JPH0849675A

JPH0849675A - ロータリ圧縮機

Info

Publication number: JPH0849675A
Application number: JP18320994A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Takebayashi; 昌寛竹林; Hirokatsu Kosokabe; 弘勝香▲曽▼我部; Nobuo Tsumaki; 伸夫妻木; Hiroaki Hatake; 裕章畠
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-04
Filing date: 1994-08-04
Publication date: 1996-02-20

Abstract

(57)【要約】【目的】潤滑性の乏しいＨＦＣ系の代替フロンを用いた
場合でも、ピストンとベーンの接触部における潤滑状態
を向上し、摩擦・摩耗の問題を解消できるロータリ圧縮
機を提供する。【構成】ロータリ圧縮機におけるピストン１１とベーン
１２の相対摺動速度が反転する機会を少なくするため
に、ピストン１１の自転を回転方向に促進するように溝
５０の方向を吸込み室７側にオフセットする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロータリ圧縮機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の冷凍・空調装置などに用いられて
いるローリングピストン形ロータリ圧縮機（以下、ロー
タリ圧縮機と称す）は、例えば、特開平4−219486 号公
報に記載のように、密閉容器内に固定子及び回転子を有
する電動要素と、この電動要素によって駆動される圧縮
要素が収納され、圧縮要素はクランク軸の偏心部に自転
自在に嵌合されたピストンが、クランク軸の回転によっ
てシリンダ内を偏心回転運動し、ピストンに押圧された
ベーンによってシリンダ内を圧縮室と吸込み室に仕切ら
れることにより、吸込みパイプより吸込まれた作動流体
ガスを圧縮し、圧縮されたガスは密閉容器内に吐出さ
れ、吐出パイプより密閉容器外部に吐出される。

【０００３】このように構成されたロータリ圧縮機にお
いて、圧縮機の信頼性上最も重要なのがベーンとピスト
ンのトライボロジに関する問題である。ベーンとピスト
ンの接触部は線接触となるため面圧が非常に高く、高
温，高圧となるシリンダ内で摺動するため潤滑油の粘度
も低下し、流体潤滑を保つことが難しく境界・混合潤滑
状態となり、摩擦・摩耗の問題が起こりやすくなってい
た。

【０００４】特に、冷凍・空調装置の作動流体として使
用されてきたフロンＣＦＣ１２，ＨＣＦＣ２２等は分子
中に塩素をもつため、成層圏のオゾン層を破壊すること
が指摘され社会問題となってきており、オゾン破壊の問
題のない代替フロンに切り替える必要がある。これら代
替フロンは、分子中に塩素をもたないＨＦＣ系の冷媒が
最有力候補になっているが、このフロンでは塩素の極圧
剤的な作用が期待できなくなるため、潤滑状態が厳しく
なり、ベーンとピストンの摩耗による圧縮機の信頼性低
下の問題があった。

【０００５】上記問題点に対して、ロータリ圧縮機のベ
ーンとピストン間の接触荷重低減による摺動損失低減を
図った公知技術として、特開平4−219486 号がある。し
かし、ベーンとピストンとの接触部における潤滑性を向
上させ、摩耗を低減させることについては、十分な考慮
がなされていなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、潤滑
状態の厳しい代替フロンを用いた場合でも、ベーンとピ
ストンの接触部における摩擦・摩耗の問題を解決でき、
信頼性の向上が図れるロータリ圧縮機を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のロータリ圧縮機は、ピストンの自転速度の
挙動解析を基にし、ベーンとピストンの接触部の潤滑性
を向上させ、摩耗抑制するために、前記ピストンの自転
を回転方向に促進させる構造にしたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明者によるピストンの挙動の解析から、従
来技術のロータリ圧縮機のベーンとピストンの接触部の
摺動状態について、以下の点が明らかになった。すなわ
ち、ベーンとピストンの接触部の摺動状態は、クランク
軸一回転中にベーンに対するピストンの相対的なすべり
速度がプラスからマイナス、そしてプラスへと切り替わ
る（ピストンがクランク軸の回転方向と同じ方向にすべ
る場合をプラス、逆方向にすべる場合をマイナスとす
る）往復摺動を行っている。そして、この往復摺動を繰
り返しながらピストンは軸回転速度の１／１０程度のゆ
っくりした速度でクランク軸の回転と同じ方向に自転し
ている。また、ベーンに対するピストンの相対的なすべ
り速度がプラスからマイナスに切り替わりピストンが逆
転するクランク角位置は、通常の圧力条件ではクランク
軸の回転角が約９０°の時であり、これよりも吐出圧力
が上昇して過負荷状態になった場合は、このピストンが
逆転する回転角は約５０°と小さくなってくる。ベーン
とピストンの接触部の摩耗形態は、往復摺動する区間の
両端部、すなわち、ベーンに対するピストンの摺動方向
が反転する点で摩耗が深くなり、特に、ベーンに対する
ピストンの相対的なすべり速度がプラスからマイナスに
切り替わりピストンが逆転を開始するクランク角位置で
油切れが起こり、最も摩耗が厳しくなり問題となること
が分かった。

