JP2005240564A

JP2005240564A - ロータリ圧縮機

Info

Publication number: JP2005240564A
Application number: JP2004047490A
Authority: JP
Inventors: Masao Tani; 谷　　真男; Hideaki Maeyama; 英明前山; Shinichi Takahashi; 真一高橋; Naotaka Hattori; 直隆服部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】従来のＨＦＣ系冷媒用のロータリ圧縮機を、冷媒として二酸化炭素を用いた冷凍サイクルに適用すると、二酸化炭素はＨＦＣ系冷媒に比べてポリトロープ指数が大きく、圧縮室圧力が吐出圧力に達するタイミングが速いため、ピストン外周とシリンダ内壁間の漏れの発生する時間が長い等のため、ピストン外周とシリンダ内壁間の漏れ損失が大きいという問題があった。
【解決手段】シリンダ５の吸入側内壁に圧縮開始のタイミングが遅くなるように逃がし５ａを設けることで、圧縮室圧力が吐出圧力に達するタイミングを遅らせ、ピストン外周とシリンダ内壁間の漏れの発生する時間を短くし、またピストン外周とシリンダ内壁間の隙間が小さいタイミングで吐出圧力に達するようにすることで、ピストン外周とシリンダ内壁間の漏れ損失を少なくすることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷媒圧縮機に関するものであり、特に冷媒として二酸化炭素のようなポリトロープ指数がＨＦＣ系冷媒より高い冷媒を使用するロータリ圧縮機に関するものである。

従来のＨＦＣ系冷媒（ポリトロープ指数約１．１）を用いたロータリ圧縮機では、ピストン上死点時のクランク角度を０度とした際に、クランク角度約３０度（但し、クランク角度は、ピストンが上死点の０度から右周りに角度を数える）で吸入ガスの閉じ込みを完了し、空調用標準条件（Ｒ４１０Ａ冷媒ＡＳＲＥ条件：吸入圧力０．９ＭＰａ、吐出圧力：３．２ＭＰａ）ではクランク角度約２２０度にて圧縮室内圧力が吐出圧力に達するような構成となっている。
また、シリンダの低圧室側の内壁に、所定の角度範囲で所定の深さにシリンダ内壁切り欠き部を設けたロータリ圧縮機が公開されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−２６３２７８号公報（第２頁、第３頁、第１図、第２図）

従来のロータリ圧縮機を冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクルに用いた場合、二酸化炭素はポリトロープ指数が１．３程度とＨＦＣ系冷媒に比べて大きいため、圧縮室内圧力をＰ、圧縮室内容積をＶ、クランク角度をθとした際に、
Ｐ・Ｖⁿ＝一定
Ｖ＝ｆ（θ）
の関係が成り立つことにより、ＨＦＣ系冷媒を用いた場合よりもクランク角度が早いタイミングで圧縮室内圧力が吐出圧力に達してしまい、空調用標準条件（Ｒ４１０Ａ冷媒ＡＳＲＥ条件相当：吸入圧力４ＭＰａ吐出圧力９ＭＰａ）ではクランク角度約１８０度で圧縮室内圧力が吐出圧力に達してしまう。

また、ロータリ圧縮機では通常、ピストン外周とシリンダ内壁間の隙間からの圧縮ガスの漏れ損失を低減するために、圧縮室内圧力と吸入室圧力の差圧が大きくなる圧縮タイミングの後半で、上記ピストン外周とシリンダ内壁間の隙間が小さくなるよう、クランク軸の中心をシリンダの中心に対し、クランク角度約３００度側に偏心する（偏心組立）ように設定している。

そこで、従来のロータリ圧縮機を二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルに用いた場合、圧縮室内圧力がクランク角度の早いタイミングで吐出圧力に達するため、ピストン外周とシリンダ内壁間の隙間からの圧縮ガスの漏れが大きい時間が長くなると共に、圧縮室内圧力がピストン外周とシリンダ内壁間の隙間が大きいタイミングで吐出圧力に達するため、圧縮室の圧縮ガスがピストン外周とシリンダ内壁間の隙間から吸入室へ漏れる圧縮ガスの漏れ損失が大きくなる問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は圧縮室内圧力が吐出圧力に達するタイミングを遅くすることにより、ピストン外周とシリンダ内壁間の隙間からの圧縮ガスの漏れが大きい時間を短くすることができるため、ピストン外周とシリンダ内壁間の圧縮ガスの漏れ損失の小さいロータリ圧縮機を得るものである。

