(57)【要約】【課題】歯側面の漏れを低減し、圧縮機効率を向上させた小型軽量な２段圧縮機を提供する。【解決手段】ハウジングと、クランク部（４−１、４−４）を有するクランクシャフト（４）を回転させる駆動部（３）と、前記クランク部（４−１、４−４）により駆動されるロータ（５）と、前記ハウジングに固定されたシリンダ（６）と、を具備し、前記シリンダ（６）には、環状のシリンダ室が形成されるとともに、該シリンダ室の外周内壁（６−１）と内周内壁（６−２）のそれぞれの一箇所を連結する梁部（６−３）が形成されており、前記ロータ（５）の前記シリンダ側には、Ｃ字状ロータ歯部（５−１）が設置され、背面側に、前記クランク部（４−１、４−４）と嵌合するボス部（５−２）が設置されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、クランク部（４−１、４−４）を有するクランクシャフト（４）を回転させる駆動部（３）と、前記クランク部（４−１、４−４）により駆動されるロータ（５）と、前記ハウジングに固定されたシリンダ（６）と、を具備する圧縮機であって、
前記シリンダ（６）には、環状のシリンダ室が形成されるとともに、該シリンダ室の外周内壁（６−１）と内周内壁（６−２）のそれぞれの一箇所を連結する梁部（６−３）が形成されており、
前記ロータ（５）の前記シリンダ側には、Ｃ字状ロータ歯部（５−１）が設置され、背面側に、前記クランク部（４−１、４−４）と嵌合するボス部（５−２）が設置されており、
前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）の開放両端部が前記梁部（６−３）に摺接しながら、前記ロータ（５）が揺動運動することにより、前記外周内壁（６−１）と前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）との間、及び、前記内周内壁（６−２）と前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）との間で流体を圧縮する圧縮機。
【請求項２】
前記ボス部（５−２）が公転運動を行うためのスペースに、バランサ（１１）を設置したことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記外周内壁（６−１）か前記内周内壁（６−２）のいずれか一方、又は、双方の吐出口に、ポペット弁（７３、７４）を前記シリンダ（６）内に設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
【請求項４】
前記クランク部（４−１）を挟んで、前記クランクシャフト（４）を両持ちで回転支持したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機。
【請求項５】
前記クランクシャフト（４）の一端を、前記シリンダ（６）に貫通させて、前記一端にバランサ（７５）を設置したことを特徴とする請求項４に記載の圧縮機。
【請求項６】
前記クランクシャフト（４）の前記クランク部（４−４）を、シャフト本体（４−２）とは別体で構成し、該シャフト本体（４−２）に従動ピン（４１）を設け、該従動ピン（４１）を、前記クランク部（４−４）が前記従動ピン（４１）中心（Ｏ２）回りに回転可能になるように、前記クランク部（４−４）に挿入したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧縮機。
【請求項７】
前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）の開放両端部の少なくとも一方が、前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）とは別部材（７１）か、又は、シュー部材（７２）で構成されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の圧縮機。
【請求項８】
前記シリンダ室の外周内壁（６−１）と、前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）の外周面との最小隙間量（δ１）、又は、前記シリンダ室の内周内壁（６−２）と、前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）の内周面との最小隙間量（δ２）のいずれか一方、又は、双方が、前記クランクシャフト（４）のクランク部とこれに嵌め合う軸受との隙間量（δ３）より小さく設定したことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２段圧縮サイクル用の圧縮機に関するもので、特に車両用空調装置に用いられる小型軽量な圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ローリングピストン形圧縮機は、ロータ（ピストン）が、偏心軸の回転により静止したシリンダ内壁に密接して回転する。高圧側と低圧側を仕切るベーンは、シリンダのベーン溝の中で、ベーンノーズがバネでロータに接しながら往復運動する。高圧側と低圧側をベーンで仕切ると、高回転時に遠心力が作用するような場合には、遠心力によりベーンノーズとロータとの間に、隙間（ベーンの離脱）が発生して性能低下が生じることがあった。また、遠心力に打ち勝つようバネ力を増加させると、ベーンノーズとロータ間の押し付け力が過大な状態で摺動することになり、ベーンノーズ部が焼き付くなどの問題が発生することがあった。
