JP2023056437A - オイルフリー式スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】補助クランクにかかるスラスト荷重の負荷を軽減することにより、耐久性向上を可能とし、且つ、軸受の部品点数を削減することにより、コスト低減に寄与することを可能としたオイルフリー式スクロール圧縮機を提供する。【解決手段】高圧部９と中央ボス部３３との間を連通して前記高圧部９から圧縮された流体を導入可能な導通孔１１と、前記中央ボス部３３における旋回側鏡板３１と主クランクピン軸受６４との間に配置されて前記導通孔１１を介して前記高圧部９から導入される前記圧縮された流体の圧力により前記主クランクピン軸受６４にスラスト荷重を与えるピストン１２とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、空気圧縮機、ガス圧縮機ならびに真空ポンプ用として利用される、オイルミスト等の不純物を嫌う空気を圧縮するオイルフリー式の偏心旋回運動を行うオイルフリー式スクロール圧縮機に関する。

医療、食品関連をはじめ、クリーンな圧縮空気が求められる要求に対し、圧縮機の潤滑にオイル等の代わりに固体潤滑剤などを用いる、オイルフリー式スクロール圧縮機が例えば特開平９－２２８９６６号公報に提示されているように旧くから知られており、特に効率、静音性などに優れたスクロール式の需要が高まっている。

図５は、従来のオイルフリー式スクロール圧縮機の一例を示す図であって、スクロール圧縮機１は、固定側鏡板２１の表面に渦巻状の固定ラップ２２が立設された固定スクロール２と、前記固定スクロール２と対向して配置され、旋回側鏡板３１の表面に前記固定ラップ２２との間で複数の圧縮室４を形成する渦巻状の旋回ラップ３２が立設された旋回スクロール３と、前記旋回スクロール３を挟んだ状態で前記固定スクロール２と対向して配置されたハウジング５と、前記ハウジング５の中央に配置された、前記ハウジング５に駆動軸６１が駆動軸軸受６２を介して軸回転可能に保持されるとともに先端に偏心して形成した主クランクピン６３を有する主クランク６と、前記主クランク６を中心としてその外側位置に配置された、前記ハウジング５に回転軸７１が回転軸軸受７２を介して軸回転可能に保持されるとともに先端に偏心して形成した補助クランクピン７３を有する複数の補助クランク７とから構成される。

前記主クランクピン６３は、前記旋回側鏡板３１の裏面の中央位置に立設された中央ボス部３３に挿入された主クランクピン軸受６４を介して偏心軸回転可能に保持されており、前記旋回スクロール３を前記主クランクピン軸受６４において偏心回転させることができる。

また、前記補助クランクピン７３は、前記旋回側鏡板３１の裏面に立設された外側ボス部３４に挿入された補助クランクピン軸受７４を介して偏心軸回転可能に保持されており、前記主クランク６による前記旋回スクロール３の自転を防止することができる。

ここで、前記補助クランク７は、前記固定スクロール２と前記旋回スクロール３を安定して支持するために、３本使用されることが一般的である。

更に、前記ハウジング５と前記固定スクロール２との間に装着されたガスケット８により流体を気密に保持している。

そして、前記主クランク６がモータ等により回転駆動すると、前記主クランク６の前記旋回スクロール３側に形成された主クランクピン６３から前記主クランクピン軸受６４を介して前記旋回スクロール３に前記主クランク６の回転が伝えられ、前記旋回スクロール３は、前記補助クランク７によって自転運動を防止されるとともに、３点の前記補助クランク７で所定の間隔を有して、前記旋回スクロール３上に構成された平面を平行方向及び垂直方向を維持しながら、前記固定スクロール２と微小な隙間を保持し、前記主クランク６の軸線を中心とした、前記主クランク６の回転半径を描く偏心旋回運動をする。

