JP5168169B2 - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、空調機、冷凍機、ブロワ、給湯機等に使用される密閉型圧縮機に関するものである。

従来、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密閉型圧縮機が使用されている。このような密閉型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１０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、電動機２は、ステータ２２とロータ２４とで構成されている。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３４ａの端板３４と下軸受３５ａの端板３５とで形成された圧縮室３９と、この圧縮室３９内に上軸受３４ａおよび下軸受３５ａに支持されたクランク軸３１の偏心部３１ａに嵌合されたピストン３２と、このピストン３２の外周にピストン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３４ａ、下軸受３５ａ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３４ａ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が開通されている。吐出ポート３８は上軸受３４ａ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。低圧部側ではピストン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、高圧部側ではピストン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。

一方、クランク軸３１の偏心部３１ａと上軸受３４ａの端板３４とピストン３２の内周面で囲まれる空間４６、クランク軸３１の偏心部３１ａと下軸受３５ａの端板３５とピストン３２の内周面で囲まれる空間４７が構成されている。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にはほぼ常に圧縮室３９内部の圧力より高い状態にある。

また、シリンダ３０の高さはピストン３２が内部で摺動できるようにこのピストン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、このピストン３２の端面と端板３４、端板３５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。

上記のようなロータリ圧縮機において、特に端板３４に吐出ポート３８を設けた場合、吐出ポート３８に導かれた高圧の圧縮ガスが、吐出ポート３８とピストン３２端面と重なる面積だけ、吐出ポート３８を設けていない端板３５にピストン３２を強く押し付ける力が発生する。それによって、ピストン３２端面と端板３５で強く摺動するため、大きな摺動損失となり圧縮機の効率を低下させるだけでなく、ピストン３２端面や端板３５の磨耗や焼き付の要因となっていた。

この磨耗や焼き付を解決する手段として特許文献１の構成が提案されている。図９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９に示すように電動機の回転力を圧縮部３に伝達するクランク軸３１のスラスト軸受１００を下軸受３５ａに当接させて支持すると供に下端を密閉容器１の底面に溜められた潤滑油に浸け、クランク軸３１の回転に伴ってこのクランク軸３１の油穴４１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３５ａを鉄系金属で構成し、クランク軸３１のスラスト軸受１００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１０１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を図っていた。
特開２００２−１９５１８０号公報

上述した従来のロータリ圧縮機の構造では、ピストン３２端面の摺動状態は良化する。しかし、吐出ポート３８に導かれた高圧ガスによってピストン３２を端板３５に押し付ける力が発生するため、ピストン３２が片側の端板３５に押し付けられた状態となる。一般的にガス漏れは隙間の３乗に比例するため、ピストン３２上下の隙間が均等に配分された時と不均等に配分された時では後者の方がガス漏れ量としては多くなる。よって、ピストン３２端面を通じて低圧の圧縮室や吸入室へと漏れるガスやオイルは抑制することが出来ない。また、摺動部材１０１を新たに追加するため、ロータリ圧縮機の材料費も高くなってしまう。

そこで本発明では、上記の事情に鑑みてなされたもので、ピストン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、安価な密閉型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、本発明の密閉型圧縮機は、少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内に設けられてクランク軸の偏心部に嵌合されたピストンと、前記ピストン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する二つの端板を有し、前記ピストンの偏心回転に伴って作動流体を圧縮する密閉型圧縮機であって、一方の前記端板に前記圧縮された作動流体が吐出する吐出ポートを設け、他方の前記端板に前記作動流体が導入される凹部を設け、少なくとも前記凹部には、前記吐出ポートに導入される圧力と同程度の圧力を有する流体が導入され、かつ、前記凹部と前記吐出ポートとが略対向する位置関係にあることを特徴とする。

上記の構成の、吐出ポートと対向する端板に凹部を設けることにより、凹部の面積分だけ逆にピストンを吐出ポートがある端板に押し返すことが出来る。これによって、新たな部品を追加することなく、ピストンと端面の厳しい摺動状態を安価に改善することが出来る。また、上下方向の力が均一化されることにより、ピストンの上下端面と端板の間の隙間が均一化される方向になり、ピストン上下端面を通じて吸入室や低圧の圧縮室へと漏れていたガスやオイルが抑制されることから圧縮損失の低減も可能となる。よって、高い信頼性と高い効率を持った密閉型圧縮機が可能となる。

本発明の密閉型圧縮機は、安価な構成で吐出ポートがある端板方向にピストンを押し返すことにより、ピストン端面の厳しい摺動状態を改善し、磨耗や焼き付き等の発生の抑制することが出来る。また、ピストンの上下端面と端板の隙間が均一化される方向になり、
ピストン両端面を通じて吸入室や低圧の圧縮室へと漏れていたガスやオイルを大幅に減少させることが可能となり、効率向上を図ることが出来る。

