| 【発明の名称】 |
ロータリー圧縮機 |
| 【発明者】 |
【氏名】新宅 秀信
【氏名】生駒 光博
【氏名】西脇 文俊
【氏名】長谷川 寛
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| 【要約】 |
【課題】従来、起動時に、ベーンがローラ外周あるいはローラ溝と衝突することを繰り返すチャタリングが発生していた。
【解決手段】軸受部と偏心部を有するクランク軸２、シリンダ５、ベーン２６、およびシリンダ５内で偏心運動するローラ２７を有する圧縮機構部と、その圧縮機構部を駆動する駆動部と、圧縮機構部と駆動部を収容する密閉容器とを備え、圧縮機構部に、ローラ２７の外側のローラ側連結部２４とベーン２６の先端部（ベーン側連結部２３）とを連結する連結ピン２２をさらに設ける。ベーン２６とローラ２７を連結する連結ピン２２を設けることで、上死点から下死点へローラ２７が移動する際も追従してベーン２６が移動するため、ローラ溝２９からベーン２６が外れることがない。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 軸受部と偏心部を有するクランク軸、シリンダ、ベーン、および前記シリンダ内で偏心運動するローラを有する圧縮機構部と、その圧縮機構部を駆動する駆動部と、前記圧縮機構部と前記駆動部を収容する密閉容器とを備え、前記圧縮機構部は、前記ローラの所定の一部と前記ベーンの所定の一部とを連結する連結手段をさらに有することを特徴とするロータリー圧縮機。
【請求項２】 前記連結手段によって連結される前記ローラの所定の一部は、前記ローラの外側の所定の一部であって、前記連結手段によって連結される前記ベーンの所定の一部は、前記ベーンの先端部であることを特徴とする請求項１記載のロータリー圧縮機。
【請求項３】 前記ローラの外側の所定の一部は、前記ローラの一方または両方の端面側に設けられたローラ側座グリ部と、そのローラ側座グリ部に設けられたローラ側連結穴とを有し、前記ベーンの先端部は、前記ローラの一方または両方の端面に対応する面側に設けられたベーン側座グリ部と、そのベーン側座グリ部に設けられたベーン側連結穴とを有し、前記連結手段は、前記ローラ側連結穴と嵌合する第１嵌合ピンと、前記ベーン側連結穴と嵌合する第２嵌合ピンと、前記第１嵌合ピンおよび前記第２嵌合ピンを支持する支持部とを有することを特徴とする請求項２記載のロータリー圧縮機。
【請求項４】 前記ローラと前記ベーンは、前記シリンダ内部を、所定の流体が供給される吸入室と、前記流体が外部に吐出される側の吐出室とに分割し、前記ローラ側座グリ部および前記ベーン側座グリ部は、前記吸入室側に設けられることを特徴とする請求項３記載のロータリー圧縮機。
【請求項５】 軸受部と偏心部を有するクランク軸、シリンダ、ベーン、ベーン溝、ベーンばね、および前記シリンダ内で偏心運動するローラを有する圧縮機構部と、その圧縮機構部を駆動する駆動部と、前記圧縮機構部と前記駆動部を収容する密閉容器とを備え、前記ローラの外周には、前記ベーン先端が当接収容される凹状の溝部が設けられており、前記ベーンばねのばね荷重、および前記ローラの回転加速度は、少なくとも１回目に前記ローラが上死点から下死点に移動するさい、前記ベーンがチャタリングを発生させないような数値に設定されていることを特徴とするロータリー圧縮機。
【請求項６】 前記ローラが起動し始めたときの前記ローラの回転加速度は実質上１００〜４００Ｈｚ／ｓであって、前記ローラが上死点に位置するときの前記ベーンばねのばね荷重をＦとし、前記ベーンと前記ベーン溝との接触面積をＳとした場合、前記Ｆに対する前記Ｓの比Ｆ／Ｓは、０．３ｋｇｆ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項５記載のロータリー圧縮機。
【請求項７】 前記ベーンばねのばね定数は、前記ローラが下死点に位置するときよりも、前記ローラが上死点に位置するときの方が大きいことを特徴とする請求項５または６記載のロータリー圧縮機。
