(57)【要約】【課題】非対称形状のスクロール圧縮機での２系統の圧縮室間の圧力差に起因する圧縮比の相違による効率低下を是正し、理想的な圧力特性を得る。【解決手段】吸込完了時の容積が大きい圧縮室Ａの最大密閉容積ＶＡＳと、吐出直前の最小密閉容積ＶＡＤとの比ＶＡＳ／ＶＡＤを、もう一方の圧縮室Ｂの最大密閉容積ＶＢＳと、吐出直前の最小密閉容積ＶＢＤとの比ＶＢＳ／ＶＢＤより大きく、且つＶＡＳ／ＶＢＤより小さくする。【選択図】　図３
2004019620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端板と、この端板に立設する渦巻体を有し、自転せずに公転運動する旋回スクロールと、端板と、この端板に立設する渦巻体を有する固定スクロールとが、両渦巻体がほぼ１８０度ずれた状態で互いに噛み合わされており、固定スクロールの渦巻体の巻角と旋回スクロールの渦巻体の巻角とが異なり、前記旋回スクロール端板及び渦巻体壁面と前記固定スクロール端板及び渦巻体壁面とで形成される２つの圧縮室の最大密閉容積が異なる非対称スクロール形状のスクロール圧縮機において、
前記旋回スクロール渦巻体外側壁面と前記固定スクロール内側壁面とで形成される圧縮室Ａの最大密閉容積（ＶＡＳ）と、吐出直前の最小密閉容積（ＶＡＤ）との比ＶＡＳ／ＶＡＤが、前記旋回スクロール渦巻体内側壁面と前記固定スクロール外側壁面とで形成される圧縮室Ｂの最大密閉容積（ＶＢＳ）と、吐出直前の最小密閉容積（ＶＢＤ）との比ＶＢＳ／ＶＢＤより大きく、且つ　（ＶＡＳ＋ＶＢＳ）／（２×ＶＢＤ）より小さいことを特徴とするスクロール圧縮機。
【請求項２】
端板と、この端板に立設する渦巻体を有し、自転せずに公転運動する旋回スクロールと、端板と、この端板に立設する渦巻体を有する固定スクロールとが、両渦巻体がほぼ１８０度ずれた状態で互いに噛み合わされており、固定スクロールの渦巻体の巻角が旋回スクロールの渦巻体の巻角より大きい非対称スクロール形状のスクロール圧縮機において、
前記旋回スクロール渦巻体外側壁面と前記固定スクロール内側壁面とで形成される圧縮室Ａの最大密閉容積（ＶＡＳ）と、吐出直前の最小密閉容積（ＶＡＤ）との比ＶＡＳ／ＶＡＤが、前記旋回スクロール渦巻体内側壁面と前記固定スクロール外側壁面とで形成される圧縮室Ｂの最大密閉容積（ＶＢＳ）と、吐出直前の最小密閉容積（ＶＢＤ）との比ＶＢＳ／ＶＢＤより大きく、且つ　（ＶＡＳ＋ＶＢＳ）／（２×ＶＢＤ）より小さいことを特徴とするスクロール圧縮機。
【請求項３】
前記圧縮室Ａの容積比を、前記旋回スクロール及び固定スクロールの少なくとも一方の巻き始め側を延長あるいは切り欠くことによって調節したことを特徴とする請求項２に記載のスクロール圧縮機。
【請求項４】
前記圧縮室Ａの容積比を、前記旋回スクロール及び固定スクロールの少なくとも一方の巻き終わり側を延長あるいは切り欠くことによって調節したことを特徴とする請求項２に記載のスクロール圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷蔵庫及び冷凍・空調用に用いられる冷媒圧縮機を始めとして空気圧縮機、真空ポンプ、ヘリウム圧縮機等のガス圧縮機に用いられるスクロール圧縮機に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術において、非対称スクロール形状の容積比に関して特開昭５６−２０７０１号公報、特開平５−２０２８７１号公報および特開平８−２１３８１号公報に開示がある。
【０００３】
特開昭５６−２０７０１号公報に示されるスクロール圧縮機は、互いに噛み合うスクロール部材の一方のラップ巻き角を他方よりも大きくした非対称スクロールラップを備えている。非対称スクロール形状によって生じた容積が増大する圧縮室の容積比を他方の圧縮室と同一にするため、スクロール部材の巻き始め端部を削り取っている。
