JP2023078908A - ロータリ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】小径なロータリ圧縮機を提供する。【解決手段】本発明のロータリ圧縮機１００は、外郭を形成する密閉容器１と、密閉容器１内に収納されるモータ要素２および圧縮要素３と、密閉容器１の底部の冷凍機油を貯留する貯留部４と、モータ要素２と圧縮要素３とが連結される回転軸５とを備え、圧縮要素３は、筒状のシリンダ３１ａ，３１ｂと、シリンダ３１ａ，３１ｂ内に配置され回転軸５に設けられる偏心軸部５１ａ、５１ｂに回転自由に嵌合される環状のローラ３２ａ，３２ｂと、ローラ３２ａ，３２ｂの外周面に当接してシリンダ３１ａ，３１ｂの半径方向に往復運動するベーン３６ａ，３６ｂと、ベーン３６ａ，３６ｂ後端部に設置されたばね３７ａ，３７ｂとを有し、ベーン３６ａ，３６ｂ後端部は、往復運動する際に、密閉容器１の内周面１ｎより外方に突出する。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータリ圧縮機に関する。

特許文献１、２には、ロータリ圧縮機に関して、ベーンばねの自由長を確保するため、ベーンばねを収納する円筒形状のばねガイドを円筒状の密閉容器の外方へ突出して設けることが記載されている。

実開昭５０－２８３０５号公報(第１図、第２図等) ＷＯ２０２０－１７９０４３Ａ１号公報(図１、図２、図４等)

柳沢正、ローリングピストン形回転圧縮機の基礎的な運転特性に関する研究、大阪大学博士論文 (1983)

特許文献１、２において、ベーンばねを収納する円筒形状のばねガイドの内径は、ベーンの幅より小さいので、ベーンがばねガイドの円筒内に侵入することはない。したがって、ベーンは突出したばねガイドに接合された円筒状の密閉容器内周より外方に出ることはない。

ところで、ロータリ圧縮機は密閉容器の円筒部に、円筒形状のモータや回転軸、シリンダ等を収納している。そのため、密閉容器の内周面とシリンダ内周面の中心は一致している。また、ベーンはシリンダの半径方向に往復運動するが、ベーンがベーン溝に完全に収納されるためには、密閉容器内径とシリンダ内径とベーン長さとの関係は下式（１）、（１Ａ）を満たさなければならない。

容器内径≧シリンダ内径＋ベーン長さ×２ （１）
式（１）は、２で除算して、
容器内半径≧シリンダ内半径＋ベーン長さ （１Ａ）
と表せる。
すなわち、圧縮機の小型化を図るため密閉容器の小径化を行う場合、最小容器内径は以下に式で表される。

式（１）により、
最小容器内径＝シリンダ内径＋ベーン長さ×２ （２）
または、
式（１Ａ）により、
最小容器内半径＝シリンダ内半径＋ベーン長さ （２Ａ）

したがって、特許文献１及び特許文献２は、容器の小径化を図る場合、密閉容器の径を式（２）、式（２Ａ）で表される値より小さくできないという課題があった。

前記課題を解決するため、本発明のロータリ圧縮機は、外郭を形成する密閉容器と、前記密閉容器内に収納されるモータ要素および圧縮要素と、前記密閉容器の底部に設けられ冷凍機油を貯留する貯留部と、前記モータ要素と前記圧縮要素とが連結される回転軸とを備え、前記圧縮要素は、筒状のシリンダと、前記シリンダ内に配置され前記回転軸に設けられる偏心部に回転自由に嵌合される環状のローラと、前記ローラの外周面に当接して前記シリンダの半径方向に往復運動するベーンと、前記ベーン後端部に設置されたばねとを有し、前記ベーン後端部は、往復運動する際に、前記密閉容器の内周面より外方に突出する。

本発明の実施形態１に係るロータリ圧縮機の縦断面図。 ロータリ圧縮機の圧縮要素の横断面図。 同一冷凍能力での押除量と圧縮機の性能を表すＣＯＰとの関係を表す計算結果を示す図。 パラメータα、βとＣＯＰとの関係を表す計算結果の図。 パラメータα、βと機械効率との関係を表す計算結果の図。 パラメータα、βと体積効率との関係を表す計算結果の図。 実施形態１のロータリ圧縮機(左図)と従来のベーン収納部が密閉容器から突出しないロータリ圧縮機(右図)との比較を示す図。 本発明の実施形態２に係るロータリ圧縮機の縦断面図。 本発明に係る実施形態３の密閉型ロータリ圧縮機を搭載した冷蔵庫の縦断面図。

