JP2004156571A

JP2004156571A - Gas compressor

Info

Publication number: JP2004156571A
Application number: JP2002325473A
Authority: JP
Inventors: Nagatake Toki; 永偉時
Original assignee: Calsonic Compressor Manufacturing Inc
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-06-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas compressor in which the dead volume of a vent hole leading to a discharge valve from a compression space is small and the volumetric efficiency and power effectiveness are excellent. <P>SOLUTION: A conical valve seat 21 is formed in the vicinity of the compression space 10 of the vent hole 12. A light-weight ball 22 having the abrasion resistance and the impact resistance is retained in such a manner that it can make contact with the conical valve seat 21 and can move freely within a valve chest 23. A lead valve 16 is provided on the side of a high-pressure chamber 13. The ball 22, the conical surface 21 and the lead valve 16 compensate one another so as to fulfill the function of the discharge valve. The resistance caused when the gas flows into the high-pressure chamber 13 from the compression space 10 is small. The discharge valve is rapidly air-tightly closed to prevent the counterflow of the gas when the pressure in the compression space 10 is lower than that of the high-pressure chamber 13. When closing the discharge valve, the ball 22 makes close contact with the conical valve seat 21 so that the effective length of the vent hole 12 is greatly shortened and the dead volume of the vent hole 12 is made small. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機械的運動により容積を変化させて気体を圧縮する気体圧縮機、例えば、ロータリベーン型、スクロール型等の気体圧縮機に関し、特に、再膨張損失と過圧縮損失が少なくて動力効率のよい気体圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の気体圧縮機では、運転中に圧縮室中に圧縮される気体の圧力が脈動する。圧縮室が吸気行程にあるときは圧力が下がり、圧縮行程にあるときは圧力が上がってくる。充分に圧力が上がったとき、この高圧気体を吐出穴経由で高圧室に送り込む。圧縮行程初期や吸入行程に移るときは、圧縮室内気体圧力が高圧室内気体圧力より小さくなるので、圧縮室と高圧室が連通していると高圧室の圧縮気体が圧縮室へ逆流するので、吐出弁（逆止弁）を設けて逆流を阻止している。
【０００３】
図１および図８を参照して、従来の気体圧縮機の動作例を具体的に説明する。図１はロータリベーン型気体圧縮機の縦断面図で、図８は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【０００４】
図１において、１は気体圧縮機のロータ、２はシリンダブロック、３はフロントサイドブロック、４はリアサイドブロック、５はベーン、６はロータ軸である。
【０００５】
上記ロータ１は、シリンダブロック２内に収容され、ロータ軸６に固着されている。上記シリンダブロック２の内周断面はほぼ楕円形で、この楕円内周面２ａ（図８参照）はロータの回転軸中心からの距離がなめらかに増減する円筒カム面となっている。円筒カム面２ａの内側空間はシリンダ室７が形成されている。円筒カム面２ａの最小径（シリンダ室７の最小径）はロータ径とほぼ等しくなっている。
【０００６】
シリンダブロック２の両端面には、上記フロントサイドブロック３、リアサイドブロック４が固定され、上記シリンダ室７を囲っている。
【０００７】
上記ロータ１には、ほぼロータ半径方向にベーン溝が５個等間隔に設けられていて、上記ベーン５はそれぞれのベーン溝に挿入され、各ベーン５は、ロータ１の回転に伴い、その先端が円筒カム面２ａに摺接しながらベーン溝内を摺動する。
【０００８】
上記シリンダブロック２、フロントサイドブロック３、リアサイドブロック４、ロータ１およびベーン５によりシリンダ室７が分割されて画成された圧縮室１０は、ロータ１の回転とともにその容積が拡縮する。この圧縮室１０の容積拡縮が、気体圧縮機の気体圧縮の機能を持っている。圧縮室１０の容積が増加し始める角度位置から圧縮室１０内に吸気を始め、容積が減少し始める角度位置に達すると吸気を終えて圧縮を始め、圧縮した気体を吐出するのである。
【０００９】
この気体圧縮機の吸気経路は、冷凍システムの配管を接続した気体吸入ポート１１ａ、吸入室１１、フロントサイド主気体通路３２、フロントサイド気体吸入窪み部３１、シリンダ気体吸入孔３５、リアサイド気体通路３７、リアサイド気体吸入窪み部３６である。上記フロントサイド気体吸入窪み部３１とリアサイド気体吸入窪み部３６は、シリンダ室７の１８０°隔てたふたつの吸気行程位置にそれぞれ配置されていて、これらの窪み部３１、３６から吸気行程の圧縮室に気体が吸気されていく。
【００１０】
圧縮した気体の吐出経路は、吐出穴１２、高圧室１３、リアサイドブロック吐出通路１４、油分離器１７、吐出室１５、冷凍システムの配管を接続した気体吐出ポート１５ａである。上記吐出穴１２は、シリンダ室７の圧縮行程終了位置、小径部近くの円筒カム面に開口していて、これらの吐出穴１２から圧縮行程の圧縮室から圧縮気体が吐出されていく。ここで、高圧室１３は圧縮室１０で圧縮された気体を受け入れ、吐出穴１２は高圧室１３と圧縮室１０とを連通させていることになる。
【００１１】
そして、吐出穴１２と高圧室１３との間にはリードバルブ（吐出弁）１６が配設され、圧縮室１０内の気体圧力が高圧室１３内の気体圧力より大きいときはこのリードバルブ１６が開放状態になって圧縮室１０内の気体を高圧室１３内に流入させ、圧縮室１０内の気体圧力が高圧室１３内の気体圧力より小さいときは閉止状態になって高圧室１３から圧縮室１０への逆流を阻止する。
【００１２】
図１および図８に示したロータリベーン型気体圧縮機では、ロータ１が１回転する間に、ひとつの吐出穴１２をベーン５が５回通過し、そこに設けられたリードバルブ１６は５回開閉する。吐出穴１２に連通する圧縮室１０の内部圧力が高圧室１３の圧力より小さいうちは、高圧室１３の圧力により閉止されて逆流を阻止し、圧縮室１０の内部圧力が高圧室１３の圧力より高くなると開放されて圧縮室１０から高圧室１３へ圧縮気体を送り込むという動作を、ロータ１回転当たり５回繰り返すのである。
【００１３】
上記リードバルブ１６は、金属薄片のリード（弁体）１６ａ、リードシート（弁座）１６ｂおよびバルブサポート１６ｃからなっている。リードシート１６ｂは、シリンダブロック２の高圧室１３対向面に形成されている。やや厚肉のバルブサポート１６ｃは、リード１６ａの過剰な曲がりを防ぐもので、リード１６ａとともにシリンダブロック２にボルト締めされている。リードバルブ１６が開状態ではリード１６ａがバルブサポート１６ｃ側に押され、閉状態ではリード１６ａがリードシート１６ｂに密着する。
【００１４】
このような従来の気体圧縮機では、次の課題があった。
（１）強度維持のために吐出穴周辺は一定の肉厚が必要で、吐出穴の長さを短くできず、また、吐出抵抗低減のために、吐出穴の径をあまり小さくできないので、吐出穴容積、いわゆるデッドボリュームは小さくなく、吐出穴内にあるこのデッドボリュームの気体が体積効率の低下を招く。
（２）圧縮行程初期で未だ高圧になっていない圧縮室が吐出穴に連通すると、吐出弁が閉じるが、吐出穴に残るデッドボリュームの高圧気体が連通した圧縮室に逆流し、再膨張損失を生じ、また、弁体（リード）の閉じ込み遅れによって過圧縮損失を生じ、動力効率の低下を招く。
（３）デッドボリュームの影響は、圧縮機の容量が小さい程、相対的に大きく、性能低下が顕著になる。例えば、圧縮する気体が炭酸ガスである冷凍システムに用いる場合が、デッドボリュームの影響が大きい。
【００１５】
デッドボリュームを小さくする技術が、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。これらの文献では、吐出弁周囲の肉厚を部分的に薄くして、吐出穴の長さを縮めてデッドボリュームを小さくしている。これらの例では、吐出穴周囲の肉厚を一定（等厚）としていて、部分的にでも薄くすると、強度上の不安が残るから薄くする限度があるものと思われる。
【００１６】
【特許文献１】
特開平９−１５８８７６号公報（段落番号０００９、図１、図４）
【００１７】
【特許文献２】
特開２００２−５０５８号公報（段落番号００１２、図１、図４、図６、図８）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述の問題点を解決し、圧縮室から吐出弁に通じる吐出穴のデッドボリュームが小さく、体積効率、動力効率がよい気体圧縮機を提供するものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、この発明の気体圧縮機は、機械的運動により容積を変化させて気体を圧縮する圧縮室と、この圧縮室で圧縮された気体を受け入れる高圧室と、この高圧室と上記圧縮室とを連通させる吐出穴と、この吐出穴と上記高圧室との間に配設され、吐出穴に隣接した円錐状弁座を壁面の一部とする弁室内で自在に移動可能なボールを有する吐出弁とを具備することを特徴とする。
【００２０】
上記気体圧縮機において、上記吐出弁の高圧室側に、更に、ボールの逸出を防ぐボールサポートを有し、更に、このボールサポートのボール側に突出部を設けるようにしてもよい。
【００２１】
また、上記吐出弁の高圧室側に、更に、リードとバルブサポートを備えたリードバルブを有するようにしてもよい。
【００２２】
また、上記弁室の側壁を高圧室側に拡がる円錐状としてもよい。
【００２３】
また、上記ボールが、ポリイミド樹脂等の合成樹脂、ゴム、セラミックスの任意の材料からなる非金属材料からなるようにし、更に、非金属材料が制振性材料であるようにしてもよい。
【００２４】
また、上記ボールが、アルミニウム、チタンの任意の材料からなる軽金属材料、または、アルミニウム基合金、チタン基合金等の合金材料からなるようにしてもよい。
【００２５】
また、上記ボールが、中空ボールであるようにしてもよい。
【００２６】
