スクロールコンプレッサー

スクロールコンプレッサー（スパイラルコンプレッサー、スクロールポンプ、スクロール真空ポンプとも呼ばれる）は、空気または冷媒を圧縮する装置です。 ^[1]空調機器、自動車のスーパーチャージャー（スクロール型スーパーチャージャーと呼ばれる）、真空ポンプとして使用されます。多くの住宅用セントラルヒートポンプや空調システム、およびいくつかの自動車用空調システムでは、従来のロータリー式、往復動式、およびワブルプレート式のコンプレッサーの代わりにスクロールコンプレッサーが採用されています。

逆方向に動作するスクロール圧縮機はスクロールエキスパンダーであり、機械的な仕事を生み出すことができます。

レオン・クルーは、1905年にフランスと米国で初めてスクロールコンプレッサーの特許を取得しました。^{[2]クルーは、}回転式 蒸気エンジンのコンセプトとしてコンプレッサーを発明しましたが、当時の金属鋳造技術は、実用的なプロトタイプを製作できるほど進歩していませんでした。スクロールコンプレッサーが効果的に機能するには、非常に厳しい公差が求められるからです。1905年の特許で、クルーは、単一シャフトの固定半径クランクによって駆動される、共軌道または回転する可逆蒸気膨張機を定義しています。^[3]しかし、スクロール膨張エンジンは、スクロール操作の効率化に固有のラジアルコンプライアンスの機械加工のハードルを克服できず、これは、1975年のニールス・ヤングの研究まで適切に対処されませんでした。^{[4]最初の実用的なスクロールコンプレッサーは、より高精度の工作機械によって製造が可能になった}第二次世界大戦後まで市場に登場しませんでした。1981年、サンデンは自動車エアコン用の最初の市販スクロールコンプレッサーの製造を開始しました。^{[1] [5]}日立が世界初の密閉型スクロールコンプレッサーを搭載したエアコンを発売した1983年まで、室内空調用に商業生産されることはなかった。 ^{[6] [7]}

スクロールコンプレッサーは、2つの交互に配置されたスクロールを使用して、液体や気体などの流体を汲み上げ、圧縮または加圧します。羽根の形状は、インボリュート、アルキメデスの螺旋、またはハイブリッド曲線になります。^{[8] [9] [10] [11] [12]}

多くの場合、スクロールの 1 つは固定され、もう 1 つは回転せずに偏心して軌道を描き、スクロール間の流体ポケットを捕捉してポンピングまたは圧縮します。偏心シャフトは軌道運動を提供できますが、スクロールの回転を防止する必要があります。これには通常、オルダム型カップリング、追加の偏心アイドラー シャフト、またはベローズ ジョイント(特に高純度アプリケーションの場合) を使用します。圧縮運動を生成する別の方法は、スクロールを同期運動で共回転させますが、回転中心をオフセットします。相対運動は、1 つが軌道を描いている場合と同じです。

軸方向の隙間からの漏れは、両方のスパイラルの先端の溝に配置されたスパイラル状のチップシールの使用によって防止されます。^[13]これらのチップシールは摩擦を下げるのにも役立ち、摩耗した場合は交換できます。一部のコンプレッサーは、加圧された排出ガスを使用して両方のスクロールを押し合わせるため、チップシールが不要になり、使用とともに密閉性が向上します。これらのコンプレッサーは摩耗ではなく摩耗すると言われています。^{[14] [15] [16] [17]}

これらの装置は、いくつかの用途において従来のコンプレッサーよりもスムーズに、静かに、そして確実に動作することで知られています。^[18]

圧縮プロセスは、クランクシャフトの約 2 ～ 2.5 回転で発生します。これに対し、ロータリー コンプレッサーでは 1 回転、レシプロ コンプレッサーでは 1/2 回転です。スクロールの排出および吸入プロセスは 1 回転で発生しますが、レシプロ吸入プロセスでは半回転未満、レシプロ排出プロセスでは 1/4 回転未満です。レシプロ コンプレッサーには複数のシリンダー (通常、2 ～ 6 個) がありますが、スクロール コンプレッサーには 1 つの圧縮要素しかありません。レシプロ コンプレッサーに複数のシリンダーがあることで、吸入および排出の脈動が軽減されます。したがって、スクロール コンプレッサーのサプライヤの一部がしばしば主張しているように、スクロール コンプレッサーの脈動レベルがレシプロ コンプレッサーよりも低いかどうかを判断するのは困難です。より安定したフローにより、ガスの脈動、騒音、接続された配管の振動が減少しますが、コンプレッサーの動作効率には影響しません。

