JP2008180094A - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】高い耐久性を有する自転阻止装置を備えたスクロール型流体機械を安価にて提供する。
【解決手段】スクロール型流体機械は、ハウジング内に固定スクロールに対し旋回可能に収容された可動スクロール３４と、可動スクロール３４の自転を阻止する自転阻止装置とを備える。自転阻止装置は、可動スクロール３４の周方向に互いに離間して配置され、可動スクロール３４の自転を互いに協働して阻止する５つ以上のユニット５８を含む。ユニット５８の各々は、少なくとも１本のピン５４と、可動スクロール３４の旋回に伴いピン５４と摺動する内周面とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スクロール型流体機械に関する。

スクロール型流体機械は、例えば冷媒の圧縮に使用され、ハウジング内に固定スクロールに対し旋回可能に配置された可動スクロールを備える。可動スクロールは固定スクロールとの間に圧力室を形成し、可動スクロールの旋回運動に伴い、圧力室は、冷媒の吸入、圧縮及び吐出工程を実行する。
可動スクロールの旋回中、自転阻止機構（装置）によって、可動スクロールの自転は阻止される（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１のスクロール圧縮機の自転阻止装置は、ピンと当該ピンと摺動する案内凹所とからなるユニットを４つ有し、これらのユニットは、可動スクロールの周方向に90度おきに配置されている。
また、特許文献２のスクロール圧縮機の自転阻止装置も可動スクロールの周方向に90度おきに配置された４つのユニットを有し、各ユニットのピンは、リング穴に配置されたリングと摺動する。
特開2000-27774号公報 特開2005-240700号公報

特許文献１及び特許文献２のスクロール圧縮機においては、自転阻止装置の４つのユニットが、可動スクロールの周方向に90度おきに配置されているため、可動スクロールの旋回角度が特定の値になると、可動スクロールから自転阻止装置に加わる荷重を１つのユニットで支持しなければならない。このため、各ユニットにおけるピンと案内凹所やリングの内周面との接触圧力が一時的に極めて高くなり、ピン及び内周面の摺動条件が厳しい。

特に、密閉型のスクロール圧縮機でＣＯ_２を圧縮する場合、スクロール圧縮機が高回転数で使用されることから、摺動条件が非常に厳しくなる。
このような厳しい摺動条件下でピンや案内凹所等の内周面の摩耗を防止するには、ピンや案内凹所等を構成する部材（摺動部材）の材料として軸受綱を用いたり、ピンや摺動部材に対し硬度を高めるべく窒化処理等の前処理を施す必要がある。しかしながら、軸受綱は高価であり、窒化処理は工程を追加することになるため、スクロール圧縮機の生産コストを押し上げている。

本発明は上述した事情に基づいてなされ、その目的とするところは、高い耐久性を有する自転阻止装置を備えたスクロール型流体機械を安価にて提供することにある。

上記の目的を達成するべく、本発明によれば、ハウジング内に固定スクロールに対し旋回可能に収容された可動スクロールと、前記可動スクロールの自転を阻止する自転阻止装置とを備えるスクロール型流体機械において、前記自転阻止装置は、前記可動スクロールの周方向に互いに離間して配置され、前記可動スクロールの自転を互いに協働して阻止する５つ以上のユニットを含み、前記ユニットの各々は、少なくとも１本のピンと、前記可動スクロールの旋回に伴い前記ピンと摺動する内周面とを有することを特徴とするスクロール型流体機械が提供される（請求項１）。

具体的には、前記ピンのうち、周方向でみて隣り合う２つ以上のユニットのピンが、可動スクロールの旋回角度が何れの値でも前記内周面と接する（請求項２）。
好ましくは、前記内周面は、前記可動スクロールの鏡板と対向する部材に形成された穴の側壁である（請求項３）。
好ましくは、上記スクロール型流体機械は、ＣＯ_２ガスを圧縮するのに用いられる（請求項４）。

本発明のスクロール型流体機械では、自転阻止装置が５つ以上のユニットを有する（請求項１）。具体的には、ピンのうち、周方向でみて隣り合う２つ以上のユニットのピンが、可動スクロールの旋回角度が何れの値でも内周面と接する（請求項２）。従って、本発明のスクロール型流体機械では、可動スクロールの旋回角度に係わらず、可動スクロールから自転阻止装置に加わる荷重が２つ以上のユニットに常に分配される。このため、各ユニットにおけるピンと内周面との間の接触圧力が低減され、ピン及び内周面の摩耗が抑制される。一方、接触圧力が低減されたことで、ピン及び内周面を構成する部材に特別な材料や前処理を用いる必要がない。この結果として、このスクロール型流体機械は、高い耐久性を有する自転阻止装置を備えながらも安価である。

