JP6454177B2 - 回転式圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

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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使用される回転式圧縮機として、シリンダ室と、シリンダ室を貫通する回転軸と、回転軸の偏心部に外嵌され、回転軸の回転に伴いシリンダ室内で偏心回転するローラと、を備えた構成が知られている。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、軽量化や低コスト化を図った上で、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、軽量化や低コスト化を図った上で、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、ブレードと、複数の軸受固定部材と、複数のプレート固定部材と、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、シリンダ内に位置する部分に偏心部を有する。ローラは、回転軸の偏心部に外装され、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他端面を摺動可能に支持する。軸受固定部材は、軸受部を前記シリンダに固定する。プレート固定部材は、シリンダプレートをシリンダに固定する。シリンダとシリンダプレートは、これらの間に作用する軸力が、シリンダと軸受部との間に作用する軸力よりも小さくなるように固定されている。シリンダには、シリンダを軸方向に貫通するとともに、軸受固定部材がそれぞれ挿入された取付孔が形成されている。プレート固定部材は、軸受固定部材よりも少数とされるとともに、複数の取付孔のうち一部の取付孔に前記軸受固定部材と共用して挿入されている。回転軸周りの周方向で隣り合うプレート固定部材間の距離は、ブレード溝を間に挟んで隣り合うプレート固定部材間において最小になっている。
第1の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。 圧縮機構部を上方から見た断面図。 圧縮機構部を上方から見た平面図。 圧縮機構部を下方から見た底面図。 第2の実施形態における圧縮機構部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。
(第1の実施形態)
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O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O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O周りの方向を周方向という。
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るとともに、回転軸31の上部に固定された円柱状の回転子36と、を備えている。
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41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のうち、シリンダ室46内に位置する部分には、軸線Oに対して径方向に偏心する偏心部51が形成されている。
偏心部51にはローラ53が外嵌されている。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Oに対して偏心回転可能に構成されている。
図2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2中の矢印参照)に沿うブレード溝54の奥側(図2中、ブレード溝54の左側)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。
シリンダ41の内周面において、ローラ53の回転方向に沿うブレード溝54の手前側(図2中、ブレード溝54の右側)に位置する部分には、後述する吐出孔64に連通する吐出溝58が形成されている。吐出溝58は、軸方向から見た平面視で半円形状に形成されている。
図1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のうち、シリンダ41よりも上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が挿通された筒部61と、筒部61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。
フランジ部62の周方向の一部には、上述した吐出溝58を通してシリンダ室46内外を連通する吐出孔64(図2参照)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64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。
図1、図3に示すように、フランジ部62は、ボルト等の軸受固定部材71によって後述するマフラ72とともにシリンダ41に固定されている。軸受固定部材71は、フランジ部62及びマフラ72に形成された貫通孔(不図示)を通してシリンダ41に形成された取付孔74(図2参照)内に上方から螺着されている。軸受固定部材71は、周方向に間隔をあけて複数(図示の例では5つ)配設されている。なお、本実施形態において、シリンダ41の取付孔74は、シリンダ41を軸方向に貫通している。但し、取付孔74は、シリンダ41内で終端していても構わない。
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、上述した軸受固定部材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、上述した吐出孔64を通して吐出される高温・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。
