JP3290224B2 - 流体圧縮機 - Google Patents

流体圧縮機

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JP3290224B2 JP00331493A JP331493A JP3290224B2 JP 3290224 B2 JP3290224 B2 JP 3290224B2 JP 00331493 A JP00331493 A JP 00331493A JP 331493 A JP331493 A JP 331493A JP 3290224 B2 JP3290224 B2 JP 3290224B2
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正幸 奥田
良訓 曽根
隆 本勝
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    • F04C2/00Rotary-piston machines or pumps
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、冷凍サイクル
の冷媒を圧縮する流体圧縮機に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、本出願人により、特願平2−2
28000号明細書に記載されているような流体圧縮機
(以下、圧縮機と称する)が提案されている。
【0003】これは、密閉ケ−ス内に、圧縮機構を構成
するシリンダとピストンが偏心配置されており、ピスト
ンには一端側から他端側へ徐々にピッチを小とする螺旋
状の溝が形成される。この溝には、同じく螺旋状のブレ
−ドが出入り自在に嵌込まれている。
【0004】ピストンとシリンダとの間の空間は、上記
ブレ−ドによって複数に仕切られており、シリンダ内に
は、この一端側から他端側、すなわち、吸込部から吐出
部へ徐々にその容積を小とする作動室が形成されてい
る。
【0005】シリンダにはロ−タが外装されており、さ
らにロータの外周面と狭小の間隙を存する環状のステ−
タが密閉ケ−スの内壁に固定され、これらでモータが構
成される。
【0006】このモ−タへの通電により、ロ−タとシリ
ンダが一体に回転する。シリンダの回転力は回転力伝達
機構部を介してピストンへ伝達され、シリンダとピスト
ンとが位置関係を保ったまま、相対的に、かつ同期的に
回転する。
【0007】これらの回転にともなって、ブレ−ドが溝
に対して出入し、ピストンの径方向に突没する。さら
に、冷凍サイクル中の冷媒がシリンダ内に吸込まれ、各
作動室のうちで最も吸込部側に位置する吸込室から、最
も吐出部側に位置する吐出室へ移送され、かつ移送され
る間に徐々に圧縮される。
【0008】冷媒は、所定圧まで上昇した状態で、吐出
孔を通過して密閉ケ−ス内に吐出され、一旦ここで充満
し、さらに密閉ケ−スに接続された吐出管を介して圧縮
機の外部へ戻される。
【0009】
【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、ピストンやシリンダなどの回転部
品は、軸方向を水平方向に向けた、いわゆる横置き形の
ものが多用される傾向にあるが、空気調和機などでは、
関連部品との配置スペースの関係で、縦置き形にせざる
を得ない場合もある。
【0010】このタイプの圧縮機では、回転部品が自重
で下部側に下がり、ピストンの下部軸部を枢支する軸受
具に当接する。すなわち、軸受具の上面側がスラスト面
となって、ピストン本体の下部側端面と摺接する。
【0011】これらの間には、ピストンの回転にともな
って極めて大なる摩擦損失が発生する。その結果、電気
入力の増大を招き、回転数制御を可能とした方式のモー
タでは、回転数を高くするほどかえって入力が増大し、
不利となる。併せて、異音が発生するところとなり、静
粛運転が阻害される。
【0012】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、ピストンやシリンダ
などの回転部品の軸方向を垂直に向けた縦置き形のもの
を前提とし、回転部品に対してスラスト力が略同一もし
くは上方向に作用するようにして、ピストンと軸受具と
の間における摩擦損失の大幅低減を図り、モータの回転
数に係わらず、電気入力の増大を抑制し、異音の発生の
