JP2010255594A - ロータリ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの磨耗や焼きつきを抑えることが可能なロータリ圧縮機を提供すること。
【解決手段】ロータリ圧縮機は、シリンダ３０と、シリンダ３０内に配置されるシャフト３１の偏心部と、偏心部に嵌合され、円柱状の溝が形成されたピストン３２と、シリンダの両端面を閉塞する二つの軸受３４、３５と、シリンダ３０に形成されたスロット内に挿入され、該シリンダ３０内の圧縮室を高圧側と低圧側とに仕切り、かつ溝に係合する円柱状の円柱部を有するベーン３３と、を備える。ここで、二つの軸受３４、３５の一方には、高圧側からのガスを吐出する吐出ポート３８が形成され、ピストン３２の端面には、吐出ポート３８とオーバーラップしない位置に、オイルが満たされる凹部３２ｂが形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリンダに形成されたスロット内に挿入され、圧縮室を高圧側と低圧側とに仕切り、かつ円柱状の円柱部を有するベーンを備えるロータリ圧縮機に関する。

従来、冷凍装置や空気調和装置などにおいては、蒸発器で蒸発したガス冷媒を吸入し、吸入したガス冷媒を凝縮するために必要な圧力まで圧縮して冷媒回路中に高温高圧のガス冷媒を送り出す圧縮機が使用されている。このような圧縮機の一つとして、ローリングピストン型ロータリ圧縮機が知られている。

図８は、従来のローリングピストン型ロータリ圧縮機の一例を示す部分縦断面図である。また、図９は、図８に示すロータリ圧縮機の、面Ａ−Ａに沿う横断面を示す図である。

図８，９に例示されるように、ロータリ圧縮機においては、電動機２０２と圧縮機構部２０３とがシャフト２３１で連結された状態で密閉容器２０１内に収納される。圧縮機構部２０３は、シリンダ２３０と、該シリンダ２３０の上端面及び下端面を閉塞する上軸受２３４及び下軸受２３５とを備えている。シリンダ２３０、上軸受２３４及び下軸受２３５により、圧縮室２３９と呼ばれる空間が形成される。

圧縮室２３９内には、上軸受２３４及び下軸受２３５に支持されるシャフト２３１の偏心部２３１ａに嵌合されたピストン２３２が備わる。圧縮室２３９内にはさらに、ピストン２３２の外周の偏心回転に追従して往復運動し、圧縮室２３９内を低圧側と高圧側とに仕切るベーン２３３が備わる。

シャフト２３１には、中心軸に沿って油穴２４１が形成されると共に、上軸受２３４の下端部分及び下軸受２３５の上端部分に近接する部分には、油穴２４１に連通した給油穴２４２及び給油穴２４３が設けられている。また、シャフト２３１において、偏心部２３１ａに近接する部分には、上記油穴２４１に連通した給油穴２４４が設けられる。また、シャフト２３１の外周には、この給油穴２４４の開口部分を通る油溝２４５が形成されている。

シリンダ２３０には、圧縮室２３９の低圧側にガスを吸入する吸入ポート２４０が開通されており、上軸受２３４には、低圧側から転じて形成される圧縮室２３９の高圧側からガスを吐出する吐出ポート２３８が開通されている。吐出ポート２３８は、上軸受２３４を貫通する平面視で円形の孔として形成される。また、上軸受２３４において吐出ポート２３８の上方には、所定の大きさ以上の圧力を吐出ポート２３８から受けた場合に開放される吐出弁２３６が設けられる。上軸受２３４にはさらに、吐出弁２３６を覆うように、カップマフラ−２３７が配置されている。

以上のような構成のロータリ圧縮機において、圧縮室２３９の低圧側では、ピストン２３２とシリンダ２３０の摺接部分が偏心回転により吸入ポート２４０を通過し始めると、吸入室が徐々に拡大する。この間、吸入ポート２４０から吸入室内にガスが吸入される。一方、高圧側では、ピストン２３２の摺動部が吐出ポート２３８へと、圧縮室２３９を徐々に縮小しながら近づいていき、所定圧力以上に圧縮された時点で吐出弁２３６が開いて吐出ポート２３８からガスが流出する。流出したガスは、カップマフラ−２３７により密閉容器２０１内に吐出される。

