JPWO2010064377A1 - ロータリ流体機械 - Google Patents

Abstract

本発明は圧縮機内の冷凍機油封入に必要となる空間容積の確保を図り、圧縮機内における前記冷凍機油の液面高さを適正化することで、小型で効率及び信頼性の高い圧縮機を提供することにある。容器内に、偏心部を有するクランク軸と、偏心部により駆動される圧縮機構部及び圧縮機構部をクランク軸方向に閉塞する閉塞部材と、を設け、圧縮機構部は、シリンダと、このシリンダ内に配置され且つ偏心部で回転駆動されるローラと、シリンダを軸方向に閉塞する閉塞部材と、ローラの外周に延びて、ローラの偏心運動に応じてシリンダに設けられた収納部に出入りするベーンと、ベーンをローラに押し付けるスプリングを有するロータリ流体機械において、シリンダ又は閉塞部材の外周部に複数の凹部を設けた。

Description

本発明は、冷凍空調機器等に搭載されるロータリ流体機械に関する。

近年、環境負荷低減やコストの観点から圧縮機小型化の必要性が高まっている。空気調和機を例にとると、空気調和機の冷凍能力の大小に合わせて搭載圧縮機の気筒容積を調整している。ここで、搭載圧縮機は、必要な気筒容積毎に圧縮機の外形寸法を変え、最適となるように組み合わされており、例えば気筒容積の小さい圧縮機を開発する場合には、現状製品を相似的に縮小する手法により設計することが一般的であった。逆に気筒容積を大きくする場合には圧縮機の大径化が不可避であった。例えば現存するロータリ圧縮機の気筒容積と圧縮機外径の関係は、概略１０cc未満では概略φ９０、概略８〜１８ccでは概略φ１１０となっている。

また地球温暖化防止を目的とした自然系冷媒への切替えの必要性も高まっており、現状空調機に用いられているＲ４１０Ａ冷媒の代替としてテトラフルオロプロペンなど、例えばＨＦＯ１２３４ｙｆを使用する場合においては、冷媒物性の違いから冷凍サイクルの必要冷媒循環量が略２倍となることも知られており、同一サイクルを使用した際の圧縮機には気筒容積の拡大或いは運転周波数の拡大が必要となる。

なお、圧縮機外径の小型化に関し、従来技術として特許文献１に開示の技術が知られている。

特開２００１−５０１８４号公報

前記背景を受け、冷凍空調機の能力を維持し且つ圧縮機外径を縮小すること或いは冷凍空調機の能力を拡大し且つ圧縮機外径を維持することができる圧縮機の開発が必要となっており、以下の課題に直面した。

１つ目の課題として、前記冷凍空調機の能力維持と圧縮機の性能及び信頼性の両立が挙げられる。従来技術の如く圧縮機の外径と共に気筒容積を低減した際、圧縮機の運転周波数を増加することで能力を維持することが可能となるが、この運転周波数が過大となると、圧縮機構部に見られる摺動部における機械損失の増大による効率低下や騒音増加等の性能を阻害する要因となる。同時に圧縮仕事が増えるため、軸受部等の摺動部における負荷が増大し、信頼性の確保が困難となる。このため、圧縮機の運転周波数の増加は自ずと限界点が発生することとなり、気筒容積を確保すべく、外径のみを縮小することができる圧縮機構部を考案する必要がある。

２つ目の課題として、圧縮機密閉容器内の空間容積の確保が挙げられる。前記圧縮機構部が収納されている前記密閉容器内の下部には、前記密閉容器内壁と前記圧縮機構部外壁とによって形成される空間に前記圧縮機構部の摺動部の潤滑或いは冷却を主目的とする冷凍機油を収納する必要がある。前記冷凍機油の収納量によって決まる前記密閉容器内での冷凍機油の圧縮機底面からの液面高さには、圧縮機の性能及び信頼性を確保する上で適正位置が存在する。前記液面高さが過大となると前記密閉容器内上部に設けられた電動機部の回転運動により攪拌され、圧縮機動力損失の発生による効率低下や前記密閉容器外への冷凍機油持出しによる冷凍サイクル内での熱交換阻害や圧力損失が発生し効率低下や圧縮機内の冷凍機油不足による信頼性低下を招く。また前記液面高さが過小となると圧縮機構部側面からの給油が必要となるシリンダのベーン摺動部に十分な量を供給することができず、信頼性低下を招く。ここで前記冷凍機油は冷凍サイクル内で冷媒と混ざり希釈され粘度低下等が発生するため、収納される冷凍機油量は維持されなければならない。このため圧縮機径縮小或いは気筒容積拡大を図ると前記冷凍機油を収納する空間容積が小さくなり前記冷凍機油の液面高さは過大傾向となるため、前記空間容積の確保が必要となる。

