JP2010043598A - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成にして可動スクロールの背圧を適正に保持し、可動スクロールの転覆を防止することの可能なスクロール型流体機械を提供する。
【解決手段】可動スクロール(34)の背面の背圧室(46)と圧縮室(39)とを連通する連通路(80a,80b)に背圧室の圧力が圧縮室の圧力よりも所定差圧大きくなるよう背圧室の圧力を調整可能な背圧調整弁(70)を介装し、連通路(80b)については作動流体の吸入室(37)よりも圧縮の進んだ所定位置で圧縮室と連通させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、スクロール型流体機械に係り、詳しくは、冷凍空調機やヒートポンプ式給湯器に好適なスクロール型流体機械に関するものである。

この種のスクロール型流体機械には、冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニットが容器内に備えられている。詳しくは、このユニットは互いに噛み合う固定及び可動の各スクロールを備えており、可動スクロールの背面にはボスが形成され、このボスには回転軸と一体形成されたクランクピンが連結されている。可動スクロールは、ボスを介して回転軸により駆動されることにより、自転することなく主軸フレームに支持されながら固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動する。これにより、各スクロールの渦巻きラップ間に形成される空間の容量が減少し、上記一連のプロセスが行われる。

ところで、このようなスクロール型流体機械では、各スクロールの渦巻きラップ同士を確実に噛み合わせ、渦巻きラップ間に形成される空間を密閉して冷媒の漏れを防止することが重要である。
しかしながら、冷媒の吸入圧が急激に上昇することにより可動スクロールが固定スクロールから引き離され、可動スクロールが傾いて転覆した状態で運転される場合があり、このような運転状況下では上記渦巻きラップ間に隙間が生じ、上記空間の密閉状態を十分に保つことができないという問題がある。

そこで、渦巻きラップ間の空間を密閉状態に保つべく、可動スクロールの背圧を高く維持可能に図った構成の装置が公知である（特許文献１、２参照）。
特開２００６−９６４０号公報 特開平３−２５８９８５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の技術では、背圧空間の圧力があくまでも圧縮室における吸入室の圧力に対して一定の圧力差に設定されており、吸入室の圧力が急激に上昇した場合には、やはり背圧力不足で転覆が発生し、圧縮室内部の圧縮ガスが内部漏れし、圧縮不良や騒音が発生するという問題がある。
また、上記特許文献２に開示の技術では、背圧調整弁を電気的に制御するため、構成が複雑になり、好ましいことではない。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡単な構成にして可動スクロールの背圧を適正に保持し、可動スクロールの転覆を防止することの可能なスクロール型流体機械を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１のスクロール型流体機械は、容器内を延び、該容器に回転自在に支持される回転軸と、前記回転軸の上端側に偏心して一体形成されたクランクピンと、前記容器内に設けられ、固定スクロール、及び、前記クランクピンが連結されて前記回転軸により駆動されることで該固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動される可動スクロールを有し、前記固定スクロールの渦巻きラップと前記可動スクロールの渦巻きラップを噛み合わせて形成される圧縮室の容積を前記軸心に向かうにつれ減少させながら作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニットと、前記容器内に収容され、前記回転軸を支持する軸受けを含む主軸フレームと、前記主軸フレームの上面と前記可動スクロールの鏡板面との間に形成され、潤滑油が加圧された状態で充填された背圧室と、前記背圧室と前記圧縮室とを連通する連通路と、該連通路に介装され、前記背圧室の圧力が前記圧縮室の圧力よりも所定差圧大きくなるよう前記背圧室の圧力を調整可能な背圧調整弁とを備え、前記連通路は、作動流体が吸入される位置よりも圧縮の進んだ所定位置で前記圧縮室と連通していることを特徴とする。

請求項２のスクロール型流体機械では、請求項１において、前記連通路は前記固定スクロール内を延び、前記背圧調整弁は前記固定スクロール内に配設されていることを特徴とする。
請求項３のスクロール型流体機械では、請求項１または２において、前記背圧調整弁は、一側が前記連通路を介して前記圧縮室と連通するとともに他側が逆円錐状のテーパ面を有して縮径され前記背圧室と連通するシリンダと、該シリンダ内に前記テーパ面と当接するよう挿入されたボールと、該ボールを前記テーパ面に向け付勢するスプリングとからなり、前記シリンダの内壁のうちの少なくとも前記テーパ面の前記ボールと当接する部分にはリン酸マンガン皮膜処理が施されていることを特徴とする。

