JP2012207659A - スクロール圧縮機およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定スクロールのラップの頂面と旋回スクロールとの間の隙間および旋回スクロールのラップの頂面と固定スクロールとの間の隙間を、高精度に且つ安定的に、冷媒の漏れを抑制しつつ接触を抑制できる大きさにする。
【解決手段】固定スクロール２、旋回スクロール４、および軸受１２を有し、前記旋回スクロール４を旋回運動させることにより作動流体の圧縮を行うスクロール圧縮機において、前記固定スクロール２の締結面と軸受１２の締結面とが、レーザ溶接によって溶接されており、前記軸受１２の締結面は、内側から外側に向かって高さが減少していくように傾斜している。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機、冷凍機器等に使用される密閉型圧縮機に関し、特に圧縮室内に高差圧を発生させる自然冷媒を用いる場合に適する、スクロール圧縮機およびその製造方法に関する。

高温、高圧下で使用される密閉型圧縮機、例えばスクロール圧縮機において、旋回スクロールおよび固定スクロールの中央部が圧縮機運転中の熱膨張や圧力によって変形することにより、旋回スクロールのラップの頂面と固定スクロールとが接触するおよび固定スクロールのラップの頂面と旋回スクロールとが接触することが知られている。このような接触を抑制する方法として、加圧によって旋回スクロール（または固定スクロール）を変形させた状態でその旋回スクロール（または固定スクロール）の中央部（ラップの頂面やラップ間の鏡板の表面）に対して仕上げ加工を行い、加工後に加圧を解除することにより前記旋回スクロール（または前記固定スクロール）の中央部をすり鉢形状にすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２３３０９５号公報

ところで、近年、環境保護の観点より、作動流体として自然冷媒Ｒ７４４を用いたスクロール圧縮機が実用化されるとともに、さまざまな分野で要望されている。自然冷媒Ｒ７４４は、その特性として、圧縮室内部に、従来使用されている冷媒に比べて高い差圧を発生させる。これにより、固定スクロールのラップの頂面と旋回スクロールとの間の隙間および旋回スクロールのラップの頂面と固定スクロールとの間の隙間を介して冷媒洩れが発生し、圧縮効率に大きな影響を与えることがある。そのため、隙間を最小化する、例えば数μｍにする必要がある。

しかしながら、固定スクロールのラップの頂面と旋回スクロールとの間の隙間および旋回スクロールのラップの頂面と固定スクロールとの間の隙間を高精度に且つ安定的に数μｍに形成することは、固定スクロールおよび旋回スクロールの材料の強度等のばらつきにより、特許文献１に記載の加工方法では、時間がかかる、加圧を解除した後の形状が補償しにくいなど、困難である。すなわち、この加圧を利用した加工方法では、生産性が低い。

そこで、本発明は、固定スクロールのラップの頂面と旋回スクロールとの接触および旋回スクロールのラップの頂面と固定スクロールとの接触を抑制しつつ、作動流体の漏れを抑制できる、生産性が高いスクロール圧縮機を提供することを課題とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の一態様によれば、固定スクロール、旋回スクロール、および軸受を有し、前記旋回スクロールを旋回運動させることにより作動流体の圧縮を行うスクロール圧縮機において、前記固定スクロールの締結面と軸受の締結面とが、レーザ溶接によって溶接されており、前記軸受の締結面は、内側から外側に向かって高さが減少していくように傾斜している、スクロール圧縮機が提供される。

本発明によれば、レーザ溶接によって固定スクロールの締結面と軸受の締結面とを溶接することにより、固定スクロールのラップの頂面と旋回スクロールとの間の隙間および旋回スクロールのラップの頂面と固定スクロールとの間の隙間を、高精度に且つ安定的に、冷媒の漏れを抑制しつつ接触を抑制できる大きさにすることができる。その結果、圧縮効率、耐久性、および生産性が高いスクロール圧縮機を実現できる。

