JP4174766B2 - 冷媒圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒圧縮機に関し、特に冷媒圧縮機のシリンダ室への給油機構に関するものである。

従来の冷媒圧縮機のシリンダ室への給油機構は、例えば次の記載のものがある。
「１８は・・・軸受板７ａの内面に形成した油溜め凹部であり、この油溜め凹部１８は回転軸４が１回転する間に、・・・シリンダ５内の低圧室１０と全面的に連通する区間、・・・及びこのピストン６の内側と全面的に連通する区間となる位置と大きさに構成されている。・・・電動要素によって回転軸４が駆動されると、・・・回転軸４の１回転によって、・・・上記凹部１８が上記ピストン６内側へ位置している区間のとき、凹部１８に上記ピストン６内側の潤滑油が供給される。なお、この潤滑油は給油路１６を経て上記ピストン６の内側に導かれたものである。・・・さらに、凹部１８が低圧室１０と全面的に連通すると、凹部１８内の潤滑油は、・・・低圧室１０へ流出する。」（例えば、特許文献１参照。）

また、「中間仕切板３６は・・・、その上面には、図２に示すように内周面から外側に・・・給油溝１３１が半径方向に向かって形成されている。・・・また、給油溝１３１の外側部分は上シリンダ３８内の低圧室ＬＲ側（吸込側）に連通している。
一方、回転軸１６内には軸中心に鉛直方向のオイル孔８０と、このオイル孔８０に連通する横方向の給油孔８２、８４（上下偏心部４２、４４にも形成されている）が形成されており、中間仕切板３６の給油溝１３１の内周面側の開口は、これらの給油孔８２、８４を介してオイル孔８０に連通している。これにより、給油溝１３１はオイル孔８０と上シリンダ３８内の低圧室ＬＲとを連通する。・・・中間仕切板３６に係る給油溝１３１を形成したことにより、密閉容器１２内底部のオイル溜めから汲み上げられてオイル孔８０を上昇し、給油孔８２、８４から出たオイルは、中間仕切板３６の給油溝１３１に入り、そこを通って上シリンダ３８の低圧室ＬＲ側（吸込側）に供給されるようになる。」（例えば、特許文献２参照。）
特公平７−７２５４７号公報（第２頁、第３頁、第１図、第２図） 特開２００３−１２９９７７号公報（第３頁、第４頁、図１〜図３）

従来の冷媒圧縮機のシリンダ室への給油機構は上記のように両者ともに、ピストン（ローラ）内側の回転軸の給油径路からシリンダ内に油を導く構成となっている。
特許文献１では、ピストンの偏心運動毎に一定量の油がシリンダ内に給油される構成となっているが、例えば、二酸化炭素（ＣＯ₂）冷媒等の超臨界冷媒は一般に圧力が高くまた冷媒の密度も大きいことより、冷媒ガスシールのためにシリンダ室内に多量の油の供給が必要であり（通常冷媒使用の冷蔵庫の数十倍以上の量）、この方式では油溜め凹部の大きさを相当大きくする必要がある。しかし、これだけの量の油を供給する大きさの油溜め凹部を設けると、ピストンの内側と外側へ交互に連通するようにするのは非常に困難になる。

また、特許文献２では、特許文献１の場合に比べて給油量を増やすことは可能である。しかし、ピストン（ローラ）の内側とシリンダ室との圧力差を利用した給湯方式であり、ピストン（ローラ）の内側への給油経路は、一般的に遠心ポンプを採用しており、回転数の２乗に比例する給油ヘッドとなるため、低速回転においては給油量が少なく、高速回転においては給油量が多すぎるという状態になりやすい。

また、図４は、給油温度と吐出管温度（圧縮機から吐出される冷媒吐出温度の低下量で表している）の関係を示す。横軸はシリンダ室への給油温度を示し、低圧シェルの圧縮機では、給油温度は２５℃付近であり、高圧シェルの圧縮機では、９０℃付近である。縦軸は吐出温度低下量を示し、これは、圧縮工程で、冷媒にある温度の油をある量だけ混ぜて圧縮した場合のモリエル線図上から求めた吐出温度の理論値である理論吐出温度を、例として１００℃に設定し、この理論吐出温度に対して、油が混ざることによる温度低下量である。また、上の直線は、シリンダ室に吸入される冷媒重量に対する油供給重量の割合が１０％、下の直線は、同じく２０％の場合である。図４より、低圧シェルの圧縮機では、供給する油温が低いことより、圧縮機からの吐出温度の低下が大きくなる。
低圧シェルの圧縮機の場合、吸入ガスで圧縮機内を冷却することより、密閉容器内の温度は低下するが、これに伴いシリンダ室に供給される油の温度が低下することは、給湯用途に使用する圧縮機の場合、吐出温度を確保する必要があるため望ましくない。そこで、シリンダ室に供給する油の温度を上昇させる手段が別途必要となる。

