JP2011157911A - ロータリ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーン先端の磨耗や焼きつきを抑制させ信頼性を確保しながら、組立てロスを減らしつつ、効率の高いロータリ圧縮機を提供すること。
【解決手段】シリンダ３０内に配置されるシャフト３１の偏心部３１ａと、偏心部３１ａに嵌合され、円柱状の溝３２ａが形成されたピストン３２と、シリンダ３０に形成されたスロット３０ｂ内に挿入され、シリンダ３０内の空間を高圧側と低圧側とに仕切り、かつ溝３２ａに係合する円柱状の円柱部３３ａを有するベーン３３とを備え、溝３２ａと円柱部３３ａの間の隙間が、溝３２ａの直径に対して５／１０００〜１５／１０００の値であり、かつ溝３２ａと円柱部３３ａの間の隙間へオイルを給油する給油機構３２ｂを設ける。
【選択図】図１

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９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。図１０は、図９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９，１０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ー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、カップマフラー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１１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１１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

近年、冷媒を循環させる空気調和装置等ではさらなる高効率化が望まれているため、圧縮機に関してもさらなる高効率化が重要となってきている。

上述の揺動ピストン型では、ピストン１３２とベーン１３３の揺動部に必ず隙間を設けなければならないため、上記ローリングピストン型と較べて、この隙間を通じて高圧側から低圧側へとガスやオイルの漏れが生じやすく、圧縮損失の増加により、圧縮機の効率が低下していた。この隙間を小さく設定することにより、圧縮損失が低減されるが、組立て時の寸法管理が困難となるため、組立てロスが増加するという課題があった。

本発明は、組立てロスの増加を抑制するとともに、高効率と高信頼性を両立した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、溝と円柱部の間の隙間が溝の直径に対して１０／１０００以上の値であり、かつ溝と円柱部の間の隙間へオイルを給油する給油機構を有することを特徴とする。

上記構成によれば、円柱部と溝との間での磨耗や焼き付きの発生を抑えて、ロータリ圧縮機の信頼性の向上を図ることが出来る。隙間を大きく設定することから、組立て時の寸法管理が緩和され、組立てロスを減らすことが出来る。さらに、給油されたオイルでシール性が向上し、高圧側から低圧側へとガスやオイルの漏れが低減され、高い効率を持つ圧縮機を提供することが可能となる。

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 同揺動ピストン型ロータリ圧縮機の圧縮機構の拡大図 同揺動ピストン型ロータリ圧縮機のシャフトが一回転する間における圧縮機構部の状態遷移を示す図 同揺動ピストン型ロータリ圧縮機のシャフト、ピストン及びベーンの拡大斜視図 同揺動ピストン型ロータリ圧縮機の給油機構が無いときの隙間／溝に対する圧縮機の効率比を示す特性図 同揺動ピストン型ロータリ圧縮機の給油機構が有るときの隙間／溝に対する圧縮機の効率比を示す特性図 同揺動ピストン型ロータリ圧縮機の圧縮機構部の要部断面図 同揺動ピストン型ロータリ圧縮機の圧縮機構部の要部断面図 従来のロータリ圧縮機の一例を示す部分縦断面図 同ロータリ圧縮機のＡ−Ａ断面図 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

第１の発明のロータリ圧縮機は、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、円弧角１８０°超の円柱状の溝が形成されたピストンと、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、溝と円柱部の間の隙間が、溝の直径に対して５／１０００〜１５／１０００の値であり、かつ溝と円柱部の間の隙間へオイルを給油する給油機構を有することを特徴とする。

上記構成によれば、円柱部と溝との間での磨耗や焼き付きの発生を抑えて、ロータリ圧縮機の信頼性の向上を図ることが出来る。隙間を大きく設定することから、組立て時の寸法管理が緩和され、組立てロスを減らすことが出来る。さらに、給油されたオイルでシール性が向上し、高圧側から低圧側へとガスやオイルの漏れが低減され、高い効率を持つ圧縮機を提供することが可能となる。

第２の発明は、第１の発明のロータリ圧縮機において、給油機構が間欠的に作動することにより、設計で給油量をコントロール出来るようになり、必要以上のオイルを供給することがなくなるため、さらに効率が向上する。

