JP2018059515A

JP2018059515A - 回転圧縮機

Info

Publication number: JP2018059515A
Application number: JP2017235641A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　幸一; Koichi Sato; 幸一佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-04-12

Abstract

【課題】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させあるいは同一押しのけ容積のまま圧縮機の効率を向上させ、高出力化、高効率化を可能とする回転圧縮機を提供する。【解決手段】回転子を有する電動機と、回転子により回転されるクランク軸４と、クランク軸により駆動される圧縮機構部と、を備え、クランク軸は、回転子に固定される主軸４ａと主軸の軸方向に設けられる副軸４ｂとを有し、軸内部に給油用の給油穴４ｄが形成されており、副軸の外径をφＤ、給油穴の直径をφｄとしたときに、φｄ／φＤを０．７以下とし、クランク軸の遠心ポンプ作用にて圧縮機構部への給油を十分に行える。【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機や冷蔵庫などの冷凍空調装置の冷凍サイクルに用いられ、冷媒ガスの圧縮を行う回転圧縮機に関する。

圧縮機を組み立てる際に、偏芯部にピストンを嵌めるためには偏芯部の半径に対して偏芯部の偏芯量を減じた値が、主軸あるいは副軸の半径と同じかあるいは大きくなっている必要がある。仮に主軸あるいは副軸の半径に対して偏芯部の偏芯量を減じた値が、偏芯部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部にピストンを嵌め込もうとすると、偏芯部の外径とピストンの内径が干渉して嵌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、前記のように偏芯部へのピストンの嵌め込み時における制約により、偏芯部の半径に対して偏芯部の偏芯量を減じた値が、主軸あるいは副軸の半径よりも小さくなるほど偏芯量を大きくできないという課題があった。

この課題を解決するために従来、クランク軸の副軸の外径を主軸の外径よりも小さくし、副軸の半径に対して偏芯部の偏芯量を減じた値が、偏芯部の半径と同じかあるいは大きくなった回転圧縮機が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１２７４３０号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の回転圧縮機は、押しのけ容積を拡大する、すなわちピストンの外径を小さくし偏芯部の偏芯量を大きくする際、クランク軸、主軸受、副軸受、シリンダ、ピストン、ベーンなどで形成される圧縮機構部への給油に必須となるクランク軸の内部に設けられた給油穴との関係について配慮されていなかった。

押しのけ容積を大きくしようと、偏芯部の偏芯量を拡大させると前記のようにピストンを組み付ける際の制約から副軸の外径もそれに応じて小さくしていく必要がある。内部に給油穴を有する副軸の外径を小さくしていくと、副軸の剛性が低下し圧縮室で冷媒ガスを圧縮する際のガス荷重によって副軸の撓み量が大きくなり、軸受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、再起動できないおそれがある。

また圧縮機の効率を高めるためには、シリンダ高さを低くし、圧縮室の高圧側と低圧側をシールするピストンの高さも低くすることによって、高圧側の冷媒ガスがピストンとシリンダ内壁との隙間を介して低圧側へ漏れることを防止し、吸入する冷媒ガスの重量流量の低下による効率の悪化を改善することができる。しかし、同一押しのけ容積のままシリンダ高さを低くするためには、ピストンの外径を小さくし、クランク軸の偏芯部の偏芯量を大きくする必要がある。このために前記の通り内部に給油穴を有する副軸の外径を小さくしていくと、副軸の剛性が低下し圧縮室で冷媒ガスを圧縮する際のガス荷重によって副軸の撓み量が大きくなり、軸受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、再起動できないおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、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させあるいは同一押しのけ容積のまま圧縮機の効率を向上させ、高出力化、高効率化を可能とする回転圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の回転圧縮機は、回転子を有する電動機と、前記回転子により回転されるクランク軸と、前記クランク軸により駆動される圧縮機構部と、を備え、前記クランク軸は、前記回転子に固定される主軸と前記主軸の軸方向に設けられる副軸とを有し、軸内部に給油用の給油穴が形成されており、前記副軸の外径をφＤ、前記給油穴の直径をφｄとしたときに、φｄ／φＤを０．７以下とし、液体の冷媒を圧縮するものである。

