JP2019143511A - スクロール式圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 吸入冷媒が軸受け部に直接的に接触して軸受け部のベアリングの潤滑性が低下するのを抑制できるスクロール式圧縮機を提供する。【解決手段】 スクロール式圧縮機１００は、制御器１、電動要素２、及び圧縮要素３を軸心Ａ方向にこの順でハウジング４内に収容し、ハウジング内を制御器室４１と電動要素室４２とに仕切る隔壁４４と、電動要素室４２を吸入室４２ａと駆動室４２ｂとに仕切って軸受け部２１を有する支持壁４５と、を備え、吸入室４２ａには、上方の吸入口４６と軸受け部２１との間を遮蔽する第１遮蔽壁５０が設けられている。【選択図】 図２

Description

本開示は、車両の空調システム等に用いられるスクロール式圧縮機に関する。

車両の空調システム等においては、冷媒を圧縮するためにスクロール式圧縮機が用いられている。スクロール式圧縮機は、電動モータから成る電動要素と、可動スクロール及び固定スクロールを有する圧縮要素と、電動要素を駆動するインバータとを備えている。そして、例えばこれらが、圧縮要素、電動要素、及びインバータの順に並ぶようにしてハウジングに収容されている（例えば、特許文献１）。

ところで、インバータは、圧縮機を駆動している間に高温になるため、適宜冷却する必要がある。そこで特許文献１では、インバータと電動要素とを仕切壁によって仕切り、インバータをこの仕切壁の一方の面に対して熱的に接続する一方、ハウジングに吸入した冷媒をこの仕切壁の他方の面に触れさせることでインバータを冷却する技術を開示している。

特開２０１２−２１５０９１号公報

しかしながら、上記のような構成とすると、ハウジングに吸入された冷媒の多くが電動要素のロータの軸受け部に接触してしまう。特に吸入された冷媒が気液混合状態で、冷媒の液体成分が軸受け部に接触すると、軸受け部とロータ軸との間のベアリングの潤滑油を洗い流してしまう可能性がある。この場合、ベアリングの潤滑性が低下して圧縮機の運転効率が低下したり、ベアリングが摩耗したりすることが懸念される。

そこで本開示は、吸入冷媒が軸受け部のベアリングに直接的に接触してベアリングの潤滑性が低下するのを抑制できるスクロール式圧縮機を提供することを目的とする。

本開示に係るスクロール式圧縮機は、重力方向に対して略直交する横方向の軸心回りに回転するロータを有する電動要素と、電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素と、電動要素を駆動する制御器と、制御器、電動要素、及び圧縮要素を軸心方向にこの順で収容するハウジングと、を備えるスクロール式圧縮機であって、ハウジング内を、制御器を収容する制御器室と、電動要素を収容する電動要素室とに仕切ると共に、制御器が熱的に接続される隔壁と、電動要素室を、制御器側にあって冷媒が吸入される吸入室と、圧縮要素側にあってロータが配置される駆動室とに仕切ると共に、ロータを軸支する軸受け部を有する支持壁と、を備え、ハウジングは、吸入室に対して上方から連通する冷媒の吸入口を有し、吸入室には、吸入口と軸受け部との間を遮蔽する第１遮蔽壁が、吸入口の開口方向に対向して設けられている。

本開示によれば、第１遮蔽壁により、吸入口から吸入された冷媒の、特に液体成分が直接的に軸受け部のベアリングと接触するのを抑制でき、ベアリングの潤滑性の低下を抑制することができる。

図１は、本開示の実施の形態に係るスクロール式圧縮機の構成を、その一部を断面にして示す図面である。 図２は、図１の圧縮機をＩＩ−ＩＩ線にて分割して展開したときの構成を示す図面である。

