(57)【要約】【課題】二酸化炭素冷媒用のスクロール型圧縮機のクランク部に二重偏心機構を利用したスイングリンク型の従動クランク機構を設ける場合に、２つのスクロールの渦巻き形の羽根部が接触する部分に作用する押し付け力を適正化して十分なシール性を確保すると同時に、過大な押し付け力による摩耗をも防止する。【解決手段】固定スクロールの渦巻き形の羽根部８ｂに押し付けられて冷媒圧縮のための作動室９を形成する渦巻き形の羽根部６ｂを有する旋回スクロールを回転可能に支持すると共に、従動クランク機構２１の一部を構成するブッシュ７の中心ａと、同機構の他の一部を構成する駆動シャフトの偏心した駆動ピン１ａの中心との距離をＬとし、駆動ピン１ａの半径をＲとした時に、Ｒ／Ｌの値が１よりも小さくなるように設定する。それによって押し付け力ＦＤ  の変動幅が狭くなって、過剰な押し付け力を加える必要がなくなる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に圧縮機部を収容するハウジングと、
該ハウジングによって回転自由に支持されていると共に一部に偏心した駆動ピンを備えているシャフトと、
それ自体の中心軸線に対して偏心した位置に前記駆動ピンを回転可能に受け入れる穴を備えている円柱形のブッシュと、
該ブッシュを回転可能に受け入れるボス部が形成された端板部と渦巻き形の羽根部とを有し前記シャフトによって前記駆動ピンと前記ブッシュと前記ボス部とから構成されるスイングリンク型の従動クランク機構を介し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公転運動をして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二酸化炭素冷媒を圧縮するスクロール型圧縮機において、
前記駆動ピンの半径をＲとすると共に、前記駆動ピンの中心と前記ブッシュの中心との距離をＬとした場合に、それらの比であるＲ／Ｌの値が１よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする、二酸化炭素冷媒用のスクロール型圧縮機。
【請求項２】
請求項１において、前記ハウジング内に前記シャフトを回転駆動する電動モータが前記圧縮機部と共に密閉状態で収容されていることを特徴とする、二酸化炭素冷媒用のスクロール型圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【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、二酸化炭素からなる冷媒を圧縮するのに適したスクロール型圧縮機のクランク機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年は、地球環境保護の観点から、二酸化炭素（ＣＯ２  ）を冷媒とする空調装置等の冷凍サイクルの開発が進められている。一般的なフロン系冷媒を圧縮するスクロール型圧縮機の従来技術においては、旋回スクロールの偏心量、従って、公転半径を増大する方向において変化させ得る所謂「従動クランク機構」を用いて、旋回スクロール及び固定スクロールのそれぞれの渦巻き形の羽根部が相互に接触する部分に押し付け力を作用させて、両スクロールの渦巻き形の羽根部の間に形成される作動室において圧縮された冷媒が低圧側へ漏れ出る量を低減させる技術が知られている。この従動クランク機構には幾つかの型があるが、その一つとして、二重偏心機構を利用した所謂「スイングリンク型従動クランク機構」が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５６−１２９７９１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
二酸化炭素冷媒用のスクロール型圧縮機においては、隣接する作動室間の差圧が、フロン系の冷媒を圧縮する場合に比べて非常に大きくなるので、作動室において圧縮された冷媒が低圧側へ漏れ出る量を低減させるために、高い押し付け力を旋回スクロールに与える必要がある。また、圧縮機部のハウジング内に電動モータをも封入して密閉型の電動圧縮機を構成する場合には、ハウジングを構成する複数個の部材を溶接する際に、それらの個々のハウジング部材によって軸承される駆動シャフトと固定スクロールや旋回スクロール等との間に軸ずれが起こり易いので、渦巻き形の羽根部の間に作用する押し付け力のばらつきが大きくなるという問題がある。
【０００５】
特に、冷媒が二酸化炭素であるために圧縮機の容量が小さくなり、両スクロールの渦巻き形の羽根部の軸方向高さ（幅）も小さくなることから、接触する渦巻き形の羽根部の間にきわめて高い面圧が作用するので、もし前述のような軸ずれが発生すると圧縮機としての信頼性や性能を確保することができなくなるという二酸化炭素冷媒用のスクロール型圧縮機に特有の問題がある。
【０００６】
