WO2012153644A1

WO2012153644A1 - スクロール型流体機械

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Publication number: WO2012153644A1
Application number: PCT/JP2012/061181
Authority: WO
Inventors: 和英渡辺; 山崎　浩; 源太慶川; 吉田　孝文; 松尾　識
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: JP2012237251A; EP2708749A8; US20130243635A1; EP2708749A1; CN103370542A; EP2708749A4

Abstract

ボス部内へ軸受を固定する際に生じる旋回スクロールの変形を低減することが可能なスクロール型流体機械を提供する。スクロール圧縮機は、それぞれの端板の一側面に渦巻き状の壁体を立設させた固定スクロール及び旋回スクロールが互いに噛み合わされて、流体を密閉する密閉室が形成されるスクロール圧縮機であって、旋回スクロールの端板の他側面に突設された金属製のボス部（１５Ｃ）と、ボス部（１５Ｃ）内に挿入される金属製の旋回軸受（１２）と、旋回軸受（１２）内に挿入され旋回軸受（１２）によって回転支持されるブッシュ部を有し軸線周りに回転するクランク軸と、ボス部（１５Ｃ）と旋回軸受（１２）の間に設けられ、ボス部（１５Ｃ）及び旋回軸受（１２）よりも熱膨張係数が大きい挿入部材（３１）とを備える。

Description

スクロール型流体機械

　本発明は、一対の固定スクロール及び旋回スクロールが噛み合わされて、流体を密閉する密閉室が形成されるスクロール型流体機械に関するものである。

　一対の固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせることによって圧縮室を形成しているスクロール圧縮機は、旋回スクロールの端板の一側面に壁体が立設されており、他側面にボス部が突設されている。

　そして、ボス部内に挿入された旋回軸受内に、クランク軸のブッシュ部が挿入されて、ブッシュ部が旋回軸受によって回転支持される。クランク軸が軸線周りに回転することで、旋回軸受とボス部を介して旋回スクロールが回転する。ブッシュ部の軸線がクランク軸の軸線から偏心しているため、旋回スクロールは公転運動をする。

　一方、特許文献１では、ドライブブッシュをポリイミド樹脂製とし、ドライブブッシュを直接ボスの内部に嵌装することによって、旋回軸受を使用しない技術が開示されている。

特開平１１－１３２１７０号公報

　ところで、スクロール圧縮機において、ボス部と旋回軸受は、通常、異なる金属材料が使用されている。そのため、ボス部内に旋回軸受を挿入する場合、高温時において、熱膨張係数の違いによって、ボス部と旋回軸受間に間隙が生じるおそれがある。

　したがって、従来、低温時にボス部内に旋回軸受を挿入して固定する際、温度上昇時に間隙が生じないように、旋回軸受をボス部へ圧力をかけながら挿入（圧入）していた。しかし、圧入時において、ボス部の開口側が外側に開くように変形し、それに伴い、旋回スクロールの端板が変形するという問題があった。その結果、固定スクロールと旋回スクロールの壁体同士の接触部分が線接触ではなく、点接触になり、旋回時に、冷媒が隣接する圧縮室に漏れてしまう。なお、旋回軸受が抜けないよう、旋回軸受の圧入に加えて、ボス部の先端を加締（かし）める場合もある。

　また、ボス部内面に溝を設けてスナップリングを挿入することによって、旋回軸受の抜けを防止する場合もある。この場合、圧入・加締めによる旋回スクロールの変形は防止できるが、温度上昇時に、熱膨張係数の違いによって、ボス部と旋回軸受間に間隙が生じる。その結果、ボス部と旋回軸受が部分的に接触するようになり、振動や繰り返し応力などを受けることによって表面損傷（フレッチング）が発生するという問題があった。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ボス部内へ軸受を固定する際に生じる旋回スクロールの変形を低減することが可能なスクロール型流体機械を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明のスクロール型流体機械は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明に係るスクロール型流体機械は、それぞれの端板の一側面に渦巻き状の壁体を立設させた固定スクロール及び旋回スクロールが互いに噛み合わされて、流体を密閉する密閉室が形成されるスクロール型流体機械であって、旋回スクロールの端板の他側面に突設された金属製のボス部と、ボス部内に挿入される金属製の軸受と、軸受内に挿入され軸受によって回転支持されるブッシュ部を有し、軸線周りに回転するクランク軸と、ボス部と軸受の間に設けられ、ボス部及び軸受よりも熱膨張係数が大きい挿入部材とを備える。

