JP6742567B1

JP6742567B1 - スクロール圧縮機および冷凍サイクル装置

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Publication number: JP6742567B1
Application number: JP2020528350A
Authority: JP
Inventors: 渉岩竹; 雷人河村; 関屋　慎; 慎関屋; 角田　昌之; 昌之角田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: JPWO2021117173A1; WO2021117173A1; CN114787515A

Abstract

固定台板および固定台板上に設けられた固定渦巻体を有する固定スクロールと、揺動台板および揺動台板上に設けられた揺動渦巻体を有し、揺動渦巻体における渦巻の歯が、固定渦巻体における渦巻の歯と噛み合わせて圧縮室となるように配置される揺動スクロールとを密閉容器内に備え、揺動渦巻体は、固定台板に設置されて圧縮室と連通するポートの開口部に対応する位置に設置され、渦巻歯の外向面が滑らかに渦巻の径方向の外向きに凸となって他の部分よりも厚い厚肉部を有し、固定渦巻体および揺動渦巻体は、厚肉部に対向する位置に、渦巻の歯の内向面側および外向面側がともに、渦巻の径方向の同じ方向に変位して巻き方向の前後に比べて変形した変形部を有するものである。

Description

この発明は、空気調和装置、冷凍機などに用いられるスクロール圧縮機および冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、ビル用マルチエアコンなどの空気調和装置では、建物外に配置した熱源機である室外ユニットとしての室外機と建物内に配置した室内ユニットとしての室内機との間を配管接続して冷媒回路を構成する。そして、冷媒回路の冷媒を循環させ、冷媒の放熱および吸熱を利用して、空気を加熱または冷却することで、空調対象空間の暖房または冷房を行っている。

このような空気調和装置に用いられるスクロール圧縮機は、固定スクロールと揺動スクロールとが有する一対の渦巻の歯によって形成される三日月状の圧縮室が、揺動スクロールの揺動運動の回転によって中央に移動しながら容積を減じることで冷媒を圧縮している。ここで、圧縮室の圧力が吐出圧力以上となる過圧縮を抑制するため、圧縮室の途中で過圧縮された冷媒を吐出空間に逃がす“リリーフポート”を設けることが一般的である。そこで、揺動スクロールの歯厚を部分的に大きくし、その対向する位置となる固定スクロールに、リリーフポートとなるインジェクション孔を設けたスクロール圧縮機の構造が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許第５９７８８２３号公報

特許文献１に開示された技術は、固定スクロールのインジェクション孔を極力大きくし、インジェクション孔を介した隣接する圧縮室同士の連通を防止しつつ、インジェクション孔から圧縮室に導入される冷媒の流量を増やす技術である。ここで、特許文献１に開示された技術では、揺動スクロールの歯厚を部分的に大きくした厚肉部に対向する固定スクロールの内向面が凹形状になっており、歯の厚さが薄くなっている。このため、固定スクロールの内向面が凹形状になる薄肉部で変位が大きくなり、圧縮室からのガス冷媒の漏れが増大し、性能が低下するおそれがある。また、圧縮動作が不安定になり、信頼性が低下するおそれがある。

この発明は、上記のような問題を解決するため、高効率かつ高い信頼性を有するスクロール圧縮機および冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

この発明に係るスクロール圧縮機は、固定台板および固定台板上に設けられた固定渦巻体を有する固定スクロールと、揺動台板および揺動台板上に設けられた揺動渦巻体を有し、揺動渦巻体における渦巻の歯が、固定渦巻体における渦巻の歯と噛み合わせて圧縮室となるように配置される揺動スクロールとを密閉容器内に備え、揺動渦巻体は、固定台板に設置されて圧縮室と連通する２か所のポートの開口部に対応する位置に設置され、渦巻歯の外向面が滑らかに渦巻の径方向の外向きに凸となって他の部分よりも厚い厚肉部を有し、固定渦巻体および揺動渦巻体は、厚肉部に対向する位置に、渦巻歯の内向面側および外向面側がともに、渦巻の径方向の同じ方向に変位して巻き方向の前後に比べて変形した変形部を有し、固定台板の２か所のポートのうち、一方のポートは、固定渦巻体の渦巻歯の内向面を壁面とする圧縮室に連通し、固定台板の２か所のポートのうち、他方のポートは、固定渦巻体の外向面を壁面とする圧縮室に連通し、一方のポートは、厚肉部の凸に対応する固定渦巻体の凹形状の内側にあり、他方のポートは、揺動渦巻体の厚肉部の凸と反対側であって、凹凸にされていない固定渦巻体のそばに形成されているものである。

この発明によれば、揺動渦巻体の厚肉部に対向する固定渦巻体の変形部および、固定渦巻体の変形部に対向する揺動渦巻体の変形部を、内向面が凹形状および外向面が凸形状とする。このため、固定渦巻体および揺動渦巻体の変形部における歯厚の減少を抑制することができる。したがって、圧縮室からのガス冷媒の漏れを抑制し、効率よく、性能を向上させることができる。また、圧縮動作を安定させ、信頼性を向上させることができる。

