JP2008291849A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心分離式油分離室に従来あった分離管を廃し、低コストで圧縮機を提供する。
【解決手段】圧縮機構により圧縮された気流体が導入されて旋回し、この旋回による遠心力により、気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５１を備え、油分離室まわりのレイアウトを調整することにより、分離管を廃し、分離室内にはそこに導入された流体以外は何も存在しない構成とした圧縮機であって、分離室にて気流体から分離された潤滑油が貯えられる貯油室５２を有する。
【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（例えば特許文献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（第４頁、図１、図３、図４） 特開２００１−２９５７６７号公報（第３頁、図１、図２）

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れず、その分離室内には分離管と称される管が悉く配され、分離室に導入された冷媒ガスは分離管外周面と分離室内周面の間に形成される断面円環状の円筒空間を旋回するように構成されている。

このように、遠心分離式の潤滑油分離方式には、一般に分離管が必須構成要素と考えられている。すなわち、潤滑油の高い分離効率を得るためには、分離室内において冷媒ガスを確実に旋回させる必要があり、そのためには分離室内に分離管を設け、この周囲に冷媒ガスを旋回させる必要があると考えられているのである。

しかし、特許文献１及び２にも記載されているように、分離管を分離室内に設ける場合は、分離室の大型化を招くばかりでなく、部品点数の増加や分離管製作コスト、分離管組み付け工数などを見込む必要があり、圧縮機の製造コスト低減の障害となっていた。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、潤滑油の分離効率が高く、しかも分離室の小型化が可能で製造コストの低減を可能とし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、本発明による圧縮機は、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が導入されて旋回し、この旋回による遠心力により前記気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とを備え、前記分離室内にはそこに導入された流体以外は何も存在しない構成とした圧縮機であって
、前記分離室にて気流体から分離された潤滑油が貯えられる貯油室を有するとともに、前記分離室の貯油室側開口部は前記貯油室の湯面より鉛直方向において下方で開口させた構成としてある。

このような特徴を有することにより、この発明による圧縮機においては、分離室内に分離管を配するためのスペースを確保する必要がなくなる。

以下、本出願にかかる発明の実施例を、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）、図３は図１の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・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路１８を介して行われ、給油路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。

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。

分離室内部には従来の分離管等は設けられず、分離室内はがらんどうとなっており、導入された冷媒ガス（含有される潤滑油を含む。）以外は内部には何も存在していない。

また、分離室内には分離室に導入された冷媒ガスの旋回の障害となるような凸条や突起、凹凸も形成されていない。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。

なお、貯油室５２の上部と分離室５１との間には、これらを相互に連通する連通路５７が設けられている。連通路５７は、導入孔５３と同様に、分離室５１の中心軸から偏心して設けられ、連通路５７を介して分離室内に導入される流体を円柱状空間部の接線方向に導くように、すなわち、流体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。

このようにすることにより、貯油室５２から連通路５７を通じて分離室５１内に流入する流体は、分離室内の冷媒ガスの旋回に滑らかに合流し、冷媒ガスの旋回を妨げることを抑制できる。

また、何らかの要因により、貯油室５２内の潤滑油が連通路５７に達した場合でも、潤滑油は連通路５７を介して分離室５１に導入されるが、分離室５１への流入の向きが前述したように分離室内の旋回流に合流する向きなので、潤滑油が分離室に連通路５７を介して導入されても、分離室内の冷媒ガスの旋回を妨げることがない。

説明中の圧縮機の場合、排油孔５４の貯油室側開口部は貯油室５２の油面より鉛直方向において下方で開口している。このため、圧縮機構により吐出された高圧の冷媒ガス圧力が分離室５１下部に収集された潤滑油の油面を押し下げる一方、貯油室５２内の潤滑油面を押し上げるように作用する。

しかし、貯油室５２内の潤滑油が押し上げられる際に、貯油室５２上部に溜まった気流体（主に冷媒ガス）が貯油室５２内の潤滑油面の押上を妨げることが考えられる。

そこで、説明中のこの実施例おいては、貯油室５２内上部と分離室５１との間に、これら相互間の流体移動を許容する連通路５７を設けている。連通路５７は貯油室５２上部に溜まった冷媒ガス等の気流体のガス抜き孔として働くので、貯油室５２内の潤滑油面の押し上げは円滑に行われるようになる。

なお、連通路５７は貯油室５２から分離室５１に流入する流体が分離室内の冷媒ガスの旋回を妨げないように設けられていれば足りる。すなわち、貯油室から分離室へ流入する流体の流入方向が連通路の出口付近の旋回流と正面衝突する方向成分を持っていなければ、旋回流の妨げとはならないと考えられる。従って、連通路は分離室の中心軸と直角に交わる方向に沿って設けられていてもよい。

