JP2009299523A - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入室の圧力上昇により生じる可動スクロールの転覆を迅速に防止し、可動スクロールの公転旋回運動を安定的に行うことができるスクロール型流体機械を提供する。
【解決手段】スクロール型流体機械は、作動流体の吸入圧が作用する吸入室34と、可動スクロール22の鏡板26の背面26bとフレーム42とで形成される背圧室48と、背圧室を各鏡板26,28の径方向中央部側に位置して潤滑油の吐出圧が作用する高圧室51と各鏡板の径方向外周部側に位置して高圧室よりも減圧された中間圧室53とに仕切る環状の仕切り部材49とを備え、吸入室の圧力が中間圧室の圧力よりも大となるときのみ吸入室の圧力を中間圧室へ逃がす圧力逃がし手段58を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スクロール型流体機械に係り、詳しくは、冷凍空調機やヒートポンプ式給湯機に組み込まれて好適なスクロール型流体機械に関する。

この種のスクロール型流体機械は、例えば密閉型スクロール圧縮機は、各鏡板の各鏡板面に渦巻状のラップが対をなしてそれぞれ立設される固定及び可動スクロールからなるスクロールユニットを備え、固定スクロールに対し可動スクロールがフレーム上を公転旋回運動することにより、これら各ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、この圧縮室が各鏡板の径方向中央部に向けてその容積を減少させながら移動する。

そして、固定スクロールの鏡板と可動スクロールの鏡板面とで形成され、作動流体の吸入圧が作用する吸入室と、可動スクロールの鏡板の背面とフレームとで形成される背圧室とを備え、可動スクロールの鏡板に、吸入室と背圧室とを連通する複数の貫通孔を設ける技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
また、上記背圧室を各鏡板の径方向中央部側に位置して作動流体の吐出圧が作用する高圧室と各鏡板の径方向外周部側に位置して高圧室よりも減圧された中間圧室とに仕切る環状の仕切り部材を備えたスクロール圧縮機が知られている（例えば特許文献２参照）。
特開２００２−２１３３７０号公報 特開２００８−８１６１号公報

ところで、可動スクロールは主として中間圧室の背圧により吸入室の圧力に抗して固定スクロール側へ押圧されている。しかし、圧縮機が組み込まれた、例えば冷凍機の除霜運転時に冷凍回路の絞り手段の開度を変更したり、或いは、いわゆる液バック現象によってミスト状の作動流体を吸入室に吸入し、吸入室の高温となる外壁に付着した液状作動流体が気化することによって、吸入室の圧力が急激に上昇し、中間圧室の圧力より大きくなることがある。これにより、可動スクロールが固定スクロールとは反対側に押圧されて傾く転覆現象が発生し、ひいては圧縮室の作動流体が漏洩し、正常に圧縮機を運転できなくなり、更に、可動スクロールの公転旋回運動が不安定に行われることにより、圧縮機における圧縮不良や騒音を招くおそれがある。

そこで、上記特許文献１に記載されるように、吸入室と背圧室とを連通する貫通孔を設けることが考えられるが、これでは背圧室と吸入室との圧力が同じになり、スクロールユニットに背圧構造を形成することができず、可動スクロールを背圧室の背圧によって固定スクロール側へ押圧することができないため、可動スクロールの公転旋回運動を安定的に行うことができない。

また、上記特許文献１では、可動スクロールの転覆現象を防止するためには各鏡板の径方向外周部側に位置する中間圧室の圧力が問題になるものの、上記特許文献２の如く背圧室を高圧室と中間圧室とに仕切る背圧構造については格別な配慮がなされていないため、可動スクロールの転覆現象を効果的に防止することはできない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、吸入室の圧力上昇により生じる可動スクロールの転覆を迅速に防止し、可動スクロールの公転旋回運動を安定的に行うことができるスクロール型流体機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載のスクロール型流体機械は、各鏡板の各鏡板面に渦巻状のラップが対をなしてそれぞれ立設される固定スクロール及び可動スクロールから構成され、固定スクロールに対し可動スクロールがフレーム上を公転旋回運動することにより、各ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、該圧縮室が各鏡板の径方向中央部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロールユニットと、固定スクロールの鏡板と可動スクロールの鏡板面とで形成され、作動流体の吸入圧が作用する吸入室と、可動スクロールの鏡板の背面とフレームとで形成される背圧室と、背圧室を各鏡板の径方向中央部側に位置して作動流体の吐出圧が作用する高圧室と各鏡板の径方向外周部側に位置して高圧室よりも減圧された中間圧室とに仕切る環状の仕切り部材とを備え、吸入室の圧力が中間圧室の圧力よりも大となるときのみ吸入室の圧力を中間圧室へ逃がす圧力逃がし手段を具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、請求項１において、圧力逃がし手段は、可動スクロールの鏡板を貫通して形成され、吸入室と中間圧室とを連通する連通路と、吸入室の圧力が中間圧室の圧力よりも大となるときは連通路を連通するリリーフ弁とからなることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、請求項２において、連通路の吸入室側の開口部は、可動スクロールの１公転旋回運動に要する時間のうちの少なくとも半分以上の時間は吸入室に開口する位置に設けられることを特徴としている。

