JPWO2004053335A1 - ロータリー圧縮機 - Google Patents

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Abstract

ベーンをローラに押し付けるコイルバネを設けつつ、簡単かつ安価な構造でベーンとベーン溝との接触面積を確保して、作動流体の漏れを抑えながら、小型化したロータリー圧縮機を提供すること。密閉容器1と、密閉容器1の内部に配置され、ベーン溝4aを有するシリンダ4と、偏心部5aを有するシャフトと、シャフトの偏心部5aに回転自在に嵌合されて、シリンダ4内部で偏心回転運動するローラ6と、シリンダ4のベーン溝4aに設置されてローラ6に先端を接しながらベーン溝4aを往復運動するベーン7と、ベーン7をローラ6に押しつけるコイルバネ20とを備え、ベーン7は、ベーン7のローラ6に接する側とは反対側にバネ穴7dが設けられており、バネ穴7dには、少なくともコイルバネ20の一部が納められている。

Description

本発明は冷凍冷蔵庫や空調機等に用いられるロータリー圧縮機に関するものである。
図4は従来のロータリー圧縮機の縦断面図であり、図5は従来のロータリー圧縮機の圧縮機構部の横断面図であり、図6は従来のロータリー圧縮機の圧縮機構部の寸法を示す横断面図であり、図7および図8は従来のロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。
ロータリー圧縮機は、密閉容器1と、その内部に配置された圧縮機構部2と、電動機3から構成されている。圧縮機構部2は、円筒部を有するシリンダ4と、中心軸L1を中心に回転可能なシャフト5と、シャフト5の偏心部5aに嵌合され、シャフト5の回転に伴いシリンダ4の円筒内部で偏心回転運動を行うローラ6と、ローラ6の偏心回転運動に伴いシリンダ4に設けたベーン溝4aの内部を往復運動するベーン7と、ベーン7の背面7aに設けられベーン7の先端7bをローラ6に押付けるコイルバネ等のバネ機構8と、シリンダ4の両端面を挟み持ちシャフト5を回転自在に支える電動機3側の第1ジャーナル軸受9と、電動機3の反対側の第2ジャーナル軸受10とから構成される。圧縮機構部2は、シリンダ4の周囲に形成された支持部4bにより密閉容器1に固定される。電動機3は、密閉容器1の内部に溶接された円筒形状の固定子11と、シャフト5に焼嵌めされた円柱形状の回転子12で構成される。
作動流体は、吸入管13からシリンダ4の吸入孔4cを通じて、シリンダ4とローラ6とベーン7と第1ジャーナル軸受9と第2ジャーナル軸受10とで構成された圧縮室14に導かれる。電動機3で生じた回転運動は、シャフト5の偏心部5aに嵌合されたローラ6を偏心回転運動させ、それに伴い圧縮室14の容積が変化して作動流体は圧縮される。圧縮された作動流体は、吐出孔15の吐出弁(図示せず)が開くと、密閉容器1の内部を経て、吐出管16より密閉容器1の外部に吐出される(例えば、「冷凍空調便覧、新版第5版、II巻 機器編」、日本冷凍協会、平成5年、第30頁〜第37頁参照)。
ロータリー圧縮機の定常運転時は、ベーン7背面7aにかかる吐出圧力と、ベーン7の先端7bにかかる圧縮室14内の圧力との差圧による力およびバネ機構8による力で、ベーン7の先端7bはローラ6に押付けられる。しかし、始動時には、ベーン7の背面7aに加わる吐出圧力と、ベーン7の先端7bにかかる圧縮室14内の圧力との差圧がほとんど無いため、バネ機構8による力で、ベーン7の先端7bはローラ6に押付けられる。
従来のロータリー圧縮機では、コイルバネ等のバネ機構8は、ベーン7の背面7aに一方の端部を接しており、もう一方の端部は密閉容器1の円筒内壁1aに接する。ベーン7がベーン溝4aに沿って往復運動する際に、ベーンの背面7aが密閉容器1の円筒内壁1aに最も接近する状態は、ローラ6の偏心回転運動によってベーン7の先端7bがシリンダ4の円筒内壁4dまで押し込まれた状態である。このとき、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aとの間には、バネ機構8の密着高さ以上のスペースが常に確保されなければならない。
つまり、バネ機構8の密着高さを1cvmとし、密閉容器1の円筒内壁1aの内径をdmiとし、シリンダ4の円筒内壁4dの内径をdciとし、ベーン7の先端7bから背面7aまでの長さをlvnとすると、式1の不等式が成り立たなければならない。
Figure 2004053335
ロータリー圧縮機の密閉容器1を小径化する場合、式1の左辺は小さくなり、また、右辺のバネ機構8の密着高さlcvmはバネ機構8の仕様により決まる。
そのため、ベーン7の長さlvnは短くなり、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部のシール長が短くなり、シール性が低下して、ベーン7の背面7a側に導かれた吐出圧力と、圧縮室14の圧力との差圧によって作動流体の漏れが生じ、圧縮効率が低下していた。
また、ローラ6の偏心回転運動によってベーン7がシリンダ4の円筒内壁4dから突き出た状態では、圧縮室14内のベーン7の側面7cに、圧縮過程の圧力と吸入過程の圧力との圧力差が作用し、ベーン7がベーン溝4aに対して傾倒するが、ベーン7の長さlvnを短くすることで、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合長さが不足して、傾倒する角度が大きくなる。そのため、ベーン7とベーン溝4aとの接触面圧が上昇し、摩擦による損失が増加し圧縮機の効率が低下していた。
また、従来のロータリー圧縮機では、図8に示すように、ベーン7の背面7aを凹ませて、バネ機構8を納めるスペースを確保する構成も用いられた。しかし、このような構成では、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部のシール性に関わる実質的なベーン7の長さが短くなる点で、図7に示したベーンと変わらず、圧縮効率の低下を防ぐことはできなかった。
