JP6381795B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、作動ガスを圧縮するスクロール圧縮機に関するものである。

冷凍機または空調機などに用いられる従来のスクロール圧縮機において、スラスト軸受の摩耗および凝着を抑制したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のスクロール圧縮機は、固定スクロールと揺動スクロールとを有しており、揺動スクロールは、固定スクロールに対して公転旋回運動（揺動運動）を行う。固定スクロールと揺動スクロールとは、互いに向き合った面に渦巻き状のラップ部が形成された部材であり、双方のラップ部により圧縮室が形成されている。また、揺動スクロールの台板の下面は、スラスト荷重を支持するスラスト面であり、このスラスト面の下側にはスラスト軸受が設けられている。そして、揺動スクロールが揺動することにより、圧縮室の内部容積が変化して、圧縮室に流入した作動ガスを圧縮する。

特許文献１では、軸の回転運動を揺動スクロールの揺動運動に変換するオルダムリングを、揺動スクロールの台板の上面側に配置しており、スラスト軸受の面積を広くして面圧を低下させることで、スラスト軸受の摩耗および凝着を抑制している。

特許第４７４９１３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のスクロール圧縮機において、オルダムリングの摺動部への給油が必要であるが、オルダムリングが揺動スクロールの台板の上面側に配置されているため、オルダムリングを潤滑した油は、揺動スクロールのラップ部と固定スクロールのラップ部とにより形成された圧縮室に吸い込まれる。これによって、圧縮機の外に持ち出される油の量（油上がり）が増加し、圧縮機内の油枯渇、オイルセパレータ大型化によるコストアップなどが発生するという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、スラスト軸受の摩耗および凝着を抑制しつつ、油上がりの増加を抑制したスクロール圧縮機を提供することを目的としている。

本発明に係るスクロール圧縮機は、外殻を構成し、下部に油溜りが形成されたシェルと、前記シェルの内部に固定された固定スクロールと、前記固定スクロールと共に作動ガスを圧縮する圧縮室を形成する揺動スクロールと、を有する圧縮部と、前記シェルに固定され、前記圧縮部を支持するフレームと、前記フレームに支持され、前記油溜りから吸い上げられた油が流通する油通路が内部に形成された軸部と、前記軸部の回転運動を前記揺動スクロールの揺動運動に変換するオルダムリングと、を備え、前記フレームは、前記オルダムリングを収納するオルダムリング空間が形成されており、前記オルダムリング空間の内側には、前記揺動スクロールのスラスト荷重を支持するスラスト軸受が設けられており、前記オルダムリング空間の外側には、油の漏れを防ぐシール部が設けられているものである。

本発明に係るスクロール圧縮機によれば、スラスト軸受をオルダムリング空間の内側に配置することで、スラスト荷重による揺動スクロールの台板の変形量を抑制することができる。そして、微小なテーパ状の隙間を持った、揺動スクロールのスラスト面とフレームのスラスト軸受との間で油膜が形成されるため、小さなスラスト面積であっても、良好な摺動特性を得ることができ、スラスト軸受での摺動による摩耗および凝着を抑制することができる。また、オルダムリング空間の外側にシール部を設けることで、オルダムリングを潤滑した油がシール部の内側に閉じ込められるため、油が圧縮室に吸入され、油上がりの増加を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の軸方向断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機のオルダムリングを示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の揺動スクロールを示す下面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機のフレームを示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機のフレームを示す側断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の揺動スクロールを示す軸方向断面模式図である。 従来のスクロール圧縮機の揺動スクロールを示す軸方向断面模式図である。 本発明の実施の形態２に係るスクロール圧縮機のフレームを示す側断面模式図である。 本発明の実施の形態３に係るスクロール圧縮機の揺動スクロールを示す軸方向断面模式図である。 本発明の実施の形態４に係るスクロール圧縮機のフレームを示す側断面模式図である。 本発明の実施の形態４に係るスクロール圧縮機の揺動スクロールを示す軸方向断面模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機１の軸方向断面模式図である。
以下、図１に基づいて、スクロール圧縮機１について説明する。
スクロール圧縮機１は、冷凍サイクルを循環する冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の状態にして吐出するものである。スクロール圧縮機１は、シェル２と、油ポンプ３と、モータ４と、圧縮部５と、フレーム６と、軸部７と、を有している。さらに、スクロール圧縮機１は、吸入管１１と、吐出管１２と、吐出チャンバ１３と、マフラー１４と、オルダムリング１５と、スライダ１６と、スリーブ１７と、第１のバランサ１８と、第２のバランサ１９と、サブフレーム２０と、排油パイプ２１と、を有している。

