JP5836845B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば空気調和装置や冷凍装置に採用される冷凍サイクルの一構成要素として使用されるスクロール圧縮機に関するものである。

従来から存在しているスクロール圧縮機は、一般的に、フレームに固定された固定スクロールと、固定スクロールの中心に対して偏心した回転中心を有する揺動スクロールと、電動機構部を構成するステーターと、電動機構部を構成するローターと、電動機構部により回転駆動される主軸と、揺動スクロールを公転運動させるために揺動スクロールを支承するスライダーと、スライダーが主軸に対して偏心するように主軸の上部に設置されたスライダー装着軸である偏心軸部と、偏心軸部に装着され、固定スクロールや揺動スクロール等からなる圧縮部と、圧縮部および電動機構部を収容する密閉形のシェルと、外部よりスクロール圧縮機に冷媒ガスを導入するための吸入管と、スクロール圧縮機で圧縮された冷媒ガスを外部に吐出するための吐出管と、揺動スクロール及び主軸を支承し、固定スクロールに対してボルト等でシェルに固定されたフレームと、圧縮機構部の下部で主軸を回転自在に支えるサブフレームと、シェルの底部に溜まった油を主軸内の給油通路を通ってスライダーまで吸い上げる容積形油ポンプと、を有している。

また、スクロール圧縮機の中には、揺動スクロールの偏心によるアンバランス相殺のため、主軸の上部に第一バランサーが取り付けられ、またローター下面に第二バランサーがローターと一体となって取り付けられているものがある（たとえば、特許文献１参照）。

このようなスクロール圧縮機の中には、第２バランサーが略半円形状のため、油及び冷媒の撹拌による損失を低減するために第２バランサーカバーが取り付けられているものがある。そして、第２バランサーカバーが取り付けられているスクロール圧縮機では、ローター、第２バランサー、第２バランサーカバーが一体に組み立てられた状態で略円筒形の外形となり、主軸と一体となって回転するようになっている。

特開平４−１２４４８５号公報（第１図等）

特許文献１に記載されているような従来のスクロール圧縮機では、スクロール圧縮機の機種によって揺動スクロールの素材や形状が異なると、それぞれの機種に対応した第１バランサー、第２バランサーが必要となる。よって、スクロール圧縮機の機種毎に、それぞれ形の異なる第２バランサーが必要となり、第２バランサーを第２バランサーカバーで完全に覆うためには第２バランサーカバーの仕様も増える。それはまた、第２バランサーが油の存在する冷媒雰囲気中で回転する際の損失を低減するためには、第２バランサー側面が完全に覆われている方が大きい効果を生むためでもある。そのため、第２バランサー仕様の増加によってローターの仕様が増加する。その結果、ローターの共用化が進まず、作業工程、作業に要する手間、費用が増大してしまい、生産効率が低下している課題があった。

また、特許文献１に記載されているような従来のスクロール圧縮機では、第２バランサーをローターと一体化するように取り付ける構造であるため、揺動スクロールから第２バランサーまでの距離が短く（ローターと揺動スクロールの距離が短いため）、アンバランス相殺のためのモーメントを発生させるには第２バランサーを大きく、又は重くしなければならなかった。そのため、第２バランサーの小型化ができず、スクロール圧縮機の小型化、軽量化できないという課題があった。加えて、第２バランサーを小型化するためには、比重の大きな素材を使用しなければならず、第２バランサーが高価なものになっていた。

さらに、第２バランサー及び第２バランサーカバーは、リベットによってカシメることでローターに取り付けられており、第２バランサーの遠心力がリベットにせん断力を及ぼしている。そのため、リベットを選定する際に十分な強度を持ったものを選ぶ必要があること、また機種に応じてリベットの種類が増えることから、リベットに要する費用の増大を招来してしまっているという課題があった。

またさらに、ローターと第２バランサーが一体化する構造になっているため、第２バランサーを、平易に磁性を帯びることが可能な鉄などの磁性体材料で構成すると、ローターに磁力を持たせる工程である着磁の時の磁束が、磁性体である第２バランサーに漏れ、着磁の効率が低下してしまう。また、運転時、ローター中の磁石の磁束が第２バランサーに漏れ、スクロール圧縮機を動かすトルクに寄与するローターの磁力が低下してしまう。これらのことから、圧縮機の性能が低下するなどの問題が生じる。そのため、第２バランサーを真鍮などの非磁性体材料で構成する必要があり、その分第２バランサーが高価なものになっているという課題があった。

