WO2019102748A1 - ロータリ圧縮機 - Google Patents

Abstract

軸線（Ａ）に沿って延在する回転軸（１２）と、回転軸（１２）を回転可能に支持する軸受（１３）と、回転軸（１２）を回転駆動する電動機と、回転軸（１２）に対して偏心して回転されるピストンロータ（３５），（３６）、及び圧縮室（２７），（２８）を有して圧縮室（２７），（２８）にピストンロータ（３５），（３６）が収容されるシリンダ（１５）を有する圧縮機構（４）と、を備え、ピストンロータ（３５），（３６）の回転方向前方側を向く前面の少なくとも一部は軸線方向を向いているロータリ圧縮機を提供する。

Description

ロータリ圧縮機

　本発明は、ロータリ圧縮機に関する。
　本願は、２０１７年１１月２２日に日本に出願された特願２０１７－２２５０５３号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　従来、空気調和装置や冷凍装置等に用いられ、流体（冷媒ガス）を圧縮するロータリ圧縮機が知られている。ロータリ圧縮機は、回転軸に偏心して取り付けられたピストンロータと、内部にピストンロータが配置されるシリンダと、を有する圧縮機構を備えている。ロータリ圧縮機の圧縮機構では、冷媒ガスをシリンダの側壁に接続される吸入管を介してシリンダ内に吸入するとともに、ピストンロータの偏心回転に伴って冷媒ガスを圧縮している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４－１３２３４９号公報

　ところで、ロータリ圧縮機では、冷媒ガスを圧縮する際、ピストンロータに対して反力（ガス圧縮トルク）がかかることによって、回転速度が変動することが知られている。ピストンロータの側面は回転軸の軸線に沿う円筒面状をなしているため、ピストンロータに対するガス圧縮トルクの方向は、回転軸の軸線方向（Ｚ方向）に直交する方向（ＸＹ平面に沿う方向）である。
　回転速度の変動が生じると、ロータリ圧縮機の吐出圧も変動するため、より安定した回転速度の実現が望まれている。

　この発明は、回転速度の変動を抑制することができるロータリ圧縮機を提供することを目的とする。

　本発明の第一の態様によれば、ロータリ圧縮機は、軸線に沿って延在する回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、前記回転軸を回転駆動する電動機と、前記回転軸に対して偏心して回転されるピストンロータ、及び圧縮室を有して前記圧縮室に前記ピストンロータが収容されるシリンダを有する圧縮機構と、を備え、前記ピストンロータの回転方向前方側を向く前面の少なくとも一部は軸線方向を向いている。

　このような構成によれば、ピストンロータに対してかかるガス圧縮トルクに、軸線に沿う方向が含まれるようになる。これにより、ガス圧縮トルクの一部が軸線方向に分散されることになるため、ピストンロータの回転速度の変動を抑制することができる。

　上記ロータリ圧縮機において、前記前面の前記軸線を中心とする径方向から見た断面形状が曲面状をなしていてよい。

　このような構成によれば、回転方向前方側を向く面に当たる流体が滑らかに流れるため、抵抗を低減することができる。

　上記ロータリ圧縮機において、前記シリンダを前記軸線方向に分割するセパレータと、前記セパレータの軸線方向一方側に設けられた半球状の第一ピストンロータと、前記セパレータの軸線方向他方側に設けられ、軸線を中心とした周方向で前記第一ピストンロータに対して位相がずらされた位置に配置されている第二ピストンロータと、を有してよい。

　このような構成によれば、第一ピストンロータと第二ピストンロータの振動がお互いに打ち消し合うことによって、運転中の振動を抑制することができる。

　本発明によれば、ピストンロータに対してかかるガス圧縮トルクに、軸線に沿う方向が含まれるようになる。これにより、ガス圧縮トルクの一部が軸線方向に分散されることになるため、ピストンロータの回転速度の変動を抑制することができる。

本発明の実施形態のロータリ圧縮機の断面図である。 本発明の実施形態のロータリ圧縮機のシリンダ及びピストンロータの拡大図である。 図１のＡ矢視図であり、本発明の実施形態のロータリ圧縮機のシリンダ及びピストンロータの平面図である。 本発明の実施形態のロータリ圧縮機のピストンロータの作用を説明する図である。 ピストンロータの回転角に対するガス圧縮トルクの変動を示すグラフである。 本発明の実施形態のピストンロータの第一変形例の断面図である。 本発明の実施形態のピストンロータの第二変形例の断面図である。

