JP4040225B2 - 気体圧縮機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術の分野】
本発明はエアコンシステムに用いられる気体圧縮機に関し、特に、エアコンシステムにおける冷却効率の向上と、オイル不足による潤滑不良の防止を図れるようにしたものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の気体圧縮機は、図8に示すように一端開口型のケース1とこの開口端に取り付けられたフロントヘッド2とからなるケーシング3内に、圧縮機本体4、油分離器5等を収納して備えており、ケーシング3内側と圧縮機本体4の前部との間に形成される空間は吸入室6として、また、ケーシング3内側と圧縮機本体4の後部との間に形成される空間は吐出室7として形成されている。
【0003】
圧縮機本体4は、ロータ軸4aと一体にロータ4bが回転すると、吸入室6からフロントサイドブロック4cを介してシリンダ4d内に低圧の冷媒ガスを吸入し、この低圧冷媒ガスを潤滑用のオイルとともに圧縮し、これをリアサイドブロック4eより吐出室7側に吐出する。また、油分離器5は圧縮機本体のリアサイドブロック4eに取り付けられ、圧縮機本体4より吐出室7側に吐出した高圧の冷媒ガスをガス成分とオイル成分に分離する。このように分離されたガス成分は、吐出室7からケース1の吐出口7a、図9に示すエアコンシステム8のコンデンサ9、エキスパンションバルブ10、エバポレータ11等を通過した後、吸入口6aより吸入室6に戻り、かつ再び冷媒ガスとしてオイルとともに圧縮され、一方、オイル成分は、吐出室7底部の油溜り7bに一時貯溜され、かつ再び冷媒ガスとともに圧縮される。
【0004】
しかしながら、上記のような従来の気体圧縮機にあっては、圧縮機本体4から吐出した高圧の冷媒ガスは油分離器5に供給されるが、油分離器5では当該高圧冷媒ガスをガス成分とオイル成分に完全分離することが困難である。このため、分離しきれなかったオイル成分(以下、「未分離油分」ともいう。)がミストオイルとしてエアコンシステム8のコンデンサ9、エバポレータ11等に流入し、エアコンシステム8のオイル循環率(OCR)が高くなり、本来冷却とは直接関係のないオイルがエアコンシステム8内を多く循環してしまい、冷却効率が悪くなる。また、エアコンシステム8のコンデンサ9側へオイル成分が流出すると、気体圧縮機内のオイルが減り、オイル不足による気体圧縮機の潤滑不良が生じ得る等の問題点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エアコンシステムにおける冷却効率の向上と、オイル不足による潤滑不良の防止を図るのに好適な気体圧縮機を提供することにある。
【0006】
【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、冷媒ガスを吸入し潤滑用オイルとともに圧縮して、この圧縮された冷媒ガスとオイルとを吐出する圧縮機本体と、上記圧縮機本体内に嵌合されたロータ軸と、上記圧縮機本体に取り付けられるとともに、上記圧縮機本体より吐出された高圧の冷媒ガスをガス成分とオイル成分とに分離する油分離器と、上記圧縮機本体と上記油分離器とを収納するケーシングとを備えた気体圧縮機であって、上記ケーシングは、一端を開口端とし、かつこの開口端に対向する他端を閉口端とするとともに、上記開口端側には胴体腹部を備え、他方上記閉口端側にはこの胴体腹部の外周拡大方向に段差を介して延設された吐出室形成部を備えており、上記胴体腹部の内側には、上記圧縮機本体が配置されており、上記吐出室形成部には、その内側に吐出室が形成されており、かつ上記油分離器により分離された上記ガス成分をエアコンシステムへ吐出させるための吐出口が形成されているとともに、この吐出口に対向する吐出室の底部に上記油分離器により分離されたオイル成分を貯留する油溜りを備えており、上記吐出室形成部の上記油溜り側及び上記吐出口側が、上記胴体腹部よりも上記ロータ軸と直角な方向に拡大されていることを特徴とするものである。