本開示に係るスクロール式圧縮機は、重力方向に対して略直交する横方向の軸心回りに回転するロータを有する電動要素と、電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素と、電動要素を駆動する制御器と、制御器、電動要素、及び圧縮要素を軸心方向にこの順で収容するハウジングと、を備えるスクロール式圧縮機であって、ハウジング内を、制御器を収容する制御器室と、電動要素を収容する電動要素室とに仕切ると共に、制御器が熱的に接続される隔壁と、電動要素室を、制御器側にあって冷媒が吸入される吸入室と、圧縮要素側にあってロータが配置される駆動室とに仕切ると共に、ロータを軸支する軸受け部を有する支持壁と、を備え、ハウジングは、吸入室に対して上方から連通する冷媒の吸入口を有し、吸入室には、吸入口と軸受け部との間を遮蔽する第１遮蔽壁が、吸入口の開口方向に対向して設けられている。

また、上記スクロール式圧縮機において、第１遮蔽壁は、軸心方向に直交する方向の端部がハウジングの内面に接続され、軸心方向における圧縮要素側の端部は支持壁に接続され、軸心方向における制御器側の端部は隔壁に対して隙間を有して位置していてもよい。

また、上記スクロール式圧縮機において、吸入室には、第１遮蔽壁より下方にて、第１遮蔽壁と共に軸受け部を取り囲む第２遮蔽壁が設けられていてもよい。

また、上記スクロール式圧縮機において、隔壁における吸入室側の面のうち制御器の接続箇所に対応する位置には、放熱フィンが取り付けられていてもよい。

また、上記スクロール式圧縮機において、放熱フィンは、重力方向に対して斜め方向になるように取り付けられていてもよい。

以下、本開示の好ましい実施の形態について、車両の空調システムに用いるスクロール式圧縮機に適用した場合を例にして説明する。

［圧縮機の全体構成］
図１は、本開示の実施の形態に係るスクロール式圧縮機（以下、単に「圧縮機」ともいう）１００の構成を、その一部を断面にして示す図面である。圧縮機１００は、制御器１と、重力方向に対して略直交する横方向（本実施の形態では略水平方向）の軸心Ａの回りに回転するロータ２２を有する電動要素２と、電動要素１により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素３と、これら制御器１、電動要素２、及び圧縮要素３を軸心Ａ方向にこの順で収容するハウジング４とを備えている。

なお、以下では、軸心Ａ方向において電動要素２に対して制御器１が位置する方向を「一方向」といい、電動要素２に対して圧縮要素３が位置する方向を「他方向」という。また、軸Ａ方向に直交して上方向及び下方向を設定して説明する（図１参照）。

ハウジング４は、軸心Ａに沿う円筒状を成しており、その内部空間には、制御器１を収容する制御器室４１と、電動要素２を収容する電動要素室４２と、圧縮要素３を収容する圧縮要素室４３とが形成されている。このうち制御器室４１と電動要素室４２との間は隔壁４４によって仕切られている。また、ハウジング４は、少なくとも制御器室４１を画定する第１部分４ａと、電動要素室４２及び圧縮要素室４３を画定する第２部分４ｂとに分割でき、隔壁４４は制御器室４１側の部分４ａに設けられている。

また、電動要素室４２も軸心Ａ方向に並ぶ２つの空間に分けられている。すなわち、電動要素室４２は、一方向側（制御器１側）にあって冷媒が吸入される吸入室４２ａと、他方向側（圧縮要素３側）にあってロータ２０が配置される駆動室４２ｂとに分けられている。これらの吸入室４２ａと駆動室４２ｂとは、ロータ２２を軸支する軸受け部２１が設けられた支持壁４５により仕切られている。

ハウジング４には、空調システムの循環流路からの冷媒をハウジング４内に取り込む吸入口４６が形成されている。吸入口４６は、ハウジング４の上部に貫通して形成されており、かつ、電動要素室４２のうち吸入室４２ａに対して上方から連通している。また、ハウジング４には、圧縮要素室４３に上方から連通する吐出口４７も形成されている。

このような本実施の形態に係る圧縮機１００は、外部の循環流路から吸入口４６を通じてハウジング４内に取り込んだ低圧の冷媒を、電動要素２により駆動する圧縮要素３によって圧縮し、高圧になった冷媒を吐出口４７から外部へ送り出す構成となっている。以下、より詳しく制御器１、電動要素２、及び圧縮要素３について説明する。