更に、また、ボールの表面、弁座の表面、ボールサポートのボール側の面のいずれか、あるいは、複数種の表面に耐摩耗性材料のコーティングと制振性材料のコーティングの双方、または、耐摩耗性材料のコーティングと制振性材料のコーティングのいずれか一方を施してもよい。
【００２７】
この発明において、「円錐状」とは、円錐台形の他、斜面の傾きが異なる円錐台形の積み重ね、斜面の傾きが連続的に変化する球面、放物線回転面等の曲面、これらの組合せ形状を含む。
【００２８】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下、図１〜図７を参照して説明する。
【００２９】
図１は、この発明の一実施の形態を示す縦断面図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩの吐出弁を示す部分断面図である。
【００３０】
図１および図２においては、従来の技術の項で既に説明したように、ロータ１の回転運動により圧縮室１０の容積を変化させて気体を圧縮し、この圧縮室１０で圧縮された気体を高圧室１３が受け入れるようになっている。
【００３１】
上記高圧室１３と圧縮室１０とは吐出穴１２により連通され、この吐出穴１２と高圧室１３との間には、吐出弁２０が配設されている。吐出弁２０は、圧縮室１０内気体圧力が高圧室１３内気体圧力より大きいときは開放状態になって圧縮室１０内の気体を高圧室１３内に流入させ、圧縮室１０内気体圧力が高圧室１３内気体圧力より小さいときは閉止状態になって高圧室１３から圧縮室１０への逆流を阻止するようになっている。
【００３２】
次に、上記吐出弁２０の構成を図３〜図７を参照して説明する。図３〜図７は、それぞれ図２のＡ部の拡大図であって、この発明のそれぞれ別の実施の形態を示す。
【００３３】
図３の第１の実施の形態においては、吐出弁２０は、圧縮室１０近くに形成した円錐状弁座２１と、この円錐状弁座２１に当接可能な耐摩耗性、耐衝撃性のポリイミド樹脂製のボール（弁体）２２と、このボール２２を移動自在に囲う弁室２３と、リードバルブ１６とを有する。
【００３４】
上記リードバルブ１６は、上記弁室２３の高圧室１３側に配置され、リード１６ａ、リードシート１６ｂおよびバルブサポート１６ｃを備えている。上記リード１６ａとバルブサポート１６ｃは、図２に示すように、ボルト１８によりシリンダブロック２に共締めされている。バルブサポート１６ｃは、リード１６ａの過剰な曲がりを防ぐとともに、ボール２２の高圧室１３への逸出を阻止する。
【００３５】
上記弁室２３の側壁２４は、高圧室１３側に拡がる円錐状となっている。この形状は、弁室２３の断面積を大きくして弁室２３内でのボール２２の移動を一層自由にするとともに、ボール２２の脇を通過しリード１６ａとリードシート１６ｂとの隙間を通過する圧縮気体の流動抵抗を低減する。
【００３６】
上記弁座２１および弁室側壁２４の表面、リード１６ａのボール側表面には、耐摩耗性材料がコーティングされている。耐摩耗性コーティング材料としては、この実施の形態では、四フッ化エチレン樹脂を使用した。
【００３７】
図３のように構成された吐出弁は、吐出穴１２に連通している圧縮室１０が圧縮行程後半になって圧縮室１０内気体圧力が高圧室１３内気体圧力より大きくなると、その差圧で、ボール２２が高圧室１３側へ押されて円錐状弁座２１から離れ、また、リード１６ａもバルブサポート１６ｃ側へ押しやられて、開放状態になり、圧縮室１０内の気体を高圧室１３内に流入させる。
【００３８】
また、吐出穴１２に連通している圧縮室１０が圧縮行程を終えて圧縮室１０内気体圧力が高圧室１３内気体圧力より小さくなると、その差圧で、ボール２２が円錐状弁座２１へ押されて密着し閉止状態になって高圧室１３から圧縮室１０への逆流を阻止する。
【００３９】
このとき、通常はリード１６ａがリードシート１６ｂに密着する前にボール２２が円錐状弁座２１に密着する。ボール２２が閉じた後、なお弁室２３内の圧力が高圧室１３より高い場合は、リード１６ａは開いたままで弁室２３から高圧室１３へ若干量の気体が流れ、その後リード１６ａが閉じる。万一、ボール２２と円錐状弁座２１とが充分に密着しない場合は、リードバルブ１６が閉じることで完全に吐出弁２０が閉止する。
【００４０】
このように、図３の吐出弁を用いれば、ボール２２と円錐面２１、リードバルブ１６はともに相補って吐出弁の機能を持ち、圧縮室１０から高圧室１３への気体流入時の抵抗は小さく、圧縮室１０が高圧室１３より圧力が下がる時は速やかに気密性よく閉止して逆流を防止する。
【００４１】
円錐状弁座２１を圧縮室１０近くに形成したから、吐出穴１２はその長さが非常に短くなり、ボール２２が閉じたときの吐出穴１２のデッドボリュームは非常に小さく、再膨張損失、過圧縮損失が大幅に低減される。しかも、弁座２１が円錐状であるから吐出穴１２周囲の強度が低下することもない。
【００４２】
吐出弁２０が開状態のとき、弁室２３内のボール２２と弁室側壁２４との間には充分な空間があるから、吐出抵抗は非常に小さい。ボール２２がポリイミド製であって軽量で制振性があるので、開閉時の応答性がよく、かつ、騒音も低減する。
【００４３】
弁座２１、弁室側壁２４の表面に耐摩耗性材料のコーティングを施してあるので、摩耗を低減し、摩耗粉等を生じにくく、気体圧縮機の寿命を長くする。このコーティングはまた、吐出弁開閉動作に起因する騒音低減にも寄与する。
【００４４】
また、ボール２２の開閉動作が吐出弁２０の主開閉動作であって、リードバルブ１６は補助的な働きをすればよいのであるから、リード１６ａのリフト量を大きく設定でき、リードバルブ１６による吐出抵抗増加分は僅かである。リードバルブ１６に加わる圧力差も小さいので、動きがスムーズになり、寿命も長くなる。
【００４５】
図４は、この発明の第２の実施の形態を示す。図４においては、弁室側壁２４を円筒状とし、円錐状弁座２１の外径を弁室側壁に合わせてやや大きくしたものである。その他は図３と同様である。図３と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４６】
図４の吐出弁においては、図３の吐出弁と同様の作用を有し、特に、ボール２２が弁座２１から浮き上がった直後の弁室２３内気体流路断面積が、図３の場合よりも大きくしやすい。一方、リード１６ａ周辺の弁室２３の径はあまり大きくならず、多少流路抵抗が増しやすいが、リード外周部と弁室側壁との重なり面積が増してリードバルブの密閉性は向上しやすい。
【００４７】
図５は、この発明の第３の実施の形態を示す。図５においては、弁室側壁２４が弁座２１と連続した円錐形をなして、弁座２１を兼ねている。円錐面がひとつであるから、加工コストは低減される。
【００４８】
図５におけるその他の部分は、図３と同様である。図３と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。図５の吐出弁においても、図３の吐出弁と同様の作用を有する。
【００４９】
図６は、この発明の第４の実施の形態を示す。図６においては、リードバルブを使用せず、バルブサポートに代えてボールサポート２５を取り付けたものである。図６におけるその他の部分は、図３と同様である。図３と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５０】
ボールサポート２５は、高圧室１３側にボールの逸出を防ぐためのものである。このボールサポート２５の表面、少なくともボール側表面には、耐摩耗性材料のコーティング、制振性材料のコーティングあるいは耐摩耗性材料のコーティングと制振性材料のコーティングの双方が施されている。
【００５１】
図６の実施の形態では、図３の吐出弁と同様の作用を有する。特に、ボールサポート２５とシリンダブロック２表面との隙間ｇが常に充分大きいので、吐出抵抗が小さく、更に、閉止状態に切り替わるときもボール２２を動かす気体流の抵抗も小さいので非常に速やかに閉止状態になる。
【００５２】
図７は、この発明の第５の実施の形態を示す。図７においては、ボールサポート２６のボール側に突出部２６ａを設けてある。図７におけるその他の部分は、図６と同様である。図６と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５３】
図７の実施の形態では、図６の吐出弁と同様の作用を有し、特に、ボールサポート２６の突出部２６ａが弁室２３内でのボール２２の過剰の動きを抑え、摩耗、騒音を一層抑制する。この突出部２６ａの先端部にボール２２を受け入れる凹部を形成すれば、ボール２２が横方向にずれることがなくなる。
【００５４】
上述の実施の形態では、円錐状弁座や弁室の円錐状壁面にストレートな円錐面を採用したが、凹曲面状にしてボールとの密着性を向上させたり、段階的に変化する円錐面にして弁室断面積を大きくすることもできる。
【００５５】
ボールの逸出を遮るボールサポートは、弁室の上部に蓋を取り付ける等すれば、この発明に必ずしも必須ではない。
【００５６】
上述の実施の形態では、ポリイミド製ボールを使用したが、耐摩耗性、耐衝撃性のボールであれば、他の材料を使用してもよい。ポリイミド以外の合成樹脂、ゴム、セラミックス、複合材料から適宜選択した非金属材料、アルミニウム、チタン等の軽金属材料、または、アルミニウム基合金、チタン基合金等の合金材料を使用することができる。中空ボールとすれば、一層軽量化される。
【００５７】
また、ボール本体あるいは金属材料のボール等の表面コーティング材料として、制振性を向上させた制振性材料、例えば、フッ素樹脂、フッ素ゴム等を使用すれば、制御弁開閉動作に伴う振動、騒音を一層低減することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、この発明は、機械的運動により容積を変化させて気体を圧縮する気体圧縮機の吐出弁を、以下の（１）〜（３）のように構成した。
（１）円錐状弁座を圧縮室近くに形成する。
（２）上記円錐状弁座に当接可能な耐摩耗性、耐衝撃性のボールを弁体とする。（３）弁室が上記ボールを、バネ等の固体で付勢することなく、移動自在に囲うようにする。
【００５９】
よって、以下の（ａ）〜（ｃ）の効果を奏する。
（ａ）吐出穴のデッドボリュームを小さくでき、体積効率が向上する。
（ｂ）再膨張損失と過圧縮損失とを大幅に減少させ、動力効率が向上する。
（ｃ）吐出穴周辺の強度を維持できる。
【００６０】
吐出弁の高圧室側に、更に、リードとバルブサポートを備えたリードバルブを設ければ、ボールと円錐面、リードバルブはともに相補って吐出弁の機能を持ち、圧縮室から高圧室への気体流入時の抵抗は小さく、圧縮室が高圧室より圧力が下がる時は速やかに気密性よく閉止して逆流を防止する。また、リードバルブの動きがスムーズになり、寿命が長くなる。
【００６１】
上記ボールの材料を、合成樹脂、ゴム、セラミックス等の軽量な非金属材料、アルミニウム、チタン等の軽金属材料、または、アルミニウム基合金、チタン基合金等の合金材料とすれば、ボールの開閉動作が速く、応答性が向上する。
【００６２】
この非金属材料として制振性材料または金属材料に制振性材料を表面コーティングしたものを用いれば、吐出弁作動による振動、騒音が減少する。
【００６３】
金属あるいは非金属の上記ボールを、中空ボールとすれば、一層軽量化され、ボールの開閉動作が一層速く、応答性が向上する。
【００６４】
上記ボールの表面、ボールと離接する円錐状弁座の表面等に耐摩耗性材料と制振性材料の双方、または、耐摩耗性材料と制振性材料のいずれか一方がコーティングされているようにすれば、吐出弁の寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態を示す縦断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面の部分断面図。
【図３】この発明の吐出弁部分の一実施の形態を示す図２のＡ部拡大断面図。
【図４】この発明の吐出弁部分の他の実施の形態を示す図２のＡ部拡大断面図。
【図５】この発明の吐出弁部分の他の実施の形態を示す図２のＡ部拡大断面図。
【図６】この発明の吐出弁部分の他の実施の形態を示す図２のＡ部拡大断面図。
