JP6454879B2 - ２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、空調機、冷凍機、ブロワ、給湯機等に使用される２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機に関する。

冷凍装置や空気調和装置などにおいては、蒸発器で蒸発したガス冷媒を吸入し、凝縮するために必要な圧力まで圧縮して、冷媒回路中に高温高圧のガス冷媒を送り出す圧縮機が使用されている。このような圧縮機の一つとして、ロータリ圧縮機が知られている。中でも、圧縮機内部に２つの圧縮室を構成した、２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機は、低振動・低騒音性・高速運転可能等の特徴から高性能圧縮機として開発が進められている。小型でより高容積な圧縮機が求められている。

ロータリ圧縮機の高容積化には、シリンダの高さを高くして容積を大きくする方法や、クランク軸の偏心量を大きくして圧縮室の閉じ込み容積を大きく設計する等の方法が採られる。

シリンダの高さを高くして容積を大きくした場合、軸受負荷の増大に対応するためのクランク軸の大径化が必要となり、圧縮機の効率低下を招く。

一方、クランク軸の偏心量を大きくする方法を２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機で用いた場合、一般に、２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機のクランク軸には１８０°対向した位置に、偏心部がそれぞれ設けられる。それぞれの偏心部にピストンが挿入される。クランク軸自体は、主に軸支する主軸受と、それとは偏心部を介して反対側で軸支し、主軸受よりも小径の副軸受とにより支えられている。クランク軸の偏心量を大きくした場合、クランク軸偏心部の反偏心方向が主軸径よりも内側に入り込み、ピストンが挿入不可能となる問題が発生する。これを回避するための方法として、クランク軸の主軸部と副軸部の軸径の違いを利用して、主軸部に近い側の第１偏心部に挿入する第１ピストンを、副軸部、副軸部に近い側の第２偏心部、および連結部を通して、第１偏心部まで挿入する方法がある。ここで、連結部は第１偏心部と第２偏心部とを接続する。

このような場合、偏心軸径を過度に大きくする必要なく高効率の圧縮機を実現することができる。また、軸径の大きい主軸部側において、２つの偏心部に作用する荷重を多く支えることができる。しかしながら、このような場合にも偏心量が大きくなるにつれて、２つの偏心部間を接続する連結部の軸径が細くなり、連結部においてクランク軸の剛性が低下する。これにより、軸径の細い副軸受側への負荷が増加し、信頼性の低下を引き起こす。

このような問題点に対し、主軸部、副軸部、偏心部の軸径拡大等の圧縮機の効率低下を招くことなく、連結部の剛性を低下させない方法が必要とされている。

上記の課題に対し、例えば特許文献１に記載されたロータリ圧縮機では、ピストン内面の面取りに入り込む大きさの範囲で、連結部に肉盛り部を設けることにより、その剛性を高めている。

従来の構成では、連結部の剛性を大幅に高めるためには、ピストン内面の面取り径を大きくする等の必要がある。しかし、ピストン面取りの径方向拡大は圧縮室の気密性に影響するため、面取りを拡大するにも制約がある。したがって、高剛性化には限界がある。

日本国特許第５１１７５０３号公報

本発明は、従来の課題を解決するのもので、ピストン内面の面取り径に依らずに連結部の剛性を高める。これにより、本発明は、圧縮室の気密性を低下させることなく、高効率で高信頼性のロータリ圧縮機を提供する。

上記従来の課題を解決するために、本発明の２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機は、連結部により接続された第１偏心部および第２偏心部を有するクランク軸と、クランク軸が回転することで第１偏心部に挿入された第１ピストンが偏心回転して、シリンダ内の作動流体を圧縮する２つの圧縮要素とを備える。また、第１偏心部に挿入される第１ピストンが、第２偏心部を通して第１偏心部へと挿入されて組み立てられる。また、第１偏心部および第２偏心部の連結部側の外径部分に逃がし部を設ける。また、連結部の高さをＨｃ−ｃ、逃がし部の高さをＨｃｄ、第１ピストンの高さをＨｐ、第１ピストンの両面に設けられた面取りの内、片側の面取りの高さをＨｐｃとしたとき、
Ｈｃ−ｃ ＜ Ｈｐ−Ｈｐｃ ＜ Ｈｃ−ｃ＋Ｈｃｄ ＜ Ｈｐ
が成立する。また、逃がし部を排除した第１偏心部および第２偏心部の断面を重ね合わせた投影断面の最外径を、第１ピストンの内径よりも大きく構成する。

