JP4864572B2 - 回転式圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は回転式圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置に係り、特に圧縮機部の構造を改良した回転式圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置に関する。

一般に、空気調和機や冷凍機等に用いる圧縮機には、回転式圧縮機がある。この回転式圧縮機は、シリンダと、このシリンダ内に設けられ、回転軸の偏心部によって偏心回転が与えられるローラと、シリンダを高圧室と低圧室に仕切りローラの偏心回転運動に伴って往復動するベーンを備える。

一方、このような回転式圧縮機には、省エネルギー化を実現するために、高圧縮効率が求められ、この高圧縮効率の実現には、圧縮機部の効率向上が必要である。

この圧縮機部の効率向上のために、圧縮機部の圧縮室を形成する構成部品を最適設計点内に収まるようなディメンジョンにする必要がある。

回転式圧縮機の排除容積Ｖは、シリンダ内径をＤｃｙ、シリンダ高さをＨ、クランク偏心量をｅとすると、Ｖ≒πｅ（Ｄｃｙ−ｅ）Ｈの式で表わされる。

この式において、排除容積が一定のものでは、１つの構成因子、例えば、シリンダの高さＨの条件を変えると、クランク偏心量ｅ、又は、シリンダ内径Ｄｃｙを変える必要があり、純粋に１つの構成因子の影響をみることは困難となる。

そこで、各構成因子を基礎とする式に基づいて設計することで、シリンダ内径をＤ、シリンダ高さをＨ、ローラに偏心回転を与える回転軸の偏心量をｅとしたとき、Ｈ／（Ｄｃｙ・ｅ）の式で求めると共に値を０．０７〜０．１３とし、圧縮効率の向上を図った回転式圧縮機が提案されている（特許文献１）。

しかしながら、特許文献１の回転式圧縮機は、Ｈ／Ｄの範囲については考慮しているが、Ｈ／Ｄとシール部からの冷媒リーク量の相関、Ｈ／Ｄとブレードまわりの摺動損失の相関、Ｌ／Ｄｃｒ（回転軸の偏心部の軸径）とクランク軸部摺動損失の相関が考慮されていないため、圧縮効率の向上には改良の余地があった。

例えば、従来の回転式圧縮機の実際の製品において、シリンダの個数別（１シリンダ型、２シリンダ型）及び仕様別のＨ／Ｄｃｙ、Ｌ／Ｄｃｒは表１に示すように、所定の範囲に限定されていない。

そこで、本発明は、回転式圧縮機の圧縮効率の向上には、Ｄｃｙ及びＨの他に、Ｄｃｒ及びＬが大きな影響を与えることを見出し、Ｈ／Ｄｃｙ、Ｌ／Ｄｃｒの範囲を限定することで高効率の回転式圧縮機を実現できるとの知見に基づくものである。
特開平８−１４４９７６号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、高効率な回転式圧縮機を提供することを目的とする。

また、高効率な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る回転式圧縮機は、シリンダ室を形成するシリンダと、回転軸の偏心部に係合してシリンダ室内を偏心回転するローラとを有する圧縮機構部を１個備えた１シリンダ型の回転式圧縮機において、前記回転軸の副軸部の軸径を主軸部の軸径よりも小さく形成するとともに、前記シリンダ室の内径をＤｃｙ、シリンダの高さをＨ、回転軸の偏心部の軸径をＤｃｒ、回転軸の偏心部とローラとの軸方向の摺動長さ（接触長さ）をＬとしたとき、Ｈ／Ｄｃｙ≦０．４、Ｌ／Ｄｃｒ≧０．６となるようにしたことを特徴とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを備えることを特徴とする。

本発明に係る回転式圧縮機によれば、高効率な回転式圧縮機を提供することができる。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る回転式圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る回転式圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置の概念図である。

図１に示すように、本発明に係る冷凍サイクル装置２１は、本第１実施形態の回転式圧縮機１と、凝縮器２２と、膨張装置２３と、蒸発器２４をサイクル状に連通して形成される。

回転式圧縮機１は、１個のロータリ式圧縮機部２を備えた１シリンダ型であり、圧縮機部２を密閉ケース３内の下部に収容するとともに、圧縮機部２を回転軸４により駆動する電動機部５を上部に収容して構成される。

