JP4898721B2 - ベーン式コンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は、おもにカーエアコン他ルームエアコン、冷蔵庫等に用いられるベーン式コンプレッサに関するものである。

コンプレッサは、大別すると回転式と往復式とがある。回転式は、往復式と比べて稼働時の騒音や振動が小さいという利点がある。このため、自動車内の空調設備（以降「エアコン」という）や、室内用エアコンの室外機などに利用されている。回転式コンプレッサには一般的にベーン式、ロータリー式、スクロール式などが知られており、ベーン式は主に自動車内の空調設備、スクロール式及びロータリー式は主にエアコンの室外機などに利用されている。

従来のベーン式コンプレッサについて説明する。ベーン式コンプレッサは主として、シリンダと、シリンダ内の空間で回転する円柱型のロータからなる。上記ロータには、半径方向に切り込まれた溝が周方向に等間隔で複数形成され、この各溝に板状のベーンがそれぞれ嵌められている。各ベーンは、法線方向にスライド可能である。上記シリンダは、内部の空間がロータの径より大きいほぼ円筒状の部材である。上記ベーンは、ロータが回転すると、ロータの半径方向外側に向かってスライドし、先端がシリンダの内壁に摺接する。これにより、シリンダ内の、ロータに備えられた互いに隣り合うベーンの間には、密閉された空間（以降、「圧縮室」という）ができる。また、上記シリンダには、上記圧縮室に気体を吸入するための吸入ポートと、圧縮した気体を吐出するための吐出ポートが備えられており、それぞれ気体の逆流防止のために弁（以降「吐出弁」という）が備えられている。

一方、スクロール式コンプレッサは、主として、渦巻き状の突堤が形成された可動スクロールと、おなじく渦巻き状の突堤が形成された固定スクロールからなる。上記固定スクロールは、圧縮した気体を吐出するため、渦巻き状の中心に吐出ポートを備えている。上記固定スクロールと上記可動スクロールは、互いに渦巻き状の突堤同士がかみ合い、可動スクロールが姿勢を保ったまま円弧運動をする。これにより気体は、圧縮されながら、渦巻きの外側から中心に向かって集まり、上記吐出ポートから吐出される。吐出ポートには、ベーン式コンプレッサと同様に弁が備えられており、圧縮した気体の逆流を防止している。

上記のとおり、従来のベーン式コンプレッサや、スクロール式コンプレッサには、気体の逆流防止のために吐出ポートに弁が備えられており、圧縮された気体の圧力を利用して弁を押し開いて気体を吐出している。圧縮された気体が、弁を押し開いた後は、弁が弾性効果などにより吐出ポートを閉鎖する。このとき、弁は吐出ポートの閉鎖に伴い、打撃音（以降、「開閉音」という）が生じる。回転式コンプレッサは、往復式コンプレッサと比較すると騒音や振動は小さいが、それでも、騒音や振動が発生しており、主な原因は上記開閉音によるものである。上記の開閉音を限りなく低減させるため、従来のコンプレッサにも様々な工夫がなされている。以下、従来の改善策を説明する。

特許文献１記載の発明は、ベーン型圧縮機に関するものである。ロータは円柱形で、周方向に等間隔でベーンが複数備えられている。シリンダ内部の空間は、楕円柱形で、上記ロータの円形の中心と、上記シリンダの楕円形の中心とは、同心上に位置している。上記ロータには、各ベーンに隣接する位置に、溝が形成されている。これらの溝は、それぞれ円柱の長さ方向（ロータの軸方向）の一端部に形成されている。吐出ポートは、シリンダ内部の楕円面に形成され、上記ロータの回転時に、上記溝と上記吐出ポートが重なるように設計されている。すなわち、ロータが回転することで、吸入された気体が圧縮されて上記溝に押し込められ、シリンダに設けられた吐出ポートに、ロータの上記溝が重なったとき、上記溝に押し込められている気体が吐出ポートから吐出される。上記吐出ポートと上記溝が重ならないときは、ロータの側面がシリンダの吐出ポートを閉鎖するため、逆流することがない。したがって、吐出弁を設ける必要がないため開閉音が発生しない。

特許文献２記載の発明は、ロータリー式圧縮機に関するものである。主な構成部材は、円筒状のシリンダと、シリンダ内部で回転する円柱形のローラである。上記シリンダには、１つの板状のブレードが、中心軸に向かって備えられ、法線方向にスライド可能となっている。上記ローラの外径は、上記シリンダの内径より一回り小さく、ローラはシリンダ内で回転する。上記ローラの回転軸は偏心しており、ローラの回転軸から外方向に向かって最長に位置する部分の周壁が、上記シリンダの内壁に沿って回転する。上記ローラが、上記シリンダ内で回転すると同時に、上記ブレードをスライドさせることで、圧縮室を分割している。上記シリンダ内部の端面には吐出ポートが設けられている。上記ローラの端面には、上記シリンダと同径の円板が付設されており、この円板の所定の回転角度において吐出ポートに連通する吐出案内孔が設けられている。上記ローラが上記シリンダ内で回転し、所定の回転角度で、上記吐出案内孔が上記吐出ポートと重なり、圧縮された気体が吐出される。上記ローラの回転角度により、吐出案内孔と吐出ポートが重ならない場合は、上記ローラに付設された円板が、吐出ポートを閉鎖する。したがって、圧縮した気体が逆流することがなく、吐出弁を設ける必要がないため、開閉音が発生しない。

