JP7349389B2 - スクロール型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、固定スクロール及び旋回スクロールにより区画される圧縮室の容積を変化させることで、圧縮性流体を圧縮又は膨張させるスクロール型流体機械に関する。

スクロール型流体機械の一例として挙げられるスクロール型圧縮機は、旋回スクロールが固定スクロールの軸心周りに公転することで圧縮室の容積を変化させ、圧縮性流体の一例として挙げられる気体冷媒を吸入、圧縮及び吐出するように構成されている。スクロール型圧縮機では、気体冷媒に含まれる潤滑油によって、旋回スクロールを固定スクロールの軸心周りに公転させるクランク機構などが収容されるクランク室が潤滑されている。具体的には、特開２０００－８０９９５号公報（特許文献１）に記載されるように、固定スクロールの背面から先端面に貫通して延びる油路の先端開口から、オイルセパレータにより気体冷媒から分離された潤滑油を噴射し、これに対向するハウジングの内面に形成された受け溝を通って潤滑油がクランク室へと供給されている。

特開２０００－８０９９５号公報

しかしながら、固定スクロールに対する旋回スクロールの相対回転位置によっては、固定スクロールの油路の先端開口が旋回スクロールの背面によって塞がれ、油路の先端開口から潤滑油が噴射されない状態が定期的に発生する。油路の先端開口から潤滑油が噴射されないと、その期間においてクランク室に供給される潤滑油の絶対量が減ってしまう。

そこで、本発明は、固定スクロールに対する旋回スクロールの相対回転位置にかかわらず、固定スクロールに形成された油路の先端開口から潤滑油が噴射されるようにした、スクロール型流体機械を提供することを目的とする。

スクロール型流体機械は、ハウジングと、ハウジングに固定された固定スクロールと、固定スクロールの軸心周りに公転可能に配置された旋回スクロールと、固定スクロール及び旋回スクロールによって圧縮又は膨張された圧縮性流体から潤滑油を分離するオイルセパレータと、を備えている。そして、固定スクロールの上部に、旋回スクロールのスラスト力を受けるハウジングの円環形状のスラスト受け面に向かう速度成分を有するように、オイルセパレータによって圧縮性流体から分離された潤滑油を先端開口から斜め方向に噴射する油路が形成されている。また、スラスト受け面に、内周端部から外周端部に向かって延びて、油路の先端開口から噴射された潤滑油の少なくとも一部を受ける第１の溝部が形成されている。

本発明によれば、固定スクロールに対する旋回スクロールの相対回転位置にかかわらず、固定スクロールに形成された油路の先端開口から潤滑油を噴射することができる。

スクロール型圧縮機の一例を示す断面図である。 ハウジングの段部を臨む正面図である。 固定スクロールに形成された油路の一例を示す斜視図である。 固定スクロールに形成された油路の一例を示す要部断面図である。 固定スクロールに形成された油路の他の例を示す斜視図である。 固定スクロールに形成された油路の他の例を示す要部断面図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
なお、スクロール型流体機械としては、圧縮機又は膨張機のどちらでも使用することができるが、ここではスクロール型圧縮機を例にとって説明する。

図１は、スクロール型圧縮機１００の一例を示している。
スクロール型圧縮機１００は、例えば、車両用空調機器の冷媒回路に組み込まれ、冷媒回路から低圧の気体冷媒（圧縮性流体）を吸入して圧縮し、冷媒回路に高圧の気体冷媒を吐出する。スクロール型圧縮機１００は、ハウジング２００と、低圧の気体冷媒を圧縮する圧縮機構３００と、圧縮機構３００に外部から回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構４００と、を備えている。ここで、ハウジング２００の下部には、圧縮機構３００及び駆動力伝達機構４００の可動部などを潤滑する、所定量の潤滑油が貯留されている。

ハウジング２００は、圧縮機構３００及び駆動力伝達機構４００を収容するフロントハウジング２２０と、フロントハウジング２２０の開口端に接合されるリアハウジング２４０と、を含んで構成されている。

