JP5632465B2 - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、密閉型圧縮機に関し、詳しくは、圧縮された作動流体から潤滑用のオイルを分離するための技術に関する。

密閉型圧縮機に使用できるオイル分離機構の従来例としては、特許文献１のような例が知られている。特許文献１に記載された圧縮機の概要を図２５に示す。圧縮機の密閉容器２０３の内部には、回転子２１１及び固定子２１３で構成された電動機が配置されている。電動機の下には、圧縮機構（図示省略）が配置されている。圧縮機構で圧縮された冷媒は、密閉容器２０３の内部空間へと吐出される。回転子２１１の端部には、回転子２１１と一体に回転するオイル分離板２３７が設けられている。オイル分離板２３７は、圧縮された冷媒とオイルとの混相流に遠心力を与える。

図２６Ａ及び図２６Ｂに示すように、オイル分離板２３７は略円盤の形状を有する。オイル分離板２３７の底面には凸条２３９及び凹条２４５が放射状に形成されている。凸条２３９及び凹条２４５は、それぞれ、オイル分離板２３７の外周部まで連続している。オイル粒子を含んだ冷媒流は凸条２３９に沿って移動し、遠心力により凸条２３９の先端から飛ばされ、固定子２１３の内周面に衝突する。これにより、オイルが冷媒から分離される。冷媒は、吐出管２３５を通って密閉容器２０３の外部に吐出される。

また、特許文献２は、冷媒からのオイルの分離を促進するように、圧縮された冷媒をインシュレータに通す方法を開示している。

特許文献１又は２に記載された圧縮機において、分離後のオイルは、回転子と固定子との間の隙間、又は、固定子と密閉容器との間の隙間を通って密閉容器の底部のオイル溜りへと戻る。

特開平１１−１０７９６７号公報 特開２００９−１４４５８１号公報

特許文献１及び２に開示された技術によれば、冷媒からオイルを効率よく分離できる。しかし、分離後のオイルをオイル溜りに戻すことについては、特に考慮されていない。例えば、電動機の下の空間で強い旋回流が生じている場合、電動機の上の空間で分離されたオイルはオイル溜りに戻りにくい。その結果、一旦分離されたオイルが再び冷媒に混ざり、吐出管を通じて圧縮機の外部に吐出される。

本発明は、オイル吐出量の少ない密閉型圧縮機を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
底部にオイル溜りを有する密閉容器と、
前記密閉容器内に配置され、作動流体を圧縮する圧縮機構と、
回転子及び固定子を有し、前記密閉容器内において前記圧縮機構よりも上に配置され、前記圧縮機構を駆動する電動機と、
前記密閉容器の内部空間の一部であって、前記電動機の上に形成された上部空間と、
前記密閉容器の内部空間の一部であって、前記電動機と前記圧縮機構との間に形成された下部空間と、
前記上部空間に向かって開口しており、圧縮された作動流体を当該密閉型圧縮機の外部へと導く吐出管と、
前記回転子の上面から前記上部空間に向かって突出している第１バランスウエイトと、
前記回転子の上面から前記上部空間に向かって突出しているとともに、前記第１バランスウエイトよりも前記電動機の回転軸に近い位置に配置された旋回流生成部と、
前記回転子の下面から前記下部空間に向かって突出している第２バランスウエイトと、
前記圧縮機構で圧縮されて前記下部空間に吐出された作動流体を前記上部空間に導くように前記回転子に形成された連通路と、
を備え、
前記電動機を駆動したときに前記第１バランスウエイトが前記回転軸の周りに形成する立体的かつ環状の軌跡を第１軌跡、前記回転軸に平行かつ前記回転軸を含む第１平面によって前記第１軌跡を切断して得られる面を第１断面、前記電動機を駆動したときに前記第２バランスウエイトが前記回転軸の周りに形成する立体的かつ環状の軌跡を第２軌跡、前記回転軸に平行かつ前記回転軸を含む第２平面によって前記第２軌跡を切断して得られる面を第２断面、前記電動機を駆動したときに前記旋回流生成部が前記回転軸の周りに形成する立体的かつ環状の軌跡を第３軌跡、前記回転軸に平行かつ前記回転軸を含む第３平面によって前記第３軌跡を切断して得られる面を第３断面、前記回転軸に平行かつ前記回転軸を含む任意の平面上の特定の領域に含まれた微小領域の面積をｄＡ、前記回転軸から前記微小領域の図心までの距離をｒ、下記式（１）で表される値Ｍ_Aを面積二次モーメントと定義したとき、

前記第１断面に基づく面積二次モーメントと、前記第３断面に基づく面積二次モーメントとの和が、前記第２断面に基づく面積二次モーメントよりも大きく、
圧縮された作動流体を前記回転軸に平行な方向に対して傾いた方向に偏向させながら前記連通路から前記上部空間へと移動させる吐出方向偏向部をさらに備えた、密閉型圧縮機を提供する。

本発明によれば、第１断面に基づく面積二次モーメントと第３断面に基づく面積二次モーメントとの和が、第２断面に基づく面積二次モーメントよりも大きい。つまり、上部空間の旋回流が強く、下部空間の旋回流が弱い。これにより、上部空間において作動流体からオイルを遠心力により分離する作用が促進される。また、上部空間の旋回流を強化し、下部空間の旋回流を相対的に弱めることで、上部空間からオイル溜りへのオイルの戻りを促進することができる。これにより、油面の低下による圧縮機構の潤滑不良を防止できる。また、下部空間の旋回流を弱めることで油面の安定性が増し、オイルしぶきの発生も抑制される。

また、吐出方向偏向部を設けたことにより、圧縮された作動流体が回転軸に平行な方向に対して傾いた方向に偏向されながら連通路から上部空間へと移動する。そのため、電動機の回転軸に平行な方向に関して、連通路の出口により近い位置から作動流体の旋回流を生じさせることができる。その結果、上部空間における作動流体の流動距離を増やすことができ、そのことにより、圧縮機からのオイル吐出量を減らすことができる。

