JP2009235939A - スクロール型流体機械の加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラップ高さを容易にして高精度に加工することができ、ひいてはラップの加工コストを低減することができるスクロール型流体機械の加工装置及び加工方法を提供する。
【解決手段】スクロール型流体機械の加工装置は、可動スクロールまたは固定スクロールのうち少なくとも一方の鏡板をラップの高さ方向のみで固定するクランプ手段と、このクランプ手段により固定された鏡板のラップを同一の切削加工治具にて所定のラップ高さに加工する切削加工手段とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷凍空調機やヒートポンプ式給湯機に組み込まれて好適なスクロール型流体機械の加工装置及び加工方法に関する。

この種のスクロール型流体機械、例えば密閉型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、作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施するスクロールユニットを備えている。
詳しくは、可動及び固定スクロールの鏡板の鏡板面には、それぞれ渦巻き状のラップが立設され、これらラップが協働してラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、この圧縮室がラップの最内周部に向けてその容積を減少させながら移動することにより上記一連のプロセスを実施している。

そして、ラップの先端をラップ中心に向け所定の傾斜角でラップの渦巻き状に沿って直線的に減少させた傾斜面とするラップ高さ加工を施すことにより、ラップが熱膨張してもラップの先端面と対向する鏡板面との間のスラスト方向ギャップを適正に保持することにより、圧縮機の圧縮効率及び耐久性を向上することができる技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。
特許３０４６４８６号公報

ところで、上記従来技術では明確にされていないものの、上記ラップ高さ加工は一般にラップの先端を研磨してラップ高さを高精度に加工するためのラッピング加工と、ラップの先端に上記傾斜面を形成するためのスパイラル加工とが異なる切削加工治具を有する異なる旋盤にて異なる切削加工工程にて行われる。
また、旋盤による切削加工は、少なくとも鏡板の外周を２箇所と、ラップの高さ方向を１箇所との合計３箇所をクランプによりチャック固定してから行われ、その加工基準面は鏡板の鏡板面の反対側の面である背面となるのが一般的である。

しかしながら、このような加工方法では、ラップ高さ加工に２工程を要する為にラップ高さを高精度に加工し難い。
また、クランプによるチャック固定が上記３箇所により行われることにより、直交する２方向から鏡板が押圧されてたわみ変形し、このように鏡板が変形した状態において、精度を要求されない鏡板の背面がラップ高さ加工のための切削加工の加工基準面となるため、結果としてラップ高さに大幅な誤差が生じ、やはりラップ高さを高精度に加工できず、ラップの加工工程が煩雑になり、加工コストも増大するとの問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ラップ高さを容易にして高精度に加工することができ、ひいてはラップの加工コストを低減することができるスクロール型流体機械の加工装置及び加工方法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の加工装置は、鏡板の鏡板面に渦巻き状のラップが対をなしてそれぞれ立設された固定及び可動スクロールを備え、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、ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、この圧縮室がラップの最内周部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロール型流体機械の加工装置であって、可動スクロールまたは固定スクロールのうち少なくとも一方の鏡板をラップの高さ方向のみで規制し固定するクランプ手段と、このクランプ手段により固定された鏡板のラップを同一の切削加工治具にて所定のラップ高さに加工する切削加工手段とを備えた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、クランプ手段は、鏡板の鏡板面の反対側の面である背面を鏡板面側に向けて押圧する押圧手段と、この押圧手段により押圧された鏡板を鏡板面の少なくとも３箇所以上に当接させて支持する支持部材と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２において、支持部材は、鏡板の径方向の移動を阻止する側部と、この側部からラップの最内周部に向けて屈曲される鍔部とから構成され、この鍔部は押圧手段により鏡板面が当接される支持面を有す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３において、押圧手段は、ばねによる所定の弾性力により鏡板を支持面に向けて押圧す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３において、押圧手段は、所定の空気圧により鏡板を支持面に向けて押圧することを特徴としている。
また、請求項６記載のスクロール型流体機械の加工方法は、鏡板の鏡板面に渦巻き状のラップが対をなしてそれぞれ立設された固定及び可動スクロールを備え、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、ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、この圧縮室がラップの最内周部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロール型流体機械の加工方法であって、可動スクロールまたは固定スクロールのうち少なくとも一方の鏡板をラップの高さ方向のみで規制し固定するクランプ工程と、このクランプ工程で固定された鏡板のラップを同一の切削加工治具にて所定のラップ高さに加工する切削加工工程と、からなることを特徴としている。

