JP2001082362A

JP2001082362A - 流体機械

Info

Publication number: JP2001082362A
Application number: JP25741199A
Authority: JP
Inventors: Toshio Otaka; 敏男大高; Masayuki Okuda; 正幸奥田
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は各部を熱膨張や変形量に応じた形状と
することにより、作動ガスのリークを許容値内に抑え、
高効率で高性能な流体機械を提供する。【解決手段】シリンダ５と、このシリンダ内に偏心して
配置され偏心運動をなすローラ８と、このローラ外周面
に設けられる螺旋状の溝１３と、この螺旋状溝に出入り
自在に嵌め込まれ上記シリンダと上記ローラとの間に複
数の作動室１５を形成するブレード１４とを具備し、一
端側の作動室に吸込んだガスを他端側の作動室に移送し
て吐出するものにおいて、上記ローラに設けられる螺旋
状の溝は、その幅寸法および深さ寸法のいずれか一方、
もしくはその両方が、吸気側作動室から吐出側作動室に
亘って漸次大きく成形される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば空気調和
機の冷凍サイクルを構成するヘリカルブレード式圧縮機
や、膨張機、ポンプなどとして用いられる流体機械に関
する。

【０００２】

【従来の技術】流体機械として、圧縮機や、膨張機、ポ
ンプなどが用いられているが、近年、たとえば空気調和
機の冷凍サイクルを構成する圧縮機として、ヘリカルブ
レード式圧縮機が提案されている。

【０００３】上記ヘリカルブレード式圧縮機として具体
的な構成は、たとえば、固定したシリンダ内に偏心回転
するローラを収容し、このローラの外周面に螺旋状溝を
形成してブレードを嵌め込み、シリンダとローラおよび
ブレードの間に形成される圧縮室に作動流体である冷媒
ガスを導入して圧縮するようになっている。

【０００４】このようなヘリカルブレード式流体圧縮機
では、螺旋状の溝寸法と幅寸法など、ローラの全長に亘
って同一に形成され、かつここに出入り自在に嵌め込ま
れるブレードにおいても、当然、全長に亘って同一寸法
に形成される。同様に、ローラの外径も全長に亘って同
一寸法であり、かつローラのスラスト荷重を受けるため
のスラスト面は平坦に形成される。

【０００５】なお、ローラの素材はアルミニュウム材が
用いられ、この線膨張率は２３．９×１０^−６である。
シリンダの素材は鋳鉄材が用いられ、この線膨張率は１
０．５×１０^−６である。ブレードの素材はフッ素系樹
脂材が用いられ、この線膨張率は７０〜１００×１０
^−６である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のヘリカルブレード式圧縮機において、ローラとブレ
ードとの熱膨張率の差によるクリアランスが、低温部で
ある吸気側よりも高温部である吐出側が広がってしま
い、適正なクリアランスの範囲を越えている。このクリ
アランスが適正値よりも広い部分からの作動ガスのリー
クが許容値よりも多くなって、性能低下の原因となって
いる。

【０００７】さらに、同様の原理から、ローラとシリン
ダとの熱膨張率の差によりローラサイドクリアランス部
から作動ガスがリークし易く性能低下の原因となってい
る。また、ローラスラスト面に関しては、ローラとスラ
スト受け部との熱膨張率の差のほかにも、ローラのスラ
スト面は作動空間のシール面になっているため、スラス
ト面の変形により作動ガスがリークし易く性能低下の原
因になっている。

【０００８】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、各部を熱膨張や変形
量に応じた形状とすることにより、作動ガスのリークを
許容値内に抑え、高効率で高性能な流体機械を提供しよ
うとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を満足するため
本発明は、請求項１として、シリンダと、このシリンダ
内に偏心して配置され偏心運動をなすローラと、このロ
ーラ外周面に設けられる螺旋状の溝と、この螺旋状溝に
出入り自在に嵌め込まれ上記シリンダと上記ローラとの
間に複数の作動室を形成するブレードとを具備し、一端
側の作動室に吸込んだ作動流体を他端側の作動室に移送
して吐出する流体機械において、上記ローラに設けられ
る螺旋状の溝は、その幅寸法および深さ寸法のいずれか
一方、もしくはその両方が、吸気側作動室から吐出側作
動室に亘って漸次大きく成形されることを特徴とする。

