JPH0678754B2 - 流体圧縮装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、回転機械の支持手段に特徴を有する流体圧縮
装置に関するものである。

従来の技術 従来、例えばルームエアコンに用いられる圧縮機の回転
主軸部分に用いられる軸受には、円筒型，あるいは針状
型のころがり軸受，青銅鋳物等の焼給合金を用いたスリ
ーブ軸受等が用いられている。第７図は、スクロール型
圧縮機の従来例を示すもので、１は回転軸、２は旋回ス
クロール、３は固定スクロール、４はケーシング、５は
モータのコア、６はモータのステータ、7,8は回転軸１
とケーシング４の間に設けられたスリーブ軸受、９は円
筒コロ軸受、10はクランク軸、11はクランク軸10と旋回
スクロール２の間に設けられたスリーブ軸受、12はシェ
ル容器、13は圧縮機の吸入孔、14は吐出孔である。

スクロール圧縮機は、近年実用化が急速に進められてい
るもので、シェル容器12に固定された固定スクロール３
に対して、旋回スクロール２を歳差運動させることによ
り、冷媒を外周部に設けた吸入孔13から、吐出孔14が設
けられた中心部に送り込んで圧縮する容積型の圧縮機で
ある。吸入弁，吐出弁が不要であり、圧縮気体の漏れが
少ない、摺動速度が小さい、トルク変動が小さいなどの
特徴があるので、圧縮機を高速回転で駆動できる可能性
がある。

発明が解決しようとする問題点 近年ルームエアコンにおいて、快適性向上と省エネルギ
ーの要望から、圧縮機の回転数を可変にすることによ
り、冷凍能力を任意に制御し得るインバータ・エアコン
の開発が進められている。この場合、大きな課題の一つ
は、高速回転でも効率を低下させないで使用出来る、信
頼性の高い圧縮機をいかにして実現するかということで
ある。通常、製品には油交換などのメインテナンスがな
く、長期（設計寿命10年）にわたる信頼性を確保せねば
ならない。とくに、冷暖を兼ねたインバータ・エアコン
の場合、システムの使用頻度が増し、従来以上に信頼性
の余裕度が要求される。

しかし、例えば、第７図で示したスクロール型圧縮機を
インバータ・エアコンに適用し、高速１万rpm程度で駆
動させたとき、長期使用後、軸受部7,8,9,11に異常な剥
離のともなう摩耗が発生し、焼付き（ロック）に至るト
ラブルの要因となることが分かった。それは、下記の理
由によるものである。

第７図で示すスクロール圧縮機では、旋回スクロール２
はクランク軸10を軸芯として、クランク軸10の回転と共
に旋回する。両スクロール2,3を微小なギャップを保っ
た状態で、対向させて配置し、吐出行程終了時に羽根室
の容積Ｖ→Ｏにさせるために、両スクロール2,3の中心
部に吐出孔14を形成せねばならない本形式の圧縮機で
は、旋回スクロール２を支持する軸受部は片持ち構造と
なる。この軸受部に加わるラジアル荷重は、羽根室内の
圧力に起因するものでと遠心力に起因するものがあり、
特に前者は極めて大きく、通常fr＝100Kg以上ある。ま
た、圧縮機の軸受部7,8,9,11に供給される潤滑流体は、
非圧縮性のオイルではなく、通常冷媒ガスが混合した高
温（Td＝90〜100℃）の気液２相流であり、良好な潤滑
状態と言い難い。また荷重frは、旋回スクロール２と回
転軸１に加わる不つりあいの動的荷重であり、これが軸
受やすべり面を介して装置の静止部分に作用し、振動と
騒音をもたらす要因となった。

本発明は、かかる動的変動を有する流体回転機械におい
て、高速回転に対しても高い信頼性を有し、また装置全
体の振動・騒音し低減しうるものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記問題点を解決するため、軸芯に対して偏
芯し、かつ軸と一体で形成されたクランク軸51と、この
クランク軸51と連結したロータ53と、前記軸を駆動する
手段62と、前記ロータ53を収納する固定部60と、この固
定部60と前記ロータの間で形成される圧縮室72と、この
圧縮室と外部を連絡し、前記固定部に形成された流体の
吸入孔70及び吐出孔65と、前記圧縮室に発生する流体圧
による軸径方向荷重を支持するための前記軸もしくはク
ランク軸51に設けられた軸受54と、この軸受と連結した
高圧流体の供給流通路55より構成され、前記軸受は、軸
芯に対して一方向にのみもしくは複数個を非対称に形成
した前記供給流通路の開孔部100を有する静圧軸受56を
有し、かつこの静圧軸受の圧力による軸径方向荷重は、
前記圧縮室に発生する流体圧による軸径方向荷重を消去
する方向に働くように、前記開孔部100を配置したもの
である。

