JP6017023B2 - ベーン型圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、ベーン型圧縮機に関する。
従来より、「略円筒状で、軸方向の両端が開口しているシリンダと、前記シリンダの両端を閉塞するシリンダヘッド及びフレームと、前記シリンダ内で回転運動する円柱形のロータ部及び前記ロータ部に回転力を伝達するシャフト部を有するロータシャフトと、前記ロータ部内に設置され、先端部が外側に円弧形状に形成される複数のベーンを有するベーン型圧縮機において、前記複数のベーンの前記先端部の前記円弧状の法線と、前記シリンダの内周面の法線とが常にほぼ一致する状態で圧縮動作を行うように、前記複数のベーンが常に前記シリンダの内周面の法線方向、又は前記シリンダの内周面の法線方向に対し一定の傾きを持つように保持され、更に、前記ロータ部内で前記複数のベーンが、前記ロータ部に対して回転可能且つ移動可能に支持されており、前記シリンダヘッド及び前記フレームの前記シリンダ側端面に、前記シリンダ内径と同心の凹部又はリング状の溝を形成し、前記凹部又は前記溝内に、部分リング形状の端面に板状の突起又は溝を有する一対のベーンアライナ部を嵌入し、前記板状の突起又は溝を前記複数のベーンに設けられた溝又は突起に嵌入した」ベーン型圧縮機がある(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1では、ベーン先端部の円弧とシリンダ内周面との法線が常にほぼ一致するように圧縮動作を行うようにすることで、ベーン先端部の摺動状態を改善を図っている。そして、ベーン先端部の円弧とシリンダ内周面との法線が常にほぼ一致するように圧縮動作を行うために必要な、ベーンがシリンダの中心周りに回転運動する機構を、ロータ部とシャフト部とを一体にした構成で実現している。これにより、ロータ部周囲の構造が簡単化され、シャフト部を支持する軸受部の小径化を可能とし、軸受摺動損失の低減を可能としている。また、ロータ部周囲の構造が簡単化されることで、ロータ部の外径や回転中心の精度を悪化させる要因を排除でき、ロータ部の外径や回転中心の精度向上が可能である。その結果、ロータ部とシリンダの内周面との間に形成される隙間を狭くしてガス漏れ損失を低減することが可能となり、高効率のベーン型圧縮機を得ることができる。
国際公開第2012/023426号(請求項1、第13頁、図12)
しかしながら、特許文献1では、ベーンアライナ部を凹部又はリング状の溝といった溝形状部分に嵌入しており、その溝形状部分の内周面の高さが、全周に渡ってベーンアライナの高さと同じ高さとなっている。この場合、ベーン部の挙動が安定するクランク角の範囲で、溝形状部分の内周面とベーンアライナとの間で不要な流体抵抗力が発生し、機械損失が増えるという問題があった。
本発明はこのような点を鑑みなされたもので、機械損失を抑制することが可能なベーン型圧縮機を提供することを目的とする。
本発明に係るベーン型圧縮機は、円筒状の内周面を有し、円筒状の軸方向の両端が開口しているシリンダと、シリンダの軸方向の両端を閉塞するシリンダヘッド及びフレームと、シリンダ内で回転運動する円柱形のロータ部及びロータ部に回転力を伝達するシャフト部を有するロータシャフトと、ロータ部内に設置され、シリンダの内周面の中心周りに回転するように保持され、シリンダとロータ部との間の空間を少なくとも吸入室と圧縮室とに仕切る少なくとも1枚のベーン部と、ベーン部を支持する部分リング状のベーンアライナ部と、圧縮室に連通し、圧縮室で圧縮されたガスを吐出する吐出ポートとを備えたベーン型圧縮機において、シリンダヘッド及びフレームのそれぞれのシリンダ側の端面は、シリンダの内周面と同心のリング状で断面凹型に形成され、ベーンアライナ部が摺動可能に嵌入される溝部を有し、溝部は、溝部の内周面の一部が切り取られて溝部の内周面の高さが低くなっている部分を有しており、溝部の内周面において切り取られていない部分である凸部の高さが、ロータ部に接触しない範囲で高く設定されているものである。
本発明では、シリンダヘッド及びフレームのそれぞれのシリンダ側端面にシリンダの内周面と同心に形成されたリング状で断面凹型の溝部を有し、溝部の内周面の一部が切り取られて内周面の高さが低くなっている。このため、不要な流体抵抗力が発生せず、機械損失を抑制できる。また、凸部の高さはロータ部に接触しない範囲で高くするようにしたので、溝部の内周面とロータ部との間での不要な摺動が発生するのを抑制でき、機械損失を抑制できる。
本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200の縦断面図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200の分解斜視図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、第1のベーン5、第2のベーン6の説明図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、ベーンアライナ軸受部2b周りの断面図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、図6における回転角度90°の状態における図1のI−I線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200の圧縮動作を示す図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200のベーンアライナ部5c、6cの回転動作を示す図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、図5における第1のベーン5のベーン部5a周りの要部断面図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200のベーン部5a、6aに作用する荷重の説明図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200の代表的な運転条件による1回転中のベーンアライナ軸受反力F1、F2の挙動を示した図である。 