JP2012197724A - ローリングピストン型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーンの軽量化を図り、高速化に対応したローリングピストン型圧縮機を提供する。
【解決手段】ロータが、シリンダの内周面を公転して、作動室内の作動流体を圧縮するローリングピストン型圧縮機において、作動室の吸入側と吐出側とを仕切るベーンの内部を、一端が開放した中空内周面に形成するとともに、前記シリンダに突設固定されたベーンガイドを、前記中空内周面に摺接させ、前記ベーンを、前記ロータの公転につれて、ベーンガイドに沿って往復動させて、前記中空内周面内の密閉空間の気体を、気体バネとして機能させたことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、ベーンの軽量化を図り、高速化に対応したローリングピストン型圧縮機に関する。

家庭用ルームエアコン用圧縮機としてローリングピストン型圧縮機は、効率の高さや、コスト競争力に優れているため、これまで広く使用されてきている。このようなローリングピストン型圧縮機の一例としては、特許文献１（一段型）や特許文献２（図６〜７、２段型）などが挙げられる。

図１は、従来のローリングピストン型圧縮機を模式的に示した概略図である。
ローリングピストン型圧縮機においては、作動室の吸入側Ｐｓ（８１が吸入通路）は、圧縮室Ｐを仕切るベーン１４が用いられており、このベーン１４は圧縮作動中、ロータ５の動き（シリンダ８の内周面８’をロータ５が公転する）に追従して上下動を行っている。このベーン１４には、ロータ５とのシールの役割があり、ロータ５の動きに対して離れることの無いように、背圧室１６においてバネ１５と背圧を付加してある。
しかし、圧縮機が高回転になるとベーン１４の往復運動も早くなり、ベーン１４に働く慣性力が増大し、最悪の場合、背圧力やバネ１５の押付け力以上となり、ベーン先端とロータ外周面との間が離れることで、性能の低下を引き起こすことがあった。これを解決するためにはバネ１４を大型化させ押し付け力を増大させることが考えられるが、圧縮機の大型化を招くことになる。

このような問題に対して、特許文献３には、ベーンの内部に中空部を設けることでベーンの軽量化を図ることで慣性力を低減する方法が開示されている。この中空ベーンは、ロータとの接触面との反対側の非摺動面は、開放端となっており、ベーン内部を中空にすることで軽量化を図ったものである。しかし、圧縮機の高回転化が進む昨今においては、ベーンの軽量化だけでは不十分なのが現実である。そこで、図２に示すように、ベーン内部を中空にしてバネ１４を大型化させることが考えられるが、やはり、圧縮機の大型化を招いてしまう。

近年、電動圧縮機に対する小型化の要請は益々高まってきており、小型化実現のためには、圧縮機がより高回転化することが求められている。このため、圧縮機の高回転化は、６０００ｒｐｍを超えて、８０００〜１００００ｒｐｍを目指すようなレベルに来ており、今後ＥＶ（電気自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）のヒートポンプへの適用を考えると、圧縮機の更なる高速化が予想され、これまでの設計の延長線上で対応できないのが現状であった。

特開２００８−０７５６３７号公報 特開２００６−２７５０４１号公報 特開平０４−２４１７９０号公報

本発明は、上記問題に鑑み、ローリングピストン型圧縮機のベーンの軽量化を図り、高速化に対応した圧縮機を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ロータ（５）が、シリンダ（８）の内周面（８’）を公転して、作動室（８０）内の作動流体を圧縮するローリングピストン型圧縮機において、作動室（８０）の吸入側と吐出側とを仕切るベーン（１４）の内部を、一端が開放した中空内周面（１４−２）に形成するとともに、前記シリンダ（８）に突設固定されたベーンガイド（１８−１）を、前記中空内周面（１４−２）に摺接させ、前記ベーン（１４）を、前記ロータ（５）の公転につれて、ベーンガイド（１８−１）に沿って往復動させて、前記中空内周面（１４−２）内の密閉空間（１０１）の気体を、気体バネとして機能させたことを特徴とするローリングピストン型圧縮機である。

