JPWO2002063171A1 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

給油経路途中に設けた絞りや流量調整弁にて決定されるボス部外側空間の圧力Ｐｍ１（ＭＰａ）を、Ｐｍ１＝Ｐｓ＋αとし、スクロール圧縮機の運転圧力範囲の中で、高低圧力差の最も小さくなる差圧値をｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）で表した場合における上式α値を、０＜α＜ｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）で示される範囲に設定した。ただし、Ｐｓは圧縮機の吸入圧力（ＭＰａ）、Ｐｄは圧縮機の吐出圧力（ＭＰａ）。

Description

技術分野
この発明は、冷凍空調機器に使用される冷媒圧縮機に関するものである。
背景技術
図７は特開２０００−１６１２５４号公報に示された従来のスクロール圧縮機の構成を示す縦断面図である。
図７において、１は固定スクロールで、外周部はガイドフレーム１５にボルト（図示せず）によって締結されている。台板部１ａの一方の面（図７における下側）には板状渦巻歯１ｂが形成されると共に、外周部にはオルダム案内溝１ｃがほぼ一直線上に２ヶ形成されている。このオルダム案内溝１ｃにはオルダムリング９の爪９ｃが往復摺動自在に係合されている。さらに固定スクロール１の側面からは、吸入管１０ａが密閉容器１０を貫通して圧入されている。
２は揺動スクロールであり、台板部２ａの上面には固定スクロール１の板状渦巻歯１ｂと実質的に同一形状の板状渦巻歯２ｂが設けられており、幾何学的に圧縮室１ｄを形成している。台板２ａの板状渦巻歯２ｂと反対側の面の中心部には中空円筒のボス部２ｆが形成されており、そのボス部２ｆの内側面には揺動軸受け２ｃが形成されている。またボス部２ｆと同じ側の面の外側にはコンプライアントフレーム３のスラスト軸受け３ａと圧接摺動可能なスラスト面２ｄが形成されている。揺動スクロール台板２ａの外周部には、前記固定スクロール１のオルダム案内溝１ｃと９０度の位相差をもつオルダム案内溝２ｅがほぼ一直線上に２ヶ形成されており、このオルダム案内溝２ｅにはオルダムリング９の爪９ａが往復摺動自在に係合されている。また台板部２ａには前記圧縮室１ｄとスラスト面２ｄを貫通する抽出孔２ｊが設けられている。この抽出孔２ｊのスラスト面２ｄ側の開口部２ｋはその円軌跡がコンプライアントフレーム３のスラスト軸受け面３ａの内部に常時おさまるように位置されている。
コンプライアントフレーム３はその外周部に設けられた上下２つの円筒面３ｄ、３ｅを、ガイドフレーム１５の内周部に設けた円筒面１５ａ、１５ｂにより半径方向に支持されており、その中心部にはモータ７により回転駆動される主軸４を半径方向に支持する主軸受け３ｃおよび副主軸受け３ｈが形成されている。またコンプライアントフレーム３の外側とガイドフレーム１５の内側は円筒面１５ｃ、１５ｄに配置されたシール材１６ａ、１６ｂによってフレーム空間１５ｆが構成されており、スラスト軸受３ａ面よりつながる連絡通路３ｓおよび抽出孔２ｉを介して圧縮室１ｄと連通し、圧縮室１ｄより供給される圧縮途中の冷媒ガスを封入する構造となっている。
コンプライアントフレーム３には調整弁収納空間３ｐも形成されており、この調整弁収納空間３ｐの一端（図７における下端）はコンプライアントフレーム３の内周と揺動スクロール２のスラスト面２ｄにより構成されるボス部外側空間２ｈに連通するとともに他端（図７において上端）は吸入圧力雰囲気空間１ｇに開放されている。この調整弁収納空間３ｐには、その下部に往復運動自在に中間圧調整弁３ｉが、その上部には中間圧調整スプリング押さえ３ｔがコンプライアントフレーム３に固着されて収納されており、これら中間圧調整弁３ｉと中間圧調整スプリング押さえ３ｔの間には中間圧調整スプリング３ｍが自然長より縮められて収納されている。
ガイドフレーム１５の外周面１５ｇは焼きばめ、もしくは溶接などによって密閉容器１０に固着されているものの、その外周部に設けた切り欠き部１５ｃにより、固定スクロール１の吐出ポート１ｆから吐出される高圧の冷媒ガスをモータ側に設けられた吐出管１０ｂに導く流路は確保されている。
４は主軸であり、その上端部は揺動スクロール２の揺動軸受け２ｃと回転自在に係合する揺動軸４ｂが形成されており、その下側には主軸バランサ４ｅが焼きばめられている。さらにその下にはコンプライアントフレーム３の主軸受け３ｃおよび副主軸受け３ｈと回転自在に係合する主軸部４ｃが形成されている。また主軸４の下側はサブフレーム６の副軸受け６ａと回転自在に係合する副軸部４ｄが形成され、この副軸部４ｄと前述した主軸部４ｃ間にはロータ８が焼きばめられている。
ロータ８の上端面には上バランサ８ａが、下端面には下バランサ８ｂが固定されており、前述した主軸バランサ４ｅとあわせて合計３ヶのバランサにより、静バランスおよび動バランスがとられている。さらに主軸４の下端にはオイルパイプ４ｆが圧入されており、密閉容器１０底部にたまった冷凍機油１０ｅを吸い上げる構造となっている。
密閉容器１０の側面にはガラス端子１０ｆが設置されており、モータ７からのリード線が接合されている。
次にこの従来のスクロール圧縮機の基本動作について説明する。
低圧の吸入冷媒は吸入管１０ａから固定スクロール１および揺動スクロール２の板状渦巻歯で形成される圧縮室１ｄにはいる。モータ７により駆動される揺動スクロール２は偏芯旋回運動とともに圧縮室１ｄの容積を減少させる。この圧縮行程により吸入冷媒は高圧となり、固定スクロール１の吐出ポート１ｆより密閉容器１０内に吐き出される。
なお上記圧縮行程において圧縮途中の中間圧力の冷媒ガスは揺動スクロール２の抽出孔２ｊよりコンプライアントフレーム３の連絡通路３ｓを経て、フレーム空間１５ｆに導かれ、この空間の中間圧力雰囲気を維持する。
高圧となった吐出ガスは密閉容器１０内を高圧雰囲気で満たし、やがて吐出パイプ１０ｂから圧縮機外に放出される。
密閉容器１０底部の冷凍機油１０ｅは、差圧により主軸４を軸方向に貫通する中空空間４ｇを通り揺動軸受け部２ｇと、主軸４に設けられた横穴から主軸受け３ｃに導かれる。これら２つの軸受け部の絞り作用によって中間圧力となった冷凍機油１０ｅ（冷凍機油に溶解していた冷媒の発泡で、一般にはガス冷媒と冷凍機油の２相流になっている）は、揺動スクロール２とコンプライアントフレーム３によって囲まれたボス部外側空間２ｈに達し、調整弁収納空間３ｐに配置した中間圧調整スプリング３ｍによって負荷される力に打ち勝って中間圧調整弁３ｉを押し、吸入圧力雰囲気空間１ｇに導かれ、低圧の冷媒ガスとともに圧縮室１ｄに吸入される。
以上説明したように、ボス部外側空間２ｈの中間圧力Ｐｍ１（ＭＰａ）は、中間圧調整スプリング３ｍのバネ力と中間圧調整弁３ｉの中間圧露出面積とによってほぼ決定されるので、所定の値αによって制御されている。

