JP2928596B2

JP2928596B2 - 流体圧縮機

Info

Publication number: JP2928596B2
Application number: JP2173068A
Authority: JP
Inventors: 良訓曽根; 尚義藤原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1999-08-03
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JPH0460187A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、たとえば冷凍サイクル装置に用いられ、作
動流体としての冷媒ガスを圧縮する流体圧縮機に係り、
特に回転体の周面に沿って設けられる螺旋溝形状の改良
に関する。

（従来の技術）従来より圧縮機として、レシプロ方式、ロータリ方式
等、各種のものが知られている。しかし、これらの圧縮
機においては、回転力を圧縮機部に伝達するクランクシ
ャフト等の駆動部や、圧縮部の構造が複雑であり、部品
点数も多い。さらに、このような圧縮機では圧縮効率を
高めるために、吐出側に逆止弁を設ける必要があるが、
この逆止弁の両サイドの圧力差は非常に大きいため、逆
止弁からガスがリークし易く圧縮効率が低い。そして、
このような問題を解消するためには、各部品の寸法精度
や組立精度を高める必要があり、製造コストが高くな
る。

そこで近時、上述のごとき不具合を除去し、比較的簡
単な構成によりシール性を向上させて効率の良い圧縮が
できるとともに、部品の製造および組立が容易な流体圧
縮機が提案されている。

（発明が解決しようとする課題）ところで、このような流体圧縮機において特に重要な
のは、上記ピストンの周面に設けられる螺旋溝の形状で
ある。すなわち、上記螺旋溝にはブレードが出入り自在
に嵌め込まれ、かつピストン周面とシリンダ内周面およ
びブレードとで囲繞される作動室が形成される。この作
動室の容量は吸込端側から吐出端側に亘って順次小さく
するのが基本であり、それには上記螺旋溝のピッチを吸
込端側から吐出端側に亘って順次小さくしなければなら
ない。

上記螺旋溝についてさらに説明すると、これはピスト
ンの一端部から他端部に亘り連続して形成されている。
そして、螺旋溝はピストンの周面において巻迴してい
て、その始点から終点までの間に複数個のターンを形成
している。さらに、螺旋溝はピストンの径方向に対して
傾斜していて、その大部分におけるピストンの径方向に
対する勾配は、上記始点から終点へ徐々に小さくなって
いる。

また、上記螺旋溝は、その大部分において、ある部分
とその部位から360゜進行した部位との間の直線距離
（すなわち、ピッチ）を、シリンダ７の吸込端側から吐
出端側に向かって徐々に小さくなるよう設定されてい
る。

ここで、第８図は、従来より考えられる溝の展開図を
示す。図中の横軸θはピストンの周面に沿って螺旋状に
進行する溝の位相を示しており、縦軸ｈはピストンの軸
方向に関する上記始点からの距離を示している。この螺
旋溝の円周方向θと軸方向ｈとの関係式を、ただ１つの
式で形成していることが特徴である。

たとえば、（a,bは定数、ｅは自然対数の底）としたとき、上記a,bをc,dに変えると、となる。

上記ｈ＝Fa（θ）の式から螺旋溝（ａ）を形成し、上
記ｈ＝Fb（θ）の式から螺旋溝（ｂ）を形成すると、各
溝は図示するような展開形状になる。このピストンにお
いては、螺旋溝の巻き数をたとえば５巻（1800゜）とす
る。

第９図は、上記溝を備えたピストンの回転数を横軸
に、かつこの回転数に対する吸込側圧力Psおよび吐出側
圧力Pdを縦軸にした、ｈ＝Fa（θ）の式から得られる上
記螺旋溝（ａ）と、ｈ＝Fb（θ）の式から得られる上記
螺旋溝（ｂ）の圧力上昇曲線を示す。このピストンにお
いては、吸込端側の作動室にガスが導かれてから、ピス
トンが３回転したあと吐出圧力に上昇する。３回転した
状態で圧力が垂直方向に上昇するのは、圧力の逆流があ
ることを示す。この圧力の逆流は、（螺旋溝の巻き数−
２）のところで発生するのが普通である。

また、先に説明した式を用いることにより、１つの式
で拡張部を持つ式となる。すなわち、通常、螺旋溝12は
シリンダ７の吸込端側から吐出端側へ徐々に小さくなる
ピッチで形成するが、その一部にシリンダ７の吸込端側
から吐出端側にかけて徐々にピッチを大きくしたのが拡
張部であり、作動室14の容積である排除容積を大にして
いる。