【００１０】請求項２として、請求項１記載の流体機械
において上記螺旋状溝は、その深さ寸法が吸気側作動室
から吐出側作動室に亘って５μｍ以下の階段状に漸次大
きく成形されることを特徴とする。

【００１１】上記目的を満足するため本発明は、請求項
３として、流体機械において、上記螺旋状溝に嵌め込ま
れるブレードは、その幅寸法と高さ寸法のいずれか一
方、もしくはその両方が、吸気側作動室から吐出側作動
室に亘って漸次小さく成形されることを特徴とする。

【００１２】上記目的を満足するため本発明は、請求項
４として、流体機械において、上記ローラの長手方向の
外径の全部または一部について吸気側作動室から吐出側
作動室に亘って漸次小さなテーパ状に成形される、もし
くはシリンダの高さ方向の内径の全部または一部につい
て吸気側作動室から吐出側作動室に亘って漸次大きなテ
ーパ状に成形されることを特徴とする。

【００１３】上記目的を満足するため本発明は、請求項
５として、流体機械において、上記ローラのスラスト荷
重をスラスト受け部で受け、ローラのスラスト面または
スラスト受け部のスラスト面の、それぞれの中心から半
径方向に向かって傾斜して成形されることを特徴とす
る。

【００１４】このような課題を解決する手段を採用する
ことにより、流体機械を構成する各部を熱膨張や変形量
に応じた形状として、作動ガスのリークを許容値内に抑
え、高効率を得る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施の形態について説明する。図１は、流体機械であ
る、いわゆるヘリカルブレード式圧縮機を示す。このヘ
リカルブレード式圧縮機は、密閉容器１と、この密閉容
器１内に収容され、回転軸２を介して上下に一体に連結
される下部側の圧縮機構部３と上部側の電動機部４から
なる。

【００１６】上記密閉容器１の上端部には吐出冷媒管Ｐ
ａと、並設されるアキュームレータＤと連通するバイパ
ス管Ｐｃが接続され、側面部には吸込み冷媒管Ｐｂが接
続される。上記吐出冷媒管Ｐａから吸込み冷媒管Ｐｂに
亘って順次、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器が冷媒管（い
ずれも図示しない）を介して接続され、これらでたとえ
ば空気調和機の冷凍サイクルが構成される。

【００１７】つぎに、上記圧縮機構部３について詳述す
る。上記密閉容器１の内径部にはシリンダ５の上端鍔部
が嵌め込まれていて、適宜な手段によって密閉容器１に
取付け固定される。上記シリンダ５の上端開口部は、回
転軸２の中途部を軸支する主軸受け具６によって閉塞さ
れる。上記シリンダ５の下端開口部は、回転軸２の下端
部を軸支する副軸受け具７によって閉塞される。

【００１８】上記シリンダ５内にローラ８が偏心し、か
つ回転自在に配置される。このローラ８の下端面は上記
副軸受け具７に支持され、したがって副軸受け具７はロ
ーラ８に対するスラスト受け部をなし、ローラ８下端面
はスラスト面となる。

【００１９】上記回転軸２のシリンダ上端部と下端部に
対向する部位には偏心クランク部２ａ，２ｂが一体に設
けられていて、これら偏心クランク部が上記ローラ８内
周面に回転自在に嵌め込まれる。

【００２０】回転軸２の中心軸に対するローラ８の偏心
量は、偏心クランク部２ａ，２ｂの偏心量と同一であ
り、かつローラ８外径がシリンダ５内径に軸方向に沿っ
て転接するよう設計されている。

【００２１】したがって、上記回転軸２の回転にともな
って偏心クランク部２ａ，２ｂが偏心回転すると、ロー
ラ８が偏心運動するとともに、ローラ８の外周面一部と
シリンダ５内周面との転接部が順次周方向に移動するよ
うになっている。

【００２２】上記主軸受け具６とローラ８上端部との間
には、たとえばオルダム機構などの自転規制部材１２が
設けられていて、ローラ８の自転を規制して公転運動を
なすよう制御する。

【００２３】上記ローラ８の周面には、この下端部から
上端部に亘って、徐々にピッチが小となる螺旋状の溝１
３が設けられる。この螺旋状溝１３には螺旋状のブレー
ド１４が突没自在に嵌め込まれ、ブレード１４の外径面
はシリンダ５の内周面に密接状態となっている。

