JP4877014B2 - スクロール圧縮機およびスクロール圧縮機の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、冷凍及び空調用などに使用されるスクロール圧縮機であって、スクロール圧縮機の製造方法に関するものである。

従来のスクロール圧縮機では、第１円柱部に対して第２円柱部をガス圧縮負荷方向の反対方向に偏心させ、この偏心量を主軸にガス負荷が作用したときに発生する撓み量とほぼ同じにしている。このように第一円柱部に対して第２円柱部を偏心させたスクロール圧縮機は、圧縮機運転時のガス負荷が作用した場合に、軸受と主軸の片当りを改善している（例えば特許文献１）。

特開平７−２５３０８５号公報

従来のスクロール圧縮機では、回転子を主軸に組み付ける際に、回転子に設けられた穴が、主軸に設けられた偏心部の段差部分を通過する必要がある。通常、回転子と主軸の組み付けは、回転子を予め加熱して、回転子の穴を熱膨張させて回転子を主軸に挿入し、所定位置で冷却することによって焼嵌する方法が用いられる。しかしながら、従来のスクロール圧縮機では、回転子が主軸の段差部分を通過する際に固定子と接触してかじりが発生し、挿入不良となり、生産性が悪化する問題がある。

また、上記挿入不良を防ぐには、回転子の加熱量を増加する必要があり、能力が高い加工設備が必要になる。さらに、上記挿入不良を防ぐための加熱量の加工エネルギーが大きく、磁石内蔵型の回転子では、回転子の熱変形により磁石割れが発生する問題がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、回転子を主軸に組み付ける際の生産性を改善し、複雑な設備が不要で信頼性の高いスクロール圧縮機を得ることを目的としている。

本発明に係るスクロール圧縮機においては、
主軸が、第１軸受に支持された第１円柱部と第２軸受に支持された第２円柱部との間の面で、かつ運転時に負荷を受ける側がＴＩＧ溶接アークにより局所加熱され、当該局所加熱される位置は、第１円柱部及び第２円柱部のいずれか一方または両方と回転子の固定箇所との間であるようにされたものである。

また、本発明に係るスクロール圧縮機の製造方法においては、
主軸に回転子を組み付ける工程と、
第１軸受に支持される主軸の第１円柱部と第２軸受に支持される第２円柱部との間の面で、かつ運転時に負荷を受ける側をＴＩＧ溶接アークにより局所加熱し、当該局所加熱される位置は、第１円柱部及び第２円柱部のいずれか一方または両方と回転子の固定箇所との間である工程とを備えたものである。

本発明によれば、主軸が第１軸受に支持された第１円柱部と第２軸受に支持された第２円柱部との間の面で、かつ運転時に負荷を受ける側が局所加熱され、当該局所加熱される位置は、第１円柱部及び第２円柱部のいずれか一方または両方と回転子の固定箇所との間であることによって、回転子を主軸に組み付けた後で主軸に局所加熱を行うことによって、挿入不良を防止でき、高精度機械加工設備を必要とせず、容易に挿入不良なく製造できる効果がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図を示すものである。この縦断面図は、主軸２の軸を上下方向に配置したときの主軸２の周辺を表したものである。主軸２は、上端部に圧縮機構を駆動するクランク部２ａが設けられており、第１軸受３及び第２軸受４で回転自由に支持されている。主軸２の部分であって、第１軸受３及び第２軸受４と相対するまたは接触する主軸２の円柱部を第１円柱部２ｂ及び第２円柱部２ｅとする（円柱部は、円柱面又は円筒面と考えても良い。以下、同じ。）。第１円柱部２ｂと第２円柱部２ｅとの間の主軸２の外周には、回転子１が嵌めた状態に備え付けられている（嵌装されている）。第１円柱部２ｂと回転子１の間には、無負荷時の状態で屈曲部２ｄが設けられている。この屈曲部２ｄによって、第１円柱部２ｂの軸心２ｆに対する第２円柱部２ｅの軸心２ｇの傾斜角φが与えられている。屈曲部２ｄは、主軸２が局所過熱されることによって設けられている。