本発明の一実施形態に係る圧縮機の断面図 回転子及びバランスウエイトの斜視図 バランスウエイト及び旋回流生成部が設けられた回転子の斜視図 他の旋回流生成部が設けられた回転子の斜視図 旋回流抑制部の斜視図 第１断面及び第２断面の定義を示す斜視図 第１断面及び第２断面の定義を示す平面図 第３断面の定義を示す斜視図 第３断面の定義を示す平面図 面積二次モーメントの定義を示す概略図 圧縮機の内部での冷媒及びオイルの流れを示す概略図 円筒容器内に回転体が配置されたモデルでの圧力場を示す概略図 旋回流生成部を有さない圧縮機の内部での冷媒及びオイルの流れを示す概略図 流路の２つの開口部の間の圧力差を示す概略図 旋回流生成部が設けられていない回転子の斜視図 図１３Ａに示す回転子に形成された連通路の出口の近傍における冷媒流を示す概略図 冷媒流を偏向させる能力を有さない旋回流生成部が設けられた回転子の斜視図 図１４Ａに示す回転子に形成された連通路の出口の近傍における冷媒流を示す概略図 本実施形態の回転子の斜視図 図１５Ａの回転子に形成された連通路の出口の近傍における冷媒流を示す概略図 本実施形態のロータリ圧縮機の上部空間における流れ場を示す概略図 図１４Ａに示す旋回流生成部が設けられたロータリ圧縮機の上部空間における流れ場を示す概略図 本実施形態のロータリ圧縮機の効果を確かめるために行った実験の結果を示すグラフ 変形例１に係る圧縮機の断面図 変形例２に係る旋回流抑制部の斜視図 吐出ポートの好適な位置を示す断面図 変形例３に係る旋回流抑制部の斜視図 変形例４に係る旋回流生成部の斜視図 変形例５に係る吐出方向偏向部を示す概略断面図 変形例６に係る旋回流生成部及び吐出方向偏向部を示す概略断面図 従来の密閉型圧縮機の断面図 従来の密閉型圧縮機に設けられたオイル分離板の底面図 図２６Ａに示すオイル分離板のＢ−Ｂ線に沿った断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態のロータリ圧縮機１００は、密閉容器２、圧縮機構４及び電動機６を備えている。圧縮機構４及び電動機６は、１つの密閉容器２内に配置されている。すなわち、ロータリ圧縮機１００は、密閉型圧縮機として構成されている。密閉容器２内において、電動機６は、圧縮機構４よりも上に位置している。密閉容器２は、その底部に形成されたオイル溜り３を有する。圧縮機構４は、オイル溜り３に保持されたオイル（冷凍機油）に浸されている。電動機６によって駆動されるように、圧縮機構４は、シャフト９によって電動機６に連結されている。密閉容器２の内部には、下部空間５及び上部空間７が形成されている。下部空間５は、シャフト９の軸方向に関して、圧縮機構４と電動機６との間に形成された空間である。上部空間７は、電動機６の上に形成された空間である。シャフト９の長手方向は、鉛直方向に平行である。すなわち、ロータリ圧縮機１００は、縦型のロータリ圧縮機である。

圧縮機構４は、上軸受１２、ピストン１０、シリンダ１１及び下軸受１３を有する。ピストン１０は、シリンダ１１の内部において、シャフト９の偏心部９ａに取り付けられている。ピストン１０の外周面とシリンダ１１の内周面との間には、平面視で三日月の形状を有する圧縮室１１ｃが形成されている。電動機６で発生した回転動力は、シャフト９によってピストン１０へと伝達される。ピストン１０がシリンダ１１の内部で回転することにより、圧縮室１１ｃで冷媒が圧縮される。作動流体としての冷媒の種類は特に限定されず、Ｒ４１０Ａのようなフッ素冷媒、二酸化炭素のような自然冷媒を使用できる。

上軸受１２及び下軸受１３は、それぞれ、シリンダ１１の上部及び下部に設けられている。上軸受１２及び下軸受１３によって、シャフト９が回転可能に支持されている。上軸受１２の上部には、吐出ポート２５を有する吐出マフラー２４が設けられている。圧縮された冷媒は、吐出マフラー２４の内部及び吐出ポート２５を経由して、圧縮機構４から下部空間５に移動する。上軸受１２の外周部には、下部空間５又は上部空間７で冷媒から分離されたオイルをオイル溜り３に戻すためのオイル通路２６が形成されている。

密閉容器２の上部には、圧縮された冷媒を密閉容器２の外部に導く吐出管８が設けられている。密閉容器２の側部には、圧縮するべき冷媒を圧縮機構４に導く吸入管２３が設けられている。吐出管８は、密閉容器２の上部を貫通しているとともに、上部空間７に向かって開口している。吸入管２３は、密閉容器２の側部を貫通しているとともに、シリンダ１１に挿し込まれている。

電動機６は、固定子１４及び回転子１５で構成されている。固定子１４は、密閉容器２の内壁に固定されている。固定子１４は、軸方向から見て円環の形状を有し、その内側に回転子１５が配置されている。回転子１５は、シャフト９に固定されている。従って、電動機６の回転軸は、シャフト９の回転軸Ｏに一致している。半径方向に関する固定子１４の内周面と回転子１５の外周面との間には、僅かな隙間１６（エアギャップ）が形成されている。固定子１４の外周面と密閉容器２の内周面との間には、回転軸Ｏに平行な方向に延びるスリットの形状を有する複数の流路１７が形成されている。

回転子１５は、下部空間５と上部空間７とを連通する複数の連通路２０を有している。連通路２０は、シャフト９の回転軸Ｏの周りに等角度間隔で形成されているとともに、それぞれ、回転子１５をシャフト９の軸方向と平行な方向に貫通している。圧縮機構４で圧縮された冷媒は、隙間１６、流路１７及び連通路２０のいずれかを通って下部空間５から上部空間７へと移動する。また、上部空間７において、冷媒から分離されたオイルが、隙間１６、流路１７及び連通路２０のいずれかを通って上部空間７から下部空間５へと戻る。本実施形態では、回転子１５が４つの連通路２０を有しているが、連通路２０の数は特に限定されない。

