JP4739103B2

JP4739103B2 - スクロール型流体機械

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Publication number: JP4739103B2
Application number: JP2006117819A
Authority: JP
Inventors: 祐治武井
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: EP2012015A4; WO2007123015A1; US8075289B2; JP2007291878A; EP2012015A1; US20090116988A1; CN101427029A

Description

本発明は、スクロール型流体機械に係わり、より詳しくは、スラスト受け構造に関する。

例えば冷凍回路の圧縮機に適用される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及び可動スクロールを備え、これら固定スクロール及び可動スクロールは互いに協働して圧力室を形成する。
可動スクロールは固定スクロールに対して旋回運動させられ、この旋回運動に伴い冷凍回路の冷媒（作動流体）が圧力室に吸い込まれ、圧力室内にて圧縮される。この後、圧縮された冷媒は圧力室から圧縮機の吐出ポートを通じ、冷凍回路の凝縮器に向けて吐出される。

上述した冷媒の圧縮工程では、圧力室内における冷媒の圧力が高圧になることから、可動スクロールに大きなスラスト荷重が加わり、このスラスト荷重は可動スクロールを固定スクロールからその軸線方向に離間させるように働く。
このようなスラスト荷重は可動スクロールの円滑な旋回運動を阻害することから、圧縮機はハウジングの支持面と可動スクロールとの間にスラスト受け装置、即ち、スラストベアリングを備えている。例えば、スラストベアリングとして、周方向に配列された複数の受圧片を使用した圧縮機が知られている（特許文献１、特許文献２及び特許文献３）。各受圧片は、例えばPPS（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等からなり、ハウジングの支持面に形成された保持穴若しくは保持溝に保持される。
特開2005-248925号公報特開2005-291151号公報特開2005-307949号公報

上述した特許文献１、２及び３の各スクロール型流体機械においては、可動スクロールと受圧片とが摺動するけれども、受圧片と摺動する可動スクロールの摺動面は、一般にアルマイト皮膜からなる。アルマイト皮膜は、耐酸化膜としての機能のみならず、多孔質であるため潤滑油の保持性に優れ、耐摩耗膜としての機能も有することが知られている。
しかしながら、アルマイト皮膜の表面は粗く、初期なじみにおいてアルマイトの摩耗粉が発生してしまう。この摩耗粉は研磨剤として作用し、受圧片及び可動スクロールの摺動面の粗化を招き、ひとたび粗化した受圧片は、アブレッシブ摩耗によって摩耗する。かかる摩耗が進行して受圧片が薄くなると、固定スクロールと可動スクロールとの間に隙間が生じ、圧力室の気密性が低下する。この結果、圧力室からの作動流体の漏出によって圧縮性能が低下し、圧縮効率及び体積効率が低下する。

このような圧縮効率及び体積効率の低下を防止するには、可動スクロールの摺動面の面粗度を小さくすればよいが、アルマイト皮膜を形成後に可動スクロールの摺動面を研磨するのは煩雑であり、また、そのための装置導入も必要になることから、製造コストが上昇してしまう。
本発明は上述の事情に基づいてなされもので、その目的とするところは、簡単な構成にして良好な摺動特性が確保されるスラスト受け装置を備え、圧縮効率及び体積効率の低下が防止されるスクロール型流体機械を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明によれば、ハウジング内に固定された固定スクロールと、前記固定スクロールとの間に圧力室を形成し、且つ、前記固定スクロールに対して旋回運動可能な可動スクロールと、前記ハウジングに設けられ、前記可動スクロールからのスラスト荷重を支持するための支持壁と、前記可動スクロールと前記支持壁との間に配置されたスラスト受け装置とを備えたスクロール型流体機械において、前記スラスト受け装置は、前記支持壁に形成された凹みと、前記凹みに保持された受圧片と、前記可動スクロールと前記受圧片との間に配置され、前記受圧片と摺動する摺動面を有する耐摩耗板とを含み、前記可動スクロールに対する前記耐摩耗板の位置決め手段を更に有し、前記位置決め手段は、前記可動スクロールに設けられたボス部の外周面と、前記耐摩耗板に形成され、前記ボス部の外周面に嵌合する嵌合孔と、前記耐摩耗板及び可動スクロールのうち一方に設けられた位置決めピンと、前記耐摩耗板及び可動スクロールのうち他方に設けられ、前記位置決めピンと係合する位置決め孔とを含む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）。

