JP2016176381A - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】可動スクロールが低速となっても、可動スクロールとスラスト軸受部との摩擦係数の増大、摩耗の発生を抑制することができるようにすること。【解決手段】スクロール圧縮機（１）は、圧縮室（Ｓ）を形成する固定スクロール（１０）及び可動スクロール（２０）を備え、可動スクロールの旋回動作によって、圧縮室内の冷媒及び潤滑油を含む混合液を圧縮する。スクロール圧縮機は、可動スクロールに対向配置される軸受面（４７）を有するスラスト軸受部（４０）を更に含む。スラスト軸受部は、軸受面に直交する線を回転中心として回転可能に設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、固定スクロールと可動スクロールとによって冷媒等の流体を圧縮するスクロール圧縮機に関する。

従来、スクロール圧縮機は、内部に圧縮室を形成する固定スクロール及び可動ロールを備えたものが知られている（特許文献１参照）。固定スクロール及び可動スクロールは、それぞれベース板上に螺旋状の壁体を設けて形成され、螺旋状の壁体同士が重なるように対向配置することで複数の圧縮室を形成している。可動スクロールのベース板において、壁体の形成面と反対面側には、スラスト軸受が固定状態で対向配置されている。

可動スクロールは、モータやエンジンなどの駆動源の動力を、駆動軸及びリンク機構を介して伝達することで旋回動作する。この旋回動作により、螺旋状の壁体における最外周の吸入口から流入した冷媒と潤滑油との混合液が、当該壁体に沿って中心部方向に移動される。この移動中、徐々に圧縮室の容積が狭まることで混合液が圧縮され、最後的にベース板中央部の吐出口より混合液が冷熱システム内へと供給される。

圧縮室において圧力が高まることにより、可動スクロールが対向するスラスト軸受の軸受面に押し付けられる。その面圧は、圧縮機の容量や運転条件によって異なるが、機械によっては数ＭＰａに達する。駆動源の高速回転時には、可動スクロールとスラスト軸受の軸受面との間に潤滑油が十分に供給され、それらの間にくさび作用などによって圧力を有した油膜が形成される。これにより、可動スクロールが支えられ、高面圧下で可動スクロールとスラスト軸受の軸受面との低摩擦及び摩耗の防止を実現している。

特開２０１１−２１５１１号公報 特開２００３−１８４７７４号公報

しかしながら、駆動源の回転数が低下するに従い、くさび作用などの効果も低減して油膜が薄くなる。これにより、可動スクロールとスラスト軸受の軸受面とが固体接触するようになり、摩擦係数の増大と摩耗が発生する、という問題がある。なお、特許文献２は、可動スクロールを駆動させる主軸についての技術について開示するものであり、可動スクロールでの摩擦や摩耗に関する技術ついて、開示及び示唆が全くないものである。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、可動スクロールが低速となっても、可動スクロールとスラスト軸受部との摩擦係数の増大、摩耗の発生を抑制することができるスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

本発明のスクロール圧縮機は、圧縮室を形成する固定スクロール及び可動スクロールを備え、該可動スクロールの旋回動作によって前記圧縮室内の流体を圧縮するスクロール圧縮機において、前記可動スクロールに対向配置される軸受面を有するスラスト軸受部を含み、該スラスト軸受部は、前記軸受面に直交する線を回転中心として回転可能に設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、スラスト軸受部が回転するので、該スラスト軸受部と可動スクロールとの相対速度を高めることができる。これにより、高速動作時のみならず低速動作時においても、可動スクロールとスラスト軸受部との間における油膜の圧力上昇を図ることができる。この結果、可動スクロールとスラスト軸受部との摩擦係数が低減した状態を保って摩耗の発生を防ぐことができ、スクロール圧縮機の長寿命化を実現することができる。

本発明によれば、スラスト軸受部が回転するので、可動スクロールが低速となっても、可動スクロールとスラスト軸受部との摩擦係数の増大、摩耗の発生を抑制することができる。