次に、動作について説明する。図２は、従来のスクロール圧縮機の運転時の主軸２の状態を示す縦断面図である。回転子１で発生した回転トルクにより主軸２が回転運動しクランク部２ａが駆動されることにより圧縮機構部が圧縮動作を行う。図３は、図２の主軸２を上側から見た上面図である。クランク部２ａの軸心２ｈは、第１円柱部２ｂの軸心２ｆに対して図の上方向に偏心しており、主軸２が例えば右回りに回転することによりクランク部２ａは第１円柱部の軸心２ｅの周りを偏心量Ｄを保った状態で右回り回転する。圧縮機構にて発生したガス負荷Ｆgは、クランク部２ａの回転を妨げようとする方向、すなわち図３のＦｇの方向に作用する。ガス負荷Ｆｇの方向は、クランク部偏心方向から主軸回転方向に９０度回転した方向からクランク部の軸心２ｈへ向かう方向である。また、主軸２において、ガス負荷Ｆｇの方向の側を負荷を受ける側２ｘと呼ぶ。

ガス負荷Ｆｇによって、主軸２には、第１軸受３及び第２軸受４からそれぞれ第１円柱部２ｂ及び第２円柱部２ｅに軸受反力Fｊ１及びＦｊ２が作用する（図２）。このため、主軸２には主に回転子１の上側と下側とに撓みが発生する。この主軸２の撓みにより、第１軸受３においては、第１円柱部２ｂが、第２軸受４においては、第２円柱部２ｅが、傾斜した状態となる。この傾斜した状態が、第１円柱部２ｂ及び第２円柱部２ｅと第１軸受３及び第２軸受４との片当り発生の原因である。

図２において、ガス負荷Ｆｇは第１軸受３の上側に作用するため、第１軸受３と第１円柱部２ｂの軸心２ｆとの傾斜角は、第１軸受３と第１円柱部２ｂの隙間及び第２軸受４と第２円柱部２ｅの隙間によって生じる傾斜角と主軸２の撓みによって生じる第１円柱部２ｂの軸心２ｆと第２円柱部２ｅの軸心２ｇの角度φ0との和となる。一方、第２軸受４と第２円柱部２ｅの軸心２ｇとの傾斜角は、前記φ0から前記軸受と円柱部の隙間によって生じる傾斜角との差となる。したがって、第１軸受３と軸受内の第１円柱部２ｂの軸心２ｆの傾斜角が、第２軸受４と第２円柱部２ｅの軸心２ｇの傾斜角より大きくなる。また、第１軸受３において、第１円柱部２ｂが受ける軸受反力Ｆｊ１は、軸受反力Ｆｊ２より大きい。したがって、第１軸受３においては、第１円柱部２ｂと第１軸受３との金属接触によって、特に回転摩擦力が増加し、軸の異常磨耗、軸の焼付きなどが発生する。

従来のスクロール圧縮機では、上記軸の異常磨耗、焼きつきなどを防止するため、予め主軸２を偏心させている。しかし、主軸２を偏心させると、回転子１を主軸２に組み付ける際に不具合が生じる。以下、組み付けの際の工程における不具合を具体的に説明する。

回転子１は主軸２を第２円柱部２ｃの側から回転子の回転中心に設けられた穴に挿入することによって、第１円柱部２ｂと第２円柱部２ｃの間に固定される。第１円柱部２ｂに対して第２円柱部２ｃが偏心するように偏心部分が主軸に設けられていると、回転子１を主軸２に組み付ける際、回転子１は主軸２に設けられた偏心部の段差部分を通過することが必要である。

回転子１を主軸２の段差部分を通過させるため、回転子を予め加熱して主軸が挿入される穴を熱膨張により拡げてから主軸を挿入し、回転子を冷却して主軸に固定する焼嵌方式が良く用いられる。しかしながら、主軸２の段差部分を通過する際に固定子１と接触してかじりが発生し挿入不良となり生産性が悪化するという問題がある。

また、挿入不良を防止するためには、回転子１の加熱量を増加し、主軸２が挿入される穴を偏心量分さらに拡大する必要があり、加熱エネルギーが増加して生産コストが高くなる問題がある。さらに、磁石内蔵型の回転子１においては、加熱温度が高くなると回転子１の熱変形により磁石に割れが発生する問題がある。また、主軸２に高精度な偏心部分を設けるためには、高価な高精度機械加工設備が必要であり製品のコストアップにつながるという問題もある。