実施の形態１におけるスクロール圧縮機の全体構成の概略を示す図である。実施の形態１におけるスクロール圧縮機の渦巻形状などを示す図である。実施の形態１におけるスクロール圧縮機の厚肉部の幾何形状を説明する図である。実施の形態１におけるスクロール圧縮機の厚肉部を中心とする部分を拡大した図である。実施の形態１におけるスクロール圧縮機の厚肉部８０とリリーフポート４ｂの制約条件について説明する図である。実施の形態１におけるスクロール圧縮機の渦巻に係る圧縮動作を説明する図である。実施の形態１におけるスクロール圧縮機の固定渦巻体の渦巻が所定の条件を満たす形状である場合の渦巻に係る圧縮動作を説明する図である。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接触点について説明する図である。実施の形態２におけるスクロール圧縮機の渦巻形状などを示す図である。実施の形態３におけるスクロール圧縮機の渦巻形状などを示す図である。実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の構成例を表す図である。

以下、発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機および冷凍サイクル装置について図面などを参照しながら説明する。以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。また、以下の説明において、図における上方を「上側」とし、下方を「下側」として説明する。さらに、圧力および温度の高低については、特に絶対的な値との関係で高低が定まっているものではなく、装置などにおける状態および動作などにおいて相対的に定まるものとする。また、添字で区別などしている複数の同種の機器などについて、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字などを省略して記載する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるスクロール圧縮機の全体構成の概略を示す図である。図１では、スクロール圧縮機の内部構成を示すため、断面の概略図となる。実施の形態１に係るスクロール圧縮機は、圧縮対象となる冷媒などの流体を圧縮する圧縮機構部８、回転軸６を介して圧縮機構部８を駆動する電動機構部１１０およびその他の構成部品を有する。そして、外郭を構成する密閉容器１００の内部に、圧縮機構部８、電動機構部１１０などが収納された構成である。実施の形態１におけるスクロール圧縮機では、密閉容器１００内において、圧縮機構部８は、上方に配置されており、電動機構部１１０は、圧縮機構部８よりも下方に配置されている。

密閉容器１００内には、さらに、電動機構部１１０を挟んで対向するようにフレーム７とサブフレーム９とが収納されている。フレーム７は、電動機構部１１０の上側であって、電動機構部１１０と圧縮機構部８との間に配置されている。また、サブフレーム９は、電動機構部１１０の下側に配置されている。フレーム７は、焼嵌めまたは溶接などによって密閉容器１００の内周面に固着されている。また、サブフレーム９は、サブフレームホルダ９ａを介して、焼嵌めまたは溶接などによって密閉容器１００の内周面に固着されている。

サブフレーム９の下方には、容積型ポンプを含むポンプ要素１１１が取り付けられている。ポンプ要素１１１は、密閉容器１００の底部の油溜め部１００ａに溜められた冷凍機油を、後述する圧縮機構部８の主軸受７ａなどの摺動部に供給する機器である。ポンプ要素１１１は、上端面で、回転軸６を軸方向に支承している。

そして、密閉容器１００には、冷媒を吸入する吸入管１０１と、冷媒を吐出する吐出管１０２とが設けられている。

圧縮機構部８は、吸入管１０１から吸入した冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を密閉容器１００内の上方に形成されている高圧部に排出する機能を有する機器である。圧縮機構部８は、固定スクロール１と揺動スクロール２とを備える。固定スクロール１は、前述したフレーム７を介して、密閉容器１００に固定されている。一方、揺動スクロール２は、固定スクロール１の下側に配置されて、後述する回転軸６の偏心軸部６ａに揺動自在に支持されている。

固定スクロール１は、固定台板１ａと、固定台板１ａの一方の面上に立設された渦巻状の突起を渦巻歯として有する固定渦巻体１ｂとを備える。また、揺動スクロール２は、揺動台板２ａと、揺動台板２ａの一方の面上に立設された渦巻状の突起を渦巻歯として有する揺動渦巻体２ｂとを備える。固定スクロール１および揺動スクロール２は、固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂとを逆位相で噛み合わせた対称渦巻形状の状態で、密閉容器１００内に配置されている。そして、固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂとの間の空間は、回転軸６の回転に伴い、半径方向外側から内側へ向かうにしたがって、容積が縮小する圧縮室７１となる。

固定スクロール１は、吐出空間７２に連通する吐出ポート４ａおよびリリーフポート４ｂを有する。吐出ポート４ａおよびリリーフポート４ｂは、固定台板１ａを吐出空間７２から圧縮室７１まで貫通し、連通させる孔である。このため、吐出ポート４ａおよびリリーフポート４ｂは、圧縮室７１側に開口部を有する。そして、吐出ポート４ａは、吐出バルブ１０ａを備える。また、リリーフポート４ｂは過圧縮リリーフバルブ１０ｂを備える。実施の形態１のスクロール圧縮機は、リリーフポート４ｂを２か所に有しているが、１か所または２か所より多くても構わない。

フレーム７は、固定スクロール１を固定配置し、揺動スクロール２に作用するスラスト力を軸方向に支持するスラスト面を有する。フレーム７は、吸入管１０１から吸入された冷媒を圧縮機構部８内に導く導入流路７ｃが貫通形成されている。また、フレーム７上には、揺動スクロール２の旋回運動中の自転を防止するためのオルダムリング１２が配置されている。

電動機構部１１０は、回転軸６に回転駆動力を供給する駆動機器である。電動機構部１１０は、電動機固定子１１０ａおよび電動機回転子１１０ｂを備える。電動機固定子１１０ａは、外部から電力を得るために、フレーム７と電動機固定子１１０ａとの間に存在するガラス端子（図示せず）とリード線（図示せず）とで接続されている。また、電動機回転子１１０ｂは、回転軸６に焼嵌めなどによって固定されている。また、スクロール圧縮機の回転系全体のつり合いをとるため、回転軸６には第１バランスウェイト６０が固定され、電動機回転子１１０ｂには第２バランスウェイト６１が固定されている。

