JP4045154B2

JP4045154B2 - 圧縮機

Info

Publication number: JP4045154B2
Application number: JP2002264887A
Authority: JP
Inventors: 淳久保田; 和夫関上; 啓夫中村
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: CN1482364A; JP2004100608A; CN1278042C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気調和機や冷凍機等に使用するロータリ式２段圧縮機に関し、特に回転軸周りの設計自由度が高い高効率なロータリ式２段圧縮機に関するものであり、またそのロータリ式２段圧縮機を用いた空気調和機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータリ式2段圧縮機の構造として、図１４に示した構造を備えるものがある。この圧縮機１０１は、底蓋２１、ケース２２と上蓋１２からなる密閉容器１３内に、ステータ７とロータ８からなる電動機１４を備えている。電動機１４に連結された回転軸２を備えるクランク軸は主軸受９と副軸受１９に軸支されている。回転軸２に対して電動機１４側から順に、低圧用圧縮要素２０と中間仕切板１５と高圧用圧縮要素２３とを積層状に重ねて一体化されている。
【０００３】
このロータリ式２段圧縮機では、低圧用圧縮要素２０と高圧用圧縮要素２３とにおいて、クランク軸２に設けた２つの偏心部５ａ、５ｂがロータ１１ａ、１１ｂを偏心回転しながら駆動している。クランク軸には偏心部相互間を連結する中間軸４がある。低圧用圧縮要素２０は、シリンダ１０ａに設けられた、偏心部５ａとロータ１１ａとで圧縮を行う圧縮空間を有し、その圧縮空間は主軸受９の一部をなす端板と中間仕切板１５とで閉塞されている。また、高圧用圧縮要素２３は、シリンダ１０ｂに設けられた、偏心部５ｂとロータ１１ｂとで圧縮を行う圧縮空間を有し、この圧縮空間は中間仕切板１５と副軸受１９の一部をなす端板とで閉塞されている。
【０００４】
低圧の冷媒は吸気管２５aより低圧用圧縮要素２０内に吸気され、偏心部５aに嵌め合わされたローラ１１aが偏心回転することにより中間圧力まで圧縮され、吐出口２６aと、プレート１８と主軸受９で形成された空間を通過して吐出管２７aより吐出される。
【０００５】
次に中間圧力の冷媒は吸気口２５bより高圧用圧縮要素２３内に吸気され、偏心部５bに嵌め合わされたローラ１１bが偏心回転することにより高圧まで圧縮され、吐出口２６bと、プレート１８と副軸受１９で形成された空間と、内部流路３０と密閉空間２９を通して吐出管２７bより吐出される。
【０００６】
図１５に示したクランク軸は、ロータ８に外接する回転軸２と、低圧用圧縮要素２０を駆動する偏心部５aと、高圧用圧縮要素２３を駆動する偏心部５bと、回転軸２とは逆側で偏心部５bの先端に先端軸３が順次設けられる。さらに各偏心部５ａ、５ｂ相互を連結する、中間軸４が設けられる。
【０００７】
ここで回転軸２の軸径d1は、先端軸３の軸径d2と同じである。偏心部５aの偏心量e1は、偏心部５bの偏心量e2よりも大きい。これは低圧用圧縮要素２０のほうが高圧用圧縮要素２３よりも冷媒の密度が低いため、押しのけ量Vccを大きくする必要があるからである。押しのけ量Vccおよび偏心量eと、シリンダ１０の内径D、高さHとローラ１１の外径drは次式（１）、（２）に示す関係がある。ここでδは、微小な距離である。
【０００８】
【数１】

