(57)【要約】【課題】  従来の圧縮機構部の構成と潤滑構造を大幅に変更することなく、二酸化炭素を作動ガスとして用いても充分な信頼性と高い性能を確保できるスクロール圧縮機を提供する。【解決手段】  螺旋状のラップを有する固定スクロール５と、固定スクロール５のラップと噛み合い複数個の圧縮室７を形成する螺旋状のラップを有する旋回スクロール６と、旋回スクロール６の自転を防止して旋回のみをさせる自転防止部品とを有する作動ガスの圧縮機構を備えたスクロール圧縮機において、旋回スクロール６をアルミニウム合金系で形成するとともにそのラップ先端面６ｂを概ね同一の平坦面とし、固定スクロール５は鋳鉄系材料で形成するとともに旋回スクロール６と摺動接触する全面を少なくとも含む表面を金属窒化物被膜２６で被覆した。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状のラップを有する固定スクロールと、固定スクロールのラップと噛み合い複数個の圧縮室を形成する螺旋状のラップを有する旋回スクロールと、旋回スクロールの自転を防止して旋回のみをさせる自転防止部品とを有する作動ガスの圧縮機構を備えたスクロール圧縮機において、前記旋回スクロールはアルミニウム合金系材料で形成するとともにそのラップ先端面を概ね同一の平坦面とし、前記固定スクロールは鋳鉄系材料で形成するとともに前記旋回スクロールと摺動接触する全面を少なくとも含む表面を金属窒化物被膜で被覆したことを特徴とするスクロール圧縮機。
【請求項２】
底部に潤滑油を溜める油溜を有する密閉容器内に、電動機と圧縮機構と電動機の動力を旋回スクロールに伝達する旋回駆動手段とを配設し、旋回駆動手段は、電動機にて駆動されるクランク軸とその偏心係合部に係合するように旋回スクロールの反ラップ側の鏡板背面に設けられた旋回駆動係合部にて構成し、旋回駆動係合部の径方向外方位置で鏡板背面に作用する圧力を鏡板背面の中心部に作用する吐出圧力と鏡板背面の外周部に作用する吐出圧力より低い圧力とに仕切る摺動仕切環を鏡板背面に配設し、鏡板背面の中心部に油溜より高圧潤滑油を供給し、鏡板背面中心部と摺動仕切環の外方の空間に形成される背圧室を連通する絞り機構を有する通路を鏡板内部に形成したことを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
【請求項３】
金属窒化物被膜は、処理温度４３０〜４９０℃の低温塩浴窒化法で形成したものであることを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
【請求項４】
作動ガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍・空調・加熱サイクルなどに適用されるスクロール圧縮機に関し、特に作動ガスとして二酸化炭素を用いた場合でも摺動部位の信頼性と高い性能が得られるスクロール圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のスクロール圧縮機においても、旋回スクロールと固定スクロールとで形成される複数の圧縮室からの漏れを抑制し、高い圧縮効率を確保するため、圧縮機構部の構成と潤滑構造に種々の工夫が成されている。例えば、渦巻状ラップの幾何形状などについて精密な形状精度を機械加工により容易に確保することができるとともに摺動材としての組み合わせに優れて圧縮機の信頼性を確保することができるように旋回スクロールと固定スクロールをそれぞれアルミニウム系合金と鋳鉄材料とで形成し、さらに圧縮機の密閉容器内の高圧潤滑油を圧縮機構の各摺動面に供給し、圧縮室の密封と潤滑を確保するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
従来のスクロール圧縮機の構成と作用を図４〜図６を参照して説明する。底部に潤滑油を溜める油溜１０４を有する吐出圧力雰囲気の密閉容器１０１の内部に、圧縮機構とこれを駆動する電動機１０２が収容配置されている。電動機１０２の固定子１０２ａが密閉容器１０１に固定され、回転子１０２ｂに圧縮機構を駆動するクランク軸１０３が結合されている。圧縮機構は、固定スクロール１０５と、固定スクロール１０５と噛み合って複数個の圧縮室１０７を形成する旋回スクロール１０６と、旋回スクロール１０６の自転を防止して旋回のみさせる自転防止部品１０８にて構成されている。旋回スクロール１０６の反ラップ側には旋回駆動軸１０９が突設され、クランク軸１０３の主軸１１０に設けられた偏心軸受１１１にこの旋回駆動軸１０９が嵌入され、クランク軸１０３の回転によって旋回スクロール１０６が旋回駆動される。主軸１１０を回転自在に支承する主軸受１１２と、旋回スクロール１０６の背面の鏡板背面１１３との間に微小な隙間をあけて旋回スクロール１０６の軸方向の動きを制限する軸方向移動制限平面部１１４とを有する軸受部品１１５が固定スクロール１０５に固定されている。
