JP5951039B2 - ロータリ圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、ヒートポンプ機器に使用される冷媒圧縮機の一種であるロータリ圧縮機に関するものである。
従来から、空調機や給湯機などのヒートポンプ機器では、冷媒圧縮機を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルが一般的である。つまり、ヒートポンプ機器は、冷媒圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を配管で接続して形成された冷凍サイクルが搭載され、用途(たとえば、空調用途や給湯用途など)に応じた運転を実行できるようになっている。
ロータリ圧縮機は、密閉容器内に圧縮機構部と電動機部とを収納すると共に、圧縮機構部のシリンダ内に、駆動軸の偏心軸部に回転自在に装着されたピストンと、バネによって付勢され、ピストンの外周面に常時その先端部を接触させてシリンダ内のシリンダ室を吸入室と圧縮室とに仕切るベーンとを備えた構造が一般的である。
この種のロータリ圧縮機では、シリンダ室において吸入室側から圧縮室側に冷媒が漏洩するのを防ぐため、ベーンがピストンの外周面に強く押圧しておく必要がある。したがって、ベーン先端部がピストンとの相対摺動による摩擦で摩耗し、圧縮機効率の低下が生じる。そこで、特許文献1には、ピストンの外周面に凹部を設け、ベーン先端部が凹部に嵌合するようにし、ピストンの回転を防止することで摩擦を防止し、圧縮機効率の低下を改善するようにしたロータリ圧縮機が開示されている。
この種のロータリ圧縮機の形式には、ローリングピストン形式と揺動ピストン形式とがある。ローリングピストン形式は、駆動軸の回転に伴い、ピストンが偏心軸を中心として回転しながら、シリンダ室のシリンダ内周面に沿って偏心移動する形式である。揺動ピストン形式は、ピストンが偏心軸を中心とした回転はせずに、シリンダ室のシリンダ内周面に沿って偏心移動する形式である。
非特許文献1には、ベーン先端がピストン側面に形成した凹部に嵌合されて、ピストンが揺動運動する形式(分離形揺動ピストン形式)が開示されている。ローリングピストン形式に比べてベーン先端とピストンとの間の摺動速度が遅く、機械摩擦損失の低減が図れることが期待できる。非特許文献1では理論的な検討が示され、揺動ピストン形式の機械摩擦損失の低減されることが検証されている。
特許文献1のロータリ圧縮機は、シリンダ室を一つ備えた単気筒ロータリ圧縮機であるが、近年では、シリンダ室を二つ備えた2気筒ロータリ圧縮機も標準化されつつある。また、特許文献2には、2気筒ロータリ圧縮機において2つのシリンダ室の2つのピストンの両方を揺動ピストン形式とした圧縮機が開示されている。
地球温暖化防止の観点から、1997年京都議定書にフロン冷媒を含む温室効果ガスの排出規制が盛り込まれ、2005年国際法として発効された。そして、CO排出量を削減する省エネルギー技術として、ヒートポンプ機器の普及促進と、GWP(地球温暖化係数)の小さな冷媒への転換がグローバル的に進められている。近年では、自然冷媒ではCO冷媒が注目され、国内の電気式ヒートポンプ給湯機として実用化されている。低GWPの代替フロン冷媒として、短中期的にはR32冷媒が広く空調機用途として有力である。しかしながら、CO冷媒やR32冷媒は高圧で動作するため、圧縮機構部にかかる荷重が増加し、上述したように摺動部の摩擦力増加による圧縮機効率の低下と耐久性、信頼性の低下が問題であった。
このような地球温暖化防止対策が進められるなか、過去には、その当時、R22冷媒から比較的高圧な代替冷媒(R410A冷媒)転換が進められたことがある。この際、ロータリ圧縮機のベーン先端部とピストン外周面との相対摺動に起因して、ベーン先端部の異常摩耗という問題や、スラッジの発生による冷凍空調機器の絞り部の閉塞という信頼性に関する問題が発生した。特許文献1〜2は、主にこの問題を解決するために成されたものである。
更に、近年、空調機器の省エネ規制が各国で強化され、実運転に近い運転基準に変更されつつある。国内では従来の定格条件での成績係数である冷暖平均COPでの効率改善から、2011年より、実運転条件に近い指標としてAPF(通年エネルギー消費効率)表示に変更となった。今後、更に、実運転に近い新規格へ変更されることが予測される。
例えば、暖房運転で空調機の起動時に必要な定格暖房能力を100%とすると、常時(起動後の運転時)に必要な暖房能力は10%から50%程度である。言い換えれば、年間を通じて定格条件で運転される時間は非常に短く、年間を通した運転時間のうち、その大半が10%から50%程度の低負荷領域で運転されることになる。よって、この低負荷領域での効率の方が、定格能力より実質APFに与える影響が大きい。
冷暖房能力を調整する手段として古くからON−OFF制御が用いられており、温調変動幅や振動騒音が大きいこと、省エネが損なわれる等の問題点があった。近年、これを解決するため圧縮機を駆動する電動機の回転数を可変するインバーター制御が普及してきた。近年、空調機に対しては、起動時間の短縮の要求や、より厳しい環境(低温又は高温)での運転要求があることから、一定以上の定格能力が必要となっている。しかし、その一方で、高断熱住宅化が進んで常時必要な能力は小さくなり、運転時の能力範囲が広がっている。そのため、インバーターによる圧縮機の回転数可変範囲が広がり、圧縮機の高効率が要求される回転数範囲が広がる傾向にある。このため、従来の空調機は、特に低負荷能力条件下において、回転数を下げて圧縮機を連続運転しつつ圧縮機の高効率を維持することが難しくなっている。
そこで、近年、機械的に排除容積を変更する手段(機械式容量制御)を用いた冷媒圧縮機が再び注目されている。例えば、特許文献3には、2気筒のローリングピストン形式のロータリ圧縮機において、機械的に排除容積を変更可能とした技術が開示されている。この特許文献3では、低負荷時に一方の圧縮機構部を圧縮運転させ、且つ他方の圧縮機構部を非圧縮運転させることで、冷媒循環流量を半減させるようにしている。非圧縮運転の方法としては、特許文献3には、非圧縮運転する圧縮機構部のシリンダ室内を高圧にすると共に、ベーン背面のベーン背圧室を中間圧にすることにより、高圧と中間圧との圧力差によりベーンをピストンから離間させる方式(休筒運転方式)が開示されている。
このような機械式容量制御では、低負荷時に圧縮機の回転数を落とさずに能力を半減できるため、圧縮機効率を向上できることが知られている。逆に言えば、低負荷時に能力を下げるべく圧縮機の回転数を落とすと、モータ損失と圧縮したガスの漏れ損失とが増大して圧縮機効率の低下を招く。よって、機械式容量制御によって圧縮機の回転数を落とさずに運転できることで、圧縮機効率を向上させることができるのである。
実開昭55−180989号公報(第3頁、第4頁、図3) 特開平10−299679号公報(第5頁、図1、図3、図4) 特開平1−247786号公報(第2頁、図1)
新宅秀信,他5名,"揺動ピストン形ロータリ圧縮機の損失に関する研究",日本機械学会論文集,Vol.75 , No.756, (2009), pp.1608-1616.
