JP2012013015A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンと別体として構成されたベーンをピストンに対して径方向内側に押し付けることなく、ベーンがピストンから離れるのを防止することができる流体機械を提供する。
【解決手段】流体機械は、シリンダ２１、偏心部３２およびピストン２２を含むロータリ機構２Ａを備えている。シリンダ２１の内周面とピストン２２との間に形成される作動室２３は、ベーン２４によって吸入側２３Ａと吐出側２３Ｂとに仕切られている。ベーン２４は、シリンダ２１側の端部に旋回軸２４ａを有している。シリンダ２１は、旋回軸２４ａを回転自在に支持する軸受部２１ａを有し、ピストン２２には、ベーン２４が往復自在に挿入されるベーン溝２２ａが設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、エアコン、給湯機、暖房機、冷凍機などに利用されるヒートポンプシステムで用いられる流体機械に関する。

従来、ロータリ型圧縮機では、圧縮冷媒による圧力でベーン先端がピストンから離れることを防止するために、ベーンの背面に密閉容器内に吐出された圧縮冷媒または圧縮冷媒によって加圧された潤滑油の圧力を作用させることが行われている。例えば、非特許文献１には、図８に示すようなロータリ型圧縮機１００が開示されている。

このロータリ型圧縮機１００は、偏心部１０５を有するシャフトと、偏心部１０５に回転自在に嵌合するピストン１０２と、ピストン１０２を収容するシリンダ１０１とを備えている。シリンダ１０１には、当該シリンダ１０１を径方向に貫通するスリット１０９が設けられ、このスリット１０９にベーン１０３が往復自在に挿入されている。ベーン１０３は、シリンダ１０１の内周面とピストン１０２との間に形成される作動室を、吸入路１０６と連通した吸入室と、吐出路１０７と連通した圧縮室とに仕切る。吐出路１０７の出口には、吐出弁１０８が設けられている。

シャフトの回転によりピストン１０２がシリンダ１０１の内周面に沿って偏心回転運動すると、吸入室と圧縮室の容積が変化する。この容積変化により、冷媒が吸入路１０６から吸入室に吸入されるとともに、ピストン１０２が上死点を通過することによって吸入室から切り替わった圧縮室に閉じ込められた冷媒が圧縮される。ベーン１０３は、停止時はベーンばね１０４によってピストン１０２へ押し付けられる。ところが、ピストン１０２の偏心回転運動によってベーン１０３が往復運動を始めると、ピストン１０２が上死点（当該ピストン１０２の中心が最もベーン１０３に接近する点）から下死点（当該ピストン１０２の中心が最もベーン１０３から離れる点）に向かって移動する瞬間に、ベーン１０３にはピストン１０２から離れようとする慣性力が作用する。このため、シリンダ１０１の外側からスリット１０９内に吸入工程や圧縮工程の作動室よりも高圧の圧縮冷媒またはこの圧縮冷媒によって加圧された潤滑油を導き、圧縮冷媒または潤滑油の圧力をベーン１０３の背面に作用させて、ベーン１０３が慣性力によってピストン１０２から離れないようにしている。圧縮室には低圧冷媒が流入するため、ベーン１０３には、圧縮室とベーンの背面空間（ベーンの背面と面する空間）との圧力差による径方向内側への押付け力が常に与えられる。

このように、ベーン１０３がピストン１０２に強く押し付けられた状態でシャフトが回転すると、ピストン１０２は偏心部１０５との摩擦によって偏心部１０５の回転方向に引きずられながら偏心回転運動するため、ベーン１０３とピストン１０２との間に摺動損失が生じる。この摺動損失によって圧縮機効率が低下するという問題がある。

そこで、図９に示すように、シリンダ２０１に回転自在に設けられたブッシュ２０４でベーン２０３を往復自在に保持するとともに、ベーン２０３とピストン２０２とを一体に成形して、ベーン２０３がピストン２０２から離れることを防止するスウィング式のロータリ型圧縮機２００が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、ベーン２０３は、ブッシュ２０４の中心を支点として揺動しながら往復運動するため、シリンダ２０１にはベーン２０３の軌跡よりも大きな退避溝２０５が設けられる。ただし、高精度な加工が要求されるベーン２０１とピストン２０３とを一体に成形するための加工コストが高いために、圧縮機２００を安価に提供することが困難であった。

特許第３７２４０２９号公報

川平睦義著、「密閉型冷凍機」、社団法人日本冷凍協会、１９８１年、ｐ．１４（図６．１）

図８で示したロータリ型圧縮機１００では、ベーン１０３を往復自在に保持するためのスリットや溝をシリンダ１０１に設ける必要があるためにシリンダの内径が小さくなり、十分な作動室容積を確保するためにはシリンダ１０１の高さを高くする必要があった。シリンダ１０１の高さが高くなると、圧縮冷媒または圧縮冷媒によって加圧された潤滑油の圧力が作用する、ベーン１０３の背面の面積が増加するため、ベーン１０３のピストン１０２への押付け力が増加してしまい、ベーン１０３とピストン１０２との間で生じる摺動損失がよりいっそう大きくなる。さらに、シリンダ高さの増加によるベーン押付け力の増加は、ピストン１０２とこれを支持する偏心部１０５との摺動損失や、シャフトとシャフトの軸受との摺動損失までも増加させるため、この増加した摺動損失によって圧縮機効率がさらに低下する。

