JP4878980B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール圧縮機に関するものである。

例えば圧縮機において、内部には、軸受を適切に滑動させるため、潤滑油が供給される。そのような圧縮機として、外部ハウジングの上部から低圧冷媒と共に潤滑油を吸入し、低圧冷媒と潤滑油とを、外部ハウジング内を流下させる縦置き型のスクロール型圧縮機が知られている。
このスクロール型圧縮機では、潤滑油を外郭ハウジングで貯めず、冷媒と共に、冷凍サイクル内を循環させるようにしている。

そして、外郭ハウジング内に吸入された潤滑油は、圧縮機構部を駆動するための電動機部から圧縮機構部へと流下しつつ、圧縮機内の軸受を潤滑した後、圧縮機構部によって圧縮された高圧冷媒と共に外郭ハウジングから吐出される。
このような構成によれば、各軸受への潤滑油の供給は、単純な構成で実現できると共に、低圧冷媒と共に吸入された潤滑油は、低温であるため、効率よく冷媒を圧縮することかできる。

また、下記特許文献１には、スラスト軸受表面上に、可動スクロールの旋回運動による油膜圧力発生機構を設けたスクロール圧縮機が開示されている。すなわち、このスクロール圧縮機では、旋回スクロールを支えるスラスト軸受面上に複数のスパイラル溝付き軸受機構、もしくは複数のテーパランド軸受機構を形成するか、あるいは、旋回スクロールを支えるスラスト軸受上に、複数のスパイラル溝付き軸受機構もしくは複数のテーパランド軸受機構を形成したリング状板材を設置している。

特開平８−３１９９５９号公報

しかしながら、このような背圧付加構造では、複雑な背圧導入経路や送油のためのオイルポンプなどを必要とする。

そこで、本出願人は、このような課題を改善するために、吸入冷媒から分離した冷媒を、旋回スクロールの背面に貯油できる構造の低圧ドーム型のスクロール型圧縮機１を提案している（図７参照）。
このスクロール型圧縮機１では、主軸２を回転駆動する電動機部３と、主軸２が連結された可動部材４が作動することで圧縮室吸入部５を介して圧縮室６へ吸入された冷媒を圧縮する圧縮機構部７とを密閉容器８内に備えている。

圧縮機構部７は電動機部３との間に中間介在室９を形成しつつ電動機部３よりも下方に配設され、圧縮機構部７は、主軸２の回転および可動部材４の作動を補助する軸受機構１０、１１、１２、１３を有している。なお、軸受機構１０、１１、１２、１３は、冷媒とともに密閉容器８内に吸入され密閉容器８内を電動機部３側から圧縮機構部７側へ流下する潤滑油により滑動するものである。
また、圧縮機構部７は、電動機部３側から流下する潤滑油を一時的に貯溜する貯溜部１４と、中間介在室９と圧縮室吸入部５を連通して電動機部３側から流下する冷媒を通過させる冷媒通路１５と、貯溜部１４に一時的に貯溜された後の潤滑油を軸受機構１２、１３に注油するために潤滑油を貯溜する貯油室１６と、中間介在室９と貯油室１６を連通し潤滑油を通過させる潤滑油通路１７とを備えている。

そして貯溜部１４は、中間介在室９と対面するように設け、潤滑油通路１７は、その入口端部１７ａが貯溜部１４に開口するように設け、冷媒通路１５は、その入口端部１５ａが貯溜部１４から電動機部３側に突出するように設けている。

以上のようなスクロール型圧縮機1において、図８に示すように、可動部材４を摺動支持するスラスト滑り軸受１３のいずれか一方の摺動面には、単一もしくは複数の環状溝１３２ａと、最外周の環状溝１３２ａとの連通部を終端としてスラスト滑り軸受１３の内径側から略放射状に形成され環状溝１３２ａと交差連通する単一もしくは複数の放射溝１３２ｂとを設け、各々の環状溝１３２ａ間、および環状溝１３２ａと内周縁との間、環状溝１３２ａと外周縁との間に形成される摺動平面１３１の幅Ｌを、可動部材４の公転半径Ｒ以上、且つ可動部材４の公転直径２Ｒ以下としたというものである。