【0009】
本発明は、上記吐出室の空間容積が、気体圧縮機1回転当たりの吸込ガス排除容積の2倍以上、10倍以下であることを特徴とするものである。
【0011】
本発明は、オイルと冷媒ガスの組合せが、PAG系オイルとR22冷媒、PAG系オイルとR407C冷媒、エーテル系オイルとR407C冷媒、カーボネート系オイルとR407C冷媒、カーボネート系オイルとR410a冷媒、エステル系オイルとR410a冷媒、PAG系オイルとR134a冷媒であることを特徴とするものである。
【0012】
本発明では、吐出室が上記のように大容積であるため、油分離器で分離しきれなかったオイル成分(未分離油分)を含む高圧冷媒ガスが吐出室に長く停留することになるから、当該未分離油分が吐出室底部の油溜りに自重で落下する割合が増え、エアコンシステムのコンデンサ、エバポレータ等への未分離油分の流入量が大幅に減少する。
【0013】
なお、本発明において、オイル循環率とはOCRのことをいい、OCRとは、圧縮機内に充填されたオイルがエアコンシステム中に移行する割合である。また、圧縮機1回転あたりの吸込ガス排除容積とは、圧縮機本体がロータの回転により冷媒ガスを圧縮する構造の場合、該ロータが1回転したときに圧縮機が排除する吸入ガス容積をいう。PAGとはポリアルキレングリコールである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る気体圧縮機の実施形態について図1および図7を基に詳細に説明する。
【0015】
なお、気体圧縮機の基本的な構成、例えば、気体圧縮機が圧縮機本体4と油分離器5等を有し、圧縮機本体4は吸入室6の冷媒ガスを潤滑用のオイルとともに圧縮し、これを吐出室7側に吐出するように、また、油分離器5は圧縮機本体4より吐出した高圧の冷媒ガスをガス成分とオイル成分に分離するように構成されていること等は従来と同様なため、それと同一部材には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
【0016】
図1に示す気体圧縮機は、吐出室の空間容積が従来の気体圧縮機(図8参照)に比し拡大され、大容積の吐出室7を備えるものとして構成されている。
【0017】
すなわち、同図に示す気体圧縮機は、圧縮機本体4および油分離器5を収納するケーシング3を有し、このケーシング3内側と圧縮機本体4の前部との間に形成される空間を吸入室6とし、また、当該ケーシング3内側と圧縮機本体4の後部との間に形成される空間を吐出室7として備える点は従来と同様であるが、同図に示す気体圧縮機においては、吐出室7の空間容積を従来より拡大するために、その拡大の一手段として、吐出室7の内壁を構成するケーシング3の内側(ケース本体1の後部側内壁面)が外側に突出している点で、従来と相違する。つまり、図1に示す気体圧縮機では、ケーシング3の後部側はケーシング3の胴体腹部1aより大きく膨らんだ外観形状を呈するが、この膨らんで見える部分の内側が大容積の吐出室7である。ケーシング3は、一端を開口端とし、かつこの開口端に対向する他端を閉口端とするとともに、上記開口端側には胴体腹部1aを備え、他方上記閉口端側にはこの胴体腹部1aの外周拡大方向に段差を介して延設された吐出室形成部1bを備えており、胴体腹部1aの内側には、圧縮機本体4が配置されている。吐出室形成部1bには、その内側に吐出室6が形成されており、かつ油分離器5により分離されたガス成分をエアコンシステムへ吐出させるための吐出口7aが形成されているとともに、この吐出口7aに対向する吐出室7の底部に油分離器5により分離されたオイル成分を貯留する油溜り7bを備えている。吐出室形成部1bの油溜り7b側及び吐出口7a側が、胴体腹部1aよりもロータ軸4aと直角な方向に拡大されている。吐出室7の空間容積は、エアコンシステムのオイル循環率を小さくしかつ気体圧縮機内に十分なオイル量を確保するのに必要な容積とする。