【数２】

図１４に示すように、シリンダ１０aとシリンダ１０bの内径Dと高さHがそれぞれほぼ等しければ、低圧用圧縮要素２０のVccを大きくするためには dr1を小さくすることとなり、偏心量e1もそれに伴い大きくなる。偏心部５aと偏心部５bは同一の外径dcとなっていた。
【０００９】
低圧用圧縮要素２０と高圧用圧縮要素２３を仕切る役目となる中間仕切板１５は、先端軸３等を連通するために内径Doの貫通孔１６を備えている。図１６にクランク軸に、主軸受９から中間仕切板１５までを組み立てた図を示す。図１６に示したように、主軸受９に対してシリンダ１０aを矢印Aのように、ローラ１１aを矢印Bのように、回転軸２を矢印Cのように移動して組み立てる。中間仕切板１５は、先端軸３の方向から矢印Dのようにまず偏心部５bを貫通孔１６に通した後、図１４に示すように貫通孔１６の軸芯と回転軸２の軸芯がほぼ一致するように組み立てる。
従来の圧縮機として全断熱効率と信頼性向上のために、中間軸の軸径をできるだけ大きくし、その弾性変形を抑制したものがある。（例えば、特許文献１参照。）本願の願書に添付した図１５のA−A断面を示した図１７に示した特許文献１に記載の技術によれば、中間軸４の弾性変形による性能劣化を抑制するために、中間軸４の断面積を大きく取れるように略楕円形の断面形状としている。
【特許文献１】
特開２００１−１４０７８３号公報（第３ページ、図４、図６）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
組み立て上の制約から、偏心部５bが貫通孔１６を通過しなければならないから、中間軸の断面積を任意に設定できなかった。したがって図１７のように略楕円状に成形する必要があり、加工が複雑になるという課題があった。また、中間軸４の断面を円柱とする場合は、組み立て状の制約から図１８のようになり、軸径を大きくできないという課題があった。すなわち組み立て上の制約から、中間軸４の形状の設計自由度が少ないという課題があった。
【００１１】
先に述べたように偏心量e1が偏心量e2よりも大きいために、図１４に示すように低圧用圧縮要素２０の最小シール長さL1は高圧用圧縮要素２３の最小シール長さL２よりも小さくなっている。密閉容器内と圧縮要素内との圧力差により、冷媒漏れによる性能低下がある。最小シール長さが小さい上に圧力差が大きいため、低圧用圧縮要素２０での漏れ損失がより性能低下を招く一因となっている。すなわち低圧用圧縮要素２０で冷媒漏れによる性能劣化を防ぐことが課題である。
【００１２】
本発明の目的は、中間軸の設計自由度を大きくして、性能の劣化を防いだロータリ式２段圧縮機を実現することにある。
【００１３】
また本発明の他の目的は、圧縮機への入力を減らしたＣＯＰ（成績係数）を高めた空気調和機を実現することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、密閉容器内に、回転軸を有する電動機と、前記電動機側から順に低圧用圧縮要素と中間仕切板と高圧用圧縮要素とを積層状に重ねて一体化された回転圧縮要素を備え、前記回転軸に設けた２つの偏心部により前記低圧用圧縮要素と前記高圧用圧縮要素とを偏心回転させて駆動され、前記２つの偏心部のうち、前記電動機から遠い側の前記偏心部の外径が前記電動機に近い側の前記偏心部の外径よりも小径であり、前記中間仕切板には前記小径の前記偏心部を通す貫通孔を備え、前記貫通孔が前記電動機から遠い側よりも前記電動機に近い側で小口径な略円錐台の形状であるロータリ式２段圧縮機とした。
【００１５】
