JP6207970B2 - スクロール型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、固定スクロール部材と可動スクロール部材とを備え、これらにより形成される密閉空間の容積を変化させることで流体を圧縮又は膨張させるスクロール型流体機械に関し、特に、可動スクロール部材の自転阻止機構に関する。

スクロール型流体機械は、固定スクロール部材と可動スクロール部材を有し、両スクロール部材の互いに対向して噛み合わせた渦巻き状のラップ間に密閉空間を形成するスクロールユニットと、可動スクロールの自転を阻止する自転阻止機構と、を備え、自転阻止機構により可動スクロール部材の自転を阻止しつつ、可動スクロール部材を固定スクロール部材の軸心周りに公転旋回運動させて密閉空間の容積を変化させて流体を圧縮又は膨張させる。

このようなスクロール型流体機械の自転阻止機構として、例えば特許文献１に記載されたようなピン＆ホール方式の自転阻止機構がある。この自転阻止機構は、可動スクロール部材とこの可動スクロール部材のスラスト力を受けるハウジング壁側のどちらか一方に、ピンを突設し、他方にリング穴を形成し、ピンとリング穴との係合により、可動スクロール部材が固定スクロール部材の軸心周りに旋回する際に、可動スクロールの自転を阻止するように構成されている。

特開２００８−２０８７１５号公報

しかしながら、このようなピン＆ホール方式の自転阻止機構の場合、ピンとリング穴周壁との摺接動作におけるＰＶ値（Ｐは面圧、Ｖは周速度）が高く、材料選択の自由度が低く、使用できる材料の選択幅が狭いという問題がある。また、外部の駆動源からクラッチを介して動力が入力される開放型のスクロール型圧縮機では、クラッチをＯＦＦしたときに残存する高圧ガスの膨張により可動スクロール部材が移動して異音が発生するという問題がある。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、材料の選択幅が広く、異音の発生を抑制できる自転阻止機構を備えたスクロール型流体機械を提供することを目的とする。

このため、本発明のスクロール型流体機械は、固定スクロール部材と可動スクロール部材を有し、前記固定スクロール部材と前記可動スクロール部材の互いに対向して噛み合わせた渦巻き状のラップ間に密閉空間を形成するスクロールユニットと、前記可動スクロール部材の自転阻止機構と、を備え、前記自転阻止機構により前記可動スクロール部材の自転を阻止しつつ、前記可動スクロール部材を前記固定スクロール部材の軸心周りに公転旋回運動させて前記密閉空間の容積を変化させるスクロール型流体機械であって、前記自転阻止機構を、前記可動スクロール部材の背面側端面と前記背面側端面と対向して可動スクロール部材からのスラスト力を受けるハウジング壁のどちらか一方に複数の円形穴を形成し、他方に前記円形穴と同数のピンを突設し、前記各円形穴に偏心穴を有する円板を隙間を設けて収容し、前記偏心穴に隙間を設けて前記ピンを嵌合させて前記可動スクロール部材の自転を阻止する構成とし、前記固定スクロール部材の前記ラップと前記可動スクロール部材の前記ラップとの接触により規定される可動スクロール部材の旋回半径をＡＯＲ、前記自転阻止機構の円形穴と円板との前記隙間及び偏心穴とピンとの前記隙間により規定される可動スクロールの最大許容旋回半径と最小許容旋回半径をそれぞれＬＰＯＲ、ＳＰＯＲとしたとき、ＳＰＯＲ＜ＡＯＲ＜ＬＰＯＲの関係を満たしていることを特徴とする。