好ましくは、前記耐摩耗板の外径は前記可動スクロールの外径よりも大であり、前記可動スクロールの外周縁は面取り加工されている（請求項２）。
好ましくは、前記耐摩耗板の外径は前記可動スクロールの外径よりも大であり、可動スクロールの外周縁を径方向に超える前記耐摩耗板の外周部は、前記支持壁と反対側に反っている（請求項３）。

好ましくは、前記耐摩耗板の摺動面は、1.6μm以下の平均粗さRaを有する（請求項４）。

請求項１のスクロール型流体機械のスラスト受け装置では、受圧片と可動スクロールとの間に耐摩耗板が配置され、受圧片と可動スクロールとが直接摺動することはない。耐摩耗板は、可動スクロールとは別体であるため、受圧片と摺動する耐摩耗板の摺動面の表面粗さを研磨等によって調製するのは容易である。このため、この流体機械のスラスト受け装置によれば、簡単な構成にして受圧片の摩耗が抑制され、長期間に亘り良好な摺動特性が確保される。この結果、この流体機械では、固定スクロールと可動スクロールとの間の隙間の拡大が防止されて圧力室の気密性が確保され、圧縮効率や体積効率の低下が防止される。

また、位置決め手段によって、可動スクロールに対する耐摩耗板の相対回転が防止されるので、可動スクロールと耐摩耗板との摺動が抑制される。このため、耐摩耗板が可動スクロールとの摺動によって摩耗することはなく、固定スクロールと可動スクロールとの間の隙間の拡大が確実に防止される。
その上、位置決め手段は、ボス部の外周面と、耐摩耗板の嵌合孔と、可動スクロール又は耐摩耗板に設けられた位置決めピン及び位置決め孔とを含み、この流体機械では、簡単な構成にて、固定スクロールと可動スクロールとの間の隙間の拡大が確実に防止される。

請求項２のスクロール型流体機械では、耐摩耗板の外径が可動スクロールの外径よりも大であっても、可動スクロールの外周縁は面取り加工されているので、可動スクロールの外周縁に当接する耐摩耗板の部位での破断や割れが防止される。
請求項３のスクロール型流体機械では、耐摩耗板の外径が可動スクロールの外径よりも大であっても、可動スクロールの外周縁を径方向に超える耐摩耗板の外周部は、支持壁と反対側に反っているので、可動スクロールの外周縁に当接する耐摩耗板の部位での破断や割れが防止される。

請求項４のスクロール型流体機械では、耐摩耗板の摺動面が1.6μm以下の平均粗さRaを有することで、受圧片と耐摩耗板との初期なじみにおいて、耐摩耗板の表面からの摩耗粉の発生が確実に防止され、受圧片の粗化及び摩耗が確実に防止される。

図１は、実施形態に係るスクロール型流体機械としての圧縮機を示し、この圧縮機は、例えば車両用空調装置の冷凍回路に組み込まれ、冷凍回路の冷媒（作動流体）を圧縮するために使用される。ここで、冷媒には潤滑油としての冷凍機油が含まれており、この冷凍機油は冷媒とともに圧縮機内の軸受や種々摺動面に供給され、これらを潤滑する。
圧縮機は略円筒状のハウジング10を備え、このハウジング10は図１でみて左側から右側に向かって順に、駆動ケーシング（モータケーシング）12、支持壁14及びスクロールケーシング16を有する。駆動ケーシング12及びスクロールケーシング16は、支持壁14を挟んで互いに結合され、これらケーシング12,16の外周壁12a,16aと支持壁14との間にはＯリング17a,17bがそれぞれ介挿されている。

