(57)【要約】【課題】  従来のロータリ式流体機械では、ロータの内側からロータ上下端面を通り作動室に流入するオイル量が多かった。このため、ロータリ式流体機械から外部に吐出される作動流体に混じるオイルの量が多く、これを低減し、ロータリ式流体機械の信頼性を向上させ、かつ、冷凍サイクル等のシステムへのオイルの影響を低減することが課題となっていた。【解決手段】  密閉容器１の内部に配置され、シリンダ５と、シャフト４と、シャフトの偏心部４ａに回転自在に嵌合されて偏心回転運動するローラ６と、シリンダのベーン溝５ｂに設置されて、ローラ６に先端を接しながらベーン溝を往復運動するベーン９と、ベーン９をローラ６に押しつけるバネ１０とを備え、ローラ６と、シリンダの内壁５ａと、ベーン９とに囲まれる、吸入室７と圧縮室８とが形成され、ローラ６の径方向の幅Ｗが、シャフト４の軸Ｌ１から偏心部４ａの軸Ｌ２への偏心量ｅの３倍以上とするロータリ式流体機械である。【選択図】  図３
2006097661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記偏心部に嵌合し前記シリンダの内側で偏心回転するローラと、前記シリンダの両端面を閉塞する閉塞部材と、前記シリンダと前記ローラと前記閉塞部材とにより形成される空間を複数の作動室に仕切るベーンとを備えたロータリ式流体機械において、前記閉塞部材の前記ローラと接する面に、前記ローラが偏心回転しても、常に前記ローラの上下端面に覆われる部分を存在させたことを特徴とするロータリ式流体機械。
【請求項２】
前記ローラの径方向の幅が、前記偏心部の偏心量の３倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のロータリ式流体機械。
【請求項３】
圧縮機であることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリ式流体機械。
【請求項４】
膨張機であることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリ式流体機械。
【請求項５】
作動流体が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のロータリ式流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍冷蔵庫や空調機等の冷凍サイクルに圧縮機や膨張機として用いることができるロータリ式流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータリ式流体機械は、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等の冷凍サイクルの圧縮機として用いられる。また、冷凍サイクルの高効率化のための膨張機や、ランキンサイクルの膨張機としても利用できる。
ロータリ圧縮機の主要構成部品であるベーン、ローラ、シリンダ等から成る機構部は、例えば、特許文献１等に開示されている。
以下に、ロータリ圧縮機を図５および図６を用いて説明する。
図５は従来のロータリ圧縮機の縦断面図、図６は図５のロータリ圧縮機の圧縮機構部のＺ−Ｚ′線横断面図である。
ロータリ圧縮機は、密閉容器１と、その内部に配置された圧縮機構部２と、電動機部３から構成される。圧縮機構部２は、中心軸Ｌ１を中心に回転可能なシャフト４と、内部に円筒面５ａを有するシリンダ５と、シャフト４の偏心部４ａに嵌合され、シャフト４の回転に伴いシリンダ５の内側で偏心回転運動を行うローラ６と、ローラ６に先端を接しながらシリンダ５のベーン溝５ｂの内部を往復運動し、シリンダ５とローラ６により形成される空間を作動室である吸入室７と圧縮室８に分割するベーン９と、ベーン９の後端に設置され、ベーン９の先端をローラ６に押し付けるバネ１０と、シリンダ５の両端面を閉塞しながらシャフト４を支える上軸受１１および下軸受１２とから構成される。電動機部３は、密閉容器１の内部に焼嵌めされた固定子１３と、シャフト４に焼嵌めされた回転子１４から構成される。