以下、本発明を実施するための形態として、実施形態１、２、３について、適宜図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

＜＜実施形態１＞＞
図１に、本発明の実施形態１に係るロータリ圧縮機１００の縦断面図を示し、図２に、ロータリ圧縮機１００の圧縮要素３の横断面図を示す。
ロータリ圧縮機１００は、横型の機械であり、密閉容器１に覆われている。

図１に示す密閉容器１内には、モータ要素２および圧縮要素３が収納されている。密閉容器１の底部は冷凍機油が貯溜されている貯留部４となっている。冷凍機油は、圧縮要素３を潤滑し、圧縮要素３の後記の第１シリンダ室Ｃ１(図２参照)と第２シリンダ室Ｃ２とをそれぞれシールする。
モータ要素２は、固定子２１と回転子２２とを有している。固定子２１は回転磁界を作る。回転子２２は回転磁界により回転する。

回転子２２には回転軸５が嵌合され固定されている。回転軸５は、２つの偏心軸部５１ａ、偏心軸部５１ｂを圧縮要素３内に有している。
固定子２１と回転子２２とは中心軸が一致するように配置されている。

＜圧縮要素３＞
回転軸５の圧縮要素３内の二ヶ所の偏心軸部５１ａ、５１ｂには、それぞれ環状のローラ３２ａ、３２ｂ(図２参照)が回転自由に嵌合されている。

図１に示すように、圧縮要素３には、筒状のシリンダ３１ａと仕切り板３３と筒状のシリンダ３１ｂとが設けられている。
回転軸５は、圧縮要素３において、一方側が主軸受３４に支持され，他方側が副軸受３５に支持されている。
圧縮要素３は、第１シリンダ室Ｃ１と第２シリンダ室Ｃ２とを具備している。
第１シリンダ室Ｃ１は、図１に示すように、筒状のシリンダ３１ａ、環状のローラ３２ａ、主軸受３４、および仕切り板３３で形成されている。

第２シリンダ室Ｃ２は、筒状のシリンダ３１ｂ、環状のローラ３２ｂ、仕切り板３３、および副軸受３５で形成されている。
図２に示すように、シリンダ３１ａ内の第１シリンダ室Ｃ１を吸入室Ｃ１ｎと圧縮室Ｃ１ｏとに区切るために、板状のベーン３６ａが設置されている。ベーン３６ａは、環状のローラ３２ａの外周に常に当接して、ローラ３２ａを回転軸５の偏心軸部５１ａに押圧する。偏心軸部５１ａは回転運動するので、ベーン３６ａはシリンダ３１ａの半径方向に往復運動を繰り返す。

同様に、シリンダ３１ｂ内の第２シリンダ室Ｃ２を吸入室Ｃ２ｎと圧縮室Ｃ２ｏに区切るために、板状のベーン３６ｂが設置されている。ベーン３６ｂは、環状のローラ３２ｂの外周に常に当接して、ローラ３２ｂを回転軸５の偏心軸部５１ｂ(図１参照)に押圧する。偏心軸部５１ｂは回転運動するので、ベーン３６ｂはシリンダ３１ｂの半径方向に往復運動を繰り返す。
図１に示すように、密閉容器１の軸方向の一方側には、吸入パイプ６と吐出パイプ７とが設置されている。

＜圧縮要素３の動作＞
吸入パイプ６は、圧縮するためのガス冷媒を、第１シリンダ室Ｃ１の吸入室Ｃ１ｎ(図２参照)と第２シリンダ室Ｃ２の吸入室Ｃ２ｎ(図２参照)とに吸入する。
吸入されたガス冷媒は、図２に示す第１シリンダ室Ｃ１の圧縮室Ｃ１ｏと第２シリンダ室Ｃ２の圧縮室Ｃ２ｏとで圧縮される。圧縮後、圧縮室Ｃ１ｏ、Ｃ２ｏで圧縮されたガス冷媒は、密閉容器１内の空間１１(図１参照)に一旦吐き出される。その後、圧縮されたガス冷媒は、吐出パイプ７を通って冷凍サイクル等に流出する。

