JP5109351B2 - スクロール部材およびそれを備えたスクロール圧縮機 - Google Patents
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本発明の一実施形態に係るスクロール部材である固定スクロール部材124および可動スクロール部材126を備える圧縮機1を、図1に示す。この圧縮機1は、蒸発器、凝縮器、膨張弁などと共に冷媒回路を構成し、その冷媒回路中のガス冷媒を圧縮する役割を担うものであって、主に、円筒状の密閉ドーム型のケーシング10、スクロール圧縮機構15、オルダムリング39、駆動モータ16、下部主軸受60、吸入管19、および吐出管20から構成されている。スクロール圧縮機構15は、固定スクロール部材124および可動スクロール部材126を備えている。以下、この圧縮機1の構成部品についてそれぞれ詳述していく。
ケーシング10は、略円筒状の胴部ケーシング部11と、胴部ケーシング部11の上端部に気密状に溶接される椀状の上壁部12と、胴部ケーシング部11の下端部に気密状に溶接される椀状の底壁部13とを有する。そして、このケーシング10には、主に、ガス冷媒を圧縮するスクロール圧縮機構15と、スクロール圧縮機構15の下方に配置される駆動モータ16とが収容されている。このスクロール圧縮機構15と駆動モータ16とは、ケーシング10内を上下方向に延びるように配置される駆動軸17によって連結されている。そして、この結果、スクロール圧縮機構15と駆動モータ16との間には、間隙空間18が生じる。
スクロール圧縮機構15は、図1に示されるように、主に、ハウジング23と、ハウジング23の上方に密着して配置される固定スクロール部材124と、固定スクロール部材124に噛合する可動スクロール部材126とから構成されている。
固定スクロール部材124は、後述する半溶融ダイキャスト成形等のダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造されるものであり、図2および図3に示すように、主に、鏡板184と、鏡板184の鏡面184aから下方に延びる渦巻き状(インボリュート状)のラップ185とから構成される。
可動スクロール部材126も、固定スクロール部材124と同じく、後述する半溶融ダイキャスト成形等のダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造されるものであり、図4および図5に示すように、主に、鏡板186と、鏡板186の鏡面186aから上方に延びる渦巻き状(インボリュート状)のラップ187と、鏡板186の下面から下方に延びる軸受部188と、鏡板186の両端部に形成される溝部189とから構成されている。可動スクロール部材126は、アウタードライブタイプの可動スクロールであり、駆動軸17の外周溝に嵌合する軸受部188を有している。
ハウジング23は、その外周面において、周方向の全体に亘って胴部ケーシング部11に圧入固定されている。つまり、胴部ケーシング部11とハウジング23とは全周に亘って密着されている。このため、ケーシング10の内部は、ハウジング23よりも下方の高圧空間28と、ハウジング23よりも上方の低圧空間29とに区画されることになる。また、このハウジング23は、その上端面が固定スクロール部材124の下端面と密着するように、複数のボルト38により固定スクロール部材124と締結固定されている。また、このハウジング23には、上面中央に凹設されたハウジング凹部31と、下面中央から下方に延設された軸受部32とが形成されている。そして、この軸受部32には、上下方向に貫通する軸受孔33が形成されており、この軸受孔33に駆動軸17が軸受34を介して回転自在に嵌入されている。
また、このスクロール圧縮機構15には、固定スクロール部材124とハウジング23とに亘り、連絡通路46が形成されている。この連絡通路46は、固定スクロール部材124に切欠形成されたスクロール側通路47と、ハウジング23に切欠形成されたハウジング側通路48とから構成される。そして、連絡通路46の上端、即ちスクロール側通路47の上端は、拡大凹部42に開口し、連絡通路46の下端、即ちハウジング側通路48の下端は、ハウジング23の下端面に開口している。つまり、このハウジング側通路48の下端開口が、連絡通路46の冷媒を間隙空間18に流出させる吐出口49となっている。
オルダムリング39は、上述したように、可動スクロール部材126の自転運動を防止するための部材であって、ハウジング23に形成されるオルダム溝(図示せず)に嵌め込まれている。なお、このオルダム溝は、長円形状の溝であって、ハウジング23において互いに対向する位置に配設されている。
