WO2008007612A1 - Scroll compressor - Google Patents

Description

明 細 書

スクロール圧縮機

技術分野

[0001] 本発明は、スクロール圧縮機に係り、詳しくは、その使用圧力が高い作動流体の圧 縮に好適したスクロール圧縮機に関する。

背景技術

[0002] この種のスクロール圧縮機はスクロールユニットを備え、このスクロールユニットは、 作動流体の吸入力 圧縮を経て吐出に至る一連のプロセスを実施する。詳しくは、ス クロールユニットは固定スクロール及び旋回スクロールを含み、これらスクロールは互 いに嚙み合う渦巻きラップと、渦巻きラップを支持する端板とをそれぞれ有する。旋回 スクロールは自転することなぐ固定スクロールの軸線の回りを公転運動、即ち、旋回 運動する。これにより、固定及び旋回スクロール間にて規定された空間、即ち、圧縮 室の容積が増減され、上述した一連のプロセスが実施される。

[0003] 圧縮機の運転速度が可変されたとき、作動流体の吸入圧力及び吐出圧力はともに 変化し、この圧力変化は作動流体の過度な圧縮を引き起こすことがある。このような 作動流体の過圧縮を防止するスクロールユニット（例えば、特許文献 1参照）が知ら れている。このスクロールユニットは固定スクロールの端板に圧縮された作動流体を 吐出室に吐出する吐出孔のみならず、複数の連通路を有する。詳しくは、吐出孔は 、端板のほぼ中心部分に位置付けれ、作動流体の圧縮終期にて圧縮室と吐出室と を吐出弁を通じて互いに連通させ、これに対し、複数の連通路は吐出孔の近傍に位 置付けられ、作動流体の圧縮の途中にて、圧縮室と吐出室とを弁を通じて互いに連 通させる。

特許文献 1：特許第 3635826号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] ところで、近年、地球環境に配慮した冷凍サイクルの開発が進められており、この冷 凍サイクルは地球温暖化係数が小さ 、作動流体を使用する。この種の作動流体の 一例としては自然系の CO (炭酸)ガスが挙げられる。 COガスを使用した冷凍サイク

2 2

ルの運転中、 COガスの運転圧力は外気条件等により変化される。このため、 COガ

2 2 スが過度に圧縮されることがあり、このような過度な圧縮は冷凍サイクルの性能を低 下させる。

COガスの過度な圧縮は前述の特許文献 1の技術を採用すれば解消されるものと

2

考えられる。し力しながら、特許文献 1の連通路及び弁はスクロールユニットの構造を 複雑にするば力りでなぐスクロールユニットの製造コストを大幅に上昇させる。また、

COガスの圧縮比は大きく変化するため、この変化に対応可能な吐出弁の採用が要

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求され、この要求もまたスクロールユニットの製造コストを上昇させる大きな要因となる 本発明の目的は、製造コストの上昇を招くことのない簡単な構造を採用して、作動 流体の過度な圧縮を確実に防止可能なスクロール圧縮機を提供することにある。 課題を解決するための手段

[0005] 上記の目的を達成するため、本発明のスクロール圧縮機は、作動流体の吸入から 圧縮を経て吐出に至る一連のプロセスを実施するスクロールユニットを備え、このスク ロールユニットは、単一の吐出孔を有する固定スクロールと、固定スクロールに対して 旋回運動する旋回スクロールであって、固定スクロールと協働して作動流体が吸入さ れた 2つの過渡圧縮室を形成し、この後、これら過渡圧縮室を前記スクロールュ-ッ トの中央部にて 1つに纏めた最終圧縮室に形成する、旋回スクロールとを含み、作動 流体の吸入時における過渡圧縮室の吸入容積に対し、最終圧縮室が形成される直 前の過渡圧縮室の容積の比が容積比で表されるとき、過渡圧縮室は 0. 5以上の容 積比を有する。

上述のスクロール圧縮機によれば、スクロールユニット内に形成された 2つの過渡 圧縮室の容積比は最終圧縮室を形成するまでの間、 0. 5以上に維持される。それ故 、スクロールユニットが使用圧力の高い作動流体を圧縮する場合にも、作動流体の 圧縮比は小さく抑えられ、作動流体の過度な圧縮が防止される。

[0006] また、このスクロールユニットは単一の吐出孔を有しているだけであるので、前述し た特許文献 1の技術の採用、即ち、固定スクロールに対する複数の連通路の加工や 、これら各連通路を開閉させる弁はいずれも不要になる。この結果、スクロールュ-ッ トの構造は簡単になり、その製造コストも安価になる。