図２に示すように、回転子１５は、回転子１５を構成する要素として、複数の積層鋼板２８、積層鋼板２８を締め付け及び固定するために積層鋼板２８の上部及び下部に配置された端板２７、及びリベット（図示せず）を有する。回転時の振れ回りを抑えるために、回転子１５の上部及び下部には、それぞれ、第１バランスウエイト１８及び第２バランスウエイト１９が設けられている。バランスウエイト１８及び１９は、それぞれ、アーチの形状を有しており、平面視で連通路２０を取り囲んでいる。第２バランスウエイト１９は、シャフト９の回転軸Ｏに関して、第１バランスウエイト１８と対称の位置に配置されている。つまり、シャフト９の回転方向に関して、第１バランスウエイト１８が配置されている位置とは１８０度反対の位置に第２バランスウエイト１９が配置されている。

第２バランスウエイト１９は、第１バランスウエイト１８よりも重い。第２バランスウエイト１９は、第１バランスウエイト１８よりもシャフト９の支点（上軸受１２及び下軸受１３）の近くに位置している。そのため、第２バランスウエイト１９を相対的に重くすることにより、振れ回り動作を防ぐ効果を高めることができる。

図１及び図３に示すように、回転子１５の上部には、上部空間７での旋回流を強めるための旋回流生成部２１が設けられている。旋回流生成部２１は、回転子１５の上面から上部空間７に向かって突出しているとともに、第１バランスウエイト１８よりも回転軸Ｏに近い位置に配置されている。具体的に、旋回流生成部２１は、支持リング１２１及び邪魔板１２２で構成されている。支持リング１２１は、板状の部材でできており、回転子１５の上面において連通路２０よりも回転軸Ｏの近くに位置している。邪魔板１２２は、平板の形状を有し、支持リング１２１の外周部において支持リング１２１と一体に形成されている。支持リング１２１の周方向に沿って等角度間隔で４つの邪魔板１２２が設けられている。各邪魔板１２２は、回転子１５の上面から上部空間７に向かって斜め（電動機６の回転軸Ｏに平行な方向に対して傾いた方向）に突出している。本実施形態では、旋回流生成部２１は、連通路２０と同じ個数の邪魔板１２２を有している。邪魔板１２２の突出方向は、回転軸Ｏに垂直な方向（水平方向）を基準（＝０度）として、例えば、３０〜６０度、典型的には４５度に設定されている。

邪魔板１２２は、連通路２０の出口に設けられている。詳細には、連通路２０の出口から見て、邪魔板１２２は、回転子１５の回転方向に位置している。また、邪魔板１２２を回転子１５の上面に投影したときに得られる像は、連通路２０の出口に重なっている。つまり、連通路２０の一部又は全部が邪魔板１２２によって覆われている。邪魔板１２２の働きにより、圧縮された冷媒が回転軸Ｏに平行な方向に対して傾いた方向に偏向されながら連通路２０から上部空間７へと移動する。このように、邪魔板１２２は、冷媒の吐出方向を偏向させる吐出方向偏向部として機能する。本実施形態では、部品点数の増加を抑制する目的で、旋回流生成部２１が吐出方向偏向部（邪魔板１２２）に兼用されている。

本実施形態において、邪魔板１２２は、圧縮された冷媒を回転子１５の回転方向とは反対の回転方向（以下、「反回転方向」と称する）に案内するように構成されている。これにより、上部空間７の冷媒と連通路２０から吐出された冷媒とが垂直に衝突することを防止できるので、連通路２０から吐出された冷媒は、上部空間７にスムーズに移動できる。すなわち、連通路２０の出口で圧力損失が増大するおそれが少ない。

なお、旋回流生成部２１は、連通路２０の出口を覆わない位置に邪魔板１２２を有していてもよい。そのような位置に設けられた邪魔板１２２も上部空間７の旋回流を強化する機能を有するが、冷媒の吐出方向を偏向させる機能を有さない。そのため、上部空間７における冷媒の流動距離を延ばすことができない。

部品点数を更に削減する目的で、端板２７の一部によって邪魔板１２２が形成されていてもよい。具体的には、図４に示すように、連通路２０を覆う位置において端板２７の一部を切り起こすことによって邪魔板１２２を形成できる。図４に示す構成によれば、切り起こされた邪魔板１２２が、旋回流生成部及び吐出方向偏向部としての役割を担う。また、冷媒の吐出方向を偏向させる機能を有している限りにおいて、吐出方向偏向部の形状は板状に限定されない。

図１及び図５に示すように、回転子１５の下部には、下部空間５の旋回流を弱める目的で旋回流抑制部２２が設けられている。具体的には、第２バランスウエイト１９を完全に覆っている円環状のカバー２２で旋回流抑制部２２が構成されている。第２バランスウエイト１９にカバー２２を被せて下部空間５での旋回流を抑制すると、流路１７の下部空間５側の開口部における圧力が低下する。これにより、上部空間７で分離されたオイルが流路１７を通じて下部空間５及びオイル溜り３にスムーズに戻れる。また、下部空間５での旋回流を抑制することにより、オイル溜り３の油面の安定性を高めることができるので、オイル溜り３からのオイルしぶきの発生を抑制できる。

本実施形態では、上部空間７の旋回流が強くなり、かつ下部空間５の旋回流が弱くなるように、第１バランスウエイト１８、第２バランスウエイト１９及び旋回流生成部２１、旋回流抑制部２２が設計されている。下部空間５及び上部空間７で旋回流が発生する１つの要因は、下部空間５及び上部空間７を満たす冷媒が、第１バランスウエイト１８、第２バランスウエイト１９及び旋回流生成部２１から押しのけ作用を受けることにある。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、電動機６を駆動したときに第１バランスウエイト１８が回転軸Ｏの周りに形成する立体的かつ環状の軌跡を第１軌跡、回転軸Ｏに平行かつ回転軸Ｏを含む第１平面によって第１軌跡を切断して得られる面を第１断面３３と定義する。

