JPWO2015025416A1 - 回転機械及び冷凍サイクル機器 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、回転運動する軸の外周面とすべり軸受との間に存在する潤滑油による油膜のせん断抵抗を低減することにより、流体潤滑時の軸受損失を低減すると共に、高負荷運転時においても軸受としての信頼性を維持できる回転機械及び冷凍サイクル機器を提供することにある。本発明の回転機械は、回転運動する軸と、軸が挿入される穴を有するハウジング部と、ハウジング部の穴内の軸方向における一方の端に最も近く配置される第１軸受部と、他方の端に最も近く配置される第２軸受部と、第１軸受部と第２軸受部との間に配置され、構成する主たる材料の線膨脹係数がハウジング部、第１軸受部、第２軸受部、及び軸よりも小さく、かつ、軸の回転起動前において軸の外周面との間の隙間が第１軸受部及び第２軸受部よりも大きい中間軸受部と、を備える。

Description

本発明は、回転機械及び冷凍サイクル機器に関し、特に、回転運動する軸の外周面に対して潤滑油を介して摺動するすべり軸受部を備える回転機械及び冷凍サイクル機器に関する。

回転機械としてのスクロール圧縮機は、渦巻き状の歯型形状を有する２つのスクロール部材を相対的に旋回運動させることにより、冷媒等の気体を圧縮する圧縮機である。スクロール圧縮機では、一般に、ネジ締結や溶接等で拘束された固定スクロールに対して、もう一方の可動な旋回スクロールが旋回運動するように構成される。

旋回スクロールには、クランク軸の偏心部と係合して摺動する旋回すべり軸受が設けられる。そして、クランク軸の偏心部と旋回すべり軸受とが潤滑油を介して摺動しながら、クランク軸の偏心部の振れ回り回転運動が旋回スクロールに伝達されて旋回スクロールが旋回運動させられる。電動機のロータに接続されて回転運動するクランク軸は、スクロール圧縮機内に固定された主軸受及び副軸受と呼ばれるジャーナルすべり軸受に対して潤滑油を介して摺動することにより支持される。

例えばエアコンに搭載される冷媒圧縮用のスクロール圧縮機においては、一般に、低回転速度かつ低負荷な運転条件における損失低減が、エアコンの年間を通じた消費電力削減に対して特に効果が大きいことが知られている。近年、この低回転速度かつ低負荷な運転条件において、クランク軸とすべり軸受との摺動により生じる軸受損失の低減が課題となっている。

軸受損失の低減を図るようにした従来技術としては、特開２００３−２３９８７６号公報（特許文献１）に記載のものがある。この特許文献１には、「旋回スクロール５の下部に形成されたハブ８の挿入溝８ａにフローティングリング部材１１０が自転と空転自在に保持され、フローティングリング部材１１０の中心には、回転軸４の偏心部４ａに固定されたスライドブッシュ１０が挿入されてスクロール圧縮機の摩擦損失低減装置を構成する」と記載される（要約参照）。

一般に、２つの面が潤滑油を介してすべり摺動する軸受等の摺動部においては、すべり速度の増加に伴い、油膜せん断による軸受損失が増加することが知られている。特許文献１に記載の技術では、潤滑油で満たされた回転軸の偏心部に固定されたスライドブッシュとハブとの間の空間に、自転可能なフローティングリング部材を配置した構造となっている。これにより、回転軸の偏心部に固定されたスライドブッシュとハブとの間で生ずる摺動を、スライドブッシュ外周とフローティングリング部材内周との間での摺動と、フローティングリング部材外周とハブ内周との間での摺動とに分散させることができる。このため、各摺動部位における相対すべり速度が小さくなり、油膜せん断による軸受損失が低減される。

他の従来技術としては、特開２００８−１０１５３８号公報（特許文献２）に記載のものがある。この特許文献２には、「軸受は、主軸部７ａを軸支する主軸受６ｃと、クランク部７ｂを軸支するクランク軸受４ｃとを有する。主軸受６ｃはクランク側主軸受６ｃ１とこのクランク側主軸受に隣接した電動機側主軸受６ｃ２とで構成される。クランク軸受４ｃ及びクランク側主軸受６ｃ１は黒鉛を含む炭素質基材の気孔に金属を含浸したカーボン軸受で構成される。電動機側主軸受６ｃ２は板材を巻いて形成した巻きブッシュで構成される。」と記載される（要約参照）。

特許文献２に記載の技術では、面圧の高い高負荷部となるクランク軸受及びクランク側主軸受をカーボン軸受で構成することにより、境界潤滑状態における耐摩耗性や耐焼付き性などの信頼性を確保している。

特開２００３−２３９８７６号公報 特開２００８−１０１５３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、回転軸の回転速度が低下するにつれ、一般的なすべり軸受よりも油膜が形成しにくくなり、フローティングリング部材との間で直接接触が起きやすくなるという課題がある。

また、特許文献２に記載の技術では、潤滑性を有するカーボン軸受を使用することにより、油膜形成が困難な状態においてクランク軸と軸受とが直接接触を伴う摺動をする際の接触摩擦による軸受損失は低減され得る。しかし、通常の油膜形成時においては、油膜のせん断抵抗を低減する効果は殆ど無く、したがって、軸受損失の低減は極めて限定的であった。

本発明の目的は、回転運動する軸の外周面とすべり軸受との間に存在する潤滑油による油膜のせん断抵抗を低減することにより、流体潤滑時の軸受損失を低減すると共に、高負荷運転時においても軸受としての信頼性を維持できる回転機械及び冷凍サイクル機器を提供することにある。