ただし、Ｐｓ：吸入圧力すなわち低圧（ＭＰａ）
で制御されている。
ここで密閉容器内の圧力Ｐｄ（ＭＰａ）（すなわち吐出圧力）とボス部外側空間圧力Ｐｍ１の差は主軸受け３ｃ、揺動軸受け２ｇに冷凍機油１０ｅを供給するために必要な給油差圧ΔＰであり、常に正値を確保する必要がある。

圧縮行程により冷凍機油１０ｅは高圧の冷媒ガスとともに吐出ポート１ｆから密閉容器１０内に開放され、ここで冷媒ガスと分離されて再び密閉容器底部に戻る。
冷媒ガスの圧縮室１ｄは揺動スクロール２の台板部２ａに設けられた抽出孔２ｊはコンプライアントフレーム３に設けられた連絡通路３ｓを介して、フレーム空間１５ｆと常時もしくは間欠的に連通する。フレーム空間１５ｆは２つのシール材１６ａ，１６ｂで密閉された空間なので、圧縮室１ｄの圧力変動に呼応してフレーム空間１５ｆの圧力も呼吸変動するが、おおまかには抽出孔２ｊの臨む圧縮室１ｄ内の圧力変動の積算平均値となる。
以上説明したようにフレーム空間１５ｆの中間圧力Ｐｍ２（ＭＰａ）は、抽出孔２ｊの臨む圧縮室１ｄの位置で決定される所定の倍率値βによって

ただし、Ｐｓ：吸入圧力すなわち低圧（ＭＰａ）
で制御される。
さて、コンプライアンドフレーム３にはボス部外側空間２ｈの中間圧力Ｐｍ１に起因してコンプライアントフレーム３と揺動スクロール２を引き離そうとする力Ｆｐｍ１と、圧縮作用により固定スクロール１と揺動スクロール２が軸方向に離れようとするスラストガス力Ｆｇｔｈの合計が、コンプライアントフレーム３を圧縮室１ｄとは反対方向に移動させる力として作用する。
一方、圧縮途中の冷媒ガスを導いて中間圧Ｐｍ２となったフレーム空間１５ｆがコンプライアントフレーム３とガイドフレーム１５を引き離そうとする力Ｆｐｍ２と、下部の高圧雰囲気に露出している部分に作用する差圧力Ｆｐｄ２の合計が、コンプライアントフレーム３を圧縮室の方向に移動させる力として作用する。
定常運転時においては前記圧縮室の方向に移動させる力が上回るように設定されており、このためコンプライアントフレーム３は上下２つの嵌合された円筒面３ｄ、３ｅにガイドされて圧縮室方向に移動する。揺動スクロール２はコンプライアントフレーム３と密着摺動して同方向に移動し、その板状渦巻歯２ｂを固定スクロール１に接触させて摺動する。
また起動時や液圧縮時などには前述したスラストガス力Ｆｇｔｈが大きくなり、揺動スクロール２はスラスト軸受け３ａを介してコンプライアントフレーム３を下方に強く押し下げるので、揺動スクロール２と固定スクロール１の歯先と歯底には比較的大きな隙間が生じ、圧縮室の異常な圧力上昇は回避される。この動作をリリーフ動作といい、生じる隙間量をリリーフ量という。
リリーフ量はコンプライアントフレーム３とガイドフレーム１５が衝突するまでの距離により管理される。
コンプライアントフレーム３には揺動スクロール２に発生する転覆モーメントの一部または全部が、スラスト軸受け３ａを介して伝達されるものの、主軸受け３ｃから受ける軸受け負荷と、その反作用である２つの合力、すなわちコンプライアントフレーム３とガイドフレーム１５の上下２つの円筒嵌合面３ｄ、３ｅから受ける反力の合力によって生じる偶力が前記転覆モーメントを打ち消すように作用するので、非常に良好な定常運転時追随動作安定性、およびリリーフ動作安定性を有する。
次に従来のスクロール圧縮機に作用する軸方向の力関係について詳細に説明する。
図８は従来のスクロール圧縮機において、揺動スクロール２、コンプライアントフレーム３に作用する軸方向の力関係について説明したものである。
揺動スクロール２には冷媒ガスを圧縮することによる反力Ｆｇｔｈと、固定スクロール１と歯先を接触摺動することによる歯先接触力Ｆｔｉｐが図中下向きの方向に作用する。また前記ボス部外側空間２ｈ内の圧力Ｐｍ１が揺動スクロール２とコンプライアントフレーム３を引き離そうとする力Ｆｐｍ１、揺動スクロールのボス部内側の高圧雰囲気に露出した部分に差圧により作用する力Ｆｐｄ１、さらにスラスト面の接触摺動によるスラスト接触力Ｆｔｈが図中上向きの力として作用する。ここで、

