WO2014080553A1 - スクロール型圧縮機 - Google Patents

Abstract

　混合冷媒を使用する際に生じる特定の周波数域の騒音を低減できるスクロール型圧縮機を提供する。　本発明のスクロール型圧縮機１は、主軸１７の偏心ピン１７Ａに回転自在に連結される旋回スクロール３０と、旋回スクロール３０と対向することで冷媒を圧縮する圧縮室を形成し、かつ圧縮された冷媒を高圧室１０Ｂに向けて吐出する吐出ポート２３が形成される端板を有する固定スクロール２０と、を備える。吐出ポート２３は、圧縮室に連なり、開口面積Ａ１である上流ポート部２３Ａと、上流ポート部２３Ａに連なり、開口面積Ａ２が上流ポート部２３Ａの開口面積Ａ１より大きい下流ポート部３３Ｂ、とからなり、上流ポート部２３Ａと下流ポート部２３Ｂは、その境界に振動モードの節が生じることを特徴としている。

Description

スクロール型圧縮機

　本発明は、例えば室内用の空気調和装置を構成するスクロール型圧縮機に関する。

　空気調和装置や冷凍装置などの冷凍サイクルに用いられるスクロール型圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロールとを備える。固定スクロール、旋回スクロールは、それぞれ円板状の端板の一面側に、渦巻状のラップ壁が一体的に形成されたものである。このような固定スクロールと旋回スクロールを、ラップ壁を噛み合わせた状態で対向させ、固定スクロールに対して旋回スクロールを電動機等により公転旋回運動させる。そして、双方のラップ壁の間に形成される圧縮室を外周側から内周側に移動させつつその容積を減少させることで、圧縮室内の冷媒ガスの圧縮を行う。
　圧縮室で圧縮された冷媒ガスは、固定スクロールの端板に形成される吐出ポートを通過して、ディスチャージカバーとハウジングとの間の高圧室に流入し、さらにハウジングに設けられる吐出管から冷媒回路に向けて吐出される。

　固定スクロールに形成される吐出ポートは、スクロール型圧縮機の性能、あるいは、騒音に影響を与えることから、種々の提案がなされている。
　例えば特許文献１には、圧力損失を減らし機械効率を向上させるために、吐出ポートにディフューザを形成することが提案されている。また、特許文献２には、長期にわたり安定的に圧縮機の低騒音化を実現するために、固定スクロールの端板の上面に開口するとともに、固定スクロールの吐出ポートに連通するマフラ室が提案されている。

特開平６－６６２７１号公報 特開２０１２－１２２３７６号公報

　環境負荷を抑えるために、Ｒ４１０Ｃ（擬似共沸混合冷媒）あるいはＲ４０７Ｃ（非共沸混合冷媒）といった混合冷媒を用いるようになってきている。混合冷媒を使用する際、固定スクロールの吐出ポートにおける吐出脈動の１ｋ～２ｋＨｚ域の成分が騒音として発生することが確認された。本発明者らの検討によると、この騒音について、特許文献１、特許文献２は解決策を与えない。
　本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、混合冷媒を使用する際に生じる特定の周波数域の騒音を低減できるスクロール型圧縮機を提供することを目的とする。

　本発明者らは上記目的を達成するために検討を行なったところ、混合冷媒の音速と吐出ポートを含む冷媒流路の距離との関係が騒音発生に関与しているとの結論を得た。
　音速に関する公式（１）において、境界条件を考慮すると、λ＝４Ｌ（Ｌ：Ｌ１（固定スクロール端板厚さ）＋Ｌ１（スクロール歯丈））となる。
　ｃ＝ｆ×λ　…　（１）
　ｃ：音速（ｍｍ／ｓ）　　ｆ：周波数（ｋＨｚ）　　λ：波長（４Ｌ）
　Ｒ４１０Ａ，４０７Ｃ等の混合冷媒の吐出ポートにおける音速は、１６０～１８０ｍ／ｓ程度である。また、固定スクロール端板厚さＬ１が１０～２０ｍｍ、スクロール歯丈Ｌ２が１０～２０ｍｍとする。ここで、Ｌ１は固定スクロール端板に形成される吐出ポートの長さに相当し、Ｌ２は固定スクロールと旋回スクロールにより形成される圧縮室の長さに相当するので、Ｌは圧縮室から吐出ポートにわたる冷媒流路の距離である。そして、混合冷媒の音速（１６０ｍ／ｓ）、冷媒通路の距離Ｌを公式（１）に代入すると、音響固有値（ｆ）は１～２ｋＨｚになる。この周波数域で吐出脈動が共鳴すると、スクロール型圧縮機の他の構造部材及びスクロール型圧縮機の周囲の構造物（以下、「構造物」と総称）と共振しやすく、圧縮機からの騒音が増幅されてしまう。