本発明の回転機械は、回転運動する軸と、軸が挿入される穴を有するハウジング部と、ハウジング部の穴内の軸方向における一方の端に最も近く配置される第１軸受部と、他方の端に最も近く配置される第２軸受部と、第１軸受部と第２軸受部との間に配置され、構成する主たる材料の線膨脹係数がハウジング部、第１軸受部、第２軸受部、及び軸よりも小さく、かつ、軸の回転起動前において軸の外周面との間の隙間が第１軸受部及び第２軸受部よりも大きい中間軸受部と、を備える。

本発明によれば、回転運動する軸の外周面とすべり軸受との間に存在する潤滑油による油膜のせん断抵抗を低減することにより、流体潤滑時の軸受損失を低減することができると共に、高負荷運転時においても軸受としての信頼性を維持することができる回転機械及び冷凍サイクル機器を提供することができる。

スクロール圧縮機の縦断面図 主軸受付近の拡大断面図（比較例） 主軸受付近の拡大断面図 スクロール圧縮機が高負荷運転する際の主軸受付近の拡大断面図 中間ブッシュとクランク軸との間の隙間の拡大率と相対軸受損失との関係を示すグラフ 中間ブッシュとクランク軸との間の隙間の拡大率と相対最小油膜厚さとの関係を示すグラフ 第１実施形態の第１変形例に係る主軸受付近の拡大断面図 第１実施形態の第２変形例に係る主軸受付近の拡大断面図 第１実施形態の第３変形例に係る主軸受付近の拡大断面図 ロータリ圧縮機を示す縦断面図

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
≪第１実施形態≫
まず、図１〜図６を参照しながら本発明の第１実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るスクロール圧縮機１００を示す縦断面図である。すなわち、この第１実施形態では、本発明の回転機械について、冷媒ガスの圧縮を行うスクロール圧縮機１００の例を用いて説明する。

図１に示すように、スクロール圧縮機１００は、エアコンなどの空調装置や冷凍装置などの冷凍空調用に使用される密閉形の圧縮機である。スクロール圧縮機１００は、筐体を成す密閉容器１０２を有しており、密閉容器１０２内の上部には、固定スクロール１０３と、固定スクロール１０３と噛み合って旋回運動する旋回スクロール１０４とが設けられる。固定スクロール１０３及び旋回スクロール１０４は、それぞれ渦巻き状の歯型形状部を有する。

また、密閉容器１０２内には、回転動力源としての電動機１０５が設けられており、電動機１０５のロータにはクランク軸（軸）１０６が接続される。電動機１０５に接続されて回転運動するクランク軸１０６は、密閉容器１０２内に固設されたフレーム１０７に設けられた主軸受（すべり軸受）１０８、及び下フレーム１０９に設けられた副軸受１１０により、回転自在に支持される。

クランク軸１０６の上部には、クランク軸１０６の主軸受１０８及び副軸受１１０により支持される部分の軸心に対して偏心した軸心を有する偏心部１０６ａが設けられる。この偏心部１０６ａは、旋回スクロール１０４の端板１０４ａの下面（背面）側に設けられた旋回軸受１１２と係合して摺動し、偏心部１０６ａの振れ回り回転運動（偏心運動）が旋回スクロール１０４に伝達される。

旋回スクロール１０４は、オルダムリング１１３により自転が規制されており、固定スクロール１０３に対して旋回運動をする。オルダムリング１１３は、旋回スクロール１０４の端板１０４ａの下面（背面）側に形成された溝とフレーム１０７に形成された溝とに装着される。電動機１０５により回転駆動されるクランク軸１０６を介して旋回スクロール１０４が旋回運動すると、吸入口１１４から低圧の冷媒ガスが吸い込まれて、旋回スクロール１０４及び固定スクロール１０３により形成される圧縮室に導かれる。ここで冷媒ガスは、スクロール１０３、１０４の中心方向に移動するに従い容積を縮小し圧縮された後、吐出口１１５を介して外部へ吐出される。

クランク軸１０６の内部には、その軸方向に沿って下端から偏心部１０６ａの端面（上端面）側まで貫通する給油孔１１６が設けられる。冷媒ガスの吐出圧力を利用した後記する圧力差により、又は、クランク軸１０６の下端部に別途取り付けられたポンプ（図示せず）により、密閉容器１０２の下部に溜められた潤滑油１１７が給油孔１１６を通じて押し上げられ、各軸受（主軸受１０８、副軸受１１０、旋回軸受１１２）の内周面とクランク軸１０６外周面との間の隙間に供給される。

ここでは、密閉容器１０２内は吐出圧力となり、また、旋回スクロール１０４の端板１０４ａの下面側に形成される中間室（背圧室）１１８は吐出圧力と吸込圧力との中間の圧力となる。このため、密閉容器１０２下部に溜められている潤滑油１１７は、吐出圧力と中間圧力との圧力差により、給油孔１１６を介して各軸受１０８、１１０、１１２などに供給される。

図２は、比較例としてのスクロール圧縮機における主軸受１０８付近の拡大断面図である。なお、図２では、クランク軸１０６の軸心と偏心部１０６ａの軸心とに直交する直線の延長方向から見た断面図であるため、両者の軸心が重なって見えている（他の拡大断面図も同様）。図２に示すように、比較例の主軸受１０８は、フレーム１０７の一部に設けられた軸受ハウジング１０７ａの内側に形成された貫通孔１０７ｂの内部に、２個の円筒状のすべり軸受ブッシュである上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２が軸方向に並んで配置される。