本発明の固定スクロールは、吐出孔が形成された固定端板と、固定端板カゝら旋回 スクロールに向けて突出した固定渦巻きラップと、固定渦巻きラップの内周端として形 成され、且つ、吐出孔の近傍に位置付けられた容積比決定部とを含むことができる。

[0007] 具体的には、容積比決定部は吐出孔の近傍の空間を埋め、吐出孔の開口縁を部 分的に囲む外形形状を有する。好ましくは、容積比決定部は、吐出孔に隣接した内 壁と、内壁と固定渦巻きラップの外壁との接続し、固定渦巻きラップの径方向でみて 外側に凸の円弧形状をなす外壁とを有する。

上述した固定スクロールによれば、現有の固定渦巻きラップのプロファイルを改良 するだけで、容積比決定部を容易に得ることができる。この結果、スクロール圧縮機 の性能を維持しつつ、その製造コストを安価にすることができる。

更に、容積比決定部は空洞を有するのが好ましぐこの場合、スクロール圧縮機の 軽量ィ匕が達成可能となる。

[0008] 一方、旋回スクロールは、固定端板に対向した旋回端板と、旋回端板から固定スク ロールに向けて突出し、前記固定渦巻きラップに嚙み合う旋回渦巻きラップとを含み 、旋回スクロールの旋回運動中、旋回渦巻きラップは容積比決定部に対して周期的 に接触する内周端を有する。このような旋回渦巻きラップもまた、現有の旋回渦巻きラ ップのプロファイルを改良するだけで容易に得ることができる。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]本発明の一実施例に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。

[図 2]図 1の固定スクローノレの正面図である。

[図 3]図 1のスクロールユニットが CO冷媒の圧縮に使用されるとき、圧縮室内の圧力

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と容積比との関係を示したグラフである。

[図 4]図 1のスクロールユニットによる圧縮プロセスを説明する図である。

[図 5]他の実施例に係る固定スクロールの断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0010] 図 1のスクロール圧縮機 1は、空調装置やヒートポンプ式給湯機等の作動流体の循 環経路に組み込まれ、例えば、作動流体として CO冷媒 (以下、冷媒と称する）を使

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用する。圧縮機 1は、循環経路からの冷媒の吸入、吸入した冷媒の圧縮、そして、循 環経路への圧縮冷媒の吐出を実行し、循環経路内にて冷媒を循環させる。

より詳しくは、圧縮機 1はハウジング 2を備えている。ハウジング 2は上下方向に延び る円筒状の胴部 4と、この胴部 4の上端及び下端をそれぞれ気密に閉塞する上蓋 6 及び下蓋 8とを含み、その内部に気密室を規定する。また、ハウジング 2の下部は潤 滑油を蓄えたオイル室 9として形成されて 、る。

[0011] 胴部 4内には電動モータ 10が収容されており、このモータ 10はその中央に中空の 駆動軸 12を有する。モータ 10に電力が供給されたとき、駆動軸 12は一方向に回転 される。駆動軸 12の上端部は、軸受 16を介して上フレーム 14に回転自在に支持さ れており、この上フレーム 14は胴部 4に固定されている。

一方、駆動軸 12の下端部は軸受 20を介して下フレーム 18に回転自在に支持され ており、この下フレーム 18もまた胴部 4に固定されている。駆動軸 12の下端にはオイ ルポンプ 22が取付けられており、このオイルポンプ 22は駆動軸 12の回転により駆動 される。オイルポンプ 22が駆動されたとき、オイルポンプ 22はオイル室 9内の潤滑油 を吸込み、吸い込んだ潤滑油を駆動軸 12内、即ち、駆動軸 12内に規定された油路 24に吐出する。この油路 24は駆動軸 12の軸線方向に延び、油路 24内に吐出され た潤滑油は油路 24を通じて移送され駆動軸 12の上端に向けて供給され、そして、 駆動軸 12の上端力 モータ 10や後述するスクロールユニットの各摺動部分に供給さ れる。

[0012] スクロールユニット 30は胴部 4内に配置され、モータ 10の上方に位置付けられてい る。スクロールユニット 30は、冷媒の吸入力 圧縮を経て吐出に至る一連のプロセス を実施する。

