JP2013170516A - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでスクロールユニットの耐久性及びＰＶ特性の向上を図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】各基板（２６，２８）のうちの一方の基板（２８）に立設された渦巻体（３２）の先端面（３２ａ）が対向する他方の基板（２６）の基面（２６ａ）に対して常時摺動するのに対し、各基板のうちの他方の基板（２６）に立設された渦巻体（３０）の先端面（３０ａ）は対向する他方の基板（２８）の基面（２８ａ）に対して所定のクリアランス（５４）を存して離間したスクロールユニット（１４）を備え、他方の基面（２６ａ）に常時摺動する摺動先端面（２６ａ）は無電解Ｎｉ−Ｐめっき層（５６）を有し、摺動先端面が部分的に摺動される被摺動基面（２６ａ）は陽極酸化被膜処理層（５８）を有する。
【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組み込まれて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である例えば密閉型スクロール圧縮機は、各基板の各基面に渦巻体が対をなしてそれぞれ立設された固定スクロール及び可動スクロールから構成されたスクロールユニットを備えている。
当該スクロールユニットは、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、前記各渦巻体間に作動流体の圧縮室を形成し、該圧縮室が前記各基板の径方向中央部に向けてその容積を減少させながら移動する。また、可動スクロールの外周側には、基面に潤滑油を供給するための外周空間が形成されている。

そして、上記各基板の両方又は一方の表面に無電解Ｎｉ−Ｐ（ニッケル−リン）めっき層を施すことにより、基板の摩耗によるかじり等の焼き付き現象を抑制し、スクロールユニットの耐久性を向上したスクロール圧縮機が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開平５−８６４８３号公報

上記従来技術では、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の膜厚を厚くしたり、当該めっき層を二重に施したりすることで、いわゆる摩耗による「なじみ層」を形成し、スクロールユニットの摺動特性（ＰＶ（荷重圧力×速度）特性）の向上を図りながら、基板からのめっき層の剥離をも防止している。しかし、無電解Ｎｉ−Ｐめっき処理は、例えば陽極酸化被膜処理に比して数倍（例えば３倍程度）のコストを要する。

また、一般に無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は上記陽極酸化被膜等に比して高硬度であり、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層自体を摩耗させてなじませるのに長時間を要するおそれがあると共に、高コストで形成した無電解Ｎｉ−Ｐめっき層をなじみ層として用いるのは経済性に反するものである。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、低コストでスクロールユニットの耐久性及びＰＶ特性の向上を図ることができるスクロール型流体機械を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のスクロール型流体機械は、各基板の各基面に渦巻体が対をなしてそれぞれ立設された可動スクロール及び固定スクロールから構成され、各基板のうちの一方の基板に立設された渦巻体の先端面が対向する他方の基板の基面に対して常時摺動するのに対し、各基板のうちの他方の基板に立設された渦巻体の先端面は対向する他方の基板の基面に対して所定のクリアランスを存して離間したスクロールユニットを備え、他方の基面に常時摺動する摺動先端面は無電解Ｎｉ−Ｐめっき層を有し、摺動先端面が部分的に摺動される被摺動基面は陽極酸化被膜処理層を有する（請求項１）。

好ましくは、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は１０μｍ〜２０μｍの膜厚を有する（請求項２）。
好ましくは、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は４５０ＨＶ〜５５０ＨＶのビッカース硬さを有する（請求項３）。
好ましくは、スクロールユニットは、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、各渦巻体間に作動流体の各基板の径方向中央部に向けてその容積を減少させながら移動する圧縮室と、可動スクロールの外周側から被摺動基面に潤滑油を供給するための外周空間とを形成し、被摺動基面は陽極酸化被膜処理層の形成前に形成した複数の微小凹部を有する（請求項４）。

好ましくは、微小凹部は被摺動基面に対する摺動先端面の摺動領域に、隣り合う微小凹部間における潤滑油の油膜が途切れる間隔で配される（請求項５）。
好ましくは、微小凹部は０．５ｍｍ〜０．７ｍｍの直径を有する（請求項６）。
好ましくは、微小凹部は０．０９５ｍｍ〜０．１５ｍｍの深さを有する（請求項７）。