図９で示したスウィング式のロータリ型圧縮機２００では、シリンダ２０１の内周面の中心軸をシャフト２０６の軸心からずらすことで、シリンダ２０１の内径を拡大させようとしている。しかし、シリンダ２０１にベーン２０３との干渉を回避するための退避溝２０５が必要であり、その分どうしてもシリンダ２０１の内径を拡大できる量が小さくなっていた。しかも、上述したとおり、加工コストが高いという問題がある。

上述した課題は、ロータリ機構を含む流体機械に共通の課題であり、圧縮機だけでなく膨張機においても同様の課題が生じる。さらに、膨張機においては、低圧冷媒が吸入される圧縮機とは異なり、吸入工程で高圧冷媒が吸入室に導かれるため、ピストンが上死点近傍に位置しているときには吸入室とベーンの背面空間との圧力がほぼ等しくなり、ベーンの先端をピストンに押し付ける力がベーンばねの付勢力だけになる。このため、ベーンの先端が間欠的にピストンから離れるベーン飛びが発生して性能が低下するという問題と、ベーン飛びによって引き起こされる騒音および信頼性の低下という問題が発生する。

なお、この膨張機の課題は、２つのロータリ機構を用い、１つのロータリ機構の吸入室に高圧冷媒を流入させる二気筒縮機においても、上流側のロータリ機構は仕事をせずに高圧冷媒を通過させるだけであるため、同様に当てはまる。

本発明は、こうした事情に鑑み、ピストンと別体として構成されたベーンをピストンに対して径方向内側に押し付けることなく、ベーンがピストンから離れるのを防止することができる流体機械を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、円筒状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダの内側で旋回する偏心部と、前記偏心部に回転自在に嵌合し、前記シリンダの内周面に沿って偏心回転運動するピストンと、前記シリンダを挟むように配置され、前記シリンダの内周面と前記ピストンとの間に形成される作動室を閉塞する一対の閉塞部材と、前記シリンダと前記ピストンとに跨って延び、前記作動室を吸入側と吐出側とに仕切るベーンと、を含むロータリ機構を備え、前記ベーンは、前記シリンダ側の端部に旋回軸を有し、前記シリンダは、前記旋回軸を回転自在に支持する軸受部を有し、前記ピストンには、前記ベーンが往復自在に挿入されるベーン溝が設けられている、
流体機械を提供する。

上記の構成によれば、偏心部が旋回すると、ベーンが旋回軸を支点として揺動する一方、ピストンがベーン溝からベーンを出し入れするように偏心回転運動するので、ベーンがピストンから離れることがない。しかも、この構造ではベーンばねによってベーンをピストンに押し付ける必要がないため、従来よりもベーンとピストンとの摺動損失を小さくすることができる。さらには、ベーン溝はピストンに設けられているため、シリンダの肉厚を薄くすることが可能である。このため、シリンダの内径を拡大して、従来よりもシリンダの高さを低くすることができる。

本発明の第１実施形態に係る流体機械（圧縮機ユニット）の縦断面図 図１のII−II線断面図 変形例のロータリ機構の横断面図 本発明の第２実施形態に係る流体機械（膨張機一体型圧縮機）の縦断面図 図４のV−V線断面図 図４のVI−VI線断面図 変形例のベーンの断面図 従来のロータリ型圧縮機の横断面図 従来のスイング式のロータリ型圧縮機の横断面図

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体機械である圧縮機ユニット１Ａの縦断面図である。図２は、圧縮機ユニット１Ａに内蔵されたロータリ機構２Ａの横断面図である。

図１に示すように、圧縮機ユニット１Ａは、前記ロータリ機構２Ａおよびシャフト３１で構成された圧縮機３と、シャフト３１を回転させるモータ５と、圧縮機３およびモータ５を収容する密閉容器１１と、を備えている。

本実施形態では、密閉容器１１が、両端が塞がれた縦型の円筒状をなしており、シャフト３１が上下方向に延びている。そして、密閉容器１１内の下側位置にロータリ機構２Ａが配置され、密閉容器２Ａ内の上側位置にモータ５が配置されている。シャフト３１は、ロータリ機構２Ａとモータ５とを連結している。