この電動機部５は密閉ケース３内に圧入して固定されるステータ６とこのステータ６内に収容されるロータ７とから構成される。

ロータ７を支持する回転軸４は、圧縮機部２の主軸受（上部ベアリング）８により主軸部４ａが、副軸受９（下部ベアリング）により副軸部４ｂが各々回転自在に支持される。

主軸受８と副軸受９はシリンダ（シリンダブロック）１０を両側から挟むようにして設けられ、シリンダ１０への固定は、ねじ１１によるシリンダ１０への螺着によって行う。

圧縮機部２のシリンダ１０内には、シリンダボアにより画成されるシリンダ室１２が形成され、このシリンダ室１２にローラ１３が収容される。ローラ１３は回転軸４の偏心部４ｃに係合され、回転軸４の回転駆動に伴い、シリンダ室１２内を転動しつつ偏心回転される。

偏心部４ｃの下部に連設される副軸部４ｂは、この副軸部４ｂの軸径ｄが回転軸４（主軸部４ａ）の軸径よりも小さく形成され、さらに、偏心部４ｃの反偏心側外周面４ｃ_１は副軸部４ｂの外周面４ｂ_１と一致している。さらに、副軸受９の下端面には副軸部４ｂを介して回転軸４のスラスト荷重を受けるスラスト受け部材１４が設けられる。

また、圧縮機部２は、シリンダボアの内周面（シリンダ内周面）より半径方向外方に延びるブレード溝１５が形成され、このブレード溝１５にブレード１６がローラ１３を押圧するようにばね１７によって付勢されて収容され、このブレード１６によりシリンダ室１２はいずれも図示しない吸込側チャンバと圧縮側チャンバに区画される。

シリンダ１０にはブレード溝１５を挟んだ両側に吸込管１８に連通する吸込口（図示せず）が設けられ、主軸受８には吐出口１９がそれぞれ設けられる。

次にシリンダ室１２の内径Ｄｃｙ、シリンダ１０の高さＨ、偏心部４ｃの軸径Ｄｃｒ、偏心部４ｃとローラ１３との軸方向の摺動長さ（接触長さ）Ｌの相関及び各ディメンジョンについて説明する。

発明者等の研究によれば、図２に示すように、同一排除容積、同一偏心量である回転式圧縮機におけるＨ／Ｄｃｙと冷媒のリーク量の関係は、Ｈ／Ｄｃｙが増加するにつれ、ほぼ直線的にリーク量は増大することがわかる。その理由は、Ｈ／Ｄｃｙが大きくなると、支配的なリーク部であるローラ−シリンダ間サイドのシール長が増加し、その部分におけるリーク量が増大するためである。

また、図３に示すように、同一排除容積、同一偏心量である回転式圧縮機におけるＨ／Ｄｃｙとブレード側面及び先端部の摺動損失の関係は、Ｈ／Ｄｃｙが増加するにつれ、ブレードまわりの摺動損失はほぼ直線的に増大することがわかる。その理由は、Ｈ／Ｄｃｙが増加すると、ブレード側面及び背面に働く荷重が増加し、ブレード−ブレード溝間およびブレード先端における摺動損失が増大するためである。

一方、図４に示すように、Ｌ／Ｄｃｒと偏心軸部摺動損失の関係は、Ｌ／Ｄｃｒが減少すると摺動損失は急激に増加することがわかる。このことはマッキーの実験式などでも明らかになっている。

これらを具体的に説明すると、図２に示すように、Ｈ／Ｄｃｙ≦０．４にすることにより、ローラ−シリンダ間サイドにおけるリーク量を低減することができ、また、図３に示すように、Ｈ／Ｄｃｙ≦０．４にすることにより、ブレードまわりの摺動損失を小さくすることができ、さらに、図４に示すように、Ｌ／Ｄｃｒ≧０．６にすることにより、偏心軸部摺動損失を大幅に低減することができる。

これらの知見に基づき本発明を完成させるに至ったものであり、Ｄｃｙ、Ｈ、Ｄｃｒ、Ｌとの関係を
［数１］
Ｈ／Ｄｃｙ≦０．４、 Ｌ／Ｄｃｒ≧０．６
に設定したものである。効率向上には、Ｌ／Ｄｃｒをある程度大きくする必要があり、Ｈ／Ｄｃｙを小さくすると、Ｌ／Ｄｃｒは大きくとりづらいという問題があるが、本発明によれば、効率の低下を招くことなく、Ｄｃｙ、Ｌ、Ｄｃｒの値を設定することが可能であり、ローラ−シリンダ間サイドにおけるリーク量の低減、ブレードまわりの摺動損失の低減及び偏心軸部摺動損失の低減を図って、回転式圧縮機の高効率化を図ることができる。