　以下、本発明の実施形態のロータリ圧縮機について図面を参照して詳細に説明する。
　ロータリ圧縮機は、例えば、空気調和機や冷凍機などに用いられ、図示しない冷媒回路に接続されている。即ち、ロータリ圧縮機は、凝縮器、膨張弁、蒸発器などを有する冷媒回路に組み込まれており、冷媒回路の配管内を流れる冷媒ガスを圧縮する機械である。ロータリ圧縮機は、円筒形状のケースに、ディスク状のシリンダが上下２段に設けられた、いわゆる２気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機である。

　図１に示すように、本実施形態のロータリ圧縮機１（以下、単に圧縮機という）は、円筒形状のケース２と、軸線Ａに沿って延在する回転軸１２と、回転軸１２を回転可能に支持する軸受１３と、回転軸１２を回転駆動する電動機３と、ケース２内で電動機３によって駆動される圧縮機構４と、圧縮機に供給される冷媒ガスを気液分離するアキュムレータ５と、を有している。
　回転軸１２、軸受１３、電動機３、及び圧縮機構４は、ケース２の内部に密閉されている。

　ケース２は、筒状の胴体２ａと、胴体２ａの上端に溶接される上蓋２ｂと、胴体２ａの下端に溶接される底蓋２ｃと、を有している。
　胴体２ａには、開口部７が形成されている。開口部７には、アキュムレータ５を介して冷媒ガスを圧縮機構４に吸入する管である吸入管２１が接続されている。上蓋２ｂには、圧縮された冷媒ガスを吐出する吐出管８が設けられている。

　電動機３は、ケース２の内周面に固定されるステータ９と、ステータ９の内側に配置されるとともにステータ９への通電により回転されるロータ１０とを備えている。また、ステータ９の上端および下端にはそれぞれ、コイルの巻束の端部であるコイルエンド１１が設けられている。
　ロータ１０には、軸線Ａに沿って延在する回転軸１２が接続されている。電動機３による回転駆動力は、ロータ１０に固定された回転軸１２に出力される。回転軸１２は、鉛直方向に沿って配置されており、ロータ１０よりも下方に延出している。

　圧縮機構４は、回転軸１２に対して偏心して回転するピストンロータ３５，３６と、圧縮室２７，２８を有して圧縮室２７，２８にピストンロータ３５，３６が収容されるシリンダ１５と、シリンダ１５の内部空間を区画するセパレータ３４と、回転軸１２を回転可能に支持する軸受１３である上方軸受１６及び下方軸受１７とを有している。圧縮機構４は、シリンダ１５内に形成される圧縮室２７，２８の容積をピストンロータ３５，３６の回転に伴って次第に減少させることで冷媒ガスを圧縮する。

　アキュムレータ５は、圧縮機１に供給される冷媒ガスを気液分離する。アキュムレータ５は、ブラケット１９を介してケース２に固定されている。アキュムレータ５は、冷媒ガスを吸入する吸入口２０と、アキュムレータ５内の冷媒ガスを圧縮機１に吸入させる吸入管２１を有している。吸入管２１の先端は、シリンダ１５の吸入ポート２６に接続されている。

　シリンダ１５は、上側に配置されている上部シリンダ２３と、下側に配置されている下部シリンダ２４と、を有している。上部シリンダ２３と下部シリンダ２４とは、上部シリンダ２３の下面と下部シリンダ２４の上面とが面接触するように重ねられている。
　上部シリンダ２３と下部シリンダ２４とは、略同形状である。

　図２に示すように、上部シリンダ２３及び下部シリンダ２４は、軸線方向Ｄａに厚みを有する板状の部材であり、軸線方向Ｄａに延びる円形の貫通孔２５を有している。貫通孔２５の中心軸は、回転軸１２の軸線Ａと一致している。上部シリンダ２３及び下部シリンダ２４は、円筒面状の内周面２３ａ，２４ａを有している。

　上部シリンダ２３と下部シリンダ２４との間には、セパレータ用スロット２９が形成されている。セパレータ用スロット２９は、内周面２３ａ，２４ａから軸線を中心とする径方向外側に凹むように形成されており、軸線Ａを中心とする周方向に延在している。

　セパレータ３４は、円形の板状部材である。セパレータ３４の直径は、上部シリンダ２３、下部シリンダ２４の内周面２３ａ，２４ａの内径よりも大きい。セパレータ３４は、上部シリンダ２３と下部シリンダ２４との間に形成されているセパレータ用スロット２９内を摺動する。セパレータ用スロット２９の上面と下面との距離は、セパレータ３４の厚みよりも僅かに大きい。セパレータ３４により、上部シリンダ２３の径方向内側の空間と、下部シリンダ２４の径方向内側の空間とが互いに連通せずに第一圧縮室２７と第二圧縮室２８とに仕切られる。

