JP6441119B2 - 回転式圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転式圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。

空気調和装置等の冷凍サイクル装置には、回転式圧縮機を用いたものがある。回転式圧縮機は、シリンダ室と、シリンダ室を貫通するとともに、シリンダ室内に位置する部分に偏心部を有する回転軸と、偏心部に外嵌され、シリンダ室内を偏心回転するローラと、を備えている。上述したシリンダ室は、回転軸と同軸上に延びる筒状のシリンダと、シリンダの両側の開口部を各別に閉塞するとともに、回転軸の両端部が各別に挿通された一対の軸受（主軸受及び副軸受）と、により形成されている。

ここで、回転式圧縮機では、上述した軸受のうち、副軸受に代えてシリンダプレートを用いる構成が検討されている。シリンダプレートは、シリンダの開口部を閉塞するとともに、回転軸の端面を摺動可能に支持する。
この構成によれば、回転軸の両端部をそれぞれ軸受により支持する構成に比べ、構成の簡素化や低コスト化、回転軸との間でのメカニカルロスの低減等の効果が期待されている。

しかしながら、回転式圧縮機において、シリンダプレートを用いる構成にあっては、圧縮性能及び動作信頼性の向上を図る点で未だ改善の余地があった。

特許第４８６４５７２号公報

本発明が解決しようとする課題は、圧縮性能及び動作信頼性の向上を図ることができる回転式圧縮機及び冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の回転式圧縮機は、シリンダと、回転軸と、ローラと、軸受部と、シリンダプレートと、を持つ。シリンダは、シリンダ室を形成する筒状である。回転軸は、シリンダ室内に位置する部分に偏心部を有する。ローラは、偏心部に外装され、回転軸の回転に伴いシリンダ室内で偏心回転する。軸受部は、シリンダの一端側の開口部を閉塞するとともに、回転軸が挿通される。シリンダプレートは、シリンダの他端側の開口部を閉塞するとともに、回転軸における軸方向の端面を摺動可能に支持する。回転軸は、主軸部と、連結部と、を持つ。主軸部は、軸受部内に挿通されている。連結部は、軸受部の内周面及びローラの内周面から離間した状態で軸受部及びシリンダ室間を軸方向に跨り、偏心部と主軸部との間を連結する。偏心部のうち偏心方向とは反対側である反偏心方向の外周面は、回転軸の軸方向に直交する径方向において主軸部の外周面よりも内側に位置している。連結部は、上軸部と、下軸部と、を持つ。上軸部は、主軸部に連なる。下軸部は、上軸部及び偏心部間を連結する。上軸部のうち、反偏心方向に位置する部分には、下軸部に向かうに従い径方向の内側に向けて傾斜するとともに、ローラの一端部を収容する逃げ部が形成されている。軸方向において、ローラの一端面と、連結部における主軸部との境界部分と、の間の距離は、ローラの一端面と、連結部における偏心部との境界部分と、の間の距離よりも短くなっている。そして、軸方向において、偏心部の中心位置がローラの中心位置よりも軸受部側に配置されている。

実施形態における回転式圧縮機の断面図を含む、冷凍サイクル装置の概略構成図。 圧縮機構部の拡大断面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。 回転軸を上方から見た平面図。 回転軸を下方から見た底面図。

以下、実施形態の回転式圧縮機及び冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
始めに、冷凍サイクル装置について簡単に説明する。
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１は、回転式圧縮機２と、回転式圧縮機２に接続された凝縮器３と、凝縮器３に接続された膨張装置４と、膨張装置４と回転式圧縮機２との間に接続された蒸発器５と、を備えている。

回転式圧縮機２は、いわゆるロータリ式の圧縮機であって、内部に取り込まれる低圧の気体冷媒を圧縮して高温・高圧の気体冷媒とする。なお、回転式圧縮機２の具体的な構成については後述する。
凝縮器３は、回転式圧縮機２から送り込まれる高温・高圧の気体冷媒から熱を放熱させ、高温・高圧の気体冷媒を高圧の液体冷媒にする。

