(57)【要約】【課題】物性上、高圧広域にまで達する動作圧力の高い二酸化炭素等の作動冷媒を用いるとともに、信頼性の高い軸受を備えた流体機械を提供する。【解決手段】流体機械であるスクロール圧縮機１００は、フレーム１０５の外周部の圧縮機構１０４側にシェル１０１の内周面との間で隙間を形成させる切欠き部１０５ｄが設けられており、フレーム１０５の外終端と内周端との間の電動機構１０２側の面にシェル１０１の周方向に沿って伸びる凹部１０５ｃが設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
2009074460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉状に形成されたシェルと、
前記シェル内に配置され、流体を圧縮する圧縮機構と、
前記シェル内の前記圧縮機構の下方に配置され、前記圧縮機構を駆動する電動機構と、
前記圧縮機構と前記電動機構とを駆動連結する駆動軸と、
前記駆動軸をラジアル方向に回転自在に支承する主軸受と、
前記圧縮機構をアキシャル方向に支承するスラスト軸受と、
中心部に前記主軸受を保持するための貫通孔が形成され、前記シェルの内周面に固着されて前記主軸受及び前記スラスト軸受を保持するフレームとを備え、
前記フレームの外周部と前記シェルの内周面との間で隙間を形成させる切欠き部が設けられており、
前記フレームの外周端と内周端との間の前記電動機構側の面に前記シェルの周方向に沿って伸びる凹部が設けられている
ことを特徴とする流体機械。
【請求項２】
前記切欠き部を複数設け、
前記凹部は、
前記切欠き部間に形成される凸部片の周方向の両端と前記フレームの中心とを結んで形成される扇形領域を横切るように形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記凹部の周方向の長さを、前記主軸受の直径よりも短く設定した
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械。
【請求項４】
作動冷媒として二酸化炭素を用いた
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和機や給湯機、冷凍機等のヒートポンプ装置に搭載される流体機械に関し、特に動作圧力の高い冷媒を使用した流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ装置に搭載される流体機械としてスクロール圧縮機では、シェル内部に電動機構部や圧縮機構部を封じるため、軸受等を有するフレームをシェル内面に固定するようになっている。そのため、組立工程において、焼嵌めや溶接等の方法でシェル内にフレームを固定することが一般的になっている。シェルの熱膨張を利用して、シェルの内径よりも大きな外径を有するフレームを焼嵌める際には、冷却時のシェルの収縮力がフレームへ伝わり、フレームに歪みが生じることがある。そのため、予め軸受に伝わる焼嵌めによる締付け力を小さくする工夫が種々提案されている。
【０００３】
そのようなものとして、「フレームとホルダとを一体に連結して構成したる流体機械としてのスクロール圧縮機」が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。また、「フレームとホルダーとを一体に連結して一体型フレームを構成し、一体型フレームの外周部にシェルの内周面から離間して配置される切欠部を設けるとともに、シェルの内周面に固着される一体型フレームのフレーム部と軸受の軸心とを結んでなる扇型領域に、表裏を貫通する空間部を扇型領域を周方向に横切るように形成した流体機械としてのスクロール圧縮機」が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。これらのスクロール圧縮機は、軸受部の部品点数を削減し、組立性を向上させるようにしたものである。
【０００４】
