JP2010121546A - ロータリ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機において、性能及び信頼性を確保しつつ、小型化を図ること。
【解決手段】空気調和機１の圧縮機構部５は、シリンダ室５１ａ、このシリンダ室５１ａから径方向外方に延びるベーン収納部５１ｂ、外周面から径方向内方へ延びるスプリング挿入穴５１ｃを有するシリンダ５１と、クランク軸４の偏心部４ａで回転駆動されるローラ５２と、シリンダ室５１ａを閉塞するように配置された閉塞部材５３、５４と、ベーン収納部５１ｃに収納され且つその先端部がローラ５２の外周面に当接されて当該ローラの偏心運動に応じて移動されるベーン５５と、スプリング挿入穴５１ｃに配置され且つベーン５５をローラ５２に押し付けるコイル状のスプリング５６とを備える。スプリング挿入穴５１ｃの底部はスプリング５６先端に相対する部分が実質的に最も深くなるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータリ圧縮機に係り、特にベーンを押し付けるスプリングをシリンダのスプリング挿入穴に備えるロータリ圧縮機に好適なものである。

従来のロータリ圧縮機としては、特開２００３−２７８６７９号公報（特許文献１）に示されたものがある。

このロータリ圧縮機は、密閉容器内に、電動機と、この電動機で駆動され且つ偏心部を有するクランク軸と、偏心部により駆動される圧縮機構部とを備えて構成されている。この圧縮機構部は、シリンダと、ローラと、閉塞部材と、ベーンと、スプリングとを備えている。

そして、この圧縮機構部のシリンダは、中央に設けられたシリンダ室と、このシリンダ室から径方向外方に延びるベーン収納部と、外周面から径方向内方へ延びるスプリング挿入穴とを有している。ローラは、シリンダ室内に配置され、クランク軸の偏心部で回転駆動される。閉塞部材は、シリンダ室を閉塞するようにシリンダの軸方向の両側に配置されている。ベーンは、ベーン収納部に収納され、その先端部がローラの外周面に当接されて当該ローラの偏心運動に応じて当該ベーン収納部内を移動する。スプリングは、シリンダのスプリング挿入穴に配置され、ベーンをローラに押し付けるコイル状のスプリングで構成されている。スプリング挿入穴は径方向内方に突出する底部形状となっている。即ち、スプリング挿入穴の加工は一般にドリルで行なわれるが、先端には約９０〜１２０度の角度を持っており、スプリング挿入穴の底部が円錐形状に形成される。

特開２００３−２７８６７９号公報

近年、環境保護の重要性が高まり、資源の使用量の抑制が重要となってきており、ロータリ圧縮機の小型化が強く望まれるようになっている。ロータリ圧縮機の小形化を図る場合に、以下の課題があることが分かった。

ロータリ圧縮機を小型化する場合において、相似的に縮小すると、シリンダ室も小さくなり、一回転当たりの吐出し量が少なくなって性能が低下してしまう。このように、圧縮機を形成するシリンダ、ローラ及びベーンなどの寸法には制限があり、単純に小型化することができない。そこで、ロータリ圧縮機を小型化するには、シリンダ室寸法を確保しつつ、シリンダ室周りの部材の寸法、具体的にはシリンダの外径寸法を小さくすることが必要となる。

その場合において、従来のロータリ圧縮機では、スプリング挿入穴の底部が円錐状に凹入しているため、スプリング挿入穴とシリンダ室との間のシール長さ寸法（換言すれば、シール面積）の減少を招き、シリンダ室とスプリング挿入穴との間の漏れによって性能低下を招く恐れがあった。一方、スプリング挿入穴とシリンダ室との間のシール長さ寸法を確保するために、スプリング挿入穴及びスプリングを短くすると、十分なスプリング性能が得られずに信頼性が低下してしまう恐れがあった。

また、小型化を図りつつ、押除量を確保できる構成として、シリンダの内径寸法と外径寸法との比を０．４以上とするロータリ圧縮機を設計する場合、十分な押除量を確保できるようにクランク軸の偏心量を大きくすると、ベーン収納部の径方向の長さを短くせざるを得ない。このため、圧縮機運転中にベーンがベーン収納部から最も突き出した状態におけるベーン収納部との摺動面積が少なくなり、信頼性の確保が困難となる恐れがあった。特に、小形化を図りつつ、大容量化を図る場合に問題であった。さらには、運転中にシリンダ室におけるベーンの両面の圧力差により生じるガス力を受けることで、ベーンはベーン収納部内で高圧側から低圧側に向かって斜めになってシリンダが抉られるように摺動されるため、信頼性の低下を招く恐れがあった。

