JP2004019527A - スクロール型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール型圧縮機の旋回スクロールに作用するスラスト荷重を支持する背圧室を構成する表面の、シールリングによる摩耗を低減する。
【解決手段】旋回スクロールの端板部６ａに環状の溝６ｅを設け、端板部６ａを支持するミドルハウジング１３の表面との間に背圧室１９を形成し、背圧室１９へ圧力導入孔６ｄによって高圧流体を導入することにより、圧縮反力によって発生するスラスト荷重を相殺するが、背圧室１９のシール性を高めるためにシールリング１１及び１２を設ける。これらのシールリングは、それらが摺接する相手方のミドルハウジングの表面に摩耗を生じるので、相手方の面に硬質の材料からなる円環状の摺動プレート２０を設ける。背圧室１９はミドルハウジング１３の側に形成することも可能であるが、この場合は硬質の摺動プレート２０が旋回スクロール６の端板部６ａの背面に設けられる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクロール型圧縮機に係り、特に、スクロール型圧縮機のスラスト荷重を支持する背圧室に設けるのに適したシール手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スクロール型圧縮機において、旋回スクロールの端板部の背面、或いはそれに対向するミドルハウジングの表面に窪み空間として環状の背圧室を形成し、この背圧室へ吐出側から圧縮された流体を導入して背圧を発生させることにより旋回スクロールを軸線方向に付勢して、圧縮反力によって発生するスラスト荷重により、旋回スクロールの背面とハウジング側の平坦面との間に作用する大きな接触荷重を軽減する手段が知られている。
【０００３】
前述のような従来技術を実施する場合は、圧縮される流体が冷凍サイクルの冷媒として一般的に使用されているフロンのように作動圧力が低いものであれば、圧縮反力によって発生するスラスト荷重が１０００Ｎ前後であるために、旋回スクロールの背面の背圧室へ導入する流体の圧力が小さくてよいから、背圧室内の圧力を保持するためにシール材を使用しても、シール材に作用する荷重はさほど大きくはならない。また、シール材の摺動面の潤滑状態は接触荷重が小さいことから流体潤滑域にあるものと推定されるので、シール材と摺動接触するハウジング側の面には油膜が確実に形成されていて、低い摩擦係数の下で摺動接触が行われているものと考えられる。従って、シール材の摺動による機械損失を低く抑えることができる。
【０００４】
しかしながら、二酸化炭素（ＣＯ_２　）のような所謂超臨界圧流体を冷媒として使用する冷凍サイクルにおいて、前述の従来技術に示されたスクロール型圧縮機によってその冷媒を圧縮する場合には、旋回スクロールに作用するスラスト荷重が、フロンのような作動圧の低い冷媒を使用した場合の約７倍の７０００Ｎにも達することから、背圧室へ導入する流体の圧力も同様に７倍前後の高圧になるので、その高圧がシール材に作用することになる。更に、シール材に作用する荷重が高いことから、シール材の摺動面の潤滑状態は流体潤滑域になく、摩擦係数が大きい混合潤滑域或いは境界潤滑域にあるものと考えられる。従って、シール材の摺動による機械損失が大きくなり、それが圧縮機の効率低下をもたらすことが問題になる。
【０００５】
そこで、その後に改良された従来技術では、超臨界圧流体を冷媒として圧縮するスクロール型圧縮機において、その旋回スクロールの背圧室にシール材を設けると共に、作動室内で未だ十分に高圧まで圧縮されていない比較的に低圧の冷媒を取り出して、逆止弁を介してそれを背圧室へ供給することにより、背圧室から高圧の冷媒が多量に漏れ出るのを未然に防止すると共に、シール材の摩耗や機械損失が増大するのを抑制している。
【０００６】
このように、スクロール型圧縮機においてスラスト荷重を支持するために旋回スクロールの端板部の背後に背圧室を設けることや、圧縮された流体が背圧室から漏洩するのを防止するために背圧室にシール材を設けることは、超臨界圧流体を圧縮するスクロール型圧縮機においても公知の事項に属するけれども、どのような形状のシール材を、どのようにして背圧室に設けるかという具体的な問題については未だ十分に研究されていない。
【０００７】
背圧室にシール材を設ける場合には、シール材が背圧室へ供給される流体圧を受けてミドルハウジングの表面或いは旋回スクロールの端板部の背面に押し付けられた状態で摺動するので、その際に生じる摺動摩擦による機械損失を避けられないのと、長期間にわたって圧縮機が運転されると、シール材のみならず相手方の摺動面にも摩耗が発生するという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような問題に対処して、スクロール型圧縮機の背圧室に新規な構成のシール手段を設けることにより、それらの問題を解消することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、従来技術における前述のような問題に対応することができる解決手段として、特許請求の範囲の請求項１に記載されたスクロール型圧縮機を提供する。
