JP2010031734A - ロータリ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】現状の微小隙間Ｗを縮小することなく、最適なオイル量を給油することにより微小隙間Ｗのシール性を向上させることを課題としている。
【解決手段】ベーン３３上にオイル溜りと圧縮室に臨むくぼみ４８を設け、くぼみ４８がオイル溜りと圧縮室に同時に臨まないことを特徴とするものであり、これによって、くぼみに高圧のオイルが供給され圧縮室に間欠的に臨むことで、圧縮室内にオイルが運搬される。ここで、くぼみの大きさに応じて給油量が最適化できるため、圧縮室内のシール性が向上し、漏れ損失の低減によって圧縮機の高効率化を図ることが出来る。
【選択図】図３

Description

本発明は、空調機、冷凍機、ブロワ、給湯機等に使用されるロータリ圧縮機に関するものである。

従来より、冷凍装置や空気調和装置などにおいては、蒸発器で蒸発したガス冷媒を吸入し、凝縮するために必要な圧力まで圧縮して冷媒回路中に高温高圧のガス冷媒を送り出す圧縮機が使用されている。このような圧縮機の一つとして、ロータリ圧縮機が知られている。

ロータリ圧縮機は、たとえば図９に示すように、電動機と圧縮機構部をクランク軸で連結して密閉容器内に収納したものであって、圧縮機構部は、シリンダとこのシリンダの両端面を閉塞する上軸受と下軸受とで形成された圧縮室と、この圧縮室内に上軸受および下軸受に支持されたクランク軸の偏心部に嵌合されたローラと、このローラの外周に当接しローラの偏心回転に追従して往復運動し圧縮室内を低圧部と高圧部とに仕切るベーンを備えている。シリンダには、圧縮室内の低圧部に向けてガスを吸入する吸入ポートが開通され、上軸受には、圧縮室内の低圧部から転じて形成される高圧部からガスを吐出する吐出ポートが開通されており、ローラはシリンダが上軸受，下軸受に上下から閉塞されることによって形成される圧縮室に収容されている。

吐出ポートは上軸受を貫通する平面視円形の孔として形成されており、吐出ポートの上面には所定の大きさ以上の圧力を受けた場合に解放される吐出弁が設けられている。

上述した構成のロータリ圧縮機においては、低圧部側ではローラの摺接部が吸入ポートを通過して吸入室を徐々に拡大しながら離れていき、吸入ポートから吸入室内にガスを吸入する。一方、高圧部側ではローラの摺動部が吐出ポートへ圧縮室を徐々に縮小しながら近づいていき、所定圧力以上に圧縮された時点で吐出弁が開いて吐出ポートからガスを流出させる。

このような、ローリングピストン型流体機械においては、ローラの外周とシリンダ内壁とが強く接触することにより、特にベーン先端において焼き付きや摩耗の問題が発生するという懸念がある。このため、図７に示すように、ローラ外周面３２ａとシリンダ内壁面３０ａとの間には微小隙間Ｗが設けられており、この微小隙間Ｗと圧縮室３９の高さＨとにより求められる漏れ面積Ｓの大小が圧縮機の効率に影響を及ぼすこととなる。

ここで、微小隙間Ｗを大きく設定すると、この微小隙間Ｗを通って高圧部から低圧部へ流出する圧縮流体の量が増加してしまうため、圧縮した冷媒ガスが微小隙間Ｗから漏れることによって損失（以下、「漏れ損失」と呼ぶ）が増すので、流体機械の効率を低下させてしまう。

一方、この微小隙間Ｗを小さく設定すると、漏れ損失は低減されるが、ローラの外周とシリンダ内壁とが強く接触することによって損失（以下、「摺動損失」と呼ぶ）が増すので、流体機械の効率を低下させてしまう。さらには、ローラとシリンダ内壁とが強く摺動することによって焼き付きや摩耗の問題が発生してしまう。

従って現在では、ローラとシリンダ内壁とが互いに強く接触しないよう両者間の微小隙間Ｗを大きく設定し、焼き付きや摩耗の問題を解消と摺動損失の低減が図られていた。

図８は、特許文献１に記載された従来のロータリ圧縮機を示すものである。図８に示すように、圧縮室が、複数の曲率よりなる非円形の断面形状としたので、軸芯軌跡等の影響によってローラの包絡軌跡が非円形となっても、一回転する間の微小隙間Ｗを一定に保ち、漏れ損失の低減と摺動損失の低減を図っていた。
特開２００３−２１４３６９号公報

