JP2010031733A - ロータリ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ローラ端面の摺動面摩擦抵抗を抑制しながら漏れ損失を低減し、材料費を現状よりも上げずに圧縮機の高効率化を図ることを課題としている。
【解決手段】ローラ上端面の高圧のオイルで満たされた面積と比べて、下端面の高圧のオイルで満たされた面積とを同じ、もしくは大きくすることを特徴とするもので、これによって、ローラを下から上へと押し上げる力が発生し、ローラ両端面の隙間が均一化する方向であるため漏れ損失を低減することが可能となる。また、ローラが浮上しない場合においても、圧力によって上から下へと押し付ける力が加わらないため、ローラは自重のみで下軸受に接触するため、厳しい摺動が回避され、磨耗や焼き付き等が低減される。
【選択図】図３

Description

本発明は、空調機、冷凍機、ブロワ、給湯機等に使用されるロータリ圧縮機に関するものである。

従来より、冷凍装置や空気調和装置などにおいては、蒸発器で蒸発したガス冷媒を吸入し、凝縮するために必要な圧力まで圧縮して冷媒回路中に高温高圧のガス冷媒を送り出す圧縮機が使用されている。このような圧縮機の一つとして、ロータリ圧縮機が知られている。

ロータリ圧縮機は、たとえば図８に示すように、電動機２と圧縮機構部３をクランク軸３１で連結して密閉容器１内に収納したものであって、圧縮機構部３は、シリンダ３０とこのシリンダ３０の両端面を閉塞する上軸受３４と下軸受３５とで形成された圧縮室３９と、この圧縮室３９内に上軸受３４および下軸受３５に支持されたクランク軸３１の偏心部３１ａに嵌合されたローラ３２と、このローラ３２の外周の偏心回転に追従して往復運動し圧縮室３９内を低圧部と高圧部とに仕切るベーン３３を備えている。クランク軸３１には軸線部に油穴４１が設けられるとともに、上軸受、下軸受に対する壁部には、それぞれ油穴４１に連通した給油穴４２、４３が設けられている。また、クランク軸３１の偏心部３１ａに対する壁部には油穴４１に連通した給油穴４４が設けられ、外周部には油溝４５が形成されている。一方、シリンダ３０には、圧縮室３９内の低圧部に向けてガスを吸入する吸入ポート４０が開通され、上軸受３４には、圧縮室３９内の低圧部から転じて形成される高圧部からガスを吐出する吐出ポート３８が開通されており、ローラ３２はシリンダ３０が上軸受３４，下軸受３５に上下から閉塞されることによって形成される圧縮室３９に収容されている。

吐出ポート３８は上軸受３４を貫通する平面視円形の孔として形成されており、吐出ポート３８の上面には所定の大きさ以上の圧力を受けた場合に解放される吐出弁３６が設けられており、この吐出弁３６を覆うカップマフラー３７とで構成されている。

低圧部側ではローラ３２の摺接部が吸入ポート４０を通過して吸入室を徐々に拡大しながら離れていき、吸入ポート４０から吸入室内にガスを吸入する。一方、高圧部側ではローラ３２の摺動部が吐出ポート３８へ圧縮室３９を徐々に縮小しながら近づいていき、所定圧力以上に圧縮された時点で吐出弁３６が開いて吐出ポート３８からガスを流出し、カップマフラー３７より密閉容器１内に吐出される。

圧縮機構部の外周は高圧の吐出空間５２となっている。一方、偏心部３１ａの上端面と上軸受３４とローラ３２の内周面との間には空間４６があり、偏心部３１ａの下端面と下軸受３５とローラ３２の内周面との間には空間４７がある。その空間４６、４７には油穴４１から給油穴４２、４３を経て油が漏れ込んでくる。またこの空間４６、４７はほとんど常に圧縮室３９内部の圧力より高い状態にある。

一方、シリンダ３０の高さはローラ３２が内部で摺動できるようにこのローラ３２の高さよりやや大きめに設定しなければならず、その結果として、このローラ３２の端面と上軸受３４、下軸受３５の端面との間に隙間がある。そのため、この隙間を介して空間４６，４７から圧縮室３９へ油が漏れる。

