JP5719685B2 - ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍・空調用のスクロール圧縮機及びヘリウム用スクロール圧縮機の全体構造に関するものである。

ヘリウム用スクロール圧縮機における従来の公知例として、特許文献１に開示されている。

特開２００９−１５６２３４号公報

特許文献１においては、作動ヘリウムガスを冷却するための油インジェクション管を密閉容器に貫通して固定スクロールの鏡板部に設けた油注入用ポートに接続した油注入機構部を備えている。そして、旋回スクロール外側曲線と固定スクロール内側曲線とで形成する旋回外側圧縮室側への冷却用インジェクション油量と、もう一方側の旋回スクロール内側曲線と固定スクロール外側曲線とで形成する旋回内側圧縮室側への冷却用インジェクション油量との不均一なインジェクション量となっていた。即ち注入する冷却用インジェクション油量の均等分配がなされていなかった。

図１２において、従来技術における圧力変化（Ｐ_i3，Ｐ_i4）の曲線に示すように、両圧縮室８ａ，８ｂへの注入するインジェクション油量が不均一になると、図１２に示すように、圧縮室間のシール性の低下によって両圧縮室内の圧力上昇割合（圧縮線）が異なり、圧縮室間の圧力差（ΔＰ₁）が大きくなってしまう。それによって内部漏れ量が大きくなると内部圧縮動力が大きくなって、結果的に圧縮機入力も大きくなる。また、吸入過程での体積効率が低下してヘリウムガス流量が低下することになる。その結果、圧縮機の性能が低下するという課題がある。

そこで本発明は、圧縮機の性能を向上することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、
油インジェクション管を密閉容器に貫通し、固定スクロールの鏡板部に設けた油注入用ポートに接続した油注入機構部を備え、前記固定スクロールと噛み合う旋回スクロールで非対称ラップ型の圧縮室を形成するヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、
前記油注入用ポートが旋回外側圧縮室に連通する第一の旋回角度範囲をθ1、
前記油注入用ポートが旋回内側圧縮室に連通する第二の旋回角度範囲をθ2、
前記旋回外側圧縮室の行程容積をＶｔｈ１、前記旋回内側圧縮室の行程容積をＶｔｈ２
としたとき、
θ1／θ2≒Ｖｔｈ１／Ｖｔｈ２
となるように前記固定スクロール部の歯溝底面に前記油注入用ポートの開口部を設定したものである。

本発明によれば、圧縮機の性能を向上することができる。

縦形タイプのヘリウム用密閉形スクロール圧縮機の全体構造の一実施例を示す縦断面図。 油インジェクション機構部を拡大した部分断面図。 固定スクロール５の平面図。 固定スクロール５の縦断面図。 旋回スクロール６の平面図。 両スクロールラップを組み合わせた断面図（θ_s1）。 両スクロールラップを組み合わせた断面図（θ_s2）。 旋回角度と両圧縮室の圧力変化（圧縮線）を示す図。 油インジェクション用注入ポート構造例を示す固定スクロール５の平面図。 旋回角度と両圧縮室の圧力変化（圧縮線）を示す図。 油インジェクション用注入ポート構造例を示す固定スクロール５の平面図。 圧縮室内圧力と旋回角（度）の関係を示す図。

以下、本発明の一実施例を図１から図１２によって詳細に説明する。

図１と図２において、作動ヘリウムガスの流れとインジェクションされた冷却油の流れを説明する。ヘリウムガスを冷却するための油インジェクション管３１を密閉容器１の上フタ２ａに貫通して固定スクロール５の鏡板部５ａに設けた油注入用ポート２２に接続し、該油注入用ポート２２の開口部は、旋回スクロール６のラップ６ｂの歯先面に対向して開口している。密閉容器１内の吸入管１７側となる上部にはスクロール圧縮機構部が、下側にはモータ部３が収納されている。そして、密閉容器１内は吐出室１ａとフレーム７を挟んでモータ室１ｂとに区画されている。

