JP5425312B2 - ベーン型圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、ベーン型圧縮機に関する。

従来、ロータシャフト（シリンダ内で回転運動する円柱形のロータ部と、ロータ部に回転力を伝達するシャフトとが一体化されたものをロータシャフトという）のロータ部内に一箇所または複数箇所形成されたベーン溝内にベーンが嵌入され、そのベーンの先端がシリンダ内周面と当接しながら摺動する構成の一般的なベーン型圧縮機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ロータシャフトの内側を中空に構成しその中にベーンの固定軸を配し、ベーンはその固定軸に回転可能に取り付けられ、更に、ロータ部の外周部付近に半円棒形状の一対の挟持部材を介してベーンがロータ部に対して回転自在に保持されているベーン型圧縮機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２５２６７５号公報（第４頁、第１図） 特開２０００−３５２３９０号公報（第６頁、第１図）

従来の一般的なベーン型圧縮機（例えば、特許文献１）は、ベーンの方向がロータシャフトのロータ部内に形成されたベーン溝により規制されている。ベーンはロータ部に対して常に同じ傾きとなるように保持される。そのため、ロータシャフトの回転に伴い、ベーンとシリンダ内周面の成す角度は変化し、全周に亘ってベーン先端がシリンダ内周面に当接するためには、ベーン先端の円弧の半径をシリンダ内周面の半径に比べて小さく構成する必要があった。

ベーン先端がシリンダ内周面と当接しながら摺動するものにおいては、半径の大きく異なるシリンダ内周面及びベーン先端が摺動するため、二つの部品（シリンダ、ベーン）間に油膜を形成しその油膜を介して摺動する流体潤滑の状態にはならず、境界潤滑状態となってしまう。一般に潤滑状態による摩擦係数は、流体潤滑では０．００１〜０．００５程度なのに対し、境界潤滑状態では非常に大きくなり、概ね０．０５以上となる。

従来の一般的なベーン型圧縮機の構成では、ベーンの先端とシリンダの内周面が境界潤滑状態で摺動することにより摺動抵抗が大きく、機械損失の増大による圧縮機効率の大巾な低下が発生してしまう。同時にベーン先端及びシリンダ内周面が摩耗しやすく長期の寿命を確保することが困難であるという課題があった。そこで、従来のベーン型圧縮機においては、ベーンのシリンダ内周面に対する押し付け力を極力低減するための工夫がなされていた。

上記の課題を改善する形態として、ロータ部の内部を中空にし、その中にベーンをシリンダ内周面の中心にて回転可能に支持する固定軸を有し、且つベーンがロータ部に対し回転可能となるようにロータ部の外周部近傍で狭持部材を介してベーンを保持する方法（例えば、特許文献２）が提案された。

この構成にすることにより、ベーンはシリンダ内周面の中心にて回転支持されている。そのため、ベーンの長手方向は常にシリンダ内周面の法線方向となり、ベーン先端部がシリンダ内周面に沿うように、シリンダ内周面の半径とベーン先端の円弧の半径をほぼ同等に構成することが可能となり、ベーン先端とシリンダ内周面を非接触に構成することができる。もしくは、ベーン先端とシリンダ内周面とが接触する場合でも十分な油膜による流体潤滑状態とすることができる。それにより、従来のベーン型圧縮機の課題であるベーン先端部の摺動状態を改善することが可能となる。

しかし、特許文献２の方法では、ロータ部内部を中空に構成することにより、ロータ部への回転力の付与やロータ部の回転支持が難しくなる。特許文献２では、ロータ部の両端面に端板を設けている。片側の端板は、回転軸からの動力を伝達する必要があるため円盤状であり、端板の中心に回転軸が接続される構成となっている。また、他側の端板は、ベーン固定軸やベーン軸支持材の回転範囲と干渉しないように構成する必要があるため、中央部に穴の開いたリング状に構成する必要がある。このため、端板を回転支持する部分は、回転軸に比べて大径に構成する必要があり、軸受摺動損失が大きくなるという課題がある。

また、ロータ部とシリンダ内周面との間に形成される隙間は、圧縮したガスが漏れないように狭くなっているため、ロータ部の外径や回転中心には高い精度が必要とされる。しかし、ロータ部と端板は別々の部品で構成されるため、ロータ部と端板との締結により発生する歪みやロータ部と端板の同軸ズレ等、ロータ部の外径や回転中心の精度を悪化させる要因となってしまうという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、回転軸の軸受摺動損失を低減し、且つロータ部とシリンダ内周面との間に形成される隙間を狭くしてガスの漏れ損失を低減するために、ベーン先端部の円弧とシリンダ内周面との法線が常にほぼ一致するように圧縮動作を行なうために必要なベーンがシリンダの中心周りに回転運動する機構を、ロータ部の外径や回転中心精度悪化をもたらす端板をロータ部に用いず、ロータ部と回転軸を一体に構成することで実現した複数のベーンを有するベーン型圧縮機を提供する。