一般に冷凍機油は冷媒を溶解し、その溶解度は圧力が高い程大きい。したがって高圧の
空間４６、４７から低圧の圧縮室３９に油が漏れた場合、冷媒溶解度が小さくなるため、溶存冷媒が蒸発してくる。これは結局ガス漏れであり、圧縮機の効率を低下させる一因となる。

よって、シリンダ３０の高さとローラ３２の高さの差を小さくすることで、ガス漏れは抑制できるが、ローラ３２の端面の摺動が厳しくなり、磨耗や焼き付き等の問題が発生する。一方、シリンダ３０の高さとローラ３２の高さの差を大きくすることで、磨耗や焼き付き等は解消されるが漏れによる圧縮機の効率低下を引き起こす。

したがって、従来はローラ３２端面の隙間からの漏れを低減し、かつ摺動を低減することが求められていた。図７は特許文献１に記載された従来のロータリ圧縮機を示すものである。図７に示すように電動機の回転力を圧縮部に伝達するクランク軸のスラスト軸受を下軸受に当接させて支持すると供に下端を密閉容器の底面に溜められた潤滑油に浸け、クランク軸の回転に伴ってこのクランク軸の中空部を介して潤滑油を汲み上げ、汲み上げた潤滑油を各部に供給してなるロータリ圧縮機において、下軸受を鉄系金属で構成し、クランク軸のスラスト軸受に、連帯焼結したバイメタル上に固体潤滑剤を混入させたＰＥＥＫ樹脂、ポリミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂のいずれか一つ、もしくはこれらを組み合わせた含浸焼結した摺動部材を設けていた。これにより、摺動面積が小さく油膜が形成されにくくても自己潤滑作用で、摺動損失及び磨耗の低減と、ローラが摺動部材により上に浮上し、上下均等の隙間に自動調整して、漏れ損失の低減を図っていた。
特開２００２−１９５１８０号公報

近年においては圧縮機により冷媒を循環させる空気調和装置等のさらなる高効率化が望まれているため、これらを達成するためにも圧縮機のさらなる高効率化が重要となっている。上述した従来のロータリ圧縮機の構造では、加工方法や精度保持が容易ではなく、又、温度変化による摺動部材の摺動面摩擦抵抗の増大を引き起こす可能性がある。また、摺動部材を新たに追加するため、圧縮機の材料費も高くなってしまう。

そこで本発明では、上記の事情を鑑みてなされたもので、ローラ端面の摺動面摩擦抵抗を抑制しながら漏れ損失を低減し、材料費を現状よりも上げずに圧縮機の高効率化を図ることを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明のロータリ圧縮機は、電動機と圧縮機構部をクランク軸で連結して密閉容器内に収納したものであって、圧縮機構部は、シリンダと、シリンダの両端面を閉塞する上軸受と下軸受とで形成された圧縮室と、シリンダ内に設けられたクランク軸の偏心部に嵌合されたローラと、ローラの偏心回転に追従し前記シリンダに設けられたスロット内を往復運動して圧縮室を低圧部と高圧部とに仕切るベーンとからなるロータリ圧縮機において、クランク軸の偏心部とローラの嵌合部に高圧のオイルが満たされている時に、ローラ上端面の高圧オイルで満たされた面積と比べて下端面の高圧オイルで満たされた面積とを同じ、もしくは大きくすることを特徴とするものである。

この構成により、ローラ両端面からの漏れ量を大幅に減少させることが可能となり、従来の圧縮機に比べて効率向上を図ることが出来る。同時に、ローラ端面の摺動損失が低減されるために、磨耗や焼き付き等の発生を抑え、信頼性面の向上も図ることが出来る。

本発明のロータリ圧縮機は、ローラを浮上させる方向に力を加え、ローラ上下端面の隙
間を均一化することにより、ローラ両端面からの漏れ量を大幅に減少させることが可能となり、従来の圧縮機に比べて効率向上を図ることが出来る。同時に、ローラ端面の摺動損失が低減されるために、磨耗や焼き付き等の発生を抑え、信頼性面の向上も図ることが出来る。

