JP2015529773A - 渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される流体動圧軸受 - Google Patents

Abstract

本発明は、渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される流体動圧軸受に関する。上記流体動圧軸受は、旋回渦巻体の下面とブロック（１）の上面（１１）との接触界面に配置され、領域（３）間で離間される少なくとも２つの領域（２）を含む。領域（２）は複数の微小空洞（２１）から成り、領域（３）は略平滑面を有する。

Description

本発明は、渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される流体動圧軸受に関し、特に、渦巻型機構に基づく流体圧縮機のブロックと非旋回渦巻体との接触界面に使用される特殊シボ加工（部分シボ加工）されたスラスト軸受に関する。

開示される流体動圧軸受の上記部分シボ加工は、特に、潤滑油の貯留部として、また渦巻型機構に基づく流体圧縮機の他の要素の摩耗によって生じる可能性のある研磨粒子の堆積部としての機能を果たすことができる。

当分野に精通している専門家には、渦巻型機構に基づく流体圧縮機もしくはスクロール圧縮機は、最初に１９０５年に公開された概念的技術、特に、米国特許第８０１１８２号明細書に公開されている概念的技術基づいた機構を有する流体圧縮装置を含むことは周知のことである。

上記文献によれば、渦巻型機構は、継手を使用して逆に連結された（この場合、一方の円板の基本的に渦巻状輪郭である１つの垂直壁の上部が他方円板の基部に向けられる）２つの同様の構造体（基本的に渦巻状輪郭の垂直壁を有する円板）を含む。さらに、これらの構造体の一方は電動機に取り付けられる。

電動機に取り付けられる構造体は旋回渦巻体と呼ばれ、他方の構造体は固定渦巻体と呼ばれる。

米国特許第８０１１８２号明細書に記載されている基本原理によれば、旋回渦巻体と固定渦巻体との間で使用される連結手段は、電動機の軸の回転運動により旋回渦巻体を旋回運動させることができる要素を含む。したがって、この概念によれば、旋回渦巻体が固定渦巻体に対して旋回運動することにより、旋回渦巻体の渦巻状垂直壁が、連続的かつ徐々に、旋回渦巻体の側面と固定渦巻体の側面との接触点を変化させることができる。このように、渦巻状垂直壁の接触点が連続的にかつ徐々に変化することで、連続的にチャンバを縮小させる。これらの実質的なチャンバは種々の流体で満たされるので、これらの種々の流体が圧縮される可能性が生じる。

通常、渦巻型機構と電動機とは、同じハウジング（通常、密閉式）の内部に取り付けられるので、圧縮機ブロックとして周知の剛性構造体を使用して互いに対して固定するのが一般的である。

したがって、従来の実施形態の渦巻型機構に基づく流体圧縮機では、可動部分と固定部分との間に複数の接触界面が形成される。これらの接触界面のうち重要なのは、電動機軸とブロック導管との接触界面、旋回渦巻体ならびに固定渦巻体の上部と基部との接触界面、および旋回渦巻体の下面とブロックの上面との接触界面である。

一般に、技術水準による従来の教示によれば、これらの接触界面には流体動圧軸受を使用する、すなわち、潤滑流体の「チャンバ」がこれらの接触界面の間に使用される。これらの流体動圧軸受の主な目的は、上述した接触界面を形成する要素間の接触を減らし、ひいては摩耗を低減することである。

最新技術は、流体動圧軸受およびこれらの軸受の潤滑システムに適用される概念および最適化について説明した無数の特許文献から成り立っている。

流体圧縮機、特に、渦巻型機構に基づく流体圧縮機の実施形態に関して、全ての軸受の潤滑の役目を果たす潤滑流体は 圧縮機の密閉ハウジングの内部に貯蔵されるのが一般的である。潤滑油は、圧縮機が始動された時点から電動機の軸を通って上記軸受に案内され、その後、重力の作用により密閉ハウジングの「底部」に戻る。

この点に関して、これらの実施形態では、上部軸受より前に下部軸受が潤滑されることがわかる。これは、流体動圧軸受を使用する接触界面のいくつかは圧縮機の始動時より遅れて、数秒後に直接接触してしまうということを意味する。

これらの圧縮機の耐用年数の間に、特定の接触界面が他の接触界面より摩耗しやすいということがわかる。例えば、旋回渦巻体の下面とブロックの上面との接触界面は、電動機軸とブロック導管との接触界面より早く摩耗しやすいことに留意されたい。電動機軸とブロック導管との接触界面が流体動圧軸受を使用する時間間隔は、旋回渦巻体の下面とブロックの上面との接触界面が流体動圧軸受を使用する時間間隔より短い。

