JP2018184840A - ローリングシリンダ式容積型圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮行程における過圧縮を抑制する。【解決手段】シリンダ溝を有する円柱状のローリングシリンダと、スライド溝を有する旋回ピストンと、ピン機構を有する静止シリンダと、ピストン旋回駆動源と、駆動伝達部と、フレームと、旋回ピストン、ローリングシリンダ、静止シリンダ、ピストン旋回駆動源、駆動伝達部及びフレームを内蔵するケーシングと、を備えた容積型圧縮機であって、旋回ピストン、ローリングシリンダ及び静止シリンダは、圧縮部を構成し、旋回ピストンは、シリンダ溝にて相対的に往復運動をするものであり、静止シリンダに、吸込流路、吐出流路及びバイパス弁流路を設け、圧縮部に、吸込室、圧縮室及び吐出室が形成され、バイパス弁流路のうち、圧縮部に形成される圧縮室が最も低い圧力の状態で繋がる最低圧バイパス弁流路の開口部である最低圧バイパス口は、圧縮室が、吐出流路の開口部又は最低圧バイパス口の少なくとも一方と臨む。【選択図】図16

Description

本発明は、ローリングシリンダ式容積型圧縮機に関する。
ローリングシリンダ式容積型圧縮機は、幾何学的に独特の軌跡(ハイポサイクロイド)を利用する圧縮機である。
特許文献1には、貯油部の圧力が吐出室の圧力と等しくなるように構成し、かつ、貯油部とスライド溝を繋ぐ油連通路を設けることにより、貯油部の潤滑油を固定ピン及びスライド溝に供給する、ローリングシリンダ式容積型圧縮機であって、バイパス穴を有するものが開示されている。このローリングシリンダ式容積型圧縮機は、固有容積比を有する。
国際公開第2016/067355号
特許文献1に記載されている、固有容積比を有するローリングシリンダ式容積型圧縮機では、固有圧縮行程の開始直前から圧縮室に繋がる最低容積比側のバイパス弁流路(圧縮室の圧力レベルが最も低いため、以後、「最低圧バイパス弁流路」と呼称する。)が開口する回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)が短い。このため、固有圧縮行程全期間の圧縮室にバイパス弁流路を設置するためには、高圧力比側の圧縮室に臨むバイパス弁流路数が増大し、製造コストが増大するという問題があった。また、高圧力比側の圧縮室に臨むバイパス弁流路数が同じであっても、バイパス弁流路が複数開口する回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)の重なり等が少なくなる。このため、バイパス弁流路抵抗が小さくなる回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)が短くなり、過圧縮抑制効果や液圧縮回避効果が低下するという問題があった。
本発明は、ローリングシリンダ式容積型圧縮機において、圧縮行程における過圧縮を抑制することを目的とする。
本発明のローリングシリンダ式容積型圧縮機は、シリンダ溝を有する円柱状のローリングシリンダと、スライド溝を有する旋回ピストンと、ピン機構を有する静止シリンダと、旋回ピストンの旋回運動の駆動源であるピストン旋回駆動源と、旋回ピストンとピストン旋回駆動源とを繋ぐ駆動伝達部と、駆動伝達部が貫通するフレームと、旋回ピストン、ローリングシリンダ、静止シリンダ、ピストン旋回駆動源、駆動伝達部及びフレームを内蔵するケーシングと、を備え、旋回ピストン、ローリングシリンダ及び静止シリンダは、圧縮部を構成し、旋回ピストンは、シリンダ溝にて相対的に往復運動をするものであり、静止シリンダには、吸込流路、吐出流路及びバイパス弁流路が設けられ、圧縮部には、往復運動により、吸込室、圧縮室及び吐出室が形成され、バイパス弁流路のうち、圧縮部に形成される圧縮室が最も低い圧力の状態で繋がる最低圧バイパス弁流路の開口部である最低圧バイパス口は、圧縮室が、吐出流路の開口部又は最低圧バイパス口の少なくとも一方と臨むように配置されている。
本発明によれば、ローリングシリンダ式容積型圧縮機において、圧縮行程における過圧縮を抑制することができる。
実施例1に係るRC圧縮機のバイパス弁及び吐出流路を横切る縦断面図である。 図1のA−A断面図である。 図1のB−B断面図である。 実施例1に係るRC圧縮機のローリングシリンダを示す斜視図である。 実施例1に係るRC圧縮機の旋回ピストンを示す斜視図である。 実施例1に係る固定ピンを有する静止シリンダを示す下面図である。 実施例1に係るRC圧縮機のフレームを示す斜視図である。 実施例1に係るRC圧縮機の圧縮部の構成を示す分解斜視図である。 図1のP部の拡大断面図である。 実施例1に係るRC圧縮機のピンスライド機構のスライダを示す斜視図である。 実施例1に係るRC圧縮機の圧縮動作について図1のB−B断面よりもわずかに旋回ピストン側へずれた断面で見た図を用いて示すフロー図である。 実施例1に係るRC圧縮機のバイパス弁流路を示す図1のQ部の拡大断面図である。 実施例1に係るRC圧縮機のローリングシリンダを示す上面図である。 実施例1に係るRC圧縮機の旋回ピストンを示す上面図である。 実施例1に係るRC圧縮機の吸込行程開始の作動室と圧縮行程開始の作動室とが共存する状態(図11のクランク角0deg)を示す拡大断面図である。 実施例1に係るRC圧縮機の一方の作動室が固有圧縮行程から固有吐出行程へ移行する状態(図9のクランク角180degと225degとの間)を示す拡大断面図である。 図16に示すN1部の拡大断面図である。 実施例2に係るRC圧縮機のローリングシリンダを示す上面図である。 実施例2に係るRC圧縮機の旋回ピストンを示す上面図である。 実施例2に係るRC圧縮機の吸込行程開始時の状態(図9のクランク角0deg)を示す拡大断面図である。 実施例2に係るRC圧縮機の一方の作動室が固有圧縮行程から固有吐出行程へ移行する状態(図9のクランク角180degと225degとの間)を示す拡大断面図である。 図21のN2部の拡大断面図である。 実施例3に係るRC圧縮機のローリングシリンダを示す上面図である。 実施例3に係るRC圧縮機の旋回ピストンを示す上面図である。 実施例3に係るRC圧縮機の吸込行程開始時の状態(図9のクランク角0deg)を示す拡大断面図である。 実施例3に係るRC圧縮機の一方の作動室が固有圧縮行程から固有吐出行程へ移行する状態(図9のクランク角180degと225degとの間)を示す拡大断面図である。 図26のN3部の拡大断面図である。 実施例4に係るRC圧縮機の図1のQ部の拡大断面図である。
本発明は、旋回する旋回ピストンと、これに連れて回転するローリングシリンダと、これらを組込む静止シリンダと、を3つの主な圧縮要素とする形式を代表的な構成とする圧縮機であって、これらの圧縮要素により作動流体である気体の圧縮を行うローリングシリンダ式容積型圧縮機(以下「RC圧縮機」ともいう。)に関する。ここで、作動流体には、空気等の非凝縮ガスだけでなく、空気調和機や冷凍機に用いられる冷媒も含まれる。
本明細書においては、旋回ピストン及びローリングシリンダの自転速度を同期させる回転同期手段と、旋回ピストンの自転速度を旋回速度の半分に規定する自転半減手段と、を備え、圧縮動作を滑らかに継続させるローリングシリンダ式容積型圧縮機について説明するが、これらの手段を設けない形式でももちろんよい。回転同期手段及び自転半減手段を有する上述の3つの主要圧縮要素の圧縮動作については、特許文献1において詳細に説明しているため、本明細書においては詳細な説明を省略する。
ローリングシリンダ式容積型圧縮機は、圧縮動作に伴って圧縮室が一方向に回転移動する。このため、所望の吐出圧となる圧縮室容積へ縮小する圧縮室回転位置に吐出穴を開口させることで、吐出弁を設けずに吐出流路を構成できる。このような圧縮室が移動することを利用する吐出弁レスの容積型圧縮機として、他にスクロール圧縮機がある。このような吐出弁レス容積型圧縮機は、吐出流路抵抗が低減するため、吐出時の圧縮室内における不要な圧力上昇を抑制できる。よって、圧縮機が消費するエネルギー量が低減し、圧縮機効率が向上する。
しかし、反面、吐出穴が圧縮室に開口して吐出行程が開始する際の圧縮室容積が一定となるため、元々一定である圧縮行程開始時(吸込行程終了時)の圧縮室容積(押除け容積)と合わせて、吐出開始時の容積比(押除け容積/吐出開始時の圧縮室容積、これを「固有容積比」と呼称する。)は一定となる。この結果、固有容積比に対応した吐出圧/吸込圧で定義される圧力比(「固有圧力比」と呼称され、固有容積比の作動流体の断熱指数べき乗となる。)では、高い圧縮機効率を実現する反面、固有圧力比からずれた圧力比で運転した場合(以下、当該圧力比を「運転圧力比」と呼称する。)には、圧縮機効率は低下する。
この運転圧力比が固有圧力比よりも低い場合、余分な圧縮仕事である過圧縮が発生して、エネルギー消費が増大し、圧縮機効率が低下する。このような過圧縮を抑制するために、圧縮行程後半の圧縮室と吐出系を繋ぐバイパス流路を備え、その流路に圧縮室から吐出系の流れだけを許容するバイパス弁を設置して、圧縮機効率を向上させている。このように、バイパス流路にはバイパス弁が必須であるため、以後、バイパス流路を「バイパス弁流路」とも呼称する。
