JP3571063B2

JP3571063B2 - 流体圧縮機

Info

Publication number: JP3571063B2
Application number: JP17044293A
Authority: JP
Inventors: 正幸奥田; 尚義藤原; 隆本勝
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JPH06221286A

Description

【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ガスを圧縮する流体圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より圧縮機として、レシプロ式、ロ−タリ式等各種のものが知られているが、これらの圧縮機においては、回転力を圧縮機構部に伝達するクランクシャフト等の駆動部、或いは、圧縮部の構造が複雑で、部品点数も多くコストが高い。また、回転部のアンバランスに起因する振動により、騒音を発生することがあった。そこで、近来、上記のような問題を解決するものとして、特開昭６４−３６９９０号公報等に開示されているように、螺旋ブレ−ドを備えた流体圧縮機が提案されている。
【０００３】
図６はこの種の流体圧縮機（以下、圧縮機と称する）の主要部を示している。シリンダ１の内側に回転体としてのピストン２が偏心配置されており、このピストン２はシリンダ１に対して相対的に旋回運動する。ピストン２の外周面に螺旋状の溝３が形成されており、この溝３に合成樹脂等からなる螺旋状のブレ−ド４が嵌め込まれている。そして、ブレ−ド４は、ピストン２の旋回運動に伴って、摺動しながら溝３を深さ方向に出入りする。
【０００４】
シリンダ１及びピストン２の両端は、軸受５、６によって回転自在に支持されており、各軸受５、６には作動流体のための吸込口７及び吐出口８が設けられている。また、ピストン２の溝３のピッチは、吸込口７から吐出口８へ向うに従って徐々に小さく変化している。したがって、シリンダ１、ピストン２、ブレ−ド４によって仕切られた空間の容積は、吸込口７から吐出口８に向うにしたがって次第に小さく変化している。このため、吸込口から吸込まれた作動流体は、ピストン２の旋回運動に伴って吐出側の空間へ移送されながら圧縮され、吐出口８からシリンダ１の外側に吐出される。
【０００５】
このような圧縮機においては、圧縮特性はピストン２の外周に設けられた溝３によって決定される。すなわち、流体の圧縮比は、シリンダ１、ピストン２、ブレ−ド４によって仕切られた複数の作動室９…のうち、吸込側端の作動室（吸込室９ａ）の容積と吐出側端の作動室（吐出室９ｂ）の容積との比によって決まる。このため、圧縮比を大きくするためには、吐出室９ｂの容積に対して、吸込室９ａの容積（排除容積）をできる限り大きくする必要がある。
【０００６】
このような要求から、従来の圧縮機においては、溝３の形状が図７に示すように設定されていた。同図において、横軸はピストン２の周方向角度θを示し、縦軸は吸込側端からの軸方向距離を示す。溝３の形状は繋がった二つの曲線ｐ、ｑにより構成されている。各曲線ｐ、ｑは互いに異なる関係式によって表される。そして、吸込側の曲線ｐは吸込側に向って凸であり、吐出側の曲線ｑは吐出側に向って凸である。つまり、吸込側端の曲線ｐが吸込側に向って凸であるので、吸込室９ａの容積が大きくなり、圧縮比が高まる。
【０００７】
また、本出願人による特願平４−５００８８号明細書には、溝３の形状が一つの関係式によって表されるタイプの流体圧縮機が提案されている。このタイプの圧縮機においては、溝の形状が滑らかであり、ブレ−ドに発生する歪を低減できるという利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、螺旋状の溝３の形状が吸込側に凸な曲線ｐと吐出側に凸な曲線ｑとによって表されるタイプの圧縮機においては、ブレ−ド４が強制的な変形を受け、ブレ−ド４の内部に歪及び応力が生じる。この歪及び応力はブレ−ド４の周方向に分布を持つ。特に、ブレ−ドの歪は図８に示すように分布し、歪のピ−クは図７中の二曲線ｐ、ｑの接続位置ｒに生じる。したがって、ピストン２の回転に伴って、二曲線ｐ、ｑの接続位置ｒには周期的に大きな歪が発生し、この歪がブレ−ド４の破断の原因となる。
