JP5430208B2 - 密閉型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は密閉型流体機械に関する。

作動流体を圧縮する従来の密閉型流体機械としては、例えば「駆動部３０は、クランクシャフト４０と、クランクシャフト４０に固定されたロータ（回転子）３１と、密閉容器１０に固定されたステータ（固定子）３２とで構成されている。なお、ロータ３１とステータ３２とで電動機を構成している。ロータ３１は、ステータ３２への通電が開始することにより回転駆動するようになっている。また、ステータ３２の外周面は焼きばめ等により密閉容器１０に固定されている。」（例えば特許文献１参照）というものが提案されている。

従来の密閉型流体機械では、電動機のステーターを焼き嵌め等によりシェル（密閉容器）内周面に嵌合する際、シェルの内周面の加工公差は以下のような要因に基づき決定されていた。

ステーターがシェルの内周面に嵌合された状態（組立後）では、ステーターの外周面には締め代に対応する圧力が作用する。この圧力により、ステーターはシェル内に保持される。ステーターに作用するこの圧力が過大になると、ステーターが破損する場合がある。そこで、シェルの内周面の最小内径寸法は、組立後にステーターの外周面に作用するこの圧力が過大とならない寸法としている。

密閉型流体機械の運転中、作動流体により、シェル内部の圧力は大気圧よりも高い状態となる。このため、シェルが膨張して、ステーターを固定するための締め代が縮小する。したがって、ステーターの保持力が低下する。そこで、シェルの内周面の最大内径寸法は、密閉型流体機械の運転中にシェルが膨張してもステーターを保持できる寸法としている。

このように、シェルの内周面の加工公差は、その上限と下限が接近し、高精度な加工が求められる場合がある。

ところで、近年、地球環境保護の観点から、蒸気圧縮式冷凍サイクルに温暖化係数が小さい冷媒の適用が広がっている。その冷媒の一種に二酸化炭素がある。二酸化炭素を使用したサイクル動作は、従来のフロン冷媒と同様であるが、その動作圧力が従来のフロン冷媒の約４倍に上昇するという特徴を有する。

二酸化炭素のような高圧冷媒を密閉型流体機械で使用する場合、従来のフロン冷媒を使用する場合と比べて、シェルはより膨張する。このため、シェルの内周面の最大寸法を、従来のものよりも小さくする必要がある。このとき、シェルの内周面の最小寸法も合わせて小さくすると、ステーターに作用するこの圧力が過大になって、ステーターが破損する場合がある。このため、シェルの内周面の最小寸法は、従来と同様の寸法とする必要がある。したがって、シェルの内周面の加工公差は、従来よりも厳しくなり、より高精度な加工が求められる。

特開２００８−１３８５７２号公報（段落００２６、図１）

従来の密閉型流体機械は、ステーターの外周面全域がシェル内周面に嵌合されている。このため、シェル内周面の加工領域は広域となる。
したがって、シェル内周面の加工公差を高精度に維持するためには、密閉型流体機械（シェル）の量産性が低下し、密閉型流体機械（シェル）の加工コストが高くなるという課題があった。
一方、密閉型流体機械（シェル）の量産性の低下や加工コストの上昇を抑制しようとした場合、シェル内周面の加工公差を大きくする必要がある。しかしながら、シェル内周面の加工公差を大きくすると、保持力の低下によるステーターの位置ズレ等が生じ、密閉型流体機械の信頼性が低下してしまうという課題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、信頼性の低下を防止し、低コスト化が可能な密閉型流体機械を得ることを目的とする。

本発明に係る密閉型流体機械は、作動流体を圧縮する圧縮部と、ローター及びステーターを有し、前記ローターに接続された駆動軸を介して前記圧縮部を駆動する電動機と、前記圧縮部及び前記電動機を内部に収容するシェルと、を備え、前記シェルの内周面には、軸方向長さが前記ステーターの軸方向長さよりも小さく、内径寸法が前記ステーターの外周面寸法よりも小さく形成された嵌合部を有し、前記ステーターの前記嵌合部と対向する範囲は、前記嵌合部と嵌合され、前記ステーターの前記嵌合部と対向しない範囲は、前記シェルの内周面との間に隙間が形成され、前記ステーターは、ステーター保持手段によって前記シェルに保持されており、該ステーター保持手段は、アークスポット溶接であり、前記シェルの外周面には、半径方向に形成され、前記シェルの内周面に貫通していない溶接孔を有し、該溶接孔からアークスポット溶接を行い、前記ステーターの前記嵌合部と対向しない範囲が前記シェルに保持されているものである。