本発明の目的は、性能及び信頼性を確保しつつ、小型化を図ることができるロータリ圧縮機を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、密閉容器内に、電動機と、この電動機で駆動され且つ偏心部を有するクランク軸と、前記偏心部により駆動される圧縮機構部とを備えて構成され、前記圧縮機構部は、中央に設けられたシリンダ室、このシリンダ室から径方向外方に延びるベーン収納部、及び外周面から径方向内方へ延びるスプリング挿入穴を有するシリンダと、前記シリンダ室内に配置され且つ前記偏心部で回転駆動されるローラと、前記シリンダ室を閉塞するように前記シリンダの軸方向の両側に配置された閉塞部材と、前記ベーン収納部に収納され且つその先端部が前記ローラの外周面に当接されて当該ローラの偏心運動に応じて移動されるベーンと、前記スプリング挿入穴に配置され且つ前記ベーンを前記ローラに押し付けるコイル状のスプリングと、を備えている、ロータリ圧縮機において、前記スプリング挿入穴の底部は前記スプリング先端に相対する部分が実質的に最も深くなるように構成したことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記シリンダの内径寸法と外径寸法との比を０．４以上とし、前記スプリング挿入穴の径寸法を前記シリンダの軸方向長さ寸法の０．５以下とし、前記ベーン収納部におけるベーン隙間寸法と前記ベーンの最大突出状態におけるベーン摺動面の長さ寸法との比を０．００２５以下としたこと。
（２）前記スプリング挿入穴の底部は、外周側において挿入したスプリング先端の接触を避けつつ、中心側においては外周側と同等以内の深さであること。
（３）前記ベーンに前記スプリングの端部を組込む凹部を設け、前記凹部の軸方向寸法を前記シリンダの高さ寸法の０．６以下としたこと。
（４）前記ベーンにおける前記シリンダとの摺動面の反圧縮室側に面取りした傾斜面を設けたこと。
（５）前記スプリングは密着巻き部の巻き数を４巻き以下としたこと。
（６）前記スプリングの密着巻き部の形状は、略ストレート形状であること。

係る本発明のロータリ圧縮機によれば、性能及び信頼性を確保しつつ、小型化を図ることができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の縦型ロータリ圧縮機を図１から図６を用いて説明する。図１は本実施形態の縦型ロータリ圧縮機の縦断面図、図２は図１のシリンダの中央で断面した斜視図、図３は図１のベーンの斜視図、図４は図１の縦型ロータリ圧縮機におけるベーンの摺動状態を説明する平面図、図５は本実施形態におけるベーン隙間寸法とベーンの最大突出状態の摺動面の長さ寸法との比の変化に対する摩耗量の変化を示す図、図６は本実施形態におけるＴ部高さとシリンダ高さとの比の変化に対する摩耗量の変化を示す図である。本実施形態のロータリ圧縮機は、冷蔵庫、空気調和機、ヒートポンプ給湯機等の冷凍サイクルの構成要素として用いられる。

ロータリ圧縮機１は、密閉容器２内に、電動機３と、この電動機３で駆動され且つ偏心部４ａを有するクランク軸４と、この偏心部４ａにより駆動される圧縮機構部５と、潤滑油６とを備えて構成されている。このロータリ圧縮機１は、従来のものより小型化、特に小径化したことを特徴としている。

密閉容器２は、縦長円筒状に形成され、底部に潤滑油６を貯留している。この潤滑油６の油面は、シリンダ５１の中間の高さに位置するよう貯留されている。

電動機３は、密閉容器２に固定された固定子３１と、この固定子３１内に回転可能に配置された回転子３２とを備えている。電動機３は密閉容器２内の上部に配置されている。

クランク軸４の上部は回転子３２内に挿入されて回転子３２に固着されており、これによってクランク軸４は回転子３２の回転と共に回転される。クランク軸４の下部は圧縮機構部５内に挿入されており、偏心部４ａでローラ５２を偏心回転することにより圧縮機構部５を駆動する。