請求項１のスクロール型流体機械によれば、固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回して形成される圧縮室は、可動スクロールの背面に形成された背圧室と背圧調整弁を介して連通路によって連通されているが、当該連通路は作動流体が吸入される位置よりも圧縮の進んだ所定位置で圧縮室と連通している。
従って、圧縮過程にある圧縮室の圧力との圧力差に基づき背圧室の圧力を調整するため、背圧室の圧力を比較的高く均衡させて保持することができ、作動流体の吸入圧が急激に上昇した場合であっても、吸入圧の影響を小さくして、背圧室の圧力で十分に可動スクロールを固定スクロール側に押圧し続けることができ、可動スクロールの転覆を防ぐことができる。

このように可動スクロールの転覆を防ぐことができることで、圧縮室からの圧縮ガスの漏れがなくなり、圧縮不良を防ぐことが可能である。
請求項２のスクロール型流体機械によれば、連通路と背圧調整弁とは固定スクロール内に設けられているので、連通路と背圧調整弁とを別途設けることなく、簡単な構成にして容易に背圧室の圧力を比較的高く保持し、可動スクロールの転覆を防ぐことができる。

請求項３のスクロール型流体機械によれば、背圧調整弁はシリンダのテーパ面に向けてボールをスプリングで付勢するようにして弁が構成されており、背圧室の圧力が圧縮室の圧力とスプリングの付勢力との和よりも小さいと閉弁状態に保持され、背圧室の圧力が圧縮室の圧力とスプリングの付勢力との和よりも大きくなるとボールがスプリングの付勢力に抗して移動して開弁することになるが、テーパ面のボールと当接する部分にはリン酸マンガン皮膜処理が施されているので、テーパ面のボールと当接する部分は、面粗度が改善されて滑らかなものとなり、背圧調整弁の閉弁時における密閉性が向上する。

これにより、例えば圧縮室の圧縮ガスが背圧室へ漏れることを防ぐことができ、より一層圧縮不良を防ぐことが可能である。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明に係るスクロール型流体機械の一つである密閉型のスクロール圧縮機の断面図を示す。
スクロール圧縮機（以下、圧縮機）１は冷凍空調装置やヒートポンプ式給湯器などの冷凍回路に組み込まれている。当該回路は、作動流体の一例である二酸化炭素冷媒（以下、冷媒）が循環する経路を備え、圧縮機１は経路から冷媒を吸入し、圧縮して経路に向けて吐出する。

同図に示すように、この圧縮機１はハウジング（容器）２を備え、ハウジング２の胴部４は、その上側及び下側が上蓋６及び下蓋８によってそれぞれ気密に嵌合されており、胴部４の内部が密閉され、高圧の吐出圧が作用している。また、胴部４には上記回路から取り込んだ冷媒を吸入する吸入管１０が接続され、上蓋６の適宜位置には、ハウジング２内の圧縮冷媒を上記回路へ送出する吐出管１２が接続されている。

胴部４内には電動モータ１４が収容され、このモータ１４内には回転軸１６が配置されており、回転軸１６はモータ１４への通電によって駆動される。また、回転軸１６の上端側は軸受１７を介して主軸フレーム１８に回転自在に支持されている。
一方、回転軸１６の下端側は軸受２０を介して副軸フレーム２２に回転自在に支持されている。また、回転軸１６の下端側にはオイルポンプ２４が装着されており、ポンプ２４は下蓋８の内側、すなわちハウジンク２の底部に形成された貯油室２６内の潤滑油Ｌを吸引する。この潤滑油Ｌは、回転軸１６の内部に軸線に沿って穿設される給油路２８を経て各摺動部分や軸受等の潤滑、並びに、摺動面のシールとして機能する。

