JP2015206337A - 気体圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出孔に対する凹状の面取り部の位置や形成範囲を適正に設定しつつ、デッドボリュームを低減することができる気体圧縮機を提供する。【解決手段】ロータ１１の回転により、シリンダ内周面１２ａに摺接するベーン１３で圧縮室２０の容積を変化させることで、圧縮室２０内に吸入されて圧縮された高圧の冷媒ガスを、シリンダ１２に形成した吐出孔２２ａ（２２ｂ）を通して外部に吐出させる気体圧縮機において、吐出孔２２ａ（２２ｂ）のシリンダ内周面１２ａ側の開口周囲に、シリンダ内周面１２ａの周方向に延びる凹状の面取り部３０が形成されており、面取り部３０の、ロータ１１の軸方向における断面形状が略円弧状に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、車両などに搭載された空調装置に設置される気体圧縮機に関する。

例えば、自動車などの車両には、車室内の温度調整を行うための空調装置が設けられている。このような空調装置は、冷媒（冷却媒体）を循環させるようにしたループ状の冷媒サイクルを有しており、この冷媒サイクルは、蒸発器、気体圧縮機、凝縮器、膨張弁が順に設けられている。前記空調装置の気体圧縮機は、蒸発器で蒸発されたガス状の冷媒を圧縮して高圧の冷媒ガスとし、凝縮器へ送出するものである。

このような気体圧縮機として、従来より、略楕円状の内周面を有するシリンダ内に、先端部がシリンダの内周面に摺接し、突出収納自在に設けた複数枚のベーンを有するロータが回転自在に軸支されたベーンロータリー型の気体圧縮機が知られている。

ベーンロータリー型の気体圧縮機は、回転軸と一体に回転可能なロータと、ロータ外周面の外方から取り囲む輪郭形状の内周面を有するシリンダと、ロータ外周面からシリンダ内周面に向けて突出自在に設けられた複数枚のベーンと、ロータ及びシリンダの両端を塞ぐとともに回転軸の両側を回転可能に軸支した２つのサイドブロックとを有する圧縮機本体を備えている。この圧縮機本体は、ロータの回転方向に沿って隣り合う２枚のベーンにより、ロータ外周面とシリンダ内周面との間に形成される圧縮室の容積をロータの回転にともなって減少させることで、吸入室から吸入孔を通して圧縮室に導入した低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧縮された高圧の冷媒ガスを吐出孔を通して吐出室に吐出する。

ところで、例えば、特許文献１に記載の圧縮機では、吐出孔周囲にシリンダ内周面の周方向前後に延出した導入溝（本発明の「面取り部」に相当）を形成することで、吐出孔から高圧の冷媒ガスが吐出されるときに、吐出孔側に連通する圧縮室での急激な圧力変化を低減させるようにしている。これにより、ベーンが吐出孔付近でシリンダ内周面に強く摺接するのを防止したり、圧縮された高圧の冷媒ガスをスムーズに吐出孔から吐出させることができる。なお、ベーンが吐出孔付近でシリンダ内周面に強く摺接すると、ベーンの摺動抵抗が大きくなるため、駆動損失が大きくなる。

特開平２−１１９６９２号公報

特許文献１に記載の圧縮機のように、吐出孔周囲にシリンダ内周面の周方向前後に延出した面取り部（導入溝）が形成されていると、シリンダ内周面の周方向に沿って摺動するベーンがこの面取り部を跨いだときに、このベーンによって仕切られたシリンダ内周面の周方向前後の各圧縮室が面取り部を介して連通する。

この際、ベーンで仕切られたより高圧状態の前側の圧縮室から後側の圧縮室に高圧の冷媒ガスが逆流して再圧縮されることで、圧縮効率が低下する。このときの再圧縮量は、面取り部の凹み形状と吐出孔からなる総容積（以下、「デッドボリューム」という）で決まる。

このため、圧縮効率の低下を抑制するには、前記面取り部の凹み容積を小さくして、デッドボリュームを低減することが好ましいが、上記したようにベーンが吐出孔前後を摺動するときの急激な圧力変化を低減するために、吐出孔に対する面取り部の位置や形成範囲は適正に設定する必要がある。