この態様は、深刻な負の側面を有する特徴がある。設定される耐用年数は、該圧縮機の接触界面によって異なる。したがって、該圧縮機は、部品の一部がまだ使用できる場合に、交換が行われる（もしくはメンテナンスが行われる）。あるいは、該圧縮機は、部品の一部が損傷した状態で継続して使用されることになる。

しかし、最新技術はさらに、上述した負の特徴を解決するように特別に設計された実施形態も提供している。

これらの実施形態の例として、米国特許第７３２９１０９号明細書および特開２００２−２１３３７４号公報が挙げられる。

米国特許第７３２９１０９号明細書には、渦巻型機構に基づく流体圧縮機であり、旋回渦巻体および固定渦巻体の上部と下部との接触界面に、これらの部品の少なくとも一方に形成された少なくとも１つの油保持凹部が設けられた流体圧縮機について記載されている。上記油保持凹部は、圧縮機が始動された時に、それと同時にこれらの部品間の流体動圧軸受に供給することができる油量を貯蔵するように作られる。さらに、この流体動圧「チャンバ」は渦巻体間の封止部としての機能も果たす。

特開２００２−２１３３７４号公報には、渦巻体の上面に旋回渦巻体および固定渦巻体の上部と下部との接触界面の流体動圧軸受を最適化する複数の凹面が設けられた渦巻型機構に基づく流体圧縮機について記載されている。この実施形態の目的は、米国特許第７３２９１０９号明細書に記載されている実施形態の目的と同じであるのは明らかである。

さらに、最新技術に関して、上述した負の特徴を解消しようとする、もしくは少なくとも軽減しようとする実施形態の例がある。本発明にとって特に注目に値するのは、米国特許第６５３７０４５号明細書および米国特許第７４２２４２３号明細書に記載されている実施形態である。

米国特許第６５３７０４５号明細書には、旋回渦巻体の下面とブロックの上面との接触界面にマイクロメートル（３０μｍ〜１５０μｍ）の深さの複数の凹部が設けられた渦巻型機構に基づく流体圧縮機について記載されている。これらは、上記接触界面の流体動圧軸受を最適化するように特別に設計されている。また、これらの凹部の目的は、潤滑流体の貯留部としての機能を果たすことであり、圧縮機が始動された時に、それと同時に部品間の流体動圧軸受の働きを促進することができる量を貯蔵することができると考えられる。

いずれにしても、米国特許第６５３７０４５号明細書に記載されている複数の凹部の深さは深すぎる。そのような深さでは、負荷を支持するのに必要な圧力場が生成されない。これは、スクロール型圧縮機（ＩＳＯ１０〜ＩＳＯ６８）の特別な粘度を有する油膜では、（流体動圧環境における）油膜の「厚さ」は、基本的に凹部の最大深さによって決まるためである。この深さが深い場合、潤滑の古典的理論の基本的教訓からわかるように、油膜の「厚さ」は基本的にゼロ「支持圧力」を生成する。

米国特許７４２２４２３号明細書には、冷却システムで使用される代替圧縮機について記載されている。上記圧縮機は、圧縮機の可動部品間に存在する複数の「接触部分」を有する。特に、「接触部分」は、内部に保持されている油の渦流れを発生させるような形状である球状凹部である。また、上述の球状凹部は機械加工による研削によって成形されることに留意されたい。さらに、米国特許第７４２２４２３号明細書に記載されている教示内容は、回転もしくは交互運動が生じる流体動圧軸受に使用される場合に、特に有効である。しかし、特に旋回運動が生じる流体動圧軸受用の実施形態は製造されていない。

上述の背景に鑑み、特に、渦巻型機構に基づく流体圧縮機の一部を形成する要素間で旋回運動が生じるような接触界面の流体動圧軸受を最適化することができる解決策の開発が必要であることは明らかである。

米国特許第８０１１８２号明細書 米国特許第７３２９１０９号明細書 特開２００２−２１３３７４号公報 米国特許第６５３７０４５号明細書 米国特許第７４２２４２３号明細書

本発明の目的の１つは、旋回渦巻体の下面とブロックの上面との接触界面の流体動圧軸受を最適化することができる渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される流体動圧軸受を製造することである。

さらに、本発明の目的の１つは、部分シボ加工された微小空洞の接合効果と同等の「レイリーステップ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｔｅｐ）として周知の効果を発揮することができる渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される流体動圧軸受を開示することである。

また、本発明のさらに別の目的の１つは、渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される流体動圧軸受が、耐用年数の期間中に圧縮機の内部部品の摩耗によって生じる研磨粒子の堆積部を成形することにより、関係する表面間の接触界面から研磨材料を除去して、関連する摩耗を低減することができるようにすることである。

