JP2016020657A - ロータリ式圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入経路の長さを調整することなく、所定の回転数で高い体積効率を得られるロータリ式圧縮機を提供すること。
【解決手段】アキュームレータ１３内に作動冷媒が一時貯留される空間１と、空間２と、空間１と空間２を連結する連結経路１７を備え、空間１の容積をＶ１［ｍ^３］、空間２の容積をＶ２［ｍ^３］とし、連結経路の全長をｌ［ｍ］、断面積をＡ［ｍ^２］とし、吸入ガスの音速をｃ［ｍ／ｓ］とし、所定の回転数をｆ０［Ｈｚ］としたとき、ｆ０＝ｃ／（２＊π）＊√（（Ａ／ｌ）＊（ｌ／Ｖ１＋１／Ｖ２)）の関係を成立させることにより、アキュームレータ内で過給効果を発生させ、所定の回転数で高い圧縮機効率を得ることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調機、冷凍機、ブロワ、給湯機等に使用されるロータリ式圧縮機に関するものである。

近年、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置において、暖房性能充実の訴求などから高能力化のニーズが高まっている。蒸気圧縮式冷凍サイクル装置の能力向上手段として高い体積効率を発揮する圧縮機が求められており、この蒸気圧縮式冷凍サイクル装置には、ロータリ式圧縮機などの容積式圧縮機が使用される。圧縮機は冷凍サイクル回路から吸入経路を通じて、アキュームレータ空間からシリンダ室空間に作動冷媒が供給され、シリンダ室で作動冷媒を圧縮し、再び冷凍サイクル回路に供給する。

圧縮機の体積効率を高める技術として、シリンダ室の容積の変化に伴って発生した作動冷媒の圧力脈動を共鳴させ、これにより、過給効果を得る技術（いわゆる共鳴過給技術）が研究されている。この技術では、シリンダ室空間で発生する圧力脈動によって発生する圧力波と、アキュームレータの内管入口が開放端となってアキュームレータ空間側から反射する圧力波が所定の回転数で運転したときに吸入経路内で共鳴するように、吸入経路の長さを調節する。

例えば、特許文献１には、圧縮機の最高回転数で共鳴が起こるように、吸入経路の長さを調節した過給式ロータリ式圧縮機が記載されている。シリンダ室空間とアキュームレータ空間とを接続する吸入経路の長さを調整するためには特許文献１に示されているようにアキュームレータの設置位置を変更する構成が取られる。

特開２０１１−２７０４３号公報

前述のように、ロータリ式圧縮機の体積効率を高める従来の技術として、アキュームレータの内管入口が開放端となって圧力波が反射することを利用し、特定の回転数で圧力波を共鳴させ、作動冷媒を過給する手法が用いられている。この手法を用いることで、ある特定の回転数ｆ［Ｈｚ］付近で体積効率を高めることができ、共鳴がおきる吸入経路長さＬ［ｍ］は以下の基本式で表される。Ｌ＝Ｖｓ／（Ｃ×ｆ）但し、Ｖｓは吸入冷媒の音速［ｍ／ｓ］で、Ｃは圧縮機の仕様等によって決まる定数である。

しかしながら従来の発明にも示されているように、吸入経路の長さには設計上の制限があり、モータの仕様、信頼性確保の観点から設定される圧縮機の運転可能範囲の回転数で過給効果によって体積効率を向上させるためには、図２に示すように吸入経路の長さを大幅に延長する必要がある。アキュームレータはシリンダ室に液冷媒が流入するのを防止するために設けられており、アキュームレータ空間の容積は一般的に冷凍サイクル装置の冷媒量などの仕様によって決定される。

しかしながら、延長した吸入管をアキュームレータ内に収めるためにはアキュームレータ空間を過度に大きくする必要が生じる。過度に大きなアキュームレータを設けると圧縮機の設置性の低下、部品コスト上昇、アキュームレータ部での受熱による性能低下など様
々な課題が発生する。このため、特許文献１には、吸入経路を圧縮機シェル外周面に沿って湾曲させるなどによってアキュームレータを大きくせずに、吸入経路延長を実現することの提案がなされている。