そこで、本発明は、吐出孔に対する凹状の面取り部の位置や形成範囲を適正に設定しつつ、デッドボリュームを低減することができる気体圧縮機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の気体圧縮機は、回転軸と一体的に回転するロータと、前記ロータの外周面の外側を取り囲むように設けたシリンダと、前記ロータに形成したベーン溝に該ロータの外周面から前記シリンダの内周面に向けて突出自在に設けられた複数の板状のベーンと、前記ロータと前記シリンダの両端をそれぞれ塞ぐ２つのサイドブロックとを備え、前記シリンダの内周面に摺接する前記ベーンにより、前記シリンダの内周面と前記ロータの外周面との間に形成された空間を仕切ることによって複数の圧縮室が形成され、前記ロータの回転により、シリンダ内周面に摺接する前記ベーンで前記圧縮室の容積を変化させることで、前記圧縮室内に吸入されて圧縮された高圧の媒体を、前記シリンダに形成した吐出孔を通して外部に吐出させる気体圧縮機であって、前記吐出孔の前記シリンダ内周面側の開口周囲に、前記シリンダ内周面の周方向の少なくとも一方側に延びる凹状の面取り部が形成されており、前記面取り部の、前記ロータの軸方向における断面形状が略円弧状に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、凹状の面取り部の、ロータの軸方向における断面形状を略円弧状に形成したことにより、従来のように面取り部のロータの軸方向における両端部が垂直面となっている場合よりも、面取り部の凹み容積を小さくすることができる。

よって、凹状の面取り部の、ロータの軸方向における断面形状を略円弧状に形成することで、面取り部の凹み形状と吐出孔からなるデッドボリュームを、従来の場合よりも低減することができ、圧縮効率の低下を抑えることができる。

本発明の実施形態に係る気体圧縮機（ベーンロータリー型の気体圧縮機）を示す図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 シリンダ内周面の吐出孔周囲に形成した凹状の面取り部を示す図。 図３のＢ−Ｂ線断面図であり、面取り部の、シリンダ内周面の周方向に沿った断面形状を示す図。 図３のＣ−Ｃ線断面図であり、本実施形態における面取り部の、ロータの軸方向における断面形状を示す図。 従来例における面取り部の、ロータの軸方向における断面形状を示す図。 （ａ）は、本実施形態の変形例における、シリンダ内周面の吐出孔周囲に形成した凹状の面取り部を示す図、（ｂ）は，図７（ａ）のＤ−Ｄ線断面図であり、変形例における面取り部の、ロータの軸方向における断面形状を示す図。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る気体圧縮機の一例としてのベーンロータリー型の気体圧縮機（以下、「コンプレッサ」という）を示す図である。

（コンプレッサ１の全体構成）
図示のコンプレッサ１は、例えば、冷却媒体の気化熱を利用して冷却を行なう空気調和システム（以下、「空調システム」という）の一部として構成され、この空調システムの他の構成要素である凝縮器、膨張弁、蒸発器等（いずれも図示を省略する）とともに冷却媒体の循環経路上に設けられている。なお、このような空調システムとしては、例えば、車両（自動車など）の車室内の温度調整を行うための空調装置が挙げられる。

コンプレッサ１は、空調システムの蒸発器から取り入れた気体状の冷却媒体としての冷媒ガスを圧縮し、この圧縮された冷媒ガスを空調システムの凝縮器に供給する。凝縮器は圧縮された冷媒ガスを液化させ、高圧で液状の冷媒として膨張弁に送出する。そして、高圧で液状の冷媒は、膨張弁で低圧化され、蒸発器に送出される。低圧の液状冷媒は、蒸発器において周囲の空気から吸熱して気化し、この気化熱との熱交換により蒸発器周囲の空気を冷却する。

コンプレッサ１は、図１に示すように、一端側（図１の左側）が開口し他端側が塞がれた略円筒状の本体ケース２と、この本体ケース２の一端側の開口を塞ぐフロントヘッド３と、本体ケース２とフロントヘッド３からなるハウジング４内に収納される圧縮機本体５と、駆動源である車両（自動車）のエンジン（不図示）からの駆動力を圧縮機本体５に伝達するための電磁クラッチ６を備えている。なお、図１では、本体ケース２を断面形状で示している。

フロントヘッド３は、本体ケース２の開口端面を塞ぐ蓋状に形成されており、本体ケース２の開口端部周囲にボルト締結で固定されている。フロントヘッド３には、空調システムの蒸発器（不図示）から配管を通して低圧の冷媒ガスを吸入する吸入ポート７を有し、本体ケース２には、圧縮機本体５で圧縮された高圧の冷媒ガスを空調システムの凝縮器（不図示）に吐出する吐出ポート（不図示）を有している。