膨張装置４は、凝縮器３から送り込まれる高圧の液体冷媒の圧力を下げ、高圧の液体冷媒を低温・低圧の液体冷媒にする。
蒸発器５は、膨張装置４から送り込まれる低温・低圧の液体冷媒を気化させ、低温・低圧の液体冷媒を低圧の気体冷媒にする。そして、蒸発器５において、低圧の液体冷媒が気化する際に周囲から気化熱を奪い、周囲が冷却される。なお、蒸発器５を通過した低圧の気体冷媒は、上述した回転式圧縮機２内に取り込まれる。

このように、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、作動流体である冷媒が気体冷媒と液体冷媒とに相変化しながら循環する。

次に、上述した回転式圧縮機２について説明する。
本実施形態の回転式圧縮機２は、圧縮機本体１１とアキュムレータ１２とを備えている。
アキュムレータ１２は、いわゆる気液分離器であって、上述した蒸発器５と圧縮機本体１１との間に設けられている。アキュムレータ１２は、吸い込みパイプ２１を通して圧縮機本体１１の後述するシリンダ４１に接続されている。アキュムレータ１２は、蒸発器５で気化された気体冷媒、及び蒸発器５で気化されなかった液体冷媒のうち、気体冷媒のみを圧縮機本体１１に供給する。

圧縮機本体１１は、回転軸３１と、回転軸３１を回転させる電動機部３２と、回転軸３１の回転により気体冷媒を圧縮する圧縮機構部３３と、回転軸３１、電動機部３２及び圧縮機構部３３を収納する密閉容器３４と、を備えている。なお、密閉容器３４は筒状とされ、その内部に潤滑油Ｊが収容されている。潤滑油Ｊ内には、圧縮機構部３３の一部が浸漬されている。

密閉容器３４及び回転軸３１は、軸線Ｏ１に沿って同軸上に配置されている。なお、以下の説明では、軸線Ｏ１に沿う方向を単に軸方向といい、軸方向に沿う電動機部３２側を上側、圧縮機構部３３側を下側という。また、軸方向に直交する方向を径方向、軸線Ｏ１周りの方向を周方向という。

回転軸３１は、主軸部２２、連結部２３、偏心部２４、及びスラスト摺動部２５が上方から順に連設されて構成されている。
主軸部２２は、軸線Ｏ１を中心とする円柱状とされ、軸方向の全体に亘って外径が一様とされている。偏心部２４及びスラスト摺動部２５は、後述するシリンダ室４６内に収容されている。連結部２３は、主軸部２２及び偏心部２４間を連結するものであって、シリンダ室４６の内外を跨っている。なお、回転軸３１の詳細な構成については、後述する。

電動機部３２は、いわゆるインナーロータ型のＤＣブラシレスモータである。具体的に、電動機部３２は、密閉容器３４の内壁面に焼嵌め等により固定された筒状の固定子３５と、固定子３５の内側に径方向に間隔をあけて配置され、回転軸３１の主軸部２２に固定された円柱状の回転子３６と、を備えている。

図２に示すように、圧縮機構部３３は、回転軸３１が貫通する筒状のシリンダ４１と、シリンダ室４６の両端開口部を各別に閉塞するとともに、回転軸３１を回転可能に支持する軸受部４２及びシリンダプレート４３と、を備えている。シリンダ４１、軸受部４２、及びシリンダプレート４３により画成された空間はシリンダ室４６を構成している。シリンダ室４６内には、アキュムレータ１２で気液分離された気体冷媒が上述した吸い込みパイプ２１を通して取り込まれる。

上述した回転軸３１の偏心部２４は、軸線Ｏ１に対して径方向に偏心する軸線Ｏ２を中心とする円柱状とされている。偏心部２４には、筒状のローラ５３が摺動可能に外嵌されている。ローラ５３は、回転軸３１の回転に伴い、外周面がシリンダ４１の内周面に摺接しながら、軸線Ｏ１に対して偏心回転可能に構成されている。なお、ローラ５３は、軸方向の長さがシリンダ４１と同等とされている。したがって、ローラ５３のうち、上端面は軸受部４２の後述するフランジ部６２に近接または当接し、下端面はシリンダプレート４３に近接または当接している。

