JP4519489B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール圧縮機に関する。

スクロール圧縮機は、鏡板に渦巻状のラップをそれぞれ立設してなる固定スクロールと旋回スクロールとを、ラップを噛み合わせて対向させて配置し、旋回スクロールを旋回させて互いのラップ間に形成される複数の圧縮室の容積を順次縮小させることにより流体を圧縮するようにしている。この圧縮作用により、固定スクロールと旋回スクロールを互いに引き離そうとする軸方向の力（以下、引離し力という。）が発生する。両スクロールが引き離されてしまうと、ラップの歯先と鏡板との間にギャップが生じて圧縮室の密閉性が悪化して、圧縮機の効率が低下する。そこで、旋回スクロールの鏡板の背面に背圧室を形成し、その背圧室に圧縮機の吐出圧と吸込圧の中間圧力を背圧として導入し、背圧により旋回スクロールを固定スクロール側に押圧して、引離し力を打ち消すとともに、固定スクロールと旋回スクロール間に引付力を発生させている。

しかし、引付力が大きすぎると旋回スクロールと固定スクロールとの間のスラスト力が大きくなり、各ラップの歯先と歯底の摺動摩擦が増大し、圧縮機の効率が低下する。そこで、引付力を適当な大きさに調整する必要があることから、特許文献１に記載のスクロール圧縮機では、背圧室と吸込室とを背圧調整弁を介して連通し、背圧室と吸込室との圧力差に応じて背圧室の流体を吸込室に逃がして背圧の大きさを調整している。

特開平１０−１１０６８８号公報

しかし、特許文献１に記載の背圧調整法によれば、一度圧縮して得られる中間圧力の流体を膨張させて吸込室に戻すことになるから、スクロール圧縮機の全体からみて圧縮損失が発生することになり、圧縮機の効率が低下するという問題がある。

また、特許文献１に記載の背圧調整法によれば、背圧＝吸込圧＋α（一定値）に自動調整されるが、圧縮機の運転条件によっては、最適な背圧値が吸込圧＋αから大きくずれる場合がある。その結果、背圧が過大のときは摺動損失が増大し、過小のときは漏れ損失が増大するため、いずれにしても圧縮機の効率が低下するという問題がある。

本発明は、固定スクロールと旋回スクロールの引付力を調整する背圧調整に伴う損失を低減することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、鏡板に渦巻状のラップが立設された固定スクロールと、該固定スクロールに対向して旋回可能に設けられ、前記固定スクロールのラップとの間に複数の圧縮室を形成する渦巻状のラップが立設された旋回スクロールと、前記旋回スクロールの背面に設けられ吐出圧と吸込圧の中間圧力が導入される背圧室と、前記固定スクロールの最外周ラップの歯先に形成された連通路を介して導入される吸込圧力または圧縮初期圧力と前記背圧室の圧力との差に応じて、前記背圧室の流体を前記連通路を介して前記吸込室または圧縮初期の圧縮室に逃す背圧調整弁と、前記固定スクロールと前記旋回スクロールを収納する密閉容器に貯留される潤滑油を前記背圧室に流入させる潤滑油供給手段とを備え、前記連通路に連通していない圧縮室と前記背圧室とを連通する貫通孔を前記旋回スクロールに設けてなり、前記貫通孔は、前記背圧室に面する前記旋回スクロールの鏡板から前記ラップの歯先まで貫通して形成されてなることを特徴とする。

このように、旋回スクロールに背圧室と圧縮室とを連通する貫通孔を設けたことから、背圧室の圧力が過大になった場合、背圧室内の流体は、背圧調整弁と連通路を介して吸込室または圧縮初期の圧縮室に流出すると同時に、一部は貫通孔を通って吸込室または圧縮初期の圧縮室の圧力よりも高い圧縮室に流出する。その結果、背圧調整のために、一度圧縮して得られる背圧室の流体を吸込室または圧縮初期の圧縮室に全量逃す場合の膨張損失に比べて、一部を吸込室の圧力よりも高い圧縮室に逃すことになるから、スクロール圧縮機の全体からみた損失を低減することができる。

この場合において、貫通孔は、背圧室に面する旋回スクロールの鏡板からラップの歯先まで貫通して形成することが好ましい。また、背圧室に面する旋回スクロールの鏡板に形成することができる。いずれの場合においても、圧縮室に通じる側の貫通孔の孔径が、背圧室に通じる側の孔径より小さいことが好ましい。