本発明によれば、他方の基面に常時摺動する摺動先端面は無電解Ｎｉ−Ｐめっき層を有して形成され、摺動先端面が部分的に摺動される被摺動基面は陽極酸化被膜処理層を有して形成されることにより、基面に常時摺動するという過酷な摺動条件に曝される摺動先端面に、一般により高硬度で高価な無電解Ｎｉ−Ｐめっきが施され、摺動先端面が部分的に摺動される摺動先端面に比して緩和された摺動条件となる被摺動基面に、一般により低硬度で安価な陽極酸化被膜処理が施される。

また、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層に比して低硬度となる陽極酸化被膜処理層をなじみ層として用いることができるため、スクロールユニットのなじみ運転も短時間で済む。これらにより、低コストでスクロールユニットの耐久性及びＰＶ特性の向上を図ることができる（請求項１）。
また、本発明によれば、具体的には、摺動先端面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、被摺動基面に陽極酸化被膜処理を施した場合、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は１０μｍ〜２０μｍの膜厚（請求項２）、４５０ＨＶ〜５５０ＨＶのビッカース硬さとすることで（請求項３）、スクロールユニットの耐久性及びＰＶ特性を効果的に向上できることが判明している。

また、本発明によれば、被摺動基面に陽極酸化被膜処理層の形成前に複数の微小凹部を形成することにより、微小凹部が被摺動基面における潤滑油の油溜まりとして機能するため、固定スクロールに対する可動スクロールの潤滑性を高めることができ、スクロールユニットの耐久性及びＰＶ特性の更なる向上を図ることができる。
また、被摺動基面の潤滑不良に起因した固定スクロールに対する可動スクロールの凝着をも防止することができる（請求項４）。

また、本発明によれば、微小凹部は被摺動基面に対する摺動先端面の摺動領域に、隣り合う微小凹部間における潤滑油の油膜が途切れる間隔で配されることにより、微小凹部及び油膜を介した圧縮室からの作動流体の漏洩を防止することができるため、スクロールユニットにおけるシール性を確保しながら、その耐久性及びＰＶ特性の向上を図ることができる（請求項５）。

また、本発明によれば、具体的には、摺動先端面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、被摺動基面に陽極酸化被膜処理を施した場合、微小凹部は０．５ｍｍ〜０．７ｍｍの直径（請求項６）、０．０９５ｍｍ〜０．１５ｍｍの深さとすることで（請求項７）、スクロールユニットの耐久性及びＰＶ特性を効果的に向上できることが判明している。

本発明の一実施形態に係る密閉型スクロール圧縮機の概略を示した縦断面図である。 図１のスクロールユニットの運転中における要部を拡大した断面図である。 図１の可動スクロールをその基面側からみた平面図である。 図３の微小凹部を拡大した断面図である。 本発明の変形例に係る固定スクロールをその基面側からみた平面図である。

以下に本発明の一実施形態に係るスクロール型流体機械である密閉型スクロール圧縮機について図面を参照して説明する。
図１は当該密閉型スクロール圧縮機１の概略を示した縦断面図である。
この圧縮機１は冷凍空調機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、冷媒と称する）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はシェル２を備え、シェル２の円筒胴部をなすセンターシェル４は、その上側及び下側がトップシェル６及びボトムシェル８によってそれぞれ気密に嵌合され、センターシェル４の内部は密閉されて冷媒の吐出圧が作用している。センターシェル４に形成される冷媒の吸入室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、トップシェル６の適宜位置には、シェル２内の圧縮冷媒を上記回路へ送出する吐出管１２が接続されている。

センターシェル４には、上から順にスクロールユニット１４、電動モータ１６、ポンプユニット１８が収容され、電動モータ１６内には回転軸２０が配置されており、回転軸２０は電動モータ１６への通電によって回転駆動される。
回転軸２０は、その上端側がスクロールユニット１４に、その下端側がポンプユニット１８に連結されており、回転軸２０が電動モータ１６によって回転駆動されることにより、スクロールユニット１４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。

