JP6139938B2 - 固定スクロール体およびそれを用いたスクロール流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、固定スクロール体およびそれを用いたスクロール流体機械に関し、特には、いわゆる片持ち式のスクロール流体機械の宿命である有害な転覆モーメントを抑制可能な配置構成とした、固定スクロール体およびそれを用いたスクロール流体機械に関するものである。

従来、この種のスクロール流体機械は小型化を図るために旋回スクロールの渦巻体（ラップ）における基礎円中心を旋回スクロールの端板中心から偏心させている。
またスクロール流体機械には、クランク軸の旋回スクロールを駆動する側の偏心軸部側が、軸受部材を介して支持する片持ち支持の、いわゆる片持ち式のスクロール流体機械がある。
また、従来の旋回スクロールでは、ラップにおける基礎円中心が、旋回スクロールの端板中心に対し、ラップの巻終りから巻始め側に向かって１８０度内側に位置する内側位置の外方に、ラップの巻終り端面と端板の外周端面との距離と、ラップの巻終りから巻始め側に向かって１８０度内側の位置における外面と端板の外周端面との距離とがほぼ等しくなるように偏心させている。

しかしながら、以上のような構成では、圧縮室で発生するガス圧力による旋回スクロールの離反力の作用点が端板中心から偏心しているにもかかわらず、旋回スクロールを固定スクロール側へ押し付ける高圧作用室の押し付け力の作用点が端板中心と一致していないため旋回スクロールにいわゆる転覆モーメントが発生してしまう。
その結果、転覆モーメントに打ち勝ち旋回スクロールが固定スクロールから離反させないように、高圧作用室の面積を大きくして押し付け力を確保しなければならず、ここに摺動損失が大きくなるという課題があった。
ここに、圧縮荷重などにより生じる負荷反力が、クランク軸の偏心軸部に作用するために、クランク軸は、たわみを伴い変形する。このため、主軸受部の両端近傍において片当たり現象が生じる。特に、主軸受部の旋回スクロール側端部は、反旋回スクロール側端部よりも大きな負荷が作用するため、より強い片当りを生じやすい。

そこで、特許文献１では、旋回スクロールの背面側に設けられた環状シール体の中心を端板中心からラップの基礎円中心の偏心方向に偏心させたものである。これによって、圧縮室に発生するガス圧力による旋回スクロールの離反力の作用点と、旋回スクロールを固定スクロール側へ押し付ける高圧作用室の作用点がほぼ一致するため、旋回スクロールに働く転覆モーメントが小さくなることで高圧作用室の面積を小さくできるとしている。
しかしながら、特許文献１では、旋回スクロールは、背面側中心軸に突出したボスをクランク軸に結合させて軸受支持し、旋回スクロール外周面近傍は、スラスト方向の力を摺動面で支持する構造であり、渦巻体の基礎円中心の偏心方向に偏心させたとしても、中心部から外周寄りの位置には、スラスト方向の外力の変動に対して少なからぬ影響を受け、耐えられないおそれがある。

本出願人は、これまで、固定スクロールと旋回スクロールとを駆動軸とピンクランク軸受とにより連結して相対的に旋回運動させるスクロール流体機械を製品化してきた。
ここでは、旋回運動をつかさどる軸受は、旋回スクロールと固定スクロールとを介して締結されるハウジングに配設されていた。電動機などから出力される駆動力は、駆動軸を介して一定の偏心量を持つ旋回スクロールに配設された中央部の軸受に伝達され、旋回スクロールに接合される軸受保持部材の外周に配設された少なくとも一つ以上の軸受（ピンクランク軸受）によって自転を阻止しつつ、設定された偏心量によって旋回運動に変換される。