本開示の発明の上述および他の目的は、全体的に、渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される流体動圧軸受によって達成される。

本発明の原理および目的によれば、圧縮機は、少なくとも１つの密閉ハウジングと、少なくとも１つの電動機と、少なくとも１つのブロックと、少なくとも１つの旋回渦巻体および少なくとも１つの非旋回渦巻体を含む少なくとも渦巻型機構とを含む。

また、本発明の原理および目的によれば、旋回渦巻体の下面とブロックの上面との接触界面に配置される流体動圧軸受は、略平滑面を有する領域によって離間された複数の微小空洞を含む表面を有する少なくとも２つの領域を含む。

本発明の可能な実施形態の中で、上述の領域は旋回渦巻体の下面もしくはブロックの上面のいずれかに形成されることが重要である。また、上述の領域は、旋回渦巻体の下面とブロックの上面とに同時に形成されてもよい。

この点に関して、微小空洞を有する領域の合計は微小空洞が位置する面積の３０％〜８０％に相当する。上記微小空洞はさらに、研磨粒子の堆積部を含む。

微小空洞は元来の仕様を有することが重要である。この点に関して、それぞれの微小空洞は、１μｍ〜３０μｍの深さ、５μｍ〜１００μｍの表面領域、および０．０１μｍ〜３０μｍの境界線半径を有する。さらに、好ましくは、微小空洞（３１）は、１μｍ〜１００μｍの間隔だけ離間される。

さらに、上記微小空洞は、円形、楕円形、さらには長方形の輪郭を有する表面領域を含むことがわかる。長方形の輪郭の場合、長方形輪郭の表面領域を有するそれぞれの微小空洞は微小流路を含む。

また、任意で、少なくとも１つの半径方向流路は、ほぼ平滑な表面領域の少なくとも１つに配置される。

図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

本発明の好適な実施形態の渦巻型機構に基づく流体圧縮機ブロックの斜視図である。 図１の細部の拡大図である。

当分野の専門家により十分に研究された物理的概念および潤滑の古典的理論によれば、「レイリーステップ」の概念は、２つの可動体間に位置する潤滑流体における流体動圧、もしくは支持圧力の生成に関係することが周知である。この点に関して、相対運動しており、適切な粘度を有する流体によって分離されている２つの表面間に物理的段差がある場合、流体動圧勾配が「最大」になり、潤滑効率に大きく寄与する。

米国特許第６５３７０４５号明細書および米国特許第７４２２４２３号明細書に示されている軸受に形成される「シボ加工」（凹部の結合）ではこの効果が得られない。凹部間の単純な空間は、実際の物理的段差を構成することができない。

本発明において重要なのは、この点である。本発明は、（渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される）特殊シボ加工された流体動圧軸受を開示している。この特殊シボ加工は、一般的には、部分シボ加工で形成される。

上記部分シボ加工は、本発明の概念および目的によれば、渦巻型機構に基づく流体圧縮機のブロックと非旋回渦巻体との接触界面に施される。

最新技術においてこれまで存在しなかったこの適切な解決策は、シボ加工領域から非シボ加工領域への移行部に成形され、この移行部は、深さの差により、流体圧力が「最大」となる物理的段差を形成する。

本発明の基本概念によれば、渦巻型機構に基づく流体圧縮機のブロックと非旋回渦巻体との接触界面の一方の面のみが部分シボ加工される。しかし、上記したような流体圧力が「最大」となる生産の効率を変えずに、両面（ブロックおよび非旋回渦巻体）が部分シボ加工されてもよい。

この点に関して、図１および図２は、本発明の好適な実施形態を示している。

したがって、本発明の好適な実施形態によれば、（渦巻型機構に基づく流体圧縮機の接触界面に使用される）流体動圧軸受であって、構成部品の面の１つが部分シボ加工された流体動圧軸受が開示されている。

つまり、流体圧縮機のブロック１が上面１１に６つのシボ加工領域２と略平滑面を有する６つの領域３とを有する。しかし、この配置／実施形態は単なる例にすぎないことに留意されたい。実際には、本発明の基本概念によれば、領域２の合計は領域２が位置する面積の３０％〜８０％に相当することがわかる。

領域２のそれぞれには、表面に複数の微小空洞２１が存在することによって形成されるシボ加工が施されている。

好ましくは、それぞれの微小空洞２１は、通常流体圧縮機の軸受の潤滑に使用される潤滑油の潤滑膜の形成および維持を最適化することができる特定の寸法特性を有する。これは、上記微小空洞２１が一種の潤滑油の貯蔵ポケットとしての機能を果たすということを意味する。

