向の外方に延長されて段差部２１Ｃに達し、段差部２１Ｃから渦方向にさらに掘り進んで形成された窪み４０に連なっている。内周側チップシール４１は、内周側シール溝２３の形状に合わせて延長され、先端が窪み４０にはめ込まれている。
第２実施形態は、背圧導入通路２６が、内周側シール溝２３の一部である窪み４０と外周側シール溝２４の間に形成されている。この背圧導入通路２６は、ラップ２１の高さ方向に沿って形成されている。なお、旋回スクロール３０にも同様の構造が設けられていることはいうまでもない。

第２実施形態によれば、窪み４０に内周側チップシール４１の先端が挿入されるので、段差部２１Ｃと段差側面３０Ｃとが離間したときでも内周側チップシール４１が内周側シール溝２３から浮き上がらず、信頼性が向上する。
しかも、第２実施形態においても、背圧導入通路２６を介して、ガス冷媒が外周側シール溝２４の内部に流入するので、外周側シール溝２４に収容される外周側チップシール４２を確実に浮上させることができる。
さらに、第２実施形態においては、ラップ２１の高さ方向に沿って切削するだけで背圧導入通路２６を形成できるので、第１実施形態に比べて背圧導入通路２６の加工が格段に容易である。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態について図８を参照して説明する。
第２実施形態のように、内周側チップシール４１の先端が窪み４０に挿入される場合には、差圧によって内周側チップシール４１が窪み４０の奥（外周側）に押し込まれることもある。そうすると、内周側チップシール４１の先端が背圧導入通路２６を塞いでしまう恐れがある。第３実施形態は、内周側チップシール４１により背圧導入通路２６が塞がれるのを防止するいくつかの例を示す。

図８（Ａ）は、内周側チップシール４１の上面側に段差４１Ａを設け、この段差４１Ａをラップ２１の段差部２１Ｃに係止させることで、内周側チップシール４１が外周側に移動するのを規制する。段差４１Ａが段差部２１Ｃに係止された状態において、背圧導入通路２６は塞がれることなく解放されている。
図８（Ｂ）は、内周側チップシール４１の段差４１Ｂを設ける点では図８（Ａ）の例と共通するが、段差４１Ｂを内周側チップシール４１の下面側に設けるとともに、窪み４０に段差４０Ａを設ける。そして、段差４１Ｂを段差４０Ａに係止させることで、内周側チップシール４１が外周側に移動するのを規制する。
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、内周側チップシール４１の高さ（厚さ）方向に段差４１Ａ，４１Ｂを設ける例を示したが、図８（Ｄ）に示すように、内周側チップシール４１の幅方向に段差４１Ｄを設けるとともに、内周側シール溝２３の先端側に段差２３Ａを設けることもできる。この例では、段差４１Ｄに段差２３Ａを係止させることで、内周側チップシール４１が外周側に移動するのを規制する。
ここでは、内周側チップシール４１を係止する三つの例を示したが、あくまで一例であり、他の係止機構を採用することもできる。

図８（Ｃ）は、内周側チップシール４１の先端に内周側に後退する切欠き４１Ｃを設けている。したがって、仮に内周側チップシール４１が窪み４０の奥まで押し込まれたとしても、この切欠き４１Ｃにより、背圧導入通路２６が塞がれるのを防止できる。内周側チップシール４１が窪み４０の奥に押し込まれたとしても、背圧導入通路２６が塞がれるのを防止できる限り、切欠き４１Ｃの形態は任意である。

以上の通りであり、第３実施形態によると、背圧導入通路２６が内周側チップシール４１により塞がれるのを防止できるので、ガス冷媒を外周側シール溝２４の内部に確実にかつ安定して流入させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、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したりすることができる。
例えば、本発明が適用される圧縮機は、空気調和機や冷凍機に用いられるものに限定されず、他の用途、例えば空気を圧縮する圧縮機に適用することもできる。

１ 圧縮機
２ スクロール圧縮機構
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 回転軸
１７Ａ 偏心ピン
１８ 下部軸受
１９ 上部軸受
２０ 固定スクロール
２０Ａ 内周底部
２０Ｂ 外周底部
２０Ｃ 段差側面
２１ ラップ
２１Ａ 内周側ラップ
２１Ｂ 外周側ラップ
２１Ｃ 段差部
２１Ｓ 先端面
２３ 内周側シール溝
２４ 外周側シール溝
２５ ディスチャージカバー
２６ 背圧導入通路
２７ 内周側通路
２８ 外周側通路
３０ 旋回スクロール
３０Ａ 内周底部
３０Ｂ 外周底部
３０Ｃ 段差側面
３１ ラップ
３１Ａ 内周側ラップ
３１Ｂ 外周側ラップ
３１Ｃ 段差部
３４ ボス
３６ ドライブブッシュ
４０ 窪み
４０Ａ 段差
４１，５１ 内周側チップシール
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｄ 段差
４１Ｃ 切欠き
４２，５２ 外周側チップシール
１０１ ハウジング本体
１０２ ハウジングトップ
１９０ 内部空間
２００ 固定端板
２５１ 吐出ポート
３００ 旋回端板
Ｇ 空隙
Ｒ 根元部
Ｓ 外周始端部

Claims (4)

1. 一対のスクロールがいずれも、外周側から内周側にかけて一つ以上の段差部を経て順次高さが低くなる渦巻き状のラップと、
   相手側の前記ラップの前記段差部に倣って立ち上がる一つ以上の段差側面が形成される端板と、
   前記段差部よりも内周側の前記ラップに設けられ、内周側チップシールを収容する内周側シール溝と、
   前記段差部よりも外周側の前記ラップに設けられ、外周側チップシールを収容する外周側シール溝と、を有するスクロール圧縮機であって、
   前記内周側シール溝と前記外周側シール溝は、前記ラップの内部に形成される背圧導入通路を介して連通している、
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記内周側シール溝に連なり、前記段差部を超えて外周側に向けて形成された窪みが前記ラップに形成されるとともに、前記内周側チップシールの先端が前記窪みに挿入され、
   前記背圧導入通路は、
   その一方端が、前記窪みを介して前記内周側シール溝に連通する、
   請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記内周側チップシールが前記外周側に向けて移動するのを規制する係止機構を備える、
   請求項２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記内周側チップシールは、
   前記外周側の前記先端に、前記内周側に向けて後退する切欠きを備える、
   請求項２に記載のスクロール圧縮機。

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