上記の構成では、ピストン２３２とベーン２３３の先端との摺動部分では、オイルが保持されにくく、摺動性が厳しい。つまり油膜が形成され難いため、金属接触が起こり、磨耗が起こりやすい。さらに、近年の代替冷媒の移行により、非共沸混合冷媒のＲ４０７ＣやＲ４１０Ａを従来のロータリ圧縮機で使用すると、これら冷媒自身の潤滑性が悪いため、上記摺動部分での磨耗がさらに発生しやすい。

このような磨耗の問題に対する解決手段がいくつか提案されている。図１０は、この解決手段の一例である揺動ピストン型ロータリ圧縮機のベーン及びピストンの周辺を示す図である。図１０において、シリンダ１３０の上下両側は、端板１３４，１３５により閉塞され、端板１３４，１３５のいずれか一方には、圧縮されたガスを吐出する吐出ポート１３８が形成されている。ピストン１３２は、シリンダ１３０内に設けられたシャフト１３１の偏心部１３０ａに嵌合される。ベーン１３３の本体部分は、シリンダ１３０に設けられたスロット１３０ｂ内に往復運動可能に挿入される。また、ベーン１３３の円柱部は、ピストン１３２が揺動自由に接続される。これにより、ピストン１３２とベーン１３３の先端との間にオイルが保持されやすく油膜が形成されるようになり、ベーン１３３の信頼性を大幅に向上させることが出来る（例えば特許文献１を参照）。

特開昭５０−８０５１０号公報

上述の揺動ピストン型では、ベーン１３３の先端の信頼性は大幅に向上するものの、前述のローリングピストン型と較べて、ピストン１３２の外周部分にベーン１３３の円柱部が揺動自由に接続されるため、ピストン１３３の外径が大きくなってしまう。その結果、ピストン１３２の上下端面と端板１３４，１３５との間の摺動面積が増加する。また、摺動面積増加に伴う潤滑不足に起因して、ピストン１３２の上下端面の摺動が厳しくなり、ピストン１３２や上軸受２３４及び下軸受２３５の磨耗や焼き付きの要因となっていた。さらに、ピストン１３２は自転しないため、ピストン１３２の高圧側が特に高温になり熱膨張することにより、ピストン１３２と端板１３４，１３５との摺動がさらに厳しくなることという問題があった。

それ故に、本発明は、ピストンの磨耗や焼きつきを抑えることが可能なロータリ圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、シリンダと、シリンダ内に配置される、シャフトの偏心部と、偏心部に嵌合され、円柱状の溝が形成されたピストンと、シリンダの両端面を閉塞する二つの軸受と、シリンダに形成されたスロット内に挿入され、該シリンダ内の圧縮室を高圧側と低圧側とに仕切り、かつ溝に係合する円柱状の円柱部を有するベーンと、を備えるロータリ圧縮機であって、二つの軸受の一方には、高圧側からのガスを吐出する吐出ポートが形成され、ピストンの端面には、吐出ポートとオーバーラップしない位置に、オイルが満たされる凹部が形成されることを特徴とする。

上記構成によれば、ロータリ圧縮機において、ピストンの端面に形成された凹部にオイルが保持されるため、潤滑性や冷却性が向上する。これによって、ピストンの端面の磨耗や焼き付き等を抑制できる。また、凹部が吐出ポートとオーバーラップしない位置に形成されることにより、オイルに満たされた凹部と圧縮室とが吐出ポートを介して連通するこ
とを防ぎ、オイルやガスの再膨張を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る揺動ピストン型ロータリ圧縮機の部分縦断面図 図１に示すロータリ圧縮機の圧縮機構の拡大図 図１に示すシャフト３１が一回転する間における圧縮機構部３の状態遷移を示す図 図１，２に示すシャフト３１、ピストン３２及びベーン３３の拡大斜視図 図１，２に示すシャフト３１、ピストン３２及びベーン３３の変形例を示す拡大斜視図 図５に示すシャフト３１が一回転する間におけるピストン３２及びベーン３３の変形例の状態遷移を示す図 図４に示すピストン３２に設けられるマーク３２ｃを例示する図 従来のロータリ圧縮機の一例を示す部分縦断面図 図８に示すロータリ圧縮機の、面Ａ−Ａに沿う横断面を示す図 従来の揺動ピストン型ロータリ圧縮機の圧縮機構部を示す横断面図

