JP5141432B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

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。運転中、旋回スクロールにはその背面の背圧室に圧力が印加されており、固定スクロールに張り付いた状態となっており、軸方向の密封を保っている。その背圧室に圧力を印加するため、背圧室と圧縮室を連絡する通路を設ける構成をとっていた（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断面図である。図６において、旋回スクロール１３の端板１３ａに設け、圧縮室１５側に開口する圧縮室側開口部２２ｃから背圧室２９に開口する背圧室側開口部２２ｂへ連通する連絡通路２２を備え、旋回スクロール１３の旋回運動に伴い、圧縮室側開口部２２ｃが固定スクロール１２の端板１２ａで開閉されることで連絡通路２２の連通及び閉塞が行われる。

この構成により背圧室２９と圧縮室１５との間を流出入する流体の流動抵抗をより小さくして、かつ旋回スクロール１３背面の背圧室２９を所定の圧力に維持し、圧縮効率及び信頼性を向上するものである。
特開２００７−２７０６９７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、背圧室への給油が明記されておらず、給油方式によっては背圧室の圧力が過大になる恐れがある。すなわち、旋回スクロールの背面に過剰な圧力が印加することで固定スクロールとの軸方向の摺動面（スラスト面）には過大な押し付け力が発生するため、摺動損失増大による性能悪化やかじりや異常磨耗等の信頼性悪化を引き起こすことになる。また、圧縮室への給油については、背圧室から圧縮室を連結する連絡通路により、片方の圧縮室に給油されるが、背圧室への給油方式によっては、多量のオイルが圧縮室へ流入してしまい、流入したオイルによる粘性動力により性能悪化を引き起こしてしまう。さらに、背圧室から圧縮室への連絡通路のみでは、もう片方の圧縮室にはオイルが供給されにくいためシールオイル不足による性能悪化を引き起こすことになる。

そこで、本発明は、上記従来の課題を解決するもので、吐出圧力雰囲気の高圧領域と背圧室、背圧室と圧縮室のそれぞれを間欠的に連通することで、安定した背圧の印加を実現できるとともに、適量のシールオイルを片方の圧縮室に供給し、さらに、高圧領域ともう片方の圧縮室を連通することで、適量のシールオイルをもう片方の圧縮室にも供給することにより、高効率で高信頼性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、高圧領域と背圧室を間欠的に連通させる第１の経路と、背圧室と圧縮室を間欠的に連通させる第２の経路と、
圧縮室と高圧領域を連通させる第３の経路とを設けたものである。

この構成により、安定した背圧の印加を実現できるとともに、双方間に形成される圧縮室に適量のシールオイルを供給することにより、高効率で高信頼性なスクロール圧縮機を実現することができる。

本発明のスクロール圧縮機は、旋回スクロールの背面に形成される背圧室において安定した圧力を印加できるともに、双方間に形成される圧縮室に適量のシールオイルを供給できるため、高効率で高信頼性なスクロール圧縮機を実現することができる。

第１の発明は、スクロール圧縮機において、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、固定スクロールのラップ外壁と旋回スクロールのラップ内壁に第１の圧縮室と、固定スクロールのラップ内壁と旋回スクロールのラップ外壁に第２の圧縮室を形成し、旋回スクロール背面に吐出圧力雰囲気の高圧領域と背圧室を形成し、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、高圧領域と背圧室を間欠的に連通させる第１の経路と、背圧室と圧縮室を間欠的に連通させる第２の経路と、高圧領域と圧縮室を連通させる第３の経路とを設けたものである。

これによって、高圧領域と背圧室、背圧室と圧縮室のそれぞれを間欠的に連通することで、安定した背圧の印加を実現できるとともに、適量のシールオイルを片方の圧縮室に供給し、さらに、高圧領域と圧縮室を連通することで、適量のシールオイルをもう片方の圧縮室にも供給することにより、高効率で高信頼性なスクロール圧縮機を実現できる。

第２の発明は、特に第１の発明で、第２の経路を第１の圧縮室と連通させるとともに、第３の経路を第２の圧縮室に連通させ、または、第２の経路を第２の圧縮室へ連通させるとともに、第３の経路を前記第１の圧縮室へ連通させたものである。

これによって、第１の圧縮室および第２の圧縮室のそれぞれに別経路でオイルを供給することができるため、それぞれの圧縮室に最適量のオイルを供給することができ、高効率で高信頼性なスクロール圧縮機を実現できる。