第８図から明らかなように、上記螺旋溝（ａ）におけ
る０゜から360゜までの排除容積Vaより、上記螺旋溝
（ｂ）における同角度での排除容積Vbを増大することが
できる。しかしながら、これら排除容積を変えると、螺
旋溝（ｂ）の全長が螺旋溝（ａ）の全長よりも長くなっ
てしまうとともに、第９図から明らかなように、螺旋溝
（ａ）と螺旋溝（ｂ）の圧力上昇曲線が互いに反対側に
膨らむ形状となって著しい差がある。すなわち、螺旋溝
の形状が異なると、圧力上昇曲線も必ず異なってしま
う。

これは、溝の円周方向θと軸方向ｈとの関係をただ１
つの式から求めただけで形成することによる。上記定数
ａおよびｂを変えることにより、排除容積を変えること
ができるが、圧力上昇曲線および螺旋溝全長も同時に変
わってしまう。また、排除容積を固定しても、圧力上昇
曲線および螺旋溝全長を自由に選択することができな
い。

このように、排除容積、圧力上昇曲線および螺旋溝全
長の３つの関係のうちの１つないし２つを変えることが
できず、その結果、圧縮性能を充分満足する理想の設計
が可能でない結果となっていた。

本発明はこのような事情によりなされたものであり、
その目的とするところは、回転体の周面に設けられる螺
旋溝の形状の設定にあたって、排除容積、圧力上昇曲線
および螺旋溝全長の関係を自由に選択できるようにし
て、設計上の自由度を拡大し、かつ圧縮性能の向上化を
図れる流体圧縮機を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を満足するため本発明は、シリンダ内に、周
面に沿って螺旋溝を有する回転体を偏心させて配置し、
この回転体の上記螺旋溝に螺旋状のブレードを出入れ自
在に巻装してなる圧縮要素を備え、作動流体を上記シリ
ンダの吸込端側から吐出端側へ徐々に移送しながら圧縮
するものにおいて、上記回転体の周面に沿って設けられ
る螺旋溝は、回転体の円周方向θと回転体の軸方向距離
ｈとの関係式からなり、溝のピッチを徐々に大きくする
関係式と溝のピッチを徐々に小さくする関係式を含む複
数の式で表される複数の線形状をつなぎ合わせて形成し
たことを特徴とする流体圧縮機である。

また本発明は、上記回転体の周面に沿って設けられる
螺旋溝相互のつなぎ合せ部分は、回転体の円周方向θ
と、回転体の軸方向距離ｈとの関係式からなる複数の式
で表される複数の線形状の傾斜角度が一致する部分とし
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流体圧
縮機である。

また本発明は、上記回転体の周面に沿って設けられる
螺旋溝の関係式は、溝のピッチを徐々に大きくする場合
にｈ＝Ａ・θ^Ｍ（Ｍ＞１）を、かつ溝のピッチを徐々に
小さくする場合に、ｈ＝Ｂ・（θ−Ｃ）^Ｋ（Ｋ＜１）な
どの関数を用いる（A,B,C,M,Kは定数）ことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の流体圧縮機である。

（作用）いずれにしても、螺旋溝の形状の式を複数の式で表す
ことにより、排除容積、圧力上昇曲線および螺旋溝全長
の関係を自由に選択できるようになり、より圧縮性能の
向上を図れる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面にもとづいて説明す
る。

はじめに、流体圧縮機の概略構成を、第１図にもとづ
いて説明する。

これは、たとえば冷凍サイクル装置に用いられ、冷凍
ガスを圧縮して吐出する密閉型圧縮機である。

圧縮機本体１は、密閉ケース２内に収容される電動要
素３および圧縮要素４とから構成される。上記電動要素
３は、密閉ケース２の内面に固定された環状のステータ
５と、このステータ５の内側に設けられた環状のロータ
６とを有している。上記圧縮要素４は、シリンダ７を有
しており、このシリンダ７の外周面に上記ロータ６が同
軸的に嵌着されている。上記シリンダ７の両端は、密閉
ケース２の内面に溶接などの手段で固定された吸込側軸
受部材である主軸受８および吐出側軸受部材である副軸
受９に回転自在に枢支され、これら主，副軸受8,9でシ
リンダ７の両端は気密的に閉塞されている。

上記シリンダ７の中空部には、円柱形状の回転体とし
てのピストン10が軸方向に沿って収容される。このピス
トン10の中心軸Ａは、上記シリンダ７の中心軸Ｂに対し
て所定距離ｅだけ偏心して配置されていて、ピストン10
周面一部は軸方向に沿ってシリンダ７の内周面に接触し
ている。

