JP2014095295A - ベーン型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーン型圧縮機において、シール性を確保しつつベーン運動の信頼性を向上させる。
【解決手段】ベーン型圧縮機２００は、略円筒状のシリンダ１と、シリンダ１内で回転運動する円柱形のロータ部４ａおよびロータ部４ａに回転力を伝達するシャフト部４ｂ、４ｃを有するロータシャフト４と、ロータ部４ａ内に設置され、ベーン先端部５ｂ、６ｂが外側に円弧形状に形成されるベーン５、６を有している。シリンダ内周面１ｂに凹部３２が形成されており、凹部３２にロータ部４ａの一部が入り込むことによりシール領域３２ａが形成される。また、ベーン５、６が凹部３２内を回転移動する際には、ベーン先端部５ｂ、６ｂはロータ部４ａ内に位置し、シリンダ内周面１ｂの円周上に沿って移動する。
【選択図】図８Ｂ

Description

この発明は、ベーン型圧縮機に関する。

一般的なベーン型圧縮機は、シリンダ内に収容したロータを回転軸により回転して、ロータ部内に一箇所または複数箇所形成されたベーン溝内に嵌入されたベーンとロータ外周面およびシリンダの内周面により形成される圧縮室を、ベーンの回転により吸入室から冷媒ガスを吸入し、圧縮された冷媒ガスを圧縮室内に設置した吐出ポートから吐出室へ吐出するように構成されている。また、ベーンが常にシリンダの内周面の中心周りに回転するように保持され、ベーン先端部がシリンダの内周面に摺動もしくは微小隙間だけ離れて回転運動を行うベーン型圧縮機が知られている（たとえば特許文献１参照）。

このようなベーン型圧縮機において、シリンダ内周面がロータ外周面に最も近接する最近接点において、シリンダ内部空間は圧縮室と吸入室とに分割される。最近接点を跨いだ２つの空間の圧力差は大きくなるため、最近接区間での冷媒ガスの漏れを抑制するために最近接点におけるシール性を確保することが重要となる。

そこで、シリンダ内周面とロータ外周面とによるシール性を確保するために、シリンダ内周面とロータ外周面とが面でシールすることが提案されている（たとえば特許文献２参照）。特許文献２には、シリンダの内周面が、ロータの外周面と同心円弧状に形成された領域を有し、さらにこの同心円弧部分とそれに隣接する曲線部とが連続曲線で結ばれた形状を有している。そして、ベーン先端部がシリンダ内周面に押し付けられ、シリンダ内周面の連続曲線形状に沿って滑動する。

国際公開第２０１２／０２３４２６号 特開昭５８―３５２８９号公報

上述のように、シリンダ内周面とロータ外周面とのシール性を確保するためには、シリンダ内周面にロータ外周面と同心円弧状に形成された領域において面シールすることが望ましい。しかしながら、特許文献２のようにシリンダ内周面が曲率の異なる複数の曲線からなる場合、シリンダ内周面の形状に沿って滑動するベーンの運動が不連続になり、ベーン飛びやチャタリング等によりベーンの運動の信頼性を低下させてしまうおそれがある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、シール性を確保しながらベーンの運動の信頼性を向上させることができるベーン型圧縮機を提供するものである。

本発明に係るベーン型圧縮機は、略円筒状で、軸方向の両端が開口しているシリンダと、シリンダの軸方向の両端を閉塞するシリンダヘッド及びフレームと、シリンダ内で回転運動する円柱形のロータ部及びロータ部に回転力を伝達するシャフト部を有するロータシャフトと、ロータ部内に設置されシリンダの内周面の中心周りに回転するように保持されたベーンとにより、圧縮室を形成して吸入した流体を圧縮するベーン型圧縮機において、シリンダの内周面が、ロータ部の偏心側にロータ部の一部が入り込む凹部を有し、凹部において、ロータ部の外周面と協働してシリンダの内周面とロータ部の外周面との間の空間を仕切るシール領域が形成されることを特徴とするものである。

本発明に係るベーン型圧縮機によれば、ベーンがロータ部内においてシリンダの内周面の法線方向に移動可能であって、ベーン先端部がシリンダの内周面の円周上に沿って回転可能に保持されており、ロータ部の一部が入り込む凹部にシール領域が形成されていることにより、ベーンが凹部内を通過する際、ベーン先端部がロータ部内に位置しながら回転移動し、シリンダ内周面の形状は不連続であってもベーンの先端部はシリンダ内周面の形状に依存せずに円運動を行うため、シリンダ内周面とロータ部の外周面とのシール性を確保しながらベーン運動の信頼性を向上させることができる。

本発明のベーン型圧縮機の実施形態１を示す縦断面図である。 図１のベーン型圧縮機の圧縮要素の分解斜視図である。 図１のベーン型圧縮機における第１のベーンおよび第２のベーンの一例を示す模式図である。 図１のベーン型圧縮機におけるＩ−Ｉ縦断面図である。 図１のベーン型圧縮機におけるベーンアライナ部の回転動作を示す断面図である。 図１のベーン型圧縮機の圧縮動作を示す断面図である。 図４におけるベーン部の周辺部位を示す要部断面図である。 ベーン先端部が凹部の位置周辺にあるときのベーン部の周辺部位の様子を示す要部断面図である。 ベーン先端部が凹部の位置周辺にあるときのベーン部の周辺部位の様子を示す要部断面図である。 ベーン先端部が凹部の位置周辺にあるときのベーン部の周辺部位の様子を示す要部断面図である。 本発明のベーン型圧縮機の実施形態２におけるベーン部の周辺部位の様子を示す要部断面図である。 本発明のベーン型圧縮機の実施形態３におけるベーン部の周辺部位の様子を示す要部断面図である。