これにより、ベーン内部を中空にすることで軽量化を図った上で、密閉空間に気体を封止することで、大きな押付け力を付加できる気体バネ機能を持たせたものであって、圧縮機の体格を大きくすること無く、圧縮機を高回転で作動させることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記中空内周面（１４−２）と前記ベーンガイド（１８−１）との間にシールを介在させたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、サイドフォースが発生する前記ベーン（１４）の外側摺動面が、前記ベーン（１４）の往復方向の全長（Ｌ₂）にわたって、背圧室（１６）を形成するベーン受入溝（８５）内面に摺接するようにしたことを特徴とする。これにより、請求項１の発明の効果に加えて、ベーン１４の外側摺動面を長く設定することができるので、単位面積当たりのサイドフォースを軽減でき、耐磨耗上の効果を得ることが出来る。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の発明において、前記密閉空間（１０１）に高圧ガスを封入したことを特徴とする。これにより、密閉空間に高圧ガスを封止することで、背圧室を不要として、大きな押付け力を付加できるので、圧縮機の体格を大きくすること無く、圧縮機をより高回転で作動させることができる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

従来のローリングピストン型圧縮機を模式的に示した概略図である。 ベーン内部を中空にしてバネを大型化させたベーン機構の概略図である。 （ａ）は、本発明のベーンの一実施形態が適用されたローリングピストン型圧縮機の正面断面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ線に関する側面断面図である。 （ａ）は、本発明のベーンの一実施形態を示す概略図であり、（ｂ）は、当該ベーンの斜視図である。 本発明の別の実施形態を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本発明のベーンを、特許文献１とほぼ同様なローリングピストン型圧縮機に適用した場合の一実施形態について説明するが、これに限定されるものではなく、２段型のローリングピストン型圧縮機であってもよい。本発明のベーンは幅広くローリングピストン型圧縮機の全てに適用可能なものである。
また、本発明のベーンが適用されたローリングピストン型圧縮機は、ＥＶ、ＰＨＶ、ＨＶ用エアコンに留まらず、家庭用ルームエアコン、冷蔵庫などにも広く用いることができる。本発明は、特に高速回転のローリングピストン型圧縮機において効果を発揮するものである。

まず、本発明のベーンが一実施形態として適用されたローリングピストン型圧縮機について、その概要を説明する。図３（ａ）は、本発明の一実施形態として適用されるローリングピストン型圧縮機の正面断面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ線に関する側面断面図である。図３（ａ）は、ローリングピストン型圧縮機の部分だけを一部取出した図であって、シャフト１は左側で端部が発生しているが、左に長く延びたシャフトとして、電動モータを内部に内蔵した密閉型圧縮機を構成してもよい。
まず、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、本発明のベーンが一実施形態として適用されたローリングピストン型圧縮機を説明する。

ローリングピストン型圧縮機は、ロータ５、扁平円筒状のシリンダ８、ロータ５を駆動する駆動軸部であるシャフト１から構成されている。図示していない電動機に連結しているシャフト１が回転すると、シャフト１の軸に対してクランク部１１が偏心して設置されているので、ロータ５が公転する。それにつれて、シリンダ８とロータ５との間の作動室８０が、図３（ｂ）において、反時計回りに変位して、作動室８０内部の作動流体が圧縮される。

シリンダ８の両端部には、フロントハウジング３とリアハウジング４とが設けられ、それらが、作動室８０の両端壁３０、４０を形成している。リアハウジング４のシリンダ８側と反対側の端部にはリアプレート７が設置されて、両者間の内部に吐出室７０が形成されている。

ロータ５は、扁平円筒状で、その外径がシリンダ８の内径より小さく設定されており、作動室８０内に挿入されている。シャフト１は、フロントハウジング３とリアハウジング４にそれぞれ固定された軸受部３１、４１に回転可能に支持されており、電動機により回転される。シャフト１は、このシャフト１に対して偏心した円形のクランク部１１を有し、このクランク部１１の外周にロータ５が摺動可能に装着されている。これにより、シャフト１の回転に伴って、ロータ５が作動室８０内を公転するようになっている。