また、第２の目的は圧縮室内圧力が吐出圧力に達するタイミングを、ピストン外周とシリンダ内壁間の隙間が小さいタイミングとあわせることにより、ピストン外周とシリンダ内壁間の圧縮ガスの漏れ損失の小さいロータリ圧縮機を得るものである。

本発明に係るロータリ圧縮機は、密閉容器内に電動機要素部と圧縮機構部とを収容し、シリンダ内で、ピストンが上死点にあるときのクランク角度を０度とし、吸入口側から吐出口側にクランク角度が増加するとして、クランク軸の中心をシリンダ中心に対して、所定のクランク角度側に偏心するように設定した偏心組立てを実施し、また、シリンダ内壁にシリンダ室を吸入口と連通させ吸入室とする逃がしを設け、また、該逃がしを、吸入口からクランク角度が増加する方向に、偏心組立ての設定及び使用冷媒のポリトロープ指数により設定される所定範囲にわたって設け、吸入閉じ込み完了クランク角度を増加させ、圧縮室からの漏れを低減するようにしたものである。

本発明のロータリ圧縮機は、シリンダ内壁にシリンダ室を吸入口と連通させ吸入室とする逃がしを設け、該逃がしを、吸入口からクランク角度が増加する方向に、偏心組立ての設定及び使用冷媒のポリトロープ指数により設定される所定範囲にわたって設け、吸入閉じ込み完了クランク角度を増加させるので、既存の所定の偏心組立てのロータリ圧縮機に逃がしを設けることにより、よりポリトロープ指数の大きい冷媒を圧縮室からの漏れを低減して使用できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機の圧縮機構部を示すの横断面図であり、図２は、同じくロータリ圧縮機を示す縦断面図である。
これらの図において、ロータリ圧縮機の密閉容器１内には、上部に固定子１４と回転子１５とからなる電動機要素部２が収容され、また、下部には圧縮機構部３が収容される。そして、両者は、電動機要素部２で駆動され、その回転により圧縮機構部３で冷媒が圧縮されるクランク軸４で結合される。
シリンダ５は密閉容器１の内壁に固定される。そして、シリンダ５の内壁と、貫通するクランク軸４の偏心部４ｂに装着され偏心運動するローリングピストン９（以下ピストン９とする。）の外周と、シリンダ５の電動機要素部側開口部を閉鎖するフレーム７と、シリンダ５の電動機要素部２と反対側開口部を閉鎖するシリンダヘッド８とで囲まれた空間でシリンダ室６ａが形成される。このシリンダ室６ａは、ベーンスプリング１１によりピストン９に押圧されるベーン１０により、吸入室６ｂと圧縮室６ｃに分割される。
これらのクランク軸４の偏心部４ｂ、シリンダ５、吸入室６ｂ、圧縮室６ｃ、フレーム７、シリンダヘッド８及びピストン９等で電動機要素部２を構成する。

密閉容器１には、冷凍サイクルの蒸発器（図示せず）に接続する吸入管１２が取付けられ、この吸入管１２から吸入された冷媒が、吸入管１２に接続する吸入口５ｂを経由してシリンダ５の吸入室６ｂに導入される。また、密閉容器１の上部には、冷凍サイクルの凝縮器（図示せず）と接続する吐出管１３が取付けられ、密閉容器１内の圧縮冷媒が機外の冷凍サイクルに吐出される。吸入管１２と吐出管１３は密閉容器１の外側に取付けられている。
圧縮室６ｃにて圧縮された圧縮冷媒は、圧縮室６ｃ内の圧力が所定の圧力に達した際に吐出口７ａを開口する吐出弁７ｂの開口により、吐出口７ａから密閉容器１内に吐出される。そこで、密閉容器１内は吐出圧力で満たされた、いわゆる高圧シェル形圧縮機となる。