実施形態１．
図１は本発明のベーン型圧縮機の実施形態１を示す縦断面図であり、図１を参照してベーン型圧縮機２００について説明する。なお、図１において実線で示す矢印は流体（ガス冷媒）の流れ、破線で示す矢印は冷凍機油２５の流れを示している。図１のベーン型圧縮機２００は、密閉容器１０３と、密閉容器１０３内に収納された圧縮要素１０１と、圧縮要素１０１の上部に位置し圧縮要素１０１を駆動する電動要素１０２と、密閉容器１０３内の底部に設けられ、冷凍機油２５を貯溜する油溜め１０４で構成される。

圧縮要素１０１を駆動する電動要素１０２は、例えばブラシレスＤＣモータで構成される。電動要素１０２は、密閉容器１０３の内周に固定される固定子２１と、固定子２１の内側に配設された、永久磁石を使用する回転子２２とを備える。固定子２１には密閉容器１０３の上面に溶接により固定されたガラス端子２３から電力が供給される。密閉容器１０３の側面には吸入管２６が取り付けられており、上面には吐出管２４が取り付けられている。

図２は図１のベーン型圧縮機２００における圧縮要素１０１の一例を示す分解斜視図、図３は第１のベーンおよび第２のベーンの一例を示す模式図、図４は図１のベーン型圧縮機２００におけるＩ−Ｉ縦断面図をそれぞれ示すものであり、図１から図４を参照して圧縮要素１０１について説明する。尚、図１から図４のベーン型圧縮機２００においてはベーンが２つ設けられた場合について例示する。

（１）シリンダ１：全体形状が略円筒状で、軸方向の両端部が開口している。シリンダ内周面１ｂの一部には、軸方向に貫通し外側に抉られた切欠き部１ｃが設けられており、切欠き部１ｃには吸入管２６と連通した吸入ポート１ａが開口している。また、シリンダ１にはガス（冷媒）を吐出するための吐出ポート１ｄおよび座ぐり部１ｇが設けられている。また、外周部には軸方向に貫通した油戻し穴１ｅが設けられている。

（２）フレーム２：断面が略Ｔ字状で、シリンダ１に接する部分が略円板状であり、シリンダ１の一方の開口部（図２では上側）を閉塞する。フレーム２のシリンダ１側の端面には、外周面がシリンダ内周面１ｂと同心円で形成される円形状の凹部２ａが形成されており、フレーム２の中央部は円筒状の主軸受部２ｃが設けられている。また、フレーム２には軸方向に貫通した吐出ポート２ｄが設けられており、吐出ポート２ｄはシリンダ１の第１の吐出ポート１ｄに連通している。さらに吐出ポート２ｄのシリンダ１の反対側の面には、吐出弁４１および吐出弁４１の開度を規制するための吐出弁押え４２が取付けられている。

（３）シリンダヘッド３：断面が略Ｔ字状で、シリンダ１に接する部分が略円板状であり、シリンダ１の他方の開口部（図２では下側）を閉塞する。シリンダヘッド３のシリンダ１に対向する対向面には円形状の凹部３ａが形成されており、凹部３ａの外周面はシリンダ内周面１ｂと同心円状に形成されている。また、シリンダヘッド３の中央部には円筒状の主軸受部３ｃが設けられている。

（４）ロータシャフト４：シリンダ１内で回転運動する円柱形のロータ部４ａおよびロータ部４ａに回転力を伝達するシャフト部４ｂ、４ｃを有し、ロータ部４ａとシャフト部４ｂ、４ｃとは一体となった構造を有している。ロータ部４ａは、シリンダ１内においてシリンダ１の中心軸とは偏心した中心軸上に回転運動を行う。シャフト部４ｂ、４ｃはそれぞれフレーム２の主軸受部２ｃ、シリンダヘッド３の主軸受部３ｃで回転可能に支承されている。ロータ部４ａには、断面が略円形で軸方向に貫通するブッシュ保持部４ｄ、４ｅおよびベーン逃がし部４ｆ、４ｇが形成されている。ブッシュ保持部４ｄとベーン逃がし部４ｆおよびブッシュ保持部４ｅとベーン逃がし部４ｇとは連通しており、ベーン逃がし部４ｆおよびベーン逃がし部４ｇの軸方向の端部はフレーム２の凹部２ａおよびシリンダヘッド３の凹部３ａと連通している。ブッシュ保持部４ｄとブッシュ保持部４ｅ、ベーン逃がし部４ｆとベーン逃がし部４ｇとはほぼ対称の位置に配置されている。また、図２に示すように、ロータシャフト４の下端部にはロータシャフト４の遠心力を利用した油ポンプ３１が設けられており、油ポンプ３１はロータシャフト４の軸中央部に設けられ軸方向に延在する給油路４ｈと連通している。給油路４ｈと凹部２ａとの間には給油路４ｉが設けられており、給油路４ｈと凹部３ａとの間には給油路４ｊが設けられている。また、シャフト部４ｂの主軸受部２ｃの上方の位置に排油穴４ｋ（図１に図示）が設けられている。なお、この油ポンプ３１、給油路４ｈ、４ｊの構成は例えば特開２００９−２６４１７５号公報に詳細に記載されている。

（５）第１のベーン５：略四角形の板状の部材で、ロータ部４ａにおいてシリンダ１の内周面１ｂの中心周りに回転するように保持されている。第１のベーン５は、図３に示すように、ベーン部５ａと、ベーン部５ａのフレーム２側の端面に設けられた、部分リング状のベーンアライナ部５ｃと、ベーン部５ａのシリンダヘッド３側の端面に設けられた、部分リング状のベーンアライナ部５ｄとから構成される。ベーン部５ａのシリンダ内周面１ｂ側に位置するベーン先端部５ｂは外側に円弧形状に形成されている。その円弧形状の半径は、シリンダ内周面１ｂの半径とほぼ同等の半径で構成されている。ベーンアライナ部５ｃ、５ｄはそれぞれ円弧状に形成された部材であって、ベーンアライナ部５ｃがベーン部５ａのフレーム２側の端面に固定され、ベーンアライナ部５ｄがベーン部５ａのシリンダヘッド３側の端面に固定される。また、ベーン部５ａのベーン長さ方向およびベーン先端部５ｂの円弧形状の法線方向は、ベーンアライナ部５ｃ、５ｄを形成する円弧形状の略中心を通るように形成されている。