【請求項８】 前記ローラが上死点に位置するときの前記ベーンばねのばね荷重をＦとし、前記ベーンと前記ベーン溝との接触面積をＳとした場合、前記Ｆに対する前記Ｓの比Ｆ／Ｓは実質上０．０８〜０．２ｋｇｆ／ｃｍ2であって、前記駆動部は、前記ローラが起動し始めてから前記クランク軸が所定の回転速度になるまでは、前記ローラの回転加速度の大きさを３０Ｈｚ／ｓ以下に制御することを特徴とする請求項５記載のロータリー圧縮機。
【請求項９】 塩素を含まない冷媒が流体として用いられることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のロータリー圧縮機。
【請求項１０】 二酸化炭素を主成分とする冷媒が流体として用いられることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のロータリー圧縮機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば冷凍冷蔵庫や空調機等に用いられるロータリー圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】代表的な回転式流体機械であるロータリー圧縮機はそのコンパクト性や構造が簡単なことから、冷凍冷蔵庫や空調機などに多く使用されている。圧縮機の主要構成部品であるベーンやローラなどを有する圧縮機構部は、例えば、川平著、密閉形冷凍機（平成５年、日本冷凍協会）第１４頁、図６．１に記載されている。また、高効率化、高信頼性化のために、ローラ外周にベーン先端を収容する凹状の溝を形成したローラ揺動タイプのものは、例えば、実開昭５５−１８０９８９、特開平２−２３２８９などに記載されている。
【０００３】以下に、図７および図８を用いて、従来の揺動タイプのロータリー圧縮機の動作について説明する。
【０００４】図７は従来のローラ揺動タイプのロータリー圧縮機の縦断面図であり、図８（ａ）はそのＡ−Ａ部（シリンダ中央部）の横断面図で、ローラが下死点に位置する状態を示したものである。
【０００５】密閉容器１内に、偏心部を有するクランク軸２とクランク軸２を支える主軸受３、副軸受４と、シリンダ５と、ベーン６と、前記シリンダ５内で偏心回転するローラ７とからなる圧縮機構部を構成している。
【０００６】図８（ａ）に示すように、先端が円弧状のベーン６は、シリンダ５のベーン溝８内を往復運動し、その先端部はローラ７外周に設けられた凹状のローラ溝９に収容され、ベーンばね１０によるばね力およびシリンダ５の内外の圧力差による力によって、ローラ溝９に押し付けられて、ローラ溝９と接触し揺動運動の摺動をしながら、シリンダ５内を吸入室１１と圧縮室１２に分割している。
【０００７】図８（ａ）の点Ｏはシリンダ５とクランク軸２の中心で、クランク軸２は中心Ｏから偏心量ｅだけ偏心した点Ｐを中心とするクランクピン１３を有し、クランクピン１３にはローラ７が嵌合されており、ステータ１４およびロータ１５からなる電動機によりクランク軸２が矢印Ｂの方向に回転してローラ７がシリンダ５内を公転することにより、冷媒ガスを吸入管１６から吸い込み、吐出口１７に圧縮しながら送る。吐出口１７にきた冷媒ガスは吐出弁（図示せず）から密閉容器１内を通り吐出管１８から冷凍サイクル側に送られる。このように冷媒ガスの圧縮作用を行うものである。
【０００８】なお、図８（ｂ）は（ａ）の下死点からクランク軸２が９０°回転した状態をしめしたもので、ローラ７は、ローラ溝９でベーン先端部１９により回転を規制されながら、ベーン先端部１９の円弧中心を中心に揺動運動しながら、クランク軸２の中心の回りを公転する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の構成では、起動時に、比較的大きいチャタリング音が数秒発生し、問題となっていた。このチャタリング音の原因は、ベーン先端部１９がローラ溝９の縁またはローラ７の外周面と衝突する際に生じる衝突音である。
【００１０】起動時にベーン６の先端部がローラ溝９からはずれ衝突する様子を図９を用いて説明する。