本発明は、以上のような課題のうちの少なくとも一つを解決するためになされたもので、揺動スクロールの仕様によってもローターの仕様を増やさず、アンバランス相殺のためのモーメントを発生させるのに必要な第２バランサーの小型化を実現し、第２バランサーを安価な材料で構成し、揺動スクロールの仕様によってもローターの仕様を増やさないスクロール圧縮機を提供することを目的としている。

本発明に係るスクロール圧縮機は、容器と、前記容器内に固着支持されたステーターと、前記ステーターの内周面側に回転可能に配設されたローターと、前記ローターの中心部に挿入され、前記ローターとともに回転駆動する主軸と、前記主軸の上部に取り付けられ、前記主軸とともに回転する第１バランサーと、前記主軸の下部に取り付けられ、前記主軸とともに回転する第２バランサーと、前記主軸の下部を回転自在に支持するボールベアリングを具備したサブフレームと、前記サブフレームの上部に取り付けられ、前記第２バランサーの少なくとも側面側を囲む第２バランサーカバーと、を備え、前記主軸には、前記ボールベアリングの上部から給油するための切り欠きが形成されており、前記第２バランサーカバーは、前記ボールベアリングの外周の上方を囲んでいることを特徴とする。

本発明に係るスクロール圧縮機によれば、第２バランサーカバーをサブフレームに取付けるため、揺動スクロールの仕様の増加により第２バランサーの仕様が増加しても、ローター及び第２バランサーカバーの仕様を増加させる必要がない。

また、第２バランサーを、ローターではなく、主軸の下部に取り付けたので、第２バランサーを小型化、軽量化してもアンバランスを相殺するためのモーメントを発生させることができる。

またさらに、第２バランサーをローターから離しているため、ローターを磁性体材料で構成しても磁束が第２バランサーに漏れることが無く、ローターの磁力が低下する心配がないので、第２バランサーを安価な磁性体材料で構成することができる。

本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の断面構成例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機の第２バランサー部分の断面構成例を示す横断面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機のサブフレームの軸受部分を拡大して示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１.
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機１００の断面構成例を示す縦断面図である。図１に基づいて、スクロール圧縮機１００の構成及び動作について説明する。このスクロール圧縮機１００は、たとえば冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、空気調和装置、冷凍装置、給湯器等の各種産業機械に用いられる冷凍サイクルの構成要素の一つとなるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

スクロール圧縮機１００は、冷凍サイクルを循環する冷媒を吸入し、圧縮して高温高圧の状態として吐出させるものである。このスクロール圧縮機１００は、固定スクロール９及び揺動スクロール１０等からなる圧縮部と、電動回転機械７等からなる駆動部とにより構成されている。これら圧縮部及び駆動部は、容器１内に収納されている。図１に示すように、容器１内において、圧縮部が上側に、駆動部が下側に、それぞれ配置されている。

容器１は、中間部容器１ａの上部及び下部に上部容器１ｃ及び下部容器１ｂが設けられた密閉容器となっている。下部容器１ｂは、潤滑油を貯留する油溜め２３となっている。中間部容器１ａには、冷媒ガスを吸入するための吸入管２４が接続されている。上部容器１ｃには、冷媒ガスを吐出するための吐出管２５が接続されている。

圧縮部は、揺動スクロール１０、固定スクロール９、及びフレーム１１等で構成されている。図１に示すように、揺動スクロール１０は下側に、固定スクロール９は上側に配置されるようになっている。また、揺動スクロール１０とフレーム１１との間には、揺動スクロール１０を支承するスラストプレート１４が設けられている。そして、揺動スクロール１０とスラストプレート１４とが、潤滑油を介して密着することにより、スラスト軸受を構成するようになっている。

固定スクロール９には、一方の面に立設された渦巻状突起であるラップ部９ａが形成されている。また、揺動スクロール１０にも、一方の面に立設され、ラップ部９ａと実質的に同一形状の渦巻状突起であるラップ部１０ａが形成されている。揺動スクロール１０及び固定スクロール９は、ラップ部１０ａとラップ部９ａとを互いに組み合わせ、容器１内に装着されている。揺動スクロール１０及び固定スクロール９が組み合わされた状態では、ラップ部９ａとラップ部１０ａの巻方向が互いに逆となる。