圧縮機構部５は、シリンダ５１と、ローラ５２と、閉塞部材５３、５４と、ベーン５５と、スプリング５６、吐出弁５７と、固定ボルト５８とを備え構成されている。この圧縮機構部５は密閉容器２内の下部に配置されている。

シリンダ５１は、基本形状が厚肉の円筒形状をしており、閉塞部材５３の下面に配置され固定ボルト５８により固定されている。シリンダ５１は、シリンダ室５１ａと、ベーン収納部５１ｂと、スプリング挿入穴５１ｃとを有している。

シリンダ室５１ａは、シリンダ５１の中央に設けられ、シリンダ５１の円形内周面で形成されている。本実施形態では、図２に示すシリンダ５１の内径寸法（シリンダ室５１ａの径寸法）ｄと外径寸法Ｄとの比を０．４以上としており、小型化を図りつつ、押除量を確保できるようになっている。

ベーン収納部５１ｂは、シリンダ室５１ａから径方向外方に直線状に延びる狭い溝で形成されている。スプリング挿入穴５１ｃは、シリンダ５１の外周面から径方向内方へ延びる円形の穴で形成され、ベーン収納部５１ｂと重複する部分を有するように設けられている。

ローラ５２はシリンダ室５１ａ内に配置され、クランク軸４の偏心部４ａで回転駆動される。ローラ５２外周面とシリンダ５１の内周面とにより形成される空間がベーン５５により仕切られ、ベーン５５の両側に吸込み室と圧縮室とが形成される。ここで、冷凍サイクルの冷媒ガスは吸込みパイプ５９を通して吸込み室へ吸込まれる。この吸込み室は圧縮室に移行され、この圧縮室で圧縮された冷媒ガスは吐出弁５７を通して密閉容器２内に吐出される。密閉容器２内に吐出された冷媒ガスは、吐出パイプ６０を通して外部の冷凍サイクルに戻される。

閉塞部材５３、５４は、シリンダ室５１ａを閉塞するように、シリンダ５１の軸方向の両側に配置されている。閉塞部材５３は密閉容器２に溶接によって固定されている。そして、固定ボルト５８により、シリンダ５１が閉塞部材５３に固定されると共に、閉塞部材５４がシリンダ５１に固定されている。従って、密閉容器２に対して、閉塞部材５３、シリンダ５１及び閉塞部材５４の順に支持されている。なお、閉塞部材５３はクランク軸４の主軸受を構成し、閉塞部材５４はクランク軸４の副軸受を構成している。

ベーン５５は、ベーン収納部５１ｂに収納され、その先端部がローラ５２の外周面に当接されて当該ローラ５２の偏心運動に応じて当該ベーン収納部５１ｂ内を径方向に移動される。

スプリング５６は、コイル状のスプリングで構成され、ベーン５５をローラ５２に押し付けるようにスプリング挿入穴５１ｃに配置されている。スプリング５６は、図示していない密着巻き部を有しており、この密着巻き部の巻き数は４巻き以下、例えば３巻きとされている。スプリング５６は、限られた寸法の中でバネを設計するために、弾性力には関係のない密着巻き部の長さを４巻き以下とすることにより、限られた寸法の中で、スプリング挿入穴５１ｃとシリンダ室５１ａとの間のシール長さ寸法（換言すれば、シール面積）を確保できると共に、バネの有効巻数を増加させることが可能となり、バネの設計に対しての自由度をあげることができ、またスプリング挿入穴５１ｃ内でスプリング５６を固定する目的も同時に満足することができる。また、密着巻き部の形状を略ストレート計上とすることにより、短い密着巻部であっても挿入時の傾きの影響を低減することが出来る。

上述したスプリング挿入穴５１ｃはエンドミル加工で形成されており、その底部は平坦面となっているので、スプリング５６の挿入側先端部の近傍において、スプリング挿入穴５１ｃの実質的に最も深い部分とし、スプリング５６の内側に相当する部分においては、前述の先端部と同等の深さ、あるいは、スプリングに干渉しない形状であれば、より浅くなる構成でもよい。係る簡単な構成によって、シリンダ５１の外径寸法を小さくしても、スプリング挿入穴５１ｃとシリンダ室５１ａとの間のシール長さ寸法を十分に確保できるので、このシール部分の漏れを低減でき、漏れによる性能低下を抑制することができると共に、スプリング５６の機能を十分に発揮でき、信頼性を確保することができる。