更に、低圧シェルの圧縮機では、１回の圧縮工程中にシリンダ室から漏れ出す油は、低速回転時の方が多くなるため、シリンダ室への給油量は低速回転時の方が多めになることが望ましいが、従来の技術においては、回転数に対して定量給油又は回転数の高い方が給油量が増加する傾向となり、低速回転時の給油量を確保する手段が別途必要となる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、シリンダ室へ充分の油を供給し、圧縮室が高圧になってもガスシールを充分とすることを目的とする。
また、シリンダ室へ高温の油を供給することを目的とする。
また、従来の圧縮機の給油量の回転数依存性を解消し、低速回転時に充分の給油量を確保するとともに、高速回転時の給油過剰を防止することを目的とする。

本発明に係る冷媒圧縮機は、圧縮要素部と、圧縮要素部を駆動する電動要素部と、圧縮要素部と電動要素部を収容するとともに、冷凍サイクル回路へ吐出する圧縮冷媒の圧力より内部圧力が低い密閉容器と、高圧側の油分離器とを備えた冷媒圧縮機であって、
圧縮要素部で圧縮後、冷凍サイクル回路へ吐出する圧縮冷媒を油分離器へ導入し、冷媒と油を分離し、冷媒を冷凍サイクル回路へ吐出し、油を圧縮要素部に戻すものである。

本発明の冷媒圧縮機は、冷凍サイクル回路へ吐出する圧縮冷媒を油分離器へ導入し、冷媒と油を分離し、分離した油を直接圧縮要素部に戻すので、圧縮要素部へ油を充分供給でき、ガスシール性を向上できる。また、圧縮要素部への供給油温度が高く、冷媒の吐出温度低下が防止でき、給湯回路に使用する場合、好都合である。さらに、従来の圧縮機の給油量の回転数依存性を解消し、低速回転時に充分の給油量を確保するとともに、高速回転時の給油過剰を防止することができる。

実施形態１．
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態１の冷媒圧縮機の断面図である。
冷媒圧縮機として、スイングロータリ圧縮機の例で説明するが、ロータリ圧縮機でも同様である。
スイングロータリ圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮要素部１００、圧縮要素部１００を駆動する電動要素部１０１、これらを収容する密閉容器１０２及び密閉容器１０２外に設置した油分離器１０３等を主要構成要素とする。

圧縮要素部１００は、シリンダ１とその上下両端に配置され、開口部を塞ぐとともに軸受となる上軸受２、下軸受３、これら両軸受２、３により支持され、シリンダ１内に偏心部を有するクランク軸４、このクランク軸４の偏心部に嵌入され、ピストンとブレードが一体に形成されたピストンであるスイングピストン５、シリンダ１のスイングガイド収納部に配置され、スイングピストン５のブレードの部分を支持する一対のスイングガイド６（ロータリ圧縮機では、ピストンであるローリングピストンとベーンとは別体であり、ベーンが直線的な運動をするのに対して、スイングピストン５のベーン部（ブレード）は、スイングガイド６に支えられて振り子のように運動する）及び下軸受３と吐出マフラを形成するマフラ板（図示省略）を備えた構成となっており、密閉容器本体２１の下部に配置され、上軸受２にて密閉容器１０２の後述の密閉容器本体２１に固定されている。

電動要素部１０１は、密閉容器本体２１の上部の内面に固定された固定子１１、及び小間隔を隔てて外周をこの固定子１１で囲まれ、クランク軸４に締まり嵌め等で固定された回転子１２を備える。
密閉容器１０２は、円筒状の密閉容器本体２１、この密閉容器本体２１の上部の開口部を塞ぐ蓋体２１ａ及び下部の開口部を塞ぐ底体２１ｂを備える。密閉容器１０２の下部には、冷凍機油が貯留される油溜まり３５がある。
密閉容器本体２１には、下部に冷凍サイクル回路から冷媒を吸入する吸入管２２が直接接続され、また、吸入接続管２３が一端２３ａを上部に、他端２３ｂを下部に接続して取付けられている。他端２３ｂは、上軸受２に形成された吸入流路２ａの一端で、密閉容器本体２１に形成された開口部に接続される。吸入流路２ａの他端はシリンダ室の吸入室１０に接続する。また、密閉容器１０２内に吐出接続管２４が形成され、一端２４ａが上軸受２内で、シリンダ室の圧縮室１１の吐出口に連通し、他端２４ｂが密閉容器１０２から出て、油分離器本体３１内に開口する。

