CN1276485A - 推力球轴承及开放型的涡旋式压缩机 - Google Patents

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竹内真実
鵜飼徹三
三浦茂樹
渡边和英
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Abstract

推力球轴承及开放型的涡旋式压缩机,它可以防止磨损、增大轴承的负荷。其特征是,它具有进行公转旋转运动的推板9a、与上述第1推板9a对置的第2推板4a、设有保持球41的保持孔42的、并位于第1、2推板9a、4a之间的保持器40、保持于保持孔42内的球41,在将推板9a的旋转半径作为ρ、将球的直径作为d、将保持孔的开口直径作为D时,D≥d+ρ的关系成立。

Description

推力球轴承及开放型的涡旋式压缩机
本发明涉及开放型的涡旋式压缩机，特别涉及适于在二氧化碳(CO2)等的超临界区域使用致冷剂的蒸气压缩制冷循环的开放型的涡旋式压缩机。
近年来。从环保的观点出发，在蒸气压缩式制冷循环中，作为致冷剂的氟里昂的对策之一，提出了作动气体(致冷气体)使用二氧化碳(CO2)的制冷循环(以下称为CO2循环)的方案(例如，特公平7-18602号公报)。该CO2循环的动作与使用氟里昂的原来的蒸气压缩式制冷循环相同，即、如图7(CO2莫里尔(モリエル)线图)的A-B-C-D-A所示，用压缩机压缩气相状态的CO2(A-B)，将该高温压缩的气相状态的CO2用散热器(气体冷却器)冷却(B-C)，然后由减压器减压(C-D)，使成为气液相状态的CO2蒸发(D-A)，从空气等的外部流体夺取蒸发潜热而冷却外部流体。
但是，CO2的临界温度约为31℃，比原来作为致冷剂的氟里昂的临界温度低，在夏天等外部气温高的情况下，散热器侧的CO2的温度比CO2的临界点温度高。于是，在散热器出口侧CO2不凝缩(线BC不和饱和液线SL交叉)。另外，散热器出口侧(C点)的状态由压缩机的排出压力和散热器出口侧的CO2温度决定。散热器出口侧的CO2温度由散热器的散热能力和外部大气的温度(不可控制)决定，因此，散热器出口处的温度实质上是不能控制的。因此，散热器出口侧(C点)的状态通过控制压缩机的排出压力(散热器出口侧压力)可以进行控制。即，在夏天等外部气温高的情况下，为了确保充分的冷却能力(焓差)，如E-F-G-H-E所示，需要提高散热器出口侧压力。为此，与原来的使用氟里昂的制冷循环相比需要提高压缩机的运转压力。
例如，在车辆用空调装置中，上述压缩机的运转压力，用原来的R134(氟里昂)时为3kg/cm2左右，而用CO2时高达40kg/cm2左右，另外，运转停止压力，用R134(氟里昂)时为15kg/cm2左右，而用CO2时高达100kg/cm2左右。因此，压缩机也必须是可以承耐这样的高压的构成。
在此，图8表示原来的使用于车辆用空调装置的压缩机的一例。如图所示，旋转涡旋件52设在壳体51内，在旋转涡旋件52的上方设有固定涡旋件53，该固定涡旋件53与旋转涡旋件52啮合。
圆筒状的轮毂54形成于旋转涡旋件52的端板52a的外面(图中下方)中央部，在轮毂54的内部，偏心轴55由旋转轴承56转动自由地支承着，该旋转轴承56兼作向心轴承。偏心轴55由图中未示的偏心机构以旋转半径ρ偏心旋转。
另外，在端板52a的外面的外周缘与固定于壳体51上的固定构架57之间配置着推力球轴承58，该推力球轴承58用于支承旋转涡旋件52。
该推力球轴承58具备安装在固定构架57及旋转涡旋上52上的一对环状的轨道构件59及夹在这些轨道构件59之间的球60。在一对轨道构件59的相对面上沿圆周方向多个部位地环状配置着使球60滚动的环状的轨道沟61。这些轨道沟61的沟断面形成为圆弧状断面，该圆弧状断面的曲率半径稍大于球60的曲率半径。