【００１１】図９（ａ）に示す下死点位置から、ローラ溝９にベーン６の先端部が収容されている状態から、クランク軸２の回転に伴いローラ７が上死点位置に向かって回転する区間（図９（ｂ）参照）では、ベーン６はクランク軸２の回転に伴いローラ７により図の上方に押し上げられるので、ベーン６の先端部がローラ溝９から離れることはない。
【００１２】しかし、クランク軸２の回転に伴いローラ７が上死点位置を過ぎ下死点に向かう区間では、ローラ７は図の下方に下がるが、ガス圧力による力が作用しない起動時には、ベーン６を押し下げる力は、ベーンばね１０による押し付け力のみである。この力がベーン６とベーン溝８との間に働く粘性力とベーン６の慣性力に打勝ちながら、ベーン６を下方に押し下げるが、ばね力が大きくないとその押し下げる速度がローラ７の下がる速度より遅くなり、図９（ａ）に示すようにベーン６の先端がローラ溝９より離れる。さらにクランク軸２の回転に伴い、ローラ７は矢印Ｂの方向に回転するためローラ溝９は、ベーン６の先端から遠ざかっていき、下死点から上死点に向かう区間で、ローラ７が上方へ押し上げられ、ベーンばね１０により押し下げられてきたベーン６の先端とローラ７の外周面が衝突する。その後、矢印Ｂ方向に回転してきたローラ溝９がベーン６の先端と出くわし、ローラ溝９の縁とベーン６の先端部が衝突する。このようにして、衝突しチャタリング音が発生する。
【００１３】この衝突が何度か繰り返され、少しずつ冷媒ガスが圧縮されガス圧力があがり、ベーン６をローラ７に押し付けるガス力が働くようになると、ローラ溝９にベーン６の先端部がはまり収容され、衝突しなくなりチャタリング音がしなくなる。
【００１４】このようにして、ベーン６の先端部と、ローラ溝９またはローラ７の外周面が衝突し、その際発生する音が、上述のチャタリング音となって発生し、揺動タイプのロータリー圧縮機おいて騒音及び信頼性の観点から問題となっていた。
【００１５】本発明は、上述した従来の課題を考慮し、起動時に発生するチャタリングを防止し、振動や騒音が小さいロータリー圧縮機を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】第１の本発明（請求項１に対応）は、軸受部と偏心部を有するクランク軸、シリンダ、ベーン、および前記シリンダ内で偏心運動するローラを有する圧縮機構部と、その圧縮機構部を駆動する駆動部と、前記圧縮機構部と前記駆動部を収容する密閉容器とを備え、前記圧縮機構部が、前記ローラの所定の一部と前記ベーンの所定の一部とを連結する連結手段をさらに有することを特徴とするロータリー圧縮機である。
【００１７】第２の本発明（請求項５に対応）は、軸受部と偏心部を有するクランク軸、シリンダ、ベーン、ベーン溝、ベーンばね、および前記シリンダ内で偏心運動するローラを有する圧縮機構部と、その圧縮機構部を駆動する駆動部と、前記圧縮機構部と前記駆動部を収容する密閉容器とを備え、前記ローラの外周には、前記ベーン先端が当接収容される凹状の溝部が設けられており、前記ベーンばねのばね荷重、および前記ローラの回転加速度が、少なくとも１回目に前記ローラが上死点から下死点に移動するさい、前記ベーンがチャタリングを発生させないような数値に設定されていることを特徴とするロータリー圧縮機である。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に、本発明のいくつかの実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】本発明の実施の形態のロータリー圧縮機の構成は、ベーン溝部及びローラ溝部などの一部を除いて図７〜９で説明した従来例と概略同様な構成であり、本発明の実施の形態において、前述の従来例について説明した構成部分と同様な部分については、同一符合を付し、その説明を省略する。
【００２０】尚、本実施の形態におけるロータリー圧縮機の説明は、ＨＦＣ１３４ａやＲ４１０Ａ、ハイドロカーボン（ＨＣ）等の塩素を含まない冷媒や、二酸化炭素などの冷媒を、冷凍及び空調サイクル装置などに用いた場合のものを主にしているが、従来の冷媒ＨＣＦＣ２２などにも同様に適用可能である。
