JP5269011B2 - 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わり、特に、広い運転条件下での漏れ損失低減によって高効率化を実現するものに関する。

スクロール圧縮機は、省エネが要求されるエアコンやヒートポンプ給湯機の冷凍サイクル用圧縮機として普及している。エアコンやヒートポンプ給湯機は、一年を通して運転されるため、それらに搭載されるスクロール圧縮機には広い運転条件に亘って高性能が要求される。

スクロール圧縮機は、鏡板に渦巻状のラップが立設した二つのスクロール部材を噛み合わせて圧縮室を形成し、一方を固定し他方を旋回運動させることで圧縮室の容積を変化させる。高効率化のためには、この圧縮室の主要なシール部である軸方向隙間を狭小に保持する必要がある。軸方向隙間とは、一方のラップ歯先と、他方のラップ歯底、つまり鏡板との隙間のことである。

これを実現する方法として、旋回運動させる旋回スクロール部材の背面に吐出圧や中間圧をかけ、旋回スクロール部材を固定スクロール部材へ付勢して隙間を小さくする方法がとられる。このような旋回スクロール部材を固定スクロール部材へ付勢するスクロール圧縮機は、例えば、特許文献１に開示されている。

更に各スクロール部材は変形することにより軸方向隙間を小さくしている。各スクロール部材の圧力による変形モードは、特許文献１の図２（固定スクロール部材）と図５（旋回スクロール部材）とで示されるように、軸方向隙間が狭まる変形となる。このため、特許文献１の図１０で示されるような、鏡板中央へ向うにつれて拡大する初期隙間を設定していた。

特開平７−１９１８７号公報

上記従来技術では、予め軸方向隙間を設定するときに対象とした運転条件下では実働時の軸方向隙間を狭小化できるが、それ以外の運転条件下では軸方向隙間が拡大し、内部漏れが増加して、効率が低下するという問題があった。特に、高圧となる中央付近で隙間が拡大することは漏れ量の観点から好ましくない。なお、このとき設定された軸方向隙間を軸方向設定隙間と称する。

本発明の目的は、効率の高いスクロール圧縮機を提供することにある。

上記本発明の目的は、
背圧室の圧力によって旋回スクロール部材が固定スクロール部材に付勢されるとともに、前記旋回スクロール部材と前記固定スクロール部材とが噛み合って圧縮室を形成し作動流体を圧縮するスクロール圧縮機において、
前記旋回スクロール部材には、
その内部に鏡板内空間が設けられ、
前記鏡板内空間に吸込圧力よりも高く前記背圧室の圧力よりも低い圧力が掛かるように前記圧縮室と前記鏡板内空間とを連通する連通路が配設された
ことを特徴とするスクロール圧縮機
により達成される。

本発明によれば、高効率のスクロール圧縮機を提供することができる。

スクロール圧縮機の縦断面図。 固定スクロール部材の縦断面図。 旋回スクロール部材。 固定スクロール部材の下面図。 背圧制御弁の拡大縦断面図（図１Ｑ部）。 両ラップ間の圧力分布を説明する旋回歯底面での両ラップ横断面図。 旋回スクロール部材の下面斜視図とオルダムリングの斜視図。 旋回鏡板の変形を説明する旋回スクロール部材の概略縦断面図。 背面鏡板内周側の縦断面拡大図（図３（ａ）Ｓ部）。 鏡板外辺部の縦断面拡大図と旋回スクロール部材の下面斜視図。 付勢力，引離力，引付力の関係

以下、本発明の実施形態を、図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示すとともに、それぞれの実施形態は必要に応じて適宜に組合せることにより、さらに効果を有することを含む。

〔実施形態１〕
本発明の第１の実施形態を図１乃至図９に基づいて説明する。なお、これらの実施形態は圧縮機直径が１０mmから１０００mm程度のものである。また、随所に述べる付勢力と引離力と引付力の関係を図１１に示す。

図１のように旋回スクロール部材３の前記旋回運動は、旋回スクロール部材３に固定配置される旋回軸受２３を回転軸６上端の偏心ボス部６ａに装着し、後述するモータ７でその回転軸６を回すことにより実現する。ここで、旋回スクロール部材３と静止するフレーム４との間に設けるオルダムリング５によって、旋回スクロール部材３の自転を防止している。

回転軸６は、フレーム４に一体的に設けられる主軸受２４と、ロータ７ａを挟んで主軸受２４と反対側に設ける副軸受２５によって支持される。軸方向とはこの回転軸６の軸心の方向のことをいう。後述のラップが立設する方向も軸方向である。ここで、回転軸６の中央には各軸受へ給油する油の流路である給油縦穴６ｂが貫通している。ロータ７ａの上部と下部には旋回スクロール部材３のアンバランスを釣合わせるための上バランス７ｃと下バランス７ｄが配置されている。