作動流体は、吸入管１５から上軸受１１に設けられた吸入孔１１ａを通じて吸入室７に導かれる。電動機部３に通電し、回転子１４と一体のシャフト４を回転させると、ローラ６は偏心回転運動を行い、吸入室７と圧縮室８の容積が変化し、これに伴い作動流体は吸入、圧縮される。圧縮された作動流体は、吐出孔１６の吐出弁（図示せず）が開くと、密閉容器１の内部を経て、吐出管１７より密閉容器１の外部に吐出される。
圧縮機構部２の潤滑を行うオイルは密閉容器１の下方のオイル溜り１８に蓄えられている。オイル溜り１８の油面はシリンダ５の上端面付近である。シリンダ５の閉塞部材である上軸受１１および下軸受１２の摺動面には、シャフト４の回転に伴いオイルを粘性で吸上げるスパイラル溝１１ｂ、１２ａが設けられている。電動機部３に通電し、シャフト４を回転させると、オイル溜り１８のオイルは下軸受１２の摺動面の下端よりスパイラル溝１２ａに導かれ、その一部はシャフト４の回転に伴い下軸受１２とシャフト４の隙間に入り油膜を形成し、摺動を流体潤滑状態に保つ。スパイラル溝１２ａにより下軸受１２の摺動面の上端まで導かれたオイルは、シャフト４の偏心部４ａとローラ６の内周面の間の隙間を潤滑する。そして、オイルの一部はローラ６の上端面と上軸受１１の下端面の間の隙間、および、ローラ６の下端面と下軸受１２の上端面の間の隙間を潤滑しながら、オイル溜り１８よりも圧力が低い吸入室７と圧縮室８に流れ、残りのオイルは上軸受１１のスパイラル溝１１ｂに導かれる。スパイラル溝１１ｂ内のオイルはシャフト４の回転に伴い上軸受１１とシャフト４の隙間に入り油膜を形成することにより、シャフト４と上軸受１１の摺動を流体潤滑状態に保つ。スパイラル溝１１ｂにより上軸受１１の摺動面の上端まで導かれたオイルは摺動面から吐出され、重力により再びオイル溜り１８に戻る。一方、ベーン９とベーン溝５ｂの隙間は、オイル溜り１８の油面よりも下方に位置するため、吐出圧力に等しいベーン９の背面側のオイル溜り１８から、より低い圧力である吸入室７と圧縮室８側に向かってオイルが流れ込み、ベーン９の側面および上下端面を潤滑する。そして同時に、オイルによってベーン９の背面側から吸入室７と圧縮室８の間に流れ込む作動流体をシールする。
【０００３】
以上はロータリ式流体機械の構成と動作を圧縮機を例に説明したが、膨張機の場合も基本構成は概略同様である。ロータリ膨張機の構成については、例えば、特許文献２等に開示されている。
以下に、従来のロータリ膨張機を図７および図８を用いて説明する。
図７は従来のロータリ膨張機の縦断面図、図８は図７のロータリ膨張機の膨張機構部のＺ−Ｚ′線横断面図である。
ロータリ膨張機は、密閉容器２１と、その内部に配置された膨張機構部２２と、発電機部２３から構成される。膨張機構部２２は、中心軸Ｌ１を中心に回転可能なシャフト２４と、内部に円筒面２５ａを有するシリンダ２５と、シャフト２４の偏心部２４ａに嵌合され、シャフト２４の回転に伴いシリンダ２５の内側で偏心回転運動を行うローラ２６と、ローラ２６に先端を接しながらシリンダ２５のベーン溝２５ｂの内部を往復運動し、シリンダ２５とローラ２６により形成される空間を作動室である吸入室２７と膨張室２８に分割するベーン２９と、ベーン２９の後端に設置され、ベーン２９をローラ２６に押し付けるバネ３０と、シリンダ２５の両端面を閉塞しながらシャフト２４を支える上軸受３１および下軸受３２とから構成される。ローラ２６の外周面にはベーン２９の先端が嵌合する溝２６ａが設けられており、ローラ２６の自転を防止している。また、シャフト２４には上側から軸方向に向かって軸方向流路２４ｂと、軸方向流路２４ｂと偏心部２４ａの外周面を結ぶ径方向流路２４ｃが設けられている。ローラ２６の外周面の溝２６ａの吸入室２７側の近傍にはローラ２６の内外周面を貫通する吸入孔２６ｂが設けられている。発電機部２３は、密閉容器２１の内部に焼嵌めされた固定子３３と、シャフト２４に焼嵌めされた回転子３４から構成される。
