JPH09144680A - ロータリ圧縮機およびこれを用いた冷蔵庫および冷凍・空調機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ベーン材料にアルミニウム含浸カーボンを用い
たロータリ圧縮機のローラとベーンの接触部で、潤滑性
の乏しい代替フロンを用いた場合でも、トライボロジー
の問題を解決でき、性能の向上が図れるロータリ圧縮機
を提供する。 【解決手段】ローラ１１とベーン１２の間への潤滑油供
給量を、毎分１ミリリットル乃至５ミリリットルの範囲
内とする。このための手段として、ローラ１１およびシ
リンダ４の端面にラビリンス溝４ａ，５ａを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は主に冷蔵庫および冷
凍・空調機器に用いられるロータリ圧縮機に係り、特
に、ローラとベーンの接触部の潤滑機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例のロータリ圧縮機について図５お
よび図６を参照して説明する。

【０００３】密閉容器１内に固定子２および回転子３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
縮要素が収納される。圧縮要素はクランク軸９の偏心部
１０に自転自在に嵌合されたローラ１１が、クランク軸
９の回転によってシリンダ４内を偏心回転運動する。そ
してローラ１１に押圧されたベーン１２によってシリン
ダ４内を仕切られ、吸入パイプ１５より吸入された作動
流体（冷媒ガス）を圧縮する。圧縮されたガスは密閉容
器内に吐き出され、吐出パイプ１９より外部の冷凍サイ
クルに吐出される。

【０００４】このような構成のロータリ圧縮機では、ロ
ーラ１１とベーン１２が潤滑不良の場合、異常摩耗や圧
縮性能の低下といった問題が発生する。したがって、ロ
ータリ圧縮機の性能および信頼性を確保する上で最も重
要なのがローラ１１とベーン１２の接触部の潤滑機構、
すなわち、トライボロジーに関する問題である。

【０００５】ローラとベーン間の潤滑改善の公知例とし
てはかなり多くあるが、一例として特開平5−240179 号
公報がある。この公知例はロータリ圧縮機のシリンダ内
各摺動部に対する潤滑油供給の安定化を図る目的でベー
ン端面に油溝を設けたものであり、ローラとベーン摺動
面の摩耗低減に関しての効率的な給油については配慮は
なされていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のロータ
リ圧縮機で、圧縮機の信頼性上最も重要なのがローラと
ベーン間のトライボロジーに関する問題である。ところ
が、このローラとベーンの間の接触部は線接触となるた
め面圧が非常に高く、また高温高圧条件下で潤滑油の粘
度が低下するため、潤滑油膜の形成が難しい。またロー
タリ圧縮機では、ローラとベーンの相対速度がゼロまた
は小さくなるタイミングが存在し、この場合には潤滑油
膜の形成が困難な境界潤滑領域内での運転となる。この
ため、ローラとベーンの異常摩耗が起こりやすい。特に
今後は、快適空調，低騒音・低振動あるいは省エネルギ
などのために回転数制御型の圧縮機が用いられると予想
されるが、低速から高速の広範な回転範囲で運転される
ことになり、この場合、特に低速回転域では、各摺動部
では潤滑油膜の形成がさらに困難となる。

【０００７】また一般に、ローラとベーンの間の接触部
の潤滑は、ローラおよびベーンの摺動部のすき間等を通
ってシリンダ内に漏れ込む油によって行われているが、
ローラおよびベーンの摺動部のすき間を拡げてシリンダ
内への潤滑油の供給量を増やした場合は、油による加熱
損失等が増大して圧縮機の性能が低下するといった問題
があるため、むやみに潤滑油量を増やすことはできな
い。

【０００８】さらに、従来、冷凍・冷蔵庫および空調機
器の作動流体として使用されてきたフロンCFC12，HCFC2
2 などは、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て社会問題となっている。そこ
で、オゾン層破壊の心配がない代替フロンに切り替える
必要があり、これら代替フロンとしては、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。
この代替フロンではこれまでのフロンと違い、塩素の極
圧剤的な潤滑作用が期待できなくなることから、ますま
す潤滑状態が厳しくなり、ローラとベーンの異常摩耗に
よる圧縮機の信頼性低下の問題はきわめて重要である。