一方、上記ピストン10の一端部には、その周面から軸
芯方向に向って図示しない係合溝が設けられており、こ
の係合溝には、シリンダ７の内周面から突出した駆動ピ
ン11がシリンダ７の径方向に沿って後退自在に挿入され
ている。これら係合溝と駆動ピン11とで、回転力伝達機
構が構成される。

第２図に示すように、上記ピストン10の周面には、ピ
ストン10の両端間を図中の右側から左側、すなわち、シ
リンダ７の吸込端側から吐出端側に向かって徐々に小さ
くなるピッチに形成された螺旋溝12が設けられている。
この螺旋溝12には、第３図に示すような合線状のブレー
ド13が嵌め込まれる。このブレード13は、たとえばふっ
素樹脂材料からなるものであって、適度な弾性を有して
いて、その厚さは上記螺旋溝12の幅寸法とほぼ一致して
いる。そして、再び第１図で示すように、ブレード13の
各部分を螺旋溝12に対してピストン10の径方向に沿って
進退自在であり、この外周面はシリンダ７の内周面に密
着した状態でスライド可能である。

上記シリンダ７内周面とピストン10周面との間の空間
は、上記ブレード13によって複数の作動室14…に仕切ら
れている。各作動室14…は、ブレード13に沿ってピスト
ン10周面とシリンダ７の内周面との接触部から次の接触
部まで伸びたほぼ三日月状をなし、その容積はシリンダ
７の吸込側から吐出側に行くにしたがって徐々に小さく
なっている。

なお、上記主軸受８には吸込孔15が設けられ、上記密
閉ケース２に接続される冷凍サイクルの吸込管16が直接
に連通している。上記副軸受９には吐出孔17が設けら
れ、密閉ケース２に接続される吐出管18に密閉ケース２
内を介して連通している。

つぎに、このような流体圧縮機の動作について説明す
ると、電動要素３に通電してロータ６を回転駆動する
と、シリンダ７が一体に回転する。上記シリンダ７の回
転は回転力伝達機構である駆動ピン11を介してピストン
10に伝達される。このピストン10は、周面一部が軸方向
に沿ってシリンダ７の内周面に接触した状態で回転駆動
され、ブレード13も一体に回転する。

上記ブレード13は、その外周面がシリンダ７の内周面
に接触した状態で回転するため、ブレード13の各部はピ
ストン10の外周面とシリンダ７の内周面との接触部に近
づくにしたがって螺旋溝12内に埋込まれ、また、接触部
から離れるにしたがって上記螺旋溝12から飛出す方向に
移動する。一方、圧縮要素４が作動されると、吸込管16
から主軸受８の吸込孔15を介してシリンダ７に冷媒ガス
が吸込まれる。吸込まれた冷媒ガスは、上記作動室14…
に順次閉じ込められたまま、ピストン10の回転にともな
って吐出側の作動室14に移送されるとともに圧縮され
る。ここで圧縮された冷媒ガスは、副軸受９に設けられ
た吐出孔17から密閉ケース２の内部空間内に吐出され、
さらに吐出管18を通して冷凍サイクル中に戻される。

ここで、上記ピストン10の周面に設けられる螺旋溝13
の形状は、第４図で示す展開図から求められる。図中の
横軸θはピストン10の周面に沿って螺旋状に進行する溝
13の位相を示しており、縦軸ｈはピストン10の軸方向に
関する上記始点からの距離を示している。

すなわち、螺旋溝（ａ）と螺旋溝（ｂ）の溝形状は、
たとえば２つの式から形成する。上記螺旋溝（ａ）にお
いては、始点０゜から360゜までを、ｈ＝f_a（θ）の式
から形成し、360゜以上はｈ＝g_a（θ）の式から形成す
る。一方、上記螺旋溝（ｂ）においては、０゜から360
゜までをｈ＝f_b（θ）の式から形成し、360゜以上はｈ
＝g_b（θ）の式から形成する。

なお、上記式におけるｈ＝ｆ（θ）は、螺旋溝のピッ
チをシリンダ７の吸込端側から吐出端側に亘って徐々に
大きくする式であり、ｆ（θ）＝Ａ・θ^Ｍ（Ｍ＞１）（Ａは定数）で求められる。

上記式におけるｈ＝ｇ（θ）は、螺旋溝のピッチをシ
リンダ７の吸込端側から吐出端側に亘って徐々に小さく
する式であり、ｇ（θ）＝Ｂ・（θ−Ｃ）^Ｋ（Ｋ＜１）（B,Cは定数）で求められる。

