JP2011052592A

JP2011052592A - 回転式圧縮機

Info

Publication number: JP2011052592A
Application number: JP2009202210A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Karino; 健苅野; Masao Nakano; 雅夫中野; Daisuke Funakoshi; 大輔船越; Kiyoshi Sawai; 澤井　　清; Noboru Iida; 飯田　　登
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-09-02
Also published as: JP5233921B2

Abstract

【課題】入力ロスの小さい回転式圧縮機を提供すること。
【解決手段】シリンダー室を持つシリンダー５と、シリンダー室内を揺動運動するピストン９と、シリンダー室内を吸入室と圧縮室に仕切るベーン１１と、シリンダー５に形成され、ベーン１１が往復運動するベーン溝１０を有し、ベーン１１の先端部の少なくとも一部をベーン１１の厚みより大きい直径をもった円弧形状としてピストン９に形成された嵌合部９Ａに揺動自在に嵌合接続して構成される回転式圧縮機において、ピストン９がシリンダー室内を揺動運動する際に、ピストン９に形成された嵌合部の円弧曲面とピストン９の外周面が接続される平面もしくは曲面と接触しないように、ベーン１１の、吸入室に臨む側面と圧縮室に臨む側面に切欠き１１ｃ，１１ｄを設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷蔵庫又は空気調和機に組み込み可能な回転式圧縮機に関する。

図１２及び図１３は、従来の回転式圧縮機の構成を示す模式図である。図１２及び図１３に示すように、従来の回転式圧縮機においては、密閉容器１内に、電動機と、電動機によって駆動される圧縮機構が収納される。圧縮機構は、シリンダー５と、このシリンダー５の両端面に締結されてシリンダー室６を形成する上軸受け７及び下軸受け８と、この上軸受け７と下軸受け８との間に位置するシャフト４の偏心部に嵌合されるピストン９と、シリンダー５に形成されるベーン溝１０内を往復運動するベーン１１とで構成される。

このベーン１１の背面に、密閉容器１内に吐出された高温高圧の作動冷媒の一部を背圧として作用させて、ベーン１１の先端部をピストン９の外周面に当接させることにより、シリンダー室６内にベーン１１によって仕切られた吸入室１２と圧縮室１３が形成される。

シャフト４の回転に伴うピストン９の揺動運動と、ベーン１１の往復運動とによって吸入室１２と圧縮室１３との容積が変化し、この容積変化により、吸入ポート１４から吸入室１２に吸入された作動冷媒が圧縮されて高温高圧となり、圧縮室１３より吐出ポート１５、吐出マフラー室１０３を経て、圧縮された冷媒が密閉容器１内に吐出される。

ところで、図１２及び図１３の回転式圧縮機では、運転の際、圧縮室１３の圧力Ｐｃと吸入室１２の圧力Ｐｓとの差圧によって、ベーンが押し上げられてベーン飛びが生じ、体積効率が低下する問題があった。この問題を解決するため、図１４に示す回転式圧縮機では、ベーン１１の先端部１１Ａが円弧形状に加工され、このような先端部１１Ａが、ピストン９に形成された嵌合部９Ａに揺動自在に嵌合し接続される。これにより、ベーン飛びが確実に防止される（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０００−１２０５７２号公報

図１４に示す回転式圧縮機では、ピストン９がシリンダー室６内を揺動運動する際に、ピストン９がベーン１１の側面と接触しないように、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面と、ピストン９の外周面９Ｃとが切欠きを介して接続されている。その結果、嵌合部９Ａの入口９Ｂの幅と、ベーン１１の先端部１１Ａの直径との差が小さくなるため、運転時にピストン９がベーン１１と比較して大きく熱膨張した場合、ベーン飛びする恐れがあった。これに対処するため、ベーン１１の先端部１１Ａの直径を大きくし、嵌合部入口９Ｂの幅との差を確保してベーン飛びを防止していた。