本発明の一実施の形態に係るスクロール圧縮機の断面図 スクロール圧縮機の固定スクロールと軸受の締結状態を示す断面図 固定スクロールと軸受との溶接部分を示す図 固定スクロールと軸受との溶接部分を示す断面図

本発明に係るスクロール圧縮機は、固定スクロール、旋回スクロール、および軸受を有し、前記旋回スクロールを旋回運動させることにより作動流体の圧縮を行うスクロール圧縮機において、前記固定スクロールの締結面と軸受の締結面とが、レーザ溶接によって溶接されており、前記軸受の締結面は、内側から外側に向かって高さが減少していくように傾斜している。

前記固定スクロールの締結面および前記軸受の締結面に、レーザ溶接箇所としての面取り部が設けられてもよい。

前記軸受の締結面の面取り部の大きさは、前記固定スクロールの締結面の面取り部の大きさの１．５倍以上２．６倍以下であるのが好ましい。

前記固定スクロールと前記旋回スクロールを異材料にて構成し、かつ前記旋回スクロールに表面処理を施してもよい。

また、本発明に係るスクロール圧縮機の製造方法は、固定スクロール、旋回スクロール、および軸受を有し、前記旋回スクロールを旋回運動させることにより作動流体の圧縮を行うスクロール圧縮機の製造方法であって、前記固定スクロールの締結面と前記軸受の締結面を、レーザ溶接によって溶接する。

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。

図１は、本発明の一実施の形態に係るスクロール圧縮機の断面図である。スクロール圧縮機は、固定スクロール２と、固定スクロール２と噛み合って圧縮室５を形成する旋回スクロール４と、旋回スクロール４を旋回運動させるクランクシャフト８と、クランクシャフト８を支持する軸受１２とを有する。旋回スクロール４は、締結し合う固定スクロール２と軸受１２との間に、クランクシャフト８の先端に取り付けられた状態で且つ固定スクロール２と噛み合った状態で配置されている。

圧縮室５は、固定スクロール２の渦巻き状のラップと旋回スクロール４の渦巻き状のラップとが噛み合うことにより形成されている。作動流体としての冷媒ガスを、圧縮室５に供給するための吸入室３が固定スクロール２に形成されている。また、吸入室３に冷媒ガスを供給するための吸入管１が設けられている。

旋回スクロール４の旋回によって圧縮された冷媒ガスを圧縮室５の中央部から外部に吐出するための吐出ポート６が、固定スクロール２に形成されている。

このような圧縮機によれば、冷媒ガスは、吸入管１により吸い込まれ、固定スクロール２の吸入室３を通過し、固定スクロール２と旋回スクロール４とがかみ合わさって形成される圧縮室５に閉じ込められる。旋回スクロール４の旋回運動により、冷媒ガスは、圧縮室５の外側から中心に向かって容積を減少されながら圧縮され、圧縮室５の中心に設けられた吐出ポート６より吐出される。

冷媒ガスとして、例えば自然冷媒が用いられる。自然冷媒は、容積減少に伴う圧力上昇が非常に大きく、そのため、圧縮室５内に高い差圧が発生する。自然冷媒によっては、圧縮室５内の最高到達圧力が、例えば、１４Ｍｐａにもなる。

旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２との間の隙間（クリアランス）および固定スクロール２のラップの頂面と旋回スクロール４との間の隙間（クリアランス）は、隙間を介して圧縮室５の中央部から外側に向かう自然冷媒の漏れが発生すること、すなわち圧縮効率の低下を抑制するために、最小化されている。隙間を最小化する具体的な方法については後述する。

なお、厳密に言えば、隙間には、潤滑油が存在する。それにより、旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２との接触または固定スクロール２のラップの頂面と旋回スクロール４との接触が抑制されつつ、隙間を介する冷媒の漏れが抑制されている。

