JP5278228B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制の
もとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室が容積を変えながら移動することで、吸入、吐出を行うスクロール圧縮機に関するものである。

従来、この種のスクロール圧縮機は、固定スクロールの旋回スクロールの鏡板との摺動面にリング状の溝を設け、リング溝の外周側角部よりも内側の溝内部とリング溝の内周側角部よりも内側に位置する摺動面との範囲を、旋回スクロールの鏡板の外周角部が旋回運動するように配置したものがある。このような構成では、量産性を高めるために旋回スクロールの加工速度を増加させたことを想定すると、切削による加工力が増大し、旋回スクロールの鏡板の外周角部に凸形状が生じた場合においても、旋回スクロールの鏡板の外周角部が接触することがないので、性能及び信頼性の面で、旋回スクロールの鏡板の加工精度の影響を低減することが可能になり、加工及び管理コストの低減も実現可能となる。

特許第３１３２３３９号公報

しかしながら、このような構成では、高負荷運転時においては、固定スクロールの旋回スクロールの鏡板との摺動面で構成されるスラスト軸受部において、旋回スクロールの偏心方向とおおよそ垂直な方向に働く転覆モーメントを支える箇所が、旋回スクロールの鏡板の外周角部よりも内側に形成されるために、同じ転覆モーメントでもスラスト軸受部での荷重が大きくなって接触面圧が高まり、カジリや異常磨耗による耐久性の低下という問題を有していた。また、低負荷運転時においては、旋回スクロールが固定スクロールから離脱して、両スクロールのラップ部先端からの漏れを増大させて、性能を低下させてしまうという問題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高負荷から低負荷運転まで、広い運転範囲にわたって、高信頼性を確保しながら高効率を両立できるスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール圧縮機は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、前記旋回スクロールをクランク軸に連結する偏心軸部に係合しながら自転規制機構による自転の規制のもとに旋回させたときに、前記圧縮室が容積を変えながら移動することで、作動流体の吸入、吐出を行うスクロール圧縮機であって、前記固定スクロールの前記旋回スクロールの鏡板との摺動面にリング状の溝を設け、前記旋回スクロールの鏡板の外周角部が２分の１以上前記溝の外周より外側に位置するように前記溝を形成すると共に、前記溝の内周に連通するザグリ部を設けたことを特徴とする。

本発明のスクロール圧縮機は、スラスト軸受部の摺動面積を小さくして、機械損失を低減させることができるので、より高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の断面図 本発明の実施の形態１における固定スクロールを旋回スクロールとの摺動面方向から見た平面図 本発明の実施の形態１における旋回スクロールに作用する力とモーメントを示す図 本発明の実施の形態２における固定スクロールを旋回スクロールとの摺動面方向から見た平面図

第１の発明は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、前記旋回スクロールをクランク軸に連結する偏心軸部に係合しながら自転規制機構による自転の規制のもとに旋回させたときに、前記圧縮室が容積を変えながら移動することで、作動流体の吸入、吐出を行うスクロール圧縮機であって、前記固定スクロールの前記旋回スクロールの鏡板との摺動面にリング状の溝を設け、前記旋回スクロールの鏡板の外周角部が２分の１以上前記溝の外周より外側に位置するように前記溝を形成すると共に、前記溝の内周に連通するザグリ部を設けた。この構成によれば、スラスト軸受部の摺動面積を小さくして、機械損失を低減させることができるので、より高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の、溝の内側が旋回スクロールの鏡板の外周角部の旋回軌跡よりも内側になるように、溝を形成したものである。この構成によれば、スラスト軸受部の摺動面積を小さくして、機械損失を低減させることができるので、より高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１〜第２の発明の、旋回スクロールの鏡板の外周角部をテーパ状若しくは丸くしたものである。この構成によれば、旋回運動によって旋回スクロールの鏡板の外周角部が溝外周側への乗り上げる際に、衝突や強い摺動をなくすことができるので、より高信頼性を確保したスクロール圧縮機を提供することができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたものである。ＨＦＣ系冷媒と比べて運転時の圧力が３〜４倍となる二酸化炭素を冷媒として用いた場合は、高負荷運転時においてより大きなスラスト荷重が発生するので、より高信頼性を確保したスクロール圧縮機を提供することが出来る。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の断面図を示す。密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定した、クランク軸４の主軸部４ａを軸支する主軸受部材１１と、この主軸受部材１１上にボルト止めした固定スクロール１２との間に、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３を挟み込んでスクロール式の圧縮機構部を構成し、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に旋回スクロール１３の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転規制機構１４を設けている。

