JP2015158144A - ローリングピストンおよびロータリー型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ローリングピストンのスラスト面に油膜が形成されやすくすること。
【解決手段】ローリングピストン４１は、筒状部材１と筒状部材１の軸方向の両端の開口部（第１開口部Ｋ１および第２開口部Ｋ２）を閉鎖する閉鎖部材（第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３）とで形成された空間（作動室５）に収容され、筒状部材１の軸方向と同一方向の軸の周りを偏心回転する円筒状の部材である。ローリングピストン４１のスラスト面４１３の外周側または内周側の縁４１４から幅Ｌの範囲に、縁４１４に近いほど閉鎖部材から離れるように傾斜した傾斜部４１５が設けられており、ローリングピストン４１の軸に垂直な方向におけるローリングピストン４１の断面の幅Ｗに対するローリングピストンの軸方向における傾斜部４１５の高低差Ｈの比が、１／１００，０００≦Ｈ／Ｗ≦５０／１０，０００であり、高低差Ｈと幅Ｌとの関係が、Ｈ＜Ｌである。
【選択図】図４

Description

本発明は、ローリングピストンおよびロータリー型流体機械に関する。

シリンダの軸方向の両端の開口部を閉鎖部材で閉鎖して形成された圧縮空間の内部でローターを運動させることによって流体の吸入・吐出を行うロータリー型流体機械が知られている。ロータリー型流体機械においては、ローターの焼き付きや摩耗を防ぐことが求められる。この課題を解決するための技術として、例えば特許文献１には、閉鎖部材の内壁面における圧縮空間に臨む領域に凹部を形成し、この凹部に合成樹脂コーティングを埋設したロータリー型圧縮機が記載されている。

特開２０１２−６２７６３号公報

特許文献１に記載された技術では、ローリングピストンのスラスト面に油膜が形成されにくいため、圧縮時の漏れ損失および消費動力が高くなるという問題があった。
そこで、本発明は、ローリングピストンのスラスト面に油膜が形成されやすくして、圧縮時の漏れ損失および消費動力を低減することのできる技術を提供する。

版発明は、筒状部材と当該筒状部材の軸方向の両端の開口部を閉鎖する閉鎖部材とで形成された空間に収容され、前記軸方向と同一方向の軸の周りを偏心回転する円筒状のローリングピストンであって、前記ローリングピストンのスラスト面の外周側または内周側の縁から幅Ｌの範囲に、前記縁に近いほど前記閉鎖部材から離れるように傾斜した傾斜部が設けられており、前記ローリングピストンの軸に垂直な方向における前記ローリングピストンの断面の幅Ｗに対する前記ローリングピストンの軸方向における前記傾斜部の高低差Ｈの比が、１／１００，０００≦Ｈ／Ｗ≦５０／１０，０００であり、前記高低差Ｈと前記幅Ｌとの関係が、Ｈ＜Ｌであるローリングピストンを提供する。
上記のローリングピストンにおいて、前記幅Ｗに対する前記高低差Ｈの比が、５／１００，０００≦Ｈ／Ｗ≦５／１０，０００であってもよい。
また、上記のローリングピストンにおいて、前記スラスト面に、前記ローリングピストンの周方向に延びる溝が設けられていてもよい。
上記のローリングピストンにおいて、前記ローリングピストンのスラスト面の外周側と内周側の両方に前記傾斜部が設けられていてもよい。
また、本発明は、筒状部材と、前記筒状部材の軸方向の両端の開口部を閉鎖する閉鎖部材と、上記のいずれかのローリングピストンとを備えたロータリー型流体機械を提供する。
上記のロータリー型流体機械において、前記閉鎖部材の前記ローリングピストンに対向する面に樹脂層が設けられ、当該樹脂層に溝が形成されていてもよい。

本発明によれば、ローリングピストンのスラスト面に油膜が形成されやすくして、圧縮時の漏れ損失および消費動力を低減することができる。

一実施形態に係るロータリー型圧縮機９を示す部分断面図である。 図１に示す矢視II−IIにおける圧縮機構６の断面図である。 図２に示す矢視III−IIIにおけるローリングピストン４１の断面図である。 図３における領域IVを拡大した図である。 ローリングピストン４１の挙動を示す図である。 ロータリー型流体機械の変形例を示す図である。 スラスト面の変形例を示す図である。 スラスト面の変形例を示す図である。