【図７】この発明の吐出弁部分の他の実施の形態を示す図２のＡ部拡大断面図。
【図８】従来の気体圧縮機の吐出弁を示す拡大断面図。
【符号の説明】
１ロータ
２シリンダブロック
２ａ円筒カム面（楕円内周面）
３フロントサイドブロック
４リアサイドブロック
５ベーン
６ロータ軸
７シリンダ室
１０圧縮室
１１吸入室
１１ａ気体吸入ポート
１２吐出穴
１３高圧室
１４リアサイドブロック吐出通路
１５吐出室
１５ａ気体吐出ポート
１６リードバルブ
１６ａリード
１６ｂリードシート
１６ｃバルブサポート
１７油分離器
２０吐出弁
２１円錐状弁座
２２ボール（弁体）
２３弁室
２４弁室側壁
２５ボールサポート
２６ボールサポート
２６ａ突出部
３１フロントサイド気体吸入窪み部
３２フロントサイド主気体通路
３５シリンダ気体吸入孔
３６リアサイド気体吸入窪み部
３７リアサイド気体通路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas compressor that compresses gas by changing its volume by mechanical movement, for example, a gas compressor of a rotary vane type, a scroll type, etc. To a good gas compressor.
[0002]
[Prior art]
In such a gas compressor, the pressure of the gas compressed in the compression chamber during operation pulsates. The pressure decreases when the compression chamber is in the intake stroke, and increases when the compression chamber is in the compression stroke. When the pressure is sufficiently increased, the high-pressure gas is sent into the high-pressure chamber via the discharge hole. At the beginning of the compression stroke or during the suction stroke, the gas pressure in the compression chamber becomes smaller than the gas pressure in the high pressure chamber.If the compression chamber and the high pressure chamber are in communication, the compressed gas in the high pressure chamber flows back to the compression chamber. A valve (check valve) is provided to prevent backflow.
[0003]
With reference to FIG. 1 and FIG. 8, an operation example of the conventional gas compressor will be specifically described. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a rotary vane type gas compressor, and FIG. 8 is a sectional view taken along line II-II of FIG.
[0004]
In FIG. 1, 1 is a rotor of a gas compressor, 2 is a cylinder block, 3 is a front side block, 4 is a rear side block, 5 is a vane, and 6 is a rotor shaft.
[0005]
The rotor 1 is housed in a cylinder block 2 and fixed to a rotor shaft 6. The inner peripheral section of the cylinder block 2 is substantially elliptical, and the elliptical inner peripheral surface 2a (see FIG. 8) is a cylindrical cam surface whose distance from the center of the rotation axis of the rotor smoothly increases and decreases. A cylinder chamber 7 is formed in the inner space of the cylindrical cam surface 2a. The minimum diameter of the cylindrical cam surface 2a (the minimum diameter of the cylinder chamber 7) is substantially equal to the rotor diameter.
[0006]
The front side block 3 and the rear side block 4 are fixed to both end surfaces of the cylinder block 2, and surround the cylinder chamber 7.
[0007]
The rotor 1 is provided with five vane grooves at substantially equal intervals in the radial direction of the rotor, and the vanes 5 are inserted into the respective vane grooves. Slides in the vane groove while sliding on the cylindrical cam surface 2a.
[0008]
The compression chamber 10, which is formed by dividing the cylinder chamber 7 by the cylinder block 2, the front side block 3, the rear side block 4, the rotor 1, and the vane 5, expands and contracts as the rotor 1 rotates. The expansion and contraction of the volume of the compression chamber 10 has a function of gas compression of the gas compressor. Suction is started into the compression chamber 10 from the angular position where the volume of the compression chamber 10 starts to increase, and when reaching the angular position where the volume starts to decrease, the suction is ended and compression is started, and the compressed gas is discharged.
[0009]
The suction path of the gas compressor includes a gas suction port 11a to which a pipe of a refrigeration system is connected, a suction chamber 11, a front side main gas passage 32, a front side gas suction recess 31, a cylinder gas suction hole 35, and a rear side gas passage 37. And the rear side gas suction recess 36. The front side gas suction recess 31 and the rear side gas suction recess 36 are disposed at two intake stroke positions of the cylinder chamber 7 separated by 180 °, and the compression chamber of the intake stroke is provided from these recesses 31 and 36. The gas is sucked in.
[0010]
The discharge path of the compressed gas is the discharge hole 12, the high-pressure chamber 13, the rear side block discharge passage 14, the oil separator 17, the discharge chamber 15, and the gas discharge port 15 a to which the piping of the refrigeration system is connected. The discharge holes 12 are open at the end of the compression stroke of the cylinder chamber 7 and on the cylindrical cam surface near the small diameter portion. Compressed gas is discharged from these discharge holes 12 from the compression chambers in the compression stroke. Here, the high-pressure chamber 13 receives the gas compressed in the compression chamber 10, and the discharge hole 12 connects the high-pressure chamber 13 and the compression chamber 10.
[0011]
A reed valve (discharge valve) 16 is disposed between the discharge hole 12 and the high-pressure chamber 13. When the gas pressure in the compression chamber 10 is higher than the gas pressure in the high-pressure chamber 13, the reed valve 16 When the gas in the compression chamber 10 is opened and the gas in the compression chamber 10 flows into the high-pressure chamber 13, when the gas pressure in the compression chamber 10 is smaller than the gas pressure in the high-pressure chamber 13, the gas is closed and the pressure is reduced from the high-pressure chamber 13 to the compression chamber. Prevent backflow to 10.