本発明の目的は、上記のような従来の問題点を解消するもので、ベーン7の内部にコイルバネ等のバネ機構8の一部を納めることにより、簡単かつ安価な構造でベーン7とベーン溝4aとの接触面積を確保して、作動流体の漏れを抑えながら、小型化が可能なロータリー圧縮機を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、第1の本発明は、密閉容器と、前記密閉容器の内部に配置され、ベーン溝を有するシリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記シャフトの前記偏心部に回転自在に嵌合されて、前記シリンダ内部で偏心回転運動するローラと、前記シリンダの前記ベーン溝に設置されて前記ローラに先端を接しながら前記ベーン溝を往復運動するベーンと、前記ベーンを前記ローラに押しつけるバネ機構とを備え、前記ベーンは、前記ベーンの前記ローラに接する側とは反対側にバネ穴が設けられており、前記バネ穴は、前記ベーンの往復運動方向に垂直な前記ベーンの断面内に収まり、少なくとも前記バネ機構の一部を納めるロータリー圧縮機である。
また、第2の本発明は、前記バネ機構は、複数個あり、前記ベーンは、前記バネ穴を前記複数個有し、前記バネ穴のそれぞれに少なくともそれぞれの前記バネ機構の一部が納められている第1の本発明のロータリー圧縮機である。
また、第3の本発明は、前記バネ機構を、コイルバネとした第1の本発明のロータリー圧縮機である。
また、第4の本発明は、前記コイルバネの一端は前記ベーンの前記バネ穴に納まり、前記コイルバネの他端が接する台座にはコイルバネガイド機構が設けられた第3の本発明のロータリー圧縮機である。
また、第5の本発明は、前記コイルバネガイド機構を、前記密閉容器の内側側面に設けた第4の本発明のロータリー圧縮機である。
また、第6の本発明は、前記ベーンの幅を3.0mm以上3.5mm以下、前記ベーンのストロークを3.0mm以上5.0mm以下、前記コイルバネの直径を2.0mm以上3.0mm未満、かつ、前記コイルバネの自由長を直径の5倍以下とした第3の本発明のロータリー圧縮機である。
また、第7の本発明は、作動流体が二酸化炭素である第1の本発明のロータリー圧縮機である。
本発明のロータリー圧縮機によれば、簡単かつ安価な構造でベーンとベーン溝との接触面積を確保して、作動流体の漏れを抑えながら、小型化が可能なロータリー圧縮機を提供することが出来る。
図1は、本発明に係る実施の形態1のロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。
図2は、本発明に係る実施の形態1のロータリー圧縮機の圧縮機構部のベーン溝近傍の横断面図である。
図3は、本発明に係る実施の形態2のロータリー圧縮機の圧縮機構部のベーン溝近傍の横断面図である。
図4は、従来のロータリー圧縮機の縦断面図である。
図5は、従来のロータリー圧縮機の圧縮機構部の横断面図である。
図6は、従来のロータリー圧縮機の圧縮機構部の寸法を示す横断面図である。
図7は、従来のロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。
図8は、従来のロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。
符号の説明
1 密閉容器
1a 密閉容器の円筒内壁
1b コイルバネガイド機構
2 圧縮機構部
3 電動機
4 シリンダ
4a ベーン溝
4b 支持部
4c 吸入孔
4d シリンダの円筒内壁
5 シャフト
5a 偏心軸
6 ローラ
7 ベーン
7a 背面
7b 先端
7c 側面
7d バネ穴
8 バネ機構
9 第1ジャーナル軸受
10 第2ジャーナル軸受
11 固定子
12 回転子
13 吸入管
14 圧縮室
15 吐出孔
16 吐出管
20 コイルバネ
以下、本発明のいくつかの実施の形態について、図1、図2、および図3を用いて説明する。なお、以下の説明は本発明の具体例について述べるものであって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。
本発明のいくつかの実施の形態のロータリー圧縮機は、シリンダ4、ベーン7、およびバネ機構8以外のロータリー圧縮機の構成に関して、図4から図8に示す従来のロータリー圧縮機と同様の構成であり、同一構成部品については、同一番号を使用する。また,従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。図2は、本発明の実施の形態1におけるロータリー圧縮機の圧縮機構部のベーン溝近傍の横断面図である。なお、図2は、ベーン7の先端7bがシリンダ4の円筒内壁4dまで押し込まれた状態を示している。
本実施の形態では、図1に示すように、バネ機構8としてベーン7の背面7aの幅および高さよりも小さい外径寸法のコイルバネ20を備え、ベーン7の背面7aに、コイルバネ20の外径より大きな径で、かつ、ベーン7の幅および高さよりも小さい径で、ベーン7の往復運動方向に、深さlvnaのバネ穴7dを2つ設け、2つのバネ穴7dのそれぞれにコイルバネ20の一端を納め、コイルバネ20の反ベーン側の端部を密閉容器1の円筒内壁1aに接触させる。また、ベーン7の長さlvnは、ローラ6の偏心回転運動に伴ってベーン7の先端7bがシリンダ4の円筒内壁4d面まで押し込まれた状態で、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aとの間に、最小限のクリアランスlcrが生じる長さとする。
コイルバネ20は、最も圧縮された状態でも密着高さlcvm以下になることは許されず、またベーン7がシリンダ4の円筒内壁4dから最も突き出た状態でもコイルバネ20がベーン7をローラ6に押付けるために、コイルバネ20は自由長lcvf(図示せず)以下でなければならない。そのため、ローラ6の偏心回転運動に伴うベーン7の往復運動のストロークをlstとして、バネ穴7dを、式2の不等式が成り立つ深さlvnaで構成する。
Figure 2004053335
次に、以上の構成にしたことによる効果を説明する。
