JP2009108748A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】作動冷媒に二酸化炭素を使用する場合、動作圧力が通常のＨＦＣ冷媒の約３倍となるため、旋回スクロールの鏡板と固定スクロールの鏡板が摺動する面には過大な押し付け力が発生し、さらに大容量で多冷媒となるシステムで液冷媒の戻りが激しい過渡運転時には、摺動面にアルマイト処理層が存在すると、アルマイト層の耐摩耗性が高く、材料素地であるアルミニウム部から剥離し、焼き付きに至るという問題が発生する。
【解決手段】固定スクロールと摺動する旋回スクロールに表面改質処理を施し、旋回スクロールのラップ端面の表面処理層の一部を除去加工し材料素地とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機、冷凍機器、あるいはヒートポンプ式の給湯装置に用いられるスクロール圧縮機に関するものである。

冷凍空調用の圧縮機としては、圧縮機構の方式がレシプロ式、ローリングピストン式およびスクロール式のものがあり、いずれの方法も家庭用、業務用の冷凍空調分野で使用されている。いずれの方式の圧縮機も、密閉容器内に、圧縮機構部と、その駆動用のシャフト、及び電動機等を収容して構成されている（例えば、特許文献１参照）。

ここでは、ＨＣＦＣ系冷媒Ｒ２２を作動冷媒に使用している場合のスクロール圧縮機を例にとり、従来の技術を説明する。

図４に従来のスクロール圧縮機の縦断面図を示す。

密閉容器１の内部には、固定スクロール２ａと旋回スクロール３とから構成された圧縮機構部２、オルダム継手４を介して旋回スクロール３を固定スクロール２ａに対して旋回運動させるシャフト５と、固定スクロール２ａを固定されシャフト５を回転自在に支持する軸受部材６を設けている。

シャフト５には電動機７の回転子７ａが取り付けられており、胴シェル２１に焼き嵌め固定された固定子７ｂとともに軸受部材６の下部に配設されている。

密閉容器１の下方底部には潤滑油９を貯溜する油溜め１０が設けられており、シャフト５の貫通穴１３の下端より油溜め１０の潤滑油９をシャフト５の回転に伴いオイルポンプ１７で吸い上げ、ジャーナル軸受６ａ、偏芯軸受３ａ、および固定スクロール２ａと旋回スクロール３ｆなどの各摺動面へ供給する。

次に、以上のような構成を有する従来のスクロール圧縮機における、冷媒ガスの圧縮サイクルを説明する。空調機の熱交換器（図示せず）などを循環してきた低圧の冷媒ガスは吸入管１１より圧縮機構部２に吸入される。

吸入された冷媒ガスは、固定スクロール２ａと旋回スクロール３との間に形成された三日月状の圧縮空間（図示せず）に入り、旋回スクロール３の旋回運動により三日月状の圧縮空間が外側から中央に向かって次第に縮小することで、冷媒ガスは圧縮され高圧ガスとなり吐出孔１２より吐出される。

ここで、固定スクロール２ａは鉄系金属材料で形成し、旋回スクロール３はアルミニウム系金属材料にて形成している。

吐出孔１２より吐出された高圧ガスは、一旦密閉容器１内の固定スクロール２ａの上方の吐出空間１ａへ吐出され、ガス通路１４を通じ、電動機７が収容された下部空間１ｂに流れ、回転子７ａ内に設けられたガス通路１８ａから密閉容器１の底部空間１ｃへ、さらに固定子７ｂの外周に設けられた通路１８ｂを通じ上方に流れ、通路１４とは別に設けられたガス通路１５を通じ、固定スクロール２ａより上方の空間１ｃに流れ、吐出管１６より、外部の図示しない熱交換器などの空調システムへ吐出される。そして、高圧ガスは該空調システムにおいて空調機の熱交換器などを循環し低圧ガスとなり、再び吸入管１１より圧縮機に戻る周知の圧縮サイクルを構成する。

次に、従来のスクロール圧縮機における、各摺動部へ潤滑油９を供給する潤滑油の循環サイクルを説明する。油溜め１０からオイルポンプ１７で吸い上げられた潤滑油９は、シャフト５の貫通穴１３の中を上昇し、偏心軸受３ａ、ジャーナル軸受６ａおよび各摺動部を潤滑、冷却して、ジャーナル軸受６ａの下部の油排出口から可動子７ａ上部へ排出され、可動子７ａ内の通路１８ｂを通って底部の油溜め１０に戻る潤滑油の循環サイクルを形成している。