回転軸６は、上部の偏心軸部６ａと、中間部の主軸部６ｂと、下部の副軸部６ｃとで構成されている。偏心軸部６ａは、回転軸６の軸心に対して偏心している。偏心軸部６ａは、バランスウェイト付スライダ５と揺動軸受２ｃとを介して揺動スクロール２に嵌合しており、回転軸６の回転により揺動スクロール２が揺動運動するようになっている。主軸部６ｂは、フレーム７に設けられた円筒状のボス部７ｂの内周に配置された主軸受７ａにスリーブ（図示せず）を介して嵌合しており、冷凍機油による油膜を介して主軸受７ａと摺動する。主軸受７ａは、銅鉛合金などの滑り軸受に使用される軸受材料を圧入するなどしてボス部７ｂ内に固定されている。

サブフレーム９の上部には玉軸受からなる副軸受３を備える。副軸受３は、電動機構部１１０の下部で回転軸６を半径方向に軸支する。ここで、副軸受３は、玉軸受以外の別の軸受構成によって軸支してもよい。副軸部６ｃは。副軸受３と嵌合され、冷凍機油による油膜を介して副軸受３と摺動する。主軸部６ｂおよび副軸部６ｃの軸心は、回転軸６の軸心と一致している。

ここで、密閉容器１００内の空間を、次のように定義する。密閉容器１００の内部空間のうち、フレーム７より電動機回転子１１０ｂ側の空間を第１空間７３とする。また、フレーム７の内壁と固定台板１ａとにより囲まれた空間を第２空間７４とする。

図２は、実施の形態１におけるスクロール圧縮機の渦巻形状などを示す図である。次に、密閉容器１００の内部における圧縮機構部８内の構成などについて、さらに説明する。固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂにおける渦巻歯の噛み合わせによって、固定渦巻体１ｂと揺動渦巻体２ｂの間に複数形成される空間が、前述した圧縮室７１である。そして、揺動渦巻体２ｂは、渦巻の壁面において中心側と反対側を向く外向面の途中において、リリーフポート４ｂの開口部に対向する位置に、揺動渦巻体２ｂの外向面と滑らかに接続する壁面が凸形状の曲線に形成された厚肉部８０を備える。実施の形態１のスクロール圧縮機では、３円弧を組み合わせて凸状とした厚肉部８０とするが、４円弧以上または曲率が連続的に変化する曲線などの形状の厚肉部８０であってもよい。また、固定渦巻体１ｂは、リリーフポート４ｂおよび厚肉部８０に対応した位置に、渦巻形状が部分的に変形した変形部８１ａを有する。また、揺動渦巻体２ｂは、変形部８１ａに対応した位置に、渦巻形状が部分的に変形した変形部８１ｂを有する。変形部８１ａおよび変形部８１ｂについては、後にさらに説明する。ここで、図２では、対称の位置にある三日月形状の圧縮室７１に１か所ずつ合計２か所のリリーフポート４ｂを設けているが、この限りではない。また、２か所のリリーフポート４ｂのうち、一方のリリーフポート４ｂは固定渦巻体１ｂの内向面を壁とする圧縮室７１に連通させ、他方のリリーフポート４ｂは固定渦巻体１ｂの外向面を壁とする圧縮室７１に連通させて、圧縮室７１が対称となるようにしている。ただし、これに限定するものではない。

図３は、実施の形態１におけるスクロール圧縮機の厚肉部の幾何形状を説明する図である。前述した厚肉部８０に関して、揺動渦巻体２ｂの外向面と滑らかに接続する凸形状であるものとした。ここで、「滑らかに接続する」とは、幾何学的には、図３中に示すように、隣接する２つの円弧の接続点および隣接する２つの円弧による曲率の中心座標の各点の３点が、一直線上に並ぶことを意味する。また、ここでは、揺動渦巻体２ｂの外向面と接続するとしているが、厚肉部８０は、揺動渦巻体２ｂと一体化しており、厚肉部８０が有する壁面も揺動渦巻体２ｂの外向面の一部である。図２および図３に示すように、２つの厚肉部８０は、いずれもインボリュート曲線などをベースにした渦巻形状の揺動渦巻体２ｂに対して、特定の部位のみ外側に凸に膨らんだ形状となっている。そして、図２に示すように、２か所のリリーフポート４ｂのうち、外側が固定渦巻体１ｂに、内側が揺動渦巻体２ｂに挟まれた一方のリリーフポート４ｂは、揺動渦巻体２ｂの凸に対応する固定渦巻体１ｂの凹形状の内側にある。一方、外側が揺動渦巻体２ｂに、内側が固定渦巻体１ｂに挟まれた他方のリリーフポート４ｂは、揺動渦巻体２ｂの凸と反対側であって、凹凸になっていない固定渦巻体１ｂのそばにある。