本発明のスクロール型流体機械によれば、自転阻止機構を、可動スクロール部材側とハウジング側の一方に形成した円形穴に偏心穴を設けた円板を隙間を設けて収容し、他方に偏心穴に隙間を設けて嵌合するピンを他方に突設して、偏心穴とピンとの係合により可動スクロール部材の自転を阻止する構成としたことにより、自転阻止機構におけるＰＶ値を下げることができ、材料の選択幅が広がりコストの低減が可能となる。また、固定スクロール部材と可動スクロール部材の互いのラップ間の接触により規定される可動スクロールの旋回半径ＡＯＲを、円形穴と円板との隙間及び偏心穴とピンとの隙間により規定される可動スクロールの最大許容旋回半径ＬＰＯＲと最小許容旋回半径ＳＰＯＲの範囲内に規制してあるので（ＳＰＯＲ＜ＡＯＲ＜ＬＰＯＲの関係を満たしている）、最大許容旋回半径ＬＰＯＲと最小許容旋回半径ＳＰＯＲを適切に設定することにより、可動スクロール部材を円滑に旋回でき、ラップ間の異常摩耗及び異音発生を抑制できる。これにより、従来、可動スクロール部材の旋回半径ＡＯＲの可変範囲を規定している従動クランク機構の部品の製造コストを低減でき、クランク機構の製造が容易となり製造コストを低減できる。

本発明の一実施形態を示すスクロール型圧縮機の全体構成を示す断面図 スクロールユニットの説明図 自転阻止機構の拡大断面図 自転阻止機構の配置説明図 最大許容旋回半径における自転阻止機構の状態図 最小許容旋回半径における自転阻止機構の状態図 本実施形態の自転阻止機構とピン＆ホール方式のＰＶ値の比較を示す図 本実施形態の自転阻止機構の騒音低減効果を示す実験結果の図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。尚、本発明に係るスクロール型流体機械は、圧縮機あるいは膨張機として使用することができるが、ここでは圧縮機の例で説明する。

図１〜図４は本実施形態のスクロール型圧縮機の構成を示しており、図１は全体構成を示す断面図、図２はスクロールユニットの説明図、図３は自転阻止機構の拡大断面図、図４は自転阻止機構の配置説明図である。

スクロール型圧縮機１は、中心軸方向に対向配置される固定スクロール部材２と可動スクロール部材３とを有するスクロールユニット４を備えている。図２に示すように、固定スクロール部材２は、端板２ａ上に渦巻き状のラップ２ｂが一体に形成されている。可動スクロール部材３は、同様に、端板３ａ上に渦巻き状のラップ３ｂが一体に形成されている。

両スクロール部材２、３は、両ラップ２ｂ、３ｂを噛み合わせ、固定スクロール部材２側のラップ２ｂの突出側の端縁が可動スクロール部材３側の端板３ａに接触し、可動スクロール部材３側のラップ３ｂの突出側の端縁が固定スクロール部材２側の端板２ｂに接触するように配設される。尚、両ラップ２ｂ、３ｂの突出側の端縁にはチップシールが設けられている。

また、両スクロール部材２、３は、両ラップ２ｂ、３ｂの周方向の角度が互いにずれた状態で、両ラップ２ｂ、３ｂの側壁が互いに部分的に接触するように配設される。これにより、両ラップ２ｂ、３ｂ間に三日月状の密閉空間である流体ポケット５が形成される。

可動スクロール部材３は、その中心（軸心）３ｃが固定スクロール部材２の中心（軸心）２ｃに対して偏心して組み付けられ、後述する自転阻止機構３０によって自転が阻止されつつ、駆動機構により固定スクロール部材２の軸心（中心ｃ）回りに両ラップ２ｂ、３ｂ間の接触により規定される旋回半径ＡＯＲで公転旋回運動される。これにより、両ラップ２ｂ、３ｂ間が接触しつつ両ラップ２ｂ、３ｂ間に形成される流体ポケット５がラップ２ｂ、３ｂの外端部から中心部へ向かって移動されることにより、流体ポケット５の容積が縮小方向に変化する。従って、ラップ２ｂ、３ｂの外端部側から流体ポケット５内に取込まれた流体（例えば冷媒ガス）が圧縮される。

