JP2012189004A - スクロール流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトの撓みを抑制できるスクロール流体機械を提供すること。
【解決手段】このスクロール流体機械１は、固定スクロールおよび旋回スクロールと、旋回スクロールに動力を伝達するシャフト５１と、これらを収容するハウジング２とを備える。また、スクロール流体機械１は、ハウジング２に設置されてシャフト５１を回転可能に支持するメイン軸受５２およびサブ軸受５３と、メイン軸受５２およびサブ軸受５３の間に配置されてハウジング２とシャフト５１との隙間を封止するリップシール７１と、メイン軸受５２およびリップシール７１の間でシャフト５１に嵌め込まれてシャフト５１の剛性を補強するスリーブ８とを備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、スクロール流体機械に関し、さらに詳しくは、シャフトの撓みを抑制できるスクロール流体機械に関する。

一般的なスクロール圧縮機は、固定スクロールおよび旋回スクロールと、旋回スクロールに動力を伝達するシャフトと、これらを収容するハウジングとを備えている。かかる構成を採用する従来のスクロール圧縮機として、特許文献１に記載される技術が知られている。

特開２０１０−２７５８９５号公報

ここで、一般的なスクロール流体機械では、その性能を向上させるために、より一層の高速回転化および高負荷化が求められる。また、スクロール流体機械の稼働時には、シャフトの撓みが発生する。このシャフトの撓みは、シャフトが旋回スクロールから受ける荷重に起因して発生し、高速回転時および高負荷時ほど大きくなる。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シャフトの撓みを効果的に抑制できるスクロール流体機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかるスクロール流体機械は、固定スクロールおよび旋回スクロールと、前記旋回スクロールに動力を伝達するシャフトと、前記固定スクロール、前記旋回スクロールおよび前記シャフトを収容するハウジングとを備えるスクロール流体機械であって、前記ハウジングに設置されて前記シャフトを回転可能に支持するメイン軸受およびサブ軸受と、前記メイン軸受および前記サブ軸受の間に配置されて前記ハウジングと前記シャフトとの隙間を封止するリップシールと、前記メイン軸受および前記リップシールの間に配置されると共に前記シャフトに嵌め込まれて前記シャフトの剛性を補強するスリーブとを備えることを特徴とする。

また、この発明にかかるスクロール流体機械では、前記スリーブが、前記シャフトの撓み方向に拡幅した幅広形状を有することが好ましい。

また、この発明にかかるスクロール流体機械では、前記スリーブが、前記シャフトの撓み方向に対して反対方向に偏心した偏心構造を有することが好ましい。

また、この発明にかかるスクロール流体機械では、前記スリーブが、前記ハウジングの内壁面に沿った外周形状を有することが好ましい。

また、この発明にかかるスクロール流体機械では、前記スリーブが、前記メイン軸受側から前記リップシール側に抜ける油溝を有することが好ましい。

この発明にかかるスクロール流体機械では、スリーブがシャフトの剛性を補強するので、高速回転時および高負荷化時におけるシャフトの撓みが抑制される。これにより、製品の信頼性が向上する利点がある。

図１は、この発明の実施の形態にかかるスクロール流体機械を示す構成図である。 図２は、図１に記載したスクロール流体機械のスリーブを示す説明図である。 図３は、図２に記載したスリーブを示す斜視図である。 図４は、図２に記載したスリーブの変形例を示す斜視図である。 図５は、図２に記載したスリーブの変形例を示す斜視図である。 図６は、旋回スクロールの旋回方向と、軸受に作用する荷重との関係を示す説明図である。 図７は、図５に記載したスリーブの変形例を示す斜視図である。 図８は、図２に記載したスリーブの変形例を示す説明図である。 図９は、図２に記載したスリーブの変形例を示す説明図である。 図１０は、図２に記載したスリーブの変形例を示す説明図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［スクロール流体機械］
図１は、この発明の実施の形態にかかるスクロール流体機械を示す構成図である。同図は、スクロール流体機械の軸方向断面図を示している。

