JP2009024664A - スクロール型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧室から背圧室に供給される潤滑油量を確保しつつシールリングの摩耗、損壊を低コストで且つ効果的に防止し、シールリング、ひいては流体機械の耐久性及び信頼性を向上することができるスクロール型流体機械を提供する。
【解決手段】ハウジング(2)に固定され、背面(36a)に対向する台座面(40)において可動スクロール(32)を公転旋回可能に支持するフレーム(18)と、台座面に支持され、台座面と背面との間で背圧室(56)を高圧室(54)側と区画するシールリング(58)と、背面に装着され、シールリングが摺接する摺接面(60a)を有するプレート(60)と、可動スクロールの公転旋回方向に所定の幅(W)を有して摺接面に凹設され、可動スクロールの公転旋回運動に伴い、シールリングを間歇的に跨いで高圧室と背圧室とを連通する連通溝(62)とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スクロール型流体機械に係り、詳しくは、冷凍空調機やヒートポンプ式給湯機に好適なスクロール型流体機械に関する。

この種のスクロール型流体機械、例えばスクロール圧縮機は、ハウジング内で固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回運動することにより、潤滑油を含む作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施して圧縮室を形成し、この圧縮室から吐出された作動流体の吐出圧が作用する高圧室と、この高圧室と連通することにより圧縮室内の圧縮反力を相殺するべく可動スクロールの鏡板の背面に潤滑油による背圧を付与する背圧室とを備えている。

そして、背圧室を高圧室側と区画するシールリングを可動スクロールの鏡板の背面に埋設されたプレートに摺接させ、可動スクロールの鏡板に吸入溝なる連通溝を形成することにより、高圧室側と背圧室側とを連通させると共に、シールリングの摩耗、損壊を低減する技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１１６４５８号公報

しかしながら、上記従来技術では、可動スクロールに連通溝を形成すると共にプレートを埋設するため、可動スクロールの加工が複雑となって可動スクロール、ひいては圧縮機の加工コストが増大するとの問題がある。
また、上記従来技術では、連通溝の寸法については格別な配慮がなされておらず、高圧室から背圧室に供給される潤滑油量の調整が困難となるおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、高圧室から背圧室に供給される潤滑油量を確保しつつ低コストでシールリングの摩耗、損壊を効果的に防止し、シールリング、ひいては流体機械の耐久性及び信頼性を向上することができるスクロール型流体機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載のスクロール型流体機械は、ハウジング内で固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回運動することにより、潤滑油を含む作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施して圧縮室を形成し、圧縮室から吐出された作動流体の吐出圧が作用する高圧室と、高圧室と連通することにより圧縮室内の圧縮反力を相殺するべく可動スクロールの鏡板の背面に潤滑油による背圧を付与する背圧室とを備えたスクロール型流体機械であって、ハウジングに固定され、背面に対向する台座面において可動スクロールを公転旋回可能に支持するフレームと、台座面に支持され、台座面と背面との間で背圧室を高圧室側と区画するシールリングと、背面に装着され、シールリングが摺接する摺接面を有するプレートと、可動スクロールの公転旋回方向に所定の幅を有して摺接面に凹設され、可動スクロールの公転旋回運動に伴い、シールリングを間歇的に跨いで高圧室と背圧室とを連通する連通溝とを具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、請求項１において、可動スクロールはアルミニウム系金属材料からなり、プレートは鉄系金属材料からなることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、請求項１又は２において、所定の幅は０．３ｍｍ以下であることを特徴としている。
更にまた、請求項４記載の発明では、請求項３において、連通溝を複数設けることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明では、請求項１乃至４の何れかにおいて、連通溝が少なくとも可動スクロールの公転旋回方向と交差する角を面取りした面取り部を有することを特徴としている。
更に、請求項６記載の発明では、請求項１乃至５の何れかにおいて、作動流体が二酸化炭素からなる冷媒であることを特徴としている。