特許文献３記載の発明は、ベーンロータリー式空気ポンプに関するものである。主な構成部材は、円筒形のシリンダと、上記シリンダの内径より一回り小さい外径に設計された円柱形のロータである。上記シリンダの内部空間の中心軸と、上記ロータの中心軸とは、ずれており、ロータは、その周壁がシリンダの内壁に接触する位置に設置され、上記中心軸を中心にして回転する。上記ロータは法線方向にスライド可能なベーンを複数備えており、上記シリンダ内において、隣り合うベーンとベーンとの間がポンプ空間となる。上記シリンダには吸入ポート、および、吐出ポートが設けられており、上記ロータに備えられた各ベーンの所定の回転角度を計算することで、吸入ポートと吐出ポートが直接連通しないように設計されている。すなわち、吐出ポートには、常に気体が吐出する圧力が発生しており、吐出弁が不要である。

特開平１０−１３１８７８号公報 特開平０８−１９３５８４号公報 特開２００６−４６２０６号公報

以上説明したとおり、騒音または振動を低減させるために、吐出弁を不要とした従来例はすでに存在している。これらの従来技術のうち、本願発明に比較的近い技術は特許文献１記載の技術である。しかしながら、特許文献１記載の発明には、以下のような解決すべき課題が存在する。特許文献１記載の発明において特徴的な構成は、ロータの各ベーンに隣接する位置に、吸入された気体を押し込むための溝を備えていることである。これらの溝は、各ベーンの摺動をガイドする各ベーン溝に連続して回転軸方向の一端部に形成されている。したがって、上記溝の形成によってベーンのガイド面積が削減され、ベーンの保持が不安定となり、上記溝に圧縮空気が押し込められると、その圧力でベーンががたつきやすくなる難点がある。また、ベーン溝に連続して気体を押し込むための溝を形成するには、面倒な切削加工を施す必要がある。

本発明は、上記の問題を解決すること、すなわち、吐出弁を不要にしたベーン式コンプレッサであって、ロータの回転軸方向に対してがたつきを生じさせることなく、安定した回転運動が得られ、騒音や振動を低減することができ、加工も簡単なベーン式コンプレッサを提供することを目的とする。

本発明は、気体を吸入する吸入ポートと圧縮した気体を吐出する吐出ポートを有するシリンダと、このシリンダ内で回転するロータと、このロータの内部から外周方向に向けてスライド可能に設けられ先端が上記シリンダの内周壁面に摺接する複数のベーンと、を備え、上記ロータの回転に伴い各ベーンがロータに対し進退することにより上記吸入ポートから吸入した気体を圧縮し上記吐出ポートから排出するベーン式コンプレッサであって、上記ロータには、上記ベーンで区切られた領域ごとに通気孔が形成されるとともにこの通気孔への気体の流入口と通気孔からの気体の排出口が上記ロータの外周面に形成されており、上記通気孔の流入口と排出口は、互いに上記ロータの回転軸方向にずれた位置にあり、上記シリンダの吐出ポートは、上記ロータの回転による上記排出口の移動軌跡と対応する位置にあることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、ロータに、ベーンで区切られた領域で、流入口と排出口とを形成し、それぞれを連通させて通気孔とすることで、流入口からは、気体を吸入ポートからベーンで区切られた圧縮室に流入し、排出口からは、圧縮室から気体を吐出ポートへ排出することができる。上記吐出ポートは、上記ロータの所定の回転角度で、上記、各通気孔の排出口に連通し、それ以外の回転角度ではロータの周壁が吐出ポートを閉鎖している。そのため、気体が、上記吐出ポートから逆流したとしても、ロータの周壁が上記圧縮室への侵入を防止している。つまり、吐出弁が不要となり、吐出弁の開閉に伴う騒音や振動がなくなる。

また、上記通気孔は、各ベーンの摺動をガイドする各ベーン溝に連続して形成する必要はなく、ロータの外周面側から、例えば、ドリルによる孔あけ加工で足りるため、加工が簡単であるとともに、各ベーンが安定に保持されてがたつきを生じることがない。よって、ロータの安定した回転運動を得ることができる。

