JP2006118396A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸部、旋回軸部、副軸部の三点支持された場合に、クランクシャフトの旋回軸部の長さを変えず、主軸部の軸径より旋回軸部の軸径を大きくすることで、各部の負荷バランスを崩さずに、クランクシャフトの強度と軸受耐力を向上させることができ、負荷が大きくなるような運転条件でも、圧縮機の軸方向寸法を大きく変えることないために、コンパクト化することが可能なスクロール圧縮機を提供すること。
【解決手段】クランクシャフト４の主軸部４ａの軸径より旋回軸部４ｂの軸径を大きくすることにより、大型化することなく、クランクシャフト４の高強度を維持しながら、信頼性を高くすることが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、空調機、冷凍機、ブロワ、給湯機等に使用されるスクロール圧縮機に関するものである。

従来、この種のスクロール圧縮機はクランクシャフトの旋回軸部軸径と主軸部軸径が同じ大きさである。

図８は従来のスクロール圧縮機を示すものである。図８に示すように、密閉容器の内部に、固定子と回転子で構成されるモータとこのモータで駆動される圧縮機構を配設し、旋回スクロールを旋回運動させるためのクランクシャフトの端部に形成した旋回軸部は旋回スクロールの旋回軸受と係合摺動し、クランクシャフトに形成した主軸部を主軸受で軸支し、クランクシャフトの旋回軸部を旋回軸受と、クランクシャフトの主軸部を主軸受と、クランクシャフトの旋回軸部と反対側の端部に形成した副軸部を副軸受とで三点支持され、クランクシャフト旋回軸部長さより、主軸部長さの方が長い構成をしている。クランクシャフトの旋回軸部に作用する荷重方向に対して位相角が約９０度進み位置となる軸受面において、旋回軸部と係合する旋回軸部に軸方向と平行な溝を形成すると共に、同様に副軸受部にも軸方向に平行な溝を形成することにより、給油通路が拡大化され、軸受部への油量不足を解消して軸受部の信頼性を向上している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１５３０７２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、特に最近の性能向上、スクロール圧縮機が使用されるシステムの大型化に伴う出力の増大、スクロール圧縮機の小型で高能力化などの要求から、クランクシャフトの使用条件がさらに厳しくなる方向にある。主軸部と旋回軸部と副軸部の三点支持された場合において、特に旋回軸部に加わる負荷が大きいため、クランクシャフトの使用条件がさらに厳しくなれば、旋回軸部に加わる負荷も大きくなり、より高剛性なクランクシャフトと高耐力な軸受が必要となる。

クランクシャフトの旋回軸部の長さを長くすることで軸受に加わる面圧が減少し、高耐力な軸受が得られるが、クランクシャフトの旋回軸部に加わる負荷の作用点と主軸部の作用点が長くなることから、クランクシャフトの副軸部に加わる負荷モーメントも同時に大きくなり、副軸部にも同様の対策を行わなければならない。また、本体の搭載を考慮すると、クランクシャフト旋回軸部の長さを長くすることでスクロール圧縮機自体が大型化してしまう可能性がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、主軸部、旋回軸部、副軸部の三点支持された場合に、クランクシャフトの旋回軸部の長さを変えず、主軸部の軸径より旋回軸部の軸径を大きくすることで、各部の負荷バランスを崩さずに、クランクシャフトの強度と軸受耐力を向上させることができ、負荷が大きくなるような運転条件でも、圧縮機の軸方向寸法を大きく変えることないために、コンパクト化することが可能なスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、密閉容器の内部に、固定子と回転子で構成されるモータとこのモータで駆動する圧縮機構を配設し、旋回スクロールを旋回運動させるためのクランクシャフトの端部に形成した旋回軸部を旋回軸受で軸支し、クランクシャフトに形成した主軸部を主軸受で軸支し、クランクシャフトをモータの回転子に結合し、クランクシャフトの旋回軸部を旋回軸受と、クランクシャフトの主軸部を主軸受と、主軸部と前記回転子を挟んで反対側のクランクシャフトの端部に形成した副軸部を副軸受とで三点支持され、クランクシャフトの旋回軸部の長さより、主軸部の長さの方が長い構成であり、クランクシャフトにおいて、主軸部の軸径より旋回軸の軸径を大きくしたものである。