請求項１記載の本発明のスクロール型流体機械によれば、可動スクロールの背面に装着されるプレートのシールリングが摺接する摺接面に可動スクロールの公転旋回方向に所定の幅を有する連通溝が凹設され、この連通溝は可動スクロールの公転旋回運動に伴い、シールリングを間歇的に跨いで高圧室と背圧室とを連通する。これにより、可動スクロールに加工を施さなくても高圧室から背圧室に供給される潤滑油量を確保しつつシールリングの摩耗、損壊を低コストで且つ効果的に防止でき、シールリング、ひいては流体機械の耐久性及び信頼性を向上することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、可動スクロールはアルミニウム系金属材料からなり、プレートは鉄系金属材料からなる。ここで、アルミニウム系金属材料はいわゆる軟金属であって、連通溝を形成する際の切り欠き加工や切削加工等に関して云えば、一般に高精度な加工は困難である。しかし、プレートを鉄系金属材料から成形することにより、連通溝を高精度に且つ加工性良く低コストにて形成することができる。

具体的には、請求項３記載の発明の如く、連通溝を可動スクロールの公転旋回方向に０．３ｍｍ以下の微細な幅に形成することができ、よって、発明者の実験によれば、可動スクロールの公転旋回運動に伴ってシールリングが連通溝に引っかかったり、或いは入り込んだりして磨耗、損壊することを確実に防止することができる。
更に、請求項４記載の発明によれば、連通溝を複数設けることにより、連通溝を０．３ｍｍ以下の微細な幅に形成しても、高圧室から背圧室に供給される潤滑油量を確実に確保することができる。

更にまた、請求項５記載の発明によれば、連通溝が少なくとも可動スクロールの公転旋回方向と交差する角を面取りした面取り部を有することにより、シールリングが連通溝に引っかかったり、或いは入り込んだりして生じる磨耗、損壊をより一層確実に防止することができる。
また、請求項６記載の発明によれば、作動流体が二酸化炭素からなる冷媒であることにより、スクロール型流体機械は高回転域で作動し、可動スクロールの公転旋回も高回転域で行われ、シールリングも摩耗、損壊し易くなるが、上記構成によれば、これを簡易にして効果的に防止でき、可動スクロール、ひいてはスクロール型流体機械の耐久性及び信頼性を向上することができる。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るスクロール型流体機械の一例として、密閉型のスクロール圧縮機を示している。この圧縮機１は、冷凍空調装置やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれ、当該回路は作動流体の一例である二酸化炭素冷媒（以下、冷媒という）が循環する経路を備え、圧縮機１は経路から冷媒を吸入し、圧縮して経路に向けて吐出する。

圧縮機１はハウジング２を備え、ハウジング２の胴部４の上側、下側にはそれぞれ上蓋６、下蓋８が気密に嵌合し、胴部４の内部は密閉されて冷媒の吐出圧が作用している。胴部４の適宜位置には上記回路から取り込んだ冷媒を吸入する吸入管１０が接続され、上蓋６の適宜位置にはハウジング２内の圧縮冷媒を上記回路へ吐出する吐出管１２が接続されている。

胴部４内には電動モータ１４が収容され、このモータ１４内には回転軸１６が配置されており、回転軸１６はモータ１４への通電によって駆動される。また、回転軸１６の上端側は軸受を介して主軸フレーム（フレーム）１８に回転自在に支持され、主軸フレーム１８はハウジング２に固定されている。
一方、回転軸１６の下端側は軸受を介して副軸フレーム２０に回転自在に支持されている。また、回転軸１６の下端側にはオイルポンプ２２が装着されており、このポンプ２２は下蓋８の内側に形成された貯油室２４内の潤滑油を吸引する。そして、潤滑油は回転軸１６内を軸線方向に穿孔される給油路２６を上昇し、回転軸１６の上端からモータ１４やスクロールユニット２８等に供給され、各摺動部分や軸受等の潤滑及びシールを実施する。このとき、冷媒の吐出圧が貯油室２４の潤滑油の油面に作用することも給油路２６における潤滑油の上昇に寄与する。更に、副軸フレーム２０の適宜位置には潤滑油の導入口３０が形成され、圧縮機１内の各摺動部分に供給された潤滑油は導入口３０を介して貯油室２４に貯留される。

上記スクロールユニット２８は胴部４内においてモータ１４の上方に配置され、冷媒の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施する。
当該ユニット２８は、可動スクロール３２及び固定スクロール３４から構成され、これらスクロール３２，３４はそれぞれ鏡板３６，３８を備え、鏡板３６には鏡板３８に向けて延びる渦巻きラップが一体形成され、鏡板３８にも鏡板３６に向けて延びる渦巻きラップが一体形成されている。