さらに、圧縮室に液化した作動流体が入った場合、液圧縮が発生して圧縮室内が異常な高圧となり、圧縮部や軸受へ大きな負荷がかかるため、これらの部品が損傷する確率が上昇し、信頼性が低下する。このような液圧縮は、圧縮行程の開始時を含む前半に発生するため、圧縮行程開始から圧縮行程前半の圧縮室と吐出系を繋ぐバイパス弁流路を設けて、圧縮機の信頼性を確保する必要がある。
ここで、バイパス弁流路を設けた場合、運転条件によっては、圧縮室が吐出穴に至る前から圧縮行程が終了して吐出行程へ移行する場合がある。そこで、今後、混乱を避けるため、吐出行程のうちで吐出穴による吐出流路が繋がる吐出行程を、「固有吐出行程」と呼称する。さらに、圧縮行程開始から吐出穴による吐出流路が繋がるまでの行程を、「固有圧縮行程」と呼称する。
以上より、吐出弁レスで固有容積比を有するローリングシリンダ式容積型圧縮機では、固有圧縮行程開始直前(吸込行程終了直前)期間と固有圧縮行程終了直後(固有吐出行程開始直後)期間も追加した固有圧縮行程を拡大した期間の圧縮室(正確にいうと、固有圧縮行程開始直前期間では吸込室、固有圧縮行程終了直後期間では吐出室)にバイパス弁流路の設置が必要となる。
以下、本発明の実施形態に係る構成要素等について説明する。
吐出流路は、主吐出流路とバイパス弁流路とで構成してもよい。ここで、主吐出流路は、作動室の容積に対する圧縮行程開始時の作動室容積の比である作動室容積比が所定の固有容積比以上となる作動室と常時連通するものである。また、バイパス弁流路は、固有容積比以下の作動室及びその前後の吸込室と吐出室と繋がり、かつ、作動室内の圧力が吐出圧以上となる場合のみ開口動作を行うバイパス弁を途中に設けられたものである。
最低圧バイパス口は、バイパス弁流路のうち、最も低圧の圧縮室と繋がる最低圧バイパス弁流路の作動室側開口部である。
最低圧バイパス口は、その図心である最低圧口中心が、圧縮行程開始時における圧縮室のシリンダ先進隅点とローリングシリンダの回転中心とを繋ぐ線分である先進半径線の回転先進側領域に配置されていることが望ましい。
シリンダ側面は、シリンダ穴の内面であるシリンダカバー面に設け、圧縮行程開始時に圧縮室を区画する、シリンダ溝の側面である。
シリンダ先進側線は、シリンダ側面のうち、回転先進側側面であるシリンダ先進側面のシリンダカバー面の端面となるシリンダ端面への投影図形である。
シリンダ先端線は、シリンダ溝の先端面であるシリンダ先端面のシリンダ端面への投影図形である。
先進半径線は、接続点であるシリンダ先進隅点からローリングシリンダの回転中心を繋ぐ線分である。
最低圧バイパス口の図心である最低圧口中心は、先進半径線の回転先進側領域に配置されていることが望ましい。
さらに、最低圧バイパス口は、面積基準で、その面の90%が、圧縮行程開始時における圧縮室のシリンダ先進隅点とローリングシリンダの回転中心とを繋ぐ線分である先進半径線の回転先進側領域に配置されていることが望ましい。
最低圧バイパス口は、圧縮室のシリンダ先進側線が、最低圧バイパス口の図心である最低圧口中心を通過する時、最低圧口中心が、圧縮室を区画する旋回ピストンのピストン先端線より圧縮室のシリンダ先端線の側に離れた位置となるように配置されていることが望ましい。
最低圧口中心は、圧縮室のシリンダ後進側線とピストン先端線との交点の軌跡と、圧縮行程開始時におけるシリンダ先進側線との交点である重畳点を中心とし、旋回直径を半径とする領域に配置されていることが望ましい。
最低圧バイパス口の少なくとも一部は、圧縮行程開始時のシリンダ先進側線の回転後進側領域に配置されていることが望ましい。
言い換えると、液圧縮回避のためには、バイパス弁流路は、吸込室が吸込流路及びバイパス弁流路のいずれにも連通する部位が生じるように配置されていることが望ましい。
ピストン先端面は、ピストン先端線のシリンダ後進側線との交点における接線が、ローリングシリンダの外周面であるシリンダ外周面のシリンダ端面への投影図形であるシリンダ外周線のシリンダ後進側線の延長線との交点における接線よりも、シリンダ後進側線の向きに近づくように形成されていることが望ましい。
旋回ピストンの2つのピストン先端面は、1つの円柱の中心軸を共有し、当該円柱の側面を構成するものであってもよい。
旋回ピストンの2つのピストン先端面はそれぞれ、半円柱の側面形状を有するものであってもよい。
最低圧バイパス口は、製作性の観点から、円形状であることが望ましい。
バイパス弁流路は、2つ設けられていてもよい。
流路が切り替わる際の乱流を抑制する観点からは、バイパス弁流路は、1つ設けられていることが望ましい。
以下、本発明のローリングシリンダ式容積型圧縮機及びその効果について、複数の実施例を用い、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には、同一の図を用いて説明する。また、各実施例の図における同一符号は、同一物または相当物を示し、重複した説明を省略する。なお、模式図または模式的図示部として記載されない箇所においては、図示する各要素または要素各部の寸法比率は一実施形態を示している。これにより、図示した形状における各寸法の大小関係や寸法比率、角度などについても、一実施形態を示している。また、具体的な寸法値については、以下の実施例に限定されるものではないが、ローリングシリンダ式容積型圧縮機の外径が5mmから2000mmまでの範囲であることが望ましい。
図1は、実施例1のRC圧縮機の全体構成を示したものである。なお、本図の説明においては、特許文献1に記載されている構成については簡略なものとしている。
本図に示すように、RC圧縮機は、大きく分けると、圧縮部と、駆動源であるモータ7と、貯油部125と、で構成されている。
本図においては、ケーシング円筒部8a、ケーシング上フタ8b及びケーシング下フタ8cで構成されているケーシング内の上部から、圧縮部、モータ7及び貯油部125が順に配置されている。
圧縮部は、圧縮される作動流体に直接作用する構成要素として、ローリングシリンダ1と、旋回ピストン3と、静止シリンダ2と、を含む。これらの材質に関して、旋回ピストン3、ローリングシリンダ1及び静止シリンダ2をすべて鋳鉄で作製すれば、コストを低く抑えることができる。また、ローリングシリンダ1をアルミニウム合金で作製し、旋回ピストン3及び静止シリンダ2を鋳鉄で作製してもよい。このようにすれば、受動的に回転するローリングシリンダ1を軽量化することができるため、動作不良を起こしにくくすることができ、かつ、運転を滑らかにすることができる。さらに、旋回ピストン3、ローリングシリンダ1及び静止シリンダ2をすべてアルミニウム合金で作製すれば、RC圧縮機全体を軽量化することができる。
圧縮部は、上部を静止シリンダ2、下部をフレーム4で覆った構成である。フレーム4には、上主軸受24aと下主軸受24bとからなる主軸受24が設けられている。この主軸受24によりクランクシャフト6が回転可能な状態で支持されている。クランクシャフト6は、下方へ突き出ている。
圧縮部においては、ローリングシリンダ1と、旋回ピストン3と、静止シリンダ2と、で作動室が形成される。作動室は、吸込室95又は圧縮室100となる。
静止シリンダ2には、シリンダ回転軸を中心軸とする円形の偏心シリンダ穴2bが設けられている。また、静止シリンダ2は、その外周側面にシリンダ外周溝2mを有する。静止シリンダ2の上面からは、偏心シリンダ穴2bへ貫通するバイパス穴2eが設けられている。偏心シリンダ穴2bの底面には、ピン機構5が設けられている。
圧縮部には、吸込路2s及び吐出穴2d1が設けられている。吸込路2sは、偏心シリンダ穴2bの底面に設ける吸込溝2s2と、静止シリンダ2の上面から吸込溝2s2に繋がる吸込穴2s1と、で構成されている。
静止シリンダ2の上部には、静止シリンダ上部壁2wが静止シリンダ2をフレーム4へ取り付けるためのシリンダボルト90よりも内側を覆うように配置されている。静止シリンダ上部壁2wの上面には、吐出カバー230が固定され、これが吐出穴2d1やバイパス穴2e等を覆っている。そして、静止シリンダ上部壁2wの複数箇所には、内周部と外周部を繋ぐ上部壁溝2w1が設けられている。
ローリングシリンダ1は、シリンダ溝の底面を形成するシリンダ底端板1aと、シリンダ溝外周壁301と、を有する。そして、ローリングシリンダ1の底面中央部には、偏心シャフト挿入穴1dが設けてある。
旋回ピストン3のスライド溝3bには、ピン機構5が挿入されている。
旋回ピストン3に設けた旋回軸受穴3a(図2)には、旋回軸受23が圧入されている。 旋回軸受23には、クランクシャフト6の偏心シャフト6aが挿入されている。偏心シャフト6aは、偏心シャフト挿入穴1dを介して旋回ピストン3に接続されている。クランクシャフト6の上部には、大径部であるシャフトつば部6cが設けられている。シャフトつば部6cより上部には、偏心シャフト6aと、偏心シャフト6aよりも小径のシャフトネック6dとからなる偏心部が設けられている。
