WO2017145281A1

WO2017145281A1 - スクロール圧縮機

Info

Publication number: WO2017145281A1
Application number: PCT/JP2016/055373
Authority: WO
Inventors: 森田　慎也; 修平小山; 友寿松井; 石園　文彦
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-08-31

Abstract

　このスクロール圧縮機は、シェル８と、シェル８内の一端側の圧縮機構部４５と、シェル８内の他端側の油溜め１２と、圧縮機構部４５の軸受部を介して設けられた主軸４と、主軸４に形成された縦給油穴２３と、主軸４下部のオイルポンプ２１と、を備えて成り、縦給油穴２３は、主軸４の回転中心４ｂから偏心した位置に形成され、主軸４の外周面と縦給油穴２３とを連通する横給油穴２３ａが形成され、横給油穴２３ａは縦給油穴２３の偏心方向とは反対側の外周面に開口している。従って、遠心力により分離された異物１０１は軸受部へ侵入することなく主軸４の上部から排出されるから、軸受部の異物堆積を防ぎ圧縮機ロックを防止できる。

Description

スクロール圧縮機

　この発明は、主に空調機、冷凍機、給湯機等に搭載されるスクロール圧縮機に関するものである。

　従来のスクロール圧縮機は、圧縮機内に侵入した異物を、オイルポンプに設けられたオイルフィルタにより除去している。このとき、オイルフィルタで除去できなかった小さな異物は回転駆動軸の給油穴を通り、冷凍機油に伴って軸受内に導かれていた。このように軸受に侵入した異物は、冷凍機油とともに軸受隙間から排出されて圧縮機内下部の油溜めに戻るようになっている。

特開平５－２０２９３６号公報

　ところで、上記した従来のスクロール圧縮機において、オイルフィルタで除去しきれなかった異物は軸受内に侵入しやすく、かかる異物が軸受内に侵入した場合は、軸受部における異物排出経路が軸受隙間分しかないため、異物を噛み込んで圧縮機がロックするというおそれがあった。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、回転駆動軸内の給油経路に異物を分離する構造を設けることによって、軸受部での異物堆積を防いで圧縮機のロックを未然に防止できるスクロール圧縮機を得ることを目的としている。

この発明に係るスクロール圧縮機は、圧力容器であるシェルと、シェル内の一端側に配備されて圧縮室を形成する固定スクロールおよび揺動スクロールならびに揺動スクロールを旋回自在にスラスト支持するフレームを備えた圧縮機構部と、シェル内の他端側に形成された油溜めと、圧縮機構部の軸受部を介して圧縮機構部に回動自在に連結された回転駆動軸と、油溜めの油を圧縮機構部へ給油するために回転駆動軸に上下貫通して形成された縦給油穴と、回転駆動軸の下部に取り付けられていて油溜めの油を回転駆動軸の縦給油穴に供給するオイルポンプと、を備えて成り、縦給油穴は、回転駆動軸の回転中心から半径方向に偏心した位置に形成され、圧縮機構部の軸受部と対面する位置に在る回転駆動軸の外周面と、縦給油穴とを連通する横給油穴が回転駆動軸に形成され、横給油穴は、回転駆動軸の回転中心を中心として縦給油穴の偏心方向とは反対側の外周面に開口していることを特徴とするものである。

　この発明に係るスクロール圧縮機は、回転駆動軸の回転中心から半径方向に偏心した位置に縦給油穴を形成し、縦給油穴の途中と連通する横給油穴を、回転駆動軸の回転中心を中心として縦給油穴の偏心方向とは反対側の外周面に開口させるようにしたので、縦給油穴の偏心配置に起因する遠心力を受けた異物は、軸受部へ侵入することなく、油から分離され縦給油穴を経て排出されるため、軸受部への異物堆積を防ぎ、圧縮機のロックを防止できるという効果が得られる。

