JP4160878B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置や冷凍装置などに具備されるスクロール圧縮機に関するものである。

一般に、スクロール圧縮機は、端板の一側面に渦巻き状の壁体を立設した固定スクロールと、端板の一側面に固定スクロールの壁体と実質的に同一形状の渦巻き状の壁体を立設した旋回スクロールとを有している。そして、固定スクロールと旋回スクロールとの各端板の一側面を向き合わせ互いの壁体を組み合わせて配置する。この状態で固定スクロールに対して旋回スクロールを公転旋回運動させることで各壁体間に形成した圧縮室の容積を漸次減少させて当該圧縮室内の流体を圧縮する。

従来のごとくスクロール圧縮機では、組み合わせた形態で、渦巻きのピッチ間にかかる端板の一側面領域が、渦巻きの外終端側（流体取込口側）で低く内終端側（中心側）で高くなる態様で段差部を設けてある。さらに、壁体の端縁形状が、対応する段差部に係合する態様で形成してある。このような構成により、渦巻きの外終端側での流体の取り込み容積を大きくし、内終端側では圧力を高くして、スクロールの外径を大きくせずに圧縮比を高めている（例えば、特許文献１参照）。

一方、別の従来のスクロール圧縮機では、固定スクロールの渦巻きのピッチ間にかかる端板に対して流体通孔（バイパス孔）を設け、当該流体通孔を開閉可能にしてある。この構成により、必要に応じて流体通孔を開けることで、圧縮室の圧縮容積を小さくして駆動源の負担を軽減している（例えば、特許文献２参照）。

特公昭６０−１７９５６号公報 特公平１−３３６７５号公報

ところで、上述した従来のスクロール圧縮機を応用して、段差部を設けて圧縮比を向上し、かつ、バイパス孔を設けて必要なときに圧縮比を小さくできる応用型のスクロール圧縮機（容量制御）を得ることが考えられる。

しかしながら、この応用型のスクロール圧縮機の容量制御時において、特に、段差部よりも渦巻きの外終端側にバイパス孔を設けた場合では、段差部と壁体との係合部分における流体の漏れによって圧縮損失が生じるという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みて、段差部とバイパス孔とを備えた構成の場合に圧縮損失を低減することができるスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係るスクロール圧縮機は、端体の一側面に渦巻き状の壁板を有した第１スクロールと、端板の一側面に渦巻き状の壁体を有して当該壁体を前記第１スクロールの壁体に対してかみ合わせた状態で自転を阻止されつつ公転旋回可能に支持された第２スクロールと、前記各スクロールの少なくとも一方の端板の一側面の高さを前記壁体に沿う渦の中心部側で高くし外終端側で低くし、かつ前記外終端から渦の中心部側に３６０°以内の位置に設けた段差部と、前記各スクロールの少なくとも他方の壁体の高さを渦の中心部側で低くし外終端側で高くして互いのスクロールの底面と壁体の端縁とが接触した態様で前記段差部に係合する段付部と、前記段差部の位置よりも渦の中心部側の位置に設けてあり前記各スクロールの各壁体と各端板とで囲まれた圧縮室を外部に連通可能にするバイパス孔とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るスクロール圧縮機によれば、段差部とバイパス孔とを備えた構成において、各スクロールの少なくとも一方の端板の一側面の高さを壁体に沿う渦の中心部側で高くし外終端側で低くし、かつ前記外終端から渦の中心部側に３６０°以内の位置に段差部を設け、バイパス孔を段差部の位置よりも渦の中心部側の位置に設けている。このため、段差部からの流体の漏れが想定されるときには、バイパス孔が通じて圧縮が行われないので流体の漏れの影響がない。また、バイパス孔が閉じて圧縮室が密閉状態になったときには、圧縮室が段差部と関与しない位置関係にあるので段差部からの流体の漏れに関係なく圧縮室内の圧縮を行う。この結果、段差部からの流体の漏れによる圧縮損失を生じることなく段差部およびバイパス孔の効果を得ることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るスクロール圧縮機の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は本発明に係るスクロール圧縮機の全体構成を示す断面図、図２は固定スクロールおよび旋回スクロールを示す斜視図、図３は固定スクロール（旋回スクロール）の断面図、図４は固定スクロールの平面図、図５〜図９は固定スクロールおよび旋回スクロールを組み付けた状態での動作図、図１０は従来想定できるスクロール圧縮機を示す平面図である。