モータ7は、ケーシング円筒部8aに固定配置されるステータ7bと、クランクシャフト6に固定配置されるロータ7aと、で構成されている。ここで、モータ7は、ピストン旋回駆動源であり、また、シャフト回転駆動源でもある。ロータ7aには、上部に主バランス80、下部にカウンタバランス82が固定されている。これらは、圧縮動作で旋回運動する圧縮要素(旋回ピストン3)の不釣り合いを動的にバランスさせる役目を担う。また、ステータ7bには、ステータ巻線7b2が設けられている。
貯油部125は、ケーシング円筒部8a、ケーシング下フタ8c及び副フレーム35で囲まれた領域である。
圧縮部は、ケーシング円筒部8aへ溶接等によって固定配置されている。
クランクシャフト6の下端には、昇圧能力を有する給油ポンプ200が設けられている。クランクシャフト6には、中心軸方向に中央を貫通する給油縦穴6b(給油路)が設けられている。さらに、クランクシャフト6には、副軸受25や下主軸受24bや上主軸受24aへ繋がる給油横穴(給油副横穴6g、給油下主横穴6f、給油上主横穴6e)が設けられている。上主軸受24aは、給油上主横穴6e及び給油主軸溝6kにより給油されるようになっている。
給油ポンプ200から吐出される油の一部は、ポンプ連結管6zの周囲の隙間を通って給油ポンプシャフト室150へ入り、副軸受25への給油が行われるようになっている。
クランクシャフト6と旋回軸受23と旋回ピストン3とで囲まれた領域は、シャフト偏心端部空間115である。旋回軸受23は、シャフト偏心端部空間115及び偏心給油溝6hにより給油されるようなっている。
フレーム4には、油の通路となる複数のベッド放射溝4eが設けられている。フレーム4の下面には、ロータカップ210がロータ7aの周囲を覆うようにして密着固定されている。ベッド放射溝4eを通過した油は、背圧室110やベッド背圧室110aに流入し、油排出路4xからフレーム4の下方であってロータカップ210の外側に排出されるようになっている。
圧縮部の外周には、シリンダ外周隙間2gやフレーム外周隙間4gといった隙間、シリンダ外周溝2mやフレーム外周溝4mがあり、これらが吐出圧の作動流体の流路となる。
吸込パイプ50は、ケーシング8の内部に設けられている圧縮部へ外部から作動流体を導入するものである。吐出パイプ55は、圧縮部で昇圧された作動流体を外部へ吐出するものである。吸込パイプ50及び吐出パイプ55は、ケーシング上フタ8bに設けられている。このほか、ケーシング上フタ8bには、ハーメチック端子220が設けられている。このハーメチック端子220にモータ線7b3が接続され、外部の電源(図示せず)からモータ7のステータ巻線7b2に電力を供給できるようになっている。
吸込パイプ50から導入された作動流体は、圧縮部で昇圧され、吐出パイプ55から外部に吐出されるようになっている。
ここで、作動流体の流れについて説明する。
吸込パイプ50から導入された作動流体は、圧縮部において圧縮され、吐出穴2d1やバイパス穴2e等から上方へ吹き出す。そして、作動流体は、一旦、吐出カバー230に衝突する。このとき、作動流体に含まれる油は、吐出カバー230に付着し、分離される。油の量が少なくなった作動流体は、上部壁溝2w1から吹き出す。そして、作動流体は、更にケーシング円筒部8aの内壁に衝突し、再度油が分離される。その後、作動流体は、ケーシング上部室120へ入り、ケーシング上フタ8bに設けられた吐出パイプ55から装置の外部に吐出される。なお、ケーシング上部室120においては、作動流体の流速が低下するため、わずかに残った油ミストが沈降しやすくなり、作動流体に含まれる油の量はきわめて少なくなる。
一方、圧縮部の下方には、作動流体の主流は無いが、圧縮部の外周の隙間であるシリンダ外周隙間2gやフレーム外周隙間4g、さらには、圧縮部の外周溝であるシリンダ外周溝2mやフレーム外周溝4mを通って、吐出圧の作動流体が流入するようになっている。これにより、圧縮部の下方を含むケーシング空間全域が吐出圧となる。すなわち、高圧チャンバ方式を実現する。
副軸受25は、ボール25aと、そのボール25aを全方位で回転支持するボールホルダ25bと、で構成されている。クランクシャフト6の下部をボール25aへ挿入し、そのボール25aをボールホルダ25bへ装着した後、ボールホルダ25bをケーシング円筒部8aに溶接された副フレーム35に固定配置する。これにより、副軸受25はクランクシャフト6の下部を回転支持するようになっている。
つぎに、圧縮部の下方に流れる一部の油の流れについて説明する。
油排出路4xからフレーム4の下方へ流出する油は、ロータ7aの周囲を覆ってフレーム4の下面に密着固定されているロータカップ210の外側に出る。そして、ロータカップ210の外周を伝って、ステータ7bへ落下し、さらにステータ巻線7b2が通る穴や外周のステータカット面7b1を通って、モータ7の下の空間へ至る。その後、少量が副フレーム中央穴35bを通って副軸受25のボール25aの内外周に給油する以外は、副フレーム周囲穴35aを通って、貯油部125へ戻る。
なお、RC圧縮機は、円筒形状のケーシングの中心軸を水平方向(横)に向けて設置することもできる。この場合に、円筒の中心軸が斜めになっていても問題はない。ただし、この場合は、貯油部125の仕切りである副フレーム35の副フレーム周囲穴35a及び副フレーム中央穴35bの配置を調整して、適量の潤滑油が貯油部125の滞留するようにする必要がある。
以下の説明においては、特許文献1に記載されている各図の構成と異なる部分について記載することとし、特許文献1に記載されている構成と同じものについては省略する。
図2は、図1のA−A断面図(圧縮室形成部)である。
図3は、B−B断面図(旋回ピストン及びローリングシリンダの上方の静止シリンダとの隙間における横断面図)である。
なお、図2及び3に示すC1−C2−O−C3−C4は、図1の縦断面図に対応する部位であり、図1は、C1−C2−O−C3−C4を通る縦断面図である。ここで、C2、C3は、図2、3中に各二箇所あるが、これは、図1においては、2つのC2間及び2つのC3間を省略したことを意味する。
図2においては、ローリングシリンダ1にシリンダ溝外周壁301を設けている。シリンダ溝外周壁301は、シリンダ溝1cにおける旋回ピストン3の往復運動の両端部に設けられている。言い換えると、シリンダ円柱には、シリンダ溝1cとローリングシリンダ1の外周面であるシリンダ外周面との間を仕切るシリンダ溝外周壁301が設けられている。このため、図2に示す断面には吸込穴を設けていない。
静止シリンダ2の外周側面の一部には、シリンダ外周溝2mが設けてあり、下方のフレームに設けたフレーム外周溝4mに連通するように配置されている。
図3においては、実際には静止シリンダ2の偏心シリンダ穴2bの底面に設けられている吸込路2sを二点鎖線で示している。吸込路2sは、偏心シリンダ穴2bの底面に設ける吸込溝2s2と、静止シリンダ2の上面から吸込溝2s2に繋がる吸込穴2s1と、吸込溝屈折部2s2kと、で構成されている。吸込溝2s2は、シリンダ溝外周壁301の内側面より内側に寄った位置に設けられている。吸込溝屈折部2s2kは、シリンダ溝外周壁301の内側面より外側であってシリンダ溝外周壁301の外側面より内側に設けられている。吸込溝2s2及び吸込溝屈折部2s2kは、吸込穴2s1により静止シリンダ2の上面部に連通されている。
偏心シリンダ穴2bの底面には、吐出溝2d2と、吐出穴2d1と、が設けられている。吐出穴2d1は、静止シリンダ2の上面から吐出溝2d2に繋がっている。吐出溝2d2及び吐出穴2d1は、吐出路2dを構成する。
まとめると、吸込路2s(吸込流路)及び吐出路2d(吐出流路)は、静止シリンダ2に設けられ、シリンダ溝外周壁301の内壁面よりも中心軸寄りで圧縮部の作動室に臨む構成となっている。
図4は、本実施例のローリングシリンダを示す斜視図である。
本図に示すように、ローリングシリンダ1には、シリンダ上面部1eと同じ高さまでシリンダ溝外周壁301が設けてある。これにより、作動室の側面はすべてシールされる。シリンダ溝1cの底面中央部には、偏心シャフト挿入穴1dが設けられている。
図13は、図4のローリングシリンダのシリンダ溝外周壁301について形状を限定した例を示す上面図である。
図13においては、ローリングシリンダ1には、シリンダ溝外周壁として厚さが均一な均一壁1wが設けられている。また、旋回ピストン3がシリンダ溝1c内で図中左側の均一壁1wに寄った時のピストン偏心円柱先端面3e(ピストン先端面)の位置を二点鎖線で示している。ピストン偏心円柱先端面3eと偏心シャフト挿入穴1dの図中右端との距離の最小値は、最小シール幅であり、最小シール幅を十分に確保することにより、シリンダ溝1cにおいて旋回ピストン3により形成される作動室のシールを確実なものとすることができる。