特に、貫通孔を旋回スクロールの鏡板からラップの歯先まで貫通して設けた場合、背圧室内の流体が貫通孔を通って圧縮室に入るときに、ラップの歯先が摺動する固定スクロールの鏡板（歯底部）との微小な隙間を通ることになる。この隙間が流路抵抗となるため、背圧室と圧縮室を直接連通する場合に比べて、流体の自由な流出入を抑制できるから、背圧室内の圧力変動を小さく抑えることができる。また、旋回スクロールが１回転する間に、背圧室から圧縮室へ、圧縮室から背圧室へと流れの向きが毎回変わることになるが、これによる圧縮損失（いわゆる呼吸損失）を小さく抑えることができる。

本発明によれば、固定スクロールと旋回スクロールの引付力を調整する背圧調整に伴う損失を低減することができる。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本実施の形態のスクロール圧縮機の全体を示す断面図である。図２（Ａ）は本実施の形態の特徴部に係る旋回スクロールのラップ側から見た平面図であり、同図（Ｂ）は図１（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。

図１に示すように、固定スクロール７は円板状に形成された鏡板７ａと、この鏡板７ａの上に渦巻状に立設されたラップ７ｂと、鏡板７ａの外周側に位置し、ラップ７ｂを囲むように筒状に形成された支持部７ｄとから構成されている。ラップ７ｂが立設された鏡板７ａの表面は、歯底７ｃとなっている。また、固定スクロール７は、支持部７ｄでボルト等によりフレーム１７に固定されており、固定スクロール７と一体となったフレーム１７は、溶接等の固定手段によりケーシング９に固定されている。

一方、旋回スクロール８は、固定スクロール７に対向して配置され、フレーム１７内に旋回可能に設けられている。旋回スクロール８は、円板状の鏡板８ａと、固定スクロール７のラップ７ｂと同様に、鏡板８ａの表面である歯底８ｃから立設された渦巻状のラップ８ｂと、鏡板８ａの背面中央に設けられたボス部８ｄとを有して構成されている。

ケーシング９は、固定スクロール７と旋回スクロール８からなるスクロール部、モータ１６、および潤滑油を内部に収納して、密閉構造に形成されている。モータ１６の回転子１６ａを備えたシャフト１０は、フレーム１７に回転自在に設けられ、固定スクロール７の軸線と同軸となっている。シャフト１０の先端にはクランク１０ａが設けられており、クランク１０ａに旋回軸受１１を介して旋回スクロール８のボス部８ｄが回転可能に取り付けられている。旋回スクロール８は、軸線が固定スクロール７の軸線に対して所定距離δだけ偏心した状態に取り付けられている。また、旋回スクロール８のラップ８ｂは、固定スクロール７のラップ７ｂに周方向に所定角度だけずらして重ね合わせられている。そして、旋回スクロール８を固定スクロール７に対して自転しないように拘束しながら相対的に旋回運動させるための機構として、オルダムリング１２が取り付けられている。この状態で旋回スクロール８を旋回運動させたとき、ラップ７ｂ、８ｂ間に、中央部に移動するに従い連続的に容積が縮小される三日月状の複数の圧縮室１３が形成される。例えば、非対称ラップの場合、図３に示すように、旋回スクロール８の内線側及び外線側に、それぞれ旋回内線側圧縮室１３ａ及び旋回外線側圧縮室１３ｂが形成される。

吸入ポート１４は、固定スクロール７に形成されており、この吸入ポート１４は最外周側の圧縮室１３と連通するように鏡板７ａの外周側に穿設され、吸込室が形成されている。また、吐出ポート１５は、最内周側の圧縮室１３と連通するように固定スクロール７の鏡板７ａの中心部に穿設され、吐出室が形成されている。

ここで、本実施の形態の特徴構成について説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）および図１に示すように、旋回スクロール８のラップ８ｂに、背圧室１８と圧縮室１３を連通するように貫通孔１が設けられている。すなわち、貫通孔１は、図２（Ｂ）に示すように、背圧室１８に面する旋回スクロールの鏡板８ａからラップ８ｂの歯先まで貫通して形成されている。貫通孔１のラップ８ｂ上の位置は、貫通孔１の圧縮室１３側の圧力が適当な背圧値に近い値になる位置としている。例えば、図３に示すように、貫通孔１の圧縮室１３側の圧力は、旋回内線側圧縮室１３ａと旋回外線側圧縮室１３ｂの圧力の中間の値となる。なお、旋回内線側圧縮室１３ａおよび旋回外線側圧縮室１３ｂ内の圧力は、旋回スクロール８が１旋回する間に変動するから、１旋回中のそれぞれの平均圧力の中間の値が貫通孔１の圧縮室１３側の圧力となる。

