JP2007100603A - 気体圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】気体圧縮機において、回転軸に設けられたメカニカルシールに冷凍機油を安定的に供給する。
【解決手段】冷凍機油Ｒが供給される油路３３とメカニカルシール１５が配置された空間１６とを連通させる連通油路３８が形成されているとともに、連通油路３８に、油路３３と空間１６の差圧に応じて連通油路３８を開閉するスプール弁３９が配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は気体圧縮機に関し、詳細には、潤滑油をシールするメカニカルシールの潤滑の改良に関する。

従来より、空気調和システム（以下、空調システムという。）には、冷媒ガスを圧縮して、システムに冷媒ガスを循環させるための気体圧縮機が用いられている。

例えば、ベーンロータリ形式の圧縮機本体をハウジングの内部に備えた気体圧縮機（コンプレッサ）においては、圧縮機本体は、回転軸と一体的に回転するロータと、ロータの外周面の外方を取り囲み、断面輪郭略楕円形状の内周面を有するシリンダと、ロータの外周面から突出し、この突出した先端がシリンダの内周面に当接した状態を維持するように進退可能とされ、回転軸回りに等角度間隔でロータに設けられた複数枚の板状のベーンと、ロータの両端面の側からそれぞれ、このロータおよびシリンダを挟むように配設された２つのサイドブロック（フロントサイドブロックおよびリヤサイドブロック）とを有し、回転軸の回転にしたがって、２つのサイドブロック、ロータ、シリンダ、およびロータの回転方向に相前後する２つのベーンによって画成された圧縮室の容積が増減を繰り返すことにより、圧縮室に吸入された冷媒ガスを圧縮して、圧縮機本体の外部に圧縮された冷媒ガスを吐出するように構成されている。

また、圧縮機本体は、外部から冷媒ガスが吸入される吸入ポートおよび外部に冷媒ガスを吐出する吐出ポートが形成されたハウジングによって覆われており、吸入ポートに連通して圧縮機本体に吸入される冷媒ガスが導入される吸入室、および吐出ポートに連通して圧縮機本体から冷媒ガスが吐出される吐出室が、圧縮機本体の外面とハウジングの内面とによって、回転軸の軸方向に関して圧縮機本体を挟んで形成されている。

ここで、吐出室内には、圧縮機本体の回転機構等摺動部分の摩擦力を低減し、温度上昇を抑制し、摩擦によって生じた微小摩耗粉を摩擦面から流す等の一般的な潤滑油としての機能の他に、前述したベーンをロータから突出させるための背圧を与える作動油としても機能する冷凍機油が貯められている。

圧縮機本体を構成するシリンダやサイドブロックには、この冷凍機油を各部に供給するための油路が形成されており、吐出室内に吐出された冷媒ガスの高圧が冷凍機油に作用することにより、冷凍機油は、吐出室から各油路を通過して各部に供給される（特許文献１）。
特開平９−７２２９０号公報

ところで、各油路を通って冷凍機油が供給される部位のひとつとして、サイドブロックから圧縮機本体の外部に突出した回転軸を、ハウジングの内部においてシールするメカニカルシールがある。

このメカニカルシールは、コンプレッサの内部においては低圧の空間である吸入室と連通した空間に配置されており、吸入室には、空調システムを構成するコンデンサ等に流出した冷凍機油が、冷媒ガスとともに吸入されるが、このとき、冷凍機油はミスト状となってメカニカルシールを潤滑し、メカニカルシールのシール機能を維持させている。

しかし、高負荷条件下でコンプレッサが運転されているときは、冷凍機油は、圧縮された冷媒ガスとともに吐出ポートからシステムに流出し易くなり、コンプレッサ内部の冷凍機油量は減少し、一方、システムから戻る冷凍機油量は増加するが、コンプレッサに戻る冷凍機油はミスト状であり、ミスト状の冷凍機油は、高負荷条件の影響を受け易く、温度上昇による粘度低下や摩擦摺動面での面圧増大が生じ易い。この結果、メカニカルシールに生じる摩擦力が増大し、シール性能の耐久性の低下を招く虞がある。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、メカニカルシールに冷凍機油を安定的に供給することを可能にした気体圧縮機を提供することを目的とするものである。