制御器１は、平坦な矩形状の駆動回路から成り、本実施の形態でこの駆動回路は、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）等を含み発熱密度の高いインバータ回路である。この制御器１は、その一方向側の主面を、図示しない基板に対向するようにして該基板上に実装されている。また、制御器１の他方向側の主面は、制御器室４１と電動要素室４２とを仕切る隔壁４４に対して熱的に接続されている。この場合、制御器１と隔壁４４とは直接的に接触していてもよいし、高熱伝導材を介して接触していてもよい。

電動要素２は、駆動軸２０、軸受け部２１、ロータ２２、及びステータ２３を有している。駆動軸２０は、軸心Ａを有する主軸と、主軸の他方側の端部に接続された偏心軸とで構成されている。また、支持壁４５の中央部分には貫通孔４５ａが形成されており、この貫通孔４５ａに、軸受け部２１を成すラジアル玉軸受などのベアリング２１ａが内嵌されている。そして、このベアリング２１ａにより、駆動軸２０の主軸の一方側の端部が挿通されて支持されている。

なお、支持壁４５の外周部分（軸受け部２１の外側部分）には、周方向に並ぶ複数の貫通孔４５ｂが形成されている。この貫通孔４５ｂにより吸入室４２ａと駆動室４２ｂとは連通している。従って、吸入室４２ａに吸入された冷媒は、主に貫通孔４５ｂを通じて駆動室４２ｂへと通流する。

ハウジング４内には、電動要素２と圧縮要素３とを仕切るようにして主軸受け部材（図示せず）が配設されている。この主軸受け部材の中央部分にもラジアル玉軸受などのベアリングが設けられ、駆動軸２０の主軸の他方側の端部はこのベアリングにより回転自在に支持されている。

駆動軸２０の主軸の中央部分にはロータ２２が取り付けられている。ロータ２２は、例えば、中央孔を有する円板状の磁性体を、複数枚積層することで筒状に形成されており、駆動軸２０に外嵌して設けられている。また、磁性体の積層体内には永久磁石が収容されており、この永久磁石によってロータ２２は磁性を帯びている。ステータ２３は、導線が巻回された複数のコイルが、ロータ２２の外周囲を取り囲むように円形に配設されることで、全体として筒状に形成されている。このステータ２３は、不図示の部材を介してハウジング４の内壁に固定されている。

このような電動要素２は、ステータ２３への通電により磁場が形成されると、ロータ２２とステータ２３との間に引力又は斥力が発生し、ロータ２２と共に駆動軸２０が所定方向に回転する。駆動軸２０の回転により、圧縮要素３が駆動する。

圧縮要素３は、固定スクロール３０と可動スクロール３３とを備えている。固定スクロール３０は、軸心Ａに直交する固定プレート３１を有し、固定プレート３１の一方向側の主面には渦巻き形状の仕切り壁３２が立設されている。可動スクロール３３は、軸心Ａに直交する円板状の可動プレート３４を有し、可動プレート３４の他方向側の主面には渦巻き形状の仕切り壁３５が立設されている。

固定スクロール３０及び可動スクロール３３は、互いの仕切り壁３２，３５が噛み合うようにして配置されている。また、駆動軸２０の主軸の他端部には偏心軸（図示せず）が接続されている。そして、可動スクロール３３は、その中心部分が、ラジアル玉軸受などのベアリングを介して駆動軸２０の偏心軸に回動自在に支持されている。

このような圧縮要素３は、電動要素２が駆動してロータ２２が回転すると、駆動軸２０の回転に伴って可動スクロール３３が軸心Ａ回りに旋回（公転）する。すると、固定スクロール３０と可動スクロール３３との間の空間内の冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は固定スクロール３０の固定プレート３１に形成された貫通孔から、この貫通孔を開閉するリード弁を押し開けて、固定スクロール３０の他方側の吐出室３６へ通流する。そして、吐出室３６から吐出口４７を通じて外部の循環流路へと吐出される。

［冷媒を遮蔽する構成］
ところで、本実施の形態に係る圧縮機１００は、上記の構成に加え、外部の循環流路から吸入室４２ａに取り込まれた冷媒が軸受け部２１に直接的に接触するのを抑制するために、冷媒を遮蔽する構成を備えている。この構成について、以下、ハウジング４をＩＩ−ＩＩ線にて第１部分４ａと第２部分４ｂとに分割した状態を示す図２も参照しつつ詳述する。