本発明に係る回転圧縮機によれば、副軸の外径をφＤ、給油穴の直径をφｄとしたときに、φｄ／φＤを０．７以下とし、液体の冷媒を圧縮するので、副軸の剛性が向上し圧縮室で液冷媒を圧縮する際の液荷重による副軸の撓み量がより効果的に小さくなり、軸受の潤滑状況が悪化せず軸と軸受が圧縮機運転中に焼き付かない。よって、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させあるいは同一押しのけ容積のまま圧縮機の効率を向上させ、高出力化、高効率化を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る回転圧縮機を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１に係るクランク軸を示す側面図である。本発明の実施の形態１に係る回転圧縮機のφｄ／φＤと焼き付きに至る可能性とを示す図である。本発明の実施の形態１に係るクランク軸の副軸におけるクランク軸内部の給油穴と運転中の油面状況を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る回転圧縮機を適用した冷凍サイクル装置の一例を示す冷媒回路図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、図面の形態は一例であり、本発明を限定するものではない。また、各図において同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転圧縮機１００を示す概略構成図である。
実施の形態１では、回転圧縮機１００としては、一例として縦置形のロータリ式の密閉型電動圧縮機を示す。回転圧縮機１００は、空気調和機などの冷凍サイクルに用いられる。

図１に示すように、回転圧縮機１００は、高圧雰囲気の密閉容器１内に冷媒を圧縮する圧縮機構部３を下部に配置し、圧縮機構部３を駆動する電動機（モータ部）２を上部に配置している。電動機２は、固定子２ａと回転子２ｂとを有し、回転子２ｂに固定された回転軸であるクランク軸４を回転させ、クランク軸４により圧縮機構部３が駆動するように構成されている。

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と、主軸４ａの軸方向に設けられる副軸４ｂと、主軸４ａと副軸４ｂとの間に形成される偏芯部４ｃと、を有する。クランク軸４の内部には、給油穴４ｄが形成される。給油穴４ｄには、密閉容器１内下部に貯留した冷凍機油１３が供給される。

圧縮機構部３の圧縮室（図示せず）は、シリンダ７内に設けられたローリングピストン８とベーン９とをシリンダ７の上側端面の軸受である主軸受５および下側端面の軸受である副軸受６とで挟み込んで閉塞することで形成されている。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の偏芯部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、密閉容器１の内周部に固定される。

主軸受５は、クランク軸４の主軸４ａを軸支する軸受部５ａとシリンダ７の端面を閉塞する端板部５ｂとを有する。主軸受５の軸受部５ａ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。

副軸受６は、クランク軸４の副軸４ｂを軸支する軸受部６ａとシリンダ７の反対側の端面を閉塞する端板部６ｂとを有している。副軸受６の軸受部６ａ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。

シリンダ７内には、クランク軸４に設けられた偏芯部４ｃが収納され、偏芯部４ｃには、ローリングピストン８が自転可能に装着されている。ローリングピストン８にスプリング（図示せず）などで先端を圧接するようにベーン９が設けられ、圧縮機構部３内を吸入室（図示せず）と圧縮室を仕切っている。

そして、電動機２によりクランク軸４が回転し、偏芯部４ｃがシリンダ７内にて偏芯回転し、冷媒ガスの吸入・圧縮が繰り返される。圧縮行程においては、圧縮機構部３の吸入室に吸入された低圧の冷媒ガスが、ローリングピストン８の回転に伴って圧縮室の容積が徐々に縮小されることで圧縮され、高圧冷媒ガスになる。

ここで、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の偏芯部４ｃに嵌合するローリングピストン８とベーン９により圧縮された冷媒ガスは、密閉容器１に吐出され、吐出管１１から冷凍空調装置の冷凍サイクルへ送り出される。

図２は、本発明の実施の形態１に係るクランク軸４を示す側面図である。
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と、主軸４ａの軸方向の反対側に設けられる副軸４ｂと、主軸４ａと副軸４ｂとの間に形成される偏芯部４ｃと、クランク軸４の内部に形成される給油穴４ｄと、を有する。給油穴４ｄは、副軸４ｂの内部に、副軸４ｂを円筒状にするよう同心円の中空内部として形成される。給油穴４ｄは、副軸４ｂの端面に開口している。
クランク軸の副軸４ｂの外径をφＤ、給油穴４ｄの直径をφｄとしたときにφｄ／φＤを０．７以下、かつ、給油穴４ｄの直径を８ｍｍ以上としている。
また、一例であるが、クランク軸４の材料の縦弾性係数は１５０００〜２２０００Ｎ／ｍｍ^２であるようにするとよい。

上記のように構成したので、例えば回転圧縮機１００の能力を増加するために押しのけ容積を拡大する場合、従来の圧縮機では圧縮機を組み立てる際に、偏芯部にピストンを嵌めるためには主軸あるいは副軸の半径に対して偏芯部の偏芯量を減じた値が、偏芯部の半径と同じかあるいは大きくなっている必要がある。一方、押しのけ容積の拡大には副軸の外径を副軸の半径に対して偏芯部の偏芯量を減じた値が、偏芯部の半径と同じかあるいは大きくなっている制約のため外径を小さくする必要があり、クランク軸の剛性低下を招いていた。しかし、実施の形態１によればクランク軸４の副軸４ｂの外径φＤと給油穴４ｄの直径φｄの比φｄ／φＤを０．７以下とすることでクランク軸４の剛性を高めることができる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る回転圧縮機１００のφｄ／φＤと焼き付きに至る可能性とを示す図である。
図３に示すように、φｄ／φＤ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。φｄ／φＤが０．７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。φｄ／φＤが０．７以下の範囲では摩耗は認められるものの、滑らかな摩耗状態であり焼き付きに至らなかった。