しかしながら、図１５に示すように、ベーン１１の背面部が密閉容器１内と連通していて、ベーン１１の背面には密閉容器１内に吐出された高温高圧の作動冷媒の一部が背圧として作用する。その結果、ベーン１１の先端部１１Ａは、ピストン９の外周面９Ｃよりピストン９の径方向内側で、つまり例えば接点２０３で線接触する。また、ベーン１１の先端部１１Ａには、この接点２０３を境に、吸入室１２に臨む円弧側面に吸入室圧力Ｐｓが
働き、圧縮室１３に臨む円弧側面に圧縮室圧力Ｐｃが働く。

以上のことから、図１６に示すように、ベーン１１が圧縮室圧力Ｐｃと吸入室圧力Ｐｓを受圧する面積が大きくなり、ベーン１１がベーン溝１０内を往復運動する際に、圧縮室圧力Ｐｃと吸入室圧力Ｐｓの差圧Ｐｃ−Ｐｓによってベーン１１に作用する力の反力としてベーン１１とベーン溝１０の接点２０１および接点２０２に働くベーン溝１０との摩擦抵抗力が増加して、ベーン１１がベーン溝１０内を往復運動することにより発生する摺動損失が大きくなる問題があった。

それ故に、本発明は、ベーンがベーン溝内を往復運動することにより発生する摺動損失を低減し、入力ロスの小さい回転式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、シリンダー室を持つシリンダーと、前記シリンダー室内を揺動運動するピストンと、前記シリンダー室内を吸入室と圧縮室に仕切るベーンと、前記シリンダーに形成され、前記ベーンが往復運動するベーン溝を有し、前記ベーンの先端部の少なくとも一部を前記ベーンの厚みより大きい直径をもった円弧形状として前記ピストンに形成された嵌合部に揺動自在に嵌合接続して構成される回転式圧縮機において、前記ピストンが前記シリンダー室内を揺動運動する際に、前記ピストンに形成された嵌合部の円弧曲面と前記ピストンの外周面が接続される平面もしくは曲面と接触しないように、前記ベーンの、吸入室に臨む側面と圧縮室に臨む側面に切欠きを設けたことを特徴とする。

上記によれば、ピストンに形成された嵌合部の円弧曲面と交差するピストンの外周面に設けた切欠きを無くしてピストンの嵌合部入口の幅を小さく構成できるので、ベーン飛びを確実に防止するために必要なピストンの嵌合部入口の幅とベーンの先端部の直径との差を確保した状態で、従来の回転式圧縮機と比べ、ベーンの先端部の直径を小さくすることが可能となる。従って、ベーンの先端部がピストンに当接する接点の位置をピストンの径方向外側に構成できるので、ベーンがベーン溝内を往復運動する際に、ベーンが圧縮室圧力と吸入室圧力を受圧する面積が小さくなり、圧縮室圧力と吸入室圧力の差圧によってベーンに作用する力も小さくすることができる。これにより、この力の反力としてベーンに働くベーン溝との摩擦抵抗力が軽減される。従って、ベーンがベーン溝内を往復運動することによって発生する摺動損失を低減し、入力ロスが小さい回転式圧縮機を提供することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る回転式圧縮機の要部を示す破断面図図１の回転式圧縮機を面Ａ−Ａに沿う切断面を矢印の方向から見た時の横断面図図２に示すベーン１１の先端部１１Ａの周辺を示す拡大図シャフト４の回転方向を示す第１の模式図図４の各タイミングにおける、ベーン１１の側面と、嵌合部９Ａの円弧曲面と外周面９Ｃが接続される曲面との位置関係を示す模式図嵌合部入口９Ｂの幅と先端部１１Ａの直径との差Ｘと、嵌合部入口９Ｂの幅をＹとを示す模式図シャフト４の回転方向を示す第２の模式図トップクリアランスボリューム３０１を示す模式図外周面９Ｃ中心と先端部１１Ａの円弧中心とを結んだ直線が、ベーン溝１１の幅方向中心線となす角度θを示す模式図トップクリアランスボリューム３０１の低減を示す模式図図１の回転式圧縮機の変形例を示す模式図従来の第１の回転式圧縮機を示す部分縦断面図図１２に示す回転式圧縮機の横断面図従来の第２の回転式圧縮機を示す模式図図１４の回転式圧縮機における、吸入室圧力Ｐｓと圧縮室圧力Ｐｃを示す模式図圧縮室圧力Ｐｃと吸入室圧力Ｐｓの差圧Ｐｃ−Ｐｓを示す模式図

