JP5991958B2 - ロータリー圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機などの冷熱機器に用いるロータリー圧縮機に関する。

ロータリー圧縮機は、クランク軸の偏心軸部に嵌着したローリングピストンが、シリンダー内の中央空間部の内壁面に線接触状態にて可動式に配設されている。また、このローリングピストンは、シリンダーのベーン溝内に配設されたベーンとも当接状態となっている。そしてシリンダーとローリングピストンとの隙間に形成される空間が、ベーンによって圧縮室と吸入室とに仕切られている。

このようなものにおいて、ローリングピストンが偏心回転（公転）すると、冷媒ガスを吸入する行程から圧縮する行程へと順次移行する一連の吸入・圧縮行程が連続して繰り返される。圧縮されたガスは、密閉容器内に放出された後、吐出管から冷凍回路へ送り込まれる。

ロータリー圧縮機の圧縮工程において、ベーンは、クランク軸の偏心軸部の位相１８０°まではベーン溝基部の背圧室からの圧を受けて圧縮室内外の差圧から生じる押付荷重によってローリングピストンに追従し下死点へと移動し、それ以上の位相ではクランク軸の回転に伴いローリングピストンからの荷重を受け、上死点へと移動する（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１６６４９５号公報（段落［０００３］、［０００４］、図３）

しかしながら、ロータリー圧縮機では、ベーンが下死点に移動する間（クランク軸の偏心軸部の位相が１８０°になる前）に、ベーンとベーン溝との間の摺動抵抗が大きくなると、ベーンがローリングピストンに追従しなくなり、ベーンとローリングピストンとが離れ、再接触する際に、騒音が生じる、圧縮室側（高圧側）から吸入室側（低圧側）へと冷媒が漏れて性能が低下するといった問題があった。

従来は、このようなベーンとベーン溝との間の摺動抵抗の問題を、ベーン溝の側壁部に冷凍機油（潤滑油）を供給することで、改善するようにしている。しかしながら、摺動抵抗を発生させる要因となるのは、ベーン両側に生じる吸入側と吐出側の圧力荷重の差である。従来はそこに着目されておらず、摺動抵抗の発生そのものを抑制するものではなかった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、ベーン両側に生じる吸入側と吐出側の圧力荷重の差を低減できるようにして、騒音の抑制と、高圧側から低圧側への冷媒の漏れを低減できるようにすることを目的とする。

本発明に係るロータリー圧縮機は、密閉容器内に冷媒を圧縮する圧縮機構部と圧縮機構部の駆動源となる電動機部とを備え、圧縮機構部は、電動機部により回転駆動されるクランク軸と、クランク軸の偏心軸部に嵌合されたローリングピストンと、ローリングピストンを収納する内周面が円筒状に形成されたシリンダーと、シリンダーの両端面を閉塞する２つの軸受と、シリンダーに形成されたベーン溝と、ベーン溝の基部に設けられ、圧縮された冷媒を導く背圧室と、ベーン溝内に嵌入し、ローリングピストンとシリンダーと２つの軸受とにより形成される空間を、吸入室と圧縮室とに仕切るベーンとを備え、シリンダーのベーン溝の吸入側の側壁には、背圧室に連通し、背圧室からベーンの吸入側に圧縮された冷媒を引き込む溝が設けられており、ベーン溝の両側の壁が非対称な形状とされているものである。

本発明のロータリー圧縮機によれば、シリンダーのベーン溝の吸入側の側壁に、ベーンの吸入側に圧縮された冷媒を引き込む溝あるいは切欠きを設けているので、ベーンの両側に生じる吸入側と吐出側の圧力荷重の差を低減することができる。このため、ローリングピストンへのベーンの追従性が向上し、ベーンとローリングピストンとが離れることがなくなり、騒音の抑制と、高圧側から低圧側への冷媒の漏れを低減することができる。

本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機の要部の詳細図である。 ロータリー圧縮機の比較例におけるベーンサイドに生じる力を示す模式図である。 本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機のベーンサイドに生じる力を示す模式図である。 本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機のクランク軸の位相とベーンサイド荷重との関係を比較例と比較して示すグラフである。 本発明の実施形態２に係るロータリー圧縮機の要部の詳細図である。

実施形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。図２は本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機の要部の詳細図である。
本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機１００は、図１のように密閉容器１内に、電動機部３と圧縮機構部４とを収納している。また、密閉容器１内の底部には、冷凍機油（図示せず）が貯留されている。冷凍機油は、主に圧縮機構部４の摺動部を潤滑する。密閉容器１には、アキュームレーター２と連通した吸入管９が接続されており、アキュームレーター２から冷媒を取り込む。また、密閉容器１の上部には、吐出管１ａが接続されており、圧縮された冷媒が排出される。