密閉容器１１の下部には、密閉容器１１の外部から圧縮機３に冷媒を導く吸入管１３が設けられ、密閉容器１１の上部には、圧縮機３で圧縮されて密閉容器１１内に吐出された冷媒を密閉容器１１の外部に排出する吐出管１４が設けられている。また、密閉容器１１の下部には、各摺動部の潤滑に利用される潤滑油が貯留され、ロータリ機構２Ａの周囲に油溜まり１２が形成されている。油溜まり１２の油量は、ロータリ機構２Ａにおける後述するシリンダ２１の略全体が油溜まり１２に浸る程度であればよい。本実施形態では、油溜まり１２の油量は、油溜まり１２の油面が後述する第１軸受部材２５Ａの下面と一致する程度に設定されている。

さらに、密閉容器１１の上部には、外部電源６１に接続された駆動回路６２と電力線６３を介して接続されたターミナル６４が設けられており、このターミナル６４とモータ５とが電力線６５で接続されている。

モータ５は、密閉容器１１の内周面に溶接等で固定された固定子５１と、シャフト３１に焼バメ等で固定された回転子５２とで構成されている。回転子５２と固定子５１の間にはエアギャップ５３が形成されており、回転子５２が固定子５１による干渉を受けないようになっている。固定子５１は、固定子コア５１ａ、上側コイルエンド５１ｂおよび下側コイルエンド５１ｃを有しており、固定子コア５１ａには密閉容器１１の内周面に沿って上下に延びるように複数の冷媒流路５１ｄが形成されている。一方、回転子５２は、回転子コア５２ａ、上バランスウェイト５２ｂおよび下バランスウェイト５２ｃを有しており、回転子コア５２ａには当該回転子コア５２ａを上下に貫通するように複数の冷媒流路５２ｄが形成される。

ロータリ機構２Ａは、図２に示すように、シャフト３１に一体に設けられた偏心部３２と、偏心部３２と回転自在に嵌合するピストン２２と、ピストン２２を収容するシリンダ２１とを有している。

シリンダ２１は、中心軸がシャフト３１の軸心と一致する円筒状の内周面を有しており、偏心部３２は、シャフト３１の軸心からずれた位置に中心を有する円盤状をなしている。また、ピストン２２は、径方向の幅が一定のリング状をなしており、偏心部３２の偏心方向においてシリンダ２１の内周面に接している。すなわち、シリンダ２１の内周面とピストン２２との間には三日月状の作動室２３が形成されている。そして、シャフト３１の回転に伴ってシリンダ２１の内側で偏心部３２がシャフト３１の軸心回りに旋回すると、ピストン２２がシリンダ２１の内周面に沿って偏心回転運動する。

また、ロータリ機構２Ａは、シリンダ２１を挟むように配置された上軸受部材２５Ａおよび下軸受部材２５Ｂ（図１参照）と、作動室２３を吸入側２３Ａと吐出側２３Ｂとに仕切るベーン２４とを有している。

上軸受部材２５Ａは、密閉容器１１の内周面に溶接等で固定されており、シリンダ２１の上側でシャフト３１を回転自在に支持する。上軸受部材２５Ａには、潤滑油を流通させるための貫通孔２５ａが複数設けられている。下軸受部材２５Ｂは、シリンダ２１を介して上軸上部材２５Ｂに固定されており、シリンダ２１の下側でシャフト３１を回転自在に支持する。また、上軸受部材２５Ａおよび下軸受部材２５Ｂは、シャフト３１の軸方向の両側から作動室２３を閉塞しており、本発明の一対の閉塞部材として機能する。

ベーン２４は、シリンダ２１とピストン２２とに跨って延びる略板状をなしている。ピストン２２には、当該ピストン２２の中心を通る直線上で径方向外側に開口するベーン溝２２ａが設けられており、このベーン溝２２ａにベーン２４が往復自在に挿入されている。また、ベーン２４は、シリンダ２１側の端部に、シャフト３１の軸方向に延びる円柱状の旋回軸２４ａが設けられており、シリンダ２１は、旋回軸２４ａを回転自在に支持する軸受部２１ａを有している。このため、ベーン２４は、旋回軸２４ａを支点として揺動のみする。一方、ピストン２２は、偏心部３２と摺動しながら、ベーン溝２２ａの開口方向が常に旋回軸２４ａの中心を向くようにベーン２４にガイドされながら偏心回転運動する。

シリンダ２１には、油溜まり１２の潤滑油を軸受部２４ａに導く給油路２６が設けられている。本実施形態では、給油路２６が軸受部２１ａから外周面へ延びるようにシリンダ２１を貫通する孔で構成されている。ただし、給油路２６は、上軸受部材２５Ａまたは下軸受部材２５Ｂと接触する、シリンダ２１の上面または下面に形成された溝で構成されていてもよい。あるいは、給油路２６は、シリンダ２１に設けられていなくても、シリンダ２１と接触する、上軸受部材２５Ａの下面または下軸受部材２５Ｂの上面に形成された溝で構成されていてもよい。

