JP6418329B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、密閉型回転式の圧縮機に関するものである。

一般的な圧縮機においては、圧縮冷媒の吐出口から吐出されずに残った圧縮冷媒が圧縮室に逆流することによって生じる再圧縮損失を小さくするために、軸受に設けられた吐出弁座の厚さを薄くしている。吐出弁座の厚さを薄くするために、軸受鍔部には溝が設けられている。この溝付近の曲げモーメントは小さいので、軸受をネジ等によってシリンダに締結した際に軸受鍔部が変形してその圧縮室側の面が撓む。また、圧縮室側の面は、圧縮機運転中の内圧によっても更に撓む。それによって、軸受鍔部の圧縮機側の面とピストンとの間のクリアランスが大きくなる。その結果、圧縮室内で漏れ損失が増加し、圧縮効率が低下する。

軸受鍔部の変形を抑える方法として、軸受フランジに設けられた吐出弁座によって生じる曲げモーメントと同等の曲げモーメントを発生させるための掘込溝を軸受フランジに配設したものがある（特許文献１）。この掘込溝は、吐出弁座と当該掘込溝との間に軸受ボスが位置するように配設される。また、軸受の鍔部全体を厚くして剛性を向上させることにより、軸受の変形を抑える構成も知られている（特許文献２）。

特開２００９−２３６０７５号公報 特開２００７−５６８６０号公報

しかしながら、特許文献１のように掘込溝を設けた場合、軸受鍔部の曲げモーメントは軸受ボスを挟んで同等となり得るが、掘込溝の肉厚が小さいので、圧縮機内圧による掘込溝部の撓みの増大を防ぐことができず、漏れ損失が大きくなってしまうという問題があった。

また、特許文献２のように軸受鍔部全体を厚くし剛性を向上させる手法は、圧縮機構造上の制約が課題となることに加え、溝形成部分のみが撓むことによって軸受鍔部の圧縮室側表面とシリンダの軸方向端部との間のクリアランスが不均一となり、漏れ損失が大きくなってしまうという問題があった。

この発明の目的は、再圧縮損失及び漏れ損失が小さく圧縮効率の高い圧縮機を提供することを目的とすることである。

この発明に係る圧縮機は、密閉容器内に、吸入口から吸入した冷媒を圧縮して吐出口から吐出する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を主軸を介して駆動する電動機部と、を備える圧縮機であって、前記圧縮機構部は、中空円筒形状のシリンダと、前記シリンダの軸方向両端部にそれぞれ設けられ前記主軸を支持する上軸受及び下軸受と、を含み、前記上軸受は前記シリンダの軸方向の一端の開口面を閉塞する上軸鍔部を有し、前記下軸受は前記シリンダの軸方向の他端の開口面を閉塞する下軸鍔部を有し、前記上軸鍔部及び前記下軸鍔部のうちの少なくとも一方の鍔部に前記吐出口を備える溝部が形成されており、前記吐出口を備える鍔部における、前記主軸を挟んで前記溝部とは反対側に位置する領域の厚さが前記主軸から遠ざかるにつれて漸次的に変化し、前記シリンダの軸方向についての、前記吐出口を備える鍔部における、前記溝部が形成されている側の領域の断面二次モーメントの大きさと、前記主軸を挟んで前記溝部とは反対側に位置する領域の断面二次モーメントの大きさとが等しいことを特徴とする。

この発明の圧縮機は、再圧縮損失及び漏れ損失を小さくし圧縮効率を高くすることができる。

この発明の実施の形態１における圧縮機を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態１における圧縮機を示す横断面図である。 図１の軸受の側面図である。 図１の軸受の平面図である。 図１の軸受の変形例を示す側面図である。 図１の軸受の変形例を示す平面図である。 この発明の実施の形態２における圧縮機の上軸受の縦断面の模式図である。 上軸受鍔部を片持ちはりと仮定したモデルにおける縦断面の模式図である。