副軸受２５は副軸受保持部材２７によって保持され、下フレーム３５に装着されている。副軸受２５は、遠心給油で給油を行う。前記フレーム４と下フレーム３５は、それらに固定配置される主軸受２４と副軸受２５の同軸度が所望のレベルになるようにして、円筒ケーシング８ａに固定配置される。その後、昇圧した作動流体を圧縮機外へ吐出する吐出パイプ５５を固定配置する。

円筒ケーシング８ａの下部には、底ケーシング８ｃが装着され溶接されている。また、円筒ケーシング８ａの上部には、上ケーシング８ｂが装着され溶接されている。以上のように、円筒ケーシング８ａの上に上ケーシング８ｂ、下に底ケーシング８ｃを溶接することによって、密閉したケーシング８が構成される。

上ケーシング８ｂには、ハーメ端子８５が予め固定配置されており、ハーメ端子８５の内側にはモータ線７ｅが接続される。また、ケースパイプ５０ａも予め固定配置されており、吸込パイプ５０はケースパイプ５０ａへ通したうえで上ケーシング８ｂに固定される。吸込パイプ５０とケースパイプ５０ａとの間はロウ付けにより封止している。

明記していないが、上記した組み立ての適当な時点で、ケーシング８内に油を封入し、ケーシング８の底部に貯油部１２５を形成する。

図２において、固定鏡板２ａとそれに立設した固定ラップ２ｂを主たる構成部とする固定スクロール部材２は、固定ラップ２ｂの歯先面である固定歯先面２ｂ１０と同一面である固定鏡板２ａと一体化した台板２ａ′の固定基準面２ｃの外辺部で、図１のようにフレーム４に固定配置される。

図３（ａ）は旋回スクロール部材の縦断面図、（ｂ）は上面図である。図３（ａ）において、その固定スクロール部材２に、旋回鏡板３ａとそれに立設した旋回ラップ３ｂを主たる構成部とする旋回スクロール部材３を噛合わせ、その旋回スクロール部材３を自転させずに旋回運動させることで両スクロール部材間に圧縮室１００を形成する（図１）。

通常の運転状態では、旋回スクロール部材３は固定スクロール部材２に付勢される。つまり、このときの旋回スクロール部材３の引付力は図１の上向きである。この結果、旋回鏡板３ａの周辺部である旋回外辺部３ｅのラップ側の面である旋回付勢面３ｃは固定スクロール部材２の固定基準面２ｃに付勢しつつ摺動する。すなわち、旋回付勢面３ｃは旋回スクロール部材３のスラスト面となり、対する固定スクロール部材２の固定基準面２ｃで前記外辺部よりも中心寄りの領域はスラスト軸受となる。

次に一般的な動作の説明を行う。まず作動流体の流れについて説明する。吸込圧の作動流体は、吸込パイプ５０から吸込室１０５を通って、前記した圧縮室１００へ流入され、昇圧される。ここで、閉じ切る前の圧縮室に相当する吸込室１０５は、圧縮室１００の周囲に形成（図４参照）されるため、旋回付勢面３ｃの中心付近、つまりラップ寄りは、吸込圧領域となる場合が多い。

その後、作動流体は、圧縮室１００で昇圧された後、中央寄りの吐出穴２ｄから固定スクロール部材２の固定背面室１１５へ吐出される。なお、ここで、過圧縮時には吐出穴２ｄの周囲に設けるバイパス弁２２からも吐出される。これより、固定スクロール部材２の背面には、吐出圧がかかる。そして、作動流体は、フレーム４の外周溝４ｚやステータの周囲溝７ｆや貫通穴７ｇを通ってケーシング８の内部全体に流入する。このようにして、ケーシング８内部は吐出圧となる。いわゆる高圧チャンバ型圧縮機である。ケーシング８内の作動流体は中に含まれた油を圧縮機内で分離した後、吐出パイプ５５から圧縮機外へ流出する。

次に油の流れについて説明する。ケーシング８の内部空間下部である貯油部１２５には吐出圧がかかるため、そこに滞留する油も当然吐出圧となる。油は、回転軸６の下端部に固定配置された給油ピース８０から給油縦穴６ｂを通り、旋回スクロール部材の裏側に対面する端部から出て、旋回軸受２３及び主軸受２４を潤滑しながら背圧室１１０へ流入する。

これは、後述する背圧制御弁２６により、背圧室１１０内が吐出圧と吸込圧との間の圧力である背圧に保持されることから、吐出圧である貯油部１２５との間に差圧が発生し、その差圧で油が吸い上げられるためである。この際、旋回鏡板３ａと偏心ボス部６ａとの間の空間であって旋回軸受２３でシールされている旋回軸受室１２０は吐出圧の油で満たされるため、旋回鏡板３ａの背面中央部は吐出圧となり、背面吐出圧領域となる。

