JP2012225230A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮室への給油は、吸入行程中の給油は作動流体の加熱や圧縮時のオイル噛み込みによる損失を考慮すると必要最小限に留めることが望ましく、漏れ量が圧力差と漏れ時間で決まることから、低回転数や高差圧の際に一回転当たりの給油量を多くしなければならない。
【解決手段】圧縮室を構成する部材のいずれか一つに封孔処理を施した焼結部材を用い、焼結部材のオイル溜りに浸漬している側の表面の吐出側に近い位置に非封孔処理部４８を設けることで、吸入途中の作動流体加熱を抑制しつつ、特に低速・高差圧条件での圧縮室のシール性を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、空調機、冷凍機、ブロワ、給湯機等に使用される密閉型圧縮機に関するものである。

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、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、ロータリ圧縮機が知られている。

ロータリ圧縮機は、たとえば図６に示すように、電動機と圧縮機構部をクランク軸で連結して密閉容器内に収納したものであって、圧縮機構部は、シリンダとこのシリンダの両端面を閉塞する上軸受の端板と下軸受の端板とで形成された吸入室および圧縮室と、シリンダ内に上軸受および下軸受に支持されたクランク軸の偏心部に嵌合されたピストンと、このピストンの外周に偏心回転に追従して往復運動し、前記シリンダ内を吸入室と圧縮室に仕切るベーンを備えている。クランク軸には軸線部に油穴が設けられるとともに、上軸受、下軸受に対する壁部には、それぞれ油穴に連通した給油穴が設けられている。

また、クランク軸の偏心部に対する壁部には油穴に連通した給油穴が設けられ、外周部には油溝が形成されている。一方、シリンダには、吸入室に向けてガスを吸入する吸入ポートが開通され、上軸受には、吸入室から転じて形成される圧縮室からガスを吐出する吐出ポートが開通されている。吐出ポートは上軸受を貫通する平面視円形の孔として形成されており、吐出ポートの上面には所定の大きさ以上の圧力を受けた場合に解放される吐出弁が設けられており、この吐出弁を覆うカップマフラ−とで構成されている。吸入室側ではピストンの摺接部が吸入ポートを通過して吸入室を徐々に拡大しながら離れていき、吸入ポートから吸入室内にガスを吸入する。

一方、作動流体を閉じ込んだ後の圧縮室側ではピストンの摺動部が吐出ポートへ圧縮室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が開いて吐出ポートからガスを流出し、カップマフラ−より密閉容器内に吐出される。

一方、クランク軸の偏心部と上軸受の端板とピストンの内周面で囲まれる空間、クランク軸の偏心部と下軸受の端板とピストンの内周面で囲まれる空間とが構成されている。その２つの空間には油穴から給油穴を経て潤滑油が漏れ込んでくる。また、この空間にはほぼ常に圧縮室内部の圧力より高い状態にある。

また、シリンダの高さはピストンが内部で偏心回転できるようにこのピストンの高さよりやや大きめに設定しなければならず、その結果として、このピストンの端面と２つの端板との間に隙間がある。そのため、この隙間を介して空間から圧縮室および吸入室へ潤滑油が漏れる。潤滑油の役割としては、部材間の摺動を滑らかにし、焼き付きを防止する目的の他に、圧縮途中の作動流体が圧縮室から吸入室へ漏れるのを抑制する効果もある。

上記のようなロータリ圧縮機において、吸入室および圧縮室への給油はピストンの端面と２つの端板間の隙間を介して行われており、給油量はその隙間の大きさにより決定されている。しかしながら、ピストンの端面と２つの端板との隙間が狭すぎた場合、ピストン端面の摩擦力が大きくなって、圧縮機の性能が悪化し、最悪の場合、焼き付きにより機器の破損に繋がる。一方、ピストンの端面と２つの端板との隙間を広く設定した場合、隙間を介して圧縮途中の作動流体が圧縮室から吸入室へと漏れ出してしまう。さらに、圧縮室
への過剰な給油はピストンとシリンダの間でのオイル噛み込みによる粘性損失を引き起こす。また、潤滑油が吸入室内の作動流体を加熱することにより作動流体が膨張し、循環量が低下するといった問題も生じる。