また、偏心軸受３ａを通った潤滑油９の一部も、旋回スクロール３の下方のボス部空間２１から、オルダム継手４が設置された背圧空間２２、そして背圧空間２２の圧力を調整する吸入背圧調整弁２３を通じて吸入側の圧縮室２４に導かれ、旋回スクロール３の旋回運動により圧縮された冷媒ガスとともに吐出孔１２よりでてガス通路１４、１８ａを通じ、底部の油溜め１０に戻る潤滑油の循環サイクルを形成している。この循環サイクルの過程で、オルダム継手４および旋回スクロール３、固定スクロール２ａ等の各摺動部を潤滑、冷却する。

しかしながら、地球環境への問題へ対応から、従来用いられていたＲ１２等のＣＦＣ系やＲ２２などのＨＣＦＣ系冷媒より地球温暖化抑制に適した、高効率で地球温暖化係数の小さいＨＦＣ系冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ，またはＲ３２等を、主成分としたＨＦＣ系冷媒等）、あるいは地球温暖化係数がさらに小さい自然冷媒（例えば、二酸化炭素等）を冷媒に用いた機器の利用が進められている。これらの冷媒に対応するために、従来の構成の圧縮機では次のような課題が生じていた。

これらの冷媒の多くは、冷媒の特性上、機器のシステム効率を高めるために、従来冷媒Ｒ２２等より作動圧力が高くする必要があり、その圧力に応じて摺動部は大きい力を受けながら摺動する。

例えば、図５に示す上記圧縮機の構成の場合、ボス部空間２１及び背圧空間２２の圧力により旋回スクロール３は、固定スクロール２ａに押付けられながら旋回運動しているが、その際図５に示すように、固定スクロール２ａの圧縮室スラスト面３２ｂと旋回スクロール３のラップ端面３３ａ（図中では上面側）、同様に固定スクロール２ａのラップ端面３２ａ（図中では下面側）と旋回スクロール３の圧縮室スラスト面３３ｂが、上記荷重を受けながら互いに摺動している。

またオルダム継手４のキー部４ａと旋回スクロール３のキー溝部３ｂも、上記同様に荷重を受け互いに摺動している。

これらの摺動部では、過酷な運転条件や従来フロンＨＣＦＣの代替用冷媒ガス（潤滑作用を有していた塩素がないＨＦＣ系冷媒Ｒ４１０Ａ、自然冷媒二酸化炭素等）での高差圧の運転条件において、運転時には過大な荷重が発生し摺動部の潤滑油膜が非常に薄くなり、部分的に接触する（境界潤滑に近い）混合潤滑状態となる。この（境界潤滑に近い）混合潤滑状態が続いた場合には、摺動部の表面に摩耗が発生し、信頼性を損なう課題が生じていた。

この課題に対応するため、摺動部の表面に耐摩耗性の高い材料や表面改質処理を有する構成が考案、実施されている。

例えば、旋回スクロール３の基材にアルミを主成分とする材料が用いられる場合、アルミの表面に陽極酸化層を形成する方法が提案されている。陽極酸化層の形成には、硫酸やシュウ酸などを用いた方法が一般的に用いられている。アルミを主成分とする材料上に形成された陽極酸化層は、通常アルマイトと呼ばれている（以下アルマイトと称する）。

図６に、従来のアルマイト皮膜を形成する場合の、旋回スクロール３の製作工程の概略を示す。まず、旋回スクロール素材から加工取り代（例えば、約２０μｍ程度）を残し略仕上げ形状にまで加工する前仕上げ加工工程、次に所定の精度に仕上げる仕上げ加工工程を経る。そして、アルマイト処理工程で、所定のアルマイト皮膜を表面に形成される。また、アルマイト処理工程の前に必要に応じて、アルマイト層を形成させない部分や、アルマイト処理工程での処理液等を混入させたくない部分を樹脂などで覆うマスキング工程を有する場合がある（例えば、特許文献２参照）。