本発明の実施の形態1を示す図で、凸部2gを設けた場合のベーン部6aに作用する荷重を示す図である。 図12(a)は、図11のベーン部6aが傾くときのベーンアライナ背面6caと溝部2aの内周面2aaとの間の油の流れを示したベーンアライナ部6c周りの断面図、図12(b)は、図11のベーンアライナ部6c周りの平面図である。 本発明の実施の形態2を示す図で、ベーン型圧縮機のベーンアライナ軸受部2b周りの断面図である。 本発明の実施の形態3を示す図で、ベーンアライナ部6c周りの平面図及び断面図である。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200の縦断面図である。図1において、実線で示す矢印はガス(冷媒)の流れ、破線で示す矢印は冷凍機油25の流れを示している。図2は、本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200の圧縮要素101の分解斜視図である。図3は、本発明の実施の形態1を示す図で、第1のベーン5、第2のベーン6の説明図である。図3(a)は第1のベーン5、第2のベーン6の平面図、図3(b)は、図3(a)を矢印A方向から見た図である。図4は、本発明の実施の形態1を示す図で、ベーンアライナ軸受部2b周りの断面図である。図1、図2、図3及び図4を参照しながら、ベーン型圧縮機200について説明する。なお、図1〜図4及び後述の図において、同一の符号を付したものは、同一の又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。更に、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
ベーン型圧縮機200は、密閉容器103と、密閉容器103内に収納された圧縮要素101と、圧縮要素101の上部に位置し圧縮要素101を駆動する電動要素102と、密閉容器103内の底部に設けられ、冷凍機油25を貯溜する油溜め104で構成される。
圧縮要素101を駆動する電動要素102は、例えば、ブラシレスDCモータで構成される。電動要素102は、密閉容器103の内周に固定される固定子21と、固定子21の内側に配設され、永久磁石を使用する回転子22とを備える。固定子21には、密閉容器103の上面に溶接により固定されたガラス端子23から電力が供給される。密閉容器103の側面には吸入管26、上面には吐出管24が取り付けられている。
図1、図2に示すように、圧縮要素101は以下に示す要素を有する。なお、本実施の形態では、ベーン枚数2枚の場合について示している。
(1)シリンダ1:シリンダ1は、全体形状が略円筒状で、軸方向の両端部が開口している。また、シリンダ内周面1bの一部に、軸方向に貫通し外側に抉られた切欠き部1cが設けられ、切欠き部1cに吸入ポート1aが開口している。また、後述する最近接点32(後述の図5参照)を挟んで吸入ポート1aと反対側に位置し、最近接点32の近傍で、後述するフレーム2に面した側に吐出ポート1dが設けられている(図2参照)。また、シリンダ1の外周部には軸方向に貫通した油戻し穴1eが設けられている。
(2)フレーム2:フレーム2は断面が略T字状で、シリンダ1に接する部分が略円板状であり、シリンダ1の一方の開口部(図2では上側)を閉塞する。フレーム2のシリンダ1側端面には、平面視リング状で断面凹型の溝部2aが形成されている。溝部2aは、外周面と内周面とがシリンダ内周面1bと同心円で形成される。溝部2aは、外周側と内周側との高さが等しい部分と、内周面の一部が切り取られて内周面の高さが低くなっている部分とを有しており、切り取られていない部分を凸部2g、切り取られた部分を凹部2eとする。本実施の形態1では、凸部2gは、円筒を軸方向に切断した形状を成している。そして、溝部2aに、後述する第1のベーン5のベーンアライナ部5cと、第2のベーン6のベーンアライナ部6cとが摺動可能に嵌入される。また、ベーンアライナ部5c、6cが溝部2aの外周面であるベーンアライナ軸受部2bで支承される。
また、フレーム2の中央部は円筒状の中空であり、ここに主軸受部2cが設けられている。また、フレーム2には、シリンダ1に設けた吐出ポート1dと連通し、軸方向に貫通した吐出ポート2dが設けられている。また、フレーム2においてシリンダ1と反対側の面には、吐出弁27(図2のみに図示)及び吐出弁27の開度を規制するための吐出弁押え28(図2のみに図示)が吐出ポート2dを覆うようにしてフレーム2に取り付けられている。
(3)シリンダヘッド3:シリンダヘッド3は、断面が略T字状で、シリンダ1に接する部分が略円板状であり、シリンダ1の他方の開口部(図2では下側)を閉塞する。シリンダヘッド3のシリンダ1側端面には、平面視リング状で断面凹型の溝部3aが形成されている。溝部3aは、外周面と内周面とがシリンダ内周面1bと同心円で形成されている。溝部3aは、外周側と内周側との高さが等しい部分と、内周面の一部が切り取られて内周面の高さが低くなっている部分とを有しており、切り取られていない部分を凸部3g、切り取られた部分を凹部3eとする。本実施の形態1では、凸部3gは、円筒を軸方向に切断した形状を成している。そして、この溝部3aに、後述する第1のベーン5のベーンアライナ部5dと、第2のベーン6のベーンアライナ部6dとが摺動可能に嵌入される。また、ベーンアライナ部5d、6dが溝部3aの外周面であるベーンアライナ軸受部3bで支承される。また、シリンダヘッド3の中央部は円筒状の中空であり、ここに主軸受部3cが設けられている。