【０００９】以上の研究結果より、ピストンの自転を回
転方向に促進させることにより、ベーンに対するピスト
ンの摺動方向が反転する機会を少なくし、両者の接触点
における潤滑を大幅に向上させ、圧縮機の信頼性を向上
したロータリ圧縮機を提供することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を図１及び図２に示す実施例に
よって詳細に説明する。

【００１１】図１は、本発明に係るロータリ圧縮機の一
部縦断面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面に相当する横断
面図である。図１，図２において、１は密閉容器で、固
定子２及び回転子３からなる電動要素と、この電動要素
によって駆動される圧縮要素が収納されている。４はシ
リンダ、５，６は主軸受，副軸受でシリンダ４の両端開
口を閉塞し、吸込み室７と圧縮室８からなる作動室を形
成する。９はクランク軸で偏心部１０を有し、偏心部１
０にピストン１１が自転自在に嵌合されている。１２は
ベーンで、シリンダに設けた溝５０内を往復運動可能に
嵌合され、ピストン１１に密閉容器１内のガス圧力（吐
出圧力）とスプリング１３により押圧されることによ
り、シリンダ４内を吸込み室７と圧縮室８に仕切ってい
る。１４は密閉容器１の底部に貯溜されている潤滑油、
１５は吸込みパイプ、１５ａは吸込み口、１６は副軸受
６に設けられた吐出弁、１６ａは吐出口、１７は吐出室
１８を形成する吐出カバー、１９は吐出パイプである。
また、２０は主軸受５に取り付けられた吸込み流体ダイ
オード、２１は副軸受６に一体的に形成された吐出し流
体ダイオード、２２は吐出カバー１７に固着された給油
パイプ、２３，２４はクランク軸９に形成された給油穴
及び給油溝である。ベーン１２を支持する溝５０はクラ
ンク軸９中心Ｏに対し、吸込み室７側にオフセットする
方向に設けている。すなわち、ベーン１２とピストン１
１の接触点Ｃを通り、ベーン１２の中心軸Ｂに平行な直
線が、どの回転角においても常にクランク軸９中心Ｏの
吸込み室７側を通るように位置している。

【００１２】上記構成において、ロータリ圧縮機の圧縮
動作は以下のように行われる。電動要素に通電される
と、回転子３の回転はクランク軸９を駆動し、偏心部１
０に嵌合されたピストン１１がシリンダ４内を偏心回転
運動する。ピストン１１に押圧されたベーン１２によっ
てシリンダ４内を吸込み室７と圧縮室８に仕切られるこ
とにより、吸込みパイプ１５より吸込み室７内に吸込ま
れた作動流体ガスは圧縮され、圧縮されたガスは吐出口
１６ａから吐出弁１６を通って副軸受６に形成された吐
出室１８に入り、その後、密閉容器１内に吐き出され、
吐出パイプ１９より外部の冷凍サイクル（図示せず）に
吐出される。軸受摺動部への給油は以下のように行われ
る。クランク軸９の回転により、ピストン１１に押圧さ
れたベーン１２が溝５０内を往復運動し、ベーン背面部
のスプリング１３が装着されている空間の容積が変化す
る。この容積変化による往復ポンプ作用で、密閉容器１
の底部に貯溜された潤滑油１４は吸込み流体ダイオード
２０から吸引され、吐出し流体ダイオード２１，給油パ
イプ２２を通って、クランク軸９に形成された給油穴２
３及び給油溝２３に供給され、軸受摺動部の潤滑がなさ
れる。

【００１３】ベーン１２は背面をスプリング１３と密閉
容器１内の高い圧力によってピストン１１へ押しつけら
れるが、溝５０が吸込み室７側にオフセットさせて設け
ているため、常にピストン１１をクランク軸の回転方向
と同じ方向に自転を促進させるように作用する。

【００１４】図３は、従来のロータリ圧縮機の構造を示
す横断面図で、図１のＡ−Ａ断面図に相当する。ベーン
１２の中心線Ｂ′がほぼクランク軸９の中心Ｏに向かう
ように位置している。