本実施の形態のロータリー圧縮機では、コイルバネ20の一部がベーン7のバネ穴7dに納まるため、ローラ6の偏心回転運動によってベーン7の先端7bがシリンダ4の円筒内壁4d面まで押し込まれた状態で、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aとの間に、コイルバネ20の密着高さlcvmより小さなクリアランスlcrを設定することが可能となる。従って、式1は、式3で表される。
Figure 2004053335
ただし、背景技術で説明したようにdmiは、密閉容器1の円筒内壁1aの内径であり、dciは、シリンダ4の円筒内壁4dの内径であり、lvnは、ベーン7の先端7bから背面7aまでの長さである。
つまり、従来のロータリー圧縮機は、密閉容器1を小径化した場合に、ベーン7の長さlvnが短くなった分だけベーン7とベーン溝4aとの嵌合部でのシール性が低下していたが、本実施の形態のロータリー圧縮機では、コイルバネ20の密着高さlcvmとクリアランスlcrとの差の分だけ密閉容器1の半径を小径化しても、ベーン7の長さlvnは小径化前と変わらず、さらに、バネ穴7dの外径がベーン7の幅および高さよりも小さいためベーン7の側面に欠損が生じず、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部の長さを損なうことがないため、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部でのシール性を保つことが可能となる。
すなわち、コイルバネ20の一部をベーン7のバネ穴7dに収納することが出来るので、ロータリー圧縮機を小径化しても、ベーン7の長さを従来のロータリー圧縮機に比べて長くすることが出来る。従って、従来のロータリー圧縮機に比べてベーン7とベーン溝4aとの嵌合部でのシール性をより強固に保つことが可能になる。
また、本実施の形態のロータリー圧縮機では、コイルバネ20の密着高さlcvmとクリアランスlcrとの差以上に密閉容器1の半径を小径化した場合でも、従来のロータリー圧縮機の密閉容器1を小径化した場合と比較して、ベーン7の長さlvnが長くなるため、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部でのシール性の低下が緩和されることは言うまでもない。
また、従来のロータリー圧縮機よりも、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合長さが長くなるため、ベーン7がベーン溝4aに対して傾倒する角度が小さくなる。そのため、ベーン7とベーン溝4aとの接触面圧が低下して、油膜の保持が容易となり、摺動面の信頼性が向上する。また、ベーン7とベーン溝4aとの接触面圧の低下により、摩擦による損失が減少して、機械効率も向上する。
また、ベーン7の背面7aにバネ穴7dを2つ設けて、2つのバネ穴7dのそれぞれにコイルバネ20の少なくとも一部を納めることにより、2つのバネでベーン7をローラ6に押付けることが可能となるため、各コイルバネ20のバネ定数を小さく設計できる。このため、コイルバネ20の径を小径化でき、ベーン7の厚みを過大にすることなく、上記の効果が得られる。さらに、ベーン7の背面7aの分散した位置にコイルバネ20のバネ力を働かすことができ、ベーン7の先端7bをローラ6に均一に押付けることが可能となるため、ベーン7の先端7bがローラ6に片当たりすることがなくなり、ベーン7の先端7b部の信頼性が向上する。なお、本実施の形態では、バネ穴7dとコイルバネ20とをそれぞれ2つ用いるとして説明したが、これに限らず、バネ穴7dとコイルバネ20とをそれぞれ2つ以上用いても構わない。バネ穴7dとコイルバネ20を2つ以上用いた構成においては、さらにコイルバネ8の径を小型化でき、ベーン7の先端7bをローラ6に均一に押し付けることが可能であることはいうまでもない。
また、コイルバネ20の反ベーン側の端部を密閉容器1の円筒内壁1aに接触させる構成でなく、ベーン溝4aの密閉容器1の円筒内壁1a側に底部を設けて、コイルバネ20の反ベーン側端部を接触させる構成でも同様の効果が得られる。
また、単純な形状で安価なコイルバネ20をバネ機構8として使用することで、安価で、かつ、容易に組み立て可能になる。
なお、本実施の形態では、バネ機構8にコイルバネ20を用いたが、樹脂やガス等の弾性体であっても同様の効果が得られることはいうまでもない。
なお、本実施の形態では、バネ穴7dとコイルバネ20とをそれぞれ2つ用いるとして説明したが、これに限らず、バネ穴7dとコイルバネ20をそれぞれ1つ用いても構わない。
また、本実施の形態は、ベーン7の背面7aに、式2の不等式で表される範囲の深さlvnaのバネ穴7dを設ける加工を行うだけで、容易に実現可能であるため、以上の効果を安価なコストで得ることが出来る。
(実施の形態2)
以下、本発明の第2の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図3は、本発明の実施の形態2におけるロータリー圧縮機の圧縮機構部のベーン溝近傍の横断面図である。なお、図3は、ベーンの先端がシリンダの円筒内壁面まで押し込まれた状態を示している。
第1の実施の形態と異なるのは、コイルバネ20の端部が接していた密閉容器1の円筒内壁1aに、コイルバネガイド機構1bを設けた点である。コイルバネガイド機構1bは、密閉容器1の円筒内壁1aに設けたコイルバネ20の内径より小さな径の円柱状の凸部で構成している。すなわち、図3から明らかなように、コイルバネ20の内部にコイルバネガイド機構1bである円柱状の凸部が貫入している状態にある。
また、密閉容器1の円筒内壁1aのコイルバネガイド機構1bの長さは、ベーン7のバネ穴7dの深さlvnaよりも短く構成する。
実施の形態2の構成は、以上に示す構成以外は実施の形態1と同様であり、それらの構成による効果が同様に得られることは言うまでもない。
次に、以上の構成にしたことによる効果を説明する。
コイルバネ20の両端部は、ベーン7のバネ穴7dと密閉容器1の円筒内壁1aのコイルバネガイド機構1bにより、伸縮方向以外への運動が固定されるため、コイルバネ20が繰り返し伸縮した場合に、コイルバネ20とベーン7の背面7a上のバネ穴7dの入り口との引っ掛かりが発生するのを防ぎ、コイルバネ20が外れたり、折れ曲がることによる故障を防止することが可能であり、ロータリー圧縮機の信頼性を確保することができる。なお、バネ穴7dの入り口部分にRをつけても構わない。このように、バネ穴7dの入り口部分にRをつけることにより、コイルバネ20とベーン7の背面7a上のバネ穴7dの入り口との引っ掛かりが発生することをさらに少なくすることが出来る。
