JP4127110B2 - スクロール型圧縮機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばCO2を冷媒として用いる超臨界冷凍サイクルに適用して好適なスクロール型圧縮機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のスクロール型圧縮機は、例えば特許文献1に示されるように、可動スクロールを公転させる偏心クランク機構として、主軸(シャフト)の一端側に設けられた駆動ピンに偏心穴を有するブッシュが回転可能に挿入されたものが知られている。
【0003】
これにより、流体圧縮時の圧縮反力によってブッシュには駆動ピンを中心として回転モーメントが生じ、可動スクロールを固定スクロール側に押し付けるように作用させることができるので、両スクロール間の安定したシールが得られるようにしている。
【0004】
【特許文献1】
特開平2−301688号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図9に示すように、駆動ピン212は主軸211に片持ち支持されているので、ブッシュ213を介して可動スクロールから受ける反力Ft(圧縮反力と固定スクロールからの押付け反力との合力)によって撓みが生ずる。そして、駆動ピン212とブッシュ213との接触部に均等な荷重がかからず、駆動ピン212の根元側でエッジ当たりが発生し、局部的な面圧上昇が起こり、焼付きや異常摩耗等が発生するという問題があった。
【0006】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、局部的な面圧上昇を抑制して駆動ピンおよびブッシュ間の耐久性を向上可能とするスクロール型圧縮機を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【0008】
請求項1に記載の発明では、偏心穴(213a)を有するブッシュ(213)と、主軸(211)の先端側に設けられ、偏心穴(213a)に回転可能に挿入される駆動ピン(212)とから成る偏心クランク機構(210)の回転駆動によって、旋回スクロール(240)が公転作動され、この旋回スクロール(240)に対向する固定スクロール(250)との間に形成される作動室(256)で流体を圧縮するスクロール型圧縮機において、駆動ピン(212)の根元部に、円弧状の凹となる逃がし部(212c)が設けられており、駆動ピン(212)と偏心穴(213a)の内周壁との接触部における駆動ピン(212)の根元側となる端部(212a)に、逃がし部(212c)に繋がるR面取り部(212b)を設けたことを特徴としている。
【0009】
これにより、圧縮作動時における旋回スクロール(240)からの反力によって、主軸(211)に対して片持ち支持される駆動ピン(212)が根元側から撓み、駆動ピン(212)と偏心穴(213a)とが片当たりした場合でも、弾性変形によって形成される接触面を増大させて局部的な接触面圧(ヘルツ面圧)の上昇を抑制することができるので、駆動ピン(212)およびブッシュ(213)間の焼付きや異常摩耗を抑えて耐久性を向上させることができる。
【0011】
更に具体的には、請求項2に記載の発明のように、R面取り部(212b)の半径寸法r1は、駆動ピン(212)の半径をR1とした時に、1.4≦(R1×r1)/(R1+r1)≦4.4の関係に成るようにすれば、最適な半径r1の設定ができる。
【0014】
尚、請求項1または請求項2に記載の発明においては、請求項3に記載の発明のように、偏心クランク機構(210)は、自身の内部に一体的に設けられ、外部電力を受けて駆動する電動機(300)によって回転駆動されるようにしたり、請求項4に記載の発明のように、外部原動機によって回転駆動されるようにして対応するのが好ましい。
【0015】
更に、請求項1〜請求項4に記載の発明においては、請求項5に記載の発明のように、流体は冷凍サイクル内を流通する冷媒であり、冷媒の圧縮後の圧力は、臨界圧力を超えるように設定されたものに用いて好適である。
【0016】
即ち、冷媒の圧縮後の圧力が臨界点を越えるような高い圧力で使用する場合には、駆動ピン(212)の撓みの影響を受けやすくなる訳で、本発明を効果的に活用することができる。
【0017】
請求項5に記載の発明における具体的な冷媒は、請求項6に記載の発明のように、CO2の場合が挙げられる。
【0018】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
(参考例)
参考例を図1、図2に示し、まず具体的な構成について説明する。本参考例のスクロール型圧縮機100は、CO2を冷媒として圧縮後の圧力が臨界圧力を超えるような超臨界冷凍サイクルに適用されるものとしている。
【0020】
スクロール型圧縮機(以下、圧縮機)100は、図1に示すように、ここでは圧縮機構部200に電動機部(電動機)300が一体的に設けられ、この電動機部300によって圧縮機構部200が作動される電動圧縮機としている。圧縮機構部200および電動機部300は、本体ケーシング101a、上部ケーシング101b、下部ケーシング101cから成る耐圧容器101内に収容されている。