請求項１記載の本発明のスクロール型流体機械によれば、吸入室の圧力が中間圧室の圧力よりも大となるときのみ吸入室の圧力を中間圧室へ逃がす圧力逃がし手段を具備する。これにより、吸入室の圧力が中間圧室の圧力よりも大きくなるときのみ吸入室の圧力上昇分を中間圧室に付与することができるため、可動スクロールの転覆を迅速に防止し、可動スクロールの公転旋回運動を安定的に行うことができる。

具体的には、請求項２記載の発明によれば、圧力逃がし手段は、可動スクロールの鏡板を貫通して形成され、吸入室と中間圧室とを連通する連通路と、吸入室の圧力が中間圧室の圧力よりも大となるときは連通路を連通するリリーフ弁とからなり、簡易な構成にて可動スクロールの転覆を効果的に防止することができる。
更に、請求項３記載の発明によれば、連通路の吸入室側の開口部は、可動スクロールの１公転旋回運動に要する時間のうちの半分以上の時間は吸入室に開口する位置に設けられることにより、可動スクロールの公転旋回運動によって連通路が固定スクロールにより一時的に閉塞されても可動スクロールの転覆を確実に防止することができる。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るスクロール型流体機械の一例として、密閉型スクロール圧縮機の縦断面図を示しており、この圧縮機１は冷凍空調機やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれている。当該回路は作動流体の一例である二酸化炭素冷媒（以下、冷媒と称する）が循環する経路を備え、圧縮機１は経路から冷媒を吸入し、圧縮して経路に向けて吐出する。

圧縮機１はシェル２を備え、シェル２の円筒胴部をなすセンターシェル４は、その上側及び下側がトップシェル６及びボトムシェル８によってそれぞれ気密に嵌合され、センターシェル４の内部は密閉されて冷媒の吐出圧が作用している。センターシェル４に形成される冷媒の吸入室には上記回路から取り込んだ冷媒を吸入する吸入管１０が接続され、トップシェル６の適宜位置には、シェル２内の圧縮冷媒を上記回路へ送出する吐出管１２が接続されている。

センターシェル４には、上から順にスクロールユニット１４、電動モータ１６、ポンプユニット１８が収容され、電動モータ１６内には回転軸２０が配置されており、回転軸２０は電動モータ１６への通電によって回転駆動される。
回転軸２０は、その上端側がスクロールユニット１４に、その下端側がポンプユニット１８に連結されており、回転軸２０が電動モータ１６によって回転駆動されることにより、スクロールユニット１４は、冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施する。

詳しくは、スクロールユニット１４は非対称となる可動スクロール２２及び固定スクロール２４から構成され、可動スクロール２２は鏡板２６を備え、この鏡板２６の鏡板面（正面）２６ａには固定スクロール２４の鏡板２８に向けて延びる渦巻き状のラップ３０が立設され、一方、固定スクロール２４の鏡板２８の鏡板面２８ａにも鏡板２６に向けて延びる渦巻き状のラップ３２が立設されている。

そして、これらラップ３０，３２は所定のインボリュート曲線に基づいて形成され、これらを互いに対をなして配置し協働させることにより、鏡板２８において吸入管１０が接続された冷媒の吸入室３４から冷媒を吸入してラップ３０，３２の間に圧縮室３６を形成する。
吸入室３４は、固定スクロール２４の鏡板２８と可動スクロール２２の鏡板面２６ａとで形成され、冷媒の吸入圧Ｐｓが作用し、一方、圧縮室３６は、固定スクロール２４に対する可動スクロール２２の公転旋回運動により、鏡板２６，２８の径方向中央部側に向けてその容積を減少させながら移動する。

可動スクロール２２に公転旋回運動を付与するため、鏡板２６の背面２６ｂ側にはボス３８が形成され、ボス３８は軸受を介して回転軸２０の上端側に一体形成される偏心軸４０に回転自在に支持されている。なお、可動スクロール２２の自転は図示しない自転阻止ピンにより阻止されている。
これに対し固定スクロール２４は、センターシェル４の内側に固定されるメインフレーム４２に支持、固定されており、固定スクロール２４の中央部分には圧縮室３６に連通可能な吐出孔４４が穿設されている。