ない、信頼性の高い流体圧縮機を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために第1の発明は、
【0014】徐々に小さくなるピッチで形成された螺旋
状の溝をピストン本体の外周部に設け、このピストンを
シリンダ内に偏心配置し、上記溝に螺旋状のブレ−ドを
出入り自在に嵌込み、上記シリンダ内に、上記ブレ−ド
によって仕切られて、徐々に容積を小とする複数の作動
室を形成し、シリンダとピストンとを相対的に回転さ
せ、シリンダ内に吸込まれた被圧縮流体を吸込側部から
吐出側部へ徐々に移送しながら圧縮し、上記ピストンお
よびシリンダの軸方向を垂直に向けた縦置き形とする流
体圧縮機であり、
【0015】ピストンにかかる上方向のスラスト力F
が、ピストンおよびシリンダなど回転部品の重量総計W
と略同一もしくは僅かに上回るよう、ピストンの下部軸
部φD1と上部軸部φD2の直径を設定したことを特徴
とする流体圧縮機である。第2の発明は、上記ピストン
に設けられる螺旋状溝、ピストン下部側から上部側に
亘って漸次、ピッチが小さくなるよう形成
【0016】上記ピストンの上部軸部の端面に吸込圧力
を作用させ、下部軸部の端面に吐出圧力を作用させると
ともに、ピストンの下部軸部φD1と上部軸部φD2の
直径およびシリンダ内径φDcの関係を、(D1
D2)>Dc2に設定したことを特徴とする請
求項1記載の流体圧縮機である。第3の発明は、上記ピ
ストンに設けられる螺旋状溝、ピストン軸方向中央部
を境に中央部から上部側および下部側に向かってそれぞ
れ漸次ピッチが小さくなるよう上下部に一体に形成し、
上記ピストンの上部軸部の端面および下部軸部の端面に
吸込圧力を作用させるとともに、下部軸部の直径φD1
を、上部軸部の直径φD2よりも小(φD1<φD2)
に設定したことを特徴とする請求項1記載の流体圧縮機
である。こうすることによって本発明は、ピストンと下
部側軸受具との間の摩擦損失の大幅低減をなし、電気入
力を低減し、異音の発生を阻止する。
【0017】
【実施例】以下、本発明の一実施例を、図1にもとづい
て説明する。
【0018】軸方向を垂直に向けた縦置き形の密閉ケ−
ス2内に、圧縮機構部3とモ−タ4とが収容される。圧
縮機構部3においては、シリンダ5内に、回転体として
のピストン6が偏心配置されており、これらシリンダ5
とピストン6は、モータとともに、軸方向を密閉ケース
2に合わせて垂直方向に向けられる。
【0019】また、シリンダ5とピストン6は、その上
端部を密閉ケ−ス2の内壁に固定された主軸受7によっ
て支持され、下端部を同様に、密閉ケ−ス2の内壁に固
定された副軸受8によって支持されている。
【0020】シリンダ5の上下端部は、上記主軸受7と
副軸受8とにより塞がれており、ピストン6の上部軸部
である主軸部6a、および下部軸部である副軸部6bが
各軸受7、8に差込まれている。
【0021】ピストン6の、主軸部6aと副軸部6bと
の間に形成されるピストン本体6cには、ここでは下部
側から上部側へ、徐々にピッチを小とする螺旋状の溝1
1が形成されており、この溝11には同じく螺旋状のブ
レ−ド12が、溝11に対して出入り自在に嵌込まれて
いる。
【0022】さらに、ピストン6とシリンダ5との間の
空間は、上記ブレ−ド12によって複数に仕切られてお
り、シリンダ5内には、シリンダ5の下端部側から上端
部側、すなわち吸込部から吐出部へ、徐々にその容積を
小とする、作動室13…が形成されている。
【0023】前記モ−タ4は、密閉ケ−ス2の内壁に固
定された環状のステ−タ14と、このステ−タ14の内
側に配置された、同じく環状のマグネットロ−タ15と
により構成されている。
【0024】マグネットロ−タ15はシリンダ5に外装
されており、モ−タ4への通電にともなって、マグネッ
トロ−タ15とシリンダ5とが一体に回転する。シリン
ダ5の回転力は回転力伝達機構部16を介してピストン
6へ伝達され、シリンダ5とピストン6とが位置関係を
保ったまま、相対的に、かつ同期的に回転する。
【0025】シリンダ5とピストン6との相対的な回転
にともなって、ブレード12が溝11に対して出入し、
ピストン6の径方向に突没する。さらに、密閉ケース2
に接続された吸込管17と主軸受7に形成された吸込通
路18とを介して、たとえば冷凍サイクル中の冷媒がシ
リンダ5内に吸込まれる。したがって、ピストン6の主
