JP6386750B2 - 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、台板に渦巻状のラップを立設してなる固定スクロールと鏡板に渦巻状のラップを立設してなる旋回スクロールとを有しており、両スクロールのラップを噛み合わせて対向させて配置し、旋回スクロールを公転運動させて互いのラップ間に形成される複数の圧縮室の容積を順次縮小させることにより、冷媒を圧縮する。

空調機器分野における冷媒として、Ｒ３２とＲ１２５の混合冷媒であるＲ４１０Ａが広く利用されてきた。しかし近年、地球温暖化係数（ＧＷＰ）がＲ４１０Ａの約１／３程度であり、更に大掛りな設計変更を必要とせず効率にも優れるとしてＲ３２冷媒が注目を浴びている。

しかし、Ｒ３２冷媒はＲ４１０Ａと比べて分子量が小さく分子速度が速いため、圧縮機の圧縮部からの冷媒漏れが生じ易い。このため体積効率低下に起因する圧縮機効率の低下が発生してしまう。

スクロール圧縮機では体積効率向上施策として、特許文献１等に開示されているように、固定スクロールに対する旋回スクロールの押付け力を、溝や掘り込みによって調整している。

特開２００６−１５２９３０号公報

特許文献１において、旋回スクロールの転覆モーメント軽減を可能とする角度は、吸込み穴位置と渦巻き中心を結ぶ角度近傍に限定され、旋回スクロールの転覆モーメントを最大とする角度が吸込み穴位置からずれる場合には対応が困難であり、漏れ易い冷媒については更なる対策が望まれる。

本発明は、鏡板面での冷媒漏れに伴う損失を低減することを課題とする。

本発明のスクロール圧縮機は、密閉容器と、固定台板に立設し歯先が固定鏡板面と連続した渦巻状の固定ラップを有する固定スクロール、旋回台板の旋回鏡板面に立設する渦巻状の旋回ラップを有する旋回スクロール、固定スクロールと旋回スクロールとで形成され、密閉容器外部から冷媒が吸い込まれる吸込室、及び、固定スクロールと旋回スクロールとで形成され、吸込室と連通し、冷媒が圧縮される圧縮室、を有する圧縮機構部と、旋回スクロールの背面側に位置する背圧室と、を備え、吸込室と連通し、吸込室を挟んで圧縮室と反対側に延伸するように固定鏡板面又は旋回鏡板面に形成され、吸込室の圧力が導入される吸込圧導入溝と、固定鏡板面又は旋回鏡板面における、固定ラップの中心に対して吸込圧導入溝内のいずれかの位置と点対称となる位置に形成され、背圧室の圧力が導入される背圧導入溝と、前記固定鏡板面又は前記旋回鏡板面の外周付近に設けられ、前記背圧室の圧力が導入される環状溝と、を有し、前記背圧導入溝は、前記環状溝の周壁の一部をなしており、前記環状溝において、前記背圧導入溝が設けられている部分の溝幅は、他の部分の溝幅よりも広く、前記吸込圧導入溝の長さ、及び、前記背圧導入溝の位置は、前記旋回スクロールの公転運動に伴う転覆モーメントを打ち消すように、スクロール圧縮機の運転条件に基づいて、予め調整されていることを特徴とする。

本発明によれば、固定スクロールと旋回スクロールの鏡板面での背圧室から吸込室または圧縮室への漏れ損失を効果的に低減することができる。特に、冷媒漏れが生じやすいＲ３２冷媒に有効である。

図２のＡ−Ａ断面に対応するスクロール圧縮機の圧縮機構部の横断面図である。 本発明の実施形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。 本発明の実施形態における鏡板面での圧力分布を模式的に示した図である。 従来技術における鏡板面での圧力分布を模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係る固定スクロールの鏡板形状例である。