電動機部３は、密閉容器１に固定された固定子３１と、クランク軸１０に焼きばめられた回転子３２とで構成され、外部から図示しない気密端子を介して電力が供給され、駆動される。また、電動機部３と圧縮機構部４とは、クランク軸１０を介して連結されている。なお、クランク軸１０の軸心部には、密閉容器１の底方向に開口した油吸込み穴が形成され、油吸込み穴内に螺旋状の遠心ポンプが設けられていて、密閉容器１の底に貯留されている冷凍機油をくみ上げ、摺動部に供給できるようになっている。

圧縮機構部４は、図１及び図２のようにシリンダー７と、２つの軸受である上軸受５及び下軸受８と、クランク軸１０と、ローリングピストン１１と、吐出マフラー６と、ベーン１２とを備えている。

これを更に詳述する。内部に圧縮室が形成されるシリンダー７は、外周が平面視で円形に形成され、内部に平面視で円形の空間であるシリンダー室を備える。シリンダー室は軸方向両端が開口している。シリンダー７は側面視で所定の軸方向の高さを持つ。

シリンダー７には、図２のようにその円形の空間であるシリンダー室に連通し半径方向に延びるベーン溝７ｇが軸方向に貫通して設けられている。ベーン溝７ｇには、ベーン１２が摺動自在に嵌入している。また、ベーン溝７ｇの吸入側の側壁７ｈには、その外周側に、ベーン１２の吸入側に圧縮された冷媒すなわち吐出圧を引き込む通路である溝７ａが形成されている。また、ベーン溝７ｇには、その基部に吐出圧を導く背圧室７ｂが設けられており、溝７ａが背圧室７ｂに連通している。したがって、ベーン溝７ｇの両側の壁は、左右非対称な形状となっている。背圧室７ｂは、平面視で円形の空間を有する。

吸入管９からの吸入冷媒が通る吸入ポート７ｃが、シリンダー７の外周面からシリンダー室に貫通して設けられている。

また、シリンダー７には、円形の空間であるシリンダー室を形成する円の縁部付近を切り欠いた吐出ポート７ｄが設けられている。

クランク軸１０の偏心軸部１０ａには、ローリングピストン１１が嵌入され、シリンダー室内を偏心回転（公転）する。ローリングピストン１１は、リング状で、ローリングピストン１１の内周がクランク軸１０の偏心軸部１０ａに摺動自在に嵌合している。

ベーンの形状は、平たい(周方向の厚さが、径方向及び軸方向の長さよりも小さい）直方体である。

ベーン１２は、シリンダー７のベーン溝７ｇ内に収納され、背圧室７ｂに設けられたベーンスプリング１３によって、ローリングピストン１１に押し付けられている。ロータリー圧縮機１００の運転中は、ベーン１２は圧縮室内外の差圧から生じる押付荷重（背圧）によってローリングピストン１１に押し付けられて追従する。そのため、ベーンスプリング１３は、主に圧縮機の起動時（密閉容器１内とシリンダー室との間の圧力に差が無い状態の時）に、ベーン１２をローリングピストン１１に押し付ける目的で使用される。

上軸受５は、クランク軸１０の主軸部１０ｂに摺動自在に嵌合し、シリンダー７のベーン溝７ｇを含むシリンダー室の一方の端面（電動機部３側）を閉塞する。上軸受５は、側面視で逆Ｔ字状に形成されている。

また、上軸受５には、シリンダー７の吐出ポート７ｄと平面視で同位置となる部位に吐出孔５ａが設けられ、吐出孔５ａに吐出弁５ｂが取り付けられている。

吐出弁５ｂは、シリンダー室内の圧力と密閉容器１内の圧力を受け、シリンダー室内の圧力が密閉容器１内の圧力より低い時に、吐出ポートに押し付けられて吐出孔５ａを閉塞する。また、吐出弁５ｂは、シリンダー室内の圧力が密閉容器１内の圧力より高くなった時に、シリンダー室内の圧力により上方向へ押し上げられ、吐出孔５ａを開放し、圧縮した冷媒をシリンダー室外へ導く。