なお、貯油室２６の潤滑油Ｌの油面には冷媒の吐出圧が作用しており、この冷媒の吐出圧が潤滑油Ｌの油面に作用することも給油路２８における潤滑油Ｌの上昇に寄与する。これより、給油路２８の出口においては冷媒の吐出圧に略等しい高圧環境となる。
また、副軸フレーム２２の適宜位置には潤滑油Ｌの導入口３２が形成されており、圧縮機１内の各摺動部分に供給された潤滑油Ｌは、導入口３２を介して貯油室２６に貯留される。

スクロールユニット３０は、胴部４内においてモータ１４の上方に配置され、冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施する。
詳しくは、当該スクロールユニット３０は、可動スクロール３４及び固定スクロール３６から構成され、各スクロール３４、３６には、それぞれ対峙する面に渦巻きラップ３４ａ、３６ａが各々一体立設されており、これら渦巻きラップ３４ａ、３６ａ間に圧縮室３９を形成している。これより、固定スクロール３６に対して可動スクロール３４が旋回運動すると、渦巻きラップ３４ａ、３６ａが互いに噛み合い、協働して可動スクロール３４の外周側に形成された吸入室３７から吸入管１０を介して冷媒が当該圧縮室３９に吸入され、圧縮室３９が渦巻きラップ３４ａ、３６ａの中心（軸心）に向けて移動しながらその容積が減少され、冷媒の圧縮が行われる。

詳しくは、可動スクロール３４が旋回運動すると、渦巻きラップ３４ａ、３６ａの側面が微少隙間を有して噛み合うとともに渦巻きラップ３４ａの頂面と固定スクロール３６の鏡板面及び渦巻きラップ３６ａの頂面と可動スクロール３４の鏡板面が微少隙間を有して噛み合いながら圧縮室３９の容積が減少し、冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスが実施される。

上述した可動スクロール３４に旋回運動を付与するため、可動スクロール３４の背面３４ｂにはボス３８が凸設して形成され、このボス３８は軸受４４を介してクランクピン４２に連結されている。このクランクピン４２は、回転軸１６の上端側に一体形成され、回転軸１６の回転に伴い主軸フレーム１８上にて可動スクロール３４を公転旋回運動させる。なお、可動スクロール３４の自転は回転防止ピン６２により阻止されている。当該ピン６２は可動スクロール３４の背面３４ｂに突設され、主軸フレーム１８に形成される有底状のホール６４に遊嵌されており、回転阻止機構６０が形成されている。詳しくは、回転防止機構６０は、例えば４組のピン６２及びホール６４を有して構成されている。

固定スクロール３６は主軸フレーム１８に固定され、上蓋６に形成される吐出室５４側と圧縮室３９側とを仕切っている。詳しくは、主軸フレーム１８には回転軸１６と同心円状に円筒状の外周壁１９が固定スクロール３６に向けて延びており、固定スクロール３６は当該外周壁１９の上縁に接合されている。
このように固定スクロール３６が当該外周壁１９の上縁に接合されていることにより、固定スクロール３６と主軸フレーム１８との間には、可動スクロール３４の摺動する旋回摺動領域が形成されている。そして、当該旋回摺動領域のうち可動スクロール３４の背面３４ｂと主軸フレーム１８との間及び外周壁１９と摺接する可動スクロール３４の摺接点以外の部分には空隙４５が形成されている。

空隙４５は背圧室４６を構成し、当該背圧室４６には、上記給油路２８の出口から吐出した高圧の潤滑油Ｌが加圧された状態で充填されている。従って、背圧室４６は潤滑油Ｌの圧力を背圧として可動スクロール３４を固定スクロール３６側に押圧している。これにより、圧縮室３９の密閉性が確保され、圧縮不良を防ぐことが可能である。
そして、固定スクロール３６には背圧調整弁７０が内蔵されている。また、固定スクロール３６には背面３６ｂから延びて連通路８０ａ、８０ｂが穿設されている。

連通路８０ａの一端は背圧調整弁７０の一側に連通し、連通路８０ｂの一端は圧縮室３９に連通しており、連通路８０ａ、８０ｂの各他端は後述する吐出ヘッド５０で塞がれている。即ち、背圧調整弁７０の一側は連通路８０ａ、８０ｂを介して圧縮室３９と連通している。一方、背圧調整弁７０の他側は背圧室４６に連通している。
詳しくは、図２に図１のＡ−Ａ線に沿う横断面を示すように、連通路８０ｂは、連通路８０ｂの一端が吸入室３７よりも圧縮の進んだ可動スクロール３４の一巻き目の所定位置において圧縮室３９に連通するよう穿設されている。