ローリングシリンダ1は、円柱形状でローリング軸を中心軸として内部にシリンダ溝1cがあるシリンダ円柱1bと、シリンダ溝1cの底面を形成するシリンダ底端板1aからなる。このシリンダ溝1cは、シリンダ円柱1bの反シリンダ底端板側の端面に開口する形で設けられ、ローリング軸と直交するシリンダ溝軸を中心軸としてローリング軸に平行な一定幅の平坦で互いに平行な側面を有する。さらに、シリンダ溝1cの底面は、シリンダ円柱1bの上面(図4のシリンダ上面部1e)と平行になっている。
このシリンダ溝1cは、図13で示すとおり、シリンダ外周面1sとの間にシリンダ溝外周壁(均一壁1w)を有する。ここで、シリンダ溝1cの隅部(小黒丸箇所)には、加工可能な曲率半径Rを設ける。例えば、シリンダ溝1cをエンドミルで加工する場合には、隅部(小黒丸箇所)のRを使用するエンドミルの半径以上にする。また、後述するようにシリンダ円柱1bとシリンダ底端板1aを別体化させる場合、放電加工であるワイヤーカットによる加工も考えられる。その場合には、ワイヤーの半径と放電によって除去される隙間を加えた半径程度にする。
一方、このシリンダ溝1cへ旋回ピストン3を隙間嵌合させるため、旋回ピストン3の角部(図14の小白丸箇所)は、シリンダ溝1cの隅部(小黒丸箇所)と干渉しないように形状を調整する。例えば、シリンダ溝1cの隅部(小黒丸箇所)のRよりもわずかに大きい曲率半径とすればよい。また、面取りとしてもよく、加工が容易になる。ここで、旋回ピストン3は、旋回軸受23にクランクシャフト6の旋回半径がE(後述の図6)となる偏心シャフト6aを挿入し、クランクシャフト6を回転させて旋回半径Eで旋回運動させられるため、シリンダ溝1cの底面中央に偏心シャフト挿入穴1dを設ける。
なお、旋回ピストン3は、シリンダ溝1c内を往復運動する。このため、旋回ピストン3がシリンダ溝1cの端に寄った場合でも、偏心シャフト挿入穴1dが旋回ピストン3で隠れ、かつ、シール幅(図13に最小シール幅を示す。)を確保するように、旋回ピストン3の長さを伸ばす必要がある。旋回ピストン3の長さが伸びると、シリンダ溝1cの長さを伸ばすことが必要になり、シリンダ円柱1bの直径が増大する。よって、ローリングシリンダ1の直径が増大し、それを組込む静止シリンダ2の直径が増大するため、ケーシング8の直径が増大し、RC圧縮機が大径化してしまうという問題が生じる。
本実施例は、図1に示すとおり、偏心シャフト6aよりも小径部のシャフトネック6dで偏心シャフト挿入穴1dを通すようにシャフトネック6dを設けている。この結果、シール幅を確保しつつ偏心シャフト挿入穴1dを小さくできるため、RC圧縮機の大径化を抑制できるという効果がある。
図5は、旋回ピストンを示す斜視図である。
本図に示すように、旋回ピストン3は、厚さが小さい円柱状の材料の側面に、互いに平行でありかつ旋回軸に平行である2つのピストンカット面3cを設けた構成である。旋回ピストン3の上底面はピストン上面3d、旋回ピストン3の下底面はピストン下面3fである。ピストン上面3d及びピストン下面3fは、ピストン側端面であり、互いに平行である。また、ピストン上面3d及びピストン下面3fは、平坦である。
ピストン上面3dには、スライド溝3bが設けられている。ピストン下面3fには、断面が円形の旋回軸受穴3aが設けられている。旋回軸受穴3aには、旋回軸受23が圧入されている。
スライド溝3bは、旋回軸受穴3aと通じる深さで形成されている。これにより、旋回軸受23への給油路とスライド溝3bへの給油路とが共通となり、給油系統が単純になっている。これにより、製造コストが低減するという効果がある。また、スライド溝3bは、ピストンカット面3cの外周まで延在されている。これにより、溝加工時の刃具の動きが一様になるために、溝の形状精度が向上するという効果がある。
本図においては、二点鎖線で示すように、ピストンカット面3cの中央部にスライド溝3bと繋がるピストンカット溝3iを設けてもよい。図示していないが、反対側のピストンカット面3cにも同様のピストンカット溝3iを設けてもよい。これにより、図4のシリンダ溝1cの側面及びピストンカット面3cのシール隙間へ油を潤沢に供給できるため、内部漏れや摩擦を一層低減するという効果がある。
また、スライド溝3bは、ピストンカット面3cへの給油路ともなる。ところで、本実施例では、スライド軸をカット軸(旋回軸受軸に垂直な軸)の法線方向とする。つまり、スライド軸をカット軸に平行な2つのピストンカット面3cに垂直な方向に設ける。これは、ピン軸調整角δを0度としたものである。
さらに、スライド溝3bには、固定ピン5s(図9)を挿入するため、摩耗の危険性がある。そこで、摩耗の危険性を低下させるため、スライド溝3bの側平面の硬度を増大させる表面処理を施してもよい。例えば、旋回ピストン3が鉄製であれば、浸炭焼き入れや窒化処理などが考えられる。またアルミニウム合金であれば、アルマイト処理等が考えられる。
図14は、旋回ピストンを示す上面図である。
本図に示すように、旋回ピストン3を上方から見ると、スライド溝3bの中に旋回軸受穴3a及び旋回軸受23が部分的に見えるようになっている。ピストン偏心円柱先端面3eは、作動室を形成する面の一つとなる。
旋回ピストン3は、図13のシリンダ溝1cに隙間嵌合されている。旋回ピストン3の運動によりピストン偏心円柱先端面3eと図13の均一壁1wとが接触する際は、作動室ができるだけ狭くなるように、ピストン偏心円柱先端面3eと均一壁1wの内壁面の形状(曲率)を同じものとすることが望ましい。また、旋回ピストン3の角部(図14の小白丸箇所)は、シリンダ溝1cの隅部(図13の小黒丸箇所)と干渉しないように形状を調整する。例えば、シリンダ溝1cの隅部(図13の小黒丸箇所)の曲率半径Rよりも大きい曲率半径とすればよい。
図6は、静止シリンダの底面図である。
本図においては、静止シリンダ2の外周側面に設けたシリンダ外周溝2m、吸込穴2s1と吸込溝2s2と吸込溝屈折部2s2kとからなる吸込路2s、吐出穴2d1と吐出溝2d2とからなる吐出路2d、及びピン固定穴2xの配置が明瞭に示されている。
静止シリンダ2は、基本的にピストン旋回軸(シャフト軸)を中心軸とする円柱形状を有する。静止シリンダ2の下面であるシリンダ取付面2aは、フレーム4に取付ける面となる。シリンダ取付面2aには、ピストン旋回軸から旋回半径Eだけ偏心した位置に円形の偏心シリンダ穴2bが開けられている。偏心シリンダ穴2bの中心軸は、シリンダ回転軸となる。静止シリンダ2の上面からは、偏心シリンダ穴2bへ貫通する最低圧均一壁バイパス穴2e1が設けられている。
ピン固定穴2xは、ピストン旋回軸を対称軸としてシリンダ回転軸の点対称の位置に設けられている。ピン固定穴2xには、後述する方法によりピン機構5が設置される。ピン固定穴2xの中心軸は、ピン軸となる。この結果、ピン軸、ピストン旋回軸、シリンダ回転軸は互いに平行な同一平面上の3軸となり、ピストン旋回軸を中心にピン軸とシリンダ回転軸は同一距離Eだけ離れて配置される。したがって、ピン軸とシリンダ回転軸との距離は、旋回半径Eの2倍である。
図12は、図1のQ部の拡大断面図であり、本実施例のバイパス弁流路を示したものである。
図12に示すように、静止シリンダ2の上面から下方に貫通する最低圧均一壁バイパス穴2e1(高圧側均一壁バイパス穴2e2も同様)は、偏心シリンダ穴2b(図6参照)の底面に設けられている。なお、最低圧均一壁バイパス穴2e1及び高圧側均一壁バイパス穴2e2の適正な設置位置については、後で詳細に説明する。
最低圧均一壁バイパス穴2e1及び高圧側均一壁バイパス穴2e2の上端部には、バイパスリード弁21が設置されている。バイパスリード弁21は、リード弁座21cにリード弁板21aを載せ、そのリード弁板21aをリードリテーナ21fとともにリード弁ねじ21gで静止シリンダ2の上面に固定して設けたものである。これにより、バイパスリード弁21は、作動流体が偏心シリンダ穴2bから上方へ抜ける方向の流れだけを許容する一方向弁となる。
図7は、圧縮部のベースとなるフレームの斜視図である。
本図において、フレーム4は、後に静止シリンダ2を取付けるフレーム取付面4aを上面とし、中央部に主軸受穴4bを設けた構成を有する。この主軸受穴4bには、上主軸受24aと下主軸受24b(図1参照)を圧入して、クランクシャフト6を回転支持する主軸受24を形成する。その主軸受穴4bの上面周囲には、つば受面4cを設け、その一か所または複数個所に主軸受24を潤滑した油の出口路となるつば受切欠き4c1を設けている。そして、つば受面4cを取り囲んだ位置には、ローリングシリンダ1を載せるベッド面4dを設けている。このベッド面4dには、油の通路となるベッド放射溝4eを設けている。一方、フレーム4の外周部には、フレーム外周溝4mを設けている。
図8は、圧縮部の構成要素とクランクシャフトとの組み合わせを展開した状態で示す斜視図である。
本図においては、シリンダ外周溝2m、フレーム外周溝4m等の配置、クランクシャフト6の上端部を構成する偏心シャフト6a、シャフトネック6d、シャフトつば部6c等の形状が明瞭に示されている。また、ピン軸、ピストン自転軸、シャフト軸(ピストン旋回軸)及びシリンダ回転軸と各構成要素との関係も明瞭に示されている。
