JP4859730B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機、給湯機、冷凍機などに搭載されるスクロール圧縮機に関するものである。

スクロール圧縮機は、ガスを圧縮させるため駆動力を圧縮機構部に伝える軸を支持するラジアル軸受と、軸方向の圧縮反力を支持するスラスト軸受とを備えている。
従来のスクロール圧縮機に、運転中のスラスト軸受における摺動ロスや凝着、焼付を防止するために、ガス圧縮時に発生する軸方向のスラスト力を受けるスラスト軸受と、このスラスト軸受を支持するフレームとの間に、スラスト軸受がスラスト力を受けたとき、その内周側が微小変形可能な隙間を設け、揺動スクロール台板の変形に倣ってスラスト軸受を撓ませることにより、局所的にスラスト荷重を受けるのを防止するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５７−１７３５８５号公報（第２−３頁、図３）

特許文献１の発明は、スラスト荷重が過大となる運転条件においても、揺動スクロールの台板の変形に倣ってスラスト台板を撓ませることで、局所的にスラスト荷重を受けるために発生する異常摩耗や焼付きを防止することができる。しかしながら、二酸化炭素など、冷媒物性上運転サイクルが従来の冷媒に比べて非常に高圧広域になる冷媒を用いた場合、スラスト荷重の増大により揺動スクロールの台板の撓みが非常に大きくなり、スラスト台板もそれに做って撓むが、通常の軸受でみられる平面同士に近い摺動とは違い、揺動スクロールの台板とスラスト軸受が互いに大きく撓んだ曲面同士の摺動となるため、摺動面積が減少して焼付き等が発生するおそれがあり、十分に対応することができなかった。

また、揺動スクロールの台板とフレームのスラスト軸受の相互変形を考慮して形状寸法を決めることは大変困難で、スラスト軸受の外周部や内周部で局所当りが発生し、軸受信頼性が極端に低下してしまうという問題があった。特に、揺動スクロールの台板とフレームのスラスト軸受の剛性、材質が極端に異なる場合（一般に、冷媒圧縮過程において揺動スクロールはモータにより公転運動を行い、その遠心力が振動、騒音の要因となるため、アルミニウムなどの軽い材料で形成される場合が多い。一方、スラスト軸受は加工やコストの面から、鋳物などで形成される場合が多い）は、揺動スクロールの台板やスラスト軸受の形状による変形への影響が大きく、厚み寸法決めがきわめて困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、二酸化炭素などの物性上運転サイクルが高圧広域に達する冷媒下においても、焼付き等を生ずることのない信頼性の高い軸受部を備えたスクロール圧縮機を提供することを目的としたものである。

本発明に係るスクロール圧縮機は、下面に渦巻歯を有する固定スクロール、及び台板の上面に前記固定スクロールの渦巻歯と組合わされて圧縮室が形成される渦巻歯を有し、前記台板の下面中心部に揺動軸受が設けられた揺動スクロールと、軸方向に油穴が設けられ、上部に設けた偏心軸部が前揺動軸受に係止して駆動手段の駆動力を前記揺動スクロールに伝達する主軸と、シェルに固定され、底部に前記揺動スクロールの揺動軸受が収容される凹部、及び該凹部の下部に前記主軸を回転自在に支持する主軸受を有し、前記底部に前記凹部の内周面から外周に向って全周にわたって空隙が設けられ、該空隙の上部により前記揺動スクロールを軸方向に支承するスラスト軸受部が形成されたほぼ有底円筒状の上フレームと、前記揺動スクロールの自転を防止して主軸回りに公転させる自転防止手段とを備え、
前記揺動スクロールの台板の外径、肉厚及び縦弾性係数をそれぞれＤ₁，ｔ₁，Ｅ₁、前記スラスト軸受部の内径、肉厚及び縦弾性係数をそれぞれＤ₂，ｔ₂，Ｅ₂とし、前記空隙の内径をＤ₃とした場合、５ｍｍ≦ｔ₁≦２０ｍｍ、５０ｍｍ≦Ｄ₁≦２００ｍｍ、０．８≦Ｄ₁／Ｄ₃≦１．４、Ｄ₂／Ｄ₃≦０．６において、１．０≦（ｔ₁／ｔ₂）×（Ｅ₁／Ｅ₂）≦２．２となるように構成したものである。

