JP5358591B2 - ロータリ圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍空調システム等の冷媒ガスを圧縮する、ロータリ圧縮機に関するものである。

近年、環境負荷低減の観点から、自然系冷媒の適用や、圧縮機の更なる高効率化が必要となってきている。例えば自然系冷媒のうち二酸化炭素冷媒を用いた冷凍空調システムでは、Ｒ４１０Ａ冷媒に対して吐出圧力と吸込圧力との差圧が大きくなるので、圧縮機構部を構成する各部品にかかる負荷が大きくなる。そのため、従来技術において許容されていた圧縮機構部における変形を低減し、機械損失を如何に抑えるかが大きな課題となっている。

冷凍空調システム等の冷媒ガスを圧縮するロータリ圧縮機には、圧縮機の密閉容器内に収納された電動機部の回転トルクを圧縮機構部に伝達するクランク軸が備えられている。前記クランク軸には、２つの荷重に対する強度を有する必要がある。その２つの荷重とは、電動機部で発生した回転トルク及び磁気吸引力によって径方向に働く荷重と、前記電動機部で発生した回転トルクと逆方向に作用する圧縮機構部におけるガス圧縮トルク及び主に前記クランク軸を保持する軸受部において働く荷重である。

一方前記クランク軸には、前記圧縮機の密閉容器内下部に貯蔵された冷凍機油を前記圧縮機構部へ供給するため、給油路となる穴が、下端から軸方向に設けられている。また前記クランク軸には、冷凍機油内に溶け込んだ冷媒ガスの発泡現象による給油阻害を防止するため、例えば特許文献１のように、前記給油路となる穴を延長する方向にガス流路が設けられている。

特開２００８−２０８７５２号公報

前記クランク軸の軸径は、前記給油路及びガス流路を設け且つ前記電動機部及び圧縮機構部において発生するトルク及び荷重に対する強度を有するだけの太さとしなければならない。しかしながら、前記クランク軸の軸径を太くすると、前記軸受部における摩擦力が大きくなり、機械損失が発生する。ここで前記給油路となる穴は、前記圧縮機構部における各摺動部位に冷凍機油を供給するために、前記クランク軸の軸方向に設けることが必要不可欠である。よって、前記給油路となる穴は、前記クランク軸の強度を考慮すると、軸方向長さを必要最小限とする必要がある。一方で前記ガス流路は、前記給油路と前記密閉容器内とを導通することが必要となるが、必ずしも前記クランク軸の軸方向に設ける必要は無い。

特許文献１では、前記給油路は、前記クランク軸の軸方向に下端から上側軸受中央近傍まで開けられている。また、前記ガス流路は、前記給油路の内径に対し径を小さくした上で前記給油路を延長するように前記電動機部の下端近傍まで開けられた後、前記クランク軸の径方向に向かって開けられている。これによれば、前記クランク軸のうち前記電動機部と係合する部分は中実軸となるため強度が高くなる。しかしながら、前記クランク軸のうち前記上側軸受部にかかる部分は中空軸であるため、強度が低い。よって前記クランク軸の中空軸のうち前記上側軸受部にかかる部分では、前記トルク及び荷重により変形が発生し、前記上側軸受部との摩擦力が大きくなり圧縮機の効率低下を招く可能性があった。

本発明の目的は、圧縮機の効率を向上させることにある。

本発明の目的は、密閉容器内に電動機部を収納し、前記電動機部の回転を伝達する偏心部を有したクランク軸と前記クランク軸により駆動することで圧縮仕事を行う圧縮機構部を設け、前記圧縮機構部は、シリンダと、前記シリンダ内に配置されクランク軸の偏心部により回転駆動されるローラと、前記ローラ外周に延びて前記ローラの偏心運動に応じて前記シリンダに設けられた収納部に出入りするベーンと、前記ベーンをローラに押し付けるスプリングと、前記シリンダの両端面を閉塞し且つ前記クランク軸を保持する軸受部を有する閉塞部材により構成され、前記圧縮機構部の潤滑を目的とした冷凍機油は密閉容器内下部に貯えられ、前記冷凍機油を前記圧縮機構部へ供給するための給油路を前記クランク軸に設けたロータリ圧縮機において、前記クランク軸の給油路は、前記クランク軸の軸方向にクランク軸の下端から上側閉塞部材の軸受部下端以下に配置し、且つ前記給油路と前記密閉容器とを導通するガス流路を前記上側閉塞部材に配置し、前記クランク軸の給油路の上端は、前記冷凍機油を前記上側閉塞部材の軸受部へ供給するための供給路となる穴の直径内に配置されていることにおり達成される。