【０００９】
また、特願平４−５００８８号明細書に示されているように、溝３の形状が一つの関係式によって表されるタイプの圧縮機においては、関係式の係数が変わると溝３の全長の形状が変わるため、排除容積、圧縮比、及び、溝３の全長等を所望の値に設定することが難しい。
【００１０】
また、このタイプの圧縮機においては、ブレ−ド４の各部に作用する最大差圧が均等になる。このため、螺旋のピッチの大きい吸込側においても、ブレ−ド４に吐出側と同程度の差圧が作用していた。そして、螺旋のピッチが大きい箇所ではブレ−ドの変形量が大きいため、ガスリ−クが生じ易かった。
【００１１】
本発明の目的とするところは、ブレ−ドに発生する応力を大とすることなく、螺旋状の溝の形状を容易に設定することが可能な流体圧縮機を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、外周面に沿って螺旋状の溝を有する回転体をシリンダ内に偏心配置し、溝に螺旋状のブレードを出入り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側から吸込んで吐出側へ叙々に移送しながら圧縮するとともに、上記螺旋状の溝の形状が上記回転体の円周方向座標と軸方向座標との関係図によって表される流体圧縮機において、上記螺旋状の溝の形状が、上記円周方向座標を横軸に取り上記軸方向座標を縦軸に取って示した関係図において、吸込側では吸込側に凸状で吐出側では吐出側に二種の凸なる関係によって表されると共に、前記螺旋状の溝の吸込側に凸状な部分から吐出側に凸状な部分への変曲点が、吸込側の端から二巻目までの間に位置するとともに、吐出側に凸なる関係のうち、一方の関係式が、ｈ＝ＡθＤ／（ＢθＥ＋Ｃ）、ｈ＝Ｆ exp （ＧθＨ）、或いは、ｈ＝Ｉ／（Ｊ＋ exp （ＫθＬ））のいずれかを基本関数形とすることにある。
こうすることによって本発明は、ブレードに発生する応力を大とすることなく、螺旋状の溝の形状を容易に設定できるようにしたことにある。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１〜図５に基づいて説明する。なお、従来の技術の項で説明したものと重複するものについては同一番号を付し、その説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明の一実施例の流体圧縮機（以下、圧縮機と称する）の圧縮要素１１を示している。この圧縮要素１１においては、シリンダ１の内側に回転体としてのピストン２が偏心配置されており、このピストン２はシリンダ１に対して相対的に旋回運動する。ピストン２の外周面に螺旋状の溝１２が形成されており、この溝１２に、合成樹脂等のように適度な弾性を有する材質からなる螺旋状のブレ−ド４が嵌め込まれている。そして、ブレ−ド４は、ピストン２の旋回運動に伴って、摺動しながら溝１２を深さ方向に出入りする。
【００１５】
シリンダ１およびピストン２の両端は、軸受５、６によって回転自在に支持されており、各軸受５、６には作動流体のための吸込口７及び吐出口８が設けられている。また、ピストン２の溝１２のピッチは、吸込口７から吐出口８へ向うに従って徐々に小さく変化している。したがって、シリンダ１、ピストン２、ブレ−ド４によって仕切られた空間の容積は、吸込口７から吐出口８に向うにしたがって次第に小さく変化している。このため、吸込口から吸込まれた作動流体は、ピストン２の旋回運動に伴って吐出側の空間へ移送されながら圧縮され、吐出口８からシリンダ１の外側に吐出される。
【００１６】
螺旋状の溝１２の形状は図２に示すように設定されている。同図は横軸にピストン２の周方向角度θ、縦軸に吸込側端からの軸方向距離ｈを取って、溝１２の展開形状を示している。
【００１７】
溝１２の形状は、吸込側では吸込側に凸で且つ吐出側では吐出側に凸な第１の曲線ｉと、吐出側に凸な第２の曲線ｊとにより構成されている。つまり、溝１２の形状は、図２中の各点ａ、ｂ、ｃ、ｄを結んだ曲線によって表される。第２の曲線ｊの始点は第１の曲線ｉの終点に繋がっている。そして、図２中の符号ｂは第１の曲線ｉの変曲点をしめしており、符号ｃは第１の曲線ｉと第２の曲線ｊとの接続点を示している。
【００１８】
第１の曲線ｉは以下の第１の関係式（１）によって表される。
