JP5864883B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、空調機および冷凍機等に利用されるスクロール圧縮機に関するものである。

一般に、スクロール圧縮機では、揺動スクロールのスラスト面の摩耗や焼きつきを防止するため、フレームにすべり軸受を取り付け、揺動スクロールのスラスト面と摺動させる構造を採用している（例えば、特許文献１参照）。

以下、特許文献１に記載された従来のスラスト軸受の構成について説明する。スラスト軸受は鋼の裏金付きの、例えばアルミ合金、鉛青銅合金などのすべり軸受で構成されており、フレームにリベットで取り付けられている。またスラスト軸受はリング状をしており、揺動スクロールの底面との摺動面すなわち上面には、内周側から外周側に向けて放射状に複数本の油溝が等間隔に設けられている。油溝の断面形状はほぼ矩形であって、角部は曲面となるように面取りされ、Ｒ状にダレ部を設けて摺動面の全面に油がいきわたりやすいようになっている。

上述の従来のスラスト軸受は、スラスト面の摩耗や焼きつきの防止に有効である反面、フレームにリベットで取り付けているため、部品数が多くなり、またすべり軸受への油溝の加工やリベット孔の加工が難しく、コストアップの原因となっていた。

これに対し、スラスト軸受を設けず、揺動スクロール自体を摺動性の良いアルミ合金などで構成し、台板の底面をスラスト軸受とすることが考えられる。しかしこのようにした場合、アルミ合金製の揺動スクロールの線膨張係数が鋳鉄製の固定スクロールに対し異なるため、圧縮機の運転中に圧縮部の温度が上昇すると、固定スクロールと揺動スクロールとの間に隙間が生じて冷媒ガスが漏れるという問題がある。

さらに、固定スクロールと揺動スクロールを両方ともアルミ合金で構成することも考えられるが、この場合、鋳鉄に比較して強度が弱いことから、渦巻の歯厚を厚くしなければならず、また線膨張係数が大きいため運転可能な温度範囲が狭くなる。よって、固定スクロールと揺動スクロールを両方アルミ合金で構成することは困難である。

特公平６−１０５０７９号公報

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第一の目的は、低資源かつ低コストの構造で、十分に潤滑された状態で摺動されるスラスト軸受部を得ることである。

また第二の目的は、揺動スクロールを固定スクロールと同素材で構成でき、圧縮部の温度上昇による漏れ隙間の発生しないスクロール圧縮機を得ることである。

上記目的を達成するため、この発明にかかるスクロール圧縮機は、密閉形のシェル内の上部に設けられ、台板上に渦巻歯が形成された固定スクロールと、固定スクロールとともに圧縮部を構成し、台板上に渦巻歯が形成され、底面の中心部に揺動軸受を有するボス部が形成された揺動スクロールと、スライダを介して揺動軸受に回転自在に係合する偏心軸部が上端に形成され、電動機により回転駆動される主軸と、有底円筒状をなし、外周がシェルの内周面に固着され、揺動スクロールを挟んで、開放側上端面に固定スクロールの台板が当接固定され、底部に主軸を回転自在に支承する主軸受が形成されたフレームと、を備えたスクロール圧縮機において、揺動スクロールとフレームの底部との間に、リング状のスラストプレートが配設され、かつ揺動スクロールの台板の底面の外周側に下方に突き出たリング状のスラスト面が形成され、スラストプレートとスラスト面でスラスト軸受部を構成し、リング状のスラストプレートの外周の一部にツバ部が形成され、このツバ部はフレームに形成された吸入口に収容されることを特徴とする。

この発明のスラスト軸受部は、揺動スクロールとフレームとの間に配設されたリング状のスラストプレートが、揺動スクロールの底面に設けられたリング状のスラスト面と直接摺動するというシンプルな構造を採用している。揺動スクロールの公転運動により、スラスト面がスラストプレートからはみ出す面積が常に存在し、はみ出した面は油で満たされた空間に露出した後、再びスラストプレートと摺動する。

この動作が回転数と同数回繰り返されることにより、揺動スクロールのスラスト面とスラストプレートが潤滑された状態で摺動される。結果として、揺動スクロールの底面にすべり軸受等を取り付ける必要がなく、低資源かつ低コストのシンプルな構造のスラスト軸受部を得ることができる。

また、揺動スクロールを固定スクロールと同素材の鋳鉄で構成できるため、圧縮機の運転中に圧縮部の温度が上昇し熱膨張しても、固定スクロールと揺動スクロールとの間に漏れ隙間が発生しない。

