JPWO2016129070A1 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

スクロール圧縮機は、シェル１内に固定して設けられた固定スクロール３、及び固定スクロール３に対して揺動する揺動スクロール４を有し、流体を圧縮する圧縮機構部２０と、一端に偏心軸部７ａを有し、揺動スクロール４に回転駆動力を伝達する主軸７と、偏心軸部７ａを摺動自在に嵌入させるスライド溝３１が形成されたスライダ３０と、揺動スクロール４に設けられ、スライダ３０を回転自在に支持する揺動軸受１４と、を備え、スライダ３０は、当該スライダ３０の中心軸Ｏ１方向に見て、揺動軸受１４の内周側に配置されており、スライダ３０の中心軸Ｏ１は、主軸７の回転軸Ｏに対して一方向に偏心しており、スライダ３０の重心Ｇは、主軸７の回転軸Ｏに対して、上記一方向とは逆方向に偏心しているものである。

Description

本発明は、スクロール圧縮機に関するものである。

スクロール圧縮機は、固定スクロール及び揺動スクロールのそれぞれに形成された渦巻歯が互いに噛み合わされた圧縮機構部を有している。圧縮機構部には、別途設けられた回転機構部の回転動力が主軸を介して伝達される。揺動スクロールは、主軸の回転軸に対して偏心して配置されており、別途設けられた自転防止機構により自転が阻止されて公転運動を行う。圧縮機構部では、揺動スクロールが固定スクロールに対して公転運動を行うことにより、流体が圧縮される。

スクロール圧縮機としては、遠心力を利用して固定スクロール及び揺動スクロールの渦巻歯同士を押し付け合うことにより圧縮室のシール性を向上させる従動クランク機構を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２８１０８３号公報

特許文献１のスクロール圧縮機では、バランスウェイト付きスライダが用いられている。バランスウェイト付きスライダは、揺動軸受の内周側に配置されたスライダ部と、揺動軸受の外周側に配置されたバランスウェイト部とが一体化した構成を有している。バランスウェイト付きスライダの重心は、揺動スクロールの偏心方向とは逆方向に偏心している。これにより、揺動スクロールの遠心力の一部又は全部がバランスウェイト付きスライダの遠心力により相殺されるため、渦巻歯同士が押し付け合う力が過剰に大きくなることを防ぐことができる。

しかしながら、特許文献１のスクロール圧縮機では、バランスウェイト部が揺動軸受の外側に張り出して設けられているため、バランスウェイト付きスライダが回転すると、バランスウェイト部は揺動軸受の外側で回転する。これにより、フレーム内に溜まった潤滑油は、バランスウェイト部により高速で攪拌される。このため、潤滑油の粘性抵抗による動力損失が大きくなり、スクロール圧縮機の性能が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、性能を向上させることができるスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

本発明に係るスクロール圧縮機は、シェル内に固定して設けられた固定スクロール、及び前記固定スクロールに対して揺動する揺動スクロールを有し、流体を圧縮する圧縮機構部と、一端に偏心軸部を有し、前記揺動スクロールに回転駆動力を伝達する主軸と、前記偏心軸部を摺動自在に嵌入させるスライド溝が形成されたスライダと、前記揺動スクロールに設けられ、前記スライダを回転自在に支持する揺動軸受と、を備え、前記スライダは、当該スライダの中心軸から見て、前記揺動軸受の内周側に配置されており、前記スライダの中心軸は、前記主軸の回転軸に対して一方向に偏心しており、前記スライダの重心は、前記主軸の回転軸に対して、前記一方向とは逆方向に偏心しているものである。

本発明によれば、揺動軸受の内周側に配置されるスライダをバランスウェイトとしても機能させることができる。したがって、潤滑油の粘性抵抗による動力損失を低減することができるため、スクロール圧縮機の性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１の前提となるスクロール圧縮機の概略構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部２０の概略構成を示す断面図である。 図２に示したスライダ３０のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 特許文献１の記載に基づいて想定したスクロール圧縮機の圧縮機構部２０の概略構成を示す断面図である。 図４に示したバランスウェイト付きスライダ４０のＶ−Ｖ断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機におけるスライダ３０の構成の変形例を示す断面図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機について説明する。図１は、本実施の形態の前提となるスクロール圧縮機の概略構成を示す縦断面図である。スクロール圧縮機は、例えば冷蔵庫、冷凍庫、自動販売機、空気調和装置、冷凍装置、給湯装置等の各種産業機械に用いられる冷凍サイクルの構成要素の１つとなるものである。なお、図１を含む以下の図面では、各構成部材の寸法の関係や形状等が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の説明における各構成部材同士の位置関係（例えば、上下関係等）は、原則として、スクロール圧縮機を使用可能な状態に設置したときのものである。