尚、膨張機の場合には、流体ポケット５が逆にラップ２ｂ、３ｂの中心部から外端部へ向かって移動されることにより、流体ポケット５の容積が増大方向に変化し、ラップ２ｂ、３ｂの中心部側から流体ポケット５内に取込まれた流体が膨張される。

スクロール型圧縮機１のハウジングは、スクロールユニット４を内包するセンターハウジング６と、その前側に配置されるフロントハウジング７と、後側に配置されるリアハウジング８とから構成されている。

センターハウジング６は、本実施形態では、固定スクロール部材２と一体にスクロールユニット４の筐体部（外殻シェル）として形成されている。但し、固定スクロール部材２とセンターハウジング６とを別部材として、センターハウジング６内に固定スクロール部材２を収納固定する構造としてもよい。センターハウジング６は、リア側が端板２ａにより閉止され、フロント側が開口している。

フロントハウジング７は、センターハウジング６の開口部側にボルト（図示せず）により締結されている。フロントハウジング７は、可動スクロール部材３をスラスト方向に支持すると共に、可動スクロール部材３の駆動機構を収納している。

フロントハウジング７はまた、その内部に、フロントハウジング７の外壁に形成される吸入ポート（図示せず）に接続する上記流体の吸入室９が形成されている。

フロントハウジング７及びセンターハウジング６には、周方向の一部に、膨出部１０が形成されている。膨出部１０の内部には、圧縮機中心軸と平行な方向に延在して、フロントハウジング７側の吸入室９からセンターハウジング６側の両ラップ２ｂ、３ｂの外端部付近へ、上記流体を案内する流体通路空間１１が形成されている。

リアハウジング８は、センターハウジング６の端板２ａ側にボルト１２により締結され、端板２ａとの間に上記流体の吐出室１３を形成している。固定スクロール部材２の端板２ａの中心部には、圧縮流体の吐出孔１４が形成され、吐出孔１４には一方向弁１５が付設されている。吐出孔１４は、一方向弁１５を介して吐出室１３に接続される。吐出室１３は、リアハウジング８の外壁に形成される吐出ポート（図示せず）に接続している。

上記流体は、吸入ポートからフロントハウジング７内の吸入室９に導入され、フロントハウジング７及びセンターハウジング６の膨出部１０内側の流体通路空間１１を経由して、スクロールユニット４の外端部側からラップ２ｂ，３ｂの接触により形成される流体ポケット５内に取込まれ、圧縮に供される。圧縮された流体は、固定スクロール部材２の端板２ａの中央部に穿設された吐出孔１４から、リアハウジング８内の吐出室１３に吐出され、そこから吐出ポートを介して外部に導出される。

フロントハウジング７は、センターハウジング６の開口部側にボルト（図示せず）により締結される外周部の内側に、可動スクロール部材３の端板３ａからのスラスト力を、スラストプレート１６を介して受けるスラスト受け部１７を有する。

フロントハウジング７は、また、中心部に可動スクロール部材３の駆動機構の中核をなす駆動軸２０を回転自在に支承している。駆動軸２０の一端部側はフロントハウジング７外に突出しており、ここに電磁クラッチ２１を介してプーリ２２が取付けられている。従って、プーリ２２から電磁クラッチ２１を介して入力される回転駆動力により、駆動軸２０が回転駆動される。駆動軸２０の他端部側は、クランク機構を介して可動スクロール部材３に連結されている。

前記クランク機構は、本実施形態では、可動スクロール部材３の端板３ａの背面に突出形成された円筒状のボス部２３と、駆動軸２０の端部に設けたクランク２４に偏心状態で取付けた偏心ブッシュ２５と、を含んで構成され、前記偏心ブッシュ２５は前記ボス部２３の内部に軸受２６を介して嵌合している。尚、偏心ブッシュ２５には、可動スクロール部材３の動作時の遠心力に対向するバランサウエイト２７が取付けられる。

