JP6366833B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば空気調和装置または冷凍装置などに採用される冷凍サイクルの一構成要素として使用されるスクロール圧縮機に関するものである。

スクロール圧縮機では、円のインボリュートを用いて渦巻歯形状を構成するのが一般的である。この場合、渦巻歯形状は、基礎円半径ａ、位相角α、伸開角φ、及び歯高ｈにより決定され、渦巻歯厚ｔについては、
ｔ＝２ａα
で表される。

従来、互いに強度の異なる素材からなる揺動スクロールと固定スクロールとで構成される圧縮機構を備えたスクロール圧縮機において、揺動スクロールと固定スクロールとの基礎円半径及び位相角を互いにおおよそ等しい値とし、揺動スクロールと固定スクロールとの渦巻歯厚を互いにおおよそ等しく設定しているものがある（たとえば、特許文献１参照）。

特開平７−２７０６６号公報

特許文献１は、揺動スクロールと固定スクロールとの基礎円半径及び位相角を互いにおおよそ等しい値とし、揺動スクロールと固定スクロールとの渦巻歯厚を互いにおおよそ等しく設定しているため、相対的に素材強度の高い方のスクロールは必要以上に渦巻歯厚を大きく設定していることになっていた。そのため、必要以上に渦巻歯厚を大きくした分だけ冷媒漏れ隙間が増加し、性能低下を招いていた。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、互いに強度の異なる素材からなる揺動スクロールと固定スクロールとで構成される圧縮機構を備えたスクロール圧縮機において、性能改善を図ることを目的としている。

本発明に係るスクロール圧縮機は、互いに強度の異なる素材からなり、それぞれ渦巻歯を有する固定スクロール及び揺動スクロールが設けられたスクロール圧縮機であって、
前記固定スクロール及び前記揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の低い方の渦巻歯の形状の座標を、伸開角をパラメータとして、
ｘ＝ａ{cosφ＋(φ±α)sinφ}
(ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、αは位相角)
ｙ＝ａ{sinφ−(φ±α)cosφ}
(ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、αは位相角)
ｔｌ＝２ａα
(ここで、ｔｌは渦巻歯厚、ａは基礎円半径、αは位相角)
としたとき、前記固定スクロール及び前記揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯の形状の位相角βをβ＜αと設定し、その渦巻歯の形状の座標を、伸開角をパラメータとして、
ｘ＝ａ{cosφ＋(φ±β)sinφ}
(ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、βは位相角)
ｙ＝ａ{sinφ−(φ±β)cosφ}
(ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、βは位相角)
ｔｈ＝２ａβ
(ここで、ｔｈは渦巻歯厚、ａは基礎円半径、βは位相角)
として表せる形状にしたものであり、
前記固定スクロール及び前記揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯厚ｔｈを相対的に素材強度の低い方の渦巻歯厚ｔｌよりも薄くしたものである。

本発明に係るスクロール圧縮機によれば、互いに強度の異なる素材からなる揺動スクロールと固定スクロールとで構成される圧縮機構を備えた場合において、固定スクロール及び揺動スクロールの渦巻歯を、上記の式で表せる形状とし、固定スクロール及び揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯厚を相対的に素材強度の低い方の渦巻歯厚よりも薄くすることによって、冷媒漏れ隙間の増加及び性能低下を抑制し、性能改善を図ることができる。

本発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機の縦断面概略図である。 本発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機の渦巻歯形状の説明図である。 本発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機の冷媒漏れ隙間の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機１００の縦断面概略図である。
以下、図１に基づいて、スクロール圧縮機１００の構成及び動作について説明する。
本実施の形態に係るスクロール圧縮機１００は、たとえば冷蔵庫、冷凍庫、自動販売機、空気調和装置、冷凍装置、給湯器などの各種産業機械に用いられる冷凍サイクルの構成要素の一つとなるものである。

スクロール圧縮機１００は、冷凍サイクルを循環する冷媒を吸入し、圧縮して高温高圧の状態として吐出させるものである。このスクロール圧縮機１００は、センターシェル７、アッパーシェル２１、ロアシェル２２により構成される密閉容器２３内に、固定スクロール１と、固定スクロール１に対して揺動する揺動スクロール２とを組み合わせた圧縮機構を備えている。また、スクロール圧縮機１００は、密閉容器２３内に電動回転機械などからなる回転駆動手段を備えている。図１に示すように、密閉容器２３内において、圧縮機構が上側に、回転駆動手段が下側に、それぞれ配置されている。

