JP5647989B2

JP5647989B2 - 圧縮機

Info

Publication number: JP5647989B2
Application number: JP2011536039A
Authority: JP
Inventors: 岡市　敦雄; 敦雄岡市; 文順咲間; 小川　修; 修小川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: US20120189470A1; CN102575676A; JPWO2011045928A1; CN102575676B; EP2489879A1; EP2489879A4; WO2011045928A1; US8801397B2

Description

本発明は、例えば、エアコンやヒートポンプ給湯機、ヒートポンプ暖房機、冷凍機、カーエアコンなどに利用される、内部で作動流体から油を分離する圧縮機に関する。

従来から、密閉容器内に圧縮機構とモータとを配設し、圧縮機構から密閉容器の内部空間に吐出された作動流体（例えば、冷媒）を吐出配管から排出する圧縮機が知られている。このような圧縮機では、作動流体と共に油が吐出配管から吐出されるのを抑制するために、吐出配管へ導かれる作動流体から遠心力を利用して油を分離する油分離部材が用いられる。例えば、特許文献１には図９に示すような圧縮機５００が記載されている。

この圧縮機５００は、密閉容器５０１内の下側位置に配置され、外部配管５０２を通じて密閉容器５０１の内部空間に作動流体を吐出する圧縮機構５０３と、圧縮機構５０３の上方に配設されたモータ５２０とを備えている。密閉容器５０１の上部中央には、吐出配管５３０が貫通して設けられており、モータ５２０の回転子５２１の上部には、油分離部材５１０が固定されている。

油分離部材５１０は、フラットな回転板５１３と、回転板５１３の上面から縮径しながら上方に延びる円錐状筒体５１２とで構成されている。すなわち、回転板５１３と円錐状筒体５１２によって、上方に向かって窄まりながら開口する、底面よりも開口の小さな窪みが形成されており、その開口から作動流体が窪み内に流入する。また、吐出配管５３０の下方の開口である流入口がその窪み内に位置している。吐出配管５３０の流入口を内部に収める油分離部材５１０が回転子５２１と同期して回転すると、円錐状筒体５１２の内側の作動流体に回転速度成分が与えられ、これにより作動流体中に浮遊する油飛沫が遠心分離される。作動流体から分離された油は、円錐状筒体５１２の内壁面に付着し、内壁面の傾斜に沿って回転板５１３側に導かれる。その後、油は、円錐状筒体５１２の下端に設けられた油放出口５１５から円錐状筒体５１２の外部へと排出される。

しかしながら、特許文献１で示された従来の構成では、円錐状筒体５１２が下向きに広がっているので、袋小路になる回転板５１３側に分離された油が導かれる。そのため、油放出口５１５が小さすぎると、油を排出するための圧力損失が大きくなり、吐出配管５３０の流入口に近い回転板５１３の上に油が溜まる。その結果、作動流体の流れによって油が再び作動流体中に巻き上げられ、その巻き上げられた油が吐出配管５３０から吐出されることになる。一方、油放出口５１５が大きすぎると、円錐状筒体５１２の内側で分離された油で油放出口５１５を閉塞しきれないため、油飛沫を伴った作動流体が油放出口５１５から短絡して円錐状筒体５１２の内側の吐出配管５３０の近傍へ流入する。その結果、吐出配管５３０に導かれる作動流体から油飛沫を分離しきれず、吐出配管５３０から多くの油が吐出されることになる。

上記のような問題は、内部に形成される窪みの開口が底面よりも小さいという油分離部材の形状に起因する。そのため、内部に形成される窪みの開口が底面と同じまたはそれよりも大きくなるように油分離部材の形状を設計すれば、上記のような問題が生じることはない。例えば、特許文献２には、図１０に示すような圧縮機６００が記載されている。

この圧縮機６００は、図９に示す圧縮機５００と同様に、密閉容器６０１、圧縮機構６０２、モータ６２０および吐出配管６３０を備えている。圧縮機６００における油分離部材６１０は、皿状をなしており、回転子６２１の上方でエンドリング６２２とバランスウェイト６２３とで挟まれて固定された底壁６１７と、底壁６１７の周縁から途中までは垂直に途中からは拡径しながら上方に延びる周壁６１８とを有している。さらに、皿状の油分離部材６１０の底壁６１７近傍に、吐出配管６３０の流入口が位置している。また、エンドリング６２２と底壁６１７とで、シャフト６０３を軸方向に貫通する給油孔６０５の上端側が閉塞される。回転子６２１の回転によって一体に固定された油分離部材６１０が回転すると、周壁６１８の内側の作動流体に回転方向の速度成分が与えられ、これにより作動流体中に浮遊する油飛沫が遠心分離される。作動流体から分離された油は、周壁６１８の内壁面に付着し、内壁面の傾斜に沿って上方に導かれる。その後、油は、周壁６１８の上端から遠心力によって径方向外側へ飛ばされる。