本発明は、運転中に単純にスラスト軸受が揺動スクロールの台板の変形に做って変形するようにした従来のスクロール圧縮機において、二酸化炭素の如く、物性上運転サイクルが非常に高圧広域になる冷媒を用いた場合に生じる、揺動スクロールの台板とスラスト軸受の摺動面面積が減少して焼付き等が発生するという課題を解決するために、過負荷運転条件下における揺動スクロールの台板とスラスト軸受部との接触面位置を規定し、これに基づく寸法及び縦弾性係数により揺動スクロールの台板とスラスト軸受部を構成したものである。これにより、揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の変形した曲面どうしが摺動する摺動面における焼付きを防止することができ、また、運転圧力全域にわたっての摺動面における適正面圧を保持することができるため、信頼性の高い軸受部を備えたスクロール圧縮機を得ることができる。

図１は本発明の一実施の形態に係るスクロール圧縮機の要部の断面図である。
上下が閉塞された円筒上のシェル１の底部には潤滑油が貯油された油溜め（図示せず）が設けられており、上部には台板３の下面に渦巻歯４を有する固定スクロール２と、台板６の上面に固定スクロール２の渦巻歯４と組合わされて圧縮室１０を形成する渦巻歯７を有し、下面中心部に揺動軸受９が突設された揺動スクロール５とが配設されている。

１１はシェル１の上部に固定され、固定スクロール２が結合されたほぼ有底円筒状の上フレームで、円筒部１２の底部であるスラスト台板１３の中心部には凹部１４が設けられており、スラスト台板１３には凹部１４の内周面から外周側に向って径方向に形成されたほぼドーナツ状の空隙１５（溝）が設けられて、この空隙１５の上部により揺動スクロール５を軸方向に支承するスラスト軸受部１６が形成されている。１８は凹部１４の下部に設けられた主軸受である。そして、揺動スクロール５は、その揺動軸受９が上フレーム１１の凹部１４内に挿入されて円筒部１２内に収容され、スラスト軸受部１６上に揺動自在に支持されている。１９は揺動スクロール５の台板６上に設けられ、揺動スクロール５の自転を防止して後述の主軸２０回りに公転させる自転防止手段であるオルダムリングである。

２０は中心部の軸方向に油穴２１を有する主軸で、上部が上フレーム１１の主軸受１８に、下部が油溜めの上方に設置された下フレームに設けた軸受（共に図示せず）に回転自在に支持され、上部に設けた偏心軸部２２が揺動軸受９に係止されている。そして、下部はオイルポンプに連結され、駆動手段（図示せず）の駆動力を揺動スクロール５に伝達する。

上記の説明では、スラスト軸受部１６を上フレーム１１と一体に形成した場合を示したが、別部材として構成してもよい。また、空隙１５の軸方向の幅は、スラスト軸受部１６の撓み代が確保できる寸法（例えば、０．１ｍｍ程度）であれば十分であるが、加工、成形上それより大きくてもよい。

本発明においては、図２に示すように、上記の揺動スクロール５の台板６の外径をＤ₁、肉厚をｔ₁、縦弾性係数をＥ₁とし、スラスト軸受部１６の内径をＤ₂、肉厚をｔ₂、縦弾性係数をＥ₂とし、空隙１５の内径をＤ₃とした場合、５ｍｍ≦ｔ₁≦２０ｍｍ、５０ｍｍ≦Ｄ₁≦２００ｍｍ、０．８≦Ｄ₁／Ｄ₃≦１．４、Ｄ₂／Ｄ₃≦０．６において、１．０≦（ｔ₁／ｔ₂）×（Ｅ₁／Ｅ₂）≦２．２となるように設定したものである。

上記のように構成したスクロール圧縮機において、駆動手段に通電されて主軸２０が回転駆動されると、これに連結され、オルダムリング１９によって自転が阻止されて公転運動を行う揺動スクロール５がスラスト軸受部１６に沿って揺動運動を行う。そして、冷媒吸入管からシェル１内に導入された冷媒ガスは、固定スクロール２と揺動スクロール５の渦巻歯４，７で形成された圧縮室１０に導かれ、揺動スクロール５の揺動により容積が減少して圧縮され、冷媒吐出管からシェル１外へ吐出される。
同時に、主軸２０によりオイルポンプが駆動され、油溜め内の潤滑油が主軸２０の油穴２１から凹部１４へ送られて各摺動部の潤滑を行い、再び油溜めに戻す。