請求項３のスクロール型流体機械では、ピンは、可動スクロールの鏡板と対向する部材に形成された穴の側壁に摺動する。各ユニットが、ピン及び穴により構成された極めて簡単な構成を有するため、このスクロール型流体機械は特に安価である。
請求項４のスクロール型流体機械は、ＣＯ_２ガスの圧縮に用いられ、高回転数で使用されても、ピンと内周面との間の摺動条件が緩和されているので、ピンや内周面の摩耗が抑制される。

図１は、本発明の一実施形態のスクロール型流体機械を示す。この流体機械は、例えば冷凍システム、空調システムや給湯システム等に適用され、作動流体としての冷媒等を圧縮する。
このスクロール型流体機械は、ハウジング（密閉容器）２を備えている。ハウジング２は、円筒部４と、円筒部４の上端及び下端に気密にそれぞれ嵌合された上蓋６及び下蓋８とからなる。円筒部４にはハウジング２内に冷媒を導入するための吸入管１０が接続され、上蓋６には、ハウジング２内で圧縮された冷媒を吐出するための吐出管１２が接続されている。

円筒部４内には電動モータ１４が収容され、電動モータ１４は円筒状のステータ１４ａを有する。ステータ１４ａは円筒部４に固定され、ステータ１４ａの内側には円柱状のロータ１４ｂが回転可能に同心上に配置されている。
ロータ１４ｂは回転軸１６によって軸線方向に貫通され、回転軸１６はロータ１４ｂと一体に回転可能である。従って、回転軸１６は電動モータ１４への通電によって回転駆動される。なお、回転軸１６は、自身を軸線方向に貫通する内部流路１６ａを有する。

回転軸１６の下端は仕切り壁１８の中央孔まで達している。仕切り壁１８の中央孔には、回転軸１６の下端を囲む鍔付きのスリーブ２０が配置され、スリーブ２０と回転軸１６との間にニードルベアリング２１が介挿されている。
仕切り壁１８は、ハウジング２内を上下に区画し、仕切り壁１８と下蓋８との間には、潤滑油を貯留する貯油室２４が区画される。仕切り壁１８には、スリーブ２０の下端を閉塞するようにエンドプレート２２も固定され、スリーブ２０の鍔に形成された凹みには、内歯を有するアウタロータ２３ａと外歯を有するインナロータ２３ｂとが収容されている。

アウタロータ２３ａは凹みの外周面に固定され、インナロータ２３ｂは回転軸１６の下端に一体的に回転可能に嵌合している。すなわち、スリーブ２０及びエンドプレート２２はトロコイドポンプ２６のケーシングを構成し、エンドプレート２２の上面に形成されたトロコイドポンプ２６の出口は、回転軸１６の内部流路１６ａと連通している。エンドプレート２２の下面に開口したトロコイドポンプ２６の入口は、貯油室２４を望み、仕切り壁１８に固定されたノズル２８を通じて、貯油室２４の底近傍と連通している。

なお、仕切り壁１８には潤滑油の導入孔１８ａが形成され、円筒部４内を上方から流下してきた潤滑油は、導入孔１８ａを通じて貯油室２４に流入する。
一方、回転軸１６の上端部は、偏心ブッシュ３０に成形され、偏心ブッシュ３０は、すべり軸受３２を介して可動スクロール３４のボス部３４ａに囲まれている。可動スクロール３４は上ブロック３６と下ブロック（センタフレーム）３８との間に形成されたスペース内に旋回可能に配置され、上ブロック３６及びセンタフレーム３８は、それぞれ円筒部４に溶接により固定されている。

上ブロック３６の下端部には、可動スクロール３４の渦巻き壁３４ｂと噛み合う渦巻き壁４０が形成されており、上ブロック３６と可動スクロール３４との間には圧力室４２が形成される。つまり上ブロック３６は、固定スクロールとしての機能を有する。このため以下では、上ブロック３６を固定スクロール３６とも称する。
可動スクロール３４の旋回に伴って、圧力室４２の位置は、可動スクロール３４の径方向外側から渦巻き壁３４ｂに沿って径方向内側に移動し、且つ、圧力室４２の容積は減少する。つまり、圧力室４２は、径方向外側にて吸入した作動流体を圧縮することができ、圧力室４２に作動流体を供給するべく、固定スクロール３６には、径方向外側の圧力室４２と吸入管１０の内端とを繋ぐ連通路（図示せず）が形成されている。