実開昭５４−１３７９１２号公報実開昭６２−１２６５８１号公報

特許文献２で示された従来の構成では、遠心分離された油が周壁６１８の内壁面の傾斜によって上端へと導かれることで、油分離部材６１０の内側から外側へと排出される。しかしながら、油の排出方向と作動流体の流れ方向とが対向するため、油分離効率が低下する課題があった。これは、周壁６１８の内壁面上には、上向きに流れる油によってある程度の厚みの油膜が形成されるため、その油膜の表面から下向きの作動流体の流れによって油が再度作動流体中に巻き上げられるからである。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、吐出配管から吐出される油の量をより低減させることができる圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、密閉容器と、前記密閉容器内に配置され、作動流体を圧縮して前記密閉容器の内部空間に吐出する圧縮機構と、前記密閉容器内に配置され、シャフトを介して前記圧縮機構を駆動するモータと、前記シャフトから離れる向きに底面以上の大きさで開口する窪みを形成する周壁および底壁を有し、前記シャフトと共に回転する油分離部材と、前記密閉容器を貫通し、前記窪み内で前記底壁に向かって開口する流入口を有する吐出配管と、を備え、前記油分離部材の周壁には、複数の油排出孔が当該周壁の周方向および前記シャフトの軸方向に分散して設けられている、圧縮機を提供する。

本構成によって、周壁がシャフトの回転を内側の作動流体に伝えるため、周壁の内側に回転方向の速度成分が大きい作動流体流れを誘起する。そのため、周壁の内側に配置された吐出配管の流入口に導かれる作動流体と作動流体中に浮遊する油飛沫に確実に遠心力が作用する。これにより、外周側に位置する周壁の内壁面に油飛沫を衝突させて作動流体から油を分離することができる。さらに、周壁に複数の油排出孔を設けたことにより、周壁の内側へ作動流体が流入する窪みの開口とは別の油排出孔から、分離した油を遠心力を利用して周壁の外側に排出できる。このため、周壁の内壁面に油飛沫が衝突すると最寄の油排出孔からその油をスムーズに排出することができる。これにより、周壁の内壁面上に形成される油膜の厚みを薄く保ち、作動流体の流れによる油膜の表面からの巻き上げを低減できる。

本発明の圧縮機によれば、吐出配管から流出する作動流体が、周壁の回転により回転方向の速度成分を与えられる空間を、必ず通過する。それによって、微細な油飛沫まで作動流体から確実に分離できる。さらに、油排出孔により、作動流体から分離された油を効率的に吐出配管の流入口の近傍から排除することができる。

本発明の実施の形態１に係る圧縮機の縦断面図図１のII−II線断面図油分離部材がシャフトの端面に固定された部分の分解断面図遠心力による面圧を説明するための図油膜厚さと排出孔最小径との関係を示すグラフ本発明の実施の形態１に係る圧縮機の油分離部材による油吐出量減少効果を表す図本発明の実施の形態２に係る圧縮機の縦断面図別の実施の形態に係る圧縮機の縦断面図従来の圧縮機の縦断面図従来の別の圧縮機の縦断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧縮機１００の縦断面図である。図２は、図１のII−II線断面図である。図３は、図１の一部を拡大した分解図である。図６は、圧縮機１００に採用された油分離部材１７Ａによる油吐出量減少効果を表す表である。なお、以下では、作動流体として冷媒を用いた例を説明する。

《構成》
図１において、圧縮機１００は、密閉容器１０１と、密閉容器１０１内の下側位置に配置された圧縮機構１２０と、密閉容器１０１内で圧縮機構１２０の上方に配設されたモータ１３０とを備えている。圧縮機構１２０とモータ１３０とは、シャフト１４０によって動力伝達可能に連結されている。本実施形態では、シャフト１４０の軸方向が鉛直方向になっているが、シャフト１４０の軸方向は例えば水平方向であってもよい。シャフト１４０の上端面には、油分離部材１７Ａが固定されている。すなわち、油分離部材１７Ａは、モータ１３０を挟んで圧縮機構１２０と反対側に位置している。油分離部材１７Ａは、シャフト１４０と共に回転する。

密閉容器１０１の下部には、当該密閉容器１０１を水平方向に貫通する吸入配管１５０が固定されており、密閉容器１０１の上部には、当該密閉容器１０１を鉛直方向に貫通する吐出配管１６０が固定されている。吸入配管１５０は、圧縮機構１２０に直接接続されている。吐出配管１６０は、シャフト１４０の中心軸の延長線に沿って延びており、下方の開口である流入口が密閉容器１０１の内部空間に開口している。さらに、密閉容器１０１の下部には、摺動部の潤滑に利用される油が圧縮機構１２０の周囲に貯留されることにより油溜まり１８０が形成されている。

密閉容器１０１の上部には、外部電源１０２に接続したドライバ１０３と電力線１０４で接続されたターミナル１０５が密閉容器１０１を貫通するように取り付けられている。ターミナル１０５は、モータ１３０と電力線１０６で接続されている。

圧縮機構１２０は、冷媒を圧縮して密閉容器１０１の内部空間に吐出する。本実施形態では、ロータリ型の圧縮機構１２０が採用されている。具体的に、圧縮機構１２０は、密閉容器１０１の内周面に溶接等で固定された上軸受部材１２１と、上軸受部材１２１の下方に配設されたシリンダ１２２と、シリンダ１２２の下方に配設された下軸受部材１２３とを備えている。上軸受部材１２１と下軸受部材１２３は、シャフト１４０を回転自在に支持する。

