JP2000009069A

JP2000009069A - 回転式流体機械

Info

Publication number: JP2000009069A
Application number: JP10174529A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Ikoma; 光博生駒; Hiroshi Hasegawa; 寛長谷川; Fumitoshi Nishiwaki; 文俊西脇; Terumaru Harada; 照丸原田; Hidenobu Shintaku; 秀信新宅
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 2000-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】潤滑性の乏しいＨＦＣ１３４ａやＨＣなどが
作動媒体であっても、ベーン先端の摺動負荷を低減し、
高信頼性、高効率の回転式流体機械を提供する。【解決手段】シリンダ２３に対して偏心した円柱状の
ピストン２４と、先端がシリンダ２３の内面と接するこ
とで吸入室２６と圧縮室２７を形成するベーン２８ａを
設け、ピストン２４とシリンダ２３を同一方向に回転さ
せる。ベーン２８ａは凸円弧、シリンダ２３は凹円弧な
ので潤滑油膜の形成に適す。また、摺動速度も遅くな
る。したがって、ベーン２８ａの先端や、シリンダ２３
の内面の摩耗がほとんどなく、高信頼性、高効率とな
る。さらに中間圧室２２を設け、吸入室２６と中間圧室
２２、圧縮室２７と中間圧室２２との間のシール性を確
保すればよい構成としたので、シール部の面圧を低減で
き、高信頼性、高効率となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍冷蔵庫や空調
機等に用いられる圧縮機など、また、流体を輸送するポ
ンプなどの回転式流体機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】代表的な回転式流体機械であるロータリ
ー圧縮機はそのコンパクト性や構造が簡単なことから、
冷凍冷蔵庫や空調機などに多く使用されている。圧縮機
の主要構成部品であるベーンやローラなどの圧縮機構部
は、例えば、川平著、密閉形冷凍機（平成５年）第１４
頁、図６．１に記載されている。

【０００３】以下に、図６および図７を用いて、従来の
ロータリー圧縮機の動作について説明する。

【０００４】図６は従来のロータリー圧縮機の縦断面図
であり、図７はそのＡ−Ａ部（シリンダ中央部）の横断
面図である。密閉容器１内に、偏心部を有するクランク
軸２とクランク軸２を支える軸受３、４とシリンダ５と
ベーン６と前記シリンダ５内で偏心回転するローラ７と
からなる圧縮機構部を構成している。先端が円弧状のベ
ーン６はシリンダ５のベーン溝８内を往復運動し、かつ
その先端部は、スプリング９によるばね力およびシリン
ダ５の内外の圧力差による力によって、ローラ７の外周
面に押し付けられて、ローラ７の外周部と接触摺動し、
シリンダ５内を吸入室１０と圧縮室１１に分割してい
る。

【０００５】Ｏはシリンダ５とクランク軸２の中心で、
クランク軸２は中心Ｏからｅだけ偏心したＰを中心とす
る偏心部（以降クランクピンと称す）１２を有し、クラ
ンクピン１２にはローラ７が嵌合されており、ステータ
１３およびローター１４からなる電動機によりクランク
軸２が回転してローラ７がシリンダ５内を公転すること
により、冷媒ガスを吸込口１５から吸い込み、吐出口１
６に圧縮しながら送る。吐出口１６の冷媒ガスは吐出弁
１７を通り冷凍サイクル側に送られることにより圧縮作
用を行うものである。

【０００６】また、これとは別にスライディングベーン
型ロータリー圧縮機と呼ばれるもの（図示せず）があ
り、シリンダ内で、回転ピストンに設けられたベーン溝
に、出入り自在に備えられたベーンがピストンとともに
回転して圧縮作用を行うものもある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構成では、ベーン６の先端部は円弧曲面であり、
ローラ７の外周面も円形状曲面（円筒面）であるので、
ベーン６とローラ７の接触状態は等価的には小円筒と大
円筒の凸面同士の接触となる。したがって、接触状態は
線接触状態で、接触面積が小さくなり、単位面積当たり
の加重すなわち接触応力が大きくなり、ベーン６とロー
ラ７の接触摺動条件は過酷なものとなり、摩耗が生じや
すく、摺動損失も大きくなるものである。

