JP6374728B2 - 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。

スクロール圧縮機では、ラップの形状によって圧縮開始時と吐出開始時の容積がそれぞれ決まるため、圧縮開始時の冷媒の状態によって圧力比も決定される。ところが、実際の運転では、圧縮機に要求される運転圧力比は変動するため、ラップ形状で決まる圧力比よりも運転圧力比の方が低く、要求された圧力以上まで圧縮する過圧縮条件が存在する。これに対して、特許文献１では、圧縮室の圧力が吐出圧室を超えると冷媒を圧縮室から吐出することで過圧縮を抑制するリリース弁を設けた構造が示されている。

リリース弁を冷媒が通過する際に生じる圧力損失は、圧縮室の圧力上昇による動力損失を招くため、低減することが望ましい。圧力損失を低減する方法として、リリースポートの径を拡大させることができるが、リリースポート径の拡大はデッドボリュームの増加による再膨張損失を招く問題がある。

これに対して、特許文献２では、デッドボリュームの増加を抑制しつつ、圧力損失を低減する方法として、「固定スクロールに立設した渦巻状の固定スクロールラップと旋回スクロールに立設した渦巻状の旋回スクロールラップとで形成される圧縮室で冷媒ガスが過圧縮されるのを防止するリリース弁装置を備えたスクロール圧縮機において、前記リリース弁装置は、前記渦巻状の固定スクロールラップ間に形成されたリリース穴とこのリリース穴に接続しリリース穴より大径の弁室とこの弁室に接続し弁室よりも大径のガイド部とで形成され、前記固定スクロールが有する台板の厚さ方向に貫通して設けられた貫通孔と、この貫通孔に嵌合し突起部を有するストッパと、このストッパの突起部に係合する弾性体と、前記弾性体と前記リリース穴間に配置されたバルブシートを有し、前記弁室と前記ガイド部の境界近傍から前記固定スクロールの中心部に設けた吐出穴までを連通する連通路を形成したことを特徴とするスクロール圧縮」を示している。

特開２００２−２２１１７１号公報 特開２０１３−１０４３０５号公報

圧力損失の発生要因としては、弁体(バルブシート)に冷媒流れが衝突して曲げられ、さらに弁体側面において流路断面積が縮小することによる影響が無視できない。しかしながら、特許文献２では、弁室とガイド部の境界近傍に連通路を設けるため、弁体側面を通過した後の圧力損失については低減できるものの、弁体側面で発生する圧力損失低減については考慮されておらず、さらなる損失低減の余地が残されていた。

本発明の目的は、弁体側面を冷媒が通過する際に生じていた圧力損失を低減することで、過圧縮運転時のスクロール圧縮機の効率を向上することにある。

本発明のスクロール圧縮機は、旋回スクロール及び固定スクロールを噛み合わせて圧縮室を形成し、圧縮室に吸い込まれた冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部を収納すると共に、圧縮室で圧縮された冷媒が吐出される吐出圧室を有する密閉容器と、圧縮室と吐出圧室とを連通させるように固定スクロールに形成されたリリース流路と、リリース流路内に配置され、圧縮室の圧力が設定圧力より上昇した際に、圧縮室と吐出圧室とを連通させるリリース弁装置と、を備え、リリース流路は、圧縮室に開口するリリースポートと、リリースポートと連続する弁室と、弁室に連続するとともに吐出圧室に開口するガイド部と、を有し、リリース弁装置は、弁室に配置されてリリースポートを閉塞可能な弁体と、弁体をリリースポート側に付勢する弾性体と、ガイド部内に配置されて弾性体を保持するストッパと、を有し、弁室と吐出圧室とを連通する拡大孔が固定スクロールの背面側から旋回スクロール側に向かって形成され、拡大孔の旋回スクロール側の端部はリリース弁装置が全開であるときの弁体の位置よりも旋回スクロール側に位置し、ひとつのリリース弁装置に対して複数の拡大孔を形成されており、固定スクロールの背面側にストッパの移動を制限するリテーナを備え、リテーナには、複数の拡大孔の一つとのみ連通し且つ他の拡大孔とは連通しないリテーナ孔が、それぞれの拡大孔に対して形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、過圧縮運転時のスクロール圧縮機の効率を向上することができる。