図２に示すように、シリンダ１２２の内側には、シャフト１４０の下部に設けられた偏心部１４１に回転自在に嵌合されたピストン１２４が配設されている。シリンダ１２２にはベーン溝１２２ａが設けられており、このベーン溝１２２ａにはベーン１２６が嵌め込まれている。ベーン１２６は、先端でピストン１２４の外周面に接触し、背面からベーンばね１２５によってピストン１２４に押し付けられている。図１に戻って、シリンダ１２２には、吸入配管１５０とシリンダ１２２の内側空間とを連絡する吸入経路１２２ｂが設けられている。上軸受部材１２１には、一端がシリンダ１２２の内側空間に連通し、他端が上軸受部材１２１の上方に配設されたマフラー１２７で囲われる空間に連通する吐出経路１２１ａが設けられている。吐出経路１２１ａのマフラー１２７側には、吐出バルブ１２８とバルブストップ１２９が配設されている。

モータ１３０は、シャフト１４０を介して圧縮機構１２０を駆動する。具体的に、モータ１３０は、密閉容器１０１の内周面に溶接等で固定された固定子１３１と、シャフト１４０に焼バメ等で固定された回転子１３２とで構成されている。回転子１３２と固定子１３１の間には、エアギャップ１３３が設けられ、回転子１３２は固定子１３１による干渉を受けない。固定子１３１には、固定子コア１３１ａに巻き付けた電力線１０６によって、固定子コア１３１ａの上側に突出した上側コイルエンド１３１ｂと、固定子コア１３１ａの下側に突出した下側コイルエンド１３１ｃとが形成されている。固定子コア１３１ａの外周部には複数の切欠きが設けられており、これらの切欠きと密閉容器１０１の内壁とによって複数の外側冷媒流路１３１ｄが形成されている。一方、回転子１３２は、回転子コア１３２ａと、回転子コア１３２ａの上下端面に固定されるリング状の上バランスウェイト１３２ｃおよび下バランスウェイト１３２ｄと、上バランスウェイト１３２ｃおよび下バランスウェイト１３２ｄを回転子コア１３２ａとカシメ固定する複数のカシメ部材１３２ｂを含む。回転子コア１３２ａには、バランスウェイト１３２ｃ，１３２ｄの内側で当該回転子コア１３２ａをシャフト１４０の軸方向に貫通する複数の貫通孔によって複数の内側冷媒流路（本発明の回転子流路に相当）１３２ｅが形成されている。内側冷媒流路１３２ｅは、例えば、同一円周上に等角度間隔で配置される。

シャフト１４０には、油溜まり１８０の油を圧縮機構１２０へ供給するための給油孔１４２が、当該シャフト１４０の中心軸上に当該シャフト１４０を鉛直方向に貫通するように設けられている。すなわち、給油孔１４２は、シャフト１４０の中心軸に沿って延びている。給油孔１４２の下側部分は直径の大きな大径部１４２ａとなっており、給油孔１４２の上側部分は直径の小さな小径部１４２ｂとなっている。給油孔１４２の大径部１４２ａには、油を汲み上げる油はね１４７が挿入され、油はね１４７の下側では、大径部１４２ａへの圧入によって油はね蓋１４８が固定されている。また、シャフト１４０には、給油孔１４２の大径部１４２ａから偏心部１４１とピストン１２４との摺動面へ開口する偏心部油孔１４３と、回転子１３２と上軸受部材１２１との間で外周面から給油孔１４２の小径部１４２ｂに至るガス抜き孔１４４とが形成されている。さらに、シャフト１４０の上端面には、油分離部材１７Ａをシャフトの上端面に固定する後述する締結部品１７２が挿入される締結穴１４５が設けられている。なお、締結穴１４５については、後述にて詳細に説明する。

油分離部材１７Ａは、シャフト１４０の上端面と対向する円盤状の底壁１７５と、底壁１７５の周縁からシャフト１４０と反対方向（上方）に延びる、底壁１７５の中心を通る垂線に対して回転対称な周壁１７３とを有している。周壁１７３の中心軸は、シャフト１４０の中心軸の延長線上に位置している。底壁１７５および周壁１７３は、シャフト１４０から離れる向きに底面以上の大きさで開口する窪み１７１を形成する。すなわち、窪み１７１の底面は、底壁１７５の上面によって構成される。本実施形態では、周壁１７３が底壁１７５の周縁から拡径しながら上方に延びるテーパー状をなしており、窪み１７１の開口が底面よりも大きくなっている。ただし、周壁１７３は、例えば、底壁１７５の周縁からシャフト１４０の軸方向に平行に延びる筒状をなしていて、窪み１７１の開口が底面と同じ大きさとなっていてもよい。さらに、本実施形態では、油分離部材１７Ａに、周壁１７３の上端（底壁１７３と反対側の端部）から径方向外側に張り出す鍔部１７６が設けられている。

上述した吐出配管１６０の流入口は、周壁１７３の中心軸上に位置し、窪み１７１内で底壁１７５に向かって開口している。吐出配管１６０の流入口から底壁１７５までの距離は、シャフト１４０の軸方向における周壁１７３の高さの１／２以下であることが好ましい。その距離があまりにも大きいと、油飛沫が完全に分離される前の冷媒も吐出配管１６０の流入口に流入するからである。吐出配管１６０の流入口から底壁１７５までの距離は、より好ましくは周壁１７３の高さの１／４以下である。ただし、吐出配管１６０の流入口を底壁１７５に極端に近づけるとそれらの間での冷媒の流速があまりにも速くなるため、吐出配管１６０の流入口から底壁１７５までの距離は、吐出配管１６０の内径寸法以上とすることが好ましい。