また、貫通孔１は、図２（Ｂ）に示すように、圧縮室１３に通じる側の孔径ｄ１が背圧室１８に通じる側の孔径ｄ２より小さく形成されている。つまり、固定スクロール７の歯底と摺動するラップ８ｂの歯幅が、貫通孔１によって減少するのをできるだけ抑えるようにしている。

このように構成される本実施の形態のスクロール圧縮機の作動について説明する。まず、モータ１６によってシャフト１０を回転駆動すると、この回転はシャフト１０のクランク１０ａから旋回軸受１１を介して旋回スクロール８に伝えられる。これにより、旋回スクロール８は固定スクロール７の軸線を中心に、所定距離δの旋回半径をもって旋回運動する。この旋回運動時に旋回スクロール８が自転しないように、オルダムリング１２によって拘束される。そして、旋回スクロール８の旋回運動によって、各ラップ７ｂ、８ｂの間にできる圧縮室１３は中央に連続的に移動し、その移動に従って圧縮室１３の容積が連続的に縮小する。これによって、吸入ポート１４から吸込まれた流体を各圧縮室１３内で順次圧縮し、圧縮された流体は吐出ポート１５から吐出される。吐出された流体は、ケーシング９内を通って吐出パイプ６から、例えば冷凍サイクルに供給される。

一方、潤滑油はケーシング９の底に貯留され、周囲の圧力は吐出圧になっている。背圧室１８内の圧力は吐出圧より低いため、ケーシング９の底に貯留している潤滑油はシャフト１０に設けた貫通孔３を通って背圧室１８に流入する。具体的には、潤滑油の一部はシャフト１０に設けた横穴４を通って主軸受５を潤滑しながら背圧室１８に達する。また、他の潤滑油は、貫通孔３を通ってシャフト１０のクランク１０ａ上部に達し、旋回軸受１１を潤滑して背圧室１８に入る。ここで、潤滑油は、主軸受５および旋回軸受１１を通過する際、軸受隙間が小さいため絞られて吐出圧より低い圧力で背圧室１８に入ることになる。背圧室１８に入った潤滑油は、背圧が高くなると、吸込室への連通路に設けられた背圧調整弁２を開いて吸込室へ入る。そして、圧縮室１３を通って吐出ポート１５から吐出され、一部は吐出パイプ６から冷凍サイクルへ吐出され、残りはケーシング９内で冷媒と分離されて底に貯留する。

ここで、図４、図５により背圧調整弁２の構成および作動について説明する。背圧調整弁２は、背圧室１８と通じている空間２ｄと、固定スクロール７の最外周のラップ７ｅの歯先に設けられた連通路２ｆにより吸込室（または、圧縮初期の圧縮室１３）に通じている空間２ｅを仕切るように弁体２ａが配置されている。弁体２ａはバネ２ｂにより空間２ｄに連通する開口部に押し付けられている。弁体２ａは、空間２ｄ内の圧力が、連通路２ｆを介して導入される空間２ｅ内の吸込室または圧縮初期の圧縮室の圧力と、バネ２ｂの押付け力に対応する圧力の合計より高くなった場合に、上方へ移動して空間２ｄと空間２ｅを連通させる。これによって、背圧室の圧力（背圧）Ｐｂは、吸込室の圧力（吸込圧）または圧縮初期の圧縮室の圧力をＰｓとし、バネ２ｂの押付け力に対応する圧力をα（一定値）とすると、次式１のように制御される。

（数１）
Ｐｂ＝Ｐｓ＋α
次に、本実施の形態の特徴構成の作用について説明する。まず、背圧室１８に常に流れ込んでくる潤滑油およびそれに溶け込んだ冷媒により背圧が高くなった場合、背圧室１８内の流体の一部は貫通孔１を通って圧縮室１３内に流入する。これとともに、背圧室１８内の流体は背圧調整弁２を通って吸込室または吸込圧よりわずかに圧力が高くなった初期圧縮状態の圧縮室１３内に流入する。ここで、背圧が上昇して背圧調整弁２が開くということは、一度圧縮した流体が吸込圧またはそれに近い圧縮室内圧力まで再膨張するということであるから、圧縮損失が生じることになる。この点、本実施の形態では、背圧室１８内の流体が全て背圧調整弁２を通って吸込圧またはそれに近い圧縮室内圧力まで再膨張するわけではなく、その一部は貫通孔１を通って背圧に近い圧力まで上昇した圧縮室１３へ入るので、再膨張損失を低減でき圧縮効率の高いスクロール圧縮機を実現できる。また、旋回スクロール８に貫通孔１を設けるだけであるので、大幅なコストの上昇は生じない。