更に、請求項７記載の発明では、請求項６において、切削加工工程では、ラップ高さをラップの中央部が最も低くなるように凹面加工することを特徴としている。

従って、請求項１記載の本発明のスクロール型流体機械の加工装置によれば、可動スクロールまたは固定スクロールのうち少なくとも一方の鏡板をラップの高さ方向のみで規制し固定するクランプ手段と、このクランプ手段により固定された鏡板のラップを同一の切削加工治具を用いて所定のラップ高さに加工する切削加工手段とを備える。これにより、クランプ手段による鏡板のたわみ変形を防止して切削加工の加工基準面を少なくとも平坦化することができ、ラップ高さを加工するための切削加工を同一の切削加工治具を用いた１工程とすることができるため、ラップ高さを容易にして高精度に加工することができ、ひいてはラップの加工コストを低減することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、クランプ手段は、鏡板の鏡板面の反対側の面である背面を鏡板面側に向けて押圧する押圧手段と、この押圧手段により押圧された鏡板を鏡板面の少なくとも３箇所以上に当接させて支持する支持部材とからなる。これにより、鏡板を３点支持にて確実に平坦化して固定することができ、更に、予め高精度に平坦化された鏡板面を切削加工の加工基準面とすることができるため、ラップ高さを更に高精度に加工することができる。

更に、請求項３記載の発明によれば、支持部材は、鏡板の径方向の移動を阻止する側部と、側部からラップの最内周部に向けて屈曲される鍔部とから構成され、この鍔部は押圧手段により鏡板面に当接される支持面を有する。これにより、鏡板の径方向の移動を阻止しつつ支持部材による鏡板の支持を面接触により行うことができるため、ラップ高さをより一層高精度に加工することができる。

更にまた、請求項４、５記載の発明によれば、押圧手段は、ばねによる所定の弾性力により（請求項４）、または、所定の空気圧により（請求項５）、鏡板を支持面に向けて押圧する。これにより、ばねや空気圧の設定を変えるだけで鏡板に対する押圧力を容易にして調整することができるため、ラップ高さを容易にして高精度に加工することができて好ましい。

また、請求項６の本発明のスクロール型流体機械の加工方法によれば、鏡板の鏡板面に渦巻き状のラップが対をなしてそれぞれ立設された固定及び可動スクロールを備え、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、ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、この圧縮室がラップの最内周部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロール型流体機械の加工方法であって、可動スクロールまたは固定スクロールのうち少なくとも一方の鏡板をラップの高さ方向のみで規制し固定するクランプ工程と、このクランプ工程で固定された鏡板のラップを同一の切削加工治具にて所定のラップ高さに加工する切削加工工程と、からなる。これにより、クランプ工程によって鏡板のたわみ変形を防止して切削加工の加工基準面を少なくとも平坦化することができ、切削加工工程によって切削加工を同一の切削加工治具を用いた１工程とすることができるため、ラップ高さを容易にして高精度に加工することができ、ひいてはラップの加工コストを低減することができる。

具体的には、請求項７記載の発明によれば、切削加工工程では、ラップ高さをラップの中央部が最も低くなるように凹面加工することにより、ラップが熱膨張してもラップの先端面と対向する鏡板面との間のスラスト方向ギャップを適正に保持することができて好ましい。