このスクロール流体機械１は、例えば、トラックなどの陸上輸送機器に搭載される冷凍装置に適用される。一般的な冷凍装置は、室外に配置される室外ユニットと、室内に配置される室内ユニットとを備え、室外ユニットおよび室内ユニットの間に作動流体（冷媒ガス）を循環させて室内および室外にて熱交換することにより、室内の加温運転および冷凍運転を行い得る。かかる冷凍装置において、スクロール流体機械１は、圧縮機として用いられ、作動流体を圧縮して室外ユニットおよび室内ユニットの各構成要素に供給する。

なお、この実施の形態では、スクロール流体機械１の一例としてスクロール圧縮機について説明するが、スクロール膨張機にも同様の構成を適用できる。

スクロール流体機械１は、ハウジング２と、固定スクロール３および旋回スクロール４と、動力伝達機構５と、駆動機構６と、軸封構造７とを備える（図１参照）。

ハウジング２は、筒状のフロントケース２１と蓋状のリアケース２２とをボルト結合して構成される。このハウジング２は、その軸方向を水平方向に向けて横置き状態で配置される。また、ハウジング２は、作動流体の吸入口２３および吸入室２５をフロントケース２１側に有し、吐出口２４および吐出室２６をリアケース２２側に有する。このハウジング２には、固定スクロール３および旋回スクロール４と、動力伝達機構５とが収容される。

固定スクロール３は、端板３１と、この端板３１に形成された渦巻き状のラップ３２とを有する。この固定スクロール３は、端板３１の背面をリアケース２２にボルト結合してハウジング２に固定され、また、ラップ３２をフロントケース２１側に向けて配置される。また、固定スクロール３の端板３１により、ハウジング２の吸入室２５と吐出室２６とが区画される。

旋回スクロール４は、端板４１と、この端板４１に形成された渦巻き状のラップ４２とを有する。この旋回スクロール４は、ラップ４２を固定スクロール３のラップ３２に対向させて配置される。このとき、旋回スクロール４のラップ４２と固定スクロール３のラップ３２とが偏心しつつ噛み合うことにより、固定スクロール３と旋回スクロール４との間に複数の圧縮室Ｓが形成される。

動力伝達機構５は、駆動機構６からの動力を旋回スクロール４に伝達して、旋回スクロール４を公転旋回運動させる機構である。この動力伝達機構５は、シャフト５１と、メイン軸受５２およびサブ軸受５３と、ドライブピン５４と、ドライブブッシュ５５と、ドライブ軸受５６と、バランスウェイト５７と、自転防止ピン５８とを有する。シャフト５１は、その回転軸を旋回スクロール４の端板４１の背面に垂直に立てて配置される。メイン軸受５２およびサブ軸受５３は、ハウジング２のフロントケース２１側に固定されて、シャフト５１を回転可能に支持する。ドライブピン５４は、シャフト５１の回転軸に対して偏心するピンであり、シャフト５１の旋回スクロール４側の端部に取り付けられる。ドライブブッシュ５５は、いわゆる滑り子であり、ドライブピン５４の外周に嵌め合わされて設置される。ドライブ軸受５６は、ドライブピン５４およびドライブブッシュ５５を回転可能に支持する軸受であり、旋回スクロール４の端板４１の背面に形成される。バランスウェイト５７は、旋回スクロール４の公転旋回運動によるアンバランスを補正する部材であり、ドライブブッシュ５５に一体化される。自転防止ピン５８は、旋回スクロール４の自転を防止するピンであり、旋回スクロール４の端板４１の背面とハウジング２のフロントケース２１との間に介在する。

駆動機構６は、動力伝達機構５を介して旋回スクロール４を駆動する機構である。この駆動機構６は、ハウジング２の外部に配置され、回転板６１を介してシャフト５１に連結される。また、駆動機構６は、駆動ベルトを介して駆動源（例えば、車両のエンジン）に連結される（図示省略）。

軸封構造７は、シャフト５１とハウジング２の内壁との隙間を封止する構造であり、リップシール７１を有する。リップシール７１は、メイン軸受５２とサブ軸受５３との間に配置される。また、リップシール７１は、ハウジング２のフロントケース２１の内壁に取り付けられて、シャフト５１の周面に付勢する。このリップシール７１により、シャフト５１とハウジング２の内壁との隙間が封止される。

