JP2017227197A - 圧縮機及び潤滑油の分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気体冷媒から潤滑油を分離する遠心分離器を備えた圧縮機において、遠心分離器による潤滑油の分離能力を向上させる。
【解決手段】圧縮機は、気体冷媒を圧縮する圧縮機構と、圧縮機構から吐出される気体冷媒から潤滑油を分離する遠心分離器と、遠心分離器に気体冷媒を導入する導入ポート５８０に設けられた整流機構と、を有する。整流機構としては、例えば、導入ポート５８０の内周面において軸方向に延びる、複数の凸部５８０Ａとすることができる。そして、複数の凸部５８０Ａをガイドとして、遠心分離器へと導入される気体冷媒を整流し、遠心分離器で気体冷媒から潤滑油を分離する。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮機及び潤滑油の分離方法に関する。

冷蔵庫、冷凍庫及びエアコンディショナなどで利用される冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器によって実現される。圧縮機においては、圧縮機構によって圧縮された気体の冷媒（気体冷媒）に潤滑油のミストが混入し、これが下流の凝縮器などに導入されてしまうおそれがある。このため、特開２００６−３４８７６０号公報（特許文献１）に記載されるように、圧縮機構から吐出された気体冷媒から潤滑油を分離する、遠心分離器が使用されている。

特開２００６−３４８７６０号公報

しかしながら、気体冷媒を遠心分離器に導入する導入通路において、多方向から気体冷媒が導入通路へと流れ込むため、乱流が発生して気体冷媒の流速が低下してしまう。気体冷媒の流速が低下すると、遠心分離器において潤滑油のミストに作用する遠心力が小さくなり、潤滑油の分離能力が低下してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、遠心分離器による潤滑油の分離能力を向上させた、圧縮機及び潤滑油の分離方法を提供することを目的とする。

このため、圧縮機は、作動流体を圧縮する圧縮機構と、圧縮機構から吐出される作動流体から潤滑油を分離する遠心分離器と、遠心分離器に作動流体を導入する導入通路に設けられ、作動流体を整流する整流機構と、を有する。

また、潤滑油の分離方法は、圧縮機から吐出される作動流体を遠心分離器へと導入する導入通路に設けられた整流機構によって、遠心分離器へと導入される作動流体を整流し、遠心分離器で作動流体から潤滑油を分離する。

本発明によれば、遠心分離器に導入される作動流体が整流されるため、乱流発生による流速の低下が抑制され、遠心分離器による潤滑油の分離能力を向上させることができる。

スクロール圧縮機の一例を示す断面図である。 遠心分離器による潤滑油の分離方法の説明図である。 整流機構の第１実施例を示し、（Ａ）は導入ポートの横断面図、（Ｂ）は導入ポートの縦断面図である。 整流効果を向上させる第１の工夫の説明図である。 整流効果を向上させる第２の工夫の説明図である。 整流効果を向上させる第３の工夫の説明図である。 整流機構の第２実施例を示し、（Ａ）は導入ポートの横断面図、（Ｂ）は導入ポートの縦断面図である。 整流効果を向上させる工夫の説明図である。 整流効果を更に向上させる方法の説明図である。 整流効果を向上させる工夫の説明図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、スクロール圧縮機の一例を示す。

スクロール圧縮機１００は、密閉式のハウジング２００と、低圧の気体冷媒を圧縮する圧縮機構３００と、圧縮機構３００に駆動力を伝達する駆動力伝達機構４００と、圧縮機構３００によって圧縮された気体冷媒から潤滑油を分離する遠心分離器５００と、を有する。ここで、冷媒としては、例えば、ＨＦＣ冷媒Ｒ３２、Ｒ４１０Ａを使用することができる。また、冷媒が作動流体の一例として挙げられる。

ハウジング２００は、駆動力伝達機構４００が収容されるフロントハウジング２２０と、圧縮機構３００及び遠心分離器５００が収容されるリアハウジング２４０と、を含んで構成される。そして、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０とは、その開口側を相互に接合させた状態で、例えば、複数のボルト（図示せず）によって分離可能に一体化され、その内部に密閉空間が形成される。ここで、フロントハウジング２２０とリアハウジング２４０とのシール性を確保するため、これらの間にＯリングなどのシール部材２６０が配設されている。