更に、この偏心旋回運動によって、前記圧縮室４は連続的に縮小し、前記旋回スクロール３の旋回に伴い、前記圧縮室４に導入した流体を順次、中央に移送して圧縮し、その後、前記固定スクロール２と前記旋回スクロール３の中央に形成される高圧部９において、圧縮された流体が前記固定スクロール２の中央に形成した吐出口１０から外部の空気タンク等に吐出されるものである。

旋回運動後、前記固定スクロール２と前記旋回スクロール３との間には圧力が発生し、両スクロールは離れようとして、これを支持する前記補助クランク７にスラスト荷重が加わるため、一般的に使用されているラジアル玉軸受のようなスラスト方向への耐荷重性が小さい軸受を前記補助クランク７の軸受として使用することは困難であった。

そのため、前記回転軸軸受７２及び前記補助クランクピン軸受７４は、スラスト方向及びラジアル方向の荷重を支持できるアンギュラ軸受が用いられていた。

また、前記アンギュラ軸受は２個の軸受を正面、背面で組み合わせて用いることにより、優れた耐スラスト荷重を発揮することができ、前記補助クランク７の１本当たり４個の前記アンギュラ軸受が用いられる。

しかしながら、スクロール圧縮機１台当たりでは、前記補助クランク７が一般的に３本使用されているため、計１２個の前記アンギュラ軸受が必要となり、前記アンギュラ軸受により前記補助クランク７等の構造が複雑化し、軸受の部品点数も多くなって、圧縮機全体のコストに影響を及ぼすことが懸念される。

特開平９－２２８９６６号公報 特開平２－２７７９８４号公報

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、前記補助クランクにかかるスラスト荷重の負荷を軽減することにより、耐久性向上を可能とし、且つ、軸受の部品点数を削減することにより、コスト低減に寄与することを可能としたオイルフリー式スクロール圧縮機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、
固定側鏡板の表面に渦巻状の固定ラップが立設された固定スクロールと、
前記固定スクロールと対向して配置され、旋回側鏡板の表面に前記固定ラップとの間で複数の圧縮室を形成する渦巻状の旋回ラップが立設された旋回スクロールと、
前記旋回スクロールを挟んだ状態で前記固定スクロールと対向して配置されたハウジングと、
前記ハウジングに駆動軸が駆動軸軸受を介して軸回転可能に保持されるとともに先端に偏心して形成した主クランクピンが前記旋回側鏡板の裏面の中央位置に立設された中央ボス部に挿入された主クランクピン軸受を介して偏心軸回転可能に保持される前記旋回スクロールを前記主クランクピン軸受において偏心回転させる主クランクと、
前記主クランクを中心としてその外側位置において、前記ハウジングに回転軸が回転軸軸受を介して軸回転可能に保持されるとともに先端に偏心して形成した補助クランクピンが前記旋回側鏡板の裏面に立設された外側ボス部に挿入された補助クランクピン軸受を介して偏心軸回転可能に保持されて前記主クランクによる前記旋回スクロールの自転を防止するための複数の補助クランクと、を備え、
前記圧縮室に導入した流体を順次、中央に移送して圧縮し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールの中央に形成される高圧部において圧縮された流体を前記固定スクロールの中央に形成した吐出口から吐出するオイルフリー式スクロール圧縮機において、
前記高圧部と前記中央ボス部との間を連通して前記高圧部から前記圧縮された流体を導入可能な導通孔と、前記中央ボス部における前記旋回側鏡板と前記主クランクピン軸受との間に配置されて前記導通孔を介して前記高圧部から導入される前記圧縮された流体の圧力により前記主クランクピン軸受にスラスト荷重を与えるピストンとを有することを特徴とする。

本発明であるオイルフリー式スクロール圧縮機によれば、流体吐出時の圧力が前記導通孔を介して前記ピストンにかかることで、前記ピストンを押し下げるスラスト荷重が前記主クランクピン軸受に伝達し、前記駆動軸軸受および前記主クランクピン軸受を含む前記主クランク全体で負担されることによって、前記補助クランクにかかっていたスラスト荷重の負荷が分散される。

