JP2013142325A

JP2013142325A - ベーン型圧縮機

Info

Publication number: JP2013142325A
Application number: JP2012002807A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Sasaki; 辰也佐々木; Shin Sekiya; 慎関屋; Raito Kawamura; 雷人河村; Hideaki Maeyama; 英明前山; Shinichi Takahashi; 真一高橋; Kanichiro Sugiura; 幹一朗杉浦; Masaki Sato; 勝紀佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2013-07-22

Abstract

【課題】ベーン先端とシリンダ内周面が流体潤滑で摺動でき、焼付きや摩耗の発生を抑制するベーン型圧縮機を提供する。
【解決手段】ベーン９、１０のシリンダ１の内周面１ｂに近接する先端部９ａ、１０ａの曲率半径（Ｒｖ）と、シリンダ１の内周面１ｂの曲率半径（Ｒｃ）との比である曲率比ｋ（Ｒｖ／Ｒｃ）が「０．９９０≦ｋ≦１」であって、「Ｓ＝η・（Ｎ／Ｐ）・（Ｒｃ／Ｃｒ）² 」によって決まるゾンマーフェルト数（Ｓ）が「０．２４≦Ｓ≦２０００」である。ここで、η：油の粘性係数、Ｎ：ベーンの回転数、Ｐ：ベーン先端部に作用する押付面圧、Ｃｒ：ベーンの先端部とシリンダの内周面との間隙（Ｃｒ＝Ｒｃ−Ｒｖ）である。
【選択図】図２

Description

この発明は、ベーン型圧縮機に関する。

従来、ロータシャフト（シリンダ内で回転運動する円柱形のロータ部と、ロータ部に回転力を伝達するシャフトとが一体化されたものをロータシャフトという）のロータ部内に一箇所または複数箇所形成されたベーン溝内にベーンが嵌入され、そのベーンの先端がシリンダ内周面と当接しながら摺動する構成の一般的なベーン型圧縮機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ロータシャフトの内側を中空に構成しその中にベーンの固定軸を配し、ベーンはその固定軸に回転可能に取り付けられ、更に、ロータ部の外周部付近に半円棒形状の一対の挟持部材（ブッシュ）を介してベーンがロータ部に対して回転自在に保持されているベーン型圧縮機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２５２６７５号公報（第４頁、第１図）特開２０００−３５２３９０号公報（第６頁、第１図）

特許文献１に記載された従来の一般的なベーン型圧縮機は、ベーンの方向がロータシャフトのロータ部内に形成されたベーン溝により規制され、ベーンはロータ部に対して常に同じ傾きとなるように保持される。そのため、ロータシャフトの回転に伴い、ベーンとシリンダ内周面の成す角度は変化し、全周に亘ってベーン先端がシリンダ内周面に当接するためには、ベーン先端の円弧の半径をシリンダ内周面の半径に比べて小さく構成する必要があった。

ベーン先端がシリンダ内径と当接しながら摺動するものにおいては、半径の大きく異なるシリンダ内周面とベーン先端とが摺動するため、シリンダ内周面とベーン先端との間に油膜を形成しその油膜を介して摺動する流体潤滑の状態にはならず、境界潤滑状態となってしまう。
このように、従来の一般的なベーン型圧縮機の構成では、ベーンの先端とシリンダの内周面とが境界潤滑状態で摺動するため摺動抵抗が大きく、機械損失の増大による圧縮機効率の大巾な低下が発生してしまうという問題があった（問題１）。

また、ベーン先端の円弧の半径とシリンダの内周面の半径が異なるために、両者は線接触となり、接触面圧が大きくなる。したがって、ベーン先端やシリンダ内周面における焼付きや摩耗の発生が懸念され、長期の寿命を確保することが困難であるという問題があった（問題２）。そこで、従来のベーン型圧縮機においては、ベーンのシリンダ内周面に対する押し付け力を極力低減するための工夫がなされていた。

そこで、前記問題１、２を解消するために、特許文献２には、ロータ部の内部を中空にし、その中にベーンをシリンダ内周面の中心にて回転可能に支持する固定軸を有し、且つ、ベーンがロータ部に対し回転可能となるようにロータ部の外周部近傍で狭持部材を介してベーンを保持する構成が提案されている。

特許文献２に記載された構成にすることにより、ベーンはシリンダ内周面の中心において回転支持されている。そのため、ベーンの長手方向は常にシリンダ内周面の法線方向となり、ベーン先端部がシリンダ内周面に沿うように、シリンダ内周面の半径とベーン先端円弧の半径をほぼ等しく構成することが可能となり、ベーン先端とシリンダ内周面を非接触に構成することができる。もしくは、ベーン先端とシリンダ内周面とが接触する場合でも、接触面圧が低下し、焼付き、摩耗の発生を抑制することが可能となる。それにより、従来のベーン型圧縮機の課題であるベーン先端部の摺動状態を改善することが可能となる。

しかしながら、特許文献２に記載された構成では、ロータ部内部を中空に構成することにより、ロータ部への回転力の付与やロータ部の回転支持が難しくなることから、特許文献２に記載された発明では、ロータ部の両端面に端板を設けている。すなわち、片側の端板は、回転軸からの動力を伝達する必要があるため円板状であって、端板の中心に回転軸が接続される構成となっている。また、他側の端板は、ベーン固定軸やベーン軸支持材の回転範囲と干渉しないように構成する必要があるため、中央部に穴の開いたリング状に構成されている。このため、端板を回転支持する部分は、回転軸に比べて大径に構成する必要があり、軸受摺動損失が大きくなるという問題がある（問題３）。