第１断面３３は、次のように定義することもできる。第１バランスウエイト１８の表面の一部であって電動機６を駆動したときに冷媒に押しのけ作用を及ぼす面を第１押しのけ面１８ｐ、第１押しのけ面１８ｐを回転軸Ｏに平行かつ回転軸Ｏを含む第１平面に投影することによって得られる像を第１投影像と定義する。第１平面は無限に定めることができるので、第１投影像も様々な形状及び面積を取りうるが、ここでは、第１投影像の面積が最大値を示すように第１平面を定める。このとき、第１投影像は第１断面３３に一致する。

第１バランスウエイト１８と同じ考え方で、第２バランスウエイト１９に関して、第２断面３４、第２押しのけ面１９ｐ、第２平面及び第２投影像を定義できる。

さらに、第１バランスウエイト１８と同じ考え方で、旋回流生成部２１に関して、第３断面３５、第３押しのけ面、第３平面及び第３投影像を定義できる。具体的には、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、電動機６を駆動したときに旋回流生成部２１が回転軸Ｏの周りに形成する立体的かつ環状の軌跡を第３軌跡、回転軸Ｏに平行かつ回転軸Ｏを含む第３平面によって第３軌跡を切断して得られる面を第３断面３５と定義する。本実施形態では、冷媒に押しのけ作用を与える邪魔板１２２が４つ設けられているので、第３断面３５は、同じ形状を有する４つの断面によって形成される。

第３断面３５は、次のように定義することもできる。旋回流生成部２１の表面の一部であって電動機６を駆動したときに冷媒に押しのけ作用を及ぼす面を第３押しのけ面２１ｐ、第３押しのけ面２１ｐを回転軸Ｏに平行かつ回転軸Ｏを含む第３平面に投影することによって得られる像を第３投影像と定義する。本実施形態では、邪魔板１２２の表面が第３押しのけ面２１ｐを形成している。第３平面は無限に定めることができるので、第３投影像も様々な形状及び面積を取りうるが、ここでは、第３投影像の面積が最大値を示すように第３平面を定める。このとき、第３投影像は第３断面３５に一致する。

次に、図８に示すように、回転軸Ｏに平行かつ回転軸Ｏを含む任意の平面上の特定の領域１３５に含まれた微小領域１３６の面積をｄＡ、回転軸Ｏから微小領域１３６の図心までの距離をｒ、半径方向に関する微小領域１３６の長さをｄｒ、回転軸Ｏに平行な方向に関する微小領域１３６の高さをｄｈ、下記式（１）で表される値Ｍ_Aを面積二次モーメントと定義する。図８において、微小領域１３６は、方形であるものとする。

さらに、第１断面３３に基づく面積二次モーメントを第１の面積二次モーメントＭ_A1と定義する。同様に、第２断面３４に基づく面積二次モーメントを第２の面積二次モーメントＭ_A2と定義する。同様に、第３断面３５に基づく面積二次モーメントを第３の面積二次モーメントＭ_A3と定義する。第１〜第３の面積二次モーメントは、それぞれ、第１断面３３、第２断面３４及び第３断面３５に関して、式（１）を用いて求められる。これら第１〜第３の面積二次モーメントの関係が下記式（２）を満たすように、第１バランスウエイト１８、第２バランスウエイト１９及び旋回流生成部２１が設計されている。これにより、上部空間７の旋回流を強め、下部空間５の旋回流を弱めることができる。なお、「第１断面３３に基づく面積二次モーメント」とは、式（１）を用いて第１断面３３について計算された面積二次モーメントを意味する。このことは、第２断面３４及び第３断面３５についても同様である。

Ｍ_A1＋Ｍ_A3＞Ｍ_A2・・・（２）

本実施形態において、旋回流生成部２１は、複数の邪魔板１２２を有しているので、式（２）の左辺第２項は、複数の邪魔板１２２のそれぞれに基づく複数の第３の面積二次モーメントの和で表される。複数の第１バランスウエイト１８が設けられている場合には、式（２）の左辺第１項は、複数の第１バランスウエイト１８のそれぞれに基づく複数の第１の面積二次モーメントの和で表される。同様に、複数の第２バランスウエイト１９が設けられている場合には、式（２）の右辺は、複数の第２バランスウエイト１９のそれぞれに基づく複数の第２の面積二次モーメントの和で表される。

本実施形態では、第２バランスウエイト１９が冷媒を押しのける第２押しのけ面１９ｐの面積を減少させるために第２バランスウエイト１９にカバー２２を被せている。カバー２２を回転子１５に固定するためのネジ等の存在を無視すれば、第２押しのけ面１９ｐの面積は実質的にゼロである。そのため、式（２）の右辺はゼロであり、式（２）の関係が満たされる。

なお、第１の面積二次モーメントＭ_A1は、第１投影像の面積が最大値を示すように第１平面を定めたときのその第１平面上の第１投影像に基づく面積二次モーメントに等しい。同様に、第２の面積二次モーメントＭ_A2は、第２投影像の面積が最大値を示すように第２平面を定めたときのその第２平面上の第２投影像に基づく面積二次モーメントに等しい。第３の面積二次モーメントＭ_A3は、第３投影像の面積が最大値を示すように第３平面を定めたときのその第３平面上の第３投影像に基づく面積二次モーメントに等しい。

次に、図９を参照して、密閉容器２の内部における冷媒及びオイルの流れについて説明する。図９には、下部空間５での冷媒流が矢印３８ａ、上部空間７での冷媒流が矢印３８ｂ、上部空間７からオイル溜り３に戻るオイルの流れが破線矢印３９でそれぞれ示されている。オイル溜り３に保持されたオイルは、圧縮機構４の摺動部の潤滑及びシールに用いられる。圧縮された冷媒は、オイル粒子（オイルミスト）を同伴して、圧縮機構４から下部空間５へと高温及び高圧の状態で吐出される。回転子１５の回転により、下部空間５には旋回流れ場が形成されているが、カバー２２の働きにより、その強さは、上部空間７に比べて抑えられている。下部空間５に吐出された冷媒は、連通路２０を通って下部空間５から上部空間７へと導かれる。上部空間７に吐出された冷媒は、旋回流生成部２１を兼ねた邪魔板１２２及び第１バランスウエイト１８によって生じる遠心力、並びに、旋回流生成部２１を兼ねた邪魔板１２２による流れの偏向作用によって、旋回方向及び外周方向へと偏向される。冷媒は、旋回しながら上部空間７を移動するので、移動の過程でオイル粒子は遠心力によって冷媒から分離される。冷媒は、その後、吐出管８を通じて密閉容器２の外部へと導かれる。上部空間７で遠心力により分離されたオイルは、固定子１４の内周面又は密閉容器２の内壁に付着する。その後、オイルは、エアギャップ１６又は流路１７を通ってオイル溜り３に戻る。