この発明の実施の形態１にかかるスクロール圧縮機の縦断面図である。 図１のスクロール圧縮機の圧縮部の要部拡大断面図である。 図２に示すシールの機能を説明する要部拡大断面図である。 図１のスクロール圧縮機のスラスト軸受部の要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態１におけるスラスト軸受部の横断面図である。 揺動スクロールのスラスト面とスラストプレートとの位置関係を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるスラスト軸受部の要部拡大断面図である。

実施の形態１．
この発明では、公転運動する揺動スクロールの台板の裏面に形成されたリング状のスラスト面と、揺動スクロールとフレームの底部との間に配設されたリング状のスラストプレートとを摺動させることでスラスト軸受部を構成している。スラストプレートは、揺動スクロールの歯先から固定スクロールの台板までの距離および、固定スクロールの歯先から揺動スクロールの台板までの距離（すなわち歯先隙間）を調整するための部品であるが、これを、揺動スクロールを軸方向に支えるスラスト軸受として利用している。以下、この発明にかかるスクロール圧縮機について、図面を参照して説明する。

図１は、この発明の実施の形態１にかかるスクロール圧縮機１の縦断面図である。図１において、密閉形のシェル９内の上部に、圧縮機の主要部材である固定スクロール２と揺動スクロール３が配設されている。またシェル９内の中間部には、電動機構部を構成する固定子４と回転子５が配設され、固定子４はシェル９の内周面に固定され、回転子５は主軸６に固定されている。

圧縮部は、固定スクロール２、揺動スクロール３およびフレーム１２で構成されている。固定スクロール２は台板２ａの下面に渦巻歯２ｂが形成されたもので、上側に配置され、揺動スクロール３は台板３ａの上面に渦巻歯３ｂが形成されたもので、下側に配置されている。

固定スクロール２の渦巻歯２ｂと揺動スクロール３の渦巻歯３ｂはほぼ同形状をしており、それぞれの渦巻の中心が偏心し、かつ互いに１８０度位相がずれた位置となるように組み合わされている。そして、固定スクロール２の渦巻歯２ａと揺動スクロール３の渦巻歯３ａの間に、相対的に容積が変化する圧縮室１７が形成される。

固定スクロール２の台板２ａは、上端が開放された有底円筒状のフレーム１２の開放端（上端）にボルト等によって固定されている。また固定スクロール２の中央部には、圧縮され、高圧となった冷媒ガスを吐出する吐出ポート２０が形成されている。

揺動スクロール３の底面の中心近傍に設けられたボス部３ｃには、揺動軸受３ｄが形成されている。この揺動軸受３ｄには、スライダ７が回転自在に挿入され、更にこのスライダ７の中央近傍に形成されたスリットに、主軸６の上端に設けられた偏芯軸部８が挿入されている。揺動軸受３ｄの内周部とスライダ７の外周部とが潤滑油を介して密着し、揺動軸受部を構成している。揺動スクロール３のボス部３ｃは揺動軸受部を介して偏芯軸部８に軸支され、さらに主軸６は、フレーム１２の底部１２ａに形成された主軸受１２ｂを介してフレーム１２に軸支されている。

フレーム１２の外周はシェル９の内周面に固着されている。またフレーム１２の底部１２ａの上面中央部には、オルダムリング１４を収容する空間が形成されている。揺動スクロール３は、自転運動を阻止するためのオルダムリング１４により、固定スクロール２に対して自転運動することなく公転旋回運動（揺動運動）を行う。この際、偏心軸部８には揺動スクロール３の偏心した回転運動に伴う遠心力が作用する。

シェル９の一部には、外部より冷媒ガスを導入するための吸入管１０と、冷媒ガスを外部に吐出するための吐出管１１が取り付けられている。またシェル９の下部には、主軸６を回転自在に軸支するサブフレーム２１が固定されている。サブフレーム２１の下部には、シェル９の底部に溜まった油を主軸６内の給油通路を通してスライダ７まで吸い上げる容積形油ポンプ１３が設けられている。油ポンプ１３に回転力を伝達するポンプ軸は主軸６と一体に形成されている。

図２に、図１の固定スクロール２と揺動スクロール３の一部を拡大して示す。揺動スクロール３の渦巻歯３ｂの先端面と固定スクロール２の台板２ａとの間、および固定スクロール２の渦巻歯２ｂの先端面と揺動スクロール３の台板３ａとの間は、隙間δだけ離れている。揺動スクロール３の渦巻歯３ｂの先端面には溝３ｅが形成され、その溝３ｅにシール１８が配設されている。同様に、固定スクロール２の渦巻歯２ｂの先端面には溝２ｃが形成され、その溝２ｃにシール１９が配設されている。これらのシール１８および１９は、渦巻歯２ｂおよび３ｂの先端面からの冷媒漏れを低減するために設けたものである。