上記構成において、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ｂにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより旋回スクロール１３を円軌道運動させ、これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している圧縮室１５が外周側から中央部に移動しながら小さくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入管１６および固定スクロール１２の外周部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して圧縮していき、所定圧以上になった冷媒ガスは固定スクロール１２の中央部の吐出口１８からリード弁１９を押し開いて密閉容器１内に吐出させることを繰り返す。

また、クランク軸４の他端側は副軸受部材２１によって支持され、クランク軸４の他端側の先端には容積型ポンプ２５を備えている。潤滑油６は、潤滑油溜り２０から容積型ポンプ２５およびクランク軸４の軸方向の中心に設けられた給油経路を経て、主軸受部１１ａ、偏心軸受部１１ｂを潤滑および冷却した後、再循環を行う。なお、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材５を配置している。このとき、シール部材５は偏心軸受部１１ｂに到達した潤滑油６の圧力とシール部材５の外周部に形成されている背圧室２９の圧力とを仕切る役割を持っているので、シール部材５の中心部は高圧に保たれている。

背圧室２９は旋回スクロール１３が固定スクロール１２から引き離されないだけの背圧を常に有している必要がある。しかし、この背圧が過剰になると、旋回スクロール１３が固定スクロール１２に強く押し付けられて、スクロール摺動部の異常磨耗や入力増加を招くことになる。このため背圧は常に所定の値に保つ必要がある。そこで、背圧調整機構９を設けている。

背圧調整機構８は、背圧室２９から固定スクロール１２の内部を通って吸入口１７へと連通している通路１０に、バルブ９を設けたもので、背圧室２９の圧力が設定圧力より高くなるとバルブ９が開き、背圧室２９のオイルが吸入口１７へと供給され、背圧室内を所定の中間圧に維持している。旋回スクロール１３の背面には前述の中間力が印加され、運転中に離脱するのを抑えている。離脱すると固定スクロール１２と旋回スクロール１３が離れてしまい、その部分に漏れが発生してしまう。また吸入口１７へと供給されたオイルは旋回運動とともに圧縮室１５へと移動し、圧縮室間の漏れ防止に役立っている。

なお、背圧室２９内を所定の中間圧に維持する方法として、バルブ９等で構成される背圧調整機構８に限らず、圧縮室１５の圧縮途中の圧力を導入する連絡通路（図示せず）を用いて、背圧室２９内を中間圧に維持してもよい。

また本実施の形態１では、固定スクロール１２の旋回スクロール１３の鏡板との摺動面１２ａにリング状の溝３０を設けている。溝３０は背圧室２９と連通しており、固定スクロール１２の旋回スクロール１３の鏡板との摺動面１２ａに潤滑油６を供給している。

図２は、実施の形態１における固定スクロールを旋回スクロールとの摺動面方向から見た平面図である。旋回スクロール１３は、溝３０との位置関係を明確にするために、図面上方向に偏心した瞬間を細線にて重ねて図示している。ここで、旋回スクロール１３の鏡板の外周角部１３ａが２分の１以上溝３０の外周３０ａより外側に位置している。

図３は、実施の形態１における旋回スクロール１３に作用する力とモーメントを示す図である。旋回スクロール１３には、主に偏心方向Ｙに対して垂直に作用するガス圧縮力Ｐｇ１、偏心方向Ｙに作用する遠心力Ｐｏと半径方向ガス力Ｐｇ２、圧縮室１５の圧力がラップ部に作用した結果発生する転覆モーメントＰｍがある。転覆モーメントＰｍの方向ベクトルは偏心方向Ｙなので、転覆モーメントＰｍによる回転を規制する旋回スクロール１３の鏡板の外周角部の転覆モーメント規制位置Ｘは、図に示す偏心方向Ｙと垂直な２箇所となる。ここで、旋回スクロール１３の鏡板の外周角部が２分の１以上溝３０の外周３０ａより外側に位置するように溝３０を形成しているので、転覆モーメントを支える箇所が旋回スクロール１３の鏡板の外周角部１３ａに形成される。

高負荷運転時には、溝３０の外周３０ａ側角部よりも内側の溝３０内部と溝３０の内周３０ｂ側角部よりも内側に位置する摺動面１２ａとの範囲を、旋回スクロール１３の鏡板の外周角部１３ａが旋回運動するように配置した場合に比べて、同じ転覆モーメントＰｍでも、転覆モーメント規制位置Ｘ付近での荷重を小さくすることができる。結果、接触面
圧を小さくすることができるので、カジリや異常磨耗を防いで耐久性の高いスクロール圧縮機を提供することができる。