そして、固定スクロール３６には吐出孔４４が形成され、吐出孔４４は固定スクロール３６の略中央部を軸線方向に貫通している。吐出孔４４は、吐出弁４６としてのリード弁によって開閉され、吐出弁４６はカバー４８によって覆われている。
カバー４８内の空間は、固定スクロール３６、センタフレーム３８及びロータ１４ｂにそれぞれ形成された、作動流体及び作動流体に含まれる潤滑油のための下降流路（図示せず）や、ステータ１４ａにおけるスロット間の隙間を通じて仕切り壁１８まで繋がっている。そして、ステータ１４ａ、センタフレーム３８及び固定スクロール３６の外周には、仕切り壁１８から上蓋６、即ち吐出管１２まで達する作動流体のための上昇流路が形成されている。

センタフレーム３８の上端部には、可動スクロール３４の鏡板３４ｃを旋回可能に収容する凹所が形成され、凹所の底面５０の中央には、可動スクロール３４のボス部３４ａを受け入れる中間孔が開口している。中間孔の底面とセンタフレーム３８の下端との間にはシャフト孔が延び、シャフト孔と回転軸１６との間には、すべり軸受５２が介挿されている。

ここで、可動スクロール３４の鏡板３４ｃと凹所の底面５０とは、回転軸１６の軸線方向にて所定の隙間を存して対向しており、これらの間には、可動スクロール３４の旋回中、可動スクロール３４の自転を阻止する自転阻止装置が設けられる。
より詳しくは、自転阻止装置は、６本のピン５４を有し、各ピン５４の根元は、鏡板３４ｃの背面に開口したピン穴に圧入されている。各ピン５４の先端部は、凹所の底面５０に開口した有底穴５６に受け入れられている。

図２に示したように、ピン５４は、可動スクロール３４の周方向に互いに離間し、６０度おきに配置されている。そして、ピン５４の配列周期に対応して、有底穴５６も６０度おきに配置されている。換言すれば、支持装置は、１本のピン５４と１つの有底穴５６とからなるユニット５８を６個有する。
各ユニット５８では、ピン５４の外周面は、有底穴５６の側壁、すなわち内周面に対して、可動スクロール３４の周方向位置（旋回角度）に対応する所定の周方向位置にて接触している。そして、ユニット５８間で比較してみたときに、有底穴５６内におけるピン５４の周方向位置は揃っている。

なお、図２中、円筒部４は省略した。
以下では、上述したスクロール型流体機械の動作（使用方法）について説明する。
電動モータ１４に電力を供給すると、ロータ１４ｂ及び回転軸１６が回転駆動され、回転軸１６の回転は、偏心ブッシュ３０及びすべり軸受３２により、可動スクロール３４の旋回運動に変換される。可動スクロール３４が固定スクロール３６に対して旋回するのに伴い、圧力室４２は、吸入管１０を通じて作動流体を吸入し、吸入した作動流体を圧縮し、そして、吐出管１２へ圧縮した作動流体を吐出する一連のプロセスを実行する。

可動スクロール３４が旋回している間、可動スクロール３４の旋回運動は自転阻止装置によって阻止される。
具体的には、可動スクロール３４の旋回中、ピン５４は有底穴５６の内周面に沿って旋回し、ピン５４の外周面は、有底穴５６の内周面に対し摺動する。図３は、可動スクロール３４の旋回角度と、ピン５４の外周面から有底穴５６の内周面に加わる荷重との関係を示しており、曲線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、各ピン５４から加わる荷重を相対値にてそれぞれ示している。

図３からわかるように、ピン５４の外周面から有底穴５６の内周面に加わる荷重は、可動スクロール３４の旋回角度に対応して、６つのユニット５８の全てにおいて同一の周期で変動し、各ユニット５８間では６０度の位相差がある。この位相差に基づいて、可動スクロール３４の旋回角度が何れの値であっても、隣り合う少なくとも２つ以上のピン５４から、有底穴５６に正の荷重が加わっている。

すなわち、上述したスクロール型流体機械では、可動スクロール３４の旋回角度に係わらず、可動スクロール３４から自転阻止装置に加わる荷重が２つ以上のユニット５８に常に分配されている。このため、各ユニット５８におけるピン５４と有底穴５６の内周面との間の接触圧力（ヘルツ面圧）が低減され、ピン５４及び有底穴５６の内周面の摩耗が抑制される。また、荷重が分配されることで、各ユニットにおける安全率（許容応力／荷重）が大きくなり、自転阻止装置の信頼性が高くなる。