また、ロータ部とシリンダ内周面との間は、圧縮したガスが漏れないように狭い隙間を形成するため、ロータ部の外径や回転中心には高い精度が必要とされる。しかし、ロータ部と端板は別々の部品で構成されるため、ロータ部と端板との締結により発生する歪みやロータ部と端板の同軸ズレ等、ロータ部の外径や回転中心の精度を悪化させる要因となってしまうという問題があった（問題４）。

さらに、ベーン先端とシリンダ内周面が接触する場合においては、油膜を発生させ、流体潤滑状態を実現するためのベーン形状について具体的に明示されていないため、境界潤滑状態で摺動するおそれがあることから、前記問題１が解消しないことがある。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、回転軸の軸受摺動損失を低減し、かつ、ベーン先端とシリンダ内周面が流体潤滑で摺動でき、ベーン先端やシリンダ内周面における焼付き、摩耗の発生を抑制することが可能なベーン型圧縮機を提供することを目的とする。

本発明に係るベーン型圧縮機は、軸方向の両端が開口している略円筒状のシリンダと、該シリンダの両端を閉塞するシリンダヘッドおよびフレームと、該シリンダヘッドおよびフレームによって回転自在に支持されたロータシャフトと、該ロータシャフトに進退自在に設置された１数以上のベーンと、を具備し、前記ロータシャフトの中心が前記シリンダの中心から偏位し、前記ベーンの先端が前記シリンダの内周面に近接した状態で進退することによって、前記ロータシャフトが回転した際、前記シリンダヘッドおよびフレームと前記シリンダの内周面と前記ロータシャフトと前記ベーンとによって圧縮室が形成されるベーン型圧縮機において、前記ベーンの前記シリンダの内周面に近接する先端部の曲率半径（Ｒｖ）と、前記シリンダの内周面の曲率半径（Ｒｃ）との比である曲率比ｋ（Ｒｖ／Ｒｃ）が、０．９９０以上、且つ、１以下（０．９９０≦ｋ≦１）であって、「Ｓ＝η・（Ｎ／Ｐ）・（Ｒｃ／Ｃｒ）²」ここで、η：油の粘性係数、Ｎ：ベーンの回転数、Ｐ：ベーン先端部に作用する押付面圧、Ｃｒ：ベーンの先端部とシリンダの内周面との間隙（Ｃｒ＝Ｒｃ−Ｒｖ）によって決まるゾンマーフェルト数（Ｓ）が０．２４から２０００の範囲（０．２４≦Ｓ≦２０００）であることを特徴とする。

本発明に係るベーン型圧縮機は、曲率比ｋが「０．９９０≦ｋ≦１」、すなわち、ベーン先端部９ａの半径Ｒｖがシリンダ内周面１ｂの半径Ｒｃよりも僅かに小さいから、ベーン先端部の両端部がシリンダの内周面に片当たりすることがなく、焼付きや異常摩耗を防止することができる。また、ゾンマーフェルト数Ｓが「０．２４〜２０００」の範囲にあり、ベーン先端部とシリンダの内周面との摺動において、流体潤滑状態を確保することができるから、ベーン先端部の摺動損失が少なく、かつ潤滑性の良好なベーン型圧縮機を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るベーン型圧縮機を説明する縦断面図。図１に示すベーン型圧縮機の圧縮要素を分解して示す斜視図。図２に示す圧縮要素を構成するベーンアライナを示す平面図。図２に示す圧縮要素を構成するベーンの姿勢を示す横断面図。図２に示す圧縮要素を構成するベーンの動作を示す横断面図。図２に示す圧縮要素を構成するベーンアライナの動作を示す横断面図。図２に示す圧縮要素を構成するベーンの先端部を拡大して示す横断面図。図２に示す圧縮要素についての潤滑解析結果を示す相関図。

［実施の形態１］
図１〜図８は、本発明の実施の形態１に係るベーン型圧縮機を説明するものであって、図１は縦断面図、図２は圧縮要素を分解して示す斜視図、図３は圧縮要素を構成する部材の一部（ベーンアライナ）を示す平面図、図４は圧縮要素を構成する部材（ベーン）の姿勢を示す横断面図、図５は圧縮要素を構成する部材（ベーン）の動作を示す横断面図、図６は圧縮要素を構成する部材（ベーンアライナ）の動作を示す横断面図、図７は圧縮要素を構成する部材の一部（ベーンの先端部）を拡大して示す横断面図、図８は圧縮要素についての潤滑解析結果を示す相関図である。なお、前記横断面図は、図１におけるＩ−Ｉ線に沿った断面を示している。但し、本実施の形態は、圧縮要素１０１に特徴があり、ベーン型圧縮機２００（密閉型）は、一例である。本実施の形態は、密閉型に限定されるものではなく、エンジン駆動や開放型容器等の、他の構成のものにも、適用される。また、各図は模式的に描いたものであって、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

（ベーン型圧縮機）
図１〜３において、ベーン型圧縮機２００は、密閉容器１０３と、密閉容器１０３内に収納された圧縮要素１０１と、圧縮要素１０１の上部に配置され、圧縮要素１０１を駆動する電動要素１０２と、密閉容器１０３内の底部に設けられ、冷凍機油２５を貯溜する油溜め１０４とを備えている。

