JP6457303B2 - 回転式圧縮機、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

回転式圧縮機、および冷凍サイクル装置 Download PDF

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Description

本発明に係る実施形態は、回転式圧縮機、および冷凍サイクル装置に関する。
シリンダの軸方向に積層された複数のローラ部材からなる分割型ローラを備える圧縮機が知られている。分割型ローラを備える圧縮機は、その駆動中にはローラ部材の間に潤滑油の膜を形成し、この油膜でローラ部材間に隙間を形成する。
分割型ローラを備える圧縮機は、シリンダの両端を閉塞する一対の閉塞板とローラ部材との間、およびローラ部材間に隙間を生じる。他方、非分割な一体型ローラを備える圧縮機は、一対の閉塞板と一体型ローラとの間にしか隙間を生じない。
そして、分割型ローラにおける隙間の大きさの合計が、一体型ローラにおける隙間の大きさの合計と同じ場合には、これら隙間に流れる液体の量は、隙間の数が多く1つあたりの隙間が狭くなる分割型ローラの方が一体型ローラよりも少なくなることが知られている。
特開2009−197793号公報
従来の分割型ローラを備える圧縮機は、一対の閉塞板とローラ部材との隙間、およびローラ部材間の隙間を形成することによって、漏洩を低減させて性能を改善する。
しかし、従来の分割型ローラは、漏洩低減効果、および性能改善効果を十分に発揮するためには複数ある隙間の大きさを均一にする必要があり、いずれかの部材間に隙間が偏って不均一になれば、効果が低減する不安定さを有している。
そこで、本願発明は、分割型ローラにおいて、より安定的に漏洩を低減させて性能を改善できる回転式圧縮機と、この回転式圧縮機を備える冷凍サイクル装置を提案する。
前記の課題を解決するため本発明の実施形態に係る回転式圧縮機は、シリンダと、前記シリンダの両端を閉塞する一対の閉塞板と、前記シリンダ内に配置されて偏心運動するローラと、を備え、前記ローラは、前記シリンダの軸方向に積層される複数のローラ部材と、前記複数のローラ部材のうち隣り合うローラ部材間に挟まれて前記ローラ部材間の隙間をシールするとともに前記ローラ部材どうしを離間させる方向へ力を発して前記一対の閉塞板に対面する前記ローラ部材のそれぞれを前記一対の閉塞板のそれぞれに押し付けるシール部材とを有し、前記ローラ前記複数のローラ部材、および前記シール部材は円環状であり、前記ローラおよび前記複数のローラ部材の内径寸法は、実質的に同じであり、前記ローラおよび前記複数のローラ部材の外径寸法は、実質的に同じであり、前記隣り合う前記ローラ部材の端面は、お互いに正対し、前記ローラの端面は、その全面で前記閉塞板に接し、前記シール部材の内径と外径との和の2分の1は、前記ローラ部材の内径と外径との和の2分の1よりも大きい。
また、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置は、前記回転式圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器と、前記回転式圧縮機と前記凝縮器と前記膨張装置と前記蒸発器とを接続して冷媒を流通させる冷媒管と、を備えている。
本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略的図。 本発明の実施形態に係る回転式圧縮機の平断面図。 本実施形態に係る回転式圧縮機のローラを示す縦断面図。 本実施形態に係る回転式圧縮機の他の例を示す縦断面図。
本発明に係る回転式圧縮機、および冷凍サイクル装置の実施形態について、図1から図4を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略的図である。
図2は、本発明の実施形態に係る回転式圧縮機の平断面図である。