このような従来技術においては吸入経路の湾曲部によって圧縮機の投影面積が拡大するため、圧縮機を収納する室外機が大きくなってしまうという課題が発生する。この対策としては、アキュームレータ内に延長した吸入経路を収納するようにコイル状に構成することが提案されている。このようにコイル状に構成すると吸入経路で冷媒の流れが阻害され、吸入冷媒の圧力低下が発生する。つまり吸入経路で圧力損失が増加し圧縮機の性能低下が生じてしまう。

前記従来の課題を解決するために、本発明のロータリ式圧縮機は、作動冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部に吸入される作動冷媒を貯留するアキュームレータと、アキュームレータ内に形成されるアキュームレータ空間と、アキュームレータ空間に作動冷媒を導入する導入経路と、アキュームレータ空間の作動冷媒を圧縮機構部へ導入する吸入経路と、アキュームレータ空間を仕切る仕切板と、アキュームレータ空間を仕切板によって仕切り形成され導入経路と連通する空間１と、アキュームレータ空間を仕切板によって仕切り形成され吸入経路と連通する空間２と、空間１と空間２を連結する連結経路を備え、空間１の容積をＶ１［ｍ^３］、空間２の容積をＶ２［ｍ^３］とし、連結経路の全長をｌ［ｍ］、断面積をＡ［ｍ^２］とし、吸入ガスの音速をｃ［ｍ／ｓ］とし、所定の回転数をｆ０［Ｈｚ］としたとき、ｆ０＝ｃ／（２＊π）＊√（（Ａ／ｌ)＊（１／Ｖ１＋ｌ／Ｖ２）
）の関係が成立するように構成したものである。本構成にすることにより、圧力損失増加による性能低下を防止し、過給効果による能力向上を実現することができる。

本発明のロータリ式圧縮機は、アキュームレータ内を所定の関係式に基づいて構成することで、吸入経路の長さの変更を行わずに過給効果を得ることができるので、所定の回転数域で体積効率を向上させることができる。このため、吸入経路での圧力損失増加による性能低下を招くことなく、過給効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるロータリ式圧縮機の縦断面図 従来の特許文献１のロータリ式圧縮機における平面図 圧縮機の回転数と体積効率との関係を示すグラフ

第１の発明は、作動冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部に吸入される作動冷媒を貯留するアキュームレータとを備えたロータリ圧縮機であって、アキュームレータ内に形成されるアキュームレータ空間と、アキュームレータ空間に作動冷媒を導入する導入経路と、アキュームレータ空間の作動冷媒を圧縮機構部へ導入する吸入経路と、アキュームレータ空間を仕切る仕切板と、アキュームレータ空間を仕切板によって仕切り形成され導入経路と連通する空間１と、アキュームレータ空間を仕切板によって仕切り形成され吸入経路と連通する空間２と、空間１と空間２を連結する連結経路を備え、空間１の容積をＶ１［ｍ^３］、空間２の容積をＶ２［ｍ^３］とし、連結経路の全長をｌ［ｍ］、断面積をＡ［ｍ^２］とし、吸入ガスの音速をｃ［ｍ／ｓ］とし、所定の回転数をｆ０［Ｈｚ］としたとき、ｆ０＝ｃ／（２＊π）＊√（（Ａ／ｌ）＊（ｌ／Ｖ１＋１／Ｖ２)）の関係が成立す
るものである。アキュームレータ内の空間容積と連結経路を上式の関係を満たす構成とすることで、所定の回転数域で過給効果を得ることができるので、性能低下することなく体積効率を向上させることが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明のロータリ式圧縮機において、仕切板が、単一部材によって形成されている。アキュームレータ空間を一枚の仕切板で分割することで空間１と空間２を形成するため、部品数を低減できる。またアキュームレータ空間において空間１と空間２の以外の空間を設けないため、空間１と空間２の設計自由度が高くなる。このため過給効果を得る回転数域の設定の自由度も向上させることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明のロータリ式圧縮機において、吸入経路は、アキュームレータ内において空間２の領域のみに収納されるように形成されている。圧縮機シェル部は圧縮機構部によって圧縮された吐出冷媒が満たされることによって高温となるため、圧縮機シェルと連結し、作動冷媒を圧縮機構部に導入する吸入経路を通じて空間２内の作動冷媒は温度が上昇する。本発明では吸入経路の設置は空間２内に限定されているため、吸入経路が空間１などを通過する構成に比べ、他の空間への伝熱が抑制できる。このため、吸入冷媒の温度上昇を最小限に抑制し、作動冷媒の密度低下による能力の低下を抑制することができる。

