JP6395846B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents
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Description
特許文献2は非対称渦巻構造を有するスクロール圧縮機において、中間圧力の冷媒を圧縮室へインジェクションするための1つのインジェクションポートを、固定スクロールの台板であって、以下の(1)〜(3)の条件を満たす位置に設けることで、インジェクション流量を増加させ効率を向上させている。
(1)密閉容積の大きい圧縮室と密閉容積の小さい圧縮室の両方に順次開口して二つの圧縮室に順次インジェクションできるような位置。
(2)密閉容積の小さい圧縮室への冷媒のインジェクション量が、密閉容積の大きい圧縮室へのインジェクション量より多くなるような位置。
(3)固定スクロールラップ外線より外側に揺動スクロールラップの厚さだけオフセットした線の外側領域、および固定スクロールラップ内線より内側に旋回スクロールラップの厚さだけオフセットした線の内側領域で、かつインジェクションされた冷媒が吸入側に漏れないような位置。
図1は、本発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。
本実施の形態1では、図1に示すように、低圧側冷媒が密閉容器に作用する密閉型スクロール圧縮機である場合を例に示している。このスクロール圧縮機は、冷媒などの流体を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態として吐出させる機能を有しており、外郭を構成する密閉容器であるシェル8の内部に、圧縮機構部35、駆動機構部36、および、その他の構成部品が収納され、構成されている。シェル8の内部において、上側には圧縮機構部35が、下側には駆動機構部36がそれぞれ配置されており、また、シェル8の底部には油溜り12が形成されている。なお、本実施の形態1では、従来のHFC冷媒より地球温暖化係数(GWP)の低い冷媒が用いられている。
駆動機構部36は、圧縮機構部35を構成している揺動スクロール2を駆動する役割を果たしている。つまり、駆動機構部36がクランクシャフト4を介して揺動スクロール2を駆動することによって、圧縮機構部35で流体を圧縮するようになっている。
固定スクロール1は、第一台板1cと、第一台板1cの一方の面(図1では下面)にインボリュート曲線にならって立設された渦巻状の突起である第一ラップ1bと、で構成されている。
揺動スクロール2は、第二台板2cと、第二台板2cの一方の面(図1では上面)にインボリュート曲線にならって立設された渦巻状の突起である第二ラップ2bと、で構成されている。
そして、第一ラップ1bと第二ラップ2bとの間には、半径方向内側へ向かうに従って容積が縮小する圧縮室9が複数形成されている。なお、第一ラップ1bの内向面側と第二ラップ2bの外向面側との間に形成された圧縮室9のうち最外室を第一圧縮室9aと、第一ラップ1bの外向面側と第二ラップ2bの内向面側との間に形成された圧縮室9のうち最外室を第二圧縮室9bと、それぞれ称する。
本実施の形態1に係るスクロール圧縮機は、図2に示すように圧縮機構部35において、固定スクロール1の第一ラップ1bの巻き角(終端角)が揺動スクロール2の第二ラップ2bの巻き角より大きい非対称渦巻構造を有している。
そして、固定スクロール1の第一ラップ1bの巻き角を揺動スクロール2の第二ラップ2bの巻き角より大きくし、第一圧縮室9aの(吸入完了時の)容積を第二圧縮室9bの(吸入完了時の)容積より大きくすることで、行程容積を大きくとっている。そうすることにより吸入容積を増加させ、圧縮室9が一回転中に取り込む冷媒量を増加させている。
なお、非対称の効果を最大限得るためには、固定スクロール1の第一ラップ1bの巻き角を、揺動スクロール2の第二ラップ2bの巻き角より180°程度大きくするのがよい。
一つは、第一圧縮室9aに冷媒をインジェクションするための第一インジェクションポート16aであり、もう一つは、第二圧縮室9bに冷媒をインジェクションするための第二インジェクションポート16bである。そして、第二インジェクションポート16bの面積は第一インジェクションポート16aの面積より大きくなっている。また、第一インジェクションポート16aおよび第二インジェクションポート16bは、インジェクションされた冷媒が低圧空間に通じない位置にそれぞれ設けられている。
フレーム3は、シェル8の内周面の上側に固着され、中心部にクランクシャフト4を軸支するため貫通孔が形成されている。このフレーム3は、揺動スクロール2を支持するとともに、クランクシャフト4を軸受部3aで回転自在に支持している。なお、フレーム3は、その外周面を焼き嵌めや溶接などによってシェル8の内周面に固定するとよい。
サブフレーム19は、シェル8の内周面の下側に固着され、中心部にクランクシャフト4を軸支するため貫通孔が形成されている。このサブフレーム19は、クランクシャフト4を副軸受19aで回転自在に支持している。
シェル8に設けられた図示省略の電源端子に通電されると、ステータ7とロータ6とにトルクが発生し、クランクシャフト4が回転する。そして、クランクシャフト4の偏心ピン部4aに回転自在に嵌合されている揺動スクロール2は偏心旋回運動行い、それに伴って第一ラップ1bと第二ラップ2bとで形成される圧縮室9の容積を減少させる。この行程により、吸入管5から吸入され圧縮室9に入った冷媒は圧縮され、その温度および圧力が上昇する。