【０００９】本発明の目的は、潤滑状態が厳しい環境下
で、それ自身の潤滑効果が期待できない代替フロンを用
いた場合でも、ローラとベーンの接触部におけるトライ
ボロジーの問題を解決でき、圧縮性能および信頼性の高
いロータリ圧縮機を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、以下の技術的手段がある。

【００１１】（１）密閉容器内に、固定子および回転子
を有する電動要素と、前記電動要素により駆動されるク
ランク軸、前記クランク軸の偏心部に回転自在に嵌合さ
れたローラ、前記ローラに先端を接して往復運動し、シ
リンダ内を低圧の吸入室と高圧の圧縮室に仕切るベー
ン、前記クランク軸を支持し、前記シリンダの両端開口
を閉塞する端板を有する主軸受および副軸受で形成され
る圧縮要素を収納し、冷媒ガスにHFC134a 、潤滑油にエ
ステル系潤滑油を用い、前記ベーンの材料にアルミニウ
ム含浸カーボンを用いたロータリ圧縮機で、前記ローラ
と前記ベーンの摺動面への潤滑油供給量を毎分１ミリリ
ットル乃至５ミリリットルとする。ここでローラとベー
ンの摺動面への潤滑油供給量とは、前記ローラの両端面
と前記シリンダの両端開口を閉塞する端板との隙間から
前記シリンダ内への漏洩油量、前記ベーンの側面と前記
シリンダとの隙間から前記シリンダ内への漏洩油量、そ
して、冷凍サイクル内の冷媒中に含まれる潤滑油の前記
シリンダ吸入口から前記シリンダ内への吸込み油量の総
油量の総計である。

【００１２】（２）上記のロータリ圧縮機で、前記ロー
ラの両端面と前記シリンダの両端開口を閉塞する端板と
の隙間から前記シリンダ内への漏洩油量を制御する手段
として、次に示す方法をとる。

【００１３】（ａ）前記ローラの両端面にラビリンス溝
を設ける。

【００１４】（ｂ）前記ローラの両端面に接して前記シ
リンダの両端開口を閉塞する端板にラビリンス溝を設け
る。

【００１５】（ｃ）前記ローラの両端面と前記シリンダ
の両端開口を閉塞する端板との隙間から前記シリンダ内
への漏洩油量を制御する手段として、前記ローラの両端
面と前記ローラの両端面に接して前記シリンダの両端開
口を閉塞する端板の両方に同時にラビリンス溝を設け
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。

【００１７】図６は本発明を実施する横型ロータリ圧縮
機の一部の縦断面図、図７は図６のＣ−Ｃ断面に相当す
る横断面図である。図６，図７で、密閉容器１は、固定
子２および回転子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。シリン
ダ４は、主軸受５，副軸受６でシリンダ４の両端開口を
閉塞し、吸入室７と圧縮室８からなる作動室を形成す
る。クランク軸９は偏心部１０を有し、この偏心部１０
にローラ１１が自転自在に嵌合されている。ベーン１２
は、ローラ１１に密閉容器１内のガス圧（吐出圧）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
内を低圧の吸入室７と高圧の圧縮室８に仕切っている。

【００１８】この構成で、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１０に嵌合
されたローラ１１がシリンダ４内を偏心回転運動する。
ローラ１１に押圧されたベーン１２によってシリンダ４
内を吸入室７と圧縮室８に仕切られることにより、吸入
パイプ１５より吸入室７内に吸入された作動流体（冷媒
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と吐出しカバー１７により
形成された吐出室１８に入り、その後密閉容器１内に吐
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。

【００１９】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、ローラ１１に押圧され
たベーン１２が往復運動し、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に形成された給油孔２３および給油
溝２３に供給され、軸受摺動部の潤滑がなされる。