　上部シリンダ２３の内周面２３ａの内側の空間は、上方軸受１６およびセパレータ３４によって密閉されて第一圧縮室２７を形成している。
　下部シリンダ２４の内周面２４ａの内側の空間は、下方軸受１７およびセパレータ３４によって密閉されて第二圧縮室２８を形成している。

　図３に示すように、上部シリンダ２３及び下部シリンダ２４には、その周方向の一箇所にスロット３０が形成されている。スロット３０には、板状のブレード３１が挿入されている。
　径方向外側に位置するブレード３１の基端は、コイルバネ３２によって径方向内側に向けて押圧されている。コイルバネ３２による押圧力と、ケース２内の冷媒ガスの圧力とにより、ブレード３１の先端はピストンロータ３５，３６の外面に常に押し付けられる。ブレード３１は、ピストンロータ３５，３６の動きに追従して、スロット３０に沿ってシリンダ１５内部に対して出没する。

　ブレード３１は、シリンダ１５の内周面２３ａ，２４ａとピストンロータ３５，３６の外面との間に形成される断面三日月状の空間である圧縮室２７，２８を周方向に二つに仕切る。二つの空間は、ピストンロータ３５，３６の回転角に応じて容積が按分される。
　シリンダ１５には、吸入管２１と接続される吸入ポート２６が形成されている。吸入ポート２６は、シリンダ１５の外周面から内周面にわたって形成されている。
　シリンダ１５には、冷媒を吐出する吐出孔（図示せず）が形成されている。この吐出孔にはリード弁（図示せず）が備えられている。圧縮された冷媒ガスの圧力が所定値に達すると、リード弁を押して開くことで、冷媒ガスはシリンダ１５の外部に吐出される。

　本実施形態のピストンロータ３５，３６は、円板状のセパレータ３４の上面に設けられている第一ピストンロータ３５と、セパレータ３４の下面に設けられている第二ピストンロータ３６である。第一ピストンロータ３５、セパレータ３４、及び第二ピストンロータ３６は、一体に形成されている。

　第一ピストンロータ３５及び第二ピストンロータ３６は、半球状に形成されている。換言すれば、第一ピストンロータ３５及び第二ピストンロータ３６は、球を球の中心を含む面で分割した形状を有している。
　第一ピストンロータ３５及び第二ピストンロータ３６は、平面であるピストン平面３７と、半球状のピストン曲面３８とを有している。ピストンロータ３５，３６とセパレータ３４とは、ピストン平面３７とセパレータ３４の主面とで接続されている。第一ピストンロータ３５及び第二ピストンロータ３６は、中心軸Ｃ１，Ｃ２を中心とした軸対称の形状であり、上方から見て円形をなしている。

　第一ピストンロータ３５及び第二ピストンロータ３６の回転方向Ｒ前方側を向く前面３８ａは、軸線Ａと平行になっておらず、軸線方向Ｄａを向いている。換言すれば、前面３８ａは、軸線Ａに沿っておらず、軸線Ａに対して角度を有している。前面３８ａの少なくとも一部の法線は、軸線方向Ｄａの成分を有している。
　また、第一ピストンロータ３５及び第二ピストンロータ３６の前面３８ａは、軸線Ａを中心とする周方向から見た断面形状が曲面状をなしている。

　ピストンロータ３５，３６に対応して、ブレード３１の先端は、ピストンロータ３５，３６の周面に沿う形状をなしている。即ち、ブレード３１の先端は、軸線Ａに沿う直線状ではなく、曲面状のピストンロータ３５，３６に沿う曲線状をなしている。

　第一ピストンロータ３５及び第二ピストンロータ３６は、上面から見た中心Ｃ１，Ｃ２が回転軸１２の軸線Ａに対してずらされている。具体的には、第一ピストンロータ３５及び第二ピストンロータ３６のピストン平面３７の外周３７ａがシリンダ１５の内周面２３ａ，２４ａに接する位置に配置されている。

　第二ピストンロータ３６は、軸線Ａを中心とした周方向において、第一ピストンロータ３５と１８０°位相がずらされた位置に配置されている。換言すれば、第二ピストンロータ３６は、第二ピストンロータ３６のピストン平面３７の外周３７ａがシリンダ１５の内周面２３ａ，２４ａに接し、かつ、第一ピストンロータ３５の中心Ｃ１と第二ピストンロータ３６の中心Ｃ２とが最も離れる位置に配置されている。