特開２０１２−１０２６１４号公報

以上のようなスクロール流体機械においては、旋回スクロールの回転によって外周側から内周側にかけて圧縮室が移動することにより、半径方向の荷重分布が変化し、ピンクランクには、スラスト方向の荷重によって、ピンクランクを中心に転覆モーメントが生じ、軸受に対する荷重変動による消耗が進み、円滑な旋回運動の妨げともなっている。
本発明は、以上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、ピンクランク軸受方式の自転防止用軸受を有し、いわゆる片持ち式のスクロール機械において、ピンクランク軸受の配置を考慮して、ピンクランク軸受を中心として作用する転覆モーメントを抑制可能な構造とし、安定性に優れる、高効率な固定スクロール体およびそれを用いたスクロール流体機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１にかかる本発明では、ハウジングに固定された固定スクロール体と、該固定スクロール体に対して旋回可能に噛合うことで、圧縮空間を移動可能に形成する旋回スクロール体と、該旋回スクロール体を偏心軸を介して軸着する駆動軸と、前記旋回スクロール体を自転防止可能に支持するピンクランク軸受とを具備する片持ち式のスクロール流体機械において、前記ピンクランク軸受は、前記固定スクロール体側に軸着され、前記固定スクロール体と前記旋回スクロール体とが摺擦する端板対向面に直交する第１軸と、前記旋回スクロール体側に軸着され、前記第１軸に対し偏心する第２軸と、を備え、前記固定スクロール体側の第１軸は、前記固定スクロール体を貫通するとともに、前記固定スクロール体と前記旋回スクロール体とにより形成される圧縮空間の径方向の延長上に存在する。
また本発明の一態様では、端板と端板に設けられる渦巻き状の固定ラップとピンクランク軸受とを含む固定スクロール体において、ピンクランク軸受は、端板に軸部が設けられ、軸部は、端板と固定ラップにより形成される圧縮空間のスラスト方向の範囲内に存在することを特徴としてもよい。

これにより、圧縮空間からの径方向の応力が端板のピンクランク軸受の軸部に及ぼされても、ピンクランク軸受の軸部にかかる転覆モーメントを極力なくすことができる。

これにより、圧縮空間からの径方向の圧力変動によって、径方向に及ぼされる作用力に、圧縮空間のスラスト方向の範囲内にピンクランク軸受の第１軸が位置していることで、ピンクランク軸受にかかる転覆モーメントを極力、抑制することができる。

本発明によれば、ピンクランク軸受方式の自転防止用軸受を有し、いわゆる片持ち式のスクロール機械において、固定スクロール体における圧縮空間の径方向の延長上に、ピンクランク軸受の軸部を位置させることで、ピンクランク軸受の軸部を中心として作用する転覆モーメントを抑制することが可能であり、安定性に優れる、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。

本発明にかかるスクロール流体機械の実施形態の一例を示す断面図である。 図１に示すスクロール流体機械に用いられるピンクランク軸受の拡大説明図である。 図１に示すスクロール流体機械のピンクランク軸受を中心に作用される圧縮空間からの作用力を示す模式的説明図である。

以下、本発明にかかる固定スクロール体およびそれを用いたスクロール流体機械についての実施形態を挙げ、添付された図面に基づいて、詳細に説明する。

図１に、本発明にかかるスクロール流体機械１の実施形態の一例を断面的に示す。
このスクロール流体機械１は、駆動軸の旋回スクロール体を駆動する側の偏心軸部側が、軸受部材を介して支持する片持ち支持の、いわゆる片持ち式のスクロール流体機械を構成している。
かかるスクロール流体機械１について概略説明すると、スクロール流体機械１は、図中、ｘ軸方向左端側を開口した第１ハウジング２と、第１ハウジング２にｘ軸方向に連設され、第１ハウジング２に比較してｙ方向の寸法を大とした第２ハウジング３とを有する。第１ハウジング２内には、ｘ軸方向左端側の開口の中心をｘ軸方向に沿う中心軸ｘ１に同心的に配置した第３ハウジング４を有する。

第３ハウジング４内には、中心軸ｘ_１を回転中心とするファン５が配設される。
また、第２ハウジング３内には、旋回スクロール体６と固定スクロール体７とが配設される。固定スクロール体７は第２ハウジング３、第３ハウジング４に固定される。また固定スクロール体７は、後述するが旋回スクロール体６と固定スクロール体７とを連結するピンクランク軸受におけるベアリング押さえ部材１３を介して第３ハウジング４に固定される。
なお、第２ハウジング３には、冷却空気を取り入れるための複数の取入れ口３in（後述）、第１ハウジング２と第３ハウジング４には、冷却通路が設けられる。