このスクロール流体機械１では、作動流体が、ハウジング２の外部から吸入口２３を介して吸入室２５に供給される。また、駆動機構６が駆動されると、シャフト５１が回転してドライブピン５４が偏心回転する。すると、旋回スクロール４が駆動されて固定スクロール３に対して公転旋回運動する。すると、吸入室２５の作動流体が固定スクロール３と旋回スクロール４との間の圧縮室Ｓに取り込まれ、この作動流体が圧縮されて吐出室２６に供給される。そして、この吐出室２６の作動流体が吐出口２４からハウジング２の外部に供給される。

［シャフトのスリーブ］
図２は、図１に記載したスクロール流体機械のスリーブを示す説明図である。図３は、図２に記載したスリーブを示す斜視図である。図４は、図２に記載したスリーブの変形例を示す斜視図である。これらの図において、図２は、スリーブをシャフトに取り付けた状態を示し、図３および図４は、スリーブの単体を示している。

一般的なスクロール流体機械では、その性能を向上させるために、より一層の高速回転化および高負荷化が求められる。また、スクロール流体機械の稼働時は、シャフトの撓みが発生する。このシャフトの撓みは、シャフトが旋回スクロールから受ける荷重に起因して発生し、高速回転時および高負荷時ほど大きくなる。

そこで、このスクロール流体機械１は、シャフト５１の剛性を補強するためのスリーブ８を備える（図２および図３参照）。このスリーブ８は、シャフト５１に嵌め込まれて、メイン軸受５２およびリップシール７１の間に配置される。かかる構成では、スリーブ８がシャフト５１の剛性を補強するので、高速回転時および高負荷時におけるシャフト５１の撓みが抑制される。これにより、製品の信頼性が向上する。

例えば、この実施の形態では、シャフト５１が、シャフト本体５１１と、拡径部５１２とを有する（図２参照）。拡径部５１２は、シャフト本体５１１を拡径した部分であり、シャフト本体５１１の一方の端部に形成される。また、シャフト５１が、この拡径部５１２にドライブピン５４を有し、ドライブピン５４を旋回スクロール４側に向けて配置される。また、メイン軸受５２が拡径部５１２を支持し、サブ軸受５３がシャフト本体５１１を支持することにより、シャフト５１が回転可能に支持される。また、メイン軸受５２が、大径かつ単列の玉軸受から成り、サブ軸受５３が小径かつ２列の玉軸受から成る。

また、フロントケース２１が一方の端部に袖状に突出して開口する開口部２１１を有する（開放型ハウジング）（図１および図２参照）。また、シャフト５１が、この開口部２１１にシャフト本体５１１を挿入し、シャフト本体５１１の端部を開口部２１１からフロントケース２１の外部に突出させる。また、サブ軸受５３が、開口部２１１の内周壁に嵌め込まれて、シャフト本体５１１を支持する。また、駆動機構６が、開口部２１１の外周に取り付けられ、開口部２１１から突出したシャフト本体５１１の端部に回転板６１を介して連結される。

また、メイン軸受５２とサブ軸受５３との間に、リップシール７１が配置される（図２参照）。この区間では、リップシール７１の封止性能を確保するために、シャフト５１の外径が小さく設定される。具体的には、シャフト５１のシャフト本体５１１が、この区間内に位置し、リップシール７１が、シャフト本体５１１の周面に付勢してシャフト５１とハウジング２の内壁との隙間を封止する。これにより、フロントケース２１の開口部２１１が封止される。

また、スリーブ８が、シャフト５１と同一材料から成る環状部材、例えば、ステンレススチール製の肉厚な円筒部材から成る（図３参照）。また、スリーブ８が、シャフト本体５１１の外周に嵌め込まれて固定される。このとき、例えば、圧入、焼き嵌め、摩擦接合などにより、スリーブ８とシャフト本体５１１とが結合される。

また、スリーブ８の一方の軸方向端面と、シャフト５１の拡径部５１２の軸方向端面とが密着（あるいは近接）する。このとき、スリーブ８とシャフト５１の拡径部５１２とを密着させるために、スリーブ８の内周側エッジ部に面取部８１が形成されても良い（図４参照）。かかる面取部８１により、例えば、シャフト５１がシャフト本体５１１と拡径部５１２との間にテーパ部を有する場合にも、スリーブ８とシャフト５１の拡径部５１２とを密着させ得る。