ｈ＝Ａθ^Ｄ／（Ｂθ^Ｅ＋Ｃ） …（１）
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはいずれも係数を表している。
【００１９】
また、第２の曲線ｊは以下の第２の関係式（２）によって表される。
ｈ＝Ｍθ^１／Ｎ …（２）
ここで、Ｍ、Ｎはいずれも係数を表している。
【００２０】
また、吐出側の端部において、溝１２のピッチは従来の螺旋溝よりも小さく設定されている。なお、従来の螺旋溝の形状は、図３中の点ａ、ｂ、ｃ、ｅを結ぶ曲線ｋによって示されている。
【００２１】
第１の曲線ｉの変曲点ｂは、螺旋状の溝１２の吸込側の端から二巻目の間、即ち周方向角度が０°の点から７２０°の点の間（本実施例では３６０°の点）に位置している。
【００２２】
第１の曲線ｉと第２の曲線ｊとの接続点ｃは、螺旋状の溝１２の二巻目以降、即ち周方向角度が７２０°の点よりも吐出側に配置されている。
このように溝１２が設計された圧縮機においては、作動流体の圧力特性は図４に示すようになり、ブレ−ド周方向角度と最大差圧との関係は図５に示すようになる。
【００２３】
図４において、圧力上昇曲線ｌは湾曲している。作動流体がシリンダ１内に吸込まれた直後は、圧力が緩やかに上昇し、作動流体が吐出側へ送られるに従って圧力が急激に上昇する。曲線ｌの各点の勾配は、ピストン２の回転角が大きくなるに従って大きくなっている。
【００２４】
したがって、図５に示すように作動流体の最大差圧は、吐出側よりも吸込側で低くなる。そして、最大差圧は、作動流体が移送される途中で段階的に変化する。
【００２５】
つまり、従来は、図４中に符号ｍで示すように作動流体の圧力が直線的に上昇し、図５中に符号ｎで示すように最大差圧はブレ−ド周方向角度に関係なく一定だった。しかし、本実施例のように曲線ｉ、ｊを組合わることによって、圧力を曲線状に変化させることが可能になった。
【００２６】
さらに、この圧力上昇曲線ｌの勾配は、ピストン２の回転角が大きくなるに従って大きくなる。そして、最大差圧は、螺旋状の溝１２のピッチが大きい吸込側においては小さく、吐出側においては大きい。
【００２７】
したがって、ブレ−ド４の変形が大きい箇所（即ち、溝１２のピッチが大きい箇所）でのガスリ−クを減少させることができ、流体圧縮機の性能が向上する。
また、吐出側に凸な第１の曲線ｉに同じく吐出側に凸な曲線ｊが組合わされているので、二つの曲線ｉ、ｊが滑らかに繋がる。このため、ブレ−ド４に局部的な歪を生じることがない。そして、ブレ−ドに発生する応力を大とすることがない。
【００２８】
さらに、溝１２の形状が二曲線ｉ、ｊの組合せによって表されるので、式（１）或いは式（２）の係数や指数（Ａ〜Ｅ或いはＭ、Ｎ）を変更しても、溝１２の形状が全体的に大きく変化することはない。したがって、溝１２の形状の設定が容易になり、さらに、排除容積、圧縮比、及び、溝１２の全長等の設定が容易になる。
【００２９】
また、第１の曲線ｉの変曲点ｂは、周方向角度が０°〜７２０°の点の間に位置しているので、排除容積を大きく確保できる。
つまり、このタイプの流体圧縮機においては、作動室９…がブレ−ド４の巻き間に形成されるため、図２中に示すように、関係図の曲線を二つ作成し、これらの曲線を一巻き分（３６０°）ずらして並べれば、排除容積ｆ（斜線の部分）を表すことができる。そして、この排除容積ｆは一巻目の形状と二巻目の形状とによって決まる。さらに、変曲点ｂが三巻目以降に在ると、二巻目の形状も吸込側に凸になるため、排除容積が小さくなる。
【００３０】
したがって、本実施例のように変曲点ｂを０°〜７２０°の間に配置することによって、一巻目に吸込側に凸な部分を多く確保できるとともに、二巻目に吐出側に凸な部分を多く確保できる。そして、凸な形状の部分が互いに逆を向く。この結果、排除容積ｆを大きく確保することが可能になる。
【００３１】
なお、溝１２のピッチの大きい部分に変曲点ｂが在るとブレ−ド４に作用する応力が大となる。このため、変曲点ｂを溝１２の吸込側の端に過度に近付けると、その分、応力も大となる。したがって、本実施例のように３６０°の点に変曲点ｂを配置することが、現状では最適であると考えられる。
【００３２】
さらに、溝１２の吸込側に凸な部分と吐出側に凸な部分とが同一な関数によって表され、第１の曲線ｉと第２の曲線ｊとの接続点ｃが二巻目以降に位置しているので、曲げ歪が生じる可能性のある部分（接続点ｃ）が傾斜の緩やかな箇所に置かれる。したがって、ブレ−ド４に作用する曲げ歪を小とすることができる。
