JP5149850B2 - スクロール型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール型流体機械に係り、詳しくは、可動スクロールの背面に背圧を加える背圧室を形成し、背圧室内の背圧を調節可能なシールリングを備えた密閉型のスクロール型流体機械に関する。

この種のスクロール型流体機械は、その密閉容器内に冷媒の吸入、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を備えている。詳しくは、このスクロール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有し、固定スクロールは、主軸フレームを介して密閉容器に固定されている。一方、可動スクロールは主軸フレームと固定スクロールとの間に配置され、この可動スクロールの端板の背面側には背圧室が形成されている。この背圧室は可動スクロールの背面とこの背面と対向する主軸フレームの端面との間をシールリング装置により仕切ることで形成されており、当該背圧室にはスクロールユニットから吐出された高圧の冷媒の一部、即ち、吐出圧が導かれるようになっている。それ故、背圧室内の吐出圧が可動スクロールに働くスラスト荷重に対抗する背圧となり、可動スクロールの公転旋回運動は円滑に実施される。

このようなシール装置は、例えば、主軸フレームの端面に取り付けられ、可動スクロールの背面に相対的に摺接する二重構造のシールリングを含んでいる。このシールリングはその外側を背圧室に形成し、この背圧室内の圧力をシールリングの内側よりも高く維持するシール機能を発揮する（特許文献１）。
一方、他のシール装置は、一対のシールリング間にて形成された円環状の背圧室と、可動スクロール内を延び、スクロールユニットの圧縮室が冷媒の圧縮過程中、所定のタイミングで圧縮室と背圧室とを互いに連通させ、圧縮室内の圧力を背圧室に供給する連通路とを備えている（特許文献２）。

特開２００２−２１７５２公報 特開２０００−１３６７８２公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたシール装置では、流体機械の運転状況に拘わらず、背圧室内の圧力、即ち、背圧が一定に保持されていることから、スクロールユニットの吐出圧、即ち、可動スクロールに働くスラスト荷重が低下すると、可動スクロールに加わる背圧が過度になり、可動スクロールの円滑な公転旋回運動が損なわれることがある。

また、上記特許文献２に開示されたシール装置では、可動スクロール内に連通路を形成しなければならいので、可動スクロールの構造が複雑になる。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、その運転状況に拘わらず、可動スクロールのスラスト荷重に対抗する背圧を可動スクロールに効果的に加えることができ、可動スクロールの摩擦抵抗の増大や、スクロールユニットの圧縮効率の低下を防ぐことができるスクロール型流体機械を提供することにある。

上述の目的を達成すべく、請求項１記載のスクロール型流体機械は、ハウジング内に収容され、固定スクロール及びこの固定スクロールに対して旋回運動する可動スクロールを含むスクロールユニットと、ハウジング内に可動スクロールの背面に隣接して配置され、可動スクロールを旋回運動させる主軸を支持するとともに、可動スクロールの背面に対向する端面を有した支持部材と、可動スクロールの背面と支持部材の端面との間に形成され、スクロールユニットから吐出された作動流体の一部がハウジング内を通じて導かれる背圧室と、可動スクロールの径方向に関して、背圧室を区画可能なシール装置とを備え、シール装置は、可動スクロールの径方向に互いに離間して配置された内外のシールリングと、各シールリングの一部をそれぞれ分断して設けられ、通常はそのシールリングの内外を連通させるべく開かれているが、シールリングの熱膨張により閉じられる開口部とを含み、外側のシールリングの開口部を閉じる温度は、内側のシールリングの開口部を閉じる温度よりも低いことを特徴とする。

請求項１のスクロール型流体機械によれば、その運転速度が上昇し、ハウジング内の圧力及び温度が上昇すると、シールリングの温度が上昇し、外側のシールリングの開口部が閉まる。この場合、背面の有効受圧面積は外側のシールリングの内側のみになる。そして、運転速度が更に上昇し、ハウジング内の圧力及び温度が高くなると内側のシールリングの開口部も閉じ、この場合には、背面の有効受圧面積は内側のシールリングの内側のみに更に減少される。

これにより、スクロール型流体機械の運転状況に拘わらず、可動スクロールのスラスト荷重に対抗する背圧を可動スクロールに効果的に加えることができ、可動スクロールの摩擦抵抗の増大や、スクロールユニットの圧縮効率の低下を防ぐことができる。
請求項２記載のスクロール型流体機械は、内外のシールリングの線膨張率が同一である場合、外側のシールリングの開口部はその開口幅が内側のシールリングの開口部よりも狭いので、開口幅の設定のみにより最適な背圧を加えることができ、それ故、シール装置の構造は簡素化され、可動スクロールに対してより効果的に背圧を作用させることができる。