本発明は、シリンダと、シリンダ内に配置される、シャフトの偏心部と、偏心部に嵌合され、円柱状の溝が形成されたピストンと、シリンダの両端面を閉塞する二つの軸受と、シリンダに形成されたスロット内に挿入され、該シリンダ内の圧縮室を高圧側と低圧側とに仕切り、かつ溝に係合する円柱状の円柱部を有するベーンと、を備えるロータリ圧縮機であって、二つの軸受の一方には、高圧側からのガスを吐出する吐出ポートが形成され、ピストンの端面には、吐出ポートとオーバーラップしない位置に、オイルが満たされる凹部が形成されることを特徴とする。

上記構成によれば、ロータリ圧縮機において、ピストンの端面に形成された凹部にオイルが保持されるため、潤滑性や冷却性が向上する。これによって、ピストンの端面の磨耗や焼き付き等を抑制できる。また、凹部が吐出ポートとオーバーラップしない位置に形成されることにより、オイルに満たされた凹部と圧縮室とが吐出ポートを介して連通することを防ぎ、オイルやガスの再膨張を抑制することができる。

好ましくは、凹部と圧縮室とのシール幅が低圧側よりも高圧側の方が狭くなる位置に該凹部が形成される。これにより、シール幅の狭くなった高圧部側のピストンの端面に特にオイルが流れることにから、潤滑性と冷却性が向上し、高圧部側のピストンの熱膨張が抑制され、より高い信頼性が得られる。

好ましくは、ピストンの端面のそれぞれに凹部は形成され、該上端面側の凹部の面積と比べて、該下端面側の凹部の面積が概ね同じか大きい。上下端面の凹部の面積を同等にすることにより、凹部に満たされた高圧オイルによって発生する上下の力がバランスされ、上下軸受の一方に強く摺動することを回避できる。また、そもそもピストンは自重により下軸受に押さえつけられているため、ピストンの下端面側の凹部の面積を大きくすることにより、ピストンの自重と釣り合う力が発生し、ピストンは浮上する。これによって、ピストンの上端面側及び下端面側の隙間が均一化され、両方の隙間にオイルが保持されやすくなり、信頼性が大幅に向上する。

好ましくは、ピストンの二側面のどちらか一方にマークがある。このマークは組み立て時に、ピストンの上下を判断する目印とすることができるので、ロータリ圧縮機の組み立て間違いによるロスを減少することが可能となる。

ロータリ圧縮機において、作動流体として、高圧冷媒であるＣＯ_２を用いることが可能である。ＣＯ_２に関しては、差圧が大きく、摺動損失や漏れ損失が大きいが、円柱部と溝とを上記のようにすることで、作動流体としてＣＯ_２を用いるのにより好適になる。これにより、圧縮機の効率と信頼性を向上させることが可能となる。

ロータリ圧縮機において、作動冷媒として炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とし、２重結合を有しないハイドロフルオロカーボンと混合した冷媒を用いることが可能である。この冷媒は、塩素を含まないため摺動部分の信頼性が非常に厳しい。しかし、溝を上記のようにし、この冷媒を用いることで、より効果的に圧縮機の効率と信頼性を向上させることが可能となる。また、この冷媒に関しては、オゾン破壊が無く、地球温暖化係数が低いため、地球に優しい空調サイクルの構成に寄与することが可能となる。

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、本発明の実施の形態に係る揺動ピストン型ロータリ圧縮機の部分縦断面図である。図２は、図１に示すロータリ圧縮機の圧縮機構の拡大図である。