【０００３】
従来の２段圧縮サイクル用の圧縮機としては、ローリングピストン形圧縮機の圧縮部を上下に並置して、冷媒を２段圧縮するものが良く知られている。しかし、圧縮部が上下に位置し異なる平面上に配置されているため、圧縮機が大型化するという問題点があった。
また、特許文献１には、ピストン側を静止させ、シリンダ側を回転させて、ベーンを用いることなく２段圧縮する回転式圧縮機が開示されている。この回転式圧縮機は、シリンダ外周シリンダと内周シリンダの二重構造として、外周シリンダと内周シリンダをつなぐブレードを形成し、このブレードに、高段と低段を仕切るベーン機能を持たせる構成を有している。
【０００４】
しかし、この構成では、圧縮部と同一面の内側に、ピストンを偏心回転させる軸受が配置され、公転運動に必要なスペースを確保するため、充分な小型化を実現することができなかった。また、圧縮部の内側に軸受を配置しているので、バランサを取り付けるためのスペース余裕はないものであった。このため、バランサをピストンから遠いモータロータに取り付けざるを得ないことから、バランサが大きくなり、高速運転時にシャフトの撓みが大きくなって、軸受に焼きつきが生じ信頼性が確保できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２０９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑み、固定側のシリンダ室の外周内壁と内周内壁をつなぐ梁部を形成し、円周上の一部を切り欠いたＣ字状ロータを揺動運動させて２段圧縮をする圧縮機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ハウジングと、クランク部（４−１、４−４）を有するクランクシャフト（４）を回転させる駆動部（３）と、前記クランク部（４−１、４−４）により駆動されるロータ（５）と、前記ハウジングに固定されたシリンダ（６）と、を具備する圧縮機であって、前記シリンダ（６）には、環状のシリンダ室が形成されるとともに、該シリンダ室の外周内壁（６−１）と内周内壁（６−２）のそれぞれの一箇所を連結する梁部（６−３）が形成されており、前記ロータ（５）の前記シリンダ側には、Ｃ字状ロータ歯部（５−１）が設置され、背面側に、前記クランク部（４−１、４−４）と嵌合するボス部（５−２）が設置されており、前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）の開放両端部が前記梁部（６−３）に摺接しながら、前記ロータ（５）が揺動運動することにより、前記外周内壁（６−１）と前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）との間、及び、前記内周内壁（６−２）と前記Ｃ字状ロータ歯部（５−１）との間で流体を圧縮する圧縮機である。
【０００８】
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態の横断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に関する側面断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に関する側面断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態の側面断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態の側面断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態の低段圧縮作動図である。
【図７】本発明の第１実施形態の高段圧縮作動図である。
【図８Ａ】本発明の第２実施形態の横断面図である。
【図８Ｂ】本発明の第２実施形態の側面断面図である。
【図９Ａ】本発明の第３実施形態の横断面図である。
【図９Ｂ】本発明の第３実施形態の側面断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態の横断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態の横断面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態の部分説明図である。