この発明に係るベーン型圧縮機は、略円筒状で、軸方向の両端が開口しているシリンダと、シリンダの軸方向の両端を閉塞するシリンダヘッド及びフレームと、シリンダ内で回転運動する円柱形のロータ部及びロータ部に回転力を伝達するシャフト部を有するロータシャフトと、ロータ部内に設置され、先端部が外側に円弧形状に形成される複数のベーンを有するベーン型圧縮機において、
複数のベーンの長手方向とシリンダの内周面の法線方向が常にほぼ一致する状態で圧縮動作を行なうように、ロータ部内で複数のベーンがロータ部に対して回転可能且つ移動可能なように、ロータ部の外周部近傍に、断面が略円形で軸方向に貫通するブッシュ保持部を形成し、ブッシュ保持部の中に一対の略半円柱形のブッシュを介して複数のベーンが支持されており、
複数のベーンの両端に一対の部分リング形状のベーンアライナが、複数のベーンの中心線が一対のベーンアライナの部分リング形状を構成する円弧のほぼ中心軸を通るように、複数のベーンに取り付けられており、シリンダヘッド及びフレームのシリンダ側端面にシリンダ内周面と同心の凹部またはリング状の溝を形成し、凹部または溝内に複数のベーンアライナを嵌入した構成とし、
ブッシュの回転中心軸とロータ部の回転中心軸間の距離をＲ、シリンダ内周面の中心軸とロータ部の回転中心軸間の距離をｅ、ベーンの枚数をＮ（２以上の自然数）としたとき、ベーンアライナの部分リング形状を構成する円弧の角度αが、

の関係を満たすものである。

この発明に係るベーン型圧縮機は、各ベーンアライナの部分リングを構成する円弧の角度を所定の値より小さくしたことで、ベーンアライナ同士が回転中に接触することなく、安定した動作が可能となり、ベーン先端部の円弧とシリンダ内周面との法線が常にほぼ一致するように圧縮動作を行なうために必要なベーンがシリンダの中心周りに回転運動する機構を、ロータ部と回転軸を一体にした構成で実現できるため、回転軸を小径の軸受で支持できることで軸受摺動損失を低減し、かつロータ部の外径や回転中心の精度が向上することでロータ部とシリンダ内周面との間に形成される隙間を狭くしてガスの漏れ損失を低減することが可能となる。

実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００の圧縮要素１０１の分解斜視図。 実施の形態１を示す図で、ベーンアライナ５，６，７，８の平面図。 実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００の圧縮要素１０１の平面図（角度９０°）。 実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００の圧縮動作を示す圧縮要素１０１の平面図。 実施の形態１を示す図で、ベーンアライナ６，８のベーンアライナ保持部３ａ内での回転動作を示す平面図。 実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００のベーンとベーンアライナの位置関係を示す平面図（角度９０°）。 実施の形態１を示す図で、第１のベーン９，第２のベーン１０の斜視図。 実施の形態１の他の実施例を示す図で、第２のベーン１０とベーンアライナ８の斜視図。 実施の形態１の他の実施例を示す図で、第２のベーン１０とベーンアライナ８を一体化した構成図。 実施の形態２を示す図で、第１のベーン９と第Ｎのベーン１６の位置関係を示す平面図。

実施の形態１．
図１は実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００の縦断面図である。図１を参照しながら、ベーン型圧縮機２００（密閉型）について説明する。但し、本実施の形態は、圧縮要素１０１に特徴があり、ベーン型圧縮機２００（密閉型）は、一例である。本実施の形態は、密閉型に限定されるものではなく、エンジン駆動や開放型容器等の、他の構成のものにも、適用される。

図１に示すベーン型圧縮機２００（密閉型）は、密閉容器１０３内に、圧縮要素１０１と、この圧縮要素１０１を駆動する電動要素１０２とが収納されている。圧縮要素１０１は、密閉容器１０３の下部に位置し、密閉容器１０３内の底部に貯留する冷凍機油２５を図示しない給油機構により圧縮要素１０１に導き、圧縮要素１０１の各摺動部が潤滑される。

圧縮要素１０１を駆動する電動要素１０２は、例えば、ブラシレスＤＣモータで構成される。電動要素１０２は、密閉容器１０３の内周に固定される固定子２１と、固定子２１の内側に配設され、永久磁石を使用する回転子２２とを備える。固定子２１には、密閉容器１０３に溶接することにより固定されるガラス端子２３から電力が供給される。

圧縮要素１０１は、吸入部２６から低圧の冷媒を圧縮室に吸入して圧縮し、圧縮された冷媒は、密閉容器１０３内に吐出され、電動要素１０２を通過して密閉容器１０３の上部に固定された吐出管２４から外部（冷凍サイクルの高圧側）に吐出される。ベーン型圧縮機２００（密閉型）は、密閉容器１０３内が高圧となる高圧タイプ、もしくは密閉容器１０３内が低圧となる低圧タイプのどちらでもよい。なお、本実施の形態では、ベーン枚数が２枚の場合について示している。

本実施の形態は、圧縮要素１０１に特徴があるので、以下、圧縮要素１０１について詳細に説明する。図１においても、圧縮要素１０１を構成する各部品に符号を付しているが、図２の分解斜視図の方が解りやすいので、主に図２を参照しながら説明する。図２は実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００の圧縮要素１０１の分解斜視図である。また、図３は実施の形態１を示す図で、ベーンアライナ５，６，７，８の平面図である。

