JP3706263B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒圧縮機に係わり、特に冷媒として弗化水素系冷媒のうち少なくとも一種の冷媒、或いは二種以上の冷媒を混合した混合冷媒、つまり従来の塩素を含むＣＦＣ及びＨＣＦＣ系冷媒に替わるＨＦＣ（弗化炭化水素）系冷媒を使用するに好適な冷媒圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍装置を構成する冷媒圧縮機では、圧縮機の駆動軸を回転自在に支持するフレーム部材との係合部には、通常摺動性を改善するため銅系の金属材料からなる滑り軸受や、ＰＴＦＥ等の樹脂と銅系の金属材料を含有する材料からなる滑り軸受、あるいは転がり軸受が用いられてきた。特に荷重が大きな場合には、負荷容量の大きな円筒ころ軸受が用いられてきた。
【０００３】
一方、冷媒には塩素を含むＣＦＣ系の冷媒であるＲ−１２や、ＨＣＦＣ系の冷媒であるＲ−２２が広く用いられてきた。これらの冷媒は、それ以前の冷媒である二酸化硫黄やメチルクロライドと比べ化学的に安定で毒性が少なく、燃焼性も無いことから理想的な冷媒として広く使用されてきた。ところが近年、ＣＦＣ・ＨＣＦＣ系冷媒に含まれる塩素が成層圏のオゾン層を破壊することが判明し、これに替わる新しい冷媒の開発・使用が急がれている。これらＣＦＣ・ＨＣＦＣ系冷媒に替わる実用性の高い冷媒として、塩素を含まないＨＦＣ系冷媒が挙げられている。
【０００４】
また、これら冷媒圧縮機に用いられる潤滑油は、冷媒とともに圧縮機から排出され、冷凍装置内を冷媒の流れに依って持ち運ばれ、再び圧縮機内に還油される。還油される為には冷媒と相溶し、冷媒とともに運ばれることが必要となる。従来のＣＦＣやＨＣＦＣ系冷媒に鉱油やアルキルベンゼンが用いられていたが、これらの潤滑油はＨＦＣ系冷媒との相溶性が極めて劣る。このためＨＦＣ系冷媒に対して相溶性のあるエステル系合成油やエーテル系合成油を用いることが考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、代替冷媒である塩素を含まないＨＦＣ系冷媒と、これに対して相溶性をもつ潤滑油であるエステル系合成油やエーテル系合成油の組合せでは、従来のＣＦＣ系冷媒やＨＣＦＣ系冷媒と鉱油などとの組合せに対し、圧縮機の軸受など摺動部の摺動特性が低下し、十分な信頼性を得ることが出来ず、実用に耐えない等の問題を引きおこすこととなった。特に大きな荷重が作用する圧縮機の場合には、軸受として負荷容量の大きな円筒ころ軸受が用いられてきたが、一般に円筒ころ軸受は、ころと軌道面が線接触をし、たま軸受のように点接触をなす軸受に比べ大きな負荷容量を有している。しかし線接触の場合、ころの端に集中応力が発生して、接触面圧はころの端で過大になる場合がある。特に冷媒用圧縮機の場合、軸受部に供給される潤滑油には、冷媒が一部溶け込むため、粘度が低下し高い負荷を受けるような条件下で運転された場合には、十分な油膜が形成されず、ころ軸受の損傷を生じ、信頼性を大きく損なうなどの問題を生じていた。
