JP6352011B2 - 背圧吐出手段を有するスクロール圧縮機 - Google Patents

背圧吐出手段を有するスクロール圧縮機 Download PDF

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Description

本発明は、背圧吐出手段を有するスクロール圧縮機に関し、特に、固定スクロールと旋回スクロールとの間をシールするための背圧チャンバが固定スクロールの上方に位置する形態のスクロール圧縮機に関する。
スクロール圧縮機は、螺旋状のラップを有する固定スクロールと固定スクロールに対して旋回運動する旋回スクロールを用いる圧縮機であって、固定スクロールと旋回スクロールとが噛み合って回転してそれらの間に形成される圧縮室の容積が旋回スクロールの旋回運動により減少し、それにより流体の圧力が上昇して固定スクロールの中心部に形成された吐出口から吐出される形態の圧縮機である。
このようなスクロール圧縮機は、旋回スクロールが旋回する間吸入、圧縮及び吐出が連続的に行われるという特徴を有し、それにより原則的に吐出バルブ及び吸入バルブを必要とせず、部品点数が少ないことから構造が簡単であるだけでなく、高速回転が可能であるという特徴を有する。また、圧縮に必要なトルクの変動が少なく、吸入及び圧縮が連続的に行われるので、振動及び騒音が少ないという利点を有する。
このようなスクロール圧縮機においては、固定スクロールと旋回スクロール間の漏洩防止及び潤滑が重要である。固定スクロールと旋回スクロール間の漏洩を防止するためには、ラップの端部と鏡板部の表面とを密着させて圧縮された冷媒が漏洩しないようにしなければならない。それに対して、旋回スクロールが固定スクロールに対して円滑に旋回運動できるようにするためには、摩擦による抵抗を最小限に抑えなければならない。すなわち、漏洩と潤滑とは相反関係にある。つまり、ラップの端部と鏡板部の表面とを強く密着させると、漏洩面では有利であるが、摩擦が大きくなって騒音及び摩耗による損傷が増加するのに対して、密着強度を低下させると、摩擦は小さくなるが、シール力が減少して漏洩が増加する。
よって、従来は、旋回スクロール又は固定スクロールの背面に、吐出圧と吸入圧の間の値と定義される中間圧を有する背圧室を形成することにより、シール及び摩擦の問題を解決してきた。すなわち、旋回スクロールと固定スクロールとの間に形成される複数の圧縮室のうち中間圧を有する圧縮室に連通する背圧室を形成し、旋回スクロールと固定スクロールを適度に密着させることにより、漏洩及び潤滑の問題を解決してきた。
一方、背圧室が旋回スクロールの底面に位置する場合を便宜上「下部背圧式スクロール圧縮機」といい、背圧室が固定スクロールの上面に位置する場合を便宜上「上部背圧式スクロール圧縮機」という。下部背圧式スクロール圧縮機は、構造が簡単でバイパス孔などを容易に形成できるという利点があるが、旋回運動する旋回スクロールの底面に背圧室が位置することから、背圧室の形態及び位置が旋回スクロールの旋回運動によって変化するので、旋回スクロールがチルトして振動及び騒音が発生する恐れがあり、漏洩を防止するために挿入されるOリングが摩耗しやすいという問題があった。一方、上部背圧式スクロール圧縮機は、相対的に構造が複雑であるが、背圧室の形態及び位置が変化しないので、旋回スクロールがチルトする恐れがなく、背圧室のシールが良好であるという利点を有する。
このような上部背圧式スクロール圧縮機の一例として、特許文献1(発明の名称:ベアリングハウジングを加工する方法及びベアリングハウジングを含むスクロールマシン)が挙げられる。図11は特許文献1に開示された従来の上部背圧式スクロール圧縮機を示す断面図である。図11を参照すると、スクロール圧縮機1は、ケーシング10内に固定設置されるメインフレーム20の上部で旋回運動するように配置される旋回スクロール30と、旋回スクロール30と噛み合う固定スクロール40とを含む。また、固定スクロール40の上部には、背圧室BPが形成されており、背圧室BPを密閉するフローティングプレート60が吐出流路45の外周面に沿って上下に摺動可能に設置されている。また、フローティングプレート60の上方には、吐出カバー2が設けられ、圧縮機の内部空間を吸入空間Sと吐出空間Dとに区画する。
また、フローティングプレート60と背圧室BPとの間には、リップシール(図示せず)が設けられ、背圧室BPからの漏洩を防止する。
背圧室BPは前記圧縮室の1つに連通して中間圧が加わり、それにより、フローティングプレート60には上方への圧力が加わり、固定スクロール40には下方への圧力が加わる。つまり、背圧室BPの圧力により、フローティングプレート60は、上昇してその端部が吐出カバー2に接することで吐出空間Dを密閉し、固定スクロール40は、下方に移動して旋回スクロール30に密着する。それにより、固定スクロール40と旋回スクロール30との間が効果的にシールされる。
一方、背圧室BPの圧力は、摩擦を最小限に抑えてシールを行うことができる程度に維持されなければならない。しかし、運転条件の変化により吐出圧よりも背圧室BPの圧力が高くなったり、圧縮機の起動時に背圧室BPの圧力が急激に上昇した場合は、背圧室BP内の冷媒が固定スクロール40を過度に押すことになるので、摩擦による騒音及び摩耗が生じる。よって、このような場合、背圧室BPの圧力が低くなるように、冷媒を外部に排出しなければならない。特許文献1においては、前記リップシールにより背圧室BPの冷媒が吐出空間Dに吐出されるように構成している。
しかし、このような構造のスクロール圧縮機を冷暖房兼用の空気調和機に適用する場合、問題が生じる。すなわち、暖房運転中は、室外機に位置する凝縮器に発生した霜を除去するための除霜運転を行わなければならず、冷房運転に切り替えた場合は、スクロール圧縮機の吸入側圧力と吐出側圧力とが逆に加わる。つまり、運転を切り替えた直後は、一時的に吸入側圧力が吐出側圧力よりも高くなる。