図２に示すように、圧縮要素１０１は以下に示す要素を有する。
（１）シリンダ１：全体形状が略円筒状で、軸方向の両端部が開口している。また、内周面１ｂに吸入ポート１ａが開口している。
（２）フレーム２：断面が略Ｔ字状で、シリンダ１に接する部分が略円板状であり、シリンダ１の一方の開口部（図２では上側）を閉塞する。フレーム２のシリンダ１側端面には、シリンダ１の内周面１ｂと同心であるリング溝状のベーンアライナ保持部２ａ（図１にのみ図示している）が形成されている。ここに後述するベーンアライナ５，７が嵌入される。また、フレーム２の中央部は円筒状の中空であり、ここに軸受部２ｂ（図１にのみ図示）が設けられている。また、フレーム２の略中央部に吐出ポート２ｃが形成されている。
（３）シリンダヘッド３：断面が略Ｔ字状（図１参照）で、シリンダ１に接する部分が略円板状であり、シリンダ１の他方の開口部（図２では下側）を閉塞する。シリンダヘッド３のシリンダ１側端面には、シリンダ１の内周面１ｂと同心であるリング溝状のベーンアライナ保持部３ａが形成されており、ここにベーンアライナ６，８が嵌入される。また、シリンダヘッド３の中央部は円筒状の中空であり、ここに軸受部３ｂ（図１にのみ図示）が設けられている。
（４）ロータシャフト４：シリンダ１内でシリンダ１の内周面１ｂの中心軸とは偏心した中心軸上に回転運動を行うロータ部４ａ、及び上下の回転軸部４ｂ，４ｃが一体となった構造で、回転軸部４ｂ、４ｃはそれぞれフレーム２の軸受部２ｂ、シリンダヘッド３の軸受部３ｂで支承される。ロータ部４ａには、断面が略円形で軸方向に貫通するブッシュ保持部４ｄ，４ｅ及びベーン逃がし部４ｆ，４ｇが形成されている。ブッシュ保持部４ｄとベーン逃がし部４ｆ、ブッシュ保持部４ｅとベーン逃がし部４ｇは連通している。また、ブッシュ保持部４ｄとブッシュ保持部４ｅ、ベーン逃がし部４ｆとベーン逃がし部４ｇはほぼ対称の位置に配置されている（後述する図４も参照）。
（５）ベーンアライナ５，６，７，８：部分リング状の部品で、軸方向の一方の端面に、四角形の板状の突起であるベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａが立設している。ベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａは、部分リングの円弧の法線方向に形成される（図３参照）。尚、図３に示すように、各ベーンアライナ５，６，７，８の部分リングを構成する円弧の角度をαとする。
（６）第１のベーン９：略四角形の板状である。シリンダ１の内周面１ｂ側に位置する先端部９ａは外側に円弧形状に形成され、その円弧形状の半径は、シリンダ１の内周面１ｂの半径とほぼ同等の半径で構成されている。第１のベーン９のシリンダ１の内周面１ｂと反対側となる背面には、ベーンアライナ５のベーン保持部５ａ、及びベーンアライナ６のベーン保持部６ａが嵌入する長さに亘ってスリット状の背面溝９ｂが形成される。なお、この背面溝９ｂは軸方向全長に設けてもよい。
（７）第２のベーン１０：略四角形の板状である。シリンダ１の内周面１ｂ側に位置する先端部１０ａは外側に円弧形状に形成され、その円弧形状の半径は、シリンダ１の内周面１ｂの円の半径とほぼ同等の半径で構成されている。第２のベーン１０のシリンダ１の内周面１ｂと反対側となる背面には、ベーンアライナ７のベーン保持部７ａ、及びベーンアライナ８のベーン保持部８ａが嵌入する長さに亘ってスリット状の背面溝１０ｂが形成される。なお、この背面溝１０ｂは軸方向全長に設けてもよい。
（８）ブッシュ１１，１２：略半円柱状で、一対で構成される。ロータシャフト４のブッシュ保持部４ｄ，４ｅに、略半円柱状の一対のブッシュ１１，１２が嵌入され、そのブッシュ１１，１２の内側に板状の第１のベーン９、第２のベーン１０がロータ部４ａに対して回転自在かつ略遠心方向（シリンダ１の内周面１ｂの中心に対して遠心方向）に移動可能に保持される。

尚、第１のベーン９の背面溝９ｂに、ベーンアライナ５，６のベーン保持部５ａ，６ａが、第２のベーン１０の背面溝１０ｂに、ベーンアライナ７，８のベーン保持部７ａ，８ａが嵌入することで、第１のベーン９、第２のベーン１０の先端の円弧の法線が常にシリンダ１の内周面１ｂの法線とほぼ一致するように方向が規制される。