この背圧室１１０へ流入した油は、背圧室１１０と吸込室１０５を連通し途中に背圧制御弁２６を設けた背圧連通路６０（図５参照）を通って吸込室１０５へ流入する。そして、吸込室１０５へ流入した油は、圧縮室１００のシール性を高めながら、作動流体と共に吐出室９５へ移送され、吐出口２ｄから固定背面室１１５へ吐出される。この後、油は作動流体から分離して貯油部１２５に戻る。但し、そのうちのほんの一部は作動流体とともに圧縮機外部へ流出する。

次に、図５を用いて、この背圧制御弁２６の構成及び背圧保持動作を説明する。固定スクロール部材２の背面外辺部に弁穴２６ａを設け、そこに板状の弁体２６ｃと弁ばね２６ｂを入れ、ばね位置決め突起２６ｄに弁ばね２６ｂの一端を挿入した状態で弁キャップ２６ｆを弁穴２６ａよりも直径の大きい弁キャップ挿入部２６ｇに圧入し、背圧制御弁２６を形成する。このとき、弁ばね２６ｂは圧縮され、弁体２６ｃは弁シール部２６ｅへ押付けられた状態となる。この結果、この押付力を弁シール部２６ｅの内部領域面積で割った値（圧力に換算した値）まで背圧が吸込圧よりも上昇しないと弁体２６ｃは動かない。従って、背圧は吸込圧より組込み時の弁ばね２６ｂの圧縮量に対応する一定値を上乗せした圧力まで昇圧されることになる。

次に、吸込圧Ｐｓの変化が旋回スクロール部材に与える影響と、吐出圧Ｐｄの変化が旋回スクロール部材に与える影響と、について考察する。先ずはＰｓの影響について説明する。

理論的には上記の通りであるが、実際の背圧は、前記した上乗せ値よりも若干大きな上乗せ値となる圧力まで昇圧する。その理由は次の通りである。

この背圧制御弁２６は油の流路となるため、流路確保のために弁体２６ｃは弁シール部２６ｅから離れなければならない。その結果、弁シール部２６ｅと弁体２６ｃの離間距離分だけ弁ばね２６ｂの圧縮量が増大し、その増大分に対応した分だけ背圧が上昇することとなる。

下記のように、記号を定義すると、以上のことは、（１）式で整理される。
Ｐｂ実−Ｐｓ＞Ｐｂ予−Ｐｓ …（１）
Ｐｓ：吸込圧
Ｐｄ：吐出圧
Ｐｂ実：実際の背圧
Ｐｂ予：弁ばねの圧縮量に対応して予想する背圧

弁シール部２６ｅと弁体２６ｃとの離間距離は、背圧制御弁２６を流れる油量が減少するにつれて減少することから、（２）の関係が導かれる。
ｑが小⇒（Ｐｂ実−Ｐｓ）−（Ｐｂ予−Ｐｓ）が小 …（２）
ｑ：背圧制御弁を流れる油量

一方、本実施形態のスクロール圧縮機では、背圧制御弁２６を流れる油は、旋回軸受２３と主軸受２４を潤滑する油であり、それらは吐出圧と背圧の差圧によって流れている。
このため（３）が成り立つ。
Ｐｂ実が大⇒（Ｐｄ−Ｐｂ実）が小⇒ｑが小 …（３）

また、吸込圧が上がると背圧は上がるため、（４）が成り立つ。
Ｐｓが大⇒Ｐｂ実が大 …（４）

この２つの関係から（５）の関係が導かれる。
Ｐｓが大⇒ｑが小 …（５）

このため、（５）と（２）の関係より、本実施形態のスクロール圧縮機は、下記（６）の関係が成立する。
Ｐｓが大⇒（Ｐｂ実−Ｐｓ）−（Ｐｂ予−Ｐｓ）が小 …（６）

つまり、吸込圧が上昇すると、背圧と吸込圧との差圧が減少する構成となっている。

（４）式と（６）式との相違は以下の通りである。

（４）式は、Ｐｓが大きくなると、実際のＰｂも大きくなる、ということのみを述べている。よって、（４）式は、Ｐｓが大きくなったときに、実際のＰｂはＰｓの増大量だけ上乗せした量よりも大きくなるか、Ｐｓの増大量だけ上乗せした量よりも小さくなるか、または、同一となるか、については何も述べていない。すなわち、（４）式からは、Ｐｓが大きくなった時に、実際のＰｂとＰｓの差圧である（Ｐｂ実−Ｐｓ）が、大きくなるか否かということは導き出すことができない。

一方、（６）式は、Ｐｓが大きくなった時は必ず（Ｐｂ実−Ｐｓ）が小さくなる、ということを、述べている。

このように制御された背圧は、旋回スクロール部材３の背面である旋回背面３ｄの外辺部に背圧領域１５５（図８参照）を形成する。これは前記した背面吐出圧領域１５０（図８参照）とともに、旋回スクロール部材３を固定スクロール部材２に引付けるための引付力発生手段となる。