（６）第２のベーン６：略四角形の板状の部材で、ロータ部４ａにおいてシリンダ１の内周面１ｂの中心周りに回転するように保持されている。第２のベーン６はベーン部６ａと、ベーン部６ａのフレーム２側の端面に設けられた、部分リング状のベーンアライナ部６ｃと、ベーン部６ａのシリンダヘッド３側の端面に設けられた、部分リング状のベーンアライナ部６ｄとから構成される。ベーン部６ａのシリンダ内周面１ｂ側に位置するベーン先端部６ｂは外側に円弧形状に形成され、その円弧形状の半径はシリンダ内周面１ｂの半径とほぼ同等の半径で構成されている。ベーンアライナ部６ｃ、６ｄはそれぞれ円弧状に形成された部材であって、ベーンアライナ部６ｃがベーン部６ａのフレーム２側の端面に取り付けられており、ベーンアライナ部６ｄがベーン部６ａのシリンダヘッド３側の端面に取り付けられている。また、ベーン部６ａのベーン長さ方向およびベーン先端部６ｂの円弧形状の法線方向は、ベーンアライナ部６ｃ、６ｄを形成する円弧形状の略中心を通るように形成されている。
そして、ベーンアライナ部５ｃとベーンアライナ部６ｃとは、フレーム２の凹部２ａに収容され、凹部２ａの外周面からなるベーンアライナ軸受部２ｂに沿って回転可能に支持される。同様に、ベーンアライナ部５ｄとベーンアライナ部６ｄとは、シリンダヘッド３の凹部３ａに収容され、凹部２ａの外周面であるベーンアライナ軸受部２ｂに沿って回転可能に支持される。

（７）ブッシュ７、８：略半円柱状で、一対で構成される。１対のブッシュ７、７および８、８がロータシャフト４のブッシュ保持部４ｄ、４ｅに挿入され、１対のブッシュ７、７および８、８が内側に板状の第１のベーン５のベーン部５ａ、第２のベーン６のベーン部６ａを挟んで保持している。これにより、第１のベーン５および第２のベーン６は、ロータ部４ａに対して中心７ａ、８ａを軸に回転自在かつ略法線方向に移動可能に保持されることになる。

次に、図４を参照してベーン型圧縮機２００におけるシリンダ内周面１ｂの形状および吸入室９・圧縮室１１の構成について説明する。吸入室９および圧縮室１１は、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの間の空間を仕切ることにより形成されるものであって、ベーン５、６により上記空間が仕切られるとともに、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとが協働して上記空間が仕切られる。

まず、ベーン先端部５ｂがシリンダ内周面１ｂに近接することにより、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの間の空間を仕切る。ここで、ベーンアライナ軸受部２ｂ、３ｂの半径をｒａ、シリンダ内周面１ｂの半径をｒｃとしたとき、第１のベーン５のベーンアライナ部５ｃ、５ｄの外周側とベーン先端部５ｂ間の距離ｒｖ（図３参照）は下記式（１）としている。なお、式（１）中のδはベーン先端部５ｂとシリンダ内周面１ｂ間の微小隙間である。
ｒｖ＝ｒｃ−ｒａ−δ ・・・（１）

式（１）のように距離ｒｖを設定することで、第１のベーン５はベーン先端部５ｂ、６ｂがシリンダ内周面１ｂに接触することなく微小隙間δだけ離れて回転する。ここで、δが極力小さくなるようにｒｖを設定し、ベーン先端部５ｂからのガスの漏れを極力少なくしている。なお、式（１）の関係は、第２のベーン６も同様に、第２のベーン６のベーン先端部６ｂとシリンダ内周面１ｂ間は微小隙間δを保ちつつ回転する。このように各ベーン５、６がシリンダ内周面１ｂに対し非接触で回転することにより摺動損失を低減することができる。

また、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとが協働してシリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの間の空間を仕切る。ここで、シリンダ内周面１ｂの半径をｒｃ、ロータ部４ａの半径をｒｂ、ロータ部４ａの中心とシリンダ内周面１ｂの中心の偏心量をｅとしたとき、下記式（２）のような関係を有している。
ｒｂ＋ｅ＞ｒｃ ・・・（２）
なお、シリンダ内周面１ｂの半径ｒｃは、ロータ部４ａを収容可能にするものであるため、ロータ部４ａの半径ｒｂよりも大きく形成されている（ｒｃ＞ｒｂ）。

すると、ロータ部４ａの外周面４ｍがシリンダ内周面１ｂからはみ出し重複する領域が発生する。この重複する領域を含むように、シリンダ内周面１ｂのロータ部４ａの偏心側にロータ部４ａの一部が入り込む凹部３２が形成されている。凹部３２はロータ部４ａの外周面４ｍとシリンダ内周面１ｂとの一方の交点（一端側３２ｂ）から他方の交点（他端側３２ｃ）まで形成されている。そして、凹部３２の両端側においてシリンダ内周面１ｂは不連続な曲線形状を有することになる。

そして、この凹部３２において、ロータ部４ａの外周面４ｍと協働してシリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの間の空間を圧縮室１１と吸入室９とに仕切るシール領域３２ａが形成される。特に、図４においては、凹部３２がロータ部４ａの外周面４ｍと同心かつ同一曲率の円弧形状に形成されている。このため、凹部３２の全領域にわたり、ロータ部４ａの外周面４ｍが微小隙間だけ離れて近接するシール領域３２ａが形成されている。このように、シール領域３２ａにおけるシール幅を広く設定することによりシール性能が向上し、圧縮室１１から吸入室９への漏れを大幅に低減することができる。