一方、接触圧力が低減されたことで、ピン５４及び有底穴５６が形成されたセンタフレーム３８に特別な材料や前処理を用いる必要がない。この結果として、このスクロール型流体機械は、高い耐久性を有する自転阻止装置を備えながらも安価である。
なお、図４は、比較例のスクロール型流体機械の断面を示し、この流体機械は、４つのユニット５８を有する。図５の曲線Ｖ,Ｗ,Ｘ,Ｙは、比較例のスクロール型流体機械において、各ユニット５８に加わる荷重をそれぞれ示し、例えば旋回角度９０度では、１つのユニットのみに荷重が加わっているのがわかる。

本発明は、上述した一実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、上述したスクロール型流体機械の支持装置は、６つのユニット５８を有していたけれども、ユニット５８の数は、少なくとも５つ以上であればよい。
上述したスクロール型流体機械の支持装置の各ユニット５８は、ピン５４と有底穴５６とから構成されていたけれども、各ユニット５８の構成は特に限定されない。

ただし、摺動特性の観点から、ピン５４の素材としては軸受鋼が好ましく、センタフレーム３６が鋳鉄の場合、有底穴５６の内周面には、窒化処理等の表面処理を施すのが好ましい。或いは、ピン５４や有底穴５６の内周面のHRC硬さは６０以上であるのが好ましい。また、ピン５４の素材は、構造用合金鋼であっても良い。
例えば、図６は変形例に係るユニット６０を示し、ユニット６０はより大径の有底穴６２を有し、有底穴６２内に摺動リング６４が固定されている。この場合、可動スクロール３４の旋回に伴い、摺動リング６４の内周面に対してピン５４が摺動する。

また、図７は他の変形例に係るユニット６６を示し、ユニット６６は、更に大径の有底穴６８を有する。有底穴６８の中央には第２のピン７０が立てられ、ピン（第１のピン）５４と第２のピン７０とを囲む摺動リング７２が有底穴６８内に旋回可能に配置される。この場合、第１のピン５４及び第２のピン７０の外周面が、摺動リング７２の内周面に対してそれぞれ摺動するとともに、摺動リング７２の外周面が、有底穴６８の内周面に対して摺動する。

ただし、一実施形態のように、各ユニット５８が、ピン５４及び有底穴５６により構成された極めて簡単な構成を有していれば、スクロール型流体機械が特に安価になる。
上述したスクロール型流体機械は、種々の作動流体の圧縮に適用可能であるが、好ましい使用例として、ＣＯ_２ガスの圧縮に用いられる。なぜならば、このスクロール型流体機械では、高回転数で使用されても、ピン５４と有底穴５６の内周面との間の摺動条件が緩和されているので、ピン５４や有底穴５６の内周面の摩耗が抑制されるからである。

本発明の一実施形態のスクロール型流体機械の縦断面図である。 図１のII-II線に沿う横断面図である。 図１のスクロール型流体機械において、可動スクロールの旋回角度と自転阻止装置の各ユニットに加わる荷重との関係を示すグラフである。 比較例のスクロール型流体機械の横断面図である。 図４のスクロール型流体機械において、可動スクロールの旋回角度と自転阻止装置の各ユニットに加わる荷重との関係を示すグラフである。 変形例に係る支持装置のユニット近傍の断面図である。 他の変形例に係る支持装置のユニット近傍の断面図である。

符号の説明

３４ 可動スクロール
５４ ピン
５８ ユニット

Claims (4)

1. ハウジング内に固定スクロールに対し旋回可能に収容された可動スクロールと、前記可動スクロールの自転を阻止する自転阻止装置とを備えるスクロール型流体機械において、
   前記自転阻止装置は、前記可動スクロールの周方向に互いに離間して配置され、前記可動スクロールの自転を互いに協働して阻止する５つ以上のユニットを含み、
   前記ユニットの各々は、少なくとも１本のピンと、前記可動スクロールの旋回に伴い前記ピンと摺動する内周面とを有する
   ことを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記ピンのうち、周方向でみて隣り合う２つ以上のユニットのピンが、可動スクロールの旋回角度が何れの値でも前記内周面と接することを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記内周面は、前記可動スクロールの鏡板と対向する部材に形成された穴の側壁であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。
4. ＣＯ_２ガスを圧縮するのに用いられることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のスクロール型流体機械。

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