スクロール圧縮機構部は、図６と図７に示すように、固定スクロール５と旋回スクロール６を互いに噛み合せて圧縮室８（８ａ，８ｂ）を形成している。固定スクロール５は、円板状の鏡板５ａと、これに直立したインボリュート曲線（あるいはこれに近似の曲線）に形成されたラップ５ｂとからなり、その中心部に吐出口１０、外周部に吸入口１５を備えている。旋回スクロール６も円板状の鏡板６ａと、これに直立し、固定スクロールのラップと同一形状に形成されたラップ６ｂと、鏡板の反ラップ面に形成されたボス部６ｃとからなっている。フレーム７は中央部に主軸受４０を形成し、この軸受部に回転軸１４が支承され、回転軸先端の偏心軸１４ａは、上記ボス部６ｃに旋回運動が可能なように挿入されている。またフレーム７には固定スクロール５が複数本のボルトによって固定され、旋回スクロール６はオルダムリングおよびオルダムキーよりなるオルダム機構３８によってフレーム７に支承され、旋回スクロール６は固定スクロール５に対して、自転しないで旋回運動をするように形成されている。

回転軸１４にはモータ軸１４ｂを一体に連設し、モータ部３を直結している。固定スクロール５の吸入口１５には密閉容器１の上フタ２ａを貫通して吸入管１７が接続され、吐出口１０が開口している吐出室１ａはフレーム７の外縁部の第一通路１８ａ，１８ｂを介してモータ室１ｂと連通している。このモータ室１ｂは密閉容器中央部のケ−シング部２ｂを貫通する吐出管２０に連通している。吐出管２０は上記通路１８ａ，１８ｂの位置に対してほぼ反対側の位置に設置している。モータ室１ｂは、ステータ３ａの上部空間１ｂ１とステータ３ａの下部空間１ｂ２とに区分している。この両側の空間１ｂ１，１ｂ２を連通するように、モータステータ３ａとケ−シング部２ｂ内壁面２ｍ側との間に油とガスの流路部となる通路２５（２５ｂ，２５ｃ）を形成している。

また、モータエアーギャップの隙間２６も通路となり、該隙間２６を介して空間１ｂ１と空間１ｂ２とが連通している。このような容器内部のモータ室１ｂ内においてガスと冷却油の混合体の流れによって、６０℃〜７０℃の比較的低温なインジェクション油によるモータへの直接冷却が可能となる。

吸入管１７と固定スクロール５との間には高圧部と低圧部とをシールするＯリング５３を設けている。また、旋回スクロール６の鏡板の背面には、スクロール圧縮機部２とフレーム７で囲まれた空間である背圧室３６が形成され、この背圧室３６には旋回スクロールの鏡板に穿設した細孔６ｄを介し、吸入圧力Ｐ_sと吐出圧力Ｐ_dとの中間圧力Ｐ_bが導入され、旋回スクロール６を固定スクロール５に押付ける軸方向の付与力を与えている。

潤滑油２３は密閉容器１の底部に溜められており、この潤滑油２３は回転軸１４内に設けた偏心穴１３による遠心ポンプ効果により油吸上管２７へ吸上げられるとともに回転軸１４内を流れ、旋回軸受３２に供給される。該旋回軸受３２に供給されて排出された油は、ころ軸受の主軸受４０に落下しフレーム下端部に移動して排出管７４に導かれて、底チャンバ部２ｃの油溜め部に戻るようになる。一方、前記旋回軸受３２に供給されて排出された油は、環状のシールリング構造からなるシール手段８５を経て、背圧室３６に移動する。

図２に示すように、シール手段８５に対向する旋回ボス端面部に小穴のポケット穴５８が備えられ、該ポケット穴内の油が旋回スクロール６の旋回運動により間歇的に背圧室３６側に排出される。このように背圧室３６に移動した油は、前記穴６ｄを介してスクロールラップの外線室側のみの圧縮室８ａへ注入され圧縮ガスと混合され、次いでヘリウムガスと共に吐出室１ａへ吐出される。

前記密閉容器１の底部には、該底部の潤滑油２３を器外へ取出す油取り出し管３０が設けられている。密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２３は、密閉容器１内の吐出圧力Ｐ_dと前記圧縮室８内部の圧力Ｐ_i（Ｐ_i1，Ｐ_i2）との差圧によって油取り出し管３０の流入部３０ａから該油取り出し管３０内に流出していく。なお、該インジェクション用油出口部２９の内部流路３０ｆ内部には、前記インジェクション配管側の絞り部手段３１ｍと同等の口径となる絞り部手段３０ｍを設けている。