図４は、実施の形態１におけるスクロール圧縮機の厚肉部を中心とする部分を拡大した図である。厚肉部８０は、前述したように、揺動渦巻体２ｂのうち、揺動渦巻体２ｂの外向面が軸方向から見たときに巻き方向前後をつなぐ仮想線（図３などにおいて点線で表したインボリュート曲線など。以下、同じ）よりも外側の位置に、凸形状の面を有し、渦巻の歯が厚くなった部分である。凸状になった部分で、リリーフポート４ｂの開口部を開閉することができる。３円弧以上または曲率が連続的に変化する曲線などの凸形状を有する厚肉部８０の場合、渦巻の巻き方向に対し、インボリュート曲線などの渦巻の曲線、厚肉部８０の外側に曲率中心を有する円弧（たとえば、図４のｒ_{ｏｕｔ＿１}）、厚肉部８０の内側に曲率中心を有する円弧（たとえば、図４のｒ_{ｏｕｔ＿２}）、厚肉部８０の外側に曲率中心を有する円弧（たとえば、図４のｒ_{ｏｕｔ＿３}）、インボリュート曲線などの渦巻の曲線の順に線が接続され、厚肉部８０の凸形状となる。

スクロール圧縮機の駆動により、揺動スクロール２は揺動運動を行う。揺動運動の過程において、固定渦巻体１ｂが揺動渦巻体２ｂの厚肉部８０と接触する部分は、外向面および内向面ともに、巻き方向の前後に比べて径方向の同じ方向に変位するように変形した変形部８１ａとなる。したがって、固定渦巻体１ｂの変形部８１ａにおける内向面は、変形部８１ａの前後をつなぐ仮想線（図４などにおいて点線で表したインボリュート曲線など。以下、同じ）よりも凹んだ形状の面となる。また、変形部８１ａにおける外向面は、前後をつなぐ仮想線よりも凸となった形状の面となる。固定渦巻体１ｂの変形部８１ａの形状も、揺動渦巻体２ｂの厚肉部８０と同数の円弧からなる。同様に、揺動渦巻体２ｂにおいて、揺動運動の過程において、固定渦巻体１ｂの固定渦巻体１ｂの変形部８１ａと接触する部分は、揺動渦巻体２ｂも内向面および外向面ともに、巻き方向の前後に比べて径方向の同じ方向に変位するように変形した変形部８１ｂとなる。

ここで、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂの渦巻の巻き方向を伸開角で表す。伸開角は巻き角といわれることもある。伸開角は、基礎円の中心のまわりで、糸をほどいたときの基礎円と糸との間でできる角度である。実施の形態１の固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂでは、基礎円に巻かれた糸を張りつつ、ほどいていったときの糸の先端が描く軌跡である円の伸開線が渦巻の形状となる。そして、基礎円の半径をａとすると、（ｘ，ｙ）で表される直交座標系において、伸開線上の点の座標は、ｘ＝ａ（ｃｏｓ（θ）＋θ・ｓｉｎ（θ））およびｙ＝ａ（ｓｉｎ（θ）−θ・ｃｏｓ（θ））で表すことができる。このときのθが、伸開角となる。したがって、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂの渦巻における位置は伸開角と対応している。このため、渦巻上の位置は、伸開角を用いて表すことができる。

ここで、渦巻の形状として、単純な円の伸開線をもとにした形状以外に、たとえば、楕円に変形したスクロールなどを用いる場合も考えられる。このような場合も、渦巻の巻き線の中心を決めることが可能であり、その周りの角度を、伸開角θとすることができる。

また、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂの渦巻は歯であり、径方向に厚みを有する。歯の厚みを考慮する場合には、中心線を円の伸開線としたとき、中心側を向いた面となる内向面による線上の点の座標（ｘ，ｙ）を、ｘ＝ａ｛ｃｏｓ（θ）＋（θ−α）・ｓｉｎ（θ）｝およびｙ＝ａ｛ｓｉｎ（θ）−（θ−α）・ｃｏｓ（θ）｝と表してもよい。そして、中心側と反対側である外側を向いた面となる外向面による線上の点の座標（ｘ，ｙ）を、ｘ＝ａ｛ｃｏｓ（θ）＋（θ＋α）・ｓｉｎ（θ）｝およびｙ＝ａ｛ｓｉｎ（θ）−（θ＋α）・ｃｏｓ（θ）｝と表してもよい。

さらに、実施の形態１における揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂにおける渦巻の形状は、基礎円のインボリュート曲線で示される形状である。しかし、これに限定するものではない。たとえば、圧縮室７１の形成が可能な代数螺旋による形状など、他の形状であってもよい。

たとえば、揺動渦巻体２ｂの厚肉部８０の位置における伸開角が伸開角θ［ｒａｄ］とすると、固定渦巻体１ｂが有する変形部８１ａの位置における伸開角は、θ+（２ｎ−１）π［ｒａｄ］となる。また、揺動渦巻体２ｂが有する変形部８１ｂの位置における伸開角は、θ＋２ｎπ［ｒａｄ］となる。ただし、ｎは１以上の自然数とする。図４に示すように、厚肉部８０および変形部８１の円弧について、内向面における凹形状の曲率半径をｒ_ｉｎとし、外向面の凸形状の曲率半径をｒ_ｏｕｔとする。また、揺動半径をｅとする。このとき、厚肉部８０および変形部８１で対向する凹凸面において、対応する円弧の曲率半径は、すべての円弧部分において、ｒ_ｉｎ＝ｒ_ｏｕｔ＋ｅの関係が成立する。したがって、内向面側の円弧の曲率半径が、外向面側の円弧の曲率半径よりも揺動半径分大きい。図４では、ｒ_ｉｎとｒ_ｏｕｔとについて、同じ添字の番号同士の円弧が対応する円弧である。