[0012]
In the rotary vane type gas compressor shown in FIGS. 1 and 8, the vane 5 passes through one discharge hole 12 five times while the rotor 1 makes one rotation, and the reed valve 16 provided there is operated five times. Open and close. While the internal pressure of the compression chamber 10 communicating with the discharge hole 12 is lower than the pressure of the high-pressure chamber 13, the internal pressure of the compression chamber 10 is closed by the pressure of the high-pressure chamber 13 to prevent backflow. The operation of releasing the compressed gas when it becomes higher and sending the compressed gas from the compression chamber 10 to the high-pressure chamber 13 is repeated five times per rotation of the rotor.
[0013]
The reed valve 16 includes a metal flake reed (valve element) 16a, a reed seat (valve seat) 16b, and a valve support 16c. The lead sheet 16 b is formed on the surface of the cylinder block 2 facing the high-pressure chamber 13. The slightly thick valve support 16c prevents excessive bending of the lead 16a, and is bolted to the cylinder block 2 together with the lead 16a. When the reed valve 16 is open, the reed 16a is pushed toward the valve support 16c. When the reed valve 16 is closed, the reed 16a comes into close contact with the reed sheet 16b.
[0014]
Such a conventional gas compressor has the following problems.
(1) A certain thickness is required around the discharge hole to maintain the strength, the length of the discharge hole cannot be shortened, and the diameter of the discharge hole cannot be reduced too much to reduce the discharge resistance. The hole volume, so-called dead volume, is not small, and the gas of this dead volume in the discharge hole causes a reduction in volume efficiency.
(2) When the compression chamber which has not been at a high pressure in the early stage of the compression stroke communicates with the discharge hole, the discharge valve closes. However, the dead volume high-pressure gas remaining in the discharge hole flows back into the communicated compression chamber to reduce re-expansion loss. Overcompression loss occurs due to the closing delay of the valve body (lead), which causes a reduction in power efficiency.
(3) The effect of the dead volume is relatively large as the capacity of the compressor is small, and the performance is significantly reduced. For example, when used in a refrigeration system in which the gas to be compressed is carbon dioxide, the influence of the dead volume is large.
[0015]
Techniques for reducing the dead volume are disclosed, for example, in Patent Literature 1 and Patent Literature 2. In these documents, the thickness around the discharge valve is partially reduced, and the length of the discharge hole is shortened to reduce the dead volume. In these examples, the thickness around the discharge hole is made constant (equal thickness), and if the thickness is reduced even partially, it is considered that there is an uncertainty in the strength, so that there is a limit to the thickness.
[0016]
[Patent Document 1]
JP-A-9-158876 (paragraph number 0009, FIGS. 1 and 4)
[0017]
[Patent Document 2]
JP, 2002-5058, A (Paragraph number 0012, Drawing 1, Drawing 4, Drawing 6, and Drawing 8)
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and provides a gas compressor having a small dead volume of a discharge hole leading from a compression chamber to a discharge valve and having good volume efficiency and power efficiency.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a gas compressor of the present invention includes a compression chamber that compresses a gas by changing the volume by mechanical movement, a high-pressure chamber that receives the gas compressed in the compression chamber, A discharge hole communicating the chamber with the compression chamber, and freely movable in a valve chamber which is disposed between the discharge hole and the high-pressure chamber and has a conical valve seat adjacent to the discharge hole as a part of the wall surface. And a discharge valve having a possible ball.
[0020]
In the gas compressor, a ball support for preventing the ball from escaping may be further provided on the high-pressure chamber side of the discharge valve, and a projection may be provided on the ball side of the ball support.
[0021]
Further, a reed valve having a reed and a valve support may be further provided on the high pressure chamber side of the discharge valve.
[0022]
Further, the side wall of the valve chamber may be formed in a conical shape extending toward the high pressure chamber.
[0023]
Further, the ball may be made of a nonmetal material made of any material such as a synthetic resin such as a polyimide resin, rubber, and ceramics, and the nonmetal material may be a vibration damping material.
[0024]
Further, the ball may be made of a light metal material made of any material of aluminum and titanium, or an alloy material such as an aluminum-based alloy and a titanium-based alloy.
[0025]
Further, the ball may be a hollow ball.
