JP6104396B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、主に冷凍機、空気調和機、給湯機等に搭載されるスクロール圧縮機に関するものである。

従来のスクロール圧縮機において、圧縮工程でスクロールに作用する圧縮荷重によりクランクシャフトにたわみ変形を生じた場合でも、軸受部の摩耗、焼付き等の損傷を防止するため、軸受部の円筒状ブッシュの外周面に中央部が全周にわたって凸となる鼓状に形成されたクラウニング面を設けているものがある（例えば、特許文献１参照）。

このスクロール圧縮機は、クランクシャフトにたわみ変形が生じた場合でも、円筒状ブッシュのクラウニング面上で主軸受部との接点が移動し、円筒状ブッシュはクランクシャフトの主軸部に対し平行状態のままで回転することができるようになっている。

実開平５−５００９５号公報（例えば、［００１２］、図２参照）

しかしながら、上記のような従来のスクロール圧縮機では、円筒状ブッシュに作用する荷重が大きいため、潤滑性が悪い条件では、円筒状ブッシュの摩耗等により円筒状ブッシュの表面損傷が発生するという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、クランクシャフトにたわみ変形が生じた場合でも、円筒状ブッシュの摩耗等による円筒状ブッシュの表面損傷を抑制し、各軸受部の信頼性の高いスクロール圧縮機を提供することを目的としている。

本発明に係るスクロール圧縮機は、外郭を形成するシェルと、前記シェル内に回転可能に支持されるクランクシャフトと、前記クランクシャフトを支持する主軸受部と、前記クランクシャフトの中心軸に対して偏心して装着される揺動スクロールと、前記揺動スクロールとの間に流体を圧縮する圧縮室を形成し、前記シェル側に固定された固定スクロールと、前記クランクシャフトに装着される円筒状ブッシュと、を備え、前記クランクシャフトは、前記円筒状ブッシュを介して前記主軸受部に回転可能に支持され、前記円筒状ブッシュとの間に外周面中央が凸となる鼓状に形成されたクラウニング面を有し、前記円筒状ブッシュは、軸方向に向かって凹部が形成され、前記クラウニング面と接触する箇所が弾性変形することにより、クラウニング形状になるものである。

本発明に係るスクロール圧縮機によれば、クランクシャフトは、スリーブを介して主軸受部に嵌合され、スリーブとの間に外周面中央が凸となる鼓状に形成されたクラウニング面を有し、スリーブは、少なくとも一方の端部に凹部が形成されているため、クランクシャフトにたわみ変形が生じた場合でも、円筒状ブッシュの摩耗等による円筒状ブッシュの表面損傷を抑制することができ、各軸受部の信頼性を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の断面図である。 図１の軸受部付近の要部拡大図である。 本発明の実施の形態１に係るスライダの横断面図である。 図１の偏心ピン部付近の要部拡大図である。 本発明の実施の形態２に係るスライダの横断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の断面図、図２は、図１の主軸受部３ａ付近の要部拡大図である。
図１は、本実施の形態１に係るスクロール圧縮機の全体の構造を示している。実施の形態１に係る圧縮機は縦型のスクロール型で、その外郭を形成するシェル８内に、クランクシャフト４と、クランクシャフト４とともに公転する揺動スクロール２と、フレーム３に固定されることでシェル８側に固定された固定スクロール１と、を備える。

このスクロール圧縮機は、吸入管５から冷媒等の流体を吸入し、揺動スクロール２と固定スクロール１との間に形成された圧縮室９にて流体が圧縮される。そして、圧縮され高温・高圧の状態となった流体は、吐出管１３から吐出される。
ここで、吸入管５とは、シェル８の外部の一端に設けられ、内部と外部とを連通し、流体をシェル８の外部から内部に吸入するためのものであり、吐出管１３とは、シェル８の外部の他端に設けられ、内部と外部とを連通し、流体をシェル８の内部から外部に吐出するためのものである。