【００３３】
なお、本実施例においては、第１の関数式として基本関数形として式（１）が用いられているが、例えば第１の関係式の基本関数形に以下の式（３）或いは式（４）を採用してもよい。
【００３４】
ｈ＝Ｆｅｘｐ（Ｇθ^Ｈ） …（３）
ｈ＝Ｉ／（Ｊ＋ｅｘｐ（Ｋθ^Ｌ）） …（４）
また、本実施例では、第２の関係式の基本関数形に式（２）が用いられているが、例えば第２の関係式の基本関数形に以下の式（５）を採用してもよい。
【００３５】
ｈ＝ＯｓｉｎＰθ …（５）
そして、第１及び第２の関係式にこの他の多くの基本関数形を用いても同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、本実施例では、吐出側に二種の凸なる関係式で表される曲線ｉ、ｊで示すように、吐出側において溝１２のピッチが従来の一つの関係式により表される曲線ｉ、ｋよりも小さく設定されているが、例えば、図３中の点ｂ、ｃ、ｆを結ぶ曲線ｉ、ｏ（二種の凸なる関係式により表される）に示すように、溝１２のピッチを従来よりも大きく設定してもよい。この場合には、溝１２の最終ピッチの間隔を大きくできるので、この溝１２に挟まれるピストン２の肉厚を厚くでき、この溝１２に嵌め込まれるブレ−ド４の成形も容易となる。
また、二つの曲線ｉ、ｊの両端に別の基本関数形の式を繋げてもよい。
【００３７】
以上説明したように本発明は、外周面に沿って螺旋状の溝を有する回転体をシリンダ内に偏心配置し、溝に螺旋状のブレードを出入り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側から吸込んで吐出側へ叙々に移送しながら圧縮するとともに、上記螺旋状の溝の形状が上記回転体の円周方向座標と軸方向座標との関係図によって表される流体圧縮機において、上記螺旋状の溝の形状が、上記円周方向座標を横軸に取り上記軸方向座標を縦軸に取って示した関係図において、吸込側では吸込側に凸状で吐出側では吐出側に二種の凸なる関係によって表されると共に、前記螺旋状の溝の吸込側に凸状な部分から吐出側に凸状な部分への変曲点が、吸込側の端から二巻目までの間に位置するとともに、吐出側に凸なる関係のうち、一方の関係式が、ｈ＝ＡθＤ／（ＢθＥ＋Ｃ）、ｈ＝Ｆ exp （ＧθＨ）、或いは、ｈ＝Ｉ／（Ｊ＋ exp （ＫθＬ））のいずれかを基本関数形とすることにある。
したがって本発明は、ブレードに発生する応力を大とすることなく、螺旋状の溝の形状を容易に設定できるという効果がある。
【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圧縮要素を示す断面図。
【図２】螺旋状の溝の形状、変曲点、及び、二つの曲線の接続点を示す関係図。
【図３】螺旋状の溝の形状を示す関係図。
【図４】圧力上昇曲線を示すグラフ。
【図５】最大差圧の変化を示すグラフ。
【図６】従来の流体圧縮機の圧縮要素を示す断面図。
【図７】従来の螺旋状の溝の形状を示す関係図。
【図８】従来のブレ−ドに生じる歪を示す分布図。
【符号の説明】
１…シリンダ、２…ピストン（回転体）、４…ブレ−ド、１１…圧縮要素、１２…螺旋状の溝、ｂ…変曲点、ｃ…接続点。

Claims

外周面に沿って螺旋状の溝を有する回転体をシリンダ内に偏心配置し、上記溝に螺旋状のブレードを出入り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側から吸込んで吐出側へ叙々に移送しながら圧縮するとともに、上記螺旋状の溝の形状が上記回転体の円周方向座標と軸方向座標との関係図によって表される流体圧縮機において、上記螺旋状の溝の形状が、上記円周方向座標を横軸に取り上記軸方向座標を縦軸に取って示した関係図において、吸込側では吸込側に凸状で吐出側では吐出側に二種の凸なる関係によって表されると共に、前記螺旋状の溝の吸込側に凸状な部分から吐出側に凸状な部分への変曲点が、吸込側の端から二巻目までの間に位置するとともに、吐出側に凸なる関係のうち、一方の関係式が、ｈ＝ＡθＤ／（ＢθＥ＋Ｃ）、ｈ＝Ｆ exp （ＧθＨ）、或いは、ｈ＝Ｉ／（Ｊ＋ exp （ＫθＬ））のいずれかを基本関数形とすることを特徴とする流体圧縮機。