　このような圧縮機１においては、アキュムレータ５の吸入口２０からアキュムレータ５内に冷媒ガスを取り込み、アキュムレータ５内で冷媒ガスを気液分離して、その気相を吸入管２１からシリンダ１５の吸入ポート２６を介し、シリンダ１５の内部空間である圧縮室２７，２８に供給する。

　そして、ピストンロータ３５，３６の偏心転動により、圧縮室２７，２８の容積が徐々に減少して冷媒ガスが圧縮される。圧縮された冷媒ガスの圧力が高まると、冷媒ガスはリード弁を押し開き、シリンダ１５の外部に吐出される。吐出された冷媒ガスは、ケース２の上部に設けられた吐出管８から外部の図示しない配管に排出される。

　次に、本実施形態のピストンロータ３５，３６の作用について説明する。
　図４は、回転方向Ｒに回転するピストンロータ３５を径方向外側から見た図である。図４に示すように、ピストンロータ３５が回転方向Ｒに回転する際、ピストンロータ３５に対して反力（ガス圧縮トルク）がかかる。

　ピストンロータ３５の前面３８ａの一部は、軸線方向Ｄａを向いているため、ガス圧縮トルクＦ１～Ｆ３は軸線方向Ｄａの成分を有するものとなる。図４に示す例の場合、ガス圧縮トルクＦ３が最も軸線方向Ｄａの成分が大きい。これに対し、ピストンロータの前面が軸線Ａに沿う形状（軸線方向Ｄａを向かない）場合、ガス圧縮トルクは、軸線方向Ｄａの成分は有さず、軸線方向Ｄａに直交する成分のみとなる。
　即ち、本実施形態のピストンロータ３５では、ピストンロータの前面が軸線Ａに沿う形状である場合と比較して、ガス圧縮トルクが軸線方向Ｄａにも分散されて、軸線方向Ｄａに直交する方向の負荷が小さくなる。

　ここで、グラフを用いてガス圧縮トルクの変動について説明する。
　図５は、横軸をピストンロータの回転角、縦軸をガス圧縮トルクとして、ピストンロータの回転角に対するガス圧縮トルクの変動を示すグラフである。
　図５の破線は、本実施形態の２気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機におけるガス圧縮トルクの変動を示す。図５の実線は、ピストンロータの側面が回転軸の軸線に沿う円筒面状をなしている従来の２気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機におけるガス圧縮トルクの変動を示す。

　また、参考に、１気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機のピストンロータの回転角に対するガス圧縮トルクの変動も示す。
　図５の二点鎖線は、１気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機で、ピストンロータの回転方向前方側を向く前面の径方向から見た断面形状を曲面状とした場合のガス圧縮トルクの変動を示す。図５の一点鎖線は、ピストンロータの側面が回転軸の軸線に沿う円筒面状をなしている従来の１気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機におけるガス圧縮トルクの変動を示す。

　図５に示すように、本実施形態の２気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機におけるガス圧縮トルクは、従来の２気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機におけるガス圧縮トルクと比較して低減されている。
　また、１気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機で、ピストンロータの径方向から見た断面形状を曲面状とした場合のガス圧縮トルクは、従来の１気筒タイプの密閉型ロータリ圧縮機におけるガス圧縮トルクと比較して低減されている。
　即ち、ピストンロータの回転方向前方側を向く前面の径方向から見た断面形状を曲面状とすることによって、ガス圧縮トルクを低減することができる。

　上記実施形態によれば、ピストンロータ３５，３６に対してかかるガス圧縮トルクに、軸線Ａに沿う方向が含まれるようになる。これにより、ガス圧縮トルクの一部が軸線方向Ｄａに分散されることになるため、ピストンロータ３５，３６（電動機３のロータ）の回転速度の変動を抑制することができる。

　また、ピストンロータ３５，３６の回転方向Ｒ前方側を向く前面３８ａの軸線Ａを中心とする径方向から見た断面形状が曲面状をなしていることによって、回転方向Ｒ前方側を向く前面３８ａに当たる冷媒ガスが滑らかに流れるため、抵抗を低減することができる。

　また、第一ピストンロータ３５と第二ピストンロータ３６とが１８０°位相がずらされた位置に配置されていることによって、第一ピストンロータ３５と第二ピストンロータ３６の振動がお互いに打ち消し合い、圧縮機１の運転中の振動を抑制することができる。

　なお、本実施形態のピストンロータ３５，３６は、セパレータ３４と一体に形成されているがこれに限ることはない。例えば、セパレータ３４をシリンダ１５に固定して、ピストンロータ３５，３６のピストン平面３７がセパレータ３４上を摺動する構成としてもよい。