次に、旋回流生成部（邪魔板１２２）及び旋回流抑制部（カバー２２）の作用を詳細に説明する。

まず、旋回流によって生じる流れ場について説明する。図１０に示すように、円筒容器３７の中に回転体３７ａが配置され、円筒容器３７の中心軸Ｏ₁を中心として回転体３７ａが回転しているモデルを考える。円筒容器３７の内部には、中心軸Ｏ₁の近傍で低圧、円筒容器３７の内周面の近傍で高圧となる圧力場３７ｂが形成される。これは、流れ自体の遠心力によって流れが半径方向の外向きに導かれる効果と、円筒容器３７の内周面の近傍で旋回による運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される効果とによる。

もし、旋回の強さが増せば、破線で示された圧力場３７ｃが形成される。すなわち、旋回の強さが増すことで、流れ自体の遠心力が増す。そのため、圧力場３７ｃは、円筒容器３７の中心軸Ｏ₁の近傍において、より低圧の傾向を示す。他方、新たに与えられた運動エネルギーを含めて、円筒容器３７の内周面の近傍で旋回による運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。そのため、圧力場３７ｃは、円筒容器３７の内周面の近傍において、より高圧の傾向を示す。

回転体３７ａの回転速度を変えることなく旋回流を強化するためには、回転体３７ａの押しのけ面積を増やし、これにより、流体に与えられる運動量を増やす必要がある。逆に、回転体３７ａの押しのけ面積を減らせば、旋回流は抑制される。

本実施形態では、振れ回り防止の観点から、第２バランスウエイト１９が第１バランスウエイト１８よりも重い。バランスウエイト１８及び１９は、典型的には、真鍮のような金属で作られている。同一の材料でバランスウエイト１８及び１９を作った場合、第２バランスウエイト１９を第１バランスウエイト１８よりも重くするためには、第２バランスウエイト１９の体積を第１バランスウエイト１８の体積よりも大きくする必要がある。第２バランスウエイト１９の体積が第１バランスウエイト１８の体積よりも大きく、かつカバー２２が設けられていない場合、第２バランスウエイト１９の押しのけ面１９ｐの面積は、第１バランスウエイト１８の押しのけ面１８の面積を上回ることになる。

次に、図１１を参照して、旋回流生成部及び旋回流抑制部を有さないロータリ圧縮機の内部での冷媒及びオイルの流れを説明する。図１１に示すロータリ圧縮機１００ｇは、本実施形態のロータリ圧縮機１００における旋回流生成部（邪魔板１２２）及び旋回流抑制部（カバー２２）に対応する部品を有していない。ロータリ圧縮機１００ｇの他の構成は、本実施形態のロータリ圧縮機１００と同じである。すなわち、第１バランスウエイト１８ｇ及び第２バランスウエイト１９ｇが、それぞれ、回転子１５ｇに固定されており、回転子１５ｇとともに回転する。第２バランスウエイト１９ｇは、第１バランスウエイト１８ｇの押しのけ面よりも広い押しのけ面を有している。従って、第２バランスウエイト１９ｇによって下部空間５ｇに形成される旋回流は、第１バランスウエイト１８ｇによって上部空間７ｇに形成される旋回流よりも強い。

このとき、図１２に破線１４０ｂで示すように、図１０を参照して説明した理論に基づき、流路１７ｇの下部空間５ｇ側の開口部で顕著な圧力上昇が出現する。その結果、図１１に矢印１３８で示すように、冷媒は、流路１７ｇを通って下部空間５ｇから上部空間７ｇへと流れやすい。

他方、上部空間７ｇで遠心力により分離されたオイルは、上部空間７ｇで密閉容器２ｇの内壁へと達し、その後、自重により流路１７ｇを通ってオイル溜り３ｇへと戻る。しかし、流路１７ｇの下部空間５ｇ側の開口部での圧力が、流路１７ｇの上部空間７ｇ側の開口部での圧力に比べて高すぎると、流路１７ｇを通じたスムーズなオイル戻りに支障をきたす。すなわち、冷媒が主に流路１７ｇを通って下部空間５ｇから上部空間７ｇに移動するため、上部空間７ｇから下部空間５ｇへのオイルの流れ（破線矢印１３９）が阻害される。その結果、上部空間７ｇにおいて、密閉容器２ｇの内壁の近傍にオイルが蓄積しやすい。蓄積したオイルは、再び冷媒に巻き込まれ、冷媒とともに密閉容器２ｇの外部へと導かれる。

これに対し、本実施形態のロータリ圧縮機１００によれば、旋回流生成部２１の働きによって上部空間７の旋回流が強化され、旋回流抑制部２２の働きによって下部空間５の旋回流が抑制されている。そのため、図１２の実線１４０ａに示すように、流路１７の上部空間７側の開口部での圧力が流路１７の下部空間５側の開口部での圧力よりも高い、又は流路１７の上部空間７側の開口部での圧力と流路１７の下部空間５側の開口部での圧力との差は比較的小さい。

さらに、図１０を参照して説明したように、回転子１５の中心近傍の圧力は、旋回流を強化すると低下し、旋回流を抑制すると上昇する。上部空間７に旋回流生成部２１、下部空間５に旋回流抑制部２２を設けると、回転子１５の中心近傍の圧力は、上部空間７で低くなり、下部空間５で高くなる。その結果、連通路２０を通って下部空間５から上部空間７へと流れる冷媒の量が増加するとともに、冷媒が流路１７を上部空間７から下部空間５に向かって流れることを防止できる、又は流路１７を通って下部空間５から上部空間７に流れる冷媒の量が大幅に減少する。流路１７を通って圧縮機構４から吐出管８に流れる冷媒の量が減少すると、流路１７を通って上部空間７からオイル溜り３にオイルがスムーズに戻れる。

