JP2007278270A - スクロール部材およびそれを備えたスクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ラップの中心部における強度確保や変形量抑制という要求を満たしつつ、ラップの中心部の検査を簡略化することができるスクロール部材を備えたスクロール圧縮機を提供する。
【解決手段】可動スクロール部材は、鏡面と、ラップ１８７とを備えている。ラップ１８７は、鏡面から垂直に延び、渦巻き形状を有している。また、ラップ１８７のうち、中心に近い巻き始め端部１８７ａ１から９０°の部分までの渦巻き中心部１８７ａは、厚みが一定であり、且つ、インボリュート形状である場合よりも曲率が大きい円弧形状である。
【選択図】図６

Description

本発明は、スクロール部材およびそれを備えたスクロール圧縮機に関する。

空調機等の冷凍装置における圧縮機の種類の１つとして、スクロール圧縮機が存在する。このスクロール圧縮機では、固定スクロール部材に対して、その軸を回転させずに公転させる可動スクロール部材によって、両スクロール部材の渦巻き状のラップの間に形成される三日月状の圧縮室の容積を減じ、ガス冷媒の圧力を高めて中心部から吐出する。

このようなスクロール圧縮機のスクロール部材において、渦巻き状のラップは、容量向上の観点からは厚みを小さくすることが望ましいが、強度確保や変形量抑制の観点から所定の厚みは必要である。

これに対し、特許文献１では、ガス冷媒が圧縮され圧力が高くなる中心部ほど圧縮室間の圧力差が大きくなることに鑑み、ラップの中心部から外側に向けて歯厚（ラップの厚み）が小さくなるように構成している。
特開２００２−８１３８７号公報

しかし、ラップの中心部において厚みが変化するような形状を採用すると、寸法や形状の管理のための検査において歯厚（厚み）をチェック項目として使うことが難しくなり、検査工程に長時間を要するようになったり、検査機器のコストが上がったりするという問題がある。

本発明の課題は、ラップの中心部における強度確保や変形量抑制という要求を満たしつつ、ラップの中心部の検査を簡略化することができるスクロール部材およびそれを備えたスクロール圧縮機を提供することにある。

第１発明に係るスクロール圧縮機のスクロール部材は、平面部と、ラップとを備えている。ラップは、平面部から略垂直に延び、渦巻き形状を有している。また、ラップのうち、中心に近い巻き始め端部から少なくとも９０°の部分までの渦巻き中心部は、厚みが一定であり、且つ、インボリュート形状である場合よりも曲率が大きい湾曲形状である。

ここでは、渦巻き中心部において厚みを変化させて強度確保や変形量抑制を得るのではなく、通常のインボリュート形状に較べて曲率が大きくなるように（湾曲度合いがきつくなるように）渦巻き中心部の湾曲形状を決めて、圧力が作用する方向に対する渦巻き中心部の断面係数を大きくして剛性を高めている。このため、通常のインボリュート形状を採用する場合に較べて、渦巻き中心部の平面部との境界部分における最大応力値が小さくなり、また渦巻き中心部の平面部とは反対側の遊端の変形量（たわみ量）も小さく抑えられるようになる。一方、このようにインボリュート形状よりも曲率が大きい湾曲形状を採ることによって渦巻き中心部の強度確保や変形量抑制が実現できることに鑑み、ここでは、渦巻き中心部の厚みを変化させずに一定に保つようにしている。これにより、渦巻き中心部の寸法や形状の検査を行うのに要する時間を短縮できる、三次元検査装置といった高価な検査機器を導入する必要がなくなる、等の有利な効果を得ることができる。また、このスクロール部材において、通常のインボリュート形状が採用される場合の圧縮比と同一の圧縮比を達成しようとする場合、吐出ポート面積を大きくとることができるという有利な効果を得ることもできる。また、高圧縮比対応の冷凍用圧縮機にこのスクロール部材を適用すると、圧縮機の胴体半径や吐出ポート面積等に対して影響を与えることなく高圧縮比化を実現することができる。

第２発明に係るスクロール部材は、第１発明のスクロール部材であって、ラップは、中心側の渦巻き中心部と、渦巻き中心部の巻き終わり端部から外側に延びる渦巻き本体部とから成っている。そして、渦巻き本体部は、インボリュート曲線を描く。

第３発明に係るスクロール部材は、第２発明のスクロール部材であって、渦巻き中心部は、半径が変化しない円弧形状である。そして、渦巻き中心部の曲率は、渦巻き本体部の渦巻き中心部との境界近傍における曲率よりも大きい。

ここでは、ラップの巻き始め側の渦巻き中心部を円弧形状で、ラップの巻き終わり側の渦巻き本体部をインボリュート形状で形成し、渦巻き本体部において最も曲率が大きくなる渦巻き中心部との境界近傍における曲率よりも、円弧形状の渦巻き中心部の曲率（円弧の半径の逆数）が大きくなるようにしている。これにより、同じ厚みであっても、渦巻き中心部のほうが渦巻き本体部よりも剛性が大きくなっており、受ける圧力が渦巻き本体部よりも大きく且つ変形しやすい遊端になっている巻き始め端部を含んでいる渦巻き中心部においても、最大応力値を小さくし変形量を小さく抑えることができる。