図1および図2に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置1は、回転式圧縮機2と、凝縮器3と、膨張装置5と、蒸発器6と、アキュームレータ7と、冷媒管8と、を備えている。冷媒管8は、回転式圧縮機2と凝縮器3と膨張装置5と蒸発器6とアキュームレータ7と順次に接続して冷媒を流通させる。
本実施形態に係る回転式圧縮機2は、密閉ケース11と、密閉ケース11内の上半部に配置される電動機12と、密閉ケース11内の下半部に配置される圧縮機構13と、電動機12の回転駆動力を圧縮機構13へ伝達する回転軸15と、回転軸15を回転自在に支持する主軸受16と、主軸受16と協働して回転軸15を回転自在に支持する副軸受17と、を備えている。
密閉ケース11の上端部には、冷媒の吐出用の冷媒管8が接続されている。
電動機12は、圧縮機構13を回転駆動させる動力を発生させる。電動機12は密閉ケース11の内壁に固定される固定子18と、固定子18に周囲を囲まれて回転軸15に設けられる回転子19と、を備えている。
回転軸15は、電動機12と圧縮機構13とを互いに連結している。回転軸15は、電動機12が発生させる動力を圧縮機構13に伝達する。
回転軸15の中間部分15aは、主軸受16に回転自在に支持されている。回転軸15の下端部15bは、副軸受17に回転自在に支持されている。回転軸15は、シリンダ21を貫通している。
また、回転軸15は偏心部22を備えている。偏心部22は、回転軸15の中心に不一致な図心を有する円盤、あるいは円柱である。
圧縮機構13は、電動機12が回転軸15を回転駆動することによって、ガス状の冷媒を吸込んで圧縮し、かつ吐出する。
圧縮機構13は、密閉ケース11に収容されていて、密閉ケース11の下部に配置されている。密閉ケース11の下部は潤滑油で満たされていて、圧縮機構13の大部分は、密閉ケース11の下部に満たされる潤滑油中に浸されている。
圧縮機構13は、シリンダ21と、シリンダ21の両端を閉塞する一対の閉塞板23、25と、シリンダ21内に配置されるローラ26と、を備えている。
シリンダ21は、円形のシリンダ室27を有している。シリンダ室27の図心は、実質的に回転軸15の回転中心に重なっている。シリンダ室27は、シリンダ21の内側の空間であって、主軸受16および副軸受17によって閉塞されている。シリンダ21室内には、回転軸15の偏心部22が配置されている。
また、シリンダ21は、シリンダ室27内に開放されるベーン溝29と、ベーン溝29のシリンダ室27から遠い側の端部に繋がるベーン背室31と、を有している。ベーン背室31は、密閉ケース11内に開放されている。
電動機12側、つまりシリンダ21の上面側に配置される閉塞板23は、主軸受16を兼ねている。閉塞板23、つまり主軸受16は、密閉ケース11の内面に固定されている。閉塞板23はボルト32によってシリンダ21に固定されている。主軸受16には、シリンダ室27内で圧縮された冷媒を吐出する吐出弁機構(図示省略)と、吐出マフラ33とが設けられている。吐出マフラ33は、吐出孔35を有している。吐出マフラ33は、吐出弁機構に覆い被さっている。吐出弁機構は、シリンダ室27に接続されており、圧縮機構13の圧縮作用にともないシリンダ室27内が所定圧値に達したときに開放して、圧縮された冷媒を吐出マフラ33内に吐出する。なお、図2は圧縮機構13から閉塞板23を取り外した状態を示している。
シリンダ21の下面側に配置される閉塞板25は、副軸受17を兼ねている。閉塞板25、つまり副軸受17は、ボルト36によってのシリンダ21に固定されている。
回転式圧縮機2は、1つのシリンダ21を有するシングルシリンダタイプであるが、複数のシリンダを有していても良い。多段式の圧縮機構の場合には、それぞれのシリンダ21の間には仕切板(図示省略)が設けられている。この仕切板は、主軸受16および副軸受17と協働して一対の閉塞板23、25の一方、または両方としてシリンダ21の端面を塞ぐ。