図３を参照してシール１８および１９の機能を説明する。図３は、冷媒ガスのガス圧によって揺動スクロール３の渦巻歯３ｂの先端およびシール１８にかかる荷重を示したものであり、矢印の方向と長さが荷重の向きと大きさを表している。

スクロール圧縮機では、渦巻によって形成される圧縮室１７が同時に複数存在し、内側の圧縮室ほど高圧である。揺動スクロール３の渦巻歯３ｂの先端面の溝３ｅに挿入されたシール１８は、図３に示すように、圧縮された冷媒ガスの内側の圧縮室と外側の圧縮室の圧力差によって固定スクロール２の台板２ａに押し付けられる。この働きによって、渦巻歯３ｂの先端面を介して内側の圧縮室から外側の圧縮室へ冷媒ガスが漏れることを防ぐことができる。

また、固定スクロール２の渦巻歯２ｂの先端面の溝２ｃにはめ込まれたシール１９も、シール１８と同様の原理で、揺動スクロール３の台板３ａおよび固定スクロール２の渦巻歯２ｂの先端の溝２ｃの内壁に押し付けられることによって、渦巻歯先端からの冷媒漏れを防ぐことができる。

図１の説明に戻って、揺動スクロール３の台板３ａとフレーム１２の底部１２ａとの間には、揺動スクロール３を支承するスラストプレート１５が配設されている。台板３ａの底面に形成されたスラスト面とスラストプレート１５が潤滑油を介して密着することにより、スラスト軸受部が構成される。スラスト軸受部の構造については、後に図面を参照して詳述する。

駆動部は、シェル９の内周側に固定された固定子４、主軸６に固定された回転子５、および回転軸である主軸６等で構成されている。回転子５は、固定子４への通電を開始することにより回転駆動し、主軸６を回転させる。すなわち、固定子４および回転子５で電動機構部を構成している。主軸６は、回転子５の回転に伴って回転し、揺動スクロール３を旋回させる。

次に、スクロール圧縮機１の動作について説明する。図示しない電源端子に通電すると、固定子４と回転子５との間にトルクが発生し、主軸６が回転する。これにより、主軸６の偏心軸部８に装着されたスライダ７に固定された揺動スクロール３が公転運動をはじめる。

吸入管１０からフレーム１２内の吸入口１２ｃを通って圧縮部に入った冷媒ガスは、固定スクロール２および揺動スクロール３によって形成される圧縮室１７に取り込まれて圧縮され、高圧となる。このガス圧が揺動スクロール３の歯底面および歯先面を下方向に押すことにより、揺動スクロール３の台板３ａには下向きのスラスト荷重が発生し、このスラスト荷重をスラスト軸受部で全て負担することになる。

圧縮室１７で圧縮された冷媒ガスは、吐出ポート２０を通り吐出空間２４に排出され、その後吐出管１１を介してシェル９外へ排出される。

次に、潤滑油の流れを説明する。シェル９の底部に溜まり、オイルポンプ１３で吸引された潤滑油は、主軸６の内部に形成された油穴等を介して上方に運ばれ、揺動軸受部を潤滑した後にフレーム１２の底部１２ａ内の下部空間２３に溜まり、フレーム１２内部の各摺動部、つまりオルダムリング１４とフレーム１２、オルダムリング１４と揺動スクロール３、スラストプレート１５とフレーム１２、スラストプレート１５と揺動スクロール３のスラスト面３ｅの摺動部を潤滑する。

その後、一部の油は冷媒と一緒に圧縮室１７内に取り込まれ、固定スクロール２の渦巻歯２ｂと揺動スクロール３の渦巻歯３ｂ同士の摺動の潤滑に使われるが、大部分の油は排油穴２２を通り再びシェル９の底部へと戻される。そのため、フレーム１２内の揺動スクロール３の台板３ａの下部空間は、運転中は油で満たされた状態になっている。

次に、図４および図５を参照して、スラスト軸受部の構成を説明する。図４は図１のスラスト軸受部を拡大して示した要部断面図、図５はフレーム１２を軸心Ｏと直交する方向に切断した横断面図である。図５では煩雑さを避けるため、オルダムリング１４等のスラストプレート１５の中空部に配置された部材は省略している。

