JP2014070515A - ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受焼き付き事故を未然に防止してスクロール圧縮機の信頼性が向上できる油インジェクション方式の密閉形スクロール圧縮機を提供する。
【解決手段】回転軸内に偏心穴１３を回転軸１４上部の偏心軸１４ａ上端面まで形成し、旋回軸受部と係合する前記偏心軸部に作用する前記固定スクロールと前記旋回スクロールでの流体の圧縮作用による荷重と、前記旋回スクロールの旋回運動による遠心力による荷重の合成荷重の荷重方向に対して位相角が約９０度進み位置となる軸受面において、軸方向に平行な溝５４を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、軸受部の潤滑を良くする機構を有する密閉形スクロール圧縮機に係わり、特に作動ガスとしてヘリウムガスを用いる超高真空分野のクライオポンプ装置用ヘリウム圧縮機等に用いて好適な密閉形スクロール圧縮機に関する。

従来のヘリウムガスを作動ガスとする密閉形スクロール圧縮機において、その密閉容器内を高圧状態に保つ、いわゆる高圧チャンバ方式を採用し、かつ油による冷却、いわゆる油注入方式（以下、油インジェクション方式と称する）を採用しているものの中に、例えば特開昭６１−１１２７９４号公報に開示されているように、密閉容器底部内の油を一旦密閉容器外に導き油冷却器を介して再度スクロール圧縮機の圧縮機部へ注入するように構成したものがある。

特開昭６１−１１２７９４号

上記従来技術のものは、次のような問題が生じる。ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機の場合、冷媒フロン２２等のようにはヘリウムガスが油に溶け込むことがないので、油が冷媒により希釈されることがなく、油粘度が高く保持されることとなる。そのため、軸受への給油方式にポンプ方式を採用する空調仕様構造において冷媒フロン２２を使用した場合より給油経路での流路抵抗が上昇し、油の流れを滞留させやすく、軸受部への軸受必要油量に対して油量不足となり、その結果軸受部の焼き付き事故の誘発および機械損失の上昇というヘリウム用密閉形スクロール圧縮機特有の問題がある。

本発明は、特に上記従来技術の問題点を鏡みてなされたものであるが、ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機に限らず、冷媒としてフロンＲ３２等を用いる一般的なスクロール圧縮機に対しても適用できるものであり、その目的は、軸受焼き付き事故を未然に防止してスクロール圧縮機の信頼性が向上できる油インジェクション方式の密閉形スクロール圧縮機を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明による密閉形スクロール圧縮機は、特許請求の範囲の各請求項に記載されたところを特徴とするものであるが、特に独立項としての請求項１に係る発明による密閉形スクロール圧縮機は、密閉容器内に、圧縮機部と電動機部を収納し、前記圧縮機部は円板状鏡板に渦巻状のラップを直立する固定スクロールと旋回スクロールとをラップを互いに内側にしてかみ合わせ、旋回スクロールを回転軸に連設する偏心機構に係合し、旋回スクロールを自転することなく固定スクロールに対し旋回運動させ、固定スクロールには中心部に開口する吐出口と外周部に開口する吸入口を設け、吸入口より作動ガスを吸入し、両スクロールにて形成される圧縮室を中心に移動させ容積を減少して前記作動ガスを圧縮し、吐出口より圧縮ガスを容器室内に吐出し、さらに吐出管を介し器外に前記作動ガスを吐出すると共に、前記回転軸に対して旋回軸受部と主軸受部及び副軸受部とを有し、旋回スクロールの鏡板の背面に、圧縮機部とフレームで囲まれた背圧室を形成し、該背圧室に旋回スクロールの鏡板に細孔を穿設し、吸入圧力と吐出圧力との中間圧力が導入され、回転軸内に設けた偏心穴又は回転軸下部に設置した容積型ポンプにより油溜りの油が回転軸内の給油経路を介して前記各種軸受部及び圧縮室に供給される密閉形スクロール圧縮機において、前記旋回軸受部の偏心軸部に作用する前記固定スクロールと前記旋回スクロールでの流体の圧縮作用による荷重と、前記旋回スクロールの旋回運動による遠心力による荷重の合成荷重の荷重方向に対して位相角が約９０度進み位置となる軸受面において、前記旋回軸受部と係合する偏心軸面に軸方向に平行な溝を形成したことを特徴とするものである。その結果、圧縮機全体の性能・効率が大きく向上する効果となる。