对上述构成的动作进行说明。旋转涡旋件52由偏心轴55以旋转半径ρ公转旋转运动。这时，固定构架57和旋转涡旋件52通过介在轨道构件59间的球60结合着，球60的滚动范围由轨道槽61限制着，因此，旋转涡旋件52的自转被阻止。
另外，虽然在旋转涡旋件52构件上由压缩气体压作用着大的轴向负荷，但是，该轴向负荷由球60及轨道构件59支承着。
上述推力球轴承58具有支承轴向力方向的负荷及阻止旋转涡旋件52的自转的作用。
由于固定构架57和旋转涡旋件52通过球60结合着，因此，固定构架侧轨道构件59的轨道沟61与球60、及旋转涡旋侧轨道构件59的轨道沟61和球60相互滑动。
具体地讲，如图9所示，在球60上作用着由压缩气体压产生的轴向负荷Ft，并且作用着在旋转涡旋件52想要自转时作用的左右方向的推压力Fh。通过球60对抗该推压力Fh，旋转涡旋件52的自转被阻止。
但是，由于球60在轨道沟61上滚动，通过作用左右方向的推压力Fh轨道沟61和球60进行滑动，产生摩擦。因此，供给于球60和轨道沟61的接触面的润滑油膜消失，机械损失增大，而且，由于摩擦，球60、轨道沟61产生磨耗，从而使轴承的寿命缩短。
施加到轴承的负荷越大该磨耗越大。特别是作动气体使用的是CO2时，如上所述地由于压缩气体的压力比氟里昂的高，所以，具有轴承的寿命非常短的缺点。
因此，本发明的目的是提供防止磨耗、并可以加大轴承的负荷的推力球轴承及开放型的涡旋式压缩机。
本申请第1发明的推力球轴承，其特征是，它具有：进行公转运动的第1推板；与该第1推板相对置的第2推板；设有保持球的保持孔的、并位于上述第1推板和上述第2推板之间的保持器；保持在上述保持孔内的球。在将上述第1推板的旋转半径作为ρ，将上述球的直径作为d、将上述保持孔的开口直径作为D时，则D≥d+ρ的关系成立。
在该推力球轴承中，由于保持孔的直径具有D≥d+ρ的关系，因此，不妨碍球的公转旋转的运动。
例如如图3所示，推力球轴承的球41由第1推板4a及第2推板9a推压着，旋转涡旋件(公转旋转件)9以同位相公转旋转。在图3(a)的状态下，球41位于最上方、并与保持孔内壁的保持器40的内周侧接触着。
旋转涡旋件9进行公转旋转运动，其与图3(a)180°不同位相的状态是图3(b)的状态。在图3(b)中，球41位于最下方，并与保持孔内壁的保持器40外周侧接触着。
由于旋转涡旋件9以旋转半径ρ进行公转旋转运动，所以，一边与旋转涡旋件9接触、一边滚动的球41以旋转半径ρ/2进行公转旋转运动。如图3(b)所示，球41的移动轨迹的直径为d/2+ρ+d/2＝d+ρ。
由于保持孔42的直径如上所述地满足D≥d+ρ的关系，所以，保持器不妨碍球41的公转旋转运动。
因此，在保持孔内壁或推板与球之间不会产生摩擦，可以防止保持孔内壁、推板、球的磨耗。
本申请的第2发明的推力球轴承是在第1发明的推力球轴承中，其特征在于在上述保持器的至少保持孔内壁上设有防音材料。
推力球轴承的球在旋转涡旋件开始旋转时从任意的静止位置移动到运转位置。这时，虽然球与保持孔内壁冲撞，但是，由于至少在保持孔内壁上设有防音材料，所以，可以降低球与内壁冲撞时的噪音。
作为防音材料，具体地讲可以采用弹性模量低的有可以抑制由冲撞所产生的冲击声的效果的树脂、合成橡胶、减振合金等。
在是橡胶、树脂的情况下，即使由同一材质制作保持器全体，也具有成本上的实用性，在是减振合金的情况下，由于其价高，所以在实用性上是部分地设在保持孔内壁上。
再有，本申请的第3发明的具有上述推力球轴承的开放型的涡旋式压缩机，如上述地可以防止保持孔内壁、推板、球的磨耗。
另外，在本申请的第4发明的开放型的涡旋式压缩机中，可以抑制推力球轴承的球与保持孔内壁冲撞时所发生的噪音。
而且，如本申请的第5发明所记载的开放型的涡旋式压缩机，它可以有效地适用于作动气体使用二氧化碳的制冷循环所使用的、运转压力高、负荷大的推力球轴承。
图1是本发明的开放型的涡旋式压缩机的一实施例的纵剖面图。