【図１３】本発明の第５実施形態のクランク部４−３にかかるモーメントの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。本発明の一実施形態として、車両用空調装置に用いられる圧縮機で説明するが、これに限定されるものではなく、車両用だけでなく、家庭用の空調装置に適用することもできる。また、一般的な産業用においても、本発明は実施できるものである。ここでは、クランクシャフトが電動モータ（駆動部）で駆動される圧縮機として説明するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ベルト伝動で駆動するタイプであっても良い。圧縮対象は、冷媒ガスで説明するが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００１１】
（第１実施形態）
本発明は、２段圧縮サイクル用の圧縮機であり、図２に示すように、第１実施形態において、外側には低段の外側圧縮室２０が形成され、内側には高段の内側圧縮室３０が形成されている。本実施形態は、クランクシャフト４が電動モータ３で駆動する圧縮機の実施形態である。圧縮機１内には、圧縮機構２と電動モータ３（固定子３−１、モータロータ３−２）が収納されている。圧縮機構２は、ロータ５とシリンダ６から構成されている。ロータ５は、図１の断面図で見て、端板５−３の左側（背面側という）に、ボス部５−２が形成され、右側に、等厚のロータ歯部５−１が形成されている。シリンダ６は、環状のシリンダ室が形成されて、ロータ歯部５−１が収納されている。
【００１２】
クランクシャフト４には、一体にクランク部４−１が形成されて、クランク部４−１は、ロータ５のボス部５−２に挿入されている。クランク部４−１とボス部５−２とは、回動できるように構成されている。クランク部４−１の軸心Ｏ３は、クランクシャフト４のシャフト本体４−２の軸心Ｏ１回りに、偏心回転運動を行うと、ロータ５のボス部５−２を介して、ロータ５のロータ歯部５−１が、シリンダ６の外側内壁６−１に沿って転がるようにして揺動運動を行う。この揺動運動については後述する。
【００１３】
ハウジングは、図１に示すように、カバー８’’、モータハウジング８、ミドルハウジング７、シリンダ６、リアハウジング８’が接合されて、これら全体がハウジングとして密閉容器を形成している。これらは、締結ボルトで結合しているが、その他の手段で接合させても良い。なお、良く知られているような円筒容器にミドルハウジング７等を嵌め込み固定した密閉容器としても良い。クランクシャフト４は、それぞれの端部が、カバー８’’とミドルハウジング７とですべり軸受やコロ軸受で支持されている。ミドルハウジング７には、スラストプレート７’が含まれ、スラストプレート７’が背圧のもとでロータ５の端板５−３を支承している。
【００１４】
ボス部５−２を、端板５−３の圧縮室と反対側に設置しているので、クランクシャフト４の偏心運動に伴い、ボス部５−２が公転運動を行うためのスペースが必要であるとなるが、本実施形態ではこのスペースを、有効に利用して、バランサ１１を設置することができる。特許文献１の従来技術では、このようなスペースを確保することができなかったので、バランサをロータから遠いモータロータに取り付けていた。このため、バランサが大きくなり高速運転時にシャフトのたわみが大きくなって軸受に焼きつきが生じ、信頼性が確保できなかったが、本実施形態では、このような問題を解決することができる。
【００１５】
次に、図２を参照して、本実施形態の圧縮室についての特徴を説明する。
シリンダ６は、ハウジングに固定されており、本実施形態では不動である。シリンダ６には、外周内壁６−１と内周内壁６−２で囲まれた環状のシリンダ室が形成されている。外周内壁６−１と内周内壁６−２とを連結する梁部６−３が形成されており、これが周知のローリングピストン形圧縮機のベーンと同様な役割、すなわち、圧縮室と吸入室との仕切り機能を果たす。環状のシリンダ室には、円周上の一部を切り欠いたＣ字形ロータ歯部５−１が配置されている。Ｃ字形の開放端部は、ロータ歯部５−１が揺動運動しても、梁部６−３に摺接できるような円弧状に形成されている。
【００１６】
図４に示すように、ロータ５の端板５−３に環状形成されたロータ歯部５−１のＣ字形の開放端部（梁部６−３と組み合うように切欠いた切欠き部の先端部）において、梁部６−３と接触し、かつ、往復運動する２つの先端部のうち、少なくともどちらか一方（高圧側、図４の右側）をロータ本体とは別部材７１で構成しても良い。また、図５に示すように、梁部６−３と接触し往復運動する２つの先端部のうち、少なくともどちらか一方をシュー部材７２で構成しても良い。別部材７１やシュー部材７２には、ＰＥＥＫ材や一般的な軸受材を使用すると良い。別部材７１やシュー部材７２を使用すると、ロータ歯部５−１内外の差圧による押付け力で、先端部と梁部６−３との隙間を詰めるようにすることにより、高圧側のシール性を向上させることができる。また、シュー部材７２を使用すると、先端部に作用する面圧を１／１０程度低減させることができ、信頼性が向上する。