【０００８】また、ローラ７の自転数もローラ７の内周
面とクランクピン１２との摺動抵抗と、ローラ７の外周
面とベーン６の先端との摺動抵抗の差などで決まるもの
であり、ローラ７の自転数は非常に不安定である（一般
にクランク軸２の回転数を３５００ｒｐｍで運転した
時、ローラの自転数は数十〜数百ｒｐｍ程度）。このた
め、ベーン６の先端とローラ７の摺動面は、すべり速度
が条件により変わり、不安定なすべり摺動となる。

【０００９】さらに、塩素を含まない代替冷媒、例えば
ＨＦＣ１３４ａなどを用いた場合、冷媒自体の潤滑効果
が乏しく、摺動部の油膜が切れた場合に著しく潤滑性が
低下する問題があり、特にロータリ圧縮機の場合油膜の
できにくいローラ７外周とベーン６先端との間で摩耗が
生じやすく、著しく寿命が短くなるという問題があっ
た。

【００１０】また、スライディングベーン型ロータリー
圧縮機の場合には、凸円弧のベーンと凹円弧のシリンダ
内面との摺動になり、接触の形状としては先に説明した
物より有利ではあるが、ベーン先端の摺動速度は回転数
とシリンダ内径に比例して大きくなるため、非常に過酷
な摺動条件となり、長寿命を要求される冷凍冷蔵庫用や
空調用には不向きであった。

【００１１】本発明は、上述した従来の回転式流体機械
の課題を考慮し、ベーン先端の摺動部負荷を低減し、信
頼性が高く長寿命化すると共に、摺動損失を軽減し、高
効率化を図った回転式流体機械を提供することを目的と
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、シェル内に設
けられた中間圧室の内側に、円柱状の中空部を有するシ
リンダと、前記中空部内に前記シリンダと近接するよう
に偏心して配置された円柱状のピストンと、前記ピスト
ンの外周に設けられた少なくとも一つのベーン溝と、前
記各ベーン溝に出入り自在にはめ込まれ、先端が前記シ
リンダの内面と近接することによって、少なくとも一つ
の吸入室と少なくとも一つの圧縮室を形成するベーンを
設けると共に、前記ピストンと前記シリンダを同一方向
に回転させる駆動手段を備えたことを特徴とする回転式
流体機械である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。

【００１４】（実施の形態１）図１は本発明の一実施の
形態である回転式流体機械の要部断面図であり、図２は
Ａ−Ｏ−Ｂに沿った回転式流体機械の縦断面図であり、
図３はＣ−Ｏ−Ｂに沿った回転式流体機械の縦断面図で
ある。

【００１５】本実施の形態における回転式流体機械は、
冷媒としてＨＦＣ１３４ａやハイドロカーボン（ＨＣ）
等の塩素を含まない流体を作動媒体とした冷凍サイクル
装置の圧縮機として機能する回転式流体機械である。

【００１６】シェル２１内に設けられた中間圧室２２の
内側に、円柱状の中空部を有するシリンダ２３と、前記
中空部内にシリンダ２３と近接するように偏心して配置
された円柱状のピストン２４と、このピストン２４の外
周に設けられたベーン溝２５ａ、２５ｂと、前記各ベー
ン溝２５ａ、２５ｂに出入り自在に嵌挿されたベーン２
８ａ、２８ｂを設ける。さらに各ベーンの先端がシリン
ダ２３の内面と近接することによって、吸入室２６と圧
縮室２７を形成している。また、ピストン２４とシリン
ダ２３を同一方向に回転させる駆動手段としてローター
２９およびステータ３０とからなる電動要素と偏心継手
機構３１が備えられており、ピストン２４の回転軸３２
の回転をシリンダ２３の回転軸３４に伝える働きをして
いる。

