JP2009024663A - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】可動スクロールの転覆、傾斜を簡易にして効果的に防止し、シールリング、ひいては流体機械の耐久性及び信頼性を向上することができるスクロール型流体機械を提供する。
【解決手段】ハウジング(2)に固定され、可動スクロール(32)の鏡板(36)の背面(36a)に対向する台座面(40)において可動スクロールを公転旋回可能に支持するフレーム(18)と、台座面に支持され、台座面と背面との間で背圧室(56)を高圧室(54)側と区画するシールリング(58)と、シールリングの外周側にて台座面に形成される環状溝(60)と、環状溝に嵌入され、スラスト荷重(F_T)を受容する支持部材(62)とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スクロール型流体機械に係り、詳しくは、冷凍空調機やヒートポンプ式給湯機に好適なスクロール型流体機械に関する。

この種のスクロール型流体機械、例えばスクロール圧縮機は、ハウジング内で固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回運動することにより、潤滑油を含む作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施して圧縮室を形成し、この圧縮室から吐出された作動流体の吐出圧が作用する高圧室と、この高圧室と連通することにより圧縮室内の圧縮反力を相殺するべく可動スクロールの鏡板の背面に背圧を付与し、可動スクロールのスラスト荷重を受容する背圧室とを備えている。

そして、背圧室を高圧室側と区画する２つのシールリングを可動スクロールの鏡板の背面に埋設された硬質プレートに摺接させ、可動スクロールの鏡板に吸入溝を形成することにより、高圧室側と背圧室側とを連通させると共に、各シールリングの摩擦による動力損失やシールリングの摩耗を低減しながら、ハウジングブロックたるフレームでスラスト荷重を受容する技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１１６４５８号公報

しかしながら、上記従来技術では、２つのシールリングはあくまでも可動スクロールの鏡板の背面に摺接して背圧室を形成するのみであり、スラスト荷重はフレームで受容されるため、可動スクロールの公転旋回中に圧縮室内の圧力が異常に急上昇すると、スラスト荷重の過大な増加によって可動スクロールがフレームに対して転覆、傾斜して台座面に接触し、可動スクロール及びフレームが磨耗、損壊するおそれがある。

また、上記従来技術は２重シール構造を構成するものであり、２つのシールリングの何れかに摩耗、損壊が生じると、可動スクロールのフレームに対する転覆、傾斜を加速させるおそれもある。
更に、上記従来技術は、可動スクロールに吸入溝を形成すると共に硬質プレートを埋設するため、可動スクロールの加工が複雑となってその重量バランスを欠き、可動スクロールのフレームに対する転覆、傾斜をより一層加速させるおそれもある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、可動スクロールの転覆、傾斜を簡易にして効果的に防止し、シールリング、ひいては流体機械の耐久性及び信頼性を向上することができるスクロール型流体機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載のスクロール型流体機械は、ハウジング内で固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回運動することにより、潤滑油を含む作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施して圧縮室を形成し、圧縮室から吐出された作動流体の吐出圧が作用する高圧室と、高圧室と連通することにより圧縮室内の圧縮反力を相殺するべく可動スクロールの鏡板の背面に背圧を付与し、可動スクロールのスラスト荷重を受容する背圧室とを備えたスクロール型流体機械であって、ハウジングに固定され、背面に対向する台座面において可動スクロールを公転旋回可能に支持するフレームと、台座面に支持され、台座面と背面との間で背圧室を高圧室側と区画するシールリングと、シールリングの外周側にて台座面に形成される環状溝と、環状溝に嵌入され、スラスト荷重を受容する支持部材とを具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、請求項１において、支持部材が可動スクロールの外周方向に沿って所定の間隙を存して位置づけられる２以上の円弧状部からなることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、請求項１又は２において、環状溝が台座面上における可動スクロールの公転旋回領域内で且つ公転旋回領域の外縁近傍に形成されることを特徴としている。

更にまた、請求項４記載の発明では、請求項１乃至３の何れかにおいて、背面に装着され、シールリング及び支持部材が摺接する摺接面を有するプレートを更に具備し、摺接面は背面に比して高硬度に形成されることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明では、請求項４において、プレートは、摺接面に形成され、可動スクロールの公転旋回運動に伴い、シールリングを間歇的に跨いで高圧室と背圧室とを連通させる連通溝を有することを特徴としている。