この発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機全体の縦断面図である。前記スクロール圧縮機における軸受部を主に示す部分拡大縦断面図である。前記スクロール圧縮機におけるスライダを示す平面図である。前記スクロール圧縮機におけるスリーブを示す斜視図である。この発明の実施の形態２におけるスクロール圧縮機のスリーブを示す斜視図である。前記スクロール圧縮機におけるスリーブの異物排出溝の傾斜角度と異物排出力との関係を示す図であって、（ａ）は傾斜角度が４５度のときの関係を示す説明図、（ｂ）は傾斜角度が３０度のときの関係を示す説明図である。前記スクロール圧縮機におけるスリーブの外周面を周方向に展開した展開図である。前記スクロール圧縮機におけるスリーブの別の例を示す斜視図である。前記スクロール圧縮機におけるスリーブの他の例を示す斜視図である。前記スクロール圧縮機におけるスリーブの更に他の例を示す斜視図である。

実施の形態１．
　この発明に係る実施の形態１を図１から図４を用いて説明する。図１は密閉型のスクロール圧縮機全体の縦断面構造を示している。
図において、このスクロール圧縮機は、冷媒等の流体を吸入し圧縮し高温・高圧の状態にして吐出させる機能を有しており、圧力容器としての外郭を成す密閉状のシェル８の内部に、圧縮機構部４５、駆動機構部４６、およびその他の構成部品が収納されて構成されている。圧縮機構部４５はシェル８内の上側に配置され、駆動機構部４６はシェル８内の下側に配置されている。シェル８内の下部は油溜め１２となっている。

　前記の圧縮機構部４５は、吸入管５から吸入した流体を圧縮して、シェル８内の上方に形成されている高圧空間１５に排出する機能を有している。このように高圧にされた流体は、吐出管１３からスクロール圧縮機の外部に吐出されるようになっている。前記の駆動機構部４６は、圧縮機構部４５で流体を圧縮するために、圧縮機構部４５の構成部品である揺動スクロール２を駆動させる機能を果たすようになっている。つまり、駆動機構部４６が主軸４を介して揺動スクロール２を揺動駆動させることによって、圧縮機構部４５で流体を圧縮するようになっている。

そして、圧縮機構部４５は、固定スクロール１と、揺動スクロール２と、固定スクロール１を固定し揺動スクロール２を摺動自在にスラスト支持するフレーム３と、から構成されている。この場合、揺動スクロール２は下側に配置され、固定スクロール１は上側に固定配置されている。固定スクロール１は、第１台板１ｃと、第１台板１ｃの一方の面に立設された第１渦巻状突起物である渦巻体１ｂと、から構成されている。揺動スクロール２は、第２台板２ａと、第２台板２ａの一方の面に立設された渦巻状突起物である第２渦巻体２ｂと、から構成されている。固定スクロール１および揺動スクロール２は、第１渦巻体１ｂと第２渦巻体２ｂを互いに噛み合せた状態で、シェル８内に装着されている。そして、第１渦巻体１ｂと第２渦巻体２ｂとの間には、容積が半径方向内側へ向かうに従って縮小する圧縮室９が形成されるようになっている。

固定スクロール１は、フレーム３を介してシェル８内の上部（一端側）に固定されている。固定スクロール１の中央部には、圧縮され高圧となった流体を吐出する吐出ポート１ａが形成されている。吐出ポート１ａの出口開口部には、この出口開口部を覆い、流体の逆流を防ぐ板バネ製の弁１１が設けられている。弁１１の一端側には、弁１１のリフト量を制限する弁押さえ１０が設けられている。つまり、圧縮室９内で流体が所定圧力まで圧縮されると、弁１１がその弾性力に逆らって、持ち上げられ、圧縮された流体が吐出ポート１ａから高圧空間１５内に吐出され、吐出管１３を通ってスクロール圧縮機の外部に吐出される。

揺動スクロール２は、固定スクロール１に対して自転することなく偏心旋回運動を行うようになっている。また、揺動スクロール２の第２渦巻体２ｂの形成面とは反対側の面(スラスト面)の略中心部には、駆動力を受ける凹状の軸受２ｄが形成されている。この軸受２ｄには、後述するシャフト４の上端に設けられた偏心ピン部４ａが嵌入されている。

前記の駆動機構部４６は、シェル８内で垂直向きに収容された回転駆動軸である主軸４と、シェル８内部に固着保持されたステータ７と、ステータ７の内周面側に回転可能に配設されて主軸４に固定されたロータ６と、を備えて構成されている。ステータ７は、通電されることによってロータ６を回転駆動させる機能を有している。また、ステータ７は、外周面が焼き嵌め等によりシェル８胴部の内周壁に固着保持されている。ロータ６は、ステータ７に通電がなされることにより回転駆動し、主軸４を回転駆動させる機能を有している。このロータ６は、主軸４の外周に固定されており、内部に永久磁石を有し、ステータ７と僅かな隙間を隔てて保持されている。