さらに、本発明における上記通気孔は、例えば、孔の径を変更して通気孔の容積を変更することができる。本発明にかかるベーン式コンプレッサのロータの製造工程において、上記通気孔の容積を変更することで、圧縮室の圧縮率が変化し、上記通気孔に押し込められる気体の圧力を調節することができる。圧縮を低くしたい場合は、通気孔の容積を大きくし、逆に、圧縮を高くする場合は、通気孔の容積を小さくする。

以下、本発明にかかるベーン式コンプレッサの実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明にかかるベーン式コンプレッサの実施例を示す横断面図である。図１において、ベーン式コンプレッサ１は、シリンダ２とロータ３を備えている。シリンダ２は、ロータ３の外径より大きい、ほぼ円筒状の内部の空間を備えている。ロータ３は円柱形で、シリンダ２の上記内部空間で回転可能に支持されている。図１に示すベーン式コンプレッサの実施例では、シリンダ２の内部空間の中心軸線に対してロータ３の回転軸４が偏心している。シリンダ２には、圧縮室６に圧縮する気体を吸入するための吸入ポート７と、圧縮した気体を吐出するための吐出ポート８がそれぞれシリンダ２を半径方向に貫通して備えられている。吸入ポート７と吐出ポート８は横断面円形の孔からなり、シリンダ２の周方向に所定の間隔をおいて、また、図５に示すようにロータ３の回転軸方向にずれた位置に形成されている。

ロータ３には、半径方向を基準としてロータ３の回転方向に外側が傾斜した方向に沿って切り込まれた溝３１が、周方向に等間隔で複数（図示の例では４個）形成され、この各溝３１に板状のベーン５がそれぞれ嵌められている。各ベーン５は、各溝３１に沿ってスライド可能であり、ロータ３が回転すると、ロータ３の外側に向かってスライドし、先端縁がシリンダ２の内壁に摺接する。各ベーン５は、ロータ３とともに回転することによって生じる遠心力で先端縁がシリンダ２の内壁に摺接するようにしてもよいし、先端縁が付勢力でシリンダ２の内壁に摺接するように、ばねなどで付勢してもよい。これにより、シリンダ２の内部空間で、ロータ３に備えられたベーン５と、これに隣り合うベーン５との間に、これらのベーン５とシリンダ２の内壁面とで区切られた圧縮室６が形成される。

ロータ３には、通気孔１１が、各ベーン５によって区切られた領域ごとに形成されている。通気孔１１は、吸入ポート７から圧縮室６に流入する気体を通気孔１１に流入させるための流入口９と、通気孔１１に押し込まれた気体を圧縮室６から吐出ポート８を通じて排出させるための排出口１０からなる。これら流入口９と排出口１０は、例えばドリルによる孔あけ加工により、ロータ３の外周面側からロータ３の内方に向かって形成されている。また、流入口９と排出口１０の少なくとも一方が斜めに形成されることによりロータ３の内部で流入口９と排出口１０とが断面Ｖ字を描いて連通している。

以下、上記実施例の動作を、ロータの回転運動に従い順を追って説明する。ロータ３は、図示されないモータなどによって反時計回りにシリンダ２内で回転駆動される。図１乃至図４は、上記実施例にかかるベーン式コンプレッサにおいて、ロータの回転運動とそれに伴う気体の吸入、圧縮、排気動作を連続的に示している。ここでは、図１において、吸入ポート７と連通している圧縮室６に着目し、この圧縮室をＡとして説明する。吸入ポート７と連通している上記圧縮室Ａは、ロータ３の反時計方向への回転に伴い容積が拡大し、吸入ポート７から圧縮室Ａに気体が流入する。

ロータ３がさらに回転すると、圧縮室６を画している回転方向後ろ側のベーン５が吸入ポート７の位置を通過し、圧縮室６への気体の流入は停止する。図２に示すようにロータ３がさらに回転して圧縮室６の容積が最大となった後、圧縮室Ａの容積が縮小し始め、圧縮室６内の気体が、圧縮され始める。図３が示すように、圧縮室Ａがさらに圧縮され、ロータ３の前記通気孔１１にも押し込まれる。さらにロータ３の回転がすると、圧縮室Ａを画している回転方向前のベーン５が吐出ポート８に位置を通した状態となる。ただし、シリンダ２に対してロータ３が偏心していることによってロータ３の外周面が吐出ポート８に対向し、圧縮室Ａ内で圧縮された気体の排出が制限されている。したがって、圧縮室Ａ内の気体はさらに圧縮され、上記通気孔１１にも気体がさらに押し込まれる。

図４は、ロータ３がさらに回転し、圧縮室Ａに対応する通気孔１１の排出口１０が吐出ポート８と対向したとき、上記通気孔１１に押し込まれていた気体がその圧力により一気に排出される状態を示している。圧縮室Ａを画する回転方向前側のベーン５が吸入ポート７の位置を通過すると、圧縮室Ａへの吸入が開始され、図１に示す作動態様になる。