従って、背圧室BPの圧力が吐出側圧力よりも高くなるので、背圧室BPの圧力が吐出側圧力と同一になるまで、背圧室BP内の冷媒が前記リップシールの内周面全体から吐出空間Dに急速に吐出される。このとき、フローティングプレート60の上部面が吸入空間Sに存在することから、背圧室BPの圧力よりもフローティングプレート60の上部圧力が高いので、フローティングプレート60は下降し、固定スクロール40は吸入圧により上昇する。つまり、固定スクロール40と旋回スクロール30とが離隔した状態で圧縮機が運転されるので、旋回スクロール30がチルトして振動及び騒音が発生する。
このような問題を解決するために、特許文献2(発明の名称:コンプレッサシールアセンブリ)においては、前記背圧室の一側に吸入空間側に連通するホールを形成し、前記ホールにスプリング及びボールからなるIPR(Injection Pressure Regulator)バルブを設けることにより、前記背圧室の圧力が前記吸入空間側の圧力よりも所定量以上高くなると冷媒を前記吸入空間側に排出するようにしている。これにより、前記背圧室の圧力が過度に高くなった場合、前記IPRバルブにより前記背圧室の圧力を下げることができる。
韓国公開特許第10−2001−0049691号公報 米国特許出願公開第2012/0107163号明細書
しかし、特許文献2においては、正常動作条件で吸入圧は背圧室の圧力よりも低いことから、一般的なチェックバルブを使用することができず、吸入圧と背圧室の圧力との間に所定の圧力差がある場合にのみ開放される特殊な形態のIPRバルブを使用しなければならない。従って、圧縮機の仕様が変わったり、運転条件が変わった場合、前記IPRバルブの仕様をそれぞれの場合に合わせて調整しなければならないので、圧縮機の設計が難しくなり、共用化が困難になるので、製品コストを上昇させる。
本発明は、このような従来技術の欠点を解決するためになされたものであり、本発明の技術的課題は、運転条件が変わっても背圧室の圧力を安定して調整できる背圧吐出手段を有するスクロール圧縮機を提供することにある。
上記技術的課題を解決するために、本発明の一態様によれば、ケーシングと、前記ケーシングの内部に固定され、前記ケーシングの内部を吸入空間と吐出空間とに区画する吐出カバーと、前記吐出カバーから離隔して配置されるメインフレームと、前記メインフレーム上に支持された状態で旋回運動する旋回スクロールと、前記旋回スクロールに対して上下方向に移動可能に設けられ、前記旋回スクロールと共に吸入室、中間圧室及び吐出室を形成し、作動流体が吐出される吐出口を備える固定スクロールと、前記中間圧室の作動流体の一部を流入させて前記固定スクロールを前記旋回スクロール側に加圧する背圧室、前記背圧室に連通する背圧吐出口、及び前記吐出室と前記吐出空間とを連通する吐出流路を備え、前記固定スクロールに締結される背圧室組立体とを含み、前記背圧室組立体と前記固定スクロールとの間には、前記背圧吐出口と前記吐出流路とを連通する背圧吐出流路が形成され、前記背圧吐出口には、作動流体が前記背圧室の内部に流入することを防止するチェックバルブが備えられる、スクロール圧縮機が提供される。
本発明の一態様においては、固定スクロールと背圧室組立体とを別途形成して互いに締結されるようにし、固定スクロールと背圧室組立体との間に、背圧吐出流路及び背圧室の圧力が吐出圧よりも高い場合に作動流体を吐出流路に吐出させるチェックバルブを備えることにより、運転条件が変わっても常に背圧室の圧力が吐出圧以下となるように維持することができる。また、吐出流路に吐出される作動流体は背圧吐出口から吐出されるが、従来のリップシールを用いた場合より相対的に遅い速度で吐出されるので、背圧室の圧力と吐出室の圧力とが平衡するまでに所定の時間を要する。従って、一時的な運転条件の変化があっても、圧縮機の動作が正常化するまで背圧室の圧力が急激に低くなったり高くなったりすることを防止することができる。
ここで、前記吸入室、中間圧室及び吐出室とは、前記旋回スクロールと前記固定スクロールとにより形成される複数の圧縮室を意味するものである。具体的には、前記吸入室とは、冷媒を吸入して圧縮を開始する直前の圧縮室をいい、前記吐出室とは、前記吐出口に連通して吐出が開始されるか吐出が行われている圧縮室をいい、前記中間圧室とは、前記吸入室と前記吐出室との間に位置して圧縮が行われている圧縮室をいう。
一方、前記背圧吐出口は、複数備えられてもよい。つまり、同じ面積であっても、複数の吐出口が存在する場合、吐出される冷媒の速度及び圧力が1つの吐出口が存在する場合とは異なるので、複数の吐出口を備えることにより、設計自由度を向上させることができる。また、複数の吐出口を前記吐出流路の周囲に配置することにより、背圧室の冷媒をより均一に吐出させることができる。
また、前記背圧吐出流路は、前記固定スクロールの上面に凹状に形成される凹部及び前記背圧室組立体の下面により規定され、前記チェックバルブは、前記凹部内を移動して前記背圧吐出口を開閉する。前記背圧吐出流路が前記固定スクロールの上面に形成されるので、様々な形状を有する背圧吐出流路を容易に加工することができる。さらに、前記背圧吐出流路は、前記背圧室組立体の下面に凹状に形成される凹部及び前記固定スクロールの上面により規定されるようにしてもよい。
ここで、前記チェックバルブの移動量は、前記凹部の内面により制限されるようにしてもよい。また、前記チェックバルブの移動量は、前記凹部の内部に備えられるリテーナにより制限されるようにしてもよい。
さらに、前記チェックバルブとしては、いわゆる「リードバルブ(reed valve)」とも呼ばれる板状のバルブを使用してもよい。
一方、前記凹部は、前記チェックバルブの移動空間を提供するバルブ空間部と、前記背圧室から吐出された作動流体を前記吐出流路に移送させるように前記吐出流路の下部まで延びる流路形成部とを含んでもよい。
また、前記チェックバルブは、前記背圧吐出口を覆うバルブ本体と、前記バルブ本体を前記固定スクロールと前記背圧室組立体との間で固定するバルブ支持部とを含んでもよい。
さらに、前記バルブ支持部は、前記吐出口を囲むように形成され、前記バルブ本体は、前記バルブ支持部から半径方向内側に延設されるようにしてもよい。