【００１５】次に、ロータリ圧縮機におけるベーンとピ
ストンの接触部のトライボロジ課題について説明する。
図４は、従来及び本発明のロータリ圧縮機における、ク
ランク軸一回転中のベーンとピストンの相対すべり速度
Ｖｐの実験結果の一例を示す（回転速度６０rps ）。Ｖ
ｐの符号は、ピストンがクランク軸の回転方向と同じ方
向にすべる場合をプラス、逆方向にすべる場合をマイナ
スとする。図４から、従来のベーンとピストンの接触部
の摺動状態は、クランク軸一回転中にベーンに対するピ
ストンの相対的なすべり速度Ｖｐがプラスからマイナ
ス、そして再びプラスへと切り替わる往復摺動を行って
いることが分かる。そして、Ｖｐの平均値はプラスにな
るため、この往復摺動を繰り返しながらピストンは軸回
転速度の１／１０程度のゆっくりした速度でクランク軸
の回転と同じ方向に自転している。また、ベーンに対す
るピストンの相対的なすべり速度Ｖｐがプラスからマイ
ナスに切り替わりピストンが逆転するクランク角位置
は、通常の圧力条件（吐出圧力Ｐｄ＝１.１８５ＭＰａ)
ではクランク軸の回転角θが約９０°の時であるが、こ
れよりも吐出圧力が上昇して過負荷状態になった場合
は、このピストンが逆転する回転角は小さくなってく
る。ベーンとピストンの接触部の摩耗形態は、ベーンに
対するピストンの摺動方向が反転する点で摩耗が深くな
ることがピストンの挙動を測定した結果から推測され
る。これに対し、本発明のロータリ圧縮機は、ピストン
の自転を回転方向に促進することにより、ベーンに対す
るピストンの摺動方向が反転する機会を少なくできるた
め、両者の接触部の潤滑状態が改善され、ロータリ圧縮
機の信頼性を大幅に向上できる。

【００１６】以上の動作により、ベーン１２とピストン
１１の接触部における潤滑状態を大幅に改善でき、潤滑
状態の厳しい代替フロンを用いた場合でも圧縮機の信頼
性を向上したロータリ圧縮機を提供することができる。

【００１７】本発明のベーン１２の先端形状についての
実施例を図５に示す。図５は、図１及び図２に示した本
発明のロータリ圧縮機のベーン１２の先端部の形状を示
す。

【００１８】ベーン１２の先端部の形状は半径ｒの円弧
３０状をなし、その円弧３０の中心点Ｇはベーン１２の
中心軸Ｂよりも吸込み室７側に位置する様に構成してい
る。また、ベーン１２とピストン１１の接触点Ｃを通り
ベーン１２の中心軸Ｂと平行の直線が、クランク軸９の
中心Ｏに対し吸込み室７側に位置し、この直線とクラン
ク軸９中心Ｏとの距離をＸで表している。この距離Ｘ
は、どのクランク軸の回転角θでも（ピストン１１が最
も圧縮室８側に位置した時点でも）、プラス（吸込み室
７側にある場合をプラスとする）になるようにしてい
る。

【００１９】このように構成したロータリ圧縮機は、ベ
ーン１２の背面より吐出しガスと同じ高圧力でピストン
１１へ押しつけられるが、その押しつけ力の方向がピス
トン１１の自転を回転方向に促進するように働くため、
ベーン１２とピストン１１の相対速度の方向が反転する
機会を少なくでき、この間に摩擦・摩耗を低減できる。
さらに距離Ｘをクランク偏心量εよりも大きくすれば、
その効果はさらに大きい。

【００２０】また、ベーン１２の先端部の円弧の中心点
Ｇをベーン１２の中心軸Ｂよりも吸込み室７側に位置し
ているため、ベーン１２とピストン１１の接触点Ｃは、
ベーン１２の中心軸上にある場合に比べ吸込み室７側に
することができる。したがって、ベーン１２先端部円筒
面のうち、圧縮室８に露出した面積を大きくできるた
め、ベーン１２をピストン１１側に押しつける荷重を低
減でき、この間の摩擦を小さくできる。

【００２１】以上、本実施例によれば、摺動条件の厳し
いピストン１１とベーン１２の接触部の潤滑性を向上す
ることができ、ベーン１２のピストン１１に対する押し
つけ力を低減でき、圧縮機の摺動損失を低減できる。

【００２２】次に本発明のベーン１２の先端についての
別の実施例を図６に示す。図６は、図１及び図２に示し
た本発明のロータリ圧縮機のベーン１２の先端部の形状
を示す。