シェル８の内部には、圧縮機構部３５、駆動機構部３６、その他の構成部品が収納されており、それらでスクロール圧縮機は構成されている。図１に示すように、シェル８内において、圧縮機構部３５が上側に、駆動機構部３６が下側にそれぞれ配置されており、駆動機構部３６のさらに下側の底部は、冷凍機油（潤滑油）が貯留される油溜り１２となっている。

圧縮機構部３５は、吸入管５から吸入された流体を圧縮後、シェル８内の上部に形成されている高圧空間１４に排出する機能を有している。また、圧縮によって高温・高圧の状態となった流体は、吐出管１３からシェル８の外部に吐出されるようになっている。

駆動機構部３６は、圧縮機構部３５で流体を圧縮するため、圧縮機構部３５の構成要素である揺動スクロール２を駆動する機能を有している。つまり、駆動機構部３６がクランクシャフト４を介して揺動スクロール２を駆動することによって、圧縮機構部３５で流体を圧縮するようになっている。

圧縮機構部３５は、図１に示すように、固定スクロール１と揺動スクロール２とで構成されており、揺動スクロール２は固定スクロール１の下側に配置されている。
固定スクロール１は、第１台板１ｃと、第１台板１ｃの一方の面（図１の下面）に垂直に設けられた第１の渦巻状突起である第１渦巻体１ｂとで構成されている。
揺動スクロール２は、第２台板２ｃと、第２台板２ｃの一方の面（図１の上面）に垂直に設けられた第２の渦巻状突起である第２渦巻体２ｂとで構成されている。

固定スクロール１及び揺動スクロール２は、第１渦巻体１ｂと第２渦巻体２ｂとを互いに噛み合わせ、シェル８内に装着されている。そして、第１渦巻体１ｂと第２渦巻体２ｂとの間には、半径方向の内側へ向かうにつれて容積が縮小する圧縮室９が形成されている。なお、第１渦巻体１ｂ及び第２渦巻体２ｂは、インボリュート曲線にならって第１台板１ｃの一方の面または第２台板２ｃの一方の面に垂直に設けられている。

固定スクロール１は、その下側に位置するフレーム３を介してシェル８側に固定されている。また、固定スクロール１の中央部には、圧縮され高温・高圧の状態となった流体を吐出する吐出ポート１ａが形成されている。吐出ポート１ａの上端の出口開口部には、この出口開口部を覆い、流体の逆流を防ぐ板バネ製の弁１１が配設されている。この弁１１の一端側には、弁１１のリフト量を制限する弁押さえ１０が設けられている。そして、圧縮室９内で流体が所定圧力まで圧縮されると、弁１１がその弾性力に逆らって持ち上げられ、圧縮された流体が吐出ポート１ａから高圧空間１４内に吐出され、吐出管１３を通ってスクロール圧縮機の外部に吐出されるようになっている。

揺動スクロール２は、オルダムリング２０によって、固定スクロール１に対して自転することなく公転、さらに言うと偏心旋回運動を行うようになっている。ここで、オルダムリング２０とは、固定スクロール１と揺動スクロール２との間に配設され、揺動スクロール２の自転運動を阻止するとともに、公転運動を可能とするものである。
また、揺動スクロール２の第２渦巻体２ｂが垂直に設けられた面とは反対側の面（図１の下面）の中心部（厳密に中心でなくてもよい）には、駆動力を受ける有底円筒形状の凹状軸受部２ｄが形成されている。この凹状軸受部２ｄには、クランクシャフト４の上端に設けられた偏心ピン部４ａが嵌合されている。

揺動スクロール２は、クランクシャフト４の中心軸に対して偏心して装着されているため、中心軸に対して偏心した寸法半径とした回転（公転）を行う。また、中心軸に対して偏心して装着したことによるアンバランスと釣り合う様、クランクシャフト４の上側には第１バランサ１５、ロータ６の下側には第２バランサ１６がそれぞれ固定されている。

駆動機構部３６は、少なくとも、シェル８内に固着された中空円筒形状のステータ７と、ステータ７の内周面側に回転可能に配設されクランクシャフト４に固定されたロータ６と、シェル８内に垂直方向に収容された回転軸であるクランクシャフト４とで構成されている。