ロータリ圧縮機では、上述したようにシリンダ室内を吸入室と圧縮室とに仕切るために、シリンダ内にベーンを突出させてピストンに設けた凹部に押し付けている。運転時は、特許文献1のように、ベーンの背面をバネにより押圧する、あるいは、バネによる押圧に加えてベーンの背面に、圧縮機筐体内の吐出冷媒の圧力を作用させ、シリンダ内との圧力差により、ベーンを円筒形状ピストンの外周面に押し付けることができる。
しかし、起動時には、ベーンの背面とシリンダ室との圧力差が無く、また、シリンダ室内に液冷媒が流入する液圧縮時には、シリンダ室の圧力がベーンの背面の圧力より大きくなる。この場合、ベーンをピストン側に押圧する力はバネによる押圧力だけとなる。よって、バネによる押圧力が不足していると、ベーンがピストンから後退してピストンの凹部からベーン先端部が抜ける(ベーン跳び)現象が起きやすい。
ベーンは、一旦凹部から抜けると、高速回転するピストンの凹部にベーン先端部を再嵌合することは難しく、ベーン先端部がピストン凹部と衝突し、損傷する原因となり信頼性低下を招くことが問題であった。
特許文献2の2気筒揺動ピストン型ロータリ圧縮機では、起動時及び液圧縮時において、ベーンが凹部から外れない対策を提案した技術が開示されている。この特許文献2では、両端部に押圧部を有し、2つのピストンの並設方向と直交する方向の軸に中心が回転可能に支持されたレバーを備えている。そして、そのレバーの両端の押圧部で、2つのベーンのそれぞれの背面を押圧することで、レバーを介してのベーンのピストンに対する後退量をピストンの凹部の深さ以下とし、ベーンがピストンの外周に設けた凹部から外れないようにしている。
特許文献2によれば、起動時及び液圧縮時のベーン跳び自体を防止できるが、ベーンの背面を押圧するレバーの構造が複雑になることが問題である。また、圧縮機の設計においては、コンパクト(ピストン外径を小さくし偏心量を大きくする)設計が要求されるため、凹部の深さが制限される。よって、ベーンのピストンに対する後退量をピストンの凹部の深さ以下とするにあたり、レバーに対して精度が要求され、コストアップを招く。
特許文献3の2気筒のローリングピストン形式のロータリ圧縮機では、休筒運転方式による機械式容量制御により、低負荷条件での効率低下の改善が可能である。しかし、特許文献3はローリングピストン形式であるため、揺動ピストン形式に比べて圧縮機構部の摺動摩擦損失の割合が増加して機械効率が低下する。このため、圧縮機効率が期待ほどに改善しないことが問題であった。そこで、動作圧力が高い冷媒に優位な揺動ピストン形式で、且つ休筒運転方式による機械式容量制御が可能な2気筒ロータリ圧縮機が求められるが、未だ実現されておらず、これに類する先行技術文献も見あたらない。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであって、簡単な構造で、ベーン跳び後のベーン先端部のピストンの凹部への再嵌合を可能とするロータリ圧縮機を得ることを第1の目的とする。
本発明は、第1の目的に加え、少なくとも一方のピストンが揺動ピストン形式の2気筒ロータリ圧縮機において、休筒運転方式の機械式容量制御を可能とし、高効率なロータリ圧縮機を得ることを第2の目的とする。
本発明に係るロータリ圧縮機は、電動機部と、電動機部に駆動軸を介して連結され、駆動軸を介して電動機部から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構部と、電動機部及び圧縮機構部を収容し、圧縮機構部で圧縮された冷媒が内部に吐出される密閉容器とを備え、圧縮機構部が、シリンダ室が形成されたシリンダと、駆動軸の偏心軸部に回転自在に装着されたピストンと、先端部がピストンの外周面に当接してシリンダ室内を吸入室と圧縮室とに仕切り、シリンダに設けられたベーン溝内を進退するベーンとを有するロータリ圧縮機において、ピストンの外周面に設けた凹部にベーンの先端部が嵌合されるようにして、駆動軸の回転に伴ってピストンをシリンダ室のシリンダ内周面に沿って旋回させる揺動ピストン機構と、ピストンの外周面に設けた突起部と、シリンダ室のシリンダ内周面に設けられて突起部の先端部が挿入される挿入穴とを有し、ベーンの先端部が凹部から離れてベーンがベーン溝内を後退するベーン跳びが発生した際に、ベーンの先端部が凹部に再嵌合可能な範囲を超えてピストンが偏心軸部を中心として回転するのを規制する回転止め機構とを備えたものである。
また、本発明に係るロータリ圧縮機は、電動機部と、電動機部に駆動軸を介して連結され、駆動軸を介して電動機部から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する2つの圧縮機構部と、電動機部及び2つの圧縮機構部を収容し、2つの圧縮機構部で圧縮された冷媒が内部に吐出される密閉容器とを備え、2つの圧縮機構部の少なくとも一方は、シリンダ室が形成されたシリンダと、シリンダ内において駆動軸の偏心軸部に回転自在に装着されたピストンと、先端部がピストンの外周面に当接してシリンダ室内を吸入室と圧縮室とに仕切り、シリンダに設けられたベーン溝内を進退するベーンと、を有するロータリ圧縮機において、一方の圧縮機構部は、シリンダ内のピストンの外周面に設けた凹部にベーンの先端部が嵌合されるようにして、駆動軸の回転に伴ってピストンをシリンダ室のシリンダ内周面に沿って旋回させる揺動ピストン機構と、ピストンの外周面に設けた突起部と、シリンダ室のシリンダ内周面に設けられて突起部の先端部が挿入される挿入穴とを有し、ベーンの先端部が凹部から離れてベーン溝内を後退するベーン跳びが発生した際に、ベーンの先端部が凹部に再嵌合可能な範囲を超えてピストンが偏心軸部を中心として回転するのを規制する回転止め機構とを備え、一方の圧縮機構部のベーンの先端部をピストンの凹部から離間させた状態を保持し、シリンダ室における圧縮作用を休止する休筒運転を可能とする休筒式容量制御機構を備えたものである。
本発明によれば、ピストンの外周面に設けた突起部と挿入穴とによる簡単な構造の回転止め機構により、ベーン跳び後のベーン先端部のピストンの凹部への再嵌合を実現できる。また、少なくとも一方のピストンが揺動ピストン形式の2気筒ロータリ圧縮機において、休筒式容量制御機構により休筒運転方式の機械式容量制御を可能とし、高効率なロータリ圧縮機を得ることができる。
本発明の実施の形態1に係るロータリ圧縮機の構造を示す概略縦断面図である。 図1のA−A断面図で、第1圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。 図1のB−B断面図で、第2圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。 図1のA−A断面図で、第1圧縮機構部におけるベーン跳び状態を示した図である。 図4の一部拡大図である。 図1のB−B断面図で、第2圧縮機構部における休筒状態を示した図である。 挿入穴の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態2に係るロータリ圧縮機の構造を示す概略縦断面図である。 図8のB−B断面図で、第2圧縮機構部における休筒状態を示した図である。 図8のB−B断面図で、第2圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。 本発明の実施の形態3に係る第1圧縮機構部のピストンの概略構造を示す第三角法投影図(正面図、平面図、側面図)である。 本発明の実施の形態3に係るロータリ圧縮機の構造を示す概略縦断面図であり、図8のA−A断面図で、第1圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。 本発明の実施の形態3に係る第1圧縮機構部のピストンの概略構造を示す第三角法投影図(正面図、平面図、側面図)である。 本発明の実施の形態4に係る第1圧縮機構部のピストンの概略構造を示す第三角法投影図(正面図、側面図)である。 図8のB−B断面図で、本発明の実施の形態5に係る第1圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。 図8のB−B断面図で、本発明の実施の形態6に係る第1圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。 図8のB−B断面図で、本発明の実施の形態7に係る第1圧縮機構部のピストンの構造を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係るロータリ圧縮機の構造を示す概略縦断面図であり、第1圧縮機構部が圧縮状態で、第2圧縮機構部が休筒状態を示している。図2は、図1のA−A断面図で、第1圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。図3は、図1のB−B断面図で、第2圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。
