JP5927407B2 - ロータリ圧縮機 - Google Patents

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６に示すように、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る。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３４ａの吐出側端板３４と下軸受３５ａの端板３５とで形成された吸入室４９および圧縮室３９と、シリンダ３０内に上軸受３４ａおよび下軸受３５ａに支持されたクランク軸３１の偏芯部３１ａに嵌合されたピストン３２と、このピストン３２の外周に偏心回転に追従して往復運動し、前記シリンダ内を吸入室４９と圧縮室３９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３４ａ、下軸受３５ａ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の偏芯部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、吸入室４９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３４ａには、吸入室４９から転じて形成される圧縮室３９からガスを吐出する吐出ポート３８が開通されている。吐出ポート３８は上軸受３４ａ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−３７とで構成されている。吸入室側ではピストン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、作動流体を閉じ込んだ後の圧縮室側ではピストン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−３７より密閉容器１内に吐出される。

一方、クランク軸３１の偏芯部３１ａと上軸受３４ａの吐出側端板３４とピストン３２の内周面で囲まれる空間４６、クランク軸３１の偏芯部３１ａと下軸受３５ａの端板３５とピストン３２の内周面で囲まれる空間４７が構成されている。その空間４６、４７には油穴４１から給油穴４２、４３を経て潤滑油が漏れ込んでくる。またこの空間４６、４７にはほぼ常に圧縮室３９内部の圧力より高い状態にある。

また、シリンダ３０の高さはピストン３２が内部で偏心回転できるようにこのピストン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、このピストン３２の端面と吐出側端板３４、端板３５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および吸入室４９へ潤滑油が漏れる。潤滑油の役割としては、部材間の摺動を滑らかにし、焼き付きを防止する目的の他に、圧縮途中の作動流体が圧縮室３９から吸入室４９へ漏れるのを抑制する効果もある。

上記のようなロータリ圧縮機において、吸入した低圧・低温のガスは吐出ポート３８から吐出されるまでの間に高圧・高温のガスとなっており、それに隣接する圧縮機構部３も
略高温側の温度に近い状態にある。しかしながら、吸入したガスが高温状態のシリンダ３０や吐出側端板３４、ピストン３２、ベーン３３等と接することにより、吸入室においては吸入ガス加熱による密度低下が、圧縮室においては圧縮ガス加熱による圧力上昇が生じ、圧縮機の体積効率低下や圧縮動力の増加に繋がってしまうといった問題を生じる。

上記の課題に対し、特許文献１では、軸方向の熱伝導抑制を目的に、端板とシリンダとの間に断熱板を挟んで締結する方法が考案されている。また、他の特許文献２に記載された圧縮機では、シリンダ径方向の熱伝導抑制を目的に、シリンダ軸方向に貫通する断熱空間を設け、シリンダ内外への熱抵抗を高めている。

特開平２−１４０４８６号公報 特開平１−２５３５８７号公報

前記特許文献１の構成では、断熱板により端板側からの熱伝導を大きく低減することが可能である一方で、断熱板とピストン端面との間の摺動摩擦が大きくなったり、シール性が悪化したり、材料コストがかかるといった問題があった。また、前記特許文献２の構成では、シリンダ内外の熱抵抗を高めるような断熱空間構成であり端板側からの伝熱を十分に抑制できず、またシリンダ剛性も低下することから、信頼性面からも問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、吐出側端板とシリンダの接触部に空間を設け、接触面積を小さくすることにより、高温の吐出ガスに隣接する端板の熱をシリンダに伝わるのを抑制し、シリンダの温度低下により高い体積効率を実現しつつ、圧縮動力の低減も実現できる圧縮機を提供することを目的とする。

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、被圧縮流体を取り込む
少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダの両端面を閉塞する複数の端板とを備え、前記吐出側端板と前記シリンダとを締結により固定するロータリ圧縮機であって、前記端板の内、前記シリンダから吐出された作動流体と前記シリンダ内を仕切る吐出側端板に吐出ポートと前記吐出ポートを覆うマフラーを備え、高温の吐出ガスに晒される前記シリンダの、前記吐出側端板との接触面の前記締結部近傍に、深さが前記シリンダ高さの２０％以内の凹部を設けたことで、吐出側端板の熱がシリンダに移動するのを抑制し、その結果、シリンダから作動流体への加熱を抑制させることができる。

本発明の圧縮機は、シリンダ温度低下により、吸入途中の作動流体加熱を抑制することで高い体積効率を実現しつつ、また圧縮途中の加熱抑制により所要動力の低減も同時に図ることができる。

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における圧縮機構部の組立図 本発明の実施の形態１におけるシリンダ高さ方向の温度分布を示す図 本発明の実施の形態２におけるロータリ圧縮機の圧縮機構部の拡大断面図 一般的なロータリ圧縮機の縦断面図