このようなスクロール型圧縮機1によれば、
（１）摺動平面１３１の幅Ｌを可動部材４の公転半径Ｒ以上とすることにより、摺動平面１３１が相手摺動平面から外れることなく常に摺動面が確保されて油膜厚以上に潤滑油が流れ出すことがない。
（２）摺動平面１３１の幅Ｌを可動部材４の公転直径２Ｒ以下とすることにより、摺動平面１３１のいずれの点においても１公転中に環状溝１３２ａ部に差し掛かることとなり、この環状溝１３２ａ部から摺動面に戻る際に流体くさび作用や引き込み作用によって摺動面に潤滑油が補給され、常に摺動面で良好な油膜圧力が確保される。

このため、スラスト摺動部材１３ａ同士が接触摺動することがなく、構造が簡素なスラスト滑り軸受１３にても摺動（摩擦）抵抗を大幅に低減して確実な滑動を得ることができる。また、油膜厚以上はスラスト摺動部材１３ａが離反しないため、外部からの異物は摺動部へ侵入せず、突発的な異物混入に対しても高い信頼性が得られる。また、スラスト滑り軸受１３の摺動による発熱が抑えられるため、圧縮機の効率向上にも結び付けられる。さらに、スラスト滑り軸受１３化により大幅に構成部品が低減でき、コストを抑えたスクロール型圧縮機１とすることができるとしている。

しかしながら、スラスト摺動部材１３ａの外周側に、溝部を設けていないため、冷凍機油は摺動面の微細な隙間を通り抜けることになる。このため、異物が混入した場合に、スラスト摺動部材１３ａの溝部に異物が堆積し、摺動部に異物が入り込みやすくなる。

また、スラスト摺動部材１３ａが理想的な平面接触した場合、幅方向の内周側・外周側が幅方向の中央部分より盛り上がり、摺動面が凹形状となる場合には、以下の問題が生じる。
（１）摺動プレートの内周側および外周側の面圧が大きくなり、油膜が切れやすく、摺動部が損傷しやすくなる。また、面圧が大きい分、形成される油膜が薄く、摩擦損失の増加の要因となる（例えば図９参照。この場合、面圧を説明するために、溝加工が施されていない旋回プレートおよび固定プレートを接触させた場合を示した）。
（２）摺動プレートが公転運動した場合に、摺動プレートの外周側・内周側の面が運動方向に対して油膜を形成しやすい角度とならないため、油膜が形成されにくい。そのため、摺動面が損傷しやすい（図１０ａ，図１０ｂ参照）。
（３）滑り軸受の摺動面を、特許文献１に示すようなプレートで製作した場合に、プレートのそりや変形が生じやすく、所望の形状に加工しにくいといった問題がある。
本発明はこのような課題を改善するために提案されたものであって、特に、可動スクロールを、滑り軸受でスラスト荷重を支えつつ公転運動をするスクロール圧縮機において、流入する低圧冷媒と潤滑油から異物を捕捉する手段を設けると共に、滑り軸受の形状、摺動面の形状を考慮することで、異物の浸入を抑えることができるようにした、スクロール圧縮機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明における請求項１では、可動スクロール（２４）を、可動側摺動プレート（２７）と、固定側摺動プレート（２８）とから構成される滑り軸受でスラスト荷重を支えつつ公転運動をするスクロール圧縮機（２０）において、シャフト（２３）を回転させる駆動モータ（２２）と、本体ケーシング（２１）内のミドルハウジング（２９）との間に空間（３０）を画成し、この空間（３０）に、吸入された冷媒から冷凍機油を分離すると共に冷凍機油から異物を分離する異物捕捉手段を設けたことで、可動側摺動プレート（２７）と固定側摺動プレート（２８）とで構成する滑り軸受に異物が混入するのを抑制でき、可動側摺動プレート（２７）と固定側摺動プレート（２８）との摺動面の損傷を防止することができる。