図1〜図3に基づいて、ロータリ圧縮機100Aの基本構造及び動作を説明する。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、縦断面図(図1)と横断面図(図2から後述の図6)で、吐出口18、28、及び、油導入流路53の3次元的な位置関係は、必ずしも一致していない。
ロータリ圧縮機100Aは、例えば空調機や給湯機等のヒートポンプ機器に採用される冷凍サイクルの構成要素の一つとなるものである。このロータリ圧縮機100Aは、流体(例えば、冷媒や熱媒体(水や不凍液等))を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態として吐出させる機能を有している。
<ロータリ圧縮機100Aの基本構成>
ロータリ圧縮機100Aは、密閉容器3の内部空間8aに、電動機部9と、電動機部9に駆動軸6を介して接続され、駆動軸6を介して電動機部9から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構部99とを備えている。駆動軸6は密閉容器3内に上下方向に延びるように配置されており、駆動軸6において圧縮機構部99を境とした上部側の長軸部6aに電動機部9の回転子9aが取り付けられ、下部側の短軸部6bに圧縮機構部99が取り付けられる。また、駆動軸6は、その両端のうちの上側が第1(長軸)支持部材60の軸受部60aで支持され、下側が第2(短軸)支持部材70の軸受部70aで支持されている。
密閉容器3の内部空間8aにおいて、駆動軸6の軸方向の最も下側には、圧縮機構部99を潤滑する潤滑油が貯蔵される潤滑油貯蔵部3aが設けられている。潤滑油貯蔵部3aに貯蔵された潤滑油は、駆動軸6の下端に設けた給油機構(図示せず)により駆動軸6内を通って駆動軸6及び圧縮機構部99の各摺動部に供給される。また、密閉容器3の上部には、圧縮機吐出管2が密閉容器3の内部空間8aと連通するように設けられている。
電動機部9は、駆動軸6に取り付けられた回転子9aと、回転子9aを回転駆動する固定子9bとを備えており、固定子9bは密閉容器3に固定されている。電動機部9では、固定子9bへの通電が開始されることにより回転子9aが回転し、駆動軸6を介して圧縮機構部99に回転動力が伝達されるようになっている。
圧縮機構部99は、第1圧縮機構部10Aと第2圧縮機構部20Aとを有している。そして、圧縮機構部99は、上側から下側に向かって、第1(長軸)支持部材60の吐出側面60bと、第1圧縮機構部10Aと、中間仕切板5と、第2圧縮機構部20Aと、第2(短軸)支持部材70の吐出側面70bと、が順次に積層されており、このような状態で圧縮機構部99が構成されている。
第1圧縮機構部10Aは、シリンダ11、ピストン13及びベーン14等を備えている。第2圧縮機構部20Aも同様に、シリンダ21、ピストン23A及びベーン24等を備えている。
シリンダ11、21は、互いに平行に配置された平板で構成され、その略中心には、略円筒状の貫通孔が上方方向に貫通形成されている。この貫通孔は、第1支持部材60、中間仕切板5、第2支持部材70によって閉塞され、シリンダ11内に円筒形状のシリンダ室12を形成すると共に、シリンダ21内に円筒形状のシリンダ室22を形成する。そして、シリンダ室12、22内にピストン13、23Aが配置されている。
駆動軸6は、シリンダ11のシリンダ室12に位置する偏心軸部6cと、シリンダ21のシリンダ室22に位置する偏心軸部6dと、偏心軸部6cと偏心軸部6dとを接続している中間軸部6eとを有している。
ピストン13、23Aは、リング状に形成されており、駆動軸6の偏心軸部6c、6dに回転可能に嵌挿されている。なお、ピストン13、23Aは、トルク変動平滑化の観点から、互いの回転位相を180度ずらして設けられている。即ち、ピストン13とピストン23Aとは、駆動軸6を中心に対称に設けられている。
また、シリンダ11、21のそれぞれには、シリンダ室12、22に連通し、シリンダ室12、22の半径方向に延びるベーン溝19、29が形成されている。そして、このベーン溝19、29には、進退自在にベーン14、24が設けられている。ベーン溝19、29においてベーン14、24の背面側のベーン背圧室19a、29aには、バネ16、26が配置されており、ベーン14、24は、その背面がバネ16、26によって押圧されている。
また、ベーン背圧室19aは密閉容器3内と連通しており、密閉容器3内の圧力を直接的に受ける。よって、圧縮運転中、密閉容器3内が高圧冷媒ガス雰囲気となると、ベーン背圧室19aは高圧となり、シリンダ室12との差圧と、バネ16のバネ圧とにより、ベーン14がピストン13に押し付けられる。このようにベーン14がピストン13に押し付けられ、シリンダ室12内は、2つの空間(低圧の吸入室12aと高圧の圧縮室12b)に仕切られる。
ベーン背圧室29aも同様に、圧縮運転中、密閉容器3内の高圧冷媒が後述のベーン背圧導入管52を介して供給されてベーン背圧室29a内が高圧となる。よって、ベーン背圧室29aとシリンダ室22との差圧と、バネ26のバネ圧とにより、ベーン24がピストン23Aに押し付けられている。このようにベーン24がピストン23Aに押し付けられ、シリンダ室22内は、2つの空間(低圧の吸入室22aと高圧の圧縮室22b)に仕切られる。
また、ピストン13、23Aの外周面には、上記ベーン14、24のベーン先端部14a、24aの曲率より少し大きい曲率の凹部31、41が形成されている。ベーン14、24は、そのベーン先端部14a、24aがベーン背圧室19aの高圧及びバネ圧によって凹部31、41側に押し付けられて凹部31、41に嵌合され、凹部31、41の底面に接触している。
よって、圧縮運転中、円筒形状のピストン13、23Aは、駆動軸6の回転に伴い、シリンダ室12、22内でシリンダ室12、22のシリンダ内周面11a、21aに沿って旋回運動(以下、揺動ピストン運動という)する。即ち、ベーン14、24は、駆動軸6の回転に伴い凹部31、41の底面に接触したままベーン溝19、29内を進退(往復移動)し、ピストン13、23Aは凹部31、41のベーン先端部14a、24aとの接触点31a、41aを支持点にして揺動しながら、シリンダ室12内で冷媒を圧縮する。
以上のベーン14、24、ベーン溝19、29、バネ16、26及び凹部31、41により揺動ピストン機構30、40が構成されている。
また、シリンダ11、21には、シリンダ室12、22の吸入室12a、22aに連通するシリンダ吸入流路17、27が設けられている。シリンダ吸入流路17、27は図1に示すように後述の吸入マフラ7に連通するように配管接続されている。シリンダ11、21には更に、シリンダ室12、22の圧縮室12b、22b内で圧縮された冷媒をシリンダ室12、22から吐出する吐出口18、28が設けられている。そして、吐出口18、28を覆うように吐出マフラ63、73が第1支持部材60、第2支持部材70に取り付けられている。
吸入マフラ7は、ロータリ圧縮機100Aの外部における冷媒回路から流入管7aを介して容器7b内に流入した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離し、ガス冷媒のみを流出管7c、7dから容器7b外に流出させるものである。
流出管7cから流出したガス冷媒は第1圧縮機構部10Aのシリンダ吸入流路17に導かれ、流出管7dから流出したガス冷媒は第2圧縮機構部20Aのシリンダ吸入流路27に導かれるように吸入マフラ7とロータリ圧縮機100Aとが配管接続されている。具体的には、流出管7cは、第1圧縮機構部10Aのシリンダ11を貫通してシリンダ吸入流路17に連通している。流出管7dは、後述の四方弁51a及び配管54を介して第2圧縮機構部20Aのシリンダ吸入流路27に連通している。
このロータリ圧縮機100Aは、定格負荷条件時に行われる通常運転と、低負荷条件時に行われる能力半減運転とを切り換えて実施可能である。通常運転は、第1圧縮機構部10Aと第2圧縮機構部20Aとの両方にて圧縮運転を行う運転モード(以下、両側圧縮モード(排除容積100%)という)であり、能力半減運転は、第1圧縮機構部10Aは圧縮運転を行う一方、第2圧縮機構部20Aは後述の休筒運転を行い、モータ回転数を落とさないで圧縮機能力を半減する運転モード(以下、片側圧縮モード(排除容積50%)という)である。
<ロータリ圧縮機の基本動作>
以下、ロータリ圧縮機の基本動作として、両側運転モード時の動作について図1〜図3を参照して説明する。
(両側運転モード)
両側運転モードでは、四方弁51aが図1の点線側に切り換えられる。そして、制御装置110(図8参照)により電動機部9が駆動されると、駆動軸6が図2の回転方向Rに回転(図2に示すようにベーン位置を基準に回転位相θ)する。駆動軸6が回転することにより、偏心軸部6c及び偏心軸部6dが、シリンダ室12、22内を、それぞれ位相180度遅れるように偏心移動する。それに伴い、ピストン13、23Aがシリンダ室12、22内を揺動運動する。