図３に示すように、シリンダ４１には、径方向の外側に向けて窪むブレード溝５４がシリンダ４１の軸方向の全体に亘って形成されている。ブレード溝５４内には、径方向に沿ってスライド移動可能なブレード５５が設けられている。ブレード５５は、図示しない付勢手段により径方向の内側に向けて付勢されるとともに、その先端部がシリンダ室４６内においてローラ５３の外周面に当接している。これにより、ブレード５５は、ローラ５３の回転動作に応じてシリンダ室４６内に進退可能に構成されている。シリンダ室４６は、ローラ５３及びブレード５５によって吸込室側と圧縮室側とに二分されている。そして、圧縮機構部３３では、ローラ５３の回転動作及びブレード５５の進退動作により、シリンダ室４６内で圧縮動作が行われる。

シリンダ４１において、ローラ５３の回転方向（図３中の矢印参照）に沿うブレード溝５４の奥側（図３中、ブレード溝５４の右側）に位置する部分には、シリンダ４１を径方向に貫通する吸込孔５６が形成されている。吸込孔５６は、径方向の外側から上述した吸い込みパイプ２１（図１参照）が接続される一方、径方向の内側端部がシリンダ室４６内に開口している。

図２に示すように、軸受部４２は、シリンダ４１の上端開口部を閉塞するとともに、回転軸３１の主軸部２２のうち、回転子３６よりも下方に位置する部分を回転可能に支持している。具体的に、軸受部４２は、回転軸３１（主軸部２２）が挿通された筒部６１と、筒部６１における軸方向の下端部から径方向の外側に向けて突設され、シリンダ室４６を上方から閉塞するフランジ部６２と、を備えている。

筒部６１の内周面上には、回転軸３１の回転に伴い主軸部２２の外周面が周方向に沿って摺接する。筒部６１は、圧縮室内と吸込み室内との差圧（ガス負荷）等に起因して回転軸３１に作用する径方向の荷重を受ける。なお、図示の例において、主軸部２２の下端縁は、筒部６１の下端縁よりも上方に位置している。
フランジ部６２は、ボルト等の締結部材７１によって後述するマフラ７２とともにシリンダ４１に上方から固定されている。フランジ部６２の周方向の一部には、シリンダ室４６内外を連通する図示しない吐出孔が形成されている。また、フランジ部６２には、シリンダ室４６（圧縮室）内の圧力上昇に伴い吐出孔を開閉し、シリンダ室４６外に冷媒を吐出する図示しない吐出弁機構が配設されている。

軸受部４２には、軸受部４２を上方から覆うマフラ７２が設けられている。マフラ７２は、上述した締結部材７１によって軸受部４２とともにシリンダ４１に固定されている。マフラ７２には、軸受部４２の筒部６１が挿通される挿通孔７５が形成されている。また、マフラ７２のうち、挿通孔７５の周囲には、マフラ７２の内外を連通する連通孔７６が形成されている。この場合、シリンダ室４６から吐出される高温・高圧の気体冷媒は、連通孔７６を通して密閉容器３４内に吐出される。

シリンダプレート４３は、上述したフランジ部６２と同等の外径を有する円板状の部材である。シリンダプレート４３は、ボルト等の締結部材８１を介してシリンダ４１に下方から締結されている。シリンダプレート４３には、回転軸３１（スラスト摺動部２５）の下端面が摺動可能に近接または当接している。

ここで、回転軸３１の偏心部２４は、軸方向の全体に亘って外径が一様とされている。また、偏心部２４は、軸方向の長さがローラ５３よりも短くなっており、その上下両端面がローラ５３の上下両端面よりも軸方向の内側に位置している。軸方向において、偏心部２４の中心位置Ｇ１（重心）は、ローラ５３の中心位置Ｇ２（重心）よりも上方に位置している。

連結部２３は、上方から下方に向かうに従いクランク状に屈曲されたものであって、その外周面が軸受部４２及びローラ５３の内周面から径方向の内側に離間して配置されている。具体的に、連結部２３は、主軸部２２の下端に連なる上軸部８３と、上軸部８３と偏心部２４とを連結する下軸部８４と、を有している。