また、図４において、シリンダ内周面１ｂの中心に対しロータシャフト４の中心へ向かって延びる延長線に対し略対称になるように形成されている。そして、ロータ部４ａの半径をｒｂとし、ロータ部４ａの中心とシリンダ内周面１ｂの中心の偏心量をｅとしたとき、凹部３２とシリンダ内周面１ｂの架空内周面１ｂ’との延長線上における最大ずれ量ｘは下式（３）になっている。
ｘ＝ｒｂ＋ｅ−ｒｃ ・・・（３）
つまり、従来のように最近接点でシールする場合、ｒｃ＞ｒｂであってｒｂ＋従来の偏心量ｅ１＝ｒｃに設定されている。これに対し、図４においては従来の偏心量ｅ１をさらに最大ずれ量ｘ分だけ偏心方向にずらした偏心量ｅ（＝ｅ１＋ｘ）が設定されていることになる。

以上のように、ベーン５、６およびシール領域３２ａが、第１のベーン５および第２のベーン６により仕切られた中間室１０と、第２のベーン６とシール領域３２ａとにより仕切られた圧縮室１１と、第１のベーン５とシール領域３２ａとにより仕切られた吸入室９とを形成する。特に、所定の幅を有するシール領域３２ａにより吸入室９と圧縮室１１とが仕切られるため、吸入室９と圧縮室１１との間の漏れ損失の増加を確実に抑制することができる。

さらに、凹部３２の両端３２ｂ、３２ｂには、それぞれ切欠き部１ｃおよび座ぐり部１ｇが隣接して設けられている。座ぐり部１ｇは、凹部３２の一端側３２ｂに隣接して形成されており、吐出ポート１ｄに接続されている。したがって、圧縮室１１は座ぐり部１ｇを介して吐出ポート１ｄに連通した状態になる。一方、切欠き部１ｃは凹部３２の他端側３２ｃに隣接して設けられており、ベーン先端部５ｂとシリンダ内周面１ｂが相対する点Ａの範囲まで形成されている。切欠き部１ｃは吸入ポート１ａに接続されており、吸入室９は切欠き部１ｃを介して吸入ポート１ａに連通した状態になる。なお、吐出ポート１ｄはフレーム２に面した側であって凹部３２を挟んで吸入ポート１ａと反対側の位置に設けられている。

このように、座ぐり部１ｇがシール領域３２ａの一端側３２ｂに隣接して設けられることにより、過圧縮による弊害を抑制するとともに圧力損失が発生するのを防止することができる。すなわち、従来のように、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとが点で最近接している場合（ｒｃ＝ｒｂ＋ｅ）、吐出ポート１ｄ（座ぐり部１ｇ）をシール部分に隣接して設けてしまうと、シール部分におけるシール性が低下してしまう。このため、吐出ポート１ｄ（座ぐり部１ｇ）は最近接点から所定間隔だけ開けて設ける必要がある。

しかし、ベーン５、６が吐出ポート１ｄ（座ぐり部１ｇ）を通過した時点からシール領域３２ａに至るまでの間、ベーン５、６とシール領域３２ａとの間に形成される圧縮室１１は密封状態となる。このため、密封された圧縮室１１の容積がゼロに近づくにつれて圧力が上昇して異常昇圧が生じるおそれがある。異常昇圧した冷媒ガスは吐出ポートから直接吐出されないため、異常昇圧による仕事はそのまま圧縮機の損失となり、性能低下の原因となる。

一方、図４において、凹部３２においてシール領域３２ａが形成されるため、吐出ポート１ｄおよびこれに連通する圧力逃がし用の座ぐり部１ｇをシール領域３２ａ（すなわち凹部３２の端部）に隣接するまで近づけたとしてもシール性が損なわれることがない。よって、シール性を確保しつつ圧縮室１１内での異常昇圧の発生を確実に防止することができる。

図５はベーンアライナ部５ｃ、６ｃの回転動作の一例を示す断面図であり、図５を参照してベーン型圧縮機２００の動作例について説明する。なお、図５において、第１のベーン５が凹部３２内における最大ずれ量ｘとなる位置したときを「角度０°」と定義する。また、「角度１８０°」以降の状態を示していないのは、「角度１８０°」になると、「角度０°」において、第１のベーン５と第２のベーン６が入れ替わった状態と同じになり、以降は「角度０°」から「角度１３５°」までと同じ圧縮動作になる。

ロータシャフト４のシャフト部４ｂが電動要素１０２の駆動部からの回転動力を受け、ロータ部４ａがシリンダ１内で回転する。ロータ部４ａの回転に伴い、ロータ部４ａの外周付近に配置されたブッシュ保持部４ｄ、４ｅは、ロータシャフト４を中心とした円周上を移動する。そして、ブッシュ保持部４ｄ、４ｅ内に保持されている一対のブッシュ７、８、およびその一対のブッシュ７、８の間に回転可能に保持されている第１のベーン５のベーン部５ａ、第２のベーン６のベーン部６ａもロータ部４ａとともに回転する。

第１のベーン５、第２のベーン６は、回転による遠心力を受け、ベーンアライナ部５ｃ、６ｃおよびベーンアライナ部５ｄ、６ｄがベーンアライナ軸受部２ｂ、３ｂにそれぞれ押付けられて摺動しながら、ベーンアライナ軸受部２ｂ、３ｂの中心まわりに回転する。ここで、ベーンアライナ軸受部２ｂ、３ｂとシリンダ内周面１ｂとは同心であるため、第１のベーン５、第２のベーン６はシリンダ内周面１ｂの中心まわりに回転することになる。すると、第１のベーン５のベーン部５ａ、第２のベーン６のベーン部６ａの長さ方向がシリンダ中心に向かうように、ブッシュ７、８がブッシュ保持部４ｄ、４ｅ内で、ブッシュ中心７ａ、８ａまわりに回転することになる。

