JP2005325735A

JP2005325735A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2005325735A
Application number: JP2004143462A
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: 2004-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】遠心分離式油分離機構において、幅広い圧縮機回転数にて高い潤滑油分離効率を確保したうえで高速域でも圧縮機の信頼性を高める潤滑油分離装置を提供する。
【解決手段】分離室５１の側壁に導入孔案内溝部５５と、導入孔案内溝部５５に挿入した移動導入孔部５６と弾性部材としてのスプリング５７と、移動導入孔部５６を保持すると共に、上部に高圧連通室６１を構成する上部蓋６３と、下部に低圧連通室５９を構成する下部蓋６４とを備え、スプリング５７の力と、高圧連通室６１と低圧連通室５９との差圧による力との釣り合いにより移動導入孔部５６の位置を制御する機構として、分離室５１の側壁に構成される導入孔５３の開口位置を可変とするようにした。
【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、空気調和装置、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。

従来、この種の圧縮機を用いた空調装置は、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、この流体を冷凍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（例えば特許文献１参照）。

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を分離室へ導入する位置固定の導入孔により、冷媒ガスが分離室に導かれ、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２００３−９０２８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、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導く導入孔は所定の位置に開口するように構成されている。

一方、一般的に理想とする潤滑油分離効率特性は、圧縮機の回転数が中速以下においては十分な潤滑油分離効率を発揮しシステム効率を向上させることが期待される。さらに圧縮機の回転数が高速の領域においては、潤滑油の分離効率が低くても冷媒循環量が十分であるためシステムの冷房能力としては十分であることが多く、逆に意図的に潤滑油分離効率を低めサイクル中の潤滑油の循環量を高めることで圧縮機の信頼性をさらに高めることが望まれる。

発明者等は上記特許に記載されるような所定の位置で開口する導入孔にて構成される圧縮機にて、潤滑油の分離効率について試験検討したところ、圧縮機の回転数に対する理想とする潤滑油分離効率に対して、期待する十分な潤滑油の分離効率の特性を得ることは困難であった。

そこで、発明者等は幅広い圧縮機回転数で理想的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、上記従来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。

よって、圧縮機の回転数が中速以下の場合、分離室での旋回による遠心力により潤滑油を効率よく分離するが、分離室の下方に溜まっている潤滑油の一部が旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出され、結果的に潤滑油分離効率をやや悪化させる。また、圧縮機回転数が高速の場合、分離室での旋回による遠心力により潤滑油を分離するが、分離室の下方に溜まっている潤滑油が旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出され、結果的に潤滑油の分離効率を低下させる。

このとき、導入孔が所定の位置に固定して開口している従来の圧縮機では、中速以下で潤滑油分離効率を高めるように、分離室の下方に溜まっている潤滑油から遠ざけるように極力上方に導入孔を開口すると、圧縮機回転数が高速の場合でも、分離室の下方に溜まっている潤滑油が旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出されにくくなり、結果的に潤滑油の分離効率を向上させ過ぎ、圧縮機の信頼性面では好ましくない。

逆に圧縮機回転数が高速の場合、分離室の下方に溜まっている潤滑油が旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出されやすくし、圧縮機の信頼性面を好ましくするために、分離室の下方に溜まっている潤滑油に近づけるように極力下方に導入孔を開口すると、圧縮機回転数が中速以下の場合でも、分離室の下方に溜まっている潤滑油が旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出されやすくなり、結果的に潤滑油分離効率が低下してシステム効率を高めることは期待できない。

つまり所定の位置に固定して導入孔が構成される潤滑油分離機構では、圧縮機の回転数に対する理想とする分離効率に対して、期待する十分な潤滑油の分離効率の特性を得ることは困難であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、幅広い圧縮機回転数で理想的な潤滑油の分離効率に近づけること可能とした潤滑油分離機構を備えた圧縮機を提供することを目的としている。

なお、ここでいう圧縮機回転数の「低速」、「中速」、「高速」の定義については、使用形態や条件によって変わるものであり、それぞれの概念による。例えば、後述する自動車用空調装置において説明すると、実際の圧縮機の回転数は自動車のギア比や、どのギアを選択しているか、またプーリー比などで一概に決められるものではないが、おおよその想定として、低速は、自動車のアイドリングから時速３０ｋｍ程度の走行まで、中速は、それを超えて一般市街地での時速６０ｋｍ程度の走行まで、高速は、それ以上で高速道路等の走行時程度、における空調装置の運転による状態としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、冷媒ガスを分離室に導く導入孔の開口部位置が可変であることを特徴としている。すなわち、分離室の側壁に形成された導入孔の開口位置が圧縮機の回転数に応じて変化し、その結果、導入孔を通過して導かれる冷媒ガスが分離室にて旋回し、旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出される分離室の下方に溜まって潤滑油の量が変化する。