次に動作について説明する。ロータシャフト４の回転軸部４ｂが電動要素１０２等（エンジン駆動の場合は、エンジン）の駆動部からの回転動力を受け、ロータ部４ａは、シリンダ１内で回転する。ロータ部４ａの回転に伴い、ロータ部４ａの外周付近に配置されたブッシュ保持部４ｄ，４ｅは、ロータシャフト４の回転軸部４ｂを中心軸とした円周上を移動する。そして、ブッシュ保持部４ｄ，４ｅ内に保持されている一対のブッシュ１１，１２、及びその一対のブッシュ１１，１２の間に回転可能に保持されている第１のベーン９、第２のベーン１０もロータ部４ａとともに回転する。

また、第１のベーン９の背面側に形成された背面溝９ｂに、フレーム２及びシリンダヘッド３のシリンダ１側端面にシリンダ１の内周面１ｂと同心に形成された、ベーンアライナ保持部２ａ（図１）、ベーンアライナ保持部３ａ（図１、図２）に回転可能に嵌入された部分リング状のベーンアライナ５，６の板状のベーン保持部５ａ，６ａ（突起部）が摺動可能に嵌入し、シリンダ１の内周面１ｂのほぼ法線方向に第１のベーン９の向き（ベーン長手方向の向き）が規制される。

また、第２のベーン１０の背面側に形成された背面溝１０ｂに、フレーム２及びシリンダヘッド３のシリンダ１側端面にシリンダ１の内周面１ｂと同心に形成された、ベーンアライナ保持部２ａ（図１）、ベーンアライナ保持部３ａ（図１、図２）に回転可能に嵌入された部分リング状のベーンアライナ７，８の板状のベーン保持部７ａ，８ａ（突起部）が摺動可能に嵌入し、シリンダ１の内周面１ｂのほぼ法線方向に第２のベーン１０の向き（ベーン長手方向の向き）が規制される。

更に第１のベーン９は、先端部９ａと背面溝９ｂの圧力差（第１のベーン９の背面空間に高圧もしくは中間圧の冷媒を導く構成の場合）、ばね（図示せず）、遠心力等により、シリンダ１の内周面１ｂ方向に押し付けられ、第１のベーン９の先端部９ａはシリンダ１の内周面１ｂに沿って摺動する。この際、第１のベーン９の先端部９ａの円弧の半径は、シリンダ１の内周面１ｂの半径とほぼ一致しており、また両者の法線もほぼ一致しているため、両者の間には十分な油膜が形成され流体潤滑となる。なお、第２のベーン１０についても同様である。

本実施の形態のベーン型圧縮機２００の圧縮原理については、従来のベーン型圧縮機と概略同様である。図４は実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００の圧縮要素１０１の平面図（回転角度９０°）である。図４において、Ｏはロータシャフト４の回転中心軸、Ｏｃはシリンダ内周面１ｂの中心軸、Ａはロータシャフト４のロータ部４ａとシリンダ１の内周面１ｂが最近接する点（最近接点Ａとする）、Ｂ、Ｃはブッシュ１１，１２の回転中心軸を示す。また、Ｄは第１のベーン９の先端部９ａとシリンダ１の内周面１ｂが摺動する点を示す。

また、第１のベーン９とシリンダ１の内周面１ｂ、第２のベーン１０とシリンダ１の内周面１ｂとがそれぞれ一箇所で摺動することにより、シリンダ１内には３つの空間（吸入室１３、中間室１４、圧縮室１５）が形成される。吸入室１３には、吸入ポート１ａ（冷凍サイクルの低圧側に連通する）が開口しており、圧縮室１５は、吐出時以外は図示しない吐出弁で閉塞される吐出ポート２ｃ（例えば、フレーム２に形成される、但し、シリンダヘッド３に設けてもよい）に連通している。また中間室１４は、ある回転角度範囲までは吸入ポート１ａと連通するが、その後、吸入ポート１ａ、吐出ポート２ｃのいずれとも連通しない回転角度範囲が有り、その後、吐出ポート２ｃと連通する。

図５は実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００の圧縮動作を示す圧縮要素１０１の平面図である。図５を参照しながら、ロータシャフト４の回転に伴い吸入室１３、中間室１４及び圧縮室１５の容積が変化する様子を説明する。先ず、図５において、ロータシャフト４のロータ部４ａとシリンダ１の内周面１ｂとが最近接している最近接点Ａ（図４に示す）と、第１のベーン９とシリンダ１の内周面１ｂとが摺動する一箇所とが一致するときの回転角度を、「角度０°」と定義する。図５では、「角度０°」、「角度４５°」、「角度９０°」、「角度１３５°」での、第１のベーン９、第２のベーン１０の位置と、そのときの吸入室１３、中間室１４及び圧縮室１５の状態を示している。また、図５の「角度０°」の図に示す矢印は、ロータシャフト４の回転方向（図５では時計方向）を示している。但し、他の図では、ロータシャフト４の回転方向を示す矢印は省略している。なお、「角度１８０°」以降の状態を示していないのは、「角度１８０°」になると、「角度０°」において、第１のベーン９と第２のベーン１０が入れ替わった状態と同じになり、以降は「角度０°」から「角度１３５°」までと同じ圧縮動作が行われるためである。