【００１０】
本発明のスクロール型圧縮機においては、旋回スクロールの端板部の背面と、それに対向しているミドルハウジングの表面のいずれか一方に少なくとも一個の背圧室を形成して、その背圧室内へ作動室において圧縮された高圧の流体を導入することにより背圧室を加圧するので、旋回スクロールをミドルハウジングによって軸線方向に支持する摺動接触面に作用するスラスト荷重が小さくなり、その圧縮機が超臨界圧流体等を圧縮する目的に使用されることによって作動圧力が非常に高くなる場合でも、旋回スクロールのスラスト荷重支持面においては流体潤滑の状態になるから、摩擦係数が小さくなって機械損失が低減する。
【００１１】
本発明のスクロール型圧縮機においては、背圧室内へ導入された高圧の流体が吸入室等の低圧側へ漏洩するのを防止するために、背圧室内に少なくとも一個の環状のシールリングを装着する。このシールリングは背圧室内へ導入される高圧流体によって相手方の面であるミドルハウジングの表面、或いは旋回スクロールの端板部の背面に押し付けられるが、本発明の特徴として、シールリングが押し付けられる相手方の面に硬質の材料からなる環状の摺動プレートが設けられるので、シールリングの摺動によって相手方の面の摩耗を低減することができる。それによって背圧室によるスラスト荷重の支持が確実なものとなり、スクロール型圧縮機の信頼性が向上する。
【００１２】
摺動プレートの材料としては、硬質の金属、セラミックス等の無機材料、或いは硬質の合成樹脂のいずれかの材料から選択的に採用することができる。また、それらの複数の材料を組み合わせて使用することも可能である。
【００１３】
本発明のスクロール型圧縮機は、所謂モータ直結型として、ハウジングに直接に取り付けられたモータによってそのシャフトを直接に回転駆動するように構成してもよいし、車両に搭載された内燃機関のような外部の原動機によって、そのシャフトを回転駆動するように構成してもよい。本発明のスクロール型圧縮機の好適な用途の一つは、圧縮すべき流体が冷凍サイクル内を流れる冷媒である所謂冷媒圧縮機、特に、圧縮された後の冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力以上の高さとなるように設定されているものに適用することである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を用いて本発明のスクロール型圧縮機に関する第１実施例を説明する。図１に示す１はシャフトであって、その下端には軸心に対して所定量だけ偏心したクランク部１ａが形成されている。２はモータであって、電力の供給を受けた時にシャフト１を回転駆動する。第１実施例の場合はモータ２が圧縮機のハウジング部分と一体化されたモータハウジング３の内部に構成されている。４はモータハウジング３の上部に取り付けられたフロントラジアル軸受であって、同じく下部に取り付けられたリアラジアル軸受５と共にシャフト１を回転可能に支持している。なお、本発明はモータ一体型のスクロール型圧縮機に限って適用される訳ではなく、シャフト１を回転駆動する動力源が、例えば車両に搭載されている内燃機関のように、圧縮機本体とは別体のものであってもよい。
【００１５】
６は旋回スクロールであって、概ね円板状の端板部６ａと、それから軸線方向に突出するように形成された渦巻き形の羽根部６ｂと、端板部６ａの背面に形成された円筒状のボス部６ｃ等からなっている。旋回スクロール６の全体は、ボス部６ｃに圧入して取り付けられている旋回スクロール軸受１６を介して、シャフト１のクランク部１ａによって回転可能に支持されていて、シャフト１の中心軸線の回りに公転運動をする。７は旋回スクロール６の公転運動のみを許す複数個の自転防止ピンであって、旋回スクロール６の自転運動を阻止する。
【００１６】
８は固定スクロールであって、旋回スクロール６と同様な端板部８ａと渦巻き形の羽根部８ｂを備えていて、旋回スクロール６と噛み合うように組み付けられている。固定スクロール８の外筒は、スクロール型圧縮機の圧縮機部分のハウジングを兼ねている。固定スクロール８の渦巻き形の羽根部８ｂと旋回スクロール６の渦巻き形の羽根部６ｂが噛み合うことによって、それらの羽根部６ｂ及び８ｂの間に軸線方向に見た時に三日月形に見える作動室９が複数個形成される。
【００１７】
そして、図示しない冷凍サイクルから戻って来て吸入ポート８ｄから吸入室１４内へ導入される気体冷媒のような流体を、外周において作動室９が吸入室１４に向かって開いた時に作動室９の内部へ吸入し、旋回スクロール６が公転をする間に旋回スクロール６及び固定スクロール８の中心部に向かって作動室９が半径方向に移動しながら縮小することによって流体を圧縮する。最後に作動室９が中心部の作動室９ａに向かって開いた時に、吐出圧に達した冷媒が固定スクロール８の端板部８ａに設けられた吐出孔８ｃを通過して、端板部８ａと、図示しないボルト等によって固定スクロール８に固定されているリアハウジング１８との間に形成された吐出室１５内へ吐出される。