近年においては圧縮機により冷媒を循環させる空気調和装置等のさらなる高効率化が望まれているため、これらを達成するためにも圧縮機のさらなる高効率化が重要となっている。上述した従来構造のロータリ圧縮機において、微小隙間Ｗを一定に保ち、漏れ損失の低減を図っているが、信頼性面の考慮から運転中にある一定の微小隙間Ｗを必ず設けなければならないため、更なる高効率化は困難である。また、シリンダ内壁形状が複数の曲率からなる非円形の断面形状であるため、数μｍオーダーの精度が必要となり、加工が非常に困難である。

そこで本発明では、上記の事情を鑑みてなされたもので、現状の微小隙間Ｗを縮小することなく、最適なオイル量を給油することにより微小隙間Ｗのシール性を向上させることを目的とする。これにより漏れ損失が低減され、圧縮機のさらなる高効率化を図ることが可能となる。さらに、積極的にシールオイルを供給するため、油膜によって摺動部における金属接触が防止され、磨耗や焼き付きといった問題を解消できる。

前記従来の課題を解決するために、本発明のロータリ圧縮機は、電動機と圧縮機構部をクランク軸で連結して密閉容器内に収納したものであって、圧縮機構部は、シリンダと、シリンダ内に設けられたクランク軸の偏心部に嵌合されたローラと、ローラの偏心回転に追従してシリンダに設けられたスロット内を往復運動するベーンと、シリンダの両端面を閉塞する上軸受と下軸受とで形成された圧縮室とからなるロータリ圧縮機において、ベーン上にオイル溜りと圧縮室に臨むくぼみを設け、くぼみがオイル溜りと圧縮室に同時に臨まないことを特徴とするものである。

これによって、くぼみに高圧のオイルが供給され圧縮室に間欠的に臨むことで、圧縮室内にオイルが運搬される。ここで、くぼみの大きさに応じて給油量が最適化できるため、圧縮室内のシール性が向上し、漏れ損失の低減によって圧縮機の高効率化を図ることが出来る。

本発明のロータリ圧縮機は、ベーンにくぼみを設けることにより、シール性を向上し漏れ損失が低減される。また、シールオイルを供給するため、油膜によって摺動部における金属接触が防止される。

第１の発明は、電動機と圧縮機構部をクランク軸で連結して密閉容器内に収納したものであって、圧縮機構部は、シリンダと、シリンダ内に設けられたクランク軸の偏心部に嵌合されたローラと、ローラの偏心回転に追従してシリンダに設けられたスロット内を往復運動するベーンと、シリンダの両端面を閉塞する上軸受と下軸受とで形成された圧縮室とからなるロータリ圧縮機において、ベーン上にオイル溜りと圧縮室に臨むくぼみを設け、くぼみがオイル溜りと圧縮室に同時に臨まないことを特徴とするものである。

これによって、くぼみがオイル溜りと連通している間にオイルが補充され、それが圧縮室まで運搬される。また、オイル溜りと圧縮室が同時に連通しないことにより、周囲の圧力の影響を受けずに、ある一定量のオイルをくぼみに補充し、圧縮室に運搬するため、運転条件の影響をあまり受けずにオイル供給量を最適化できる。この効果により、特にローラ外周面とシリンダ内壁面との間の微小隙間Ｗが大きく設定されていても、オイルによるシール性が向上し、圧縮機の高効率化を図ることが出来る。また、積極的にシールオイルを供給することで油膜効果が向上し摺動部における金属接触が防止されること、微小隙間Ｗを大きく設定できるために厳しい摺動が緩和されること、この二つの効果によって磨耗や焼き付きといった問題を解消できる。

第２の発明は、特に、第１の発明のロータリ圧縮機において、くぼみを高圧部側の圧縮室に臨むように設けることを特徴とするものである。運転中には、ベーンの先端は高圧側から低圧側へ圧力差によって倒れる。このため、くぼみの部分ではオイルが保持されやすくなり、さらに安定してオイルが圧縮室に供給することが可能となる。