駆動ケーシング12の外周壁12aには、駆動ケーシング12の端壁12b側に吸入ポート18が形成され、吸入ポート18は冷凍回路の低圧側に接続される。一方、外周壁12aの支持壁14側には給電ポート20が形成され、給電ポート20は給電プラグ（図示せず）によって閉塞される。
外周壁12aの内周面には、円筒状のステータ22が固定され、ステータ22は吸入ポート18と給電ポート20との間に位置している。ステータ22にはコイル24が巻回され、コイル24からは、給電プラグを気密に貫通するリード線（図示せず）が引き出される。従って、コイル24には、リード線を通じて外部から電力を供給可能である。

ステータ22の径方向内側には電動子26が配置され、電動子26は、積層電磁鋼板からなる筒状の磁心28と、磁心28の中央を貫通する回転軸30とを有する。回転軸30は、コイル24に電力が供給されたとき、磁心28と一体に回転可能である。
回転軸30は、駆動ケーシング12の端壁12bから支持壁14にまで渡り、端壁12b側の回転軸30の端部は、端壁12bの軸受け穴に配置されたラジアルベアリング32によって回転自在に支持されている。支持壁14には、その中央を貫通するシャフト孔14aが形成され、回転軸30は、シャフト孔14a内に配置された大径端部30aを有する。シャフト孔14aの駆動ケーシング12側には、ラジアルベアリング34が配置され、大径端部30a近傍の回転軸30の部分がラジアルベアリング34によって回転自在に支持されている。

なお、支持壁14には、ラジアルベアリング34近傍の内周部を貫通する潤滑油供給孔14bが形成され、潤滑油供給孔14bはシャフト孔14a内の段差面にて開口している。また、支持壁14にはその外周部を貫通する複数の連通孔14cが形成されている。
一方、スクロールケーシング16の外周壁16aには、スクロールケーシング16の端壁16b側に吐出ポート36が形成され、吐出ポート36は、冷凍回路の高圧側に接続される。スクロールケーシング16内には、固定ボルト38によって固定スクロール40が固定されており、固定スクロール40の基板40aと端壁16bとの間に吐出室42が区画される。なお、吐出ポート36は、吐出室42に開口している。

固定スクロール40の基板40aの外周部とスクロールケーシング16の外周壁との間にはＯリングが介挿される一方、基板40aの中央部には吐出孔44が形成されている。吐出孔44は、リード弁46によって開閉され、リード弁46の開度は弁押さえ48によって規制される。なお、リード弁46及び弁押さえ48は、吐出室42を区画する基板40aの背面に固定されている。

固定スクロール40は、その基板40aの支持壁14側に一体に形成された渦巻壁40bを有し、同じく基板50a及び渦巻壁50bを有する可動スクロール50と噛み合わされている。これら渦巻壁40b,50bの形状はインボリュート曲線によってそれぞれ規定され、このため、固定スクロール40と可動スクロール50との間には複数の圧力室52が形成され、且つ、固定スクロール40に対して可動スクロール50は旋回運動可能である。

圧力室52は、可動スクロール50の旋回運動に伴い、あたかも、固定及び可動スクロール40,50の径方向外側にて発生し、その容積が縮小しながら径方向内側に移動し、そして、径方向中央部にて消滅する。そして、圧力室52には、径方向外側にて作動流体が吸入され、圧力室52が径方向中央部に達すると、圧力室52内の作動流体の圧力がリード弁46の締切圧を超え、圧力室52内の作動流体が吐出室42に吐出される。

なお、固定スクロール40及び可動スクロール50は、例えばアルミニウム合金からなり、これらスクロール40，50の表面にはアルマイト処理によってアルマイト被膜が形成されている。また、各渦巻壁40b,50bの先端にはチップシールが配置され、チップシールは、相対的に旋回する相手スクロール50,40の基板50a,40aに摺接する。
可動スクロール50と回転軸30との間は、回転軸30の回転運動を可動スクロール50の旋回運動に変換する変換機構によって連結されている。