図１に示すように、シリンダの吸入室６ｂの内壁には、吸入口５ｂから内周に沿ってクランク角が増加する方向に、吸入口５ｂから所定のクランク角度まで、逃がし５ａを形成する。なお、クランク角は、図１に示すようにピストン上死点時のクランク角度を０度とし、圧縮機の正転方向である時計方向周りをクランク角度の正方向と定義する。図１の逃がし５ａは、シリンダ５の吸入室６ｂの内壁を１８０度まで全体を所定の深さで削り取り形成した。ここで、逃がし５ａは、ピストン９の外周がシリンダ内壁に最接近しても最接近位置を境として、吸入口５ｂと反対側が吸入口５ｂ側と連通し、直ちに吸入圧力となる程度（即ち、吸入口５ｂと反対側で、圧縮が生じない程度）に削り取る。
また、クランク軸４の中心は、圧縮室６ａ内の圧力が上昇した際に、シリンダ５の内壁とピストン９の外周との隙間を通しての、圧縮室６ａから吸入室６ｂへの圧縮ガスの漏れが小さくなるように、シリンダ５の中心に対してクランク角度約３００度方向に偏心させた、いわゆる偏心組立を行っている。
また、冷媒は二酸化炭素を使用する。

次に動作について説明する。
圧縮機が運転されると、冷媒は蒸発器から吸入管１２を通り、吸入口５ｂから吸入室６ｂに吸入される。クランク軸４の回転に伴い、ピストン９の外周が初めてシリンダ内壁に接触する（厳密には摩耗等の防止のため、微小な隙間を形成しており、前後の圧力差に依存する漏れは生じるが、実用的に圧縮可能である。以下の接触も同様。）ことにより、即ち、逃がし５ａの末端を過ぎた直後にシリンダ内壁に接触することにより、逃がし５ａ及び吸入口５ｂを閉塞し（連通しなくなり）、吸入閉じ込み完了と圧縮室６ｃの形成により、圧縮室６ｃで圧縮が開始する。そして、圧縮室６ｃの圧力が所定の圧力に達すると、吐出弁７ｂが開き、吐出口７ａから吐出管１１を介して、凝縮器に冷媒ガスが吐出される。
図１の場合は、クランク角度１８０度で、吸入閉じ込みが完了し、圧縮室６ｃが形成される。なお、この場合の圧縮室６ｃの圧力が吐出圧力に達するクランク角度は、２３０度である。

以上のように、ピストン上死点時のクランク角度を０度とした際に、圧縮室６ｃが形成され冷媒ガスの圧縮が開始されるクランク角度が約１８０度となるようにシリンダ５の内壁に、吐出口５ｂからクランク角の増加方向に内周に沿って逃がし５ａを設けたことにより、冷媒として二酸化炭素を用いた際の圧縮室６ｃの圧力が吐出圧力に達するクランク角度も約２３０度と、ＨＦＣ系冷媒を用いた際の従来のロータリ圧縮機と同等になるようにしているので、圧縮室６ｃと吸入室６ｂの差圧が大きく、ピストン９の外周とシリンダ５の内壁間の隙間からの圧縮ガスの漏れが大きい時間を短くすることができるため、ピストン９外周とシリンダ５内壁間の圧縮ガスの漏れ損失の小さいロータリ圧縮機を得ることができる。

また、圧縮室６ｃと吸入室６ｂの差圧が大きく、ピストン９の外周とシリンダ５の内壁間の隙間からの圧縮ガスの漏れが大きくなるタイミングが、ピストン９の外周とシリンダ５の内壁間の隙間が小さいタイミングと合致するため圧縮ガスの漏れ損失の小さいロータリ圧縮機を得ることができる。

また、圧縮室６ｃが形成され冷媒ガスの圧縮が開始されるクランク角度が約１８０度となるようにシリンダ５の内壁に、吐出口５ｂからクランク角の増加方向に内周に沿って逃がし５ａを設け、冷媒として二酸化炭素を用いた際の圧縮室６ｃの圧力が吐出圧力に達するクランク角度を約２３０度としたが、吸入口５ｂから内周に沿ってクランク角が増加する方向に形成した逃がし５ａの形成範囲を変えてもよい。即ち、吸入口５ｂから逃がし５ａを形成する範囲をクランク角度約９０度〜１８０度とし、圧縮室６ｃが形成され冷媒ガスの圧縮が開始されるクランク角度が約９０度〜１８０度となるようにし、これにより圧縮室６ｃの圧力が吐出圧力に達するクランク角度を約１９０度〜２３０度としても同様な効果が得られる。

