JP5473993B2 - ローリングピストン型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ローリングピストン型圧縮機の公転駆動するクランク部を、従動ピンを介して別体構成としたローリングピストン型圧縮機に関する。

ローリングピストン型圧縮機は、特許文献１に見られるように、従来技術としてよく知られている。図１（ａ）は、特許文献１のローリングピストン型圧縮機の正面断面図であり、（ｂ）は平面断面図である。この特許文献１のローリングピストン型圧縮機は次のようなものである。

本体ケーシング１の上部にモータ２を内装し、モータ２の下方位置に、シリンダ３、フロントヘッド４、リアヘッド５からなる圧縮要素６を内装している。フロントヘッド４、リアヘッド５には、それぞれ軸受筒４ａ、５ａを形成し、これらに、クランクシャフト７を軸受支持している。クランクシャフト７の上部はモータ２に連結している。クランクシャフト７と一体連結した偏心軸部、すなわちクランク部７ａには、シリンダ３の内面に回転自在に内接するロータ８が嵌装されている。

シリンダ３には、半径方向内外方向に進退自由にベーン９が設けられており、ベーン９の背面側にばね孔１０、案内面１０ｂ、規制面１０ｃが形成されている。ばね孔１０の案内面１０ｂには、コイルばね１１の係合部１１ａが係合して、ベーン９の背面側に当接するコイルばね１１が内装されている。このコイルばね１１のベーン９に対する押圧力により、ベーン９の先端をロータ８に常時接触させ、ベーン９がシリンダ３を冷媒の吸入域と吐出域とに仕切っている。１２は吸入孔であり、１ｂは吸入口である。１３は吐出孔であり、シリンダ３の内部からフロントヘッド４の外面に至るように設置されている。圧縮要素６で圧縮された冷媒ガスは、モータ室を経由して、吐出口１ａから本体ケーシング１の外部に吐出する。

このような従来技術のローリングピストン型圧縮機では、クランク部中心軸とシリンダ内周中心軸は公転半径分偏心しており、通常、クランクシャフトとクランク部は一体であるためこの公転半径は一定である。また、一般的にはシリンダ内周にロータ外周を当てないように設計しており、２０ミクロン程度のクリアランスを設けるため、この部位において円周方向漏れが発生し、圧縮機の効率低下を招くという問題が生じていた。

一方、特許文献２には、ロータを片持ちで支持して、クランクシャフトとクランク部を別体で構成し従動ピンを用いて連結した、所謂、従動クランク機構を備えるローリングピストンが示されており、円周漏れが低減できることが言及されている。しかしながら、この従来技術でも、従動ピンに働くモーメントが、クランクシャフトの回転角によって反転する場合があり、ロータをシリンダに押付けることができない場合が生じて、期待するような効果を得ることができなかった。

実開昭６１−１１４０９３号公報 特開平６−１５９２７８号公報

本発明は、上記問題に鑑み、円周方向漏れを低減し、圧縮機効率を向上させた、クランク部を片持ち支持するローリングピストン型圧縮機を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、円筒内周面を有するシリンダ（３）と、シャフト中心軸（Ｏ₁）回りに回転駆動されるクランクシャフト（７）と、該クランクシャフト（７）の端面に一体に設けられた従動ピン（５１）であって、前記シャフト中心軸（Ｏ₁）に対して偏心した従動ピン中心軸（Ｏ₂）を有する従動ピン（５１）と、前記クランクシャフト（７）とは別体に設けられて、前記従動ピン（５１）を介して回転自在に連結され、クランク部中心軸（Ｏ₃）を有するクランク部（７ａ）と、前記クランク部（７ａ）に回転自在に嵌合されるロータ（８）であって、前記クランクシャフト（７）の回転を受けて前記シリンダ（３）の内周面に対して公転運動を行うロータ（８）と、前記シリンダ（３）と前記ロータ（８）との間の作動室を、吸入側と吐出側とに仕切るベーン（９）と、を具備するローリングピストン型圧縮機において、前記ロータ（８）を前記シリンダ（３）に押付けるように、前記従動ピン中心軸（Ｏ₂）回りのモーメントを前記クランク部（７ａ）に作用させるアンバランス質量を設けたことを特徴とするローリングピストン型圧縮機である。