第４の発明は、特に、第１から第３の発明のロータリ式圧縮機において、仕切板は、ロータリ式圧縮機の軸方向にアキュームレータ空間を仕切ることである。空間１と空間２を圧縮機構部に対して、軸方向に空間を設けるので、連通路の位置を軸方向上方に設置できる。このことから冷凍サイクル装置内で発生したスラッジなどがアキュームレータに戻り、アキュームレータ内に貯留されたスラッジが連通経路を通じて圧縮機構部へ流れ込みにくくなる。スラッジが圧縮機構部の微小隙間に導入され、噛み込むが生じると、動作不良などが発生する恐れが高まる。これを防止することにより、信頼性が更に確保された圧縮機を提供することが可能となる。

第５の発明は、特に、第４の発明のロータリ式圧縮機において、空間１は、空間２に対して圧縮機構部から周方向外側に離れて位置していることである。この構成によって空間２と圧縮機構部を連結する吸入経路をより短くすることがでる。このことからアキュームレータ空間で共鳴により増幅させた圧力波が吸入経路を通過することで起きる減衰を抑制することが可能となる。また空間１を高温となる圧縮機シェルから離れて設置することで、圧縮機シェルからの放熱による吸入冷媒の温度上昇を低減させることができるので、作動冷媒の密度低下による能力の低下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本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態１におけるロータリ式圧縮機の縦断面図である。

図１において、圧縮機シェル１内に電動要素２と圧縮機構部４が収納されている。電動要素２の鉛直方向のクランク軸３で圧縮機構部４が駆動されるようになっている。この圧縮機構部４はシリンダ５とローリングピストン６、ベーンを上軸受７と下軸受８で挟み込むことでシリンダ室９を形成して圧縮動作を行うように構成されている。

シリンダ５内には、クランク軸３と一体的に構成されたクランク軸偏心部１０が収納されており、このクランク軸偏心部１０にローリングピストン６が回転自在に装着されている。シリンダ５には、図示されていないベーンがローリングピストン６に当接して設けられ、圧縮室と吸入室１１とを仕切っている。シリンダ５には、吸入室１１と連通する吸入口１２が設けられている。

吸入口１２にはアキュームレータ１３が接続されている。

アキュームレータ１３は、円筒状のケース１４の上部を貫通する形で導入経路１５が接続されており、吸入口１２に直結する吸入経路１８がケース１４の底部を貫通するように接続されている。アキュームレータ１３内部には空間を形成する仕切板１６と、空間を連通させる連結経路１７で構成されている。

導入経路１５は仕切板 １６とケース１４によって形成された空間１と連通している。
また、空間１と隣接するように仕切板１６とケース１４によって吸入経路１８と連通する空間２が形成されている。この空間１と空間２を連通する連結経路１７が設けられている。

電動要素２が付勢され、クランク軸３が回転すると、クランク軸偏心部１０がシリンダ５内において偏心回転し、ローリングピストン６が図示しないベーンに当接しながら回転運動し、作動冷媒の吸入、圧縮が繰り返される。圧縮機構部４にはアキュームレータ１３の上端の導入経路１５から吸入された低圧冷媒が、アキュームレータ１３内の空間１、連結経路１７、空間２を通過し、吸入経路１８と吸入口１２を通って吸入室１１へと吸入される。
アキュームレータ１３の内部詳細は以下に示すよう構成されている。