油分離器１０３は、油分離器本体３１、上端部に設けた吐出管３２及び下端部に設けた油戻し管２５から構成され、この油戻し管２５は毛細管等の減圧装置付きの油戻し管２５であり、一端２５ａで油分離器３１の底部に接続し、他端２５ｂで、密閉容器本体２１に固定された上軸受２に形成された油通路である連通穴２ｃの一端で、密閉容器本体２１に形成された開口部に接続される。連通穴２ｃの他端は、シリンダ室に開口する。

次に、本冷媒圧縮機の動作を説明する。
電動要素部１０１により発生した回転力がクランク軸４により圧縮要素部１００に伝えられ、圧縮要素部１００では吸入冷媒が圧縮される。
吸入管２２より密閉容器１０２内に吸入された冷媒ガスは、密閉容器１０２内を下部から上部へ電動要素部１０１を冷却しながら上昇し、油分離された後、吸入接続管２３の一端２３ａ及び他端２３ｂを通って、吸入流路２ａからシリンダ室の吸入室１０に吸入される。この際、密閉容器１０２内に浮遊する多少の油も吸入接続管２３よりシリンダ室の吸入室１０に吸入される。

吸入室１０に吸入された冷媒ガスは、シリンダ室の圧縮室１１で圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、圧縮室１１の吐出口に連通する吐出接続管２４により油分離器１０３に入る。油分離器１０３内では油が分離され、分離された油は油戻し管２５により上軸受２に設けられた連通穴２ｃに達し、再びシリンダ室に給油される。油分離器１０３で油分離された冷媒ガスは、吐出管３２から冷凍サイクルの冷媒回路、例えば、給湯回路に吐出される。

上記の圧縮過程中に、油分離器１０３で分離された高温の油が油戻し管２５、上軸受２内の連通穴２ｃを経て、シリンダ室の吸入ガス又は圧縮途中のガス中に供給される。即ち、油分離器１０３で分離された油は、直接シリンダ室に戻される。また、圧縮過程において、油の一部はスイングピストン５の端面の隙間よりスイングピストン５の内側に漏れ出す。

つまり、油は、シリンダ１のシリンダ室と油分離器１０３間を往復し、圧縮過程で漏れ出した分の油は、吸入接続管２３に冷媒ガスが吸入される際、密閉容器１０２内に浮遊している油を共に吸入することにより、賄われることになる。

油分離器１０３から上軸受２に形成された連通穴２ｃ経由してのシリンダ室への油を供給する際の油供給力は、油分離器１０３内の高圧圧力と油が供給されるシリンダ室内の圧力との差圧であり、油が供給されるシリンダ室の圧力が吸入圧に近いシリンダ室となるように上軸受２の端面のシリンダ室への開口部（連通穴２ｃの開口部）の位置を設定する、及び／又は給油量は上記開口部がシリンダ室に開口する開口時間に依存することより、上軸受２の端面の開口部の位置を開口時間が長くなるように設定することにより、シリンダ室へ充分の給油が可能となり、圧縮室１１内の圧力が高くなってもガスシールが可能となる。要するに、開口部の位置は、吸入室１０でも圧縮室１１でもよい。

また、給油量は、上記開口部がシリンダ室に開口する開口時間に依存することより、冷媒圧縮機の一回転当たりの給油量は、開口部の開口時間の長い低速運転の方が多く、高速回転になるに従って、一回転当たりの給油量は減少する。また、１回の圧縮過程で漏れ出す油の量は低速回転の方が多いため、給油量と漏れ出す油の量のバランスが取れ、回転数によらず必要な給油量を得ることができる。

また、シリンダ室に供給される油は、油分離器１０３で高温の吐出冷媒ガスから分離された油であるため高温であり、例えば、この冷媒圧縮機を給湯用に給湯回路に接続した場合、低温の油が多く混入することによる吐出温度低下の問題も解消できる。

さらに、上軸受に形成した油通路である連通穴２ｃのシリンダ室への開口部が、ピストンの偏心回転に伴い間欠的にシリンダ室に連通するようにすることにより、油分離器で分離した油をシリンダ室に間欠的に供給するようにすることで、給油効果が大きいタイミングのみシリンダ室と連通でき、十分な給油量が得られる。