更に、請求項６記載の発明では、請求項１乃至５の何れかにおいて、作動流体が二酸化炭素からなる冷媒であることを特徴としている。

請求項１記載の本発明のスクロール型流体機械によれば、スラスト荷重を受ける支持部材をシールリングの外周側に設けることで、圧縮室の圧力上昇により可動スクロールのスラスト荷重が過大に増加しても、可動スクロールのフレームに対する転覆、傾斜によって可動スクロールが台座面に接触し磨耗するのを効果的に防止でき、可動スクロール、ひいてはスクロール型流体機械の耐久性及び信頼性を向上することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、支持部材を可動スクロールの外周側に沿って所定の間隙を存する２以上の円弧状部から構成することで、高圧室側と背圧室側との連通を妨げることなく、可動スクロールのフレームに対する転覆、傾斜を可動スクロールの略全周方向に亘って簡易にして効果的に防止でき、可動スクロール、ひいてはスクロール型流体機械の耐久性及び信頼性を更に向上することができる。

更に、請求項３記載の発明によれば、環状溝が台座面上における可動スクロールの公転旋回領域内で且つこの公転旋回領域の外縁近傍に形成されることにより、可動スクロールをその外周面近傍で支持することができ、可動スクロールのフレームに対する転覆、傾斜を更に効果的に防止でき、可動スクロール、ひいてはスクロール型流体機械の耐久性及び信頼性をより一層向上することができる。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、可動スクロールの背面にプレートを装着し、プレートのシールリング及び支持部材が摺接する摺接面を可動スクロールの背面に比して高硬度に形成することにより、可動スクロールに加工を施さなくても支持部材が摺接する被摺接面の磨耗、損壊によって可動スクロールが転覆、傾斜することを簡易にして防止でき、可動スクロール、ひいてはスクロール型流体機械の耐久性及び信頼性を大幅に向上することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、プレートが摺接面にシールリングを間歇的に跨いで高圧室と背圧室とを連通させる連通溝を有することで、可動スクロールに対して加工を施さなくても背圧室を形成することができるため、可動スクロールの重量バランスを保持しながら可動スクロールの転覆、傾斜を簡易にして防止でき、可動スクロール、ひいてはスクロール型流体機械の耐久性及び信頼性を確実に向上することができる。

更に、請求項６記載の発明によれば、作動流体が二酸化炭素からなる冷媒であることにより、スクロール型流体機械は高回転域で作動し、可動スクロールの公転旋回も高回転域で行われ、可動スクロールも転覆、傾斜し易くなるが、上記構成によれば、これを簡易にして効果的に防止でき、可動スクロール、ひいてはスクロール型流体機械の耐久性及び信頼性を向上することができる。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るスクロール型流体機械の一例として、密閉型のスクロール圧縮機を示している。この圧縮機１は、冷凍空調装置やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれ、当該回路は作動流体の一例である二酸化炭素冷媒（以下、冷媒という）が循環する経路を備え、圧縮機１は経路から冷媒を吸入し、圧縮して経路に向けて吐出する。

圧縮機１はハウジング２を備え、ハウジング２の胴部４の上側、下側にはそれぞれ上蓋６、下蓋８が気密に嵌合し、胴部４の内部は密閉されて冷媒の吐出圧が作用している。胴部４の適宜位置には上記回路から取り込んだ冷媒を吸入する吸入管１０が接続され、上蓋６の適宜位置にはハウジング２内の圧縮冷媒を上記回路へ吐出する吐出管１２が接続されている。

胴部４内には電動モータ１４が収容され、このモータ１４内には回転軸１６が配置されており、回転軸１６はモータ１４への通電によって駆動される。また、回転軸１６の上端側は軸受を介して主軸フレーム（フレーム）１８に回転自在に支持され、主軸フレーム１８はハウジング２に固定されている。
一方、回転軸１６の下端側は軸受を介して副軸フレーム２０に回転自在に支持されている。また、回転軸１６の下端側にはオイルポンプ２２が装着されており、このポンプ２２は下蓋８の内側に形成された貯油室２４内の潤滑油を吸引する。そして、潤滑油は回転軸１６内を軸線方向に穿孔される給油路２６を上昇し、回転軸１６の上端からモータ１４やスクロールユニット２８等に供給され、各摺動部分や軸受等の潤滑及びシールを実施する。このとき、冷媒の吐出圧が貯油室２４の潤滑油の油面に作用することも給油路２６における潤滑油の上昇に寄与する。更に、副軸フレーム２０の適宜位置には潤滑油の導入口３０が形成され、圧縮機１内の各摺動部分に供給された潤滑油は導入口３０を介して貯油室２４に貯留される。