【０００６】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、冷媒として塩素を含まないＨＦＣ系冷媒を用いた冷媒圧縮機においても、圧縮機の摺動部、特にころ軸受部の負荷能力を改善し、信頼性に優れた冷媒圧縮機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明による冷媒圧縮機は、特許請求の範囲の各請求項に記載されたところを特徴とするものであるが、特に、独立項としての請求項１に係る発明による冷媒圧縮機は、圧縮機部で冷媒を圧縮し、各軸受を潤滑するのに、該冷媒と相溶性のある潤滑油を用い、前記各軸受のうち少なくとも主軸受が、円筒ころ軸受である冷媒圧縮機において、前記冷媒は、ＨＦＣ系冷媒のうち少なくとも一種の冷媒または二種以上の冷媒を混合した混合冷媒であり、前記潤滑油は、ＨＦＣ系冷媒と相溶性のあるエステル系合成油もしくはエーテル系合成油であり、前記円筒ころ軸受は、そのころの軸方向端部に集中応力を発生させることのないようにするため、その円筒ころの軸方向の曲率半径をＲｃ、前記円筒ころの軸方向長さをＬ _０ 、中心部の外径をＤ _０ 、軸方向中心から長手方向外側に向かった距離をＸとすると、
Ｒｃ／Ｄ _０ ＝Ａ×１０ ^{−Ｂ・Ｘ／Ｌ０}
Ａ：ころの軸方向中心部の曲率半径
Ｂ：曲率半径の変化割合を規定する数値
で表され、Ａは１０ ^３ 〜１０ ^５ 、Ｂは３〜３０の範囲であって、該ころの軸方向の曲率半径Ｒｃが、中心から長手方向外側に向かって、軸方向中心からの長さに応じ指数関数的に小さくなるよう、軸方向の中心から長手方向外側に向かってころの外径を徐々に小さくしたクラウニングを有することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施形態】
図１は、本発明の一実施例を示す冷媒圧縮機としての密閉形スクロール圧縮機の全体構造を示す図である。密閉容器１の内部の上部には圧縮機部２が、下部には圧縮機部２を駆動する電動機部３が収められている。電動機部３の回転子４には該圧縮機部２の駆動軸５が結合され、この駆動軸５はフレーム部材８に設けられた主軸受部材９ａ，９ｂにより回転自在に支承されている。主軸受部材９ａは転がり特性に優れたラジアル型の転がり軸受であり、主軸受部材９ｂも摺動特性に優れた鉛を含有する材料からなる滑り軸受が採用されている。
【０００９】
圧縮機部２は、一対の渦巻状のスクロール部材、すなわち渦巻状のラップを有する固定スクロール７及び旋回スクロール６を備え、旋回スクロール６はラップの背面側で旋回軸受部材１０を介して前記駆動軸５先端部のクランクピン部５ａと係合している。また、旋回スクロールの背面には自転防止部材１１が配置されている。旋回軸受部材１０は鉛を含有する材料から構成されている。
【００１０】
駆動軸５の回転により、旋回スクロール６が自転を防止されつつ旋回運動することにより、両スクロール部材により形成される圧縮室が順次外周部から中心部に移動し、容積が次第に縮少されて冷媒気体を圧縮し、固定スクロール７の中央部に設けられた吐出口１２から密閉容器１内の上部に吐出される。吐出された冷媒気体は、圧縮機部２と電動機部３との間の密閉容器１に設けられた吐出管１３を通り圧縮機の外へ送り出される。
【００１１】
冷媒回路内に設けられた上記圧縮機が、駆動軸５の回転により圧縮機部２が働くと、冷媒気体を吸入し圧縮することを繰返し、冷凍サイクルが稼働される。
【００１２】
上記冷媒回路で用いられる冷媒は、ＨＦＣ系冷媒群のうち少なくとも一種の冷媒あるいは二種以上の冷媒を混合した混合冷媒を採用しており、塩素を含まないのでオゾン層破壊などの問題を生じない。このような冷媒の具体例として、単一冷媒のものとしては、ＨＦＣ１３４ａ，ＨＦＣ３２，ＨＦＣ１２５，ＨＦＣ１４３ａ等がある。また、ＨＦＣ系冷媒群のうちの二種以上の冷媒を混合した混合冷媒の例としては、ＨＦＣ４０７Ｃ，ＨＦＣ４０７Ｅ，ＨＦＣ４１０Ａ，ＨＦＣ４０４Ａ，ＨＦＣ５０７Ａなどの冷媒がある。
【００１３】