ハウジング４の吸入室４２ａには、吸入口４６と軸受け部２１との間を遮蔽する第１遮蔽壁５０が、その上面を吸入口４６の開口方向（下方）に対向して設けられている。第１遮蔽壁５０は、図２の上下方向及び軸心Ａ方向の両方に直交する方向（以下、「左右方向」という）の端部５１，５２が、ハウジング４の内面に接続されるまで延設されている。すなわち、第１遮蔽壁５０は、吸入口４６の下方かつ軸受け部２１の上方の位置にあり、軸心Ａ方向及び左右方向に延びる平板状を成している。

なお、図２では、支持壁４５の貫通孔４５ｂを避けて第１遮蔽壁５０を延設した構成を示している。そのため、第１遮蔽壁５０の左右方向一方側は上方へ湾曲し、その端部５１は吸入口４６の近傍にてハウジング４の内面に接続されている。しかし、このような構成に限られず、貫通孔４５ｂを横断するようにして第１遮蔽壁５０を延設してもよい。なお、端部５１，５２はいずれも、第１遮蔽壁５０における、ハウジング４の径方向、すなわち、軸心Ａ方向に対して直交する方向の端部である。

図１に示すように、第１遮蔽壁５０の軸心Ａ方向の他方端（圧縮要素３側の端部）５３は、支持壁４５の一方側の壁面に接続されている。これに対し、第１遮蔽壁５０の軸心Ａ方向の一方端（制御器１側の端部）５４は、隔壁４４に対向し且つ隔壁４４に対して隙間５５を有して位置している。図１に示す例では、第１遮蔽壁５０の一方端５４は、吸入口４６のハウジング４内の開口よりも、軸心Ａ方向において一方側に位置している。つまり、上方から見ると、吸入口４６のハウジング４内の開口の全てが第１遮蔽壁５０の上面の範囲内に位置するまで、第１遮蔽壁５０の軸心Ａ方向に延設されている。

また、本実施の形態に係る圧縮機１００は、上記第１遮蔽壁５０に加えて、第２遮蔽壁６０を備えている。第２遮蔽壁６０は、第１遮蔽壁５０の下方にあり、かつ、第１遮蔽壁５０と共に軸受け部２１を取り囲むようにして設けられている。図２の例では、第１遮蔽壁５０と第２遮蔽壁６０とは、軸心Ａ方向の寸法が同一となっており、一方向の端部が互いに面一になっている。

なお、第１遮蔽壁５０と第２遮蔽壁６０との、一方向の端部を互いに面一としている理由は次の通りである。

まず、第１遮蔽壁５０の軸心Ａ方向の寸法が、第２遮蔽壁６０の軸心Ａ方向の寸法より短いと、第２遮蔽壁６０に吸入口４６から流れる冷媒の液体成分が直接当たる可能性が高まる。その結果、液体成分が軸受け部２１へ流れる割合が増大し、ベアリング２１ａにおける潤滑性の低下を抑制する効果が低減する場合がある。

次に、第１遮蔽壁５０の軸心Ａ方向の寸法が、第２遮蔽壁６０の軸心Ａ方向の寸法より長いと、第２遮蔽壁６０と隔壁４４との間隔が大きくなる。そのため、後述するように、ハウジング４の下部に至り、ハウジング４の内面で反射して上方へ向かう冷媒が、第２遮蔽壁６０に遮られる割合が低下し、ベアリング２１ａの潤滑性の低下抑制効果が低減する場合がある。さらに、後述する放熱フィン７０に冷媒が当たる割合が低下し、制御器１の放熱効果が低減する場合がある。

これらの理由により、第１遮蔽壁５０と第２遮蔽壁６０との、一方向の端部を互いに面一としている。ただし、上述した効果低減が生じるとしても、第１遮蔽壁５０及び第２遮蔽壁６０を設けることで潤滑性低下抑制の効果は一定程度得られる。従って、第１遮蔽壁５０と第２遮蔽壁６０との各一方向の端部を面一にすることは必須ではない。