【０００４】
軸方向移動制限平面部１１４には、鏡板背面１１３に作用する圧力を、中心部に作用する吐出圧力と外周部に作用する吐出圧力よりも低い圧力とに仕切る摺動仕切環１１６が配設されている。この摺動仕切環１１６の径方向外方の空間に形成された背圧室１１７は、旋回スクロール１０６の鏡板の内部に設けた絞り機構１１８を有する連絡通路１１９を介して、鏡板背面１１３の中心部の吐出圧力が作用する空間１２０に連通されている。また、この吐出圧力が作用する空間１２０は、連絡通路１２１を介して旋回スクロール１０６のラップ先端部に形成されたラップシール格納溝１２２にも連通されている。
【０００５】
さらに、クランク軸１０３にはその内部を貫通する給油通路１２３が設けられ、この給油通路１２３の反圧縮機構側の端部はオイルポンプ１２４を介して油溜１０４に連通され、圧縮機構側の端部は旋回スクロール１０６の鏡板背面１１３の中心部の吐出圧力が作用する空間１２０に連通されている。
【０００６】
このような構成により、油溜１０４からオイルポンプ１２４にて旋回スクロール１０６の鏡板背面１１３の中心部の吐出圧力が作用する空間１２０に導かれた潤滑油は、連絡通路１１９を通り、絞り機構１１８を介して最外周の圧縮室１０７に適量供給されるとともに、連絡通路１２１からチップシール格納溝１２２とチップシール１２５の背面の隙間に形成された空間にも充分供給されることによってチップシール格納溝１２２の長手方向に形成される低圧側への漏れ通路を遮断するとともにチップシール格納溝１２２から漏れ出る潤滑油によってその直角方向であるチップシール１２５を横断して外側のより低圧の圧縮室１０７への漏れ通路を遮断し、さらには圧縮室１０７を形成するラップ壁面にも潤滑油を供給し、圧縮室１０７の密封と摺動部位の潤滑を確保している。
【特許文献１】特開２０００−２１３４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近年、オゾン層保護および地球温暖化防止の環境保護の観点から、冷凍・空調・加熱などの分野において、ＨＣＦＣ系、ＨＦＣ系の所謂フロン系冷媒に代わって自然系冷媒である二酸化炭素が注目されている。二酸化炭素を作動ガス（冷媒）として用いると、例えば空調用途では、その運転圧力が、高圧圧力が約１２ＭＰａ程度、低圧圧力が４ＭＰａ程度にもなり、従来のフロン系冷媒使用時に比べ、高圧低圧の運転圧力そのものと、高圧低圧の圧力差が非常に大きくなる。このため、高運転圧力でも充分に実用しうる信頼性の高い圧縮機構部の構成や潤滑構造、また高差圧運転でも圧縮機効率の高い構造のスクロール圧縮機が強く望まれている。
【０００８】
しかしながら、上記従来のスクロール圧縮機は、運転圧力が高圧圧力で数ＭＰａ程度と低く、また高圧低圧の圧力差も比較的小さいフロン系冷媒に対応する構造であり、この構造で二酸化炭素を冷媒として用いた場合、密閉容器は高強度材料の採用や部品の厚肉化で克服が可能であるが、非常に高い運転圧力に伴う摺動部位の面圧増加によって耐久性の著しい低下を来したり、高差圧運転に伴って旋回スクロールのラップ先端面でのチップシール収納溝に起因する圧縮室への高圧ガスと潤滑油の漏れが発生し、圧縮ロスの増加によって圧縮機性能の低下を来すことになり、充分な信頼性と性能の確保が困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、二酸化炭素のように運転圧力及び高低圧力差の大きい作動ガスを用いる場合でも充分な信頼性と高い性能を確保できるスクロール圧縮機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のスクロール圧縮機は、螺旋状のラップを有する固定スクロールと、固定スクロールのラップと噛み合い複数個の圧縮室を形成する螺旋状のラップを有する旋回スクロールと、旋回スクロールの自転を防止して旋回のみをさせる自転防止部品とを有する作動ガスの圧縮機構を備えたスクロール圧縮機において、前記旋回スクロールはアルミニウム合金系材料で形成するとともにそのラップ先端面を概ね同一の平坦面とし、前記固定スクロールは鋳鉄系材料で形成するとともに前記旋回スクロールと摺動接触する全面を少なくとも含む表面を金属窒化物被膜で被覆したものである。