次に、ピン機構5を、図9及び10を用いて説明する。
図9は、図1のP部の拡大断面図である。
図10は、RC圧縮機のピンスライド機構のスライダを示す斜視図である。
図9において、ピン機構5は、スライダ5aを、その中心に固定ピン5sを通したうえで、固定ピン5sの下方段差部とスライダフランジ5bとの間に挟み込むことにより、偏心シリンダ穴2b(図6参照)の底面に、ピン軸を中心に回転自在な形で設置したものである。
スライダ5aは、拡大すると、図10に示す構成を有する。
スライダ5aの側面であるスライダカット面5a1は、スライド溝3b(図5参照)に対して隙間嵌合する。そして、スライダ5aのスライダ軸穴5a2と固定ピン5sも、隙間嵌合する。これらの嵌合により、滑り軸受が形成される。
これにより、ピン機構5にかかる衝撃荷重は、スライド溝3bの側面からスライダカット面5a1にかかり、さらに、スライダ軸穴5a2から固定ピン5sにかかる。2箇所の荷重の受け渡しは、前者が平面同士であり、後者がピストン偏心円筒周面同士であるため、集中荷重を伴う荷重の受け渡しはない。このため、ピン機構における荷重の集中を回避することができる。よって、ピンスライド機構部での摩耗の危険性を低減し、信頼性が向上するという効果が得られる。スライダカット面5a1には、一端からもう一端にわたって貫通したスライダグルーブ5a3、スライダ先端面5a5には、スライダ軸穴5a2に設けるスライダ軸穴溝5a7と繋がるスライダ横貫通穴5a6を開口させる。
ところで、スライド溝3b(図5参照)は、油で満たされている。このため、後述の図11に示すピン機構5(要部は図9及び10のスライダ5aである。)は、スライド溝3bを仕切りながらスライド溝3b内の油中を往復動することになる。これにより、仕切られて形成された2つのスライド溝空間のうちで容積が縮小する側の空間から他方の空間へ向かって、スライダグルーブ5a3内を油が流れる。同様に、スライダ軸穴溝5a7を途中に介するスライダ横貫通穴5a6を油が流れる。
これにより、スライド溝3b内の油圧縮を緩和するとともに、摺動部であるスライダカット面5a1及びスライダ軸穴5a2の潤滑が改善して摩擦損失が低減し、圧縮機効率が向上するという効果が得られる。
さらに、スライダ横貫通穴5a6やスライダグルーブ5a3の数を増加させると、油圧縮を一層緩和するとともに、潤滑性を向上できるという効果が得られる。
固定ピン5sは、図9に示すように、偏心シリンダ穴2b(図8参照)の穴底にピン固定穴2xをあけ、固定ピンフランジ部5s1を1本以上のピン固定ねじ5s8によって固定配置されている。ピン機構5は、旋回ピストン3のスライド溝3bとともにピンスライド機構を構成し、旋回ピストン3の旋回位相に伴って姿勢(カット軸方向)を規定する役目を担い、RC圧縮機の圧縮動作を滑らかに継続する。
つぎに、圧縮部の構成及び動作について、図2、3、11、15及び16を用いて説明する。
図11は、図1のB−B断面よりもわずかに旋回ピストン側へずれた断面を用いて圧縮動作を説明するための図である。ここで、図11においては、B−B断面のすぐ上にある吸込溝2s2が破線によって示されている。
図15は、図11のクランク角0度の拡大図である。これは、吐出行程から吸込行程へ移行する容積が0の作動室と吸込行程から圧縮行程へ移行する最大容積の作動室が共存するタイミングである。
図16は、後述するバイパスフラッパ弁22(図28)が動作しない場合に一方の作動室が圧縮行程から吐出行程に移行するタイミングの拡大図であり、図11のクランク角180度と225度との間にある状態を示したものである。
圧縮部の動作については、図11、15及び16(ともに図1のB−B断面よりもわずかに下方の断面)に示すとおりである。
図11に示すように、シリンダ溝1cを有するローリングシリンダ1の自転に伴い、旋回ピストン3は、シリンダ溝1cにて相対的に往復運動をする。言い換えると、旋回ピストン3は、シリンダ溝1cにてその両端部のシリンダ溝外周壁301の間でシリンダ溝1cに対して相対的に往復運動をする。
詳細については、特許文献1において説明しているので、省略する。
本発明においては、シリンダ溝外周壁301を設けたため、吸込路2s及び吐出路2dの配置が特許文献1とは異なるが、圧縮部の動作については、原理的に異なるものではない。
以下、本発明の特徴に関連する内容について説明する。
図11に示すように、圧縮動作の途中においては、旋回ピストン3の2つのピストン偏心円柱先端面3e(図2参照)に各々隣接して作動室が2つ形成されるが、クランク角0degの場合は、一方の作動室が容積0となり、他方の作動室が最大の容積となる状態である。すなわち、容積0となる作動室は、吐出行程が完了する吐出室105または吸込行程を開始する吸込室95であり、容積が最大となる作動室は、吸込行程が完了した吸込室95または圧縮行程を開始する圧縮室100である。
ところで、クランクシャフト6の回転方向とローリングシリンダ1の回転方向とは同一の方向である。本実施例では、ともに時計方向に回転する場合としている(図2及び3にローリングシリンダ1の回転方向を示す矢印を記載)。
図3に拡大して示す吸込路2s(吸込流路)は、ローリングシリンダ1がクランク角0degの状態から時計回りに回転する過程で、容積0の作動室(旋回ピストン3の左側作動室)が吸込行程を行うように設けられている。
具体的には、図3において、吸込溝2s2の大半は、偏心シリンダ穴2bの側面からシリンダ溝外周壁の厚さ程度(本実施例では、均一壁1w(図13参照)の厚さ)だけ内側に寄った位置に設けられている。一方、吸込行程の開始時点から吸込室95が吸込溝2s2に臨むように、吸込溝2s2の端部を屈折させて吸込溝屈折部2s2kが設けられている。ここで、吸込溝屈折部2s2kも、吐出室105に臨まず、また均一壁1wを横断しないように設けられている。さらに、吸込溝2s2及び吸込溝屈折部2s2kと静止シリンダ2の上面とを繋ぐように、吸込穴2s1が設けられている。ここで、吸込穴2s1は、偏心シリンダ穴2bの底面を貫通しないように設けられている。このような吸込溝2s2及び吸込穴2s1を設けることにより、吸込流路の吸込室寄り区間である吸込路2sを形成する。
これにより、シリンダ溝外周壁である均一壁1wの内側に形成される作動室と均一壁1wの外側に形成される隙間領域であるシリンダ外周面1sと偏心シリンダ穴2b側面の間隙空間を跨ぐ流路が無くなる。これにより、シリンダ外周面1sと偏心シリンダ穴2b側面の間隙空間と通じる空間と、吸込室95や吸込路2s(吸込穴2s1と吸込溝2s2)などの吸込圧空間とのシール性が向上する。
本実施例では、シリンダ外周面1sと偏心シリンダ穴2b側面の間隙空間は吐出圧に保持される背圧室110と繋がっている。これにより、背圧室110から吐出圧の流体が吸込室95へ漏れ込むことを抑制できるため、体積効率や圧縮機効率を向上させるという効果がある。
そして、ローリングシリンダ1が時計回りに更に回転すると、容積が最大となった作動室は、圧縮室100として圧縮行程を行うべく、吐出流路の吐出室寄り区間である吐出路2d(吐出穴2d1及び吐出溝2d2)にも、吸込流路の吸込室寄り区間である吸込路2s(吸込穴2s1と吸込溝2s2)にも通じない密閉状態となる。すなわち、固有圧縮行程に移行する。
そして、本実施例においては、吐出路2dは、圧縮室100の容積が吸込行程完了時の吸込室95の容積÷2.2まで縮小して作動流体が昇圧した時に吐出路2dが連通を開始する位置に設けられている(図16参照)。すなわち、固有容積比が2.2の場合を示している。また、その時から、圧縮室100は、常時吐出室105となり、吐出路2dは、固有吐出行程の全期間で吐出室105と連通するように設けられている。すなわち、吐出路2dは、吐出室105の容積が0となる固有吐出行程の完了時に吐出路2dが吐出室105から外れるような位置と大きさに設けられる(図2及び図15参照)。なお、この固有容積比は、この数値に限定されるものではなく、圧縮機として圧縮及び吐出の機能が得られればよい。この結果、吐出弁を設けること無く、昇圧した作動流体を圧縮部の上方へ出すことができるため、吐出流路抵抗を低減でき、高い圧縮機効率を実現できるという効果がある。
ここで、圧縮部には、給油ポンプ200により給油縦穴6bへ送り込まれた油が、いくつかの流路で供給される。
一つは、給油縦穴6bの最上部の開口部から、クランクシャフト6と旋回軸受23と旋回ピストン3とで囲まれたシャフト偏心端部空間115を経て、スライド溝3bとピン機構5とから成るピンスライド機構へ給油する流路がある。その油の一部は、ピストン上面3dやピストンカット面3cが摺動する隙間の潤滑やシールを行いながら、作動室へ流入し、摺動部の摩擦損失や内部漏れを低減して圧縮機効率を向上させる効果を奏する。