ローラ26は、偏心部22の周面に嵌合されてシリンダ21のシリンダ室27内に収容されている。ローラ26は、回転軸15の回転にともなって、外周面の一部がシリンダ室27の内周面に沿って接触しながら偏心運動する。なお、ローラ26とシリンダ21との接触は直接的な接触ではなく、油膜(図示省略)を介在させた間接的なものであるが、説明の便宜のために、これら油膜を介した接触を単に「接触」と表現する。ローラ26と偏心部22、ローラ26とそれぞれの閉塞板23、25との間も同じである。
また、シリンダ21にはベーン部51が設けられている。ベーン部51は、回転軸15の軸方向であってシリンダ21の高さ方向と同じ方向へ拡がる板状のベーン52と、ベーン52の先端部をローラ26の外周面に押さえ付けるばね力を生じるコイルスプリング53と、を備えている。
ベーン52は、シリンダ21のベーン溝29に配置されている。ベーン52は、コイルスプリング53のばね力とローラ26から働く力によってベーン溝29からシリンダ室27内へ出没する。
ベーン52の先端部は略円弧状であり、シリンダ室27内に突出した状態で、ローラ26の回転角度に拘わらず、円形状のローラ26の外周面に油膜を介して線接触している。
コイルスプリング53は、シリンダ21の外周壁に穿たれるスプリング収容孔55に納められている。スプリング収容孔55は、ベーン背室31を介してシリンダ室27の手前まで達している。コイルスプリング53は、スプリング収容孔55に収容され、一方の端部をベーン52に押し当て、他方の端部を密閉ケース11の内周面に押し当てている。
ベーン背室31が密閉ケース11内に開放しているため、ベーン52の背面には、密閉ケース11内の圧力が作用する。コイルスプリング53は、密閉ケース11内の圧力が低く、密閉ケース11内の圧力だけではベーン52をローラ26に対して十分に押し付けられず、シリンダ室27内を吸込み側と圧縮側とに区画することができない場合に、ベーン52の押し付け力を補助している。
アキュームレータ7の上部には、冷媒の吸込用の冷媒管8が接続されている。また、アキュームレータ7の底部を貫通して吸込み管7aが設けられている。吸込み管7aは、回転式圧縮機2の密閉ケース11を貫いてシリンダ21に設けられ、シリンダ室27に繋がる吸込み孔63に接続されている。
本実施形態に係る回転式圧縮機2のローラ26について、さらに詳しく説明する。
図3は、本実施形態に係る回転式圧縮機のローラを示す縦断面図である。
図2に加えて図3に示すように、本実施形態に係る回転式圧縮機2のローラ26は、シリンダ21の軸方向に積層される複数のローラ部材56、57と、複数のローラ部材56、57のうち隣り合うローラ部材間58に挟まれてローラ部材間58の隙間をシールするとともにローラ部材56、57どうしを離間させる方向へ力(図3中の実線矢印F)を発して一対の閉塞板23、25に対面するローラ56、57のそれぞれを一対の閉塞板23、25のそれぞれに押し付けるシール部材59と、を備えている。
ローラ部材56、57はともに円環状であり、互いに積層されてシリンダ室27内に配置されている。ローラ部材56、57の内側の空間には、回転軸15が貫通して偏心部22が嵌め込まれている。回転軸15が回転すると、ローラ部材56、57は、その外周面をシリンダ21の内周面、つまりシリンダ室27を区画する壁面に接触させながら移動する。ローラ部材56、57の内周面は、偏心部22の外周面を摺動する。
圧縮機構13のシリンダ室27は、ローラ部材56、57とベーン52によって低圧室61と高圧室62とに分断されるとともに、ローラ部材56、57が移動することによって低圧室61および高圧室62の容積を変化させる。シリンダ室27に繋がる吸込孔63が開口する位置をローラ部材56、57が通過すると、高圧室62の容積が小さくなって高圧室62内の冷媒が圧縮される。高圧室62内の冷媒の圧力が吐出弁機構に設定される所定の圧力以上に上昇すると、圧縮された冷媒は吐出弁機構から密閉ケース11内に排出される。この間、低圧室61には次のサイクルで圧縮される冷媒が吸込孔63から導入されている。この動作が繰り返されることによって、密閉ケース11内には圧縮された冷媒が溜まる。密閉ケース11内の冷媒は、吐出用の冷媒管8から回転式圧縮機2外に排出されて冷凍サイクル装置1を流通する。