(4)ロータシャフト4:ロータシャフト4は、シリンダ1内でシリンダ1の中心軸とは偏心した中心軸上に回転運動を行うロータ部4a、及び上下の回転軸部4b、4cが一体となった構造で、回転軸部4b、4cはそれぞれフレーム2の主軸受部2c、シリンダヘッド3の主軸受部3cで支承される。ロータ部4aには、断面が略円形で軸方向に貫通するブッシュ保持部4d、4e及びベーン逃がし部4f、4gが形成されている。ブッシュ保持部4dとベーン逃がし部4f、及びブッシュ保持部4eとベーン逃がし部4gとは連通しており、ベーン逃がし部4f及びベーン逃がし部4gの軸方向端部はフレーム2の溝部2a及びシリンダヘッド3の溝部3aと連通している。また、ロータシャフト4の軸中央部には、軸方向に延在する給油路4hが設けられている。
また、ブッシュ保持部4dとブッシュ保持部4e、ベーン逃がし部4fとベーン逃がし部4gとは、回転軸部4bを挟んでほぼ対称の位置に配置されている(後述する図5も参照)。また、ロータシャフト4の下端部には例えば特開2009−264175号公報に記載されているようなロータシャフト4の遠心力を利用した油ポンプ31(図1にのみ図示)が設けられている。油ポンプ31はロータシャフト4に設けられた給油路4hと連通しており、給油路4hと凹部2eとの間には給油路4iが設けられ、給油路4hと3e間には給油路4jが設けられている。また、回転軸部4bの主軸受部2cの上方の位置に排油穴4k(図1にのみ図示)が設けられている。
(5)第1のベーン5:第1のベーン5は、ベーン部5aと、ベーンアライナ部5cと、ベーンアライナ部5dとを備えており、これらが一体的に連結されている。ベーン部5aは、略四角形の板状の部材である。ベーン部5aのシリンダ内周面1b側のベーン先端部5bは、外側に突出した円弧形状に形成され、その円弧形状の半径は、シリンダ内周面1bの半径とほぼ同等の半径で構成されている。ベーンアライナ部5c及びベーンアライナ部5dは、部分リング状に構成され、ベーン部5aのフレーム2側の端面にベーンアライナ部5cが設けられ、ベーン部5aのシリンダヘッド3側の端面にベーンアライナ部5dが設けられる。ここで、ベーン部5aのベーン長さ方向(図2の左右方向)及びベーン先端部5bの円弧の法線方向は、ベーンアライナ部5c、5dを形成する円弧の中心を通るように形成されている。
また、ベーンアライナ部5c、5dの径方向の幅は、フレーム2の溝部2a及びシリンダヘッド3の溝部3aの溝幅よりも小さく構成されている。そして、ベーンアライナ部5cは、フレーム2のリング状の溝部2aに周方向に移動可能に収納され、また、ベーンアライナ部5dは、シリンダヘッド3のリング状の溝部3aに周方向に移動可能に収納されている。よって、ベーン部5aの先端の円弧の法線が常にシリンダ内周面1bの法線と一致するようにベーン部5aの向きが規制される。
(6)第2のベーン6:第2のベーン6は、ベーン部6aと、ベーンアライナ部6cと、ベーンアライナ部6dとを備えており、これらが一体に連結されている。ベーン部6aは、略四角形の板状の部材である。ベーン部6aのシリンダ内周面1b側のベーン先端部6bは、外側に突出した円弧形状に形成され、その円弧形状の半径は、シリンダ内周面1bの半径とほぼ同等の半径で構成されている。ベーンアライナ部6c及びベーンアライナ部6dは、部分リング状に構成され、ベーン部6aのフレーム2側の端面にベーンアライナ部6cが設けられ、ベーン部6aのシリンダヘッド3側の端面にベーンアライナ部6dが設けられる。ここで、ベーン部6aのベーン長さ方向(図2の左右方向)及びベーン先端部6bの円弧の法線方向は、ベーンアライナ部6c、6dを形成する円弧の中心を通るように形成されている。
また、ベーンアライナ部6c、6dの径方向の幅は、フレーム2の溝部2a及びシリンダヘッド3の溝部3aの溝幅よりも小さく構成されている。そして、ベーンアライナ部6cは、フレーム2のリング状の溝部2aに周方向に移動可能に収納され、また、ベーンアライナ部6dは、シリンダヘッド3のリング状の溝部3aに周方向に移動可能に収納されている。よって、ベーン部6aの先端の円弧の法線が常にシリンダ内周面1bの法線と一致するようにベーン部6aの向きが規制される。
(7)ブッシュ7、8:ブッシュ7は、円柱を軸方向に半分に分割した略半円柱状を有し、一対で構成される。また、ブッシュ8も同様に円柱を軸方向に半分に分割した略半円柱状を有し、一対で構成される。一対のブッシュ7、8は、ロータシャフト4のブッシュ保持部4d、4eに回転自在に嵌入されている。後述の図5において、7a、8aはブッシュ中心で、それぞれブッシュ7、8の回転中心である。そして、一対のブッシュ7、8のそれぞれの内側に、板状の第1のベーン5のベーン部5a、第2のベーン6のベーン部6aが略法線方向に移動可能に保持されている。
図5は、本発明の実施の形態1を示す図で、後述する図6における回転角度90°の状態における図1のI−I線に沿った断面図である。図5において、ロータシャフト4のロータ部4aとシリンダ内周面1bは一箇所(最近接点32)において最近接している。以下、図5を参照して本実施の形態1のベーン型圧縮機200の圧縮動作について説明する。
