JPWO2016151769A1

JPWO2016151769A1 - 回転式密閉型圧縮機

Info

Publication number: JPWO2016151769A1
Application number: JP2017507224A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　幸一; 幸一佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2017-09-14
Also published as: CN106014991B; CN205423162U; CN106014991A; CZ2017673A3; WO2016151769A1; CZ307910B6

Abstract

信頼性を維持したまま高出力化を可能とする回転式密閉型圧縮機（１００）を提供する。回転式密閉型圧縮機（１００）は、密閉容器（１）内に電動機（２）、その下部に電動機（２）とクランク軸（４）により連結された圧縮機構（３）を収納し、圧縮機構（３）は、電動機（２）に固定される主軸（４ａ）、副軸（４ｂ）、及び偏芯軸（４ｃ）を備えるクランク軸（４）と、偏芯軸（４ｃ）に勘合するローリングピストン（８）と、密閉容器（１）内に固定されるシリンダ（７）と、シリンダ（７）の内側面とローリングピストン（８）の外周とにより形成される圧縮室（９）を吸入側圧縮室（９ａ）と吐出側圧縮室（９ｂ）とに画成するベーン（１３）と、主軸受（５）及び副軸受（６）と、を備え、副軸（４ｂ）の長さをＬ、偏芯軸（４ｃ）の長さをｌとしたときに、ｌ／Ｌを０．７５以下としたものである。

Description

本発明は、冷凍サイクルに用いられる、冷媒ガスの圧縮を行う回転式密閉型圧縮機に関するものである。

圧縮機を組み立てる際に偏芯軸にピストンを嵌めるためには、偏芯軸の半径から主軸又は副軸の中心に対する偏芯軸の偏芯量を減じた値が、主軸又は副軸の半径と同じか又は大きくなっている必要がある。仮に、偏芯軸の半径から偏芯量を減じた値が、主軸又は副軸の半径よりも小さい場合には、主軸あるいは副軸をくぐらせて偏芯軸にピストンを嵌めこもうとすると、偏芯軸の外径とピストンの内径が干渉してはめ込むことができない。

圧縮機の能力拡大のために押しのけ容積を拡大しようとすると、ピストンの外径を小さくし、偏芯量を大きくする必要がある。
しかし、前記のような偏芯軸へのピストンの嵌めこみ時における制約により、偏芯軸半径からの偏芯量を減じた値が、主軸又は副軸の半径よりも小さくなるように偏芯量を大きくすることはできないという課題があった。

上記課題を解決するために、従来の技術では、クランク軸の副軸の径を主軸の径よりも小さくし、偏芯軸の半径から偏芯量を減じた値が、副軸の半径と同じかあるいは大きくなっている密閉型圧縮機が示されている（例えば、特許文献１の図１及び図７参照）。

特開２０１１−１２７４３０号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の密閉型圧縮機は、副軸の径が小さくなることにより軸受部が焼き付く可能性が高く、また、押しのけ容積を拡大する、すなわち偏芯軸の長さを長くすることにより撓みが生じやすいという課題がある。押しのけ容積を大きくしようと、偏芯軸の長さを長くすると、圧縮室のガス荷重を受ける偏芯軸が微視的に撓むことになるが、偏芯軸が大きく撓むと副軸受内で副軸が傾くことになり、軸受内の油膜厚さが小さくなり、軸受部の潤滑状況が悪化し軸と軸受が圧縮機運転中に焼き付いて圧縮機の運転が停止して、再起動できなくなる恐れがあるという課題がある。これらの課題に対し、特許文献１に記載の技術では副軸受の長さと偏芯軸の長さとの関係についての配慮がなされていなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、副軸受の焼き付きが生じないよう信頼性を維持したまま、圧縮機の押しのけ容積を増大し、高出力化を可能とする回転式密閉型圧縮機を提供することを目的とする。

本発明に係る回転式密閉型圧縮機は、密閉容器内の上部に電動機を、該電動機の下部に該電動機とクランク軸により連結された圧縮機構を収納し、該圧縮機構は、前記電動機に固定される主軸、該主軸と中心軸を同じくする副軸、及び前記主軸と前記副軸との間に形成され前記主軸の中心軸に対し偏芯している偏芯軸を備えるクランク軸と、前記偏芯軸に勘合するローリングピストンと、該ローリングピストンが内部の円筒状の空間に挿入され、密閉容器内に固定されるシリンダと、該シリンダの内側面と該シリンダ内を揺動する前記ローリングピストンの外周により形成される圧縮室を吸入側圧縮室と吐出側圧縮室とに画成するベーンと、前記シリンダの軸方向の開口を上から閉塞し、前記主軸の回転を支持する主軸受と、前記シリンダの軸方向の開口を下から閉塞し、前記副軸の回転を支持する副軸受と、を備え、前記副軸の長さをＬ、前記偏芯軸の長さをｌとしたときに、ｌ／Ｌを０．７５以下としたものである。