具体的には、偏心部１０６ａに近い側に上側ブッシュ１２０、偏心部１０６ａから遠い側に下側ブッシュ１２２が配置される。クランク軸１０６の外周面と主軸受１０８（上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２）の内周面との間の隙間には、給油孔１１６と給油口１１９とを通じて潤滑油が供給され、クランク軸１０６の外周面と主軸受１０８の内周面とは油膜を介して摺動する。油膜を形成した潤滑油はその後、軸受ハウジング１０７ａの端部を通じて軸受ハウジング１０７ａの外部へと流出する。

図３は、本発明の第１実施形態に係るスクロール圧縮機１００における主軸受１０８付近の拡大断面図である。図３に示すように、第１実施形態に係る主軸受１０８は、例えば鋳鉄製のフレーム１０７の一部に設けられた軸受ハウジング（ハウジング部）１０７ａの内側に形成された貫通孔（穴）１０７ｂの内部に、３個の円筒状のすべり軸受ブッシュである上側ブッシュ（第１軸受部）１２０、中間ブッシュ（中間軸受部）１２１、及び、下側ブッシュ（第２軸受部）１２２が、上方から順に軸方向に並んで配置される。

具体的には、上側ブッシュ１２０は、貫通孔１０７ｂ内の軸方向における一方（偏心部１０６ａ側）の端に最も近く、つまり偏心部１０６ａに最も近い側に、配置される。また、下側ブッシュ１２２は、貫通孔１０７ｂ内の軸方向における他方（偏心部１０６ａと反対側）の端に最も近く、つまり偏心部１０６ａから最も遠い側に配置される。また、中間ブッシュ１２１は、上側ブッシュ１２０と下側ブッシュ１２２との間に配置される。

上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び、下側ブッシュ１２２は、貫通孔１０７ｂの内部に圧入により挿入されており、圧入前の各ブッシュの外径は貫通孔１０７ｂの内径よりも大きい。したがって、各ブッシュはそれ自身及び軸受ハウジング１０７aを弾性変形させ、貫通孔１０７ｂの内径を拡大させた状態で挿入されており、各々の弾性力により保持される。

上側ブッシュ１２０と下側ブッシュ１２２とは、例えば黒鉛を含む炭素質基材に金属を含浸したカーボン軸受材料で構成される。一方、中間ブッシュ１２１は、バックメタル１２１ａとその内側の薄い摺動層１２１ｂで構成され、バックメタル１２１ａは、上側ブッシュ１２０と下側ブッシュ１２２とを構成するカーボン軸受材料、軸受ハウジング１０７ａを構成する鋳鉄材料，クランク軸１０６を構成する炭素鋼材料と比較して、より小さい線膨脹係数を示す材料、例えばインバー合金（３６Ｎｉ−Ｆｅ）等で構成される。摺動層１２１ｂはクランク軸１０６外周と接触摺動が発生した際にクランク軸１０６の表面損傷を防止する目的で、例えば樹脂を含む材料で構成される。摺動層１２１ｂはバックメタル１２１ａの内周に薄い層状に接着又はコーティングされ、中間ブッシュ１２１の強度及び変形は主にバックメタル１２１ａにより決定する。

また、少なくともクランク軸１０６の回転起動前において、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６の外周面との間の隙間は、上側ブッシュ１２０とクランク軸１０６の外周面との間の隙間、及び下側ブッシュ１２２とクランク軸１０６の外周面との間の隙間よりも大きい。すなわち、中間ブッシュ１２１の内径とクランク軸１０６の外径との差は、上側ブッシュ１２０の内径とクランク軸１０６の外径との差よりも大きく、かつ、下側ブッシュ１２２の内径とクランク軸１０６の外径との差よりも大きい。

クランク軸１０６の外周面と主軸受１０８（上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び下側ブッシュ１２２）の内周面との間の隙間（以下「軸受隙間」ともいう。）には、給油孔１１６と給油口１１９とを通じて潤滑油が供給され、クランク軸１０６の外周面と主軸受１０８の内周面とは油膜を介して摺動する。油膜を形成した潤滑油は、その後、軸受ハウジング１０７ａの端部を通じて軸受ハウジング１０７ａの外部へと流出する。

次に、第１実施形態の作用について説明する。

油膜を介して摺動する回転軸（例えばクランク軸１０６）と円筒状の軸受（例えば主軸受１０８）との界面で生じる油膜せん断力は、一般にペトロフの式と呼称される式（１）の関係を有することが知られている。
Ｆ＝τＡ＝η（Ｖ／ｈ）Ａ ・・・（１）
ここで、Ｆは油膜せん断力、τは油膜せん断応力、ηは絶対粘度、Ｖは回転軸の周速、ｈは半径隙間（油膜厚さ）、Ａは油膜せん断に関わる軸受内周の面積である。

図３に示した本発明の第１実施形態と図２に示した比較例とにおいて、全すべり軸受ブッシュの内周面の面積の合計が等しく、かつ、上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２の内径が等しい場合、本発明の第１実施形態は、中間ブッシュ１２１の部分において半径隙間ｈが比較例よりも大きく設定されるため、比較例よりも油膜せん断力、ひいては軸受損失が減少する。