これらより揺動スクロール２に作用する力は次式で示される。

一方、コンプライアントフレーム３には、ボス部外側空間１５ｆの中間圧力Ｐｍ１に起因して揺動スクロール２とコンプライアントフレーム３を引き離そうとする力Ｆｐｍ２と揺動スクロール２と接触摺動することによるスラスト接触力Ｆｔｈが図中下向きの力として作用し、またフレーム空間１５ｆの中間圧力Ｐｍ２に起因してコンプライアントフレーム３とガイドフレーム１５を引き離そうとする力Ｆｐｍ２とコンプライアントフレーム下端の高圧雰囲気に露出している部分に作用する差圧による力Ｆｐｄ２が図中上向き方向に作用する。

これらによりコンプライアントフレーム３に作用する力は次式で示される。

（６）式と（９）式を連立すると歯先接触力Ｆｔｉｐとスラスト接触力Ｆｔｈが求められる。

（１０）式はＦｐｍ２（フレーム空間１５ｆの圧力Ｐｍ２がコンプライアントフレーム３とガイドフレーム１５を引き離そうとする力）を大きく設定するほど歯先接触力Ｆｔｉｐは増大することを示している。つまりフレーム空間１５ｆの中間圧力Ｐｍ２を大きく（β値を大きく）設定するほど歯先接触力Ｆｔｉｐは増大する。
一方（１１）式ではＦｐｍ１（ボス部外周空間２ｈの圧力Ｐｍ１がコンプライアントフレーム３と揺動スクロール２を引き離そうとする力）が大きく設定するとスラスト接触力Ｆｔｈは減少することを示している。つまりボス部外側空間２ｈの中間圧力Ｐｍ１を大きく（α値を大きく）設定するほどスラスト接触力Ｆｔｈは減少する。すなわちスラスト摺動損失を低減でき、圧縮機の電気入力を節約するのに役立つ構造となっている。
上述したようにボス部外側空間の圧力Ｐｍ１やフレーム空間の圧力Ｐｍ２の調整により、歯先接触力Ｆｔｉｐやスラスト接触力Ｆｔｈは自由に調整できるが、圧縮機が正常な圧縮動作を行うためにこの２つの力は常に正値を確保しなければならない。

次にフレーム空間１５ｆを構成するためにガイドフレーム１５とコンプライアントフレーム３の円筒嵌合面に配設されたシール材について、図９を用いて説明する。
フレーム空間１５ｆには圧縮途上の冷媒ガスを抽出して導いているので、通常運転時の圧力レベルは、一般に下式となる

したがってシール材の構成は、フレーム空間１５ｆへの吐出圧力ガスの侵入を防止するＵリングと、フレーム空間１５ｆから吸入圧力雰囲気への漏れを防止するＵリングを図９に示す方向で設置するのが通例である。またこれらＵリングの材料はテフロンなどが用いられることが多い。
従来のスクロール圧縮機は、ボス部外側空間２ｈの中間圧力Ｐｍ１を大きく設定すると、（１１）式に示すスラスト接触力Ｆｔｈすなわちスラスト摺動損失を低減でき、圧縮機の電気入力を節約できることは先に述べた。しかしＰｍ１を過大に設定すると、Ｆｔｈ＜０となって揺動スクロール２とコンプライアントフレーム３が離反し、正常な圧縮動作ができない。また揺動スクロール２が軸方向リリーフ量の隙間内でふらついて揺動軸受けが片当たりを発生し、異常摩耗や損傷を起こすなどの問題があった。
また同様にＰｍ１を過大に設定すると、（２）式のΔＰ＝Ｐｄ−Ｐｍ１＜０となり、揺動軸受け２ｃと主軸受け３ｃへの給油差圧が確保できず、軸受けを損傷するなどの問題があった。
この発明はかかる問題を解消するためになされたもので、（１）式におけるα値に上限を設けることでボス部外側空間２ｈの圧力Ｐｍ１を設定し、スラスト接触力Ｆｔｈを適正に保つことにより、スラスト摺動損失を低減しつつも、揺動スクロール２とコンプライアントフレーム３の離反が起こらずに圧縮動作を正常に行い、また揺動軸受けの異常摩耗や損傷が発生しない、さらに給油差圧を確保して揺動軸と主軸を損傷しない、つまり高性能で信頼性の高いスクロール圧縮機を提供することを目的とする。
また従来のスクロール圧縮機はフレーム空間１５ｆの中間圧力Ｐｍ２を小さく設定するとコンプライアントフレーム３を圧縮室側に移動させる力が発生せず、歯先接触力Ｆｔｉｐが負値となって定常運転時に固定スクロール１と揺動スクロール２が離反して正常な圧縮動作を行えない。また揺動スクロール２が軸方向リリーフ量の隙間内でふらつき、軸受けを損傷するなどの問題があった。また、逆にＰｍ２を過大に設定すると、歯先接触力Ｆｔｉｐが大きくなって摺動損失が増大し圧縮機の電気入力が大きくなる。また歯先が異常摩耗する、最悪の場合は焼き付くなどの問題があった。
この発明はまたかかる問題を解消するためになされたもので、（３）式においてβ値の設定に適正な範囲を設けることで、コンプライアントフレーム３を圧縮室方向に確実に移動させて固定スクロールと揺動スクロールを軸方向に適正な押しつけ力で密着させ、歯先接触力Ｆｔｉｐを適正に保つことで正常な圧縮動作を確保する、また軸受け損傷等のない、さらに摺動損失が増大せず歯先の異常摩耗や焼き付きを発生しない、高性能で信頼性の高いスクロール圧縮機を提供することを目的とする。
また従来のスクロール圧縮機は、フレーム空間１５ｆを構成するためにシール部材を２ヶ用いているので、シール部材自体のコストと、これらのシール部材を配設するための２つの溝加工を行わねばならず、加工時間とコストを必要とする問題があった。
この発明はまたかかる問題を解消するためになされたもので、シール部材自体の数とやシール部材設置のための溝加工数を減らすことができ、さらに抽気孔２ｊや連絡通路３ｓなどの加工を省略でき、部品コストや加工コストを低減できて生産性に優れたスクロール圧縮機を提供することを目的とする。
また、従来のスクロール圧縮機は、シール部材にテフロンなどで構成されたＵリングを用いているので材料自体が比較的高価であった。
また、圧縮機の起動前など密閉容器内がバランス圧となっている場合では、圧縮機起動直後に圧縮室１ｄで行われる圧縮途上の中間圧力の冷媒ガスを抽出しているフレーム空間１５ｆは比較的圧力の上昇が早いのに対して、密閉容器内はフレーム空間１５ｆに比較してその体積が非常に大きいので、圧力の上昇がフレーム空間１５ｆに対して遅くなる。
このような場合、フレーム空間１５ｆの圧力Ｐｍ２と密閉容器内の圧力（すなわち吐出圧力）Ｐｄの圧力レベルがある時間、次式で示す状態となる。