次にＰｄの影響について説明する。背面吐出圧領域１５０の面積は、後述のような方法で、旋回鏡板３ａのおもて面側、つまり背圧室側に対して反背圧室側・圧縮室側に形成される吐出室９５の面積と同等に設定するとともに、設定位置も、吐出室９５を起源とする引離し力を相殺することができるような位置にした。

次に、背面吐出圧領域１５０の面積を旋回鏡板３ａの圧縮室１００側に形成される吐出室９５の面積と同等に設定する方法を、図６を用いて説明する。

旋回鏡板３ａの圧縮室１００側における吐出圧のかかる領域の面積Ｓ（Ｐｄ）は、吐出室９５の軸線方向からの投影面積に加え、その吐出室９５の境界を形成する両ラップ２ｂ，３ｂの歯先面積の半分であると仮定する。

後者は、吐出室９５の外側に位置する圧縮室と吐出室９５とのシール部であるから、吐出室９５に近い部分は吐出圧となり、外側の圧縮室に近い部分はその圧縮室の圧力となっているため、吐出圧とその圧縮室の圧力の平均の圧力がかかっている部分と考えることが合理的である。よって、吐出圧がかかる面積を歯先面積の半分とする。

この領域の面積Ｓ（Ｐｄ）は、旋回スクロール部材３が公転するにつれて変化するため、本来はその時間平均を背面吐出圧領域の面積とすべきであるが、定義が困難であり却って複雑なため、良い近似である上に定義の明確なものとして、変化する値の最大値ＳＭと最小値Ｓｍとの平均値とする。

ここで、投影面積の例を、図６に示す。この図は、最内の圧縮室であるＡ１，Ａ２が同時に吐出室Ａ３と連通する瞬間を示したものである。連通直後とみなすと、
ＳＭ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３
＋Ｋ２＋Ｋ３＋Ｓ２＋Ｓ３
＋（Ｋ１＋Ｓ１）／２
が問題としている投影面積の最大値ＳＭとなる。また、連通直前とみなすと、
Ｓｍ＝Ａ３＋（Ｋ３＋Ｓ３）／２
となり、問題としている投影面積の最小値Ｓｍとなる。従って、
Ｓ（Ｐｄ）＝(ＳＭ＋Ｓｍ)／２
となる。

従来より、過圧縮を抑制するバイパス弁２２（図１参照）によって圧縮室の圧力上限を吐出圧レベルとする場合、広い運転範囲において、吐出圧を起源とする引離し力成分を除いた引離し力、つまり吸込圧と吸込圧に依存した圧縮室の圧力を起源とする引離し力に対抗して旋回スクロール部材３を固定スクロール部材２に最低限で付勢するための引付力は、吸込圧より一定値だけ高い圧力を旋回スクロール部材３にかけると得られる。

これを言い換えると、本実施形態では、広い運転範囲で、旋回スクロール部材３を固定スクロール部材２へ最小限の付勢力で付勢するためには、背圧を吸込圧よりある一定値だけ高い圧力に保持すればよい、ということになる。前式のいろいろな箇所に出てくる（Ｐｂ予−Ｐｓ）値は、広い運転範囲で、旋回スクロール部材３を固定スクロール部材２へ最小限の付勢力で付勢することができる設定値である。付勢力が小さいということは、付勢力の定義から、引付力は、引離し力に近い大きさであることを意味している。つまり、「付勢力＝引付力−引離力」であるから、付勢力が小さいということは、引付力と引離力との差が小さいということであり、旋回鏡板３ａの凸変形は小さくなる。従って、本実施形態では、広い運転範囲で、以下のことがいえる。
（Ｐｂ実−Ｐｓ）−（Ｐｂ予−Ｐｓ）が小
⇒旋回鏡板３ａの凸変形が小さい …（７）

ここで背圧弁理論について説明する。過圧縮を抑制するバイパス弁２２（図１参照）によって圧縮室の圧力上限を吐出圧レベルとする場合、広い運転範囲において、吐出圧を起源とする引離し力成分を除いた引離し力、つまり吸込圧と吸込圧に依存した圧縮室の圧力を起源とする引離し力に対抗して旋回スクロール部材３を固定スクロール部材２に最低限で付勢するための引付力は、吸込圧より一定値だけ高い圧力（Ｐｂ）を旋回スクロール部材３にかけると得ることができる。

（７）式の前に記載した、この背圧弁理論と、「付勢力と引離し力のうちの吐出圧を起源とする力が、本実施形態では相殺される」ことにより、広い運転範囲で、つまり吐出圧Ｐｄに依存せず、付勢力を最小にできる（Ｐｂ−Ｐｓ）値が存在することが分かる。（７）式の（Ｐｂ予−Ｐｓ）は、広い運転範囲で付勢力を最小にできる設定値である。

よって、（Ｐｂ実−Ｐｓ）−（Ｐｂ予−Ｐｓ）を小さくするようなＰｂ実は、付勢力を最小にできる（Ｐｂ予）に近い値ということになるから、「付勢力が小さいということは、旋回鏡板の凸変形が小さい」ことと合わせると、（７）式を導出することができる。