図１に示すように、スクロール圧縮機は、流体（例えば、冷凍サイクルを循環する冷媒）を圧縮する圧縮機構部２０と、圧縮機構部２０を駆動する電動機部２１と、圧縮機構部２０及び電動機部２１を収容する密閉容器であるシェル１と、を有している。圧縮機構部２０は、シェル１の上部に配置されている。電動機部２１は、圧縮機構部２０よりも下方（例えばシェル１の上下方向における中央部付近）に配置されている。

圧縮機構部２０は、フレーム２を介してシェル１に対して固定された固定スクロール３と、固定スクロール３に対して揺動（公転運動）する揺動スクロール４と、を有している。固定スクロール３は、台板３ａと、台板３ａの一方の面に立設された渦巻歯３ｂと、を有している。揺動スクロール４は、台板４ａと、台板４ａの一方の面に立設された渦巻歯４ｂと、を有している。固定スクロール３及び揺動スクロール４は、それぞれの渦巻歯３ｂ、４ｂ同士が噛み合うように組み合わされている。渦巻歯３ｂと渦巻歯４ｂとの間には、流体が圧縮される圧縮室が形成される。台板４ａにおいて渦巻歯４ｂが形成された面とは反対側の面の中心部には、中空円筒状のボス部４ｃが形成されている。ボス部４ｃの内側面には、揺動軸受１４が設けられている。

揺動スクロール４とフレーム２との間には、オルダムリング１２が設けられている。オルダムリング１２は、リング部と、リング部の上面に形成された一対のオルダムキーと、リング部の下面に形成された一対のオルダムキーと、を有している。上面のオルダムキーは、揺動スクロール４に形成されたキー溝に挿入されており、一方向に摺動自在となっている。下面のオルダムキーは、フレーム２に形成されたキー溝に挿入されており、上記一方向と交差する方向に摺動自在となっている。この構成により、揺動スクロール４は、自転せずに公転運動するようになっている。

電動機部２１は、シェル１の内周に固定されたステータ５と、ステータ５の内周側に配置されたロータ６と、ロータ６に固定された主軸７と、を有している。ステータ５に通電されると、ロータ６は、主軸７と一体となって回転するようになっている。主軸７の上部は、主軸受部１６を介してフレーム２によって回転自在に支持されている。主軸７の下部は、副軸受部１７を介してサブフレーム１８によって回転自在に支持されている。主軸７の上端部には、揺動軸受１４内に嵌入される偏心軸部７ａが形成されている。

シェル１の底部には、潤滑油８が貯留されている。主軸７の下端には、潤滑油８を吸い上げるポンプ９が取り付けられている。主軸７の内部には、軸方向に延伸した揚油穴（図示せず）が形成されている。ポンプ９によって吸い上げられた潤滑油８は、揚油穴を通ってフレーム２内の油溜まり１５や各摺動部に供給されるようになっている。

また、シェル１には、低圧の冷媒ガスを外部から吸入する吸入管１０と、圧縮された高圧の冷媒ガスを外部に吐出する吐出管１１と、が設けられている。

次に、スクロール圧縮機の動作について説明する。外部電源からステータ５に電力が供給されると、ロータ６が回転する。ロータ６の回転駆動力は、主軸７を介して揺動スクロール４に伝達される。揺動スクロール４は、オルダムリング１２によって自転が防止されることにより、固定スクロール３に対して公転運動を行う。固定スクロール３の渦巻歯３ｂと揺動スクロール４の渦巻歯４ｂとの間に形成される圧縮室では、吸入管１０から吸入された低圧の冷媒ガスが連続的に取り込まれ、吸入→圧縮→吐出の行程を繰り返す。シェル１の底部に貯留されている潤滑油８は、主軸７の回転に伴ってポンプ９により吸い上げられ、フレーム２内の油溜まり１５や各摺動部に供給される。油溜まり１５や各摺動部に供給された潤滑油は、重力によりシェル１の底部に戻る。

