JP2009008008A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回スクロールの圧力変形により、固定スクロールと局所的な接触が発生し、能力低下や入力急増、さらには焼付きに至る恐れがある。
【解決手段】旋回スクロール１３のラップ先端１３ｃと固定スクロール１２のラップ溝底面１２ｄ間に隙間を設け、旋回スクロール１３の鏡板１３ａの厚みを外周部１３ｏと中間部１３ｍとボス内周部１３ｉで異なるように形成し、中間部１３ｉにあたる旋回スクロール背面１３ｅにシール部材７８を配置し、外周部１３ｏにあたる旋回スクロール背面１３ｅに自転拘束機構１４を配置することで、圧力変形を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷暖房空調装置や冷蔵庫等の冷却装置、あるいはヒートポンプ式の給湯装置等に用いられるスクロール圧縮機に関するものである。

従来、冷凍空調機や冷凍機に用いられるスクロール圧縮機は、一般に、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロールおよび旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転拘束機構による自転の拘束のもとに円軌道に沿って旋回させたとき、圧縮室が容積を変えながら移動することで吸入、圧縮、吐出を行うものである。運転中、旋回スクロールにはその背面から圧力が印加されており、環状のシール部材を境にその内側は高圧、外側は中間圧を印加することで、固定スクロール側に反った状態で押さえつけられている。この圧力変形により、旋回スクロールと固定スクロールの局所的な接触が起こり、入力増大、さらには焼付きに至る恐れがある。そこで旋回スクロールの鏡板を外周部と中間部で厚みを変え、圧力変形を抑制する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図５は特許文献１に記載された従来の旋回スクロールの断面図である。本来、特許文献１は生産性向上を図るための構成であるが、ここに引用する。図５に示すように、旋回スクロール１１３の鏡板を中間部１１３ｍと外周部１１３ｏで厚みを変え、高圧の印加される中間部１１３ｍを厚くすることで、旋回スクロール１１３の鏡板１１３ａの変形を抑制している。
特開２００２−１７４１８７号公報

前記従来の構成では、旋回スクロールの圧力変形量を低減し、固定スクロール側への反りを抑制しているので、圧力変形による局所的な接触は緩和される。しかしながら、この構成が有効に活用できるのは、旋回スクロールの背面から圧力が印加されていて、この圧力によって旋回スクロールが固定スクロールに押さえつけられている場合のみである。仮に旋回スクロール背面の全領域が吸入圧で、いわゆる低圧型圧縮機の場合には、旋回スクロールの圧力変形が小さいため、旋回スクロールの鏡板の厚みを変える必要性がない。

本発明のスクロール圧縮機は、旋回スクロールを固定スクロールに接触させた状態で運転させ、これにより漏れを抑制すると同時に、旋回スクロールと固定スクロールのラップ高さ関係や旋回スクロールの鏡板の厚みを規制することで、局所的な接触を防止することができる、高効率化と同時に高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロール背面に環状のシール部材を配置し、シール部材によって内側の高圧領域と外側の背圧室とに仕切り、背圧室に吸入圧もしくは一定中間圧を印加することで旋回スクロールを固定スクロールに接触させ、かつ旋回スクロール背面に自転拘束機構を備えることで、旋回スクロールが円軌道に沿って旋回し、これにより圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、旋回スクロールのラップ先端と固定スクロールのラップ溝底面間に隙間を設け、
旋回スクロールの鏡板厚みを外周部と中間部とボス内周部で異なるように形成し、中間部にあたる旋回スクロール背面にシール部材を配置し、外周部にあたる旋回スクロール背面に自転拘束機構を配置したものである。

かかる構成によれば、シール部材を境に印加される圧力が異なるため、印加圧力に合わせて旋回スクロールの鏡板の厚みも変更し、圧力変形を抑制することができる。その結果、旋回スクロールを固定スクロールに接触させた状態で運転させることが可能となり、漏れを抑制することで高効率化を図ることができる。また前述したように、旋回スクロールの圧力変形を抑制することが可能となるため、局所的な接触を防止し、入力急増や焼付きに至る恐れを解消することができる。すなわち高効率化と同時に高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