以上の動作において、ブッシュ７と第１のベーン５のベーン部５ａの側面およびブッシュ８と第２のベーン６のベーン部６ａの側面は互いに摺動を行う。また、ロータシャフト４のブッシュ保持部４ｄとブッシュ７、ブッシュ保持部４ｅとブッシュ８も互いに摺動することになる。

図６は、図１のベーン型圧縮機２００における圧縮要素の圧縮動作を示す断面図である。この図６は、図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。以下、この図６を参照しながら、ロータ部４ａ（ロータシャフト４）の回転に伴い吸入室９、中間室１０および圧縮室１１の容積が変化する様子を説明する。なお、図６に示す角度の定義は図５に示す角度の定義と同一のものである。また、図６では簡単のため、吸入ポート１ａ、切欠き部１ｃおよび吐出ポート１ｄを省略し、吸入ポート１ａ、吐出ポート１ｄをそれぞれ矢印で「吸入」、「吐出」として示し、「角度０°」の図に示す矢印は、ロータシャフト４の回転方向（図６では時計方向）を示している。

「角度０°」では、凹部３２と第２のベーン６で仕切られた右側の中間室１０は切欠き部１ｃを介して吸入ポート１ａと連通した状態になり、吸入ポート１ａからガス（冷媒）が吸入される。一方、凹部３２と第２のベーン６で仕切られた左側の空間は、座ぐり部１ｇおよび吐出ポート１ｄに連通した圧縮室１１となる。

「角度４５°」では、第２のベーン６とシール領域３２ａで仕切られた右側の空間は、切欠き部１ｃを介して吸入ポート１ａと連通した吸入室９となる。また、第２のベーン６とシール領域３２ａとにより仕切られた圧縮室１１は、「角度０°」のときより小さい容積になり、冷媒は圧縮され徐々にその圧力が高くなる。

「角度９０°」では、第１のベーン５と第２のベーン６で仕切られた空間は中間室１０となる。第１のベーン５のベーン先端部５ｂがシリンダ１のシリンダ内周面１ｂ上の点Ａと重なるので、中間室１０は吸入ポート１ａと連通しなくなる。これにより、中間室１０でのガスの吸入は終了する。また、この状態で、中間室１０の容積は略最大となる。圧縮室１１の容積は「角度４５°」のときより更に小さくなり、冷媒の圧力は上昇する。吸入室９の容積は「角度４５°」のときより大きくなり、吸入を続ける。

「角度１３５°」では、中間室１０の容積は「角度９０°」ときより小さくなり、冷媒の圧力は上昇する。吸入室９の容積は「角度９０°」のときより大きくなり、吸入を続ける。また、第２のベーン６が凹部３２内に到達したため圧縮室１１は消滅する。

以上のように、第１のベーン５あるいは第２のベーン６が吐出ポート１ｄに近づくにつれて、圧縮室１１の圧力が上昇していく。そして、冷凍サイクルの高圧（吐出弁２７を開くのに必要な圧力も含む）を圧縮室１１の圧力が上回ると、吐出弁２７が開き、圧縮室１１のガス（冷媒）は吐出ポート１ｄおよび吐出ポート２ｄを通って密閉容器１０３内に吐出される。密閉容器１０３内に吐出されたガス（冷媒）は、電動要素１０２を通過して密閉容器１０３の上部に固定（溶接）された吐出管２４から外部（冷凍サイクルの高圧側）に吐出される。したがって、密閉容器１０３内の圧力は高圧である吐出圧力となる。

一方、ロータ部４ａ（ロータシャフト４）の回転により、吸入室９は徐々に容積が大きくなり、ガスの吸入を続ける。以後中間室１０に移行するが、途中まで容積が徐々に大きくなり、更にガスの吸入を続ける。途中で、中間室１０の容積は最大となり、吸入ポート１ａに連通しなくなるので、ここでガス（冷媒）の吸入を終了する。以後、中間室１０の容積は徐々に小さくなり、ガス（冷媒）を圧縮する。その後、中間室１０は圧縮室１１に移行して、ガスの圧縮を続ける。所定の圧力まで圧縮されたガスは、吐出ポート１ｄおよび吐出ポート２ｄを通って吐出弁２７を押し上げて、密閉容器１０３内に吐出される。

次に、上記圧縮動作中における冷凍機油２５の流れについて説明する。図１に破線で示すように、ロータシャフト４の回転により、油ポンプ３１により油溜め１０４から冷凍機油２５が吸い上げられ、給油路４ｈに送り出される。給油路４ｈに送り出された冷凍機油２５は、給油路４ｉを通ってフレーム２の凹部２ａ、給油路４ｊを通ってシリンダヘッド３の凹部３ａに送り出される。

凹部２ａ、３ａに送り出された冷凍機油２５は、ベーンアライナ軸受部２ｂ、３ｂを潤滑するとともに、凹部２ａ、３ａと連通したベーン逃がし部４ｆ、４ｇに供給される。ここで、密閉容器１０３内の圧力は高圧である吐出圧力になっているため、凹部２ａ、３ａおよびベーン逃がし部４ｆ、４ｇ内の圧力も吐出圧力となる。また、凹部２ａ、３ａに送り出された冷凍機油２５の一部は、フレーム２の主軸受部２ｃおよびシリンダヘッド３の主軸受部３ｃに供給される。