より詳しくは、回転軸30の大径端部30aからは、クランクピン54が可動スクロール50に向けて突出し、クランクピン54には偏心ブッシュ56が取付けられる。一方、可動スクロール50の基板50aは支持壁14の近傍に位置し、支持壁14側の基板50aの背面にはボス部50cが一体且つ同心にて形成されている。ボス部50cは、基板50aの背面から支持壁14のシャフト孔14a内に突出し、偏心ブッシュ56を内側に受け入れる。ボス部50cの内周面と偏心ブッシュ56の外周面との間にはニードル軸受58が配置され、ニードル軸受58によって、偏心ブッシュ56と可動スクロール50とは相対回転可能に連結される。

なお、偏心ブッシュ56にはカウンタウエイト60が取り付けられ、カウンタウエイト60によって可動スクロール50の旋回運動が安定する。
また、可動スクロール50と支持壁14との間には、可動スクロール50が旋回運動するときに、可動スクロール50の自転運動を阻止するための複数の自転ストッパ62が形成されている。

より詳しくは、支持壁14は、図２に示したように、可動スクロール50の基板50aの外周部と対向する環状の支持面64を有し、支持面64には、周方向に90度の等間隔をもって、略円形状の凹所66が形成されている。各自転ストッパ62は、凹所66内に配置されたリンク部材68を有し、リンク部材68は、凹所66の底面中心から突出する第１リンクピン70によって支持壁14に相対回転可能に連結されている。また、リンク部材68は、可動スクロール50の基板50aから突出する第２リンクピン72によって、可動スクロール50に相対回転可能に連結されている。

なお、図２は、図１中のII-II線に沿う断面図であるが、支持面64を説明するため、支持壁14については断面図ではなく平面図として示した。
図３に示したように、第２リンクピン72は、ボス部50cよりも径方向外側に同心に配置されている。第１リンクピン70及び第２リンクピン72は、回転軸30の軸線に対して平行であり且つ凹所66の径方向に離間している。可動スクロール50が旋回運動するとき、自転ストッパ62のリンク部材68は、第１リンクピン70を中心として凹所66内を回転し、リンク部材68に第２リンクピン72によって連結された可動スクロール50の自転運動が阻止される。

更に、可動スクロール50と支持壁14との間には、可動スクロール50からのスラスト荷重を支持するためのスラストベアリング74が設けられている。
より詳しくは、再び図２を参照すると、スラストベアリング74は、支持壁14の支持面64に形成された12個の保持穴76を有する。これら保持穴76はそれぞれ円形状をなし、凹所66間の各領域に３個ずつ等間隔を存して配置されている。

各保持穴76には扁平な円筒形状の受圧片78が回転自在に嵌合されている。受圧片78は、金属、セラミック、合成樹脂又は合成ゴム等の材料から形成できるが、可動スクロール50の摺動抵抗を低減する観点からみて、受圧片78は合成樹脂から形成されているのが好ましい。
図４に拡大して示したように、受圧片78の厚さは保持穴76の深さよりも大きく、受圧片78の一方の端面が保持穴76の底面に面接触した状態で、受圧片78の他端部は支持面64から突出する。受圧片78の他端部と可動スクロール50の基板50aとの間には円環状の平坦な耐摩耗板80が配置され、受圧片78の他方の端面は耐摩耗板80に面接触する。

図５は、耐摩耗板80の平面図を示し、耐摩耗板80は中央部に中央孔82を有する。耐摩耗板80の外径は、可動スクロール50の基板50aの外径に略等しく、中央孔82の孔径は、可動スクロール50のボス部50cの外径に略等しい。
また、耐摩耗板80は、第２リンクピン72に対応する４つの位置に位置決め孔84を有し、位置決め孔84の孔径は、第２リンクピン72の外径に略等しい。