第４発明に係るスクロール圧縮機は、第１スクロール部材および第２スクロール部材が噛み合わされて形成される密閉空間の容積を、第１スクロール部材に対して相対的に第２スクロール部材を旋回運動させることによって連続的に減少させて、密閉空間に吸入された流体の圧縮を行う圧縮機である。第１スクロール部材および第２スクロール部材のうち、少なくとも第１スクロール部材は、上記の第１〜第３発明のいずれかのスクロール部材である。そして、第１スクロール部材のラップに対向するラップを備えた第２スクロール部材は、旋回運動において第１スクロール部材のラップの渦巻き中心部に接する部分が、その周囲よりも厚肉化されている。

ここでは、インボリュート形状である場合よりも曲率が大きい湾曲形状としている第１スクロール部材のラップの渦巻き中心部の周面と接して圧縮室の端部を構成することになる第２スクロールのラップにおいて、渦巻き中心部と接する部分を周囲よりも厚肉にしているため、圧縮室の密閉度合いを確保して圧縮動作を連続的に実施できる。

第５発明に係るスクロール圧縮機は、第４発明のスクロール圧縮機であって、二酸化炭素を圧縮する。

二酸化炭素等の高圧冷媒圧縮用の圧縮機では、スクロール部材において応力が集中する渦巻き中心部の強度を高めることが必要である。第４発明に係るスクロール圧縮機では、スクロール部材において中心に近い巻き始め端部から少なくとも９０°の部分までの渦巻き中心部は、厚みが一定であり且つインボリュート形状である場合よりも曲率が大きい湾曲形状である。このため、このスクロール圧縮機では、スクロール部材において渦巻き中心部の強度が高められると共に耐たわみ性も高められる。したがって、このスクロール圧縮機では、二酸化炭素等の高圧冷媒が圧縮される場合であっても摺動部品が高差圧による応力増大に耐えることができる。また、この効果によりこのスクロール部材の歯高を高くすることができる。つまり、ラップを小径化しながらも圧縮室の容量を大きくすることができる。そして、スクロール部材の小径化によりスクロール圧縮機の小径化が実現されると、ケーシングの胴体部分が小径化される。ケーシングの胴体部分が小径化された場合、そのケーシングは従来のケーシングに比べて薄い肉厚で同じ耐圧強度を示すことができる。このため、ケーシングの原料コスト等を低減することができる。また、スクロール部材が小径化されると、渦巻き部分を小さくして摺動の厳しいスラスト部の摺動面積を大きくすることができる。また、このようなスクロール部材が半溶融ダイキャスト成形法等によって成形されている場合、そのスクロール部材は、従来の鋳造成形法で得られるものよりも表面粗度が小さくなる。このため、このスクロール圧縮機では、二酸化炭素等の高圧冷媒が圧縮される場合であっても、スクロール部材の表面からの亀裂が発生しにくい。なお、たとえ、そのスクロール部材が未加工品であってもそのような損傷は発生にくい。

第１および第２発明に係るスクロール圧縮機のスクロール部材では、通常のインボリュート形状を採用する場合に較べて、渦巻き中心部の平面部との境界部分における最大応力値が小さくなり、また渦巻き中心部の平面部とは反対側の遊端の変形量（たわみ量）も小さく抑えられるようになる。一方、このようにインボリュート形状よりも曲率が大きい湾曲形状を採ることによって渦巻き中心部の強度確保や変形量抑制が実現できることに鑑み、ここでは、渦巻き中心部の厚みを変化させずに一定に保つようにしているため、渦巻き中心部の寸法や形状の検査を行うのに要する時間を短縮できる、三次元検査装置といった高価な検査機器を導入する必要がなくなる、等の有利な効果を得ることができる。また、このスクロール部材において、通常のインボリュート形状が採用される場合の圧縮比と同一の圧縮比を達成しようとする場合、吐出ポート面積を大きくとることができるという有利な効果を得ることもできる。また、高圧縮比対応の冷凍用圧縮機にこのスクロール部材を適用すると、圧縮機の胴体半径や吐出ポート面積等に対して影響を与えることなく高圧縮比化を実現することができる。

第３発明に係るスクロール部材では、同じ厚みであっても、渦巻き中心部のほうが渦巻き本体部よりも剛性が大きくなっており、受ける圧力が渦巻き本体部よりも大きく且つ変形しやすい遊端になっている巻き始め端部を含んでいる渦巻き中心部においても、最大応力値を小さくし変形量を小さく抑えることができる。

第４発明に係るスクロール圧縮機では、インボリュート形状である場合よりも曲率が大きい湾曲形状としている第１スクロール部材のラップの渦巻き中心部の周面と接して圧縮室の端部を構成することになる第２スクロールのラップにおいて、渦巻き中心部と接する部分を周囲よりも厚肉にしているため、圧縮室の密閉度合いを確保して圧縮動作を連続的に実施できる。

第５発明に係るスクロール圧縮機では、二酸化炭素等の高圧冷媒が圧縮される場合であっても摺動部品が高差圧による応力増大に耐えることができる。また、スクロール部材の小径化によりスクロール圧縮機の小径化が実現されると、ケーシングの胴体部分が小径化される。ケーシングの胴体部分が小径化された場合、そのケーシングは従来のケーシングに比べて薄い肉厚で同じ耐圧強度を示すことができる。このため、ケーシングの原料コスト等を低減することができる。また、スクロール部材が小径化されると、渦巻き部分を小さくして摺動の厳しいスラスト部の摺動面積を大きくすることができる。また、このようなスクロール部材が半溶融ダイキャスト成形法等によって成形されている場合、スクロール圧縮機において二酸化炭素等の高圧冷媒が圧縮される場合であっても、スクロール部材の表面からの亀裂が発生しにくい。