シール部材は定常運転を想定してフレーム空間１５ｆへの吐出圧力ガスの侵入を防止する構造としているが、その逆方向の流れを防止することができない。
（１５）式で示す状態ではフレーム空間１５ｆの冷媒ガスが密閉空間に漏れだしてフレーム空間内圧力Ｐｍ２が上昇せず、コンプライアントフレーム３を圧縮室側に移動させる力が不充分となる。つまり正常な圧縮動作を開始するのに時間がかかる、またこの間コンプライアントフレーム３とこれに接触して軸方向に移動する揺動スクロール２は、軸方向リリーフ量の隙間内でふらついて軸受けの片当たりなどによる損傷、焼き付きを起こすなどの問題があった。
この発明はまたかかる問題を解消するためになされたもので、テフロンのかわりにＯリングを用いることで材料にかかるコストを低減できる。
また圧縮機の起動時にも圧縮室１ｄからフレーム空間１５ｆに供給される中間圧力の冷媒ガスをリークさせることなくフレーム空間１５ｆの圧力Ｐｍ２を速やかに上昇させて、確実にコンプライアントフレーム３および揺動スクロール２を圧縮室側方向に移動させる力を発生し、すばやく正常な圧縮動作を開始できる。すなわち安価で、起動性に優れた、また軸受け損傷のない、信頼性の高いスクロール圧縮機を供給することを目的とする。
またＨＦＣ系の冷媒（Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａなど）を作動流体として用いる場合、シール部材に従来の一般的なＣＲ（クロロプレン・ゴム）製のＯリングを使用すると、冷媒との相性からＯリングが膨潤して劣化し、そのシール特性を失うなどの問題があった。
この発明はまたかかる問題を解消するためになされたもので、ＨＦＣ系の冷媒にはＨＮＢＲ（アクリロニトリル・ブタジエンゴム分子の一部に水素原子を結合させたもの）製のＯリングを用いることで、劣化がなく、シール特性を失わない、信頼性の高いスクロール圧縮機を提供することを目的とする。
発明の開示
この発明にかかわるスクロール圧縮機は、密閉容器内に設けられ、それぞれの板状渦巻歯が相互間に圧縮室を形成するように噛み合わされた固定スクロールおよび揺動スクロールと、この揺動スクロールを軸線方向に支持するとともに、この揺動スクロールを駆動する主軸を半径方向に支持し、軸線方向に変位可能なコンプライアントフレームと、このコンプライアントフレームを半径方向に支持するガイドフレームとを備え、前記コンプライアントフレームの前記ガイドフレームに対する軸線方向の移動により、前記揺動スクロールを軸線方向に移動可能としたスクロール圧縮機において、前記揺動スクロールは板状渦巻歯と反対側の面にスラスト面を有し、これと圧接摺動する前記コンプライアントフレームのスラスト軸受けの内側に形成されるボス部外側空間を、圧縮機の運転高低圧力差を利用して潤滑油を供給する差圧給油経路の途中に配置するとともに、前記給油経路途中に設けた絞りや圧力調整装置によって決定される前記ボス部外側空間の圧力Ｐｍ１（ＭＰａ）をＰｍ１＝Ｐｓ＋αで表し、スクロール圧縮機の運転圧力範囲の中で高低圧差の最も小さくなる差圧値をｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）で表した場合に、上式におけるα値を、下記の範囲に設定したことを特徴とする。
０＜α＜ｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）、
ただし、Ｐｓ：圧縮機の吸入圧力（ＭＰａ）、
Ｐｄ：圧縮機の吐出圧力（ＭＰａ）。
これにより、圧縮機の全ての運転圧力範囲において揺動軸受けと主軸受けへの給油差圧を確保しつつも、コンプライアントフレームと揺動スクロールの離反の起こらない信頼性の高いスクロール圧縮機を得られる。
また、密閉容器内に設けられ、それぞれの板状渦巻歯が相互間に圧縮室を形成するように噛み合わされた固定スクロールおよび揺動スクロールと、この揺動スクロールを軸線方向に支持するとともに、この揺動スクロールを駆動する主軸を半径方向に支持し、軸線方向に変位可能なコンプライアントフレームと、このコンプライアントフレームを半径方向に支持するガイドフレームを備え、前記コンプライアントフレームの前記ガイドフレームに対する軸線方向の移動により、前記揺動スクロールを軸線方向に移動可能としたスクロール圧縮機において、前記コンプライアントフレームと前記ガイドフレームにて形成される円筒面または平坦面に２つのシール部材を配置することにより構成される密閉されたフレーム空間に、前記圧縮室から圧縮途上の冷媒ガスを抽出して導くとともに、このフレーム空間内の圧力Ｐｍ２（ＭＰａ）を、圧縮機の吸入圧力Ｐｓ（ＭＰａ）の１．２倍以上２倍以下の範囲に設定した。
これにより、圧縮機の全ての運転圧力範囲において固定スクロールと揺動スクロールを適正な押し付け力で接触摺動させて離反の起こらない、また過剰な押しつけによる摺動損失の増大や焼き付きの起こらない、高効率かつ信頼性の高いスクロール圧縮機を得られる。
