JP4423024B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、容積形流体機械の一種であるスクロール圧縮機に係わり、特に作動流体がＲ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ｂ、Ｒ４１０Ａ、炭化水素、二酸化炭素、アンモニア等の低温用冷媒を用いた冷凍冷蔵用に用いられるスクロール圧縮機に関する。

冷凍用機器の冷凍サイクルでは圧力比が４〜２０となり、従来の基本渦曲線を円のインボリュートとする渦巻体では容積変化率が一定のため、渦巻体により形成される圧縮室の吸込み完了時の容積と吐出開始時の容積の比（以下、設計容積比と称す）を、必要となる圧力比に対応させるためには渦巻体の巻角を大きくし、渦巻体外径を大きくする以外に手段はなく、限られた外径内での設計容積比の増加は困難であった。

特開平7-27065号公報（以下、特許文献１と呼ぶ。）では、旋回スクロール渦巻体及び固定スクロール渦巻体を構成する基本渦曲線に代数螺線が用いられている。これにより容積変化率の設定が可能となり、容積変化率を円のインボリュートで設計する場合に比べ大きくすることができるため、冷媒の不足圧縮による図示動力の低減による性能向上が図られる。

一方、その拡径区間に密閉空間を形成する技術として、特開昭56-20701号公報(以下、特許文献２と呼ぶ。)では、旋回スクロール渦巻体の外側壁面のうち巻終り部の１８０度区間が、固定スクロール渦巻体とで密閉空間を形成し作動室とする。そして固定スクロール渦巻体の内側壁面の巻終り位置を旋回スクロール渦巻体の外側壁面とほぼ同じ位置となるように延長する。

これにより固定スクロールの渦巻体を延長しなかった従来の構成と比べ、固定スクロールの渦巻体内側壁面の拡径加工不要による外径の縮小、旋回スクロールの渦巻体外側壁面と固定スクロールの渦巻体内側壁面によって形成される最大密閉空間の拡大による、同一行程容積における渦巻体の高さ低減となっている。

特開平０７−２７０６５号公報

特開昭５６−２０７０１号公報

しかし特許文献１の旋回スクロールおよび固定スクロールは、巻始め開始角度が１８０度ずれた状態で互いにかみあわせ、巻終り偏角θは同一となっている。またそれらの2つのスクロールの巻き終り位置は１８０度ずれた位置となっている。

このためその旋回スクロール渦巻体の外側壁面の巻終り位置から１８０度区間に対向する、固定スクロール渦巻体の内側壁面を径方向の外方に拡径させる必要が有る。この径を拡大させる必要がある区間において、圧縮室となる密閉空間の形成はなされておらず、設計容積比の損失となる。

特許文献２では、旋回スクロールの渦巻体外側壁面と固定スクロールの渦巻体内側壁面によって形成される密閉空間の設計容積比は、端板に流体通路を設けること、または旋回スクロール渦巻体の巻始め部を削り取ることで、旋回スクロール渦巻体内側壁面と固定スクロール外側壁面によって形成される密閉空間とほぼ同等としているため、固定スクロール渦巻体巻終り位置を延長することによる設計容積比増大は図られていない。

それらの従来技術で得られる設計容積比は、搭載される機器、例えば冷凍用機器において必要となる高圧力比に対応する設計容積比には不足することがある。この場合、圧縮が必要圧力の途中までしか行われず不足圧縮となる。