【００１８】
１８ａはリアハウジング１８に形成された吐出ポートであって、図示しない配管によって冷凍サイクルに連通しており、吐出室１５内へ吐出された高圧の冷媒を冷凍サイクルの凝縮器へ導く。１７は吐出弁であって、吐出室１５内の冷媒が吐出孔８ｃを介して逆流しないように端板部８ａ上に装着されている。なお、図１に示す１０はバランサであって、シャフト１に固定されているか、或いはクランク部１ａの偏心量を増減させることができるように、シャフト１に対して半径方向に僅かに移動可能に嵌合されている。
【００１９】
次に、本発明の特徴に対応する第１実施例の構造部分について説明する。図１に示す６ｅは旋回スクロール６の端板部６ａの背面に形成された円環状の溝であって、端板部６ａの中心の周りにおいてミドルハウジング１３の表面と対向して摺動状態で接触することにより、それとの間に円環状の背圧室１９となる空間を形成している。そして、背圧室１９と、所定の位置に形成される作動室９との間を連通させるように圧力導入孔６ｄが設けられているので、作動室９の中で所定の大きさの高圧まで加圧された流体（冷媒）が背圧室１９内へ導入され、ミドルハウジング１３を足掛かりにして旋回スクロール６の端板部６ａを固定スクロール８に向かって押圧する。なお、第１実施例においては、背圧室１９は円環状の溝６ｅによって単一の環状に形成されているが、これを例えば同心円状に複数個形成することができることは言うまでもない。
【００２０】
第１実施例の場合は、旋回スクロール６の端板部６ａの背面に形成された円環状の溝６ｅからなる背圧室１９の中に、内外２条のシールリングが相互に別体のものとして設けられている。即ち、背圧室１９を形成する環状の溝６ｅの外周面に沿って閉じた円環状のアウタシールリング１１が設けられられていると共に、環状の溝６ｅの内周面に沿って閉じた円環状のインナシールリング１２が設けられている。これらのシールリング１１，１２によって、旋回スクロール６の端板部６ａにおける背圧室１９（溝６ｅ）の半径方向内外の壁面と、それに対向しているミドルハウジング１３の面との間に、冷媒が漏れ出る隙間が生じないようにシールしている。
【００２１】
第１実施例の場合は、旋回スクロール６の端板部６ａに形成された円環状の溝６ｅが、ミドルハウジング１３の表面と協働して背圧室１９を構成するので、それらの間の隙間をシールするために、背圧室１９の中に断面形状が例えば長方形のアウタシールリング１１と、やはり長方形の断面形状を有するインナシールリング１２が同心円状に装着される。シールリング１１及び１２の断面形状は長方形に限らず、梯形その他の形状であってもよい。、２つのシールリング１１及び１２はいずれも連続した円環状であって、内燃機関に使用されるピストンリングに設けられる合い口のような切れ目を有しない。シールリング１１，１２の材料は、耐摩耗性と耐油性を有するゴム、合成樹脂、或いは金属その他の無機質材料等である。
【００２２】
第１実施例において最も特徴的な点は、シールリング１１，１２が背圧室１９の流体圧によって押圧されて摺接する相手方のミドルハウジング１３の表面に、硬質の金属、セラミックスのような無機材料、或いは硬質の合成樹脂のような材料からなる円環状の摺動プレート２０が設けられていることである。この摺動プレート２０の一例が図２に拡大して示されている。摺動プレート２０をミドルハウジング１３の表面に設けるために、ミドルハウジング１３の表面に摺動プレート２０の形状の円環状の溝を設けてもよい。摺動プレート２０は、ミドルハウジング１３の表面に溶接、溶射、焼き付け、接着、鍍金、塗布、吹き付け、或いはそれらに類する方法を用いて一体的に形成される。しかし、場合によっては摺動プレート２０をミドルハウジング１３と一体化させないで、遊動可能にシールリング１１，１２との間で挟持してもよい。
【００２３】
摺動プレート２０の表面、即ち、シールリング１１，１２の端面と摺接する表面は摩擦係数の低い滑らかな面から構成されていなければならないが、必ずしも表面が連続した平面であることを要しない。例えば、平滑な表面であっても多数の微細な窪みや溝を有する粗度の高い面であれば、実質的な接触面積が小さくなると共に潤滑油の保持がよくなることもあって摩擦係数を小さくすることができる。摺動プレート２０の表面粗度が高い場合でも、摺動プレート２０の材料が硬質であるため高い面圧に耐えることができ、それと摺接する相手方の面に高い耐摩耗性が得られるので、背圧式スラスト支持機構、従って、スクロール型圧縮機の信頼性を高めることができる。
【００２４】
このように摺動プレート２０を介在させることによって、シールリング１１，１２が摺接する相手方のミドルハウジング１３の表面の摩耗を低減することにより、安定的に高いシール効果を発揮させるので、背圧室１９から高圧の流体が漏れ出るのを長期間にわたって確実に防止することができ、スクロール型圧縮機の効率が高くなる。