フロントハウジング２２０の内部には、ボールベアリング４１０及びニードルベアリング４２０を介して、段付形状の回転軸４３０が回転自由に軸支されている。具体的には、回転軸４３０は、小径部４３０Ａ及び大径部４３０Ｂを有し、小径部４３０Ａがボールベアリング４１０を介してフロントハウジング２２０に軸支されると共に、大径部４３０Ｂがニードルベアリング４２０を介してフロントハウジング２２０に軸支される。また、回転軸４３０の小径部４３０Ａとフロントハウジング２２０との間に、オイルシール４４０が配設され、リアハウジング２４０に収容された圧縮機構３００を潤滑する潤滑油が外部へと漏出することを防止している。

回転軸４３０の大径部４３０Ｂの端面には、その中心軸から偏心した位置で立設するピン４３０Ｃを介して、略円柱形状をなす偏心ブッシュ４５０が相対回転可能に固定されている。

フロントハウジング２２０の外周には、ボールベアリング４６０及び電磁クラッチ４７０を介して、例えば、図示しない電動モータによって回転駆動されるプーリ４８０が回転自由に支持されている。従って、電磁クラッチ４７０を作動させると、その機能によってプーリ４８０と回転軸４３０とが連結されるので、電動モータによって回転軸４３０が回転し、圧縮機構３００へと回転駆動力が伝達される。一方、電磁クラッチ４７０を停止させると、プーリ４８０と回転軸４３０との連結が解除されるので、フロントハウジング２２０に対してプーリ４８０が遊転し、圧縮機構３００への駆動力伝達が遮断される。

リアハウジング２４０の最奥部には、固定スクロール３１０が固定されている。固定スクロール３１０は、略円板形状をなす端板３１０Ａと、端板３１０Ａの一端面からフロントハウジング２２０に向かって延びる、インボリュート曲線で構成されたラップ（渦巻き状の羽根）３１０Ｂと、が一体化された部材である。また、端板３１０Ａの他端面は、その一部が切欠き形成されており、これとリアハウジング２４０の内面との間に、所定容積を有する吐出室３２０が形成されている。そして、端板３１０Ａの中心には、圧縮機構３００によって圧縮された気体冷媒を吐出室３２０へと吐出する、吐出ポート３１０Ｃが形成されている。さらに、端板３１０Ａの他端面には、吐出ポート３１０Ｃから吐出室３２０へと向かう方向にのみ開弁する、リードバルブ３３０が取り付けられている。

リアハウジング２４０の内部には、固定スクロール３１０と協働して気体冷媒を圧縮する旋回スクロール３４０が旋回可能に配設されている。旋回スクロール３４０は、略円板形状をなす端板３４０Ａと、端板３４０Ａの一端面から固定スクロール３１０に向かって延びる、インボリュート曲線で構成されたラップ３４０Ｂと、が一体化された部材である。ここで、旋回スクロール３４０のラップ３４０Ｂは、これが旋回しても、固定スクロール３１０のラップ３１０Ｂと干渉しない位置に形成されている。

旋回スクロール３４０の端板３４０Ａの他端面には、フロントハウジング２２０へと向かって延びる、略円環形状をなすボス３４０Ｃが形成されている。ボス３４０Ｃの内周面は、ニードルベアリング３５０を介して、駆動力伝達機構４００における偏心ブッシュ４５０の外周面を支持している。また、旋回スクロール３４０の自転を抑制するため、その端板３４０Ａの他端面の外周部とフロントハウジング２２０の端部との間には、ボールカップリング３６０が配設されている。

さらに、リアハウジング２４０には、図示しない蒸発器から供給される気体冷媒を、固定スクロール３１０と旋回スクロール３４０とで形成される作動室に導く、図示しない冷媒導入路が形成されている。ここで、冷媒導入路は、固定スクロール３１０及び旋回スクロール３４０の外縁部に位置する、作動室の導入口へと気体冷媒を導く。