また、下軸受部材２５Ｂには、ベーン溝２２ａの底部（ベーン溝２２ａが開口する方向と反対側の端部、すなわちピストン２２の径方向内側に位置する部分）と油溜まり１２とを連通する油流通路２７が当該下軸受部材２５Ｂを上下方向に貫通するように設けられている。このため、ピストン２２が上死点から遠ざかる（すなわち、ベーン２４がベーン溝２２ａから伸張する）ときには、油溜まり１２の潤滑油が油流通路２７を通じてベーン溝２２ａ内に供給され、ピストン２２が上死点に近づく（すなわち、ベーン２４がベーン溝２２ａ内に待避する）ときには、ベーン溝２２ａ内の潤滑油が油流通路２７を通じて油溜まり１２に逃がされる。

さらに、本実施形態ではロータリ機構２Ａが圧縮機３を構成するので、ロータリ機構２Ａにはそのための構成が設けられている。具体的には、シリンダ２１に、吸入管１３から作動室２３の吸入側２３Ａに冷媒を導く吸入路３ａが設けられ、上軸受部材２５Ａに、作動室２３の吐出側２３Ｂから冷媒を排出する吐出路３ｂが設けられている。吐出路３ｂの出口には、吐出バルブ３６が設けられ、この吐出バルブ３６の下流側にはバルブストップ３７が配設されている。また、圧縮機３は、上軸受部材２５Ａの上方に配置された、吐出路３ｂと連続する空間を囲繞するマフラー３５を有している。

図１に戻って、シャフト３１には、当該シャフト３１を上下方向に貫通する給油孔３１ａと、給油孔３１ａから偏心部３２のピストン２２との摺動面へ開口する横孔３１ｂが形成されている。さらに、シャフト３１には、回転子５２と上軸受部品２５Ａとの間で給油孔３１ａからシャフト３１の外周面へ開口するガス抜き孔３１ｃが設けられている。給油孔３１ａは、シャフト３１の上端で栓３３によって塞がれている。給油孔３１ａの下部には、潤滑油を汲み上げる油はね３４が挿入され、油はね３４の下側では蓋が給油孔３１内に圧入されている。

次に、圧縮機ユニット１Ａの動作を説明する。

外部電源６１からの電力を駆動回路６２でモータ駆動用の周波数および電圧に調整し後にモータ５に供給すると、固定子５１の固定子コア５１ａに磁界が発生し、固定子コア５１ａの磁界変化によって回転子５２と固定子５１との間に回転トルクが発生する。この回転トルクが回転子５２を回転させ、回転子５２が固定されたシャフト３１も回転を開始する。シャフト３１の回転に伴って偏心部３２が旋回すると、ベーン２４で仕切られた作動室２３の吸入側２３Ａおよび吐出側２３Ｂの容積が変化する。

吸入側２３Ａが吸入路３ａと連通している間は、吸入側２３Ａでは吸入行程が行われ、シャフト３１の回転による吸入側２３Ａの容積増加で吸入管１３から吸入路３ａを通じて吸入側２３Ａに冷媒が吸引される。さらにシャフト３１が回転してピストン２２が上死点を通過すると、吸入側２３Ａは吐出側２３Ｂに切り替わり、吐出側２３Ｂでは圧縮・吐出行程が行われる。圧縮・吐出行程では、シャフト３１の回転による吐出側２３Ｂの容積減少で冷媒が圧縮され、吐出側２３Ｂ内の圧力がマフラー３５内の圧力に達すると吐出バルブ３６が開いて、吐出路３ｂを通じて吐出側２３Ｂからマフラー３５内へ冷媒が押し出される。マフラー３５で消音された冷媒は、モータ５の下側空間に吐出される。

モータ５の下側空間に吐出された冷媒は、回転子５２の冷媒流路５２ｄ、エアギャップ５３、および固定子５１の冷媒流路５１ｄのいずれかを通過してモータ５の上側空間に流入する。モータ５の上側空間に流入した冷媒は、吐出管１４の開口端から吐出管１４に流入し、吐出管１４から外部（冷凍サイクルの他の構成要素）へと吐出される。

以上説明したように、本実施形態では、旋回軸２４ａを支点として揺動するベーン２４がピストン２２のベーン溝２２ａに保持されているので、図８で示した従来のロータリ型圧縮機１００で必要であったベーンばね１０４が不要になる。このため、ベーン２４とピストン２２との摺動損失を、ベーンばねの押付け力に相当する分、従来よりも小さくすることができる。その結果、高効率なロータリ圧縮機が実現できる。

さらに、従来のロータリ型圧縮機で必要であったベーンばねを納めるスペースやベーンを保持するベーン溝をシリンダに設ける必要がないため、シリンダ２１の内径を従来よりも拡大して、必要な作動室容積を確保するためのシリンダ２１の高さを低くすることができる。シリンダ２１の高さが低くなると、ピストン２２の高さも低くなる。油溜まり１２の潤滑油は圧縮された冷媒によって加圧されているので、ピストン２２には、ベーン溝２２ａ内に供給される潤滑油と作動室２３内で圧力変化する冷媒との圧力差によって偏心部３２への押付け力が与えられる。ピストン２２の高さが低くなると、ベーン溝２２ａの偏心部３２への投影断面が小さくなるため、ピストン２２の偏心部３２への押付け力が減少する。よって、ピストン２２とこれを支持する偏心部３２との摺動損失、ならびにシャフト３１と上軸受部材２５Ａおよび下軸受部材２５Ｂとの摺動損失が減少して、さらに高効率な圧縮機が実現できる。

