JP4127110B2 - スクロール型圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＣＯ_２を冷媒として用いる超臨界冷凍サイクルに適用して好適なスクロール型圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスクロール型圧縮機は、例えば特許文献１に示されるように、可動スクロールを公転させる偏心クランク機構として、主軸（シャフト）の一端側に設けられた駆動ピンに偏心穴を有するブッシュが回転可能に挿入されたものが知られている。
【０００３】
これにより、流体圧縮時の圧縮反力によってブッシュには駆動ピンを中心として回転モーメントが生じ、可動スクロールを固定スクロール側に押し付けるように作用させることができるので、両スクロール間の安定したシールが得られるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２−３０１６８８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示すように、駆動ピン２１２は主軸２１１に片持ち支持されているので、ブッシュ２１３を介して可動スクロールから受ける反力Ｆｔ（圧縮反力と固定スクロールからの押付け反力との合力）によって撓みが生ずる。そして、駆動ピン２１２とブッシュ２１３との接触部に均等な荷重がかからず、駆動ピン２１２の根元側でエッジ当たりが発生し、局部的な面圧上昇が起こり、焼付きや異常摩耗等が発生するという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、局部的な面圧上昇を抑制して駆動ピンおよびブッシュ間の耐久性を向上可能とするスクロール型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】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、偏心穴（２１３ａ）を有するブッシュ（２１３）と、主軸（２１１）の先端側に設けられ、偏心穴（２１３ａ）に回転可能に挿入される駆動ピン（２１２）とから成る偏心クランク機構（２１０）の回転駆動によって、旋回スクロール（２４０）が公転作動され、この旋回スクロール（２４０）に対向する固定スクロール（２５０）との間に形成される作動室（２５６）で流体を圧縮するスクロール型圧縮機において、駆動ピン（２１２）の根元部に、円弧状の凹となる逃がし部（２１２ｃ）が設けられており、駆動ピン（２１２）と偏心穴（２１３ａ）の内周壁との接触部における駆動ピン（２１２）の根元側となる端部（２１２ａ）に、逃がし部（２１２ｃ）に繋がるＲ面取り部（２１２ｂ）を設けたことを特徴としている。
【０００９】
これにより、圧縮作動時における旋回スクロール（２４０）からの反力によって、主軸（２１１）に対して片持ち支持される駆動ピン（２１２）が根元側から撓み、駆動ピン（２１２）と偏心穴（２１３ａ）とが片当たりした場合でも、弾性変形によって形成される接触面を増大させて局部的な接触面圧（ヘルツ面圧）の上昇を抑制することができるので、駆動ピン（２１２）およびブッシュ（２１３）間の焼付きや異常摩耗を抑えて耐久性を向上させることができる。
【００１１】
更に具体的には、請求項２に記載の発明のように、Ｒ面取り部（２１２ｂ）の半径寸法ｒ１は、駆動ピン（２１２）の半径をＲ１とした時に、１．４≦（Ｒ１×ｒ１）／（Ｒ１+ｒ１）≦４．４の関係に成るようにすれば、最適な半径ｒ１の設定ができる。
【００１４】
尚、請求項１または請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載の発明のように、偏心クランク機構（２１０）は、自身の内部に一体的に設けられ、外部電力を受けて駆動する電動機（３００）によって回転駆動されるようにしたり、請求項４に記載の発明のように、外部原動機によって回転駆動されるようにして対応するのが好ましい。
【００１５】
更に、請求項１〜請求項４に記載の発明においては、請求項５に記載の発明のように、流体は冷凍サイクル内を流通する冷媒であり、冷媒の圧縮後の圧力は、臨界圧力を超えるように設定されたものに用いて好適である。
