JP2005054714A

JP2005054714A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2005054714A
Application number: JP2003287548A
Authority: JP
Inventors: Kenji Okuzono; 賢治奥園; Koji Hirose; 孝司廣瀬
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】潤滑油を含む気流体を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構により圧縮された気流体を導入し、前記気流体に含まれる潤滑油の少なくとも一部を分離する分離室と、分離された潤滑油を貯留する貯油室を備えた圧縮機であって、信頼性を確保したうえで、幅広い圧縮機回転数にて高い潤滑油分離効率を達成する圧縮機を提供する。
【解決手段】貯油室内に油面調整部を設け、圧縮機回転数の変動に伴う油面調整部の変化により、貯油室さらには分離室の油面高さを制御するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の圧縮を行う圧縮機に関するもので、特に自動車用空調装置などに用いられる圧縮機に関するものである。

このような圧縮機においては、圧縮機構摺動部を潤滑する潤滑油の一部が圧縮された流体と共に圧縮機から吐出され、冷凍・空調サイクル中を循環することとなる。流体と共に吐出される潤滑油の量がサイクル中に多く吐出されるほどシステム効率（熱効率）が低下することは従来からよく知られている。

かかる事情から、システム効率の向上を図るため、圧縮機構により圧縮された流体から、そこに含まれる潤滑油を極力分離した後、該流体をシステムサイクル中に吐出するようにしている。そのような例として、圧縮機構の吐出側に、圧縮された流体から潤滑油を分離する遠心分離式の分離室を設けた圧縮機が公知となっている（特許文献１及び２参照）。

かかる圧縮機では、圧縮機構により圧縮され潤滑油を含む高圧の冷媒ガスが、遠心分離式の分離室に導かれ、略円柱状の分離室内を旋回し、旋回による遠心力により冷媒ガスに含まれるミスト状の潤滑油が分離室内壁に接触することで冷媒ガスから分離されるようになっている。
特開平１１−８２３５２号公報特開２００１−２９５７６７号公報

ところで、遠心分離式の分離室を備えた公知の圧縮機においては、上述の特許文献に開示されているものに限らず、圧縮機構から吐出される流体を前記分離室内にて分離させ、貯油室に貯留された潤滑油の油面の乱れを抑制するように配慮されているものの、油面の高さを制御するように構成されてはいない。

発明者等は上記先行特許文献に記載されるような、貯油室の油面の高さを制御し得ない圧縮機にて、潤滑油の分離効率について試験検討したところ、十分な分離効率が得られるのは、限られた圧縮機回転数の範囲内であって、その範囲外においては期待する十分な潤滑油の分離効率を得ることはできなかった。

そこで、発明者等は幅広い圧縮機回転数で十分な潤滑油の分離効率を得ることができなかった原因を調査研究したところ、以下の点が明らかになった。

すなわち、上記先行特許文献に記載の潤滑油分離機構では、圧縮機構により圧縮され潤滑油を含む高圧の冷媒ガスが遠心分離式の分離室に導かれ、略円柱状の分離室内を旋回し、旋回による遠心力により冷媒ガスに含まれるミスト状の潤滑油が分離室内壁に接触することで冷媒ガスから分離されるようになっている。

しかし、圧縮機の回転数が変化することにより、圧縮機から吐出され導入孔を通過して分離室に導かれる冷媒ガスの容積（質量）は変化する。したがって、導入孔を通過する冷媒ガスの流速は必然的に変化することとなる。

よって、ある圧縮機回転数では、導入孔を通過する冷媒ガスの流速が適度であり、分離室での旋回による適度な遠心力が得られ、潤滑油の分離効率が高い。しかし、圧縮機の回転数が低く、導入孔を通過する冷媒ガスの流速が小さい場合は、分離室での旋回による十分な遠心力が得られず、潤滑油の分離効率が低下してしまう。

また、圧縮機の回転数が高く、導入孔を通過する冷媒ガスの流速が必要以上に大きい場合は、分離室での旋回による遠心力は十分得られるものの、分離室の下方に溜まっている潤滑油が、高速で旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出され、結果として潤滑油の分離効率が低下する。

つまり従来の貯油室内の油面ひいては、分離室下方の油面の高さを制御し得ない潤滑油分離機構では、潤滑油分離効率にとって最適な圧縮機回転数が存在し、とくに高速域側では分離室の下方に溜まっている潤滑油が、高速で旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出され、潤滑油の高い分離効率が期待できない。