また、ローラ部材56、57は、シリンダ室27の上下の壁面、つまり一対の閉塞板23、25の内壁面のそれぞれに油膜0を介して接触している。つまり、ローラ部材56、57の移動が妨げられることを防止するために、2つのローラ部材56、57のそれぞれの高さHppの合計(Hp=Hpp+Hpp)は、シリンダ室27の高さであり、かつ、一対の閉塞板23、25の離間距離であるHsよりも低く設定されている。
ただし、2つのローラ部材56、57の高さHppの合計Hpがシリンダ室27の高さHsに対して高すぎると、ローラ部材56の上端面と閉塞板23の内壁面との間、およびローラ部材56の下端面と閉塞板25の内壁面との間に潤滑油の油膜0が形成されず、ローラ部材56、57と閉塞板23、25とが直接的に接触して焼きついてしまう虞がある。そこで、ローラ部材56、57の高さHppの合計Hpは、ローラ部材56の上端面56aと閉塞板23の内壁面との間、およびローラ部材57の下端面57bと閉塞板25の内壁面との間に潤滑油の油膜0を形成可能な程度の高さに設定されている。これによって、ローラ部材56、57と閉塞板23、25とが直接接触してしまうことを回避し、両者が接触して焼きついてしまうことを防止している。このシリンダ室27の高さHsと2つのローラ部材56、57の高さHppの合計Hpとの差、つまり、一対の閉塞板23、25の離間距離Hsから複数のローラ部材56、57の厚さHpp、Hppの和Hpを引いた長さは、回転式圧縮機2の停止時において、実質的に離間距離Hsの1000分の1から2000分の1が望ましい。(離間距離Hs)−(和Hp)が、シリンダ室27の高さHsの1000分の1から2000分の1の範囲で確保されることによって、ローラ部材56、57の焼き付きを防止できる。
このように、2つのローラ部材56、57の高さの合計Hpがシリンダ室27の高さHsよりも低くなっているため、ローラ部材56と閉塞板23との隙間、およびローラ部材57と閉塞板25との隙間を通じてローラ26の内側および高圧室62から低圧室61に高圧の冷媒や潤滑油が流れ込む。低圧室61に流れ込む冷媒や潤滑油の量が多くなると、この冷媒や潤滑油によって低圧室61内の冷媒の温度が上昇し、回転式圧縮機2の性能が低下してしまう虞がある。
また、本実施形態に係る回転式圧縮機2は、ローラ26が複数、例えば2つのローラ部材56、57を互いに積層しているため、ローラ部材56と閉塞板23との隙間、およびローラ部材57と閉塞板25との隙間に加えて、ローラ部材56、57間にも隙間ができる。
そこで、本実施形態に係る回転式圧縮機2は、ローラ部材56、57間にシール部材59を挟み込み、ローラ部材56、57間の隙間を塞ぐ一方で、シール部材59を変形させることによって弾性エネルギーを蓄えさせ、この弾性エネルギーによってローラ部材56、57どうしを離間させる力(図3中の実線矢印F)を生じさせてローラ部材56、57のそれぞれを一対の閉塞板23、25のそれぞれに押し付けている。
シール部材59は、環状であってローラ部材56、57の内径Dinと外径Doutとの和(Din+Dout)の2分の1((Din+Dout)÷2)よりも大きい直径Dsを有している。換言すると、シール部材59は、ローラ部材56、57の内径側よりも外径側に寄っている。
シール部材59は、ローラ部材部材56、57間に挟み込まれて変形する程度の弾性率を有し、例えばゴム製のOリングが用いられる。シール部材59は、ローラ部材56、57と閉塞板23、25との隙間のそれぞれに適切な油膜0が形成される範囲においてローラ部材56、57を相互に離間させてローラローラ部材56の上端面56aおよびローラ部材57の下端面57bのそれぞれを閉塞板23、25の内壁面に押し付ける。つまり、シール部材59は、ローラ部材56、57の厚さHpp、Hppの和Hpと一対の閉塞板23、25の離間距離Hsとの差分(離間距離Hs)−(和Hp)をローラ部材部材56、57間の隙間に集中させる。所望の押し付け力(図3中の実線矢印F)を得るために、シール部材59の弾性率や、例えばOリングの場合における線径、および直径Dsが設定される。