ここで、図4に示すようにベーンアライナ軸受部2b、3bの半径をra 、シリンダ内周面1bの半径をrc (図5も併せて参照)としたとき、第1のベーン5のベーンアライナ部5c、5dの外周側とベーン先端部5b間の距離rv(図3も併せて参照)は、下記の式(a)を満たすように設定されている。
rv=rc−ra+δ ・・・ (a)
δはベーン先端部5bとシリンダ内周面1b間の隙間であり、式(a)のようにrvを設定することで、第1のベーン5はシリンダ内周面1bに接触することなく、回転することとなる。ここで、rvはδが極力小さくなるように設定され、ベーン先端部5bとシリンダ内周面1bとの間の隙間を介して、ベーン部5aで仕切られた2室間での冷媒の漏れを極力少なくしている。なお、式(a)の関係は、第2のベーン6においても同様で、第2のベーン6のベーン先端部6bとシリンダ内周面1bとの間は狭い隙間を保ちつつ、第2のベーン6は回転することとなる。
以上のように、ベーン部5a、6aのそれぞれのベーン先端部5b、6bとシリンダ内周面1bとの間が、大きな隙間となることなく狭い隙間を保つ。これにより、シリンダ1とロータ部4aとの間の空間に、3つの空間(吸入室9、中間室10、圧縮室11)が形成される。
吸入室9には、切欠き部1cを介して吸入ポート1a(吸入管26を介して冷凍サイクルの低圧側に連通する)が連通している。圧縮室11は、シリンダ1に設けた吐出ポート1dを介してフレーム2に設けた吐出ポート2dに連通している。なお、吐出ポート2dは、吐出時以外は吐出弁27で閉塞される。切欠き部1cの周方向の範囲は、図5(回転角度90°)において最近接点32の近傍から、第1のベーン5のベーン先端部5bとシリンダ内周面1bとが相対する点Aの範囲まで設けられている。
したがって、中間室10は、回転角度90°までは吸入ポート1aと連通するが、その後、吸入ポート1a、吐出ポート1dのどちらとも連通しない回転角度範囲が有り、その後、吐出ポート1dと連通する。
次に、本実施の形態1のベーン型圧縮機200の回転動作について説明する。ロータシャフト4の回転軸部4bが電動要素102の駆動部からの回転動力を受け、ロータ部4aは、シリンダ1内で回転する。ロータ部4aの回転に伴い、ロータ部4aの外周付近に配置されたブッシュ保持部4d、4eは、ロータシャフト4を中心とした円周rb(図5参照)上を移動する。そして、ブッシュ保持部4d、4e内で一対のブッシュ7、8の間に保持されている第1のベーン5のベーン部5a、第2のベーン6のベーン部6aも、ロータ部4aと共にロータシャフト4を中心として回転する。
第1のベーン5、第2のベーン6は、回転による遠心力を受ける。ベーンアライナ部5c、6c及びベーンアライナ部5d、6dは、その遠心力により、ベーンアライナ軸受部2b、3bにそれぞれ押付けられて溝部2a、3aを摺動しながら、ベーンアライナ軸受部2b、3bの中心周りに回転する。ここで、ベーンアライナ軸受部2b、3bとシリンダ内周面1bとは同心であり、このため、第1のベーン5、第2のベーン6はシリンダ内周面1bの中心周りに回転することになる。そうすると、ロータ部4aの回転中、第1のベーン5のベーン部5a及び第2のベーン6のベーン部6aの径方向の延長線が、常にシリンダ中心に向かうように、ブッシュ7、8が、ブッシュ保持部4d、4e内でブッシュ中心7a、8a周りに回転することになる。
以上の動作において、ブッシュ7と第1のベーン5のベーン部5aの側面及びブッシュ8と第2のベーン6のベーン部6aの側面は互いに摺動を行う。また、ロータシャフト4のブッシュ保持部4dとブッシュ7、ブッシュ保持部4eとブッシュ8も互いに摺動することになる。あ
図6は、本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200の圧縮動作を示す図で、図1のI−I線に沿った断面図である。図6を参照しながら、吸入室9、中間室10及び圧縮室11の容積が変化する様子を説明する。なお、図6には、吸入、吐出、流入が行われる方向及び位置を白抜き矢印で示している。また、図6において切欠き部1cの位置を分かりやすくするため、太線で示している。
先ず、ロータシャフト4の回転に伴い、吸入管26から低圧の冷媒が吸入ポート1aに流入する。ここで、図6における回転角度(クランク角度)を、ロータシャフト4のロータ部4aとシリンダ内周面1bとが最近接している最近接点32と、ベーン部5aとシリンダ内周面1bとが相対する一箇所とが一致するときを、「角度0°」と定義する。
図6では、「角度0°」、「角度45°」、「角度90°」、「角度135°」での、ベーン部5a、ベーン部6aの位置と、そのときの吸入室9、中間室10及び圧縮室11の状態を示している。また、図6の「角度0°」の図に示す矢印は、ロータシャフト4の回転方向(図6では時計方向)である。但し、他の図では、ロータシャフト4の回転方向を示す矢印は省略している。なお、「角度180°」以降の状態を示していないのは、「角度180°」になると、「角度0°」において、ベーン部5aとベーン部6aが入れ替わった状態と同じになり、以降は「角度0°」から「角度135°」までと同じ圧縮動作を示すためである。
図6における「角度0°」では、最近接点32とベーン部6aとで仕切られた右側の空間は中間室10である。中間室10は、切欠き部1cを介して吸入ポート1aと連通しており、ガスを吸入する。最近接点32とベーン部6aで仕切られた左側の空間は吐出ポート1dに連通した圧縮室11となる。
図6における「角度45°」では、ベーン部5aと最近接点32とで仕切られた空間は吸入室9となる。ベーン部5aとベーン部6aとで仕切られた中間室10は、切欠き部1cを介して吸入ポート1aと連通している。「角度45°」では、中間室10の容積は「角度0°」のときより大きくなるので、ガスの吸入を続ける。また、ベーン部6aと最近接点32とで仕切られた空間は圧縮室11で、圧縮室11の容積は「角度0°」のときより小さくなり、冷媒は圧縮され徐々にその圧力が高くなる。