当該シール部分は、運転中の圧縮機にとって、シリンダ室５１ａ内の吸込圧領域の低温低圧領域及び圧縮途中の圧力領域と容器内の吐出圧力領域の高温高圧領域を隔ててシールをする部分である。このシール部分で漏れを生じた場合、圧縮室領域に高温高圧のガスが流入することになり、吸込ガスの加熱や圧力上昇を引き起こすため、性能低下の要因となる。

本実施形態では、図２に示すスプリング挿入穴５１ｃの径寸法ａをシリンダ５１の軸方向長さ寸法（即ち、厚さ寸法）Ｈの０．５以下としている。このように、スプリング挿入穴５１ｃの径寸法ａを小さくすることで、スプリング挿入穴５１ｃの上下方向に位置するベーン収納部５１ｂのシール面であるＴ部の高さ寸法を大きく（換言すれば、シール面積を広く）することが可能となり、ベーン５５のＴ部での面圧を低く抑えることができる。種々の実験をしたところ、ベーン収納部５１ｂのＴ部の高さ寸法とシリンダ５１の高さ寸法Ｈとの比率が小さくなるにつれて、ベーン摺動部の摩耗量が大きくなるが、図６に示すように、その比率が０．５を上回ると、ベーン摺動部の摩耗量が急激に大きくなることが分かった。換言すれば、その比率が０．５以上の場合に、摩耗量安定領域が得られることが分かった。

さらに、圧縮機の運転中にベーン５５がシリンダ５１のベーン収納部５１ｂ内で過剰に傾くと、シリンダ５１とベーン５５の接触形態が、面接触状態から線接触あるいは点接触に近い状態となる可能性が高まる。図４に示すように、ベーン収納部５１ｂにおけるベーン隙間寸法をΔＶとし、ベーン５５のローラ側への最大突出状態におけるベーン摺動面の長さ寸法をＥとする。ここで、ΔＶ／Ｅが大きくなるにつれてベーン摺動部の摩耗量が増大するが、特にΔＶ／Ｅが０．００２５を超えると、急激にベーン摺動部の摩耗量が増大することが分かった。換言すれば、ΔＶ／Ｅが０．００２５以下の場合に、摩耗量安定領域が得られることが分かった。

加えて、図３に示すベーン５５のスプリング取付凹部５５ａの高さ寸法ｂについては、スプリング挿入穴５１の径寸法ａ以下とすることが望ましく、換言すれば、高さ寸法ｂはシリンダ５１の高さ寸法Ｈの０．５以下が望ましい。これによって、図６に示す関係と同様の関係を有することが可能となる。図３に示すように取付凹部がテーパー形状である場合には端部近傍の一部分が０．６以下などのレベルであっても、主たる範囲において０．５以下となる部分を配することで、同様な効果が得られる。

本実施形態によれば、ロータリ圧縮機１を小型化しても、シリンダ５１のベーン５５とのシール長さを確保でき、ベーン５５とシリンダ５１の良好な摺動状態を確保することができる。これによって、低コストで且つ高信頼性のロータリ圧縮機１を実現することができる。ロータリ圧縮機１の小型化に伴い、組込製品の小型化も実現することができる事から、製造での省資源化、輸送負荷の低減等に貢献できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態のロータリ圧縮機について図７を用いて説明する。図７は本発明の第２実施形態のロータリ圧縮機のシリンダの一部を示す断面図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態では、シリンダ５１に設けたスプリング挿入穴５１ｃの先端側である底部は、スプリング５６の端部が組込まれる外周部５１ｃ１と、このスプリング５６の端部内に突出する中央部５１ｃ２とからなっている。この第２実施形態によれば、シール性向上以外に、ベーン５１とシリンダ５１との接触面積を増加させる効果があり、信頼性向上に有効である。圧縮機の小形化の度合いを、より進めるにつれて寸法の制約も大きくなるにつれて、この第２実施形態による効果は大きくなる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態のロータリ圧縮機について図８を用いて説明する。図８は本発明の第３実施形態のロータリ圧縮機のベーンを示す斜視図である。この第３実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第３実施形態では、ベーン５５のシリンダ５１との摺動面における反圧縮室側端部にテーパー形状の傾斜面を設けている。これにより、ベーン５５が傾いた状態でベーン収納部５１ｂ内を摺動する場合においても、ベーン摺動部分の面圧上昇を抑制し、面接触に近い摺動形態を実現することが可能となる。なお、テーパー形状の角度は、微小なものでも有効ではあるが、ベーン５５がベーン収納部５１ｂ内での隙間により傾きうる角度を上回る角度とすることが望ましい。