また、ベーン２４の旋回軸２４ａを支持する軸受部２１ａには給油路２６を通じて油溜まり１２の潤滑油が供給されるので、軸受部２１ａと旋回軸２４ａとの摺動部における潤滑状態を良好に保つことができ、その信頼性を確保できる。さらに、軸受部２１ａと旋回軸２４ａとの固体接触を防止できるので、摺動損失の低減効果がある。

また、ベーン溝２２ａの底部は油流通路２７を通じて油溜まり１２と連通しているので、ベーン２４とベーン溝２２ａとの摺動部に潤滑油を供給することができる。これにより、ベーン２４とベーン溝２２ａとの摺動部における潤滑状態を良好に保つことができ、その信頼性を確保できる。さらに、ベーン２４とベーン溝２２ａとの固体接触を防止できるので、摺動損失の低減効果がある。また、ベーン溝２２ａからのベーン２４の伸張およびベーン溝２２ａ内へのベーン２２の待避（ベーン２４の見かけ上の往復運動）によってベーン溝２２ａの底部とベーン２４の先端とで規定される空間の容積が変化しても、潤滑油が油流通路２７を通じてスムーズに出入りするので、ベーン２４とベーン溝２２ａとの摺動部に潤滑油を供給しつつも潤滑油を加圧したり減圧したりすることを防止することができる。

さらには、ベーン２４の先端面および背面には、油流通路２７および給油路２６を通じて油溜まり１２の潤滑油、すなわち同じ圧力の潤滑油が接触しているので、潤滑油がベーン２４の先端面に及ぼす力と潤滑油がベーン２４の背面に及ぼす力が相殺される。これにより、軸受部２１ａの負荷を減少させることができる。

また、油流通路２７がシリンダ２１の下方に位置する下軸受部材２５Ｂに設けられているので、油溜まり１２の油面が多少上下したとしてもベーン溝２２ａ内へ潤滑油を安定して供給することができる。ただし、ロータリ機構２Ａが完全に油溜まり１２に浸るように油溜まり１２の油量が十分多い場合には、油流通路２７を上軸受部材２５Ａに設けることも可能である。

また、給油路２６が本実施形態のようにシリンダ２１を貫通する孔で構成されている場合、あるいは給油路２６がシリンダ２１と上軸受部材２５Ａまたは下軸受部材２５Ｂとの接触面に形成された溝で構成されている場合には、給油路２６を安価に形成することができる。

＜変形例＞
なお、ベーン溝２２ａの底部とベーン２４の先端とで規定される空間内は潤滑油で満たされている必要はない。例えば、油流通路２７の代わりにベーン溝２２ａの底部に高圧の冷媒を導く冷媒流通路を上軸受部材２５Ａに設け、ベーン溝２２ａの底部とベーン２４の先端とで規定される空間内を高圧の冷媒で満たしてもよい。この場合、図３に示すように、例えばピストン２２の上端面または下端面に内周面からベーン溝２２ａに至る溝２２ｂを設け、この溝２２ｂを経由してピストン２２と偏心部３２との摺動部に供給された油をベーン２４とベーン溝２２ａとの摺動部に供給するようにしてもよい。

また、圧縮機３の代わりに、ロータリ機構２Ａで膨張機を構成する場合には、吐出バルブ３６およびバルブストッパ３７を削除し、冷媒が作動室２３の吸入側２３Ａに吸入される期間を制御する機構を設ければよい。このような機構は、例えば、シャフト３１の回転に伴って吸入路３ａを開閉する機構であってもよいし、ピストン２２の上端面または下端面に設けられた三日月状の溝などで構成される、吸入路３ａを所定のタイミングでのみ作動室２３の吸入側２３Ａと連通させる機構であってもよい。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る流体機械である膨張機一体型圧縮機１Ｂの縦断面図である。この膨張機一体型圧縮機１Ｂは、第１実施形態で説明した圧縮機ユニット１Ａにおいて、密閉容器１１内の圧縮機３の下方に膨張機４が配置されたものである。以下では、第１実施形態と同一機能部品については同一の符号を付し、その説明を省略する。また、圧縮機３のシャフト３１は、本実施形態では第１シャフト３１と呼ぶ。

膨張機４は、膨張する冷媒から動力を回収し、この回収した動力によってモータ５が圧縮機３を駆動するのに必要な消費電力を低減する。具体的に、膨張機４は、第２シャフト４１と、第１実施形態で説明したロータリ機構２Ａと同様の構成の２つのロータリ機構２Ｂ，２Ｃとで構成されている。第２シャフト４１の軸心は第１シャフト３１の軸心と同一直線上に位置しており、第２シャフト４１の上端部が連結器８によって第１シャフト３１の下端部に連結されている。