本実施の形態に係るスクロール圧縮機の一部構成を下から見た概略斜視図である。 図１の縦断面図である。 上記一部構成を上から見た概略分解斜視図である。 本実施の形態及び比較例の可動スクロール及びスラスト軸受部の相対位置を説明するための模式図である。 スラスト軸受部の平面図である。 変形例に係るスラスト軸受部の平面図である。 他の変形例に係るスクロール圧縮機の図３と同様の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態に係るスクロール圧縮機は、例えば、空調機、冷凍機、給湯機等に搭載されて利用される。

図１は、本実施の形態に係るスクロール圧縮機の一部構成を下から見た概略斜視図であり、図２は、図１の縦断面図である。なお、以下の説明において、本実施の形態に係るスクロール圧縮機を縦置きとして利用する場合を説明するが、横置きとして利用してもよい。また、以下の位置及び方向を表す用語は、特に明示しない限り、図２を基準として用いる。

図１及び図２に示すように、スクロール圧縮機１は、固定スクロール１０、可動スクロール２０、駆動軸３０、スラスト軸受部４０、伝達機構５０（図１では不図示）、保持部６０を備え、これらは、密閉容器（不図示）内に配設されている。本実施の形態に係るスクロール圧縮機１は、流体として冷媒と潤滑油との混合液を吸入して圧縮し、高温高圧の状態にして機外の冷却システムに供給するものである。ここで、冷媒としては、特に限定されるものでないが、Ｒ４０４Ａ等を例示でき、混合液において、潤滑油に対し冷媒が数％程度の割合で混合されている。なお、スクロール圧縮機１で圧縮する流体は他のものでもよい。

なお、図示省略したが、上記密閉容器には、吸引口及び吐出口が形成され、機外の冷却システムから吸引口を介して冷媒と潤滑油との混合液を吸引し、吐出口を介して冷却システムに高温高圧の混合液を供給する。また、密閉容器内には、混合液が貯留され、スクロール圧縮機１の上述した各構成が混合液に浸漬された状態で収容されている。

続いて、スクロール圧縮機１の各構成について、図２に加えて図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態に係るスクロール圧縮機の一部構成を上から見た概略分解斜視図である。

図２及び図３に示すように、固定スクロール１０は、円板状のベース板１１と、このベース板１１の下面に形成された螺旋状の壁体１２とを備えている。ベース板１１の中央位置には、ベース板１１を貫通する吐出孔１３が形成されている。固定スクロール１０は、上記密閉容器に対して変位及び回転不能に固定されている。

可動スクロール２０は、円板状のベース板２１と、このベース板２１の上面に形成され、壁体１２と実質的に同一の螺旋状をなす壁体２２とを備えている。可動スクロール２０の壁体２２は、固定スクロール１０の壁体１２と組み合わされ、各壁体１２，２２の接触位置の間に複数の圧縮室Ｓ（図３では不図示）が形成される。この組み合わされた状態（図１参照）で、可動スクロール２０の壁体２２の外方端と、これに対向する固定スクロール１０の壁体１２との間に吸入口１４が形成される。なお、図示していないが、固定スクロール１０の壁体１２の外方端と、これに対向する可動スクロール２０の壁体２２との間にも、吸入口が形成される。

圧縮室Ｓにあっては、可動スクロール２０の後述する旋回動作によって、容積が収縮しつつ各壁体１２，２２間で中央に向かって変位する。これにより、吸入口１４から吸入した混合液が圧縮室Ｓにおいて圧縮されて吐出孔１３から吐出される。

駆動軸３０は、上下方向に中心軸線が延在する丸軸状に形成されている。駆動軸３０は、モータやエンジン等の不図示の駆動源に接続され、駆動源からの駆動力が伝達されて回転可能に設けられている。