本発明は、このように、二酸化炭素を冷媒として圧縮するスクロール型圧縮機における問題に鑑み、簡単な手段によってそれらの問題を解消することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、前述の問題を解消することができる手段として、特許請求の範囲の請求項１に記載された通りの特徴のある従動クランク機構を備えている二酸化炭素冷媒用のスクロール型圧縮機を提供する。
【０００８】
本発明のスクロール型圧縮機においては、スイングリンク型の従動クランク機構を構成する一つの部材であるシャフトの駆動ピンの半径をＲとすると共に、駆動ピンの中心と従動クランク機構を構成する他の一つの部材であるブッシュの中心との距離をＬとした時に、それらの比であるＲ／Ｌの値が１よりも小さくなるように設定することを特徴とする。
【０００９】
スイングリンク型の従動クランク機構を構成する駆動ピンとブッシュとの寸法関係をこのように設定することによって、固定スクロールの渦巻き形の羽根部に向かって旋回スクロールの渦巻き形の羽根部を半径方向に付勢する押し付け力の変動幅が狭くなるので、その分だけ過剰な押し付け力を旋回スクロールに加える必要がなくなることから、過剰な押し付け力による一対のスクロールの渦巻き形の羽根部における接触部分や、その他の摺動部分における摩耗を低減することができ、スクロール型圧縮機の信頼性及び耐久性と、運転効率を含む動力性能を向上させることができる。
【００１０】
また、ハウジング内に駆動用の電動モータをも収容して圧縮機部と直結すると共に、全体を密閉して二酸化炭素冷媒が漏れ出る可能性のある部分を完全に閉塞すると、高圧となる二酸化炭素冷媒であっても漏洩を防止することができ、圧縮機の信頼性と効率を更に高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
はじめに、図１を参照して本発明が適用される二酸化炭素（ＣＯ２  ）冷媒用のスクロール型圧縮機の実施例の全体構造について説明する。図１に示す１はシャフト（駆動用の回転軸）であって、その下端には、スイングリンク型の従動クランク機構の一部を構成する駆動ピン１ａが、シャフト１の中心軸心に対して所定量だけ偏心した位置に一体的に形成されている。２は電動モータであって、電力の供給を受けた時にシャフト１を回転駆動する。モータ２は密閉ハウジング３の内面に取り付けられた固定のステータ２ａと、シャフト１に取り付けられてステータ２ａの内部において回転し得るロータ２ｂと、ステータ２ａに巻かれたコイル２ｃ等からなっている。図示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共通のハウジング３の内部に構成されて、圧縮機部１１と共に外気に対して密閉されている。
【００１２】
４は、密閉ハウジング３内の上部に取り付けられた隔壁状の支持板３１によって支持されるフロントラジアル軸受であって、二酸化炭素冷媒を通過させ得る隙間を有する。もっとも、二酸化炭素冷媒の通路として支持板３１に適当な大きさの開口を設けてもよい。ハウジング３の上端は、それに皿状の端板３２を溶接によって取り付けることにより、外気に対して完全に密閉される。フロントラジアル軸受４は、ハウジング３の中間部分に取り付けられた後述の仕切り壁１２によって支持されているリアラジアル軸受５と共に、シャフト１を回転自由に支持している。なお、本発明は構造的に高い強度を必要とする二酸化炭素冷媒用のスクロール型圧縮機を対象としているが、必ずしもモータ一体型の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、圧縮機部１１とは別体のものであってもよい。
【００１３】
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は、ボス部６ｃに圧入して取り付けられた旋回スクロール軸受１６を介して、円柱形のブッシュ７によって、それに対して回転可能に支持されている。ブッシュ７はその中心軸線ａに対して偏心した位置にシャフト１の駆動ピン１ａを回転可能に受け入れる偏心穴７ａを備えていて、駆動ピン１ａと偏心穴７ａとが係合することによってシャフト１により支持される。なお、駆動ピン１ａと偏心穴７ａとの間にニードルベアリングを設けることも可能である。また、１３は、駆動ピン１ａの先端に取り付けられてブッシュ７の抜け止めとなるサークリップを示している。
【００１４】
この実施例では、シャフト１の駆動ピン１ａと、偏心穴７ａを有するブッシュ７と、旋回スクロール６のボス部６ｃに設けられた旋回スクロール軸受１６によって所謂「スイングリンク型の従動クランク機構」２１が構成される。従って、旋回スクロール６は、この従動クランク機構２１を介してシャフト１によってその中心軸線Ａに対する偏心量が可変の状態で支持されて、中心軸線Ａの回りに公転運動をすることができる。ブッシュ７のシャフト１に対する偏心量ｅ、即ち、シャフト１の中心軸線Ａとブッシュ７の中心軸線ａとの距離は旋回スクロール６の公転半径となる。
【００１５】