このとき、揺動スクロール５の台板６は、圧縮室１０に入った冷媒ガスの圧縮反力により凹状に変形するが、上フレーム１１のスラスト軸受部１６も、上フレーム１１に設けた空隙１５により台板６に做って変形し、揺動スクロール５を軸方向（スラスト方向）に支承する力を発生する。そして、互いの力が釣合うところが接触面となって均衡し、揺動スクロール５はそのまま揺動運動を続ける。そのため、スラスト軸受部１６の上面１７と、揺動スクロール５の台板６の下面８が接触面となる。

このように、運転中、揺動スクロール５の台板６の下面８と、スラスト軸受部１６の上面１７とが摺動面となるが、シェル１内に設けた給油手段（油溜め、オイルポンプ、主軸２０の油穴２１等）によって送られた潤滑油が、各軸受部に常に存在する。そのため、冷媒ガスの圧縮反力によるスラスト荷重を受ける軸受面には通常においては常に油膜が形成され、それによって摺動がスムーズに行われるので、軸受部に焼付きが生ずることがない。

上記のように、各軸受部には潤滑油が存在し、それが揺動スクロール５の台板６の下面８とスラスト軸受部１６の上面１７との間の僅かなすき間に入り込んで、図８に示すように油膜を形成するため、両者は線でなく面として接する。油膜が形成される最大すき間は数ミクロンと云われており、油膜が形成された部分を受圧面積と考えるのが一般的である。また、このとき、最小隙間が形成される径方向位置を受圧作用点とすると、この径Ｄの位置で最大の油膜反力が得られ、図示するような油圧反力分布が得られる。

ある運転条件からスラスト荷重を大きくした場合、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の受圧作用点の位置は内側（中心部側）へ移動する。そのときの揺動スクロール５の台板６と、スラスト軸受部１６の撓み状態を考えると、図９に示すように、撓み量撓み角が外周側に向って大きくなる。そのため、摺動面の位置が内側にシフトするばかりでなく、撓みにより両者のすき間が外周側に向って大きくなるため、油膜が形成可能な数ミクロン以上のすき間においては、油膜反力が発生しない。このように、油膜を形成できる面積が減少するため面圧が大きく上昇して焼付きが生じ易くなる。

一方、スラスト荷重を小さくした場合は、揺動スクロール５の台板６は変形が小さくなり、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の撓み量撓み角が小さくなって、受圧作用点の位置が外側へ移動するので、図１０に示すように、摺動面の位置が外側へシフトするばかりでなく、すき間が小さくなって油膜が形成される面積が大きくなり、かつ、前記Ｄが大きくなることによる面積も相対的に大きくなって、受圧面積が増大する。これにより、面圧が低下するため焼付きが生じにくくなる。

以上のことから、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の変形が大きく、かつ、スラスト荷重を支える受圧面積がより小さくなる場合が最も厳しい摺動条件であるため、このようなスラスト荷重と摺動条件が最大値になる過負荷運転条件下においても、適正な面圧を確保する必要がある。それにより、他の運転範囲における面圧を抑制することができ、運転圧力全域にわたって軸受部の信頼性を確保することができる。

次に、本発明の作用、効果について説明する。揺動スクロール５の台板６の外径、肉厚及び縦弾性係数をそれぞれＤ₁，ｔ₁，Ｅ₁とし、また、スラスト軸受部１６の内径、肉厚及び縦弾性係数をそれぞれＤ₂，ｔ₂，Ｅ₂とすると共に、上フレーム１１に設けた空隙１５の内径をＤ₃、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の受圧作用点の径をＤとした場合の、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の剛性比（ｔ₁／ｔ₂）×（Ｅ₁／Ｅ₂）と、Ｄ／Ｄ₃との関係を図３に示す。ここでは、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の撓み量撓み角を支配するパラメータは、それぞれの軸方向の肉厚ｔ₁，ｔ₂と、縦弾性係数Ｅ₁，Ｅ₂であるため、（ｔ₁／ｔ₂）×（Ｅ₁／Ｅ₂）を剛性比と規定した。