本発明においては、ステーターの外周面の一部をシェルの内周面に嵌合する。このため、シェル内周面における高精度加工の必要な範囲が小さくなり、密閉型流体機械（より詳しくはシェル）の加工コストを抑制することができる。また、嵌合部の面積が減少することにより低下したステーターの保持力は、ステーター保持手段により確保する。このため、保持力の低下によるステーターの位置ズレ等を防止することができる。したがって、信頼性の低下を防止し、低コスト化が可能な密閉型流体機械を得ることができる。

実施の形態１に係る冷媒圧縮機の縦断面模式図である。 実施の形態１に係る冷媒圧縮機の電動機部分を示す縦断面模式図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 実施の形態２にかかるステーター保持手段を示す横断面模式図である。

以下の実施の形態では、密閉型流体機械の一例である冷媒圧縮機に本発明を実施した例について説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷媒圧縮機の縦断面模式図である。
冷媒圧縮機１００は、冷凍サイクルを循環する冷媒を吸入し、圧縮して高温高圧の状態として吐出させるものである。この冷媒圧縮機１００は、固定スクロール９及び旋回スクロール１０等からなる圧縮部と、電動機５０等からなる駆動部とにより構成されている。これら圧縮部及び駆動部は、シェル４０内に収納されている。このシェル４０は、中間部シェル４０ａの上部及び下部に上部シェル４０ｃ及び下部シェル４０ｂが設けられた密閉容器となっている。下部シェル４０ｂは、潤滑油を貯留する油溜め２３となっている。中間部シェル４０ａには、冷媒ガスを吸入するための吸入管２４が接続されている。上部シェル４０ｃには、冷媒ガスを吐出するための吐出管２５が接続されている。

圧縮部は、旋回スクロール１０、固定スクロール９、及びフレーム１１等で構成されている。図１に示すように、旋回スクロール１０は下側に、固定スクロール９は上側に配置されるようになっている。また、旋回スクロール１０とフレーム１１との間には、旋回スクロール１０を支承するスラストプレート１４が設けられている。

固定スクロール９には、一方の面に立設された渦巻状突起であるラップ部９ａが形成されている。また、旋回スクロール１０にも、一方の面に立設され、ラップ部９ａと実質的に同一形状の渦巻状突起であるラップ部１０ａが形成されている。旋回スクロール１０及び固定スクロール９は、ラップ部１０ａとラップ部９ａとを互いに組み合わせ、シェル４０内に装着されている。旋回スクロール１０及び固定スクロール９が組み合わされた状態では、ラップ部９ａとラップ部１０ａの巻方向が互いに逆となる。そして、ラップ部１０ａとラップ部９ａとの間には、相対的に容積が変化する圧縮室２６が形成される。

固定スクロール９は、フレーム１１に図示省略のボルト等によって固定されている。固定スクロール９の中央部には、圧縮され、高圧となった冷媒ガスを吐出する吐出ポート９ｂが形成されている。そして、圧縮され、高圧となった冷媒ガスは、固定スクロール９の上部に設けられている吐出空間３３に排出されるようになっている。旋回スクロール１０は、自転運動を阻止するためのオルダムリング１５により、固定スクロール９に対して自転運動することなく公転旋回運動を行うようになっている。また、旋回スクロール１０のラップ部１０ａ形成面とは反対側の面（以下、スラスト面と称する）の略中心部には、中空円筒形状のボス部１３が形成されている。このボス部１３にはジャーナル軸受が設けられており、ジャーナル軸受の内側にはブッシュ１６が設けられている。旋回スクロール１０は、ブッシュ１６及びジャーナル軸受を介し、主軸４からの駆動力が伝達される。