作動室へ流入した油は、作動室内の作動流体と混ざり、吸込や圧縮や吐出行程中に作動流体が漏れた際に漏れ流路内に油膜を形成して、内部漏れを抑制し、圧縮機効率を向上させる。そして、それらの油は、作動流体とともに、圧縮部の上部へ吐出する。
しかし、ピンスライド機構へ供給された油の大半は、シャフト偏心端部空間115から直接流れ込む油と合流して、偏心給油溝6hを通り、旋回軸受23を潤滑しつつ、背圧室110へ入る。
また、給油下主横穴6fを通って下主軸受24bを潤滑しつつ給油主軸溝6kへ至る流路と、給油上主横穴6e及び給油主軸溝6kで上主軸受24aを潤滑する流路とが給油主軸溝6kで合流して、つば受け切欠き4c1や給油主軸溝6kのシャフトつば部6c下面部を通って背圧室110へ至る流路がある。この場合、油は、シャフトつば部6cとつば受面4cとの間(クランクシャフト6のスラスト軸受部)も潤滑する。
以上のようにして、給油縦穴6bを上昇する油の多くが背圧室110へ流入する。そして、その油は、背圧室110のベッド面4dのベッド放射溝4eを通って、ベッド背圧室110aへ流入後、油排出路4xによって圧縮部下部へ出る。
ところで、吐出室105から作動流体を吐出させる流路が吐出穴2d1だけの場合、固有吐出行程へ至る前に、圧縮室100内の圧力が吐出圧以上となる過圧縮が生じる。よって、RC圧縮機が消費するエネルギー量が増大して圧縮機効率が低下する。
そこで、吐出穴2d1のバイパスとなるバイパス穴を設け、圧縮室100内の圧力が吐出圧を超えた場合だけ開口するように弁を途中に設置する。このようなバイパス弁流路として、バイパスリード弁21(図12参照)を設置した最低圧均一壁バイパス穴2e1及び高圧側均一壁バイパス穴2e2(図15及び16参照)を設ける。
これにより、運転圧力比が固有容積比よりも小さい条件(過圧縮条件)で運転する場合、過圧縮を効果的に抑制できるため、圧縮機効率が向上するという効果がある。特に、設置する位置を、後で説明する箇所とした結果、最低圧均一壁バイパス穴2e1が圧縮室100に開口する回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)が拡大し、2個のバイパス弁流路が圧縮室100に開口する回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)が増大する。これにより、バイパス弁流路の流路抵抗が大幅に低減して、過圧縮が一層抑制でき、圧縮機効率が一層向上するという効果を奏する。
また、本実施例では、図15から分かるように、最低圧均一壁バイパス穴2e1を吸込室95から開口する位置に設けている。これにより、運転起動時などで、液化した作動流体が吸込室95へ流れ込んで液圧縮を起こしても、最低圧均一壁バイパス穴2e1が液を排出する流路として作用する。よって、液圧縮を確実に回避してRC圧縮機の損傷確率を低減できるため、RC圧縮機の信頼性を向上させるという効果を奏する。
以上のように、本実施例では、固有圧縮行程開始直前(吸込行程終了直前)期間及び固有圧縮行程終了直後(固有吐出行程開始直後)期間も追加した固有圧縮行程を拡大した期間の圧縮室100(厳密には、固有圧縮行程開始直前期間では吸込室95、固有圧縮行程終了直後期間では吐出室105)にバイパス弁流路を設置した構成となる。
また、バイパス弁流路の形状を円形状とするため、穴加工が容易となり、製造コスト低減という効果もある。
ところで、バイパスリード弁21は、図12に示すとおり、リード弁座21cにリード弁板21aを載せ、リードリテーナ21fとともに、リード弁ねじ21gで固定して構成される。非常に単純な構成であるため、製造コスト低減効果がある。
つぎに、最低圧均一壁バイパス穴2e1の設置位置について、図17(図16のN1部拡大図)を用いて説明する。ここで、図17内のハッチングは、断面を示さずに、いろいろな領域を区別するために用いる。また、太い二点鎖線は、圧縮行程開始時(図15)の旋回ピストン3とシリンダ溝の外形線を示している。さらに、紙面よりも手前にある最低圧均一壁バイパス穴2e1(高圧側均一壁バイパス穴2e2や吐出路2dも同様)を便宜的に波線で示している。
図17は、シリンダ端面である偏心シリンダ穴2b底面への各要素の投影図とみなすこともできるため、適宜、投影図という見方も加えて説明を行う。さらに、最低圧均一壁バイパス穴2e1(高圧側均一壁バイパス穴2e2も同様)は、垂直な穴であるため、破線で示す最低圧均一壁バイパス穴2e1(高圧側均一壁バイパス穴2e2も同様)は、最低圧均一壁バイパス穴2e1(最低圧口)の作動室側開口部である最低圧バイパス口の位置と一致する。よって、最低圧口の中心(「最低圧口中心」ともいう。)は、最低圧均一壁バイパス穴2e1を表す円の中心となる。
なお、図17においては、静止シリンダ2及び旋回ピストン3は、時計回りの方向に回転する。また、以下の説明において用いる「投影図形」という用語は、図17に示す旋回ピストン、ローリングシリンダ、シリンダ溝等の上面が、圧縮部の中心軸に垂直であることを前提としている。「先進側」とは、回転方向に先導する部位を表す。一方、「後進側」とは、回転方向に遅れて通過する部位を表す。
図17においては、最低圧口の中心である最低圧均一壁バイパス穴2e1の円の中心は、シリンダ溝1cの回転先進側側面の投影図形であるシリンダ先進側線と、シリンダ先端面のシリンダ底面への投影図形であるシリンダ先端線との、接続点であるシリンダ先進隅点からローリングシリンダの回転中心を繋ぐ線分である先進半径線の回転先進側領域(45度左下がりのハッチング領域)に設けている。
これにより、シリンダ溝1cの後進側側面から離れた位置に最低圧均一壁バイパス穴2e1を設置できるため、圧縮室100に開口する回転角期間を長くとることができる。これにより、高圧側均一壁バイパス穴2e2とともに両方のバイパス穴が開口する回転角期間を延ばすことができる。よって、過圧縮条件における過圧縮などの吐出圧の過大な上昇を緩和できるため、圧縮機効率を向上させる効果がある。
さらに、図17においては、最低圧口中心である最低圧均一壁バイパス穴2e1の円の中心は、シリンダ溝1cの回転先進側側面の投影図形であるシリンダ先進側線が最低圧口中心を通る際、圧縮室100を区画する旋回ピストン3の先端面であるピストン偏心円柱先端面3eの投影図形であるピストン先端線より外周側領域(75度右下がりのハッチング領域)に設けている。仮に、最低圧均一壁バイパス穴2e1の円の中心が、シリンダ先進側線が最低圧口中心を通る際にピストン先端線よりも内側領域に入っていると、最低圧均一壁バイパス穴2e1が圧縮室100へ開口した時には、既に旋回ピストン3が開口部にかかるか近づいていることになるため、最低圧均一壁バイパス穴2e1の圧縮室100へ開口する回転角期間を長くとることができない。よって、最低圧均一壁バイパス穴2e1の円の中心が、シリンダ先進側線が最低圧口中心を通る際にピストン先端線よりも外側領域に入る位置に設けることで、最低圧均一壁バイパス穴2e1が圧縮室100に開口する回転角期間を長くとることができる。
これにより、先進半径線の回転先進側領域に設ける場合と同様の理由で、圧縮機効率を向上させる効果がある。
さらに、最低圧口の中心である最低圧均一壁バイパス穴2e1の円の中心は、シリンダ溝1cの回転後進側側面の投影図形であるシリンダ後進側線(図示していない)と圧縮行程開始時のシリンダ先進側線との交点に、ピストン先端線が重なる重畳点を中心とする旋回直径を半径とする領域(15度左下がりのハッチング領域)に設けている。この重畳点は、シリンダ後進側線とピストン先端線の交点との軌跡(図17の最も太い実線)と、圧縮行程開始時におけるシリンダ先進側線と、の交点と考えることもできる。図17において、圧縮行程の途中にあるピストン先端線の端部(図中実線で示すピストン先端線の右端)は、当該軌跡と重なっている。
なお、シリンダ後進側線は、シリンダ先進側線と対となっている線である。
以上より、最低圧均一壁バイパス穴2e1を圧縮行程開始時におけるシリンダ先進側線の近傍に設けることにより、圧縮室100の形成開始時に近いところで開口することになる。よって、圧縮室100が形成される前の吸込室95では、開口期間を短くできるため、逆に、圧縮室100に開口する回転角度期間を延ばすことになる。
ところで、最低圧口の中心である最低圧均一壁バイパス穴2e1の円の中心が、ローリングシリンダ1の回転中心であるシリンダ回転軸に近づくほど、旋回ピストン3で隠されない限り、シリンダ溝1cの角度間隔が増大する。よって、重畳点の付近に設けた最低圧均一壁バイパス穴2e1は、シリンダ回転軸側から押し寄せてくる旋回ピストン3で隠されないぎりぎりの中央寄りで、シリンダ溝1c全幅で圧縮室100に開口することになる。
以上より、重畳点の近くに最低圧均一壁バイパス穴2e1を設けることにより、極めて長い回転角度期間で、最低圧均一壁バイパス穴2e1を圧縮室100に開口できる。これにより、上述の場合と同様の理由で、圧縮機効率を非常に向上させる効果がある。