フロントハウジング２２０の外周面は、リアハウジング２４０との接合面から離れるにつれて、その外径が４段階に縮径する段付円柱形状に形成されている。ここで、円柱形状とは、見た目で円柱形状であると認識できる程度でよく、例えば、その外周面に補強用のリブ、取付用のボスなどがあってもよい（形状については以下同様）。また、フロントハウジング２２０の内周面は、リアハウジング２４０との接合面から離れるにつれて、その外径が４段階に縮径する段付円柱形状に形成されている。従って、フロントハウジング２２０は、その外周面と内周面とが相似形となっており、その全体について略同一の外殻厚さを有する、４段階に縮径する円筒形状に形成されている。さらに、フロントハウジング２２０の周壁の所定箇所には、冷媒回路から低圧の気体冷媒を吸入する、吸入ポートＰ１が形成されている。

以下の説明においては、説明の便宜上、フロントハウジング２２０の段付円柱形状の内周面について、その大径部から小径部にかけて、第１内周面２２０Ａ、第２内周面２２０Ｂ、第３内周面２２０Ｃ、及び第４内周面２２０Ｄと称することとする。

リアハウジング２４０は、フロントハウジング２２０との接合面から離れるにつれて、その中心部が外方へと膨出する半球形状をなしている。従って、リアハウジング２４０は、圧縮機構３００と協働して所定容積を有する吐出室Ｈ１を形成する。また、リアハウジング２４０には、吐出室Ｈ１の気体冷媒から潤滑油を分離する、遠心分離式のオイルセパレータＯＳが組み込まれている。さらに、リアハウジング２４０の周壁の所定箇所には、オイルセパレータＯＳによって潤滑油が分離された高圧の気体冷媒を冷媒回路に吐出する、吐出ポートＰ２が形成されている。

フロントハウジング２２０及びリアハウジング２４０は、フロントハウジング２２０の開口端とリアハウジング２４０の開口端とを接合させた状態で、例えば、締結具の一例として挙げることができる、複数のボルト５００によって分離可能に締結されている。

圧縮機構３００は、フロントハウジング２２０の第１内周面２２０Ａによって区画される円柱形状の空間に配置されている。圧縮機構３００は、フロントハウジング２２０の大径側の開口を閉塞するように配置された固定スクロール３２０と、第１内周面２２０Ａから第２内周面２２０Ｂへと移行する円環形状の段部２２０Ｅと固定スクロール３２０との間に配置された旋回スクロール３４０と、を含んで構成されている。ここで、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅが、スラスト受け面の一例として挙げられる。

固定スクロール３２０は、フロントハウジング２２０の第１内周面２２０Ａの開口端に嵌合される円板形状の底板３２２と、底板３２２の一面から旋回スクロール３４０に向かって延びるインボリュート形状のラップ３２４と、を有している。また、固定スクロール３２０は、第１内周面２２０Ａの開口端において底板３２２の外周面から半径外方へと延び、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０との接合面に挟持される、薄板円環形状のフランジ３２６を更に有している。フランジ３２６の外周縁は、フロントハウジング２２０の開口端の外形に倣った形状に形成され、その板面の複数個所に、ボルト５００の軸部が貫通可能な貫通孔が夫々形成されている。従って、固定スクロール３２０は、そのフランジ３２６を介して、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０との接合面に挟持されることで、フロントハウジング２２０の大径側の開口端を閉塞するとともに、リアハウジング２４０と協働して吐出室Ｈ１を区画する。なお、固定スクロール３２０のフランジ３２６とリアハウジング２４０との間には、図示しないガスケットが配設されている。

旋回スクロール３４０は、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅを臨む位置に配置される円板形状の底板３４２と、底板３４２の一面から固定スクロール３２０に向かって延びるインボリュート形状のラップ３４４と、を有している。底板３４２は、固定スクロール３２０の底板３２２より小さい外径を有し、その他面の外周部が、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅにスラスト力を伝達するように、薄板円環形状のスラストプレート５１０を介して段部２２０Ｅに当接されている。なお、スラストプレート５１０は、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅに対して固定されている。