実施の形態１．
図１は、本実施形態における圧縮機１００を示す縦断面図である。図２は、圧縮機１００の横断面図である。圧縮機１００は、密閉容器１内に電動機部２と圧縮機構部３とを備える。電動機部２は、回転子２ａの回転力を主軸４を介して伝達して圧縮機構部３を駆動する。圧縮機構部３においては、中空円筒形状のシリンダ６と、シリンダ６の軸方向の上端に設けられた上軸受７と、下端に設けられた下軸受８とによって圧縮室１３が構成されている。主軸４の上側は上軸受ボス部７ｂに回転自在に支持されており、主軸４の下側は下軸受ボス部８ｂに回転自在に支持されている。圧縮室１３内には、主軸４に固定された偏心軸５に摺動自在に嵌合されて偏心回転するリング状のピストン９と、シリンダ６の半径方向に伸びるベーン溝１０に収納されてバネ部材１２によってピストン９に押し付けられるベーン１１と、が設けられている。圧縮室１３内は、バネ部材１２によってピストン９に押し付けられたベーン１１により低圧空間と高圧空間とに分けられている。圧縮機１００の動作時には、電動機部２の回転力が主軸４を介してピストン９に伝達される。ピストン９が圧縮室１３内で偏心回転することによって、シリンダ６の側面に形成された吸入口１４から圧縮室１３内に低圧の冷媒を吸入し、ピストン９の回転によって圧縮室１３内の低圧空間と高圧空間の体積を変化させながら冷媒を圧縮する。圧縮されて高圧になった冷媒は、上軸受７の鍔部（以下、上軸受鍔部７ａと称する）に形成された吐出口１５を覆う吐出弁１５ａを押し上げて圧縮室１３外に放出される。

圧縮機構部３には上下２段の圧縮室１３が設けられている。下段の圧縮室１３の構成は上段の圧縮室１３の構成と同様である。下軸受８の鍔部（以下、下軸受鍔部８ａと称する）にも、上軸受鍔部７ａと同様に、吐出口とこれを覆う吐出弁とが形成されており、圧縮された冷媒は吐出弁を押し上げて圧縮室１３外に放出される。なお、図１は、上下２段の圧縮室１３を設けた場合の例であるが、いずれか一方の圧縮室１３のみを設けた構成とすることもできる。また、図１においては、密閉容器１の上部及び下部を省略して図示しているが、密閉容器１は密閉構造の容器である。密閉容器１の底部には、摺動運動するピストン９を主に潤滑する冷凍機油（図示せず）が貯留されている。冷媒としては、例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１１２３などの単一冷媒、若しくはこれらとＲ３２などのＨＦＣ冷媒との混合冷媒、プロパン（Ｒ２９０）などの炭化水素系冷媒、又は二酸化炭素などの自然冷媒を用いることができる。

図３は、圧縮機１００の上軸受７の側面図である。図４は、圧縮機１００の上軸受７の平面図である。上軸受鍔部７ａはネジ等の固定部材１７によってシリンダ６（図１）の上端に締結されている。締結部１７ａ〜１７ｅは、シリンダ６の周方向に沿って設けられている。また、締結部１７ａ〜１７ｅは、平面視円形の上軸受鍔部７ａの外周に沿って設けられている。圧縮機１００の運転時に回転するピストン９の熱膨張に起因する故障を防止するため、上軸受鍔部７ａとピストン９との間には、一定のクリアランスが設けられている。