また、上軸受５には、その上側に吐出マフラー６が取り付けられ、吐出マフラー６と上軸受５とによってマフラー空間が形成されている。

上軸受５の吐出孔５ａから吐出される高温・高圧の冷媒ガスは、一旦、マフラー空間に入り、その後、吐出マフラー６の吐出穴６ａから密閉容器１内に放出される。

下軸受８は、クランク軸１０の副軸部１０ｃに摺動自在に嵌合し、シリンダー７のベーン溝７ｇを含むシリンダー室の他方の端面(冷凍機油側)を閉塞する。下軸受８は、側面視でＴ字状に形成されている。

ベーン１２は、シリンダー室を吸入空間７ｅと吐出空間７ｆとに分ける機能を有する。

次に、本発明の実施形態１のロータリー圧縮機１００の動作について説明する。
本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機１００では、アキュームレーター２の冷媒を吸入管９及び吸入ポート７ｃを介して圧縮室に冷媒を導入してから、電動機部３を駆動してクランク軸１０を偏心回転させる。これによって、シリンダー室内の冷媒が圧縮される。シリンダー室で圧縮された冷媒は、上軸受５の吐出孔５ａからマフラー空間内に吐出された後、吐出マフラー６の吐出穴６ａを介して密閉容器１内に吐出される。吐出された冷媒は、電動機部３の隙間を通過した後、吐出管１ａから排出される。

冷媒圧縮中、圧縮室内は、シリンダー７とローリングピストン１１とベーン１２とによって、吸入空間７ｅと吐出空間７ｆとに分けられる。この差圧により、ベーン１２とシリンダー７のベーン溝７ｇとに荷重がかかり、摺動抵抗が生じる。

しかし、本発明の実施形態１のロータリー圧縮機１００は、ベーン溝７ｇの吸入側の側壁７ｈに吐出圧引き込み通路である溝７ａを設けているので、ベーン１２の両側に生じる吸入側と吐出側の圧力荷重の差を低減することができ、ベーン１２の摺動抵抗を低減することができる。このため、ローリングピストン１１へのベーン１２の追従性が向上し、ベーン１２とローリングピストン１１とが離れることがなくなり、騒音が抑制され、かつ高圧側から低圧側への冷媒の漏れを低減することができる。

図３はロータリー圧縮機の比較例におけるベーンサイドに生じる力を示す模式図である。図４は本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機のベーンサイドに生じる力を示す模式図である。
すなわち、図３はベーン溝７ｇの吸入側の側壁７ｈに吐出圧引き込み通路である溝７ａを有さない場合の圧縮機運転中のベーンサイド荷重の分布を示し、図４は吐出圧引き込み通路である溝７ａを有する場合の圧縮機運転中のベーンサイド荷重の分布を示している。図３及び図４において、Ｐｄは吐出圧力、Ｐｓは吸入圧力、Ｐｍは圧縮中圧力、Ｆ１，ｆ１はＰｄにより生じる分布荷重、Ｆ２はＰｄ〜Ｐｍにより生じる分布荷重、ｆ２はＰｄ〜Ｐｓにより生じる分布荷重、Ｆ３はＰｍにより生じる分布荷重、ｆ３はＰｓにより生じる分布荷重である。

図３及び図４から明らかなように、吐出圧引き込み通路である溝７ａを有する場合は、溝７ａによってＰｄ〜Ｐｓにより生じる分布荷重ｆ２（図４中にＡで示す範囲の分布荷重）が大きくなり、分布荷重Ｆの合計値（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）であるΣＦから分布荷重ｆの合計値（ｆ１＋ｆ２＋ｆ３）であるΣｆを引いた（ΣＦ−Σｆ）が低減している。このため、ベーン１２とベーン溝７ｇとの間の摺動抵抗が小さくなって、ベーン１２のローリングピストン１１への追従性が向上し、ベーン１２がローリングピストン１１から離れることがなくなる。その結果、騒音を生じることが無くなり、かつ高圧側から低圧側への冷媒の漏れもなくなって、性能を維持することができる。

図５は本発明の実施形態１に係るロータリー圧縮機のクランク軸の位相とベーンサイド荷重との関係を比較例と比較して示すグラフであり、吐出圧引き込み通路である溝７ａを有するａの場合と、吐出圧引き込み通路である溝７ａを有さないｂの場合のクランク軸１０の位相とベーンサイド荷重の関係を示している。計算に用いた条件は、冷媒がＣＯ_２冷媒である。運転条件は、吐出圧８.３ＭＰａ、吸入圧４.７ＭＰａ、回転数４０ｒｐｓであり、ロータリー圧縮機を給湯器に適用する場合に実際に用いる条件である。図５から明らかなように、吐出圧引き込み通路である溝７ａを有する場合は、クランク軸１０がどの角度位置にあるときでも、ベーンサイド荷重が低減していることがわかる。