また、クランク軸は二つの圧縮要素に対応する位置に偏心部を備えている。それらの偏心部の間に設けられたクランク軸の中間軸に、弾性変形が生じること抑制するために、クランク軸の偏心部相互を接続する部分である中間軸の軸径が、クランク軸の電動機とは逆方向の先端部である先端軸の軸径よりも大きくすることが望ましい。
【００１６】
さらに、貫通孔の側面と前記回転軸とのなす角であるテーパ角αが１０°≦α≦３０°であることが望ましい。
【００１７】
本発明の他の目的を達成するために、ロータリ式２段圧縮機を冷媒サイクルの一構成要素とした空気調和機において、ロータリ式２段圧縮機の二つの圧縮要素間に設けられる中間仕切り板は前記偏心部を通す貫通孔を備え、前記貫通孔が前記電動機から遠い側よりも前記電動機に近い側で小口径な略円錐台の形状とした。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を、図を用いて説明する。図１４で同様の構成要素において用いた符号は、本発明の実施例の理解を容易にするために、図１においても同じ符号用いた。
【００１９】
図１において高圧用圧縮要素２３の偏心部５bの外径dc２は、低圧用圧縮要素２０の偏心部５aの外径dc1よりも小さくしている。ただし偏心量e1、e2やシリンダ内径Dや高さH、ローラ外径dr、すなわち押しのけ量Vccは従来と同様である。
【００２０】
中間仕切板１５の断面形状を、図２に示す。中間仕切板１５は、先端軸３、偏心部５b、中間軸４が通過する貫通孔１６を備えている。貫通孔１６は低圧用圧縮要素２０側の孔径D1が、高圧用圧縮要素２３側の孔径D2よりも小さく、円錐台形状となっている。本実施例では、貫通孔１６のテーパ面１７と軸中心とのなす角であるテーパ角αは、１５°である。
【００２１】
本実施例に適用されるクランク軸の平面図を図３に示し、図３のA-A断面を図４に示す。中間仕切板１５が通過する先端軸３側の偏心部５bの外径dc2は、偏心部５aの外径dc1よりも小さい。中間軸４の断面は円柱状であり、その外径d3は先端軸３の軸径d2よりも大きい。本実施例では軸径d2と回転軸２の軸径d1を同じとしているので、中間軸４の外径d3が最も大きい。本実施例によれば、中間軸４の断面を円形にでき、加工性が良い。またロータ８と連結する回転軸２や、副軸受１９に軸支される先端軸３よりも、中間軸４の軸径を大きくできるので、各圧縮要素に加わる力が過剰なものとなっても、中間軸４の変形量が小さく抑えられる。
【００２２】
次に図５から図７を用いて、本実施例の圧縮機１の組み立て手順を説明する。主軸受９、ローラ１１a、シリンダ１０a、回転軸２の組み立て順序は、従来と同様である。まず、矢印B1のように中間仕切１５を、貫通孔１６の小さい孔径D1側から、先端軸３、偏心部５bを通して破線の位置まで移動する。次に中間軸４と偏心部５bの段差である点aを支点として、中間仕切板15を矢印B2のように回転する。（図５）
次に、中間仕切板１５を矢印B3のように破線から実線までテーパ面１７が支点bに接触するまで水平移動する。（図６）
さらに点bを支点として中間仕切板１５を矢印B4のように回転し、孔径D1に中間軸４を通して図１に示した位置まで中間仕切板１５を移動させる。（図７）
ローラ１１b、シリンダ１０b、副軸受１９は、先端軸３の方向から軸受９に向かって移動させて、図１のように組み立てる。
【００２３】
またシリンダ１０、中間仕切板１５、副軸受１９は、長手方向が回転軸２の長手方向に沿っているボルトにより主軸受９に固定される。
【００２４】