上軸部８３は、外径が主軸部２２よりも小径とされている。上軸部８３は、軸受部４２及びシリンダ室４６間を軸方向に跨って配設されている。具体的に、上軸部８３は、上半部が軸受部４２の筒部６１内に位置し、下半部がシリンダ室４６内でローラ５３内に収容されている。また、上軸部８３のうち、偏心部２４の偏心方向とは反対側に位置する部分には、径方向の内側に窪む逃げ部８５が形成されている。逃げ部８５内には、ローラ５３の上端開口縁のうち、偏心部２４の偏心方向とは反対側に位置する部分が収容されている。

下軸部８４は、軸方向から見た平面視で楕円形状を呈し、軸方向の全体に亘って外径が一様とされている。また、下軸部８４の外周面は、偏心部２４の外周面よりも径方向の内側に位置し、ローラ５３の内周面から離間している。図４に示すように、下軸部８４のうち、偏心方向に位置する半円領域は軸線Ｏ１を中心とした半径Ｒａの円弧状とされ、偏心方向とは反対側に位置する半円領域は軸線Ｏ２を中心とした半径ｒａの円弧状とされている。図示の例において、半径Ｒａは、主軸部２２の半径Ｒよりも大きくなっている（Ｒａ＞Ｒ）。半径ｒａは、偏心部２４の半径ｒよりも小さくなっている（ｒａ＜ｒ）。

図２に示すように、軸方向において、ローラ５３の上端面と上軸部８３の上端縁（主軸部２２との境界部分）との間の距離Ｌ１は、ローラ５３の上端面と下軸部８４の下端縁（偏心部２４との境界部分）との間の距離Ｌ２よりも短くなっている。

スラスト摺動部２５は、偏心部２４から下方に向けて突設された柱状とされ、その下端面がシリンダプレート４３の上面に摺動可能とされている。スラスト摺動部２５は、軸方向から見た平面視で楕円形状を呈し、軸方向の全体に亘って外径が一様とされている。なお、スラスト摺動部２５における軸方向の長さは、偏心部２４よりも短く、上述した下軸部８４よりも長くなっている。

また、スラスト摺動部２５の外周面は、偏心部２４の外周面よりも径方向の内側に位置し、ローラ５３の内周面から離間している。図５に示すように、径方向において、スラスト摺動部２５の断面積は、主軸部２２及び下軸部８４よりも大きく、偏心部２４よりも小さくなっている。具体的に、スラスト摺動部２５のうち、偏心方向に位置する半円領域は軸線Ｏ１を中心とした半径Ｒｂの円弧状とされ、偏心方向とは反対側に位置する半円領域は軸線Ｏ２を中心とした半径ｒｂの円弧状とされている。図示の例において、半径Ｒｂは、下軸部８４の半径Ｒａよりも大きくなっている（Ｒｂ＞Ｒａ＞Ｒ）。半径ｒｂは、偏心部２４の半径ｒよりも小さく、下軸部８４の半径ｒａよりも大きくなっている（ｒ＞ｒｂ＞ｒａ）。

このように構成された回転式圧縮機２において、図１に示すように電動機部３２の固定子３５に電力が供給されることで、回転軸３１が回転子３６とともに軸線Ｏ１周りに回転する。そして、回転軸３１の回転に伴い、偏心部２４及びローラ５３がシリンダ室４６内で偏心回転する。このとき、ローラ５３がシリンダ４１の内周面にそれぞれ摺接することで、吸込みパイプ２１を通してシリンダ室４６内に気体冷媒が取り込まれるとともに、シリンダ室４６内に取り込まれた気体冷媒が圧縮される。

圧縮された気体冷媒は、軸受部４２の吐出孔を通してシリンダ室４６の外側（マフラ７２内）に吐出され、その後マフラ７２の連通孔７６を通して密閉容器３４内に吐出される。なお、密閉容器３４内に吐出された気体冷媒は、上述したように凝縮器３に送り込まれる。