さらに、前記背圧室組立体は、前記吐出カバーの下部で前記固定スクロールに固定され、上部が開放されて前記中間圧室に連通する空間部を備える背圧プレートと、前記空間部を密閉するように前記背圧プレートに移動可能に結合されて前記背圧室を形成するフローティングプレートとを含んでもよい。
ここで、前記背圧プレートは、前記固定スクロールの上面に接するリング状の支持プレートと、前記支持プレートの内側空間部を囲むように形成される第1環状壁と、前記第1環状壁の外周部に位置する第2環状壁とを含んでもよい。
また、前記フローティングプレートがリング状に形成され、前記第1環状壁の外周面が前記フローティングプレートの内周面に接し、かつ前記第2環状壁の内周面が前記フローティングプレートの外周面に接するように、前記フローティングプレートと前記背圧プレートとが結合されるようにしてもよい。さらに、前記フローティングプレートと前記第1環状壁との接触面及び前記フローティングプレートと前記第2環状壁との接触面には、Oリングが介在するようにしてもよい。
また、前記第2環状壁は、前記支持プレートの外周面に配置されてもよい。つまり、前記背圧プレートは、断面略U字状に形成されるようにしてもよい。
さらに、前記第2環状壁は、前記支持プレートの外周面から内側に離隔して配置されてもよい。つまり、前記第2環状壁の外側にフランジが形成されるようにしてもよい。ここで、前記支持プレートには前記第2環状壁の半径方向外側に複数のボルト締結孔が形成され、前記ボルト締結孔に挿入されるボルトにより前記背圧プレートと前記固定スクロールとが締結されるようにしてもよい。
一方、前記背圧プレートと前記固定スクロールとの接触面には、シール手段が設けられてもよい。これにより、吐出される冷媒が前記背圧プレートと前記固定スクロールとの間から漏れることを防止することができる。
一方、前記固定スクロールは、前記中間圧室に連通する中間圧吐出口を含み、前記背圧室組立体は、前記中間圧吐出口に連通する中間圧吸入口を含むようにし、それにより、中間圧が前記背圧室の内部に加わるようにすることができる。この場合、前記中間圧吐出口と前記中間圧吸入口との間の作動流体の漏れを防止するためのシール手段が備えられてもよい。
本発明の他の態様によれば、吸入空間と吐出空間とに区画されるケーシングと、旋回スクロールと共に吸入室、中間圧室及び吐出室を形成する固定スクロールと、前記中間圧室内の作動流体を流入させて前記固定スクロールを前記旋回スクロール側に加圧する背圧室を備え、前記固定スクロールに締結される背圧室形成部材と、前記背圧室の圧力が前記吐出空間の圧力よりも高い場合、前記背圧室と前記吐出空間との間に形成される背圧吐出流路により前記背圧室内の作動流体を前記吐出空間に吐出させるチェックバルブとを含み、前記背圧吐出流路は、前記固定スクロールと前記背圧室形成部材との間に形成される、スクロール圧縮機が提供される。
ここで、前記背圧室形成部材は、前記背圧室の圧力に応じて前記背圧室の体積を変化させるフローティング部材と、前記フローティング部材と共に前記背圧室を形成する空間部を含む背圧プレートとを含み、前記フローティング部材と前記背圧プレートとの対向面には、作動流体が漏れないように密封するシール手段が介在するようにしてもよい。
本発明のさらに他の態様によれば、ケーシングと、前記ケーシングの内部に固定され、前記ケーシングの内部を吸入空間と吐出空間とに区画する吐出カバーと、前記吐出カバーから離隔して配置されるメインフレームと、前記メインフレーム上に支持された状態で旋回運動する旋回スクロールと、前記旋回スクロールに対して上下方向に移動可能に設けられ、前記旋回スクロールと共に吸入室、中間圧室及び吐出室を形成する固定ラップ、並びに前記中間圧室の作動流体の一部が流入する背圧室を形成するように配置される第1及び第2環状壁を備える固定スクロールと、前記第1環状壁と前記第2環状壁との間に設置され、前記背圧室を密閉するフローティングプレートとを含み、前記第1環状壁の内部には、前記吐出室から吐出された作動流体を前記吐出空間に導く吐出流路が形成され、前記固定スクロールの一部を貫通するように、前記背圧室と前記吐出流路とを連通する背圧吐出流路が形成され、前記吐出流路上には、前記吐出流路から前記背圧室に作動流体が流入することを防止するチェックバルブが設けられる、スクロール圧縮機が提供される。
本発明のさらに他の態様においては、背圧室を固定スクロールに一体に形成し、フローティングプレートと固定スクロールとの間からの作動流体の吐出を防止し、固定スクロールの内部に背圧吐出流路を形成している。
ここで、前記背圧吐出流路は、前記第1環状壁を貫通して形成されてもよい。
また、前記吐出流路の内面には、前記チェックバルブが支持されるバルブシート部が形成されてもよい。
本発明の一態様によるスクロール圧縮機においては、背圧室の圧力が吐出圧よりも高い場合に作動流体を吐出流路に吐出させるチェックバルブを備えることにより、運転条件が変わっても常に背圧室の圧力が吐出圧以下となるように維持することができる。これにより、圧縮機の起動時や一時停止後の再起動時に背圧室の圧力が急激に上昇して固定スクロールが旋回スクロールを過度に押すことを防止することができる。
また、吐出流路に吐出される作動流体は背圧吐出口から吐出されるが、従来のリップシールより相対的に遅く吐出されるので、背圧室の圧力と吐出室の圧力とが平衡するまでに所定の時間を要する。従って、一時的な運転条件の変化があっても、圧縮機の動作が正常化するまで背圧室の圧力を適正範囲に維持することができる。
本発明の一実施形態による背圧吐出手段を有する上部背圧式スクロール圧縮機を示す断面図である。 図1の固定スクロール及び背圧室組立体が結合された状態を示す一部切欠斜視図である。 図1の固定スクロール及び背圧室組立体を示す分解斜視図である。 図1の固定スクロールを示す斜視図である。 図1の固定スクロール及び背圧プレートの部分拡大断面図である。 図1の固定スクロール及び背圧プレートの変形例の部分拡大断面図である。 図1の固定スクロール及び背圧プレートの他の部分拡大断面図である。 図1のチェックバルブ及び吐出チェックバルブの動作を説明するための断面斜視図である。 図4のチェックバルブの変形例を示す平面図である。 本発明の他の実施形態による背圧吐出手段を有する上部背圧式スクロール圧縮機を示す部分拡大断面図である。 従来の上部背圧式スクロール圧縮機の一例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明による背圧吐出手段を有する上部背圧式スクロール圧縮機の実施形態について詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態による背圧吐出手段を有する上部背圧式スクロール圧縮機を示す断面図であり、図2は図1の固定スクロール及び背圧室組立体が結合された状態を示す一部切欠斜視図であり、図3は図1の固定スクロール及び背圧室組立体を示す分解斜視図である。