第１の発明は、被圧縮流体を取り込む少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダの両端面を閉塞する複数の端板とを備え、前記吐出側端板と前記シリンダとを締結により固定するロータリ圧縮機であって、前記端板の内、前記シリンダから吐出された作動流体と前記シリンダ内を仕切る吐出側端板に吐出ポートと前記吐出ポートを覆うマフラーを備え、前記シリンダの、前記吐出側端板との接触面の前記締結部近傍に、深さが前記シリンダ高さの２０％以内の凹部を設けたことを特徴とするロータリ圧縮機であって、高温流体に晒され高温となった吐出側端板からシリンダが受熱し難い構造とすることで、吸入途中や圧縮途中の作動流体加熱を抑制でき、体積効率の向上ならびに圧縮動力の低減を実現することができる。また、シリンダ側に凹部を設けることで、吐出側端板を必要最低限の肉厚で構成でき、コスト面にも優れた圧縮機を実現することができる。
また、吐出側端板とシリンダを締結により固定し、凹部の内少なくとも１箇所は締結部近傍に設けている。凹部を設けることで断熱性能を向上させることが可能となるが、設ける場所や大きさによっては、圧縮室と密閉容器内とのシール性を低下させてしまう可能性がある。そこで、締結力が強い締結部近傍に凹部を設けることで接触面全体のシール性を悪化させることなく、断熱性を向上させることが可能となる。

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、凹部を吐出ポート近傍の接触面に設けている。これにより、吐出側端板の中でも特に高温となっている吐出ポート近傍の接触面での熱伝導を抑制でき、シリンダ温度上昇を効果的に抑制できる他、吐出ポート近傍は圧縮中の作動流体と接する割合が高く、作動流体加熱抑制による圧縮動力の低減も顕著となる。

第３の発明は、特に、第１または２の発明のロータリ圧縮機において、凹部を設けるシリンダまたは吐出側端板が焼結材で成型されている。焼結材は一般的に用いられる鋳物材と比し、成型時に複雑で高精度な形状で製造することが可能であり、鋳物材に機械加工で凹部を設ける場合と比較し、余分な加工コストを生じることなく本発明の効果を得ることが可能となる。

第４の発明は、特に、第１の発明のロータリ圧縮機において、凹部を吸入ポート近傍の接触面に設けている。吸入ポート近傍は低温の吸入ガスにより冷却されており、吐出側端板との温度差も顕著であることから、接触面での熱伝導を抑制でき、シリンダ温度上昇を効果的に抑制できる他、吸入ポート近傍は吸入途中の作動流体と接する時間が長く、作動流体加熱抑制による体積効率の向上も顕著となる。

第５の発明は、特に、第４の発明のロータリ圧縮機において、凹部により形成される空間が吐出側端板とシリンダにより構成される閉空間としている。圧縮機の内部において最も低温状態である吸入ガス近傍に設けた断熱空間では、熱交換量を最小限に抑制することが吸入ガスへの加熱抑制に繋がることから、本発明の効果が顕著に表れるものである。

第６の発明は、特に、第１から第５の発明のロータリ圧縮機において、作動流体として高圧冷媒である二酸化炭素を用いたものである。二酸化炭素を用いた圧縮機は、運転時の圧力差が大きいため、吸入ガスと吐出ガスの温度差が大きく、作動流体加熱で効率が低下しやすいため、本発明の効果が顕著に表れるものである。

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図面である。

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る。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よう締結ボルト７で固定された上軸受３４ａの吐出側端板３４と下軸受３５ａの端板３５とで形成された吸入室４９および圧縮室３９と、シリンダ３０内に上軸受３４ａおよび下軸受３５ａに支持されたクランク軸３１の偏芯部３１ａに嵌合されたピストン３２と、このピストン３２の外周に偏心回転に追従して往復運動しシリンダ３０内を吸入室４９と圧縮室３９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３４ａ、下軸受３５ａ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の偏芯部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、吸入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３４ａには、吸入室４９から転じて形成される圧縮室３９からガスを吐出する吐出ポート３８が開通されている。吐出ポート３８は上軸受３４ａ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−３７とで構成されている。

吸入室側ではピストン３２の摺接部が吸入ポート４０を通過して吸入室４９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、圧縮室側ではピストン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−３７より密閉容器１内に吐出される。吐出ポート３８は上軸受３４ａ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−３７とで構成されている。これによりカップマフラ−３７の内側は吐出した高温のガスで常に満たされており、上軸受３４ａはこの高温ガスから受熱して高温状態になっている。

一方、クランク軸３１の偏芯部３１ａと上軸受３４ａの吐出側端板３４とピストン３２の内周面で囲まれる空間４６、クランク軸３１の偏芯部３１ａと下軸受３５ａの端板３５とピストン３２の内周面で囲まれる空間４７が構成されている。その空間４６、４７には油穴４１から給油穴４２、４３を経て油が漏れ込んでくる。またこの空間４６、４７の圧力はほぼ常に圧縮室３９内部の圧力より高く、概ね吐出圧力と同じ状態にある。

