JP2014163332A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 スクロール圧縮機において、低速運転時における摺動ロスの低減及び耐摩耗性を向上させることが困難であった。このために、軸受部での接触による表面損傷を起こすことなく摺動損失を低減できる高効率で高信頼性のスクロール圧縮機を提供する。
【解決手段】端板と該端板に立設する渦巻状のラップを有した固定スクロールと旋回スクロールを互いに噛み合わせて形成される圧縮室と、該旋回スクロールを旋回運動させるクランク軸と、該旋回スクロールと該クランク軸の偏心ピン部とを回転軸方向に移動可能にかつ回転自在に支持する旋回スクロールの背面に備えた旋回軸受部と、該クランク軸を回転自在に支持する支持部をフレーム部材の中央部に配設した主軸受部を備えたスクロール圧縮機において、前記旋回軸受部及び主軸受部にすべり軸受を用いて、その材料が樹脂系材料にカーボン繊維を含有させた材料で軸受開口側の端部に拡開するテーパ部を備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ＨＦＣ系冷媒、自然系冷媒である空気、二酸化炭素及びその他の圧縮性ガスを取扱うスクロール圧縮機に係り、特に、旋回スクロールの旋回軸受部及びフレームに配接した主軸受部にすべり軸受を有する構成としたスクロール圧縮機に関するものである。

本技術分野の背景技術として、特許第３８２３３２５号公報（特許文献１）がある。この公報には、「多孔質青銅系合金と多孔質青銅系合金の孔内に含浸させた樹脂材料とが裏金上に形成され、クランク軸との接触面において多孔質青銅系合金と樹脂材料とが露出し、接触面における多孔質青銅系合金の露出面積の割合が、耐摩耗性の下限値としての５％以上、耐焼付性の上限値としての６０％以下である。これにより、境界潤滑時の焼付耐力が大きく、かつ摺動による摩耗量の少ない軸受を得ることができる。」と記載されている。

また、特開２００２−１４７３７７号公報（特許文献２）によれば、「旋回スクロール軸受の下端部及び主軸受の上端部に環状溝を形成して軸受端部の剛性を低下させている。これによって、回転軸にモーメントが加わりすべり軸受内での回転軸の傾斜が生じ、荷重分布がすべり軸受の端部で大きくなった場合には、すべり軸受の端部が変形することにより、回転軸とすべり軸受の端部との接触応力を低減するようにしている。このため、軸受端部近傍が回転軸と直接接触して表面損傷を起こすことを回避できる。」と記載されている。

特許第３８２３３２５号公報 特開２００２−１４７３７７号公報

特許第３８２３３２５号にある公知技術（特許文献１）によれば、摺動面における多孔質青銅系合金の露出面積の割合を５％以上６０％以下としたのは、５％未満では摺動による摩耗量が大きくなってしまい、６０％を超えると焼付が生じやすくなるからである。このように、多孔質青銅系合金の露出面積の割合を規定通りの範囲であっても、露出面積割合が少なければ軸受が摩耗しやすく、露出面積割合が多くなれば焼付が生じやすくなる。このために、多孔質青銅系合金の露出面積割合を５〜３０％程度に維持できる高精度の加工方法が必須という課題があった。

また、特開２００２−１４７３７７号にある公知技術（特許文献２）によれば、すべり軸受の端部に環状溝を形成して回転軸の傾斜が大きくなった場合に、すべり軸受の端部が変形するようにしているため、すべり軸受の環状溝の内側部分に必要な強度を得る事が出来る厚さとすることが難しいと共に、この内側部分に十分な強度を得るためには高価な材料のすべり軸受を用いる必要があった。なお、すべり軸受の環状溝の内側部分の変形と復元とが運転中に繰り返されことにより、環状溝の内側部分が疲労損傷する恐れがあるためにすべり軸受の信頼性の低下を招くという課題があった。