なお、上記各構成要素、並びに以下に記載する各構成要素に付した括弧内の符号は、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一例である。

本発明における請求項１では、異物捕捉手段は、空間（３０）内を、本体ケーシング（２１）内壁と流路（３３）を形成した状態で、冷凍機油をガイドする仕切板（３２）と、仕切板（３２）下方にあって、ミドルハウジング（２９）内に至る流路（３４）の上流側に設けた溝部（３５）とを備えたことで、冷凍機油は仕切板（３２）に沿って外周側にいくので流路面積が大きくなり流速は低下する。
流速が低下したところで、冷凍機油より重い異物は冷凍機油の下方に沈殿する。
異物は沈殿しながら流れに乗って中心側へ流れていくが、ミドルハウジング（２９）の流路（３４）の上流側に設けた溝部（３５）で重い異物はトラップされ，ミドルハウジング（２９）内に流入することを阻止することができる。

また本発明における請求項２では、前記可動側摺動プレート（２７）と固定側摺動プレート（２８）とは、スラスト荷重が作用していない状態で摺動面が接触した場合、摺動面における幅方向の中心側のクリアランスに比較して、外周側および内周側のクリアランスを大としたことで、スラスト荷重が作用した場合に幅方向中心部が弾性変形して外周側および内周側の摺動面が接触しても、内周側および外周側での面圧は、幅方向中心部を凸状にしない場合に比べ小さくでき、油膜が形成されやすくなる。
さらに、起動時には、スラスト荷重が小さい状態で可動側摺動プレート（２７）が公転運動を開始するので、内周端および外周端は対向する摺動面に対し傾いて向き合っているから、片方の摺動面が公転運動することにより油膜が流動することによるくさび効果で効率的に油膜が形成され、起動時から確実に摺動面の損傷を回避することができる。

また本発明における請求項３では、前記固定側摺動プレート（２８）を構成する部材の剛性を、可動側摺動プレート（２７）に比較して大としたことで、摺動面に溝加工を施す際に反りや変形を防止することができる。

さらに本発明における請求項４では、前記固定側摺動プレート（２８）側の摺動面に凹凸を形成したことで、冷凍機油がなくなった場合があるとしても、凹凸のない平面上の摺動面が可動側摺動プレート（２７）にあれば、平面部に付着している冷凍機油で油膜の形成ができる。

以下、本発明にかかるスクロール圧縮機につき、一つの実施の形態を示し、添付の図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態にかかるスクロール圧縮機２０を示す。
このスクロール圧縮機２０は、実質的には、図７で示した、吸入冷媒から分離した冷媒を、旋回スクロールの背面に貯油できる構造の低圧ドーム型のスクロール型圧縮機１と同様であり、全体の詳細な説明は省略するが、本体ケーシング２１上部側に配設した駆動モータ２２によりシャフト２３を回転させることで駆動する構成となっている。
すなわち、スクロール圧縮機２０は、本体ケーシング２１内において、シャフト２３を回転させることで可動スクロール２４を公転運動させ、吸入された冷媒を圧縮すると共に、本体ケーシング２１外に吐出する構成とし、可動スクロール２４は、可動側摺動プレート２７と、固定側摺動プレート２８とから構成される滑り軸受でスラスト荷重を支えつつ公転運動をする構成としたものである。
さらにスクロール圧縮機２０では、シャフト２３は可動スクロール２４を公転運動させ、作動室２５に吸入された冷媒が圧縮され、吐出ポート２６から吐出される。
そしてスクロール圧縮機２０では、可動スクロール２４には図１中、上方に向けてスラスト荷重が作用するため、可動スクロール２４は、可動側摺動プレート２７と、固定側摺動プレート２８とから構成される滑り軸受でスラスト荷重を支えられながら公転運動をしている。