自転阻止機構３０は、図３の拡大断面図で示すように、可動スクロール部材３の端板３ａの背面側端面（フロントハウジング７のスラスト受け部１７に対向する）に形成された円形穴３１と、フロントハウジング７のスラスト受け部１７側に突設されてスラストプレート１６を貫通するピン３２と、偏心穴３３ａを有し円形穴３１に隙間を設けて収容された円板３３とを含み、ピン３２を円板３３の偏心穴３３ａに隙間を設けて嵌合させて構成され、ピン３２と偏心穴３３ａの係合により可動スクロール部材２の自転を阻止する構成である。

前記円形穴３１は、図４に示すように本実施形態では端板３ａの外周部寄りに周方向に沿って略等間隔に４個配置されており、ピン３２もスラスト受け部１７の周方向に沿って円形穴３１と同数突設されている。尚、円形穴３１及びピン３２の個数は、本実施形態では４個としたが、少なくとも３個以上を適所に配置することで、自転阻止機構として可動スクロール部材３の自転を阻止することができる。

ここで、円形穴３１が形成される可動スクロール部材３は、軽合金（例えばアルミニウム合金等）で形成されている。また、ピン３２と円板３３は、例えば鉄製である。尚、円板３３については、鉄の他、ポリフェニレンスルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）等の樹脂や軽合金（アルミニウム）で形成してもよい。軽合金を使用する場合、凝着摩耗を回避するために、外周面を凝着摩耗防止用の表面処理を施すことが望ましい。円板３３に樹脂や軽合金を使用すれば軽量化が図れる。

かかる構成のスクロール型圧縮機１の動作について簡単に説明する。外部からの回転駆動力によりプーリ２２が回転すると、電磁クラッチ２１を介して駆動軸２０が回転し、クランク機構を介して可動スクロール部材３が、自転阻止機構３０により自転が阻止されつつ固定スクロール部材２の軸心周りに公転旋回運動する。可動スクロール部材３の公転旋回運動により、流体（冷媒ガス）が吸入ポートから吸入室９及び流体通路空間１１を経由してスクロールユニット４の外端部側からラップ２ｂ、３ｂ間の流体ポケット５内に取込まれ、流体ポケット５の容積の縮小変化によって圧縮された流体は、固定スクロール部材２中央部の吐出孔１４から吐出室１３に吐出される。吐出室１３に吐出された流体は、吐出ポートを介して外部に導出される。

ここで、自転阻止機構３０について詳述する。
自転阻止機構３０は、円形穴３１と円板３３との隙間及び偏心穴３３ａとピン３２との隙間により、図６及び図７に示すように可動スクロール部材３の最大許容旋回半径ＬＰＯＲと最小許容旋回半径ＳＰＯＲを規定している。そして、固定スクロール部材２の中心２ｃに対する可動スクロール部材３の中心３ｃの偏心量により規定される可動スクロール部材３の旋回半径ＡＯＲ、言い換えれば、固定スクロール部材２と可動スクロール部材３の両ラップ２ｂ，３ｂの接触により規定される可動スクロール部材３の旋回半径ＡＯＲが、ＳＰＯＲ＜ＡＯＲ＜ＬＰＯＲの関係を満たすようになっている。

そして、自転阻止機構３０の最大許容旋回半径ＬＰＯＲは、固定スクロール部材２と可動スクロール部材３の製造、組み立てにより生ずる両スクロール部材２，３の中心２ｃ，３ｃの正規の偏心量からのずれ量（芯ずれ量）を考慮し、この芯ずれ量の公差をβとしたとき、ＡＯＲ＋β≦ＬＰＯＲの関係が満たされている。また、最小許容旋回半径ＳＰＯＲは、可動スクロール部材３の公転旋回運動中にラップ２ｂ，３ｂ間に異物が噛み込まれたり液圧縮があった場合の逃げ量を確保するために設定される。このため、最小許容旋回半径ＳＰＯＲは、固定スクロール部材２のラップ２ｂと可動スクロール部材３のラップ３ｂとの接触により規定される可動スクロール部材３の旋回半径ＡＯＲに対して若干の遊びを持たせて設定され、この遊び量をγとしたときに、ＳＰＯＲ≦ＡＯＲ−γとしている。