　本発明によれば、旋回スクロールの端板の一側面に壁体が立設され、他側面にボス部が突設されており、ボス部内に挿入された軸受内にブッシュ部が挿入されて、ブッシュ部が軸受によって回転支持される。そして、ブッシュ部を有するクランク軸が軸線周りに回転することで、軸受とボス部を介して旋回スクロールが回転する。ブッシュ部の軸線がクランク軸の軸線から偏心しているとき、旋回スクロールは公転運動をする。

　本発明では、ボス部と軸受の間に挿入部材が設けられており、挿入部材は金属製のボス部及び軸受よりも熱膨張係数が大きいため、高温時において、挿入部材によってボス部と軸受が確実に固定される。そのため、低温時において、高温時の膨張の違いを見越してボス部内に軸受を圧入する必要が無く、ボス部内に軸受を圧入する際に生じる旋回スクロールの変形を低減又は防止できる。
　挿入部材は、例えば合成樹脂製、合成ゴム製であり、旋回スクロール回転時の騒音や振動を低減することも可能である。

　本発明において、挿入部材は、リング形状であって、ボス部の内面に沿って設けられてもよい。

　本発明によれば、ボス部の内面に沿って、リング形状の挿入部材が設けられることから、金属製のボス部と軸受同士が接触することが無い。そのため、挿入部材が無いときにボス部と軸受が部分的に接触し、振動や繰り返し応力などを受けることによって発生する表面損傷（フレッチング）を低減又は防止できる。

　本発明によれば、ボス部内へ軸受を固定する際に生じる旋回スクロールの変形を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。同実施形態に係るボス部、旋回軸受及び挿入部材を示す縦断面図である。同実施形態に係る挿入部材を示す斜視図である。同実施形態に係るボス部、旋回軸受及び挿入部材を示す部分拡大縦断面図である。同実施形態に係るボス部、旋回軸受及び挿入部材の変形例を示す縦断面図である。同実施形態に係る挿入部材の変形例を示す斜視図である。

　以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１には、本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機１の縦断面図が示されている。スクロール圧縮機１は、外殻を構成するハウジング２を有している。ハウジング２は、フロントハウジング３とリアハウジング４とをボルト５で一体的に締め付け固定することにより構成されている。フロントハウジング３及びリアハウジング４には、円周上の複数箇所、例えば４箇所に等間隔で締め付け用のフランジ３Ａ，４Ａが一体に形成される。このフランジ３Ａ，４Ａ同士をボルト５で締め付けることによって、フロントハウジング３とリアハウジング４とが一体に結合されている。

　フロントハウジング３の内部には、クランク軸６がメイン軸受７及びサブ軸受８を介してその軸線Ｌ回りに回転自在に支持されている。クランク軸６の一端側（図１において左側）は小径軸部６Ａとされ、該小径軸部６Ａはフロントハウジング３を貫通して図１の左側に突出されている。小径軸部６Ａの突出部には、公知の如く動力を受ける図示省略の電磁クラッチ、プーリー等が設けられ、エンジン等の駆動源からＶベルト等を介して動力が伝達されるようになっている。メイン軸受７とサブ軸受８との間には、メカニカルシール（リップシール）９が設置されており、ハウジング２内と大気との間を気密にシールしている。

　クランク軸６の他端側（図１において右側）には、大径軸部６Ｂが設けられ、この大径軸部６Ｂには、クランク軸６の軸線Ｌより所定寸法だけ偏心した状態でクランクピン６Ｃが一体に設けられている。クランク軸６は、大径軸部６Ｂ及び小径軸部６Ａがフロントハウジング３にメイン軸受７及びサブ軸受８を介して支持されることにより、回転自在に支持されている。クランクピン６Ｃには、ドライブブッシュ１０、円筒環（フローティングブッシュ）１１及び旋回軸受１２を介して後述の旋回スクロール１５が連結され、クランク軸６が回転されることにより旋回スクロール１５が旋回駆動されるようになっている。

　ドライブブッシュ１０には、旋回スクロール１５が旋回駆動されることで発生するアンバランス荷重を除去するバランスウェイト１０Ａが一体に形成され、旋回スクロール１５の旋回駆動と共に旋回されるようになっている。また、ドライブブッシュ１０には、その中心に対して偏心した位置にクランクピン６Ｃが嵌合されるクランクピン穴１０Ｂが設けられている。これにより、クランクピン６Ｃに嵌合されたドライブブッシュ１０及び旋回スクロール１５がガスの圧縮反力を受けてクランクピン６Ｃの周りに回動され、旋回スクロール１５の旋回半径を可変とする公知の従動クランク機構が構成されている。