次に、本実施の形態に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部２０の構成について、図１に示したスクロール圧縮機と異なる点を中心に説明する。図２は、本実施の形態に係るスクロール圧縮機の圧縮機構部２０の概略構成を示す断面図である。図２に示すように、揺動スクロール４の台板４ａにおいて渦巻歯４ｂが形成された面とは反対側の面の中心部には、中空円筒状のボス部４ｃが形成されている。ボス部４ｃの内周面には、揺動軸受１４が設けられている。揺動軸受１４には、主軸７の上端に形成された偏心軸部７ａ（軸ピン）がスライダ３０を介して嵌入されている。

図３は、図２に示したスライダ３０のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図であり、圧縮機運転中の主軸７とスライダ３０の位置関係を示している。運転中のスライダ３０は従動クランク機構によって、主軸７の回転軸Ｏから揺動スクロール４の公転半径ｒだけ偏心した位置で、回転軸Ｏを中心に主軸７と共に回転する。図３に示すように、スライダ３０は、円筒形状の外周面３０ａを有している。スライダ３０の外周面３０ａは、揺動軸受１４によって回転自在に支持されている。そのため、運転中のスライダ３０の外周面３０ａの中心軸Ｏ１と回転軸Ｏとの距離は、公転半径ｒに凡そ等しい。

スライダ３０の中心軸Ｏ１は、主軸７の回転軸Ｏに対して一方向（図３中の上方向）に偏心された状態で運転される。以下、スライダ３０の中心軸Ｏ１が主軸７の回転軸Ｏに対して偏心している方向を「偏心方向」という場合がある。また、偏心方向の逆方向を「反偏心方向」という場合がある。スライダ３０は、中心軸Ｏ１から見て、揺動軸受１４の内周側（例えば、揺動軸受１４の内周側のみ）に配置されている。

スライダ３０には、偏心軸部７ａを一方向に摺動自在に嵌入させるスライド溝３１が形成されている。本例では、偏心軸部７ａの摺動方向が偏心方向と同方向であるが、偏心軸部７ａの摺動方向は偏心方向に対して傾いていてもよい。

スライダ３０は、揺動スクロール４の公転運動によって発生する遠心力を利用して、揺動スクロール４の公転半径を可変とする従動クランク機構を構成している。この従動クランク機構により、揺動スクロール４の渦巻歯４ｂの側面と固定スクロール３の渦巻歯３ｂの側面とを押し付け合うことができるため、圧縮室のシール性を向上させることができる。

また、スライダ３０には、外周面３０ａに沿った半円弧状の肉抜き部３２が形成されている。肉抜き部３２は、スライド溝３１と一体化している。肉抜き部３２は、スライダ３０の中心軸Ｏ１よりも偏心方向側に偏って形成されている。肉抜き部３２は、中心軸Ｏ１よりも偏心方向側のみに形成されていてもよい。肉抜き部３２は、スライダ３０を軸方向に貫通する貫通孔であってもよいし、窪みやザグリなどの非貫通の穴であってもよい。肉抜き部３２が形成されることにより、スライダ３０の重心Ｇは、主軸７の回転軸Ｏに対して反偏心方向に偏心している。

従動クランク機構を備えたスクロール圧縮機において、回転数の増加や、材質の高密度化等による揺動スクロール４の重量の増加に伴い、揺動スクロール４の渦巻歯４ｂと固定スクロール３の渦巻歯３ｂとの側面同士が押し付け合う力が過剰に大きくなってしまう場合がある。この場合、渦巻歯４ｂ、３ｂの側面間の摩擦力が増大し、スクロール圧縮機の動力が著しく増加してしまう。これに対し、本実施の形態では、スライダ３０の重心Ｇが反偏心方向に偏心しているため、スライダ３０の遠心力によって揺動スクロール４の遠心力の一部を相殺することができる。したがって、本実施の形態によれば、渦巻歯４ｂ、３ｂの側面同士が押し付け合う力が過剰に大きくなることを防ぐことができる。高速運転時においても遠心力の相殺量を確保できるように、スライダ３０の重心Ｇと主軸７の回転軸Ｏとの距離Ｒは、スライダ３０の中心軸Ｏ１と主軸７の回転軸Ｏとの距離ｒよりも長いことが望ましい（Ｒ＞ｒ）。