【００１６】
即ち、冷媒の圧縮後の圧力が臨界点を越えるような高い圧力で使用する場合には、駆動ピン（２１２）の撓みの影響を受けやすくなる訳で、本発明を効果的に活用することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明における具体的な冷媒は、請求項６に記載の発明のように、ＣＯ２の場合が挙げられる。
【００１８】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（参考例）
参考例を図１、図２に示し、まず具体的な構成について説明する。本参考例のスクロール型圧縮機１００は、ＣＯ２を冷媒として圧縮後の圧力が臨界圧力を超えるような超臨界冷凍サイクルに適用されるものとしている。
【００２０】
スクロール型圧縮機（以下、圧縮機）１００は、図１に示すように、ここでは圧縮機構部２００に電動機部（電動機）３００が一体的に設けられ、この電動機部３００によって圧縮機構部２００が作動される電動圧縮機としている。圧縮機構部２００および電動機部３００は、本体ケーシング１０１ａ、上部ケーシング１０１ｂ、下部ケーシング１０１ｃから成る耐圧容器１０１内に収容されている。
【００２１】
尚、電動機部３００は、シャフト（主軸）２１１に固定される回転子３１０と、この回転子３１０の外周側で本体ケーシング１０１ａの内壁に焼嵌固定された固定子３２０とから形成されている。電動機部３００に図示しない外部電源（バッテリ）から電力が供給されると回転子３１０が回転駆動され、シャフト２１１が回転される。
【００２２】
圧縮機構部２００は、上記シャフト２１１を本体部として形成される偏心クランク機構２１０に接続される旋回スクロール２４０およびこの旋回スクロール２４０に対向配置される固定スクロール２５０等から形成されている。
【００２３】
偏心クランク機構２１０は、シャフト２１１の先端側（図１中では下側）に形成された駆動ピン２１２に組付けられるブッシュ２１３と、このブッシュ２１３の抜け止めを行うスナップリング２１４によって形成されている。
【００２４】
シャフト２１１は、一端側に外径が大きく形成される主受け部２１１ａを有しており、主受け部２１１ａにはシャフト２１１の軸心に対して偏心して駆動ピン２１２が一体で設けられている。本体ケーシング１０１ａ内に設けられるミドルハウジング２２０には主軸受け２１５が固定されており、また開口部２３１を有するホルダ２３０には副軸受け２１６が固定されており、主軸受け２１５に主受け部２１１ａが対応し、また副軸受け２１６にはシャフト２１１の他端側が対応して、シャフト２１１は回転可能に支持されている。
【００２５】
ブッシュ２１３は、偏心穴２１３ａが設けられた円筒状の部材であり、この偏心穴２１３ａには上記駆動ピン２１２が回転可能に挿入され、駆動ピン２１２の先端部にＣ字状を成すスナップリング２１４が固定され、ブッシュ２１３の抜け止めが成されている。このようにブッシュ２１３は、シャフト２１１の軸心に対して偏心した形で装着されており、シャフト２１１が回転作動する際に、駆動ピン２１２に対する回転（スイング）が許容されつつ、シャフト２１１の軸心のまわりを公転する。尚、ブッシュ２１３が駆動ピン２１２に対して回転（スイング）することでシャフト２１１の軸心に対するブッシュ２１３の偏心量が変化する構造となっている。そして、ブッシュ２１３には、回転作動時における動的なアンバランスを相殺するためのバランサ２１７が圧入、かしめ、焼嵌め、溶接等によって固定されている。尚、本参考例においては、駆動ピン２１２とブッシュ２１３との間における形状に特徴部を持たせているが、詳細については後述する。
【００２６】
偏心クランク機構２１０のブッシュ２１３には、旋回スクロール２４０が接続されている。旋回スクロール２４０は、円板状の端板部２４１の各平面（図１中の上下面）に渦巻き状の羽根部２４２および円筒状のボス部２４３が設けられたものであり、ボス部２４３内には旋回スクロール軸受け２４５が圧入されている。ブッシュ２１３は、旋回スクロール軸受け２４５を介してボス部２４３に挿入されている。そして、旋回スクロール２４０は、ミドルハウジング２２０に固定されたスラスト軸受け２４６によって、ブッシュ２１３を介した公転作動が可能となるように支持されている。また、スラスト軸受け２４６は、圧縮作動時において旋回スクロール２４０に発生するスラスト荷重を受ける役割を果たす。