そこで本発明は、高精度の加工を不要としながら、すべり軸受の耐摩耗性・耐焼付性を向上することで信頼性向上が図れるスクロール圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「端板と該端板に立設する渦巻状のラップを有した固定スクロールと旋回スクロールとが互いに噛み合わされて形成される圧縮室と、前記旋回スクロールを旋回運動させるクランク軸と、前記旋回スクロールの背面側に設けられ前記クランク軸の上部の偏心ピン部を回転自在に支持する旋回軸受部と、フレーム部材に設けられ前記クランク軸を回転自在に支持する主軸受部と、を備えたスクロール圧縮機において、前記旋回軸受部にすべり軸受を用いるとともに、その材料に樹脂系材料にカーボン繊維を含有させたものを用いたことを特徴とするスクロール圧縮機」である。

本発明によれば、高精度の加工を不要としながら、すべり軸受の耐摩耗性・耐焼付性を向上することで信頼性向上が図れるスクロール圧縮機を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

は、第１実施例におけるスクロール圧縮機の全体構造図である。 は、第１実施例における旋回スクロール軸受部及び主軸受近傍の拡大図である。 は、本発明におけるすべり軸受の断面構造図である。 は、第２の実施例における主軸受部詳細拡大図である。 は、第３の実施例における主軸受部詳細拡大図である。 は、軸受平均面圧と摩擦係数との関係を説明する図である。 は、軸受テーパ角度と摩擦係数との関係を説明する図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の第１の実施例を示すスクロール圧縮機について、図１〜２を用いて詳細に説明する。本発明の第１実施例を示すスクロール圧縮機の全体構造に関して説明する。
スクロール圧縮機１は、圧縮機構部２と駆動部３とを密閉容器１００内に収納して構成する。該圧縮機構部２は、固定スクロール１１０と旋回スクロール１２０とフレーム１６０から構成される。固定スクロール１１０は、端板１１０ｂと該端板１１０ｂに垂直に立設する渦巻状ラップ１１０ａを有し、かつラップ中央部に吐出口１１０ｅを有し、該フレーム１６０に複数のボルトを介して固定される。該旋回スクロール１２０は、端板１２０ｂと該端板１２０ｂに垂直に立設する渦巻状ラップ１２０ａを有し、該端板１２０ｂの背面側にボス部１２０ｅとボス部端面１２０ｆで構成される。

固定スクロール１１０と旋回スクロール１２０とが噛合わされて形成される圧縮室１３０は、該旋回スクロール１２０が固定スクロール１１０に対して旋回運動することによりその容積が減少する圧縮動作を行う。この圧縮動作では、該旋回スクロール１２０の旋回運動に伴って、作動流体が吸込口１４０から該圧縮室１３０へ吸込まれ、吸込まれた作動流体が圧縮行程を経て固定スクロール１１０の吐出口１１０ｅから密閉容器１００内の吐出空間１３６に吐出され、さらに吐出口１５０を経由して密閉容器１００から吐出される。これによって、密閉容器１００内の空間は吐出圧力に保たれる。

旋回スクロール１２０を旋回運動させる駆動部３は、ステータ１０８及びロータ１０７と、クランク軸１０１と、旋回スクロール１２０の自転防止機構の主要部品であるオルダム継手１３４と、フレーム１６０と、主軸受１０４、副軸受１０５と、旋回軸受１０３で構成される。クランク軸１０１は主軸部１０１ｂと上部の偏心ピン部１０１ａとを一体に備えて構成される。主軸受１０４はフレーム１６０に設けられ、副軸受１０５は軸受ケース２０５に設けられ、これらの主軸受１０４及び副軸受１０５によりクランク軸１０１を回転軸方向に移動可能にかつ回転自在に支持するように構成される。なお、フレーム１６０及び軸受ケース２０５は密閉容器１００に固定されるものである。

旋回軸受１０３は、クランク軸１０１の上部の偏芯ピン部１０１ａを回転軸方向に移動可能にかつ回転自在に支持するように、旋回スクロール１２０背面側のボス部１２０ｅに設けられる。クランク軸１０１を回転自在に支持する主軸受１０４、副軸受１０５は、ステータ１０８及びロータ１０７から構成される電動機の圧縮機構部２側と油溜り部１３１側とにそれぞれ配置される。