シェル２は、スクロール圧縮機１の外殻を構成し、下部に油溜り３ａが形成されたものである。また、シェル２は、例えば有底円筒状をなしており、ドーム状のアッパーシェル２ａによって上部が塞がれている。また、シェル２は、ロアーシェル２ｂに載置されている。

油ポンプ３は、シェル２に収容され、油溜り３ａから油を吸い上げるものである。この油ポンプ３は、シェル２の下部に設けられている。そして、油ポンプ３は、油溜り３ａから吸い上げた油を、スクロール圧縮機１の内部の軸受部を潤滑する。また、揺動軸受を潤滑した後の油はフレーム６の内部空間６ｄ（後述する図４参照）に蓄えられた後、スラスト軸受６ｂに設けられた放射状の給油溝６ｃを通り、オルダムリング空間１５ｂに流れてオルダムリング１５を潤滑する。オルダムリング空間１５ｂには、排油パイプ２１が設けてあり、排油パイプ２１を通って油は油溜り３ａに戻される。

モータ４は、シェル２の内部に設けられ、例えばフレーム６とサブフレーム２０との間に設置されており、軸部７を回転させるものである。モータ４は、ロータ４ａとステータ４ｂとを有している。ロータ４ａは、ステータ４ｂの内周側に設けられており、軸部７に取り付けられている。そして、ロータ４ａは、自らが回転することにより、軸部７を回転させるものである。ステータ４ｂは、インバータ（図示せず）から供給された電力によって、ロータ４ａを回転させるものである。

圧縮部５は、シェル２の内部に設けられ、モータ４によって駆動して作動ガスを圧縮するものである。圧縮部５は、固定スクロール３０と揺動スクロール４０とを有している。固定スクロール３０は、シェル２の内部に固定されており、圧縮された作動ガスを吐出チャンバ１３に流出させるものである。

揺動スクロール４０は、固定スクロール３０に対して公転旋回運動（揺動運動）を行い、オルダムリング１５によって自転運動が規制されている。固定スクロール３０と揺動スクロール４０とは、夫々互いに向き合った面に渦巻き状のラップ部３１とラップ部４１とが形成された部材であり、固定スクロール３０のラップ部３１と揺動スクロール４０のラップ部４１とが噛み合った空間に圧縮室５ａが形成されている。揺動スクロール４０が軸部７によって揺動運動され、形成された圧縮室５ａにおいて作動ガスが圧縮される。

フレーム６は、シェル２に固定され、圧縮部５を収容するものであり、例えば主軸受８ａを介して軸部７を回転自在に支持している。フレーム６には、吸入ポート６ａが形成されており、作動ガスは、吸入ポート６ａを通って圧縮部５に流入する。軸部７は、フレーム６に支持され、油ポンプ３に吸い上げられた油が流通する油通路７ａが内部に形成されており、モータ４と圧縮部５とを接続してモータ４の回転力を圧縮部５に伝達するものである。

吸入管１１は、シェル２の側部に設けられており、作動ガスをシェル２の内部に吸入する管である。吐出管１２は、シェル２の上部に設けられており、作動ガスをシェル２の外部に吐出する管である。吐出チャンバ１３は、圧縮部５の上部に設けられており、圧縮部５から流入した作動ガスを収容するものである。マフラー１４は、吐出チャンバ１３の上方に設けられており、吐出チャンバ１３から吐出された作動ガスの脈動を抑えるものである。

図２は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機１のオルダムリング１５を示す上面図であり、図３は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機１の揺動スクロール４０を示す下面図である。
オルダムリング１５は、図２に示すように揺動スクロール４０に取り付けられた環状の部材であり、揺動スクロール４０の自転運動を規制するものである。オルダムリング１５は、オルダム爪１５ｃを有し、図３に示す揺動スクロール４０の台板４３の下面に形成されたオルダム溝１５ａに嵌入されている。