第１の発明は、少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内に設けられてクランク軸の偏心部に嵌合されたピストンと、前記ピストン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する二つの端板を有し、前記ピストンの偏心回転に伴って作動流体を圧縮する密閉型圧縮機であって、一方の前記端板に前記圧縮された作動流体が吐出する吐出ポートを設け、他方の前記端板に前記作動流体が導入される凹部を設け、少なくとも前記凹部には、前記吐出ポートに導入される圧力と同程度の圧力を有する流体が導入され、かつ、前記凹部と前記吐出ポートとが略対向する位置関係にあるものである。この構成により、吐出ポートとピストン端面の重なる面積分だけピストンを吐出ポートのない端板に押し付ける力が発生していたのに対し、凹部とピストン端面の重なる面積分だけ逆にピストンを吐出ポートのある端板に押し返すことが出来る。よって、新たな部品を追加することなく、ピストンと端面との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の発明の密閉型圧縮機において、吐出ポートと凹部が、シリンダと二つの端板に囲まれて形成される圧縮室に、それぞれ臨む面積が略同じであることを特徴とするものである。この構成により、ピストンの上下方向に加わる力がほぼ均一化され、ピストンの上下端面と端板間の二つの隙間も均一化される。一般的にガス漏れは隙間の３乗に比例するため、ピストン上下の隙間が均等に配分された時と不均等に配分された時では後者の方がガス漏れ量としては多くなる。そのため、ピストン上下端面の隙間を通じて吸入室へと漏れていたガスやオイルが抑制されることから、圧縮損失の低減も可能となり、高い信頼性と高い効率を持った密閉型圧縮機が得られる。

第３の発明は、特に、第１または２の発明の密閉型圧縮機において、凹部と吐出ポートが、略同一形状であるとともに、圧縮室を挟んで略対向する位置に配置されたことを特徴とするものである。この構成により、ピストンの上下端面に加わる力がほぼ同一直線状で反対方向に加わるためピストン中心に対する回転モーメントが相殺され、ピストンの上下端面と端板間の二つの隙間がさらに均一化される。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の密閉型圧縮機において、作動流体としてＣＯ２を用いることで、特に、差圧が大きく、摺動損失と漏れ損失が大きいＣＯ２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。

第５の発明は、特に第１〜３のいずれか１つの発明の密閉型圧縮機において、作動流体としてＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒を用いる。ＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒では、高温で分解しやすく不安定であるが、ベーン先端とピストンの揺動部の潤滑性が向上するため、従来の密閉型圧縮機と比較して信頼性が向上する。

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密閉型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図面である。

以下、密閉型圧縮機としてロータリ圧縮機を例にして説明する。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３４ａの端板３４と下軸受３５ａの端板３５とで形成された圧縮室３９と、この圧縮室３９内に上軸受３４ａおよび下軸受３５ａに支持されたクランク軸３１の偏心部３１ａに嵌合されたピストン３２と、このピストン３２の外周に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３４ａ、下軸受３５ａ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３４ａ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が開通されている。吐出ポート３８は上軸受３４ａ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。低圧部側ではピストン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、高圧部側ではピストン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。

一方、クランク軸３１の偏心部３１ａと上軸受３４ａの端板３４とピストン３２の内周面で囲まれる空間４６、クランク軸３１の偏心部３１ａと下軸受３５ａの端板３５とピストン３２の内周面で囲まれる空間４７が構成されている。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にはほぼ常に圧縮室３９内部の圧力より高い状態にある。

また、シリンダ３０の高さはピストン３２が内部で摺動できるようにこのピストン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、このピストン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、さらに具体的に本発明の実施の形態を説明する。図３は本発明の第１の実施の形態における圧縮機構部を示す要部分解斜視図、図４ないし図６は本発明の第１の実施の形態における圧縮機構部を示す要部縦断面図と横断面図であり、吐出ポートと凹部の位置関係を示すものである。図７と図８は本発明の第１の実施の形態における圧縮機構部を示す上部平面図である。