【0021】
尚、電動機部300は、シャフト(主軸)211に固定される回転子310と、この回転子310の外周側で本体ケーシング101aの内壁に焼嵌固定された固定子320とから形成されている。電動機部300に図示しない外部電源(バッテリ)から電力が供給されると回転子310が回転駆動され、シャフト211が回転される。
【0022】
圧縮機構部200は、上記シャフト211を本体部として形成される偏心クランク機構210に接続される旋回スクロール240およびこの旋回スクロール240に対向配置される固定スクロール250等から形成されている。
【0023】
偏心クランク機構210は、シャフト211の先端側(図1中では下側)に形成された駆動ピン212に組付けられるブッシュ213と、このブッシュ213の抜け止めを行うスナップリング214によって形成されている。
【0024】
シャフト211は、一端側に外径が大きく形成される主受け部211aを有しており、主受け部211aにはシャフト211の軸心に対して偏心して駆動ピン212が一体で設けられている。本体ケーシング101a内に設けられるミドルハウジング220には主軸受け215が固定されており、また開口部231を有するホルダ230には副軸受け216が固定されており、主軸受け215に主受け部211aが対応し、また副軸受け216にはシャフト211の他端側が対応して、シャフト211は回転可能に支持されている。
【0025】
ブッシュ213は、偏心穴213aが設けられた円筒状の部材であり、この偏心穴213aには上記駆動ピン212が回転可能に挿入され、駆動ピン212の先端部にC字状を成すスナップリング214が固定され、ブッシュ213の抜け止めが成されている。このようにブッシュ213は、シャフト211の軸心に対して偏心した形で装着されており、シャフト211が回転作動する際に、駆動ピン212に対する回転(スイング)が許容されつつ、シャフト211の軸心のまわりを公転する。尚、ブッシュ213が駆動ピン212に対して回転(スイング)することでシャフト211の軸心に対するブッシュ213の偏心量が変化する構造となっている。そして、ブッシュ213には、回転作動時における動的なアンバランスを相殺するためのバランサ217が圧入、かしめ、焼嵌め、溶接等によって固定されている。尚、本参考例においては、駆動ピン212とブッシュ213との間における形状に特徴部を持たせているが、詳細については後述する。
【0026】
偏心クランク機構210のブッシュ213には、旋回スクロール240が接続されている。旋回スクロール240は、円板状の端板部241の各平面(図1中の上下面)に渦巻き状の羽根部242および円筒状のボス部243が設けられたものであり、ボス部243内には旋回スクロール軸受け245が圧入されている。ブッシュ213は、旋回スクロール軸受け245を介してボス部243に挿入されている。そして、旋回スクロール240は、ミドルハウジング220に固定されたスラスト軸受け246によって、ブッシュ213を介した公転作動が可能となるように支持されている。また、スラスト軸受け246は、圧縮作動時において旋回スクロール240に発生するスラスト荷重を受ける役割を果たす。
【0027】
尚、端板部241の外周側には自転防止穴244が設けられており、後述する固定スクロール250に設けられた自転防止ピン254が挿入され、旋回スクロール240の自転を防止するようにしている。
【0028】
旋回スクロール240の反シャフト側には、端板部251に渦巻き状の羽根部252が形成された固定スクロール250が設けられ、固定スクロール250はミドルハウジング220に図示しないボルトによって固定されている。そして、旋回スクロール240の羽根部242と固定スクロール250の羽根部252とがシャフト211の長手方向に嵌合して作動室256を形成している。
【0029】
固定スクロール250の反羽根部側には凹部255が形成され、更に中心部には吐出孔253が設けられている。凹部255の開口側はリヤプレート260によって閉塞され、内部空間として吐出室257が形成されている。そして、吐出孔253には、吐出室257側に開く吐出弁270および吐出弁270の最大開度を規制するストッパ271が設けられ、ボルト272によって固定スクロール250に固定されている。
【0030】
そして、ミドルハウジング220には冷媒通路221および吸入室222が設けられており、主に電動機部300が収容される空間から冷媒通路221、ボス部243の外側部、スラスト軸受け246を通って吸入室222に連通するようにしている。更に、図示しない固定スクロール250に設けられた通路によって、吸入室222と作動室256とが連通するようにしている。
【0031】
上部ハウジング101bには本体ケーシング101a内に連通する吸入パイプ281が設けられ、また固定スクロール250には、吐出室257内に連通する吐出パイプ282が設けられている。
【0032】