図1に示すように、本発明の一実施形態による背圧吐出手段を有する上部背圧式スクロール圧縮機100は、内部に後述する吸入空間S及び吐出空間Dを有するケーシング110を備える。ケーシング110の内部空間は、ケーシング110の上側に設けられる吐出カバー102により吸入空間Sと吐出空間Dとに区画され、吐出カバー102の上側が吐出空間Dに該当し、吐出カバー102の下側が吸入空間Sに該当する。また、ケーシング110には、吸入空間Sに連通する吸入ポート及び吐出空間Dに連通する吐出ポートが固定され、冷媒をケーシング110の内部に吸入したりケーシング110の外部に吐出したりするようになっている。
吸入空間Sの下部には、固定子112及び回転子114が備えられる。固定子112はケーシング110の内壁面に焼きばめ方式で固定され、回転子114の中央部には回転軸116が挿入され、外部から供給された電力により回転軸116が回転するようになっている。
回転軸116の下端部は、ケーシング110の下部に設けられるサブベアリング117により回転可能に支持される。サブベアリング117は、ケーシング110の内面に固定される下部フレーム118により支持され、回転軸116を安定して支持する。下部フレーム118はケーシング110の内壁面に溶接固定されてもよく、ケーシング110の底面はオイル貯蔵空間として用いられる。前記オイル貯蔵空間に貯蔵されたオイルは、回転軸116などにより上側に移送され、ケーシング110の内部に均一に供給される。
回転軸116の上端部は、メインフレーム120により回転可能に支持される。メインフレーム120は、下部フレーム118と共にケーシング110の内壁面に固定設置され、メインフレーム120の底面には下方に突出するメインベアリング122が形成され、メインベアリング122の内部には回転軸116が挿入される。メインベアリング122の内壁面は、ベアリング面として作用し、前述したオイルと共に回転軸116が円滑に回転できるように支持する。
メインフレーム120の上面には旋回スクロール130が配置される。旋回スクロール130は、略円板状の鏡板部132と、鏡板部132の一面に螺旋状に形成される旋回ラップ134とを含む。旋回ラップ134は、後述する固定スクロール140の固定ラップ144と共に圧縮室を形成する。鏡板部132は、メインフレーム120の上面に支持された状態で旋回駆動されるが、鏡板部132とメインフレーム120との間にはオルダムリング136が設けられていて旋回スクロール130の自転を防止する。また、鏡板部132の底面には回転軸116が挿入されるボス部138が形成され、これにより回転軸116の回転力が旋回スクロール130を旋回駆動する。
旋回スクロール130と噛み合う固定スクロール140は、旋回スクロール130の上方に配置される。ここで、固定スクロール140は、旋回スクロール130に対して上下方向に移動可能に設けられるが、具体的には、メインフレーム120に挿入された3つのガイドピン104が固定スクロール140の外周部に形成された3つのガイド孔141に挿入された状態で、メインフレーム120の上面に載置される。
ガイド孔141は、固定スクロール140の本体部の外周面に突設される3つのピン支持部142にそれぞれ形成される。ここで、ガイドピン104、ピン支持部142及びガイド孔141の数は、必ずしも3つに限定されるものではなく、任意に設定可能である。
一方、固定スクロール140は、円板状に形成され、前記本体部の上面を形成する鏡板部143と、鏡板部143の下部に形成され、旋回スクロール130の旋回ラップ134と噛み合う固定ラップ144とを含む。固定ラップ144は、所定の螺旋状に延び、鏡板部143の略中央部には、圧縮された冷媒が吐出される吐出口145が形成される。また、固定スクロール140の側面には、吸入空間S内に存在する冷媒が吸入される吸入口146が形成され、旋回ラップ134との相互作用により吸入口146から冷媒が吸入されるようになっている。
前述したように、固定ラップ144と旋回ラップ134とは複数の圧縮室を形成し、前記圧縮室は吐出口145側に旋回移動することによってその体積が縮小されて冷媒を圧縮する。従って、吸入口146に隣接する圧縮室の圧力が最小となり、吐出口145に連通する圧縮室の圧力が最大となり、その間に存在する圧縮室の圧力は吸入口146の吸入圧と吐出口145の吐出圧の間の値を有する中間圧となる。前記中間圧は後述する背圧室BPに加わって固定スクロール140を旋回スクロール130側に押す役割を果たすので、前記中間圧を有する領域のいずれかに連通し、冷媒が吐出される中間圧吐出口147が鏡板部143に形成される(図3参照)。
中間圧吐出口147の周囲には、吐出された中間圧を有する冷媒の漏れを防止するための中間圧Oリングを設けるための中間圧シール凹部147aが形成される。中間圧シール凹部147aは、中間圧吐出口147を囲むように略円形状に形成されるが、その形状が必ずしも円形に限定されるものではない。また、中間圧シール凹部147aは、必ずしも固定スクロール140の鏡板部143に形成する必要はなく、後述する背圧プレート150の底面に形成する例も考えられる。