そして、これら渦巻きラップが互いに協働し、鏡板３８の外周側に内設されると共に吸入管１０と連通する図示しない吸入室から冷媒を吸入して圧縮室を形成する。圧縮室は、固定スクロール３４に対する可動スクロール３２の公転旋回運動により、渦巻きラップの中心に向けて移動しながら、その容積を減少させて上記一連のプロセスを実施する。
可動スクロール３２は、アルミニウム系金属材料から成形され、その自転が図示しない自転阻止機構により阻止されており、主軸フレーム１８の台座面４０上を公転旋回運動する。可動スクロール３２に公転旋回運動を付与するため、可動スクロール３２の鏡板３６の背面３６ａ側にはボス４２が突出して形成され、それに対向する回転軸１６の上端側には偏心軸４４が一体形成されており、ボス４２は軸受を介して偏心軸４４に回転自在に支持されている。

一方、固定スクロール３４は、主軸フレーム１８に固定され、鏡板３８の背面３８ａ側に形成される冷媒の吐出室４６を圧縮室と区画している。更に、固定スクロール３４の中央部分の適宜位置には、圧縮室と吐出室４６とを連通する冷媒の吐出孔４８が鏡板３８を貫通して穿設されており、吐出孔４８は背面３８ａ側に配置された吐出弁５０により開閉される。吐出弁５０は吐出ヘッド５２で覆われており、吐出ヘッド５２によって吐出弁５０の開弁時における音が抑制される。

上述した圧縮機１によれば、回転軸１６の回転に伴い可動スクロール３２が台座面４０上を公転旋回運動し、これにより吸入室の冷媒がユニット２８の内方に向けて流動しながら圧縮され、圧縮された高圧冷媒が吐出孔４８から吐出されてハウジング２内を循環し、循環した冷媒が吐出室４６から吐出管１２を通じて圧縮機１の外部へ送出される。
一方、冷媒の吐出圧の作用と相俟ってポンプ２２で汲み上げられた潤滑油は給油路２６から吐出され、ボス４２が収容される主軸フレーム１８のボス収容部１８ａに潤滑油の高圧室５４を形成する。高圧室５４の潤滑油は軸受等を潤滑しながら回転軸１６に沿ってハウジング２内を流下する一方、背面３６ａと台座面４０との間に形成される背圧室５６に流入し、鏡板３６の外周側を経てユニット２８の内方に導かれる。

背圧室５６は、高圧室５４をシールリング５８で区画して形成され、圧縮室内の圧縮反力を相殺するべく背面３６ａに潤滑油による背圧を付与している。換言すると、背圧室５６は可動スクロール３２を台座面４０に押圧する方向に作用するスラスト荷重Ｆ_Ｔを受容している。
リング５８は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の低摩擦係数を有する樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の高硬度を有するいわゆるエンジニアリングプラスティック等から所定の径方向幅Ｗ_Ｒを有して環状に成形され、台座面４０に支持されており、図示しない板ばね等で背面３６ａ側に押圧付勢されている。

ところで、図２のユニット２８の詳細拡大図にも示されるように、背面３６ａにはリング５８が摺接するプレート６０が例えば接着されている。
図３に示される図２のＡ−Ａ方向からみた可動スクロール３２の平面図を参照して説明すると、プレート６０は、所定の板厚ｔを有する平面視ドーナツ形状の薄板であって、鉄系金属材料から成形されており、可動スクロール３２の公転旋回運動に際して台座面４０と対向するプレート６０の摺接面６０ａにリング５８が摺接可能な大きさを有している。

摺接面６０ａには、プレート６０の径方向に所定の長さＬ、幅Ｗ及び深さＤを有する長溝（連通溝）６２が凹設されている。
長溝６２は、例えばレーザー等によって幅Ｗが０．３ｍｍ以下に加工されると共に、長さＬがリング５８の幅Ｗ_Ｒより大きく形成され、プレート６０の周方向に例えば９０°間隔で４つ形成されている。