【００１７】また、前記中間圧室２２は、ピストン２４
の回転軸３２を回転支持する第一軸受部材３３と、シリ
ンダ２３の回転軸３４を回転支持する第二軸受部材３５
との間に、隔壁３６を用いて構成されている。

【００１８】なお、シリンダ２３の回転軸３４は、シリ
ンダ２３の一方の端面に形成された鏡板３７を介して、
シリンダ２３に連結される構成としている。

【００１９】さらに、シリンダ２３の一方の端面に形成
された鏡板３７の背面には、シェル２１と、シェル２１
内に設けられた中間圧室２２との連通を防止するシール
機構３８が設けられている。

【００２０】また、吸入室２６は吸入管３９と連通し、
圧縮室２７は吐出弁（図示せず）を介してシェル２１内
および吐出管４０に連通されている。

【００２１】以下に、図１、図２および図３を用いて、
本発明の一実施の形態である回転式流体機械の動作につ
いて説明する。

【００２２】ローター２９およびステータ３０からなる
電動要素を作動させることにより、ピストン２４の回転
軸３２が駆動され、これと一体のピストン２４も回転す
る。またこの回転力は偏心継手機構３１を介して、ピス
トン２４の回転軸Ｌ₁に対してｅ₁だけ偏心して配置され
たシリンダ２３に伝わり、シリンダ２３はＬ₂を回転軸
としてピストン２４に同期して、矢印で示す方向に回転
する。この時、ベーン２８ａ、２８ｂは遠心力および背
圧によりシリンダ２３の内面に近接するよう、ピストン
２４に設けられたベーン溝２５ａ、２５ｂ内を出入りし
ながら、ピストン２４と共にＬ₁を回転軸として回転す
る。

【００２３】これにより、ベーン２８ａの回転の進行方
向側に形成される圧縮室２７は回転に伴って容積を減
じ、逆方向に形成される吸入室２６は容積を増すことに
なり、冷凍サイクル中から、吸入管３９を介して吸入ポ
ート４１から吸入された流体（例えばＨＦＣ１３４ａ）
は、圧縮されて吐出ポート６０、吐出弁６１を介して、
いったんシェル２１内に吐き出された後、吐出管４０か
ら冷凍サイクル中に戻される。なお、本実施例では２枚
のベーン２８ａ、２８ｂを設けているため、一回転につ
き２回の吸入、吐出が行われるものである。

【００２４】本実施の形態では、シェル２１内に設けら
れた中間圧室２２の内側に、円柱状の中空部を有するシ
リンダ２３と、前記中空部内にシリンダ２３と近接する
ように偏心して配置された円柱状のピストン２４とを設
けている。そして、ピストン２４の外周に設けられたベ
ーン溝２５ａ、２５ｂと、前記各ベーン溝２５ａ、２５
ｂに出入り自在にはめ込まれ、先端がシリンダ２３の内
面と近接することによって、吸入室２６と圧縮室２７を
形成するベーン２８ａ、２８ｂを設ける。そして、ピス
トン２４とシリンダ２３を同一方向に回転させる駆動手
段としてローター２９およびステータ３０とからなる電
動要素と偏心継手機構３１を設けた構成としたため、ベ
ーン２８ａ、２８ｂの先端とシリンダ２３の内面との摺
動は、ベーン２８ａ、２８ｂ側は凸円弧でシリンダ２３
側は凹円弧となり、油膜形成に適した形状である。しか
も１回転あたり偏心量ｅ₁の２倍に相当するシリンダ２
３の内面部分との安定した往復摺動であり、シリンダ２
３の内径の大小に依存せず、摺動速度も従来のスライデ
ィングベーン型ロータリー圧縮機に比べて格段に遅いも
のである。そのため、流体自体に塩素を含まず潤滑性の
乏しいＨＦＣ１３４ａや、ＨＣ冷媒などを冷媒として用
いた場合にも、ベーン２８ａ、２８ｂの先端や、シリン
ダ２３の内面の摩耗がほとんどなく、信頼性が高く長寿
命を実現できると共に、この部分の摺動損失をも低減で
き高効率化を図れるものである。シリンダ２３、ピスト
ン２４などの圧縮機構部が中間圧室２２の内側にあるた
め、低圧側や高圧側に配置する場合に比べ、圧縮室との
圧力差を小さくでき、流体の漏れによる損失を最小限に
押さえることができるものである。