　そこで本発明者は、構造物との共振を避けるように音響固有値を調整することに着目し、本発明を完成するに到った。
　すなわち本発明のスクロール型圧縮機は、主軸の偏心軸部に回転自在に連結される旋回スクロールと、旋回スクロールと対向することで冷媒を圧縮する圧縮室を形成し、かつ圧縮された冷媒を高圧室に向けて吐出する吐出ポートが形成される端板を有する固定スクロールと、を備え、吐出ポートは、圧縮室に連なり、開口面積Ａ１である上流ポート部と、上流ポート部に連なり、開口面積Ａ２が上流ポート部の開口面積Ａ１より大きい下流ポート部、とからなり、上流ポート部と下流ポート部の境界には、振動モードの節が生じることを特徴とする。
　本発明のスクロール型圧縮機は、上流ポート部および下流ポート部の開口面積を互いに相違させることにより上流ポート部と下流ポート部の境界には振動モードの節を生じさせることで、上述したＬ１の部分に上流ポート部のみが該当するようにした。このことは、上述した冷媒通路の距離Ｌを短くすることになり、公式（１）で求められる音響固有値を、構造物との共振が避けられるように高く調整できる。

　本発明における吐出ポートは、いくつかの形態を包含する。
　下流ポート部について、開口面積Ａ２が冷媒の流れる向きに、等しくできるし、段階的に又は連続的に拡大させることもできる。加工性の点で径の等しい円形のポートにすることが好ましい。

　本発明によれば、上流ポート部および下流ポート部の開口面積を異ならせることにより上流ポート部と下流ポート部の境界に振動モードの節を生じさせて、冷媒通路の距離Ｌを短くすることにより、音響固有値を低く調整し、構造物との共振を避けることができる。したがって、本発明のスクロール型圧縮機は、混合冷媒を使用する際に生じる特定の周波数域の騒音を低減できる。

本実施形態におけるスクロール型圧縮機を示す縦断面図である。 （ａ）は図１の部分拡大図、（ｂ）は（ａ）のIIｂ－IIｂ線矢視断面図である。 本実施形態の固定端板の吐出ポートによる作用・効果を説明するための図であり、（ａ）は本実施形態の吐出ポートを含む冷媒の吐出流路を模式的に示し、（ｂ）は従来の一般的な冷媒の吐出流路を模式的に示している。 本実施形態の吐出ポートの変形例を示す図であり、（ａ）は下流ポート部を段階的に拡大した例を示し、（ｂ）は下流ポート部を連続的に拡大した例を示している。

　以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
　図１に示すように、本実施形態のスクロール型圧縮機１は、ハウジング１０内に、電動モータ１２と、電動モータ１２により駆動されるスクロール型圧縮機構２とを備えている。このスクロール型圧縮機１は、Ｒ４１０Ｃ、Ｒ４０７Ｃなどの冷媒を圧縮して例えば空気調和機や冷凍機などの冷媒回路に供給する。

　ハウジング１０は、上端が開放された有底円筒状のハウジング本体１０１と、ハウジング本体１０１の上端の開口を覆うハウジングトップ１０２とを備えている。
　ハウジング本体１０１の側面には、図示しないアキュムレータからハウジング本体１０１内に冷媒を導入する吸入管１３が設けられている。
　ハウジングトップ１０２には、スクロール型圧縮機構２によって圧縮された冷媒を吐出する吐出管１４が設けられている。ハウジング１０の内部は、ディスチャージカバー２５によって低圧室１０Ａと高圧室１０Ｂとに仕切られている。