（電動要素）
圧縮要素１０１を駆動する電動要素１０２は、例えば、ブラシレスＤＣモータで構成される。電動要素１０２は、密閉容器１０３の内周に固定される固定子２１と、固定子２１の内側に配設され、永久磁石を使用する回転子２２とを備える。固定子２１には、密閉容器１０３の上面に溶接により固定されたガラス端子２３から電力が供給される。密閉容器１０３の側面には吸入管２６、上面には吐出管２４が取り付けられている。

（圧縮要素）
圧縮要素１０１は、以下に説明する要素を有する。尚、本実施の形態１では、ベーン枚数が２枚の場合について示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、ベーン枚数が３枚以上であってもよい。
（シリンダ１）
全体形状が略円筒状で、軸方向の両端部が開口している。また、シリンダ内周面１ｂに吸入ポート１ａ（略半径方向に貫通している）が開口しており、外周部寄りの位置には軸方向に貫通した油戻し穴１ｃが設けられている。以下、シリンダ内周面１ｂの中心を「シリンダ中心Ｏｃ」と称す。
（フレーム２）
フレーム２は、シリンダ１に接し、シリンダ１の一方の開口部（図２では上側）を閉塞する略円板状の部分と、該略円板状の部分よりも外径が小さい円筒状の部分とが一体形成されたものであって、側面視において略Ｔ字を呈している。そして、略円板状の部分の内周と円筒状の部分の内周とによって、軸方向に貫通する主軸受部２ｃが設けられている（以下、主軸受部２ｃの中心を「ロータ中心Ｏｒ」と称す）。
また、フレーム２のシリンダ１側の端面（図２では下側）には、シリンダ中心Ｏｃと同心の断面円形の凹部２ａが形成され、ここに後述するベーンアライナ５、７が嵌入される。すなわち、平面視で円弧状であるベーンアライナ５、７の凸側の面は、凹部２ａの内周面であるベーンアライナ軸受部２ｂによって支承される。
さらに、フレーム２の略円板部の中央寄りの位置に吐出ポート２ｄが形成されている。

（シリンダヘッド３）
シリンダヘッド３はフレーム２と略面対称な形状（正確には、円筒部等の寸法と相違する）であって、シリンダ１の他方の開口部（図２では下側）を閉塞する略円板状の部分と、該略円板状の部分よりも外径が小さい円筒状の部分とが一体形成されたものであって、側面視において略Ｔ字を呈している。そして、略円板状の部分の内周と円筒状の部分の内周とによって、軸方向に貫通する主軸受部３ｃが設けられている。このとき、主軸受部３ｃの中心はロータ中心Ｏｒに一致している。
また、シリンダヘッド３のシリンダ１側の端面（図２では上側）には、シリンダ中心Ｏｃと同心の断面円形の凹部３ａが形成され、ここに後述するベーンアライナ６、８が嵌入される。すなわち、平面視で円弧状であるベーンアライナ６、８凸側の面は、凹部３ａの内周面であるベーンアライナ軸受部３ｂによって支承される。

（ロータシャフト４）
ロータシャフト４は、シリンダ中心Ｏｃとは偏位した位置にあるロータ中心Ｏｒを中心にして回転するものであって、シリンダ１内に位置するロータ部４ａと、フレーム２の主軸受部２ｃによって軸支される回転軸部４ｂと、シリンダヘッド３の主軸受部３ｃによって軸支される回転軸部４ｃと、が一体形成されている。なお、回転軸部４ｂには、電動要素１０２の回転子２２が設置されている。
ロータ部４ａには、平面視において略円形で軸方向に貫通し、ロータ部４ａの外周面側が開口したブッシュ保持部４ｄと、ブッシュ保持部４ｄにロータ中心Ｏｒ側で連結されたベーン逃がし部４ｆが形成されている。そして、ブッシュ保持部４ｄおよびベーン逃がし部４ｆの軸方向端部は、それぞれフレーム２の凹部２ａおよびシリンダヘッド３の凹部３ａと連通している（円周方向の同一位相に位置している）。
また、ブッシュ保持部４ｄおよびベーン逃がし部４ｆとはロータ中心Ｏｒを挟んで略対称の位置に、ブッシュ保持部４ｅとベーン逃がし部４ｇが形成されている（後述する図４参照）。
ブッシュ保持部４ｅは、平面視において略円形で軸方向に貫通し、ロータ部４ａの外周面側が開口し、ベーン逃がし部４ｇはブッシュ保持部４ｅにロータ中心Ｏｒ側で連結されている。そして、ブッシュ保持部４ｅおよびベーン逃がし部４ｇの軸方向端部は、それぞれフレーム２の凹部２ａおよびシリンダヘッド３の凹部３ａと連通している（円周方向の同一位相に位置している）。
また、ロータシャフト４の下端部には例えば特開２００９−２６４１７５号公報に記載されているようなロータシャフト４の遠心力を利用した油ポンプ３１（図１にのみ図示）が設けられ、油ポンプ３１はロータシャフト４の軸中央部に設けられ軸方向に延在する給油路４ｈと連通しており、給油路４ｈと凹部２ａ間には給油路４ｉ、給油路４ｈと凹部３ａ間には給油路４ｊが設けられている。また、回転軸部４ｂの主軸受部３ｃの上方の位置に排油穴４ｋ（図１にのみ図示）が設けられている。