ここで、駆動軸３０の上端側は、リンク機構３５を介して可動スクロール２０に連結されている。リンク機構３５は、駆動軸３０の上端に設けられて横方向に延びるアーム部３５ａと、アーム部３５ａの上面において駆動軸３０の中心位置からずれた位置に形成された凸部３５ｂと、ベース板２１の下面に形成されて凸部３５ｂを受容する凹部３５ｃ（図３では不図示）とを備えている。凹部３５ｃは、ベース板２１の中心位置に対して偏心した位置に形成されている。リンク機構３５では、駆動軸３０の回転によって、駆動軸３０の軸中心周りで凸部３５ｂを旋回させ、凹部３５ｃ内で凸部３５ｂを相対回転させる。これにより、リンク機構３５は、可動スクロール２０を自転させずに駆動軸３０の軸中心周りを公転するよう旋回動作させ、駆動軸３０の回転駆動が可動スクロール２０の旋回動作に変換される。なお、リンク機構３５の構成は、可動スクロール２０を上述のように旋回動作させる限りにおいて、種々の構成を採用することができる。

スラスト軸受部４０は、可動スクロール２０のベース板２１の下方に配設されたドーナツ板状の軸受本体４１と、軸受本体４１の内方端側に上端（一端）側が連なる内壁部４２と、内壁部４２の下端（他端）側に連なって軸受本体４１と平行になる底壁部４３（図３では不図示）とを備えている。内壁部４２は、円筒状に形成されて内部にアーム部３５ａが回転動作可能に受容されている。内壁部４２と軸受本体４１とは、駆動軸３０と同一中心軸線上に配設されている。底壁部４３の中央には、駆動軸３０が貫通する孔４４（図３では不図示）が形成され、この孔４４の形成位置から下方に突出してボスのように突出部４５（図３では不図示）が形成される。

軸受本体４１は、その外周から旋回するベース板２１がはみ出さない大きさに形成されている。軸受本体４１の上面は、軸受面４７とされ、この軸受面４７がベース板２１の下面に対向配置される。軸受面４７には、圧縮室Ｓの圧力が高まることで、ベース板２１の下面が押し付けられ、この押し付けによるスラスト荷重をスラスト軸受部４０によって支持する。軸受面４７には、複数の溝４８が形成されている。かかる溝４８の詳細な構成については、後述する。

伝達機構５０は、駆動軸３０の回転を伝達してスラスト軸受部４０を回転させる遊星歯車機構により構成されている。伝達機構５０は、駆動軸３０に設けられて駆動軸３０と同一中心位置に配置されるサンギヤ５１と、サンギヤ５１に噛み合う４枚の遊星ギヤ５２と、底壁部４３から起立して遊星ギヤ５２を回転可能に支持する回転軸５３と、内壁部４２の内周に形成されて各遊星ギヤ５２と噛み合うアウターギヤ５４とを備えている。アウターギヤ５４は、サンギヤ５１と同一中心軸線上に配設されている。アウターギヤ５４は、内壁部４２に形成されるので、アウターギヤ５４の回転と同速同方向にスラスト軸受部４０が回転する。

伝達機構５０では、駆動軸３０及びサンギヤ５１の回転により、遊星ギヤ５２を介してアウターギヤ５４を回転させる。この回転において、アウターギヤ５４と、これと共に回転するスラスト軸受部４０は、遊星歯車機構の特性上、駆動軸３０及びサンギヤ５１に対して逆方向に回転される。スラスト軸受部４０の回転中心は、駆動軸３０の回転中心と同一線上であって、軸受面４７に直交する線上に位置する。一方、可動スクロール２０の旋回方向は、駆動軸３０の回転方向に沿う方向となるので、可動スクロール２０の旋回方向に対し、スラスト軸受部４０が対向する方向に回転することとなる。

保持部６０は、スラスト軸受部４０の下方における駆動軸３０を囲うように設けられた筐体６１と、筐体６１の内側であって駆動軸３０周りに設けられた上下２体の軸受部６２とを備えている。各軸受部６２は、内輪部６２ａと外輪部６２ｂとの間に、玉やころからなる転動体６２ｃが配設された転がり軸受からなる。各軸受部６２は、駆動軸３０からのラジアル荷重と、後述するスラスト荷重とを支持可能に設けられている。