【００２７】
尚、端板部２４１の外周側には自転防止穴２４４が設けられており、後述する固定スクロール２５０に設けられた自転防止ピン２５４が挿入され、旋回スクロール２４０の自転を防止するようにしている。
【００２８】
旋回スクロール２４０の反シャフト側には、端板部２５１に渦巻き状の羽根部２５２が形成された固定スクロール２５０が設けられ、固定スクロール２５０はミドルハウジング２２０に図示しないボルトによって固定されている。そして、旋回スクロール２４０の羽根部２４２と固定スクロール２５０の羽根部２５２とがシャフト２１１の長手方向に嵌合して作動室２５６を形成している。
【００２９】
固定スクロール２５０の反羽根部側には凹部２５５が形成され、更に中心部には吐出孔２５３が設けられている。凹部２５５の開口側はリヤプレート２６０によって閉塞され、内部空間として吐出室２５７が形成されている。そして、吐出孔２５３には、吐出室２５７側に開く吐出弁２７０および吐出弁２７０の最大開度を規制するストッパ２７１が設けられ、ボルト２７２によって固定スクロール２５０に固定されている。
【００３０】
そして、ミドルハウジング２２０には冷媒通路２２１および吸入室２２２が設けられており、主に電動機部３００が収容される空間から冷媒通路２２１、ボス部２４３の外側部、スラスト軸受け２４６を通って吸入室２２２に連通するようにしている。更に、図示しない固定スクロール２５０に設けられた通路によって、吸入室２２２と作動室２５６とが連通するようにしている。
【００３１】
上部ハウジング１０１ｂには本体ケーシング１０１ａ内に連通する吸入パイプ２８１が設けられ、また固定スクロール２５０には、吐出室２５７内に連通する吐出パイプ２８２が設けられている。
【００３２】
次に、本参考例の要部について、図２を用いて詳細に説明する。本参考例では、駆動ピン２１２あるいはブッシュ２１３の偏心穴２１３ａのうち、少なくとも一方に面取り部２１３ｃ（あるいは後述の図７における２１２ｂ）を設けている。具体的には、面取り部２１３ｃは、駆動ピン２１２と偏心穴２１３ａとが接触する接触部において、駆動ピン２１２の根元側となる端部２１３ｂを形成する偏心穴２１３ａ（軸方向長さが短い側）に設定するようにしている。そして、面取り部２１３ｃは、Ｒ面取り部としており、駆動ピン２１２の半径をＲ１、Ｒ面取り部の半径をｒ１とした時に、数式１の関係となるｒ１を設定している。
【００３３】
【数１】
１．４≦（Ｒ１×ｒ１）／（Ｒ１+ｒ１）≦４．４
ここでは、駆動ピン２１２の半径Ｒ１を５．５ｍｍと設定していることから、面取り部２１３ｃの半径ｒ１を５ｍｍと決定している。
【００３４】
尚、上記数式１は、以下のような考えから導き出してしる。即ち、２つの弾性体の接触面中心に生ずる圧力にかかわるヘルツの公式に示されるように、半径Ｒ１、ｒ１を有する球と球あるいは円柱と円柱とが接触するモデルから考えると、一方を平面と想定した時の他方の等価半径Ｒ０は（Ｒ１×ｒ１）／（Ｒ１+ｒ１）に相関するものとして導くことができる。そして、接触面中心に生ずる圧力を下げるには、等価半径Ｒ０をある値以上に確保することが必要であり、それを１．４としている。逆に、等価半径Ｒ０を更に大きくしていくと平面に対する平面の接触モデルとなってしまい、実際的に端部を形成する部位ではエッジ当たりが生じ圧力が上昇してしまうので、上限側の制約として４．４を設定している。
【００３５】
次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について説明する。電動機部３００に電力が供給されると回転子３１０が回転駆動し、シャフト２１１がそれに伴い回転し、ブッシュ２１３は、偏心量をもってシャフト２１１のまわりを公転する。そして、ブッシュ２１３と共に、旋回スクロール２４０が公転し、冷媒は吸入パイプ２８１から電動機部３００、冷媒通路２２１、吸入室２２２を通って作動室２５６に流入し、圧縮され、更に吐出孔２５３、吐出弁２７０、吐出室２５７を通って吐出パイプ２８２から吐出される。
【００３６】