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のスクロールユニット２の縦断面図を示しており、当該ユニット２は、図示しない密閉容器内に収容され、回転軸４を介して図示しない電動モータにより駆動される。
当該圧縮機は、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。この際、ユニット２は冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施する。

詳しくは、ユニット２は可動スクロール６及び固定スクロール８から構成され、可動スクロール６は鏡板１０を備え、この鏡板１０の鏡板面１０ａには固定スクロール８の鏡板１２に向けて延びる渦巻き状のラップ１４が立設され、一方、固定スクロール８の鏡板１２の鏡板面１２ａにも鏡板１０に向けて延びる渦巻き状のラップ１６が立設されている。
そして、これらラップ１４，１６が互いに協働し、鏡板１２の外周側に形成された冷媒の吸入ポート１８から冷媒を吸入して圧縮室２０を形成する。圧縮室２０は、固定スクロール８に対する可動スクロール６の公転旋回運動により、これらラップ１４，１６の径方向の最外周側から中心である最内周側に向けて移動しながらその容積が減少される。

可動スクロール６に公転旋回運動を付与するため、鏡板１０の背面側にはボス２２が形成され、ボス２２は軸受２４を介して回転軸４の上端側に一体形成される偏心軸２６に回転自在に支持されている。なお、可動スクロール６の自転は図示しない自転阻止ピンにより阻止されている。
一方、固定スクロール８は密閉容器の内側に固定される図示しないフレームに支持、固定されており、固定スクロール８の中央部分には圧縮室２０に連通可能な吐出孔２８が穿設される。

上述した圧縮機によれば、回転軸２６の回転に伴って可動スクロール６が自転することなく公転旋回運動することにより、吸入ポート１８を介してユニット２に吸入した冷媒をユニット２の内方に向けて移動させながら圧縮した後に吐出孔２８から吐出する。そして、吐出孔２８から吐出された冷媒は密閉容器内を循環した後に図示しない吐出ポートを介して圧縮機外へ送出される。

ところで、図２の可動スクロール６の縦断面図に示されるように、本実施形態のラップ１４はラップ１４の最外周側に形成されるフラット部３０と、ラップ１４の最内周部３２側に形成される凹面部３４とから形成されている。
図３に示される可動スクロール６の鏡板面１０ａ側からみた平面図も参照すると、フラット部３０はラップ１４のうち、最外周側の１巻と略半巻目となる部分に該当し、鏡板面１０ａから先端までのラップ高さＨが最大となり、その先端は平坦なフラット面３０ａとなっており、可動スクロール６を固定スクロール８と組合わせたときに、フラット面３０ａと固定スクロール８の鏡板面１２ａとの間には最小のスラスト方向ギャップＧ_ＭＩＮを残して最外周側の圧縮室２０が形成される。

一方、凹面部３４はラップ１４のうち、フラット部３０よりも最内周部３２側の全巻部分に該当し、図３中に斜線で示されており、ラップ１４の先端により形成される面が所定の曲率ｋとなる回転楕円面または球面をなす凹面３４ａを形成している。
凹面部３４におけるラップ１４のラップ高さＨはフラット部３０から最内周部３２にかけて滑らかに放物線状に減少し、最内周部３２において最小となっている。換言すると、凹面３４ａと対向する鏡板面とのスラスト方向ギャップＧはフラット部３０から最内周部３２にかけて滑らかに放物線状に増大し、最内周部３２において最大のギャップＧ_ＭＡＸ（例えば６マイクロメートル程度）となる。

また、図３に示される凹面部３４とフラット部３０との境界部３６は凹面３４ａとフラット面３０ａとが段差無く滑らかに連続しており、曲率ｋはこのような境界部３６を形成するべくを予め設定される。なお、凹面部３４からフラット部３０にかけ曲率ｋを連続的に変化させて境界部３６を形成しても良い。そして、可動スクロール６を固定スクロール８と組合わせたときには、可動スクロール６のラップ１４と対向する固定スクロール８の鏡板面１２ａとの間のスラスト方向ギャップＧがフラット部３０から最内周部３２にかけて滑らかに放物線状にて変化し、圧縮機の圧縮運転時におけるラップ１４，１６の熱膨張時には、フラット部３０の場合と同様に、最小のスラスト方向ギャップＧ_ＭＩＮを残して最内周部３２側の圧縮室２０が形成される。