図示の実施例では、ロータに備えられたベーンは４つで、４つの圧縮室が形成され、４つの圧縮室が連続して吸入、圧縮、排気動作をするようになっているが、ベーンおよび圧縮室の数は適宜変更可能である。また、図示の実施例では、ロータ３に形成されている通気孔１１の断面形状がＶ字状になっているが、Ｖ字状でなくても構わない。互いに隣り合うベーンで区切られた一つの圧縮室の領域内で連通して、気体の流通が可能であれば、通気孔の形状は如何様にでも変更可能である。

図５は、ロータ３の側面図である。シリンダ２側の吸入ポート７と吐出ポート８は点線で示している。図５において、通気孔１１の流入口９と排出口１０は、ロータ３の回転軸方向にずれた位置に形成されている。吐出ポート８は、ロータ３の回転に伴う排出口１０の移動軌跡と対応する位置に存在している。これにより、圧縮された気体は、排出口１０の位置と吐出ポート８の位置が合致したときにのみ排出され、それ以外は、ロータ３の周壁が吐出ポート８を閉鎖するため、吐出ポート８から圧縮室６への気体の逆流を防止することができる。吸入ポート７は上記排出口１０の移動軌跡から外れた位置にあればよく、上記流入口９の移動軌跡に対応した位置に設ける必要はない。

図示の実施例では、ロータ３の通気孔１１の流入口９と排出口１０が、ロータ３の回転方向にずれた位置に形成されている。しかし、必ずしも上記流入口９と排出口１０をロータ３の回転方向にずらす必要はなく、設計によっては回転方向にはずらさない方が望ましい場合もある。また、ロータ３のベーン５と通気孔１１の位置関係についても、効率よく気体を吸入し、気体を無駄なく圧縮して排出できるように適宜設計変更するとよい。

以上の説明のとおり、本発明によれば、ロータに流入口と排出口とを形成し、それぞれを連通させた通気孔を設けることで、吐出弁を不要にすることができ、騒音や振動を低減することができる。また、ロータに通気孔を設けることで、ロータの回転軸方向の一端部にかかる圧力によるがたつきを防止することができ、安定した回転運動を得ることができる。

本発明にかかるベーン式コンプレッサの実施例を示す横断面図である。 上記実施例の異なる動作態様を示す横断面図である。 上記実施例のさらに異なる動作態様を示す横断面図である。 上記実施例のさらに異なる動作態様を示す横断面図である。 上記実施例中のロータを示す正面図である。

符号の説明

１ ベーン式コンプレッサ
２ シリンダ
３ ロータ
４ 回転軸
５ ベーン
６ 圧縮室
７ 吸入ポート
８ 吐出ポート
９ 流入口
１０ 排出口
１１ 通気孔

Claims (5)

1. 気体を吸入する吸入ポートと圧縮した気体を吐出する吐出ポートを有するシリンダと、このシリンダ内で回転するロータと、このロータの内部から外周方向に向けてスライド可能に設けられ先端が上記シリンダの内周壁面に摺接する複数のベーンと、を備え、上記ロータの回転に伴い各ベーンがロータに対し進退することにより上記吸入ポートから吸入した気体を圧縮し上記吐出ポートから排出するベーン式コンプレッサであって、
   上記ロータには、上記ベーンで区切られた領域ごとに通気孔が形成されるとともにこの通気孔への気体の流入口と通気孔からの気体の排出口が上記ロータの外周面に形成されており、
   上記通気孔の流入口と排出口は、互いに上記ロータの回転軸方向にずれた位置にあり、
   上記シリンダの吐出ポートは、上記ロータの回転による上記排出口の移動軌跡と対応する位置にあることを特徴とするベーン式コンプレッサ。
2. 上記通気孔の流入口は上記ベーンで区切られた領域におけるロータの回転方向後ろ側に、上記通気孔の排出口は上記ベーンで区切られた領域において上記流入口よりもロータの回転方向前側に開口している請求項１記載のベーン式コンプレッサ。
3. シリンダの内周面は円筒面をなし、ロータの外周面は上記シリンダの内周面より小径の円柱面をなし、ロータの回転中心はシリンダの円当面の中心から片寄った位置に設けられている請求項１記載のベーン式コンプレッサ。
4. ベーンで区切られた領域の気体が最大限に圧縮されたときシリンダの吐出ポートにロータの排出口が対応するように、上記吐出ポートとロータの排出口の位置関係が設定されている請求項１記載のベーン式コンプレッサ。
5. ロータの通気孔は、ロータの外周面の２箇所からロータ内部に向けてＶ字状に形成されかつロータ内部でつながっている孔からなる請求項１記載のベーン式コンプレッサ。

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