スライダ１６は、軸部７の上部の外周面に取り付けられた筒状の部材であり、揺動スクロール４０の下部の内面に位置している。すなわち、揺動スクロール４０は、スライダ１６を介して軸部７に取り付けられており、軸部７の回転に伴って揺動スクロール４０も回転する。なお、揺動スクロール４０とスライダ１６との間には、揺動軸受８ｃが設けられている。スリーブ１７は、フレーム６と主軸受８ａとの間に設けられた筒状の部材であり、フレーム６と軸部７との傾斜を吸収するものである。

第１のバランサ１８は、軸部７に取り付けられており、フレーム６とロータ４ａとの間に位置している。第１のバランサ１８は、揺動スクロール４０およびスライダ１６によって生じるアンバランスを相殺するものである。なお、第１のバランサ１８は、バランサカバー１８ａに収容されている。また、第２のバランサ１９は、軸部７に取り付けられており、ロータ４ａとサブフレーム２０との間に位置し、ロータ４ａの下面に取り付けられている。第２のバランサ１９は、揺動スクロール４０およびスライダ１６によって生じるアンバランスを相殺するものである。

サブフレーム２０は、シェル２の内部におけるモータ４の下方に設けられ、副軸受８ｂを介して軸部７を回転自在に支持するものである。排油パイプ２１は、フレーム６と揺動スクロール４０との間の空間と、フレーム６とサブフレーム２０との間の空間とを接続する管である。排油パイプ２１は、フレーム６と揺動スクロール４０との間の空間に流通する油のうち、過剰な油を、フレーム６とサブフレーム２０との間の空間に流出させる。フレーム６とサブフレーム２０との間の空間に流出した油は、サブフレーム２０を通過して油溜り３ａに戻る。

次に、圧縮部５について詳細に説明する。
圧縮部５は、上記の通り、固定スクロール３０と揺動スクロール４０とを有している。固定スクロール３０は、シェル２の内部に固定され、外周縁部がフレーム６の上部に載置されている。揺動スクロール４０は、下面にスラスト荷重を支持するスラスト面４０ａが設けられており、フレーム６のスラスト面４０ａと対向する面の内、内周側にはスラスト荷重を支持するスラスト軸受６ｂが設けられている。

スラスト軸受６ｂは、例えば熱処理がされていたり、給油溝６ｃが設けられていたりして、良好な摺動性が確保されている。摺動性の良い別部材をスラスト軸受６ｂとして配置しても良い。スラスト軸受６ｂの外周にはオルダムリング空間１５ｂが設けられており、オルダムリング空間１５ｂにはオルダムリング１５が収納される。オルダムリング空間１５ｂの外周には、シール部６ｅが設けられており、その上面にはシール面６ｆが形成されている。シール部６ｅと、シール面６ｆに対向する揺動スクロール４０の台板４３とで、オルダムリング空間１５ｂから油が外周に流れ出て圧縮室５ａに吸入されることを抑制している（後述する図４参照）。

図４は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機１のフレーム６を示す上面図であり、図５は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機１のフレーム６を示す側断面模式図である。
フレーム６内にはスラスト軸受６ｂが設けられており、その外周側には、油が外周に漏れるのを防ぐためのシール部６ｅが設けられており、スラスト軸受６ｂとシール部６ｅとの間には、オルダムリング空間１５ｂが形成されている。そして、そのオルダムリング空間１５ｂに、オルダムリング空間１５ｂ内で往復運動するオルダムリング１５が収納されている。

ここで、スクロール圧縮機１の回転中心からスラスト軸受６ｂの外周面までの距離をＲ _ｔｈｏ、スクロール圧縮機１の回転中心からシール部６ｅの内周面までの距離をＲ_{ｓｅａ ｌｉ}とした時、Ｒ_ｔｈｏ＜r＜Ｒ_{ｓｅａｌｉ}の範囲にオルダムリング１５が収納されることになる。

スラスト軸受６ｂには、給油溝６ｃが放射状に設けられており、スラスト軸受６ｂよりも内側の内部空間６ｄに蓄えられた油が給油溝６ｃを通ることで、スラスト軸受６ｂおよびオルダムリング１５の潤滑を行う。
フレーム６には、オルダムリング空間１５ｂと連通した排油穴１５ｅが形成されており、オルダムリング空間１５ｂに溜まった油は、その排油穴１５ｅを通って排油パイプ２１から排出される。