以上のような構成のスクロール圧縮機２０において、吸入ポート（図示省略）から流入した冷媒は駆動モータ２２の隙間を通り、駆動モータ２２とミドルハウジング２９の間に形成された空間３０に至る。この空間３０では冷媒の流速が遅くなるので，比重差により密度の大きな冷凍機油が下方に分離される。空間３０の上方には気相冷媒が多く存在するので，この空間３０の上方に突き出たパイプ３１により吸入させる。

下方に分離された冷凍機油は仕切板３２を伝い、仕切板３２の外周側に設けた流路３３を通り、仕切板３２の下方に至る。仕切板３２は流れによる乱れが仕切板３２の下方に伝わることを防止すると共に、冷凍機油が外周側に行くためのガイドの役割を担っている。

仕切板３２の下方に来た冷凍機油は外周側から中心軸側に向かって流れ、ミドルハウジング２９に設けた流路３４からミドルハウジング２９内周側に流れこみ，可動側摺動プレート２７，固定側摺動プレート２８の内周側からプレート間に入り込み潤滑作用を発揮する。
一方、可動側摺動プレート２７，固定側摺動プレート２８間を通った冷凍機油はパイプ３１を通ってきた冷媒と合流して圧縮機２０に至る。

ここで，冷凍機油とともに気相冷媒から分離された異物の分離について説明する。
冷凍機油は仕切板３２の外周側にいくので流路面積が大きくなり流速は低下する。
流速が低下したところで、冷凍機油より重い異物（鉄粉，アルミ粉，銅粉など）は冷凍機油の下方に沈殿する。
異物は沈殿しながら流れに乗って中心側へ流れていくが、ミドルハウジング２９の流路３４の上流側に設けた溝部３５で重い異物はトラップされ，ミドルハウジング２９内に流入することを阻止することができる。
これにより，可動側摺動プレート２７，固定側摺動プレート２８に異物が混入するのを抑制でき、可動側摺動プレート２７，固定側摺動プレート２８の摺動面の損傷を防止することができる。

本発明にかかるスクロール圧縮機２０は、第２の実施形態として、以下のように構成することもできる。
すなわち、図２に示すスクロール圧縮機２０では、駆動モータ２２上部に設けた流入パイプ３６の流入口３６ａに対向して異物トラップ用の多孔体３７を設けて、流入した冷媒をこの多孔体３７に衝突させるようにしている。
この場合、多孔体３７は、本体ケーシング２１と上部ケーシング３８間のホルダ３９上に設置した支柱部材４０に、下面メッシュ状の保持器４１を介して設けている。なお、保持器４１は、メッシュ状の部材によって構成している。
前記多孔体３７としては、例えばセラミックや，樹脂繊維でできた不織布，金属繊維などを用いることができる。

以上のようなスクロール圧縮機２０によれば、冷媒に混じっている冷凍機油の一部は多孔体３７にいったん保持された後、滴下するが、冷凍機油内に混在する異物は、多孔体３７によって絡め取ることができる。

また、本発明にかかるスクロール圧縮機２０は、第３の実施形態として、以下のように構成することもできる。
すなわち、このスクロール圧縮機２０では、図３に示すように、異物トラップ用の多孔体３７を、駆動モータ２２と圧縮機２０の間の空間３０に設け、多孔体３７の外周側は冷媒が通過できるように流路４２を構成することができる。
この場合、多孔体３７は、ミドルハウジング２９頂部側に、下面メッシュ状の保持器４１を介して設けている。

以上のようなスクロール圧縮機２０では、本体ケーシング２１上部の駆動モータ２２側から流れてきた冷媒と冷凍機油の混合物の流れが、外周側に曲げられることにより、密度の大きな冷凍機油が慣性により多孔体３７に衝突したり、冷媒と冷凍機油の比重差により重力で冷凍機油がケーシング下方、多孔体３７側に移動したりして，多孔体３７にトラップされる。
多孔体３７にトラップされた冷凍機油は下方に滴下するが、冷凍機油内に混在する異物は、多孔体３７によって絡め取ることができる。