ここで、図４に示される図３のＢ−Ｂ方向からみた可動スクロール３２の断面図を参照して説明すると、長溝６２には、摺接面６０ａと連続する角の全周に亘って所定の半径ＲでＲ面取りした面取り部６４が形成されている。なお、半径Ｒは、面取り部６４を形成しない場合と比較したときの高圧室５４から背圧室５６に供給される潤滑油量の増減を考慮して決定するのが好ましい。

このような長溝６２を形成することにより、可動スクロール３２の公転旋回運動に伴い、高圧室５４の高圧潤滑油が長溝６２を介してリング５８を間歇的に跨いで背圧室５６に流入する。
一方、鏡板３８には背圧室５６と吸入室とを連通する図示しない背圧調整弁が内蔵され、この背圧調整弁を調整することにより、背圧室５６は高圧室５４より低圧且つ吸入室より高圧の中間圧にされる。そして、これら高圧室５４、背圧室５６及び吸入室の圧力差を利用することにより、潤滑油がユニット２８の内方に向けて好適に供給される。

こうして、可動スクロール３２の公転旋回運動に伴い、リング５８が摺接面６０ａに摺接し、中間圧となる背圧室５６が形成され、背圧室５６の圧力でスラスト荷重Ｆ_Ｔが受容される。
以上のように、本実施形態では、可動スクロール３２の背面３６ａに装着されるプレート６０のリング５８が摺接する摺接面６０ａに長溝６２が凹設され、この長溝６２は可動スクロール３２の公転旋回運動に伴い、リング５８を間歇的に跨いで高圧室５４と背圧室５６とを連通する。

ここで、仮に可動スクロール３２の背面３６ａに長溝６２を直接に設け、その幅Ｗを０．８ｍｍとして圧縮機１を作動させると、リング５８が背面３６ａに摺接する際にリング５８が長溝６２に引っかかったり、或いは入り込んだりして磨耗、損壊するとの発明者の実験結果がある。
更なる発明者の実験により、リング５８の幅Ｗ_Ｒの大きさに応じて変化するものの、概して幅Ｗを０．３ｍｍ以下に小さくすればリング５８の磨耗、損壊を防止できることが判明している。しかし、高圧室５４から背圧室５６へ供給する潤滑油量を確保するためには、幅Ｗ、すなわち長溝６２の容積が減少した分、長溝６２の数を増やす必要があり、これでは可動スクロール３２の加工コストが上昇して好ましくない。

また、可動スクロール３２はアルミニウム系金属材料からなり、アルミニウム系金属材料はいわゆる軟金属であって、長溝６２を形成する際の切り欠き加工や切削加工等に関して云えば、一般に高精度な加工は困難となるため、このことは可動スクロール３２の加工コストの更なる上昇を招く。
そこで、本発明では、リング５８が摺接するプレート６０を設けることにより、可動スクロール３２への加工が不要となるため、高圧室５４から背圧室５６に供給される潤滑油量を確保しつつリング５８の摩耗、損壊を低コストで且つ効果的に防止できる。

しかも、プレート６０を鉄系金属材料から成形することにより、長溝６２を高精度に且つ加工性良く低コストにて形成することができる。
具体的には、いわゆる軟金属であって、レーザー加工等による微細な加工には不向きなアルミニウム系金属材料からなる可動スクロール３２に加工を施す場合に比して、長溝６２の幅Ｗを０．３ｍｍ以下に容易に形成することができ、可動スクロール３２の公転旋回運動に伴ってリング５８が長溝６２に引っかかったり、或いは入り込んだりして磨耗、損壊することを確実に防止することができる。

また、長溝６２を４つ設けることにより、長溝６２を０．３ｍｍ以下の微細な幅Ｗに形成しても、高圧室５４から背圧室５６に供給される潤滑油量を確実に確保することができる。
更には、長溝６２が少なくとも可動スクロール３２の公転旋回方向と交差する角を面取りした面取り部６４を有することにより、リング５８が長溝６２に引っかかったり、或いは入り込んだりして生じる磨耗、損壊をより一層確実に防止することができる。