これによって、負荷が大きくなるような運転条件でも、圧縮機の構成寸法を大きく変えることなく、クランクシャフトの旋回軸部に加わる応力が小さくなり、クランクシャフトの剛性を向上させることが可能である。さらに軸受面圧が下がることにより、軸受にかかる負荷も軽くすることができ、軸受耐力も向上させることが可能である。よってクランクシャフトの剛性と軸受耐力の向上により、信頼性を高くすることが可能である。

本発明のスクロール圧縮機は、クランクシャフトの主軸部、旋回軸部、副軸部の三点支持される場合において、各部の負荷バランスを崩すことなく、旋回軸部の剛性と耐力を上げることにより、軸方向の寸法を変えずにコンパクトなままで、信頼性を高くすることが可能である。

第１の発明は、クランクシャフトにおいて、主軸部の軸径に対して旋回軸部の軸径を大きくすることで、旋回軸部に生ずる応力を小さくすることにより、クランクシャフトの強度を上げることが可能である。さらに軸受投影面積が増加し、旋回軸受の面圧が下がり、旋回軸受にかかる負荷が小さくなることから、軸受耐力が向上させることが可能である。よってクランクシャフトの強度向上と軸受耐力向上により、信頼性を高くすることが可能である。

第２の発明は、特に、第１の発明のスクロール圧縮機において、旋回軸部の最外周部が、主軸部中心軸に対して、鍔の最外周部の距離と同等または内側にあることにより、旋回軸部と鍔との境界エッジ部が中心軸に近づくことによるエッジ部応力増大を防ぐため、信頼性を高くすることが可能である。

第３の発明は、特に、第１の発明のスクロール圧縮機において、実機ではクランクシャフトが偏心しながら傾くことがあり、旋回軸部の軸径に対して旋回軸部長さの比を大きくするほど、旋回軸受と片当たりが発生し、逆に信頼性が低下してしまう可能性がある。そのため、クランクシャフト旋回軸部の軸径に対して旋回軸部の長さの比を１．５以下とすることで、クランクシャフトと旋回軸受との片当たりを抑制することができ、焼きつき等の危険性が低下するので、信頼性を高くすることが可能である。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のスクロール圧縮機において、作動流体としてＣＯ２を用いることで、特に、差圧が大きく、クランクシャフトに加わる負荷が非常に大きい二酸化炭素においても、より効果的に信頼性を高くすることが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるスクロール圧縮機の縦断面図を示すものである。

図１において、鉄製の密閉容器１の内部全体は吐出管２に連通する高圧雰囲気となり、その中央部にモータ３、上部に圧縮部が配置され、モータ３の回転子３ａに固定されたクランクシャフト４の一端を支承する圧縮部の本体フレーム５が密閉容器１に固定されており、その本体フレーム５に固定スクロール６が取り付けられている。

クランクシャフト４に設けられた主軸方向の油穴７は、その一端が給油ポンプ装置８に通じ、他端が最終的に旋回スクロール９の旋回軸受１０に通じている。固定スクロール６と噛み合って圧縮室１１を形成する旋回スクロール９は、渦巻き状の旋回スクロールラップ９ａと旋回軸受１０とを直立させたラップ支持円板９ｂとからなり、固定スクロール６と本体フレーム５との間に配置されている。