また、密閉容器1の円筒内壁1aのコイルバネガイド機構1bの長さを、ベーン7のバネ穴7dの深さlvna以下にすることにより、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aが接近した場合にも、バネ穴7dの底部とコイルバネガイド機構1bの先端部が衝突することはない。そのため、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aとのクリアランスlcrを最小限に設定可能であり、本実施の形態において、本発明の第1の実施の形態の効果を最大限に発揮することができる。
また、コイルバネガイド機構1bを、密閉容器1の内側内壁1aに設けることで、コイルバネガイド機構1bを密閉容器1に固定するための支持部が、コイルバネ20およびベーン7と干渉することなく構成できるため、シリンダ4に固定するための支持部を設けた場合と比較してベーン7のシール面を長くすることができる。
また、小型のロータリー圧縮機には、一般に幅が3.0mm以上3.5mm以下のベーン7が使用され、ベーン7のストロークは3.0mm以上5.0mm以下である。このような小型のロータリー圧縮機では、コイルバネ20の密着高さを考慮して自由長10.0mm以上のコイルバネ20が使用される。また、一般に鋼材やピアノ線で形成されたコイルバネ20の場合、両端が固定され、コイルバネの自由長をコイルバネの平均直径で割った縦横比が5以下の条件では座屈の生じる危険性が低くなる。そのため、コイルバネ20の直径を2.0mm以上ベーン7の幅未満とすることで、ロータリー圧縮機の信頼性を確保することができる。
また、作動流体としての二酸化炭素は、フロン、代替フロン、炭化水素、アンモニア等の他の作動流体と比べて圧力が高く、ベーン溝4aとベーン7との隙間での作動流体の漏れが大きくなるが、本発明の実施の形態を用いてベーン7の長さを従来に比べ長くすることにより、作動流体の漏れを減少することができる。
さらに、作動流体としての二酸化炭素は、密度が大きく、気筒容積も他の作動流体に比べ小さくなる。つまり、作動流体に二酸化炭素を用いることで、気筒容積が小さくなるが、本発明を用いることにより、圧縮機構部2をさらに小型化できて、ロータリー圧縮機の小型化を実現することが可能となる。
このように本実施の形態によれば、以上述べてきたことから明らかなように本発明は、ベーン7の背面7aのバネ穴7dに少なくともコイルバネ20の一部を納めることにより、従来ベーン7と密閉容器1との間に必要であったコイルバネ20の密着高さ以上のスペースが不要となり、ベーン7とベーン溝7aのシール長を長くできるため、簡易な構造の小型高効率ロータリー圧縮機を提供できる長所を有する。
本発明にかかる圧縮機は作動流体を圧縮・搬送する機能を有し、冷凍冷蔵庫や空調機等、冷媒式ヒートポンプ用として有用である。また真空ポンプ等の用途にも応用できる。
【書類名】 明細書
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍冷蔵庫や空調機等に用いられるロータリー圧縮機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図4は従来のロータリー圧縮機の縦断面図であり、図5は従来のロータリー圧縮機の圧縮機構部の横断面図であり、図6は従来のロータリー圧縮機の圧縮機構部の寸法を示す横断面図であり、図7および図8は従来のロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。
【0003】
ロータリー圧縮機は、密閉容器1と、その内部に配置された圧縮機構部2と、電動機3から構成されている。圧縮機構部2は、円筒部を有するシリンダ4と、中心軸L1を中心に回転可能なシャフト5と、シャフト5の偏心部5aに嵌合され、シャフト5の回転に伴いシリンダ4の円筒内部で偏心回転運動を行うローラ6と、ローラ6の偏心回転運動に伴いシリンダ4に設けたベーン溝4aの内部を往復運動するベーン7と、ベーン7の背面7aに設けられベーン7の先端7bをローラ6に押付けるコイルバネ等のバネ機構8と、シリンダ4の両端面を挟み持ちシャフト5を回転自在に支える電動機3側の第1ジャーナル軸受9と、電動機3の反対側の第2ジャーナル軸受10とから構成される。圧縮機構部2は、シリンダ4の周囲に形成された支持部4bにより密閉容器1に固定される。電動機3は、密閉容器1の内部に溶接された円筒形状の固定子11と、シャフト5に焼嵌めされた円柱形状の回転子12で構成される。
【0004】
作動流体は、吸入管13からシリンダ4の吸入孔4cを通じて、シリンダ4とローラ6とベーン7と第1ジャーナル軸受9と第2ジャーナル軸受10とで構成された圧縮室14に導かれる。電動機3で生じた回転運動は、シャフト5の偏心部5aに嵌合されたローラ6を偏心回転運動させ、それに伴い圧縮室14の容積が変化して作動流体は圧縮される。圧縮された作動流体は、吐出孔15の吐出弁(図示せず)が開くと、密閉容器1の内部を経て、吐出管16より密閉容器1の外部に吐出される(例えば、非特許文献1〜2参照)。
【非特許文献1】
冷凍空調便覧、新版第5版、II巻 機器編
【非特許文献2】
日本冷凍協会、平成5年、第30頁〜第37頁
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ロータリー圧縮機の定常運転時は、ベーン7背面7aにかかる吐出圧力と、ベーン7の先端7bにかかる圧縮室14内の圧力との差圧による力およびバネ機構8による力で、ベーン7の先端7bはローラ6に押付けられる。しかし、始動時には、ベーン7の背面7aに加わる吐出圧力と、ベーン7の先端7bにかかる圧縮室14内の圧力との差圧がほとんど無いため、バネ機構8による力で、ベーン7の先端7bはローラ6に押付けられる。
【0006】