これらの状況を図６及び図７に示す。
図６は、従来のロータリ圧縮機での二酸化炭素冷媒使用時の圧縮室６ｃが形成されるクランク角度を約９０度〜１８０度と変化させた場合のクランク角度に対する圧縮室内圧力の関係を示す図であり、図７は、同じく、クランク角度に対するシリンダ５の内壁とピストン９の外周間の隙間の関係を示す隙間曲線上で圧縮タイミングを示す図である。隙間曲線の該当範囲に矢印で明示している。図６、図７のいずれも冷媒Ｒ４１０Ａの場合も比較上示す。
図６においては、一番左の閉じ込み完了角度３１度で、吐出圧力到達角度１８０度の曲線が逃がし５ａなしの場合を示し、これより右に順番に逃がし５ａの形成がクランク角９０度、１２０度、１４５度及び１８０度までとし、閉じ込み完了角度が、それぞれ、９０度、１２０度、１４５度及び１８０度とした例である。圧縮タイミングである差圧の生じる範囲がクランク角度の増加方向に移行しているのがわかる。
また、図７に示すように、圧縮タイミングである差圧の生じる範囲及び吐出圧力に達する点が、隙間の小さい領域に移行しているのがわかる。

また、シリンダ５の内壁に内周に沿って設けた逃がし５ｃを図３に示すように、シリンダ５の内壁の高さ方向全体でなく、一部となるように設けてもよく、このようにすると圧縮機の組立性が向上する。要するに、逃がし５ｃは、吸入取り込み完了角度まで吸入口５ｂと連続して連通するものであり、吸入圧力とするものであればよい。

また、図４に示すように、吸入口５ｂのシリンダ内部への開口位置を示す吸入口５ｂの位相を、クランク角度が約９０度〜１８０度となる位相に設け、また、クランク角度０度から吸入口５ｂまで又はクランク角度１８０度まで逃がし５ａを設けることにより、吸入口５ｂがクランク角度約３０度の位相に設けられた従来のロータリ圧縮機に比べて、吸入口５ｂが開口している時間が長くなるため、冷媒ガスの吸入速度が低下し圧力損失が低下するとともに、吸入圧力の脈動も小さくなる。

また、図５に示すように、シリンダ５に逃がし５ａを設けずに、吸入口５ｂの位相をクランク角度約９０〜１８０の位置に設けても良い。このようにしても、吸入口５ｂがクランク角度約３０度の位相に設けられた従来のロータリ圧縮機に比べて、吸入口５ｂが開口している時間が長くなるため、冷媒ガスの吸入速度が低下し圧力損失が低下するとともに、吸入圧力の脈動も小さくなる。

本実施の形態のロータリ圧縮機においては、冷媒として二酸化炭素を使用し、クランク軸４の中心をシリンダ５中心に対して、クランク角度約３００度側に偏心するように設定した偏心組立てを実施し、また、吸入閉じ込み完了クランク角度が９０度〜１８０度となるようにシリンダ内壁にシリンダ室６ａを吸入口５ｂと連通させ吸入室６ｂとする逃がし５ａを設けたので、空調用標準条件において、圧縮室６ｃ内圧力が吐出圧力に達するクランク角度が約１９０度〜約２３０度となり、ピストン９の外周とシリンダ５の内壁間の隙間からの圧縮ガスの漏れが大きい時間を短くすることができるため、ピストン９の外周とシリンダ５の内壁間の隙間からの圧縮ガスの漏れ損失を小さくすることができるという効果を有する。また、ピストン９の外周とシリンダ５の内壁間の隙間からの圧縮ガスの漏れ損失を小さくすることができるという効果を有する。