また冷凍サイクルで炭化水素系冷媒を用いたときのようにさらに高圧力比運転となる条件下では、不足圧縮による図示動力の増大による性能の低下が問題であった。

本発明の目的は、圧縮機の外径を同一としたままで設計容積比を増大し高圧力比運転において効率の高いスクロール圧縮機を提供することにある。

上記目的は、
極座標形式で動径ｒ、偏角θ、代数螺線の係数ａ、代数螺線の指数ｋとした式ｒ＝ａ・θ ^k で表される代数螺線曲線を用い、偏角θの特定の区間だけ代数螺線の係数ａまたは代数螺線の指数ｋを変化させた代数螺線曲線またはその包絡線で厚さと形状が規定された渦巻体を、端板に対して直立させた固定スクロール及び旋回スクロールを備え、その旋回スクロールを前記固定スクロールに対して自転せずに公転運動させ、前記２つのスクロールの渦巻体間に生じる密閉空間内の流体の体積を縮小させて圧縮する圧縮機構と、
前記代数螺旋曲線若しくはその包絡線は、その巻始め開始角度が互いに180度ずれていて、前記固定スクロールの渦巻体の巻終り位置は前記旋回スクロールの渦巻体の巻終り位置近傍に設けられ、
前記旋回スクロール渦巻体の渦巻中心と前記固定スクロール渦巻体の渦巻中心を、前記旋回スクロール及び前記固定スクロールの端板の中心に対し、前記旋回スクロールの外側曲線と前記固定スクロールの内側曲線とにより形成される密閉空間が流体の吸い込みを終了したとき、前記旋回スクロールの巻き終わり位置が固定スクロールと接する点から前記代数螺線曲線またはその包絡線の渦巻中心を結ぶ直線方向にずらして設けたスクロール圧縮機によって達成される。

これにより端板を同一外径としたままで最大密閉空間の容積を拡大し設計容積比の増大を図る。

また旋回スクロールの外側および内側２つの密閉空間が同時に吐出ポート導通するとことが望ましい。

また、導通時の圧力不平衡を是正し２つの密閉空間内での洩れ低減のため、設計容積比小となる旋回スクロール渦巻体内側壁面と固定スクロール渦巻体外側壁面によって形成される密閉空間に長めに開口する位置に液インジェクション流入口を設けることが望ましい。

本発明によれば、高圧力比運転時において不足圧縮による図示動力の増加を防止でき、効率を向上することができる。

以下、本発明の実施例を図１乃至６により説明する。

図１に、本発明の一実施例が適用されるスクロール圧縮機の縦断面図を示す。スクロール圧縮機１３は、旋回スクロール１と固定スクロール３、旋回スクロール１を回転するクランク軸１４、クランク軸１４を支持するフレーム１５、旋回スクロール１の公転運動は許容し自転を防止するオルダムリング１６、クランク軸１４を駆動するモータ１７を備えている。両スクロール１、３の渦巻体は、その渦巻形状を規定する基準となる曲線である基本渦曲線を代数螺線曲線とする。固定スクロール３の渦巻体の偏角を旋回スクロール１の偏角よりおよそ１８０度大きくすることで、固定スクロール３の巻き終り位置を旋回スクロール１の巻き終り位置と同一以上に延長し、固定スクロール３の内側壁面と旋回スクロール１の外側壁面とによって形成される密閉空間を拡大した形状となっている。

このように構成されたスクロール圧縮機の圧縮過程を簡単に説明する。モータ１７に通電することによりクランク軸１４が回転し、旋回スクロール１はオルダムリング１６により自転することなく公転運動する。旋回スクロール１の公転により、吸込みパイプ１８から流入した低温低圧の被圧縮流体を、両スクロール１、３により形成される密閉空間の容積が縮小することで圧縮する。その密閉空間内では圧縮された被圧縮流体は高温高圧となるため、インジェクションパイプ１９により圧縮行程の途中で冷凍サイクルより取出した低温の液体の被圧縮流体を圧縮室内に流入させ吐出時の気体の被圧縮流体の温度を下げている。圧縮室内に流入する液状被圧縮流体の量は、圧縮室内で気体化する量が望ましい。このような圧縮行程を経て高温高圧となった被圧縮流体は、吐出ポート７から圧縮機ケース内に排出され、ケースとケース内の圧縮機構成部品の間を通り、吐出パイプ２０から冷凍サイクル内へと排出される。