【００１７】
クランクシャフト４の偏心運動に伴い、クランク部４−１を介して、ボス部５−２が公転運動を行うと、ロータ歯部５−１は、Ｃ字形の開放端部が梁部６−３に拘束されながら、ロータ歯部５−１の外周が、シリンダ６の外側内壁６−１に沿って転がるようにして揺動運動を行う。ロータ歯部５−１の外周は、シリンダ６の外側内壁６−１に沿って、接点Ｃ１（図６の（２）参照）が移動し、ロータ歯部５−１の内周は、シリンダ６の内側内壁６−２に沿って、接点Ｃ２（図６の（２）参照）が移動する。ロータ歯部５−１の外周とシリンダ６の外側内壁６−１との間を、接点Ｃ１と梁部６−３で仕切って、外側圧縮室（外側圧縮区画２２と外側吸入区画２１）を形成する。一方、ロータ歯部５−１の内周とシリンダ６の内側内壁６−２との間を、接点Ｃ２と梁部６−３で仕切って、内側圧縮室（内側圧縮区画３２と内側吸入区画３１）を形成する。
【００１８】
ここで、梁部６−３は、不動のシリンダ６の一部であって、周知のローリングピストン形圧縮機のベーンとは異なり、高回転時に遠心力が作用することはない。したがって、本実施形態では、従来のように、ベーンノーズとロータとの間に隙間（ベーンの離脱）が発生して性能低下が生じたり、ベーンノーズ部が焼き付くなどの問題が発生することはない。
【００１９】
次に、圧縮室に対する冷媒ガスの吸入・吐出経路について、図１〜３を参照して述べる。クランクシャフト４を駆動すると、低圧冷媒が吸入管５１からシリンダ６の吸入口６１へ流入する。クランクシャフト４の回転により、ロータ５がシリンダ６の外側の内壁に沿って揺動運動を行うことで、圧縮機構２の冷媒を外側圧縮室で中間圧まで圧縮する。圧縮された冷媒は、低段吐出口６４から、リードバルブ６６を経て中間圧室９内に吐出する。中間圧室９では、冷凍サイクル側から配管５２を通って流入するインジェクション冷媒と合流する（２段圧縮２段膨張冷凍サイクルや２段圧縮１段膨張冷凍サイクルの場合）。
【００２０】
中間圧冷媒は、円弧状の吸入口６２から、シリンダ６の内側圧縮室へ流入し、クランクシャフト４の回転によりロータ５が、シリンダ６の内側内壁６−２に沿って揺動運動を行い、内側圧縮室の冷媒を高圧まで圧縮する。圧縮された高圧冷媒は、高段吐出口６５から、リードバルブ６７を経て吐出室１０内に吐出する。高圧冷媒は吐出室１０から吐出管５３へ吐出し冷凍機のサイクルを循環する。
【００２１】
以下、第１実施形態の作動について、図６、７を参照して説明する。実際の作動は、クランク角θが、３６０°の間に、外側圧縮室では、外側圧縮区画２２で圧縮工程と、外側吸入区画２１の吸入工程が同時に行われ、内側圧縮室では、内側圧縮室３２で圧縮工程と内側吸入室３１の吸入工程が同時に行われる。ここでは、分かりやすくするために、図６では、外側圧縮区画２２での圧縮工程を説明し、図７では、内側圧縮区画３２での圧縮工程を説明する。
【００２２】
まず、図６の（１）のクランク角θ＝０°の場合は、吸入が完了して、外側圧縮区画２２において圧縮が開始する位置である。圧縮は、（１）〜（８）のクランク角θ＝０°〜３１５°辺りに亘って進行し、吐出口６４から中間圧室９内に送り出される。その後、（１）に戻り圧縮工程が完全に終了して、再度同じサイクルが繰り返される。なお、同時に、外側吸入区画２１の吸入工程が行われ、図６の（１）のクランク角θ＝０°で、吸入が完了する。
【００２３】
一方、内側圧縮室では、中間圧室９内に吐出された中間圧冷媒が、冷凍サイクル側から配管５２を通って流入するインジェクション冷媒と合流して、図７（５）の手前まで、内側吸入区画３１の吸入工程が行われ、図７の（５）のクランク角θ＝１８０°において、吸入が完了して、内側圧縮区画３２において圧縮が開始する。圧縮は、（５）→（４）のクランク角θ＝１８０°〜１３５°辺りに亘って進行し、吐出口６５から吐出室１０内に送り出される。その後、（５）に戻り圧縮工程が完全に終了して、再度同じサイクルが繰り返される。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態では、従来のローリングピストン形圧縮機と異なり往復運動するベーンが不要となる。また、固定された梁部６−３で、圧縮室を区画する機能を持たせることができるため、高速運転時においてもベーンの追従性や焼付きの問題が生じない。従来技術ではベーンの運動方向と摺動面が直交しており、大きな面圧がかかっていたが、本実施形態では、Ｃ字状ロータ歯部５−１の開放両端部の先端の運動方向と、摺動面（梁部６−３）が平行であるため、面圧を低減することができる。これによって、圧縮機の運転回転数を従来の３倍程度まで増加することが可能となる。さらに、従来のローリングピストン形圧縮機のように、高速時のベーンの飛び出しがなくなる。本実施形態では、従来のベーンを使用していないので、一層の高速運転が可能であり、それによって容積の低減が可能となり、圧縮機の小型化を実現することができる。本実施形態では特許文献１のものと比較して２０％程度の小型化が可能となる。
