JP5609152B2

JP5609152B2 - ロータリコンプレッサ

Info

Publication number: JP5609152B2
Application number: JP2010040417A
Authority: JP
Inventors: 東　紳吾; 紳吾東
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: JP2011174439A

Description

本発明は、ロータリコンプレッサに関し、より詳細には、作動時の摩擦抵抗が小さく、耐摩耗性に優れたロータリコンプレッサに関する。

従来、冷媒を圧縮するコンプレッサとして知られるロータリコンプレッサでは、シリンダと、シリンダに形成されたボア内で偏心回転するロータと、ロータに摺接するベーンとを備え、シリンダの両端開放部が側板により閉じられた圧縮室が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の圧縮機は、肉厚の円環部材であるロータが、偏心軸の偏心カム部にすべり嵌合しており、偏心軸が回転すると、ロータがボアの内周面に内接しながら偏心回転する。これによって、ボア、ロータ、およびベーンによって画成される圧縮室が拡縮して、吸入口から冷媒を吸入して圧縮し、吐出口から吐出する。

特開平0２−１９６１８８号公報

ところで、特許文献１に開示されている圧縮機は、ロータと偏心軸の偏心カム部とがすべり嵌合しているので、嵌合部のすべり摩擦抵抗が比較的大きく、摩擦損失が大きくなるという課題があり、更なる改善の余地があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、摩擦抵抗が小さく、耐摩耗性に優れたロータリコンプレッサを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）円形の内周面を備えたシリンダと、
前記内周面の中心から偏心した偏心軸部によって、前記シリンダに内接して回転するロータと、
前記シリンダと前記ロータとの間に形成される三日月状の空間を吸入室と加圧室とに仕切る出没可能なベーンと、を備え、冷媒を圧縮するロータリコンプレッサであって、
前記ロータは、前記偏心軸部に外嵌される内輪と、前記シリンダに内接する外輪と、該内外輪間に配置される複数の転動体と、を備える転がり軸受によって構成され、
前記外輪の肉厚をｈｏ、前記内輪の肉厚をｈｉとすると、ｈｏ／ｈｉ＞１．５であり、
前記転がり軸受は、接触角が１５°〜２０°の複列アンギュラ玉軸受であることを特徴とするロータリコンプレッサ。
（２）前記外輪と前記転動体の少なくとも一方には、ＳＵＪ２の浸炭窒化処理、又はＣ：０．３〜０．７重量％、及びＣｒ：１〜３重量％を含有する合金鋼の浸炭または浸炭窒化処理の特殊熱処理と、寸法安定化処理との少なくとも一つが施されていることを特徴とする上記（１）に記載のロータリコンプレッサ。
（３）前記外輪と前記転動体の少なくとも一方が、浸炭窒化処理材から形成されることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のロータリコンプレッサ。
（４）前記転動体は、セラミックによって形成される玉であることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のロータリコンプレッサ。

本発明のロータリコンプレッサによれば、ロータが、偏心軸部に嵌合する転がり軸受から構成され、偏心軸部の回転に伴って、転がり軸受の外輪がシリンダの円形の内周面に内接しながら回転するようにしたので、偏心軸部との嵌合部を、従来の摩擦抵抗の比較的大きなすべり軸受から、摩擦抵抗の小さな転がり軸受とすることができ、摩擦による動力損失を低減させることができる。また、外輪がロータ機能を有し、外輪とロータとが一体化されているので、小型化することかできる。

また、外輪の肉厚をｈｏ、内輪の肉厚をｈｉとすると、ｈｏ／ｈｉ＞１．５となっているので、ロータ機能を有する外輪の剛性が大きく、冷媒を圧縮する際に作用する大きな荷重に耐えることができ、耐久性が高く長寿命となる。

また、転がり軸受が、複列アンギュラ玉軸受であるので、アキシャルガタを小さくして圧縮効率に影響を及ぼすアキシャル隙間を小さくすると共に、玉軸受によって摩擦抵抗を抑制することができる。尚、軸受寿命とアキシャルガタを考慮すると、複列アンギュラ玉軸受の接触角は、１５°〜２０°に設定される。

更に、転がり軸受の転動体は、セラミックによって形成される玉であるので、耐食性、寸法安定性、耐摩耗性に優れ、高圧、高温となるロータリコンプレッサの厳しい条件でも長期間に亘って高性能を維持することができる。