圧縮機本体５は、図２に示すように、回転軸１０と一体的に回転する略円柱状のロータ１１と、このロータ１１をその外周面（以下、「ロータ外周面」という）１１ａの外方から取り囲む略楕円形状の内周面（以下、シリンダ内周面）という）１２ａを有するシリンダ１２と、ロータ外周面１１ａからシリンダ内周面１２ａに向けて突出自在に設けられた複数枚（図では５枚）の板状のベーン１３と、ロータ１１及びシリンダ１２の両端面を塞ぐ２つのサイドブロック（フロントサイドブロック１４（フロントヘッド３の内側：図１参照）、リアサイドブロック１５（図１参照））とを備えている。

圧縮機本体５は、フロントサイドブロック１４側がフロントヘッド３にボルト締結で固定され、リアサイドブロック１５側が本体ケース２の内周面に嵌合されるようにして保持される。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、図２では、圧縮機本体５の外周面側の本体ケース２は省略している。

フロントヘッド３の内側凹部とフロントサイドブロック１４の間には吸入室（不図示）が形成され、リアサイドブロック１５側の本体ケース２内には吐出室１６が形成されている。リアサイドブロック１５の外側端面には、油分離器１７が吐出室１６内に位置するようにして設置されている。

電磁クラッチ６は、フロントヘッド３の外面側に設置されており、車両エンジンの回転駆動力がベルト（不図示）を介してプーリ１８に伝達される。回転軸１０の一端側（図１の左側）は、電磁クラッチ６のアーマチュア１９の中心貫通孔に嵌合されている。なお、回転軸１０は、フロントサイドブロック１４とリアサイドブロック１５の中心貫通孔に回転可能に軸支されている。

そして、コンプレッサ１（圧縮機本体５）の運転時に、プーリ１８の内側に設けた電磁石（不図示）の励磁によってアーマチュア１９がプーリ１８の端面に吸着されることにより、ベルト（不図示）を介してプーリ１８に伝達されている車両エンジンの駆動力が、アーマチュア１９を介して回転軸１０（ロータ１１）に伝達される。

（圧縮機本体５の構成、動作）
図２に示したように、シリンダ内周面１２ａとロータ外周面１１ａと両サイドブロック１４，１５（図１参照）との間の空間には、等間隔で設置された５つのベーン１３によって仕切られた複数の圧縮室２０が形成される。

各ベーン１３は、ロータ１１内に形成されたベーン溝２１に摺動可能に設置されていて、ベーン溝２１の底部２１ａに供給される冷凍機油による背圧により、ロータ外周面１１ａから外方向に突出する。

シリンダ１２は、ロータ外周面１１ａの外方を取り囲む断面輪郭が略楕円形状のシリンダ内周面１２ａを有している。各圧縮室２０は、ロータ１１の回転にともなう冷媒ガスの吸入工程及び圧縮工程で、それぞれ容積の増大及び減少を繰り返す。なお、本実施形態のコンプレッサ１（圧縮機本体５）は、ロータ１１が１回転する間に２回の吸入工程と圧縮工程を有している。

シリンダ１２には、各圧縮室２０へ冷媒ガスＧ１を吸入するための各吸入孔（不図示）と、各圧縮室２０で圧縮された冷媒ガスＧ２を吐出するための各吐出孔２２ａ，２２ｂが設けられている。

具体的には、圧縮室２０の容積が増加する行程において、低圧の冷媒ガスをフロントサイドブロック１４とシリンダ１２に形成された吸入孔を通して圧縮室２０内に吸入し、容積が減少する行程において、圧縮室２０内に閉じこめられた冷媒ガスを圧縮し、これによって冷媒ガスは高温、高圧となる。そして、この高温、高圧の冷媒ガスＧ２は、各吐出孔２２ａ，２２ｂを通して、シリンダ１２、ハウジング２及び両サイドブロック１４，１５で囲まれて区画された空間である吐出チャンバ２３ａ，２３ｂに吐出される。

各吐出チャンバ２３ａ，２３ｂには、冷媒ガスの圧縮室２０側への逆流を阻止する吐出弁２４と、吐出弁２４の過大な変形（反り）を阻止する弁サポート２５が設けられている。吐出孔２２ａ，２２ｂから吐出チャンバ２３ａ，２３ｂに吐出された高温、高圧の冷媒ガスＧ２は、リアサイドブロック１５に形成された吐出口２６ａ，２６ｂを通して、吐出室１６内に設けた油分離器１７に導入される。なお、図１に示すように、吐出孔２２ａ（吐出孔２２ｂ側も同様）は、シリンダ１２の長手方向（回転軸１０の軸方向）に沿って並設されている。