一方、ポンプユニット１８は、ボトムシェル８の内側に貯油された潤滑油を吸引し、吸引された潤滑油は回転軸２０内に穿孔された油路４６を経て回転軸２０の上端から電動モータ１６やスクロールユニット１４等に供給され、各摺動部分や軸受等の潤滑、並びに、摺動面のシールや潤滑に寄与する。
詳しくは、図２のスクロールユニット１４の要部拡大図に示されるように、油路４６を経た潤滑油は回転軸２０の上端から回転軸２０に沿って電動モータ１６側に流下される一方、可動スクロール２２の鏡板２６の背面２６ｂとメインフレーム４２との間に形成される背圧室４８に供給され、背圧室４８から鏡板２６の外周面２６ｃとメインフレーム４２との間の間隙５０を経た潤滑油は可動スクロール２２の鏡板２６に固定スクロール２４に対し摺動する摺動面５２に供給される。

ここで、背圧室４８は、メインフレーム４２に固定された環状のシールリング（仕切り部材）４９により、鏡板２６，２８の径方向中央部側に位置して油路４６を経た潤滑油の冷媒の吐出圧が作用する高圧室５１と、鏡板２６，２８の径方向外周部側に位置して高圧室５１よりも減圧された中間圧室５３とに仕切られている。そして、このような背圧構造を形成することにより、主として中間圧室５３の圧力によって可動スクロール２２が固定スクロール２４に対して適切に押圧され、可動スクロール２２の円滑な公転旋回運動が実現される。

上述した圧縮機１によれば、回転軸２０の回転に伴って可動スクロール２２が自転することなく公転旋回運動することにより、吸入管１０を介してスクロールユニット１４に吸入された冷媒は圧縮室３６を形成し、圧縮室３６内の冷媒はスクロールユニット１４の中心に向けて移動されながら圧縮された後に吐出孔４４よりシェル２内に吐出され、シェル２内を循環した後に吐出管１２を介して圧縮機１外へ送出される。

ところで、本実施形態は、可動スクロール２２の鏡板２６を貫通して形成され、吸入室３４と中間圧室５３とを連通する連通路５４と、吸入室３４の圧力が中間圧室５３の圧力よりも大となるときは連通路５４を連通するリリーフ弁５６とからなる圧力逃がし機構（圧力逃がし手段）５８を備えている。
リリーフ弁５６は、鋼球５６ａと鋼球５６ａに一端が接続されたばね５６ｂとからなる逆止弁であって吸入室３４から中間圧室５３への冷媒の移動を許容し、中間圧室５３から吸入室３４への冷媒の移動は阻止している。

連通路５４には、その吸入室３４側に鋼球５６ａを支持する鋼球支持部６０が形成され、ばね５６ｂにより鋼球５６ａが鋼球支持部５４ａに押圧付勢されることにより、吸入室３４と中間圧室５３とが完全に遮断可能になっている。一方、連通路５４の中間圧室５３側にばね５６ｂの他端を支持するばね押さえ６２が形成されている。
ばね５６ｂは、所定の弾性係数を有するものが選定され、吸入室３４の圧力、すなわち吸入圧Ｐｓが中間圧室５３の圧力、すなわち背圧Ｐbよりも大きくなるときにのみ、鋼球５６ａがばね５６ｂの弾性力に抗して鋼球支持部６０を離間し、吸入室３４から中間圧室５３への冷媒の移動を許容し、吸入室３４の圧力上昇分Ｐｒを中間圧室５３へ逃がすように構成されている。具体的には、吸入室３４と中間圧室５３との差圧ΔＰ（ΔＰ＝Ｐｂ−Ｐｓ）は通常は例えば０．５MPａ程度であり、このとき差圧ΔＰが０．５ＭＰａを超えると、その超えた分の圧力上昇分Ｐｒ（Ｐｒ＝ΔＰ−０．５ＭＰａ）を吸入室３４から中間圧室５３へ逃がす。

また、図２中では、連通路５４の吸入室３４側の開口部５４ａは、吸入室３４に面する位置に位置づけられているが、開口部５４ａは、可動スクロール２２の公転旋回運動によっても吸入室３４から吸入室３４近傍に形成される圧縮室３６にかからない位置であって、可動スクロール２２の１公転旋回運動に要する時間のうちの少なくとも半分以上の時間は吸入室３４に開口する位置に設けられる。