これにより、押付け力がマイナスになる回転角ψの領域をなくすことができ、ロータとシリンダ間の円周漏れを低減させ、圧縮効率の向上を図ることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記シャフト中心軸（Ｏ₁）から前記クランク部中心軸（Ｏ₃）に至るベクトルと、前記クランク部中心軸（Ｏ₃）から前記従動ピン中心軸（Ｏ₂）に至るベクトルに挟まれる角度を公転方向に計った従動ピン角度（α）が、２０〜９０度であることを特徴とする。
これにより、押付け力がマイナスになる回転角ψの領域をなくすことができ、ロータとシリンダ間の円周漏れを低減させ、圧縮効率の向上を図ることができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記従動ピン角度（α）が、３８〜４８度であることを特徴とする。これにより、請求項１の発明と同様な効果が生じる。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の発明において、前記アンバランス質量が、少なくとも完全バランスの取れるカウンタバランス質量の２５％以上であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記アンバランス質量が、前記クランク部（７ａ）に付加したカウンタバランサ（５３）であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記アンバランス質量が、前記クランク部（７ａ）内部に設けた中空部（５４）であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記アンバランス質量が、前記クランク部（７ａ）内部に設けられた、クランク部と異なる比重を有する構成部分（５５）であることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１から７のいずれか１項記載の発明において、前記ロータ（８）が、前記シリンダ（３）の内周面に押し付ける方向と反対側に所定許容量以上に動くことを防止するストッパ機能（５９、５９’）が設けられたことを特徴とする。
これにより、押付けモーメントＭとは反対方向の反転モーメントＭ’がたまたま働いて、クランク部が、シリンダとの隙間を拡げるように動いた場合でも、ストッパ機能により隙間を一定以上拡がらないようにし、円周方向の漏れが大きくならないよう制御することができる。

請求項９の発明は、請求項１から８のいずれか１項記載の発明において、前記従動ピン（５１）が、根元側の径が太くなっている段差ピン（６１）であることを特徴とする。これにより、従動ピンの根元にかかる応力を低減することができる。

請求項１０の発明は、請求項１から９のいずれか１項記載の発明において、クランクシャフト（７）の両端面に一体に設けられた一方と他方の従動ピン（５１、５１’）によって、２つのロータ（８、８’）を駆動させたことを特徴とする。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

（ａ）は、特許文献１のローリングピストン型圧縮機の正面断面図であり、（ｂ）は平面断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は、クランク部に関する要部の分解図である。 本発明の一実施形態の作動図を示す説明図であり、（ａ）〜（ｄ）はロータの９０度ごとの図である。 クランクシャフト回転角ψ、従動ピン角α、シャフト中心軸Ｏ₁、従動ピン中心軸Ｏ₂、クランク部中心軸Ｏ₃を説明する説明図である。 （ａ）は、基礎技術の場合のロータのシリンダへの押付け力と回転角ψとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本発明の一実施形態の押付け力と回転角ψとの関係を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の一実施形態のクランク部７ａに働く力を模式的に説明した図であり、（ｂ）は、本発明の基礎となった基礎技術のクランク部７ａに働く力を模式的に説明した図である。 不釣合いに基づく遠心力Ｆ３が有る場合と無い場合で、従動ピン回りのモーメントを模式的に比較した説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態におけるアンバランス質量の一例を示す説明図である。 押付けモーメントＭとは反対方向の反転モーメントＭ’が、クランク部に働いた場合のストッパ機能を説明する図である。 段差ピンを従動ピンに用いた本発明の他の実施形態を示す断面図である。 ツインロータ型と呼ばれる本発明の他の実施形態を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２（ａ）は、本発明の一実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は、クランク部に関する要部の分解図である。図３は、本発明の一実施形態の作動図を示す説明図であり、（ａ）〜（ｄ）はロータの９０度ごとの図である。図４は、クランクシャフト回転角ψ、従動ピン角α、シャフト中心軸Ｏ₁、従動ピン中心軸Ｏ₂、クランク部中心軸Ｏ₃を説明する説明図である。

