JP6019669B2 - 回転式圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、回転式圧縮機に関し、特に回転式圧縮機を高速で運転可能にするための対策に係るものである。

従来より、空気調和機の冷媒回路等に広く適用される回転式圧縮機が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

この回転式圧縮機では、空調負荷の変動に対応するためインバータが電気的に接続されている。このインバータにより、空調負荷に合わせて回転式圧縮機の運転回転数を調整することが可能になる。そして、空調負荷の増大にも容易に対応することができるように、従来よりも高速で回転式圧縮機を運転することが考えられる。

特開２００８−１４４５８７号公報

しかしながら、この回転式圧縮機に係る電動機の回転子には、該回転式圧縮機の振動を抑えるためにバランサが取り付けられている。そして、この回転軸に係る回転子側を自由端とする片持ち状態の場合において、この回転式圧縮機を高速回転させると、バランサの遠心力で回転軸の撓みが大きくなって、回転軸と軸受との間で片当たりが生じ、回転軸と軸受との間で焼き付きが生じてしまうという問題がある。このことから、回転式圧縮機の高速回転化には限界があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、空気調和装置に適用される回転式圧縮機において、高速回転時での軸撓みによる軸受の焼き付きをなくし、従来よりも高速で運転できるようにすることにある。

第１の発明は、回転軸（23）と、上記回転軸（23）の一端部に取り付けられたロータ（22）を有する電動機（20）と、上記回転軸（23）の他端部に取り付けられたピストン（40）を有する圧縮機構（30）とを備え、上記ピストン（40）が上記回転軸（23）の軸心に対して偏心して回転する回転式圧縮機を前提としている。

そして、上記回転式圧縮機において、上記回転軸（23）を上記ロータ（22）と上記ピストン（40）との間で摺動自在に支持する摺動部（36a）を有するフロントヘッド（31）の軸受部（36）と、上記回転軸（23）を上記フロントヘッド（31）の軸受部（36）との間に上記ピストン（40）を挟む位置で摺動自在に支持するリヤヘッド（35）の軸受部（37）と、上記ロータ（22）の両端面のうち上記圧縮機構（30）に対面する第１端面に取り付けられ、上記回転軸（23）の軸心に対して上記ピストン（40）の偏心方向と反対方向へ偏心する第１バランスウエイト（1）と、上記ロータ（22）の両端面のうち上記第１端面と反対側の第２端面に取り付けられ、上記回転軸（23）の軸心に対して上記ピストン（40）の偏心方向と同方向へ偏心する第２バランスウエイト（2）とを備え、上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の重量をそれぞれｍ１[ｇ]、ｍ２[ｇ]とし、上記回転軸（23）の軸心と上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の重心との間の偏心距離をそれぞれｒ１[ｍ]、ｒ２[ｍ]とし、上記軸受部（36）の摺動部（36a）におけるピストン（40）側の一端（ａ）から上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の重心までの距離をそれぞれｂ１[ｍ]、ｂ２[ｍ]とした場合に、０．７５×（ｂ１／ｂ２）＜（ｍ２×ｒ２）／（ｍ１×ｒ１）＜１．２５×（ｂ１／ｂ２）の関係を満たしていることを特徴としている。

第１の発明では、上記回転軸（23）に対して互いに反対方向に偏心する第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）に係る曲げモーメントの差を所定の範囲内にすることで軸撓みを抑え、この軸撓みによる軸受部（36）の片当たりを抑制するようにした。ここで、これらの曲げモーメントの基準を、上記軸受部（36）の摺動部（36a）におけるピストン（40）側の一端（ａ）に設定している。上記軸受部（36）の摺動部（36a）とは、上記軸受部（36）が上記回転軸（23）と摺接している部分をいう。

第２の発明は、第１の発明において、上記ピストン（40）に嵌め込まれた上記回転軸（23）の偏心部（14）及び上記ピストン（40）の重量をそれぞれｍｃ[ｇ]、ｍｐ[ｇ]とし、上記回転軸（23）の軸心と上記偏心部（14）及び上記ピストン（40）の重心との偏心距離をそれぞれｒｃ[ｍ]、ｒｐ[ｍ]とした場合に、ｍ１×ｒ１＝（ｍｐ×ｒｐ）＋（ｍｃ×ｒｃ）＋（ｍ２×ｒ２）の関係を満たすように設定されていることを特徴としている。