尚、吸入ポート１ａは、最近接点Ａと「角度９０°」における第１のベーン９の先端部９ａとシリンダ１の内周面１ｂが摺動する点Ｄ（図４に示す）の間（例えば、略４５°）に設けられ、最近接点Ａから点Ｄまでの範囲に開口している。但し、図４、図５では吸入ポート１ａを単に吸入と表記している。

また、ロータシャフト４のロータ部４ａとシリンダ１の内周面１ｂとが最近接している最近接点Ａの近傍で、最近接点Ａから所定の距離の左側（例えば、略３０°）に吐出ポート２ｃが位置する。但し、図４、図５では吐出ポート２ｃを単に吐出と表記している。

図５における「角度０°」では、最近接点Ａと第２のベーン１０で仕切られた右側の空間は中間室１４で吸入ポート１ａと連通しており、ガス（冷媒）を吸入する。最近接点Ａと第２のベーン１０で仕切られた左側の空間は吐出ポート２ｃに連通した圧縮室１５となる。

図５における「角度４５°」では、第１のベーン９と最近接点Ａで仕切られた空間は吸入室１３となり、第１のベーン９と第２のベーン１０で仕切られた中間室１４は、吸入ポート１ａと連通しており、中間室１４の容積は「角度０°」のときより大きくなるので、ガスの吸入を続ける。また、第２のベーン１０と最近接点Ａで仕切られた空間は圧縮室１５で、圧縮室１５の容積は「角度０°」のときより小さくなり、冷媒は圧縮され徐々にその圧力が高くなる。

図５における「角度９０°」では、第１のベーン９の先端部９ａがシリンダ１の内周面１ｂ上の点Ｄと重なるので、中間室１４は吸入ポート１ａと連通しなくなる。これにより、中間室１４でのガスの吸入は終了する。また、この状態で、中間室１４の容積は略最大となる。圧縮室１５の容積は「角度４５°」のときより更に小さくなり、冷媒は圧縮されその圧力は上昇する。吸入室１３の容積は「角度４５°」のときより大きくなり、ガスの吸入を続ける。

図５における「角度１３５°」では、中間室１４の容積は「角度９０°」のときより小さくなり、冷媒は圧縮されその圧力は上昇する。また、圧縮室１５の容積も「角度９０°」のときより小さくなり、冷媒は圧縮されその圧力は上昇する。吸入室１３の容積は「角度９０°」のときより大きくなり、ガスの吸入を続ける。

その後、第２のベーン１０が吐出ポート２ｃに近づくが、冷凍サイクルの高圧（図示しない吐出弁を開くのに必要な圧力も含む）を圧縮室１５の圧力が上回ると、吐出弁が開き圧縮室１５の冷媒は、密閉容器１０３内に吐出される。

第２のベーン１０が吐出ポート２ｃを通過すると、圧縮室１５に高圧の冷媒が若干残る（ロスとなる）。そして、「角度１８０°」（図示せず）で、圧縮室１５が消滅したとき、この高圧の冷媒は吸入室１３にて低圧の冷媒に変化する。なお、「角度１８０°」では吸入室１３が中間室１４に移行し、中間室１４が圧縮室１５に移行して、以降圧縮動作を繰り返す。

このように、ロータシャフト４の回転により、吸入室１３は徐々に容積が大きくなり、ガスの吸入を続ける。以後中間室１４に移行するが、途中まで容積が徐々に大きくなり、更にガスの吸入を続ける。途中で、中間室１４の容積は最大となり、吸入ポート１ａに連通しなくなるので、ここでガスの吸入を終了する。以後、中間室１４の容積は徐々に小さくなり、ガスを圧縮する。その後、中間室１４は圧縮室１５に移行して、ガスの圧縮を続ける。所定の圧力まで圧縮されたガスは、シリンダ１、またはフレーム２やシリンダヘッド３の圧縮室１５に開口する部分に形成された吐出ポート（例えば、吐出ポート２ｃ（図２））により吐出される。

図６は実施の形態１を示す図で、ベーンアライナ６，８のベーンアライナ保持部３ａ内での回転動作を示す平面図である。図６の「角度０°」の図に示す矢印は、ベーンアライナ６，８の回転方向（図６では時計方向）を示している。但し、他の図では、ベーンアライナ６，８の回転方向を示す矢印は省略している。ロータシャフト４の回転により、第１のベーン９及び第２のベーン１０がシリンダ内周面１ｂの中心軸Ｏｃまわりに回転する（図５）ことにより、第１のベーン９及び第２のベーン１０と嵌合されたベーンアライナ６，８も、図６に示すようにベーンアライナ保持部３ａ内をシリンダ１の内周面１ｂの中心軸Ｏｃまわりに回転する。なお、この動作は、ベーンアライナ保持部２ａ内を回転するベーンアライナ５とベーンアライナ７についても同様である。

以上において、図６から明らかなように、ベーンアライナ６とベーンアライナ８は相対的な位置が変化しながら回転し、「角度９０°」の時に、最近接点Ａ側でベーンアライナ６とベーンアライナ８の周方向端部同士が最も近づく。これは、図４（角度９０°の状態）において、第１のベーン９と第２のベーン１０がなす最近接点Ａ側の角度φ（∠ＢＯｃＣ）が最も小さくなることによる。