本発明によれば、旋回軸受での給油量を確実に確保できるので、軸受焼き付き事故の未然防止ひいては、ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機の信頼性が向上できる。

本発明の遠心ポンプを使用したヘリウム用密閉形スクロール圧縮機の第１の実施例を示す縦断面図である。 第１の実施例を示す回転軸の正面図である。 図２のＢ方向から見た側面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の回転軸の偏心部の溝深さを変化させたときの効果を表す説明図である。 本発明の容積型ポンプを使用したヘリウム用密閉形スクロール圧縮機の第２の実施例を示す縦断面図である。 第２の実施例を示す回転軸周辺部の正面図である。 容積型ポンプ周辺の縦断面図である。 図８のＣ方向から見た側面図である。 本発明の容積型ポンプの行程容積を変化させたときの効果を表す説明図である。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

以下、本発明の一実施例を図１〜１０によって詳細に説明する。図１は、縦形構造における遠心ポンプ給油方式を用いて主軸受部、副軸受部及び旋回軸受部に潤滑油を給油するようにしたヘリウム用密閉形スクロール圧縮機の一実施例を示す縦断面図である。図１において、作動ガスの流れとインジェクションされた冷却油の流れを説明する。ヘリウムガスを冷却するための油インジェクション管３１を密閉容器１の上フタ２ａに貫通して固定スクロール５の鏡板部５ａに設けた油注入用ポート２２に接続し、該油注入用ポート２２の開口部は、旋回スクロール６のラップ６ｂの歯先面に対向して開口している。密閉容器１内の吸入配管１７側となる上部にはスクロール圧縮機構部が、下側にはモータ部３が収納されている。そして、密閉容器１内は吐出室１ａとフレーム７をはさんでモータ室１ｂとに区画されている。

スクロール圧縮機構部は、固定スクロール５と旋回スクロール６を互いに噛み合せて圧縮室８を形成している。固定スクロール５は、円板状の鏡板５ａと、これに直立したインボリュート曲線あるいはこれに近似の曲線に形成されたラップ５ｂとからなり、その中心部に吐出１０、外周部に吸入口1５を備えている。旋回スクロール６も円板状の鏡板６ａと、これに直立し、固定スクロールのラップと同一形状に形成されたラップ６ｂと、鏡板の反ラップ面に形成されたボス部６ｃとからなっている。

フレーム７は中央部に軸受部４０を形成し、この軸受部に回転軸１４が支承され、回転軸先端の偏心軸１４ａは、上記ボス部６ｃに旋回運動が可能なように挿入されている。またフレーム７には固定スクロール５が複数本のボルトによって固定され、旋回スクロール６はオルダムリングおよびオルダムキーよりなるオルダム機構３８によってフレーム７に支承され、旋回スクロール６は固定スクロール５に対して、自転しないで旋回運動をするように形成されている。

回転軸１４にはモータ軸１４ｂを一体に連設し、モータ部３を直結している。固定スクロール５の吸入口１５には密閉容器１の上フタ２ａを貫通して吸入管１７が接続され、吐出１０が開口している吐出室１aはフレーム７の外縁部の第一通路１８ａ、１８ｂを介してモータ室1ｂ（１ｂ１、１ｂ２）と連通している。このモータ室1ｂは密閉容器中央部のケ−シング部２ｂを貫通する吐出管２０に連通している。吐出管２０は上記通路１８ａ、１８ｂの位置に対してほぼ反対側の位置に設置している。
モータ室１ｂは、ステータ３ａの上部空間1ｂ1とステータ３ａの下部空間１ｂ２とに区分している。

この両側の空間１ｂ１、１ｂ２を連通するように、モータステータ３ａとケ−シング部２ｂ内壁面２ｍ側との間に油とガスの流路部となる通路２５（２５ｂ、２５ｃ）を形成している。また、モータエアギャップの隙間２６も通路となり、該隙間２６を介して空間１ｂ１と空間１ｂ２とが連通している。このような容器内部のモータ室１ｂ１、１ｂ２内においてガスと冷却油の混合体の流れによって、６０℃〜７０℃の比較的低温なインジェクション油によるモータへの直接冷却が可能となる。