図6における「角度90°」では、ベーン部5aのベーン先端部5bがシリンダ内周面1b上の点Aと重なるので、中間室10は吸入ポート1aと連通しなくなる。これにより、中間室10でのガスの吸入は終了する。また、この状態で、中間室10の容積は略最大となる。圧縮室11の容積は「角度45°」のときより更に小さくなり、冷媒の圧力は上昇する。吸入室9の容積は「角度45°」のときより大きくなり、吸入を続ける。
図6における「角度135°」では、中間室10の容積は「角度90°」ときより小さくなり、冷媒の圧力は上昇する。また、圧縮室11の容積も「角度90°」のときより小さくなり、冷媒の圧力は上昇する。吸入室9の容積は「角度90°」のときより大きくなり、吸入を続ける。
その後、ベーン部6aが吐出ポート1dに近づくが、圧縮室11の圧力が冷凍サイクルの高圧(吐出弁27を開くのに必要な圧力も含む)を上回ると、吐出弁27が開く。これにより、圧縮室11の冷媒は、吐出ポート1d及びフレーム2の吐出ポート2d(図2参照)を通って、図1に示すように密閉容器103内に吐出される。密閉容器103内に吐出された冷媒は、電動要素102を通過して密閉容器103の上部に固定(溶接)された吐出管24から外部(冷凍サイクルの高圧側)に吐出される。したがって、密閉容器103内の圧力は高圧である吐出圧力となる。
ベーン部6aが吐出ポート1dを通過すると、圧縮室11に高圧の冷媒が若干残る(ロスとなる)。そして、「角度180°」(図示せず)で、圧縮室11が消滅したとき、この高圧の冷媒は吸入室9にて低圧の冷媒に変化する。なお、「角度180°」では吸入室9が中間室10に移行し、中間室10が圧縮室11に移行して、以降圧縮動作を繰り返す。
このように、ロータシャフト4の回転により、吸入室9は徐々に容積が大きくなり、ガスの吸入を続ける。以後、吸入室9は中間室10に移行するが、途中まで容積が徐々に大きくなり、更にガスの吸入を続ける。そして、途中で、中間室10の容積は最大となり、吸入ポート1aに連通しなくなるので、ここでガスの吸入を終了する。以後、中間室10の容積は徐々に小さくなり、ガスを圧縮する。その後、中間室10は圧縮室11に移行して、ガスの圧縮を続ける。所定の圧力まで圧縮されたガスは、吐出ポート1d、吐出ポート2dを通って吐出弁27を押し上げて、密閉容器103内に吐出される。
図7は、本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200のベーンアライナ部5c、6cの回転動作を示す図で、図4のI−I線に沿った断面図である。
図7の「角度0°」の図に示す矢印は、ベーンアライナ部5c、6cの回転方向(図7では時計方向)である。但し、他の図では、ベーンアライナ部5c、6cの回転方向を示す矢印は省略している。ロータシャフト4の回転により、第1のベーン5のベーン部5a及び第2のベーン6のベーン部6aがシリンダ内周面1bの中心周りに回転する(図6参照)。これにより、ベーンアライナ部5c、6cが、図7に示すようにリング状の溝部2a内を、ベーンアライナ軸受部2bに支持されてシリンダ内周面1bの中心周りに回転する。なお、この動作はリング状の溝部3a内をベーンアライナ軸受部3bに支持されて回転するベーンアライナ部5d、6dについても同様である。
以上の動作において、図1の破線に示すように、ロータシャフト4の回転により、油ポンプ31により油溜め104から冷凍機油25が吸い上げられ、給油路4hに送り出される。給油路4hに送り出された冷凍機油25は、給油路4iを通ってフレーム2の凹部2e、溝部2aに送り出され、また、給油路4jを通ってシリンダヘッド3の凹部3e、溝部3aに送り出される。
溝部2a、3aに送り出された冷凍機油25の一部は、ベーンアライナ軸受部2b、3bを潤滑すると共に、溝部2a、3aと連通したベーン逃がし部4f、4gに供給される。ここで、密閉容器103内の圧力は高圧である吐出圧力になっているため、溝部2a、3a及びベーン逃がし部4f、4g内の圧力も吐出圧力となっている。また、溝部2a、3aに送り出された冷凍機油25の一部は、フレーム2の主軸受部2c及びシリンダヘッド3の主軸受部3cに供給される。
図8は、本発明の実施の形態1を示す図で、図5における第1のベーン5のベーン部5a周りの要部断面図である。図中、シリンダ1内で実線で示す矢印は冷凍機油25の流れを示している。
ベーン逃がし部4fの圧力は上述したように吐出圧力であり、吸入室9、中間室10の圧力より高い。このため、冷凍機油25は、矢印で示すようにベーン部5aの側面とブッシュ7との間の摺動部を潤滑しながら、圧力差及び遠心力によって吸入室9及び中間室10に送り出される。また、冷凍機油25は、ブッシュ7とロータシャフト4のブッシュ保持部4dとの間の摺動部を潤滑しながら、圧力差及び遠心力によって吸入室9及び中間室10に送り出される。また、中間室10に送り出された冷凍機油25の一部はベーン先端部5bとシリンダ内周面1bとの間の隙間をシールしながら、中間室10よりも圧力の低い吸入室9に流入する。
また、上記では、第1のベーン5のベーン部5aで仕切られる空間が吸入室9と中間室10である場合の冷凍機油25の流れについて示したが、回転が進んで、ベーン部5aで仕切られる空間が中間室10と圧縮室11となる場合でも同様である。圧縮室11内の圧力がベーン逃がし部4fの圧力と同じ吐出圧力に達した場合でも、遠心力によって、冷凍機油25は圧縮室11に向かって送り出されることになる。なお、以上の動作は第1のベーン5に対して示したが、第2のベーン6においても同様の動作を行う。