例えば、中速以下の圧縮機回転数の領域では、導入孔の位置は貯油面から相対的に高い位置に制御すると、旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出される潤滑油の量が少なく抑制されるため、高い潤滑油分離効率となり、結果的にシステム効率が向上する。

また、高速以上の圧縮機回転数の領域では、導入孔の開口位置はその制御範囲の下方の位置となるよう制御すると、旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出される潤滑油
の量が多くなるため、低い潤滑油分離効率となり、結果的に圧縮機の信頼性はより向上する。つまり、高速以上の圧縮機回転数ではシステムの冷房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システム効率を向上させることよりも、意図的に潤滑油分離効率を低下させることにより、システム中を循環する潤滑油を増加させ、圧縮機の信頼性確保を図ることを特徴としている。

本発明の圧縮機は、導入孔の位置を可変とすることにより、運転条件に応じて潤滑油分離効率を調整することができる。すなわち、中速以下の圧縮機回転数の領域では潤滑油分離効率を高めてシステム効率を向上させることができ、またシステムの冷房能力は十分に確保されているような高速以上の圧縮機回転数の領域では潤滑油分離効率を意図的に低下させることで、圧縮機の信頼性をさらに向上させることができる。

第１の発明は、潤滑油を含む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流体が導入されて旋回し、この旋回による遠心力により前記流体に含まれる潤滑油の少なくとも一部が分離される分離室を備えた圧縮機であって、前記分離室へ流体を導入する導入孔の位置を変化させる移動機構を備えたことを特徴とするものである。これにより、運転条件に応じて導入孔の位置を変化させて潤滑油分離効率を調整することができる。

第２の発明は、第１の発明において、導入孔の位置が圧縮機の高圧部と低圧部の圧力差に応じて変化する移動機構を備えたことを特徴とするもので、高圧部と低圧部の圧力差により運転条件を判断することができ、適切な導入孔の位置を設定することができる。

第３の発明は、第１の発明において、導入孔の位置が圧縮機の回転数に応じて変化する移動機構を備えたことを特徴とするもので、回転数は、回転数に伴う流体の状態により潤滑油分離効率が変化する重要な要素であり、適切な導入孔の位置を設定する基準とすることができる。

第４の発明は、第１又は第２の発明において、移動機構は、分離室の側壁に案内溝と、該案内溝に挿入した移動導入孔部と弾性部材と、前記移動導入孔部を保持すると共に、上部に高圧連通室と下部に低圧連通室を構成する蓋とを備え、前記弾性部材の力と、前記高圧連通室と前記低圧連通室との差圧による力との釣り合いにより前記移動導入孔部の位置を制御する機構としたことを特徴とするものである。これにより、運転条件に応じた圧力差を利用して適切な導入孔の位置を設定することができる。

第５の発明は、移動機構は、圧縮機の回転数が中速の場合に、導入孔が移動可能な範囲の最上部となるように設定したことを特徴とするもので、中速の場合にもっとも潤滑油分離効率を高くすることができる。

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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

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）、図３は図１のＣ部詳細Ｂ−Ｂ断面図（高圧ケースを作動室側から見た図）である。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。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。

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。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。

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。分離室５１の上部には分離室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の下部には分離室にて冷媒ガスから分離、収集された潤滑油の排出される排油孔５４が開口している。

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。

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、分離室５１の側壁に構成された導入孔５３の開口位置は図４に示すように導入孔案内溝部５５内を摺動可能なように挿入された移動導入孔部５６により、開口位置が可変制御される。図６は図４のＥ部拡大図、図５は移動導入孔部５６を組み付け前の図４のＥ部拡大図である。また図７は移動導入孔部５６を組み付け前の図４のＦ矢視拡大図である。図７に示すように導入孔案内溝部５５が分離室の側壁に開口され、移動導入孔部５６が挿入、移動可能な案内溝を構成している。図６に示すように導入孔案内溝部５５に移動導入孔部５６を挿入しその上部をスプリング５７に固定する。