そして、固定スクロール３２０及び旋回スクロール３４０は、ラップ３２４及び３４４の周方向の角度が互いにずれた状態で、ラップ３２４及び３４４の側壁が互いに部分的に接触するように噛み合わされている。このとき、固定スクロール３２０のラップ３２４の先端部に、旋回スクロール３４０の底板３４２の一面との気密性を確保する、図示しないチップシールを取り付けてもよい。一方、旋回スクロール３４０のラップ３４４の先端部に、固定スクロール３２０の底板３２２の一面との気密性を確保する、図示しないチップシールを取り付けてもよい。従って、圧縮機構３００では、固定スクロール３２０と旋回スクロール３４０との間に、三日月形状の密閉空間である、気体冷媒を吸入して圧縮する圧縮室Ｈ２が区画されている。

固定スクロール３２０の底板３２２の中心部には、圧縮室Ｈ２によって圧縮された気体冷媒を吐出室Ｈ１へと吐出する吐出孔３２２Ａが形成されている。吐出室Ｈ１を臨む底板３２２の他面には、圧縮室Ｈ２から吐出室Ｈ１への気体冷媒の流通を許容するが、吐出室Ｈ１から圧縮室Ｈ２への気体冷媒の流通を阻止する、例えば、リードバルブからなる逆止弁３２８が取り付けられている。

固定スクロール３２０の底板３２２の外周面には、その全周に亘って凹溝３２２Ｂが形成され、ここにフロントハウジング２２０との気密性を確保するＯリング３２２Ｃが嵌め込まれている。また、リアハウジング２４０の開口端面には、その全周に亘って凹溝２４０Ａが形成され、ここに図示しないガスケットとの気密性を確保するＯリング２４０Ｂが嵌め込まれている。

駆動力伝達機構４００は、駆動軸４１０と、クランクピン４２０と、偏心ブッシュ４３０と、バランサウェイト４４０と、電磁クラッチ４５０と、プーリ４６０と、を含んで構成されている。

駆動軸４１０は、小径部４１０Ａ及び大径部４１０Ｂを有する段付円柱形状をなし、その小径部４１０Ａの先端部がフロントハウジング２２０の小径側端部から外部に突出した状態で、フロントハウジング２２０に回転自由に収容されている。具体的には、駆動軸４１０の小径部４１０Ａは、フロントハウジング２２０の第４内周面２２０Ｄの開口側端部に対して、ボールベアリング５２０によって回転自由に軸支されている。また、駆動軸４１０の大径部４１０Ｂは、フロントハウジング２２０の第３内周面２２０Ｃに対して、ローラベアリング５３０によって回転自由に軸支されている。駆動軸４１０の小径部４１０Ａであって、ボールベアリング５２０と大径部４１０Ｂとの間に位置する部位は、例えば、メカニカルシールやリップシールなどのシール部材５４０によって、フロントハウジング２２０の第４内周面２２０Ｄとの気密性が確保されている。なお、駆動軸４１０は、ボールベアリング５２０やローラベアリング５３０などのころがり軸受に限らず、円筒形状のすべり軸受によって回転自由に軸支されていてもよい。

駆動軸４１０の大径部４１０Ｂの軸方向の端面であって、その軸心から偏心した位置には、ここから圧縮機構３００に向かって延びる円柱形状のクランクピン４２０が立設されている。クランクピン４２０の外周面には、円柱形状の外形を有する偏心ブッシュ４３０が相対回転可能かつ偏心状態で固定されている。偏心ブッシュ４３０の外周面は、旋回スクロール３４０の底板３４２の他面（背面）からフロントハウジング２２０の小径側へと向かって延びる円環形状のボス部３４２Ａに対して、その内周面に圧入されたすべり軸受５５０を介して回転自由に軸支されている。また、旋回スクロール３４０のボス部３４２Ａの半径外方には、旋回スクロール３４０の公転に起因する振動を低減するために、旋回部分の重量などを考慮したバランサウェイト４４０が取り付けられている。

旋回スクロール３４０の自転を阻止する自転阻止機構として、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅには、ここから旋回スクロール３４０に向かって延びる、複数の自転阻止ピン５６０が圧入固定されている。複数の自転阻止ピン５６０は、駆動軸４１０の軸心に対して等距離かつ等間隔に配置されている。なお、図１に示すスクロール型圧縮機１００では、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅに４本の自転阻止ピン５６０が圧入固定されているが、その本数は任意とすることができる。また、スラストプレート５１０の板面には、自転阻止ピン５６０が貫通する貫通孔が複数形成されている。