実施例１におけるスクロール圧縮機の縦断面図 実施例１におけるリリース弁の分解図 実施例１におけるリリース弁の上面図 実施例１におけるリリース弁の縦断面図(弁が閉じている場合) 実施例１におけるリリース弁の縦断面図(弁が開いている場合) 実施例１における拡大孔の深さと圧力損失の関係を示すグラフ 実施例２におけるリリース弁の上面図 実施例３におけるリリース弁の上面図 実施例４におけるストッパの外観図 実施例４におけるリリース弁の上面図 実施例４におけるリリース弁の縦断面図 実施例５におけるストッパの外観図 実施例５におけるリリース弁の上面図 実施例５におけるリリース弁の縦断面図 実施例６におけるリリース弁の上面図 実施例６におけるリリース弁の拡大上面図 実施例６におけるリリース弁の縦断面図 実施例７におけるリリース弁の縦断面図 実施例８におけるリリース弁の縦断面図

以下、実施例について、図面を用いて説明する。

本発明の実施例１について図１から図６までを用いて説明する。図１は本発明の第１の実施例を示すスクロール圧縮機の縦断面図である。本発明のスクロール圧縮機の基本動作について図１を用いて説明する。スクロール圧縮機１は、渦巻状のラップ６ａを立設した旋回スクロール６及び渦巻状のラップ５ｃを立設した固定スクロール５を有する圧縮機構部３と、圧縮機構部３を駆動する電動機４と、圧縮機構部３及び電動機４を収納する密閉容器２を備える。密閉容器２内の上部には圧縮機構部３が配置され、密閉容器２内の下部には電動機４が配置される。密閉容器２の底部には潤滑油１３が貯留される。

密閉容器２は、円筒状のケース２ａに蓋チャンバ２ｂと底チャンバ２ｃが上下に溶接されて構成される。蓋チャンバ２ｂには吸込パイプ２ｄが設けられ、ケース２ａ側面には吐出パイプ２ｅが設けられる。密閉容器２の内部は吐出圧室２ｆとなる。

圧縮機構部３は、台板５ｄの鏡板面５ｆ側に渦巻状のラップ５ｃを有する固定スクロール５と、同じく台板６ｂ上に渦巻状のラップ６aを有する旋回スクロール６と、固定スクロール５にボルト８で一体化されて旋回スクロール６を支持するフレーム９とを備えて構成される。

フレーム９には、クランク軸７を回転自在に支持する主軸受９aを備える。旋回スクロール６の下面側に、クランク軸７の偏心部７ｂが連結される。

旋回スクロール６の下面側とフレーム９の間には、オルダムリング１２が配置される。オルダムリング１２は旋回スクロール６の下面側に形成された溝とフレーム９に形成された溝９ｃに装着される。オルダムリング１２は、旋回スクロール６を自転することなく、クランク軸７の偏心部７ｂの偏心回転を受けて旋回スクロール６を公転運動させる。

電動機４は、固定子４a及び回転子４ｂを備える。固定子４aは密閉容器２に圧入や溶接等により締結される。回転子４ｂは固定子４a内に回転可能に配置される。回転子４ｂにはクランク軸７が固定される。

クランク軸７は、主軸７aと偏心部７ｂとを備えて構成され、フレーム９に設けた主軸受９aと下軸受１７とで支持される。偏心部７ｂはクランク軸７の主軸７aに対して偏心して一体に形成され、旋回スクロール６の背面に設けた旋回軸受６ｃに嵌合される。クランク軸７は電動機４によって駆動され、偏心部７ｂは主軸７aに対して偏心回転運動し、旋回スクロール６を旋回運動させる。また、クランク軸７には、主軸受９a、下軸受１７及び旋回軸受６ｃへ潤滑油１３を導く給油通路７ｃが設けられる。

電動機４で駆動されるクランク軸７を介して旋回スクロール６が旋回運動すると、冷媒ガスは、吸込パイプ２ｄから固定スクロール５に吸込パイプ２ｄと同軸に設けられた吸込ポート５ａを経て、旋回スクロール６及び固定スクロール５により形成される圧縮室１１に導かれる。ここで冷媒ガスは、スクロールの中心方向に移動するに従い圧縮室の容積が縮小することで圧縮される。