従って、可動スクロール50のボス部50cが耐摩耗板80の中央孔82に嵌合し、且つ、第２リンクピン72の根元が耐摩耗板80の位置決め孔84に嵌合することで、耐摩耗板80は、可動スクロール50の基板50aに面接触し、且つ、基板50aに対して相対回転不能に位置決めされる。
耐摩耗板80の厚さは、特には限定されず、例えば0.3mm程度である。受圧片78と摺動する耐摩耗板80の摺動面は研磨加工され、その面粗度が適当に小さくされている。好ましくは、耐摩耗板80の摺動面の算術平均面粗さRaは、1.6μm以下である。この場合、初期なじみにおける摩耗粉の発生が確実に防止され、受圧片78の摩耗が確実に防止されるからである。

なお、耐摩耗板80の材質は特に限定されないが、高い耐摩耗性を有することから、SK材（炭素工具鋼鋼材）を用いるのが好ましい。また、受圧片78と摺動する耐摩耗板80の摺動面は、表面処理によって形成された摺動膜によって構成されていてもよい。
上述した圧縮機では、ステータ22に電力が供給されると電動子26、即ち回転軸30が回転する。回転軸30の回転運動は、可動スクロール50の旋回運動に変換され、この旋回運動に伴い、圧力室52への冷媒の吸入工程、圧力室52内での冷媒の圧縮工程、及び、圧力室52から吐出室42への冷媒の吐出工程からなる一連のプロセスが実行される。換言すれば、冷凍回路の低圧側から圧縮機内に冷媒が吸入され、吸入された冷媒が圧縮機内で圧縮された後、冷凍回路の高圧側に吐出される。

上述したスラストベアリング74によれば、可動スクロール50の旋回運動中、各受圧片78が耐摩耗板80に引き摺られることで、その保持穴76内にて回転し、これにより、受圧片78は保持穴76の底面及び耐摩耗板80の摺動面の一方又はその両方に対して摺動する。
そして、上述したスラストベアリング74では、受圧片78と可動スクロール50との間に耐摩耗板80が配置され、受圧片78と可動スクロール50とが直接摺動することはない。耐摩耗板80は、可動スクロール50とは別体であるため、受圧片78と摺動する耐摩耗板80の摺動面の表面粗さを研磨等によって調製するのは容易である。このため、このスラストベアリングによれば、簡単な構成にして、受圧片78の摩耗が抑制され、長期間に亘り良好な摺動特性が確保される。この結果、この圧縮機では、固定スクロール40と可動スクロール50との間の隙間の拡大が防止されて圧力室52の気密性が確保され、圧縮効率や体積効率の低下が防止される。

また、このスラストベアリング74にあっては、第２リンクピン72が耐摩耗板80の位置決め孔84に嵌合することによって、簡単な構成にて、可動スクロール50に対する耐摩耗板80の相対回転が防止されるので、可動スクロール50と耐摩耗板80との摺動が抑制される。このため、耐摩耗板80が可動スクロール50との摺動によって摩耗することはなく、固定スクロール40と可動スクロール50との間の隙間の拡大が確実に防止される。

本発明は上述の一実施形態に制約されるものではなく種々の変形が可能である。
例えば、一実施形態の圧縮機は、ステータ22、コイル24及び電動子26からなる電動モータを駆動ケーシング12内に収容していたけれども、電動モータに代えて、プーリや電磁クラッチを駆動ケーシングの外側に回転可能に設けてもよい。この場合、プーリや電磁クラッチを回転可能に支持する駆動ケーシングの部分は小径部として形成され、小径部とプーリ若しくは電磁クラッチとの間には軸受が介挿される。そして、駆動ケーシングから突出した回転軸30の端部に、プーリや電磁クラッチが連結される。