これより、（６）と（７）から、
Ｐｓが大⇒旋回鏡板３ａの凸変形が減少 …（８）
の関係が導き出される。

以上で、実施形態の概要構成とそれらに伴う動作の説明を終わり、次に、本発明の中心的な部分である旋回スクロール部材の構成とその構成に関わる動作を、主に図３，図７（ａ），図８，図９を用いて説明する。

まず、旋回スクロール部材３の構成を説明する。図３（ａ）で示すように、旋回スクロール部材３の旋回鏡板３ａを、旋回ラップ３ｂが立設するラップ鏡板３ａ１と背面鏡板３ａ２に２分割する。ここで、ラップ鏡板３ａ１には、旋回背面側の背面吐出圧領域１５０（図８参照）全域を含む旋回軸受支持部３ｐを一体化させるものとする。そして、そのラップ鏡板３ａ１と背面鏡板３ａ２を、軸方向の隙間である鏡板隙間を有しつつ、旋回外辺部３ｅで、ねじ３ｑ（図７（ａ）参照）で止めて固定する。これはねじ止め以外に、ビス止めや溶接や摺動溶着や接着によって固定や固着させてもよい。なお、鏡板隙間は、歯先歯底隙間とは異なる。

図７（ａ）は旋回スクロール部材の下面斜視図を表している。ここで、背面鏡板３ａ２を固定するときに、その内辺部に金属製のばね材やエンジニアリングプラスチックの材質を有する鏡板内空間シール２００ａを装着し、背面鏡板３ａ２の内辺部とラップ鏡板３ａ１の旋回軸受支持部３ｐとの間を相対的に軸方向可動な状態でシールする（図９参照）。

以上のとおり、鏡板隙間の外辺である旋回外辺部３ｅをねじ３ｑで固定し、内辺を鏡板内空間シール２００ａによりシールすることで、鏡板隙間を背圧室１１０と仕切り、圧力が異なる背圧室１１０と仕切られた鏡板内空間２００を旋回鏡板３ａ内部に形成する。

ここで図３（ａ）や図８中の鏡板内空間２００は、説明のし易さのために誇張して表現しているが、実際は非常に薄いものとする。その厚さレベルは、後述する変形で背面鏡板３ａ２の内辺部がラップ鏡板３ａ１と接触しない厚さとするものであり、数μｍ〜１００μｍレベルである。

図示するように、鏡板内空間シール２００ａの断面は、背圧室１１０へ開口するコの字型をしている。つまり、四角形状で下辺が無いような断面形状である。後述するように、鏡板内空間２００の圧力である鏡板内圧は、背圧室の圧力である背圧よりも低く設定するため、鏡板内空間シール２００ａの開口部２００ａ１が開く変形を起こす結果、シール性が向上するという効果がある。このときの断面形状は、下辺が長い台形形状で下辺が無いような断面形状である。また、背面鏡板３ａ２の内周側に内周突起３ａ２ａを設ける。これは、鏡板内圧が不慮に背圧よりも上昇した場合、鏡板内空間シール２００ａが隙間から飛び出すことを防ぐためである。

次に、鏡板内圧を吸込圧よりも高い中間圧とする手段について説明する。図３（ａ）（ｂ）に図示するように、ラップ鏡板３ａ１を貫通して（但し、旋回背面まで達している箇所は除く）、圧縮室１００と鏡板内空間２００を連通させる鏡板内空間連通路２００ｂを設ける。この開口位置は、図４で示すように、鏡板内空間連通路２００ｂの外側端部である連通開口部２００ｃの旋回運動に伴う軌跡が、圧縮室１００をかすめる、つまり間欠的に連通するような位置に設定する。なお、図４には、鏡板内空間連通路２００ｂ（連通開口部２００ｃ）が圧縮室１００と連通するタイミングの旋回スクロール部材３も描画している。

具体的には、連通開口部２００ｃの軌跡である円環の内円が圧縮室を通らずに全て台板２ａ′の固定基準面上にくるように、鏡板内空間連通路２００ｂを設定する。つまり、圧縮室のうちで、吸込室１０５から僅かに昇圧した低圧圧縮室１００ａ（図４参照）と、鏡板内空間２００とが、図４の旋回位相タイミングで一瞬だけ連通するため、鏡板内圧のレベルは、図４で示す圧縮室の圧力レベルに固定される。その圧縮室の圧力レベルは、吸込圧に、圧縮室容積比（閉じ込み時の圧縮室容積／圧縮室容積）の作動流体の断熱指数の冪乗を掛けた値となる。

つまり、鏡板内圧のレベルは、吸込圧の一定値倍に固定される。さらに、後述するように、鏡板内圧による旋回鏡板３ａの変形から、回転軸６の回転に同期した変動を取り除くことができるため、旋回鏡板３ａの変形を安定化させ、軸方向隙間を安定化し、油によるシール性を向上させ、漏れを抑制して性能を向上させるという効果がある。