ここで、厚肉部８０は、ある範囲にわたって、インボリュート曲線などの仮想線よりも外側にある。したがって、厚肉部８０の位置を伸開角θ［ｒａｄ］で示したが、伸開角θ［ｒａｄ］に係る位置だけに厚肉部８０があるわけではなく、伸開角θ［ｒａｄ］の前後のある範囲にわたって厚肉部８０があるという意味である。典型的な厚肉部８０は、図４のｒ_{ｏｕｔ＿２}のように、曲率の中心座標が中心点側にあり、外側に凸となった円弧の箇所に最も外側に凸となる位置がある。この位置における伸開角が、厚肉部８０の伸開角θ［ｒａｄ］である。

また、厚肉部８０よりも外側にある変形部８１ａは、厚肉部８０の範囲よりも広い範囲にわたって形成される。径方向に複数の変形部８１ａがある場合は、外側にある変形部８１ａほど、変形している形状の範囲は広くなる。

厚肉部８０および変形部８１ｂにおいて、前述した仮想線からの径方向のずれ量を変位距離とする。変形部８１ｂのθ+（２ｎ−１）π［ｒａｄ］における内向面および外向面の変位距離は、厚肉部８０の伸開角θ［ｒａｄ］における変位距離と同じである。このため、厚肉部８０の外側の変形部８１ｂが形成された部分の径方向の歯の厚みは、変形部８１ｂの前後の仮想線に基づいて形成された渦巻の歯の径方向の厚みと同じになっている。したがって、実施の形態１のスクロール圧縮機では、渦巻の歯厚が薄くなる部分ができず、変形部８１における歯厚の減少を抑制することができるため、歯の変形が生じにくい。また、変形部８１ｂは、厚肉部８０と径方向の変位距離は同じである一方、より広い範囲にわたって曲線形状に変形している。このため、変形部８１ｂの外側の凸形状は、厚肉部８０に比べて曲率半径の大きい緩やかな曲面で構成される。したがって、変形部８１ｂの変形は、さらに生じにくくなる。

次に、低圧縮比運転など、スクロール圧縮機のいかなる運転条件でも、リリーフポート４ｂを機能させるための、厚肉部８０の位置に関する条件について説明する。固定渦巻体１ｂの内向面と揺動渦巻体２ｂの外向面とによる圧縮室７１に連通するリリーフポート４ｂを開閉する厚肉部８０のうち、１か所は、「θ＞揺動渦巻体終点角−３π−（固定渦巻体終点角−揺動渦巻体終点角）［ｒａｄ］」を満たす伸開角θの位置にあることが望ましい。また、固定渦巻体１ｂの外向面と揺動渦巻体２ｂの内向面とによる圧縮室７１に連通するリリーフポート４ｂを開閉する厚肉部８０のうち、１か所は、「θ＞揺動渦巻体終点角−２π［ｒａｄ］」を満たす伸開角θの位置にあることが望ましい。これにより、すべてのリリーフポート４ｂは、厚肉部８０により開閉される。

厚肉部８０は、軸方向にみて、凸形状は径方向に伸開角θでインボリュート渦巻の部分から最も径方向に突出し、外に向かって丸い頂部となっており、その頂部から前後に角度がずれるにつれてインボリュート渦巻から径方向への突出量が少なくなり、たとえば、伸開角θから０．０５〜０．２［ｒａｄ］度離れた位置で突出がなくなって、渦巻におけるインボリュート曲線で形成される部分につながる。したがって、「伸開角θにおける揺動渦巻体２ｂの歯厚＝インボリュート渦巻の径方向の厚み＋径方向の突出量であり伸開角θにおける揺動渦巻体２ｂの渦巻の厚み＞リリーフポート４ｂの径方向の長さ＞インボリュート渦巻の径方向の厚み」の関係である。ここで、１か所のリリーフポート４ｂが複数孔で構成される場合は、その最も内側の穴の内側位置と、最も外側の穴の外側位置との距離をポートの径方向の長さとする。

図５は、実施の形態１におけるスクロール圧縮機の厚肉部８０とリリーフポート４ｂの制約条件について説明する図である。ここで、ｒｐは、リリーフポート４ｂの半径とする。また、ｒｔは、厚肉部８０のうち、外向面よりも内側に中心をもつ円弧の半径とする。さらに、Ｌｔは、厚肉部８０の最大厚さとする。このとき、リリーフポート４ｂは、圧縮室７１を跨ぐと、圧力が高い圧縮室７１から圧力が低い圧縮室７１へガス冷媒の漏れが生じる。このため、Ｌｔ＞２ｒｐおよびすべてのｒｔに対してｒｔ＞ｒｐの関係が成立するようにすることが望ましい。

図６は、実施の形態１におけるスクロール圧縮機の渦巻に係る圧縮動作を説明する図である。次に、スクロール圧縮機の動作について説明する。図６（ａ）は、回転位相が０°または３６０°の状態を表す。また、図６（ｂ）は、回転位相が９０°の状態を表す。さらに、図６（ｃ）は、回転位相が１８０°の状態を表す。そして、図６（ｄ）は、回転位相が２７０°の場合の渦巻配置の位置関係をそれぞれ示している。図６に示す通り、スクロール圧縮機が圧縮を行う際、固定渦巻体１ｂおよび揺動渦巻体２ｂのそれぞれの外向面と内向面とが、互いに相対する内向面と外向面とに接しながら動作する。