さらに、最低圧口である最低圧均一壁バイパス穴2e1を、その少なくとも一部が圧縮行程開始時のシリンダ先進側線の回転後進側領域(45度右下がりのハッチング領域)に含まれるように設けている。これにより、最低圧均一壁バイパス穴2e1が吸込室95にも開口する。よって、運転起動時などで、液化した作動流体が吸込室95へ流れ込んで液圧縮を起こしても、最低圧均一壁バイパス穴2e1が液を排出する流路として作用する。よって、液圧縮を確実に回避してRC圧縮機の損傷確率を低減できる。これにより、RC圧縮機の信頼性を向上させるという効果が得られる。
本実施例は、ローリングシリンダのシリンダ溝外周壁の厚さを不均一なものとした例である。
図18は、ローリングシリンダの上面図である。
図19は、旋回ピストンの上面図である。
図20は、ローリングシリンダと旋回ピストンとが組み合わさって吸込行程開始時の作動室(吐出行程から吸込行程へ移行する容積が0の作動室)と圧縮行程開始時の作動室(吸込行程から圧縮行程へ移行する最大容積の作動室)とが共存する図11のクランク角0度の拡大図である。
図21は、一つの作動室が圧縮行程から吐出行程に移行する図11のクランク角180度と225度の間の拡大図である。
図20及び21の横断面のすぐ上にある吸込溝2s2と吐出溝2d2と最低圧不均一壁バイパス穴2e3とは、便宜的に破線で図示している。
図22は、最低圧不均一壁バイパス穴2e3が開口している図21のN2部の拡大横断面図である。
図19に示すように、本実施例においては、旋回ピストン3の2つの先端面は、中心軸を同一とするピストン円柱先端面3xとしている。これに対応して、図18に示すように、シリンダ溝外周壁の厚さは、周方向の両端側へ向かうにつれて増大する不均一壁1xとしている。これ以外の構成は、実施例1と同様であるため、同様な箇所に関する説明は省略する。
旋回ピストン3は、旋回軸受穴3aと同軸であり、先端面であるピストン円柱先端面3xを加工した上で、ピストンカット面3cを加工すればよい。よって、旋回軸受穴3aとピストン円柱先端面3xが同一チャッキングによる旋盤加工により、高い同軸度を伴って加工可能になるため、製造コストが低減するという効果がある。
また、シリンダ溝外周壁には、ガス荷重がかかるため、高い剛性が必要となる。本実施例では、シリンダ溝外周壁の厚さが、周方向の両端側へ向かうにつれて増大する不均一壁1xとなる。このため、壁の根元が厚い形態となっている。よって、剛性が高いシリンダ溝外周壁となる。これにより、ガス荷重による変形が抑制され、シリンダ溝外周壁内面と旋回ピストン3の先端面との干渉やシリンダ溝外周壁外面と偏心シリンダ穴2b内周面との干渉の危険性を低減でき、信頼性が向上するという効果がある。
また、図22に示すように、ピストン先端線のシリンダ後進側線との交点における接線が、ローリングシリンダ1の外周面であるシリンダ外周面1sの投影図形であるシリンダ外周線のシリンダ後進側線の延長線との交点における接線に比べて、実施例1よりもシリンダ後進側線の向きに近づいている。すなわち、圧縮室100の形状が、シリンダ後進側線の近傍で中央に切れ込んでいる。
これにより、ピストン先端線が近づいてからも、開口部が閉じにくくなり、閉じ始めから全閉に至るまでの回転角期間が長くなる。そのため、最低圧不均一壁バイパス穴2e3の圧縮室100へ開口する回転角度期間が一層長くなり、一個で、全固有圧縮行程における圧縮室100と吐出空間を繋ぐことが可能となる。よって、バイパス弁流路の数を少なくできるため、加工コストを低減するという効果がある。この効果は、バイパス弁流路の数を減らさないで、複数のバイパス弁流路が開口する回転角度期間を延ばすことに用いることもできる。この場合には、過圧縮を含む吐出圧の余分な上昇を抑制できるため、圧縮機効率を向上できるという効果がある。
本実施例も、ローリングシリンダのシリンダ溝外周壁の厚さを不均一なものとした例である。
図23は、ローリングシリンダの上面図である。
本図に示すように、長穴形成壁1yの内側は、上方から見ると、半円形状である。
図24は、旋回ピストンの上面図である。
本図に示すように、ピストン半円柱先端面3yは、上方から見ると、半円形状である。
図25は、これらのローリングシリンダと旋回ピストンとが組み合わさって吸込行程開始時の作動室(吐出行程から吸込行程へ移行する容積が0の作動室)と圧縮行程開始時の作動室(吸込行程から圧縮行程へ移行する最大容積の作動室)とが共存する図11のクランク角0度の拡大図である。
図26は、一つの作動室が圧縮行程から吐出行程に移行する図11のクランク角180度と225度の間の拡大図である。
図25及び図26の横断面のすぐ上にある吸込溝2s2と吐出溝2d2と最低圧長穴形成壁バイパス穴2e4とは、便宜的に破線で図示している。
図27は、最低圧長穴形成壁バイパス穴2e4が開口している図26のN3部の拡大横断面図である。
図23に示すように、本実施例においては、シリンダ溝外周壁は、周方向の両端側へ向かうにつれて厚さが非常に増大する長穴形成壁1yとなるため、壁の根元が非常に厚い形態となっている。よって、剛性が非常に高いシリンダ溝外周壁となり、ガス荷重による変形が完全に抑制され、シリンダ溝外周壁内面と旋回ピストン3の先端面との干渉やシリンダ溝外周壁外面と偏心シリンダ穴2b内周面との干渉の危険性を極めて高い確度で低減でき、信頼性が非常に向上するという効果がある。
また、シリンダ溝外周壁外面の変形が非常に抑制されることにより、偏心シリンダ穴2b内周面との摩擦係数がとても小さくなり、摩擦損失を一層低減できる。よって、圧縮機効率を一層向上できるという効果がある。
また、シリンダ溝1cを、2つのピストンカット面3cの距離を直径とするエンドミルで加工することが可能となる。これにより、加工コストが低減するという効果がある。
また、図27に示すように、ピストン先端線のシリンダ後進側線との交点における接線がシリンダ後進側線に一致するため、ローリングシリンダ1の外周面であるシリンダ外周面1sの投影図形であるシリンダ外周線のシリンダ後進側線の延長線との交点における接線に比べて、究極的にシリンダ後進側線の向きに近づいているといえる。すなわち、圧縮室100の形状が、シリンダ後進側線の近傍で究極的に中央に切れ込んでいる。
これにより、ピストン先端線が近づいてからも、開口部が極めて閉じにくくなり、閉じ始めから全閉に至るまでの回転角期間が極めて長くなる。そのため、最低圧長穴形成壁バイパス穴2e4の圧縮室100へ開口する回転角度期間がより一層長くなり、一個で、全固有圧縮行程における圧縮室100と吐出空間を繋ぐことが余裕をもって可能となる。つまり、固有吐出行程の開始時(図26)でも、最低圧長穴形成壁バイパス穴2e4はほぼ全開状態となっている。よって、バイパス弁流路の数を少なくして加工コストを低減するとともに、過圧縮を含む吐出圧の余分な上昇を抑制できるため、圧縮機効率の向上も可能になるという効果がある。
なお、最低圧長穴形成壁バイパス穴2e4は、スライド溝3bとは連通しないように配置する必要がある。スライド溝3bの圧力は、常に吐出圧となっているからである。
さらに、最低圧長穴形成壁バイパス穴2e4に加えて、吐出溝2d2の近くに高圧側長穴形成壁バイパス穴2e5を設けることが望ましい。これにより、圧縮行程において最低圧長穴形成壁バイパス穴2e4が閉じている期間においても、バイパス流路を確保することができる。
本実施例は、バイパス弁流路に設置したバイパス弁の変形例を示したものである。
図28は、バイパス穴の縦断面付近(図1のQ部)の拡大図である。なお、バイパス弁をフラッパタイプのバイパスフラッパ弁22とする以外は、実施例1乃至3と同様であるため、図28以外の箇所については説明を省略する。
本図においては、バイパスフラッパ弁22は、フラッパ弁穴22bの底に設けたフラッパ弁座22cにフラッパ弁板22aを載せ、そのフラッパ弁板22aを、フラッパ弁ばね22dを装着したフラッパストッパ22eによりフラッパ弁座22cに軽く押し付ける構造である。そして、フラッパストッパ22eが持ち上がらないように、フラッパストッパ22eをフラッパリテーナ22fで押さえ、それをフラッパ弁ねじ22gで静止シリンダ2へ固定している。これにより、各バイパス穴(2e1、2e2、2e3、2e4、2e5)の長さが短くなるため、再膨張による損失が低減し、圧縮機効率が向上するという効果がある。
以下、本発明による効果についてまとめて説明する。
本発明によれば、最低圧バイパス口は、圧縮室が吐出流路及び最低圧バイパス口のいずれか一方に連通するため、圧縮行程における過圧縮を抑制することができる。
本発明によれば、最低圧バイパス口の少なくとも一部は、圧縮行程開始時のシリンダ先進側線の回転後進側領域に配置されているため、圧縮行程の開始時における液圧縮を回避することができる。
なお、最低圧バイパス口については、圧縮室が吐出流路及び最低圧バイパス口のいずれか一方に連通するように配置し、かつ、最低圧バイパス口の少なくとも一部が、圧縮行程開始時のシリンダ先進側線の回転後進側領域に位置するようにすることにより、過圧縮の抑制及び液圧縮の防止を両立することができる。