本発明に係る気体圧縮機は、油路とメカニカルシールが配置された空間とを連通させるとともに、弁を設けて、油路とメカニカルシール配置空間との差圧が大きいとき、すなわち高負荷条件と見なされるとき、弁を開放して、メカニカルシールに潤滑油を供給するものである。

すなわち、本発明に係る気体圧縮機は、回転軸回りに回転する回転体を有する圧縮機本体と、この圧縮機本体の外方を覆うとともに、外部から気体が吸入される吸入ポートおよび外部に気体を吐出する吐出ポートが形成されたハウジングとを備え、前記吸入ポートに連通して、前記圧縮機本体に吸入される気体が導入される吸入室、および前記吐出ポートに連通して、前記圧縮機本体から前記気体が吐出される吐出室が、前記回転軸の軸方向に沿って前記圧縮機本体を挟んで形成され、前記圧縮機本体の外側に突出した前記回転軸に、該回転軸を通じて外部に潤滑油が漏れるのを阻止するメカニカルシールが設けられ、前記メカニカルシールが配置された空間と前記吸入室とが連通路を介して連通された気体圧縮機において、前記吐出室内の潤滑油が供給される油路と前記メカニカルシールが配置された空間とを連通させる連通油路が形成されているとともに、前記連通油路に、前記油路と前記空間との差圧に応じて該連通油路を開閉する弁が配設されていることを特徴とする。

このように構成された本発明に係る気体圧縮機によれば、高負荷条件の運転、すなわち吐出室の内圧が通常運転時の状態よりも高くなると、吐出室に通じる油路内の圧力も高くなり、一方、メカニカルシールが配置された空間は吸入室と連通しているため低圧のままであり、両者の差圧が、通常運転状態における両者の差圧よりも大きくなって、油路とメカニカルシールが配置された空間とを連通させる連通油路に設けられた弁が開放し、連通油路を通じて油路とメカニカルシールが配置された空間とが連通し、油路からメカニカルシールが配置された空間に潤滑油が流入して、メカニカルシールは、吸入ポートから流入するミスト状の潤滑油の多少に拘わらず、油路から供給される潤滑油によって十分に潤滑される。

本発明に係る気体圧縮機においては、前記弁の外周面と前記連通油路の内周面との間の微小隙間は、前記弁の開放状態において前記油路から前記空間に流れる潤滑油を所定の圧力だけ減圧するように設定されていることが好ましい。減圧されることによって、油路の潤滑油が、メカニカルシールの配置された空間に全て流れてしまうのを防止することができる。

本発明に係る気体圧縮機によれば、メカニカルシールは、吸入ポートから流入するミスト状の潤滑油の多少に拘わらず、油路から供給される潤滑油によって十分に潤滑される。

したがって、コンプレッサの高負荷条件下において、潤滑油の温度上昇による粘度低下や摩擦摺動面での面圧増大によっても、摩擦力の増大を防止することができ、メカニカルシールの耐久性の低下を防止することができる。

以下、本発明の気体圧縮機に係る最良の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る気体圧縮機の一実施形態であるベーンロータリ式コンプレッサ１００を示す縦断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面（ケース１１を除く）を示す図、図３は図１におけるフロントサイドブロック３０を、図２と同じ向きから視た図である。なお、図１は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図に相当する。

このコンプレッサ１００は、例えば、冷却媒体の気化熱を利用して冷却を行なうＧＨＰ（ガスヒートポンプ）用空気調和システムの一部として構成され、この空調システムの他の構成要素である凝縮器、膨張弁、蒸発器等（いずれも図示を省略する。）とともに、冷却媒体の循環経路上に設けられている。

そして、コンプレッサ１００は、空調システムの蒸発器から取り入れた気体状の冷却媒体すなわち冷媒ガスＧを圧縮し、圧縮された冷媒ガスＧを空調システムの凝縮器に供給する。凝縮器は、圧縮された冷媒ガスＧを液化させ、高圧で液状の冷媒（液）として膨張弁に送出する。

高圧で液状の冷媒は、膨張弁で低圧化され、蒸発器に送出される。低圧の液状冷媒は、蒸発器において周囲の空気から吸熱して気化し、この気化熱との熱交換により蒸発器周囲の空気を冷却する。