従って、駆動力伝達機構４００の回転軸４３０が回転すると、その中心軸周りに偏心ブッシュ４５０が公転し、その軌跡に沿って旋回スクロール３４０を旋回させる。このとき、旋回スクロール３４０とフロントハウジング２２０との間にボールカップリング３６０が配設されているため、旋回スクロール３４０が回転軸４３０のピン４３０Ｃの周りで自転することが抑制される。そして、旋回スクロール３４０が旋回すると、そのラップ３４０Ｂと固定スクロール３１０のラップ３１０Ｂとの間の作動室の容積が増減し、作動室の導入口から導入された気体冷媒を圧縮しつつ中心部へと導き、吐出ポート３１０Ｃを介して吐出室３２０へと吐出させる。このとき、固定スクロール３１０及び旋回スクロール３４０を含む圧縮機構３００は、その構成部品を潤滑油で潤滑しているため、圧縮機構３００によって圧縮された気体冷媒には、潤滑油のミストが混入する。

リアハウジング２４０の後端部、即ち、フロントハウジング２２０と反対側に位置する端部には、その外周壁から内部へと向かって延びる、円形横断面を有する気液分離室５２０が形成されている。気液分離室５２０には、これと同心となるように、円形横断面を有する段付形状の内筒５４０が内挿されている。内筒５４０の基端部は、気液分離室５２０の段部５２０Ａに係止し、その先端部は、気液分離室５２０の最奥部から所定間隔を隔てた位置まで延びている。ここで、内筒５４０の先端部と気液分離室５２０の最奥部との間に位置する略円柱形状の空間は、遠心分離器５００によって分離された潤滑油を一時的に溜めることができる。

リアハウジング２４０における気液分離室５２０の開口は、内筒５４０を押圧可能なボルト５６０によって閉塞されている。ボルト５６０には、その頭部の端面から軸部の先端面へと貫通する貫通孔５６０Ａが形成されている。そして、ボルト５６０の頭部には、遠心分離器５００によって潤滑油が分離された気体冷媒を、図示しない凝縮器へと導く配管が接続されている。また、気液分離室５２０は、その内周面の接線方向に延びる導入ポート５８０を介して、リアハウジング２４０の最奥部に位置する吐出室３２０に連通している。ここで、導入ポート５８０が、導入通路の一例として挙げられる。

従って、圧縮機構３００によって圧縮された気体冷媒は、吐出室３２０を経て、導入ポート５８０から遠心分離器５００へと導入される。遠心分離器５００へと導入された気体冷媒は、図２に示すように、気液分離室５２０の内周面と内筒５４０の外周面とで形成される円環形状の空間を旋回しつつ下方へと流れる。このとき、気体冷媒に含まれる潤滑油のミストは、気体冷媒が旋回するときに発生する遠心力を受け、その外方へと移動する。潤滑油のミストが外方へと移動すると、気液分離室５２０の内周面に付着し、重力を利用してその底部へと滴下される。そして、気液分離室５２０の底部へと滴下した潤滑油は、図示しない潤滑油経路を介して、図示しない潤滑油室へと戻される。一方、潤滑油が分離された気体冷媒は、内筒５４０の先端部からその内部空間へと入り込み、その圧力を利用してボルト５６０の頭部から吐出される。

ところで、圧縮機構３００から吐出室３２０へと吐出された気体冷媒が、導入ポート５８０を経て遠心分離器５００へと導入されるとき、多方向から導入ポート５８０へと気体冷媒が流れ込むため、気体冷媒の流れに乱流が発生し易い。気体冷媒の流れに乱流が発生すると、その流速が低下し、遠心分離器５００における気体冷媒の旋回速度が低下してしまう。気体冷媒の旋回速度が低下すると、ここに含まれる潤滑油のミストに作用する遠心力が小さくなり、潤滑油の分離能力が低下してしまう。