図１に示すようにスクロール圧縮機は、ハウジング１１の内部に第１スクロールとしての固定スクロール１２、および第２スクロールとしての旋回スクロール１３からなるスクロール圧縮機構が配設してある。

ハウジング１１は、カップ状に形成したハウジング本体１１ａと、ハウジング本体１１ａの開口端側に固定した蓋板１１ｂとで構成してある。

固定スクロール１２は、端板１２ａの一側面に渦巻き状の壁体１２ｂを立設してある。また、旋回スクロール１３は、固定スクロール１２と同様に端板１３ａの一側面に渦巻き状の壁体１３ｂを立設してある。固定スクロール１２の壁体１２ｂと、旋回スクロール１３の壁体１３ｂとは、実質的に同一形状をなしている。

固定スクロール１２は、ボルト１４によってハウジング本体１１ａ内の底部に締結してある。また、旋回スクロール１３は、固定スクロール１２に対して相互に公転旋回半径だけ偏心し、かつ、１８０°だけ位相をずらし、固定スクロール１２の壁体１２ｂに対して自身の壁体１３ｂをかみ合わせて組み付けてある。さらに、旋回スクロール１３は、蓋板１１ｂと端板１３ａとの間に設けた自転阻止機構１５によって自転を阻止されつつ公転旋回運動可能に支持してある。

旋回スクロール１３の公転旋回運動に関して、蓋板１１ｂには、クランク１６ａを備える回転軸１６が貫通してある。この回転軸１６は、ベアリング１７ａ，１７ｂを介して蓋板１１ｂに回転自在に支持してある。そして、旋回スクロール１３側における端板１３ａの他側面の中央には、ボス１８が突設してある。ボス１８には、クランク１６ａの偏心部１６ｂが軸受１９およびドライブブッシュ２０を介して回動自在に収容してある。これにより、旋回スクロール１３は、回転軸１６の回転によって公転旋回運動する。また、回転軸１６には、旋回スクロール１３に与えられたアンバランス量を打ち消すバランスウェイト２１が取り付けてある。

ハウジング本体１１ａの内部には、固定スクロール１２の周囲となる位置に吸入室２２が形成してある。この吸入室２２に対し、ハウジング本体１１ａには、当該吸入室２２に向けて低圧の流体を導く吸入ポート２３が設けてある。さらに、ハウジング本体１１ａの内部には、ハウジング本体１１ａの内底面と端板１２ａの他側面とで区画された吐出キャビティ２４が形成してある。この吐出キャビティ２４に対し、固定スクロール１２側の端板１２ａの中央の位置には、吐出キャビティ２４に向けて高圧の流体を導く吐出ポート２５が設けてある。この吐出ポート２５は、固定スクロール１２および旋回スクロール１３からなるスクロール圧縮機構において、容積を漸次減少させながら壁体１２ｂ，１３ｂの渦の中心部に移動した圧縮室Ｃに通じて設けてある。また、端板１２ａの他側面中央には、所定の大きさ以上の圧力が作用した場合にのみ吐出ポート２５を開く吐出弁２６が設けてある。

図２に示すように固定スクロール１２の端板１２ａには、壁体１２ｂを立設した一側面に、壁体１２ｂの渦方向に沿って中心部側で高く外終端側で低くなるように形成した段差部４２を備えている。また、旋回スクロール１３側の端板１３ａも端板１２ａと同様に、壁体１３ｂを立設した一側面に、壁体１３ｂの渦方向に沿って中心部側で高く外終端側で低くなるように形成した段差部４３を備えている。各段差部４２，４３は、それぞれ壁体１２ｂ、壁体１３ｂの渦巻中心を基準として、各壁体１２ｂ、１３ｂの外終端から同様に進んだ位置に設けてある。