その後、圧縮室１１内の冷媒ガスは、固定スクロール５の台板５ｄの略中央に設けられた吐出口５ｅから密閉容器２内の吐出圧室２ｆへ吐出され、吐出パイプ２ｅから外部へと流出するただし、圧縮室１１内の冷媒ガスの圧力が吐出口５ｅへと連通する前に吐出圧力に到達するいわゆる過圧縮条件では、以下で詳細を述べるように、過圧縮となった時点でリリース弁１９が開き、冷媒ガスが吐出圧室２ｆへ吐出される。

次に、リリース弁１９の構造について説明する。図２はリリース弁の分解図を、図３は固定スクロール５背面側（反ラップ側）からの上面図を、図４に図３におけるＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。固定スクロール５には、圧縮室と連通する円筒状孔のリリースポート１９ｈと、リリースポート１９ｈよりも径が大きくリリースポート１９ｈと連通する円筒状の弁室１９ｅと、弁室１９ｅよりもさらに径が大きく、弁室１９ｅと吐出圧室とを接続する円筒状のガイド部１９ｆが設けられる。さらに本実施例における特徴的な構造として、固定スクロール５背面側から、ガイド部１９ｆや弁室１９ｅが連通するように円筒状の拡大孔１９ｇが設けられる。

弁室１９ｅの底面には、リリースポート１９ｈを囲うように中央が隆起した弁座が形成される。弁体１９ａは、例えば金属製の薄い円形板であって、片面が弁座に接するように弁室１９ｅに納められる。ストッパ１９ｃは、軸方向片側に突起部を有する円筒形状で構成され、突起部には弾性体であるコイルバネ１９ｂが嵌め込まれて固定される。バネ１９ｂが弁体１９ａと接するようにストッパ１９ｃはガイド部１９ｆに挿入される。さらに、リテーナ１９ｄにより固定スクロール５背面側からストッパ１９ｃの一部が押さえられることにより、ストッパ１９ｃはガイド部１９ｆから離脱しないよう抑制され、リテーナ１９ｄは固定スクロール５にボルト等によって固定される。リテーナ１９ｄには、拡大孔１９ｇを閉塞しないように切り欠き等が形成される。

次に、リリース弁１９の動作について説明する。図４は、リリース弁１９が閉じている状態を示す。リリース弁１９が閉じた状態では、吐出圧室側の圧力は圧縮室よりも高い。従って、弁体１９ａには弁座に押し付けられる向きに力が作用し、リリースポート１９ｈを弁体１９ａが完全に閉塞されるので、冷媒ガスはリリース弁１９を通じて流出しない。

一方、圧縮室の圧力が吐出圧室よりも高くなると、弁体１９ａにはリリースポート１９ｈから離れる向きに力が作用する。弁体１９ａに作用する力がバネ１９ｂの弾性力を上回ると、バネ１９ｂが圧縮されて弁体１９ａが浮上し、圧縮室と吐出圧室とを連通する流路が形成される。

弁体１９ａがリリースポート１９ｈから浮上した状態を図５に示す。図中の黒い矢印は冷媒の流れを示している。圧縮室からリリースポート１９ｈを経て流入した冷媒ガスは、弁体１９ａに衝突した後に弁体側面と弁室１９ｅ内壁又は拡大孔１９ｇ内壁とで形成される流路断面を通過し、さらに拡大孔１９ｇ及びストッパ１９ｃに設けられた貫通穴を通じて吐出圧室に吐出される。