今回は、連通開口部２００ｃの軌跡の内円が圧縮室に掛からないように鏡板内空間連通路２００ｂを設定し、外円は掛かるようにした。また、この鏡板内圧を運転条件全域で背圧より小さくするため、鏡板内空間連通路２００ｂの設定位置を旋回ラップ３ｂの巻き終わり側へ配置する。

以上の如く構成した旋回スクロール部材３を前記スクロール圧縮機に組み込んだ場合の動作を、図８を用いて次に説明する。

旋回スクロール部材３は、旋回背面３ｄの外辺側に背圧領域１５５と中央の背面吐出圧領域１５０とを有することによって、図中上向きの力（前述の引付力）が与えられ、これが作動流体の圧縮に伴う下向きの力（前述の引離し力）を上回るので、固定スクロール部材２に付勢される。引付力と引離し力の差である付勢力が掛かる位置は、主として圧力の大小関係から、旋回ラップ３ｂが立設する領域の外辺部に形成される吸込室１０５部である。

つまり、旋回スクロール部材３は、図８で示すように、全体的な変形モードとしては上に凸の形状となり、旋回付勢面３ｃは、固定スクロール部材２の固定基準面２ｃの外辺部の中央側で付勢される。このため、旋回歯底面３ａ１０は、鏡板内空間２００が無い従来の場合、太い二点鎖線で示したような上に凸の形状となり、そこに立設する旋回ラップ３ｂの歯先面３ｂ１０も同様に上に凸となっていた。

本実施形態は、鏡板内空間２００を設け、その内部の圧力である鏡板内圧を、前記したような手段によって、背圧よりも低いが吸込圧よりも高い中間圧とした結果、ラップ鏡板３ａ１歯底部の凸変形が抑制できる。この理由を次に説明する。

ラップ鏡板３ａ１の中央部のおもて面には、前記吐出室９５が回転軸６の回転位相に伴って面積を変化させながら形成されるため、ラップ鏡板３ａ１の中央部を凹ませる向きの力がかかっていることになる。しかしながら、前記した通り、この吐出室９５の位相角平均的な面積と同等の面積を有する背面吐出圧領域１５０をラップ鏡板３ａ１中央部の背面に設けているため、吐出室９５の吐出圧によるラップ鏡板３ａ１の中央部を凹ませる向きの力はほぼ相殺される。この結果、ラップ鏡板３ａ１のおもて面は、吸込圧とそれに依存する圧縮室１００の圧力のみが作用した状態になっているとみなすことができる。

対するラップ鏡板３ａ１背面にかかる圧力である鏡板内圧は、背圧よりも低い中間圧であるため、鏡板内空間が無く鏡板の厚みが大きくて高剛性であった従来の場合よりもラップ鏡板３ａ１の下方へのたわみ量が増大する。

この結果、図８のように、従来の歯底面を示す太い二点鎖線よりも、旋回歯底面３ａ１０は下方へ変位させることができ、平面に近い形状に鏡板の変形を制御することが可能となる。また、この平面に近づいた鏡板に立設する旋回ラップ３ｂの歯先面３ｂ１０も平面に近づけることが可能となる。これにより、従来必要であった軸方向設定隙間のための、両スクロール部材２，３の歯先や歯底への段差加工やスロープ加工が不要となり、加工コストが低減するという効果がある。

背面鏡板３ａ２は、その背面に背圧がかかり、対面の上面には背圧よりも圧力の低い鏡板内圧がかかるため、図８のように、内辺部（中心寄り）が盛り上がる変形となる。しかし、３ａ２の内辺部は、ラップ鏡板３ａ１と一体化した旋回軸受支持部３ｐと切り離されているため、背圧がラップ鏡板３ａ１を上に変位させることはなく、旋回歯底面３ａ１０の平面度を低下させることはない。また、鏡板内空間シール２００ａにより、旋回軸受支持部３ｐと背面鏡板３ａ２の内周は相対的に軸方向に可動であるがシールは確保できるため、鏡板内空間２００と背圧室１１０を確実に仕切ることができる。旋回鏡板３ａの変形を制御した或る圧力条件下で、旋回歯底面３ａ１０と旋回歯先面３ｂ１０の高い平面度は実現されている。

上記した如く、本実施形態では、その圧力条件から異なる圧力条件に移った場合でも、この高い平面度を保持できる。この理由を以下に示す。

まず、吐出圧が変化した場合を考える。前記した通り、旋回鏡板３ａのおもて側にかかる吐出圧領域と同等の面積を有する背面吐出圧領域１５０を旋回背面３ｄに設けたため、これらが相殺しあい、実質的に、旋回鏡板３ａに吐出圧がかからない形態となっている。
このため、例え、運転条件の吐出圧を変化させても、旋回鏡板３ａの変形は変化しないため、軸方向隙間が変化せず、狭い状態を保つことができる。