上記スクロールユニット２８は胴部４内においてモータ１４の上方に配置され、冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施する。
当該ユニット２８は、可動スクロール３２及び固定スクロール３４から構成され、これらスクロール３２，３４はそれぞれ鏡板３６，３８を備え、鏡板３６には鏡板３８に向けて延びる渦巻きラップが一体形成され、鏡板３８にも鏡板３６に向けて延びる渦巻きラップが一体形成されている。

そして、これら渦巻きラップが互いに協働し、鏡板３８の外周側に内設されると共に吸入管１０と連通する図示しない吸入室から冷媒を吸入して圧縮室を形成する。圧縮室は、固定スクロール３４に対する可動スクロール３２の公転旋回運動により、渦巻きラップの中心に向けて移動しながら、その容積を減少させて上記一連のプロセスを実施する。
可動スクロール３２は、アルミニウム系金属材料から成形され、その自転が図示しない自転阻止機構により阻止されており、主軸フレーム１８の台座面４０上を公転旋回運動する。可動スクロール３２に公転旋回運動を付与するため、可動スクロール３２の鏡板３６の背面３６ａ側にはボス４２が突出して形成され、それに対向する回転軸１６の上端側には偏心軸４４が一体形成されており、ボス４２は軸受を介して偏心軸４４に回転自在に支持されている。

一方、固定スクロール３４は、主軸フレーム１８に固定され、鏡板３８の背面３８ａ側に形成される冷媒の吐出室４６を圧縮室と区画している。更に、固定スクロール３４の中央部分の適宜位置には、圧縮室と吐出室４６とを連通する冷媒の吐出孔４８が鏡板３８を貫通して穿設されており、吐出孔４８は背面３８ａ側に配置された吐出弁５０により開閉される。吐出弁５０は吐出ヘッド５２で覆われており、吐出ヘッド５２によって吐出弁５０の開弁時における音が抑制される。

上述した圧縮機１によれば、回転軸１６の回転に伴い可動スクロール３２が台座面４０上を公転旋回運動し、これにより吸入室の冷媒がユニット２８の内方に向けて流動しながら圧縮され、圧縮された高圧冷媒が吐出孔４８から吐出されてハウジング２内を循環し、循環した冷媒が吐出室４６から吐出管１２を通じて圧縮機１の外部へ送出される。
一方、冷媒の吐出圧の作用と相俟ってポンプ２２で汲み上げられた潤滑油は給油路２６から吐出され、ボス４２が収容される主軸フレーム１８のボス収容部１８ａに潤滑油の高圧室５４を形成する。高圧室５４の潤滑油は軸受等を潤滑しながら回転軸１６に沿ってハウジング２内を流下する一方、背面３６ａと台座面４０との間に形成される背圧室５６に流入し、鏡板３６の外周側を経てユニット２８の内方に導かれる。

背圧室５６は、高圧室５４をシールリング５８で区画して形成され、圧縮室内の圧縮反力を相殺するべく背面３６ａに潤滑油による背圧を付与している。換言すると、背圧室５６は可動スクロール３２を台座面４０に押圧する方向に作用するスラスト荷重Ｆ_Ｔを受容している。
リング５８は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の低摩擦係数を有する樹脂等から環状に成形され、台座面４０に支持されており、図示しない板ばね等で背面３６ａ側に押圧付勢されている。

ところで、図２のユニット２８の詳細拡大図にも示されるように、台座面４０にはリング５８の外周側に環状溝６０が凹設され、環状溝６０には可動スクロール３２を支持する支持部材６２が嵌入されている。一方、背面３６ａにはプレート６４が例えば接着され、プレート６４にはリング５８及び支持部材６２が摺接している。
図３に示される図２のＡ−Ａ方向からみた主軸フレーム１８の平面図も参照して説明すると、支持部材６２は、平面視半円状の２つの円弧状部６２ａ，６２ｂから構成され、これらは例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の高硬度を有するいわゆるエンジニアリングプラスティック等から成形されている。

円弧状部６２ａ，６２ｂは、可動スクロール３２の外周方向に沿って所定の間隙ｄを存して位置づけられ、背圧室５６と共にスラスト荷重Ｆ_Ｔを受容している。円弧状部６２ａ，６２ｂの台座面４０からの突出高さＨ_Ｃは、リング５８の台座面４０からの突出高さＨ_Ｒと略同一か、或いは所定の許容範囲内において突出高さＨ_Ｒより若干低く設定され、可動スクロール３２の公転旋回運動に伴い、少なくともリング５８だけはプレート６４に常時摺接可能になっている。