上軸受鍔部７ａの圧縮機構部３側の面７ａ１（以下、圧縮室側表面７ａ１と称する）は傾斜面を有さない単一平面からなり、シリンダ６（図１）の軸方向上側の開口面を覆っている。一方、上軸受鍔部７ａの、圧縮機構部３とは反対側（上軸受ボス部７ａ側）の面７ａ２（以下、ボス側表面７ａ２と称する）の一部は傾斜している。詳細には、上軸受鍔部７ａにおける、主軸４を挟んで溝部１６とは反対側に位置する領域の厚さが主軸４から遠ざかるにつれて漸次的に変化している。また、詳細には、上軸受７の平面視において主軸４の中心を通過する線Ａ−Ａ（以下、便宜上、境界線Ａ−Ａと称する）によって分けられた２つの領域のうち、溝部１６が形成されている側の領域Ｄ１（以下、溝側領域Ｄ１と称する）に対して境界線Ａ−Ａを挟んで反対側に位置する領域Ｄ２（以下、反対側領域Ｄ２と称する）における上軸受鍔部７ａの厚さが、境界線Ａ−Ａから遠ざかるにつれて漸次的に薄くなっている。溝側領域Ｄ１及び反対側領域Ｄ２の各々は、境界線Ａ−Ａを境に互いに隣接する半円形領域である。

上軸受鍔部７ａの、反対側領域Ｄ２におけるボス側表面７ａ２は、溝側領域Ｄ１におけるボス側表面７ａ２に対して傾斜している。図４に示されるように、溝側領域Ｄ１と反対側領域Ｄ２との境界線Ａ−Ａは、溝部１６の長手方向の中心線Ｂ−Ｂ（以下、便宜上、溝中心線Ｂ−Ｂと称する）と平行になるように定めることができる。以下、主軸４の中心を通過し境界線Ａ−Ａに垂直に交差する線Ｃ−Ｃを、便宜上、横断線Ｃ−Ｃと称する。上軸受鍔部７ａの横断線Ｃ−Ｃ上における反対側領域Ｄ２の縁部Ｃ２の厚さＨ２は、溝側領域Ｄ１の縁部Ｃ１の厚さＨ１よりも薄い。反対側領域Ｄ２の上軸受鍔部７ａの剛性が低くなり過ぎないように、厚さＨ２は厚さＨ１の１／２以上であることが望ましい。

シリンダ６に対する、上軸受鍔部７ａの溝側領域Ｄ１の締結力と反対側領域Ｄ２の締結力とが等しい又は略等しい場合、以下のように作用する。溝部１６の厚さＨ３は、溝側領域Ｄ１における上軸受鍔部７ａの厚さＨ１よりも薄いので、溝部１６は圧縮室１３側の方向に撓み易くなっており、上軸受ボス部７ｂが溝側領域Ｄ１側に傾く方向に力が働く。一方、反対側領域Ｄ２における上軸受鍔部７ａの厚さＨ２は、境界線Ａ−Ａから遠ざかるにつれて漸次的に薄くなっているので、上軸受ボス部７ｂが反対側領域Ｄ２側に傾く方向に力が働く。かかる構成によれば、溝側領域Ｄ１側への曲げ力と反対側領域Ｄ２側への曲げ力とが打ち消し合ので、溝部１６を設けたことに起因して吐出溝部部１６付近の上軸受鍔部７ａが圧縮機構部３側に撓むことを防止することができる。それ故、圧縮室側表面７ａ１とピストン９との間のクリアランスが均一になり、漏れ損失を低減することができる。

上軸受鍔部７ａのボス側表面７ａ２は、シリンダ６の軸方向Ｇについての、溝側領域Ｄ１の断面二次モーメントの大きさと、反対側領域Ｄ２の断面二次モーメントの大きさとが同一となる角度Ｆで傾斜していることが望ましい。溝側領域Ｄ１及び反対側領域Ｄ２各々の断面二次モーメントの大きさは、締結部１７ａ〜１７ｅ各々の位置関係、これらと溝部１６との位置関係、及び締結力の大きさなどのパラメータによって定まる。上軸受鍔部７ａの反対側領域Ｄ２におけるボス側表面７ａ２の傾斜角度Ｆは、上記パラメータに基づくシミュレーションによって定めることもできるが、簡易的には以下のように考えて設計することができる。