图2是图1的开放型的涡旋式压缩机的推力球轴承的保持器的俯视图。
图3是图1所示的推力球轴承附近的放大图。
图4是表示该推力球轴承所具备的球的滚动方向的图。
图5是本发明的其他实施例的推力球轴承的保持器纵剖面图。
图6是表示蒸汽压缩式制冷循环的模式图。
图7是CO2的莫里尔线图。
图8是表示现有技术的推力球轴承的剖面图。
图9是表示图8的推力球轴承的球附近的扩大图。
以下，参照附图对本发明的开放型的涡旋式压缩机的实施例进行说明。
首先，参照图6说明本发明的开放型的涡旋式压缩机所具备的CO2循环，该CO2循环S适用于例如车辆用空调装置，1是压缩气相状态的CO2的开放型的涡旋式压缩机，开放型的涡旋式压缩机1是从图中未示的驱动源(例如发动机等)获得驱动力而进行驱动的，1a是将由涡旋式压缩机1压缩了的CO2在同外气等之间进行热交换进行冷却的散热器(气体冷却器)，1c是根据散热器1a出口侧处的CO2温度控制散热器1a出口侧压力的压力控制阀。CO2由该压力控制阀1b及节流阀1c减压而成为低温低压的气液2相状态的CO2。1d为构成车室内空气冷却装置的蒸发器(吸热器)，气液2相状态的CO2在蒸发器1d内进行气化(蒸发)时从车室内空气夺取蒸发潜热而冷却车室内空气。1e是暂时贮蓄气相状态的CO2的贮存器。涡旋式压缩机1、散热器1a、压力控制阀1b、节流阀1c、蒸发器1d及蓄存器1e分别由配管1f连接而形成闭回路。
以下参照附图1-4说明涡旋式压缩机1的一实施例。
涡旋式压缩机1的壳体1A(压缩机本体)由杯状的壳本体2和由螺栓3连结于壳本体2上的前壳4构成。曲轴5贯通前壳4、并通过主轴承6及副轴承7自由旋转地支承于前壳4上，图中未示的车辆发动机的旋转通过公知的电磁离合器32传递于离合器轴5上。符号32a、32b分别是电磁离合器32的线圈及皮带轮。
在壳体1A的内部配设着固定涡旋件8和旋转涡旋件(公转旋转体)9。
固定涡旋件8备有端板10和立设于其内面上的涡旋状突起11，在该端板10的背面上由螺栓12可分解地固定着背压件13，在该背压件13的内周面及外周面上分别埋设着O型密封环14a、14b，这些密封环14a、14b与壳本体2的内周面密接，从壳本体2内的低压室15隔离出后述的高压室16。该高压室16由背压件13的内空间13a和形成于固定涡旋件8的端板10的背面上的凹部10a构成。
旋转涡旋件9备有端板17和立设于其内面上的涡旋状突起18，该涡旋状突起18实质上与上述固定涡旋件8的涡旋状突起11具有相同的形状。
在固定涡旋件8和前壳4之间配置着环状的板簧20a，该板簧20a通过多个螺栓20b沿周向交替地被连接在固定涡旋件8和前壳4上。由此，固定涡旋件8仅在其轴向、仅以板簧20a的最大挠曲量被允许移动(浮动构造)。由环状板簧20a和螺栓20b构成固定涡旋支承装置20。通过在上述背压件13的背面突出部和壳体1A之间设有间隙c，该背压件13可与固定涡旋件8一起沿上述轴向运动。
固定涡旋件8和旋转涡旋件9相互仅偏心公转旋转半径、而且位相仅错开180°地如图所示地啮合，埋设在涡旋状突起11的前端上的顶端密封件(未图示)与端板17的内面密切接触，埋设在涡旋状突起18的前端的顶端密封(未图示)与端板10的内面密切接触，而且，各涡旋状突出11、18的侧面在多处紧密接触。由此，划分出了相对涡旋状的中心几乎成点对称的多个密封空间21a、21b。固定涡旋件8和旋转涡旋件9之间设有自转防止圈27，该自转防止圈27用于阻止旋转涡旋件9的自转，允许其公转。
圆筒状的轮毂22形成于端板17的外面中央部，在轮毂22的内部通过兼作向心轴承的旋转轴承24自由转动地收容着驱动轴衬23。在穿设在该驱动轴衬23上的贯通孔25内自由转动地嵌合着偏心轴26，该偏心轴26突出地设在曲轴5的内端上。
在曲轴5的外周上配置着公知的机械密封28，该机械密封28设于主轴承6的外侧。
另外，在端板17的外面的外周缘和前壳4之间配置着用于支承旋转涡旋件9的推力球轴承19。以下对该推力球轴承进行详细的说明。