固定スクロール６は、鏡板６ａと渦巻き状の固定スクロールラップ６ｂとからなり、固定スクロールラップ６ｂの中央部に吐出口１２、外周部に吸入室１３が配置されている。

クランクシャフト４の主軸部４ａから偏心してクランクシャフト４の上端部に配置された旋回軸部４ｂは、旋回スクロール９の旋回軸受１０と係合摺動し、クランクシャフト４の下端部に配置された副軸部４ｃは密閉容器１内に溶接や焼き嵌めして固定された副軸受１９により軸支され、主軸部４ａ、旋回軸部４ｂ、副軸部４ｃの三点で支持された構成をしている。旋回スクロール９のラップ支持円板９ｂと本体フレーム５に設けられた第１のスラスト軸受１５ａとの間は、油膜形成可能な微小隙間が設けられている。ラップ支持円板９ｂには旋回軸受１０とほぼ同心の環状シール部材１６が遊合状態で装着されており、その環状シール部材１６はその内側の背面室１７と外側の背圧室１８とを仕切っている。

給油ポンプ装置８によって吸い上げられた潤滑油はクランクシャフト４の油穴７を通り旋回スクロール９の旋回軸受１０と旋回軸部１４との間に形成された軸方向の内部空間２０へ導かれ、一方は旋回スクロール９のラップ支持円板９ｂの背面に設けられた絞り部２１を経由して固定スクロール６と本体フレーム５とによって囲まれて形成される背圧室１８へと通じ、旋回スクロール９を固定スクロールラップ６ｂ外周部の第２のスラスト軸受１５ｂに押さえつける機能を持った背圧調整弁２２、オイル供給通路２２ａを通って吸入室１３へと導かれる。もう一方は旋回軸受１０、背面室１７、主軸受１４を通り圧縮部外部へ排出される。

吐出口１２の出口側を開閉する逆止弁装置２３が固定スクロール６の鏡板６ａの平面上に取り付けられており、その逆止弁装置２３は薄鋼板製のリード弁２３ａと弁押さえ２３ｂとからなる。

図２は図１におけるクランクシャフト４と固定スクロール６と旋回スクロール９などの圧縮機構部周辺の拡大断面図で、主軸部４ａと旋回軸部４ｂの間に鍔２６を有する構成をしている。

以上のように構成されたスクロール圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

まず、クランクシャフト４では動力の伝達という機能上の要求から、曲げ、ねじりおよび軸力を受ける。旋回軸受１４は旋回スクロール９の旋回運動に伴って発生する圧縮力を支えるために静荷重を受ける。さらにクランクシャフト４の振れが大きくなる端部に旋回スクロール９があるため、旋回軸受１４と旋回軸部４ｂとは常に特定のクランク方向で強く摺動する。また同様に主軸受１４とクランクシャフト４の主軸部４ａも同様に強く摺動する。よって、クランクシャフト４に曲げモーメントとねじりモーメントと軸力が加わるために、クランクシャフト４に生ずる応力を軽減し、クランクシャフト４の強度を上げることで、信頼性を高くすることが可能である。

また、軸受に加わる負荷を軽減するために、軸受の投影面積を増やし、軸受面圧を下げることで、信頼性を高くすることが可能である。

そこで、クランクシャフト４の主軸部４ａの軸径より旋回軸部４ｂの軸径を大きくすることにより、旋回軸部４ｂに生ずる応力を軽減することができ、高剛性のクランクシャフト４が得られ、信頼性を高くすることが可能である。同時に、旋回軸受１０の投影面積が増え、旋回軸受１０の面圧も下がり、旋回軸受４ｂにかかる負荷を軽減できるため、軸受負荷耐力も向上し、さらに信頼性を高くすることが可能である。

また、スクロール圧縮機をコンパクトにするためにクランクシャフト４の旋回軸部４ｂの長さのみを短くすると、軸受の投影面積の減少とともに面圧が増加することから、軸受耐力が下がり信頼性が低下する。しかし、クランクシャフト４の旋回軸部４ｂの軸径を同時に大きくすることで、クランクシャフト４の旋回軸部４ｂの強度が上がり信頼性が向上し、旋回軸部４ｂの長さを短くすることによって起こる信頼性の低下量を補うことができるため、高い信頼性を維持したまま、クランクシャフト４の全長を短くできることから、さらなるスクロール圧縮機の小型化が可能となる。