１．実施形態（ロータリー型圧縮機の構造）
以下、図において、ロータリー型圧縮機９の各構成の配置を説明するため、各構成が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表す。また、図に示す座標記号のうち、内側が白い円の中に黒い円を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表している。また、内側が白い円の中に交差する２本の線分を描いた記号は、紙面手前側から奥側に向かう矢印を表している。空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。ｙ、ｚ成分についても、上記の定義に沿ってｙ軸方向、＋ｙ方向、−ｙ方向、ｚ軸方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

図１は、本発明の一実施形態に係るロータリー型圧縮機９を示す部分断面図である。ロータリー型圧縮機９は、本発明に係るロータリー型流体機械の一例であり、例えば、自動車用、家庭用、鉄道用、または業務用の空気調和機（空調機）において冷媒ガスなどの気体の圧縮に用いられる。ロータリー型圧縮機９は、密閉ケーシング８内の上部に収納された駆動源としてのモータ７と、密閉ケーシング８内の下部に配置されるとともに上記のモータ７によって駆動されて冷媒ガスを吸入・吐出する圧縮機構６とを備えている。

図２は、図１に示す矢視II−IIにおける圧縮機構６の断面図である。圧縮機構６は、いわゆるローリングピストン方式による圧縮機構である。圧縮機構６は、図１における上下方向（ｚ軸方向）に軸を有する円筒状の部材（以下、筒状部材１という）と、この筒状部材１の下方側の端面および開口部（以下、第１開口部Ｋ１という）を閉鎖する第１閉鎖部材２と、筒状部材１の上方側の端面および開口部（以下、第２開口部Ｋ２という）を閉鎖する第２閉鎖部材３と、作動部４とを有する。筒状部材１は、いわゆるシリンダである。作動室５は、筒状部材１をその軸方向の両側から（すなわち、図１における上下から）第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３によって挟み、筒状部材１の円周方向の複数箇所を複数のボルト８１で締結することによって筒状部材１の内部に形成される。

作動部４は、駆動軸４０、ローリングピストン４１およびベーン４２を有する。ローリングピストン４１は、筒状部材１と筒状部材１の軸方向の両端の開口部（第１開口部Ｋ１および第２開口部Ｋ２）を閉鎖する閉鎖部材（第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３）とで形成された空間（作動室５）に収容され、筒状部材１の軸方向と同一方向の軸の周りを偏心回転する円筒状の部材である。ローリングピストン４１の内周側には、第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３にそれぞれ設けられた孔を通って作動室５の外部へ通じる駆動軸４０が貫通している。駆動軸４０は、モータ７に連結されており、モータ７の駆動力によって駆動軸４０がＤ２方向に回転する。駆動軸４０には駆動軸４０自身と異なる軸を中心とする円柱状の偏心部（図示略）が設けられており、この偏心部がローリングピストン４１の内周側にはめ込まれている。そのため、駆動軸４０が回転すると、これに伴ってローリングピストン４１は、筒状部材１の内周面に沿って偏心回転する。密閉ケーシング８内の下部には潤滑油８０が貯溜されており、ローリングピストン４１が回転される際には、駆動軸４０の下端部内に形成された図示しない油通路を介してローリングピストン４１の内周面と外周面とに潤滑油８０が供給される。

ベーン４２は、筒状部材１の内周面から延びてローリングピストン４１の外周面に接する板状の部材（板状部材）である。ベーン４２は、バネ４３により筒状部材１の内周面から突出して駆動軸４０に向かう力を受けており、この力によりベーン４２の先端Ｑはローリングピストン４１の外周面を押している。そして、作動室５は、ベーン４２によって仕切られる。

吸入口１３は、筒状部材１の内周面に設けられた開口部であり、外部から作動室５へ冷媒ガスを吸入させる。作動部４が図２に示す矢印Ｄ２に沿って時計回りに回転すると、ローリングピストン４１の外周面によって仕切られた作動室５の空間は、筒状部材１の内周面に沿って時計回りに移動する。吐出口１４は、作動室５の内圧が決められた吐出圧未満のとき、吐出弁１５によって閉塞されている。作動室５の内圧が吐出圧以上になったときに、吐出口１４から冷媒ガスが吐出する。