ロータリ圧縮機100Aの起動時、第1圧縮機構部10Aにおいては、ベーン14がバネ16により付勢され、ベーン先端部14aがピストン13の凹部31に押圧されて嵌合し、シリンダ室12内を吸入室12aと圧縮室12bとに区分する。第2圧縮機構部20Aにおいても同様に、ベーン24がバネ26により付勢され、ベーン先端部24aがピストン23の凹部41に押圧されて嵌合し、シリンダ室12内を吸入室22aと圧縮室22bとに区分する。
吸入室12a、22aには、吸入マフラ7で分離された低圧のガス冷媒がシリンダ吸入流路17、27を介して供給されており、ピストン13、23が揺動ピストン運動することにより、吸入室12a、22aが徐々に拡大し、この間、ガス冷媒の吸入が行われる。そして、吸入室12a、22aの面積が最大を経て縮小に転じると、吸入室12a、22aは圧縮室12b、22bとなり内部のガス冷媒を圧縮する。そして、圧縮されたガス冷媒は所定の圧力になると、吐出口18、28から密閉容器3の内部空間8aへ吐出される。内部空間8aへ吐出された高圧ガス冷媒は、圧縮機吐出管2から密閉容器3外へ吐出される。以上の圧縮過程が、第1圧縮機構部10Aと第2圧縮機構部20Aとで逆位相に繰り返される。
密閉容器3内では、内部空間8aへ吐出された高圧ガス冷媒により、内部のガスと潤滑油とが高圧状態となる。すると、第1圧縮機構部10Aにおいてベーン背圧室19aは、密閉容器3内の圧力を受けて高圧となる。よって、起動後しばらくして密閉容器3内が高圧ガス雰囲気となると、ベーン14の背面にはバネ16のバネ力と共に高圧が作用し、起動直後よりも大きい押圧力でベーン14が凹部31に向けて押圧され、引き続き圧縮作用が行われる。また、ベーン背圧室19aには密閉容器3との連通部分から高圧の潤滑油が供給され、ベーン摺動を潤滑する。
一方、第2圧縮機構部20Aにおいては、起動後しばらくして密閉容器3内が高圧ガス雰囲気となると、圧縮機吐出管2から密閉容器3外へ吐出された高圧ガス冷媒の一部が、分配流路55、四方弁51a及びベーン背圧導入管52を介してベーン背圧室29aに導かれる。よって、ベーン24の背面にはバネ26のバネ力と共に高圧が作用し、起動直後よりも大きい押圧力でベーン24が凹部41に向けて押圧され、引き続き圧縮作用が行われる。また、ベーン背圧室29aには油導入流路53を介して高圧の潤滑油が供給され、ベーン摺動を潤滑する。
<ロータリ圧縮機100Aの特徴的な構成>
次に、本実施の形態1の特徴的な構成について説明する。本発明は、上述したようベーン跳び後のベーン先端部14a、24aのピストン13、23Aの凹部31、41への再嵌合を容易に行うことと、少なくとも一方のピストンが揺動ピストン形式のロータリ圧縮機において、休筒運転方式の機械式容量制御を可能とすることとを目的としている。ここではまず、最初の目的を達成するための回転止め機構35、45及びその動作について説明し、続いて、2つめの目的を達成するための休筒式容量制御機構50A及びその動作について説明する。
(回転止め機構35)
図4は、図1のA−A断面図で、第1圧縮機構部におけるベーン跳び状態を示した図である。図5は、図4の一部拡大図である。第1圧縮機構部10A側の回転止め機構35と、第2圧縮機構部20A側の回転止め機構45とは同じ構成であるため、ここでは図4を参照して第1圧縮機構部10A側の回転止め機構35について説明する。
回転止め機構35は、ベーン先端部14aが凹部31から離れてベーン溝19内を後退するベーン跳びが発生した際、ベーン先端部14aが凹部31に再嵌合可能な範囲を超えてピストン13が偏心軸部6cの中心OAを中心として回転するのを規制する機構である。具体的には、回転止め機構35は、ピストン13の外周面に設けた突起部36と、シリンダ室12のシリンダ内周面11aに設けられ、突起部36の先端部が挿入される挿入穴37とを備えている。突起部36及び挿入穴37は、凹部31より回転方向Rの吸入室12a側に設けられている。なお、挿入穴37は、実施の形態1では、シリンダ吸入流路17の一部(吸入室12a側の開口)をそのまま利用したものである。
突起部36は、三角形の山型の薄板部材を、シリンダ吸入流路17の中心高さ位置に合せるようにしてピストン13の外周面に固定されている。なお、突起部36はこの構成に限られたものではないが、この構成とすると、シリンダ吸入流路17から吸入されるガス冷媒の流れを極力妨げることなく、回転止めとしての機能を発揮できる。
突起部36は、ピストン13が揺動ピストン運転中、常にその先端部が挿入穴37に挿入し、且つ、摩耗防止の観点から、ベーン跳び時以外の通常の揺動ピストン運転中には挿入穴37のピストン13側の端部に接触しないよう、突起部36と挿入穴37との互いの位置及び大きさが設計される。具体的には、以下の1)、2)のように設計する。
1)図5に示すように、ピストン13の外周面とシリンダ室12のシリンダ内周面11aとの間の距離dは、偏心軸部6cの偏心量d’の2倍離れる。このため、ピストン13の外周面から突起部36の先端までの高さhは、偏心量d’の2倍より大きいことが設計上、必要な条件である。この条件を満足する設計とすることで、ピストン13が揺動ピストン運転中、常に突起部36の先端部が挿入穴37に挿入された状態とすることができる。
2)挿入穴37の開口面積を以下のようにする。揺動ピストン運転中に駆動軸6が0度から360度まで回転する間に突起部36の先端部が挿入穴37内で移動する移動軌跡領域(以下、突起部揺動移動領域という。)より大きな開口面積(実施の形態1では、シリンダ吸入流路17の面積に相当)とする。このような開口面積の挿入穴37とすることで、圧縮運転中にピストン13が揺動ピストン運転している間、突起部36が挿入穴37のピストン13側の端部に接触しないようにすることができる。
ロータリ圧縮機100Aの第2圧縮機構部20Aについても、第1圧縮機構部10Aと同様に、図3に示すようにピストン23Aの突起部46と挿入穴47とにより回転止め機構45が構成されている。
<本実施の形態1の特徴的な動作1>
以下、本実施の形態1の特徴的な動作1として、回転止め機構35、45の動作について図5を参照して説明する。回転止め機構35、45の動作は同じであるため、以下では、回転止め機構35の例で説明する。
起動時又は液冷媒がシリンダ室12内に流入して液圧縮を起こす等してベーン跳びが発生すると、ピストン13は偏心軸部6cの中心OAを中心として回転しようとする。しかし、このとき、ピストン13に設けた突起部36が、挿入穴37のピストン13側の端部に接触し、その回転が規制される。
よって、ベーン跳びが発生しても、ピストン13の凹部31がベーン先端部14aと対向する位置に位置する状態が保たれる。よって、ベーン跳び後、ベーン先端部14aが凹部31に再嵌合する状態に容易に戻すことができる。
なお、ピストン13は、厳密に言えば、突起部36が、挿入穴37の径方向の一端(以下、挿入穴端部という)37aから他端37bに接触する範囲r(図5参照)で偏心軸部6cの中心OAを中心として回転する。図5の点線は、突起部36が他端37bに接触した状態を示している。しかし、この範囲rでピストン13が回転しても、ベーン跳び後にベーン先端部14aが元の凹部31に嵌合された状態(図4参照)に戻ることができるように、突起部36及び挿入穴37の大きさが調整されている。つまり、突起部36と挿入穴37とは、ベーン先端部14aが凹部31に再嵌合可能な範囲を超えてピストン13が偏心軸部6cの中心OAを中心として回転するのを規制するように構成されている。
よって、挿入穴37は、上述したように、その開口面積が突起部揺動移動領域よりも大きく形成されると共に、ベーン跳び時にピストン13が範囲rで回転しても凹部31がベーン先端部14aと対向する位置を確保できるように形成されることになる。
また、ベーン跳び時には、ピストン13が駆動軸6の回転方向に移動するので、三角形状の突起部36の進行方向の傾斜面が、シリンダ内周側の挿入穴端部37aと接触して押し付けられる。この接触押し付け時の応力集中を緩やかにするため、挿入穴端部37aには面取り加工や、R加工が施されている。この点は、回転止め機構45の挿入穴47についても同様である。
(休筒式容量制御機構50A)
図6は、図1のB−B断面図で、第2圧縮機構部の休筒状態を示している。以下、休筒式容量制御機構50A(図1参照)について図6及び図1を参照して説明する。
休筒式容量制御機構50Aは、片側圧縮モードの際に、第2圧縮機構部20Aのベーン24をベーン溝19内で後退させ、シリンダ室22における圧縮作用を休止し、第2圧縮機構部20Aを休筒運転状態とする機構である。
休筒式容量制御機構50Aは、四方弁51aと、ベーン背圧導入管52と、片側圧縮モード時に高圧導入管となり両側圧縮モード時に吸入ガス冷媒導入管となる配管54とを備えている。なお、以下では、配管54が高圧導入管として機能する場合には高圧導入管54といい、配管54が吸入ガス冷媒導入管として機能する場合には吸入ガス冷媒導入管54という。