また、熱膨張率の異なる材料によって旋回スクロール４と固定スクロール２が作製されている場合、多種多様な運転条件によって隙間の潤滑油が不足し、例えば、旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２とが接触する、いわゆる金属接触が発生する可能性がある。このような金属接触によって旋回スクロール４が損傷しないように、旋回スクロール４に表面処理を施すのが望ましい。例えば、表面処理として、セラミックコーティング処理が施されている。

潤滑油について説明すると、潤滑油は、クランクシャフト８によって駆動されるトロコイドポンプ７により圧縮機下部から吸い上げられ、クランクシャフト８内部に形成された潤滑油供給用の穴９を通り、旋回スクロール４の偏心軸受内部空間１０へと導かれる。ここから、潤滑油の給油経路が二方向に分かれ、一方は旋回スクロール４の鏡板背面に設けられた絞り部１１を経由して固定スクロール２と軸受１２に囲まれて形成される背圧室１３へと導かれる。この背圧室１３の潤滑油は、旋回スクロール４に設けられた背圧調整用穴１４へ導かれる。背圧調整用穴１４は、旋回スクロール４のラップの頂面に設けられた開口に接続されている。その開口が、旋回スクロール４の旋回運動によって固定スクロール２のラップ間の鏡板の表面に設けられた背圧調整用窪み１５と連通すると、圧縮室５に潤滑油が供給される。

なお、自然冷媒用に初期粘度の高い潤滑油が用いられる場合、圧縮運転開始時に、圧縮室５の中央部での潤滑が十分に保障されない可能性がある。そのため、圧縮運転時開始時において、圧縮室５内部のラップ頂面の接触が発生しうる。また、自然冷媒を用いる場合には、圧縮室５内において１０ＭＰａ以上の高圧および１００℃を超える温度が発生しうる。したがって、旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２との間の隙間および固定スクロール２のラップの頂面と旋回スクロール４の隙間、特には圧縮室５の中央部における隙間を、さらに適当に確保する必要がある。

具体的には、旋回スクロール４を省略した状態の固定スクロール２と軸受１２との断面図である図２に示すように、固定スクロール２の中央部がラップ底部側（反軸受１２側）に凸に突出するように固定スクロール２を湾曲変形させることにより、固定スクロール２のラップの頂面と旋回スクロール４との間の隙間と、旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２との間の隙間が適当に設けられている。これらの隙間は、圧縮室５の中央部ほど適当に確保されることが望ましい。

説明すると、図２に示すように、固定スクロール２と軸受１２は、固定スクロール２の締結面２ｂと軸受１２の締結面１２ａとが締結されることにより、一体化されている。具体的には、固定スクロール２は、略円盤形状であって、その下面の外周に沿って締結面２ｂが形成されている。一方、軸受１２は、筒状の外周部１２ｂの先端に、締結面１２ａが形成されている。

固定スクロール２の締結面２ｂと軸受１２の締結面１２ａとが接触した状態で、締結面２ｂ、１２ａの外周部をほぼ全周に渡ってレーザ溶接することにより、固定スクロール２と軸受１２とが締結される。図３は、レーザ溶接される溶接部分１６を示している。このレーザ溶接を用いた締結により、図２に示すように、固定スクロール２の中央部が数μｍ単位で反軸受１２側に凸に突出するような形状に固定スクロール２を湾曲変形させることができる。言い換えると、レーザ溶接によって生じる固定スクロール２の湾曲変形を利用することにより、固定スクロール２のラップの頂面と旋回スクロール４との間の隙間と、旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２との間の隙間を適当に設けている。

なお、レーザ溶接以外の溶接、例えばアーク溶接などで固定スクロール２と軸受１２とを締結した場合、溶接の際に発生する高熱を原因とする熱歪やその熱歪みが非一様に分布することにより、固定スクロール２を所望の形状に変形させにくい。しかしながら、レーザ溶接の場合、溶接時の熱が非常に低いため、悪影響を及ぼす熱歪はほぼ発生せず、固定スクロール２を所望の形状に変形させやすい。