第１の課題を解決する手段として、密閉容器とその内部に収納される圧縮機構部の係合を閉塞部材とし、シリンダのベーン収納部外壁の径をベーン収納部にベーンの収納が可能且つベーン可動による負荷に耐え得る最小径とする。

第２の課題を解決する手段として、シリンダ或いは閉塞部材の外周部に複数個の凹部を設ける方法がある。

ここで前記複数個の凹部は、強度や圧縮機構を形成するために必要となるシール性を考慮し、（前記凹部と前記シリンダ内径の最小距離）≧（シリンダ内径と前記孔間の最小距離）≧２.５mmとしたり、また前記シリンダの圧縮室を構成する内径から外径の範囲に設けられた複数の孔に対し、（前記凹部と前記孔間の最小距離）≧（シリンダ内径と前記孔間の最小距離）≧２.５mmを満足するような凹部を設ける。

本発明によれば、ベーン摺動部の信頼性を確保することができる。また、空間容積を拡大することができる。また、冷凍機油の攪拌による効率及び信頼性低下を招くことなく、圧縮機外径の小型化を実現できる。

本発明による圧縮機構部周辺の断面図。 従来技術による圧縮機構部周辺の断面図。 圧縮機の径縮小に伴う冷凍機油液面高さ比較断面図。

以下、本発明に係る実施例を説明する。

本発明の実施例として以下の構造を有する空気調和機用ロータリ圧縮機を例にとり説明する。密閉容器内に電動機部を収納し、前記電動機部の回転を伝達する偏心部を有したクランク軸と、前記偏心部により駆動される圧縮機構部及び前記圧縮機構部をクランク軸方向に閉塞する閉塞部材を設け、前記圧縮機構部は、シリンダと、前記シリンダ内に配置され且つ前記クランク軸の偏心部により回転駆動されるローラと、前記ローラの外周に延びて前記ローラの偏心運動に応じて前記シリンダに設けられた収納部に出入りするベーンと、前記ベーンをローラに押し付けるスプリングにより構成され、前記密閉容器内の電動機部下方に収納されている。前記閉塞部材は、前記クランク軸を保持する軸受を有し前記シリンダの上下を閉塞する上軸受と下軸受或いは前記圧縮機構部が複数ある場合は仕切り板から構成され、前記圧縮機構部内の圧縮室から密閉容器内に圧縮ガスを排出する吐出し孔は前記上軸受或いは下軸受に設けられている。前記圧縮機構部は単数或いは複数個とし、前記圧縮機構部の摺動部の潤滑或いは冷却を主目的とする冷凍機油を前記密閉容器内に備えている。

図１に本発明の実施例として圧縮機構部周辺の断面図を、図２に従来技術による圧縮機構部周辺の断面図を示す。ここでは圧縮機構部の気筒容積を維持した上で圧縮機の径を縮小する例を挙げ、それぞれの圧縮機における密閉容器５０の内径は本発明の実施例である図１ではφ８０、従来技術である図２ではφ１１２とし形態を述べる。それぞれの図においてシリンダ１０は、シリンダ内壁１１，略円形状のシリンダ外壁１２，圧縮室２０を低圧側と高圧側に仕切るベーン３０を収納するベーン収納部１３，ベーン収納部外壁１４，前記シリンダ内壁１１と前記シリンダ外壁１２間に設けた孔１５は用途別に閉塞部材締結に用いる孔１５ａ，流体の流路となる孔１５ｂ，加工時等の基準となる孔１５ｃ等複数個あり、冷媒等の流体を前記シリンダ内壁１１内に取込む吸込み孔１６から構成されている。前記圧縮室２０は前記シリンダ内壁１１とローラ４０の外壁とによって形成され、図の状態における圧縮室２０の容積が圧縮機の気筒容積となる。前記ベーン３０はクランク軸によって偏心運動する前記ローラ４０の外壁との接触を保証するためスプリングによってシリンダの内壁中心に向かって押し付けられている。ここでそれぞれの図における前記圧縮室２０は、前記シリンダ内壁１１の径φ４３及び前記ローラ４０の外壁径を同値とすることで、同一の気筒容積を有しており、同一運転周波数における空気調和機の能力を同等とすることが達成されている。また前記閉塞部材との締結用或いは流体の流路となる複数個の孔１５を形成する領域を確保する為、前記概略円形状となるシリンダ外壁１２の平均径φ６９も同値としている。前記密閉容器５０の内径は前述の如く本発明の実施例におけるφ８０と従来技術におけるφ１１２であり、前記シリンダのベーン収納部外壁１４の径は前記密閉容器の内径と概略同等である。