本実施例において、該圧縮機構部２側近傍の旋回軸受１０３及び主軸受１０４にすべり軸受を用いることが望ましい。特に旋回軸受１０３は旋回スクロール１２０の背面側のボス部１２０ｅに設けられるため、その他の種類の軸受を採用すると、背圧室１８０の空間の寸法制約から、ボス部１２０ｅを薄い形状とすることが必要となり、強度上の信頼性低下を招く虞がある。但し、主軸受１０４についてはフレーム１６０を設置する空間に、ある程度、スペースに余裕があるため、これは転がり軸受を採用してもよい。

油溜り部１３１近傍の副軸受１０５には図示のようなすべり軸受の他、使用条件に適応できる転がり軸受やその他の球面軸受部材でも良い。オルダム継手１３４は、旋回スクロール１２０とフレーム１６０とにより構成した背圧室１８０に配設されており、固定スクロール１１０と旋回スクロール１２０の自転防止部材である。オルダム継手１３４に形成した直交する２組のキー部分の１組がフレーム１６０に構成したキー溝を滑動し、残りの１組が旋回スクロール１２０の背面側に構成したキー溝を滑動する。

図１、２を用いて、旋回軸受１０３と主軸受１０４をすべり軸受で構成した場合に関して説明する。
図２は、図１の旋回スクロール軸受部及び主軸受近傍の拡大図（図１のＡ部）である。旋回スクロール１２０の背面側に構成される空間は、旋回スクロール１２０とフレーム１６０と固定スクロール１１０とで囲まれて構成される空間である。高圧室と背圧室との分離手段は、旋回スクロール背面のボス部端面１２０ｆと、これに対面するフレームの端面部１６４と、該端面部１６４に構成されたリング状溝１６１と、該リング状溝１６１に配設されたシール部材１７２とを備えて構成される。ここで、該ボス部端面１２０ｆは、該シール部材１７２と接するシール面である。該シール部材１７２は、背圧室１８０と高圧室１８１を圧力的に分離するシール手段である。

高圧室１８１は、旋回軸受１０３、主軸受１０４、スラスト軸受２０４から排出された潤滑油をシール部材１７２でシールしており、ポンプ作用による昇圧作用と軸受部や隙間部を通過する時に減圧作用を受けるもののほぼ吐出圧力程度の圧力空間になる。背圧室１８０内に配設したオルダム継手１３４等の摺動部は高圧室１８１へ供給した潤滑油の一部を供給するため、排出経路空間１８５と第２背圧室１８０を断続的あるいは連続的に連通させる小孔１７０を旋回軸支持部端面１２０ｆに設けてある。

旋回軸受１０３、主軸受１０４及び副軸受１０５への給油は、クランク軸１０１内に設けた給油経路１０２と給油ポンプ１０６とで行う。即ち、密閉容器１００の下部空間に溜めた潤滑油１３１を給油ポンプ１０６で吸引して給油通路１０２、を通して各部へ潤滑油を供給する。給油ポンプとしては、図示していないがクランク軸１０１に構成する偏芯回転動作により実現する遠心ポンプ作用を用いても良い。

本実施例における旋回軸受１０３又は主軸受１０４をすべり軸受で構成した断面構造について図３を用いて説明する。本実施例のすべり軸受は、バックメタル１０４ａとカーボン繊維１０４ｂと樹脂系材料１０４ｃを有しており、バックメタル１０４ａが旋回スクロール１２０の背面側のボス部１２０ｅに設けられる。カーボン繊維１０４ｂは樹脂系材料１０４ｃに混在させて、バックメタル１０４ａ上に形成している。このような材料を用いることによって、従来のような多孔質青銅の露出率をシビアに考えなくて良いので、寸法公差のみを考慮すれば良く生産時間及びコストの低減を図ることが可能となる。

本実施例の上記したすべり軸受の摩擦特性を測定した結果を図６に示す。本実施例のすべり軸受の樹脂系材料の成分はポリエーテルエーテルケトンとフッ素樹脂を含有させ、高強度のためにカーボン繊維を混在させたものである。従来のすべり軸受材料は樹脂系材料に多孔質青銅系合金を含有したもので、摺動面表面の多孔質青銅系合金の面積露出割合を実験的に２０％としたものである。