油インジェクション管３１の周辺に関しては後述するが、開口部２２の直前となる内部流路３１ｆ内に該ポート部口径ｄ_oより小さい径の絞り部手段３１ｍを設けている。

図３から図５に示すように、固定スクロール５は、円板状の鏡板５ａと、これに直立したインボリュート曲線（あるいはこれに近似の曲線）に形成されたラップ５ｂとからなり、その中心部に吐出口１０、外周部に吸入口１５（１５ａ，１５ｂ）を備えている。Ｏ_kは座標中心点であり、Ｘ_k，Ｙ_kは座標軸である。点６３と点６４は、圧縮室を形成する最外周部の接点位置を示す。旋回外側圧縮室（外線室）８ａは、旋回スクロールラップ外側曲線６６１と固定スクロールラップ内側曲線５６１とにより形成される。旋回内側圧縮室（内線室）８ｂは、旋回スクロールラップ内側曲線６６２と固定スクロールラップ外側曲線５６２とにより形成される。固定スクロールラップ内側曲線５６１の圧縮室を形成する最外周部の接点位置となる点６４は、固定スクロールの外側曲線の巻終わり点６３に対して該固定スクロール内側曲線の巻き終わり点を最大π（円周率）radまで延長したスクロールラップ曲線を備えている。このようなラップ曲線によれば非対称ラップ型の圧縮室が形成される。非対称ラップ型とは、図７において説明すると、三日月状の圧縮室８ａと８ｂの占める容積（換言すれば圧縮室の平面積）が同一でありながら、圧力が異なることを意味するもので、圧力的に非対称な関係となるものである。これが、いわゆる非対称ラップ型スクロール圧縮機である。スクロールラップ巻き終り角度は、インボリュート伸開角で表示してもよい。

圧縮機本体の冷却及びヘリウムガスの断熱圧縮時の発生熱のガス温度の低下のために、冷却用油インジェクション構造を備えている。該構造の油注入用ポート２２は、単一のポートとして前記ラップ歯溝部の中央部より少し外側寄りに設けている。該ポートの穴径ｄ_oとして、前記スクロールラップ厚さをｔとしたとき、ｄ_o＞ｔに設定する。つまり、穴が歯で隠されないようにする。

２２ａは絞り部手段３１ｆを挿入する円形穴である。該固定スクロール部の歯溝底面５ｍに設定した油注入用ポートの開口部２２の中心位置２２ｆは、スクロールラップ巻終り端部６３，６４に対して、スクロールラップ巻き角度にしておよそ１.５π（π：円周率）内周側に位置している。即ち図３においてΔλ_o≒１.５πとなる。旋回外側圧縮室８ａの行程容積Ｖｔｈ１と旋回内側圧縮室８ｂの行程容積Ｖｔｈ２とは、Ｖｔｈ１＞Ｖｔｈ２の関係であり、その比Ｖ_o＝Ｖｔｈ１／Ｖｔｈ２≒１.１〜１.２前後となる。このため、両圧縮室への注入する冷却油量を各々の圧縮室（８ａ，８ｂ）への吸入ガス流量（Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２）に応じてインジェクションすることが冷却面でさらに有効となる。

この機能と作用を得るために、図４に示すように、ポートの穴径ｄ_oの中心位置２２ｆは、前記ラップ歯溝部の中央部より少し外側寄りに設け、固定スクロール内側曲線５６１側に少し寄せている。具体的には、ラップ溝幅Ｄ_tに対してＳ₂／Ｄ_t＝０.４５〜０.４８前後としている。

図５において、旋回スクロール６のラップ外周部端部６ｋまで外側曲線６６１を形成し、点８２ａ，点８３ａをラップ巻き終わり角度としている。旋回スクロール６のラップ終端部６ｋの点８２ａと点８３ａは円弧半径Ｒ₄にて滑らかに接続している。ラップ始端部６ｎは円弧半径Ｒ₅にて滑らかに接続している。鏡板６ａを貫通している細穴６ｄは、旋回スクロール６の外側曲線６６１に沿った位置に単数個設定している。

図６は、旋回角位置θ_s1の状態を表し、外線室８ａの吸入行程が完了した時の固定スクロール５と旋回スクロール６が組み合わされた状態を示す。この時、油注入用ポート２２の開口部は、外線室８ａ側のみに連通している。

図７は、旋回角位置θ_s2の状態を表し、内線室８ｂの吸入行程が完了した時の固定スクロール５と旋回スクロール６が組み合わされた状態を示す。この時、油注入用ポート２２の開口部は、内線室８ｂ側のみに連通している。