図２に示す従来技術における前記シリンダ１０は、前記シリンダのベーン収納部外壁１４及び前記シリンダのベーン収納部１３と概略１８０°ずれた方向に前記ベーン収納部外壁１４と同一径をもつ突起１７が設けられている。前記ベーン収納部外壁１４及び突起１７は前記密閉容器５０と前記圧縮機構部１００とを溶接（点１８）或いは焼嵌，冷嵌などにより係合させることを目的に用いられている。そのため前記ベーン収納部外壁１４及び前記突起１７の径は、溶接熱或いは締結応力による前記シリンダ内壁１１の変形を抑えるため、前記シリンダ内壁１１の径に対し大きくとる必要があった。これに対し本発明の実施例では前記密閉容器５０と前記圧縮機構部１００との溶接或いは焼嵌，冷嵌などによる係合を閉塞部材６０の一つである上軸受に施すことにより、前記ベーン収納部外壁１４の径はベーン収納部が配置でき且つベーン可動による負荷に耐え得るだけの大きさを有する最小径とすることができる様になり、密閉容器の径を小型化することができる。

しかしながら前記密閉容器５０の内壁とシリンダ１０の外形によって形成される斜線部で表される密閉容器内の空間５１には冷凍機油７０が封入されるため、この空間５１はある程度の容積を保証する必要がある。前記冷凍機油７０の必要封入量は空気調和機のサイクル容量に応じた冷媒量により決定されるため、空気調和機の能力を維持する上では、圧縮機の径縮小と同時に前記冷凍機油封入量の低減することは信頼性上困難である。このため前記密閉容器５０の内径を小とした際、同量の前記冷凍機油７０を封入すると前記冷凍機油７０は圧縮機軸方向へ流入することとなり、前述した冷凍機油封入時の圧縮機底面からの液面高さを上限である圧縮機構部上端とすることが困難となる。このように冷凍空調機の能力を確保すべく圧縮機の気筒容積を維持した上で前記密閉容器５０のみ径を縮小すると、前記密閉容器５０の内径に対する前記シリンダ１０の径の占める割合は大きくなるため、前記空間５１が小さくなり、特に前記密閉容器５０の内径と前記シリンダ１０の内径が
（シリンダの内径）／（密閉容器の内径）≧０.４
となる際に前記液面高さの確保が困難である。

図３に圧縮機の縦断面図を用い前記密閉容器５０の内径と前記密閉容器５０或いはクランク軸８０の長さ違いによる前記液面７１の高さを比較して示す。ここでは前記圧縮機構部１００を２個持つ際の例を示し、前記シリンダ１０の内電動機部９０側のシリンダ１０ａの下端及び圧縮機底面側のシリンダ１０ｂの上端を閉塞する仕切り板６２が設けられている。ここで前記液面７１は、前記ベーン収納部１３への給油を前記シリンダ１０の側面から行うことで前記ベーン３０とのシール性及び潤滑性が高まるため下限を前記シリンダ１０ａの下端７１ａとし、前記電動機部９０の回転による攪拌等の影響を少なくさせるため上限を前記シリンダ１０の上端７１ｂとすることで適正位置となる。図３（ａ）は従来技術による前記密閉容器５０の内径がφ１１２である際の縦断面図である。図３（ｂ）は前述の手法を用い密閉容器５０の内径をφ８０にした際の縦断面図であり、前記液面７１は上限である前記シリンダの上端７１ｂを超えている。図３（ｂ）の状態に対し、従来技術においては図３（ｃ）の縦断面図に示す如く密閉容器５０を圧縮機構部１００下方へ伸ばすことで空間容積拡大し前記液面７１の高さ適正位置に下げることを図ってきたが、密閉容器５０の延長及び給油路確保の為のクランク軸８０延長が必要となり、十分な省資源化の達成が困難であった。