[0026]
Further, any one of a ball surface, a valve seat surface, a ball-side surface of a ball support, or a plurality of types of surfaces may be coated with a wear-resistant material and a vibration-damping material, or Either a coating of a wearable material or a coating of a vibration damping material may be applied.
[0027]
In the present invention, the term "conical shape" includes, in addition to a truncated cone, a stack of truncated cones having different slopes, a spherical surface having a continuously changing slope, a curved surface such as a parabolic rotation surface, and a combination thereof. .
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0029]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial sectional view showing a discharge valve II-II in FIG.
[0030]
1 and 2, the gas is compressed by changing the volume of the compression chamber 10 by the rotational movement of the rotor 1 as described in the section of the prior art, and the gas compressed in the compression chamber 10 is compressed. The high pressure chamber 13 is adapted to receive.
[0031]
The high-pressure chamber 13 and the compression chamber 10 communicate with each other through a discharge hole 12, and a discharge valve 20 is provided between the discharge hole 12 and the high-pressure chamber 13. When the gas pressure in the compression chamber 10 is higher than the gas pressure in the high-pressure chamber 13, the discharge valve 20 is opened to allow the gas in the compression chamber 10 to flow into the high-pressure chamber 13, and the gas pressure in the compression chamber 10 becomes high. When the pressure is lower than the gas pressure in the chamber 13, the closed state is established and the backflow from the high-pressure chamber 13 to the compression chamber 10 is prevented.
[0032]
Next, the configuration of the discharge valve 20 will be described with reference to FIGS. 3 to 7 are enlarged views of a portion A in FIG. 2 and show different embodiments of the present invention.
[0033]
In the first embodiment shown in FIG. 3, the discharge valve 20 includes a conical valve seat 21 formed near the compression chamber 10 and a wear-resistant and impact-resistant material capable of contacting the conical valve seat 21. It has a ball (valve element) 22 made of polyimide resin, a valve chamber 23 that movably surrounds the ball 22, and a reed valve 16.
[0034]
The reed valve 16 is arranged on the high pressure chamber 13 side of the valve chamber 23, and includes a reed 16a, a reed seat 16b, and a valve support 16c. As shown in FIG. 2, the lead 16a and the valve support 16c are fastened together to the cylinder block 2 by bolts 18. The valve support 16c prevents the lead 16a from being excessively bent and also prevents the ball 22 from escaping into the high-pressure chamber 13.
[0035]
The side wall 24 of the valve chamber 23 has a conical shape expanding toward the high-pressure chamber 13. This shape increases the cross-sectional area of the valve chamber 23 to make the movement of the ball 22 more freely in the valve chamber 23, and also passes by the side of the ball 22 and passes through the gap between the lead 16a and the lead sheet 16b. Reduce the flow resistance of compressed gas.
[0036]
The surface of the valve seat 21 and the valve chamber side wall 24 and the ball-side surface of the lead 16a are coated with a wear-resistant material. In this embodiment, an ethylene tetrafluoride resin was used as the wear-resistant coating material.
[0037]
When the compression chamber 10 communicating with the discharge hole 12 is in the latter half of the compression stroke and the gas pressure in the compression chamber 10 becomes larger than the gas pressure in the high pressure chamber 13, the discharge valve configured as shown in FIG. Then, the ball 22 is pushed toward the high-pressure chamber 13 and moves away from the conical valve seat 21, and the lead 16 a is also pushed toward the valve support 16 c to be in an open state, and the gas in the compression chamber 10 is released from the high-pressure chamber 13. Let it flow inside.
[0038]
When the compression chamber 10 communicating with the discharge hole 12 completes the compression stroke and the gas pressure in the compression chamber 10 becomes smaller than the gas pressure in the high pressure chamber 13, the differential pressure causes the ball 22 to move to the conical valve seat 21. When pressed, they come into close contact with each other and become closed, thereby preventing backflow from the high-pressure chamber 13 to the compression chamber 10.
[0039]
At this time, usually, the ball 22 comes into close contact with the conical valve seat 21 before the lead 16a comes into close contact with the lead sheet 16b. If the pressure in the valve chamber 23 is still higher than that of the high-pressure chamber 13 after the ball 22 is closed, a small amount of gas flows from the valve chamber 23 to the high-pressure chamber 13 while the lead 16a remains open, and then the lead 16a closes. If the ball 22 and the conical valve seat 21 do not adhere sufficiently, the discharge valve 20 is completely closed by closing the reed valve 16.
[0040]