　また、ハウジング２内には、一対の固定スクロール１４及び旋回スクロール１５により構成されるスクロール圧縮機構１３が組み込まれている。固定スクロール１４は、固定端板１４Ａと該固定端板１４Ａに立設されている固定渦巻き状ラップ１４Ｂ（壁体）とから構成され、旋回スクロール１５は、旋回端板１５Ａと該旋回端板１５Ａに立設されている旋回渦巻き状ラップ１５Ｂ（壁体）とから構成されている。

　この固定スクロール１４及び旋回スクロール１５は、その中心を旋回半径分だけ離すとともに、各渦巻き状ラップ１４Ｂ，１５Ｂの位相を１８０度ずらして噛合され、該渦巻き状ラップ１４Ｂ，１５Ｂの歯先面と歯底面との間に常温で僅かなラップ高さ方向のクリアランス（数十～数百ミクロン）を有するように組み付けられている。これにより、図１に示されるように、両スクロール１４，１５間には、各端板１４Ａ，１５Ａと各渦巻き状ラップ１４Ｂ，１５Ｂとにより区切られて形成される複数対の圧縮室１６が、スクロール中心に対して点対称に形成されるとともに、旋回スクロール１５が固定スクロール１４の周りをスムーズに旋回できるように構成されている。

　圧縮室１６は、旋回軸線方向の高さが各渦巻き状ラップ１４Ｂ，１５Ｂの外周側において内周側の高さよりも高くされることによって、各渦巻き状ラップ１４Ｂ，１５Ｂの周方向及び高さ方向の双方にガスを圧縮できる三次元圧縮可能なスクロール圧縮機構１３を構成している。固定スクロール１４及び旋回スクロール１５のそれぞれの渦巻き状ラップ１４Ｂ，１５Ｂの歯先面には、相手方スクロールの歯底面との間に形成されるチップ隙間をシールするチップシール１７，１８が、それぞれ歯先面に設けられているシール溝に嵌合されて組み込まれてもよい。

　固定スクロール１４は、リアハウジング４の内面にボルト２７を介して固定設置されている。また、旋回スクロール１５は、旋回端板１５Ａの背面に設けられているボス部１５Ｃに対して、上述のとおり、クランク軸６の一端側に設けられているクランクピン６Ｃがドライブブッシュ１０、円筒環（フローティングブッシュ）１１及び旋回軸受１２を介して連結され、旋回駆動されるように構成されている。

　更に、旋回スクロール１５は、フロントハウジング３のスラスト受け面３Ｂに旋回端板１５Ａの背面が支持され、該スラスト受け面３Ｂと旋回端板１５Ａの背面との間に設けられている自転阻止機構１９を介して自転が阻止されながら固定スクロール１４の周りに公転旋回駆動されるようになっている。本実施形態の自転阻止機構１９は、旋回スクロール１５の旋回端板１５Ａに設けられたリング穴に組み込まれている自転阻止リング１９Ａの内周面に対して、フロントハウジング３に設けられたピン穴に組み込まれている自転阻止ピン１９Ｂが摺動自在に嵌合されたピンリング式の自転阻止機構１９とされている。

　固定スクロール１４には、固定端板１４Ａの中央部位に圧縮された冷媒ガスを吐出する吐出ポート１４Ｃが開口されており、該吐出ポート１４Ｃには、固定端板１４Ａにリテーナ２０を介して取り付けられている吐出リード弁２１が設置されている。また、固定端板１４Ａの背面側には、リアハウジング４の内面と密接されるようにＯリング等のシール材２２が介装されており、リアハウジング４の内面との間にハウジング２の内部空間から区画された吐出チャンバー２３を形成している。これにより、吐出チャンバー２３を除くハウジング２の内部空間が、吸入チャンバー２４として機能するように構成されている。

　吸入チャンバー２４には、フロントハウジング３に設けられている吸入口２５を介して冷凍サイクルから戻ってくる冷媒ガスが吸入され、この吸入チャンバー２４を経て圧縮室１６に冷媒ガスが吸い込まれるようになっている。フロントハウジング３とリアハウジング４との間の接合面には、Ｏリング等のシール材２６が介装され、ハウジング２内に形成される吸入チャンバー２４を大気に対して気密にシールしている。