図１は、本発明の一実施の形態に係る回転式圧縮機の要部を示す破断面図である。図２は、図１の回転式圧縮機を面Ａ−Ａに沿う切断面を矢印の方向から見た時の横断面図である。

図１において、回転式圧縮機は、大略的には、略円筒状の密閉容器１と、この密閉容器１の内部上側に配置された電動機１０２と、この電動機１０２の下側に配置され、この電動機部１０２によって駆動される圧縮機構１０１とを備えている。

電動機１０２は、密閉容器１の内部上側の内周面に沿って環状に取り付けられたステータ２と、このステータ２の内側に若干の隙間を設けて挿入されるロータ３とを含み、このロータ３は、自身の中心部で鉛直方向にシャフト４に固定される。

圧縮機構部１０１は、図１，図２に示すように、シリンダー５と、このシリンダー５の両端面に締結されてシリンダー室６を形成する上軸受け７及び下軸受け８と、この上軸受け７と下軸受け８との間に位置するシャフト４の偏心部に嵌合されるピストン９と、シリンダー５に形成されるベーン溝１０内を往復運動するベーン１１とを含んでいる。

ベーン１１は、具体的には、先端部１１Ａと、ベーン溝１０内を往復運動する本体部１１Ｂとを有する。この先端部１１Ａは、この本体部１１Ｂの厚みより大きい直径をもった円弧形状として、ピストン９に形成された嵌合部に揺動自在に嵌合接続することにより、シリンダー室６内にベーン１１によって仕切られた吸入室１２と圧縮室１３を形成する。

ここで、図３は、図２に示すベーン１１の先端部１１Ａの周辺を示す拡大図である。図３において、ベーン１１において、吸入室１２に臨む側面と、圧縮室１３に臨む側面とに切欠き１１ｃ，１１ｄが設けられており、ピストン９がシリンダー室６内を揺動運動することによって吸入室１２と圧縮室１３の容積が変化する際に、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面と、ピストン９の外周面９Ｃとが接続される曲面部分がベーン１１と接触しないように構成されている。

従来の回転式圧縮機では、図１４に示すように、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面と、ピストン９の外周面９Ｃとを接続する切欠きがピストン９に形成されていた。それに対し、図３の例では、ベーン１１側に切欠き１１ｃ，１１ｄを形成し、ピストン９側の切欠きを実質的に無くしたため、ピストン９の嵌合部の入口９Ｂの幅を小さく構成できる。言い換えると、従来の回転式圧縮機と比べ、ベーン１１の先端部１１Ａの直径を小さくすることが可能となる。その結果、ベーン１１の先端部１１Ａがピストン９に当接する接点を、従来よりもピストン９の径方向外側に位置させることができる。これによって、ベーン１１がベーン溝１０内を往復運動する際に、ベーン１１が圧縮室圧力Ｐｃと吸入室圧力Ｐｓを受圧する面積が小さくなり、圧縮室圧力と吸入室圧力の差圧Ｐｃ−Ｐｓによってベーン１１に作用する力も小さくすることができる。従って、この力の反力としてベーン１１に働くベーン溝１０との摩擦抵抗力が軽減されるので、ベーン１１がベーン溝
１０内を往復運動することによって発生する摺動損失を低減することができる。また、ピストン９の嵌合部入口９Ｂの幅とベーン１１の先端部１１Ａの直径との差を、従来の回転式圧縮機と同程度に確保できるので、ベーン飛びも確実に防止でき、信頼性が低下することもなくなる。

次に、先端部１１Ａに必要な直径について、ベーン１１の側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面との位置関係から説明する。