【００１１】
この構成によると、運転圧力が非常に高くかつ高圧低圧の圧力差が大きい運転状態でも、旋回スクロールと固定スクロールとの摺動部位の耐摩耗性が確保され、また圧縮室を区画形成する密封面である旋回スクロールのラップ先端面での、チップシールに起因する高圧の圧縮ガスと潤滑油漏れが無く、圧縮性能の低下を無くして充分な信頼性と高い性能を確保することができる。
【００１２】
また、圧縮機構部の構成及び潤滑構造は、底部に潤滑油を溜める油溜を有する密閉容器内に、電動機と圧縮機構と電動機の動力を旋回スクロールに伝達する旋回駆動手段とを配設し、旋回駆動手段は、電動機にて駆動されるクランク軸とその偏心係合部に係合するように旋回スクロールの反ラップ側の鏡板背面に設けられた旋回駆動係合部にて構成し、旋回駆動係合部の径方向外方位置で鏡板背面に作用する圧力を鏡板背面の中心部に作用する吐出圧力と鏡板背面の外周部に作用する吐出圧力より低い圧力とに仕切る摺動仕切環を鏡板背面に配設し、鏡板背面の中心部に油溜より高圧潤滑油を供給し、鏡板背面中心部と摺動仕切環の外方の空間に形成される背圧室を連通する絞り機構を有する通路を鏡板内部に形成した構造が好適である。
【００１３】
また、金属窒化物被膜は、処理温度４３０〜４９０℃の低温塩浴窒化法で形成したものとすると、窒化処理によるラップ形状の変形と寸法変化を防止でき、面粗さの悪化を抑制することができるので好適である。
【００１４】
また、作動ガスとして二酸化炭素を用いると、環境保護の観点から好ましく、かつ本発明のスクロール圧縮機において好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスクロール圧縮機によれば、旋回スクロールをアルミニウム合金系で形成するとともにそのラップ先端面を概ね同一の平坦面とし、固定スクロールは鋳鉄系材料で形成するとともに要部の表面を金属窒化被膜で被覆したことで、運転圧力が高圧でかつ高差圧運転を行う作動ガスを用いても、摺動部位の耐摩耗性を確保でき、旋回スクロールのラップ先端面での高圧の圧縮ガスと潤滑油漏れを防止できて圧縮性能の低下を来さず、充分な信頼性と高い性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明のスクロール圧縮機の一実施形態について、図１〜３を参照して説明する。
【００１７】
図１〜図３において、底部に潤滑油を溜める油溜４を有する吐出圧力雰囲気の密閉容器１の内部に、圧縮機構とこれを駆動する電動機２が収容配置されている。密閉容器１は二酸化炭素を冷媒として用いるに適切な設計圧力と設計温度を保証する高強度材料などにて構成されている。また、電動機２においても、二酸化炭素と潤滑油の共存下で、化学的・熱的に安定な樹脂、絶縁材料が採用されている。電動機２の固定子２ａが密閉容器１に固定され、回転子２ｂに圧縮機構を駆動するクランク軸３が結合されている。
【００１８】
圧縮機構は、固定スクロール５と、固定スクロール５と噛み合って複数個の圧縮室７を形成する旋回スクロール６と、旋回スクロール６の自転を防止して旋回のみさせる自転防止部品８にて構成されている。旋回スクロール６は、精密な形状精度が機械加工により容易に得られる良好な被切削性を持ち、低熱膨張率で、鋳鉄材料との摺動特性に優れている、高シリコン系のアルミニウム合金材料にて構成され、その渦巻状ラップの先端面６ｂの全面が概ね同一の平坦面で形成されている。固定スクロール５は、精密な形状精度が機械加工により容易に得られる良好な被切削性を持ち、高シリコン系のアルミニウム合金との摺動特性に優れている鋳鉄材料にて構成されるとともに、機械加工仕上げ後旋回スクロール６と摺動接触する全面を少なくとも含む表面部を窒化処理することで、金属窒化物被膜２６が形成されている。
【００１９】
旋回スクロール６の反ラップ側には旋回駆動軸９が突設され、クランク軸３の主軸１０に設けられた偏心軸受１１にこの旋回駆動軸９が嵌入され、クランク軸３の回転によって旋回スクロール６が旋回駆動される。主軸１０を回転自在に支承する主軸受１２と、旋回スクロール６の背面の鏡板背面１３との間に微小な隙間をあけて旋回スクロール６の軸方向の動きを制限する軸方向移動制限平面部１４とを有する軸受部品１５が固定スクロール５に固定されている。