　なお、スクロール圧縮機１は、内部の摺動部を滑らかに動かすための潤滑油が使用される。潤滑油は、冷媒と共に所定の割合で共存し、冷媒と一緒に固定スクロール１４及び旋回スクロール１５内に吸入される。この潤滑油は、固定スクロール１４及び旋回スクロール１５の内壁面に付着し、微小な隙間をシールすることができる。内壁面に付着する潤滑油の油膜厚さは、空調用途の場合、薄い部分は５μｍ、厚い部分は１００μｍ程度であり、平均的には４０μｍ程度となる。

　潤滑油は、スクロール圧縮機１から例えば冷凍回路を構成する冷媒配管へ排出され、冷凍回路の各構成要素を通過して、再びスクロール圧縮機１へ戻り、スクロール圧縮機１に吸入される。なお、冷凍回路の中には、スクロール圧縮機１の吐出側に潤滑油と冷媒を分離するオイルセパレータが設置されるものがあり、オイルセパレータは、分離した潤滑油をスクロール圧縮機１内へ戻すことができる。

　次に、図２～図４を参照して、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２の接合部分について説明する。本実施形態では、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２との間に設けられた隙間に、挿入部材３１が設けられる。

　ボス部１５Ｃは、リング形状の金属製、例えばアルミニウム製であり、旋回端板１５Ａの背面に突設されている。ボス部１５Ｃの内側に、挿入部材３１と旋回軸受１２が挿入される。

　旋回軸受１２は、金属製、例えば鋼製のニードルベアリングである。旋回軸受１２の外径は、ボス部１５Ｃの内径よりも小さい。旋回軸受１２は、図２に示すように、外輪２８と、複数の針状ころ２９と、保持器３０とで構成される。外輪２８は、略中空円筒形状であり、例えば、クランク軸６の軸線Ｌ方向における両端部にそれぞれ内側に向かって略直角に折曲した鍔部が形成されている。保持器３０は、複数の針状ころ２９を周方向に略等間隔で保持し、外輪２８の内側に取り付けられている。

　挿入部材３１は、図３に示すようにリング形状である。挿入部材３１は、金属製のボス部１５Ｃ及び旋回軸受１２よりも熱膨張係数が大きく、合成樹脂製、例えばナイロン66、又は合成ゴム製である。挿入部材３１は、図１及び図２に示す例では、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２との間に二つ設けられる。

　挿入部材３１は、常温時に、まず、ボス部１５Ｃの内面に設置され、その後、旋回軸受１２が、挿入部材３１の内側に挿入される。ボス部１５Ｃの内面には、挿入部材３１が位置ずれを起こさないように、溝部が形成されてもよい。また、挿入部材３１の一端側３１ａは、図４に示すように、Ｒ面取り加工されたり、Ｃ面取り加工されたりしてもよい。この形状によって、旋回軸受１２が挿入部材３１内にスムーズに挿入される。なお、他端側３１ｂは、面取りされてもよいし、図４に示すように直角形状のままでもよい。

　常温時に、挿入部材３１及び旋回軸受１２は、ボス部１５Ｃ、すなわち旋回スクロール１５に対して確実に固定されていることが望ましい。そして、本実施形態によれば、挿入部材３１は金属製のボス部１５Ｃ及び旋回軸受１２よりも熱膨張係数が大きいため、スクロール圧縮機１が運転している高温時において、各部材が膨張したとしても、挿入部材３１によって旋回軸受１２がボス部１５Ｃに対して確実に固定される。

　例えば、旋回スクロール１５及びボス部１５Ｃがアルミニウム製、旋回軸受１２が鋼製であって、それぞれの線熱膨張係数が22.0×10^-6／℃、12.5×10^-6／℃であり、旋回軸受１２の外径が36ｍｍとすると、80℃温度上昇したとき、27μｍの差が生じて、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２の間には、間隙が生じる。そのため、従来は、常温時にボス部１５Ｃの内径を小さめに設定し、旋回軸受１２をボス部１５Ｃへ圧入していた。

　一方、本実施形態では、例えば、挿入部材３１がナイロン66製であって、線熱膨張係数が10×10^-5／℃であるとすると、ボス部１５Ｃ及び旋回軸受１２に比べて熱膨張係数が大きいため、旋回軸受１２は、挿入部材３１によってボス部１５Ｃに対して確実に固定される。なお、高温時にボス部１５Ｃと旋回軸受１２の間に生じる間隙と、常温から高温へ移行したときの挿入部材３１の膨張差の両者が等しくなるように、挿入部材３１の厚さや材料等が設定・選択されていることが望ましい。