ローリングピストン４１は、鋳鉄で形成されてもよいし、アルミニウム、ステンレス鋼など各種の材料に対して、焼結、鍛造、切削、プレス、溶接などの各種の加工処理を施すことで形成されてもよい。また、ローリングピストン４１はセラミック製であってもよく、樹脂製であってもよい。

図３は、図２に示す矢視III−IIIにおけるローリングピストン４１の断面図である。図４は、図３における領域IVを拡大した図である。なお、図３および図４は、ローリングピストン４１の断面形状を理解しやすくするために、領域IVの縦横比やローリングピストン４１の全体に対する領域IVの大きさの比が実際のものとは異なっている。また、図４は、ローリングピストン４１の断面の左上隅角部を示しているが、他の隅角部も、上下左右が反転する以外、同様の形状に形成されている。

ローリングピストン４１の断面は、外周面４１１と内周面４１２とスラスト面４１３とで囲まれた略矩形の形状をなす。スラスト面４１３は、第１閉鎖部材２または第２閉鎖部材３に対向する面である。スラスト面４１３は、中高（なかだか）に形成されている。具体的には、スラスト面４１３の縁４１４から幅Ｌの範囲には、縁４１４に近いほど第１閉鎖部材２または第２閉鎖部材３から離れるように傾斜した傾斜部４１５が設けられている。ここで、スラスト面４１３の縁４１４とは、スラスト面４１３と外周面４１１または内周面４１２との境界である。この構成により、傾斜部４１５と第１閉鎖部材２または第２閉鎖部材３との間にはくさび形の空間が形成される。以下、スラスト面４１３のうち傾斜部４１５以外の部分を頂部４１６と呼ぶ。

ローリングピストン４１の軸に垂直な方向（ｚ軸に垂直な方向）におけるローリングピストン４１の断面の幅Ｗが１０ｍｍの場合、ローリングピストン４１の軸方向（ｚ軸方向）における傾斜部４１５の高低差Ｈは、例えば、０．１μｍ以上５０μｍ以下である。すなわち、幅Ｗに対する高低差Ｈの比は、次式で表される。
１／１００，０００≦Ｈ／Ｗ≦５０／１０，０００ 式（１）
なお、高低差Ｈと幅Ｌの関係は、Ｈ＜Ｌである。

図５は、ローリングピストン４１の挙動を示す図である。駆動軸４０が矢印Ｄ２の方向（時計回り）に回転すると、ローリングピストン４１は、反時計回りに自転しながら、筒状部材１の内周面に沿って時計回りに移動する。ローリングピストン４１が図示した位置に位置する瞬間において、ローリングピストン４１のスラスト面４１３のうち実線Vおよび実線VIで示した部分では、スラスト面４１３の傾斜部４１５と第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３との間に形成されたくさび形の空間から、スラスト面４１３の頂部４１６と第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３との間に向かって、くさび効果（くさび膜効果ともいう。）により潤滑油８０が引き込まれる。ローリングピストン４１の回転に伴って、くさび効果が発生する部位はスラスト面４１３上を時計回りに移動していく。よって、本実施形態によれば、ローリングピストン４１のスラスト面４１３に油膜が形成されやすくなる。その結果、スラスト面４１３と第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３との接触部分の気密性および潤滑性が向上する。

２．変形例
上記実施形態を以下のように変形してもよい。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
２−１．適用例
上述した実施形態において、ロータリー型圧縮機９が適用される装置として、自動車用、家庭用、鉄道用、または業務用の空気調和機を挙げたが、冷凍機、冷蔵装置などに適用されてもよいし、水温調節、恒温槽、恒湿槽、塗装設備、粉体輸送装置、食品加工装置、空気分離装置など各種装置に用いられてもよい。また、上述した実施形態において、本発明に係るロータリー型流体機械の一例としてロータリー型圧縮機９を挙げたが、これ以外にも、気体を扱うロータリー型送風機や、液体を扱うロータリー型ポンプなどが本発明に係るロータリー型流体機械として挙げられる。