また、コンプレッサ１００は、ケース１１とフロントヘッド１２からなるハウジングの内部に収容された圧縮機本体と、フロントヘッド１２に取り付けられ、図示しない駆動源からの駆動力を圧縮機本体に伝える伝達機構１３とを備える。

ケース１１は、一端開放の筒状体からなり、フロントヘッド１２は、このケース１１の開放部を覆うように取り付けられている。また、フロントヘッド１２には、蒸発器から低圧の冷媒ガスＧが吸入される吸入ポート１２ａが形成され、この吸入ポート１２ａには、冷媒ガスＧの逆流を防ぐ逆止弁１２ｂが設けられている。

一方、ケース１１には、圧縮機本体で圧縮された高圧の冷媒ガスＧを凝縮器に吐出する吐出ポート１１ａが形成されている。そして、伝達機構１３は、ラジアルボールベアリング１４を介して、フロントヘッド１２に対して回転自在に支持されている。

ハウジング内に収容された圧縮機本体は、伝達機構１３によって軸回りに回転駆動される回転軸５１と、この回転軸５１と一体的に回転するロータ５０と、ロータ５０の外周面の外方を取り囲む断面輪郭略楕円形状の内周面４９ａ（図２参照）を有するとともに両端が開放されたシリンダ４０と、ロータ５０の外周面から突出して、この突出した先端がシリンダ４０の内周面４９ａに当接する、回転軸５１回りに等角度間隔でロータ５０に設けられた５枚の板状のベーン５８と、シリンダ４０の両側開放端面の外側からそれぞれ開放端面を覆うように固定されたフロントサイドブロック３０およびリヤサイドブロック２０とからなる。

そして、２つのサイドブロック２０，３０、ロータ５０、シリンダ４０、およびロータ５０の回転方向（図２において時計回りの方向）に相前後する２つのベーン５８，５８によって画成された各圧縮室４８の容積が、回転軸５１の回転にしたがって増減を繰り返すことにより、各圧縮室４８に吸入された冷媒ガスＧを圧縮して吐出するように構成されている。

なお、ロータ５０の両端面側からそれぞれ突出した回転軸５１の部分のうち一方の部分は、フロントサイドブロック３０の軸受部３２に軸支されるとともに、フロントヘッド１２を貫通して外方まで延び、この貫通部分がフロントヘッド１２により軸支され、外方に延びた部分が伝達機構１３に連結されている。同様に回転軸５１の突出部分のうち他方の側は、リヤサイドブロック２０の軸受部２２により軸支されている。

そして、フロントヘッド１２による回転軸５１の支持と、両サイドブロック２０，３０の外周部がＯリング等によりケース１１，フロントヘッド１２の内周面に保持されることとによって、圧縮機本体はハウジング内の所定位置に保持されている。

また、圧縮機本体がケース１１の内部に収容された状態で、リヤサイドブロック２０とケース１１とにより吐出室２１が形成され、一方、フロントサイドブロック３０とフロントヘッド１２とにより吸入室３４が形成され、吐出室２１は吐出ポート１１ａに連通し、吸入室３４は吸入ポート１２ａに連通している。

なお、吸入室３４と吐出室２１とは、前述したＯリング等によって気密に隔絶されている。また、リヤサイドブロック２０には後述するサイクロンブロック６０が取り付けられており、このサイクロンブロック６０は吐出室２１内に露呈している。

ここで、圧縮機本体の回転軸５１の部分のうち、フロントサイドブロック３０の軸受部３２に支持された部分よりも外側部分には、メカニカルシール１５が配置されている。このメカニカルシール１５は、回転軸５１を通じてハウジングの外部に潤滑油が漏れるのを阻止する部材である。

そして、このメカニカルシール１５が配置された空間１６は、フロントサイドブロック３０の外面とフロントヘッド１２の内面とによって形成されており、この空間１６は、フロントヘッド１２に形成された連通路１２ｃによって、吸入室３４に連通している。したがって、このメカニカルシール１５が配置された空間１６は、吸入室３４と同様に低圧の空間となっている。