図１，２において、ロータリ圧縮機においては、電動機２と圧縮機構部３とがシャフト３１で連結された状態で密閉容器１内に収納される。圧縮機構部３は、シリンダ３０と、該シリンダ３０の上端面及び下端面を閉塞し、シャフト３１を支持する上軸受３４及び下軸受３５とを備えている。シリンダ３０、上軸受３４及び下軸受３５により、圧縮室３９と呼ばれる空間が形成される。

圧縮室３９内には、シャフト３１の偏心部３１ａに嵌合されたピストン３２が備わる。圧縮室３９内にはさらに、ピストン３２の外周の偏心回転に追従して往復運動し、圧縮室３９内を低圧側と高圧側とに仕切るベーン３３が備わる。ベーン３３の本体部分は、シリンダ３０に設けられたスロット３０ｂ内に往復運動可能に挿入される。

シャフト３１には、中心軸に沿って油穴４１が形成されると共に、上軸受３４の下端部分及び下軸受３５の上端部分に近接する部分には、油穴４１に連通した給油穴４２及び給油穴４３が設けられている。また、シャフト３１において偏心部３１ａに近接する部分には、上記油穴４１に連通した給油穴４４が設けられる。また、シャフト３１の外周には、この給油穴４４の開口部分を通る油溝４５が形成されている。

シリンダ３０には、圧縮室３９の低圧側にガスを吸入する吸入ポート４０が開通されており、上軸受３４には、低圧側から転じて形成される圧縮室３９の高圧側からガスを吐出する吐出ポート３８が開通されている。吐出ポート３８は、上軸受３４を貫通する平面視で円形の孔として形成される。また、上軸受３４において吐出ポート３８の上方には、所定の大きさ以上の圧力を吐出ポート３８から受けた場合に開放される吐出弁３６が設けられる。上軸受３４にはさらに、吐出弁３６を覆うように、カップマフラ−３７が配置されている。

ここで、図３は、図１に示すシャフト３１が一回転する間における圧縮機構部３の状態遷移を示す図である。なお、図３では、ベーン３３の円柱部３３ａがシリンダ３０の内壁に最も近接する位置を０度としている。また、図３には上軸受３４は図示されていないが、理解を容易にするために、上軸受３４に形成される吐出ポート３８が点線で示されている。

図３において、低圧側では、ピストン３２とシリンダ３０との摺接部分は、吸入ポート
４０を通過すると、ガスの吸入室を徐々に拡大しながら吸入ポート４０から離れていく。この間、吸入ポート４０から吸入室内にガスが吸入される。一方、高圧側では、ピストン３２の摺動部が圧縮室３９を徐々に縮小しながら吐出ポート３８へ近づいていき、圧縮室３９内のガスが所定圧力以上に圧縮された時点で吐出弁３６（図１参照）が開き、吐出ポート３８からガスが流出する。流出したガスは、図１に示すカップマフラ−３７より密閉容器１内、より具体的には圧縮機構部３の外側である高圧の吐出空間５２に吐出される。

なお、図１に示すように、偏心部３１ａ、上軸受３４及びピストン３２の各内周面の間には空間４６（図２参照）があり、偏心部３１ａ、下軸受け３５及びピストン３２の各内周面との間には空間４７（図２参照）がある。その空間４６，４７には、油穴４１から給油穴４２，４３を経て油が漏れ込んでくる。また、この空間４６，４７は、ほぼ常に、圧縮室３９の内部の圧力より高い状態にある。

図４は、図１，２に示すシャフト３１、ピストン３２及びベーン３３の拡大斜視図である。図４において、ベーン３３は、円柱形状を有する円柱部３３ａを先端部分に有する。また、ピストン３２には、この円柱部３３ａの直径と概ね同径で、円弧角が１８０°超の円柱状の溝３２ａが形成されている。円柱部３３ａはこの溝３２ａに揺動自在に嵌合して、両者は接続される。また、ピストン３２は、上述のように、シャフト３１の偏心部３１ａに嵌合されており、シリンダ３０、上軸受３４及び下軸受３５で形成される圧縮室３９（図２参照）に入れられる。ここで、ピストン３２の上端面及び下端面は、図２に示されるように、上軸受３４の下端面及び下軸受３５の上端面と接している。それゆえ、ピストン３２の揺動により、ピストン３２の上下端面は、上軸受３４の下端面及び下軸受３５の上端面に対し摺動する。この摺動に起因するピストンの磨耗や焼きつきを抑えるため、図示した例では、ピストン３２の上端面に、ザグリ加工により凹部３２ｂが形成される。