本第１実施形態の回転式圧縮機によれば、高効率な回転式圧縮機が実現する。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、高効率な冷凍サイクル装置が実現する。

次に本発明の第２実施形態の回転式圧縮機について説明する。

本第２実施形態は、第１実施形態が１個の圧縮機部を備えた１シリンダ型であるのに対して、２個の圧縮機構部を備えた２シリンダ型の回転式圧縮機である。

例えば、図５に示すように、本第２実施形態の回転式圧縮機１Ａは、仕切部材２５Ａを介して同一構造の２組の圧縮機構部２Ａ_１、２Ａ_２を備える。

下側の圧縮機構部２Ａ_２を例にとって説明すると、シリンダ室１２の内径Ｄｃｙ、シリンダ１０の高さＨ、偏心部４ｃの軸径Ｄｃｒ、偏心部４ａとローラ１３との軸方向の摺動長さ（接触長さ）Ｌの相関及び各ディメンジョンを次のように設定する。
［数２］
Ｈ／Ｄｃｙ≦０．３、Ｌ／Ｄｃｒ≧０．５

本第２実施形態の回転式圧縮機においては、シリンダ１０を２個有するため、Ｄｃｙに対するＨは、１シリンダ型に比べ実質２倍（シリンダが同形状の場合）になる。そのため、高い効率を得るには、Ｈ／Ｄｃｙをより小さくする必要がある。但し、Ｈ／Ｄｃｙを小さくする場合、Ｌ／Ｄｃｒを大きくすることが困難になるため、本第２実施形態の回転式圧縮機の場合には、Ｈ／Ｄｃｙ及びＬ／ＤｃｒをＨ／Ｄｃｙ≦０．３、Ｌ／Ｄｃｒ≧０．５とした方が、より高効率が実現する。

他の構成は図１に示す回転式圧縮機と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。

また、第１実施形態の副軸受の第１変形例について説明する。

本第１変形例は、第１実施形態の副軸部を受ける副軸受がすべり軸受であるのに対して、副軸受に転がり軸受を設ける。

例えば、図６に示すように、本第１変形例の副軸受９Ｂには、副軸部４ｂを受ける転がり軸受９Ｂａが設けられる。

Ｈ／Ｄｃｙ≦０．４、Ｌ／Ｄｃｒ≧０．６を満たそうとすると、必然的に負荷に対する偏心部４ｃの軸径Ｄｃｒを小さくする必要があり、Ｄｃｒが小さくなると、ローラ１３を偏心軸４ａに係合するためには、副軸部４ｂの軸径ｄも小さくする必要がある。この軸径ｄを小さくすると、すべり軸受では、摩耗、焼き付き等を起こし易くなり、信頼性の低下を招くことがある。副軸部４ｂの軸受に転がり軸受９Ｂａを用いることで、潤滑し易く、摩擦係数を小さくして、摩耗、焼き付き等をなくし、軸径ｄが小さくなっても信頼性を低下することなく高効率の回転式圧縮機が実現する。転がり軸受としては、図示したボールベアリングの他に、ころ軸受、ニードル軸受等でも良い。

また、第１実施形態の副軸受の第２変形例について説明する。

本第２変形例は、第１実施形態の副軸部に円筒状ブッシュを外嵌固定する。

例えば、図７に示すように、本第２変形例の副軸受９Ｃには、副軸部４ｂに外嵌固定された円筒状ブッシュ４Ｂｂを受ける大口径の軸受９Ｃａが設けられる。なお、この場合、回転軸４の偏心部４ｃにローラ１３を係合した後に、副軸部４ｂに円筒状ブッシュ４Ｂｂ外嵌固定することにより、ローラ１３の組立作業に悪影響を与えることはない。