そして、ラップ部１０ａとラップ部９ａとの間には、相対的に容積が変化する圧縮室２６が形成される。固定スクロール９及び揺動スクロール１０には、ラップ部９ａ及びラップ部１０ａの先端面からの冷媒漏れを低減するため、ラップ部９ａ及びラップ部１０ａの先端面（上端面、下端面）にシール２７、２８が配設されている。

固定スクロール９は、フレーム１１に図示省略のボルト等によって固定されている。固定スクロール９の中央部には、圧縮され、高圧となった冷媒ガスを吐出する吐出ポート９ｂが形成されている。そして、圧縮され、高圧となった冷媒ガスは、固定スクロール９の上部に設けられている吐出空間３３に排出されるようになっている。吐出空間３３に排出された冷媒ガスは、吐出管２５を介して冷凍サイクルに吐出されることになる。なお、吐出ポート９ｂには、吐出空間３３から吐出ポート９ｂ側への冷媒の逆流を防止する吐出弁２９が設けられている。

揺動スクロール１０は、自転運動を阻止するためのオルダムリング１５により、固定スクロール９に対して自転運動することなく公転旋回運動（揺動運動）を行うようになっている。また、揺動スクロール１０のラップ部１０ａ形成面とは反対側の面（以下、スラスト面と称する）の略中心部には、中空円筒形状の揺動軸受１３が形成されている。揺動軸受１３には、スライダー１６が回転自在に挿入され、このスライダー１６のスライド面（中心側面）には主軸４の上端に設けられた偏芯軸部４ａが挿入されている。そして、揺動軸受１３の内周部とスライダー１６の外周部とが潤滑油を介して密着し、揺動軸受部を構成するようになっている。

駆動部は、主軸４に固定されたローター３、ステーター２、及び回転軸である主軸４等で構成されている。ローター３は、主軸４に固定され、ステーター２への通電が開始することにより回転駆動し、主軸４を回転させるようになっている。すなわち、ステーター２及びローター３で電動回転機械７を構成している。

主軸４は、ローター３の回転に伴って回転し、揺動スクロール１０を旋回させるようになっている。この主軸４の上部（偏芯軸部４ａ近傍）は、フレーム１１に設けられた主軸受１２によって支持されている。この主軸受１２と主軸４との間には、主軸４を円滑に回転運動させるため、スリーブ１７が設けられている。

一方、主軸４の下部は、ボールベアリング２１によって回転自在に支持されている。このボールベアリング２１は、容器１の下部に設けられたサブフレーム２０の中央部に形成された軸受収納部２０ａに圧入固定されている。また、サブフレーム２０には、容積型のオイルポンプ２２が設けられている。このオイルポンプ２２に回転力を伝達するポンプ軸４ｂは主軸４と一体形成されている。オイルポンプ２２で吸引された潤滑油は、主軸４の内部形成された油穴４ｃ等を介して各摺動部に送られる。

ここで、ボールベアリング２１への給油経路について説明する。オイルポンプ２２によって吸い上げられた油が図３の給油穴４ｄを通って主軸４とボールベアリング２１の間に送られる。この主軸４とボールベアリング２１間を潤滑した油の一部が、主軸４の回転運動による遠心力によって切り欠き４ｅから放出され、ボールベアリング２１の上部に送られボールベアリング２１を潤滑するような構成となっている。なお、図３は、スクロール圧縮機１００のサブフレーム２０の軸受部分を拡大して示す縦断面図である。

給油穴４ｄは、主軸４の油穴４ｃと主軸４の外周外側とが連通するように主軸４のボールベアリング２１の内周面上部に形成されている。また、切り欠き４ｅは、給油穴４ｄから給油され、主軸４とボールベアリング２１との間を潤滑した油の一部を、主軸４の回転運動による遠心力によって主軸４の外周外側に放出するものである。給油穴４ｄ及び切り欠き４ｅによって、ボールベアリング２１の上部からボールベアリング２１に給油することが可能になっている。

また、主軸４の上部及び下部には、揺動スクロール１０と主軸４の回転中心に対してアンバランスを相殺するため、第１バランサー１８及び第２バランサー１９のそれぞれが設けられている。第１バランサー１８は主軸４の上部に焼き嵌めによって固定され、第２バランサー１９も主軸４の下部に焼き嵌め等によって固定される。