上記の課題に対し、特許文献１に記載された圧縮機では、クランク軸が一回転する間に、端板に設けた凹部にピストン内側の潤滑油を溜め込んだ後、凹部が吸入室と連通することで凹部の容積に応じた潤滑油を吸入室へと給油している。この場合、ピストンと端板との隙間や圧縮機の回転数、圧縮比に関わらず、一回転当たりの給油量を一定とし、凹部の容積で給油量を決定することを可能としている。

特許第４１１０７８１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、一回転当たりの給油量を一定としており、圧縮機の回転数や圧縮比が変化した場合でも給油量が変化しない。圧縮室から吸入室への作動流体の漏れは、時間と圧力に依存しており、圧力差が大きく、回転数が低い場合に特に顕著となることから、理想的には低回転数・高差圧において一回転当たりの給油量を多くすることが望ましいと考えられる。

よって、前記従来の構成では、低回転数や高差圧の場合にシール性が悪化し作動流体の漏れが問題となったり、逆に、高回転数や低差圧の場合の給油量が過剰となり、オイル噛み込みによる粘性損失を引き起こしたりすることになる。

さらに、前記従来の構成では、吸入室に給油を行うため、吸入した作動流体が潤滑油により加熱されて密度が低下し、作動流体の質量循環量が悪化するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、シール性が要求される低回転数・高差圧条件で一回転数当たりの給油量が増加し、高回転数・低差圧条件では一回転数当たりの給油量を抑えることを可能とし、さらに、吸入した作動流体の加熱を引き起こし難い圧縮室吐出位置近傍へ重点的に給油可能な圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、吸入した作動流体を圧縮室で圧縮し、密閉容器内に吐出する圧縮機構部を備えた圧縮機であり、前記密閉容器内の圧力は前記圧縮機構部の吐出圧力と略同等かそれ以上であって、前記圧縮室を構成する部材のうち少なくとも一つは、封孔処理を施した鉄系粉末から成る焼結部材から形成され、前記焼結部材は、反圧縮室側の表面の一部に封孔処理を除去または封孔処理を施していない非封孔処理部を有しており、前記非封孔処理部は、前記圧縮機運転中は前記密閉容器内のオイル溜りで満たされている。

通常、粉末を焼き固めた焼結部材には無数の微細な連通孔が形成されており、この焼結部材を圧縮機構部に用いた場合、圧縮機内の作動流体やオイルの一部が連通孔を通り抜けることにより圧縮機の体積効率が大幅に低下してしまう問題が発生するため、焼結部材を水蒸気処理法等によって封孔処理して製造する。水蒸気処理は過熱水蒸気中に焼結体を数時間保持するもので、この水蒸気処理により焼結部材表面の基地組織の空孔に鉄酸化物が分散生成される。この鉄酸化物は焼結体の耐摩耗性を向上させるとともに、焼結部材の基
地組織の空孔を封じさせる役割（封孔作用）を果して気密性を与える。この封孔処理を行なうことにより、圧縮機内の作動流体やオイルが焼結部材中を通り抜けることが防止できる。

本発明では、この焼結部材の性質と封孔処理箇所を限定的にすることにより、高圧のオイルが非封孔処理部から含浸し、圧縮室を構成する焼結部材の表面から給油される。これにより、高差圧運転中は圧力効果で給油量が増加し、低回転数運転中は１回転中の給油時間が長くなることから給油量を増加させる効果を得るものである。

本発明によれば、シール性が要求される運転条件において給油量が増加して作動流体の漏れを抑制し、逆に、圧力差が小さい時等の運転条件では、不必要な給油による冷媒加熱を抑制することができ、従来の圧縮機に比べて効率向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態１における圧縮機の圧縮機構部の縦断面図 本発明の実施の形態１における圧縮機構部の組立図 本発明の実施の形態２における圧縮機構部の平面図 （ａ）本発明の実施の形態２における圧縮機の下軸受の反圧縮室側からの斜視図（ｂ）本発明の実施の形態２における圧縮機の下軸受の圧縮室側からの斜視図 従来のロータリ圧縮機の縦断面図