また、固定スクロール140の鏡板部143には、背圧プレート150との締結手段としてのボルト106を締結するためのボルト締結孔148が形成される。本実施形態においては、ボルト締結孔148が4つ形成されているが、必ずしもこれに限定されるものではない。さらに、固定スクロール140の鏡板部143には、後述するチェックバルブ124の作動空間を提供するバルブ空間部149が形成される。バルブ空間部149は、リードバルブタイプのチェックバルブ124のバルブ支持部124aが上下方向に移動する空間を提供するように、鏡板部143の表面に凹状に形成される。
図4に示すように、バルブ空間部149は、チェックバルブ124の長手方向に配置され、2つのボルト締結孔148の間を延びるように形成される。
さらに、固定スクロール140の鏡板部143には、バルブ空間部149に連結され、鏡板部143の吐出口145に向かって半径方向に延びる流路形成部149aが形成される。また、バルブ空間部149の上面には、チェックバルブ124が配置される。チェックバルブ124は、図3及び図4に示すように、薄い板材からなるリードバルブタイプのものであって、一側には、ボルト締結孔148の周囲に配置されてボルト106により固定スクロール140の鏡板部143に締結されるバルブ支持部124aが形成され、他側には、後述する背圧吐出口152aを開閉するバルブ本体124cが形成され、バルブ支持部124aとバルブ本体124cとは連結部124bにより連結されている。
ここで、バルブ空間部149は、連結部124bの下方に配置され、バルブ本体124c及び連結部124bが流路形成部149aの底面に接する方向に移動できるように空間を提供する役割を果たす。
さらに、固定スクロール140の鏡板部143の上部には、背圧室組立体が固定設置される。前記背圧室組立体は、背圧プレート150及びフローティングプレート160を含む。背圧プレート150は、略環状に形成され、固定スクロール140の鏡板部143に接する支持プレート152を含む。支持プレート152は、中空環状の板材からなり、前述した中間圧吐出口147に連通する中間圧吸入口153が支持プレート152を貫通するように形成される(図7参照)。また、支持プレート152には、固定スクロール140の鏡板部143に形成されるボルト締結孔148に連通するボルト締結孔154が形成される。
さらに、支持プレート152には、中間圧吸入口153に加え、背圧吐出口152aが形成される。背圧吐出口152aは、支持プレート152の中央を基準として中間圧吸入口153の反対側に位置する。背圧吐出口152aは、支持プレート152を貫通するように形成され、背圧プレート150とフローティングプレート160とにより形成される背圧室BP内の冷媒を前記背圧室組立体の外部に吐出させる。
図5に示すように、流路形成部149aは、一端部が背圧吐出口152aの半径方向外側に位置し、他端部が吐出口145の上方に形成された空間に連通するように配置される。吐出口145の上方空間は、吐出された作動流体が吐出空間Dに移動する吐出流路の一部を形成する。
背圧室BP内の冷媒は、背圧吐出口152aを介してバルブ本体124cに圧力を加え、背圧室BP内の冷媒の圧力が吐出口145側の冷媒の圧力よりも高い場合は、バルブ本体124cを下方に押圧して流路形成部149aの内部に吐出される。このように吐出された冷媒は、流路形成部149aを移動し、その後吐出口145の上方に形成された空間に移動する。
ここで、バルブ本体124cの移動量は、流路形成部149aの上面により制限される。つまり、流路形成部149aは、バルブ本体124cの移動量を制限し、バルブ本体124cの動作をガイドするリテーナとして機能する。もちろん、図6に示すように、流路形成部149aの内部にリテーナ149bを別途設ける例も考えられる。
また、バルブ空間部149及び流路形成部149aは、固定スクロール140の上面に形成されているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、支持プレート152の底面に形成される例も考えられる。
また、支持プレート152の底面と固定スクロール140の上面との間には、Oリング(図示せず)が介在する。前記Oリングは、支持プレート152と固定スクロール140間の漏洩を防止するためのものであって、固定スクロール140の上面に形成された環状溝155内に挿入された状態で固定される。また、前記Oリングは、ボルト106により固定スクロール140と背圧プレート150とが締結される過程で強く押圧され、対向面間をシールする。ここで、環状溝155は、固定スクロール140の上面に形成されるのではなく、支持プレート152の底面に形成されるようにしてもよい。
背圧プレート150は、支持プレート152の内周面及び外周面を囲むように形成される第1環状壁158及び第2環状壁159をさらに含む。第1環状壁158及び第2環状壁159は、支持プレート152と共に所定の空間部を形成するが、前記空間部が前述した背圧室BPである。第1環状壁158は、支持プレート152の中央部から上方に延設され、上端部を覆う上部面158aを有するように、一側が開放された略円筒状に形成される。
第1環状壁158の内部空間は、吐出口145に連通し、吐出された冷媒が吐出空間Dに移動する吐出流路の一部を形成する。図2及び図8に示すように、吐出口145の上部には、円柱状の吐出チェックバルブ108が配置される。具体的には、吐出チェックバルブ108は、吐出口145を完全に覆う程度の下端部を有し、吐出チェックバルブ108が固定スクロール140の鏡板部143に接した場合、吐出チェックバルブ108が吐出口145を閉鎖するように構成される。
吐出チェックバルブ108は、第1環状壁158の内壁面に形成されるバルブガイド部158b内に設けられ、バルブガイド部158bは、吐出チェックバルブ108の上下移動をガイドする。バルブガイド部158bは、第1環状壁158の内部空間を上下方向に貫通するように形成され、その内径が吐出チェックバルブ108の外径と同一になっており、吐出チェックバルブ108が吐出口145の上方で上下移動することをガイドする。ここで、バルブガイド部158bの内径と吐出チェックバルブ108の外径とを同一にするということは、両者が完全に一致することを意味するのではなく、吐出チェックバルブ108が移動できる程度の遊びがあることを意味する。