図４は、本発明の実施の形態１によるスクロール圧縮機の運転時の主軸２の状態を示す縦断面図である。屈曲部２ｄによって与えられる第１円柱部２ｂに対する第２円柱部２ｅの傾斜角φの大きさは、運転時の主軸２の撓みによって発生する第１円柱部２ｂに対する第２円柱部２ｅの傾斜角φ0の大きさに等しく設定する。また、屈曲部２ｄの屈曲している方向は、運転時にクランク部２ａに作用するガス負荷Ｆｇと軸受反力Ｆｊ１及びＦｊ２によって、主軸２の撓みを相殺する方向である。具体的には、第１円柱部２ｂと第２円柱部２ｅの間であって、ガス負荷Ｆｇを受ける側２ｘを局所加熱することで屈曲部２ｄの屈曲を形成する。なお、上記は、ガス負荷Ｆｇを受ける側２ｘを加熱するとして説明したが、主軸２が、他の負荷を受ける場合には、これら負荷又は複数の負荷の合成力を受ける側を局所加熱しても良い。

上記のように屈曲部２ｄが構成されるため、運転時にクランク部２ａに作用するガス負荷Ｆｇと軸受反力Ｆｊ１及びＦｊ２によって、屈曲部２ｄの屈曲方向と逆方向に主軸２の撓みが発生しても、この撓みと屈曲部２ｄの屈曲とが相殺されて第１軸受２ｂ及び第２軸受２ｅの片当り状態が改善される（図４）。

次に、主軸２と回転子１の組立方法について説明する。図５は、本実施の形態によるスクロール圧縮機の回転子１と主軸２との組立順序を示す図である。主軸２は、第１円柱部２ｂと回転子１の固定部と第２円柱部２ｅとが同軸上に加工されている。まず、加熱した回転子１の中心の穴に挿入して焼嵌め、この焼嵌め後、回転子１を冷却する。その後、第１円柱部２ｂと回転子１の固定部との間を加熱手段１１により局所加熱する。この局所加熱によって局所加熱された部分には、圧縮塑性歪が発生するため、屈曲部２ｄが形成される。この屈曲部２ｄが形成されることによって、第１円柱部２ｂの軸心２ｆと第２円柱部２ｃの軸心２ｇとの間に傾斜角φが与えられる。

ここで、屈曲部２ｄの無負荷時の屈曲方向は、運転時にガス負荷Ｆｇによって主軸２に発生する撓みを相殺する方向に形成される。また、傾斜角φは、運転時にガス負荷Ｆｇによって主軸２に発生する撓みを相殺する角度である。さらに、加熱手段１１にて第１円柱部２ｂと回転子１の固定部との間であって、負荷を受ける側２ｘを局所加熱することによって、屈曲部２ｄの無負荷時の上記方向及び傾斜角φの屈曲が形成される。また、加熱手段１１は、ＴＩＧ溶接アークによる加熱、高周波誘導加熱、マイクロバーナまたはレーザ照射などが用いられる。

図６は、局所加熱により屈曲部２ｄを形成する際の手順を詳細に示したフローチャートである。まず、ステップＳ１は、第１円柱部２ｂと回転子１の固定部と第２円柱部２ｅとを主軸２の同軸上に機械加工する工程である。次に、ステップＳ２は、主軸２の洗浄・乾燥を行う工程である。次に、ステップＳ３は、回転子１と主軸２を焼嵌固定し、その後回転子１を冷却する工程である。次に、ステップＳ４は、第１円柱部２ｂと回転子１の固定部との間の主軸２に局所加熱を行う工程である。次に、ステップＳ５は、回転子１及び主軸２を冷却する工程である。その後、ステップＳ６は、第１円柱部に対する第２円柱部の傾斜角度を測定する工程である。次に、ステップＳ７は、傾斜角度φが所定の範囲内に入っているか否かを判断する工程である。ここで、傾斜角度φが所定の範囲外である場合には、再度、局所加熱工程のステップＳ４に戻る。

局所加熱工程のステップＳ４にて、再度局所加熱する際、傾斜角度φが所定の範囲より大きい場合には、前回の加熱位置の反対側を加熱し、傾斜角度φが小さい場合は、前回と同じ側で軸方向に所定量ずらした位置に加熱を行う。ステップＳ７にて、傾斜角度φが所定の範囲内に入ると判断されるまで、上記ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６，及びＳ７の処理を繰返す。

上記は、傾斜角φで屈曲部２ｄの屈曲を規定したが、偏心量で規定しても良い。屈曲部２ｄの偏心量は、運転時に作用するガス負荷Ｆｇと軸受反力Ｆｊ１及びＦｊ２によって発生する主軸２の撓みを相殺する偏心量としても良い。このような偏心量の屈曲部２ｄによって、運転時に作用する撓みと屈曲部２ｄの屈曲とが相殺されて第１軸受２ｂ及び第２軸受２ｅの片当り状態が改善される。