ハウジング１は、フロントハウジング１’、仕切り板４、リアハウジング１’’、エンドプレート５からなる。シリンダ３、ロータ７ａ、サイドプレート１４、仕切り板４とにより作動室が形成されている。クランクシャフト７の両端は、すべり軸受４ａ、５ａに回転支持されており、フロントハウジング１に固定されたステータモータ２ａと、クランクシャフト７に固定されたロータモータ２ｂにより、回転駆動される。

図２（ｂ）に示すように、クランクシャフト７の端面に従動ピン５１が一体に設けられている。クランク部７ａには、従動ピン５１の嵌合穴５２が設けられており、クランク部７ａにはロータ８が回転自在に嵌合している。クランクシャフト７のシャフト中心軸Ｏ₁、従動ピン５１の従動ピン中心軸Ｏ₂、クランク部７ａのクランク部中心軸Ｏ₃は、図４に示すような位置関係にある。クランクシャフト７のシャフト中心軸Ｏ₁は、シリンダ３の中心軸でもあり、クランク部中心軸Ｏ₃は、ロータ８の公転運動の中心でもある。図４（ａ）のＳは、クランク部中心軸Ｏ₃の公転運動の軌跡を示している。また、Ｔは従動ピン中心軸Ｏ₂の軌跡を示している。

図４（ｂ）に示すように、シャフト中心軸Ｏ₁に対するクランクシャフトの回転角は、ベーン９の位置をゼロとして、公転方向に、ロータ８とシリンダ３との接点Ｃまでの角度ψを指している。従動ピン角度は、図４（ａ）に示すように、クランクシャフトの回転角ψ＝０のときに、クランク部中心軸Ｏ₃に対する従動ピン中心軸Ｏ₂の角度を指している。
従動ピン角度は、言い換えると、シャフト中心軸Ｏ₁からクランク部中心軸Ｏ₃に至るベクトルと、クランク部中心軸Ｏ₃から従動ピン中心軸Ｏ₂に至るベクトルに挟まれる角度を、公転方向に計った角度のことである。

ロータ８は、従動ピン５１の従動ピン中心軸Ｏ₂回りに揺動自在である。しかしながら、ロータ８をシリンダ３に押付ける方向のモーメントが働く場合には、押し付けられた状態で、シリンダ４４の内周面に沿って公転する。このようにして、クランクシャフト７の回転を受けると、ロータ８は、シャフト中心軸Ｏ₁に対して、クランク部６の偏心量（Ｏ₁−Ｏ₃）に応じた公転運動（公転運動の軌跡Ｓ）を行うことになる。

吸入口１ａから吸入孔１２（図示せず）を経由して、吸入された冷媒は、ベーン９で吸入側と吐出側に仕切られた作動室で圧縮され、吐出孔１３、連通孔２４を経由して、モータ室２５に流入し、吐出口１ｂから外部に送出される。図３（ａ）〜（ｄ）のロータの９０度ごとの図に示すように、冷媒は圧縮される。