本発明の圧縮機は、吸入した作動流体を圧縮室で圧縮し、密閉容器内に吐出する圧縮機構部を備えた圧縮機において、前記密閉容器内の圧力は前記圧縮機構部の吐出圧力と略同等かそれ以上であって、前記圧縮室を構成する部材のうち少なくとも一つは、封孔処理を施した鉄系粉末から成る焼結部材から形成され、前記焼結部材は、反圧縮室側の表面の一部に封孔処理を除去または封孔処理を施していない非封孔処理部を有しており、前記非封孔処理部は、前記圧縮機運転中は前記密閉容器内のオイル溜りで満たされている。

これにより、シール性が要求される高差圧運転に対しては圧力効果で給油量を増加させることができ、特別な部品を追加することなく高効率な圧縮機を実現することができる。

ある実施形態において、シリンダの外壁側に前記非封孔処理部が形成されている。

これにより、シール性が要求される高差圧運転に対しては圧力効果で給油量を増加させることができ、特別な部品を追加することなく高効率な圧縮機を実現することができる。

ある実施形態において、下軸受の反圧縮室側に前記非封孔処理部が形成されている。

これにより、シール性が要求される高差圧運転に対しては圧力効果で給油量を増加させることができ、特別な部品を追加することなく高効率な圧縮機を実現することができる。

ある実施形態において、運転周波数が可変とする電動機または制御機能を備えたものである。

これにより、１回転当たりの漏れ時間が長くなりシール性が必要とされる低回転数運転時は、非封孔処理部を通じた１回転当たりの給油量が多くなり、シール性を向上させることができ、逆に、高回転数運転時は１回転当たりの漏れ時間が短くなるため圧縮室のシー
ル性は確保しやすく、その際の非封孔処理部からの１回転当たりの給油量は給油時間が短くなる分だけ少なくなるため、過剰な給油による作動流体を加熱も抑制することができる。

ある実施形態において、前記非封孔処理部は、前記圧縮室の中で略吐出圧力となった前記作動流体が接する前記焼結部材表面の近傍に設けている。

これにより、非封孔処理部を通じて給油されるオイルは、比較的高温高圧の作動流体が存在する圧縮室に給油されやすくなり、吸入室の低温低圧の作動流体への給油による加熱を抑制しつつ、シール性が要求される高圧部に重点的に給油することができる。

ある実施形態において、前記作動流体として二酸化炭素等の高圧冷媒を用いている。

これにより、高差圧により漏れが発生しやすい冷媒においては、本発明の効果が顕著に現れやすい。

ある実施形態において、前記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ベース成分とした冷媒からなる単一冷媒または前記冷媒を含む混合冷媒を用いている。

このような冷媒は、地球温暖化係数が低く、地球環境に優しい特性を有する一方で、高温時の安定性が低く、圧縮室内部で漏れが発生した場合、再膨張加熱等により温度上昇した場合に、冷媒が分解を起こしてしまい、能力が低下する問題がある。これに対し、本発明を用いることで必要最小限の給油によるシール性向上が期待でき、吸入冷媒の加熱や再膨張加熱による冷媒温度上昇を抑制することができる。

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この発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態における密閉型圧縮機の縦断面図である。図２は本実施の形態における圧縮機構部の縦断面図である。

ロータリ圧縮機は、電動機２と圧縮機構部３をクランク軸３１で連結して密閉容器１内に収納したものである。圧縮機構部３は、シリンダ３０とこのシリンダ３０の両端面を閉塞する上軸受３４ａの上軸受端板３４と下軸受３５ａの下軸受端板３５とで形成された吸入室４９および圧縮室３９と、シリンダ３０内に上軸受３４ａおよび下軸受３５ａに支持されたクランク軸３１の偏心部３１ａに嵌合されたピストン３２と、このピストン３２の外周に偏心回転に追従して往復運動しシリンダ３０内を吸入室４９と圧縮室３９とに仕切るベーン３３を備えている。