【０００４】
特開平５−２０２８７１号公報に示されるスクロール圧縮機も非対称スクロール形状を採用している。特開昭５６−２０７０１号公報と同様に、容積が増大する圧縮室の容積比を他方の圧縮室と同一にするため、閉じ込んだときに容積が増大する圧縮室に先行して開放する先行開放部を吐出ポートに設けている。
【０００５】
また、特開平８−２１３８１号公報に示されるスクロール圧縮機も非対称スクロール形状を採用している。この公知文献には、他の公知文献と同様に、固定スクロール部材と旋回スクロール部材との間にできる二つの圧縮室の容積比を同一にするために一方のスクロール部材の巻き始め端を削り取っている。さらに二つの圧縮室の吐出ポートへの開放タイミングを合わせるために固定スクロール部材の巻き始め端の一部を切欠き、吐出ポートを拡大形状としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
スクロール圧縮機では２系統の圧縮室が形成されるが、２つの圧縮室の容積比が大きく異なる場合、圧縮行程での作動空間減少により圧縮されるガスの到達圧力と圧縮開始時の圧力（吸込圧力）と比（圧縮比という）が常に異なることになるため、どのような運転圧力条件においても、一方の圧縮室が必ず過圧縮あるいは不足圧縮となる。そのため、過圧縮による圧損または不足圧縮による逆流がどの条件においても必ず存在することになり、圧縮機効率の低下を招く。
【０００７】
上記従来技術ではいずれも２系統形成される圧縮室の容積比を同一とすることについて記載されている。しかし、非対称スクロール形状を備えたスクロール圧縮機の場合、容積比を同一とした場合においても、２系統の圧縮室が異なるタイミングで形成されるため、同位相で形成される２系統の圧縮室間には必ず圧力差が生じ、一方の圧縮室からもう一方の圧縮室への漏れが発生する。そのため、図５に示すように、最大密閉容積の大きい圧縮室Ａでは理論値に近い圧縮を行うものの、最大密閉容積の小さい圧縮室Ｂは圧縮室Ａからの漏れ込みにより圧力が理論値より大きく上昇し、両圧縮室での実際の圧力上昇に差が生じてしまう。
【０００８】
即ち、実際のガスの圧縮は圧縮室ＡとＢとでは異なり、圧縮室Ｂでは圧縮室Ａより圧力比が大きくなるという問題があった。ただし上記特開平８−２１３８１号公報ではここで起こり得る過圧縮を低減するため、固定スクロール渦巻体巻き始め端側に吐出タイミング修正用切り欠きを設け、吐出時の通路面積を拡大することを行っている。しかしこれらの構成をもってしても吐出開始後の過圧縮を防止するのみであり、圧力上昇の差による圧力比のアンバランスについては解決されない。
【０００９】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、最大密閉容積の大きい圧縮室Ａの容積比を、最大密閉容積の小さい圧縮室Ｂの容積比より大きくすることにより解決される。これにより、圧縮室Ａと圧縮室Ｂの実際の圧力比を同等にすることができる。
【００１１】
この圧力比のアンバランスは圧縮室Ａから圧縮室Ｂへの漏れに起因するものであるため、両圧縮室の圧力、隙間の設定、シール方法、油シールを行う場合は両圧縮室への給油量等によって圧力上昇は異なる。したがって圧縮室Ａの容積比を圧縮室Ｂの容積比よりどの程度大きくするかは圧縮機の形態によって異なる。非対称スクロール形状のスクロール圧縮機では、固定スクロール及び旋回スクロールの渦巻体巻角の違いによって両圧縮室の最大密閉容積に差が生じ、そのために圧力差が生じる。そのため、この圧力差以上のアンバランスは生じない。
【００１２】