従来のロータリー圧縮機では、コイルバネ等のバネ機構8は、ベーン7の背面7aに一方の端部を接しており、もう一方の端部は密閉容器1の円筒内壁1aに接する。ベーン7がベーン溝4aに沿って往復運動する際に、ベーンの背面7aが密閉容器1の円筒内壁1aに最も接近する状態は、ローラ6の偏心回転運動によってベーン7の先端7bがシリンダ4の円筒内壁4dまで押し込まれた状態である。このとき、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aとの間には、バネ機構8の密着高さ以上のスペースが常に確保されなければならない。
つまり、バネ機構8の密着高さをlcvmとし、密閉容器1の円筒内壁1aの内径をdmiとし、シリンダ4の円筒内壁4dの内径をdciとし、ベーン7の先端7bから背面7aまでの長さをlvnとすると、式1の不等式が成り立たなければならない。
【0007】
【数1】
Figure 2004053335
【0008】
ロータリー圧縮機の密閉容器1を小径化する場合、式1の左辺は小さくなり、また、右辺のバネ機構8の密着高さlcvmはバネ機構8の仕様により決まる。そのため、ベーン7の長さlvnは短くなり、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部のシール長が短くなり、シール性が低下して、ベーン7の背面7a側に導かれた吐出圧力と、圧縮室14の圧力との差圧によって作動流体の漏れが生じ、圧縮効率が低下していた。
【0009】
また、ローラ6の偏心回転運動によってベーン7がシリンダ4の円筒内壁4dから突き出た状態では、圧縮室14内のベーン7の側面7cに、圧縮過程の圧力と吸入過程の圧力との圧力差が作用し、ベーン7がベーン溝4aに対して傾倒するが、ベーン7の長さlvnを短くすることで、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合長さが不足して、傾倒する角度が大きくなる。そのため、ベーン7とベーン溝4aとの接触面圧が上昇し、摩擦による損失が増加し圧縮機の効率が低下していた。
【0010】
また、従来のロータリー圧縮機では、図8に示すように、ベーン7の背面7aを凹ませて、バネ機構8を納めるスペースを確保する構成も用いられた。しかし、このような構成では、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部のシール性に関わる実質的なベーン7の長さが短くなる点で、図7に示したベーンと変わらず、圧縮効率の低下を防ぐことはできなかった。
【0011】
本発明の目的は、上記のような従来の問題点を解消するもので、ベーン7の内部にコイルバネ等のバネ機構8の一部を納めることにより、簡単かつ安価な構造でベーン7とベーン溝4aとの接触面積を確保して、作動流体の漏れを抑えながら、小型化が可能なロータリー圧縮機を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、第1の本発明は、密閉容器と、前記密閉容器の内部に配置され、ベーン溝を有するシリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記シャフトの前記偏心部に回転自在に嵌合されて、前記シリンダ内部で偏心回転運動するローラと、前記シリンダの前記ベーン溝に設置されて前記ローラに先端を接しながら前記ベーン溝を往復運動するベーンと、前記ベーンを前記ローラに押しつけるバネ機構とを備え、前記ベーンは、前記ベーンの前記ローラに接する側とは反対側にバネ穴が設けられており、前記バネ穴は、前記ベーンの往復運動方向に垂直な前記ベーンの断面内に収まり、少なくとも前記バネ機構の一部を納めるロータリー圧縮機である。
【0013】
また、第2の本発明は、前記バネ機構は、複数個あり、前記ベーンは、前記バネ穴を前記複数個有し、前記バネ穴のそれぞれに少なくともそれぞれの前記バネ機構の一部が納められている第1の本発明のロータリー圧縮機である。
【0014】
また、第3の本発明は、前記バネ機構を、コイルバネとした第1の本発明のロータリー圧縮機である。
【0015】
また、第4の本発明は、前記コイルバネの一端は前記ベーンの前記バネ穴に納まり、前記コイルバネの他端が接する台座にはコイルバネガイド機構が設けられた第3の本発明のロータリー圧縮機である。
【0016】
また、第5の本発明は、前記コイルバネガイド機構を、前記密閉容器の内側側面に設けた第4の本発明のロータリー圧縮機である。
【0017】
また、第6の本発明は、前記ベーンの幅を3.0mm以上3.5mm以下、前記ベーンのストロークを3.0mm以上5.0mm以下、前記コイルバネの直径を2.0mm以上3.0mm未満、かつ、前記コイルバネの自由長を直径の5倍以下とした第3の本発明のロータリー圧縮機である。
【0018】
また、第7の本発明は、作動流体が二酸化炭素である第1の本発明のロータリー圧縮機である。
【0019】
本発明のロータリー圧縮機によれば、簡単かつ安価な構造でベーンとベーン溝との接触面積を確保して、作動流体の漏れを抑えながら、小型化が可能なロータリー圧縮機を提供することが出来る。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態について、図1、図2、および図3を用いて説明する。なお、以下の説明は本発明の具体例について述べるものであって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。
【0021】
本発明のいくつかの実施の形態のロータリー圧縮機は、シリンダ4、ベーン7、およびバネ機構8以外のロータリー圧縮機の構成に関して、図4から図8に示す従来のロータリー圧縮機と同様の構成であり、同一構成部品については、同一番号を使用する。また,従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【0022】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。図2は、本発明の実施の形態1におけるロータリー圧縮機の圧縮機構部のベーン溝近傍の横断面図である。なお、図2は、ベーン7の先端7bがシリンダ4の円筒内壁4dまで押し込まれた状態を示している。