クランク軸３１には軸線部に油穴４１が設けられるとともに、上軸受３４ａ、下軸受３５ａに対する壁部には、それぞれ油穴４１に連通した給油穴４２、４３が設けられている。また、クランク軸３１の偏心部３１ａに対する壁部には油穴４１に連通した給油穴４４が設けられ、外周部には油溝４５が形成されている。

一方、シリンダ３０には、吸入部に向けてガスを吸入する吸入ポート４０が開通され、上軸受３４ａには、吸入室４９から転じて形成される圧縮室３９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３４ａを貫通する平面視円形の孔として形成されており、吐出ポート３８の上面には所定の大きさ以上の圧力を受けた場合
に解放される吐出弁３６が設けられており、この吐出弁３６を覆うカップマフラ−３７とで構成されている。低圧部側ではピストン３２の摺接部が吸入ポート４０を通過して吸入室４９を徐々に拡大しながら離れていき、吸入ポート４０から吸入室内にガスを吸入する。

一方、圧縮室側ではピストン３２の摺動部が吐出ポート３８へ圧縮室３９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３６が開いて吐出ポート３８からガスを流出し、カップマフラ−３７より密閉容器１内に吐出される。吐出ポート３８は上軸受３４ａを貫通する平面視円形の孔として形成されており、吐出ポート３８の上面には所定の大きさ以上の圧力を受けた場合に解放される吐出弁３６が設けられており、この吐出弁３６を覆うカップマフラ−３７とで構成されている。

一方、クランク軸３１の偏心部３１ａと上軸受３４ａの上軸受端板３４とピストン３２の内周面で囲まれる空間４６、クランク軸３１の偏心部３１ａと下軸受３５ａの下軸受端板３５とピストン３２の内周面で囲まれる空間４７が構成されている。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。また空間４６、４７の圧力はほぼ常に圧縮室３９内部の圧力より高く、概ね吐出圧力と同じ状態にある。また、シリンダ３０の高さはピストン３２が内部で摺動できるようにこのピストン３２の高さよりやや大きめに設定しなければならず、その結果として、このピストン３２の端面と上軸受３４ａ、下軸受３５ａの端面との間に隙間がある。そのため、この隙間を介して空間４６、４７から圧縮室３９へ油が漏れる。

以上のように構成されたロータリ圧縮機において、本実施の形態の圧縮機では図３に示すように、シリンダ３０が封孔処理された焼結部材から成り、そのシリンダ外壁３０ｂ側には斜線で示す封孔処理部と非封孔処理部４８を設けている。この非封孔処理部４８はシリンダ表面に封孔処理を施した後に機械加工等により除去したり、予めマスキング等により封孔処理が施されないようにしたりすることで設けられている。オイル溜り６に浸漬するシリンダの他の部分の表面には封孔処理が施されたままであり、オイル溜り６の高圧のオイルは非封孔処理部４８から積極的に通過しやすい状態となる。

また、高度な寸法精度が要求されるシリンダ内壁３０ａや端板締結面３０ｃに関しては、封孔処理後の機械加工で封孔処理は除去されているため、この非封孔処理部４８を、シリンダ３０の吐出ポート３８に近い周方向位置に設けることで、非封孔処理部４８を通じて給油されるオイルは、比較的高い圧力状態にある作動流体が存在する圧縮室３９に給油され、吸入室４９へ給油した場合と比し、冷媒加熱を抑制しつつシール性を向上させることが可能である。

（実施の形態２）
図４は、本実施の形態における圧縮機構部の平面図である。図５（ａ）は、本実施の形態における圧縮機の下軸受の反圧縮室側からの斜視図である。図５（ｂ）は本実施の形態における圧縮機の下軸受の圧縮室側からの斜視図である。