【００２４】上記ローラ８とシリンダ５周面との間は、
上記ブレード１４によって連続した複数の空間部に仕切
られる。これら空間部は作動室となっていて、ここでは
圧縮室１５と呼ぶ。上記螺旋状溝１３のピッチの設定か
ら、各圧縮室１５の容積は下部側圧縮室１５から上部側
圧縮室１５に亘って徐々に小となっている。

【００２５】最下部の圧縮室１５と対向するシリンダ５
周壁には吸込みポート１６が開口され、密閉容器１を貫
通した上記吸込み冷媒管Ｐｂが接続される。したがっ
て、最下部の圧縮室１５は上記吸込み冷媒管Ｐｂと連通
する吸気側圧縮室となる。

【００２６】最上部の圧縮室１５と対向するシリンダ５
内径は凹陥状に形成され、さらに主軸受け具６の対向部
位に吐出ポート１７が開口される。この吐出ポート１７
は、主軸受け具６の鍔部を貫通しており、密閉容器１内
空間を介して上記冷媒吐出管Ｐａと連通している。した
がって、最上部の圧縮室１５は吐出冷媒管Ｐａと連通す
る吐出側圧縮室となる。

【００２７】上記電動機部４は、回転軸２に嵌着される
ロータ２０と、このロータ２０の周面に狭小の間隙を介
して対向し、上記密閉容器１の内周面に嵌着されるステ
ータ２１とから構成される。

【００２８】このようにして構成されるヘリカルブレー
ド式圧縮機であり、電動機部４に通電して回転軸２を回
転駆動する。回転軸２の回転力は、偏心クランク部２
ａ，２ｂを介してローラ８に伝達される。

【００２９】上記自転規制部材１２はローラ８の自転を
規制するので、ローラ８は公転運動をなす。上記ローラ
８の公転運動にともなって、シリンダ５に対する転接位
置が周方向に漸次移動する。上記ブレード１４は、螺旋
状溝１３に対して出入りしながらローラ８の半径方向に
突没移動する。

【００３０】これらの一連の作動により、蒸発器から低
圧の冷媒ガスが吸込み冷媒管Ｐｂと吸込みポート１６を
介して最下部の圧縮室１５に吸込まれる。そして、ロー
ラ８の公転運動にともなって上部側の圧縮室１５へ順次
移送される。

【００３１】上記各圧縮室１５の容積が下部側から上部
側に亘って順次縮小しているので、冷媒ガスは各圧縮室
１５を順次移送される間に圧縮され、最上端の圧縮室１
５において所定圧まで高圧化する。

【００３２】この圧縮室１５内の高圧ガスは主軸受け具
６の吐出ポート１７から吐出され、一旦、密閉容器１内
部空間に充満してから吐出冷媒管Ｐａを介して凝縮器へ
導かれ、周知の冷凍サイクル作用が行われる。

【００３３】このようにして構成作用するヘリカルブレ
ード式圧縮機において、ローラ８はアルミニュウム材
（線膨張率２３．９×１０^−６）が用いられ、シリンダ
５および副軸受け具７は鋳鉄材（線膨張率１０．５×１
０^−６）が用いられ、ブレード１４はフッ素系樹脂材
（線膨張率７０〜１００×１０^−６）が用いられる。

【００３４】図２（ａ）は、ローラ８を示し、ここでは
周面に設けられる螺旋状溝１３に特徴がある。すなわ
ち、図の右側端部である吸気側圧縮室と対向する側部
（以下、吸気側と呼ぶ）から、図の左側端部である吐出
側圧縮室と対向する側部（以下、吐出側と呼ぶ）に亘っ
て漸次大きくなるよう成形されている。

【００３５】なお説明すると、図２（ｄ）に示すよう
に、螺旋状溝１３の断面をとって、この幅寸法をｑ、深
さ寸法をｐとしたとき、幅寸法ｑと深さ寸法ｐのいずれ
か一方、もしくはその両方は、吸気側から吐出側に亘っ
て漸次大きく成形されている。

【００３６】数式にて表すならば、吐出側における冷媒
ガスの温度をｔ_１、吸気側における冷媒ガスの温度を
ｔ_２としたとき、互いの温度差Δｔは、 Δｔ＝ｔ_１− ｔ_２ローラ８とブレード１４との線膨張率の差をρ_２、吸
気側端部（Ｖ−Ｖ断面）における螺旋状溝１３の幅寸法
をＡ、高さ寸法をＢとしたとき、ｐ＝Ｂ（吸気側）〜Δρ_２×Δｔ×Ｂ＋Ｂ（吐出側）ｑ＝Ａ（吸気側）〜Δρ_２×Δｔ×Ａ＋Ａ（吐出側）で表される。