密閉容器２３は、センターシェル７の上部及び下部にアッパーシェル２１及びロアシェル２２が設けられて構成されている。ロアシェル２２は、潤滑油を貯留する油溜めとなっている。また、センターシェル７には、冷媒ガスを吸入するための吸入パイプ１４が接続されている。アッパーシェル２１には、冷媒ガスを吐出するための吐出パイプ１６が接続されている。なお、センターシェル７内部は低圧室１７に、アッパーシェル２１内部は高圧室１８になっている。

固定スクロール１は、固定スクロール台板１ｂと、固定スクロール台板１ｂの一方の面に立設された渦巻状突起である固定スクロール渦巻歯１ａと、で構成されている。また、揺動スクロール２は、揺動スクロール台板２ｂと、揺動スクロール台板２ｂの一方の面に立設された渦巻状突起である揺動スクロール渦巻歯２ａと、で構成されている。なお、揺動スクロール台板２ｂの他方の面（揺動スクロール渦巻歯２ａの形成面とは反対側の面）は、揺動スクロールスラスト軸受面２ｃとして作用する。

なお、固定スクロール渦巻歯１ａ及び揺動スクロール渦巻歯２ａは、本発明の「渦巻歯」に相当する。

固定スクロール１と揺動スクロール２とは、冷媒吸入口を有したフレーム１９に収納されている。
また、揺動スクロール２は、圧縮機運転中に生じるスラスト軸受荷重が揺動スクロールスラスト軸受面２ｃを介してフレーム１９で支持されるようになっている。フレーム１９と揺動スクロールスラスト軸受面２ｃとの間には、摺動性改善を目的としてスラストプレート３が配置されている。

固定スクロール１及び揺動スクロール２は、固定スクロール渦巻歯１ａと揺動スクロール渦巻歯２ａとを互いに組み合わせ、密閉容器２３内に装着されている。固定スクロール渦巻歯１ａと揺動スクロール渦巻歯２ａとの間には、容積が変化する圧縮室２４が形成される。なお、固定スクロール１及び揺動スクロール２には、固定スクロール渦巻歯１ａ及び揺動スクロール渦巻歯２ａの先端面からの冷媒漏れを低減するため、固定スクロール渦巻歯１ａの先端面（下端面）及び揺動スクロール渦巻歯２ａの先端面（上端面）にシール２５、２６が配設されている。

固定スクロール１は、フレーム１９にボルト等によって固定されている。固定スクロール１の固定スクロール台板１ｂの中央部には、圧縮され、高圧となった冷媒ガスを吐出する吐出口１５が形成されている。そして、圧縮され、高圧となった冷媒ガスは、固定スクロール１の上部に設けられている高圧室１８に排出されるようになっている。高圧室１８に排出された冷媒ガスは、吐出パイプ１６を介して冷凍サイクルに吐出されることになる。なお、吐出口１５には、高圧室１８から吐出口１５側への冷媒の逆流を防止する吐出弁２７が設けられている。

揺動スクロール２は、自転運動を阻止し、公転させるオルダムリング６の備えにより、固定スクロール１に対して自転運動することなく公転運動を行う。また、揺動スクロール２の揺動スクロール渦巻歯２ａ形成面とは反対側の面の略中心部には、中空円筒形状のボス部２ｄが形成されている。このボス部２ｄには、主軸８の上端に設けられた偏心軸部８ａが挿入される。

オルダムリング６は、一対のオルダムキー溝５を形成するフレーム１９と一対のオルダムキー溝４を形成する揺動スクロール２との間に配置される。オルダムリング６のリング部６ｂの下面にはフレーム１９のオルダムキー溝５に挿入するオルダムキー６ａｃが、上面には揺動スクロール２のオルダムキー溝４に挿入するオルダムキー６ａｂがそれぞれ形成されている。これらのオルダムキー６ａｃ、６ａｂは、それぞれフレーム１９のオルダムキー溝５ならびに揺動スクロール２のオルダムキー溝４に嵌め合わされ、潤滑材で満たされた各オルダムキー溝内に形成される摺動面上を進退しながら、モータの回転力を公転する揺動スクロール２に伝えている。