また、円弧状部６２ａ，６２ｂが可動スクロール３２の鏡板３６の外周面３６ｂ近傍においてスラスト荷重Ｆ_Ｔを受けることができるように、環状溝６０を台座面４０における可動スクロール３２の公転旋回領域内であって、この領域の外縁近傍に形成するのが好ましい。
図４に示される図２のＢ−Ｂ方向からみた可動スクロール３２の平面図も参照して説明すると、プレート６４は、所定の板厚ｔを有する平面視ドーナツ形状の薄板であって、鉄系金属材料から成形されており、可動スクロール３２の公転旋回運動に際して台座面４０と対向するプレート６４の摺接面６４ａに円弧状部６２ａ，６２ｂが摺接可能な大きさを有している。

摺接面６４ａには、プレート６４の径方向に所定の長さＬ、幅Ｗ及び深さＤを有する長溝（連通溝）６６が凹設されている。
長溝６６は、プレート６４の周方向に例えば９０°間隔で４つ形成され、可動スクロール３２の公転旋回運動によっても、円弧状部６２ａ，６２ｂが掛からない位置に位置づけられている。そして、可動スクロール３２の公転旋回運動に伴い、これら長溝６６を介して、高圧室５４の高圧潤滑油がリング５８を間歇的に跨いで背圧室５６に流入する。ここで、背圧室５６には、支持部材６２が存在するものの、円弧状部６２ａ，６２ｂ間の間隙ｄを潤滑油の流動が阻害されない程度の大きさに設定することにより、背圧室５６に流入した潤滑油は吸入室側へ向けて円滑に流動する。

一方、鏡板３８には背圧室５６と吸入室とを連通する図示しない背圧調整弁が内蔵され、この背圧調整弁を調整することにより、背圧室５６は高圧室５４より低圧且つ吸入室より高圧の中間圧にされる。そして、これら高圧室５４、背圧室５６及び吸入室の圧力差を利用することにより、潤滑油がユニット２８の内方に向けて好適に供給される。
こうして、可動スクロール３２の公転旋回運動に伴い、リング５８及び支持部材６２が摺接面６４ａに摺接し、中間圧となる背圧室５６が形成され、背圧室５６の圧力と支持部材６２との両方でスラスト荷重Ｆ_Ｔが受容される。

以上のように、本実施形態では、支持部材６２をリング５８の外周側に設けることで、圧縮室の圧力上昇により可動スクロール３２のスラスト荷重Ｆ_Ｔが過大に増加しても、可動スクロール３２の主軸フレーム１８に対する転覆、傾斜によって可動スクロール３２が台座面４０に接触し磨耗するのを効果的に防止できる。
しかも、支持部材６２を可動スクロール３２の外周側に沿って所定の間隙ｄを存する２つの円弧状部６２ａ，６２ｂから構成することで、高圧室５４側と背圧室５６側との間の潤滑油の連通を妨げることなく、可動スクロール３２の主軸フレーム１８に対する転覆、傾斜を可動スクロール３２の略全周方向に亘って簡易にして効果的に防止できる。

好ましくは、環状溝６０が台座面４０上における可動スクロール３２の公転旋回領域内で且つ公転旋回領域の外縁近傍に形成されることにより、可動スクロール３２をその外周面３６ｂ近傍で支持することができ、可動スクロール３２の主軸フレーム１８に対する転覆、傾斜を更に効果的に防止できる。
ここで、可動スクロール３２はアルミニウム系金属材料から成形されるが、アルミニウム系金属材料は、近年、その低重量や高加工性に加え、強度も飛躍的に改善されている。しかし、アルミニウム系金属材料は、常温クリープと呼ばれる現象が顕著であり、如何なる小さな力、衝撃でも数千、数万回と加え続ければひずみが蓄積し、破壊を生じやすいという点で耐久性の面で劣っている。

そこで、背面３６ａに鉄系金属材料のプレート６４を装着することにより、支持部材６２が摺接する被摺接面をアルミニウム系金属材料からなる可動スクロール３２の背面３６ａに比して高硬度化し、その耐摩耗性、耐久性を高めることができるため、可動スクロール３２に加工を施さなくても背面３６ａにプレート６４を装着するだけの簡単な構成で、支持部材６２が摺接する被摺接面の磨耗、損壊によって可動スクロール３２が転覆、傾斜することを簡易にして防止できる。