また、前記ピストンの径が、前記高圧部の径より小さい場合、吐出口から吐出される圧力と前記導通孔を介して前記ピストンに付加される圧力と釣り合いの関係から、前記高圧部の直径φＤｈを上限として、前記導通孔から受ける前記ピストンへの単位面積当たりの圧力を変化させることにより、前記主クランクピン軸受に加えられるスラスト荷重を調節できるため、前記主クランク及び前記補助クランクのスラスト荷重の負担割合を調整することができる。

また、前記駆動軸軸受，前記主クランクピン軸受，前記回転軸軸受及び前記補助クランクピン軸受がラジアル玉軸受で構成されている場合、前記主クランクピン軸受がスラスト荷重を負担することで、前記補助クランクピン軸受は耐スラスト荷重に優れたものである必要がなくなるため、従来からラジアル玉軸受が使用されていた前記駆動軸軸受および前記主クランクピン軸受のみならず、前記回転軸軸受及び前記補助クランクピン軸受をラジアル玉軸受に変更することができ、補助クランク１本当たり４個必要だったアンギュラ軸受と比べて軸受の個数を削減することができる。

また、前記駆動軸軸受，前記回転軸軸受及び前記補助クランクピン軸受がラジアル玉軸受、前記主クランクピン軸受がスラスト軸受とラジアル玉軸受の組み合わせで構成されている場合、前記スラスト軸受はスラスト方向への耐荷重性を有しているため、より高いスラスト方向への耐荷重性を実現することができる。

本発明によれば、補助クランク３点で受けていたスラスト荷重を、主クランク及び前記補助クランク３点の計４点で受けることにより、前記補助クランクにかかるスラスト荷重の負荷を分散することで、前記補助クランクの耐久性が向上し、且つ、軸受の形式をラジアル玉軸受に変更することにより、軸受の部品点数を削減し、コスト低減に寄与することができる。

本発明の実施の形態であるオイルフリー式スクロール圧縮機を示した縦断面図。 本発明の異なる実施の形態であるオイルフリー式スクロール圧縮機を示した縦断面図。 固定スクロールと旋回スクロールから構成されるスクロール機構を示した図。 スクロールにより発生する圧力とピストン径との関係を示した図。 オイルフリー式スクロール圧縮機の従来例を示した縦断面図。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。尚、前記従来例と同一構成部には同一符号を付して説明する。

図１は、本発明の実施の形態であるオイルフリー式スクロール圧縮機の縦断面図を示すものである。

全体の構成及び作用は前記図５に示した従来例とほぼ同様であるが、固定スクロール２と旋回スクロール３の中央に形成される高圧部９と旋回側鏡板３１の裏面の中央位置に立設された中央ボス部３３との間を連通する、前記旋回側鏡板３１を貫通して形成された導通孔１１と、前記中央ボス部３３における前記旋回側鏡板３１と主クランクピン軸受６４との間にピストン１２を配置している点、駆動軸軸受６２、主クランクピン軸受６４、回転軸軸受７２及び補助クランクピン軸受７４がそれぞれラジアル玉軸受で構成されている点において異なる。

また、空気やガスなどの流体を密封するために、樹脂またはゴムなどで作られたОリング１３を前記ピストン１２の外周に装着している。

そして、偏心旋回運動により、前記高圧部９の圧力が上昇したときに、前記従来例では、スラスト荷重は前記旋回スクロール３を通じて３点の補助クランク７にかかっていたが、本実施の形態では、前記導通孔１１を介して、前記高圧部９から導入される圧縮された流体の圧力が前記ピストン１２にかかることで、前記ピストン１２を押し下げるスラスト荷重が前記主クランクピン軸受６４に伝達し、前記駆動軸軸受６２および前記主クランクピン軸受６４を含む主クランク６全体で負担されることによって、前記補助クランク７にかかっていたスラスト荷重の負荷が分散される。