通常、２つの偏心部を接続する連結部の高さは、挿入するピストンの高さと形状から、挿入可能な限界最小高さが決められる。一方、本発明では、偏心部の連結部側の外径部分に逃がし部を設けることで、従来の限界高さを超えて連結部の高さを低くすることが可能となる。したがって、低剛性部位が短いことにより、クランク軸全体の剛性を高めることが可能となる。

本発明によれば、圧縮機の偏心量が大きくなった場合においても、圧縮室の気密性を低下させることなく、高効率で高信頼性のロータリ圧縮機を実現できる。

図１は、本発明の実施の形態おけるロータリ圧縮機の縦断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機の圧縮要素の平面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機の圧縮要素の平面図である。 図３は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。 図４は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。 図５は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。 図６は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。 図７は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。 図８は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機の２つの偏心部の投影図である。 図９は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機の偏心部偏心方向の面取り形状を示す説明図である。 図１０は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機の偏心部偏心方向の面取り形状を含んだ２つの偏心部の投影図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機の縦断面図である。図２Ａは、同ロータリ圧縮機の圧縮要素の平面図である。図２Ｂは、同ロータリ圧縮機の圧縮要素の平面図である。

図１において、密閉容器１内に電動要素２および圧縮要素４ａ、４ｂが収納されている。電動要素２は、クランク軸７を回転させる。クランク軸７によって圧縮要素４ａ、４ｂは駆動される。

圧縮要素４ａ、４ｂは、それぞれが独立して圧縮動作を行う。圧縮要素４ａは、円筒状空間を形成するシリンダ６ａと、シリンダ６ａ内に配置される第１ピストン８ａを有している。圧縮要素４ｂは、円筒状空間を形成するシリンダ６ｂと、シリンダ６ｂ内に配置される第２ピストン８ｂを有している。

クランク軸７には、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂが設けられている。仕切り板５は、２つの圧縮要素４ａ、４ｂの間に配置されている。圧縮要素４ａの電動要素２側には、主軸受が配置されている。主軸受は、主軸部７ｃを軸支する軸受け部とともに上端板を形成している。上端板は圧縮要素４ａの電動要素２側を閉塞する。圧縮要素４ｂの貯油部２０側には、副軸受が配置されている。副軸受は、副軸部７ｄを軸支する軸受け部とともに下端板を形成している。下端板は圧縮要素４ｂの貯油部２０側を閉塞する。

仕切り板５の上面にシリンダ６ａが配置されている。仕切り板５の下面にシリンダ６ｂが配設されている。また、シリンダ６ａ内には第１偏心部７ａが収納されている。シリンダ６ｂ内には第２偏心部７ｂが収納されている。

第１偏心部７ａ、第２偏心部７ｂ、連結部７ｅはクランク軸７と一体に構成されている。第１偏心部７ａには第１ピストン８ａが装着されている。第２偏心部７ｂには第２ピストン８ｂが装着されている。

図１、図２Ａ、および図２Ｂに示すように、シリンダ６ａにはベーン溝２１ａが形成されている。シリンダ６ｂにもベーン溝２１ｂが形成されている。ベーン溝２１ａにはベーン２２ａが摺動自在に配置されている。ベーン溝２１ｂにはベーン２２ｂが摺動自在に配置されている。ベーン２２ａは、常に第１ピストン８ａと連結されており、第１ピストン８ａがクランク軸７の回転に伴って揺動運動した際に、第１ピストン８ａの動きに応じてベーン溝２１ａを往復運動する。第１ピストン８ａはシリンダ６ａ内を揺動するベーン２２ａと連結または一体化されて自転運動しないように構成されている。シリンダ６ａには、吸入通路９ａが設けられている。シリンダ６ｂには、吸入通路９ｂが設けられている。吸入通路９ａには、吸入管１０ａが接続されている。吸入通路９ｂには、吸入管１０ｂが接続されている。吸入通路９ａと吸入通路９ｂとは互いに独立している。吸入管１０ａと吸入管１０ｂとは互いに独立している。吸入管１０ａは、吸入通路９ａを通して、圧縮室１１ａに連通している。吸入管１０ｂは、吸入通路９ｂを通して、圧縮室１１ｂに連通している。