スクロール コンプレッサーには吸入弁はありませんが、用途によっては吐出弁がある場合とない場合があります。動圧吐出弁の使用は、冷凍に代表される高圧力比の用途でより顕著です。通常、空調スクロールには動圧吐出弁がありません。動圧吐出弁を使用すると、動作圧力比がコンプレッサーの内蔵圧力比をはるかに上回る場合、幅広い動作条件でスクロール コンプレッサーの効率が向上します。コンプレッサーが単一の動作点付近で動作するように設計されている場合、動圧吐出弁がない場合でも、スクロール コンプレッサーは実際にこの点付近で効率を上げることができます (吐出弁の存在に関連する追加の吐出流量損失があり、また、吐出口が存在すると吐出ポートが小さくなる傾向があるため)。^{[19] [20]}

スクロールコンプレッサの等エントロピー効率は、コンプレッサが選択された定格点付近で動作するように設計されている場合、一般的な往復動型コンプレッサの等エントロピー効率よりもわずかに高くなります。[ ^21]この場合、スクロールコンプレッサは、追加の絞り損失をもたらす動的排出バルブを備えていないため、より効率的です。ただし、排出バルブを備えていないスクロールコンプレッサの効率は、高圧力比での動作時に往復動型コンプレッサと比較して低下し始めます。これは、動的排出バルブを備えていない容積式コンプレッサの高圧力比動作時に発生する圧縮不足損失の結果です。

スクロール圧縮プロセスは、閉じ込められた流体をポンプで送り出す際に、ほぼ 100% の容積効率を実現します。吸入プロセスは、内部の圧縮プロセスおよび排出プロセスとは別に、独自の容積を作成します。比較すると、往復コンプレッサーでは、ピストンがヘッドまたはバルブ プレートに接触することは現実的ではないため、シリンダー内に少量の圧縮ガスが残ります。最後のサイクルからの残留ガスは、吸入ガス用のスペースを占有します。容量 (つまり容積効率) の減少は、吸入圧力と排出圧力に依存し、排出圧力と吸入圧力の比率が高いほど、減少が大きくなります。

スクロールコンプレッサーは非常にコンパクトでスムーズに作動するため、スプリングサスペンションを必要としません。これにより、非常に小さなシェルエンクロージャーが可能になり、全体的なコストが削減されますが、自由容積も小さくなります。^[22]

スクロールコンプレッサーはレシプロコンプレッサーよりも可動部品が少ないため、理論的には信頼性が向上するはずです。コープランドスクロールコンプレッサーの製造元であるエマーソンクライメートテクノロジーズによると、スクロールコンプレッサーは従来のレシプロコンプレッサーよりも可動部品が70％少なくなっています。^[23]

少なくとも1つのメーカーは、スクロールコンプレッサーの設計が往復コンプレッサーよりも信頼性と効率性に優れていることをテストで発見しました。^[24]

スクロールエキスパンダーは、主に低圧熱回収用途で使用される作業生成装置です。本質的には、スクロールコンプレッサーを逆に作動させるものです。高エンタルピー作動流体またはガスがコンプレッサーの排出側に入り、偏心スクロールを回転させてからコンプレッサーの入口から排出されます。スクロールコンプレッサーをスクロールエキスパンダーに変換するために必要な基本的な変更は、コンプレッサーの排出口から逆止弁を取り除くことです。^[25]

• 圧縮空気電池

ウィキメディア・コモンズには、スクロール・コンプレッサーに関連するメディアがあります。

• YouTubeの Copeland Compressors 111 – スクロール コンプレッサーの仕組みを紹介するビデオ