JP5786130B2 - 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、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高圧状態となるため、旋回スクロールには固定スクロールから引き離される方向に離反力が働く。その結果、旋回スクロールと固定スクロールには隙間が生じるため、圧縮途中の漏れが発生し、性能悪化を引き起こしてしまう。この対策として、旋回スクロールの背面に中間圧力を印加させ、固定スクロールからの離反を防止する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたスクロール圧縮機では、旋回スクロールの背面部の端板に設けられた旋回スクロールの旋回運動により背圧室に連通する連通穴の開口端と旋回スクロールの旋回運動により背圧室と圧縮室を連通する穴により背圧室の圧力を所定の圧力、つまり、中間圧力に維持されている。

特開２００９−２８１３７７号公報

前記従来の構成では、冷媒ガスのバイパス吐出穴の有無およびバイパス吐出するタイミングと旋回スクロールの背面に連通する連通穴と背圧室が連通するタイミングについて何ら開示されていない。そのため、低圧縮比運転時において過圧縮運転により圧縮室の圧力は高くなると考えられる。また、背圧室も圧力脈動が存在するが必要圧力として旋回スクロールの離反を防止するため背圧を設定する必要があり、結果として定格条件など実運転時に過剰圧力となり入力増加による性能悪化等の問題が発生すると考えられる。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、高圧領域と背圧室が連通するタイミングと容積比の高い側のバイパス穴が開口するタイミングを調整することにより、背圧室の圧力脈動の高くなるタイミングで圧縮室の圧力は過圧縮状態にすることにより、過剰な背圧をかける必要が無くなり、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。

上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、前記旋回スクロールの背面には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、前記固定スクロールには、メイン吐出とは別に圧縮途中で連通するバイパス吐出穴が形成され、前記高圧領域と前記背圧室を間欠的に連通させる経路
が開口するタイミングは、バイパス吐出穴が開口するタイミングに対して、クランク角度で１０度以上８０度以下早く開口するように設定されている。

本発明のスクロール圧縮機は、バイパス穴が開口し始めるタイミングのクランク角度１０〜８０°手前の範囲で、高圧領域と背圧室を連通させる経路の開口端が背圧側へ開口するため、過圧縮により圧縮室の内圧が上昇するタイミングに背圧室の圧力を高く設定できるために、過剰な圧力を印加させることなく旋回スクロールの離反が抑制することが可能となり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固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせた状態での断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機のクランク角度変化による圧縮室内の圧力と背圧室内の圧力変化を示したグラフ 従来のスクロール圧縮機の固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせた状態での断面図 従来のスクロール圧縮機のクランク角度変化による圧縮室内の圧力と背圧室内の圧力変化を示したグラフ

第１の発明に係る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、旋回スクロールの背面には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、前記固定スクロールには、メイン吐出とは別に圧縮途中で連通するバイパス吐出穴が形成され、前記高圧領域と前記背圧室を間欠的に連通させる経路が開口するタイミングは、容積比の高い側の圧縮室のバイパス吐出穴が開口するタイミングに対して、クランク角度で１０度以上８０度以下早く開口するように設定されている。これにより、過圧縮により圧縮室の内圧が上昇するタイミングに背圧室の圧力を高く設定できるために、過剰な圧力を印加させることなく旋回スクロールの離反が抑制することが可能となり高効率を実現することができる。

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この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の実施の形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。図２は本実施形態に係る圧縮機構部の要部拡大断面図である。以下、本実施の形態の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及び固定スクロール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、また低負荷運転時は固定スクロール１２の圧縮室途中に設けられたバイパス穴１８ａよりリード弁１９を押し開いて密閉容器１内に吐出される。

また旋回スクロール１３の背面１３ｅには、高圧領域３０と、高圧と低圧の中間圧に設定された背圧室２９が形成されている。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。

圧縮機運転中は、クランク軸４の下端にはポンプ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、オイルフィルタ等で異物を除去した後、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、旋回スクロール１３に形成され、かつ高圧領域３０に一方の開口端を有する第１の経路５４を通って、自転拘束機構１４が位置している背圧室２９に進入し、スラスト摺動部及び自転拘束機構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。