吸入管１７と固定スクロール５との間には高圧部と低圧部とをシールするＯリング５３を設けている。また、旋回スクロール６の鏡板の背面には、スクロール圧縮機部２とフレーム７で囲まれた空間３６（以下背圧室と呼ぶ）が形成され、この背圧室３６には旋回スクロールの鏡板に穿設した細孔６ｄを介し、吸入圧力と吐出圧力の中間圧力が導入され、旋回スクロール６を固定スクロール５に押付ける軸方向の付与力を与えている。

第１の実施例においては、図1に示すように、潤滑油２３は密閉容器１の底部に溜められており、この潤滑油２３は回転軸１４ａ、１４ｂ内に設けた偏心穴１３による遠心ポンプ効果により回転軸１４内の偏心穴１３を通り、旋回軸受３２に供給される。該旋回軸受３２に供給されて排出された油は、ころ軸受の主軸受部４０に落下しフレーム下端部に移動して排出管７４に導かれて、底チャンバ部２ｃの油溜め部に戻るようになる。

一方、前記旋回軸受３２に供給されて排出された油は、環状のシールリング構造からなるシール手段８５を経て、背圧室３６に移動する。シール手段８５に対向する旋回ボス端面部に小穴のポケット穴５８が備えられ、該ポケット穴内の油が旋回スクロール６の旋回運動により間歇的に背圧室３６側に排出される。このように背圧室３６に移動した油は、前記穴６ｄを介してスクロールラップの圧縮室８へ注入され圧縮ガスと混合され、次いでヘリウムガスと共に吐出室１aへ吐出される。

前記密閉容器１の底部には、該底部の潤滑油２３を器外へ取出す油取り出し管３０が設けられている。密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２３は、密閉容器１内の吐出圧力と前記圧縮室８内部の圧力との差圧によって油取り出し管３０の流入部３０ａから該油取り出し管３０内に流出していく。油取り出し管３０内へ流出した油は外部油配管５１を通って油冷却器３３へ至り、ここで適宜冷却された後、油配管５２を介して油インジェクション管３１およびポート２２を経て圧縮室８へ注入される。

油インジェクション管３１内の圧力と吐出室１ａの高圧部とをシールするためにＯリング４８を設けている。

本実施例においては、図２に示すように、回転軸１４内に設けた偏心穴１３による遠心ポンプ効果を有するスクロール圧縮機構造において、図２のＢ矢視である図３に示すように、固定スクロール５と旋回スクロール６での流体の圧縮作用による荷重Ｐ１と、旋回スクロール６の旋回運動による遠心力による荷重Ｐ２の合成荷重Ｐ３が、軸中心からの偏心量εの偏心軸１４ａに旋回軸受３２から作用する。流体の圧縮作用による荷重Ｐ１の荷重方向は圧縮機の運転条件によって変化し、旋回運動による荷重Ｐ２の荷重方向は偏心軸１４ａの偏心方向に負荷される。図３〜４に示すように、この２つの合成荷重Ｐ３の荷重方向に対して、位相角が約９０度進む位置となる軸受面において、偏心軸１４ａ面に断面弦月状に切欠いた軸方向に平行な溝（以下単に「溝」という）５４を形成し、その深さＬ１は、軸径ｄｍに対して約２．５〜３．５×１０^-2に設定する。

以下にその理由を説明する。空調仕様構造では、溝５４の深さＬ１は軸径ｄに対して１．５×１０^-2以下である。ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、冷媒フロン２２等のようにはヘリウムガスが油に溶け込むことがないので、油が冷媒により希釈されることがなく、潤滑油２３の粘度が高く保持される。図５に示すように、空調仕様構造において冷媒フロン２２使用時の油粘度のときの軸受給油量はＡ点であるが、高粘度油を使用したときに軸受給油量はＢ点に低下し、必要給油量を満たさず、軸受の焼き付きが発生する原因となる。高粘度油の場合にもＡ点と同等以上の軸受給油量を確保できる本発明を使用することで、軸受給油量をＣ点からＤ点の範囲にすることができ、Ｂ点に対して約２〜３倍の給油量の増加を図ることができる。