As described above, when the discharge valve of FIG. 3 is used, the ball 22, the conical surface 21, and the reed valve 16 are both complementary and have the function of a discharge valve, and the resistance when the gas flows from the compression chamber 10 to the high-pressure chamber 13 is reduced. When the pressure of the compression chamber 10 is smaller than that of the high-pressure chamber 13, the compression chamber 10 is quickly and airtightly closed to prevent backflow.
[0041]
Since the conical valve seat 21 is formed near the compression chamber 10, the length of the discharge hole 12 is very short, and the dead volume of the discharge hole 12 when the ball 22 is closed is very small, so that the re-expansion loss, Overcompression loss is greatly reduced. Moreover, since the valve seat 21 is conical, the strength around the discharge hole 12 does not decrease.
[0042]
When the discharge valve 20 is in the open state, there is a sufficient space between the ball 22 in the valve chamber 23 and the valve chamber side wall 24, so that the discharge resistance is very small. Since the ball 22 is made of polyimide and is lightweight and has vibration damping properties, the responsiveness at the time of opening and closing is good, and the noise is reduced.
[0043]
Since the surfaces of the valve seat 21 and the valve chamber side wall 24 are coated with a wear-resistant material, wear is reduced, abrasion powder is hardly generated, and the life of the gas compressor is extended. This coating also contributes to reducing noise caused by the opening and closing operation of the discharge valve.
[0044]
Further, since the opening / closing operation of the ball 22 is the main opening / closing operation of the discharge valve 20 and the reed valve 16 only has to perform an auxiliary function, the lift amount of the reed 16a can be set large, and the reed valve 16 discharges. The increase in resistance is small. Since the pressure difference applied to the reed valve 16 is also small, the movement is smooth and the life is prolonged.
[0045]
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the valve chamber side wall 24 is formed in a cylindrical shape, and the outer diameter of the conical valve seat 21 is made slightly larger in accordance with the valve chamber side wall. Others are the same as FIG. The same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0046]
The discharge valve of FIG. 4 has the same operation as the discharge valve of FIG. 3, and in particular, the cross-sectional area of the gas passage in the valve chamber 23 immediately after the ball 22 rises from the valve seat 21 is larger than that of FIG. Also easy to make big. On the other hand, the diameter of the valve chamber 23 around the lead 16a is not so large, and the flow resistance is slightly increased, but the overlapping area between the outer peripheral portion of the lead and the valve chamber side wall is increased, so that the sealing property of the reed valve is easily improved.
[0047]
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the valve chamber side wall 24 forms a conical shape continuous with the valve seat 21 and also serves as the valve seat 21. Since there is only one conical surface, the processing cost is reduced.
[0048]
The other parts in FIG. 5 are the same as those in FIG. The same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The discharge valve of FIG. 5 has the same operation as the discharge valve of FIG.
[0049]
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 6, a ball support 25 is attached instead of a valve support without using a reed valve. The other parts in FIG. 6 are the same as those in FIG. The same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0050]
The ball support 25 is for preventing the ball from escaping toward the high-pressure chamber 13. The surface of the ball support 25, at least the ball side surface, is provided with a coating of a wear-resistant material, a coating of a vibration-damping material, or both a coating of a wear-resistant material and a coating of a vibration-damping material.
[0051]
The embodiment of FIG. 6 has the same operation as the discharge valve of FIG. In particular, since the gap g between the ball support 25 and the surface of the cylinder block 2 is always sufficiently large, the discharge resistance is small, and the resistance of the gas flow that moves the ball 22 when switching to the closed state is also small. become.
[0052]
FIG. 7 shows a fifth embodiment of the present invention. In FIG. 7, a protrusion 26a is provided on the ball side of the ball support 26. The other parts in FIG. 7 are the same as those in FIG. The same parts as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0053]
The embodiment of FIG. 7 has the same operation as the discharge valve of FIG. 6, and in particular, the protruding portion 26a of the ball support 26 suppresses excessive movement of the ball 22 in the valve chamber 23 and reduces wear and noise. Suppress further. If a recess for receiving the ball 22 is formed at the tip of the projection 26a, the ball 22 will not be displaced in the lateral direction.
[0054]
In the above-described embodiment, a straight conical surface is adopted for the conical valve seat and the conical wall surface of the valve chamber. However, the conical surface is formed into a concave curved surface to improve the adhesion to the ball, or the conical surface that changes stepwise. To increase the cross-sectional area of the valve chamber.