筐体６１は、上述した密閉容器（不図示）に直接或いは所定の取付構造を介して固定されている。筐体６１は、各軸受部６２における外輪部６２ｂの外周に接する円筒状の筐体本体６１ａと、筐体本体６１ａの下端に設けられたドーナツ板状の受け部材６１ｂとを備えている。筐体本体６１ａの内周には、環状リブ６１ｃが形成され、環状リブ６１ｃは、上方の軸受部６２における外輪部６２ｂを下側から支持している。受け部材６１ｂは、内方領域において下方の軸受部６２における外輪部６２ｂを下側から支持している。

各軸受部６２の内輪部６２ａ間には、駆動軸３０が挿通される筒状のスペーサ６３が配設されている。また、上方の軸受部６２における内輪部６２ａに対し、スラスト軸受部４０の突出部４５が接触している。従って、圧縮室Ｓの圧力が高まり、可動スクロール２０がスラスト軸受部４０に押し付けられると、上下２体の軸受部６２によってスラスト軸受部４０から加わるスラスト荷重が支持される。なお、各軸受部６２が許容し得るスラスト荷重は、実際に加わるスラスト荷重の最大値より相当大きくなるよう設定されるので、スラスト荷重に対し軸受部６２における摩擦や摩耗の発生は十分に抑制された状態となる。

次に、本実施の形態における可動スクロール及びスラスト軸受部の相対位置関係について、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。

図４Ａ及び図４Ｂは、スクロール圧縮機を平面視した説明用の模式図である。ここで、図４Ａは、可動スクロール２０が同図において最下方に位置した状態を示す。この状態にて、可動スクロール２０及びスラスト軸受部４０の向きを説明する便宜上、可動スクロール２０の図中上方に×印、スラスト軸受部４０の図中上方に○印を付す。

図４Ｂは、図４Ａの状態から駆動軸３０を反時計方向に１８０°回転した状態を示す。可動スクロール２０は、自転せずに駆動軸３０を中心位置として公転するよう旋回するので、×印が図中上方に位置したまま１８０°旋回する。一方、スラスト軸受部４０は、伝達機構５０（図２参照）によって反時計回りの逆方向、つまり、時計回りに回転する。このとき、スラスト軸受部４０の回転角度は、図４Ｂでは９０°回転させたが、伝達機構５０のギヤ比を変えることによって調整することができる。

以上のように、本実施の形態では、駆動軸３０の回転によって、可動スクロール２０及びスラスト軸受部４０の両方を動作させることができる。これにより、図２に示すベース板２１において端面だれや変形が生じたり、ベース板２１と軸受面４７との隙間を意図的テーパー形状とすることで、混合液（潤滑油）に対し、くさび作用が発現する。このくさび作用によって、ベース板２１と軸受面４７との間で、混合液が圧力を持って油膜として形成され、それらの接触を防止することができる。

ここで、くさび作用のレイノルズ方程式は、下記の数式（１）で示すようになることが知られている。この数式（１）において、ｘ：位置、ｐ：圧力、ｈ：油膜厚さ、Ｕ：速度、η：粘度である。数式（１）から、くさび作用において発生する混合液（潤滑油）の圧力が、可動スクロールの周速Ｕ、混合液の粘度ηに比例することがわかる。

次いで、上記実施の形態に対する比較例について、図４Ａ及び図４Ｃを参照して説明する。図４Ａにおいて、実施の形態と異なる比較例の構成の符号は括弧内に示す。図４Ｃは、比較例における図４Ｂに対応する図である。図４Ａ及び図４Ｃに示すように、比較例のスラスト軸受部４０’は、駆動軸３０が回転しても、回転せずに固定された状態とする。なお、比較例の可動スクロール２０は、駆動軸３０の回転によって、上記実施の形態の可動スクロール２０と同様に旋回動作する。

上記実施の形態と比較例とを比べると、比較例のスラスト軸受部４０’が回転しないのに対し、実施の形態では、可動スクロール２０の旋回方向と逆方向にスラスト軸受部４０を回転させている。これにより、比較例に比べ、実施の形態の方が可動スクロール２０とスラスト軸受部４０との相対回転速度を高めることができる。従って、実施の形態の方が、上記数式（１）の速度Ｕの値が大きくなり、油膜厚さｈの値を大きくすることができる。