また、スリーブ８が、ハウジング２とシャフト５１とメイン軸受５２とリップシール７１とに区画された空間を埋めて配置される（図２参照）。具体的には、スリーブ８が、シャフト５１の拡径部５１２と同一の外径を有する。また、スリーブ８が、フロントケース２１の内壁面と、シャフト５１の拡径部５１２の端面と、メイン軸受５２と、リップシール７１の端部とに区画された空間において、最大となる軸方向長さを有する。例えば、この実施の形態では、スリーブ８の軸方向長さが、シャフト５１の拡径部５１２からフロントケース２１の内壁面までの距離に対して略同一に設定される。このとき、スリーブ８と、メイン軸受５２およびリップシール７１との間にクリアランスが形成されて、これらの非接触状態が確保される。

なお、上記の構成では、スクロール流体機械１の使用範囲内で想定される最大荷重に対して、シャフト５１の撓み角がメイン軸受５２の傾き許容値の範囲内にあり、且つ、メイン軸受５２の傾き角が０．３［deg］以下となるように、スリーブ８の重量および慣性モーメントが規定されることが好ましい。これにより、メイン軸受５２の機能を適正に確保しつつ、シャフト５１の剛性を適正に補強できる。

［スリーブの非対称構造］
図５は、図２に記載したスリーブの変形例を示す斜視図である。図６は、旋回スクロールの旋回方向と、軸受に作用する荷重との関係を示す説明図である。図７は、図５に記載したスリーブの変形例を示す斜視図である。

図２の実施の形態では、スリーブ８が、周方向に一様な断面形状を有する円筒部材から成る（図３参照）。かかる構成では、スリーブ８を簡易かつ安価に製造できる点で好ましい。

しかし、これに限らず、スリーブ８が以下の構成を有しても良い。

すなわち、旋回スクロール４の旋回運動時には、旋回スクロール４からの荷重がドライブピン５４に対して旋回半径方向外側に向かって作用する（図６参照）。すると、旋回スクロール４の旋回方向を基準として旋回半径方向外側に１１０±４５［°］の範囲が荷重負荷圏となる。このため、旋回スクロール４からの荷重は、方向性を有し、シャフト５１に対して一定方向に作用する。このため、シャフト５１の撓み方向が一定となる。

そこで、スリーブ８が、所定方向に拡幅した幅広形状（周方向非対称構造）を有する（図５参照）。そして、スリーブ８が、その拡幅方向をシャフト５１の撓み方向に一致させて、シャフト５１に嵌め合わされる。これにより、所定方向に対するシャフト５１の曲げ剛性が増加して、シャフトの撓みが効果的に低減される。

例えば、図５の変形例では、スリーブ８が、小判型の幅広形状を有することにより、所定方向に対して大きな断面二次モーメントを有する。また、スリーブ８の拡幅方向が旋回スクロール４からシャフト５１への荷重方向に略一致するように（±９０［deg］の範囲内にあるように）、スリーブ８がシャフト５１に嵌め合わされる。これにより、荷重方向に対するシャフト５１の剛性が補強されて、シャフトの撓みが抑制される。

また、例えば、図７の変形例では、スリーブ８が所定方向に偏心した偏心構造を有する。具体的には、図５の変形例において、スリーブ８が、幅広方向に偏心した構造を有する。そして、スリーブ８が、その偏心方向をシャフト５１の撓み方向に対して反対側に向けて、シャフト５１に嵌め合わされる。かかる構成では、スリーブ８が偏心構造を有するので、シャフト５１の回転時にて、シャフト５１の撓み方向に対して反対方向に遠心力が発生する。これにより、シャフト５１の変形が相殺されて、シャフトの撓みが抑制される。

［スリーブの潤滑油路］
図８〜図１０は、図２に記載したスリーブの変形例を示す説明図である。これらの図において、図８は、スリーブをシャフトに取り付けた状態を示し、図９および図１０は、スリーブの単体を示している。