図５は、第２シャフト４１に一体に設けられた偏心部４２Ａを有する下側のロータリ機構２Ｂの横断面図であり、図６は、第２シャフト４１に一体に設けられた偏心部４２Ｂを有する上側のロータリ機構２Ｃの横断面図である。これらのロータリ機構２Ｂ，２Ｃにおいて、ベーン２４、ベーン溝２２ａが設けられたピストン２２、および軸受部２１ａを有するシリンダ２１は、第１実施形態と同様の構成を有している。ただし、上側のロータリ機構２Ｃのシリンダ２１（以下、「上シリンダ２１」という。）内の作動室２３の容積は、下側のロータリ機構２Ｂのシリンダ２１（以下、「下シリンダ２１」という。）内の作動室２３の容積よりも大きい。

上側のロータリ機構２Ｃは、上シリンダ２１を挟むように配置された上軸受部材２５Ｃおよび中板２５Ｄを有しており、下側のロータリ機構２Ｂは、下シリンダ２１を挟むように配置された中板２５Ｄおよび下軸受部材２５Ｅを有している。すなわち、ロータリ機構２Ｃとロータリ機構２Ｂは、中板２５Ｄを共有している。

上軸受部材２５Ｃは、密閉容器１１の内周面に溶接等で固定されたリング状の固定部材１７に固定されており、上シリンダ２１の上側で第２シャフト４１を回転自在に支持する。下軸受部材２５Ｅは、上シリンダ２１、中板２５Ｄおよび下シリンダ２１を介して上軸上部材２５Ｂに固定されており、下シリンダ２１の下側で第２シャフト４１を回転自在に支持する。上軸受部材２５Ｃおよび中板２５Ｄは、第２シャフト４１の軸方向の両側から上シリンダ２１内の作動室２３を閉塞しており、上側のロータリ機構２Ｃにおける本発明の一対の閉塞部材として機能する。中板２５Ｄおよび下軸受部材２５Ｅは、第２シャフト４１の軸方向の両側から下シリンダ２１内の作動室２３を閉塞しており、下側のロータリ機構２Ｂにおける本発明の一対の閉塞部材として機能する。

上側のロータリ機構２Ｃでは、ベーン溝２２ａの底部と油溜まり１２とを連通する油流通路２７が、上軸受部材２５Ｃに当該上軸受部材２５Ｃを上下方向に貫通するように設けられている。一方、下側のロータリ機構２Ｂでは、ベーン溝２２ａの底部と油溜まり１２とを連通する油流通路２７が、下軸受部材２５Ｅに当該下軸受部材２５Ｅを上下方向に貫通するように設けられている。

さらに、本実施形態ではロータリ機構２Ｂ，２Ｃが膨張機４を構成するので、ロータリ機構２Ｂ，２Ｃにはそのための構成が設けられている。具体的には、下軸受部材２５Ｅに、密閉容器１１を貫通する吸入管１５が接続されており、上軸受部材２５Ｄに、密閉容器１１を貫通する吐出管１６が接続されている。下軸受部材２５Ｅには、下方に開口する環状の吸入室４０が設けられるとともに、吸入管１５と吸入室４０とを連通する導入路４０ａと、吸入室４０と下シリンダ２１内の作動室２３の吸入側２３Ａとを連通する吸入路４ａとが設けられている。上軸受部材２５Ｃには、上シリンダ２１内の作動室２３の吐出側２３Ｂと吐出管１６とを連通する吐出路３ｂが設けられている。さらに、中板２５Ｄには、下シリンダ２１内の作動室２３の吐出側２３Ｂと上シリンダ２１内の作動室２３の吸入側２３Ａとを連通して膨張室を形成する連通路４ｃが設けられている。また、膨張機４は、下軸受部材２５Ｅの下方に配置された、吸入室４０を閉塞するカバー４３を有している。カバー４３には、下側のロータリ機構２Ｂの油流通路２７と対応する位置に、貫通孔４３ａが設けられている。

図４に戻って、膨張機４の第２シャフト４１には、当該第２シャフト４１を上下方向に貫通する給油孔４１ａと、給油孔４１ａから偏心部４２Ａ，４２Ｂのピストン２２との摺動面へ開口する横孔４１ｂ（図５および図６参照）が形成されている。一方、圧縮機３の第１シャフト３１には、下軸受部材２５Ｂの下方に、給油孔３１ａへ潤滑油を取り込むための導入孔３１ｄが外周面に開口するように設けられている。

圧縮機３と膨張機４との間には、油溜まり１２を上側（圧縮機側）と下側（膨張機側）とに仕切る仕切り板７２が配設されている。この仕切り板７２は、中心に貫通孔が設けられ薄い円盤状をなしており、その貫通孔に第１シャフト３１が挿通されている。また、仕切り板７２は、複数の支柱７１を介して圧縮機３を構成するロータリ機構２Ａの下軸受部材２５Ｂにこれから離間するように固定されている。

