JP2013072429A - ベーンロータリ圧縮機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この発明は、圧縮要素内の作動室と吐出孔とを連通する吐出流路上に作動室内の冷媒圧力が高圧冷媒の圧力より小さいとき高圧冷媒にて吐出弁溝の開口部からローラの外周面に向かって押し出され、作動室内の冷媒圧力が高圧冷媒の圧力より大きいとき作動室内の冷媒圧力にて吐出弁溝内に押し戻される吐出弁を備え、吐出流路を吐出弁溝の開口部から押し出された吐出弁の外周面とローラの外周面とによって閉じ、吐出弁が吐出弁溝に押し戻されることによって開くようにしたものである。
【選択図】 図2
Description
また、デッドボリュームの容積を小さくするために、吐出孔のシリンダ外面から内面まで連通する長さを短くしようとしても、作動室では高圧ガスを生成するので、シリンダは強度維持のために一定の肉厚が必要であり、吐出孔のシリンダ外面から内面まで連通する長さを短くはできない。また、吐出孔の径を小さくしてデッドボリュームを小さくすると、吐出孔を通過する高圧冷媒の流路抵抗を増加させ効率低下となり、吐出孔の径を小さくすることはできない。よって、吐出孔の内容積を小さくすることに課題があった。
また、球体を開口部に係止するため開口部より大きな直径の球体が設けられており、作動室から高圧空間へ吐出する際には、吐出孔流路内で球体が流路の障害となる。すなわち球体が吐出孔を流れる冷媒に干渉し吐出孔の流路抵抗となり、大きな圧力損失が発生するという課題もあった。
また、吐出孔内に設けられた球体は、吐出弁の開口とともに吐出孔内を自由に動き回るが、可動範囲が大きいため、再び閉鎖される場合、閉鎖までの動作遅れが生じ、冷媒の吐出、逆流防止の動作が十分にできないという課題があった。第二の吐出弁の動作を補うために、吐出孔のシリンダ外周面側の開口部に第一の吐出弁を設ける必要があり、吐出弁を2重に備えなければならないという課題があった。
図1は本発明におけるベーンロータリ圧縮機全体の縦断面図、図2は図1に示すベーンロータリ圧縮機のD−D線での圧縮要素部の横断面図を示す。また、図3は図2に示す圧縮要素部の吐出弁周辺を拡大した部分拡大図である。また、図4は図3に示す吐出弁の斜視図である。
図1のベーンロータリ圧縮機100は、上部容器1aと下部容器1bとで構成される密閉容器1内に、冷媒を圧縮する圧縮要素10と、圧縮要素10を駆動する電動要素40とが収納されている。圧縮要素10と電動要素40とは回転軸すなわちシャフト2で連結され、圧縮要素10は密閉容器1の下部に、電動要素40は密閉容器1の上部に配置されることで構成されている。
このような構成にて、電動要素40によって駆動された圧縮要素10が密閉容器1外から直接冷媒を吸入し、圧縮後、密閉容器1を介して密閉容器1外へ吐出する。
なお、図1は、密閉容器1内が高圧雰囲気となる例を示しているが、密閉容器1内が低圧雰囲気である構成でも構わない。すなわち、密閉容器1外から密閉容器1を介して圧縮要素10に吸入され、圧縮後、圧縮要素10から直接密閉容器1外へ排出されるものであっても構わない。また、エンジン駆動など、他の構成に適用しても構わないが、ここでは、家庭用・産業用に多く使われている密閉容器型にて説明していく。
また、図1は、圧縮要素10が密閉容器1の下部に、電動要素40が密閉容器1の上部に配置されたものを示したが、圧縮要素10と電動要素40とが左右に配置されたものや、圧縮要素10が密閉容器1の上部に、電動要素40が密閉容器1の下部に配置されたものであっても構わない。
なお、固定子鉄心43は、薄板電磁鋼板を打抜いた鉄心シートを積層することで形成され、密閉容器1に焼嵌めによって固定されている。
また、密閉容器1内は冷媒が循環する流路であり、電動要素部もこの冷媒流の中に晒され、外部電源は商用電源あるいは商用電源以上の高電圧を発生させコイル45に印加する。したがって、コイル45は、絶縁被膜を施した銅線やアルミ線などが用いられ、絶縁部材は、PET(ポリエチレンテレフタレート)やPBT(ポリブチレンテレフタレート)などによって形成されている。
なお、永久磁石はフェライト磁石や希土類磁石などを単一使用しても、フェライト磁石と希土類磁石を、2種類以上、混在使用しても構わない。また、磁石挿入孔は回転子鉄心48の外周側表面付近と説明したが、永久磁石の磁力調整のため回転子鉄心48の外周側表面から所定の距離を設けた回転子鉄心48の内周側に設けても構わない。また、回転子鉄心48に磁石挿入孔を設けず回転子鉄心48の外周表面に貼り付けても構わない。