図１に示す密閉容器内空間１１は、圧縮室Ｃ１ｏ、Ｃ２ｏで圧縮されたガス冷媒の吐出圧力（高圧）となっている。そのため、シリンダ３１ａ、３１ｂの第１・第２シリンダ室Ｃ１、Ｃ２内から見たベーン３６ａ、３６ｂの後端に常に中心側に向かう高圧がかかる。これにより、ベーン３６ａ、３６ｂの先端がそれぞれローラ３２ａ、３２ｂの各外周面から離れるのを防止している。

＜ベーン３６ａ、３６ｂと圧縮ばね３７ａ、３７ｂ＞
図１に示すベーン３６ａ、３６ｂの後端部に設置された圧縮ばね３７ａ、３７ｂは、それぞれ運転開始初期の背圧が不十分なときに、ベーン３６ａ、３６ｂのローラ３２ａ、３２ｂからの離脱を防止する程度のばね力を有する。
密閉容器１底部に貯溜された冷凍機油には、圧縮室Ｃ１ｏ、Ｃ２ｏから吐き出されたガス冷媒によって高圧がかかっている。そのため、図１、図２に示すベーン３６ａ、３６ｂとシリンダ３１ａ、３１ｂ等の微小隙間から冷凍機油がそれぞれ第１・第２シリンダ室Ｃ１、Ｃ２内に流入し、各部のシールおよび偏心軸部５１ａ、５１の回転運動に係る機械要素の潤滑を行っている。

図２に示すシリンダ３１ａ、３１ｂのベーン収納部３１０ａ、３１０ｂは、ベーン３６ａ、３６ｂが往復運動する際にベーン溝３１０ａ１、３１０ｂ１に完全に収納されるため、円筒形状のシリンダ３１ａ、３１ｂから外方に突出して形成されている。つまり、ベーン３６ａ、３６ｂの各後端部は、往復運動する際に、密閉容器１の円筒状の内周面１ｎより外方に突出する。これにより、シリンダ３１ａ、３１ｂの内径を大きく形成でき、ＣＯＰを向上させることができる(詳細は後記)。

ベーン収納部３１０ａ、３１０ｂは円筒状の密閉容器１から外方に突出して形成されている。ベーン収納部３１０ａ、３１０ｂの突出した部分は密閉容器１の底部に設けられる凸部１ｃに収納されている。

図１において、一点鎖線Ａ－Ａは密閉容器１の円筒状の内周面１ｎの最底面の位置を示し、ベーン３６ａ、３６ｂの後端の往復運動時の最下点の位置はこの密閉容器１の内周の最底面の位置Ａ－Ａより、下側になる。すなわち、ベーン３１ａ、３１ｂは密閉容器１の円筒状の内周面１ｎ(図２参照)より外方に突出する構成となっている。
この際、ベーン収納部３１０ａ、３１０ｂの突出した部分が、密閉容器１の底部の凸部１ｃに収納されることから、密閉容器１の最小容器内径は以下の式で表される。

最小容器内径＜シリンダ内径＋ベーン長さ×２ （３）
または、式（３）より、
最小容器内半径＜シリンダ内半径＋ベーン長さ （３Ａ）
したがって、従来の特許文献１、２の式（２）、式（２Ａ）と比較して、密閉容器１の最小容器内径を小さくでき，小型化に有利である。
以上はシリンダ３１ａ、３１ｂの内径が固定された場合の密閉容器１の内径の小径化による小型化ついて述べたが、以下では容器内径が固定された場合、シリンダ内径を大径化することにより性能が向上する理由について説明する。

＜シリンダ３１ａ、３１ｂの内径の大径化による性能向上＞
ロータリ圧縮機１００のガス冷媒の押除量Ｖthは以下の式（４）で表される。

なお、Ｒｃはシリンダ半径、Ｒｒはローラ外半径，ｈはシリンダ高さである。
ここで、２個の形状パラメータα（＝Ｒｒ／Ｒｃ）とβ（＝ｈ／Ｒｃ）を導入し、押除量Ｖｔｈを固定すると、シリンダ形状はこの２個のパラメータα、β、
つまり、 α＝Ｒｒ（ローラ外半径）／Ｒｃ（シリンダ半径）、β＝ｈ（シリンダ高さ）／Ｒｃ（シリンダ半径）
により決まる。