また、冷凍サイクル中に封入される潤滑油の量を減少させれば、潤滑油の分離効率が高くなくても、結果的にサイクル中に吐出される潤滑油の量は減少し、冷凍サイクルのシステム効率は向上するが、圧縮機の信頼性確保の面で課題が残る。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、幅広い圧縮機回転数にて潤滑油の分離効率が高く、しかも圧縮機の信頼性も確保することを可能とした油面高さ調整機構を備えた圧縮機を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するため、本出願にかかる発明による圧縮機においては、冷媒ガスから分離された潤滑油を貯留する貯油室に連通して、圧縮機回転数、圧縮機構による流体圧力の変化に応じて貯油室の潤滑油面高さを変化させる油面調整部を設けたものである。

ここで、一般的に冷凍サイクル中の潤滑油循環率（以下ＯＣＲという）は圧縮機回転数に対して、次のような特性が望まれる。

つまり車両の車速が低速から中速においては、すなわち、圧縮機回転数が低速から中速においてはＯＣＲが低いことにより冷凍サイクルの能力を向上させる。

また車両の車速が高速の場合は、すなわち、圧縮機回転数が高速においてはＯＣＲが比較的高いことが望まれる。前記高速状態においては、冷凍サイクルの能力は十分に確保されている場合が多く、このような場合にはサイクルの能力を向上させることよりも、サイクル中を循環する潤滑油を増加させ、つまりＯＣＲを高め、圧縮機の信頼性向上を図ることが望まれる。

また、一般にサイクル中に封入される潤滑油の量を減少させれば、ＯＣＲは減少し、サイクル能力面では有利となるが、高速域での信頼性等で課題が残る。

しかし、本発明では潤滑油を減少させ、冷凍サイクル能力面での効果を発揮し、さらに高速での信頼性が確保できる。

すなわち、本発明による圧縮機においては、まずサイクル中に封入される潤滑油の量を減少させておく。さらに、貯油室に構成された油面調整部の容積が、圧縮機の回転数に応じて変化し、その結果、貯油室の油面高さひいては、分離室内の油面高さを変化させ、潤滑油分離効率を最適値に近づくよう制御する。

このような特徴を有することにより、本発明による圧縮機においては、幅広い圧縮機回転数において高い潤滑油分離効率が期待できるとともに、極めて高い圧縮機回転数の領域では、油面調整部の容積が拡大し、潤滑油分離能力は低下し、信頼性を確保することを特徴としている。

以上説明したように本発明の圧縮機では、幅広い圧縮機回転数にて高い潤滑油分離効率を発揮でき、さらに高速回転での圧縮機の信頼性を確保可能となる。

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。

図１は本出願にかかる発明の一部が適用された圧縮機の縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図（作動室断面図）である。

同図に示した圧縮機は、いわゆるベーンロータリタイプの圧縮機であり、図示したように、円筒状の内壁を有するシリンダ１内に略円柱状のロータ２が配置されている。ロータ２はその外周の一部がシリンダ１の内壁と微少隙間を形成する位置に配置されている。ロータ２には複数のべ一ンスロット３が設けられ、それぞれのべ一ンスロット３内にはベーン４が摺動自在に挿入されている。ロータ２は回転自在に軸支された駆動軸５と一体的に形成されている。

前記シリンダ１及びロータ２はロータ２の回転軸方向において前部側板６及び後部側板７の間に挟み込まれており、シリンダ１の両端はこれらにより閉塞され、シリンダ内に流体圧縮のための作動室８が形成されている。

前記作動室８には吸入孔９及び吐出孔１０が連通し、冷媒ガス等の気流体は吸入孔９から作動室８に吸入されて圧縮された後、吐出孔１０から吐出される。吐出孔１０の出口には、例えばリード弁からなる吐出弁１１が配設されている。

前記後部側板７の後部側には高圧ケース１２が取り付けられており、高圧ケース１２には作動室８にて圧縮された冷媒ガスに含まれるミスト状の潤滑油を分離、収集する分離室５１が設けられている。

前記作動室８にて圧縮され、吐出孔１０から吐出された気流体はシリンダ１、後部側板７及び高圧ケース１２に連続して設けられた案内通路１３により案内され、分離室５１の側壁に形成された導入孔５３を介して分離室５１内に導入される。

前記分離室５１の上部には、分離室５１にて潤滑油が分離された冷媒ガスを排気するガス排出孔５８が開口し、分離室５１の下部には分離室５１にて冷媒ガスから分離、収集された潤滑油が排出される排油孔５４を開口している。

前記分離室５１からガス排出孔５８を介して排出される冷媒ガスは、冷凍・空調サイクルを循環し、やがて上述した吸入孔９に帰還し、再び圧縮されて前述のサイクルを循環する。分離室５１下部に開口した排油孔５４は高圧ケース１２及び後部側板７の相互間に形成された貯油室５２に連通する。従って、分離室にて冷媒ガスから分離、収集された潤滑油は、排油孔５４を通じて貯油室５２に貯留される。