ロータ５の外周部には、ロータ５の半径方向に摺動可能として、ロータ５に当接するベーン１４が設けられている（図３（ｂ）のベーン１４は、模式的に表示されており、詳細は後述する）。ベーン１４はシリンダ８に形成されたベーン受入溝８５に保持されており、ベーン受入溝８５内にはベーン１４をロータ５の中心側に向けて付勢するバネ１５が配設されている。同時に、図示しない貯油室から高圧潤滑油が、ベーン受入溝８５内に供給されている。

後述するように、本発明では、背圧としての潤滑油を背圧室１６に供給しなくても実施可能である。ベーン受入溝８５内、及び、背圧室１６の潤滑油は定圧であっても、定圧でなく変動しても良い。ベーン１４は、ロータ５の公転に伴ってベーン受入溝８５内を摺動する。ベーン１４のロータ５との接触部１４−１がロータ５の外周面に常に当接するように維持されて、作動室８０を吸入側空間８０−１と吐出側空間８０−２とに区画する。このようにして、作動室８０内に、ロータ５の外周面５’およびシリンダ８の内周面８’とベーン１４とによってポンプ作動室が形成される。

シリンダ８には、ベーン１４に近接して、このベーン１４を挟むように、作動室８０に連通する吸入通路８１、および吐出通路８２が形成されている（図１とは左右逆、ロータは反時計回り）。リアハウジング４には、吸入ポート４２が形成されており、この吸入ポート４２は、シリンダ８の吸入通路８１に連通している。これにより、吸入ポート４２から吸入された作動流体は吸入通路８１を通って作動室８０に流入するようになっている。シリンダ８の吐出通路８２はリアハウジング４に形成された連通路（図示せず）を介して吐出室７０に連通しており、吐出通路８２および連通路に連通した吐出室７０内の開口部には逆止弁１７が設けられている。吐出室７０は、作動室８０から吐出される作動流体の脈動を平滑化する機能を有するもので、吐出室７０の反リアハウジング４側端面には、作動流体を吐出するための吐出ポート７１が設けられている。

本実施形態は、駆動軸１に対して偏心して設置されたクランク部１１、クランク部１１の外周に装着されたロータ５、シリンダ８、及び、ベーン１４を具備するローリングピストン型圧縮機であって、ロータ５が、シリンダ８の内周面８’を公転して、作動室８０内の作動流体を圧縮するローリングピストン型圧縮機に適用したものである。

図４（ａ）は、本発明のベーンの一実施形態を示す概略図であり、（ｂ）は、当該ベーンの斜視図である。図４を参照して、一実施形態であるベーン１４を説明する。
本発明のベーン１４は、ベーンの内部に中空内周面１４−２を形成して、その密閉空間１０１に気体を封止することで、大きな押付け力を付加するバネ機能を持たせたものであって、圧縮機の体格を大きくすること無く、ベーンの慣性力も低減できることを狙ったものである。

図４（ａ）に見られるように、シリンダ８には、ベーンガイド１８−１が突設している。本実施形態では、ねじ部１８−２、ボルト頭１８−３で、ベーンガイド１８−１がシリンダ８に固定されているが、これに限定されるものではなく、圧入や溶接などでシリンダに固定しても良い。作動室８０の吸入側と吐出側とを仕切るベーン１４の内部は、一端が開放した中空内周面１４−２に形成されている。この中空内周面１４−２に、ベーンガイド１８−１を嵌入させて、内部に密閉空間１０１を形成するものである。ベーン１４とベーンガイド１８−１とが、ピストンシリンダを構成している。

ベーンガイド１８−１の下方部には、シール１０２が設けられている。シール１０２にはＯリングが用いられているが、これに限定されず、周知のリップパッキンなど適宜使用することができる。ベーンを取り囲む周囲（ベーン受入溝８５）が、高圧の潤滑油で充満している場合には、シールにより密閉空間１０１内に潤滑油が進入しないようにしなければならない。密閉空間１０１内に潤滑油が充満すると、空気バネが機能しなくなるので、背圧室に高圧がかかっている場合にはシールが必要である。