周壁１７３には、当該周壁１７３の内部から外部に油を排出するための複数の油排出孔１７４が、当該周壁１７３の周方向およびシャフト１４０の軸方向に分散して設けられている。本実施形態では、油排出孔１７４が、一定数の油排出孔１７４が等角度ピッチ（図例では３０°ピッチ）で配列された配列円がシャフト１４０の軸方向に並ぶように形成されている。なお、図例では、シャフト１４０の軸方向から見たときに油排出孔１７４が放射線状に並ぶように、配列円が同じ向きでシャフト１４０の軸方向に並んでいるが、配列円は、シャフト１４０の軸方向から見たときに油排出孔１７４が千鳥状に並ぶように、上記ピッチの半分ずつ向きを変えながらシャフト１４０の軸方向に並んでいてもよい。

油排出穴１７４は、金属板をプレス加工することにより、油分離部材１７Ａを成型するのと同時に形成することができる。このとき、油排出孔１７４は、周壁１７３の内側から外側への方向の打ち抜きにより形成されることが好ましい。

周壁１７３は、圧縮機構１２０から吐出された冷媒がモータ１３０の回転子に設けられた内側冷媒流路１３２ｅを通じて当該周壁１７３に当たり、当該周壁１７３によって外向きにガイドされるように拡径していることが好ましい。すなわち、周壁１７３の下端（底壁１７５側の端部）が内側冷媒流路１３２ｅよりも径方向内側に位置し、周壁１７３の上端が内側冷媒流路１３２ｅよりも径方向外側に位置していることが好ましい。このようになっていれば、油排出孔１７４から外部に排出された油を、内側冷媒流路１３２ｅを通じて吹き上がる冷媒によって固定子１３１の外周側に導くことができ、油溜まり１８０への油戻しがスムーズになるからである。

図３に示すように、底壁１７５の中心には、周壁１７３の中心軸を中心とする円形状の貫通穴１７７が形成されている。

締結部品１７２は、断面略Ｔ字状の軸部材であり、貫通穴１７７よりも直径の大きな頭部１７２ａと、貫通穴１７７と嵌合する、貫通穴１７７よりも僅かに小さな直径の位置決め部１７２ｂと、位置決め部１７２ｂよりも直径が小さい圧入部１７２ｃとで構成されている。これら１７２ａ〜１７２ｃは全て同心である。

一方、締結部品１７２が挿入される締結穴１４５は、シャフト１４０の上端面から２段で窪む形状を有しており、位置決め部１７２ｂが遊嵌する、入口側の逃がし穴１４６ｂと、圧入部１７２ｃが圧入される、奥側の保持穴１４６ａとで構成される。保持穴１４６ａは、シャフト１４０の中心軸と同心であり、給油孔１４２の小径部１４２ｂよりも大きくかつ圧入部１７２ｃよりも若干小さな直径を有している。逃がし穴１４６ｂは、シャフト１４０の中心軸と同心で、保持穴１４６ａおよび位置決め部１７２ｂよりも大きな直径を有している。また、逃がし穴１４６ｂの深さは、位置決め部１７ｂの高さから底壁１７５の厚さを引いた値よりも深くなっている。

油分離部材１７Ａは、圧入部１７２ｃが保持穴１４６ａ側に来るように締結部品１７２を貫通穴１７７に通し、圧入部１７２ｃを保持穴１４６ａに圧入し、シャフト１４０の上端面と締結部品１７２の頭部１７２ａとで底壁１７５を挟み込むことにより、シャフト１４０の上端面に固定される。この際、位置決め部１７２ｂは貫通穴１７７に嵌合してシャフト１４０に対する油分離部材１７Ａの位置決めを行う。更に、位置決め部１７２ｂは、逃がし穴１４６ｂによってシャフト１４０と干渉しない。

次に、図４および図５を参照して、油排出孔１７４の数量および大きさについて説明する。

まず、図４に示すように、底壁１７５および周壁１７３上に、一定の厚さｔ[m]の油膜が形成されると仮定する。回転軸から距離ｒ[m]離れた位置の、遠心力によって周壁１７３に作用する面圧Ｐ_f[Pa]は、周壁１７３上の単位面積（１ｍ²）の油膜にかかる遠心力Ｆ[N]にｃｏｓθ（θ：周壁の回転軸に対する角度[rad]）をかけたものであるから、次の式１で表される。

ρ：油の密度[kg/m³]
ω：回転速度[rad/s]

一方、油の体積流量をＭ[m³/s]、油排出孔１７４の直径をＤ[m]、油排出孔１７４の数量をＮ[個]とし、全ての油が一様に油排出孔１７４から排出されると仮定すると、油排出孔１７４を通過する油の速度Ｖ[m/s]は次の式２で表される。

油排出孔１７４での圧力損失Ｐ_loss[Pa]は、ダルシーとワイズバッハの式から、次の式３で表される。

Ｔ：周壁の厚さ[m]

式３中の管摩擦係数λは、次の式４から求められ、式４中のレイノルズ数Ｒｅは、次の式５から求められる。

ν：油の動粘度[m²/s]

