JP2009174406A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定スクロールと旋回スクロールが異材質の場合、高温状態である中心部のラップと比較的低温状態である外周部のラップで固定スクロールと旋回スクロールの熱膨張の量が異なるため、ラップ間隙間が不均一となり、局所的な接触が発生することになる。
【解決手段】運転時の温度分布を考慮して、固定スクロール１２のラップ厚み１２ｗもしくは旋回スクロール１３のラップ厚み１３ｗを部分的に縮小させて加工することで、高温状態になっても局所的な接触を防止することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷暖房空調装置や冷蔵庫等の冷却装置、あるいはヒートポンプ式の給湯装置等に用いられるスクロール圧縮機に関するものである。

従来、冷凍空調機や冷凍機に用いられるスクロール圧縮機は、一般に、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロールおよび旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転拘束機構による自転の拘束のもとに円軌道に沿って旋回させたとき、圧縮室が容積を変えながら移動することで吸入、圧縮、吐出を行うものである。作動流体は旋回スクロールの旋回運動に伴い徐々に圧縮され、中心部に向かうに従い次第に高圧高温状態となる。これにより旋回スクロールや固定スクロールも中心部では高温状態となり、その結果熱膨張が生じる。特に固定スクロールと旋回スクロールが異材質の場合、熱膨張量が異なるため旋回スクロールと固定スクロールのラップ壁面が局所的に接触し、その結果ラップ壁面の接点数が減少してしまい、漏れ隙間拡大による入力増大、すなわち性能悪化を引き起こす恐れがある。そこで従来、ラップ厚みを変化させた構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は特許文献１に記載された従来のスクロール圧縮機の圧縮機構部の平面図である。吐出ポート５につながる直前の最小空間となる圧縮室４の尾端点を点Ａ、点Ｂとする。Ａ点もしくはその近傍から固定スクロール２のラップ外壁を巻き終わり部に向かってラップ厚みを増大する変化部を設けるとともに旋回スクロール１のラップ内壁を巻き終わり部に向かってラップ厚みを減少する厚み変化部を設け、同様にＢ点もしくはその近傍から固定スクロール２のラップ内壁を巻き終わり部に向かってラップ厚みを減少する厚み変化部を設けるとともに旋回スクロール１のラップ外壁を巻き終わり部に向かってラップ厚みを増大する厚み変化部を設ける。この構成により最小空間の圧縮室４を形成しない部分のラップ間の溝巾を、最小空間の圧縮室を形成する部分のラップ間の溝巾より大きくすることで、作動流体の閉じ込み量を増大させることができる。
特公平２−９１９３号公報

前記従来の構成では、固定スクロール２（もしくは旋回スクロール１）のラップ厚みを減少させ、旋回スクロール１（もしくは固定スクロール２）のラップ厚みを増大させるので、組み立て時のラップ間隙間は、厚み変化部を除いて一定となる。つまり固定スクロール２と旋回スクロール１が異材質の場合には、運転時の高温状態で熱膨張によりラップ厚みの変化量が異なるため、中心部と外周部でラップ間隙間の不均一が発生してしまい、局所的な接触が発生することになる。その結果ラップ壁面の接点数が減少してしまい、漏れ隙間拡大による入力増大、すなわち性能悪化を引き起こすという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、運転時の温度分布を考慮して、固定スクロールもしくは旋回スクロールのラップ厚みを部分的に縮小させて加工することで、高温状態になっても局所的な接触を防止することが可能となるため、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を
形成し、自転拘束機構による規制により旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、固定スクロールと旋回スクロールは異材質であり、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ内壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ外壁の少なくとも一方あるいは双方に対し、ラップの巻き始めを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施したものである。

かかる構成によれば、運転時の温度分布を考慮して、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ内壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ外壁を部分的に縮小させて加工することで、高温状態になっても局所的な接触を防止することが可能となるため、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

また、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、自転拘束機構による規制により前記旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、前記固定スクロールと前記旋回スクロールは異材質であり、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ外壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ内壁の少なくとも一方あるいは双方に対し、前記ラップの巻き終わりを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施したものである。

そしてこの構成によれば、運転時の温度分布を考慮して、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ外壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ内壁を部分的に縮小させて加工することで、高温状態になっても局所的な接触を防止することが可能となるため、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