次に、膨張機一体型圧縮機１Ｂの動作を説明する。なお、圧縮機３の動作は第１実施形態と同様であるため、以下では膨張機４の動作のみを説明する。

第１シャフト３１が回転すると、第２シャフト３２も回転する。第２シャフト３１の回転に伴って偏心部４２Ａ，４２Ｂが旋回すると、ベーン２４で仕切られた下シリンダ２１および上シリンダ２１内の作動室２３の吸入側２３Ａおよび吐出側２３Ｂの容積が変化する。

下シリンダ２１内の吸入側２３Ａが吸入路４ａと連通している間は、吸入側２３Ａでは吸入行程が行われ、第２シャフト４１の回転による吸入側２３Ａの容積増加で吸入管１５から導入路４０ａ、吸入室４０および吸入路５ａを通じて吸入側２３Ａに冷媒が吸引される。さらに第２シャフト４１が回転して下シリンダ２１内のピストン２２が上死点を通過すると、下シリンダ２１内の吸入側２３Ａは吐出側２３Ｂに切り替わり、下シリンダ２１内の吐出側２３Ｂ、連通路４ｃおよび上シリンダ２１内の吸入側２１Ａで形成される膨張室では膨張行程が行われる。膨張行程では、下シリンダ２１内の吐出側２３Ｂの容積減少および上シリンダ２１内の吸入側２３Ａの容積増加で冷媒が膨張し、これにより、膨張する冷媒から動力が回収される。さらに第２シャフト４１が回転して上シリンダ２１内のピストン２２が上死点を通過すると、上シリンダ２１内の吸入側２３Ａは吐出側２３Ｂに切り替わり、吐出側２３Ｂでは吐出行程が行われる。吐出行程では、第２シャフト４１の回転による吐出側２３Ｂの容積減少で冷媒が吐出路４ｂを通じて吐出管１６から吐出される。

以上説明したように、本実施形態では、膨張機４が、旋回軸２４ａを支点として揺動するベーン２４がピストン２２のベーン溝２２ａに保持された２つのロータリ機構２Ｂ，２Ｃで構成されているので、従来の膨張機で課題であった間欠的にベーンの先端がピストンから離れるベーン飛びが発生し性能が低下するという課題と、ベーン飛びによって引き起こされる騒音と信頼性の低下という課題が解決できる。

また、本実施形態では、相対的に高温の冷媒を吸入する圧縮機３と相対的に低温の冷媒を吸入する膨張機４が一つの密閉容器１１内に配置されている。しかしながら、圧縮機３と膨張機４との間には仕切り板７１が配設されているため、仕切り板７１によって圧縮機３の周囲の潤滑油と膨張機４の周囲の潤滑油とが混ざり合うことが防止される。これにより、潤滑油を介した圧縮機３から膨張機４への熱移動が生じ難く、高効率な流体機械を実現できる。

さらに、本実施形態では、圧縮機３のロータリ機構２Ａにおける油流通路２７と膨張機４の上側のロータリ機構２Ｃにおける油流通路２７とが互いに向き合っている。しかし、それらの油流通孔２７の間には仕切り板７１が介在しているので、ベーン２４の見かけ上の往復運動により潤滑油が油流通路２７を出入りしても、油流通路２７を出入りする潤滑油によって形成される潤滑油の流れ同士を仕切り板７１によって遮蔽することができる。

＜変形例＞
前記実施形態では、密閉容器１１内にロータリ機構２Ａを含む圧縮機３が配置されていたが、この圧縮機３に代えて、スクロール型の圧縮機を用いることも可能である。あるいは、膨張機一体型圧縮機１Ｂから圧縮機３を削除し、モータ５を発電機として機能させれば、膨張機ユニットを構成することも可能である。

また、前記実施形態では、第１シャフト３１と第２シャフト３２とが連結器８によって連結されていたが、第１シャフト３１と第２シャフト３２とは単一のシャフトを構成するように一体的に連結されていてもよい。

（その他の実施形態）
以上のように第１実施形態では単段のロータリ型圧縮機３を含む圧縮機ユニット１Ａを、第２実施形態では２段のロータリ型膨張機４を含む膨張機一体型圧縮機１Ｂを説明した。しかし、本発明は、多段ロータリ型圧縮機、多気筒ロータリ型圧縮機、単段のロータリ型膨張機にも適用可能であり、これらにおいても同様の効果を発揮する。

また、前記第１および第２実施形態では、ロータリ機構によって冷媒が圧縮された膨張されたりしていたが、冷媒以外の作動流体を用いることも可能である。

さらに、本発明の一対の閉塞部材は、作動室を両側から閉塞する機能さえ有していればよく、必ずしも軸受の機能を有している必要はない。

また、前記第１および第２実施形態では、ベーン２４は旋回軸２４ａを一体的に有していたが、例えば図７に示すように、ベーン２４を、板状の本体２４ｂと、本体２４ｂにピンで固定される、旋回軸２４ａを形成する一対の皿部２４ｃとで構成してもよい。