さらに上部蓋６３と下部蓋６４にて移動導入孔部５６を押さえ込むとともに、上部に高圧連通室６１、下部に低圧連通室５９を構成する。上部の高圧連通室６１は、上部蓋６３に構成された高圧連通穴６２により高圧室１４と連通している。また、下部の低圧連通室５９は、高圧ケース１２に構成された低圧連通穴６０により作動室８の低圧部と連通している。

以下、本実施の形態におけ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孔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、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と逆円錐状空間部とから構成される。導入孔５３は分離室５１の円柱状空間部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、逆円錐状空間部により中央部に凝集される。

ここで、本発明のようにスプリング５７等で締結された移動導入孔部５６を有する場合は、図６に示すように移動導入孔部に作用する力はスプリング５７による力Ｇと、移動導入孔部５６が挿入されている導入孔案内溝部５５の上下の空間である高圧連通室６１と低圧連通室５９の差圧による力Ｐであり、力が釣り合ったところで、前記移動導入孔部５６は安定する。この場合、導入孔５３の開口位置が中速にて最適値に近い位置となるようスプリング５７等の仕様を設定しておく。つまり、圧縮機の回転数が中速以下の場合は、圧縮機の高い潤滑油分離能力によりシステム中に循環する潤滑油の量を抑え、システム能力を高めることが望まれる。

また、導入孔の開口位置が貯油室の油面から遠い程、つまり導入孔の開口位置が上方であるほど旋回する冷媒ガスの動圧で吐出配管側に持ち出される潤滑油の量が少なく抑制されるため、高い潤滑油分離効率となり、結果的にシステム効率が向上する。よって、圧縮機の回転数が中速の場合に移動導入孔部５６が移動可能な範囲の最上部となるようにスプリング５７等の仕様を設定しておけば、圧縮機の回転数が中速の場合はもちろんであるが、より圧縮機回転数が低速の場合も移動導入孔部５６が移動可能な範囲の最上部に留まることとなる。つまり圧縮機回転数が低下すると高圧連通室６１と連通している高圧室１４の圧力は低下し、低圧連通室５９と連通している作動室８の低圧部の圧力は上昇することとなる。

よって、より圧縮機回転数が低速の場合は、差圧による力Ｐは圧縮機回転数が中速の場合より小さくなり、移動導入孔部５６は圧縮機回転数が中速の場合より上方へ移動しようとするが、すでに移動導入孔部５６が移動可能な範囲の最上部となるようにスプリング５７等の仕様を設定しているため、移動導入孔部５６は最上部に留まることとなる。

また圧縮機の回転数が高速の場合は、高圧連通室６１と連通している高圧室１４の圧力は上昇し、低圧連通室５９と連通している作動室８の低圧部の圧力は低下することとなる。よって差圧による力Ｐは大きくなり移動導入孔部５６は下方へ移動しようとする。つまり圧縮機の回転数が高速の場合は、圧縮機の回転数が中速の場合に適正な位置に制御された移動導入孔部５６の位置より下方の位置にて、移動導入孔部５６は安定することとなり、旋回する冷媒ガスは貯油室と連通した旋回室内の油面までの距離が短くなり、結果として旋回する冷媒ガスの動圧で潤滑油を掻き上げ吐出配管側に持ち出される潤滑油の量が多くなり、低い潤滑油分離効率となりサイクル中に多くの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。

この圧縮機の回転数とサイクル中の潤滑油循環率（以下ＯＣＲという）について少し詳
細に説明する。なお、本実施の形態における圧縮機の実際の回転数については、低速を約１，５００ｒ／ｍｉｎ以下、中速を約３，０００ｒ／ｍｉｎ以下、それ以上を高速としている。

従来の開口位置が固定された導入孔の場合、その開口位置を中速にて設定すれば、つまり導入孔を通過する冷媒ガスの位置を、貯油室と連通した旋回室内の油面までの距離が極力長く確保するようにすれば、結果として旋回する冷媒ガスの動圧で潤滑油を掻き上げ吐出配管側に持ち出される潤滑油の量が少なくなり、高い潤滑油分離効率となりサイクル中に吐き出される潤滑油は減少し、サイクル効率が向上する。

さらに圧縮機回転数が増加すると、導入孔を通過する冷媒ガスの流速はさらに増加し、遠心力は十分得られるが、分離室の下方に存在するすでに分離された潤滑油が、高速の冷媒ガスの動圧の影響等によりガス排出孔へと掻き出される。そのため潤滑油分離効率は低下し、ＯＣＲが高くなる。