次に、本参考例の要部について、図2を用いて詳細に説明する。本参考例では、駆動ピン212あるいはブッシュ213の偏心穴213aのうち、少なくとも一方に面取り部213c(あるいは後述の図7における212b)を設けている。具体的には、面取り部213cは、駆動ピン212と偏心穴213aとが接触する接触部において、駆動ピン212の根元側となる端部213bを形成する偏心穴213a(軸方向長さが短い側)に設定するようにしている。そして、面取り部213cは、R面取り部としており、駆動ピン212の半径をR1、R面取り部の半径をr1とした時に、数式1の関係となるr1を設定している。
【0033】
【数1】
1.4≦(R1×r1)/(R1+r1)≦4.4
ここでは、駆動ピン212の半径R1を5.5mmと設定していることから、面取り部213cの半径r1を5mmと決定している。
【0034】
尚、上記数式1は、以下のような考えから導き出してしる。即ち、2つの弾性体の接触面中心に生ずる圧力にかかわるヘルツの公式に示されるように、半径R1、r1を有する球と球あるいは円柱と円柱とが接触するモデルから考えると、一方を平面と想定した時の他方の等価半径R0は(R1×r1)/(R1+r1)に相関するものとして導くことができる。そして、接触面中心に生ずる圧力を下げるには、等価半径R0をある値以上に確保することが必要であり、それを1.4としている。逆に、等価半径R0を更に大きくしていくと平面に対する平面の接触モデルとなってしまい、実際的に端部を形成する部位ではエッジ当たりが生じ圧力が上昇してしまうので、上限側の制約として4.4を設定している。
【0035】
次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について説明する。電動機部300に電力が供給されると回転子310が回転駆動し、シャフト211がそれに伴い回転し、ブッシュ213は、偏心量をもってシャフト211のまわりを公転する。そして、ブッシュ213と共に、旋回スクロール240が公転し、冷媒は吸入パイプ281から電動機部300、冷媒通路221、吸入室222を通って作動室256に流入し、圧縮され、更に吐出孔253、吐出弁270、吐出室257を通って吐出パイプ282から吐出される。
【0036】
ところで冷媒を圧縮する際に、ブッシュ213は旋回スクロール240から反力Ftを受けることになる。反力Ftとは、圧縮冷媒から受ける圧縮反力Fgと、この圧縮反力Fgによってブッシュ213が駆動ピン212を中心として回転(スイング)する際に旋回スクロール240が固定スクロール250側に押圧される時の固定スクロール250側からの押付け反力Fdとの合力である。
【0037】
この反力Ftによって、シャフト211に対して片持ち支持される駆動ピン212が根元側から撓むことになる。本参考例ではこの撓みによって駆動ピン212と偏心穴213aとが片当たりした場合でも、面取り部(R面取り部)213cを設けているので、弾性変形によって形成される接触面を増大させて局部的な接触面圧(ヘルツ面圧)の上昇を抑制することができ、駆動ピン212およびブッシュ213間の焼付きや異常摩耗を抑えて耐久性を向上させることができる。
【0038】
また、本参考例のように、冷媒としてCO2を用いて圧縮後の圧力が臨界点を越えるような高い圧力で使用する場合は、駆動ピン212の撓みの影響を受けやすくなるため、本参考例を効果的に活用することができる。
【0039】
尚、上記参考例に対する変形例1を、図3、図4に示す。駆動ピン212と偏心穴213aとの接触部が駆動ピン212の全長に対して部分的に形成される場合は、偏心穴213aによって形成される駆動ピン212の根元側の端部213bに面取り部213cを設けるようにすれば良い。
【0040】
また、図5に示す変形例2のように面取り部213cは、R面取り部に代えて、テーパ角度θを有するテーパ面取り部としても良い。テーパ角度θの設定範囲としては、接触面を拡大するために30°以下と設定するのが良い。また、逆にテーパ角θを極端に小さく設定すると、従来技術のように平面同士の組合せに近づいてしまうので、下限側として10°以上の制約を設けるのが好ましい。よってここでは、テーパ角θを20°として設定している。
【0041】
上記面取り部213cとして、参考例のR面取り部(r1=5mm)を設けたものと、変形例2のテーパ面取り部(θ=20°)を設けたものにおいて、耐久試験による従来技術との比較を行った結果を表1に示す。
【0042】
耐久試験の条件としては、本圧縮機100を冷凍サイクル内に配設して、8時間ON−0.5時間OFFの条件でサイクル運転を行い、実作動時間が1000時間となった時点で、駆動ピン212あるいはブッシュ213に生じた摩耗量(摩耗深さ)を比較している。
【0043】
本参考例においては、上記効果説明の通り、局部的な接触面圧の上昇を抑えることができ、摩耗量を低減することができている。更に、R面取り部とテーパ面取り部との比較では、接触面をより大きく取れると言う理屈からも解るように、R面取り部の方が優れていると言う結果を得た。
【0044】
【表1】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図6、図7に示す。第1実施形態は、上記参考例に対して、面取り部212bを駆動ピン212側に設けたものである。
【0045】