図４に示すように、有底円筒状のフレーム１２の底部１２ａの外周側に、リング状の金属板で形成されたスラストプレート１５が配置されている。また、揺動スクロール３の台板３ａの底面の外周側に、若干下方に突き出たリング状のスラスト面３ｆが形成されている。台板３ａの底面に形成されたスラスト面３ｆとスラストプレート１５でスラスト軸受部が構成される。

図５に示すように、スラストプレート１５の外径は有底円筒状のフレーム１２の円筒部の内径とほぼ等しい。スラストプレート１５の内径は、中空部に配置されたオルダムリング１４の移動を妨げない大きさとする必要がある。スラストプレート１５の外周の一部にツバ部１６が形成され、そのツバ部１６は、フレーム１２の形成された吸入口１２ａに収納されるように配置されている。圧縮機１の運転時にスラストプレート１５が軸心Ｏを中心に自転しようとしても、ツバ部１６が吸入口１２ａの淵に接触して自転を阻止する。このため運転時にスラストプレート１５が自転することはない。

図６は、揺動スクロール３のリング状のスラスト面３ｆとスラストプレート１５との位置関係を示した図である。スラストプレート１５は、バルブ鋼などの硬質鋼板製のリング状のプレートであり、厚さは０．５ｍｍ程度である。リング状のスラスト面３ｆの外径はスラストプレート１５の外径よりも小さいが、径方向の幅Ｌはスラストプレート１５の幅とほぼ等しい。

図中０はシェル９の軸心で、スラストプレート１５の中心はシェル９の軸心０に配置されている。これに対し０’は揺動スクロール３の台板３ａの中心である。揺動スクロール３は軸心０を中心に、クランク半径rだけ偏心して公転運動するので、揺動スクロール３のスラスト面３ｆがスラストプレート１５の内側にはみ出す部分が生じ、このはみ出す部分のはみ出し距離の最大値Rは常に一定である。本実施の形態では、このはみ出し距離の最大値Ｒを例えば４０％程度としている。

図４において、揺動スクロール３の台板３ａの下の空間は油で満たされているのに対し、台板３ａの上部および側面の空間は、冷媒中の油の割合が０．３％以上の吸入ガス雰囲気となっている。また、台板３ａの下部は容積型油ポンプ１３により、台板３ａの上部の吸入ガス圧力よりもわずかであるが、ポンプ圧だけ高い圧力となっている。

図６に示すように、揺動スクロール３の公転運動によりスラスト面３ｆの一部が常にスラストプレート１５からはみ出し、はみ出した面は油で満たされた空間に露出した後、再びスラストプレート１５と摺動する。そして、台板３ａの下部の圧力が台板３ａの上部の圧力よりも大きいため、スラスト面３ｆのはみ出した部分が、再びスラストプレート１５との摺動を繰り返すことにより台板３ａの下部から台板３ａの上部へ油の流れが生じ、揺動スクロール３のスラスト面３ｆとスラストプレート１５との摺動部に給油される。また、揺動スクロール３のスラスト面３ｆのはみ出した面に油が付着することによっても摺動部に給油がなされる。この動作は回転の都度繰り返される。

本実施の形態では、スラストプレート１５を表面粗さ０．５Ｚ以下の硬質鋼板で構成し、揺動スクロール３のスラスト面３ｆの表面粗さを３．５Ｚ以下としている。軸と軸受は面粗度が細かい程接触面に油膜が発生しやすく、摺動性が良くなる。スラストプレート１５はバレル加工や研磨が可能なため、１．０Ｚ以下が可能である。

従来の青銅メタルで構成されたスラスト受け（すべり軸受）は、材料の性質上切削加工が困難で、３．５Ｚ程度の表面粗さが限界であり、研磨によってそれ以上の表面粗さに仕上げようとするとコストが増大する。これに対し、揺動スクロール３を鋳鉄（ＦＣＤ４５０）で製造した場合のスラスト面は、材料の性質上切削加工が可能であるが、工具寿命から表面粗さ３．５Ｚが限界である。従って、スラスト面の表面粗さは青銅メタルのスラスト受け（すべり軸受け）と同等であり、十分な摺動性が得られる。

以上の構成により、従来使用されているＲ４１０Ａ冷媒や、動作圧力がＲ４１０Ａ冷媒と同等のＲ３２冷媒やＲ３２の混合冷媒、さらに動作圧力の大きなＣＯ２冷媒を用いた圧縮機で、スラスト軸受部に特殊な処理をすることなく、冷凍機油としてエステル系（ＰＯＥ）、エーテル系（ＰＶＥ）、ポリアルキレングリコール系（ＰＡＧ）の油を用いて、スラスト軸受部の十分な潤滑が可能となる。