また、圧縮室１１ａ、１１ｂでの液圧縮を防止するため、吸入管１０ａ、１０ｂにはアキュームレータ１２が設けられている。アキュームレータ１２は、冷媒を気液分離し、冷媒ガスだけを吸入管１０ａ、１０ｂに導く。アキュームレータ１２には、円筒状のケース１３の上部に冷媒ガス導入管１４、下部に二本の冷媒ガス導出管１５ａ、１５ｂが接続されている。冷媒ガス導出管１５ａ、１５ｂの一端はそれぞれ吸入管１０ａ、１０ｂに接続され、冷媒ガス導出管１５ａ、１５ｂの他端はケース１３の内部空間の上部まで延出している。

電動要素２によってクランク軸７が回転すると、第１偏心部７ａ、第２偏心部７ｂがシリンダ６ａ、６ｂ内において偏心回転し、第１ピストン８ａ、第２ピストン８ｂがベーン２２ａ、２２ｂを往復運動させながら回転運動する。第１ピストン８ａと第２ピストン８ｂとは互いに半回転ずれた周期で、両シリンダ６ａ、６ｂにおいて、冷媒ガスの吸入、圧縮が繰り返される。冷媒ガス導入管１４から吸入された低圧冷媒は、ケース１３内で気液分離される。液冷媒を分離した冷媒ガスは、それぞれ冷媒ガス導出管１５ａ、１５ｂ、吸入管１０ａ、１０ｂ、吸入通路９ａ、９ｂを通って、圧縮室１１ａ、１１ｂに吸入される。

また、密閉容器１の底部の貯油部２０の潤滑油は、副軸部７ｄの下端からクランク軸７の内部を経由して、貫通孔５ａに供給され、仕切り板５と第１ピストン８ａ、第２ピストン８ｂとクランク軸７とで囲まれる領域を満たしている。

以上のように構成された、２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機について、以下にその動作、作用を説明する。

図３は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。図４は、同ロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。図５は、同ロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。図６は、同ロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。図７は、同ロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立て時の位置関係を示す要部側面図である。ロータリ圧縮機のクランク軸、および第１ピストンの組み立ては、図３、図４、図５、図６、図７の順に行う。

組み立ての際には、図３に示すように、第１ピストン８ａは副軸部７ｄ側から挿入し、第２偏心部７ｂおよび連結部７ｅを通す。図４に示すように、第１ピストン８ａの上端が第１偏心部７ａの下端に接するまで挿入する。これにより、第１ピストン８ａの内径部分は、連結部７ｅおよび第２偏心部７ｂの逃がし部７ｂ’まで挿入された状態になる。

ここで、逃がし部７ｂ’は、第２偏心部７ｂと同心で外径を小さくした段差部により構成している。これにより、偏心軸の加工と同時に逃がし部７ｂ’を形成することができ、その径縮小を最小限に抑えることができる。

図８は、本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機の２つの偏心部の投影図である。本実施の形態のロータリ圧縮機では、図８に示すように、第１偏心部７ａの逃がし部７ａ’、および第２偏心部７ｂの逃がし部７ｂ’を排除した第１偏心部７ａ、および第２偏心部７ｂの断面を重ね合わせた投影断面の最外径Ｒｃが、第１ピストン８ａの内径よりも大きく構成されている。このため、第１ピストン８ａの内径部分が第２偏心部７ｂから完全に抜き出なければ、第１ピストン８ａは第１偏心部７ａへと挿入していくことができない。よって、次の挿入動作として、図５に示すように、第１ピストン８ａが回転しながら並行して移動することで、第１ピストン８ａが第２偏心部７ｂから完全に抜き出ることができる。