【００２３】ベーン１２の先端部の形状は円弧の組合せ
た形状をなし、吸込み室７側が半径ｒ小円弧３１，圧縮
室８側が半径Ｒの大円弧３２を連続的に結んだ形状で、
ｒ＜Ｒである。そして吐出し室８側円弧３２（半径Ｒ）
の中心点Ｇはベーン１２の中心軸Ｂよりも吸込み室７側
に位置するように構成している。また、前述の実施例と
同様に、ベーン１２とピストン１１の接触点Ｃを通りベ
ーン１２の中心軸Ｂと平行の直線が、クランク軸９の中
心Ｏに対し吸込み室７側に位置し、どの回転角θでも
（ピストン１１が最も圧縮室８側に位置した時点で
も）、プラス（吸込み室７側にある場合をプラスとす
る）になるようにしている。

【００２４】このように構成したロータリ圧縮機は、ベ
ーン１２の背面より吐出しガスと同じ高圧力でピストン
１１へ押しつけられるが、その押しつけ力の方向がピス
トン１１の自転を回転方向に促進するように働くため、
ベーン１２とピストン１１の相対速度の方向が反転する
機会を少なくでき、この間に摩擦・摩耗を低減できる効
果がある。また、ベーン１２の先端部の吸込み室７側に
小さい円弧を設けているため、圧縮室８側円弧３２の中
心点Ｇをベーン１２の中心軸Ｂよりも大きく吸込み室７
側に位置させても、ベーン１２とピストン１１の接触点
Ｃにおいて、常に円弧と円弧の接触にすることができ
る。したがって、接触点Ｃを吸込み室７側へのオフセッ
ト量を大きくすることができるため、ベーン１２先端部
の円筒面のうち、圧縮室８に露出した面積を大きくでき
るため、ベーン１２をピストン１１側に押しつける荷重
を低減でき、この間の摩擦を小さくできる。

【００２５】以上、本実施例によれば、摺動条件の厳し
いピストン１１とベーン１２の接触部の潤滑性を向上す
ることができ、ベーン１２の押しつけ力を低減でき、圧
縮機の摺動損失を低減できる。

【００２６】これまでに述べた実施例では、ロータリ圧
縮機として１シリンダの圧縮機を例に挙げて説明した
が、本発明はこれ以外に２シリンダのロータリ圧縮機に
も適用することができる。また、圧縮機以外に本発明と
同様のロータリ形式を有する膨張機や真空ポンプにも適
用することができる。

【００２７】ベーン１２の材料は、例えば、鉄系焼結
材，工具鋼などの靭性の高い材料を用いると、更に溝５
０との摺動抵抗が小さくなり効率が高くなる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、ロータリ圧縮機のピス
トンとベーンの摩耗を、ピストンの挙動からベーンの摺
動形態から最も油切れが起こりやすい、ピストンとベー
ンの相対速度が反転する機会を少なくし、この接触部の
潤滑状態を向上させることができるため、摩擦・摩耗を
低減したロータリ圧縮機が得られる。また、ピストンと
ベーンの接触位置を吸込み室側に設けたため、ここにお
ける接触力を低減でき、圧縮機の性能を向上できる。さ
らに、このようなロータリ圧縮機をオゾン層破壊の問題
がない代替フロンを用いた冷凍サイクルに搭載すること
により、エネルギ効率に優れた冷凍・空調システムを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における横型ロータリ圧縮機の縦断面
図。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図。

【図３】従来技術における横型ロータリ圧縮機の断面
図。

【図４】ピストンとベーンの接触部における相対すべり
速度の特性図。

【図５】本発明におけるロータリ圧縮機のベーン先端の
側面図。

【図６】本発明の実施例におけるロータリ圧縮機のベー
ン先端の側面図。

【符号の説明】

１…密閉容器、４…シリンダ、７…吸込み室、８…圧縮
室、９…クランク軸、１０…偏心部、１１…ピストン、
１２…ベーン、１３…スプリング、１４…潤滑油、１５
ａ…吸込み口、１６ａ…吐出口、５０…溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者畠裕章栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地株式会社日立製作所リビング機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両端面に端板を設けたシリンダ、前記シリ
ンダ内を回転する円筒形のピストン、前記ピストンに回
転を与えるクランク、前記クランクと一体となった回転
軸を駆動する駆動装置、円弧状をなした先端が前記ピス
トンに当接し、前記回転軸の回転に従って往復運動し、
前記シリンダの吸込み室と圧縮室とに仕切るベーンを含
むロータリ圧縮機において、前記ベーンと前記ピストン
が当接する点を通り、前記ベーンの中心軸と平行な直線
が前記回転軸の中心に対し、常に吸込み室側にオフセッ
トして位置していることを特徴とするロータリ圧縮機。