本発明によれば、偏芯軸の長さと副軸受の長さとの比を適正に設定することにより、軸受の焼き付きが生じない信頼性を維持したまま、圧縮機の押しのけ容積を増大し、高出力化を可能とする回転式密閉型圧縮機を提供することができる。

実施の形態１に係る回転式密閉型圧縮機の縦断面図である。実施の形態１に係るピストン及びベーン式の圧縮室を示す概略図である。実施の形態１に係る回転式密閉型圧縮機のクランク軸を示す図である。実施の形態１に係る回転式密閉型圧縮機においてｌ／Ｌの値と副軸の面荒れの発生状況の関係を示す図である。スイング式の圧縮室を示す概略図である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る回転式密閉型圧縮機１００の縦断面図である。
回転式密閉型圧縮機１００は、高圧雰囲気を密閉する、上部容器１ａと下部容器１ｂとで構成される密閉容器１内に、固定子２ａと回転子２ｂとからなる電動機２と、電動機２により駆動される圧縮機構部３とを収納している。

電動機２の回転力は、クランク軸４を介して圧縮機構部３に伝達される。

クランク軸４は、電動機２の回転子２ｂに固定される主軸４ａ、圧縮機構部３を挟んで主軸４ａの反対側に設けられた副軸４ｂ、主軸４ａと副軸４ｂとの間に形成される偏芯軸４ｃにより構成されている。副軸４ｂの中心軸は、主軸４ａと同一となっている。主軸４ａ、副軸４ｂ、及び偏芯軸４ｃの外径の寸法関係は、偏芯軸４ｃの半径から主軸及び副軸の中心に対する偏芯軸の偏芯量を減じた値が、主軸の半径と同じか又は大きくなるように設定されている。また、クランク軸４の内部には給油穴が設けられている。
主軸受５は、クランク軸４の主軸４ａに摺動のためのクリアランスを持って嵌合され、回転自在に主軸４ａを軸支する。また、副軸受６は、クランク軸４の副軸４ｂに摺動のためのクリアランスを持って嵌合され、回転自在に副軸４ｂを軸支する。主軸受５の軸方向の長さは、圧縮機構部３と電動機２との間の空間にできるだけ長く設定される。副軸受６は、圧縮機構部３の下部の空間に、副軸４ｂの軸方向長さに合わせてできるだけ長く設定される。

クランク軸４の偏芯軸４ｃに摺動自在に嵌合するローリングピストン８及びベーン１３を収納したシリンダ７の内部空間の軸方向両端面を、図１中の上方向から主軸受５、下方向から副軸受６で閉塞して圧縮室９を形成する。

図２は、本実施の形態に係るピストン及びベーン式の圧縮室を示す概略図である。
圧縮機構部３は、シリンダ７とベーン１３とを備えている。シリンダ７は、密閉容器１の内周部に固定される。シリンダ７は、円筒状の内部空間を有し、この内部空間に、クランク軸４の偏芯軸４ｃに回転自在に嵌合したローリングピストン８が配置されている。ベーン１３は、シリンダ７に設けられた溝に沿って移動する。ベーン１３は、ローリングピストン８がシリンダ７内部で揺動する動きに追従して動き、シリンダ７の内壁とローリングピストン８とにより形成される圧縮室９を、吸入側圧縮室９ａと吐出側圧縮室９ｂとに画成する。

密閉容器１に隣接してアキュムレータ１２が設けられる。吸入連結管１０はシリンダ７とアキュムレータ１２とを連結する。

シリンダ７内でクランク軸４の回転により偏芯回転するクランク軸４の偏芯軸４ｃに嵌合するローリングピストン８とベーン１３により圧縮された冷媒ガスは、密閉容器１内に吐出され、吐出管１１から冷凍空調装置等の冷凍サイクルへ送り出される。

図３は、本実施の形態に係る回転式密閉型圧縮機１００のクランク軸を示す図である。
クランク軸４は、主軸４ａ及び副軸４ｂの中心軸が同軸となっており、主軸４ａと副軸４ｂの中心軸に対して偏芯軸４ｃの中心軸がずれている。図３に示すようにクランク軸４の偏芯軸４ｃの長さｌ、副軸４ｂの長さＬとすると、ｌ／Ｌを０．７５以下としている。