【００２１】（実施の形態１）本発明の実施の形態１について、図１、図２を用いて説明する。
【００２２】図１は本発明の実施の形態１におけるロータリー圧縮機の主要部の横断面図である。図２は主要部品の斜視図である。
【００２３】図１、図２に示すように、本実施の形態では、ベーン２６に、座ぐり部２３ａと連結穴２３ｂを有するベーン側連結部２３を、主軸受、副軸受と接する面、すなわち図２のベーン側面２６ａ、２６ｂ側で吸入室側の側面２６ｃに寄ったベーン２６先端付近に設けている。同様に、ローラ２７に、座ぐり部２４ａと連結穴２４ｂを有するローラ側連結部２４を、主軸受、副軸受と接する面、すなわち図２のローラ端面２７ａ、２７ｂの外周面付近でローラ溝２９の吸入室側に設けている。両連結部２３、２４を連結する連結ピン２２は、両連結穴２３ｂ、２４ｂに各々挿入されるピン部２２ａ、２２ｂと、両ピン部２２ａおよび２２ｂを支持するピン支持部２２ｃを有している。
【００２４】また、図１、２に示すように、座ぐり部２３ａ、２４ａ及び連結ピン逃げ部２５は、ローラ２７が公転運動運動する際、ピン支持部２２ｃを可動自在にする空間を確保するために設けている。この空間が圧縮室１２側にあるとデッドボリュームとなり性能低下に影響するが、図１に示すようにこの空間を吸入室１１側に設けることで性能へ影響しないようにしている。当然、座ぐり部２３ａ、２４ａは、吸入室１１と吐出室（圧縮室）１２を連通させないために吐出側に出ないよう形成されている。このピン逃げ部２５はできるだけ小さくもしくはなくすためや、連結ピン２２を小さくするために、ベーン側及びローラ側連結部２３、２４は、なるだけベーン２６先端部付近に設けられている。
【００２５】ピン部２２ａ、２２ｂは円形状であり、ベーン側連結穴２３ｂはローラ２７が揺動運動するために、長穴形状としている。ローラ側連結穴２４ｂは、ピン部２２ｂより少し大きい円形状として、回転可能にしている。
【００２６】この構成によれば、クランク軸２の回転によりローラ２７が上死点位置から下死点まで矢印Ｂ方向に公転し移動する際も、ベーン２６は連結ピン２２を介して、ローラ２７の移動と共に下死点まで下方に移動する。なお、この際、ローラ２７は常にクランク軸２の方向に回転する力が作用しているためベーン２６の先端部はローラ溝２９に接触する方向の力を受けながらローラ２７とともに下死点まで移動する。したがって、ベーン２６の先端部がローラ溝２９よりはずれることがなく、問題となっていたチャタリング発生を防止することができる。
【００２７】なお、図１の例では、従来同様にベーンばね３０を用いた構成を示したが、ベーンばね３０を用いない構成でも十分効果が得られることは言うまでもなく、さらにはベーンばね３０が収容される穴の加工が必要なくるため、シリンダ５の加工が減り生産性を向上できるほか、ベーン溝２８のシール長を長くできベーン溝２８からの冷媒ガスの漏れも減少でき効率も向上できる。
【００２８】また、連結ピン２２のピン支持部２２ｃをばねで構成しても同様の効果が得られるとともに、ベーン２６側のピン穴（連結穴）２３ｂが円形でもローラ２７の揺動運動に追従することができ、加工が容易となる。
【００２９】なお、上述した実施の形態１では、ベーン２６とローラ２７とを連結するために、ベーン側連結穴部２３と、ローラ側連結部２４とを設けるとしたが、ベーン側連結穴部２３およびローラ側連結部２４は、必ずしも設ける必要はない。要するに、起動時にベーン２６がローラ２７から離れないようにするための連結手段によって、ベーン２６をローラ２７から離さないようにしさえすればよく、そのようにすれば、起動時にチャタリングを発生させることはない。したがって、騒音や振動が小さくなる。また、起動時にチャタリングを発生させないようにするためには、連結手段で、ベーン２６のどの部分とローラ２７のどの部分とを連結してもよい。
【００３０】（実施の形態２）次に、本発明の実施の形態２について、図３〜図４を用いて説明する。尚、本実施の形態のロータリー圧縮機の主要な構成で、従来例と同様なものは、同一の番号を用い説明する。
