JP2012197725A - ローリングピストン型圧縮機及びベーン - Google Patents

Abstract

【課題】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及びベーンを提供する。
【解決手段】円筒ピストン（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、密閉状の空間（１４”）とし、該密閉状の空間（１４”）に液体を封入したことを特徴とする。
【選択図】図２

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及びベーンに関する。

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（１段型）や特許文献２（図６〜７、２段型）などが挙げられる。

ローリングピストン型圧縮機においては、作動室を吸入室と圧縮室に仕切るベーンが用いられており、このベーンは圧縮作動中、ロータの動きに追従して上下動を行っている。このベーンには、ロータとのシールの役割があり、ロータの動きに対して離れることの無いように、バネ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の往復運動も早くなり、ベーンに働く慣性力が増大し、最悪の場合、背圧力やバネの押付け力以上となり、ベーン先端とロータ側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。

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、円筒ピストン（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、密閉状の空間（１４”）とし、該密閉状の空間（１４”）に液体を封入し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、ベーンを軽量化し、ベーン慣性力の影響を小さくさせることで、高回転まで安定した接触力を確保することができる。さらに、ベーン内部の密閉状の空間に液体が封入されているので、総量として軽量化するとともに、内部の液体による剛性の向上を行うことができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ベーン（１４）には、封入された液体が、流入、流出する絞り孔（１０１、１０２、１０３）が、少なくとも１つ設けられ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、前記液体が、潤滑油であり、前記作動室（８０）の吸入側空間（８０−１）と吐出側空間（８０−２）との間に発生する差圧により、前記ベーン（１４）に生じたモーメントに対して、前記絞り孔（１０１、１０２）の少なくとも１つが、ベーン受入溝（８５）から反力を受ける領域（Ｂ、Ｃ）に設けられ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内に封入された潤滑油が、曲げモーメントによって流出するので、ベーン１４における、ベーン受入溝８５からの反力を受ける受圧部領域の潤滑を良好に保つことができる。

請求項４の発明は、ローリングピストン型圧縮機の作動室（８０）の吸入側と吐出側とを仕切るベーン（１４）において、該ベーン（１４）の内部を、密閉状の空間（１４”）とし、該密閉状の空間（１４”）に液体を封入したことを特徴とするローリングピストン型圧縮機のベーン（１４）である。
これにより、ベーンを軽量化し、ベーン慣性力の影響を小さくさせることで、高回転まで安定した接触力を確保することができる。さらに、ベーン内部の密閉状の空間に液体が封入されているので、総量として軽量化するとともに、内部の液体による剛性の向上を行うことができる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記ベーン（１４）には、封入された液体が、流入、流出する絞り孔（１０１、１０２、１０３）が、少なくとも１つ設けられたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項４又は５の発明において、前記液体が、潤滑油であり、前記作動室（８０）の吸入側空間（８０−１）と吐出側空間（８０−２）との間に発生する差圧により、前記ベーン（１４）に生じたモーメントに対して、前記絞り孔（１０１、１０２）の少なくとも１つが、ベーン受入溝（８５）から反力を受ける領域（Ｂ、Ｃ）に設けられたことを特徴とする。
これにより、請求項４の発明の効果に加えて、ベーン１４内に封入された潤滑油が、曲げモーメントによって流出するので、ベーン１４における、ベーン受入溝８５からの反力を受ける受圧部領域の潤滑を良好に保つことができる。

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。

（ａ）は、本発明の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。 本発明のベーン１４の一実施形態を示す概略図である。 （ａ）は本発明の他の実施形態を示す概略図であり、（ｂ）は、ベーンの側面図である。

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１（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１（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。なお、スライドベーン型にも適用可能な場合がある。
図１（ａ）、（ｂ）を参照して、本発明の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、円筒ピストン５、扁平円筒状のシリンダ８、円筒ピストン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、円筒ピストン５が公転する。それにつれて、シリンダ８と円筒ピストン５との間の作動室８０が、図１（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。