スクロールユニット１４は、何れもアルミニウム又はアルミニウム合金から形成される可動スクロール２２及び固定スクロール２４から構成されている。可動スクロール２２は基板２６を備え、この基板２６の基面（被摺動基面）２６ａには固定スクロール２４の基板２８に向けて渦巻体３０が立設され、一方、固定スクロール２４の基板２８の基面２８ａにも基板２６に向けて渦巻体３２が立設されている。

そして、これら渦巻体３０，３２の渦巻き形状は所定のインボリュート曲線に基づいて１μｍ程度の加工精度で形成され、これらを互いに対をなして配置し協働させることにより、吸入管１０を介し冷媒が基板２８に形成された吸入室３４に吸入され、渦巻体３０，３２の間に冷媒の圧縮室３６が形成される。
圧縮室３６は、固定スクロール２４に対する可動スクロール２２の公転旋回運動により、基板２６，２８の径方向中央部側に向けてその容積を減少させながら移動する。

可動スクロール２２に公転旋回運動を付与するため、基板２６の背面２６ｂ側にはボス３８が形成され、ボス３８は軸受を介して回転軸２０の上端側に一体形成される偏心軸４０に回転自在に支持されている。なお、可動スクロール２２の自転は図示しない自転阻止機構により阻止されている。
これに対し固定スクロール２４は、センターシェル４の内側に固定されるメインフレーム４２に支持、固定されており、固定スクロール２４の中央部分には圧縮室３６に連通可能な吐出孔４４が穿設されている。

一方、ポンプユニット１８は、ボトムシェル８の内側に貯油された潤滑油を吸引し、吸引された潤滑油は回転軸２０内に穿孔された油路４６を経て回転軸２０の上端から電動モータ１６やスクロールユニット１４等に供給され、各摺動部分や軸受等の潤滑、並びに、摺動面のシールや潤滑に寄与する。
詳しくは、油路４６を経た潤滑油は回転軸２０の上端から回転軸２０に沿って電動モータ１６側に流下される一方、可動スクロール２２の基板２６の背面２６ｂとメインフレーム４２との間に形成される背圧室４８に供給され、背圧室４８から基板２６の外周面２６ｃとメインフレーム４２との間の外周空間５０を経た潤滑油は、可動スクロール２２の外周側から基面２６ａに供給される。

背圧室４８は、メインフレーム４２に固定された環状のシールリング５２によって、基板２６，２８の径方向中央部側に位置して油路４６を経た潤滑油の冷媒の吐出圧が作用する高圧室と、基板２６，２８の径方向外周部側に位置して高圧室よりも減圧された中間圧室とに仕切られている。そして、背圧室４８にこのような背圧構造を形成することにより、主として中間圧室の圧力によって可動スクロール２２が固定スクロール２４に対して適切に押圧され、可動スクロール２２の円滑な公転旋回運動が実現される。

上述した圧縮機１によれば、回転軸２０の回転に伴って可動スクロール２２が自転することなく公転旋回運動することにより、吸入管１０を介してスクロールユニット１４に吸入された冷媒は圧縮室３６を形成し、圧縮室３６内の冷媒はスクロールユニット１４の中心に向けて移動されながら圧縮された後に吐出孔４４より吐出され、シェル２内を通過した後に吐出管１２を介して圧縮機１外へ送出される。

図２はスクロールユニット１４の運転中における要部を拡大した断面図である。
スクロールユニット１４の運転中は、固定スクロール２４の基板２８に立設された渦巻体３２の先端面（摺動先端面）３２ａが対向する可動スクロール２２の基板２６の基面２６ａに対して常時摺動している。これに対し、可動スクロール２２の基板２６に立設された渦巻体３０の先端面３０ａは対向する固定スクロール２４の基板２８の基面２８ａに対して常時摺動することはなく、所定幅のクリアランス５４を存して離間している。このクリアランス５４はスクロールユニット１４の寸法誤差や組み付け誤差を許容するために圧縮機１の設計段階で予め確保される。