また、本実施の形態では、旋回スクロール８のラップ８ｂに貫通孔１を設けているため、背圧室１８内の流体が貫通孔１を通って圧縮室１３に入るときに、旋回スクロール８のラップ８ｂの歯先と、固定スクロール７の歯底７ｃとの微小な隙間を通ることになる。この隙間が流路抵抗となり、背圧室１８と圧縮室１３を直接連通する場合に比べて、流体の自由な流出入を抑制できるから、背圧室１８内の圧力変動を小さく抑えることができる。また、旋回スクロール８が１旋回する間に、背圧室１８から圧縮室１３へ、圧縮室１３から背圧室１８へと流れの向きが毎回変わることになるが、これによる圧縮損失（いわゆる呼吸損失）を小さく抑えることができる。

さらに、図６を参照して、本発明の背圧調整の動作について説明する。図６は、背圧Ｐｂと吸込圧Ｐｓの関係を模式的に表したグラフであり、横軸は吸込圧Ｐｓ、縦軸は背圧Ｐｂを示している。圧縮機のある運転条件において、背圧Ｐｂが過大のとき摺動損失が増大し、過小のとき漏れ損失が増大するため、最適な背圧値が存在する。その最適な背圧値は、圧縮機の様々な運転条件により異なった値をとる。圧縮機の代表的な運転条件に対する最適な背圧値を、模式的にプロットしたのが図中の点１９ａ〜１９ｄである。

いま、背圧室と吸込室を連通させる背圧調整弁２を用いて背圧を調整する場合、前記式１のとおり、Ｐｂ＝Ｐｓ＋αとなり、図中の線Ｃ−Ｅ−Ｄで表せる。なお、背圧調整弁２を、吸込圧よりわずかに圧力が高くなった初期圧縮状態の圧縮室に連通する場合は、Ｐｂ＝ｋ・Ｐｓ＋αとなり、図示していないが、線Ｃ−Ｅ−Ｄよりも上方に移動した直線で表される。ここで、ｋは、初期圧縮状態の圧縮係数である。

ここで、背圧室と吸込室を連通させる背圧調整弁２により背圧を調整する場合についてみると、点１９ａ、点１９ｂでは最適な背圧値とほぼ一致しているが、点１９ｃ、点１９ｄにおいて背圧Ｐｂは最適値よりも過大となっている。一方、旋回スクロール８に設けた貫通孔１により背圧を調整する場合、背圧Ｐｂは貫通孔１と通じる圧縮室１３の平均圧力となるから、吸込圧Ｐｓに、圧縮室１３の平均圧力に相当する一定の圧縮係数βを乗じて、次式２で表すことができる。

（数２）
Ｐｂ＝Ｐｓ×β
このときの背圧Ｐｂは、図中の線Ａ−Ｅ−Ｂの直線で表せる。この線Ａ−Ｅ−Ｂは、最適な背圧値の点１９ｂ、点１９ｃ、点１９ｄにおいてほぼ一致するが、点１９ａにおいて最適値より過大となってしまう。

この点、本実施の形態によれば、背圧調整弁２と旋回スクロール８に設けた貫通孔１の両方で背圧を調整しているから、背圧Ｐｂが高くなったとき、背圧室１８内の流体は、より低い圧力の空間へ多く流れようとする。つまり、点Ｅでの吸込圧より低い吸込圧となる運転条件、すなわち点Ｅより左の領域では、点線で示した貫通孔１による背圧調整が支配的となる。また、点Ｅでの吸込圧より高い吸込圧となる運転条件、すなわち点Ｅより右の領域では、背圧調整弁２による背圧調整が支配的となる。図６の特性を言い換えれば、背圧調整弁２の吸込圧と背圧との動作直線（Ｃ−Ｅ−Ｄ）と、貫通孔１の吸込圧と背圧との動作直線（Ａ−Ｅ−Ｂ）が途中で交差し、かつ背圧調整弁２の動作直線の勾配が貫通孔１の動作直線の勾配より小さく形成することが特徴である。

したがって、背圧調整弁２と旋回スクロール８に設けた貫通孔１の両方により背圧を調整する場合、図中の線Ａ−Ｅ−Ｄに沿って動作することになる。このとき、背圧調整弁２のバネ２ｂの定数および貫通孔１の位置を調整することにより、点１９ａ〜１９ｄまでの代表的な運転条件で、最適な背圧値とほぼ一致させることができるようになる。つまり、背圧調整の自由度が上がり、より広い運転範囲において圧縮効率の高いスクロール圧縮機を実現できる。