以下、凹面部３４を形成するための凹面加工工程について説明する。
先ず、アルミ系材料からなる鏡板６に対して切削加工を施すことにより、先端がフラット面３０ａとなるフラット部３０のみを有するラップ１４を形成する。
次に、図４に示される旋盤３８のクランプ機構(クランプ手段)４０に鏡板１０を固定し（クランプ工程）、フラット部３０の内周側に対して、ダイヤモンドなどの高硬度を有する刃部４２を備えた切削加工治具４４による切削加工を施す（切削加工手段、切削加工工程）。

この切削加工では、ラップ１４の渦巻き中心Ｏを加工中心とし、切削加工治具４４である例えば旋盤加工用のバイトやインサートチップの刃部４２をラップ１４の先端に押圧しながら切削または研磨することにより、フラット部３０を最外周側のみ残して図４中の点線部分が椀形状に削られ、ラップ１４の最内周部３２側のみに凹面３４ａを有する凹面部３４を形成している。

ここで、クランプ機構４０は、鏡板１０の鏡板面１０ａの反対側の面である背面１０ｂを鏡板面１０ａ側に向けて押圧する押圧機構（押圧手段）４６と、この押圧機構４６により押圧された鏡板１０を鏡板面１０ａにて支持する支持部材４８とから構成されている。
支持部材４８は、鏡板１０の径方向の移動を阻止する側部４８ａと、側部４８ａからラップ１４の最内周部３２側に向けて屈曲される鍔部４８ｂとから構成され、鍔部４８ｂは押圧機構４６により鏡板面１０ａが当接される支持面５０を有している。

一方、押圧機構４６は、ボス２２の端面２２ａに当接される当接部４６ａと、側部４８ａの内周に固定される固定部４６ｂと、当接部４６ａと固定部４６ｂとを連結し、当接部４６ａを介して鏡板１０を支持面５０に対して所定の弾性力で押圧するばね５２とから構成されている。
図５は支持部材４８を図４のＡ方向からみた平面図であり、この図から明らかなように、支持部材４８には鍔部４８ｂが略等間隔に３箇所に形成されており、押圧機構４６により押圧された鏡板１０はその鏡板面１０ａが３箇所の支持面５０に当接されて支持される。また、支持部材４８の内径Ｄｉは側部４８ａ内に鏡板１０を挿入可能な大きさであって、押圧機構４６によって鏡板１０が押圧されても鏡板１０をその径方向にがたつかない程度に規制して固定可能なはめあいに設定されている。なお、このようながたつきを防止するために、鏡板１０の外周を若干チャック固定する効果が得られるように内径Ｄｉを設定しても良い。

このようにして形成されたラップ１４を有する圧縮機の圧縮運転開始初期には、各ラップ１４，１６はほぼ常温の状態にある。そして、フラット面３０ａが鏡板面１２ａとの間に最小となるスラスト方向ギャップＧ_ＭＩＮを介して対向しているから、吸込ポート側への漏れがない状態で最外周側の圧縮室２０に冷媒を確実に封じ込めることができる。
次に、当該圧縮機が暖機され、定格状態となったときには、吸込ポートから吸込まれた冷媒は、最外周側の圧縮室２０から最内周部３２側の圧縮室２０に順次送り込まれて圧縮され、このときに発生する圧縮熱等により、ラップ１４，１６は最外周側の１巻目から最内周部３２側の４巻目に亘って放射状に高温をなした温度分布となる。