具体的には、図４の例では、凹部３２ｂは、上方から見ると、ピストン３２の中心から所定半径を有する円弧と、その円弧を結ぶ弦との組み合わせからなる部分円形を有する。この部分円の内部をザグリ加工することにより、凹部３２ｂは形成される。ここで、凹部３２ｂの径は、ピストン３２の径よりも小さい。

また、弦の位置は以下のようにして定められる。図３に示すように、吐出ポート３８は上軸受３４において圧縮室３９の外縁部分に設けられる。弦は、シャフト３１が一回転する間に凹部３２ｂが吐出ポート３８の開口部分とオーバーラップしない位置に設けられる。これにより、オイルに満たされた空間４６（図４参照）と圧縮室３９とが吐出ポート３８を介して連通することを防ぎオイルやガスの再膨張を抑制することができる。さらに、ピストン３２の上下端面の摺動面積を減少させることが出来るため、機械損失の低減により、より高い効率の圧縮機を実現することが可能となる。また、凹部３２ｂには、例えば給油穴４２，４３から供給されるオイルが満たされるため、ピストン３２の上下端面の潤滑性や冷却性が向上し、磨耗や焼き付き等を抑制できる。

以上のことから、本実施形態にかかる圧縮機によれば、従来の揺動ピストン型が有していた、ピストン３３の外径の大型化により生じる課題を解決でき、本来持っているベーン３３の先端部の高い信頼性を十分に発揮することが出来る。

図５は、図１，２に示すシャフト３１、ピストン３２及びベーン３３の変形例を示す拡大斜視図であり、図４に示す凹部３２ｂの変形例を示す図である。図５の例では、凹部３２ｂは、ピストン３２の上方から見ると所定径を有する円形を有しており、ピストン３２の中心から所定方向にずれた位置に中心を有する。この円内をザグリ加工することにより、凹部３２ｂは形成される。ここで、凹部３２ｂの径は、少なくともピストン３２の径よりも小さい。

また、凹部３２ｂの形成位置は以下のようにして定められる。吐出ポート３８は、図６に示すように、本実施形態では、シリンダ３０において圧縮室３９の外縁部分に設けられる。凹部３２ｂの中心位置は、シャフト３１が一回転する間に凹部３２ｂが吐出ポート３８の開口部分とオーバーラップしないように定められる。さらに、凹部３２ｂと圧縮室３９とのシール幅が低圧側より高圧側を狭くする位置に凹部３２ｂは形成される。従来の揺動ピストン型ロータリ圧縮機では、図１０を参照して説明したとおり、ピストン１３２は自転しないため、ピストン１３２の高圧側が相対的に高温になりやすかった。その結果、ピストン１３２が熱膨張して、端板１３４、１３５との摺動がさらに厳しくなっていた。しかしながら、図５及び図６に示す構成を採用することにより、シール幅の狭くなった高圧側のピストン３２の端面に特にオイルが流れることから、さらに潤滑性と冷却性が向上し、ピストン３２の熱膨張が抑制され、より高い信頼性が得られる。さらに、吸入ポート４０側のシール幅が長くなるため、高温のオイルが吸入室へと漏れ込む量が減少し、吸入ガスへの加熱が低減されることから、体積効率が向上する。

また、ピストン３２の上下端面のそれぞれに凹部３２ｂが形成される場合には、上軸受３４側のピストン３２の上端面の凹部３２ｂの開口面積と比べて、下軸受３５側のピストン３２の下端面の凹部３２ｂの開口面積を略同等、もしくは大きくする構成とすることが好ましい。両凹部３２ｂの開口面積を同等にすることにより、各凹部３２ｂに導かれた高圧オイルによって発生する上下の力がバランスされ、上軸受３４及び下軸受３５のいずれか一方にピストン３２が強く摺動することを回避できる。