以上において、図1の破線に示すように、主軸受部2cに供給された冷凍機油25は主軸受部2cの隙間を通ってフレーム2の上方の空間に吐き出された後、シリンダ1の外周部に設けた油戻し穴1eより、油溜め104に戻される。また、主軸受部3cに供給された冷凍機油25は主軸受部3cの隙間を通って油溜め104に戻される。また、ベーン逃がし部4f、4gを介して吸入室9、中間室10、圧縮室11に送り出された冷凍機油25も、最終的に冷媒と共に吐出ポート2dからフレーム2の上方の空間に吐き出され、その後、シリンダ1の外周部に設けた油戻し穴1eより、油溜め104に戻される。また、油ポンプ31により給油路4hに送り出された冷凍機油25のうち、余剰な冷凍機油25はロータシャフト4の上方の排油穴4kから、フレーム2の上方の空間に吐き出された後、シリンダ1の外周部に設けた油戻し穴1eより、油溜め104に戻される。
次に、ベーン部5a、6aに作用する荷重がベーンアライナ部5c、5d、6c、6dの挙動に与える影響を説明する。
図9は、本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200のベーン部5a、6aに作用する荷重の説明図である。各ベーン部5a、6aに作用する荷重は同じであるため、ここではベーン部6aを代表して説明する。なお、図9においてベーン逃がし部4fの図示は省略している。また、図9においてXはベーン長手方向、YはXと直交する方向(回転方向側が正)である。また、図9のF1、F2は、ベーンアライナ軸受部2bの周方向の両端(図9のA点、B点)で発生するベーンアライナ軸受部2bからの反力である。
ベーン部6aには、Fx、Fyの力が作用する。Fxは、回転による遠心力である。Fyは、2つの力Fg、Fbの合力であり、一つは、圧力の高い中間室10側から圧力の低い吸入室9側に作用する圧力差によって、ベーン部6aに作用する差圧力Fg(以下、隣接室間差圧という)であり、Yの負方向の向き(図9の上向き)に作用する。もう一つは、ブッシュ7から受ける反力Fbであり、ブッシュ回転中心位置においてYの正方向の向き(図9の下向き)に作用する力である。また、図9においてFoは、FxとFyとの合力である。
ベーンアライナ軸受部2bには油膜が形成され、Foに釣り合うように油膜反力が発生する。隣接室間差圧が大きくなり、FyがFxに対して相対的に大きくなると、ベーンアライナ軸受部2bの負荷容量を上回り、油膜が形成できずにベーンアライナ部6cとベーンアライナ軸受部2bとが金属接触しながら摺動することになる。
図10は、本発明の実施の形態1を示す図で、ベーン型圧縮機200の代表的な運転条件による1回転中のベーンアライナ軸受反力F1、F2の挙動を示した図である。
特に圧縮機の回転数が低速の場合や、吸入圧力と吐出圧力の圧力差が大きい場合などに、図10においてクランク角が180〜240°付近でF2は負(図9において、F2は負の状態が示されている。通常の反力の向きは逆側となる。)となる。
F2は反力であり、ベーンアライナ軸受部2bがベーンアライナ部6cから力を受けて発生する力であるため、F2が負であるということはベーンアライナ軸受部2bがベーンアライナ部6cから力を受けないことを表す。すなわち、F2が負になるとベーン部6aは、図9のA点を中心にB点がベーンアライナ軸受部2bから離れる方向にモーメントが働く。このモーメントによりベーンアライナ部6cはベーンアライナ軸受部2bに対して傾き、安定的に運転せず、上述したように、ベーンアライナ部6cがベーンアライナ軸受部2bに金属接触して摩耗することが懸念される。
ベーンアライナ部6cの傾きを抑制するためには、A点中心に働くモーメントとは反対のモーメントをベーンアライナ部6cに作用させることが必要である。本実施の形態1では、ベーンアライナ部6cが摺動する部分を溝部2aとしており、この溝部2aにより、ベーンアライナ部6cの傾きを抑制するためのモーメントをベーンアライナ部6cに作用させることができる。この点について次の図11で説明する。
図11は、本発明の実施の形態1を示す図で、凸部2gを設けた場合のベーン部6aに作用する荷重を示す図である。図10に示したF2が負になるクランク角の範囲において溝部2aの内周面2aaとベーンアライナ背面6caとの隙間に流れる冷凍機油25の流体抵抗力Fがベーンアライナ背面6caに作用する。つまり、この流体抵抗力Fがベーンアライナ部6cの傾きを抑制するためのモーメントを発生させる。
次に、流体抵抗力Fの算出方法について述べる。
図12(a)は、図11のベーン部6aが傾くときのベーンアライナ背面6caと溝部2aの内周面2aaとの間の冷凍機油25の流れを示したベーンアライナ部6c周りの断面図である。図12(b)は、図11のベーンアライナ部6c周りの平面図である。実線の矢印がベーンアライナ部6cの移動方向であり、破線の矢印が冷凍機油25の流れを示している。溝部2aの内周面2aaとベーンアライナ背面6caとの隙間から鉛直下方向へ流れる場合の流れの断面積をS(図12(b)の斜線部)、冷凍機油25の流速をUとする。ベーンアライナ部6cの移動速度をU、ベーンアライナ背面6caの面積をSとすると、流量保存の法則より、式(1)を得る。
Figure 0006017023
そのときの圧損は式(2)で得られる。
Figure 0006017023
ここで、Cは流体抵抗係数であり1とおく。ρは冷凍機油25の密度である。流体抵抗力Fは式(3)で得られる。ベーンアライナ背面6caの面積Sは式(4)で表される。ここで、Lはベーンアライナ背面6caの円周長さ、hはベーンアライナ部と溝部の内周面が重なる部分の高さである。
Figure 0006017023