請求項３記載のスクロール型流体機械は、開口部の開口幅は、そのシールリングの周方向に離間した一対の端面間にて規定され、これら端面は互いに平行であり、且つ、シールリングの径方向に対して角度を存して傾斜されているので、これらの端面同士が密着したとき、ここでの密着面積を増加させることから、背圧室の容積を確実に可変でき、可動スクロールにより一層最適な背圧を作用させることができる。

請求項１〜３のスクロール型流体機械は、運転状況により異なるハウジング内の圧力に対して、背圧室の実質的な容積、つまり、背圧に関して可動スクロールの有効受圧面積を変えることで、可動スクロールに最適な背圧を作用させることができ、過度な背圧に起因した圧縮効率低下の防止を図ることができる。

本発明の一実施例のスクロール型圧縮機の縦断面図である。 図１のスクロールユニットの周辺部の拡大図である。 シール装置の断面図である。

以下、本発明に係るスクロール型流体機械の一実施例について図面を参照して説明する。
図１は、スクロール型流体機械としての圧縮機１の縦断面図を示す。
この圧縮機１は縦置きタイプであり、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。この冷凍回路は、作動流体の一例である二酸化炭素冷媒（以下、冷媒）が循環する循環経路を備え、圧縮機１は循環経路から低圧の冷媒を吸入し、圧縮した高圧の媒体を循環経路に向けて吐出する。

この圧縮機１はハウジング２を備えており、ハウジング２は円筒状の胴部４と、この胴部４の上下を閉じる上蓋６及び下蓋８とを有する。これら上蓋６及び下蓋８は胴部４にそれぞれ気密に嵌合され、ハウジング２内は密閉された状態にある。また、胴部４からは吸入管１０が延び、この吸入管１０は循環経路に接続されている。一方、上蓋６の適宜位置からは吐出管１２が延び、この吐出管１２もまた循環経路に接続されている。

胴部４内には電動モータ１４が収容され、このモータ１４内は主軸、即ち、回転軸１６を有する。この回転軸１６はモータ１４のケースから上下に突出し、回転軸１６の上端は軸受１７を介して主軸フレーム１８に回転自在に支持され、また、その下端は軸受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。
胴部４内には、主軸フレーム１８の上側にスクロールユニット３０が配置され、このスクロールユニット３０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。詳しくは、この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から構成されている。これら可動及び固定スクロール３４、３６は端板３８、４０をそれぞれ備え、これら端板３８、４０には互いに噛み合う渦巻きラップが一体に形成されている。可動スクロール３４の端板３８にはその背面５０にボス４４が一体的に形成され、このボス４４は回転軸１６の上端、即ち、偏心軸４８に軸受４６を介して回転自在に支持されている。それ故、モータ１４、即ち、その回転軸１６が回転されると、可動スクロール３４はその自転が阻止された状態で、回転軸１６の軸線回りに旋回運動する。なお、図中、可動スクロール３４の自転を阻止する機構は省略されている。

一方、固定スクロール３６の端板４０は上蓋６との間に吐出室５４を形成しており、この吐出室５４は吐出管１２のみならず、ハウジング２内に連通した状態にある。そして、端板４０の中央部分には、吐出孔５６が貫通して穿設されており、この吐出孔５６は吐出弁５８により開閉可能となっている。この吐出弁５８は端板４０の背面に配置されている。また、吐出弁５８は吐出カバー６０で覆われており、この吐出カバー６０は、吐出弁５８の開弁時に発生する音の伝播を抑制する。

上述した可動スクロール３４の旋回運動は、可動スクロール３４及び固定スクロール３６の渦巻きラップ間にて圧縮室４２を形成し、この圧縮室４２は渦巻きラップの径方向外周側から中心に向けて移動し、この際、その容積が徐々に減少する。より詳しくは、渦巻ラップの径方向外側にて発生した圧縮室４２は、前述した吸入管１０を通じてハウジング２内に導き出された低圧の冷媒を吸入して閉じ込め、この吸入冷媒は、圧縮室４２が渦巻ラップの中心に向けて移動する過程で圧縮される。この後、圧縮室４２が吐出孔５６に達すると、圧縮室４２内の冷媒圧が吐出弁５８の締切り力に打ち勝って吐出弁５８を開かせ、圧縮室４２から高圧の冷媒が吐出孔５６を通じて吐出室５４内に吐出される。吐出室５４内の高圧の冷媒は吐出管１２を通じて循環経路に送出される一方、吐出室５４からモータ１４側のハウジング２内に充満し、可動スクロール３４における端板３８の背面５０に背圧を作用させる。