第２の発明では、２つのバランスウエイト（1,2）と偏心部（14）とピストン（40）との関係を規定して、上記回転軸（23）の静バランスを釣り合わせるようにした。これにより、上述した静バランスを釣り合わせない場合に比べて、回転式圧縮機の振動が抑えられる。

本発明によれば、上記回転軸（23）に対して互いに反対方向に偏心する第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）に係る曲げモーメントの差を所定の範囲内に収めることで軸撓みを抑えるようにした。これにより、この軸撓みによる軸受部（36）の片当たりが抑えられ、回転軸（23）と軸受部（36）との間の焼き付きを防止することができる。この結果、回転式圧縮機を従来よりも高速で運転することができる。

また、上記第２の発明によれば、両方のバランスウエイト（1,2）に係る曲げモーメントの相殺だけでなく、回転軸（23）の静バランスも釣り合わせるようにした。これにより、上述した静バランスを釣り合わせない場合に比べて、上記回転式圧縮機の振動を抑えることができる。

図１は、本実施形態に係る揺動ピストン式圧縮機の縦断面図である。 図２は、揺動ピストン式圧縮機に係る圧縮機構の内部を示す平面図である。 図３は、揺動ピストン式圧縮機に係るバランスウエイトと偏心部とピストンとの関係を示した図である。 図４は、揺動ピストン式圧縮機に係る軸受メタルの下端部付近の拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

〈圧縮機の全体構成〉
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る揺動ピストン式圧縮機（回転式圧縮機）（10）は、ケーシング（11）内に、圧縮機構（30）と電動機（20）とが収納され、全密閉型に構成されている。上記揺動ピストン式圧縮機（10）は、例えば、空気調和装置の冷媒回路中に設けられ、冷媒を吸入、圧縮して吐出するように構成されている。

ケーシング（11）は、円筒状の胴部（12）と、この胴部（12）の上下の端部にそれぞれ固定された鏡板（13a，13b）とによって構成されている。胴部（12）には、下方寄りの所定の位置に、この胴部（12）を貫通する吸入管（15a）が設けられている。一方、上部の鏡板（13a）には、ケーシング（11）の内外を連通する吐出管（16）が設けられている。

圧縮機構（30）は、ケーシング（11）内の下部側に配置されている。圧縮機構（30）は、シリンダ（19）と、このシリンダ（19）のシリンダ室（39）の内部に収納されたピストン（40）とを備えている。シリンダ（19）は、環状シリンダ部（32）と、この環状シリンダ部（32）の上部開口を閉塞するフロントヘッド（31）と、環状シリンダ部（32）の下部開口を閉塞するリヤヘッド（35）とから構成されている。そして、環状シリンダ部（32）の内周面と、フロントヘッド（31）の下端面と、リヤヘッド（35）の上端面との間に、シリンダ室（39）が区画形成されている。

電動機（20）は、ステータ（21）とロータ（22）とを備えている。ステータ（21）は、圧縮機構（30）の上方でケーシング（11）の胴部（12）に固定されている。ロータ（22）は円筒状に形成されている。ロータ（22）の中空部に回転軸（23）が挿通固定され、ロータ（22）と共に回転軸（23）が回転する。このロータ（22）の両端面には、それぞれバランスウエイト（1,2）が設けられている。これらのバランスウエイト（1,2）は、本発明の特徴であり、詳しく後述する。

回転軸（23）は、シリンダ室（39）を上下方向に貫通している。フロントヘッド（31）とリヤヘッド（35）には、回転軸（23）を支持するための軸受メタル（軸受部）（36，37）が設けられている。

尚、本実施形態の揺動ピストン式圧縮機（10）には、回転軸（23）に係るロータ（22）の上側を回転支持する軸受が設けられていない。このことから、この回転軸（23）は、該回転軸（23）の下側部分のみを軸受メタル（36，37）で回転支持する、いわゆる片持ち構造になっている。

また、回転軸（23）には、その軸方向に縦貫する給油路（図示省略）が設けられている。さらに、回転軸（23）の下端部には、油ポンプ（25）が設けられている。そして、この油ポンプ（25）によって、ケーシング（11）内の底部に貯留されている潤滑油を、上記給油路内を流通させて圧縮機構（30）の摺動部へ供給するように構成されている。

回転軸（23）には、シリンダ室（39）の中に位置する部分に偏心部（14）が形成されている。偏心部（14）は、回転軸（23）よりも大径に形成され、回転軸（23）の軸心から所定量だけ偏心している。そして、この偏心部（14）が、環状に形成されたピストン（40）の中空部に摺動自在に嵌め込まれている。