　前記の主軸４は、ロータ６の回転に伴って回転し、揺動スクロール２を回転駆動させるようになっている。この主軸４は、その上側がフレーム３の中心部に位置する軸受部３ａで、その下側がシェル８内の下部に固定配置されたサブフレーム１９の中心部に位置する副軸受１９ａで、それぞれ回転可能に支持されている。この主軸４の上端部には、揺動スクロール２を偏心しつつ回転できるように軸受２ｄと嵌め合う偏心ピン部４ａが形成されている。

　図２は、密閉型であるスクロール圧縮機の軸受部を示している。揺動スクロール２の軸受２ｄには、微小隙間をもって円筒状ブッシュである被潤滑部品のスライダ１７が嵌合され、スライダ１７は主軸４の偏心ピン部４ａに装着されている。また、フレーム３の中心部に位置する軸受部３ｂには、微小隙間をもって円筒状ブッシュである被潤滑部品スリーブ１８が嵌合され、スリーブ１８は主軸４に装着されている。以下、主軸偏心ピン部４ａに装着された被潤滑部品をスライダ１７といい、主軸４に装着された被潤滑部品をスリーブ１８という。

前記のスリーブ１８は、圧縮機構部４５のフレーム３と主軸４との間に介設されていて主軸４に随伴して回転する。このスリーブ１８は圧縮機構部４５が有する軸受部のひとつである。また、このスリーブ１８において主軸４の横給油穴２３ａとの対面位置には、スリーブ内周面とスリーブ外周面とを連通する通油孔２５が水平方向に貫通して形成されている。

　主軸４は、外周面中央が凸となる鼓状に形成されたクラウニング面(図示省略)をスライダ１７とスリーブ１８との間に有している。また、揺動スクロール２は主軸４の回転中心４ｂに対して偏心して装着されているため、そのアンバランスと釣り合うよう、主軸４の上部に第一バランサ１５が固定され、ロータ６の下面に第二バランサ１６が固定されている。

　図３はスライダ１７を示している。スライダ１７は中央近傍に略長方形の穴であるスリットが形成され、偏心ピン部４ａの端部はこのスリットに嵌合されるように略長方形の横断面を有するように加工されている。このようにすることで、スライダ１７が主軸４の軸心方向に直角な面上の一定方向にしか摺動しないようにしている。スライダ１７にはＤカット部１７ａが形成されている。

　シェル８には、流体を吸入するための吸入管５と、流体を吐出するための吐出管１３とがそれぞれ接続されている。シェル８の内部には、フレーム３が固着されている。フレーム３は、シェル８の内周壁に固着され、平面視中心部に主軸４を軸支するための貫通孔が形成されている。このフレーム３は、その支持面で揺動スクロール２を揺動自在にスラスト支持するとともに、その軸受部３ａで主軸４を回転自在に支持している。尚、フレーム３は、その外周面を焼き嵌めや溶接等によってシェル８の内周面に固定するとよい。また、シェル８内の下部には、サブフレーム１９が固着されている。サブフレーム１９は、シェル８の内周壁に固着され、平面視中心部に主軸４を軸支するための貫通孔が形成されている。サブフレーム１９は、貫通孔に取り付けられた副軸受１９ａによって主軸４を回転自在に支持している。尚、シェル８内で、フレーム３は上側に配置され、サブフレーム１９は下側に配置されている。

　シェル８内には、揺動スクロール２の偏心旋回運動中における自転運動を阻止するためのオルダムリング２０が配設されている。このオルダムリング２０は、固定スクロール１と揺動スクロール２との間に配設され、揺動スクロール２の自転運動を阻止するとともに公転運動を可能とする機能を果たすように構成されている。

　シェル８内の下部（他端側）に取り付けられたサブフレーム１９には、主軸４の回転に伴って汲み上げ駆動を行うオイルポンプ２１が固定されている。オイルポンプ２１にはオイルフィルタ２２が嵌合されており、オイルフィルタ２２は油溜め１２内の冷凍機油１０２に含まれる異物１０１を冷凍機油１０２から分離して取り除く機能を果たしている。