図７は、実施の形態１におけるスクロール圧縮機の固定渦巻体の渦巻が所定の条件を満たす形状である場合の渦巻に係る圧縮動作を説明する図である。固定渦巻体１ｂの渦巻が、「固定渦巻体終点角＝揺動渦巻体終点角+π［ｒａｄ］」を満たす形状の場合、図７に示すように、１つの厚肉部８０で、固定渦巻体１ｂの内向面が形成する圧縮室７１に連通するリリーフポート４ｂと、固定渦巻体１ｂの外向面が形成する圧縮室７１に連通するリリーフポート４ｂの２つを開閉することができる。

電動機構部１１０の電動機固定子１１０ａに通電されると、電動機回転子１１０ｂが回転力を受けて回転する。それに伴い、電動機回転子１１０ｂに固定された回転軸６が回転駆動される。回転軸６の回転運動は、偏心軸部６ａを介して揺動スクロール２に伝達される。揺動スクロール２の揺動渦巻体２ｂは、オルダムリング１２によって自転が規制されながら、揺動半径で揺動運動する。ここで、揺動半径とは、主軸部６ｂに対する偏心軸部６ａの偏心量を意味している。

次に、スクロール圧縮機内における冷媒の流れについて説明する。図１に示す矢印が、スクロール圧縮機内の冷媒の流れを示している。電動機構部１１０の駆動に伴い、冷媒回路を循環する冷媒が、吸入管１０１を介して密閉容器１００内の第１空間７３に流入する。第１空間７３に流入した低圧冷媒は、フレーム７内に設置された導入流路７ｃを通って第２空間７４に流入する。第２空間７４に流入した低圧冷媒は、圧縮機構部８の揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂの相対的な揺動動作に伴って、圧縮室７１へと吸い込まれる。圧縮室７１に吸い込まれた冷媒は、前述した図４に示すように、揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂの相対的な動作に伴う圧縮室７１の幾何学的な容積変化によって、低圧から高圧へと昇圧される。そして、高圧となった冷媒は、固定スクロール１の吐出ポート４ａを通過し、吐出バルブ１０ａを押し開けて、吐出空間７２内に吐出される。ここで、圧縮室７１内の圧力が、吐出ポート４ａへ到達する前に吐出圧力に達した場合、圧縮室７１内のガス冷媒は、圧縮過程に設けたリリーフポート４ｂを通過し、過圧縮リリーフバルブ１０ｂを押し開けて吐出空間７２内に吐出される。吐出ポート４ａおよび過圧縮リリーフバルブ１０ｂから吐出空間７２に吐出された冷媒は、吐出管１０２から高圧冷媒として圧縮機外部へと吐出される。

図８は、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接触点について説明する図である。図８は、ある回転位相φからφ＋５０°までの１０°ごとの圧縮過程を示している。ここで、図８ではリリーフポート４ｂを省略している。前述したように、揺動渦巻体２ｂの厚肉部８０並びに揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂの変形部８１は、３円弧以上で滑らかにインボリュート曲線と接続された形状を有する。そして、一部の回転位相では、揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂが接触点８２において接触して、閉じた空間に圧縮室７１ができる。このとき、実施の形態１のスクロール圧縮機では、図８に示すように、φ＋２０°およびφ＋３０°の圧縮時において、揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂの各渦巻が、厚肉部８０およびインボリュート曲線における２か所の部分で接触し、接触点８２が３点となる。このため、揺動渦巻体２ｂおよび固定渦巻体１ｂに厚肉部８０および変形部８１がないインボリュート曲線のみで形成された渦巻の場合よりも、接触点８２が増える。接触点８２が増えることにより、圧縮室７１からのガス冷媒の漏れを抑制することができる。また、接触点８２が増えることで、１か所の接触点８２あたりに加わる圧力が低減するため、さらに冷媒漏れの抑制効果が高まる。

以上のように、実施の形態１のスクロール圧縮機によれば、揺動渦巻体２ｂに厚肉部８０を設けることで、リリーフポート４ｂの径を拡大することができる。リリーフポート４ｂの径を拡大することで圧力損失を抑制することができ、過圧縮損失を低減することができる。ただ、従来の技術では、揺動渦巻体２ｂの厚肉部８０に対向する固定渦巻体１ｂは、内向面のみが凹形状に変形していた。このため、変形部分における歯厚が、渦巻の歯の他の箇所よりも薄くなっていた。一方で、実施の形態１のスクロール圧縮機では、揺動渦巻体２ｂの厚肉部８０に対向する固定渦巻体１ｂは、内向面が凹形状で外向面が凸形状となっている変形部８１を有し、局所的な歯厚の減少を抑制している。このため、固定渦巻体１ｂの変形部８１ａおよび変形部８１ｂでの変位の増大を抑制することができ、圧縮室７１からのガス冷媒の漏れが抑制することができるので、性能を向上させることができる。また、圧縮動作を安定化させることができる。

また、実施の形態１のスクロール圧縮機は、圧縮室７１を形成する接触点８２が増えるので、圧縮室７１からのガス冷媒の漏れの低減および接触点８２あたりの圧力を低減することができる。また、厚肉部８０の応力集中を緩和することができる。揺動渦巻体２ｂの厚肉部８０と対向する固定渦巻体１ｂが、内外向面ともに径方向に凸とした変形部８１ｂを有することで、渦巻の変位や根元応力を抑制することができる。