従来から、流体機械としてのスクロール圧縮機の部品であるフレームは、駆動力を圧縮機構に伝える駆動軸を支える主軸受と、圧縮機構での圧縮反力をアキシャル方向に支えるスラスト軸受とが保持されている。主軸受で必要な適正軸受クリアランスや、スラスト軸受で必要な適正平面度は、通常数ミクロンから数十ミクロンオーダーであるため、厳しい図面寸法管理が要求されており、その図面寸法公差で量産加工を強いられているのが現状である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２９９６８１号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】特開平１１−２１０６５６号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２に記載のスクロール圧縮機のように、組立工程において、シェル内にフレームを固定する際に、焼嵌めやスポット溶接等の一般的な方法を用いると、スラスト軸受や主軸受に熱歪みや圧縮変形が生じるので、適正クリアランスや適正平面度を確保できず、軸受としての信頼性が大きく低下してしまうという問題があった。また、二酸化炭素（ＣＯ2 ）を冷媒として使用した場合、従来冷媒に比べ、運転サイクル上非常に高圧となるので厚肉のシェルを使用しなければならず、従来の加工寸法では焼嵌めによるシェルの収縮力が大きくなり、フレームを介して両軸受への歪みが非常に大きくなってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、物性上、高圧広域にまで達する動作圧力の高い二酸化炭素等の作動冷媒を用いるとともに、信頼性の高い軸受を備えた流体機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る流体機械は、密閉状に形成されたシェルと、前記シェル内に配置され、流体を圧縮する圧縮機構と、前記シェル内の前記圧縮機構の下方に配置され、前記圧縮機構を駆動する電動機構と、前記圧縮機構と前記電動機構とを駆動連結する駆動軸と、前記駆動軸をラジアル方向に回転自在に支承する主軸受と、前記圧縮機構をアキシャル方向に支承するスラスト軸受と、中心部に前記主軸受を保持するための貫通孔が形成され、前記シェルの内周面に固着されて前記主軸受及び前記スラスト軸受を保持するフレームとを備え、前記フレームの外周部と前記シェルの内周面との間で隙間を形成させる切欠き部が設けられており、前記フレームの外周端と内周端との間の前記電動機構側の面に前記シェルの周方向に沿って伸びる凹部が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る流体機械によれば、フレームの外周部に切欠き部を設けるので、シェルの収縮力を減少できる。そして、フレームの外周端と内周端との間の電動機構側の面にシェルの周方向に沿って伸びる凹部を設けることで、シェル収縮力が主軸受に伝達することを大幅に抑制できる。また、スラスト軸受の表面にまで凹部を貫通させないことで、スラスト軸受の適正平面度を保つことができるだけでなく、運転中の主軸受への負荷に対し、十分な剛性が確保できる。さらに、フレームの電動機構側の面に凹部を形成することによって、スラスト軸受の潤滑油を冷媒によって冷やすことができる。そのため、スラスト軸受での油膜厚さを確保でき、信頼性の高い軸受を備えた流体機械を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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の要部の概略構成を拡大して示す縦断面図である。図１に基づいて、実施の形態１に係るスクロール圧縮機１００の構成について説明する。このスクロール圧縮機１００は、スクロール式流体機械の代表として、二酸化炭素（ＣＯ2 ）等の物性上、運転が高圧広域にまで達する冷媒を圧縮するスクロール圧縮機を表している。
【００１１】