第３の発明は、特に第１から２の発明で、第３の経路を旋回スクロールの内部に設け、第３の経路の圧縮室側の開口部を旋回スクロールのラップ先端部に設けたものである。

第３の経路の圧縮室側の開口部を旋回スクロールのラップ先端部に設けているため、開口部の設置位置や開口部の形状を調整することが容易であり、圧縮室へ最適な位置に最適量のオイルを供給することができ、高効率なスクロール圧縮機を実現できる。

第４の発明は、特に第３の発明で、第３の経路の圧縮室側の開口部に連通し、第１の圧縮室あるいは、第２の圧縮室に臨むように凹部を旋回スクロールのラップ先端部に設けたものである。

旋回スクロールのラップ先端部に設けた凹部の位置を調整することにより、第３の経路を経由したオイルを第１の圧縮室あるいは第２の圧縮室のいずれか片方の圧縮室に供給することができる。また、凹部の形状や深さを調整することにより、圧縮室へのオイル供給量を容易に調整することができ、高効率なスクロール圧縮機を実現できる。

第５の発明は、特に第１〜３の発明で、第３の経路が、高圧領域と圧縮室を間欠的に連通させたものである。高圧領域のオイルを間欠的に圧縮室へ連通させることによって、容易に圧縮室へ適量のオイルを供給することができ、高効率なスクロール圧縮機を実現できる。

第６の発明は、特に第５の発明で、第３の経路の圧縮室側の開口部が、旋回スクロールの旋回運動によって、間欠的に開口するように固定スクロールのラップ溝底面に凹部を設けたものである。これによって、固定スクロールのラップ溝底面に設けた凹部の形状を調整することによって、第３の経路の圧縮室側の開口部が圧縮室へ臨む開口時間を容易に制御することができるため、適量のオイルを圧縮室に供給することができ、高効率なスクロール圧縮機を実現できる。

第７の発明は、特に第１、２あるいは５の発明で、第３の経路を旋回スクロールの内部に設け、第３の経路の圧縮室側の開口部を旋回スクロールのラップ底面部に設けたものである。これによって、旋回スクロールのラップ部を加工しないため、加工を単純化することができるとともに、旋回スクロールのラップ部の剛性低下を抑制することができる。

第８の発明は、特に第１から７の発明で、第１の経路の高圧領域側の開口部と第３の経路の高圧領域側の開口部を同一位置としたものである。これによって、加工を単純化できるとともに、それぞれの経路に必要な部品を統一でき、部品点数を減少させることができる。また、加工箇所が減少するため、加工することによる旋回スクロールの剛性低下を抑制することができる。

第９の発明は、特に第１から８の発明で、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。二酸化炭素冷媒を使用する場合、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力の圧力差は、フロンを冷媒とする従来の冷凍サイクルの圧力差の約７〜１０倍以上高い。そのため、高圧領域から背圧室および高圧領域から圧縮室の差圧も大きいため、多量のオイルが流入しやすいが、第１から第８の発明により、差圧が大きな場合でも適量のオイルを供給することができ、高効率で高信頼性なスクロール圧縮機を実現できる。

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の圧縮機構部の断面図、図３は圧縮機構部の平面図である。図のように構成されたスクロール圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

図１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規制機構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、固定スクロール１２のラップ１２ｂ外壁と旋回スクロール１３のラップ１３ｂの内壁に第１の圧縮室１５ａと固定スクロール１２のラップ１２ｂ内壁と旋回スクロール１３のラップ１３ｂの外壁に第２の圧縮室１５ｂを形成し、その第１の圧縮室１５ａと第２の圧縮室１５ｂのそれぞれが外周側から中
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の背面部分には、主軸受部材１１に配置されている摺動仕切り環７８があり、旋回運動を行いながら摺動仕切り環７８により、摺動仕切り環７８の内側領域である吐出圧力雰囲気の高圧領域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。

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。

旋回スクロール１３の鏡板１３ａの背面の高圧領域３０に供給されたオイル６の別の一部を、旋回スクロール１３の旋回運動によって摺動仕切り環７８をまたいで、間欠的に背圧室２９へ給油する第１の経路８１を旋回スクロール１３に設けている。

図２のように、旋回スクロール１３は、旋回運動に伴い、図２の（ａ）、（ｂ）の状態を繰り返す。この時、旋回スクロール１３の鏡板１３ａの背面において、環状仕切り環７８の内側が高圧領域３０を形成し、その外周部は背圧室２９を形成している。したがって、第１の経路８１の背圧室側の開口部が環状仕切り環７８の外周部に位置する場合のみ高圧領域３０と背圧室２９が連通され、高圧のオイル６が背圧室２９に供給される。図においては、オイル６が供給可能となるのは（ａ）の状態である。

上記構成により、背圧室２９への高圧のオイル６の供給が間欠的になされ、連通時間を調整することにより背圧室２９へ適量のオイルを供給することが可能となり、自転規制機構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。