作動流体は、吸入管３５から密閉容器２１の内部に開放された後、シャフト２４の軸方向流路２４ｂと径方向流路２４ｃ、ローラ２６の吸入孔２６ｂを通じて吸入室２７に導かれる。ローラ２６は自転を防止されているため、シャフト２４の径方向流路２４ｃとローラ２６の吸入孔２６ｂは、シャフト２４の一定の回転角度の範囲でしか連通せず、連通している間だけ作動流体を吸入室２７に導く。吸入過程が終了し、吸入室２７が膨張室２８になると、高圧の作動流体は、減圧膨張しながら膨張室２８の容積を拡大する方向へとシャフト２４を回転させる。シャフト２４の回転動力は発電機２３によって電気エネルギーとして回収される。膨張室２８で膨張した作動流体は上軸受３１に設けられた吐出孔３１ａを通じて吐出管３６より密閉容器２１の外部に吐出される。
膨張機構部２２の潤滑を行うオイルの経路については、圧縮機の場合と同様であるので、説明を省略する。
【特許文献１】特開昭６０−２５９２９０号公報
【特許文献２】特開平８−３３８３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧縮機や膨張機として用いられるロータリ式流体機械は、以下の理由から、密閉容器１、２１の外部に吐出して作動流体に混入するオイルの割合（以下、オイル吐出量とする）を少なくすることが求められる。まず、オイル吐出量が多いと、ロータリ式流体機械を含むシステムの他の要素の機能を低下させる可能性がある。例えば、冷凍サイクルにおいては、熱交換器の伝熱管の内部にオイルが付着することにより、作動流体から管壁への伝熱性能が低下するという課題が生じる。
また、オイル吐出量が多いと、流体機械内部のオイル溜り１８、３７に貯留されるオイルが減少し、圧縮機構部２あるいは膨張機構部２２の潤滑や、作動流体の漏れを低減するためのシールが十分に行えなくなるために、信頼性や性能が低下するという課題が生じる。
オイルが作動流体に混入する原因としては、オイル溜り１８、３７から汲み上げられ、圧縮機構部２や膨張機構部２２を潤滑およびシールしたオイルが、吸入室７、２７や圧縮室８、膨張室２８（以下、作動室と呼ぶ）に流入し、作動流体と混合されるためである。そして、流入の経路としては、ローラ６、２６の上下端面の隙間や、ベーン９、２９の側面および上下端面の隙間が挙げられるが、ローラ６、２６とベーン９、２９の部品の大きさを考慮すると、ローラ６、２６の上下面の隙間の縁の長さは、ベーン９、２９の側面および上下端面の隙間の縁の長さよりも大きく、かつ、クリアランスが同程度であるため、ローラ６、２６の上下端面が主な流入経路となっている。このため、オイル吐出量を低減するためには、ローラ６、２６の上下端面を通り作動室に流入するオイルの流量を減らす必要がある。しかし、ローラ６、２６の上下端面は摺動面でもあるため、従来のロータリ式流体機械においては、摺動面積を小さくして摺動損失を低減するためにローラ６、２６の径方向の幅を狭くしており、幅がオイルの流量を減らすには不十分であった。
圧縮機の場合、作動室に流入したオイルは、作動流体とともに圧縮機構部２から密閉容器１の内部空間に開放された後、吐出管１７から外部に吐出されるので、密閉容器１の内部空間において重力や電動機部３の回転による遠心力等を利用して作動流体からオイルを分離することが可能であり、作動室に流入したオイルが全て密閉容器１の外部に吐出されることは無かった。一方、膨張機の場合、作動室に流入した全てのオイルは、作動流体とともに吐出孔３１ａを通り吐出管３５から外部に直接吐出されるため、圧縮機の場合よりもオイル吐出量が増える傾向があり、より一層その低減が望まれる。