なお、この実施例では、排油孔５４の貯油室５２側開口部は貯油室の油面より鉛直方向において下方で開口していたが、油面より上方で開口していてもよい。

この場合、高圧の冷媒ガスによる油面押し上げの効果を期待することはできないが、連通路５７を設けているので冷媒ガスの脈動に伴う排油孔５４からの吹き戻しが抑制される。従って、分離室５１内下部に収集された油が吹き戻しにより分離室内に飛散することも抑制される。

ところで、本出願にかかる発明による圧縮機においては、いわゆる遠心分離式の分離室を有しながら、分離室内に分離管を有しないことを特徴としている。分離管を廃することができた要因として、以下の幾つかの技術的事項が考えられる。

かかる技術的事項の１つとして、分離室に圧縮された冷媒ガスを導入する導入孔と分離室との相対的位置関係を挙げることができる。ここでいう相対的位置関係とは、導入孔の分離室中心軸からの偏心度合いを意味する。この偏心度合いについて少し詳細に説明する。

図４に示したように、分離室５１の中心軸Ｍから柱状空間部内周壁までの距離をＲとし、中心軸Ｍから導入孔５３の開口部を柱状空間部の接線方向（導入孔の中心軸線と平行な方向）に投影した投影線までの最短距離をＬとすると、このＲとＬの比Ｌ／Ｒが偏心度合いを表すことになる。

Ｌの大きさを最小で０、最大でＲと仮定すると、この偏心度合いＬ／Ｒは０〜１の値をとり、値が大きいほど導入孔は分離室に対して偏心していることとなる。この偏心度合いと油循環率の関係について分離室内に分離管を有する場合と有しない場合を比較すると、本出願の発明者の推測では定性的には図５に示すようになる。

すなわち、図５に示したように、偏心度合いが小さいと分離管のある方が油循環率が小さく（油分離効率が高く）、偏心度合いが大きくなるに連れ油循環率の差は減少して両者の曲線（分離管あり曲線と分離管なし曲線）はある偏心度合いに達すると交差しそれぞれ
の曲線の油循環率は逆転するのである。

従って、分離管を廃して高効率の冷凍・空調システムを提供するには、図５に示した両曲線の交点に相当する偏心度合い以上の偏心度合いとすることが望ましい。本発明者は望ましい具体的な偏心度合いＬ／Ｒの値として０．４以上と推測している。

ここで、上述した油循環率とは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ８６０６）に定義されているように、サイクル内を循環する液冷媒と潤滑油の混合液質量に対する該混合液中の潤滑油質量で表される。

図５ではＯＣＲと略して百分率の値として示している。図５に示したグラフ曲線は、これまでの発明者の経験等による推測に基づくものであり、圧縮機の構成や分離室まわりのデザイン等により、グラフ曲線の形状は変化するものと考えられ、常に図示したものに一致するとは限らないが、分離管あり曲線と分離管なし曲線が交差するということについては、本発明者は確信を得ている。

なお、Ｌとして分離室の中心軸Ｍから導入孔の断面重心軸までの距離を用いることも可能であり、この場合には、導入孔の形状にもよるが偏心度合いが０．７以上であれば、分離管の無い方が油循環率が低く高効率の冷凍・空調システムを提供できると本発明者は推測する。

また、分離管を廃することができた要因として、上述の技術的事項とは別に次の技術的事項も挙げることができる。それは、分離室から油分離後の冷媒ガスを排出するガス排出孔５８の分離室５１に対する開口の仕方である。

図１に示した実施例においては、ガス排出孔開口部は分離室の円柱状空間部の上端側中心部に設けられると共に、ガス排出孔開口部の断面積は円柱状空間部の断面積より小さく形成されている。

ガス排出孔開口部は円柱状空間部の外周部にはかからず、円柱状空間部上端面に円柱状空間部の内径をガス排出孔開口部の内径にまで縮小する縮径部５６が形成されることとなる。

すなわち、ガス排出孔５８開口部はこの縮径部５６を介して円柱状空間部の上端側外周に結合する。これにより、潤滑油ミストを多く含んで分離室に導入される高密度、高速度の冷媒ガスが分離室５１内を碌に旋回することなく分離室から排気されてしまうことが抑制される。

すなわち、分離室に導入された冷媒ガスの流速が旋回中に低下しないと仮定すると、比重の大きい潤滑油ミストを多く含む（高密度の）冷媒ガスが旋回流の外周部を円柱状空間部の内壁に沿って旋回し、潤滑油の分離が進むにつれ高密度の冷媒ガスに押し退けられるようにして徐々に旋回の中心部に移動し、最終的にガス排出孔から排気されると考えられる。

実際には、分離室内に流入した直後の冷媒ガスが最も流速が速く、旋回中に徐々に流速は低下していくものと考えられ、流速の低下とともに冷媒ガスに作用する遠心力も小さくなるので、潤滑油ミストを含む高密度、高速度の冷媒ガスが旋回流の外周部を分離室円柱状空間部の内壁に沿って旋回し、潤滑油の分離が進み密度、速度が低くなった冷媒ガスが旋回の中心部に移動し、ガス排出孔から排気されるものと考えられる。