なお、第１遮蔽壁５０と第２遮蔽壁６０は、ハウジング４に対し一体形成されていてもよいし、別体として形成してハウジング４内に溶接や接着などにより接続する構成としてもよい。

［動作及び作用効果］
以上に説明したスクロール式圧縮機１００は、ステータ２３に給電されて電動要素２が回転駆動すると、駆動軸２０の回転に伴って可動スクロール３３が軸心Ａを中心として公転するように旋回する。すると、吸入口４６から吸入された冷媒は、吸入室４２ａから駆動室４２ｂを経て圧縮要素３に取り込まれて圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、吐出室３６を経て吐出口４７から外部へ送り出される。

この間、外部から吸入室４２ａに取り込まれた冷媒は、その通流方向の正面に位置する第１遮蔽壁５０により軸受け部２１への通流が遮られる。その後、冷媒の一部（特に冷媒の気体成分）は、支持壁４５の上部の貫通孔４５ｂを通じて駆動室４２ｂへ通流し、他の多くの冷媒は、軸心Ａ方向の一方側へ向かい、重力により隔壁４４に沿って隙間５５を通じて下方へ向かう。

なお、第１遮蔽壁５０は左右方向の端部５１，５２がハウジング４の内面に至るまで延設されているため、より多くの冷媒が軸心Ａ方向の一方側へ向かい、隔壁４４に沿って隙間５５を通じて下方へ向かうこととなる。

次に、隙間５５から下方へ流れた冷媒は、隔壁４４に沿ってハウジング４の下部の内面へ至る。ハウジング４の下部に至った冷媒の中には、ハウジング４の内面で反射して上方へ向かうものもあるが、そのような冷媒は第２遮蔽壁６０に遮られるため、軸受け部２１への通流が遮られる。そして、他の多くの冷媒は、支持壁４５の下部の貫通孔４５ｂを通じて駆動室４２ｂへ通流する。

以上に説明したとおり、吸入室４２ａに取り込まれた冷媒は、第１遮蔽壁５０及び第２遮蔽壁６０により、直接的に軸受け部２１との接触が遮られる。よって、冷媒に含まれる特に液体成分によってベアリング２１ａの潤滑油が洗い流されるのを抑制できる。

しかも、冷媒は主に第１遮蔽壁５０に誘導されて、隔壁４４に接触しながら隔壁４４に沿って下方へ流れる。そのため、吸入された直後の比較的低温の冷媒によって隔壁４４が冷却される。よって、隔壁４４に熱的に接続された制御器１を、効率的に放熱（冷却）することができる。

また、図１及び図２に示すように、隔壁４４における他方側の壁面のうち、制御器１の接続箇所に対応する位置には放熱フィン７０が取り付けられている。放熱フィン７０は、重力方向（図２の下方向）に対して斜め方向になるように取り付けられている。これにより、制御器１が発した熱は隔壁４４を通じて放熱フィン７０へ伝熱し、隔壁４４に沿って流れる冷媒は、放熱フィン７０に接触してこの熱を奪う。また、放熱フィン７０が斜め方向に取り付けられるため、冷媒が冷却フィン７０を流れ落ちる際の距離が長くなり、冷媒の冷却フィン７０との接触面積も大きくなる。従って、より効率的に制御器１の放熱（冷却）を行うことができる。

なお、吸入室４２ａに取り込まれたときの冷媒は、上述したように、一般的に冷媒の気体成分と液体成分との気液混合状態となっている。しかし、このような冷媒は、第１遮蔽壁５０や第２遮蔽兵器６０との接触や、それらに跳ね返った後のハウジング４の内面との接触により、気液分離が促進される。そのため、気液分離が進んだ後の冷媒が仮に軸受け部２１へ至ったとしても、そのときには冷媒中の液体成分の比率が減少しているため、ベアリング２１ａから洗い流される潤滑油は少なくて済む。

さらに、放熱フィン７０が斜め方向に取り付けられるため、放熱フィン７０の表面積を増やすことができる。したがって、放熱フィン７０における冷媒の気液分離を、さらに促進することができる。