（ベーンアライナ５−８）
ベーンアライナ５、７は、部分リング状（断面円弧状）の部品であって、凸側の側面の曲率半径が、フレーム２のベーンアライナ軸受部２ｂ（凹部２ａの内周面）の曲率半径に略一致している（正確には摺動を自在にするクリアランス分だけ僅かに相違する）。また、一方の端面（図２では下側）の円周方向の中央には軸方向に突出した、四角形の板状の突起であるベーン保持部５ａ、７ａが設けられている。なお、ベーン保持部５ａ、７ａは凸側の側面の法線を含む面に位置している（正確には板状には厚さがあるため、ベーン保持部５ａ、７ａの面は、前記法線を含む面に平行になっている）。
ベーンアライナ６、８は、部分リング状（断面円弧状）の部品であって、凸側の側面の曲率半径が、シリンダヘッド３のベーンアライナ軸受部３ｂ（凹部３ａの内周面）の曲率半径に略一致している（正確には摺動を自在にするクリアランス分だけ僅かに相違する）。また、一方の端面（図２では上側）の円周方向の中央には軸方向に突出した、四角形の板状の突起であるベーン保持部６ａ、８ａが設けられている（ベーン保持部５ａ、７ａの面は、前記法線を含む面に平行になっている）。

（第１のベーン９）
第１のベーン９は、略四角形の板状である。シリンダ１のシリンダ内周面１ｂ側に位置する先端部９ａは外側に突出した断面円弧形状に形成されている（その円弧形状の半径については後述する）。
第１のベーン９のシリンダ１のシリンダ内周面１ｂと反対側となる背面寄りの一方の端面（図２において上端面）には、ベーンアライナ５のベーン保持部５ａが嵌入する長さに亘ってスリット状の背面溝９ｂが形成され、背面寄りの他方の端面（図２において下端面）には、ベーンアライナ６のベーン保持部６ａが嵌入する長さに亘ってスリット状の背面溝９ｂが形成されている。なお、背面溝９ｂは軸方向全長に設けてもよい。

（第２のベーン１０）
第２のベーン１０は第１のベーン９と同様の形状であって、略四角形の板状である。シリンダ１のシリンダ内周面１ｂ側に位置する先端部１０ａは外側に突出した断面円弧形状に形成されている（その円弧形状の半径については後述する）。
第２のベーン１０のシリンダ１のシリンダ内周面１ｂと反対側となる背面寄りの一方の端面（図２において上端面）には、ベーンアライナ７のベーン保持部７ａが嵌入する長さに亘ってスリット状の背面溝１０ｂが形成され、背面寄りの他方の端面（図２において下端面）には、ベーンアライナ８のベーン保持部８ａが嵌入する長さに亘ってスリット状の背面溝１０ｂが形成されている。なお、背面溝１０ｂは軸方向全長に設けてもよい。

（ブッシュ１１、１２）
ブッシュ１１は略半円柱状の部材であって、一対で構成される。ブッシュ１１の円弧状の側面の曲率半径はロータシャフト４のブッシュ保持部４ｄの曲率半径に略等しく、ブッシュ１１の平面状の側面同士の間に板状の第１のベーン９が配置（挾持）された状態で、ロータシャフト４のブッシュ保持部４ｄに嵌入される。したがって、第１のベーン９がロータ部４ａに対して回転自在且つ略法線方向に移動可能に保持される。
同様に、ブッシュ１２は略半円柱状の部材であって、一対で構成される。ブッシュ１２の円弧状の側面の曲率半径はロータシャフト４のブッシュ保持部４ｅの曲率半径に略等しく、ブッシュ１２の平面状の側面同士の間に板状の第２のベーン１０が配置（挾持）された状態で、ロータシャフト４のブッシュ保持部４ｅに嵌入される。したがって、第２のベーン１０がロータ部４ａに対して回転自在且つ略法線方向に移動可能に保持される。

尚、第１のベーン９の上下の背面溝９ｂに、ベーンアライナ５のベーン保持部５ａおよびベーンアライナ６のベーン保持部６ａがそれぞれ嵌入し、また、第２のベーン１０の上下の背面溝１０ｂに、ベーンアライナ７のベーン保持部７ａおよびベーンアライナ８のベーン保持部８ａが嵌入することで、第１のベーン９および第２のベーン１０の面（正確には厚さの中央面）が、常にシリンダ内周面１ｂの法線と一致するように規制される。

（動作）
次に圧縮動作について説明する。ロータシャフト４の回転軸部４ｂが電動要素１０２の駆動部からの回転動力を受け、ロータ部４ａは、シリンダ１内でロータ中心Ｏｒを中心にして回転する。ロータ部４ａの回転に伴い、ロータ部４ａの外周付近に配置されたブッシュ保持部４ｄ、４ｅは、ロータ中心Ｏｒを中心軸とした円周上を移動する。
そして、ブッシュ保持部４ｄ、４ｅ内に保持されている一対のブッシュ１１、１２、及びその一対のブッシュ１１、１２の間に回動可能に保持されている第１のベーン９、第２のベーン１０もロータ部４ａと共に、ロータ中心Ｏｒを中心軸とした円周上を移動（公転）する。
そうすると、かかる移動（公転）に伴って、ブッシュ１１と第１のベーン９の平面状の側面とは互いに摺動し、同様に、ブッシュ１２と第２のベーン１０の平面状の側面とは互いに摺動する。また、ロータシャフト４のブッシュ保持部４ｄとブッシュ１１の円弧状の側面とは互いに摺動し、ブッシュ保持部４ｅとブッシュ１２の円弧状の側面とは互いに摺動することになる。