旋回スクロール体６と固定スクロール体７とは、端板６ａ、７ａと、端板６ａ、７ａに設けた渦巻き状の旋回ラップ６ｒ、固定ラップ７ｒとを有する。
旋回スクロール体６の旋回ラップ６ｒは、端板６ａ上に突設され、固定スクロール体７側の固定ラップ７ｒは、端板７ａが旋回ラップ６ｒの高さ分、渦巻き溝状に彫り込まれて形成されている。
以上のような構造により、旋回スクロール体６と固定スクロール体７とは、旋回スクロール体６の端板６ａ上の旋回ラップ６ｒが、固定スクロール体７の端板７ａに彫り込まれた渦巻き溝に係合し、旋回ラップ６ｒと固定ラップ７ｒとが互いに噛合う状態で、それぞれの端板６ａ、７ａの摺擦面がｙ方向に指向するように配設される。そして、旋回ラップ６ｒと固定ラップ７ｒとが互いに噛合うことで、三日月状の圧縮空間Ｓを形成している。なお、旋回ラップ６ｒと固定ラップ７ｒとは、対向する端板６ａ、７ａと接触する先端にチップシール６ｒｓ、７ｒｓが嵌着されている。圧縮空間Ｓには、外側の箇所から圧縮流体が導入されるように導入口（図示省略）が連通され、中央の圧縮空間Ｓには、所定圧の圧縮流体として吐出するように、吐出口８が連通されている。

以上のような旋回スクロール体６は、第３ハウジング４およびファン５を貫いてｘ_１軸に沿って挿通された駆動軸９の先端偏心軸９ａに、軸受部材１０を介して接続されている。偏心軸９ａは、軸心ｘ_２が、ｘ_１軸に対してＬ偏心している。なお、駆動軸９は、図示しない駆動モータの出力軸に接続される。
そして、旋回スクロール体６と固定スクロール体７とは、互いに摺擦する端板６ａ、７ａの外周近傍の複数箇所（ここでは３か所）に、ピンクランク軸受１１が配設されている。
また、固定スクロール体７には、端板７ａの背面側には、冷却用フィンｆ_７が設けられている。なお、旋回スクロール体６側にも、図示は省略しているが、冷却フィンが設けられている。

ピンクランク軸受１１は、固定スクロール体７側の端板７ａにころ軸受１２を介して軸着した第１軸１１ａと、旋回スクロール体６側の端板６ａにころ軸受１２を介して軸着され、第１軸１１ａの軸心に対して軸心をＬ偏心させた第２軸１１ｂとを具備する（図２参照）。また、ピンクランク軸受１１は、第２ハウジング３にベアリング押さえ部材１３を介して固定される。

本発明にかかるスクロール流体機械１は、以上のように構成されるものであり、次に、その動作、作用について説明する。
駆動軸９は、駆動モータが駆動されると、動力が駆動軸９に伝達されて駆動軸９は、ｘ_１軸を中心として回転する。このときファン５も回転し、これにより、第２ハウジング３のｘ軸上流側から冷却用空気が第２ハウジング３内に吸引導入され、第２ハウジング３内の固定スクロール体７の端板７ａ背面のフィンｆ_７を通過し、旋回スクロール体６を通過し、第３ハウジング４、第１ハウジング２の開口部を介して排出され、旋回スクロール体６および固定スクロール体７は、適切に冷却される。また、冷却用空気は旋回スクロール体６および固定スクロール体７を収容する第２ハウジング３に開けられた取入れ口３inから第２ハウジング３内に導入され、旋回スクロール体６および固定スクロール体７の冷却に供せられる。

駆動軸９が、ｘ_１軸を中心として回転すると、旋回スクロール体６は駆動軸９先端の偏心軸９ａに、軸受部材１０を介して接続されており、さらに、旋回スクロール体６と固定スクロール体７との端板６ａ、７ａの外周近傍に設けられているピンクランク軸受１１の第２軸１１ｂが、固定スクロール体７側に軸着された第１軸１１ａに対してＬだけ偏心しているので、旋回スクロール体６は、自転することなく、Ｌを半径として公転することとなる。
これにより、旋回スクロール体６の旋回ラップ６ｒは、固定スクロール体７の端板７ａに彫り込まれた渦巻き溝を、固定ラップ７ｒと噛合いながら移動し、旋回ラップ６ｒと固定ラップ７ｒとにより形成される圧縮空間Ｓを旋回ラップ６ｒおよび固定ラップ７ｒの巻き始め側、すなわち外側の箇所から巻き終り側、すなわち中央側へ移動させることができる。
これにより、圧縮流体は、固定スクロール体７の外側寄りの導入口から圧縮空間Ｓ内に導入され、圧縮空間Ｓが中央箇所に向かって移動していくことで圧縮されていき、中央の圧縮空間Ｓから、所定圧の圧縮流体として吐出口８を介して吐出することができる。