　主軸４の回転中心４ｂから半径方向に偏心した位置に給油穴心４ｃを有する、縦給油穴２３が上下貫通して形成されている。この縦給油穴２３は主軸上側空間２４、フレーム軸受３ａ、副軸受１９ａと繋がっており、オイルポンプ２１によって汲み上げられた冷凍機油１０２が各軸受部(２ｄ，３ａ，１９ａ)にそれぞれ供給される。そして、スリーブ１８の軸受部分と対面する位置に在る主軸４の外周面と、縦給油穴２３とを連通する横給油穴２３ａが、主軸４に形成されている。この横給油穴２３ａは、主軸４の回転中心４ｂを中心として縦給油穴２３の偏心方向とは反対側の主軸４の外周面に開口している。

　図４はスリーブ１８を示している。スリーブ１８の中央部には主軸４に設けられた横給油穴２３ａと繋がる通油孔２５が形成されており、通油孔２５の周囲にはカット部２６が平面状に形成されている。主軸４には回り止めピン２７が配設されており、スリーブ１８に形成されたキー溝２８に回り止めピン２７がかかることで、主軸４の回転とともに位置関係を維持したままスリーブ１８が随伴回転する。これにより、フレーム３の軸受部３ａへ繋がる主軸４の横給油穴２３ａと、スリーブ１８の通油孔２５との位置関係は、常に一致して連通し、フレーム３の軸受部３ａへと冷凍機油１０２が給油される。スリーブ１８には、回転中に常に負荷のかかる負荷面２９と、負荷のかからない反負荷面３０とが存在し、通油孔２５とキー溝２８は反負荷面３０側に配設される。

　ここで、スクロール圧縮機１００の動作について簡単に説明する。
シェル８に設けられた電源端子３１に通電されると、ステータ７とロータ６とにトルクが発生し、主軸４が回転する。主軸４上端の偏心ピン部４ａに装着されたスライダ１７には、回転自在に揺動スクロール２が嵌合されている。インボリュート曲線にならって形成された渦巻体(第１渦巻体１ｂと第２渦巻体２ｂ)を有する固定スクロール１と揺動スクロール２とは摺動自在に噛み合い、これによって複数の圧縮室９が形成される。圧縮室９は、揺動スクロール２の旋回運動とともに中心に向かって容積を減少させながら移動し、流体（冷媒）が圧縮される。圧縮された冷媒は、吐出管１３を介してシェル８外へ排出される。

　次に、異物排出動作について簡単に説明する。
前述のスクロール圧縮機１００の動作において、主軸４が回転すると、オイルポンプ２１が駆動し油溜め１２内の冷凍機油１０２を縦給油穴２３に汲み上げる。油溜め１２内の冷凍機油１０２には異物１０１が混入している場合が多いので、オイルポンプ２１に嵌合されたオイルフィルタ２２により冷凍機油１０２と異物１０１との分離が行なわれる。オイルフィルタ２２にて大部分の異物１０１は捕捉除去されるが、オイルフィルタ２２のメッシュサイズ以下の微細な異物１０１は冷凍機油１０２と共に主軸４の縦給油穴２３に侵入する。軸心方向に形成された縦給油穴２３を主軸回転中心４ｂから半径方向にずらし、かつ、フレーム３の軸受部３ａへ繋がる横給油穴２３ａを、主軸４の回転中心４ｂに対し縦給油穴２３の偏心方向とは反対側の主軸外周面に開口させていることから、異物１０１は遠心力によって分離され、フレーム３の軸受部３ａ側の給油経路２０１へ侵入することなく、主軸上部空間２４へ排出される。主軸上部空間２４へ排出された異物１０１は、スライダ１７のＤカット部１７ａ、フレーム内空間３ｂ、フレーム３に嵌合されたオイルパイプ３２を通って、油溜め１２へ返される。実施の形態１における圧縮機動作中の異物排出経路２００を図１中に太線矢印で示しておく。
　そして、前述異物排出経路２００においては、異物１０１と冷凍機油１０２が混合された状態で異物排出を行うが、フレーム３の軸受部３ａ側の給油経路２０１においては、異物１０１が遠心力によって分離されるので、冷凍機油１０２のみが潤滑油として軸受部に給油され、軸受部３ａ、フレーム内空間３ｂ、オイルパイプ３２を通って、油溜め１２へ返される。