油分離器１７は、冷媒ガスと混ざった冷凍機油（ロータ１１に形成されたベーン溝２１から圧縮室２０に漏れたベーン背圧用の油など）を、遠心力を利用して冷媒ガスから分離するものである。詳細には、圧縮室２０から高圧の冷媒ガスＧ２が、各吐出孔２２ａ，２２ｂに吐出されて、吐出チャンバ２３ａ，２３ｂ、吐出口２６ａ，２６ｂ等を通して油分離器１７内に導入されると、油分離器１７の内周面に沿って冷媒ガスが螺旋状に旋回され、冷媒ガスに混ざっている冷凍機油を遠心分離するように構成されている。

そして、図１のように、油分離器１７内で冷媒ガスから分離された冷凍機油Ｒは吐出室１６の底部に溜まり、冷凍機油が分離された後の高圧の冷媒ガスＧ２は、吐出室１６から吐出ポート（不図示）を通して凝縮器（不図示）に吐出される。

なお、吐出室１６の底部に溜まる冷凍機油Ｒは、吐出室１６に吐出された高圧の冷媒ガスによる高圧雰囲気により、両サイドブロック１４，１５に形成された油路、サライ溝２７（図２参照）等を通してベーン溝２１の底部２１ａに供給され、ベーン１３を外方に突出される背圧となる。なお、図２では、リアサイドブロック１５側のサライ溝２７を示しているが、フロントサイドブロック１４側にも同様にサライ溝が形成されている。

また、本実施形態では、図３に示すように、シリンダ内周面１２ａの周方向に沿って、吐出孔２２ａの周囲前後に延びる凹状の面取り部３０が形成されている。面取り部３０のシリンダ内周面１２ａでの開口形状は、シリンダ内周面１２ａの周方向に沿って長方形状である。また、図４に示すように、面取り部３０の、シリンダ内周面１２ａの周方向に沿った断面形状は略円弧状である。図３、図４において、矢印ａの方向は、ロータ１１の回転にともなうベーン１３の摺動方向である。

なお、図４は、図３のＢ−Ｂ線断面図である。図３、図４は、吐出孔２２ａ側の面取り部３０を示したが、吐出孔２２ｂ側にも同様に凹状の面取り部が形成されている。

吐出孔２２ａ，２２ｂの周囲前後に延びる凹状の面取り部３０は、吐出孔２２ａ，２２ｂから高圧の冷媒ガスが吐出されるときに、吐出孔２２ａ，２２ｂ側に連通する圧縮室での圧力を穏やかに変化させることができる。これにより、ベーン１３が吐出孔２２ａ，２２ｂ付近でシリンダ内周面１２ａに強く摺接するのを防止したり、圧縮された高圧の冷媒ガスをスムーズに吐出孔２２ａ，２２ｂから吐出チャンバ２３ａ，２３ｂ（吐出口２６ａ，２６ｂ）側に吐出させることができる。

また、シリンダ内周面１２ａに吐出孔２２ａ，２２ｂを穴あけ加工するときに、吐出孔２２ａ，２２ｂ表面に加工バリが生じた場合でも、吐出孔２２ａ，２２ｂの周囲に凹状の面取り部３０を形成しているので、ベーン１３が吐出孔２２ａ，２２ｂ表面の加工バリが削除されて、加工バリによるベーン１３の損傷を防止することができる。

そして、本実施形態では、図５に示すように、凹状の面取り部３０の、ロータ１１（回転軸１０）の軸方向（図３の左右方向）における断面形状が略円弧状に形成されている。なお、吐出孔２２ａ（２２ｂ）が位置する領域では、吐出孔２２ａ（２２ｂ）を間に挟んで略円弧状に形成されている。この凹状の面取り部３０は、例えばエンドミル加工によって断面形状を略円弧状に形成することができる。なお、図５は、図３のＣ−Ｃ線断面図である。

ところで、吐出孔２２ａ，２２ｂ周囲にシリンダ内周面１２ａの周方向前後に延出した面取り部３０が形成されていると、シリンダ内周面１２ａの周方向に沿って摺動するベーン１３がこの面取り部３０を跨いだときに、このベーン１３によって仕切られたシリンダ内周面１２ａの周方向前後の各圧縮室が面取り部３０を介して連通する。

よって、ベーン１３で仕切られたより高圧状態の前側の圧縮室から後側の圧縮室に高圧の冷媒ガスが逆流して再圧縮されることで、圧縮効率が低下する。このときの再圧縮量は、面取り部３０の凹み形状と吐出孔からなるデッドボリューム（総容積）で決まる。