ステータ７は、外周面が焼き嵌め等によりシェル８内に固着されている。ステータ７は、通電されることによってロータ６を回転駆動させる機能を有している。
ロータ６は、クランクシャフト４の外周に固定されており、内部に永久磁石を有し、ステータ７と僅かな隙間を隔てて保持されている。ロータ６は、ステータ７が通電されることにより回転駆動し、クランクシャフト４を回転させる機能を有している。

クランクシャフト４は、上側をフレーム３の中心部に位置する主軸受部３ａで、下側をシェル８の下方に固定配置されたサブフレーム１９の中心部に位置する副軸受部１９ａで、それぞれ回転可能に支持されている。

ここで、フレーム３とは、シェル８内部の内周面に固着され、中心部にクランクシャフト４を回転可能に支持するための貫通孔が形成されたものである。このフレーム３は、揺動スクロール２を支持するとともに、クランクシャフト４の上側を主軸受部３ａで回転可能に支持する。なお、フレーム３は、その外周面を焼き嵌めや溶接等によってシェル８の内周面に固定するとよい。
また、サブフレーム１９とは、フレーム３よりも下側に固着され、中心部にクランクシャフト４の下側を回転可能に支持するための貫通孔が形成されたものである。このサブフレーム１９は、クランクシャフト４の下側を副軸受部１９ａで回転可能に支持する。

クランクシャフト４の上端部には、揺動スクロール２を偏心しつつ回転できるように、凹状軸受部２ｄと嵌め合う偏心ピン部４ａが形成されている。クランクシャフト４は、ロータ６の回転に伴って回転し、揺動スクロール２を回転駆動させるようになっている。
その際、クランクシャフト４の回転に伴う遠心力により、油溜り１２に貯留された冷凍機油が、各軸受部（凹状軸受部２ｄ、主軸受部３ａ、及び副軸受部１９ａ、以下同じ）、圧縮室９等の摺動部へ導かれてそれらの潤滑をする。

図２に示すように、クランクシャフト４の偏心ピン部４ａには、円筒状ブッシュであるスライダ１７が装着され、そのスライダ１７が装着された偏心ピン部４ａは、僅かな隙間を有して揺動スクロール２の凹状軸受部２ｄに嵌合されている。また、クランクシャフト４の、偏心ピン部４ａのすぐ下側に位置する部分には、円筒状ブッシュであるスリーブ１８が装着され、そのスリーブ１８が装着された部分は、僅かな隙間を有してフレーム３の主軸受部３ａに回転可能に支持されている。

また、クランクシャフト４は、スライダ１７及びスリーブ１８との間に外周面中央が凸となる鼓状に形成されたクラウニング面４ｂを有し、スライダ１７及びスリーブ１８には、軸方向に向かって横断面が楕円形状の凹部１７ａ、１８ａが形成されている（後述する図３参照）。
なお、図２に示すように、凹部１７ａ、１８ａは有底形状であるが、無底形状であってもよい。

図３は、本発明の実施の形態１に係るスライダ１７の横断面図である。
スライダ１７は中央（厳密に中央でなくてもよい）に、短手辺が弧状の長方形の穴であるスリット１７ｂが形成されている。偏心ピン部４ａは、このスリット１７ｂに嵌合するように、横断面がスリット１７ｂと同様の、短手辺が弧状の長方形に加工されている。このようにすることで、スライダ１７がクランクシャフト４の軸方向に直角な面上の一定方向にしか摺動しないようにしている。なお、弾性変形の効果を高めるため、スライダ１７の凹部１７ａの長径Ｌ２は、スリット１７ｂの長手方向の幅Ｌ１より大きくなるように形成されている。