本発明の第１実施形態の縦型ロータリ圧縮機の縦断面図である。 図１のシリンダの中央で断面した斜視図である。 図１のベーンの斜視図である。 図１の縦型ロータリ圧縮機におけるベーンの摺動状態を説明する平面図である。 第１実施形態におけるベーン隙間寸法とベーンの最大突出状態の摺動面の長さ寸法との比の変化に対する摩耗量の変化を示す図である。 第１実施形態におけるＴ部高さとシリンダ高さとの比の変化に対する摩耗量の変化を示す図である。 本発明の第２実施形態のロータリ圧縮機のシリンダの一部を示す断面図である。 本発明の第３実施形態のロータリ圧縮機のベーンを示す斜視図である。

符号の説明

１…ロータリ圧縮機、２…密閉容器、３…電動機、４…クランク軸、４ａ…偏心部、５…圧縮機構部、６…潤滑油、３１…固定子、３２…回転子、５１…シリンダ、５１ａ…シリンダ室、５１ｂ…ベーン収納部、５１ｃ…スプリング挿入穴、５２…ローラ、５３、５４…閉塞部材、５５…ベーン、５５ａ…スプリング取付凹部、５６…スプリング、５７…吐出弁、５８…固定ボルト、５９…吸込みパイプ、６０…吐出パイプ。

Claims (8)

1. 密閉容器内に、電動機と、この電動機で駆動され且つ偏心部を有するクランク軸と、前記偏心部により駆動される圧縮機構部とを備えて構成され、
   前記圧縮機構部は、
   中央に設けられたシリンダ室、このシリンダ室から径方向外方に延びるベーン収納部、及び外周面から径方向内方へ延びるスプリング挿入穴を有するシリンダと、
   前記シリンダ室内に配置され且つ前記偏心部で回転駆動されるローラと、
   前記シリンダ室を閉塞するように前記シリンダの軸方向の両側に配置された閉塞部材と、
   前記ベーン収納部に収納され且つその先端部が前記ローラの外周面に当接されて当該ローラの偏心運動に応じて移動されるベーンと、
   前記スプリング挿入穴に配置され且つ前記ベーンを前記ローラに押し付けるコイル状のスプリングと、を備えている、ロータリ圧縮機において、
   前記スプリング挿入穴の底部は前記スプリング先端に相対する部分が実質的に最も深くなるように構成したことを特徴とするロータリ圧縮機。
2. 請求項１において、前記シリンダの内径寸法と外径寸法との比を０．４以上とし、前記スプリング挿入穴の径寸法を前記シリンダの軸方向長さ寸法の０．５以下とし、前記ベーン収納部におけるベーン隙間寸法と前記ベーンの最大突出状態におけるベーン摺動面の長さ寸法との比を０．００２５以下としたことを特徴とするロータリ圧縮機。
3. 請求項１または２において、前記スプリング挿入穴の底部はエンドミル加工で平坦面に形成されていることを特徴とするロータリ圧縮機。
4. 請求項１または２において、スプリング挿入穴の底部は、前記スプリングの端部が組込まれる外周部と、前記スプリングの端部内に突出する中央部とからなっていることを特徴とするロータリ圧縮機。
5. 請求項２において、前記ベーンに前記スプリングの端部を組込む凹部を設け、前記凹部の軸方向寸法を前記シリンダの高さ寸法の０．６以下としたことを特徴とするロータリ圧縮機。
6. 請求項２において、前記ベーンにおける前記シリンダとの摺動面の反圧縮室側に面取りした傾斜面を設けたことを特徴とするロータリ圧縮機。
7. 請求項１または２において、前記スプリングは密着巻き部の巻き数を４巻き以下としたことを特徴とするロータリ圧縮機。
8. 請求項７において、前記スプリングは密着巻き部が略ストレート形状であることを特徴とするロータリ圧縮機

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