シリンダ半径Ｒｃを、式（４）を用いてＶｔｈ，α，βで表すと、以下の式（５）となる。

式（５）から、シリンダ形状は，αが大きいほどβが小さいほど，シリンダ径Ｄｃ（＝２Ｒｃ）が大きく，シリンダ高さｈ（＝βＲｃ）が小さくなるため，扁平形状となる。
＜ロータリ圧縮機１００のＣＯＰ（冷凍能力/圧縮機入力）と押除量Vth＞
発明者らは、非特許文献１に記載の計算モデルを参考にして、ロータリ圧縮機１００の押除量Ｖth、パラメータα、βを変化させた時の性能予測を実施した。

図３に、同一冷凍能力での押除量と圧縮機の性能を表すＣＯＰ（Coefficient of Performance：冷凍能力/圧縮機入力）との関係を表す計算結果を示す。図３においては、同一冷凍能力を得るため、圧縮機ロータリ１００の回転速度を変化させている。

図３より、押除量が大きいほどＣＯＰが向上することが分る。この理由は、押除量が大きいほど回転軸５の回転速度を低くでき、摩擦等による機械損失が低減するためである。したがって、式（５）より、パラメータα、βが同じ場合、シリンダ半径Ｒｃが大きいほど押除量Ｖthは大きくなる。そのため、シリンダ径Ｄｃ（＝２Ｒｃ（シリンダ半径））が大きいほど性能向上を図ることができる。

＜パラメータα、βとＣＯＰ＞
次に、図３の押除量Vth_aの時のパラメータα、βとＣＯＰとの関係を表す計算結果（ＣＯＰ、機械効率、体積効率）を図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに示す。
ＣＯＰは機械効率と体積効率に比例する。

図４Ｂに示すように、機械効率は、αとβともに大きいほど、大きくなる。
図４Ｃに示すように、体積効率は、βが小さいほど大きく、αの影響は小さい。
これらの関係により、図４Ａに示すように、ＣＯＰはαが大きいほど、βが小さいほど大きい。すなわち、式（５）より、シリンダ半径Rcが大きいほど、大きくなり、性能向上を図ることができる。
なお、図４Ａに示すように、αが大きいほど、βが小さいほどＣＯＰが向上するのは主に以下の理由による。

α（=Rr：ローラ外半径/Rc：シリンダ半径）が大きいほど、ベーン３６ａ、３６ｂの往復運動の長さRc-Rr（=Rc(1-α)）が小さくなる。そのため、ベーン溝３１０ａ１、３１０ｂ１(図２参照)での摺動損失が低減し、機械効率が増加する。
β（=h：シリンダ高さ/Rc：シリンダ半径）が小さいほど、シリンダ高さh(=βRc)が小さくなる。そのため、図２に示すように、シリンダ３１ａ、３１ｂ内周とローラ３２ａ、３２ｂ外周との隙間を介した圧縮室Ｃ１ｏ、Ｃ２ｏから吸入室Ｃ１ｎ、Ｃ２ｎへの漏れが減少し、体積効率が増加するためである。

以上の説明の通り、密閉容器１の容器内径が固定された場合、シリンダ３１ａ、３１ｂの内径を大径化することにより性能向上を図ることができる。
＜冷凍機油＞

図１に示すように、密閉容器１の底部の凸部１ｃの内空間の貯留部４には冷凍機油が貯溜されている。シリンダ３１ｂの背圧室３１１ｂ(図２参照)の容積がベーン３６ｂの往復運動により変化することにより、給油パイプ４１(図１参照)を通して回転軸５の高さまで冷凍機油が吸い上げられ、圧縮要素３に給油される。