これにより、該溝５４の機能は軸受負荷面への油供給機能と旋回軸受下流側へのスムースな排油機能の両面の作用を備えることができる。この機能により、ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、軸受部への軸受必要油量が確保でき、その結果機械損失の低減および軸受部の焼き付き事故防止効果が得られる。

次に、本発明の第２実施形態について図６〜図１０を用いて説明する。
図６は、縦形構造における容積型ポンプ給油方式を用いて主軸受部、副軸受部及び旋回軸受部に潤滑油を給油するようにしたヘリウム用密閉形スクロール圧縮機の縦断面図であり、次に述べる点は第１実施形態と相違するものであり、図９に示す溝５４の深さＬ１の変更を含むその他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

第２の実施例においては、図７に示すように、旋回軸受への給油形式が異なり、密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２３は回転軸１４の下部に設置されている容積型ポンプ３３、例えば図７に示すように、歯車３３ｂを使用する歯車式ポンプにより容積型ポンプ入口３３ａから吸い上げられる。次いで、ポンプ軸１４ｃにより歯車３３ｂは回転し、吸い上げられた潤滑油２３は回転している歯車３３ｂによって容積型ポンプ３３内を移動し、回転軸１４内の軸芯中央に設けた給油穴１６を通り、図６に示す旋回軸受３２に供給される。

この場合に該容積型ポンプ３３の理論吐出量Ｑ[cc/rev]を、圧縮機の行程容積Ｖｔｈ[cm3/rev]に対して約０．８〜２．０×１０^-2の範囲に設定する。以下にその理由を説明する。ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、潤滑油２３の粘度は、冷媒フロン２２等のようにはヘリウムガスが油に溶け込むことがないので、油が冷媒により希釈されることがなく、油粘度が高く保持される。空調仕様構造では、圧縮機の行程容積Ｖｔｈ[cm3/rev]に対して容積型ポンプ３３の理論吐出量Ｑ［cc/rev］が０.５×１０^-2以下である。

図１０に示すように、空調仕様構造において冷媒フロン２２使用時の油粘度のときの軸受給油量はＥ点であるが、空調仕様構造で高粘度油を使用したときに軸受給油量はＦ点に低下し、必要給油量を満たさず、軸受の焼き付きが発生する原因となる。高粘度油の場合にもＥ点と同等以上の軸受給油量を確保できる本発明を使用することで、軸受給油量をＧ点からＨ点の範囲にすることができ、Ｆ点に対して約１.５〜２.５倍の給油量の増加を図ることができるため、該容積型ポンプ３３の理論吐出量Ｑ[cc/rev]を上記範囲に設定する。これにより、ヘリウム用密閉形スクロール圧縮機での高粘度油を使用した場合においても容積型ポンプ３３の給油量が増加し、軸受部への軸受必要油量が確保でき、その結果機械損失の低減および軸受部の焼き付き事故防止効果が得られる。また、図７に示すように、給油穴１６を回転軸１４内の軸芯中央に設けることで、加工時間の短縮が図れ、加工作業効率が向上する効果が得られる。

１…密閉容器
１ａ…吐出室
１ｂ、１ｂ１、１ｂ２…モータ室
２ａ…上フタ
２ｂ…ケーシング部
２ｃ…底チャンバ部
２…スクロール圧縮機部
３…モータ部
３ａ…モータステータ
３ｂ…モータロータ
５…固定スクロール
５ａ…鏡板
５ｂ…ラップ
５ｆ…吸入室
６…旋回スクロール
６ａ…鏡板
６ｂ…ラップ
６ｃ…ボス部
７…フレーム
８…圧縮室
９…バランスウェイト
１０…吐出口
１３…偏心穴
１４…回転軸
１４ａ…偏心軸
１４ｂ…モータ軸
１４ｃ…ポンプ軸
１５…吸入口
１６…給油穴（軸芯中央に設けた縦穴）
１７…吸入管
１８ａ、１８ｂ…通路
２０…吐出管
２２…油注入用ポート
２３…油
３０…油取り出し管
３１…油インジェクション管
３２…旋回軸受
３３…容積型ポンプ
３３ａ…容積型ポンプ入口
３３ｃ…歯車
３６…背圧室
３８…オルダム機構
４０…主軸受
４８…Ｏリング
５３、５４…溝
５８…ポケット穴
７４…排出管
８５…シール手段
９２…足