いずれにしても、このような簡単な関数で表せば、た
とえばNC制御機械装置で螺旋溝を加工する場合に、計算
処理が容易で数値設定がし易い。

また、同図において、螺旋溝（ａ）における０゜から
360゜までの排除容積をVaとし、螺旋溝（ｂ）における
０゜から360゜までの排除容積をVbとすると、互いの排
除容積VaとVbとを略等しくなるよう設定できる。同時
に、互いの螺旋溝（ａ），（ｂ）の全長も略等しくなる
よう設定できる。

第５図は、第４図で示す２つの式で表される２つの線
形状で形成した螺旋溝（ａ），（ｂ）における圧力上昇
曲線変化である。同図からも明らかなように、互いの圧
力上昇曲線は先に第９図で説明したものよりも近接して
いる。

換言すれば、このような螺旋溝（ａ），（ｂ）におい
ては、排除容積および螺旋溝全長を同一として、圧力上
昇曲線のみを変える設定が可能になった。

第６図は、螺旋溝（ａ）を３つの式から表される３つ
の線形状で形成したものである。すなわち、先に用いた
ｈ＝f_a（θ）の式と、ｈ＝g_a（θ）の式およびｈ＝Ｉ
（θ）との３つの式を互いにつなぎ合わせた線形状とす
る。第７図はそのときの圧力上昇曲線変化を示す。

その結果、始点から途中まで排除容積と圧力上昇曲線
を同じとし、吐出端側近傍において最終的な圧力を変え
ることも可能になる。

上記螺旋溝の式と式とのつなぎ目は、一次微分の値を
等しくし、軸方向の高さｈも等しくする。すなわち、そ
れぞれ螺旋溝の線形状のつなぎ目は、傾斜角度が一致す
る部分で合わせることとなる。

いずれにしても、螺旋溝の形状の式を、複数の式から
形成するようにしたから、排除容積と圧力上昇曲線およ
び螺旋溝全長の関係をより自由に選択でき、圧縮性能を
最大限引き出せる設計が可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、回転体の周面に
設けられブレードが出入り自在に嵌め込まれる螺旋溝の
形状の式を、回転体の円周方向θと回転体の軸方向距離
ｈとの関係式からなり、溝のピッチを徐々に大きくする
関係式と溝のピッチを徐々に小さくする関係式を含む複
数の式から形成するようにしたから、排除容積と圧力上
昇曲線および螺旋溝全長の関係をより自由に選択でき、
圧縮性能の向上化に寄与する。また、それぞれの式を簡
単な関数の式で表すことにより、たとえばNC制御機械装
置での加工に係わる計算処理が容易になって加工性能が
向上するなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す流体圧縮機の縦断側面
図、第２図はその要部であるピストンの側面図、第３図
は要部であるブレードの斜視図、第４図は螺旋溝形状の
展開図、第５図はその螺旋溝形状における圧力上昇曲線
変化の特性図、第６図は本発明の他の実施例を示す螺旋
溝形状の展開図、第７図はその螺旋溝形状における圧力
上昇曲線変化の特性図、第８図は本発明の従来例を示す
螺旋溝形状の展開図、第９図はその螺旋溝形状における
圧力上昇曲線変化の特性図である。８……吸込側軸受部材（主軸受）、９……吐出側軸受部
材（副軸受）、７……シリンダ、12……螺旋溝、10……
回転体（ピストン）、13……ブレード、４……圧縮要
素。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内に、周面に沿って螺旋溝を有す
る回転体を偏心させて配置し、この回転体の上記螺旋溝
に螺旋状のブレードを出入れ自在に巻装してなる圧縮要
素を備え、作動流体を上記シリンダの吸込端側から吐出
端側へ徐々に移送しながら圧縮する流体圧縮機におい
て、上記回転体の周面に沿って設けられる螺旋溝は、回転体
の円周方向θと、回転体の軸方向距離ｈとの関係式から
なり、溝のピッチを徐々に大きくする関係式と溝のピッ
チを徐々に小さくする関係式を含む複数の式で表される
複数の線形状をつなぎ合せて形成したことを特徴とする
流体圧縮機。
【請求項２】上記回転体の周面に沿って設けられる螺旋
溝相互のつなぎ合せ部分は、回転体の円周方向θと、回
転体の軸方向距離ｈとの関係式からなる複数の式で表さ
れる複数の線形状の傾斜角度が一致する部分としたこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流体圧縮機。
【請求項３】上記回転体の周面に沿って設けられる螺旋
溝の関係式は、溝のピッチを徐々に大きくする場合にｈ
＝Ａ・θ^Ｍ（Ｍ＞１）を、かつ溝のピッチを徐々に小さ
くする場合にｂ＝Ｂ・（θ−Ｃ）^Ｋ（Ｋ＜１）などの関
数を用いる（A,B,C,M,Kは定数）ことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の流体圧縮機。