図４は、本発明の実施の形態１に係るクランク軸４の副軸４ｂにおけるクランク軸４内部の給油穴４ｄと運転中の油面状況を示す断面図である。
クランク軸４内部に設けられた給油穴４ｄは、遠心式の構造となっており、内部に板を嵌め込み、クランク軸４の回転と共に冷凍機油１３も回転させることでクランク軸４内部に逆放物線状（凹形状）の油面形状を作り出し、クランク軸４に設けた給油経路を経由して回転圧縮機１００内部に停溜された冷凍機油１３を圧縮機構部３に供給する。しかし、給油穴４ｄの直径が小さいと冷凍機油１３の回転周方向速度も小さくなり充分な逆放物線状が得られず、給油穴４ｄの高さまで油面を持ち上げることができなくなり、主軸受５および副軸受６の潤滑状況が悪化してクランク軸４と主軸受５および副軸受６が圧縮機運転中に焼き付いて回転圧縮機１００の運転が停止して、再起動できないおそれがある。
図４に示すように、給油穴４ｄの内径が８ｍｍを下回ると、クランク軸４と同期して回転する冷凍機油１３の周速度が不足して充分な高さまで冷凍機油１３が上がらず、圧縮機構部３への給油が充分ではない。しかし、給油穴４ｄの内径（直径）が８ｍｍ以上とすることで、クランク軸４と同期して回転する冷凍機油１３の周速度が充足されて充分な高さまで油面５０が給油穴４ｄ内部に逆放物線状（凹形状）の油面形状を作り出して高くなり、圧縮機構部３への給油が充分に行える。

上記実施の形態１では、ローリングピストン８とベーン９とが別体のものについて説明したが、次にローリングピストン８とベーン９が一体となった回転圧縮機１００について説明する。

通常の運転では回転圧縮機１００が吸入して圧縮する冷媒は圧縮性流体の気体であるが、回転圧縮機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圧縮機１００に非圧縮性流体の液体の冷媒が圧縮機に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９とが別体の回転圧縮機１００においては、このような急速な圧縮室内の圧力上昇時には、ベーン９にも圧力が加わることで圧縮室から外向きの力が働き、ローリングピストン８からベーン９が離れて、圧縮室の高圧側と低圧側が連通して圧力上昇を防止する働きがあり、主軸受５および副軸受６への軸受荷重を緩和することによって、軸受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９とが一体に形成されている回転圧縮機１００においては、前記のような圧縮室内の急速な圧力上昇を防止することができず、軸受に過大な荷重がかかることで損傷にいたるおそれが強くなる。このため、実施の形態１で説明したクランク軸４の副軸４ｂの外径φＤとクランク軸４内部の給油穴４ｄの直径φｄの比であるφｄ／φＤを０．７以下とすることによるクランク軸４の剛性を高める効果は非圧縮性流体である液体の冷媒を圧縮する際には更に効果的になる。

また、上記の実施の形態１では、主軸４ａと副軸４ｂとの外形がほぼ同じものを示したが、主軸４ａの外形より副軸４ｂの外径φＤを細くして、ローリングピストン８を副軸４ｂ側から通して偏芯部４ｃに装着するようにしてもよい。副軸４ｂは主軸４ａよりも軸の長さが短いためローリングピストン８の偏芯部４ｃに装着し易くできる効果がある。

以上の実施の形態１によれば、副軸４ｂの外径をφＤ、軸内部に設けた給油穴４ｄの直径をφｄとしたときに、φｄ／φＤを０．７以下としたので、副軸４ｂの剛性が向上し圧縮室で冷媒ガスを圧縮する際のガス荷重による副軸４ｂの撓み量が小さくなり、主軸受５および副軸受６の潤滑状況が悪化せずクランク軸４と主軸受５および副軸受６が圧縮機運転中に焼き付かない。よって、主軸受５および副軸受６の焼き付きが生じない信頼性を維持したまま、回転圧縮機１００の冷媒の押しのけ容積を増大させあるいは、同一押しのけ容積のまま回転圧縮機１００の効率を向上させ、高出力化、高効率化を図ることができる。