【0023】
本実施の形態では、図1に示すように、バネ機構8としてベーン7の背面7aの幅および高さよりも小さい外径寸法のコイルバネ20を備え、ベーン7の背面7aに、コイルバネ20の外径より大きな径で、かつ、ベーン7の幅および高さよりも小さい径で、ベーン7の往復運動方向に、深さlvnaのバネ穴7dを2つ設け、2つのバネ穴7dのそれぞれにコイルバネ20の一端を納め、コイルバネ20の反ベーン側の端部を密閉容器1の円筒内壁1aに接触させる。また、ベーン7の長さlvnは、ローラ6の偏心回転運動に伴ってベーン7の先端7bがシリンダ4の円筒内壁4d面まで押し込まれた状態で、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aとの間に、最小限のクリアランスlcrが生じる長さとする。
【0024】
コイルバネ20は、最も圧縮された状態でも密着高さlcvm以下になることは許されず、またベーン7がシリンダ4の円筒内壁4dから最も突き出た状態でもコイルバネ20がベーン7をローラ6に押付けるために、コイルバネ20は自由長lcvf(図示せず)以下でなければならない。そのため、ローラ6の偏心回転運動に伴うベーン7の往復運動のストロークをlstとして、バネ穴7dを、式2の不等式が成り立つ深さlvnaで構成する。
【0025】
【数2】
Figure 2004053335
【0026】
次に、以上の構成にしたことによる効果を説明する。
【0027】
本実施の形態のロータリー圧縮機では、コイルバネ20の一部がベーン7のバネ穴7dに納まるため、ローラ6の偏心回転運動によってベーン7の先端7bがシリンダ4の円筒内壁4d面まで押し込まれた状態で、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aとの間に、コイルバネ20の密着高さlcvmより小さなクリアランスlcrを設定することが可能となる。従って、式1は、式3で表される。
【0028】
【数3】
Figure 2004053335
【0029】
ただし、背景技術で説明したようにdmiは、密閉容器1の円筒内壁1aの内径であり、dciは、シリンダ4の円筒内壁4dの内径であり、lvnは、ベーン7の先端7bから背面7aまでの長さである。
【0030】
つまり、従来のロータリー圧縮機は、密閉容器1を小径化した場合に、ベーン7の長さlvnが短くなった分だけベーン7とベーン溝4aとの嵌合部でのシール性が低下していたが、本実施の形態のロータリー圧縮機では、コイルバネ20の密着高さlcvmとクリアランスlcrとの差の分だけ密閉容器1の半径を小径化しても、ベーン7の長さlvnは小径化前と変わらず、さらに、バネ穴7dの外径がベーン7の幅および高さよりも小さいためベーン7の側面に欠損が生じず、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部の長さを損なうことがないため、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部でのシール性を保つことが可能となる。
【0031】
すなわち、コイルバネ20の一部をベーン7のバネ穴7dに収納することが出来るので、ロータリー圧縮機を小径化しても、ベーン7の長さを従来のロータリー圧縮機に比べて長くすることが出来る。従って、従来のロータリー圧縮機に比べてベーン7とベーン溝4aとの嵌合部でのシール性をより強固に保つことが可能になる。
【0032】
また、本実施の形態のロータリー圧縮機では、コイルバネ20の密着高さlcvmとクリアランスlcrとの差以上に密閉容器1の半径を小径化した場合でも、従来のロータリー圧縮機の密閉容器1を小径化した場合と比較して、ベーン7の長さlvnが長くなるため、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合部でのシール性の低下が緩和されることは言うまでもない。
【0033】
また、従来のロータリー圧縮機よりも、ベーン7とベーン溝4aとの嵌合長さが長くなるため、ベーン7がベーン溝4aに対して傾倒する角度が小さくなる。そのため、ベーン7とベーン溝4aとの接触面圧が低下して、油膜の保持が容易となり、摺動面の信頼性が向上する。また、ベーン7とベーン溝4aとの接触面圧の低下により、摩擦による損失が減少して、機械効率も向上する。
【0034】
また、ベーン7の背面7aにバネ穴7dを2つ設けて、2つのバネ穴7dのそれぞれにコイルバネ20の少なくとも一部を納めることにより、2つのバネでベーン7をローラ6に押付けることが可能となるため、各コイルバネ20のバネ定数を小さく設計できる。このため、コイルバネ20の径を小径化でき、ベーン7の厚みを過大にすることなく、上記の効果が得られる。さらに、ベーン7の背面7aの分散した位置にコイルバネ20のバネ力を働かすことができ、ベーン7の先端7bをローラ6に均一に押付けることが可能となるため、ベーン7の先端7bがローラ6に片当たりすることがなくなり、ベーン7の先端7b部の信頼性が向上する。なお、本実施の形態では、バネ穴7dとコイルバネ20とをそれぞれ2つ用いるとして説明したが、これに限らず、バネ穴7dとコイルバネ20とをそれぞれ2つ以上用いても構わない。バネ穴7dとコイルバネ20を2つ以上用いた構成においては、さらにコイルバネ8の径を小型化でき、ベーン7の先端7bをローラ6に均一に押し付けることが可能であることはいうまでもない。
【0035】
また、コイルバネ20の反ベーン側の端部を密閉容器1の円筒内壁1aに接触させる構成でなく、ベーン溝4aの密閉容器1の円筒内壁1a側に底部を設けて、コイルバネ20の反ベーン側端部を接触させる構成でも同様の効果が得られる。
【0036】
また、単純な形状で安価なコイルバネ20をバネ機構8として使用することで、安価で、かつ、容易に組み立て可能になる。
【0037】
なお、本実施の形態では、バネ機構8にコイルバネ20を用いたが、樹脂やガス等の弾性体であっても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【0038】