図６は、軸受平均面圧と摩擦係数の関係を示したものである。ここで軸受平均面圧は（荷重Ｎ／すべり軸受内径Ｄ×すべり軸受高さＬ）として求めたものである。縦軸の摩擦係数比は、本実施例の軸受平均面圧が６．５ＭＰａのときの値を１としてこれを基準として示している。図６に示すように本実施例のすべり軸受は、従来よりも低摩擦を維持できる特性を有している事が分かる。この理由としては、フッ素樹脂及びカーボンは潤滑性がある固体潤滑材であり、カーボンが低摩擦化を発揮できる成分と考えることができる。概略本実施例のすべり軸受は従来のすべり軸受よりも摩擦係数を３０％程度低減できるものであり、省エネ化に有効な軸受材料であることが伺える。

なお、図６に示すすべり軸受の材料の引張強度は概ね５０〜８０ＭＰａのものを採用した。この引張強度は大きい方が強度面の信頼性向上を図ることができるが、一方で引張強度が大きすぎると摩擦係数の上昇を招く虞がある。したがって、すべり軸受の材料として引張強度を５０〜８０ＭＰａ程度のものを採用することにより、耐摩耗性や耐焼付性に関して信頼性を維持しながら、上記した摩擦係数を低減し省エネを図ることが可能となる。なお、従来の材料の引張強度は概ね２０ＭＰａであり、図６に示すすべり軸受は４倍程度の高強度を有しているものである。

本実施例では樹脂系材料の成分としてポリエーテルエーテルケトンとフッ素樹脂を含有させ、高強度のためにカーボン繊維を混在させたものを採用することで引張強度を８０ＭＰａ程度を保つことが可能となったが、ポリエーテルエーテルケトン以外にもポリフェニレンサルファイドとフッ素樹脂とカーボン繊維の混在でも引張強度５０ＭＰａを維持できるため、同様な効果を得ることができる。

本発明の第２の実施例を示すスクロール圧縮機について、図４を用いて説明する。図４は、図２のＢ部の主軸受近傍の断面図である。クランク軸１０１は主軸部１０１ｂと偏心ピン部１０１ａとを一体に備えて構成される。主軸受１０４、副軸受１０５はクランク軸１０１を回転自在に支持するように構成される。旋回軸受１０３は、クランク軸１０１の偏芯ピン部１０１ａを回転軸方向に移動可能にかつ回転自在に支持するように、旋回スクロールのボス部１２０ｅに備える。クランク軸を回転自在に支持する主軸受１０４、副軸受１０５は、ステータ１０８及びロータ１０７から構成される電動機の圧縮機構部２側と油溜り部１３１側とにそれぞれ配置される。

クランク軸１０１は、回転による旋回スクロール１２０の遠心力及び旋回スクロール１２０がガスを圧縮する際に旋回軸受１０３を介して受ける軸方向の荷重により微小傾斜を起こす。特に、駆動部３の両側に位置した主軸受１０４、副軸受１０５でクランク軸１０１を支持するように構成していることで、偏心ピン部１０１ａや主軸受部１０１ｂに傾斜が生じやすい。そこで、主軸受１０４の両端の端部内周面に平坦部１０４ｄから端部に拡開するテーパ部１０４ｅを設けている。テーパ部１０４ｅは主軸受１０４の上部及び下部に設けられておりクランク軸１０１から離れるように傾斜するように構成されるものである。

図２に図示するように旋回軸受１０３においても開口側の端部内周面に拡開テーパを設けることで同様な効果が得られる。なお、クランク軸１０１は上端、あるいは下端を支点として偏心するものであるため、クランク軸１０１の上端においては旋回軸受１０３と接する面における傾斜は微小な程度である。そこで本実施例では、旋回軸受１０３については下部のみに偏心ピン部１０１ａから離れるように傾斜するテーパ部を設けており、図示では上部には設けていないが、上部に設置しても同様な効果が得られる。テーパ部はすべり軸受を旋回スクロールのボス部１２０ｅやフレーム１６０に取り付けた後で形成されるものであるため、ボス部１２０ｅに取り付けた後では加工するためのスペースがなくテーパ部の加工自体が困難である。そこで上記したように旋回軸受１０３の下部のみにテーパ部を設けることで微小傾斜による面圧上昇を抑制しながら、しかも生産性を向上することが可能となる。