詳しくは、可動スクロール３４における端板３８の背面５０と主軸フレーム１８の端面１８Ａとの間には所定の背圧室５２が形成されており、この背圧室５２にハウジング２内の冷媒が前述した軸受４６、１７を通じて背圧室５２に背圧として導かれている。このような背圧は、可動スクロール３４の背面５０にそのスラスト荷重に対抗するように働くことから、可動スクロール３４の公転旋回運動中、主軸フレーム１８の端面１８ａに対する可動スクロール３４の摩擦抵抗を低減する。

一方、モータ１４の回転軸１６内には給油路２８が形成され、この給油路２８は回転軸１６の全長に亘って延びている。回転軸１６の下端にはオイルポンプ２４が装着されており、そして、ハウジング２内の下部は潤滑油Ｌの貯油室２６として形成されている。
オイルポンプ２４は回転軸１６の回転により駆動され、貯油室２６内の潤滑油Ｌを吸引し、吸引した潤滑油Ｌを回転軸１６の給油路２８内に送出する。それ故、潤滑油Ｌは、給油路２８を経て回転軸１６の上端から噴出され、回転軸１６の外周面を伝って流下する。それ故、このような潤滑油の流れは前述した軸受１７、４６の潤滑をなす一方、背圧室５２内に冷媒とともに導かれ、主軸フレーム１８の端面１８Ａと可動スクロール３４との間の摺動部分の潤滑をなし、また、スクロールユニット内の摺動面のシールとしても機能する。

ここで、貯油室２６の潤滑油Ｌの油面には前述したようにハウジング２内の圧力が作用しているので、このような潤滑油Ｌの加圧はオイルポンプ２４の負荷を軽減する一方、背圧室５２に導かれる潤滑油Ｌもまたハウジング２内の圧力と同一となる。
また、副軸フレーム２２の適宜位置には潤滑油Ｌの戻り口３２が形成されており、各摺動部分や軸受１７、４６等に供給された潤滑油Ｌは、戻り口３２を介して貯油室２６に戻される。

前述した背圧室５２は可動スクロール３４の径方向に関し、シール装置６１により区画可能となっており、このシール装置６１に関し、図２、図３を参照しながら説明する。
シール装置６１は、可動スクロール３４における端板３８の背面５０と主軸フレーム１８の端面１８ａとの間に配設されている。シール装置６１は、大径及び小径のシールリング６２、６２’からなり、これらシールリング６２、６２’は主軸フレーム１８の端面１８Ａに回転軸１６の軸心と同心にして取り付けられ、可動スクロール３４の背面５０に対して相対的に摺接する。

詳しくは、主軸フレーム１８の端面１８ａには２つの環状溝６４が同心にして形成され、これらの環状溝６４にシールリング６２、６２’がそれぞれ嵌合されている。
好ましくは、環状溝６４の底とシールリング６２、６２’との間にはばね材料からなる弾性体６６が挟み込まれている。これら弾性体６６はシールリング６２、６２’を可動スクロール３４の背面５０に対して押圧し、シールリング６２、６２’と背面５０との密着力を増加させることができる。

図３に示されるように、シールリング６２、６２’には一部を分断することで、その内外を連通させる開口部７０、７０’がそれぞれ形成されている。これら開口部７０、７０’はそのシールリングの周方向に離間し互いに平行な端面６２ｃ、６２ｄと、６２ｃ’、６２ｄ’とをそれぞれ有し、これら端面はシールリングの径方向に対して角度を存して傾斜している。

上述の開口部７０、７０’はシールリング６２、６２’が常温の状態にあるとき開いている。しかしながら、シールリング６２、６２’の温度が上昇するに連れ、シールリング６２、６２’が熱膨張により周方向に伸長することで、開口部７０、７０’の開度は徐々に減少し、そして、最終的に閉じられる。このとき、シールリング６２の端面６２ｃ、６２ｄ同士、また、シールリング６２’の端面６２ｃ’、６２ｄ’同士は互いに平行であるために良好に密着する。