この技術の応用として、圧縮機部の信頼性を向上するために、固定スクロールおよび旋回スクロールのどちらか一方もしくは両方にアルマイト処理を施し、その表面に複数の凹部を設けたものがある（例えば、特許文献３参照）。図７（ａ）は特許文献３に記載された従来のスクロール圧縮機の固定スクロールの平面図、（ｂ）は同固定スクロールの断面図、（ｃ）は特許文献３に記載された従来のスクロール圧縮機の旋回スクロールの平面図、（ｄ）は同旋回スクロールの断面図である。図７に示すように、固定スクロール１２および旋回スクロール１３のアルマイト処理を施した両ラップ１２ｂ、１３ｂのハネ先端面、および両鏡板１２ａ、１３ａの摺動面に、複数の凹部１０１を設け、凹部に油膜を確保することにより、摺動面の焼き付きを防ぎ、耐摩耗性および信頼性を向上するものである。

しかしながらこれらの構成では、アルマイト処理を施すことでスクロールの耐摩耗性は向上するが、アルマイト層の皮膜を厚く形成すると表面粗さが大きくなるため、摺動部の摩擦係数が大きいことや、なじみ性が悪いなどの課題を有していた。

さらに冷媒に二酸化炭素を使用する場合、動作圧力が通常のＨＦＣ冷媒の約３倍となるため、旋回スクロールの鏡板と固定スクロールの鏡板が摺動する面には過大な押し付け力が発生し、さらに大容量で多冷媒となるシステムで液冷媒の戻りが激しい過渡運転時には、摺動面にアルマイト処理層が存在すると、アルマイト層の耐摩耗性が高く、材料素地であるアルミニウム部から剥離し、焼き付きに至るという問題が生じていた。
特開２００２−１６１８５６号公報 特開平６−１６７２４３号公報 特開２００１−３０４１４９号公報

本発明は、前記問題点を解決するもので、旋回スクロールの固定スクロールの摺動により発生する応力を低減し、信頼性の高いスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のスクロール圧縮機は、固定スクロールと摺動する旋回スクロールに表面改質処理を施し、旋回スクロールのラップ端面の表面処理層の一部を除去し材料素地としたものである。

本発明によれば、過大な押し付け力が発生する固定スクロールと旋回スクロールの摺動面での摩擦係数を低減し、スクロールラップにかかる応力を低減することにより、摺動面における剥離や焼きつきを抑制することができる。

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、本発明の実施の形態で用いたスクロール圧縮機の構成において、図４で説明した従来の技術の例と同一機能部品については同一番号を使用し、同一の構成および作用の説明は省略する。

本発明の実施の形態におけるスクロール圧縮機は、二酸化炭素を冷媒に用いた場合を例に説明するが、これに限るものではなく、従来用いられている冷媒でも作動圧力が５ＭＰａを超えて使用する場合や、ＨＦＣ系冷媒Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、またはハイドロカーボン等や、それより低い従来のＨＣＦＣ２２などの冷媒を用いた場合にも同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１から図３を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における旋回スクロールの平面図、図２は本発明の実施の形態における旋回スクロールの断面図である。また図３は本発明の実施の形態における旋回スクロールの製作工程図である。

本実施の形態１である図１あるいは図２の構成と従来構成との違いは、アルマイト処理工程後に、アルマイト層を除去しながら仕上げる、仕上げ工程を設けたことにある。その製作工程を、図３を用いて説明する。

まず、図３の旋回スクロールの製作工程の概略を説明する。まず、旋回スクロール素材から前仕上げ加工工程で、加工取り代（例えば、仕上精度から約２０μｍ程必要）を考慮し略仕上げ形状にまで加工する。次にアルマイト処理工程で、所定の厚さ（例えば約５０μｍ程）までアルマイト層を表面に形成する。アルマイト層２６を形成後、仕上げ加工工程で、所定の寸法および精度で仕上げを行い、旋回スクロール３を完成する。

図２は、旋回スクロール３の断面図である。ここでは、偏心軸受部３ａ部にアルマイト層が形成されないようにマスキング治具３７ａを装着している。アルマイト３６は図中のラップ端面３３ａ、ラップ側面３３ｃ、スラスト面３３ｂ、鏡板面３３ｄ、キー溝部３３ｅに形成される。そのアルマイト層３６を形成後、ラップ端面３３ａのアルマイト層についてはラッピングにより除去し、所定の精度に仕上げる。