回転子鉄心48の両端面には、永久磁石の飛散を防止するため、磁石挿入孔を閉塞する端板あるいはバランスウエイトが固定されている。圧縮要素10では吸入、圧縮、吐出など、それぞれの工程に必要な回転トルクの違いにより回転トルク変位が生じる。バランスウエイトは、回転トルク変位によって生じる回転子42の回転運動のむらを修正するために取付けられるもので、必要な場合のみ取り付けられている。なお、図1は、取り付けられていない例である。
回転子鉄心48の中心には、シャフト2の外径より小さい内径のシャフト穴が設けられている。シャフト2をそのシャフト穴に焼嵌めることにより、回転子鉄心48がシャフト2に固定される。これによって、回転子42はシャフト2と一体になって回転可能となり、電動要素40の回転力はシャフト2を介して伝達される。
固定子41と回転子42との間には、エアギャップ49と呼ばれる径方向の隙間が全周に渡ってほぼ均一に設けられている。固定子41から回転子42へ伝わる磁束はこのエアギャップ49を介して伝達されるので、エアギャップ49を広げると電動要素40の効率が低下する。そのため、できるだけ狭く構成している。同時に、エアギャップ49は圧縮要素10から吐出された冷媒が吐出管5に向かって流れる流路にもなっているので、狭すぎると電動要素40の下方の圧縮要素10から吐出された高圧冷媒が密閉容器1の上方の吐出管5に流れ込みにくくなる。これを補うため、回転子42には、回転子42の軸方向に連通する複数の風穴が設けられている場合もある。
一般的には、回転子側に電気的な作用を発生させずに、永久磁石にて磁束を発生させるブラシレスDCモータの方が家庭用として多く用いられている。なぜなら、回転子側の電気回路によって損失を発生させない分、高効率となるためである。
なお、可変周波数・可変電圧型の外部電源をブラシレスDCモータに適用するように説明してきたが、誘導電動機に対して用いても構わない。誘導電動機においても、可変周波数・可変電圧制御によって、きめ細かな速度調整を行い、より高効率な圧縮機運転を実現できる。
なお、誘導電動機に対しては、速度制御やトルク制御を必要としなければ、外部電源に一定周波数、一定電圧の電源を用いても構わない。
上軸受13および下軸受14は、断面がほぼT字状で、シリンダ11に接する部分がほぼ円板状であり、シリンダ11側の端面はほぼ平面状になっており、ボルトにてシリンダ11に固定されている。
そして、上軸受13は密閉容器1の内周面に溶接などによって固定され、圧縮要素10全体が密閉容器1に固定、支持されている。なお、固定されるのは、下軸受14であっても、シリンダ11であっても構わない。
なお、吸入孔19のシリンダ内周面11a側開口部には、その開口部とつながったシリンダ内吸入空間19aが設けている。シリンダ内吸入空間19aは、シリンダ11に設けられた径方向の溝状の空間であり、吸入孔19のシリンダ内周面11a側開口部とシリンダ室12とを連通させている。この構成によって、シリンダ内吸入空間19aは吸入孔19からシリンダ室12への流路を広げる役目を果たしている。
また、吐出孔20から吐出された冷媒は、上軸受13に設けられた穴あるいは密閉容器1と上軸受13との間の隙間から上方に通過し、吐出管5に向かって流れる。
吐出弁溝21には、図4(a)に示すように軸方向の長さは吐出弁溝21とほぼ同じであり軸方向と直角方向の断面積は吐出弁溝21より若干小さい全体がほぼ円柱形状の吐出弁25が回動及び往復運動自在に挿入されている。吐出弁25は、吐出弁溝21にその全体をすべて収納することができる大きさであるとともに、吐出弁溝21は、吐出弁25が吐出弁溝開口部23側へ押し出されたとき、吐出弁溝受部24が吐出弁25の一部をシリンダ室12に突き出した状態で係止する構造である。ただし、吐出弁溝開口部23は吐出弁25の直径より小さく構成されているので、吐出弁25は吐出弁溝21から外れることはない。また、吐出弁溝21内での往復運動の応答性を高くするため、吐出弁25に対して吐出弁溝21を若干大きくするだけで吐出弁溝21に対する吐出弁25の可動範囲を狭く構成している。
吐出弁25及び吐出弁溝21は、吐出弁25の往復運動の方向がほぼ円筒形状のローラ外周面15aの法線方向すなわちローラ15の中心であるシャフト2に向かうように設けられている。
また、吐出弁25aは中が中空ではなく、別の材料で埋めていても構わない。中空部分を埋める材料や量によって吐出弁25aの質量を調整し、吐出弁25aを移動させるために必要な力を調整できる。すなわち、吐出弁25aの応答性や移動条件を調整できる。