＜圧縮機の概略構成＞
本発明の一実施形態に係るスクロール部材である固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６を備える圧縮機１を、図１に示す。この圧縮機１は、蒸発器、凝縮器、膨張弁などと共に冷媒回路を構成し、その冷媒回路中のガス冷媒を圧縮する役割を担うものであって、主に、円筒状の密閉ドーム型のケーシング１０、スクロール圧縮機構１５、オルダムリング３９、駆動モータ１６、下部主軸受６０、吸入管１９、および吐出管２０から構成されている。スクロール圧縮機構１５は、固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６を備えている。以下、この圧縮機１の構成部品についてそれぞれ詳述していく。

なお、圧縮機１は、圧縮する対象のガス冷媒としてＲ４１０Ａが使用されることを前提に設計されているものである。

（１）ケーシング
ケーシング１０は、略円筒状の胴部ケーシング部１１と、胴部ケーシング部１１の上端部に気密状に溶接される椀状の上壁部１２と、胴部ケーシング部１１の下端部に気密状に溶接される椀状の底壁部１３とを有する。そして、このケーシング１０には、主に、ガス冷媒を圧縮するスクロール圧縮機構１５と、スクロール圧縮機構１５の下方に配置される駆動モータ１６とが収容されている。このスクロール圧縮機構１５と駆動モータ１６とは、ケーシング１０内を上下方向に延びるように配置される駆動軸１７によって連結されている。そして、この結果、スクロール圧縮機構１５と駆動モータ１６との間には、間隙空間１８が生じる。

（２）スクロール圧縮機構
スクロール圧縮機構１５は、図１に示されるように、主に、ハウジング２３と、ハウジング２３の上方に密着して配置される固定スクロール部材１２４と、固定スクロール部材１２４に噛合する可動スクロール部材１２６とから構成されている。

（２−１）固定スクロール部材
固定スクロール部材１２４は、後述する半溶融ダイキャスト成形等のダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造されるものであり、図２および図３に示すように、主に、鏡板１８４と、鏡板１８４の鏡面１８４ａから下方に延びる渦巻き状（インボリュート状）のラップ１８５とから構成される。

鏡板１８４には、後述する圧縮室４０に連通する吐出穴４１と、吐出穴４１に連通する拡大凹部４２とが形成されている。吐出穴４１は、鏡板１８４の中央部分において上下方向に延びるように形成されている。

拡大凹部４２は、鏡板１８４の上面に水平方向に広がるように形成された凹部である。そして、固定スクロール部材１２４には、この拡大凹部４２を塞ぐように、蓋体４４がボルト４４ａにより締結固定される。そして、拡大凹部４２に蓋体４４が覆い被せられることにより、スクロール圧縮機構１５の運転音を消音させる膨張室としてのマフラー空間４５が形成される。固定スクロール部材１２４と蓋体４４とは、図示しないパッキンを介して密着させることによりシールされている。

ラップ１８５は、後述するように、描く曲線の観点から、中心に近い巻き始め端部から９０°の部分まで続く渦巻き中心部１８５ａと、その渦巻き中心部１８５ａの反中心側の端部から外側に延びる渦巻き本体部１８５ｂ，１８５ｃとに分かれるが、渦巻き中心部１８５ａと渦巻き本体部１８５ｂ，１８５ｃとは連続している。このラップ１８５は、基本的にはその厚みＴが巻き始め端部から巻き終わりまで一定にされているが、後述のように、渦巻き本体部１８５ｂ，１８５ｃのうち可動スクロール部材１２６のラップ１８７の渦巻き中心部１８７ａの外周面と接する部分１８５ｂについては、その厚みが部分的に厚くなっている（図７参照）。

（２−２）可動スクロール部材
可動スクロール部材１２６も、固定スクロール部材１２４と同じく、後述する半溶融ダイキャスト成形等のダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造されるものであり、図４および図５に示すように、主に、鏡板１８６と、鏡板１８６の鏡面１８６ａから上方に延びる渦巻き状（インボリュート状）のラップ１８７と、鏡板１８６の下面から下方に延びる軸受部１８８と、鏡板１８６の両端部に形成される溝部１８９とから構成されている。可動スクロール部材１２６は、アウタードライブタイプの可動スクロールであり、駆動軸１７の外周溝に嵌合する軸受部１８８を有している。

可動スクロール部材１２６は、その溝部１８９にオルダムリング３９（図１参照）が嵌め込まれることにより、ハウジング２３に支持される。また、軸受部１８８には、駆動軸１７の上端が嵌入される。可動スクロール部材１２６は、このようにスクロール圧縮機構１５に組み込まれることによって、駆動軸１７の回転により自転することなくハウジング２３内を公転する。可動スクロール部材１２６のラップ１８７は固定スクロール部材１２４のラップ１８５に噛み合っており、両ラップ１８５、１８７の接触部の間には圧縮室４０が形成される（図９（ｂ）参照）。そして、この圧縮室４０は、可動スクロール部材１２６の公転に伴い中心に向かって変位し、その容積が収縮していく。これにより、圧縮機１では、圧縮室４０に入ったガス冷媒が圧縮される。

ラップ１８７は、後述するように、描く曲線の観点から、中心に近い巻き始め端部１８７ａ１（図６参照）から９０°の部分まで続く渦巻き中心部１８７ａと、その渦巻き中心部１８７ａの反中心側の端部から外側に延びる渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃとに分かれるが、渦巻き中心部１８７ａと渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃとは連続している。このラップ１８７は、基本的にはその厚みＴが巻き始め端部１８７ａ１から巻き終わりまで一定にされているが、後述のように、渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃのうち固定スクロール部材１２４のラップ１８５の渦巻き中心部１８５ａの外周面と接する部分１８７ｂについては、その厚みが部分的に厚くなっている（図７参照）。