また、本実施の形態では、固定スクロール２をＦＣＤ４５０などの鋳鉄で構成し、揺動スクロール３を固定スクロールと同素材の鋳鉄で構成し、スラストプレート１５をバルブ鋼などの硬質鋼板で構成している。固定スクロール２と揺動スクロール３を同素材の鋳鉄で構成しているため、圧縮機１の運転中に圧縮部の温度が上昇して熱膨張しても、固定スクロール２と揺動スクロール３との間に漏れ隙間が発生しない。

上述したように、本実施の形態のスラスト軸受部は、歯先隙間調整用の部材であるスラストプレート１５をスラスト軸受の部材として利用していること、揺動スクロール３のスラスト面３ｆがスラストプレート１５と直接摺動するというシンプルな構造であること、従来のスラスト受けのようにスラストプレート１５や揺動スクロール３の台板３ａの下面に切削加工を施す必要がないことより、低資源かつ低コストのスラスト軸受部を実現できる。

実施の形態２．
図７に、本実施の形態２におけるスラスト軸受部の要部断面を示す。実施の形態１で説明した揺動スクロール３のスラスト面３ｆは平面に形成されていた。これに対し、本実施の形態では、スラスト面３ｆと外周面３ｇとの角３ｈを曲面（例えば円弧）で構成し、その曲面がスラスト面３ｆと接するようにすることで、スラスト面３ｆの平面と外周側の角３ｈの曲面のつなぎ目がなめらかになるようにしている。加工の方法としては、例えばスラスト面３ｆと外周面３ｈを一度に旋盤で加工する方法がある。

上述の構成とすると、揺動スクロール３のスラスト面３ｆと外周面３ｇとの角３ｈを面取りで形成した場合と比較して、揺動スクロール３が傾いた場合でもエッジが立たず、揺動スクロール３のスラスト面３ｆとスラストプレート１５との接触面には油膜が生ずることになる。

スラスト面３ｆと外周面３ｇとの角３ｈが面取りの場合、揺動スクロール３が傾くとスラスト面３ｆと面取りのつなぎ目のエッジがスラストプレート１５と接触することになり、油膜の発生しない金属同士の接触となるため、スラスト軸受部の機能を低下させ、スラストプレート１５の寿命を短くしてしまう。

よって、揺動スクロール３のスラスト面３ｆと外周面３ｇとの角３ｈを曲面（例えば円弧）で構成することで、部品数の少ない構成でありながら、摺動性の良いスラスト軸受部を得ることができる。

１ スクロール圧縮機
２ 固定スクロール
２ａ、３ａ 台板
２ｂ、３ｂ 渦巻歯
２ｃ、３ｅ 溝
３ 揺動スクロール
３ｃ ボス部
３ｄ 揺動軸受
３ｆ スラスト面
３ｇ 外周面
３ｈ 角
４ 固定子
５ 回転子
６ 主軸
７ スライダ
８ 偏心軸部
９ シェル
１０ 吸入管
１１ 吐出管
１２ フレーム
１２ａ 底部
１２ｂ 主軸受
１２ｃ 吸入口
１３ 容積形油ポンプ
１４ オルダムリング
１５ スラストプレート
１６ ツバ部
１７ 圧縮室
１８、１９ シール
２０ 吐出ポート
２１ サブフレーム
２２ 排油穴
２３ フレーム内下部空間
２４ 吐出空間

Claims (1)

1. 密閉形のシェル内の上部に設けられ、台板上に渦巻歯が形成された固定スクロールと、
   前記固定スクロールとともに圧縮部を構成し、台板上に渦巻歯が形成され、底面の中心部に揺動軸受を有するボス部が形成された揺動スクロールと、
   スライダを介して前記揺動軸受に回転自在に係合する偏心軸部が上端に形成され、電動機により回転駆動される主軸と、
   有底円筒状をなし、外周が前記シェルの内周面に固着され、前記揺動スクロールを挟んで、開放側上端面に前記固定スクロールの台板が当接固定され、底部に前記主軸を回転自在に支承する主軸受が形成されたフレームと、を備えたスクロール圧縮機において、
   前記揺動スクロールと前記フレームの底部との間に、リング状のスラストプレートが配設され、かつ前記揺動スクロールの台板の底面の外周側に下方に突き出たリング状のスラスト面が形成され、前記スラストプレートと前記スラスト面でスラスト軸受部を構成し、
   前記リング状のスラストプレートの外周の一部にツバ部が形成され、このツバ部は前記フレームに形成された吸入口に収容される
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。

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