次に、吸込圧が変化した場合を考える。以前の考察から、本実施形態では、以下の（８）の関係が成立している。
吸込圧が大⇒旋回鏡板３ａの凸変形が減少 …（８）

一方、旋回鏡板内空間の鏡板内圧は、吸込圧の一定値倍であるから、吸込圧が高くなると、鏡板内圧も大きくなる。すると、旋回鏡板内空間が膨らむため、旋回鏡板３ａの凸変形を増大させることとなる。つまり、以下の関係が成立する。
吸込圧が大⇒旋回鏡板３ａの凸変形が増大 …（９）

実際、吸込圧が増大すると、変化の反対である（８）と（９）が同時に生じるため、旋回鏡板３ａの変形を抑制できることが分かる。

以上より、この実施形態によれば、吐出圧，吸込圧を変化させても、旋回鏡板３ａの変形量は変化しないため、全ての圧力条件で、旋回鏡板変形を変化させず、ほぼ一定にすることができる。この結果、ある圧力条件下に合わせた、軸方向設定隙間は、広い運転範囲で適正値となり、広い運転条件で、漏れを抑制でき、高効率のスクロール圧縮機を提供することができる。

これまでは、圧力変形だけを考慮してきたが、実際の場合は、熱変形もそれに重なる。
このため、熱変形も考慮して、軸方向隙間を設定することにより、より一層の高効率化が可能となる。

ここで、通常は、オルダムリング５と直線対偶を構成するものとして、直線状の溝を旋回背面３ｄに設けているが、背面鏡板３ａ２について更に強度を高めたい場合には、逆に、旋回スクロール部材３の背面に直線状の突起である旋回オルダム突起３ｘを設ける。図７（ｂ）は、このオルダムリングの斜視図を表している。

これに伴い、オルダムリング５には、フレーム４と直線対偶を形成するオルダム突起５ｙとともに、オルダム溝５ｘを設ける。このとき、オルダム溝５ｘの裏側には、オルダムリング５の剛性を保持するため、補強突起５ｘ１を設ける。

この構成にしたとすれば、上下に突起を備えた通常のオルダムリングよりも厚みを抑制でき、圧縮機の寸法を抑制できる効果が得られる。また、オルダムリング５の質量を小さくできるため、オルダムリング５の往復動で発生する振動や騒音を低減する効果がある。
また、旋回オルダム突起３ｘが背面鏡板３ａ２のリブの役目を果たすため、背面鏡板３ａ２の剛性を高めることができるという効果がある。

また、鏡板の厚さは、ラップ鏡板３ａ１を背面鏡板３ａ２よりも厚くするため、オルダムリング溝を旋回付勢面３ｃ上に設けてもよい。

また、前記したように、鏡板内圧はほぼ一定となるが、これにより、鏡板内空間２００を介した作動流体の再膨張損失を無くすことができ、それに伴う性能低下を回避できる。
実際には、有限な旋回運動区間で連通するため若干の圧力変化が生じる。しかし、前記したように、鏡板内空間２００の容積は極めて小さいため、圧力変化による再膨張損失は無視できるレベルとなる。

さらに、今回は、連通開口部２００ｃの軌跡の内円が圧縮室に掛からないように鏡板内空間連通路２００ｂを設定し、外円は掛かるようにしたが、これに限らず、連通開口部２００ｃの軌跡の内円が低圧圧縮室１００ａにかかるが連通開口部２００ｃの直径を小さくして、その軌跡である円環の幅を小さくしてももちろん良い。これによって、連通開口部２００ｃの位置がずれても、連通開口部２００ｃを流れる作動流体量の変動は小さく、再膨張損失のばらつきも小さくなるため、圧縮機の性能ばらつきが小さくなるという効果がある。

〔実施形態２〕
次に、本発明第２の実施形態であるスクロール圧縮機を、図１０（ａ）の鏡板外辺部の縦断面拡大図と図１０（ｂ）の旋回スクロール部材の下面斜視図を用いて説明する。

この第２実施形態は、旋回外辺部３ｅの背面側をラップ鏡板３ａ１へ一体化させる点以外、第１の実施形態と同様である。この相違点により、背面鏡板３ａ２の外周をラップ鏡板３ａ１の外辺背面部３ａｅの内周へ圧入または焼きバメまたは冷やしバメして両者を固定するため、加工コストが低減できるという効果がある。

ここで、背面鏡板３ａ２の回転を防止するために、一本のねじ３ｒを回転止めとして用いているが、しまり嵌め量を確保できるならば、無くてもよい。背面鏡板３ａ２の厚さを薄くして外辺背面部３ａｅの背面より凹ませてδを確保してあるが、これによって、運転起動時の可否を決めるパラメータである旋回背面３ｄとフレーム４の旋回ベッド面（図示せず）との隙間、すなわち背面隙間の管理が容易となり、組立コストの低減ができるという効果がある。背面隙間には背面鏡板３ａ２の厚さが無関係となるためであり、旋回鏡板側で管理しなければならない寸法はラップ鏡板３ａ１の旋回外辺部３ｅの厚さのみとなるからである。