旋回スクロール３４０の底板３４２の他面であって、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅから突出する自転阻止ピン５６０に対向する複数個所には、底板３４２の他面から一面へと向かって延びる円形孔３４２Ｂが夫々形成されている。そして、複数の自転阻止ピン５６０の先端部が、旋回スクロール３４０の円形孔３４２Ｂに内接しつつその軸心周りに公転するように嵌合されている。従って、旋回スクロール３４０は、その自転が阻止された状態で、固定スクロール３２０の軸心周りを公転する。

駆動軸４１０の先端部は、フロントハウジング２２０の小径部の外周面に遊転可能に取り付けられた電磁クラッチ４５０を介して、外部からの動力によって回転するプーリ４６０に連結されている。従って、電磁クラッチ４５０を動作させると、プーリ４６０と駆動軸４１０とが連結され、プーリ４６０の回転力によって駆動軸４１０が回転する。一方、電磁クラッチ４５０の動作を停止させると、プーリ４６０と駆動軸４１０とが切り離され、駆動軸４１０の回転が停止する。このように、電磁クラッチ４５０を適宜制御することで、スクロール型圧縮機１００の動作を制御することができる。なお、外部からの動力としては、例えば、エンジン出力、電動モータ出力などとすることができる。

次に、スクロール型圧縮機１００の作用について説明する。
外部からの動力によって駆動軸４１０が回転すると、その回転力がクランクピン４２０及び偏心ブッシュ４３０を介して旋回スクロール３４０に伝達され、旋回スクロール３４０が自転を阻止された状態で固定スクロール３２０の軸心周りを公転する。その結果、圧縮機構３００の圧縮室Ｈ２の容積が変化し、フロントハウジング２２０の吸入ポートＰ１から内部空間へと吸入された低圧の気体冷媒は、圧縮室Ｈ２で圧縮されながら中心部へと導かれる。圧縮機構３００の中心部へと導かれた気体冷媒は、固定スクロール３２０の底板３２２に形成された吐出孔３２２Ａ及び逆止弁３２８を介して、吐出室Ｈ１へと吐出される。吐出室Ｈ１へと吐出された高圧の気体冷媒は、オイルセパレータＯＳによって気体冷媒と潤滑油とに分離される。

そして、潤滑油が分離された気体冷媒は、リアハウジング２４０に形成された吐出ポートＰ２を介して、冷媒回路へと吐出される。一方、気体冷媒から分離された潤滑油は、詳細を後述するように、固定スクロール３２０の上部に形成された油路３２４Ａの先端開口から噴射される。フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅの所定箇所には、図２に示すように、油路３２４Ａの先端開口から噴射された潤滑油の少なくとも一部を受けて、フロントハウジング２２０の第２内周面２２０Ｂによって区画される円柱形状の空間、即ち、駆動力伝達機構４００のクランクピン４２０、偏心ブッシュ４３０などが配置されているクランク室へと潤滑油を供給する、凹溝形状の潤滑油供給路２２０Ｆ（第１の溝部）が形成されている。

ここで、潤滑油供給路２２０Ｆは、側面視で、駆動軸４１０の軸心と油路３２４Ａの先端開口とを結んだ位置において、段部２２０Ｅの内周端部から外周端部に向けて形成されている。潤滑油供給路２２０Ｆは、段部２２０Ｅの内周端部から、少なくとも油路３２４Ａの先端開口から噴射された潤滑油の少なくとも一部を受けることができる位置まで延びていればよい。なお、潤滑油供給路２２０Ｆの幅、深さ及び形状は、例えば、油路３２４Ａの先端開口から噴射される潤滑油の広がり具合を考慮して適宜決定することができる。

従って、固定スクロール３２０の油路３２４Ａの先端開口から噴射された潤滑油は、吸入ポートＰ１から吸入された気体冷媒の一部と混合しつつ、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅに形成された潤滑油供給路２２０Ｆを通って、クランク室へと供給される。クランク室へと供給された潤滑油のミストを含んだ気体冷媒は、クランクピン４２０、偏心ブッシュ４３０、ローラベアリング５３０、シール部材５４０、すべり軸受５５０などの可動部を潤滑する。