仮に図２に示した比較例の構造において油膜せん断力を小さくするためにクランク軸１０６と主軸受２０８との間の隙間を拡大しようとすると、当該隙間を通じた潤滑油の流量が増加し、それに起因したスクロール圧縮機の損失増加が懸念される。しかし、図３に示した本発明の第１実施形態の構造においては、潤滑油の流出経路である上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２の部分における隙間が、中間ブッシュ１２１の部分における隙間よりも小さいため、中間ブッシュ１２１の部分の隙間を拡大しても、クランク軸１０６と主軸受１０８との間の隙間を通じた潤滑油流量の増加は殆ど生じず、それによる損失増加も防止される。

また、スクロール圧縮機１００の運転条件及び運転温度に応じて、すべり軸受ブッシュである上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び下側ブッシュ１２２と、軸受ハウジング１０７ａとの材料、厚さ、及び内径を決定することにより、高負荷運転時に主軸受１０８が支持可能な荷重（負荷容量）を従来と同等に確保し、軸受としての信頼性を維持することが可能である。

図４は、図１に示すスクロール圧縮機１００が高負荷運転する際の主軸受１０８付近の拡大断面図である。なお、図４は、高負荷運転時にクランク軸１０６が主軸受１０８に対して少し傾斜した状態を示す。なお、クランク軸１０６が傾斜する理由については後記する。

図４に示すように、クランク軸１０６の回転速度が大きく、クランク軸１０６に対して冷媒ガスにより作用するガス荷重１２３が大きい高負荷運転中には、クランク軸１０６の周速Ｖの増加及び偏心による部分的な半径隙間ｈの減少により、油膜せん断力Ｆが増加する。これに伴う油膜せん断発熱の増加、及びスクロール圧縮機１００内のガス温度の増加により、主軸受１０８の温度（以下「軸受温度」ともいう。）が上昇する。この温度上昇に応じてクランク軸１０６、軸受ハウジング１０７ａ、並びに、すべり軸受ブッシュである上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び、下側ブッシュ１２２は、それぞれ熱膨張を生じる。
本発明の第１実施形態では、中間ブッシュ１２１の変形を決定するバックメタル１２１ａの線膨脹係数が特に小さいことにより、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間は、高負荷運転時（図４参照）の方が低負荷運転時（図３参照）よりも小さくなる。よって、高負荷運転時の状態においては、低負荷運転時の状態よりも、動圧によって高い油膜圧力を保持できる領域が拡大し、これにより、軸受の負荷容量が増加する。

図４に示したように、ガス荷重１２３は、クランク軸１０６に対して、主軸受１０８よりも上方の部位にオーバーハング荷重として作用するため、クランク軸１０６の主軸受１０８に対する傾斜は、運転負荷の増大に伴って拡大しやすい。このため、図４にＡ及びＢで示す軸受端部において、片当り状態でのクランク軸１０６と主軸受１０８との直接接触が生じやすい。図３に示した例においては、上側ブッシュ１２０と下側ブッシュ１２２とが硬質で潤滑性を有するカーボン軸受材料で構成されるため、油膜形成が困難でクランク軸１０６と主軸受１０８とが直接接触を伴う摺動をする状態となった場合であっても、良好な耐摩耗性を得ることができる。

次に、油膜せん断による軸受損失に関する評価について説明する。

図３に示したような３個のすべり軸受ブッシュである上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び下側ブッシュ１２２を有する主軸受１０８を軸受ハウジング１０７ａの貫通孔１０７ｂ内に配置し、この主軸受１０８に対してクランク軸１０６が潤滑油を介して摺動した場合の油膜せん断による軸受損失の評価を行った。そして、本発明の第１実施形態に係る軸受構造における中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間が軸受損失及び最小油膜厚さに及ぼす影響を検証した。その検証結果を、図５及び図６に示す。

なお、この検証にあたっては、エアコン用のスクロール圧縮機１００において、クランク軸１０６の直径が１４〜１８ｍｍのものを想定した。また、上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、下側ブッシュ１２２とも軸方向長さは同一でクランク軸１０６の直径と等しくした。上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２とクランク軸１０６との間の隙間は、等しくクランク軸１０６の直径の０．１５％とした。また、主軸受１０８に対するクランク軸１０６の傾斜角度は、作用する荷重方向に０．０１°とした。

図５は、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間の拡大率を種々に変えて軸受損失の評価を行った結果を示すグラフである。すなわち、図５は、中間ブッシュとクランク軸との間の隙間の拡大率と相対軸受損失との関係を示している。図５において、横軸は、上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２とクランク軸１０６との間の隙間を基準（０％）とした場合の、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間の拡大率を示す。縦軸は、上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び下側ブッシュ１２２の各々とクランク軸１０６との間の隙間が全て等しい場合の軸受損失を１００％とした場合の、これに対する相対値を示す。図５の検証結果に示すように、軸受損失は、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間を拡大することにより、減少する傾向を示した。

図６は、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間の拡大率を種々に変えて最小油膜厚さの評価を行った結果を示すグラフである。すなわち、図６は、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間の拡大率と、相対最小油膜厚さとの関係を示す。図６において、横軸は、上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２とクランク軸１０６との間の隙間を基準（０％）とした場合の、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間の拡大率を示す。縦軸は、上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び下側ブッシュ１２２の各々とクランク軸１０６との間の隙間が全て等しい場合の最小油膜厚さを１００％とした場合の、これに対する相対値を示す。なお、ここでの最小油膜厚さは、同じ荷重を支持する場合における最小油膜厚さである。図６の検証結果に示すように、最小油膜厚さは、中間ブッシュ１２１とクランク軸１０６との間の隙間を縮小することにより、増加する傾向を示した。