また、本発明にかかるスクロール圧縮機１は、第４の実施形態として、以下のように構成することもできる。
すなわち、このスクロール圧縮機２０では、図４(a)、図４(ｂ)に示すように、可動側摺動プレート２７が平面状で、固定側摺動プレート２８の、前記可動側摺動プレート２７と対向する接触面に所定間隔ごとの溝ｍを形成している。
また、図４(a)では、固定側摺動プレート２８の幅方向中央部は内周および外周側に比べて下に凸としてあり，スラスト荷重が０の場合は主に幅方向の中心側で摺動面が接触するように成型してある。なお，図では凸状態を視認しやすくするために、反りを誇張して示しているが，この反りは実際は、数μmから数十μm程度である。
一方、図４(ｂ)では、下側のプレートである可動側摺動プレート２７を、凸形状としている。
なお、さらに図示は省略するが、可動側摺動プレート２７と固定側摺動プレート２８との接触面を、互いに凸形状にすることも可能である。

以上のようなスクロール圧縮機２０においては、固定側摺動プレート２８の幅方向中央部は内周および外周側に比べて下に凸としたことにより、スラスト荷重０の状態で幅方向中心部分で接触する状態となる。
これにより、スラスト荷重が作用した場合に幅方向中心部が弾性変形して外周側および内周側の摺動面が接触しても、内周側および外周側での面圧は、幅方向中心部を凸状にしない場合に比べ小さくでき、油膜が形成されやすくなる。

さらに、起動時には、スラスト荷重が小さい状態で摺動プレートが公転運動を開始するので、内周端および外周端は対向する摺動面に対し傾いて向き合っているから、片方の摺動面が公転運動することにより油膜が流動することによるくさび効果で効率的に油膜が形成され、起動時から確実に摺動面の損傷を回避することができる。

さらに本発明にかかるスクロール圧縮機２０では、第５の実施形態として、以下のように構成することもできる。
この場合のスクロール圧縮機２０では、図５に示すように、上側の固定側摺動プレート２８の厚さを厚くし、剛性を高めるようにしている。これは、プレート剛性が弱いと溝加工のときに材料の残留応力などにより歪んでしまうからである。
従って、本実施例では上側の固定側摺動プレート２８の厚さを厚くし、円環ブロック状としている（図６参照）。
なお、固定側摺動プレート２８の厚さは加工時に公差範囲内でばらつくので、スクロールの歯先クリアランス調整用のシムが従来同様設けてある。固定側摺動プレート２８はこのシムを挟んでミドルハウジング２９にピンで固定するようにしている。

また、上側の固定側摺動プレート２８の厚さを厚くし、円環ブロック状としたのは、円環ブロック状にすると質量が大きくなるので、可動側摺動プレート２７を円環ブロック状にすると、動バランスをとるためのカウンターウェートの質量も大きくなり、また、圧縮機２０を駆動するシャフト２３を支えるベアリングへの荷重も大きくなるため得策ではないからである。

上側の固定側摺動プレート２８に溝加工を施すことにより、万が一中心側に設けた貯油部に冷凍機油がなくなった場合があるとしても、溝ｍのない平面上の摺動面が下側にあれば、平面部に付着している冷凍機油で油膜の形成ができる。
しかし，下側の可動側摺動プレート２７に溝ｍを設けた場合は、溝ｍに冷凍機油が入り込むため、溝ｍより上側にある摺動面に冷凍機油が供給されにくく、油膜の形成が困難になり、結果、摺動部の損傷を起こしやすいからである。