軸部6aの端面には吸込圧力が作用する。
【0026】そして、シリンダ5内に吸込まれた冷媒
が、各作動室13…のうちで最も吸込部側に位置する吸
込室19から、最も吐出部側に位置する吐出室20へ順
次移送される。さらに、冷媒は、吸込室19から吐出室
20へ移送される間に徐々に圧縮される。
【0027】上記シリンダ27の吐出室20と連通する
位置には、吐出孔21が設けられており、ここから圧縮
された冷媒がシリンダ5外に吐出される。さらに、上記
マグネットロータ15を保持するカバー22がシリンダ
上部まで延出されていて、圧縮された冷媒ガスはここを
通過して、一旦、密閉ケース2内に吐出される。冷媒ガ
スは、上記主軸受7に設けられる開口部23を介して、
密閉ケース2に接続される吐出管24から圧縮機の外部
へ導出されることとなる。また、ピストン6の副軸部6
b端面は密閉ケース2内に面しており、したがって、副
軸部6b端面には吐出圧力が作用する。
【0028】なお、軸方向が垂直方向に向けられるピス
トン6は、このピストン本体6cに設けられる螺旋状の
溝11が、ここでは下部側から上部側に亘って漸次、小
さいピッチとなるよう形成してある。したがって、シリ
ンダ5内のピストン6の副軸受8側端面およびブレード
12の吸込(下部)側の側面には吸込圧力が作用し、ピ
ストン6の主軸受7側端面およびブレード12の吐出
(上部)側の側面には吐出圧力が作用する。
【0029】そして、副軸受8に枢支されるピストン6
の副軸部6bの直径をφD1 、主軸受7に枢支されるピ
ストンの主軸部6aの直径をφD2 、シリンダ5の内径
をφDc としたとき、 ( D1 2 +D2 2 > Dc
2 ) の関係が成立するよう、それぞれの寸法設定を
なす。
【0030】圧縮機の停止状態で、シリンダ5やピスト
ン6などの回転部品の自重が下方に下がって、これらの
重量総計Wの全てが下部側軸受である副軸受8にかかる
が、圧縮機の運転状態では螺旋状の溝11のピッチ設定
と、副軸部6b,主軸部6aの直径φD1 ,φD2 とシ
リンダ5の内径φDc との関係を、上述のように設定す
ることによって、上方向に向いたスラスト力Fが発生す
る。
【0031】すなわち、圧縮機の運転中に回転部品に加
わる冷媒圧力によるスラスト力を考えると、下方向のス
ラスト力は、ピストン6の主軸部6aの端面に作用する
吸込圧力(Ps)によるスラスト力 πD2 /4×Ps と、ピストン6の主軸受7側端面およびブレード12の
吐出(上部)側の側面に作用する吐出圧力(Pd)によ
るスラスト力 (πDc /4−πD2 /4)×Pd であり、これら下向きのスラスト力の合力F1は F1=πD2 /4×Ps+(πDc /4−πD2 /4)×Pd である。 一方、上方向のスラスト力は、ピストン6の副
軸部6bの端面に作用する吐出圧力(Pd)によるスラ
スト力 πD1 /4×Pd と、ピストン6の副軸受8側端面およびブレード12の
吸込(下部)側の側面に作用する吸込圧力(Ps)によ
るスラスト力 (πDc /4−πD1 /4)×Ps であり、これら上向きのスラスト力の合力F2は F2=πD1 /4×Pd+(πDc /4−πD1 /4)×Ps である。 したがって、圧縮機の運転状態で上方向に向い
たスラスト力Fを発生させるためには、上記上向きのス
ラスト力F2の合力が下向きのスラスト力F1の合力よ
りも大きくなるようにすれば良いから、 F2>F1 {πD1 /4×Pd+(πDc /4−πD1 /4)×Ps}> {πD2 /4×Ps+(πDc /4−πD2 /4)×Pd} {D1 ×Pd+(Dc −D1 )×Ps}>{D2 ×Ps+( Dc −D2 )×Pd} {D1 (Pd−Ps)+D2 (Pd−Ps)}>Dc (Pd− Ps) (D1 +D2 )>Dc となる。しかも、このスラスト力Fは、ピストン6の主
軸部6aおよび副軸部6b等の直径寸法の設定により容
易に回転部品の重量総計Wと略同一とすることができ、
互いに釣り合わせることができる。したがって、ピスト
ン本体6c下部端面と副軸受8上部端面との間に摩擦損
失が発生することがなく、異音の発生もない。
【0032】なお、スラスト力Fが、回転部品の重量総
計Wを僅かに上回る程度であれば、何らの支障もなく、
上記実施例と同様の作用効果を奏するが、スラスト力F
が回転部品の重量総計Wを大きく上回って、回転部品を
副軸受8に対して浮いた状態となすような寸法設定は不