また、サブフレーム２０の上部には、円筒形状の第２バランサーカバー８が取り付けられ、第２バランサー１９の少なくとも側面側を囲むように配置されている。このとき、第２バランサーカバー１９がサブフレーム２０の上部に取付けられているため、軸受収納部２０ａに収納されたボールベアリング２１の上面の側面側を囲むように第２バランサーカバー８が配置されているとさらに望ましい。第２バランサーカバー８は、下端部がサブフレーム２０の上部に取り付けられ、下端部から上端部に向かって軸方向上側に突出するように形成されている。第２バランサー１９は、第２バランサーカバー８の内側で回転するようになっている。第２バランサーカバー８は、第２バランサー１９による冷媒や油の撹拌を抑制し、また切り欠き４ｅ（図３参照）からボールベアリング２１に給油された油の飛散を抑制する機能を有している。なお、第２バランサーカバー８は、その上方が、開放されていても、閉塞されていてもよい。

図２は、スクロール圧縮機１００の第２バランサー１９部分の断面構成例を示す横断面図である。図２に基づいて、第２バランサー１９及び第２バランサーカバー８について説明する。なお、図２には、第２バランサー１９の平面形状の一例が図示されているが、第２バランサー１９の平面形状を図２に図示されているような形状に限定するものではない。

上述したように、第２バランサー１９は、主軸４の下部に固定されている。また、第２バランサーカバー８が、第２バランサー１９の側面側を囲むように配置されている。そして、図２から、第２バランサー１９が、第２バランサーカバー８の内側で回転するようになっていることがわかる。すなわち、スクロール圧縮機１００では、第２バランサー１９及び第２バランサーカバー８をローター３から離し、主軸４の下部に設置するようにしている。そして、第２バランサーカバー８をサブフレーム２０側に取り付け、第２バランサーカバー８の内側で主軸４と第２バランサー１９を回転させるようにしている。なお、バランスを取るためのモーメント和が変わらないため、第２バランサー１９をローター３から離れた位置に設置しても軸受荷重は変わらない。

このようにすることで、スクロール圧縮機１００は、第２バランサー１９を小型化しても、アンバランスを相殺するためのモーメントを発生させることができるようになった。また、第２バランサー１９をローター３と一体的に組み立てる必要がなくなったので、第２バランサー１９の仕様が増えても、ローター３、第２バランサーカバー８の仕様を増やす必要がなくなった。

さらに、第２バランサー１９を主軸４に固定し、第２バランサーカバー８をサブフレーム２０に固定しているので、ローター３に偏心する部分が無くなることになる。そのため、リベットにかかる半径方向の荷重が無くなり、リベットのせん断に対する強度を無視できる。つまり、高価なリベットを選定する必要がなくなり、リベットに要する費用の増大を招来することがない。

またさらに、第２バランサー１９をローター３から離して設置することで、第２バランサー１９の素材を鉄などの磁性体で構成することができるようになった。そのため、第２バランサーの素材として真鍮などの非磁性体材料を用いる必要がなくなり、第２バランサー１９を平易に磁性を帯びることが可能な磁性体材料で構成しても、着磁時の磁束が第２バランサー１９に漏れ、着磁の効率が低下すること、また運転時、ローター中の磁石の磁束が第２バランサー１９に漏れ、スクロール圧縮機１００を動かすトルクに寄与するローター３の磁力が低下し、スクロール圧縮機１００の性能が低下するなどの問題が生じることはなくなった。その分第２バランサー１９が安価に形成することが可能になった。

さらに、第２バランサー１９をローター３から離して設置することで、第２バランサー１９を軽量化、小型化してもアンバランスを相殺するのに十分なモーメントを発生させることができるようになった。

またさらに、第２バランサーカバー８が第２バランサー１９の側面側を囲むように配置され、第２バランサーカバー８がサブフレーム２０の上部に取付けてあるためボールベアリング２１上面の側面側をも囲んでいるので、ボールベアリング２１に給油可能かつ、第２バランサー１９やボールベアリング２１の撹拌によって飛散した油が圧縮部に吸入され油循環量が増大することを抑制できるようになった。

次に、スクロール圧縮機１００の動作について説明する。
電動回転機械７に電圧が印加されると、ステーター２の電線部に電流が流れ、磁界が発生する。この磁界は、ローター３を回転させるように働く。ローター３が回転すると、それに伴い主軸４が回転駆動される。主軸４が回転駆動されると、偏芯軸部４ａを介してスライダー１６も揺動軸受１３内で回転する。そして、オルダムリング１５により自転を抑制された揺動スクロール１０は、揺動運動を行う。