本発明のスクロール圧縮機は、旋回スクロールを固定スクロールに接触させた状態で運転させ、これにより漏れを抑制すると同時に、旋回スクロールと固定スクロールのラップ高さ関係や旋回スクロールの鏡板の厚みを規制することで、局所的な接触を防止することが可能となるため、高効率化と同時に高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項１に記載の本発明では、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロール背面に環状のシール部材を配置し、シール部材によって内側の高圧領域と外側の背圧室とに仕切り、背圧室に吸入圧もしくは一定中間圧を印加することで旋回スクロールを固定スクロールに接触させ、かつ旋回スクロール背面に自転拘束機構を備えることで、旋回スクロールが円軌道に沿って旋回し、これにより圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、旋回スクロールのラップ先端と固定スクロールのラップ溝底面間に隙間を設け、旋回スクロールの鏡板厚みを外周部と中間部とボス内周部で異なるように形成し、中間部にあたる旋回スクロール背面にシール部材を配置し、外周部にあたる旋回スクロール背面に自転拘束機構を配置したものである。そしてこの構成によれば、シール部材を境に印加される圧力が異なるため、印加圧力に合わせて旋回スクロールの鏡板の厚みも変更し、圧力変形を抑制することができる。その結果、旋回スクロールを固定スクロールに接触させた状態で運転させることが可能となり、漏れを抑制することで高効率化を図ることができる。また前述したように、旋回スクロールの圧力変形を抑制することが可能となるため、局所的な接触を防止し、入力急増や焼付きに至る恐れを解消することができる。すなわち高効率化と同時に高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の本発明では、特に請求項１に記載の自転拘束機構をオルダムリングで構成し、中間部と外周部の厚みの差を、オルダムリングのキー部を除く厚みより大きくしたものである。そしてこの構成によれば、圧縮機構部の軸方向のサイズを維持したまま、旋回スクロールの圧力変形を最大限抑制することが可能となるため、局所的な接触を防止し、入力急増や焼付きに至る恐れを解消することができる。

請求項３に記載の本発明では、特に請求項１または２に記載のボス内周部の鏡板厚みを最も薄くしたものである。そしてこの構成によれば、過負荷時など作動流体の吐出温度が高い条件において、固定スクロールの中心部の熱膨張を旋回スクロールのボス内周部の鏡板が柔軟に変形し、吸収することができる。

請求項４に記載の本発明では、特に請求項１から３のいずれか１つに記載の中間部の鏡
板厚みをボス部と同一にしたものである。そしてこの構成によれば、ボス部が肉厚構造となるため、根元部の応力集中の心配もなく、旋回スクロールに関しては信頼性を向上させることができる。

請求項５に記載の本発明では、特に請求項１から４のいずれか１つに記載のスクロール圧縮機において、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたものである。そしてこの場合、特に高低圧の差が大きくなり、旋回スクロール背面に加わる荷重も増大するので、本発明の効果が顕著に現れ、高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わるスクロール圧縮機の縦断面図、図２は図１の圧縮機構部の要部拡大断面図、図３は圧縮機構部の詳細断面図である。以下、スクロール圧縮機について、その動作、作用を説明する。

図１、図２に示すように、本発明のスクロール圧縮機は、密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸４の主軸受部材１１と、この主軸受部材１１上にボルト止めした固定スクロール１２との間に、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３を挟み込んでスクロール式の圧縮機構２を構成し、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に旋回スクロール１３の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転拘束機構１４を設けて、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ａにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより旋回スクロール１３を円軌道運動させ、これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している圧縮室１５が外周側から中央部に移動しながら小さくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６および固定スクロール１２の外周部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して圧縮していき、所定圧以上になった冷媒ガスは固定スクロール１２の中央部の吐出口１８からリード弁１９を押し開いて密閉容器１内に吐出させることを繰り返す。

旋回スクロール１３のラップ先端１３ｃには、運転中の温度分布を測定した結果をもとに、中心部である巻き始め部から外周部である巻き終わり部にかけて、徐々にハネ高さが高くなるようにスロープ形状が設けられている。これにより熱膨張による寸法変化を吸収し、局所摺動を防止することができる。

また旋回スクロール背面１３ｅには、主軸受部材１１に配置されている環状のシール部材７８があり、旋回運動を行いながらシール部材７８により、シール部材７８の内側領域である高圧領域３０と、外側領域である低圧もしくは中間圧に設定された背圧室２９とに仕切られている。この背面１３ｅの圧力付加により旋回スクロール１３は固定スクロール１２に安定的に押しつけられ、漏れを低減するとともに安定して円軌道運動を行うことができる。