上軸受２に形成された連通穴２ｃは、下軸受３に形成してもよい。下軸受３の外周部を密閉容器本体２１の内周部に接触するようにし（部分的にでもよい）、一端を密閉容器本体２１に開口し、この開口部に油分離器１０３の油戻し管２５の他端２５ｂを接続し、他端をシリンダ室に開口する。このようにしてもシリンダ室への給油効果は同様である。
即ち、冷媒圧縮機がロータリ圧縮機又はスイングロータリ圧縮機の上軸受又は下軸受に形成した油通路のシリンダ室への開口部が、シリンダ室に連通することにより、油分離器で分離した油をシリンダ室に供給する。このようにしてもシリンダ室への給油効果は同様である。

本実施の形態の冷凍圧縮機の油分離器１０３で分離した油をシリンダ室に戻すという給油手段は、油分離器１０３からの油を圧縮室の吸入部に供給することにより、スイングロータリ圧縮機、ロータリ圧縮機の他に、低圧シェルタイプのスクロール圧縮機にも適用でき、同様の効果が得られる。
また、この給油手段は、シェル内部中間圧型多段（二段）圧縮機にも適用可能であり、同様な効果を得ることができる。即ち、第１の圧縮要素部で中間圧まで圧縮し、圧縮ガスを密閉容器１０２内に出し、この密閉容器内１０２の中間圧の圧縮ガスを吸入した第２の圧縮要素部が高圧に圧縮し、外部の冷媒回路に吐出するロータリ圧縮機で、第２の圧縮要素部で圧縮した高圧冷媒を油分離器１０３に吐出し、分離した油を第２の圧縮要素部のシリンダ室に戻すことにより、圧力の高い第２の圧縮要素部のシリンダ室に充分の給油を行うことができる。

実施形態２．
図２は本発明の実施形態２による冷媒圧縮機の断面図であり、図３は、図２の冷媒圧縮機のシリンダの要部横断面図であり、上軸受の連通穴の開口部と下軸受の給油穴の開口部を示す。
本冷媒圧縮機は、実施の形態１の冷媒圧縮機に更にシリンダ室内への給油手段を加えたものである。即ち、図１では、シリンダ室への給油は、油分離器１０３からの給油の他は吸入接続管２３により密閉容器１０２内に浮遊する油を吸入冷媒ガスと共に吸入していたが、この浮遊油の回収は、給油量が安定しないため、給油不足となる恐れがあるため、新たな給油手段を追加した。
新たな給油手段を追加した他は、実施の形態１と同様であるので、以下主として実施の形態１との相違点を説明する。

本冷媒圧縮機は、下軸受３に密閉容器１０２下部の油溜まり３５とシリンダ室の吸入室１０とを連通する油通路である給油穴３ａを設けた。給油穴３ａは、一端が下軸受３の下端面に開口し、他端がシリンダ室の吸入室１０に開口する。また、油溜まり３５の油面が低い場合に対処して、下軸受３の下端面の開口部に密閉容器１０２の底部に至る接続管を接続して、下軸受３に形成した給油穴３ａと合せて油通路としてもよい。このように給油手段として、給油穴３ａ又は給油穴３ａとこれに接続する接続管を設けることにより、シリンダ内にはシリンダ室のガス流量に比例した油が安定して供給される。

図３に、上軸受２の連通穴２ｃ（実施の形態１と同様に下軸受３の連通穴２ｃでも同様）のシリンダ室の開口部と下軸受３の給油穴３ａのシリンダ室の開口部の位置関係を示すように、この２つのシリンダ室への開口部は、スイングピストン５の偏心運動に伴い異なるタイミング、異なる位置でシリンダ室に開口する。つまり、給油穴３ａの開口部は、吸入室１０に開口し、連通穴２ｃの開口部は、圧縮室１１に開口するようにする。このようにすれば、高圧側に連通している連通穴２ｃが開口しても、シリンダ室の吸入室１０の微小な圧力脈動を阻害することなく、給油穴３ａから安定してシリンダ室に給油できる。
なお、給油穴３ａの開口部は、吸入室１０に開口し、連通穴２ｃの開口部は、圧縮室１１に開口するようにするのであれば、同時に開口しても同様な効果が得られる。即ち、両開口部が同時に吸入室１０に開口しなければよい。