本発明のスクロール圧縮機は、運転時の温度分布を考慮して、固定スクロールもしくは旋回スクロールのラップ厚みを部分的に縮小させて加工することで、高温状態になっても局所的な接触を防止することが可能となるため、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項１に記載の本発明では、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、自転拘束機構による規制により旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、固定スクロールと旋回スクロールは異材質であり、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ内壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ外壁の少なくとも一方あるいは双方に対し、ラップの巻き始めを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施したものである。そしてこの構成によれば、運転時の温度分布を考慮して、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ内壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ外壁を部分的に縮小させて加工することで、高温状態になっても局所的な接触を防止することが可能となるため、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の本発明では、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、自転拘束機構による規制により旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮
機において、固定スクロールと旋回スクロールは異材質であり、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ外壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ内壁の少なくとも一方あるいは双方に対し、ラップの巻き終わりを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施したものである。そしてこの構成によれば、運転時の温度分布を考慮して、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ外壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ内壁を部分的に縮小させて加工することで、高温状態になっても局所的な接触を防止することが可能となるため、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項３に記載の本発明では、特に請求項１または２に記載のオフセット加工の量に関して、旋回スクロールの鏡板直径（Ｄ）と両スクロールの熱膨張係数差（Δα）の積（Ｄ×Δα）の５倍から５０倍の範囲でラップ厚みを小さくしたものである。そしてこの構成によれば、異材質により発生するラップ厚み方向の熱膨張量の差を十分に吸収でき、またラップ間隙間が開きすぎることもないため、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項４に記載の本発明では、特に請求項１から３のいずれか１項に記載の渦巻きラップにおいて、オフセット加工を施した渦巻きラップ部とオフセット加工を施していない渦巻きラップ部を滑らかにつないだものである。そしてこの構成によれば、ラップ厚みの変化点において壁面に発生するエッジを防止でき、ラップ間隙間の不均一をより一層抑制できるので、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項５に記載の本発明では、特に請求項１から４のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機において、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたものである。そしてこの場合、特に中心部と外周部の温度差が大きいため本発明の効果が顕著に現れ、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わるスクロール圧縮機の縦断面図、図２は図１の圧縮機構部の要部拡大断面図、図３と図４は旋回スクロールの平面図である。以下、スクロール圧縮機について、その動作、作用を説明する。

図１、図２に示すように、本発明のスクロール圧縮機は、密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸４の主軸受部材１１と、この主軸受部材１１上にボルト止めした固定スクロール１２との間に、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３を挟み込んでスクロール式の圧縮機構２を構成し、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に旋回スクロール１３の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転拘束機構１４を設けて、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ａにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより旋回スクロール１３を円軌道運動させ、これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している圧縮室１５が外周側から中央部に移動しながら小さくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６および固定スクロール１２の外周部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して圧縮していき、所定圧以上になった冷媒ガスは固定スクロール１２の中央部の吐出口１８からリード弁１９を押し開いて密閉容器１内に吐出させることを繰り返す。

旋回スクロール１３のラップ上面１３ｃには、運転中の温度分布を測定した結果をもとに、中心部である巻き始め部から外周部である巻き終わり部にかけて、徐々にハネ高さが
高くなるようにスロープ形状が設けられている。これにより熱膨張による寸法変化を吸収し、局所摺動を防止することができる。

また旋回スクロール１３の背面１３ｅには、主軸受部材１１に配置されている環状のシール部材７８があり、旋回運動を行いながらシール部材７８により、シール部材７８の内側領域である高圧領域３０と、外側領域である高圧と低圧の中間圧に設定された背圧室２９とに仕切られている。この背面１３ｅの圧力付加により旋回スクロール１３は固定スクロール１２に安定的に押しつけられ、漏れを低減するとともに安定して円軌道運動を行うことができる。

さらに、固定スクロール１２には、旋回スクロール１３の背面１３ｅの背圧室２９が、常に一定の圧力となるように制御する背圧調整機構９を備えている。

圧縮機運転中は、クランク軸４の下向きの他端にはポンプ２５が設けられ、スクロール圧縮機と同時に駆動される。これによりポンプ２５は密閉容器１の底部に設けられたオイル溜め２０にあるオイル６を吸い上げてクランク軸４内を通縦しているオイル供給穴２６を通じて圧縮機構２に供給する。このときの供給圧は、スクロール圧縮機の吐出圧力とほぼ同等であり、旋回スクロール１３に対する背圧源ともなる。これにより、旋回スクロール１３は固定スクロール１２から離れたり片当たりしたりするようなことはなく、所定の圧縮機能を安定して発揮する。