これを言い換えると、本実施の形態では、駆動軸３０の回転速度を遅くしても、比較例と同等以上の油膜を形成することが可能となる。つまり、駆動軸３０の回転速度が高速のときだけでなく、低速になっても、油膜厚さを厚くして油膜の圧力上昇を図ることができる。これにより、スクロール圧縮機１の起動時や停止時において、駆動軸３０の回転数が低下しても、ベース板２１と軸受面４７との摩擦係数が低減した状態を保つことができる。この結果、ベース板２１や軸受面４７が摩耗することを抑制することができ、それらの長寿命化やメンテナンスの負担軽減を図ることができる。

次いで、スラスト軸受部４０の軸受面４７に形成された溝４８について、図５を参照して説明する。図５は、スラスト軸受部の平面図である。

図５に示すように、各溝４８は、軸受面４７の外周から中心側に螺旋状に延びるスパイラル溝によって形成される。具体的には、溝４８は、スラスト軸受部４０の回転方向を図５中時計方向とした場合、軸受面４７の外周から、該外周に沿う反時計方向に対し次第に離れるように湾曲しながら軸受面４７の面内を延在する。そして、溝４８の内方端は、溝４８の外方端と軸受面４７の中心を挟んで大まかに反対側に配設されている。溝４８の外方端は、軸受面４７の外周側に開放する一方、溝４８の内方端は、軸受面４７の面内における中央付近で閉塞するよう形成されている。本実施の形態では、全ての溝４８が同一の平面形状に形成される。

各溝４８は、スラスト軸受部４０の図５中時計方向の回転により、スパイラル溝としたことによるポンピング効果によって、混合液が溝４８内を軸受面４７の外周から中心側に向かって流れる。この流れによって、軸受面４７とベース板２１（図２参照）との間における混合液の圧力を高めることができる。また、溝４８内を流れた混合液が溝４８の閉塞した内方端に衝突することによっても、混合液の圧力を高めることができる。このように溝４８内を流れる混合液によっても、軸受面４７とベース板２１との間における油膜の圧力を高め、それらの低摩擦及び摩耗の防止を実現することができる。

ここで、スクロール圧縮機１の通常運転時においては、中央に近付くに従って圧縮室Ｓが高圧となることから、溝４８の内方端部分で混合液の圧力を高めることで、油膜をより一層良好に形成することができる。

なお、図６に示すように、軸受面４７に形成される溝４９の形状を変更してもよい。図６は、変形例に係るスラスト軸受部の平面図である。図６に示すように、各溝４９は、へリングボーン溝によって形成される。具体的には、溝４９は、軸受面４７の中央と外周との中間部分においてＶ字状に屈曲する屈曲部４９ａを備えた形状に形成されている。また、溝４９は、屈曲部４９ａと軸受面４７の外周との間に延びる外溝部４９ｂと、屈曲部４９ａと軸受面４７の中央側の開口部分との間に延びる内溝部４９ｃとを備えた形状に形成されている。外溝部４９ｂ及び内溝部４９ｃは、スパイラル状に形成され、外溝部４９ｂは、上記溝４８（図５参照）の外方端から所定長さ延在した部分と同様に形成されている。

図６に示す変形例に係る溝４９にあっても、ポンピング効果によって、混合液が溝４９内を軸受面４７の外周から中心側に向かって流れるので、それらの間の油膜の圧力を高めることができる。また、溝４９の外溝部４９ｂを流れた混合液が屈曲部４９ａに衝突することによっても、図５の溝４８より油膜の圧力をさらに高めることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、スラスト軸受部４０を回転させるので、回転軸３０が低速回転となっても、くさび作用等により軸受面４７とベース板２１との間の油膜の厚さを確保でき、それらの摩擦係数が増大したり摩耗が発生したりすることを抑制することができる。

しかも、スラスト軸受部４０の回転によって上記溝４８，４９のポンピング効果を得ることもでき、軸受面４７とベース板２１との間における混合液の圧力を上昇させて摩擦や摩耗の悪影響をより良く回避することができる。