【００２５】また、本実施の形態では、２枚のベーン２
８ａ、２８ｂを用いていたが、本発明はこれに限らず、
ベーンを１枚にしても流体機械として同様の機能を発揮
するものであり、さらにベーンの枚数を３枚以上に増加
させることにより、１回転中の駆動トルクの変動を小さ
くでき、低振動化を図れることは明らかである。加え
て、回転軸３２にはクランク部がなく、回転バランス的
には非常に良好であり、低振動・低騒音の回転式流体機
械を提供できるものである。

【００２６】さらに、回転軸３２とピストン２４はとも
に円柱状の形状であり、しかも回転軸を一致させている
ため、容易に一体成形することができ、部品点数の削減
および低コスト化が図れるなど実用上多大な効果が発揮
できるものである。

【００２７】また、中間圧室２２は、第一軸受部材３３
と、第二軸受部材３５の間に、隔壁３６を設けることに
より構成し、シリンダ２３の回転軸３４は、シリンダ２
３の一方の端面に形成された鏡板３７を介して、シリン
ダ２３に連結される構成とすることにより、部品点数の
削減とコンパクト化を実現できるものである。

【００２８】さらに、シリンダ２３の一方の端面に形成
された鏡板３７の背面には、シェル２１と、シェル２１
内に設けられた中間圧室２２との連通を防止するシール
機構３８が設けられているため、簡単な構成で、シリン
ダ２３の鏡板３７の背面からの流体の漏れを防止でき、
高効率化が実現できるものである。

【００２９】さらに、ローター２９およびピストン２４
の回転軸を一致させ、ｅ₁だけ偏心して配置されたシリ
ンダ２３を、そのシリンダ２３の鏡板３７の部分に配置
された偏心継手機構３１を用いて同期回転させる機構と
したため、部品点数も少なく、コンパクトな回転式流体
機械を提供できるものである。

【００３０】（実施の形態２）図４は本発明の異なる実
施の形態である回転式流体機械の圧縮機構部の部分断面
図である。他の部分の形態は実施の形態１と同様であ
り、同一の機能部品には同一番号を付して示している。

【００３１】本実施の形態においては、シェル２１内に
設けられた中間圧室２２の圧力を、運転条件に応じて調
節可能とするために、第一軸受部材３３の中間圧室２２
に面する部分に第１開口部４２を有し、低圧流体の通路
となる部分に第２開口部４３を有する圧力調節機構４４
が設けられている。なお、この圧力調節機構４４は調節
バネ４５とボール弁４６などから構成され、中間圧室２
２の圧力が所定の圧力よりも高くなった場合に作動し、
中間圧室２２の流体を低圧側に逃がすことにより、所定
の圧力を維持する機能を果たすものであり、中間圧室２
２の圧力を調節可能とする。

【００３２】前記圧力調節機構４４を設けることによ
り、何らかの理由（例えばシール機構３８でのわずかな
漏れ）により、中間圧室２２の圧力が所定の圧力より高
くなった場合に、シリンダ２３の鏡板３７の背面に過大
な圧力がかかり、シリンダ２３を上方、第一軸受部材３
３の方向に押しつける力が大きくなり過ぎ、シリンダ２
３が回転することによる、この部分での摩擦損失の増大
や、異常摩耗の発生を防止できるものである。