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、空気調和器、冷凍装置、給湯器等の冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を構成する冷凍機器の１つとして冷凍サイクル内に搭載されるものである。つまり、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。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。
【００１２】
このスクロール圧縮機１００は、圧縮機構１０４及び電動機構１０２が密閉状に形成されているシェル１０１内に収納されて構成されている。シェル１０１は、密閉状に形成された圧力容器である。図１に示すように、圧縮機構１０４がシェル１０１内に配置され（紙面上側）、電動機構１０２がシェル１０１内の圧縮機構１０４の下方（紙面下側）に配置されている。また、シェル１０１内には、圧縮機構１０４と電動機構１０２とを駆動連結する駆動軸１０３と、駆動軸１０３をラジアル方向に回転自在に支承する主軸受１０５ｂと、圧縮機構１０４をアキシャル方向に支承するスラスト軸受１０５ａと、シェル１０１の内周面に固着されて主軸受１０５ｂとスラスト軸受１０５ａを保持するフレーム１０５とが収納されている。
【００１３】
圧縮機構１０４は、図示省略の吸入管から吸入した冷媒ガスを圧縮してシェル１０１内の吐出空間に排出する機能を有している。この吐出空間に排出された冷媒ガスは、図示省略の吐出管からスクロール圧縮機１００の外部に吐出されるようになっている。電動機構１０２は、圧縮機構１０４で冷媒ガスを圧縮するために、圧縮機構１０４を構成する図示省略の旋回スクロールを駆動する機能を果たすようになっている。つまり、電動機構１０２が駆動軸１０３を介して旋回スクロールを駆動することによって、圧縮機構１０４で冷媒ガスを圧縮するようになっているのである。
【００１４】
図２は、フレーム１０５を下側から見た状態を示す平面図である。図２に基づいて、フレーム１０５の構成について詳細に説明する。フレーム１０５の外周部の圧縮機構１０４側には、シェル１０１の内周面との間で隙間を形成させる切欠き部１０５ｄが複数設けられている。この切欠き部１０５ｄは、フレーム１０５の外周部の一部をシェル１０１の内周面から離間させるようになっている。また、フレーム１０５の外周端と内周端との間の電動機構１０２側の面（スラスト軸受１０５ａの保持面とは反対側の面）には、シェル１０１の周方向に沿って伸びる凹部１０５ｃが設けられている。
【００１５】
図２では、凹部１０５ｃは、切欠き部１０５ｄ間に形成される凸部片１０５ｅの周方向の両端（図２で示すＢ）とフレーム１０５の中心Ａとを結んで形成される扇形領域Ｃを横切るように形成されている。すなわち、焼嵌め又は溶接の手段により、主軸受１０５ｃとスラスト軸受１０５ａを保持するフレーム１０５をシェル１０１内部に固着してスクロール圧縮機１００を形成する場合、凹部１０５ｃは、フレーム１０５の外周とシェル１０１の内周とを、数点の略等分により固着し、その固着部と軸心とを結んで形成される扇形領域を周方向に横切るように、スラスト軸受１０５ａの背面に形成されているのである。
【００１６】
この凹部１０５ｃは、フレーム１０５を貫通しておらず、所定の深さ、たとえばシェル１０１とフレーム１０５とが固着されている部分の厚みの１／２以上の深さや、フレーム１０５の厚みに違いがある場合（シェル１０１とフレーム１０５とが固着されている部分の厚みよりもそれ以外の部分の方が厚みがある場合）にはシェル１０１とフレーム１０５とが固着されている部分の厚み以上の深さを有するように形成されている。このような深さで凹部１０５ｃを形成すれば、スラスト軸受１０５ａの適正平面度を保つことができるだけでなく、運転中の主軸受１０５ｃへの負荷に対し、十分な剛性がより確保できる。
【００１７】
また、凹部１０５ｃは、所定の幅を有するように形成されている。凹部１０５ｃの幅は、シェル１０１の収縮力による変形量が数ミクロン〜数十ミクロンオーダーであるため、それ以上の長さが最低でも必要となる。また、凹部１０５ｃを機械加工で作製する場合、バイト形状を考慮する必要があり、また鋳物型として作製する場合、ばらつき等も考慮する必要があるので、凹部１０５ｃの幅は数ミリ〜十数ミリ程度の長さとすることが望ましい。なお、それ以上の長さで凹部１０５ｃの幅を形成すると、フレーム１０５自体の剛性が低下してくる可能性がある。