在前壳4侧及旋转涡旋件9侧，在偏心轴26的周围设有环状的推板4a、9a。在前壳4上由螺栓4b连结着推板4a，在旋转涡旋件9的端板17背面上由螺栓9b连结着推板9a。
旋转涡旋件9侧的推板9a是平板，相对置的推板4a上紧固着保持器40，该保持器40借助上述螺栓4b与推板4a一体地连结在前壳4上。
保持器40如图2所示地为环状，由作为防音材料的树脂形成。作为其材质可使用尼龙、聚四氟乙烯、环氧树脂，另外，它还环状地配置着一个一个地保持作为转动本体的球41的多个保持孔42。如图3(a)所示，该保持孔的开口直径D在将旋转涡旋件9的旋转半径作为ρ、将球41的直径作为d时则满足D＝d+ρ的关系。而且，由于保持器40的厚度比球直径d小，因此，由保持器40保持的球41从保持器40侧面突出，与推板4a、9a的双方接触。
下面对涡旋式压缩机1的动作进行说明。
在给电磁离合器的线圈通电而使车辆发动机的旋转传递于曲轴5时，曲轴5的旋转通过旋转驱动机构驱动旋转涡旋件9，该旋转驱动机构由偏心轴26、贯通孔25、驱动轴衬23、旋转轴承24、轮毂22组成，旋转涡旋9由自转防止圈27一边防止其自转一边在以公转旋转半径ρ作为半径的圆轨道上进行公转旋转运动。
在旋转涡旋件9进行公转旋转运动时，双方的涡旋状突起11、18的线接触部渐渐地向涡旋的中心方向移动，其结果，密闭空间21a、21b一边减少容积、一边向涡旋的中心方向移动。伴随此，通过吸入口(未图示)流入低压室15的作动气体(参照箭头A)从与双方的涡旋状突起11、18的外终端开口部取入到密闭空间21a内，一边被压缩一边到达中心部21c，从此通过穿设于固定涡旋件8的端板10上的排出口34而推开排出阀35排出到高压室16，再从排出口38流出。这样，通过旋转涡旋件9的旋转将从低压室15导入的流体在上述密闭空间21a、21b内压缩，排出该压缩气体。
而且，由于该压缩气体产生的推压力，旋转涡旋件9受到轴向推压力，但推力球辆承19支持着旋转涡旋件9。
以下，对该推力球轴承19的作用进行说明。
图3表示的是图1中所示的旋转涡旋件9位于最上方时的推力球轴承19的扩大图。
推力球轴承19的球41由推板4a(第2推板)、9a(第1推板)推压着，并以与旋转涡旋件9同位相进行公转旋转。在图的状态下，球41位于最上方，与保持孔内壁的保持器40的内周侧接触。
图3(b)表示进行旋转涡旋件9的公转旋转运动的、与图3(a)180°不同位相的状态，在图3(b)中，球41位于最下方，并与保持孔内壁的保持器40外周侧接触。
如前所述，由于旋转涡旋件9以旋转半径ρ进行着公转旋转运动，因此，一边接触旋转涡旋件9一边进行滚动的球41以旋转半径ρ/2进行公转旋转运动。如图3(b)所示，球41的移动轨迹的直径是d/2+ρ+d/2＝d+ρ。
由于保持孔42的直径D具有D＝d+ρ的关系，因此，球41经常地一边与保持孔42内壁接触、一边进行旋转运动。
在该推力球轴承19中，因为推板9a是平板，所以不与球41结合。另外，保持孔42的直径具有D＝d+ρ的关系，所以不妨碍球41的公转旋转运动。
因此，不会在保持孔42内壁和球41之间产生摩擦，可以提高压缩机的效率。另外，由于可以防止保持孔42、球41、推板4a、9a的磨耗，所以，可以增大轴承的负荷。
由于用树脂构成保持器自体，可以有以下的效果。
如上所述，在压缩机驱动过程中，球在保持孔内公转旋转运动。这时，由于旋转涡旋件9的公转位相与球41的公转位相一致，所以，图4(a)所示的球41的滚动方向a经常地是球41和保持孔42的切线方向1。球41不与保持孔42内壁冲撞地进行运动。
但是，在压缩机驱动开始时，球41有时与保持孔42的内部冲撞，例如对图4(a)和图4(b)所示的情况进行说明。在两者中，旋转涡旋件9的公转位相相同。在该位相中，由于在压缩机驱动过程中球41经常处于图4(a)的位置，所以如上所述，球41不会与保持孔42内壁冲撞。但是，在压缩机驱动开始时，由于球41的位置是不定的，所以，例如处于图4(b)的位置的情况下，球41的滚动方向a与球41和保持孔42的切线方向l不同，因此，球41与保持孔42内壁进行冲撞。