図３に図２のＢ−Ｂ線に沿う縦断面を示すように、背圧調整弁７０は、逆円錐状のテーパ面７９を有して縮径されたシリンダ７８内にテーパ面７９と当接するようボール７２が挿入され、当該ボール７２をスプリング７４でテーパ面７９に向け付勢するよう構成されている。詳しくは、シリンダ７８の上端開口は栓部材７６により塞がれており、当該栓部材７６とボール７２との間にスプリング７４が縮設されている。

これより、背圧調整弁７０は、連通路８０ａ、８０ｂを介して背圧調整弁７０の一側に供給される圧縮室３９の圧力とスプリング７４の付勢力との和が背圧室４６の圧力よりも大きい状況下では、ボール７２がスプリング７４の付勢力でテーパ面７９に当接することで閉弁状態に保持され、一方、背圧調整弁７０の一側に供給される圧縮室３９の圧力とスプリング７４の付勢力との和よりも背圧室４６の圧力の方が大きくなると、ボール７２がスプリング７４の付勢力に抗して押圧されテーパ面７９から離間して開弁する。

即ち、背圧調整弁７０は、背圧室４６の圧力が常に連通路８０ａ、８０ｂを介して背圧調整弁７０の一側に供給される圧縮室３９の圧力よりもスプリング７４の付勢力分だけ大きくなるよう、換言すれば、背圧室４６内の圧力が圧縮過程にある圧縮室３９内の圧力よりも所定差圧だけ大きくなるよう背圧室４６内の圧力を調圧可能である。
また、背圧調整弁７０のシリンダ７８の内壁のうち、少なくともテーパ面７９のボール７２が当接する部分には、リューブライト処理（リン酸マンガン皮膜処理）が施されている。

固定スクロール３６の中央部分の適宜位置には、圧縮室３９側に連通する吐出孔５６が貫通して穿設されており、この吐出孔５６は固定スクロール３６の背面３６ｂ側に配置された吐出弁５８により開閉される。また、吐出弁５８は吐出ヘッド５０で覆われており、この吐出ヘッド５０により、吐出弁５８の開弁時における音が抑制される。
そして、固定スクロール３６及び主軸フレーム１８には、外周部分に位置して冷媒通路（図示せず）が軸線方向に延びて貫通している。これより、詳細については説明を省略するが、吐出孔５６から吐出された冷媒が当該冷媒通路を経てハウジング２内を循環可能である。

以下、このように構成された本発明に係るスクロール型流体機械の作用について説明する。
上述した圧縮機１によれば、電動モータ１４により回転軸１６が回転すると、可動スクロール３４が公転旋回運動を開始する。この可動スクロール３４の公転旋回運動は、吸入管１０から冷媒をスクロールユニット３０の内部に向けて吸入し、圧縮室の容積を縮小させながら当該冷媒を圧縮する。そして、このように圧縮された高圧の冷媒は吐出孔５６から吐出されハウジング２内を潤滑油Ｌを分離しながら循環した後、吐出室５４から吐出管１２を通じて圧縮機外へ送出される。

そして、この際、背圧室４６の圧力が背圧調整弁７０の一側に供給される圧縮室３９の圧力より高くなると、背圧調整弁７０は圧力差によりボール７２がスプリング７４の付勢力に抗して上方に押し上げられて開弁する。これにより、背圧室４６が連通路８０ａ、８０ｂを介して圧縮室３９と連通するため、背圧室４６の圧力が圧縮過程にある圧縮室３９の圧力よりも所定差圧だけ大きくなるように調圧される。