また、吐出室２１の下部には、このコンプレッサ１０の摺動部等を潤滑・冷却・清浄するとともに、ベーン５８をシリンダ４０の内周面４９ａの方向に突出させるように圧力を作用させる冷凍機油Ｒが貯留されている。

すなわち、ロータ５０には、スリット状のベーン溝５６が放射状に、かつロータ５０の回転中心回りに等角度間隔で５つ形成され、これらのベーン溝５６に、前述のベーン５８が挿入され、各ベーン５８は、ロータ５０の回転によって生じる遠心力と、ベーン溝５６およびベーン５８の底面によって画成された背圧室５９に加えられる冷凍機油Ｒの油圧とにより、シリンダ４０の内周面４９ａ方向へ突出し、このベーン５８の突出した先端がシリンダ４０の内周面４９ａに当接した状態に付勢される。

これにより、シリンダ４０と、ロータ５０と、ロータ５０の回転方向について相前後する２つのベーン５８，５８と、フロントサイドブロック３０と、リヤサイドブロック２０とにより画成された各圧縮室４８は、ロータ５０の回転にしたがって容積の変化を繰り返す。

また、フロントサイドブロック３０には、図２，３に示すように、吸入室３４と圧縮室４８とを連通させるフロント側吸入口３１が開口しており、吸入ポート１２ａから吸入室３４に導入された冷媒ガスＧは、このフロント側吸入口３１を介して圧縮室４８に吸入される。

一方、シリンダ４０の外周の一部には凹部が形成され、この凹部は、両サイドブロック２０，３０の各内側端面とケース１１の内周面とによって囲まれた吐出チャンバ４４を形成している。

そして、この吐出チャンバ４４が形成されて薄肉化されたシリンダ４０の部分には圧縮室４８と吐出チャンバ４４とを連通させる吐出口４２が開口し、吐出口４２には、吐出チャンバ４４側に開放するリードバルブ４３（バルブ本体およびバルブサポート）が設けられている。そして、圧縮室４８から吐出口４２、リードバルブ４３を通って吐出チャンバ４４に吐出された高圧の冷媒ガスＧは、リヤサイドブロック２０に形成された連通孔（図示せず）、およびリヤサイドブロック２０に固定されたサイクロンブロック６０のオイルセパレータ６０ａを経て、吐出室２１に吐出される。

一方、オイルセパレータ６０ａによって、冷媒ガスＧから分離された冷凍機油Ｒは、吐出室２１の底部に滴下し、前述したようにこの底部に貯留される。

さらに、このコンプレッサ１００には、回転軸５１と軸受部２２，３２との間の潤滑、ロータ５０の各端面と各サイドブロック２０，３０の内側端面との間の潤滑、背圧室５９へのベーン付勢用油圧供給等のために、吐出室２１の下部に貯留した冷凍機油Ｒを各部位に導く構造を備えている。

すなわち、リヤサイドブロック２０に、軸受部２２に至る油路２３が形成され、また、リヤサイドブロック２０の内側端面には、軸受部２２における油路２３の開口から、軸受部２２と回転軸５１との間の微小隙間を通って、ロータ５０の背圧室５９に連通する凹部（サライ溝）２５が形成されている。

また、シリンダ４０の底部に、リヤサイドブロック２０の油路２３に接続する貫通孔４６が設けられ、フロントサイドブロック３０に、この貫通孔４６のフロントサイドブロック３０側の開口と軸受部１５ｂとを連通させる油路３３が形成されて、冷凍機油Ｒが、軸受部３２と回転軸５１との間の微小隙間を通過し、フロントサイドブロック３０の内側端面に形成された凹部（サライ溝）３５等に冷凍機油Ｒが導かれる。

ここで、フロントサイドブロック３０のサライ溝３５も、リヤサイドブロック２０のサライ溝２５と同様、ロータ５０の背圧室５９に連通し、図３に示すように、略扇形輪郭を有している。この輪郭形状などの基本的な構成において、リヤサイドブロック２０のサライ溝２５とフロントサイドブロック３０のサライ溝３５とは同一である。

