JP7314452B2

JP7314452B2 - スクロール圧縮機用両頭円すいころ偏心接手

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Publication number: JP7314452B2
Application number: JP2019107475A
Authority: JP
Inventors: 司郎澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2039-05-22
Also published as: JP2020190244A

Description

発明の詳細な説明

スクロールポンプの構造は可動側と固定側の一対の渦巻を図３、のように１８０°ずらして偏心させて噛み合わせて、自転せずに旋回すると渦巻の間に接点１２、で京成された三月状の空間容積１１、が中心に向けて旋回移動するに従い収縮する原理で気体を圧縮する。三月形空間の機密は渦巻き翼の半径方向と軸方向の両方を渦巻同士の摩擦摺接で密封する。

可動渦巻きの偏心旋回駆動に使用する偏心接手には、スクロールポンプの国産化当初に下記の偏心接手（Ａ）（Ｂ）の二通りで始まり暫くして三番目の偏心接手（Ｃ）が採用された。（Ａ）は可動渦巻と固定渦巻の側面にキー溝を設けて十字のキーブロックを挟んでキーをスライド摺接させて自転せずに偏心して回す１８２８年発明のオルダムカップリングと、これに鏡板のスラスト受で成る。（Ｂ）はボール式の転がり偏心接手である。（Ｃ）は駆動側に複数の細いピンを軸方向に突き出して固定しピンの先を可動側渦巻の背面の複数の小径穴と係合して旋回する所謂大道芸の皿回し方式で、これに鏡板のスラスト受けで構成される。

１９９６年の京都議定書以降脱フロンが提唱されて炭酸ガス冷媒が浮上した、ところがフロンに比べて１０倍もの高圧を要する超臨界炭酸ガスをスクロール式に用いると例えばスクロールの外径がΦ１００ｍｍ程度では、スラスト荷重５００ｋｇ～１０００ｋｇ、への対応を要した。

特開２００３－１６６５２８（ボールスラストの保持器で受圧）特開２００６－３０８００４（ニードルスラストの積層）特開２０１２－２１９８０９ディンプル加工のスラスト受け特開２００１－０５６０２５（両頭円すいころスラスト軸受）特許第６４５４９１４（両頭円すいころ使用）

現在実用中の前記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の偏心接手が抱える、摩擦損失、摩耗、漏れ、バックラッシュ騒音、耐久性、速度２万～３万ｒｐｍへの対応性の課題を以下に説明する。本来スクロールの利点は高速性に優れ静粛、高効率にある。ところが前記（Ａ）のオルダム接手は、力の伝達経路に摩擦で擦れ合う摺接面が累計で、２５箇所も介在する、そのため摩擦損失は大きく、スライド部の高速揺動の潤滑不足、角速度の不等性、累積誤差によるバックラッシュのガタ、渦巻の隙間の漏れと騒音、摩耗、耐久性の課題がある。前記（Ｂ）のボールカップリングは、高圧の炭酸ガス冷媒では渦巻の旋回円の直径が小さ過ぎて寸法上成立しない。（Ｃ）は背圧利用の動圧ディンプルの油溝付きスラスト受で油膜の温度変動と応力変形によるミスアライメントなどで金属接触は免れず強度を要するＣＯ２冷媒ヒートポンプでは強度不足で且つ速度が僅か７０００ｒｐｍ以下である。

特許文献１の特開２００３－１６６５２８は、前述の課題を克服するために考え出されたものでボールでスラストを受け、ボールが摩耗して寸法が縮小すると代りにボールを保持する保持器の側面が代りに受け皿になる案である。ところが幾何学的にボールの公転速度は相手側軌道面の半分の速さであるので転がりとスベリの混在して擦過焼け付きを起こす錯誤発明である。

先行技術文献２（特開２００６－３０８００４）は、高定格荷重期待のローラーの転がり方向をＸとＹに分けて二枚を重ねたものであるが、旋回スクロールのスラスト荷重は転覆させる荷重が働くため周上の半分は重負荷ゾーンで残り半分は軽負荷ゾーンになる。高速の揺動振幅では軽負荷ゾーンのローラーの慣性抵抗が大きく振幅に追随せずに早期摩耗で中止となった。

