JP2016079863A - スクロール部材およびスクロール式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール式流体機械においてスクロール部材間のシール性を向上させる。【解決手段】スクロール部材４は、スラスト面を有する鏡板４１と、スラスト面上に形成された渦巻き状の羽根４２と、スラスト面上に形成されたコーティング層４４と、スラスト面の羽根４２の周辺においてコーティング層４４が形成されていない空隙部４５とを有する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明はスクロール部材およびスクロール式流体機械に関する。

スクロール圧縮機等のスクロール式流体機械においては、一般に、羽根（ラップ）の先端面と、相手方のスクロール部材においてこの端面と接する面（スラスト面）とのシール性を高めることが性能向上に繋がる。特許文献１は、シール性を向上させるため、固定スクロール部材および旋回スクロール部材の少なくとも一方のスラスト面にコーティング皮膜を形成することを開示している。

特開２００８−１５１００９号公報

スラスト面にコーティング層を形成したスクロール部材を量産する場合、均一なコーティング層を形成するのが難しいという問題があった。特に、羽根の側面にコーティング層が形成されてしまうと、相手方のスクロール部材の羽根との間に隙間ができてしまい、シール性がかえって悪化してしまうという問題があった。

これに対し本発明は、スクロール式流体機械においてスクロール部材間のシール性を向上させる技術を提供する。

本発明は、スラスト面を有する平板と、前記スラスト面上に形成された渦巻き状の羽根と、前記スラスト面上に形成されたコーティング層と、前記スラスト面の前記羽根の周辺において前記コーティング層が形成されていない空隙部とを有するスクロール部材を提供する。

前記羽根の渦巻きのうち、より外部の第１領域周辺の空隙部が、より内部の第２領域周辺の空隙部より狭くてもよい。

前記コーティング層が、前記スラスト面の法線方向に段差形状を有してもよい。

前記スラスト面のうち、前記羽根の渦巻きの内部には前記コーティング層が形成されていなくてもよい。

また、本発明は、第１スラスト面を有する第１平板および当該第１スラスト面上に形成された渦巻き状の第１羽根を有する第１スクロール部材と、第２スラスト面を有する第２平板および当該第２スラスト面上に形成され、前記第１羽根と圧縮室を形成する渦巻き状の第２羽根を有し、前記第１スクロール部材に対して相対的に旋回する第２スクロール部材と、前記第１スラスト面に形成されたコーティング層と、前記第１スラスト面の前記第１羽根の周辺において前記コーティング層が形成されていない空隙部とを有するスクロール式流体機械を提供する。

前記コーティング層が、前記第１スラスト面の法線方向に段差形状を有してもよい。

前記段差形状における凸部の前記スラスト面に平行な方向の大きさが、前記スクロール部材の旋回半径以下であってもよい。

本発明によれば、スクロール式流体機械において、羽根の周囲にもコーティング層を形成する構成と比較してスクロール部材間のシール性を向上させることができる。

一実施形態に係るスクロール式流体機械１の構造を例示する断面図。 可動スクロール部材４の構造を示す模式図。 可動スクロール部材４の構造を示す模式図。 比較例に係る可動スクロール部材と相手側の羽根との噛み合わせ。 本実施形態に係る可動スクロール部材と相手側の羽根との噛み合わせ。 コーティング層４４の断面構造を示す模式図。 コーティング層４４の構造を示す模式図。 コーティング層４４の構造の別の例を示す模式図。 コーティング層４４の断面構造の別の例を示す図。 スラスト面に垂直な方向から見たコーティング層４４の形状の別の例。

図１は、一実施形態に係るスクロール式流体機械１の構造を例示する断面図である。この例で、スクロール式流体機械１は、自動車用空調機に適用される圧縮機（スクロールコンプレッサ）である。スクロール式流体機械１は、ハウジング２、シャフト３、可動スクロール部材４、および固定スクロール部材５を有する。

ハウジング２は、自動車のエンジン（図示略）に固定される。ハウジング２の内部は、可動スクロール部材４と固定スクロール部材５とが位置する圧縮室Ｓ１と、固定スクロール部材５よりも図示右方側に形成された排出室Ｓ２とに区画される。圧縮室Ｓ１には冷媒などのガス（流体）を吸入させるための吸入孔（図示略）が設けられている。排出室Ｓ２にはガスを排出する排出孔（図示略）が設けられている。