また、実施の形態１のスクロール圧縮機は、２か所のリリーフポート４ｂを有する。そして、一方のリリーフポート４ｂは、固定渦巻体１ｂの内向面を壁とする圧縮室７１に連通し、他方のリリーフポート４ｂは、固定渦巻体１ｂの外向面を壁とする圧縮室７１に連通することで、対称となる圧縮室７１にリリーフポート４ｂが対応することで、過圧縮した流体を安定して排出することができる。このとき、各リリーフポート４ｂの開口部を厚肉部８０で開閉できるようにすることで、圧縮効率を高めることができる。

また、実施の形態１のスクロール圧縮機における厚肉部８０および変形部８１は、複数の円弧の組み合わせによって、インボリュート線などの渦巻の形状に滑らかに連続的に接続された形状である。このため、厚肉部８０と変形部８１との接触などを安定して行うことができ、圧縮室７１の圧縮漏れなどを防ぐことができる。また、リリーフポート４ｂの半径ｒｐ、厚肉部８０の外向面よりも内側に中心をもつ円弧の半径ｒｔおよび厚肉部８０の最大厚さＬｔが、Ｌｔ＞２ｒｐおよびすべてのｒｔに対してｒｔ＞ｒｐの関係を満たし、厚肉部８０における歯の厚さよりもリリーフポート４ｂが小さくなるようにする。このため、リリーフポート４ｂが複数の圧縮室７１に跨がって、流体が漏れない。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２におけるスクロール圧縮機の渦巻形状などを示す図である。以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる構成を中心に説明するものとする。実施の形態２で説明しない構成は、実施の形態１で説明したことと同様である。実施の形態２のスクロール圧縮機は、リリーフポート４ｂの形状が、実施の形態１における形状とは異なる。図９に示すように、実施の形態２のリリーフポート４ｂは、開口部が扁平形状である。リリーフポート４ｂを扁平形状にすることで、リリーフポート４ｂの開口部の面積を円形の開口部の面積よりも拡大することができる。このため、実施の形態２のスクロール圧縮機は、実施の形態１のスクロール圧縮機よりも過圧縮損失を低減することができる。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３におけるスクロール圧縮機の渦巻形状などを示す図である。以下、実施の形態３が実施の形態１と異なる構成を中心に説明するものとする。実施の形態３で説明しない構成は、実施の形態１で説明したことと同様である。実施の形態３のスクロール圧縮機は、１つの圧縮室７１に連通するリリーフポート４ｂを複数有する。１つの圧縮室７１に対して、複数のリリーフポート４ｂを有することで、リリーフポート４ｂの開口部の面積を拡大することができる。このため、実施の形態３のスクロール圧縮機は、実施の形態１のスクロール圧縮機よりも過圧縮損失を低減することができる。

実施の形態４．
前述した実施の形態１では、スクロール圧縮機は、密閉容器１００の内部が低圧冷媒で満たされる低圧シェル型の圧縮機を例に示したが、これに限定するものではない。密閉容器１００の内部が高圧冷媒で満たされる高圧シェル型のスクロール圧縮機でも、同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態１〜実施の形態３では、リリーフポート４ｂを例にして示したが、これに限定するものではない。たとえば、リリーフポート４ｂの代わりに、圧縮室７１に液冷媒または二相冷媒を強制注入するインジェクションポートなど、固定台板１ａに設けられた他のポートに対して適用してもよい。

実施の形態５．
図１１は、実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の構成例を表す図である。ここで、図１１では、冷凍サイクル装置として空気調和装置を示している。図６の空気調和装置は、室外機３００と室内機２００とを冷媒配管４００により配管接続し、冷媒を循環させる冷媒回路を構成する。室外機３００は、実施の形態１〜実施の形態４において説明したスクロール圧縮機３０１を有する。また、室外機３００は、四方弁３０２、室外熱交換器３０３、膨張弁３０４および室外送風機３０５を有する。また、室内機２００は、室内熱交換器２０１を有する。

スクロール圧縮機３０１は、前述したように、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、特に限定するものではないが、スクロール圧縮機３０１を、たとえば、インバータ回路などにより、運転周波数を任意に変化できるようにしてもよい。四方弁３０２は、冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える弁である。

室外熱交換器３０３は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。たとえば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、冷媒を凝縮して液化させる。また、室外送風機３０５は、室外熱交換器３０３に室外の空気を送り込み、室外の空気と冷媒との熱交換を促す。

減圧装置となる絞り装置などの膨張弁３０４は冷媒を減圧して膨張させるものである。たとえば電子式膨張弁などで構成した場合には、制御装置（図示せず）などの指示に基づいて開度調整を行う。室内熱交換器２０１は、たとえば空調対象となる空気と冷媒との熱交換を行う。暖房運転時においては凝縮器として機能し、冷媒を凝縮して液化させる。また、冷房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させ、気化させる。室内送風機２０２は、空調対象となる空気を室内熱交換器２０１に送り込み、その空気と冷媒との熱交換を促す。

以上のように、実施の形態５の冷凍サイクル装置によれば、実施の形態１および実施の形態２で説明したスクロール圧縮機３０１を機器として有することで、室外機３００などの小型化をはかることができる。