また、転がり軸受の少なくとも外輪および転動体は、浸炭窒化処理材から形成され、特殊熱処理（ＳＵＪ２の浸炭窒化処理、又はＣ：０．３〜０．７重量％、及びＣｒ：１〜３重量％を含有する合金鋼の浸炭または浸炭窒化処理）または寸法安定化処理が施されているので、耐摩耗性に優れ、高圧、高温となる厳しい条件でもロータリコンプレッサが長期間に亘って性能を良好に維持することができる。

本発明に係るロータリコンプレッサの縦断面図である。図１におけるII−II断面図である。各転がり軸受の部分断面図である。各転がり軸受の摩擦トルクを比較するグラフである。各転がり軸受の軸受寿命を比較するグラフである。複列アンギュラ玉軸受の接触角と軸受寿命との関係を示すグラフである。複列アンギュラ玉軸受の接触角とアキシャルすきまとの関係を示すグラフである。

以下、本発明に係るロータリコンプレッサの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るロータリコンプレッサの縦断面図、図２は図１におけるII−II断面図である。

図１および図２に示すように、ロータリコンプレッサ１０は、シリンダ１１と、ロータを構成する転がり軸受である複列アンギュラ玉軸受１２と、ベーン１３とを備える。シリンダ１１には、円形の内周面１４ａによって形成されるボア１４と、半径方向に形成されたスリット状のベーン溝１５が設けられており、両側面１６、１７には、側板１８、１９が固定されてボア１４およびベーン溝１５の開放端が塞がれている。ベーン溝１５に嵌合するベーン１３は、後端が圧縮ばね２０によって押圧されてボア１４内に出没自在とされている。

複列アンギュラ玉軸受１２は、内輪３１、外輪３２、内外輪３１、３２の複列の軌道面間に転動自在に配設された複数の転動体である玉３３、及び、玉３３を円周方向に所定の間隔で保持する保持器３４、を有する。

内輪３１は偏心軸２１の偏心軸部２２に外嵌されており、偏心軸２１が回転すると、複列アンギュラ玉軸受の外輪（ロータ）３２が、ボア１４の内周面１４ａに一箇所で内接しながら偏心回転する。また、圧縮ばね２０によって外輪３２の外周面３２ａに押圧されるベーン１３は、外輪３２の偏心回転に追従してベーン溝１５内を摺動する。

ボア１４の内周面１４ａと、外輪３２の外周面３２ａとの間に形成される三日月状の空間Ｓは、ベーン１３によって吸入室２３と加圧室２４とに仕切られている。偏心軸２１の回転に伴って、これら各室２３，２４は拡縮され、シリンダ１１に設けられた吸入口２５から冷媒を吸入して圧縮し、吐出口２６から吐出する。

ここで、ロータとして機能する外輪３２には、冷媒などの被圧縮流体を圧縮する際に大きな荷重が作用する。このため、外輪３２の肉厚［（外輪外径−外輪内径）／２］をｈｏ、内輪３１の肉厚［（内輪外径−内輪内径）／２］をｈｉとすると、ｈｏ／ｈｉ＞１．５とすることで、シリンダのボアと高い圧力で接触する外輪３２の剛性を高めることができる。

また、高い接触圧でボア内周面１４ａと摺接する外輪３２の外周面３２ａは、耐摩耗性を向上させるため、表面硬度ＨＲＣ５８〜６５、中心線平均粗さ１．６ｓ以下の面粗度としている。

玉３３としては、耐食性、寸法安定性、耐摩耗性を向上するため、セラミックによって形成されている。

また、保持器３４としては、鉄系保持器と比較して摩耗が少なく、耐冷媒、耐油性に優れる直鎖形ポリフェニレンサルファイド材を使用した樹脂製保持器とすることで、耐久性を向上することができる。

また、ロータ圧縮部は、高圧、高温となり、更に転がり軸受１２の潤滑油には冷媒が混入して潤滑油粘度が１０ｃｓｔ以下となる虞があるなど、極めて厳しい条件となる。このため、複列アンギュラ玉軸受１２の内輪３１、外輪３２、および玉３３は、耐摩耗性材料（例えば、耐焼付性高温高速用軸受材）、特殊熱処理（例えば、ＳＵＪ２に浸炭窒化処理した材料あるいは、異物混入下における軸受長寿命化材）、寸法安定化処理等を施すことが好ましい。