以上から、第１のベーン９、第２のベーン１０及びベーンアライナ５，６，７，８の動きを考慮して、ベーンアライナ５，６，７，８の各々の部分リングを構成する円弧の角度α（図３）を決める必要があり、角度αを大きく取り過ぎると接触の恐れが生じる。

図４より、第１のベーン９と第２のベーン１０がなす最近接点Ａ側の角度φを求める。図４において、ｅを点Ｏと点Ｏｃ間の距離、Ｒを点Ｏと点Ｂ間の距離とすると、角度φは式（２）で与えられる。

図７は実施の形態１を示す図で、ベーン型圧縮機２００のベーンとベーンアライナの位置関係を示す平面図（角度９０°）である。図７に、「角度９０°」における第１のベーン９と第２のベーン１０がなす最近接点Ａ側の角度φとベーンアライナ６，８の部分リングを構成する円弧の角度αの関係を示す。図から明らかなように、ベーンアライナ６，８の部分リングを構成する円弧の角度αが前記角度φより小さければ、ベーンアライナ６，８同士は、回転中接触せず動作可能である。したがって、ベーンアライナ６，８の部分リングを構成する円弧の角度αは、下記の式（３）とする必要がある。

なお、上記はベーンアライナ５，７についても同様である。

本実施の形態では、ベーン（第１のベーン９及び第２のベーン１０）の先端部９ａ，１０ａの円弧とシリンダ１の内周面１ｂとの法線が常にほぼ一致するように圧縮動作を行なうために必要なベーン（第１のベーン９及び第２のベーン１０）がシリンダ１の中心周りに回転運動する機構を、ロータ部４ａの外径や回転中心精度悪化をもたらす端板をロータ部４ａに用いず、回転軸部４ｂ，４ｃとロータ部４ａを一体にした構成で実現している。即ち、第１のベーン９及び第２のベーン１０の両端に一対の部分リング形状のベーンアライナ５，６及びベーンアライナ７，８を、第１のベーン９及び第２のベーン１０の中心線がそれぞれ一対のベーンアライナ５，６及びベーンアライナ７，８の部分リング形状を構成する円弧の中心軸を通るように嵌合して取り付け、フレーム２及びシリンダヘッド３のシリンダ１側端面に設けたシリンダ１の内周面１ｂと同心のリング状の溝であるベーンアライナ保持部２ａ，３ａ内にベーンアライナ５，６，７，８をそれぞれ嵌入する構成とし、ベーンアライナ５，６，７，８の各々の部分リング形状を構成する円弧の角度αを所定の角度より小さく設定した。これにより、ベーンアライナ５，６，７，８同士の接触による破損などの恐れの無い安定した動作が実現でき、回転軸部４ｂ，４ｃを小径の軸受部２ｂ，３ｂで支持できることで軸受摺動損失を低減し、かつロータ部４ａの外径や回転中心の精度が向上することでロータ部４ａとシリンダ１の内周面１ｂとの間に形成される隙間を狭くしてガスの漏れ損失を低減することが可能となるので、高効率で信頼性の高いベーン型圧縮機２００を得られる効果が有る。

尚、本実施の形態においては、図３に示すようにベーンアライナ５，６，７，８のほぼ中央部にベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａを設けたが、ベーン（第１のベーン９及び第２のベーン１０）の中心線がベーンアライナ５，６，７，８の部分リング形状を構成する円弧のほぼ中心軸を通るように取り付けられれば、ベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａは中央部でなくてもよく、ベーンアライナ５，６，７，８の部分リング形状を構成する円弧の角度αが式（３）を満足すれば、ベーンアライナ５，６，７，８同士は、回転中接触せず動作可能である。

尚、本実施の形態において、フレーム２及びシリンダヘッド３に形成されたベーンアライナ保持部２ａ，３ａの形状は、リング溝状であるが、ベーンアライナ５，６，７，８と摺動する部分は、リング溝の外周側の円筒面となるため、ベーンアライナ保持部２ａ，３ａの形状は必ずしもリング溝状でなくてもよく、溝の外径がベーンアライナ５，６，７，８の外径とほぼ同等となる凹部でもよい。

また、図示はしないが、本実施の形態の構成に、従来技術であるベーンの背面側に作用させる圧力を制御してベーン先端部とシリンダ内周面との押付力を低減する技術を適用して、更なるベーン先端部の摺動抵抗の低減を行うことも可能である。

本実施の形態において、ベーンアライナ５，６，７，８のベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａを、第１のベーン９の背面溝９ｂ及び第２のベーン１０の背面溝１０ｂに嵌入して第１のベーン９及び第２のベーン１０の方向を規制する方法を示したが、ベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａ及び第１のベーン９の背面溝９ｂ及び第２のベーン１０の背面溝１０ｂはともに薄肉部を有する。

図２に示すように、ベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａは、四角形の板状の突起であるので、それ自身が強度的に弱い。