このように供給されたオイル６の一部は、供給圧や自重によって、逃げ場を求めるようにして偏心軸部４ａと旋回スクロール１３との嵌合部、クランク軸４と主軸受部材１１との間の軸受部６６に進入してそれぞれの部分を潤滑した後落下し、オイル溜め２０へ戻る。高圧領域３０に供給されたオイル６の別の一部は、高圧領域３０に開口を有する給油経路５４を通って、旋回スクロール１３の外周部まわりにあって自転拘束機構１４が位置している背圧室２９に進入し、スラスト摺動部および自転拘束機構１４の摺動部を潤滑するのに併せ、背圧室２９にて旋回スクロール１３の背圧を印加する。

背圧室２９は高圧領域３０の高圧側との間が環状のシール部材７８によってシールされていて、進入してくるオイルが充満するにつれて圧力を増し、所定の圧力を超えると、背圧調整機構９が作用して、圧縮室１５の吸入部分に戻され進入する。

このオイル６の進入は所定の周期で繰り返され、この繰り返しのタイミングは吸入、圧縮、吐出の繰り返しサイクルと、背圧調整機構９での圧力設定との関係の組み合わせによって決まり、固定スクロール１２と旋回スクロール１３との摺動部への意図的な潤滑となる。この意図的な潤滑は前記したように背圧調整機構９による連絡路１０の凹部１０ａへの開口によって常時保証される。吸入口１７へと供給されたオイル６は旋回スクロール１３の旋回運動とともに圧縮室１５へと移動し、圧縮室１５間の漏れ防止に役立っている。

一般的にスクロール圧縮機では、固定スクロール１２と旋回スクロール１３が噛み合うことで複数の圧縮室１５を形成するが、外周部に形成された圧縮室１５ａと、ある程度圧縮が進んだ中心部の圧縮室１５ｂでは、それぞれに閉じ込められている作動流体の温度が異なるため、圧縮室１５ａ、１５ｂを形成している固定スクロール１２と旋回スクロール１３のラップ温度も異なっている。特に固定スクロール１２と旋回スクロール１３が異材質の場合、高温状態である中心部のラップと比較的低温状態である外周部のラップで固定スクロール１２と旋回スクロール１３の熱膨張の量が異なるため、ラップ間隙間が不均一となり、局所的な接触が発生することになる。その結果ラップ壁面の接点数が減少してしまい、漏れ隙間拡大による入力増大、すなわち性能悪化を引き起こす恐れがある。

そこで本実施の形態Ａのスクロール圧縮機では、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ内壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ外壁の少なくとも一方あるいは双方に対し、ラップの巻き始めを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施す。ここで旋回スクロール１３の熱膨張係数が固定スクロール１２の熱膨張係数より大きい場合を例として説明する。図３に示すように、固定スクロール１２の渦巻きラップ外壁１２ｏもしくは旋回スクロール１３の渦巻きラップ内壁１３ｉの少なくとも一方あるいは双方に対し、ラップの巻き始めを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施すものである。これにより旋回スクロール１３のラップ内壁１３ｉに対して、高温状態である中心部と低温状態である外周部での熱膨張量の差を吸収でき、局所的な接触を防止することができる。その結果、旋回スクロール１３のラップ内壁１３ｉの接点数を確保することができるので、漏れ損失の低減を図ることができ、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。またオフセット加工の範囲は渦巻きラップの巻数で異なるが、巻数に関係なく巻き終わりのおよそ１周分は吸入ガスにより冷却されるため、この部分にはオフセット加工を施さないのが望ましい。

また本実施の形態Ｂのスクロール圧縮機では、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ外壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ内壁の少なくとも一方あるいは双方に対し、ラップの巻き終わりを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施す。ここでも上記同様、旋回スクロール１３の熱膨張係数が固定スクロール１２の熱膨張係数より大きい場合を例として説明する。図４に示すように、固定スクロール１２の渦巻きラップ内壁１２ｉもしくは旋回スクロール１３の渦巻きラップ外壁１３ｏの少なくとも一方あるいは双方に対しラップの巻き終わりを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施すものである。これにより旋回スクロール１３のラップ外壁１３ｏに対して、高温状態である中心部と低温状態である外周部での熱膨張量の差を吸収でき、局所的な接触を防止することができる。その結果、旋回スクロール１３のラップ外壁１３ｏの接点数を確保することができるので、漏れ損失の低減を図ることができ、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。またオフセット加工の範囲は渦巻きラップの巻数で異なるが、巻数に関係なく巻き終わりのおよそ１周分は吸入ガスにより冷却されるため、この部分にはオフセット加工を施すのが望ましい。