ところで、本実施形態において、回転軸３１が挿通された軸受部４２には、ガス負荷等に起因して径方向の荷重が作用する。具体的に、主軸部２２の下端縁（軸受部４２との摺動部分のうち最下端）を支点にして、偏心部２４の中心位置Ｇ１までの距離をＤ、偏心部２４に作用する荷重をＦとすると、回転軸３１に作用するモーメントＭはＤ×Ｆとなる。一方、回転軸３１（スラスト摺動部２５）の下端面を摺動可能に支持するシリンダプレート４３には、回転軸３１から軸方向の荷重は作用するものの、径方向の荷重は作用しない。

そこで、本実施形態では、軸方向において、偏心部２４の中心位置Ｇ１が、ローラ５３の中心位置Ｇ２よりも上方に位置する構成とした。
この構成によれば、偏心部２４の中心位置Ｇ１を主軸部２２の下端縁に近づけ、主軸部２２の下端縁から偏心部２４の中心位置Ｇ１までの距離Ｄを短縮できるので、回転軸３１に作用するモーメントＭを低減できる。これにより、荷重Ｆに伴う回転軸３１の撓み量を小さくすることができ、回転軸３１の撓みに伴うローラ５３の変位を小さくできる。そのため、ローラ５３と軸受部４２（フランジ部６２）やシリンダプレート４３との軸方向の相対位置を全体に亘って所望の範囲に保つことができる。この場合、例えばローラ５３及び軸受部４２やシリンダプレート４３間のクリアランスが大きい場合に生じる冷媒のリークを抑制し、圧縮性能の低下を抑制できる。一方、ローラ５３及び軸受部４２やシリンダプレート４３の接触部分で生じる摩耗の増大やかじり等を抑制でき、長期に亘って動作信頼性を確保できる。

また、ローラ５３の変位を小さくすることで、ローラ５３とブレード５５との径方向の相対位置を所望の範囲に保ち、ローラ５３とブレード５５との片当たりを抑制できる。この場合には、ローラ５３とブレード５５との接触部分において摩耗の増大やかじり等を抑制でき、長期に亘って動作信頼性を確保できる。一方、ローラ５３とブレード５５との離間部分において冷媒のリークを抑制し、圧縮性能の低下を抑制できる。
さらに、回転軸３１の撓み量が小さくなることで、主軸部２２と軸受部４２との間に作用する面圧も低減できる。これによっても動作信頼性を確保できる。

しかも、ローラ５３の上端面と上軸部８３の上端縁との距離Ｌ１が、ローラ５３の上端面と下軸部８４の下端縁との距離Ｌ２よりも短くなっているため、モーメントＭの支点となる主軸部２２の下端縁を偏心部２４に近づけることができる。そのため、主軸部２２の下端縁から偏心部２４の中心位置Ｇ１までの距離Ｄを短縮できるので、回転軸３１に作用するモーメントＭをより低減できる。その結果、上述したように圧縮性能の低下を抑制するとともに、長期に亘って動作信頼性を確保できる。

また、スラスト摺動部２５の断面積が主軸部２２の断面積よりも大きくなっているため、スラスト摺動部２５とシリンダプレート４３との接触面積を増加し、両者間での面圧を低減できる。
一方、スラスト摺動部２５の断面積が偏心部２４よりも小さくなっているため、スラスト摺動部２５とシリンダプレート４３との間に作用する摺動抵抗を抑制できる。
そのため、長期に亘って動作信頼性を確保できる。

そして、本実施形態の冷凍サイクル装置１においては、上述した回転式圧縮機２を備えているため、高性能で動作信頼性に優れた冷凍サイクル装置１を提供できる。

なお、上述した実施形態では、シリンダ室４６が１つの構成について説明したが、これに限らず、シリンダ室４６を複数設けても構わない。
また、上述した実施形態では、軸方向を上下方向に一致させた場合について説明したが、これに限らず、軸方向を水平方向に一致させても構わない。