　電動モータ１２は、ステータ１５と、ロータ１６とを備えている。
　ステータ１５には、ハウジング本体１０１の側面に取り付けられた図示しない電源ユニットを介して電力が供給されることで、磁界を発生する巻き線が設けられている。ロータ１６は、永久磁石とヨークを主要素として備え、さらに主軸１７が中心に一体に結合されている。

　電動モータ１２を挟んで主軸１７の両端側には、主軸１７を回転可能に支持する上部軸受１８および下部軸受１９が設けられている。
　上部軸受１８に形成される収容空間１９０には、主軸１７の上端に設けられる偏心ピン１７Ａが突出し、収容されている。

　スクロール型圧縮機構２は、固定スクロール２０と、固定スクロール２０に対して公転旋回運動する旋回スクロール３０とを備えている。
　固定スクロール２０は、固定端板２１と、固定端板２１の一方の面から立設する渦巻状のラップ２２と、を備えている。固定スクロール２０は、また、固定端板２１に吐出ポート２３を備えている。吐出ポート２３は、固定端板２１の表裏を貫通し、一方端（図中、下方）は固定スクロール２０と旋回スクロール３０の間に形成される圧縮室ＰＲに向けて開口し、他方端（図中、上方）は固定スクロール２０の上方を覆うディスチャージカバー２５の吐出ポート２７に向けて開口する。

　本実施形態は、吐出ポート２３が、冷媒の流れる向きＦ（図２（ａ））を基準として、上流側に位置する上流ポート部２３Ａと、上流ポート部２３Ａよりも下流側に位置する下流ポート部２３Ｂから構成される。上流ポート部２３Ａは圧縮室ＰＲに連なり、下流ポート部２３Ｂは上流ポート部２３Ａに連なる。上流ポート部２３Ａは、図２（ｂ）に示すように、開口形状が円形をしており、その開口面積をＡ１とする。また、下流ポート部２３Ｂは、開口形状が扇型をしており、その開口面積をＡ２とする。本実施形態は、上流ポート部２３Ａの開口面積Ａ１より、下流ポート部２３Ｂの開口面積Ａ２が大きい。しかも、この開口面積の相違に基づいて、上流ポート部２３Ａと下流ポート部２３Ｂは、その境界部分に振動モードの節が生じている。このように、吐出ポート２３が、上流ポート部２３Ａと下流ポート部２３Ｂからなることによる作用・効果については後述する。

　旋回スクロール３０も、円板状の旋回端板３１と、旋回端板３１の一方の面から立設する渦巻状のラップ３２とを備えている。
　旋回スクロール３０の旋回端板３１の背面には、ボス３４が設けられているとともに、そのボス３４に軸受を介してドライブブッシュ３６が組み付けられている。ドライブブッシュ３６の内側には偏心ピン１７Ａが嵌められている。これにより、旋回スクロール３０が主軸１７の軸心に偏心して結合されるので、主軸１７が回転すると、旋回スクロール３０は、主軸１７の軸心からの偏心距離を旋回半径として回転（公転）する。
　なお、旋回スクロール３０が、公転しつつも自転はしないよう、旋回スクロール３０と主軸１７との間には、自転を拘束する図示しないオルダムリングが設けられている。

　互いに所定量だけ偏心し、１８０度位相をずらして噛み合わせられるラップ２２，３２は、旋回スクロール３０の回転角に応じて複数箇所で互いに接触する。すると、ラップ２２，３２の渦巻きの中心部（最内周部）に対して点対称に圧縮室ＰＲが形成されるとともに、旋回スクロール３０の旋回に伴って、圧縮室はその容積を減少させながら次第に内周側に移動される。そして、渦巻きの中心部で冷媒が最大に圧縮される。図１の圧縮室ＰＲはこの部分を示している。