また、図３において、連結部７ｅの高さをＨｃ−ｃ、逃がし部７ａ’および７ｂ’の高さをＨｃｄ、第１ピストン８ａの高さをＨｐ、第１ピストン８ａの両面に設けられた面取り７ａ’および７ｂ’の内、片側の面取りの高さをＨｐｃとしたとき、
Ｈｃ−ｃ ＜ Ｈｐ−Ｈｐｃ ＜ Ｈｃ−ｃ＋Ｈｃｄ ＜ Ｈｐ
が成立する。したがって、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂの連結部７ｅ側の外径部分に逃がし部７ａ’および７ｂ’を設けることにより、連結部高さを従来のピストン挿入可能限界を超えて低くすることが可能となる。

なお、本実施の形態のロータリ圧縮機では、ピストン回転動作へと移行するのを容易にするため、第１ピストン８ａの内面面取りは、径方向の面取り幅Ｃｐより軸方向の面取り高さＨｐｃを高くしている。これにより、第１ピストン８ａの端面を介した圧縮室とのシール性を悪化させることなく、連結部７ｅをその分だけ更に短くして、剛性を高めることができる。

図６では、図４で行う動作を対称に行う。最終的には図７に示すように、第１ピストン８ａは第１偏心部７ａに挿入完了となる。

また、第１偏心部７ａの逃がし部７ａ’、および第２偏心部７ｂの逃がし部７ｂ’は、図３から図７の逃がし部の他、図９および図１０に示すように、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂの偏心方向の部位が他の部位よりも大きく面取りされてもよい。この場合も組み立て手順は先述の通りである。しかしながら、偏心方向に大きな面取りを設けることで、図９の状態から回転動作に移行する際に、第１ピストン８ａの内面が偏心部偏心方向に引っ掛かり難くなる。さらに、限界高さまで連結部７ｅを低くした場合にも、組み立て動作を滑らかに行うことが可能となる。

以上のように、本実施の形態の、２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機は、連結部７ｅにより接続された第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂを有するクランク軸７を備える。また、クランク軸７が回転することで第１偏心部７ａに挿入された第１ピストン８ａが偏心回転して、シリンダ６ａ内の作動流体を圧縮する２つの圧縮要素４ａ、４ｂを備える。また、第１偏心部７ａに挿入される第１ピストン８ａが、第２偏心部７ｂを通して第１偏心部７ａへと挿入されて組み立てられる。また、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂの連結部７ｅ側の外径部分に逃がし部７ａ’、７ｂ’を設ける。また、連結部７ｅの高さをＨｃ−ｃ、逃がし部７ａ’、７ｂ’の高さをＨｃｄ、第１ピストン８ａの高さをＨｐ、第１ピストン８ａの両面に設けられた面取りの内、片側の面取りの高さをＨｐｃとしたとき、
Ｈｃ−ｃ ＜ Ｈｐ−Ｈｐｃ ＜ Ｈｃ−ｃ＋Ｈｃｄ ＜ Ｈｐ
が成立する。また、逃がし部７ａ’、７ｂ’を排除した第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂの断面を重ね合わせた投影断面の最外径を、第１ピストン８ａの内径よりも大きく構成する。

したがって、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂの連結部７ｅ側の外径部分に逃がし部７ａ’、７ｂ’を設けることにより、連結部７ｅの高さを従来のピストン挿入可能限界を超えて低くすることが可能となる。よって、クランク軸７の低剛性部分を最小限に抑制して、高剛性化によるロータリ圧縮機の信頼性向上と気密性の確保を両立することが可能となる。

また、逃がし部７ａ’、７ｂ’は、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂと同心で外径を小さくした段差部により構成する。これにより、偏心軸の加工と同時に逃がし部７ａ’、７ｂ’を形成することができ、その径縮小を最小限に抑えることができる。したがって、より高剛性のクランク軸７を構成することが可能となる。

また、第１ピストン８ａの面取り７ａ’は、径方向よりも軸方向に大きく構成する。これにより、第１ピストン８ａの面取り７ａ’の高さを高くすることで、連結部７ｅの高さをより低くしてクランク軸７の剛性を高めることを可能にする。また、圧縮室１１ａ、１１ｂの気密性も確保可能となる。

また、逃がし部７ａ’、７ｂ’は、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂの偏心方向の部位が他の部位よりも大きく面取りされて構成する。これにより、連結部７ｅの高さを限界まで低くした場合においても、第１ピストン８ａが第２偏心部７ｂから連結部７ｅ、連結部７ｅから第１偏心部７ａへと挿入する際に、偏心部偏心方向のエッジ部に引っ掛かることなく通過できる。したがって、組み立て時の挿入を容易にすることが可能となる。