この部位のスラスト荷重の軽減策として古くから背圧で軽減する実施例があるが、転がり軸受では背圧による負荷の軽減は次の理由で成立しない。理由とは転がり軸受では軌道とのトラクションでころが自転しながら公転する、そこに背圧でころの負荷を軽減すると、ころ自体のトラクショが減りころの周囲の油の粘着抵抗に負けてころが滑って摩耗する。特に１２０００ｒｐｍ以上では、ころは毎秒２００回転以上であり、ころに急に負荷がかかった瞬間ころはスリップして追随できずに油膜切れを起こして擦過損傷を生ずる。とくにスクロール圧縮機では、前述したようにスラスト反力が偏心した転覆反力になるので周上半分は大負荷圏で反対側は小負荷圏になる。当該スラスト荷重を背圧で軽減すると前記の小負荷圏側が面圧不足でトラクションが得られず自転せずに転がりとスベリが混在して擦過損傷の恐れで背圧による前記スラスト受け面の負荷軽減はできなかった。

特許文献５の特許第６４５４９１４号は、ラジアル荷重とスラスト荷重を同時に受けて、然もラジアル、スラスト共に差動スベリ、スピンスベリが全く存在しない純粋の転がり接触を成す両頭円すいころ使用の偏心接手が出現した。これを用いた力の伝達経路を図１に示す、駆動軸４４、の入力で偏心してクランクピン５、が旋回するとクランクピン外周のローラー１１、を介して旋回側のガイド部材２、に伝わりガイド部材２、が旋回する。ガイド部材２、には軌道円２ａ、と固定側ガイド部材３、にも軌道円３ａ、があり、両者が偏心して重なってできるダ円穴内に該ころ１、が図２、のように収納される。渦巻翼はガイド部材の穴の内周軌道２ａ、３ａ，に係合する両頭円すいころ１、とがキーになって自転が禁じられて、旋回側ガイド部材２、の内径とクランクピンとの間に設けた半径方向に付勢するバネ（図示せず）で押圧される。

本構造で当該両頭円すいころの旋回自転の速さは、駆動軸４４、が２万ｒｐｍの場合、ころの自転速度は毎秒４８０／ｓｅｃになる、この高速でころがスティックスリップするとたちまち摩耗する。これを防ぐには、ころはスラスト軌道面の旋回に確実に同期させる必要があり強制駆動の自転である、これをガイド穴内周ところとの予圧及びラジアル荷重負荷で実現する。

ころの真円度１ミクロン精度で旋回渦巻のＴＩＲ（旋回円の読み径）が規制される仕組みでこの精度で旋回すると図３、の１２、の渦巻同士が非接触が保たれて擦れ合うことなく密封できる。従って伝達経路では当該ころの、転がり摩擦係数μ＝０．０００３（実測値）以外に接触箇所はない。

当該両頭円すいころ接手の課題は、高圧用途に置ける強度不足である。該両頭円すいころが線接触する際のスラストの軌道面との接触長さは、渦巻の旋回半径寸法と同じなので、仮に旋回半径が６ｍｍではころが線接触する長さは６ミリになる、そのヘルツの弾性接触面積は硬さがＨＲＣ６５の軸受鋼のヤング率２１，１００では０．４ｍｍ^２ミリ以下である。ころが軌道輪の周上に１０個配置したと仮定すると一個当たり分担荷重は７０ｋｇｆで接点の面圧は、１７５ｋｇｆ／ｍｍ^２に達する。図３、に示す渦巻の摺接面１１，１２、を非接触にするために渦巻の半径方向の圧縮反力のラジアル荷重を両頭円すいころ負担させることとなりころの外周表面はスラストとラジアルの両荷重を兼用で負担するので疲労剥離寿命が短くなる。因みに特許文献４、特開２００１－０５６０２５、はスラスト荷重のみを負担する構造であるが、当該明細書の［００６４］に記述のΦ６ミリ程の小径の両頭円すいころの場合、外径がΦ１００ｍｍ、程の軌道円周上に４８個もの大量配置する案が公開された、コストと複雑さで実施困難である。図９

当該両頭円すいころは過去に転がり軸受用のローラーには存在しなかった新しい機能を有することが特許文献５、で開示している。本願はその機能に依拠する。つまり図７に示す旋回側と固定側の旋回部材２、３、のポケット穴の軌道内周２ａ、３ａ、に渦巻の圧縮で生ずる反力のうちの半径方向と渦巻の自転を止める力を合成した図７、の矢印４２、の力で前記軌道内周２ａ、３ａに両頭円すいころ１、の外周表面が押し付けられる。この力は渦巻が旋回することで生ずる力とクランクピンと渦巻の間のばねによる予圧とで常に両頭円すいころ１、を強制的に自転させる。例え両頭円すいころ１、がスラスト軌道輪９，１０、から浮き上がっていても、またその他の自転を阻害する要因が当該両頭円すいころに働いても自転するという特徴を有する。