ここで貫通孔１６の小さい孔径D1はdc2≦D1であればよく、従来の貫通孔１６の孔径Doよりも大幅に小さくできる。したがって図１に示すように低圧用圧縮要素２０の最小シール長さL1を大きくでき、冷媒の漏れ損失を低減できる。一方、高圧用圧縮要素２３の最小シール長さL2を短くできるため過剰な摩擦損失を低減できる。すなわち本実施例の中間仕切板１５により、圧縮機１の効率を向上させることができる。
【００２５】
さらに本実施例の中間仕切板１５により、中間軸４の断面を加工性の良い円柱のまま軸径d3の設計範囲を広く取れるため、設計自由度を向上させることができる。
【００２６】
さらに中間軸４の形状は円柱であるので、図１７に示した従来の実施例と比べて加工が容易である。本実施例に基づき、研削盤により、一工程で中間軸を加工した。
【００２７】
したがって図４に示すように、中間軸４の断面は、偏心部５aと偏心部５bの包括領域以上となり、従来の圧縮機と比べて中間軸の曲げ剛性が高くなる。したがって中間軸４での弾性変形による冷媒漏れや機械損失の増大を抑止することができ、性能向上を実現することができる。
【００２８】
さらにテーパ角αについて説明する。テーパ角αが小さいと本実施例の効果が少なく、αが大きすぎると高圧側圧縮要素の漏れが増大する。図８にテーパ角αと圧縮機の全段熱効率の関係を示す。ここで全段熱効率は、（圧縮機の圧縮仕事）／（圧縮機の入力電力）で定義した。図８のように、全断熱効率が最大となるαが存在し、その範囲は10°≦α≦30°である。したがってこの範囲にテーパ角αを設定すると、本発明の実施例を適用した圧縮機１の効率を、さらに向上することができる。
【００２９】
本発明の他の実施例を、図９に示す。この実施例では、中間仕切板１５の貫通孔１６に平行部１８を設けた。さらに中間軸４に、曲面６を設ける。この場合、許容誤差を大きく取れる上、小さい孔径D1での中間仕切板１５の形状変形が少ないため信頼性が向上する利点がある。平行部１８と曲面６とは相対する位置に設けることが望ましい。
【００３０】
本発明の更に他の実施例を、図１０に示す。先の実施例では、中間仕切板１５の貫通孔１６を、平行部を備えた径が異なる孔とした。この実施例では、平行部は小さい孔径D1とし、大きな孔径D2から平行部までを斜面とせずに、貫通孔１６の内径を段付き形状とした。この形状は組み立て容易性と中間仕切板１５の加工性をも重視したものである。
【００３１】
次に本発明の圧縮機を空気調和機に用いた例を、図１１を用いて説明する。サイクル内の構成を説明すると、まず冷媒を駆動する圧縮機１と、暖房運転と冷房運転で冷媒循環方向を切り替える四方弁２８とが冷媒配管３６で連通されている。室外熱交換器３１は室外機に設置され室外空気と冷媒との熱交換を行う。室内熱交換器３４は室内機に設置され室内空気と冷媒との熱交換を行う。冷媒を減圧する膨張機３２は、冷媒の液相と気相を分離する気液分離器３３を挟んで設けられている。冷媒は液冷媒の吸い込みを抑制するタンク３５を経て圧縮機１に戻る。それぞれの構成は順次、冷媒配管３６で連通されている。
【００３２】
次に空気調和機の動作を、冷房運転すなわち図１１に示した矢印A方向に冷媒を循環する場合について説明する。圧縮機１から吐出された高圧Pdのガス冷媒(点C’)は、室外熱交換器３１で室外空気を暖めつつ凝縮する(点D)。凝縮した冷媒は、膨張機３２で中間圧力Pmまで断熱膨張し(点E)、気液分離器３３で気相と液相(点E’)に分離され、気相はインジェクション流路３７に導かれる。液相は気液分離器３３の下流にある膨張機（減圧弁）３２でさらに低圧Psまで減圧された後(点F’)、室内熱交換器３４で室内空気を冷却しつつ蒸発してガス化する(点G)。
【００３３】