【００３７】すなわち、ローラ８とブレード１４とで素
材の相違から線膨張率に差があり、さらに低温部である
吸気側と高温部である吐出側で温度差があるが、上述の
設定により、全長に亘って互いのクリアランスが適正値
の範囲内に収まり、したがって冷媒ガスのリーク量が許
容値を越えることがなく高性能圧縮が行われる。

【００３８】また、図３に示すように、螺旋状溝１３の
特に深さ寸法ｐを、吸気側から吐出側に亘って漸次５μ
ｍ単位で階段状に大きく成形してもよい。このときの溝
深さ寸法の差は、（Δρ_２×Δｔ×Ｂ）で表される。

【００３９】この場合も、全長に亘って互いのクリアラ
ンスが適正値の範囲内に収まり、したがって冷媒ガスの
リーク量が許容値を越えることがなく、高性能圧縮が行
われる。

【００４０】図４（ａ）（ｂ）に示すように、ブレード
１４は、その幅寸法と高さ寸法のいずれか一方、もしく
はその両方を吸気側から吐出側に亘って漸次小さく成形
してもよい。

【００４１】すなわち、ブレード１４における吸気側の
幅寸法をＡ、高さ寸法をＢとし、吐出側の幅寸法をａ、
高さ寸法をｂとしたとき、吸気側と吐出側のそれぞれの
寸法差は以下の式で表される。

【００４２】Ａ−ａ＝Δρ_２×Δｔ×ＢＢ−ｂ＝Δρ_２×Δｔ×Ａローラ８とブレード１４とで素材の相違から線膨張率に
差があり、さらに吸気側と吐出側で温度差があるが、全
長に亘って互いのクリアランスが適正値の範囲内に収ま
り、冷媒ガスのリーク量が許容値を越えることがなく高
性能圧縮が行われる。

【００４３】また、図２（ｃ）に示すように、ローラ８
の外径を、全長に亘って、または一部において、吸気側
から吐出側に亘って漸次小さくなるように成形してもよ
い。すなわち、ローラ８の基準外径をφＤとし、ローラ
８とシリンダ５との線膨張率の差をρ_１とし、ローラ
８の全長をＨとしたときのテーパ量ｄは、下記式から表
される。

【００４４】ｄ＝Δρ_１×Δｔ×Ｈローラ８とシリンダ５とで素材の相違から線膨張率に差
があり、さらに吸気側と吐出側で温度差があるが、全長
に亘って互いのクリアランスが適正値の範囲内に収ま
り、冷媒ガスのリーク量が許容値を越えることがなく高
性能圧縮が行われる。

【００４５】なお、上述の形態においてはローラ８外径
をテーパ状にしたがこれに限定されるものではなく、シ
リンダ５の高さ方向Ｈ内径の全部または一部について吸
気側から吐出側に亘って漸次広く成形しても、全く同様
の作用効果が得られる。

【００４６】図２（ｂ）に示すように、ローラ８の吸気
側端面であるスラスト面を、その中心から外径に向かっ
て傾斜して成形してもよい。ローラ８と副軸受け具７で
あるスラスト受け部の線膨張率の差をΔρ_３としたと
きの傾斜量ｓは、下記式から表される。

【００４７】ｓ＝Δρ_３×Δｔ×Ｄ／２再び図１に示すように、ローラ８おける圧力バランスを
とるために、高温高圧の吐出ガスの一部を回転軸２の偏
心部２ａ，２ｂに設けられるガスバランス孔１８ａ，１
８ｂを介してローラー８内径の吸気側に導いている。

【００４８】その結果、図５（ａ）に示すように、ロー
ラ８の吸気側内径が高温高圧の環境状態となっており、
これに対してローラ８の吸気側外径は吸込みポート１６
から低温の冷媒ガスが導かれて低温低圧の環境状態とな
っている。

【００４９】ローラ８の吸気側内径と外径で温度差があ
り、またローラ８とスラスト受け部（副軸受け具）７と
の素材の相違から線膨張率に差があるので、そのままで
は図５（ｂ）に示すように内径側の長さが外径側よりも
長くなって、外径側８ａが突条に変形する虞れがある。