【００１８】
ここで、スクロール圧縮機１００の動作について説明する。
スクロール圧縮機１００は、密閉状に形成されたシェル１０１と、シェル１０１の一側に配置された圧縮機構１０４と、シェル１０１の他側に配置された電動機構１０２と、圧縮機構１０４及び電動機構１０２を駆動連結する駆動軸１０３と、駆動軸１０３をラジアル方向に回転自在に支承する主軸受１０５ｂと、圧縮機構１０４をアキシャル方向に支承するスラスト軸受１０５ａと、シェル１０１の内周面に固着され、主軸受１０５ｂ及びスラスト軸受１０５ａを保持するフレーム１０５とを備え、フレーム１０５の外周部の圧縮機構１０４側にシェル１０１の内周面との間で隙間を形成させる切欠き部１０５ｄが設けられており、フレーム１０５の外周端と内周端との間の電動機構１０２側の面にシェル１０１の周方向に沿って伸びる凹部１０５ｃが設けられている。
【００１９】
このように構成されたスクロール圧縮機１００において、シェル１０１に設けられた図示省略の電源端子に通電すると、電動機構１０２にトルクが発生し、駆動軸１０３が回転駆動する。この駆動軸１０３の回転駆動に連動して圧縮機構１０４が作動する。この圧縮機構１０４は、図示省略の旋回スクロール及び固定スクロールを主要部として構成されている。旋回スクロール及び固定スクロールには、実質的に同一形状の渦巻状突起であるラップ部が互いに噛み合わさるように形成されており、旋回スクロールが駆動することで各ラップ部の間に相対的に容積が変化する圧縮室が形成されるようになっている。
【００２０】
冷媒ガスは、吸入管からシェル１０１内に吸入され、シェル１０１内部を通過した後、圧縮機構１０４に流入し、圧縮室の容積を減少させることで圧縮され、吐出管を介してシェル１０１外へ吐出される。冷媒ガスを圧縮している過程では、圧縮室内の冷媒ガスの圧力が上昇し、このガス圧の作用によって、旋回スクロールのスラスト面がスラスト軸受１０５ａに押し付けられて摺動するようになっている。なお、物性上、高圧広域にまで達する二酸化炭素（ＣＯ2 ）等の冷媒を使用しているために、動作圧及びスラスト軸受１０５ａで受ける荷重が高くなる。
【００２１】
シェル１０１内底部の図示省略の油溜めには潤滑油が貯留されており、この潤滑油は、駆動軸１０３が回転駆動すると図示省略のポンプ等により揚油され、駆動軸１０３内に設けられている図示省略の給油通路を導通し、各軸受（主軸受１０５ｂ及びスラスト軸受１０５ａ）や、摺動部、圧縮機構１０４等の各部に給油され、各部を潤滑した後、再びシェル１０１内底部の油溜めに戻る。なお、潤滑油の種類を特に限定するものではなく、各部を潤滑できるものであればよい。
【００２２】
電動機構１０２が駆動することで発生したトルクは、駆動軸１０３が自転することによって、圧縮機構１０４（詳しくは、圧縮機構１０４を構成する旋回スクロール）に伝達される。その際、駆動軸１０３の自転のアンバランスによる倒れは、主軸受１０５ｂに働くようになっており、圧縮機構１０４での圧縮反力は、スラスト軸受１０５ａ及び主軸受１０５ｂの双方に働くようになっている。したがって、冷媒ガスを圧縮している過程においては、主軸受１０５ｂ及びスラスト軸受１０５ａは、いずれも大きな荷重を支えていることになる。
【００２３】
次に、シェル１０１内にフレーム１０５を固着する組み立て工程について説明する。
組み立てにおける焼嵌め工程では、シェル１０１に熱を加えて膨張させ、シェル１０１の直径が広がっている間にフレーム１０５を入れて冷却し、シェル１０１とフレーム１０５を固着する。そのため、シェル１０１及びフレーム１０５は、シェル１０１の内径（フレーム１０５との固着面）よりフレーム１０５の外径（シェル１０１との固着面）が大きくなるように加工するのが一般的である。その際、シェル１０１の内径とフレーム１０５の外径との差である「焼嵌め代」が重要となってくる。