なお、本実施例では主軸２と回転子１の固定方法が焼嵌である例を示したが、圧入であっても同様である。また、主軸２と回転子１とを組立てる前に、屈曲部を形成しても同等の効果が得られる。また、屈曲部２ｄは第１軸受２ｂと回転子１の固定部の間に設けるのが望ましいが、構造的制約により配置が困難な場合は、第２軸受２ｅと回転子１の固定部の間に設けても同等の効果が得られる。

本実施の形態の構成によれば、主軸２が予め運転時に撓む方向と逆方向に屈曲しているので、運転時のガス負荷Ｆｇにより主軸２に、撓みが発生しても、軸と軸受との片当り状態を改善できる。したがって、信頼性の高いスクロール圧縮機を金属接触による回転摩擦力の増加、軸の異常摩耗、または、軸の焼付き等を防止できる。さらに、主軸２と回転子１を組立てる際、主軸２の屈曲部２ｄまたは偏心部の段差部分を回転子が通過することがないため、挿入不良が発生せず、生産性が向上する。

また、本実施の形態によれば、ＴＩＧ溶接、高周波誘導加熱、マイクロバーナまたはレーザ照射などによる局所加熱によって、屈曲部２ｄを形成できるため、高精度機械加工設備を用いることなく、通常の機械加工の設備で実現である。

また、主軸２と回転子１とを組立てた後に、屈曲部を形成できるので、主軸の外観形状が同一で第１円柱部２ｂの軸心２ｆと第２円柱部２ｅとの傾斜角度φのみが異なる複数機種を混流で組立てする場合にも、主軸と回転子の組立品を組み付ける直前に屈曲部を形成すれば良いので、主軸２の組違いを防止でき、主軸２の洗浄後に選別の必要もなく、生産性が向上する効果がある。

本発明を実施の形態１によるスクロール圧縮機を示す縦断面図である。 従来のスクロール圧縮機の運転時の主軸の状態を示す縦断面図である。 従来のスクロール圧縮機の運転時の主軸の状態を示す上面図である。 本発明の実施の形態１によるスクロール圧縮機の運転時の主軸の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1によるスクロール圧縮機の回転子と固定子の組立順序を示す図である。 本実施の形態１による局所加熱により屈曲部を形成する際の手順を詳細に示したフローチャートである。

符号の説明

１ 回転子、２ 主軸、２ａ クランク部、２ｂ 第１円柱部、２ｄ 屈曲部、
２ｅ 第２円柱部、２ｆ 第１円柱部の軸心、２ｇ 第２円柱部の軸心、
２ｈ クランク部の軸心、３ 第１軸受、４ 第２軸受、１１ 加熱手段。

Claims (5)

1. 電動機の回転子が組み付けられた主軸と、
   前記主軸を回転自在に支持する第１軸受及び第２軸受と、
   前記主軸によって駆動されて媒体を圧縮する圧縮機構とを備えたスクロール圧縮機において、
   前記主軸は、前記第１軸受に支持された第１円柱部と前記第２軸受に支持された第２円柱部との間の面で、かつ運転時に負荷を受ける側がＴＩＧ溶接アークにより局所加熱され、当該局所加熱される位置は、第１円柱部及び第２円柱部のいずれか一方または両方と回転子の固定箇所との間であることを特徴とするスクロール圧縮機。
2. 主軸は、無負荷時にＴＩＧ溶接アークにより局所加熱による撓みを有し、運転時に前記撓みが減少することを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 主軸は、第１円柱部の中心軸に対して前記第２円柱面の中心軸が無負荷時に所定角度傾斜し、
   前記所定角度は、運転時に主軸が変形して相殺される角度であることを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
4. 主軸は、第１円柱部の中心軸に対して前記第２円柱面の中心が無負荷時に所定の偏心量の撓みがあり、
   前記所定の偏心量は、運転時に主軸が変形して相殺される偏心量であることを特徴とする請求項１に記載のスクロール圧縮機。
5. 電動機の回転子が組み付けられた主軸と、
   前記主軸を回転自在に支持する第１軸受及び第２軸受と、
   前記主軸によって駆動されて媒体を圧縮する圧縮機構とを備えたスクロール圧縮機の製造方法において、
   前記主軸に前記回転子を組み付ける工程と、
   前記第１軸受に支持される前記主軸の第１円柱部と前記第２軸受に支持される第２円柱部との間の面で、かつ運転時に負荷を受ける側をＴＩＧ溶接アークにより局所加熱し、当該局所加熱される位置は、第１円柱部及び第２円柱部のいずれか一方または両方と回転子の固定箇所との間である工程とを
   備えた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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