図４は、特許文献１の記載に基づいて想定したスクロール圧縮機の圧縮機構部２０の概略構成を示す断面図である。図５は、図４に示したバランスウェイト付きスライダ４０のＶ−Ｖ断面を示す断面図である。図４及び図５に示すように、このスクロール圧縮機は、本実施の形態に係るスクロール圧縮機と同様に、従動クランク機構を備えている。バランスウェイト付きスライダ４０は、揺動軸受１４の内周側に配置されたスライダ部４１と、揺動軸受１４の外周側に配置されたバランスウェイト部４２と、が一体化した構成を有している。バランスウェイト付きスライダ４０の重心Ｇは、主軸７の回転軸Ｏに対して反偏心方向に偏心している。バランスウェイト部４２は、揺動軸受１４及びボス部４ｃの外周側に張り出して設けられており、油溜まり１５に位置している。このため、バランスウェイト付きスライダ４０が回転すると、バランスウェイト部４２は油溜まり１５内で回転する。これにより、油溜まり１５内に溜まった潤滑油は、バランスウェイト部４２により高速で攪拌される。したがって、特に高速運転時において、潤滑油の粘性抵抗による動力損失が大きくなってしまう。

この動力損失を低減させる方法として、フレーム２に形成される油抜き穴の数を増加させ、油溜まり１５内の保持油量を減少させることが考えられる。しかしながら、油抜き穴の数を増加させると、給油経路内の流路抵抗バランスが崩れるため、低速運転時に各摺動部で油量不足が生じてしまうおそれがある。したがって、図４及び図５に示すスクロール圧縮機において、上記のような動力損失を低減させることは困難であった。

これに対し、図２及び図３に示した本実施の形態のスクロール圧縮機では、揺動軸受１４内に収容されたスライダ３０をバランスウェイトとして機能させることができる。これにより、バランスウェイト部４２を揺動軸受１４及びボス部４ｃの外周側に張り出して設ける必要がなくなるため、バランスウェイト部４２で潤滑油が攪拌されるのを防ぐことができ、潤滑油の粘性抵抗による動力損失を低減することができる。したがって、本実施の形態によれば、特に高速運転時において、スクロール圧縮機の性能を向上させることができる。

また、図４及び図５に示すスクロール圧縮機では、スライダ部４１とバランスウェイト部４２との繋ぎ目にバランスウェイト部４２の遠心力が作用するため、当該繋ぎ目が強度不足により破損してしまうおそれがある。また、バランスウェイト付きスライダ４０が複雑な構造となるため、例えばバランスウェイト付きスライダ４０を一体加工する場合、製造コストが増加するとともに加工時間が長時間化してしまう。さらに、揺動軸受１４に対するスライダ部４１の片当たりを防止するためには、バランスウェイト付きスライダ４０の重心位置の調整のためバランスウェイト部４２を軸方向に長く形成する必要がある（図４参照）。したがって、スクロール圧縮機が軸方向に大型化してしまう。

これに対し、図２及び図３に示した本実施の形態のスクロール圧縮機では、スライダ３０に肉抜き部３２を設けることによりスライダ３０をバランスウェイトとしても機能させているため、スライダ部４１とバランスウェイト部４２との繋ぎ目が強度不足となる問題点を解消できる。また、本実施の形態のスクロール圧縮機では、スライダ３０の形状を簡素化できるため、製造コストを削減できるとともに加工時間を短縮でき、大量生産が可能となる。さらに、本実施の形態のスクロール圧縮機では、スライダ３０の軸方向における重心位置を調整するのが容易であるため、バランスウェイト部４２を軸方向に長く形成するようなことをせずに、揺動軸受１４に対するスライダ部４１の片当たりを防止できる。したがって、本実施の形態によれば、スクロール圧縮機を軸方向に小型化することができる。

一般に、低ＧＷＰ冷媒を用いた冷凍サイクルでは、冷媒の性質上、冷凍能力が低くなりやすい。このため、冷凍サイクルの冷凍能力を高めるためには、圧縮室への冷媒取込み量を増加させるとともに、圧縮機の上限回転数を拡大してより高回転で運転する必要がある。本実施の形態では、特に高速運転時におけるスクロール圧縮機の性能を向上させることができるため、ＨＦＯ冷媒などの低ＧＷＰ冷媒を用いた冷凍サイクルに適用することによって、特に大きい効果が得られる。