端板１２ａの底面（一側面）は、段差部４２が形成してあることにより、壁体１２ｂの間に形成した螺旋状の流路が、中心部よりに設けた底の浅い底面１２ｆと外終端よりに設けた底の深い底面１２ｇの２つの部位に分けられる。隣り合う底面１２ｆ，１２ｇ間には、段差部４２を構成し、前記底面１２ｆ，１２ｇを繋いで垂直に切り立つ連結壁面１２ｈが存在している。端板１３ａの底面（一側面）も端板１２ａと同様に、段差部４３が形成してあることにより、壁体１３ｂの間に形成した螺旋状の流路が、中心部よりに設けた底の浅い底面１３ｆと外終端よりに設けた底の深い底面１３ｇの２つの部位に分けられる。隣り合う底面１３ｆ，１３ｇ間には、段差部４３を構成し、前記底面１３ｆ，１３ｇを繋いで垂直に切り立つ連結壁面１３ｈが存在している。

また、固定スクロール１２側の壁体１２ｂは、旋回スクロール１３の段差部４３に対応し、その渦巻き状の端縁が２つの部位に分割され、かつ、渦の中心部側で低く外終端側で高くなるように形成した段付部４４を備えている。旋回スクロール１３側の壁体１３ｂも壁体１２ｂと同様に、固定スクロール１２の段差部４２に対応し、その渦巻き状の端縁が２つの部位に分割され、かつ、渦の中心部側で低く外終端側で高くなるように形成した段付部４５を備えている。

壁体１２ｂの端縁は、段付部４４が形成してあることにより、中心部寄りに設けられた低位の端縁１２ｃと外終端寄りに設けられた高位の端縁１２ｄの２つの部位に分けられる。隣り合う端縁１２ｃ，１２ｄ間には、段付部４４を構成し、両者を繋いで旋回面に垂直な連結縁１２ｅが存在している。壁体１３ｂの端縁も壁体１２ｂと同様に、段付部４５が形成してあることにより、中心部寄りに設けられた低位の端縁１３ｃと外終端寄りに設けられた高位の端縁１３ｄの２つの部位に分けられる。隣り合う端縁１３ｃ，１３ｄ間には、段付部４５を構成し、両者を繋いで旋回面に垂直な連結縁１３ｅが存在している。

連結縁１２ｅは、壁体１２ｂを旋回スクロール１３の方向から見ると壁体１２ｂの内外両側面に滑らかに連続し壁体１２ｂの肉厚に等しい直径を有する半円形をなしている。連結縁１３ｅも連結縁１２ｅと同様に、壁体１３ｂを固定スクロール１２の方向から見ると壁体１３ｂの内外両側面に滑らかに連続し壁体１３ｂの肉厚に等しい直径を有する半円形をなしている。また、連結壁面１２ｈは、端板１２ａを旋回軸方向から見ると旋回スクロールの旋回に伴って連結縁１３ｅが描く包絡線に一致する円弧をなしている。連結壁面１３ｈも連結壁面１２ｈと同様に、旋回スクロールの旋回に伴って連結縁１２ｅが描く包絡線に一致する円弧をなしている。

図３に示すように壁体１２ｂにおいて端縁１２ｃと連結縁１２ｅとが突き合う部分には、肉盛りしたようにリブ１２ｉが設けてある。リブ１２ｉは、応力集中を避けるため端縁１２ｄと連結縁１２ｅとに滑らかに連続する凹曲面をなして壁体１２ｂと一体に形成してある。壁体１３ｂにおいて端縁１３ｃと連結縁１３ｅとが突き合う部分にも、同様の理由で同形状のリブ１３ｉが設けてある。

端板１２ａにおいて底面１２ｇと連結壁面１２ｈとが突き合う部分には、肉盛りしたようにリブ１２ｊが設けてある。リブ１２ｊは、応力集中を避けるため底面１２ｇと連結壁面１２ｈとに滑らかに連続する凹曲面をなして壁体１２ｂと一体に形成してある。端板１３ａにおいて底面１３ｇと連結壁面１３ｈとが突き合う部分にも、同様の理由で同形状のリブ１３ｊが設けてある。