更に、シールリング６２、６２’の線膨張率が同一である場合、図３から明らかなように、シールリング６２、６２’の常温状態にて、開口部７０’の開度は開口部７０の開度よりもよりも大きくなっている。
従って、圧縮機が低速で運転され、ハウジング２内の圧力、即ち、その温度が低い状態にあるとき、開口部７０、７０’は共に開いている。この場合、背圧室５２は可動スクロール３４の背面５０の全域を含んだ形態で確保され、背面５０の有効受圧面積は大きい。

この後、圧縮機の運転速度が上昇し、これに伴いハウジング２内の圧力及び温度が上昇すると、先ず、シールリング６２の開口部７０が閉まる。この場合、背面５０の有効受圧面積はシールリング６２の内側のみに減少される。
そして、圧縮機の運転速度が更に上昇し、ハウジング２内の圧力及び温度が高くなると、シールリング６２’の開口部７０’もまた閉じ、この場合には、背面５０の有効受圧面積はシールリング６２’の内側のみに更に減少される。

このように、圧縮機の運転状態に応じて、ハウジング２内の圧力（温度）に高低差が発生するとしても、背圧室５２の有効受圧面積、即ち、その容積が変えられることで、ハウジング２内に圧力に拘わらず、可動スクロール３４のスラスト荷重に対して最適な背圧を可動スクロール３４に作用させることができ、可動スクロール３４の背圧が過度になることはない。この結果、可動スクロール３４の円滑な旋回運動が確保され、圧縮効率の低下を防止することができる。

また、開口部７０、７０’の開口幅を規定する端面はシールリングの径方向に対し角度を存して傾斜しているため、端面６２Ｃ、６２ｄ同士及び端面６２ｃ’、６２ｄ’同士が密着したとき、ここでの密着面積を増加させることから、背面５０の有効受圧面積、即ち、背圧室５２の容積を確実に可変でき、可動スクロール３４により一層最適な背圧を作用させることができる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施形態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、上記実施例では、開口部７０、７０’の端面はシールリングの軸線に沿う平坦面に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えばシールリングの軸線に対して傾斜した端面や、Ｌ字形状等のように互いに噛み合い可能な相補形状をなしていてもよく、要はシールリングが熱膨張したとき、互いに密着するものであればよい。

また、上記実施例では、シール装置６１は二重のシールリングから構成されているが、シールリングを三重以上にしてもよく、この場合、より内側のシールリングの開口部が段階的に大きくされていればよい。
また、シールリング６２、６２’との線膨張率が相違する場合、シールリング６２の線膨張率の方が大きければ、開口部７０、７０’の開口幅が同一であってもよい。

また、上記実施例では、シールリング６２、６２’は、主軸フレーム１８の端面１８ａに形成されている環状溝６４を介して取り付けられているが、可動スクロール３４の背面５０に形成される環状溝６４を介して取付けられていてもよい。

１ スクロール型流体機械
２ ハウジング
１６ 回転軸
１８ 主軸フレーム
３０ スクロールユニット
３４ 可動スクロール
３６ 固定スクロール
４２ 圧縮室
５０ 背面
５２ 背圧室
６１ シール装置
６２、６２’ シールリング
６２ｃ、６２ｄ 端面
６４ 環状溝
７０、７０’ 開口部

Claims (3)

1. ハウジング内に収容され、固定スクロール及びこの固定スクロールに対して旋回運動する可動スクロールを含むスクロールユニットと、
   前記ハウジング内に前記可動スクロールの背面に隣接して配置され、前記可動スクロールを旋回運動させる主軸を支持するとともに、前記可動スクロールの背面に対向する端面を有した支持部材と、
   前記可動スクロールの背面と前記支持部材の端面との間に形成され、前記スクロールユニットから吐出された作動流体の一部がハウジング内を通じて導かれる背圧室と、
   可動スクロールの径方向に関して、前記背圧室を区画可能なシール装置と
   を備え、
   前記シール装置は、
   前記可動スクロールの径方向に互いに離間して配置された内外のシールリングと、
   前記各シールリングの一部をそれぞれ分断して設けられ、通常はそのシールリングの内外を連通させるべく開かれているが、前記シールリングの熱膨張により閉じられる開口部と
   を含み、
   前記外側のシールリングの前記開口部を閉じる温度は、前記内側のシールリングの前記開口部を閉じる温度よりも低いことを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記内外のシールリングの線膨張率が同一である場合、外側のシールリングの前記開口部はその開口幅が内側のシールリングの開口部よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記開口部の開口幅は、そのシールリングの周方向に離間した一対の端面間にて規定され、これら端面は互いに平行であり、且つ、シールリングの径方向に対して角度を存して傾斜されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。

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