なお、作動室12bの冷媒圧力が所定の圧力となったとき、吐出弁25が吐出弁溝21に押し戻され、作動室12bから吐出孔20へ向かい冷媒が流れる吐出流路を開口する。作動室12bの冷媒圧力と吐出弁25の開閉移動の関係は、次の動作のところで、詳細説明する。
なお、吐出弁背圧流路22は孔形状であっても、溝形状であっても構わない。また、吐出弁背圧流路22は複数の孔形状や溝形状から構成されていても構わない。孔形状や溝形状あるいはそれらの数によって、吐出弁溝21内に流れ込む高圧冷媒のタイミングを調整し、吐出弁25の応答速度や吐出弁溝受部24に作用する応力を制御できる。
圧縮機100に通電を行うと、電動要素40の回転子42は回転を行い、回転子42に嵌合されたシャフト2を回転させる。さらにシャフト2はシャフト2に嵌合されている圧縮要素10のローラ15に回転力を伝達しを回転させる。ローラ15の回転によって、ローラ15のベーン溝17a、17bに設けられたベーン16a、16bもシリンダ室12内を移動する。
ベーン16a、16bは図2のようにシリンダ内周面11aとローラ外周面15aによって囲まれた空間、すなわち、作動室12a、12bを形成する。なお、作動室12a、12bは、その上下を上軸受13、下軸受14によって閉鎖されている。
図6(b)は、図6(a)からローラ15が時計回りに回転した状態である。ベーン16aは、吸入孔19周辺のシリンダ内周面19bに当接されるので、シリンダの径方向設けられた溝状のシリンダ内吸入空間19aには進入できない。よって、ベーン16aが吸入孔19を通り過ぎても、作動室12aはシリンダ内吸入空間19aを介して吸入孔19と連通したままであり、吸入動作が継続されている。
図6(c)の状態は、ローラ15が約90deg回転し、ベーン16aによって作動室12aとシリンダ内吸入空間19aとが閉鎖された状態である。すなわち、作動室12aがシリンダ内周面11aとローラ外周面15aとベーン16a、16bとで形成されている状態である。よって、作動室12aと吸入孔19と連通が終了し、吸入動作の工程が終了する。また、この状態以降から、圧縮動作の工程が開始される。
図6(d)は、さらにローラ15が回転し作動室12aの内容積が徐々に小さくなり、圧縮動作が継続されている。
図6(e)はベーン16bが吐出弁25と接した状態で、図6(f)はベーン16bが吐出弁25の吐出孔20側へ移動した状態である。これ以降、作動室12aがシリンダ内周面11aとローラ外周面15aとベーン16aと吐出弁25とで形成される。
さらに、ローラ15が回転すると、図6(a)の状態となるが、図6(f)にて作動室12aと指示していたものは、図6(a)では作動室12bに相当するため、作動室12bの動作として説明していく。また、ローラ15の回転とともに圧縮動作が進むため、図6(a)の作動室12bは、内部の冷媒圧力が上昇していき、所定の圧力すなわち吐出圧となると、吐出弁25が動作するようになる。図7、8を用いて、その動作の詳細を説明していく。
また、吐出弁25には作動室12b内の冷媒圧力によって作動室12b側から吐出弁25を押す力F2zが働いている。このF2zのうち、吐出弁25をシリンダ室12側から吐出弁溝21側へ押すX軸方向成分の力をF2xとする。
また同様に、吐出弁25には吐出孔20側の冷媒圧力によって吐出孔20側から吐出弁25を押す力F3zが働いている。このF3zのうち、吐出弁25をシリンダ室12側から吐出弁溝21側へ押すX軸方向成分の力をF3xとする。
なお、吐出弁25は吐出弁溝21に沿った方向以外には動かないので、X軸方向以外の外力は、相殺あるいは吸収されて消滅する。
F1xがF2xとF3xの合力より大きい場合、すなわち、F1x>(F2x+F3x)の場合、吐出弁25は吐出弁溝開口部23にある吐出弁溝受部24に押圧されローラ15のローラ外周面15aと吐出弁25の外周面とで作動室12bと吐出孔20とを仕切り、作動室12bから吐出孔20へ向かい冷媒が流れる吐出流路を閉鎖している。
また、吐出孔20内に高圧空間へ吐出できない高圧冷媒が残留したが、吐出孔20は常に高圧空間と連通しているので、吐出孔20と吐出弁25が高圧冷媒の吐出動作の妨げることも防止できる。これにより、吐出孔20が、吐出動作終了後にデッドボリュームとなることを防止することができる。