一方、本発明による導入孔の開口位置が可変である潤滑油分離機構においては、導入孔の位置を可変とすることで、導入孔を通過し旋回室を旋回する冷媒ガスの位置と、貯油室と連通した旋回室内の油面までの距離を、圧縮機回転数に応じて、移動導入孔部の可動範囲において制御する。つまり、圧縮機回転数が中速以下の場合、移動導入孔部５６が移動可能な範囲の最上部となるようにスプリング５７等の仕様を設定しておけば、導入孔を通過し旋回室を旋回する冷媒ガスの位置と、貯油室と連通した旋回室内の油面までの距離は、十分確保されるため潤滑油分離効率は向上し、ＯＣＲは低くなる。

さらに圧縮機回転数が増加すると、高圧連通室６１と連通している高圧室１４の圧力は上昇し、低圧連通室５９と連通している作動室８の低圧部の圧力は低下することとなる。よって差圧による力Ｐは大きくなり移動導入孔部５６は下方へ移動しようとする。つまり圧縮機の回転数が高い場合は、圧縮機の回転数が中速の場合に適正な位置に制御された移動導入孔部５６の位置より下方の位置にて、移動導入孔部５６は安定することとなり、旋回する冷媒ガスは貯油室と連通した旋回室内の油面までの距離が短くなり、結果として旋回する冷媒ガスの動圧で潤滑油を掻き上げ吐出配管側に持ち出される潤滑油の量が多くなり、低い潤滑油分離効率となりサイクル中に多くの潤滑油が循環するため、潤滑油分離効率は従来の開口位置固定の場合よりさらに低下し、ＯＣＲは高くなる。

よって、一定の開口位置である導入孔の場合と、本発明による導入孔の開口位置が可変な場合の、圧縮機回転数とＯＣＲの関係は図８に示す特性図のようになり、両者の差がつき始めるのは約３，０００ｒ／ｍｉｎを超えてからで、約４，０００ｒ／ｍｉｎを超えればより明確となる。

なお、本実施の形態では、移動導入孔部の移動構造として圧力等を利用した場合を例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機の回転数によって移動させる機構のほか、温度やその他の形式でも可能である。

なお、本実施の形態では、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として説明したが、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の潤滑油分離装置にも適用可能である。

以上のように本発明にかかる圧縮機では、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ので、家庭用空調装置等の用途にも適用できる。

本出願にかかる発明の一部が適用された実施例を示す圧縮機の縦断面図図１に示す圧縮機のＡ−Ａ断面図（作動室断面図）図１に示す圧縮機のＣ部詳細Ｂ−Ｂ断面図図３のＤ−Ｄ断面図図４のＥ部の拡大図（移動導入孔部を組み付け前）図４のＥ部の拡大図図４のＦ矢視拡大図（移動導入孔部を組み付け前）導入孔開口位置が一定の場合と可変の場合の、圧縮機回転数と冷凍サイクル中の潤滑油循環率の関係を表す特性図

符号の説明

１シリング
２ロー夕
４ベーン
８作動室
５１分離室
５３導入孔
５５導入孔案内溝部
５６移動導入孔部
５７スプリング
５９低圧連通室
６０低圧連通穴
６１高圧連通室
６２高圧連通穴
６３上部蓋
６４下部蓋

Claims

潤滑油を含む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流体が導入されて旋回し、この旋回による遠心力により前記流体に含まれる潤滑油の少なくとも一部が分離される分離室を備えた圧縮機であって、前記分離室へ流体を導入する導入孔の位置を変化させる移動機構を備えたことを特徴とする圧縮機。
導入孔の位置が圧縮機の高圧部と低圧部の圧力差に応じて変化する移動機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
導入孔の位置が圧縮機の回転数に応じて変化する移動機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
移動機構は、分離室の側壁に案内溝と、該案内溝に挿入した移動導入孔部と弾性部材と、前記移動導入孔部を保持すると共に、上部に高圧連通室と下部に低圧連通室を構成する蓋とを備え、前記弾性部材の力と、前記高圧連通室と前記低圧連通室との差圧による力との釣り合いにより前記移動導入孔部の位置を制御する機構としたことを特徴とする請求項１又は２記載の圧縮機。
移動機構は、圧縮機の回転数が中速の場合に、導入孔が移動可能な範囲の最上部となるように設定したことを特徴とする請求項１から４記載の圧縮機。