次に、面積二次モーメントに関する考察を記す。

一般に、流れ場に与えられる旋回流の強さは、下記式（３）に示す旋回運動量Ｋｒによって定められる。式（３）において、ρ：流体の密度、Ｖ：回転体の回転速度、ω：回転体の角速度、ｒ：回転体の押しのけ部（押しのけ面）の旋回半径、Ａ：回転体の押しのけ部（押しのけ面）の投影面積である。

式（３）において、回転体の回転速度Ｖが冷媒流中の音速の０．３倍を大きく下回る程度であるとすると、冷媒を非圧縮性流体とみなすことができる。この場合、密度ρは一定である。さらに、同一運転条件下では、角速度ωも一定である。結局、流れ場に与えられる旋回流の強さに寄与する旋回運動量Ｋｒは、旋回半径ｒの２乗に投影面積Ａを乗じた値に比例する。旋回半径ｒの２乗に投影面積Ａを乗じた値は、先に説明した面積二次モーメントに対応している。つまり、面積二次モーメントは、冷媒流に与える旋回の強さを表している。面積二次モーメントが小さければ小さいほど、冷媒流に与える旋回の強さは小さい。従って、上部空間７で強い旋回流を生む必要がある場合には、第１バランスウエイト１８及び旋回流生成部２１に基づく面積二次モーメントを増やす必要がある。下部空間５での旋回流を抑制する必要がある場合には、旋回流抑制部２２を用いて、第２バランスウエイト１９に基づく面積二次モーメントを減らす必要がある。

次に、旋回流生成部２１の邪魔板１２２（吐出方向偏向部）が連通路２０の出口を覆うことによって得られる効果について説明する。

まず、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、回転子１５ｇの上部にバランスウエイト１８ｇ以外の物体が設けられていない例（図１１に示す圧縮機１００ｇ）について説明する。ただし、図１３Ｂにおいて、回転子１５ｇの回転方向を静止系として考える。連通路２０ｇから上部空間７ｇに吐出された冷媒流４２ｇは、上部空間７ｇにおける冷媒流４１ｇに概ね垂直に衝突すると考えられる。このとき、大きい圧力損失が発生する可能性がある。連通路２０ｇの出口で大きい圧力損失が発生すると、連通路２０ｇを上昇する冷媒流量が相対的に減少し、エアギャップ１６ｇ又は流路１７ｇの冷媒流量が相対的に増加する。先に説明したように、流路１７ｇの冷媒流量が増加すると、圧縮機１００ｇのオイル吐出量も増加する。

次に、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、連通路２０ｇの出口に邪魔板２１ｇを配置した例について説明する。連通路２０ｇの出口から見て、邪魔板２１ｇは、回転子１５ｇの回転方向に位置している。ただし、邪魔板２１ｇは、回転軸Ｏに平行な方向に真っ直ぐ延びており、連通路２０ｇの出口を覆っていない。このような邪魔板２１ｇによれば、冷媒流４２ｇが冷媒流４１ｇに垂直に衝突することを防止できる。すなわち、連通路２０ｇの出口での圧力損失を抑制できる。ただし、邪魔板２１ｇは冷媒を偏向させる能力を有していない。そのため、図１７に示すように、冷媒は、鉛直方向の上に向かって進む傾向を持つ。

次に、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、連通路２０の出口を覆うように邪魔板１２２を配置した本実施形態について説明する。連通路２０から上部空間７に吐出された冷媒流４２は、邪魔板１２２から偏向作用を受けるので、回転子１５の反回転方向に向かって吐出される。すなわち、冷媒は、回転軸Ｏに平行な方向に対して傾いた方向に偏向されながら連通路２０から上部空間７へと移動する。すると、図１６に示すように、回転子１５の上面に比較的近い位置から旋回流の形成が始まる。その結果、上部空間７での冷媒の流動距離（時間）が増し、オイルの遠心分離を促進できる。

邪魔板１２２は、平面視で連通路２０の出口を完全に覆っていてもよいし、一部のみを覆っていてもよい。つまり、邪魔板１２２を回転子１５の上面に投影したときに得られる投影像が連通路２０の開口面を包含していてもよいし、邪魔板１２２の投影像が開口面の一部に重なっているだけでもよい。例えば、高負荷条件（高回転数及び高圧力比）での実験結果によれば、鉛直方向の上側からみて、邪魔板１２２が連通路２０の開口面を約８５％程度覆っていれば優れた効果が得られることがわかっている。

図１８は、本実施形態のロータリ圧縮機１００の効果を確かめるために行った実験の結果を示すグラフである。縦軸がオイル吐出量を表している。実験は高負荷条件で行い、吐出管から冷媒とともに吐出されたオイルの量を測定した。吐出されたオイルの量は、冷凍サイクルにおいて、凝縮器の出口で冷媒をサンプリングする方法により評価した。「実施形態」は図１等を参照して説明したロータリ圧縮機の測定結果を示している。「比較例」は、実施形態のロータリ圧縮機から旋回流生成部２１及び旋回流抑制部２２（カバー）を取り除いたロータリ圧縮機の測定結果を示している。「変形例１」は、後述する変形例１に係るロータリ圧縮機の測定結果を示している。比較例のロータリ圧縮機のオイル吐出量を「１」としたとき、本実施形態のロータリ圧縮機のオイル吐出量は「０．４４」と少なかった。後述する変形例１のロータリ圧縮機のオイル吐出量は「０．１」と更に少なかった。