また、吐出弁25は作動室12bから吐出孔20へ向かい冷媒が流れる吐出流路を吐出弁25の外周面とローラ外周面15aとで閉鎖する一方、吐出弁25はシリンダ11の吐出弁溝21に押し戻されることで流路を開口する。吐出弁25が吐出流路を開口したとき、従来のデッドボリューム対策のように作動室12bから吐出孔20へ向かい冷媒が流れる吐出流路の冷媒の流れに吐出弁25が干渉することがないので、吐出流路において吐出動作時の圧力損失を改善することができる。
また、吐出動作終了後、吐出孔内に高圧空間へ吐出できない高圧冷媒が残留することも回避でき、体積効率の悪化を防止できる。
さらに、この吐出弁動作遅れに伴い、吐出孔のシリンダ外面側に別の吐出弁を設けていたが、別の吐出弁は不要となり、吐出弁を2箇所設置する必要もなく、省スペースで安価な圧縮要素部を有する圧縮機を構成することができる。
また、応答性以外にも吐出弁の質量を変えることにより、移動する力を変えることができるため、開閉条件も調整することができる。
また、吐出弁が吐出弁溝内を往復運動するため、吐出弁と吐出弁溝の少なくとも一方の表面に耐摩耗性のコーティングを施すことで、摩耗を低減し、摩耗粉等を生じにくく、圧縮機の寿命を向上させることができる。
実施の形態1では、吐出弁を円柱形状のものとし、シリンダの外面から吐出弁背圧流路を介して吐出弁溝に高圧空間の高圧冷媒を導き、吐出弁を吐出弁溝から押し出し作動室と吐出孔とを連通し作動室から吐出孔へ向かって冷媒が流れる吐出流路を閉鎖していた。しかし、吐出弁を吐出弁溝からシリンダ室側へ押し出す力は吐出弁背圧流路から導かれる高圧空間の冷媒圧力に依存している。高圧空間の冷媒圧力が十分に高圧となっていないと、吐出弁溝からシリンダ室側へ押し出す力も十分ではない場合がある。そこで、吐出弁溝内に付勢手段であるスプリングを配置し、吐出弁溝を押し出す力を補った例を実施の形態2として説明する。
吐出弁25b及び吐出弁溝21bは、吐出弁25bの往復運動の方向がほぼ円筒形状のローラ外周面15aの法線方向すなわちローラ15の中心であるシャフト2に向かうように設けられている。なお、吐出弁25bの往復運動の方向がほぼ円筒形状のシリンダ内周面11aの法線方向すなわちシリンダ11の中心に向かうように、吐出弁25bと吐出弁溝21bが設けられていても構わない。
また、吐出弁溝21bの配置も図2、3と同様であり、吐出孔20の近傍であって、作動室12bと吐出孔20とを連通し作動室12bから吐出孔20へ向かって冷媒が流れる吐出流路のシリンダ11に配置されている。すなわち、吐出弁溝21bは、吐出孔20に対して最近接点(ウ)が配置されている側と反対側に配置されている。
なお、作動室12bの冷媒圧力が、所定の圧力となったとき、吐出弁25bが吐出弁溝21bに押し戻され、作動室12bから吐出孔20へ向かい冷媒が流れる吐出流路を開く。
なお、先端は半円柱形状ではなく、直方体の角部すなわち面と面との接続部にRを設けた形状であっても構わない。先端が半円柱形状の場合、吐出弁25bの半円柱形状外周面とほぼ円筒形状のローラ外周面15aとは、径方向では1点、軸方向では線上の最接近ポイントにて流路を閉鎖する。直方体形状では、最近接ポイントが面にて形成され、より広い範囲で漏れなく流路を閉鎖できる。
また、吐出弁25bの押し出される先端部分の反対側と吐出弁溝21bとの間には付勢手段であるスプリング26が設けられている。スプリング26の端面の一方は、吐出弁溝21bの吐出弁溝開口部23bと反対側の面に接し、他方は吐出弁25bの吐出弁溝開口部23bから押し出される側と反対側の面に接している。スプリング26の端面それぞれは吐出弁溝21b、吐出弁25bに必ずしも固定されている必要はない。また、スプリング26の力を十分に伝達させるためには、吐出弁溝21bおよび吐出弁25bのスプリング26が接する箇所は、平面となっていることが望ましい。また、ほぼ直方体形状の吐出弁25bを押し出すため、スプリング26は複数設けても構わない。複数設け吐出弁25bの両端側を押圧し、吐出弁溝21bを平行に移動させることができる。
このような構成にて、スプリング26は、吐出弁25bを吐出弁溝開口部23bからシリンダ室12に押し出す作用を補っている。
図12、13にて、吐出弁25bに働く外力と開閉動作について説明する。図中では、吐出弁25が往復運動の方向すなわち吐出弁溝21bからローラ15の中心(ア)(シャフト2の中心)に向かう方向をX軸としている。また、吐出弁25bに働く力F1x、F2x、F3xは、図7、8と同じである。これらに加えて、吐出弁25bには、スプリング26によって吐出弁溝21b側からシリンダ室12側へ押すX軸方向の力F5xが働いている。