上記のように回転式密閉型圧縮機１００を構成したので、例えば、圧縮機の能力を増加するために押しのけ容積を拡大する場合、偏芯軸４ｃの長さを長くすると、圧縮室９のガス荷重を受ける偏芯軸４ｃが微視的に撓むことになるが、偏芯軸４ｃが大きく撓むと副軸受６の内径で支持されている副軸４ｂが傾く。これにより、副軸受６と副軸４ｂとの接触部の油膜厚さが薄くなる部分が生じ、副軸受６の潤滑性能の低下を招いていた。しかし、本実施の形態によればクランク軸４の副軸４ｂの長さＬと偏芯軸の長さｌの比ｌ／Ｌを０．７５以下とすることで、ガス荷重を受けたときのクランク軸４の剛性を高めることができ、副軸４ｂが副軸受６の内径側で傾くのを抑えることができる。

図４は、本実施の形態に係る回転式密閉型圧縮機１００においてｌ／Ｌの値と副軸の面荒れの発生状況の関係を示す図である。図中の○は副軸４ｂの副軸受けとの接触面の荒れが発生していないことを示し、×は副軸の副軸受けとの接触面の荒れが発生したことを示す。回転式密閉型圧縮機１００の実機において、偏芯軸４ｃの長さと副軸４ｂの長さとの比であるｌ／Ｌの値を変化させて、焼き付きに至るかを実験にて確認したところｌ／Ｌが０．７５より大きい場合に、焼き付きの兆候となる摺動面の摩耗による面の荒れが認められた。ｌ／Ｌが０．７５以下の範囲では摩耗は認められるものの、なめらかな摩耗状態であり焼き付きにいたる兆候は生じていない。

なお、図４に示す結果を得た時の、本実施の形態に係る回転式密閉型圧縮機１００のクランク軸４の材質の縦弾性係数は１５００００〜２２００００Ｎ／ｍｍ^２である。また、Ｉ／Ｌの値は、低い程クランク軸４の剛性は高くなり、軸受の焼き付きに対しては有利になるが、一般的に使用される回転式密閉型圧縮機１００においては、実用上下限値はｌ／Ｌ＝０．５程度である。

本実施の形態に係るクランク軸４の各部の寸法については、以下のようになっている。
副軸４ｂの長さｌは１０ｍｍ〜１００ｍｍ、副軸４ｂの直径は１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲をとる。副軸４ｂ及び副軸受６の長さは、軸受部が支える荷重による圧力の大きさに影響し、長さが短いほど圧力が大きくなり、焼き付きを生じる可能性が高くなる。副軸４ｂ及び副軸受６の直径は、副軸４ｂと副軸受６との接触面の相対速度に影響し、相対速度が高いほど軸受部の焼き付きを生じる可能性が高くなる。副軸４ｂ及び副軸受６の直径は、小さいほど相対速度が高くなる。
偏芯軸４ｃの直径は、２０ｍｍ〜８０ｍｍをとる。偏芯軸４ｃの直径は、押しのけ容積に影響し、大きいほど押しのけ容積が大きくなり、偏芯軸４ｃが受ける荷重も大きくなる。荷重が大きければ軸受部が焼き付きを生じる可能性は高くなる。
副軸４ｂの外径は、主軸４ａの外径に対し直径で０〜５ｍｍ程度小さく設定されている。副軸４ｂが主軸４ａに対し小さく設定されていることにより、主軸４ａと副軸４ｂとが同じ直径で構成した場合に較べて偏芯軸４ｃの偏芯量を大きくすることができ、押しのけ容積を大きくすることができる。このとき、偏芯軸４ｃの半径から副軸４ｂの中心に対する偏芯軸４ｃの偏芯量を減じた値は、副軸４ｂの半径と同じか又は大きくなっている必要があるが、主軸４ａの半径より小さくなっていても良い。この条件を満たしていればローリングピストン８は副軸４ｂ側から組み付けることが可能である。
また、回転式密閉型圧縮機１００の運転条件（回転数、使用冷媒、潤滑油）は、一般的な冷凍機などに用いられる回転式密閉型圧縮機１００の条件で実施している。