作 用 以上の構成により羽根室の圧力による不つりあいの動的
ラジアル荷重を消去し、軸受負荷の大幅な軽減を図るも
のである。

実施例 最初に本発明を原理図である第１図，第２図を用いて説
明する。50は回転軸、51は回転軸50に対してεだけ偏芯
して形成されたクランク軸、52はクランク軸51の外輪
部、53はロータである旋回スクロール、54は53と52の間
に設けられたコロ軸受、55は高圧オイルの供給路、56は
クランク軸51に形成された高圧側静圧軸受のポケット、
100はポケット56側に形成された供給路55の開孔部であ
る。この開孔部100は高圧側静圧軸受のポケット56のみ
に形成されており、ここから高圧流体が供給される。ま
た、57は56に対してクランク軸51の裏面に形成された低
圧側静圧軸受のポケット、58は旋回スクロール53のスラ
スト荷重を支持する玉軸受、59は低圧源と57を連絡する
低圧側流通路、60は固定部である固定スクロール、69は
吸入孔、70は吐出孔の72は53と60で形成される羽根室で
ある。

第２図に、回転軸50及びクランク軸51に加わる各力の作
用点と力の方向を図示する。Ｏ′は回転軸50の軸芯、Ｏ
をクランク軸51の軸芯とすれば、クランク軸50に加わる
羽根室圧力による回転方向の力Ｆθは、OO′に対して直
角方向に働く。その力の作用点は、OO′の距離をεとす
れば、Ｏからε/2の位置にある。ちなみに、 が圧縮機の駆動トルクとなる。OO′を結ぶ直線と同方向
に荷重羽根室圧力による荷重Frも働くが、本実施例で示
すスクロール圧縮機の場合、通常Ｆθに対してFrは1/10
程度である。また、OO′と同一方向に遠心力Fcも働く。

第１図において、クランク軸51の外表面には、低圧及び
高圧源に連絡する静圧軸受のポケットが、OO′を結ぶ直
線に対して、概略対称に形成されている。各ポケット5
6,57はクランク軸51と共に回転するので、この静圧力に
よる旋回スクロール53に働くラジアル方向の荷重F_B第１
図（ロ）は、前述した羽根室圧力による荷重、すなわ
ち、ＦθとFrの合力Fsを相殺するように働く。その結
果、回転軸50と旋回スクロール53に働くラジアル方向の
外力Fsは、みかけ上消去され、装置全体の振動・騒音を
低減させるだけではなく、コロ軸受54の負荷を大幅に軽
減させる効果をもたらすことになる。不つりあい質量に
よる動的変動荷重を消去するために、バランスウェイト
を用いる方法が従来から用いられているが、この場合回
転数の２乗に比例して遠心力が変化してしまう。エアコ
ンシステムに用いられる圧縮機の場合、吸入，吐出の圧
力条件が一定となる様に制御されるために、回転数が変
っても、羽根室内圧力は工程変化しない。それゆえ広い
回転数領域で用いられるインバータ・エアコンにおい
て、回転数に対する依存性の少ないラジマル荷重Fsを消
去する方法として、本発明は極めて有用である。

以下実施例であるスクロール圧縮機の正面断面図（第３
図）を用いて説明する。61はケーシング、62,63はそれ
ぞれモータのコア及びステータ、64は52に形成したバラ
ンスウェイト、65はケーシング61と回転軸50の間に設け
られたスリーブ軸受、66はクランク軸51の外輪部52の底
面とケーシング61の間に設けられたスラスト軸受、68は
圧縮機を密閉するシェル容器71は油室である。

バランスウェイト64は第３図で図示した遠心力Fcによる
不つりあい荷重を消去するものである。

さて、吸入圧力Ps＝0.6MPa,吸入温度Ts＝283K吐出圧力P
d＝2.18MPaの条件下で、表１の仕様（実施例）によるス
クロール圧縮機の、羽根室圧力による荷重Ｆθ,Frの解
析結果を第４図，第５図に示す。

本圧縮機では、回転中の荷重の変動は少なく、Ｆθ＝1.
5KN程度であり、またＦθ＞＞Frである。

実施例において形成した静圧軸受のポケット56の高さＨ
＝0.025mであり、高圧側と低圧側の圧力差ΔＰがラジア
ル荷重として有効に作用するとすれば、F_B＝ΔＰ×Ｈ×
Ｄ＝1.19KNであり、荷重Ｆθを軽減するための十分な負
荷能力を得ることができる。