吐出弁25bをX軸方向に押す力F1xとF5xとの合力がF1xとF5xとの合力と逆方向に押す力F2xとF3xの合力より大きい場合、すなわち、(F1x+F5x)>(F2x+F3x)の場合、吐出弁25bは吐出弁溝開口部23bにある吐出弁溝受部24bに押圧されローラ15の外周面と吐出弁25bの外周面とで作動室12bと吐出孔20とを仕切り、作動室12bから吐出孔20へ向かい流れる吐出流路を閉鎖する。
また、吐出孔20は常に高圧空間と連通し、吐出孔内に高圧空間に吐出できない高圧冷媒が残留することを防止できる。
これに対して、実施の形態2では吐出弁溝21b内に付勢手段であるスプリング26を設け、高圧空間の冷媒圧力が十分に高圧となっていない場合であっても、スプリング26の力で、吐出弁25bをシリンダ室12へ押し出すことができる。これによって、高圧空間の冷媒圧力が十分に高圧となっていない場合でも、作動室12bから吐出孔20へ向かい流れる吐出流路を確実に閉鎖することができ、再膨張損失による効率の低下を防止することができる。
また、吐出動作終了後、吐出孔内に高圧空間へ吐出できない高圧冷媒が残留することも回避でき、体積効率の悪化を防止できる。
さらに、高圧空間の冷媒圧力が十分に高圧となっていない場合でも、吐出弁に設けた付勢手段によって、作動室から吐出孔へ向かい冷媒が流れる吐出流路を確実に閉鎖することができ、再膨張損失による効率の低下を防止することができる。
また、応答性以外にも吐出弁の質量を変えることにより、開閉条件も調整することができる。
また、吐出弁が吐出弁溝内を往復運動するため、吐出弁と吐出弁溝の少なくとも一方の表面に耐摩耗性のコーティングを施すことで、摩耗を低減し、摩耗粉等を生じにくく、圧縮機の寿命を向上させることができる。
また、スプリング26によって吐出弁溝21b側からシリンダ室12側へ押すY軸方向の力をF5yとする。
また、吐出弁25bに作動室12b側から働く力をF2zのうち、吐出弁25bをシリンダ室12側から吐出弁溝21b側へ押すY軸方向の力をF2yとする。
また同様に、吐出弁25bに吐出孔20側から働く力をF3zのうち、吐出弁25bをシリンダ室12側から吐出弁溝21側へ押すY軸方向の力をF3yとする。
図15でも、図12、13同様に、吐出弁25bが吐出弁溝21b内をどちらの方向に移動するかは、吐出弁25bをY軸方向に押す力F1yとF5yとの合力および吐出弁25bを逆方向に押す力F2yとF3yとの合力で決まり、(F1y+F5y)>(F2y+F3y)の場合、吐出弁25bは吐出流路を閉鎖し、(F1y+F5y)<(F2y+F3y)の場合、吐出弁25bは吐出流路を開口する。
実施の形態1、2では、ベーンがシリンダの内周面に当接されながら移動する接触方式のベーンロータリ圧縮機において、作動室と吐出孔とを連通し作動室から吐出孔へ向かって冷媒が流れる吐出流路上に吐出弁を設けたものについて説明した。これに対し、ベーンロータリ圧縮機の仕組みには、ベーンがシリンダの内周面に当接されず、所定の距離を置いて移動する非接触方式のものもある。そのようなベーンロータリ圧縮機でも、実施の形態1、2と同様、作動室から吐出孔へ向かい冷媒が流れる吐出流路上に吐出弁を設け吐出孔の内容積がデットボリュームとなることを防ぐこともできる。
図18、19にてベーンがシリンダの内周面に当接されない場合のベーンロータリ圧縮機について説明していく。
圧縮要素10aは、図2、図9と同様に、ほぼ円筒形状の内周面を有するシリンダ11と、シリンダ11のほぼ円筒形状内周面の軸方向の両端開口部を閉塞する上軸受13および下軸受14と、上軸受13および下軸受14によって支持されるシャフト2と、シャフト2に設けられたローラ15と、ローラ15に設けられたベーン16c、16dによって構成されている。シリンダ11のほぼ円筒形状内周面と上軸受13および下軸受14とによってほぼ円筒形状のシリンダ室12が形成されるとともに、ローラ15がシリンダ室12に収納されていることは、図2、図9と同じである。さらに、シリンダ11、上軸受13、下軸受14、ローラ15、ベーン16c、16dによって、シリンダ室12内に作動室を形成することも同じである。
上軸受13のシリンダ11側の端面には、シリンダ11の内径と同心であるリング溝状のベーンアライナ保持部(図示しない)が形成されている。ベーンアライナ保持部には後述するベーンアライナ27a、27cが勘入される。また、上軸受13の中央部は図2、9と同様に円筒状の軸受部が設けられており、この軸受部にてシャフト2の回転軸部2aを回転自在に支持する。