ところで冷媒を圧縮する際に、ブッシュ２１３は旋回スクロール２４０から反力Ｆｔを受けることになる。反力Ｆｔとは、圧縮冷媒から受ける圧縮反力Ｆｇと、この圧縮反力Ｆｇによってブッシュ２１３が駆動ピン２１２を中心として回転（スイング）する際に旋回スクロール２４０が固定スクロール２５０側に押圧される時の固定スクロール２５０側からの押付け反力Ｆｄとの合力である。
【００３７】
この反力Ｆｔによって、シャフト２１１に対して片持ち支持される駆動ピン２１２が根元側から撓むことになる。本参考例ではこの撓みによって駆動ピン２１２と偏心穴２１３ａとが片当たりした場合でも、面取り部（Ｒ面取り部）２１３ｃを設けているので、弾性変形によって形成される接触面を増大させて局部的な接触面圧（ヘルツ面圧）の上昇を抑制することができ、駆動ピン２１２およびブッシュ２１３間の焼付きや異常摩耗を抑えて耐久性を向上させることができる。
【００３８】
また、本参考例のように、冷媒としてＣＯ２を用いて圧縮後の圧力が臨界点を越えるような高い圧力で使用する場合は、駆動ピン２１２の撓みの影響を受けやすくなるため、本参考例を効果的に活用することができる。
【００３９】
尚、上記参考例に対する変形例１を、図３、図４に示す。駆動ピン２１２と偏心穴２１３ａとの接触部が駆動ピン２１２の全長に対して部分的に形成される場合は、偏心穴２１３ａによって形成される駆動ピン２１２の根元側の端部２１３ｂに面取り部２１３ｃを設けるようにすれば良い。
【００４０】
また、図５に示す変形例２のように面取り部２１３ｃは、Ｒ面取り部に代えて、テーパ角度θを有するテーパ面取り部としても良い。テーパ角度θの設定範囲としては、接触面を拡大するために３０°以下と設定するのが良い。また、逆にテーパ角θを極端に小さく設定すると、従来技術のように平面同士の組合せに近づいてしまうので、下限側として１０°以上の制約を設けるのが好ましい。よってここでは、テーパ角θを２０°として設定している。
【００４１】
上記面取り部２１３ｃとして、参考例のＲ面取り部（ｒ１＝５ｍｍ）を設けたものと、変形例２のテーパ面取り部（θ＝２０°）を設けたものにおいて、耐久試験による従来技術との比較を行った結果を表１に示す。
【００４２】
耐久試験の条件としては、本圧縮機１００を冷凍サイクル内に配設して、８時間ＯＮ−０．５時間ＯＦＦの条件でサイクル運転を行い、実作動時間が１０００時間となった時点で、駆動ピン２１２あるいはブッシュ２１３に生じた摩耗量（摩耗深さ）を比較している。
【００４３】
本参考例においては、上記効果説明の通り、局部的な接触面圧の上昇を抑えることができ、摩耗量を低減することができている。更に、Ｒ面取り部とテーパ面取り部との比較では、接触面をより大きく取れると言う理屈からも解るように、Ｒ面取り部の方が優れていると言う結果を得た。
【００４４】
【表１】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図６、図７に示す。第１実施形態は、上記参考例に対して、面取り部２１２ｂを駆動ピン２１２側に設けたものである。
【００４５】
駆動ピン２１２の根元側に加工上の逃がし部２１２ｃを設ける場合、駆動ピン２１２と偏心穴２１３ａとの接触部における駆動ピン２１２の根元側となる端部は駆動ピン２１２側（軸方向長さの短い側）に形成されることになり、この駆動ピン２１２の根元側端部２１２ａに面取り部（Ｒ面取り部）２１２ｂを設けている。
駆動ピン２１２の半径をＲ１、Ｒ面取り部の半径をｒ１とした時に、数式１の関係となるｒ１を設定している。
【００４６】
これにより、上記参考例と同様に、反力Ｆｔによって駆動ピン２１２に撓みが生じて、駆動ピン２１２と偏心穴２１３ａとの間で片当たりが生じても、接触面積を拡大して局部的な面圧上昇を低減でき、駆動ピン２１２およびブッシュ２１３間の耐久性を向上することができる。
また、本実施形態のように、冷媒としてＣＯ２を用いて圧縮後の圧力が臨界点を越えるような高い圧力で使用する場合は、駆動ピン２１２の撓みの影響を受けやすくなるため、本発明を効果的に活用することができる。
【００４７】
尚、本第１実施形態の変形例１として図８に示すように、面取り部２１２ｂをＲ面取り部に代えて、テーパ面取り部として形成するようにしても良い。
【００４８】
（その他の実施形態）