シャフト３は、エンジンの駆動力を可動スクロール部材４に伝達する。シャフト３は、ハウジング２内において回転することができる。シャフト３は、小径部３１、大径部３２、およびクランクピン３３を有する。小径部３１は、エンジンの駆動力を受ける。シャフト３の軸心は図において水平方向に延びている。大径部３２は軸心方向において小径部３１と直結している。クランクピン３３は軸心方向において大径部３２と直結している。クランクピン３３は、シャフト３の回転軸に対し偏心した位置に設けられている。

可動スクロール部材４および固定スクロール部材５は、圧縮室を形成する。可動スクロール部材４および固定スクロール部材５は、相対的に公転（旋回）する。具体的には、固定スクロール部材５がハウジング２に対し固定されており、可動スクロール部材４が固定スクロール部材５に対して公転（旋回）する。ここで、「公転」とは、ある部材が他の部材の周りで円を描くように移動することをいう。

可動スクロール部材４は、鏡板４１および羽根（ラップ）４２を有する。鏡板４１は、所定の直径（例えば１５０ｍｍ）の円盤状の平板である。羽根４２は、鏡板４１のスラスト面上に形成されている。可動スクロール部材４のスラスト面とは、固定スクロール部材５と対向する面をいう。羽根４２はスラスト面に垂直な方向に延びている。スラスト面に垂直な方向から見ると、羽根４２は渦巻き形状（詳細には、例えばインボリュート曲線に沿った形状）を有している。

固定スクロール部材５は、鏡板５１および羽根５２を有する。鏡板５１は、所定の直径（例えば１５０ｍｍ）の円盤状の平板である。羽根５２は、鏡板５１のスラスト面上に形成されている。固定スクロール部材５のスラスト面とは、可動スクロール部材４と対向する面をいう。羽根５２はスラスト面に垂直な方向に延びている。スラスト面に垂直な方向から見ると、羽根５２は渦巻き形状を有している。

羽根４２および羽根５２が噛み合い、圧縮室Ｓ１が形成される。すなわち、圧縮室Ｓ１は、羽根４２、羽根５２、鏡板４１、および鏡板５１によって囲まれた空間である。

エンジンの駆動力によりシャフト３は回転する。シャフト３の回転によりクランクピン３３は回転軸の周りを公転（旋回）する。クランクピン３３は、この回転力を可動スクロール部材４に伝達する。すなわち、可動スクロール部材４は、シャフト３の回転に伴って固定スクロール部材５に対して公転（旋回）する。

スクロール式流体機械１はさらに、軸受６、偏心ブシュ７、および軸受８を有する。軸受６は、大径部３２を支持する。偏心ブシュ７は、クランクピン３３を支持する。偏心ブシュ７は、内周面部７ａおよび外周面部７ｂを有する。軸方向から見たとき、内周面部７ａおよび外周面部７ｂの円の中心はずれて、すなわち両者は偏心している。内周面部７ａはクランクピン３３と摺動する。外周面部７ｂは可動スクロール部材４と摺動する。

可動スクロール部材４の鏡板４１には、羽根４２とは反対側の面にリング状のボス４３が形成されている。ボス４３の内周面には、軸受８が設けられている。軸受８は、偏心ブシュ７を支持している。軸受８が可動スクロール部材４と一体になって小径部３１の周りを公転すると、偏心ブシュ７の外周面部７ｂが軸受８の内面と摺動する。可動スクロール部材４の鏡板４１とハウジング２との間には、可動スクロール部材４が、クランクピン３３を通る回転軸を中心に自転することを防止する機構が設けられている。ここで、「自転」とは、ある部材が、その部材の内部にある回転軸を中心として回転することをいう。