本実施例のスクロール圧縮機は、密閉容器と、固定台板に立設し歯先が固定鏡板面と連続した渦巻状の固定ラップを有する固定スクロール、旋回台板の旋回鏡板面に立設する渦巻状の旋回ラップを有する旋回スクロール、固定スクロールと旋回スクロールとで形成されて密閉容器外部から冷媒が吸い込まれる吸込室、及び、固定スクロールと旋回スクロールとで形成されて吸込室と連通して冷媒が圧縮される圧縮室を有する圧縮機構部と、旋回スクロールの背面側に位置し圧縮室で圧縮された冷媒の圧力と吸込室に吸い込まれる冷媒の圧力との間の圧力を有する背圧室と、を備え、吸込室と連通し吸込室を挟んで圧縮室と反対側に延伸するように固定鏡板面又は旋回鏡板面に形成されて吸込室の圧力が導入される吸込圧導入溝と、固定ラップの中心に対して吸込圧導入溝と点対称となる位置であって固定鏡板面又は旋回鏡板面に形成されて背圧室の圧力が導入される背圧導入溝と、を有する。本実施例のスクロール圧縮機によれば、上記吸込圧導入溝及び背圧導入溝を有するので、転覆モーメントの大きい位相角度に合わせて転覆モーメントと相対するモーメントを発生させて鏡板面間の隙間を小さくすることができるので、漏れ損失を効果的に低減して、圧縮機効率を向上させることができる。特に、冷媒漏れが生じやすいＲ３２冷媒に有効である。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図２は本実施形態のスクロール圧縮機全体を示す断面図である。図２に示すように、固定スクロール７は、円板状の台板７ａと、台板７ａの上に渦巻き状に立設されたラップ７ｂと、台板７ａの外周側に位置し、ラップ７ｂの先端面と連続する鏡板面を有してラップ７ｂを囲む筒状の支持部７ｄとを有する。

ラップ７ｂが立設された台板７ａの表面は、ラップ７ｂの間にあるため歯底７ｃと呼ばれる。また、支持部７ｄの、旋回スクロール８の鏡板８ａと接する面は、固定スクロール７の鏡板面７ｅである。

固定スクロール７は、支持部７ｄでボルト等によりフレーム１７に固定されており、固定スクロール７と一体となったフレーム１７は、溶接等の固定手段によりケーシング９に固定されている。

一方、旋回スクロール８は、固定スクロール７に対向して配置され、フレーム１７内に公転運動可能に設けられている。旋回スクロール８は、円板状の鏡板８ａと、固定スクロール７のラップ７ｂと同様に、鏡板８ａの表面である歯底８ｃから立設された渦巻き状のラップ８ｂと、鏡板８ａの背面中央に設けられたボス部８ｄとを有する。また、鏡板８ａの外周部の、固定スクロール７と接する表面が、旋回スクロール８の鏡板面８ｅとなっている。

ケーシング９は、固定スクロール７と旋回スクロール８からなるスクロール部、モータ１６、および潤滑油１９を内部に収納して、密閉構造をなす。モータ１６の回転子１６ａを備えたシャフト１０は、フレーム１７に回転自在に設けられ、固定スクロール７の軸線と同軸となっている。

シャフト１０の先端にはクランク１０ａが設けられており、クランク１０ａは旋回スクロール８のボス部８ｄに設けられた旋回軸受８ｆに取り付けられ、旋回スクロール８がシャフト１０に回転可能に取り付けられている。このとき、旋回スクロール８は、軸線が固定スクロール７の軸線に対して所定距離だけ偏心した状態となる。また、旋回スクロール８のラップ８ｂは、固定スクロール７のラップ７ｂに周方向に所定角度だけずらして重ね合わせられている。

そして、旋回スクロール８を固定スクロール７に対して、自転しないように拘束しながら公転運動させるための機構として、オルダムリング１２が取り付けられている。

また、鏡板面７ｅの外周部分に設けられ所定の（略一定の）幅で形成された環状溝７ｆは、鏡板面７ｅから所定の高さだけ異なる面を備え、その下を旋回スクロール８の鏡板面８ｅの端部が旋回スクロール８の公転運動に伴い通過する。環状溝７ｆは背圧空間に面しているので、旋回スクロール８の鏡板面８ｅの端部は、旋回スクロール８の公転運動に伴い環状溝７ｆに重なっても背圧空間に開放された状態になる。