図２を用いて旋回スクロール１と非旋回スクロール３の渦巻体について説明する。旋回スクロールの渦巻体２は、その渦巻形状が旋回外側曲線２ｏと旋回内側曲線２ｉにより規定されている。また、固定スクロールの渦巻体４は、その渦巻形状が固定外側曲線４ｏと固定内側曲線４ｉにより規定されている。その固定渦巻体４は固定スクロール端板５に対し立直している。固定渦巻体４の形状規定する基本渦曲線の中心Ｏ’は、固定スクロールの端板５の中心Ｏに対し、固定渦巻体４の巻終りから固定スクロール端板５の中心を結ぶ方向にずらして配置してあり、端板５内に占める渦巻体４を形成する範囲の拡大が図られいる。固定内側曲線４ｏのうち、ａからｂの部分が本発明による前記固定渦巻体の延長部分であり、巻終り偏角θを約１８０度増加させることで、巻終り位置ｂを前記旋回渦巻体２の巻終り位置付近としている。圧縮される前の流体が流入する吸込みポート６と圧縮された流体が流出する吐出ポート７と、固定スクロール端板５に設けられた液インジェクション流入口８とは固定スクロール３の一部に設けられている。

その液インジェクション流入口８は、本実施例においては、固定外側曲線４ｏ側に寄っておりかつ吸込みポート及び吐出ポートに導通しない位置に配置されている。

ここで、旋回渦巻体２および固定渦巻体４を構成する基本渦曲線は、代数螺線曲線であり、巻始め部の渦巻壁厚さをより厚くするために、巻始め部の偏角θの区間だけ代数螺線の係数ａ、または代数螺線の指数ｋの値を大きくなるようにし、これ以外の区間の代数螺線の係数ａ、または代数螺線の指数ｋの値は一定としている。このように修正した基本渦曲線の包絡線により旋回渦巻体２及び固定渦巻体４の内側曲線および外側曲線を構成している。

図６に同一外径での従来技術と本発明による旋回及び固定スクロールを用いた場合との圧力比の比較を示す。系列１は従来技術での圧力比を示しており、系列２は基本渦曲線を代数螺線とした場合、系列３は基本渦曲線を代数螺線とし端板中心と基本渦曲線の中心をオフセットさせた場合、系列４は更にインジェクションを含んだ場合の圧力比を示している。本実施例により限られた外径内での高圧力比用渦巻体を提供することができる。また、これにより旋回渦巻体２及び固定渦巻体４の渦巻壁の厚みは共に渦巻の巻始めから巻終りにかけて連続的に変化しており、内部の流体の圧力が最も高圧になる渦巻体の中央部が厚くなっていることから信頼性の向上、内部洩れの低減となる。

図３は、本発明の一実施例に係るスクロール圧縮機の渦巻体が行う圧縮行程を示す平面図であり、図３（ａ）、図３（ｂ）、そして図３（ｃ）の順に、任意の角度だけ公転運動を行ったときの旋回スクロールと固定スクロールの位置関係を示したものである。図３（ａ）は旋回外側曲線２ｏと固定内側曲線４ｉにより形成される密閉空間９ａが流体の吸込みを終了したときの状態である。図３（ｂ）は図３（ａ）からおよそ１８０度だけ公転運動させた状態を示す。図３（ｂ）において１０ｂは旋回内側曲線２ｉと固定外側曲線４ｏにより形成される密閉空間で流体の吸込みを終了したときの状態である。旋回外側曲線２ｏと固定内側曲線４ｉによって形成される密閉空間９ｂは、図３（ａ）の状態から圧縮作用が進んだ状態を示していて、密閉空間１０ｂと同容積をもつ。

図３（ｃ）は図３（ｂ）からさらにある角度だけ公転運動させた状態を示す。旋回外側曲線２ｏと固定内側曲線４ｉによって形成される密閉空間９ｃと旋回内側曲線２ｉと固定外側曲線４ｏによって形成される密閉空間１０ｃとは、同一容積である。図３（ｃ）の状態より公転運動が進むと2つの密閉空間９ｃ、１０ｃは吐出ポート７にほぼ同時に導通する。