駆動モータ16は、直流モータであって、主に、ケーシング10の内壁面に固定された環状のステータ51と、ステータ51の内側に僅かな隙間(エアギャップ通路)をもって回転自在に収容されたロータ52とから構成されている。そして、この駆動モータ16は、ステータ51の上側に形成されているコイルエンド53の上端がハウジング23の軸受部32の下端とほぼ同じ高さ位置になるように配置されている。
下部主軸受60は、駆動モータ16の下方の下部空間に配設されている。この下部主軸受60は、胴部ケーシング部11に固定されるとともに駆動軸17の下端側軸受を構成し、駆動軸17を支持している。
吸入管19は、冷媒回路の冷媒をスクロール圧縮機構15に導くためのものであって、ケーシング10の上壁部12に気密状に嵌入されている。吸入管19は、低圧空間29を上下方向に貫通すると共に、内端部が固定スクロール部材124に嵌入されている。
吐出管20は、ケーシング10内の冷媒をケーシング10外に吐出させるためのものであって、ケーシング10の胴部ケーシング部11に気密状に嵌入されている。そして、この吐出管20は、上下方向に延びる円筒形状に形成されハウジング23の下端部に固定される内端部36を有している。なお、吐出管20の内端開口、即ち流入口は、下方に向かって開口されている。
ラップ185は、上述のように、描く曲線の観点から、中心に近い巻き始め端部から90°の部分まで続く渦巻き中心部185aと、その渦巻き中心部185aの反中心側の端部から外側に延びる渦巻き本体部185b,185cとに分かれる。また、ラップ187も、上述のように、描く曲線の観点から、中心に近い巻き始め端部187a1(図6参照)から90°の部分まで続く渦巻き中心部187aと、その渦巻き中心部187aの反中心側の端部から外側に延びる渦巻き本体部187b,187cとに分かれる。いずれのラップ185,187も、同様の形状であるため、ここでは可動スクロール部材126のラップ187を例にとって、図6および図7を参照して、ラップ形状について詳細に説明する。
上述のように、固定スクロール部材124は、ダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造される。また、可動スクロール部材126も、同様に製造される。
(1−1)素材
固定スクロール部材124および可動スクロール部材126の原材料である鉄素材は、C:2.3〜2.4wt%、Si:1.95〜2.05wt%、Mn:0.6〜0.7wt%、P:<0.035wt%、S:<0.04wt%、Cr:0.00〜0.50wt%、Ni:0.50〜1.00wt%が添加されているビレットである。ここにいう重量割合は、全量に対する割合である。また、ビレットとは、上記成分の鉄素材が溶融炉において溶融された後に、連続鋳造装置により円柱形状等に成形された最終成形前の素材を意味する。なお、ここで、CおよびSiの含有量は、引張強度および引張弾性率が片状黒鉛鋳鉄より高くなること、および複雑な形状の摺動部品基体を成形するのに適切な流動性を備えていることの両方を満足するように決定されている。また、Niの含有量は、金属組織の靭性を向上させて成形時の表面クラックを防止するのに適切な金属組成を構成するように決定されている。
上記の鉄素材を使い、ダイキャストの一種である半溶融ダイキャスト成形法により、固定スクロール部材124および可動スクロール部材126が成形される。ここでは、可動スクロール部材126を例にとって半溶融ダイキャスト成形法について説明する。
上記の半溶融ダイキャスト成形法により成形された固定スクロール部材124および可動スクロール部材126は、さらに機械加工されることによって、圧縮機1に組み込む最終の形状となる。例えば、吐出穴41の穴あけ加工や、エンドミルによるラップ185,187の側面の切削加工などが行われる。
次に、圧縮機1の運転動作について簡単に説明する。まず、駆動モータ16が駆動されると、駆動軸17が回転し、可動スクロール部材126が自転することなく公転運転を行う。すると、低圧のガス冷媒が、吸入管19を通って圧縮室40の周縁側から圧縮室40に吸引され、圧縮室40の容積変化に伴って圧縮され、高圧のガス冷媒となる。そして、この高圧のガス冷媒は、圧縮室40の中央部から吐出穴41を通ってマフラー空間45へ吐出され、その後、連絡通路46、スクロール側通路47、ハウジング側通路48、吐出口49を通って間隙空間18へ流出し、案内板58と胴部ケーシング部11の内面との間を下側に向かって流れる。そして、このガス冷媒は、案内板58と胴部ケーシング部11の内面との間を下側に向かって流れる際に、一部が分流して案内板58と駆動モータ16との間を円周方向に流れる。なお、このとき、ガス冷媒に混入している潤滑油が分離される。一方、分流したガス冷媒の他部は、モータ冷却通路55を下側に向かって流れ、モータ下部空間にまで流れた後、反転してステータ51とロータ52との間のエアギャップ通路、または連絡通路46に対向する側(図1における左側)のモータ冷却通路55を上方に向かって流れる。その後、案内板58を通過したガス冷媒と、エアギャップ通路又はモータ冷却通路55を流れてきたガス冷媒とは、間隙空間18で合流して吐出管20の内端部36から吐出管20に流入し、ケーシング10外に吐出される。そして、ケーシング10外に吐出されたガス冷媒は、冷媒回路を循環した後、再度吸入管19を通ってスクロール圧縮機構15に吸入されて圧縮される。