スラスト軸受６ｂの上面とシール部６ｅのシール面６ｆとは同一平面上に存在する。揺動スクロール４０の台板４３の半径をＲ_ｏｓ、公転半径をＲ_ｒとした時、Ｒ_ｏｓ−(Ｒ_ｒ+Ｒ_ｓｅａｌ)＞０の寸法関係にすることで、揺動スクロール４０の台板４３の下面と、フレーム６のシール部６ｅのシール面６ｆとが揺動スクロール４０のクランク角に拠らず重なり、油のシール性を確保することができる。

図６は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機１の揺動スクロール４０を示す軸方向断面模式図である。図７は、従来のスクロール圧縮機の揺動スクロール１４０を示す軸方向断面模式図である。
図６に示す本実施の形態１に係るスクロール圧縮機１では、図７に示す従来のスクロール圧縮機と比較して、スラスト荷重の支持スパンＤが短い。ここで、スクロール圧縮機１の回転中心からスラスト軸受６ｂの内周面までの距離をＲ_ｔｈｉとすると、Ｄ＝２Ｒ_{ｔｈ ｉ}である。

本実施の形態１では、スラスト軸受６ｂをオルダムリング空間１５ｂの内側に配置することで、従来に比べてスラスト荷重の支持スパンＤが短いため、スラスト荷重による揺動スクロール４０の台板４３の変形を抑制することができる。そして、微小なテーパ状の隙間を持った、揺動スクロール４０のスラスト面４０ａとスラスト軸受６ｂとの間に、楔効果および絞り膜効果により大きな油膜圧力が発生し、油膜が形成されるため、小さなスラスト面積であっても、良好な摺動特性を得ることができ、スラスト軸受６ｂでの摺動による摩耗および凝着を抑制することができる。その結果、スラスト軸受６ｂの信頼性を改善することができる。
また、オルダムリング空間１５ｂの外側にシール部６ｅを設けることで、オルダムリング１５を潤滑した油がシール部６ｅの内側に閉じ込められるため、油が圧縮室５ａに吸入され、油上がりの増加を抑制することができる。

なお、図７の構成の場合でも、揺動スクロール１４０の台板１４３を厚くすることで、台板１４３の撓み量を抑制することはできるが、この場合、揺動スクロール１４０の重量が増加し、主軸受、副軸受、スクロールラップ面の荷重増加という問題が発生する。

また、スラスト軸受６ｂの上面の面積について、油膜圧力が主に発生するのはスラスト軸受６ｂの内周側であり、スラスト軸受６ｂの外周側の面積を削減しても、スラスト軸受６ｂの信頼性への影響は小さい。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２について説明するが、実施の形態１と重複するものについては（一部の）説明を省略し、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図８は、本発明の実施の形態２に係るスクロール圧縮機１のフレーム６を示す側断面模式図である。

本実施の形態２では、スラスト軸受６ｂの上部が、その上部以外の部分（およびフレーム６）とは別部材６ｇで形成されている。ここで、別部材６ｇは、例えば摺動性の高い合金、樹脂で作られたリング型の軸受メタルなどであり、スラスト軸受６ｂの上部を、その上部以外の部分（およびフレーム６）とは別部材６ｇで形成することにより、耐摩耗性、耐焼付き性をさらに改善することができる。スラスト軸受６ｂの上面は確実に、シール部６ｅのシール面６ｆよりも高くする必要があり、シール部６ｅのシール面６ｆからスラスト軸受６ｂの上面までの高さｈ１を０〜５０μｍに設定することで、良好なシール性を得ることができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３について説明するが、実施の形態１および２と重複するものについては（一部の）説明を省略し、実施の形態１および２と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図９は、本発明の実施の形態３に係るスクロール圧縮機１の揺動スクロール４０を示す軸方向断面模式図である。

本実施の形態３では、フレーム６のスラスト軸受６ｂよりもシール部６ｅが高くなっている。つまり、スラスト軸受６ｂの上面よりも、シール部６ｅのシール面６ｆが上側に配置されている。そして、揺動スクロール４０の台板４３の、シール面６ｆと対向する部分の肉厚が薄く（薄肉化）されており、シール面６ｆと対向する面に揺動側シール面４０ｂが形成されている。シール面６ｆと揺動側シール面４０ｂとの隙間ｈ２を０〜５０μｍ程度に設定することで、油のシール性を確保する。