式４および式５から、式３は次の式６のように書き換えられる。

油が遠心力によって油排出孔１７４から排出されるための必要条件は、次の式７の通りである。

ところで、遠心力は、回転軸からの距離が小さいほど小さいため、最も条件が厳しい位置は周壁１７３の下端である。そこで、式７に、式１および式６を代入するとともに、式１中のｒとして周壁１７３の最小半径ｒ₀[m]を用い、さらに左辺に変数、右辺に数値を集めると、式７は次の式８になる。

ここで、以下の条件を式８に代入すると、油膜厚さｔと排出孔最小径（式８から求まるＤの下限値）との関係は、排出孔の数量Ｎに応じて図５に示すように変化する。
油の条件：ν＝5×10^-6[m²/s]、Ｍ＝4.7×10^-7[m³/s]
周壁形状：ｒ₀＝0.025[m]、θ＝0.52[rad]（＝30[deg]）、Ｔ＝0.001[m]
回転速度：ω＝628[rad/s]（＝100[rps]）

上述したように、吐出管１６０の流入口は可能な限り底壁１７５の近くにあることが好ましい。そのためには、底壁１７５上の油膜厚さｔが小さく抑えられている必要がある。例えば、底壁１７５上の油膜厚さｔを０．１ｍｍ以下に抑えためには、Ｎ＝70[個]の場合、図５から油排出孔１７４の直径Ｄは０．２ｍｍ以上必要である。

《動作》
次に、圧縮機１００の動作を説明する。外部電源１０２から供給された電力をドライバ１０３でモータ駆動用の周波数および電圧に調整し、その電力を電力線１０４とターミナル１０５を経て電力線１０６に供給すると、固定子１３１の固定子コア１３１ａに磁界が発生し、固定子コア１３１ａの磁界変化によって回転子１３２と固定子１３１との間に回転トルクが発生する。この回転トルクが回転子１３２を回転させ、回転子１３２が固定されたシャフト１４０も回転運動を開始する。シャフト１４０の回転による偏心部１４１の偏心運動により、偏心部１４１に回転自在に嵌合したピストン１２４とシリンダ１２２の間のベーン１２６で仕切られた２つの圧縮室（上軸受部材１２１と下軸受部材１２３とで上下から閉塞された圧縮室）の容積が変化する。吸入経路１２２ｂに連通している間は、圧縮室の状態は吸入工程におかれ、シャフト１４０の回転による圧縮室の容積増加で吸入配管１５０と吸入経路１２２ｂを通じて冷媒を吸引する。更にシャフト１４０が回転すると、ピストン１２４によって圧縮室と吸入経路１２２ｂとの連通が遮断され、圧縮室の状態は圧縮・吐出工程に移る。圧縮・吐出工程では、シャフト１４０の回転による圧縮室の容積減少で冷媒が圧縮され、圧縮室内の圧力がマフラー１２７側の吐出圧力に達すると吐出バルブ１２８が開いて、吐出経路１２１ａを通じて圧縮室からマフラー１２７で囲われる空間内へ冷媒が押し出される。マフラー１２７で消音された冷媒は、モータ１３０の下方領域に吐出される。

モータ１３０の下方領域に吐出される冷媒には、圧縮室を通過する際に油が混入する。これは、密閉容器１０１の内部空間が圧縮機構１２０からの吐出冷媒の圧力（吐出圧力）で満たされるため、油溜まり１８０に開口するベーン１２６の背面空間や、給油孔１４２および偏心部油孔１４３を通じて油溜まり１８０と連通するピストン１２４の内側には、吐出圧力の油が存在するからである。すなわち、吸入工程で吐出圧力よりも低い吸入圧力状態にある圧縮室や、圧縮工程で吐出圧力と吸入圧力の間の圧力状態にある圧縮室に向かって、ベーン１２６の周囲のクリアランスや、ピストン１２４の上下のクリアランスから吐出圧力の油が漏れこんでくることがその原因である。よって、モータ１３０の下方領域に吐出される冷媒には、ミクロンサイズの油飛沫が含まれる。

モータ１３０の下方領域に吐出された冷媒は、回転子１３２の内側冷媒流路１３２ｅ、エアギャップ１３３および固定子１３１の外側冷媒流路１３１ｄのいずれかを通過してモータ１３０の上方領域に押し上げられる。モータ１３０の上方領域に至った冷媒は、吐出配管１６０の流入口に向かって窪み１７１の開口から油分離部材１７Ａの内側に流れ込み、窪み１７１内で油が分離された後に吐出配管１６０から外部の冷凍サイクルへと吐出される。

窪み１７１内で冷媒から分離された油は、油排出孔１７４から油分離部材１７Ａの外側に排出される。油排出孔１７４から排出された油は、エアギャップ１３３または内側冷媒流路１３２ｅを吹き上がる冷媒と共に、鍔部１７６と上側コイルエンド１３１ｂの間から上側コイルエンド１３１ｂの上方でさらに径方向外側に排出され、上側コイルエンド１３１ｂの周囲、外側冷媒流路１３２ｅ、および上軸受部材１２１の適所に設けられた開口を通じて油溜まり１８０に戻る。