ここで図３（ｂ）における旋回内側曲線２ｉと固定外側曲線４ｏにより形成される密閉空間１０ｂは、固定渦巻体４の延長部とは無関係に形成されておりＶｓ’の体積をもつ。また密閉空間９ｂは固定外側曲線４ｏの巻終り位置がａである固定渦巻体内側曲線と旋回外側曲線２ｉにより形成される流体の吸込みを終了した状態と考えることができ、密閉空間９ｂの容積は密閉空間１０ｂと同一容積Ｖｓ’である。密閉空間９ｂの容積Ｖｓ’に対し図３（ａ）における旋回外側曲線２ｏと巻終り位置をｂまで延長した固定内側曲線４ｉにより形成される密閉空間９ａが流体の吸込みを終了したときの容積Ｖｓは大きい。図３（ａ）と図３（ｂ）に示した旋回外側曲線２ｏと固定内側曲線４ｉにより形成される前記２つの密閉空間９ａと９ｂが圧縮作用を受けながら吐出ポートに導通するときの容積は、共に図３（ｃ）に示す密閉空間９ｃの容積Ｖｄとなる。

よって固定側渦巻体４の内側曲線４ｉの巻終り位置をａからｂに延長することは旋回外側曲線２ｏと固定内側曲線４ｉによって形成される密閉空間の内部容積比を増大することとなる。しかし図３（ａ）で形成された密閉空間９ａと図３（ｂ）で形成された密閉空間１０ｂが共に圧縮作用を受けながら図３（ｃ）の密閉空間９ｃと１０ｃになった際の内部圧力は異なり、両空間の圧力差により内部洩れの原因となる。

そこで圧縮機冷却用の液インジェクション流入口８を図１に示すように固定外側曲線４ｏに寄せかつ吸込みポート６及び吐出ポート７に導通しない位置に配置することで、旋回内側曲線２ｉと固定外側曲線４ｏによって形成される密閉空間に多くの被圧縮流体を流入させ、密閉空間内の圧力を上昇させる。図4（ａ）から（ｄ）に旋回渦巻体２と固定渦巻体４により形成される密閉空間と液インジェクション流入口８が導通する様子を示す。

また図5は同一外径をもつ従来技術と本発明における旋回及び固定渦巻体により形成される密閉空間内のクランク角に対する圧力変化を示すグラフである。図4（ａ）は本発明における旋回外側曲線２ｏと固定内側曲線４ｉにより形成される密閉空間が液インジェクション流入口８に導通する直前の状態を示し、図４（ｂ）は前記密閉空間に液インジェクションが係らなくなった瞬間の状態を示している。同様に図４（ｃ）及び（ｄ）は本実施例における前回内側曲線２ｉと固定外側曲線４ｏとによって形成される密閉空間が液インジェクション流入口８に導通する直前と、液インジェクションが係らなくなった瞬間を示している。図５において縦軸は圧力比、横軸はクランク角、曲線２１は本発明における旋回及び固定渦巻体の旋回外側曲線２ｏと固定内側曲線４ｉにより形成される密閉空間の、曲線２２は旋回内側曲線２ｉｏと固定外側曲線４ｏにより形成される密閉空間の圧力変化を示し、曲線２３は従来技術における密閉空間の圧力変化を示している。

図５において本発明機の圧力変化を示す曲線２１と２２の圧縮開始点がおよそ１８０度異なるのは固定内側壁面を延長した効果である。また本発明機の密閉空間内の圧力変化を示す曲線２１と従来機の密閉空間内の圧力変化を示す曲線２３の圧縮作用開始のクランク角が異なるのは、本発明により固定内側曲線を延長した効果と旋回及び固定渦巻体の巻角が増加されているためである。曲線２１上のクランク角ｃ、ｄはそれぞれ図４（ａ）、図４（ｂ）に、曲線２２上のクランク角ｅ、ｆはそれぞれ図４（ｃ）、図４（ｄ）に対応している。それらの２つの密閉空間内の圧力はクランク角がｃからｄ、ｅからｆの区間において液インジェクションからの被圧縮流体の流入により圧力上昇が大きくなる。