なお、図３に示すように、フロントサイドブロック３０（リヤサイドブロック２０についても同様）のサライ溝３５の輪郭くびれ部に、高圧の冷凍機油Ｒを導く高圧孔３７をさらに形成して、圧縮行程の終期に対応した圧縮室４８を構成するベーン５８に対応した背圧室５９に、より高圧の油圧を作用させるようにしてもよい。

ここで、油路２３を通ってリヤサイドブロック２０の軸受け部２２に到達した高圧の冷凍機油Ｒ、および油路２３，４６，３３を通ってフロントサイドブロック３０の軸受け部３２に到達した高圧の冷凍機油Ｒは、それぞれ各軸受け部２２，３２と回転軸５１との間の微小隙間を通過することにより絞られるため、その圧力は、サライ溝２５，３５においては中圧（吐出室２１内における圧力（高圧）よりも低くく、かつ、吸入室３４内における圧力（低圧）よりも高い圧力）まで低下して、ロータ５０の背圧室５９に供給される。したがって、ロータの５０の回転により、サライ溝２５，３５の形成された範囲に合致した背圧室５９では、このサライ溝２５，３５に供給された冷凍機油Ｒの中圧が作用する。

一方、高圧孔３７は、油路３３と連通しているため、サライ溝２５，３５のように絞られることがなく、したがって、高圧の冷凍機油Ｒが供給される。したがって、サライ溝２５，３５の形成された範囲から外れ、高圧孔３７（リヤサイドブロック２０の高圧孔も同様に形成されているものとする。）に合致した背圧室５９では、この高圧孔３７に供給された冷凍機油Ｒの高圧が作用し、圧縮行程の終期における圧縮室４８内の高圧に対抗しうるベーン５８の突出圧力を確実に確保することができる。

フロントサイドブロック３０には、図１におけるＣ部の詳細図である図４（ａ），（ｂ）に示すように、吐出室２１内の冷凍機油Ｒが供給される油路３３とメカニカルシール１５が配置された空間１６とを連通させる連通油路３８が形成されているとともに、この連通油路３８には、油路３３と空間１６との差圧に応じて連通油路３８を開閉するスプール弁３９が配設されている。

このスプール弁３９は、その外周面が連通油路３８の内周面に圧入されることにより、またはネジ止め等されることにより連通油路３８の空間１６側の端部に固定された円筒状のストッパ３９ｂと、ストッパ３９ｂよりも油路３３側に配置されて、連通油路３８の段付き部分に当接している状態（図４（ａ））すなわち最も油路３３に近い位置にある状態では連通油路３８の連通を遮蔽し、一方、ストッパ３９ｂに当接した状態（図４（ｂ））では連通油路３８の連通を許容する弁体３９ａと、弁体３９ａとストッパ３９ｂとの間に設けられて弁体３９ａを連通油路３８の遮蔽側に付勢するバネ３９ｃとを備えた構成である。

なお、弁体３９ａは、図５（ａ）の側面図および同図（ｂ）のＤ矢視図に示すように、ストッパ３９ｂと当接する面に、十字状の溝３９ｄが形成されており、弁体３９ａがストッパ３９ｂに当接した状態においては、冷凍機油Ｒは同図（ｂ）に示すように、弁体３９ａの外周面と連通油路３８の内周面との間の隙間、弁体３９ａとストッパ３９ｂとの間の隙間である溝３９ｄ、およびストッパ３９ｂの中心孔を通って、メカニカルシール１５の配置された空間１６に流入する。

ここで、コンプレッサ１００の通常の運転状態においては、油路３３には冷凍機油Ｒの高圧が作用し、メカニカルシール１５が配置された空間１６には吸入された冷媒ガスＧの低圧が作用しているが、バネ３９ｃの圧縮側へのバネ定数は、通常の運転状態では弁体３９ａを連通油路３８の遮蔽側に付勢した状態を維持するのに必要な反力（弾性力）を生じるように設定されている。

一方、高負荷条件下でコンプレッサ１００が運転されている状態においては、油路３３には過度の高圧が作用するため、バネ３９ｃの圧縮側へのバネ定数は、この過度の高圧が作用したときは、バネ３９ｃの付勢力（弾性力）に抗して、弁体３９ａがストッパ３９ｂ側に移動するように設定されている。