ピストン（40）は、図２に示すように、該ピストン（40）の外周面から上記回転軸（23）の径方向外方へ突出する板状のブレード（41）が一体的に形成されている。このブレード（41）は、一体形成か、または別部材を一体的に固着することにより形成されている。ピストン（40）はシリンダ室（39）の内部で公転可能に構成され、ブレード（41）はシリンダ（19）に揺動可能に保持されている。このブレード（41）により、上記シリンダ室（39）が高圧室（45a）及び低圧室（45b）に区画される。

上記環状シリンダ部（32）には、回転軸（23）の軸方向と平行に断面円形状のブッシュ孔（42）が貫通形成されている。ブッシュ孔（42）は、環状シリンダ部（32）の内周面側に形成され、且つ周方向の一部分がシリンダ室（39）と連通するように形成されている。

このブッシュ孔（42）の内部には、断面が略半円形状の一対のブッシュ片（43）が挿入されている。

一対のブッシュ片（43）は、フラットな面同士が対向するように配置されている。そして、この一対のブッシュ片（43）の対向面の間にブレード溝（38）が形成されている。ブレード溝（38）には、ピストン（40）のブレード（41）が挿入されている。ブッシュ片（43）は、ブレード溝（38）にブレード（41）を挟んだ状態で、ブレード（41）がその面方向にブレード溝（38）を進退するように構成されている。同時に、ブッシュ片（43）は、ブレード（41）と一体的にブッシュ孔（42）の中で揺動するように構成されている。なお、この実施形態では一対のブッシュ片（43）を別体とした例について説明したが、一対のブッシュ片（43）は一体としてもよい。

そして、回転軸（23）が回転すると、ピストン（40）は、ブレード（41）がブレード溝（38）内を進退しながら、シリンダ側の一点（ブッシュ孔（42）の中心）を軸心として揺動する。この揺動動作により、ピストン（40）と環状シリンダ部（32）の内周面との接触部が時計周り方向へ移動する。このとき、上記揺動ピストン（40）の本体部（28a）は回転軸（23）の周りを公転するが、自転はしない。

環状シリンダ部（32）には吸入ポート（44）が形成されている。この吸入ポート（44）は、環状シリンダ部（32）をその径方向に貫通しており、一端が低圧室（45b）に臨むように開口している。一方、吸入ポート（44）の他端には上記吸入管（15a）が接続されている。

また、フロントヘッド（31）には、該フロントヘッド（31）を軸方向に貫通する吐出ポート（46）が形成されている。この吐出ポート（46）の一端が、シリンダ室（39）の高圧室（45a）に軸方向から開口している。又、この吐出ポート（46）の他端には、図示しない吐出弁が取り付けられている。この吐出弁によって吐出ポート（46）が開閉される。この吐出弁が開いたときに、上記吐出ポート（46）を通じて高圧室（45a）とケーシング（11）の内部空間とが連通する。

上記圧縮機構（30）は、ピストン（40）に設けられたブレード（41）がシリンダ（19）に保持されて揺動しながら該ピストン（40）がシリンダ室（39）内で公転し、ピストン（40）がブレード（41）側でシリンダ（19）と実質的に接する上死点から下死点を経て再び上死点に戻る３６０°の回転で、吸入行程と圧縮行程と吐出行程の１サイクルが行われるように構成されている。このピストン（40）の動作中には、シリンダ（19）とピストン（40）の間に常に一点の接触部（厳密には、ピストン（40）の外周面とシリンダ室（39）の内周面との間に油膜等を介してシール部を構成するシールポイント）が形成される。

〈ロータのバランスウエイト〉
図１、図３に示すように、上記ロータ（22）には、２つのバランスウエイト（1,2）が設けられている。第１バランスウエイト（1）は、上記ロータ（22）の下端面（第１端面）に取り付けられている。第１バランスウエイト（1）は、上記回転軸（23）の軸心に対して上記偏心部（14）の偏心方向と反対方向に偏心している。

一方、第２バランスウエイト（2）は、上記ロータ（22）の上端面（第２端面）に取り付けられている。第２バランスウエイト（2）は、上記回転軸（23）の軸心に対して上記偏心部（14）の偏心方向と同方向に偏心している。そして、両方のバランスウエイト（1,2）は、以下に示す式（１）の関係を満たしている。