詳しくは、各圧縮室２０内の圧力は最外周側の圧縮室２０から最内周部３２側の圧縮室２０に向けて圧力が順次高くなるため、最内周部３２側の圧縮室２０は最外周側の圧縮室２０よりも高温になり、各ラップ１４，１６も最外周側から最内周部３２側に向けて高温になる。
また、ユニット２や軸受２４等を潤滑するための高温高圧の潤滑油が回転軸２６内を軸線方向に穿孔される図示しない給油路を上昇し、回転軸２６の上端から供給されることも、各ラップ１４，１６の最内周部３２側が最外周側よりも高温になる要因の１つである。そして、この温度上昇により各ラップ部１４，１６は熱膨張し、特にラップ１４の凹面部３４は最内周部３２側に向けて漸次大きく熱膨張し、最内周部３２近傍は最大の熱膨張状態となる。しかし、凹面部３４を有することにより、凹面部３４の凹面３４ａの曲率ｋを圧縮機の圧縮運転時におけるラップ１４の熱膨張量に合わせ、圧縮運転時のラップ１４と対向する鏡板面１２ａとの間のスラスト方向ギャップＧを段差無く適正に保持することができ、ラップ１４，１６間のかじりや冷媒の漏れを確実に防止することができるため、圧縮機の圧縮効率及び耐久性を向上することができる。

以上のように、本実施形態では、旋盤３８は鏡板１０をラップ１４の高さ方向のみで規制し固定するクランプ機構４０を備え、旋盤３８により凹面部３４を加工するための切削加工工程では、クランプ機構４０により固定された鏡板１０のラップ１４を同一の切削加工治具４４を用いて所定のラップ高さに加工して凹面部３４を形成する。これにより、クランプ機構４０による鏡板１０のたわみ変形を防止して切削加工の加工基準面を少なくとも平坦化することができ、切削加工工程を同一の切削加工治具４４を用いた１工程とすることができるため、ラップ高さを容易にして高精度に加工することができ、ひいてはラップ１４の加工コストを低減することができる。

また、クランプ機構が押圧機構４６と、この押圧機構４６により押圧された鏡板１０を鏡板面１０ａの３箇所に当接させて支持する支持部材４８とからなることにより、鏡板１０を３点支持にて確実に平坦化して固定することができ、更に、予め高精度に平坦化された鏡板面１０ａを切削加工の加工基準面とすることができるため、ラップ高さを更に高精度に加工することができる。

更に、支持部材４８が側部４８ａと鍔部４８ｂとから構成され、鍔部４８ｂは押圧機構４６により鏡板面１０ａが当接される支持面５０を有することにより、鏡板１０の径方向の移動を阻止しつつ支持部材４８による鏡板１０の支持を面接触により行うことができるため、ラップ高さをより一層高精度に加工することができる。
更にまた、押圧機構４６は、ばね５２による所定の弾性力により鏡板１０を支持面５０に向けて押圧することにより、ばね５２を変えるだけで鏡板１０に対する押圧力を容易に調整することができるため、ラップ高さを容易にして高精度に加工することができて好ましい。

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、図５に示されるように、鏡板１０を３点支持にて確実に平坦化して固定するために、支持部材４８には鍔部４８ｂが３箇所に形成されているが、これに限らず、鏡板１０を確実に平坦化して固定することができるのであれば、３箇所以上に形成しても良い。また、支持面５０を形成せずに点接触にて鏡板１０を支持するようにしても良い。

また、上記実施形態では、押圧機構４６にばね５２による弾性力を利用しているが、これに限らず、例えばポンプによる加圧装置を設け、これにより加圧された所定の空気圧により鏡板１０を支持面５０に向けて押圧するようにしても、空気圧の設定を変えるだけで鏡板１０に対する押圧力を容易にして調整することができる。
更に、上記実施形態では、可動スクロール６のラップ１４に凹面部３４を形成することとしているが、ラップ１４の熱膨張が吸収され、スラスト方向ギャップＧが適正に保持されれば良く、ラップ１４をフラット部３０のみで形成し、固定スクロール８のラップ１６に凹面部を形成しても良い。この場合にも上記と同様に圧縮機の製造コストを低減しつつその圧縮効率及び耐久性を向上することができるという効果を奏する。