２ 固定スクロール部材
２ａ 固定鏡板
２ａ′ 台板
２ｃ 固定基準面
２ａ１０ 固定歯底面
２ｂ 固定ラップ
２ｂ１０ 固定歯先面
３ 旋回スクロール部材
３ａ 旋回鏡板
３ａ１ ラップ鏡板
３ａ２ 背面鏡板
３ａ１０ 旋回歯底面
３ｂ 旋回ラップ
３ｂ１０ 旋回歯先面
３ｃ 旋回付勢面
３ｄ 旋回背面
３ｅ 旋回外辺部
３ａｅ 外辺背面部
３ｐ 旋回軸受支持部
３ｘ 旋回オルダム突起
４ フレーム
５ オルダムリング
６ 回転軸
２２ バイパス弁
２３ 旋回軸受
２６ 背圧制御弁
６０ 背圧連通路
９５ 吐出室
１００ 圧縮室
１０５ 吸込室
１１０ 背圧室
１１５ 固定背面室
１２０ 旋回軸受室
１５０ 背面吐出圧領域
１５５ 背圧領域
２００ 鏡板内空間
２００ａ 鏡板内空間シール
２００ｂ 鏡板内空間連通路
２００ｃ 連通開口部

Claims (5)

1. 鏡板とそれに立設する渦巻き状のラップを有し立設方向である軸方向に垂直な面内を旋回運動する旋回スクロール部材と、鏡板とそれに立設する渦巻き状のラップを有し前記旋回スクロール部材と噛み合わされる固定スクロール部材と、これらスクロール部材が噛み合わされることにより形成される圧縮室の作動流体の圧力による前記旋回スクロール部材を前記固定スクロール部材から引き離す向きの引離し力に対抗して前記旋回スクロール部材の鏡板である旋回鏡板を前記固定スクロール部材の鏡板である固定鏡板と一体化し固定スクロール部材のラップである固定ラップの歯先と概略同じ面となる台板へ付勢するべく前記旋回スクロール部材にかける引付力を発生させる引付力付加手段と、作動流体を前記圧縮室に導入し吸込圧となる吸込圧領域と、前記圧縮室内で加圧した作動流体を外部へ導出し吐出圧となる吐出圧領域と、を備えたスクロール圧縮機において、
   前記引付力付加手段は、前記旋回スクロール部材の鏡板である旋回鏡板において前記固定スクロール部材と反対側の旋回背面上に、吐出圧を導入した背面吐出圧領域と吸込圧と吐出圧の中間的な圧力である背圧を導入した背圧領域によって形成し、
   前記背面吐出圧領域は、その面積を、前記ラップの巻き始めであるラップ中央端において前記吐出圧領域と連通して前記両鏡板間に挟まれた領域である吐出室の前記軸線方向から見た投影面積と、その吐出室とそれを囲む圧縮室の境界を形成するラップ部の歯先面積の半分を加えた面積の最大値と最小値の間の値とし、
   前記背圧領域は、その背圧を、吸込圧の増大につれて吸込圧との差圧が低下するものとし、
   前記旋回鏡板は、ラップが立設するラップ鏡板と背面鏡板に分割し、前記ラップ鏡板は、中央寄りに前記背面吐出圧領域を一体化させ、
   前記背面鏡板は、前記ラップ鏡板との間に軸方向の鏡板隙間を有しつつ外辺部で固着するとともに、内辺部を軸方向可動だが前記鏡板隙間と前記背圧領域を仕切るシール手段を備えて鏡板内空間を隔成し、
   鏡板内空間の圧力である鏡板内圧は、前記背圧よりも低く吸込圧よりも高い中間圧とすること、
   を特徴とするスクロール圧縮機。
2. 請求項１において、
   前記鏡板内圧は、前記ラップ鏡板を貫通して、前記圧縮室と前記鏡板内空間を連通させる鏡板内空間連通路により導入すること、を特徴とするスクロール圧縮機。
3. 請求項２において、
   前記鏡板内空間連通路は、前記圧縮室側開口部である鏡板口が閉じ込まれた状態の圧縮室のみと連通し前記背圧領域や前記吸込圧領域とは連通しないこと、を特徴とするスクロール圧縮機。
4. 請求項３において、
   前記鏡板口の前記旋回運動で描く軌跡である鏡板口円環の内円が全て前記台板上にくるべく前記鏡板口を設けること、を特徴とするスクロール圧縮機。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、
   前記旋回鏡板の背面側最外周部を前記ラップ鏡板と一体化し、その背面側最外周部の内周に前記背面鏡板を圧入または焼きバメすること、を特徴とするスクロール圧縮機。

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