２−２．変形例１
図６は、ロータリー型流体機械の変形例を示す図である。筒状部材１ｂの内周面には、揺動ブッシュ４５ｂが設けられている。作動部４ｂは、駆動軸４０ｂ、およびローリングピストン４１ｂを有する。ローリングピストン４１ｂは、いわゆるスイングピストンであって、板状の部材（以下、「板状部材４１２ｂ」という）と円筒状の部材（以下、「円筒状部材４１１ｂ」という）とを有し、板状部材４１２ｂは揺動ブッシュ４５ｂに挟まれて気密性を保持されている。つまり、板状部材４１２ｂは、円筒状部材４１１ｂと一体に設けられ、円筒状部材４１１ｂの外周面から筒状部材１ｂの内周面に向かって延び、その内周面に設けられた揺動ブッシュ４５ｂに挟まれる。ローリングピストン４１ｂと筒状部材１ｂの内周面との間には作動室５ｂがあり、この作動室５ｂは板状部材４１２ｂによって仕切られる。

駆動軸４０ｂは偏心部を有し、この偏心部がローリングピストン４１ｂの円筒状部材４１１ｂの内周面に嵌め込まれているため、駆動軸４０ｂが回転すると、ローリングピストン４１ｂが揺動するとともに筒状部材１ｂの内周面に沿って回転する。これにより、板状部材４１２ｂおよび円筒状部材４１１ｂによって作動室５ｂが仕切られる位置が移動し、仕切られた各室のそれぞれを満たす流体は、吸入口１３ｂから吐出口１４ｂへと移動し、作動室５ｂの内圧が上昇して吐出圧を越えたときに吐出弁１５ｂに抗って吐出口１４ｂから吐出する。この構成においても、上記実施形態と同様に、円筒状部材４１１ｂのスラスト面を中高に形成することにより、円筒状部材４１１ｂのスラスト面に油膜が形成されやすくなる。

なお、図６において筒状部材１ｂは全体を図示せず、その部分（内周面、吸入口１３ｂ、吐出口１４ｂ、吐出弁１５ｂ）を図示している。また、揺動ブッシュ４５ｂが保持する板状部材４１２ｂにおいても気密性を確保するために、揺動ブッシュ４５ｂと板状部材４１２ｂが存在する範囲に凹部を設け、樹脂層を形成すればさらに好ましい。また、筒状部材１ｂの形状は円筒形状であったが、円筒状に限られず、筒状であれば例えば断面が楕円であってもよい。

２−３．変形例２
図７は、スラスト面の変形例を示す図である。本変形例においても、スラスト面４１３は、中高（なかだか）に形成されている。具体的には、スラスト面４１３の縁４１４から幅Ｌの範囲には、第１閉鎖部材２または第２閉鎖部材３から離れる方向の段差を有する階段部４１７が設けられている。なお、同図は、スラスト面４１３の断面形状を理解しやすくするために、縦横比が実際のものとは異なっている。また、同図は、ローリングピストン４１の断面の左上隅角部を示しているが、他の隅角部も、上下左右が反転する以外、同様の形状に形成されている。

ローリングピストン４１の軸に垂直な方向（ｚ軸に垂直な方向）におけるローリングピストン４１の断面の幅Ｗが１０ｍｍの場合、ローリングピストン４１の軸方向（ｚ軸方向）における階段部４１７の高低差Ｈは、例えば、０．１μｍ以上５０μｍ以下である。すなわち、幅Ｗに対する高低差Ｈの比は、上記実施形態で示された式（１）で表される。なお、高低差Ｈと幅Ｌの関係は、Ｈ＜Ｌである。この構成においても、上記実施形態と同様に、くさび効果により、スラスト面４１３の頂部４１８と第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３との間に潤滑油８０が引き込まれるから、ローリングピストン４１のスラスト面４１３に油膜が形成されやすくなる。

２−４．変形例３
図８は、スラスト面の変形例を示す図である。なお、同図は、ローリングピストン４１の断面形状を理解しやすくするために、縦横比やローリングピストン４１の全体に対する溝４１９の大きさの比が実際のものとは異なっている。本変形例においては、ローリングピストン４１の周方向に延びる溝４１９がスラスト面４１３に形成されている。溝４１９の幅は、例えば１乃至２ｍｍ程度であり、溝４１９の深さは、例えば１ｍｍ程度である。この構成によれば、スラスト面４１３と第１閉鎖部材２または第２閉鎖部材３との間に異物が侵入した場合にこの異物が溝４１８の中に取り込まれるから。スラスト面４１３と第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３との接触部分の気密性が向上する。また、溝４１７は、潤滑油８０を貯留する機能も有するから、スラスト面４１３と第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３との接触部分の潤滑性が向上する。