従来技術のローリングピストン型圧縮機では、クランク部とクランクシャフトは一体化されている。クランク部中心軸とシリンダ内周中心軸は偏心し、シリンダ内周にロータ外周を当てないようにクリアランスを設けるため、円周方向漏れが発生してしまう。
これに対して、本発明では、図２（ｂ）に示すように、ロータを片持ち支持しており、さらにロータ８を嵌合したクランク部７ａは、従動ピン５１の従動ピン中心軸Ｏ₂回りに揺動自在であり（これを従動クランク機構という）、ロータがシリンダに押し付けられた状態で、シリンダ４４の内周面に沿って公転する。本発明の基礎となった基礎技術において、このようなクランク部を従動クランク機構とする場合に、ロータやクランク部の質量によって発生するアンバランス（回転不釣合い、公転運動による遠心力が発生して、軸受荷重や振動の増大を招く）を補償するために、新たな質量（カウンタバランサ）を偏心方向から１８０度ずれた位置などに設置してアンバランスをゼロにしている。ここで基礎技術とは、従動クランク機構を持つローリングピストン型圧縮機において、アンバランスをゼロにしたものを指す。

図５（ａ）は、基礎技術の場合のロータのシリンダへの押付け力と回転角ψとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本発明の一実施形態の押付け力と回転角ψとの関係を示すグラフである。
基礎技術においては、本来、円周漏れを低減させるためにわざわざ従動ピン５１を用いて片持ち支持としたはずであった。しかしながら、図５（ａ）に示すように、これまでの研究によって、基礎技術では、押付け力がマイナスになって円周漏れが一部発生してしまうという問題があることがわかってきた。

基礎技術におけるこの問題は、次のような理由によって発生している。基礎技術では、遠心力を働かないようにするためにバランサを付けているため、遠心力はゼロである。一方、吸入完了の回転角ψを０度とすると、０度の時には圧縮反力Ｆ１が０であるので、クランク部７ａにはベーン力Ｆ２のみが働く。このため、０度付近で、圧縮反力Ｆ１とベーン力Ｆ２のベクトルとの合力Ｆｔｏｔａｌは、ベクトル方向が大きく変化し、従動ピン５１の角度をまたいで変化して、押付け力がマイナスとなってしまうのである（後述の図７参照）。すなわち、円周漏れは、ロータのシリンダへの押付け力が、０度付近でマイナス（離れる方向）となっていることに原因している。

本発明では、遠心力Ｆ３を意図的に働かせて、押付け力がマイナスにならないようにしたことを特徴とする。通常、これまで遠心力が働かないようにするためにバランサを付けてきたことに対して、敢えて遠心力をゼロとはせず、アンバランスを意図的に残すようにしたものである。これにより、図５（ｂ）に示すように、押付け力がマイナスになる回転角ψの領域をなくすことができ、円周漏れを低減させることができるのである。

以下、押付け力がマイナスにならないことを、模式的にわかりやすいようにして説明する。図６（ａ）は、本発明の一実施形態のクランク部７ａに働く力を説明した図であり、（ｂ）は、本発明の基礎となった基礎技術のクランク部７ａに働く力を模式的に説明した図である。図７は、不釣合いに基づく遠心力Ｆ３が有る場合と無い場合で、従動ピン回りのモーメントを模式的に比較した説明図である。

基礎技術において、クランク部７ａ及びロータ８に働く力は、図６（ｂ）のように、圧縮反力Ｆ１、ベーン力Ｆ２の２つである。圧縮反力Ｆ１、ベーン力Ｆ２の合力をＦｔｏｔａｌとする。一方、本発明の一実施形態のクランク部７ａ及びロータ８に働く力は、図６（ａ）のように、圧縮反力Ｆ１、ベーン力Ｆ２、不釣合いに基づく遠心力Ｆ３の３つである。圧縮反力Ｆ１、ベーン力Ｆ２、遠心力Ｆ３の３つの合力をＦｔｏｔａｌとする。
なお、図６（ａ）は、説明のためにシャフトの回転角ψ＝９０°としてあり、遠心力Ｆ３は、ロータ８とシリンダ３との接点Ｃに向けて働いており、遠心力Ｆ３が押付け力に貢献していることがわかりやすい。
図６（ａ）における、ｈ１は、Ｏ₂からＦｔｏｔａｌに下ろした垂線の距離であり、ｈ２は、Ｏ₂から押付け力ベクトル（Ｏ₃からＣへ向かうベクトル）に下ろした垂線の距離である。押付けモーメントＭ＝Ｆｔｏｔａｌ＊ｈ１となる。この押付けモーメントＭによって、接点Ｃにおいて、発生する法線方向の力が、押付け力Ｆである。押付け力Ｆ＝Ｍ／ｈ２となる。