ここで、耐焼付性高温高速用軸受材とは、Ｃ：０．３〜０．６重量％、Ｃｒ：０．５重量％以上且つ１．８重量％未満、Ｓｉ：０．３〜１．５重量％、Ｍｎ：０．３〜１．７重量％、Ｍｏ：３．０重量％以下、Ｏ：９ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避の不純物の合金鋼からなり、浸炭窒化熱処理、次いで焼入れ,２４０〜５５０℃の高温焼戻しがなされて微細炭化物が形成された表層部を有し、且つ平均残留オーステナイト量を３体積％以下とした浸炭窒化処理材である。

また、ＳＵＪ２に浸炭窒化処理した材料とは、ＳＵＪ２の表面に炭素量が１．０〜１．８重量％、窒素量が０．０５〜０．６％で固溶している。

さらに、異物混入下における軸受長寿命化材とは、Ｃ：０．３〜０．７重量％、及びＣｒ：１〜３重量％を含有する合金鋼からなり、浸炭または浸炭窒化されて硬化熱処理されることにより転がり表面層が形成されており、転がり表面層の残留オーステナイト量（γ_Ｒｖｏｌ％）が２０〜４５体積％、且つ、平均粒径が０．５〜１．５μｍの微細炭化物又は炭窒化物の分散強化により、転がり表面硬さ（Ｈｖ）が残留オーステナイト量に対して、
−４．７×（γ_Ｒｖｏｌ％）＋９２０≦Ｈｖ≦−４・７×（γ_Ｒｖｏｌ％）＋１０２０
の連続的範囲にある材料である。

寸法安定化処理とは、高温焼戻しで組織を安定化することにより、処理後の残留オーステナイト量を６％容量以下とするもので、これにより、高温使用下（使用温度限界は１５０℃）での寸法変化を無くす。

なお、転がり軸受としては、任意の構成が適用可能であるが、複列アンギュラ玉軸受が好ましい。以下、その理由について説明する。このようなロータ（転がり軸受）に要求される機能としては、低トルク、長寿命と共に、圧縮効率に影響を及ぼすラジアルガタおよびアキシャルガタの低減が挙げられ、これらの総ての条件を満足する転がり軸受が選定される必要がある。

ここで、ロータリコンプレッサのロータとして用いるのに好適な転がり軸受として、図３に示すように、深溝玉軸受１２ａ、複列アンギュラ玉軸受１２、および、ニードル軸受１２ｂを用意して、それぞれについて各性能を比較検討した。

（摩擦トルク）
軸受サイズとしては、各転がり軸受１２ａ、１２、１２ｂとも、所定のロータリコンプレッサに組込み可能な内径２０ｍｍ×外径３７ｍｍ×幅１２ｍｍとし、各外輪３１ａ，３１，３１ｂ及び各内輪３２ａ，３２，３２ｂの肉厚を、外輪の肉厚ｈｏ／内輪の肉厚ｈｉ＞１．５とし、ラジアル荷重４０ｋｇｆ、回転数３０００ｒｐｍの条件で摩擦トルクの比較を行った。目標摩擦トルクとしては、摩擦トルクが小さい深溝玉軸受１２ａの１．２倍以内とした。

図４に示すように、摩擦トルクは、深溝玉軸受１２ａ＜複列アンギュラ玉軸受１２＜ニードル軸受１２ｂの順で大きくなり、複列アンギュラ玉軸受１２の摩擦トルクは深溝玉軸受１２ａの摩擦トルクの略１．１倍、ニードル軸受１２ｂの摩擦トルクは深溝玉軸受１２ａの摩擦トルクの略３．６倍であった。従って、ニードル軸受１２ｃは目標摩擦トルクを満足することができない。

（軸受寿命）
次に、上記軸受サイズの深溝玉軸受１２ａ（基本定格荷重Ｃｒ＝４８００Ｎ）、複列アンギュラ玉軸受１２（基本定格荷重Ｃｒ＝７４５０Ｎ）、ニードル軸受１２ｂ（基本定格荷重Ｃｒ＝１０３００Ｎ）について、ラジアル荷重４０ｋｇｆ、回転数３０００ｒｐｍの使用条件でＬ_１０（信頼度９０％の基本定格寿命）を算出した。目標時間は３００００時間とした。