可である。
【0033】この場合は、特にピストン6がスラスト方
向に不安定となり、ピストン本体6cの上下部端面が、
主軸受7および副軸受8の端面に接触したり離れたりし
て、ピストン6がスラスト方向に振動し易い。結果的
に、従来と同様の不具合を招いてしまう。図2は、いわ
ゆるツインタイプと呼ばれる流体圧縮機を示す。
【0034】すなわち、ピストン60のピストン本体6
0cには、この軸方向中央部を境に中央部から上部側お
よび下部側に向かってそれぞれ漸次ピッチが小さくなる
よう上下部に一対の螺旋状の溝11A,11Bが設けら
れ、それぞれに同ピッチのブレード12A,12Bが出
入り自在に嵌め込まれる。ここでは、吸込管17aが密
閉ケース2の下部側に接続されており、副軸受8aに設
けられる枢支孔30に連通する。
【0035】一方、ピストン60の軸方向に沿って、吸
込通路18aが貫通して設けられる。なお説明すれば、
吸込通路18aは、下部軸部である副軸部60b端面か
らピストン本体60cを介し、上部軸部である主軸部6
0a端面に亘って設けられる。主軸部60a端面は、主
軸受7aに設けられる枢支孔31底面とある程度離間し
ており、これらの間に空間部が形成される寸法設定であ
る。
【0036】吸込通路18aにおけるピストン60の軸
方向略中間部には、分岐路32が連通していて、ピスト
ン本体60cの周面に開口する。この分岐路32の開口
位置は、上記一対の螺旋状溝11A,11B相互間にな
る。
【0037】したがって、吸込管17aから導かれる冷
媒ガスは、ピストン60の吸込通路18aに沿って流通
し、かつ分岐路32から上下部のブレード12A,12
Bによって仕切られる上下部の作動室13A,13Bに
導かれ圧縮される。シリンダ5aの上下端部に吐出孔2
1a,21bが設けられており、圧縮された冷媒ガスは
ここから密閉ケース2a内に吐出される。このようなツ
インタイプの圧縮機において、ピストン60の副軸部6
0b端面と主軸部60a端面とに、全く同圧の吸込圧が
かかるよう構成される。いま、ピストン60の副軸部6
0b直径と主軸部60a直径を同一に揃えるとすると、
ピストン60の両端面にかかるスラスト力は0になる。
【0038】一方、副軸受8aのスラスト面にシリンダ
5aおよびピストン60などの回転部品の自重がかかる
ので、この自重と釣り合う分だけ、スラスト力が上方向
に発生するような構成とすれば、副軸受8aのスラスト
面にかかる荷重が小さくなって、摩擦損失の低減が得ら
れることになる。そして、副軸部60bの直径φD1が
主軸部60aの直径φD2よりも小さく(φD1<φD
2)なる寸法設定であれば、上述の条件を満足する。
なわち、圧縮機の運転中に回転部品に加わる冷媒圧力に
よるスラスト力を考えると、下方向のスラスト力は、ピ
ストン60の主軸部60aの端面に作用する吸込圧力
(Ps)によるスラスト力 πD2 /4×Ps と、ピストン60の主軸受7a側端面およびブレード1
2Bの吐出(上部)側の側面に作用する吐出圧力(P
d)によるスラスト力 (πDc /4−πD2 /4)×Pd (Dc:シリンダ内径) であり、これら下向きのスラスト力の合力F1は F1=πD2 /4×Ps+(πDc /4−πD2 /4)×Pd である。一方、上方向のスラスト力は、ピストン60の
副軸部60bの端面に作用する吸込圧力(Ps)による
スラスト力 πD1 /4×Ps と、ピストン60の副軸受8a側端面およびブレード1
2Aの吐出(下部)側の側面に作用する吐出圧力(P
d)によるスラスト力 (πDc /4−πD1 /4)×Pd であり、これら上向きのスラスト力の合力F2は F2=πD1 /4×Ps+(πDc /4−πD1 /4)×Pd である。したがって、圧縮機の運転状態で上方向に向い
たスラスト力Fを発生させるためには、上記上向きのス
ラスト力F2の合力が下向きのスラスト力F1の合力よ
りも大きくなるようにすれば良いから、 F1<F2 {πD2 /4×Ps+(πDc /4−πD2 /4)×Pd}< {πD1 /4×Ps+(πDc /4−πD1 /4)×Pd} {D2 ×Ps+(Dc −D2 )×Pd}<{D1 ×Ps+( Dc −D1 )×Pd} {D2 ×Ps+Dc ×Pd−D2 ×Pd}<{D1 ×Ps +Dc ×Pd−D1 ×Pd} D2 (Ps−Pd)<D1 (Ps−Pd) D2<D1 となる。このスラスト力Fは、ピストン60の主軸部6