そして、コンプレッサ１００の通常の運転状態においては、弁体３９ａにより連通油路３８は遮蔽されているため、従来のコンプレッサと同様に、油路３３からメカニカルシール１５が配置された空間１６に、冷凍機油Ｒが流れることはない。

一方、コンプレッサ１００の高負荷条件下での運転状態においては、弁体３９ａにより連通油路３８は連通されているため、油路３３からメカニカルシール１５が配置された空間１６に、冷凍機油Ｒが流れ込み、この冷凍機油Ｒは、高負荷運転によって厳しい潤滑状態となっているメカニカルシール１５に供給される。

この結果、メカニカルシール１５の潤滑状態は良好に維持され、メカニカルシール１５の耐久性を向上させることができる。なお、通常運転状態においては、連通油路３８は遮蔽されているため、油路３３を流通する冷凍機油Ｒの圧力が高圧状態から低下するのを防止することができ、ベーン５８への背圧供給機能が低下することはない。

このように、本実施形態に係るコンプレッサ１００によれば、メカニカルシール１５は、吸入ポート１２ａから流入するミスト状の冷凍機油Ｒの多少に拘わらず、油路３３から供給される冷凍機油Ｒによって十分に潤滑される。したがって、コンプレッサ１００の高負荷条件下において、冷凍機油Ｒの温度上昇による粘度低下や摩擦摺動面での面圧増大によっても、摩擦力の増大を防止することができ、メカニカルシール１５の耐久性が低下するのを防止することができる。

また、本実施形態のコンプレッサ１００は、圧縮機本体がベーンロータリ形式の圧縮機であるため、油路３３が形成されたフロントサイドブロック３０と、この油路３３よりも低圧空間である吸入室３４とが隣接する構造となり、連通油路３８を複雑な経路で構成することなく、しかも短い長さで構成することができる。

さらに、このコンプレッサ１００は、スプール弁３９を動作させる作動油が、圧縮機本体の可動部に供給される既存の潤滑油を兼ねた冷凍機油Ｒであるため、スプール弁３９を作動させるための専用の作動油を用いる必要がなく、作動油と潤滑油との混合を防止するための複雑な通路を形成する必要がない。したがって、製造コストを抑制することができる。

本発明に係る気体圧縮機の一実施形態であるベーンロータリ式コンプレッサを示す縦断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。 図１におけるフロントサイドブロックを、図２と同じ向きから視た図である。 図１におけるＣ部の詳細図であって、（ａ）は連通油路の遮蔽状態、（ｂ）は連通油路の連通状態、をそれぞれ示す。 弁体を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）における矢視Ｄによる図である。

符号の説明

１５ メカニカルシール
１６ 空間（メカニカルシールが配設された空間）
３３ 油路
３８ 連通油路
３９ スプール弁（弁）
５１ 回転軸
１００ コンプレッサ（気体圧縮機）
Ｇ 冷媒ガス（気体）
Ｒ 冷凍機油（潤滑油）

Claims (2)

1. 回転軸回りに回転する回転体を有する圧縮機本体と、この圧縮機本体の外方を覆うとともに、外部から気体が吸入される吸入ポートおよび外部に気体を吐出する吐出ポートが形成されたハウジングとを備え、前記吸入ポートに連通して、前記圧縮機本体に吸入される気体が導入される吸入室、および前記吐出ポートに連通して、前記圧縮機本体から気体が吐出される吐出室が、前記回転軸の軸方向に沿って前記圧縮機本体を挟んで形成され、
   前記圧縮機本体の外側に突出した前記回転軸に、該回転軸を通じて外部に潤滑油が漏れるのを阻止するメカニカルシールが設けられ、前記メカニカルシールが配置された空間と前記吸入室とが連通路を介して連通された気体圧縮機において、
   前記吐出室内の潤滑油が供給される油路と前記メカニカルシールが配置された空間とを連通させる連通油路が形成されているとともに、前記連通油路に、前記油路と前記空間との差圧に応じて該連通油路を開閉する弁が配設されていることを特徴とする気体圧縮機。
2. 前記弁の外周面と前記連通油路の内周面との間の微小隙間は、前記弁の開放状態において前記油路から前記空間に流れる潤滑油を所定の圧力だけ減圧するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の気体圧縮機。
   
   
   

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