図５に、実施形態１のロータリ圧縮機１００(図５の左図)と従来のベーン収納部が密閉容器から突出しないロータリ圧縮機２００(図５の右図)との比較を示す。
従来のロータリ圧縮機２００(図５の右図)のシリンダ３１a、３１ｂの寸法は、実施形態１(図５の左図)のロータリ圧縮機１００のシリンダ３１a、３１ｂの寸法と同じである。
従来のロータリ圧縮機２００(図５の右図)の外径Ｄ１は、シリンダ３１ａ、３１ｂのベーン収納部３１０ａ、３１０ｂを内蔵できる寸法となっている。

これに対して、実施形態１(図５の左図)のロータリ圧縮機１００は、シリンダ３１ａ、３１ｂのベーン収納部３１０ａ、３１０ｂを内蔵するため、外径Ｄ２の密閉容器１の中心からＤ１／２の位置に凸部１Ｃの底部を設けている。
こうして、図５に示すように、実施形態１(図５左図)のロータリ圧縮機１００は従来(図５右図)のロータリ圧縮機２００と比べて、幅寸法が従来のＤ１からＤ２，縦寸法が従来のＤ１から（Ｄ１＋Ｄ２）／２の大きさに小型化できる。

また、実施形態１のロータリ圧縮機１００の冷凍機油の油面高さは従来のロータリ圧縮機２００の冷凍機油と同じである。
従来のロータリ圧縮機２００(図５右図)では、冷凍機油が外径の大きな密閉容器２０１の底部の貯留部４ａに貯溜している。
これに対して、実施形態１(図５左図)のロータリ圧縮機１００では、冷凍機油を容積の小さい凸部１ｃの内部空間である貯留部４に貯溜している。そのため、実施形態１によれば貯溜する冷凍機油の量を低減できる。

さらに、冷媒として、イソブタンやプロパンのような可燃性冷媒を使用する場合、冷凍機油の量を低減することにより、冷凍機油に溶解する可燃性冷媒の量も減らせる。そのため、実施形態１のロータリ圧縮機１００を用いる冷蔵庫や空調装置の安全性向上に寄与することができる。
上記構成によれば、図５左図に示すように、密閉容器１の小径化を図れるロータリ圧縮機１００を提供できる。

＜＜実施形態２＞＞
次に、本発明の実施形態２の構成および効果等について示す。その際に、実施形態２においては、実施形態１と異なる部分を説明し、実施形態１と重複する部分の説明を省略する。

図６に、本発明の実施形態２に係るロータリ圧縮機１１０の縦断面図を示す。
実施形態２のロータリ圧縮機１１０は、実施形態１のロータリ圧縮機１００(図１参照)を冷凍機油が貯溜される密閉容器１の底部の貯留部４の凸部１ｃ側が下方に位置するように傾斜させて配置したものである。

図６の一点鎖線Ｃ－Ｃは、回転軸５の中心線を表す。一点鎖線Ｃ－Ｃは密閉容器１の円筒部の中心線と一致する。図６の二点鎖線Ｈ－Ｈは、水平線を表す。図６の実線Ｈ１－Ｈ１は水平な台を表す。
ロータリ圧縮機１１０は、回転軸５の中心線Ｃ－Ｃが水平線Ｈ－Ｈに対して、凸部１ｃが下方に位置するように傾斜して配置する。そのため、高さの異なる台６１ａと台６１ｂが、それぞれモータ要素２の端部の密閉容器１の底部(図６の密閉容器１の左下)と、圧縮要素３の端部の密閉容器１の底部(図６の密閉容器１の右下)に設けられている。

つまり、高さが高い台６１ａが、モータ要素２の端部の密閉容器１の底部(図６の密閉容器１の左下)に設置され、高さが低い台６１ｂが、圧縮要素３の端部の密閉容器１の底部(図６の密閉容器１の右下)に設置されている。

これにより、主軸受３４を潤滑した冷凍機油が主軸受３４の回転子２２側から密閉容器１内の空間１１に流出した際、モータ要素２付近の密閉容器１の底部に滞留することなく、冷凍機油の自重により、密閉容器１内側の傾斜部に沿って凸部１ｃの内部空間である貯留部４に流入する。したがって、冷凍機油が凸部１ｃの内部空間の貯溜部４以外に滞留するのを防止でき、必要な冷凍機油の量を低減できる。実施形態１と比べて、本実施形態２の貯留部４はさらに冷凍機油が貯留される量を低減できる。