本発明の第１実施形態に係るスクロール圧縮機１００は、回転運動するクランク軸１０６と、クランク軸１０６が挿入される貫通孔１０７ｂを有する軸受ハウジング１０７ａと、軸受ハウジング１０７ａの貫通孔１０７ｂ内に配置され、クランク軸１０６の外周面に対して潤滑油を介して摺動する主軸受１０８と、を備える。また、主軸受１０８は、軸受ハウジング１０７ａの貫通孔１０７ｂ内の軸方向における一方の端に最も近く配置される上側ブッシュ１２０、他方の端に最も近く配置される下側ブッシュ１２２、及び上側ブッシュ１２０と下側ブッシュ１２２との間に配置される中間ブッシュ１２１を有する。そして、中間ブッシュ１２１は、バックメタル１２１ａと摺動層１２１ｂにより構成され、バックメタル１２１ａの線膨脹係数が軸受ハウジング１０７ａ、上側ブッシュ１２０、下側ブッシュ１２２，及びクランク軸１０６よりも小さく、かつ、少なくともクランク軸１０６の回転起動前においてクランク軸１０６の外周面との間の隙間が上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２よりも大きくなる。

すなわち、本発明の第１実施形態では、潤滑油の油膜せん断を生じながらクランク軸１０６の回転を支持する主軸受１０８の構成要素のうち、中央部に配置される中間ブッシュ１２１のバックメタル１２１ａが、両端部に配置される上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２よりも線膨脹係数の小さい材料で構成され、かつ、少なくともクランク軸１０６の回転起動前において上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２よりもクランク軸１０６との間の隙間が大きくなる。クランク軸１０６との隙間の大小関係は、高負荷運転時（軸受温度が高い）を除き、常温停止中並びにクランク軸１０６の回転速度及び作用荷重の小さい低負荷運転時（軸受温度が低い）においても同様に保たれる。そして、温度変化による中間ブッシュ１２１の内径寸法変化率（縮小率）は、上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２の内径寸法変化率（縮小率）よりも小さくなる。

したがって、クランク軸１０６の回転速度及びクランク軸１０６に作用する荷重が小さい低負荷運転時には、中間ブッシュ１２１の部分においてクランク軸１０６との隙間が大きいため、摩擦損失が低減されて、軸受損失が減少する。また、潤滑油の流出経路である上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２の部分における隙間が小さいため、潤滑油流量の増加は殆ど生じず、潤滑油流量の増加による損失増加も防止される。一方、クランク軸１０６の回転速度及びクランク軸１０６に作用する荷重が大きい高負荷運転時には、中間ブッシュ１２１の部分においてクランク軸１０６との隙間が温度変化によって縮小し、動圧によるこの部位の油膜圧力が増加するため、最小油膜厚さ、及び軸受の負荷容量（荷重支持能力）が増加する。

すなわち、本発明の第１実施形態によれば、回転運動するクランク軸１０６の外周面と主軸受１０８との間に存在する潤滑油による油膜のせん断抵抗を低減することにより、流体潤滑時の軸受損失を低減することができると共に、高負荷運転時においても軸受としての信頼性を維持することができる。
（上側ブッシュ及び下側ブッシュの材質）
上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２の材質として、中間ブッシュ１２１のバックメタル１２１ａの材質よりも線膨脹率が大きく、耐摩耗性に優れたカーボン系、金属系、セラミクス系の材料を使用することができる。図３に示した例では、片当り時及び油膜破断による直接接触摩擦時の耐摩耗性確保を重視し、黒鉛を含む炭素質基材に金属を含浸したカーボン軸受材料が使用される。但し、上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２の材質として、適用する回転機械に要求される耐摩耗性や耐環境性等に合わせ、例えば、黒鉛を含む炭素質基材に樹脂を含浸したカーボン軸受材料、鋳鉄、炭素鋼、銅合金、黄銅、すず合金、アルミニウム合金、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等が使用されてもよい。
（中間ブッシュの材質）
中間ブッシュ１２１のバックメタル１２１ａの材質として、上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２の材質よりも線膨脹率が小さい金属材料が使用され得る。但し、バックメタル１２１ａの材質として、適用する回転機械の温度条件や期待する軸受隙間の変化量等に応じて、インバー合金やコバール合金と称されるＮｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系及び類似の成分で構成される低熱膨張金属等を使用してもよい。

また、中間ブッシュ１２１の摺動層１２１ｂの材質として、クランク軸１０６の外周と直接接触した際にクランク軸１０６の摩耗損傷が少ない樹脂系、焼結金属系、炭素系材料を使用することができる。但し、摺動層１２１ｂの材質として、クランク軸１０６の材質及びバックメタル１２１ａの材質に応じて、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ナイロン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン等、及びこれらの樹脂と焼結金属、粒子、繊維材料等による複合材を使用してもよい。摺動層１２１ｂはバックメタル１２１ａの内周に薄く、低剛性に形成され、中間ブッシュ１２１の熱変形に及ぼす影響は極めて小さい。
（第１変形例）
図７は、第１実施形態の第１変形例に係る主軸受１０８付近の拡大断面図である。図１〜図６に示した第１実施形態と同様の構成及び作用は詳細な説明を省略し、相違する点について説明する（以降に説明するさらに別の変形例でも同様）。