また、第1環状壁158の上面略中央部には、バルブガイド部158bに連通する吐出圧加圧孔158cが形成される。吐出圧加圧孔158cは、常に吐出空間Dに連通している。従って、冷媒が吐出空間Dから吐出口145側に逆流する場合は、吐出圧加圧孔158cに加わる圧力が吐出口145の圧力よりも高くなるので、吐出チェックバルブ108が下方に移動して吐出口145を閉鎖し、吐出口145の圧力が高くなって吐出空間Dの圧力よりも高くなった場合は、吐出チェックバルブ108が上方に移動して吐出を許容する。
バルブガイド部158bの外側には、中間吐出口158dが形成される。中間吐出口158dは、吐出口145から吐出された冷媒が吐出空間Dに移動する流路を提供するものであって、本実施形態においては、4つの中間吐出口158dが円周方向に配置されている。もちろん、中間吐出口158dの数も任意に設定可能である。中間吐出口158dは、第1環状壁158を貫通するように上下方向に延設される。ただし、4つの中間吐出口158dとバルブガイド部158bとは、下端部で互いに連通している。すなわち、第1環状壁158と支持プレート152との連結部の内側に段差部158eが形成されており、吐出された冷媒が段差部158eにより規定される空間に到達し、その後中間吐出口158dに移動するようになっている。また、段差部158eは、前述した流路形成部149aと吐出流路とを連通する役割も果たし、これにより、吐出された背圧室BPの冷媒が吐出流路に移動し、その後吐出空間Dに吐出されるようにすることができる。
場合によっては、段差部158eを形成するのではなく、バルブガイド部158bと中間吐出口158dとを連通する連通孔を形成することも考えられる。いずれの場合であっても、吐出チェックバルブ108が閉じた状態では、吐出口145を通過した冷媒が中間吐出口158dに吐出されない。また、段差部158eを背圧プレート150に形成するのではなく、固定スクロール140の鏡板部143に形成する例も考えられる。
一方、第2環状壁159は、第1環状壁158から所定距離離隔して配置され、その内周面には第1シール挿入溝159aが形成される。第1シール挿入溝159aは、後述するフローティングプレート160との接触面間の漏洩を防止するためのOリング159bを固定する役割を果たす。ここで、第1シール挿入溝159aは、フローティングプレート160の外周面に形成してもよい。この場合、フローティングプレート160は動作過程で上下方向に移動し続けるので、背圧プレート150に第1シール挿入溝159aを形成する場合に比べて安定性が低いという問題があり得る。
第1環状壁158、支持プレート152及び第2環状壁159により断面略U字状の空間部が形成され、前記空間部を覆うようにフローティングプレート160が設置される。フローティングプレート160は、環状板材からなり、内周面は第1環状壁158の外周面に対向し、外周面は第2環状壁159の内周面に対向する。これにより背圧室BPが規定され、前記各対向面間にはOリング159b、162aが介在しており、背圧室BP内の冷媒が外部に漏れることを防止する。
フローティングプレート160の内周面には、Oリング162aが固定される第2シール挿入溝162が形成される。第1シール挿入溝159aは第2環状壁159に形成されるのに対し、第2シール挿入溝162はフローティングプレート160の内周面に形成されるが、これは、第1環状壁158の内部に形成されるバルブガイド部158b及び中間吐出口158dにより第1環状壁158には溝を加工する余裕がなく、第1環状壁158は第2環状壁159に比べて直径が小さいので加工が容易でないからである。よって、第1環状壁158の直径が十分に大きく、溝を加工する余裕がある場合は、第1環状壁158に第2シール挿入溝162を形成する例も考えられる。
フローティングプレート160の内側空間部周辺の上端部には、シール端部164が備えられる。シール端部164は、フローティングプレート160の表面から上方に突設され、その内径は4つの中間吐出口158dを遮蔽しない程度の値を有する。シール端部164は、前述した吐出カバー102の下面に接し、吐出された冷媒が吸入空間Sに漏れることなく吐出空間Dに吐出されるように密閉する役割を果たす。
以下、本発明の一実施形態による背圧吐出手段を有する上部背圧式スクロール圧縮機の動作を説明する。
固定子112に電力が供給されると、回転軸116が回転する。すると、回転軸116の上端部に固定された旋回スクロール130が固定スクロール140に対して旋回運動し、それにより固定ラップ144と旋回ラップ134との間に形成される複数の圧縮室が吐出口145側に移動すると共に冷媒が圧縮される。
吐出口145に至る前に圧縮室が中間圧吐出口147に連通すると、冷媒の一部が支持プレート152に形成された中間圧吸入口153に流入し、それにより背圧プレート150とフローティングプレート160とにより形成される背圧室BPに中間圧が加わる。それにより、背圧プレート150には下方への圧力が加わり、フローティングプレート160には上方への圧力が加わる。
ここで、背圧プレート150がボルト106により固定スクロール140と結合されているので、背圧室BPの中間圧は固定スクロール140にも影響を及ぼす。ただし、固定スクロール140は旋回スクロール130の鏡板部132に接して下方に移動できない状態にあるので、フローティングプレート160が上方に移動する。フローティングプレート160の移動はシール端部164が吐出カバー102の下端部に接することにより停止し、その後は背圧室BPの圧力が固定スクロール140を旋回スクロール130側に押し、それにより旋回スクロール130と固定スクロール140間の漏洩が防止される。
吐出口145の圧力が吐出空間Dの圧力よりも高くなると、吐出チェックバルブ108が上方に移動し、冷媒は、段差部158eにより規定される空間部に吐出され、その後中間吐出口158dに流入し、最終的に吐出空間Dに吐出される。圧縮機の動作が停止するか又は一時的に吐出空間Dの圧力が高くなると、吐出チェックバルブ108が下方に移動して吐出口145を閉塞し、それにより、冷媒が逆流して固定スクロール140を逆転させることが防止される。