特に、本発明で開示されているように、微小空洞２１の寸法特性は、潤滑膜の形成および維持を支援する以外に、流体圧縮機の一部を形成する金属体間の直接接触により生じる研磨粒子の堆積部としての機能を果たすことに留意されたい。

したがって、それぞれの微小空洞２１は、１μｍ〜３０μｍの深さ、５μｍ〜１００μｍの表面領域、および０．０１μｍ〜３０μｍの境界線半径を有する。

境界線半径が圧力場の段差を決定することに留意されたい。境界半径が大きいほど、上記の圧力場の圧力差が小さくなる。

さらに、微小空洞２１は、１μｍ〜１００μｍの間隔だけ離間されることが実証されている。この間隔により、潤滑膜を安定した状態で維持することができる。

さらに、本発明の好適な実施形態によれば、微小空洞２１は、円形輪郭を有する表面領域を含むことがわかる。

上述の背景に鑑み、領域２は、領域３間に挿入される形で、それぞれの微小空洞２１の個々の構造を一体化して、集合的効果により表面間に同等の収束効果が得られるようにすることに留意されたい。この効果は、潤滑膜の負荷容量の実質的な増加に等しい。表面２、３の高さの実質的な差が、有意な圧力場を形成する。

この点に関して、本発明の好適な実施形態によれば、領域２の合計は領域２が位置する表面の面積の３０％〜８０％に相当する。

任意で、それぞれの微小空洞２１は、本実施形態は図示されていないが、さらに楕円形輪郭を有する表面領域を含んでもよい。

さらに、任意で、それぞれの微小空洞２１は、微小流路を形成する長方形輪郭を有する表面領域を含んでもよく、潤滑膜の形成および維持を最適化することができ、さらに研磨粒子の堆積部としての機能を果たすことができる。

（圧縮機のブロックの上面もしくは非旋回渦巻体の下面に）微小空洞２１が形成され配置されることとは別に、微小空洞２１がいくつかの周知の工業プロセスによって得られることが開示されている。

したがって、上記微小空洞２１は、レーザを使用して研削することにより形成されるのが好ましい。この状況で、微小空洞２１は、特別に案内され、ほぼ正確な寸法になるように成形される。

任意で、微小空洞２１は、電解加工を使用した研削により、またはマスキングプロセスおよび金属面の粗さを変えることができる他のプロセスを使用せずに電気化学的腐食により形成されてもよい。

本発明の実施形態例について説明したが、当然、本発明の範囲は可能な同等の手段を含む他の変形形態を含み、これらの変形形態は請求項の内容によって限定されるものとする。

Claims (11)

1. 渦巻型機構に基づく流体圧縮機であり、少なくとも１つの密閉ハウジングと、少なくとも１つの電動機と、少なくとも１つのブロック（１）と、少なくとも１つの旋回渦巻体および少なくとも１つの非旋回渦巻体に基づく少なくとも１つの渦巻型機構とを含む流体圧縮機の接触界面に使用される流体動圧軸受にして、旋回渦巻体の下面とブロック（１）の上面（１１）との間の接触界面に配置される流体動圧軸受であって、
   領域（３）間で離間された少なくとも２つの領域（２）を含み、
   領域（２）は複数の微小空洞（２１）を含む表面を有し、
   領域（３）は略平滑面を有し、
   それぞれの微小空洞（２１）は１μｍ〜３０μｍの深さを有し、
   それぞれの微小空洞（２１）は５μｍ〜１００μｍの表面領域を有し、
   それぞれの微小空洞（２１）は０．０１μｍ〜３０μｍの境界半径を有し、
   微小空洞（２１）は１μｍ〜１００μｍの間隔だけ離間されることを特徴とする、流体動圧軸受。
2. それぞれの微小空洞（２１）が、円形輪郭を有する表面領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。
3. それぞれの微小空洞（２１）が、楕円形輪郭を有する表面領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。
4. それぞれの微小空洞（２１）が、長方形輪郭を有する表面領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。
5. それぞれの微小空洞（２１）が、微小流路を含む長方形輪郭を有する表面領域を含むことを特徴とする、請求項４に記載の流体動圧軸受。
6. 領域（２）および領域（３）が、旋回渦巻体の下面に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。
7. 領域（２）および領域（３）が、ブロック（１）の上面（１１）に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。
8. 領域（２）および領域（３）が、旋回渦巻体の下面およびブロック（１）の上面（１１）に同時に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。
9. 領域（２）の合計が、領域（２）が位置する面積の３０％〜８０％に相当することを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。
10. 少なくとも１つの半径方向流路（３１）が、領域（３）の少なくとも１つに配置されることを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。
11. 微小空洞（２１）が、研磨粒子の堆積部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体動圧軸受。

Images