（２−３）ハウジング
ハウジング２３は、その外周面において、周方向の全体に亘って胴部ケーシング部１１に圧入固定されている。つまり、胴部ケーシング部１１とハウジング２３とは全周に亘って密着されている。このため、ケーシング１０の内部は、ハウジング２３よりも下方の高圧空間２８と、ハウジング２３よりも上方の低圧空間２９とに区画されることになる。また、このハウジング２３は、その上端面が固定スクロール部材１２４の下端面と密着するように、複数のボルト３８により固定スクロール部材１２４と締結固定されている。また、このハウジング２３には、上面中央に凹設されたハウジング凹部３１と、下面中央から下方に延設された軸受部３２とが形成されている。そして、この軸受部３２には、上下方向に貫通する軸受孔３３が形成されており、この軸受孔３３に駆動軸１７が軸受３４を介して回転自在に嵌入されている。

（２−４）その他
また、このスクロール圧縮機構１５には、固定スクロール部材１２４とハウジング２３とに亘り、連絡通路４６が形成されている。この連絡通路４６は、固定スクロール部材１２４に切欠形成されたスクロール側通路４７と、ハウジング２３に切欠形成されたハウジング側通路４８とから構成される。そして、連絡通路４６の上端、即ちスクロール側通路４７の上端は、拡大凹部４２に開口し、連絡通路４６の下端、即ちハウジング側通路４８の下端は、ハウジング２３の下端面に開口している。つまり、このハウジング側通路４８の下端開口が、連絡通路４６の冷媒を間隙空間１８に流出させる吐出口４９となっている。

（３）オルダムリング
オルダムリング３９は、上述したように、可動スクロール部材１２６の自転運動を防止するための部材であって、ハウジング２３に形成されるオルダム溝（図示せず）に嵌め込まれている。なお、このオルダム溝は、長円形状の溝であって、ハウジング２３において互いに対向する位置に配設されている。

（４）駆動モータ
駆動モータ１６は、直流モータであって、主に、ケーシング１０の内壁面に固定された環状のステータ５１と、ステータ５１の内側に僅かな隙間（エアギャップ通路）をもって回転自在に収容されたロータ５２とから構成されている。そして、この駆動モータ１６は、ステータ５１の上側に形成されているコイルエンド５３の上端がハウジング２３の軸受部３２の下端とほぼ同じ高さ位置になるように配置されている。

ステータ５１には、ティース部に銅線が巻回されており、上方および下方にコイルエンド５３が形成されている。また、ステータ５１の外周面には、ステータ５１の上端面から下端面に亘り且つ周方向に所定間隔をおいて複数個所に切欠形成されているコアカット部が設けられている。そして、このコアカット部により、胴部ケーシング部１１とステータ５１との間に上下方向に延びるモータ冷却通路５５が形成されている。

ロータ５２は、上下方向に延びるように胴部ケーシング部１１の軸心に配置された駆動軸１７を介してスクロール圧縮機構１５の可動スクロール部材１２６に駆動連結されている。また、連絡通路４６の吐出口４９から吐出された冷媒をモータ冷却通路５５に案内する案内板５８が、間隙空間１８に配設されている。

（５）下部主軸受
下部主軸受６０は、駆動モータ１６の下方の下部空間に配設されている。この下部主軸受６０は、胴部ケーシング部１１に固定されるとともに駆動軸１７の下端側軸受を構成し、駆動軸１７を支持している。

（６）吸入管
吸入管１９は、冷媒回路の冷媒をスクロール圧縮機構１５に導くためのものであって、ケーシング１０の上壁部１２に気密状に嵌入されている。吸入管１９は、低圧空間２９を上下方向に貫通すると共に、内端部が固定スクロール部材１２４に嵌入されている。

（７）吐出管
吐出管２０は、ケーシング１０内の冷媒をケーシング１０外に吐出させるためのものであって、ケーシング１０の胴部ケーシング部１１に気密状に嵌入されている。そして、この吐出管２０は、上下方向に延びる円筒形状に形成されハウジング２３の下端部に固定される内端部３６を有している。なお、吐出管２０の内端開口、即ち流入口は、下方に向かって開口されている。

＜圧縮機のスクロール部材のラップの詳細構成＞
ラップ１８５は、上述のように、描く曲線の観点から、中心に近い巻き始め端部から９０°の部分まで続く渦巻き中心部１８５ａと、その渦巻き中心部１８５ａの反中心側の端部から外側に延びる渦巻き本体部１８５ｂ，１８５ｃとに分かれる。また、ラップ１８７も、上述のように、描く曲線の観点から、中心に近い巻き始め端部１８７ａ１（図６参照）から９０°の部分まで続く渦巻き中心部１８７ａと、その渦巻き中心部１８７ａの反中心側の端部から外側に延びる渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃとに分かれる。いずれのラップ１８５，１８７も、同様の形状であるため、ここでは可動スクロール部材１２６のラップ１８７を例にとって、図６および図７を参照して、ラップ形状について詳細に説明する。

図４に示されるラップ１８７の中心に近い部分を拡大した図が、図６である。図６においては、ラップ１８７を実線で示す一方、全体がインボリュート曲線を描く従来のラップ２８７を点線で示している。ラップ１８７の渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃについては、従来のラップ２８７と同じインボリュート曲線を描いており、そのインボリュート曲線の基礎円は図６の中央に１点鎖線で示す円９９である。インボリュート曲線は、基礎円に巻きつけた糸を引っぱりながら解きもどすとき、その糸上の定点の描く曲線である。