一方、除霜運転を行うか又は冷暖房運転の切替えを行う場合は、一時的に吸入空間Sの圧力が吐出空間Dの圧力よりも高くなる。この状態で圧縮機が動作すると、中間圧吐出口147から背圧室BPに流入する冷媒の圧力は、吸入空間Sの圧力よりも高くなるので、吐出側の圧力に比べて非常に高い圧力を有する。このような過度な圧力が固定スクロール140を旋回スクロール130側に押すと、旋回スクロール130と固定スクロール140との間の摩擦が大きくなり、振動及び騒音の発生や所要動力の増加などの問題を起こす。
ただし、吸入空間Sの圧力が吐出空間Dの圧力よりも高い状態は、除霜運転又は冷暖房運転の切替え直後にのみ維持され、時間が経過してシステムが定常状態に至ると、吸入空間Sの圧力が吐出空間Dの圧力よりも低くなる。定常状態では、背圧室BPの圧力も低くなり、吸入空間Sの圧力と吐出空間Dの圧力の間の値を有する。
よって、除霜運転又は冷暖房運転の切替えを行ってから定常状態に至るまで、すなわち遷移状態の間、背圧室BPの圧力を適正状態に維持する必要がある。
遷移状態では、バルブ本体124cの上面、すなわち背圧吐出口152aの圧力が流路形成部149a内の圧力よりも高くなる。従って、バルブ本体124cが下方に移動し、背圧吐出口152aが開放される。それにより、冷媒が流路形成部149aと吐出流路を経由して吐出空間Dに吐出され、冷媒の吐出により背圧室BPの圧力が低くなり、旋回スクロール130と固定スクロール140との間の摩擦力も減少する。
このとき、背圧室BP内の冷媒は、背圧吐出口152aの面積が背圧室BPの体積に比べて非常に小さいので、従来のリップシールを用いた場合より遅い速度で吐出される。従来のリップシールを用いた場合は、円周面全体にわたって冷媒が吐出空間に吐出されるので、背圧室の圧力が急激に低くなる。よって、遷移状態の間高くなった吸入空間の圧力に抵抗できないので、フローティングプレートは下降して固定スクロールは上昇した状態が持続する。
それに対して、本実施形態においては、高くなった背圧室BPの圧力が徐々に低くなるので、遷移状態の間十分な背圧を固定スクロール140に伝達することができる。つまり、運転条件が急激に変化しても背圧室BPの圧力が徐々に増加又は減少するので、急激な運転条件の変化による影響を緩衝することができる。
また、チェックバルブ124がリードバルブタイプであるので、構成が簡単で設置コストが安価なだけでなく、圧縮機の仕様が変更されても共用化が可能であるという利点がある。
なお、チェックバルブは、前述した実施形態のものに限定されるものではなく、様々な形態に変形可能である。
図9は、図4のチェックバルブの変形例を示す平面図である。図9を参照すると、チェックバルブ124’は、2つの背圧吐出口を含む場合に適用することができる。固定スクロールの鏡板部に2つ以上の背圧吐出口が形成された場合、それぞれの背圧吐出口毎にチェックバルブを設ける例も考えられるが、図9に示すように、略四角形状の枠部124dにそれぞれのチェックバルブ124’が連結された形態を有するようにしてもよい。
この場合、前記固定スクロールの鏡板部に形成された複数のボルト締結孔に対応するように4つのバルブ支持部124aを形成し、そのうち2つのバルブ支持部124aにそれぞれ連結部124bが連結されるように構成してもよい。このような構成によれば、複数のバルブを個別に設ける必要がないので、バルブをより容易に設けることができる。
一方、背圧室組立体と固定スクロールとを一体に形成する例も考えられる。図10を参照すると、固定スクロール140の鏡板部の上面に第1環状壁158と第2環状壁159とが一体に形成され、第1環状壁158と第2環状壁159との間にフローティングプレート160及びOリング159b、162aが介在しており、背圧室BP内の冷媒がフローティングプレート160と第1環状壁158又は第2環状壁159との間から排出されることを防止する。
また、第1環状壁158を貫通して背圧室BPの内部と吐出流路とを連通する背圧吐出流路200が形成される。背圧吐出流路200は、前述した背圧吐出口152a及び流路形成部149aと同じ役割を果たすものであって、背圧室BPの圧力が前記吐出流路の圧力よりも高い場合、前記吐出流路の内部に備えられるチェックバルブ202により、背圧室BP内の冷媒を前記吐出流路に吐出させる。ここで、前記吐出流路の内面には、チェックバルブ202が取り付けられるバルブシート部204が形成される。バルブシート部204は、板状のチェックバルブ202が取り付けられる平面を有するように形成される。
102 吐出カバー
106 ボルト
108 吐出チェックバルブ
110 ケーシング
120 メインフレーム
124,124’ チェックバルブ
124a バルブ支持部
124b 連結部
124c バルブ本体
124d 枠部
130 旋回スクロール
140 固定スクロール
145 吐出口
147 中間圧吐出口
147a 中間圧シール凹部
148 ボルト締結孔
149 バルブ空間部
149a 流路形成部
150 背圧プレート
152 支持プレート
152a 背圧吐出口
153 中間圧吸入口
158 第1環状壁
158a 上部面
158b バルブガイド部
158c 吐出圧加圧孔
158d 中間吐出口
159 第2環状壁
159a 第1シール挿入溝
159b Oリング
160 フローティングプレート
162 第2シール挿入溝
162a Oリング
164 シール端部
200 背圧吐出流路
202 チェックバルブ
204 バルブシート部
BP 背圧室
D 吐出空間
S 吸入空間

Claims (21)

  1. ケーシングと、
    前記ケーシングの内部に固定され、前記ケーシングの内部を吸入空間と吐出空間とに区画する吐出カバーと、
    前記吐出カバーから離隔して配置されるメインフレームと、
    前記メインフレーム上に支持された状態で旋回運動する旋回スクロールと、
    前記旋回スクロールに対して上下方向に移動可能に設けられ、前記旋回スクロールと共に吸入室、中間圧室及び吐出室を形成し、作動流体が吐出される吐出口を備える固定スクロールと、