図３は過負荷運転時相当のスラスト荷重が揺動スクロール５に作用して台板６に変形が生じた場合の、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の受圧作用点の径Ｄを、解析により算出したものである。揺動スクロール５の台板６は、機械加工、シェル１のサイズや剛性強度の面で、５ｍｍ≦ｔ₁≦２０ｍｍ、５０ｍｍ≦Ｄ₁≦２００ｍｍの範囲で設計されている場合が多く、また、スラスト軸受部１６（柔構造部）においては、揺動スクロール５の公転半径と揺動軸受９の収納性の関係から、０．８≦Ｄ₁／Ｄ₃≦１．４、Ｄ₂／Ｄ₃≦０．６の範囲で設計される場合が多いため、５ｍｍ≦ｔ₁≦２０ｍｍ、５０ｍｍ≦Ｄ₁≦２００ｍｍ、０．８≦Ｄ₁／Ｄ₃≦１．４、Ｄ₂／Ｄ₃≦０．６の計算結果を示している。

図中の実線は近似曲線であり、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の剛性比が小さくなるにしたがって、Ｄ／Ｄ₃が小さくなっている。剛性比が小さくなると、スラスト軸受部１６の剛性が揺動スクロール５の台板６の剛性より大きくなるため、スラスト軸受部１６の内周側（中心部側）の撓みが少なくなって突っ張り、通常よりも揺動スクロール５の台板６の内周側で接触現象を起こす傾向がみられる。

上記のようにＤ／Ｄ₃が非常に小さい領域においては、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６との受圧作用点が、スラスト軸受部１６の内周側に極端に近く、図４に示すように、（揺動スクロール５の台板６の剛性）<<（スラスト軸受部１６の剛性）であるときに起こりうると考えられる。そのため、スラスト荷重を支える面積が小さく、摺動面での面圧が極端に上昇してしまい、油切れを起こして金属接触などによる局部焼付きが生じるおそれがある。

一方、Ｄ／Ｄ₃が極端に大きい領域では、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の受圧作用点が、外周側に移動して空隙１５の内径Ｄ₃に極端に近く、図５に示すように、（揺動スクロール５の台板６の剛性）>>（スラスト軸受部１６の剛性）の場合に起こりうると考えられる。この場合も、スラスト荷重を支える面積が小さくなり、局部焼付きを生じるおそれがある。
これらのことから、図６に示すように、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６が互いに倣う形で変形することが望ましい。

そこで、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の剛性比（ｔ₁／ｔ₂）×（Ｅ₁／Ｅ₂）の局部摩耗の発生限界を実験によって求めた。実験では、スラスト軸受部１６の肉厚ｔ₂をパラメータとして過負荷条件で連続運転を行い、解析による両者の接触位置での２０００時間運転（評価時間にある程度のばらつきはあるが、摩耗の進行が収束する目安として用いられる）を行い、完了後の摩耗量を測定した。

図７は、Ｄ／Ｄ₃＝０．７の摩耗量を基準とした場合における摩耗量の比率を表わしたものである。
図７において、Ｄ／Ｄ₃＜０．６５では摩耗量が非常に多くなっており、図４のように、極端なスラスト軸受部１６の内周側での受圧作用点位置になっているものと考えられる。一方、０．８＜Ｄ／Ｄ₃では図５のような受圧作用点位置になっていると考えられるが、摩耗量は徐々に増加しており、Ｄ／Ｄ₃＜０．６５の場合より摩耗の絶対量は少ない。これは、受圧作用点位置がスラスト軸受部１６の外周側の方が内周側より長く、接触面面積が大きいために、面圧が小さく抑えられているためであると考えられる。

そして、０．７≦Ｄ／Ｄ₃≦０．９付近で摩耗量が最も少なくなっており、適正な接触面面圧が確保できるものと考えられる。これらを図３の近似線に照し合わせると、０．７≦Ｄ／Ｄ₃≦０．９、即ち、１．０≦（ｔ₁／ｔ₂）×（Ｅ₁／Ｅ₂）≦２．２の範囲において適正な面圧を確保できることがわかる。