円筒ピストン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の外周に円筒ピストン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、円筒ピストン５が作動室８０内を公転するようになっている。

円筒ピストン５の外周部には、円筒ピストン５の半径方向に摺動可能として、円筒ピストン５に当接するベーン１４が設けられている（図１（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を円筒ピストン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ほぼ定圧の高圧潤滑油が、ベーン受入溝８５内に供給されている。受入溝８５内の潤滑油は定圧でなくある程度変動しても良い。ベーン１４は、円筒ピストン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の円筒ピストン５との接触部１４’が円筒ピストン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、円筒ピストン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。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２は、本発明のベーン１４の一実施形態を示す概略図である。図２を参照して、一実施形態であるベーン１４を説明する。
圧縮用ロータとしての円筒ピストン５に接触、摺動するベーン１４は、ローリングピストン型圧縮機の効率、信頼性の主要なポイントの一つである。一般的にベーン背面に油圧やバネで高圧を付勢させることでベーン１４を円筒ピストン５に接触させ、シール力を確保し、圧縮機の高効率化を実現している。

このシール力に大きな影響を与える一つの要因として、ベーン慣性力がある。このベーン慣性力は、圧縮機の回転角に応じ、シール力を増大させたり、減少させたりする。慣性力が過剰に作用すれば、信頼性が低下し、不足すれば、効率低下につながる。つまり、慣性力が過剰に作用するときには、ベーンと圧縮ロータ（円筒ピストン５）の接触面圧が高圧となり、ベーンあるいは圧縮ロータが磨耗してしまう。その一方で、慣性力により接触面圧が不足すれば、ベーンは１つのシリンダの中にできる２つの作動室を仕切る仕切り板の役割をしているため、この仕切り板（ベーン）がロータから離れると、作動流体が他の作動室へ流出し、最悪、作動流体を吐き出すことができなくなってしまう。

そこで、本発明では、ベーン１４を軽量化させることで、圧縮機を高速化してもベーン１４と円筒ピストン５の接触力を過不足なくできることに着眼したものである。すなわち、ベーン１４と円筒ピストン５の接触力は、ベーンの慣性力の影響を多大に受けることは計算上明らかであることから、本発明では、ベーンを軽量化し、ベーン慣性力の影響を小さくさせることで、高回転まで安定した接触力を確保したものである。さらに、一般的にベーンは鉄でできているため本発明はベーン内部を刳り貫くことでベーンを軽量化することが可能なものの、同時にベーンの剛性も低下するため、本発明では、このベーン内部を刳り貫いた空間にオイル（潤滑油）を封入する構成としている。

図２のベーン１４は、内部が基本的にほぼ閉鎖空間（密閉状の空間１４”）となっており、そこには液体が封入又は封止されている。ベーン１４には封入のための止め栓を設けてもよい。一方、特許文献３のベーンは、軽量化のために内部が中空になっているものの、ロータ（円筒ピストン５）と接触面１４’との反対側の非摺動面は、開放端となっている点で相違している。
本実施形態では、内部に封入されている流体は圧縮機の潤滑油（オイル）と同じ物質であるが、これに限定されるものではない。特定の液体を除いては、液体の比重は１以下であり、ベーンは鉄系の金属で作成されているので、内部に液体を封入すれば、総量として軽量化するとともに、さらには、内部の液体による剛性の向上を行うことができる。

本実施形態の変形例としては、ベーン１４の１箇所か複数箇所に細孔（絞り孔）が設けられており、ベーン内部に封入されているオイルは外部に流出でき、再び流入できるようになっている。ベーン１４の細孔の少なくとも一つは、ベーン１４とベーン受入溝８５の接触面１４’に設けられると良い。