ここで、本実施例との差異を説明するため、従来構造における課題について改めて説明する。従来では拡大孔１９ｇが設けられていないため、冷媒の流れは弁体１９ａ側面と弁室１９ｅ内壁とで形成される流路断面を通過することになり、弁体１９ａ側面の流路が狭くなるため大きな圧力損失が生じる。圧力損失の増大を回避するために、例えば弁室１９ｅの径を弁体１９ａの径に対して大きくすると、弁体１９ａが弁室１９ｅの中で傾きやすくなること等により、弁の開閉動作の安定性が損なわれ、応答性が悪化して、閉じ遅れによる吐出圧室から圧縮室への逆流が生じ、損失を生じる問題がある。一方、本実施例の構造では、拡大孔１９ｇは図３から明らかなように、弁室１９ｅ全体を拡大するのではなく、その一部のみを拡大することで、弁体１９ａの径方向への動きが拘束され、上述のような開閉時の不安定性を防ぐことができる。

本実施例の構造において重要な点は、拡大孔１９ｇの深さと、弁が開いている時の弁体１９ａの位置関係にある。すなわち、拡大孔１９ｇが全開時の弁体位置よりも浅いと、弁体１９ａ側面の流路が狭くなるため、弁体側面における流路断面積を拡大することはできず、拡大孔１９ｇの効果を十分に得ることができない。拡大孔１９ｇの深さと圧力損失の関係の数値流体解析結果を図６に示す。図６の横軸は、図５に示したように弁室１９ｅ底面を原点とする拡大孔１９ｇ底面の高さhで、右に行くほど拡大孔１９ｇが浅いことを示しており、破線は弁全開時の弁体１９ａの高さを示す。また、縦軸は圧力損失について、拡大孔１９ｇ底面高さが全開時の弁体高さの約２倍となったときの値を100%として示したものである。このグラフより、拡大孔１９ｇが弁体１９ａよりも深いときはほぼ圧力損失は一定だが、弁体位置よりも拡大孔１９ｇが浅くなると急激に圧力損失が増大することが分かる。つまり、拡大孔１９ｇを全開時の弁体位置よりも深くすることにより、圧力損失を大きく低減することができ、このような構成により高効率なスクロール圧縮機を実現することができる。

本発明の第２の実施例について、図７を用いて説明する。実施例１では、１つのリリース弁１９につき拡大孔１９ｇが２つ設けられた構造を例にして説明したが、圧力損失低減の目的からは、拡大孔１９ｇは１つでも良いし、３つ以上設けても良い。例えば、図７は、１つのリリース弁１９につき３つの拡大孔１９ｇを設けた場合の上面図を示す。特に、拡大孔１９ｇの数を多くすると、弁が開くときに弁体１９ａに作用する流体力のバランスが改善し、弁体１９ａの傾きが抑えられて、より安定して弁を開閉させることができる。また、拡大孔１９ｇの数を多くすることにより流路断面積を増加できるだけでなく、同じ流路断面積を保ちながら個々の拡大孔１９ｇの大きさを小さくすることもでき、これにより拡大孔１９ｇのエッジ部による弁体１９ａの引っかかりや傾き等をより低減し、さらに弁体１９ａの開閉動作を安定させることで、損失の少ない高効率なスクロール圧縮機を実現できる。尚、冷媒流れの回転対称性を増加させるため、拡大孔１９ｇを複数設ける場合は、吐出口に対して対象となる位置に複数の拡大孔１９ｇをそれぞれ配置することが好ましいい。

本発明の第３の実施例について、図８を用いて説明する。実施例２で説明したように、拡大孔１９ｇの数を増やすことによってより損失を低減することができるが、その一方、過剰に拡大孔１９ｇを設けると、リテーナ１９ｄとストッパ１９ｃの接触面積が低下する。リテーナ１９ｄとストッパ１９ｃの接触面積が低下すると、リテーナ１９ｄの応力集中による変形や摩耗によるストッパ１９ｃの離脱が生じ得るため、製品の信頼性が低下する可能性がある。図７のＢに対応する部分の拡大図として、図８に本実施例の構造を示す。本実施例の構造では、リテーナ１９ｄでストッパ１９ｃ覆うようにし、拡大孔１９ｇに対応する位置に、別の拡大孔１９ｇとは連通しない独立した孔をリテーナ１９ｄに設ける。但し、ストッパ１９ｃの中央貫通孔１９ｊは弁が閉じるときに流れを導入する役割を果たすため、本実施例では、リテーナ１９ｄの中央貫通孔１９ｊに対応する位置に孔を設ける。以上の構造により、拡大孔１９ｇを複数設けたときにもリテーナ１９ｄとストッパ１９ｃの接触面積を十分に確保することができ、ストッパ１９ｃの離脱を抑制して製品の信頼性を向上しつつ、リリース弁１９における圧力損失の少ない高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