【００３１】本実施の形態の特徴は、一定速で通常運転されるロータリー圧縮機において上死点近傍でのベーンばね荷重を所定の値以上に設定できる特性を有するベーンばね１０を用いた点である。
【００３２】図３は、本発明の実施も形態２におけるベーンばね１０の荷重とばね縮み長さ（以後ばね縮長）の関係を示した特性図である。インバータを用いた可変速機では回転加速度を変えられるが通常一定速のロータリー圧縮機の場合、起動時の回転加速度は約１００〜４００Ｈｚ／ｓにほぼ含まれる。図４は、起動時のローラ７の回転加速度が実質上１００Ｈｚ／ｓであるときの、単位ばね荷重とチャタリング発生率の関係を示した図である。ここで、単位ばね荷重は、上死点位置でのベーン６の先端部を除く側面（図２に示す、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ）に対応する部分であって、シリンダ５と上軸受、下軸受で構成されるベーン溝８との摺動面となる接触面積Ｓと、上死点位置でのベーンばね１０の荷重Ｆとの比Ｆ／Ｓで示している。
【００３３】チャタリング発生を防止するためには、上死点から下死点へローラ７が移動する際、ベーン６がローラ７に追従して下死点に移動しなければならない。そのために、ベーン６がベーン溝８との間に介在するオイルによる粘性力やベーン溝８との摩擦力などに打ち勝つ力をベーンばね１０で与える必要がある。チャタリングは、オイル温度が低い時の起動時に発生しやすく、オイル粘度が高いことが要因となっているため、その起動時のベーン６の挙動にはオイル粘性力が支配的に影響している。
【００３４】そこで、上死点位置での単位ばね荷重（Ｆ／Ｓ）とチャタリング発生率の関係をみると図４の傾向を示し、単位ばね荷重が矢印Ｘで示す約０．３（ｋｇｆ／ｃｍ2）以上でチャタリング発生率が０％となることがわかった。この結果をもとに、ベーンばね１０の上死点位置での荷重を上記値となる様に設定することで、チャタリング発生を防止することができる。
【００３５】なお、ベーン６の大きさや形状により、その慣性力や摩擦力などの影響も無視できなくなるが、家庭用の冷凍機、空調機用の圧縮機を対象とする従来の一定速のロータリー圧縮機の範囲では、回転加速度が１００〜４００Ｈｚ／ｓの間にほぼある為、図４の場合より回転加速度が低い範囲では単位ばね荷重が０．３ｋｇｆ／ｃｍ2より低い値でもチャタリングが生じず、ほぼ上記の結果が適用できる。
【００３６】図３は、本発明に適用可能なベーンばね１０の特性を示したもので、ＳＰ−ａが従来のベーンバネの特性で、上死点、下死点位置では荷重Ｐ２ａ、Ｐ２ｂを示す。前述のように、チャタリング防止のため、単位ばね荷重Ｆ／Ｓが約０．３（ｋｇｆ／ｃｍ2）以上となるように、上死点位置での荷重をＰ２ｂまで増加させたベーンばね特性を、ＳＰ−ｂ、ＳＰ−ｃに示す。ＳＰ−ｂはベーンばね特性が線形の場合であり、下死点位置での荷重Ｐ１ｂも従来の荷重Ｐ１ａより増加するが、その性能への影響は小さい。ＳＰ−ｃは、ベーンバネ特性が非線型（下死点付近より、上死点付近でのばね定数が大きくなる特性）の場合で、下死点での荷重Ｐ１ｃを従来より減少させることが可能であり、ベーン６先端での摺動損失を低減できるものである。このような特性を有するバーンばねには、タケノコばねや、不等ピッチコイルばね、二重コイルばねなどを用いるとよい。
【００３７】上述のようなベーンバネ特性を有する構成によれば、実施の形態１のように新たに部品を追加することなく、上死点位置での単位ベーンばね荷重を０．３（ｋｇｆ／ｃｍ2）以上に設定できるため、容易にまた安価にチャタリングを防止することができる。
【００３８】（実施の形態３）次に、本発明の実施の形態３について、図５〜図６を用いて説明する。尚、本実施の形態のロータリー圧縮機の主要な構成で、従来例と同様なものは、同一の番号を用い説明する。
【００３９】本実施の形態の特徴は、起動時、クランク軸２を所定の回転加速度（角加速度に相当）で起動させる点である。