更に、本実施形態の自転阻止機構３０では、円形穴３１と円板３３との間の隙間Ａを、円板３３の偏心穴３３ａとピン３２との間の隙間Ｂより大きく（Ａ＞Ｂ）している。これにより、偏心穴３３ａとピン３２の曲率半径差を、円形穴３１と円板３３の曲率半径差より小さくでき、面圧が高い偏心穴３３ａとピン３２の接触部におけるＰＶ値を下げることができる。

かかる自転阻止機構３０によれば、固定スクロール部材２と可動スクロール部材３の両ラップ２ｂ，３ｂに隙間が生じたり強く当たったりしても、自転阻止機構３０によって良好に吸収でき、圧縮効率の低下を防止できると共に両ラップ２ｂ，３ｂ間の摩耗を抑制できる。従って、従来では偏心ブッシュを備えた従動クランク機構によって、可動スクロール部材３の旋回半径ＡＯＲを可変にして、両ラップ２ｂ，３ｂ間の過大又は過小な接触を回避するようにしていたが、本実施形態では自転阻止機構３０に可動スクロール部材３の旋回半径規制の機能を持たせた。このため、クランク機構における部品の加工の精度を厳密に管理しなくて済み、クランク機構の製造が容易となって製造コストを低減できる。

また、この自転阻止機構３０では、図７に示すように、ピンとリング穴との係合により可動スクロール部材の自転を阻止するピン＆ホール方式のＰＶ値に比べて、ピン３２と円板３３との嵌合面及び円板３３外面におけるＰＶ値が格段に小さい。このため、材料の選択幅が広がり、クランク機構の製造の容易化と併せてスクロール型流体機械１の製造コストを低減できる。尚、図７は摺動材として軸受鋼を使用し、自動車の空調装置に使用した場合の実験結果である。

また、円形穴３１と円板３３との間の隙間Ａを、円板３３の偏心穴３３ａとピン３２との間の隙間Ｂより大きくすることにより、ＰＶ値を小さくできることに加えて、潤滑油の供給が良好となって耐久性を向上できる。

また、本実施形態のような開放型のスクロール型圧縮機１の場合、電磁クラッチ２１をＯＦＦしたときに残存する高圧ガスの膨張により可動スクロール部材３が移動して異音が発生する。最小許容旋回半径ＳＰＯＲの設定において、遊び量γを小さくすることで前記異音を低減できることが実験で分かった。図８は、従来の従動クランク機構を用い、従動クランク機構の最小旋回半径を規制する側の隙間に厚さの異なるスペーサを入れて音圧レベルを測定した結果を示している。図８からスペーサを入れない場合（図中オリジナルとして示してある）と比較して、隙間を小さくした場合に音圧レベルが低下していることがわかる。この実験結果を踏まえて、本実施形態では、可動スクロール部材３の旋回半径ＡＯＲの最小許容旋回半径ＳＰＯＲ側における遊び量γを０．１５ｍｍ以下にしている。これにより、スクロールユニット４における異音を、従来のピン＆ホール方式の自転阻止機構と比較して抑制でき、スクロール型圧縮機１からの騒音を低減できる。

尚、自転阻止機構３０における円形穴３１をフロントハウジング７側に形成し、ピン３２を可動スクロール部材３側に突設してもよい。但し、この場合、ピン３２の突入長さを可動スクロール部材３の端板３ａの厚さより短くする必要があり、ピン３２が抜け落ちるリスクがある。従って、本実施形態のように、円形穴３１を可動スクロール部材３側に形成し、ピン３２をフロントハウジング７側に突設することが望ましい。