【００２４】
「焼嵌め代」が大きい場合、シェル１０１の冷却時の収縮力が大きくなることで、フレーム１０５に過大な力が掛かって、主軸受１０５ｂが変形するだけでなく、フレーム１０５自体の強度が低下し、割れてしまう可能性が高くなる。反対に、「焼嵌め代」が小さい場合、スクロール圧縮機１００の運転時等にシェル１０１内外の圧力差によるシェル１０１の膨張により、シェル１０１の内径がフレーム１０５の外径より大きくなって、フレーム１０５が抜けてしまう可能性が高くなる。また、「焼嵌め代」を小さく作るには、機械加工の公差の関係から非常に精巧な加工が要求され、製造に要するコストが過大となる。以上のことから、「焼嵌め代」については、従来の設計値範囲から大きく変更できないということがわかる。
【００２５】
そこで、スクロール圧縮機１００では、フレーム１０５の外周部の圧縮機構１０４側にシェル１０１の内周面との間で隙間を形成させる切欠き部１０５ｄを設けることで、フレーム１０５の外周部全体での焼嵌めに比べ、シェル１０１全体の伸びが小さくなり、シェル１０１全体の収縮力を低下させるようにしている。つまり、「焼嵌め代」を従来設計値より変更することなく、フレーム１０５への締付け力を軽減させているのである。しかしながら、シェル１０１とフレーム１０５の部分的な焼嵌めにより、締付け部の単位面圧が上昇することになってしまう。そうすると、図３に示すように、主軸受１０５ｂでの顕著な変形が発生してしまうことになる。
【００２６】
そこで、スクロール圧縮機１００では、フレーム１０５の外周端と内周端との間の電動機構１０２側の面にシェル１０１の周方向に沿って伸びる凹部１０５ｃを、切欠き部１０５ｄ間に形成される凸部片１０５ｅの周方向の両端Ｂとフレーム１０５の中心Ａとを結んで形成される扇形領域Ｃを横切るように形成することで、主軸受１０５ｂの変形を防止するようにしている。すなわち、図４に示すように、従来締付け力が主軸受１０５ｂへ直接伝わっていたのに対し、凹部１０５ｃを形成することにより従来締付け力が主軸受１０５ｂへ直接伝わらないようになり、主軸受１０５ｂでの変形を小さくできるのである。また、凹部１０５ｃを貫通穴としないことで、大きな荷重を支える主軸受１０５ｂのフレーム強度、及びスラスト軸受１０５ａの平面度を確保することができる。
【００２７】
一方、スラスト軸受１０５ａでも冷媒の圧縮過程で大きな荷重が働いている。このとき、荷重を受けるスラスト軸受１０５ａでは、潤滑油により油膜が形成され、その油膜反力により荷重を押し返す力が発生している。一般的に、潤滑油の粘度が高い方が油膜は形成されやすく、温度が低い方が潤滑油の粘度は高くなる。そのため、スラスト軸受１０５ａでは、潤滑油の温度が低い方が、軸受信頼性が高いといえる。したがって、スラスト軸受１０５ａの背面に凹部１０５ｃを形成することで、吸入された冷媒によりスラスト軸受１０５ａに給油される潤滑油を冷やすことができるため、スラスト軸受１０５ａでの潤滑油の粘度が高くなり、軸受信頼性を確保できる。
【００２８】
また、フレーム１０５のスラスト軸受１０５ａの背面に設けた凹部１０５ｃが局所的に柔な変形をすることで、シェル１０１の収縮力を逃がす効果があるため、従来の「焼嵌め代」よりも大きく設定したとしても機械加工での管理公差を緩くでき、低コスト化できる。以上のように、スクロール圧縮機１００は、フレーム１０５の外周部に切欠き部１０５ｄを形成することで、フレーム１０５への締付け力を軽減させるとともに、スラスト軸受１０５ａの背面に凹部１０５ｃを形成することで、主軸受１０５ｂの変形防止、主軸受１０５ｂのフレーム強度、スラスト軸受１０５ａの平面度確保、及び、潤滑油の冷却を効果的に実現し、軸受信頼性を向上させている。
【００２９】