《効果》
モータ１３０の上方領域で、シャフト１４０に固定された油分離部材１７Ａが回転することにより、モータ１３０の上方領域の冷媒に回転方向の速度成分が与えられる。これにより、冷媒中に浮遊する、冷媒よりも比重が大きな油の飛沫が密閉容器１０１の内周面側へと遠心分離される。特に、窪み１７１内の吐出配管１６０の近傍の冷媒は、周壁１７３に囲まれているため回転方向の速度成分が強くなり、冷媒中に浮遊する微細な油飛沫まで遠心分離することができる。さらに、周壁１７３に複数の油排出孔１７４を備えるため、遠心分離されて周壁１７３の内壁に付着した油を、油排出孔１７４から周壁１７３の外側へ排出できる。これによって、分離した油を、周壁１７３の内側へ冷媒が流入する窪み１７１の開口とは別の油排出孔１７４から遠心力の利用により冷媒の流れに逆らうこと無く周壁１７３の外側に排出できる。このため、周壁１７３の内壁面に油飛沫が衝突すると最寄の油排出孔１７４からその油をスムーズに排出することができる。これにより、周壁１７３の内壁面に付着する油膜の厚みを薄く保ち、冷媒の流れによる油膜の表面からの再巻き上げを低減できる。

油排出孔１７４を油が通過する際の作用力のバランスの観点から、冷媒中に浮遊する油飛沫の量が増えた場合、油排出孔１７４から周壁１７３の外側へ排除すべき油の量も増加するため、油排出孔１７４を通過する際の圧力損失が増加する。しかしながら、一方で周壁１７３の内壁面に付着した油の膜厚が増加するため、周壁１７３の内壁面に垂直な方向への遠心力による油の圧力が増加し、自律的にバランスする。

さらに、周壁１７３がテーパー状であり、周壁１７３の内径が底壁１７５の側ほど小さいため、周壁１７３の内壁面に付着する油は、油に作用する遠心力の働きで吐出配管１６０の近傍から離れるように周壁１７３の上端へと周壁１７３の内壁面上を流れ、周壁１７３の上端に到達する前に、道中に位置する複数の油排出孔１７４から排出される。また、周壁１７３のモータ１３０側に底壁１７５があるので、回転子１３２の内側冷媒流路１３２ｅを通過する油飛沫を伴った冷媒が、窪み１７１の開口と反対側から吐出配管１６０へ短絡することを防止できる。さらに、吐出配管１６０の流入口を周壁１７３の中心軸上でかつ周壁１７３の内側に配置したことによって、周壁１７３による遠心分離で油飛沫が最も希薄になった冷媒を外部の冷凍サイクルへ吐出することができる。

また、締結部品１７２をシャフト１４０の上部に圧入して油分離部材１７Ａを挟み込む構成のため、油分離部材１７Ａを、プレス加工で容易に成型できる単純な形状でもシャフト１４０に固定することができる。従って、油分離部材１７Ａを安価に製造できる。さらにシャフト１４０に締結部品１７２を圧入する簡便な組み立てで油分離部材１７Ａが固定できるため、油分離部材を有しない従来の圧縮機を組立てるのに比べて、油分離部材１７Ａの組み込みに追加で必要な工程時間は僅かでよいため、製造コスト増加を抑制できる。また、締結穴１４５の保持穴１４６ａがシャフト１４０と同心であるとともに締結部品１７２の位置決め部１７２ｂと圧入部１７２ｃとが互いに同心であり、さらに油分離部材１７Ａの底壁１７５の中心に貫通穴１７７が設けられているので、締結部品１７２の位置決め部１７２ｂを貫通穴１７７に通して圧入部１７２ｃを保持穴１４６ａに圧入するだけで、油分離部材１７Ａの軸心（底壁１７５の中心および周壁１７３の中心軸）をシャフト１４０の中心軸と容易に一致させることができる。その結果、シャフト１４０に関わる新たなアンバランス要素となることを防止できる。ただし、油分離部材１７Ａの軸心はシャフト１４０の中心軸と若干ずれていてもよい。この場合には、周壁１７３が小さな偏心運動を起こすようになり、周壁１７３の周囲の冷媒に回転方向の速度成分を伝えやすくなって遠心分離が促進できる。また、シャフト１４０に逃がし穴１４６ｂを設けることにより、締結部品１７２をシャフト１４０の締結穴１４５に挿入する際に、位置決め部１７２ｂと締結穴１４５との干渉を防止できるため、位置決め部１７２ｂの長さに関する精度管理が不要になる。これにより、締結部品１７２を安価に製造できる。

回転子１３２と上軸受部材１２１との間で給油孔１４２からシャフト１４０の外周側へ貫通するガス抜き孔１４４が設けられているので、締結部品１７２で給油孔１４２の上端が閉塞されても、給油孔１４２の下部から供給される油の界面に吐出圧力を作用させることができる。しかも、起動時などで油に溶け込んだ冷媒が給油孔１４２の中で発泡しても、発泡した冷媒をガス抜き孔１４４から排出することで、給油孔１４２の必要な高さまで油を確保できる。

また、回転子１３２の内側冷媒流路１３２ｅから押し出された油飛沫を伴った冷媒には、油排出孔１７４から排出した油が混じることで、多くの油飛沫が伴われることになる。この冷媒が周壁１７３の上端から冷媒の流れに沿って周壁１７３の内側へと導かれると、周壁１７３の内側から排除するべき油量が増加する。これに対し、本実施形態のように鍔部１７６が設けられていれば、周壁１７３の外側の冷媒の流れが周壁１７３の上端を回り込んで短絡することを防止できる。このため、周壁１７３の内側へ供給される冷媒は、回転子１３２や上バランスウェイト１３２ｃそれに油分離部材１７Ａの回転によるモータ１３０の上方領域の回転方向の冷媒流れによって、大まかに油飛沫が分離された状態であり、周壁１７３の内側での油分離負荷を低減できる。