図７に示すように、第１実施形態の第１変形例は、主軸受１０８の下側ブッシュ１２２が軸受ハウジング１０７と同一部材で一体に形成される点で、第１実施形態と相違する。なお、下側ブッシュ１２２ではなく上側ブッシュが軸受ハウジング１０７ａと一体に形成されてもよい。すなわち、第１実施形態のように上側ブッシュ１２０及び下側ブッシュ１２２を別部材として軸受ハウジング１０７ａに設置する代わりに、下側ブッシュ１２２（又は上側ブッシュ）が軸受ハウジング１０７ａと同一部材で一体化される。このような第１実施形態の第１変形例によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができることに加えて、部品点数の減少により組立コストを低減することが可能となる。
（第２変形例）
図８は、第１実施形態の第２変形例に係る主軸受１０８付近の拡大断面図である。

図８に示すように、第１実施形態の第２変形例では、クランク軸１０６の外径は、主軸受１０８の中間ブッシュ１２１に対向する部分において他の部分よりも小さくなる。すなわち、主軸受１０８の中央部における軸受隙間を拡大する方法は、第１実施形態のように中間ブッシュ１２１の内径を拡大する代わりに、中間ブッシュ１２１に対向する部分のクランク軸１０６の外径を小さくすることによっても可能である。

図３に示す第１実施形態に係る構造において、３個のすべり軸受ブッシュである上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び下側ブッシュ１２２の各内周面の同軸度を高い精度で得ると共に、一回の軸方向送りで効率良く内径加工するためには、軸受ハウジング１０７ａに３個のすべり軸受ブッシュを挿入した状態でスクロール圧縮機１００の高負荷運転時における温度に加温し、その状態で３個のすべり軸受ブッシュの内径を同一径に加工する等の加工プロセスの工夫が必要となる。これに対し、図８に示す第１実施形態の第２変形例に係る構造では、室温において、３個のすべり軸受ブッシュである上側ブッシュ１２０、中間ブッシュ１２１、及び下側ブッシュ１２２の内径を一回の軸方向送りで同一径に加工することができる。このような第１実施形態の第２変形例によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができることに加えて、製造コストを低減することが可能となる。
（第３変形例）
図９は、第１実施形態の第３変形例に係る主軸受１０８付近の拡大断面図である。

図９に示すように、第１実施形態の第３変形例では、中間ブッシュ１２１の内周面には、当該内周面を軸方向に分割する溝１２４が形成されており、溝１２４は、中間ブッシュ１２１の軸方向における両端部から中央部に向けてクランク軸１０６の回転方向に傾斜して延びるＶ字状を呈する。つまり、中間ブッシュ１２１の内周面には軸方向に延びる溝１２４を有し、溝１２４の中央部は溝１２４の両端部よりもクランク軸１０６の回転方向側に突出して形成される。このような第１実施形態の第３変形例によれば、潤滑油が溝１２４を通って中間ブッシュ１２１の軸方向における両端部から中央部に寄せられて中央部付近の圧力が高まる。このため、特に高負荷時において動圧を向上させて、最小油膜厚さを増加させることが可能となる。
≪第２実施形態≫
次に、図１０を参照しながら本発明の第２実施形態について説明する。

図１０は、本発明の第２実施形態に係るロータリ圧縮機１３０を示す縦断面図である。すなわち、この第２実施形態では、本発明の回転機械について、冷媒ガスの圧縮を行うロータリ圧縮機１３０の例を用いて説明する。

図１０に示すように、ロータリ圧縮機１３０は、縦型円筒状の密閉容器１３８と、密閉容器１３８内で冷媒ガスを圧縮する圧縮機構１３９と、圧縮機構１３９を駆動する電動機１３１と、圧縮機構１３９を構成する部品や部材の摺動面に供給する潤滑油を蓄える油溜め１４４とを備える。密閉容器１３８内では、上から順に電動機１３１、圧縮機構１３９、油溜め１４４が配置される。

電動機１３１のロータには、下方に延びる回転シャフト（軸）１３２が接続される。圧縮機構１３９は、回転シャフト１３２の下方先端部近くに形成された偏心軸部１３２ａと、偏心軸部１３２ａが内側に係合されて偏心軸部１３２ａにより偏心回転が与えられる円筒形状のローラ１３３と、偏心軸部１３２ａ及びローラ１３３を収納するシリンダ１３４と、シリンダ１３４の上蓋となると共に回転シャフト１３２を支持する上軸受部材１３５と、シリンダ１３４の下蓋となると共に回転シャフト１３２の下端部を支持する下軸受部材１３６と、ローラ１３３の外周面と摺動して圧縮室１３７の低圧側と高圧側とを隔てるベーン（図示せず）と、を有する。

上軸受部材１３５は、上軸受部材１３５の一部に設けられた軸受ハウジング（ハウジング部）１３５ａを有する。軸受ハウジング１３５ａには、回転シャフト１３２が挿入される貫通孔（穴）１３５ｂが形成されており、この貫通孔１３５ｂ内に上軸受（すべり軸受）１４３が配置される。上軸受１４３は、軸受ハウジング１３５ａの内側に形成された貫通孔１３５ｂの内部に、３個の円筒状のすべり軸受ブッシュである上側ブッシュ（第１軸受部）１４０、中間ブッシュ（中間軸受部）１４１、及び下側ブッシュ（第２軸受部）１４２が上方から順に軸方向に並んで配置される。