クランク室の可動部を潤滑した潤滑油は、図２に示すように、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅの所定箇所に形成された潤滑油排出路２２０Ｇを通って、フロントハウジング２２０の第１内周面２２０Ａによって区画される円柱形状の空間の下部に戻される。この空間の下部に戻された潤滑油は、フロントハウジング２２０の吸入ポートＰ１から吸入された気体冷媒と混合し、圧縮機構３００の潤滑に供される。

ところで、スクロール型圧縮機１００では、上述したように、旋回スクロール３４０が固定スクロール３２０の軸心周りを公転することで圧縮室Ｈ２の容積を変化させ、気体冷媒を吸入、圧縮及び吐出するように構成されている。従来技術のように、潤滑油を噴射する油路３２４Ａが固定スクロール３２０の背面から先端面に貫通して延びていると、固定スクロール３２０に対する旋回スクロール３４０の相対回転位置によっては、油路３２４Ａの先端開口が旋回スクロール３４０の背面によって塞がれ、油路３２４Ａの先端開口から潤滑油が噴射されない状態が定期的に発生する。油路３２４Ａの先端開口から潤滑油が噴射されないと、その期間においてクランク室に供給される潤滑油の絶対量が減ってしまう。

そこで、固定スクロール３２０の油路３２４Ａは、図３及び図４に示すように、オイルセパレータＯＳによって気体冷媒から分離された潤滑油を、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅに向かう速度成分を有するように、先端開口から斜め方向に噴射する形状に形成されている。具体的には、油路３２４Ａは、固定スクロール３２０の底板３２２の背面からラップ３２４の先端面に向けて軸方向に延びる第１の油路３２４Ａ１と、固定スクロール３２０のラップ３２４の外周面から背面に向けて斜めに延びて第１の油路３２４Ａ１に連通する第２の油路３２４Ａ２と、を含んで構成されている。ここで、第１の油路３２４Ａ１は、固定スクロール３２０の底板３２２の背面からその先端面に開口しない位置まで形成されている。

このような油路３２４Ａを形成するために、油路３２４Ａが形成されたラップ３２４の先端面は、その端部から所定距離に亘って、例えば、フライス加工することで、背面側から先端部側に向かうにつれて切削量が徐々に大きくなる斜面に形成されている。従って、第２の油路３２４Ａ２は、固定スクロール３２０の先端面を斜めに切削加工した斜面上に開口している。固定スクロール３２０の油路３２４Ａは、例えば、ドリル加工によって、その背面から第１の油路３２４Ａ１を形成し、その先端面に形成された斜面から第１の油路３２４Ａ１と連通する第２の油路３２４Ａ２を形成することで、短時間かつ低コストで形成することができる。

また、フロントハウジング２２０の第１内周面２２０Ａには、固定スクロール３２０の油路３２４Ａの先端開口から噴射された潤滑油を受けて、段部２２０Ｅに形成された潤滑油供給路２２０Ｆへと導く潤滑油導入路２２０Ｈ（第２の溝部）が形成されている。ここで、潤滑油導入路２２０Ｈの幅、深さ及び形状は、固定スクロール３２０の油路３２４Ａの先端開口から噴射される潤滑油の広がり具合を考慮して適宜決定することができる。

このようにすれば、固定スクロール３２０の油路３２４Ａは、フロントハウジング２２０の段部２２０Ｅに向かう速度成分を有するように、その先端開口から斜め方向に潤滑油を噴射するため、固定スクロール３２０に対する旋回スクロール３４０の相対回転位置がどこにあろうとも、その先端開口が旋回スクロール３４０によって塞がれることがない。そして、油路３２４Ａの先端開口から噴射された潤滑油は、フロントハウジング２２０の第１内周面２２０Ａに形成された潤滑油導入路２２０Ｈによって受けられ、段部２２０Ｅに形成された潤滑油供給路２２０Ｆへと導かれる。このとき、油路３２４Ａの先端開口から噴射された潤滑油は、斜め上方に向かって噴射されるため、上方に向かう速度成分と、段部２２０Ｅに向かう速度成分と、を有している。このため、潤滑油導入路２２０Ｈによって受けられた潤滑油は、重力に抗して潤滑油導入路２２０Ｈの底面に沿って段部２２０Ｅの方向へと運ばれ、その大部分が潤滑油供給路２２０Ｆへと導かれる。