なお、図１において、１４は密閉容器１の下部に溜められた潤滑油であり、前記ＨＦＣ系冷媒と相溶性のあるエステル系合成油やエーテル系合成油が用いられている。駆動軸５の中心部には給油通路（図示せず）が設けられており、この給油通路を介して前記潤滑油は主軸受部材９ａ，９ｂおよび旋回軸受部材１０へ送られ、軸受部を潤滑する。また、この潤滑油の一部は、自転防止部材１１やスクロール部材の摺動部の潤滑にも供される。これら潤滑等に供された潤滑油は冷媒気体と共に吐出口１２から密閉容器１内の上部に吐出された後、密閉容器１内で冷媒気体から適度に分離されて密閉容器１の底部に溜まる。
【００１４】
一般に、冷凍装置に用いられる潤滑油は、冷媒回路内の冷媒雰囲気中で使用される。また、冷凍回路内に設けられた冷媒圧縮機は、一般に、密閉容器１内に電動機部３と圧縮機部２を収容した全密閉形圧縮機の構成となっており、潤滑油はその下部に溜められ、圧縮機の各摺動部の潤滑に供され、その一部は冷媒気体と共に冷媒回路内を循環することになる。したがって、潤滑油は冷媒との相溶性、潤滑性、電気絶縁性、化学的安定性・安全性、金属材料及び有機材料との適合性に優れることが求められる。このため、従来ＨＦＣ系冷媒と相溶性のある潤滑油としてエステル系合成油やエーテル系合成油が用いられてきた。
【００１５】
一般に円筒ころ軸受ではころと軌道面が線接触して、玉軸受のような点接触をする軸受に比べて大きな負荷容量を有すると言われている。しかし非常に高い荷重を限られた小さな負荷面で受けるため、ころの軸方向端に集中応力が発生して、接触面圧がころの端で過大になる場合がある。冷媒圧縮機の場合、軸受部に供給された潤滑油には冷媒が一部溶け込むため粘度が低下し、高い負荷で運転された場合には、十分な油膜が形成されず、ころ軸受の損傷が生ずることがある。特に冷媒として塩素を含まないＨＦＣ系冷媒を用いた場合、潤滑油であるエステル系合成油やエーテル系合成油の組合わせでは、従来の塩素を含むＣＦＣ系冷媒やＨＣＦＣ系冷媒と鉱油などの組合せに比べ摺動特性が低下し、前記ころ軸受損傷を生じ、信頼性を大きく損なうなどの問題を生じる。
【００１６】
このため前記ころ端での過大な応力発生を回避するため、ころの軸方向に副曲率（以下クラウニングと称する）を設けるなどの工夫がなされてきた。しかし従来は、ころの軸方向端に面取りを設けたり、ころの全長にわたり軸方向に一定曲率半径のクラウニングを設けていたため、荷重の大きさがある程度を超えるところの有効長さ部に作用する荷重が一様にならず、端部での過大な応力の発生を抑えることができなかった。
【００１７】
図２は一般的な円筒ころ軸受の荷重の大きさに対する、軌道面との接触面形状とその圧力分布をＨｅｒｔｚの線接触理論により示したものである。ころと軌道面との線接触を、点接触の延長であるとして考える。すなわち、線接触の場合には点接触であるが長軸の長いものと考え、図２（ａ）の接触面があるとする。
【００１８】
このときの接触圧力の分布は下側のＰに示すように楕円分布をしている。この接触において荷重が増加して接触面が大きくなり、その長軸２ａが図２（ｂ）のようにころ長さｌａと等しくなったとする。このとき接触面を外見だけで見れば線接触をしているように見えるが、これはやはり点接触であり、接触面はなお楕円形で圧力分布も楕円形をしている。
【００１９】
これに対してさらに荷重が加わると、計算上の接触楕円の長軸は軌道の幅を超えるようになるが、軌道との接触面の中では圧力分布は均一化していく。Ｈｅｒｔｚによれば、接触圧力が長軸方向に一様になるのは図２（ｃ）のように２ａ＝１．５ｌａになるような荷重のときとされている。そして、それ以上の荷重が加わると計算上の接触幅はさらに拡がるが、軌道との接触面の中では図２（ｄ）のようにエッジプレッシャーが発生する。