ラップ１８７では、中心に近い巻き始め端部１８７ａ１から約９０°の部分までの渦巻き中心部１８７ａについて、インボリュート曲線を描く形状である場合（点線で示す従来のラップ２８７の渦巻き中心部２８７ａの形状を参照）よりも曲率が大きい湾曲形状になるようにしている。具体的には、渦巻き中心部１８７ａの形状を半径が変化しない円弧形状（半径がＲ）としつつ、渦巻き中心部１８７ａと渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃとが連続的な曲線を描くようにしている。したがって、渦巻き中心部１８７ａの曲率（１／Ｒ）は、渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃの渦巻き中心部１８７ａとの境界における曲率と概ね等しく、渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃの渦巻き中心部１８７ａとの境界の近傍における曲率よりも大きくなっている。

このように、渦巻き中心部１８７ａをインボリュート曲線を描く場合よりも湾曲度合いがきつい（曲率が大きい）形状とすることによって、渦巻き中心部１８７ａの曲げに対する断面係数が大きくなって剛性が上がり、特許文献１（特開２００２−８１３８７号公報）のように中心ほど厚みを増加させるという方法を採らなくても強度確保や変形量の抑制ができるため、ラップ１８７では、渦巻き中心部１８７ａの厚みを一定にする設計を行っている。

また、渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃについても、基本的にはその厚みを渦巻き中心部１８７ａの厚みと等しくする設計としているが、旋回運動において固定スクロール部材１２４のラップ１８５の渦巻き中心部１８５ａに接する部分１８７ｂだけは、その周囲の部分よりも厚肉化している。これは、図７（ｃ）に示すように、相手のラップ１８５の渦巻き中心部１８５ａを渦巻き中心部１８７ａと同様にインボリュート形状ではなく円弧形状にしていることに起因するものであって、可動スクロール部材１２６の旋回運動において、ラップ１８５の渦巻き中心部１８５ａの外周面とラップ１８７の渦巻き本体部１８７ｂ，１８７ｃの一部分１８７ｂの内側の面ＩＳ１８７ｂとの間に大きな隙間が生じないようにするための措置である。全体がインボリュート曲線を描く従来のラップ２８７（点線で示すもの）の対応部分２８７ｂに較べ、ラップ１８７の一部分１８７ｂは、内側に厚みが増す形状となっている。

＜固定スクロール部材および可動スクロール部材の製造方法＞
上述のように、固定スクロール部材１２４は、ダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造される。また、可動スクロール部材１２６も、同様に製造される。

（１）ダイキャスト
（１−１）素材
固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６の原材料である鉄素材は、Ｃ：２．３〜２．４ｗｔ％、Ｓｉ：１．９５〜２．０５ｗｔ％、Ｍｎ：０．６〜０．７ｗｔ％、Ｐ：＜０．０３５ｗｔ％、Ｓ：＜０．０４ｗｔ％、Ｃｒ：０．００〜０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０〜１．００ｗｔ％が添加されているビレットである。ここにいう重量割合は、全量に対する割合である。また、ビレットとは、上記成分の鉄素材が溶融炉において溶融された後に、連続鋳造装置により円柱形状等に成形された最終成形前の素材を意味する。なお、ここで、ＣおよびＳｉの含有量は、引張強度および引張弾性率が片状黒鉛鋳鉄より高くなること、および複雑な形状の摺動部品基体を成形するのに適切な流動性を備えていることの両方を満足するように決定されている。また、Ｎｉの含有量は、金属組織の靭性を向上させて成形時の表面クラックを防止するのに適切な金属組成を構成するように決定されている。

（１−２）半溶融ダイキャスト成形
上記の鉄素材を使い、ダイキャストの一種である半溶融ダイキャスト成形法により、固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６が成形される。ここでは、可動スクロール部材１２６を例にとって半溶融ダイキャスト成形法について説明する。

図８に示されるように、可動スクロール部材１２６を半溶融ダイキャスト成形するための金型８０は、第１型部分８１と、第２型部分８２とからなる。第１型部分８１と第２型部分８２とを組み合わせたときにできる空間部の形状は、切削加工前の可動スクロール部材１２６の外形形状に対応する。

半溶融ダイキャスト成形工程では、先ず、ビレットを高周波加熱することにより半溶融状態とする。次いで、その半溶融状態のビレットを金型８０に注入する際に、ダイキャストマシンで所定圧力を加え、ビレットを所望の形状に成形する。そして、金型８０から取り出して急冷させることにより、その金属組織は、全体的に白銑化したものとなる。その後、熱処理を施すと、この可動スクロール部材１２６の金属組織は、白銑化組織からパーライト／フェライト基地、粒状黒鉛から成る金属組織へと変化する。