    前記中間圧室の作動流体の一部を流入させて前記固定スクロールを前記旋回スクロール側に加圧する背圧室、前記背圧室に連通する背圧吐出口、及び前記吐出室と前記吐出空間とを連通する吐出流路を備え、前記固定スクロールに締結される背圧室組立体とを含み、
    前記背圧室組立体と前記固定スクロールとの間には、前記背圧吐出口と前記吐出流路とを連通する背圧吐出流路が形成され、
    前記背圧吐出口には、作動流体が前記背圧室の内部に流入することを防止するチェックバルブが備えられることを特徴とするスクロール圧縮機。
  2. 前記背圧吐出口は、複数備えられ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. 前記背圧吐出流路は、前記固定スクロールの上面に凹状に形成される凹部及び前記背圧室組立体の下面により規定され、
    前記チェックバルブは、前記凹部内を移動して前記背圧吐出口を開閉す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。
  4. 前記背圧吐出流路は、前記背圧室組立体の下面に凹状に形成される凹部及び前記固定スクロールの上面により規定され、
    前記チェックバルブは、前記凹部内を移動して前記背圧吐出口を開閉す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。
  5. 前記チェックバルブの移動量は、前記凹部の内面により制限されることを特徴とする請求項3又は4に記載のスクロール圧縮機。
  6. 前記チェックバルブの移動量は、前記凹部の内部に備えられるリテーナにより制限されることを特徴とする請求項3又は4に記載のスクロール圧縮機。
  7. 前記チェックバルブは、板状のバルブであることを特徴とする請求項3又は4に記載のスクロール圧縮機。
  8. 前記凹部は、
    前記チェックバルブの移動空間を提供するバルブ空間部と、
    前記背圧室から吐出された作動流体を前記吐出流路に移送させるように前記吐出流路の下部まで延びる流路形成部と
    を含むことを特徴とする請求項3又は4に記載のスクロール圧縮機。
  9. 前記チェックバルブは、
    前記背圧吐出口を覆うバルブ本体と、
    前記バルブ本体を前記固定スクロールと前記背圧室組立体との間で固定するバルブ支持部と
    を含むことを特徴とする請求項1に記載のスクロール圧縮機。
  10. 前記バルブ支持部は、前記吐出口を囲むように形成され、
    前記バルブ本体は、前記バルブ支持部から半径方向内側に延設されることを特徴とする請求項9に記載のスクロール圧縮機。
  11. 前記背圧室組立体は、
    前記吐出カバーの下部で前記固定スクロールに固定され、上部が開放されて前記中間圧室に連通する空間部を備える背圧プレートと、
    前記空間部を密閉するように前記背圧プレートに移動可能に結合されて前記背圧室を形成するフローティングプレートと
    を含むことを特徴とする請求項1に記載のスクロール圧縮機。
  12. 前記背圧プレートは、
    前記固定スクロールの上面に接するリング状の支持プレートと、
    前記支持プレートの内側空間部を囲むように形成される第1環状壁と、
    前記第1環状壁の外周部に位置する第2環状壁と
    を含むことを特徴とする請求項11に記載のスクロール圧縮機。
  13. 前記フローティングプレートがリング状に形成され、
    前記第1環状壁の外周面が前記フローティングプレートの内周面に接し、かつ前記第2環状壁の内周面が前記フローティングプレートの外周面に接するように、前記フローティングプレートと前記背圧プレートとが結合されることを特徴とする請求項12に記載のスクロール圧縮機。
  14. 前記フローティングプレートと前記第1環状壁との接触面及び前記フローティングプレートと前記第2環状壁との接触面には、シール手段が介在することを特徴とする請求項13に記載のスクロール圧縮機。
  15. 前記支持プレートには複数のボルト締結孔が形成され、前記ボルト締結孔に挿入されるボルトにより前記背圧プレートと前記固定スクロールとが締結されることを特徴とする請求項12に記載のスクロール圧縮機。
  16. 前記第2環状壁は、前記支持プレートの外周面に配置されることを特徴とする請求項15に記載のスクロール圧縮機。
  17. 前記背圧プレートと前記固定スクロールとの接触面には、シール手段が設けられることを特徴とする請求項12に記載のスクロール圧縮機。
  18. 前記固定スクロールは、前記中間圧室に連通する中間圧吐出口を含み、
    前記背圧室組立体は、前記中間圧吐出口に連通する中間圧吸入口を含むことを特徴とする請求項1に記載のスクロール圧縮機。
  19. 前記中間圧吐出口と前記中間圧吸入口との間の作動流体の漏れを防止するためのシール手段をさらに含むことを特徴とする請求項18に記載のスクロール圧縮機。
  20. 吸入空間と吐出空間とに区画されるケーシングと、
    旋回スクロールと共に吸入室、中間圧室及び吐出室を形成する固定スクロールと、
    前記中間圧室内の作動流体を流入させて前記固定スクロールを前記旋回スクロール側に加圧する背圧室を備え、前記固定スクロールに締結される背圧室形成部材と、
    前記背圧室の圧力が前記吐出空間の圧力よりも高い場合、前記背圧室と前記吐出空間との間に形成される背圧吐出流路により前記背圧室内の作動流体を前記吐出空間に吐出させるチェックバルブとを含み、
    前記背圧吐出流路は、前記固定スクロールと前記背圧室形成部材との間に形成されることを特徴とするスクロール圧縮機。
  21. 前記背圧室形成部材は、前記背圧室の圧力に応じて前記背圧室の体積を変化させるフローティング部材と、
    前記フローティング部材と共に前記背圧室を形成する空間部を含む背圧プレートとを含み、
    前記フローティング部材と前記背圧プレートとの対向面には、作動流体が漏れないように密封するシール手段が介在することを特徴とする請求項20に記載のスクロール圧縮機。
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