本発明の一実施形態では、遠心力Ｆ３を働かせて、３つの合力Ｆｔｏｔａｌが、基礎技術の場合と比べて従動ピン中心軸を跨がないように変化させて、合力Ｆｔｏｔａｌによるモーメント（＝押付けモーメント）の向きを逆転させないようにしている。これにより、図７に示すように、ロータのシリンダへの押付け力が、常にプラス側に働くようにできる。本発明では、遠心力Ｆ３がゼロにならないようにアンバランスが残るようなバランス重量としており、０度付近においても遠心力によって、ロータのシリンダへの押付け力をプラス側に働くようにしている。

次に、ロータ８をシリンダ３に押付けるように、従動ピン中心軸Ｏ₂回りのモーメントをクランク部７ａに作用させるアンバランス質量は、様々な実施形態で実現することができる。図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態におけるアンバランス質量の一例を示す説明図である。図８（ａ）においては、クランク部７ａに付加したカウンタバランサ５３を設けている。また、図８（ｂ）においては、クランク部７ａ内部に設けた中空部５４である。図８（ｃ）においては、クランク部７ａ内部に設けられた、クランク部と異なる比重を有する構成部分５５である。このようなアンバランス質量は、少なくとも完全バランスの取れるカウンタバランス質量の２５％以上であることが好ましい。

前述した従動ピン角度αは、これまでの研究結果において、少なくとも２０〜９０度であることが好ましい。さらに、α＝４３°の前後５°の範囲において好ましい押付け力を発生させる。

図９は、押付けモーメントＭとは反対方向の反転モーメントＭ’が、クランク部に働いた場合のストッパ機能を説明する図である。本発明の他の実施形態として、ロータ８及びクランク部７ａが、前記シリンダの内周面と反対側に動くことを防止するストッパピン５９を設けても良い。押付けモーメントＭとは反対方向の反転モーメントＭ’がたまたま働いて、クランク部７ａが、シリンダ３との隙間を拡げるように動いた場合でも、ストッパピン５９（ストッパ機能）がごく僅か大きい穴５９’に接触して、隙間を一定以上拡がらないようにすることができる。ストッパ機能としては、ストッパピン５９だけに限定されずに、ロータ８が、シリンダの内周面に押し付ける方向と反対側に所定許容量以上に動くことを防止するようなストッパが設置されていれば良い。

図１０は、段差ピンを従動ピンに用いた本発明の他の実施形態を示す断面図である。従動ピン５１は、先端部６１’’より根元６１’の径が太く形成されている段差ピン６１とすれば、従動ピン５１の根元にかかる応力を低減することができる。

図１１は、２段圧縮型と呼ばれる本発明の他の実施形態を示す断面図である。本実施形態においては、クランクシャフト７の両端面に一体に設けられた一方と他方の従動ピン５１、５１’によって、それぞれ低段用と高段用の２つのロータ８、８’を駆動させている。吸入口１ａから吸入孔１２（図示せず）を経由して、吸入された冷媒は、ベーン９で吸入側と吐出側に仕切られた低段側の作動室で圧縮され、吐出孔１３、低段吐出口２１から外部配管で高段吸入口２２に入り、高段側の作動室で圧縮され、高段吐出孔２３から高圧室２７、連通孔２４を経由して、モータ室２５に流入し、吐出口１ｂから外部に送出される。この場合、中間室２６が、吐出マフラーとして吸入加熱や吸入脈動の低減に寄与する。その他の点は、図２のシングルロータ型の実施形態と同じである。