第１図の実施例では、非対称の静圧軸受をクランク軸51
の外周部と旋回スクロール53の間に形成したが、本発明
の他の実施例である第６図に示すように、クランク軸の
内輪部の内面と旋回スクロールの間に静圧軸受を形成し
てもよい。第６図において80は回転軸、81はクランク
軸、82はクランク軸の外輪部、83は旋回スクロール、84
は固定スクロール、85は旋回スクロールのスラスト荷重
を支持するボール、86はオイル供給路、87はクランク軸
の外輪部82の内周面に形成された非対称静圧軸受のポケ
ット、88は固定部であるケーシング、89はケーシング88
と外輪部82の外周面に形成された静圧軸受のポケットで
ある。90はクランク軸81の外周部と旋回スクロール83の
内周面で形成される動圧軸受部を示す。

本実施例で示した位置に非対称静圧軸受を形成すること
により、第１図で示した構造よりも、外径の大きな分だ
け大きな負荷能力を得ることができる。また本実施例で
はクランク軸の外周部にも静圧軸受90を形成している。
非対称の静圧軸受87によっても、荷重Fsの反力は、やは
り回転軸80に加わることになるが、静圧軸受90によっ
て、上記Fsを支持することができるために、回転軸80は
高速時においてもより安定な状態を保つことができる。

本実施例で示した非対称静圧軸受は片反面のみに高圧側
と連絡するポケットを形成しているが、例えば、通常の
静圧軸受と同様に、前周面に対称に複数個の静圧軸受を
形成し、絞りの大きさ（内径あるいは長さ）のみを非対
称としてもよく、あるいはポケットの大きさを非対称と
してもよい。要は、偏心の大きさに対して発生する負荷
能力が非対称となる様に静圧軸受が形成されていればよ
い、第１図の実施例では、非対称静圧軸受56の外側にコ
ロ軸受54,第６図の実施例では非対称静圧軸受87の内側
に動圧型の流体軸受90を形成している。この２重スリー
ブの構造により、本発明では軸受54,90に加わる負荷を
大幅に軽減を図ることができる。但し、ラジアル荷重が
十分に小さければ、非対称の静圧軸受だけでもよい。例
えば、第７図の構造でスリーブ軸受11の代りに非対称の
静圧軸受を形成すればよい。

発明の効果 以上のように本発明は、軸芯に対して偏芯し、かつ軸と
一体で形成されたクランク軸と、このクランク軸と連結
したロータと、前記軸を駆動する手段と、前記ロータを
収納する固定部と、この固定部と前記ロータの間で形成
される圧縮室と、この圧縮室と外部を連絡し、前記固定
部に形成された流体の吸入孔及び吐出孔と、前記圧縮室
に発生する流体圧による軸径方向荷重Fsを支持するため
の前記軸もしくはクランク軸に設けられた軸受と、この
軸受と連絡した高圧流体の供給流通路より構成される流
体回転装置において、前記軸受は、軸芯に対して一方向
にのみもしくは複数個を非対称に形成した前記供給流通
路の開孔部を有する静圧軸受を有し、かつこの静圧軸受
による軸径方向荷重F_Bは、前記圧縮機に発生する流体圧
による軸径方向荷重Fsを消去する方向に働くように、前
記開孔部を配置することにより、羽根室圧力により不つ
りあいの動的ラジアル荷重を消去し、軸受負荷の大幅な
軽減を図ると同時に、装置全体の大幅な振動・騒音の低
減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図イは本発明の原理を示す正面断面図、第１図ロは
同側面断面図、第２図は本発明の圧縮機に働く力を作用
点とその方向を示す図、第３図は本発明の一実施例であ
るスクロール圧縮機の側面断面図、第４図はθ−Ｆθ特
性図、第５図はθ−Fr特性図、第６図イ，ロは本発明の
他の実施例の断面図、第７図は従来のスクロール圧縮機
の断面図である。 50……軸、52……クランク軸、53……ロータ、60……固
定部、69……吸入孔、70……吐出孔、55……高圧流体供
給路、56……静圧軸受の開孔部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸芯に対して偏芯し、かつ軸と一体で形成
   されたクランク軸51と、このクランク軸51と連結したロ
   ータ53と、前記軸を駆動する手段62と、前記ロータ53を
   収納する固定部60と、この固定部60と前記ロータの間で
   形成される圧縮室72と、この圧縮室と外部を連絡し、前
   記固定部に形成された流体の吸入孔70及び吐出孔65と、
   前記圧縮室に発生する流体圧による軸径方向荷重を支持
   するための前記軸もしくはクランク軸51に設けられた軸
   受54と、この軸受と連結した高圧流体の供給流通路55よ
   り構成され、前記軸受は、軸芯に対して一方向にのみも
   しくは複数個を非対称に形成した前記供給流通路の開孔
   部100を有する静圧軸受56を有し、かつこの静圧軸受の
   圧力による軸径方向荷重は、前記圧縮室に発生する流体
   圧による軸径方向荷重を消去する方向に働くように、前
   記開孔部100が配置されていることを特徴とする流体圧
   縮装置。