１固定スクロール、１ａ固定台板、１ｂ固定渦巻体、２揺動スクロール、２ａ揺動台板、２ｂ揺動渦巻体、２ｃ揺動軸受、３副軸受、４ａ吐出ポート、４ｂリリーフポート、５バランスウェイト付スライダ、６回転軸、６ａ偏心軸部、６ｂ主軸部、６ｃ副軸部、７フレーム、７ａ主軸受、７ｂボス部、７ｃ導入流路、８圧縮機構部、９サブフレーム、９ａサブフレームホルダ、１０ａ吐出バルブ、１０ｂ過圧縮リリーフバルブ、１２オルダムリング、６０第１バランスウェイト、６１第２バランスウェイト、７１圧縮室、７２吐出空間、７３第１空間、７４第２空間、８０厚肉部、８１，８１ａ，８１ｂ変形部、８２接触点、１００密閉容器、１００ａ油溜め部、１０１吸入管、１０２吐出管、１１０電動機構部、１１０ａ電動機固定子、１１０ｂ電動機回転子、１１１ポンプ要素、２００室内機、２０１室内熱交換器、２０２室内送風機、３００室外機、３０１スクロール圧縮機、３０２四方弁、３０３室外熱交換器、３０４膨張弁、３０５室外送風機、４００冷媒配管。

Claims

固定台板および前記固定台板上に設けられた固定渦巻体を有する固定スクロールと、
揺動台板および前記揺動台板上に設けられた揺動渦巻体を有し、前記揺動渦巻体における渦巻の歯が、前記固定渦巻体における渦巻の歯と噛み合わせて圧縮室となるように配置される揺動スクロールとを密閉容器内に備え、
前記揺動渦巻体は、前記固定台板に設置されて前記圧縮室と連通する２か所のポートの開口部に対応する位置に設置され、渦巻歯の外向面が滑らかに渦巻の径方向の外向きに凸となって他の部分よりも厚い厚肉部を有し、
前記固定渦巻体および前記揺動渦巻体は、前記厚肉部に対向する位置に、前記渦巻歯の内向面側および前記外向面側がともに、前記渦巻の前記径方向の同じ方向に変位して巻き方向の前後に比べて変形した変形部を有し、
前記固定台板の前記２か所の前記ポートのうち、一方の前記ポートは、前記固定渦巻体の前記渦巻歯の内向面を壁面とする前記圧縮室に連通し、前記固定台板の２か所の前記ポートのうち、他方の前記ポートは、前記固定渦巻体の前記外向面を壁面とする前記圧縮室に連通し、
前記一方の前記ポートは、前記厚肉部の前記凸に対応する前記固定渦巻体の凹形状の内側にあり、前記他方の前記ポートは、前記揺動渦巻体の前記厚肉部の前記凸と反対側であって、凹凸にされていない前記固定渦巻体のそばに形成されているスクロール圧縮機。
前記固定渦巻体および前記揺動渦巻体における前記渦巻の巻き方向を、前記渦巻の基礎円に基づく伸開角で表したときの、前記厚肉部の位置が伸開角θ［ｒａｄ］に対応する位置にあるとき、自然数ｎにおいて、前記固定渦巻体の前記変形部は、θ+（２ｎ−１）π［ｒａｄ］に対応する位置および前記揺動渦巻体の前記変形部は、θ＋２ｎπ［ｒａｄ］に対応する位置にある請求項１に記載のスクロール圧縮機。
前記厚肉部および前記変形部は、複数の円弧を連ねて構成された曲線形状の壁面を有し、前記厚肉部と前記変形部および前記変形部と前記変形部とが対向する前記壁面において、対応する２つの円弧のうち、内向面側の前記円弧の方が、外向面側の前記円弧よりも揺動半径分大きい曲率半径を有する請求項１または請求項２に記載のスクロール圧縮機。
前記揺動渦巻体は、前記一方の前記ポートと前記他方の前記ポートとに対応して、２つの前記厚肉部を有し、
前記固定渦巻体および前記揺動渦巻体は、前記２つの前記厚肉部のそれぞれに対向する位置に前記変形部を有する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
すべての前記ポートが、前記揺動渦巻体が有する前記厚肉部で開閉される請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
前記厚肉部および前記変形部における前記壁面の形状は、前記渦巻の巻き方向に、前記厚肉部の外側となる前記渦巻の中心と反対側に曲率中心を有する１つ以上の円弧、前記厚肉部の内側となる前記渦巻の中心側に曲率中心を有する１つ以上の円弧、前記渦巻の中心と反対側に曲率中心を有する１つ以上の円弧の順に接続される曲線であり、円弧は、隣接する２つの円弧の曲率中心と２つの円弧の接点とが一直線上に並ぶ請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
前記ポートは、前記圧縮室と前記密閉容器内の吐出空間とを連通する請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
前記ポートの半径をｒｐ、前記厚肉部の壁面の形状を構成する円弧のうち、前記外向面よりも内側に中心をもつ半径をｒｔ、前記厚肉部の最大厚さをＬｔとすると、Ｌｔ＞２ｒｐおよびｒｔ＞ｒｐの関係を有する請求項３〜請求項７のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
前記ポートの開口部が扁平形状である請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
１つの前記圧縮室に複数の前記ポートが連通する請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器が配管接続され、冷媒の循環が行われる冷媒回路を有する冷凍サイクル装置。