駆動部は、駆動軸である主軸４に固定されたローター５５、ステーター５１、及び回転軸である主軸４等で構成されている。ローター５５及びステーター５１は、複数の電磁鋼板が主軸４の軸方向に積層されて構成されている。ローター５５は、主軸４に固定され、ステーター５１への通電が開始することにより回転駆動し、主軸４を回転させるようになっている。また、ステーター５１はシェル４０の内周面に固定されている。すなわち、ステーター５１及びローター５５で電動機５０を構成している。なお、ステーター５１の固定構造ついては、以下で詳細に説明するものとする。

主軸４は、ローター５５の回転に伴って回転し、旋回スクロール１０を旋回させるようになっている。この主軸４の上部（偏芯軸部４ａ近傍）は、フレーム１１に設けられた主軸受１２によって支持されている。この主軸受１２と主軸４との間には、主軸４を円滑に回転運動させるため、スリーブ１７が設けられている。一方、主軸４の下部は、ボールベアリング２１によって回転自在に支持されている。このボールベアリング２１は、シェル４０の下部に設けられたサブフレーム２０の中央部に形成された軸受収納部２０ａに圧入固定されている。また、サブフレーム２０には、容積型のオイルポンプ２２が設けられている。このオイルポンプ２２に回転力を伝達するポンプ軸４ｂは主軸４と一体形成されている。オイルポンプで吸引された潤滑油は、主軸４の内部形成された油穴４ｃ等を介して各摺動部に送られる。

また、主軸４の上部及びローター５５の下部には、旋回スクロール１０と主軸４の回転中心に対してアンバランスを相殺するため、バランサー１８及びバランサー１９のそれぞれが設けられている。

（ステーター５１の固定構造）
図２は、本発明の実施の形態１に係る冷媒圧縮機の電動機部分を示す縦断面模式図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
シェル４０の内周面には、嵌合部４１が形成されている。嵌合部４１は、その内径寸法がステーター５１の外周面の寸法（直径）よりも小さくなっており、その軸方向寸法Ｌはステーター５１の軸方向寸法Ｌｍよりも小さくなっている。また、嵌合部４１の上部には、ステーター５１を位置決めするための段部４２が形成されている。嵌合部４１の下方には、その内径寸法がステーター５１の外周面の寸法（直径）よりも大きな否嵌合部４３が形成されている。

ステーター５１は、上端部がシェル４０の段部４２に接触し、軸方向の位置決めがされている。そして、ステーター５１は、上端部側の外周面がシェル４０の嵌合部４１に嵌合されて保持されている。本実施の形態１では、焼き嵌めによりステーター５１を嵌合部４１へ嵌合している。より詳しくは、シェル４０（の外周面）を加熱して、シェル４０を膨張させる。そして、膨張したシェル４０内にステーター５１を挿入する。シェル４０が冷却されて収縮すると、ステーター５１の嵌合部４１と対向する面には、嵌合部４１の締め代分の圧力が作用する。この圧力により、ステーター５１はシェル４０の内部に保持される。なお、嵌合部４１の加工精度（加工公差）は、従来の密閉型流体機械におけるシェル内周面（より詳しくは、ステーターの外周面と対向する範囲のシェル内周面）の加工精度（加工公差）と同程度となっている。

ステーター５１がシェル４０の嵌合部４１に嵌合されて保持されることにより、ステーター５１は、半径方向及び軸芯の位置決めがされる。ステーター５１の半径方向及び軸芯の位置決めを行うためには、嵌合部４１の軸方向寸法Ｌが重要となってくる。この軸方向寸法Ｌは、ステーター５１と嵌合部４１との接触面積、ステーター５１と嵌合部４１との間の摩擦係数、ステーター５１の重量、及び運転中にステーター５１に作用する加速度等から求められる。本実施の形態１では、ステーター５１の軸方向寸法Ｌｍの１/３以上となるように、嵌合部４１の軸方向寸法Ｌを設定している。