図3は本発明を適用した液インジェクションサイクルの一例を示しており、冷媒として2,3,3,3−テトラフルオロ−1−プロペン(以下「HFO−1234yf」、化学式CF3−CF=CH2)が充填されている。
たとえば、スクロール圧縮機の吸入温度と吐出温度との差が大きければ、すなわちスクロール圧縮機の吸入側と吐出側との高圧低圧の差圧が大きければ、吐出管13から排出される冷媒は高温となる。そこで、凝縮器51の出口から取り出した液冷媒を圧縮室9へインジェクションすることにより、スクロール圧縮機の吐出温度を下げて運転を行う。
第一圧縮室9aおよび第二圧縮室9bは、揺動スクロール2の偏心旋回運動とともに固定スクロール1の中心1d(後述する図5参照)に向かってそれぞれ容積を減少させながら移動し、冷媒を圧縮する。
図4(a)は、固定スクロール1と揺動スクロール2とによって形成される容積の大きい第一圧縮室9aの、冷媒の吸入が完了したところを示している(閉じ込み完了角度0°)。この時、第一インジェクションポート16aは、未だ第一圧縮室9aと連通していない。
図4(b)は、揺動スクロール2の偏心旋回運動が進み、第一インジェクションポート16aが第一圧縮室9aと一部連通し、インジェクションが開始されている。
図4(d)は、揺動スクロール2の偏心旋回運動がさらに進み、容積の小さい第二圧縮室9bの、冷媒の吸入が完了したところを示している。この時、第二インジェクションポート16bは、未だ第二圧縮室9bと連通していない。一方、第一圧縮室9aは、引き続き第一インジェクションポート16aと全て連通しており、インジェクションが行われている。
図4(f)は、揺動スクロール2の偏心旋回運動がさらに進み、第二インジェクションポート16bが第二圧縮室9bと全て連通し、インジェクションが本格的に行われている。一方、第一インジェクションポート16aは第一圧縮室9aから閉じ始めている。
そして、揺動スクロール2の偏心旋回運動がさらに進み、再び図4(a)の状態に戻ると、第一インジェクションポート16aは第一圧縮室9aから完全に閉じる。第二インジェクションポート16bは引き続き第二圧縮室9bと全て連通し、インジェクションを行う。
ここで、異なる二つの圧縮室9(第一圧縮室9aおよび第二圧縮室9b)同士がインジェクションポート16(第一インジェクションポート16aまたは第二インジェクションポート16b)を介して繋がることを防止する必要がある。そのため、図5に示すように固定スクロール1の中心1dに対する、第一インジェクションポート16aの径方向の長さdi1および第二インジェクションポート16bの径方向の長さdi2は、揺動スクロール2の第二ラップ2bの厚さtより小さくなるように構成しなければならない。
そして、これら隙間をシールするため、図6に示すように固定スクロール側チップシール17aを第一ラップ1bの先端に、揺動スクロール側チップシール17bを第二ラップ2bの先端にそれぞれ取り付け、差圧によって浮上させて隙間をシールしている。
ここで、固定スクロール1の中心1dに対する、揺動スクロール側チップシール17bの径方向の厚さTIPは、異なる二つの圧縮室9同士が繋がらないように、第一インジェクションポート16aの径方向の長さdi1、および第二インジェクションポート16bの径方向の長さdi2より大きく構成する必要がある。
一方、本実施の形態1のようにインジェクションポート16を2つとすると、2つの圧縮室9に適切なインジェクション流量を確保することで、吐出温度の上昇を抑えつつスクロール圧縮機の入力増加を防止できる。
図7に示すように、液冷媒を圧縮室9にインジェクションすることにより圧力は上昇する。
ここで、本実施の形態1に係るスクロール圧縮機は非対称渦巻構造を有しており、第一圧縮室9aと第二圧縮室9bとで冷媒の吸入完了時の容積および回転角がそれぞれ異なるため、第一圧縮室9aと第二圧縮室9bとで圧力のアンバランスが発生し、揺動スクロール2の挙動は不安定となる。そして、揺動スクロール2の挙動が不安定となると、自転を防止するためのオルダムリング20や、揺動スクロール2とフレーム3との間のスラスト面に負荷がかかり、信頼性が低下する。
図8は、本発明の実施の形態2に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部35の詳細図である。
以下、本実施の形態2について説明するが、実施の形態1と重複するものについては省略し、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
本実施の形態2では、第一インジェクションポート16aの面積と第二インジェクションポート16bの面積は同じであるが、第二インジェクションポート16bの数(2つ)を、第一インジェクションポート16aの数(1つ)より多くしている。なお、1つあたりのインジェクションポート16の面積は同じである。こうすることによっても、実施の形態1と同様の効果が得られる。
なお、本実施の形態2では、第二インジェクションポート16bの数を2つ、第一インジェクションポート16aの数を1つとしたが、それに限定されず、第二インジェクションポート16bの数が第一インジェクションポート16aの数より多ければ他の数でもよい。
また、固定スクロール1の第一台板1cに、第一インジェクションポート16aおよび第二インジェクションポート16bが設けられており、第二インジェクションポート16bの面積を第一インジェクションポート16aの面積より大きくし、第一インジェクションポート16aのインジェクション流量より、第二インジェクションポート16bのインジェクション流量の方が多くなるように構成している。そうすることにより、第一圧縮室9aと第二圧縮室9bとで圧力のアンバランスが小さくなり、揺動スクロール2の挙動が安定する。