より詳しくは、スクロールユニット 30は、旋回スクロール 52及び固定スクロール 32を 含む。旋回スクロール 52は端板 54と、この端板 54に一体に形成された渦巻きラップ 56とを有し、この渦巻きラップ 56は端板 54から固定スクロール 32の端板 34に向けて 突出する。一方、固定スクロール 32は、端板 34と、この端板 34に一体に形成された 渦巻きラップ 36とを有し、この渦巻きラップ 36は端板 34から旋回スクロール 52の端 板 54に向けて突出する。渦巻きラップ 34, 56はともに互いに嚙み合うような渦巻き形 状をなし、この渦巻き形状は実質的にインボリユートによって規定されている。

[0013] 旋回スクロール 52が自転することなぐ固定スクロール 32に対して旋回スクロール 5 2の公転運動、即ち、旋回運動が実施されたとき、渦巻きラップ 36, 56は互いに協働 して、複数の圧縮室を形成する。より詳しくは、圧縮室は、旋回スクロール 52の公転 運動により、渦巻きラップ 36, 56の外周にて形成され、そして、形成された圧縮室は 渦巻きラップ 36, 56の中心に向けて移動するに連れて、その容積が減少される。 旋回スクロール 52に上述の旋回運動を付与するため、その端板 54の下面にはボ ス 66が形成されている。このボス 66は軸受 28を介して偏心軸 26に回転自在に支持 され、この偏心軸 26は駆動軸 12の上端力も一体に突出している。また、旋回スクロ ール 52の自転は複数のピン 68により阻止されており、これらピン 68は端板 54から上 フレーム 14に向けて突出し、上フレーム 14の孔内に位置付けられている。この孔は ピン 68の旋回半径を決定する。

[0014] 一方、固定スクロール 32は上フレーム 14に固定されており、ハウジング 2内には固 定スクロール 32の端板 34と上蓋 6との間にて吐出室 80が規定されている。図 2に示 されるように、端板 34は単一の吐出孔 50を有し、この吐出孔 50は端板 34の中心か ら若干偏心した位置に位置付けられ、端板 34を貫通して ヽる。

また、図 1に示されているように、端板 34には吐出弁 82が取付けられており、この吐 出弁 82は吐出孔 82を開閉する。胴部 4には吸入管 84が接続されており、この吸管 8 4は胴部 4内に冷媒を導く。

[0015] スクロールユニット 30における CO冷媒の吸入容積が Vcで表され、そして、スクロ

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ールユニット 30からの圧縮冷媒の吐出時、吸入容積 Vcに対応した圧縮室の容積が Vで表されるとき、吸入容積 Vcに対する容積 Vの比、即ち、容積比 VZVcは 0. 5以 上に設定されている。

このような容積比 VZVcの設定は、近年商品化されたヒートポンプ式の給湯器のた めの圧縮機が CO冷媒の圧縮に使用される場合に最適である。具体的には、本実

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施例のスクロールユニット 30の場合、図 3に示されるようにスクロールユニット 30から 圧縮冷媒が吐出されるときに容積比 VZVc = 0. 5以下が達成されるようになってい る。

[0016] なお、容積比 VZVcが 0. 5以上とは冷媒の圧縮比でみて、約 2. 0以下の圧縮比 に対応する。

上述した容積比を達成するため、本実施例のスクロールユニット 30は改良されたス クロールプロファイルを有する。より詳しくは、通常のスクロールユニットの旋回側及び 固定側の渦巻きラップは、それらの内周端が固定スクロールの端板の中心部分にて 周期的に接近し、この周期は旋回スクロールの旋回角、即ち、前述した偏心軸 26の クランク角でみて略 2 π ( π = 180° )に設定されている。

[0017] し力しながら、本実施例のスクロールユニット 30は、上述した容積比 VZVcが 0. 5 以上となるクランク角度にて、スクロールユニット 30から圧縮冷媒を吐出させるベぐ 渦巻きラップ 36の内周端に容積比設定部を備える一方、渦巻きラップ 56の内周端 の位置、即ち、渦巻きラップ 56におけるインボリユートの巻き始め位置が決定されて いる。

具体的には、図 2に示されているように、渦巻きラップ 36の容積比決定部は、渦巻 きラップ 36の内周端の体積を増加させる空間埋め部 38として形成され、この空間埋 め部 38は端板 34の略中央部分の空間を埋めている。なお、空間埋め部 38は渦巻き ラップ 36と同様に端板 34から旋回スクロール 52に向けて突出している。