　以上、本実施形態によれば、スクロール圧縮機１の製作時等の低温時において、高温時の膨張の違いを見越してボス部１５Ｃ内に旋回軸受１２を圧入する必要が無く、ボス部１５Ｃ内に旋回軸受１２を圧入する際に生じる旋回スクロール１５の変形を防止できる。その結果、圧入時の変形によるスクロール圧縮機１の性能低下も防止できる。

　また、挿入部材３１は、リング形状であり、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２との間に均等に配置されることから、金属製のボス部１５Ｃと旋回軸受１２同士が接触することが無い。そのため、従来、挿入部材３１が無いときのボス部１５Ｃと旋回軸受１２の接触部において生じていた、振動や繰り返し応力などを受けることによって発生する表面損傷（フレッチング）を防止できる。なお、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２同士が接触しなければよいため、挿入部材３１の形状は、リング形状に限定されず、他の形状でもよい。

　更に、挿入部材３１は、例えば合成樹脂製、合成ゴム製であり、旋回スクロール１５が回転する時の騒音や振動を低減することも可能である。

　なお、挿入部材３１によって、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２が確実に固定されればよく、外輪３１の外面に挿入部材３１を固定するための溝加工を施す必要はない。例えば、ニードルベアリングなど外輪が薄い場合、すなわち玉軸受の外輪などと異なって外輪の外面に溝を形成できない場合にも、本実施形態は適用できる。

　また、本発明の挿入部材は、上述した挿入部材３１に限定されない。例えば、図５及び図６に示す挿入部材３２のように、シート状であって図１～図４の例よりも幅の長い部材であってもよいし、ＮＢＲ製のＯリングであってもよい。挿入部材３１や挿入部材３２がナイロン製であるときは、図５及び図６に示すように、スリット３３が設けられてもよい。ナイロン製の場合、比較的硬質であるため、ボス部１５Ｃ内に挿入部材３１，３２を挿入しにくいところ、スリット３３が設けられることによって、スムーズに挿入部材３１，３２をボス部１５Ｃ内に設置できる。

　なお、上記実施形態では、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２の間に挿入部材３１，３２が設けられて、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２が接触しないという説明をしたが、本発明はこの例に限定されない。ボス部１５Ｃと旋回軸受１２の嵌め合いにおいて、圧入代を０又は従来に比べて少ない値として、挿入部材３１，３２を圧縮しながら、ボス部１５Ｃ内に旋回軸受１２を挿入してもよい。このとき、低温時、例えば常温時には、ボス部１５Ｃと旋回軸受１２は、互いに部分的に接触する。また、このような挿入方法でも、ボス部１５Ｃ内に旋回軸受１２を圧入する際の変形を抑制でき、旋回スクロール回転時の騒音や振動を低減することも可能である。

　また、上記実施形態では、クランク軸６にて、ドライブブッシュ１０の外側に円筒環（フローティングブッシュ）１１が設けられる場合について説明したが、本発明は、この例に限定されない。例えば円筒環１１がなく、ドライブブッシュ１０が直接旋回軸受１２に挿入される場合でも同様に本発明を適用できる。更に、上記実施形態では、本発明をスクロール圧縮機に適用した例について説明したが、スクロール膨張機にも同様に適用できる。

６　クランク軸
１０　ドライブブッシュ
１１　円筒環（フローティングブッシュ）（ブッシュ部）
１２　旋回軸受（軸受）
１４　固定スクロール
１５　旋回スクロール
１５Ａ　旋回端板
１５Ｂ　渦巻き状ラップ（壁体）
１５Ｃ　ボス部
２８　外輪
２９　ころ
３０　保持器
３１，３２　挿入部材
３３　スリット

Claims

　それぞれの端板の一側面に渦巻き状の壁体を立設させた固定スクロール及び旋回スクロールが互いに噛み合わされて、流体を密閉する密閉室が形成されるスクロール型流体機械であって、
　前記旋回スクロールの前記端板の他側面に突設された金属製のボス部と、
　前記ボス部内に挿入される金属製の軸受と、
　前記軸受内に挿入され前記軸受によって回転支持されるブッシュ部を有し、軸線周りに回転するクランク軸と、
　前記ボス部と前記軸受の間に設けられ、前記ボス部及び前記軸受よりも熱膨張係数が大きい挿入部材と、
を備えるスクロール型流体機械。
　前記挿入部材は、リング形状であって、前記ボス部の内面に沿って設けられる請求項１に記載のスクロール型流体機械。