ステーター５１がシェル４０の内部に保持された状態では、ステーター５１の下部外周面（シェル４０の否嵌合部４３と対向する範囲）とシェル４０内周面との間に隙間が形成されている。本実施の形態１では、この隙間の最大値は約１６０μｍとなっている。このため、否嵌合部４３は、嵌合部４１のような高精度の加工が不要となる。

ステーター５１の下部外周面（シェル４０の否嵌合部４３と対向する範囲）とシェル４０内周面との間には隙間が形成されているため、ステーター５１の保持力は、従来の密閉型流体機械よりも小さくなっている。本実施の形態１では、ステーター５１とシェル４０の否嵌合部４３とをアークスポット溶接することにより、この低下した分の保持力を確保している。ここで、アークスポット溶接が本発明のステーター保持手段に相当する。

具体的には、シェル４０の否嵌合部４３の外周面に、半径方向に形成された３つの溶接孔４４が設けられている。図３に示すように、これら溶接孔４４は、シェル４０の内周面まで貫通しておらず、厚さｔの薄肉を残すように加工されている。そして、これら溶接孔４４からアークスポット溶接を行い、ステーター５１とシェル４０の否嵌合部４３とを固定している。

本実施の形態１において溶接孔４４をシェル４０の内周面に貫通しないように構成したのには以下の理由がある。溶接孔４４をシェル４０の内周面に貫通するように形成した場合、ステーター５１の外周面が溶解しすぎ、ステーター５１の内周面が変形してしまう場合がある。一方、溶接孔４４をシェル４０の内周面に貫通しないように構成することにより、ステーター５１の外周面が溶解しすぎることを抑制し、ステーター５１の外周面の変形を抑制することができる。

なお、適切な溶接条件にして溶接不良を防止できれば、溶接孔４４をシェル４０の内周面に貫通するように形成してももちろんよい。また、溶接箇所の数（本実施の形態１では３箇所）はあくまでも一例であり、所定の保持力が得られれば、溶接箇所の数は任意である。

（冷媒圧縮機動作説明）
続いて、冷媒圧縮機１００の動作について説明する。ここでは、冷媒として二酸化炭素を用いた場合について説明する。なお、二酸化炭素以外の冷媒を使用することももちろん可能である。

電動機５０に電圧が印加されると、ステーター５１の電線部に電流が流れ磁界が発生する。この磁界はローター５５を回転させるように働き、ローター５５と共に主軸４が回転駆動される。主軸４が回転駆動されると、偏芯軸部４ａを介してブッシュ１６もボス部１３内で回転する。そして、オルダムリング１５により自転を抑制された旋回スクロール１０は、旋回運動を行う。これにより、吸入過程が開始される。

本実施の形態１に係る冷媒圧縮機１００は、シェル４０の膨張を抑制するため、いわゆる完全低圧シェル方式の冷媒圧縮機となっている。このため、吸入過程が開始されると、冷媒である二酸化炭素は吸入管２４からシェル４０内に流入する。シェル４０内に二酸化炭素が流入すると、その内圧によってシェル４０は膨張する。このため、嵌合部４１の締め代が縮小し、ステーター５１の保持力が低下する。しかしながら、アークスポット溶接によってステーター５１を保持しているため、ステーター５１の位置ずれを抑制できる。なお、溶接部の強度がシェル４０に作用する内圧に耐えうる強度となっているのはもちろんである。

シェル４０内に流入した二酸化炭素は、圧縮室２６に吸入される。圧縮室２６は、旋回スクロール１０の旋回運動により旋回スクロール１０の中心へ移動し、体積を縮小される。この工程により、圧縮室２６に吸入された二酸化炭素は圧縮される。このとき、圧縮される二酸化炭素により固定スクロール９と旋回スクロール１０は軸方向に離れようとする荷重が働くが、この荷重はスラストプレート１４（スラスト軸受）で支持される。圧縮された冷媒は、固定スクロール９の吐出ポート９ｂを通り、吐出弁２９を押し開けて吐出空間３３に流入する。そして、吐出管２５を介してシェル４０から吐出される。