以上のような圧縮動作が行われると、旋回スクロール体６の旋回ラップ６ｒが、固定スクロール体７の端板７ａに彫り込まれた渦巻き溝を、固定ラップ７ｒと噛合いながら移動することで、圧縮空間Ｓは、図中、固定スクロール体７の径方向、すなわちｙ軸方向に沿って、固定スクロール体７の外側から中央箇所に向かって移動するため、圧縮空間Ｓの圧力が時々刻々移動し、変動する。かかる圧力の変動によってｙ軸方向に及ぼされる作用力Ｆ１は、ピンクランク軸受１１の固定スクロール体７の端板７ａに軸着された第１軸１１ａに及ぼされることになる。
しかしながら、圧縮空間Ｓは固定スクロール体７の径方向、すなわちｙ軸方向に形成され、第１軸１１ａがこの圧縮空間Ｓの形成方向の延長上に位置しているため、第１軸１１ａを中心とする転覆モーメントを極力抑えることができる（図３参照）。

以上のように、本実施形態のスクロール流体機械１では、ピンクランク軸受方式の自転防止用軸受を有し、いわゆる片持ち式のスクロール機械１であって、固定スクロール体７における圧縮空間Ｓの径方向の延長上に、ピンクランク軸受１１の軸部、第１軸１１ａを位置させることで、ピンクランク軸受１１の軸部を中心として作用する転覆モーメントを抑制することが可能であり、安定性に優れる、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
また、旋回スクロール体６と固定スクロール体７と、旋回スクロール体６と固定スクロール体７とを連結するピンクランク軸受１１を、一つの第２ハウジング３内に収容される構造であるので、全体容積を抑え、コンパクトな構造とすることができる。

以上のように本発明によるスクロール流体機械によれば、片持ち式のスクロール機械にありがちな有害な振動を抑え、荷重を抑制することで長寿命で高効率なスクロール流体機械を提供することが可能となるので、比較的、低出力の機器、例えば冷蔵庫や除湿機などのヒートポンプ搭載機器にも適用することができる。

１ スクロール流体機械
２ 第１ハウジング
３ 第２ハウジング
３in 取入れ口
４ 第３ハウジング
５ ファン
６ 旋回スクロール体
６ｒ 旋回ラップ
７ 固定スクロール体
７ｒ 固定ラップ
６ｒｓ、７ｒｓチップシール
８ 吐出口
９ 駆動軸
９ａ 偏心軸
１０ 軸受部材
１１ ピンクランク軸受
１１ａ 第１軸
１１ｂ 第２軸
１２ ころ軸受
１３ ベアリング押さえ部材
Ｓ 圧縮空間
ｆ_７ フィン

Claims (1)

1. ハウジングに固定された固定スクロール体と、該固定スクロール体に対して旋回可能に噛合うことで、圧縮空間を移動可能に形成する旋回スクロール体と、該旋回スクロール体を偏心軸を介して軸着する駆動軸と、前記旋回スクロール体を自転防止可能に支持するピンクランク軸受とを具備する片持ち式のスクロール流体機械において、
   前記ピンクランク軸受は、前記固定スクロール体側に軸着され、前記固定スクロール体と前記旋回スクロール体とが摺擦する端板対向面に直交する第１軸と、前記旋回スクロール体側に軸着され、前記第１軸に対し偏心する第２軸と、を備え、
   前記固定スクロール体側の第１軸は、前記固定スクロール体を貫通するとともに、前記固定スクロール体と前記旋回スクロール体とにより形成される圧縮空間の径方向の延長上に存在する、スクロール流体機械。

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