[0055]
The ball support that blocks the escape of the ball is not necessarily essential to the present invention if a lid is attached to the upper part of the valve chamber.
[0056]
In the above-described embodiment, a polyimide ball is used, but other materials may be used as long as the ball has wear resistance and impact resistance. A nonmetallic material appropriately selected from synthetic resins other than polyimide, rubber, ceramics, and composite materials, a light metal material such as aluminum and titanium, or an alloy material such as an aluminum-based alloy and a titanium-based alloy can be used. The use of a hollow ball further reduces the weight.
[0057]
Also, if a vibration damping material having improved vibration damping properties, such as fluororesin or fluororubber, is used as a surface coating material for the ball body or a ball made of a metal material, vibration and noise accompanying the control valve opening / closing operation can be obtained. Can be further reduced.
[0058]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the discharge valve of the gas compressor that compresses gas by changing the volume by mechanical movement is configured as in the following (1) to (3).
(1) A conical valve seat is formed near the compression chamber.
(2) A wear-resistant and impact-resistant ball capable of contacting the conical valve seat is used as the valve body. (3) The valve chamber movably surrounds the ball without being urged by a solid such as a spring.
[0059]
Therefore, the following effects (a) to (c) are obtained.
(A) The dead volume of the discharge hole can be reduced, and the volume efficiency is improved.
(B) Re-expansion loss and over-compression loss are greatly reduced, and power efficiency is improved.
(C) Strength around the discharge hole can be maintained.
[0060]
If a reed valve with a reed and a valve support is further provided on the high pressure chamber side of the discharge valve, the ball, the conical surface, and the reed valve both have the function of a discharge valve complementing each other. The resistance at the time of gas inflow is small, and when the pressure of the compression chamber falls below that of the high-pressure chamber, the compression chamber is quickly and airtightly closed to prevent backflow. Further, the movement of the reed valve becomes smooth, and the life is prolonged.
[0061]
If the material of the ball is a light non-metal material such as synthetic resin, rubber and ceramics, a light metal material such as aluminum and titanium, or an alloy material such as an aluminum-based alloy and a titanium-based alloy, the opening and closing operation of the ball can be performed. Fast and responsive.
[0062]
When a vibration damping material or a metal material coated with a vibration damping material on the surface is used as the non-metallic material, vibration and noise due to the operation of the discharge valve are reduced.
[0063]
If the metal or non-metal ball is a hollow ball, the weight can be further reduced, the opening and closing operation of the ball can be performed faster, and the response can be improved.
[0064]
The surface of the ball, the surface of the conical valve seat that comes in contact with and separates from the ball, or the like is coated with both the wear-resistant material and the vibration-damping material, or any one of the wear-resistant material and the vibration-damping material. In this case, the life of the discharge valve is prolonged.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view taken along the line II-II of FIG.
FIG. 3 is an enlarged sectional view of a part A in FIG. 2 showing one embodiment of a discharge valve portion of the present invention.
FIG. 4 is an enlarged sectional view of a portion A in FIG. 2 showing another embodiment of the discharge valve portion of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged sectional view of a portion A in FIG. 2 showing another embodiment of the discharge valve portion of the present invention.
FIG. 6 is an enlarged sectional view of a portion A in FIG. 2 showing another embodiment of the discharge valve portion of the present invention.
FIG. 7 is an enlarged sectional view of a portion A in FIG. 2 showing another embodiment of the discharge valve portion of the present invention.
FIG. 8 is an enlarged sectional view showing a discharge valve of a conventional gas compressor.
[Explanation of symbols]
1 rotor 2 cylinder block 2a cylindrical cam surface (elliptical inner peripheral surface)
3 Front side block 4 Rear side block 5 Vane 6 Rotor shaft 7 Cylinder chamber 10 Compression chamber 11 Suction chamber 11a Gas suction port 12 Discharge hole 13 High pressure chamber 14 Rear side block discharge passage 15 Discharge chamber 15a Gas discharge port 16 Lead valve 16a Lead 16b Lead Seat 16c Valve support 17 Oil separator 20 Discharge valve 21 Conical valve seat 22 Ball (valve element)
23 Valve chamber 24 Valve chamber side wall 25 Ball support 26 Ball support 26a Projecting portion 31 Front side gas suction recess 32 Front side main gas passage 35 Cylinder gas suction hole 36 Rear side gas suction recess 37 Rear side gas passage