この偏心量ｅは従動クランク機構２１がシャフト１から旋回スクロール６へトルクを伝達する際に増大する傾向を帯びるので、それによって旋回スクロール６が半径方向外方に向かって押し出される。従って、偏心量ｅ、即ち旋回スクロール６の公転半径は、旋回スクロール６の羽根部６ｂが後述の固定スクロールの羽根部と接触して半径方向外方への移動を阻止された状態で決まる。なお、図示していないが、旋回スクロール６の端板部６ａには旋回スクロール６の自転を阻止して公転運動のみを許す自転防止機構が設けられる。
【００１６】
８は固定スクロールであって、ハウジング３の内面に固定された端板部８ａと、端板部８ａから軸方向に突出する旋回スクロール６のそれと同様な渦巻き形の羽根部８ｂとを備えていて、羽根部８ｂは旋回スクロール６の羽根部６ｂと噛み合っている。このように、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の間に軸方向に見た時に三日月形に見える作動室９が対になって複数個形成される。
【００１７】
そして、図示しない冷凍サイクルから戻って来て、ハウジング３に設けられた吸入ポート２０からモータ２の内部を通過してそれを冷却した後に、モータ２と圧縮機部１１との仕切り壁１２に形成された通路１２ａを通って吸入室１４内へ導入される二酸化炭素（ＣＯ２  ）ガスを、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がシャフト１の回転に伴って公転をする間に作動室９が閉じて、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間に二酸化炭素冷媒を圧縮する。最後に作動室９が中心部において開いた時に、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、逆止弁型の吐出弁１７を押し開いて吐出室１５内へ吐出される。なお、１９は吐出弁１７を保護する弁止板である。
【００１８】
１８は端板部８ａに設けら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、作動室９内で圧縮されて吐出室１５内へ吐出された高圧の二酸化炭素冷媒を冷凍サイクルのガスクーラへ導く。なお、図１に示す１０はバランサであって、偏心量が変化するブッシュ７に取り付けられているか或いはシャフト１に固定されていて、従動クランク機構２１及び旋回スクロール６の偏心した質量に対して可及的に釣り合うことにより、振動が発生するのを防止する。また、図中の参照符号８ｄは固定スクロール８の端板部８ａに取り付けられて吐出室１５を密閉する仕切り板を示しており、３３は高圧となる吐出室１５の気密性を高めるためにハウジング３の下端部に溶接によって取り付けられた皿状の端板を示している。
【００１９】
次に、図２から図８の各図を参照して、本発明の特徴部分であるスイングリンク型の従動クランク機構２１と、その内部に作用する摩擦力や、従動クランク機構２１の作動によって旋回スクロール６の渦巻き形の羽根部６ｂと固定スクロール８の渦巻き形の羽根部８ｂとの間に作用する押し付け力等の変動について詳細に説明する。図１に示す従動クランク機構２１を上下方向の概ね中間の位置において水平な面によって切断して下方（又は上方）から見た図形を概念的に示す図２と前述の図１等から明らかなように、ブッシュ７の偏心穴７ａにシャフト１の駆動ピン１ａが回転可能に挿入されることにより、駆動ピン１ａがブッシュ７を回転可能に支持している。
【００２０】
シャフト１の駆動ピン１ａには大きい駆動力と支持力が作用するので、それを回転可能に受け入れているブッシュ７の偏心穴７ａの内面との間に大きい摩擦力が作用する。その摩擦係数をμとする。ここで、旋回スクロール６の渦巻き形の羽根部６ｂにおける外面の一部が、固定スクロール８の渦巻き形の羽根部８ｂにおける内面の一部に接触している状態において、それらの間に作用する押し付け力ＦＤ  の大きさは、作動室９内で二酸化炭素冷媒が圧縮されることによって旋回スクロール６のボス部６ｃとブッシュ７との間に作用する圧縮反力をＦＰ  、駆動ピン１ａのスイング角度をγ、駆動ピン１ａの位置、即ちブッシュ７の中心と駆動ピン１ａの中心との距離をＬ、駆動ピン１ａの半径をＲとすると、次の関係式（１）から求めることができる。そして、この場合の押し付け力ＦＤ  の最大値である最大押し付け力ＦＤ ｍａｘ  と、最小値である最小押し付け力ＦＤ ｍｉｎ  は、それぞれ下記の関係式（２）と（３）によって与えられる。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
この関係式（２）に示す最大押し付け力ＦＤ ｍａｘ  は、例えば、図３に示したように、旋回スクロール６の渦巻き形の羽根部６ｂと固定スクロール８の渦巻き形の羽根部８ｂとの接触部Ｃにおいて、製造上の誤差として、それらの表面のいずれかが相手方に向かって僅かに突出している時か、又は、図４に示したように、ブッシュ７の中心ａが軸ずれ等によってａ’の位置へ僅かに移動し、正常な位置にあった時のブッシュ７の中心ａと接触部Ｃとの距離Ｄよりも、軸ずれした中心ａ’と接触部Ｃとの距離Ｄ’の方が小さくなったような時に、旋回スクロール６の公転半径ｅが正常な値よりも僅かに小さくなることによって発生する。