また、ロータリ式流体機械を超臨界状態の二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルに用いる場合、従来のフロン等の作動流体を用いる冷凍サイクルの場合と比べ、高圧側と低圧側の圧力差が３から４倍程度となるために、圧力差によりローラ６、２６の上下端面から作動室へ流入するオイルの量が増す為、よりオイル吐出量の低減が望まれる。
また、容積はロータリ式流体機械の下から上までの長さの３乗に比例するため、ロータリ式流体機械をより小型にするほど、作動室の体積の容積に対して、ローラ６、２６の上下端面の縁の長さの割合が増加し、作動流体に対する流入オイル量の比率が増加するため、より一層オイル吐出量の低減が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、第１の本発明は、シリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記偏心部に嵌合し前記シリンダの内側で偏心回転するローラと、前記シリンダの両端面を閉塞する閉塞部材と、前記シリンダと前記ローラと前記閉塞部材とにより形成される空間を複数の作動室に仕切るベーンとを備えたロータリ式流体機械において、前記閉塞部材の前記ローラと接する面に、前記ローラが偏心回転しても、常に前記ローラの上下端面に覆われる部分を存在させたことを特徴とするロータリ式流体機械である。
第２の本発明は、前記ローラの径方向の幅が、前記偏心部の偏心量の３倍以上であることを特徴とする第１の本発明のロータリ式流体機械である。
第３の発明は、圧縮機であることを特徴とする第１または第２の本発明のロータリ式流体機械である。
第４の発明は、膨張機であることを特徴とする第１または第２の本発明のロータリ式流体機械である。
第５の発明は、作動流体が二酸化炭素であることを特徴とする第１から４のいずれかの本発明のロータリ式流体機械である。
【発明の効果】
【０００６】
以上、本発明によれば、ロータリ式流体機械において、シリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記偏心部に嵌合し前記シリンダの内側で偏心回転するローラと、前記シリンダの両端面を閉塞する閉塞部材と、前記シリンダと前記ローラと前記閉塞部材とにより形成される空間を複数の作動室に仕切るベーンとを備えたロータリ式流体機械において、前記閉塞部材の前記ローラと接する面に、前記ローラが偏心回転しても、常に前記ローラの上下端面に覆われる部分を存在させたことにより、ローラの上下端面から圧縮室や膨張室等の作動室に流入するオイルの量を低減し、ロータリ式流体機械からのオイル吐出量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について、ロータリ圧縮機を例に図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機は、シリンダ５やローラ６の寸法を除いて、図５および図６で詳述した従来のロータリ圧縮機と基本的な構成が同様であり、同一の機能部品については同一の番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省略する。
図１は本実施の形態のロータリ圧縮機の縦断面図、図２は図１に示すロータリ圧縮機の圧縮機構部のＺ−Ｚ’線横断面図、図３は本実施の形態の図２に示すロータリ圧縮機の圧縮機構部の拡大横断面図である。図３において、Ｄはシリンダ５の円筒面５ａの内径、ｅはシャフト４の軸Ｌ１とシャフト４の偏心軸４ａの軸Ｌ２の間の距離（以後、偏心量とする）、Ｗはロータ６の径方向の幅である。
【０００８】