同様に、下軸受14のシリンダ11側の端面には、シリンダ11の内径と同心であるリング溝状のベーンアライナ保持部28が形成されている。ベーンアライナ保持部28には後述するベーンアライナ27b、27dが勘入される。また、下軸受14の中央部は図2、9と同様に円筒状の軸受部が設けられており、この軸受部にてシャフト2の回転軸部2bを回転自在に支持する。
なお、上軸受13、下軸受14はボルトにてシリンダ11に固定されている。
ブッシュ保持部29aとベーン逃がし部30aとが連通した空間にベーン16cが挿入され、ブッシュ保持部29bとベーン逃がし部30bとが連通した空間にベーン16dが挿入される。
よって、ベーン16c、16dの先端とシリンダ内周面11aとは接触せず、所定の距離を保ちながら回動する。すなわち、ベーン16c、16dの先端とシリンダ内周面11aとの間には微小隙間が形成される。微小隙間は圧縮要素10aに供給されている冷凍機油3によってシールされ塞がれているため、ベーン16c、16dはシリンダ室12を仕切ることができる。ベーン16c、16dの先端面はシリンダ内周面11aに対しほぼ同じ角度で移動するので、ベーン16c、16dの先端面とシリンダ内周面11aとは広い面同士にて微小隙間を形成されるため、冷凍機油3によるシールがさらに容易である。
なお、図19において、図2、9同様、ベーン16c、16dがシリンダ内周面11aと接触する位置は、ほぼ円筒形状のローラ外周面15aとほぼ円筒形状のシリンダ内周面11aとの最近接点を0degとし、時計回りに1周360degとして、ベーン16cが接触するシリンダ内周面11aの位置は0deg、ベーン16dが接触するシリンダ内周面11aの位置は180degである。0deg近傍のときは、ベーン16c全体がローラ15に収納された状態となり、180deg近傍にあるベーン16dは、ベーン16bがローラ15から最大に突き出された状態である。
また、吸入孔19のシリンダ内周面11a側開口部には、その開口部とつながったシリンダ内吸入空間19aが設けているが、図2、9と異なり、シリンダ11の軸方向に貫通した空間である。ベーン16c、16dはシリンダ内周面11aに接触する構造ではないので、図2、9のようにシリンダ内吸入空間19aとシリンダ室12の間にシリンダ内周面が存在しなくても動作に支障はない。
なお、吐出弁25と吐出弁溝21は、吐出弁25の往復運動の方向がほぼ円筒形状のローラ外周面15aの法線方向あるいはほぼ円筒形状のシリンダ内周面11aの法線方向に設けられている。
図20(b)は、図20(a)からローラ15が時計回りに回転した状態である。ベーン16cは、シリンダ内周面11aと所定の距離を持って移動しているので、吸入孔19から離れた位置を移動している。よって、ベーン16cの位置に関わらず、作動室12aはシリンダ内吸入空間19aを介して吸入孔19と連通したままであり、吸入動作が継続されている。
図20(c)は、ローラ15が約90deg回転し、ベーン16cによって作動室12aとシリンダ内吸入空間19aとが閉鎖された状態である。すなわち、作動室12aがシリンダ内周面11aとローラ外周面15aとベーン16c、16dとで形成されている状態である。よって、作動室12aと吸入孔19と連通が終了し、吸入動作の工程が終了する。また、この状態以降から、圧縮動作の工程が開始される。
図20(d)はベーン16dが吐出弁25と接した状態で、図20(a)はベーン16dが吐出弁25の吐出孔20側へ移動した状態である。なお、これ以降、図20(d)で作動室12aと指示していたものは、図20(a)では、作動室12bとなり、ベーン16dと指示していたものはベーン16c、ベーン16cと指示していたものはベーン16d、となるので、これを用いて説明を行っていく。
ベーン16cが吐出弁25の吐出孔20側へ移動したことにより、作動室12bはシリンダ内周面11aとローラ外周面15aとベーン16dと吐出弁25とで形成される。そして、このまま、図20(b)、(c)と進むことによって、作動室12bは圧縮を進め、吐出弁25が開いて、吐出動作になる。
そして、実施の形態1同様、作動室12bから吐出孔20へ向かい冷媒が流れる吐出流路上に吐出弁25を設けることにより、吐出動作終了後、吐出孔20がデッドボリュームとなることを防止できる。これにより、吐出孔20と次に吐出動作を行う作動室12bとの流路を閉鎖し、吐出孔20から作動室12bへの高圧冷媒の逆流を防止できる。そして、そのとき発生する再膨張損失を防ぎ、入力増加による効率低下を抑制できる。
また、吐出孔20は常に高圧空間と連通し、吐出孔20内に高圧空間に吐出できない高圧冷媒が残留することを防止できる。