Figure 0006017023
式(1)、式(2)及び式(4)を式(3)に代入し、整理すると式(5)を得、流体抵抗力Fを算出することができる。
Figure 0006017023
ここでは、ベーンアライナ部6c、ベーンアライナ軸受部2bに作用する流体抵抗力Fについて説明したが、他のベーンアライナ部5c、5d、6d、ベーンアライナ軸受部3bにおいても同様の流体抵抗力Fが作用する。
また、本実施の形態1では、ベーン部5a、6aの挙動が安定するクランク角においては、溝部2a、3aの内周面2aa、3aa(図2参照)の一部が切り取られて内周面2aa、3aaの高さを低くしており、この点に特徴がある。このように構成することで、ベーン部5a、6aの挙動が安定するクランク角においては不要な流体抵抗力Fが発生せず、機械損失を抑制できる。
以上説明したように、本実施の形態1では、シリンダヘッド3及びフレーム2のシリンダ側端面にシリンダ内周面1bと同心に形成されたリング状で断面凹型の溝部2a、3aを有しているため、以下の効果が得られる。すなわち、特に圧縮機の回転数が低速の条件、吸入圧力と吐出圧力の圧力差が高い条件などにおいては、クランク角の範囲のうち、ベーン部5a、6aに作用する荷重により転覆するモーメントが作用するクランク角の範囲で、転覆を抑制する流体抵抗力Fによるモーメントが、転覆するモーメントよりも大きくなる。よって、ベーンアライナ部5c、5d、6c、6dの転覆を抑制し、安定的な運転を実施することができる。ここで、溝部2aの内周面2aaにおいて切り取られていない部分である凸部2gとベーンアライナ部6cとが対向する部分の高さhは、ベーンアライナ部6cの高さの50〜99%に設定することが望ましい。
つまり、特に圧縮機の回転数が低速の条件、吸入圧力と吐出圧力の圧力差が高い条件などのベーン部6aの不安定挙動時に、冷凍機油25の流体抵抗力Fがベーンアライナ背面6caに作用する。これにより、ベーン全体が外周方向へ押し出されてベーンアライナ部6c、6dの挙動が安定化する。よって、ベーンアライナ部6c、6dとベーンアライナ軸受部2bが安定的に摺動することで信頼性の高いベーン型圧縮機が得られる。また、ベーンアライナ部6c、6dの挙動が安定化するため、ベーンアライナ部6c、6d及びベーンアライナ軸受部2bの摩耗、焼付きを抑制できる。なお、これらの点は、ベーン部5a側においても同様である。
また、本実施の形態1の一番の特徴として、溝部2aの内周面2aaの一部が切り取られて内周面2aaの高さが低くなっているため、不要な流体抵抗力Fが発生せず、機械損失を抑制でき、高効率のベーン型圧縮機を得ることができる。
図10に示した特定の条件においては、F2が負となるクランク角の範囲は180〜240°である。しかし、圧縮機で考えられる運転条件において、F2が負となるクランク角の最大範囲は180〜360°である。よって、溝部2aの凸部2gが存在する範囲は180〜360°の範囲のみとし、ベーン部5a、6aの挙動が安定するクランク角の範囲(0〜180°)においては内周面2aaの高さを低くすることが望ましい。このとき、機械損失を低減するためには、内周面2aaの高さをゼロにすることが望ましいが、内周面2aaの高さがゼロとなると、ベーン部5a、6aがロータ部4aの軸に向かって移動することができてしまう。
過渡的な条件などにおいて、ベーン部5a、6aがロータ部4aの軸に向かって移動してしまうと、再びベーン部回転方向外側に押し出されるまでの時間を要し、この間、圧縮仕事がされないことになる。このため、内周面2aaの高さをゼロにすることは望ましくない。そこで、機械損失を低減し、且つ、ベーン部5a、6aの軸中心方向への移動を抑制するため、以下の構成とすることが望ましい。すなわち、凹部2eの内周面2aaにおいて一部が切り取られて高さが低くなっている部分とベーンアライナ背面6caとが対向する部分の高さを、ベーンアライナ部6cの高さの10〜20%程度とすることが望ましい。
また、溝部2aの内周面2aaがロータ部4aと接触すると不要な摺動が発生するため、凸部2gの高さはロータ部4aに接触しない範囲で高くすることが望ましい。凸部2gの高さをこの範囲とすることで、不要な摺動を避けることができ、機械損失を抑制できる。ここでは、フレーム2の溝部2aの内周面2aaについて説明したが、シリンダヘッド3の溝部3aの内周面3aa(図1参照)も同様である。
実施の形態2.
実施の形態2は、実施の形態1のフレーム2及びシリンダヘッド3の構成を一部変更したもので、その他は実施の形態1と同様である。以下、実施の形態2が実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
図13は、本発明の実施の形態2を示す図で、ベーン型圧縮機のベーンアライナ軸受部2b周りの断面図である。
上記実施の形態1では、凸部2gを、円筒を軸方向に切断した形状としたが、実施の形態2では、その切断部分、つまり凸部2gの周方向の両端面が、凹部2eの底面2eaから凸部2gの突出側端面2abに向けて滑らかに連続する傾斜面2hとしたものである。なお、傾斜面2hに変えて曲面としてもよい。
本実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果が得られると共に、凸部2gの周方向の両端面を、上記の傾斜面2hとしたことで、以下の効果が得られる。すなわち、ベーンアライナ背面6caと溝部2aの内周面2aaとの引っ掛かりを抑制することができる。なお、溝部2aの内周面2aaが存在する範囲は、凸部2gの突出側端面2abのうち傾斜面2h以外の部分である平行部が、少なくとも、180〜360°の範囲に設けられているものとする。
実施の形態3.