図２の実施の形態では、スリーブ８が単純かつ肉厚な円筒形状を有する（図３参照）。あるいは、スリーブ８が、図３の構成において、シャフト５１の拡径部５１２側にかかる内周面端部に面取部８１を有する（図４参照）。かかる構成では、スリーブ８の加工成形が容易な点で好ましい。

しかし、これに限らず、スリーブ８が、ハウジング２の内壁面に沿った外周形状を有しても良い（図８参照）。これにより、スリーブ８を大きくして、シャフト５１の撓みを効果的に抑制できる。

例えば、図８の変形例では、スリーブ８が、リップシール７１側に段差部８２を有することにより、ハウジング２の内壁面に沿った端部形状を有する（図８および図１０参照）。具体的には、フロントケース２１が一方の端部に開口部２１１を有し、シャフト５１がこの開口部２１１にてフロントケース２１を挿通し、また、リップシール７１がこの開口部２１１の内壁面に配置されてシャフト５１の外周の隙間を封止する。また、スリーブ８の段差部８２が、この開口部２１１の縁部に沿った形状を有し、この開口部２１１とシャフト本体５１１との隙間に挿入される。したがって、図２の実施の形態と比較して、スリーブ８が段差部８２の分だけ軸方向に延長されており、その重量が増加している。なお、スリーブ８の段差部８２と、フロントケース２１の開口部２１１との間には、クリアランスが形成されて、これらの非接触状態が確保される。

一方で、上記の構成では、スリーブ８がフロントケース２１の開口部２１１を略塞ぐため、メイン軸受５２側からリップシール７１側への潤滑油路がスリーブ８により遮断されるおそれがある。

そこで、上記の構成では、スリーブ８がメイン軸受５２側からリップシール７１側に抜ける油溝８３を有しても良い（図８〜図１０参照）。これにより、メイン軸受５２側からリップシール７１側への潤滑油路が確保される。

例えば、図８の変形例では、スリーブ８の油溝８３が、第一油溝部８３１および第二油溝部８３２を有する（図９および図１０参照）。第一油溝部８３１は、シャフト５１の拡径部５１２側にあるスリーブ８の端面を径方向に横断して、スリーブ８の外周面に開口する。第二油溝部８３２は、スリーブ８の内周面を軸方向に横断し、一方の端部にて第一油溝部８３１に接続し、他方の端部にてスリーブ８の端面に開口する。そして、スリーブ８が、第一油溝部８３１側の端面をシャフト５１の拡径部５１２の端面に当接させてシャフト５１に嵌め合わされる。すると、第一油溝部８３１が、スリーブ８の端面とシャフト５１の拡径部５１２の端面との間に潤滑油路を形成し、また、第二油溝部８３２が、スリーブ８の内周面とシャフト本体５１１の外周面との間に潤滑油路を形成する。そして、第一油溝部８３１および第二油溝部８３２が連通することにより、メイン軸受５２側からリップシール７１側への潤滑油路が形成される。

また、上記の構成では、油溝８３が、シャフト５１の撓み方向から外れた位置に配置されることが好ましい（図９参照）。具体的には、油溝８３の第一油溝部８３１および第二油溝部８３２が、いずれもシャフト５１の撓み方向に対して直交する位置に配置される。これにより、シャフト５１の撓み方向に対するスリーブ８の剛性が確保されるので、スリーブ８がシャフト５１の撓みを効果的に抑制できる。

［効果］
以上説明したように、このスクロール流体機械１は、固定スクロール３および旋回スクロール４と、旋回スクロール４に動力を伝達するシャフト５１と、固定スクロール３、旋回スクロール４およびシャフト５１を収容するハウジング２とを備える（図１参照）。また、スクロール流体機械１は、ハウジング２に設置されてシャフト５１を回転可能に支持するメイン軸受５２およびサブ軸受５３と、メイン軸受５２およびサブ軸受５３の間に配置されてハウジング２とシャフト５１との隙間を封止するリップシール７１と、メイン軸受５２およびリップシール７１の間でシャフト５１に嵌め込まれてシャフト５１の剛性を補強するスリーブ８とを備える（図２および図３参照）。