図７は図４におけるベーン部の周辺部位を示す要部断面図である。図７中、実線で示す矢印は冷凍機油２５の流れを示している。ベーン逃がし部４ｆの圧力は吐出圧力であり、吸入室９、中間室１０の圧力より高いため、冷凍機油２５は、ベーン部５ａの側面とブッシュ７間の摺動部を潤滑しながら、圧力差および遠心力によって吸入室９および中間室１０に送り出される。また、冷凍機油２５は、ブッシュ７とロータシャフト４のブッシュ保持部４ｄ間の摺動部を潤滑しながら、圧力差および遠心力によって吸入室９および中間室１０に送り出される。また、中間室１０に送り出された冷凍機油２５の一部はベーン先端部５ｂとシリンダ１の内周面１ｂ間の隙間をシールしながら吸入室９に流入する。

なお、第１のベーン５で仕切られる空間が吸入室９と中間室１０である場合について示したが、回転が進んで、第１のベーン５で仕切られる空間が中間室１０と圧縮室１１となる場合でも同様である。そして、圧縮室１１内の圧力がベーン逃がし部４ｆの圧力と同じ吐出圧力に達した場合でも、遠心力によって冷凍機油２５は圧縮室１１に向かって送り出されることになる。以上の動作は第１のベーン５に対して示したが、第２のベーン６においても同様の動作を行う。

図１に示すように、主軸受部２ｃに供給された冷凍機油２５は主軸受部２ｃの隙間を通ってフレーム２の上方の空間に吐き出された後、シリンダ１の外周部に設けた油戻し穴１ｆより、油溜め１０４に戻される。また、主軸受部３ｃに供給された冷凍機油２５は主軸受部３ｃの隙間を通って油溜め１０４に戻される。また、ベーン逃がし部４ｆ、４ｇを介して吸入室９、中間室１０、圧縮室１１に送り出された冷凍機油２５も最終的にガスとともに吐出ポート１ｄ、２ｄからフレーム２の上方の空間に吐き出された後、シリンダ１の外周部に設けた油戻し穴１ｆより、油溜め１０４に戻される。また、油ポンプ３１により給油路４ｈに送り出された冷凍機油２５のうち、余剰な冷凍機油２５はロータシャフト４の上方の排油穴４ｋから、フレーム２の上方の空間に吐き出された後、シリンダ１の外周部に設けた油戻し穴１ｆより、油溜め１０４に戻される。

図８Ａ〜図８Ｃはベーン先端部６ｂが凹部３２の位置周辺にあるときのベーン部６ａの周辺部位の様子を示す要部断面図であり、図８Ａ〜図８Ｃを参照して第２のベーン６が凹部３２を通過するときの挙動について説明する。なお、図８Ａ〜図８Ｃにおいて、第２のベーン６について例示しているが、第１のベーン５についても同様である。

まず、図８Ａのように凹部３２を通過する前において、ベーン先端部６ｂはシリンダ内周面１ｂに微小隙間だけ離れて回転運動する（図６参照）。なお、第２のベーン部６ａとシリンダ内周面１ｂとロータ部４ａに囲まれた圧縮室１１は常に座ぐり部１ｇおよび吐出ポート１ｄに連通した状態になっている。このため、圧縮室１１の異常昇圧は生じることなく、圧縮室１１により圧縮されたガス（冷媒）が吐出ポート１ｄから吐出されることになる。

次に、図８Ｂのように、第２のベーン部６ａが凹部３２を通過する際、ベーン先端部６ｂはシリンダ内周面１ｂの円周上（架空内周面１ｂ’）に沿って移動する。つまり、ベーン部６ａはベーンアライナ部５ｃ、５ｃ、６ｃ、６ｄ等によってシリンダ円周面１ｂの中心まわりに回転するようになっている（図５参照）。したがって、ベーン部６ａが凹部３２を通過する際であっても、ベーン先端部６ｂは、シリンダ内周面１ｂの法線方向に移動しながらシリンダ内周面１ｂの円周上（架空内周面１ｂ’上）に沿って回転する。凹部３２内において、架空内周面１ｂ’はロータ部４ａ内に位置しているため、シリンダ内周面１ｂが不連続な曲線を有する場合であってもベーン先端部６ｂがロータ部４ａの内側に位置した状態で凹部３２の区間を移動することになる。したがって、ベーン先端部６ｂは常にシリンダ内周面１ｂの円周上に沿った連続した円運動を行うことになり、ベーン飛びやチャタリング等の発生を防止してベーン運動の信頼性が低下するのを防止することができる。

さらに、第２のベーン６が凹部３２内を回転移動する際に、ベーン先端部６ｂがロータ部４ａの外周面４ｍよりも内側に位置することになる。よって、ベーン先端部６ｂとブッシュ保持部７とシリンダ内周面１ｂとにより閉塞空間３２ｄが形成される。第２のベーン部６ａが凹部３２内を通過する際に、閉塞空間３２ｄにより第２のベーン部６を押し出す差圧を増加させることができる。これにより、ベーン先端部６ｂがシリンダ内周面１ｂから離れていてもベーン飛びやチャタリングを確実に抑制し、第２のベーン部６ａの運動の信頼性をさらに高めることができる。なお、閉塞空間３２ｄに負圧が掛からないように、ブッシュ８、８の凹部３２側の一部を除去してもよい。

その後、図８Ｃのように、凹部３２を通過した直後において、第２のベーン部６ａとシリンダ内周面１ｂとロータ部４ａに囲まれた吸入室９は常に切欠き部１ｃを介して吸入ポート１ａと連通した状態になる。そして、吸入ポート１ａからガス（冷媒）が吸入室９に流入することになる（図６参照）。

上記実施形態１によれば、凹部３２のシール領域３２ａによりシール性を確保しつつ異常昇圧を抑制し、かつベーン運動の不連続性をなくした高効率、高信頼性のベーン型圧縮機２００を提供することができる。また、シール領域３２ａにおいてシール幅を長くとれるため、シール性の高いベーン型圧縮機２００を提供することができる。