なお、本実施の形態では、バネ穴7dとコイルバネ20とをそれぞれ2つ用いるとして説明したが、これに限らず、バネ穴7dとコイルバネ20をそれぞれ1つ用いても構わない。
【0039】
また、本実施の形態は、ベーン7の背面7aに、式2の不等式で表される範囲の深さlvnaのバネ穴7dを設ける加工を行うだけで、容易に実現可能であるため、以上の効果を安価なコストで得ることが出来る。
【0040】
(実施の形態2)
以下、本発明の第2の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0041】
図3は、本発明の実施の形態2におけるロータリー圧縮機の圧縮機構部のベーン溝近傍の横断面図である。なお、図3は、ベーンの先端がシリンダの円筒内壁面まで押し込まれた状態を示している。
【0042】
第1の実施の形態と異なるのは、コイルバネ20の端部が接していた密閉容器1の円筒内壁1aに、コイルバネガイド機構1bを設けた点である。コイルバネガイド機構1bは、密閉容器1の円筒内壁1aに設けたコイルバネ20の内径より小さな径の円柱状の凸部で構成している。すなわち、図3から明らかなように、コイルバネ20の内部にコイルバネガイド機構1bである円柱状の凸部が貫入している状態にある。
【0043】
また、密閉容器1の円筒内壁1aのコイルバネガイド機構1bの長さは、ベーン7のバネ穴7dの深さlvnaよりも短く構成する。
【0044】
実施の形態2の構成は、以上に示す構成以外は実施の形態1と同様であり、それらの構成による効果が同様に得られることは言うまでもない。
【0045】
次に、以上の構成にしたことによる効果を説明する。
【0046】
コイルバネ20の両端部は、ベーン7のバネ穴7dと密閉容器1の円筒内壁1aのコイルバネガイド機構1bにより、伸縮方向以外への運動が固定されるため、コイルバネ20が繰り返し伸縮した場合に、コイルバネ20とベーン7の背面7a上のバネ穴7dの入り口との引っ掛かりが発生するのを防ぎ、コイルバネ20が外れたり、折れ曲がることによる故障を防止することが可能であり、ロータリー圧縮機の信頼性を確保することができる。なお、バネ穴7dの入り口部分にRをつけても構わない。このように、バネ穴7dの入り口部分にRをつけることにより、コイルバネ20とベーン7の背面7a上のバネ穴7dの入り口との引っ掛かりが発生することをさらに少なくすることが出来る。
【0047】
また、密閉容器1の円筒内壁1aのコイルバネガイド機構1bの長さを、ベーン7のバネ穴7dの深さlvna以下にすることにより、ベーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aが接近した場合にも、バネ穴7dの底部とコイルバネガイド機構1bの先端部が衝突することはない。そのため、べーン7の背面7aと密閉容器1の円筒内壁1aとのクリアランスlcrを最小限に設定可能であり、本実施の形態において、本発明の第1の実施の形態の効果を最大限に発揮することができる。
【0048】
また、コイルバネガイド機構1bを、密閉容器1の内側内壁1aに設けることで、コイルバネガイド機構1bを密閉容器1に固定するための支持部が、コイルバネ20およびベーン7と干渉することなく構成できるため、シリンダ4に固定するための支持部を設けた場合と比較してベーン7のシール面を長くすることができる。
【0049】
また、小型のロータリー圧縮機には、一般に幅が3.0mm以上3.5mm以下のベーン7が使用され、ベーン7のストロークは3.0mm以上5.0mm以下である。このような小型のロータリー圧縮機では、コイルバネ20の密着高さを考慮して自由長10.0mm以上のコイルバネ20が使用される。また、一般に鋼材やピアノ線で形成されたコイルバネ20の場合、両端が固定され、コイルバネの自由長をコイルバネの平均直径で割った縦横比が5以下の条件では座屈の生じる危険性が低くなる。そのため、コイルバネ20の直径を2.0mm以上ベーン7の幅未満とすることで、ロータリー圧縮機の信頼性を確保することができる。
【0050】
また、作動流体としての二酸化炭素は、フロン、代替フロン、炭化水素、アンモニア等の他の作動流体と比べて圧力が高く、ベーン溝4aとベーン7との隙間での作動流体の漏れが大きくなるが、本発明の実施の形態を用いてベーン7の長さを従来に比べ長くすることにより、作動流体の漏れを減少することができる。
【0051】
さらに、作動流体としての二酸化炭素は、密度が大きく、気筒容積も他の作動流体に比べ小さくなる。つまり、作動流体に二酸化炭素を用いることで、気筒容積が小さくなるが、本発明を用いることにより、圧縮機構部2をさらに小型化できて、ロータリー圧縮機の小型化を実現することが可能となる。
【0052】
このように本実施の形態によれば、以上述べてきたことから明らかなように本発明は、ベーン7の背面7aのバネ穴7dに少なくともコイルバネ20の一部を納めることにより、従来ベーン7と密閉容器1との間に必要であったコイルバネ20の密着高さ以上のスペースが不要となり、ベーン7とベーン溝7aのシール長を長くできるため、簡易な構造の小型高効率ロータリー圧縮機を提供できる長所を有する。
【0053】
【発明の効果】
本発明にかかる圧縮機は作動流体を圧縮・搬送する機能を有し、冷凍冷蔵庫や空調機等、冷媒式ヒートポンプ用として有用である。また真空ポンプ等の用途にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明に係る実施の形態1のロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。
【図2】
本発明に係る実施の形態1のロータリー圧縮機の圧縮機構部のベーン溝近傍の横断面図である。
【図3】
本発明に係る実施の形態2のロータリー圧縮機の圧縮機構部のベーン溝近傍の横断面図である。
【図4】
従来のロータリー圧縮機の縦断面図である。
【図5】
従来のロータリー圧縮機の圧縮機構部の横断面図である。
【図6】
従来のロータリー圧縮機の圧縮機構部の寸法を示す横断面図である。
【図7】
従来のロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。