本発明によれば、効率を向上させることができる。

本発明に関するロータリ圧縮機の縦断面図。 従来技術における圧縮機の縦断面図。 本発明に関する冷凍機油及び冷媒ガスの流れを表す断面図。 従来技術に関する冷凍機油及び冷媒ガスの流れを表す断面図。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

圧縮機のケースとなる密閉容器１内に電動機部の回転を伝達する偏心部を有したクランク軸２と、前記クランク軸２の回転動力により圧縮仕事を行う圧縮機構部を設け、前記圧縮機構部は、シリンダ３と、前記シリンダ３内に配置され前記クランク軸２の偏心部２ａにより回転駆動されるローラ４と、前記ローラ４外周に延びて前記ローラ４の偏心運動に応じて前記シリンダ３に設けられた収納部に出入りするベーン５と、前記シリンダ３の上端面を閉塞し且つ前記クランク軸２を保持する軸受部を有する上ベア６と、前記シリンダ３の下端面を閉塞し且つ前記クランク軸２を保持する軸受部を有する下ベア７により構成されている。

なお、上ベア６は、上ベア軸受部６ｂと、上ベア平面部６ｅとを主な構成部分としている。上ベア平面部６ｅが密閉容器１と固定されることで、上ベア６は密閉容器１に固定される。従って、上ベア平面部６ｅはある程度の軸方向長さ（厚さ）を有している。

前記密閉容器１内下部には、前記圧縮機構部の潤滑を行う冷凍機油８が貯蔵されている。圧縮機は、冷凍サイクル装置の一部を構成している。冷凍サイクルから圧縮機へ流入する冷媒ガスは、前記圧縮機構部において、シリンダ３に設けられた吸込口９からシリンダ３内に流入し、シリンダ内壁面３ａと、ローラ外壁面４ａと、前記ベーン側面と、上ベア内壁面６ａと、下ベア内壁面７ａによって形成される圧縮室１０内で昇圧され、図示しない吐出口から前記密閉容器１内に排出される。

前記冷凍機油８は、前記クランク軸２の軸方向に設けられた直径ｄ１の給油路２ｂから吸上げられ、前記給油路２ｂから下ベア軸受部７ｂへの供給路となる２ｃと、前記給油路２ｂから前記クランク軸の偏心部２ａとローラ内壁面４ｂへの供給路となる２ｄと、前記給油路２ｂから上ベア軸受部６ｂへの供給路２ｅより、各摺動部へ供給される。

前記３つの供給路２ｃ，２ｄ，２ｅの出口側は前記冷凍機油の流入性を向上させるための空間１２が設けられている。前記上ベア軸受部６ｂ及び下ベア軸受部７ｂには、それぞれ溝６ｃ及び７ｃ（図中斜めの破線）が設けられており、前記クランク軸２の回転運動と前記冷凍機油８の粘性を利用した粘性ポンプ機構により給油を行っている。図３及び図４における実線矢印は前記冷凍機油８の流れを表している。

ここで前記冷凍機油８には、前記吐出口から排出された冷媒ガスが液化して溶け込む。前記冷凍機油８に溶け込んだ冷媒は、周囲温度の上昇或いは減圧されることにより気化し、体積を拡大し発泡現象を発生する。そのため、前記給油路２ｂには、前記発泡現象による給油阻害を防ぐための、ガス流路が設けられている。図３及び図４における破線矢印は前記冷凍機油８内に溶け込んだ冷媒が気化した後の流れを表している。

以降、図２を用いて従来技術について説明し、本発明の課題の明確化を行う。前記給油路２ｂは、直径ｄ１で長さを前記クランク軸２の軸方向に前記クランク軸２の下端から前記上ベア軸受部６ｂの略中央まで設けている。また、前記給油路２ｂの上端面から前記クランク軸２の軸方向に前記クランク軸２の上端まで直径ｄ２で開けられた穴２ｆは、前記給油路２ｂと前記密閉容器１内とを導通することで前記給油路２ｂ内での発泡現象による給油阻害を防ぐためのガス流路である。そのため、前記クランク軸２は、前記給油路２ｂ及びガス流路２ｆにより、下端から上端までの全長において中空軸となっている。