　このスクロール型圧縮機構２では、双方のスクロール２０，３０間に形成される圧縮室ＰＲの容積を渦巻きの途中でラップの高さ方向にも減少させている。そのために、固定スクロール２０および旋回スクロール３０の双方において、ラップの高さを外周側よりも内周側で低くするとともに、その段差状のラップに対向する相手側の端板を外周側よりも内周側で、端板内面側に突出するようにしている。

　以上のような構成のスクロール型圧縮機１を起動するには、電動モータ１２を励磁するとともに、吸入管１３を通じてハウジング１０内に冷媒を導入する。
　電動モータ１２が励磁されると主軸１７が回転し、それに伴って旋回スクロール３０が固定スクロール２０に対して公転旋回運動する。すると、旋回スクロール３０と固定スクロール２０との間の圧縮室ＰＲで冷媒が圧縮されるとともに、吸入管１３からハウジング１０内の低圧室１０Ａに導入された冷媒が旋回スクロール３０と固定スクロール２０との間に吸い込まれる。そして、圧縮室ＰＲ内で圧縮された冷媒は、固定端板２１の吐出ポート２３、ディスチャージカバー２５の吐出ポート２７を順次通過して高圧室１０Ｂに吐出され、さらに吐出管１４から外部へと吐出される。こうして、冷媒の吸入、圧縮、および吐出が連続して行われる。

　本実施形態は、固定スクロール２０の吐出ポート２３が、上述した上流ポート部２３Ａと下流ポート部２３Ｂからなり、上流ポート部２３Ａの開口面積Ａ１より下流ポート部２３Ｂの開口面積Ａ２が大きく、しかも、上流ポート部２３Ａと下流ポート部２３Ｂは、その境界に振動モードの節が生じている。そうすることによる作用・効果を図３をも参照して説明する。

　はじめに、図３（ｂ）に示す開口面積が一定の従来の吐出ポート１２３について説明する。この開口面積を、本実施形態の上流ポート部２３Ａと同じＡ１とする。つまり、吐出ポート１２３は、本実施形態の上流ポート部２３Ａが下流側の末端まで繋がっているものと同等である。
　図３（ｂ）において、下記の式（１）における波長λは、下記で定義されるＬ１’，Ｌ２’，Ｌ３’の合計値で特定される。従来の吐出ポート１２３を適用する場合、流路Ｃ１’と流路Ｃ２’は振動モードが連続的であるが、流路Ｃ３’はそれよりも上流側の流路Ｃ１及び流路Ｃ２とはその境界に振動モードの節が生じる。そして、流路Ｃ１’と流路Ｃ２’の合計の長さＬ’（Ｌ１’＋Ｌ２’）は、境界条件を考慮すると、λ＝４Ｌ’となる。前述したように、Ｒ４１０Ａ，４０７Ｃ等の混合冷媒の冷媒流路における音速は、１６０～１８０ｍ／ｓ程度であり、固定端板の厚さ（Ｌ２’）が１０～２０ｍｍ、スクロール歯丈（Ｌ１’）が１０～２０ｍｍとすると、音響固有値（ｆ）は１～２ｋＨｚとなる（ｃ＝１６０ｍ／ｓとした場合）。しかしこれでは、構造物との共振が生じうる。

　ｃ＝ｆ×λ　…　（１）
　ｃ：音速（ｍｍ／ｓ）　　ｆ：周波数（ｋＨｚ）　　λ：波長（４Ｌ）

　λ＝Ｌ１’＋Ｌ２’＋Ｌ３’
　Ｌ１’：圧縮室ＰＲにおける冷媒の流路Ｃ１’の長さ
　Ｌ２’：固定端板２１における冷媒の流路Ｃ２’の長さ
　Ｌ３’：固定端板２１よりも下流側の冷媒の流路Ｃ３’の長さ

　そこで、本実施形態の図３（ａ）に示すように、吐出ポート２３の開口を途中から大きく拡張させ、上流ポート部２３Ａまでの冷媒の流路（Ｃ１，Ｃ２）と下流ポート部２３Ｂから下流側の冷媒の流路（Ｃ３）との間に振動モードの節を生じさせる。そうすると、従来のＬ’に相当するＬが短くなるので、音響固有値（ｆ）を上げることができ、したがって、構造物との共振を避けることができる。例えば、固定端板２１の厚さの１／４の位置から下流ポート部２３Ｂを形成したとすると、音響固有値（ｆ）は１．６～３．２ｋＨｚとなる。