本実施形態では、密閉空間１０１内に封入するガス圧を高圧にすることができるので、背圧室１６には必ずしも圧力をかける必要は無い。適宜、ベーン１４がロータ５に所定の接触圧が発生するように、背圧室１６の圧力や封入するガス圧などを設定すれば良い。
これにより、ベーン内部を中空にすることで軽量化を図った上で、ロータ５の高回転に対応して発生する慣性力に対しても、ベーンの接触面１４−１とロータ５とを所定の密閉空間１０１に生じた気体バネで押圧するので、圧縮機を高回転で作動させることができる。

さらに、ローリングピストン型圧縮機では、図１において、ロータ５は時計回りに公転して、吐出側空間８０−２（Ｐ）の作動流体の圧力が上がり、吸入側空間８０−１（Ｐｓ）と吐出側空間８０−２（Ｐ）との間には、差圧ΔＰが発生し、ベーン１４の下端部を反時計周りに曲げる曲げモーメントが生じることがわかっている。このため、ローリングピストン型圧縮機のベーンには、サイドフォースが発生する。

本実施形態では、図２の場合のＬ_１とは異なり、図４（ｂ）のベーン１４の外側摺動面を長く設定することができる（Ｌ₂）。これにより、単位面積当たりのサイドフォースを軽減でき、耐磨耗上の効果を得ることが出来る。すなわち、本実施形態の変形例として、サイドフォースが発生するベーン１４の外側摺動面が、ベーン１４の往復方向の全長Ｌ₂にわたって、背圧室１６を形成するベーン受入溝８５内面に摺接するようにしてもよい。

本発明の別の実施形態として、次のような変形形態が考えられる。
図５は、本発明の別の実施形態を示す概略図である。この場合には、シリンダ８に突設固定されたベーンガイド１８−１に貫通孔１８−７が、密閉空間１０１に達するように設けられている。ベーンガイド１８−１の上部には、ねじ部１８−２が切られ、ボルト頭１８−３’が接続している。さらに、ボルト頭１８−３’の上部には、高圧ガスを封止するために、ねじ１８−６が設けられている。キャップ１８−５を、パッキン１８−４を介して、ねじ１８−６によりねじ締めして封止できるようにしている。これに限らず、その他の手段で、空気を含む任意のガスを注入して封止するようにすれば良い。

このようにすれば、ガスを密閉空間１０１に圧入することができ、所定の気体バネを発生させることができる。封止するガスは、空気に限らず、適宜変更してよい。
本発明の別の実施形態では、ベーン内部を中空にすることで軽量化を図ったた上で、さらに、ロータ５の高回転に対応して発生する慣性力に対しても、ベーンの接触面１４−１がロータ５から離れることが無いように、所定の密閉空間１０１に生じたガス圧で押圧するので、圧縮機を高回転で作動させることができる。

５ ロータ
８ シリンダ
１４ ベーン
１４−２ 中空内周面
１６ 背圧室
１８−１ ベーンガイド
８０ 作動室
８５ ベーン受入溝

Claims (4)

1. ロータ（５）が、シリンダ（８）の内周面（８’）を公転して、作動室（８０）内の作動流体を圧縮するローリングピストン型圧縮機において、
   作動室（８０）の吸入側と吐出側とを仕切るベーン（１４）の内部を、一端が開放した中空内周面（１４−２）に形成するとともに、前記シリンダ（８）に突設固定されたベーンガイド（１８−１）を、前記中空内周面（１４−２）に摺接させ、
   前記ベーン（１４）を、前記ロータ（５）の公転につれて、ベーンガイド（１８−１）に沿って往復動させて、前記中空内周面（１４−２）内の密閉空間（１０１）の気体を、気体バネとして機能させたことを特徴とするローリングピストン型圧縮機。
2. 前記中空内周面（１４−２）と前記ベーンガイド（１８−１）との間にシールを介在させたことを特徴とする請求項１に記載のローリングピストン型圧縮機。
3. サイドフォースが発生する前記ベーン（１４）の外側摺動面が、前記ベーン（１４）の往復方向の全長（Ｌ₂）にわたって、背圧室（１６）を形成するベーン受入溝（８５）内面に摺接するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のローリングピストン型圧縮機。
4. 前記密閉空間（１０１）に高圧ガスを封入したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のローリングピストン型圧縮機。

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