【００２５】
（第２実施形態）
第２実施形態は、図８Ａ、Ｂに示すような実施形態であり、クランクシャフト４を、鍔部を挟んでクランクシャフト本体４−２（ミドルハウジング７で軸受支持）と、端部シャフト４−３とから構成して、端部シャフト４−３を、ロータ５にボス部５−２を貫通させ、シリンダ６の内周内壁６−２の内側に、クランクシャフト本体４−２と同軸上に軸受（すべり、又は、コロ軸受）を形成したものである。これにより、圧縮荷重を両側から支持する、いわゆる両持ち支持が可能となり、軸受荷重の低減や、シャフトのたわみの低減が可能となり、信頼性が向上する。
【００２６】
（第３実施形態）
第３実施形態は、図９Ａ、Ｂに示すような実施形態であり、図２の実施形態の場合のシリンダの側面に設けた弁６２、６４、６５とは異なり、シリンダ６の内周内壁６−２や外周内壁６−１に、それぞれ、ポペット弁７４、７３を配置したものである。これにより、十分な吐出面積を確保することができ、圧縮時に生じる過圧縮を低減することができるため、性能が向上する。すなわち、図２の実施形態の場合のシリンダの側面に設けた吐出口６４、６５では、Ｃ字状ロータ歯部５−１が旋回し、吐出のための開口面積が円周方向に広がってしまう。このため、高圧になった圧縮ガスが、この狭い開口で絞られて過圧縮の状態となることがある。シリンダ６の内周内壁６−２や外周内壁６−１に、それぞれ、ポペット弁７４、７３を配置すれば、十分な吐出面積を確保して、圧力損出を減少させることができる。
【００２７】
（第４実施形態）
第４実施形態は、図１０に示すような実施形態であり、ロータ５を貫通する端部シャフト４−３の先端にバランサ７５を配置し、モータロータ３−２のバランサをなくしたものである。これにより、モータロータ３−２の重心回りの慣性モーメントのうち、回転軸と直交する方向のモーメントを低減でき、高回転時のロータモータの振れが小さくなるため、騒音・振動（ＮＶ）が低減できる。
【００２８】
（第５実施形態）
第５実施形態は、図１１、１２に示すような実施形態であり、クランクシャフト４のクランク部４−４をシャフト本体４−２と別体で構成し、シャフト本体４−２に打ち込んだ従動ピン４１と同軸、ほぼ同径の孔４１’をクランク部４−１に設け、クランク部４−４を従動ピン４１の中心Ｏ２回りに回転可能に挿入することにより、クランクシャフト４を形成した、いわゆる従動クランク機構を備えたものである。
【００２９】
これにより、ロータ５のＣ字状ロータ歯部５−１が、シリンダ６の内周内壁６−２や外周内壁６−１に押付けられるため、シール性が向上し、性能が向上する。その他は、第１実施形態と同じである。この時、クランク部４−４に働く慣性力や圧縮反力などの合力Ｆを適宜考慮して、従動ピン４１中心Ｏ２の位置を設定する。そして、ロータ５のＣ字状ロータ歯部５−１の内周面や外周面（歯側面）が、シリンダ６の内周内壁６−２や外周内壁６−１（歯側面）を押付ける方向に、クランク部４−３にモーメントＭが働くようにする。図１３においては、合力Ｆによって生じる、従動ピン４１中心Ｏ２の回りのモーメントＭが、クランク部４−４を介して、ロータ５の内外周面が、シリンダ６の内外周内壁を押付けるようにしている。これにより、歯側面の漏れが低減し、圧縮機の効率を向上させることができる。
【００３０】
（第６実施形態）
第６実施形態は、シリンダ室の外周内壁６−１とＣ字状ロータ歯部５−１の外周面との最小隙間量δ１、又は、シリンダ室の内周内壁６−２と、Ｃ字状ロータ歯部５−１の内周面との最小隙間量δ２が、クランクシャフト４のクランク部４−１とこれに嵌め合う軸受との隙間δ３より小さく設定した実施形態である。δ１、δ２の両方とも隙間δ３より小さくすることが好ましい。クランク部と軸受との隙間δ３よりも、シリンダ室の外周内壁６−１とＣ字状ロータ歯部５−１の外周面との最小隙間量δ１、又は、シリンダ室の内周内壁６−２と、Ｃ字状ロータ歯部５−１の内周面との最小隙間量δ２を小さくすれば、必ずロータ５の内外周面が、シリンダ６の内外周内壁に接触するようになる。これにより、ロータに作用する遠心力を軸受でなくロータとシリンダの接触部で受けることができるため、高回転時のロータ軸受の焼付きを防ぐことができ、信頼性が向上する。
【符号の説明】
【００３１】
３    駆動部、電動モータ
４    クランクシャフト
５    ロータ
６    シリンダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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