駆動ピン212の根元側に加工上の逃がし部212cを設ける場合、駆動ピン212と偏心穴213aとの接触部における駆動ピン212の根元側となる端部は駆動ピン212側(軸方向長さの短い側)に形成されることになり、この駆動ピン212の根元側端部212aに面取り部(R面取り部)212bを設けている。
駆動ピン212の半径をR1、R面取り部の半径をr1とした時に、数式1の関係となるr1を設定している。
【0046】
これにより、上記参考例と同様に、反力Ftによって駆動ピン212に撓みが生じて、駆動ピン212と偏心穴213aとの間で片当たりが生じても、接触面積を拡大して局部的な面圧上昇を低減でき、駆動ピン212およびブッシュ213間の耐久性を向上することができる。
また、本実施形態のように、冷媒としてCO2を用いて圧縮後の圧力が臨界点を越えるような高い圧力で使用する場合は、駆動ピン212の撓みの影響を受けやすくなるため、本発明を効果的に活用することができる。
【0047】
尚、本第1実施形態の変形例1として図8に示すように、面取り部212bをR面取り部に代えて、テーパ面取り部として形成するようにしても良い。
【0048】
(その他の実施形態)
上記実施形態においては、駆動ピン212と偏心穴213aのいずれか一方に面取り部213c(あるいは212b)を設けるようにしたが、他方側にも設けるようにしても良い。
【0049】
また、スクロール型圧縮機100として、圧縮機構部200が電動機部300によって作動される電動圧縮機として説明したが、例えば車両に搭載される内燃機関(エンジン)のような外部原動機によって作動されるものとしても良い。
【0050】
更に、冷媒としてCO2を用いた超臨界冷凍サイクルに適用したものとして説明したが、これに限らずフロン等を用いる通常の冷凍サイクルに適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 スクロール型圧縮機の全体構成を示す断面図である。
【図2】 参考例における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図3】 参考例の変形例1における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図4】図3におけるA部を示す拡大図である。
【図5】 参考例の変形例2における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図6】 第1実施形態における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図7】図6におけるB部を示す拡大図である。
【図8】 第1実施形態の変形例1における駆動ピンおよびブッシュを示す断面図である。
【図9】従来技術における反力作用時の駆動ピンとブッシュをモデル的に示す断面図である。
【符号の説明】
100 スクロール型圧縮機
210 偏心クランク機構
211 シャフト(主軸)
212 駆動ピン
213 ブッシュ
213a 偏心穴
213b 端部
213c 面取り部
240 旋回スクロール
250 固定スクロール
256 作動室
300 電動機部(電動機)
Claims (6)
- 偏心穴(213a)を有するブッシュ(213)と、
主軸(211)の先端側に設けられ、前記偏心穴(213a)に回転可能に挿入される駆動ピン(212)とから成る偏心クランク機構(210)の回転駆動によって、旋回スクロール(240)が公転作動され、この旋回スクロール(240)に対向する固定スクロール(250)との間に形成される作動室(256)で流体を圧縮するスクロール型圧縮機において、
前記駆動ピン(212)の根元部に、円弧状の凹となる逃がし部(212c)が設けられており、
前記駆動ピン(212)と前記偏心穴(213a)の内周壁との接触部における前記駆動ピン(212)の根元側となる端部(212a)に、前記逃がし部(212c)に繋がるR面取り部(212b)を設けたことを特徴とするスクロール型圧縮機。 - 前記R面取り部(212b)の半径寸法r1は、前記駆動ピン(212)の半径をR1とした時に、1.4≦(R1×r1)/(R1+r1)≦4.4の関係に成るようにしたことを特徴とする請求項1に記載のスクロール型圧縮機。
- 前記偏心クランク機構(210)は、自身の内部に一体的に設けられ、外部電力を受けて駆動する電動機(300)によって回転駆動されることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載のスクロール型圧縮機。
- 前記偏心クランク機構(210)は、外部原動機によって回転駆動されることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のスクロール型圧縮機。
- 前記流体は、冷凍サイクル内を流通する冷媒であり、
前記冷媒の圧縮後の圧力は、臨界圧力を超えるように設定されたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載のスクロール型圧縮機。 - 前記冷媒は、CO2を用いたことを特徴とする請求項5に記載のスクロール型圧縮機。
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