(1)
高強度材料であるダクタイル鋳鉄や高炭素綱ではニアネットシェイプ化が困難で加工性も悪いという課題があることから、従来のスクロール圧縮機では、FC250などの普通鋳鉄を使ってスクロール部材を製造しているものが多い。
圧縮機1では、スクロール部材124,126のラップ185,187の渦巻き中心部185a,187aにおいて厚みを変化させて強度確保や変形量抑制を図るのではなく、通常のインボリュート形状に較べて曲率が大きくなるように(湾曲度合いがきつくなるように)渦巻き中心部185a,187aの湾曲形状を決めて、具体的には渦巻き中心部185a,187aだけを円弧形状にして、圧力が作用する方向(ラップ185,187の厚みの内側から外側へ向かう方向)に対する渦巻き中心部185a,187aの断面係数を大きくして曲げに対する剛性を高めている。このため、通常のインボリュート形状を採用する場合に較べて、渦巻き中心部185a,187aの鏡面184a,186aとの境界部分における最大応力値が小さくなり、また渦巻き中心部185a,187aの先端の変形量(たわみ量)も小さく抑えられるようになる。
上記(2)のように、圧縮機1では、渦巻き中心部185a,187aだけを円弧形状にして剛性を高めることで強度確保や変形量抑制を実現させているため、渦巻き中心部185a,187aの厚みについては、変化をさせずに一定に保つようにしている。これにより、渦巻き中心部185a,187aの寸法や形状の検査を行うのに長時間を要することがなくなっており、また、三次元検査装置といった高価な検査機器を必要としない圧縮機1となっている。
圧縮機1では、渦巻き中心部185a,187aをインボリュート形状ではなく円弧形状にしているが、一方で、渦巻き中心部185a,187aの外周面に接して圧縮室40の端部を形成することになる部分187b,185bを厚肉化しているため、その部分187b,185bの内側の面IS187b,IS185bが渦巻き中心部185a,187aの外周面に対して大きく隙間を空けることなく旋回動作において滑らかに噛み合うようになっている。このため、圧縮室40の密閉度合いが常に高く保持され、隣接する圧縮室40にガス冷媒が多量に漏れるといった不具合が出ることが回避できている。
圧縮機1では、一部分187bを除き、ラップ187の厚みを一定にしているため、巻き終わり側から巻き始め側に向けて段々と厚みを増やしていく特許文献1(特開2002−81387号公報)のようなラップと違って、ラップ187aが塞いでしまう吐出穴41の領域を小さく(あるいはゼロ)にすることができる。これにより、従来のものに較べて、圧縮機1では吐出穴41を通る際のガス冷媒の圧力損失が小さく抑えられている。
圧縮機1では、スクロール部材124,126のラップ185,187において通常のインボリュート形状に較べて曲率が大きくなるように(湾曲度合いがきつくなるように)渦巻き中心部185a,187aの湾曲形状を決めて、具体的には渦巻き中心部185a,187aだけを円弧形状にしている。このため、この圧縮機1では、スクロール部材124,126においてラップ185,187の巻き始め近傍部分185a,187aの強度が高められている。したがって、圧縮機1では、二酸化炭素等の高圧冷媒が圧縮される場合であってもスクロール部材124,126が高差圧による応力増大に耐えることができる。また、この効果によりこのスクロール部材124,126の歯高を高くすることができる。つまり、ラップ185,187を小径化しながらも圧縮室40の容量を大きくすることができる。そして、圧縮機1がこのように小径化できると、胴部ケーシング部11が小径化される。小径化された胴体ケーシング部11は、従来の胴体ケーシングに比べて薄い肉厚で同じ耐圧強度を示すことができる。このため、胴体ケーシング部11の原料コスト等を低減することができる。また、スクロール部材124,126のラップ185,187の小径化が可能となる。このため、摺動の厳しいスラスト部の摺動面積を大きくすることができる。
圧縮機1では、スクロール部材124,126が半溶融成形法によって製造される。このため、スクロール部材124,126は、従来の鋳造成形法で得られるものよりも表面粗度が小さくなる。このため、この圧縮機1では、二酸化炭素等の高圧冷媒が圧縮される場合であっても、スクロール部材124,126の表面からの亀裂が発生しにくい。