固定スクロール部材５の鏡板５１の中央には圧縮室Ｓ１から排出室Ｓ２へ冷媒を流入させるための孔５３が設けられている。孔５３は薄板状のリード弁１０により開閉される。

圧縮室Ｓ１には、吸気口（図示略）から冷媒が吸入される。可動スクロール部材４の回転運動に伴って圧縮室Ｓ１の容積が減少すると、圧縮室Ｓ１に吸入された冷媒は圧縮される。圧縮された冷媒は、孔５３及びリード弁１０を通過して排出室Ｓ２へと流入する。排出室Ｓ２に流入した冷媒は、ハウジング２に設けられた排出孔より排出される。

図２は、可動スクロール部材４の構造を示す模式図である。図２（Ａ）はスラスト面に垂直な方向（すなわちシャフト３の軸方向）から見た図を、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図を示す。鏡板４１のスラスト面には、コーティング層４４が形成されている。コーティング層４４は、スラスト面のシール性を向上させるため、または摺動特性を改善するための層である。コーティング層４４は、例えば、バインダ樹脂および固体潤滑剤を有する。バインダ樹脂としては、例えば、ポリアミドイミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、これらの樹脂のジイソシアネート変性、ＢＰＤＡ変性、またはスルホン変性樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、もしくはフェノール樹脂のいずれか１種以上が用いられる。固体潤滑剤としては、例えば、グラファイト、カーボン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン、窒化ホウ素、二硫化タングステン、フッ素系樹脂、軟質金属（例えばＳｎ、Ｂｉなど）のいずれか１種以上が用いられる。なお、コーティング層４４は、バインダ樹脂および固体潤滑剤に加えて、または代えて、硬質物などの添加物を含んでいてもよい。あるいは、コーティング層４４は、固体潤滑剤だけまたはバインダ樹脂だけで形成されてもよい。

可動スクロール部材４の基材（コーティング層４４を除いた部分）は、例えば鋳鉄で形成される。あるいは、可動スクロール部材４の基材は、アルミニウム、ステンレス鋼、セラミックなど各種の材料に対して、鋳造、焼結、鍛造、切削、プレス、溶接、表面処理などの各種の加工処理を施すことで形成されてもよい。コーティング層４４は、固体潤滑剤をバインダ樹脂に分散させて調整した前駆体溶液を、可動スクロールの形状に整形した基材上に塗布、乾燥、および焼成することにより形成される。前駆体溶液は、例えば、スプレー法、ロール転写法、タンブリング法、浸漬法、はけ塗り法、印刷法（パッド印刷やスクリーン印刷）などにより塗布される。

羽根４２は、図２に示されるように、渦巻き形状を有する。この渦巻きにおける羽根４２と羽根４２との間隔は、例えば５０ｍｍ以下、または２０ｍｍ以下である。

この例で、コーティング層４４は、スラスト面に垂直な方向から見たときに、羽根４２の周辺には形成されていない。すなわち、鏡板４１のスラスト面において、羽根４２の周辺には、コーティング層４４が形成されていない部分が形成されている。この部分を「空隙部４５」という。すなわち空隙部４５とは、鏡板４１のスラスト面の、羽根４２の周辺部分のうち、コーティング層４４が形成されておらず基材が露出している部分をいう。空隙部４５を設ける理由は以下のとおりである。

図３Ａは、比較例に係る可動スクロール部材と相手側の羽根との噛み合わせを示す図である。比較例は、スラスト面の羽根４２の周辺において空隙部を設けずにコーティング層を形成する設計により製造された可動スクロール部材を示している。設計としては空隙がゼロであっても、量産の際の公差（ばらつき）により、羽根４２の側面にコーティング層４４が形成されてしまう製品が一定割合、製造される。羽根４２の側面にコーティング層４４が形成された可動スクロール部材が、相手方の固定スクロール部材５の羽根５２に対して傾いて当たると、羽根４２の側面に形成されたコーティング層４４により、羽根４２と羽根５２との隙間が大きく空いてしまう。すなわち、可動スクロール部材４と固定スクロール部材５とのシール性が悪化してしまう。なお図では固定スクロール部材５が傾いているように描かれているが実際には可動スクロール部材４が傾いている。

図３Ｂは、本実施形態に係る可動スクロール部材と相手側の羽根との噛み合わせを示す図である。スラスト面の羽根４２の周辺には空隙部４５が設けられている。空隙部４５の幅は、製造時のコーティング層４４の公差よりも大きい。なお、空隙部４５の「幅」とは、鏡板４１の放射方向（径方向）における空隙部４５の長さをいう。空隙部４５の幅Ｂは、例えば、０．１〜１ｍｍである。