第３の発明は、特に、第１〜２の発明のロータリ圧縮機において、くぼみが、圧縮開始前に高圧部側の圧縮室に臨まないことを特徴とするものである。これによって、圧縮が開始された状態でオイルが供給されるため、ガスの吸い込み量に影響を与えずに、オイルによるシール性のみを向上させ、圧縮機の効率を向上することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明のロータリ圧縮機において、くぼみが、圧縮室内の圧力が吐出圧力に達する前に高圧部側の圧縮室に臨むことを特徴とするものである。これによって、圧縮室の圧力が吐出空間の圧力より低いために、吐出空間の圧力とほぼ等しいオイル溜りのオイルを容易に圧縮室に供給することが可能となり、シール性の向上により、圧縮機の効率を向上することが出来る。

第５の発明は、特に、第１〜４の発明のロータリ圧縮機において、作動流体としてＣＯ_２を用いることで、特に、差圧が大きく、漏れ損失が大きいＣＯ_２においても、より効果的に高効率化することが可能である。

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。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるロータリ圧縮機の縦断面図である。図２は本発明の第１の実施の形態における圧縮機構部の拡大断面図である。図１と図２においてロータリ圧縮機は、電動機２と圧縮機構部３をクランク軸３１で連結して密閉容器１内に収納したものであって、圧縮機構部３は、シリンダ３０とこのシリンダ３０の両端面を閉塞する上軸受３４と下軸受３５とで形成された圧縮室３９と、この圧縮室３９内に上軸受３４および下軸受３５に支持されたクランク軸３１の偏心部３１ａに嵌合されたローラ３２と、このローラ３２の外周に当接しローラ３２の偏心回転に追従して往復運動し圧縮室３９内を低圧部と高圧部とに仕切るベーン３３を備えている。クランク軸３１には軸線部に油穴４１が設けられるとともに、上軸受、下軸受に対する壁部には、それぞれ油穴４１に連通した給油穴４２、４３が設けられている。また、クランク軸３１の偏心部３１ａに対する壁部には油穴４１に連通した給油穴４４が設けられ、外周部には油溝４５が形成されている。一方、シリンダ３０には、圧縮室３９内の低圧部に向けてガスを吸入する吸入ポート４０が開通され、上軸受３４には、圧縮室３９内の低圧部から転じて形成される高圧部からガスを吐出する吐出ポート３８が開通されており、ローラ３２はシリンダ３０が上軸受３４，下軸受３５に上下から閉塞されることによって形成される圧縮室３９に収容されている。

吐出ポート３８は上軸受３４を貫通する平面視円形の孔として形成されており、吐出ポート３８の上面には所定の大きさ以上の圧力を受けた場合に解放される吐出弁３６が設けられており、この吐出弁３６を覆うカップマフラー３７とで構成されている。

低圧部側ではローラ３２の摺接部が吸入ポート４０を通過して吸入室を徐々に拡大しながら離れていき、吸入ポート４０から吸入室内にガスを吸入する。一方、高圧部側ではローラ３２の摺動部が吐出ポート３８へ圧縮室３９を徐々に縮小しながら近づいていき、所定圧力以上に圧縮された時点で吐出弁３６が開いて吐出ポート３８からガスを流出し、カップマフラー３７より密閉容器１内に吐出される。

圧縮機構部の外周は高圧の吐出空間５２となっている。一方、偏心部３１ａの上端面と上軸受３４とローラ３２の内周面との間には空間４６があり、偏心部３１ａの下端面と下軸受３５とローラ３２の内周面との間には空間４７がある。その空間４６、４７には油穴４１から給油穴４２、４３を経てオイルが漏れ込んでくる。またこの空間４６、４７はほとんど常に圧縮室３９内部の圧力より高い状態にある。

一方、シリンダ３０の高さはローラ３２が内部で摺動できるようにこのローラ３２の高さよりやや大きめに設定しなければならず、その結果として、このローラ３２の端面と上軸受３４、下軸受３５の端面との間に隙間がある。そのため、この隙間を介して空間４６，４７から圧縮室３９へオイルが漏れる。