なお、この白銑化組織の黒鉛化、パーライト化については、熱処理温度、保持時間、冷却速度などを調節することにより調節することができる。例えば、Honda R&D Technical Review の Vol.14 No.1 の論文「鉄の半溶融成形技術の研究」にあるように、９５０℃で６０分保持した後に０．０５〜０．１０℃／ｓｅｃの冷却速度で炉中にて徐冷することにより、５００ＭＰａ〜７００ＭＰａ程度の引張強度、１５０〜２００程度のブリネル硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織はフェライト中心であるために軟らかく被削性に優れるが、機械加工時に構成刃先を形成して刃具寿命を低下させる可能性がある。また、１０００℃で６０分保持した後に空冷し、さらに最初の温度より少し低い温度で所定時間保持した後に空冷することにより、６００ＭＰａ〜９００ＭＰａ程度の引張強度、２００〜３５０程度のブリネル硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織において、片状黒鉛鋳鉄と同等の硬度を有するものは、片状黒鉛鋳鉄と同等の被削性を有し、同等の延性・靭性を有する球状黒鉛鋳鉄と比較すると被削性に優れている。また、１０００℃で６０分保持した後に油冷し、さらに最初の温度より少し低い温度で所定時間保持した後に空冷することにより、８００ＭＰａ〜１３００ＭＰａ程度の引張強度、２５０〜３５０程度のブリネル硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織はパーライト中心であるために硬く、被削性に劣るが、耐摩耗性に優れている。ただし、硬すぎることによる摺動相手材への攻撃性を有する可能性がある。

以上のように、熱処理によって引張強度を所望の強度にすることができるが、本実施形態に係るスクロール部材１２４，１２６では、ヤング率に対する引張強度の比が０．００４６以下になるように、引張強度を向上させる熱処理が施される。また、耐摩耗性を確保できる程度にフェライト率が低く抑えられるように、さらに切削加工時に構成刃先が形成されにくいように、ヤング率に対する引張強度の比が０．００３３以上になるように熱処理が行われる。ヤング率が熱処理にかかわらず１７５〜１９０GＰａであるため、引張強度としては６００ＭＰａ〜９００ＭＰａ程度になるように熱処理が行われることになる。

（２）機械加工
上記の半溶融ダイキャスト成形法により成形された固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６は、さらに機械加工されることによって、圧縮機１に組み込む最終の形状となる。例えば、吐出穴４１の穴あけ加工や、エンドミルによるラップ１８５，１８７の側面の切削加工などが行われる。

固定スクロール部材１２４のラップ１８５は、切削加工の後、図３に示すように、鏡面１８４ａから先端までの高さＨや厚みＴが所定の設計値どおりの寸法となる。また、可動スクロール部材１２６のラップ１８７も、切削加工の後、図５に示すように、鏡面１８６ａから先端までの高さＨや厚みＴが所定の設計値どおりの寸法となる。

なお、冷媒としてＲ４１０Ａを用いる冷凍装置の冷媒回路に組み込まれる圧縮機１において、ラップ１８５，１８７の高さＨおよび厚みＴは、スクロール部材１２４，１２６のヤング率に対する引張強度の比が０．００３３〜０．００４６になっていることを前提として、その比（Ｈ／Ｔ）が１０〜１９になるように設計されている。このように設計することにより、冷凍装置においてガス冷媒であるＲ４１０Ａが最も高圧になったときにも、ラップ１８５，１８７の渦巻き中心の端部（巻き始めの端部）における先端のたわみ量（変形量）が許容範囲に収まるとともに強度的にも問題がないようになる。

＜圧縮機１の運転動作＞
次に、圧縮機１の運転動作について簡単に説明する。まず、駆動モータ１６が駆動されると、駆動軸１７が回転し、可動スクロール部材１２６が自転することなく公転運転を行う。すると、低圧のガス冷媒が、吸入管１９を通って圧縮室４０の周縁側から圧縮室４０に吸引され、圧縮室４０の容積変化に伴って圧縮され、高圧のガス冷媒となる。そして、この高圧のガス冷媒は、圧縮室４０の中央部から吐出穴４１を通ってマフラー空間４５へ吐出され、その後、連絡通路４６、スクロール側通路４７、ハウジング側通路４８、吐出口４９を通って間隙空間１８へ流出し、案内板５８と胴部ケーシング部１１の内面との間を下側に向かって流れる。そして、このガス冷媒は、案内板５８と胴部ケーシング部１１の内面との間を下側に向かって流れる際に、一部が分流して案内板５８と駆動モータ１６との間を円周方向に流れる。なお、このとき、ガス冷媒に混入している潤滑油が分離される。一方、分流したガス冷媒の他部は、モータ冷却通路５５を下側に向かって流れ、モータ下部空間にまで流れた後、反転してステータ５１とロータ５２との間のエアギャップ通路、または連絡通路４６に対向する側（図１における左側）のモータ冷却通路５５を上方に向かって流れる。その後、案内板５８を通過したガス冷媒と、エアギャップ通路又はモータ冷却通路５５を流れてきたガス冷媒とは、間隙空間１８で合流して吐出管２０の内端部３６から吐出管２０に流入し、ケーシング１０外に吐出される。そして、ケーシング１０外に吐出されたガス冷媒は、冷媒回路を循環した後、再度吸入管１９を通ってスクロール圧縮機構１５に吸入されて圧縮される。

＜圧縮機１の特徴＞
（１）
高強度材料であるダクタイル鋳鉄や高炭素綱ではニアネットシェイプ化が困難で加工性も悪いという課題があることから、従来のスクロール圧縮機では、ＦＣ２５０などの普通鋳鉄を使ってスクロール部材を製造しているものが多い。

これに対し、本実施形態に係る圧縮機１では、半溶融ダイキャスト成形法を用いて成形することで、固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６を高強度のものとしている。それに伴い、スクロール部材１２４，１２６のラップ１８５，１８７の厚みＴを薄くすることができている。