さらに、上述した実施形態では、ローラ５３とブレード５５とを別体で形成した場合について説明したが、これに限らず、ローラ５３とブレード５５とを一体で形成しても構わない。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、偏心部の中心位置を主軸部の下端縁に近づけ、主軸部の下端縁から偏心部の中心位置までの距離を短縮できるので、回転軸に作用するモーメントを低減できる。これにより、荷重に伴う回転軸の撓み量を小さくすることができ、回転軸の撓みに伴うローラの変位を小さくできる。そのため、ローラと軸受部やシリンダプレートとの軸方向の相対位置を全体に亘って所望の範囲に保つことができる。この場合、例えばローラ及び軸受部やシリンダプレート間のクリアランスが大きい場合に生じる冷媒のリークを抑制し、圧縮性能の低下を抑制できる。一方、ローラ及び軸受部やシリンダプレートの接触部分で生じる摩耗の増大やかじり等を抑制でき、長期に亘って動作信頼性を確保できる。
また、ローラの変位を小さくすることで、ローラとブレードとの径方向の相対位置を所望の範囲に保ち、ローラとブレードとの片当たりを抑制できる。この場合には、ローラとブレードとの接触部分において摩耗の増大やかじり等を抑制でき、長期に亘って動作信頼性を確保できる。一方、ローラとブレードとの離間部分において冷媒のリークを抑制し、圧縮性能の低下を抑制できる。
さらに、回転軸の撓み量が小さくなることで、主軸受と軸受部との間に作用する面圧も低減できる。これによっても動作信頼性を確保できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…冷凍サイクル装置、２…回転式圧縮機、３…凝縮器、４…膨張装置、５…蒸発器、２２…主軸部、２３…連結部、２４…偏心部、２５…スラスト摺動部、３１…回転軸、４１…シリンダ、４２…軸受部、４３…シリンダプレート、４６…シリンダ室、５３…ローラ

Claims (3)

1. シリンダ室を形成する筒状のシリンダと、
   前記シリンダ室内に位置する部分に偏心部を有する回転軸と、
   前記偏心部に外装され、前記回転軸の回転に伴い前記シリンダ室内で偏心回転するローラと、
   前記シリンダの一端側の開口部を閉塞するとともに、前記回転軸が挿通された軸受部と、
   前記シリンダの他端側の開口部を閉塞するとともに、前記回転軸における軸方向の端面を摺動可能に支持するシリンダプレートと、を備え、
   前記回転軸は、
   前記軸受部内に挿通された主軸部と、
   前記軸受部の内周面及び前記ローラの内周面から離間した状態で前記軸受部及び前記シリンダ室間を軸方向に跨り、前記偏心部と前記主軸部との間を連結する連結部と、を有し、
   前記偏心部のうち偏心方向とは反対側である反偏心方向の外周面は、前記回転軸の軸方向に直交する径方向において前記主軸部の外周面よりも内側に位置し、
   前記連結部は、
   前記主軸部に連なる上軸部と、
   前記上軸部及び前記偏心部間を連結する下軸部と、を有し、
   前記上軸部のうち、前記反偏心方向に位置する部分には、前記下軸部に向かうに従い前記径方向の内側に向けて傾斜するとともに、前記ローラの一端部を収容する逃げ部が形成され、
   前記軸方向において、前記ローラの一端面と、前記連結部における前記主軸部との境界部分と、の間の距離は、前記ローラの一端面と、前記連結部における前記偏心部との境界部分と、の間の距離よりも短くなっており、
   前記軸方向において、前記偏心部の中心位置が前記ローラの中心位置よりも前記軸受部側に配置されている、
   回転式圧縮機。
2. 前記回転軸のうち、前記偏心部よりも前記シリンダプレート側に位置する部分には、前記シリンダプレートに摺動可能に支持されたスラスト摺動部が設けられ、
   前記径方向において、前記スラスト摺動部の断面積が前記主軸部よりも大きく前記偏心部よりも小さくなっている、
   請求項１記載の回転式圧縮機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回転式圧縮機と、
   前記回転式圧縮機に接続された凝縮器と、
   前記凝縮器に接続された膨張装置と、
   前記膨張装置と前記回転式圧縮機との間に接続された蒸発器と、を備えていることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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