上記実施の形態1では、凸部3gが円筒を軸方向に切断した形状を有していたが、実施の形態3では、凸部3gが略円柱状に構成されている。また、実施の形態3では凹部3eの形状が上記実施の形態1の形状と異なっており、その他は実施の形態1と同様である。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。
図14は、本発明の実施の形態3を示す図でベーンアライナ部6c周りの平面図及び断面図である。
流体抵抗力を発生させないために設ける凹部2eは、クランク角が0〜180°の範囲において径方向に厚みtの部分リング状となっている。言い換えれば、凸部2gが円柱の外周面の一部を部分リング状に軸方向に切断した形状を有し、その切断された部分が凹部2eに相当する。ここで、tによって決まる隙間の断面積(図14の上図の濃い点々部分の面積)SとSの和が、ベーンアライナ背面6caの面積Sよりも小さくなるように厚みtを設定すれば、流体抵抗力が著しく小さくなる。すなわち、凹部2eの形状は、SとSの和が、Sと等しくなるときの厚みtよりもtが大きくなるような形状であればかまわない。
但し、凸部2gは流体抵抗力によって変形しない程度の剛性が必要である。このため、凸部2gは少なくともベーンアライナ部6cの厚みと同じ厚み(半径方向に)を有することが望ましい。加えて、凹部2eと凸部2gとの境界面20が主軸受部2cに重ならないように境界面20を設定することが望ましい。
なお、ベーンアライナ軸受部2b、ベーンアライナ部5c、6c、溝部2aの内周面2aaには、油膜圧力を発生しやすくするための動圧溝を掘ってもよい。
また、実施の形態3と実施の形態2とを組み合わせ、凸部2gの周方向の両端面を、凹部2eの底面2eaから凸部2gの突出側端面2abに向けて滑らかに連続する傾斜面としてもよい。また、傾斜面に変えて曲面としてもよい。
また、ここでは、凸部2gの構造について説明したが、凸部3gにおいても同様である。
また、以上の実施の形態1〜3において、ベーン枚数が2枚の場合について示したが、ベーン枚数が1枚でもよいし、また、3枚以上でもよい。この場合も本発明の要部の構成は同じであり、同様の効果が得られる。
また、以上の実施の形態1〜3では、ベーン枚数が2枚であったため、圧縮空間を、吸入室9、中間室10、圧縮室11の3つに仕切るようにしたが、ベーン枚数が1枚の場合には、吸入室と圧縮室の2つに仕切られることになる。つまり、本発明においてベーン部の枚数は、シリンダ1とロータ部4a間の空間を少なくとも吸入室と吐出室とに仕切る少なくとも1枚、有する構成であればよい。
また、実施の形態1〜3においては、ロータシャフト4の遠心力を利用した油ポンプ31について示したが、油ポンプ31の形態は何れでもよく、例えば特開2009−62820号公報に記載の容積形ポンプを油ポンプ31として用いてもよい。
1 シリンダ、1a 吸入ポート、1b シリンダ内周面、1c 切欠き部、1d 吐出ポート、1e 油戻し穴、2 フレーム、2a 溝部、2aa 内周面、2ab 突出側端面、2b ベーンアライナ軸受部、2c 主軸受部、2d 吐出ポート、2e 凹部、2ea 底面、2g 凸部、2h 傾斜面、3 シリンダヘッド、3a 溝部、3aa 内周面、3b ベーンアライナ軸受部、3c 主軸受部、3e 凹部、3g 凸部、4 ロータシャフト、4a ロータ部、4b 回転軸部、4c 回転軸部、4d ブッシュ保持部、4e ブッシュ保持部、4f ベーン逃がし部、4g ベーン逃がし部、4h 給油路、4i 給油路、4j 給油路、4k 排油穴、5 第1のベーン、5a ベーン部、5b ベーン先端部、5c ベーンアライナ部、5d ベーンアライナ部、6 第2のベーン、6a ベーン部、6b ベーン先端部、6c ベーンアライナ部、6ca ベーンアライナ背面、6d ベーンアライナ部、7 ブッシュ、7a ブッシュ中心、8 ブッシュ、9 吸入室、10 中間室、11 圧縮室、20 境界面、21 固定子、22 回転子、23 ガラス端子、24 吐出管、25 冷凍機油、26 吸入管、27 吐出弁、28 吐出弁押え、31 油ポンプ、32 最近接点、101 圧縮要素、102 電動要素、103 密閉容器、104 油溜め、200 ベーン型圧縮機。

Claims (5)

  1. 円筒状の内周面を有し、前記円筒状の軸方向の両端が開口しているシリンダと、前記シリンダの軸方向の両端を閉塞するシリンダヘッド及びフレームと、前記シリンダ内で回転運動する円柱形のロータ部及び前記ロータ部に回転力を伝達するシャフト部を有するロータシャフトと、前記ロータ部内に設置され、前記シリンダの内周面の中心周りに回転するように保持され、前記シリンダと前記ロータ部との間の空間を少なくとも吸入室と圧縮室とに仕切る少なくとも1枚のベーン部と、前記ベーン部を支持する部分リング状のベーンアライナ部と、前記圧縮室に連通し、前記圧縮室で圧縮されたガスを吐出する吐出ポートとを備えたベーン型圧縮機において、
    前記シリンダヘッド及び前記フレームのそれぞれの前記シリンダ側の端面は、前記シリンダの内周面と同心のリング状で断面凹型に形成され、前記ベーンアライナ部が摺動可能に嵌入される溝部を有し、
    前記溝部は、前記溝部の内周面の一部が切り取られて前記溝部の内周面の高さが低くなっている部分を有しており、前記溝部の内周面において切り取られていない部分である凸部の高さが、前記ロータ部に接触しない範囲で高く設定されている
    ことを特徴とするベーン型圧縮機。
  2. 前記溝部の内周面の一部が切り取られて前記溝部の内周面の高さが低くなっている部分と前記ベーンアライナ部とが対向する部分の高さが、前記ベーンアライナ部の高さの10〜20%で設定されている
    ことを特徴とする請求項1記載のベーン型圧縮機。
  3. 前記溝部の内周面において切り取られていない部分である前記凸部と前記ベーンアライナ部とが対向する部分の高さが、前記ベーンアライナ部の高さの50〜99%に設定されている
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載のベーン型圧縮機。
  4. 前記ロータシャフトの前記ロータ部と前記シリンダの内周面との最近接点と、前記ベーン部と前記シリンダの内周面とが相対する一箇所とが一致する点に、前記ロータ部が到達後の180°〜360°のクランク角の範囲に、前記凸部が設けられている
    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ベーン型圧縮機。
  5. 前記凸部は、円筒を軸方向に切断した形状、又は、円柱の外周面の一部を部分リング状に軸方向に切断した形状を有し、その切断された周方向の両端面が、前記溝部の内周面において切り取られた部分の底面から滑らかに連続している
    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ベーン型圧縮機。
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