実施形態２．
図６は本発明の実施形態２に係るロータリー圧縮機の要部の詳細図であり、図中、前述の実施形態１と同一機能部分には同一符号を付してある。
本発明の実施形態２に係るロータリー圧縮機は、ベーン溝７ｇの吸入側の側壁７ｈの吐出圧引き込み通路を、背圧室から連続して形成されてシリンダーの軸方向に貫通する切欠き１４で構成したものである。したがって、ここでもベーン溝７ｇの両側の壁が、左右非対称な形状となっている。それ以外の構成は、前述の実施形態１のものと同一である。

本発明の実施形態２に係るロータリー圧縮機においては、ベーン溝７ｇの吸入側の側壁７ｈの吐出圧引き込み通路を、背圧室から連続して形成されてシリンダーの軸方向に貫通する切欠き１４で構成したので、加工が容易となり、加工性の改善が図れる。

なお、ここでは本発明を縦置き型のロータリー圧縮機に用いたものを例に挙げて説明したが、本発明は横置き型のロータリー圧縮機にも適用できることは言うまでもない。

１ 密閉容器、１ａ 吐出管、２ アキュームレーター、３ 電動機部、４ 圧縮機構部、５ 上軸受、５ａ 吐出孔、５ｂ 吐出弁、６ 吐出マフラー、６ａ 吐出穴、７ シリンダー、７ａ 溝（吐出圧を引き込む通路）、７ｂ 背圧室、７ｃ 吸入ポート、７ｄ 吐出ポート、７ｅ 吸入空間、７ｆ 吐出空間、７ｇ ベーン溝、７ｈ 吸入側の側壁、８ 下軸受、９ 吸入管、１０ クランク軸、１０ａ 偏心軸部、１０ｂ 主軸部、１０ｃ 副軸部、１１ ローリングピストン、１２ ベーン、１３ ベーンスプリング、１４ 切欠き（吐出圧を引き込む通路）、３１ 固定子、３２ 回転子、１００ ロータリー圧縮機。

Claims (2)

1. 密閉容器内に冷媒を圧縮する圧縮機構部と前記圧縮機構部の駆動源となる電動機部とを備え、
   前記圧縮機構部は、
   前記電動機部により回転駆動されるクランク軸と、
   前記クランク軸の偏心軸部に嵌合されたローリングピストンと、
   前記ローリングピストンを収納する内周面が円筒状に形成されたシリンダーと、
   前記シリンダーの両端面を閉塞する２つの軸受と、
   前記シリンダーに形成されたベーン溝と、
   前記ベーン溝の基部に設けられ、圧縮された冷媒を導く背圧室と、
   前記ベーン溝内に嵌入し、前記ローリングピストンと前記シリンダーと前記２つの軸受とにより形成される空間を、吸入室と圧縮室とに仕切るベーンとを備え、
   前記シリンダーの前記ベーン溝の吸入側の側壁には、前記背圧室に連通し、前記背圧室から前記ベーンの吸入側に圧縮された冷媒を引き込む溝が設けられており、前記ベーン溝の両側の壁が非対称な形状とされていることを特徴とするロータリー圧縮機。
2. 密閉容器内に冷媒を圧縮する圧縮機構部と前記圧縮機構部の駆動源となる電動機部とを備え、
   前記圧縮機構部は、
   前記電動機部により回転駆動されるクランク軸と、
   前記クランク軸の偏心軸部に嵌合されたローリングピストンと、
   前記ローリングピストンを収納する内周面が円筒状に形成されたシリンダーと、
   前記シリンダーの両端面を閉塞する２つの軸受と、
   前記シリンダーに形成されたベーン溝と、
   前記ベーン溝の基部に設けられ、圧縮された冷媒を導く背圧室と、
   前記ベーン溝内に嵌入し、前記ローリングピストンと前記シリンダーと前記２つの軸受とにより形成される空間を、吸入室と圧縮室とに仕切るベーンとを備え、
   前記シリンダーの前記ベーン溝の吸入側の側壁には、前記背圧室から連続して形成されて前記シリンダーの軸方向に貫通し、前記ベーンの吸入側に圧縮された冷媒を引き込む切欠きが設けられており、前記ベーン溝の両側の壁が非対称な形状とされていることを特徴とするロータリー圧縮機。

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