Claims

A compression chamber that compresses gas by changing the volume by mechanical movement,
A high-pressure chamber for receiving the gas compressed in the compression chamber;
A discharge hole for communicating the high-pressure chamber and the compression chamber,
A discharge valve having a ball disposed freely between the discharge hole and the high-pressure chamber and having a conical valve seat adjacent to the discharge hole as a part of the wall surface and having a freely movable ball chamber. Features a gas compressor.

2. The gas compressor according to claim 1, further comprising a ball support on the high pressure chamber side of the discharge valve for preventing the ball from escaping.

3. The gas compressor according to claim 2, wherein a projection is provided on the ball side of the ball support.

3. The gas compressor according to claim 1, wherein a coating of a wear-resistant material is applied to a ball-side surface of the ball support.

2. The gas compressor according to claim 1, further comprising a reed valve provided with a reed and a valve support on the high pressure chamber side of the discharge valve.

The gas compressor according to any one of claims 1 to 5, wherein a side wall of the valve chamber has a conical shape extending toward the high-pressure chamber.

The gas compressor according to any one of claims 1 to 6, wherein the ball is made of a non-metallic material made of any of synthetic resin, rubber, and ceramics.

The gas compressor according to claim 7, wherein the non-metallic material is a vibration damping material.

The gas compressor according to any one of claims 1 to 6, wherein the ball is made of a polyimide resin.

The gas compressor according to any one of claims 1 to 6, wherein the ball is made of a light metal material made of any material of aluminum and titanium, or an alloy material such as an aluminum-based alloy and a titanium-based alloy.

The gas compressor according to any one of claims 1 to 10, wherein the ball is a hollow ball.

The gas compression according to any one of claims 1 to 11, wherein the surface of the ball is coated with both a wear-resistant material and a vibration-damping material, or one of the wear-resistant material and the vibration-damping material. Machine.

The gas according to any one of claims 1 to 12, wherein the surface of the valve seat is coated with both a wear-resistant material and a vibration-damping material, or any one of a wear-resistant material and a vibration-damping material. Compressor.