０．７５×（ｂ１／ｂ２）＜（ｍ２×ｒ２）／（ｍ１×ｒ１）＜１．２５×（ｂ１／ｂ２）・・・式（１）
上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の重量をそれぞれｍ１[ｇ]、ｍ２[ｇ]とし、上記回転軸（23）の軸心と上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の重心との間の偏心距離をそれぞれｒ１[ｍ]、ｒ２[ｍ]とし、上記軸受メタル（36）の摺動部（36a）の下端（ａ）から上記第１バランスウエイト（1）の重心までの軸方向に沿う距離をｂ１[ｍ]、上記軸受メタル（36）における摺動部（36a）の下端（ａ）から上記第２バランスウエイト（2）の重心までの軸方向に沿う距離をｂ２[ｍ]としている。尚、上記軸受メタル（36）の摺動部（36a）とは、該軸受メタル（36）が上記回転軸（23）に摺接する部分をいう。

尚、図４に示すように、本実施形態では、上記軸受メタル（36）の下端部が全周に亘って切り欠かれている。このため、上記摺動部（36a）の下端（ａ）は、上記軸受メタル（36）の下端よりも上側に位置する。

ここで、上記軸受メタル（36）の下端部を全周に亘って切り欠いているのは、上記回転軸（23）に設けられた全周溝（34）の角部と軸受メタル（36）の内面とが接触しないようにするためである。これにより、全周溝（34）の角部の接触による軸受メタル（36）の損傷をなくすことができる。

この式（１）の関係を満たすように、第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）を設定することにより、両方のバランスウエイト（1,2）に係る曲げモーメントの差が所定の範囲内となる。本実施形態では、ｒ１及びｒ２は同じ長さで、ｂ１よりもｂ２が長く、ｍ２よりもｍ１が重い。又、第１バランスウエイト（1）は、第２バランスウエイト（2）よりも大きな容積である。

尚、この曲げモーメントは、式（１）からわかるように、上記軸受メタル（36）の摺動部（36a）の下端を固定点とした場合の曲げモーメントである。この結果、この摺動部（36a）の下端よりも上側の軸撓みが抑えられ、該軸撓みによる軸受メタル（36）の片当たりが抑制される。尚、上記回転軸（23）の軸撓みに関し、上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の関係を（ｂ１／ｂ２）＝（ｍ２×ｒ２）／（ｍ１×ｒ１）とするのが好ましい。

又、本実施形態では、両方のバランスウエイト（1,2）とピストン（40）と偏心部（14）との関係を、以下の式（２）で規定している。

ｍ１×ｒ１＝（ｍｐ×ｒｐ）＋（ｍｃ×ｒｃ）＋（ｍ２×ｒ２）・・・式（２）
ここで、上記偏心部（14）及び上記ピストン（40）の重量をそれぞれｍｃ[ｇ]、ｍｐ[ｇ]とし、上記回転軸（23）の軸心と上記偏心部（14）及び上記ピストン（40）の重心との偏心距離をそれぞれｒｃ[ｍ]、ｒｐ[ｍ]としている。本実施形態では、上記偏心部（14）及び上記ピストン（40）の重心位置は一致している。

式（２）の関係を満たすように、第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）を設定することにより、上記回転軸（23）の静バランスを釣り合わせることができるようになる。この結果、上述した静バランスを釣り合わせない場合に比べて、揺動ピストン式圧縮機（10）の振動を抑えることができる。

−運転動作−
次に、この揺動ピストン式圧縮機（10）の運転動作について説明する。

電動機（20）を起動してロータ（22）が回転すると、該ロータ（22）の回転が回転軸（23）を介してピストン（40）に伝達される。これによって、ピストン（40）のブレード（41）がブッシュ片（43）に対して往復直線運動の摺動を行い、且つブッシュ片（43）が上記ブッシュ孔（42）内で往復回転運動を行うことで、ブレード（41）がブッシュ孔（42）を中心として揺動しながらピストン（40）がシリンダ室（39）内で回転軸（23）を中心として公転し、圧縮機構（30）が所定の圧縮動作を行う。

ピストン（40）が、上死点から正回転方向（図２における右回り）に公転すると、低圧室（45b）の容積が徐々に拡大し、この低圧室（45b）に低圧の冷媒ガスが吸入ポート（44）を介して吸入される。