この結果、潤滑油ミストを多く含んで分離室に導入される高密度、高速度の冷媒ガスが分離室内を碌に旋回することなく分離室から排気されてしまうことを抑制できる。

なお、図１および図４に示した実施例では、縮径部５６が円柱状空間部の中心軸に直角な上端面として形成されているが、これに限られる必要はなく、縮径部は円柱状空間部の中心軸に対して斜めに傾斜した斜面として形成されても、円柱状空間部の外周から連なる緩やかな曲線として形成されていてもよい。さらに、ガス排出孔開口部の全周にわたり縮径部が存在していればガス排出孔の中心軸と分離室の中心とが偏心していてもよい。

また、分離管を廃することができた要因として、上述の技術的事項とは別に次の技術的事項も挙げることができる。それは、図６に示したように、導入孔に連なる細長通路部分２１の向きを調整して分離室内に導入される冷媒ガスがガス排出孔開口部から遠ざかる方向に向かって分離室へ導入されるようにすることである。

このようにすることにより、少なくとも潤滑油ミストを多く含んで分離室５１に導入された導入直後の冷媒ガスをガス排出孔開口部から遠ざけることができ、導入直後の潤滑油ミストを多く含んだ冷媒ガスがガス排出孔から冷凍・空調システムに供給されることを抑制できる。

なお、細長通路部分２１の分離室中心軸に対する傾斜角度αは小さすぎると分離室内へ導入される冷媒ガスの流速を分離室内での旋回に活用できなくなり、油分離効率が低下すると考えられるので、高い油分離効率を得るために、傾斜角度αは６０°≦α≦９０゜であることが望ましい。

なお、円柱状空間部の内周がガス排出孔から離れるに従い拡大するように、柱状空間部の内周壁を形成すれば、分離室に導入された高密度・高速度の冷媒ガスは遠心力を受けて最も拡張された内周部に導かれるので、細長通路部分２１を分離室中心軸に対して傾斜させなくても、潤滑油ミストを多く含んで分離室に導入された冷媒ガスをガス排出孔開口部から遠ざけることができ好ましいと考えられる。

さらに、分離管を廃することができた要因として、上述の技術的事項とは別に次の技術的事項も挙げることができる。それは、圧縮機構の吐出口から分離室への導入孔まで冷媒ガスを案内する案内通路に、導入孔５３に連なって形成された細長通路部分１３ａ（図７参照）、２１（図１参照）を設けることである。

このようにすることにより、これらの細長通路部分は分離室５１に導入される冷媒ガスを整流する作用を有するので、分離室に流入する気流体の流れの乱れや拡散を抑制すると共に、圧縮機構から吐出された高圧の冷媒ガスが有する静圧だけでなく動圧をも分離室内における冷媒ガスの旋回に活用できるようになる。

上述の説明では、分離管を廃することができる要因と考えられる複数の技術的事項についてそれぞれ個別に説明したが、これらは相互に複数の技術的事項を組み合わせることも可能であり、その場合にはそれぞれの技術的事項の相乗効果を期待できる。その他、本出願明細書に記載の個々の技術的事項は他のいずれの技術的事項と組み合わすことも可能である。

上述の実施例においては、分離室の柱状空間部の例として円柱状空間部を用いて説明しているが、導入された冷媒ガスの旋回を妨げない断面形状であればいかなる断面形状の柱状空間部でもよく、例えば、断面が楕円形でも角部を丸めた四辺形であってもよい。

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採り説明したが、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。

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に示した圧縮機のＡ−Ａ断面図（作動室断面図） 図１に示した圧縮機のＢ−Ｂ断面図（高圧ケースを作動室側から見た図） 図１に示した圧縮機の分離室付近のＣ−Ｃ断面図 分離室に対する導入孔の偏心度合いＬ／Ｒと油循環率ＯＣＲの関係を表すグラフ 図１に示した実施例の高圧ケースの変形例を示す縦断面図 図１に示した実施例の細長通路部の変形例を示した分離室付近の横断面図

符号の説明

１ シリング
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 ベーン背庄付与装置
１７ ベーン背庄室
１８ 給油通路
２１ 細長通路部
５１ 分離室
５２ 貯油室
５３ 導入孔
５４ 排油孔
５６ 縮径部
５７ 連通路
５８ ガス排出孔

Claims (1)

1. 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が導入されて旋回し、この旋回による遠心力により前記気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とを備え、前記分離室内にはそこに導入された流体以外は何も存在しない構成とした圧縮機であって、前記分離室にて気流体から分離された潤滑油が貯えられる貯油室を有するとともに、前記分離室の貯油室側開口部は前記貯油室の湯面より鉛直方向において下方で開口させた圧縮機。