0aおよび副軸部60bの直径寸法の設定により容易に
回転部品の重量総計Wと略同一とすることができ、互い
に釣り合わせることができる。
【0039】なお、本発明の流体圧縮機は、その用途を
冷凍サイクルに限定されるものではない。そして、本発
明は、要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可
能である。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、ピストン
およびシリンダの軸方向が垂直に向けられる縦置き形の
流体圧縮機を前提として、ピストンにかかる上方向のス
ラスト力Fが、ピストン,シリンダなど、回転部品の重
量総計Wと略同一もしくは僅かに上回るよう、ピストン
の下部軸部φD1 と上部軸部φD2 の直径を設定したか
ら、ピストンと軸受具との間における摩擦損失の大幅低
減化を図れることができ、モータの回転数に係わらず、
電気入力の低減を得る。併せて、異音の発生を抑制し、
信頼性の向上を図れるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の、流体圧縮機の概略の断面
図。
【図2】変形例を示す、流体圧縮機の概略の断面図。
【符号の説明】
11…溝、6c…ピストン本体、6a…上部軸部(主軸
部)、6b…下部軸部(副軸部)、6…ピストン、7…
主軸受、8…副軸受、5…シリンダ、12…ブレ−ド、
13…作動室。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本勝 隆 神奈川県川崎市幸区柳町70番地 株式会 社東芝柳町工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04C 18/344 311 F04C 18/107

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】その外周部に、一端部から他端部に亘って
    徐々に小さくなるピッチで形成された螺旋状の溝が設け
    られるピストン本体、およびピストン本体の両側端に一
    体に設けられ軸受具に枢支される軸部とからなるピスト
    ンと、 このピストンを内部に偏心配置するシリンダと、 上記螺旋状の溝に出入り自在に嵌込まれるブレードと、 上記シリンダ内に、上記ブレードによって徐々に容積を
    小とするよう仕切られ、シリンダとピストンとの相対的
    な回転により、シリンダ内に吸込まれた被圧縮流体を吸
    込部から吐出部へ徐々に移送しながら圧縮する複数の作
    動室とを具備する流体圧縮機であり、 上記ピストンおよびシリンダなど回転部品の軸方向が垂
    直に向けられた縦置き形で、 ピストンにかかる上方向のスラスト力Fが、ピストンお
    よびシリンダなど回転部品の重量総計Wと略同一もしく
    は僅かに上回るよう、ピストンの下部軸部φD1と上部
    軸部φD2の直径を設定したことを特徴とする流体圧縮
    機。
  2. 【請求項2】上記ピストンに設けられる螺旋状溝、ピ
    ストン下部側から上部側に亘って漸次、ピッチが小さく
    なるよう形成上記ピストンの上部軸部の端面に吸込圧力を作用させ、
    下部軸部の端面に吐出圧力を作用させるとともに、 ピストンの下部軸部φD1と上部軸部φD2の直径およ
    びシリンダ内径φDcの関係を、 (D1+D2)>Dc2に設定したことを
    特徴とする請求項1記載の流体圧縮機。
  3. 【請求項3】上記ピストンに設けられる螺旋状溝、ピ
    ストン軸方向中央部を境に中央部から上部側および下部
    側に向かってそれぞれ漸次ピッチが小さくなるよう上下
    部に一対形成し、 上記ピストンの上部軸部の端面および下部軸部の端面に
    吸込圧力を作用させるとともに、 下部軸部の直径φD1を、上部軸部の直径φD2よりも
    小(φD1<φD2)に設定したことを特徴とする請求
    項1記載の流体圧縮機。
JP00331493A 1993-01-12 1993-01-12 流体圧縮機 Expired - Fee Related JP3290224B2 (ja)

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