前記貯油室５２に貯留された潤滑油は、給油通路１８を介して圧縮機構を構成するロータ２、ベーン４、シリンダ１内壁等に供給され各部を潤滑すると共に、ベーン背圧室１７に供給され、その圧力によりベーン４をロータ２の外側へ付勢する働きをする。

潤滑油の給油は、貯油室５２から圧縮機構に潤滑油を供給する給油通路１８を介して行われ、給油通路１８にはベーン背圧調整装置１６を介して貯油室５２に貯留されている潤滑油が供給される。ベーン背圧調整装置１６は圧縮機構へ供給する潤滑油の給油圧力や給油量を圧縮機構周辺の冷媒ガス圧力に応じて制御する。

ところで、貯油室５２内に構成された油面調整部５７は図１に示すように、前記貯油室５２内の下方に設置され、また圧縮部により圧縮され吐出孔１０から吐出される直前の高圧ガスの圧力が、前記油面調整部５７の内部に付与されている。前記後部測板７には、油面調整部５７に高圧ガスを導く連通路（図示せず）が構成されている。さらに、油面調整部内部５７に付与される圧力と油面調整部外部の圧力差により、油面調整部５７の容積が変化し得るような材質にて油面調整部５７は構成されている。

ここで、前記油面調整部５７は、貯油室５２に開口した円筒型のシリンダと、このシリンダ内を往復摺動するピストンからなる構造体とし、前記ピストンを圧縮機構の吐出圧力と貯油室内圧力の差圧にて駆動させるようにしてもよい。つまり、前記ピストンの位置によってシリンダの潤滑油収容容積が制御される構成である。

以下、上述した実施例にかかる圧縮機の動作について説明する。

車載エンジンなどの駆動源から動力伝達を受けて駆動軸５及びロータ２が、図２において時計方向に回転すると、これに伴い低圧の冷媒ガスが吸入口９より作動室８内に流入する。ロータ２の回転に伴い圧縮された高圧の冷媒ガスは吐出孔１０より吐出弁１１を押し上げて案内通路１３内に流入する。更に、高圧の冷媒ガスは導入孔５３を通り分離室５１内に導入され、分離室５１にて冷媒ガスに含まれる潤滑油が分離、収集される。

ところで、前記分離室５１はいわゆる遠心分離式のオイルセパレータであり、図１に示したように、互いに結合された円柱状空間部ｘと逆円錐状空間部ｙとから構成される。導入孔５３は分離室５１の円柱状空間部ｘの中心軸から偏心して設けられ、分離室内に導入される冷媒ガスを円柱状空間部ｘの接線方向に導くように、すなわち、冷媒ガスを円柱状空間部ｘの内周面４９に沿って分離室５１内に導入し得るように設けられている。したがって、分離室５１内に導入された冷媒ガスは分離室５１内で周方向に旋回し、旋回による遠心力の働きにより比重の大きい潤滑油が分離室内壁に接触して冷媒ガスから分離される。

分離された潤滑油は内周面４９に沿って下方に移動し、逆円錐状空間部ｙにより中央部に凝集される。

ここで、一般的に冷凍サイクル中の潤滑油循環率（ＯＣＲ）は圧縮機回転数に対して、前述したように次のような特性が望まれる。

つまり車両の車速が低速から中速においては、すなわち、圧縮機回転数が低速域から中速域においてはＯＣＲが低く、また、車両の車速が高速の場合は、すなわち、圧縮機回転数が高速域においてはＯＣＲが比較的高いことが望まれる。

ここで、中速以下のある圧縮機回転数の場合を考えると、まず圧縮室で圧縮された冷媒ガスは、案内通路１３を通って、導入孔５３により分離室５１に導かれる。そして、分離室５１内での旋回による遠心力で高い潤滑油分離効率を発揮する。

その際、油面調整部５７はその内部に付与される高圧ガスと、油面調整部５７の外部の圧力差により、ある一定の容積を保っている。その容積により油面A５５は相対的に上昇し、結果として油面B５６も上昇するが、前記油面Bの高さは、潤滑油分離効率に悪影響を及ぼさないよう、油面調整部５７の大きさやサイクル中に封入する潤滑油の量等の仕様を決定しておく。

また、圧縮機回転数が高くＯＣＲが高いことが望まれる領域においては、油面調整部５７は、その内部に付与される高圧ガスと、油面調整部５７の外部の圧力差により、ある一定の容積を保つこととなるが、前述の中速以下の場合と比較して、その容積は増大することとなる。