このため、圧縮機１では、従来のものに対して、外径を殆ど変えることなく、大幅な容量アップを実現している。

（２）
圧縮機１では、スクロール部材１２４，１２６のラップ１８５，１８７の渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａにおいて厚みを変化させて強度確保や変形量抑制を図るのではなく、通常のインボリュート形状に較べて曲率が大きくなるように（湾曲度合いがきつくなるように）渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの湾曲形状を決めて、具体的には渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａだけを円弧形状にして、圧力が作用する方向（ラップ１８５，１８７の厚みの内側から外側へ向かう方向）に対する渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの断面係数を大きくして曲げに対する剛性を高めている。このため、通常のインボリュート形状を採用する場合に較べて、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの鏡面１８４ａ，１８６ａとの境界部分における最大応力値が小さくなり、また渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの先端の変形量（たわみ量）も小さく抑えられるようになる。

図９（ａ）に、可動スクロール部材１２６の強度解析用モデルを、図９（ｂ）に、従来の可動スクロール部材２２６の強度解析用モデルを、図１０（ａ）に、可動スクロール部材１２６の強度解析結果の変形図を、図１０（ｂ）に、従来の可動スクロール部材２２６の強度解析結果の変形図を、それぞれ示す。変形図については、理解の容易のため、実際の変形量を数十倍にしている。ＦＥＭ解析において、ラップ１２６，２２６に対し、隣接する圧縮室４０の圧力差の最大値に相当する圧力を、内側から外側に作用させ、最大応力値および各ポイントの変位を出力させたところ、図９（ｂ）に示す従来の可動スクロール部材２２６に出現する最大応力値（ラップ２８７の渦巻き中心部２８７ａの鏡面１８６ａとの境界部分における応力値）に対して、図９（ａ）に示す可動スクロール部材１２６に出現する最大応力値（ラップ１８７の渦巻き中心部１８７ａの鏡面１８６ａとの境界部分における応力値）が約２０％減少するとともに、図１０（ｂ）に示す従来の可動スクロール部材２２６の最大変位量（ラップ２８７の渦巻き中心部２８７ａの先端の変位量）よりも、図１０（ａ）に示す可動スクロール部材１２６の最大変位量（ラップ１８７の渦巻き中心部１８７ａの先端の変位量）が約３０％減少することを確認した。なお、図１０において点線で示す形状は、変形前のラップ１８７，２８７の形状である。

（３）
上記（２）のように、圧縮機１では、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａだけを円弧形状にして剛性を高めることで強度確保や変形量抑制を実現させているため、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの厚みについては、変化をさせずに一定に保つようにしている。これにより、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの寸法や形状の検査を行うのに長時間を要することがなくなっており、また、三次元検査装置といった高価な検査機器を必要としない圧縮機１となっている。

（４）
圧縮機１では、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａをインボリュート形状ではなく円弧形状にしているが、一方で、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの外周面に接して圧縮室４０の端部を形成することになる部分１８７ｂ，１８５ｂを厚肉化しているため、その部分１８７ｂ，１８５ｂの内側の面ＩＳ１８７ｂ，ＩＳ１８５ｂが渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの外周面に対して大きく隙間を空けることなく旋回動作において滑らかに噛み合うようになっている。このため、圧縮室４０の密閉度合いが常に高く保持され、隣接する圧縮室４０にガス冷媒が多量に漏れるといった不具合が出ることが回避できている。

（５）
圧縮機１では、一部分１８７ｂを除き、ラップ１８７の厚みを一定にしているため、巻き終わり側から巻き始め側に向けて段々と厚みを増やしていく特許文献１（特開２００２−８１３８７号公報）のようなラップと違って、ラップ１８７ａが塞いでしまう吐出穴４１の領域を小さく（あるいはゼロ）にすることができる。これにより、従来のものに較べて、圧縮機１では吐出穴４１を通る際のガス冷媒の圧力損失が小さく抑えられている。

（６）
圧縮機１では、スクロール部材１２４，１２６のラップ１８５，１８７において通常のインボリュート形状に較べて曲率が大きくなるように（湾曲度合いがきつくなるように）渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの湾曲形状を決めて、具体的には渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａだけを円弧形状にしている。このため、この圧縮機１では、スクロール部材１２４，１２６においてラップ１８５，１８７の巻き始め近傍部分１８５ａ，１８７ａの強度が高められている。したがって、圧縮機１では、二酸化炭素等の高圧冷媒が圧縮される場合であってもスクロール部材１２４，１２６が高差圧による応力増大に耐えることができる。また、この効果によりこのスクロール部材１２４，１２６の歯高を高くすることができる。つまり、ラップ１８５，１８７を小径化しながらも圧縮室４０の容量を大きくすることができる。そして、圧縮機１がこのように小径化できると、胴部ケーシング部１１が小径化される。小径化された胴体ケーシング部１１は、従来の胴体ケーシングに比べて薄い肉厚で同じ耐圧強度を示すことができる。このため、胴体ケーシング部１１の原料コスト等を低減することができる。また、スクロール部材１２４，１２６のラップ１８５，１８７の小径化が可能となる。このため、摺動の厳しいスラスト部の摺動面積を大きくすることができる。

（７）
圧縮機１では、スクロール部材１２４，１２６が半溶融成形法によって製造される。このため、スクロール部材１２４，１２６は、従来の鋳造成形法で得られるものよりも表面粗度が小さくなる。このため、この圧縮機１では、二酸化炭素等の高圧冷媒が圧縮される場合であっても、スクロール部材１２４，１２６の表面からの亀裂が発生しにくい。

＜変形例＞
（Ａ）
上記実施形態では、ラップ１８５，１８７について、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａを、中心に近い巻き始め端部から９０°の部分まで続くと定義して円弧形状にしているが、９０°ではなく、１００°や１２０°までと定義して円弧形状をもう少し長くすることも可能である。但し、この場合には、その渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの外周面と接することになるラップ１８７，１８５の肉厚の部分１８７ｂ，１８５ｂを拡大する必要がある。