さらに鏡板厚みｔ１、ラップ高さｔ２、ラップ厚みｔ３を、所定の精度に仕上げる。例えば、鏡板厚さを仕上げる際を説明する。摺動面となるスラスト面３３ｂを所定表面粗さ（例えば、Ｒａで約０．２μｍ）の陽極酸化層３６とするために、仕上げ前の陽極酸化層３６の表面粗さ（例えば、Ｒａで約５μｍの場合）以上を表面より除去（除去厚みδ３）し仕上げることで、先の表面粗さを得ることができる。このスラスト面３３ｂ側の仕上げより先に、鏡板面３３ｄ側から所定の加工代（＝仕上げ前鏡板厚み−鏡板厚みｔ１−スラスト面３３ｂ側からの除去厚みδ３）を除去し、その後、スラスト面３３ｂ側から除去厚みδ３を除去する。尚、手順はこれに限るものではなく、これとは逆に、先にスラスト面側を仕上げてもよい。ラップ高さ、ラップ厚みも同様の方法で仕上げを行う。

また本実施の形態では表面処理としてアルマイト処理を例に説明しているが、旋回スクロール１３においては、図１の斜線で示した固定スクロール１２と摺動する面に少なくとも硬化層であるアルマイト皮膜処理、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理、ニッケルリンメッキ処理のいずれかの表面処理を施せばよい。

これによって、大容量で多冷媒となるシステムにおける液冷媒の戻りが激しい過渡運転時に、洗浄性の高い二酸化炭素の液冷媒により、旋回スクロール１３と固定スクロール１２との摺動面において潤滑油切れや温度上昇が発生してアルミニウム表面が起点となり焼付きに至る恐れが大きい条件においても、焼き付くことなく運転でき、信頼性の高いスクロール圧縮機を実現できる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、過大な押し付け力が発生する固定スクロールと旋回スクロールの摺動面での摩擦係数を低減し、スクロールラップにかかる応力を低減することにより、摺動面における剥離や焼きつきを抑制することが可能となるので、空気調和機や冷蔵庫などの冷凍機器の他に除湿機、乾燥機、ヒートポンプ式給湯機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における旋回スクロールの平面図 本発明の実施の形態における旋回スクロールの断面図 本発明の実施の形態における旋回スクロールの製作工程図 従来例のスクロール圧縮機の断面図 従来例の圧縮主要部の断面図 従来例の旋回スクロールの製作工程図 （ａ）従来例のスクロール圧縮機固定スクロールの平面図（ｂ）同断面図（ｃ）従来例のスクロール圧縮機旋回スクロールの平面図（ｄ）同断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 圧縮機構
２ａ 固定スクロール
３ 旋回スクロール
３６ アルマイト層
３７ マスク治具

Claims (5)

1. それぞれの鏡板に渦巻き状のスクロールラップを直立形成した固定スクロールと旋回スクロールをかみ合わせて圧縮室を形成し、前記旋回スクロールの反スクロールラップ側に圧縮室とは圧力的に遮断されて背圧制御機構により吐出圧力と吸入圧力の中間圧に保たれる背圧室を有し、前記旋回スクロールが前記背圧室により固定スクロール側に向かって付勢されて固定スクロールとの離反を防止されつつ旋回運動を行うことにより、前記圧縮室が外周側から中心に向かって移動しながら容積を減じて圧縮動作を行うスクロール圧縮機において、前記旋回スクロールの摺動面に表面改質処理を施し、前記旋回スクロールのラップ端面の表面処理層の一部を除去加工し材料素地としたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 材料素地部は、ラッピング加工により形成してなることを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. スクロール圧縮機は、旋回スクロールをアルミニウム系金属材料で形成するとともに、固定スクロールを鉄系金属材料で形成することを特徴とする請求項１または２に記載のスクロール圧縮機。
4. 表面改質処理は、旋回スクロールの少なくとも固定スクロールと摺動する面にアルマイト処理、ＰＶＤ処理、ニッケルリンメッキ処理のいずれかを施したことを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
5. 作動冷媒がＨＦＣ系冷媒または二酸化炭素を主成分とすることを特徴する請求項１から４いずれか１項に記載のスクロール圧縮機。