四方弁51aは、片側圧縮モードでは、図1の実線で示す状態に切り換えられ、圧縮機吐出管2を分岐した分配流路55(図1参照)を高圧導入管54に接続すると共に、吸入マフラ7の流出管7dをベーン背圧導入管52に接続する。一方、両側運転モードでは、四方弁51aは、図1の点線で示す状態に切り換えられ、圧縮機吐出管2を分岐した分配流路55(図1参照)をベーン背圧導入管52に接続すると共に、吸入マフラ7の流出管7dを吸入ガス冷媒導入管54に接続する。
<本実施の形態1の特徴的な動作2>
(片側運転モード)
以下、片側運転モード時の動作について図6及び図1を参照して説明する。なお、第1圧縮機構部10Aでは、上述の両側運転モード時と同様に圧縮運転を行っており、動作は両側運転モード時と同様である。よって、ここでは、第2圧縮機構部20Aの動作について説明する。第2圧縮機構部20Aは、片側運転モードでは休筒運転を行うことから、以下、休筒運転について説明する。
片側圧縮モードでは、四方弁51aが上述したように図1の実線で示す状態に切り換えられる。このため、圧縮機吐出管2から吐出された高圧ガス冷媒の一部が高圧導入管54及びシリンダ吸入流路27を介してシリンダ室22に流入し、シリンダ室22内が高圧となる。一方、ベーン背圧室29aには吸入マフラ7の流出管7dから流出した低圧ガス冷媒が流入し、ベーン24は、前後端部の差圧により、ベーン溝29に沿って後退する。
ベーン溝29の後方の内周面には、後方に向かうにしたがってベーン24の通過領域を縮小するように構成された弾性体ストッパ56が設けられている。よって、ベーン24がベーン溝29に沿って後退すると、弾性体ストッパ56によりベーン溝29に挟まった状態でベーン14の動きが固定される。この状態では、油導入流路53のベーン溝29側の開口がベーン24によって閉塞され、高圧の潤滑油がベーン背圧室29aへ流入することが阻止されるため、ベーン背圧室29aは低圧状態となる。
このようにしてベーン24が後退して弾性体ストッパ56によりその動きが固定された状態では、シリンダ室22内の圧縮室22bと吸入室22aとが連通し、第2圧縮機構部20Aでは、シリンダ室22内での圧縮作用が行われない。
よって、片側運転モードでは、第1圧縮機構部10Aのシリンダ室12のみで圧縮作用が行われるため、能力を半減した運転が行われることになる。以上の構成及び動作により、揺動ピストン形式で、且つ休筒運転方式による機械式容量制御が可能となる。
<実施の形態1のロータリ圧縮機100Aの奏する効果>
以上のように本実施の形態1によれば、ピストン13の外周面に設けた突起部36、46と挿入穴37、47とによる簡単な構造の回転止め機構35、45により、ベーン跳び後のベーン先端部14a、24aのピストン13、23Aの凹部31、41への再嵌合を実現できる。
なお、本実施の形態1では、挿入穴37、47をシリンダ吸入流路17、27の一部をそのまま利用したものとしたが、図7に示すように、シリンダ吸入流路17のシリンダ室12側の開口にシリンダ吸入流路17よりも大径に形成した拡大挿入穴38(シリンダ吸入流路27側の挿入穴については図示省略)としてもよい。
上記の説明では、ピストン13、23Aが揺動ピストン運転している間、ピストン13、23Aが挿入穴37、47のピストン13側の端部に接触しないとしたが、シリンダ吸入流路17、27の一部をそのまま挿入穴37、47として利用する場合、シリンダ吸入流路17、27の径によっては、突起部36、46が挿入穴37、47に接触する可能性がある。この場合には、図7に示すようにシリンダ吸入流路17の径よりも大径に拡大挿入穴38を設けることで、突起部36が挿入穴37のピストン13側の端部に接触しないようにすることができる。なお、このように拡大挿入穴38を大径に形成した場合であっても、ベーン先端部14aが凹部31に再嵌合可能な範囲を超えてピストン13が偏心軸部6cの中心OAを中心として回転するのを規制できるように拡大挿入穴38が形成されることはもちろんである。
また、挿入穴37、47は、シリンダ吸入流路17、27の一部をそのまま利用することに限られず、シリンダ吸入流路17、27とは別にシリンダ室12、22のシリンダ内周面11a、21aの別の部分に設けた凹部としてもよい。この場合、その凹部の位置に合わせて突起部36、46の位置を変更することはもちろんである。このように、挿入穴37、47の位置は、シリンダ吸入流路17、27の一部に限定されないが、シリンダ室12、22のシリンダ内周面11a、21aに新たに凹部を設けることは、圧縮効率の低下に繋がり、また製造コストが嵩む可能性がある。よって、シリンダ吸入流路17、27の一部とする方が好ましい。
また、突起部36、46を形成したピストン13、23Aを、駆動軸6と一緒にシリンダ室12、22内に挿入するためには、シリンダ11、21の軸方向両端面(図1の上下面)の何れかから軸方向に延びて挿入穴37、47、拡大挿入穴38に繋がる切り込み39、49が必要である(図6及び図7参照)。この切り込み39、49に突起部36、46を通して、ピストン13、23を駆動軸6と一緒にシリンダ室12、22内に挿入するとよい。
また、本実施の形態1では2気筒のロータリ圧縮機100Aを図示したが、ベーン跳びは単気筒の揺動スクロール型ロータリ圧縮機でも発生するため、単気筒の揺動スクロール型ロータリ圧縮機に回転止め機構を適用しても、もちろんよい。
また、本実施の形態1では、休筒式容量制御機構50Aを設け、ベーン24を後退させて第2圧縮機構部20Aのシリンダ室22内での圧縮作用が行われないようにしたので、揺動ピストン形式で、且つ休筒運転方式による機械式容量制御が可能となる。
よって、定格負荷条件においては、両側圧縮モード(排除容積100%)で、両側のピストン13、23で揺動ピストン運転し、機械損失の低減と信頼性の向上を図ることができる。更に、低負荷条件においては、片側圧縮モード(排除容積50%)で、回転数を下げることなく、冷房能力及び暖房能力を下げることができる。
以上説明したように、高効率化が可能な揺動ピストン形式を採用し、また、休筒運転方式による機械式容量制御を可能としたことで、定格負荷条件と低負荷条件の両方において圧縮機損失を低減し、圧縮機効率改善と、回転数範囲拡大が可能となり、実負荷運転での省エネ性能を改善することができる。
実施の形態2.
上記実施の形態1は、ピストン13、23の両方が揺動ピストン形式であったが、実施の形態2は、一方を揺動ピストン形式、他方をローリングピストン形式としている。実施の形態2では、実施の形態1との相違点を中心に説明し、実施の形態1と同一部分には、同一符号を付す。また、実施の形態1と同様の構成部分について適用される変形例は、本実施の形態2についても同様に適用される。
図8は、本発明の実施の形態2に係るロータリ圧縮機の構造を示す概略縦断面図であり、第1圧縮機構部が圧縮状態、第2圧縮機構部が休筒状態を示している。図9は、図8のB−B断面図で、第2圧縮機構部における休筒状態を示した図である。図10は、図8のB−B断面図で第2圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。
<ロータリ圧縮機100Bの特徴的な構成>
実施の形態2のロータリ圧縮機100Bは、実施の形態1と同様の揺動ピストン形式の第1圧縮機構部10Aと、実施の形態1の第2圧縮機構部20Aに代えてローリングピストン形式の第2圧縮機構部20Bとを備えている。また、ロータリ圧縮機100Bは、実施の形態1の休筒式容量制御機構50Aに代えて休筒式容量制御機構50Bを備えている。
(1)第2圧縮機構部20Bの相違点
まず、第2圧縮機構部20Bと実施の形態1の第2圧縮機構部20Aとの相違点について説明する。上記ロータリ圧縮機100Aの第2圧縮機構部20Aでは、ピストン23が、シリンダ21の内周面を揺動しながら移動する揺動ピストン形式とした。これに対し、ロータリ圧縮機100Bの第2圧縮機構部20Bでは、ピストン23Bが偏心軸部6dまわりに回転移動するローリングピストン形式としている。また、(回転)ピストン23Bの外周面上には凹部41と突起部46とが無い点も、第2圧縮機構部20Aのピストン23Aと相違している。つまり、第2圧縮機構部20Bには、揺動ピストン機構40と回転止め機構45が設けられておらず、両側圧縮モード、片側圧縮モード(休筒運転時)、過渡的なベーン跳び状態の何れにおいても、(回転)ピストン23Bが偏心回転移動する。第2圧縮機構部20Bでは更に、第2圧縮機構部20Aでのバネ26が省略されている点も、第2圧縮機構部20Aと相違している。
(2)休筒式容量制御機構50Bの相違点
次に、休筒式容量制御機構50Bと実施の形態1の休筒式容量制御機構50Aとの相違点について説明する。休筒式容量制御機構50Bは、四方弁51aに代わって三方弁51bが用いられ、片側圧縮モードと両側圧縮モードとで冷媒の流れを切り換える。片側圧縮モードでは三方弁51bが図8の実線側に切り換えられ、吸入マフラ7の流出管7dから流出してシリンダ吸入流路27へ向かう低圧ガス冷媒の一部をベーン背圧導入管52を介してベーン背圧室29aに導く。両側圧縮モードでは、三方弁51bが図8の点線側に切り換えられ、潤滑油貯蔵部3a内の高圧の潤滑油をベーン背圧導入管52を介してベーン背圧室29aに導く。また、休筒式容量制御機構50Bでは、分配流路55が省略されている。