図８は、外線室８ａの圧力変化（Ｐ_i1）と内線室８ｂの圧力変化（Ｐ_i2）が旋回角にしてほぼπradずれた圧力変化をする模様を示す。旋回角位置θ_s1が外線室８ａの圧縮開始点であり、旋回角位置θ_s2が内線室８ｂの圧縮開始点となる。

上記油注入用ポート２２の開口部を固定スクロール部の歯溝底面５ｍ位置に設定することにより、図８に示すように、旋回外側圧縮室８ａと上記油注入用ポート２２と連通する旋回角度範囲θ₁を、旋回内側圧縮室８ｂと該油注入用ポート２２と連通する旋回角度範囲θ₂に対して、旋回外側圧縮室の行程容積Ｖｔｈ１と旋回内側圧縮室の行程容積Ｖｔｈ２との比Ｖ_o＝Ｖｔｈ１／Ｖｔｈ２にほぼ等しい比率で大きく設定した連通角度範囲となさしめることができる。図３の実施例の場合は、θ₁／θ₂≒１.１〜１.２の関係となる。

図８では、油注入用ポート２２の開口部は、外線室８ａの吸入完了位置となる旋回角θ_s1の手前のθ₅の角度分から油注入作用を実施していることを示している。この場合、旋回スクロールラップ外周部の吸入室５ｆと油注入用ポート２２が該θ₅の角度分だけ間欠的に連通することになり、吸入室５ｆ内部でのヘリウムガスの冷却を図っている。旋回角度範囲θ₆は、油注入用ポート２２（または図９のポート２２８）の開口部が両方の圧縮室８ａ，８ｂに同時に連通する角度範囲を示す。このように、上記固定スクロール部の歯溝底面に設定した油注入用ポートとなる円形状の開口部２２は、該穴の中心位置を歯溝中央に対して外側寄りに設定することで、上記吸入室５ｆ側と連通する角度範囲θ₅を調整している。

図９は、油注入用ポートの開口部の形状を径方向に延びる長穴形状２２８とした場合である。実用的には、長穴寸法Ｌ₇は、ラップ厚さｔの２.５倍前後とする。寸法Ｌ₈は、ラップ厚さｔと同等以下に設定される。長穴寸法Ｌ₇を調整することにより、長穴形状の油注入用ポート２２８が圧縮室８ａ側と連通する旋回角θ₁の範囲を設定できるようになる。なお、円形穴２２の場合のｄ_o＞ｔの寸法関係、及び長穴形状２２８におけるＬ₇＞ｔの寸法関係に設定することによって、これらの油注入用ポート２２，２２８が旋回内側圧縮室８ｂと旋回外側圧縮室８ａの両側に連通することになる。本構造の油インジェクション量の均等分配手段によって、油インジェクションする圧力差（吐出圧力Ｐ_dと圧縮室内圧力Ｐ_i1，Ｐ_i2との差圧）の変動幅が相対的に低くなり、油インジェクション時の油撃作用を低減化できる。そして油インジェクション配管の振動低減ひいては配管応力の低下を図ることができる。さらに、油インジェクション配管内部の流動音（脈動音）が抑制されて圧縮機の騒音低減効果と上記した圧縮機本体の振動低下を図ることができるものである。

図１０，図１１は、油注入用ポートの開口部の形状として径方向に延びる長穴形状２２２とするも、該穴位置を図３，図９の位置に対して更に約１／２π程度、内周側に移動した場合の実施例である。

図１０は、実施例の図１１における両側の圧縮室８ａ，８ｂと油注入用ポート２２２が連通する旋回角度範囲θ₃，θ₄の模様を示す。この場合、旋回外側圧縮室８ａと上記油注入用ポート２２２と連通する旋回角度範囲θ₃を、旋回内側圧縮室８ｂと該油注入用ポート２２２と連通する旋回角度範囲θ₄とを同等のθ₃≒θ₄にしている。実用的には、θ₃≒θ₄≒２００度〜２３０度の連通角度範囲となる。図中の旋回角度範囲θ₇は、油注入用ポート２２２の開口部が両方の圧縮室８ａ，８ｂに同時に連通する角度範囲を示している。