ここで、基面２８ａに常時摺動する先端面３２ａを含む固定スクロール２４の表面全体は無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６を有して形成され、一方、先端面３２ａが部分的に摺動される基面２６ａを含む可動スクロール２２の表面全体は陽極酸化被膜処理層５８を有して形成されている。
無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６は、めっきの前処理として、可動スクロール２２の表面全体を荒らしてめっき層の密着性を高めるために、通常の２倍程度の９０秒間のエッチング処理を行う。無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６は、渦巻体３０，３２と同様の１μｍ程度の膜厚精度で形成可能であり、本実施形態の場合には１０μｍの膜厚ｔ１を有し、５００ＨＶのビッカース硬さを有して形成される。

一方、陽極酸化被膜処理層５８は５〜６μｍ程度の膜厚精度で形成可能であり、本実施形態の場合には３μｍの膜厚ｔ２を有し、３５０ＨＶのビッカース硬さを有して形成されている。すなわち、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６は、陽極酸化被膜処理層５８の３倍程度の膜厚を有すると共に、１．４倍程度の硬さを有して形成されている。なお、無電解Ｎｉ−Ｐめっきは陽極酸化被膜処理に比して数倍（例えば３倍程度）のコストを要することが知られている。

図３は可動スクロール２２をその基面２６ａ側からみた平面図であり、基面２６ａには複数の微小凹部６０が渦巻体３０の外周端３０ｂから中央端３０ｃに亘る基面２６ａに対する先端面３２ａの摺動領域Ａに形成されている。
図４は微小凹部６０を拡大した断面図である。微小凹部６０は半球形状をなして陽極酸化被膜処理層５８の形成前に形成され、隣り合う微小凹部６０間の間隔Ｌは潤滑油の動粘度等を考慮して潤滑油の油膜６２が途切れる距離に設定されている。また、微小凹部６０は０．６ｍｍの直径Ｄを有し、０．１ｍｍの深さｄを有して形成されている。

以上のように本実施形態の圧縮機１は、基面２６ａに常時摺動する先端面３２ａは無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６を有して形成され、先端面３２ａが部分的に摺動される基面２６ａは陽極酸化被膜処理層５８を有して形成されることにより、基面２６ａに常時摺動するという過酷な摺動条件に曝される先端面３２ａに、一般により高硬度で高価な無電解Ｎｉ−Ｐめっきが施され、先端面３２ａが部分的に摺動される先端面３２ａに比して緩和された摺動条件となる基面２６ａに、一般により低硬度で安価な陽極酸化被膜処理が施される。

また、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６に比して低硬度となる陽極酸化被膜処理層５８をなじみ層として用いることができるため、スクロールユニット１４のなじみ運転も短時間で済む。これらにより、低コストでスクロールユニット１４の耐久性及びＰＶ特性の向上を図ることができる。
また、基面２６ａに陽極酸化被膜処理層５８の形成前に複数の微小凹部６０を形成することにより、微小凹部６０が基面２６ａにおける潤滑油の油溜まりとして機能するため、固定スクロール２４に対する可動スクロール２２の潤滑性を高めることができ、スクロールユニット１４の耐久性及びＰＶ特性の更なる向上を図ることができる。また、基面２６ａの潤滑不良に起因した固定スクロール２４に対する可動スクロール２２の凝着をも防止することができる。

また、微小凹部６０は基面２６ａに対する先端面３２ａの摺動領域Ａに、隣り合う微小凹部６０間における潤滑油の油膜６２が途切れる間隔Ｌで配されることにより、微小凹部６０及び油膜６２を介した圧縮室３６からの冷媒の漏洩を防止することができるため、スクロールユニット１４におけるシール性を確保しながら、その耐久性及びＰＶ特性の向上を図ることができる。