更にまた、上記実施形態では、ラップ１４に凹面部３４を形成するための切削加工方法や加工装置について説明しているが、これらの加工方法及び加工装置は、これに限らず、様々なラップ加工に適用できることは勿論である。

本発明の一実施形態に係るスクロール型圧縮機のスクロールユニットを示した縦断面図である。 図１の可動スクロールを示した縦断面図である。 図２の可動スクロールを鏡板面側からみた平面図である。 図２の凹面部の加工方法及び加工装置を示した縦断面図である。 図４の支持部材を図４のＡ方向からみた平面図である。

符号の説明

６ 可動スクロール
８ 固定スクロール
１０，１２ 鏡板
１０ａ，１２ａ 鏡板面
１０ｂ 背面
１４，１６ ラップ
２０ 圧縮室
３２ 最内周部
４０ クランプ機構（クランプ手段）
４４ 切削加工治具
４６ 押圧機構（押圧手段）
４８ 支持部材
４８ａ 側部
４８ｂ 鍔部
５０ 支持面
５２ ばね

Claims (7)

1. 鏡板の鏡板面に渦巻き状のラップが対をなしてそれぞれ立設された固定及び可動スクロールを備え、前記固定スクロールに対し前記可動スクロールが公転旋回運動することにより、前記ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、該圧縮室が前記ラップの最内周部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロール型流体機械の加工装置であって、
   前記可動スクロールまたは前記固定スクロールのうち少なくとも一方の前記鏡板を前記ラップの高さ方向のみで規制し固定するクランプ手段と、該クランプ手段により固定された該鏡板の該ラップを同一の切削加工治具にて所定のラップ高さに加工する切削加工手段とを備えたことを特徴とするスクロール型流体機械の加工装置。
2. 前記クランプ手段は、前記鏡板の前記鏡板面の反対側の面である背面を該鏡板面側に向けて押圧する押圧手段と、該押圧手段により押圧された該鏡板を該鏡板面の少なくとも３箇所以上に当接させて支持する支持部材と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の加工装置。
3. 前記支持部材は、前記鏡板の径方向の移動を阻止する側部と、該側部から前記ラップの前記最内周部に向けて屈曲される鍔部とから構成され、該鍔部は前記押圧手段により前記鏡板面が当接される支持面を有することを特徴とする請求項２に記載のスクロール型流体機械の加工装置。
4. 前記押圧手段は、ばねによる所定の弾性力により前記鏡板を前記支持面に向けて押圧することを特徴とする請求項３に記載のスクロール型流体機械の加工装置。
5. 前記押圧手段は、所定の空気圧により前記鏡板を前記支持面に向けて押圧することを特徴とする請求項３に記載のスクロール型流体機械の加工装置。
6. 鏡板の鏡板面に渦巻き状のラップが対をなしてそれぞれ立設された固定及び可動スクロールを備え、前記固定スクロールに対し前記可動スクロールが公転旋回運動することにより、前記ラップ間に作動流体の圧縮室を形成し、該圧縮室が前記ラップの最内周部に向けてその容積を減少させながら移動するスクロール型流体機械の加工方法であって、
   前記可動スクロールまたは前記固定スクロールのうち少なくとも一方の前記鏡板を前記ラップの高さ方向のみで規制し固定するクランプ工程と、
   該クランプ工程で固定された該鏡板の該ラップを同一の切削加工治具にて所定のラップ高さに加工する切削加工工程と、からなることを特徴とするスクロール型流体機械の加工方法。
7. 前記切削加工工程では、前記ラップ高さを該ラップの中央部が最も低くなるように凹面加工することを特徴とする請求項６に記載のスクロール型流体機械の加工方法。

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