（変形例１）
図１９に示すように、変形例１に係るロータリ圧縮機１０１によれば、吐出管８の入口が回転子１５の上面の近傍に位置している。詳細には、シャフト９の回転軸Ｏに平行な方向（鉛直方向）に関して、吐出管８の下端が、固定子１４の上端よりも下に位置している。また、シャフト９の回転軸Ｏが吐出管８の入口を通過している。詳細には、シャフト９の回転軸Ｏが吐出管８の入口の中心に一致している。

冷媒は、連通路２０から上部空間７に吐出された後、遠心力及び邪魔板１２２の働きによって密閉容器２の内壁に向かって旋回及び偏向しながら移動する。その後、冷媒は、吐出管８の外周面に沿って旋回しながら下降し、吐出管８に入る。上部空間７における冷媒流の流動距離（時間）を増やすことができるので、オイルの分離を更に促進できる。さらに、吐出管８に入る直前の冷媒が下降流を形成することから、冷媒の自重に基づくオイルの分離作用も促進できる。その結果、図１８に示した通り、オイル吐出量の更なる低減が可能となる。

（変形例２）
図２０に示す変形例では、旋回流抑制部として、カバー２２に代えて空間充填部材２２ｂが用いられている。空間充填部材２２ｂは、第２バランスウエイト１９の比重よりも小さい比重を有しているとともに、第２バランスウエイト１９の旋回軌跡上に設けられている。すなわち、空間充填部材２２ｂは、回転軸Ｏを含む平面に関して、第２バランスウエイト１９と対称の位置に設けられているとともに、第２バランスウエイト１９の旋回軌跡上の空間を埋めている。図１等を参照して説明したカバー２２と同様に、空間充填部材２２ｂによって、第２バランスウエイト１９の押しのけ面の面積を低減することができる。

空間充填部材２２ｂは、オイル粒子を含んだ冷媒が浸入できる空隙を内部に有する材料で作られていることが好ましい。典型的には、発泡材料、線状の金属を編みこんで作られた材料、スチールウール等の空隙を有する材料で空間充填部材２２ｂを作ることができる。このような材料は比較的軽量なので、第２バランスウエイト１９のバランスウエイトとしての機能が損なわれるおそれが少ない。

第２バランスウエイト１９の押しのけ面の面積を減らすことができる限りにおいて、空間充填部材２２ｂの形状は特に限定されない。図２０に示す変形例では、第２バランスウエイト１９の押しのけ面の面積が実質的にゼロとなるように、空間充填部材２２ｂの形状が定められている。空間充填部材２２ｂの押しのけ面の面積もゼロである。すなわち、第２バランスウエイト１９と空間充填部材２２ｂとが組み合わさって円環を構成している。

第２バランスウエイト１９の周囲の冷媒流には、オイル粒子が含まれている。空間充填部材２２ｂは回転子１５に固定されており、回転子１５とともに回転する。従って、空間充填部材２２ｂと冷媒流との間には、せん断流れが形成されている。空間充填部材２２ｂが発泡材料などの空隙を有する材料で作られている場合、冷媒流の乱れ等により、オイル粒子が発泡材料に入り込む。これにより、空間充填部材２２ｂがオイルミストトラップの役割を果たす。

図２１に示すように、回転軸Ｏと平行な方向（鉛直方向）に関して、圧縮機構４で圧縮された冷媒を下部空間５に吐出するための吐出ポート２５が第２バランスウエイト１９及び空間充填部材２２ｂと重なる位置、すなわち、第２バランスウエイト１９の旋回軌跡に重なる位置に形成されていてもよい。さらに言い換えれば、回転軸Ｏに垂直な平面に吐出ポート２５、第２バランスウエイト１９及び空間充填部材２２ｂを投影したとき、吐出ポート２５の投影図が第２バランスウエイト１９の投影図及び／又は空間充填部材２２ｂの投影図に重なっていてもよい。この構成によれば、吐出ポート２５を通って下部空間５に吐出された冷媒が、空間充填部材２２ｂに直接衝突しうる。その結果、空間充填部材２２ｂの内部の空隙に入り込むオイル粒子の量が増すので、空間充填部材２２ｂによるオイル分離効果を十分に得ることができる。

（変形例３）
図２２に示すように、旋回流抑制部としてのカバー２２ｃが、回転子１５を構成する複数の積層鋼板２８を締め付け及び固定する端板と一体に形成されていてもよい。これにより、部品点数を削減できる。カバー２２ｃは、平面視で円環の形状を有している。カバー２２ｃには、連通路２０の入口に対応する位置に複数の貫通孔４４が形成されている。冷媒は、貫通孔４４及びカバー２２ｃの内部を通って、下部空間５から連通路２０へと進むことができる。

（変形例４）
図２３に示す旋回流生成部１４６は、端板２７と、端板２７に一体化された第１バランスウエイト１８とを有する。つまり、鋳造等の方法により、端板２７及び第１バランスウエイト１８が１つの部品で構成されている。このようにすれば、部品点数の削減及び圧縮機の組み立て工程の簡素化を達成できる。

端板２７は、積層鋼板２８にかしめて固定されて回転子１５を構成する。回転子１５の連通路２０は、端板２７の上に設けられた屋根部４６によって覆われている。屋根部４６は、吐出方向偏向部を構成している。１つの連通路２０に対して、１つの屋根部４６が設けられている。連通路２０の出口から見て、屋根部４６は、出口の上方と、回転子１５の回転方向に沿った下流側と、半径方向の内周側と、半径方向の外周側とに壁を作っている。言い換えれば、屋根部４６は、回転子１５の反回転方向にのみ開口している小箱の形を有する。屋根部４６の働きにより、連通路２０からの冷媒は、回転子１５の反回転方向に向かって吐出される。

（変形例５）
図２４Ａに示すように、本変形例では、連通路２０の出口部分４８が電動機６の回転軸Ｏに平行な方向に対して傾いた方向に向かって延びている。圧縮された冷媒は、出口部分４８の働きにより、回転子１５の反回転方向であって回転軸Ｏに平行な方向に対して傾いた方向に偏向されながら連通路２０から上部空間７へと移動する。つまり、出口部分４８によって吐出方向偏向部が構成されている。本変形例によっても、連通路２０からの冷媒流４２が、上部空間７の冷媒流４１に垂直に衝突しない。そのため、連通路２０の出口での圧力損失の増大を防止できる。