１ スクロール型圧縮機
２ 固定スクロール部材
２ａ 端板
２ｂ ラップ（固定スクロール部材側）
２ｃ 固定スクロール部材の中心
３ 可動スクロール部材
３ａ 端板
３ｂ ラップ（可動スクロール部材側）
３ｃ 可動スクロール部材の中心
４ スクロールユニット
５ 流体ポケット（密閉空間）
６ センターハウジング
７ フロントハウジング
８ リアハウジング
９ 吸入室
１３ 吐出室
１４ 吐出孔
１５ 一方向弁
１６ スラストプレート
１７ スラスト受け部
２０ 駆動軸
２４ クランク
２５ 偏心ブッシュ
２７ ボス部
３０ 自転阻止機構
３１ 円形穴
３２ ピン
３３ 円板
３３ａ 偏心穴
ＡＯＲ 可動スクロールの旋回半径
ＬＰＯＲ 最大許容旋回半径
ＳＰＯＲ 最小許容旋回半径

Claims (10)

1. 固定スクロール部材と可動スクロール部材を有し、前記固定スクロール部材と前記可動スクロール部材の互いに対向して噛み合わせた渦巻き状のラップ間に密閉空間を形成するスクロールユニットと、前記可動スクロール部材の自転阻止機構と、を備え、前記自転阻止機構により前記可動スクロール部材の自転を阻止しつつ、前記可動スクロール部材を前記固定スクロール部材の軸心周りに公転旋回運動させて前記密閉空間の容積を変化させるスクロール型流体機械であって、
   前記自転阻止機構を、前記可動スクロール部材の背面側端面と前記背面側端面と対向して可動スクロール部材からのスラスト力を受けるハウジング壁のどちらか一方に複数の円形穴を形成し、他方に前記円形穴と同数のピンを突設し、前記各円形穴に偏心穴を有する円板を隙間を設けて収容し、前記偏心穴に隙間を設けて前記ピンを嵌合させて前記可動スクロール部材の自転を阻止する構成とし、
   前記固定スクロール部材の前記ラップと前記可動スクロール部材の前記ラップとの接触により規定される可動スクロール部材の旋回半径をＡＯＲ、前記自転阻止機構の円形穴と円板との前記隙間及び偏心穴とピンとの前記隙間により規定される可動スクロールの最大許容旋回半径と最小許容旋回半径をそれぞれＬＰＯＲ、ＳＰＯＲとしたとき、ＳＰＯＲ＜ＡＯＲ＜ＬＰＯＲの関係を満たしていることを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記最大許容旋回半径ＬＰＯＲは、前記固定スクロール部材の軸心と可動スクロール部材の軸心の芯ずれ量の公差をβとしたとき、ＡＯＲ＋β≦ＬＰＯＲの関係が満たされている請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記最小許容旋回半径ＳＰＯＲは、固定スクロール部材のラップと前記可動スクロール部材のラップとの接触により規定される前記旋回半径ＡＯＲの遊び量を考慮し、この遊び量をγとしたとき、ＳＰＯＲ≦ＡＯＲ−γの関係が満たされている請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。
4. 前記遊び量γを、０．１５ｍｍ以下とした請求項３に記載のスクロール型流体機械。
5. 円形穴と円板との前記隙間を、偏心穴とピンとの前記隙間より大きくした請求項１〜４のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。
6. 前記円形穴を形成する部材を軽合金製とし、前記ピンを鉄製とすると共に、前記円板を鉄、樹脂及び軽合金から選択されたいずれか１つの材料で形成した請求項１〜５のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。
7. 前記円板が軽合金製であるとき、外周囲に凝着摩耗防止用表面処理を施す請求項６に記載のスクロール型流体機械。
8. 前記軽合金は、アルミニウム合金である請求項６又は７に記載のスクロール型流体機械。
9. 前記樹脂は、ポリフェニレンスルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）及びポリイミド樹脂（ＰＩ）から選択されたいずれか１つの樹脂である請求項６に記載のスクロール型流体機械。
10. 前記円形穴を前記可動スクロール部材の背面側端面に形成し、前記ピンを前記ハウジング壁に形成した請求項１〜９のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。