(57)【要約】【課題】スクロール流体機械の歪み低減による高効率化を行うこと。【解決手段】旋回スクロール１３の反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部の先端面と、これに対向した主軸受部材１１中央部との端面との間に、中心部と外周部とを仕切るシール部材５を配置し、旋回ボス部中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、旋回ボス部外径より内側に、旋回スクロール１３のラップを構成したものである。これによって、旋回スクロール１３の固定スクロール１２への押付け力（スラスト荷重）を小さくしながら、旋回スクロール１３の鏡板の変形を小さくすることができるので、ラップ先端とラップ底面の強い摺動を防いで、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内に、膨張機構部と電動機構部を、クランク軸を介して連結して収納すると共に、前記膨張機構部は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、前記旋回スクロールを前記クランク軸に連結する偏心軸部に係合しながら自転規制機構による自転の規制のもとに旋回させたときに、前記膨張室が容積を変えながら移動することで、作動流体の吸入、吐出を行うスクロール膨張機構部であって、前記旋回スクロールの反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部の先端面と、これに対向した主軸受部材中央部との端面との間に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、前記旋回ボス部中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、前記旋回ボス部外径より内側に、前記旋回スクロールのラップを構成したことを特徴とするスクロール流体機械。
【請求項２】
前記渦巻きラップをインボリュート曲線で形成し、前記インボリュート曲線の基礎円中心が、前記旋回ボス部中心に対してずれて配置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流体機械。
【請求項３】
前記クランク軸の前記偏心軸部の先端が、少なくとも前記旋回スクロールの反ラップ側の鏡板面よりも内側にくるように、前記旋回ボス部内径深さを形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のスクロール流体機械。
【請求項４】
前記旋回スクロールをアルミニウム系金属材料で、前記固定スクロールを鉄系金属材料で形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスクロール流体機械。
【請求項５】
前記作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスクロール流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、吐出を行うスクロール流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のスクロール流体機械（圧縮機）としては、図５に示すように旋回スクロール（第２スクロール３）の反ラップ側の背圧室Ｍとクランク軸（駆動軸５）側上部周辺部の高圧油圧室Ｈとをシールするシール部材（シールリング７）を、旋回スクロール軸受部を有する旋回ボス部（ボス筒３１）の先端面とこれに対向したフレーム（架構４）の直径方向中央部の端面との間に備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この構成によれば、旋回スクロールの反ラップ側の鏡板面にシール部材を配置した場合には、旋回ボスの外径寸法よりも大きく構成しなければならないので、高圧領域を相対的に大きく取らざるを得ず、スラスト荷重が過大となって回転負荷が増大する問題が発生するが、旋回ボス部の先端面にシール部材を配置することによって、スラスト荷重が過大になることを避けることが出来る。
【特許文献１】特開平３−９２５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、旋回スクロールのラップ面に存在する圧縮室の圧力から発生する力とシール部材の中央部に作用する高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油から発生する力の差によってスラスト荷重が発生するが、旋回スクロールの中心部のみで強く固定スクロールに押付けると、旋回スクロールの鏡板が変形し、旋回スクロールのラップ先端と固定スクロールのラップ底面、或いは旋回スクロールのラップ底部と固定スクロールのラップ先端が強く摺動し、異常磨耗を引き起こすという問題を有していた。
【０００５】
特に、スクロール流体機械を膨張機として用いて、且つ、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とした場合には、図６に示すように、膨張過程初期において圧力が急激に低下する。この場合には、旋回スクロールのラップ面に存在する膨張室の圧力から発生する力は、シール部材の中央部に作用する高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油の圧力から発生する力に比べて更に大きくなることによって、旋回スクロールの鏡板はより歪むことになる。結果として、旋回スクロールの中心部のみで強く固定スクロールに押付けることとなって、旋回スクロールのラップ先端と固定スクロールのラップ底面、或いは旋回スクロールのラップ底部と固定スクロールのラップ先端が強く摺動し、異常磨耗を引き起こすという問題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スクロール流体機械を膨張機として用いた場合に、ラップ先端とラップ底面の強い摺動を防いで、高効率なスクロール流体機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール流体機械は、旋回スクロールの反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部の先端面と、これに対向した主軸受部材中央部との端面との間に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、旋回ボス部中心部に高
圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、旋回ボス部外径より内側に、旋回スクロールのラップを構成したものである。これによって、旋回スクロールの固定スクロールへの押付け力（スラスト荷重）を小さくしながら、旋回スクロールの鏡板の変形を小さくすることができるので、ラップ先端とラップ底面の強い摺動を防いで、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のスクロール流体機械は、特に高圧・低圧縮比冷媒である二酸化炭素冷媒を用いた場合に、高い信頼性と高効率を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、旋回スクロールの反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部の先端面と、これに対向した主軸受部材中央部との端面との間に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、旋回ボス部中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、旋回ボス部外径より内側に、前記旋回スクロールのラップを構成したものである。これによって、旋回スクロールのラップ側に形成される膨張室は、鏡板剛性の高い鏡板ボス部領域にのみ存在するために、旋回スクロールの歪みを最小限にすることができるので、ラップ先端とラップ底面の強い摺動を防いで、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００１０】
第２の発明は、特に第１の発明の、渦巻きラップをインボリュート曲線で形成し、インボリュート曲線の基礎円中心が、旋回ボス部中心に対してずれて配置したものである。これによって、旋回ボス部が同じ大きさでも、インボリュート曲線の基礎円中心を旋回ボス部中心と一致させた場合に比べて、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き数を大きくとれるので、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。また、同じ巻き数に固定した場合では、ラップ厚さを厚くすることも可能となり、より高い信頼性を有したスクロール流体機械を提供することができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の、クランク軸の偏心軸部の先端が、少なくとも旋回スクロールの反ラップ側の鏡板面よりもラップ側にくるように、旋回ボス部内径を深く形成したものである。これによって、旋回スクロールのラップが形成されている鏡板の領域では剛性が十分に高いので、旋回ボス部内径の深さが深くなっても鏡板の歪みに影響は少なく、同時に、旋回スクロールを転覆させようとする偶力の腕の長さを小さくすることができるので、より安定的に運転できるスクロール流体機械を提供することが出来る。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の、旋回スクロールをアルミニウム系金属材料で、固定スクロールを鉄系金属材料で形成したものである。鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて高くなるので、カジリや異常磨耗を抑えることができる。また、アルミニウム系金属材料は鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール流体機械を提供することができる。また、アルミニウム系金属材用は、鉄系金属材料に比べて縦弾性係数が小さいので、固定スクロールに比べて旋回スクロールの歪み量の方が大きい問題があるが、本構成によれば、旋回スクロールのラップ側に形成される膨張室は、鏡板剛性の高い鏡板ボス部領域にのみ存在するために、旋回スクロールの歪みを最小限にすることができるので、アルミニウム系金属の旋回スクロールと鉄系金属材料の固定スクロールの利点を最大限生かしながら、高効率なスクロール流体機械を提供することが出来る。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明の、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたものである。これによって、二酸化炭素は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体と比べて大きいので、高い信頼性と高効率を実現するスクロール流体機械を用いれば、より高い信頼性と高効率な特徴を有する冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械の断面図を示すものである。図１において、密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸４の主軸部４ａを軸支する主軸受部材１１と、この主軸受部材１１上にボルト止めした固定スクロール１２との間に、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３を挟み込んでスクロール式の膨張機構部を構成し、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に旋回スクロール１３の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転規制機構１４を設けている。
【００１６】
上記構成において、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ｂにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより旋回スクロール１３を円軌道運動させ、これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している膨張室１５が中央部から外周側に移動しながら大きくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６および固定スクロール１２の中央部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して膨張していき、所定圧以下になった冷媒ガスは固定スクロール１２の外周側の吐出口１８から密閉容器１外に吐出させることを繰り返す。
【００１７】
また、クランク軸４の他端側は副軸受部材２１によって支持され、クランク軸４の他端側の先端には容積型ポンプ２５を備えている。潤滑油６は、潤滑油溜り２０から容積型ポンプ２５はクランク軸４の軸方向の中心に設けられた給油経路（図示せず）を経て、主軸受部１１ａ、偏心軸受部１１ｂを潤滑および冷却した後、潤滑油戻し孔２６を経て、再循環を行う。なお、旋回スクロール１３の反ラップ側のボス部の先端面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材５を配置している。