また旋回スクロール１３には、背圧室２９に一方の開口端５５ａを有する第２の経路５５が形成されており、旋回スクロール１３の旋回運動に伴って、背圧室２９と圧縮室１５を間欠的に連通させる。例えば図２に示す構成の場合、第２の経路５５における他方の開口端５５ｂを、固定スクロール１２のラップ溝底面に形成された凹部１２ｄに周期的に開口させることで、間欠連通を実現させている。その結果オイルが圧縮室１５に供給される。

ここで背圧室２９におけるオイル量について説明する。第１の経路５４を介して高圧領域３０から背圧室２９へと進入するオイル６と、第２の経路５５を介して背圧室２９から圧縮室１５へと進入するオイル６に関して、前者のオイル量が多い場合、背圧室２９には過剰なオイル６が供給されるため、圧力が上昇してしまう。その結果、旋回スクロール１３に過剰な背圧が印加される。過剰な背圧が印加された場合には、スラスト荷重が増大するため、性能悪化や信頼性悪化を引き起こすという課題があり、また前者のオイル量が少ない場合背圧力が圧縮室の内圧の反力より小さくなることにより旋回スクロールの離反による性能悪化・騒音増大の問題が発生する。

図５にバイパス穴１８ａが開口した時の従来の旋回スクロール１３、固定スクロール１２及び開口端５４ｂの関係を示す。図５から明らかなようにバイパス穴１８ａが開口した時は、開口端５４ｂは高圧領域側にあるために背圧室２９へオイル供給がされない位置関
係にある。

図６に低負荷運転時におけるクランク角度変化に伴う圧縮室１５圧力変化および背圧室２９にける圧力変化を示したグラフである。横軸にクランク角度、縦軸がそれぞれの圧力変化をあらわしたものである。低負荷運転時に開口端５４ｂが開口する前に圧縮室１５の圧力がシステム高圧に達することが多いためグラフに示したように過圧縮運転な状態になる。その時圧縮室１５内の圧力が増加し旋回スクロール１３への反力は増加する。しかしながら背圧室２９の圧力は開口端５４ｂが開口した時は、背圧側領域に開口しておらず高圧側領域にあるため、背圧力は図６に示されるように低くなっている。

そのため、旋回スクロール１３が固定スクロール１２より離反しないような必要な背圧力は平均背圧力よりも高く設定する必要があり定格運転などシステムで通常、もしくは負荷の高い運転時において背圧力は必要圧力より大きくなるため旋回スクロール１３及び固定スクロール１２間で生じる摺動損失が増加する。

そこで、本実施の形態のスクロール圧縮機では、旋回スクロール１３の背面１３ｅに形成された他方の開口端５４ｂを、高圧領域３０と背圧室２９を周期的に往来させるものであり、開口端５４ｂが背圧領域側へ開口するタイミングをバイパス穴１８ａが開口する手前１０°〜８０°で設定している。つまり図３に示したように開口端５４ｂは背圧側へ開口しているため、開口端５４ｂより背圧室２９へ高圧オイルが流れ込む。本発明のクランク角度変化によるそれぞれの圧力変化をあらわしたグラフを図４に示す。グラフから明らかなように圧縮室内圧が高くなる過圧縮状態の時に背圧室の圧力も高くなり低負荷運転時の必要背圧力は小さく設定することが可能となる。その結果、背圧力を小さくすることにより高効率化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、バイパス穴１８ａが開口するタイミングの１０°〜８０°手前で第１の経路５４の開口端５４ｂを背圧室２９に開口することにより背圧室の圧力を低く設定が可能となり、冷媒を限ることなく、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。

１ 密閉容器
２ 圧縮機構
６ オイル
１２ 固定スクロール
１２ｄ 凹部
１３ 旋回スクロール
１３ｅ 背面
１４ 自転拘束機構
１５ 圧縮室
１８ａ バイパス穴
２６ オイル供給穴
２９ 背圧室
３０ 高圧領域
５４ 第１の経路
５４ｂ 開口端（背圧室側）
５５ 第２の経路
５５ａ 開口端（背圧室側）
５５ｂ 開口端（圧縮室側）

Claims (1)

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、前記旋回スクロールの背面には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、
   前記固定スクロールには、メイン吐出とは別に圧縮途中で連通するバイパス吐出穴が形成され、前記高圧領域と前記背圧室を間欠的に連通させる経路が開口するタイミングは、バイパス吐出穴が開口するタイミングに対して、クランク角度で１０度以上８０度以下早く開口するように設定されているスクロール圧縮機。