なお本実施の形態では、旋回スクロール１３の熱膨張係数が固定スクロール１２の熱膨張係数より場合を例として説明したが、熱膨張係数の大小が逆の関係でも同様の効果が得られる。さらに旋回スクロール１３のラップ厚み１３ｗを代表して説明したが、固定スクロール１２のラップ厚み１２ｗに関しても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係わるスクロール圧縮機の旋回スクロール１３の平面図である。図５に示すように、本実施の形態のスクロール圧縮機では、オフセット加工の量に関して、旋回スクロールの鏡板直径（Ｄ）と両スクロールの熱膨張係数差（Δα）の積（Ｄ×Δα）の５倍から５０倍の範囲でラップ厚みを小さくする。これにより、異材質により発生するラップ厚み方向の熱膨張量の差を十分に吸収でき、またラップ間隙間が開きすぎることもないため、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

またラップの側面形状に関して、オフセット加工を施した渦巻きラップ部１３ｓとオフセット加工を施していない渦巻きラップ部１３ｔを滑らかにつなぐ。これにより、ラップ厚み１３ｗの変化点において壁面に発生するエッジを防止でき、ラップ間隙間の不均一をより一層抑制できるので、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

なお本実施の形態では、旋回スクロール１３のラップ厚み１３ｗを代表して説明したが、固定スクロール１２のラップ厚み１２ｗに関しても同様の効果が得られる。

最後に、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合、特に中心部と外周部の温度差が大きいため、本発明の効果が顕著に現れ、高効率を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、運転時の温度分布を考慮して、固定スクロールもしくは旋回スクロールのラップ厚みを部分的に縮小させて加工することで、高温状態になっても局所的な接触を防止することが可能となるため、作動流体を冷媒と限ることなく、空気スクロール圧縮機、真空ポンプ、スクロール型膨張機等のスクロール流体機械の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の要部拡大断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の旋回スクロールの平面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の旋回スクロールの平面図 本発明の実施の形態２におけるスクロール圧縮機の旋回スクロールの平面図 従来のスクロール圧縮機の圧縮機構部の断面図

符号の説明

１２ 固定スクロール
１２ｉ ラップ内壁
１２ｏ ラップ外壁
１２ｗ ラップ厚み
１３ 旋回スクロール
１３ｉ ラップ内壁
１３ｏ ラップ外壁
１３ｗ ラップ厚み
１３ｓ オフセット加工を施したラップ部
１３ｔ オフセット加工を施していないラップ部
１４ 自転拘束機構
１５ 圧縮室
Ｄ 旋回スクロールの鏡板直径
Δα 熱膨張係数差

Claims (5)

1. 鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、自転拘束機構による規制により前記旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、前記固定スクロールと前記旋回スクロールは異材質であり、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ内壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ外壁の少なくとも一方あるいは双方に対し、前記ラップの巻き始めを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施してなるスクロール圧縮機。
2. 鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、自転拘束機構による規制により前記旋回スクロールが円軌道に沿って所定の旋回半径で旋回することで、前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、前記固定スクロールと前記旋回スクロールは異材質であり、熱膨張係数の大きい方の渦巻きラップ外壁もしくは熱膨張係数の小さい方の渦巻きラップ内壁の少なくとも一方あるいは双方に対し、前記ラップの巻き終わりを含む一部でラップ厚みが小さくなる方向に基準曲線に対してオフセット加工を施してなるスクロール圧縮機。
3. 前記オフセット加工の量に関して、前記旋回スクロールの鏡板直径（Ｄ）と前記両スクロールの熱膨張係数差（Δα）の積（Ｄ×Δα）の５倍から５０倍の範囲でラップ厚みを小さくしてなる請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記渦巻きラップにおいて、オフセット加工を施した渦巻きラップ部とオフセット加工を施していない渦巻きラップ部を滑らかにつないでなる請求項１から３のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
5. 作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としてなる請求項１から４のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。