回転駆動手段は、主軸８に固定された回転子１１、固定子１０、及び回転軸である主軸８等で構成されている。回転子１１は、主軸８に焼き嵌め固定され、固定子１０への通電が開始することにより回転駆動し、主軸８を回転させるようになっている。すなわち、固定子１０及び回転子１１で電動回転機械を構成している。回転子１１は、センターシェル７に焼き嵌め固定された固定子１０とともに主軸８に固定されている第１バランスウェイト１２の下部に配置されている。なお、固定子１０には、センターシェル７に設けられた電源端子９を介して電力が供給されるようになっている。

主軸８は、回転子１１の回転に伴って回転し、揺動スクロール２を公転させるようになっている。この主軸８の上部は、フレーム１９に設けられた主軸受２０によって支持されている。一方、主軸８の下部は、副軸受２９によって回転自在に支持されている。この副軸受２９は、密閉容器２３の下部に設けられたサブフレーム２８の中央部に形成された軸受収納部に圧入固定されている。また、サブフレーム２８には、容積型のオイルポンプ３０が設けられている。このオイルポンプ３０で吸引された潤滑油は、主軸８の内部に形成された油供給穴３１を介して各摺動部に送られる。

また、主軸８の上部には、揺動スクロール２が偏心軸部８ａに装着されて揺動することにより生じるアンバランスを相殺するため、第１バランスウェイト１２が設けられている。回転子１１の下部には、揺動スクロール２が偏心軸部８ａに装着されて揺動することにより生じるアンバランスを相殺するため、第２バランスウェイト１３が設けられている。第１バランスウェイト１２は主軸８の上部に焼き嵌めによって固定され、第２バランスウェイト１３は回転子１１の下部に回転子１１と一体的に固定される。

次に、スクロール圧縮機１００の動作について説明する。
電源端子９に通電すると、固定子１０の電線部に電流が流れ、磁界が発生する。この磁界は、回転子１１を回転させるように働く。つまり、固定子１０及び回転子１１にトルクが発生し、回転子１１が回転する。回転子１１が回転すると、それに伴い主軸８が回転駆動される。主軸８が回転駆動されると、オルダムリング６の備えにより自転を抑制された揺動スクロール２は、公転運動を行う。

回転子１１が回転するとき、主軸８の上部に固定されている第１バランスウェイト１２と、回転子１１の下部に固定されている第２バランスウェイト１３とで、揺動スクロール２の偏心公転運動に対するバランスを保っている。これにより、主軸８の上部に偏心支持され、オルダムリング６により自転を抑制された揺動スクロール２が公転運動を始め、公知の圧縮原理により冷媒を圧縮する。

これにより、冷媒ガスの一部はフレーム１９のフレーム冷媒吸入口を介して圧縮室２４内へ流れ、吸入過程が開始される。また、冷媒ガスの残りの一部は、固定子１０の鋼板の切り欠き（図示せず）を通って、電動回転機械と潤滑油とを冷却する。圧縮室２４は、揺動スクロール２の公転運動により揺動スクロール２の中心へ移動し、さらに体積が縮小される。この工程により、圧縮室２４に吸入された冷媒ガスは圧縮されていく。圧縮された冷媒は、固定スクロール１の吐出口１５を通り、吐出弁２７を押し開けて高圧室１８に流入する。そして、吐出パイプ１６を介して密閉容器２３から吐出される。

圧縮室２４内の冷媒ガスの圧力により発生するスラスト軸受荷重は、揺動スクロールスラスト軸受面２ｃを支持するフレーム１９で受けている。また、主軸８が回転することで第１バランスウェイト１２と第２バランスウェイト１３とに生じる遠心力及び冷媒ガス荷重は、主軸受２０及び副軸受２９で受けている。なお、低圧室１７内の低圧冷媒ガスと高圧室１８内の高圧冷媒ガスとは、固定スクロール１、フレーム１９により仕切られ、気密が保たれる。固定子１０への通電を止めると、スクロール圧縮機１００が運転を停止する。

本実施の形態では、互いに素材強度の異なる揺動スクロール２と固定スクロール１とにおいて、それらの基礎円半径及び位相角を互いにおおよそ等しい値とし、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯厚を必要以上に大きく設定することによる冷媒漏れ隙間の増加、それに伴う性能低下を抑制する。そのため、互いに素材強度の異なる揺動スクロール２と固定スクロール１との渦巻歯形状の位相角を互いに異なる値とし、互いの素材強度に見合った渦巻歯厚に設定する。