また、伝達機構５０によって駆動軸３０の駆動を利用してスラスト軸受部４０を回転させているので、スラスト軸受部４０を回転駆動させるため、別途のアクチュエータ等を設置しなくてよくなり、構成の簡略化を図ることできる。

本発明は上記実施の形態に限定されず種々変更して実施することが可能である。また、上記実施の形態で説明した数値、寸法、材質、方向については特に制限はない。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

例えば、図７に示すように、球部材７１及び支持体７２を備えた支持手段７０によってスラスト軸受部４０のスラスト荷重を支持するようにしてもよい。球部材７１は、スラスト軸受部４０の回転時に、スラスト軸受部４０の軸受本体４１の下面に接触しつつ、軸受本体４１と支持体７２との間で転動可能に設けられている。支持体７２は、上記密閉容器（不図示）に対して固定され、球部材７１を介してスラスト荷重に抗する支持力を発揮する。支持手段７０を設けた構成によれば、突出部４５を介して各軸受部６２に加わるスラスト荷重を軽減する、或いは、なくすことができる。

また、伝達機構５０は、遊星歯車機構に限られるものでなく、ベルトとプーリを組み合わせた構成にする等、種々の変更が可能である。但し、伝達機構５０を遊星歯車機構とすることで、駆動軸３０の駆動力によって可動スクロール２０を旋回でき、その旋回方向をスラスト軸受部４０の回転に対向する方向に簡単にできる点で有利となる。

また、上記実施の形態では、上下２体の軸受部６２でスラスト軸受部４０のスラスト荷重を支持したが、上方の軸受部６２だけで支持するようにしてもよい。

また、図５及び図６における溝４８，４９の形成本数、形状、形成領域は、上述と同様の油膜形成能力を発揮し得る限りにおいて変更してもよい。更に、溝４８，４９を省略した構成としてもよいが、溝４８，４９を設けた方が上述のポンピング効果を得られる点で有利となる。

本発明は、例えば、空調機、冷凍機、給湯機等に搭載されるスクロール圧縮機に用いることができる。

１ スクロール圧縮機
１０ 固定スクロール
２０ 可動スクロール
３０ 駆動軸
４０ スラスト軸受部
４７ 軸受面
４８ 溝（スパイラル溝）
４９ 溝（へリングボーン溝）
４９ａ 屈曲部
４９ｂ 外溝部
４９ｃ 内溝部
５０ 伝達機構
６２ 軸受部
Ｓ 圧縮室

Claims (8)

1. 圧縮室を形成する固定スクロール及び可動スクロールを備え、該可動スクロールの旋回動作によって前記圧縮室内の流体を圧縮するスクロール圧縮機において、
   前記可動スクロールに対向配置される軸受面を有するスラスト軸受部を含み、該スラスト軸受部は、前記軸受面に直交する線を回転中心として回転可能に設けられていることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 所定の駆動源に接続されて前記可動スクロールを旋回動作させるための駆動軸と、該駆動軸の回転によって前記スラスト軸受部を回転させる伝達機構とを更に有していることを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記伝達機構は、前記可動スクロールにおける旋回動作の方向に対向する方向に前記スラスト軸受部を回転することを特徴とする請求項２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記伝達機構は、遊星歯車機構により構成されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記軸受面には、外周から中心側に延びる複数のスパイラル溝が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
6. 前記軸受面には、複数のへリングボーン溝が形成され、該へリングボーン溝は、屈曲部と、該屈曲部と軸受面の外周側との間に延びる外溝部と、該屈曲部と軸受面の中央側との間に延びる内溝部とを備えた形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
7. 前記駆動軸周りには、軸受部が設けられ、該軸受部によって、前記駆動軸から加わるラジアル荷重と、前記スラスト軸受部から加わるスラスト荷重とが支持されることを特徴とする請求項２に記載のスクロール圧縮機。
8. 前記軸受部は、前記駆動軸周りに複数設けられ、該複数の軸受部によって前記スラスト荷重が支持されることを特徴とする請求項７に記載のスクロール圧縮機。

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