空隙部４５が設けられていることにより、羽根４２の側面にはコーティング層４４が形成されていない。したがって、相手方の可動スクロール部材４の羽根４２が傾いて当たったとしても、羽根５２と羽根４２との隙間は図３Ａの比較例よりも狭い。すなわち、可動スクロール部材４と固定スクロール部材５とのシール性が改善している。

図４は、コーティング層４４の断面構造を示す模式図である。コーティング層４４は、いわゆるステップランド形状を有する。ステップランド形状とは、スラスト面に垂直な方向において高さの差すなわち段差を有する形状をいう。ステップランド形状は、コーティング層４４の表面に侵入した異物を排出しやすくする目的で形成されている。すなわち、コーティング層４４の表面に侵入した異物は、ステップランド形状における２つのランド（凸部）間の溝（凹部）を通って、例えば潤滑油と一緒に排出される。また、この溝（凹部）で潤滑油を保持することができるとともに、流体潤滑領域が拡大し、フリクションを低減できるという効果もある。

この例で、コーティング層４４は、第１層４４１および第２層４４２の２層構造を有する。第１層４４１は、スラスト面（空隙部４５に相当する部分を除く）において均一に形成されている。第２層４４２は、第１層４４１を基準としてスラスト面の上方向に突出している。第２層４４２により、ランド（アイランド）形状が形成される。

図５は、スラスト面に垂直な方向から見たコーティング層４４の構造を示す模式図である。この例で、第２層４４２によるランド部は四角形の形状を有する。これら複数のランド部は、格子状すなわちマトリクス状に配置されている。

図６は、スラスト面に垂直な方向から見たコーティング層４４の構造の別の例を示す模式図である。この例で、第２層４４２によるランド部は円形の形状を有する。これら複数のランド部は、千鳥状すなわち互い違いに配置されている。

ここで、異物排出性を向上させる観点から、１つのランド部のサイズ、すなわちスラスト面に水平な方向の最大長さは、２つのスクロール部材の相対的な旋回直径以下であることが好ましい。例えば、図５の例における四角形の対角線の長さまたは図６の例における円の直径は、可動スクロール４の旋回直径以下であることが好ましい。なお、ステップランド形状における段差は、例えば１〜５０μｍであり、好ましくは１〜２０μｍである。また、コーティング層４４の厚さは、例えば１〜５０μｍであり、好ましくは１〜２０μｍである。ステップランド形状は、例えば、パッド印刷やスクリーン印刷により形成される。

このように、コーティング層４４に段差を有する構造を採用することにより、異物を排出しやすくすることができる。コーティング層４４の表面に侵入する異物の一つに、コーティング層４４の樹脂の摩耗粉がある。摩耗粉が体積すると、焼付きが起こったり、相手材が片当たりしたりする問題が起こる可能性がある。しかし、本実施形態においては、コーティング層４４がステップランド形状を有することにより、異物を排出しやすくし、これらの問題が起こる可能性を低減することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

図７は、コーティング層４４の断面構造の別の例を示す図である。図７（Ａ）の例では、コーティング層４４は２層構造ではなく、単層構造である。基材が露出している部分がステップ部（溝部）であり、コーティング層４４が形成されている部分がランド部である。図７（Ｂ）の例では、コーティング層４４は２層構造であるが、第１層４４１はスラスト面に均一に形成されているわけではなく、２次元的なパターンを有する。すなわち、ステップ部は２段形状になっている。

空隙部４５の幅は、羽根４２のすべての部分において均一でなくてもよい。例えば、羽根４２の渦巻きのより外側の領域における空隙部が、より内側の領域における空隙部よりも狭くてもよい。

図８は、スラスト面に垂直な方向から見たコーティング層４４の形状の別の例を示す図である。この例では、羽根４２の渦巻きの内側にはコーティング層４４が形成されておらず、スラスト面のうち羽根４２の渦巻きの最外周の外側にのみコーティング層４４が形成されている。すなわち、渦巻きの内側はすべて空隙部４５となっており、渦巻きの最外周の外側の空隙部よりも幅が広い。一般に、羽根４２の渦巻きの内側のように複雑な形状をしている部分に均一なコーティング層を形成することは難しい。図８の例によれば、羽根４２の渦巻きの内部にまでコーティング層４４を形成する場合と比較して、より製造コストを低減することができる。