また固定スクロール２の上面２ａを照射式の平面度測定器などで溶接の前後に測定することにより、固定スクロール２の中央部に生じる変形量を簡単に知ることができる。また、溶接中に固定スクロール２の上面２ａを平面度測定器で測定しつつ、レーザの照射時間やレーザの出力を調整することにより、容易にμｍ単位で固定スクロール２の変形量を調整することができる。

本実施の形態によれば、レーザ溶接によって固定スクロール２の締結面２ｂと軸受１２の締結面１２ａとを溶接することにより、固定スクロール２のラップの頂面と旋回スクロール４との間の隙間および旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２との間の隙間を、高精度に且つ安定的に、冷媒の漏れを抑制しつつ接触を抑制できる大きさにすることができる。その結果、圧縮効率、耐久性、および生産性が高いスクロール圧縮機を実現できる。

なお、より確実に、固定スクロール２の中央部がμｍ単位で反軸受１２側に凸に突出するように固定スクロール２を湾曲変形させるために、軸受１２の締結面１２ａを、内側から外側に向かって高さが減少していくように（すなわち固定スクロール２から離れるように下方に）傾斜させてもよい。

例えば、内側から外側に向かって２〜３μｍ降下する傾斜を締結面１２ａに設ける。これにより、より安定的に、固定スクロール２の中央部がμｍ単位で反軸受１２側に凸に突出するような形状に固定スクロール２を湾曲変形させることができる。

軸受１２の締結面１２ａに内側から外側に向かって高さが減少する傾斜を設けることに加えてまたは代わって、固定スクロール２の締結面２ｂに内側から外側に向かって上方に傾斜する（すなわち軸受１２から離れるように傾斜する）傾斜を設けてもよい。この場合でも、より安定的に、固定スクロール２の中央部がμｍ単位で反旋回スクロール４側に凸に突出するような形状に固定スクロール２を湾曲変形させることができる。

また、図４に示すように、固定スクロール２の締結面２ｂと軸受１２の締結面１２ａに、レーザ溶接される部分として面取り部２ｃ、１２ｃを形成してもよい。このような面取り部２ｃ、１２ｃを形成することにより、固定スクロール２と軸受１２それぞれに面粗さが近いまたはほぼ均一の面取り面（面取りによって形成された新たな面）が作製される。このような面取り面にレーザ溶接を行うことにより、溶接条件のばらつきおよび溶接結果のばらつきを小さくすることができる。これにより、スクロール圧縮機の品質を一定に維持することができる。

さらに、図４に示すように、面取り部２ｃ、１２ｃは、その面取りの大きさ（面取り面の大きさ）が、軸受１２の方が固定スクロール２に比べて大きくなるように形成するのが好ましい。例えば、軸受１２の面取り部１２ｃの面取り面の大きさが、固定スクロール２の面取り部２ｃの面取り面に比べて１．５倍以上とすることが好ましい。レーザ溶接を実施した際の溶接の食い込み量の差によって、固定スクロール２の湾曲変形方向と変形量を安定化させることが可能となるからである。例えば、３μ〜５μｍ程度に固定スクロール２の中央部が突出するような湾曲変形を実現する場合、固定スクロール２の面取り部２ｃをＣ０．３〜０．４、軸受１２の面取り部１２ｃをＣ０．５〜０．８程度とする。なお、軸受１２の面取り部１２ｃの面取り面の大きさは、実用的には固定スクロール面取り部２ｃの面取り面の大きさの２．６倍以下であるのが好ましい。