Claims (4)

1. 作動ガスがヘリウムガスであり、密閉容器内に、圧縮機部と電動機部を収納し、前記圧縮機部は円板状鏡板に渦巻状のラップを直立する固定スクロールと旋回スクロールとをラップを互いに内側にしてかみ合わせ、旋回スクロールを回転軸に連設する偏心機構に係合し、旋回スクロールを自転することなく固定スクロールに対し旋回運動させ、固定スクロールには中心部に開口する吐出口と外周部に開口する吸入口を設け、吸入口より作動ガスを吸入し、両スクロールにて形成される圧縮室を中心に移動させ容積を減少して前記作動ガスを圧縮し、吐出口より圧縮ガスを容器室内に吐出し、さらに吐出管を介し前記作動ガスを器外に吐出すると共に、前記回転軸に対して旋回軸受部と主軸受部及び副軸受部とを有し、旋回スクロールの鏡板の背面に、圧縮機部とフレームで囲まれた背圧室を形成し、該作動ガスを冷却するため、前記油溜りのある前記密閉容器底部側面から取り出した油を供給する油インジェクション管を、前記密閉容器に貫通して前記固定スクロールの鏡板部に設けた油注入用ポートに接続し、該油注入用ポートの開口部は、前記旋回スクロールのラップ歯先面に対向して開口したヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、
   前記回転軸内に偏心穴を回転軸上部の偏心軸上端面まで形成し、前記旋回軸受部と係合する前記偏心軸部に作用する前記固定スクロールと前記旋回スクロールでの流体の圧縮作用による荷重と、前記旋回スクロールの旋回運動による遠心力による荷重の合成荷重の荷重方向に対して位相角が約９０度進み位置となる軸受面において、軸方向に平行な溝を形成することを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
2. 作動ガスがヘリウムガスであり、密閉容器内に、圧縮機部と電動機部を収納し、前記圧縮機部は円板状鏡板に渦巻状のラップを直立する固定スクロールと旋回スクロールとをラップを互いに内側にしてかみ合わせ、旋回スクロールを回転軸に連設する偏心機構に係合し、旋回スクロールを自転することなく固定スクロールに対し旋回運動させ、固定スクロールには中心部に開口する吐出口と外周部に開口する吸入口を設け、吸入口より作動ガスを吸入し、両スクロールにて形成される圧縮室を中心に移動させ容積を減少して前記作動ガスを圧縮し、吐出口より圧縮ガスを容器室内に吐出し、さらに吐出管を介し前記作動ガスを器外に吐出すると共に、前記回転軸に対して旋回軸受部と主軸受部及び副軸受部とを有し、旋回スクロールの鏡板の背面に、圧縮機部とフレームで囲まれた背圧室を形成し、該作動ガスを冷却するため、前記油溜りのある前記密閉容器底部側面から取り出した油を供給する油インジェクション管を、前記密閉容器に貫通して前記固定スクロールの鏡板部に設けた油注入用ポートに接続し、該油注入用ポートの開口部は、前記旋回スクロールのラップ歯先面に対向して開口したヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、
   前記回転軸の下部に容積型ポンプを設置し、該容積型ポンプにより油溜りの油を前記回転軸の軸心中央に設けた給油穴に導くとともに、前記給油穴は、回転軸上部の偏心軸上端面まで形成し、前記旋回軸受部と係合する前記偏心軸部に作用する前記固定スクロールと前記旋回スクロールでの流体の圧縮作用による荷重と、前記旋回スクロールの旋回運動による遠心力による荷重の合成荷重の荷重方向に対して位相角が約９０度進み位置となる軸受面において、軸方向に平行な溝を形成することを特徴とするヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
3. 前記旋回軸受部と係合する偏心軸面に形成された軸方向に平行な溝の溝深さＬ１を、前記偏心軸部の軸径ｄｍに対して約２．５〜３．５×１０^-2の範囲に設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。
4. 前記容積型ポンプの理論吐出量Ｑ[cc/rev]を、圧縮機の行程容積Ｖｔｈ[cm3/rev]に対して約０．８〜２．０×１０^-2の範囲に設定することを特徴とする請求項２に記載のヘリウム用密閉形スクロール圧縮機。