図４、図５において図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

本実施の形態の圧縮機では、下軸受３５ａに封孔処理された焼結部材を用い、オイル溜り６に浸漬している反圧縮室側表面３５ｂには、図５に示すように、斜線で示す封孔処理部と封孔処理を除去した非封孔処理部４８を設けている。また、下軸受端面および下軸受内周面については、高度な表面精度が要求されることから、機械加工仕上げ時に封孔処理は除去されている。

本実施の形態において、非封孔処理部４８の圧縮機構部平面図への投影位置は、図４に示すように、圧縮中の圧縮室３９に対して非封孔処理部４８から給油が行われやすい吐出ポート３８に近い側に偏らせて設けることにより、吸入室４９への給油を抑制しつつ、圧縮中の圧縮室３９に給油され、冷媒加熱を抑制しつつシール性を向上させることが可能である。

なお、実施の形態１および２において、作動流体として二酸化炭素を用いることで、特に、差圧が大きく、漏れ損失の影響と摺動損失が大きい場合においても、圧縮室からの流体の漏れを低減でき、より効果的に高効率化することが可能である。

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ベース成分とした冷媒からなる単一冷媒または前記冷媒を含む混合冷媒を用いた場合には、高温時の冷媒安定性が低く、圧縮室３９から吸入室４９へ漏れた冷媒の再膨張加熱等によって冷媒が分解して圧縮機の能力が低下する懸念に対しても、オイル給油による加熱を抑制しつつ、漏れによる再膨張加熱も抑制でき、圧縮機の信頼性向上と高効率化を同時に実現することが可能である。

本発明によると、作動流体の漏れ損失や過剰給油による摺動損失と加熱損失を低減し、圧縮機の高効率化を図ることが可能となる。これにより、ＨＦＣ系冷媒等を用いたエアーコンディショナー用圧縮機のほかに、自然冷媒ＣＯ２を用いたエアーコンディショナーやヒートポンプ式給湯機などの用途にも適用できる。

１ 密閉容器
２ 電動機
３ 圧縮機構部
６ オイル溜り
３０ シリンダ
３０ａ シリンダ内壁
３０ｂ シリンダ外壁
３０ｃ 端板締結面
３１ クランク軸
３１ａ 偏心部
３２ ピストン
３３ ベーン
３４ 上軸受端板
３４ａ 上軸受
３５ 下軸受端板
３５ａ 下軸受
３５ｂ 反圧縮室側表面
３６ 吐出弁
３７ カップマフラ−
３８ 吐出ポート
３９ 圧縮室
４９ 吸入室
４０ 吸入ポート
４１ 油穴
４５ 油溝
４８ 非封孔処理部

Claims (7)

1. 吸入した作動流体を圧縮室で圧縮し、密閉容器内に吐出する圧縮機構部を備えた圧縮機において、
   前記密閉容器内の圧力は前記圧縮機構部の吐出圧力と略同等かそれ以上であって、
   前記圧縮室を構成する部材のうち少なくとも一つは、封孔処理を施した鉄系粉末から成る焼結部材から形成され、
   前記焼結部材は、反圧縮室側の表面の一部に封孔処理を除去または封孔処理を施していない非封孔処理部を有しており、
   前記非封孔処理部は、前記圧縮機の運転中は前記密閉容器内のオイル溜りで満たされている圧縮機。
2. シリンダの外壁側に、前記非封孔処理部が形成されている請求項１に記載の圧縮機。
3. 下軸受の反圧縮室側に、前記非封孔処理部が形成されている請求項１に記載の圧縮機。
4. 運転周波数が可変である請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機。
5. 前記非封孔処理部は、前記圧縮室の中で略吐出圧力となった前記作動流体が接する前記焼結部材の表面近傍に設けた請求項１から４のいずれか１項に記載の圧縮機。
6. 前記作動流体として二酸化炭素等の高圧冷媒を用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧縮機。
7. 前記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ベース成分とした冷媒からなる単一冷媒または前記冷媒を含む混合冷媒を用いた請求項１から６のいずれか１項に記載の圧縮機。

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