図４に示されるように、溝側領域Ｄ１内の締結部１７ａ〜１７ｃの個数が、反対側領域Ｄ２内の締結部１７ｄ及び１７ｅの個数よりも多い場合には、溝側領域Ｄ１の圧縮室側表面７ａ１が圧縮室１３側に撓み易いと考えられる。かかる構成の場合には、図４に示されるように、上軸受鍔部７ａの、反対側領域Ｄ２における厚さを境界線Ａ−Ａから遠ざかるにつれて薄くすることによって、軸方向Ｇについての溝側領域Ｄ１及び反対側領域Ｄ２各々の断面二次モーメントを等しくして圧縮室側表面７ａ１の撓みを防止できる。特に、締結部１７ａ〜１７ｅ各々の締結構造又は締結力が同じである場合には、撓み防止の効果が大きい。

図５は、上軸受７の変形例を示す側面図である。図６は、上軸受７の変形例を示す平面図である。図５及び図６の上軸受７においては、上軸受鍔部７ａの反対側領域Ｄ２の傾斜方向、及び締結部１７ａ〜１７ｅの配置が、図３及び図４の上軸受７と異なる。他の構成は上記実施形態と同様であるので説明を省略する。

図６に示されるように、溝側領域Ｄ１内の締結部１７ａ及び１７ｂの個数が、反対側領域Ｄ２内の締結部１７ｃ〜１７ｅの個数よりも少ない場合には、溝側領域Ｄ１の圧縮室側表面７ａ１が圧縮室１３とは反対側に撓み得る。かかる構成の場合には、図６に示されるように、上軸受鍔部７ａの、反対側領域Ｄ２における厚さを境界線Ａ−Ａから遠ざかるにつれて厚くすることによって、軸方向Ｇについての溝側領域Ｄ１及び反対側領域Ｄ２各々の断面二次モーメントを等しくして圧縮室側表面７ａ１の撓みを防止できる。特に、締結部１７ａ〜１７ｅ各々の締結構造又は締結力が同じである場合には、撓み防止の効果が大きい。

図３及び図４の構成ならびに図５及び図６の構成において、断面二次モーメントを等しくするためには、簡易的には、断面積の大きさに基づいて設計することができる。すなわち、上軸受鍔部７ａの横断線Ｃ−Ｃにおける溝側領域Ｄ１及び反対側領域Ｄ２各々の断面積が等しければ、軸方向Ｇについての溝側領域Ｄ１及び反対側領域Ｄ２各々の断面二次モーメントがほぼ等しいと考え得る。横断線Ｃ−Ｃにおける溝側領域Ｄ１及び反対側領域Ｄ２各々の断面積が等しくなるように、上軸受鍔部７ａのボス側表面７ａ２を傾斜させることによって、軸方向Ｇにおける溝側領域Ｄ１及び反対側領域Ｄ２各々の断面二次モーメントを等しくして圧縮室側表面７ａ１の撓みを防止できる。

図３及び図４ならびに図５及び図６に示されるように、上軸受鍔部７ａの反対側領域Ｄ２におけるボス側表面７ａ２は、段差の無い傾斜面であることが望ましい。かかる構成によれば、反対側領域Ｄ２の上軸受鍔部７ａに応力の変曲点が生じず、反対側領域Ｄ２側の撓みを抑制できると共に、溝側領域Ｄ１側の曲げモーメントと同等にすることが容易となる。また、上軸受鍔部７ａの反対側領域Ｄ２における、ボス側表面７ａ２は傾斜しているが、圧縮室側表面７ａ１は傾斜していないので、圧縮室側表面７ａ１とピストン９と間のクリアランスを最小化でき、漏れ損失が生じ難い。このように、本実施形態の圧縮機１によれば、再圧縮損失だけでなく漏れ損失も低減することができ、圧縮効率を高めることができる。

上記実施形態は、上軸受鍔部７ａのボス側表面７ａ２を傾斜させた構成とした場合の例であるが、下軸受鍔部８ａのボス側表面についても上記実施形態と同様に傾斜させた構成とすることができる。この場合にも同様の作用により同様の効果を奏する。