本実施の形態のロータリ圧縮機では、ロータ６の径方向の幅Ｗが、偏心量ｅの３倍となる形状としている。このような構成とした効果を説明する。ローラ６はシャフト４の偏心部４ａに嵌合されているため、シャフト４の回転に伴い偏心量ｅを半径とする偏心回転運動、すなわち、ローラ６の中心軸Ｌ２はシャフト４の軸Ｌ１の周りで半径ｅの公転運動を行いながら、ローラ６は中心軸Ｌ２の周りで不規則な自転運動を行う。公転運動に伴い、ローラ６の上下端面は移動する。ローラ６の自転運動がないと仮定すると、シリンダ５の円筒面５ａと接するローラ６の外周面の点Ｐ１は、偏心量ｅを半径とし、シリンダ５の円筒面５ａに接する円Ｃ１の上を運動する。また、点Ｐ１と同じローラ６の半径上でＷだけ離れた位置にあるローラ６の内周面の点Ｐ２は、偏心量ｅを半径とし、シリンダ５の円筒面５ａと中心が同じで直径が２Ｗだけ小さい円に接する円Ｃ２の上を運動する。ここで、シャフト４の軸Ｌ１を中心とし、円Ｃ１に接する円Ｃ３と、円Ｃ２に接する円Ｃ４を考えると、円Ｃ３と円Ｃ４の間のハッチングを施した領域Ａは、ローラ６が偏心回転運動を行っても常にローラ６の外周面と内周面の間になる位置、すなわち、常にローラ６の上下端面に覆われる位置となる。ここで、円Ｃ３と円Ｃ４の直径は、円Ｃ１と円Ｃ２の直径が２ｅであることを考慮すると、それぞれ、Ｄ−４ｅ、Ｄ−２Ｗとなる。そして、領域Ａが存在する条件は、円Ｃ３が円Ｃ４より大きいこと、すなわち、次式を満たすことである。
【０００９】
【数１】
2006097661.tif 000003
【００１０】
上記（数１）式を整理すると、領域Ａが存在する条件は、Ｗ＞２ｅとなる。
また、領域Ａの幅Ｔは、円Ｃ３とＣ４の半径の差であるので、次式で表すことができる。
【００１１】
【数２】
2006097661.tif 000004
【００１２】
本実施の形態ではＷ＝３ｅとしているため、領域Ａの幅Ｔは偏心量ｅに等しい。
従来のロータリ圧縮機では、ローラ６の上下端面での摺動損失を下げるためにＷを小さくした結果、Ｗ≦２ｅであり、領域Ａが存在しなかった。この場合、ローラ６の上端面とシリンダ５の閉塞部材である上軸受１１の下端面の隙間、および、ローラ６の下端面とシリンダ５の閉塞部材である下軸受１２の上端面の隙間のオイルは、オイル自体が動かなくても、シャフト４が１回転する間にローラ６の運動によりローラ６の内周側から外周側に掃き出され、その結果、ローラ６の上下端面を通過して作動室に流入するオイルの量が増加していた。
これに対して本実施の形態では、領域Ａが存在することにより、ローラ６の位置に関わらず、常にロータ６の上下端面と上軸受１１の下端面または下軸受１２の上端面との隙間に挟まれオイルの動きが遅くなっており、ローラ６の内周側から外周側に流れるオイルの流速が下げられるため、ローラ６の上下端面を通過して作動室に流入するオイルの流量を低減し、圧縮機からのオイル吐出量を低減することができる。
【００１３】
また、作動流体が超臨界の二酸化炭素である冷凍サイクルに用いる場合には、従来のフロンを作動流体に用いた冷凍サイクルの場合と比べ、高圧側と低圧側の圧力差が３倍から４倍の大きさとなるため、領域Ａによるオイル吐出量を低減する効果がより顕著になる。
【００１４】
図４に実際のロータリ圧縮機を用いて行った実験結果を示す。作動流体は二酸化炭素であり、吸入容積は１．３ｃｃ、偏心量ｅは２．０ｍｍであり、ローラ６の径方向の幅Ｗが３．０ｍｍ（Ｗ＝１．５ｅ）の場合と６．０ｍｍ（Ｗ＝３．０ｅ）の場合で比較を行った。回転数は９０Ｈｚであり、吐出管１７で作動流体である超臨界の二酸化炭素をサンプリングし、そこに含まれるオイルの重量パーセントを測定した。その結果、Ｗが３．０ｍｍ（Ｗ＝１．５ｅ）の場合には０．６ｗｔ％であるのに対し、Ｗが６．０ｍｍ（Ｗ＝３．０ｅ）の場合には０．１ｗｔ％であった。このように、二酸化炭素を作動流体に用いた、比較的小型のロータリ圧縮機において、オイル吐出量が顕著に減少することを確認した。このとき、圧縮機効率に関しては、ほぼ同等である。これは、Ｗが６．０ｍｍの場合、ローラ６の上下端面の面積が増加したことによる摺動損失が増加という性能低下要因と、オイルの流入が減ったことによるオイルからの受熱損失の減少や、シール性の向上による体積効率の向上による性能向上要因が同程度であり、その結果、同等の性能になったと考えられる。