固定スクロール３２０の油路３２４Ａは、図５及び図６に示すように、固定スクロール３２０のラップ３２４の先端面を切り欠くことで形成することもできる。即ち、固定スクロール３２０のラップ３２４の先端面において、油路３２４Ａの流路の一部が外部に露出するように、ラップ３２４の延びる方向に沿った平面を有する切欠部３２４Ｂを形成する。この切欠部３２４Ｂは、例えば、固定スクロール３２０の上部をフライス加工することで、短時間かつ低コストで形成することができる。また、フロントハウジング２２０の第１内周面２２０Ａには、先の実施形態と同様に、潤滑油導入路２２０Ｈが形成されている。

このようにすれば、固定スクロール３２０の油路３２４Ａを流れる潤滑油は、ラップ３２４の先端面を切り欠いた切欠部３２４Ｂに開口した先端開口から噴射される。このため、油路３２４Ａの先端開口から噴射された潤滑油は、先の実施形態と同様に、上方に向かう速度成分と、段部２２０Ｅに向かう速度成分と、を有するようになる。なお、他の作用及び効果については、先の実施形態と同様であるので、その説明を省略することとする。必要があれば、先の実施形態を参照されたい。

上述した実施形態に関し、スクロール型圧縮機１００は、ハウジング２００の内部に電動モータを内蔵していてもよい。また、オイルセパレータＯＳは、遠心分離式に限らず、例えば、ラビリンス通路により気体冷媒から潤滑油を分離する方式であってもよい。

上記実施形態について、そこで説明された技術的思想を任意に組み合わせ、又はその一部を組み替えることで、新たな変形例を生み出すことができる。従って、本発明は、上記実施形態に記載された内容に限らず、当業者であればこれらから容易に想起し得る技術的思想を含んだものであることを理解すべきである。

１００ スクロール型圧縮機（スクロール型流体機械）
２００ ハウジング
２２０ フロントハウジング
２２０Ｅ 段部（スラスト受け面）
２２０Ｆ 潤滑油供給路（第１の溝部）
２２０Ｈ 潤滑油導入路（第２の溝部）
３２０ 固定スクロール
３２４Ａ 油路
３２４Ａ１ 第１の油路
３２４Ａ２ 第２の油路
３４０ 旋回スクロール
ＯＳ オイルセパレータ

Claims (4)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに固定された固定スクロールと、
   前記固定スクロールの軸心周りに公転可能に配置された旋回スクロールと、
   前記固定スクロール及び前記旋回スクロールによって圧縮又は膨張された圧縮性流体から潤滑油を分離するオイルセパレータと、
   を備え、
   前記固定スクロールの上部に、前記旋回スクロールのスラスト力を受ける前記ハウジングの円環形状のスラスト受け面に向かう速度成分を有するように、前記オイルセパレータによって圧縮性流体から分離された潤滑油を先端開口から斜め方向に噴射する油路が形成され、
   前記スラスト受け面に、内周端部から外周端部に向かって延びて、前記油路の先端開口から噴射された潤滑油の少なくとも一部を受ける第１の溝部が形成された、
   スクロール型流体機械。
2. 前記油路は、前記固定スクロールの背面から先端面に向けて軸方向に延びる第１の油路と、前記固定スクロールの外周面から背面に向けて斜めに延びて前記第１の油路に連通する第２の油路と、を含んだ、
   請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記第２の油路は、前記固定スクロールの先端面を斜めに切削加工した斜面上に開口する、
   請求項２に記載のスクロール型流体機械。
4. 前記ハウジングの内面に、前記油路の先端開口から噴射された潤滑油を受けて前記第１の溝部へと導く第２の溝部が更に形成された、
   請求項１～請求項３のいずれか１つに記載のスクロール型流体機械。