【００２０】
このように線接触を点接触の延長であるとして考えると、すべての荷重に対して圧力分布が均一になるようにすることは不可能であり、圧力分布は荷重によって変化することがわかる。したがって真の意味での線接触というものは、最適条件すなわち２ａ＝１．５ｌａの時だけ得られるということができるとしている。
【００２１】
図３に、前記問題点を解消するため、駆動軸を回転自在に支持する静止部材との係合部に採用した円筒ころ軸受の形状を拡大して示す。ころの軸方向の曲率半径が、ころの軸方向中心から長手方向端に向かって小さくなるようクラウニングが設けられている。本実施例では、軸方向の曲率半径を軸方向に分割して各区間毎に変え中心部から端部に向かって曲率半径が小さくなるよう設定されているが、これを軸方向の中心からの距離に応じ連続的に設定してもよい。
【００２２】
一般に軸方向の曲率半径の変化は、ころの中心から長手方向端部に向かって、軸方向中心からの長さに応じ曲率半径が指数関数的に小さくなるよう軸方向中心から長手方向端部に向かってころの外径を除々に小さく設定することが推奨される。
【００２３】
さらに詳しく述べると、前記円筒ころの軸方向長さをＬ_０、中心部の外径をＤ_０、軸方向中心から長手方向外側に向かった距離をＸとすると、該円筒ころの軸方向の曲率半径Ｒｃが
Ｒｃ／Ｄ_０＝Ａ×１０^{−Ｂ・Ｘ／Ｌ０}
Ａ：ころの軸方向中心部の曲率半径
Ｂ：曲率半径の変化割合を規定する数値
で表され、軸方向中心からの長さに応じ指数関数的に小さくなるよう設定することが推奨される。なお、Ａは１０^３〜１０^５、Ｂは３〜３０の範囲にある。
【００２４】
このような構成をした円筒ころが、軌道面の接触部の形状と面圧分布を、Ｍｏｙｅｖの方法により求めた結果を、従来の単一曲率半径のクラウニングを施した円筒ころと比較して図４に示す。単一曲率半径のクラウニングを施した場合、荷重が小さな条件ではころの接触部が狭く、ころの長さを有効に生かしきれず、中央部の面圧が大きくなる。逆に荷重が大きな条件下では、ころ端部に荷重の集中が発生し、端部の面圧が過大となる。これに対し、本願のクラウニングを施した円筒ころの場合には、荷重が小さな条件下でもころ長さを有効に生かし、荷重が増加するにつれ接触部分がほぼ矩形に近い形状で変わり、面圧は軸方向に一様に変わり、荷重が大きな条件下でも端部での過大な面圧の発生を抑えることができる。つまり、本願のクラウニングを施したころ軸受を採用することにより、ころ端部での過大な面圧が生じることによるころ軸受の損傷を抑えることができる。
【００２５】
【表１】

【００２６】
次に表１に、ＨＦＣ系冷媒を用いた高負荷でのスクロール圧縮機を信頼性評価した試験結果を示す。これによれば、従来の円筒ころ軸受を用いた場合には、２台中２台のころ軸受の損傷が発生した。これに対し、円筒ころの軸方向中心から長手方向端部に向け軸方向の曲率半径が小さくなるようクラウニングを施した場合には、３台中１台もころ軸受の損傷が発生せず、高荷重下での耐力、信頼性に優れていることが判る。
【００２７】
本例はスクロール圧縮機を例に説明したが、他の形式の圧縮機、たとえばスクリュ圧縮機、レジプロ圧縮機などでも同様の効果を得ることができる。
【００２８】
図５は、圧縮機部を駆動する駆動軸を回転自在に支持する静止部材との係合部に、円筒ころの軸方向中心から長手方向端部に向け軸方向の曲率半径が小さくなるようクラウニングを施した円筒ころ軸受を備えた冷媒圧縮機２１と、凝縮器２２、減圧装置（電子膨張弁やキャピラリーチューブ等で構成される）２３、蒸発器２４などから構成され、冷媒として塩素を含まない冷媒を用い潤滑油として該冷媒と相溶性に優れたエステル系合成油やエーテル系合成油を用いた冷凍装置を示す。