このように構成された冷媒圧縮機においては、ステーター５１の外周面の一部を嵌合部４１と嵌合する。このため、シェル４０内周面における高精度加工の必要な範囲が小さくなり、冷媒圧縮機１００（より詳しくはシェル４０）の加工コストを抑制することができる。また、嵌合範囲が減少することにより低下したステーター５１の保持力は、ステーター５１とシェル４０の否嵌合部４３とをアークスポット溶接することにより確保している。このため、保持力の低下によるステーター５１の位置ズレ等を防止することができる。したがって、信頼性の低下を防止し、低コスト化が可能な冷媒圧縮機１００を得ることができる。さらに、本実施の形態１のようにステーター５１を保持することによって、ステーター５１の変形や位置ズレを抑制できるので、ステーター５１とローター５５との間隔を適切に確保することができる。このため、低振動・低騒音運転が可能な冷媒圧縮機１００を得ることができる。

また、シェル４０の内周面に貫通しないように形成した溶接孔４４を介してステーター５１とシェル４０とを溶接することにより、ステーター５１の内周面の変形を抑制することができる。

特に、シェル４０の内周面（嵌合部４１）の加工精度がより高精度となる二酸化炭素用の冷媒圧縮機１００において本実施の形態１に係るステーター５１の固定構造を用いることは、より効果的である。

なお、本実施の形態１では、ステーター５１の上部外周面（段部４２と接触する端部側の外周面）と嵌合する位置に嵌合部４１を形成した。しかしながら、嵌合部４１の形成位置はこの位置に限定されるものではない。例えば、ステーター５１の下部外周面と嵌合する位置に、嵌合部４１を形成してもよい。例えば、ステーター５１の略中央部外周面と嵌合する位置に、嵌合部４１を形成してもよい。また、ステーター５１外周面の複数箇所と嵌合するように、複数の嵌合部４１を形成してもよい。
ステーター５１の上部外周面（段部４２と接触する端部側の外周面）と嵌合する位置に嵌合部４１を形成することにより、シェル４０の内周面を、上部から下部にかけて順に内径寸法が大きくなる段差形状とすることができる。シェル４０の内周面をこのように形成することでシェル４０内周面の加工が容易となるので、本実施の形態１では、ステーター５１の上部外周面（段部４２と接触する端部側の外周面）と嵌合する位置に嵌合部４１を形成している。

実施の形態２．
実施の形態１では、ステーター保持手段としてアークスポット溶接を採用した。これに限らず、種々の構成のステーター保持手段を採用することが可能である。なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。

図４は、本発明の実施の形態２にかかるステーター保持手段を示す横断面模式図である。この図４は、シェル４０の否嵌合部４３の位置を横方向に切断した断面を示している。また、図４（ａ）は治具６０で押圧する前の状態を示しており、図４（ｂ）は治具６０で押圧した後の状態を示している。

ステーター５１の否嵌合部４３と対向する位置には、凹部５２が形成されている。本実施の形態２では、凹部５２は略環状に形成されており、中心部には凸部５３が形成されている。この凹部５２及び凸部５３は、ステーター５１の否嵌合部４３と対向する位置に例えば３箇所設けられている。なお、凹部５２及び凸部５３の個数はあくまでも一例であり、所定の保持力が得られれば、その数は任意である。

図４（ｂ）に示すように、端部形状が凹部５２に対応する形状となっている治具６０でシェル４０（否嵌合部４３）の外周部を押圧してかしめ加工を行い、ステーター５１とシェル４０（否嵌合部４３）とを固定する。このとき、シェル４０（否嵌合部４３）は、塑性変形し、凹部５２に嵌り込む凸部４５が形成される。つまり、凹部５２と凸部４５が本発明のステーター保持手段に相当する。