【００２０】次に、ローラ１１とベーン１２の摺動面へ
の給油は、 １）軸受摺動部へ給油した潤滑油がローラ１１の両端面
とシリンダ４の両端の開口を閉塞する端板との隙間から
シリンダ４内へ漏洩する分１４ａ、 ２）ベーン背面部の潤滑油がベーン１２の側面とシリン
ダ４のすきまからシリンダ４内へ漏洩する分１４ｂ、そ
して ３）冷凍サイクル内の冷媒中に含まれる潤滑油のシリン
ダ４内への吸入分１４ｃで行っている。また、それらの
潤滑油が全てローラ１１とベーン１２摺動面の潤滑に寄
与するのではなく、実際にはその一部のみが寄与し、残
りはシリンダ４内でミスト状となり冷媒ガスとともに冷
凍サイクル内に吐き出される１４ｅ。

【００２１】ここで、ローラ１１とベーン１２の接触面
は、高面圧かつ高温高圧条件下で相対速度が小さいた
め、潤滑油膜の形成が困難で、また境界潤滑領域内での
運転となるため、ローラとベーンの異常摩耗が起こりや
すい。また潤滑油の供給量を増やすとシリンダ４内に多
量の潤滑油が浸入するため圧縮機の性能が低下する問題
がある。さらに非塩素系の代替フロンでは冷媒ガスの潤
滑作用は期待できない。以上のことから、ローラ１１と
ベーン１２の接触面に対して、過酷な潤滑条件下でかつ
潤滑効果が期待できない代替フロン環境下で、いかに微
量の潤滑油で有効な潤滑を行うかが代替フロンに対応し
たロータリ圧縮機の信頼性向上の最大の課題となってい
る。

【００２２】本発明は上記のような問題点を解決するた
めに考案したものであり、以下に構成，動作および効果
について説明する。

【００２３】本発明の実施例を図１および図２により説
明する。

【００２４】図１はローラ１１の材料に連続鋳造合金鋳
鉄を、ベーン１２の材料にアルミニウム含浸カーボンを
それぞれ用いた場合の、ローラ１１およびベーン１２の
摩耗加速試験における潤滑油供給量と摩耗量の関係を示
した実験結果の説明図である。摩耗加速試験は、実機条
件の高温高圧冷媒・潤滑油雰囲気下で、固定したローラ
に対してベーンを往復運動させて、ローラの一部分のみ
を加速度的に摩耗させることで行った。冷媒はHFC134a
，潤滑油はエステル系合成油である。実験の結果、図
１に示すように、潤滑油供給量が１ml／minから５ml／m
inの範囲ではローラの摩耗量●およびベーンの摩耗量○
は少ないが、それ以上に潤滑油供給量が増加すると摩耗
量が急増し、摺動面への潤滑油供給量にある適正範囲
（図に示す１ml／minから５ml／minの範囲）が存在する
ことがわかる。

【００２５】一般に金属材料同士の潤滑・摺動では、摺
動面への潤滑油供給量が多い方が摩耗が少ない。実際に
筆者らは、上記と同じ摩耗加速試験を用いて、ベーン１
２の材料に金属を用いた場合には潤滑油供給量を多くし
てもローラ１１およびベーン１２の摩耗量は増加しない
ことを実験的に確認している。したがって、摺動面への
潤滑油供給量が適正範囲を超えると急激に摩耗量が増加
するという現象は、ベーン１２の材料にアルミニウム含
浸カーボンを用いた場合の、非常に特徴的な挙動であ
る。

【００２６】この現象のメカニズムを解明するために、
ローラとベーンの間の接触電気抵抗により潤滑油膜の形
成状態を調べた。接触電気抵抗は、ローラとベーンが部
分的に接触しているとゼロに近い値を示すが、ローラと
ベーンの間に潤滑油膜が形成されているとローラとベー
ンが非接触となるのである有限の値を示す。また接触電
気抵抗は、リアルタイムにもとの位置に計測が可能であ
り、潤滑界面における潤滑油膜の形成状態を計測する目
的で広く使われている。