そして、ローラ部材56の下端面56bおよびローラ部材57の上端面57aのうちの少なくとも一方(図3では両方)には、シール部材59を保持するシール保持溝65を有している。なお、シール部材59は、シール保持溝65に保持されて安定している限りにおいて、完全な環に限られず、C字状に一部が切りかかれていても良い。シール保持溝65はシール部材59の形状に応じて環状に設けられており、このシール保持溝65の深さによってもローラ部材56、57の押し付け力(図3中の実線矢印F)を設定できる。
シール部材59によって生じる、ローラ部材56、57のそれぞれを一対の閉塞板23、25のそれぞれに押し付ける力(図3中の実線矢印F)は、一対の閉塞板23、25とローラ部材56、57との間に生じる油膜圧力との間で均衡して、一対の閉塞板23、25とローラ部材56、57との間に生じる隙間の広さを、(一対の閉塞板23、25の離間距離Hs)−(ローラ部材56、57の高さの和Hp)=(シリンダ室27の高さHsの1000分の1から2000分の1)よりも狭くする。
次に、本実施形態に係る回転式圧縮機2の他の例を説明する。なお、回転式圧縮機2において回転式圧縮機2と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図4は、本実施形態に係る回転式圧縮機の他の例を示す縦断面図である。
図4に示すように、本実施形態に係る回転式圧縮機2Aは、分割型ローラ26に対応させて、シリンダ21の軸方向に複数の偏心部22a、22bを備えていても良い。
ローラ部材56は、偏心部22aの周面に嵌合されてシリンダ室27内に収容され、ローラ部材57は、偏心部22bの周面に嵌合されてシリンダ室27内に収容されている。
ローラ部材56の軸方向中心位置と偏心部22aの軸方向中心位置とは、実質的に一致し、ローラ部材57の軸方向中心位置と偏心部22bの軸方向中心位置とは、実質的に一致している。
分割型ローラ26に対応する複数の偏心部22a、22bを備える場合、回転式圧縮機2は、圧縮運転時のローラ部材56、57の傾きを確実に防止できる。
したがって、本実施形態に係る回転式圧縮機2は、一対の閉塞板23、25とローラ部材56、57との間に生じる隙間において高圧室62側から低圧室61側に流れ込む高圧の冷媒および潤滑油の量を低減させ、ひいては低圧室61内の冷媒の温度上昇を抑制して、回転式圧縮機2の性能を向上させる。本実施形態に係る回転式圧縮機2は、従来の分割型ローラに比べて、ローラ部材56、57間の隙間においてもシール部材59によって冷媒および潤滑油の流通を妨げ、かつ、一対の閉塞板23、25とローラ部材56、57との間に生じる油膜0との均衡を保ちつつ当該箇所の隙間の広さを極力狭くすることができ、高圧室62側から低圧室61側に流れ込む冷媒および潤滑油の量を低減させ、ひいては低圧室61内の冷媒の温度上昇を抑制して、回転式圧縮機2の性能を向上させる。
ところで、従来の分割型ローラでは、ローラ部材間の隙間では、その全領域において高圧室側から低圧室側へ高圧の冷媒および潤滑油が漏れ出してしまう。しかしながら、本実施形態に係る回転式圧縮機2は、ローラ部材56、57間の隙間にはシール部材59が挟み込まれているため、ローラ部材56、57間の隙間において高圧室62側から低圧室61側に流れ込む高圧の冷媒および潤滑油が漏れ出す経路(流路断面積)を、シール部材59よりもローラ26の外周に近い側(図2におけるハッチング領域A)に絞り込んで、高圧室62側から低圧室61側に流れ込む冷媒の量を低減し、ひいては低圧室61内の冷媒の温度上昇を抑制して、回転式圧縮機2の性能を向上させる。