ピストン（40）が下死点を通過して公転を続けると、低圧室（45b）の容積がさらに拡大していく。そして、ピストン（40）が更に公転して、環状シリンダ部（32）の内周面とピストン（40）の外周面との接触部が吸入ポート（44）にまで達すると、この低圧室（45b）は冷媒が圧縮される高圧室（45a）となる。同時に、ブレード（41）を隔てて新たな低圧室（45b）が形成される。

また、上記ピストン（40）がさらに公転すると、低圧室（45b）への冷媒の吸入が繰り返される一方、高圧室（45a）の容積が減少し、該高圧室（45a）では冷媒が圧縮される。高圧室（45a）の圧力が所定値となって圧縮機構（30）の外側空間との差圧が設定値に達すると、高圧室（45a）の高圧冷媒によって吐出弁が開き、高圧冷媒が高圧室（45a）からケーシング（11）の内部に吐出される。この動作が繰り返される。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、両方のバランスウエイト（1,2）の曲げモーメントの差を所定範囲内とした。これにより、この軸撓みによる軸受メタル（36）の片当たりが抑えられ、回転軸（23）と軸受メタル（36）との間の焼き付きを防止することができる。この結果、揺動ピストン式圧縮機（10）を従来よりも高速（１００００ｒｐｍ以上）で運転することができる。

また、本実施形態によれば、高速回転時の軸撓みをさらに抑えるため、両方のバランスウエイト（1,2）に係る曲げモーメントの相殺だけでなく、回転軸（23）の静バランスも釣り合わせるようにした。これにより、上述した静バランスを釣り合わせない場合に比べて、揺動ピストン式圧縮機（10）の振動を抑えることができる。

以上説明したように、本発明は、回転式圧縮機について有用である。

1 第１バランスウエイト
2 第２バランスウエイト
10 揺動ピストン式圧縮機（回転式圧縮機）
19 シリンダ
39 シリンダ室
40 ピストン
41 ブレード

Claims (2)

1. 回転軸（23）と、
   上記回転軸（23）の一端部に取り付けられたロータ（22）を有する電動機（20）と、
   上記回転軸（23）の他端部に取り付けられたピストン（40）を有する圧縮機構（30）とを備え、上記ピストン（40）が上記回転軸（23）の軸心に対して偏心して回転する回転式圧縮機であって、
   上記回転軸（23）を上記ロータ（22）と上記ピストン（40）との間で摺動自在に支持する摺動部（36a）を有するフロントヘッド（31）の軸受部（36）と、
   上記回転軸（23）を上記フロントヘッド（31）の軸受部（36）との間に上記ピストン（40）を挟む位置で摺動自在に支持するリヤヘッド（35）の軸受部（37）と、
   上記ロータ（22）の両端面のうち上記圧縮機構（30）に対面する第１端面に取り付けられ、上記回転軸（23）の軸心に対して上記ピストン（40）の偏心方向と反対方向へ偏心する第１バランスウエイト（1）と、
   上記ロータ（22）の両端面のうち上記第１端面と反対側の第２端面に取り付けられ、上記回転軸（23）の軸心に対して上記ピストン（40）の偏心方向と同方向へ偏心する第２バランスウエイト（2）とを備え、
   上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の重量をそれぞれｍ１[ｇ]、ｍ２[ｇ]とし、上記回転軸（23）の軸心と上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の重心との間の偏心距離をそれぞれｒ１[ｍ]、ｒ２[ｍ]とし、上記軸受部（36）の摺動部（36a）におけるピストン（40）側の一端（ａ）から上記第１バランスウエイト（1）及び第２バランスウエイト（2）の重心までの距離をそれぞれｂ１[ｍ]、ｂ２[ｍ]とした場合に、
   ０．７５×（ｂ１／ｂ２）＜（ｍ２×ｒ２）／（ｍ１×ｒ１）＜１．２５×（ｂ１／ｂ２）
   の関係を満たしていることを特徴とする回転式圧縮機。
2. 請求項１において、
   上記ピストン（40）に嵌め込まれた上記回転軸（23）の偏心部（14）及び上記ピストン（40）の重量をそれぞれｍｃ[ｇ]、ｍｐ[ｇ]とし、上記回転軸（23）の軸心と上記偏心部（14）及び上記ピストン（40）の重心との偏心距離をそれぞれｒｃ[ｍ]、ｒｐ[ｍ]とした場合に、
   ｍ１×ｒ１＝（ｍｐ×ｒｐ）＋（ｍｃ×ｒｃ）＋（ｍ２×ｒ２）
   の関係を満たすように設定されていることを特徴とする回転式圧縮機。

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