図３，図９，図１１の実施例にあるように、実施例としては、固定スクロール部の歯溝底面５ｍに設定した油注入用ポート２２，２２２，２２８の開口部の中心位置として、固定スクロールのラップ巻終り端部６３，６４に対して、スクロールラップ巻き角度にしておよそ１.５πから２πだけ内周側の位置に設定していることを特徴としている。即ち、スクロールラップ巻き角度の範囲としてΔλ_o＝１.５π〜２πとの関係となるように、上記油インジェクション用ポートの開口部を設定している。

油取り出し管３０内へ流出した油は外部油配管５１を通って油冷却器３３へ至り、ここで適宜冷却された後、油配管５２を介して油インジェクション管３１および油注入用ポート２２を経て圧縮室８（８ａ，８ｂ）へ注入される。図２に示すように、油インジェクション管３１内の圧力と吐出室１ａの高圧部とをシールするＯリング４８を設けている。

以上の構成によって、旋回外側圧縮室（外線室）側への冷却用インジェクション油量と、もう一方側の旋回内側圧縮室（内線室）側への冷却用インジェクション油量とを均一に分配することができ、冷却性の均一化を図ることができる。図１２の本実施例の圧力変化曲線（Ｐ_i1，Ｐ_i2）に示すように、両側の圧縮室８ａ，８ｂへの均等分配による油インジェクション機能によって、圧縮室間の冷却油によるシール性が向上して、従来技術の圧力変化曲線（Ｐ_i3，Ｐ_i4）に対して低い圧力上昇割合（圧縮線）となる。その結果、旋回角θ_s3における圧縮室内の圧力値を比較すると、隣り合う外線室８ａと内線室８ｂとの圧縮室間の圧力差を、従来技術の圧力差ΔＰ₁から本実施例の圧力差ΔＰ₂へと低減することができる。この圧力差の低減が、内部漏れ量の低下につながり、圧縮動力の低減効果、および、体積効率が改善することになる。その結果、圧縮機の性能・効率を大きく向上させることができる。また、両側の圧縮室８ａ，８ｂへ均等配分された冷却油は、両圧縮室８内において作動ガスの冷却機能とシール機能が向上するとともに、スクロールラップ先端部等の摺動部の潤滑が万遍に効果的に行われるようになる。なお、圧縮動力が低減すると、軸受部等の摺動部に作用する荷重が低減するため圧縮機の信頼性が向上する。また軸受荷重の低減により、ころがり軸受（４０，６４）の長寿命化にも資することとなる。

１ 密閉容器
１ｂ モータ室
１ｂ１，１ｂ２ 空間
３ モータ部
３ａ ステータ
３ｂ ロータ
５ 固定スクロール
６ 旋回スクロール
７ フレーム
８ 圧縮室
８ａ 外線室
８ｂ 内線室
１０ 吐出口
１４ 回転軸
１４ａ 偏心軸
１５ 吸入口
１７ 吸入管
１８ａ，１８ｂ 第一通路
２０ 吐出管
２２，２２２，２２８ 油注入用ポート
２３ 潤滑油
２５ 第二通路
３０ 油取り出し管
３０ｆ，３１ｆ 絞り部
３１ 油インジェクション管
３２ 旋回軸受
３８ オルダム機構
４０ 主軸受

Claims (4)

1. 油インジェクション管を密閉容器に貫通し、固定スクロールの鏡板部に設けた油注入用ポートに接続した油注入機構部を備え、前記固定スクロールと噛み合う旋回スクロールで非対称ラップ型の圧縮室を形成するヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、
   前記油注入用ポートが旋回外側圧縮室に連通する第一の旋回角度範囲をθ1、
   前記油注入用ポートが旋回内側圧縮室に連通する第二の旋回角度範囲をθ2、
   前記旋回外側圧縮室の行程容積をＶｔｈ１、前記旋回内側圧縮室の行程容積をＶｔｈ２としたとき、
   θ1／θ2≒Ｖｔｈ１／Ｖｔｈ２
   となるように前記固定スクロール部の歯溝底面に前記油注入用ポートの開口部を設定した
   ことを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
2. 請求項１において、
   前記開口部の中心が、前記歯溝底面の中央から外側寄りに配設された
   ことを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
3. 請求項１において、
   前記開口部が、前記固定スクロールの径方向に伸長した長穴形状である
   ことを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
4. 請求項１において、
   前記開口部の中心位置を、前記固定スクロールのラップ巻終り端部に対して、巻き角度にして１.５π〜２π［rad］だけ内周側に位置させた
   ことを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。