また、背圧室２９と圧縮室１５を連通するように、第２の経路８２を旋回スクロール１３に設けるとともに、旋回スクロール１３の旋回運動によって、第２の経路８２の圧縮室１５側の開口部８２ｂが間欠的に開口するように、固定スクロール１２のラップ溝底面１２ｃに凹部８４を設けている。

図２（ａ）の状態の時、第２の経路８２の圧縮室１５側の開口部８２ｂが固定スクロール１２のラップ溝底面１２ｃに設けられた凹部８４に開口し、凹部８４は、圧縮室１５ｂと連通しているため、背圧室２９と圧縮室１５ｂが連通し、背圧室２９のオイルは圧縮室１５ｂへ供給され、圧縮室１５間の漏れ防止と摺動部の潤滑に寄与している。一方、図２
（ｂ）の状態の時、背圧室２９は、圧縮室１５ｂに開口しない状態である。

上記構成により、背圧室２９と圧縮室１５ｂが短い時間で間欠的に連通できるため、背圧室２９の圧力を、変動の少ない所定の圧力に維持することが容易となる。また、双方に形成される圧縮室１５の片方の圧縮室１５ｂにのみ背圧室２９と開口しているため、背圧室２９の圧力が圧縮室１５の圧力より常に高い状態となるため、圧縮室１５から背圧室２９への逆流を防止できるので、高効率化を実現できる。

さらに、高圧領域３０と、第２の経路８２が連通する圧縮室１５ｂとは違うもう片方の圧縮室１５ａが連通するように、第３の経路８３を旋回スクロール１３に設けるとともに、第３の経路８３の圧縮室１５側の開口部８３ｂと圧縮室１５ａが連通するように旋回スクロール１３のラップ先端部１３ｄに凹部８５を設けている。

これにより、第２の経路８２により片方の圧縮室１５ｂに適量のシールオイルを供給し、さらに、高圧領域３０ともう片方の圧縮室１５ａを連通することで、適量のシールオイルをもう片方の圧縮室１５ａにも供給することにより、高効率で高信頼性なスクロール圧縮機を実現できる。また、凹部８５の設置位置や形状、あるいは凹部８５の深さを調整することにより、最適量のオイルを供給することが可能である。

また、上記記述では、第２の経路８２が圧縮室１５ｂ、第３の経路８３が圧縮室１５ａと連通しているが、第２の経路８２が圧縮室１５ａ、第３の経路８３が圧縮室１５ｂに連通しても、同様の効果があることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図４を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部の断面図を示す。図４に示すように、高圧領域３０と、第２の経路８２が連通する圧縮室１５ｂとは違うもう片方の圧縮室１５ａが連通するように、第３の経路８３を旋回スクロール１３に設けるとともに、第３の経路８３の圧縮室１５側の開口部８３ｂと圧縮室１５ａが間欠的に連通するように固定スクロール１２のラップ溝底面１２ｃに凹部８６を設けている。

図４（ａ）の状態の時、第３の経路８３の圧縮室１５側の開口部８３ｂが固定スクロール１２のラップ溝底面１２ｃに設けられた凹部８６に開口し、凹部８６は、圧縮室１５ａと連通しているため、高圧領域３０と圧縮室１５ａが連通し、高圧領域のオイルは圧縮室１５ａへ供給され、圧縮室１５間の漏れ防止と摺動部の潤滑に寄与している。一方、図４（ｂ）の状態の時、高圧領域３０は、圧縮室１５ａに開口しない状態である。

この構成により、第２の経路８２により片方の圧縮室１５ｂに適量のシールオイルを供給するとともに、第３の経路８３によって、高圧領域３０ともう片方の圧縮室１５ａにもシールオイルを供給するが、固定スクロール１２のラップ溝底面１２ｃに設けた凹部８６の形状、位置、深さを調整することによって、第３の経路８３の圧縮室１５側の開口部８３ｂが圧縮室１５ａへ臨む開口時間や流路抵抗を制御することができるため、適量のオイルを容易に制御して圧縮室１５ａに供給することができ、高効率なスクロール圧縮機を実現できる。

（実施の形態３）
図５を用いて、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部の断面図を示す。図５に示すように、高圧領域３０と、第２の経路８２が連通する圧縮室１５ｂとは違うもう片方の圧縮室１５ａが連通するように、第３の経路８３の圧縮室１５側の開口部８３ｂを旋回スクロール１２
のラップ底面部１２ｃに設けている。