図1、図4に示すように、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り、シリンダ41の下端開口部を閉塞している。シリンダプレート43には、回転軸31の下端面が摺動可能に近接または当接している。なお、シリンダプレート43は、軸方向の厚さが上述したフランジ部62よりも薄くなっている。
シリンダプレート43は、プレート固定部材81によってシリンダ41に固定されている。具体的に、プレート固定部材81は、呼び径が上述した軸受固定部材71と同サイズのボルトであって、シリンダプレート43に形成された図示しない貫通孔を通してシリンダ41の取付孔74内に下方から螺着されている。プレート固定部材81は、上述した軸受固定部材71よりも少ない本数(図示の例では3つ)で周方向に間隔をあけて配設されている。したがって、シリンダプレート43とシリンダ41との間に作用する軸力(締結力)は、軸受部42とシリンダ41との間に作用する軸力よりも小さくなっている。
本実施形態では、上述した取付孔74のうち、一部の取付孔74内にはプレート固定部材81及び軸受固定部材71がそれぞれ螺着され、それ以外の取付孔74には軸受固定部材71のみが螺着されている。すなわち、プレート固定部材81及び軸受固定部材71は、一部の取付孔74を共用している。図2、図4の例において、プレート固定部材81は、各取付孔74のうち、ブレード溝54に対して周方向の両側に形成された取付孔74と、ブレード溝54に対して径方向で対向する位置に形成された取付孔74と、にそれぞれ螺着されている。この場合、周方向における隣り合うプレート固定部材81間の距離は、ブレード溝54を間に挟んで隣り合うプレート固定部材81間において最小になっている。なお、取付孔74は、プレート固定部材81及び軸受固定部材71それぞれについて独立して形成しても構わない。
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O周りに回転する。そして、回転軸31の回転に伴い、偏心部51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64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、回転軸31の回転に起因して径方向の荷重が作用する。一方、回転軸31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、シリンダプレート43とシリンダ41との間に作用する軸力を、軸受部42とシリンダ41との間に作用する軸力よりも小さくする構成とした。
この構成によれば、軸力によるシリンダプレート43の変形を抑制できるので、ローラ53とシリンダプレート43と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。その結果、例えばローラ53の下端面及びシリンダプレート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。また、ローラ53の下端面及びシリンダプレート43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。
また、軸受部42とシリンダ41との固定に比べて簡素な構成でシリンダプレート43をシリンダ41に固定することができるので、低コスト化や軽量化を図ることができる。
しかも、本実施形態では、プレート固定部材81の本数を軸受固定部材71の本数よりも少なくすることで、シリンダプレート43とシリンダ41との間に作用する軸力を簡単に小さくすることができる。また、プレート固定部材81の本数を減らすことにより、低コスト化や軽量化を図ることができる。
また、シリンダプレート43の厚さをフランジ部62の厚さよりも薄くしたため、シリンダプレート43に使用する材料を少なくすることができ、更なる低コスト化及び軽量化を図ることができる。なお、シリンダプレート43がシリンダ室46内の圧力変動に応じて弾性変形し得る程度に薄型化することで、シリンダ室46内の過度な圧力上昇を緩和させることも可能である。
また、周方向における隣り合うプレート固定部材81間の距離が、ブレード溝54を間に挟んで隣り合うプレート固定部材81間において最小になっているため、シリンダ41のうち剛性の低いブレード溝54周辺の剛性を確保できる。そのため、ブレード溝54の変形を抑制して、ブレード溝54とブレード55との相対位置を全体に亘って所望の範囲に保ち、ブレード溝54内でのブレード55のがたつきを抑制できる。その結果、例えば例えばブレード55及びブレード溝54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。また、ブレード55とブレード溝54との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。
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。
(第2の実施形態)
本実施形態では、軸受部42側に代えてシリンダプレート43側に吐出弁機構100が配設された点で、上述した第1の実施形態と相違している。以下の説明では、上述した第1の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図5に示すように、シリンダプレート43における周方向の一部には、シリンダ室46内外を連通する吐出孔101が、シリンダプレート43を貫通して設けられている。シリンダプレート43には、シリンダ室46内の圧力上昇に伴い冷媒をシリンダ室46外に吐出する吐出弁機構100が配設されている。本実施形態の吐出弁機構100は、吐出孔101を開閉する弁部材110と、弁部材110の変形量を規制する弁押さえ111と、を有している。
弁部材110は、シリンダプレート43に片持ち状に支持され、その先端部が吐出孔101を下方から閉塞している。弁部材110は、密閉容器34内の圧力とシリンダ室46内の圧力との差圧によって軸方向に弾性変形することで、吐出孔101を開閉する。
弁押さえ111は、弁部材110と同一方向に延在する帯状とされ、弁部材110を下方から覆っている。弁押さえ111の先端部は、弁部材110に対して下方に間隔をあけて配置されている。弁押さえ111は、弁部材110の変形時(吐出孔101の開放時)において、弁部材110が上方から当接することで、弁部材110の下方への変形を規制する。