また、第１実施形態の圧縮機ユニット１Ａおよび第２実施形態の膨張機一体型圧縮機１Ｂは、シャフトが横方向に延びる横型であってもよい。この場合、油溜まり１２の油面をベーン溝２２ａよりも上方に位置するように設定すればよい。また、この場合は、油流通路２７がシャフトの軸方向と直交する方向に下向きに開口していてもよい。

以上のように、本発明は、エアコン、給湯機、暖房機、冷凍機などに利用されるヒートポンプシステムで用いられる流体機械について有用である。

１Ａ 圧縮機ユニット（流体機械）
１Ｂ 膨張機一体型圧縮機（流体機械）
１１ 密閉容器
１２ 油溜まり
２Ａ〜２Ｃ ロータリ機構
２１ シリンダ
２１ａ 軸受部
２２ ピストン
２２ａ ベーン溝
２３ 作動室
２４ ベーン
２４ａ 旋回軸
２５Ａ 上軸受部材（閉塞部材）
２５Ｂ 下軸受部材（閉塞部材）
２５Ｃ 上軸受部材（閉塞部材）
２５Ｄ 中板
２５Ｅ 下軸受部材（閉塞部材）
２６ 給油路
２７ 油流通路
３ 圧縮機
３１ シャフト、第１シャフト
３２ 偏心部
４ 膨張機
４１ 第２シャフト
４２Ａ，４２Ｂ 偏心部
７１ 仕切り板

Claims (11)

1. 円筒状の内周面を有するシリンダと、
   前記シリンダの内側で旋回する偏心部と、
   前記偏心部に回転自在に嵌合し、前記シリンダの内周面に沿って偏心回転運動するピストンと、
   前記シリンダを挟むように配置され、前記シリンダの内周面と前記ピストンとの間に形成される作動室を閉塞する一対の閉塞部材と、
   前記シリンダと前記ピストンとに跨って延び、前記作動室を吸入側と吐出側とに仕切るベーンと、を含むロータリ機構を備え、
   前記ベーンは、前記シリンダ側の端部に旋回軸を有し、
   前記シリンダは、前記旋回軸を回転自在に支持する軸受部を有し、
   前記ピストンには、前記ベーンが往復自在に挿入されるベーン溝が設けられている、
   流体機械。
2. 前記ロータリ機構を収容するとともに、前記ロータリ機構の周囲に潤滑油からなる油溜まりを形成する密閉容器をさらに備える、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記一対の閉塞部材の一方または前記シリンダには、前記油溜まりの潤滑油を前記軸受部に導く給油路が設けられている、請求項２に記載の流体機械。
4. 前記給油路は、前記シリンダを貫通する孔、または前記シリンダと前記一対の閉塞部材の接触面に形成された溝で構成されている、請求項３に記載の流体機械。
5. 前記一対の閉塞部材の一方には、前記ベーン溝の底部と前記油溜まりとを連通する油流通路が設けられている、請求項２〜４のいずれか一項に記載の流体機械。
6. 前記密閉容器内には、前記ロータリ機構および当該ロータリ機構の前記偏心部が設けられたシャフトで構成された圧縮機が配置されている、請求項５に記載の流体機械。
7. 前記密閉容器内には、１つまたは２つの前記ロータリ機構および当該ロータリ機構の前記偏心部が設けられたシャフトで構成された膨張機が配置されている、請求項５に記載の流体機械。
8. 前記シャフトは上下方向に延びており、
   前記油流通路は、前記一対の閉塞部材のうちの下側の閉塞部材に設けられている、請求項６または７に記載の流体機械。
9. 前記密閉容器内には、前記ロータリ機構および当該ロータリ機構の前記偏心部が設けられた第１シャフトで構成された圧縮機と、１つまたは２つの前記ロータリ機構および当該ロータリ機構の前記偏心部が設けられた第２シャフトで構成された膨張機とが配置され、前記第１シャフトと前記第２シャフトは互いに軸方向に連結されており、
   前記圧縮機と前記膨張機との間には、前記油溜まりを前記圧縮機側と前記膨張機側とに仕切る仕切り板が配設されている、請求項５に記載の流体機械。
10. 前記第１および第２シャフトは上下方向に延びており、
    前記圧縮機は、前記膨張機の上方に位置している、請求項９に記載の流体機械。
11. 前記膨張機は、２つの前記ロータリ機械で構成されており、
    前記圧縮機のロータリ機構における前記油流通路は、前記一対の閉塞部材のうちの下側の閉塞部材に当該閉塞部材を上下方向に貫通するように設けられており、
    前記膨張機の上側のロータリ機構における前記油流通路は、前記一対の閉塞部材のうちの上側の閉塞部材に当該閉塞部材を上下方向に貫通するように設けられている、請求項１０に記載の流体機械。

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