図５に示すように、Ｌ_１０は、深溝玉軸受１２ａ＜複列アンギュラ玉軸受１２＜ニードル軸受１２ｂの順で寿命が長くなり、深溝玉軸受１２ａのＬ_１０は略１００００時間、複列アンギュラ玉軸受１２のＬ_１０は略３６０００時間、ニードル軸受１２ｃのＬ_１０は略５００００時間であり、摩擦トルクが一番小さな深溝玉軸受１２ａは、目標時間である３００００時間を満足することができなかった。

上記の検討結果から、摩擦トルク（深溝玉軸受の摩擦トルクの１．２倍以内）、および軸受寿命（目標時間は３００００時間）を同時に満足する転がり軸受として、複列アンギュラ玉軸受１２が挙げられる。

（接触角）
次に複列アンギュラ玉軸受１２を対象として接触角について検討した。複列アンギュラ玉軸受１２の基本定格寿命は、図６に示すように、接触角に反比例して次第に短くなることが分かっており、基本定格寿命３００００時間を満足するためには、接触角３０°以下とするのが望ましい。

一方、アキシャル隙間は、ロータリコンプレッサの圧縮効率に直接影響を及ぼすので、極力小さいことが望ましい。例えば、内径２０ｍｍ、普通すきま最大２０μｍの深溝玉軸受のアキシャル隙間は１００μｍ程度であり、圧縮効率に悪影響を及ぼす虞があり、この５０％（５０μｍ）のアキシャル隙間とすることが望ましい。

接触角とアキシャル隙間との関係は、図７に示すように、接触角が大きくなるほど小さくなることが分かっている。図７からアキシャル隙間を５０μｍ以下とするには、接触角は１５°以上となる。従って、軸受寿命３００００時間以上、且つアキシャル隙間５０μｍ以下を満足する複列アンギュラ玉軸受１２の接触角としては、１５°〜３０°であり、好ましくは２０°である。

以上の検討結果を総合すると、ロータリコンプレッサ１０のロータとして好ましい転がり軸受としては、接触角２０°の複列アンギュラ玉軸受１２が挙げられ、外輪の肉厚ｈｏ／内輪の肉厚ｈｉ＞１．５、アキシャル隙間５０μｍ以下を満足する、例えば、内径２０ｍｍ×外径３７ｍｍ×幅１２ｍｍの転がり軸受が選定される。これによって軸受寿命３００００時間が確保される。

なお、複列アンギュラ玉軸受１２を適用する場合には、内輪２つ割れタイプとすることで、多数の玉２３を組み込むことができ、軸受寿命を更に延ばすことが可能となる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、本実施形態では、ロータは内輪、外輪、および玉を備える複列アンギュラ玉軸受としたが、偏心軸部の外周面に軌道面を形成して内輪のない構造とすることもでき、これにより更に小型化が可能となる。

１０ロータリコンプレッサ
１１シリンダ
１２複列アンギュラ玉軸受（転がり軸受）
１３ベーン
１４ボア
１４ａ内周面
２１偏心軸
２２偏心軸部
２３吸入室
２４加圧室
３１内輪
３２外輪
３３玉（転動体）
３４保持器
ｈｏ外輪の肉厚
ｈｉ内輪の肉厚
Ｓ三日月状の空間

Claims

円形の内周面を備えたシリンダと、
前記内周面の中心から偏心した偏心軸部によって、前記シリンダに内接して回転するロータと、
前記シリンダと前記ロータとの間に形成される三日月状の空間を吸入室と加圧室とに仕切る出没可能なベーンと、を備え、冷媒を圧縮するロータリコンプレッサであって、
前記ロータは、前記偏心軸部に外嵌される内輪と、前記シリンダに内接する外輪と、該内外輪間に配置される複数の転動体と、を備える転がり軸受によって構成され、
前記外輪の肉厚をｈｏ、前記内輪の肉厚をｈｉとすると、ｈｏ／ｈｉ＞１．５であり、
前記転がり軸受は、接触角が１５°〜２０°の複列アンギュラ玉軸受であることを特徴とするロータリコンプレッサ。
前記外輪と前記転動体の少なくとも一方には、ＳＵＪ２の浸炭窒化処理、又はＣ：０．３〜０．７重量％、及びＣｒ：１〜３重量％を含有する合金鋼の浸炭または浸炭窒化処理の特殊熱処理と、寸法安定化処理との少なくとも一つが施されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリコンプレッサ。
前記外輪と前記転動体の少なくとも一方が、浸炭窒化処理材から形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリコンプレッサ。
前記転動体は、セラミックによって形成される玉であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のロータリコンプレッサ。