[0018] より詳しくは、空間埋め部 38の外形は、吐出孔 50側に面した内壁 40と、渦巻きラッ プ 36の径方向外側に向けて凸の円弧形状をなした外壁 42とより形作られている。内 壁 40は渦巻きラップ 36の内周面から吐出孔 50に向けて延びた後、吐出孔 50の開 口縁の約半周（図 2でみて吐出孔 50における開口縁の右半分）を囲み、そして、吐 出孔 50から外壁 42に向けて延び、外壁 42の終端に接続されている。

一方、渦巻きラップ 56の内周端は、前述した空間埋め部 38との干渉を避けるため に、渦巻きラップ 56の渦巻き方向に後退した後退端 58として形成されている。旋回ス クロール 52の旋回運動中、図 4から明らかなように後退端 58は、図 4でみて吐出孔 5 0よりも上側に位置した空間埋め部 38の内壁 40に対して接離するように旋回する。 それ故、冷媒の圧縮プロセスの終期において、渦巻きラップ 56及び渦巻きラップ 36 の空間埋め部 38は互いに協働して最終的な圧縮室 74を形成し、この圧縮室 74は 容積比 VZVcに対応する冷媒の圧縮比を達成する。

[0019] 上述した圧縮機 1によれば、前述したように駆動 12が駆動されたとき、旋回スクロー ル 52は自転することなく、固定スクロール 32に対して旋回運動を実施する。このよう な旋回スクロール 52の旋回運動は、胴部 4内の冷媒をスクロールユニット 30の外周 側からスクロールユニット 30内に吸入させ、そして、この後、スクロールユニット 30は 吸入した冷媒の圧縮プロセスを開始する。

図 4に示されているように旋回スクロール 52の回転角、即ち、クランク角でみて、旋 回スクロール 52が例えば 0° の位置にあるとき、渦巻きラップ 56の後退端 58は空間 埋め部 38の内壁 40に接触し、 2つの圧縮室 70, 72が渦巻きラップ 56を挟んで形成 されている。より詳しくは、圧縮室 70は渦巻きラップ 56の外側に位置付けられ、これ に対し、圧縮室 72は渦巻きラップ 56の内側に位置付けられている。これら圧縮室 70 , 72は、渦巻きラップ 56の後退端 58にて完全に完全に分離されている。これら圧縮 室 70, 72の容積に関して、それぞれの容積比 VZVcはいずれも 0. 5を超えている。

[0020] なお、圧縮室 70, 72は、スクロールユニット 30の直径方向に互いに離れた 2つの 冷媒吸入位置にてそれぞれ生じ、そして、クランク角 0° の位置に移動したものであ る。

旋回スクロール 52のクランク角が 90° の位置に達したとき、渦巻きラップ 56の後退 端 58は吐出孔 50に最も接近する。更に、旋回スクロール 52のクランク角が 180° の 位置に達したとき、後退端 58は空間埋め部 38の内壁 40から離れ、圧縮室 70, 72は 互いに連通し、 1つの圧縮室 74を形成する。この結果、圧縮室 70, 72内の冷媒は圧 縮室 74内に集められる。

[0021] この後、渦巻きラップ 56の後退端 58が空間埋め部 38の内壁 40に向けて再び接近 していくに連れ、圧縮室 74の容積は縮小される。旋回スクロール 52のクランク角が 1 80° の位置から 270° の位置に移行する過程にて、圧縮室 74の容積は、吸入容積 Vcの 0. 5倍以下の範囲まで減少され (図 3参照)。そして、圧縮室 74内の圧縮冷媒 の圧力が前述した吐出弁 82の締め切り圧に打ち勝ったとき、吐出弁 82が開かれる。 この時点で、圧縮室 74内の圧縮冷媒は吐出弁 82を通じて吐出室 80に吐出される。 この結果、約 2. 0以上の圧縮比に相当する冷媒の吐出圧力が発生される。 吐出室 80内に吐出された圧縮冷媒はハウジング 2内を循環し、この後、吐出管 86 を通じて送出される。吐出管 86は上蓋 6に取付けられ、吐出室 80に接続されている 。即ち、本実施例の場合、吐出室 80はハウジング 2内にて区画されておらず、モータ 10を収容した胴部 4内に連通している。

[0022] 上述の説明から明らかなように、本実施例のスクロールユニット 30によれば、 2つの 圧縮室 70, 72から最終的に 1つの圧縮室 74が形成される直前の圧縮室 70, 72の 容積の容積比はそれぞれ、 0. 5以上に設定されている。それ故、冷媒密度の変化に 起因して冷媒の圧縮効率が低くなる夏期や冷媒の圧縮効率が高い厳冬期に何れの 状況にて、スクロールユニット 30が運転されても、スクロールユニットの吐出孔からの 冷媒の吐出圧が過度に上昇することはなぐ冷媒の過度な圧縮が防止される。