そこで本発明の実施例では図１に示す如く、シリンダ外壁１２に複数個の凹部１９を設けた。これにより従来技術である密閉容器５０やクランク軸８０を延長すること無く前記空間５１の拡大が図れるため、前記液面７１の高さ低減に有効となる。しかしながら前記空間５１と前記圧縮室２０間は概略吐出し圧力と同等の高圧ガスと概略吸込み圧力と同等の低圧ガスにより圧力差が生じる為、洩れを抑止する厚さが必要となるため、前記凹部１９の設定には以下の条件が必要となる。

前記圧力差による洩れを防止するための条件について述べる。前記空間５１内の圧力は、例えば高圧チャンバ方式の場合高圧ガスとなり、前記孔１５のうち流体の流路孔１５ｂについても概略同等の高圧ガスで満たされている。これに対し前記圧縮室２０内の圧力は圧縮工程に応じ前記吸込み圧力の低圧ガスから吐出し圧力の高圧ガスで満たされることとなる。従来の圧縮機において前記孔１５ｂと前記シリンダ内壁１１間は前記圧力差による洩れを防止できる距離は確保されているため、前記空間５１の壁面となる前記凹部１９と前記圧縮室２０の外壁となるシリンダ内壁１１間の距離は、前記孔１５ｂとシリンダ内壁１１間の距離を基準とし、
（凹部１９とシリンダ内壁１１間距離）≧（孔１５ｂとシリンダ内壁１１間距離）となる条件を設定することで、凹部１９からシリンダ内壁１１間の洩れを防止することができる。また低圧チャンバ方式においては、前記空間５１は低圧ガスで満たされることとなり前記孔１５ｂ間の洩れを防止するため、前記凹部１９と前記孔１５ｂ間の距離は、
（凹部１９と孔１５ｂ間距離）≧（孔１５ｂとシリンダ内壁１１間距離）
とすることが条件となる。ここで上記それぞれの条件設定の基準とした（孔１５ｂとシリンダ内壁１１間距離）の具体的な数値を実験的に求めた結果、少なくとも２.５mm以上とする必要がある。また、本実施例においては前記シリンダ１０における凹部の設定法を述べたが、同様の設定法にて前記閉塞部材６０である上軸受６１，仕切り板６２，下軸受６３に設けることも可能である。

上記条件を満たした前記凹部１９は必ずしも加工によって設ける必要が無く、素材段階で設定することにより、素材重量すなわちコスト低減にも有効となる。以上のごとく前記凹部１９を設定することにより図３（ｂ）における前記液面７１の高さを上限である前記シリンダの上端７１ｂとすることができる。図３（ｄ）に本発明の実施例による縦断面図を示す。

また前述の代替冷媒ＨＦＯ１２３４ｙｆ適用時等に必要となる気筒容積拡大による圧縮機外径増の抑制についても、上記と同様の手法を用いることで対応できる。

以上によれば、圧縮機の気筒容積に対し必要最小限度の外径とし、外径縮小に伴う冷凍機油封入時の液面高さの適正化に必要な空間を確保した圧縮機の設計が可能となり、小型で効率及び信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

尚本実施例では前記凹部１９を前記概略円形状となるシリンダ外壁１２に設定した例を述べたが、これに限定するものではなく、例えば前記ベーン収納部外壁１４にも設定する際にも応用できる。

１０…シリンダ、１１…シリンダ内壁、１２…シリンダ外壁、１３…ベーン収納部、１４…ベーン収納部外壁、１５…シリンダ内壁とシリンダ外壁の間に設定された孔、１６…冷媒等の流体を前記シリンダ内壁１１内に取込む吸込み孔、１７…ベーン収納部に対し概略１８０°に位置する突起、１８…密閉容器との係合に用いる溶接点、１９…本発明によるシリンダ外壁に設けられた凹部、２０…シリンダ内壁とローラ外壁により形成される圧縮室、３０…ベーン、４０…ローラ、５０…圧縮機の密閉容器、５１…シリンダ外壁と密閉容器内壁により形成される空間、６０…閉塞部材、６１…上軸受、６２…仕切り板、６３…下軸受、７０…冷凍機油、７１…冷凍機油を圧縮機内に封入した際の液面、８０…クランク軸、９０…電動機部、１００ 圧縮機構部。