上記実施形態においては、駆動ピン２１２と偏心穴２１３ａのいずれか一方に面取り部２１３ｃ（あるいは２１２ｂ）を設けるようにしたが、他方側にも設けるようにしても良い。
【００４９】
また、スクロール型圧縮機１００として、圧縮機構部２００が電動機部３００によって作動される電動圧縮機として説明したが、例えば車両に搭載される内燃機関（エンジン）のような外部原動機によって作動されるものとしても良い。
【００５０】
更に、冷媒としてＣＯ_２を用いた超臨界冷凍サイクルに適用したものとして説明したが、これに限らずフロン等を用いる通常の冷凍サイクルに適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スクロール型圧縮機の全体構成を示す断面図である。
【図２】 参考例における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図３】 参考例の変形例１における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図４】図３におけるＡ部を示す拡大図である。
【図５】 参考例の変形例２における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図６】 第１実施形態における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図７】図６におけるＢ部を示す拡大図である。
【図８】 第１実施形態の変形例１における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図９】従来技術における反力作用時の駆動ピンとブッシュをモデル的に示す断面図である。
【符号の説明】
１００ スクロール型圧縮機
２１０ 偏心クランク機構
２１１ シャフト（主軸）
２１２ 駆動ピン
２１３ ブッシュ
２１３ａ 偏心穴
２１３ｂ 端部
２１３ｃ 面取り部
２４０ 旋回スクロール
２５０ 固定スクロール
２５６ 作動室
３００ 電動機部（電動機）

Claims (6)

1. 偏心穴（２１３ａ）を有するブッシュ（２１３）と、
   主軸（２１１）の先端側に設けられ、前記偏心穴（２１３ａ）に回転可能に挿入される駆動ピン（２１２）とから成る偏心クランク機構（２１０）の回転駆動によって、旋回スクロール（２４０）が公転作動され、この旋回スクロール（２４０）に対向する固定スクロール（２５０）との間に形成される作動室（２５６）で流体を圧縮するスクロール型圧縮機において、
   前記駆動ピン（２１２）の根元部に、円弧状の凹となる逃がし部（２１２ｃ）が設けられており、
   前記駆動ピン（２１２）と前記偏心穴（２１３ａ）の内周壁との接触部における前記駆動ピン（２１２）の根元側となる端部（２１２ａ）に、前記逃がし部（２１２ｃ）に繋がるＲ面取り部（２１２ｂ）を設けたことを特徴とするスクロール型圧縮機。
2. 前記Ｒ面取り部（２１２ｂ）の半径寸法ｒ１は、前記駆動ピン（２１２）の半径をＲ１とした時に、１．４≦（Ｒ１×ｒ１）／（Ｒ１+ｒ１）≦４．４の関係に成るようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスクロール型圧縮機。
3. 前記偏心クランク機構（２１０）は、自身の内部に一体的に設けられ、外部電力を受けて駆動する電動機（３００）によって回転駆動されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のスクロール型圧縮機。
4. 前記偏心クランク機構（２１０）は、外部原動機によって回転駆動されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のスクロール型圧縮機。
5. 前記流体は、冷凍サイクル内を流通する冷媒であり、
   前記冷媒の圧縮後の圧力は、臨界圧力を超えるように設定されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のスクロール型圧縮機。
6. 前記冷媒は、ＣＯ２を用いたことを特徴とする請求項５に記載のスクロール型圧縮機。

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