【００５０】ただし、上記条件の設定により、径方向に
亘って互いのクリアランスが適正値の範囲内に収まり、
ローラ８のスラスト面における冷媒ガスのリーク量が許
容値を越えることがなく高性能圧縮が行われる。

【００５１】なお、上述の実施の形態ではローラ８のス
ラスト面に中心から外径方向に向かって傾斜するよう成
形したが、これに限定されるものではなく、スラスト受
け部である副軸受け具７のスラスト受け面に同様条件の
傾斜を設けるようにしてもよい。

【００５２】なお、上述の実施の形態では流体機械とし
てヘリカルブレード式流体圧縮機を適用して説明した
が、これに限定されるものではなく、たとえば膨張機や
ポンプなどにも適用可能である。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、各
部を熱膨張や変形量に応じた形状とすることにより、作
動ガスのリークを許容値内に抑え、高効率で信頼性の向
上を得るなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係わる、流体機械である
ヘリカルブレード式圧縮機の断面図。

【図２】同実施の形態の、ローラと、ローラの吸気側端
部の断面図と、ローラのテーパを説明する図と、螺旋状
溝の断面図。

【図３】他の実施の形態の、螺旋状溝の深さ形状を説明
する図。

【図４】他の実施の形態の、ブレードの側面図と正面
図。

【図５】他の実施の形態の、ヘリカルブレード式圧縮機
の一部断面図と、ローラの変形を説明する図。

【符号の説明】

５…シリンダ、８…ローラ、１３…螺旋状溝、１５…作動室（圧縮室）、１４…ブレード、７…副軸受け具（スラスト受け部）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダと、このシリンダ内に偏心して配
置され偏心運動をなすローラと、このローラ外周面に設
けられる螺旋状の溝と、この螺旋状溝に出入り自在に嵌
め込まれ上記シリンダと上記ローラとの間に複数の作動
室を形成するブレードとを具備し、一端側の作動室に吸
込んだ作動流体を他端側の作動室へ移送して吐出する流
体機械において、上記ローラに設けられる螺旋状の溝は、その幅寸法およ
び深さ寸法のいずれか一方、もしくはその両方が、吸気
側作動室から吐出側作動室に亘って漸次大きく成形され
ることを特徴とする流体機械。
【請求項２】上記螺旋状溝は、その深さ寸法が吸気側作
動室から吐出側作動室に亘って５μｍ以下の階段状に漸
次大きく成形されることを特徴とする請求項１記載の流
体機械。
【請求項３】シリンダと、このシリンダ内に偏心して配
置され偏心運動をなすローラと、このローラ外周面に設
けられる螺旋状の溝と、この螺旋状溝に出入り自在に嵌
め込まれ上記シリンダと上記ローラとの間に複数の作動
室を形成するブレードとを具備し、一端側の作動室に吸
込んだ作動流体を他端側の作動室に移送して吐出する流
体機械において、上記螺旋状溝に嵌め込まれるブレードは、その幅寸法と
高さ寸法のいずれか一方、もしくはその両方が、吸気側
作動室から吐出側作動室に亘って漸次小さく成形される
ことを特徴とする流体機械。
【請求項４】シリンダと、このシリンダ内に偏心して配
置され偏心運動をなすローラと、このローラ外周面に設
けられる螺旋状の溝と、この螺旋状溝に出入り自在に嵌
め込まれ上記シリンダと上記ローラとの間に複数の作動
室を形成するブレードとを具備し、一端側の作動室に吸
込んだ作動流体を他端側の作動室に移送して吐出する流
体機械において、上記ローラの長手方向の外径の全部または一部について
吸気側作動室から吐出側作動室に亘って漸次小さなテー
パ状に成形される、もしくはシリンダの高さ方向の内径
の全部または一部について吸気側作動室から吐出側作動
室に亘って漸次大きなテーパ状に成形されることを特徴
とする流体機械。
【請求項５】シリンダと、このシリンダ内に偏心して配
置され偏心運動をなすローラと、このローラ外周面に形
成された螺旋状の溝と、この螺旋状溝に出入り自在に嵌
め込まれ上記シリンダと上記ローラとの間に複数の作動
室を形成するブレードとを具備し、一端側の作動室に吸
込んだ作動流体を他端側の作動室に移送して吐出する流
体機械において、上記ローラのスラスト荷重をスラスト受け部で受け、ロ
ーラのスラスト面またはスラスト受け部のスラスト面
の、それぞれの中心から半径方向に向かって傾斜して成
形されることを特徴とする流体機械。