また、第１のベーン９の背面側に形成された上下の背面溝９ｂに、ベーン保持部５ａ（ベーンアライナ５の板状の突起部）およびベーン保持部６ａ（ベーンアライナ６の板状の突起部）が、それぞれ摺動可能に嵌入している。
このとき、ベーンアライナ５は凹部２ａにシリンダ中心Ｏｃを中心に回転可能に嵌入され、ベーンアライナ６は凹部３ａにシリンダ中心Ｏｃを中心に回転可能に嵌入されているから、ベーンアライナ５に形成されたベーン保持部５ａおよびベーンアライナ６に形成されたベーン保持部６ａはシリンダ中心Ｏｃの放射方向に位置することになる。よって、第１のベーン９の向きは、シリンダ１のシリンダ内周面１ｂの法線方向に規制される。
同様に、第２のベーン１０の背面側に形成された上下の背面溝１０ｂに、ベーン保持部７ａ（ベーンアライナ７の板状の突起部）およびベーン保持部８ａ（ベーンアライナ８の板状の突起部）が、それぞれ摺動可能に嵌入している。
このとき、ベーンアライナ７は凹部２ａにシリンダ中心Ｏｃを中心に回転可能に嵌入され、ベーンアライナ８は凹部３ａにシリンダ中心Ｏｃを中心に回転可能に嵌入されているから、ベーンアライナ７に形成されたベーン保持部７ａおよびベーンアライナ８に形成されたベーン保持部８ａはシリンダ中心Ｏｃの放射方向に位置することになる。よって、第２のベーン１０の向きは、シリンダ１のシリンダ内周面１ｂの法線方向に規制される。
すなわち、ロータ部４ａがロータ中心Ｏｒを中心に回転するにも関わらず、ベーンアライナ５−８はシリンダ中心Ｏｃを中心にした円周上を移動するから、第１のベーン９および第２のベーン１０は、シリンダ中心Ｏｃの放射方向に位置している。

（圧縮原理）
ベーン型圧縮機２００の圧縮原理については、従来のベーン型圧縮機と概略同様である。図４（図１におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図）は、後述する図５における回転角度９０°の状態を示している。
図４において、ロータシャフト４のロータ部４ａとシリンダ１のシリンダ内周面１ｂは一箇所（図４に示す最近接点３２）において最も近接している。

また、第１のベーン９とシリンダ１のシリンダ内周面１ｂ、第２のベーン１０とシリンダ１のシリンダ内周面１ｂとがそれぞれ一箇所で摺動することにより、シリンダ１内には３つの空間（吸入室１３、中間室１４、圧縮室１５）が形成される。吸入室１３には、吸入ポート１ａ（冷凍サイクルの低圧側に連通する）が開口しており、圧縮室１５は、吐出時以外は図示しない吐出弁で閉塞される吐出ポート２ｄ（例えば、フレーム２に形成される、但し、シリンダヘッド３に設けてもよい）に連通している。
また、中間室１４は、ある回転角度範囲までは吸入ポート１ａと連通するが、その後、吸入ポート１ａ、吐出ポート２ｄのいずれとも連通しない回転角度範囲が有り、その後、吐出ポート２ｄと連通する。

図５を参照しながら、吸入室１３、中間室１４及び圧縮室１５の容積が変化する様子を説明する。
先ず、ロータシャフト４の回転に伴い、吸入管２６から低圧の冷媒が吸入ポート１ａに流入する。ここで、図５における回転角度を、ロータシャフト４のロータ部４ａとシリンダ１のシリンダ内周面１ｂとが最も近接している最近接点３２（図４に示す）と、第１のベーン９とシリンダ１のシリンダ内周面１ｂとが摺動する一箇所とが一致するときを、「角度０°」と定義する。
なお、図５の（ａ）では「角度０°」、図５の（ｂ）では「角度４５°」、図５の（ｃ）では「角度９０°」、そして図５の（ｄ）では「角度１３５°」における、第１のベーン９、第２のベーン１０の位置と、そのときの吸入室１３、中間室１４及び圧縮室１５の状態を示している。
また、図５の（ａ）に示す矢印は、ロータシャフト４の回転方向（時計方向の場合を示している）である。但し、図５の（ｂ）〜（ｄ）では、ロータシャフト４の回転方向を示す矢印は省略している。
そして、「角度１８０°」以降の状態を示していないのは、「角度１８０°」になると、「角度０°」において、第１のベーン９と第２のベーン１０が入れ替わった状態と同じになり、以降は「角度０°」から「角度１３５°」までと同じ圧縮動作を示すためである。

吸入ポート１ａは、最近接点３２と「角度９０°」における第１のベーン９のベーン先端部９ａとシリンダ１のシリンダ内周面１ｂが摺動する点Ａの間（例えば、略４５°）に設けられ、最近接点３２から点Ａまでの範囲に開口している。但し、図４、図５では吸入ポート１ａを単に「吸入」と表記している。

また、ロータシャフト４のロータ部４ａとシリンダ１のシリンダ内周面１ｂとが最も近接している最近接点３２の近傍で、最近接点３２から所定の距離の反回転方向側（例えば、略３０°）に吐出ポート２ｄが位置する。但し、図４、図５では吐出ポート２ｄを単に「吐出」と表記している。