【００３３】（実施の形態３）図５は本発明の異なる実
施の形態である回転式流体機械の圧縮機構部の部分断面
図である。他の部分の形態は実施の形態１と同様であ
り、同一の機能部品には同一番号を付して示している。

【００３４】本実施の形態においては、シェル２１内に
設けられた中間圧室２２の圧力を、運転条件に応じて調
節可能とするために、第一軸受部材３３の中間圧室２２
に面する部分に第１開口部４７を有し、高圧側となるシ
ェル２１内に第２開口部４８を有する圧力調節機構４９
が設けられている。なお、この圧力調節機構４９は調節
バネ５０とボール弁５１などから構成され、中間圧室２
２の圧力が所定の圧力よりも低くなった場合に作動し、
シェル２１内の高圧流体を中間圧室２２に導くことによ
り、所定の圧力を維持する機能を果たすものであり、中
間圧室２２の圧力を調節可能とする。

【００３５】前記圧力調節機構４９を設けることによ
り、何らかの理由（例えばシリンダ２３と第一軸受部材
３３の摺動部の隙間を介して、中間圧室２２と吸入室２
６が連通状態となった場合など）により、中間圧室２２
の圧力が所定の圧力より低くなった場合に、シリンダ２
３の鏡板３７の背面にかかる圧力が過小となる。この場
合、シリンダ２３を下方、第二軸受部材３５の方向に押
し下げることになり、そのためシリンダ２３と第一軸受
部材３３の摺動部の隙間が益々大きくなり、漏れ量が増
大し圧縮機としての作用を成さなくなるのを防止できる
ものである。

【００３６】また、中間圧室２２の圧力が所定の圧力よ
り低くなった場合に、シリンダ２３の内部の圧力によ
り、シリンダ２３を下方、第二軸受部材３５の方向に押
しつける力が大きくなり過ぎ、シリンダ２３が回転する
ことによる、この部分での摩擦損失の増大や、異常摩耗
の発生を防止できるものである。

【００３７】また、上述した実施の形態２、実施の形態
３の回転式流体機械では、低圧側に連通する圧力調節機
構４４と高圧側に連通する圧力調節機構４９を、それぞ
れの圧縮機に設けた構成として説明したが、同一の圧縮
機に２つの圧力調節機構４４、４９を設けることによ
り、より精度良く中間圧室２２の内部を所定の圧力に保
つことができるものである。

【００３８】なお、本発明の回転式流体機械において取
り扱う流体は、上述した第１〜第３の実施の形態におい
ては、ＨＦＣ１３４ａやＨＣ冷媒等の塩素を含まない流
体が作動媒体であるとして説明したが、これに限るもの
ではない。

【００３９】また、上述した実施の形態１〜実施の形態
３の回転式流体機械は、吐出弁を設けた圧縮機であると
して説明したが、同様の構成で吐出弁を廃止することに
よって、流体ポンプとして用いることもできる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、本発明は、ベーンの先端とシリンダの内面との摺動
は、ベーン側は凸円弧でシリンダ側は凹円弧となり、油
膜形成に適した形状であり、しかも１回転あたり偏心量
ｅ₁の２倍（シリンダとピストンを同期回転させた場
合）に相当するシリンダの内面部分との安定した往復摺
動であり、シリンダの内径の大小に依存せず、摺動速度
も従来のスライディングベーン型ロータリー圧縮機に比
べて格段に遅いものである。そのため、流体自体に塩素
を含まず潤滑性の乏しいＨＦＣ１３４ａなどを冷媒とし
て用いた場合にも、ベーンの先端や、シリンダの内面の
摩耗がほとんどなく、信頼性が高く長寿命を実現できる
と共に、この部分の摺動損失をも低減でき高効率化を図
れるものである。

【００４１】さらに、シリンダ、ピストンなどの圧縮機
構部が中間圧室の内側にあるため、低圧側や高圧側に配
置する場合に比べ、圧縮室との圧力差を小さくでき、流
体の漏れによる損失を最小限に押さえることができるも
のである。