コーティング層４４のステップランド形状におけるランド部の、スラスト面に垂直な方向から見た形状およびその配置は、図５および図６で例示したものに限定されない。ランド部は、四角形以外の多角形や、楕円形等でもよい。また、その配置も、格子状および千鳥状に限られず、例えばランダム配置であってもよい。

コーティング層４４のステップランド形状におけるランド部のスラスト面に垂直な断面形状は四角形に限定されない。理想的な四角形の角にアールを持たせた形状や、表面が円弧状の形状を有していてもよい。

本実施形態に係る可動スクロール部材５が用いられるスクロール式流体機械１は、図１で例示したものに限定されない。本実施形態に係る可動スクロール部材５は、例えば、いわゆる高圧チャンバ式のスクロールコンプレッサに適用されてもよい。高圧チャンバ式のスクロールコンプレッサとは、ハウジングが、少なくとも旋回スクロール部材を収容するチャンバを有する構造のコンプレッサをいう。高圧チャンバ式のスクロールコンプレッサにおいては、低圧チャンバ式のスクロールコンプレッサと比較すると、スラスト面にかかる負荷が高く、片当たりや異物の問題が発生しやすいという問題が起こりやすい。すなわち、本実施形態に係る可動スクロール部材５は、高圧チャンバ式のスクロールコンプレッサに好適である。

また、本実施形態に係る可動スクロール部材５は、エアーコンプレッサ、ポンプ等、コンプレッサ以外の流体機械に適用されてもよい。

実施形態では可動スクロール部材４のスラスト面にコーティング層４４および空隙部４５を形成する例を説明したが、固定スクロール部材５のスラスト面にコーティング層および空隙部を形成してもよい。要は、可動スクロール部材４および固定スクロール部材５の少なくとも一方のスラスト面に、コーティング層および空隙部が形成されればよい。

１…スクロール式流体機械
２…ハウジング
３…シャフト
３１…小径部
３２…大径部
３３…クランクピン
４…可動スクロール部材
４１…鏡板
４２…羽根
４４…コーティング層
４４１…第１層
４４２…第２層
４５…空隙部
５…固定スクロール部材
５１…鏡板
５２…羽根
５３…孔
６…軸受
７…偏心ブシュ
８…軸受

Claims (7)

1. スラスト面を有する平板と、
   前記スラスト面上に形成された渦巻き状の羽根と、
   前記スラスト面上に形成されたコーティング層と、
   前記スラスト面の前記羽根の周辺において前記コーティング層が形成されていない空隙部と
   を有するスクロール部材。
2. 前記羽根の渦巻きのうち、より外部の第１領域周辺の空隙部が、より内部の第２領域周辺の空隙部より狭い
   ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部材。
3. 前記コーティング層が、前記スラスト面の法線方向に段差形状を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のスクロール部材。
4. 前記スラスト面のうち、前記羽根の渦巻きの内部には前記コーティング層が形成されていない
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のスクロール部材。
5. 第１スラスト面を有する第１平板および当該第１スラスト面上に形成された渦巻き状の第１羽根を有する第１スクロール部材と、
   第２スラスト面を有する第２平板および当該第２スラスト面上に形成され、前記第１羽根と圧縮室を形成する渦巻き状の第２羽根を有し、前記第１スクロール部材に対して相対的に旋回する第２スクロール部材と、
   前記第１スラスト面に形成されたコーティング層と、
   前記第１スラスト面の前記第１羽根の周辺において前記コーティング層が形成されていない空隙部と
   を有するスクロール式流体機械。
6. 前記コーティング層が、前記第１スラスト面の法線方向に段差形状を有する
   ことを特徴とする請求項５に記載のスクロール式流体機械。
7. 前記段差形状における凸部の前記スラスト面に平行な方向の大きさが、前記スクロール部材の旋回半径以下である
   ことを特徴とする請求項６に記載のスクロール式流体機械。