次に、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の動作原理について説明する。
シェル８に設けられた図示省略の電源端子に通電されると、ステータ７及びロータ６にトルクが発生し、クランクシャフト４が回転する。クランクシャフト４の偏心ピン部４ａに装着されたスライダ１７には、揺動スクロール２が回転可能に嵌合されている。そして、インボリュート曲線にならって第１台板１ｃの一方の面または第２台板２ｃの一方の面に垂直に設けられた渦巻体（第１渦巻体１ｂ、第２渦巻体２ｂ）を有する揺動スクロール２と固定スクロール１とが噛み合うことによって、複数の圧縮室９が形成される。それら圧縮室９は、揺動スクロール２の偏心旋回運動とともに中心に向かって容積を減少させながら移動し、流体が圧縮される。そして、圧縮され高温・高圧の状態となった流体は、吐出管１３からシェル８の外部に排出される。

圧縮工程で揺動スクロール２に作用する圧縮荷重のラジアル方向力、または第１バランサ１５及び第２バランサ１６の遠心力荷重により、クランクシャフト４のたわみ変形が生じた場合でも、クランクシャフト４の外周面中央が凸となる鼓状に形成されたクラウニング面４ｂ上で、スライダ１７及びスリーブ１８との接点が移動する。その結果、スライダ１７及びスリーブ１８は、クランクシャフト４に対し、平行状態のままで回転することができる。

図４は、図１の偏心ピン部４ａ付近の要部拡大図である。
クランクシャフト４の外周面中央が凸となる鼓状に形成されたクラウニング面４ｂと接触するスライダ１７及びスリーブ１８は、軸方向に向かって形成された凹部１７ａ、１８ａに対応した部分で弾性変形してクラウニング形状となり、クラウニング面４ｂを保持する。そして、スライダ１７及びスリーブ１８と、クラウニング面４ｂとの接触面積を増加させることで面圧を低下させ、クラウニング面４ｂの摩耗を防止することができる。

もしクランクシャフト４のクラウニング面４ｂが摩耗した場合、クランクシャフト４にたわみ変形が生じ、凹状軸受部２ｄ内でスリーブ１８、及び主軸受部３ａ内でスライダ１７がそれぞれ傾斜してしまう。そしてそのことが、各軸受部の負荷容量が低下し、各軸受部の摩耗、焼付き等を生じさせる原因となる。したがって、クランクシャフト４のクラウニング面４ｂの摩耗を防止することは、すなわち各軸受部の摩耗、焼付き等によるスライダ１７及びスリーブ１８の表面損傷を防止することになる。

また、スライダ１７はクランクシャフト４の偏心ピン部４ａに装着されているため、クランクシャフト４の回転中心からずれており、クランクシャフト４が回転したときにアンバランスとなるため、軽量であることが求められる。
そこで、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機では、凹部１７ａ、１８ａを設けることで軽量化でき、アンバランス量を減らして圧縮機の振動を低減するという効果も得られる。また、スライダ１７及びスリーブ１８の表面損傷を防止できるため、各軸受部の信頼性を得ることができる。

近年、地球温暖化防止の観点より、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の大きいＨＦＣ４１０Ａ冷媒から、ＧＷＰの小さいＨＦＣ３２冷媒、自然冷媒であるＣＯ２冷媒への切り替えが検討されている。しかしながら、自然冷媒は作動圧力が従来の冷媒と比較して高いため、圧縮工程で揺動スクロール２に作用する圧縮荷重のラジアル方向力が大きくなり、クランクシャフト４のクラウニング面４ｂに作用する荷重も大きくなる。そして、この際に使用する冷凍機油は相溶性が必要との観点から、ポリオールエステル（ＰＯＥ）油の採用を検討しているが、圧力が高いときには粘度が低下し、油膜の確保が困難となる。

したがって、ＨＦＣ３２冷媒、ＣＯ２冷媒において、クランクシャフト４のクラウニング面４ｂに作用する荷重を従来の冷媒よりも低減させることは、各軸受部の信頼性を確保するために重要である。本発明を用いれば、面圧の低減が可能となり、ポリオールエステル（ＰＯＥ）油を用いたとしても各軸受部の信頼性を確保することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るスライダ１７の横断面図である。
以下、本実施の形態２について説明するが、本実施の形態１と重複するものについては省略する。
本実施の形態２では、図５に示すようにスライダ１７の凹部１７ｃの形状が、横断面が円形の穴で構成されている。そのため、本実施の形態１の形状と比較して、例えばドリルのみの加工で実施することが可能であり、コストを低く抑えることができる。また、凹部１７ｃは、スライダ１７の外周に沿って複数形成されている。