図８は実施の形態１を示す図で、第１のベーン９、第２のベーン１０の斜視図である。第１のベーン９、第２のベーン１０は、背面溝９ｂ，１０ｂの両側部に薄肉部９ｃ，１０ｃを備える。

そのため、本実施の形態の方法を適用するためには、ベーン（第１のベーン９、第２のベーン１０）にかかる力の小さい、つまり動作圧力の低い冷媒の方が好ましい。標準沸点が−４５℃以上の冷媒が好適であり、例えば、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ６００（ブタン）、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ１６１、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ等の冷媒であれば、ベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａ及び第１のベーン９、第２のベーン１０の背面溝９ｂ，１０ｂの強度的な問題も無く冷媒を使用できる。

以上の構成では、ベーンアライナ５，６，７，８側に突起部（ベーン保持部５ａ，６ａ，７ａ，８ａ）を設けベーン（第１のベーン９、第２のベーン１０）側に溝部（背面溝９ｂ，１０ｂ）を設けて、ベーン（第１のベーン９、第２のベーン１０）とベーンアライナ５，６，７，８を嵌合したが、ベーン（第１のベーン９、第２のベーン１０）側に突起部を設けベーンアライナ５，６，７，８側に溝部を設けてベーン（第１のベーン９、第２のベーン１０）とベーンアライナ５，６，７，８を嵌合してもよい。

図９は実施の形態１の他の実施例を示す図で、第２のベーン１０とベーンアライナ８の斜視図である。第２のベーン１０については背面溝１０ｂの代わりに突起部１０ｄを設け、ベーンアライナ８については板状の突起であるベーン保持部８ａの代わりに、スリット状のベーン保持溝８ｂを設けている。なお、図示していないが、ベーンアライナ７についても同様にベーン保持部７ａの代わりに、スリット状のベーン保持溝７ｂが設けられており、ベーン保持溝７ｂ，８ｂに第２のベーン１０の端面に設けた突起部１０ｄが嵌入することで、第２のベーン１０の先端部１０ａの円弧とシリンダ１の内周面１ｂとの法線が常にほぼ一致するように方向が規制される。また、ベーンアライナ７，８のベーン保持溝７ｂ、８ｂを通しでなく、内径側を止まりにして第２のベーン１０がシリンダ１の内周面１ｂ側と逆方向に過大に移動するのを規制してもよい。なお、第１のベーン９とベーンアライナ５，６についても同様の構成としてもよい。

以上の構成では、ベーンアライナ５，６，７，８に対してベーン（第１のベーン９、第２のベーン１０）を移動可能としていたが、ベーンアライナ５，６，７，８とベーン（第１のベーン９、第２のベーン１０）を一体化してもよい。図１０は実施の形態１の他の実施例を示す図で、第２のベーン１０とベーンアライナ８を一体化（固定）した構成図である。図１０においては、第２のベーン１０とベーンアライナ８とを一体化したケースを示すが、第２のベーン１０とベーンアライナ７も同様に一体化してもよい。第１のベーン９とベーンアライナ５，６についても同様である。この構成では、概略上記と同様の動作を行なうが、第１のベーン９、第２のベーン１０のロータ法線方向の動きが固定されるため、第１のベーン９の先端部９ａ、第２のベーン１０の先端部１０ａはシリンダ１の内周面１ｂと摺動せず、両者の間は非接触かつ微小隙間を保ちながら回転する。

実施の形態２．
実施の形態１ではベーン枚数が２枚の場合について、ベーンアライナ５，７もしくはベーンアライナ６，８同士が接触しないようにベーンアライナ５，６，７，８の各々の部分リング形状を構成する円弧の角度αの制約を式（３）で与えたが、実施の形態２ではベーン枚数が２枚以上の任意の枚数の場合について、ベーンアライナ同士が接触しないように各ベーンアライナの部分リング形状を構成する円弧の角度αを与える。

図１１は実施の形態２を示す図で、第１のベーン９と第Ｎのベーン１６の位置関係を示す平面図である。図１１ではベーン枚数がＮ（２以上の自然数）枚の場合における、最近接点Ａ近傍の２枚のベーン（第１のベーン９、第Ｎのベーン１６）の状態を示している。図１１において、ブッシュ１７は第Ｎのベーン１６をロータ部４ａに対して回転自在かつ略法線方向に移動可能に保持している。Ｂ、Ｃはブッシュ１１，１７の回転中心軸、θはロータ部４ａの回転角度で∠ＡＯＢ、φは第１のベーン９と第Ｎのベーン１６がなす角度で∠ＢＯｃＣである。図１１の幾何学的関係より、φとθには次の式（４）の関係が成り立つ。

θとベーン枚数には次の式（５）の関係がある。

式（４）と式（５）より、φは次の式（６）で表わすことができる。

なお、ベーン枚数に関係無く、ベーンアライナの部分リングを構成する円弧の角度αは角度φより小さければ、ベーンアライナ同士は、回転中接触せず動作可能となる。したがって、ベーン枚数がＮ枚の場合のベーンアライナの部分リングを構成する円弧の角度αは、式（１）とする必要がある。