作動冷媒に二酸化炭素を用いる場合、作動圧力が高くなるため、シェル１０１強度の関係から、従来のシェルに比べて厚肉のものを使用する必要がある。この厚肉のシェル１０１にフレーム１０５を焼嵌める場合は、従来設計の「焼嵌め代」ではシェル１０１の収縮力が非常に大きくなってしまい、それによる主軸受１０５ｂでの変形も過大になる。このような性質を有する二酸化炭素を冷媒として用いた場合、スクロール圧縮機１００は、従来設計の「焼嵌め代」でも主軸受１０５ｂの変形を大幅に抑制することができ、効果が顕著に表れることになる。なお、実施の形態１では、流体機械の一例としてスクロール圧縮機１００について説明したが、他の流体機械、たとえばポンプ等にも適用することができる。
【００３０】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るスクロール圧縮機２００のフレーム２０５を下側から見た状態を示す平面図である。図５に基づいて、実施の形態２に係るスクロール圧縮機２００の構成、特にフレーム２０５の構成について説明する。なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００３１】
このスクロール圧縮機２００は、フレーム２０５に設けられた凹部２０５ｃの周方向長さが主軸受１０５ｂの直径よりも短いことを特徴としている点で、実施の形態１に係るスクロール圧縮機１００と相違している。スラスト軸受２０５ａの背面に設けられた凹部２０５ｃを深くした場合、駆動軸１０３からの主軸受２０５ｂへの押付け荷重方向が、その凹部２０５ｃと一致すると、フレーム強度が著しく低下してしまう可能性が高くなる。
【００３２】
特に、凹部２０５ｃの周方向長さが駆動軸１０３の直径よりも大きくなると、材料力学上、主軸受２０５ｂの径方向の変形量が大幅に増えることになる。そのため、フレーム２０５に形成された凹部２０５ｃの周方向長さを、主軸受２０５ｂの直径よりも短く設定することで、主軸受２０５ｂの変形を低減し、軸受信頼性をより確保できるようにしているのである。なお、他の構成及び動作について実施の形態１に係るスクロール圧縮機１００と同様である。
【００３３】
以上のように、スクロール圧縮機２００は、フレーム２０５の外周部に切欠き部２０５ｄを形成することで、フレーム２０５への締付け力を軽減させるとともに、スラスト軸受２０５ａの背面に周方向幅が主軸受２０５ｂの直径よりも短く設定された凹部２０５ｃ（切欠き部２０５ｄ間に形成される凸部片２０５ｅの周方向の両端Ｂとフレーム２０５の中心Ａとを結んで形成される扇形領域Ｃを横切るように形成されている）を形成することで、主軸受２０５ｂの変形防止、主軸受２０５ｂのフレーム強度、スラスト軸受２０５ａの平面度確保、及び、潤滑油の冷却を効果的に実現し、軸受信頼性を向上させている。なお、実施の形態２では、流体機械の一例としてスクロール圧縮機２００について説明したが、他の流体機械、たとえばポンプ等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態１に係るスクロール圧縮機の要部の概略構成を拡大して示す縦断面図である。
【図２】フレームを下側から見た状態を示す平面図である。
【図３】主軸受での変形を説明するための説明図である。
【図４】主軸受での変形を説明するための説明図である。
【図５】実施の形態２に係るスクロール圧縮機のフレームを下側から見た状態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００  スクロール圧縮機、１０１  シェル、１０２  電動機構、１０３  駆動軸、１０４  圧縮機構、１０５  フレーム、１０５ａ  スラスト軸受、１０５ｂ  主軸受、１０５ｃ  凹部、１０５ｄ  切欠き部、１０５ｅ  凸部片、２００  スクロール圧縮機、２０５  フレーム、２０５ａ  スラスト軸受、２０５ｂ  主軸受、２０５ｃ  凹部、２０５ｄ  切欠き部、２０５ｅ  凸部片。
【図１】
2009074460.tif 000003
【図２】
2009074460.tif 000004
【図３】
2009074460.tif 000005
【図４】
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【図５】
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