また、本実施形態に係る回転式圧縮機2は、シール部材59をローラ部材56、57間に挟み込んでいるため、回転式圧縮機2を運転させてもシール部材59に対する摺動がなく、ひいては摩耗することがないため、シール部材59に高価な耐摩耗性材料を採用する必要が無い。
さらに、本実施形態に係る回転式圧縮機2は、ローラ部材56、57の内径Dinと外径Doutとの和(Din+Dout)の2分の1((Din+Dout)÷2)よりも大きい直径Dsを有するシール部材59を備えることによって、ローラ部材56、57間の隙間、つまりシール部材59が挟み込まれている隙間であって、シール部材59よりもローラ26の外周に近い側(図2におけるハッチング領域A)において、高圧室62側から低圧室61側に流れ込む冷媒の量を低減し、ひいては低圧室61内の冷媒の温度上昇を抑制して、回転式圧縮機2の性能を向上させる。
さらにまた、本実施形態に係る回転式圧縮機2は、一対の閉塞板23、25の離間距離Hsから複数のローラ部材56、57の厚さHpp、Hppの和Hpを引いた長さを、実質的に離間距離Hsの1000分の1から2000分の1に設定することで、ローラ26の焼き付きを防止できる。
したがって、本実施形態の回転式圧縮機2および、回転式圧縮機2を備える冷凍サイクル装置1によれば、分割型ローラ26において、より安定的に漏洩を低減させて性能を改善できる。
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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。
1…冷凍サイクル装置、2、2A…回転式圧縮機、8…冷媒管、13…圧縮機構、15…回転軸、16…主軸受、17…副軸受、21…シリンダ、22、22a、22b…偏心部、23、25…閉塞板、26…ローラ、27…シリンダ室、56、57…ローラ部材、59…シール部材、65…シール保持溝

Claims (5)

  1. シリンダと、
    前記シリンダの両端を閉塞する一対の閉塞板と、
    前記シリンダ内に配置されて偏心運動するローラと、を備え、
    前記ローラは、前記シリンダの軸方向に積層される複数のローラ部材と、前記複数のローラ部材のうち隣り合うローラ部材間に挟まれて前記ローラ部材間の隙間をシールするとともに前記ローラ部材どうしを離間させる方向へ力を発して前記一対の閉塞板に対面する前記ローラ部材のそれぞれを前記一対の閉塞板のそれぞれに押し付けるシール部材とを有し、
    前記ローラ前記複数のローラ部材、および前記シール部材は円環状であり、
    前記ローラおよび前記複数のローラ部材の内径寸法は、実質的に同じであり、
    前記ローラおよび前記複数のローラ部材の外径寸法は、実質的に同じであり、
    前記隣り合う前記ローラ部材の端面は、お互いに正対し、
    前記ローラの端面は、その全面で前記閉塞板に接し、
    前記シール部材の内径と外径との和の2分の1は、前記ローラ部材の内径と外径との和の2分の1よりも大きい回転式圧縮機。
  2. 前記シリンダ内に配置されて、前記複数のローラ部材の内周面に一括して、または個別に接する偏心部を備える請求項1に記載の回転式圧縮機。
  3. 前記隣り合う前記ローラ部材のうち少なくとも一方のローラ部材は、前記シール部材を保持する溝を有する請求項1または2に記載の回転式圧縮機。
  4. 前記一対の閉塞板の離間距離から前記複数のローラ部材の厚さの和を引いた長さは、実質的に前記離間距離の1000分の1から2000分の1である請求項1から3のいずれか1項に記載の回転式圧縮機。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載の回転式圧縮機と、
    凝縮器と、
    膨張装置と、
    蒸発器と、
    前記回転式圧縮機と前記凝縮器と前記膨張装置と前記蒸発器とを接続して冷媒を流通させる冷媒管と、を備える冷凍サイクル装置。
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