【0018】
吐出室7の空間容積を拡大すると、未分離油分(油分離器5で分離しきれなかった油成分)を含む高圧冷媒ガスは十分時間をかけて吐出室7を通過し吐出口7a側に至る。このように高圧冷媒ガスの吐出室7通過時間が長くなると、高圧冷媒ガス中の未分離油分が吐出室7底部の油溜り7bに自重で落下する量が従来に比し増え、エアコンシステム8のコンデンサ9側(図9参照)への未分離油分の流入量を大幅に減少させること、および気体圧縮機内にオイルを十分に貯溜しておくことが可能である。したがって、吐出室7は従来に比し大容積とされているが、その容積は上記のようにエアコンシステム8のオイル循環率を小さくしかつ十分なオイル量を確保するのに必要な大容積まで拡大している。
【0019】
次に、上記の如く構成された気体圧縮機の作用について図1を基に説明する。なお、気体圧縮機の運転を開始すると、吸入室6の冷媒ガスが圧縮機本体4内に吸い込まれ、この吸い込まれた冷媒ガスは圧縮機本体4内でオイルとともに圧縮された後、高圧の冷媒ガスとして吐出室7側に吐出されること、および圧縮機本体4より吐出した高圧の冷媒ガスは油分離器5によりガス成分とオイル成分に分離され、ガス成分は、吐出室7からケース1の吐出口7a、エアコンシステムのコンデンサ等を通過して吸入口6aより吸入室6に戻り、かつ再び冷媒ガスとしてオイルとともに圧縮される一方、オイル成分は、吐出室7底部の油溜り7bに一時貯溜され、かつ再びオイルとして冷媒ガスとともに圧縮されることは従来と同様である。
【0020】
この気体圧縮機においても、圧縮機本体4から吐出された高圧の冷媒ガスを油分離器5によりガス成分とオイル成分に完全分離することは困難であり、吐出室7の高圧冷媒ガス中には分離しきれなかったオイル成分(未分離油分)がミストオイル状態で含まれているが、このような未分離油分のうちエアコンシステム8のコンデンサ9側(図9参照)へ流入する量は極一部であり、大部分の未分離油分は吐出室7底部の油溜り7bに落下する。
【0021】
つまり、図1に示す気体圧縮機にあっては、従来に比し吐出室7の空間容積を拡大したものであるため、未分離油分を含む高圧冷媒ガスの吐出室停留時間が従来より長くなるから、高圧冷媒ガス中の未分離油分はその大部分が吐出室7底部の油溜り7bに自重で落下する。このため、エアコンシステム8のコンデンサ9側への未分離油分の流入量が大幅に減少し、当該エアコンシステム8中のオイル循環率が低くなる。よって、本来冷却とは直接関係のないオイルがエアコンシステム8内を多量に循環することがなくなり、エアコンシステム8中のオイル循環率を低く抑えることができ、冷却効率の向上を図れる。また、気体圧縮機内にオイルを十分に貯溜しておくことができ、オイル不足による気体圧縮機の潤滑不良も防止できる。
【0022】
なお、上記実施形態では、ケーシング3の内側を外側に突出させることにより、吐出室7の空間容積を拡大したが、吐出室7の容積拡大はそれ以外の方法、例えばケーシング3内部の圧縮機本体4などを小型化することで吐出室7の空間容積の拡大を図ることも可能である。
【0023】
図3は本発明に係る気体圧縮機の他の実施形態を示したものである。同図の気体圧縮機はマルチコンプレッサと称するもので、ケース本体1内に2台の圧縮機本体4、4と一の吐出室7を有している。各圧縮機本体4、4の基本的な構成は、図8に示した気体圧縮機(以下「シングルコンプレッサ」という。)における圧縮機本体4(図1参照)と同様なため、それと同一部材には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。なお、この図3のマルチコンプレッサにおける吐出室7の空間容積は、1台のシングルコンプレッサの吐出室7の2つ分に相当するものである。