図３に示すように、一方の端板３４に吐出ポート３８を設け、他方の端板３５に凹部４８を設ける。図４（Ｂ）ではクランク軸３１の軸心方向から見て、吐出ポート３８と凹部４８の位置関係を示している。吐出ポート３８がピストン３２端面と重なる面積分だけ、吐出ポート３８を設けていない端板３５に、ピストン３２を押し付ける力が発生する。それに対して、凹部４８とピストン３２端面と重なる面積分だけ、逆にピストン３２を吐出ポート３８を設けた端板３４に押し返す力が発生する。よって、新たな部品を追加することなく、ピストン３２端面と端板３５との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５（Ｂ）ではクランク軸３１の軸心方向から見て、吐出ポート３８と凹部４８の位置関係を示している。吐出ポート３８と凹部４８が、シリンダ３０と二つの端板３４，３５に囲まれて形成される圧縮室３９に、それぞれ臨む面積を略同じにする。この構成により、ピストン３２の上下方向に加わる力がほぼ均一化され、ピストン３２の上下端面
と端板３４，３５間の二つの隙間が均一化される。一般的にガス漏れは隙間の３乗に比例するため、ピストン上下の隙間が均等に配分された時と不均等に配分された時では後者の方がガス漏れ量としては多くなる。よって、ピストン３２上下端面の隙間を通じて吸入室へと漏れていたガスや油が抑制されることから圧縮損失の低減も可能となり、高い信頼性と高い効率を持った圧縮機が得られる。

また、図６（Ｂ）ではクランク軸３１の軸心方向から見て、吐出ポート３８と凹部４８の位置関係を示している。凹部４８と吐出ポート３８が、略同一形状であるとともに、圧縮室３９を挟んで略対向する位置にあることを特徴とするものである。この構成により、ピストン３２の上下端面に加わる力がほぼ同一直線状で反対方向に加わるためピストン中心に対する回転モーメントが相殺され、ピストン３２の上下端面と端板３４，３５間の二つの隙間がさらに均一化される。

また、図７に示すような、ピストン３２の外周部に突出状に結合されて圧縮室３９を低圧側と高圧側とに区画するベーン３３と、ベーン３３を揺動自在に且つ進退自在に支持する揺動ブッシュ３０ｂで構成されたロータリ圧縮機においても、上記内容と同等の効果が得られる。

また、図８に示すような、ピストン３２と先端部３３ａで揺動自由に接続されるベーンで構成されたロータリ圧縮機においても、上記内容と同等の効果が得られる。

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、ピストン３２上下端面での流体の漏れを低減できるとともに、ピストン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。

また、作動流体としてＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒を用いる。ＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒では、高温で分解しやすく不安定である。よって、本発明のロータリ圧縮機ではベーン３３先端とピストン３２の揺動部の潤滑性が向上するため、従来のロータリ圧縮機と比較して信頼性が向上する。

以上のように、本発明の密閉型圧縮機は、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における密閉型圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態１における密閉型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における圧縮機構部を示す要部分解斜視図 本発明の実施の形態１における圧縮機構部を示す要部縦断面図と横断面図 本発明の実施の形態１における圧縮機構部を示す要部縦断面図と横断面図 本発明の実施の形態１における圧縮機構部を示す要部縦断面図と横断面図 本発明の実施の形態１における圧縮機構部を示す上部平面図 本発明の実施の形態１における圧縮機構部を示す上部平面図 従来のロータリ圧縮機を示す要部縦断面図 従来のロータリ圧縮機を示す縦断面図

１ 密閉容器
２ 電動機
２２ 固定子
２４ 回転子
２６ エアギャップ
２８ 切欠部
３ 圧縮機構部
３０ シリンダ
３０ａ シリンダ内壁
３０ｂ 揺動ブッシュ
３１ クランク軸
３１ａ 偏芯部
３２ ピストン
３２ａ ピストン外周
３２ｂ ピストン内周
３３ ベーン
３４ 端板
３５ 端板
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 凹部
５ 上シェル
５１ 冷媒吐出管
５２ 吐出空間
６ オイル溜り
１００ スラスト軸受
１０１ 摺動部材

Claims (5)

1. 少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内に設けられてクランク軸の偏心部に嵌合されたピストンと、前記ピストン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する二つの端板を有し、前記ピストンの偏心回転に伴って作動流体を圧縮する密閉型圧縮機であって、一方の前記端板に前記圧縮された作動流体が吐出する吐出ポートを設け、他方の前記端板に前記作動流体が導入される凹部を設け、少なくとも前記凹部には、前記吐出ポートに導入される圧力と同程度の圧力を有する流体が導入され、かつ、前記凹部と前記吐出ポートとが略対向する位置関係にあることを特徴とする密閉型圧縮機。
2. 吐出ポートと凹部が、シリンダと二つの端板に囲まれて形成される圧縮室に、それぞれ臨む面積が略同じであることを特徴とする請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 凹部と吐出ポートが、略同一形状であるとともに、圧縮室を挟んで略対向する位置に配されたことを特徴とする請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. 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１〜３のいずれか１項に記載の密閉型圧縮機。
5. 作動流体としてＨＦＯ−１２３４ｙｆを用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の密閉型圧縮機。