相対的に素材強度の低い方の渦巻歯の形状の座標を、伸開角をパラメータとして、
ｘ＝ａ{cosφ＋(φ±α)sinφ}
ｙ＝ａ{sinφ−(φ±α)cosφ}
(ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、αは位相角)
としたとき、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯の形状の位相角βをβ＜αと設定し、その渦巻歯の形状の座標を、伸開角をパラメータとして、
ｘ＝ａ{cosφ＋(φ±β)sinφ}
ｙ＝ａ{sinφ−(φ±β)cosφ}
(ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、βは位相角)
とする。

ここで、相対的に素材強度の低い方の渦巻歯厚をｔｌ、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯厚をｔｈとしたとき、基礎円半径ａ及び位相角α、βを用いて、
ｔｌ＝２ａα
ｔｈ＝２ａβ
と表され、前述のとおりβ＜αと設定していることから、
ｔｈ＝２ａβ＜２ａα＝ｔｌ
となる。

以上のように、固定スクロール１及び揺動スクロール２の渦巻歯を、上記の式で表せる形状とし、固定スクロール１及び揺動スクロール２のうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯厚を相対的に素材強度の低い方の渦巻歯厚よりも薄くすることによって（ｔｈ＜ｔｌ）、冷媒漏れ隙間の増加及び性能低下を抑制し、性能改善を図ることができる。

図２は、本発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機１００の渦巻歯形状の説明図であり、図３は、本発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機１００の冷媒漏れ隙間の説明図である。
次に、図２及び図３に基づいて、スクロール圧縮機１００の作用効果について説明する。
本実施の形態に係るスクロール圧縮機１００においては、揺動スクロール２の揺動運動により発生する揺動スクロール遠心力を固定スクロール渦巻歯１ａの側面で支持するため、固定スクロール渦巻歯１ａ及び揺動スクロール渦巻歯２ａの根元に応力σが発生する。この応力σは渦巻歯厚ｔの２乗に反比例する。つまり、σ＝ｋ／ｔ^２となる（ここで、ｋは比例定数）。

たとえば、揺動スクロール２の素材をアルミニウム合金であるアルミニウム−ケイ素系合金、固定スクロール１の素材を鋳鉄系素材である球状黒鉛鋳鉄としてそれぞれ構成し、固定スクロール１の素材強度を揺動スクロール２の素材強度の２．２５倍とする。

ここで、相対的に素材強度の低い揺動スクロール２の渦巻歯厚をｔ１、相対的に素材強度の高い固定スクロール１の渦巻歯厚をｔ２とし、相対的に素材強度の低い揺動スクロール２の渦巻歯形状の位相角をα、相対的に素材強度の高い固定スクロール１の渦巻歯形状の位相角をβ＝α／１．５と設定すると、
ｔ１＝２ａα
ｔ２＝２ａβ＝２ａα／１．５
となり、固定スクロール渦巻歯１ａの根本に発生する応力σ２及び揺動スクロール渦巻歯２ａの根元に発生する応力σ１は、
σ１＝ｋ／ｔ１^２＝ｋ／４ａ^２α^２
σ２＝ｋ／ｔ２^２＝ｋ／４ａ^２β^２＝１．５×１．５ｋ／４ａ^２α^２
＝２．２５ｋ／４ａ^２α^２
となる。
つまり、固定スクロール渦巻歯１ａの根元に発生する応力σ２は、揺動スクロール渦巻歯２ａの根元に発生する応力σ１の２．２５倍となる。

以上のように、本実施の形態では、揺動スクロール遠心力を固定スクロール渦巻歯１ａの側面で支持することで揺動スクロール渦巻歯２ａの根元に発生する応力σ１と固定スクロール渦巻歯１ａの根元に発生する応力σ２との比が、揺動スクロール２の素材強度と固定スクロール１の素材強度との比と等しくなるようにした。

こうすることで、揺動スクロール２及び固定スクロール１の渦巻歯厚を互いの素材強度に見合った渦巻歯厚に設定することができる。つまり、揺動スクロール２及び固定スクロール１のうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯の根元に発生する応力に耐えうる強度を確保しつつ、渦巻歯厚を薄肉化することができる。その結果、図３に示す冷媒漏れ隙間４０、４１が減少するため、性能改善が図れる。

なお、本実施の形態では、揺動スクロール渦巻歯２ａの根元に発生する応力σ１と固定スクロール渦巻歯１ａの根元に発生する応力σ２との比が、揺動スクロール２の素材強度と固定スクロール１の素材強度との比と等しくなるようにしたが、上記性能改善の効果が得られれば、応力σ１と応力σ２との比が、揺動スクロール２の素材強度と固定スクロール１の素材強度との比以下であればよい。