　以上のように、異物排出経路２００において、異物１０１を遠心力により分離し、主軸上部空間２４を経由して油溜め１２へ返すようにしているので、冷凍機油１０２のみを給油経路２０１へ供給することで、軸受部への異物１０１の侵入を防止し、圧縮機のロックを防止することができる。

ところで、上記の実施形態で採用した縦給油穴偏心構造は、一般的な差圧式のポンプについて使用できることについては言うまでもない。更には、トロコイドポンプと組み合せることで、起動時や低速時の給油能力を確保しつつ、より効果的に異物の分離、排出が可能となることも無論である。

実施の形態２．
実施の形態１は、縦給油穴２３の偏心配置により異物１０１を遠心除去するようにしたものであるが、次にスリーブの構造を改良した場合の実施の形態２を説明する。図５から図１０はこのような場合の実施の形態２を示している。
ところで、スリーブとフレーム３の軸受部３ａとの間には、微小隙間である軸受隙間が設定されている。そして、圧縮機動作中にオイルポンプ２２によって汲み上げられた異物１０１が、軸受部３ａへ繋がる横給油穴２３ａ、通油孔２５を通過後に、軸受隙間へ侵入した場合、異物１０１は冷凍機油１０２とともにフレーム内空間３ｂに排出される。しかしながら、起動時や回転数の低い運転条件などにおいてポンプの汲み上げ量が少ない場合は、冷凍機油１０２の掻き出し量が少なくなって冷凍機油１０２がフレーム内空間３ｂに排出されず、軸受隙間に異物１０１が堆積して圧縮機がロックする可能性がある。

そこで先ず、図５に、実施の形態２における異物排出溝５１ａ付きのスリーブ５１を示す。このスリーブ５１では、スリーブ外周面における通油孔２５の開口部周囲に、スリーブ５１の外周面を平面状に切り欠いて形成されたカット部（貯油部の例）２６が形成されている。そして、通油孔２５の開口部が設けられたカット部２６とスリーブ５１の上端面５１ｂとをつなぐ異物排出溝５１ａが、スリーブ５１の外周面にスリーブ回転方向（矢印Ｒ方向）の上流側に向かって上向きに傾斜して形成されている。この場合、スリーブ５１の回転方向（矢印Ｒ方向）により異物１０１が堆積しやすい箇所が存在し、図５に示すような反時計回りの場合、回転方向上流側端面であるカット部２６の図面視左側に異物堆積が発生するため、異物排出溝５１ａをカット部２６の図面視左側に形成し、異物１０１をフレーム内空間３ｂに排出するようにしている。

　図６に、スリーブ５１の異物排出溝５１ａの傾斜溝角度θと遠心力による異物排出力との関係を示す。図６に示す通り、水平方向に対する傾斜角度θが小さいほど、遠心力の影響を受けて異物排出力が大きくなり、異物１０１をフレーム内空間３ｂに排出しやすくなる。そこで、実施の形態２におけるスリーブ５１の異物排出溝５１ａの傾斜角度θは、できる限り小さく設定するとよい。但し、傾斜角度θの範囲は、０°＜θ＜９０°とする。

図７に、異物排出溝５１ａ付きのスリーブ５１の外周面を周方向に展開した展開図を示す。
図７中に示した符号の関係から、最小溝角度θminは以下の式（１）によって算出される。
θmin= ｔａｎ -１ ((Ｈ+ｂ) / (πｒ-ａ))　・・・　（１）
　式（１）中の符号において、
Ｈ:スリーブ高さ、
ａ:カット部縦長さ、
ｂ:カット部横長さ、
ｒ:スリーブ半径 (＝スリーブ外径/２)、
である。

また、通油孔２５の開口部周囲に、スリーブ５１の外周面を切り欠いて形成されたカット部２６が形成されているので、十分な量の冷凍機油１０２をカット部２６に一時的に貯めておけるから、常に圧縮機構部４５の軸受部に十分な給油を行なうことができ、縦給油穴２３から分離された異物１０１も多量に、かつ、例え大粒のものでもカット部２６を通過させることができる。