　次に、本発明の実施形態の変形例のピストンロータについて説明する。
　図６に示すように、第一変形例のピストンロータ４０は、中心軸Ｃ３を中心とした軸対称の形状であり、上方から見て円形をなしている。ピストンロータ４０は、円柱形状のピストンロータ本体４１と、ピストンロータ本体４１の外周面から径方向外側に突出する凸部４２と、を有している。凸部４２は、中心軸Ｃ４の周方向に延在しており、全周にわたって形成されている。

　ピストンロータ４０の前面４０ａは、軸線Ａに沿う第一面４３（ピストンロータ本体４１の外周面）と、軸線Ａと直交する第二面４４（凸部４２の上面及び下面）とを有している。第二面４４は軸線方向Ｄａを向く面である。

　第一変形例の圧縮機によれば、ピストンロータ４０の回転方向Ｒ前方側を向く前面４０ａの一部である第二面４４が軸線方向Ｄａを向いている。これにより、ガス圧縮トルクが第二面４４に作用することによって、ガス圧縮トルクの一部が軸線方向Ｄａに分散されるため、ピストンロータ４０の回転速度の変動を抑制することができる。

　図７に示すように、第二変形例のピストンロータ５０は、中心軸Ｃ４を中心とした軸対称の形状であり、上方から見て円形をなしている。ピストンロータ５０は、上方に向かうに従って漸次拡径する円錐状をなしている。即ち、ピストンロータ５０の周面５１は、軸線方向Ｄａを向いており、ピストンロータ５０の回転方向Ｒの前面５１ａは、軸線方向Ｄａを向いている。

　第二変形例の圧縮機によれば、ピストンロータ５０の回転方向Ｒ前方側を向く前面５１ａが軸線方向Ｄａを向いている。これにより、ガス圧縮トルクが前面５１ａに作用することによって、ガス圧縮トルクが軸線方向Ｄａにかかるため、ピストンロータ５０の回転速度の変動を抑制することができる。

　以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
　例えば、上記実施形態では、ロータリ圧縮機としてシリンダが上下２段に設けられた、ツインロータリ圧縮機を採用したが、これに限ることはない。即ち、ロータリ圧縮機として、１気筒タイプ（シングルタイプ）のロータリ圧縮機の採用も可能である。

　本発明によれば、ピストンロータに対してかかるガス圧縮トルクに、軸線に沿う方向が含まれるようになる。これにより、ガス圧縮トルクの一部が軸線方向に分散されることになるため、ピストンロータの回転速度の変動を抑制することができる。

　１　ロータリ圧縮機
　２　ケース
　３　電動機
　４　圧縮機構
　５　アキュムレータ
　７　開口部
　８　吐出管
　９　ステータ
　１０　ロータ
　１２　回転軸
　１３　軸受
　１５　シリンダ
　１６　上方軸受
　１７　下方軸受
　１９　ブラケット
　２０　吸入口
　２１　吸入管
　２３　上部シリンダ
　２３ａ，２４ａ　内周面
　２４　下部シリンダ
　２５　貫通孔
　２７　第一圧縮室
　２８　第二圧縮室
　２９　セパレータ用スロット
　３０　スロット
　３１　ブレード
　３２　コイルバネ
　３４　セパレータ
　３５　第一ピストンロータ
　３６　第二ピストンロータ
　３７　ピストン平面
　３８　ピストン曲面
　３８ａ　前面
　４０　ピストンロータ
　４１　ピストンロータ本体
　４２　凸部
　５０　ピストンロータ
　Ａ　軸線
　Ｄａ　軸線方向

Claims (3)

1. 　軸線に沿って延在する回転軸と、
   　前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
   　前記回転軸を回転駆動する電動機と、
   　前記回転軸に対して偏心して回転されるピストンロータ、及び圧縮室を有して前記圧縮室に前記ピストンロータが収容されるシリンダを有する圧縮機構と、を備え、
   　前記ピストンロータの回転方向前方側を向く前面の少なくとも一部は軸線方向を向いているロータリ圧縮機。
2. 　前記前面の前記軸線を中心とする径方向から見た断面形状が曲面状をなしている請求項１に記載のロータリ圧縮機。
3. 　前記シリンダを前記軸線方向に分割するセパレータと、
   　前記セパレータの軸線方向一方側に設けられた半球状の第一ピストンロータと、
   　前記セパレータの軸線方向他方側に設けられ、軸線を中心とした周方向で前記第一ピストンロータに対して位相がずらされた位置に配置されている第二ピストンロータと、を有する請求項１又は請求項２に記載のロータリ圧縮機。

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