第３の発明は、第２の発明のロータリ圧縮機において、、シリンダ内の空間が高圧になっている時にのみ、給油機構が作動することにより、吸入側へのオイル供給が抑制され、オイルが吸入ガスを加熱しなくなることから、体積効率を向上できる。

第４の発明は、第１〜３の発明の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を用いるものである。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。

第５の発明は、第１〜４の発明の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基本成分とし、単体冷媒又は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ものである。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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
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、カップマフラー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ー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。ここで、溝３２ａ及び円柱部３３ａの直径については、溝３２ａと円柱部３３ａとの間の隙間が溝３２ａの直径に対して、通常は１０／１０００未満に選ばれる。１０／１０００未満に選ばれるのは、図５のグラフに示すように、この隙間より大きい範囲ではガスやオイル漏れが増加して、圧縮損失が増加し、効率が急激に低下することがひとつの理由として挙げられる。

なお、溝３２ａと円柱部３３ａとの間の隙間を溝３２ａの径に対して１／１０００未満にすると、図４のグラフに示すように、円柱部３３ａと溝３２ａとの間で固体接触が生じて、機械損失が増加し、効率がより急激に低下するので、この隙間を溝３２ａの径に対し、少なくとも１／１０００以上の値にすることが好ましい。

しかし、溝３２ａと円柱部３３ａとの間の隙間を溝３２ａの径に対して１／１０００〜５／１０００の範囲にすると、組立て時の寸法管理が困難となるため、組立てロスが増加してしまう。ここで、図２のＡ−Ａ断面で示された図７のように、上軸受３４及びピストン３２の各内周面の間の空間４６に溜まった高圧オイルが給油機構３２ｂと連通して溝３２ａと円柱部３３ａとの間の隙間に給油することにより、図６のグラフで示すように、この隙間を溝３２ａの径に対し１０／１０００以上の範囲に設定しても、給油無（図５参照）と較べて、効率の低下が緩和される。

以上のことから、本実施形態では、溝３２ａと円柱部３３ａとの間の隙間の好ましい範囲として、溝３２ａの直径に対して５／１０００〜１５／１０００で、かつこの隙間に給油機構を設けてオイルを給油することにより、オイルのシール性向上から圧縮損失が低減され、高い効率と高い信頼性を持った圧縮機が得られる。さらに、この隙間を拡大することから組立て時の寸法管理が容易となり、組立てロスの減少に繋がる。

また、図２のＢ−Ｂ断面で示された図８のように、シャフト３１の油溝４５とピストン３２の給油機構３２ｂが間欠的に連通することにより、設計で給油量をコントロール出来るようになり、必要以上のオイルを供給することがなくなるため、さらに効率が向上する。

また、シリンダ内の空間が高圧になっている時にのみ、給油機構が作動することにより、吸入側へのオイル供給が抑制され、オイルが吸入ガスを加熱しなくなることから、体積効率を向上できる。

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基本成分とし、単体冷媒又は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、本実施の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
３２ａ 溝
３２ｂ 給油機構
３３ ベーン
３３ａ 円柱部
３４ 上軸受
３５ 下軸受
３８ 吐出ポート
４０ 吸入ポート
４１ 油穴
４４ 給油穴
４５ 油溝
４６ 空間
４７ 空間

Claims (5)

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、円弧角が１８０°超の円柱状の溝が形成されたピストンと、前記シリンダに形成されたスロット内に挿入され、前記シリンダ内の空間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、前記溝と前記円柱部の間の隙間が、前記溝の直径に対して５／１０００〜１５／１０００の値であり、かつ前記溝と前記円柱部の間の隙間へオイルを給油する給油機構を有することを特徴とする、ロータリ圧縮機。
2. 前記給油機構が間欠的に作動することを特徴とする請求項１記載のロータリ圧縮機。
3. 前記シリンダ内の空間が高圧になっている時に、前記給油機構が作動することを特徴とする請求項２記載のロータリ圧縮機。
4. 作動流体として、高圧冷媒であるＣＯ_２が用いられていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のロータリ圧縮機。
5. 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基本成分とし、単体冷媒又は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１〜４いずれか記載のロータリ圧縮機。