また、密閉容器内に設けられ、それぞれの板状渦巻歯が相互間に圧縮室を形成するように噛み合わされた固定スクロールおよび揺動スクロールと、この揺動スクロールを軸線方向に支持するとともに、この揺動スクロールを駆動する主軸を半径方向に支持し、軸線方向に変位可能なコンプライアントフレームと、このコンプライアントフレームを半径方向に支持するガイドフレームを備え、前記コンプライアントフレームの前記ガイドフレームに対する軸線方向の移動により、前記揺動スクロールを軸線方向に移動可能としたスクロール圧縮機において、前記コンプライアントフレームと前記ガイドフレームに形成される円筒面または平坦面に高圧空間より低圧空間への流体の移動を遮断する１つのシール部材を配設した。
これにより、部品点数と加工時間とコストを小さくでき、低コストで生産性の高いスクロール圧縮機を得られる。
また、前記シール部材をＯリングとすることで、シール部材にかかるコストを低減でき、さらに圧縮機の起動時にもフレーム空間の圧力が密閉容器内にリークすることなく、速やかにコンプライアントフレームおよび揺動スクロールが圧縮室側に移動して、正常な圧縮動作を開始できる。このため低コストで信頼性の高いスクロール圧縮機が得られる。
また、ＨＦＣ系の冷媒（Ｒ４０７Ｃ，Ｒ４１０Ａなど）を作動流体として用いる場合は、前記シール部材をＨＮＢＲ（アクリロニトリル・ブタジエンゴム分子の一部に水素原子を結合させたもの）からなるＯリングとすることで、Ｏリングの膨潤や劣化を少なくしたシール特性が得られる。このため信頼性の高いスクロール圧縮機を得られる。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
図１は実施の形態１におけるスクロール圧縮機を示した縦断面図である。各部品の名称とその機能は従来例と同様であり、同符号を記してその説明を省略する。
フレーム空間１５ｆを形成する２つのシール部材はＯリング１６ｃ、１６ｄであり、ガイドフレーム１５内周とコンプライアントフレーム３外周で構成された円筒面１５ｄ、１５ｄに設置されている。Ｏリングの材料はＨＮＢＲ製のＯリングを使用しており、ＨＦＣ系の冷媒を用いる場合でもＯリングが膨潤して劣化する恐れはない。Ｏリングは圧縮機内を満たす冷媒の種類や雰囲気温度等により、適切な材料を選定すればよい。
圧縮機の起動時は、圧縮室１ｄでの圧縮途上の冷媒ガスを抽出して導くフレーム空間１５ｆ内の圧力Ｐｍ２が、密閉容器内の圧力（すなわち吐出圧力）Ｐｄよりも早く上昇するが、フレーム空間１５ｆを構成するＯリングにより、フレーム空間１５ｆから密閉容器内への圧力リークは防止できる構造となっているので、フレーム空間内圧力Ｐｍ２の速やかな上昇によりコンプライアントフレーム３は圧縮室１ｄの方向に移動する力を与えられ、速やかに正常な圧縮動作を開始できる構造となっている。
ボス部外側空間２ｈは密閉容器内にある冷凍機油１０ｅの給油経路の途中に配置されている。差圧給油経路は高圧の密閉容器底部の冷凍機油１０ｅが主軸中空部４ｇを通り、主軸受け３ｃおよび揺動軸受け２ｃを経てボス部外側空間に達し、コンプライアントフレーム３に設けた中間圧力の調整弁収納空間３ｐを通って低圧空間１ｇに導かれる通路である。ボス部外側空間２ｈの圧力Ｐｍ１は主軸受け３ｃおよび揺動軸受け２ｃの絞り作用と調整弁収納空間に設けた中間圧調整スプリング３ｍのバネ定数を調整することで、（１）式で示すα＝０．３程度になるよう設定されている。これにより圧縮機の全ての運転圧力範囲においてスラスト接触力Ｆｔｈを軽減してスラスト摺動損失を軽減しつつも、揺動スクロール２とコンプライアントフレーム３の離反が起こらずに正常な圧縮動作を確保できるとともに、冷凍機油の給油差圧ΔＰは正値を確保し、揺動軸受け２ｃおよび主軸受け３ｃへの給油は中断されることは無い。
フレーム空間１５ｆは、抽出孔２ｊおよび連絡通路３ｓを介して連続または間欠的に供給される中間圧力の冷媒ガスを封入するが、この空間の圧力Ｐｍ２は抽出孔２ｊが臨む圧縮室１ｄの位置により、（３）式で示すβ＝１．６程度になるよう設定されている。これにより圧縮機の全ての運転圧力範囲において歯先接触力Ｆｔｉｐは負値とならずに、揺動スクロール２と固定スクロール１の離反が起こらずに正常な圧縮動作を確保できるとともに、歯先押しつけ過剰となって摺動損失を増大させることはない。
なお、ボス部外側空間やフレーム空間の中間圧作用面積や高圧作用面積は、上記したα値やβ値との兼ね合いで決定されており、これら面積の調整で最適なα、β値も変化する。一般的にボス部外側空間２ｈの中間圧作用面積Ｓｐｍ１はオルダムリングやスラスト軸受など幾何学的な形状により決定され、設定の自由度はあまりない。一方フレーム空間１５ｆの中間圧作用面積Ｓｐｍ２の調整は比較的自由度は大きく、中間圧作用面積Ｓｐｍ２をできるだけ大きく設定してβ値を小さめ、すなわちフレーム空間の中間圧力Ｐｍ２を小さめに設定したほうが圧縮機の運転圧力広範囲において安定した歯先接触力Ｆｔｉｐが得られる。また小さい中間圧力Ｐｍ２でコンプライアントフレーム３および揺動スクロール２を圧縮室方向に移動させることができるので、圧縮機の起動特性が向上するなどの計算、実験結果が得られている。
ここでボス部外側空間２ｈの圧力Ｐｍ１を決定するα値の設定について述べる。