スライダ１７に作用する荷重に応じて、穴の位置、径、ピッチを適宜組み合わせて構成することにより、容量帯の異なる圧縮機にも同一のスライダ１７を適用することができ、部品を統一することでさらにコストを低減できる。
なお、凹部１７ｃ、有底形状であっても無底形状であってもよい。また、スリーブ１８の凹部１８ｃの形状に関しても凹部１７ｃと同様である。

１ 固定スクロール、１ａ 吐出ポート、１ｂ 第１渦巻体、１ｃ 第１台板、２ 揺動スクロール、２ｂ 第２渦巻体、２ｃ 第２台板、２ｄ 凹状軸受部、３ フレーム、３ａ 主軸受部、４ クランクシャフト、４ａ 偏心ピン部、４ｂ クラウニング面、５ 吸入管、６ ロータ、７ ステータ、８ シェル、９ 圧縮室、１０ 弁押さえ、１１ 弁、１２ 油溜り、１３ 吐出管、１４ 高圧空間、１５ 第１バランサ、１６ 第２バランサ、１７ スライダ、１７ａ 凹部、１７ｂ スリット、１７ｃ 凹部、１８ スリーブ、１８ａ 凹部、１８ｃ 凹部、１９ サブフレーム、１９ａ 副軸受部、２０ オルダムリング、２０ａ キー部、２０ｂ キー溝、２０ｃ 円環部、３５ 圧縮機構部、３６ 駆動機構部。

Claims (10)

1. 外郭を形成するシェルと、
   前記シェル内に回転可能に支持されるクランクシャフトと、
   前記クランクシャフトを支持する主軸受部と、
   前記クランクシャフトの中心軸に対して偏心して装着される揺動スクロールと、
   前記揺動スクロールとの間に流体を圧縮する圧縮室を形成し、前記シェル側に固定された固定スクロールと、
   前記クランクシャフトに装着される円筒状ブッシュと、を備え、
   前記クランクシャフトは、前記円筒状ブッシュを介して前記主軸受部に回転可能に支持され、前記円筒状ブッシュとの間に外周面中央が凸となる鼓状に形成されたクラウニング面を有し、
   前記円筒状ブッシュは、軸方向に向かって凹部が形成され、前記クラウニング面と接触する箇所が弾性変形することにより、クラウニング形状になる
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 円筒状ブッシュであるスライダを備え、
   前記揺動スクロールは、中心部に形成された有底円筒形状の凹状軸受部を有し、
   前記クランクシャフトは、前記凹状軸受部に嵌合される偏心ピン部を上端部に有し、
   前記偏心ピン部が前記スライダを介して前記凹状軸受部に嵌合される
   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. 前記スライダの凹部は、横断面が楕円形状である
   ことを特徴とする請求項２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記スライダの凹部は、横断面が複数の円形状である
   ことを特徴とする請求項２に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記スライダは中央に、短手辺が弧状の長方形の穴であるスリットが形成されており、
   前記スライダの凹部の長径Ｌ２は、前記スリットの長手方向の幅Ｌ１より大きくなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載のスクロール圧縮機。
6. 前記円筒状ブッシュは、スリーブであり、
   前記スリーブの凹部は、横断面が楕円形状である
   ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
7. 前記円筒状ブッシュは、スリーブであり、
   前記スリーブの凹部は、横断面が複数の円形状である
   ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
8. 前記流体は、ＨＦＣ３２の冷媒である
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
9. 前記流体は、二酸化炭素の冷媒である
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
10. 前記シェルの底部に貯留される冷凍機油は、ポリオールエステル油である
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。

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