壁体１２ｂにおいて端縁１２ｄと１２ｅとが突き合う部分は、組み付け時にリブ１３ｊとの干渉を避けるために面取りしてある。壁体１３ｂにおいて端縁１３ｄと１３ｅとが突き合う部分は、組み付け時にリブ１２ｊとの干渉を避けるために面取りしてある。

さらに、図２に示すように、壁体１２ｂの各端縁１２ｃ，１２ｄおよび連結縁１２ｅには、チップシール２７ｃ，２７ｄおよび２７ｅがそれぞれ配設されている。これと同様に壁部１３の各端縁１３ｃ，１３ｄおよび連結縁１３ｅにも、チップシール２８ｃ，２８ｄおよび２８ｅがそれぞれ配設されている。

一方、図２および図４に示すように、固定スクロール１２の端板１２ａの一側面であって、段差部４２の位置よりも渦の中心部側の位置である底面１２ｆには、対をなすバイパス孔４６ａ，４６ｂが設けてある。バイパス孔４６ａは、底面１２ｆにおける渦の外終端側であって、壁体１２ｂの外側面に沿う位置に設けてある。バイパス孔４６ｂは、バイパス孔４６ａと対称の位置にあり、底面１２ｆにおける渦の中心部側であって、壁体１２ｂの内側面に沿う位置に設けてある。

バイパス孔４６ａ，４６ｂは、固定スクロール１２に旋回スクロール１３を組み付けた状態において、旋回スクロール１３の壁体１３ｂの低位の端縁１３ｃによって端板１２ａの一側面に向く開口が開閉可能になる。また、バイパス孔４６ａ，４６ｂは、端板１２ａの他側面に貫通している。図には明示しないが、端板１２ａの他側面に向くバイパス孔４６ａ，４６ｂの開口部分は、吸入室２２に通じている。例えば、バイパス孔４６ａ，４６ｂの開口部分が位置するハウジング本体１１ａの一部が、吐出キャビティ２４とは隔壁などで区分けしてあって、吸入室２２に連通してある。また、図には明示しないが、端板１２ａの他側面におけるバイパス孔４６ａ，４６ｂの開口部分には、弁が設けてある。この弁は、必要に応じて端板１２ａの他側面に向くバイパス孔４６ａ，４６ｂの開口部分を開閉する。

図５に示すように固定スクロール１２に旋回スクロール１３を組み付けると、低位の端縁１３ｄが底の浅い底面１２ｆに当接し、高位の端縁１３ｃが底の深い底面１２ｇに当接する。同時に、低位の端縁１２ｄが底の浅い底面１３ｆに当接し、高位の端縁１２ｃが底の深い底面１３ｇに当接する。これにより、両スクロール間には向かい合う端板１２ａ，１３ａと壁体１２ｂ，１３ｂとに区画されて一対の圧縮室Ｃ１，Ｃ２が形成される。この圧縮室Ｃ１，Ｃ２は、段差部４２，４３よりも渦の外終端側において底の深い底面１２ｇと底面１３ｇとが対面し、段差部４２，４３よりも渦の中心部側において底の浅い底面１２ｆと底面１３ｆとが対面しているので、段差部４２，４３よりも渦の外終端側では、広い圧縮室Ｃ１，Ｃ２が得られ、段差部４２，４３よりも渦の中心部側では、狭い圧縮室Ｃ１，Ｃ２が得られることになる。この結果、旋回スクロール１３の公転旋回運動に伴い外終端から中心部に向けた圧縮室Ｃ１，Ｃ２の移動途中において、広く形成した圧縮室Ｃ１，Ｃ２から狭く形成した圧縮室Ｃ１，Ｃ２に向けて漸次容積を減少させた圧縮が行われるので圧縮比が向上できる。