したがって圧縮室Ａの最大密閉容積をＶＡＳ、吐出直前の最小密閉容積をＶＡＤとし、圧縮室Ｂの最大密閉容積をＶＢＳ、吐出直前の最小密閉容積をＶＢＤとすると、圧縮室Ａの容積比ＶＡＳ／ＶＡＤは圧縮室Ｂの容積比ＶＢＳ／ＶＢＤより大きく、且つＶＡＳ／ＶＢＤより小さい範囲に、漏れの状況を考慮して決定すればよい。ただし、実際には圧縮室Ｂの吐出時の圧力上昇が両圧縮室間の理論圧力差の１／２倍を超えると、両圧縮室の吐出タイミングが近くなり、非対称形状にする利点が少なくなるため、この範囲内で容積比を調整することが望ましい。そのため、圧縮室Ａの容積比ＶＡＳ／ＶＡＤは圧縮室Ｂの容積比ＶＢＳ／ＶＢＤより大きく、且つ　（ＶＡＳ＋ＶＢＳ）／（２＊ＶＢＤ）より小さい範囲にはいる圧縮室Ａと圧縮室Ｂを備える。
【００１３】
この容積比の調整は旋回スクロール及び固定スクロールの、少なくともどちらか一方の渦巻体の巻き始め部分を調整する方法と、渦巻体の巻き終り部分を調整する方法との、いずれの方法を用いても良い。また、これらを同時に行ってもよい。
【００１４】
これにより、先に圧縮を開始する圧縮室Ａと後から圧縮を開始する圧縮室Ｂの実際の圧縮比をほぼ同等とすることができ、ほぼ理想の圧力特性を実現しつつ、過圧縮による動力損失および不足圧縮による逆流損失を低減することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を密閉形スクロール圧縮機に実施した第１の実施例を、図１乃至図３に基づいて説明する。図１は圧縮機の縦断面図、図２はスクロールの渦巻体の平面図、図３は図２の渦巻体の巻き始め部分の拡大図である。
【００１６】
図１乃至図３において、旋回スクロール１は旋回側渦巻体１ａと端板１ｂとから構成され、固定スクロール２は固定側渦巻体２ａと端板２ｂとから構成されている。前記渦巻体は円のインボリュート曲線で形成されており、両スクロール１、２を互いに噛み合わせて旋回スクロールの巻き終り側ラップの外側で形成される圧縮室Ａとその内側で形成される圧縮室Ｂとの大きさが異なり、軸の回転に対して位相が約１８０°ずれて形成される非対称スクロール形状である。
【００１７】
まず、構造を説明する。旋回スクロール１は背面に旋回軸受１ｃを設け、フレーム５の主軸受５ａにより支持されたクランクシャフト６の偏心部６ａが挿入されている。また、旋回スクロール１とフレーム５との間にはオルダムリング７が配置されており、旋回スクロール１は前記オルダムリング７により自転運動が拘束され、旋回運動を行う。
【００１８】
固定スクロール２は中央近くに吐出ポート８が開口している。また、固定側渦巻体２ａの内側曲線の巻き終りは旋回側渦巻体１ａの巻き終り付近まで約１８０°延長している。そのため、両スクロール１、２を組み合わせて圧縮室を形成するとき、旋回側渦巻体１ａの外側曲線と固定側渦巻体２ａの内側曲線によって閉じ込められて形成される圧縮室Ａと、旋回側渦巻体１ａの内側曲線と固定側渦巻体２ａの外側曲線によって閉じ込められて形成される圧縮室Ｂは大きさが異なり、クランクシャフトの回転に対して位相が約１８０°ずれて形成される。
【００１９】
圧縮室Ａと圧縮室Ｂでは、圧縮室Ａの方が先に圧縮を開始するため、同位相で比較した場合、圧縮室Ａの圧力が圧縮室Ｂより高く、圧縮ガスの漏れは圧縮室Ａから圧縮室Ｂの方向へ起こる。そのため、圧縮室Ａの容積比は圧縮室Ｂの容積比より大きく設定しており、圧縮室Ａの容積比は約２．７、圧縮室Ｂの容積比は約２．４としている。
【００２０】
この容積比の調整は渦巻体の巻き始め部分で行っており、固定スクロール２の渦巻体内側壁面を約１８０°延長し、それに伴い、圧縮室Ａでの最大密閉容積が大きくなった分、容積比を圧縮室Ｂと同一とするために必要な旋回スクロール１の渦巻体外側壁面の巻き始め角より、約３７°延長する延長部１ｃを設けている。