したがって、冷凍機油に溶解する可燃性冷媒の量も減らせるので、実施形態２のロータリ圧縮機１１０を用いる冷蔵庫や空気調和装置の安全性向上に寄与することができる。
＜＜実施形態３＞＞

図７に、本発明に係る実施形態３の密閉型ロータリ圧縮機（圧縮機）１００（１１０）を搭載した冷蔵庫３００の縦断面図を示す。
実施形態３では、本発明に係るロータリ圧縮機１００（１１０）を搭載した機器の一例である冷蔵庫３００について説明する。
冷蔵庫３００は、外部空間に対して断熱する箱体の断熱箱体２０１を有している。冷蔵庫３００は、貯蔵室の一例として冷蔵室２０４、上段冷凍室２０５、下段冷凍室２０６、野菜室２０７を有している。

冷蔵庫３００の後下方側には、断熱箱体２０１と仕切部２０３で囲まれた機械室が設置されている。機械室には冷凍サイクル装置が設置されている。
冷凍サイクル装置には、前記の実施形態１、２で説明した密閉型ロータリ圧縮機１００（１１０）が採用されている。
冷蔵庫３００に、前記の実施形態１、２のロータリ圧縮機１００（１１０）を採用することにより性能向上が図れる。

なお、図７では本発明に係るロータリ圧縮機１００（１１０）を搭載する機器として冷蔵庫３００を例にとり説明したが、本発明のロータリ圧縮機１００（１１０）は冷蔵庫３００に限られず、空気調和機や冷凍冷蔵ショーケース等の種々の冷凍サイクル装置に適用できる。

＜＜その他の実施形態＞＞
１．前記した実施形態１，２，３では、第１シリンダ室Ｃ１と第２シリンダ室Ｃ２との２つのシリンダ室を有するロータリ圧縮機１００（１１０）を例に挙げて説明したが、本発明は、単一または２つ以上の複数のシリンダ室を有するロータリ圧縮機に適用できるのは勿論である。

２．本発明は、前記した実施形態、変形例の構成に限られることなく、添付の特許請求の範囲内で様々な変形形態、具体的形態が可能である。

１ 密閉容器
１ｃ 凸部(内部空間)
１ｎ 内周面
２ モータ要素
３ 圧縮要素
４，４ａ 貯留部
５ 回転軸
１１ 密閉容器内空間
２１ 固定子
２２ 回転子
３１ａ，３１ｂ シリンダ
３２ａ，３２ｂ ローラ
３６ａ，３６ｂ ベーン
３７ａ，３７ｂ ベーンばね(ばね)
４１ 給油パイプ
５１ａ、５１ｂ 偏心軸部
１００，１１０ ロータリ圧縮機
３００ 冷蔵庫
Ｈ－Ｈ 水平線(水平)

Claims (4)

1. 外郭を形成する密閉容器と、
   前記密閉容器内に収納されるモータ要素および圧縮要素と、
   前記密閉容器の底部に設けられ冷凍機油を貯留する貯留部と、
   前記モータ要素と前記圧縮要素とが連結される回転軸とを備え、
   前記圧縮要素は、筒状のシリンダと、前記シリンダ内に配置され前記回転軸に設けられる偏心軸部に回転自由に嵌合される環状のローラと、前記ローラの外周面に当接して前記シリンダの半径方向に往復運動するベーンと、前記ベーン後端部に設置されたばねとを有し、
   前記ベーン後端部は、往復運動する際に、前記密閉容器の内周面より外方に突出する
   ことを特徴とするロータリ圧縮機。
2. 請求項１に記載のロータリ圧縮機において、
   前記ベーンを前記密閉容器の側面に設けた凸形状の内部空間に収納させるとともに、前記内部空間である貯留部に前記冷凍機油を貯溜させている
   ことを特徴とするロータリ圧縮機。
3. 請求項２に記載のロータリ圧縮機において、
   前記回転軸を水平に対して、前記凸形状の内部空間が下方に位置するように傾斜して配置されている
   ことを特徴することを特徴とするロータリ圧縮機。
4. 請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載のロータリ圧縮機を搭載した冷蔵庫。
   

Images