このため、圧縮効率の低下を抑制するには、面取り部３０の凹み容積を小さくして、デッドボリュームを低減することが好ましい。なお、吐出孔２２ａ，２２ｂから高圧の冷媒ガスが吐出されるときに、吐出孔２２ａ，２２ｂ側に連通する圧縮室での圧力を穏やかに変化させるために、吐出孔２２ａ，２２ｂに対する面取り部３０の位置や形成範囲は適正に設定する必要がある。このため、面取り部３０のシリンダ内周面１２ａでの開口形状は、従来と同じ位置に形成された長方形状であり、かつ面取り部３０の深さ（高さ）も同じである。

このように、本実施形態では、凹状の面取り部３０の、ロータ１１（回転軸１０）の軸方向における断面形状を略円弧状に形成したことにより（図５参照）、図６に示した従来例のように、凹状の面取り部３０のロータ（回転軸）の軸方向における両端部が垂直面となっている場合よりも、面取り部３０の凹み容積を小さくすることができる。

よって、本実施形態のように、凹状の面取り部３０の、ロータ１１（回転軸１０）の軸方向における断面形状を略円弧状に形成することで、面取り部３０の凹み形状と吐出孔からなるデッドボリュームを、図６に示した従来の場合よりも低減することができ、圧縮効率の低下を抑えることができる。

なお、前記した実施形態では、面取り部３０のシリンダ内周面１２ａでの開口形状が長方形状であったが、図７（ａ）に示す変形例のように、面取り部３０のシリンダ内周面１２ａでの開口形状を、シリンダ内周面１２ａの周方向に長い楕円形状としてもよい。他の構成は前記実施形態と同様である。

この変形例の場合においても、図７（ｂ）に示すように、凹状の面取り部３０の、ロータ１１（回転軸１０）の軸方向における断面形状が略円弧状に形成されている。なお、吐出孔２２ａ（２２ｂ）が位置する領域では、吐出孔２２ａ（２２ｂ）を間に挟んで略円弧状に形成されている。図５は、図７（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。この変形例における、シリンダ内周面１２ａでの開口形状が楕円形状の面取り部３０は、例えばボールエンドミル加工によって形成することができる。

このように、図７（ａ），（ｂ）に示した変形例においても、前記実施形態と同様に、凹状の面取り部３０の、ロータ１１（回転軸１０）の軸方向における断面形状を略円弧状に形成し、更にシリンダ内周面１２ａでの開口形状を楕円形状とすることで、面取り部３０の凹み形状と吐出孔からなるデッドボリュームを、図６に示した従来の場合よりも更に低減することができ、圧縮効率の低下を抑えることができる。

更に、この変形例では、凹状の面取り部３０のシリンダ内周面１２ａでの開口形状を楕円形状として、面取り部３０のシリンダ内周面１２ａの周方向に沿った幅を連続的に変化させているので、シリンダ内周面１２ａの周方向に沿って摺動するベーン１３の面取り部３０との接触位置が連続的に変化し、ベーン１３先端の偏摩耗を低減することができる。

１ コンプレッサ（気体圧縮機）
２ 本体ケース
３ フロントヘッド
４ ハウジング
５ 圧縮機本体
６ 電磁クラッチ
１０ 回転軸
１１ ロータ
１２ シリンダ
１３ ベーン
１７ 油分離器
２２ａ，２２ｂ 吐出孔
３０ 面取り部

Claims (2)

1. 回転軸と一体的に回転するロータと、前記ロータの外周面の外側を取り囲むように設けたシリンダと、前記ロータに形成したベーン溝に該ロータの外周面から前記シリンダの内周面に向けて突出自在に設けられた複数の板状のベーンと、前記ロータと前記シリンダの両端をそれぞれ塞ぐ２つのサイドブロックとを備え、
   前記シリンダの内周面に摺接する前記ベーンにより、前記シリンダの内周面と前記ロータの外周面との間に形成された空間を仕切ることによって複数の圧縮室が形成され、
   前記ロータの回転により、シリンダ内周面に摺接する前記ベーンで前記圧縮室の容積を変化させることで、前記圧縮室内に吸入されて圧縮された高圧の媒体を、前記シリンダに形成した吐出孔を通して外部に吐出させる気体圧縮機であって、
   前記吐出孔の前記シリンダ内周面側の開口周囲に、前記シリンダ内周面の周方向の少なくとも一方側に延びる凹状の面取り部が形成されており、
   前記面取り部の、前記ロータの軸方向における断面形状が略円弧状に形成されていることを特徴とする気体圧縮機。
2. 前記面取り部の前記シリンダ内周面での開口形状が、該シリンダ内周面の周方向に長い楕円形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気体圧縮機。