スクロール圧縮機１のように、揺動スクロール４０の外周側から作動ガスを吸入し、内周側で圧縮する圧縮機においては、外周側は揺動スクロール４０の台板４３にかかる荷重が小さいため、台板４３の肉厚を薄くしても変形量が小さく、より効果的である。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４について説明するが、実施の形態１〜３と重複するものについては（一部の）説明を省略し、実施の形態１〜３と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図１０は、本発明の実施の形態４に係るスクロール圧縮機１のフレーム６を示す側断面模式図であり、図１１は、本発明の実施の形態４に係るスクロール圧縮機１の揺動スクロール４０を示す軸方向断面模式図である。

本実施の形態４では、図１０に示すように、シール部６ｅのシール面６ｆにシール材６ｈが設けられている。ここで、シール材６ｈは、例えば摺動性のよいリング型の樹脂製のものであり、図１１に示すように、内側の流出しようとする油の圧力で、漏れ隙間を埋めるように変形するものである。このようにシール材６ｈを設けることで、油のシール性を向上させることができる。

１ スクロール圧縮機、２ シェル、２ａ アッパーシェル、２ｂ ロアーシェル、３
油ポンプ、３ａ 油溜り、４ モータ、４ａ ロータ、４ｂ ステータ、５ 圧縮部、５ａ 圧縮室、６ フレーム、６ａ 吸入ポート、６ｂ スラスト軸受、６ｃ 給油溝、６ｄ 内部空間、６ｅ シール部、６ｆ シール面、６ｇ 別部材、６ｈ シール材、７
軸部、７ａ 油通路、８ａ 主軸受、８ｂ 副軸受、８ｃ 揺動軸受、１１ 吸入管、１２ 吐出管、１３ 吐出チャンバ、１４ マフラー、１５ オルダムリング、１５ａ オルダム溝、１５ｂ オルダムリング空間、１５ｃ オルダム爪、１５ｅ 排油穴、１６
スライダ、１７ スリーブ、１８ 第１のバランサ、１８ａ バランサカバー、１９ 第２のバランサ、２０ サブフレーム、２１ 排油パイプ、３０ 固定スクロール、３１
ラップ部、４０ 揺動スクロール、４０ａ スラスト面、４０ｂ 揺動側シール面、４１ ラップ部、４３ 台板、１０６ フレーム、１０６ｂ スラスト軸受、１１５ｂ オルダムリング空間、１４０ 揺動スクロール、１４３ 台板。

Claims (6)

1. 外殻を構成し、下部に油溜りが形成されたシェルと、
   前記シェルの内部に固定された固定スクロールと、前記固定スクロールと共に作動ガスを圧縮する圧縮室を形成する揺動スクロールと、を有する圧縮部と、
   前記シェルに固定され、前記圧縮部を支持するフレームと、
   前記フレームに支持され、前記油溜りから吸い上げられた油が流通する油通路が内部に形成された軸部と、
   前記軸部の回転運動を前記揺動スクロールの揺動運動に変換するオルダムリングと、を備え、
   前記フレームは、
   前記オルダムリングを収納するオルダムリング空間が形成されており、
   前記オルダムリング空間の内側には、前記揺動スクロールのスラスト荷重を支持するスラスト軸受が設けられており、前記オルダムリング空間の外側には、油の漏れを防ぐシール部が設けられている
   スクロール圧縮機。
2. 前記スラスト軸受には、前記フレームの内部空間に蓄えられた油が前記オルダムリング空間に流れる給油溝が形成されており、
   前記フレームには、前記オルダムリング空間と連通した排油穴が形成されている
   請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記スラスト軸受の上面は、前記シール部の上面よりも高い
   請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記スラスト軸受は、上部と該上部以外の部分とが別部材で形成されている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記揺動スクロールは、下面が前記フレームと対向する台板を有し、
   前記スラスト軸受の上面よりも、前記シール部の上面を上側に配置し、前記揺動スクロールの前記台板の前記シール部の上面と対向する部分が薄肉化されている
   請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
6. 前記シール部の上面にシール材が設けられている
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。

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