主軸受１０４のテーパ部１０４ｅは、軸方向の寸法を数ミリオーダー、径方向の寸法を数十ミクロンオーダーとする緩やかなテーパ角度θで形成されている。このように主軸受１０４の両端面にテーパ部１０４ｆを設ける構造によって、クランク軸１０１が微小傾斜した場合においてもクランク軸１０１が主軸受１０４の両端テーパ部１０４ｅと片当りすることなく、滑らかに面で接触することができ、面圧上昇を緩和させる効果があるからすべり軸受の信頼性を高めることができる。

なお、近年では、省エネルギー化が望まれており、その指標として通年エネルギー消費効率（Ａｎｎｕａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆａｃｔｏｒ：ＡＰＦ）を表示するようになってきたので、特に中間条件と言われる低速条件の重みが増してきた。低速条件での圧縮機効率を向上させるには、すべり軸受部での摺動損失ロスを低減することが有効である。よって、本実施例にて説明したスクロール圧縮機用のすべり軸受として樹脂系材料とカーボン繊維を混在させた材料で軸受開口側の端部に拡開テーパ部を備えることで、低摩擦化を図れ、軸受摩耗量の低減や焼付耐力の向上を発揮できることを見出したものである。

本発明の第３の実施例を示すスクロール圧縮機について、図５を用いて説明する。図５は、図２のＢ部の主軸受近傍の断面図である。この第３実施例は、次に述べる点で第２実施例と相違するものであり、その他については第２実施例と基本的には同一である。

この第３実施例では、主軸受１０４の両端の端部内周面の平坦部１０４ｄから端部に拡開するマイクロステップ部１０４ｆを設けている。つまりテーパ部を段差形状により構成するものである。図示していないが、旋回軸受１０３においても開口側の端部内周面に拡開するマイクロステップ部を設けることで同様な効果が得られる。主軸受１０４のマイクロステップ部１０４ｆは、軸方向の寸法を数ミリオーダー、径方向の寸法を数ミクロンオーダーで段階的に拡開する円筒部で加工され、擬似的な緩やかなテーパ角度θで形成されている。

このように主軸受の両端面にマイクロステップ部１０４ｆを設ける構造によって、クランク軸１０１が微小傾斜した場合においてもクランク軸１０１が主軸受１０４の両端マイクロステップ部１０４ｆと片当りすることなく、滑らかに面で接触することができ、面圧上昇を緩和させる効果があるからすべり軸受の信頼性を高めることができる。本実施例のような加工方法は、研削で軸受内周面の平坦面１０４ｄを高精度に仕上げ、更にマイクロステップを研削加工で構成できる手法である。マイクロステップ加工ではなく、テーパ加工を研削で実施する場合は、専用の研削砥石形状を製作しなければならなく、コスト面で不利となるために、実用的ではない。

本発明の第４に実施例を示すスクロール圧縮機の構造は、図４及び図５を用いて説明し、その効果に関しては図７を用いて説明する。
図４に示した主軸受の詳細断面図に記載したように、主軸受１０４の両端部
の内周面に拡開したテーパ部１０４ｅを設け、テーパ部１０４ｅのクランク軸１０１からの開口角度θは軸受直径隙間Ｃとすべり軸受１０４の平坦面１０４ｄ長さＬ１の関係がθ≧Ｃ／Ｌ１となるように設定する。なお、旋回軸受１０３の場合にこの開口角度θは偏心ピン部からどれだけテーパ部が開口しているかで示される。例えば、軸受内径Ｄ＝３５ｍｍ、軸受直径隙間Ｃ＝０．０５ｍｍで、軸受平坦面１０４ｄの長さＬ１＝２５ｍｍとした場合の開口角度θ（軸受テーパ角度）と摩擦係数比の関係を図７に示す。ここでは、軸が傾斜した場合の摩擦係数を示し、摩擦係数比の基準は、摩擦係数が最も小さくなる軸受テーパ角度θ＝０．００２ｒａｄとして示してある。