その原理を用いたのが請求項１、の手段で、スクロール形圧縮機の旋回渦巻の背面に装設された両頭円すいころ使用の偏心接手において、両頭円すいころが旋回する部位に背圧を印加して前記背圧の力で両頭円すいころが、前記両頭円すいころを支承するスラスト軌道面から離れても圧縮で生ずる半径方向の反力で、旋回側ガイド部材と固定側ガイド部材のガイド穴の内周面に前記両頭円すいころの外周が押し付けられて強制的に転がることで前記スラスト軌道面の旋回運動に両頭円すいころが確実に同期して転がって旋回する原理を用いた両頭円すいころ使用の偏心接手。

請求項２、の手段。請求項１の両頭円すいころ使用の偏心接手において、両頭円すいころが旋回する部位の流体の圧力を遮断するシール部材を両頭円すいころをガイドする旋回側ガイド部材と固定側ガイド部材の間に具備した両頭円すいころ使用の偏心接手。

両頭円すいころ使用の接手に背圧を追加することで圧縮機の高圧化が可能になり、その上旋回渦巻と固定渦巻とが非接触のため摩擦、摩耗は生じないばかりか高速にも対応できる。漏れが少ない、バックラッシュの騒音を減らし、耐久性に優れ、現行品の摩擦損失と圧縮の漏れ損失で圧縮機の総損失の８０％を無くすことが出来、渦巻の材質を問わない。エアーーコンプレッサー用途では接手をグリース密封形にすることで、冷凍機油も不要でオイルフリー化が可能になる。現在世界で年間３千万台以上のスクロール型空調用圧縮機が出荷されており、これを当該発明技術に変更すると１０年間で約３億台以上がフロン全廃、炭酸ガス冷媒化できて地球温暖化抑制効果は大きい。

【図１】請求項１の実施例２の断面略視図
【図２】請求項１の実施例２、の断面拡大図（ａ）平面略視図（ｂ）
【図３】スクロール渦巻の旋回側と固定側の噛み合い断面略視図
【図４】旋回と固定側ガイド部材と、両頭円すいころと、中間プレートの関係作用説明図
【図５】中間プレートのシール摺動面積
【図６】請求項２、中間プレートを使用しない場合の旋回展開図
【図７】両頭円すいころの旋回位置と中間プレートのガイド穴の相関作用図
【図８】両頭円すいころに案内される中間プレートの相関
【図９】特許文献１、特開２００１０－０５６０２５、図７両頭円すいころを大量に配置した実施例

背圧を印加した場合の転がり接触における疲労剥離寿命への延命効果は次式で得られる。転がり軸受のＪＩＳに記述の９０％定格寿命Ｌ、と定格荷重容量Ｃ、と荷重Ｐ、の関係式では、Ｌはグループの９０％が到達し得る総回転数で、Ｌ＝（Ｃ／Ｐ）^３．３で求められる。Ｌ、は荷重、Ｐ、が小さくなると３．３乗に比例して長くなる。

試算では、例えば渦巻の外径がΦ１００ｍｍ、内径がΦ４０ｍｍ、渦巻の翼のスパイラルリブの厚さを差し引いた面積になるので、面積は５５ｃｍ^２で、圧縮圧力１０ＭＰａでは圧縮ガスのスラスト反力はは図２、の矢印３３は、５５０ｋｇｆになる。旋回渦巻の反対側の両頭円すいころが旋回する部位の背圧の受圧面積Ｓ、は外径Φ１００ｍｍ、内径Φ４０ミリのドーナツ形の受面とするとＳ、は２８ｃｍ^２になる、これに背圧１０ＭＰａを印加すると背圧の逆スラスト力図２、の矢印３２、は２８０ｋｇｆになるので両頭円すいころのスラストの負担３３、は２７０ｋｇｆになる、寿命の総回転数Ｌ、で評価するとＬ、はＣ／Ｐの３．３乗なので９．２倍になる。翻って［特許文献２］特開２００６－３０８００４、のニードルローラーのＸ、Ｙ配列揺動の積層形における機能不全、並びに特許文献４、の明細書［００６４］記述並びに図９、の両頭円すいころの４８個の大量使用の案は実現不可能であるのに対して本発明では両頭円すいころの数を増やさずとも背圧とシールだけで解決する。