また、吐出弁25もローラ15外周面15aと接触しない非接触方式であり、ベーン16c、16dが吐出弁25を通過する際、通過する速度などの条件によっては、ベーン16c、16dと吐出弁25は接触することなく通過することもできる。なお、お互いに接触したとしても、吐出弁は回動自在のため、摩擦抵抗も少なく、ベーン16c、16dと吐出弁25との摺動損失は少ない。
また、吐出動作終了後、吐出孔内に高圧空間へ吐出できない高圧冷媒が残留することも回避でき、体積効率の悪化を防止できる。
さらに、ベーンおよび吐出弁を非接触方式とすることにより、ベーンと吐出弁の接触を回避できる。あるいは接触したとしても吐出弁の回動により摩擦抵抗を小さくし、シリンダ内周面の薄肉形状部分に支障を与えず、摺動損失が少ない圧縮機を得ることができる。
また、応答性以外にも吐出弁の質量を変えることにより、開閉条件も調整することができる。
また、吐出弁が吐出弁溝内を往復運動するため、吐出弁と吐出弁溝の少なくとも一方の表面に耐摩耗性のコーティングを施すことで、摩耗を低減し、摩耗粉等を生じにくく、圧縮機の寿命を向上させることができる。
よって、この吐出弁動作遅れに伴い、吐出孔のシリンダ外面側に別の吐出弁を設けていたが、別の吐出弁は不要であり、吐出弁を2箇所設置する必要もなく、省スペースで安価な圧縮要素部を有する圧縮機を構成することができる。
すなわち、吐出弁溝21bの吐出弁溝開口部23あるいは23bと反対面にスプリング26の端面の一方が固定され、他方は吐出弁25あるいは25bが吐出弁溝21b内に押し戻されたときには吐出弁25あるいは25bと接し、吐出弁25あるいは25bの一部がシリンダ室12に所定量以上押し出されたときには吐出弁25あるいは25bから離れるように構成する。
これによって、高圧空間の冷媒圧力が十分に高圧となっていない場合でも作動室から吐出孔へ向かい冷媒が流れる吐出流路を閉鎖することができるとともに、吐出弁25あるいは25bが吐出弁溝受部24bに押圧されるとき、スプリング26の力が加えられないため、吐出弁溝受部24bに余分な強度を持たせる必要がなくなり、より信頼性の高い圧縮機が得られる。
また、吐出弁が円柱形状あるいは円筒形状の場合、スプリング26と吐出弁25が接触することがなく、吐出弁25はより自由に回動することができ、摩擦、摺動損失が少ない効率の高い圧縮機が得られる。
1a 上部容器
1b 下部容器
2 シャフト
2a,2b 回転軸部
3 冷凍機油
4 吸入管
5 吐出管
10,10a 圧縮要素
11 シリンダ
11a シリンダ内周面
12 シリンダ室
12a,12b,12c 作動室
13 上軸受
14 下軸受
15 ローラ
15a ローラ外周面
16a,16b,16c,16d ベーン
17a,17b ベーン溝
18a,18b ベーン背圧室
19 吸入孔
19a シリンダ内吸入空間
19b シリンダ内周面
20 吐出孔
21,21b 吐出弁溝
22,22b 吐出弁背圧流路
23,23b 吐出弁溝開口部
24,24b 吐出弁溝受部
25,25a,25b 吐出弁
26 スプリング
27a,27b,27c,27d ベーンアライナ
28 ベーンアライナ保持部
29a,29b ブッシュ保持部
30a,30b ベーン逃がし部
31a,31b,31c,31d ブッシュ
40 電動要素
41 固定子
42 回転子
43 固定子鉄心
44 絶縁部材
45 コイル
46 リード線
47 ガラス端子
48 回転子鉄心
49 エアギャップ
100 圧縮機
101 アキュムレータ
201 凝縮器
202 減圧器
203 蒸発器
Claims (13)
- 低圧空間から冷媒を吸入し、圧縮し、高圧空間へ吐出する圧縮要素を有したベーンロータリ圧縮機において、
前記圧縮要素は、
ほぼ円筒形状の内周面にて形成された内部空間を有するシリンダと、
前記内部空間に収納され前記内部空間内で回転運動を行うほぼ円筒形状の外周面を有するローラと、
前記ローラを有し前記ローラに回転力を伝達するシャフトと、
前記シャフトを支持し前記シリンダの前記内部空間の両端の開口部を閉塞する2つの軸受と、
前記ローラに設けられ前記ローラの前記外周面から前記シリンダの前記内周面に向かって突き出され前記ローラの前記外周面と前記シリンダの前記内周面と前記軸受けにて形成される空間を複数の作動室に仕切る板状のベーンと、
前記シリンダに設けられ前記低圧空間から前記作動室へ冷媒を吸入する吸入孔と、
前記シリンダに設けられ前記作動室から前記高圧空間へ冷媒を吐出する吐出孔と、
前記吐出孔が開口されるとともに前記ローラの前記外周面と前記シリンダの前記内周面と前記軸受けにて形成され前記作動室と連通する吐出流路と、