本発明は、上述の実施形態に制約されるものではなく種々の変形が可能である。
例えば上記実施形態では、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６の膜厚ｔ１及び硬さ、陽極酸化被膜処理層５８の膜厚ｔ２及び硬さ、及び、微小凹部６０の直径Ｄ及び深さｄは、実験結果により好ましいと判明した数値ではあるが、これらの数値に厳密に限定されるものではない。

具体的には、先端面３２ａに無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、基面２６ａに陽極酸化被膜処理を施した場合、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６は１０μｍ〜２０μｍの膜厚ｔ１、４５０ＨＶ〜５５０ＨＶのビッカース硬さとすることでスクロールユニット１４の耐久性及びＰＶ特性を効果的に向上できることが判明している。
また、微小凹部は０．５ｍｍ〜０．７ｍｍの直径Ｄ、０．０９５ｍｍ〜０．１５ｍｍの深さｄとすることでスクロールユニットの耐久性及びＰＶ特性を効果的に向上できることが判明している。

また、上記実施形態では、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６形成の前処理として、９０秒間のエッチング処理を行うが、これに限らず、４５秒〜１２０秒程度の少なくとも通常の処理時間以上となるエッチング処理を行うことにより、本実施形態の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層５６の密着性が高まることが判明している。
また、上記実施形態では、図３に示すように可動スクロール２２の基面２６ａに微小凹部６０を形成しているが、これに限らず、図５の固定スクロール２４をその基面２８ａ側からみた平面図に示すように固定スクロール２４の基面２８ａに微小凹部６０と同様の大きさ及び形状の微小凹部６４を同様の配置で設けても良い。

また、微小凹部６０，６４は半球形状の凹部に限定されず、凹部であれば種々の形状で形成することが可能である。
また、上記実施形態では、冷凍空調機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二酸化炭素冷媒を使用した密閉型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作動流体を使用した、種々の分野における圧縮機または膨脹機等のスクロール型流体機械に適用可能である。

１ 密閉型スクロール圧縮機（スクロール型流体機械）
１４ スクロールユニット
２２ 可動スクロール
２４ 固定スクロール
２６，２８ 基板
２６ａ 基面（被摺動基面）
２８ａ 基面
３０，３２ 渦巻体
３０ａ 先端面
３２ａ 先端面（摺動先端面）
３６ 圧縮室
５０ 外周空間
５４ クリアランス
５６ 無電解Ｎｉ−Ｐめっき層
５８ 陽極酸化被膜処理層
６０，６４ 微小凹部
６２ 油膜

Claims (7)

1. 各基板の各基面に渦巻体が対をなしてそれぞれ立設された可動スクロール及び固定スクロールから構成され、前記各基板のうちの一方の前記基板に立設された前記渦巻体の先端面が対向する他方の前記基板の前記基面に対して常時摺動するのに対し、前記各基板のうちの他方の前記基板に立設された前記渦巻体の先端面は対向する他方の前記基板の前記基面に対して所定のクリアランスを存して離間したスクロールユニットを備え、
   前記他方の基面に常時摺動する前記摺動先端面は無電解Ｎｉ−Ｐめっき層を有し、前記摺動先端面が部分的に摺動される前記被摺動基面は陽極酸化被膜処理層を有することを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は１０μｍ〜２０μｍの膜厚を有す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. 前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は４５０ＨＶ〜５５０ＨＶのビッカース硬さ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。
4. 前記スクロールユニットは、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、前記各渦巻体間に作動流体の前記各基板の径方向中央部に向けてその容積を減少させながら移動する圧縮室と、前記可動スクロールの外周側から前記被摺動基面に潤滑油を供給するための外周空間とを形成し、
   前記被摺動基面は前記陽極酸化被膜処理層の形成前に形成した複数の微小凹部を有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。
5. 前記微小凹部は前記被摺動基面に対する前記摺動先端面の摺動領域に、隣り合う前記微小凹部間における潤滑油の油膜が途切れる間隔で配され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. 前記微小凹部は０．５ｍｍ〜０．７ｍｍの直径を有することを特徴とする請求項５に記載のスクロール型流体機械。
7. 前記微小凹部は０．０９５ｍｍ〜０．１５ｍｍの深さを有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。

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