図２４Ａには、旋回流を強化するための旋回流生成部が表されていない。しかし、連通路２０の出口を覆わない位置に旋回流生成部（例えば図３に示す邪魔板１２２）を設けることができる。

（変形例６）
図２４Ｂに示す変形例では、旋回流生成部として、出口部分４８と同じ方向に延びるように回転子１５の上面から斜めに突出している邪魔板１２２が設けられている。邪魔板１２２を回転子１５の上面に投影したときに得られる像は、連通路２０の出口に重なっている。つまり、本変形例では、出口部分４８及び邪魔板１２２の両方が吐出方向偏向部としての機能を持っている。この構成によれば、連通路２０からの冷媒流を回転子１５の反回転方向に確実に案内することができる。また、冷媒流４２が偏向される際に発生する圧力損失をより低減できる可能性がある。

変形例１〜６の各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で図１に示すロータリ圧縮機１００に自由に組み合わせることができる。また、本発明はロータリ圧縮機に限定されず、他の密閉型圧縮機にも適用できる。

本発明の密閉型圧縮機は、空調機、給湯機等に用いられる冷凍サイクル装置に好適に採用できる。冷凍サイクル装置の凝縮器及び蒸発器へのオイルの流入量を減らすことができるので、凝縮器及び蒸発器の熱交換効率を改善できる。

Claims (10)

1. 底部にオイル溜りを有する密閉容器と、
   前記密閉容器内に配置され、作動流体を圧縮する圧縮機構と、
   回転子及び固定子を有し、前記密閉容器内において前記圧縮機構よりも上に配置され、前記圧縮機構を駆動する電動機と、
   前記密閉容器の内部空間の一部であって、前記電動機の上に形成された上部空間と、
   前記密閉容器の内部空間の一部であって、前記電動機と前記圧縮機構との間に形成された下部空間と、
   前記上部空間に向かって開口しており、圧縮された作動流体を当該密閉型圧縮機の外部へと導く吐出管と、
   前記回転子の上面から前記上部空間に向かって突出している第１バランスウエイトと、
   前記回転子の上面から前記上部空間に向かって突出しているとともに、前記第１バランスウエイトよりも前記電動機の回転軸に近い位置に配置された旋回流生成部と、
   前記回転子の下面から前記下部空間に向かって突出している第２バランスウエイトと、
   前記圧縮機構で圧縮されて前記下部空間に吐出された作動流体を前記上部空間に導くように前記回転子に形成された連通路と、
   を備え、
   前記電動機を駆動したときに前記第１バランスウエイトが前記回転軸の周りに形成する立体的かつ環状の軌跡を第１軌跡、前記回転軸に平行かつ前記回転軸を含む第１平面によって前記第１軌跡を切断して得られる面を第１断面、前記電動機を駆動したときに前記第２バランスウエイトが前記回転軸の周りに形成する立体的かつ環状の軌跡を第２軌跡、前記回転軸に平行かつ前記回転軸を含む第２平面によって前記第２軌跡を切断して得られる面を第２断面、前記電動機を駆動したときに前記旋回流生成部が前記回転軸の周りに形成する立体的かつ環状の軌跡を第３軌跡、前記回転軸に平行かつ前記回転軸を含む第３平面によって前記第３軌跡を切断して得られる面を第３断面、前記回転軸に平行かつ前記回転軸を含む任意の平面上の特定の領域に含まれた微小領域の面積をｄＡ、前記回転軸から前記微小領域の図心までの距離をｒ、下記式（１）で表される値ＭAを面積二次モーメントと定義したとき、
   ・・・（１）
   前記第１断面に基づく面積二次モーメントと、前記第３断面に基づく面積二次モーメントとの和が、前記第２断面に基づく面積二次モーメントよりも大きく、
   圧縮された作動流体を前記回転子の反回転方向であって前記回転軸に平行な方向に対して傾いた方向に偏向させながら前記連通路から前記上部空間へと移動させる吐出方向偏向部をさらに備えた、密閉型圧縮機。
2. 前記旋回流生成部が前記吐出方向偏向部に兼用されている、請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 前記旋回流生成部は、前記回転子の上面から前記上部空間に向かって突出している邪魔板を前記吐出方向偏向部として含み、
   前記邪魔板を前記回転子の上面に投影したときに得られる像が前記連通路の出口に重なっている、請求項２に記載の密閉型圧縮機。
4. 圧縮された作動流体が前記回転子の反回転方向であって前記回転軸に平行な方向に対して傾いた方向に偏向されながら前記連通路から前記上部空間へと移動するように、前記連通路の出口部分が、前記回転軸に平行な方向に対して傾いた方向に向かって延びており、
   前記出口部分によって、前記吐出方向偏向部が構成されている、請求項１に記載の密閉型圧縮機。
5. 前記旋回流生成部は、前記出口部分と同じ方向に延びるように前記回転子の上面から斜めに突出している邪魔板を含み、
   前記邪魔板を前記回転子の上面に投影したときに得られる像が前記連通路の出口に重なっている、請求項４に記載の密閉型圧縮機。
6. 前記第２バランスウエイトが作動流体を押しのける面の面積を減少させるための旋回流抑制部をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の密閉型圧縮機。
7. 前記旋回流抑制部は、前記第２バランスウエイトが作動流体を押しのける面の面積がゼロとなるように前記第２バランスウエイトを覆うカバーで構成されている、請求項６に記載の密閉型圧縮機。
8. 前記カバーが、前記回転子を構成する要素を締め付け及び固定する端板と一体に形成されている、請求項７に記載の密閉型圧縮機。
9. 前記旋回流抑制部が、前記第２バランスウエイトの旋回軌跡上に設けられており、
   前記旋回流抑制部が、前記第２バランスウエイトの比重よりも小さい比重を有する、請求項６に記載の密閉型圧縮機。
10. オイル粒子を含んだ作動流体が浸入できる空隙を内部に有する材料で前記旋回流抑制部が作られている、請求項９に記載の密閉型圧縮機。