<ロータリ圧縮機100Bの特徴的な動作>
(片側圧縮モード)
以下、片側運転モード時の動作について図8、図9を参照して説明する。なお、片側運転モードにおける第1圧縮機構部10Aの動作は、実施の形態1の両側運転モードの場合と同様(図2参照)であるため、ここでは、第2圧縮機構部20Bにおける休筒運転について説明する。
片側運転モードでは、三方弁51bが上述したように図8の実線で示す状態に切り換えられる。このため、シリンダ室22及びベーン背圧室29aは共に、吸入マフラ7と同じ低圧ガス側に接続される。一旦、ベーン背圧室29aに低圧が導入されると、ベーン先端部24a側とベーン背面側とが同じ低圧状態となる。本実施の形態2ではベーン24の背面を押圧するバネ26が無いので、ベーン24は中立状態となり、(回転)ピストン23Bの高速偏心回転によりベーン跳びが起きやすい。
一旦、ベーン跳びでベーン先端部24aがピストン外周側面上から離間すると、ベーン背圧室29aの後方に取り付けた磁石ストッパ57に吸引されてベーン24の動きが固定される。これにより第2圧縮機構部20Bが休筒状態となる。また、この状態では、油導入流路53のベーン溝29側の開口がベーン24によって閉塞され、高圧の潤滑油がベーン背圧室29aへ流入することが阻止されるため、ベーン背圧室29aは低圧状態となる。
このように、休筒側のピストン23Bをローリングピストン形式としたので、ベーン24が回転ピストン(以下、ローリングピストンと同義)23Bから離間する休筒状態では、偏心軸部6dと一緒に偏心回転移動する回転ピストン23Bの内周側と偏心軸部6dの外周側との間に摺動摩擦損失が発生しない。このため実施の形態2の片側圧縮モードでは、休筒側のピストン23Aを揺動ピストン形式とした実施の形態1の片側圧縮モードに比べて圧縮機効率が改善できる利点がある。
(両側圧縮モード)
以下、両側圧縮モード時の動作について図8、図10を参照して説明する。両側圧縮モードでは、三方弁51bが図8の点線側に切り換えられ、第1圧縮機構部10Aが図2の状態となり、第2圧縮機構部20Bが図10の状態となる。第1圧縮機構部10Aの動作は、実施の形態1の両側運転モードの場合と同様であるため、ここでは、第2圧縮機構部20Bにおける圧縮運転について説明する。
起動時には、まず、第1圧縮機構部10A側で圧縮された高圧ガス冷媒により、密閉容器3内のガス冷媒と潤滑油とが高圧状態となる。次に、ベーン背圧室29aにベーン背圧導入管52から高圧の潤滑油が導入されると、バネが無いために中立状態であったベーン24が背面側から押圧され、ベーン先端部24aが回転ピストン23Bと接触してシリンダ室22を吸入室22aと圧縮室22bとに区分し、圧縮を開始する。また、この状態では、潤滑油貯蔵部3aの高圧の潤滑油が油導入流路53からベーン背圧室29aに流入し、ベーン摺動を潤滑する。
<実施の形態2のロータリ圧縮機100Bの奏する効果>
以上のように本実施の形態2によれば、回転止め機構35による実施の形態1と同様の作用効果が得られると共に、少なくとも一方のピストンを揺動ピストン形式とした2気筒ロータリ圧縮機において、休筒式容量制御機構50Bにより、休筒運転方式の機械式容量制御が可能となる。
よって、定格負荷条件においては、両側圧縮モード(排除容積100%)で、両側ピストンで揺動ピストン運転し、機械損失の低減と信頼性の向上を図ることができる。更に、低負荷条件においては、片側圧縮モード(排除容積50%)で、回転数を下げることなく、冷房能力及び暖房能力を下げることができる。
また、休筒側のピストン23Bをローリングピストン形式としたので、ベーン24がローリングピストン23Bから離間する休筒状態では、偏心軸部6dと一緒に偏心回転移動するローリングピストン23Bの内周側と偏心軸部6dの外周側との間に摺動摩擦損失が発生しない。このため実施の形態2の片側圧縮モードでは、休筒側のピストン23Aを揺動ピストン形式とした実施の形態1の片側圧縮モードに比べて圧縮機効率が改善できる利点がある。
また、ローリングピストン形式では、上述したように揺動ピストン形式に比べて圧縮運転中のベーン先端部24aと回転ピストン23Bの外周面との間の摺動速度が速いため、動摩擦損失が大きい。よって、実施の形態2の両側圧縮モードでは、両側のピストンを揺動ピストン形式とした実施の形態1の両側圧縮モードに比べると、圧縮機効率が低くなる。
このため、休筒側を揺動ピストン23A(実施の形態1)にするか、あるいは、回転ピストン23B(実施の形態2)にするかは、実負荷運転での省エネ性能に有利な方を選べばよい。低負荷条件の比重が高い場合は、休筒側をローリングピストン形式(本実施の形態2)とした方が有利である。一方、定格等の高負荷条件の比重が高い場合は、休筒側を揺動ピストン形式(本実施の形態1)にした方が有利である。
以上説明したように、少なくとも一方のピストンに、高効率化が可能な揺動ピストン形式を採用し、また、休筒運転方式による機械式容量制御を可能としたことで、定格負荷条件と低負荷条件の両方において圧縮機損失を低減し、圧縮機効率改善と、回転数範囲拡大が可能となり、実負荷運転での省エネ性能を改善することができる。
また、上記実施の形態1と2では、三角形状の突起部36を回転ピストン23の外周面に取り付けてある。この作製方法を次の図11により説明する。
図11は、本発明の実施の形態2に係る第1圧縮機構部のピストンの概略構造を示す第三角法投影図(正面図、平面図、側面図)である。
図11に示すように突起部36は、例えば、回転ピストン13の高さ方向の厚みをtとして、回転ピストン13の外周面のうちで、4t/5分を通常通りの円形状に旋盤加工し、残りt/5分を通常より大きな円形状で旋盤加工する。その後、突起部36を加工できるように、回転ピストン13の外周面から所定の高さと角度で外側へと突出した三角形状の突起部36を切削加工して、回転ピストン13と一体化した構造を作製した。
突起部36の三角形状は特に限定するものではないが、回転方向側の傾斜角度が、逆回転側の傾斜角度より緩やかとすることが好ましい。これは、突起部36が、ベーン離間時に回転方向側の傾斜面36aでシリンダ内周側の挿入穴37の角と接触するが、その接触角度を緩やかにするためである。
実施の形態3.
上記実施の形態1と2では説明しなかったが、本実施の形態3では、量産する上で優位な、回転止め機構35の突起部36の形状と、突起部36とピストン13との一体化構造の作製方法とについて説明する。
図12は、本発明の実施の形態3に係るロータリ圧縮機の構造を示す概略縦断面図であり、図8のA−A断面図で、第1圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。図13は、本発明の実施の形態3に係る第1圧縮機構部のピストンの概略構造を示す第三角法投影図(正面図、平面図、側面図)である。以下、実施の形態3が実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
<ピストン13Aと回転止め用突起部81の特徴的な構成>
実施の形態3のロータリ圧縮機は、実施の形態1の第1圧縮機構部10Aに代えて第1圧縮機構部10Cを備えている。第1圧縮機構部10Cは実施の形態1、2と同様に、揺動ピストン形式の圧縮機構部である。なお、後述の実施の形態においても、「第1圧縮機構部」は揺動ピストン形式の圧縮機構部である点は同じである。また、第1圧縮機構部10Cの回転止め機構80は、突起部81及び挿入穴37を有し、突起部81はピストン13Aとは別体に形成され、ピストン13Aに固定されている。
突起部81は、半球形状の先端部81aと、円筒形状の胴体81bと、一本足形状(棒形状)の後端部81cとが一体加工して形成されたものである。突起部81の材料はベーン14と同じ材料とし、シリンダ11との良好な摺動特性を保っている。
ピストン13Aにはピストン13Aの厚み方向に貫通する貫通穴82が設けられている。貫通穴82のうちピストン外周側の丸穴83は胴体81bの直径よりも0.2mm程度大きく形成され、この丸穴83内に胴体81bが0.1mm程度の隙間でかん合されている。そして、ピストン13Aの内周側から突起部81が止め具85によりピストン13Aにカシメ固定されている。具体的には、ここでは、止め具85を、貫通穴82のうちピストン内周側の段差丸穴84に圧接し、止め具85の中空軸部内に一本足形状の後端部81cを挿入して締め付けることにより、突起部81がピストン13Aにカシメ固定されている。
<実施の形態3のロータリ圧縮機の奏する効果>
以上のように本実施の形態3によれば、回転止め用の突起部81とピストン13Aとを比較的簡単な構造で一体化にすることが可能となり、量産に適したロータリ圧縮機の製造が実現できる。
また、実施の形態1と2と同様にして、ピストン13Aとベーン14との摺動摩擦損失が低減され、圧縮機効率の改善効果が得られる。同時に、実施の形態1と2と同様にして、少なくとも一方のピストンを揺動ピストン形式とした2気筒ロータリ圧縮機において、休筒運転方式の機械式容量制御が可能となる。
実施の形態4.