本発明の第４の実施例について、図９−図１１を用いて説明する。上記各実施例においては、従来と同様に貫通孔１９ｉを形成したストッパ１９ｃを適用するが、固定スクロール５側に拡大孔１９ｇを設けて流路を形成するので、必ずしもストッパ１９ｃ自体に貫通孔１９ｉを形成する必要がなくなる。従って、本実施例においては、例えば図９−１１に示すように、弁が閉じるときの冷媒導入のための中央貫通孔１９ｊのみが形成されたストッパ１９ｃを適用してもよい。これにより、リテーナ１９ｄの損傷によるストッパ１９ｃの離脱を抑制しつつ、ストッパ１９ｃの形状も簡略となり、加工性が向上する。

本発明の第５の実施例について、図１２−図１４を用いて説明する。実施例４においては、ストッパ１９ｃの貫通孔１９ｉを廃止した構造を示したが、拡大孔１９ｇにおける流路抵抗をより低減する構造として、図１２−図１４に示すように、ストッパ１９ｃの外周に外周溝１９ｋを設けてもよい。このような構造によれば、ストッパ１９ｃの側面通過時の流路断面積をさらに拡大することができるので、実施例４と同様にリテーナ１９ｄからストッパ１９ｃが離脱するのを抑制しつつ、より圧力損失の少ない高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

本発明の第６の実施例について、図１５−図１７を用いて説明する。上記各実施例においては、拡大孔１９ｇを円形形状で形成したが、拡大孔１９ｇは必ずしも円形である必要はない。図１５−図１７に示すようにリリースポート１９ｈから離れる方向に伸びた拡大溝１９ｌ（例えば、楕円形状）としても良い。このような形状に構成することにより、リテーナ１９ｄとストッパ１９ｃの接触面積を従来構造通りに保ちつつ、リテーナ１９ｄにはストッパ１９ｃと離れた位置に拡大溝１９ｌと連通する孔を設けることで、製品の信頼性を維持しつつ高効率なスクロール圧縮機を実現できる。

本発明の第７の実施例について、図１８を用いて説明する。上記各実施例では拡大孔１９の底面を水平な拡大溝１９ｌとしたが、底面は必ずしも水平である必要はない。例えば図１８に示すように、弁室１９ｅから径方向外側に向かうほど、底面が上方（吐出圧室側）に傾斜するように構成しても良い。このように構成することにより、図１７に破線Ｇで示すような拡大溝１９ｌの角部において発生する冷媒流れの渦を抑制することができ、渦による損失を低減することで、より高効率なスクロール圧縮機を実現できる。

本発明の第８の実施例について、図１９を用いて説明する。拡大孔１９ｇをガイド部１９ｆの最上部まで連通させていたが、拡大孔１９ｇは弁室１９ｅと連通すればよく、必ずしもガイド部１９ｆに連通する必要はない。図１９には、本実施例におけるリリース弁１９の鉛直断面図を示す。図１９において、拡大孔１９ｇは吐出圧室と弁室１９ｅとを連通し、リリース弁１９の軸方向に対して斜めに形成される（つまり、拡大孔１９ｇは、リリース弁の中心軸に対して、弁室から径方向外側且つ吐出圧室側に向かって斜めに形成される。）。拡大孔１９ｇは、ガイド部１９ｆとは必ずしも連通しなくてもよい。このような構成により、冷媒流れの曲がり部が減って圧力損失が低下するとともに、拡大孔１９ｇに対応して設けるリテーナ１９ｄの孔をストッパ１９ｃから離すことができるため、ストッパ１９ｃの離脱を抑制することができ、信頼性が高く高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