また、シリンダ３０の高さはピストン３２が内部で摺動できるようにこのピストン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、このピストン３２の端
面と上軸受３４ａ、下軸受３５ａ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へ油が漏れる。

図３は、本発明のロータリ圧縮機の圧縮機構部の組立図を示している。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、シリンダ３０には吐出側端板３４と接触面３０ａに凹部４８を設けている。これにより吐出側端板３４との接触面積が小さくなり、高温状態の吐出側端板３４からの伝熱抵抗が高まることでシリンダ３０の温度が低下し、作動流体加熱抑制が可能となる。また、接触面３０ａに設けた凹部４８の深さをシリンダ３０の高さの２０％以内としている。

図４は、凹部の有無によるシリンダ高さ方向の温度分布を示しているが、シリンダ高さの２０％に相当する凹部を設けることで、吐出側端板からの熱流束が大きく減少し、温度勾配が緩やかになっていることが確認できる。つまり、必要以上に深い凹部はシリンダ３０の径方向剛性を低下させ、入力増加や信頼性悪化の要因となることから、凹部４８の深さはシリンダ高さ３０の２０％以内が適当である。

さらに、本実施の形態では、吐出側端板３４とシリンダ３０は締結ボルト７で締結されていることから、凹部４８は締結ボルト７による締結部３０ｂの近傍に設けることで、高圧状態であるシリンダ外周から凹部４８を介して低圧状態もしくは圧縮途中の圧縮室や吸入室に漏れに影響を与えずに接触面３０ａの断熱性を向上させることができる。

また、少なくとも吸入ポート４０近傍に設けた凹部４８は、吐出側端板３４と締結された際には接触面３０ａの内側や外側いずれの空間にも連通しない閉空間とすることで、吸入ポート４０内の吸入ガスとの熱交換を最小限に抑え、高い体積効率を実現することを可能としている。

また、本実施の形態では、シリンダを焼結材で構成することにより、成型段階で予め凹部４８を高精度で設けることが可能となり、後加工によるコスト上昇を無く、発明の効果を得ることができる。

また、作動流体として高圧冷媒、例えばＣＯ２を用いることで、特に、差圧が大きく、吸入温度と吐出温度の差が大きいＣＯ２においても、吐出側端板３４からシリンダ３０への熱伝導を顕著に低減することができ、より効果的に高効率化することが可能である。

（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態におけるロータリ圧縮機の圧縮機構部の拡大断面図を示すものである。図５において図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、同じ効果については説明を省略する。

図５に示すように、本実施の形態のロータリ圧縮機では、凹部４８を吐出側端板３４に設けることにより、吐出側端板３４の熱がシリンダ３０に伝わるのを抑制し、前記実施の形態１と同様の効果を発揮しながらも、シリンダ３０の剛性は一切変化しないことから、高い信頼性も実現できるものである。

以上のように、本発明のロータリ圧縮機は、作動流体の漏れ損失や過剰給油による摺動損失と加熱損失を低減し、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系冷媒等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ＣＯ２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。

１ 密閉容器
２ 電動機
２２ 固定子
２４ 回転子
２６ エアギャップ
２８ 切欠部
３ 圧縮機構部
３０ シリンダ
３０ａ 接触面
３０ｂ 締結部
３１ クランク軸
３１ａ 偏芯部
３２ ピストン
３２ａ ピストン外周
３２ｂ ピストン内周
３３ ベーン
３４ 吐出側端板
３４ａ 上軸受
３５ 端板
３５ａ 下軸受
３６ 吐出弁
３７ カップマフラ−
３８ 吐出ポート
３９ 圧縮室
４９ 吸入室
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 凹部
５ 上シェル
５１ 冷媒吐出管
５２ 吐出空間
６ オイル溜り
７ 締結ボルト
１００ スラスト軸受
１０１ 摺動部材

Claims (6)

1. 被圧縮流体を取り込む少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダの両端面を閉塞する複数の端板とを備え、前記吐出側端板と前記シリンダとを締結により固定するロータリ圧縮機であって、
   前記端板の内、前記シリンダから吐出された作動流体と前記シリンダ内を仕切る吐出側端板に吐出ポートと前記吐出ポートを覆うマフラーを備え、前記シリンダの、前記吐出側端板との接触面の前記締結部近傍に、深さが前記シリンダ高さの２０％以内の凹部を設けたことを特徴とするロータリ圧縮機。
2. 前記凹部を吐出ポート近傍の前記接触面に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。
3. 前記凹部を有する部材は焼結材で構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のロータリ圧縮機。
4. 前記凹部を吸入ポート近傍の前記接触面に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。
5. 前記凹部により形成される空間は、前記吐出側端板と前記シリンダにより構成される閉空間であることを特徴とする請求項４に記載のロータリ圧縮機。
6. 前記被圧縮流体を、高圧冷媒とする請求項１から５のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。

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