これにより、副軸受９Ｃにおける摺動径を大きくとることができ、すべり軸受９Ｃａを用いても信頼性を向上させることができる。

さらに、第１実施形態の圧縮機部の変形例について説明する。

本変形例は、第１実施形態が主軸受、副軸受の２個の軸受を備えるのに対して、副軸受を除去して、主軸受のみにする。

例えば、図８に示すように、本変形例の圧縮機部２Ｄは、回転軸４Ｄには副軸を設けず、副軸部を受ける副軸受も設けない。副軸受に替えて、シリンダ室１２を画定し、回転軸４Ｄのスラスト力を受ける閉塞板２６Ｄを設け、さらに、主軸受８Ｄは第１実施形態の主軸受に比べて、軸受口径、長さを十分にとる。

これにより、信頼性を確保し、副軸受のない片持ち構造にすることで、副軸部の軸径の設計的制約をなくし、Ｈ／Ｄｃｙ≦０．４、Ｌ／Ｄｃｒ≧０．６を満しやすくなり、高効率、低コストの回転式圧縮機を実現できる。

なお、副軸受の第１変形例、第２変形例及び副軸受を除去する圧縮機部の変形例を第１実施形態の回転式圧縮機を例にとり説明したが、第２実施形態の回転式圧縮機にも適用することができる。

本発明の第１実施形態の回転式圧縮機、冷凍サイクル装置の概念図。 本発明の第１実施形態の回転式圧縮機のＨ／Ｄと冷媒リーク量の相関線図。 本発明の第１実施形態の回転式圧縮機のＨ／Ｄとブレードまわりの摺動損失の相関線図。 本発明の第１実施形態の回転式圧縮機のＬ／Ｄｃｒとクランク軸部摺動損失の相関線図。 本発明の第２実施形態の回転式圧縮機の縦断面図。 本発明の第１実施形態の回転式圧縮機の副軸受の第１変形例の縦断面図。 本発明の第１実施形態の回転式圧縮機の副軸受の第２変形例の縦断面図。 本発明の第１実施形態の回転式圧縮機の圧縮機部の変形例の縦断面図。

符号の説明

１…回転式圧縮機、２…圧縮機部、３…密閉ケース、４…回転軸、４ａ…主軸部、４ｂ…副軸部、４ｃ…偏心部、５…電動機部、８…主軸受、９…副軸受、１０…シリンダ、１２…シリンダ室、１３…ローラ、１５…ブレード溝、１６…ブレード、２１…冷凍サイクル装置、２２…凝縮器、２３…膨張装置、２４…蒸発器。

Claims (5)

1. シリンダ室を形成するシリンダと、回転軸の偏心部に係合してシリンダ室内を偏心回転するローラとを有する圧縮機構部を１個備えた１シリンダ型の回転式圧縮機において、前記回転軸の副軸部の軸径を主軸部の軸径よりも小さく形成するとともに、前記シリンダ室の内径をＤｃｙ、シリンダの高さをＨ、回転軸の偏心部の軸径をＤｃｒ、回転軸の偏心部とローラとの軸方向の摺動長さ（接触長さ）をＬとしたとき、Ｈ／Ｄｃｙ≦０．４、Ｌ／Ｄｃｒ≧０．６となるようにしたことを特徴とする回転式圧縮機。
2. シリンダ室を形成するシリンダと、回転軸の偏心部に係合してシリンダ室内を偏心回転するローラとを有する圧縮機構部を２個備えた２シリンダ型の回転式圧縮機において、前記回転軸の副軸部の軸径を主軸部の軸径よりも小さく形成するとともに、前記シリンダ室の内径をＤｃｙ、シリンダの高さをＨ、回転軸の偏心部の軸径をＤｃｒ、回転軸の偏心部とローラとの軸方向の摺動長さ（接触長さ）をＬとしたとき、Ｈ／Ｄｃｙ≦０．３、Ｌ／Ｄｃｒ≧０．５となるようにしたことを特徴とする回転式圧縮機。
3. 前記回転軸の主軸部を支持する主軸受と前記回転軸の副軸部を支持する副軸受を備え、副軸部と副軸受間に転がり軸受を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転式圧縮機。
4. 前記回転軸の主軸部を支持する主軸受と前記回転軸の副軸部を支持する副軸受を備え、前記回転軸の偏心部にローラを係合させた後に、回転軸の副軸部に円筒状のブッシュを外嵌固定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転式圧縮機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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