このようにしてリング５８の摩耗、損壊を効果的に防止することにより、リング５８、ひいては圧縮機１の耐久性及び信頼性を大幅に向上することができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では長溝６２の幅Ｗが０．３ｍｍ以下に形成されるが、少なくとも可動スクロール３２の公転旋回方向における溝の幅が０．３ｍｍ以下であれば良く、長溝６２の代わりに直径０．３ｍｍ以下の円孔等をプレート６０に打ち抜いても良い。このような円孔等を形成することによっても、可動スクロール３２の公転旋回運動に伴い、高圧室５４の潤滑油が円孔等に入り込み、この円孔等がリング５８を間歇的に跨いで背圧室５６側に位置づけられることにより、背圧室５６に潤滑油を供給することができる。

また、上記実施形態では４つの長溝６２が形成されるが、これに限定されず、長溝６２の数は、長さＬ、幅Ｗ及び深さＤによって決定される長溝６２の容積に応じて、高圧室５４から背圧室５６に供給される潤滑油量を確保するべく適宜決定され、少なくとも複数設けられる。
更に、上記実施形態では、面取り部６４は摺接面６０ａと連続する角の全周に亘って形成されるが、面取り部６４は少なくとも可動スクロール３２の公転旋回方向と交差する長溝６２の角を面取りするだけでもリング５８の磨耗、損壊を効果的に防止することができる。

更にまた、上記実施形態では二酸化炭素を冷媒として用いているが、これに限定されない。但し、二酸化炭素を冷媒とすることにより、圧縮機１は高回転域で作動し、可動スクロール３２の公転旋回も高回転域で行われ、リング５８も摩耗、損壊し易くなるが、上記構成によれば、これを低コストで効果的に防止することができる。
最後に、上記実施形態では冷凍空調装置やヒートポンプ式給湯機などの冷凍回路に組み込まれる密閉型のスクロール圧縮機について説明しているが、本発明はこれに限らず種々の分野における密閉型以外の圧縮機又は膨脹機等のスクロール型の流体機械に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る密閉型スクロール圧縮機を示した縦断面図である。 図１のスクロールユニットを詳細に拡大して示した縦断面図である。 図２のＡ−Ａ方向からみた可動スクロールを示した平面図である。 図３のＢ−Ｂ方向からみた可動スクロールを示した断面図である。

符号の説明

１ スクロール圧縮機（スクロール型流体機械）
２ ハウジング
１８ 主軸フレーム（フレーム）
３２ 可動スクロール
３４ 固定スクロール
３６ 鏡板
３６ａ 背面
４０ 台座面
５４ 高圧室
５６ 背圧室
５８ シールリング
６０ プレート
６０ａ 摺接面
６２ 長溝（連通溝）
６４ 面取り部
Ｗ 幅

Claims (6)

1. ハウジング内で固定スクロールに対し可動スクロールが公転旋回運動することにより、潤滑油を含む作動流体の吸入、圧縮及び吐出の一連のプロセスを実施して圧縮室を形成し、該圧縮室から吐出された作動流体の吐出圧が作用する高圧室と、該高圧室と連通することにより前記圧縮室内の圧縮反力を相殺するべく前記可動スクロールの鏡板の背面に前記潤滑油による背圧を付与する背圧室とを備えたスクロール型流体機械であって、
   前記ハウジングに固定され、前記背面に対向する台座面において前記可動スクロールを公転旋回可能に支持するフレームと、
   前記台座面に支持され、該台座面と前記背面との間で前記背圧室を前記高圧室側と区画するシールリングと、
   前記背面に装着され、前記シールリングが摺接する摺接面を有するプレートと、
   前記可動スクロールの公転旋回方向に所定の幅を有して前記摺接面に凹設され、該可動スクロールの公転旋回運動に伴い、前記シールリングを間歇的に跨いで前記高圧室と前記背圧室とを連通する連通溝とを具備することを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記可動スクロールはアルミニウム系金属材料からなり、前記プレートは鉄系金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記所定の幅は０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール型流体機械。
4. 前記連通溝を複数設けることを特徴とする請求項３に記載のスクロール型流体機械。
5. 前記連通溝は、少なくとも前記可動スクロールの公転旋回方向と交差する角を面取りした面取り部を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のスクロール型流体機械。
6. 前記作動流体が二酸化炭素からなる冷媒であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のスクロール型流体機械。

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