また、ローラ外周面３２ａとシリンダ内壁面３０ａとが強く接触することにより、特にベーン３３先端において焼き付きや摩耗の問題が発生するという懸念がある。このため、図７に示すように、ローラ外周面３２ａとシリンダ内壁面３０ａとの間には微小隙間Ｗが設けられており、この微小隙間Ｗと圧縮室３９の高さＨとにより求められる漏れ面積Ｓの大小が圧縮機の効率に影響を及ぼすこととなる。例えば、微小隙間Ｗを大きく設定すると、この微小隙間Ｗを通って高圧部から低圧部へ流出する圧縮流体の量が増加してしまうため、圧縮した冷媒ガスが微小隙間Ｗから漏れることによって損失（以下、「漏れ損失」と呼ぶ）が増すので、流体機械の効率を低下させてしまう。一方、この微小隙間Ｗを小さく設定すると、漏れ損失は低減されるが、ローラ外周面３２ａとシリンダ内壁面３０ａとが強く接触することによって損失（以下、「摺動損失」と呼ぶ）が増すので、流体機械の効率を低下させてしまう。さらには、ローラ外周面３２ａとシリンダ内壁３０ａとが強く摺動することによって焼き付きや摩耗の問題が発生してしまう。従って、ローラ３２とシリンダ内壁３０ａとが互いに強く接触しないよう両者間の微小隙間Ｗを大きく設定している。

以上のように構成されたロータリ圧縮機において、図３に示すように、ベーン３３の側面にオイル溜り６と圧縮室３９に臨むくぼみ４８を設け、このくぼみ４８がオイル溜り６と圧縮室３９に同時に臨まない構成としている。図３の（ａ）はベーン３３が最もシリンダ３０内に納まった状態、（ｃ）はベーン３３が最もシリンダ内壁３０ａに出てきた状態、（ｂ）は（ａ）と（ｃ）の中間である。（ａ）から（ｂ）の区間では、くぼみ４８がオイル溜り６とのみ連通している。（ｂ）の区間では、くぼみ４８が圧縮室３９ともオイル溜り６とも連通していない。（ｂ）から（ｃ）の区間では、くぼみ４８が圧縮室３９とのみ連通している。この構成にすることによって、くぼみ４８がオイル溜り６と連通している間にオイルが補充され、それが圧縮室３９まで運搬される。また、オイル溜り６と圧縮室が同時に連通しないことにより、周囲の圧力の影響を受けずに、ある一定量のオイルをくぼみ４８に補充し、圧縮室３９に運搬するため、運転条件の影響をあまり受けずにオイル供給量を最適化できる。この効果により、特にローラ外周面３２ａとシリンダ内壁面３０ａとの間の微小隙間Ｗが大きく設定されていても、オイルによるシール性が向上し、圧
縮機の高効率化を図ることが出来る。また、積極的にシールオイルを供給することで油膜効果が向上し摺動部における金属接触が防止されること、微小隙間Ｗを大きく設定できるために厳しい摺動が緩和されること、この二つの効果によって磨耗や焼き付きといった問題を解消できる。

また、上述したように、ローラ３２の端面と上軸受３４、下軸受３５の端面との間の隙間を介して空間４６，４７から圧縮室３９へ成り行き任せでオイルが漏れて供給される。この構成では、隙間の大きさによって圧縮室３９へのオイルの給油量が一定にならず、圧縮機効率のバラつきの原因となる。ここで、ローラ３２の端面と上軸受３４、下軸受３５の端面との隙間をある程度小さくして、ベーン３３の側面のくぼみ４８のオイル運搬によって給油量を最適に調整することで、効率のバラつきを抑えた圧縮機を量産できる。

また、図４に示すように、ベーン３３の側面のくぼみ４８を高圧部側の圧縮室３９に臨むように設ける。運転中には、ベーン３３の先端は図４のように、高圧側から低圧側へ圧力差によって倒れる。このため、くぼみ４８の部分ではオイルが保持されやすくなり、さらに安定してオイルが圧縮室３９に供給することが可能となる。

また、図５に示すように、くぼみ４８が吸入綴込み前に圧縮室３９に臨まないように設定する。図５はローラ３２が完全に吸入ポート４０を過ぎて圧縮を開始した瞬間のクランク角度の図である。（ａ）ではこのクランク角度の前からくぼみ４８が圧縮室３９に臨んでいる。一方、（ｂ）ではこのクランク角度でくぼみ４８が圧縮室３９に臨まずに、さらにクランク軸３１が回転した時に圧縮室３９に臨むように設定している。（ａ）のようにすると、ガスを吸入している時に高圧・高温のオイルが圧縮室３９に漏れこむため、オイルの中に含まれているガスが発泡し体積が膨張することによって、ガスの吸い込み量が減少する。そのため、体積効率の低下から圧縮機の効率を低下させてしまう。一方、（ｂ）のようにすると、圧縮が開始された状態でオイルが供給されるため、ガスの吸い込み量に影響を与えずに、オイルによるシール性のみを向上させ、圧縮機の効率を向上することができる。