更には、プレート６４がその径方向にリング５８を間歇的に跨ぐ長溝６６を有することで、可動スクロール３２に対して加工を施さなくても中間圧となる背圧室５６を形成することができるため、可動スクロール３２の重量バランスを保持しながら、その転覆、傾斜を簡易にして且つ確実に防止できる。
このようにして可動スクロール３２の転覆、傾斜を簡易にして効果的に防止することにより、可動スクロール３２、ひいては圧縮機１の耐久性及び信頼性を大幅に向上することができる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では支持部材６２は２つの円弧状部６２ａ，６２ｂから構成されているが、可動スクロール３２のスラスト荷重Ｆ_Ｔを受容でき且つ潤滑油の連通路を確保できれば良く、例えば、支持部材６２を３以上の円弧状部から構成しても良く、又は潤滑油の連通孔を設けたリング状に形成しても良く、又はリング状及び円弧状に限らず他の形状に形成しても良い。

また、上記実施形態では背面３６ａにプレート６４を装着し、プレート６４の摺接面６４ａにリング５８及び支持部材６２を摺接させているが、プレート６４を用いることなく、リング５８及び支持部材６２を背面３６ａに直接に摺接させるようにしても、少なくとも可動スクロール３２の転覆、傾斜を防止することはできる。
更に、上記実施形態では二酸化炭素を冷媒として用いているが、これに限定されない。但し、二酸化炭素を冷媒とすることにより、圧縮機１は高回転域で作動し、可動スクロール３２の公転旋回は高回転域で行われ、可動スクロール３２も転覆、傾斜し易くなるが、上記構成によれば、これを簡易にして効果的に防止することができる。

最後に、上記実施形態では冷凍空調装置やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれる密閉型のスクロール圧縮機について説明しているが、本発明はこれに限らず種々の分野における密閉型以外の圧縮機又は膨脹機等のスクロール型の流体機械に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る密閉型スクロール圧縮機を示した縦断面図である。 図１のスクロールユニットを詳細に拡大して示した縦断面図である。 図２のＡ−Ａ方向からみた主軸フレームを示した平面図である。 図２のＢ−Ｂ方向からみた可動スクロールを示した平面図である。

符号の説明

１ スクロール圧縮機（スクロール型流体機械）
２ ハウジング
１８ 主軸フレーム（フレーム）
３２ 可動スクロール
３４ 固定スクロール
３６ 鏡板
３６ａ 背面
４０ 台座面
５４ 高圧室
５６ 背圧室
５８ シールリング
６０ 環状溝
６２ 支持部材
６２ａ 円弧状部
６２ｂ 円弧状部
６４ プレート
６４ａ 摺接面
６６ 長溝（連通溝）
Ｆ_Ｔ スラスト荷重
ｄ 間隙

Claims (6)

1. ハウジング内で固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回運動することにより、潤滑油を含む作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施して圧縮室を形成し、該圧縮室から吐出された作動流体の吐出圧が作用する高圧室と、該高圧室と連通することにより前記圧縮室内の圧縮反力を相殺するべく前記可動スクロールの鏡板の背面に背圧を付与し、前記可動スクロールのスラスト荷重を受容する背圧室とを備えたスクロール型流体機械であって、
   前記ハウジングに固定され、前記背面に対向する台座面において前記可動スクロールを公転旋回可能に支持するフレームと、
   前記台座面に支持され、該台座面と前記背面との間で前記背圧室を前記高圧室側と区画するシールリングと、
   前記シールリングの外周側にて前記台座面に形成される環状溝と、
   前記環状溝に嵌入され、前記スラスト荷重を受容する支持部材とを具備することを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記支持部材は、前記可動スクロールの外周方向に沿って所定の間隙を存して位置づけられる２以上の円弧状部からなることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記環状溝は、前記台座面上における前記可動スクロールの公転旋回領域内で且つ該公転旋回領域の外縁近傍に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。
4. 前記背面に装着され、前記シールリング及び前記支持部材が摺接する摺接面を有するプレートを更に具備し、該摺接面は前記背面に比して高硬度に形成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のスクロール型流体機械。
5. 前記プレートは、前記摺接面に形成され、前記可動スクロールの公転旋回運動に伴い、前記シールリングを間歇的に跨いで前記高圧室と前記背圧室とを連通させる連通溝を有することを特徴とする請求項４に記載のスクロール型流体機械。
6. 前記作動流体が二酸化炭素からなる冷媒であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のスクロール型流体機械。

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