なお、本実施形態において、シリンダプレート43には、シリンダプレート43を下方から覆う図示しないマフラが設けられている。マフラ内は、吐出孔101を通してシリンダ室46内に連通するとともに、シリンダプレート43、シリンダ41、及び軸受部42を軸方向に貫通する図示しない通過孔を通して軸受部42側のマフラ72(図1,3参照)内に連通している。
このような構成において、吐出孔101から吐出される冷媒は、シリンダプレート43側のマフラ内に吐出される。マフラ内に吐出された冷媒は、通過孔を通して軸受部42側のマフラ72内に流入した後、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。
本実施形態によれば、軸受部42に比べて構成が簡素(例えば、固定部材71,81の本数が少ない等)なシリンダプレート43に吐出弁機構100を配設することで、設計の自由度や加工性を向上させることができる。
なお、上述した第2の実施形態では、シリンダプレート43側のみに吐出弁機構100を配設した構成について説明したが、これに限らず、シリンダプレート43側及び軸受部42側の双方に吐出弁機構を配設しても構わない。この場合には、冷媒吐出時の圧力損失を低減できる。
なお、上述した実施形態では、回転式圧縮機2として、ロータリ式の圧縮機について説明したが、これに限らず、スクロール式の圧縮機にも適宜採用することができる。
また、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。
また、上述した実施形態では、軸受部42側とシリンダプレート43側とで固定部材71,81の本数を異ならせることで軸力を調整する構成について説明したが、これに限られない。例えば、軸受部42側とシリンダプレート43側とで異なるサイズのボルトを使用し、軸力を調整しても構わない。すなわち、プレート固定部材81の呼び径を軸受固定部材71の呼び径よりも小さくしても構わない。この場合には、各固定部材71,81の本数は同数のままで、シリンダプレート43及びシリンダ41間に作用する軸力を軸受部42及びシリンダ41間に作用する軸力に比べて小さくできる。
さらに、上述した実施形態では、固定部材71,81としてボルトを用いる構成について説明したが、これに限らず、種々の方法で軸受部42及びシリンダプレート43をシリンダ41にそれぞれ固定しても構わない。例えば、リベット等を固定部材として、軸受部42及びシリンダプレート43をシリンダ41にそれぞれ固定しても構わない。
また、シリンダ41からスタッドボルトを立設させ、このスタッドボルトを軸受部及びシリンダプレート43に通した後、ナットによって軸受部42及びシリンダプレート43をシリンダ41に固定しても構わない。
さらに、上述した実施形態では、プレート固定部材81をシリンダ41に固定する構成について説明したが、これに限られない。例えばプレート固定部材81を、シリンダ41を通して軸受部42に固定しても構わない。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、シリンダプレートとシリンダとの間に作用する軸力を、シリンダと軸受部との間に作用する軸力よりも小さくする構成としたため、軸力によるシリンダプレートの変形を抑制できるの。これにより、ローラとシリンダプレートと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。その結果、例えばローラの下端面及び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。また、ローラの下端面及びシリンダプレート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。
また、軸受部とシリンダとの固定に比べて簡素な構成でシリンダプレートをシリンダに固定することができるので、低コスト化や軽量化を図ることができる。
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、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、54…ブレード溝、55…ブレード、71…軸受固定部材、81…プレート固定部材、101…吐出孔、110…弁部材

Claims (4)

  1. シリンダ室を形成する筒状のシリンダと、
    前記シリンダ内に位置する部分に偏心部を有する回転軸と、
    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他端面を摺動可能に支持するシリンダプレートと、
    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、
    前記シリンダのブレード溝内に収容されるとともに、先端部が前記ローラに当接して前記回転軸の回転方向で前記シリンダ室内を二分するブレードと、
    前記軸受部を前記シリンダに固定するための複数の軸受固定部材と、
    前記シリンダプレートを前記シリンダに固定するための複数のプレート固定部材と、を備え、
    前記シリンダと前記シリンダプレートは、これらの間に作用する軸力が、前記シリンダと前記軸受部との間に作用する軸力よりも小さくなるように固定され、
    前記シリンダには、前記シリンダを軸方向に貫通するとともに、前記軸受固定部材がそれぞれ挿入された取付孔が形成され、
    前記プレート固定部材は、前記軸受固定部材よりも少数とされるとともに、複数の前記取付孔のうち一部の前記取付孔に前記軸受固定部材と共用して挿入され、
    前記回転軸周りの周方向で隣り合う前記プレート固定部材間の距離は、前記ブレード溝を間に挟んで隣り合う前記プレート固定部材間において最小になっている
    回転式圧縮機。
  2. 前記シリンダプレートは、前記回転軸における軸方向の厚さが前記軸受部よりも薄くなっている、
    請求項1に記載の回転式圧縮機。
  3. 前記シリンダプレートには、
    前記シリンダ室の内外を連通する吐出孔と、
    前記シリンダ室の外側から前記吐出孔を開閉する弁部材と、
    が配設されている、
    請求項1又は請求項に記載の回転式圧縮機。
  4. 請求項1から請求項の何れか1項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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