具体的には、上側ブッシュ１４０は、貫通孔１３５ｂ内の軸方向における一方（偏心軸部１３２ａと反対側）の端に最も近く、つまり偏心軸部１３２ａから最も遠い側に、配置される。また、下側ブッシュ１４２は、貫通孔１３５ｂ内の軸方向における他方（偏心軸部１３２ａ側）の端に最も近く、つまり偏心軸部１３２ａに最も近い側に配置される。また、中間ブッシュ１４１は、上側ブッシュ１４０と下側ブッシュ１４２との間に配置される。

上側ブッシュ１４０と下側ブッシュ１４２の材質は、例えば鋳鉄である。下側ブッシュ１４２（その内周面である摺動面を含む）は、上軸受部材１３５の軸受ハウジング１３５ａと一体に形成される。一方、中間ブッシュ１４１は、バックメタル１４１ａとその内周に形成された摺動層１４１ｂにより構成されており、バックメタル１４１ａの線膨脹係数は、上側ブッシュ１４０と下側ブッシュ１４２の線膨脹係数よりも小さく、かつ、軸受ハウジング１３５ａ及び回転シャフト１３２の線膨脹係数よりも小さい材料、例えばインバー合金（３６Ｎｉ−Ｆｅ）で構成される。また、摺動層１４１ｂは例えば樹脂を含む材料で構成される。

また、少なくとも回転シャフト１３２の回転起動前において、中間ブッシュ１４１と回転シャフト１３２の外周面との間の隙間は、上側ブッシュ１４０と回転シャフト１３２の外周面との間の隙間、及び下側ブッシュ１４２と回転シャフト１３２の外周面との間の隙間よりも大きい。ここでは、回転シャフト１３２の外径は、上軸受１４３の中間ブッシュ１４１に対向する部分において他の部分よりも小さくなる。すなわち、中間ブッシュ１４１の内径と中間ブッシュ１４１に対向する部分における回転シャフト１３２の外径との差は、上側ブッシュ１４０の内径と回転シャフト１３２の外径との差よりも大きく、かつ、下側ブッシュ１４２の内径と回転シャフト１３２の外径との差よりも大きい。

回転シャフト１３２の下端部を支持するすべり軸受である下軸受１４５（その内周面である摺動面を含む）は、鋳鉄製の下軸受部材１３６と一体に形成される。ロータリ圧縮機１３０の下部に設けられた油溜め１４４内の潤滑油１１７は、回転シャフト１３２の軸心に沿って形成された給油孔１４６から径方向に分岐する分岐孔を通じて上軸受１４３、下軸受１４５に供給され、各軸受１４３、１４５の摺動部は、潤滑油によって油膜が作られ、円滑な潤滑が確保される。

本発明の第２実施形態では、回転シャフト１３２の回転速度及び回転シャフト１３２に作用する荷重が小さい低負荷運転時には、中間ブッシュ１４１の部分において回転シャフト１３２との隙間が大きいため、摩擦損失が低減されて、軸受損失が減少する。また、潤滑油の流出経路である上側ブッシュ１４０及び下側ブッシュ１４２の部分における隙間が小さいため、潤滑油流量の増加は殆ど生じず、それによる損失増加も防止される。一方、回転シャフト１３２の回転速度及び回転シャフト１３２に作用する荷重が大きい高負荷運転時には、中間ブッシュ１４１の部分において回転シャフト１３２との隙間が温度変化によって縮小し、動圧によるこの部位の油膜圧力が増加するため、最小油膜厚さ、及び軸受の負荷容量（荷重支持能力）が増加する。

すなわち、本発明の第２実施形態によれば、回転運動する回転シャフト１３２の外周面と上軸受１４３との間に存在する潤滑油による油膜のせん断抵抗を低減することにより、流体潤滑時の軸受損失を低減することができると共に、高負荷運転時においても軸受としての信頼性を維持することができる。

また、本発明の第２実施形態に係るロータリ圧縮機１３０では、各軸受１４３、１４５が圧縮室１３７に近い位置に設けられる。しかも、上軸受部材１３５におけるローラ１３３側の端部に位置する下側ブッシュ１４２と下軸受１４５とは、すべり軸受ブッシュとして機能すると共に、その内周面である摺動面が軸受部材１３５、１３６とそれぞれ一体に形成される。これにより、すべり軸受ブッシュを軸受部材１３５、１３６とは別体に構成した場合のようなすべり軸受ブッシュの材料内部等の軸受隙間以外の部分における流体の移動が無くなる。したがって、各軸受１４３、１４５と圧縮室１３７との間でのガスや潤滑油の流入流出関係をコントロールしやすく、設計が容易となる。

以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、前記実施形態では、軸受ハウジングの内側に形成された貫通孔の内部に、３個のすべり軸受ブッシュである上側ブッシュ、中間ブッシュ、及び下側ブッシュが上方から順に軸方向に並んで配置される。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、４個以上のすべり軸受ブッシュが軸方向に並んで配置された構造にも適用され得る。この場合、軸方向両端部のすべり軸受ブッシュが、前記実施形態における上側ブッシュ及び下側ブッシュに相当し、軸方向両端部のすべり軸受ブッシュの間に配置される複数のすべり軸受ブッシュのうちの少なくとも一つが前記実施形態における中間ブッシュに相当することになる。

また、例えば第１実施形態の第２変形例では、主軸受１０８ｂの中央部における軸受隙間を拡大する方法として、中間ブッシュ１２１ａに対向する部分のクランク軸１０６の外径を小さくする方法を採用したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、中間ブッシュ１２１の内径を拡大し、かつ、中間ブッシュ１２１に対向する部分のクランク軸１０６の外径を小さくしてもよい。