さらにクランク角が示すように２つの密閉空間は液インジェクション開口時間の違いにより圧力上昇が異なり、設計圧力小となる密閉空間に長く開口することでクランク角ｆにおける圧力を設計圧力大となる密閉空間内の圧力と同等としている。これにより図３（ｃ）の密閉空間１０ｃの圧力は上昇し、密閉空間９ｃの内部圧力を低下させること無く、前記２つの密閉空間９ｃ、１０ｃの吐出ポート導通時の圧力不平衡を緩和させることができ、内部洩れの低減が図れる。

本発明の一実施形態におけるスクロール圧縮機の渦巻部の平面図。 本発明におけるスクロール圧縮機の断面図。 本発明におけるスクロール圧縮機の渦巻体による圧縮行程を示す平面図。 本発明におけるスクロール圧縮機の渦巻体による密閉空間と液インジェクション流入口の導通状態を示す平面図。 本発明及び従来技術におけるクランク角と圧力を示すグラフ。 本発明及び従来技術におけるクランク角と圧力を示すグラフ。

符号の説明

１…旋回スクロール、２…旋回渦巻体、３…固定スクロール、４…固定渦巻体、５…固定スクロール端板、６…吸込みポート、７吐出ポート、８…液インジェクション流入口、１８…吸込みパイプ、１９…インジェクションパイプ、２０…吐出パイプ。

Claims (3)

1. 極座標形式で動径ｒ、偏角θ、代数螺線の係数ａ、代数螺線の指数ｋとした式ｒ＝ａ・θ^kで表される代数螺線曲線を用い、偏角θの特定の区間だけ代数螺線の係数ａまたは代数螺線の指数ｋを変化させた代数螺線曲線またはその包絡線で厚さと形状が規定された渦巻体を、端板に対して直立させた固定スクロール及び旋回スクロールを備え、その旋回スクロールを前記固定スクロールに対して自転せずに公転運動させ、前記２つのスクロールの渦巻体間に生じる密閉空間内の流体の体積を縮小させて圧縮する圧縮機構と、
   前記代数螺旋曲線若しくはその包絡線は、その巻始め開始角度が互いに180度ずれていて、前記固定スクロールの渦巻体の巻終り位置は前記旋回スクロールの渦巻体の巻終り位置近傍に設けられ、
   前記旋回スクロール渦巻体の渦巻中心と前記固定スクロール渦巻体の渦巻中心を、前記旋回スクロール及び前記固定スクロールの端板の中心に対し、前記旋回スクロールの外側曲線と前記固定スクロールの内側曲線とにより形成される密閉空間が流体の吸い込みを終了したとき、前記旋回スクロールの巻き終わり位置が固定スクロールと接する点から前記代数螺線曲線またはその包絡線の渦巻中心を結ぶ直線方向にずらして設けたスクロール圧縮機。
2. 前記旋回スクロールの公転運動により圧縮された流体が排出される吐出ポートは、前記旋回スクロールの渦巻体の外側壁面と前記固定スクロールの渦巻体の内側壁面とによって形成される最小密閉空間と、前記旋回スクロールの渦巻体の内側壁面と前記固定スクロールの渦巻体の外側壁面とによって形成される最小密閉空間とが、ほぼ同時に導通する位置に設けられた請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. 前記旋回スクロールの渦巻体の外側壁面と前記固定スクロールの内側壁面とからなる密閉空間より、前記旋回スクロールの渦巻体の内側壁面と前記固定スクロールの渦巻体の外側壁面とからなる密閉空間に長い期間通じる液インジェクション流入口を設けた請求項１に記載のスクロール圧縮機。

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