α値を大きく設定することでスラスト接触力Ｆｔｈすなわちスラスト摺動損失を軽減できることは従来例に述べた通りである。しかしα値を過大に設定する、すなわちボス部外側空間２ｈの圧力Ｐｍ１を過大に設定するとスラスト接触力Ｆｔｈが負値となって揺動スクロール２とコンプライアントフレーム３の離反が発生したり、揺動軸受け２ｃや主軸受け３ｃへの給油差圧ΔＰが確保できない問題がある。
図２は圧縮機の保証する一般的な運転温度範囲を示している。この広範囲において給油は確保されなければならない。この図の中で給油が困難な条件についてみると、凝縮温度ＣＴと蒸発温度ＥＴの差が最も小さい、すなわち吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの差が最も小さくなる運転ポイント（低圧縮比）といえる。図２では運転温度範囲の右下のポイントがそれであり、ＣＴ／ＥＴ＝３０／１０℃となる。このポイントでの吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの差ｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）は使用する冷媒によって異なるが、これを次頁の図１０にまとめる。
揺動軸受け２ｃおよび主軸受け３ｃに給油を行う差圧ヘッドは（２）式で示したように、密閉容器内圧力（すなわち吐出圧力）Ｐｄとボス部外側空間内圧力Ｐｍ１の差圧ΔＰとなるが、例えば使用冷媒をＲ４０７Ｃとした場合、α値が０．６以上となると、図１０に示した運転ポイント（Ｐｄ／Ｐｓ＝１．２７／０．７１ＭＰａ）において
Ｐｍ１＝Ｐｓ＋α＝０．７１＋０．６＝１．３１（ＭＰａ）
ΔＰ＝Ｐｄ−Ｐｍ１＝１．２７−１．３１＝−０．０４（ＭＰａ）＜０
となりこの運転圧力条件において給油ができないことを示している。つまりＲ４０７Ｃを作動冷媒として使用する場合、α値は低圧縮比運転圧力（Ｐｄ／Ｐｓ＝１．２７／０．７１ＭＰａ）における高低圧力差ｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）値以下、すなわち０．５６以下に設定する必要がある。
同様にＲ２２を作動冷媒とする場合はα＜０．５１、Ｒ４１０Ａを作動冷媒とする場合はα＜０．８に設定しなければ、圧縮機の運転圧力範囲において無給油領域が発生する事態となる。したがってα値は上記した値以下になるよう設定しなければならない。
圧縮機の使用する冷媒や運転圧力範囲が上記と異なる場合も、α値はその圧縮機の運転圧力範囲における高低圧の最も小さくなる差圧値ｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）以下に設定する必要がある。
図３はＲ４０７Ｃを作動冷媒とし、α値を変化させたときの定格性能割合を示している。定格性能割合は性能ＭＡＸ値を１００％としたときの性能比で表している。α値が小の領域ではスラスト接触力Ｆｔｈを緩和する効果が十分に得られず、スラスト摺動損失が増大して性能はゆるやかに低下する傾向にある。α値を徐々に大きくしていくとスラスト摺動損失の緩和効果が発揮され性能は上昇し、α＝０．３程度で性能はピーク（１００％）となる。さらにα値を大きくするとスラスト摺動損失はより小さくなるものの、スラスト接触力Ｆｔｈが不足気味となり、揺動スクロールに発生する転覆モーメントを支持することができずに歯先に微小ながら隙間を生じはじめ、体積効率の悪化や内部漏れ損失が増大して性能は再び低下する傾向となる。α値が０．７を超えるとスラスト接触力Ｆｔｈは完全に不足してコンプライアントフレーム３と揺動スクロール２の離反が発生し、性能は急激に低下する。図３では性能ＭＡＸ値に対し、９５％以上の性能を確保するのに必要なα値は０〜０．５の範囲であった。
次に高圧作動冷媒を用いる場合の本実施例のメリットについて述べる。
高圧作動冷媒（例えばＲ４０１ＡやＲ３２）は、他の冷媒（例えばＲ２２やＲ４０７Ｃ）に比べてその作動運転圧力が高いので、揺動軸受け２ｃや主軸受け３ｃなどのラジアル負荷とスラスト軸受け３ａの負荷が大きくなる。
一般的に高圧作動冷媒ではその冷媒自体の熱物性から圧縮機のストローク体積Ｖｓｔが小さくなるが、スクロール圧縮機では高圧冷媒による渦巻歯の発生応力を緩和するの目的により、渦巻歯の高さを小さくする、または歯厚を大きくするなどでこのストローク体積Ｖｓｔの調整を行うのが一般的である。この方法により揺動軸受け２ｃや主軸受け３ｃのラジアル負荷は従来レベルまで小さくすることが可能である。しかしこの方法ではスラスト軸受け負荷を軽減することはできず、このスラスト摺動損失の増大が圧縮機の性能ダウンの要因となる。
この問題に対し、本発明のスクロール圧縮機ではボス部外側空間２ｈの圧力Ｐｍ１を大きく（α値を大きく）設定すれば、スラスト軸負荷を軽減できる構造となっている。しかも図１０に示すようにＲ４１０Ａのケースでは給油差圧を確保するα値の上限が０．８程度で、他の冷媒（Ｒ２２やＲ４０７Ｃ）の場合のそれに比べて大きくなっており、α値を大きく設定できる自由度が大きいことからスラスト軸負荷を軽減できる効果も大きい。すなわち高圧作動冷媒であるほど、本実施例に示すスクロール圧縮機の優位性が発揮できる。