そこで、導入ポート５８０に、気体冷媒を整流する整流機構を持たせるようにする。
図３は、整流機構の第１実施例を示す。

導入ポート５８０の内周面には、その軸方向に延びる、矩形横断面を有する、複数の凸部５８０Ａが突出形成されている。凸部５８０Ａは、図示の例では、９０度ごとに４条形成されているが、少なくとも３条形成されていればよい。また、凸部５８０Ａの幅及び高さは、気体冷媒の流れを阻害しないことを前提として、気体冷媒の整流効果を発揮できるサイズとすることができる。

なお、凸部５８０Ａは、導入ポート５８０の軸方向に延びる構成に限らず、軸方向に対して所定角度をなす斜め方向、軸方向に対して螺旋状に延びる構成とすることもできる。また、導入ポート５８０に、凸部５８０Ａが形成されたパイプ部材を圧入してもよい。

このようにすれば、吐出室３２０から導入ポート５８０へと流れ込んだ気体冷媒は、凸部５８０Ａがガイドとなって整流されるため、乱流発生に起因する流速低下が抑制される。このため、気体冷媒は、ある程度の流速を保ったまま、遠心分離器５００へと導入され、気体冷媒に含まれる潤滑油のミストに作用する遠心力を大きくすることができる。そして、潤滑油のミストに作用する遠心力が大きくなることから、遠心分離器５００による潤滑油の分離能力を向上させることができる。また、遠心分離器５００による潤滑油の分離能力が向上することから、遠心分離器５００を小型化することもできる。

導入ポート５８０の凸部５８０Ａの端部、特に、気体冷媒の導入側に位置する端部は、導入ポート５８０の横断面上に延びる矩形形状となっている。この場合、吐出室３２０から導入ポート５８０へと気体冷媒が流れ込むとき、矩形形状をなす部分で小さな乱流が発生し易い。そこで、図４〜図６に示すように、凸部５８０Ａの端部は、その幅が徐々に広くなる形状をなしていることが望ましい。

具体的には、凸部５８０Ａの端部は、三角形状（図４）、斜めにカットされた形状（図５）、円弧形状（図６）などとすることができる。このようにすれば、凸部５８０Ａの端部に発生する乱流が小さくなり、遠心分離器５００による潤滑油の分離能力を更に向上させることができる。

図７は、整流機構の第２実施例を示す。
導入ポート５８０の内周面には、その軸方向に延びる、矩形横断面を有する、複数の凹部５８０Ｂが陥凹形成されている。凹部５８０Ｂは、図示の例では、９０度ごとに４条形成されているが、少なくとも３条形成されていればよい。また、凹部５８０Ｂの幅及び高さは、気体冷媒の整流効果を発揮できるサイズとすることができる。

なお、凹部５８０Ｂは、導入ポート５８０の軸方向に延びる構成に限らず、軸方向に対して所定角度をなす斜め方向、軸方向に対して螺旋状に延びる構成とすることもできる。凹部５８０Ｂによる整流効果は、凸部５８０Ａによる整流効果と同様であるため、重複説明を排除するために、その説明は省略する。必要であれば、凸部５８０Ａの説明を参照されたい。また、導入ポート５８０に、凹部５８０Ｂが形成されたパイプ部材を圧入してもよい。

導入ポート５８０の凹部５８０Ｂの端部、特に、気体冷媒の導入側に位置する端部は、略直角をなすエッジとなっている。この場合、吐出室３２０から導入ポート５８０へと気体冷媒が流れ込むとき、エッジ部分で小さな乱流が発生し易い。そこで、図８に示すように、凹部５８０Ｂの端部は、徐々に幅が小さくなる「テーパ形状」をなしていることが望ましい。このようにすれば、凹部５８０Ｂの端部に発生する乱流が小さくなり、遠心分離器５００による潤滑油の分離能力を更に向上させることができる。

要するに、導入ポート５８０の内周面に、凸部５８０Ａ及び凹部５８０Ｂの少なくとも一方を形成し、そのガイド作用によって気体冷媒の整流効果を発揮すればよい。また、凸部５８０Ａ及び凹部５８０Ｂの横断面形状としては、矩形形状に限らず、円弧形状、三角形状など、任意の形状とすることができる。さらに、導入ポート５８０に整流機構を持たせるために、凸部５８０Ａ及び凹部５８０Ｂの少なくとも一方が形成されたパイプ部材を圧入することもできる。