実施形態２．
図９は本発明のベーン型圧縮機の実施形態２を示す要部断面図であり、図９を参照してベーン型圧縮機について説明する。なお、図９のベーン型圧縮機３００において図８Ｂのベーン型圧縮機２００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図９のベーン型圧縮機３００が図８Ｂのベーン型圧縮機２００と異なる点は、凹部３３２の形状およびシール領域３３２ａの形成領域である。

図９において、凹部３３２は、段付き形状を有しており、ロータ部４ａの外周面４ｍと同心かつ略同等曲率の複数のシール領域３３２ａ、３３２ａと、ロータ部４ａの外周面４ｍよりも外側に凹んだ空隙領域３３２ｄとを有している。複数のシール領域３３２ａ、３３２ａはそれぞれ凹部３３２の両端側３２ｂ、３２ｃに形成されている。そして、空隙領域３３２ｄは、複数のシール領域３３２ａ、３３２ａの間に挟まれて設けられており、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの間に空隙を形成している。なお、空隙領域３３２ｄは上述した閉塞空間３２ｄ（図８Ｂ参照）に連通した同一空間となる。

図９の実施形態２のようなベーン型圧縮機３００においても、シール性を確保しながらベーン運動の信頼性を向上させることができる。特に、凹部３３２において、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとが非接触になる空隙領域３３２ｄが形成されていることにより、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの隙間に介在する油を引きずる粘性摩擦損失を低減することができる。

実施形態３．
図１０は本発明のベーン型圧縮機の実施形態３を示す図であり、図１０を参照してベーン型圧縮機４００について説明する。なお、図１０のベーン型圧縮機４００において図９のベーン型圧縮機３００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図１０のベーン型圧縮機４００が図９のベーン型圧縮機３００と異なる点は、凹部４３２の形状およびシール領域４３２ａの形成領域である。

具体的には、図１０において、凹部３３２は、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの交点（一端側３２ｂおよび他端側３２ｃ）となる部位に形成された線状の複数のシール領域４３２ａ、４３２ａと、ロータ部４ａの外周面４ｍよりも外側に凹んだ空隙領域４３２ｄとを有している。そして、空隙領域４３２ｄは、複数のシール領域４３２ａ、４３２ａの間に挟まれて設けられており、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの間に空隙を形成している。なお、空隙領域４３２ｄは上述した閉塞空間３２ｄ（図８Ｂ参照）に連通した同一空間となる。

図１０の実施形態３のようなベーン型圧縮機４００においても、シール性を確保しながらベーン運動の信頼性を向上させることができる。特に、凹部４３２において、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとが非接触になる空隙領域４３２ｄが形成されていることにより、シリンダ内周面１ｂとロータ部４ａの外周面４ｍとの隙間に介在する油を引きずる粘性摩擦損失を低減することができる。

上記各実施形態によれば、凹部３２、３３２、４３２にロータ部４ａの一部が入り込んでシール領域３２ａ、３３２ａ、４３２ａを形成してシール性を確保するとともに、ベーン５、６が凹部３２、３３２、４３２内を通過する際、ベーン先端部５ｂ、６ｂはロータ部４ａ内に位置するため、シリンダ内周面１ｂは不連続であってもベーン５、６の動作がシリンダ内周面１ｂの形状に依存せず、ベーン運動の信頼性を向上させることができる。

さらに、上記実施形態１−３は、いずれも漏れ損失と粘性摩擦損失とを低減して圧縮機性能を改善する方策であるが、この２つの損失に対する低減寄与率が異なる。したがって、漏れ損失の割合が大きい場合は実施形態１のベーン型圧縮機２００を用いることにより性能改善が効果的であり、粘性摩擦損失の割合が大きい場合には実施形態２、３のベーン型圧縮機３００、４００による性能改善が効果的である。

本発明の実施形態は上記各実施形態に限定されない。たとえば、上記各実施形態において、ベーン枚数が２枚の場合について示したが、ベーン枚数が１枚または３枚以上の場合であってもよい。

また、上記各実施形態において、ロータシャフト４の遠心力を利用した油ポンプ３１について示したが、油ポンプ３１の形態はいずれでもよく、例えば特開２００９−６２８２０号公報に記載の容積形ポンプを油ポンプ３１として用いてもよい。

さらに、式（２）に示すように、ベーン先端部５ｂ、６ｂがシリンダ内周面に対し微小隙間δだけ離れて回転する場合について例示しているが（非接触方式）、ベーン先端部５ｂ、６ｂがシリンダ内周面１ｂに摺動するベーン型圧縮機についても適用することができる。この場合であっても、ベーン先端部５ｂ、６ｂは、凹部３２内において架空内周面１ｂ‘に沿って回転するため、シリンダ内周面１ｂの形状にかかわらずベーンの信頼性を高めることができる。

また、図９および図１０において、凹部３２が曲面形状を有する場合について例示しているが、たとえば矩形形状等を有するものであってもよい。この場合であっても、シール領域３２ａによりシール性を確保しながら、ベーンの動作の連続性を担保することができる。

さらに、図９において凹部３３２の両端側３２ｂ、３２ｃに所定の幅を有する２つのシール領域３３２ａ、３３２ａが形成された場合について説明したが、さらに凹部３３２内のいずれかの部位に任意の個数のシール領域３３２ａを設けてもよい。同様に、図１０において凹部４３２の両端に２つの線状のシール領域４３２ａ、４３２ａが形成された場合について説明したが、凹部４３２内のいずれかの部位に任意の個数・任意の幅のシール領域３３２ａ、４３２ａを設けてもよい。