さらに、油排出孔１７４が周壁１７３の内側から外側への方向の打ち抜きにより形成されていれば、油排出孔１７４の内側形状は、周壁１７３の内側から外側に向かって徐々に開口が小さくなり、一方で油排出孔１７４の外側形状は、バリの立った状態になる。このため、油排出孔１７４を通じた周壁１７３の内側から外側への油の排出は流体の圧力損失の観点から容易に行われるが、逆に周壁１７３の外側から内側へ冷媒が吹き抜けることは容易ではない。すなわち、油排出孔１７４を通じた周壁１７３の外側から内側への冷媒の短絡を防止しつつ、周壁１７３の内側から油を容易に排出することができるため、吐出配管１６０からの油の吐出量を低減できる。

さらに、油排出孔１７４を、周壁１７３に満遍なく複数形成したことで、周壁１７３の内側のいずれの場所で冷媒から油飛沫が分離されても、周壁１７３の内壁面に油が付着して、最寄りの油排出孔１７４から速やかに周壁１７３の外側へ油を排出できる。従って、周壁１７３の内壁面に付着した油が冷媒の流れによって再度巻き上げられることを防止できる。

図３に示されるように、本発明の実施の形態１に記載された油分離部材１７Ａによる上記の効果で、吐出配管１６０から吐出される油の量が９分の１以下まで低減できることを実機で確認した。なお、この実機では、油排出孔１７４の数量を７０個、油排出孔１７４の直径を０．５ｍｍとした。この直径は、図５から求めた、底壁１７５上の油膜厚さｔを０．１ｍｍ以下に抑えるために必要な直径（０．２ｍｍ）に対し、安全率を２．５とった値である。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る圧縮機２００の縦断面図である。図７において、図１および図２と同じ構成要素については、同じ符号を用い、説明を省略する。

《構成》
本実施形態では、モータ１３０の回転子１３１に固定された油分離部材１７Ｂが採用されている。具体的に、油分離部材１７Ｂでは、底壁１７５に貫通穴１７７（図３参照）が設けられていない代わりに、底壁１７５を取り囲む環状の支持部１７８が底壁１７５に連続して設けられている。このような油分離部材１７Ｂは、底壁１７５と支持部１７８を一枚の金属板で構成し、この金属板に周壁１７３の下端を溶接などで固定すればよい。

支持部１７８には、モータ１３０の回転子１３２のカシメ部材１３２ｂが通る複数の貫通穴１７８ａが形成されている。そして、下バランスウェイト１３２ｄと回転子コア１３２ａと上バランスウェイト１３２ｃと支持部２７８とが順に重ねられて、カシメ部材１３２ｂでカシメ固定されている。

なお、図例では、支持部１７８が上バランスウェイト１３２ｃの形状に合わせた三次元的な形状になっているが、支持部１７８がフラットであり、支持部１７８と上バランスウェイト１３２ｃとの間に上バランスウェイト１３２ｃの形状に合わせたスペーサが配設されていてもよい。

《効果》
油分離部材１７Ｂの支持部１７８がカシメ部材１３２ｂで回転子１３２の他の構成要素と共に回転子コア１３２ａにカシメ固定されるので、カシメ部材１３２ｂの長さが支持部１７８の厚みだけ長くなる以外に圧縮機２００の他の構成要素の形状を変更する必要が無い。このため、従来の圧縮機に後付が容易であることと、モータ１３０の製造工程で油分離部材１７Ｂを組み込むことができるため、圧縮機２００の組立工程への変更がほぼ無いことで高い油分離性能を安価に付加することができる。
（その他の実施の形態）

本発明の圧縮機は、実施の形態１および実施の形態２で説明したような、密閉容器１０１内に流体機械として圧縮機構１２０のみが配置された圧縮機に限られない。例えば、図８に示すように、密閉容器１０１内には、膨張する冷媒から動力を回収し、回収した動力をシャフト１４０に伝える膨張機構３２０が配置されていてもよい。膨張機構３２０は、シャフト１４０と連結器３４０によって連結された副シャフト３３０を有しており、密閉容器１０１を貫通する吸入配管３５０を通じて外部から冷媒を吸入し、膨張した冷媒を密閉容器１０１を貫通する吐出配管３６０を通じて外部に吐出する。

なお、図８中に示される圧縮機構１２０では、上軸受部材１２１に吸入経路１２２ｂが設けられ、下軸受部材１２３に吐出経路１２１ａが設けられている。また、下軸受部材１２３の下方には、下軸受部材１２３に設けられた吐出室１２１ｂを閉塞する閉塞部材３１０が配設されており、吐出室１２１ｂとモータ１３０の下方領域とを連通する第２の吐出経路１２１ｃが、下軸受部材１２３、シリンダ１２２および上軸受部材１２１を貫通して設けられている。