ローター３が回転するとき、主軸４の下部に固定されている第２バランサー１９と、主軸４の上部に固定されている第１バランサー１８と、で揺動スクロール１０の偏心公転運動に対するバランスを保っている。その結果、主軸４の上部に偏心支持された揺動スクロール１０が揺動されて公転旋回を始め、公知の圧縮原理により冷媒を圧縮する。

これにより、冷媒ガスの一部はフレーム１１の吸入ポート（図示せず）を介して圧縮室２６内へ流れ、吸入過程が開始される。また、冷媒ガスの残りの一部は、ステーター２の鋼板の切り欠き（図示せず）を通って、電動回転機械７と潤滑油を冷却する。

圧縮室２６は、揺動スクロール１０の揺動運動により揺動スクロール１０の中心へ移動し、さらに体積が縮小される。この工程により、圧縮室２６に吸入された冷媒ガスは圧縮されていく。このとき、圧縮される冷媒ガスにより固定スクロール９と揺動スクロール１０は軸方向に離れようとする荷重が働くが、この荷重はスラストプレート１４（スラスト軸受）で支持される。圧縮された冷媒は、固定スクロール９の吐出ポート９ｂを通り、吐出弁２９を押し開けて吐出空間３３に流入する。そして、吐出管２５を介して容器１から吐出される。

以上のような一連の動作中、揺動スクロール１０とスラストプレート１４との間、ラップ部１０ａとラップ部９ａとの間（圧縮室２６）、ラップ部９ａのシール２８と揺動スクロール１０との間、ラップ部１０ａのシール２７と固定スクロール９との間、オルダム溝とオルダムリング１５のキー部との間、揺動軸受１３とスライダー１６との間、偏芯軸部４ａとスライダー１６のスライド面との間、主軸受１２とスリーブ１７との間、スリーブ１７と主軸４との間等、各摺動部には、潤滑油が供給されている。また、これら摺動部は、容器１内に吸入された比較的温度の低い冷媒と同雰囲気になっている。これにより、これら摺動部は、容器１内に吸入された比較的温度の低い冷媒により冷却され、温度上昇が抑制されている。

なお、容器１内の低圧冷媒ガスと、容器１内の高圧冷媒ガスとは、固定スクロール９及びフレーム１１により気密が保たれるように仕切られているので容器１内で混在することがない。また、各摺動部に供給された潤滑油は、重力により返油通路（図示せず）を介して再び油溜め２３へ戻る。そして、ステーター４への通電を止めると、スクロール圧縮機１００が運転を停止する。

１ 容器、１ａ 中間部容器、１ｂ 下部容器、１ｃ 上部容器、２ ステーター、３ ローター、４ 主軸、４ａ 偏芯軸部、４ｂ ポンプ軸、４ｃ 油穴、４ｄ 給油穴、４ｅ 切り欠き、７ 電動回転機械、８ 第２バランサーカバー、９ 固定スクロール、９ａ ラップ部、９ｂ 吐出ポート、１０ 揺動スクロール、１０ａ ラップ部、１１ フレーム、１２ 主軸受、１３ 揺動軸受、１４ スラストプレート、１５ オルダムリング、１６ スライダー、１７ スリーブ、１８ 第１バランサー、１９ 第２バランサー、２０ サブフレーム、２０ａ 軸受収納部、２１ ボールベアリング、２２ オイルポンプ、２３ 油溜め、２４ 吸入管、２５ 吐出管、２６ 圧縮室、２７ シール、２８ シール、２９ 吐出弁、３３ 吐出空間、１００ スクロール圧縮機。

Claims (2)

1. 容器と、
   前記容器内に固着支持されたステーターと、
   前記ステーターの内周面側に回転可能に配設されたローターと、
   前記ローターの中心部に挿入され、前記ローターとともに回転駆動する主軸と、
   前記主軸の上部に取り付けられ、前記主軸とともに回転する第１バランサーと、
   前記主軸の下部に取り付けられ、前記主軸とともに回転する第２バランサーと、
   前記主軸の下部を回転自在に支持するボールベアリングを具備したサブフレームと、
   前記サブフレームの上部に取り付けられ、前記第２バランサーの少なくとも側面側を囲む第２バランサーカバーと、を備え、
   前記主軸には、前記ボールベアリングの上部から給油するための切り欠きが形成されており、
   前記第２バランサーカバーは、
   前記ボールベアリングの外周の上方を囲んでいる
   ことを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記第２バランサーは、
   磁性体で構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。

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