第１の発明は、電動機と圧縮機構部をクランク軸で連結して密閉容器内に収納したものであって、圧縮機構部は、シリンダと、シリンダの両端面を閉塞する上軸受と下軸受とで形成された圧縮室と、シリンダ内に設けられたクランク軸の偏心部に嵌合されたローラと、ローラの偏心回転に追従し前記シリンダに設けられたスロット内を往復運動して圧縮室を低圧部と高圧部とに仕切るベーンとからなるロータリ圧縮機において、ローラ上端面の高圧のオイルで満たされた面積と比べて、下端面の高圧のオイルで満たされた面積とを同じ、もしくは大きくすることを特徴とするものである。これによって、ローラを下から上へと押し上げる力が発生し、ローラ両端面の隙間が均一化する方向であるため漏れ損失を低減することが可能となる。また、ローラが浮上しない場合においても、圧力によって上から下へと押し付ける力が加わらないため、ローラは自重のみで下軸受に接触するため、厳しい摺動が回避され、磨耗や焼き付き等が低減される。

第２の発明は、特に、第１の発明のロータリ圧縮機において、ローラ内径部に面取りを設け、ローラの上端面に比べて下端面の面取り量を同じ、もしくは大きくすることを特徴とするものである。これによって、第一の発明と同じように漏れ損失の低減と厳しい摺動が改善される。面取りにすることにより旋盤等で容易に加工できるため、精度良くローラの上下の面取りを仕上げることが可能となる。

第３の発明は、特に、第１〜２の発明のロータリ圧縮機において、ローラの下端面に小さなくぼみを設けることを特徴とするものである。これによって、圧縮機構部の組み立て段階で、主に下軸受を組み込まない状態で、上軸受、シリンダ、クランク軸、ローラで芯出しされる。よって、シリンダの下軸受側が組み立て時に、上に来ることが多いため、ローラの下端面に設けられたくぼみが目印となる。これにより、組み立て時にローラの上下の間違えを回避できる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明のロータリ圧縮機において、ローラ上端面の面積をＳｍａ、下端面の面積をＳｍｂ、加わる圧力をそれぞれＰｍａ、Ｐｍｂとし、高圧オイルの圧力Ｐｄが加わるローラ上部の面積をＳｄａ、下部の面積をＳｄｂとし、ローラの自重をＷとした時に、
Ｗ≒Ｐｄ＊（Ｓｄｂ−Ｓｄａ）＋（Ｐｍｂ＊Ｓｍｂ−Ｐｍａ＊Ｓｍａ）
上式が成り立つことを特徴としている。これによって、ローラにかかる上下の力がつりあい、ローラは上軸受と下軸受の間で浮上し、上下の隙間の均一化を図ることが出来、漏れ損失を低減することが可能となる。

第５の発明は、特に、第１〜４の発明のロータリ圧縮機において、作動流体としてＣＯ_２を用いることで、特に、差圧が大きく、漏れ損失が大きいＣＯ_２においても、より効果的に高効率化することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるロータリ圧縮機の縦断面図である。図２は本発明の第１の実施の形態における圧縮機構部の拡大断面図である。図１と図２においてロ
ータリ圧縮機は、電動機２と圧縮機構部３をクランク軸３１で連結して密閉容器１内に収納したものであって、圧縮機構部３は、シリンダ３０とこのシリンダ３０の両端面を閉塞する上軸受３４と下軸受３５とで形成された圧縮室３９と、この圧縮室３９内に上軸受３４および下軸受３５に支持されたクランク軸３１の偏心部３１ａに嵌合されたローラ３２と、このローラ３２の外周に当接しローラ３２の偏心回転に追従して往復運動し圧縮室３９内を低圧部と高圧部とに仕切るベーン３３を備えている。クランク軸３１には軸線部に油穴４１が設けられるとともに、上軸受、下軸受に対する壁部には、それぞれ油穴４１に連通した給油穴４２、４３が設けられている。また、クランク軸３１の偏心部３１ａに対する壁部には油穴４１に連通した給油穴４４が設けられ、外周部には油溝４５が形成されている。一方、シリンダ３０には、圧縮室３９内の低圧部に向けてガスを吸入する吸入ポート４０が開通され、上軸受３４には、圧縮室３９内の低圧部から転じて形成される高圧部からガスを吐出する吐出ポート３８が開通されており、ローラ３２はシリンダ３０が上軸受３４，下軸受３５に上下から閉塞されることによって形成される圧縮室３９に収容されている。