図４は高圧作動冷媒であるＲ４１０Ａを用いた場合のα値と定格性能割合の相関を示している。図には先に述べたＲ４０７Ｃのケースも併記してある。
α値が小さい領域ではスラスト軸負荷が大きい上に、この負荷をキャンセルする本実施例の効果が十分に発揮されず、Ｒ４０７Ｃの場合よりも性能割合が小さい値となっている。α値を徐々に大きくしていくと、本実施例のスラスト軸負荷をキャンセルする効果が現れ、Ｒ４０７Ｃの場合と比較してα値の大きいレベルで性能最高点となる。本例ではα＝０．５で性能最高点となった。上述したように高圧作動冷媒（Ｒ４１０Ａ）では、Ｒ４０７ＣやＲ２２よりもスラスト軸負荷が大きいので、より高いボス部外側空間２ｈの中間圧力Ｐｍ１すなわち大きなα値を設定することにより良好な性能を得ることができる。さらにα値を大きくしていくと、スラスト接触力Ｆｔｈが不足して再び性能が低下する理由は図３における説明と同様である。
図４では性能割合が９５％以上を維持するのに必要なα値は０．２＜α＜０．７程度であった。
以上より、α値は図１０で示すように圧縮機の運転圧力範囲において、最も高低圧力差の小さくなる差圧値ｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）を上限として設定する必要がある。最適なα値は、このｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）以下で、スラスト接触力Ｆｔｈが過小または過大とならない範囲で性能を測定するなどして実験的に決定されるべきである。
α値はその中間圧力の作用面積Ｓｐｍ１によっても多少変化するが、本実施例において実験的に求めた最適なα値は、概ね図１０にしめしたｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）の半分付近すなわちα≒｛ｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）｝／２に近い値となった。
次に（１１）式におけるガイドフレーム１５とコンプライアントフレーム３を引き離そうとする力Ｆｐｍ２を適正値に設定するための、（３）式におけるβ値の決定について述べる。
β値を過小に設定すると、ある運転圧力において歯先押しつけ力Ｆｔｉｐが正値を確保するのが困難となり正常な圧縮動作を保証できない、一方β値を過大に設定すると（１０）式における歯先押しつけ力Ｆｔｉｐが必要以上に大きくなり、摺動損失の増大による圧縮機の性能低下や歯先焼き付きなどの不具合を発生する原因となる。
図５は本実施例にしめすスクロール圧縮機において、β値を変化させたときの定格性能割合を示している。定格性能割合は先と同様に、性能ＭＡＸ値を１００％としたときの性能比で表している。
β値が小さい範囲では歯先接触力Ｆｔｉｐが完全に不足してコンプライアントフレーム３および揺動スクロール２が圧縮室方向に移動することができず、正常な圧縮動作ができないことから性能は著しく低い。βを徐々に大きくすると歯先接触力Ｆｔｉｐは正値となるが、揺動スクロール２に発生する転覆モーメントを支持することができずに歯先に微小隙間が発生し、体積効率悪化や内部漏れ損失の増大から性能はまだ十分とはいえない。しかしβ＝１．２あたりから徐々にこの漏れ現象も低下し、十分な歯先接触力Ｆｔｉｐとなることから性能は上昇し、β＝１．６程度でピーク（１００％）となる。その後は歯先接触力Ｆｔｉｐの増大から歯先摺動損失も増大して、性能は再び低下傾向となる。
本図では性能比９５％以上を確保するのに必要なβ値の範囲は１．２＜β＜２．０であった。
実施の形態２．
図６は実施の形態２を示した縦断面である。各部品の名称とその機能は実施の形態１と同様であり、同符号を記してその説明を省略する。
コンプライアントフレーム３とガイドフレーム１５により形成された円筒嵌合面１５ｈにＨＮＢＲ製の１本のＯリング１６ｅが配設されており、Ｏリング１６ｅより圧縮室側は吸入圧力雰囲気空間１ｇに開放しており、Ｏリング１６ｅよりモータ側は吐出圧力雰囲気に開放されている。さらに図１に示す実施例と比較してフレーム空間１５ｆと抽出孔２ｊ、連絡通路３ｓさらに２つあるＯリングとＯリング溝のセットのうち、どちらか１つ省略した構成となっている。
図１に示す実施例ではフレーム空間１５ｆの圧力Ｐｍ２によるガイドフレーム１５とコンプライアントフレーム３を引き離そうとする力Ｆｐｍ２がコンプライアントフレーム３および揺動スクロール２を圧縮室側に移動させる力として作用し、歯先接触力Ｆｔｉｐを正値にするのに関与していたのに対し、図６ではフレーム空間１５ｆ自体が存在しないので、このガイドフレーム１５とコンプライアントフレーム３を引き離そうとする力Ｆｐｍ２も発生しない。この歯先接触力Ｆｔｉｐの不足分は、コンプライアントフレーム下端の高圧雰囲気に露出している面積（Ｓｐｄ２´）を大きく設定し、この部分に作用する差圧による力（Ｆｐｄ２´）を大きくすることで、実施の形態１と同等の機能を有している。即ち、実施の形態１では歯先接触力Ｆｔｉｐおよびスラスト接触力Ｆｔｈが（１０）（１１）式になるのに対して、