つまり、油面調整部５７内部に付与されるガスも、油面調整部５７外部のガスもともに高圧であるが、油面調整部５７内部に導かれる圧力は、図２における吐出孔１０直前の圧力であるため、圧縮機において最も高い圧力である。また、油面調整部５７外部の圧力は吐出弁１１や案内通路１３、さらには導入孔５３、分離室５１、排油孔５４を通過したガスであるため、圧力損失が発生しそのため高圧ガスとはいえ、その圧力は前述の油面調整部５７内部に導かれる圧力より低くなる。よって、圧縮機回転数が増大するほど、前述の吐出弁１１から排油孔５４までの圧力損失は増大し、結果的に油面調整部５７内外の圧力差は大きくなる。

そのため、圧縮機回転数が増大すると、油面調整部５７の容積は増大する。このため、油面A５５は相対的に上昇し、結果として油面B５６も上昇するため、分離室５１の下方に存在するすでに分離された潤滑油を、高速な冷媒ガスがその動圧によって掻き上げ、ガス排出孔５８へと持ち出すこととなる。

その結果、極めて高い圧縮機回転数域の場合は、潤滑油分離効率は低下し、サイクル中に潤滑油が循環するため、潤滑油を多く含んだ冷媒を圧縮機は吸入し、圧縮機の信頼性確保に貢献する。

つまり、圧縮機の回転数とＯＣＲの関係は、図３のようなグラフとなる。従来の油面高さを制御し得ない圧縮機の場合は、潤滑油分離効率にとって最適な圧縮機回転数が存在し、それ以外の領域においては潤滑油の分離効率が高く期待できため、ある圧縮機回転数にてＯＣＲの最小値が存在し、その前後においてＯＣＲが高い。

一方、本発明による圧縮機の場合、冷凍システムに封入する潤滑油の量を減少させ、圧縮機回転数が中速以下でＯＣＲを低く押さえると共に、前述の油面調整部５７の機能により、高速ではＯＣＲを高めることとなる。

なお、上述の実施例では、圧縮機としてスライディングベーン型ロータリ圧縮機を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなくローリングピストン型、スクロール型等その他の圧縮機にも適用可能である。

また、潤滑油の分離方式についても、旋回式に限らず衝突式、濾過式等他の方式であっても同様の効果が期待できる。

さらに、油面調整部５７は、容積が変化するものとしたが、体積が変化するものとしてもよく、また、圧縮機の圧力によって油面調整部５７の容積、体積を変化させるようにしてもよい。

本発明の一部が適用された実施の形態を示す圧縮機の縦断面図図１に示したＡ−Ａ線による圧縮機の作動室を示す断面図油面高さ制御なしと油面調整部ありの場合の圧縮機回転数と冷凍サイクル中の潤滑油循環率（ＯＣＲ）の関係を表すグラフ

符号の説明

１シリンダ
２ロ一夕
３ベーンスロット
４ベーン
５駆動軸
６前部側板
７後部側板
８作動室
９吸入口
１０吐出孔
１１吐出弁
１２高圧ケース
１３案内通路
１４高圧室
１６ベーン背圧調整装置
１７ベーン背圧室
１８給油通路
２１細長通路部
４９内周面
５１分離室
５２貯油室
５３導入孔
５４排油孔
５５油面Ａ
５６油面Ｂ
５７油面調整部
５８ガス排出孔

Claims

潤滑油を含む気流体を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構により圧縮された気流体を導入し、前記気流体に含まれる潤滑油の少なくとも一部を分離する分離室と、分離された潤滑油を貯留する貯油室を備えた圧縮機であって、前記貯油室内に連通し、圧縮機回転数に応じて貯油室内の油面の高さを変える油面調整部を構成したことを特徴とする圧縮機。
前記油面調整部は、前記貯油室内の潤滑油を収容し、圧縮機構からの流体の圧力作用によって、その容積が変化する構成とした請求項１記載の圧縮機。
前記油面調整部は、前記貯油室内に配置され、圧縮機構からの流体の圧力作用によって、その体積が変化する構成とした請求項１記載の圧縮機。
潤滑油を含む気流体を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構により圧縮された気流体を導入し、前記気流体に含まれる潤滑油の少なくとも一部を分離する分離室と、分離された潤滑油を貯留する貯油室を備えた圧縮機であって、圧縮機構内の圧力もしくは、圧縮機構から吐出された圧力もしくは、前記圧縮機の回転数もしくは、これらの組合せによって前記貯油室の容積を可変することを特徴とする圧縮機。