また、前記実施形態では、本発明がスクロール圧縮機、ロータリ圧縮機に適用される場合について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、他の形式の圧縮機にも適用可能である。また、前記実施形態では、回転運動する軸が鉛直方向に沿って配置される縦型の圧縮機について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、回転運動する軸が水平方向に沿って配置される横型の圧縮機にも適用可能である。更に、本発明は、回転運動する軸の外周面に対して潤滑油を介して摺動するすべり軸受部を備える各種の回転機械にも適用可能である。

また、本発明は、本発明に係る回転機械を冷凍または空調用の冷媒圧縮機として備える冷凍サイクル機器として構成され得る。この冷凍サイクル機器は、本発明に係る回転機械としての冷媒圧縮機と、冷媒圧縮機で圧縮されて高温高圧になった冷媒ガスから熱を放熱する凝縮器と、凝縮器からの高圧冷媒を減圧する減圧装置と、減圧装置からの液冷媒を蒸発させる蒸発器とを備える。このような冷凍サイクル機器は、冷凍装置、空調装置、ヒートポンプ式給湯機などに使用され得る。

１００…スクロール圧縮機（回転機械）
１０２…密閉容器
１０３…固定スクロール
１０４…旋回スクロール
１０５…電動機
１０６…クランク軸（軸）
１０６ａ…偏心部
１０７…フレーム
１０７ａ…軸受ハウジング（ハウジング部）
１０７ｂ…貫通孔（穴）
１０８…主軸受（すべり軸受）
１０９…下フレーム
１１０…副軸受
１１２…旋回軸受
１１３…オルダムリング
１１４…吸入口
１１５…吐出口
１１６…給油口
１１７…潤滑油
１１８…中間室
１１９…給油口
１２０…上側ブッシュ（第１軸受部）
１２１…中間ブッシュ（中間軸受部）
１２１ａ…バックメタル
１２１ｂ…摺動層
１２２…下側ブッシュ（第２軸受部）
１２４…溝
１３０…ロータリ圧縮機（回転機械）
１３１…電動機
１３２…回転シャフト（軸）
１３３…ローラ
１３４…シリンダ
１３５…上軸受部材
１３５ａ…軸受ハウジング（ハウジング部）
１３５ｂ…貫通孔（穴）
１３６…下軸受部材
１３７…圧縮室
１３８…密封容器
１３９…圧縮機構
１４０…上側ブッシュ（第１軸受部）
１４１…中間ブッシュ（中間軸受部）
１４２…下側ブッシュ（第２軸受部）
１４３…上軸受（すべり軸受）
１４４…油溜め
１４５…下軸受（すべり軸受）

Claims (9)

1. 回転運動する軸と、
   前記軸が挿入される穴を有するハウジング部と、
   前記ハウジング部の前記穴内の軸方向における一方の端に最も近く配置される第１軸受部と、
   前記ハウジング部の前記穴内の軸方向における他方の端に最も近く配置される第２軸受部と、
   前記第１軸受部と前記第２軸受部との間に配置され、構成する主たる材料の線膨脹係数が前記ハウジング部、前記第１軸受部、前記第２軸受部、及び前記軸よりも小さく、かつ、前記軸の回転起動前において前記軸の外周面との間の隙間が前記第１軸受部及び前記第２軸受部よりも大きい中間軸受部と、
   を備える回転機械。
2. 回転運動する軸と、
   前記軸が挿入される穴を有するハウジング部と、
   前記ハウジング部の前記穴内の軸方向における一方の端に最も近く配置される第１軸受部と、
   前記ハウジング部の前記穴内の軸方向における他方の端に最も近く配置される第２軸受部と、
   前記第１軸受部と前記第２軸受部との間に配置され、構成する主たる材料の線膨脹係数が前記ハウジング部、前記第１軸受部、前記第２軸受部、及び前記軸よりも小さく、かつ、前記軸の回転起動前において前記軸の外周面との間の隙間が前記第１軸受部及び前記第２軸受部と同一である中間軸受部と、を備え、
   前記中間軸受部に対向する部分における前記軸の外径が他の部分も小さく構成された回転機械。
3. 請求項１又は２において、
   前記中間軸受部は、
   線膨脹係数が前記ハウジング部、前記第１軸受部、前記第２軸受部、及び前記軸よりも小さいバックメタルと、
   前記バックメタルの内周に位置し、樹脂を含む材料で構成された摺動層と、
   を有する回転機械。
4. 請求項３において、前記バックメタルはインバー合金である回転機械。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記第１軸受部及び前記第２軸受部は黒鉛を含む炭素質基材に金属を含浸したカーボン軸受である回転機械。
6. 請求項１乃至５の何れかにおいて、前記第１軸受部又は前記第２軸受部が前記ハウジング部と同一部材で一体に形成された回転機械。
7. 請求項１乃至６の何れかにおいて、前記中間軸受部の内周面に軸方向に延びる溝を有し、前記溝の中央部が前記溝の両端部よりも前記軸の回転方向側に突出して形成された回転機械。
8. 請求項１乃至７の何れかにおいて、前記回転機械はスクロール圧縮機又はロータリ圧縮機である回転機械。
9. 請求項１乃至８の何れかに記載の回転機械を冷媒圧縮機として備える冷凍サイクル機器。

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