さらに、固定スクロール１２には、旋回スクロール１３の背面１３ｅの背圧室２９が、常に一定の圧力となるように制御する背圧調整機構９を備えている。

圧縮機運転中は、クランク軸４の下向きの他端にはポンプ２５が設けられ、スクロール圧縮機と同時に駆動される。これによりポンプ２５は密閉容器１の底部に設けられたオイル溜め２０にあるオイル６を吸い上げてクランク軸４内を通縦しているオイル供給穴２６を通じて圧縮機構２に供給する。このときの供給圧は、スクロール圧縮機の吐出圧力とほ
ぼ同等であり、旋回スクロール１３に対する背圧源ともなる。これにより、旋回スクロール１３は固定スクロール１２から離れたり片当たりしたりするようなことはなく、所定の圧縮機能を安定して発揮する。

このように供給されたオイル６の一部は、供給圧や自重によって、逃げ場を求めるようにして偏心軸部４ａと旋回スクロール１３との嵌合部、クランク軸４と主軸受部材１１との間の軸受部６６に進入してそれぞれの部分を潤滑した後落下し、オイル溜め２０へ戻る。高圧領域３０に供給されたオイル６の別の一部は、高圧領域３０に開口を有する給油経路５４を通って、旋回スクロール１３の外周部まわりにあって自転拘束機構１４が位置している背圧室２９に進入し、スラスト摺動部および自転拘束機構１４の摺動部を潤滑するのに併せ、背圧室２９にて旋回スクロール１３の背圧を印加する。

背圧室２９は高圧領域３０の高圧側との間が環状のシール部材７８によってシールされていて、進入してくるオイルが充満するにつれて圧力を増し、所定の圧力を超えると、背圧調整機構９が作用して、圧縮室１５の吸入部分に戻され進入する。

このオイル６の進入は所定の周期で繰り返され、この繰り返しのタイミングは吸入、圧縮、吐出の繰り返しサイクルと、背圧調整機構９での圧力設定との関係の組み合わせによって決まり、固定スクロール１２と旋回スクロール１３との摺動部への意図的な潤滑となる。この意図的な潤滑は前記したように背圧調整機構９による連絡路１０の凹部１０ａへの開口によって常時保証される。吸入口１７へと供給されたオイル６は旋回スクロール１３の旋回運動とともに圧縮室１５へと移動し、圧縮室１５間の漏れ防止に役立っている。

図３に示すように、本実施の形態のスクロール圧縮機では、旋回スクロール１３に背圧を印加することで、固定スクロール１２に押しつけた状態で運転を行っているが、これを安定的に継続するために、旋回スクロール１３のラップ１３ｂの高さが固定スクロール１２のラップ１２ｂの高さに対し、低く形成している。これにより摺動による摩擦力は、旋回スクロール１３のラップ底面１３ｄと固定スクロール１２のラップ上面１２ｃの間に作用することになる。さらに、旋回スクロール１３のラップ底面１３ｄに外周から中心に向かって溝底面が徐々に深くなるようにスロープを形成することで、旋回スクロール１３の鏡板１３ａと固定スクロール１２の外周面の部位１２ｆを接触させている。すなわち、旋回スクロール１３に働く力点間距離を軸方向で縮め、また半径方向ではより外周部へと力点を移動させることで、旋回スクロール１３の旋回運動の安定化を図っている。

そして運転中、旋回スクロール背面１３ｅには背圧が印加されており、環状のシール部材７８を境にその内側には高圧、外側の背圧室２９には吸入圧もしくは所定の中間圧を印加することで、旋回スクロール１３は固定スクロール１２に対して反った状態で押さえつけられている。仮に鏡板１３ａが一定の厚みであった場合には、旋回スクロール１３が大きく反ってしまい、鏡板１３ａの外周部と固定スクロール１２の外周面の部位１２ｆに隙間が発生し、背圧室２９と圧縮室１５が連通することで、能力低下を引き起こす恐れがある。また旋回スクロール１３と固定スクロール１２の局所的な接触が起こり、入力増大、さらには焼付きに至る恐れもある。

そこで本発明のスクロール圧縮機では、旋回スクロール１３のラップ先端１３ｃと固定スクロール１２のラップ溝底面１２ｄ間に隙間を設け、旋回スクロール１３の鏡板１３ａの厚みを外周部１３ｏと中間部１３ｍとボス内周部１３ｉで異なるように形成し、中間部１３ｉにあたる旋回スクロール背面１３ｅにシール部材７８を配置し、外周部１３ｏにあたる旋回スクロール背面１３ｅに自転拘束機構１４を配置する。シール部材７８を境に印加される圧力が異なるため、印加圧力に合わせて旋回スクロール１３の鏡板１３ａの厚みを変更することで、圧力変形を抑制することができる。その結果、旋回スクロール１３の
鏡板１３ａの外周部と固定スクロール１２の外周面の部位１２ｆに隙間を発生させることなく運転させることが可能となり、背圧室２９と圧縮室１５の連通を防止することで高効率化を図ることができる。また旋回スクロール１３と固定スクロール１２の局所的な接触を防止し、入力急増や焼付きに至る恐れを解消することができる。すなわち高効率化と同時に高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。