【００２３】
式（３）に示す最小押し付け力ＦＤ ｍｉｎ  はその反対であって、旋回スクロール６の公転半径ｅが正常な値よりも僅かに大きくなった場合、即ち、図５に示したように、製造上の誤差として、接触部Ｃにおける表面のいずれかが僅かに窪んでいる時とか、或いは、図６のように、軸ずれ等によってブッシュ７の中心が正常な位置ａからずれた位置ａ’へ移動して、正常な位置にあるブッシュ７の中心ａと接触部Ｃとの距離Ｄよりも、軸ずれした中心ａ’と接触部Ｃとの距離Ｄ’の方が大きくなったような場合に発生する。なお、図３から図６において参照符号ｒはシャフト１及びブッシュ７等の回転方向を示している。
【００２４】
式（１）によって算出される押し付け力ＦＤ  の変化を図７に示す。最大押し付け力ＦＤ ｍａｘ  を示す上縁の曲線は式（２）に対応し、最小押し付け力ＦＤ ｍｉｎ  を示す下縁の曲線は式（３）に対応している。これら上下の曲線の間となる変動幅は、シャフト１の駆動ピン１ａの表面と、ブッシュ７の偏心穴７ａの内面との間に作用する摩擦力μＦの変化によって発生している。このように、駆動ピン１ａとブッシュ７の偏心穴７ａとの間に作用する摩擦力が変化することによって、押し付け力ＦＤＤ  は図７に示す上縁ＦＤ ｍａｘ  と下縁ＦＤ ｍｉｎ  との間で変動する。作動室９が縮小することによって加圧される二酸化炭素冷媒が低圧側へ漏洩するのを防止するための必要荷重として、図７に示したように、変動する最小押し付け力ＦＤ ｍｉｎ  の最小値に相当する大きさの荷重を加えると、前述の摩擦力の変動による押し付け力の変動幅が大きいほど過大な押し付け力が発生する期間が長くなるので、これが機械損失の増大と、接触摺動部分の摩耗による信頼性の低下につながることになる。
【００２５】
そこで、前述の式（１）において、その変動量を低減させる方法について考察する。まず、圧縮反力ＦＰ  は運転条件等に応じて略一定の値として決まるし、シャフト１の駆動ピン１ａのスイング角度γは、漏れを抑制する最低の必要荷重を発生させるという条件から決定される。また、摩擦係数μは駆動ピン１ａ及びブッシュ７に使用することができる材料の物性から上限がある。
【００２６】
しかしながら、ブッシュ７に対する駆動ピン１ａの位置を決めるＬの値や、駆動ピン１ａの半径Ｒの値は比較的自由に設定することができる。従って、この点に着目して、Ｒ／Ｌの値が１よりも小さくなるように、且つ、駆動ピン１ａの信頼性を確保することができる値よりも大きくなるように設定すると、図８に示したように押し付け力の変動幅を狭い範囲に圧縮して本発明の課題を解決することができる。
【００２７】
なお、図８においては、Ｒ／Ｌの値を１とした場合と、Ｒ／Ｌの値を０．６とした場合について、押し付け力の変動を比較して示している。Ｒ／Ｌの値が１の場合よりも、Ｒ／Ｌの値が０．６の場合の方が、押し付け力の変動幅が狭くなることが明らかである。
【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縦断面図である。
【図２】本発明の特徴に対応する部分を拡大して示す概念的な断面図である。
【図３】凸部接触によって公転半径が小さくなる場合を示す断面図である。
【図４】軸ずれによって公転半径が小さくなる場合を示す断面図である。
【図５】凹部接触によって公転半径が大きくなる場合を示す断面図である。
【図６】軸ずれによって公転半径が大きくなる場合を示す断面図である。
【図７】Ｒ／Ｌ＝１の状態における押し付け力の変動を示す線図である。
【図８】Ｒ／Ｌの値を変えたことによる押し付け力の変化を示す線図である。
【符号の説明】
１…シャフト
１ａ…駆動ピン
２…モータ
３…ハウジング
６…旋回スクロール
６ａ…端板部
６ｂ…渦巻き形の羽根部
６ｃ…ボス部
７…ブッシュ
７ａ…偏心穴
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
９ａ…中心部の作動室
１１…圧縮機部
１４…吸入室
１５…吐出室
１６…旋回スクロール軸受
２１…スイングリンク型の従動クランク機構
Ａ…シャフトの中心軸線
ａ…ブッシュの中心軸線
ｅ…旋回スクロールの偏心量（公転半径）
ＦＤ  …渦巻き形の羽根部の間の押し付け力
ＦＤ ｍａｘ  …最大押し付け力
ＦＤ ｍｉｎ  …最小押し付け力
ＦＰ  …圧縮反力
Ｌ…駆動ピンの位置
Ｒ…駆動ピンの半径
ｒ…回転方向
γ…駆動ピンのスイング角度
μ…ブッシュと駆動ピンの間の摩擦係数
【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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【図７】
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【図８】
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