【0024】
図3のマルチコンプレッサにおいては、各圧縮機本体4、4ごとに、それぞれ吸入室の冷媒ガスをオイルとともに圧縮する。そして、この圧縮された高圧の冷媒ガスは、油分離器5、5でガス成分とオイル成分に分離された後、一の吐出室7側に吐出される。
【0025】
つまり、図3のマルチコンプレッサでは、2台の圧縮機本体4、4が高圧冷媒ガスの吐出先として一つの吐出室7を共同で使用しているが、本実施形態は、このような吐出室7(以下「共有吐出室」ともいう)の空間容積を、エアコンシステムのオイル循環率を小さくしかつ気体圧縮機内に十分なオイル量を確保するのに必要な大容積とするものである。
【0026】
なお、共有吐出室7へ吐出した冷媒ガス中のガス成分については、共有吐出室7に連通しているケース1の吐出口7aとエアコンシステムのコンデンサ等を通過して吸入口6aより吸入室6に戻り、かつ再び冷媒ガスとしてオイルとともに圧縮される。また、共有吐出室7に吐出した冷媒ガス中のオイル成分については、共有吐出室7底部の油溜り7bに一時貯溜され、かつ再び冷媒ガスとともに圧縮される。
【0027】
ところで、図8に示したシングルコンプレッサを2台並列に設置した構造のものと、図3に示した1台のマルチコンプレッサとを比較すると、図2と図3から明らかなように、図3のマルチコンプレッサの方が、ケース1の吐出口7aを油分離器5より比較的遠くに配置できるので、ケース1内に高圧冷媒ガスの停留する時間を長くとることが可能であり、高圧冷媒ガス中の未分離油分の自重落下量が多くなることから、油の分離性能が高い。
【0028】
また、図3に示した1台のマルチコンプレッサにおいて、2つの圧縮機本体4、4のうちいずれか1つだけを運転した場合(片側運転)と、図8に示したシングルコンプレッサを2台並列に設置した構造において、その1台のみを運転した場合とを比較すると、前者の方が油の分離性能がよい。これは、マルチコンプレッサの方がケース本体1内の空間容積が大きい、つまり、マルチコンプレッサの共有吐出室7はシングルコンプレッサの吐出室7の2つ分に相当することから、マルチコンプレッサではシングルコンプレッサに比しケース本体1内に高圧冷媒ガスの停留する時間が長くなるためである。
【0029】
さらに、本実施形態のようにマルチコンプレッサの共有吐出室7の空間容積を拡大した場合は、未分離油分を含む高圧冷媒ガスの共有吐出室7停留時間がより一層長くなるから、高圧冷媒ガス中の未分離油分が共有吐出室7底部の油溜り7bに自重で落下する量がさらに増え、その結果、エアコンシステムのコンデンサ側への未分離油分の流入量が大幅に減少し、本来冷却とは直接関係のないオイルがエアコンシステム内を多く循環することがなく、エアコンシステムのオイル循環率を低く抑えることができ、冷却効率の向上を図れる。また、気体圧縮機内にオイルを十分に貯溜しておくことができ、オイル不足による気体圧縮機の潤滑不良も防止できる。
【0030】
図5は、シングルコンプレッサの場合について、圧縮機1回転あたりの吸入ガス排除容積に対する吐出室空間容積の比(吐出室空間容積/圧縮機1回転あたりの吸入ガス排除容積)とOCR(オイル循環率)との関係を示したものである。図6は、マルチコンプレッサの場合について、圧縮機1回転あたりの吸入ガス排除容積に対する吐出室空間容積の比とOCRとの関係を示したものである。
【0031】
ここで、圧縮機1回転あたりの吸入ガス排除容積とは、図1を用いて説明すると、ロータ4bが1回転したときに吸入室6から圧縮機本体4に吸入される低圧冷媒ガスの吸入ガス容積をいう。また、OCRとは前述の通り、圧縮機内に充填されたオイルがエアコンシステム中に移行する割合である。
【0032】