其后，球41的滚动方向a与球41和保持孔42的切线方向一致(即、旋转涡旋件9和球41的公转位相一致)了后，如上述图4(a)所示，球开始进行规定的公转旋转运动。
这样，虽然在压缩机驱动开始时球41与保持孔42内壁进行冲撞，但由于保持器40是树脂制的，所以可以减轻这时的噪音。
在上述实施例中，设在保持器40上的保持孔42，其直径D设定为D＝d+ρ，但由于其直径只要设定为不妨碍球41的公转旋转运动即可，所以也可以不满足D≥d+ρ。在D＝d+ρ的条件下，球41一边与保持孔42内壁接触一边进行公转旋转运动，在D＞d+ρ的条件下，球41不与保持孔42内壁接触地进行公转旋转运动。
另外，保持孔42内壁的形状也可以不是圆筒状，可以是以下的构造。
即如图5所示，对应于球41的曲面地在保持孔42内壁上形成凹面。保持孔42的直径D为最大的直径值。这时球41与保持孔42内壁的凹面是面接触状态，由于接触面的增加可以使面压降低。
在上述实施例中，保持器40与推板4a一起连结在前壳4上，但保持器40的设置场所不限定于此，也可以连结在旋转涡旋件9或推板9a上。
另外，保持器40自身的材质为树脂，但只要保持孔42的内壁是树脂即可，例如，可以将树脂制的环状构件组合在设在非树脂制的保持器40上的孔中的构造。
另外，也可以用抑制噪音的其他的材质、例如橡胶、减震合金来代替树脂。
在上述实施例中，开放型的涡旋式压缩机适用于将CO2作为作动气体的CO2循环上，但不限于此，也可以适用于将通常的氟里昂作为作动气体的蒸气压缩式制冷循环。
本发明由于如上所说明地构成着，所以，产生了如下的效果。
在第1发明中，保持器的保持孔的直径具有D≥d+ρ的关系，因此，在保持孔内壁和球之间不产生摩擦，因此，可以降低机械损失。由于可以防止保持孔内壁、推板、球的磨耗，所以可以使轴承长寿命化，而且还可以加大轴承的负荷。
在第2发明中，通过在保持器的至少保持孔内壁上设防音材料，可以减轻压缩机驱动开始时球与保持孔内壁冲撞所产生的噪音。
在第3发明中，由于可以防止其推力球轴承的保持孔、推板、球的磨耗，所以可以加大轴承的负荷。
在第4发明中，可以减轻推力轴承的球与保持孔内壁冲撞时发生的噪音。
如第5发明所述本发明可以有效地适用于作动气体使用二氧化碳的制冷循环的、运动压力高、负荷大的推力球轴承。

Claims (5)

1.推力球轴承，其特征在于，它包括：进行公转旋转运动的第1推板；与该第1推板对置的第2推板；设有保持球的保持孔的、并位于上述第1推板和第2推板之间的保持器；保持在上述保持孔内的球；
在将上述第1推板的旋转半径作为ρ、将上述球的直径作为d、将上述保持孔的开口直径作为D时，D≥d+ρ的关系成立。
2.如权利要求1所述的推力球轴承，其特征是，在上述保持器的至少保持孔内壁上设有防音材料。
3.开放型的涡旋式压缩机，备有设在压缩机本体内的旋转涡旋体和自由公转旋转地支承该旋转涡旋体的推力球轴承，通过使上述旋转涡旋体公转旋转运动，压缩导入的作动气体，在成为规定的高压后进行排出，其特征在于，它包括：进行公转旋转运动的第1推板；与该第1推板对置的第2推板；设有保持球的保持孔的、并位于上述第1推板和第2推板之间的保持器；保持在上述保持孔内的球；
在将上述第1推板的旋转半径作为ρ、将上述球的直径作为d、将上述保持孔的开口直径作为D时，D≥d+ρ的关系成立。
4.如权利要求3所述的开放型的涡旋式压缩机，其特征在于，在上述保持器的至少保持孔内壁上设有防音材料。
5.如权利要求3或4所述的开放型的涡旋式压缩机，其特征在于，上述作动气体是CO2。
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