実施の形態4は、実施の形態3と同様に、回転止め用の突起部の形状と、突起部とピストンとの一体化構造の作製方法とに関するもので、実施の形態3とは別の形態について説明するものである。
図14は、本発明の実施の形態4に係る第1圧縮機構部のピストンの概略構造を示す第三角法投影図(正面図、側面図)である。
<ピストン13Bと回転止め用突起部81Bの特徴的な構成>
実施の形態4のロータリ圧縮機は、実施の形態3の回転止め機構80の突起部81に代えて、突起部81Bを備えている。突起部81Bは、半球形状の先端部81aと、円筒形状の胴体81bと、外周面にネジ山加工が施された後端部81eと、六角形締付け部81dとが一体化された構成を有している。突起部81Bの材料はベーン14と同じ材料とし、シリンダ11との良好な摺動特性を保っている。
ピストン13Bにはピストン13Bの厚み方向に貫通する貫通穴82Bが設けられている。貫通穴82Bのうちピストン内周側の丸穴84Bの内周面にはネジ加工が施されている。このようにネジ加工された丸穴84Bに突起部81Bの後端部81eを螺合し、六角形締付け部81dを貫通穴83Bの段差部に締め付けることで、突起部81Bがピストン13Bに固定される。
<実施の形態4のロータリ圧縮機の奏する効果>
以上のように本実施の形態4によれば、実施の形態3と同様の効果が得ることが可能である。
実施の形態5.
実施の形態1と2では、上述したように回転止め用の突起部36の傾斜面が、シリンダ内周側の挿入穴端部37aと接触押し付け時の応力集中を緩やかにするため、挿入穴端部37aには面取り加工や、R加工が施されている。この応力集中に突起部36が許容できるかどうかの設計判断は、強度、耐久性、信頼性によって総合的に考慮して決定することが必要である。本実施の形態5は、突起部81が挿入穴端部37aと接触して衝撃的に大きな押し付け力が働く場合に、突起部81に働く応力集中を緩やかにする方策を講じたものである。具体的には、突起部81の挿入穴端部37aに対する押し付け力に応じて柔軟に変形する弾性柔構造部90をシリンダ11に設けた構造とした。
図15は、図8のB−B断面図で、本発明の実施の形態5に係る第1圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。以下、実施の形態5が図12に示した実施の形態3と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態5は実施の形態3の回転止め機構80に代えて、回転止め機構80Cを備えている。回転止め機構80Cは、図12に示した実施の形態3の回転止め機構80に加えて更に、弾性柔構造部90を有した構成となっている。弾性柔構造部90は、シリンダ11の内周側であって、挿入穴37に隣接して回転方向側に設けられた溝86と、溝86と挿入穴37との間のシリンダ11部分により構成され、弾性変形可能な薄厚(通常、1mm程度)の板87とを有している。
このように構成された回転止め機構80Cでは、突起部81が挿入穴端部37aに接触して押し付け力が働くと、板87の自由端側が撓んで変形することで、突起部81に働く応力集中を緩やかにすることができ、突起部81の損傷を防ぐことができる。
<実施の形態5のロータリ圧縮機の奏する効果>
以上のように本実施の形態5によれば、実施の形態3と同様の効果に加えて、突起部81の損傷を防ぐことができ、信頼性の向上を図ることが可能である。なお、ここでは、突起部を実施の形態3の突起部81としたが、実施の形態1、2の突起部36又は実施の形態4の突起部81Bとしてももちろんよい。
実施の形態6.
本実施の形態6は、突起部81が挿入穴端部37aと接触し、衝撃的に大きな押し付け力が働く場合に、突起部81に働く応力集中を緩やかにする方策として、シリンダ側を柔軟に変形させる弾性構造の別形態を示すものである。
図16は、図8のB−B断面図で、本発明の実施の形態6に係る第1圧縮機構部における圧縮状態を示した図である。以下、実施の形態6が、実施の形態5と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態6は、実施の形態5の回転止め機構80Cに代えて、回転止め機構80Dを備えている。回転止め機構80Dは、弾性柔構造部の構造が実施の形態5の回転止め機構80Cと異なるもので、弾性柔構造部90に代えて弾性柔構造部90Bを備えている。
弾性柔構造部90Bは、シリンダ11の内周側であって挿入穴37に隣接して回転方向側に設けられた凹部88と、挿入穴37と凹部88との間を仕切るように配置された仕切り板87bと、一端が凹部88に固定され、他端が仕切り板87bに固定されて仕切り板87bをピストン13Aの回転方向に可動可能に支持するバネ89とを備えている。
このように構成された回転止め機構80Dでは、突起部81が挿入穴端部37aに接触して押し付け力が働くと、バネ89が縮んで、仕切り板87bが凹部88の中へ移動することで、突起部81に働く応力集中を緩やかになり突起部81の損傷を防ぐことができる。
<実施の形態6のロータリ圧縮機の奏する効果>
以上のように本実施の形態6によれば、実施の形態5と同様の効果を得ることが可能である。
実施の形態7.
実施の形態5、6では、弾性柔構造部をシリンダ11側に設けた構造について説明したが、実施の形態7は、実施の形態5、6において弾性柔構造部を設けたことによる効果と同様の効果を、突起部側の構造を変えることで達成しようとするものである。
<ピストン13Aと回転止め用突起部91の特徴的な構成>
図17は、図8のB−B断面図で、本発明の実施の形態7に係る第1圧縮機構部のピストンの構造を示す。以下、本実施の形態7が、図13に示した実施の形態3と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態7は、実施の形態3の突起部81に代えて、突起部91を備えている。突起部91は、ピストン13Aの回転方向に変形可能な薄板弾性構造(薄板バネ構造)部材で構成された先端部91aと、円筒形状の胴体91bと、一本足形状(棒形状)の後端部91cとを有している。先端部91aと胴体91bとは溶接により一体化されている。先端部91aの材料は、シリンダ11との良好な摺動特性を保つものを選定する。突起部91のピストン13Aへの固定構造は実施の形態3と同様であり、止め具85により突起部91がピストン13Aにカシメ固定されている。具体的には、ここでは、止め具85を、貫通穴82のうちピストン内周側の段差丸穴84に圧接し、止め具85の中空軸部内に一本足形状の後端部91cを挿入して締め付けることにより、突起部91がピストン13Aにカシメ固定される。
このように構成された突起部91を用いることで、突起部91の先端部91aが挿入穴端部37aに接触して押し付け力が働くと、先端部91aが撓んで変形するので、突起部91に働く応力集中が緩やかになり突起部91の損傷を防ぐことができる。
<実施の形態7のロータリ圧縮機の奏する効果>
以上のように本実施の形態7によれば、実施の形態3と同様に回転止め用の突起部91とピストン13Aとを比較的簡単な構造で一体化にすることが可能となり、量産に適したロータリ圧縮機の製造が実現できる。
また、上述したように、突起部91の先端部91aが挿入穴端部37aに接触して押し付け力が働いた際の、突起部91の損傷を防ぐことができる。
また、実施の形態1と2と同様にして、回転ピストンとベーンとの摺動摩擦損失が低減され、圧縮機効率の改善効果が得られる。同時に、実施の形態1と2と同様にして、少なくとも一方のピストンを揺動ピストン形式とした2気筒ロータリ圧縮機において、休筒運転方式の機械式容量制御が可能となる。
以上の実施の形態2〜7では、休筒側のピストンをローリングピストン形式としたが、これに限らず、ベーンをピストン側に収納したスライディングベーン形式や、ベーンとピストンが一体のキニー形式としてもよい。つまり、少なくとも一方のピストンを揺動ピストン形式とした2気筒ロータリ圧縮機において、他方のピストン側の形式が何であれ、揺動ピストン機構及び回転止め機構を備えたロータリ圧縮機は本発明に含まれる。
以上の実施の形態1〜7では、高圧密閉シェル形式の2気筒ロータリ圧縮形の圧縮機について説明したが、その他のシェル形式においても同様の手段を用いて同様の効果が得られる。例えば、半密閉式の場合も同様の効果が得られる。あるいは、中間圧シェル形式の場合も同様の効果が得られる。
なお、上記実施の形態1〜7においてそれぞれ別の実施の形態として説明したが、各実施の形態の特徴的な構成を適宜組み合わせてロータリ圧縮機を構成してもよい。