容積はロータリ式流体機械の下から上までの長さの３乗に比例することを考慮すると、ロータリ式流体機械をより小型にするほど、作動室の体積の容積に対するローラ６の上下端面の縁長さの割合が増加し、作動流体に対する流入オイル量が増加するので、領域Ａによる効果がより顕著になる。従って、実験では吸入容積１．３ｃｃのロータリ圧縮機でオイル吐出量低減の効果が確認できたので、より吸入容積の小さいロータリ圧縮機の場合は、確実にオイル吐出量低減の効果が得られる。
また、本実施の形態では、Ｗ＝３．０ｅとしたが、Ｗ＞３．０ｅの場合は領域Ａがさらに拡大されるのでより優れた効果が得られる。ただし、あまりＷを大きくすることは圧縮機構部２をが径方向に大きくなってしまい、従来と同じ密閉容器１に納まらなくなるので、コンパクトな圧縮機の構成には望ましくない。しかし、Ｗ＝３．０ｅ程度なら従来のロータリ圧縮機と同じ密閉容器１に納めることが可能である。
一方、３．０ｅ＞Ｗ＞２．０ｅの範囲でも領域Ａが形成されるが、領域Ａが小さい場合にはほとんど効果が得られないことや、実際のローラ６のエッジには若干の面取りがあり、そのために実際の領域Ａは若干小さくなるので、Ｗ＝２．０ｅの近傍に設定すべきでないことを考慮すると、実機で確認できたＷ≧３．０ｅにすることで確実に効果が得られる。
以上は、ロータリ圧縮機を例に説明を行ったが、ロータリ膨張機に適用しても同様の効果が得られる。また、ロータリ膨張機の場合、作動室の作動流体は、吐出孔３１ａから密閉容器２１の内部空間を経ずに直に吐出管３６へと流れるため、圧縮機のような密閉容器１の内部でのオイル分離効果がなく、圧縮機と比べてオイル吐出量が増加する。従って、領域Ａを設ける効果がより顕著になる。
また、ロータリ式流体機械であるならば、真空ポンプ等に用いても同様の効果が得られる。
また、ローラ６とベーン９の替わりにローラとブレードが一体成形されたスウィング式流体機械でも同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明にかかるロータリ式流体機械は、オイル吐出量を低減した圧縮機、膨張機等に応用できるため有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機の縦断面図
【図２】図１に示すロータリ圧縮機の圧縮機構部のＺ−Ｚ’線横断面図
【図３】図２に示すロータリ圧縮機の圧縮機構部の拡大横断面図
【図４】ロータリ圧縮機のオイル吐出量と圧縮機効率の測定結果
【図５】従来のロータリ圧縮機の縦断面図
【図６】図５に示すロータリ圧縮機の圧縮機構部のＺ−Ｚ’線横断面図
【図７】従来のロータリ膨張機の縦断面図
【図８】図７に示すロータリ膨張機の圧縮機構部のＺ−Ｚ’線横断面図
【符号の説明】
【００１７】
１、２１  密閉容器
４、２４  シャフト
５、２５  シリンダ
６、２６  ローラ
７、２７  吸入室
８  圧縮室
２８  膨張室
９、２９  ベーン
１５、３５  吸入管
１７、３６  吐出管
１８、３７  オイル溜り
【図１】
2006097661.tif 000005
【図２】
2006097661.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006097661.tif 000009
【図６】
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【図７】
2006097661.tif 000011
【図８】
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