また、クランクシャフト４の旋回軸部４ｂの長さを長くすることにより、同時に旋回軸受１０幅も長くなり、軸受の投影面積が増加することで、面圧が軽減され、旋回軸受１０の軸受負荷耐力を向上させることができるが、クランクシャフト４の旋回軸部４ｂに加わる負荷の作用点と主軸部４ａに加わる負荷の作用点が長くなることから、同時にクランクシャフト４の副軸部４ｃに加わる曲げモーメントも大きくなるため、副軸部にも同様の対策をしなければならず、材料費、加工費等が上がるためにコストアップすると共に、スクロール圧縮機が大型化する可能性があるので、旋回軸部４ｂの軸径を大きくした方が良い。

また、図３に示すように、スクロール圧縮機の製造段階で組立て公差の範囲内でクランクシャフト４が傾いて組まれた場合において、特に高速運転した際にクランクシャフト４の軸中心と軸重心との不一致から、その偏心量だけが遠心力となり動力が増加するが、クランクシャフト４の全長が短くなることから、偏心量も少なくなり、動力の増加や共振現象も抑制することができ、信頼性を高くすることが可能である。

以上のように、クランクシャフト４の主軸部４ａの軸径より旋回軸部４ｂの軸径を大きくすることで、クランクシャフト４の旋回軸部４ｂの強度が上がり、さらに旋回軸受１０の負荷耐力が上がることにより、信頼性を高くすることができ、スクロール圧縮機を小型化することが可能となる。

なお、本実施例ではクランクシャフト４の主軸部４ａと旋回軸４ｂの間に鍔２４を有することで、圧縮機機構部の心出し時に、旋回スクロール９のボス下端面と鍔２４の接触部が面で支えられるため、軸の傾きを少なくしているが、製造上の理由のため、図４のようにクランクシャフト４に鍔２４を持たない構造でもよいが、応力集中しやすい。同様に、クランクシャフト４に鍔２４を有する構造において、図５に示すように、旋回軸部４ｂの最外周部が、主軸部４ａ中心軸に対して、鍔２４の最外周部の距離の外側にあることにより、旋回軸部４ｂと鍔２４との境界エッジ部が中心軸に近づくことによるエッジ部応力が増大する。ここで、図６に示すように、旋回軸部４ｂの最外周部が、主軸部４ａ中心軸に対して、鍔２４の最外周部の距離と同等または内側にあることにより、旋回軸部４ｂと鍔２４との境界エッジ部が中心軸に近づくことによるエッジ部応力増大を防ぐことができ、信頼性を高くすることが可能である。

また、実機ではクランクシャフト４が偏心しながら傾くことがあるため、旋回軸部４ｂの軸径に対する旋回軸部４ｂの長さを長くするほど、旋回軸受１０と片当たりが発生し、逆に信頼性が低下するとともに、入力も増加してしまう可能性がある。図７に実機運転による旋回軸部４ｂ軸径に対して旋回軸部４ｂ長さの比（アスペクト比）とクランクシャフト４の摩耗量の関係を示したが、旋回軸部４ｂの軸径に対して旋回軸部４ｂの長さの比を１．５以上ではクランクシャフト４の磨耗量が増大し、信頼性が大きく低下している。さらに、旋回軸部４ｂの長さが長くなるほど、粘性損失も増大し、入力が上昇してしまうため、旋回軸部４ｂの軸径に対して旋回軸部４ｂの長さの比を１．５以下とする方がよい。