つまり、適切なインジェクション流量を確保することで、余分な仕事をすることなく冷媒を圧縮できるため、スクロール圧縮機の入力を低減する効果が得られ、成績係数(COP)の低下を抑制することができる。さらには、揺動スクロール2に設けられたスラスト軸受の信頼性も向上できる。
Claims (12)
- 外郭を構成する密閉容器であるシェルと、
前記シェルの内部に設けられ、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
前記シェルの内部へ冷媒をインジェクションするインジェクション配管と、を備え、
前記圧縮機構部は、
第一台板と第一ラップとを有し前記第一台板の一方の面にインボリュート曲線にならって第一ラップが立設された固定スクロールと、
第二台板と第二ラップとを有し前記第二台板の一方の面にインボリュート曲線にならって第二ラップが立設された揺動スクロールと、で構成され、
前記第一ラップの巻き角は前記第二ラップの巻き角より大きく、前記第一ラップと前記第二ラップとの間に、半径方向内側へ向かうに従って容積が縮小する圧縮室が複数形成され、
前記圧縮室は、第一圧縮室および該第一圧縮室より容積の小さい第二圧縮室を少なくとも有し、
前記第一台板には、前記インジェクション配管から前記シェルの内部に入った冷媒が、前記第一圧縮室へ導かれる途中で通過する第一インジェクションポート、および前記インジェクション配管から前記シェルの内部に入った冷媒が、前記第二圧縮室へ導かれる途中で通過する第二インジェクションポートが設けられ、
前記第一インジェクションポートと前記第二インジェクションポートとは、前記固定スクロールの同一ラップ間に対向するように配置されており、
前記第一インジェクションポートは、前記第一圧縮室のみへ冷媒をインジェクションするものであり、前記第二インジェクションポートは、前記第二圧縮室のみへ冷媒をインジェクションするものであり、
前記第一インジェクションポートのインジェクション流量より前記第二インジェクションポートのインジェクション流量の方が多いものであり、
圧縮過程において、前記第一圧縮室および前記第二圧縮室に同時にインジェクションを行う過程を有する
スクロール圧縮機。 - 前記第二インジェクションポートの面積は、前記第一インジェクションポートの面積より大きい
請求項1に記載のスクロール圧縮機。 - 前記第二インジェクションポートの数は、前記第一インジェクションポートの数より大きい
請求項1に記載のスクロール圧縮機。 - 前記第一圧縮室は、前記第一ラップの内向面側と前記第二ラップの外向面側との間に形成された前記圧縮室のうち最外室に形成され、前記第二圧縮室は、前記第一ラップの外向面側と前記第二ラップの内向面側との間に形成された前記圧縮室のうち最外室に形成されている
請求項1〜3のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。 - 閉じ込み完了角度を0°としたとき、前記第一インジェクションポートが開口するときの回転角は、前記第二インジェクションポートが開口するときの回転角より大きい
請求項1〜4のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。 - 前記固定スクロールの中心に対する、前記第一インジェクションポートの径方向の長さおよび前記第二インジェクションポートの径方向の長さは、前記揺動スクロールの前記第二ラップの厚さより小さい
請求項1〜5のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。 - 前記第一ラップと前記第二台板との間には、高さ方向に第一隙間が形成されており、前記第二ラップと前記第一台板との間には、高さ方向に第二隙間が形成されており、
前記第一ラップの先端には、前記第一隙間をシールする固定スクロール側チップシールが取り付けられており、前記第二ラップの先端には、前記第二隙間をシールする揺動スクロール側チップシールが取り付けられている
請求項1〜6のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。 - 前記固定スクロールの中心に対する、前記揺動スクロール側チップシールの径方向の厚さは、前記第一インジェクションポートの径方向の長さおよび前記第二インジェクションポートの径方向の長さより大きい
請求項7に記載のスクロール圧縮機。 - 前記冷媒は、mおよびnは1以上5以下の整数で、m+n=6の関係が成立する分子式:C3HmFnで表され、かつ分子構造中に二重結合を1つ有する単一冷媒、または前記単一冷媒を含む混合冷媒である
請求項1〜8のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。 - 前記単一冷媒は、2,3,3,3−テトラフルオロ−1−プロペンである
請求項9に記載のスクロール圧縮機。 - 前記混合冷媒は、ジフルオロメタンを含む
請求項9または10に記載のスクロール圧縮機。 - 前記混合冷媒は、1,1,2−トリフルオロエテンを含む
請求項9〜11のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
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