また、図６に示すように、くぼみ４８が圧縮室３９内の圧力が吐出圧力に達する前に圧縮室３９に臨むように設定する。図６は、高圧部の圧縮室３９の圧力が、吐出空間５２の圧力と等しくなった瞬間のクランク角度の図である。（ａ）ではこのクランク角度でくぼみ４８が圧縮室３９に臨まずに、さらにクランク軸３１が回転した時に圧縮室３９に臨むように設定している。一方、（ｂ）ではこのクランク角度の前からくぼみ４８が圧縮室３９に臨むように設定している。（ａ）のようにすると、吐出空間５２の圧力とほぼ等しいオイル溜り６のオイルが、くぼみ４８に補充され、ほぼ吐出空間５２の圧力と等しくなった圧縮室３９に供給されにくくなる。一方、（ｂ）のようにすると、圧縮室３９の圧力が吐出空間５２の圧力より低いために、オイル溜り６のオイルを容易に圧縮室３９に供給することが可能となり、シール性の向上により、圧縮機の効率を向上することが出来る。

また、作動流体としてＣＯ_２を用いることで、特に、差圧が大きく、漏れ損失の影響が大きいＣＯ_２においても、オイルによりシール性が向上することから、より効果的に高効率化することが可能である。

以上のように、本発明のロータリ圧縮機は、磨耗や焼き付きなどの信頼性面の低下を抑制するとともに、漏れ損失と摺動損失を低減し、圧縮機の高効率化を図ることが可能となる。これにより、ＨＦＣ系冷媒やＨＣＦＣ系冷媒を用いたエアーコンディショナー用圧縮機のほかに、自然冷媒ＣＯ_２を用いたエアーコンディショナーやヒートポンプ式給湯機などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機の縦断面図 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の拡大断面図 本発明の実施の形態１におけるベーンに設けられたくぼみの位置関係を示す模式図 本発明の実施の形態１におけるベーンが差圧による傾きを示した要部平面図 本発明の実施の形態１における圧縮開始前のクランク角度の圧縮状態を示す要部平面図 本発明の実施の形態１における吐出空間と圧縮室の圧力が等しくなった時のクランク角度の圧縮状態を示す要部平面図 従来のロータリ圧縮機の漏れ面積Ｓを示す要部断面図 従来のロータリ圧縮機における比円形（複合円）断面のシリンダ形状を示す模式図 従来のロータリ圧縮機の断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 電動機
３ 圧縮機構部
５ 上シェル
６ オイル溜り
２２ 固定子
２４ 回転子
２６ エアギャップ
２８ 切欠部
３０ シリンダ
３０ａ シリンダ内壁
３１ クランク軸
３１ａ 偏芯部
３２ ローラ
３２ａ ローラ外周
３２ｂ ローラ内周
３３ ベーン
３４ 上軸受
３５ 下軸受
３６ 吐出弁
３７ カップマフラー
３８ 吐出ポート
３９ 圧縮室
４０ 吸入ポート
４１ 油穴
４２ 給油穴
４３ 給油穴
４４ 給油穴
４５ 油溝
４６ 空間
４７ 空間
４８ くぼみ
５１ 冷媒吐出管
５２ 吐出空間

Claims (5)

1. 電動機と圧縮機構部をクランク軸で連結して密閉容器内に収納したものであって、前記圧縮機構部は、シリンダと、前記シリンダ内に設けられた前記クランク軸の偏心部に嵌合されたローラと、前記ローラの偏心回転に追従して前記シリンダに設けられたスロット内を往復運動するベーンと、前記シリンダの両端面を閉塞する上軸受と下軸受とで形成された圧縮室とからなるロータリ圧縮機において、前記ベーン上にオイル溜りと前記圧縮室に臨むくぼみを設け、前記くぼみが前記オイル溜りと前記圧縮室に同時に臨まないことを特徴とするロータリ圧縮機。
2. くぼみを高圧部側の圧縮室に臨むように設けることを特徴とする請求項１に記載のロータリ圧縮機。
3. くぼみが、圧縮開始前に高圧部側の圧縮室に臨まないこと特徴とする請求項１または２に記載のロータリ圧縮機。
4. くぼみが、圧縮室内の圧力が吐出圧力に達する前に高圧部側の前記圧縮室に臨むこと特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
5. 作動流体として高圧冷媒であるＣＯ_２を用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。