２−５．変形例４
ローリングピストン４１の断面の幅Ｗに対する傾斜部４１５の高低差Ｈの比は、次式で表される範囲内であることが望ましい。
５／１００，０００≦Ｈ／Ｗ≦５／１０，０００ 式（２）

２−６．変形例５
上記実施形態では、ローリングピストン４１の外周側と内周側の両方に傾斜部４１５が設けられている例を示したが、傾斜部４１５はローリングピストン４１の外周側と内周側のいずれか一方に設けられていてもよい。

２−７．変形例６
第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３のローリングピストン４１に対向する面に樹脂層を設け、この樹脂層に同心円状、渦巻状などの溝を形成するようにしてもよい。

２−８．変形例７
第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３の作動室５側の面には、樹脂層が形成されていてもよい。それにより、圧縮時の漏れ損失および消費動力をより低減することができる。樹脂層の材料は、例えば、バインダー樹脂に、固体潤滑剤を加えたものが用いられる。また、樹脂層の材料には、さらにアルミナ等の硬質物を添加してもよい。樹脂層は、例えば、ポリアミドイミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、これら樹脂のジイソシアネート変性、ＢＰＤＡ変性、スルホン変性樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、エラストマーのいずれか１種以上を上述したバインダー樹脂として含有する。また、樹脂層は、例えば、グラファイト、カーボン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン、窒化ホウ素、二硫化タングステン、フッ素系樹脂、軟質金属（例えばＳｎ、Ｂｉなど）のいずれか１種以上を上述した固体潤滑剤として含有する。

１…筒状部材、１３…吸入口、１４…吐出口、１５…吐出弁、２…第１閉鎖部材、３…第２閉鎖部材、４…作動部、４０…駆動軸、４１…ローリングピストン、４１１…外周面、４１２…内周面、４１３…スラスト面、４１４…縁、４１５…傾斜部、４１６…頂部、４１７…階段部、４１８…頂部、４１９…溝、４２…ベーン、４４…ベーン溝、５…作動室（空間）、６…圧縮機構、７…モータ、８０…潤滑油、８１…ボルト、９…ロータリー型圧縮機

Claims (6)

1. 筒状部材と当該筒状部材の軸方向の両端の開口部を閉鎖する閉鎖部材とで形成された空間に収容され、前記軸方向と同一方向の軸の周りを偏心回転する円筒状のローリングピストンであって、
   前記ローリングピストンのスラスト面の外周側または内周側の縁から幅Ｌの範囲に、前記縁に近いほど前記閉鎖部材から離れるように傾斜した傾斜部が設けられており、
   前記ローリングピストンの軸に垂直な方向における前記ローリングピストンの断面の幅Ｗに対する前記ローリングピストンの軸方向における前記傾斜部の高低差Ｈの比が、
   １／１００，０００≦Ｈ／Ｗ≦５０／１０，０００
   であり、
   前記高低差Ｈと前記幅Ｌとの関係が、Ｈ＜Ｌである
   ローリングピストン。
2. 前記幅Ｗに対する前記高低差Ｈの比が、
   ５／１００，０００≦Ｈ／Ｗ≦５／１０，０００
   である
   請求項１に記載のローリングピストン。
3. 前記スラスト面に、前記ローリングピストンの周方向に延びる溝が設けられている
   請求項１または２に記載のローリングピストン。
4. 前記ローリングピストンのスラスト面の外周側と内周側の両方に前記傾斜部が設けられている
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載のローリングピストン。
5. 筒状部材と、
   前記筒状部材の軸方向の両端の開口部を閉鎖する閉鎖部材と、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載のローリングピストンと
   を備えたロータリー型流体機械。
6. 前記閉鎖部材の前記ローリングピストンに対向する面に樹脂層が設けられ、当該樹脂層に溝が形成されている
   請求項５に記載のロータリー型流体機械。

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