上記の構成の回転式密閉型圧縮機１００によれば、クランク軸４の副軸４ｂの長さＬと偏芯軸の長さｌの比ｌ／Ｌを０．７５以下とすることで、クランク軸４の偏芯軸４ｃ部に受けるガス荷重による撓みを抑えることができる。これにより、回転するクランク軸４を支持している副軸受けの荒れ、軸受けの焼き付きを防止することができ、押しのけ容積を大きくしても信頼性の高い回転式密閉型圧縮機１００を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、ローリングピストン８とベーン１３が別体のものについて説明したが、回転式密閉型圧縮機１００にローリングピストン８とベーン１３とが一体となったスイング式のピストンを採用しても、以下に説明するように信頼性の高い回転式密閉型圧縮機１００を得ることができる。
図５は、スイング式の圧縮室９を示す概略図である。上記で説明した圧縮機構部３に対し、ローリングピストン８とベーン１３に相当する部分が一体化されて、スイング式のローリングピストン８ａとなっている。シリンダ７もスイング式のローリングピストン８ａにあわせた構造になっている。

通常の運転では回転式密閉型圧縮機１００が吸入して圧縮する冷媒は圧縮性流体である気体であるが、回転式密閉型圧縮機１００が起動する際や低周囲温度での運転時など、冷凍サイクル側から回転式密閉型圧縮機１００に非圧縮性流体である液体の冷媒が吸入される場合がある。非圧縮性流体である液体の冷媒を吸入して圧縮すると圧縮室９の内部の圧力は急速に上昇してしまい、それに伴い圧縮荷重を受ける主軸受５および副軸受６にも過剰な負荷がかかることになる。

ローリングピストン８とベーン１３が別体である回転式密閉型圧縮機１００においては、このような急速な圧縮室９内の圧力上昇時には、ベーン１３にも圧力が加わることで、圧縮室９内でベーン１３に対し外向きの力が働き、ローリングピストン８からベーン１３が離れて、圧縮室９の高圧側（吐出側圧縮室９ｂ）と低圧側（吸入側圧縮室９ａ）が連通して圧力上昇を防止する働きがある。これにより、主軸受５、副軸受６への軸受荷重を緩和することによって、軸受部の損傷を防いでいる。

しかしながら、ローリングピストン８とベーン１３とが一体に形成されている回転式密閉型圧縮機１００においては、前記のような圧縮室９内の急速な圧力上昇を防止することができず、軸受部に過大な荷重がかかることで損傷にいたる可能性が高くなる。しかし、上記で説明した偏芯軸４ｃの長さｌとクランク軸４の長さＬとの比であるｌ／Ｌを０．７５以下とすることにより、非圧縮性流体である液体の冷媒を圧縮してしまうような場合においても、更に軸受部の焼き付き、損傷を防止し、回転式密閉型圧縮機１００の信頼性を高める効果が得られる。

１密閉容器、１ａ密閉容器、１ｂ密閉容器、２電動機、２ａ固定子、２ｂ回転子、３圧縮機構部、４クランク軸、４ａ主軸、４ｂ副軸、４ｃ偏芯軸、５主軸受、６副軸受、７シリンダ、８ローリングピストン、８ａ（スイング式の）ローリングピストン、９圧縮室、９ａ吸入側圧縮室、９ｂ吐出側圧縮室、１０吸入連結管、１１吐出管、１２アキュムレータ、１３ベーン、１００回転式密閉型圧縮機、Ｌ副軸の長さ、ｌ偏芯軸の長さ。

Claims

密閉容器内の上部に電動機を、該電動機の下部に該電動機とクランク軸により連結された圧縮機構を収納し、
該圧縮機構は、
前記電動機に固定される主軸、該主軸と中心軸を同じくする副軸、及び前記主軸と前記副軸との間に形成され前記主軸の中心軸に対し偏芯している偏芯軸を備えるクランク軸と、
前記偏芯軸に勘合するローリングピストンと、
該ローリングピストンが内部の円筒状の空間に挿入され、密閉容器内に固定されるシリンダと、
該シリンダの内側面と該シリンダ内を揺動する前記ローリングピストンの外周により形成される圧縮室を吸入側圧縮室と吐出側圧縮室とに画成するベーンと、
前記シリンダの軸方向の開口を上から閉塞し、前記主軸の回転を支持する主軸受と、
前記シリンダの軸方向の開口を下から閉塞し、前記副軸の回転を支持する副軸受と、を備え、
前記副軸の長さをＬ、前記偏芯軸の長さをｌとしたときに、ｌ／Ｌを０．７５以下とした、回転式密閉型圧縮機。
前記副軸の外径寸法は、
前記主軸の外径寸法以下に設定された、請求項１に記載の回転式密閉型圧縮機。
前記ローリングピストンと前記ベーンとは、一体に形成されている、請求項１又は請求項２に記載の回転式密閉型圧縮機。
前記クランク軸は、
材質の縦弾性係数が１５００００〜２２００００Ｎ/ｍｍ^２である、請求項１〜３の何れか１項に記載の回転式密閉型圧縮機。