また、本実施の形態は、特に差圧が大きく、クランクシャフト４に加わる負荷が非常に大きい二酸化炭素を用いた圧縮機などに用いることでより大きな効果を得ることが可能である。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、クランクシャフトの主軸部の軸径より旋回軸部の軸径を大きくすることによって、クランクシャフトの強度と軸受耐力が向上し、高能力または小型化、軽量化などに伴って起こる強度低下を抑えることで、高い信頼性を保つことが可能であり、ＨＦＣ系冷媒やＨＣＦＣ系冷媒を用いたエアーコンディショナー用圧縮機のほかに、自然冷媒である二酸化炭素を用いたエアーコンディショナーやヒートポンプ式給湯機などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における縦型スクロール圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態における縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態におけるクランクシャフトの軸傾き組み立て時の縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態におけるクランクシャフトに鍔を持たない時の縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における旋回軸部の最外周部が、主軸部中心軸に対して鍔最外周部の距離の外側にある時の縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 本発明の実施の形態における旋回軸部の最外周部が、主軸部中心軸に対して鍔最外周部の距離と同等または内側にある時の縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図 クランクシャフトのアスペクト比と摩耗量の関係を示したグラフ 従来例の特許文献１における縦型スクロール圧縮機構部拡大断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 吐出管
３ モータ
３ａ 回転子
３ｂ 固定子
４ クランクシャフト
４ａ 主軸部
４ｂ 旋回軸部
４ｃ 副軸部
５ 本体フレーム
６ 固定スクロール
６ａ 鏡板
６ｂ 固定スクロールラップ
７ 油穴
８ 給油ポンプ装置
９ 旋回スクロール
９ａ 旋回スクロールラップ
９ｂ ラップ支持円板
１０ 旋回軸受
１１ 圧縮室
１２ 吐出口
１３ 吸入室
１４ 主軸受
１５ａ 第１のスラスト軸受
１５ｂ 第２のスラスト軸受
１６ 環状シール部材
１７ 背面室
１８ 背圧室
１９ 副軸受
２０ 内部空間
２１ 絞り部
２２ 背圧調整弁
２２ａ オイル供給通路
２３ 逆止弁装置
２３ａ リード弁
２３ｂ 弁押さえ
２４ 鍔
２５ スラスト面
１０１ 旋回スクロール
１０２ 固定スクロール
１０３ クランクシャフト
１０３ａ 主軸部
１０３ｂ 旋回軸部
１０３ｃ 副軸部
１０４ 溝
１０５ 溝

Claims (4)

1. 密閉容器の内部に、固定子と回転子で構成されるモータとこのモータで駆動する圧縮機構を配設し、固定スクロールの一部をなす鏡板の一面に直立して形成された渦巻き状の固定スクロールラップに対して、旋回スクロールの一部をなすラップが支持円板上に直立するとともに、前記固定スクロールラップに類似した形状の旋回スクロールラップを互いに噛み合わせて、両スクロール間に渦巻き形の対称形の一対の圧縮空間を形成し、前記固定スクロールラップの中心部に吐出室に通じる吐出口を設け、前記固定スクロールラップの外側には吸入室を設け、自転阻止部材を介して前記旋回スクロールが前記固定スクロールに対し旋回運動を行うことによって、前記各圧縮空間が吸入側より吐出側に向けて連続移行する複数個の圧縮室に区画されて流体を圧縮すべく容積変化し、前記旋回スクロールを旋回運動させるためのクランクシャフトの端部に形成した旋回軸部は前記旋回スクロールの旋回軸受と係合摺動し、前記クランクシャフトに形成した主軸部を主軸受で軸支し、前記クランクシャフトを前記モータの前記回転子に結合し、前記クランクシャフトの前記旋回軸部を前記旋回軸受と、前記クランクシャフトの前記主軸部を前記主軸受と、前記主軸部と前記回転子を挟んで反対側のクランクシャフトの端部に形成した副軸部を副軸受とで三点支持され、前記クランクシャフトの前記旋回軸部の長さより、前記主軸部の長さの方が長い構成をし、前記旋回スクロールを前記固定スクロールとの間で摺動可能に挟持するフレームを有する圧縮機であって、前記クランクシャフトにおいて、前記主軸部の軸径より前記旋回軸部の軸径が大なることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. クランクシャフトは旋回軸部と主軸部の間に鍔を有し、前記主軸部中心軸に対して、前記旋回軸部の最外周部が前記鍔の最外周部の距離と同等または内側にある請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. クランクシャフトの旋回軸部の軸径に対して旋回軸部の長さの比が１．５以下となる請求項１または２記載のスクロール圧縮機。
4. 作動流体として二酸化炭素を用いた請求項１〜３いずれかに記載のスクロール圧縮機。
   

Images