次に、内部への液体封入による剛性向上と、上記細孔（絞り孔）の技術的意義について以下に述べる。
図２において、円筒ピストン５は時計回り（図１（ｂ）とは回転逆）に公転して、吐出側空間８０−２の作動流体を高圧にしてゆく。この時、吸入側空間８０−１と吐出側空間８０−２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てしまう。このため、ベーン１４が中空のままであると、極めて脆弱になり、変形の可能性が出てしまう。本実施形態では、比重の低い液体を封入してあるので、軽量化したままで、このような曲げにも変形しなくなり、極めて好適である。さらに、吸入側空間８０−１寄りの、シリンダ内周面８’に近いベーン受入溝８５の境界部領域１００は、上記曲げモーメントによる押圧力を著しく受けるので、潤滑の必要性が大である。そこで、ベーン１４内に封入されたオイルが、上記曲げモーメントによって流出するように、細孔１０１を設けることが好適である。

図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施形態を示す図である。ベーン１４の細孔の位置は、モーメントによって、ベーン１４にベーン受入溝８５からの反力を受ける受圧部領域Ｂ又はＣ、若しくは、双方に細孔１０１、１０２を設けることが望ましい。細孔１０１のベーン１４における位置は、吸入側では、ベーンの円筒ピストン５に接触する下端部から計って、ベーンの摺動ストロークより若干大きい位置に設置すると良い。吐出側では、上端部近傍となる。

図３（ｂ）のベーン１４の側面図に見られるように、細孔１０１を千鳥状に１０１’、１０１’’のように２列設けても良い（孔の配置パターンは複数の場合には千鳥状に限らず適宜定めればよい）。これらの細孔は、図３（ａ）、（ｂ）のように全て設ける必要は無く、少なくとも１つ設置すればよい。好ましくは、細孔１０１、１０２の双方に設けることが好ましい。さらに、接触面１４’と反対側の封鎖された非摺動面（オイルの高圧がかかる）に、細孔１０３を設けても良い。この場合には、ベーン内部に封入されているオイルが再び流入し易くなる。ただし、細孔１０３の通路は、細孔１０１、１０２からの流出を阻害しないような通路抵抗にしておかないといけない。いずれの細孔の径も、ベーン内部に封入された液体による、モーメントに対する剛性を失わないように、適宜設定する必要がある。また、細孔をベーン１４と円筒ピストン５との接触面１４’にも受けても良い。この場合には、ベーン１４と円筒ピストン５との潤滑に貢献する。

５ 円筒ピストン
８ シリンダ
１４ ベーン
８０ 作動室
１０１、１０２、１０３ 絞り孔

Claims (6)

1. 円筒ピストン（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、密閉状の空間（１４”）とし、該密閉状の空間（１４”）に液体を封入したことを特徴とするローリングピストン型圧縮機。
2. 前記ベーン（１４）には、封入された液体が、流入、流出する絞り孔（１０１、１０２、１０３）が、少なくとも１つ設けられ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. 前記液体が、潤滑油であり、前記作動室（８０）の吸入側空間（８０−１）と吐出側空間（８０−２）との間に発生する差圧により、前記ベーン（１４）に生じたモーメントに対して、前記絞り孔（１０１、１０２）の少なくとも１つが、ベーン受入溝（８５）から反力を受ける領域（Ｂ、Ｃ）に設けられ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. ローリングピストン型圧縮機の作動室（８０）の吸入側と吐出側とを仕切るベーン（１４）において、該ベーン（１４）の内部を、密閉状の空間（１４”）とし、該密閉状の空間（１４”）に液体を封入したことを特徴とするローリングピストン型圧縮機のベーン（１４）。
5. 前記ベーン（１４）には、封入された液体が、流入、流出する絞り孔（１０１、１０２、１０３）が、少なくとも１つ設けられたことを特徴とする請求項４に記載のローリングピストン型圧縮機のベーン（１４）。
6. 前記液体が、潤滑油であり、前記作動室（８０）の吸入側空間（８０−１）と吐出側空間（８０−２）との間に発生する差圧により、前記ベーン（１４）に生じたモーメントに対して、前記絞り孔（１０１、１０２）の少なくとも１つが、ベーン受入溝（８５）から反力を受ける領域（Ｂ、Ｃ）に設けられたことを特徴とする請求項４又は５に記載のローリングピストン型圧縮機のベーン（１４）。

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