また、上記図８から図１０において、凹部３２、３３２、４３２がシリンダ内周面１ｂの中心に対しロータシャフト４の中心へ向かって延びる延長線に対し略対称になるように形成されている場合について例示しているが、延長線に対し非対称に形成されたものであってもよい。
上記各実施形態では、ベーンアライナ部５ｃ、５ｄ、６ｃ、６ｄが部分リング形状である場合について例示しているが、ロータ部４ａ内のベーンが１つである場合はベーンアライナ部がリング形状であってもよい。

１ シリンダ、１ａ 吸入ポート、１ｂ シリンダ内周面、１ｃ 切欠き部、１ｄ 吐出ポート、１ｆ 穴、１ｅ 油戻し穴、１ｇ 座ぐり部、２ フレーム、２ａ 凹部、２ｂ ベーンアライナ軸受部、２ｃ 主軸受部、２ｄ 吐出ポート、３ シリンダヘッド、３ａ 凹部、３ｃ 主軸受部、４ ロータシャフト、４ａ ロータ部、４ｂ、４ｃ シャフト部、４ｄ、４ｅ ブッシュ保持部、４ｆ、４ｇ ベーン逃がし部、４ｈ、４ｉ、４ｊ 給油路、４ｋ 排油穴、４ｍ 外周面、５ 第１のベーン、５ａ ベーン部、５ｂ ベーン先端部、５ｃ、５ｄ ベーンアライナ部、６ 第２のベーン、６ａ ベーン部、６ｂ ベーン先端部、６ｃ、６ｄ ベーンアライナ部、７、８ ブッシュ、９ 吸入室、１０ 中間室、１１ 圧縮室、２１ 固定子、２２ 回転子、２３ ガラス端子、２４ 吐出管、２５ 冷凍機油、２６ 吸入管、２７ 吐出弁、３１ 油ポンプ、３２、３３２、４３２ 凹部、３２ａ、３３２ａ、４３２ａ シール領域、３２ｂ 凹部の一端側、３２ｃ 凹部の他端側、３２ｄ 閉塞空間、３２ｅ 最近接点、４１ 吐出弁、４２ 吐出弁押え、１０１ 圧縮要素、１０２ 電動要素、１０３ 密閉容器、１０４ 油留め、２００、３００、４００ ベーン型圧縮機、３３２ｄ、４３２ｄ 空隙領域、ｅ 偏心量、ｒｂ ロータ部の外周面の半径、ｒｃ シリンダ内周面の半径、ｒｖ 距離、ｘ 最大ずれ量、δ 微小隙間。

Claims (16)

1. 略円筒状で、軸方向の両端が開口しているシリンダと、前記シリンダの軸方向の両端を閉塞するシリンダヘッド及びフレームと、前記シリンダ内で回転運動する円柱形のロータ部及び前記ロータ部に回転力を伝達するシャフト部を有するロータシャフトと、前記ロータ部内に設置され前記シリンダの内周面の中心周りに回転するように保持されたベーンとにより、圧縮室を形成して吸入した流体を圧縮するベーン型圧縮機において、
   前記シリンダの内周面が、前記ロータ部の偏心側に前記ロータ部の一部が入り込む凹部を有し、
   前記凹部において、前記ロータ部の外周面と協働して前記シリンダの内周面と前記ロータ部の外周面との間の空間を仕切るシール領域が形成されることを特徴とするベーン型圧縮機。
2. 前記シリンダの内周面の半径をｒｃ、前記ロータ部の外周面の半径をｒｂ、前記シリンダの内周面の中心と前記ロータ部の外周面の中心との偏心量をｅとしたとき、半径ｒｂ、ｒｃおよび偏心量ｅが、ｒｃ＞ｒｂであってｒｃ＜ｒｂ＋ｅの関係を満たしていることを特徴とする請求項１に記載のベーン型圧縮機。
3. 前記シール領域が、前記ロータ部の外周面と同心かつ略同一曲率の円弧形状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベーン型圧縮機。
4. 前記凹部の全領域にわたり前記シール領域が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
5. 前記凹部の一部に前記シール領域が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
6. 前記凹部に複数の前記シール領域が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のベーン型圧縮機。
7. 前記凹部が、前記シール領域と、前記シリンダの内周面と前記ロータ部の外周面との間に空隙を形成する空隙領域とを有することを特徴とする請求項６に記載のベーン型圧縮機。
8. 前記シリンダが、前記凹部の端部に隣接して設けられており、吐出ポートに接続された座ぐり部を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
9. 前記ベーンの先端部は外側に円弧形状に形成され、前記円弧形状の半径は、前記シリンダの前記内周面の半径とほぼ同等であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
10. 前記ベーンは、前記ロータ部に対して回転可能且つ移動可能に支持されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
11. 前記ロータ部には、軸方向に貫通する略円筒形状のブッシュ保持部が形成され、前記ブッシュ保持部には、一対の略半円柱形状のブッシュが挿入され、前記ベーンは前記ブッシュに挟まれて支持されることにより、前記ロータ部に対して回転可能且つ移動可能に支持されることを特徴とする請求項１０に記載のベーン型圧縮機。
12. 前記フレーム及び前記シリンダヘッドの前記シリンダ側の端面に、外周面が前記シリンダの内周面と同心となる凹部またはリング状の溝が形成され、前記外周面に沿って摺動自在に回転し、前記ベーンを支持するベーンアライナを設けたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
13. 前記ベーンアライナは、前記ベーンの先端部と前記シリンダの前記内周面との間に隙間を保つように前記ベーンを支持することを特徴とする請求項１２に記載のベーン型圧縮機。
14. 前記ベーンアライナは、前記ベーンと一体に取り付けられ、あるいは前記ベーンと一体で形成されたことを特徴とする請求項１３に記載のベーン型圧縮機。
15. 前記ベーンアライナは、外周部が円弧形状であることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
16. 前記ベーンアライナは、部分リング形状またはリング形状であることを特徴とする請求項１５に記載のベーン型圧縮機。

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