図５（ａ）状態の時、第３の経路８３の圧縮室１５側の開口部８３ｂが圧縮室１５ａと連通しているため、高圧領域３０と圧縮室１５ａが連通し、高圧領域のオイルは圧縮室１５ａへ供給され、圧縮室１５間の漏れ防止と摺動部の潤滑に寄与している。一方、図５（ｂ）の状態の時、第３の経路８３の圧縮室１５側の開口部８３ｂが固定スクロール１２のラップ先端部１２ｄあるいは鏡板１２ａにより閉塞し、高圧領域３０は、圧縮室１５ａに開口しない状態である。

この構成により、第２の経路８２により片方の圧縮室１５ｂに適量のシールオイルを供給し、第３の経路８３によって、間欠的に高圧領域３０ともう片方の圧縮室１５ａにもシールオイルを供給するため高効率なスクロール圧縮機を実現できる。

また、旋回スクロール１３のラップ部１３ｂを加工しないため、加工を単純化することができるとともに、旋回スクロール１３のラップ部１３ｂの剛性低下を抑制することができる。

また、第１の経路８１の高圧領域３０側の開口部８１ａと第３の経路８３の高圧領域３０側の開口部８３ａを同一位置としている。これによって、加工を単純化できるとともに、それぞれの経路に必要な部品を統一でき、部品点数を減少させることができる。また、加工箇所が減少するため、加工することによる旋回スクロール１３の剛性低下を抑制することができる。

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、吐出圧力と吸入圧力の差圧が大きいため、高圧領域から背圧室および高圧領域から圧縮室の差圧も大きいため、多量のオイルが流入しやすく、また、背圧室２９の圧力によっては、旋回スクロール１３が固定スクロール１２に過大な押し付け荷重が発生するので、本発明の実施の形態の効果が顕著に現れ、高効率、高信頼性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、あらゆる運転条件下においても、高効率、高信頼性を実現することがき、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圧縮機構部の断面図 本発明の実施の形態３におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の断面図 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

６ オイル
１１ 主軸受部材
１２ 固定スクロール
１２ａ 鏡板
１２ｂ ラップ
１２ｃ ラップ溝底面
１２ｄ ラップ先端部
１３ 旋回スクロール
１３ａ 鏡板
１３ｂ ラップ
１３ｃ ラップ底面
１４ 自転規制機構
１５、１５ａ、１５ｂ 圧縮室
２９ 背圧室
３０ 高圧領域
８１ 第１の経路
８１ａ 高圧領域側開口部
８１ｂ 背圧室側開口部
８２ 第２の経路
８２ａ 背圧室側開口部
８２ｂ 圧縮室側開口部
８３ 第３の経路
８３ａ 高圧領域側開口部
８３ｂ 圧縮室側開口部
８４ 凹部
８５ 凹部
８６ 凹部

Claims (9)

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、前記固定スクロールのラップ外壁と前記旋回スクロールのラップ内壁に第１の圧縮室と、前記固定スクロールのラップ内壁と前記旋回スクロールのラップ外壁に第２の圧縮室を形成し、前記旋回スクロール背面に吐出圧力雰囲気の高圧領域と背圧室を形成し、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、前記高圧領域と前記背圧室を間欠的に連通させる第１の経路と、前記背圧室と前記圧縮室を間欠的に連通させる第２の経路と、前記高圧領域と前記圧縮室を連通させる第３の経路とを設けたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 第２の経路を第１の圧縮室と連通させるとともに、第３の経路を第２の圧縮室に連通させ、または、前記第２の経路を前記第２の圧縮室へ連通させるとともに、前記第３の経路を前記第１の圧縮室へ連通させることを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 第３の経路を旋回スクロールの内部に設け、前記第３の経路の圧縮室側の開口部を前記旋回スクロールのラップ先端部に設けた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圧縮機。
4. 第３の経路の圧縮室側の開口部に連通し、第１の圧縮室あるいは、第２の圧縮室に臨むように凹部を前記旋回スクロールのラップ先端部に設けたことを特徴とする請求項３に記載のスクロール圧縮機。
5. 第３の経路が、高圧領域と圧縮室を間欠的に連通させたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
6. 第３の経路の圧縮室側の開口部が、旋回スクロールの旋回運動によって、間欠的に開口するように固定スクロールのラップ溝底面に凹部を設けたことを特徴とする請求項５に記載のスクロール圧縮機。
7. 第３の経路を旋回スクロールの内部に設け、前記第３の経路の圧縮室側の開口部を前記旋回スクロールのラップ底面部に設けたことを特徴とする請求項１または２あるいは５に記載のスクロール圧縮機。
8. 第１の経路の高圧領域側の開口部と第３の経路の高圧領域側の開口部を同一位置としたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
9. 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８のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。