空間１の容積をＶ１［ｍ^３］、空間２の容積をＶ２［ｍ^３］、連結経路１７の全長をｌ［ｍ］、断面積をＡ［ｍ^２］、吸入ガスの音速をｃ［ｍ／ｓ］とし、所定の回転数をｆ０［Ｈｚ］としたとき、以下の式の関係が成立している。
ｆ０＝ｃ／（２＊π）＊√（（Ａ／ｌ）＊（ｌ／Ｖ１＋１／Ｖ２)）・・・（１）
以上のように構成されたロータリ式圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

ロータリ式圧縮機において、シリンダ室９の容積の変化に伴って圧力脈動が発生する。圧力脈動によって生じた圧力波は、吸入経路１８を通じ、空間２へ伝播する。空間２へ伝播した圧力波は連結経路１７内を伝播するとともに、空間１で反射して空間２に戻る。所定の回転数ｆ０で作動冷媒の圧力脈動と連通路を伝播する圧力波との振幅が重なり合うとアキュームレータ１３内で共鳴を起こす。共鳴により増幅された圧力波が吸入室１１に閉じ込められ、これにより、体積効率が増大する、すなわち過給効果が得られる。

図３に示すように、従来のあるロータリ式圧縮機（例えば、作動冷媒がＲ３２、能力が４ｋｗ程度の冷凍サイクル装置に使用されるロータリ式圧縮機）に用いられるアキュームレータ１３内に収まる吸入経路１８の長さでは、過給効果を得る回転数が、ロータリ式圧縮機の可能運転範囲を超えてしまう。具体的には、ロータリ式圧縮機の運転可能範囲の最大回転数で過給効果を得るためには過給効果が得られる所定の回転数ｆを約０．８倍まで下げる必要があった。従来の過給効果を得るための技術ではｆ＝Ｖｓ／（Ｃ×Ｌ）の関係を適用するため、所定の回転数を下げるためにはＶｓ、Ｃは運転条件による定数となるため、Ｌを大きくする必要がある。つまり、ロータリ式圧縮機の運転可能範囲の最大回転数で過給効果を得るためには吸入経路長さＬを従来の長さの約１．３倍長くする必要がある。これらのことは実験による確認においても実証されている。

一方、本発明に用いる関係式によれば、ｆ０＝ｃ／（２＊π）＊√（（Ａ／ｌ）＊（ｌ／Ｖ１＋１／Ｖ２)）の関係を用いるため、過給効果を得る所定の回転数ｆを約０．８倍
まで下げるためには、連結経路１７の断面積Ａに対し連結経路１７の全長Ｌを約１．１倍とすれば、空間１と空間２を変更しなくとも可能となる。この構成を得るには従来のロータリ式圧縮機の外形を変化させることなく、かつ、従来のアキュームレータ内で十分に構成することができるのは明白である。

また、従来のアキュームレータ内で構成できる空間１と空間２の容積Ｖ１、Ｖ２で圧縮機の運転可能範囲で過給効果が得られることも確認されている。このことから、圧縮機投影面積の拡大による設置性の低下や室外機のレイアウト変更、吸入経路１８での圧力損失増加による性能低下を招くことなく効果を得られる。

本実施形態のロータリ式圧縮機は、アキュームレータ１３内部に形成する空間１と空間２を単一の仕切板１６によって構成している。このような構成をとることによって、部品数を低減でき、コストダウンにつながるとともに仕切板１６をアキュームレータ１３内に取り付ける工数も削減できる。また空間１、空間２以外の空間をアキュームレータ１３内の設ける必要がなく、アキュームレータ１３の外形を拡大することなく、アキュームレータ１３の内容積を有効に活用することが可能となる。