吐出ポート３８は上軸受３４を貫通する平面視円形の孔として形成されており、吐出ポート３８の上面には所定の大きさ以上の圧力を受けた場合に解放される吐出弁３６が設けられており、この吐出弁３６を覆うカップマフラー３７とで構成されている。

低圧部側ではローラ３２の摺接部が吸入ポート４０を通過して吸入室を徐々に拡大しながら離れていき、吸入ポート４０から吸入室内にガスを吸入する。一方、高圧部側ではローラ３２の摺動部が吐出ポート３８へ圧縮室３９を徐々に縮小しながら近づいていき、所定圧力以上に圧縮された時点で吐出弁３６が開いて吐出ポート３８からガスを流出し、カップマフラー３７より密閉容器１内に吐出される。

圧縮機構部の外周は高圧の吐出空間５２となっている。一方、偏心部３１ａの上端面と上軸受３４とローラ３２の内周面との間には空間４６があり、偏心部３１ａの下端面と下軸受３５とローラ３２の内周面との間には空間４７がある。その空間４６、４７には油穴４１から給油穴４２、４３を経て油が漏れ込んでくる。またこの空間４６、４７はほとんど常に圧縮室３９内部の圧力より高い状態にある。

一方、シリンダ３０の高さはローラ３２が内部で摺動できるようにこのローラ３２の高さよりやや大きめに設定しなければならず、その結果として、このローラ３２の端面と上軸受３４、下軸受３５の端面との間に隙間がある。そのため、この隙間を介して空間４６，４７から圧縮室３９へ油が漏れる。

以上のように構成されたロータリ圧縮機において、図３に示すように、ローラ３２上端面の高圧のオイルで満たされた面積と比べて、下端面の高圧のオイルで満たされた面積と同じ、もしくは大きくすることを特徴とする構成をしている。これによって、ローラ３２を下から上へと押し上げる力が発生し、ローラ３２両端面の隙間が均一化する方向であるため漏れ損失を低減することが可能となる。また、ローラ３２が浮上しない場合においても、圧力によって上から下へと押し付ける力が加わらないため、ローラ３２は自重のみで下軸受３５に接触するため、厳しい摺動が回避され、磨耗や焼き付き等が低減される。

また、図４に示すように、ローラ３２内径部に面取りを設け、ローラ３２の上端面に比べて下端面の面取り量を同じ、もしくは大きくすることを特徴とする構成をしている。これによって、上記と同じように漏れの低減と厳しい摺動が改善される。面取りにすることにより旋盤等で容易に加工できるため、精度良くローラの上下の面取り量を仕上げることが可能となる。

また、図５に示すように、ローラ３２の下端面に小さなくぼみ４８を設ける構成をしている。これによって、圧縮機構部３の組み立て段階で、主に下軸受３５を組み込まない状態で、上軸受３４、シリンダ３０、クランク軸３１、ローラ３２で芯出しされる。よって、シリンダ３０の下軸受３５側が組み立て時に、上に来ることが多いため、ローラ３２の下端面に設けられたくぼみ４８が目印となる。これにより、組み立て時にローラ３２の上下の間違えを回避できる。

また、図６に示すように、ローラ３２上端面の面積をＳｍａ、下端面の面積をＳｍｂ、加わる圧力をそれぞれＰｍａ、Ｐｍｂとし、高圧オイルの圧力Ｐｄが加わるローラ３２上部の面積をＳｄａ、下部の面積をＳｄｂとし、ローラ３２の自重をＷとした時に、
Ｗ≒Ｐｄ＊（Ｓｄｂ−Ｓｄａ）＋（Ｐｍｂ＊Ｓｍｂ−Ｐｍａ＊Ｓｍａ）
上式が成り立つ構成をしている。これによって、ローラ３２にかかる上下の力がつりあい、ローラ３２は上軸受３４と下軸受３５の間で浮上し、上下の隙間の均一化を図ることが出来、漏れ損失を低減することが可能となる。