【００４２】また、中間圧室の圧力を、運転条件に応じ
て調節可能としたため、シリンダの端面と軸受部材との
摺動部の摩擦損失の増大や異常摩耗を防止し、常に最適
な状態で運転できるものである。

【００４３】さらに、回転バランスの良化による低振動
・低騒音の回転式流体機械を提供することができるなど
多大な効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である回転式流体機械の
駆動部の断面概略図

【図２】同回転式流体機械のＡ−Ｏ−Ｂ縦断面概略図

【図３】同回転式流体機械のＣ−Ｏ−Ｂ縦断面概略図

【図４】本発明の異なる実施の形態である回転式流体機
械の圧縮機構部の部分断面図

【図５】本発明の異なる実施の形態である回転式流体機
械の圧縮機構部の部分断面図

【図６】従来のロータリー圧縮機の縦断面図

【図７】同圧縮機のＡ−Ａ部の横断面図

【符号の説明】

２１シェル２２中間圧室２３シリンダ２４ピストン２５ａベーン溝２５ｂベーン溝２６吸入室２７圧縮室２８ａベーン２８ｂベーン３１偏心継手機構３２ピストンの回転軸３３第一軸受部材３４シリンダの回転軸３５第二軸受部材３６隔壁３７鏡板３８シール機構４１吸入ポート４４圧力調節機構４５調節ばね４６ボール弁４９圧力調節機構５０調節ばね５１ボール弁６０吐出ポート６１吐出弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西脇文俊大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者原田照丸大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者新宅秀信大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3H040 AA09 BB02 BB11 CC06 CC09 CC14 DD04 DD07 DD11 DD14 DD31 DD33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シェルと、前記シェル内に設けられた中間
圧室と、前記中間圧室の内側に設けられた円柱状の中空
部を有するシリンダと、前記中空部より半径が小さい略
円柱状でありかつ前記中空部内で前記シリンダに近接す
る所定幅偏心して設けられたピストンと、前記中空部と
前記ピストンとで形成されたシリンダ室と、前記ピスト
ンの外周に設けられた少なくとも一つのベーン溝と、前
記各ベーン溝に摺動自在に嵌挿されたベーンと、前記ピ
ストンと前記シリンダとを同一方向に回転させる駆動手
段とを備え、さらに前記ベーン先端が前記シリンダの内
面に近接することで前記シリンダ室を分割して、少なく
とも二つのシリンダ分割室を備えたことを特徴とする回
転式流体機械。
【請求項２】前記ピストンの回転軸を回転支持する第一
軸受部材と、前記シリンダの回転軸を回転支持する第二
軸受部材とを備え、前記第一軸受部材と前記第二軸受部
材との間に前記シェルとの隔壁を設けることにより前記
中間圧室を構成し、前記シリンダと前記第一軸受部材お
よび前記第二軸受部材とのシール面が、前記シリンダ分
割室を前記中間圧室と分離する構成としたことを特徴と
する請求項１記載の回転式流体機械。
【請求項３】前記シリンダの一方の端面に鏡板を備え、
前記シリンダと前記シリンダの回転軸とを前記鏡板を介
して連結したことを特徴とする請求項１または２記載の
回転式流体機械。
【請求項４】前記鏡板に、前記シェルと前記中間圧室と
の連通を防止するシール機構を設けたことを特徴とする
請求項３に記載の回転式流体機械。
【請求項５】シェル内に設けられた前記中間圧室の圧力
を調節可能としたことを特徴とする請求項１、２、３ま
たは４記載の回転式流体機械。
【請求項６】前記シリンダ分割室から流体を吐き出す流
路上に吐出弁を備えたことを特徴とする請求項１ないし
５いずれかに記載の回転式流体機械。
【請求項７】塩素を含まない流体を作動媒体とすること
を特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載の回転式
流体機械。