導入ポート５８０の整流機構による整流効果を更に向上させるために、図９に示すように、導入ポート５８０の端部を吐出室３２０へと突出させることもできる。この突出量は、例えば、導入ポート５８０の内径が１０ｍｍの場合、５〜１０ｍｍとすることができる。このようにすれば、導入ポート５８０の凸部５８０Ａ及び凹部５８０Ｂによるガイド作用を奏する全長が長くなり、更なる整流効果を期待することができる。

この場合、リアハウジング２４０を鋳造する金型を変更して、リアハウジング２４０の内面の一部を吐出室３２０へと突出させることで、導入ポート５８０の端部を吐出室３２０へと突出させることができる。また、導入ポート５８０に、凸部５８０Ａ及び凹部５８０Ｂの少なくとも一方が形成されたパイプ部材を圧入することで、導入ポート５８０の端部を吐出室３２０へと突出させることができる。

導入ポート５８０の端部を吐出室３２０へと突出させた場合、その先端部には円環形状の端面が形成される。この場合、円環形状の端面によって、吐出室３２０から導入ポート５８０へと流れ込む気体冷媒に乱流が発生し易い。そこで、図１０に示すように、導入ポート５８０の先端部を円錐形状とし、気体冷媒が円滑に導入ポート５８０へと流れ込むようにすることが望ましい。

なお、導入ポート５８０の整流効果を更に向上させるためには、導入ポート５８０の端部を吐出室３２０へと突出させることに代えて又はこれに加えて、その端部を遠心分離器５００の気液分離室５２０へと突出させることもできる。要するに、導入ポート５８０の端部を吐出室３２０及び気液分離室５２０の少なくとも一方に突出させる。この作用及び効果は、導入ポート５８０の端部を吐出室３２０へと突出させたものと同一であるので、その説明は省略する。

以上説明した実施形態では、圧縮機として、スクロール圧縮機を前提としたが、往復圧縮機、斜板式圧縮機、ロータリーピストン型圧縮機、スライドベーン型圧縮機などであってもよい。

１００ スクロール圧縮機（圧縮機）
３００ 圧縮機構
５００ 遠心分離器
５８０ 導入ポート（導入通路）
５８０Ａ 凸部
５８０Ｂ 凹部

Claims (10)

1. 作動流体を圧縮する圧縮機構と、
   前記圧縮機構から吐出される作動流体から潤滑油を分離する遠心分離器と、
   前記遠心分離器に作動流体を導入する導入通路に設けられ、当該作動流体を整流する整流機構と、
   を有することを特徴とする圧縮機。
2. 前記整流機構は、前記導入通路の内周面に形成された、複数の凸部及び凹部の少なくとも一方からなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記複数の凸部及び凹部の少なくとも一方は、前記導入通路の軸方向に延びる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
4. 前記複数の凸部及び凹部の少なくとも一方は、前記導入通路の軸方向に対して斜めに延びる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
5. 前記複数の凸部及び凹部の少なくとも一方は、前記導入通路の軸方向に対して螺旋状に延びる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
6. 前記凸部の一端部は、その幅が徐々に広くなる形状をなし、
   前記凹部の一端部は、その幅が徐々に狭くなる形状をなしている、
   ことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の圧縮機。
7. 前記導入通路の端部は、前記遠心分離器側の壁面及びこれと反対側の壁面の少なくとも一方から突出している、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の圧縮機。
8. 前記整流機構は、内周面に複数の凸部及び凹部の少なくとも一方が形成されたパイプ部材からなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
9. 前記パイプ部材の端部は、前記遠心分離器側の壁面及びこれと反対側の壁面の少なくとも一方から突出している、
   ことを特徴とする請求項８に記載の圧縮機。
10. 圧縮機から吐出される作動流体を遠心分離器へと導入する導入通路に設けられた整流機構によって、前記遠心分離器へと導入される作動流体を整流し、前記遠心分離器で作動流体から潤滑油を分離する、
    ことを特徴とする潤滑油の分離方法。