ここで、ＳｍａとＳｍｂに加わる圧力ＰｍａとＰｍｂはほぼ等しくなるためにＰｍとすると、
Ｗ≒Ｐｄ＊（Ｓｄｂ−Ｓｄａ）＋Ｐｍ＊（Ｓｍｂ−Ｓｍａ）
上式とすることでも、ほぼ同様にローラ３２が浮上する。

また、作動流体としてＣＯ_２を用いることで、特に、差圧が大きく、漏れ損失の影響と摺動損失が大きいＣＯ_２においても、ローラ３２上下端面での流体の漏れを低減できるとともに、ローラ３２を下に強く押さえつける力を回避できることから、より効果的に高効率化することが可能である。

以上のように、本発明のロータリ圧縮機は、磨耗や焼き付きなどの信頼性面の低下を抑制するとともに、漏れ損失と摺動損失を同時に低減し、圧縮機の高効率化を図ることが可能となる。これにより、ＨＦＣ系冷媒やＨＣＦＣ系冷媒を用いたエアーコンディショナー用圧縮機のほかに、自然冷媒ＣＯ_２を用いたエアーコンディショナーやヒートポンプ式給湯機などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機の圧縮機構部の拡大断面図 本発明の実施の形態１におけるローラの上下端面に加わる高圧部の面積を説明する模式図 本発明の実施の形態１におけるローラの上下端面の面取り面積について説明する模式図 本発明の実施の形態１におけるローラの下端面に設けたくぼみを示す模式図 本発明の実施の形態１におけるローラの上下に加わる圧力を説明する模式図 従来の摺動部材を設けたロータリ圧縮機を示す要部断面図 従来のロータリ圧縮機を示す断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 電動機
３ 圧縮機構部
５ 上シェル
６ オイル溜り
２２ 固定子
２４ 回転子
２６ エアギャップ
２８ 切欠部
３０ シリンダ
３０ａ シリンダ内壁
３１ クランク軸
３１ａ 偏芯部
３２ ローラ
３２ａ ローラ外周
３２ｂ ローラ内周
３３ ベーン
３４ 上軸受
３５ 下軸受
３６ 吐出弁
３７ カップマフラー
３８ 吐出ポート
３９ 圧縮室
４０ 吸入ポート
４１ 油穴
４２ 給油穴
４３ 給油穴
４４ 給油穴
４５ 油溝
４６ 空間
４７ 空間
４８ くぼみ
５１ 冷媒吐出管
５２ 吐出空間
１００ スラスト軸受
１０１ 摺動部材

Claims (5)

1. 電動機と圧縮機構部をクランク軸で連結して密閉容器内に収納したものであって、前記圧縮機構部は、シリンダと、前記シリンダ内に設けられた前記クランク軸の偏心部に嵌合されたローラと、前記ローラの偏心回転に追従して前記シリンダに設けられたスロット内を往復運動するベーンと、前記シリンダの両端面を閉塞し前記クランク軸を支持する上軸受と下軸受とからなるロータリ圧縮機において、前記クランク軸の偏心部と前記ローラの嵌合部に高圧のオイルが満たされている時に、前記ローラ上端面の高圧のオイルで満たされた面積と比べて、下端面の高圧のオイルで満たされた面積と同じ、もしくは大きくすることを特徴とするロータリ圧縮機。
2. ローラ内径部に面取りを設け、前記ローラの上端面に比べて下端面の面取り量を同じ、もしくは大きくすることを特徴とする請求項１に記載のロータリ圧縮機。
3. ローラの下端面に小さなくぼみを設けることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリ圧縮機。
4. ローラ上端面の面積をＳｍａ、下端面の面積をＳｍｂ、加わる圧力をそれぞれＰｍａ、Ｐｍｂとし、高圧オイルの圧力Ｐｄが加わる前記ローラ上部の面積をＳｄａ、下部の面積をＳｄｂとし、前記ローラの自重をＷとした時、Ｗ≒Ｐｄ＊（Ｓｄｂ−Ｓｄａ）＋（Ｐｍｂ＊Ｓｍｂ−Ｐｍａ＊Ｓｍａ）の式が成り立つことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
5. 作動流体として高圧冷媒であるＣＯ_２を用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。