　尚、上記の実施形態では、最小傾斜角度θminを設定することにしたが、本発明の異物排出溝は前述の実施例の構成に限定されるものではない。例えば、図８に示すスリーブ５１の異物排出溝５１ａＡのように、反負荷面３０の範囲内で、かつ、傾斜角度θ＝０°＜θ＜９０°の範囲内において、傾斜角度θ（ここでは例えば６８°）を必要に応じて変更可能である。また、図９,１０に示すスリーブ５１の異物排出溝５１ａＢ，５１ａＣのように、傾斜角度θ（ここでは例えば８０°および８５°）および溝幅も必要に応じて変更可能であることは無論である。

　ところで、前述の説明では、実施の形態１にて縦給油穴を偏心させた主軸４について述べ、実施の形態２にて異物排出溝５１ａ付きのスリーブ５１について述べたが、実施形態１と実施形態２の構成を組み合わせることで、更に異物に対する耐力が向上し、圧縮機のロックを防止できることは言うまでもない。

１　固定スクロール、２　揺動スクロール、２ｄ　軸受、３　フレーム、３ａ　軸受部、３ｂ　フレーム内空間、４　主軸（回動駆動軸）、４ａ　偏心ピン部、４ｂ　主軸回転中心、４ｃ　給油穴心、５　吸入管、６　ロータ、７　ステータ、８　シェル、９　圧縮室、１２　油溜め、１３　吐出管、１７　スライダ、１７ａ　Ｄカット部、１８　スリーブ、１９　サブフレーム、１９ａ　副軸受、２０　オルダムリング、２１　オイルポンプ、２３　縦給油穴、２３ａ　横給油穴、２４　主軸上部空間、２５　通油孔、２６　カット部（貯油部）、２９　負荷面、３０　反負荷面、３２　オイルパイプ、４５　圧縮機構部、４６　駆動機構部、５１　スリーブ、５１ａ，５１ａＡ，５１ａＢ，５１ａＣ　異物排出溝、５１ｂ　上端面、１００　スクロール圧縮機、１０１　異物、１０２冷凍機油、２００　異物排出経路、２０１　給油経路、Ｒ　矢印、θ　傾斜角度。

Claims

圧力容器であるシェルと、前記シェル内の一端側に配備されて圧縮室を形成する固定スクロールおよび揺動スクロールならびに前記揺動スクロールを旋回自在にスラスト支持するフレームを備えた圧縮機構部と、前記シェル内の他端側に形成された油溜めと、前記圧縮機構部の軸受部を介して前記圧縮機構部に回動自在に連結された回転駆動軸と、前記回転駆動軸に上下貫通して形成され、前記油溜めの油を前記圧縮機構部へ給油する縦給油穴と、前記回転駆動軸の下部に取り付けられていて前記油溜めの油を前記回転駆動軸の縦給油穴に供給するオイルポンプと、を備えて成り、
前記縦給油穴は、前記回転駆動軸の回転中心から半径方向に偏心した位置に形成され、前記回転駆動軸は、前記圧縮機構部の軸受部と対面する位置に、前記縦給油穴に連通する横給油穴を備え、
前記横給油穴は、前記回転駆動軸の回転中心を中心として前記縦給油穴の偏心方向とは反対側の外周面に開口していることを特徴とするスクロール圧縮機。
圧縮機構部の軸受部のひとつが、前記圧縮機構部のフレームと前記回転駆動軸との間に介設されて前記回転駆動軸の回転とともに回転するスリーブであり、
前記スリーブは、前記回転駆動軸の横給油穴との対面位置に形成され、スリーブ内周面とスリーブ外周面とを連通する通油孔と、
前記通油孔の開口部と前記スリーブの上端面とをつなぎ、前記スリーブの外周面にスリーブ回転方向上流側に向かって上向きに傾斜して形成されている異物排出溝とを備えることを特徴とするスクロール圧縮機。
水平方向に対する異物排出溝の傾斜角度が、０度を超え９０度未満に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のスクロール圧縮機。
通油孔の開口部周囲に、スリーブ外周面を切り欠いて形成された貯油部が形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のスクロール圧縮機。