さらにまた、固定スクロール２と旋回スクロール４とが異材料で構成されていてもよい。すなわち、熱膨張率が異なる材料によって固定スクロール２と旋回スクロール４とが作製されていてもよい。この場合、固定スクロール２および旋回スクロール４の熱膨張率を考慮に入れて、レーザ溶接の条件を適当に設定することにより、固定スクロール２のラップの頂面と旋回スクロール４との間の隙間および旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２との間の隙間を、冷媒の漏れを抑制しつつ接触を抑制できる大きさにすることができる。好ましくは、接触する可能性を考慮に入れて、例えば、旋回スクロール４の損傷を回避するために、旋回スクロール４に表面処理、例えばセラミックコーティング処理を施すのが好ましい。これにより、固定スクロール２と旋回スクロール４とが異材料で構成されているスクロール圧縮機においても、圧縮効率、耐久性、および生産性を満足させることができる。

加えて、自然冷媒Ｒ７４４などの自然冷媒を用いる場合であっても、すなわち圧縮室５の中央部に１０ＭＰａ以上の圧力が発生し、且つ常温での潤滑油粘度が１００ｍｍ^２／ｓ以上の潤滑油が使用される場合でも、レーザ溶接の条件を適当に設定することにより、固定スクロール２のラップの頂面と旋回スクロール４との間の隙間および旋回スクロール４のラップの頂面と固定スクロール２との間の隙間を、冷媒の漏れを抑制しつつ接触を抑制できる大きさにすることができる。これにより、自然冷媒を使用し、それにより圧縮室５の中央部に１０ＭＰａ以上の圧力が発生し、且つ常温での潤滑油粘度が１００ｍｍ^２／ｓ以上の潤滑油が使用されるスクロール圧縮機においても、圧縮効率、耐久性、および生産性を満足させることができる。

以上のように、本発明よれば、レーザ溶接の条件を適当に設定して固定スクロールの締結面と軸受の締結面とを溶接することにより、どのようなスクロール圧縮機でも、固定スクロールのラップの頂面と旋回スクロールとの間の隙間および旋回スクロールのラップの頂面と固定スクロールとの間の隙間を、高精度に且つ安定的に、冷媒の漏れを抑制しつつ接触を抑制できる大きさにすることができる。したがって、どのようなスクロール圧縮機でも、圧縮効率、耐久性、および生産性を満足するものにすることができる。

１ 吸入管
２ 固定スクロール
２ａ 固定スクロール表面
２ｃ 固定スクロール面取り部
３ 吸入室
４ 旋回スクロール
５ 圧縮室
６ 吐出ポート
７ トロコイドポンプ
８ クランクシャフト
９ 潤滑油供給用の穴
１０ 偏心軸受内部空間
１１ 絞り部
１２ 軸受
１２ｃ 軸受面取り部
１３ 背圧室
１４ 背圧調整用穴
１５ 背圧調整用窪み
１６ 溶接部分

Claims (5)

1. 固定スクロール、旋回スクロール、および軸受を有し、前記旋回スクロールを旋回運動させることにより作動流体の圧縮を行うスクロール圧縮機において、
   前記固定スクロールの締結面と軸受の締結面とが、レーザ溶接によって溶接されており、前記軸受の締結面は、内側から外側に向かって高さが減少していくように傾斜していることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 前記固定スクロールの締結面および前記軸受の締結面に、レーザ溶接箇所としての面取り部が設けられている、請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記軸受の締結面の面取り部の大きさは、前記固定スクロールの締結面の面取り部の大きさの１．５倍以上２．６倍以下である、請求項２に記載のスクロール圧縮機。
4. 前記固定スクロールと前記旋回スクロールを異材料にて構成し、かつ前記旋回スクロールに表面処理が施されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のスクロール圧縮機。
5. 固定スクロール、旋回スクロール、および軸受を有し、前記旋回スクロールを旋回運動させることにより作動流体の圧縮を行うスクロール圧縮機の製造方法であって、
   前記固定スクロールの締結面と前記軸受の締結面を、レーザ溶接によって溶接することを特徴とするスクロール圧縮機の製造方法。

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