即ち、従来は３本の補助クランク７だけで受けていたスラスト荷重を、本実施の形態では、３本の前記補助クランク７と１本の前記主クランク６の計４点で受けることにより、スラスト荷重の負荷を分散し、前記補助クランク７の負担を軽減することができる。

図３は前記固定スクロール２と前記旋回スクロール３から構成されるスクロール機構を説明する図であり、この図に示すように、前記旋回スクロール３の旋回角が０°の状態から旋回が開始される。

そして、圧縮室４が連続的に縮小し、前記旋回スクロール３の旋回に伴い、前記圧縮室４に導入した流体を順次、中央に移送して圧縮し、その後、中心部付近の１８０°対の２組の圧縮室４が合流してひとつになる前記固定スクロール２と前記旋回スクロール３の中央に形成される高圧部９において、圧縮された流体が前記固定スクロール２の中央に形成した吐出口１０から吐出される（図４参照）。

このとき、ピストン径ｄは前記高圧部９の最も高圧となる、中心から当該圧縮室４，４の最外径部を半径とした領域φＤｈを上限として、ピストン径ｄの大きさが小さくなると、前記導通孔１１を介して伝達される前記ピストン１２への単位面積当たりの圧力が小さくなることにより、前記主クランクピン軸受６４にかかるスラスト荷重が前記回転軸軸受７２及び前記補助クランクピン軸受７４にかかるスラスト荷重よりも小さくなるため、前記主クランク６及び前記補助クランク７のスラスト荷重の負担割合を調整することができる。

なお、ピストン径ｄが前記φＤｈ以上である場合、前記吐出口１０から吐出される圧力と前記導通孔１１を介して前記ピストン１２に付加される圧力との釣り合いの関係から、スラスト荷重が激減し、スクロールの倒れが生じやすくなるなどの問題が発生してしまうため、ピストン径ｄを前記φＤｈ以上とすることは望ましくない。

ここで、前記回転軸軸受７２及び前記補助クランクピン軸受７５は、スラスト荷重が小さくなるため、耐スラスト荷重に優れた軸受である必要がなくなる。

よって、前記回転軸軸受７２及び前記補助クランクピン軸受７４を、ラジアル方向荷重の他、ある程度のスラスト方向への耐荷重性を有する前記ラジアル玉軸受を用いることが可能となり、前記補助クランク７の１本当たり２個の軸受を使用するのみでよいため従来は補助クランクの１本当たり４個必要だったアンギュラ軸受と比べて軸受の個数を削減することができ、コスト低減することが可能となる。

また、図２は、本発明の異なる実施の形態を示した縦断面図であり、全体の構成及び作用は前記図１で示した本発明の実施の形態と同様であるが、前記主クランクピン軸受６４がスラスト軸受とラジアル玉軸受の組み合わせで構成されている点で異なる。

更に、前記スラスト軸受はスペーサ１４を介して前記ラジアル玉軸受の上部に配置されている。

このように、前記スペーサ１４を設けることで、前記スラスト軸受と前記ラジアル玉軸受が互いに干渉して、過大なスラスト荷重により損傷しないように、両軸受の寿命向上に寄与することができる。

そして、偏心旋回運動により、前記高圧部９の圧力が上昇したときに、前記導通孔１１を介して、前記高圧部９から導入される圧縮された流体の圧力が前記ピストン１２にかかることで、前記ピストン１２を押し下げるスラスト荷重が前記主クランクピン軸受６４に伝達し、前記駆動軸軸受６２および前記クランクピン軸受６４を含む前記主クランク６全体で負担されることによって、前記補助クランク７にかかっていたスラスト荷重の負荷が分散される。