また、旋回スクロール１３の公転旋回運動に伴い外終端から中心部に向けた圧縮室Ｃ１，Ｃ２の移動途中において、バイパス孔４６ａ，４６ｂは、端板１２ａの一側面に向く開口部分から壁体１３ｂの端縁１３ｃが外れ、かつ、端板１２ａの他側面に向く開口部分での弁が開動作にあるとき、圧縮室Ｃ１，Ｃ２と吸入室２２とを連通する。また、バイパス孔４６ａ，４６ｂは、弁が閉動作にあるとき圧縮室Ｃ１，Ｃ２と吸入室２２とを分離する。この結果、必要に応じて弁を開状態にすれば、バイパス孔４６ａ，４６ｂの一側面に向く開口部分が開放している圧縮室Ｃ１，Ｃ２で圧縮が行われないので、圧縮容積を小さくして回転軸１６を駆動する駆動源の負担を軽減することが可能になる。このように、バイパス孔４６ａ，４６ｂは、圧縮室Ｃ１，Ｃ２の容量制御を行う。

以下、上記のように構成されたスクロール圧縮機の駆動時における流体圧縮の過程を図５〜図９に示して順に説明する。なお、以下の説明では、バイパス孔４６ａ，４６ｂにおける端板１２ａの他側面に向く開口部分で弁が開動作にある。

図５に示す状態では、壁体１２ｂの外終端が壁体１３ｂの外側面に当接するとともに、壁体１３ｂの外終端が壁体１２ｂの外側面に当接し、端板１２ａ，１３ａ、壁体１２ｂ，１３ｂ間に流体が封入され、スクロール圧縮機構の中心を挟んで正対した位置に、最大容積の圧縮室Ｃ１，Ｃ２が形成される。この時点では、当該圧縮室Ｃ１，Ｃ２にバイパス孔４６ａ，４６ｂが通じていない。

図５の状態から旋回スクロール１３がπ／２（ｒａｄ）旋回し図６に示す状態に至る過程において、圧縮室Ｃ１，Ｃ２が中心部に向けて進行する。図６で示す状態では、圧縮室Ｃ１，Ｃ２にバイパス孔４６ａ，４６ｂが通じている。このため、圧縮室Ｃ１，Ｃ２は、漸次容積を減少させているものの圧縮が行われない。

図６の状態から旋回スクロール１３がπ（ｒａｄ）旋回し図７に示す状態に至る過程において、圧縮室Ｃ１，Ｃ２が中心部に向けて進行する。この過程では、圧縮室Ｃ１，Ｃ２にバイパス孔４６ａ，４６ｂが通じているため、圧縮室Ｃ１，Ｃ２は、漸次容積を減少させているものの圧縮が行われない。また、図７に示す状態では、壁体１２ｂの外終端が壁体１３ｂの外側面から離間するとともに、壁体１３ｂの外終端が壁体１２ｂの外側面から離間している。このときに、段差部４２，４３から流体の漏れが想定される。しかしながら、上記のごとく圧縮室Ｃ１，Ｃ２にバイパス孔４６ａ，４６ｂが通じているので、当該圧縮室Ｃ１，Ｃ２において圧縮が行われていないため、流体の漏れの影響はない。

図７の状態から旋回スクロール１３がπ／２（ｒａｄ）旋回し図８に示す状態に至る過程において、圧縮室Ｃ１，Ｃ２が中心部に向けて進行する。この過程では、圧縮室Ｃ１，Ｃ２にバイパス孔４６ａ，４６ｂが通じているため、圧縮室Ｃ１，Ｃ２は、漸次容積を減少させているものの圧縮が行われない。この図８に示す状態では、壁体１３ｂの端縁１３ｃによってバイパス孔４６ａ，４６ｂの開口部分が閉塞される。これにより、圧縮室Ｃ１，Ｃ２が密閉状態になる。

図８の状態から旋回スクロール１３がπ（ｒａｄ）旋回し図９に示す状態に至る過程では、圧縮室Ｃ１，Ｃ２が密閉状態を保ちながら中心部に向けて進行し、漸次容積を減少させてさらに流体を圧縮する。その後圧縮を続けることにより、圧縮室Ｃ１，Ｃ２が併合して最小容積となり、吐出ポート２５を介してスクロール圧縮機から流体が吐出される。なお、図８以降の過程では、圧縮室Ｃ１，Ｃ２が段差部４２，４３とは関与しない位置にあるので圧縮室Ｃ１，Ｃ２内の流体が段差部４２，４３から漏れることがない。