(A)
上記実施形態では、ラップ185,187について、渦巻き中心部185a,187aを、中心に近い巻き始め端部から90°の部分まで続くと定義して円弧形状にしているが、90°ではなく、100°や120°までと定義して円弧形状をもう少し長くすることも可能である。但し、この場合には、その渦巻き中心部185a,187aの外周面と接することになるラップ187,185の肉厚の部分187b,185bを拡大する必要がある。
上記実施形態では、ラップ185,187の渦巻き中心部185a,187aを円弧形状にしているが、インボリュート形状よりも湾曲度合いがきつい(曲率が大きい)ものであれば、必ずしも円弧形状を採らなくてもよい。
上記実施形態では、両ラップ185,187とも半溶融ダイキャスト材料にて渦巻き中心部185a,187aを円弧形状にしているが、いずれか一方をFC材料とし、強度に比して相対的に剛性が弱くなる半溶融ダイキャスト材料を使った方のみに本発明(渦巻き中心部を円弧形状等の湾曲度合いがインボリュート曲線よりもきつい湾曲形状にする)を適用することも可能である。
上記実施形態では、一部分185b,187bを除き、ラップ185,187の厚みを一定にしているが、渦巻き中心部185a,187a以外については、厚みを変化させてもよい。すなわち、ラップ185,187の渦巻き本体部185b,185c,187b,187cのうち渦巻き中心部185a,187aと接することのない部分185c,187cについては、厚みを変化させてもよい。
上記実施形態では、半溶融ダイキャスト成形法により成形された固定スクロール部材124および可動スクロール部材126をさらに機械加工されることによって圧縮機1に組み込む最終の形状とした。しかし、半溶融ダイキャスト成形法により成形された固定スクロール部材124および可動スクロール部材126において、渦巻き中心部185a,187aに相当する部分に機械加工を施さず、ラップ185,187に抜き勾配(ラップ185,187の先端から根元に向かってラップの外側に傾斜する勾配)を残したままにしておいてもよい。このようにすれば、渦巻き中心部185a,187aの強度を改善することができると共に加工コストの低減により製造コストを低減することができる。
40 圧縮室(密閉空間)
124 固定スクロール部材
126 可動スクロール部材
184a 固定スクロール部材の鏡面
185 固定スクロール部材のラップ
185a 渦巻き中心部
185b,185c 渦巻き本体部
186a 可動スクロール部材の鏡面
187 可動スクロール部材のラップ
187a 渦巻き中心部
187b,187c 渦巻き本体部
T ラップの厚み
Claims (4)
- スクロール圧縮機(1)のスクロール部材(124,126)であって、
平面部(184a,186a)と、
前記平面部から略垂直に延び、渦巻き形状を有するラップ(185,187)と、
を備え、
前記ラップは、中心に近い巻き始め端部(187a1)から少なくとも90°の部分までの渦巻き中心部(185a,187a)と、前記渦巻き中心部の巻き終わり端部から外側に延びる渦巻き本体部(185b,185c,187b,187c)とから成り、
前記渦巻き本体部は、インボリュート曲線を描き、
前記渦巻き中心部は、厚み(T)が一定であり且つ前記インボリュート曲線を描くインボリュート形状である場合よりも曲率が大きい湾曲形状である、
スクロール部材。 - 前記渦巻き中心部(185a,187a)は、半径が変化しない円弧形状であり、その曲率が、前記渦巻き本体部(185b,185c,187b,187c)の前記渦巻き中心部との境界近傍における曲率よりも大きい、
請求項1に記載のスクロール部材。 - 第1スクロール部材(124/126)および第2スクロール部材(126/124)が噛み合わされて形成される密閉空間(40)の容積を、第1スクロール部材に対して相対的に第2スクロール部材を旋回運動させることによって連続的に減少させて、前記密閉空間に吸入された流体の圧縮を行うスクロール圧縮機(1)であって、
第1スクロール部材および第2スクロール部材のうち少なくとも前記第1スクロール部材が、前記請求項1または2に記載のスクロール部材であり、
前記第1スクロール部材の前記ラップ(185/187)に対向するラップ(187/185)を備えた第2スクロール部材は、前記旋回運動において前記第1スクロール部材の前記ラップの前記渦巻き中心部(185a/187a)に接する部分(IS187b/IS185b)が、その周囲よりも厚肉化されている、
スクロール圧縮機。 - 二酸化炭素を圧縮する、
請求項3に記載のスクロール圧縮機。
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