また、低負荷運転時には、旋回スクロール１３が固定スクロール１２へと押付けられる力が低下する。このとき、同じ転覆モーメントＰｍが作用した場合でも、転覆モーメント規制位置Ｘ付近での旋回スクロール１３の固定スクロール１２からの離脱限界を向上させることができる。結果、旋回スクロール１３の運動安定性を向上させることができるので、離脱による両スクロールのラップ部先端からの漏れを防いで、高負荷から低負荷運転まで広い運転範囲にわたって、高信頼性を確保しながら高効率を両立できるスクロール圧縮機を提供することができる。

なお、溝３０の内側が旋回スクロール１３の鏡板の外周角部１３ａの旋回軌跡よりも内側になるように、溝３０を形成することができれば、スラスト軸受部の摺動面積を小さくして、機械損失を低減させることができる。

なお、旋回スクロール１３の鏡板の外周角部１３ａをテーパ状若しくは丸く形成するなどして面取りを施せば（図示せず）、旋回運動によって旋回スクロール１３の鏡板の外周角部１３ａが溝３０外周側へ乗り上げる際に、衝突や強い摺動を防ぐことができる。

なお、溝３０をリング状に形成しているが、旋回スクロール１３の鏡板の外周角部１３ａが２分の１以上溝３０の外周３０ａより外側に位置するように溝３０を形成することができれば、リング状でなくてもよく、同等の効果が期待できる。

なお、作動流体としての冷媒を、ＨＦＣ系冷媒と比べて運転時の圧力が３〜４倍となる二酸化炭素を冷媒として用いた場合は、高負荷運転時においてより大きなスラスト荷重が発生するので、より高信頼性を確保したスクロール圧縮機を提供することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２における固定スクロールを旋回スクロールとの摺動面方向から見た平面図である。旋回スクロール１３は、溝３０との位置関係を明確にするために、図面上方向に偏心した瞬間を細線にて重ねて図示している。ここで、溝３０の内周に連通するザグリ部３０ｃを設けている。この構成によれば、両スクロールのラップ形状によっては、固定スクロール１２の旋回スクロール１３の鏡板との摺動面１２ａを広く構成できない場合でも、摺動面積を小さくして、機械損失を低減させることができるので、より高効率なスクロール圧縮機を提供することができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール圧縮機は、固定スクロールの旋回スクロールの鏡板との摺動面にリング状の溝を設け、旋回スクロールの鏡板の外周角部が２分の１以上溝の外周より外側に位置するように、溝を形成したものである。この構成によれば、旋回スクロールの偏心方向とおおよそ垂直な方向に働く転覆モーメントを支える箇所が、旋回スクロールの鏡板の外周角部に形成されるために、高負荷運転時においては、スラスト軸受部での荷重を小さく、低負荷運転時においては、旋回スクロールの固定スクロールからの離脱を防ぐことができるので、高負荷から低負荷運転まで、広い運転範囲にわたって、高信頼性を確保しながら高効率を両立できるスクロール圧縮機を提供することができる。よって、作動流体を冷媒と限ることなく、空気、ヘリウムを作動流体とするスクロール圧縮機や、膨張機も含むスクロール流体機械の用途にも適用できる。

１ 密閉容器
４ クランク軸
５ シール部材
６ 潤滑油
８ 背圧調整機構
１１ 主軸受部材
１２ 固定スクロール
１２ａ 摺動面
１３ 旋回スクロール
１３ａ 外周角部
１４ 自転規制機構
１５ 圧縮室
２０ 潤滑油溜まり
２９ 背圧室
３０ 溝
３０ａ 溝の外周
３０ｂ 溝の内周
３０ｃ ザグリ部
Ｘ 転覆モーメント規制位置
Ｙ 偏心方向
Ｐｍ 転覆モーメント
Ｐｇ１ ガス圧縮力
Ｐｇ２ 半径方向ガス力
Ｐｏ 遠心力

Claims (4)

1. 鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に圧縮室を形成し、前記旋回スクロールをクランク軸に連結する偏心軸部に係合しながら自転規制機構による自転の規制のもとに旋回させたときに、前記圧縮室が容積を変えながら移動することで、作動流体の吸入、吐出を行うスクロール圧縮機であって、前記固定スクロールの前記旋回スクロールの鏡板との摺動面にリング状の溝を設け、前記旋回スクロールの鏡板の外周角部が２分の１以上前記溝の外周より外側に位置するように前記溝を形成すると共に、前記溝の内周に連通するザグリ部を設けたことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記溝の内側が前記旋回スクロールの鏡板の外周角部の旋回軌跡よりも内側になるように、前記溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記旋回スクロールの鏡板の外周角部に面取りを施したことを特徴とする請求項１から２のうちいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記作動流体としての冷媒を二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。