かかる構成では、スリーブ８がシャフト５１の剛性を補強するので、高速回転時および高負荷化時におけるシャフト５１の撓みが抑制される。これにより、製品の信頼性が向上する利点がある。また、かかる構成では、スリーブ８がシャフト５１に対して別体で構成されるので、スクロール流体機械１の仕様や冷媒の種類に応じてスリーブ８を選択できる。したがって、シャフト自身を拡径する構成と比較して、シャフト５１の剛性を適正に補強できる利点がある。

特に、メイン軸受５２とサブ軸受５３との間にリップシール７１が配置される構成では、リップシール７１の封止性能を確保するために、この区間におけるシャフト５１の外径が小さく設定される（図２参照）。このため、メイン軸受５２からリップシール７１まで区間で、シャフト５１が撓み易い。この点において、上記の構成では、スリーブ８がメイン軸受５２およびリップシール７１の間に嵌め込まれてシャフト５１の剛性を補強するので、リップシール７１の封止性能を確保しつつ、シャフト５１の撓みを効果的に抑制できる利点がある。

また、このスクロール流体機械１では、スリーブ８が、シャフト５１の撓み方向に拡幅した幅広形状を有する（図５参照）。これにより、撓み方向に対するシャフト５１の剛性が補強されて、シャフトの撓みが抑制される利点がある。

また、このスクロール流体機械１では、スリーブ８が、シャフト５１の撓み方向に対して反対方向に偏心した偏心構造を有する（図７参照）。これにより、シャフト５１の変形が相殺されて、シャフトの撓みが抑制される利点がある。

また、このスクロール流体機械１では、スリーブ８が、ハウジング２の内壁面に沿った外周形状を有する（図８および図１０参照）。これにより、スリーブ８を大きくできるので、シャフトの撓みを効果的に抑制できる利点がある。

また、このスクロール流体機械１は、スリーブ８が、メイン軸受５２側からリップシール７１側に抜ける油溝８３を有する（図８〜図１０参照）。これにより、メイン軸受５２側からリップシール７１側への潤滑油路が確保される利点がある。

１ スクロール流体機械
２ ハウジング
２１ フロントケース
２１１ 開口部
２２ リアケース
２３ 吸入口
２４ 吐出口
２５ 吸入室
２６ 吐出室
３ 固定スクロール
３１ 端板
３２ ラップ
４ 旋回スクロール
４１ 端板
４２ ラップ
５ 動力伝達機構
５１ シャフト
５１１ シャフト本体
５１２ 拡径部
５２ メイン軸受
５３ サブ軸受
５４ ドライブピン
５５ ドライブブッシュ
５６ ドライブ軸受
５７ バランスウェイト
５８ 自転防止ピン
６ 駆動機構
６１ 回転板
７ 軸封構造
７１ リップシール
８ スリーブ
８１ 面取部
８２ 段差部
８３ 油溝
８３１ 第一油溝部
８３２ 第二油溝部
Ｓ 圧縮室

Claims (5)

1. 固定スクロールおよび旋回スクロールと、前記旋回スクロールに動力を伝達するシャフトと、前記固定スクロール、前記旋回スクロールおよび前記シャフトを収容するハウジングとを備えるスクロール流体機械であって、
   前記ハウジングに設置されて前記シャフトを回転可能に支持するメイン軸受およびサブ軸受と、前記メイン軸受および前記サブ軸受の間に配置されて前記ハウジングと前記シャフトとの隙間を封止するリップシールと、前記メイン軸受および前記リップシールの間に配置されると共に前記シャフトに嵌め込まれて前記シャフトの剛性を補強するスリーブとを備えることを特徴とするスクロール流体機械。
2. 前記スリーブが、前記シャフトの撓み方向に拡幅した幅広形状を有する請求項１に記載のスクロール流体機械。
3. 前記スリーブが、前記シャフトの撓み方向に対して反対方向に偏心した偏心構造を有する請求項１または２に記載のスクロール流体機械。
4. 前記スリーブが、前記ハウジングの内壁面に沿った外周形状を有する請求項１〜３のいずれか一つに記載のスクロール流体機械。
5. 前記スリーブが、前記メイン軸受側から前記リップシール側に抜ける油溝を有する請求項１〜４のいずれか一つに記載のスクロール流体機械。

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