ベーン１１がベーン溝１０内に最も収納された時点のシャフト４の角度位置を０度とした場合に、シャフト４を回転方向に０度、９０度、１８０度、２７０度と順に回転させると、図４に示すように、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の順にベーン１１とピストン９の位置が変化する。従来の回転式圧縮機の場合、それぞれのタイミングでの、ベーン１１の側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面との位置関係は図５のようになる。図５に示すように、（Ｂ）または（Ｄ）のタイミング、すなわち、シャフト４の回転方向に９０度または２７０度の角度位置で、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃとを接続する曲面がベーン１１の側面に最も接近するので、これらの角度位置でベーン１１の側面に接触しないように、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面と交差するピストン９の外周面９Ｃとの間に切欠きを設けている。従って、図６に示すように、ベーン飛びを確実に防止するために必要なピストン９の嵌合部入口９Ｂの幅とベーン１１の先端部１１Ａの直径との差Ｘ、ピストン９の嵌合部入口９Ｂの幅をＹとすると、ベーン１１の先端部１１Ａに必要な直径ＤＶは、式Ａで表される。

ＤＶ≧Ｘ＋Ｙ・・・式Ａ
それに対し、本実施の形態によれば、ベーン１１において、吸入室に臨む側面と圧縮室に臨む側面に切欠きが設けられており、従来の回転式圧縮機においてピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面と交差するピストン９の外周面９Ｃに設けた切欠きを無くしてピストン９の嵌合部の入口９Ｂの幅Ｙを小さく構成できるので、式Ａより、従来の回転式圧縮機と比べ、ベーン１１の先端部１１Ａに必要な直径ＤＶを小さくすることが可能となる。

しかも、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面に、ベーン１１がベーン溝１０内に最も収納された時点のシャフト４の位置を０度とした場合に、シャフト４の回転方向に２７０度の角度位置で、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面の形状とほぼ一致する切欠きが設けられる。その結果、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面とによって形成されるトップクリアランスボリュームを低減することができる。これにより、体積効率を低下させることなく、入力ロスが小さい回転式圧縮機を提供することが可能となる。すなわち、ベーン１１の側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面との位置関係は、ベーン１１がベーン溝１０内に最も収納された時点のシャフト４の角度位置を０度とした場合に、シャフト４の回転方向に０度、９０度、１８０度、２７０度と順に回転させると、図７に示すように、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）と変化する。図８に示すように、作動冷媒が吐出されずに残留するトップクリアランスボリューム３０１は、シャフト４の回転方向に２７０度の角度位置で図７（Ｄ）に示すピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面と接触しないように、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面に設けた切欠きにより形成される。このように、シャフト４の回転方向に２７０度の角度位置で、前述の切欠きの形状を、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面の形状とほぼ一致するように
構成することにより、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面とによって形成されるトップクリアランスボリュームを低減することが可能となる。

ベーン１１の先端部１１Ａの円弧中心が、ベーン１１の厚み方向中心より圧縮室側に構成されることが更に好ましい。これにより、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面とによって形成されるトップクリアランスボリュームをより低減することができる。すなわち、図９に示すように、ベーン１１がベーン溝１０内に最も収納された時点のシャフト４の位置を０度とした場合に、シャフト４の回転方向に２７０度の角度位置で、ピストン９の外周面９Ｃ中心とベーン１１の先端部１１Ａの円弧中心とを結んだ直線が、ベーン溝１１の幅方向中心線となす角度をθとすると、ベーン１１の先端部１１Ａの円弧中心を、ベーン１１の厚み方向中心より圧縮室側に構成することにより、図９に極端に示すように、θ角度が小さくなり、つまり、ベーン１１の先端部１１Ａの円弧中心回りにピストン９が揺動する角度範囲が小さくなる。また、ベーン１１の先端部１１Ａの円弧中心を、ベーン１１の厚み方向中心より圧縮室側に構成していて、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面がベーン１１の圧縮室１３に臨む側面に干渉する部分を小さくできる。これらにより、図１０に極端に示すように、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面に設ける切欠きを小さくして、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面とによって形成されるトップクリアランスボリューム３０１をより低減することが可能となる。