この状態で旋回スクロール８を公転運動させたとき、ラップ７ｂ、８ｂ間に、中央部に移動するに従い連続的に容積が縮小される三日月状の複数の圧縮室１３が形成される。例えば、図１に示すように旋回スクロールラップ８ｂの内線側及び外線側に、それぞれ旋回内線側圧縮室１３ａ及び旋回外線側圧縮室１３ｂが形成される。また、吸込室７ｇは、流体を吸入している途中の空間である。吸込室７ｇは、旋回スクロール８の公転運動の位相が進んで、流体の閉じ込みを完了した時点から圧縮室１３となる。

吸込ポート７ｈは、固定スクロール７に設けられている。吸込ポート７ｈは吸込室７ｇと連通するように台板７ａの外周側に穿設されている。吸込ポート７ｈから流入する流体は、吸込室７ｇに流入し、旋回スクロール８の公転運動の位相が進んで、流体の閉じ込みを完了した時点から圧縮室１３となる。この流体が吸込圧でいる領域が吸込圧領域である。また、吐出ポート７ｊは、最内周側の圧縮室１３と連通するように固定スクロール７の台板７ａの渦巻中心付近に穿設されている。

次にその作動について説明する。まず、モータ１６によってシャフト１０を回転駆動すると、回転はシャフト１０のクランク１０ａから旋回軸受８ｆを介して旋回スクロール８に伝えられる。これにより、旋回スクロール８は固定スクロール７の軸線を中心に、所定の偏心半径をもって公転運動する。この公転運動時に旋回スクロール８が自転しないように、オルダムリング１２によって拘束される。

そして、旋回スクロール８の公転運動によって、各ラップ７ｂ、８ｂの間にできる圧縮室１３は中央に連続的に移動し、その移動に従い圧縮室１３の容積が連続的に縮小する。これによって、吸込ポート７ｈから吸込まれた流体を各圧縮室１３内で順次圧縮し、圧縮された流体は吐出ポート７ｊから吐出される。吐出された流体は、ケーシング９内を通って吐出パイプ６から、例えば冷凍サイクルに供給される。

一方、潤滑油１９はケーシング９の底に貯留され、周囲の圧力は吐出圧力になっている。フレーム１７、シャフト１０、固定スクロール７、旋回スクロール８で形成された背圧室１８内の圧力は吐出圧より低いため、ケーシング９の底に貯留している潤滑油１９はシャフト１０に設けた貫通穴１０ｂを通って背圧室１８に流入する。具体的には、潤滑油の一部はシャフト１０に設けた横穴１０ｃを通って主軸受１７ａを潤滑しながら背圧室１８に達する。

また、他の潤滑油は、貫通穴１０ｂを通ってシャフト１０のクランク１０ａ上部に達し、旋回軸受８ｆを潤滑して背圧室１８に入る。ここで、潤滑油は、主軸受１７ａおよび旋回軸受８ｆを通過する際、軸受隙間が小さいため絞られて吐出圧力より低い圧力で背圧室１８に入ることになる。背圧室１８に入った潤滑油は、背圧が高くなると、圧縮室１３への連通路に設けられた背圧調整弁７ｋを開いて圧縮室１３へ入る。そして、圧縮工程を経て吐出ポート７ｊから吐出された潤滑油は、そのごく一部が吐出パイプ６から冷凍サイクルへ吐出されるが、殆どはケーシング９内で冷媒と分離されて底に貯留する。

次に、両スクロールの鏡板面での流体の漏れについて説明する。スクロール圧縮機では、その圧縮作用により、固定スクロール７と旋回スクロール８を互いに引き離そうとする軸方向の力が発生する。両スクロールが離れてしまうと、圧縮室の密閉性が悪化して圧縮機の効率が低下する。

そこで、旋回スクロール８の鏡板の背面側に、吐出圧力と吸込圧力の間の圧力となる背圧を有する背圧室１８を設け、その背圧により引離し力を打ち消すとともに、旋回スクロール８を固定スクロール７に押し付けるようにしている。このとき、旋回スクロール８の鏡板面８ｅと固定スクロール７の鏡板面７ｅは互いに摺動することになる。

この鏡板での摺動面は、微小な隙間をもって相対しており、背圧室１８と吸込室７ｇまたは圧縮室１３を隔てるシールの役割をしている。この摺動面の隙間の大きさは、鏡板面上の位置および時間により変化する。その理由を以下に述べる。