【図8】
従来のロータリー圧縮機のベーンの斜視図である。
【符号の説明】
1 密閉容器
1a 密閉容器の円筒内壁
1b コイルバネガイド機構
2 圧縮機構部
3 電動機
4 シリンダ
4a ベーン溝
4b 支持部
4c 吸入孔
4d シリンダの円筒内壁
5 シャフト
5a 偏心軸
6 ローラ
7 ベーン
7a 背面
7b 先端
7c 側面
7d バネ穴
8 バネ機構
9 第1ジャーナル軸受
10 第2ジャーナル軸受
11 固定子
12 回転子
13 吸入管
14 圧縮室
15 吐出孔
16 吐出管
20 コイルバネ
【特許請求の範囲】
【請求項1】 密閉容器と、前記密閉容器の内部に配置され、ベーン溝を有するシリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記シャフトの前記偏心部に回転自在に嵌合されて、前記シリンダ内部で偏心回転運動するローラと、前記シリンダの前記ベーン溝に設置されて前記ローラに先端を接しながら前記ベーン溝を往復運動するベーンと、前記ベーンを前記ローラに押しつけるバネ機構とを備え、前記ベーンは、前記ベーンの前記ローラに接する側とは反対側にバネ穴が設けられており、前記バネ穴は、前記ベーンの往復運動方向に垂直な前記ベーンの断面内に収まり、少なくとも前記バネ機構の一部を納めることを特徴とするロータリー圧縮機。
【請求項2】 前記バネ機構は、複数個あり、前記ベーンは、前記バネ穴を前記複数個有し、前記バネ穴のそれぞれに少なくともそれぞれの前記バネ機構の一部が納められていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のロータリー圧縮機。
【請求項3】 前記バネ機構を、コイルバネとしたことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のロータリー圧縮機。
【請求項4】 前記コイルバネの一端は前記ベーンの前記バネ穴に納まり、前記コイルバネの他端が接する台座にはコイルバネガイド機構が設けられたことを特徴とする請求の範囲第3項に記載のロータリー圧縮機。
【請求項5】 前記コイルバネガイド機構を、前記密閉容器の内側側面に設けたことを特徴とする請求の範囲第4項に記載のロータリー圧縮機。
【請求項6】 前記ベーンの幅を3.0mm以上3.5mm以下、前記ベーンの往復運動のストロークを3.0mm以上5.0mm以下、前記コイルバネの直径を2.0mm以上前記ベーンの幅未満、かつ、前記コイルバネの自由長を直径の5倍以下としたことを特徴とする請求の範囲第3項記載のロータリー圧縮機。
【請求項7】 作動流体が二酸化炭素であることを特徴とする請求の範囲第1項記載のロータリー圧縮機。
Figure 2004053335
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また、ベーン7の背面7aにバネ穴7dを2つ設けて、2つのバネ穴7dのそれぞれにコイルバネ20の少なくとも一部を納めることにより、2つのバネでベーン7をローラ6に押付けることが可能となるため、各コイルバネ20のバネ定数を小さく設計できる。このため、コイルバネ20の径を小径化でき、ベーン7の厚みを過大にすることなく、上記の効果が得られる。さらに、ベーン7の背面7aの分散した位置にコイルバネ20のバネ力を働かすことができ、ベーン7の先端7bをローラ6に均一に押付けることが可能となるため、ベーン7の先端7bがローラ6に片当たりすることがなくなり、ベーン7の先端7b部の信頼性が向上する。なお、本実施の形態では、バネ穴7dとコイルバネ20とをそれぞれ2つ用いるとして説明したが、これに限らず、バネ穴7dとコイルバネ20とをそれぞれ2つ以上用いても構わない。バネ穴7dとコイルバネ20を2つ以上用いた構成においては、さらにコイルバネ20の径を小型化でき、ベーン7の先端7bをローラ6に均一に押し付けることが可能であることはいうまでもない。

Claims (7)

  1. 密閉容器と、前記密閉容器の内部に配置され、ベーン溝を有するシリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記シャフトの前記偏心部に回転自在に嵌合されて、前記シリンダ内部で偏心回転運動するローラと、前記シリンダの前記ベーン溝に設置されて前記ローラに先端を接しながら前記ベーン溝を往復運動するベーンと、前記ベーンを前記ローラに押しつけるバネ機構とを備え、前記ベーンは、前記ベーンの前記ローラに接する側とは反対側にバネ穴が設けられており、前記バネ穴は、前記ベーンの往復運動方向に垂直な前記ベーンの断面内に収まり、少なくとも前記バネ機構の一部を納めることを特徴とするロータリー圧縮機。
  2. 前記バネ機構は、複数個あり、前記ベーンは、前記バネ穴を前記複数個有し、前記バネ穴のそれぞれに少なくともそれぞれの前記バネ機構の一部が納められていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のロータリー圧縮機。
  3. 前記バネ機構を、コイルバネとしたことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のロータリー圧縮機。
  4. 前記コイルバネの一端は前記ベーンの前記バネ穴に納まり、前記コイルバネの他端が接する台座にはコイルバネガイド機構が設けられたことを特徴とする請求の範囲第3項に記載のロータリー圧縮機。
  5. 前記コイルバネガイド機構を、前記密閉容器の内側側面に設けたことを特徴とする請求の範囲第4項に記載のロータリー圧縮機。
  6. 前記ベーンの幅を3.0mm以上3.5mm以下、前記ベーンの往復運動のストロークを3.0mm以上5.0mm以下、前記コイルバネの直径を2.0mm以上前記ベーンの幅未満、かつ、前記コイルバネの自由長を直径の5倍以下としたことを特徴とする請求の範囲第3項記載のロータリー圧縮機。
  7. 作動流体が二酸化炭素であることを特徴とする請求の範囲第1項記載のロータリー圧縮機。
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