ちなみに、図６の点Ｅより右の領域では、貫通孔１が通じている圧縮室１３内の平均圧力の方が背圧室１８内の圧力より高い。したがって、貫通孔１内では、圧縮室１３から背圧室１８へ向かう流れが主流となり再膨張損失低減の効果は小さくなる。しかし、圧縮室１３から背圧室１８へ逆流した流体の分だけ、吐出圧の雰囲気であるケーシング９の底に貯留した潤滑油および潤滑油に溶け込んだ冷媒が背圧室１８に流れ込む量が減るため、圧縮効率が低下することはない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、固定スクロールと旋回スクロールの引付力を調整する背圧調整に伴う、圧縮流体の再膨張による損失を低減することができる。特に、広い運転範囲において圧縮効率の高いスクロール圧縮機を実現できる。

上記実施の形態では、旋回スクロールのラップに貫通孔１を穿設する例について説明したが、本発明はこれに限らず、圧縮室と背圧室を連通させるように貫通孔を設ければよい。例えば、旋回スクロールの鏡板の部分に貫通孔を設けて背圧室と圧縮室を連通させてもよい。この場合は、貫通孔の孔径をできるだけ小さくして、流路抵抗を持たせることが望ましい。

本発明の一実施の形態のスクロール圧縮機の全体の縦断面図である。 （Ａ）は本発明の一実施の形態の旋回スクロールの平面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。 図２の実施の形態の旋回スクロールと固定スクロールにより構成される圧縮室を示す平面図である。 本発明の一実施の形態の固定スクロールの平面図である。 本発明の一実施の形態の背圧調整弁の縦断面図である。 図１の実施の形態の背圧と吸込圧の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 貫通孔
２ 背圧調整弁
７ 固定スクロール
７ａ 鏡板
７ｂ ラップ
７ｃ 歯底
７ｅ 最外周ラップ
８ 旋回スクロール
８ａ 鏡板
８ｂ ラップ
８ｃ 歯底
１３ 圧縮室
１４ 吸入ポート
１５ 吐出ポート
１８ 背圧室

Claims (4)

1. 鏡板に渦巻状のラップが立設された固定スクロールと、該固定スクロールに対向して旋回可能に設けられ、前記固定スクロールのラップとの間に複数の圧縮室を形成する渦巻状のラップが立設された旋回スクロールと、前記旋回スクロールの背面に設けられ吐出圧力と吸込圧力の中間圧力が導入される背圧室と、前記固定スクロールの最外周ラップの歯先に形成された連通路を介して導入される吸込圧力または圧縮初期圧力と前記背圧室の圧力との差に応じて、前記背圧室の流体を前記連通路を介して前記吸込室または圧縮室に逃す背圧調整弁と、前記固定スクロールと前記旋回スクロールを収納する密閉容器に貯留される潤滑油を前記背圧室に流入させる潤滑油供給手段とを備え、
   前記連通路に連通していない圧縮室と前記背圧室とを連通する貫通孔を前記旋回スクロールに設けてなり、前記貫通孔は、前記背圧室に面する前記旋回スクロールの鏡板から前記ラップの歯先まで貫通して形成されてなることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 吐出圧力と吸込圧力との中間の圧力となる背圧室の圧力によって旋回スクロールを固定スクロールに押し付けると共に前記旋回スクロールと前記固定スクロールとで複数の圧縮室を構成するスクロール圧縮機において、
   吸込圧力または圧縮初期圧力と、前記背圧室の圧力と、の差に応じて前記背圧室の圧力を前記吸込圧力または前記圧縮初期圧力に逃す背圧調整弁と、前記固定スクロールと前記旋回スクロールを収納する密閉容器に貯留される潤滑油を前記背圧室に流入させる潤滑油供給手段とを備え、
   前記圧縮初期圧力の圧縮室とは別の圧縮室と前記背圧室とを連通するよう、前記旋回スクロールのラップの歯先から前記旋回スクロールの前記背圧室側まで、貫通孔を形成したことを特徴とするスクロール圧縮機。
3. 前記流体は、冷媒ガスであ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。
4. 前記背圧調整弁の吸込圧と背圧との動作直線と前記貫通孔の吸込圧と背圧との動作直線が途中で交差し、背圧調整弁の動作直線の勾配が前記貫通孔の動作直線の勾配より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール圧縮機。

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