図５の（ａ）において、「角度０°」では、最近接点３２と第２のベーン１０で仕切られた右側の空間は中間室１４で吸入ポート１ａと連通しており、ガス（冷媒）を吸入する。最近接点３２と第２のベーン１０で仕切られた左側の空間は吐出ポート２ｄに連通した圧縮室１５となる。

図５の（ｂ）において、「角度４５°」では、第１のベーン９と最近接点３２で仕切られた空間は吸入室１３となり、第１のベーン９と第２のベーン１０で仕切られた中間室１４は、吸入ポート１ａと連通しており、中間室１４の容積は「角度０°」のときより大きくなるので、ガスの吸入を続ける。また、第２のベーン１０と最近接点３２で仕切られた空間は圧縮室１５で、圧縮室１５の容積は「角度０°」のときより小さくなり、冷媒は圧縮され徐々にその圧力が高くなる。

図５の（ｃ）において、「角度９０°」では、第１のベーン９の先端部９ａがシリンダ１のシリンダ内周面１ｂ上の点Ａと重なるので、中間室１４は吸入ポート１ａと連通しなくなる。これにより、中間室１４でのガスの吸入は終了する。また、この状態で、中間室１４の容積は略最大となる。圧縮室１５の容積は「角度４５°」のときより更に小さくなり、冷媒の圧力は上昇する。吸入室１３の容積は「角度４５°」のときより大きくなり、吸入を続ける。

図５の（ｄ）において、「角度１３５°」では、中間室１４の容積は「角度９０°」のときより小さくなり、冷媒の圧力は上昇する。また、圧縮室１５の容積も「角度９０°」のときより小さくなり、冷媒の圧力は上昇する。吸入室１３の容積は「角度９０°」のときより大きくなり、吸入を続ける。

その後、第２のベーン１０が吐出ポート２ｄに近づくが、冷凍サイクルの高圧（図示しない吐出弁を開くのに必要な圧力も含む）を圧縮室１５の圧力が上回ると、吐出弁が開き圧縮室１５の冷媒は、密閉容器１０３内に吐出される。密閉容器１０３内に吐出された冷媒は、電動要素１０２を通過して密閉容器１０３の上部に固定（溶接）された吐出管２４から外部（冷凍サイクルの高圧側）に吐出される。したがって、密閉容器１０３内の圧力は高圧である吐出圧力となる。

第２のベーン１０が吐出ポート２ｄを通過すると、圧縮室１５に高圧の冷媒が若干残る（ロスとなる）。そして、「角度１８０°（図示せず）」で、圧縮室１５が消滅したとき、この高圧の冷媒は吸入室１３にて低圧の冷媒に変化する。なお、「角度１８０°」では吸入室１３が中間室１４に移行し、中間室１４が圧縮室１５に移行して、以降圧縮動作を繰り返す。

このように、ロータシャフト４の回転により、吸入室１３は徐々に容積が大きくなり、ガスの吸入を続ける。以後、中間室１４に移行するが、途中まで容積が徐々に大きくなり、更にガスの吸入を続ける。途中で、中間室１４の容積は最大となり、吸入ポート１ａに連通しなくなるので、ここでガスの吸入を終了する。
以後、中間室１４の容積は徐々に小さくなり、ガスを圧縮する。その後、中間室１４は圧縮室１５に移行して、ガスの圧縮を続ける。所定の圧力まで圧縮されたガスは、シリンダ１、またはフレーム２やシリンダヘッド３の圧縮室１５に開口する部分に形成された吐出ポート（例えば、吐出ポート２ｄ）により吐出される。

（ベーンアライナの回転動作）
図６は実施の形態１を示す図で、ベーンアライナ６、８の回転動作を示す横断面図である。図６の（ａ）は「角度０°」における図であって、矢印はベーンアライナ６、８の回転方向（図６では時計方向）を示している。但し、図６の（ｂ）〜（ｄ）では、ベーンアライナ６、８の回転方向を示す矢印は省略している。
ロータシャフト４の回転により、第１のベーン９及び第２のベーン１０がシリンダ１の中心の周りに回転する（図５の（ａ）〜（ｄ）参照）ことにより、第１のベーンと嵌合されたベーンアライナ６も第２のベーン１０と嵌合されたベーンアライナ８も、図６の（ａ）〜（ｄ）に示すように凹部３ａ内を、ベーンアライナ軸受部３ｂに支持されてシリンダ中心Ｏｃを中心として回転する。
なお、この動作は凹部２ａ内をベーンアライナ軸受部２ｂに支持されて回転するベーンアライナ５、７についても同様である。

以上の動作において、ロータシャフト４の回転により、油ポンプ３１により油溜め１０４から冷凍機油２５が吸い上げられ、給油路４ｈに送り出される。給油路４ｈに送り出された冷凍機油２５は、給油路４ｉを通ってフレーム２の凹部２ａ、給油路４ｊを通ってシリンダヘッド３の凹部３ａに送り出される。