一実施形態では、受圧片78の平面視形状は円形状であったけれども、受圧片の平面視形状は特に限定されず、円弧状であってもよい。そして、受圧片の平面視形状に対応して、受圧片の数や、受圧片を保持する凹みの形状及び数も適宜変更してもよく、例えば凹みは、円弧状に延びる溝であってもよい。
また、一実施形態では、耐摩耗板80の外径は、可動スクロール50の基板50aの外径に略等しかったけれども、耐摩耗板の外径は、可動スクロール50の基板50aの外径に比べて小若しくは大であってもよい。例えば、図６に示したように、基板50aの外径よりも大の外径を有する耐摩耗板90を用いてもよい。この場合、基板50aの背面の外周縁92を面取り加工し、基板50aの背面の外周縁に当接する耐摩耗板90の部位での破断や割れを防止するのが好ましい。

更に、耐摩耗板80,90の他に、図７に示したような耐摩耗板94を用いてもよい。耐摩耗板94は、可動スクロール50の外径よりも大きな外径を有し、且つ、可動スクロール50の基板50aの外周縁を径方向に超えるその外周部が、支持壁14と反対側に反っている。この場合、耐摩耗板94の外周部94aが反っていることで、基板50aの背面の外周縁に面取り加工を施さなくても、基板50aの背面の外周縁に当接する耐摩耗板94の部位での破断や割れが防止される。

最後に、本発明のスクロール型流体機械は、車両用空調装置に組込まれる冷凍回路用の圧縮機のみならず、種々の分野における圧縮機又は膨張機としても使用可能であることは言うまでもない。

スクロール型流体機械としての圧縮機を示した縦断面図である。図１中のII-II線に沿う横断面図である。図１の圧縮機に適用され、第２リンクピンを取付けられた状態の可動スクロールを示した背面図である。図１中のスラストベアリング近傍の部分を拡大して示した図である。図４のスラストベアリングに用いられた耐摩耗板を示した平面図である。変形例の耐摩耗板を適用したスラストベアリング近傍の部分を拡大して示した図である。他の変形例の耐摩耗板を適用したスラストベアリング近傍の部分を拡大して示した図である。

符号の説明

14 支持壁
40 固定スクロール
50 可動スクロール
52 圧力室
64 支持面
74 スラストベアリング（スラスト受け装置）
76 保持穴（凹み）
78 受圧片

Claims

ハウジング内に固定された固定スクロールと、
前記固定スクロールとの間に圧力室を形成し、且つ、前記固定スクロールに対して旋回運動可能な可動スクロールと、
前記ハウジングに設けられ、前記可動スクロールからのスラスト荷重を支持するための支持壁と、
前記可動スクロールと前記支持壁との間に配置されたスラスト受け装置と
を備えたスクロール型流体機械において、
前記スラスト受け装置は、
前記支持壁に形成された凹みと、
前記凹みに保持された受圧片と、
前記可動スクロールと前記受圧片との間に配置され、前記受圧片と摺動する摺動面を有する耐摩耗板と
を含み、
前記可動スクロールに対する前記耐摩耗板の位置決め手段を更に有し、
前記位置決め手段は、
前記可動スクロールに設けられたボス部の外周面と、
前記耐摩耗板に形成され、前記ボス部の外周面に嵌合する嵌合孔と、
前記耐摩耗板及び可動スクロールのうち一方に設けられた位置決めピンと、
前記耐摩耗板及び可動スクロールのうち他方に設けられ、前記位置決めピンと係合する位置決め孔と
を含む
ことを特徴とするスクロール型流体機械。
前記耐摩耗板の外径は前記可動スクロールの外径よりも大であり、
前記可動スクロールの外周縁は面取り加工されている
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。
前記耐摩耗板の外径は前記可動スクロールの外径よりも大であり、
可動スクロールの外周縁を径方向に超える前記耐摩耗板の外周部は、前記支持壁と反対側に反っている
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。
前記耐摩耗板の摺動面は、1.6μm以下の平均粗さRaを有す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。