本実施の形態では、ベーン枚数がＮ枚（任意の枚数）の場合に、ベーンアライナ同士が接触することの無いようにベーンアライナの部分リングを構成する円弧の角度を設定したので、実施の形態１と同様の効果が得られる。

１ シリンダ、１ａ 吸入ポート、１ｂ 内周面、２ フレーム、２ａ ベーンアライナ保持部、２ｂ 軸受部、２ｃ 吐出ポート、３ シリンダヘッド、３ａ ベーンアライナ保持部、３ｂ 軸受部、４ ロータシャフト、４ａ ロータ部、４ｂ 回転軸部、４ｃ 回転軸部、４ｄ ブッシュ保持部、４ｅ ブッシュ保持部、４ｆ ベーン逃がし部、４ｇ ベーン逃がし部、５ ベーンアライナ、５ａ ベーン保持部、６ ベーンアライナ、６ａ ベーン保持部、７ ベーンアライナ、７ａ ベーン保持部、７ｂ ベーン保持溝、８ ベーンアライナ、８ａ ベーン保持部、８ｂ ベーン保持溝、９ 第１のベーン、９ａ 先端部、９ｂ 背面溝、９ｃ 薄肉部、１０ 第２のベーン、１０ａ 先端部、１０ｂ 背面溝、１０ｃ 薄肉部、１０ｄ 突起部、１１ ブッシュ、１２ ブッシュ、１３ 吸入室、１４ 中間室、１５ 圧縮室、１６ 第Ｎのベーン、１７ ブッシュ、２１ 固定子、２２ 回転子、２３ ガラス端子、２４ 吐出管、２５ 冷凍機油、２６ 吸入部、１０１ 圧縮要素、１０２ 電動要素、１０３ 密閉容器、２００ ベーン型圧縮機。

Claims (10)

1. 略円筒状のシリンダと、
   前記シリンダの軸方向の一端を閉塞するフレームと、
   前記シリンダの軸方向の他端を閉塞するシリンダヘッドと、
   前記フレームと前記シリンダヘッドとにより支持され、前記シリンダの内周面の中心に対して偏心した回転軸部と、前記シリンダ内で前記回転軸部を中心に回転するロータ部とを有するロータシャフトと、
   前記ロータ部内に設置され、先端部が前記ロータ部の回転に伴い前記シリンダ内を移動するベーンと、
   前記フレームと前記シリンダヘッドとの前記シリンダ側の端面に、前記シリンダの内周面と同心の軸を中心に回転するように取り付けられ、前記ベーンを前記ロータ部に対して回転可能に支持する部分リング形状のベーンアライナと
   を備え、
   前記ロータ部に対する前記ベーンの回転の中心と前記ロータ部の回転の中心との間の距離をＲ、前記シリンダの内周面の中心と前記ロータ部の回転の中心との間の距離をｅ、前記ベーンの枚数をＮ（２以上の自然数）としたとき、前記ベーンアライナの部分リング形状を構成する円弧の角度αが、
   

   

   の関係を満たすことを特徴とするベーン型圧縮機。
2. 前記フレームと前記シリンダヘッドとの前記シリンダ側の端面には、内周面が前記シリンダの内周面と同心の凹部が形成され、
   前記ベーンアライナは、前記フレームと前記シリンダヘッドとの凹部の内周面に沿って摺動するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載のベーン型圧縮機。
3. 前記フレームと前記シリンダヘッドとの凹部は、リング状の溝であることを特徴とする請求項２に記載のベーン型圧縮機。
4. 前記ロータ部には、軸方向に貫通するブッシュ保持部が形成され、
   前記ベーン型圧縮機は、さらに、
   前記ブッシュ保持部に挿入され、前記ベーンを挟んで支持する一対の略半円柱形のブッシュ
   を備え、
   前記ベーンアライナは、前記ベーンを前記ブッシュ保持部の中心軸を中心に回転自在に支持することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
5. 前記ベーンアライナは、前記ベーンの先端部が前記ロータ部の回転に伴い前記シリンダの内周面との間に隙間を保ちながら前記シリンダの内周面に沿って移動するように前記ベーンの軸方向の両端を支持することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
6. 前記ベーンアライナは、前記ベーンと一体に取り付けられ、あるいは、前記ベーンと一体に形成されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
7. 前記ベーンの先端部は、前記ベーンの長手方向の先端部であり、
   前記ベーンアライナは、前記ベーンを前記ベーンの長手方向に移動自在に支持することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
8. 前記ベーンの軸方向の両端には、凹部又は凸部が形成され、
   前記ベーンアライナの軸方向の一端には、前記ベーンの凹部に嵌入される凸部、あるいは、前記ベーンの凸部が嵌入される凹部が形成されたことを特徴とする請求項７に記載のベーン型圧縮機。
9. 前記ベーンの先端部は、外周面が前記シリンダの内周面の半径とほぼ同じ半径の円弧形状に湾曲するように形成されたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のベーン型圧縮機。
10. 標準沸点が−４５℃以上の冷媒を圧縮することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のベーン型圧縮機。

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