このように構成された冷媒圧縮機１００においては、ステーター５１の外周面の一部を嵌合部４１と嵌合する。このため、シェル４０内周面における高精度加工の必要な範囲が小さくなり、冷媒圧縮機１００（より詳しくはシェル４０）の加工コストを抑制することができる。また、嵌合範囲が減少することにより低下したステーター５１の保持力は、ステーター５１とシェル４０（否嵌合部４３）とをかしめることにより確保している。このため、保持力の低下によるステーター５１の位置ズレ等を防止することができる。したがって、信頼性の低下を防止し、低コスト化が可能な冷媒圧縮機１００を得ることができる。さらに、本実施の形態１のようにステーター５１を保持することによって、ステーター５１の変形や位置ズレを抑制できるので、ステーター５１とローター５５との間隔を適切に確保することができる。このため、低振動・低騒音運転が可能な冷媒圧縮機１００を得ることができる。

また、本実施の形態２に係るステーター保持手段（凹部５２及び凸部４５）を採用することにより、溶接熱に起因するステーター５１の内周面の歪みを防止できる。このため、ステーター５１とローター５５との隙間をより適切に確保することができる。したがって、より低振動・低騒音運転が可能な冷媒圧縮機１００を得ることができる。

なお、本実施の形態２ではステーター保持手段として凹部５２及び凸部４５のみを採用したが、実施の形態１のステーター保持手段（アークスポット溶接）と本実施の形態２のステーター保持手段（凹部５２及び凸部４５）の双方を同時に採用してももちろんよい。

以上、実施の形態１及び実施の形態２では、密閉型流体機械の一例である冷媒圧縮機１００に本発明を実施した場合について説明した。これに限らず、空気を圧縮する密閉型流体機械等、種々の密閉型流体機械に本発明を実施することが可能である。

４ 主軸、４ａ 偏芯軸部、４ｂ ポンプ軸、４ｃ 油穴、９ 固定スクロール、９ａ ラップ部、９ｂ 吐出ポート、１０ 旋回スクロール、１０ａ ラップ部、１１ フレーム、１２ 主軸受、１３ ボス部、１４ スラストプレート、１５ オルダムリング、１６ ブッシュ、１７ スリーブ、１８ バランサー、１９ バランサー、２０ サブフレーム、２０ａ 軸受収納部、２１ ボールベアリング、２２ オイルポンプ、２３ 油溜め、２４ 吸入管、２５ 吐出管、２６ 圧縮室、２９ 吐出弁、３３ 吐出空間、４０ シェル、４０ａ 中間部シェル、４０ｂ 下部シェル、４０ｃ 上部シェル、４１ 嵌合部、４２ 段部、４３ 否嵌合部、４４ 溶接孔、４５ 凸部、５０ 電動機、５１ ステーター、５２ 凹部、５３ 凸部、５５ ローター、６０ 治具、１００ 冷媒圧縮機。

Claims (4)

1. 作動流体を圧縮する圧縮部と、
   ローター及びステーターを有し、前記ローターに接続された駆動軸を介して前記圧縮部を駆動する電動機と、
   前記圧縮部及び前記電動機を内部に収容するシェルと、
   を備え、
   前記シェルの内周面には、軸方向長さが前記ステーターの軸方向長さよりも小さく、内径寸法が前記ステーターの外周面寸法よりも小さく形成された嵌合部を有し、
   前記ステーターの前記嵌合部と対向する範囲は、前記嵌合部と嵌合され、
   前記ステーターの前記嵌合部と対向しない範囲は、前記シェルの内周面との間に隙間が形成され、
   前記ステーターは、ステーター保持手段によって前記シェルに保持されており、
   該ステーター保持手段は、アークスポット溶接であり、
   前記シェルの外周面には、半径方向に形成され、前記シェルの内周面に貫通していない溶接孔を有し、
   該溶接孔からアークスポット溶接を行い、前記ステーターの前記嵌合部と対向しない範囲が前記シェルに保持されていることを特徴とする密閉型流体機械。
2. 前記ステーター保持手段は、
   前記ステーターの外周面に形成された凹部と、
   該凹部とかしめられたときに前記シェルに形成される凸部と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の密閉型流体機械。
3. 前記作動流体は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の密閉型流体機械。
4. 前記シェルの内周面には、前記ステーターの一方の端部を接触させて軸方向の位置決めをする段部が形成され、
   前記ステーターは、前記段部と接触する端部側の外周面が前記嵌合部と嵌合されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の密閉型流体機械。

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