本発明にかかるスクロール圧縮機の第１の実施形態にかかる、要部拡大断面図である。 本発明にかかるスクロール圧縮機の第２の実施形態にかかる、断面図である。 本発明にかかるスクロール圧縮機の第３の実施形態にかかる、要部拡大断面図である。 本発明にかかるスクロール圧縮機における滑り軸受の第４の実施形態にかかる、模式的拡大断面図である。 本発明にかかるスクロール圧縮機における滑り軸受の第４の実施形態にかかる、模式的拡大断面図である。 本発明にかかるスクロール圧縮機の第５の実施形態にかかる、要部拡大断面図である。 図５に示すスクロール圧縮機における滑り軸受の、模式的拡大断面図である。 従来のスクロール圧縮機の一例を示す、断面図である。 図７に示すスクロール圧縮機におけるスラスト滑り軸受の摺動面構成の一例を示す、要部拡大平面図である。 本発明が課題とした、滑り軸受における摺動面の損傷の要因となる面圧を説明するためのグラフである。 図９に示す滑り軸受における摺動面の模式的な拡大説明図である。 図９に示す滑り軸受における摺動面の模式的な拡大説明図である。

符号の説明

２０ スクロール圧縮機
２１ 本体ケーシング
２２ 駆動モータ
２３ シャフト
２４ 可動スクロール
２５ 作動室
２６ 吐出ポート
２７，２８ 摺動プレート
２９ ミドルハウジング
３０ 空間
３１ パイプ
３２ 仕切板
３３，３４ 流路
３５ 溝部
３６ 流入パイプ
３６ａ 流入口
３７ 多孔体
３８ 上部ケーシング
３９ ホルダ
４０ 支柱部材
４１ 保持器
４２ 流路
ｍ 溝

Claims (4)

1. 本体ケーシング（２１）内において、シャフト（２３）を回転させることで可動スクロール（２４）を公転運動させ、吸入された冷媒を圧縮すると共に、本体ケーシング（２１）外に吐出する構成とし、
   可動スクロール（２４）は、可動側摺動プレート（２７）と、固定側摺動プレート（２８）とから構成される滑り軸受でスラスト荷重を支えつつ公転運動をするスクロール圧縮機（２０）において、
   シャフト（２３）を回転させる駆動モータ（２２）と、本体ケーシング（２１）内であって、該駆動モータ（２２）と前記可動側摺動プレート（２７）の間に配され、前記固定側摺動プレート（２８）に固定されたミドルハウジング（２９）との間に空間（３０）を画成し、
   この空間（３０）に、吸入された冷媒から冷凍機油を分離すると共に冷凍機油から異物を分離する異物捕捉手段を設けていて、
   前記異物捕捉手段は、空間（３０）内を、本体ケーシング（２１）内壁と流路（３３）を形成した状態で、冷凍機油をガイドする仕切板（３２）と、
   前記仕切板（３２）下方にあって、前記ミドルハウジング（２９）内に至る流路（３４）の上流側に設けた溝部（３５）とを備えており、かつ
   前記仕切板（３２）は、冷凍機油を前記ミドルハウジング（２９）の外周側に導くガイドであり、前記仕切板（３２）の下方における冷凍機油の流れは、前記ミドルハウジング（２９）の内周側に向けた流れであり、
   異物が分離された冷凍機油が、前記可動側摺動プレート（２７）と前記固定側摺動プレート（２８）とから構成される前記滑り軸受に供給されることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記可動側摺動プレート（２７）と前記固定側摺動プレート（２８）とは、スラスト荷重が作用していない状態で摺動面が接触した場合、摺動面における幅方向の中心側のクリアランスに比較して、外周側および内周側のクリアランスを大としたことを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
3. 前記固定側摺動プレート（２８）を構成する部材の剛性を、前記可動側摺動プレート（２７）に比較して大としたことを特徴とする請求項１又は２記載のスクロール圧縮機。
4. 前記固定側摺動プレート（２８）側の摺動面に凹凸を形成したことを特徴とする請求項１，２又は３記載のスクロール圧縮機。

Images