１ スクロール圧縮機
２ 密閉容器
２ａ ケース
２ｂ 蓋チャンバ
２ｃ 底チャンバ
２ｄ 吸込パイプ
２ｅ 吐出パイプ
２ｆ 吐出圧室
３ 圧縮機構部
４ 電動機
４ａ 固定子
４ｂ 回転子
５ 固定スクロール
５ａ 吸込ポート
５ｂ 拡大ポート
５ｃ ラップ
５ｄ 台板
５ｅ 吐出口
５ｆ 鏡板面
６ 旋回スクロール
６ａ ラップ
６ｂ 台板
６ｃ 旋回軸受
７ クランク軸
７ａ 主軸
７ｂ 偏心部
７ｃ 給油通路
８ ボルト
９ フレーム
９ａ 主軸受
９ｂ 貯油部
９ｃ キー溝
９ｄ 給油溝
９ｅ 外周溝
１０ 背圧弁
１１ 圧縮室
１２ オルダムリング
１２ａ リング
１２ｂ 下側キー
１２ｃ 上側キー
１２ｄ 延長部
１２ｅ 給油溝
１３ 潤滑油
１４ バランスウェイト
１４ａ ウェイト部
１４ｂ 下段部
１４ｃ 上段部
１６ 背圧室
１７ 下軸受
１９ リリース弁
１９ａ 弁体
１９ｂ バネ
１９ｃ ストッパ
１９ｄ リテーナ
１９ｅ 弁室
１９ｆ ガイド部
１９ｇ 拡大孔
１９ｈ リリースポート
１９ｉ 貫通孔
１９ｊ 中央貫通孔
１９ｋ 外周溝
１９ｌ 拡大溝

Claims (7)

1. 旋回スクロール及び固定スクロールを噛み合わせて圧縮室を形成し、前記圧縮室に吸い込まれた冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
   前記圧縮機構部を収納すると共に、前記圧縮室で圧縮された冷媒が吐出される吐出圧室を有する密閉容器と、
   前記圧縮室と前記吐出圧室とを連通させるように前記固定スクロールに形成されたリリース流路と、
   前記リリース流路内に配置され、前記圧縮室の圧力が設定圧力より上昇した際に、前記圧縮室と前記吐出圧室とを連通させるリリース弁装置と、
   を備え、
   前記リリース流路は、
   前記圧縮室に開口するリリースポートと、
   前記リリースポートと連続する弁室と、
   前記弁室に連続するとともに、前記吐出圧室に開口するガイド部と、
   を有し、
   前記リリース弁装置は、
   前記弁室に配置され、前記リリースポートを閉塞可能な弁体と、
   前記弁体をリリースポート側に付勢する弾性体と、
   前記ガイド部内に配置され、前記弾性体を保持するストッパと、
   を有し、
   前記弁室と前記吐出圧室とを連通する拡大孔が、前記固定スクロールの背面側から前記旋回スクロール側に向かって形成され、
   前記拡大孔の前記旋回スクロール側の端部は、前記リリース弁装置が全開であるときの前記弁体の位置よりも前記旋回スクロール側に位置し、
   ひとつの前記リリース弁装置に対して複数の前記拡大孔を形成されており、
   前記固定スクロールの背面側に前記ストッパの移動を制限するリテーナを備え、
   前記リテーナには、複数の前記拡大孔の一つとのみ連通し且つ他の前記拡大孔とは連通しないリテーナ孔が、それぞれの前記拡大孔に対して形成された
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 請求項１において、
   複数の前記拡大孔は前記リリース弁装置に対して回転対称に配置された
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
3. 請求項１又は２において、
   前記ストッパの中央に前記弾性体側から前記吐出圧室側に向けて貫通する中央貫通孔が形成され、前記ストッパには前記中央貫通孔以外には貫通孔が形成されていない
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記ストッパの外周に前記弾性体側から前記吐出圧室側に向かう外周溝が形成された
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
5. 請求項１乃至４の何れか１項において、
   前記拡大孔は、前記リリース弁装置から離れる方向に伸びる非円形の長孔形状に形成された
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
6. 請求項１乃至５の何れか１項において、
   前記拡大孔の底面は径方向外側に向かうほど前記吐出圧室側に傾斜する
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
7. 請求項１乃至６の何れか１項において、
   前記拡大孔は前記弁室から径方向外側且つ前記吐出圧室側に向かって斜めに形成された
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。