ここで、２段圧縮型とは、低段で圧縮した後、高段で圧縮するタイプである。この他の実施形態のように、クランクシャフト７の片側端面でなく、両側端面を活用すれば、圧縮部を２個持つことができる。両側の圧縮部は必ずしも高段、低段とした場合に限らず、両者が同容積であるツイン型としてもよい。この場合には位相を１８０°ずらして配置することで吐出脈動やトルク変動の低減を計ることができる。図１１の両側の圧縮機をツイン型としたものも、本発明の実施形態として含まれる。

３ シリンダ
７ クランクシャフト
８ ロータ
９ ベーン
５１ 従動ピン
Ｏ₁ シャフト中心軸
Ｏ₂ 従動ピン中心軸
Ｏ₃ クランク部中心軸

Claims (10)

1. 円筒内周面を有するシリンダ（３）と、
   シャフト中心軸（Ｏ₁）回りに回転駆動されるクランクシャフト（７）と、
   該クランクシャフト（７）の端面に一体に設けられた従動ピン（５１）であって、前記シャフト中心軸（Ｏ₁）に対して偏心した従動ピン中心軸（Ｏ₂）を有する従動ピン（５１）と、
   前記クランクシャフト（７）とは別体に設けられて、前記従動ピン（５１）を介して回転自在に連結され、クランク部中心軸（Ｏ₃）を有するクランク部（７ａ）と、
   前記クランク部（７ａ）に回転自在に嵌合されるロータ（８）であって、前記クランクシャフト（７）の回転を受けて前記シリンダ（３）の内周面に対して公転運動を行うロータ（８）と、
   前記シリンダ（３）と前記ロータ（８）との間の作動室を、吸入側と吐出側とに仕切るベーン（９）と、を具備するローリングピストン型圧縮機において、
   前記ロータ（８）を前記シリンダ（３）に押付けるように、前記従動ピン中心軸（Ｏ₂）回りのモーメントを前記クランク部（７ａ）に作用させるアンバランス質量を設けたことを特徴とするローリングピストン型圧縮機。
2. 前記シャフト中心軸（Ｏ₁）から前記クランク部中心軸（Ｏ₃）に至るベクトルと、前記クランク部中心軸（Ｏ₃）から前記従動ピン中心軸（Ｏ₂）に至るベクトルに挟まれる角度を公転方向に計った従動ピン角度（α）が、２０〜９０度であることを特徴とする請求項１に記載のローリングピストン型圧縮機。
3. 前記従動ピン角度（α）が、３８〜４８度であることを特徴とする請求項２に記載のローリングピストン型圧縮機。
4. 前記アンバランス質量が、少なくとも完全バランスの取れるカウンタバランス質量の２５％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のローリングピストン型圧縮機。
5. 前記アンバランス質量が、前記クランク部（７ａ）に付加したカウンタバランサ（５３）であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のローリングピストン型圧縮機。
6. 前記アンバランス質量が、前記クランク部（７ａ）内部に設けた中空部（５４）であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のローリングピストン型圧縮機。
7. 前記アンバランス質量が、前記クランク部（７ａ）内部に設けられた、クランク部と異なる比重を有する構成部分（５５）であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のローリングピストン型圧縮機。
8. 前記ロータ（８）が、前記シリンダ（３）の内周面に押し付ける方向と反対側に所定許容量以上に動くことを防止するストッパ機能（５９、５９’）が設けられたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のローリングピストン型圧縮機。
9. 前記従動ピン（５１）が、根元側の径が太くなっている段差ピン（６１）であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のローリングピストン型圧縮機。
10. クランクシャフト（７）の両端面に一体に設けられた一方と他方の従動ピン（５１、５１’）によって、２つのロータ（８、８’）を駆動させたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のローリングピストン型圧縮機。

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