実施の形態２．
図７は、撓んでいないときの上軸受７の縦断面を実線、撓んだときの上軸受７の縦断面を破線で示す模式図である。本実施形態の圧縮機１００においては、溝部１６側の上軸受７の最大撓み量ｃと、主軸４を挟んで溝部１６とは反対側の上軸受７の最大撓み量ｄとが等しくなるように、上軸受鍔部７ａの厚さが決定されている。最大撓み量ｃは、撓んでいないときの溝部１６側の圧縮室側表面７ａ１の内周部７ａ３の位置と、撓んだときの溝部１６側の圧縮室側表面７ａ１の内周部７ａ３の位置との間の鉛直距離である。最大撓み量ｄは、撓んでいないときの溝部１６反対側の圧縮室側表面７ａ１の内周部７ａ３の位置と、撓んだときの溝部１６反対側の圧縮室側表面７ａ１の内周部７ａ３の位置との間の鉛直距離である。上軸受鍔部７ａの溝部１６側のボス側表面７ａ２は、最大撓み量ｃと最大撓み量ｄとが同じになるように傾斜している。

図８は、上軸受鍔部７ａを、圧縮室側表面７ａ１の外周部７ａ４を固定点とする一般的な片持ちはりと仮定したモデルにおける縦断面の模式図である。このモデルにおいて、上軸受７の片側の断面二次モーメントをＩ、縦弾性係数をＥ、固定部材１７が上軸受鍔部７ａをシリンダ６に固定する力をＰ、固定部材１７の位置から圧縮室側表面７ａ１の外周部７ａ４までの水平距離をａ、固定部材１７の位置から圧縮室側表面７ａ１の内周部７ａ３までの水平距離をｂとすると、最大撓み量ｙは次式となる。

撓み量は、上記式を用いて計算することもできるし、例えばＣＡＥなどの構造計算ツールで計算することもできる。具体的な寸法を定めて撓み量を計算すると、溝部１６側の上軸受鍔部７ａの撓み量８．１μｍ、溝部１６反対側の上軸受鍔部７ａの撓み量６．７μｍが得られた。溝部１６反対側のボス側表面７ａ２が傾斜していない場合、すなわち、溝部１６側の上軸受鍔部７ａの厚さと、溝部１６反対側の上軸受鍔部７ａの厚さとが同じ場合には、溝部１６側の撓み量とその反対側の撓み量の差が大きい。一方、本実施形態の圧縮機１００に置いては、溝部１６反対側の上軸受鍔部７ａの縁部Ｃ２の厚さが、溝部１６側の上軸受鍔部７ａの縁部Ｃ１の厚さの７０％の厚さになるように、溝部１６反対側のボス側表面７ａ２が傾斜している。この場合、溝部１６反対側の撓み量は８．３μｍであることが、計算から求められる。溝部１６側の撓み量と溝部１６反対側の撓み量との差は０．２μ（約３％の差）であり、撓み量はほぼ一致する。撓み量を１μｍ程度まで許容するとし、撓み量の差を±１０％以内とすることが望ましい。

本実施例の圧縮機１００においては、溝部１６側の上軸受鍔部７ａの撓み量と、溝部１６反対側の上軸受鍔部７ａの撓み量とが同じになるように、溝部１６反対側のボス側表面７ａ２を傾斜させている。かかる構成によれば、溝部１６側と溝部１６反対側とで均衡が保たれ、その結果、圧縮室側表面７ａ１とピストン９との間のクリアランスが均一になり、漏れ損失を低減することができる。

１ 密閉容器
２ 電動機部
３ 圧縮機構部
４ 主軸
５ 偏心軸
６ シリンダ
７ 上軸受
７ａ 上軸受鍔部
７ａ１ 圧縮室側表面
７ａ２ ボス側表面
７ｂ 上軸受ボス部
８ 下軸受
８ａ 下軸受鍔部
８ｂ 下軸受ボス部
９ ピストン
１０ ベーン溝
１１ ベーン
１２ バネ部材
１３ 圧縮室
１４ 吸入口
１５ 吐出口
１５ａ 吐出弁
１６ 溝部
１７ 固定部材
１７ａ〜１７ｅ 締結部
１００ 圧縮機