【００２１】
差圧制御機構９ａは、固定スクロール２、旋回スクロール１およびフレーム５からなる背圧室９内の圧力を制御する。制御された背圧は旋回スクロール１を固定スクロール２に適切に押し付ける。
【００２２】
モータ１０はロータ１０ａとステータ１０ｂからなり、前記フレーム５の下部でロータ１０ａは前記クランクシャフト６に取り付けられている。モータ１０の下部には軸受支持板１１があり、軸受支持板１１に取り付けられた副軸受１２が主軸受とともに前記クランクシャフト６を支持している。
【００２３】
吸込みパイプ１３は冷媒ガスなどの作動流体を取り入れるためのもので、固定スクロール２に連通している。また、吐出パイプ１４は圧縮した作動流体を圧縮機外へ吐出するためのものである。密閉ケース１５は、旋回スクロール１、固定スクロール２、モータ１０を密閉して収納する。
【００２４】
次に動作を説明する。モータ１０を回転開始させることにより、クランクシャフト６が回転し旋回スクロール部材１が旋回運動を始める。この動作により、両スクロール渦巻体１ａ、２ａが噛み合い、圧縮室Ａ、Ｂを形成する。
【００２５】
冷媒ガスなどの作動流体は吸込みパイプ１３から流入し、圧縮室Ａ、Ｂにて圧縮される。圧縮室Ａ、Ｂはクランクシャフトの回転に従い、中央方向に容積を減少しながら圧縮動作を行い、吐出ポート８から密閉ケース１５内に吐出され、最終的には吐出パイプ１４を通って圧縮機外へ吐出される。
【００２６】
背圧室９の圧力は主軸受５ａ等を潤滑した油に含まれるガスによって上昇し、差圧制御機構９ａによって吸込圧力に対して一定の圧力差となるように制御される。この圧力は吸込み圧と吐出圧の中間の圧力となり、旋回スクロール１を固定スクロール２に押付け、漏れ損失の少ない圧縮を実現する。
【００２７】
次に、このように構成されたスクロール圧縮機において、ほぼ理想の圧力特性を実現し、過圧縮による動力損失を低減することができる理由について説明する。
【００２８】
圧縮室Ａの最大密閉容積は圧縮室Ｂのそれよりも大きく形成され、圧縮室Ａが形成されてからクランクシャフト６がクランク角で約１８０°回転した後に圧縮室Ｂが形成され、この時、圧縮室ＡとＢの容積は同一であるが、先に圧縮を開始している圧縮室Ａは圧縮室Ｂよりも圧力が高い。したがって夫々の圧縮室間にまたがって起きる圧縮ガスの漏れは、必ず圧縮室Ａから圧縮室Ｂの方向に起こり、圧縮室Ｂの圧力は理想的な圧縮に比べ圧力が大きくなる。これに対し、圧縮室Ａの圧力は漏れ込みが少ないためそれほど大きく上昇せず、ほぼ理想的な圧縮を行う。この時の圧縮室ＡおよびＢの圧力変化を測定し、クランクシャフト６のクランク角に対して示したのが図６である。
【００２９】
図６に示されているように、圧縮室ＡとＢとでは容積比は異なるものの、実際の吐出開始時の圧力はほぼ同等となることがわかる。圧縮室ＡとＢの容積比が同等である場合の圧力変化を示した図５に比べ、圧縮室Ｂでの圧力上昇に伴う過圧縮損失が低減し、両圧縮室でほぼ同等の圧縮を可能とすることができる。
【００３０】
実際には圧縮室Ｂの吐出時の圧力上昇が両圧縮室間の理論圧力差の１／２倍を超えると、両圧縮室の吐出タイミングが近くなり、非対称形状にする利点が少なくなるため、この範囲内で容積比を決定することが望ましい。そのため、圧縮室Ａの容積比ＶＡＳ／ＶＡＤは圧縮室Ｂの容積比ＶＢＳ／ＶＢＤより大きく、且つ（ＶＡＳ＋ＶＢＳ）／（２＊ＶＢＤ）より小さい範囲にはいる圧縮室Ａと圧縮室Ｂとにすることで更に効果が高まる。
【００３１】
以上の容積比の調整は旋回スクロール１の渦巻体１ａの外側壁面を延長することによって行っているが、固定スクロール２の渦巻体２ａの外側壁面を切り欠いても同様に調整を行える。また、旋回スクロール１の渦巻体１ａの内側壁面を切り欠いてもよい。