このように、本発明に係るスクロール型流体機械によれば、連通路８０ｂは一端が吸入室３７よりも圧縮の進んだ可動スクロール３４の一巻き目の所定位置において圧縮室３９に連通するよう穿設されていることにより、背圧室４６の圧力が圧縮過程にある圧縮室３９の圧力に対して調整され、背圧室４６の圧力が比較的高く均衡されて適正に保たれる。これにより、吸入室３７の吸入圧が急激に上昇し、可動スクロール３４の吸入室３７側に掛かる荷重が大きくなるような場合であっても、可動スクロール３４全体に掛かる吸入圧の影響を小さくして、背圧室４６の圧力で十分に可動スクロール３４を固定スクロール３６側に押圧し続けることができる。

即ち、簡単な構成にして、吸入室３７の圧力より連通路８０ａ、８０ｂの圧力が大きく、さらに当該連通路８０ａ、８０ｂの圧力よりも背圧室４６の圧力が大きいという関係が保たれることになり、背圧力不足をなくすことができる。
これにより、可動スクロール３４の転覆を防ぐことができ、転覆により生じる圧縮室３９から圧縮ガスの漏れがなくなり、圧縮不良を防ぐことができる。

また、背圧調整弁７０のシリンダ７８の内壁のうち、少なくともテーパ面７９のボール７２が当接する部分にリューブライト処理を施すことにより、テーパ面７９のボール７２が当接する部分を面粗度を改善して滑らかなものにできる。これにより、背圧調整弁７０の閉弁時におけるテーパ面７９とボール７２との間の密閉性が向上し、例えば圧縮室３９の圧縮ガスが背圧室４６へ漏れることを防止することができ、より一層圧縮不良を防ぐことが可能である。

以上で本発明の一実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では背圧調整弁７０はボール７２をスプリング７４でテーパ面７９に向けて押圧するよう構成されているが、同様の機能を有し本発明の特徴を損なわない限り、背圧調整弁７０は上記構成に限定されるものではない。

さらに、上記実施形態では冷凍空調装置やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれる密閉型のスクロール圧縮機について説明しているが、これに限らず種々の分野における密閉型以外の圧縮機または膨張機等のスクロール型の流体機械に適用可能である。

本発明の実施形態に係るスクロール型流体機械の縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図である。

符号の説明

１ スクロール圧縮機
２ ハウジング
３４ 可動スクロール
３６ 固定スクロール
３７ 吸入室
３９ 圧縮室
４６ 背圧室
７０ 背圧調整弁
７２ ボール
７４ スプリング
７６ 栓部材
７８ シリンダ
７９ テーパ面
８０ａ，８０ｂ 連通路

Claims (3)

1. 容器内を延び、該容器に回転自在に支持される回転軸と、
   前記回転軸の上端側に偏心して一体形成されたクランクピンと、
   前記容器内に設けられ、固定スクロール、及び、前記クランクピンが連結されて前記回転軸により駆動されることで該固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動される可動スクロールを有し、前記固定スクロールの渦巻きラップと前記可動スクロールの渦巻きラップを噛み合わせて形成される圧縮室の容積を前記軸心に向かうにつれ減少させながら作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニットと、
   前記容器内に収容され、前記回転軸を支持する軸受けを含む主軸フレームと、
   前記主軸フレームの上面と前記可動スクロールの鏡板面との間に形成され、潤滑油が加圧された状態で充填された背圧室と、
   前記背圧室と前記圧縮室とを連通する連通路と、
   該連通路に介装され、前記背圧室の圧力が前記圧縮室の圧力よりも所定差圧大きくなるよう前記背圧室の圧力を調整可能な背圧調整弁とを備え、
   前記連通路は、作動流体が吸入される位置よりも圧縮の進んだ所定位置で前記圧縮室と連通していることを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記連通路は前記固定スクロール内を延び、前記背圧調整弁は前記固定スクロール内に配設されていることを特徴とする、請求項１記載のスクロール型流体機械。
3. 前記背圧調整弁は、一側が前記連通路を介して前記圧縮室と連通するとともに他側が逆円錐状のテーパ面を有して縮径され前記背圧室と連通するシリンダと、該シリンダ内に前記テーパ面と当接するよう挿入されたボールと、該ボールを前記テーパ面に向け付勢するスプリングとからなり、
   前記シリンダの内壁のうちの少なくとも前記テーパ面の前記ボールと当接する部分にはリン酸マンガン皮膜処理が施されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のスクロール型流体機械。

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