【００４０】図５は、クランク軸２の起動からの経過時間に対する回転速度の変化の様子である加速特性を示したものである。従来のロータリー圧縮機のベーンばねの単位ばね荷重は０．０８〜０．２ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲にあり、図６は、実施の形態２で説明した単位ばね荷重が実質上０．０８ｋｇｆ／ｃｍ2であるときの、起動時のローラ７の回転加速度に対するチャタリング発生率を示したものである。
【００４１】チャタリングの発生を防止するためには、上死点から下死点へローラ７が移動する際、ベーン６がローラ７に追従して下死点に移動しなければならない。スペース制約のため実施の形態２で示したように、べーんばね１０を設計できない場合には、設計可能なべーんばね１０を用いるとともに、ベーン６が上死点から下死点へ移動する速度にあわせてローラ７が移動するように、クランク軸２の回転加速度を設定し回転速度を加速していくことで、ベーン６がローラ溝９から飛び出さないようにできる。
【００４２】そこで、その回転加速度を変えてチャタリング発生率をみると、図６の傾向を示し、回転加速度が矢印Ｙでしめす約３０（Ｈｚ／ｓ）以下にするとチャタリング発生率が０％となることがわかった。この結果をもとに、従来のベーンばねの単位ばね荷重が０．０８より高い場合は、所定の回転速度Ｎｓでの回転加速度を３０（Ｈｚ／ｓ）以下とすることで、チャタリングを防止することができる。
【００４３】なお、ベーン６の大きさや形状により、その慣性力や摩擦力などの影響も無視できなくなるが、家庭用の冷凍機、空調機用の圧縮機を対象とする範囲では、ほぼ上記の結果が適用できる。
【００４４】図５で、本実施の形態に用いた加速特性について説明する。従来の加速特性をしめす直線ＳＰ−１は、回転加速度α１で経過時間０からＴ１間で回転速度Ｎｓまで加速している。本実施の形態に用いた加速特性は直線ＳＰ２であって、その直線ＳＰ２では、設定回転速度Ｎｓまでは、上述の３０（Ｈｚ／ｓ）となる一定回転加速度α２の直線としている。これによりチャタリングを防止することができる。また、起動時の回転加速度をより低くするため曲線ＳＰ４で示すような加速特性にしても同様の効果が得られることは、いうまでもない。
【００４５】以上説明したように、あらたな部品を追加することもなく、さらに従来のベーンばねを用いても、安価にまた容易に起動時のチャタリング発生を防止できる。
【００４６】上記実施の形態１〜３の構成とすることで、運転条件が１０ＭＰａ程度の高圧力となる二酸化炭素を冷媒に用いる場合でも、チャタリング発生を防止することができるため、騒音、振動を低減することができ、信頼性をも向上することができる。
【００４７】尚、本発明のロータリー圧縮機において取り扱う流体は、上述した第１〜第３の実施の形態においては、ＨＦＣ１３４ａ等の塩素を含まない冷媒や二酸化炭素などの冷媒であるとして説明したが、これに限るものではない。
【００４８】また、上記実施の形態１〜３をいずれかを併用した構成にしてもよく、同等以上の効果があることはいうまでもない。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したところから明らかなように、本発明は、起動時に発生するチャタリングを防止し、振動や騒音が小さいロータリー圧縮機を提供することを目的とするものである。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年９月１日（１９９９．９．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９２７９４
【弁理士】
【氏名又は名称】松田 正道
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| 【公開番号】 |
特開２００１−７３９７５（Ｐ２００１−７３９７５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月２１日（２００１．３．２１） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２４７４３１ |
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