2 圧縮機吐出管、3 密閉容器、3a 潤滑油貯蔵部、5 中間仕切板、6 駆動軸、6a 長軸部、6b 短軸部、6c 偏心軸部、6d 偏心軸部、6e 中間軸部、7 吸入マフラ、7a 流入管、7b 容器、7c 流出管、7d 流出管、8a 内部空間、9 電動機部、9a 回転子、9b 固定子、10A 第1圧縮機構部、10C 第1圧縮機構部、11 シリンダ、11a シリンダ内周面、12 シリンダ室、12a 吸入室、12b 圧縮室、13 ピストン、13 回転ピストン、13A ピストン、13B ピストン、14 ベーン、14a ベーン先端部、16 バネ、17 シリンダ吸入流路、18 吐出口、19 ベーン溝、19a ベーン背圧室、20A 第2圧縮機構部、20B 第2圧縮機構部、21 シリンダ、21a シリンダ内周面、22 シリンダ室、22a 吸入室、22b 圧縮室、23 回転ピストン、23 ピストン、23A ピストン、23B 回転ピストン(ローリングピストン)、24 ベーン、24a ベーン先端部、26 バネ、27 シリンダ吸入流路、28 吐出口、29 ベーン溝、29a ベーン背圧室、30 揺動ピストン機構、31 凹部、31a 接触点、35 回転止め機構、36 突起部、36a 傾斜面、37 挿入穴、37a 挿入穴端部、37b 他端、38 拡大挿入穴、39 切り込み、40 揺動ピストン機構、41 凹部、45 回転止め機構、46 突起部、47 挿入穴、49 切り込み、50A 休筒式容量制御機構、50B 休筒式容量制御機構、51a 四方弁、51b 三方弁、52 ベーン背圧導入管、53 油導入流路、54 配管(高圧導入管、吸入ガス冷媒導入管)、55 分配流路、56 弾性体ストッパ、57 磁石ストッパ、60 支持部材、60a 軸受部、60b 吐出側面、63 吐出マフラ、70 支持部材、70a 軸受部、70b 吐出側面、73 吐出マフラ、80 回転止め機構、80C 回転止め機構、80D 回転止め機構、81 突起部(回転止め用の突起部)、81B 突起部(回転止め用の突起部)、81a 先端部、81b 胴体、81c 後端部、81d 六角形締付け部、81e (ネジ山)後端部、82 貫通穴、82B 貫通穴、83 (かん合)丸穴、83B 丸穴、84 (止め具止め)段差丸穴、84B 丸穴、85 止め具、86 溝、87 板、87b 仕切り板、88 凹部、89 バネ、90 弾性柔構造部、90B 弾性柔構造部、91 突起部、91 回転止め用突起部、91a 先端部、91b 胴体、91c 後端部、99 圧縮機構部、100A ロータリ圧縮機、100B ロータリ圧縮機、110 制御装置。

Claims (17)

  1. 電動機部と、
    前記電動機部に駆動軸を介して連結され、前記駆動軸を介して前記電動機部から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
    前記電動機部及び前記圧縮機構部を収容し、前記圧縮機構部で圧縮された冷媒が内部に吐出される密閉容器と、を備え、
    前記圧縮機構部が、シリンダ室が形成されたシリンダと、前記駆動軸の偏心軸部に回転自在に装着されたピストンと、先端部が前記ピストンの外周面に当接して前記シリンダ室内を吸入室と圧縮室とに仕切り、前記シリンダに設けられたベーン溝内を進退するベーンとを有するロータリ圧縮機において、
    前記ピストンの外周面に設けた凹部に前記ベーンの先端部が嵌合されるようにして、前記駆動軸の回転に伴って前記ピストンを前記シリンダ室のシリンダ内周面に沿って旋回させる揺動ピストン機構と、
    前記ピストンの外周面に設けた突起部と、前記シリンダ室のシリンダ内周面に設けられて前記突起部の先端部が挿入される挿入穴とを有し、
    前記ベーンの先端部が前記凹部から離れて前記ベーンが前記ベーン溝内を後退するベーン跳びが発生した際に、前記ベーンの先端部が前記凹部に再嵌合可能な範囲を超えて前記ピストンが前記偏心軸部を中心として回転するのを規制する回転止め機構と
    を備えたことを特徴とするロータリ圧縮機。
  2. 前記回転止め機構は、前記凹部より回転方向の前記吸入室側に設けられていることを特徴とする請求項1記載のロータリ圧縮機。
  3. 前記シリンダは前記吸入室に冷媒を導くシリンダ吸入流路を有し、前記シリンダ吸入流路の前記吸入室側の開口が前記挿入穴を兼ねることを特徴とする請求項2記載のロータリ圧縮機。
  4. 前記突起部の高さは、前記ピストンの偏心量の2倍より大きいことを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか一項に記載のロータリ圧縮機。
  5. 前記シリンダの軸方向両端面の何れかから軸方向に延びて前記挿入穴に繋がる切り込みを有し、前記切り込みを通って、前記突起部を形成した前記ピストンを、前記駆動軸と一緒に前記シリンダ室内に挿入可能なことを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか一項に記載のロータリ圧縮機。
  6. 前記シリンダは、前記挿入穴の前記ピストン側の端部に、前記ピストンの回転方向に変形自在な弾性柔構造部を備えたことを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか一項に記載のロータリ圧縮機。
  7. 前記弾性柔構造部は、前記シリンダの内周側であって、前記挿入穴に隣接して回転方向側に設けられた溝と、前記溝と前記挿入穴との間の前記シリンダ部分により構成され、弾性変形可能な板とを備えたことを特徴とする請求項6記載のロータリ圧縮機。
  8. 前記弾性柔構造部は、前記シリンダの内周側であって前記挿入穴に隣接して回転方向側に設けられた凹部と、前記挿入穴と前記凹部との間を仕切るように配置された仕切板と、一端が前記凹部に固定され、他端が前記仕切り板に固定されて前記仕切り板を前記ピストンの回転方向に可動可能に支持するバネとを備えたことを特徴とする請求項6記載のロータリ圧縮機。
  9. 前記突起部の前記先端部を、前記ピストンの回転方向に変形可能な弾性構造部材としたことを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか一項に記載のロータリ圧縮機。
  10. 前記突起部は前記ピストンとは別体に構成され、別体で構成された前記突起部は、前記ピストンを径方向に貫通して設けられた貫通穴に固定されていることを特徴とする請求項1〜請求項9の何れか一項に記載のロータリ圧縮機。
  11. 前記突起部は、その後端部が前記貫通穴に挿入されており
    前記貫通穴と前記後端部とをカシメ固定する止め具を備えたことを特徴とする請求項10記載のロータリ圧縮機。
  12. 電動機部と、
    前記電動機部に駆動軸を介して連結され、前記駆動軸を介して前記電動機部から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する2つの圧縮機構部と、
    前記電動機部及び前記2つの圧縮機構部を収容し、前記2つの圧縮機構部で圧縮された冷媒が内部に吐出される密閉容器とを備え、
    前記2つの圧縮機構部の少なくとも一方は、シリンダ室が形成されたシリンダと、前記シリンダ内において前記駆動軸の偏心軸部に回転自在に装着されたピストンと、先端部が前記ピストンの外周面に当接して前記シリンダ室内を吸入室と圧縮室とに仕切り、前記シリンダに設けられたベーン溝内を進退するベーンとを有するロータリ圧縮機において、
    前記一方の圧縮機構部は、
    前記シリンダ内の前記ピストンの外周面に設けた凹部に前記ベーンの先端部が嵌合されるようにして、前記駆動軸の回転に伴って前記ピストンを前記シリンダ室のシリンダ内周面に沿って旋回させる揺動ピストン機構と、
    前記ピストンの外周面に設けた突起部と、前記シリンダ室のシリンダ内周面に設けられて前記突起部の先端部が挿入される挿入穴とを有し、前記ベーンの先端部が前記凹部から離れて前記ベーン溝内を後退するベーン跳びが発生した際に、前記ベーンの先端部が前記凹部に再嵌合可能な範囲を超えて前記ピストンが前記偏心軸部を中心として回転するのを規制する回転止め機構と
    を備えたことを特徴とするロータリ圧縮機。
  13. 前記一方の圧縮機構部の前記ベーンの先端部を前記ピストンの前記凹部から離間させた状態を保持し、前記シリンダ室における圧縮作用を休止する休筒運転を可能とする休筒式容量制御機構を備えたことを特徴とする請求項12記載のロータリ圧縮機。
  14. 他方の圧縮機構部は、前記一方の圧縮機構部と同様、前記揺動ピストン機構及び前記回転止め機構を備えた圧縮機構部であることを特徴とする請求項13記載のロータリ圧縮機。
  15. 前記2つの圧縮機構部の両方で圧縮運転する両側圧縮モードと、前記一方の圧縮機構部を前記休筒運転し、且つ前記他方の圧縮機構部を圧縮運転する片側圧縮モードとを切り換える切り換え機構を備えたことを特徴とする請求項13又は請求項14記載のロータリ圧縮機。
  16. 他方の圧縮機構部は、シリンダ室が形成されたシリンダと、前記シリンダ内において前記駆動軸の偏心軸部に回転自在に装着されたピストンと、先端部が前記ピストンの外周面に当接して前記シリンダ室内を吸入室と圧縮室とに仕切り、前記シリンダに設けられたベーン溝内を進退するベーンとを有し、前記他方の圧縮機構部における前記ベーンの先端部を前記ピストンの前記凹部から離間させた状態を保持し、前記シリンダ室における圧縮作用を休止する休筒運転を可能とする休筒式容量制御機構を備えたことを特徴とする請求項12記載のロータリ圧縮機。
  17. 前記2つの圧縮機構部の両方で圧縮する両側圧縮モードと、前記他方の圧縮機構部を前記休筒運転し、且つ前記一方の圧縮機構部を圧縮運転する片側圧縮モードとを切り換える切り換え機構を備えたことを特徴とする請求項16記載のロータリ圧縮機。
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