ところで、OCRはある値以下であることが望まれる。すなわち、例えばエアコンシステムのエバポレータでは、気体圧縮機側からコンデンサで凝縮され、膨張弁で減圧された液冷媒を管路内に通して熱交換を行うが、OCRが大きすぎる場合、オイルが過多に混入することによるエバポレータ管路内壁に発生する厚いオイル膜により、液冷媒と管壁との熱伝達が阻害され、熱交換効率は低下すると考えられる。
【0033】
以上のようなOCRの大小とエアコンシステムの熱交換効率との関係からすると、OCRは、実験上4%以下が最適値、すなわちエアコンシステムの熱交換効率を最も高くすることのできる値であることが判明した。加えてマルチコンプレッサはシングルコンプレッサの数倍から数十倍の冷媒量を封入したエアコンシステムで使用されるため、構造的にエアコンシステムに封入可能なオイル量及び封入したオイルにかかるコストを考慮にいれ、OCRは1%以下が最適値であることが判明した。また、OCRは気体圧縮機の回転数により変化するが、気体圧縮機の常用回転数は3000rpm付近であるため、この回転数付近においてOCRが最適値となることが重要である。
【0034】
そうしてみると、図5から明らかなように、シングルコンプレッサでは、その回転数が3000rpmである場合において、OCRが4%付近の最適値となるのは、吐出室7の空間容積が圧縮機1回転あたりの吸入ガス排除容積の2倍以上、10倍以下となる範囲内である。また、図6から明らかなように、マルチコンプレッサでは、その回転数が3000rpmである場合において、OCRが1%付近の最適値となるのは、吐出室7の空間容積が圧縮機1回転あたりの吸入ガス排除容積の10倍以上、30倍以下となる範囲内である。
【0035】
また、OCRはオイルと冷媒ガスの溶けやすさによっても変わる。すなわち、冷媒ガスがオイル中に溶けやすい場合は、エアコンシステム内を流れる冷媒ガスがエアコンシステム側に移行したオイルに多く溶け込むから、オイル粘度が充分に下がり、気体圧縮機側へのオイル戻り量が多くなるのに対し、冷媒ガスがオイル中に溶け難いときは、エアコンシステム内を流れる冷媒ガスがエアコンシステム側に移行したオイルに溶け込む量が減り、オイル粘度が充分に下がらず、気体圧縮機側へのオイル戻り量が少なくなるためである。
【0036】
したがって、上記のように最適なOCRを得るには、冷媒ガスとオイルが溶け易い関係にあることが重要である。ここで、図7はオイル中への冷媒ガスの溶解度を示したものであり、この図は基準値G0を越える範囲では冷媒ガスがオイル中に溶け難くなることを示し、基準値G0以下の範囲では冷媒ガスが溶け易いことを示している。
【0037】
オイルと冷媒ガスの組み合わせとしては各種考えられるが、図7の基準値G0以下となる組み合わせは、例えば同図に示すように、(1)PAG系オイルであるPAG(ポリアルキレングリコール)1オイルとR22冷媒、(2)PAG系オイルであるPAG2オイルとR407C冷媒、(3)エーテル系オイルであるエーテルオイル1とR407C冷媒、(4)カーボネート系オイルであるカーボネート1オイルとR407C冷媒、(5)カーボネート系オイルであるカーボネート2オイルとR410a冷媒、(6)エステル系オイルであるエステルオイル1とR407C、(7)エステル系オイルであるエステル2オイルとR410a冷媒、(8)PAG系オイルであるPAG2オイルとR134a、(9)PAG系オイルであるPAG3オイルとR134a冷媒、(10)PAG系オイルであるPAG4オイルとR134a冷媒である。図7から明らかなように、これらのオイルと冷媒の組み合わせのうち、特に(1)と(8)の組合せが最も溶け易いことが分かる。
【0038】
なお、上記実施形態では、圧縮機本体を2台備えるマルチコンプレッサについて説明したが、本発明は2台以上の圧縮機本体を有するマルチコンプレッサにも適用することができる。
【0039】
【発明の効果】