【００２０】
軸方向移動制限平面部１４には、鏡板背面１３に作用する圧力を、中心部に作用する吐出圧力と外周部に作用する吐出圧力よりも低い圧力とに仕切る摺動仕切環１６が配設されている。この摺動仕切環１６の径方向外方の空間に形成された背圧室１７は、旋回スクロール６の鏡板の内部に設けた絞り機構１８を有する連絡通路１９を介して、鏡板背面１３の中心部の吐出圧力が作用する空間２０に連通されている。
【００２１】
さらに、クランク軸３にはその内部を貫通する給油通路２３が設けられ、この給油通路２３の反圧縮機構側の端部はオイルポンプ２４を介して油溜４に連通され、圧縮機構側の端部は旋回スクロール６の鏡板背面１３の中心部の吐出圧力が作用する空間２０に連通されている。
【００２２】
このような構成により、潤滑油は、油溜４からオイルポンプ２４にて旋回スクロール６の鏡板背面１３の中心部の吐出圧力が作用する空間２０に導かれ、またこの空間２０の潤滑油は連絡通路１９を通り、絞り機構１８を介して最外周の圧縮室７に適量供給され、圧縮室７を形成するラップ壁面に潤滑油を供給して圧縮室７の密封と摺動部位の潤滑を確保している。
【００２３】
次に、鋳鉄材料から成る固定スクロール５の表面に形成する金属窒化物被膜２６について詳しく説明する。一般に、鉄系材料の表面に硬質で耐摩耗性に富む被膜を形成する方法の一つとして塩浴軟窒化、ガス窒化、ガス軟窒化などの窒化処理が知られている。この窒化処理によって、硬度ＨＶ（ビッカース硬さ）１０００程度の硬質で耐摩耗性に優れる被膜を厚く（〜１ｍｍ程度）得ることができるため、摺動部位の耐摩耗性向上に広く用いられている。しかし、その反面で処理温度が５００〜６００℃と高く、処理時間が数十時間と長く、また部品の変形、歪み、寸法変化が大きく、面粗さが悪化することも指摘されている。
【００２４】
そこで、本実施形態の固定スクロール５の金属窒化物被膜２６を形成する窒化処理法は、機械加工仕上げ後の窒化処理による複雑な渦巻状のラップ形状の変形と寸法変化を防止でき、面粗さの悪化を抑制することを主眼において決定している。つまり、処理後の変形が少なく、寸法変化が小さく、面粗さの悪化が少ない低温塩浴窒化法（処理温度４３０〜４９０℃、処理時間２４０分）を採用することで、圧縮室７の良好な密封性を確保している。圧縮室７は、固定スクロール５と旋回スクロール６のそれぞれのラップ先端面５ａ、６ｂを含むラップ壁面と、旋回スクロール６のラップ根元面６ａと固定スクロール５のラップ根元面５ｂにて区画形成されており、それらの摺動接触面の密封性を確保することで、圧縮室７の良好な密封性が確保され、スクロール圧縮機の性能を確保することができる。さらに、低温塩浴窒化処理により得られる金属窒化物被膜２６は、表面硬度６５０ＨＶ（ビッカース硬さ）程度、厚み６〜８μｍ程度の、高シリコン系アルミニウム合金との耐摩耗性に優れた被膜である。
【００２５】
また、旋回スクロール６と固定スクロール５とは、従来構成の圧縮機構部と同様に、それぞれの渦巻状のラップを内側に相対させて互いに噛み合わせて配設され、運転時に、鏡板背面１３に作用する圧力を、その中心部に作用する吐出圧力と、その外周部に作用する吐出圧力よりも低い圧力とに仕切る摺動仕切環１６などの従来構成と同様の背圧付与構造によって、固定スクロール５のラップ先端面５ａと旋回スクロール６のラップ根元面６ａが密封状態で旋回摺動する。一方、旋回スクロール６のラップ先端面６ｂと固定スクロール５のラップ根元面５ｂは、運転時に微小隙間が生じるように設定されている。この微小隙間は、運転に伴う温度上昇時の高シリコン系アルミニウム合金の旋回スクロール６と鋳鉄の固定スクロール５のラップ部の熱膨張差による旋回スクロール６のラップ先端面６ｂと固定スクロール５のラップ根元面５ｂとの接触による摩耗となの不具合を回避するために設定されるものである。
【００２６】
ところで、二酸化炭素は単位質量当たりの能力がフロン系冷媒に対して格段に大きく、、例えば空調条件では理論値で約８倍の単位質量当たりの冷凍効果を有し、同一能力を達成する場合、従来の圧縮機容量に比べ、１／８程度の容量で同一の能力を得ることができる。スクロール圧縮機ではラップ部の高運転圧力下での強度確保と圧縮機の小容量化の手段として、従来のフロン系作動ガスの圧縮機でのラップ高さ寸法に比べ、大幅に低いラップ高さ寸法が可能となる。このラップ高さの減少に伴い、上記微小隙間をより小さく設定することができる。