凹部２ａ、３ａに送り出された冷凍機油２５は、ベーンアライナ軸受部２ｂ、３ｂを潤滑するとともに、凹部２ａ、３ａと連通したベーン逃がし部４ｆ、４ｇに供給される。ここで、密閉容器１０３内の圧力は高圧である吐出圧力になっているため、凹部２ａ、３ａおよびベーン逃がし部４ｆ、４ｇ内の圧力も吐出圧力となる。また、凹部２ａ、３ａに送り出された冷凍機油２５の一部は、フレーム２の主軸受部２ｃおよびシリンダヘッド３の主軸受部３ｃに供給される。

以上において、主軸受部２ｃに供給された冷凍機油２５は、主軸受部２ｃの隙間を通ってフレーム２の上方の空間に吐き出された後、シリンダ１の外周部に設けた油戻し穴１ｃより、油溜め１０４に戻される。また、主軸受部３ｃに供給された冷凍機油２５は、主軸受部２ｃの隙間を通って油溜め１０４に戻される。
また、ベーン逃がし部４ｆ、４ｇを介して吸入室１３、中間室１４、圧縮室１５に送り出された冷凍機油２５も、最終的に冷媒とともに吐出ポート２ｄからフレーム２の上方の空間に吐き出された後、シリンダ１の外周部に設けた油戻し穴１ｃより、油溜め１０４に戻される。
また、油ポンプ３１により給油路４ｈに送り出された冷凍機油２５のうち、余剰な冷凍機油２５はロータシャフト４の上方の排油穴４ｋから、フレーム２の上方の空間に吐き出された後、シリンダ１の外周部に設けた油戻し穴１ｃより、油溜め１０４に戻される。

（曲率比ｋ）
ここで、ベーン先端部とシリンダ内周面の摺動を流体潤滑に確保するために必要な、ベーン先端部の半径とシリンダ内周面の半径の比について説明する。
図７は、ベーン先端部とシリンダ内周面の摺動部を拡大して示す横断面図である。図７において、シリンダ内周面１ｂの半径を「Ｒｃ」、ベーン先端部９ａの半径を「Ｒｖ」、ベーン先端部９ａとシリンダ内周面１ｂとの半径方向（シリンダ中心Ｓからの放射方向に同じ）の隙間を「Ｃｒ」とすると、これらの関係は（式１）で表され、ベーン先端部９ａとシリンダ内周面１ｂの曲率比「ｋ」は式（２）によって表すことができる。
Ｒｃ＝Ｒｖ＋Ｃｒ・・・・・（式１）
ｋ＝Ｒｖ／Ｒｃ・・・・・（式２）
ここで、ｋが１よりも大きい場合（ベーン先端部９ａの半径Ｒｖがシリンダ内周面１ｂの半径Ｒｃよりも大きくなる場合）、ベーン先端部９ａとシリンダ内周面１ｂとの隙間が逆クサビ形状となり、油膜圧力が発生しない。さらに、ベーン先端部９ａの両端部が常にシリンダ内周面に片当たりするため、焼付きや異常摩耗の危険性があるため、ｋは１以下である必要がある。

（ゾンマーフェルト数Ｓ）
ｋが１以下の条件において、ベーン先端部とシリンダ内周面の相対運動に、２次元レイノルズ方程式を適用し数値解析により摺動部の潤滑特性を把握した。ｋをパラメータとした場合の偏心率εを解析的に算出し、潤滑状態を評価するための無次元数であるゾンマーフェルト数Ｓで整理した。ゾンマーフェルト数は（式３）で表される。
Ｓ＝η・（Ｎ／Ｐ）・（Ｒｃ／Ｃｒ）２・・・・・（式３）
ここで、η：油の粘性係数
Ｎ：ベーンの回転数
Ｐ：ベーン先端部に作用する押付面圧
である。
ゾンマーフェルト数Ｓが決まることで、ベーン先端部９ａとシリンダ内周面１ｂの潤滑特性は一義的に決定する。

図８に潤滑解析結果を示す。ゾンマーフェルト数Ｓに対する無次元摩擦係数「μ（Ｒ／Ｃｒ）」、ベーン先端部９ａの偏心率「ε」、ベーン先端部９ａとシリンダ内周面１ｂの曲率比「ｋ」を示している。
曲率比ｋが小さくなるとゾンマーフェルト数Ｓが小さくなる。ゾンマーフェルト数が小さくなることで、偏心率εが大きくなり、粘性抵抗が減少するため無次元摩擦係数「μ（Ｒ／Ｃｒ）」も小さくなる。しかし、同時に油膜の負荷容量が減少し、ゾンマーフェルト数Ｓが約０．２よりも小さくなると、ベーン先端部とシリンダ内周面との間で金属接触が発生し始め、無次元摩擦係数「μ（Ｒ／Ｃｒ）」は上昇に転じる。
すなわち、ベーン先端部９ａとシリンダ内周面１ｂの曲率比ｋが「０．９９０」よりも小さくなると良好な潤滑状態を維持できなくなる。
なお、実際のベーン型圧縮機のベーンは２０〜１２０ｒｐｓで回転し、ゾンマーフェルト数Ｓは概ね「０．２４〜２０００」の範囲にある。例えば、回転数１２０ｒｐｓ、潤滑油粘度１０ｃＰとしたときのゾンマーフェルト数Ｓは「０．２９」となる。したがって、ゾンマーフェルト数が「０．２４から２０００」の範囲にあるベーン先端部９ａとシリンダ内周面１ｂとの摺動において、流体潤滑状態を確保するためには、ｋは少なくとも「０．９９０よりも大きく、１よりも小さい値」である必要がある。