ガス化した低圧Psの冷媒は、タンク３５を通過した後、吸気管２５aより低圧用圧縮要素２０内に吸気され、偏心部５aに嵌め合わされたローラ１１aが偏心回転することにより中間圧力Pmまで圧縮され、吐出管２７aより吐出される(点H１’)。その後インジェクション流路３７から導かれる中間圧力Pmのガス冷媒と混合して(点H２’)、吸気口２５bより高圧用圧縮要素２３内に吸気され、偏心部５bに嵌め合わされたローラ１１bが偏心回転することにより高圧まで圧縮され、吐出管２７ｂより吐出される(点C’)。なお圧縮要素内はベーン３８により仕切られている。暖房運転時には、四方弁２８により破線の矢印Ｂにて示された経路で冷媒が循環する。
【００３４】
従来の冷媒サイクルの構成図を、図１２に示す。点線で示された圧縮機１０１は、本発明を適用していない２段圧縮機を示す。従来のサイクルは本発明のものと比べて、圧縮機が異なるためサイクル動作点が異なる。特に低圧用圧縮要素２０の吐出点(点H１と点H１’)、高圧用圧縮要素２３の吸入点(点H２と点H２’)と吐出点(点HCと点C’)が異なる。
【００３５】
冷凍サイクルの作動状態を、図１３のモリエ線図で示す。従来の空気調和機のサイクルを破線で、本発明の実施例の空気調和機を実線で示す。図１３の点C、C’等は、図１１、図１２に示した状態点と対応している。
【００３６】
以下、冷房運転時について説明する。図１１、図１２に示したガスインジェクションサイクルの空気調和機では、気液分離器３３により液相のみが蒸発器である室外熱交換器３４(点F’から点G)を通り、ガス冷媒は、インジェクション流路３７を流下する。
【００３７】
従来の空気調和機のガス冷媒は、低圧側圧縮要素２０により点Gから点H１に圧縮される。その後、インジェクション流路３７を流下した点Ｅの温度のガス冷媒と混合して、点Ｈ２まで冷却される。さらに高圧側圧縮要素２３により、点H2から点Cに圧縮され吐出される。圧縮機１０１は、図１４で述べたように冷媒の漏れ損失が大きくすなわち低圧用圧縮要素２０の入力W1と高圧縮要素２３の入力W2が大きい。
【００３８】
本実施例のサイクルでは、本発明の圧縮機１を用いるため冷媒の漏れ損失を低減できW1、W2をそれぞれW1’、W2’に大幅に低減する。特に低圧側圧縮要素では密閉容器内と圧縮要素内との冷媒圧力差(Pd−Ps)が大きいので、本発明による漏れ損失の低減効果すなわち(W１−W１’)が大きい。
【００３９】
したがって同一冷房能力で比較すると、本実施例の空気調和機は従来のものと比べて圧縮機の入力を低減し、空気調和機のCOP（成績係数）を大幅に向上できる。同一暖房能力で比較しても、圧縮機の入力低減の効果が大きいのでCOP（成績係数）を大幅に向上できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、圧縮機においては冷媒の漏れ損失や機械損失を改善しつつ、中間軸の弾性変形による性能劣化を抑制することができ、効率と信頼性が向上する。また、空気調和機においては、COP（成績係数）を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に関わる圧縮機の縦断面図である。
【図２】本発明の実施例に関わる中間仕切板の縦断面図である。
【図３】本発明の実施例に関わるクランク軸の平面図である。
【図４】図３のA−A断面図である。
【図５】本実施例に関わる圧縮機の組み立て手順の１番目を示す部分拡大図である。
【図６】本実施例に関わる圧縮機の組み立て手順の２番目を示す部分拡大図である。
【図７】本実施例に関わる圧縮機の組み立て手順の３番目を示す部分拡大図である。