【００２７】
かかる構成によれば、従来構成のフロン系冷媒用スクロール圧縮機では、その運転圧力が、二酸化炭素を冷媒とする場合に比べ格段に低い運転圧力でかつ高圧低圧の差圧が小さいが故に、圧縮室の作動ガス漏れ防止手段としてチップシール１２５を用いる方法は有効であったが、作動ガスを二酸化炭素とすると、著しい高い運転圧力で高圧低圧の差圧が非常に大きくなり、チップシール１２５が低圧から高圧までの複数の全圧縮室１０７にわたる作動ガスの漏れ通路として作用し、高圧低圧の差圧の増大に相応して漏れ量が格段に増大し、またチップシール１２５とチップシール格納溝１２２との隙間から各圧縮室１０７に漏れ出す作動ガスに含む高圧の潤滑油も格段に増大し、圧縮効率を低下させる。このように、作動ガスを二酸化炭素とする場合、かえって性能低下をもたらすチップシール１２５及びチップシール格納溝１２２を用いずに、旋回スクロール６のラップ先端面６ｂの全面を概ね同一の平坦面で形成し、固定スクロール５のラップ根元面５ｂと旋回スクロール６のラップ先端面６ｂは、上述の理由によるところのより微小な隙間を設けていることで、ラップ厚みの全幅が各圧縮室７の漏れガスを遮断するシール長さとして機能するので、ラップ先端面６ｂを横切っての圧縮ガスの漏れ量の低減が図られ、高い圧縮効率を達成することができる。
【００２８】
さらに、この構成によれば、旋回スクロール６を固定スクロール５から主軸１０の方向に離そうとするガス圧縮力に抗して、旋回スクロールのラップ根元面６ａを固定スクロール５のラップ先端面５ａに当接させて密封する背圧機構は、従来のフロン系冷媒を作動ガスとする場合と同様であるが、本実施形態では、固定スクロール５の旋回スクロール６と摺動接触する全面を少なくとも含む表面部を、機械加工仕上げ後低温塩浴窒化法による金属窒化物被膜２６で被覆することにより、摺動密封面の充分な耐摩耗性を経済的に確保している。これにより、二酸化炭素を作動ガスとした場合、高い運転圧力に起因する通常運転での高い摺動面圧や、圧縮機始動時の液や湿りガス状態での圧縮に起因する非常に高い摺動面圧や、冷媒自体の低い潤滑性などによる潤滑不良、更には二酸化炭素を作動ガスとする場合の上述の圧縮機の小容量化に起因する冷凍・空調・加熱サイクルからの潤滑油の帰還遅れによる潤滑不良などの阻害要因に対抗して、摺動密封面の耐摩耗性を確保することができる。
【００２９】
なお、上記低温塩浴窒化法の代わりに、塩浴軟窒化法、ガス窒化法やガス軟窒化法を用いても摺動密封面の耐摩耗性向上の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明のスクロール圧縮機は、運転圧力が高圧でかつ高差圧運転であっても、摺動部位の耐摩耗性を確保でき、また圧縮室からの高圧の圧縮ガスと潤滑油漏れを防止できて圧縮性能の低下を来さず、充分な信頼性と高い性能を確保することができるので、二酸化炭素などの運転圧力が高圧でかつ高差圧運転を行う作動ガスを用いる冷凍・空調・加熱サイクルなどにおけるスクロール圧縮機に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態のスクロール圧縮機の縦断面図である。
【図２】同実施形態の圧縮機構部の拡大断面図である。
【図３】同実施形態のスクロールラップの噛み合わせ状態を示す拡大断面図である。
【図４】従来例のスクロール圧縮機の縦断面図である。
【図５】同従来例の圧縮機構部の拡大断面図である。
【図６】同従来例のスクロールラップの噛み合わせ状態を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  密閉容器
２  電動機
３  クランク軸
４  油溜
５  固定スクロール
６  旋回スクロール
７  圧縮室
８  自転防止部品
９  旋回駆動軸（偏心駆動係合部）
１１  偏心軸受（偏心係合部）
１３  鏡板背面
１６  摺動仕切環
１７  背圧室
１８  絞り機構
１９  連通通路
【図１】
2005083235.tif 000003
【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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