なお、ベーン型圧縮機２００は、冷媒としてＲ１３４ａ、Ｒ２９０、Ｒ６０１、Ｒ１２７０などの低圧冷媒を対象としているが、そのほかにＲ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃなどを使用してもよい。

以上に示したように、本実施の形態１では、先端部９ａの円弧とシリンダ１のシリンダ内周面１ｂの法線が常にほぼ一致するように圧縮動作を行なうために必要なベーン（第１のベーン９、第２のベーン１０）がシリンダ中心Ｏｃを中心にして回転運動する機構を、ロータ部４ａと回転軸部４ｂ、４ｃを一体にした構成で実現できるため、小径の回転軸部４ｂ、４ｃでもって支持することができる。このため、軸受摺動損失が低減し、且つ、ロータ部４ａの外径や回転中心の精度が向上する。
よって、ロータ部４ａとシリンダ１のシリンダ内周面１ｂ間を狭い隙間で形成して漏れ損失を低減することができる。また、ゾンマーフェルト数Ｓが「０．２４から２０００の範囲」において、ベーン先端部９ａの半径とシリンダ内周面１ｂの半径の曲率比ｋが「１以下であり、かつ０．９９０以上である」ことによって、ベーン先端部９ａとシリンダ１のシリンダ内周面１ｂとの摺動を流体潤滑状態に確保することが可能となり、ベーン先端部９ａの摺動損失が少なく、かつ潤滑性の良好なベーン型圧縮機２００を提供することが可能となる。

１シリンダ、１ａ吸入ポート、１ｂシリンダ内周面、１ｃ油戻し穴、２フレーム、２ａ凹部、２ｂベーンアライナ軸受部、２ｃ主軸受部、２ｄ吐出ポート、２ｅ溝部、３シリンダヘッド、３ａ凹部、３ｂベーンアライナ軸受部、３ｃ主軸受部、４ロータシャフト、４ａロータ部、４ｂ回転軸部、４ｃ回転軸部、４ｄブッシュ保持部、４ｅブッシュ保持部、４ｆベーン逃がし部、４ｇベーン逃がし部、４ｈ給油路、４ｉ給油路、４ｊ給油路、４ｋ排油穴、５ベーンアライナ、５ａベーン保持部、６ベーンアライナ、６ａベーン保持部、７ベーンアライナ、７ａベーン保持部、７ｂベーン保持溝、８ベーンアライナ、８ａベーン保持部、８ｂベーン保持溝、９第１のベーン、９ａ先端部、９ｂ背面溝、９ｃ薄肉部、１０第２のベーン、１０ａ先端部、１０ｂ背面溝、１１ブッシュ、１２ブッシュ、１３吸入室、１４中間室、１５圧縮室、２１固定子、２２回転子、２３ガラス端子、２４吐出管、２５冷凍機油、２６吸入管、３１油ポンプ、３２最近接点、１０１圧縮要素、１０２電動要素、１０３密閉容器、１０４油溜め、２００ベーン型圧縮機、ε 偏心率、ｋ曲率比、Ｏｃシリンダ中心、Ｏｒロータ中心。

Claims

軸方向の両端が開口している略円筒状のシリンダと、該シリンダの両端を閉塞するシリンダヘッドおよびフレームと、該シリンダヘッドおよびフレームによって回転自在に支持されたロータシャフトと、該ロータシャフトに進退自在に設置された１数以上のベーンと、を具備し、前記ロータシャフトの中心が前記シリンダの中心から偏位し、前記ベーンの先端が前記シリンダの内周面に近接した状態で進退することによって、前記ロータシャフトが回転した際、前記シリンダヘッドおよびフレームと前記シリンダの内周面と前記ロータシャフトと前記ベーンとによって圧縮室が形成されるベーン型圧縮機において、
前記ベーンの前記シリンダの内周面に近接する先端部の曲率半径（Ｒｖ）と、前記シリンダの内周面の曲率半径（Ｒｃ）との比である曲率比ｋ（Ｒｖ／Ｒｃ）が、０．９９０以上、且つ、１以下（０．９９０≦ｋ≦１）であって、
Ｓ＝η・（Ｎ／Ｐ）・（Ｒｃ／Ｃｒ）²
ここで、η：油の粘性係数
Ｎ：ベーンの回転数
Ｐ：ベーン先端部に作用する押付面圧
Ｃｒ：ベーンの先端部とシリンダの内周面との間隙（Ｃｒ＝Ｒｃ−Ｒｖ）
によって決まるゾンマーフェルト数（Ｓ）が０．２４から２０００の範囲（０．２４≦Ｓ≦２０００）であることを特徴とするベーン型圧縮機。
前記シリンダヘッドおよびフレームに、前記シリンダの中心と同じ中心を有する円形の凹部が形成され、前記シリンダの中心と同じ中心を有する円周上を移動自在で、前記ベーンに係合するベーンアライナが前記凹部に配置され、
前記ベーンは、前記ロータシャフトが回転した際、前記ベーンアライナによって前記シリンダの中心からの放射方向に向かうように回動させられることを特徴とする請求項１記載のベーン型圧縮機。
前記ロータシャフトの外周面に到達する略円柱状のブッシュ保持部が前記ロータシャフトに形成され、一対の略半円柱状のブッシュが前記ブッシュ保持部に回動自在に配置され、該一対のブッシュによって前記ベーンは挾持されることを特徴とする請求項１または２記載のベーン型圧縮機。