ここで前記クランク軸２は、前記電動機部の回転力を伝達し前記上ベア軸受部６ｂにて保持されていることから、トルク及び曲げ力に対する強度が必要となる。特に前記上ベア軸受部６ｂにおいては、
前記クランク軸２の直径Ｄ１と圧縮機回転数によって決定される周速、
前記クランク軸２から前記上ベア軸受部６ｂに対する垂直荷重、
前記クランク軸２と前記上ベア軸受部６ｂの表面性状で決定される摩擦係数、
これら３要素の積で表される摩擦力が働き、機械損失を発生する。

前記摩擦力を決定する３つの要素のうち垂直荷重は、前記クランク軸２の変形が大きくなるにつれて増大する。一方前記摩擦力を決定する３つの要素のうち前記クランク軸２の周速は、前記クランク軸２の直径Ｄ１が大きくなるにつれて増大する。

このため摩擦力により発生する機械損失を低減するには、前記クランク軸２の変形抑止すること、或いは、前記クランク軸２の軸受部の周速を低減する必要がある。近年の圧縮機の使用環境は、例えば家庭用ルームエアコンに搭載される際には暖房能力の向上を目的に回転数増加或いは圧縮機の気筒容積拡大が必要となってきており、前記クランク軸２の変形或いは周速が大きくならざるを得ない状況となっている。

また、前記ガス流路２ｆには、前記発泡現象により発生した冷媒ガスと前記給油路２ｂを通った前記冷凍機油８の一部が流れることになる。ここで前記冷凍機油８は、圧縮機の各摺動部への安定した供給を行うために、前記密閉容器１内下部に留まっていることが望ましいが、一部は冷媒ガスの流れとともに圧縮機外部の冷凍サイクルへ流出することとなる。

前記冷凍機油８の冷凍サイクルへの流出量が過大となると、冷凍サイクル内の流路抵抗の増加及び熱交換効率の低下による、効率低下となる。前述のような近年の圧縮機使用環境の変化により、冷媒ガスの循環量も多くなるため、前記冷凍機油８の冷凍サイクルへの流出量低減が求められている。

このような背景の中、従来技術の如く給油路２ｂ及びガス流路２ｆにより中空軸となった前記クランク軸２では、特に前記上ベア軸受部における強度不足と前記冷凍機油８がガス流路２ｆを通り前記電動機部上方へ流れ冷凍サイクルへ流出することによる、効率低下を抑えることが課題となってきた。

以上のような課題に対し、以降、図１を用いて本発明の実施例について説明する。

前記給油路２ｂは、直径ｄ１で長さを前記クランク軸２の軸方向に前記クランク軸２の下端から前記上ベア軸受部６ｂの下端以下とする。前記ガス流路２ｆは前記上ベア６の閉塞部に前記クランク軸２の径方向に設ける。以上の構成により、前述の従来技術における２つの課題、摩擦力による機械損失と、冷凍サイクルへの油の流出による効率低下と、を解決することができる。

まず１つめの課題である前記クランク軸２の軸受部における機械損失の低減について述べる。前記給油路２ｂは、各摺動部への前記冷凍機油８を供給するため、前記３つの供給路２ｃ，２ｄ，２ｅと導通している必要がある。そのため、前記給油路の長さは、前記３つの供給路２ｃ，２ｄ，２ｅのうち最も上方にある前記上ベア供給路２ｅに到達するように設ける必要がある。前記上ベア給油路２ｅの出口近傍は、前記空間１２を設けるため軸受機構とはなっていない。以上より、前記クランク軸２は、前記給油路２ｂの長さを前記上ベア供給路２ｅの下端以上とし且つ前記上ベア軸受部６ｂ下端以下とすることで、中実の部分を増やし、軸の変形を抑えることができる。

ここで、前記給油路２ｂの上端は、前記上ベア供給路２ｅの直径内に配置されていることが望ましい。これにより、前記給油路２ｂの下端或いは前記上ベア供給路２ｅからエアブローすることにより、前記給油路２ｂ加工時の切削粉或いは前記クランク軸２洗浄後の洗浄液や残留物等の異物の排出を容易に行うことができる。

また、前記ガス流路２ｆを前記上ベア６の閉塞部に設けることで、前記クランク軸２のうち前記上ベア軸受部６ｂと軸受機構を構成する部位を中実軸とすることができ、同様に変形を抑えることができる。これにより、前記クランク軸２から前記上ベア軸受部６ｂに対する垂直荷重において発生する摩擦力を小さくすることができ、圧縮機の効率を向上させることができる。或いは、前記クランク軸２のうち前記上ベア軸受部６ｂと軸受機構を構成する部位を中実軸とすることで、前記クランク軸２の変形量が同一となるまで前記クランク軸２の径を細くすることができる。これにより、前述の摩擦力を決定する周速を低減することができ、圧縮機の効率を向上させることができる。