Claims (11)

1. 容器内に、偏心部を有するクランク軸と、前記偏心部により駆動される圧縮機構部及び前記圧縮機構部をクランク軸方向に閉塞する閉塞部材と、を設け、
   前記圧縮機構部は、シリンダと、このシリンダ内に配置され且つ前記偏心部で回転駆動されるローラと、前記シリンダを軸方向に閉塞する閉塞部材と、前記ローラの外周に延びて、前記ローラの偏心運動に応じて前記シリンダに設けられた収納部に出入りするベーンと、前記ベーンをローラに押し付けるスプリングを有するロータリ流体機械において、
   前記シリンダの外周部に複数の凹部を設けたことを特徴とするロータリ流体機械。
2. 容器内に、偏心部を有するクランク軸と、前記偏心部により駆動される圧縮機構部及び前記圧縮機構部をクランク軸方向に閉塞する閉塞部材と、を設け、
   前記圧縮機構部は、シリンダと、このシリンダ内に配置され且つ前記偏心部で回転駆動されるローラと、前記シリンダを軸方向に閉塞する閉塞部材と、前記ローラの外周に延びて、前記ローラの偏心運動に応じて前記シリンダに設けられた収納部に出入りするベーンと、前記ベーンをローラに押し付けるスプリングを有するロータリ流体機械において、
   前記閉塞部材の外周部に複数の凹部を設けたことを特徴とするロータリ流体機械。
3. 容器内に、偏心部を有するクランク軸と、前記偏心部により駆動される圧縮機構部及び前記圧縮機構部をクランク軸方向に閉塞する閉塞部材と、を設け、
   前記圧縮機構部は、シリンダと、このシリンダ内に配置され且つ前記偏心部で回転駆動されるローラと、前記シリンダを軸方向に閉塞する閉塞部材と、前記ローラの外周に延びて、前記ローラの偏心運動に応じて前記シリンダに設けられた収納部に出入りするベーンと、前記ベーンをローラに押し付けるスプリングを有するロータリ流体機械において、
   前記閉塞部材を用いて、容器と圧縮機構部を前記容器と係合させ、且つシリンダおよび、閉塞部材の外周部に複数の凹部を設けたことを特徴とするロータリ流体機械。
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、前記シリンダの圧縮室を構成する内径から外周部の範囲に設けられた複数の孔を有し、且つ
   （前記凹部と前記孔間の最小距離）≧（シリンダ内壁と前記孔間の最小距離）
   となる複数の凹を設けたことを特徴したロータリ流体機械。
5. 請求項１乃至３の何れか１項において、前記シリンダの圧縮室を構成する内径から外周部の範囲に複数の孔を設け、且つ
   （前記シリンダ内壁と前記凹部間の最小距離）≧（前記シリンダ内壁と前記孔間の最小距離）
   となる凹部を設けたことを特徴したロータリ流体機械。
6. 請求項１乃至３の何れか１項において、前記シリンダの圧縮室を構成する内径から外周部の範囲に複数の孔を設け、且つ
   （前記シリンダ内壁と前記凹部間の最小距離）≧２.５mm
   となる凹部を設けたことを特徴したロータリ流体機械。
7. 請求項１乃至３の何れか１項において、前記シリンダの圧縮室を構成する内径から外周部の範囲に複数の孔を設け、且つ
   （前記凹部と前記孔間の最小距離）≧２.５mm
   となる凹部を設けたことを特徴したロータリ流体機械。
8. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   （前記シリンダ内径）／（容器内径）≧０.４
   であることを特徴とするロータリ流体機械。
9. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   作動流体にテトラフルオロプロペンを用いたことを特徴とするロータリ流体機械。
10. 請求項１乃至３の何れか１項において、
    作動流体にＨＦＯ１２３４ｙｆを用いたことを特徴とするロータリ流体機械。
11. 請求項１乃至３の何れか１項において、
    （容器内径）≦９０mm
    であることを特徴とするロータリ流体機械。

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