実施の形態２では

となるので、実施の形態２において形態１と同様の歯先接触力Ｆｔｉｐおよびスラスト接触力Ｆｔｈを確保するには上式を連立して、

が必要であり、（力＝圧力×面積）より

となる。つまり実施の形態２では高圧雰囲気に露出する面積（Ｓｐｄ２´）を、実施の形態１で示した値を用いて（２０）式のように設定すれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち構成部品点数を少なくして、低コストで生産性に優れたスクロール圧縮機を実現している。
【図面の簡単な説明】
図１は発明の実施の形態１の縦断面図。
図２は圧縮機の運転温度範囲を示すグラフ。
図３は冷媒がＲ４０７Ｃの場合のα値と定格性能割合の相関を示すグラフ。
図４は冷媒がＲ４１０Ａの場合のα値と定格性能割合の相関を示すグラフ。
図５はβ値と定格性能割合の相関を示すグラフ。
図６は発明の実施の形態２の縦断面図。
図７は従来のスクロール圧縮機の縦断面図。
図８は各部品に作用する軸方向の力の説明図。
図９はシール部材付近の拡大断面図。
図１０は本発明における各冷媒における低圧縮比運転圧力の表である。

Claims (7)

1. 密閉容器内に設けられ、それぞれの板状渦巻歯が相互間に圧縮室を形成するように噛み合わされた固定スクロールおよび揺動スクロールと、この揺動スクロールを軸線方向に支持するとともに、この揺動スクロールを駆動する主軸を半径方向に支持し、軸線方向に変位可能なコンプライアントフレームと、このコンプライアントフレームを半径方向に支持するガイドフレームとを備え、前記コンプライアントフレームの前記ガイドフレームに対する軸線方向の移動により、前記揺動スクロールを軸線方向に移動可能としたスクロール圧縮機において、
   前記揺動スクロールは板状渦巻歯と反対側の面にスラスト面を有し、これと圧接摺動する前記コンプライアントフレームのスラスト軸受けの内側に形成されるボス部外側空間を、圧縮機の運転高低圧力差を利用して潤滑油を供給する差圧給油経路の途中に配置するとともに、前記給油経路途中に設けた絞りや圧力調整装置によって決定される前記ボス部外側空間の圧力Ｐｍ１（ＭＰａ）をＰｍ１＝Ｐｓ＋αで表し、スクロール圧縮機の運転圧力範囲の中で高低圧差の最も小さくなる差圧値をｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）で表した場合に、上式におけるα値を、下記の範囲に設定したことを特徴とするスクロール圧縮機、
   ０＜α＜ｍｉｎ（Ｐｄ−Ｐｓ）
   ただし、Ｐｓ：圧縮機の吸入圧力（ＭＰａ）
   Ｐｄ：圧縮機の吐出圧力（ＭＰａ）。
2. 前記コンプライアントフレームと前記ガイドフレームにて形成される円筒面または平坦面に２つのシール部材を配置することにより構成される密閉されたフレーム空間に、前記圧縮室から圧縮途上の冷媒ガスを抽出して導くとともに、このフレーム空間内の圧力Ｐｍ２（ＭＰａ）を、圧縮機の吸入圧力Ｐｓ（ＭＰａ）の１．２倍以上２倍以下の範囲に設定したことを特徴とする請求項１記載のスクロールに圧縮機。
3. 前記コンプライアントフレームと前記ガイドフレームにて形成される円筒面または平坦面に、高圧空間より低圧空間への流体の移動を遮断する１つのシール部材を配設したことを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
4. 密閉容器内に設けられ、それぞれの板状渦巻歯が相互間に圧縮室を形成するように噛み合わされた固定スクロールおよび揺動スクロールと、この揺動スクロールを軸線方向に支持するとともに、この揺動スクロールを駆動する主軸を半径方向に支持し、軸線方向に変位可能なコンプライアントフレームと、このコンプライアントフレームを半径方向に支持するガイドフレームを備え、前記コンプライアントフレームの前記ガイドフレームに対する軸線方向の移動により、前記揺動スクロールを軸線方向に移動可能としたスクロール圧縮機において、
   前記コンプライアントフレームと前記ガイドフレームにて形成される円筒面または平坦面に２つのシール部材を配置することにより構成される密閉されたフレーム空間に、前記圧縮室から圧縮途上の冷媒ガスを抽出して導くとともに、このフレーム空間内の圧力Ｐｍ２（ＭＰａ）を、圧縮機の吸入圧力Ｐｓ（ＭＰａ）の１．２倍以上２倍以下の範囲に設定したことを特徴とするスクロール圧縮機。
5. 密閉容器内に設けられ、それぞれの板状渦巻歯が相互間に圧縮室を形成するように噛み合わされた固定スクロールおよび揺動スクロールと、この揺動スクロールを軸線方向に支持するとともに、この揺動スクロールを駆動する主軸を半径方向に支持し、軸線方向に変位可能なコンプライアントフレームと、このコンプライアントフレームを半径方向に支持するガイドフレームを備え、前記コンプライアントフレームの前記ガイドフレームに対する軸線方向の移動により、前記揺動スクロールを軸線方向に移動可能としたスクロール圧縮機において、
   前記コンプライアントフレームと前記ガイドフレームにて形成される円筒面または平坦面に、高圧空間より低圧空間への流体の移動を遮断する１つのシール部材を配設したことを特徴とするスクロール圧縮機。
6. 前記シール部材がＯリングであることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
7. ＨＦＣ系冷媒を作動流体として用いる場合、前記シール部材はＨＮＢＲ（アクリロニトリル・ブタジエンゴム分子の一部に水素原子を結合させたもの）からなるＯリングを用いることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のスクロール圧縮機。

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