【００１８】
また、密閉容器１内は均圧管４０を通して圧縮機（図示せず）と連通しており、密閉容器１内の圧力は高圧に保たれている。同時に密閉容器１内の潤滑油溜まり２０は圧縮機の潤滑油溜まり（図示せず）と連通しており、潤滑油６は過不足なく圧縮機と密閉容器１内に供給されるようになっている。このとき、シール部材５は偏心軸受部１１ｂに到達した潤滑油６の圧力と背圧室２９の圧力とを仕切る役割を持っているので、シール部材５の中心部は高圧に保たれている。また、背圧室２９は、吐出される冷媒と圧力的に連通しており低圧に保たれている。シール部材５から漏れた潤滑油６は、自転規制機構１４を潤滑した後、吐出される冷媒とともに密閉容器１外へと吐出される。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械を構成する旋回スクロールの斜視図である。図２を見ても分かるように、旋回スクロール１３の渦巻きラップは、ボス外径範囲内に構成されている。結果、旋回スクロール１３のラップ側に形成される膨張室１５は、鏡板剛性の高い鏡板ボス部領域にのみ存在するために、旋回スクロール１３の歪みを最小限にすることができるので、ラップ先端とラップ底面の強い摺動を防いで、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００２０】
図３は、本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械を構成する旋回スクロール
の平面図である。図３において、渦巻きラップをインボリュート曲線で形成し、インボリュート曲線の基礎円中心が、旋回ボス部中心に対してずれて配置している。これによって、旋回ボス部が同じ大きさでも、インボリュート曲線の基礎円中心を旋回ボス部中心と一致させた場合に比べて、旋回スクロール１３の渦巻きラップの巻き数を大きくとれるので、特に膨張比が大きい運転条件の場合に高効率なスクロール流体機械を提供することができる。また、同じ巻き数に固定した場合では、ラップ厚さを厚くすることも可能（図示せず）となり、より高い信頼性を有したスクロール流体機械を提供することができる。
【００２１】
図４は、本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械を構成する旋回スクロールの側面図である。図４において、クランク軸４の偏心軸部４ｂの先端が、少なくとも旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板面よりもラップ側にくるように、旋回ボス部内径を深く形成したものである。これによって、旋回スクロール１３のラップが形成されている鏡板の領域では剛性が十分に高いので、旋回ボス部内径の深さが深くなっても鏡板の歪みに影響は少なく、同時に、旋回スクロール１３を転覆させようとする偶力の腕の長さを小さくすることができるので、より安定的に運転できるスクロール流体機械を提供することが出来る。
【００２２】
なお、旋回スクロール１３をアルミニウム系金属材料で、固定スクロール１２を鉄系金属材料で形成した場合には、鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて高くなるので、カジリや異常磨耗を抑えることができる。また、アルミニウム系金属材料は鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、クランク軸４にかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール流体機械を提供することができる。一方で、アルミニウム系金属材用は、鉄系金属材料に比べて縦弾性係数が小さいので、固定スクロール１２に比べて旋回スクロール１３の歪み量の方が大きいといった問題があるが、本構成によれば、旋回スクロール１３のラップ側に形成される膨張室１５は、鏡板剛性の高い鏡板ボス部領域にのみ存在するために、旋回スクロール１３の歪みを最小限にすることができるので、歪みによるカジリや異常磨耗を防止することが出来る。結果、アルミニウム系金属の旋回スクロールと鉄系金属材料の固定スクロールの利点を最大限生かしながら、高効率なスクロール流体機械を提供することが出来る。
【００２３】
なお、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とした場合には、二酸化炭素は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体と比べて大きいので、高い信頼性と高効率を実現するスクロール流体機械を用いれば、より高い信頼性と高効率な特徴を有する冷凍サイクル装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上のように、本発明にかかるスクロール流体機械は、旋回スクロールの反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部の先端面と、これに対向した主軸受部材中央部との端面との間に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、旋回ボス部中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、旋回ボス部外径より内側に、旋回スクロールのラップを構成したものである。これによって、旋回スクロールの固定スクロールへの押付け力（スラスト荷重）を小さくしながら、旋回スクロールの鏡板の変形を小さくすることができるので、ラップ先端とラップ底面の強い摺動を防いで、高効率なスクロール流体機械を提供することができるので、作動流体を冷媒と限ることなく、空気、ヘリウムを作動流体とするスクロール膨張機や、圧縮機も含むスクロール流体機械の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械の断面図
【図２】本発明の実施の形態１における旋回スクロールの斜視図
【図３】本発明の実施の形態１における旋回スクロールの平面図
【図４】本発明の実施の形態１における旋回スクロールの断面図
【図５】従来のスクロール圧縮機におけるシール部材付近の要部拡大断面図
【図６】従来のスクロール圧縮機において二酸化炭素を冷媒として膨張機として用いた場合の力のバランスを示す模式図
【符号の説明】
【００２６】
２  圧縮機構
５  シール部材
６  潤滑油
１２  固定スクロール
１３  旋回スクロール
１４  自転規制機構
１５  膨張室
１７  吸入口
２９  背圧室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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