【００２５】
次に、図３に本発明の第２実施例としてのスクロール型圧縮機を示す。図１及び図２に示した第１実施例のスクロール型圧縮機と共通の部分については同じ参照符号を付すことによって重複する説明を省略する。第２実施例の圧縮機の特徴は、第１実施例の圧縮機において旋回スクロール６の端板部６ａに形成された環状の溝６ｅによって構成されている背圧室１９を、ミドルハウジング１３の側に形成された環状の溝１３ａによって構成していることと、旋回スクロール６の端板部６ａの背面に硬質の摺動プレート２０を設けてシールリング１１，１２と摺接させた点にある。その他の点は第１実施例の場合と同じであり、第２実施例の作用効果も第１実施例のそれと同じである。
【００２６】
なお、図示実施例においてはいずれもシールリング１１と１２を別体のものとしているが、両者を円環状の連結部によって連結して一体化することも可能である。それによってシールリングの製造及び装着が簡単になり、より低コスト化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】実施例の要部を拡大して示す斜視図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
６…旋回スクロール
６ａ…端板部
６ｂ…渦巻き形の羽根部
６ｅ…環状の溝６ｅ
８…固定スクロール
８ａ…端板部
８ｂ…渦巻き形の羽根部
９…作動室
１１…アウタシールリング
１２…インナシールリング
１３…ミドルハウジング
１３ａ…環状の溝
１９…背圧室
２０…硬質の材料からなる環状の摺動プレート

Claims (7)

1. ハウジングと、前記ハウジングによって軸支されていると共に一部に偏心したクランク部を有するシャフトと、渦巻き形の羽根部及び端板部を有し前記シャフトのクランク部によって駆動されることにより公転運動をする旋回スクロールと、該旋回スクロールと噛み合う渦巻き形の羽根部及び端板部を有すると共に前記ハウジングに固定された固定スクロールとを備えていて、前記旋回スクロールが前記シャフトのクランク部によって駆動されて公転運動をする時に、前記旋回スクロールの羽根部と前記固定スクロールの羽根部との間に形成される複数個の作動室が外周部から中心部に向かって移動する間に、該作動室の容積が連続的に縮小することにより該作動室内において流体を圧縮するスクロール型圧縮機であって、更に、
   前記作動室内の流体の圧縮圧力が上昇するのに伴って前記旋回スクロールに作用する前記シャフトの軸線方向のスラスト荷重を支持するために、前記旋回スクロールの背後に前記ハウジングの一部として設けられたミドルハウジングと、
   前記旋回スクロールの端板部の背面と、それに対向してそれを支持している前記ミドルハウジングの表面とのいずれか一方に少なくとも一条形成されて背圧室を構成する環状の溝と、
   前記環状の溝内へ高圧の流体を導入するための通路と、
   前記環状の溝の中に装着された少なくとも一個の環状のシールリングと、
   前記シールリングに対して摺動しながら接触する相手方の面に設けられた硬質の材料からなる環状の摺動プレートとを備えていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
2. 請求項１において、前記摺動プレートが設けられる前記相手方の面が、前記ミドルハウジングの表面の一部であることを特徴とするスクロール型圧縮機。
3. 請求項１において、前記摺動プレートが設けられる前記相手方の面が、前記旋回スクロールの端板部の背面の一部であることを特徴とするスクロール型圧縮機。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記摺動プレートが硬質の金属、セラミックスを含む無機材料、或いは硬質の合成樹脂のいずれか１つ以上の材料からなっていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記シャフトが前記ハウジングに直接に取り付けられたモータによって回転駆動されるように構成されていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記シャフトが車両に搭載された内燃機関のような外部の原動機によって回転駆動されるように構成されていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、圧縮すべき前記流体が冷凍サイクル内を流れる冷媒であって、しかも、圧縮された後の前記冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力以上の高さとなるように設定されていることを特徴とするスクロール型圧縮機。

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