【００２７】図２は、ローラ・ベーン間の接触電気抵抗
の変化を、ベーンの往復運動の変位とともにリアルタイ
ムに計測した結果である。図２（ａ）に示す給油量１ml
／min の場合では、接触電気抵抗はベーンの変位ととも
に周期的に変化している。さらに、接触電気抵抗はベー
ン往復動の最大変位の付近（正弦波の頂点付近）ではゼ
ロに近い値を示すが、ベーン往復動の中点、すなわち、
最大速度の近くでは数十オーム以上の値を示している。
このことから、この場合にはローラ・ベーンの相対速度
に応じて潤滑油膜が形成されていることがわかる。図に
は示していないが、給油量３ml／min，６ml／minでも同
様な現象を観察している。しかし、図２（ｂ）に示す給
油量８ml／min の場合では、接触電気抵抗はベーンの変
位にかかわらずほぼゼロである。したがって、給油量８
ml／min の場合にはローラとベーンが部分的に接触して
いると考えられ、このために適正潤滑油供給範囲の場合
に比べて摩耗が急激に進展するものと推測できる。

【００２８】本発明は、特徴的な現象の発見およびその
メカニズムの解明に基づくものであり、冷媒ガスにHFC1
34a 、潤滑油にエステル系潤滑油を、ベーン材料にアル
ミニウム含浸カーボンを用いたロータリー圧縮機で、ロ
ーラ１１とベーン１２への潤滑油供給量を１ml／minか
ら５ml／minの範囲とする。すでに述べたように、ロー
ラ１１とベーン１２の摺動面への給油は、 １）軸受摺動部へ給油した潤滑油のローラ１１の両端面
とシリンダ４の両端開口を閉塞する端板との隙間からシ
リンダ４内への漏洩１４ａ、 ２）ベーン１２の背面部の潤滑油のベーン１２の側面と
シリンダ４のすきまからシリンダ４内への漏洩１４ｂ、 ３）冷凍サイクル内の冷媒中に含まれる潤滑油のシリン
ダ４の吸入口からシリンダ内部への吸入１４ｃ、 で行っている。したがって上で述べたローラ１１とベー
ン１２への潤滑油供給量とはこれらの総油量を意味す
る。

【００２９】図３は、ローラ１１とベーン１２の摺動面
への給油のうち１４ａの漏洩油量を制御する手段とし
て、ローラ１１の両端面に接してシリンダの両端開口を
閉塞する端板４，５にラビリンス溝４ａ，５ａを設けた
実施例である。一般にローラ１１とシリンダ４のすき間
を小さくすれば、漏洩油量を小さくすることができる。
しかしこの場合にはローラとシリンダの間の摩擦係数が
大きくなるため、圧縮機の機械的損失が増えて効率が低
下し、圧縮機の性能が低下することになる。図３の実施
例によれば、ローラとシリンダのすき間を大きくとりか
つ漏洩油量14ａを少なくすることができ、性能を低下さ
せることなく潤滑性能を向上させることができる利点が
ある。またラビリンスシールの溝の幅，深さを設定する
ことで漏洩油量を設計上必要とされる値に設計できる。

【００３０】図４はローラ１１とベーン１２の摺動面へ
の給油のうち１４ａの漏洩油量を制御する手段として、
ローラ１１の両端面にラビリンス溝１１ｆを設けた実施
例である。図３の実施例と同様の原理により、性能を低
下させることなく潤滑性能を向上させることができる、
漏洩油量を設計上必要とされる値に設計できる利点があ
る。また構成が簡単であり、さらにローラ１２にのみ加
工を行えばよいので、加工の工数やコストがかからない
利点がある。

【００３１】図５はローラ１１とベーン１２の摺動面へ
の給油のうち１４ａの漏洩油量を制御する手段として、
ローラ１１の両端面に接して前記シリンダの両端開口を
閉塞する端板４，５およびローラ１１の両端面の両方に
ラビリンス溝４ａ，５ａ，１１ｆを設けた実施例であ
る。図３，図４で示した実施例と同様に、性能を低下さ
せることなく潤滑性能を向上させることができる。ま
た、漏洩油量の設計範囲が大きくとれる利点がある。