運転時の旋回スクロール８には、圧縮作用により、軸方向の力だけでなく接線方向および半径方向の力も生じており、また遠心力も生じている。旋回スクロール８のある位相での、これら軸方向と直交する方向の力の合力は図４及び図５中の力Ｆｇで示される。また、力Ｆｇの反力である、旋回スクロール８を公転運動させる力Ｆｃが旋回軸受８ｆに生じている。ここで、力Ｆｇおよび力Ｆｃは互いに逆向きで、しかも両作用点が軸方向に離れているので、旋回スクロール８は矢印Ｍのようなモーメントを受ける。このモーメントＭが、旋回スクロール８を傾けようとする、いわゆる転覆モーメントである。そして、旋回スクロール８の公転運動に伴い、軸方向と直交する面内で力Ｆｇおよび力Ｆｃの向きが変わるため、転覆モーメントにより旋回スクロール８が傾く方向も変化することになる。このため旋回スクロール８は公転運動中に揺動運動をすることになり、両鏡板面は常に平行とはなっておらず、隙間の大きさも常に一定ではない。

旋回スクロール８の揺動運動が大きいと、旋回スクロール８の、固定スクロール７の鏡板面７ｅへの押付け力が局部的に小さくなる。そのため、鏡板面での背圧室１８から吸込室７ｇまたは圧縮室１３への冷媒の漏れが多くなり、旋回スクロール８が離脱しやすくなるとともに、圧縮機の効率が低下する。本発明は、転覆モーメントの大きい位相角度に合わせて、転覆モーメントと相対するモーメントを発生させ、鏡板面間の隙間を小さくし、漏れを低減するものである。

本実施の形態の構成について、更に詳細に説明する。図１に示すように、固定スクロール７の鏡板面７ｅに溝７ｍ、溝７ｎ及び溝７ｐが設けられている。溝７ｍは、環状溝７ｆに開口しており背圧室１８とは殆ど絞りとならずに流体が連通する空間となる。溝７ｎは、吸込室７ｇに開口した溝であり、溝７ｐは、背圧が高くなった際に背圧調整弁７ｋを介して背圧室１８と圧縮室１３とを連通する溝である。

溝７ｍは、吸込圧力を導入した溝７ｎに対して、渦巻中心を基準として略点対称となる位置を通るように設けられている。周方向としては、点対称で溝７ｍを反対側に写すと、溝７ｎの少なくとも一部領域をカバーする長さを周方向に備える。

図示された固定スクロール７は、外側から順に、フレーム１７に固定する為のボルト等の締結具が取り付けられる支持部７ｄ、環状溝７ｆ、鏡板面７ｅ及び鏡板面７ｅの内側側壁をその一部として渦巻中心に対して渦巻き状に巻き回されたラップ７ｂ、が並んでいる。溝７ｍは、見方を変えると環状溝７ｆの一部が鏡板面７ｅに対して広がった形状、または渦巻中心の方向に環状溝の溝幅が広がったものである。また溝７ｍは、固定スクロール７の鏡板面７ｅに設けられた段差である。例えば環状溝７ｆを有してなくても、鏡板面７ｅに設けられた段差である溝７ｍにより背圧が導入される。

次に、本実施形態の特徴構成の作用について説明する。図３及び図４は、旋回スクロール８の鏡板面８ｅに生じる圧力分布を模式的に示したものである。図３は溝７ｍ及び溝７ｎを設けた場合、図４は溝７ｍ及び７ｎを設けない場合の圧力分布である。

溝７ｍ内の圧力が背圧となるため、溝７ｍを設けない場合に比べて、三角形で表される領域２２の分だけ、旋回スクロール８の鏡板面８ｅを上から押す力が増え、下へ押す方向のモーメントが、転覆モーメントを軽減する方向に生じることになる。

更に、旋回スクロール鏡板面８ｅの、渦巻中心を基準として溝７ｍに対応する位置と略点対称となる逆側の領域には溝７ｎが設けられており、溝７ｎを設けない場合に比べて、領域２３の分だけ、旋回スクロール８の鏡板面８ｅを上から押す力が減り、上へ押す方向のモーメントが、転覆モーメントを軽減する方向に生じることになる。