また、本実施の形態では、第１遮蔽壁５０及び第２遮蔽壁６０をそれぞれ設ける構成としているが、その理由は次の通りである。

冷媒は電動要素室４２の中を通るため、本実施の形態の構成を用いたとしても、一部の冷媒が必ずベアリング２１ａに至る。その結果、僅かであったとしても、徐々に潤滑油が洗い流されてしまう。そのため、冷媒には、ベアリング２１ａの潤滑性を維持するために、予め所定の割合でオイル成分が含まれている。

ここで、もし、第１遮蔽壁５０の一方端５４と、この一方端５４に相当する第２遮蔽壁６０の一方端とが繋がっており、貫通孔４５ａの周囲を覆って密閉する構成とすれば、吸入室４２ａ側から軸受け部２１に至る冷媒を遮断することができる。しかし、このような構成にすると、冷媒中に含まれるオイル成分がベアリング２１ａに到達し難くなる。その結果、徐々に潤滑油が洗い流されることにより、いずれベアリング２１ａが磨耗する可能性がある。

そこで、本実施の形態のように、第１遮蔽壁５０及び第２遮蔽壁６０をそれぞれ設ける構成とすれば、割合は少ないものの冷媒が貫通孔４５ａに至り、その冷媒に含まれるオイル成分もベアリング２１ａに至ることができる。

これらのことから、貫通孔４５ａに至る冷媒の量を有効に減らしつつも、ベアリング２１ａの潤滑性を維持にするためのオイル成分を供給し続けることを両立するために、本実施の形態で説明した、貫通孔４５ａの周囲を密閉しない構成としている。

本開示は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明は、例えば自動車等の車両の空調システム等に用いるスクロール式圧縮機に適用することができる。

１ 制御器
２ 電動要素
３ 圧縮要素
４ ハウジング
２０ 駆動軸
２１ 軸受け部
２２ ロータ
２３ ステータ
４１ 制御器室
４２ 電動要素室
４２ａ 吸入室
４２ｂ 駆動室
４３ 圧縮要素室
４４ 隔壁
４５ 支持壁
４６ 吸入口
５０ 第１遮蔽壁
６０ 第２遮蔽壁
７０ 放熱フィン
１００ スクロール式圧縮機
Ａ 軸心

Claims (5)

1. 重力方向に対して略直交する横方向の軸心回りに回転するロータを有する電動要素と、前記電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素と、前記電動要素を駆動する制御器と、前記制御器、前記電動要素、及び前記圧縮要素を前記軸心方向にこの順で収容するハウジングと、を備えるスクロール式圧縮機であって、
   前記ハウジング内を、前記制御器を収容する制御器室と、前記電動要素を収容する電動要素室とに仕切ると共に、前記制御器が熱的に接続される隔壁と、
   前記電動要素室を、前記制御器側にあって冷媒が吸入される吸入室と、前記圧縮要素側にあって前記ロータが配置される駆動室とに仕切ると共に、前記ロータを軸支する軸受け部を有する支持壁と、を備え、
   前記ハウジングは、前記吸入室に対して上方から連通する冷媒の吸入口を有し、
   前記吸入室には、前記吸入口と前記軸受け部との間を遮蔽する第１遮蔽壁が、前記吸入口の開口方向に対向して設けられている、
   スクロール式圧縮機。
2. 前記第１遮蔽壁は、前記軸心方向に直交する方向の端部が前記ハウジングの内面に接続され、前記軸心方向における前記圧縮要素側の端部は前記支持壁に接続され、前記軸心方向における前記制御器側の端部は前記隔壁に対して隙間を有して位置している、
   請求項１に記載のスクロール式圧縮機。
3. 前記吸入室には、前記第１遮蔽壁より下方にて、前記第１遮蔽壁と共に前記軸受け部を取り囲む第２遮蔽壁が設けられている、
   請求項１又は２に記載のスクロール式圧縮機。
4. 前記隔壁における前記吸入室側の面のうち前記制御器の接続箇所に対応する位置には、放熱フィンが取り付けられている、
   請求項１〜３の何れかに記載のスクロール式圧縮機。
5. 前記放熱フィンは、前記重力方向に対して斜め方向になるように取り付けられている、
   請求項４に記載のスクロール式圧縮機。
   
   

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