また、本実施の形態のロータリ圧縮機においては、冷媒として二酸化炭素を使用し、クランク軸４の中心をシリンダ５中心に対して、クランク角度約３００度側に偏心するように設定した偏心組立てを実施し、吸入口５ｂを、シリンダ室６ａのクランク角度が９０度〜１８０度となるような位置に設け、また、逃がし５ａを、吸入口５ｂの位置まで又はクランク角度１８０度まで設けたので、吸入口５ｂがクランク角度約３０度の位相に設けられた従来のロータリ圧縮機に比べて、吸入口５ｂが開口している時間が長くなるため、冷媒ガスの吸入速度が低下し圧力損失が低下するとともに、吸入圧力の脈動も小さくなるという効果を有する。

実施の形態２．
実施の形態１では、高圧シェル形圧縮機について説明したが、密閉容器１内を吸入圧とし、圧縮後の冷媒ガスを密閉容器１内に吐出せずに吐出管１３に吐出する低圧シェル形圧縮機においても同様の効果を得ることができる。低圧シェル形である他の構成は実施の形態１と同様である。また、得られる効果も同様である。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、ベーン１０とピストン９とが分離したロータリ圧縮機について説明したが、ベーン１０がピストン９と一体に設けられたスイングロータリ式のロータリ圧縮機においても同様の効果を得ることができる。スイングロータリ式である他の構成は、実施の形態１又は２と同様である。
また、スイングロータリ式のロータリ圧縮機の場合は、逃がし５ａの形成をシリンダ５の内壁に設ける以外に、同様の考えによりピストン９の外周又は両者に形成してもよい。

本発明の実施の形態１〜３に記載のロータリ圧縮機は、冷媒として二酸化炭素以外のポリトロープ指数の大きい冷媒（例えば、アンモニア、空気等）も逃がし５ａの形成範囲を同様な考えで調整することにより使用可能である。
また、偏心組立ては、シリンダ５の中心に対してクランク角度約３００度方向に偏心させるに限らず、異なるクランク角度方向に偏心させた場合にも同様の考えで、逃がし５ａ等を設けることにより、同様の効果が得られる。

本発明のロータリ圧縮機は、使用冷媒を従来のＲ４１０Ａからポリトロープ指数の大きい二酸化炭素のような冷媒に変えても圧縮ガスの漏れ損失を減少でき、冷凍空調装置に利用できる。

本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機の圧縮機構部を示す横断面図である。本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機を示す縦断面図である。本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機のシリンダ内壁の逃がしを示す要部斜視図である。本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機の別の圧縮機構部を示す横断面図である。本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機のさらに別の圧縮機構部を示す横断面図である。クランク角度に対する圧縮室圧力の関係を示す図である。クランク角度に対する、ピストン外周とシリンダ内壁間の隙間の関係を示す図である。

符号の説明

１密閉容器、２電動機要素部、３圧縮機構部、４クランク軸、５シリンダ、５ａ逃がし、５ｂ吸入口、６ａシリンダ室、６ｂ吸入室、６ｃ圧縮室、７ａ吐出口、９ピストン。

Claims

密閉容器内に電動機要素部と圧縮機構部とを収容し、
シリンダ内で、ピストンが上死点にあるときのクランク角度を０度とし、吸入口側から吐出口側にクランク角度が増加するとして、
クランク軸の中心をシリンダ中心に対して、所定のクランク角度側に偏心するように設定した偏心組立てを実施し、
また、シリンダ内壁にシリンダ室を前記吸入口と連通させ吸入室とする逃がしを設け、
また、該逃がしを、前記吸入口からクランク角度が増加する方向に、前記偏心組立ての設定及び使用冷媒のポリトロープ指数により設定される所定範囲にわたって設け、
吸入閉じ込み完了クランク角度を増加させ、圧縮室からの漏れを低減するようにしたことを特徴とするロータリ圧縮機。
使用冷媒を二酸化炭素とし、また、前記偏心組立ての偏心方向を約３００度とし、さらに、前記吸入閉じ込み完了クランク角度が９０度〜１８０度となるように逃がしを設けたことを特徴とする請求項１に記載のロータリ圧縮機。
前記吸入口を、シリンダ室のクランク角度が９０度〜１８０度となるような位置に設け、また、前記逃がしを、前記吸入口の位置まで又はクランク角度１８０度まで設けたことを特徴とする請求項２に記載のロータリ圧縮機。
前記に逃がしを、前記シリンダの内壁の高さ方向全体でなく、一部としたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかにに記載のロータリ圧縮機。