スクロールユニット 30には単一の吐出孔 50のみが要求されるだけであるので、スク ロールユニット 30に前述した特許文献 1の技術を適用する必要はない。それ故、固 定スクロールに対する複数の連通路の加工や、これら各連通路を開閉させる弁は 、 ずれも不要になる。この結果、スクロールユニット 30の構造が簡単になるとともに、そ の作動上の信頼性も高く維持でき、更に、スクロールユニット 30の製造コストも安価に なる。

[0023] 更に、連通孔が不要であれば、吐出孔 50の大径ィ匕が可能になる。吐出孔 50の大 径ィ匕は吐出孔 50での圧力損失を低下させ、スクロールユニット 30が要求する動力の 低減に大きく寄与する。

前述した容積比 VZVcを 0. 5以上とする条件は、固定スクロール 32における渦巻 きラップ 36の内周端に空間埋め部 38を形成し、一方、旋回スクロール 52における渦 巻きラップ 56の内周端に後退端 58を形成するだけで達成される。それ故、現有の渦 巻きラップ 36, 56のプロファイルを改良するだけで、冷媒の過度な圧縮が防止される 。この結果、スクロールユニット 30の性能を維持しつつ、その製造コストの低廉化を確 実に達成できる。

[0024] 本発明は上述の実施例に限定されるものではなぐ本発明の趣旨を逸脱しない範 囲で種々の変更をカ卩えことができる。

例えば、空間埋め部 38は中実に限らず、図 5に示されるように、その中央に空洞 43 を有することができる。この場合、固定スクロール 32の軽量ィ匕が可能となる。

更に、渦巻きラップ 36, 56の卷始め角はクランク角でみて、約 10° から約 45° そ れぞれ遅らせることも可能である。この場合、渦巻きラップ 36, 56の内周端が後退端 としてそれぞれ形成されれば、上述した容積比 VZVcの条件を達成することができる また、本発明は、上述した実施例のように、同様な形状の圧縮室 70, 72を形成す る対称型スクロールユニットではなぐ異なる形状の圧縮室 70, 72を形成する非対称 型のスクロールユニットにも適用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 作動流体の吸入力 圧縮を経て吐出に至る一連のプロセスを実施するスクロール ユニットを備え、

前記スクロールユニットは、

単一の吐出孔を有する固定スクロールと、

前記固定スクロールに対して旋回運動する旋回スクロールであって、前記固定スク ロールと協働して作動流体が吸入された 2つの過渡圧縮室を形成し、この後、これら 過渡圧縮室を前記スクロールユニットの中央部にて 1つに纏めた最終圧縮室に形成 する、旋回スクロールと

を含み、

作動流体の吸入時における前記過渡圧縮室の吸入容積に対し、前記最終圧縮室 が形成される直前の前記過渡圧縮室の容積の比が容積比で表されるとき、前記過渡 圧縮室は 0. 5以上の容積比を有する、

スクロール圧縮機。

[2] 前記固定スクロールは、

前記吐出孔が形成された固定端板と、

前記固定端板力 前記旋回スクロールに向けて突出した固定渦巻きラップと、 前記固定渦巻きラップの内周端として形成され、且つ、前記吐出孔の近傍に位置 付けられた容積比決定部と

を含む、請求項 1のスクロール圧縮機。

[3] 前記容積比決定部は、前記吐出孔の近傍の空間を埋めて!/、る、請求項 2のスクロ

—ル圧縮機 ₀

[4] 前記容積比決定部は、前記吐出孔の開口縁を部分的に囲む外形形状を有する、 請求項 2のスクロール圧縮機。

[5] 前記容積比決定部は、

前記吐出孔に隣接した内壁と、

前記内壁と前記固定渦巻きラップの外壁との接続し、前記固定渦巻きラップの径方 向でみて外側に凸の円弧形状をなす外壁と を有する、請求項 2のスクロール圧縮機。

[6] 前記容積比決定部は空洞を有する、請求項 2のスクロール圧縮機。

[7] 前記旋回スクロールは、

前記固定端板に対向した旋回端板と、

前記旋回端板力 前記固定スクロールに向けて突出し、前記固定渦巻きラップに 嚙み合う旋回渦巻きラップと

を含み、

前記旋回スクロールの旋回運動中、前記旋回渦巻きラップは前記容積比決定部に 対して周期的に接触する内周端を有する、請求項 2のスクロール圧縮機。