図１１は、上述の実施の形態の変形例を示す図である。図１１の例では、ベーン溝１０の幅方向中心Ｌが、シリンダー５の内周面中心Ｃより圧縮室１３側に位置するよう構成される。また、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面に、ベーン１１がベーン溝１０内に最も収納された時点のシャフト４の位置を０度とした場合に、シャフト４の回転方向に２７０度の角度位置で、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面の形状とほぼ一致する切欠きが設けられる。これらにより、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面とによって形成されるトップクリアランスボリュームを低減することが可能となる。すなわち、図１１に示すように、ベーン１１がベーン溝１０内に最も収納された時点のシャフト４の位置を０度とした場合に、シャフト４の回転方向に２７０度の角度位置で、ピストン９の外周面中心とベーン１１の先端部１１Ａの円弧中心とを結んだ直線が、ベーン溝１０の幅方向中心線となす角度をθ’とすると、ベーン溝１０の幅方向中心Ｌを、シリンダー５の内周面中心Ｃより圧縮室側に構成する。これにより、図１１に極端に示すように、θ’角度が小さくなり、つまり、ベーン１１の先端部１１Ａの円弧中心回りにピストン９が揺動する角度範囲が小さくなり、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃが接続される曲面がベーン１１の圧縮室１３に臨む側面に干渉する部分を小さくできるので、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面に設ける切欠きを小さくして、ベーン１１の圧縮室１３に臨む側面と、ピストン９に形成された嵌合部９Ａの円弧曲面とピストン９の外周面９Ｃに接続される曲面とによって形成されるトップクリアランスボリュームを低減することが可能となる。

また、本実施の形態の回転式圧縮機において、作動冷媒としてＣＯ_２を用いた場合に、ベーン１１がベーン溝１０内を往復運動する際、特に、圧縮室圧力Ｐｃと吸入室圧力Ｐｓの高い差圧によってベーン１１に作用する力の反力としてベーン１１に働くベーン溝１０との摩擦抵抗力が大きいので、より効果的にベーン１１がベーン溝１０内を往復運動することによって発生する摺動損失を低減することができる。

更に、本実施の形態の回転式圧縮機において、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た場合には、特に、高温において化学的安定性が低下することに伴い、潤滑性が悪化するので、より効果的にベーン１１がベーン溝１０内を往復運動することによって発生する摺動損失を低減することができる。

本発明にかかる回転式圧縮機は、入力ロスを小さくすることができるという効果を奏し、給湯器用圧縮機、空気圧縮の用途にも適用できる。

５シリンダー
９ピストン
１１ベーン
１０ベーン溝
９Ａ嵌合部
１１ｃ，１１ｄ切欠き

Claims

シリンダー室を持つシリンダーと、前記シリンダー室内を揺動運動するピストンと、前記シリンダー室内を吸入室と圧縮室に仕切るベーンと、前記シリンダーに形成され、前記ベーンが往復運動するベーン溝を有し、前記ベーンの先端部の少なくとも一部を前記ベーンの厚みより大きい直径をもった円弧形状として前記ピストンに形成された嵌合部に揺動自在に嵌合接続して構成される回転式圧縮機において、
前記ピストンが前記シリンダー室内を揺動運動する際に、前記ピストンに形成された嵌合部の円弧曲面と前記ピストンの外周面が接続される平面もしくは曲面と接触しないように、前記ベーンの、吸入室に臨む側面と圧縮室に臨む側面に切欠きを設けたことを特徴とする回転式圧縮機。
前記ベーンの圧縮室に臨む側面に設けた切欠きの形状が、前記ベーンが前記ベーン溝内に最も収納された時点の前記シャフトの位置を０度とした場合に、前記シャフトの回転方向に２７０度の角度位置で、前記ピストンに形成された嵌合部の円弧曲面と前記ピストンの外周面が接続される平面もしくは曲面の形状とほぼ一致する請求項１記載の回転式圧縮機。
前記ベーンの先端部の円弧中心を、前記ベーンの厚み方向中心より圧縮室側に構成した請求項２記載の回転式圧縮機。
前記ベーン溝の幅方向中心を、前記シリンダーの内周面中心より圧縮室側に構成した請求項２記載の回転式圧縮機。
作動冷媒としてＣＯ_２を用いたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転式圧縮機。
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たことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転式圧縮機。