次に２つめの課題である前記冷凍機油８の冷凍サイクルへの流出抑止について述べる。前述の如く前記ガス流路２ｆを前記上ベア６の閉塞部に設けることで、前記冷凍機油８は、前記密閉容器１内の前記上ベア６の閉塞部以下で循環させることができる。これにより、前記電動機部の回転運動の影響を抑えることができ、冷凍サイクルへの流出を抑止することができる。ここで前記上ベア６の閉塞部に設けられたガス流路２ｆの出口は、前記上ベア６の閉塞部上方への流れを抑止する壁面６ｄを設けることが望ましい。

以上、本実施例によれば、前記クランク軸に設けられた給油路となる穴の長さを前記閉塞部材の軸受部下端以下とし、且つ前記ガス流路を前記上側閉塞部材にクランク軸の径方向に配置することで、前記クランク軸の軸受部を中実軸とすることができ、前記クランク軸の変形を低減する効果により、圧縮機の効率を向上することができる。

また、前記クランク軸の軸受部を中実軸とすることで、前記クランク軸の軸径は前記クランク軸の変形量を従来同等となるまで小さくすることができ、軸受部における周速を低減する効果により、圧縮機の効率を向上させることができる。また、前記クランク軸に設けられたガス流路を前記上側閉塞部材にクランク軸の径方向に配置することで、圧縮機の密閉容器内下部に貯蔵された冷凍機油を上側閉塞部材下方で循環させることができ、冷凍サイクルへの流出による効率低下を防止することができる。

つまり、クランク軸に設けられた給油路となる穴及び給油路内で発泡した冷媒ガスの流路となる穴による強度低下を抑えることにより、効率を向上させることができる。

１ 密閉容器
２ クランク軸
２ａ クランク軸の偏心部
２ｂ 給油路
２ｃ 下ベア供給路
２ｄ 偏心部供給路
２ｅ 上ベア供給路
２ｆ ガス流路
３ シリンダ
３ａ シリンダ内壁面
４ ローラ
４ａ ローラ外壁面
６ 上ベア
６ａ 上ベア内壁面
６ｂ 上ベア軸受部
６ｃ 上ベア溝
６ｄ ガス流路出口上方壁面
６ｅ 上ベア平面部
７ 下ベア
７ａ 下ベア内壁面
７ｂ 下ベア軸受部
７ｃ 下ベア溝
８ 冷凍機油
９ 吸込口
１０ 圧縮室
１２ 供給路出口側空間

Claims (3)

1. 密閉容器内に電動機部を収納し、前記電動機部の回転を伝達する偏心部を有したクランク軸と前記クランク軸により駆動することで圧縮仕事を行う圧縮機構部を設け、前記圧縮機構部は、シリンダと、前記シリンダ内に配置されクランク軸の偏心部により回転駆動されるローラと、前記ローラ外周に延びて前記ローラの偏心運動に応じて前記シリンダに設けられた収納部に出入りするベーンと、前記ベーンをローラに押し付けるスプリングと、前記シリンダの両端面を閉塞し且つ前記クランク軸を保持する軸受部を有する閉塞部材により構成され、
   前記圧縮機構部の潤滑を目的とした冷凍機油は密閉容器内下部に貯えられ、前記冷凍機油を前記圧縮機構部へ供給するための給油路を前記クランク軸に設けたロータリ圧縮機において、
   前記クランク軸の給油路は、前記クランク軸の軸方向にクランク軸の下端から上側閉塞部材の軸受部下端以下に配置し、且つ前記給油路と前記密閉容器とを導通するガス流路を前記上側閉塞部材に配置し、
   前記クランク軸の給油路の上端は、前記冷凍機油を前記上側閉塞部材の軸受部へ供給するための供給路となる穴の直径内に配置されていることを特徴とするロータリ圧縮機。
2. 請求項１において、
   前記給油路と前記密閉容器とを連通するガス流路は、前記給油路から前記クランク軸の偏心部外壁面への供給路及び前記上側閉塞部材のフランジ部厚さ内で前記クランク軸の径方向に開けられた穴で構成されていることを特徴とするロータリ圧縮機。
3. 請求項２において、
   前記上側閉塞部材のフランジ部厚さ内で前記クランク軸の径方向に開けられた穴の出口には、前記密閉容器内上方への流れを抑制する壁面を有することを特徴とするロータリ圧縮機。

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