請求項２の実施上の要件は、前記の密封機能は真空シール並みの機密性で半永久的寿命でなければならずまた通常の直線方向の摺動でなく小円を描く高速の旋回ワイパーであるので摩擦、摩耗を減らすために摺動面の精度と粗さと距離と摺動速度を減らす必要がある、図１、のガイド部材２，３の平坦度と反りを０．０３ｍｍ、以下で粗さを鏡面にする。両頭円すいころの真円度は０．００１ｍｍ以下にして、シール材３８、を摩擦係数の低いフッ素樹脂でこれをＯリング３７、でバックアップする。図２、の旋回渦巻き翼２、と、ハウジング５４、の間に摺接するシール部材３８、３９、を設けて両頭円すいころが転動する空間部位３１、を隔離して機密を保つ。ガイド部材の２，３、は相手側渦巻にビスで固定し合わせ面の３４，３５、を封じる。前記密封された空間部位３１、に圧縮の背圧を連通孔３０、を通じて印加する、すると両頭円すいころが転動する密封空間３１、の圧力は逃げずに受圧面積に比例した矢印方向の反力３２、が生じて圧縮のスラスト荷重矢印３３、と相殺される。印加された背圧はシール３８、の側面にも作用するが、シールが介在するスキマ４０、が微小で摺接面に対して直角の横方向に働くのでシールには影響せず旋回の摺動面は湿潤しドライ化することはない。

実施例１、一般軸受のローラーと同等の真円度０．００２ミリ以下とすると旋回渦巻き翼と固定渦巻き翼のシールが介在するスキマ寸法の誤差は自動的に０．００２ミリにガイド部材の精度の厚さ不同０．０１ｍｍを加えた値になる。これが本発明の両頭円すいころの精度で得られる高圧、高速のシールの信頼性の根拠である。また両頭円すいころは純粋の転がり接触であるので摩耗紛は生じない、従って摩耗紛でシールが摩耗することはない。

シールが摺接する相手側のガイド部材２，３、は、軸受鋼の焼き入れ硬化後に鏡面仕上げなのでワイパー形メカニカルシールの摺動面には好適である。シールの材料は、摩擦係数の小さな自己潤滑性のフッ素樹脂、金属（図示省略）セラミック（図省略）または磁性流体（図省略）にする。

実施例２両頭円すいころ１図６、は中間プレートを使用せず、旋回側ガイド部材２、または３、の何れかにシール部材３８、を装着して片方に摺接させるもので、この場合図６、の下部に示すようにシールリップがガイド部材からはみ出ないため摺接面積は３９、の外径になる実施例３高速対応にはシールの旋回摺接距離を小さくするため図１，２、に示す旋回渦巻き翼と固定渦巻き翼の間にシールを摺接させる中間プレート１６、を設ける。その作用図を図４、に示す。

中間プレート１６、は両側からシール部材３８、で挟まれて同時にセンタリング穴内径１６ａを両頭円すいころ１、に遊篏させて両頭円すいころ１でセンタリングする。その両頭円すいころ１、と中間プレート１６、のセンタリング穴１６ａ、の作用関係を図７、に示す。こうすると旋回渦巻き翼と固定渦巻き翼の相対旋回面積はは図５の面積３８ａの様に図６の３９、の半分になる。

中間プレート１６、を図８、のように外側を１６、と内側１５、に分割しても良い、１６、の内径の両頭円すいころの旋回に摺接させる案内面１６ｂ、は旋回して下死点にくると１６ｃ、の位置になる、内側のプレート１５、は同様に１５ｂ、が旋回して下死点に来ると１５ｃの位置になる。

スクロール式圧縮機の高速性、効率、静粛性、小型化を可能にすることで冷暖房用の圧縮機では、地球温暖化係数１の自然冷媒への切り替えを容易にする。コンプレッサー用途では渦巻が完全に非接触なので渦巻の材質を問わないし信頼性が増しタービン同様に高速化できてエネルギ回収用膨張機、真空ポンプ、過給機などへの途化が広がる。

符号の説明
１・・両頭円すいころ
２・・旋回側ガイド部材
２ａ・・ガイド部材内周面
３・・固定側ガイド部材
５・・クランクピン
９、１０・・軌道輪
１１・・ローラー
１２・・渦巻の摺設面
１３・・圧縮空間容積
１６ａ・・中間プレートセンタリング穴
１６・・中間プレート
３２・・背圧のスラスト荷重
３３・・軸受スラスト荷重
３８・・シール
３９・・シール摺設面積
４１・・旋回側ガイド部材の旋回中心４２・・ラジアル荷重
４４・・圧縮機の入力軸

Claims

スクロール形圧縮機の旋回渦巻の背面に装設された両頭円すいころ使用の偏心接手において、両頭円すいころが旋回する部位に背圧を印加して前記背圧の力で両頭円すいころが、前記両頭円すいころを支承するスラスト軌道面から離れても圧縮で生ずる半径方向の反力で、旋回側ガイド部材と固定側ガイド部材のガイド穴の内周面に前記両頭円すいころが押し付けられて強制的に転がることで前記スラスト軌道面の旋回運動に両頭円すいころが同期して転がって旋回することを特徴とした両頭円すいころ使用の偏心接手。