この発明に係る気体圧縮機にあっては、上記の如く、吐出室の空間容積を、エアコンシステムのオイル循環率を小さくしかつ気体圧縮機内に十分なオイル量を確保するのに必要な大容積に拡大したものである。このため、油分離器で分離しきれなかったオイル成分(未分離油分)を含む高圧冷媒ガスの吐出室停留時間が長くなることから、当該未分離油分が吐出室底部の油溜りに自重で落下する割合が増え、エアコンシステムのコンデンサ側への未分離油分の流入量が大幅に減少し、本来冷却とは直接関係のないオイルがエアコンシステム内を多く循環することがなくなり、冷却効率の向上を図れる。また、気体圧縮機内にオイルを十分に貯溜しておくことができ、オイル不足による気体圧縮機の潤滑不良も防止できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る気体圧縮機の一実施形態(シングルコンプレッサ)の縦断面図。
【図2】図1のA矢視図。
【図3】本発明に係る気体圧縮機の他の実施形態(マルチコンプレッサ)を平面から見た一部破断図。
【図4】図3のA−A線断面図。
【図5】図1に示したシングルコンプレッサの場合における、圧縮機1回転あたりの吸入ガス排除容積に対する吐出室空間容積の比とOCRとの関係の説明図。
【図6】図3に示したマルチコンプレッサの場合における、圧縮機1回転あたりの吸入ガス排除容積に対する吐出室空間容積の比とOCRとの関係の説明図。
【図7】オイル中への冷媒ガスの溶解度の説明図。
【図8】従来の気体圧縮機を示す断面図。
【図9】エアコンシステムの説明図。
【符号の説明】
1 ケース
1a 胴体腹部
1b 吐出室形成部
2 フロントヘッド
3 ケーシング
4 圧縮機本体
4a ロータ軸
4b ロータ
4c フロントサイドブロック
4d シリンダ
4e リアサイドブロック
5 油分離器
6 吸入室
6a 吸入口
7 吐出室
7a 吐出口
7b 油溜り
8 エアコンシステム
9 コンデンサ
10 エキスパンションバルブ
700 共有吐出室
Claims (3)
- 冷媒ガスを吸入し潤滑用オイルとともに圧縮して、この圧縮された冷媒ガスとオイルとを吐出する圧縮機本体と、
上記圧縮機本体内に嵌合されたロータ軸と、
上記圧縮機本体に取り付けられるとともに、上記圧縮機本体より吐出された高圧の冷媒ガスをガス成分とオイル成分とに分離する油分離器と、
上記圧縮機本体と上記油分離器とを収納するケーシングとを備えた気体圧縮機であって、
上記ケーシングは、
一端を開口端とし、かつこの開口端に対向する他端を閉口端とするとともに、上記開口端側には胴体腹部を備え、他方上記閉口端側にはこの胴体腹部の外周拡大方向に段差を介して延設された吐出室形成部を備えており、
上記胴体腹部の内側には、上記圧縮機本体が配置されており、
上記吐出室形成部には、
その内側に吐出室が形成されており、かつ上記油分離器により分離された上記ガス成分をエアコンシステムへ吐出させるための吐出口が形成されているとともに、この吐出口に対向する吐出室の底部に上記油分離器により分離されたオイル成分を貯留する油溜りを備えており、
上記吐出室形成部の上記油溜り側及び上記吐出口側が、上記胴体腹部よりも上記ロータ軸と直角な方向に拡大されている
ことを特徴とする気体圧縮機。 - 上記吐出室の空間容積が、気体圧縮機1回転当たりの吸込ガス排除容積の2倍以上、10倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の気体圧縮機。
- オイルと冷媒ガスの組合せが、PAG系オイルとR22冷媒、PAG系オイルとR407C冷媒、エーテル系オイルとR407C冷媒、カーボネート系オイルとR407C冷媒、カーボネート系オイルとR410a冷媒、エステル系オイルとR410a冷媒、PAG系オイルとR134a冷媒であることを特徴とする請求項1に記載の気体圧縮機。
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