【００３２】
図４は本発明の第２の実施例を示した図であり、スクロール渦巻体の平面図である。図４において、旋回スクロール１は旋回側渦巻体１ａと端板１ｂとから構成され、固定スクロール２は固定側渦巻体２ａと端板２ｂとから構成されている。
【００３３】
前記渦巻体は円のインボリュート曲線で形成されており、両スクロール１、２を互いに噛み合わせて旋回スクロールの巻き終り側ラップの外側で形成される圧縮室Ａとその内側で形成される圧縮室Ｂとの大きさが異なり、軸の回転に対して位相がずれて形成される非対称スクロール形状である。
【００３４】
圧縮室Ａと圧縮室Ｂの容積比は前述の第１実施例に合わせて約２．７と約２．４としているが、本実施例では容積比の調整を固定スクロール渦巻体の巻き終り側で行っている。
【００３５】
固定スクロール２の固定渦巻体２ａの内側壁面を約１８０°延長した場合に容積比が両圧縮室で同等となるように旋回スクロール１の旋回渦巻体１ａの巻き始め側を削っているスクロール形状に対して、圧縮室Ｂの容積比を小さくするために旋回スクロール１の渦巻体１ａの内側壁面を約７５°切り欠いている切り欠き部２ｄを設けている。これにより圧縮室Ａと圧縮室Ｂの容積比をそれぞれ約２．７と約２．４にすることができ、第１の実施例に場合と同様の効果を発揮することができる。
【００３６】
以上の容積比の調整は旋回スクロール１の渦巻体１ａの内側壁面を切り欠くことによって行っているが、固定スクロール２の渦巻体２ａの内側壁面および旋回スクロール１の渦巻体１ａの外側壁面を延長しても同様に調整を行える。また実際には圧縮室Ｂの吐出時の圧力上昇が両圧縮室間の理論圧力差の１／２倍を超えると、両圧縮室の吐出タイミングが近くなり、非対称形状にする利点が少なくなるため、この範囲内で容積比を調整することが望ましい。
【００３７】
以上、ここでは円のインボリュートにて形成した渦巻体を有するスクロール圧縮機の場合について述べたが、代数螺旋や円弧などを基本とした他の曲線にて形成された渦巻体を有するスクロール圧縮機の場合にも同様の効果を有する。
【００３８】
さらに、以上の実施例では、本発明の説明を密閉形の高圧チャンバ方式スクロール圧縮機を例にして説明したが、低圧チャンバ方式スクロール圧縮機に適用した場合にもその効果は同様である。
【００３９】
本発明の各実施例により、先に圧縮を開始する圧縮室Ａの容積比を後から圧縮を開始する圧縮室Ｂの容積比に比べ大きくすることで、両圧縮室での実際の上昇圧力を同等にすることができ、ほぼ理想の圧力特性を実現し、圧縮室Ｂでの過圧縮による動力損失あるいは圧縮室Ａでの不足圧縮による逆流損失を低減することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、圧縮効率を著しく高めた高性能なスクロール圧縮機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例の縦断面図。
【図２】本発明の第一の実施例に係るスクロール渦巻体の平面図。
【図３】図２の渦巻体の巻き始め部の拡大図。
【図４】本発明の第二の実施例に係るスクロール渦巻体の平面図。
【図５】従来のスクロール圧縮機での圧力特性図。
【図６】本発明の実施例での圧力特性図。
【符号の説明】
１…旋回スクロ−ル、２…固定スクロ−ル、５…フレーム、６…クランクシャフト、８…吐出ポート、１０…モータ、１３…吸込みパイプ、１４…吐出パイプ、１５…密閉ケース。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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