したがって、上述したスクロール圧縮機では、段差部４２，４３とバイパス孔４６ａ，４６ｂとを備えた構成において、バイパス孔４６ａ，４６ｂを段差部４２，４３の位置よりも渦の中心部側の位置に設けている。このため、段差部４２，４３と段付部４４，４５との接触部分から流体の漏れが想定される場合には、圧縮室Ｃ１，Ｃ２にバイパス孔４６ａ，４６ｂが通じて圧縮が行われていないので流体の漏れの影響はない。また、バイパス孔４６ａ，４６ｂの開口部分が閉塞されて圧縮室Ｃ１，Ｃ２が密閉状態になった場合には、圧縮室Ｃ１，Ｃ２が段差部４２，４３とは関与しない位置にあるので圧縮室Ｃ１，Ｃ２内の流体が段差部４２，４３から漏れることがなく圧縮を行うことができる。

ここで、図１０に示すように段差部４２，４３よりも渦巻きの外終端側にバイパス孔５０を設けた場合では、バイパス孔５０の開口部分が閉塞されて圧縮の状態になっていても、段差部４２，４３が圧縮を行うべき圧縮室Ｃ１，Ｃ２を跨いでいる状態が生じる。この結果、バイパス孔５０で容量制御を行うときに、段差部４２，４３で圧縮漏れがあるので圧縮損失が生じる。これに対し本実施例におけるスクロール圧縮機は、上記圧縮損失を生じることなく段差部４２，４３およびバイパス孔４６ａ，４６ｂの効果を得ることができる。

以上のように、本発明に係るスクロール圧縮機は、段差部とバイパス孔とを備えた構成の場合に圧縮損失を低減することに有用であり、特に、バイパス孔で容量制御を行うときに、段差部での圧縮漏れをなくすことに適している。

本発明に係るスクロール圧縮機の全体構成を示す断面図である。 固定スクロールおよび旋回スクロールを示す斜視図である。 固定スクロール（旋回スクロール）の断面図である。 固定スクロールの平面図である。 固定スクロールおよび旋回スクロールを組み付けた状態での動作図である。 固定スクロールおよび旋回スクロールを組み付けた状態での動作図である。 固定スクロールおよび旋回スクロールを組み付けた状態での動作図である。 固定スクロールおよび旋回スクロールを組み付けた状態での動作図である。 固定スクロールおよび旋回スクロールを組み付けた状態での動作図である。 従来想定できるスクロール圧縮機を示す平面図である。

符号の説明

１２ 固定スクロール（第１スクロール）
１２ａ 端板
１２ｂ 壁体
１２ｃ，１２ｄ 端縁
１２ｅ 連結縁
１２ｆ，１２ｇ 底面
１２ｈ 連結壁面
１３ 旋回スクロール（第２スクロール）
１３ａ 端板
１３ｂ 壁体
１３ｃ，１３ｄ 端縁
１３ｅ 連結縁
１３ｆ，１３ｇ 底面
１３ｈ 連結壁面
４２，４３ 段差部
４４，４５ 段付部
４６ａ，４６ｂ バイパス孔
Ｃ１，Ｃ２ 圧縮室

Claims (1)

1. 端板の一側面に渦巻き状の壁体を有した第１スクロールと、
   端板の一側面に渦巻き状の壁体を有して当該壁体を前記第１スクロールの壁体に対してかみ合わせた状態で自転を阻止されつつ公転旋回可能に支持された第２スクロールと、
   前記各スクロールの少なくとも一方の端板の一側面の高さを前記壁体に沿う渦の中心部側で高くし外終端側で低くし、かつ前記外終端から渦の中心部側に３６０°以内の位置に設けた段差部と、
   前記各スクロールの少なくとも他方の壁体の高さを渦の中心部側で低くし外終端側で高くして互いのスクロールの底面と壁体の端縁とが接触した態様で前記段差部に係合する段付部と、
   前記段差部の位置よりも渦の中心部側の位置に設けてあり前記各スクロールの各壁体と各端板とで囲まれた圧縮室を外部に連通可能にするバイパス孔と、
   を備えたことを特徴とするスクロール圧縮機。

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