以上のように、本実施形態では、吸入室３４の圧力が中間圧室５３の圧力よりも大となるときのみ吸入室３４の圧力を中間圧室５３へ逃がす圧力逃がし機構５８を備えている。これにより、吸入圧Ｐｓが背圧Ｐｂよりも大きくなるときのみ吸入室３４の圧力上昇分Ｐｒを中間圧室５３に付与することができるため、可動スクロール２２の転覆を迅速に防止し、可動スクロール２２の公転旋回運動を安定的に行うことができる。

具体的には、圧縮機１が組み込まれた、例えば冷凍機の除霜運転時に冷凍回路の絞り手段の開度を変更したり、或いは、いわゆる液バック現象によってミスト状の冷媒を吸入室３４に吸入し、吸入室３４の高温となる外壁に付着した液冷媒が気化することによって、吸入圧Ｐｓが急激に上昇し、吸入圧Ｐｓが背圧Ｐｂより大きくなっても、可動スクロール２２の転覆を迅速に防止し、これに伴う圧縮室３６からの冷媒漏洩、圧縮不良ひいては騒音を防止することができる。

また、圧力逃がし機構５８は、連通路５４とリリーフ弁５６とからなる簡易な構成にて可動スクロール２２の転覆を効果的に防止することができる。
更に、連通路５４の吸入室３４側の開口部５４ａは、可動スクロール２２の１公転旋回運動に要する時間のうちの半分以上の時間は吸入室３４に開口する位置に設けられることにより、可動スクロール２２の公転旋回運動によって連通路５４が固定スクロール２４により一時的に閉塞されても可動スクロール２２の転覆を確実に防止することができる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、連通路５４とリリーフ弁５６からなる圧力逃がし機構５８を形成しているが、これに限らず、例えば連通路５４にオリフィスを設けることにより吸入室３４と中間圧室５３との差圧ΔＰを所定値に保持する圧力逃がし機構を形成しても、上記と同様に可動スクロール２２の転覆を効果的に防止することができる。

また、上記実施形態では、冷凍空調機やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれる二酸化炭素冷媒を使用した密閉型スクロール圧縮機について説明しているが、本発明はこれに限らず種々の作動流体を使用した、種々の分野における圧縮機または膨脹機等の流体機械に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る密閉型スクロール圧縮機を示した縦断面図である。 図１のスクロールユニットの要部拡大図である。

符号の説明

１ 密閉型スクロール圧縮機（スクロール型流体機械）
１４ スクロールユニット
２２ 可動スクロール
２４ 固定スクロール
２６ 鏡板
２６ａ 鏡板面
２６ｂ 背面
２８ 鏡板
２８ａ 鏡板面
３０ ラップ
３２ ラップ
３４ 吸入室
３６ 圧縮室
４２ メインフレーム（フレーム）
４８ 背圧室
４９ シールリング（仕切り部材）
５１ 高圧室
５３ 中間圧室
５４ 連通路
５４ａ 開口部
５６ リリーフ弁
５８ 圧力逃がし機構（圧力逃がし手段）

Claims (3)

1. 各鏡板の各鏡板面に渦巻状のラップが対をなしてそれぞれ立設される固定スクロール及び可動スクロールから構成され、前記固定スクロールに対し前記可動スクロールがフレーム上を公転旋回運動することにより、前記各ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、該圧縮室が前記各鏡板の径方向中央部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロールユニットと、
   前記固定スクロールの前記鏡板と前記可動スクロールの前記鏡板面とで形成され、作動流体の吸入圧が作用する吸入室と、
   前記可動スクロールの前記鏡板の背面と前記フレームとで形成される背圧室と、
   前記背圧室を前記径方向中央部側に位置して作動流体の吐出圧が作用する高圧室と前記各鏡板の径方向外周部側に位置して該高圧室よりも減圧された中間圧室とに仕切る環状の仕切り部材とを備え、
   前記吸入室の圧力が中間圧室の圧力よりも大となるときのみ吸入室の圧力を中間圧室へ逃がす圧力逃がし手段を具備することを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 圧力逃がし手段は、可動スクロールの鏡板を貫通して形成され、吸入室と中間圧室とを連通する連通路と、吸入室の圧力が中間圧室の圧力よりも大となるときは連通路を連通するリリーフ弁とからなることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 連通路の吸入室側の開口部は、可動スクロールの１公転旋回運動に要する時間のうちの少なくとも半分以上の時間は吸入室に開口する位置に設けられることを特徴とする請求項２に記載のスクロール型流体機械。

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