前記シリンダに設けられ前記吐出流路を形成する前記シリンダの前記内周面に開口部を有する吐出弁溝と、
前記吐出弁溝と前記高圧空間とを連通し前記高圧空間から高圧冷媒を導く吐出弁背圧流路と、
前記吐出弁溝に往復摺動自在に収納され、前記作動室内の冷媒圧力が前記高圧冷媒の圧力より小さいとき前記高圧冷媒にて前記吐出弁溝の前記開口部から前記ローラの前記外周面に向かって押し出され、前記作動室内の冷媒圧力が前記高圧冷媒の圧力より大きいとき前記作動室内の冷媒圧力にて前記吐出弁溝内に押し戻される吐出弁と、
を備え、
前記吐出流路を前記吐出弁溝の前記開口部から押し出された前記吐出弁の外周面と前記ローラの前記外周面とによって閉じ、前記吐出弁が前記吐出弁溝に押し戻されることによって開くことを特徴とするベーンロータリ圧縮機。 - 前記吐出弁は、ほぼ円柱形状あるいはほぼ円筒形状であることを特徴とする請求項1に記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記吐出弁は、前記吐出弁と前記吐出弁溝との間に付勢手段を有し、前記付勢手段にて前記吐出溝の前記開口部から前記ローラの前記外周面に向かって押し出されることを特徴とする請求項2に記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記吐出弁は、前記ローラの前記外周面側に位置する前記吐出弁の先端がほぼ半円柱形状を有する直方体形状であるとともに、前記吐出弁と前記吐出弁溝との間に付勢手段を有し、前記付勢手段にて前記吐出溝の前記開口部から前記ローラの前記外周面に向かって押し出されることを特徴とする請求項1に記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記吐出弁の前記付勢手段は、吐出流路を所定の断面積以上閉鎖すると、前記吐出弁に対する前記付勢手段の付勢力が無くなるように構成したことを特徴とする請求項3または4のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記吐出弁は、前記吐出弁溝の前記開口部から前記吐出弁が押し出されたとき、前記吐出弁の外周面と前記ローラの前記外周面との間に所定の隙間を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記ベーンは、前記シリンダの前記内周面側に位置する前記ベーンの先端が前記シリンダの前記内周面に当接しながら前記シリンダの前記内周面に沿って移動することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記ベーンは、前記シリンダの前記内周面側に位置する前記ベーンの先端が前記シリンダの前記内周面との間に所定の隙間を保ちながら前記シリンダの前記内周面に沿って移動することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記吐出弁の往復方向が前記ローラの前記外周面の法線方向あるいは前記シリンダの前記内周面の法線方向となるように前記吐出弁と前記吐出弁溝とが設けられたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記吐出弁の往復方向に前記ローラの前記外周面の法線方向あるいは前記シリンダの前記内周面の法線方向対して周方向に一定の傾きを有するように前記吐出弁と前記吐出弁溝とを設け、前記吐出弁が開閉する冷媒の圧力条件を前記傾きによって調整していることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記吐出弁がアルミニウム、チタン等の任意の材料からなる軽金属材料、またはアルミニウム基合金、チタン基合金等の合金材料からなることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記吐出弁の表面と前記吐出弁溝の内周面の少なくともいずれか一方に耐摩耗性のコーティングがされていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
- 前記冷媒に、標準沸点が−45℃以上の冷媒を用いたことを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載のベーンロータリ圧縮機。
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