図６は、本実施の形態に係るスクロール圧縮機におけるスライダ３０の構成の変形例を示す断面図である。図６では、図３に対応する断面を示している。図６に示すように、本変形例のスライダ３０には、スライド溝３１から独立した少なくとも１つの肉抜き部３３が形成されている。本変形例では、６つの円筒形状の肉抜き部３３が、外周面３０ａに沿って、かつスライダ３０の中心軸Ｏ１よりも偏心方向側に偏って設けられている。肉抜き部３３は、スライダ３０を軸方向に貫通する貫通孔であってもよいし、窪みやザグリなどの非貫通の穴であってもよい。肉抜き部３３が形成されることにより、スライダ３０の重心Ｇは、主軸７の回転軸Ｏに対して反偏心方向に偏心している。本変形例によっても、図２及び図３に示した構成と同様の効果が得られる。

以上説明したように、上記実施の形態に係るスクロール圧縮機は、シェル１内に固定して設けられた固定スクロール３、及び固定スクロール３に対して揺動する揺動スクロール４を有し、流体を圧縮する圧縮機構部２０と、一端に偏心軸部７ａを有し、揺動スクロール４に回転駆動力を伝達する主軸７と、偏心軸部７ａを摺動自在に嵌入させるスライド溝３１が形成されたスライダ３０と、揺動スクロール４に設けられ、スライダ３０を回転自在に支持する揺動軸受１４と、を備え、スライダ３０は、当該スライダ３０の中心軸Ｏ１方向に見て、揺動軸受１４の内周側に配置されており、スライダ３０の中心軸Ｏ１は、主軸７の回転軸Ｏに対して一方向に偏心しており、スライダ３０の重心Ｇは、主軸７の回転軸Ｏに対して、上記一方向とは逆方向に偏心しているものである。

また、上記実施の形態に係るスクロール圧縮機において、スライダ３０の重心Ｇと主軸７の回転軸Ｏとの距離Ｒは、スライダ３０の中心軸Ｏ１と主軸７の回転軸Ｏとの距離ｒよりも長くてもよい。

また、上記実施の形態に係るスクロール圧縮機において、スライダ３０には、スライド溝３１と一体化した肉抜き部３２が形成されていてもよい。

また、上記実施の形態に係るスクロール圧縮機において、スライダ３０には、スライド溝３１から独立した肉抜き部３３が形成されていてもよい。

また、上記実施の形態に係るスクロール圧縮機において、流体はＨＦＯ冷媒であってもよい。

また、上記実施の形態や変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

１ シェル、２ フレーム、３ 固定スクロール、３ａ、４ａ 台板、３ｂ、４ｂ 渦巻歯、４ 揺動スクロール、４ｃ ボス部、５ ステータ、６ ロータ、７ 主軸、７ａ 偏心軸部、８ 潤滑油、９ ポンプ、１０ 吸入管、１１ 吐出管、１２ オルダムリング、１４ 揺動軸受、１５ 油溜まり、１６ 主軸受部、１７ 副軸受部、１８ サブフレーム、２０ 圧縮機構部、２１ 電動機部、３０ スライダ、３０ａ 外周面、３１ スライド溝、３２、３３ 肉抜き部、４０ バランスウェイト付きスライダ、４１ スライダ部、４２ バランスウェイト部。

Claims (5)

1. シェル内に固定して設けられた固定スクロール、及び前記固定スクロールに対して揺動する揺動スクロールを有し、流体を圧縮する圧縮機構部と、
   一端に偏心軸部を有し、前記揺動スクロールに回転駆動力を伝達する主軸と、
   前記偏心軸部を摺動自在に嵌入させるスライド溝が形成されたスライダと、
   前記揺動スクロールに設けられ、前記スライダを回転自在に支持する揺動軸受と、
   を備え、
   前記スライダは、当該スライダの中心軸から見て、前記揺動軸受の内周側に配置されており、
   前記スライダの中心軸は、前記主軸の回転軸に対して一方向に偏心しており、
   前記スライダの重心は、前記主軸の回転軸に対して、前記一方向とは逆方向に偏心しているスクロール圧縮機。
2. 前記スライダの重心と前記主軸の回転軸との距離は、前記スライダの中心軸と前記主軸の回転軸との距離よりも長い請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記スライダには、前記スライド溝と一体化した肉抜き部が形成されている請求項１又は請求項２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記スライダには、前記スライド溝から独立した肉抜き部が形成されている請求項１又は請求項２に記載のスクロール圧縮機。
5. 前記流体はＨＦＯ冷媒である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。

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