また、本発明によれば、最低圧バイパス弁流路の回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)を延ばすことができ、バイパス弁流路の設置個数を低減することができる。これにより、製作コストを低減することができる。また、バイパス弁流路の設置個数を低減することにより、流路が切り替わる際の乱流を抑制することができる。
場合によっては、バイパス弁の設置数を減少させずに、圧縮室に複数のバイパス弁流路が開口する回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)を拡大して、バイパス弁流路抵抗を低減することにより、過圧縮抑制効果を向上することができる。これにより、圧縮機効率を向上することができる。
さらに、バイパス弁設置数を減少させずに、吸込行程におけるバイパス弁流路の回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)を延ばして、液圧縮の回避を確実に行い、圧縮機の信頼性を向上することができる。
さらにまた、バイパス弁の設置数を減少させずに、固有吐出行程におけるバイパス弁流路の回転角期間(ローリングシリンダ回転角期間)を延ばして、吐出流路抵抗を低減し、圧縮機効率を向上することができる。
また、本発明によれば、バイパス弁流路の流路抵抗の低減や、主吐出流路と並列するバイパス弁流路の設置により、吐出圧の上昇を抑制できるため、圧縮機効率を向上することができる。さらに、吸込流路と並列するバイパス弁流路の設置により、液圧縮を回避できるため、圧縮機の信頼性を向上することができる。
1:ローリングシリンダ、1a:シリンダ底端板、1b:シリンダ円柱、1c:シリンダ溝、1d:偏心シャフト挿入穴、1s:シリンダ外周面、1w:均一壁、1x:不均一壁、1y:長穴形成壁、2:静止シリンダ、2a:シリンダ取付面、2b:偏心シリンダ穴、2d:吐出路、2d1:吐出穴、2d2:吐出溝、2e1:最低圧均一壁バイパス穴、2e2:高圧側均一壁バイパス穴、2e3:最低圧不均一壁バイパス穴、2e4:最低圧長穴形成壁バイパス穴、2e5:高圧側長穴形成壁バイパス穴、2g:シリンダ外周隙間、2m:シリンダ外周溝、2s:吸込路、2s1:吸込穴、2s2:吸込溝、2s2k:吸込溝屈折部、2w:静止シリンダ上部壁、2w1:上部壁溝、2x:ピン固定穴、3:旋回ピストン、3a:旋回軸受穴、3b:スライド溝、3c:ピストンカット面、3d:ピストン上面、3e:ピストン偏心円柱先端面、3f:ピストン下面、3x:ピストン円柱先端面、3y:ピストン半円柱先端面、4:フレーム、4a:フレーム取付面、4b:主軸受穴、4c:つば受面、4c1:つば受切欠き、4d:ベッド面、4e:ベッド放射溝、4g:フレーム外周隙間、4m:フレーム外周溝、4x:油排出路、5: ピン機構、5a:スライダ、5a1:スライダカット面、5a2:スライダ軸穴、5a3:スライダグルーブ、5a5:スライダ先端面、5a6:スライダ横貫通穴、5a7:スライダ軸穴溝、5b:スライダフランジ、5s:固定ピン、5s1:固定ピンフランジ部、5s8:ピン固定ねじ、6:クランクシャフト、6a:偏心シャフト、6b:給油縦穴、6c:シャフトつば部、6d:シャフトネック、6e:給油上主横穴、6f:給油下主横穴、6g:給油副横穴、6h:偏心給油溝、6k:給油主軸溝、6z:ポンプ連結管、7:モータ、7a:ロータ、7b:ステータ、7b1:ステータカット面、7b2:ステータ巻線、7b3:モータ線、8:ケーシング、8a:ケーシング円筒部、8b:ケーシング上フタ、8c:ケーシング下フタ、21:バイパスリード弁、21a:リード弁板、21c:リード弁座、21f:リードリテーナ、21g:リード弁ねじ、22:バイパスフラッパ弁、22a:フラッパ弁板、22b:フラッパ弁穴、22c:フラッパ弁座、22d:フラッパ弁ばね、22e:フラッパストッパ、22f:フラッパリテーナ、22g:フラッパ弁ねじ、23:旋回軸受、24:主軸受、24a:上主軸受、24b:下主軸受、25:副軸受、25a:ボール、25b:ボールホルダ、35:副フレーム、35a:副フレーム周囲穴、35b:副フレーム中央穴、50:吸込パイプ、55:吐出パイプ、80:主バランス、82:カウンタバランス、90:シリンダボルト、95:吸込室、100:圧縮室、105:吐出室、110:背圧室、110a:ベッド背圧室、115:シャフト偏心端部空間、120:ケーシング上部室、125:貯油部、200:給油ポンプ、210:ロータカップ、220:ハーメチック端子、230:吐出カバー。

Claims (11)

  1. シリンダ溝を有する円柱状のローリングシリンダと、
    スライド溝を有する旋回ピストンと、
    ピン機構を有する静止シリンダと、
    前記旋回ピストンの旋回運動の駆動源であるピストン旋回駆動源と、
    前記旋回ピストンと前記ピストン旋回駆動源とを繋ぐ駆動伝達部と、
    前記駆動伝達部が貫通するフレームと、
    前記旋回ピストン、前記ローリングシリンダ、前記静止シリンダ、前記ピストン旋回駆動源、前記駆動伝達部及び前記フレームを内蔵するケーシングと、を備え、
    前記旋回ピストン、前記ローリングシリンダ及び前記静止シリンダは、圧縮部を構成し、
    前記旋回ピストンは、前記シリンダ溝にて相対的に往復運動をするものであり、
    前記静止シリンダには、吸込流路、吐出流路及びバイパス弁流路が設けられ、
    前記圧縮部には、前記往復運動により、吸込室、圧縮室及び吐出室が形成され、
    前記バイパス弁流路のうち、前記圧縮部に形成される圧縮室が最も低い圧力の状態で繋がる最低圧バイパス弁流路の開口部である最低圧バイパス口は、前記圧縮室が、前記吐出流路の開口部又は前記最低圧バイパス口の少なくとも一方と臨むように配置されている、ローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  2. 前記最低圧バイパス口は、その図心である最低圧口中心が、圧縮行程開始時における前記圧縮室のシリンダ先進隅点と前記ローリングシリンダの回転中心とを繋ぐ線分である先進半径線の回転先進側領域に配置されている、請求項1記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  3. 前記圧縮室のシリンダ先進側線が前記最低圧バイパス口の図心である最低圧口中心を通過する時、前記最低圧口中心が、前記圧縮室を区画する前記旋回ピストンのピストン先端線より前記圧縮室のシリンダ先端線の側に離れた位置となるように、前記最低圧バイパス口が配置されている、請求項2記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  4. 前記最低圧口中心は、前記圧縮室のシリンダ後進側線と前記ピストン先端線との交点の軌跡と、前記圧縮行程開始時における前記シリンダ先進側線との交点である重畳点を中心とし旋回直径を半径とする領域に配置されている、請求項3記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  5. 前記最低圧バイパス口の少なくとも一部は、前記圧縮行程開始時の前記シリンダ先進側線の回転後進側領域に配置されている、請求項4記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  6. 前記旋回ピストンのピストン先端面は、前記ピストン先端線の前記シリンダ後進側線との交点における接線が、前記ローリングシリンダの外周面であるシリンダ外周面の投影図形であるシリンダ外周線の前記シリンダ後進側線の延長線との交点における接線よりも、前記シリンダ後進側線の向きに近づくように形成されている、請求項5記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  7. 前記旋回ピストンの2つのピストン先端面は、1つの円柱の中心軸を共有し、前記円柱の側面を構成する、請求項6記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  8. 前記旋回ピストンの2つのピストン先端面はそれぞれ、半円柱の側面形状を有する、請求項6記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  9. 前記最低圧バイパス口は、円形状である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  10. 前記バイパス弁流路は、2つ設けられている、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
  11. 前記バイパス弁流路は、1つ設けられている、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のローリングシリンダ式容積型圧縮機。
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