【図８】本実施例の圧縮機に関わるテーパ角αと全断熱効率の関係を示す図である。
【図９】本実施例の応用例１に関わる圧縮機の部分拡大図である。
【図１０】本実施例の応用例２に関わる中間仕切板の縦断面図である。
【図１１】本実施例の空気調和機のサイクル構成図である。
【図１２】従来の空気調和機のサイクル構成図である。
【図１３】本実施例に関わる空気調和機のモリエ線図である。
【図１４】従来の圧縮機の縦断面図である。
【図１５】従来の圧縮機に関わるクランク軸の平面図である。
【図１６】従来の圧縮機の部分組立図である。
【図１７】従来の圧縮機に関わる図１５のA-A断面図である。
【図１８】従来の圧縮機の応用例に関わる図１５のA-A断面図である。
【符号の説明】
1 …圧縮機、2 …回転軸、3 …先端軸、4 …中間軸、5 …偏心部、9 …主軸受、10 …シリンダ、11 …ローラ、14 …電動機、15 …中間仕切板、16 …貫通孔、1７ …テーパ面、20 …低圧側圧縮要素、23 …高圧用圧縮要素、25 …吸気管、26…吐出口、27 …吐出管。

Claims

密閉容器内に、回転軸を有する電動機と、前記電動機側から順に低圧用圧縮要素と中間仕切板と高圧用圧縮要素とを積層状に重ねて一体化された回転圧縮要素を備え、前記回転軸に設けた２つの偏心部により前記低圧用圧縮要素と前記高圧用圧縮要素とを偏心回転させて駆動され、前記２つの偏心部のうち、前記電動機から遠い側の前記偏心部の外径が前記電動機に近い側の前記偏心部の外径よりも小径であり、前記中間仕切板には前記小径の前記偏心部を通す貫通孔を備え、前記貫通孔が前記電動機から遠い側よりも前記電動機に近い側で小口径な略円錐台の形状であるロータリ式２段圧縮機。
前記回転軸は、前記電動機とは逆方向の先端に先端軸を、前記偏心部相互を接続する部分には中間軸を備え、前記中間軸の軸径が前記先端軸の軸径よりも大きい請求項１記載のロータリ式２段圧縮機。
前記貫通孔の側面と前記回転軸とのなす角であるテーパ角αが１０°≦α≦３０°である請求項１記載のロータリ式２段圧縮機。
圧縮機からの圧縮された冷媒の流れる方向を切り替える弁と、その弁から流れてきた冷媒の熱交換を行う熱交換器と、その熱交換器で熱交換された冷媒の圧力を減圧する膨張機と、その膨張機で減圧された冷媒のうち気相冷媒と液相冷媒とを分離する気液分離器と、その気液分離器で分離された液相冷媒を熱交換して前記圧縮機で圧縮する低圧の気相冷媒とする他の熱交換器と、を備えた空気調和機において、前記圧縮機は、密閉容器と、回転軸を有する電動機と、前記電動機側から順に低圧用圧縮要素と中間仕切板と高圧用圧縮要素とを積層状に重ねて一体化された回転圧縮要素を備え、前記回転軸に設けた２つの偏心部により前記低圧用圧縮要素と前記高圧用圧縮要素とを偏心回転させて駆動され、前記２つの偏心部のうち、前記電動機から遠い側の前記偏心部の外径が前記電動機に近い側の前記偏心部の外径よりも小径であり、前記中間仕切板には前記小径の前記偏心部を通す貫通孔を備え、前記電動機から遠い側の前記貫通孔が前記電動機に近い側の前記貫通孔よりも大口径な略円錐台の形状であるロータリ式２段圧縮機を用いた空気調和機。
前記ロータリ式２段圧縮機の回転軸は、前記電動機とは逆方向の先端に先端軸を、前記偏心部相互を接続する部分には中間軸を備え、前記中間軸の軸径が前記先端軸の軸径よりも大きい請求項４記載の空気調和機。
前記貫通孔の側面と前記回転軸とのなす角であるテーパ角αが１０°≦α≦３０°である請求項４記載の空気調和機。
前記気液分離器で分離された気相冷媒と前記低圧用圧縮要素で圧縮された冷媒を前記高圧用圧縮要素で圧縮する請求項４乃至６のいずれか１項に記載の空気調和機。