【００２９】
このような構成とすることにより、ころ軸受部の軸方向端部に生ずる過大な面圧の発生を抑えられ、十分な油膜が形成されるため、ころ軸受の損傷を防ぎ、かつ冷媒と潤滑油が相溶するため冷凍装置内に溜まり込むことなく冷媒とともに冷凍装置内を流れ、圧縮機に還流されるため、信頼性を高めることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、圧縮機を駆動する駆動軸と静止部材との係合部に、円筒ころの軸方向中心から長手方向端部に向かって、軸方向の曲率半径が小さくなるようクラウニングを施したころ軸受を備えるので荷重の大きさにかかわらずころと接触する軌道面との接触部に生ずる荷重が平均化されるためころ軸受の耐力が向上し、転がり軸受の損傷を抑えることができ、信頼性に優れた冷媒圧縮機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷媒圧縮機の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】一般的なころ軸受のころの接触面形状と圧力分布を示す図である。
【図３】本発明の冷媒圧縮機のころ軸受の一実施例を示す拡大図である。
【図４】本発明のころ軸受のころの接触面形状と圧力分布を示す図である。
【図５】本発明が適用された冷媒圧縮機を含む冷凍装置の１例を示す冷媒回路図である。
【符号の説明】
１…密閉容器
２…圧縮機部
３…電動機部
４…回転子
５…駆動軸
５ａ…クランクピン部
６…旋回スクロール
７…固定スクロール
８…フレーム部材
９ａ，９ｂ…主軸受部材
１０…旋回軸受部材
１１…自動防止部材
１２…吐出口
１３…吐出管
１４…潤滑油
２１…冷媒圧縮機
２２…凝縮器
２３…減圧装置
２４…蒸発器

Claims (2)

1. 圧縮機部で冷媒を圧縮し、各軸受を潤滑するのに、該冷媒と相溶性のある潤滑油を用い、前記各軸受のうち少なくとも主軸受が、円筒ころ軸受である冷媒圧縮機において、
   前記冷媒は、ＨＦＣ系冷媒のうち少なくとも一種の冷媒または二種以上の冷媒を混合した混合冷媒であり、前記潤滑油は、ＨＦＣ系冷媒と相溶性のあるエステル系合成油もしくはエーテル系合成油であり、前記円筒ころ軸受は、そのころの軸方向端部に集中応力を発生させることのないようにするため、その円筒ころの軸方向の曲率半径をＲｃ、前記円筒ころの軸方向長さをＬ _０ 、中心部の外径をＤ _０ 、軸方向中心から長手方向外側に向かった距離をＸとすると、
   Ｒｃ／Ｄ _０ ＝Ａ×１０ ^{−Ｂ・Ｘ／Ｌ０}
   Ａ：ころの軸方向中心部の曲率半径
   Ｂ：曲率半径の変化割合を規定する数値
   で表され、Ａは１０ ^３ 〜１０ ^５ 、Ｂは３〜３０の範囲であって、該ころの軸方向の曲率半径Ｒｃが、中心から長手方向外側に向かって、軸方向中心からの長さに応じ指数関数的に小さくなるよう、軸方向の中心から長手方向外側に向かってころの外径を徐々に小さくしたクラウニングを有することを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 前記圧縮機は、スクロール圧縮機であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。

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