拡開する開口角度θ（軸受テーパ角度）を０．００２〜０．００２５ｒａｄが最も低摩擦となることが分かり、軸受隙間Ｃを軸受平坦面長さＬ１で除した値の０．００２ｒａｄとほぼ同等であることから上述の関係式が成り立つ。

１・・スクロール圧縮機、 ２・・圧縮機構部、 ３・・駆動部、 １００・・密閉容器、 １０１・・クランク軸、 １０１ａ・・偏心ピン部、 １０１ｂ・・主軸部、 １０２・・クランク軸の給油経路、 １０３・・旋回軸受、 １０４・・主軸受、１０４ａ・・バックメタル、１０４ｂ・・強化繊維、１０４ｃ・・樹脂系材料、１０４ｄ・・平坦面、１０４ｅ・・テーパ部、１０４ｆ・・マイクロステップ部、１０５・・副軸受、 １０６・・給油ポンプ、 １０７・・ロータ、 １０８・・ステータ、 １１０・・固定スクロール、 １１０ａ・・渦巻状ラップ、 １１０ｂ・・端板、１１０ｅ・・吐出口、１２０・・旋回スクロール、 １２０ａ・・渦巻状ラップ、 １２０ｂ・・端板、 １２０ｅ・・ボス部、 １２０ｆ・・ボス部端面、 １３０・・圧縮室、 １３１・・油溜り部、 １３４・・オルダム継手、 １３６・・吐出空間、 １４０・・吸込口、 １５０・・吐出口、 １６０・・フレーム、 １６１・・リング状溝、 １６４・・フレーム端面部、 １７０・・小孔、１７２・・シール部材、 １８０・・背圧室、 １８１・・高圧室、２０４・・スラスト軸受、２０５・・軸受ケース。

Claims (8)

1. 端板と該端板に立設する渦巻状のラップを有した固定スクロールと旋回スクロールとが互いに噛み合わされて形成される圧縮室と、
   前記旋回スクロールを旋回運動させるクランク軸と、
   前記旋回スクロールの背面側に設けられ前記クランク軸の上部の偏心ピン部を回転自在に支持する旋回軸受部と、
   フレーム部材に設けられ前記クランク軸を回転自在に支持する主軸受部と、を備えたスクロール圧縮機において、
   前記旋回軸受部にすべり軸受を用いるとともに、その材料に樹脂系材料にカーボン繊維を含有させたものを用いたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 請求項１に記載のスクロール圧縮機において、
   前記主軸受部にすべり軸受を用いるとともに、その材料を樹脂系材料にカーボン繊維を含有させたものとすることを特徴とするスクロール圧縮機。
3. 請求項１に記載のスクロール圧縮機において、
   樹脂系材料とカーボン繊維を含有させた前記旋回軸受部の材料の引張強度が５０〜８０ＭＰａ程度であることを特徴とするスクロール圧縮機。
4. 請求項１に記載のスクロール圧縮機において、
   前記樹脂系材料の成分として、ポリエーテルエーテルケトン又はポリフェニレンサルファイドと、フッ素樹脂とを含有させたものを用いることを特徴とするスクロール圧縮機。
5. 請求項１に記載のスクロール圧縮機において、
   前記旋回軸受部の下部に前記偏心ピン部から離れるように傾斜するテーパ部を設けたことを特徴とするスクロール圧縮機。
6. 請求項２に記載のスクロール圧縮機において、
   前記旋回軸受部の下部に前記偏心ピン部から離れるように傾斜するテーパ部を設けるとともに、
   前記主軸受部の上部及び下部に前記クランク軸から離れるように傾斜するテーパ部を設けることを特徴とするスクロール圧縮機。
7. 請求項５又は６に記載のスクロール圧縮機において、
   前記テーパ部は段差形状により構成されることを特徴とするスクロール圧縮機
8. 請求項５又は６に記載のスクロール圧縮機において、
   前記テーパ部の前記偏心ピン部又は前記クランク軸からの開口角度θは前記すべり軸受の平坦面長さＬ１の関係がθ≧Ｃ／Ｌ１となるように構成したことを特徴とするスクロール圧縮機。