また自転拘束機構１４をオルダムリングで構成し、中間部１３ｍと外周部１３ｏの厚みの差を、オルダムリングのキー部を除く厚み１４ｈより大きくする。この構成では、圧縮機構部の軸方向のサイズを維持したまま、旋回スクロール１３の圧力変形を最大限抑制することが可能となるため、局所的な接触を防止し、入力急増や焼付きに至る恐れを解消することができる。

また過負荷時など作動流体の吐出温度が高い条件においては、固定スクロール１２のラップ１２ｂは外周部よりも中心部の熱膨張量が大きいため、旋回スクロール１３のラップ溝底面１３ｄと局所摺動を引き起こす恐れがある。この対策として、旋回スクロール１３のラップ溝底面１３ｄに形成されたスロープをより拡大する方法もあるが、吐出温度の低い条件ではスロープが隙間となってしまい、性能低下の原因となってしまう。そこでボス内周部１３ｉの厚みを鏡板１３ａの中で最も薄くする。これにより旋回スクロール１３のボス内周部１３ｉの鏡板１３ａが柔軟に変形し、固定スクロール１２のラップ１２ｂの熱膨張を吸収するため、ラップ溝底面１３ｄのスロープを拡大することなく、局所的な接触を防止し、同時に高効率化を図ることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の旋回スクロール１３を示す断面図である。図４において図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図４において、中間部１３ｍの鏡板１３ａの厚みをボス部１３ｇと同一にする。これにより、ボス部１３ｇが肉厚構造となるため、根元部の応力集中の心配もなく、旋回スクロール１３に関しては信頼性を向上させることができる。

最後に、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合、特に特に高低圧の差が大きくなり、旋回スクロール背面１３ｅに加わる荷重も増大するため、本発明の効果が顕著に現れ、高効率化及び高信頼性化を両立したスクロール圧縮機を実現することができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、旋回スクロールを固定スクロールに接触させた状態で運転させ、これにより漏れを抑制すると同時に、旋回スクロールと固定スクロールのラップ高さ関係や旋回スクロールの鏡板の厚みを規制することで、局所的な接触を防止することが可能となるため、作動流体を冷媒と限ることなく、空気スクロール圧縮機、真空ポンプ、スクロール型膨張機等のスクロール流体機械の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の要部拡大断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の詳細断面図 本発明の実施の形態２におけるスクロール圧縮機の圧縮機構部の詳細断面図 従来のスクロール圧縮機の圧縮機構部の断面図

符号の説明

１２ 固定スクロール
１２ｂ ラップ
１２ｄ ラップ溝底面
１２ｆ 外周面の部位
１３ 旋回スクロール
１３ａ 鏡板
１３ｂ ラップ
１３ｃ ラップ先端
１３ｄ ラップ溝底面
１３ｇ ボス部
１３ｉ ボス内周部
１３ｍ 中間部
１３ｏ 外周部
１４ 自転拘束機構
１５ 圧縮室
２９ 背圧室
３０ 高圧領域
７８ シール部材

Claims (5)

1. 鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、前記旋回スクロール背面に環状のシール部材を配置し、前記シール部材によって内側の高圧領域と外側の背圧室とに仕切り、前記背圧室に吸入圧もしくは一定中間圧を印加することで前記旋回スクロールを前記固定スクロールに接触させ、かつ前記旋回スクロール背面に自転拘束機構を備えることで、前記旋回スクロールが円軌道に沿って旋回し、これにより前記圧縮室が容積を変えながら中心に向かって移動し、吸入、圧縮、吐出の一連の動作を行うスクロール圧縮機において、
   前記旋回スクロールのラップ先端と前記固定スクロールのラップ溝底面間に隙間を設け、前記旋回スクロールの鏡板厚みを外周部と中間部とボス内周部で異なるように形成し、前記中間部にあたる前記旋回スクロール背面に前記シール部材を配置し、前記外周部にあたる前記旋回スクロール背面に前記自転拘束機構を配置してなるスクロール圧縮機。
2. 自転拘束機構をオルダムリングで構成し、中間部と外周部の厚みの差を、前記オルダムリングのキー部を除く厚みより大きくしてなる請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. ボス内周部の鏡板厚みを最も薄くしてなる請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 中間部の鏡板厚みをボス部と同一にしてなる請求項１から３のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
5. 作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としてなる請求項１から４のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。