（Ｂ）
上記実施形態では、ラップ１８５，１８７の渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａを円弧形状にしているが、インボリュート形状よりも湾曲度合いがきつい（曲率が大きい）ものであれば、必ずしも円弧形状を採らなくてもよい。

（Ｃ）
上記実施形態では、両ラップ１８５，１８７とも半溶融ダイキャスト材料にて渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａを円弧形状にしているが、いずれか一方をＦＣ材料とし、強度に比して相対的に剛性が弱くなる半溶融ダイキャスト材料を使った方のみに本発明（渦巻き中心部を円弧形状等の湾曲度合いがインボリュート曲線よりもきつい湾曲形状にする）を適用することも可能である。

（Ｄ）
上記実施形態では、一部分１８５ｂ，１８７ｂを除き、ラップ１８５，１８７の厚みを一定にしているが、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａ以外については、厚みを変化させてもよい。すなわち、ラップ１８５，１８７の渦巻き本体部１８５ｂ，１８５ｃ，１８７ｂ，１８７ｃのうち渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａと接することのない部分１８５ｃ，１８７ｃについては、厚みを変化させてもよい。

（Ｅ）
上記実施形態では、半溶融ダイキャスト成形法により成形された固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６をさらに機械加工されることによって圧縮機１に組み込む最終の形状とした。しかし、半溶融ダイキャスト成形法により成形された固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６において、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａに相当する部分に機械加工を施さず、ラップ１８５，１８７に抜き勾配（ラップ１８５，１８７の先端から根元に向かってラップの外側に傾斜する勾配）を残したままにしておいてもよい。このようにすれば、渦巻き中心部１８５ａ，１８７ａの強度を改善することができると共に加工コストの低減により製造コストを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る圧縮機の縦断面図。 固定スクロール部材の下面図。 図２のIII-III断面図。 可動スクロール部材の下面図。 図４のV-V断面図。 図４の部分拡大図。 固定スクロール部材と可動スクロール部材とのラップの噛み合い状態の変化を示す図。 可動スクロール部材を成形する金型の縦断面図。 （ａ）本発明に係る可動スクロール部材の強度解析用モデルを示す図。（ｂ）従来の可動スクロール部材の強度解析用モデルを示す図。 （ａ）本発明に係る可動スクロール部材の強度解析結果の変形図。（ｂ）従来の可動スクロール部材の強度解析結果の変形図。

符号の説明

１ 圧縮機（スクロール圧縮機）
４０ 圧縮室（密閉空間）
１２４ 固定スクロール部材
１２６ 可動スクロール部材
１８４ａ 固定スクロール部材の鏡面
１８５ 固定スクロール部材のラップ
１８５ａ 渦巻き中心部
１８５ｂ，１８５ｃ 渦巻き本体部
１８６ａ 可動スクロール部材の鏡面
１８７ 可動スクロール部材のラップ
１８７ａ 渦巻き中心部
１８７ｂ，１８７ｃ 渦巻き本体部
Ｔ ラップの厚み

Claims (5)

1. スクロール圧縮機（１）のスクロール部材（１２４，１２６）であって、
   平面部（１８４ａ，１８６ａ）と、
   前記平面部から略垂直に延び、渦巻き形状を有するラップ（１８５，１８７）と、
   を備え、
   前記ラップのうち、中心に近い巻き始め端部（１８７ａ１）から少なくとも９０°の部分までの渦巻き中心部（１８５ａ，１８７ａ）は、厚み（Ｔ）が一定であり且つインボリュート形状である場合よりも曲率が大きい湾曲形状である、
   スクロール部材。
2. 前記ラップ（１８５，１８７）は、中心側の前記渦巻き中心部（１８５ａ，１８７ａ）と、前記渦巻き中心部の巻き終わり端部から外側に延びる渦巻き本体部（１８５ｂ，１８５ｃ，１８７ｂ，１８７ｃ）とから成り、
   前記渦巻き本体部は、インボリュート曲線を描く、
   請求項１に記載のスクロール部材。
3. 前記渦巻き中心部（１８５ａ，１８７ａ）は、半径が変化しない円弧形状であり、その曲率が、前記渦巻き本体部（１８５ｂ，１８５ｃ，１８７ｂ，１８７ｃ）の前記渦巻き中心部との境界近傍における曲率よりも大きい、
   請求項２に記載のスクロール部材。
4. 第１スクロール部材（１２４／１２６）および第２スクロール部材（１２６／１２４）が噛み合わされて形成される密閉空間（４０）の容積を、第１スクロール部材に対して相対的に第２スクロール部材を旋回運動させることによって連続的に減少させて、前記密閉空間に吸入された流体の圧縮を行うスクロール圧縮機（１）であって、
   第１スクロール部材および第２スクロール部材のうち少なくとも前記第１スクロール部材が、前記請求項１から３のいずれかに記載のスクロール部材であり、
   前記第１スクロール部材の前記ラップ（１８５／１８７）に対向するラップ（１８７／１８５）を備えた第２スクロール部材は、前記旋回運動において前記第１スクロール部材の前記ラップの前記渦巻き中心部（１８５ａ／１８７ａ）に接する部分（ＩＳ１８７ｂ／ＩＳ１８５ｂ）が、その周囲よりも厚肉化されている、
   スクロール圧縮機。
5. 二酸化炭素を圧縮する、
   請求項４に記載のスクロール圧縮機。

Images