なお、本実施の形態では、揺動スクロール２をアルミニウム合金、固定スクロール１を鋳鉄系素材としてそれぞれ構成したが、互いに強度が異なる素材であれば、上記以外の素材を用いても構わない。

また、本実施の形態では、揺動スクロール２と固定スクロール１との基礎円半径を互いに等しく設定したが、上記性能改善の効果が得られれば、等しくなくても構わない。

また、本実施の形態では、渦巻歯の根元に発生する応力σと渦巻歯厚ｔとの関係を、
σ＝ｋ／ｔ^２（ここで、ｋは比例定数）としたが、
応力σと渦巻歯厚ｔとの関係は上記の式でなくても構わない。

なお、充分な性能改善の効果を得るためには、揺動スクロール２及び固定スクロール１のうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯厚ｔｈが、相対的に素材強度の低い方の渦巻歯厚ｔｌの０．８倍以下であることが望ましい。

１ 固定スクロール、１ａ 固定スクロール渦巻歯、１ｂ 固定スクロール台板、２ 揺動スクロール、２ａ 揺動スクロール渦巻歯、２ｂ 揺動スクロール台板、２ｃ 揺動スクロールスラスト軸受面、２ｄ ボス部、３ スラストプレート、４ オルダムキー溝、５ オルダムキー溝、６ オルダムリング、６ａｂ オルダムキー、６ａｃ オルダムキー、６ｂ リング部、７ センターシェル、８ 主軸、８ａ 偏心軸部、９ 電源端子、１０ 固定子、１１ 回転子、１２ 第１バランスウェイト、１３ 第２バランスウェイト、１４ 吸入パイプ、１５ 吐出口、１６ 吐出パイプ、１７ 低圧室、１８ 高圧室、１９ フレーム、２０ 主軸受、２１ アッパーシェル、２２ ロアシェル、２３ 密閉容器、２４ 圧縮室、２５ シール、２６ シール、２７ 吐出弁、２８ サブフレーム、２９ 幅軸受、３０ オイルポンプ、３１ 油供給穴、４０ 冷媒漏れ隙間、４１ 冷媒漏れ隙間、１００ スクロール圧縮機。

Claims (4)

1. 互いに強度の異なる素材からなり、それぞれ渦巻歯を有する固定スクロール及び揺動スクロールが設けられたスクロール圧縮機であって、
   前記固定スクロール及び前記揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の低い方の渦巻歯の形状の座標を、伸開角をパラメータとして、
   ｘ＝ａ{cosφ＋(φ±α)sinφ}
   (ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、αは位相角)
   ｙ＝ａ{sinφ−(φ±α)cosφ}
   (ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、αは位相角)
   ｔｌ＝２ａα
   (ここで、ｔｌは渦巻歯厚、ａは基礎円半径、αは位相角)
   としたとき、前記固定スクロール及び前記揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯の形状の位相角βをβ＜αと設定し、その渦巻歯の形状の座標を、伸開角をパラメータとして、
   ｘ＝ａ{cosφ＋(φ±β)sinφ}
   (ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、βは位相角)
   ｙ＝ａ{sinφ−(φ±β)cosφ}
   (ここで、ａは基礎円半径、φは伸開角、βは位相角)
   ｔｈ＝２ａβ
   (ここで、ｔｈは渦巻歯厚、ａは基礎円半径、βは位相角)
   として表せる形状にしたものであり、
   前記固定スクロール及び前記揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯厚ｔｈを相対的に素材強度の低い方の渦巻歯厚ｔｌよりも薄くした
   スクロール圧縮機。
2. 前記固定スクロール及び前記揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の低い方の渦巻歯の根本に発生する応力をσｌ、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯の根本に発生する応力をσｈとしたとき、
   応力σｌと応力σｈとの比が、相対的に低い方の素材強度と、相対的に高い方の素材強度との比以下となるように、前記固定スクロール及び前記揺動スクロールの渦巻歯厚を調整した
   請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記揺動スクロールの素材がアルミニウム合金、前記固定スクロールの素材が鋳鉄系素材である
   請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記固定スクロール及び前記揺動スクロールのうち、相対的に素材強度の高い方の渦巻歯厚が、相対的に素材強度の低い方の渦巻歯厚の０．８倍以下である
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。

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