溝７ｍの位置及び溝７ｎの長さを調整することで、領域２２と領域２３により生じるモーメントの角度を調整することができるため、転覆モーメントと相対する方向にモーメントを発生させることで、揺動及び洩れを効果的に低減することができる。揺動により押付け力が最小となる角度は、圧縮機の運転条件によって変化するため、最も転覆モーメントの影響を受け易い運転条件に合わせて、溝７ｍ及び溝７ｎの長さ及び位置を調整するのが良い。

上記実施の形態では、固定スクロール７の鏡板面７ｅに溝７ｍ、溝７ｎ及び溝７ｐを設ける例について説明したが、図５に示すように、溝７ｐを設けず、代わりに吸込圧室と背圧調整弁７ｋを連通するよう溝７ｎを拡大してもよい。この場合、背圧調整弁７ｋを介して潤滑油が冷媒と共に吸込室７ｇへ流入するため、圧縮開始前から摺動部へ潤滑油を供給できる。

６ 吐出パイプ
７ 固定スクロール
７ａ 台板
７ｂ ラップ
７ｃ 歯底
７ｄ 支持部
７ｅ 鏡板
７ｆ 環状溝
７ｇ 吸込室
７ｈ 吸込ポート
７ｊ 吐出ポート
７ｋ 背圧調整弁
７ｍ 溝（背圧導入溝）
７ｎ 溝（吸込圧導入溝）
７ｐ 溝（背圧調整弁７ｋ連通溝）
８ 旋回スクロール
８ａ 鏡板
８ｂ ラップ
８ｃ 歯底
８ｄ ボス部
８ｅ 鏡板面
８ｆ 旋回軸受
９ ケーシング
１０ シャフト
１０ａ クランク
１０ｂ 貫通穴
１０ｃ 横穴
１２ オルダムリング
１３ 圧縮室
１３ａ 旋回内線側圧縮室
１３ｂ 旋回外線側圧縮室
１６ モータ
１６ａ 回転子
１７ フレーム
１７ａ 主軸受
１８ 背圧室
１９ 潤滑油
２２ 領域（溝７ｍによる効果領域）
２３ 領域（溝７ｎによる効果領域）

Claims (2)

1. 密閉容器と、
   固定台板に立設し歯先が固定鏡板面と連続した渦巻状の固定ラップを有する固定スクロール、
   旋回台板の旋回鏡板面に立設する渦巻状の旋回ラップを有する旋回スクロール、
   前記固定スクロールと前記旋回スクロールとで形成され、前記密閉容器外部から冷媒が吸い込まれる吸込室、及び、
   前記固定スクロールと前記旋回スクロールとで形成され、前記吸込室と連通し、冷媒が圧縮される圧縮室、
   を有する圧縮機構部と、
   前記旋回スクロールの背面側に位置する背圧室と、
   を備え、
   前記吸込室と連通し、前記吸込室を挟んで前記圧縮室と反対側に延伸するように前記固定鏡板面又は前記旋回鏡板面に形成され、前記吸込室の圧力が導入される吸込圧導入溝と、
   前記固定鏡板面又は前記旋回鏡板面における、前記固定ラップの中心に対して前記吸込圧導入溝内のいずれかの位置と点対称となる位置に形成され、前記背圧室の圧力が導入される背圧導入溝と、
   前記固定鏡板面又は前記旋回鏡板面の外周付近に設けられ、前記背圧室の圧力が導入される環状溝と、
   を有し、
   前記背圧導入溝は、前記環状溝の周壁の一部をなしており、
   前記環状溝において、前記背圧導入溝が設けられている部分の溝幅は、他の部分の溝幅よりも広く、
   前記吸込圧導入溝の長さ、及び、前記背圧導入溝の位置は、前記旋回スクロールの公転運動に伴う転覆モーメントを打ち消すように、スクロール圧縮機の運転条件に基づいて、予め調整されている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、前記吸込圧導入溝は前記背圧室の圧力を調整する背圧調整弁を介して前記背圧室と連通するスクロール圧縮機。