また、そもそも、ピストン３２は、主として自重により下軸受３５に押さえつけられているため、下軸受３５側の凹部３２ｂの開口面積を大きくすることにより、ピストン３２の自重と釣り合う力が発生する。これにより、ピストン３２は浮上し、上下端面と上軸受３４及び下軸受３５の隙間が均一化され、上下端面の両方にオイルが保持されやすくなり、信頼性が大幅に向上する。また、従来まではピストン１３２（図１０参照）が片側に寄っていたため、いずれかの端面の隙間を拡大すると、低圧側へのガスやオイルの漏れこみ量が増加し、効率が大幅に悪化していた。それに対して、図５及び図６に示す構成により上下端面隙間を均一化することにより、この隙間を従来の構成よりも拡大しても、圧縮機の効率は同等もしくは向上し、圧縮機の信頼性は大幅に向上する。

また、図７に示すように、ピストン３２の上端面か下端面のどちらか一方に、例えば小さなくぼみをマーク３２ｃとして設けることが好ましい。これにより、組み立て時にピストン３２の上下方向を判断する目印となる。この目印は、凹部３２ｂがピストン３２の片面に形成されている場合や、互いに開口面積の異なる凹部３２ｂがピストン３２の上下端面に形成される場合に、好適であり、これによって、組み立て間違いによるロスを減少することが可能となる。

また、本圧縮機は、作動流体としてＣＯ_２を用いるのに好適である。ＣＯ_２は、差圧が大きく、漏れ損失と摺動損失が大きいが、本実施形態に係るピストン３２とベーン３３を採用することにより、より効果的に圧縮機の効率と信頼性の向上が可能となる。

また、作動流体として炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とし、２重結合を有しないハイドロフルオロカーボンと混合した冷媒が本圧縮機に用いられる。この冷媒は塩素を含まないため摺動部の信頼性が非常に厳しいが、本実施形態に係るピストン３２とベーン３３を採用することにより、より効果的に信頼性と効率を向上することが出来る。さらに、オゾン破壊のないまた地球温暖化係数の低い冷媒であるため地球に優しい空調サイクルを構成することができる。

本発明にかかるロータリ圧縮機は、ピストンの磨耗や焼きつきを抑えることが可能であり、給湯装置、空気調和機、冷凍冷蔵庫、除湿機等に好適である。

３０ シリンダ
３１ シャフト
３２ ピストン
３２ｂ 凹部
３３ ベーン
３４ 上軸受
３５ 下軸受
３８ 吐出ポート

Claims (6)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内に配置される、シャフトの偏心部と、
   前記偏心部に嵌合され、円柱状の溝が形成されたピストンと、
   前記シリンダの両端面を閉塞する二つの軸受と、
   前記シリンダに形成されたスロット内に挿入され、該シリンダ内の圧縮室を高圧側と低圧側とに仕切り、かつ前記溝に係合する円柱状の円柱部を有するベーンと、
   を備えるロータリ圧縮機であって、
   前記二つの軸受の一方には、高圧側からのガスを吐出する吐出ポートが形成され、前記ピストンの端面には、前記吐出ポートとオーバーラップしない位置に、オイルが満たされる凹部が形成されることを特徴とする、ロータリ圧縮機。
2. 前記凹部と前記圧縮室とのシール幅が前記低圧側よりも前記高圧側の方が狭くなる位置に該凹部が形成されることを特徴とする、請求項１記載のロータリ圧縮機。
3. 前記ピストンの端面のそれぞれに前記凹部は形成され、該上端面側の凹部の面積と比べて、該下端面側の凹部の面積が概ね同じか大きいことを特徴とする、請求項１又は２に記載のロータリ圧縮機。
4. 前記ピストンの二側面のどちらか一方にマークがあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のロータリ圧縮機。
5. 作動流体として、高圧冷媒であるＣＯ_２が用いられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のロータリ圧縮機。
6. 作動冷媒として炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とし、２重結合を有しないハイドロフルオロカーボンと混合した冷媒を使用した、請求項１〜５のいずれかに記載のロータリ圧縮機。