また、第１ピストン８ａは、シリンダ６ａ内を揺動するベーン２２ａと連結または一体化されて自転運動しないように構成する。これにより、圧縮動作時のクランク軸７の回転に伴って、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂが回転した際にもピストンがベーン２２ａによって自転拘束される。このため、第１偏心部７ａおよび第２偏心部７ｂでは強制的に高い相対速度でピストンを軸支できるようになる。したがって、軸受定数が増加する分だけ逃がし部７ａ’、７ｂ’の高さを高くすることが可能となる。それに応じて、連結部７ｅの高さを更に低く構成して、クランク軸７の剛性を高めることが可能となる。

以上のように、本発明のロータリ圧縮機は、主軸部に近い側のピストンを副軸部から挿入する必要があるクランク軸の連結部を、従来以上に短くすることができる。したがって、クランク軸の剛性を高め、高効率な圧縮機の信頼性向上が可能となる。これにより、本発明のロータリ圧縮機は、ＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ Ｆｌｕｏｒｏ Ｃａｒｂｏｎ）系冷媒等を作動流体として用いたエアーコンディショナー用圧縮機のほかに、自然冷媒であるＣＯ_２を用いたエアーコンディショナーやヒートポンプ式給湯機などに有用である。

１ 密閉容器
２ 電動要素
４ａ，４ｂ 圧縮要素
５ 仕切り板
５ａ 貫通孔
６ａ，６ｂ シリンダ
７ クランク軸
７ａ 第１偏心部
７ａ’ 逃がし部（面取り）
７ｂ 第２偏心部
７ｂ’ 逃がし部（面取り）
７ｃ 主軸部
７ｄ 副軸部
７ｅ 連結部
８ａ 第１ピストン
８ｂ 第２ピストン
９ａ，９ｂ 吸入通路
１０ａ，１０ｂ 吸入管
１１ａ，１１ｂ 圧縮室
１２ アキュームレータ
１３ ケース
１４ 冷媒ガス導入管
１５ａ，１５ｂ 冷媒ガス導出管
２０ 貯油部
２１ａ，２１ｂ ベーン溝
２２ａ，２２ｂ ベーン

Claims (5)

1. 連結部により接続された第１偏心部および第２偏心部を有するクランク軸と、
   前記クランク軸が回転することで前記第１偏心部に挿入された第１ピストンが偏心回転して、シリンダ内の作動流体を圧縮する２つの圧縮要素とを備え、
   前記第１偏心部に挿入される前記第１ピストンが、前記第２偏心部を通して前記第１偏心部へと挿入されて組み立てられた、２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機において、
   前記第１偏心部および前記第２偏心部の前記連結部側の外径部分に逃がし部を設け、前記連結部の高さをＨｃ−ｃ、前記逃がし部の高さをＨｃｄ、前記第１ピストンの高さをＨｐ、前記第１ピストンの両面に設けられた面取りの内、片側の前記面取りの高さをＨｐｃとしたとき、
   Ｈｃ−ｃ ＜ Ｈｐ−Ｈｐｃ ＜ Ｈｃ−ｃ＋Ｈｃｄ ＜ Ｈｐ
   が成立し、
   前記逃がし部を排除した前記第１偏心部および前記第２偏心部の断面を重ね合わせた投影断面の最外径を、前記第１ピストンの内径よりも大きく構成した、２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機。
2. 前記逃がし部は、前記第１偏心部および前記第２偏心部と同心で外径を小さくした段差部により構成した請求項１に記載の２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機。
3. 前記第１ピストンの前記面取りは、径方向よりも軸方向に大きく構成した請求項１又は請求項２に記載の２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機。
4. 前記逃がし部は、前記第１偏心部および前記第２偏心部の偏心方向の部位が他の部位よりも大きく面取りされて構成した請求項１に記載の２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機。
5. 前記第１ピストンは、前記シリンダ内を揺動するベーンと連結または一体化されて自転運動しないように構成した請求項１に記載の２つのシリンダを持ったロータリ圧縮機。

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