【００３２】なお、潤滑油の供給量を増やすと圧縮機の
性能が低下する問題があることをすでに述べたが、本発
明は潤滑油供給量が少ない範囲を適正範囲とするもので
あり、圧縮機の性能低下の問題は生じない。

【００３３】また、これまでに述べた実施例では、１シ
リンダのロータリ圧縮機を例に説明したが、本発明は２
シリンダのロータリ圧縮機にも適用することが出来る。
また、圧縮機以外にも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可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、過酷な潤滑条件下でか
つ潤滑性のとぼしい代替フロン環境下でも、ローラとベ
ーン摺動面の潤滑状態が大幅に改善され、また過剰な潤
滑油の浸入による圧縮機性能の低下の問題を生じること
がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の適正油量を示す実験結果の説
明図。

【図２】本発明の実施例の現象を説明する計測結果の説
明図。

【図３】本発明の一実施例の構成を示す説明図。

【図４】本発明の一実施例の構成を示す説明図。

【図５】本発明の一実施例の構成を示す説明図。

【図６】本発明を実施するロ−タリ圧縮機の部分縦断面
図。

【図７】図６のＣ−Ｃ矢視断面図。

【符号の説明】

１１…ロ−ラ、１２…ベ−ン。

フロントページの続き (72)発明者 小山 昌喜 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 香曽我部 弘勝 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (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冷熱事業部内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】密閉容器内に固定子および回転子を有する
   電動要素、前記電動要素により駆動されるクランク軸、
   前記クランク軸の偏心部に回転自在に嵌合されたロー
   ラ、前記ローラに先端を接して往復運動し、シリンダ内
   を低圧の吸入室と高圧の圧縮室に仕切るベーン、前記ク
   ランク軸を支持し、前記シリンダの両端開口を閉塞する
   端板を有する主軸受および副軸受で形成される圧縮要素
   を収納し、冷媒ガスにHFC134a 、潤滑油にエステル系潤
   滑油を用い、前記ベーンの材料にアルミニウム含浸カー
   ボンを用いたロータリ圧縮機において、前記ローラと前
   記ベーンの摺動面への潤滑油供給量として、前記ローラ
   の両端面と前記シリンダの両端開口を閉塞する端板との
   隙間から前記シリンダ内への漏洩油量、前記ベーンの側
   面と前記シリンダとの隙間から前記シリンダ内への漏洩
   油量、そして、冷凍サイクル内の冷媒中に含まれる潤滑
   油の前記シリンダ吸入口から前記シリンダ内への吸込み
   油量の総油量が毎分１ミリリットル乃至５ミリリットル
   としたことを特徴とするロータリ圧縮機。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ローラの両端面と
   前記シリンダの両端開口を閉塞する端板との隙間から前
   記シリンダ内への漏洩油量を制御する手段として、前記
   ローラの両端面にラビリンス溝を設けたロータリ圧縮
   機。
3. 【請求項３】請求項１において、前記ローラの両端面と
   前記シリンダの両端開口を閉塞する端板との隙間から前
   記シリンダ内への漏洩油量を制御する手段として、前記
   ローラの両端面に接して前記シリンダの両端開口を閉塞
   する端板にラビリンス溝を設けたロータリ圧縮機。
4. 【請求項４】請求項１において、前記ローラの両端面と
   前記シリンダの両端開口を閉塞する端板との隙間から前
   記シリンダ内への漏洩油量を制御する手段として、前記
   ローラの両端面と前記シリンダの両端開口を閉塞する端
   板との隙間から前記シリンダ内への漏洩油量を制御する
   手段として、前記ローラの両端面と前記ローラの両端面
   に接して前記シリンダの両端開口を閉塞する端板の両方
   に同時にラビリンス溝を設けたロータリ圧縮機。
5. 【請求項５】請求項１，２，３または４に記載の前記ロ
   ータリ圧縮機を用いた冷蔵庫。
6. 【請求項６】請求項１，２，３または４に記載の前記ロ
   ータリ圧縮機を用いた冷凍・空調機器。