本実施形態のロータリ式圧縮機は、吸入経路１８はアキュームレータ１３内において、空間２に収納されるように構成されている。

高圧シェル型ロータリ式圧縮機ではアキュームレータ１３を除いた運転中の圧縮機の温度は、圧縮機シェル１内が圧縮機構部４によって圧縮され温度が上昇した吐出冷媒で満たされているため高温となる。そのため、低温の吸入冷媒は圧縮機構部４へ連結された吸入経路１８を通じて熱が伝わり、温度が上昇する。吸入冷媒の温度が上昇すると、圧縮機構部４に吸い込まれる作動冷媒の密度が低下し冷凍能力が低下する。導入経路１５から流れ込む低温の吸入冷媒が貯留される空間１を吸入経路１８が通過すると、吸入経路１８から吸入冷媒への伝熱量が増加する。しかし、本実施形態によると、アキュームレータ１３内の吸入経路１８は空間２で限定されているため、アキュームレータ１３内で他の空間に貯留されている吸入冷媒への伝熱が抑制される。このことから吸入冷媒の温度上昇による能力低下を抑制することができる。

また、本実施形態のロータリ式圧縮機は空間２を空間１よりロータリ式圧縮機の径方向に対し圧縮機構部４側に配置されている。このことにより吸入経路１８の長さをより短く構成することができる。吸入経路１８が長くなると設置性が悪化するだけでなく、過給効果によって増幅した圧力波が吸入経路１８を通過していく過程において減衰を起こし、過給効果が低下する。本実施形態のように吸入経路１８を短く構成するようにすれば過給効果を低下させることなく利用することができる。また高温の圧縮機シェルから低温である空間１を可能なかぎり離れて設置することで、空間１の温度上昇を低減できる。すなわち、冷凍能力の低下を更に抑制できる。

以上のように、本発明にかかるロータリ式圧縮機は、アキュームレータ空間で圧力波を共鳴させることで過給効果を得て、吸入経路を長くすることなく所定の回転数で高い体積効率を実現することができるので、圧縮機設置のレイアウト変更などを招くことなく構成することが可能であり、圧縮機を使用する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適用できる。

１ 圧縮機シェル
２ 電動要素
３ クランク軸
４ 圧縮機構部
５ シリンダ
６ ローリングピストン
７ 上軸受
８ 下軸受
９ シリンダ室
１０ クランク軸偏心部
１１ 吸入室
１２ 吸入口
１３ アキュームレータ
１４ ケース
１５ 導入経路
１６ 仕切板
１７ 連結経路
１８ 吸入経路

Claims (5)

1. 作動冷媒を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部に吸入される前記作動冷媒を貯留するアキュームレータと、前記アキュームレータ内に形成されるアキュームレータ空間と、前記アキュームレータ空間に前記作動冷媒を導入する導入経路と、前記アキュームレータ空間の前記作動冷媒を前記圧縮機構部へ導入する吸入経路と、前記アキュームレータ空間を仕切る仕切板と、前記アキュームレータ空間を前記仕切板によって仕切り形成され前記導入経路と連通する空間１と、前記アキュームレータ空間を前記仕切板によって仕切り形成され前記吸入経路と連通する空間２と、前記空間１と前記空間２を連結する連結経路を備え、前記空間１の容積をＶ１［ｍ^３］、前記空間２の容積をＶ２［ｍ^３］とし、前記連結経路の全長をｌ［ｍ］、断面積をＡ［ｍ^２］とし、吸入ガスの音速をｃ［ｍ／ｓ］とし、所定の回転数をｆ０［Ｈｚ］としたとき、
   ｆ０＝ｃ／（２＊π）＊√（（Ａ／ｌ）＊（ｌ／Ｖ１＋１／Ｖ２)）の関係が成立するロ
   ータリ式圧縮機。
2. 前記仕切板が、単一部材によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載のロータリ式圧縮機。
3. 前記吸入経路は、前記アキュームレータ内において前記空間２の領域のみに収納されるように形成されたことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のロータリ式圧縮機。
4. 前記仕切板は、前記ロータリ式圧縮機の軸方向に前記アキュームレータ空間を仕切る請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータリ式圧縮機。
5. 前記空間１は、前記空間２に対して前記圧縮機構部から周方向に離れて位置していることを特徴とする請求項４に記載のロータリ式圧縮機。

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