また、圧縮機構１２０と膨張機構３２０を別々に収容するように、図８に示す密閉容器１０１を２分割し、これらの密閉容器を均油管および均圧管で接続してもよい。さらに、膨張機構３２０を収容する密閉容器内には、副シャフト３３０に発電機を取り付け、この発電機の回転子または副シャフト３３０に油分離部材１７Ａ（または１７Ｂ）を固定してもよい。

また、本発明の圧縮機は、周壁が作動流体に回転方向の速度成分を与えることによる遠心分離作用と、周壁に設けた複数の油排出孔から分離された油を外側に排出して作動流体による油飛沫の再巻上げ防止作用によって、効率的に作動流体から油を分離する効果を発揮する。実施の形態１および実施の形態２では、モータ１３０と圧縮機構１２０とが鉛直方向に並んで配置されているが、それらは水平方向に並んで配置されていても上記の効果に影響は無い。すなわち、本発明は、縦型の圧縮機に限定されるものではない。また、上記の効果は圧縮機構の形式にも影響されないため、圧縮機構としてはロータリ形式に限らず、スクロール、スウィング、レシプロ、ベーンロータリ、ヘリカル、スクリュー、ターボなど様々な形式の圧縮機構を用いることができる。

さらには、本発明の油分離部材は、必ずしもモータを挟んで圧縮機構と反対側に位置している必要はない。例えば、図１に示す構成では、モータ１３０と圧縮機構１２０が上下逆に配置されており、油分離部材１７Ａがシャフト１４０の圧縮機構１２０側の端面に固定されていてもよい。この場合、ガス抜き孔１４４は、圧縮機構１２０と油分離部材１７Ａの間に形成すればよい。

本発明の圧縮機は、高性能かつ安価な油分離部材で構成され、エアコンやヒートポンプ給湯機、ヒートポンプ暖房機、冷凍機、カーエアコン等の冷凍サイクルに利用される圧縮機として有用である。

Claims

密閉容器と、
前記密閉容器内に配置され、作動流体を圧縮して前記密閉容器の内部空間に吐出する圧縮機構と、
前記密閉容器内に配置され、シャフトを介して前記圧縮機構を駆動するモータと、
前記シャフトから離れる向きに底面以上の大きさで開口する窪みを形成する周壁および底壁を有し、前記シャフトと共に回転する油分離部材と、
前記密閉容器を貫通し、前記窪み内で前記底壁に向かって開口する流入口を有する吐出配管と、を備え、
前記周壁は、前記底壁の周縁から拡径しながら前記シャフトの軸方向に延びるテーパー状をなしており、
前記油分離部材の周壁には、複数の油排出孔が当該周壁の周方向および前記シャフトの軸方向に分散して設けられ、
前記複数の油排出孔の内側形状は、前記周壁の内側から外側に向かって徐々に開口が小さくなる形状である、圧縮機。
前記周壁の外側における前記複数の油排出孔の外側形状は、バリの立った状態である、請求項１に記載の圧縮機。
前記吐出配管の流入口から前記底壁までの距離は、前記シャフトの軸方向における前記周壁の高さの１／２以下である、請求項１または２に記載の圧縮機。
前記油分離部材を前記シャフトの端面に固定する締結部品をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機。
前記底壁の中心には貫通穴が設けられており、
前記締結部品は、前記貫通穴よりも直径の大きな頭部と、前記貫通穴と嵌合する位置決め部と、前記位置決め部よりも直径が小さい圧入部とを有し、
前記シャフトの端面には、前記締結部品が挿入される締結穴が設けられており、この締結穴は、前記圧入部が圧入される保持穴と前記位置決め部が遊嵌する逃がし穴とを含む、請求項４に記載の圧縮機。
前記シャフトには、当該シャフトの中心軸に沿って延びる、油を前記圧縮機構へ供給するための給油孔と、前記圧縮機構と前記油分離部材との間で当該シャフトの外周面から前記給油孔に至るガス抜き孔とが形成されている、請求項５に記載の圧縮機。
前記モータは、前記シャフトに固定された回転子を有し、前記油分離部材は、前記回転子に固定されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機。
前記油分離部材は、前記底壁を取り囲む、前記底壁に連続して設けられた環状の支持部をさらに有し、
前記回転子は、回転子コアと、前記回転子コアの端面に固定されるバランスウェイトと、前記バランスウェイトを前記回転子コアとカシメ固定するカシメ部材とを含み、
前記支持部は、前記カシメ部材によって前記バランスウェイトと共に前記回転子コアとカシメ固定されている、請求項７に記載の圧縮機。
前記油分離部材は、前記モータを挟んで前記圧縮機構と反対側に位置しており、
前記モータは、前記シャフトに固定された回転子を有し、前記回転子には、当該回転子を前記シャフトの軸方向に貫通する複数の回転子流路が形成されており、
前記周壁は、前記圧縮機構から吐出された作動流体が前記複数の回転子流路を通じて当該周壁に当たり、当該周壁によって外向きにガイドされるように拡径している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧縮機。
前記複数の油排出孔は、前記周壁の内側から外側への方向の打ち抜きにより形成されたものである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧縮機。
前記油分離部材は、前記周壁の前記底壁と反対側の端部から径方向外側に張り出す鍔部をさらに有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧縮機。
前記複数の油排出孔は、当該油排出孔が等角度ピッチで配列された配列円が前記シャフトの軸方向に並ぶように形成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の圧縮機。