Claims (12)

1. 密閉容器内に、吸入口から吸入した冷媒を圧縮して吐出口から吐出する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を主軸を介して駆動する電動機部と、を備える圧縮機であって、
   前記圧縮機構部は、中空円筒形状のシリンダと、前記シリンダの軸方向両端部にそれぞれ設けられ前記主軸を支持する上軸受及び下軸受と、を含み、
   前記上軸受は前記シリンダの軸方向の一端の開口面を閉塞する上軸鍔部を有し、前記下軸受は前記シリンダの軸方向の他端の開口面を閉塞する下軸鍔部を有し、
   前記上軸鍔部及び前記下軸鍔部のうちの少なくとも一方の鍔部に前記吐出口を備える溝部が形成されており、
   前記吐出口を備える鍔部における、前記主軸を挟んで前記溝部とは反対側に位置する領域の厚さが前記主軸から遠ざかるにつれて漸次的に変化し、
   前記シリンダの軸方向についての、前記吐出口を備える鍔部における、前記溝部が形成されている側の領域の断面二次モーメントの大きさと、前記主軸を挟んで前記溝部とは反対側に位置する領域の断面二次モーメントの大きさとが等しいことを特徴とする圧縮機。
2. 前記溝部とは反対側に位置する領域は、前記鍔部の平面視において前記主軸の中心を通過する境界線によって分けられる２つの領域のうち、前記溝部が形成されている側の領域に対して前記境界線を挟んで反対側に位置する領域であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記溝部とは反対側に位置する領域における前記鍔部の厚さは、前記主軸から遠ざかるにつれて薄くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記溝部とは反対側に位置する領域における前記鍔部の、前記圧縮機構部とは反対側の面が傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
5. 前記鍔部は、固定部材によって前記シリンダの端部に締結されており、
   前記溝部が形成されている側の領域内の前記固定部材の数が、前記主軸を挟んで当該領域とは反対側に位置する領域内の前記固定部材の数よりも多いことを特徴とする請求項３又は４に記載の圧縮機。
6. 前記溝部とは反対側に位置する領域における前記鍔部の厚さは、前記境界線から遠ざかるにつれて厚くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
7. 前記溝部とは反対側に位置する領域における前記鍔部の、前記圧縮機構部とは反対側の面が傾斜していることを特徴とする請求項６に記載の圧縮機。
8. 前記鍔部は、固定部材によって前記シリンダの端部に締結されており、
   前記溝部が形成されている側の領域内の前記固定部材の数が、前記主軸を挟んで当該領域とは反対側に位置する領域内の前記固定部材の数よりも少ないことを特徴とする請求項６又は７に記載の圧縮機。
9. 前記主軸を通過し前記境界線に垂直に交差する横断線上における、
   前記鍔部の前記溝部が形成されている側の領域の断面積と、前記主軸を挟んで当該領域とは反対側に位置する領域の断面積とが等しいことを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の圧縮機。
10. 前記溝部とは反対側に位置する領域における前記鍔部の、前記圧縮機構部とは反対側の面は、段差の無い傾斜面であることを特徴とする請求項４又は７に記載の圧縮機。
11. 前記溝部とは反対側に位置する領域における前記鍔部の、前記圧縮機構部とは反対側の面は、前記溝部側の前記圧縮機構部側に撓む量と、前記溝部とは反対側の前記圧縮機構部側に撓む量とが同じになるように傾斜していることを特徴とする請求項４又は７に記載の圧縮機。
12. 前記鍔部の、前記圧縮機構部側の面は、単一の平面であることを特徴とする請求項１〜１１に記載の圧縮機。

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