また、給油穴４ｄの径を８ｍｍ以上としたので、上記の焼き付かない効果に加えて、給油穴４ｄの直径が大きく冷凍機油１３の回転周方向速度も大きくなり充分な逆放物線状が得られ、給油穴４ｄの高さまで油面５０を持ち上げることができ、主軸受５および副軸受６の潤滑状況が良好となる。よって、主軸受５および副軸受６の焼き付きが生じない信頼性を維持したまま、回転圧縮機１００の冷媒の押しのけ容積を増大させあるいは、同一押しのけ容積のまま回転圧縮機１００の効率を向上させ、高出力化、高効率化を図ることができる。また、冷凍機油１３の圧縮機構部３への給油も十分に行えるものが得られる。

また、副軸４ｂの外径φＤは、主軸４ａの外径よりも小さく構成したので、ローリングピストン８を偏芯部４ｃに装着し易くでき、偏芯量を大きくして、回転圧縮機１００の冷媒の押しのけ容積を増大しあるいは同一押しのけ容積のまま回転圧縮機１００の効率を向上し、高出力化、高効率化を図ることができる。

また、ローリングピストン８をクランク軸４の副軸４ｂをくぐらせて偏芯部４ｃに嵌め込むようにしたので、ローリングピストン８を偏芯部４ｃに装着し易くでき、偏芯量を大きくして、回転圧縮機１００の冷媒の押しのけ容積を増大しあるいは同一押しのけ容積のまま回転圧縮機１００の効率を向上し、高出力化、高効率化を図ることができる。

また、ローリングピストン８とベーン９を一体に形成すると、クランク軸４の副軸４ｂの外径φＤとクランク軸４内部の給油穴４ｄの直径φｄの比であるφｄ／φＤを０．７以下とすることによる上記の焼き付かない効果は非圧縮性流体である液体の冷媒を圧縮する際には更に効果的になる。

また、クランク軸４の縦弾性係数は１５０００〜２２０００Ｎ／ｍｍ^２であるようにしたので、主軸受５および副軸受６の摩耗が防止できる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る回転圧縮機１００を適用した冷凍サイクル装置２００の一例を示す冷媒回路図である。
図５に示す冷凍サイクル装置２００は、回転圧縮機１００、凝縮器２０１、膨張弁２０２、蒸発器２０３を冷媒配管で接続した冷凍サイクル回路を形成している。そして、蒸発器２０３から流出した冷媒は、回転圧縮機１００に吸入されて圧縮されて高温・高圧となる。高温・高圧となった冷媒は、凝縮器２０１にて凝縮され液体になる。液体となった冷媒は、膨張弁２０２で減圧・膨張されて低温・低圧の気液二相となり、気液二相状態の冷媒が蒸発器２０３にて熱交換される。
回転圧縮機１００は、上記のような冷凍サイクル装置２００に適用することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１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偏芯部、４ｄ給油穴、５主軸受、５ａ軸受部、５ｂ端板部、６副軸受、６ａ軸受部、６ｂ端板部、７シリンダ、８ローリングピストン、９ベーン、１０吸入連結管、１１吐出管、１２アキュムレータ、１３冷凍機油、５０油面、１００回転圧縮機、２００冷凍サイクル装置、２０１凝縮器、２０２膨張弁、２０３蒸発器。

Claims

回転子を有する電動機と、
前記回転子により回転されるクランク軸と、
前記クランク軸により駆動される圧縮機構部と、を備え、
前記クランク軸は、
前記回転子に固定される主軸と前記主軸の軸方向に設けられる副軸とを有し、軸内部に給油用の給油穴が形成されており、
前記副軸の外径をφＤ、前記給油穴の直径をφｄとしたときに、φｄ／φＤを０．７以下とし、
液体の冷媒を圧縮する回転圧縮機。
前記給油穴の直径を８ｍｍ以上とした請求項１に記載の回転圧縮機。
前記副軸の外径は、前記主軸の外径よりも小さい請求項１または２に記載の回転圧縮機。
前記クランク軸は、
前記主軸と前記副軸との間に形成される偏芯部を有し、
前記圧縮機構部は、
前記クランク軸の前記偏芯部に摺動自在に嵌合するピストンを備え、
前記クランク軸の前記副軸をくぐらせて前記ピストンを前記偏芯部に嵌め込む構成とした請求項３に記載の回転圧縮機。
前記クランク軸は、
前記主軸と前記副軸との間に形成される偏芯部を有し、
前記圧縮機構部は、
前記クランク軸の前記偏芯部に摺動自在に嵌合するピストンと、
前記ピストンと一体に形成されたベーンと、
を備えた請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転圧縮機。
前記クランク軸の縦弾性係数は１５０００〜２２０００Ｎ／ｍｍ^２である請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転圧縮機。