このとき、前記主クランク６に使用される軸受の径は、一般的に前記補助クランク７に使用される軸受の径よりも大きいため、スラスト方向への耐荷重性を高く取ることができるが、前記主クランクピン軸受６４を前記ラジアル玉軸受よりもスラスト方向への耐荷重性が大きい前記スラスト軸受と前記ラジアル玉軸受を組み合わせて使用することによって、より高いスラスト方向への耐荷重性を得ることができる。

なお、本発明の各実施の形態において前記駆動軸６１を支持する前記駆動軸軸受６２は上下に２個備えられており、このように複数の軸受を用いることで荷重の分散や倒れ防止を図るものであるが、例えば前記駆動軸軸受６２を１個のみ備えるものであってもよい（図示せず）。

１ スクロール圧縮機、２ 固定スクロール、３ 旋回スクロール、４ 圧縮室、５ ハウジング、６ 主クランク、７ 補助クランク、８ ガスケット、９ 高圧部、１０ 吐出口、１１ 導通孔、１２ ピストン、１３ Оリング、１４ スペーサ、２１ 固定側鏡板、２２ 固定ラップ、３１ 旋回側鏡板、３２ 旋回ラップ、３３ 中央ボス部、３４ 外側ボス部、６１ 駆動軸、６２ 駆動軸軸受、６３ 主クランクピン、６４ 主クランクピン軸受、７１ 回転軸、７２ 回転軸軸受、７３ 補助クランクピン、７４ 補助クランクピン軸受、ｄ ピストン径、φＤｈ 高圧部の直径

Claims (4)

1. 固定側鏡板の表面に渦巻状の固定ラップが立設された固定スクロールと、
   前記固定スクロールと対向して配置され、旋回側鏡板の表面に前記固定ラップとの間で複数の圧縮室を形成する渦巻状の旋回ラップが立設された旋回スクロールと、
   前記旋回スクロールを挟んだ状態で前記固定スクロールと対向して配置されたハウジングと、
   前記ハウジングに駆動軸が駆動軸軸受を介して軸回転可能に保持されるとともに先端に偏心して形成した主クランクピンが前記旋回側鏡板の裏面の中央位置に立設された中央ボス部に挿入された主クランクピン軸受を介して偏心軸回転可能に保持される前記旋回スクロールを前記主クランクピン軸受において偏心回転させる主クランクと、
   前記主クランクを中心としてその外側位置において、前記ハウジングに回転軸が回転軸軸受を介して軸回転可能に保持されるとともに先端に偏心して形成した補助クランクピンが前記旋回側鏡板の裏面に立設された外側ボス部に挿入された補助クランクピン軸受を介して偏心軸回転可能に保持されて前記主クランクによる前記旋回スクロールの自転を防止するための複数の補助クランクと、を備え、
   前記圧縮室に導入した流体を順次、中央に移送して圧縮し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールの中央に形成される高圧部において圧縮された流体を前記固定スクロールの中央に形成した吐出口から吐出するオイルフリー式スクロール圧縮機において、
   前記高圧部と前記中央ボス部との間を連通して前記高圧部から前記圧縮された流体を導入可能な導通孔と、前記中央ボス部における前記旋回側鏡板と前記主クランクピン軸受との間に配置されて前記導通孔を介して前記高圧部から導入される前記圧縮された流体の圧力により前記主クランクピン軸受にスラスト荷重を与えるピストンとを有することを特徴とするオイルフリー式スクロール圧縮機。
2. 前記ピストンの径が、前記高圧部の径より小さいことを特徴とする請求項１記載のオイルフリー式スクロール圧縮機。
3. 前記駆動軸軸受，前記主クランクピン軸受，前記回転軸軸受及び前記補助クランクピン軸受がラジアル玉軸受で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のオイルフリー式スクロール圧縮機。
4. 前記駆動軸軸受，前記回転軸軸受及び前記補助クランクピン軸受がラジアル玉軸受、前記主クランクピン軸受がスラスト軸受とラジアル玉軸受の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のオイルフリー式スクロール圧縮機。

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