本冷媒圧縮機によると、実施の形態１に記載の冷媒圧縮機の効果に加えて、給油手段の追加により、圧縮過程でシリンダ室から漏れ出した油を補充でき、シリンダ室に、より多量の油を安定して供給できる。
また、下軸受３に形成した油通路である給油穴３ａのシリンダ室への開口部が、ピストンであるスイングピストン５の偏心回転に伴い間欠的にシリンダ室の吸入室１０に連通することにより、油溜まり３５の油をシリンダ室に間欠的に供給するので、給油効果が大きいタイミングのみシリンダ室と連通できることにより、給油穴３ａ内で吸入ガスがシェル内へ逆流するタイミングでの開口がなく、又は、そのタイミングでの開口が少なく、給油量を増加させることができる。
さらに、油分離器に連通する油通路である連通穴２ｃのシリンダ室への開口部と、油溜めに連通する油通路である給油穴３ａのシリンダ室への開口部とは、シリンダ室に開口するタイミングが異なるようにすることで、２つの油通路が同時に吸入室１０に開口することによる干渉を生じることがなく安定した給油ができる。即ち、連通穴２ｃのシリンダ室への開口部と、油溜めに連通する油通路である給油穴３ａのシリンダ室への開口部とが同時に吸入室１０に開口すると、給油穴３ａからの給油を阻害するが、同時に吸入室１０に開口することがないようにする（そこで、同時に開口しなければ、連通穴２ｃのシリンダ室への開口部は、圧縮室１１でも吸入室１０でもよい）ことで、給油穴３ａからの給油を阻害することがない。

本実施の形態１又は２の冷媒圧縮機は、シリンダ室や圧縮室に充分の給油ができるので、冷媒を二酸化炭素等の超臨界冷媒としてもシリンダ室のガスシールが確保できる。

本冷媒圧縮機は、ガスシール性を向上した圧縮機として、冷凍空調装置に利用できるが、特に、冷媒として二酸化炭素のような圧力差の大きい超臨界冷媒使用の冷媒圧縮機としてまた給湯装置用の冷媒圧縮機として最適に利用される。

本発明の実施形態１の冷媒圧縮機を示す断面図である。 本発明の実施形態２の冷媒圧縮機を示す断面図である。 図２の冷媒圧縮機のシリンダの要部横断面図である。 圧縮機のシリンダ室への給油の給油温度と圧縮機から吐出する吐出管温度の関係を示す図である。

符号の説明

２ 上軸受、２ｃ 油通路、３ 下軸受、３ａ 油通路、５ ピストン、１０ 吸入室、１０、１１ シリンダ室、１００ 圧縮要素部、１０１ 電動要素部、１０２ 密閉容器、１０３ 油分離器。

Claims (7)

1. 圧縮要素部と、前記圧縮要素部を駆動する電動要素部と、前記圧縮要素部と前記電動要素部を収容するとともに、冷凍サイクル回路へ吐出する圧縮冷媒の圧力より内部圧力が低い密閉容器と、高圧側の油分離器とを備えた冷媒圧縮機において、
   前記圧縮要素部で圧縮後、前記冷凍サイクル回路へ吐出する圧縮冷媒を前記油分離器へ導入し、冷媒と油を分離し、前記冷媒を前記冷凍サイクル回路へ吐出し、前記油を前記圧縮要素部に戻すことを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 冷媒圧縮機がロータリ圧縮機又はスイングロータリ圧縮機であり、上軸受又は下軸受に形成した油通路のシリンダ室への開口部により、前記油分離器で分離した油を前記シリンダ室に供給することを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 前記上軸受又は前記下軸受に形成した前記油通路の前記シリンダ室への開口部が、ピストンの偏心回転に伴い間欠的に前記シリンダ室に連通することにより、前記油分離器で分離した油を前記シリンダ室に間欠的に供給することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷媒圧縮機。
4. 前記密閉容器の油溜まりと前記シリンダ室の吸入室とを連通する油通路を前記下軸受に形成したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の冷媒圧縮機。
5. 前記下軸受に形成した前記油通路の前記シリンダ室への開口部が、ピストンの偏心回転に伴い間欠的に前記シリンダ室に連通することにより、前記油溜まりの油を前記シリンダ室に間欠的に供給することを特徴とする請求項４に記載の冷媒圧縮機。
6. 前記油分離器に連通する前記油通路の前記シリンダ室への開口部と、前記油溜めに連通する前記油通路の前記シリンダ室への開口部とは、前記シリンダ室に開口するタイミングが異なることを特徴とする請求項５に記載の冷媒圧縮機。
7. 冷媒が二酸化炭素等の超臨界冷媒であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかの請求項に記載の冷媒圧縮機。
   

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