　ところで、Ｌを短くするには、固定端板２１を薄くすればよいことは容易に推測できる。しかし、固定スクロール２０に必要とされる強度を確保するために固定端板２１を薄くすることができないことがある。特に、スクロール型圧縮機１には高速回転、さらには軽量化の要請があるため、固定スクロール２０の固定端板２１は現状でも許容される範囲で薄くされており、さらなる薄型化は困難な状態にある。したがって、本実施形態の吐出ポート２３の構成は、固定端板２１を薄くすることなく、構造物との共振を回避できる有力な手段となる。
　また、吐出ポート２３のように、下流ポート部２３Ｂの開口面積を拡大することにより、当該部分における冷媒の圧力損失を低減できるため、スクロール型圧縮機１の性能向上に寄与することもできる。

　本実施形態において、下流ポート部２３Ｂの開口面積Ａ２は、上流ポート部２３Ａの開口面積Ａ１との関係で振動モードの節が生じるように設定される。また、上流ポート２３Ａの長さＬ２は、周囲の構造物の振動を考慮して、構造物との共振を避けることができる音響固有値（ｆ）が得られるように設定される。いずれも、シミュレーションによる振動試験を行えば求めることができる。

　なお、上記実施の形態では、下流ポート部２３Ｂとして開口面積が冷媒の流れる向きで一定の例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明の効果が得られる限り、図４（ａ）に示すように下流ポート部２３Ｂを段階的に拡大してもよいし、図４（ｂ）に示すように下流ポート部２３Ｂを連続的に拡大してもよい。また、上流ポート部２３Ａについても、図示は省略するが、段階的又は連続的に開口面積を変化させてもよい。
　また、下流ポート部２３Ｂは開口形状が扇形をしているが、本発明はこれに限るものでなく、他の開口形状、例えば円形であってもよい。
　さらに、吐出脈動の１ｋ～２ｋＨｚ域の成分が騒音として発生することに基づいて本発明を説明したが、これはあくまで一例であり、この範囲以外の成分の騒音を低減するために本発明を適用できることは言うまでもない。
　さらにまた、下流ポート部２３Ｂの開口形状は任意であり、扇型に限るものでない。
　これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１    スクロール型圧縮機
２     スクロール型圧縮機構
１０   ハウジング
１０Ａ 低圧室
１０Ｂ 高圧室
１２   電動モータ
１３   吸入管
１４   吐出管
１５   ステータ
１６   ロータ
１７   主軸
１７Ａ 偏心ピン
１８   上部軸受
１９   下部軸受
２０   固定スクロール
２２，３２    ラップ
２３   吐出ポート
２３Ａ 上流ポート部
２３Ｂ 下流ポート部
２５   ディスチャージカバー
２７   吐出ポート
３０   旋回スクロール
３４   ボス
３６   ドライブブッシュ
１０１ ハウジング本体
１０２ ハウジングトップ
２１   固定端板
３１   旋回端板

Claims (2)

1. 　主軸の偏心軸部に回転自在に連結される旋回スクロールと、
   　前記旋回スクロールと対向することで冷媒を圧縮する圧縮室を形成し、かつ圧縮された前記冷媒を高圧室に向けて吐出する吐出ポートが形成される端板を有する固定スクロールと、を備え、
   　前記吐出ポートは、
   　前記圧縮室に連なり、開口面積Ａ１である上流ポート部と、
   　前記上流ポート部に連なり、開口面積Ａ２が前記上流ポート部の開口面積Ａ１より大きい下流ポート部、とからなり、前記上流ポート部と前記下流ポート部の境界には、振動モードの節が生じる、
   ことを特徴とするスクロール型圧縮機。
2. 　前記下流ポート部は、
   　前記開口面積Ａ２が、前記冷媒の流れる向きに等しいか、もしくは、段階的に又は連続的に拡大する、
   請求項１に記載のスクロール型圧縮機。

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