以上の説明から明らかなように、１．０≦（ｔ₁／ｔ₂）×（Ｅ₁／Ｅ₂）≦２．２の範囲であれば、図６に示すように、過負荷運転時において、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６が互いに做って撓み、適正な面圧となるように接触面面積を大きくできるので、耐摩耗性、耐焼付き性にすぐれた信頼性の高い軸受部を得ることができる。

本発明に係るスクロール圧縮機は、揺動スクロール５の台板６とスラスト軸受部１６の寸法及びこれを構成する材料の縦弾性係数を上記のように設定することにより、スラスト軸受部１６における揺動スクロール５の台板６との摺動面面接触に適正面圧を保持することができるので、スラスト軸受部１６における局部当りによる大幅な摺動ロスや焼付きを防止することができ、信頼性の高い軸受部を備えたスクロール圧縮機を得ることができる。なお、揺動スクロール５とスラスト軸受部１６の材料は特に指定しないが、アルミニウム系材料又は鋳鉄系材料を用いれば、加工性やコストの面でも効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係るスクロール圧縮機の要部の断面図である。 図１の主要部の寸法関係を示す説明図である。 本発明に係る揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の剛性比と、接触面の位置との関係を示す線図である。 過負荷運転時における揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の関係を示す説明図である。 過負荷運転時における揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の関係を示す説明図である。 過負荷運転時における揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の関係を示す説明図である。 運転時における揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の接触面の位置と摩耗量の関係を示す線図である。 揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の受圧面積を示す概念図である。 運転時における揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の受圧作用点と受圧面積との関係を示す説明図である。 運転時における揺動スクロールの台板とスラスト軸受部の受圧作用点と受圧面積との関係を示す説明図である。

符号の説明

１ シェル、２ 固定スクロール、４，７ 渦巻歯、５ 揺動スクロール、６ 台板、９ 揺動軸受、１０ 圧縮室、１１ 上クレーム、１４ 凹部、１５ 空隙、１６ スラスト軸受部、１８ 主軸受、１９ オルダムリング、２０ 主軸、２１ 油穴、２２ 偏心軸部。

Claims (4)

1. 下面に渦巻歯を有する固定スクロール、及び台板の上面に前記固定スクロールの渦巻歯と組合わされて圧縮室が形成される渦巻歯を有し、前記台板の下面中心部に揺動軸受が設けられた揺動スクロールと、
   軸方向に油穴が設けられ、上部に設けた偏心軸部が前揺動軸受に係止して駆動手段の駆動力を前記揺動スクロールに伝達する主軸と、
   シェルに固定され、底部に前記揺動スクロールの揺動軸受が収容される凹部、及び該凹部の下部に前記主軸を回転自在に支持する主軸受を有し、前記底部に前記凹部の内周面から外周に向って全周にわたって空隙が設けられ、該空隙の上部により前記揺動スクロールを軸方向に支承するスラスト軸受部が形成されたほぼ有底円筒状の上フレームと、
   前記揺動スクロールの自転を防止して主軸回りに公転させる自転防止手段とを備え、
   前記揺動スクロールの台板の外径、肉厚及び縦弾性係数をそれぞれＤ₁，ｔ₁，Ｅ₁、前記スラスト軸受部の内径、肉厚及び縦弾性係数をそれぞれＤ₂，ｔ₂，Ｅ₂とし、前記空隙の内径をＤ₃とした場合、５ｍｍ≦ｔ₁≦２０ｍｍ、５０ｍｍ≦Ｄ₁≦２００ｍｍ、０．８≦Ｄ₁／Ｄ₃≦１．４、Ｄ₂／Ｄ₃≦０．６において、１．０≦（ｔ₁／ｔ₂）×（Ｅ₁／Ｅ₂）≦２．２となるように構成したことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記スラスト軸受部を、上フレームと別部材で構成したことを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. 前記揺動スクロールと前記スラト軸受部を、アルミニウム系材料又は鋳鉄系材料で構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のスクロール圧縮機。
4. 圧縮されるガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスクロール圧縮機。

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